CN106229693B - 面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，包括剪刀式桁架结构、内索网、外索网、竖向索、金属丝网。内索网和外索网均与剪刀式桁架结构连接，内索网位于剪刀式桁架结构形成空间的内部，外索网分别位于剪刀式桁架结构形成空间的上、下端面上，竖向索连接内索网与外索网，金属丝网附着在内索网内侧，内索网与金属丝网构成整个天线系统的反射面，通过改变内索网的形状实现赋形波束等特殊波束应用。本发明解决了现有网状可展开天线波束功能单一、无法通过反射面形状改变实现赋形波束等特殊波束应用的问题；本发明具有收拢体积小，结构简单、功能多样化的优点，可应用于赋形波束等特殊波束要求的星载天线设计中。

Description

面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线

技术领域

本发明属于卫星天线技术领域，具体涉及卫星天线领域中的一种面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，可应用于包括点波束、赋形波束等特殊波束要求在内的星载天线设计中。

背景技术

随着航天科技的快速发展，星载天线在卫星通信、无线广播系统、地球观测、陆地遥感、深空探测等领域扮演着越来越重要的角色。为了满足多功能、多波段、多波束的需求，星载天线逐渐趋于大口径化。网状可展开天线是众多星载天线类型里面的一种，由于其采用金属丝网为反射面材料，有效降低了系统重量，是目前星载天线应用发展最快的一种天线结构形式。

在卫星通信、侦察等应用中，为了提高能量的利用效率并满足特殊方向图形状要求，需要对星载天线的辐射方向图进行波束赋形，一方面可以通过赋形设计使星载天线波束能够覆盖指定区域，二是实现某些特殊要求的波束，如高效率、低旁瓣、低交叉极化的点波束。对于采用金属丝网与张拉索网构成的网状可展开天线而言，由于天线反射面采用索网张拉成形，诸如文献M.W.Thomson,AstroMesh deployable reflectors for Ku-and Ka-band commercial satellites,AIAA 2002-2032,20th AIAA InternationalCommunication Satellite Systems Conference and Exhibit,12-15May 2002,Montreal,Quebec,Canada(美国专利No.5680145)提出的AstroMesh结构，采用前后两层索网与竖向索结构，在前网面形成所需要的抛物面形状，进而辐射点波束；由于索网结构只能采用承受张力，无法承受压力，因此前索网无法提供局部凸起的反射面形状，这也就限制了某些特殊波束的应用需求；例如，在为某一地区提供通讯服务时，需要产生与该区域形状相匹配的辐射波束，即赋形波束，赋形波束的产生要求反射面局部出现凸起与凹陷，而基于现有结构的网状可展开天线无法提供这样的反射面形状。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，解决目前现有网状可展开天线波束功能单一、无法通过反射面形状改变实现赋形波束等特殊波束应用的问题。

本发明的技术方案是：面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，包括剪刀式桁架结构、内索网、外索网、竖向索、金属丝网，所述的剪刀式桁架结构包括m个展开单元，采用斜杆连接剪刀式铰链实现整个天线系统的收拢与展开，并为整个天线提供支撑；其中m≥6，且为6的整数倍；所述的内索网位于剪刀式桁架结构所形成空间的内部，由柔索编织而成的上内索网和下内索网组成，上内索网和下内索网分别与剪刀式桁架结构相连接；所述的外索网由柔索编织而成的上外索网和下外索网组成，其中上外索网位于剪刀式桁架结构形成空间的上端面，下外索网位于剪刀式桁架结构形成空间的下端面；上外索网和下外索网分别与剪刀式桁架结构相连接；所述的竖向索位于剪刀式桁架结构形成空间的内部，分别连接上内索网与下内索网、上内索网与上外索网、下内索网与下外索网；所述的金属丝网附着在上内索网的下表面以及下内索网的上表面，并与内索网构成天线系统曲面复用的反射面。

上述的剪刀式桁架结构的每个展开单元包括固定接头、滑动接头、剪刀式铰链、竖杆以及斜杆；所述固定接头设于竖杆的上、下两端，所述滑动接头与竖杆滑动连接，所述固定接头以及滑动接头还分别通过斜杆与剪刀式铰链连接。

上述固定接头包括挂索螺杆与固定接头主体，固定接头主体的下表面与竖杆的上端连接；挂索螺杆设于固定接头主体面朝剪刀式桁架结构中心线的侧面上；其中位于竖杆上端的固定接头的挂索螺杆连接上外索网；位于竖杆下端的固定接头的挂索螺杆连接下外索网；所述固定接头主体由向剪刀式桁架结构中心线方向倾斜的左右对称的两端组成，该两端之间的夹角为(180×(m-2))/m度；所述滑动接头包括滑动接头主体以及位于滑动接头主体面朝剪刀式桁架结构中心线的侧面上的挂索螺杆；所述滑动接头主体的两端分别与斜杆连接，滑动接头主体的中部与竖杆滑动连接；滑动接头主体上的挂索螺杆内索网相连接；所述剪刀式铰链的四个臂分别与一根斜杆相连，通过剪刀展开、合拢的方式实现整个天线结构的展开与收拢。

上述上内索网、下内索网、上外索网以及下外索网的网孔均编织成三角形形状。

上述竖向索包括上竖向索、中竖向索和下竖向索，其中上竖向索连接上内索网与上外索网，中竖向索连接下内索网与上内索网，下竖向索连接下内索网与下外索网。

上述金属丝网由镀金钼丝或镀金钨丝编织丝网构成，包括上金属丝网和下金属丝网，其中上金属丝网附着在上内索网的下表面，下金属丝网附着在下内索网的上表面。

本发明的有益效果：针对现有结构的网状可展开天线只能实现常规点波束方向图的问题，本发明在剪刀式桁架展开结构天线基础上，采用内外多层索网结构形成天线结构，以内索网与其内侧的金属丝网为天线反射面。该结构一方面可以提供常规点波束方向图，另一方面可以通过内外索网索张力设计，使得内索网呈现出局部凸起与凹陷的效果，进而实现内索网反射面曲面赋形，提供包括赋形波束在内的特殊波束方向图；同时，该结构内外索网结构均由两部分组成，两部分均可作为天线反射面实现点波束与特殊波束，即一部天线可以同时实现多种功能，以曲面复用的方式最大限度地提高了天线结构的利用率。本发明不仅解决了原有结构只能实现常规点波束方向图的问题，还为包括赋形波束在内的特殊波束方向图实现提供了可能，同时天线结构曲面复用的方式，既结构简单，又功能齐全。由于采用了剪刀式桁架展开结构，天线收拢后的高度仅仅为桁架结构竖杆的长度，本发明提出的天线结构继承了剪刀式桁架结构天线收拢体积小的优点。

本发明与现有技术相比具体包括以下优点：

1.本发明采用了内外多层索网结构，通过索张力设计可以使得内索网呈现出局部凸起与凹陷的效果，进而实现内索网与金属丝网构成的反射面曲面赋形，提供包括赋形波束在内的特殊波束方向图的目的；

2.本发明采用的内外索网结构均有两部分构成，两部分均可为天线反射面实现点波束与特殊波束，即一部天线可以同时实现多种功能，以曲面复用的方式最大限度地提高了天线结构的利用率，结构简单，功能齐全。

3.本发明采用了剪刀式桁架结构为整个天线系统的支撑结构形式，该剪刀式桁架结构可收拢与展开，在收拢时只占有较少空间，收拢高度为剪刀式桁架结构的竖杆高，相比于同尺寸的基于AstroMesh结构的网状可展开天线，收拢体积显著减少，发射成本得到降低。

以下将结合附图对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明的整体展开结构示意图；

图2是本发明的剪刀式桁架结构示意图；

图3是本发明中剪刀式桁架结构上的固定接头示意图；

图4是本发明中固定接头内的挂索螺杆示意图；

图5是本发明中剪刀式桁架结构上的滑动接头示意图；

图6是本发明中剪刀式桁架结构上的剪刀式铰链示意图；

图7是本发明中内索网与金属丝网构成的反射面示意图；

图8是本发明中外索网示意图；

图9是本发明中竖向索、内索网、外索网结构示意图；

图10是本发明的天线结构收拢示意图；

图11是本发明同时实现赋形波束与点波束示意图；

附图标记说明：1、剪刀式桁架结构；2、内索网；3、外索网；4、竖向索；5、金属丝网；11、固定接头；12、滑动接头；13、剪刀式铰链；14、竖杆；15、斜杆；16、挂索螺杆；111、固定接头主体；121、滑动接头主体；131、臂；161、六角螺母；162、螺杆；163、销钉；21、上内索网；22、下内索网；31、上外索网；32、下外索网；41、上竖向索；42、中竖向索；43、下竖向索；51、上金属丝网；52、下金属丝网。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明作进一步的详细描述：

本发明将剪刀式桁架结构与内外两层索网、竖向索、金属丝网相结合，采用剪刀式桁架结构实现天线的收拢与展开，采用内索网与金属丝网构成的反射面实现点波束与赋形波束等特殊波束方向图。

实施例1：

参照图1，本发明提供了一种面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，包括剪刀式桁架结构1、内索网2、外索网3、竖向索4、金属丝网5，其特征在于：所述的剪刀式桁架结构1包括m个展开单元，采用斜杆15连接剪刀式铰链13实现整个天线系统的收拢与展开，并为整个天线提供支撑；其中m≥6，且为6的整数倍；所述的内索网2位于剪刀式桁架结构1所形成空间的内部，参照图7，内索网2由柔索编织而成的上内索网21和下内索网22组成，上内索网21和下内索网22分别与剪刀式桁架结构1相连接；所述的外索网3由柔索编织而成的上外索网31和下外索网32组成(参照图8所示)，其中上外索网31位于剪刀式桁架结构1形成空间的上端面，下外索网32位于剪刀式桁架结构1形成空间的下端面；上外索网31和下外索网32分别与剪刀式桁架结构1相连接；所述的竖向索4位于剪刀式桁架结构1形成空间的内部，分别连接上内索网21与下内索网22、上内索网21与上外索网31、下内索网22与下外索网32；所述的金属丝网5附着在上内索网21的下表面以及下内索网22的上表面，并与内索网2构成天线系统曲面复用的反射面，实现包括赋形波束在内的特殊波束方向图。

实施例2：

在实施例1的基础上，参照图2，所述的剪刀式桁架结构1的每个展开单元包括固定接头11、滑动接头12、剪刀式铰链13、竖杆14以及斜杆15；所述固定接头11设于竖杆14的上、下两端，所述滑动接头12与竖杆14滑动连接，所述固定接头11以及滑动接头12还分别通过斜杆15与剪刀式铰链13连接。；所述的m个展开单元通过首尾相接的方式构成环状的剪刀式桁架结构1，其中每两个相邻展开单元之间通过共用一根竖杆14进行相接。

参照图3，所述固定接头11包括挂索螺杆16与固定接头主体111，其中位于竖杆14上端的固定接头主体111的下表面与竖杆14的上端连接；挂索螺杆16设于固定接头主体111面朝剪刀式桁架结构1中心线的侧面上；其中位于竖杆14上端的固定接头的挂索螺杆16连接上外索网31；位于竖杆14下端的固定接头的挂索螺杆16连接下外索网32；所述固定接头主体111由向剪刀式桁架结构1中心线方向倾斜的左右对称的两端组成，该两端之间的夹角为180×m-2/m度；参照图5，所述滑动接头12包括滑动接头主体121以及位于滑动接头主体121面朝剪刀式桁架结构1中心线的侧面上的挂索螺杆16；所述滑动接头主体121的两端分别与斜杆15连接，滑动接头主体121的中部与竖杆14滑动连接；滑动接头主体121上的挂索螺杆16内索网2相连接；参照图6，所述剪刀式铰链13的四个臂131分别与一根斜杆15相连，通过剪刀展开、合拢的方式实现整个天线结构的展开与收拢。

参照图4，挂索螺杆16包括六角螺母161、螺杆162与销钉163，内索网2与外索网3均通过挂索螺杆16与剪刀式桁架结构1相连接；

所述上内索网21、下内索网22、上外索网31以及下外索网32的网孔均编织成三角形形状。

参照图9，所述竖向索4包括上竖向索41、中竖向索42和下竖向索43，其中上竖向索41连接上内索网21与上外索网31，中竖向索42连接下内索网22与上内索网21，下竖向索43连接下内索网32与下外索网32。

所述金属丝网5由镀金钼丝或镀金钨丝编织丝网构成，参照图7，金属丝网5包括上金属丝网51和下金属丝网52，其中上金属丝网51附着在上内索网21的下表面，下金属丝网52附着在下内索网22的上表面。

图10为本发明天线结构收拢示意图，收拢时，剪刀式铰链13收拢，带动剪刀式桁架结构1上的竖杆14、斜杆15运动到收拢状态；展开时，剪刀式铰链13展开，带动剪刀式桁架结构1上的竖杆14、斜杆15运动到展开状态。

图11为本发明同时实现赋形波束与点波束示意图，其中在左侧馈源的照射下，本发明左侧的内索网形成抛物面形状，产生点波束；在右侧馈源的照射下，本发明右侧的内索网形成赋形曲面形状，产生赋形波束，进而覆盖需要的地图形状，为其提供通讯服务。

综上所述，本发明针对现有结构的网状可展开天线只能实现常规点波束方向图的问题，在剪刀式桁架展开结构天线基础上，采用内外多层索网结构形成天线结构，以内索网与其内侧的金属丝网为天线反射面。该结构一方面可以提供常规点波束方向图，另一方面可以通过内外索网索张力设计，使得内索网呈现出局部凸起与凹陷的效果，进而实现内索网反射面曲面赋形，提供包括赋形波束在内的特殊波束方向图；同时，该结构内外索网结构均由两部分组成，两部分均可作为天线反射面实现点波束与特殊波束，即一部天线可以同时实现多种功能，以曲面复用的方式最大限度地提高了天线结构的利用率。本发明不仅解决了原有结构只能实现常规点波束方向图的问题，还为包括赋形波束在内的特殊波束方向图实现提供了可能，同时天线结构曲面复用的方式，既结构简单，又功能齐全。由于采用了剪刀式桁架展开结构，天线收拢后的高度仅仅为桁架结构竖杆的长度，本发明提出的天线结构继承了剪刀式桁架结构天线收拢体积小的优点。

本发明收拢时，剪刀式桁架结构沿桁架外围收缩，竖向索、外索网、内索网与金属丝网收拢在剪刀式桁架结构的空余空间内；展开时，剪刀式桁架结构沿桁架外围展开，带动竖向索、外索网、内索网与金属丝网展开，内索网与金属丝网形成预设的反射面形状，进而实现赋形波束等特殊波束；同时，内、外索网相结合的结构形式可以实现曲面复用，达到一部天线同时提供两种波束服务的目的；本发明具有收拢体积小，结构简单、功能多样化的优点，可应用于赋形波束等特殊波束要求的星载天线设计中。

本发明与现有技术相比具体包括以下优点：

1.本发明采用了内外多层索网结构，通过索张力设计可以使得内索网呈现出局部凸起与凹陷的效果，进而实现内索网与金属丝网构成的反射面曲面赋形，提供包括赋形波束在内的特殊波束方向图的目的；

2.本发明采用的内外索网结构均有两部分构成，两部分均可为天线反射面实现点波束与特殊波束，即一部天线可以同时实现多种功能，以曲面复用的方式最大限度地提高了天线结构的利用率，结构简单，功能齐全。

3.本发明采用了剪刀式桁架结构为整个天线系统的支撑结构形式，该剪刀式桁架结构可收拢与展开，在收拢时只占有较少空间，收拢高度为剪刀式桁架结构的竖杆高，相比于同尺寸的基于AstroMesh结构的网状可展开天线，收拢体积显著减少，发射成本得到降低。

本实施方式中没有详细叙述的部分属本行业的公知的常用手段，这里不一一叙述。以上例举仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的保护范围的限制，凡是与本发明相同或相似的设计均属于本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，包括剪刀式桁架结构（1）、内索网（2）、外索网（3）、竖向索（4）、金属丝网（5），其特征在于：所述的剪刀式桁架结构（1）包括m个展开单元，采用斜杆（15）连接剪刀式铰链（13）实现整个天线系统的收拢与展开，并为整个天线提供支撑；其中m≥6，且为6的整数倍；

所述的内索网（2）位于剪刀式桁架结构（1）所形成空间的内部，由柔索编织而成的上内索网（21）和下内索网（22）组成，上内索网（21）和下内索网（22）分别与剪刀式桁架结构（1）相连接；

所述的外索网（3）由柔索编织而成的上外索网（31）和下外索网（32）组成，其中上外索网（31）位于剪刀式桁架结构（1）形成空间的上端面，下外索网（32）位于剪刀式桁架结构（1）形成空间的下端面；上外索网（31）和下外索网（32）分别与剪刀式桁架结构（1）相连接；

所述的竖向索（4）位于剪刀式桁架结构（1）形成空间的内部，分别连接上内索网（21）与下内索网（22）、上内索网（21）与上外索网（31）、下内索网（22）与下外索网（32）；

所述的金属丝网（5）附着在上内索网（21）的下表面以及下内索网（22）的上表面，并与内索网（2）构成天线系统曲面复用的反射面。

2.根据权利要求1所述的面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，其特征在于：所述的剪刀式桁架结构（1）的每个展开单元包括固定接头（11）、滑动接头（12）、剪刀式铰链（13）、竖杆（14）以及斜杆（15）；所述固定接头（11）设于竖杆（14）的上、下两端，所述滑动接头（12）与竖杆（14）滑动连接，所述固定接头（11）以及滑动接头（12）还分别通过斜杆（15）与剪刀式铰链（13）连接。

3.根据权利要求2所述的面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，其特征在于：所述固定接头（11）包括挂索螺杆（16）与固定接头主体（111），固定接头主体（111）的下表面与竖杆（14）的上端连接；挂索螺杆（16）设于固定接头主体（111）面朝剪刀式桁架结构（1）中心线的侧面上；其中位于竖杆（14）上端的固定接头的挂索螺杆（16）连接上外索网（31）；位于竖杆（14）下端的固定接头的挂索螺杆（16）连接下外索网（32）；

所述固定接头主体（111）由向剪刀式桁架结构（1）中心线方向倾斜的左右对称的两端组成，该两端之间的夹角为（180×（m-2））/m度；

所述滑动接头（12）包括滑动接头主体（121）以及位于滑动接头主体（121）面朝剪刀式桁架结构（1）中心线的侧面上的挂索螺杆（16）；所述滑动接头主体（121）的两端分别与斜杆（15）连接，滑动接头主体（121）的中部与竖杆（14）滑动连接；滑动接头主体（121）上的挂索螺杆（16）内索网（2）相连接；

所述剪刀式铰链（13）的四个臂（131）分别与一根斜杆（15）相连，通过剪刀展开、合拢的方式实现整个天线结构的展开与收拢。

4.根据权利要求1或3所述的面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，其特征在于：所述上内索网（21）、下内索网（22）、上外索网（31）以及下外索网（32）的网孔均编织成三角形形状。

5.根据权利要求1所述的面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，其特征在于：所述竖向索（4）包括上竖向索（41）、中竖向索（42）和下竖向索（43），其中上竖向索（41）连接上内索网（21）与上外索网（31），中竖向索（42）连接下内索网（22）与上内索网（21），下竖向索（43）连接下内索网（22）与下外索网（32）。

6.根据权利要求1所述的面向特殊波束应用的剪刀式曲面复用网状可展开天线，其特征在于：所述金属丝网（5）由镀金钼丝或镀金钨丝编织丝网构成，包括上金属丝网（51）和下金属丝网（52），其中上金属丝网（51）附着在上内索网（21）的下表面，下金属丝网（52）附着在下内索网（22）的上表面。