CN110289478A - 一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂及制造方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂及制造方法，它涉及通信、测控以及射电天文等领域中的双偏置反射面天线的副面支臂技术。旨在提供一种高精度、轻量化、高刚度且适合批量生产的副面支臂结构。它包括边框、单层空间桁架和双层空间桁架等。边框为五边形结构，单层桁架由多个三角形单元组成，双层空间桁架由多个三角锥和四角锥单元组成，支臂整体结构形成了稳定的空间结构，各节点连接方式采用螺栓球结构。本发明具有结构刚度好、重量轻和快速安装的特点，能够有效提高天线系统的整体刚度和动态性能，同时能够降低制造成本和安装、运输成本。

Description

一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂及制造方法

技术领域

本发明涉及双偏置反射面天线技术领域，特别是指一种基于空间混合结构的双偏置天线的副面支臂及制造方法，适用于高精度、快速安装的中等口径的双偏置反射面天线的生产和制造。

背景技术

反射面天线因具有强方向性而广泛用于通信、测控和射电天文领域中。其中，双偏置天线是反射面天线中重要的一种类型，该类型天线消除了副面和馈源对口径的遮挡，同时也消除了副面对馈源的反作用，改善了馈电系统的匹配。因此，双偏置天线更适合于高增益、低旁瓣和低交叉极化等高性能要求的场合。

对于双偏置天线系统，副面的位置精度决定了天线的电气性能，特别是当天线做俯仰运动时，用于支撑副面或馈源的支臂结构刚度直接影响了天线的动态性能。为了提高副面支臂刚度，传统的支臂采用桁架结构，这种结构形式虽然可以支撑副面或馈源，但存在以下缺陷：

（1）精度低。传统支臂的桁架结构，一般采用焊接工艺成型，构件精度低，在使用中也易产生应力变形，影响副面或馈源的位置精度；在安装过程中，该类结构也不易实现对副面的位姿调整，导致天线系统在初始状态时的电气性能不佳。

（2）重量重。为了抵抗天线在做俯仰运动时由于重力引起的副面位置变化，传统的桁架结构制作的都过于笨重，导致成本上升；同时，过重的支臂又导致其自身重力变形的加大，这也是目前中等口径双偏置天线所面临的问题。

（3）刚度差。传统支臂结构，只是在俯仰面内进行了刚度的加强，其侧向刚度和扭转刚度则较弱，因此，传统的中等口径双偏置天线在抗风扰方面和动态特性方面，电气指标将会降低。

公告号为CN201364961U的中国专利《一种小口径偏置直播卫星电视接收天线》中公开了一种用于卫星电视接收的单偏置小口径接收天线；公告号为CN204632900U的中国专利《一种平板反射阵列天线用馈源支臂》中公开了一种用于便携式平板天线的馈源支臂结构；公开号为CN104167612A的中国专利《一种便携式双偏置抛物面天线》中公开了一种用于卫星通信的双偏置便携式天线。上述的三个专利虽然适合于小型化的偏置天线或平板天线的馈源和副面的支臂结构，但对于中等口径的双偏置反射面的副面支臂来说，存在以下不足：

（1）只适合于小口径类天线。上述三个专利所涉及的支臂结构仅适用于小口径天线，如卫星电视接收天线和便携式卫通天线，其主面口径仅为1米范围，副面口径仅为几百毫米，对于中等口径的双偏置天线来说，当其副面口径约为5米时，上述三种方法则不能满足要求。

（2）副面或馈源支臂刚度弱。在上述的三个专利中所涉及的支臂类型，均为单杆或双杆结构方式，如果中等口径的双偏置天线的副面支臂也采用该种方式，则支臂刚度较差，会导致副面位移过大，从而影响天线系统电气性能。

（3）只适用于单频段工作。当天线需要多组馈源工作时，上述三种方法无法满足足够的安装空间。

公开号为CN103474741A的中国专利《环焦天线副面介质支撑罩及其制备方法》中公开了一种采用玻璃纤维材料支撑环焦天线副面的方法；公开号为CN101378152A的中国专利《由介质锥支撑副面的双反射面天线》中公开了一种由介质材料对副面进行支撑的方法。上述两个专利虽然适合于部分双反射面天线中的副面支撑，但对于双偏置天线中副面支臂来说，仍会存在以下不足：

（1）只适用于圆对称反射面天线。以上两个专利中所提供的副面支撑方法，只适用于圆对称双反射面天线，对于非对称的双偏置天线，两个专利中所涉及的“圆台”和“圆锥形”方法，不能满足对副面的支撑。

（2）只适合于低频段工作。在上述的两个专利中所涉及的副面支撑方式，均为自支撑方式，也就是说电磁波要穿透介质材料，这种方式对于低频段工作的天线是可以接受的，但当工作频率升高时，将对电气指标造成不利的影响。

发明的内容

有鉴于此，本发明提供一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂及制造方法。该副面支臂具有刚度大、精度高、重量轻、易于制造和便于运输的特点，能够有效提高天线系统的整体刚度和动态性能，同时能够降低制造成本和安装、运输成本。

为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是：

一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其包括由杆体构成的边框、馈源架和两个连接架，杆体之间均通过位于杆体端头处的节点相互连接；所述边框为倒置的五边形结构，所述馈源架为双层空间桁架结构，所述连接架为单层空间桁架结构；边框上部两顶点为上节点，中部两顶点为中节点，底部顶点为下节点；所述馈源架包括一个下弦杆组和两个上弦杆组；两个上弦杆组左右对称设置，上弦杆组和下弦杆组均为由多根杆体首尾顺次相连而构成的折线结构，上弦杆组比下弦杆组多一根杆体；上弦杆组和下弦杆组的前端均与所述边框的下节点连接，上弦杆组的末端用于连接主反射面背架；除首末两端外，左上弦杆组和右上弦杆组的各同位节点之间均通过连杆连接；每一上弦杆组首根杆体末端的节点均通过一根腹杆与下弦杆组首根杆体末端的节点连接；除首末两根杆体外，每一上弦杆组中每一杆体末端的节点，均分别通过一根腹杆与下弦杆组中同序杆体首末两端的节点连接；

所述连接架包括上主杆组、下主杆、斜拉杆、第一上斜杆、第二上斜杆和下斜杆，所述下斜杆连接于上弦杆组首根杆体末端的节点与同侧的边框中节点之间，所述下主杆连接于上弦杆组的末端节点与同侧的边框中节点之间，所述上主杆组包括多根首尾顺次相连的杆体，上主杆组的前端与该侧的边框中节点连接，第一上斜杆和第二上斜杆的首端均与上主杆组的一个中间节点连接，第一上斜杆的末端与该侧的边框中节点连接，第二上斜杆的末端与同侧上弦杆组的末端连接，所述斜拉杆的一端与上主杆组的一个中间节点连接，另一端向外侧延伸并与主反射面背架连接。

具体的，所述上主杆组由两根杆体连接而成，每根长度为1500～6000mm。

具体的，所述上弦杆组由三根杆体连接而成，每根杆体的长度为1000～3000mm。

具体的，所述下弦杆组中首根杆体与第二根杆体的夹角为100°～170°。

具体的，所述杆体为钢制圆管、铝合金圆管或碳纤维管，直径为40～160mm，长度为1000～6000mm。

具体的，所述节点为中空开放式螺栓球。

此外，本发明还提供一种上述双偏置天线副面支臂的制造方法，其包括以下步骤：

①取主面背架边缘不在同一直线上的七个点，记为A、A’、B、B’、C、C’、D，其中，A和A’、B和B’、C和C’沿垂直面互为镜像关系；

②在副面前部取处于同一平面上的五个点，记为E、E、’F、F’、G，其中，E和E’、F和F’沿垂直面互为镜像关系；

③连接步骤①和②得到的点，形成十一条线段：EF、FG、EE’、E’F’、F’G、EB、FC、GC、GC’、F’C’、E’B’；

④从G点出发在垂直面内，向右下方做线段GH，使得GH与GC和GC’所形成平面夹角为10°～60°，长度为1000～3000mm；

⑤连接点H、D，得到线段HD；

⑥取线段EB的中点I以及线段E’B’的中点I’；

⑦连接步骤①、②和⑥得到的点，形成六条线段：FI、IC、IA、F’I’、I’C’、I’A’；

⑧在线段GC上取两点J、K，在线段GC’上取两点J’、K’，使线段GJ、JK、KC的长度为线段GC长度的1/3～1/4，线段GJ’、J’K’、K’C’的长度为线段GC’长度的1/3～1/4；

⑨连接步骤①、②和⑧得到的点，形成八条线段：JJ’、KK’、HJ、HJ’、HK、HK’、DK、DK’；

⑩根据所获得的各线段制作杆体和节点，组装形成副面支臂。

本发明与背景技术相比具有如下有益效果：

（1）本发明采用单层桁架和双层桁架相结合的方法，桁架由多个三角形、三角锥和四角锥单元组成，形成了稳定的空间结构，克服了传统的单杆支撑刚度差的缺陷。本发明具有稳定的力学特性，能够有效提高天线系统的动态性能。

（2）本发明中的支臂装置均由单根杆件组成，可单独加工成型，与传统焊接成型的桁架结构相比，具有精度高、不易变形和易于调整的优点。

（3）本发明副面支臂中的各连接节点，均采用螺栓球节点经数控加工成型，经组装后的支臂装置位置精度高、互换性好，特别适用于大批量生产制造。

（4）本发明中组成支臂的所有杆件均采用螺栓球结构相互连接，分解后的可运输单元均适合于公路运输和标准集装箱。

（5）本发明中组成支臂的双层桁架部分，用于支撑天线馈源等装置，具有承载能力强，安装空间大的特点，特别适用于多频段、多馈源以及相位阵馈源的双偏置天线，为今后天线系统升级做了准备。

总之，本发明副面支臂采用单层和双层桁架相结合的方式，由多个三角形、三角锥和四角锥单元组成，形成了稳定的空间结构。本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统的双偏置天线副面支臂结构精度低、重量重和刚度差的问题，又提高了天线系统的动态性能，是对现有技术的一种重要改进。

附图说明

图1是本发明实施例中副面支臂的总体结构示意图；

图2是图1中边框部分的结构示意图；

图3是图1中边框以及一侧连接架的结构示意图；

图4是图1中边框以及馈源架的结构示意图；

图5是图1中节点处的连接结构示意图；

图6是图1中球节点的结构示意图；

图7是本发明实施例中支臂制造方法的原理示意图；

图8是本发明实施例中副面支臂的使用状态参考图。

图中各标号的含义如下：外边框1，上节点1-1，中节点1-2，下节点1-3，前上节点1-1-1，后上节点1-1-2，前中节点1-2-1，后中节点1-2-2，单层空间桁架2，上主杆2-1，下主杆2-2，斜拉杆2-3，上斜杆2-4，下斜杆2-5，前上主杆2-1-1，后上主杆2-1-2，前下主杆2-2-1，后下主杆2-2-2，前斜拉杆2-3-1，后斜拉杆2-3-2，左前上斜杆2-4-1，右前上斜杆2-4-2，左后上斜杆2-4-3，右后上斜杆2-4-4，前下斜杆2-5-1，后下斜杆2-5-2，双层空间桁架3，上弦杆3-1，下弦杆3-2，腹杆3-3，连杆3-4，前上弦杆3-1-1，后上弦杆3-2-2，左下弦杆3-2-1，右下弦杆3-2-2，前左腹杆3-3-1，前中腹杆3-3-2，前右腹杆3-3-3，后左腹杆3-3-4，后中腹杆3-3-5，后右腹杆3-3-6，左连杆3-4-1，右连杆3-4-2。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步的描述。

以有效口径为15米的双偏置反射面天线的副面支臂为示例进行说明。如图1～4所示，该副面支臂包括：外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3。

外边框1为五边形，且五边形的横边位于上部，五条边两两相交形成上节点1-1、中节点1-2和下节点1-3，上节点1-1包括前上节点1-1-1和后上节点1-1-2，中节点1-2包括前中节点1-2-1和后中节点1-2-2。

单层空间桁架2由三角形单元组成，包括上主杆2-1、下主杆2-2、斜拉杆2-3、上斜杆2-4和下斜杆2-5，上主杆2-1由前上主杆2-1-1和后上主杆2-1-2组成，下主杆2-2由前下主杆2-2-1和后下主杆2-2-2组成，斜拉杆2-3由前斜拉杆2-3-1和后斜拉杆2-3-2组成，上斜杆2-4由左前上斜杆2-4-1、右前上斜杆2-4-2、左后上斜杆2-4-3和右后上斜杆2-4-4组成，下斜杆2-5由前下斜杆2-5-1和后下斜杆2-5-2组成，上主杆2-1一端与对应上节点1-1相连接，另一端与主反射面背架相连接，下主杆2-2一端与对应中节点1-2相连接，另一端与主反射面背架相连接，斜拉杆2-3一端与对应上主杆2-1中部相连接，另一端与主面背架相连接，上斜杆2-4位于上主杆2-1和下主杆2-2之间，分别与对应中节点1-2上主杆2-1中部和下主杆2-2相连接，下斜杆2-5分别与对应中节点1-2和双层空间桁架3相连接。

双层空间桁架3由多个三角锥和四角锥单元组成，包括上弦杆3-1、下弦杆3-2、腹杆3-3和连杆3-4，上弦杆3-1由前上弦杆3-1-1和后上弦杆3-2-2组成，下弦杆3-2由左下弦杆3-2-1和右下弦杆3-2-2组成，腹杆3-3由前左腹杆3-3-1、前中腹杆3-3-2、前右腹杆3-3-3、后左腹杆3-3-4、后中腹杆3-3-5和后右腹杆3-3-6组成，连杆3-4由左连杆3-4-1和右连杆3-4-2组成，上弦杆3-1一端与对应下节点1-3相连接，另一端与主反射面背架相连接，下弦杆3-2为折线形式，一端与对应下节点1-3相连接，另一端与主反射面背架相连接，腹杆3-3一端分别与上弦杆3-1中部位置相连接，另一端与下弦杆3-2相连接，连杆3-4用于连接前上弦杆3-1-1和后上弦杆3-1-2。

前上主杆2-1-1和后上主杆2-1-2均由两段组成，每段长度为1500～6000mm。

本例中前上主杆2-1-1和后上主杆2-1-2每段长度为4000mm。

前上弦杆3-1-1和后上弦杆3-2-2均由三段组成，每段长度为1000～3000mm。

本例中前上弦杆3-1-1和后上弦杆3-2-2每段长度为1200～2400 mm。

左下弦杆3-2-1和右下弦杆3-2-2之间的夹角为100°～170°。

本例中左下弦杆3-2-1和右下弦杆3-2-2之间的夹角为150°。

外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3的各个杆件为钢制圆管或铝合金圆管，也可以是碳纤维管材，直径为40～160mm，长度为1000～6000mm。

本例中外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3的各个杆件为钢制圆管，直径为90mm。

如图5所示，外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3的各个杆件的连接节点形式均采用螺栓球结构。

外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3的各个杆件均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。

如图6所示，外边框1、单层空间桁架2和双层空间桁架3的连接节点均为中空开放式螺栓球，可采用数控机床加工成型。

图8为该副面支臂的使用状态参考图，其连接于主面背架的前方，可用来支撑副面并安放馈源。

上述副面支臂的制造方法，原理图如图7所示，包括以下步骤：

①取主面背架边缘不在同一直线上的七个点，记为A、A’、B、B’、C、C’、D，其中：A和A’、B和B’、C和C’沿垂直面互为镜像关系；

②在副面前部适当位置取处于同一平面上的五个点，记为E、E、’F、F’、G，其中：E和E’、F和F’沿垂直面互为镜像关系；

③连接步骤①和②得到的点，形成十一条线段记为，EF、FG、EE’、E’F’、F’G、EB、FC、GC、GC’、F’C’、E’B’；

④从G点出发在垂直面内，向右下方做线段，记为GH，使得GH与GC和GC’所形成平面夹角为10°～60°，长度为1000～3000mm；

⑤依步骤④得到的H点，连接点H、D，得到线段HD；

⑥分别取线段EB和E’B’中点记为，I、I’；

⑦连接步骤①、②和⑥得到的点，形成六条线段，记为，FI、IC、IA、F’I’、I’C’、I’A’；

⑧分别在线段GC和GC’上各取两点记为，J、K、J’、K’，且使线段GJ、JK、KC的长度为线段GC长度的1/3～1/4，使线段GJ’、J’K’、K’C’的长度为线段GC’长度的1/3～1/4；

⑨连接步骤①、②和⑧得到的点，形成八条线段，记为，JJ’、KK’、HJ、HJ’、HK、HK’、DK、DK’；

⑩根据所获得的各线段制作杆体和节点，组装形成副面支臂。

以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，包括由杆体构成的边框、馈源架和两个连接架，杆体之间均通过位于杆体端头处的节点相互连接；所述边框为倒置的五边形结构，所述馈源架为双层空间桁架结构，所述连接架为单层空间桁架结构；边框上部两顶点为上节点，中部两顶点为中节点，底部顶点为下节点；所述馈源架包括一个下弦杆组和两个上弦杆组；两个上弦杆组左右对称设置，上弦杆组和下弦杆组均为由多根杆体首尾顺次相连而构成的折线结构，上弦杆组比下弦杆组多一根杆体；上弦杆组和下弦杆组的前端均与所述边框的下节点连接，上弦杆组的末端用于连接主反射面背架；除首末两端外，左上弦杆组和右上弦杆组的各同位节点之间均通过连杆连接；每一上弦杆组首根杆体末端的节点均通过一根腹杆与下弦杆组首根杆体末端的节点连接；除首末两根杆体外，每一上弦杆组中每一杆体末端的节点，均分别通过一根腹杆与下弦杆组中同序杆体首末两端的节点连接；

所述连接架包括上主杆组、下主杆、斜拉杆、第一上斜杆、第二上斜杆和下斜杆，所述下斜杆连接于上弦杆组首根杆体末端的节点与同侧的边框中节点之间，所述下主杆连接于上弦杆组的末端节点与同侧的边框中节点之间，所述上主杆组包括多根首尾顺次相连的杆体，上主杆组的前端与该侧的边框中节点连接，第一上斜杆和第二上斜杆的首端均与上主杆组的一个中间节点连接，第一上斜杆的末端与该侧的边框中节点连接，第二上斜杆的末端与同侧上弦杆组的末端连接，所述斜拉杆的一端与上主杆组的一个中间节点连接，另一端向外侧延伸并与主反射面背架连接。

2.根据权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，所述上主杆组由两根杆体连接而成，每根长度为1500～6000mm。

3.根据权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，所述上弦杆组由三根杆体连接而成，每根杆体的长度为1000～3000mm。

4.根据权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，所述下弦杆组中首根杆体与第二根杆体的夹角为100°～170°。

5.根据权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，所述杆体为钢制圆管、铝合金圆管或碳纤维管，直径为40～160mm，长度为1000～6000mm。

6.根据权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂，其特征在于，所述节点为中空开放式螺栓球。

7.如权利要求1所述的基于空间混合结构的双偏置天线副面支臂的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

①取主面背架边缘不在同一直线上的七个点，记为A、A’、B、B’、C、C’、D，其中，A和A’、B和B’、C和C’沿垂直面互为镜像关系；

②在副面前部取处于同一平面上的五个点，记为E、E、’F、F’、G，其中，E和E’、F和F’沿垂直面互为镜像关系；

③连接步骤①和②得到的点，形成十一条线段：EF、FG、EE’、E’F’、F’G、EB、FC、GC、GC’、F’C’、E’B’；

④从G点出发在垂直面内，向右下方做线段GH，使得GH与GC和GC’所形成平面夹角为10°～60°，长度为1000～3000mm；

⑤连接点H、D，得到线段HD；

⑥取线段EB的中点I以及线段E’B’的中点I’；

⑦连接步骤①、②和⑥得到的点，形成六条线段：FI、IC、IA、F’I’、I’C’、I’A’；

⑧在线段GC上取两点J、K，在线段GC’上取两点J’、K’，使线段GJ、JK、KC的长度为线段GC长度的1/3～1/4，线段GJ’、J’K’、K’C’的长度为线段GC’长度的1/3～1/4；

⑨连接步骤①、②和⑧得到的点，形成八条线段：JJ’、KK’、HJ、HJ’、HK、HK’、DK、DK’；

⑩根据所获得的各线段制作杆体和节点，组装形成副面支臂。