CN111541014B - 可自动展开的柔性螺旋天线和天线的制备方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种可自动展开的柔性螺旋天线和天线的制备方法。所述柔性螺旋天线包括螺旋形的天线臂,所述天线臂包括导电芯和外套,所述外套包裹所述导电芯,所述天线臂是三维螺旋体,所述外套具有高弹性,从而当所述天线臂受到轴向压力时,所述天线臂弹性回缩,当所述轴向压力撤销时,所述天线臂弹出并恢复至初始的三维状态。该螺旋天线的天线臂由于具有高弹性的外套,因而在从受压至不受压变化的过程中,可以依靠自身的弹性自动展开至三维状态,从而迅速投入到通信工作,且该螺旋天线省去了专用的收放机构,即使在太空中处于失重状态也能够保持三维形态的稳定,且结构简单,维修维护方便,成本较低。
Description
技术领域
本公开涉及天线技术领域,特别涉及一种基于高弹性材料的可自动展开的柔性螺旋天线和天线的制备方法。
背景技术
三维螺旋天线是卫星通信设备中的重要元件。为了提高运载火箭内部空间的利用率,在发射阶段通常需要将螺旋天线压缩到平面并收纳到一定空间内。到达预定太空轨道后,螺旋天线展开至三维状态从而收发信号。
然而,现有的一些星载螺旋天线安装到收放机构,在使用时需要操作收放机构展开螺旋天线至三维状态,在使用完毕时,也要操作收放机构使螺旋天线回缩成小体积状态。收放机构在螺旋天线的每层的多个位点支撑螺旋天线,通过收放机构的弹出和收缩来机械地带动螺旋天线的展开和回缩。
收放机构的结构复杂,零件众多,故障率较高,收放机构连接至任一个位点的部分故障,星载天线的通信效果都会受到影响甚至螺旋天线无法通信,这样的收放机构大大提高了卫星通信设备的故障发生率,提高了卫星通信设备的维护维修成本。
因此,亟待本领域技术人员解决的技术问题是,如何提供一种螺旋天线,其不必依靠复杂的收放机构而能够简单、快捷地展开和回缩。
发明内容
鉴于上述现有技术的状态而做出本公开。本公开的目的在于提供一种可自动展开的柔性螺旋天线和天线的制备方法,该螺旋天线能够依靠自身弹性而自动展开成三维状态。
提供了一种可自动展开的柔性螺旋天线,所述柔性螺旋天线包括螺旋形的天线臂,所述天线臂包括导电芯和外套,所述外套包裹所述导电芯,
所述天线臂是三维螺旋体,所述外套具有高弹性,从而当所述天线臂受到轴向压力时,所述天线臂弹性回缩,当所述轴向压力撤销时,所述天线臂弹出并恢复至初始的三维状态。
优选地,在所述外套和所述导电芯的同一横截面内,在同一方向上,所述外套的壁厚为所述导电芯在所述方向上的尺寸的1倍至3倍。
优选地,所述外套为以相同的横截面延伸的筒体,所述导电芯为以相同的横截面延伸的柱体,所述外套与所述导电芯同轴。
优选地,所述外套的材料为以下材料中的一者或者两者以上的组合:
聚合物、碳纤维、玻璃纤维。
优选地,所述天线臂呈锥形。
优选地,所述柔性螺旋天线包括柔性底板和射频馈电线路,所述柔性底板具有电磁反射层,所述射频馈电线路结合于所述柔性底板,所述天线臂的大头端穿过所述柔性底板而与所述射频馈电线路电连接,所述天线臂的轴向垂直于所述柔性底板。
优选地,所述柔性底板具有柔性基底,所述电磁反射层通过真空电镀或喷涂或溅射或电沉积工艺结合于所述柔性基底。
优选地,所述柔性底板的厚度不小于所述天线臂的线径或边长。
优选地,所述导电芯包括液态金属,或者导电液,或者金属线。
提供一种天线的制备方法,所述天线为上述技术方案中任一项所述的柔性螺旋天线,
采用3D打印工艺:打印所述导电芯和所述外套;或者
采用铸造工艺:在模具中布置金属导线,然后向所述模具内浇注熔融状态的所述外套的材料。
本公开提供的上述技术方案至少具有以下有益效果:
该柔性螺旋天线的天线臂由于具有高弹性的外套,因而在从受压至不受压变化的过程中,可以依靠自身的弹性自动展开至三维状态,从而迅速投入到通信工作,且该螺旋天线省去了专用的收放机构,即使在太空中处于失重状态也能够保持三维形态的稳定,且结构简单,维修维护方便,成本较低。
附图说明
图1a为本公开提供的可自动展开的柔性螺旋天线的一个实施例的示意图。
图1b为图1a的天线臂的横截面图。
图2a为本公开提供的可自动展开的柔性螺旋天线的另一个实施例的示意图。
图2b为图2a的天线臂的横截面图。
图2c为图2a中的天线臂被压平时的状态示意图。
图3为本公开提供的可自动展开的柔性螺旋天线的收纳过程的示意图。
附图标记说明:
1螺旋天线、2天线臂、21导电芯、22外套、3柔性底板。
具体实施方式
下面参照附图描述本公开的示例性实施方式。应当理解,这些具体的说明仅用于示教本领域技术人员如何实施本公开,而不用于穷举本公开的所有可行的方式,也不用于限制本公开的范围。
如图1a至图3所示,本公开提供一种可自动展开的柔性螺旋天线(以下简称螺旋天线1),螺旋天线1包括天线臂2、射频馈电线路和柔性底板3,天线臂2为三维螺旋体。柔性底板3可以包括柔性基底和电磁反射层,电磁反射层例如结合于柔性基底的一侧,射频馈电线路例如结合于柔性基底的另一侧。天线臂2的一端从柔性底板3的一侧穿出至另一侧从而与射频馈电线路电连接以进行馈电。电磁反射层对电磁波进行反射,使电磁波的辐射具有方向性。根据实际天线尺寸可以选择采用微带线馈电、同轴线馈电、缝隙耦合馈电等方式。
电磁反射层例如为铜膜,柔性基底例如由包括聚酰亚胺、聚酯、PDMS (聚二甲基硅氧烷)等的材料制成,可以通过在柔性基底的一侧真空电镀或喷涂或溅射或电沉积例如铜而形成铜膜。应当理解,喷涂铜粉来形成铜模。
天线臂2例如可以为锥形,上述锥形为广义上的锥形,其包括纵截面(沿着锥形轴线剖切的截面)为三角形、半圆形等的锥形。该锥形的天线臂2具有小头端和大头端,大头端的径向尺寸大于小头端的径向尺寸,在从大头端向小头端延伸的过程中,天线臂2的直径逐渐变小。
螺旋的圈数、螺距、每圈螺旋的直径,以及天线臂2的长度根据所需的带宽和天线频率中心点选择。优选地,螺旋圈数为3圈,螺距为2mm,每层半径依次减小2mm。
在性能相同的情况下,锥形的螺旋天线1与柱形的螺旋天线相比高度更小、重量更轻,且较平面螺旋天线相比横向尺寸小,锥形的螺旋天线1还具有结构稳定等优点,十分适合用于卫星通信领域。
如图1b和图2b所示,天线臂2包括导电芯21和外套22,外套22包裹导电芯21,导电芯21与射频馈电线路电连接,导电芯21可以为金属线、导电液或者液态金属。外套22可以由高聚物、碳纤维、玻璃纤维中的一者制成,或者至少两者混合制成。
外套22具有高弹性,外套22和导电芯21结合而形成上述三维螺旋体。优选地,外套22由包括聚丙烯的材料制成,天线臂2的工作温度为常温。
上述“高弹性”是相对于“普弹性”而言的,即具有高弹性的材料的弹性形变大于具有普弹性的材料的弹性形变。
普弹性可以是例如金属的属性,在力场作用下,材料产生瞬时的可逆形变,应力与应变成正比,服从胡克定律,且形变量很小,仅为千分之几或更小。高弹性可以是例如高聚物等具有的属性,在即使是很小的力作用下,材料的弹性形变可以很大,形变量可达百分之一百以上。
当天线臂2受到轴向压力时,天线臂2弹性回缩,例如被压平至平面内,当轴向压力撤销时,天线臂2弹出并恢复至初始的三维状态。
该螺旋天线1的天线臂2由于具有高弹性的外套22,因而在从受压至不受压变化的过程中,可以依靠自身的弹性自动展开至三维状态,从而迅速投入到通信过工作,且该螺旋天线1省去了专用的收放机构,即使在太空中处于失重状态也能够保持三维形态的稳定,且结构简单,维修维护方便,成本较低。
外套22具有以下三个作用。
第一,外套22起到对导电芯21的保护作用。例如,外套22可以在-50℃至50℃的温度范围内保持其材料属性。
第二,外套22可以作为螺旋天线1的辐射介质。可以通过调整外套22厚度和材料来对螺旋天线1的辐射性能进行调整。
第三,外套22具有高弹性,其为天线臂2的回弹提供动力,以确保天线臂2能够完全弹出并恢复成初始的三维形状。
天线臂2(导电芯21)的横截面可以为圆形、方形等,为确保天线臂2弹出的动力和能够达到固定形状,在外套22和导电芯21的同一横截面内,在同一方向上,外套22的壁厚可以为导电芯21在该方向上的尺寸的1倍至3倍。
天线臂2的截面形状、线径/边长,以及天线臂2沿轴向延伸过程中的线径变化,可以根据所需的带宽和天线频率中心点来确定。
对于横截面为圆形的导电芯21,其线径优选为0.1mm至3mm,对于横截面为方形或多边形的导电芯21,其边长优选为0.3mm至2mm。
优选地,导电芯21例如可以为黄铜,其线径沿轴向均一,为0.1mm至 3mm。
锥形的天线臂2的大头端可以穿过柔性底板3与射频馈电线路连接,且天线臂2的轴向垂直于柔性底板3。
这样,柔性底板3在卷起的过程中可以将原本三维的天线臂2基本压平,并以类似卷轴的方式收纳天线臂2,这实现了以较小的体积收纳螺旋天线1的目的。
如图3所示,该螺旋天线1的使用方法如下。
将多个天线臂2布置在柔性底板3上。
存储时,像卷轴一样卷绕柔性底板3,随着柔性底板3以卷轴方式卷动,天线臂2被逐个压平,即柔性底板3在卷动过程中对天线臂2的自由端施加压力,将三维的天线臂2压缩成平面状态使其贴附在柔性底板3的由于卷绕而形成的相对面之间,螺旋天线1整体成卷轴。在图3中,最靠近柔性底板3的卷起部分(最右侧)的两个天线臂2正在被压平,而其他相对较远离卷起部分的天线臂2仍然处于三维状态。
在卷绕完成后,可以在卷轴的外周将卷轴锁定而防止其自动展开,这样多个天线臂2处于稳定的压缩状态,整体结构机械性能稳定、抗振,可用于保存和地面运输。对于处于原始三维状态时高度为12.5mm的天线臂2,受压后其高度可以仅为0.6mm,压缩率可以达到95.2%。
当该天线在太空中应用时,可采用张拉机构驱动卷轴缓慢展开。
当卷轴展开时,柔性底板3对天线臂2的压力逐渐撤销。随着压力的撤销,天线臂2回弹而恢复原始的三维状态。
在上述实施例中,以一个柔性底板3布置多个天线臂2为例进行介绍,在其他实施例中,一个柔性底板3还可以布置一个天线臂2。
外套22可以为以相同的横截面延伸的筒体,导电芯21可以为以相同横截面延伸的柱体,外套22与导电芯21同轴设置。外套22均匀的包裹导电芯21,这有利于确保天线臂2回弹的均匀一致性。
为提供足够压力使天线臂2压平且柔性底板3不被天线臂2刺穿,柔性底板3的厚度优选不小于天线臂2的线径。柔性底板3的厚度例如为1mm至 25mm。
该螺旋天线1的天线臂2可以按照如下方法制造。
采用3D打印方式:例如同步打印导电芯21和外套22,具体地,例如采用金属打印导电芯21,采用聚合物打印外套22。
采用铸造方式:首先制造具有预定螺旋形状的模具,在模具内布置不与模具内壁相接触的金属导线,将熔融状态的外套22的材料,例如聚合物溶液浇筑在该模具内,使得聚合物包覆住金属导线,冷却后即可得到与所需尺寸和外形(初始三维形状)相匹配的三维的螺旋形的天线臂2,该天线臂2可以迅速地回弹。
应当理解,上述实施方式仅是示例性的,不用于限制本公开。本领域技术人员可以在本公开的教导下对上述实施方式做出各种变型和改变,而不脱离本公开的范围。
Claims (6)
1.一种可自动展开的柔性螺旋天线,所述柔性螺旋天线包括螺旋形的天线臂(2),所述天线臂(2)包括导电芯(21)和外套(22),所述外套(22)包裹所述导电芯(21),其特征在于,
所述天线臂(2)是三维螺旋体,所述外套(22)具有高弹性,从而当所述天线臂(2)受到轴向压力时,所述天线臂(2)弹性回缩,当所述轴向压力撤销时,所述天线臂(2)弹出并恢复至初始的三维状态;
所述天线臂(2)呈锥形;以及
所述柔性螺旋天线包括柔性底板(3),在所述柔性底板(3)上布置多个所述天线臂(2),以卷轴方式卷动所述柔性底板(3)能够使得多个所述天线臂(2)被逐个压平,从而所述柔性螺旋天线整体成为卷轴;
在所述外套(22)和所述导电芯(21)的同一横截面内,在同一方向上,所述外套(22)的壁厚为所述导电芯(21)在所述方向上的尺寸的1倍至3倍;
所述柔性底板(3)的厚度不小于所述天线臂(2)的线径或边长;
所述柔性螺旋天线还包括射频馈电线路,所述柔性底板(3)包括柔性基底和电磁反射层,所述电磁反射层结合于所述柔性基底的一侧,所述射频馈电线路结合于所述柔性基底的另一侧;
锥形的所述天线臂(2)的大头端穿过所述柔性底板(3)而与所述射频馈电线路电连接,所述天线臂(2)的轴向垂直于所述柔性底板(3)。
2.根据权利要求1所述的可自动展开的柔性螺旋天线,其特征在于,所述外套(22)为以相同的横截面延伸的筒体,所述导电芯(21)为以相同的横截面延伸的柱体,所述外套(22)与所述导电芯(21)同轴。
3.根据权利要求1所述的可自动展开的柔性螺旋天线,其特征在于,所述外套(22)的材料为以下材料中的一者或者两者以上的组合:
聚合物、碳纤维、玻璃纤维。
4.根据权利要求1所述的可自动展开的柔性螺旋天线,其特征在于,所述电磁反射层通过真空电镀或喷涂或溅射或电沉积工艺结合于所述柔性基底。
5.根据权利要求1所述的可自动展开的柔性螺旋天线,其特征在于,所述导电芯(21)包括液态金属,或者导电液,或者金属线。
6.一种天线的制备方法,所述天线为根据权利要求1至5中任一项所述的柔性螺旋天线,其特征在于:
采用3D打印工艺:打印所述导电芯(21)和所述外套(22);或者
采用铸造工艺:在模具中布置金属导线,然后向所述模具内浇注熔融状态的所述外套(22)的材料。
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2020
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