CN110582889A - 用于折叠式可展开波导管的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

一种用于传输RF信号的可折叠和可展开组件，包括：RF发送器/接收器，适于在RF范围S和更高范围内操作；发送/接收喇叭单元，用于将组件附接至可在RF范围S和更高范围内操作的天线；和可折叠/可展开RF波导管，连接在RF发送器/接收器与发送/接收喇叭之间并且可在RF范围S和更高范围内操作，该波导管形成为由硅基形状记忆复合碳纤维增强硅树脂(CFRS)和含硅树脂的石墨中的至少一种制成的中空细长件。

Description

用于折叠式可展开波导管的装置和方法
背景技术
卫星领域通常特征在于对卫星的许多物理尺寸施加严格的限制，诸如总重量、发射时总尺寸、机载燃料(化学、电气、其他)量、可展开的太阳能板的尺寸、抛物线(和其他)天线的尺寸等。这些限制主要是由于与发射物相关的限制(重量、体积等)。为了最小化发射成本、扩展发射卫星的可用性等，正在进行的努力花费在最小化发射卫星的相关物理尺寸上。因此，这种卫星的任何部件在发射时可保持重量和/或尺寸较小，然后展开，这可增强相关卫星的可用性和/或其商业效率。
发明内容
公开了一种用于传输RF信号的可折叠和可展开组件，其包括：RF发送器/接收器，适于在RF范围S和更高范围内操作；发送/接收喇叭单元，将组件附接到可在RF范围S和更高范围内操作的天线；以及可折叠/可展开RF波导管，连接在RF发送器/接收器与发送/接收喇叭之间并且可在RF范围S和更高范围内操作，波导管形成为由硅基形状记忆复合碳纤维增强硅树脂(CFRS)和含硅树脂的石墨中的至少一种制成的中空细长件。
附图说明
在说明书的结论部分中特别指出并明确要求保护被视为本发明的主题。然而，当结合附图阅读以下详细描述时，可最好地理解本发明(关于组织和操作方法的方面)以及其目的、特征和优点。
图1呈现根据本发明实施例的处于其展开位置和处于其折叠位置的波导管；
图2是根据本发明的实施例的处于其展开位置和处于其折叠位置的RF发送/接收(TR/TX)组件的示意图；
图3A描绘根据本发明的实施例的被测试的波导管的尺寸；
图3B/3B1和3C/3C1是分别呈现已知波导管和根据本发明实施例的未折叠/展开波导管的RF传输性能的曲线图；并且
图4是根据本发明的实施例的RF发送/接收组件400的示意图，该组件包括Tx/RxRF正交模式换能器(OMT)402、RF偏振器404、RF波导管406和Tx/Rx喇叭408。
应理解，为了说明的简单和清楚起见，图中所示的元件未必按比例绘制。例如，为了清楚起见，一些元件的尺寸可相对于其他元件被放大。此外，在认为适当的情况下，可在附图之间重复附图标记以指示对应或相似的元件。
具体实施方式
在下面的详细描述中，阐述许多具体细节以便提供对本发明的透彻理解。然而，本领域技术人员将理解，可在没有这些具体细节的情况下实践本发明。在其他情况下，没有详细描述公知的方法、过程和组件，以免模糊本发明。
卫星中可用的一种结构元件是波导管，其用于从发送器向天线或从天线向接收器或在以S和更高范围内的非常高频率下工作的有源单元之间发送非常高频率的信号。也可使用同轴电缆，但是在相应的频率范围内，其相关的损耗不可忽略。为了最大化效率并最小化传输比特率的损失，不适合使用同轴电缆，而是需要波导管。
微机电系统(MEMS)的增强正在小型卫星领域兴起，使小型卫星能够成为使用目前仅由大型地球同步卫星使用的频率(KU和KA频段)的通信系统。MEMS装置的使用可使卫星的许多元件在处于折叠/装载位置的情况下最小化并使得在需要时展开这些元件，仅增加非常少的重量或能量消耗非常少。
为了能够在占据尽可能小的体积的同时进行卫星的装载和发射，期望使可发射波导管的尺寸最小化。典型的波导管由具有高电导率的金属制成，以便确保以最小功率损耗运行。然而，金属制成的波导管不能在基本上不损失电传输效率情况下折叠或以其他方式使其发射体积最小化，这是因为其实施方式将涉及使用导致传输效率降低的大量结构连接。
使用刚性波导管带来挑战，因为折叠刚性波导管很可能会改变其展开的形式和尺寸，从而降低其性能。因此，需要弹出式、消耗性(expendable)或可展开的系统，以允许尽可能小的体积发射并且在需要时以所需形式和尺寸展开。
根据本发明的实施例，引入硅基形状记忆复合CFRS(碳纤维增强硅树脂)管的使用。CFRS管可具有足够的反射率和导电率来充当波导管，其中在Ku和Ka波段的损耗小于0.5db。现在参考图1，其呈现根据本发明实施例的处于其展开位置的波导管100和作为处于其折叠位置的波导管100的波导管100A。波导管100可为由例如CFRS制成的中空柔性管。处于其展开位置的波导管100可具有外部尺寸，该外部尺寸具有长度DL(102A)和直径DD(102B)，外部尺寸限定DL x DD x DD的展开占用体积。由于其柔性，波导管100可如在折叠波导管100A中看到的那样折叠，占据FL x FW x FD(分别为折叠长度、折叠宽度和折叠高度)的体积，其可不超过展开体积的50％，甚至更少。例如，可减小管内部的中空空间的大部分体积。由于其形状记忆，折叠的波导管100A在释放或以其他方式展开时可以以可忽略的变形恢复其展开的形状100。
现在参考图2，根据本发明的实施例，其为处于其展开位置的RF发送/接收(TR/TX)组件200和描绘处于其折叠位置的组件200的TR/TX组件250的示意图。TR/TX系统200可包括将可折叠波导管204连接到RF馈电喇叭206的RF发送/接收单元202。TR/TX组件200可折叠成其相应折叠位置250，例如以便在由卫星发射物发射时减小组件占用的体积。在折叠位置中，柔性波导管204可被以Z形折叠方案折叠到折叠位置254，从而减小TR/TX组件200在其折叠位置的总体积。
柔性波导管的形状在展开之后可对其RF性能产生不良影响，因此必须将其物理/几何特性(诸如同心度、弯曲变形、展开的横截面等)的公差保持在适当的限制内。
为了将这些几何要求维持在保持RF要求在适当范围内的指定公差内，应注意以下参数：纤维类型(模量)、硅树脂类型(Shor硬度值和伸长率)、波导管壁厚、波导管横截面直径、折叠方案(Z型折叠、卷绕等)、内表面粗糙度(Ra)和波纹度(心轴材料、脱模剂/方式和制造的表面公差)。
为了确保根据本发明的实施例的可折叠/可展开的波导管的期望机械、几何和电性能，可使用硅基形状记忆复合CFRS(碳纤维增强硅树脂)来形成波导管。根据另外的实施例，碳可为石墨，并且复合CFRS管中的硅树脂可为导电的，这可改善其RF性能。这种材料的选择具有足够的RF反射率和电导率，使材料能够用作波导管，其中在Ku和Ka波段的损耗小于0.5db。
在从折叠位置展开之后，已经对根据本发明的实施例产生的可折叠波导管的RF性能进行了测试。现在参考图3A，其描述被测波导管300的尺寸)，并参考图3B/3B1和3C/3C1，其分别是呈现已知铝波导管和根据本发明实施例的未折叠/展开波导管的RF传输性能的曲线图。可看出，众所周知的铝波导管呈现RF性能曲线图302，其中对于高于5GHz的频率，衰减基本上为零。衰减数也呈现在图表3B1中。
根据本发明的实施例构造的可折叠/可展开的波导管300的性能在曲线图304(图3C)中示出，并且性能数字也呈现在图3C1的表中。如可见的，在高于7GHz的频率下，展开的波导管300的衰减小于5db，高于10GHz下，衰减不大于2.5db，而高于24GHz下，衰减小于1db。
现在参考图4，其是根据本发明的实施例的RF发送/接收组件400的示意图，该组件包括Tx/Rx RF正交模式换能器(OMT)404、RF偏振器406和Tx/Rx喇叭天线408。根据一些实施例，如关于波导管100或204所描述的，元件404、406和408中的至少一个可由柔性材料制成。因此，这些元件在发射时可保持在其折叠/装载位置，并且在需要时可展开，从而节省更多的发射空间。尽管可折叠元件404、406和408未被呈现为处于其折叠位置，但是对本领域技术人员显而易见的是，这些元件中的每一个的折叠位置可具有几种形式中的一种，由于制造这些元件的材料的形状记忆，当释放折叠位置时，元件将返回其展开位置并以最小挠度和对其性能的可忽略不计的影响而变形。
尽管本文已经说明和描述本发明的某些特征，但是本领域普通技术人员现在将想到许多修改、替换、变化和等同物。因此，应当理解，所附权利要求书旨在涵盖落入本发明的真实精神内的所有这样的修改和变化。

Claims (1)

1.一种用于传输RF信号的可折叠和可展开组件，包括：
RF发送器/接收器，适于在RF范围S和更高范围内操作；
发送/接收喇叭单元，用于将所述组件附接到能在RF范围S和更高范围内操作的天线；以及
可折叠/可展开RF波导管，连接在所述RF发送器/接收器与所述发送/接收喇叭之间，并且能在RF范围S和更高范围内操作，所述波导管形成为由硅基形状记忆复合碳纤维增强硅树脂(CFRS)和含硅树脂的石墨中的至少一种制成的中空细长件。
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