CN111146557B - 一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构 - Google Patents

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Abstract

本发明提出一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，包括充气框架主体、馈电组件及反射腔。本发明采用充气式展开方式将偶极子天线的重量做到了极限，天线充气框架采用柔性复合材料制成，反射腔采用金属网绷制，且馈线不需要介质支撑，借助框架充气展开的拉力将超柔性电缆拉直，极大减小了天线重量，将该天线形式的优势发挥到最大。同时，随着阵列数目的增多，天线可以进行折叠，收纳比小，且随着阵列数目的增加，收纳比还会减小，适用于大尺度天线及结构，且具有装载重量和体积要求的平台，应用前景广泛。

Description

一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构
技术领域
本发明涉及柔性天线技术领域，具体为一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构。
背景技术
偶极子天线由于其工作频带宽，增益高，结构简单，成本低等众多优点，广泛应用在短波，超短波直至微波等低波段的侦察、测向、通信、电子对抗等方面。传统偶极子天线结构采用金属反射腔，辐射片与接地板之间采用聚酰亚胺或者低介电泡沫材料进行结构支撑，短路馈线与同轴馈线均采用铜棒加工而成，整体重量较重。组阵天线的结构随着阵列数目增多，反射腔加工难度增大，天线重量线性增加，阵列的拓展性不好，同时也不可收展，阵列体积庞大，无法适用于具有装载重量及体积要求的平台，使用环境受到了极大限制。
进入20世纪末期，移动通信、对地观测、自主微波遥感、空间轨道长基线干扰测量、军用雷达等领域对于大型空间设备的需求日益迫切，例如平流层飞艇就是一种大型的空间设备。根据各国的发展现状，平流层飞艇的巨型化是目前各国实现飞艇在平流层环境长时间运行所采用的方法。这是由于飞艇工作的平流层高度大气密度远低于海平面，更低的密度意味着需要更大的体积。但更大的体积又带来更大的阻力、重量以及克服阻力所需要的更大的能量，从而进一步需要更大的体积。这一循环关系严重限制了平流层飞艇的发展。飞艇结构轻量化能从根本上降低飞艇的重量，从而降低提升飞艇重量所需的囊体体积，成为打开这一循环链条的关键一环。
由此看出，结构轻量化研究是未来飞艇的主要研究方向，而作为飞艇重要载荷的天线结构，若采用传统的机械结构偶极子天线，在质量、装载体积、工程复杂程度、发射成本等诸多方面都存在设计局限，无法满足未来飞艇装载重量及体积要求的。所以与飞艇共形一体化的轻质载荷天线，与飞艇一起充气展开、排气收藏充气式展开天线作为飞艇有效载荷具有重大的应用价值。目前充气结构在大型空间设备上的应用有 JPL公司和ILC Dover公司联合研发的合成孔径雷达(SAR)的充气式微带阵列天线。展开成型的阵列尺寸长10m，宽3.3m，单位面积的质量小于1.6Kg/m2，并且未充气状态下的存储空间具有严格的限制，但该结构需要借助太阳紫外线进行固化保形，可靠性低，风险较大，该项技术后面再无类似的工程应用，且该天线形式只适用于平面微带阵列天线形式，无法适用于需要一定辐射腔体的十字交叉偶极子天线形式。
发明内容
为解决现有技术存在的问题，本发明提出一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，充气展开方式应用到偶极子天线形式上，采用格子状连通的充气管道实现偶极子天线反射腔的成型，反射腔采用金属网在框架上绷制，与充气框架成型，极大程度降低天线重量，其组阵形式非常适用于飞艇等大型平台的共形一体化构型，同时也适用于地面环境。
本发明的技术方案为：
所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：包括充气框架主体(1)、馈电组件(2)及反射腔(3)；
所述充气框架主体(1)包括连通的充气柱(4)、透波薄膜(5)及单向充气阀(6)；所述充气柱(4)采用带双面金属层的柔性功能复合材料制成，透波薄膜(5)采用无金属层的柔性复合材料制成，边缘固定在充气柱(4)上；充气柱(4)通过单向充气阀(6)充气加压后能够将充气框架主体(1)展开成设定形状，并将透波薄膜(5)拉展至满足设定精度要求，形成充气框架主体(1)正面；
所述反射腔(3)由金属网连接在充气柱(4)上，作为充气框架主体(1)侧面而形成，当充气框架主体(1)展开成设定形状时，充气气压将金属网网面拉紧，保证网面平整度；
所述馈电组件(2)包括辐射片(7)、同轴电缆(8)、短路电缆(9)、射频连接器 (10)、顶端馈线片(11)；辐射片(7)采用铜箔裁剪成设定形状后粘接在透波薄膜上形成偶极子；同轴电缆(8)一端连接射频连接器(10)，另一端穿过透波薄膜(5)和辐射片(7)后与辐射片(7)以及顶端馈线片(11)一端焊接；顶端馈线片(11)另一端与形成偶极子的另一辐射片(7)以及短路电缆(9)焊接。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：所述充气框架主体(1)具有多边形正面及多边形背面的盒体结构。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：若干轻质柔性充气可展开偶极子天线结构通过侧边贴合组成偶极子阵列天线结构；偶极子阵列天线结构布置在充气平台上，且能够与充气平台一同充气展开、排气收藏；偶极子阵列天线结构中的透波薄膜与充气平台的蒙皮共形。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：形成反射腔(3)的金属网通过整体裁剪而成，边缘与用绳索与充气框架主体的充气柱连接。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：形成反射腔(3)的金属网采用网孔直径为4mm的镀镍不锈钢丝网。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：透波薄膜(5)上开有用于与馈电组件配合的定位孔，辐射片(7)上也设有定位孔，通过定位孔配合，确保辐射片(7)在透波薄膜(5)上的粘接位置精度。
进一步的优选方案，所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：同轴电缆(8)和短路电缆(9)采用超柔性电缆；同轴电缆(8)顶端剥出多层，其中最外端层剥出内导体，第二层剥出绝缘层，第三层剥出外导体；短路电缆(9)顶端剥出一段外导体；顶端馈线片(11)采用黄铜板机加工而成，其一端与同轴电缆(8)的内导体(14)焊接连接，另一端与短路电缆(9)的外导体(15)以及形成偶极子的一个辐射片焊接；同轴电缆(8)的外导体(12)与形成偶极子的另一个辐射片焊接。
有益效果
针对传统的偶极子天线，重量较重，且组阵拓展性不好的问题，本发明采用充气式展开方式将偶极子天线的重量做到了极限，天线充气框架采用柔性复合材料制成，反射腔采用金属网绷制，且馈线不需要介质支撑，借助框架充气展开的拉力将超柔性电缆拉直，极大减小了天线重量，将该天线形式的优势发挥到最大。同时，随着阵列数目的增多，天线可以进行折叠，收纳比小，且随着阵列数目的增加，收纳比还会减小，适用于大尺度天线及结构，且具有装载重量和体积要求的平台，应用前景广泛。
另外，国外有将充气展开方式的微带阵列天线应用于空间环境，需要借助太阳紫外线进行固化保形，可靠性低，风险较大，且该项技术后面再无类似的工程应用，且该天线形式只适用于平面微带阵列天线形式，无法适用于需要一定辐射腔体的十字交叉偶极子天线形式。本发明将充气展开方式应用于偶极子天线形式，充气框架为立体的格子状框架，主要应用平台为飞艇等充气平台，可以与飞艇一同充气展开，排气收藏，是国、内外从未有过是突破性尝试。目前已经研制出4×8阵列天线工程样机，完成了地面的展开试验验证及电性能测试，测试30天压降小于20％，密封及保压性能良好，满足使用要求。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：
图1：天线组成示意图；
其中：1、充气框架主体；2、馈电组件；3、反射腔；
图2：充气框架主体组成示意图；
其中：4、充气立柱，5、透波薄膜，6、单向充气阀
图3：馈电组件结构示意图；
图4：图3的局部放大图；
其中：7、辐射片；8、同轴电缆；9、短路电缆；10、射频连接器；11、顶端馈线片；a、b、c、d：焊接位置标识；
图5：同轴电缆顶端示意图；
其中：12、外导体；13、绝缘层；14、内导体；
图6：短路电缆顶端示意图；
其中：15、短路电缆外导体；
图7：10×4阵列天线示意图；
其中：16、天线单元；17、充气阵列框架；18、与平台共形薄膜：19、充气阀门。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
如图1所示，本实施例中的轻质柔性充气可展开偶极子天线结构包含充气框架主体1、馈电组件2及反射腔3。当然根据使用频段不同，设计天线单元尺寸也有所不同。
图2是充气框架主体1的组成示意图，充气框架主体1是充气单元天线的主体结构，具备充气和排气功能，采用轻质柔性薄膜材料制造、拥有封闭充气腔体，充气后可形成满足技术要求的结构框架，排气后可自行叠放。充气框架主体1的结构由连通的充气柱4、透波薄膜5及单向充气阀6组成。充气柱4采用带双面金属层的柔性功能复合材料制成，透波薄膜5采用无金属层的柔性复合材料制成，边缘固定在充气柱 4上，透波薄膜5上开有用于与馈电组件配合的定位孔。充气框架主体1通过充气阀6 加压后，充气柱4展开到给定尺寸，将透波薄膜5拉展至满足精度要求，形成充气框架主体1正面；。充气柱4直径拟定20mm(可根据工程实际共同协商设计参数)，充气气压大小通过将形成反射腔3的不锈钢丝网拉伸至推荐张力下而推算得知。
充气框架主体具备：(1)充气、排气功能；(2)展开精度：进行10次充气展开试验，每次充气气压变化量不大于0.5％，每次展开后的外形尺寸变化量不大于± 4mm；(3)重量：小于0.3kg；(4)气密性：气压相对下降率不大于0.5％(24h内)。
所述反射腔3由金属网连接在充气柱4上，作为充气框架主体1侧面而形成，金属网的周边用聚酰亚胺绳索与充气框架主体的充气柱连接，当充气框架主体1展开成设定形状时，充气气压将金属网网面拉紧，保证网面平整度。本实施例中，形成反射腔3的金属网采用网孔直径为4mm的镀镍不锈钢丝网，并通过整体裁剪而成，，用聚酰亚胺绳索与充气立柱捆绑，实现反射腔的导电连续性。本实施例中金属网设计张力为20g/cm，张力相对允许伸长量(％)：5％≤横向≤30％；5％≤纵向≤20％，极限载荷 (N/m)：横向：40N/m，纵：40N/m。
如图3和图4所示，馈电组件2由辐射片7、同轴电缆8、短路电缆9、射频连接器10、顶端馈线片11等组成，辐射片7采用0.05mm铜箔裁剪成所需的形状粘接在充气框架主体的透波薄膜上形成偶极子。本实施例中，天线上含4个辐射片，360°均布，辐射片7上也设有定位孔，通过定位孔配合，确保辐射片7在透波薄膜5上的粘接位置精度。
同轴电缆8和短路电缆9采用外径为3.6mm的超柔性电缆，具有小的折弯半径，使用温度低于-60℃，多次折弯后仍有很好的电性能稳定性。同轴电缆8顶端剥成如图5所示形状，最外端层剥出内导体，第二层剥出绝缘层，第三层剥出外导体。短路电缆9顶端剥成如图6所示形状，露出一段外导体。
顶端馈线片11采用黄铜板机加工而成，其一端与同轴电缆8一端的内导体14焊接连接(放大视图I中的焊接位置a)，另一端与短路电缆9的外导体15(放大视图I 中的焊接位置c)以及形成偶极子的一个辐射片(放大视图I中的焊接位置d)焊接，同时，同轴电缆的外导体12与形成偶极子的另一个辐射片焊接(放大视图I中的焊接位置b)，同轴电缆另一端连接射频连接器10，短路电缆另一端与金属网接地面之间采用铜箔粘接。
本实施例中充气框架主体具有矩形正面及矩形背面的盒体结构。若干轻质柔性充气可展开偶极子天线结构通过侧边贴合组成偶极子阵列天线结构，如图7所示；偶极子阵列天线结构采用与飞艇等充气平台一同充气展开、排气收藏的充气式展开方式。偶极子阵列天线结构中的透波薄膜与充气平台的蒙皮共形，在共形面上预设固定或悬挂点，天线组阵后整体采用粘扣或挂钩固定在悬挂点上，与平台共形。
本发明中研制的轻质柔性充气展开偶极子天线以及相关技术可应用于地面应急通讯、艇基相控阵载荷天线、空间充气展开天线及结构、星载GNSS天线及大口径SAR 天线等技术领域。该天线结构重量只有同类型、相同尺寸天线的1/5。且该天线单元及组阵可以实现折叠和充气展开。收纳比非常小，排气后可任意折叠收纳，可应用于小卫星、微纳卫星等卫星平台，也可与飞艇等其他平台一起充气展开，排气收藏，实现与大型平台的共形一体化设计。
尽管上面已经示出和描述了本发明的实施例，可以理解的是，上述实施例是示例性的，不能理解为对本发明的限制，本领域的普通技术人员在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下在本发明的范围内可以对上述实施例进行变化、修改、替换和变型。

Claims (7)

1.一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：包括充气框架主体(1)、馈电组件(2)及反射腔(3)；
所述充气框架主体(1)包括连通的充气柱(4)、透波薄膜(5)及单向充气阀(6)；所述充气柱(4)采用带双面金属层的柔性功能复合材料制成，透波薄膜(5)采用无金属层的柔性复合材料制成，边缘固定在充气柱(4)上；充气柱(4)通过单向充气阀(6)充气加压后能够将充气框架主体(1)展开成设定形状，并将透波薄膜(5)拉展至满足设定精度要求，形成充气框架主体(1)正面；
所述反射腔(3)由连接在充气框架主体(1)侧面的充气柱(4)上的金属网形成，当充气框架主体(1)展开成设定形状时，充气气压将金属网网面拉紧，保证网面平整度；
所述馈电组件(2)包括辐射片(7)、同轴电缆(8)、短路电缆(9)、射频连接器(10)、顶端馈线片(11)；辐射片(7)采用铜箔裁剪成设定形状后粘接在透波薄膜上形成偶极子；
同轴电缆(8)和短路电缆(9)采用超柔性电缆；同轴电缆(8)一端连接射频连接器(10)；同轴电缆(8)另一端剥出多层，其中最外端层剥出内导体(14)，第二层剥出绝缘层，第三层剥出外导体(12)；短路电缆(9)顶端剥出一段外导体(15)；
同轴电缆(8)一端穿过透波薄膜(5)和形成偶极子的辐射片后，其内导体(14)与顶端馈线片(11)一端焊接，其外导体(12)与所述形成偶极子的辐射片焊接；
所述顶端馈线片(11)另一端与短路电缆(9)的外导体(15)以及形成偶极子的另一辐射片焊接；
所述短路电缆(9)的另一端与金属网接地面之间采用铜箔粘接。
2.根据权利要求1所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：所述充气框架主体(1)为具有多边形正面及多边形背面的盒体结构。
3.根据权利要求2所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：通过将若干轻质柔性充气可展开偶极子天线结构的侧边贴合而组成偶极子阵列天线结构；偶极子阵列天线结构布置在充气平台上，且能够与充气平台一同充气展开、排气收藏；偶极子阵列天线结构中的透波薄膜与充气平台的蒙皮共形。
4.根据权利要求1所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：形成反射腔(3)的金属网通过整体裁剪而成，金属网边缘用绳索与充气框架主体的充气柱连接。
5.根据权利要求4所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：形成反射腔(3)的金属网采用网孔直径为4mm的镀镍不锈钢丝网。
6.根据权利要求1所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：透波薄膜(5)上开有用于与馈电组件配合的定位孔，辐射片(7)上也设有定位孔，通过定位孔配合，确保辐射片(7)在透波薄膜(5)上的粘接位置精度。
7.根据权利要求1所述一种轻质柔性充气可展开偶极子天线结构，其特征在于：顶端馈线片(11)采用黄铜板机加工而成。
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Inflatable impulse radiating antenna for lunar penetrating radar;Arim Ha、Kangwook Kim;《2017 9th International Workshop on Advanced Ground Penetrating Radar (IWAGPR)》;20170731;全文 *
柔性航天器在轨振动主动控制研究;李洋;《中国优秀博硕士学位论文全文数据库(博士)工程科技Ⅱ辑》;20140415(第04期);全文 *

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