CN110661075A - 一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线 - Google Patents

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Abstract

一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，属于天线技术领域。本发明提供的超长口径的可伸缩模块化柱面天线由多个具有独立波束扫描能力的单元组成，每个单元结构完成相同，每个单元收拢直径为Ф3350mm，收拢高度500mm，展开后天线口径为10m，具有较高收纳比，通过不同数量单元的组合配置，多个单元在空间进行展开，可以实现不同口径柱面天线的需求，在卫星和运载火箭包络尺寸范围内，天线口径可达百米级。

Description

一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线
技术领域
本发明涉及一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，属于星载天线技术领域。
背景技术
为了满足天基动目标监测等卫星应用背景对星载新体制SAR天线的需求，要求具备百米级柱面反射器+相控阵馈源形式的星载大型可展开天线，并要求天线长度可根据需求拓展。目前广泛应用的星载大型可展开天线形式主要包括环形可展开天线、伞状可展开天线和构架式可展开天线。
其中，环形可展开天线是适用于10～30米口径可展开星载天线形式，仅具有反射器的收拢和展开功能，馈源不能收展，且不适用于可拓展长度的柱面天线应用需求；伞状可展开天线是适用于4～10米口径的抛物面可展开反射器天线形式，同样仅能实现抛物面反射器的收拢和展开，馈源不能收展，且不适用于可拓展长度的柱面天线应用需求；构架式可展开天线可实现柱面反射器的收拢展开，但仅能拓展于4～10米尺寸范围，且不具备相控阵馈源收拢展开功能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，通过开展天线高收纳比多维展开设计、大尺度可展柱面反射器设计、可拓展尺寸高刚度可展开桁架设计及多折叠馈源阵设计，在保证天线多维协调展开、反射器展开到位型面精度和馈源高平整度的要求下，实现百米超大口径柱面天线在空间顺利展开。
本发明的技术解决方案是：一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，包括若干个天线单元；每个天线单元包括柱状网面反射器、伸展桁架和馈源阵；
所述伸展桁架为棱柱状结构，用于安装柱状网面反射器和馈源阵，以及驱动天线单元长度向展开；
所述柱状网面反射器与伸展桁架的一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开；
所述馈源阵与伸展桁架的另一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开，用于搭载馈源；
相邻天线单元的柱状网面反射器之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的伸展桁架之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的馈源阵之间均为可伸缩连接。
进一步地，所述柱状网面反射器包括折叠肋、折叠伸缩臂和索网系统；所述折叠肋的一端安装在伸展桁架的一条棱上；所述折叠伸缩臂沿索网系统柱面母线方向布置，且与伸展桁架的棱方向相同；所述折叠肋安装于折叠伸缩臂的两端，在索网系统柱面基线平面内由电机驱动折叠伸展和折叠收拢；所述索网系统以折叠肋和折叠伸缩臂为支撑进行安装，且在折叠肋带动下实现基线方向伸展和收缩，在折叠伸缩臂的带动下实现母线方向的伸展和收缩。
进一步地，所述折叠肋上设有若干折叠关节，用于折叠肋伸展或收缩时，所述折叠肋在索网系统柱面基线平面内按W形或倒W形展开或收缩层叠；当折叠肋完全展开时为索网系统提供柱面基线方向支撑。
进一步地，所述折叠伸缩臂内部中空，中空的部分用于容纳相邻的前向的折叠伸缩臂；当折叠伸缩臂伸展或收缩时，折叠伸缩臂从容纳自身的另一个折叠伸缩臂中伸出或收缩进相邻的后向的折叠伸缩臂。
进一步地，所述折叠伸缩臂包括两段中空璧管；所述两段中空璧管各有一端与折叠肋铰接，两段中空璧管的另一端之间设有用于铰接的璧管折叠关节；天线收拢过程，当两段中空璧管全部缩入最外层中空璧管的中空部分后，璧管折叠关节折叠收拢；展开过程为收拢逆过程。
进一步地，所述折叠肋在索网系统柱面基线平面内布置，折叠伸缩臂在索网系统柱面母线方向布置。
进一步地，所述伸展桁架上设有若干支撑结构折叠关节，当支撑结构伸展或收缩时，支撑结构在所述支撑结构折叠关节处按V形展开或收缩层叠。
进一步地，所述馈源阵上设有若干馈源阵折叠关节，当馈源阵伸展或收缩时，馈源阵在所述馈源阵折叠关节处按W形或倒W形展开或收缩层叠。
进一步地，所述伸展桁架展开为三棱柱等棱柱结构。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、本发明通过高收纳比多维展开设计，实现了百米级星载天线的收拢展开；
2、本发明通过可展开柱面反射器、伸展桁架和相控阵馈源的模块化设计，实现柱面天线长度尺寸拓展；
3、本发明通过多折叠馈源设计实现了相控阵馈源的收拢展开功能。
附图说明
图1为本发明天线完全展开状态及组成示意图；
图2为本发明天线局部单元示意图；
图3为本发明天线侧向示意图；
图4为本发明柱面网状反射器组成示意图；
图5为本发明伸展桁架组成示意图；
图6为本发明馈源阵示意图；
图7为本发明天线完全收拢状态示意；
图8为本发明第1步展开后状态示意；
图9为本发明第2步展开后状态示意；
图10为本发明第3步展开后状态示意；
图11为本发明第4步展开动作半展开状态示意。
具体实施方式
如图1、3所示，一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其模块化特征在于天线由多个具有独立波束扫描能力的天线单元组成，每个天线单元结构相同，每个天线单元收拢直径为Ф3350，收拢高度500mm，展开后天线长度为10m，具有较高收纳比。通过不同数量天线单元的组合配置，多个天线单元在空间进行展开，可以实现不同口径天线的需求，在卫星和运载火箭包络尺寸范围内，天线口径可达百米级。实施例天线由十个天线单元构成，展开后天线长度为100m。
本发明包括若干个天线单元；每个天线单元包括柱状网面反射器1、伸展桁架2和馈源阵3；所述伸展桁架2为棱柱状结构，用于安装柱状网面反射器1和馈源阵3，以及驱动天线单元展开；所述柱状网面反射器1与伸展桁架2的一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开；所述馈源阵3与伸展桁架2的另一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开，用于搭载馈源；相邻天线单元的柱状网面反射器1之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的伸展桁架2之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的馈源阵3之间均为可伸缩连接。具体地，如图2所示，每个天线单元主要由伸展桁架2、柱面网状反射器1及馈源阵3三大部分组成。伸展桁架2是带动整个天线展开的主要动力源，用于带动柱面网状反射器1及馈源阵3沿柱面母线方向展开，并在展开后为整体天线结构提供支撑；柱面网状反射器1主要为索网系统6提供支撑；馈源阵3主要搭载馈源。
柱状网面反射器1包括折叠肋4、折叠伸缩臂5和索网系统6；所述折叠肋4的一端安装在伸展桁架2的一条棱上；所述折叠伸缩臂5沿索网系统6柱面母线方向布置，且与伸展桁架2的棱方向相同；所述折叠肋4安装于折叠伸缩臂5的两端，在索网系统6柱面基线平面内由电机驱动折叠伸展和折叠收拢；所述索网系统6以折叠肋4和折叠伸缩臂5为支撑进行安装，且在折叠肋4带动下实现基线方向伸展和收缩，在折叠伸缩臂5的带动下实现母线方向的伸展和收缩。
如图4所示，所述柱面网状反射器1由折叠肋4、折叠伸缩臂5和索网系统6组成。折叠肋4上设有若干折叠关节，用于折叠肋4伸展或收缩时，所述折叠肋4在索网系统6柱面基线平面内按W形或倒W形展开或收缩层叠；当折叠肋4完全展开时为索网系统6提供柱面基线方向支撑。折叠伸缩臂5内部中空，中空的部分用于容纳相邻的前向的折叠伸缩臂5；当折叠伸缩臂5伸展或收缩时，折叠伸缩臂5从容纳自身的另一个折叠伸缩臂5中伸出或收缩进相邻的后向的折叠伸缩臂5。折叠伸缩臂5包括两段中空璧管；所述两段中空璧管各有一端与折叠肋4铰接，两段中空璧管的另一端之间设有用于铰接的璧管折叠关节；天线收拢过程，当两段中空璧管全部缩入最外层中空璧管的中空部分后，璧管折叠关节折叠收拢；展开过程为收拢逆过程。所述折叠肋4在索网系统6柱面基线平面内布置，折叠伸缩臂5在索网系统6柱面母线方向布置。折叠肋4和折叠伸缩臂5组成的展开结构为索网系统6提供支撑，并影响反射器索网系统6金属网柱面反射面型面精度；同时，索网系统6柱面基线方向收拢展开，由电机驱动，折叠肋4收拢展开运动带动实现；索网系统6母线方向展开由伸展桁架2驱动，折叠伸缩臂5带动索网随动展开。所述柱面网状反射器1每个单元为10米；索网系统6包括张拉索网及金属网，索网系统6通过拉索及支撑杆与折叠肋4和折叠伸缩臂5组成的展开结构连接，展开到位后通过索网张力形成预想金属网柱面。
伸展桁架2上设有若干支撑结构折叠关节，当支撑结构2伸展或收缩时，支撑结构2在所述支撑结构折叠关节处按V形展开或收缩层叠。伸展桁架2展开为三棱柱等棱柱结构。如图5所示，所述伸展桁架2为三棱柱形结构，可沿着棱柱轴线方向伸展和收缩；每个单元长度10米，由4段可收展折叠棱柱组成，每段长度2.5m，含有5个三角形框架，相邻框架之间通过折叠杆铰接；桁架完全收拢后相邻三角形框架紧贴，达到最小收拢包络；展开过程伸展桁架2为天线提供柱面母线方向展开动力，驱动柱面网状反射器1和馈源阵3展开；展开到位后三角形框架运动至设计距离，由展直的折叠杆支撑连接，所形成的棱柱结构为天线提供结构支撑，保证连接在伸展桁架2上的柱面网状反射器1和馈源阵的相对几何关系。
所述馈源阵3上设有若干馈源阵折叠关节，当馈源阵3伸展或收缩时，馈源阵3在所述馈源阵折叠关节处按W形或倒W形展开或收缩层叠。如图6所示，所述馈源阵3每个单元分为四个子板，每个子板2.5m，结构相同，子板之间采用馈源铰接。
每个天线单元展开长度为10米，包含一个单元的伸展桁架2，一个10米长的柱面网状反射器2单元和一个10米长的馈源单元。伸展桁架2单元包含四段可收展折叠类棱柱；反射器单元包含两个折叠肋4、一个折叠伸缩臂5和一个10m的索网系统，两个折叠肋4之间由一个折叠伸缩臂5连接，所形成结构为索网系统6提供支撑；每个单元馈源阵3分为四个相同子板，相邻子板铰接，共三个铰接轴。为了保证展开协调，反射器单元的的两个展开肋4一端与伸展桁架单元同一条棱边上两端的三角形框架顶点铰接，每个单元共两个铰接点；馈源阵3单元两端和最中间的铰接点与伸展桁架单元同一条棱边上两端和最中间的三个三角形框架顶点铰接，每个单元共三个铰接点。天线收拢展开过程，柱面网状反射器1和馈源阵3可以绕与伸展桁架2铰接的棱边旋转展开和旋转收拢；天线单元在柱面母线方向展开过程，可由伸展桁架2的展开动力，将馈源子板呈“W”形拉开。
通过不同数量单元的组合配置，可以实现不同口径天线的需求，拓展能力强，尤其适用于超长口径天线。
与现有技术相比，本发明通过高收纳比多维展开设计，实现了百米级星载天线的收拢展开；通过模块化设计，实现柱面天线长度尺寸拓展；通过多折叠馈源设计实现了相控阵馈源的收拢展开功能，适用于超长口径柱面天线。
本发明的展开过程为：(a)收拢态天线(如图7所示)馈源阵3绕伸展桁架2棱边转动展开，展开后状态如图8所示；(b)收拢态柱面网状反射器1绕伸展桁架2棱边转动展开，展开后状态如图9所示；(c)柱面网状反射器1基线方向展开，收拢态相控阵馈源3绕伸展桁架2棱边再次旋转，展开后状态如图10所示；(d)天线在伸展桁架2驱动下沿天线柱面母线方向展开，柱面网状反射器1和馈源阵3随动同步展开，该展开动作半展开状态如图11所示，天线完全展开后状态如图1所示。天线收拢过程同样分4步，为展开动作的逆过程。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (9)

1.一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：包括若干个天线单元；每个天线单元包括柱状网面反射器(1)、伸展桁架(2)和馈源阵(3)；
所述伸展桁架(2)为棱柱状结构，用于安装柱状网面反射器(1)和馈源阵(3)，以及驱动天线单元长度向展开；
所述柱状网面反射器(1)与伸展桁架(2)的一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开；
所述馈源阵(3)与伸展桁架(2)的另一条棱铰接，通过电机驱动旋转、收拢和展开，用于搭载馈源；
相邻天线单元的柱状网面反射器(1)之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的伸展桁架(2)之间均为可伸缩连接，相邻天线单元的馈源阵(3)之间均为可伸缩连接。
2.根据权利要求1所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述柱状网面反射器(1)包括折叠肋(4)、折叠伸缩臂(5)和索网系统(6)；所述折叠肋(4)的一端安装在伸展桁架(2)的一条棱上；所述折叠伸缩臂(5)沿索网系统(6)柱面母线方向布置，且与伸展桁架(2)的棱方向相同；所述折叠肋(4)安装于折叠伸缩臂(5)的两端，在索网系统(6)柱面基线平面内由电机驱动折叠伸展和折叠收拢；所述索网系统(6)以折叠肋(4)和折叠伸缩臂(5)为支撑进行安装，且在折叠肋(4)带动下实现基线方向伸展和收缩，在折叠伸缩臂(5)的带动下实现母线方向的伸展和收缩。
3.根据权利要求2所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述折叠肋(4)上设有若干折叠关节，用于折叠肋(4)伸展或收缩时，所述折叠肋(4)在索网系统(6)柱面基线平面内按W形或倒W形展开或收缩层叠；当折叠肋(4)完全展开时为索网系统(6)提供柱面基线方向支撑。
4.根据权利要求2所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述折叠伸缩臂(5)内部中空，中空的部分用于容纳相邻的前向的折叠伸缩臂(5)；当折叠伸缩臂(5)伸展或收缩时，折叠伸缩臂(5)从容纳自身的另一个折叠伸缩臂(5)中伸出或收缩进相邻的后向的折叠伸缩臂(5)。
5.根据权利要求4所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述折叠伸缩臂(5)包括两段中空璧管；所述两段中空璧管各有一端与折叠肋(4)铰接，两段中空璧管的另一端之间设有用于铰接的璧管折叠关节；天线收拢过程，当两段中空璧管全部缩入最外层中空璧管的中空部分后，璧管折叠关节折叠收拢；展开过程为收拢逆过程。
6.根据权利要求2所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述折叠肋(4)在索网系统(6)柱面基线平面内布置，折叠伸缩臂(5)在索网系统(6)柱面母线方向布置。
7.根据权利要求1所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述伸展桁架(2)上设有若干支撑结构折叠关节，当支撑结构(2)伸展或收缩时，支撑结构(2)在所述支撑结构折叠关节处按V形展开或收缩层叠。
8.根据权利要求1所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述馈源阵(3)上设有若干馈源阵折叠关节，当馈源阵(3)伸展或收缩时，馈源阵(3)在所述馈源阵折叠关节处按W形或倒W形展开或收缩层叠。
9.根据权利要求1所述的一种用于超长口径的可伸缩模块化柱面天线，其特征在于：所述伸展桁架(2)展开为三棱柱等棱柱结构。
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