CN110429371B - 一种射电望远镜的馈电模式切换机构 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种射电望远镜的馈电模式切换机构，包括：主反射面、通过副反射面支架安装于所述主反射面上的副反射面，所述副反射面支架包括相对设置的第一和第二撑腿，第一撑腿通过旋转铰链与主焦接收机平台相连，主焦接收机平台的一端为与该旋转铰链相连的铰链端，另一端设有锁头。本发明的馈电模式切换机构采用可翻转的主焦接收机平台，在两种观测模式下均不对主、副反射面造成任何额外的遮挡，且驱动机构均安装于撑腿上，不对副反射面面板精度和位置精度造成任何影响；此外，本发明的馈电模式切换机构基于驱动机构和绳索，利用最低俯仰角状态来切换观测模式，可在驱动电机功率较小的情况下实现较短的切换时间，还保证了切换过程的平稳可控。

Description

一种射电望远镜的馈电模式切换机构
技术领域
本发明涉及一种馈电模式切换机构，具体涉及一种射电望远镜的馈电模式切换机构。
背景技术
射电天文望远镜是用于观测和研究来自宇宙空间的电磁波的重要设备。为了充分利用长焦天线的性能并减小天线纵向尺寸，工作在中、高频电磁波段的射电望远镜一般采取双反射面天线设计，其天线安装有主反射面和副反射面。根据其天线副反射面的安装方式和类型，射电望远镜的天线可分为格里高利式或卡塞格伦式。如图1A所示，格里高利式天线的主反射面201为抛物面，且副反射面202为抛物面，而如图1B所示，卡塞格伦式天线的主反射面301为抛物面，且副反射面302为双曲面。
如图1A所示，以格里高利式天线为例，其拥有两个焦点F1、F2：位于主、副反射面之间的焦点称之为主反射面焦点F1(以下简称主焦)；以及位于主反射面下方的焦点，称其为格里高利焦点F2(以下简称格焦)。因此格里高利式射电望远镜可设计对应的两种馈电模式：馈源与接收机是用于接受和处理信号的一体化装置，在安装在主焦点的馈源和接收机接受电磁信号时，称为主焦工作模式，适合接受低频电磁波信号；安装在格焦的馈源和接收机工作时，称为格焦工作模式，适合用于接受中、高频电磁波信号。由于安装在主焦点位置的馈源和接收机及其附属结构，会不可避免地遮挡主、副反射面之间的电磁波反射路径(以下称光路)，主焦和格焦工作模式不能同时进行，因此需采取相应的切换机构对两种焦点工作模式进行切换。当格焦工作时，切换机构将主焦接收机驱动至不会对副反射面光路产生影响的收藏位置；当需要切换至主焦工作模式时，该机构驱动主焦接收机到达主焦点位置。
目前世界上已建成多架有两种馈电模式的大口径射电望远镜，例如德国Effelsberg 100米口径射电望远镜、意大利SRT 64米口径射电望远镜以及美国GBT 100米口径射电望远镜等。不同的射电望远镜的馈电模式切换机构需适配其自身的天线结构形式，故通常采取了不同种类的切换机构，如图2A-图2D所示。
如图2A所示，德国Effelsberg 100米口径射电望远镜采取的是在副反射面中心开孔的方式。当需要进行主焦观测模式时，副反射面202a的中心面板打开，主焦馈源203a由中心孔伸出；当需要进行格焦观测模式时，电机驱动主焦馈源203a缩回一馈源仓204a中，关闭副反射面202a的中心面板。这种切换方式的优点在与结构相对紧凑，切换时间较短，不对中副反射面202a的面板造成遮挡；但这种方式仅适合用于副反射面202a为标准抛物面的射电望远镜，且在副反射面202a的中心面板处开孔会对副反射面202a的面板精度造成损失，这会引起格焦模式下高频段观测时较大的天线效率损失。
如图2B所示，意大利SRT 64米口径射电望远镜采取推杆驱动旋转的切换机构：切换机构可由副反射面202b上方的丝杆204b和电机来驱动推杆205b，进而使主焦点馈源203b绕副面上方铰链206b旋转。由格焦模式切换为主焦模式时，仅需驱动主焦接收机由初始收藏位置运动78°即可将馈源移动至主焦点位置；反向驱动可由主焦模式切换到格焦模式。这种方法的优点在于切换时间短，但整体切换机构会遮挡口径场，导致天线效率降低。
如图2C所示，美国GBT 100米口径的射电望远镜是偏焦望远镜，副反射面202c的撑腿不在主反射面的口径照射范围内，其主焦点馈源203c与一位于副反射面202c的撑腿上的推杆204c连接，格焦工作时主焦接收机收藏于副反射面202c的撑腿侧边，需要切换至主焦模式时，由一电机驱动推杆204c将其推至主焦点位置。这种切换模式原理简单，对口径面没有遮挡，缺点一方面在于，由于需要调整主反射面面形，将面形焦点移至主焦位置，且主焦接收机尺寸重量大，推杆力臂短，因此电机负载很大，限制了机构运动速度，因此换馈时间长，完成一次换馈需要2至4小时，另一方面在于，该GBT馈电模式切换机构仅适用于偏焦双反射面天线，不适合用于主流的正馈双反射面射电望远镜。
还有一类馈电切换机构类似天车机构，如论文《新疆奇台110米射电望远镜主焦点馈源换馈方案研究》。如图2D所示，其原理为在四个副反射面202d撑腿上搭建馈源安置横梁203d，馈源安置横梁203d上设有馈源205d。主焦模式时，驱动馈源安置横梁203d至主焦点中心位置；格焦或卡焦模式时驱动馈源安置横梁203d沿两组丝杠模组204d至副反射面202d的边缘。这种机构的优点是机构稳定性高，切换时间较短，对副反射面光路没有遮挡。但其局限在于两组敞开式的丝杠模组204d对主反射面存在较大的遮挡，引起不可忽视的效率损失。
综上所述，现有的馈电切换机构要么会对主反射面、副反射面造成额外的遮挡，要么切换时间过长且不适用于主流的正馈双反射面天线。
发明内容
本发明旨在提供一种射电望远镜的馈电模式切换机构，以避免对主反射面、副反射面造成额外的遮挡，缩短切换时间。
为了实现上述目的，本发明提供了一种射电望远镜的馈电模式切换机构，包括：一主反射面、通过一副反射面支架安装于所述主反射面上的一副反射面，所述副反射面支架包括相对设置的第一撑腿和第二撑腿，第一撑腿通过一旋转铰链与一主焦接收机平台相连，该主焦接收机平台的一端为与该旋转铰链相连的铰链端，另一端设有锁头。
所述副反射面支架和副反射面之间设有一副反射面调整机构。
所述副反射面支架的第一撑腿和第二撑腿上分别安装有与所述锁头匹配的一第一锁止机构和一第二锁止机构。
所述第一锁止机构和第二锁止机构的结构相同。
所述第一锁止机构包括安装于所述第二撑腿上的限位块、插设于所述限位块的销、设置在限位块与所述销的尾部之间的弹簧，以及对准所述销的尾部的电磁铁。
所述主焦接收机平台的中央设有彼此相连的主焦馈源及接收机。
所述主焦接收机平台的正面通过一第一绳索与一第一驱动机构相连，且其背面通过一第二绳索与一第二驱动机构相连。
所述主焦接收机平台与所述第一驱动机构相连的位置远离所述铰链端，且所述主焦接收机平台与所述第二驱动机构相连的位置靠近所述铰链端。
所述第一驱动机构和第二驱动机构均安装于所述第一撑腿上。
所述第一驱动机构和第二驱动机构均包括电机及滑轮。
本发明的射电望远镜的馈电模式切换机构采用可翻转的主焦接收机平台，使得在主焦观测模式时，主焦接收机平台位于主焦接收机后方，不对主反射面与主焦点之间的光路产生影响；在格焦观测模式时，主焦接收机平台收藏于副反射面支撑臂上，不对主副反射面之间的光路产生额外的干扰。因此本发明的在馈电模式切换机构在两种观测模式下均不对主反射面、副反射面造成任何额外的遮挡。
另外，本发明的馈电模式切换机构的驱动机构均安装于副反射面的撑腿上，因此副反射面整体结构与主焦点接收机分离，不对副反射面面板精度和位置精度造成任何影响；同时本发明的馈电模式切换机构适用于任何正馈双反射面天线，并不局限于副反射面形状。
此外，本发明的馈电模式切换机构基于驱动机构和绳索，可以利用最低俯仰角状态来切换两种观测模式，从格焦观测模式到主焦观测模式的切换过程，利用重力驱动和绳索牵引控制主焦换馈平台移动，可保证切换过程平稳可控；从主焦观测模式到格焦观测模式的切换过程，利用绳索牵引位置距离旋转铰链距离长的特点，充分利用等效力臂，有效减小了电机所需功率，通过采取以上技术手段，该切换机构不仅可在驱动电机功率较小的情况下实现较短的切换时间，同时还保证了切换过程的平稳可控。
附图说明
图1A-1B为现有的抛物面天线的原理图，其中图1A为格里高利式天线的原理图，图1B为卡塞格伦式天线的原理图。
图2A-2D分别为现有的Effelsberg、SRT、GBT及新疆奇台射电望远镜的主焦点馈电模式切换机构的结构示意图。
图3为根据本发明的一个实施例的射电望远镜的馈电模式切换机构在主焦观测模式下的结构示意图。
图4为根据本发明的一个实施例的射电望远镜的馈电模式切换机构在格焦观测模式下的结构示意图。
图5为根据本发明的一个实施例的射电望远镜的馈电模式切换机构的第二锁止机构的原理图。
具体实施方式
以下结合具体实施例，对本发明做进一步说明。应理解，以下实施例仅用于说明本发明而非用于限制本发明的范围。
如图3和图4所示为根据本发明的一个实施例的射电望远镜的馈电模式切换机构，其包括：一主反射面1、通过一副反射面支架2安装于所述主反射面1上的一副反射面3，所述副反射面支架2和副反射面3之间设有一副反射面调整机构4，用于调整副反射面的角度。
所述副反射面支架2包括四个撑腿，其中包含相对设置的第一撑腿21和第二撑腿22以及相对设置的第三和第四撑腿(图未示)。第三和第四撑腿不安装任何机构，仅用于支撑副反射面，该第一撑腿21通过一旋转铰链23与一主焦接收机平台5相连，使得主焦接收机平台5通过翻转在主焦观测模式和格焦观测模式之间可切换。该主焦接收机平台5的一端为与该旋转铰链23相连的铰链端51，另一端设有锁头52，且主焦接收机平台5的中央设有彼此相连的主焦馈源及接收机53。所述副反射面支架2的第一撑腿21和第二撑腿22上分别安装有与该锁头52匹配的一第一锁止机构24和一第二锁止机构25，使得主焦接收机平台5在被切换到主焦观测模式和格焦观测模式时被锁止。
第一锁止机构24和第二锁止机构25的结构相同。如图5所示，下面以第二锁止机构25为例说明第一、第二锁止机构24、25的原理。第一锁止机构25包括安装于副反射面支架2的第二撑腿22上的限位块251、插设于所述限位块251的销252、设置在限位块251与所述销252的尾部之间的弹簧253，以及对准所述销252的尾部的电磁铁254。其工作原理为：当主焦接收机平台5的锁头52运动至限位块251位置时，电磁铁254控制电路为开路，此时销252在弹簧253的拉力作用下保持插设于锁头52的锁孔中，第二锁止机构25始终处于锁止状态。当电磁铁254控制电路闭合时，电磁铁254吸引销252松开锁头52的锁孔，此时第二锁止机构25解锁。
再请参见图3和图4，该主焦接收机平台5的正面在远离所述铰链端51的位置通过一第一绳索61与一第一驱动机构71相连，且该主焦接收机平台5的背面在靠近所述铰链端51的位置通过一第二绳索62与一第二驱动机构72相连，用于驱动主焦接收机平台5在第一和第二状态之间切换。第一驱动机构71和第二驱动机构72均安装于所述副反射面支架2的第一撑腿21上，且均包括电机及滑轮。
下面结合图3和图4说明本发明的射电望远镜的馈电模式切换机构的工作原理。
由格焦观测模式(如图4)切换至主焦观测模式(如图3)，按下列步骤进行：
步骤S1：将射电望远镜调整至最低俯仰角状态，使得第一撑腿21位于所述副反射面3的上方，第二撑腿22位于所述副反射面3的下方；
此时，射电望远镜处于如图4所示的状态，使得能够利用重力驱动主焦接收机平台5绕旋转铰链23旋转。在本实施例中，最低俯仰角状态为7°。
步骤S2：解锁第一锁止机构24，第一驱动机构71反向运转使第一绳索61伸长，同时第二驱动机构72正向运转使第二绳索62收紧，主焦接收机平台5在第二绳索62的带动下绕旋转铰链23旋转，直至到达最终位置，第二锁止机构25锁定。
在此过程中，主焦接收机平台5将在重力作用下绕旋转铰链23沿图3和图4中的顺时针旋转，直至主焦接收机平台5到达其重心最低点，随后在第二绳索62的带动下继续旋转至最终位置。
至此由格焦观测模式至主焦观测模式的切换操作完成，此时主焦馈源和接收机处于工作状态。
由主焦观测模式(如图3)切换至格焦观测模式(如图4)，按下列步骤进行：
步骤S1’：将射电望远镜调整至最低俯仰角状态，使得第一撑腿21位于所述副反射面3的上方，第二撑腿22位于所述副反射面3的下方；
此时射电望远镜处于如图3所示的状态，以使切换过程平稳可控。本实施例中，最低俯仰角状态为7°。
步骤S2’：解锁第二锁止机构25，第一驱动机构71正向运转使第一绳索61收紧，同时第二驱动机构72反向运转使第二绳索62伸长，主焦接收机平台5在第一绳索61的拉动下绕旋转铰链23沿图3和图4中的逆时针旋转，直至主焦接收机平台5到达位于第一撑腿21上的最终位置，第一锁止机构24锁定。
以上所述的，仅为本发明的较佳实施例，并非用以限定本发明的范围，本发明的上述实施例还可以做出各种变化。凡是依据本发明申请的权利要求书及说明书内容所作的简单、等效变化与修饰，皆落入本发明专利的权利要求保护范围。本发明未详尽描述的均为常规技术内容。

Claims (6)

1.一种射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，包括：一主反射面（1）、通过一副反射面支架（2）安装于所述主反射面（1）上的一副反射面（3），所述副反射面支架（2）包括相对设置的第一撑腿（21）和第二撑腿（22），第一撑腿（21）通过一旋转铰链（23）与一主焦接收机平台（5）相连，该主焦接收机平台（5）的一端为与该旋转铰链（23）相连的铰链端（51），另一端设有锁头（52）；
所述副反射面支架（2）的第一撑腿（21）和第二撑腿（22）上分别安装有与所述锁头（52）匹配的一第一锁止机构（24）和一第二锁止机构（25）；
该主焦接收机平台（5）的正面在远离所述铰链端（51）的位置通过一第一绳索（61）与一第一驱动机构（71）相连，且该主焦接收机平台（5）的背面在靠近所述铰链端（51）的位置通过一第二绳索（62）与一第二驱动机构（72）相连；第一驱动机构（71）和第二驱动机构（72）均安装于所述副反射面支架（2）的第一撑腿（21）上。
2.根据权利要求1所述的射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，所述副反射面支架（2）和副反射面（3）之间设有一副反射面调整机构（4）。
3.根据权利要求1所述的射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，所述第一锁止机构（24）和第二锁止机构（25）的结构相同。
4.根据权利要求3所述的射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，所述第一锁止机构（25）包括安装于所述第二撑腿（22）上的限位块（251）、插设于所述限位块（251）的销（252）、设置在限位块（251）与所述销（252）的尾部之间的弹簧（253），以及对准所述销（252）的尾部的电磁铁（254）。
5.根据权利要求1所述的射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，所述主焦接收机平台（5）的中央设有彼此相连的主焦馈源及接收机（53）。
6.根据权利要求1所述的射电望远镜的馈电模式切换机构，其特征在于，所述第一驱动机构（71）和第二驱动机构（72）均包括电机及滑轮。
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