CN102185171B - 用于波导管的紧凑热弹性执行器、波导管及多路复用设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及用于波导管的紧凑热弹性执行器、波导管及多路复用设备。紧凑热弹性执行器(15)包括至少两个相同的支撑件(10a、10b、10c、10d)和固定件(11)，该固定件的热膨胀系数小于支撑件的热膨胀系数。所述支撑件(10a、10b、10c、10d)平行于纵向轴线(Y)彼此并排头尾相接安装在一起，而且它们沿纵向轴线(Y)相对于彼此线性偏移。所述固定件(11)具有分别连接到每个支撑件的外端部的两个端部，每个支撑件的内端部位于固定件(11)的中央区域(14)的下方。本发明可以应用于归入卫星空间装备的多路复用器的波导管。本发明易于实现，覆盖区小，被优化为使得接近波导管和波道时占据的体积最小化，并且特别地适合于竖直结构OMUX技术。
Description
技术领域
本发明涉及一种用于波导管(waveguide)的紧凑热弹性执行器、相位稳定波导管以及包括这种执行器的多路复用设备(multiplexingdevice)。它特别地用于补偿承受温度变化的波导管的体积变化，并且更特别地用于多路复用器的波导管，所述多路复用器归入用于卫星的空间装备。
背景技术
特别地归入空间装备的多路复用器或多路分配器，也被称为OMUX(输出多路复用器)，承受显著的温度变化。这些OMUX通常包括通过至少一个波导管(也称为歧管)连接在一起的许多波道，由于温度变化，该波道的尺寸变化导致OMUX波道连接端口之间的几何距离的偏移和导波中的相位移动。这些相位移动导致了装备的故障，并且能够例如引起OMUX波道的失配。
为了克服这个问题，众所周知的是采用具有低热膨胀系数CTE的材料生产波导管，诸如钛或铁与镍的合金，例如因瓦合金(Invar)(注册商标)。然而，由于空间装备通常采用低密度材料生产，诸如具有高热膨胀系数的铝，与具有低CTE的波导管组装，在温度变化的过程中会引起结构之间的明显机械应力，这样可能会导致故障。
文献US 5 428 323描述了一种为确保相位稳定，通过把变形应用于矩形截面波导管的两个较窄侧壁以补偿该矩形截面波导管的热膨胀的方法。变形是通过间距部件而应用的，所述间距部件与小边垂直并固定在波导管的小边与安置于波导管周围的具有低CTE的固定结构之间。如果发生温度变化，那么间距部件被拉长或者收缩，并且垂直拉伸或挤压在小边上，这将促使波导管的小边沿着垂直于这些小边的轴线发生变形。但是，该技术需要使用安置于波导管周围的固定结构。
文献EP 1 909 355描述了另一种相位稳定波导管组件，其中在温度变化的作用下，杠杆机构被执行为绕枢轴旋转，使得根据温度通过在波导管的小边上垂直拉伸或挤压来补偿较大的波导管的尺寸变化成为可能。然而，该组件是复杂庞大的，并且会妨碍相邻波道和接近波导管的OMUX的机械接口的定位，特别是在紧凑人字形配置的环境中(其中波道被以Z字形布置于波导管的任何边上)。
文献CA 2 432 876描述了另一种相位稳定波导管组件，其中波导管的小边具有初始的弯曲长度，并且被多个具有低CTE的板约束在波导管的横向方向，所述多个具有低CTE的板在每个小弯曲边的任何一边在横向沿着波导管并排放置。小边的膨胀或收缩被横向板约束，然而大边可自由膨胀或收缩。该组件具有的缺陷是，当横向并对称地装肋于波导管的顶部部分和底部部分时，需要波导管的小边预先弯曲，因此减少了用于使得波道相对于波导管和接近波导管的OMUX的机械接口进行定位的边缘(margin)。
发明内容
本发明的目的是生产一种用于波导管的热弹性执行器，该执行器可以保证波导管的相位稳定，并且不包括现有设备的缺陷。特别地，本发明涉及一种用于波导管的热弹性执行器，其易于实现，覆盖区小，被优化为使得接近波导管和波道时占据的体积最小化，并且特别地适合于竖直结构OMUX技术。
为此，本发明涉及一种用于波导管的紧凑热弹性执行器，其包括以具有第一热膨胀系数的第一材料生产的至少两个相同的支撑件和以不同于第一材料并具有小于第一热膨胀系数的第二热膨胀系数的第二材料生产的固定件，其特征在于：所述支撑件具有在两个端部之间沿纵向方向Y延伸的长度，所述两个端部即外端部和内端部，所述支撑件平行于方向Y彼此并排头尾相接安装在一起，并且沿纵向轴线Y相对于彼此线性偏移；其特征还在于，所述固定件具有两个端部(即顶部端部和底部端部)以及位于两个顶部端部和底部端部之间的固定件的中心区域的中央区域，所述固定件的端部(即顶部端部和底部端部)分别连接到每个支撑件的外端部，每个支撑件的内端部位于所述固定件的中央区域的下方。
有利地，所述支撑件沿纵向轴线Y相对于彼此的线性偏移等于其长度的一半。
有利地，所述支撑件是线状的，例如可以是纵向杆。
优选地，所述支撑件是轴向对称的。例如它们可以包括形式为具有至少两指(digit)的叉的内端部。
在一个特别实施例中，所述执行器包括头尾相接成对安装的至少四个支撑件，并且以相同方向安装的连续支撑件的叉的指彼此上下交错。
有利地，每个指包括固定点，并且属于以同一方向安装的两个连续支撑件的两个交错指的固定点被连接在一起。
本发明也涉及一种相位稳定波导管，其包括具有两个大边和两个相对的小边的矩形横断面，并且包括至少两个外部纵向肋片(分别为顶部肋片和底部肋片)，其对称地位于大边的延长部分，分别位于波导管的两个相对的小边上，两个肋片相对于小边的中轴线偏移，所述波导管包括至少一个紧凑热弹性执行器，所述执行器的纵向轴线定位为平行于矩形波导管的大边，位于中央区域下方的所述执行器的支撑件的内端部分别固定到所述波导管的外部纵向肋片。
最后，本发明涉及一种包括至少一个相位稳定波导管的多路复用设备。
附图说明
参考附图，根据作为纯粹说明性且非限制性的例子给出的说明书的其余部分，本发明的其它特别特征和优点将会变得显而易见，附图表示了：
-图1和图2：根据本发明的第一典型性用于波导管的紧凑热弹性执行器的两个示意图，分别为立体图和分解图。
-图3a和图3b：根据本发明的第二典型性用于波导管的紧凑热弹性执行器的两个视图，即立体图和仰视图。
-图4：根据本发明的常温下的装有图2的紧凑热弹性执行器的具有矩形截面的波导管的横断截面图。
-图5a和图5b：根据本发明的当温度升高时图4的波导管的两个视图，分别为截面图和立体图。
-图6a、图6b、图6c：装有若干紧凑热弹性执行器的矩形波导管的立体图，图6a、图6b：执行器倚靠波导管的同一边分布-图6c：根据本发明的波导管包括若干Z字形肋片和以Z字形方式倚靠波导管两边定位的执行器。
-图7和图8：根据本发明的具有竖直拓扑结构波道的典型性多路复用器的两个视图，分别为立体图和横断截面图。
具体实施方式
图1和图2所表示的第一典型性执行器和图3a和图3b所表示的第二典型性执行器是沿纵向轴线Y的伸长形式，并且包括以具有第一热膨胀系数CTE1的第一材料生产的偶数个相同的支撑件10a、10b、10c、10d、30a、30b和以不同于第一材料并具有小于第一热膨胀系数CTE1的第二热膨胀系数CTE2的第二材料生产的固定件11、31。例如，第一材料是一种诸如铝的具有高热膨胀系数的导热材料，而第二材料是一种具有低热膨胀系数的材料，诸如钛或铁与镍的合金(例如因瓦合金)。支撑件10a至10d、30a、30b和固定件11、31是沿纵向轴线Y的伸长形式，并且相对于纵向轴线Y可以是轴对称的，如图1和图2所示。支撑件是线状的，例如可以是如图3a和图3b所示的小宽度和小厚度的实质上的直杆，或者具有如图1和图2所示形式为具有两指的叉的端部，或者具有相对于轴线Y轴向对称的任何其他形式，该形式在方向Y上是伸长的而在垂直于方向Y的方向X和Z上则优选为直的。支撑件的长度和厚度可能具有依据应用而广泛变化的数值。作为一个非限制性实例，支撑件可以是几毫米厚和几厘米长，或者可以是相差10和甚至更多的因子的数值。
支撑件10a、10b或10c、10d或30a、30b在同一平面XY里彼此并排头尾相接安装在一起，使得以相反方向彼此面对安装的两个支撑件沿纵向轴线Y相对于彼此线性偏移，偏移距离大约等于其长度的一半。每个支撑件具有内端部12、13、32和外端部16、36，内端部12、13、32布置在执行器15、35的中央区域14、34内，内端部12、13、32和外端部16、36具有固定点。在图1和图2所表示的例子的情况下，其中支撑件具有形式为具有两指17、18的叉的内端部，属于以相同方向安装的不同连续支撑件10a、10c或以相反方向安装的不同连续支撑件10b、10d的叉的指17、18在执行器15的中央区域14中彼此上下交错。在这种情况下，属于以同一方向安装的两个支撑件10a、10c的两个最内交错指在其固定点处连接在一起，并且对于以相反方向安装的两个支撑件10b、10d而言也是这样。固定件11、31具有两个相对的端部(分别为顶部端部20、37和底部端部21、38)以及位于两个顶部端部和底部端部之间的中央区域，固定件11、31的中央区域对应于执行器15、35的中央区域14、34。固定件安装在支撑件的顶面，从而使得固定件11、31的中央区域14、34至少部分覆盖支撑件的内端部12、13、32，并且使得它的两个相对的端部20、21、37、38被固定到支撑件的外端部16、36的固定点。固定件11、31相对于其长度而言具有小的厚度，固定件的长度和厚度与支撑件的长度和厚度具有相同的数量级，例如如图3a和图3b所示，可以有一个实质上平坦的不对称的形式，其包括宽度等于或大于支撑件宽度的中央区域14、34，该中央区域14、34具有在固定件的厚度上形成的横向空间39、40，该横向空间39、40面对支撑件的内端部12、13、32的固定点。可代替地并且优选地，固定件可以有一种对称形式，其包括包括中心空间22的中央区域，从而能够到达位于支撑件的指的端部处的执行器的固定点，如图1和图2所示。固定件11、31可以具有沿纵向方向Y伸长、包括至少部分覆盖支撑件内端部的中央区域和固定到支撑件外端部的固定点的两个相对端部的任何其他形式。
图4表示常温下的在具有矩形截面的波导管41上的图2的紧凑热弹性执行器的组件的横断截面图。在横断截面上，矩形波导管41包括相对且成对的两个小边43a、43b和两个大边44。在大边44的延长部分上，波导管也包括两个对称布置的外部纵向肋片42a、42b，分别布置在每个小边43a、43b之上。两个外部肋片42a、42b相互平行，延伸大约小边43a、43b宽度的一半，并且相对于小边的中轴线偏移。优选地，肋片42a、42b从毛坯中切出并因此与波导管41成为一体。波导管41的小边43a、43b具有比大边44较薄的壁，因此它挠性更大并且在牵引或压缩力的作用下能够发生变形。
执行器15的中央区域14固定到矩形波导管41的大边44之一，并同时固定到分别位于波导管41的两个相对小边43a、43b上的两个纵向肋片42a、42b。例如利用装入在支撑件10a至10d的内端部12、13中在固定点处形成的螺纹孔并通过某个纵向肋片42a、42b的固定螺钉45以实现固定。支撑件10a至10d的内端部12、13的底面与大边44并与波导管41的肋片42a、42b接触；而支撑件10a至10d的内端部12、13的顶面被布置在固定件11的中央区域的下方。由于执行器15的几何形状是轴向对称的并且支撑件10a至10d是首尾连接安装的，被定向为同一方向的支撑件10a和10c的指17、18被连接到同一肋片42b，而被定向为相反方向的支撑件10b和10d的指17、18被对称地连接到相对肋片42a。在图1、图2和图4所表示的对称执行器的例子中，四个支撑件10a至10d(每个包括两指17、18)被首尾连接成对安装，其中定向为同一方向的两个支撑件10a、10c，其指被固定到波导管41的底部肋片42b，而定向为同一相反方向的其他两个支撑件，其指被固定到波导管41的顶部肋片42a。属于以同一方向安装的两个支撑件的两个最内交错指被连接在一起；两个最外指不被交错，并且仅被固定到一个肋片。因此定向为同一方向的四个指在三个不同的固定点处分别连接到同一肋片。
图5a和图5b表示温度升高时图4的组件的两个视图，分别为截面图和立体图。当温度变化时，由具有高CTE的同一材料(诸如铝)生产的波导管和肋片膨胀或收缩，其被波导管中传播的电波的相移所反映。由一种具有高CTE的优选为导电的材料(其可能与波导管使用的材料相同或不同)生产的支撑件通过连接螺钉被连接到波导管的肋片，并且因此受到与波导管相同的温度变化。因此这些支撑件也将膨胀或收缩。然而，由具有低CTE的材料(例如因瓦合金)生产的固定件将比支撑件膨胀小得多，将保持与其初始长度非常接近的长度，并在支撑件的外端部16之间保持一段几乎恒定的距离。在热膨胀系数CTE1和CTE2之间的明显差异使得在固定到顶部肋片的支撑件和固定到底部肋片的支撑件之间产生相对运动成为可能。因此支撑件的膨胀或收缩将被位于支撑件10a至10b的内端部处的叉的指17、18的横向位移所反映。指将会相对于彼此对称移动，弯曲并通过连接螺钉把压缩或牵引力应用到波导管的肋片。肋片上的牵引或压缩力将被肋片在其自身上的旋转运动所反映，并导致波导管小边的变形。由于执行器15的几何形状是轴向对称的，指17、18相对于彼此对称交错，并且分别在三个不同的固定点处连接到两个相对肋片42a、42b，力被同时对称地应用到两个肋片42a、42b。支撑件的位移同时正比于温度，正比于在纵向方向上的两个外端部之间的支撑件的长度，也正比于支撑件的膨胀系数。支撑件的外端部16和固定件的端部20、21仅被连接到一起而并不连接到任何其他部件。四个支撑件的使用使得更好地在肋片上分配力和提高压缩或牵引运动的传导成为可能，但是仅使用如图3a和图3b所示的两个较大的支撑件，或使用大于四个的偶数个支撑件也是可能的。可代替地，使用奇数个支撑件也是可能的。
图6a、图6b、图6c表示根据本发明的装有若干紧凑热弹性执行器的矩形波导管的立体图。
图6a和图6b中，波导管包括两个外部纵向肋片，即顶部肋片42a和底部肋片42b，分别被固定到在横断截面中对应波导管的矩形截面的两个相对小边43a、43b的其顶壁和底壁，或者从毛坯切出。两个顶部肋片和底部肋片相对于顶壁和底壁的中轴线是偏移的，并且在横断截面图中在对应矩形截面的大边44的波导管的一边的延长部分中对称延伸。执行器沿矩形波导管以均匀间隔倚靠同一边分布，并且包括支撑件10a至10d，支撑件10a至10d通过其中央区域平行于波导管的一边而固定到两个顶部肋片和底部肋片。图6c中，波导管包括若干以Z字形布置的顶部肋片和底部肋片以及在其两边上的输入端口60，并且执行器15以Z字形布置在波导管的两边和每个输入端口60的任何一边。
图7和图8分别表示也被称为OMUX的两个典型性多路复用器的立体图和横断截面图，该多路复用器包括微波滤波器62，其中每个滤波器具有被连接到公共矩形波导管41的端口60的输出口。矩形波导管的端口60在其对应于矩形截面的大边44的两个最大的边上以规则间隔形成。滤波器62相互并行布置，并且竖直固定到公共支架63上。波导管水平布置到两行连接到其两边上的端口的滤波器之间。图8的横断截面中可以看到热弹性执行器15。该图显示，当微波滤波器62竖直布置时，滤波器之间的用于热弹性执行器15的可用空间非常有限。本发明的执行器基本上在纵向方向Y延伸，而在其他方向是很紧凑的，这使得在两个连续滤波器间容易地插入执行器成为可能，其纵向轴线Y平行于滤波器波道的竖直轴线而放置。
尽管以特定实施例描述了本发明，但是很显然，这并非限制性的，并且如果所描述装置的所有技术等同形式及其组合落入本发明的范围内，则本发明也包括了这些所描述装置的所有技术等同形式及其组合。
Claims (13)
1.一种用于波导管的紧凑热弹性执行器，包括以具有第一热膨胀系数CTE1的第一材料生产的至少两个相同的支撑件(10a、10b、10c、10d、30a、30b)和以不同于所述第一材料并具有小于所述第一热膨胀系数CTE1的第二热膨胀系数CTE2的第二材料生产的固定件(11、31)，其特征在于：所述支撑件(10a、10b、10c、10d、30a、30b)具有在两个端部之间沿纵向轴线(Y)延伸的长度，所述两个端部即外端部(16、36)和内端部(12、13、32)，所述支撑件平行于纵向轴线(Y)彼此并排头尾相接安装在一起，并且沿纵向轴线(Y)相对于彼此线性偏移；其特征还在于，所述固定件具有顶部端部和底部端部两个端部以及位于所述顶部端部和底部端部之间的中央区域，所述固定件(11、31)的顶部端部和底部端部分别连接到每个支撑件(10a、10b、10c、10d、30a、30b)的外端部(16、36)，每个支撑件的内端部(12、13、32)位于所述固定件(11、31)的中央区域(14、34)的下方。
2.根据权利要求1所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述支撑件(10a、10b、10c、10d、30a、30b)沿纵向轴线(Y)相对于彼此的线性偏移等于其长度的一半。
3.根据权利要求1所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述支撑件(10a、10b、10c、10d、30a、30b)是线状的。
4.根据权利要求1所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述支撑件(30a、30b)是纵向杆。
5.根据权利要求1所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述支撑件(10a、10b、10c、10d)是轴向对称的。
6.根据权利要求5所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述支撑件(10a、10b、10c、10d)包括形式为具有至少两指(17、18)的叉的内端部(12、13)。
7.根据权利要求6所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于所述执行器包括头尾相接成对安装的至少四个支撑件(10a、10b、10c、10d)，其特征还在于以相同方向安装的连续支撑件(10a、10c或10b、10d)的叉的指(17、18)彼此上下交错。
8.根据权利要求7所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器，其特征在于每个指(17、18)包括固定点，其特征还在于属于以同一方向安装的两个连续支撑件(10a、10c或10b、10d)的两个交错指的固定点被连接在一起。
9.一种相位稳定波导管，包括具有两个大边(44)和两个相对的小边(43a、43b)的矩形横断面，并且包括至少两个外部纵向肋片，分别为顶部肋片(42a)和底部肋片(42b)，所述至少两个外部纵向肋片对称地位于大边(44)的延长部分，分别位于波导管(41)的两个相对的小边(43a、43b)上，其特征在于所述波导管包括至少一个根据前述权利要求之一所述的用于波导管的紧凑热弹性执行器(15、35)，所述执行器(15、35)的纵向轴线(Y)定位为平行于矩形波导管(41)的大边(44)，位于中央区域(14、34)下方的所述执行器的支撑件的内端部(12、13、32)分别固定到所述波导管(41)的外部纵向肋片(42a、42b)。
10.根据权利要求9所述的相位稳定波导管，其特征在于所述波导管包括倚靠波导管(41)的同一大边(44)放置的若干紧凑热弹性执行器(15、35)。
11.根据权利要求9所述的相位稳定波导管，其特征在于所述波导管包括以Z字形式对称布置在波导管(41)的两个相对的小边(43a、43b)上的若干顶部和底部外部纵向肋片，其特征还在于所述波导管包括若干紧凑热弹性执行器(15、35)，所述热弹性执行器以Z字形式方式倚靠波导管(41)的每个大边(44)放置。
12.根据权利要求9所述的相位稳定波导管，其特征在于执行器(15、35)包括头尾相接安装的至少两个支撑件(10a、10c)，每个支撑件包括形式为具有至少两指(17、18)的叉的内端部(12、13)，其特征还在于同一叉的两指(17、18)分别固定到相同的底部肋片(42b)和顶部肋片(42a)。
13.一种多路复用设备，其特征在于所述多路复用设备包括至少一个根据权利要求9到12之一所述的相位稳定波导管(41)。
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