CN112490687A - 一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法，包括：将喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络层分层剖分；将每层波束形成网络层按照2.5倍波长网格化布置层间连接点、空间允许的位置穿层连接，采用低膨胀合金制作的热补偿垫圈使网络各层间在高低温环境下的压紧力恒定；通过螺钉穿过定位销孔，实现波束形成网络层的层间定位；在波束形成网络层的装配过程中，以第六层为基准对称装配，若厚度超差，对称研磨厚度正偏差的第六层，直至第一组三层网络厚度满足尺寸精度要求；将每邻两层波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成。本发明能够有效降低馈源组件的加工难度，将馈源阵插损控制在较低水平，提升天线辐射效率。

Description

一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法

技术领域

本发明涉及多波束天线研究技术领域，特别是一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法。

背景技术

随着卫星通信业务需求的迅猛增长,发展宽带广域高通量卫星,研制与广域大容量需求相适应的多波束天线技术成为迫切需求。目前具有较高技术成熟度的天线形式分为三类：

单口径单馈源多波束天线技术：通过一副反射器实现多波束覆盖，由于馈源间距及口径受限无法有效的地提高波束交叠电平，面对大区域无缝覆盖需求时增益性能无法满足要求。

多口径单馈源多波束天线技术：利用多口径实现馈源阵子波束间隔排列，采用大口径馈源可以获得较高的波束交叠并降低天线旁瓣，实现高增益高C/I(载干比)的指标要求，但需要3-4副反射器实现对服务区的多波束覆盖，占用较多卫星平台空间。

单口径多馈源多波束天线技术：为多波束天线技术领域热点技术，该技术有两种设计实现方式：一种为采用LTCC(Low Temperature Co-fired Ceramic，低温共烧陶瓷)技术的传统模拟波束形成网络，另一类采用基于波导系统的多模波束形成网络。基于多层LTCC基板级联设计波束形成网络，对各个输出信号按照波束设计权值要求，进行信号分路、加权、合路，并通过发射机输出给馈源阵的辐射单元，在空间通过电磁场叠加形成不同的点波束，覆盖整个服务区域。但在较高频段如Ka频段使用时，波束形成网络性能受到移相衰减器件精度的影响，无法保证在宽带应用下的馈源幅相激励一致性。

基于波导系统多模波束形成网络的单口径多馈源多波束天线，通过对馈源阵幅相激励系数的优化设计，通过“高集成度网络拓扑形式波束合成网络”(Beam Form Network，BFN)实现多波束合成，提高天线的增益和C/I性能。波束形成网络BFN作为馈源阵列的核心部件在无源部件的选择上采用了宽带一致性较好的波导型分支线耦合器与波导移相器，在功率分配上采用了4端口与6端口分支线耦合器相结合的方式，实现了功分网络在性能上的低回波损耗、高隔离度和高精度功率分配的特点，设计中的6端口分支线耦合器的使用将具有三级结构的功分网络压缩到了2级，极大简化了波束形成网络，实现了模拟波束网络的小型化设计。且该类天线技术仅需一收一发2副反射器即可完成广域多波束覆盖需求，布局需求低布局。

基于波导系统多模波束形成网络的单口径多馈源多波束天线与单口径单馈源多波束天线和基于传统模拟波束形成网络的单口径多馈源多波束天线相比覆盖区波束性能明显提高，而相比于多口径单馈源多波束天线，在布局空间、载荷重量等方面都具有一定的优势，与宽带通信卫星应用需求匹配度较高。

但由于该馈源阵列波束形成网络BFN结构无源器件数量较大，级联复杂，结构包络小，很难通过传统的设计、加工、装配方式实现。

发明内容

本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法。

为了解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法，所述馈源组件包括多馈源多波束馈源阵列，所述多馈源多波束馈源阵列由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络形成的层级结构，所述波束形成网络层由多层的无源分支线耦合器和移相器级联而成，其中，所述方法包括：

将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果；其中，所述极化器阵列位于所述喇叭阵列和所述波束形成网络层之间；

将每层的所述波束形成网络层按照2.5倍波长网格化布置层间连接点、空间允许的位置穿层连接，采用低膨胀合金制作的热补偿垫圈以使网络各层间在高低温环境下的压紧力恒定，保证腔体压紧；

在所述波束形成网络层之间设置定位销孔，通过螺钉穿过所述定位销孔，实现所述波束形成网络层之间的层间定位；

在所述波束形成网络层的装配过程中，以第六层为基准进行对称装配，若厚度超差，则对称研磨厚度正偏差的第六层，直至第一组三层网络厚度满足尺寸精度要求；其中，所述波束形成网络层共十一层；

将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成。

可选地，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之前，所述方法还包括：

通过数铣一次成型锥面、内孔，电火花成型环槽相结合的加工方式，加工得到所述喇叭阵列。

可选地，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之前，所述方法还包括：

通过铣削加工铣毛坯、电火花加工成型方腔及膜片阶梯的方式，加工得到所述极化器阵列。

可选地，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之后，还包括：

通过铣削加工方式和电火花加工方式，加工得到所述波束形成网络层的各无源部件。

可选地，所述将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成，包括：

在将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正之后，扩铰配对的锥销孔；

依次对称装配，每完成一组对称装配检查厚度尺寸是否超差，如超差则对称研磨厚度为正偏差的一层，在厚度尺寸满足精度要求后配铰锥销孔，直至装配完成。

可选地，所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层均为开放腔体结构。

可选地，在加工所述波束形成网络层时，采用正偏差设置第2层、第4层、第6层、第8层和第10层的厚度，并采用负偏差设置第3层、第5层、第7层和第9层的厚度，通过层间公差匹配的方式保证装配体的腔体尺寸公差控制在±0.02mm以内。

可选地，所述方法还包括：

通过热补偿垫圈的热补偿参数将所述波束形成网络层的各层间进行压紧；其中，所述热补偿参数包括热膨胀系数和长度补偿参数。

可选地，所述喇叭阵列82个喇叭锥面，所述喇叭锥面采样数铣成型，且每个所述喇叭锥面的粗糙度小于0.8μm。

可选地，所述馈源组件为工作于Ka频段的组件。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)针对Ka频段单口径多馈源多波束馈源阵列结构无源器件数量大，级联复杂与结构包络小等特点，创新性的采用了分层剖分设计加工装配方案。分层剖分的设计方法实现了馈源阵列的一体化、小型化、轻量化设计，兼顾了后期的加工及装配，有效地降低了加工难度，通过提高加工装配精度以控制其对指标所带来的负面影响。同时，多维一体化的结构设计整个馈源阵的插损控制在较低的水平，通过对插损的控制提升天线辐射效率；

(2)提出了馈源阵列及波束形成网络BFN层间连接定位及压紧力的保持方法，既保证了层间的定位及压紧，又可使产品在承受较大的温度体梯度时，始终保持一定的压强及压紧力，避免可能造成的电磁波泄漏、微放电及无源互调；

(3)实现了高集成度一体化馈源阵列的加工及装配。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例提供的一种Ka频段单口径多馈源多波束馈源组件结构示意图；

图3为本发明实施例提供的一种馈源阵列各部件关系的示意图；

图4为本发明实施例提供的一种喇叭阵列的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的一种极化器阵列的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的一种波束形成网络BFN分层结构分解的示意图；

图7为本发明实施例提供的一种波束形成网络BFN单层的结构示意图；

图8为本发明实施例提供的一种网络连接点布置的示意图；

图9为本发明实施例提供的一种波束形成网络BFN各层间的连接示意图；

图10为本发明实施例提供的一种连接螺钉穿层的结构示意图；

图11为本发明实施例提供的一种波束形成网络层装配流程的示意图。

具体实施方式

参照图1，示出了本发明实施例提供的一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法，如图2所示，该馈源组件可以包括多馈源多波束馈源阵列1，多馈源多波束馈源阵列1是由喇叭阵列2、极化器阵列3和波束形成网络层4形成的层级结构，波束形成网络层4是由多层的无源分支线耦合器和移相器级联而成的。所述方法包括：

步骤101：将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果；其中，所述极化器阵列位于所述喇叭阵列和所述波束形成网络层之间。

本发明实施例提供的馈源组件可以为工作于Ka频段的组件，Ka频段单口径多馈源多波束馈源阵列及其合成网络是Ka频段单口径多馈源多波束天线技术的核心技术之一，馈源阵列波束形成网络拓扑及结构设计很大程度上影响着天线的性能。根据其射频和结构特点，Ka频段单口径多馈源多波束馈源阵列1由喇叭阵列2、极化器阵列3和波束形成网络层(Beam Form Network，BFN)4组成，波束形成网络4由多层无源分支线耦合器及移相器级联而成。如图2和图3所示。

Ka频段单口径多馈源多波束馈源阵列1及其波束形成网络层BFN作为“Ka频段单口径多馈源多波束天线技术”的核心部件，其网络拓扑及结构设计很大程度上影响着天线的性能。该馈源阵列创造性的采用了分层剖分的设计方法，根据馈源阵列的射频和结构特点，将喇叭阵列2、极化器阵列3部分与后端的波束形成网络层BFN4进行分离，在进行剖分之后，可以便于喇叭阵列2及极化器阵列3单独加工。

其中，喇叭阵列2的82个喇叭锥面采用效率较高的数铣成型，加工后表面粗糙度在Ra0.8以内，满足尺寸精度±0.02mm的要求。

喇叭阵列2可以采用数铣一次成型锥面、内孔，电火花成型环槽相结合的加工方式，减少了电火花的加工量，有效的提高了加工效率，降低了电火花加工电极损耗带来的质量控制问题。

极化器阵列3可以通过铣削加工铣毛坯，电火花加工成型方腔及膜片阶梯。

波束形成网络层4在进行分层之后，各波束形成网络层4的各无源部件的腔体开放，可采用铣削加工为主电火花加工为辅的加工方式，极大的降低了加工难度，提高了加工效率。

在本发明实施例中，在综合考虑波束形成网络层BFN4在射频特性和可加工性的的基础上，将无源分支线耦合器、移相器及连接波导等分入若干层，各层在保证层间压紧的前提下，通过连接点的合理设置及层间定位，实现了复杂网络的级联一体化设计。分层剖分的设计方法实现了馈源阵列的一体化、小型化、轻量化设计，兼顾了后期的加工及装配，有效地降低了加工难度，通过提高加工装配精度以控制其对指标所带来的负面影响。同时，多维一体化的结构设计整个馈源阵的插损控制在较低的水平。通过对插损的控制提升天线辐射效率。馈源阵列各分层结构示意如图4～图7所示。

在本实施例中，首先可以将喇叭阵列2、极化器阵列3和波束形成网络层4进行分层剖分，以得到分层结构，其中，极化器阵列3位于喇叭阵列和波束形成网络层4之间，如图2所示。

当然，在进行剖分分层之前，可以对这三层结构分别进行加工，具体地，

在将喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之后，执行步骤102。

步骤102：将每层的所述波束形成网络层按照2.5倍波长网格化布置层间连接点、空间允许的位置穿层连接，采用低膨胀合金制作的热补偿垫圈以使网络各层间在高低温环境下的压紧力恒定，保证腔体压紧。

在本实施例中，由于波束形成网络层BFN4的无源分支线耦合器、移相器及连接波导等被分入不同的层，网络层间连接点布置时，在避让无源腔体及保证足够的压紧力的前提下，按照2.5倍波长网格化布点、空间允许的位置穿层连接，保证腔体压紧。连接点数量一定时，通过减少接触面积的方式提高接触面间的压强。

步骤103：在所述波束形成网络层之间设置定位销孔，通过销钉穿过所述定位销孔，实现所述波束形成网络层之间的层间定位。

在本实施例中，在波束形成网络层BFN4的各层间设置有定位销孔，通过螺钉穿层可以实现各层的装配过程，既保证了加工及装配过程中的层间定位，又保证后期馈源阵列各层间的复装精度。波束形成网络BFN4连接点布置示意图可以如图8所示，网络各层间的连接情况如图9所示，螺钉穿层结构示意图如图10所示。

步骤104：在所述波束形成网络层的装配过程中，以第六层为基准进行对称装配，若厚度超差，则对称研磨厚度正偏差的第六层，直至第一组三层网络厚度满足尺寸精度要求；其中，所述波束形成网络层共十一层；

步骤105：将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成。

在本实施例中，馈源组件及网络各分层结构无源部件腔体尺寸精度可通过机床加工精度保证，网络加工的难点在于网络各分层结构厚度方向尺寸精度的控制，波束形成网络层4可以分为11层网络层结构，在波束形成网络层的装配过程中，可以以第六层为基准，对称装配。若厚度超差，则对称研磨厚度正偏差的第六层，直至第一组三层网络厚度满足±0.02mm的尺寸精度要求。装配厚度满足要求后通道腔体对正，扩铰配对的锥销孔。后续依次对称装配，每完成一组对称装配检查厚度尺寸是否超差，如超差则对称研磨厚度为正偏差的一层，厚度尺寸满足精度要求后配铰锥销孔，直至装配完成。波束形成网络层装配流程如图11所示。

本发明实施例提供的方案的结构设计，创新性的采用了分层剖分设计加工装配方案。分层剖分的设计方法实现了馈源阵列的一体化、小型化、轻量化设计，兼顾了后期的加工及装配，有效地降低了加工难度，通过提高加工装配精度以控制其对指标所带来的负面影响。同时，多维一体化的结构设计整个馈源阵的插损控制在较低的水平，通过对插损的控制提升天线辐射效率。

在本发明实施例中，为了保证馈源阵列及波束形成网络分层结构的层间连接、紧固及压紧需求，该馈源阵列需在较大的温度梯度下保证馈源阵各层尤其是波束形成网络各层层间保持一定的压强及压紧力，以保证各通道的射频性能。传统的紧固件、弹垫及平垫的压紧方式仅在安装时施加一定的拧紧力矩以保证网络的各层压紧，但随着温度的变化，由于材料的热膨胀系数不匹配，无法始终保持压紧状态，可能会造成电磁波泄露、微放电及无源互调，影响产品的性能。如图10所示，基于此，本发明实施例采用低膨胀合金制作的热补偿垫圈5替代传统的平垫及弹垫，通过热膨胀系数匹配及长度补偿的方法，实现了合成多波束馈源阵1及波束形成网络层4的各层间在高低温环境下的预紧力恒定。

在本实施例中，Ka频段具有频率高、波长短，对应的产品结构尺寸小，尺寸精度要求高的特性，尺寸精度一般不超过±0.02mm。而传统馈电部件复杂封闭腔体大量采用电火花加工，加工成本高、加工周期长，且随着电极的磨损还将对产品的尺寸精度造成一定的影响。Ka频段单口径多馈源多波束馈源阵在综合考虑射频性能和可加工性的基础上采用了分层剖分的设计，喇叭阵列2、极化器阵列3和波束形成网络层4的各分层结构均为开放腔体结构，90％有高精度尺寸控制要求的馈电腔体尺寸均可采用铣削的加工方法，极大地规避了上述电火花加工的弊端，降低了加工和装配难度，提高了加工效率。

在本发明的一种具体实现方式中，波束形成网络层4的11层中，若单层网络厚度公差控制在±0.01mm，则11层网络装配后的厚度公差累积将达到±0.11mm。无法与喇叭阵列1与极化器阵列2要求的±0.02mm的尺寸精度匹配，造成通道腔体无法对正。为此，波束形成网络层4在加工时，其中的第2层、第4层、第6层、第8层和第10层的层厚度可以采用正偏差，第3层、第5层、第7层和第9层的层厚度可以采用负偏差，通过层间公差匹配的方式保证装配体的腔体尺寸公差控制在±0.02mm以内。

本发明实施例阵对Ka频段广域宽带大容量多波束天线的应用需求，开展了Ka频段单口径多波束馈源阵列的关键技术攻关，波导系统多模波束形成网络是该多波束天线系统及馈源阵列的核心部件。针对波束形成网络无源器件数量大、级联复杂结构包络小等特点，创新性的提出了分层剖分加工装配设计方案，提出了馈源阵列及波束形成网络(Beam FormNetwork简称BFN)的层间连接、定位及压紧力的保持方法，制定了相应的高精度加工及装配实现工艺，提出了完整的高集成度一体化馈源阵结构设计加工装配的实现方法。该方法有效降低了加工难度，控制了由于加工装配精度对其指标所带来的负面影响，将馈源阵的插损控制在较低的水平，提升天线辐射效率。达到了对未来高性能Ka频段宽带高通量卫星通信提供相关技术支持的目标，适合关于广域高增益需求下的多波束应用。

当然，不仅限于此，本发明实施例所限定的对象不限于Ka频段单口径多馈源多波束馈源组件的设计实现，对于复杂馈电部件、网络有分层剖分设计、压紧及高精度连接装配的也是本专利的保护对象。

本发明说明书中未作详细描述的内容属于本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种单口径多馈源多波束馈源组件的实现方法，其特征在于，所述多馈源多波束馈源阵列是由喇叭阵列、极化器阵列和波束形成网络形成的层级结构，所述波束形成网络层由多层的无源分支线耦合器和移相器级联而成，所述实现方法包括：

将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果；其中，所述极化器阵列位于所述喇叭阵列和所述波束形成网络层之间；

将每层的所述波束形成网络层按照2.5倍波长网格化布置层间连接点、空间允许的位置穿层连接，采用低膨胀合金制作的热补偿垫圈以使网络各层间在高低温环境下的压紧力恒定，保证腔体压紧；

在所述波束形成网络层之间设置定位销孔，通过螺钉穿过所述定位销孔，实现所述波束形成网络层之间的层间定位；

在所述波束形成网络层的装配过程中，以第六层为基准进行对称装配，若厚度超差，则对称研磨厚度正偏差的第六层，直至第一组三层网络厚度满足尺寸精度要求；其中，所述波束形成网络层共十一层；

将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之前，所述方法还包括：

通过数铣一次成型锥面、内孔，电火花成型环槽相结合的加工方式，加工得到所述喇叭阵列。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之前，所述方法还包括：

通过铣削加工铣毛坯、电火花加工成型方腔及膜片阶梯的方式，加工得到所述极化器阵列。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述将所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层进行分层剖分，得到分层结果之后，还包括：

通过铣削加工方式和电火花加工方式，加工得到所述波束形成网络层的各无源部件。

5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正，依次对称装配，直至装配完成，包括：

在将每相邻两层的所述波束形成网络层的通道腔体对正之后，扩铰配对的锥销孔；

依次对称装配，每完成一组对称装配检查厚度尺寸是否超差，如超差则对称研磨厚度为正偏差的一层，在厚度尺寸满足精度要求后配铰锥销孔，直至装配完成。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喇叭阵列、所述极化器阵列和所述波束形成网络层均为开放腔体结构。

7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在加工所述波束形成网络层时，采用正偏差设置第2层、第4层、第6层、第8层和第10层的厚度，并采用负偏差设置第3层、第5层、第7层和第9层的厚度，通过层间公差匹配的方式保证装配体的腔体尺寸公差控制在±0.02mm以内。

8.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法还包括：

通过热补偿垫圈的热补偿参数将所述波束形成网络层的各层间进行压紧；其中，所述热补偿参数包括热膨胀系数和长度补偿参数。

9.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述喇叭阵列82个喇叭锥面，所述喇叭锥面采样数铣成型，且每个所述喇叭锥面的粗糙度小于0.8μm。

10.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述馈源组件为工作于Ka频段的组件。

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