CN102544686A - 一种大型双曲率天线及其制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型双曲率天线及其制造方法，所述的天线包括反射面、骨架和馈源支杆，所述的反射面设置在骨架上，所述的骨架采用碳纤维蒙皮和泡沫夹芯复合材料结构；所述的制造方法包括：天线的反射面和骨架的成型，骨架成型材料为泡沫，并在骨架外铺贴多层碳纤维层。本发明的优点在于：采用本发明的结构和方法，大大降低了骨架的重量，解决了大型天线轻质化需求，并提高了天线的精度。

Description

一种大型双曲率天线及其制造方法

技术领域

本发明涉及天线领域，具体地讲是一种大型双曲率天线及其制造方法。

技术背景

采用低副瓣天线是现代雷达具有强抗干扰能力的重要途径之一,而高精度双曲率反射面天线是实现天线低副瓣、高增益、超余割平方波束的有效技术措施。虽然国内外已在中低空警戒、航管一次等雷达中都逐步使用了双曲率反射面天线，但一般尺寸较小，精度较低，因此开展大尺寸、高精度的双曲率天线系统结构研究具有重要意义。然而在大型双曲率天线中，由于尺寸大，因而重量大，不利于安装，而且精度低。

在某型雷达研制过程中，需要采用口径为4436mm×8000mm的大型双曲率天线，由于该天线安装于大型升空平台中，所以对天线的重量要求异常苛刻，必须采用必要的轻质复合材料，应用特定的成型工艺实现该天线的高精度（反射面精度σrms≤0.8mm）、超低重量（包括背架接口和馈源支杆的天线总重量≤145kg），而现有技术的天线骨架一般采用铝合金蒙皮，其密度相对较高，无法到达上述质量和精度的要求。

该大型天线反射面的外形为双弯曲赋形后椭圆切割，8000mm长度方向分为左中右三块，中块宽度2800mm，两边块宽度2600mm，各块之间的连接不仅需要满足连接面强度和刚度力学性能要求，更需要降低分块对整个天线面精度的影响，以实现天线低副瓣电性能指标，而现有技术的分块之间的连接对天线精度影响较大，降低了天线的精度。

该大型天线采用偏馈形式，偏馈天线是指偏馈天线的馈源和高频头的安装位置不在与天线中心切面垂直且过天线中心的直线上。馈源采用3根1800 mm长的支杆支撑。由于馈源支杆位于天线电磁辐射区，因此，馈源支杆会影响天线电性能，从而降低了天线的精度。

发明内容

本发明要解决的技术问题之一是提供一种质量轻、精度高的大型双曲率天线。

本发明要解决的技术问题之二是提供一种上述大型双曲率天线的制造方法。

本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题之一的：一种大型双曲率天线，包括反射面、骨架和馈源支杆，所述的反射面设置在骨架上，所述的骨架采用碳纤维蒙皮和泡沫夹芯复合材料结构，骨架内层为泡沫夹芯，外层为碳纤维蒙皮。

本发明进一步具体为：

所述碳纤维蒙皮中的碳纤维的拉伸弹性模量、拉伸强度分别不低于330GPa和3500Mpa。

所述泡沫夹芯耐温140℃以上，耐压不低于0.4Mpa。

所述的馈源支杆包括低损耗介质材料和缠绕在其上的透波材料。

所述低损耗介质材料采用树脂基复合材料，介电常数在4.0-4.5之间、介电损耗小于0.03。

本发明是采用以下技术方案解决上述技术问题之二的：一种上述大型双曲率天线的制造方法，包括：

（1）、天线的网状反射面分为三块，在大型天线模胎上分别成型三块网状反射面；

（2）、制作骨架，骨架分为与网状反射面对应的三块；

（3）、对上述三块骨架拼接和定位，同时固定连接三块骨架，并按对三块骨架进行整体式固化成型；

（4）、在骨架上定位网状反射面，并复合连接网状天线反射面和天线骨架；

（5）、在行吊配合下，使大型双曲率天线处于工作工况，并在线定位安装馈源支杆；

（6）、使用大型三座标测量系统检测双曲率天线的面精度，检测天线电性能；

所述步骤（2）中，采用泡沫材料制作骨架，然后分别在各块上按各层设计的角度铺贴多层碳纤维层；步骤（3）中，按优化的工艺参数对三块骨架进行整体式固化成型。

进一步具体为：

步骤（2）中的按各层设计的角度铺贴及步骤（3）中按优化的工艺参数是指，首先把大型天线的3D设计模型输入到网格处理工具中进行有限元分析模型设计，按照大型天线的应用要求在有限元软件中进行材料特性、模型约束、载荷工况、纤维方向、分析类型方面的设定，根据大型天线的仿真结果进行铺层方向、骨架布局优化，完成多层碳纤维铺贴、曲面结构单元的赋形、定位和成型，并使其满足大型天线的风载力学性能要求。

该大型双曲率天线制造方法中使用了专用工装，所述的专用工装为一钢板，其外型与天线骨架的侧视外形相近,其上设置有复数个骨架安装定位孔和复数个与成型模胎相连的安装孔，步骤（3）中，使用该专用工装对三块骨架定位和拼接，具体的，使用该专用工装与三块骨架的安装面紧贴放置，对三块骨架的安装面进行准确定位，保证中块骨架与两边块骨架的安装孔位的一致性，然后采用螺接和胶接方式进行骨架之间的连接；步骤（4）中拼接时，对单块骨架与网状反射面的外形进行定位，保证反射面与骨架复合成型的可靠性，对网状反射面进行外形修整，把修整后的网状反射面准确赋形与骨架之上，并在二者之间预置胶粘剂，进行固化组装；步骤（5）中，天线反射面上使用专用工装，对三个馈源支杆在骨架上的位置进行检测定位，保证馈源支杆与反射面的空间位置关系，并在线定位安装馈源支杆。

所述的专用工装为一4X 1.9m的高精度的45#钢板，其上设置有八个骨架安装定位孔7和六个与成型模胎相连的安装孔。

所述钢板的定位孔精度达到0.1mm，该钢板的两面面精度均达到0.5mm。

本发明的优点在于：由于骨架占天线的大部分重量，降低骨架的重量就能大幅降低天线的重量，碳纤维蒙皮和泡沫夹芯复合材料结构的设计大大降低了骨架的重量，复合结构密度仅为0.16g/cm3，是铝合金密度的十六分之一，解决了大型天线轻质化需求，并在一定程度上提高了天线的精度；

馈源支杆为典型细长结构件，常规模压或拉挤等成型方法难以满足脱模工艺或刚强度要求，本发明通过采用无需芯模的制造方法，即直接在低损耗介质材料上缠绕透波材料成型馈源支杆的方法，解决电学“透明”的馈源支杆制造，有效减低馈源支杆对大型天线副瓣电平和增益的较大影响；

专用工装的设计实现了天线的拼接、装配和检测基准的一致性，保证了天线的左中右三块构件高精度的制造和装配。

附图说明

图1为本发明大型双曲率天线的结构示意图。

图2为骨架的横截面图。

图3为工装的结构示意图。

图中所示： 1、反射面，2、骨架，3、馈源支杆，4、碳纤维蒙皮，5、泡沫夹芯，6、工装，7、定位孔，8、安装孔。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步地说明。

如图1和图2所示，本发明的大型双曲率天线，包括反射面1、骨架2和馈源支杆3，所述的反射面1设置在骨架2上，所述的骨架2采用碳纤维蒙皮4和泡沫夹芯5复合材料结构，骨架2内层为泡沫夹芯5，外层为碳纤维蒙皮4。碳纤维蒙皮4中的碳纤维的拉伸弹性模量、拉伸强度分别不低于330GPa和3500Mpa，所述泡沫夹芯5采用特种泡沫，该特种泡沫须满足成型工艺和使用条件要求，可耐温140℃以上，耐压不低于0.4Mpa。

所述的馈源支杆3包括低损耗介质材料和缠绕在其上的透波材料。低损耗介质材料可以采用对天线电性能影响较小的树脂基复合材料，介电常数在4.0-4.5之间、介电损耗小于0.03。透波材料可采用现有的各种透波材料。

请参照图3所示，为该大型双曲率天线的制造过程中用到的专用工装6，该专用工装6同时作为拼接工装、装配工装和检测工装，现有大型双曲率天线的制造过程的都需要三个工装，本专用工装的设计实现了天线的拼接、装配和检测基准的一致性，保证了天线的左中右三块构件高精度的制造和装配。

所述的专用工装6为一4X 1.9m的高精度的45#钢板，其外型与天线骨架的侧视外形相近。其上设置有八个骨架安装定位孔7和六个与成型模胎相连的安装孔8，工装的面精度和孔位精度要求较高，定位孔精度达到0.1mm，该钢板的两面面精度均达到0.5mm。

本发明的大型双曲率天线制造方法，包括以下步骤：

（1）、天线的网状反射面1分为三块，在大型天线模胎上分别成型三块网状反射面；

（2）、采用泡沫材料制作骨架2，骨架2分为与网状反射面1对应的三块，分别在各块上按各层设计铺贴多层碳纤维层；多层碳纤维层构成碳纤维蒙皮4，本实施例中采用8层碳纤维层设计。

（3）、使用高精度拼装专用工装6对上述三块骨架2定位和拼接，同时固定连接三块骨架2，并按优化的工艺参数对三块骨架2进行整体式固化成型，具体的，使用该工装6与三块骨架2的安装面紧贴放置，对三块骨架2的安装面进行准确定位，保证中块骨架与两边块骨架的安装孔位的一致性，然后采用螺接和胶接方式进行骨架2之间的连接。

（4）、在骨架2上定位网状反射面1，并复合连接网状天线反射面1和天线骨架2，具体的，拼接时，对单块骨架2与网状反射面1的外形进行定位，保证反射面1与骨架2复合成型的可靠性，对网状反射面1进行外形修整，把修整后的网状反射面1准确赋形与骨架2之上，并在二者之间预置胶粘剂，进行固化组装。

（5）、在行吊配合下，使大型双曲率天线处于工作工况，天线反射面上使用专用工装6，对三个馈源支杆3在骨架上的位置进行检测定位，保证馈源支杆3与反射面1的空间位置关系，并在线定位安装馈源支杆3。

（6）、使用大型三座标测量系统检测双曲率天线的面精度，检测天线电性能。

步骤（2）中的按各层设计铺贴及步骤（3）中按优化的工艺参数是指，首先把大型天线的3D设计模型输入到网格处理工具中进行有限元分析模型设计，按照大型天线的应用要求在有限元软件中进行材料特性、模型约束、载荷工况、纤维方向、分析类型等方面的设定，根据大型天线的仿真结果进行铺层方向、骨架布局优化，完成多层碳纤维铺贴、曲面结构单元的赋形、定位和成型，并使其满足大型天线的风载力学性能要求，每层碳纤维的铺贴角度视分析结果而定。

Claims (10)

1.一种大型双曲率天线，包括反射面、骨架和馈源支杆，所述的反射面设置在骨架上，其特征在于：所述的骨架采用碳纤维蒙皮和泡沫夹芯复合材料结构，骨架内层为泡沫夹芯，外层为碳纤维蒙皮。

2.根据权利要求1所述的大型双曲率天线，其特征在于：所述碳纤维蒙皮中的碳纤维的拉伸弹性模量、拉伸强度分别不低于330GPa和3500Mpa。

3.根据权利要求1所述的大型双曲率天线，其特征在于：所述泡沫夹芯耐温140℃以上，耐压不低于0.4Mpa。

4.根据权利要求1所述的大型双曲率天线，其特征在于：所述的馈源支杆包括低损耗介质材料和缠绕在其上的透波材料。

5.根据权利要求4所述的大型双曲率天线，其特征在于：所述低损耗介质材料采用树脂基复合材料，介电常数在4.0-4.5之间、介电损耗小于0.03。

6.如权利要求1至5任一项所述大型双曲率天线的制造方法，包括：

（1）、天线的网状反射面分为三块，在大型天线模胎上分别成型三块网状反射面；

（2）、制作骨架，骨架分为与网状反射面对应的三块；

（3）、对上述三块骨架拼接和定位，同时固定连接三块骨架，并按对三块骨架进行整体式固化成型；

（4）、在骨架上定位网状反射面，并复合连接网状天线反射面和天线骨架；

（5）、在行吊配合下，使大型双曲率天线处于工作工况，并在线定位安装馈源支杆；

（6）、使用大型三座标测量系统检测双曲率天线的面精度，检测天线电性能；

其特征在于：所述步骤（2）中，采用泡沫材料制作骨架，然后分别在各块上按各层设计的角度铺贴多层碳纤维层；步骤（3）中，按优化的工艺参数对三块骨架进行整体式固化成型。

7.根据权利要求6所述的大型双曲率天线制造方法，其特征在于：步骤（2）中的按各层设计的角度铺贴及步骤（3）中按优化的工艺参数是指，首先把大型天线的3D设计模型输入到网格处理工具中进行有限元分析模型设计，按照大型天线的应用要求在有限元软件中进行材料特性、模型约束、载荷工况、纤维方向、分析类型方面的设定，根据大型天线的仿真结果进行铺层方向、骨架布局优化，完成多层碳纤维铺贴、曲面结构单元的赋形、定位和成型，并使其满足大型天线的风载力学性能要求。

8.根据权利要求6所述的大型双曲率天线制造方法，其特征在于：该大型双曲率天线制造方法中使用了专用工装，所述的专用工装为一钢板，其外型与天线骨架的侧视外形相近,其上设置有复数个骨架安装定位孔和复数个与成型模胎相连的安装孔，步骤（3）中，使用该专用工装对三块骨架定位和拼接，具体的，使用该专用工装与三块骨架的安装面紧贴放置，对三块骨架的安装面进行准确定位，保证中块骨架与两边块骨架的安装孔位的一致性，然后采用螺接和胶接方式进行骨架之间的连接；步骤（4）中拼接时，对单块骨架与网状反射面的外形进行定位，保证反射面与骨架复合成型的可靠性，对网状反射面进行外形修整，把修整后的网状反射面准确赋形与骨架之上，并在二者之间预置胶粘剂，进行固化组装；步骤（5）中，天线反射面上使用专用工装，对三个馈源支杆在骨架上的位置进行检测定位，保证馈源支杆与反射面的空间位置关系，并在线定位安装馈源支杆。

9.根据权利要求6所述的大型双曲率天线制造方法，其特征在于：所述的专用工装为一4X 1.9m的高精度的45#钢板，其上设置有八个骨架安装定位孔7和六个与成型模胎相连的安装孔。

10.根据权利要求9所述的大型双曲率天线制造方法，其特征在于：所述钢板的定位孔精度达到0.1mm，该钢板的两面面精度均达到0.5mm。

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