CN108054515B - 可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统 - Google Patents

可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，包括：天线本体、二维指向机构、锁紧释放机构、天线安装板，天线安装板与二维指向机构的安装接触面设计成不等厚度的倾斜板，实现X轴方向的初始指向，二维指向机构倾斜锁定，实现Y轴方向的初始指向，锁紧释放机构约束天线系统绕X轴和Y轴转动自由度。本发明结构紧凑，可实现特定初始指向角度。

Description

可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统
技术领域
本发明涉及一种静止轨道卫星具有二维指向功能的数传天线设计，更具体地说，是一种纵向尺寸小，具有特定初始指向角度的二维驱动数传天线系统。
背景技术
在静止轨道卫星通信系统中，随着数据量的不断提高，对数传天线增益要求越来越高，天线波束越来越窄。为了确保对地数传通道建立的稳定，势必需要配合使用二维指向机构来调整天线的指向。
通常星载数传天线驱动机构采用上下串联的结构形式。为了减少卫星的外包络尺寸，天线通常压紧在某个角度。卫星在轨定点后解锁锁定机构进行天线展开。这样的方案一方面增加了天线的尺寸，给布局设计带来困难。一方面展开过程伴随一定的风险，展开过程失败则带来整星任务的失败。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供一种可实现特定初始指向的紧凑型星载二维驱动数传天线系统，结构紧凑，实现特定初始指向角度。
为达到上述目的，本发明所采用的技术方案如下：
一种可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，包括：天线本体、二维指向机构、锁紧释放机构、天线安装板，天线安装板与二维指向机构的安装接触面设计成不等厚度的倾斜板，实现X轴方向的指向，二维指向机构倾斜锁定，实现Y轴方向的指向，锁紧释放机构约束天线系统绕X轴和Y轴转动自由度。
天线副反射面通过透波材料与馈源连接，减少了副反射支架对天线性能的影响。
二维指向机构采用X/Y轴座架形式，由X轴机构和Y轴机构组成，X轴与Y轴成垂直正交，且机构的X和Y旋转轴设计在同一平面。
驱动组件由步进电机、谐波减速器和角度传感器组成。将步进电机、谐波减速器和角度传感器设计成一个驱动组件，安装在支架的一侧。
抱爪式锁紧释放机构锁紧点的位置设为2个，并成90度布置，分别约束机构绕y轴转动自由度和绕x轴转动自由度。
安装板周围对称分布10个安装孔，为了防止天线装配错误，安装内侧设置四个不均布的安装孔。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1)副反射面支撑采用与馈源一体化结构；
2)将数传天线X向转动单元与Y向转动单元通过连接架设计实现了同一平面布局。压缩了驱动机构整体纵向尺寸；
3)通过安装板的特定角度的倾斜设计，实现了天线锁紧时指向特定的地面站功能；
4)通过上述两个设计方案，同步实现了天线驱动机构展开轴与转动轴共用。减少了天线机构的复杂程度；
5)减轻了整个系统重量，降低的纵向尺寸为天线热控设计提供了有利条件；
6)紧凑的结构形式降低了卫星天线布局的难度；
7)由于采用锁定初始指向设计，使得天线电轴方向与卫星对地指向基本一致，降低了整星无线测试的复杂度；
8)由于采用初始指向设计，使得产品的机械重心得以保持，在整星天线展开测试时无需使用额外的重力卸载吊挂装置，降低了系统测试复杂度。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1是本发明天线本体一实施例结构示意图；
图2是驱动组件结构示意图；
图3是实现初始指向的倾斜安装板示意图；
图4是X轴锁紧连接架示意图；
图5是设计在同一平面的二维指向机构示意图；
图6是抱爪式天线锁定释放机构示意图；
图7是天线整体状态示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
天线本体1如图1所示，由馈源10、主反射面11、副反射面12、副反射面支撑筒13组成。馈源采用轴向槽波纹喇叭，为了实现圆极化，馈源波导内部设置了金属膜片圆极化器。根据环焦天线反射面设计几何约束关系，口径(Ф＝1000mm)确定的前提下，对环焦天线的主面焦距、副面口径、馈源喇叭照射张角等参数进行综合优化设计，以获得紧凑结构和最高增益。环焦天线副反射面口径Ds的选择需要考虑减小对主反射面的遮挡，同时也要考虑有足够的电尺寸保证环焦天线性能实现，副反射面口径选择为100mm，以减小对口面遮挡，降低方向图近轴旁瓣。为了减小天线纵向尺寸，主反射面焦径τ选择为0.3，根据馈源喇叭的仿真结果，馈源对副反射面张角θf取为44°。通过反复仿真优化，考虑馈源喇叭、副面与主面之间的多次反射，馈源喇叭在副面边缘相对照射电平为-13dB时，天线可获得最高增益。
驱动组件2如图2所示，天线的驱动组件由步进电机20、谐波减速器21和角度传感器22组成。为了缩小安装尺寸、减轻质量，驱动组件采用结构一体化设计的思路，将步进电机、谐波减速器和角度传感器设计成一个驱动组件，安装在支架的一侧。并带有外径为Φ6mm的充氮管嘴24，为地面试验时需要进行充氮保护提供接口。
天线安装板30和X轴锁紧连接支架40分别如图3和图4所示。根据天线在锁紧状态时应指向北京站的要求，天线安装板与二维指向机构的安装接触面31和锁紧机构安装面32通过一体化切屑工艺，设计成不等厚度的倾斜板，向X方向倾斜角度为1.22°，天线安装板设计有一组定位销孔33。X轴锁紧连接架40的倾斜角度为6.24°，提供天线Y方向的初始指向。实际中，不同的初始指向需要可以调整这两个角度值。
二维指向机构如图5所示。二维指向机构采用X/Y轴座架形式，由X轴机构和Y轴机构组成，X轴与Y轴成垂直正交。其中X轴定义为驱动轴轴心与卫星本体坐标系X轴平行；Y轴定义为驱动轴轴心与卫星本体坐标系Y轴平行。X轴机构由X轴驱动组件50、X轴旋转关节51、X轴连接框架52。Y轴机构由Y轴驱动组件53、Y轴旋转关节54、Y轴连接框架55组成。Y轴连接框架55与图4的二维指向机构的安装接触面31连接。天线安装基座56与X轴框架连接52。为了提高系统锁紧状态刚度，将机构在锁紧状态重心高度尽量降低，X轴机构和Y轴机构设计在同一平面，满足X、Y旋转轴±12°的转动范围要求。天线Y轴转动时，Y轴连接框架55不动。Y轴驱动组件53可以带动Y轴旋转关节54、X轴驱动组件50、X轴旋转关节51、X轴连接框架52和天线安装基座56转动。天线X轴转动时，X轴驱动组件50无法带动天线Y轴转动。X轴驱动组件50可以带动X轴旋转关节51、X轴连接框架52和天线安装基座56转动。
抱爪式天线锁定释放机构60如图6所示。为保证重量为4kg的天线负载在冲击振动下的频率要求，锁紧点的位置设为2个，分别为X轴锁紧点和Y轴锁紧点；锁紧释放机构为2个，分别为X轴锁紧释放机构和Y轴锁紧释放机构。这里X轴定义为锁紧杆轴心与卫星本体坐标系X轴平行，Y轴定义为锁紧杆轴心与卫星本体坐标系Y轴平行。X轴锁紧释放机构包括X轴抱爪61和X轴锁紧连接架62。Y轴锁紧释放机构包括Y轴抱爪63和Y轴锁紧连接架64。为实现数传天线机构最优化的锁紧约束，将锁紧释放机构的X轴锁紧连接架62和Y轴锁紧连接架64成90度布置。Y轴锁紧释放机构主要约束机构绕Y轴转动自由度，既约束X轴机构的转动；X轴锁紧释放机构主要约束机构绕X轴转动自由度，既约束Y轴机构的转动。
图7给出了天线完整的状态。卫星在轨工作时，锁紧机构6解锁，天线驱动机构5驱动天线1转动，实现对不同地面站的指向。若在轨锁紧机构6无法正常解锁，天线驱动机构5无法正常工作，此时通过安装底板3和锁紧机构6的初始倾斜角度设计，仍然可以保证天线指向北京。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，包括：天线本体、二维指向机构、锁紧释放机构、天线安装板，天线安装板与二维指向机构的安装接触面设计成不等厚度的倾斜板，实现X轴方向的初始指向，二维指向机构倾斜锁定，实现Y轴方向的初始指向，锁紧释放机构约束天线系统绕X轴和Y轴转动自由度；
卫星在轨工作时，锁紧机构（6）解锁，天线驱动机构（5）驱动天线（1）转动，实现对不同地面站的指向；若在轨锁紧机构（6）无法正常解锁，天线驱动机构（5）无法正常工作，此时通过安装底板（3）和锁紧机构（6）的初始倾斜角度设计，仍然保证天线指向指定位置。
2.根据权利要求1所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，所述天线本体为环焦抛物面天线，包括馈源、主反射面、副反射面、副反射面支撑筒，副反射面支撑采用与馈源一体化结构；馈源采用轴向槽波纹喇叭，为了实现圆极化，馈源波导内部设置了金属膜片圆极化器，根据环焦天线反射面设计几何约束关系，在口径确定的前提下，对环焦天线的主面焦距、副面口径、馈源喇叭照射张角参数进行综合优化设计，获得紧凑结构和最高增益。
3.根据权利要求2所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，环焦天线副反射面口径Ds的设计需要考虑减小对主反射面的遮挡，同时考虑有足够的电尺寸保证环焦天线性能实现。
4.根据权利要求2所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，天线副反射面通过透波材料与馈源连接，减少副反射支架对天线性能的影响。
5.根据权利要求1所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，所述二维指向机构采用X/Y轴座架形式，由X轴机构和Y轴机构组成，X轴与Y轴成垂直正交，为了提高系统锁紧状态刚度，将机构在锁紧状态的重心高度降低，机构的X和Y旋转轴设计在同一平面。
6.根据权利要求5所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，所述X轴机构和Y轴机构分别由X轴驱动组件和Y轴驱动组件驱动，X轴驱动组件和Y轴驱动组件均由功能指标相同步进电机、谐波减速器和角度传感器产品组成。
7.根据权利要求6所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，为了缩小安装尺寸、减轻质量，X轴驱动组件和Y轴驱动组件均采用结构一体化设计，将步进电机、谐波减速器和角度传感器设计成一个整体。
8.根据权利要求1所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，所述锁紧释放机构包括抱爪和锁紧连接架，为保证天线负载在冲击振动下的频率要求，锁紧释放机构设置为2个，为实现数传天线机构最优化的锁紧约束，2个锁紧连接架成90度布置，分别约束天线系统绕y轴转动自由度和绕x轴转动自由度，每个锁紧释放机构具有两个方向约束，其中一个方向的约束通过锁紧杆的预紧力及抱爪的限位实现，另一个方向的约束通过左右抱爪与锁紧连接架的摩擦力实现。
9.根据权利要求1所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，天线安装板包含铝蜂窝板和实现特定指向的倾斜板，通过对安装板的特定角度的倾斜设计，实现天线锁紧时指向特定的地面站功能。
10.根据权利要求1所述的可实现特定初始指向的星载二维驱动数传天线系统，其特征在于，天线安装板周围对称分布10个安装孔，为了防止装配错误，安装内侧设置四个不均布的安装孔。
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