CN112018523A - 一种充气式拼接天线 - Google Patents

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董长胜
肖松
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Abstract

本发明公开了一种充气式天线及其制备工艺，包括天线单元，天线单元为密闭气囊，位于每个天线单元内都设置有反射层，反射层为抛物面，多个天线单元阵列拼合，多个天线单元拼接构成抛物面状反射面，位于天线单元下方固连天线底托，天线底托下方设置天线底架天线底架为方位‑俯仰天线座或者天线底架为六连杆‑俯仰天线座。在传统的天线面支撑结构中间引入了充气结构，副面即其支撑机构也采用全新充气结构用于解决反射面遮挡和天线座架负担重的问题，副面遮挡问题得到了解决，副面臂的透波率良好，相较于原本的刚性支撑其遮挡面积减少，天线反射率得到了提升。

Description

一种充气式拼接天线
技术领域
本发明涉及相控阵天线领域,尤其涉及一种充气式拼接天线。
背景技术
为满足射电天文的发展需求，天线口径越造越大、工作频率越来越高，天线结构也越来越复杂，使得大型天线结构越来越复杂，重量越来越重，限制了其口径的增大，大型天线的结构设计成为大型天线设计过程中至关重要的环节。大型天线设计通常是针对天线座架结构进行优化，提高天线座背架的结构刚度，从而满足天线的整体刚度和跟踪速度。传统方位俯仰天线座和XY型天线座存在如结构复杂、体积质量大、在天线连续转动时必须要有汇流环和关节、且存在跟踪盲区等缺点，以上问题会使其精度和速度越来越成为制约射电天文技术发展。
此外，作为大型天线的另一个主要部分——天线头，却被忽略了。大型天线的天线头结构，主要指天线面及相关的辐射梁和副面支撑等部分，承担着最关键的作用:一方面为天线反射面的均方根；另一方面天线头的整体重量对天线座架压力。还有一个方面为副面支撑的遮挡对系统的压力。以上三方面的结构变形及指标变差直接影响天线的精度，因此，天线头结构是天线结构中的最关键部分，直接影响系统的精度是否能达到设计目标。天线长时间在户外使用，其表面易被风蚀腐朽，造成反射面形状“失真”，因此大型天线主面的结构设计可谓是大型天线设计过程中至关重要的环节。
发明内容
本发明的目的在于避免上述背景技术中的不足之处而提供一种充气式拼接天线，并且本发明方法制造的天线桁架具有高寿命，高耐久，不易形变，维护成本较低的特点。
为了实现上述目的，本发明通过以下技术方案实现：
提供了一种充气式拼接天线，包括主反射面和副反射面，副反射面架设在主反射面上，其特征在于：主反射面由拼接在一起的多个天线组成单元组成，每个天线组成单元均为正六边形，每个天线组成单元都包括气囊，气囊的内腔中设有隔层1f，所述隔层张开时为边缘是六边形的凹面，所述隔层将气囊的内腔分隔为彼此隔绝的上腔室1a和下腔室1b，隔层的边缘连接在气囊边缘处的内壁上，所述隔层的任意一面完全覆盖有柔性反射面，所有天线组成单元的柔性反射面共同组成主反射面的反射面。
进一步的，所述副反射面的周向连接有多个气臂3a，副反射面通过气臂支撑在主反射面上，所述气臂为充气的柱状的袋体，袋体由柔性非金属材料编织而成。
进一步的，主反射面的下方连接网格状的背架支撑，所述的背架支撑的边缘扩张至主反射面的外侧，气臂的底端嵌合且胶粘于一个端帽中，端帽远离所述底端的一侧连接有与端帽底端间隔设置的隔板，位于隔板上穿入多个螺杆，所述的螺杆连接至所述背架支撑的边缘处。
进一步的，所述的副反射面与天线组成单元的结构相同材质一致。
进一步的，所述的隔板与端帽底端之间形成夹层，所述的螺杆的顶部穿入至夹层中，于隔板两侧对应的在螺杆上配装有自锁螺母，与螺杆底部对应的在背架支撑的上设置螺纹套筒，所述螺杆底部与所述螺纹套筒配合。
进一步的，所述的上腔室和下腔室内均设有用于张紧气囊的气柱内框1c，所述隔层夹在两个气柱内框之间。
进一步的，气柱内框1c都加入有反射丝网。
进一步的，所述气柱内框的截面为圆形，两个气柱内框与气囊的内壁共同围成一个中空的环状空间，所述环状空间中设有用于为气囊的边缘处内壁提供支撑力的支撑气环1e，所述支撑气环张紧在环状空间内。
进一步的，三个相邻的天线组成单元汇聚于一个公共顶点，每个天线组成单元的背面在公共顶点4c处均设有一个三分之一螺柱4a，相邻三个天线组成单元的三分之一螺柱恰好构成一个完整螺柱，所述完整螺柱上配装有螺帽。
进一步的，所述的三分之一螺柱为竖直形状或者所述的三分之一螺柱为盘旋形状。
与现有技术相比具有的有益效果在于：
本发明独创的提供了我们提出了一款大型米水立方天线，本机构的反射面采用充气结构，大大降低天线头的重量，以150米天线计算预计总重量控制在30t左右。天线头重量减轻后降低了座架的设计难度，解决了驱动和跟踪速度等方面的问题，回转速度快相应速度提升大。
在传统的天线面支撑结构中间引入了充气结构，副面即其支撑机构也采用全新充气结构用于解决反射面遮挡和天线座架负担重的问题，副面遮挡问题得到了解决，副面臂的透波率良好，相较于原本的刚性支撑其遮挡面积减少，天线反射率得到了提升。
附图说明
图1为天线整体构造结构图。
图2为反射面俯视图。
图3为天线单元剖视图。
图4为副反射面和气臂位置图。
图5为天线单元组合图。
图6和图7和图8都为快速锁紧机构结构图。
具体实施方式
以下根据附图1-8对本发明做进一步说明：
本发明最佳实施例以某系统相控阵天线桁架为例，如图1所示。
一种充气式拼接天线，包括主反射面1和副反射面2，副反射面架设在主反射面上。
本发明天线单元的内部结构为：
主反射面由拼接在一起的多个天线组成单元组成，每个天线组成单元均为正六边形，每个天线组成单元都包括气囊，气囊的内腔中设有隔层1f，所述隔层张开时为边缘是六边形的凹面，所述隔层将气囊的内腔分隔为彼此隔绝的上腔室1a和下腔室1b，隔层的边缘连接在气囊边缘处的内壁上，
所述气柱内框的截面为圆形，两个气柱内框与气囊的内壁共同围成一个中空的环状空间，所述环状空间中设有用于为气囊的边缘处内壁提供支撑力的支撑气环1e，所述支撑气环张紧在环状空间内。
所述隔层的任意一面完全覆盖有柔性反射面，所有天线组成单元的柔性反射面共同组成主反射面的反射面，所述的上腔室和下腔室内均设有用于张紧气囊的气柱内框1c，所述隔层夹在两个气柱内框之间，气柱内框1c都加入有反射丝网。
反射面与气臂的组合结构为：
所述副反射面的周向连接有多个气臂3a，副反射面通过气臂支撑在主反射面上，所述气臂为充气的柱状的袋体，袋体由柔性非金属材料编织而成，所述的副反射面与天线组成单元的结构相同材质一致。
反射面与背架的组合结构为：
主反射面的下方连接网格状的背架支撑4，所述的背架支撑的边缘扩张至主反射面的外侧，气臂的底端嵌合且胶粘于一个端帽中，端帽远离所述底端的一侧连接有与端帽底端间隔设置的隔板，位于隔板上穿入多个螺杆，所述的螺杆连接至所述背架支撑的边缘处，背架支撑4的底部设置有六维支撑平台，六维支撑平台下方设置方位构架6和支撑座架7。
其气臂的调节机构为：所述的隔板与端帽底端之间形成夹层，所述的螺杆的顶部穿入至夹层中，于隔板两侧对应的在螺杆上配装有自锁螺母，与螺杆底部对应的在背架支撑的上设置螺纹套筒，所述螺杆底部与所述螺纹套筒配合。
其相拼合的组合结构为：三个相邻的天线组成单元汇聚于一个公共顶点，每个天线组成单元的背面在公共顶点4c处均设有一个三分之一螺柱4a，相邻三个天线组成单元的三分之一螺柱恰好构成一个完整螺柱，所述完整螺柱上配装有螺帽，所述的三分之一螺柱为竖直形状或者所述的三分之一螺柱为盘旋形状。
所述的隔板与端帽底端之间形成夹层，所述的螺杆的顶部穿入至夹层中，于隔板两侧对应的在螺杆上配装有自锁螺母，与螺杆底部对应的在背架支撑的上设置螺纹套筒，所述螺杆底部与所述螺纹套筒配合。
一种结构为：所述的分瓣螺栓组件为扇形柱体，三个分瓣螺栓组件相合刚好组成圆柱体。
另一种结构为：所述的分瓣螺栓组件为螺旋形盘旋的扇形柱体，三个分瓣螺栓组件相合刚好组成圆柱体。
本发明的天线副面结构为：副反射面，副反射面与主反射面的组成单元的结构一致包括气囊，气囊的内腔中设有隔层1f，所述隔层张开时为边缘是六边形的凹面，所述隔层将气囊的内腔分隔为彼此隔绝的上腔室1a和下腔室1b，隔层的边缘连接在气囊边缘处的内壁上，所述隔层的任意一面完全覆盖有柔性反射面，所有天线组成单元的柔性反射面共同组成主反射面的反射面，所述的上腔室和下腔室内均设有用于张紧气囊的气柱内框1c，所述隔层夹在两个气柱内框之间，气柱内框1c都加入有反射丝网。
本发明的制备工艺为：
制备天线单元，
d1.裁切基材,将基材进行裁切并进行胶粘，构成具有开口的六边形气囊表皮；
d2.裁切隔膜部，将预设的抛物面构型制备相匹配的金属凸模，在金属凸模上切割基材，得到与预设的抛物面构型曲面形状一致的隔膜部，在隔膜部上贴附金属反射层，隔膜部胶粘入六边形气囊表皮内，六边形气囊表皮分隔出上腔室和下腔室；
d3.制备天线气框，将上腔室和下腔室内腔形状制备气柱，并将气柱胶粘至对应的上腔室和下腔室内，隔膜部夹在两个气柱之间，在于每个气柱内加入反射丝网；
所述的反射丝网表面具有金属反射层，反射丝网的侧沿与气柱的内壁相接，反射丝网张拉在气柱内。
d4.增加反射贴片，在隔膜部的金属反射层上贴附反射贴片阵列，反射贴片阵列以隔膜部的圆心处为中心呈同心圆状向边缘扩散排布；
d5.将六边形气囊表皮的开口胶粘固化后形成密闭气囊，在上腔室和下腔室充入氦气，上腔室气压大于下腔室气压，隔膜部形成预设的抛物面构型，完成天线单元制备；
制备副反射面，
d6.制备副反射面，将每个天线单元与两个天线单元拼合，三个天线单元的公共点通过分瓣螺栓组件锁紧，按照预设抛物面构型将天线单元组合得到反射面；
组装天线，
d7.将反射面的反射面箍至抛物面状的六边形框架网络中，六边形框架网络为抛物面状，六边形框架网络包含多个六边形框架，每个天线单元都配装至六边形框架内。
本天线的透波性能如下：
Figure BDA0002707175190000081
备注：1.实测值为抽样的算术平均值。2.根据本项目要求，材料性能会做调整，以最终实测值为准。
本发明在在标准状况下不考虑海拔，空气密度为1.29Kg/m3，氦气密度为0.1347Kg/m3。充气单元近似为边长为12m的等边三角形，充气单元高度为500mm。假定用于制作充气单元的柔性复合材料的综合等效面密度即假定各部位所用面密度相等为600g/m2。
则：充气单元的体积为31.17m3，充气单元表面积为142.7m2，充气单元自重为85.6Kg，充入氦气后产生的浮力为36Kg。抵消后，充气单元重量为49.6Kg。
因为充气单元高度限制，因此即使全部充入氦气，也不能抵消充气单元的自重。为了达到“零自重”的效果，可以借鉴飞艇产生浮力的做法，在充气单元下部加装“副气囊”充气单元下部有空间可以利用来平衡自重。
该方案可完全消除自重造成的反射面“失真”的问题，同时减轻“三点支撑”结构的负担。充气单元内部气压只要达到可以维持反射面形状并且抗风雨载荷的最低气压即可，减少因充气单元压力过大造成的变形风险。
该方法可同时解决“柔性囊体”制作“刚性反射面”的诸多问题，创新性较强。
制作充气单元的柔性复合材料，在受到一定外力或内部充气张力时，材料会产生一定的形变，根据对于4m直径囊体测量的结果，这个变形量为0-0.5％左右，按此计算，充气单元可膨胀55mm左右极限值，超过这个值，充气单元会破裂。柔性复合材料本身的热膨胀系数远小于受到一定外力或内部充气张力时变形量可以理解为，柔性复合材料如果处于松弛静置时，工作温度范围内的温度变化，柔性复合材料的膨胀和收缩可以忽略不计，温度变化只会影响到充气单元内部气压的变化。当充气单元的气压调节装置失效时，温度导致内部气压升高，充气单元会“有限膨胀”，甚至会破裂。可以在充气单元上安装“安全阀”，内部超压时通过安全阀排气，降低内部压力。
此外，柔性复合材料的热膨胀系数很小，环境温度对其形状影响可以忽略不计。只有“高温，高张力内部压力”这两个条件同时具备的条件下，反射面型面精度才有可能会影响到型面精度。反射面型面精度由充气单元上下气囊的压差控制，压差较小，即使在高温下，也不会使得反射面被“拉伸”，产生影响使用的型面精度改变。
以上所述，仅是本发明型的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

Claims (10)

1.一种充气式拼接天线，包括主反射面和副反射面，副反射面架设在主反射面上，其特征在于：主反射面由拼接在一起的多个天线组成单元组成，每个天线组成单元均为正六边形，每个天线组成单元都包括气囊，气囊的内腔中设有隔层(1f)，所述隔层张开时为边缘是六边形的凹面，所述隔层将气囊的内腔分隔为彼此隔绝的上腔室(1a)和下腔室(1b)，隔层的边缘连接在气囊边缘处的内壁上，所述隔层的任意一面完全覆盖有柔性反射面，所有天线组成单元的柔性反射面共同组成主反射面的反射面。
2.根据权利要求1所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述副反射面的周向连接有多个气臂(3a)，副反射面通过气臂支撑在主反射面上，所述气臂为充气的柱状的袋体，袋体由柔性非金属材料编织而成。
3.根据权利要求2所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，主反射面的下方连接网格状的背架支撑，所述的背架支撑的边缘扩张至主反射面的外侧，气臂的底端嵌合且胶粘于一个端帽中，端帽远离所述底端的一侧连接有与端帽底端间隔设置的隔板，位于隔板上穿入多个螺杆，所述的螺杆连接至所述背架支撑的边缘处。
4.根据权利要求3所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述的副反射面与天线组成单元的结构相同材质一致。
5.根据权利要求3所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述的隔板与端帽底端之间形成夹层，所述的螺杆的顶部穿入至夹层中，于隔板两侧对应的在螺杆上配装有自锁螺母，与螺杆底部对应的在背架支撑的上设置螺纹套筒，所述螺杆底部与所述螺纹套筒配合。
6.根据权利要求1所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述的上腔室和下腔室内均设有用于张紧气囊的气柱内框(1c)，所述隔层夹在两个气柱内框之间。
7.根据权利要求1所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，气柱内框(1c)都加入有反射丝网。
8.根据权利要求5所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述气柱内框的截面为圆形，两个气柱内框与气囊的内壁共同围成一个中空的环状空间，所述环状空间中设有用于为气囊的边缘处内壁提供支撑力的支撑气环(1e)，所述支撑气环张紧在环状空间内。
9.根据权利要求5所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，其特征在于，三个相邻的天线组成单元汇聚于一个公共顶点，每个天线组成单元的背面在公共顶点(4c)处均设有一个三分之一螺柱(4a)，相邻三个天线组成单元的三分之一螺柱恰好构成一个完整螺柱，所述完整螺柱上配装有螺帽。
10.根据权利要求9所述的一种充气式拼接天线，其特征在于，所述的三分之一螺柱为竖直形状或者所述的三分之一螺柱为盘旋形状。
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