CN101872904B

CN101872904B - 可变形天线反射面

Info

Publication number: CN101872904B
Application number: CN 201010213907
Authority: CN
Inventors: 冷劲松; 刘彦菊; 张蕊瑞; 兰鑫
Original assignee: Harbin Institute of Technology
Current assignee: Harbin Institute of Technology
Priority date: 2010-06-30
Filing date: 2010-06-30
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2030-06-30
Also published as: CN101872904A

Abstract

一种可变形天线反射面，它涉及一种天线反射面。本发明的目的是解决目前反射面天线无法满足复杂多变的空间环境，且在空间中不能对其进行在轨热变形控制和在轨振动控制导致在轨反射面天线精度降低及目前的空间天线不能结构变形无法满足各种空间要求的问题。所述驱动器包括端盖、驱动轴、壳体、工作线圈或导线和驱动功能材料体，所述端盖装在壳体上，所述驱动轴为十字形，所述驱动轴的一端与端盖连接，与其相对的一端与驱动功能材料体连接，另外两端与壳体的侧壁接触，驱动轴可沿壳体轴向滑动，工作线圈或导线设在驱动轴与壳体之间且位于驱动功能材料体的外部。本发明用于实现航天器天线在轨热变形的控制、振动控制和反射面变形。

Description

可变形天线反射面

技术领域

本发明涉及一种天线反射面。

背景技术

未来的卫星通信、宇宙探索、地面跟踪和射电天文都广泛采用大口径反射面天线，以前的网状天线发射前尽管在地面调整的满足了网面精度的要求（以往研究仅限于地面调整），由于空间环境是一个复杂多变的环境，又不能对其进行在轨热变形控制及在轨振动控制，所以在轨天线还是产生了意料不到的精度下降。

对通信卫星而言，通信卫星、地球、月亮和太阳夜以继日不停地在各自轨道上运行，当它们之间处于特定的相对位置时，会构成对卫星通信的影响，降低通信质量；另外为适应宽带多媒体通信卫星系统终端小型化、业务宽带化和服务个性化的趋势，通信卫星天线要达到高增益、窄波束、高效率、多功能等指标，在轨道的不同位置就需要不同的通信密度和工作频率，往往不同波段需要采用不同的反射面形状，这就要求天线能够实现在轨精密的结构变形，从而具有不同的频率，来满足各种空间要求，完成多种的空间任务。

传统的空间天线是在建立在简化或理想化的天线结构模型或者工程经验公式的基础上，其形状的控制主要靠发射前在地面调整到理论面，难以根据实际天线结构和空间环境做到适时调整，以充分保证反射面精度并满足空间需求。

智能材料和结构技术的发展，尤其是形状记忆聚合物、电致活性聚合物、形状记忆合金、磁致伸缩材料、电磁流变体、磁流变液体、铁电马氏体等主动变形材料的出现，突破了地面调整的局限，使在轨变形成为可能，能够实现在轨调整，极大的推动空间可展开结构的发展。目前，各种驱动器已成功地应用在精密定位、精密加工、智能结构、生物工程、航空航天、电子通讯、汽车工业、机器人关节、医疗器械等众多技术领域。

2008年1月16日公开的（公开号为CN101106216A）《形状记忆材料的可展开固体表面天线反射面》专利记载的天线反射面不能在空间结构变形无法满足通信卫星空间要求的问题。

发明内容

本发明的目的是为了解决目前反射面天线无法满足复杂多变的空间环境，且在空间中不能对其进行在轨热变形控制和在轨振动控制导致在轨反射面天线精度降低及目前的空间天线不能结构变形无法满足通信卫星空间要求的问题，提出了一种可变形天线反射面。

本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：所述可变形天线反射面包括反射表面体、第一环向加强件、第二环向加强件和一组径向加强片，反射表面体为中间设置有圆形开口的抛物面形，在反射表面体的背面的上边缘处固定连接有第一环向加强件，在反射表面体的背面的下边缘处固定连接有第二环向加强件，第一环向加强件和第二环向加强件之间的反射表面体的背面设有沿抛物线方向排列的一组径向加强片，所述可变形天线反射面还包括一组驱动器，所述驱动器包括端盖、驱动轴、壳体、工作线圈或导线和驱动功能材料体，所述端盖装在壳体上，所述驱动轴为十字形，所述驱动轴的一端与端盖连接，与其相对的一端与驱动功能材料体连接，另外两端与壳体的侧壁接触，驱动轴可沿壳体轴向滑动，工作线圈或导线设在驱动轴与壳体之间且位于驱动功能材料体的外部；

反射表面体的背面设有一组驱动器，一组驱动器位于第一环向加强件和第二环向加强件之间且沿抛物面环向分布，每个驱动器的驱动轴与反射表面体接触；

反射表面体的材料为复合材料薄膜，复合材料薄膜由压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电聚合物、压电复合材料、压电液晶材料、形状记忆合金、形状记忆复合材料、磁致伸缩材料、电磁流变体、磁流变液或超磁致伸缩薄膜制成。

本发明具有以下有益效果：1.本发明能够实现天线在轨变形，本发明利用驱动器对反射面的形状进行在轨精密调整，既能实现对其进行热变形及在轨振动控制，又能够实现在轨精密的结构变形，来满足不同的空间要求，以使天线的反射面性能满足工作需要；2.本发明突破了地面调整的局限，实现了在轨调整；3.本发明的反射面的材料为复合材料薄膜，充分利用了复合材料高比模量、高比刚度、空间适应性好、可设计性强的优点，能很好的克服网状或固体反射面表面精度较低、结构复杂、可靠性低的缺点；4.本发明具有功能多、适用范围广、灵活性大和较少依赖设计者经验的优势，突破了仅限于地面调整的限制。

附图说明

图1是本发明的在轨结构立体图，图2是图1的侧视图，图3是本发明反射面体变形后的结构立体图，图4是驱动器结构示意图。

具体实施方式

具体实施方式一：结合图1说明本实施方式，本实施方式的可变形天线反射面包括反射表面体1、第一环向加强件2、第二环向加强件3和一组径向加强片4，反射表面体1为中间设置有圆形开口的抛物面形，在反射表面体1的背面的上边缘处固定连接有第一环向加强件2，在反射表面体1的背面的下边缘处固定连接有第二环向加强件3，第一环向加强件2和第二环向加强件3之间的反射表面体1的背面设有沿抛物线方向排列的一组径向加强片4，所述可变形天线反射面还包括一组驱动器5，所述驱动器5包括端盖5-1、驱动轴5-2、壳体5-3、工作线圈或导线5-4和驱动功能材料体5-5，所述端盖5-1装在壳体5-3上，所述驱动轴5-2为十字形，所述驱动轴5-2的一端与端盖5-1连接，与其相对的一端与驱动功能材料体5-5连接，另外两端与壳体5-3的侧壁接触，驱动轴5-2可沿壳体5-3轴向滑动，工作线圈或导线5-4设在驱动轴5-2与壳体5-3之间且位于驱动功能材料体5-5的外部；其中工作线圈或导线5-4的正负极和驱动功能材料体5-5连接；

反射表面体1的背面设有一组驱动器5，一组驱动器5位于第一环向加强件2和第二环向加强件3之间且沿抛物面环向分布，每个驱动器5的驱动轴5-2与反射表面体1接触；

反射表面体1的材料为复合材料薄膜，复合材料薄膜由压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电聚合物、压电复合材料、压电液晶材料、形状记忆合金、形状记忆复合材料、磁致伸缩材料、电磁流变体、磁流变液或超磁致伸缩薄膜制成；

反射面体1安装的馈源和背架支撑结构与一般网状可展开天线相同。

具体实施方式二：本实施方式的驱动器5还包括电阻加热膜5-6，驱动功能材料体5-5的外部设有电阻加热膜5-6，其中导线5-4的正负极和电阻加热膜5-6连接。电阻加热膜5-6由镍铬电阻材料、镍铬铁电阻材料、铁铬电阻材料、镍铬铝铁电阻材料、铁铬铝电阻材料、钼电阻材料、纯镍电阻材料、锰铜电阻材料、康铜电阻材料、铜镍电阻材料、铁电阻材料或铜电阻材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式三：本实施方式的压电材料按体积分数比由5～98份介电弹性体材料和2～95份增强相材料构成，压电材料结构简单、直接驱动、低成本、轻质量、大位移且高效率，目前为具有重要潜在应用价值的一种驱动材料。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式四：本实施方式的介电弹性体材料为丙烯酸或硅橡胶，此结构具有超大变形(380％)、高弹性能密度（3.4J/g），高效率和超短反应时间、疲劳寿命高、循环次数高等特点，为制作轻便、微型化、精度高的驱动器提供了条件，是极有发展满力的一种智能材料。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式五：本实施方式的增强相材料为高介电常数钛酸钡颗粒或镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉和铝粉中的一种或几种、玻璃石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维或碳化硅纤维，可根据需要的性能来选择添加增强相材料，如添加碳纤维增强材料刚度，添加镍粉调节材料形变量大小。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式六：本实施方式的压电复合材料按体积份数比由40～90份介电弹性体材料和10～60份增强相材料构成，可选择不同材料配比使材料具有不同的性能满足要求。其它组成及连接关系与具体实施方式三相同。

具体实施方式七：本实施方式的压电复合材料按体积分数比由50份介电弹性体材料和50份增强相材料构成，此结构相对地保有特定方向致动和弹性的优点，同时有相当高的致动效率，材料有柔韧、轻质、高效、制造容易优点。其它组成及连接关系与具体实施方式三或六相同。

具体实施方式八：形状记忆聚合物为苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式九：复合材料薄膜的厚度为0.1~0.2mm。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十：驱动器5的激励方式为电激励，在此种激励方式下驱动功能材料体5-5由压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电高聚物、压电复合材料或压电液晶材料制成；驱动器5的激励方式为热激励，在此种激励方式下驱动功能材料体5-5由形状记忆聚合物和形状记忆合金制成；驱动器5的激励方式为磁激励，驱动功能材料体5-5由磁致伸缩材料、超磁致伸缩材料和磁控形状记忆合金材料制成。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

驱动器5的激励方式为热激励，热激励它具有驱动电压低、驱动力大、行程大优点，而且制作工艺比较简单；驱动器5的激励方式为磁激励，磁激励是直接利用材料的功能特性进行直接驱动的方式，优点是驱动力大，结构简单，易控制，响应频率高，动态特性好；驱动器5的激励方式为电激励，电激励优点是有较高的位移分辨率和控制精度，而且具有响应快、驱动力大、驱动功率低和工作频率宽优点。

具体实施方式十一：本实施方式的驱动器5为电致活性聚合物驱动器，此结构具有质量轻、价格低、运动灵活、易于加工、技术成熟优点。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十二：本实施方式的驱动功能材料体5-5由苯乙烯系形状记忆聚合物、环氧树脂系形状记忆聚合物、氰酸酯系形状记忆聚合物、形状记忆聚氨酯、形状记忆聚酯、形状记忆苯乙烯-丁二烯共聚物、形状记忆反式聚异戊二烯或形状记忆聚降冰片烯材料制造而成，此结构形变量最大可为200％，且可采用多种激励方式如热、电、磁和光。其它组成及连接关系与具体实施方式八相同。

具体实施方式十三：本实施方式的一组驱动器5可以通过激励方式进行驱动，其中激励方式驱动包括压电式驱动、电致伸缩式驱动、磁致伸缩式驱动、光驱动技术、热驱动、超导驱动技术、静电驱动技术、金属氢化物驱动技术、形状记忆合金驱动技术、高分子凝胶驱动技术、分子马达驱动技术和溶液驱动，此结构取决于驱动器的驱动功能材料能感应的相应激励方式，以实现对驱动器的激励。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十四：本实施方式的一组驱动器5环向分布为正环形、偏环形、直线型、均匀形或非均匀形，此结构均能满足变形要求。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十五：本实施方式的一组驱动器5对反射表面体1进行旋转驱动、线性对齐驱动或旋转驱动和线性对齐驱动混合型，其中旋转驱动为双晶片驱动、电磁箝位驱动、惯性驱动或行波驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十六：本实施方式的一组驱动器5部分对反射面体1进行旋转驱动，部分对反射面体1进行旋转驱动，或者对反射面体1进行各种混合组合驱动。其它组成及连接关系与具体实施方式一相同。

具体实施方式十七：本实施方式的一组驱动器5使反射面体1的在轨变形应用于对热变形的控制，由于空间环境是一个复杂多变的环境，天线往往会由于温度变形、展开机构的不准确性(对于可展开反射面天线)和表面加工误差等因素造成实际反射面形状与设计形状不一致，轨道上的航天器结构要长期经受太阳、行星和空间低温的交替加热和冷却，引起高低温的剧烈变化，导致受热的不均，从而使得天线结构产生较大的变形，一组驱动器5抑制这种变形来保证反射面的要求形状。

具体实施方式十八：本实施方式的驱动器5使反射面体1的在轨变形可应用于对热变形的控制、应用于对振动进行控制、应用于通信卫星天线使其在轨道的不同位置就需要不同的通信密度和工作频率以达到高增益、窄波束、高效率、多功能指标。

具体实施方式十九：本实施方式的一组驱动器5是反射面体1的在轨变形应用于一个天线在不同时间不同位置来满足不同的空间要求，对通信卫星而言，在轨道的不同位置，需要不同的通信密度（需要反射面能够有较高的空间频率变化和振幅到厘米级范围等变形），这就需要天线能够实现在轨精密的结构变形，实现通信卫星的任务要求。

具体实施方式二十：本实施方式的一组驱动器5热驱动的加热方式为通过太空空间环境存在的射线辐射直接对驱动器材料加热，以实现驱动器5驱动反射面体1变形的运动；其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式二十一：本实施方式的一组驱动器5的每个驱动器表面覆有柔性电极，当给电极上施加电压，驱动器5将驱动反射面体1发生变形反应。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

具体实施方式二十二：本实施方式的第一环向加强件2、第二环向加强件3、径向加强片4和一组驱动器5与反射表面体1采用粘接、机械连接或粘接与机械连接相结合的连接。其它组成和连接方式与具体实施方式一相同。

工作原理：驱动器5受到相应的激励后，在轨变形过程：当航天器在空间运行过程中，由于空间环境恶劣多变，反射面体1有热变形或振动产生时，或需要大幅改变反射面体1的形状以适应此时此刻的任务要求，处于反射面体1背面的一组驱动器5的工作线圈或导线5-4受到相应的热激励、电激励、磁激励或光激励，驱动功能材料体5-5变形，使驱动轴5-2运动，对复合材料制成的薄膜反射面体1作出相应的驱动形式，反射面体1线形对准，旋转或既旋转又线形对准，使反射面体1保持形状的稳定性或形成新的反射面形状。

Claims

1.一种可变形天线反射面，所述可变形天线反射面包括反射表面体（1）、第一环向加强件（2）、第二环向加强件（3）和一组径向加强片（4），反射表面体（1）为中间设置有圆形开口的抛物面形，在反射表面体（1）的背面的上边缘处固定连接有第一环向加强件（2），在反射表面体（1）的背面的下边缘处固定连接有第二环向加强件（3），第一环向加强件（2）和第二环向加强件（3）之间的反射表面体（1）的背面设有沿抛物线方向排列的一组径向加强片（4），其特征在于所述可变形天线反射面还包括一组驱动器（5），所述驱动器（5）包括端盖（5-1）、驱动轴（5-2）、壳体（5-3）、工作线圈或导线（5-4）和驱动功能材料体（5-5），所述端盖（5-1）装在壳体（5-3）上，所述驱动轴（5-2）为十字形，所述驱动轴（5-2）的一端与端盖（5-1）连接，与其相对的一端与驱动功能材料体（5-5）连接，另外两端与壳体（5-3）的侧壁接触，驱动轴（5-2）可沿壳体（5-3）轴向滑动，工作线圈或导线（5-4）设在驱动轴（5-2）与壳体（5-3）之间且位于驱动功能材料体（5-5）的外部；

反射表面体（1）的背面设有一组驱动器（5），一组驱动器（5）位于第一环向加强件（2）和第二环向加强件（3）之间且沿抛物面环向分布，每个驱动器（5）的驱动轴（5-2）与反射表面体（1）接触；

反射表面体（1）的材料为复合材料薄膜，复合材料薄膜由压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电聚合物、压电复合材料、压电液晶材料、形状记忆合金、形状记忆复合材料、磁致伸缩材料、电磁流变体、磁流变液或超磁致伸缩薄膜制成。

2.根据权利要求1所述可变形天线反射面，其特征在于所述驱动器（5）还包括电阻加热膜（5-6），驱动功能材料体（5-5）的外部设有电阻加热膜（5-6）。

3.根据权利要求1所述可变形天线反射面，其特征在于压电复合材料按体积份数比由5～98份介电弹性体材料和2～95份增强相材料构成。

4.根据权利要求3所述可变形天线反射面，其特征在于所述介电弹性体材料为丙烯酸或硅橡胶。

5.根据权利要求3所述可变形天线反射面，其特征在于增强相材料为高介电常数钛酸钡颗粒或镍粉、石墨粉、晶须、碳化硅粉末、铜粉、银粉和铝粉中的一种或几种、玻璃石墨纤维、碳纤维、玻璃纤维、芳纶纤维、硼纤维或碳化硅纤维。

6.根据权利要求3所述可变形天线反射面，其特征在于压电复合材料按体积份数比由40～90份介电弹性体材料和10～60增强相材料构成。

7.根据权利要求3或6所述可变形天线反射面，其特征在于压电复合材料按体积份数比由50份介电弹性体材料和50份增强相材料构成。

8.根据权利要求1所述可变形天线反射面，其特征在于所述复合材料薄膜的厚度为0.1～0.2mm。

9.根据权利要求1所述可变形天线反射面，其特征在于驱动器（5）的激励方式为电激励，在此种激励方式下驱动功能材料体（5-5）由压电陶瓷、压电单晶、压电半导体、压电高聚物、压电复合材料或压电液晶材料制成；或驱动器（5）的激励方式为热激励，在此种激励方式下驱动功能材料体（5-5）由形状记忆聚合物或形状记忆合金制成；或驱动器（5）的激励方式为磁激励，驱动功能材料体（5-5）由磁致伸缩材料、超磁致伸缩材料或磁控形状记忆合金材料制成。