CN112313834A - 用于天线的可展开反射体 - Google Patents

Abstract

公开了一种用于天线的可展开反射体。该可展开反射体包括：可展开膜，其构造为在展开构造中采用预成型的形状；以及导电网，其设置在膜的表面上，其中，导电网构造为在反射体的展开期间允许导电网与膜之间的相对横向移动。在展开构造中，导电网采用膜的形状并且形成反射体的反射表面。还公开了一种制造可展开反射体的方法。

Description

用于天线的可展开反射体

技术领域

本发明涉及用于天线的可展开反射体。

背景技术

可展开结构广泛用于卫星和其他太空应用中。这样的结构允许设备的物理尺寸减小以装载到运载飞船的有效载重舱中。一旦进入轨道并且从有效载重舱释放，该结构就可以展开成更大的构造，以增加设备的整体尺寸。例如，可展开结构可以是能够张开、伸展或膨胀的。

已经开发了包括可展开背衬结构和金属网的可展开天线反射体。可展开背衬结构将金属网形成为抛物面形状，以充当天线中的反射体。这种可展开背衬结构用于两个目的：首先，其提供了一旦进入轨道就展开金属网的机构；其次，其为反射体提供了热弹性稳定的平台。由于金属网不具有固有的刚度，因此需要张紧元件和线缆网络结构的复杂集合来将金属网原位成形为其期望的构造。

传统的基于网的可展开反射体存在许多缺点。线缆网络仅在线缆附接到网的点处局部地成形金属网，从而在金属网的所有其他区域中产生枕形和刻面效应。因此，反射体的最终形状可能仅近似于理想的抛物面。此外，线缆网络结构的设计和制造很复杂，并且在展开期间会增加缠结的风险。

本发明是在这种情况下作出的。

发明内容

根据本发明的第一方面，提供了一种用于天线的可展开反射体，所述可展开反射体包括可展开膜，其构造为在展开构造中采用预成型的形状；以及导电网，其设置在膜的表面上，使得在展开构造中，导电网采用膜的形状并且形成反射体的反射表面，其中，导电网构造为在反射体的展开期间允许导电网与膜之间的相对横向移动。

在根据第一方面的一些实施例中，膜包括开孔编织材料。例如，开孔编织材料可以具有三轴编织结构。在一些实施例中，开孔编织材料包括嵌入在硅树脂基质中的对位芳纶纤维织物。

在根据第一方面的一些实施例中，导电网布置为在展开构造中设置在可展开膜的凸面上，使得在反射体的展开期间，可展开膜挤压为预成型的形状并且使导电网变形为预成型的形状。

在根据第一方面的一些实施例中，膜由对射频波长处的电磁辐射可穿透的材料形成。

在根据第一方面的一些实施例中，导电网构造为在反射体的展开期间允许导电网与膜之间的相对横向移动。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开膜是第一膜，并且导电网设置在该膜与第二膜之间。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开反射体包括构造为将网连接到膜的多个第一连接构件。

在根据第一方面的一些实施例中，每个第一连接构件包括环形式的柔性连接器，该柔性连接器构造为将网的一个或多个纤维紧固到膜。

在根据第一方面的一些实施例中，每个第一连接构件由能够延展以允许网与膜之间的相对横向移动的弹性材料形成。

在根据第一方面的一些实施例中，每个第一连接构件中的环的长度大于包围网的一个或多个纤维所需的最小距离，使得在网与膜之间的相对横向移动期间可以消除环中的松弛。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开反射体还包括穿过导电网的多个第二构件，多个第二构件中的每一者连接到第一膜和第二膜，以在反射体的展开期间维持第一膜与第二膜之间的间隔。

在根据第一方面的一些实施例中，膜构造为提供连续的三维弯曲表面，以将导电网成形为展开构造。

在根据第一方面的一些实施例中，可展开反射体构造为等值波束天线的成形反射体，其中，在展开构造中，膜的三维弯曲表面包括多个不同曲率的区域，以产生具有不规则图案的波束。

根据本发明的第二方面，提供了一种包括根据第一方面的可展开反射体的可张开天线。

在根据第二方面的一些实施例中，可张开天线还包括构造为展开可展开反射体的背衬结构。

根据本发明的第三方面，提供了一种包括根据第二方面的张开天线的卫星。

根据本发明的第四方面，提供了一种制造用于天线的可展开反射体的方法，该方法包括：在模具上预成型可展开膜，使得在展开构造中，膜采用模具的形状；以及在自支撑膜上设置导电网，使得在展开构造中，导电网采用膜的形状并且形成反射体的反射表面，其中，导电网构造为在反射体的展开期间允许导电网与膜之间的相对横向移动。

在根据第四方面的一些实施例中，预成型可展开膜包括将开孔编织材料铺设在模具上；在将开孔编织材料铺设在模具上之前或之后，将凝胶施加到开孔编织材料；和固化凝胶以在开孔编织材料周围形成固体基质，同时将膜保持在模具上。

附图说明

现在将参照附图仅通过示例的方式描述本发明的实施例，其中：

图1是示出根据本发明的实施例的、用于天线的可展开反射体的层结构的截面图；

图2示出根据本发明的实施例的、图1的可展开反射体中的膜层的三轴编织结构；

图3示出根据本发明的实施例的、包括可展开反射体的反射体天线；

图4示出根据本发明的实施例的、包括可展开成形反射体的等值波束天线；

图5示出根据本发明的实施例的、包括图4的等值波束天线的卫星；

图6是示出根据本发明的实施例的、制造用于天线的可展开反射体的方法的流程。

具体实施方式

在下面的详细描述中，仅简单地通过说明的方式示出和描述了本发明的某些示例性实施例。如本领域技术人员将认识到的，在全部不脱离本发明的范围的情况下，可以以各种不同的方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述将被认为本质上是说明性的而非限制性的。在整个说明书中，相同的附图标记表示相同的元件。

现在参考图1，示出了根据本发明的实施例的、用于天线的可展开反射体100的层结构的截面图。可展开反射体100包括第一膜101、第二膜103和导电网102。导电网102设置在第一膜101与第二膜103之间。

在本实施例中，第一膜101是可展开膜。“可展开”意味着第一膜101可以塌缩成紧凑的收起构造并且随后张开成展开构造。在展开期间反射体本身可以张开的天线通常称为“可张开”天线。因此，在本发明的实施例中，可张开天线的初级反射体可以包括第一膜101。可展开膜也可称为“可张开”膜。第一膜101构造为在展开构造中采用预成型的形状。例如，为了形成用于抛物面天线的反射体，可以在具有正确几何特性的抛物面模具上预成型第一膜101。在展开构造中，第一膜101可以是能够通过成形导电网102而将反射体100维持为期望的三维形状的。

导电网102设置在第一膜101的表面上，使得在展开构造中，导电网102采用膜101的形状并且形成反射体100的反射表面。导电网102可以构造为在反射体的展开期间允许导电网102与第一膜101和/或第二膜103之间的相对横向移动。例如，导电网102可以在第一膜101和/或第二膜103的表面上自由滑动，以允许导电网102与所述第一膜101和/或第二膜103之间的相对横向移动。替代地，导电网102的表面可以通过一个或多个粘合剂或机械接头连接到第一膜101和/或第二膜103的相邻表面，这些粘合剂或机械接头允许两个表面在展开期间的相对横向移动。这种接头也可称为联动装置、连接器或系链。由于导电网102充当反射表面并且赋予反射体100必要的反射特性，所以第一膜101和第二膜103不必由反射材料形成。

通过允许相对横向移动，可以通过减小网102和/或第一膜101和第二膜103中的应力而使可展开反射体在展开期间不易受到损坏。而且，通过允许网102与第一膜101和/或第二膜103之间的相对横向移动，当天线一旦在空间中展开就经受热循环时，天线可以适应网102与第一膜101和第二膜103的不同材料之间的不同的热膨胀率。

在本实施例中，导电网102布置为在展开构造中设置在可展开的第一膜101的凸面上，使得在反射体100的展开期间，第一膜101压入导电网102中并且使导电网102变形为预成型的形状。以这种方式，导电网102可以被处于展开构造的第一膜101置于张力下，并且导电网102中的拉伸应变可以辅助保持网102抵靠处于展开构造的第一膜101的凸面，使得网102采用与展开的第一膜101相同的形状。

在导电网102设置在第一膜101的凸侧的实施例中，由天线接收或传输的电磁辐射在被导电网102反射之前必须穿过第一膜101。在这样的实施例中，第一膜101可以由对射频(RF)波长处的电磁辐射是RF可穿透的材料形成。这里，“RF可穿透”意味着第一膜101在RF波长处表现出可忽略的损耗和可忽略的附加反射，使得第一膜101的存在对天线的性能具有很少的影响或几乎没有影响。通过由低RF损耗材料形成第一膜101，可以维持导电网102固有的反射效率。

在一些实施例中，导电网102和可展开膜101、103可以布置成使得在使用时，入射电磁辐射在到达膜101、103之前被网102反射。例如，在一些实施例中，导电网102可以设置在可展开膜101、103的凹面上，使得入射电磁辐射在不穿过可展开膜101、103的情况下被导电网102反射。在这样的实施例中，天线的性能可以不取决于可展开膜101、103的RF特性，因此，可展开膜101、103可以由RF反射材料或RF可穿透材料形成。

第二膜103也可以是可展开膜。在一些实施例中，第一膜101和第二膜103可以由彼此相同的材料形成，并且可以具有相同或相似的厚度。例如，第一膜101和/或第二膜103可以由开孔编织材料形成。在其他实施例中，第一膜101和第二膜103可以由彼此不同的材料形成，和/或可以具有显著不同的厚度。设置第二膜103可以在展开构造中对反射体100的形状提供更精确的控制。在一些实施例中，可以省略第二膜103。

本实施例的可展开反射体100包括将网102连接到第一膜101或第二膜103的多个第一连接构件106、107。在一些实施例中，第一连接构件106、107可以将网102连接到第一膜101和第二膜103两者。如上所述，第一连接构件106、107可以形成为粘合剂或机械接头。每个第一连接构件106、107将网102的一部分连接到第一膜101或第二膜103的表面上的点，同时允许网102与第一膜101和第二膜103之间的一定量的横向移动。

在本实施例中，每个第一连接构件106、107包括环形式的柔性连接器，该柔性连接器缠绕在网102的一个或多个纤维周围并且将该一个或多个纤维紧固到第一膜101和/或第二膜103。例如，如图3所示，环的两端可嵌入在第一膜101或第二膜103的基质材料中，或者可以穿过膜101、103并且紧固在膜101、103的相对侧上。在一些实施例中，通过使每个环106、107由能够延展的弹性材料制成以允许网102滑过第一膜101或第二膜103的表面，可以允许相对横向移动。在一些实施例中，通过使每个环106、107长于包围网102的一个或多个纤维所需的最小距离，使得在环106、107中提供一定量的松弛(可以在网102相对于第一膜101或第二膜103横向移动期间吸收所述松弛)，可以允许相对横向移动。

在本实施例中，可展开反射体100还包括穿过导电网102的多个第二连接构件104、105。多个第二连接构件104、105中的每一者连接到第一膜101和第二膜103，以便在反射体100的展开期间维持第一膜101与第二膜103之间的间隔。例如，当形成膜101、103时，通过将第二连接构件104、105的端部嵌入到膜101、103的基质中，第二连接构件104、105可以连接到第一膜101和/或第二膜103。替代地，在形成膜101、103期间或之后，可以在膜101、103中的一者的表面中形成用于容纳第二连接构件104、105的凹部，并且随后可以使用合适的粘合剂将第二连接构件104、105紧固在凹部中。作为另一替代，第二连接构件104、105可以通过合适的机械装置连接到第一膜和/或第二膜。例如，可以在每个第二连接构件104、105的端部上形成螺纹，该螺纹可以穿过膜101、103中的一者中的孔，以允许由旋拧在螺纹上的螺母紧固第二连接构件104、105。

第二连接构件104、105将第一膜101和第二膜103系在一起，以防止第一膜101和第二膜103在反射体100展开时彼此移动分开。第二连接构件104、105通过确保网102保持紧密地保持在第一膜101与第二膜103之间而帮助防止导电网102中的刻面和枕形。在省略第二膜103的实施例中，可以省略第二连接构件104、105。此外，在省略第二膜103并且设置第一连接构件106、107的实施例中，第一连接构件106、107可以仅将网102连接到第一膜101。

现在参考图2，示出了根据本发明的实施例的、图1的可展开反射体中的膜层的三轴编织结构。图2所示的结构可以用于图1中的第一膜101和第二膜103中的一者或两者。在本实施例中，膜层101、103包括具有三轴编织结构的开孔编织材料。编织材料包括沿三个主轴取向的多个编织纤维201。纤维201可以嵌入在基质材料202中。在本实施例中，使用嵌入在硅树脂基质202中的对位芳纶纤维的三轴织物201。对于太空应用，太空级硅树脂可以用于基质202。

三轴编织材料能够形成为任何任意的三维形状，并且因此能够精确地符合在其上形成第一膜101或第二膜103的模具的轮廓。然而，由于开孔结构，三轴编织材料通常具有较差的反射特性，特别是在RF波长处。因此，在本发明的一些实施例中，三轴编织材料可以与导电网结合以提供在展开构造中表现出精确形状控制以及低RF损失的反射体。

在其他实施例中，膜可以由不同于三轴织物的另一种合适材料(例如针织物)形成。膜可以由表现出高悬垂性的材料形成。这里，传统意义上的“悬垂性”是指材料在其自重下变形的能力。具有高悬垂性的材料能够形成复杂的三维弯曲形状而不折皱。材料的悬垂性可以使用悬垂系数(DC)来量化，其中，具有高悬垂性的材料具有低DC，这表明该材料可以容易地在复杂曲线上变形而不折皱。用于形成膜的材料的最大可接受DC可以根据膜所需要采用的特定预成型形状而在实施例之间变化。例如，在本发明的实施例中，膜可以包括具有足够高的悬垂性的材料，以能够变形为期望的预成型形状而不折皱。

现在参考图3，示出了根据本发明的实施例的、包括可展开反射体310的反射体天线300。反射体天线300包括可展开反射体310、天线馈线320和次级反射体330。在该实施例中，可展开反射体310形成天线300的初级反射体。在其他实施例中，可以省略次级反射体330，使得初级反射体310将波束直接引导到天线馈线320中。

在本实施例中，可展开反射体310的膜101构造为提供连续的三维弯曲表面，用于在展开构造中支撑导电网102。“连续”意味着导电网120的所有区域由膜102的一部分支撑。使用连续膜101可以对处于展开构造的反射体310的形状提供最精确的控制。

然而，在其他实施例中，导电网120的一些部分可以不由下方的膜102直接支撑。例如，在一些实施例中，膜102可以包括用于减小天线300的整体质量的一个或多个孔，其中导电网102跨越该孔以提供连续的反射表面。这样的布置可以用在需要尽可能地减小天线质量的应用中，并且其中，因对孔区域中的精确形状控制的损失而导致的性能降低是可接受的折衷。

天线300还可以包括用于自动展开反射体310的背衬结构340。例如，背衬结构340可以包括弹性框架341，弹性框架341在某些点处经由线缆342锚定到反射体310。弹性框架341可以与可展开反射体310一起折叠成紧凑的收起构造。当背衬结构340上的约束力被释放时，弹性框架341自动张开并且将可展开反射体310拉至展开构造。用于展开和支撑反射体的背衬结构在本领域中是已知的，而这里将不提供详细描述，以免混淆本发明的构思。

传统的背衬结构是高度复杂的，因为一旦展开，该结构就需要将反射体保持在期望的形状。相反，在本发明的实施例中，可展开反射体包括自动采用期望形状的反射体的膜。这样，处于展开构造的反射体310的形状可由自支撑膜101、103控制，而不是由背衬结构340控制。

因此，在本发明的实施例中，背衬结构340在展开后不需要精确地控制反射体310的形状，而只需要施加足够的力来展开反射体310。因此，与传统设计相比，可以显著降低背衬结构的复杂性，从而减小包括反射体310和背衬结构340的天线组件的整体维度和质量。还将认识到，与网的形状由复杂的线缆网络结构来控制的传统可展开的基于网的天线相比，由于膜在展开构造中自动地采用预成型的形状，因此导电网层102不受枕形或刻面的影响。

此外，虽然在图3中示出了用于展开反射体310的背衬结构340，但是在一些实施例中，可以省略背衬结构340。例如，在一些实施例中，存储在收起的反射体310中的弹性应变能量可以足以使反射体自动张开和展开，特别是在零重力环境中。此外，在一些实施例中，第一膜101和/或第二膜103(如果存在的话)可以能够在展开构造中以期望的预成型形状支撑反射体100，并且因此可以被称为“自支撑”膜。然而，如果反射体310要在收起构造中保持相对长的时间段，则基质蠕变可能减少存储在自支撑膜101、103中的总弹性能量。因此，可以设置背衬结构340来确保可以获得足够的力以展开反射体310。

现在参考图4，示出了根据本发明的实施例的、包括可展开成形反射体410的等值波束天线400。与图3的反射体天线300类似，等值波束天线400还包括天线馈线420和次级反射体430。在本实施例中，成形反射体410基本是抛物面形的，但包括多个不同曲率的区域411，以便产生具有不规则图案的光束。不同曲率的区域411可以构造为产生具有任何期望形状的光束，例如允许反射体聚焦在特定的国家和大陆上。图5示出了包括等值波束天线400的卫星500，其中产生了具有不规则图案的下行波束510。

以前，传统的成形反射体只有在固体碟形架构中使用复杂的制造方法才能实现。在图4所示的实施例中，通过如图1所示将可展开膜101、103与导电网102结合来实现成形反射体。任意成形的、预成型膜101、103将金属网102扭曲成与处于展开构造的预成型膜101、103相同的形状，从而实现成形可展开反射体410。例如，如图2所示的三轴编织材料可以用于形成任意形状的预成型膜。三轴织物特别适用于可展开成形反射体，如图4所示，因为三轴织物能够形成为复杂的形状。

现在参考图6，示出了根据本发明实施例的、制造用于天线的可展开反射体的方法的流程图。该方法包括在模具上预成型可展开膜，随后在膜上设置导电网。因此，在展开构造中，导电网将采用膜的形状并且可以充当天线中的反射表面。

首先，在步骤S601中，将开孔编织材料铺设在模具上。例如，可以使用三轴织物，如上面参考图2所述。接下来，在步骤S602中，将凝胶施加到开孔编织材料，以形成基质。根据实施例，可以在将开孔编织材料铺设在模具上之前或之后施加凝胶。因此，在一些实施例中，步骤S602可以在步骤S601之前执行。然后，在步骤S603中，固化凝胶以在开孔编织材料周围形成固体基质，同时将膜保持在模具上。这样，膜被预成型，以在展开构造中自动采用与模具相同的形状。如上所述，然后将导电网设置在膜上，以允许导电网在反射体的展开期间在膜之间的相对横向移动。

虽然这里已经参考附图描述了本发明的某些实施例，但是应当理解，在不脱离所附权利要求限定的本发明的范围的情况下，许多变化和修改将是可能的。

Claims (19)

1.一种用于天线的可展开反射体，所述可展开反射体包括：

可展开膜，其构造为在展开构造中采用预成型的形状；和

导电网，其设置在所述膜的表面上，使得在所述展开构造中，所述导电网采用所述膜的形状并且形成所述反射体的反射表面，

其中，所述导电网构造为在所述反射体的展开期间允许所述导电网与所述膜之间的相对横向移动。

2.根据权利要求1所述的可展开反射体，其中，所述膜包括开孔编织材料。

3.根据权利要求2所述的可展开反射体，其中，所述开孔编织材料具有三轴编织结构。

4.根据权利要求2或3所述的可展开反射体，其中，所述开孔编织材料包括嵌入在硅树脂基质中的对位芳纶纤维织物。

5.根据前述权利要求中任一项所述的可展开反射体，其中，所述导电网布置为在所述展开构造中设置在所述可展开膜的凸面上，使得在所述反射体的展开期间，所述可展开膜挤压为预成型的形状并且使导电网变形为所述预成型的形状。

6.根据权利要求5所述的可展开反射体，其中，所述膜由对射频波长处的电磁辐射可穿透的材料形成。

7.根据前述权利要求中任一项所述的可展开反射体，包括：

多个第一连接构件，其将所述网连接到所述膜。

8.根据权利要求7所述的可展开反射体，其中，每个所述第一连接构件包括环形式的柔性连接器，所述柔性连接器缠绕在所述网的一个或多个纤维周围并且紧固到所述膜。

9.根据权利要求8所述的可展开反射体，其中，每个所述第一连接构件由能够延展以允许所述网与所述膜之间的相对横向移动的弹性材料形成。

10.根据权利要求8或9所述的可展开反射体，其中，每个所述第一连接构件中的环的长度大于包围所述网的所述一个或多个纤维所需的最小距离，使得在所述网与所述膜之间的相对横向移动期间能够消除所述环中的松弛。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可展开反射体，其中，所述膜是第一膜，并且所述导电网设置在所述第一膜与第二膜之间。

12.根据权利要求11所述的可展开反射体，还包括：

多个第二连接构件，其穿过所述导电网，所述多个第二连接构件中的每一者连接到所述第一膜和所述第二膜，以在所述反射体的展开期间维持所述第一膜与所述第二膜之间的间隔。

13.根据前述权利要求中任一项所述的可展开反射体，其中，所述膜构造为提供连续的三维弯曲表面，以将所述导电网成形为展开构造。

14.根据权利要求13所述的可展开反射体，构造为用于等值波束天线的成形反射体，其中，在所述展开构造中，所述膜的三维弯曲表面包括多个不同曲率的区域，以产生具有不规则图案的波束。

15.一种可张开天线，包括根据权利要求1至14中任一项所述的可展开反射体。

16.根据权利要求15所述的可张开天线，还包括：

构造为展开所述可展开反射体的背衬结构。

17.一种包括根据权利要求15或16所述的可张开天线的卫星。

18.一种制造用于天线的可展开反射体的方法，所述方法包括：

在模具上预成型可展开自支撑膜，使得在展开构造中，所述膜采用所述模具的形状；和

在所述自支撑膜上设置导电网，使得在所述展开构造中，所述导电网采用所述膜的形状并且形成所述反射体的反射表面，

其中，所述导电网构造为在所述反射体的展开期间允许所述导电网与所述膜之间的相对横向移动。

19.根据权利要求18所述的方法，其中，预成型所述可展开膜包括：

将开孔编织材料铺设在所述模具上；

在将所述开孔编织材料铺设在所述模具上之前或之后，将凝胶施加到所述开孔编织材料；和

固化所述凝胶以在所述开孔编织材料周围形成固体基质，同时将所述膜保持在所述模具上。

Images