CN106299587B - 基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，由剪刀式桁架结构、柔索、基础索网电极、薄膜反射面、静电电源组成。剪刀式桁架结构为整个结构提供支撑，柔索交错设置在剪刀式桁架结构内侧，基础索网电极通过柔索与剪刀式桁架结构相连，薄膜反射面固定在基础索网电极之上，与剪刀式桁架结构相连并固定，静电电源为基础索网电极提供高电势，为薄膜反射面提供接地低电势。收拢时，柔索、基础索网电极与薄膜反射面收拢在剪刀式桁架结构的空余空间内；展开时，柔索绷紧并支撑基础索网电极，薄膜反射面在静电电源输出的静电力作用下形成抛物面形状。本发明具有收拢体积小，结构简单的优点，可用于高精度静电成形薄膜反射面天线中。

Description

基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线

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基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，可应用于高精度静电成形薄膜反射面天线设计中。

背景技术

航天科技的快速发展对星载可展开天线提出了越来越高的要求，主要表现在大口径和高精度两个方面。未来通信、对地遥感探测等领域也对大口径、高精度的星载天线有着潜在的需求。目前发展较为成熟的星载反射面天线，例如径向肋、构架式、周边桁架等网状可展开反射面天线等都难以同时满足大口径、高精度的要求。为此，出现了以静电成形薄膜反射面天线为代表的多种新概念天线。静电成形薄膜反射面天线在面密度、展开性能以及在轨热环境下的形面保持等方面，具有突出的优势，因此受到了众多国际宇航研究机构的高度关注和广泛研究。

静电成形薄膜反射面天线是通过在高压电极和接地镀金属薄膜之间形成静电场，由静电力控制薄膜反射面表面形状的一种主动反射面。自上世纪70年代末以来，国内外很多研究机构都已开展了对静电成形薄膜反射面天线的研究。

2004年，美国SRS.technologys公司和Northrop Grumman公司公开了一种静电成形薄膜反射面原理样机(S.P.Chodimella,J.D.Moore,J. Otto,H.Fang,Designevaluation of a large aperture deployable antenna,47th AIAA/ASME/ASCE/AHS/ASCStructures,Structural Dynamics,and Materials Conference,1-4May 2006,Newport,Rhode Island,USA)。该静电成形薄膜反射面天线，由AstroMesh结构、薄膜支撑结构、铺设在AstroMesh结构前索网上的高压控制电极、接地薄膜和多通道供电系统组成。

该文献提出的这种静电成形薄膜反射面天线是基于AstroMesh周边桁架式的天线形式，由于结构形式决定，当天线口径大时，天线整体刚度会下降很多。薄膜反射面是张拉在周边桁架上方的反射面支撑结构上的，即需要在周边桁架上方设计薄膜支撑结构。支撑结构的存在不仅会使结构整体质量增加，还会增加系统设计难度。

发明内容

本发明的目的在于克服上述已有技术的不足，提出一种基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，解决目前静电成形薄膜天线收纳体积大、设计支撑结构的问题。

本发明的技术方案是：基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，包括剪刀式桁架结构、柔索、基础索网电极、薄膜反射面、静电电源，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，其中m≥6，且为6的整数倍；所述的柔索交错布置在剪刀式桁架结构的内侧，并与剪刀式桁架结构在展开单元接头处相连接；所述的基础索网电极铺设在柔索上方，并与剪刀式桁架结构在展开单元接头处相连接；所述的薄膜反射面通过与剪刀式桁架结构上端相连固定在基础索网电极上方；所述的静电电源通过电缆为基础索网电极提供高电势，为薄膜反射面提供接地电势，使薄膜反射面形成抛物面形状。

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膜螺杆与固定接头主体，固定接头主体的下侧面与竖杆的上端连接；挂膜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；所述薄膜反射面通过柔索与挂膜螺杆连接；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与环扣，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；所述环扣位于滑动接头主体面朝剪刀式桁架结构中心线的侧面上，基础索网电极通过柔索连接到环扣上；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。

上述柔索包括背向索、竖向索、电极拉索，背向索通过环扣连接到剪刀式桁架结构上，背向索通过竖向索与基础索网电极连接，基础索网电极通过电极拉索与剪刀式桁架结构连接；电极拉索具体通过滑动接头上的环扣与剪刀式桁架结构连接。

上述基础索网电极包括拉索、薄膜电极，其中拉索编织为三角形网格形式，将薄膜电极放样成对应的三角形网格形式，裁剪后粘接在拉索所围成的若干个三角形上，形成基础索网电极。

上述薄膜反射面包括薄膜、薄膜裙边拉索，薄膜由薄膜材料制作而成，薄膜周边设置薄膜裙边拉索，薄膜反射面通过薄膜裙边拉索与剪刀式桁架结构连接；薄膜裙边拉索具体通过固定接头上的挂膜螺杆与剪刀式桁架结构连接。

本发明的有益效果：本发明将静电成形薄膜天线结构中的基础索网电极、薄膜反射面、柔索与剪刀式桁架结构相结合，即采用剪刀式桁架结构实现天线的收拢与展开。与现有技术相比具有以下优点：

1.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结构的静电成形薄膜天线，收拢体积显著减少，发射成本得到降低；

2.本发明采用了剪刀式桁架结构支撑薄膜反射面与基础索网电极，其固定接头与滑动接头分别连接薄膜反射面与基础索网电极，避免了 AstroMesh结构额外需要在桁架上方设计薄膜支撑结构的问题，具有结构简单的优点，降低了天线系统的设计复杂度。

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膜螺杆示意图；

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是本发明中柔索结构示意图；

图8是本发明中基础索网电极示意图；

图9是本发明中薄膜反射面示意图；

图10是本发明中静电电源供电示意图；

图11是本发明的天线结构收拢示意图。

附图标记说明：1、剪刀式桁架结构；2、柔索；3、基础索网电极；4、薄膜反射面；5、静电电源；11、固定接头；12、滑动接头；13、剪刀式铰链；14、竖杆；15、斜杆；112 、挂膜螺杆；111 、固定接头主体；1121、六角螺母；1122、螺杆；1123、销钉；121、滑动接头主体；122、环扣； 131、臂；21、背向索；22、竖向索；23、电极拉索；31、拉索；32、薄膜电极；41、薄膜；42、薄膜裙边拉索。

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：

参照图1、图2，本发明包括剪刀式桁架结构1、柔索2、基础索网电极3、薄膜反射面4、静电电源5，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，其中m≥6，且为6的整数倍；所述的柔索2交错布置在剪刀式桁架结构1 的内侧，并与剪刀式桁架结构1在展开单元接头处相连接；所述的基础索网电极3铺设在柔索2上方，并与剪刀式桁架结构1在展开单元接头处相连接；所述的薄膜反射面4通过与剪刀式桁架结构1上端相连固定在基础索网电极3上方；所述的静电电源5通过电缆为基础索网电极3提供高电势，为薄膜反射面4提供接地电势，使薄膜反射面4形成抛物面形状。(上述接头为固定接头11或滑动接头12)

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包括挂膜螺杆112与固定接头主体111，固定接头主体111的下侧面与竖杆14的上端连接；挂膜螺杆112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；所述薄膜反射面4 通过柔索2与挂膜螺杆112连接；

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；在固定 接头主体111 上设计通孔，用来固定挂膜螺杆112；参照图4，挂膜螺杆112包括六角螺母1121、螺杆1122与销钉1123。

参照图5，所述滑动接头12包括滑动接头主体121与环扣122，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；所述环扣122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，基础索网电极3通过柔索2连接到环扣122上；

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，通过类似剪刀展开、合拢的方式实现整个天线结构的展开与收拢。

参照图7，所述柔索2包括背向索21、竖向索22、电极拉索23，背向索21通过环扣122连接到剪刀式桁架结构1上，背向索21通过竖向索22 与基础索网电极3连接，基础索网电极3通过电极拉索23与剪刀式桁架结构1连接；电极拉索23具体通过滑动接头12上的环扣122与剪刀式桁架结构1连接。

参照图8，所述基础索网电极3包括拉索31、薄膜电极32，其中拉索 31编织为三角形网格形式，将薄膜电极32放样成对应的三角形网格形式，裁剪后粘接在拉索31所围成的若干个三角形上，形成基础索网电极3。

参照图9，所述薄膜反射面4包括薄膜41、薄膜裙边拉索42，薄膜41 由薄膜材料(如镀铝聚酰亚胺薄膜、Mylar薄膜、Kevlar薄膜等)制作而成，薄膜41周边设置薄膜裙边拉索42，薄膜反射面4通过薄膜裙边拉索42与剪刀式桁架结构1连接；薄膜裙边拉索42具体通过固定接头11上的挂膜螺杆112与剪刀式桁架结构1连接。

参照图10，静电电源5，通过电缆为基础索网电极3提供高电势，为薄膜反射面4提供接地电势，使薄膜反射面形成抛物面形状。

图11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。

综上，本发明提供的基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，由剪刀式桁架结构、柔索、基础索网电极、薄膜反射面、静电电源组成。剪刀式桁架结构为整个结构提供支撑，柔索交错设置在剪刀式桁架结构内侧，基础索网电极通过柔索与剪刀式桁架结构相连，薄膜反射面固定在基础索网电极之上，与剪刀式桁架结构相连并固定，静电电源为基础索网电极提供高电势，为薄膜反射面提供接地低电势。收拢时，剪刀式桁架结构沿桁架外围收缩，柔索、基础索网电极与薄膜反射面收拢在剪刀式桁架结构的空余空间内；展开时，剪刀式桁架结构向外围展开，柔索绷紧并支撑基础索网电极，薄膜反射面在静电电源输出的静电力作用下形成抛物面形状。

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结构的静电成形薄膜天线，收拢体积显著减少，发射成本得到降低。

本发明采用了剪刀式桁架结构支撑薄膜反射面与基础索网电极，其固定接头与滑动接头分别连接薄膜反射面与基础索网电极，避免了AstroMesh 结构额外需要在桁架上方设计薄膜支撑结构的问题，具有结构简单的优点，降低了天线系统的设计复杂度。

因此，本发明解决了现有静电成形薄膜天线技术收纳体积大、需要在桁架上方设计支撑结构的问题，具有收拢体积小，结构简单的优点，可用于高精度静电成形薄膜反射面天线中。

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 (3)

1.基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，包括剪刀式桁架结构（1）、柔索（2）、基础索网电极（3）、薄膜反射面（4）、静电电源（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，其中m≥6，且为6的整数倍；

所述的柔索（2）交错布置在剪刀式桁架结构（1）的内侧，并与剪刀式桁架结构（1）在展开单元接头处相连接；

所述的基础索网电极（3）铺设在柔索（2）上方，并与剪刀式桁架结构（1）在展开单元接头处相连接；

所述的薄膜反射面（4）通过与剪刀式桁架结构（1）上端相连固定在基础索网电极（3）上方；

所述的静电电源（5）通过电缆为基础索网电极（3）提供高电势，为薄膜反射面（4）提供接地电势，使薄膜反射面（4）形成抛物面形状；

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）与连接剪刀式铰链（13）连接；

所述固定接头（11）包括挂膜螺杆（112）与固定接头主体（111），固定接头主体（111）的下侧面与竖杆（14）的上端连接；挂膜螺杆（112）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；所述薄膜反射面（4）通过柔索（2）与挂膜螺杆（112）连接；

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）与环扣（122），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；所述环扣（122）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，基础索网电极（3）通过柔索（2）连接到环扣（122）上；

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；

所述柔索（2）包括背向索（21）、竖向索（22）、电极拉索（23），背向索（21）通过环扣（122）连接到剪刀式桁架结构（1）上，背向索（21）通过竖向索（22）与基础索网电极（3）连接，基础索网电极（3）通过电极拉索（23）与剪刀式桁架结构（1）连接；电极拉索（23）具体通过滑动接头（12）上的环扣（122）与剪刀式桁架结构（1）连接。

2.根据权利要求1所述的基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，其特征在于：所述基础索网电极（3）包括拉索（31）、薄膜电极（32），其中拉索（31）编织为三角形网格形式，将薄膜电极（32）放样成对应的三角形网格形式，裁剪后粘接在拉索（31）所围成的若干个三角形上，形成基础索网电极（3）。

3.根据权利要求1所述的基于剪刀式桁架结构的静电成形薄膜反射面天线，其特征在于：所述薄膜反射面（4）包括薄膜（41）、薄膜裙边拉索（42），薄膜（41）由薄膜材料制作而成，薄膜（41）周边设置薄膜裙边拉索（42），薄膜反射面（4）通过薄膜裙边拉索（42）与剪刀式桁架结构（1）连接；薄膜裙边拉索（42）具体通过固定接头（11）上的挂膜螺杆（112）与剪刀式桁架结构（1）连接。