CN112310589A

CN112310589A - 一种宇航舱外功分器

Info

Publication number: CN112310589A
Application number: CN202011486088.4A
Authority: CN
Inventors: 周平章; 陈伶路; 谯劼; 崔景波; 朱连燕; 徐风清; 顾卫东; 刘中艳
Original assignee: CETC 9 Research Institute
Current assignee: CETC 9 Research Institute
Priority date: 2020-12-16
Filing date: 2020-12-16
Publication date: 2021-02-02
Anticipated expiration: 2040-12-16
Also published as: CN112310589B

Abstract

本发明公开了一种宇航舱外功分器，属于微波器件技术领域，包括腔体和连接于所述腔体相对两侧的联接器，所述腔体内设置电路板，所述腔体上下两侧均设置有抗辐照加固层，所述抗辐照加固层由外层和至少一层内层组成，所述上下两侧的抗辐照加固层通过数个螺钉组成的密集螺钉群固定，所述螺钉的材料与所述抗辐照加固层的外层的材料相同；本发明的功分器，由于采用了特殊的“悬浮结构”，能够长期适应宇航舱外‑145℃～+125℃极限温度和总辐射剂量30Mrad（Si）量级，可以满足空间时间（100000h）工作要求；同时，扩大了功分器的应用领域及范围；而且可以扩大新材料，特别是超宽温材料的应用领域。

Description

一种宇航舱外功分器

技术领域

本发明涉及微波器件技术领域，尤其涉及一种宇航舱外功分器。

背景技术

近几年，超短波、微波系统在我国各商业宇航飞行器项目中得到实际应用。通常超短波、微波系统的特点是需经过多路信号的合成、分配以实现组阵功能，实现多路天线同相信号传输。卫星舱内体积有限，如将功分器移至舱外如挂在天线上，减少了传输线带来的幅度和相位的差异，可以灵活设计天线，拓展天线的应用范围，提高通信的接收灵敏度和对地覆盖面积。

但是，如果将采用传统方法设计制造的功分器移至宇航舱外，存在以下问题：（1）采用磁性材料的功分器无法应用于低于-65℃环境，也就无法应用于宇航飞行器舱外温度环境；（2由于介质材料的辐照敏感性，无法长期应用于辐照环境；（3）即使进行抗辐照加固，目前一般也是针对简单、对称结构的功分器进行抗辐照加固，而对于复杂、非对称结构如一分三功分器结构的抗辐照加固未见报道。

发明内容

本发明的目的就在于提供一种宇航舱外功分器，以解决上述问题。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是这样的：一种宇航舱外功分器，包括腔体和连接于所述腔体相对两侧的联接器，所述腔体内设置电路板，所述腔体上下两侧均设置有抗辐照加固层，所述抗辐照加固层由外层和至少一层内层组成，所述上下两侧的抗辐照加固层通过数个螺钉组成的密集螺钉群固定，所述螺钉的材料与所述抗辐照加固层的外层的材料相同。

现有的功分器材料的热膨胀系数各有不同，有的材料热膨胀系数较小，有的材料热膨胀系数较大，不同材料的比热和热导率的差距也较大；本发明通过设置抗辐照加固层，并用螺钉群固定，螺钉的材料与抗辐照加固层的外层采用同样的材料，从而建立一种“悬浮结构”，本发明所述的“悬浮结构”，是指外部结构相对独立于内部腔体，其外层的所有材料一致，所以外层的收缩与膨胀同步，类似一个整体，功能部分如电路板则位于“悬浮结构”内部腔体；腔体由于温度变化（尤其是骤变）对“悬浮结构”的影响是整体的，温度分布整体均匀，使其在宽温度范围条件和温度骤变条件下实现收缩的一致性，避免温度应力的变形；另外，密集螺钉形成的局部不平衡结构，可以改善驻波状态，可以改善多路合成器各支路平衡；对1-3路之间的隔离起了约3dB的贡献。本申请这种尤其针对一分三的非对称结构的抗辐照加固，是一种整体的加固。

本申请的发明人通过大量试验研究证明：传统的功分器等典型射频、微波器件其内部结构为多种材料元件构成，由于多种材料的线膨胀系数不同，特别是介质材料和金属材料的膨胀系数差异明显，在舱外条件下，会造成机械应力的积累，造成器件内部结构的畸变、分离；而本申请采用上述“悬浮结构”，直接暴露在空间的材料，也具有良好的空间环境稳定性，强度高、韧性好；可以最大限度地缓解甚至避免舱外环境条件的变化对内部多种材料元件造成的影响，其影响能够降低至普通的环境条件，如-55℃～+85℃的影响。

本发明的功分器，使用时可安装在舱外天线上或舱壁外，直接在-145℃～125℃极限温度，每天多次穿越高、低极限温度，可以在大剂量辐照功率的空间环境工作。本发明对应宇航舱外的特殊要求提出了可行、简易及容易生产的方案，可以满足宇航舱外对功分器结构的要求，使器件长期、稳定工作，对扩大功分器在空间领域的应用有积极的意义，很好的经济效益。

作为优选的技术方案：所述抗辐照加固层的外层和内层的材料不同。

作为进一步优选的技术方案：所述抗辐照加固层的外层材料为不锈钢，所述抗辐照加固层的内层材料为铅，即不锈钢层作为外层，铅层作为内层。

采用重金属如铅、与不锈钢联合抗辐照加固，可以使功分器能工作在外空环境。

作为优选的技术方案：所述密集螺钉群的密度为2～10×10^-3个/mm²，通过试验证明在此范围内的效果最佳。

作为优选的技术方案：所述螺钉与抗辐照加固层之间设置有弹垫。

还设置有用于约束密集螺钉群中的螺钉和弹垫的约束装置。

所述弹垫作为缓冲结构，其作用是平衡温度收缩；密集弹垫垫有整体金属约束装置，其作用是约束密集螺钉群中的螺钉和弹垫。如螺钉、弹垫断裂，则只能在约束装置中；当然，本领域技术人员公知的，在螺钉与被固定物之间一般会设置平垫，本申请在弹垫与抗辐照加固层之间也可以设置平垫；因此，在宽温条件下，“悬浮结构”与外部隔离，“悬浮结构”稳定、安全；外部变化对内部状态影响极小。

作为优选的技术方案：所述联接器与电路板采用相同材料。

与现有技术相比，本发明的优点在于：本发明的功分器，由于采用了“悬浮结构”，能够长期适应宇航舱外-145℃～+125℃极限温度，可以满足空间长时间（100000h）抗辐照要求；另外，相对于现有技术，本申请结构的幅度不平衡为0.3dB（而传统结构的幅度不平衡一般大于0.5dB），相位一致性为0.25°（而传统结构的相位一致性大于3°）；同时，扩大了功分器的应用领域及范围；而且可以扩大新材料，特别是超宽温材料的应用领域。

附图说明

图1为传统功分器的下电路板电路图，传统功分器一般只用6个左右螺钉；

图2为传统功分器的上电路板结构图；

图3为本发明的功分器的俯视图；

图4为本发明的功分器的内部俯视图；

图5为本发明的功分器的剖视图；

图6为本发明的“悬浮结构”示意图；

图7为图6的剖视图；

图8为本发明的弹垫缓冲结构示意图；

图9为本发明的金属约束装置结构示意图。

图中：1、联接器； 2、下电路板；21、电路；22、平衡电阻；3、上电路板；31、连接插针掩孔；32、平衡电阻掩孔；33、密集螺钉孔通路；4、腔体；5、盖板；61、第一上屏蔽板；62、第二上屏蔽板；63、第一下屏蔽板；64、第二下屏蔽板；7、螺钉；8、弹垫。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明作进一步说明。

一种宇航舱外功分器，如图3-5所示，包括腔体4和连接于所述腔体4相对两侧的联接器1，本实施例为1分3的功分器，即输入端为1个联接器1，输出端为3个联接器1，所述腔体4内设置电路板，参见图1和图2，电路板分为下电路板2和上电路板3，下电路板2上设置有电路21和平衡电阻22，上电路板3上设置连接插针掩孔31、平衡电阻掩孔32和密集螺钉孔通路33，所述腔体4上设置盖板5；

图1和图2为传统功分器的下电路板和上电路板电路从正面或反面看，单面电路上下和左右为完全对称；从正面和反面对比看，电路中间“弓”字型电路21与左右电路之间有平衡电阻22存在、左右1-3电路没有平衡电阻存在；

对于一分三的 Wilk inson 功率合成器,要求具有立体跨越的隔离电阻结构，这种结构工艺复杂,稳定性不好,图1电路隔离度左右电路只有14dB左右；

中间的多孔为密集螺钉孔通路33，密集螺钉孔通路33之间构成了独立的小腔，密集螺钉7形成的局部不平衡结构，改善驻波状态，改善了多路合成器各支路平衡；左右1-3路电路隔离度提高了3dB，达到17dB左右；

电路多级分配电路级连组合，本实施例为3级，实现器件的宽带特性（2个倍频程）。

在电路即腔体上下、左右均设置有抗辐照加固层，以提高器件的抗辐照能力和宽温适应能力，由于电路中间有平衡电阻22、采用中间的平衡电阻22和连接器通常的埋孔结构。

所述上下两侧的抗辐照加固层通过数个螺钉7组成的密集螺钉群固定，所述螺钉7的材料与所述抗辐照加固层外层的材料相同；本实施例的抗辐照加固层为两层，外层采用不锈钢板，内层采用铅板，即包括了第一上屏蔽板61（采用不锈钢板）、第二上屏蔽板62（采用铅板）、第一下屏蔽板63（采用不锈钢板）和第二下屏蔽板64（采用铅板）；

加固结构为上下对称结构，采用的最终结构件的外层为同样的材料，本实施例为A系列不锈钢，当然不排除其它材料，所建立“悬浮结构”如图6-7所示，“悬浮结构”既是一种独立的结构形式，也是一种器件单元。中间电路部分和铅结构为“悬浮结构”的内部结构，通孔螺钉7穿过“悬浮结构”，介质材料和铅材料质地软，能够适应螺钉7的膨胀、收缩；由上下的不锈钢板构成的外壳为“悬浮结构”的外部结构，“悬浮结构”的内部结构相对于外部结构独立设置；在恶劣的环境下可以最大限度地避免和环节舱外环境条件的变化对内部多种材料元件造成的影响，其影响降低至普通的环境条件，如-55℃～+85℃的影响。

上述的 “悬浮结构”上下结构基本相同，上部是柱头螺钉、下部是螺母或在结构件上的螺丝，做到“上下结构基本相同”；随着外部环境的温度变化，“悬浮结构”膨胀同系数变化，使在宽温度范围条件下实现收缩的基本一致性。

另外，如图8-9所示， “悬浮结构”上部有弹垫8作为缓冲结构，弹垫8垫有整体金属约束装置，因此，在宽温条件下，“悬浮结构”与外部隔离，“悬浮结构”稳定，安全；外部变化不影响内部状态。

实施例1：

本实施例中，外壳4mm，第二上屏蔽板62和第二下屏蔽板64即铅板厚度均为0.4mm，第一上屏蔽板61和第一下屏蔽板63即不锈钢板厚度均为0.5mm，抗辐照能力为：抗辐照辐射剂量：30Mrad（Si）/计量率：2～50rad/Si/s条件；经受质子辐照剂量不低于10³Gy～10⁵Gy的辐照总剂；螺钉固定密集2.6×10^-3个/mm²。经过-179℃液氮～+100℃/100次温度冲击和-100℃～+100℃/25.5次热真空试验，满足-95℃～+95℃的长期使用要求。

实施例2：

外壳4mm，铅板厚度为0.4mm，不锈钢板厚度为0.5mm，抗辐照能力为：抗辐照辐射剂量：30Mrad（Si）/计量率：2～50rad/Si/s条件；经受质子辐照剂量不低于10³Gy～10⁵Gy的辐照总剂；螺钉固定密集9.5×10^-3个/mm²。经过-179℃液氮～+100℃/100次温度冲击、-145℃～+125℃/12.5次热真空试验和适应宇航舱外-145℃～+125℃极限温度和总辐射剂量30Mrad（Si）量级试验，满足-145℃～+125℃的长期使用要求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种宇航舱外功分器，包括腔体和连接于所述腔体相对两侧的联接器，所述腔体内设置电路板，其特征在于：所述腔体上下两侧均设置有抗辐照加固层，所述抗辐照加固层由外层和至少一层内层组成，所述上下两侧的抗辐照加固层通过数个螺钉组成的密集螺钉群固定，所述螺钉的材料与所述抗辐照加固层的外层的材料相同。

2.根据权利要求1所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：所述抗辐照加固层的外层和内层的材料不同。

3.根据权利要求2所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：所述抗辐照加固层的外层材料为不锈钢，所述抗辐照加固层的内层材料为铅。

4.根据权利要求1所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：所述密集螺钉群的密度为2-10×10^-3个/mm²。

5.根据权利要求1所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：所述螺钉与抗辐照加固层之间设置有弹垫。

6.根据权利要求5所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：还设置有用于约束所述螺钉和弹垫的约束装置。

7.根据权利要求1所述的一种宇航舱外功分器，其特征在于：所述联接器与电路板采用相同材料。