CN110289498B - 具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，它涉及通信、测控以及射电天文等领域。本发明副反射面装置包括调整装置、副反射面、单层空间背架和面板精调装置。调整装置采用动、定平台为平面桁架的多杆六自由度副面调整机构，实现对副反射面的初级位姿调整；副反射面由均匀分块的一个多边形面板和若干个扇形面板组成；单层空间背架的内外边数为1比2形式，为副反射面提供结构支撑；面板精调装置实现对副反射面的次级位姿调整。这种装置不仅能够实现副反射面的两级位姿调整，而且能够提高副反射面的整体刚度，减小整体重量，同时能够提升安装调整效率和提高调整精度。
Description
技术领域
本发明涉及通信、测控以及射电天文等技术领域，特别是指一种具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置。
背景技术
双偏置天线是指主面对副面偏置、副面对馈源偏置。双偏置天线既克服了副面对主面的遮挡，又克服了馈源及支臂对副面的遮挡，从而改善了天线方向图的近轴旁瓣特性和馈源的输入电压驻波比特性，而且具有较高的天线效率。
格里高利形式的双偏置天线容易实现紧凑的结构而且初级馈源和副面之间有较大间隔，可减小近场效应而易于实现远场条件，因此应用范围更为广泛。下偏置天线由于重心位置低，且有利于接收系统的安装和维护，为大量工程所采用。
正是因为双偏置天线具有以上优点，国际大科学工程——平方公里阵SKA（SquareKilometre Array）射电望远镜项目，采用了下偏置格里高利双反射面天线形式。
对于双偏置天线而言，副反射面的几何尺寸、与主面的相对位置关系均与圆对称反射面天线有着很大的差异，如何将副反射面精确地调整到理论位置上去，是设计中的关键问题，否则，将导致主、副反射面位置关系不匹配，引起天线效率的急剧下降。
SKA项目由总计2500面15米口径的双偏置反射面天线组成，接收来自遥远宇宙的微弱射电信号，因此需要天线具有高效率、低噪声性能，以及低成本和快速安装的特点，其中，天线效率要求在15GHz时，应优于88%。
目前，SKA工程已完成了三个先导单元天线，文献《DVA-C：A Chinese dishprototype for the Square Kilometre Array》（2015 International Symposium onAntennas and Propagation）中介绍了中国SKA样机的研制；文献《The design of theMeerKAT dish optics》（Electromagnetics in Advanced Applications，2012International Conference）中介绍了南非SKA样机的研制；文献《Update on the SKAoffset optics design for the U.S. Technology Development Project》（Aerospace ,IEEE Conference，March 2011）中介绍了加拿大SKA样机的研制。上述的三个原理样机，均采用复合材料整体式副反射面，这种成型方式虽然能够简化加工制造过程，但对于SKA项目来说，存在以下不足：
（1）整体式副反射面所需要的模具也为整体式结构，几何尺寸大，导致加工精度低；大尺寸的复合材料在成型过程中，易产生内应力和收缩不均匀的缺陷，导致成型后的副反射面整体精度下降。
（2）上述的三种整体式副反射面，没有设置精度调整点，成型后的副反射面精度不能控制，使得成品率降低。
（3）以上三种副反射面形式，结构支撑点少，当天线在做俯仰运动时，易产生变形，影响天线效率。
随着计算能力的提高，并联机构已应用到多个反射面天线的副面调整中去。中国专利公开号CN202712431U，名称为《一种含有固定调整机构的天线副反射面系统》的专利中公开了一种采用经典的Stewart并联机构调整副反射面的装置；中国专利公开号CN105226370A，名称为《6/6-UPU型并联机构天线结构系统》的专利中公开了一种采用六杆并联机构作为天线座架，实现了过顶跟踪功能的装置；中国专利公开号CN106450653A，名称为《一种并联式六自由度冗余驱动天线结构系统》的专利中公开了一种通过六杆并联机构和圆锥体相组合，实现了天线负角度仰角的机构；文献《Orientation of radio-telescopesecondary mirror via parallel platform》（Electrical Engineering, ComputingScience and Automatic Control，2015 12th International Conference）中介绍了一种用于副反射面六自由度调整的并联机构；文献《Stiffness Study of a HexapodTelescope Platform》（Antennas and Propagation， IEEE Transactions，2011）中介绍了一种采用六杆机构作为平面天线阵座架的装置。上述的几种并联机构能够实现了对天线或副面的六自由度调整，但对于如双偏置反射面天线的副面调整的应用，存在以下不足：
（1）局部刚度低。传统并联机构一般由六个驱动杆、动平台和定平台组成，动平台通过三个支撑点与驱动杆相连接。当副反射面口径较大时，做为副反射面安装基础的动平台，可能会因为支撑点过少引起连接位置刚度低，从而降低副反射面的表面精度。
（2）可设计性差。传统并联机构为了满足求解空间的需求，不能任意配置各杆件的位置分布，特别地，对于双偏置天线，当需要定平台位于副反射面口径外部时，会给结构设计带来很大困难。
（3）没有冗余设计。六杆并联机构采用六套驱动系统，当其中有一个驱动或杆件产生故障时，会导致系统无法正常工作，甚至会对设备安全产生影响。
对于分块式天线反射面，在每块面板背面均要设置调整点。传统的天线面板调整方法是采用若干个螺柱布置在面板背部，螺柱再与天线背架相连接，在调整时，通过调整螺柱的旋合长度来实现天线面板的移动。中国专利公开号CN202004142U，名称为《一种组合式天线面板定位连接装置》的专利中公开了一种运用锥销和螺母组合方式的天线面板连接装置；中国专利公开号CN108172970A，名称为《一种天线面板装配结构》的专利中公开了一种带有球铰的天线面板调整结构；中国专利公开号CN108155482A，名称为《一种高精度反射面天线组合面板的结构及其调整方法》的专利中公开了一种具有法向调整功能的组合面板调整方法；文献《Design, construction, and performance of the Leighton 10.4-m-diameter radio telescopes》（Proceedings of the IEEE，May 1994）中介绍了一种铝蜂窝三明治结构的面板调整装置；文献《Surface adjustment of the IRAM 30 m radiotelescope》（Microwaves, Antennas & Propagation, IET，2009）中介绍了一种带有桁架结构面板的调整装置。上述的几种分块式面板调整结构形式，虽然能够满足一定精度的反射面天线或者圆对称反射面天线的需求，但对于要求高位置精度和高表面精度的双偏置反射面天线的副反射面来说，存在以下不足：
（1）没有提及面板平面移动的调整方法。上述的几种调整装置可以通过螺纹方式实现面板的轴向连续调整，但对于面板水平面内的移动调整，则没有给出相应的连续调整方式。
（2）天线面板在不同姿态时需克服重力调整，操作困难。众所周知，反射面天线为抛物面形式，单块面板在反射面不同位置时，其姿态是不同的，如靠近反射面中心位置时，面板斜度较小，而处于反射面边缘时，面板斜度会很大，当对斜度很大的面板进行移动调整时，需要克服面板自重，在调整过程中容易出现滑移现象，特别是在高空作业时，给操作人员带来很大困难，甚至会带来危险。
（3）调整效率低，易产生调整位置不收敛。对于没有可连续移动调整的装置来说，则完全依赖于人工经验，当调整一个方向时，会对已调整好的方向产生影响，造成面板调整位置不收敛的恶性循环。
发明的内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其具有表面精度高、调整精度高、调整效率高、刚度大和重量轻的特点。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：包括调整装置1、副反射面2、单层空间背架3和面板精调装置4；
所述的调整装置1位于副反射面2口径方向，包括动平台1-1、定平台1-2、主调整杆1-3、辅助调整杆1-4、动平台球节点1-5和定平台球节点1-6，所述的动平台1-1与单层空间背架3相连接，定平台1-2位于副反射面2口径外部，所述的定平台1-2为平面桁架结构，外形呈N边形，其中，N为自然数，且N≥4，所述定平台1-2由N个定平台杆1-2-1～1-2-N组成，且定平台杆两两之间通过定平台球节点1-6相连接，所述的动平台1-1为平面桁架结构，外形呈2N边形，所述动平台由2N个动平台杆1-1-1～1-1-2N组成，且动平台杆两两之间通过动平台球节点1-5相连接，所述的动平台杆1-1-1～1-1-2N定平台杆1-2-1～1-2-N主调整杆1-3和辅助调整杆1-4组成多个三角形空区的网面结构；
所述的副反射面2由一个N边形面板2-1和N个扇形面板2-2组成，所述的N个扇形面板2-2呈辐射状分布于N边形面板2-1的外围，且每块扇形面板2-2的面积与N边形面板2-1的面积相当，副反射面2通过面板精调装置4与单层空间背架3相连接；
所述的单层空间背架3由内环支撑3-1、主杆3-2、斜杆3-3和内环球节点3-4组成，所述的内环支撑3-1外形为N边形，内环支撑3-1由N个内环杆3-1-1～3-1-N组成，内环杆3-1-1～3-1-N两两之间通过内环球节点3-4相连接，所述的内环杆3-1-1、动平台杆1-1-1～1-1-2N、主杆3-2和斜杆3-3组成多个三角形空区的网面结构；
所述的面板精调装置4包括定位机构4-1和调整机构4-2，定位机构4-1位于N边形面板2-1和N个扇形面板2-2与单层空间背架3的内环球节点3-4连接点位置，调整机构4-2位于天线面板非工作面一侧。
本发明与背景技术相比具有如下有益效果：
（1）本发明所采用的两级调整装置，与现有技术相比，具有调整精度高和调整效率高的特点。调整装置为多杆并联机构，实现对副反射面的初级六自由度位姿调整；面板精调装置可实现对副反射面的表面精度调整和次级位姿调整。
（2）本发明中的调整装置和单层空间背架，均由多个三角形单元组成，具有稳定的力学性能，能够有效抵抗天线在俯仰运动中的重力变形，提升了天线系统的动态性能，具有刚度大、重量轻的优点。
（3）本发明调整装置所采用的并联机构为冗余设计，调整杆件多于传统的六杆结构，当个别杆件发生故障或失效时，调整装置仍可正常工作且为稳定结构，不会对天线系统产生影响，因此具有可靠性高的特点。
（4）本发明副反射面所采用的分块方法，使反射面由一个多边形和若干个扇形单元组成，扇形单元之间通过多边形外缘进行定位，克服了传统方法中扇形单元沿圆周方向不易定位的缺陷。
（5）本发明中的面板精调装置，增加了面板的侧向连接，提升了天线动态性能。调整机构不仅提供了平面方向的连续可调整，而且为天线面板提供了两个方向的侧向支撑，当天线在做俯仰运动时，这种侧向支撑能够减小面板的移动，从而提高了天线系统的整体精度，提升了天线系统的动态性能。
（6）本发明给出了副反射面面板精调装置的调整量的计算公式，可根据此公式计算出相应的调整量，为面板的精确调整提供了数据依据。
（7）本发明中，组成调整装置的动平台和定平台采用中空结构的平面桁架结构，位于副反射面口径以外，形成了无遮挡的电磁通道。
（8）本发明的调整装置易于操作，提高了面板的调整效率。不论天线面板处于何种姿态，操作人员均可通过旋转相应杆件实现面板的转动调整和移动调整，克服了传统的依靠人工推动面板来调整的弊端，具有调整效率高，操作安全的特点。
总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统的单级调整精度差、效率低的问题，又提高了并联机构的可靠性和设计灵活性，是对现有技术的一种重要改进。
附图说明
图1是本发明实施例的系统组成原理图；
图2是本发明实施例的总体结构组成示意图；
图3是本发明实施例的调整装置结构组成原理图；
图4是本发明实施例的副反射面分块原理图；
图5是本发明实施例的单层空间背架结构组成原理图；
图6是本发明实施例的面板精调装置整体分布示意图；
图7是本发明实施例的面板精调装置结构组成原理图；
图8是本发明实施例的定位机构结构组成原理图；
图9是本发明实施例的调整机构计算参数示意图；
图10是本发明实施例的调整机构连杆结构示意图；
图11是本发明实施例的单层空间背架的节点结构示意图；
图12是背景技术中的天线面板x方向重力变形图；
图13是背景技术中的天线面板y方向重力变形图；
图14是本发明中的天线面板x方向重力变形图；
图15是本发明中的天线面板y方向重力变形图；
图16是本发明实施例的副反射面垂直状态变形图；
图17是本发明实施例的副反射面水平状态变形图；
图18是本发明实施例的副反射面在不同仰角下的表面精度曲线。
图中各标号的含义如下：调整装置1，动平台1-1，动平台杆1-1-1，动平台杆1-1-2，动平台杆1-1-3，动平台杆1-1-4，动平台杆1-1-5，动平台杆1-1-6，动平台杆1-1-7，动平台杆1-1-8，动平台杆1-1-9，动平台杆1-1-10，定平台1-2，定平台杆1-2-1，定平台杆1-2-2，定平台杆1-2-3，定平台杆1-2-4，定平台杆1-2-5，主调整杆1-3，辅助调整杆1-4，动平台球节点1-5，定平台球节点1-6；
副反射面2，五边形面板2-1，扇形面板2-2；
单层空间背架3，内环支撑3-1，内环杆3-1-1，内环杆3-1-2，内环杆3-1-3，内环杆3-1-4，内环杆3-1-5，主杆3-2，斜杆3-3，内环球节点3-4；
面板精调装置4，定位机构4-1，主支撑杆4-1-1，独立支撑杆4-1-2，第一方向连接板4-1-3，第二方向连接板4-1-4，螺母4-1-5，球面垫圈4-1-6，锥面垫圈4-1-7，调整机构4-2，V型杆4-2-1，A连杆4-2-1-1，B连杆4-2-1-2，单向杆4-2-2，双节点支座4-2-3，单节点支座4-2-4。
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。
如图1所示，双偏置天线一般由主反射面、副反射面和馈源组成，其中，副反射面处于主反射面和馈源的电磁路径中间位置，起到对电磁波的二次反射作用。副反射面的表面精度和位置精度，直接决定了双偏置天线的效率、旁瓣和交叉极化等关键指标。
本实施例以双偏置天线中，口径为5米的副反射面调整装置为示例，如图2所示，本装置的副反射面装置包括：调整装置1、副反射面2、单层空间背架3和面板精调装置4。
如图3所示：
调整装置1位于副反射面2口径方向且不对副反射面2产生遮挡，包括动平台1-1、定平台1-2、主调整杆1-3、辅助调整杆1-4、动平台球节点1-5和定平台球节点1-6。动平台1-1与单层空间背架3相连接，定平台1-2位于副反射面2口径外部，动平台1-1所在平面与定平台1-2所在平面之间的夹角为0°～30°。
本例中，动平台1-1所在平面A与定平台1-2所在平面B之间的夹角α为15°。
定平台1-2为平面桁架结构，外形呈N边形，其中，N为自然数，且N≥4，由N个定平台杆1-2-1～1-2-N组成，且两两之间通过定平台球节点1-6相连接，
本例中定平台1-2外形为五边形，由定平台杆1-2-1、定平台杆1-2-2、定平台杆1-2-3、定平台杆1-2-4和定平台杆1-2-5组成。
动平台1-1为平面桁架结构，外形呈2N边形，由2N个动平台杆1-1-1～1-1-2N组成，且两两之间通过动平台球节点1-5相连接。
本例中动平台1-1外形为十边形，由动平台杆1-1-1、动平台杆1-1-2、动平台杆1-1-3、动平台杆1-1-4、动平台杆1-1-5、动平台杆1-1-6、动平台杆1-1-7、动平台杆1-1-8、动平台杆1-1-9和动平台杆1-1-10组成。
N个定平台球节点1-6中至少有一个节点与动平台球节点1-5相对应。
本例中定平台球节点1-6的五个节点均与动平台球节点1-5相对应。
主调整杆1-3由N个杆件组成，两端分别与动平台球节点1-5和定平台球节点1-6相连接，数量为N个。
本例中主调整杆1-3的数量为5个。
辅助调整杆1-4两端分别与动平台球节点1-5和定平台球节点1-6相连接，数量为2N个。
本例中辅助调整杆1-4的数量为10个。
主调整杆1-3和辅助调整杆1-4两端均包含球铰链，中间为可调整长度的螺纹结构，动平台杆1-1、定平台杆1-2、主调整杆1-3和辅助调整杆1-4组成多个三角形空区的网面结构。
本例中的调整装置1是由15个三角形空区组成的网面结构。
如图4所示：
副反射面2由一个N边形面板2-1和N个扇形面板2-2组成，N个扇形面板2-2呈辐射状分布于N边形面板2-1的外围，且每块扇形面板2-2的面积与N边形面板2-1的面积相当，副反射面2通过面板精调装置4与单层空间背架3相连接。
本例中的副反射面2由一个五边形面板2-1和五个扇形面板2-2组成，五边形面板2-1的面积为3.7m2，扇形面板2-2的面积为3.4m2。
如图5所示：
单层空间背架3由内环支撑3-1、主杆3-2、斜杆3-3和内环球节点3-4组成。
内环支撑3-1和动平台1-1分别位于两个平面内，两个平面之间的距离为500～3000mm。
本例中两个平面之间的距离取值为1000mm。
内环支撑3-1外形为N边形，内环支撑3-1由N个内环杆3-1-1～3-1-N组成，内环杆3-1-1～3-1-N两两之间通过内环球节点3-4相连接。
本例中内环支撑3-1外形为五边形，由内环杆3-1-1、内环杆3-1-2、内环杆3-1-3、内环杆3-1-4和内环杆3-1-5组成。
N个内环球节点3-4中至少有一个节点与动平台球节点1-5相对应。
本例中五个内环球节点3-4均与动平台球节点1-5相对应。
主杆3-2两端分别与内环球节点3-4和动平台球节点1-5相连接，数量为N个。
本例中主杆3-2的数量为5个。
斜杆3-3两端分别与内环球节点3-4和动平台球节点1-5相连接，数量为2N个。
本例中斜杆3-3的数量为10个。
内环杆3-1-1、动平台杆1-1-1～1-1-2N、主杆3-2和斜杆3-3组成多个三角形空区的网面结构。
本例中的单层空间背架3是由15个三角形空区组成的网面结构。
如图6所示：
面板精调装置4包括定位机构4-1和调整机构4-2。定位机构4-1位于N边形面板2-1和N个扇形面板2-2与单层空间背架3的内环球节点3-4连接点位置。
本例中的定位机构4-1数量为10个。
如图7、8所示，定位机构4-1由主支撑杆4-1-1、独立支撑杆4-1-2、第一方向连接板4-1-3、第二方向连接板4-1-4、螺母4-1-5、球面垫圈4-1-6和锥面垫圈4-1-7组成。主支撑杆4-1-1轴向方向与该处面板的法向方向相同；第一方向连接板4-1-3通过主支撑杆4-1-1与单层空间背架3相连接；第二方向连接板4-1-4通过紧固件或胶粘方式与面板相连接；在第一方向连接板4-1-3和第二方向连接板4-1-4上设有长圆孔，且两处长圆孔方向相互正交；独立支撑杆4-1-2位于第一方向连接板4-1-3和第二方向连接板4-1-4之间，独立支撑杆4-1-2上端位于第二方向连接板4-1-4长圆孔内，通过螺母固定位置，独立支撑杆4-1-2下端位于第一方向连接板4-1-3长圆孔内，通过螺母4-1-5球面垫圈4-1-6和锥面垫圈4-1-7固定位置。
如图7所示，调整机构4-2位于天线面板非工作面一侧，由V型杆4-2-1、单向杆4-2-2、双节点支座4-2-3和单节点支座4-2-4组成，V型杆4-2-1包括两根可调整长度且两端是球铰链的A连杆4-2-1-1和B连杆4-2-1-2，A连杆4-2-1-1和B连杆4-2-1-2一端与单层空间背架3相连接，另一端与双节点支座4-2-3相连接；单向杆4-2-2的两端是球铰链且可调整长度，单向杆4-2-2一端与单层空间背架3相连接，另一端与单节点支座4-2-4相连接。
如图9所示：
调整机构4-2对面板的调整量可按下式计算：
以上二式中，为A连杆x方向调整量；/>为B连杆x方向调整量；/>为A连杆和B连杆初始长度；/>为A连杆和B连杆半夹角；/>为给定面板的x方向调整量；
式中，为A连杆和B连杆y方向调整量；/>为给定面板的y方向调整量；
以上二式中，为单向杆x方向调整量；/>为单向杆y方向调整量；/>为单向杆初始长度；/>为单向杆与水平轴夹角；/>为给定面板的x方向调整量；/>为给定面板的y方向调整量。
N边形面板2-1和N个扇形面板2-2中最大曲面面积与最小曲面面积之比为1～1.3。
本例中的五边形面板2-1和五个扇形面板2-2中最大曲面面积与最小曲面面积之比为1.1。
如图10所示，主调整杆1-3和辅助调整杆1-4的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。主调整杆1-3和辅助调整杆1-4的两端球铰链为球轴承。
如图11所示，内环杆3-1-1～3-1-5、动平台杆1-1-1～1-1-10、主杆3-2和斜杆3-3均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。
A连杆4-2-1-1、B连杆4-2-1-2和单向杆4-2-2的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。
螺母4-1-5、球面垫圈4-1-6和锥面垫圈4-1-7位于第一方向连接板4-1-3两侧，为对称分布。
双节点支座4-2-3位于天线面板重心，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接；单节点支座4-2-4位于天线面板下方，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接。
组成副反射面2的N边形面板2-1和N个扇形面板2-2之间的缝隙为0.2～ 5 mm。
本例中的五边形面板2-1和五个扇形面板2-2之间的缝隙为2mm。
本发明副反射面装置的调整原理如下：
（1）初级调整。首先，对主反射面进行测量，确定副反射面调整信息，主要包括位移调整量和转动调整量；将副反射面调整信息进行分级处理，分离出位移调整量和转动调整量的初级调整数值；通过转动本发明中调整装置的主调整杆和辅助调整杆，对副反射面进行位移和转动量的调整，直至达到初级调整数值。
（2）次级调整。根据初级调整后的残差，确定次级调整信息；调整中心N边形面板的定位机构和调整机构，使其达到次级调整量要求；分别调整外围N个扇形面板的定位机构和调整机构，使整个副反射面满足表面精度指标要求。
本发明中所采用的面板精调装置的优点，可以通过以下仿真分析进一步说明。
（1）模型说明。为了说明本发明的有益效果，建立了两种力学仿真模型，一种是背景技术，另一种是本发明方法。两种仿真模型中的面板几何尺寸、所用材料、边界条件均相同。天线在运行过程中，所受外界载荷中，有70%均来自于重力，所以，针对两种模型，选择了有代表性的两种工况：x方向重力分析和y方向重力分析。
（2）计算结果。如图12～15所示，图12和图13分别是背景技术中的天线面板在x、y方向的重力变形图；图14和图15分别是背景技术中的天线面板在x、y方向的重力变形图。
（3）实施效果。如表1所示，由计算结果可以看出：背景技术中面板在x方向的最大重力变形为61.5μm，在y方向的最大重力变形为49.9μm；本发明中面板在x方向的最大重力变形为27.1μm，在y方向的最大重力变形为24.5μm；由于本发明中的调整机构增加了对面板的侧向支撑，使得面板变形得到了大幅的提升，而且在x、ｙ两个方向的变形相当，变化率仅为9.6%，而背景技术中的变化率为18.9%；本发明与背景技术相比，面板最大变形在x、y方向的提高率分别为55.9%和50.9%。
表1 本发明与背景技术的面板重力变形结果比较
本发明的最终实施效果，也通过力学仿真分析进一步说明：
（1）计算内容。计算内容为双偏置天线在0°～90°俯仰范围内，副反射面的重力变形，所计算的俯仰角度包括：0°、15°、30°、45°、50°、60°、75°和90°。
（2）计算结果。根据所计算的副反射面变形数据，进行精度分析，得到了副反射面在不同仰角下的表面精度。图16、17是副反射面在不同仰角下的重力变形图；图18是副反射面在不同仰角下的表面精度结果。从计算结果可以看出：副反射面在0°～90°俯仰范围内，表面精度优于52μm，非常适用于高频段工作的双偏置天线。
总之，本发明副反射面装置包括调整装置、副反射面、单层空间背架和面板精调装置。调整装置采用动定平台为平面桁架的多杆六自由度副面调整机构，实现对副反射面的初级位姿调整；副反射面由一个多边形面板和若干个扇形面板组成，每块扇形面板的面积与多边形面板的面积相当；单层空间背架的内外边数为1比2形式，为副反射面提供支撑刚度；面板精调装置包括定位机构和调整机构，定位机构用于对面板实现法向调整，调整机构实现对副反射面移动调整。这种副反射面装置不仅能够实现副反射面的两级位姿调整，而且能够提高副面系统的整体刚度，减小整体重量，同时能够提升安装调整效率和降低制造成本。
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 (25)
1.一种具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：包括调整装置(1)、副反射面(2)、单层空间背架(3)和面板精调装置(4)；
所述的调整装置(1)位于副反射面(2)口径方向，包括动平台(1-1)、定平台(1-2)、主调整杆(1-3)、辅助调整杆(1-4)、动平台球节点(1-5)和定平台球节点(1-6)，所述的动平台(1-1)与单层空间背架(3)相连接，定平台(1-2)位于副反射面(2)口径外部，所述的定平台(1-2)为平面桁架结构，外形呈N边形，其中，N为自然数，且N≥4，所述定平台(1-2)由N个定平台杆(1-2-1～1-2-N)组成，且定平台杆两两之间通过定平台球节点(1-6)相连接，所述的动平台(1-1)为平面桁架结构，外形呈2N边形，所述动平台由2N个动平台杆(1-1-1～1-1-2N)组成，且动平台杆两两之间通过动平台球节点(1-5)相连接，所述的动平台杆(1-1-1～1-1-2N)定平台杆(1-2-1～1-2-N)主调整杆(1-3)和辅助调整杆(1-4)组成多个三角形空区的网面结构；
所述的副反射面(2)由一个N边形面板(2-1)和N个扇形面板(2-2)组成，所述的N个扇形面板(2-2)呈辐射状分布于N边形面板(2-1)的外围，且每块扇形面板(2-2)的面积与N边形面板(2-1)的面积相当，副反射面(2)通过面板精调装置(4)与单层空间背架(3)相连接；
所述的单层空间背架(3)由内环支撑(3-1)、主杆(3-2)、斜杆(3-3)和内环球节点(3-4)组成，所述的内环支撑(3-1)外形为N边形，内环支撑(3-1)由N个内环杆(3-1-1～3-1-N)组成，内环杆(3-1-1～3-1-N)两两之间通过内环球节点(3-4)相连接，所述的内环杆(3-1-1～3-1-N)、动平台杆(1-1-1～1-1-2N)、主杆(3-2)和斜杆(3-3)组成多个三角形空区的网面结构；
所述的面板精调装置(4)包括定位机构(4-1)和调整机构(4-2)，定位机构(4-1)位于N边形面板(2-1)和N个扇形面板(2-2)与单层空间背架(3)的内环球节点(3-4)连接点位置，调整机构(4-2)位于天线面板非工作面一侧。
2.根据权利要求1所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的动平台(1-1)所在平面与定平台(1-2)所在平面之间的夹角为0°～30°。
3.根据权利要求2所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的N个定平台球节点(1-6)中至少有一个节点与动平台球节点(1-5)相对应。
4.根据权利要求3所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的主调整杆(1-3)由N个杆件组成，两端分别与动平台球节点(1-5)和定平台球节点(1-6)相连接，数量为N个。
5.根据权利要求4所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的辅助调整杆(1-4)两端分别与动平台球节点(1-5)和定平台球节点(1-6)相连接，数量为2N个。
6.根据权利要求5所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的主调整杆(1-3)和辅助调整杆(1-4)两端均包含球铰链，中间为可调整长度的螺纹结构。
7.根据权利要求6所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的内环支撑(3-1)和动平台(1-1)分别位于两个平面内，两个平面之间的距离为500～3000mm。
8.根据权利要求7所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的N个内环球节点(3-4)中至少有一个节点与动平台球节点(1-5)相对应。
9.根据权利要求8所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的主杆(3-2)两端分别与内环球节点(3-4)和动平台球节点(1-5)相连接，数量为N个。
10.根据权利要求9所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的斜杆(3-3)两端分别与内环球节点(3-4)和动平台球节点(1-5)相连接，数量为2N个。
11.根据权利要求10所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述定位机构(4-1)由主支撑杆(4-1-1)独立支撑杆(4-1-2)第一方向连接板(4-1-3)第二方向连接板(4-1-4)螺母(4-1-5)球面垫圈(4-1-6)和锥面垫圈(4-1-7)组成，主支撑杆(4-1-1)轴向方向与该处面板的法向方向相同，第一方向连接板(4-1-3)通过主支撑杆(4-1-1)与单层空间背架(3)相连接，第二方向连接板(4-1-4)通过紧固件或胶粘方式与面板相连接，独立支撑杆(4-1-2)位于第一方向连接板(4-1-3)和第二方向连接板(4-1-4)之间。
12.根据权利要求11所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述第一方向连接板(4-1-3)和第二方向连接板(4-1-4)上均设有长圆孔，且两处长圆孔方向相互正交。
13.根据权利要求12所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述独立支撑杆(4-1-2)上端位于第二方向连接板(4-1-4)长圆孔内，通过螺母固定位置，独立支撑杆(4-1-2)下端位于第一方向连接板(4-1-3)长圆孔内，通过螺母(4-1-5)球面垫圈(4-1-6)和锥面垫圈(4-1-7)固定位置。
14.根据权利要求13所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述调整机构(4-2)由V型杆(4-2-1)单向杆(4-2-2)双节点支座(4-2-3)和单节点支座(4-2-4)组成，V型杆(4-2-1)包括两根可调整长度且两端是球铰链的A连杆(4-2-1-1)和B连杆(4-2-1-2)，A连杆(4-2-1-1)和B连杆(4-2-1-2)一端与单层空间背架(3)相连接，另一端与双节点支座(4-2-3)相连接，单向杆(4-2-2)的两端是球铰链且可调整长度，单向杆(4-2-2)一端与单层空间背架(3)相连接，另一端与单节点支座(4-2-4)相连接。
15.根据权利要求14所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的调整机构(4-2)对面板的调整量满足下式：
其中，ΔLAx为A连杆x方向调整量；ΔLBx为B连杆x方向调整量；L为A连杆和B连杆初始长度；α为A连杆和B连杆半夹角；Δx为给定面板的x方向调整量。
16.根据权利要求15所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述A连杆和B连杆的y方向调整量满足下式：
式中，ΔLy为A连杆和B连杆y方向调整量；Δy为给定面板的y方向调整量。
17.根据权利要求16所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述单向杆的x方向调整量和单向杆的y方向调整量满足下式：
其中，ΔRx为单向杆x方向调整量；ΔRy为单向杆y方向调整量；R为单向杆初始长度；β为单向杆与水平轴夹角；Δx为给定面板的x方向调整量；Δy为给定面板的y方向调整量。
18.根据权利要求17所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的N边形面板(2-1)和N个扇形面板(2-2)中最大曲面面积与最小曲面面积之比为1～1.3。
19.根据权利要求18所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的主调整杆(1-3)和辅助调整杆(1-4)的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。
20.根据权利要求19所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的主调整杆(1-3)和辅助调整杆(1-4)的两端球铰链为球轴承。
21.根据权利要求20所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的内环杆(3-1-1～3-1-N)、动平台杆(1-1-1～1-1-2N)、主杆(3-2)和斜杆(3-3)均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。
22.根据权利要求21所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的A连杆(4-2-1-1)、B连杆(4-2-1-2)和单向杆(4-2-2)的中间螺纹结构为左、右旋向组合使用的可调整长度形式。
23.根据权利要求22所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的螺母(4-1-5)、球面垫圈(4-1-6)和锥面垫圈(4-1-7)位于第一方向连接板(4-1-3)两侧，为对称分布。
24.根据权利要求23所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：所述的双节点支座(4-2-3)位于天线面板重心，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接，所述的单节点支座(4-2-4)位于天线面板下方，通过紧固件或胶粘方式与面板相连接。
25.根据权利要求24所述的具有两级位姿调整功能的均匀分块高精度副反射面装置，其特征在于：组成副反射面(2)的N边形面板(2-1)和N个扇形面板(2-2)之间的缝隙为0.2～5mm。
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