CN112514161A - 用于天线的可展开膜结构 - Google Patents

Abstract

一种用于天线的可展开膜结构，其包括膜，该膜包括经由较低刚度材料的一个或多个第二区域一体连接的较高刚度材料的多个第一区域，其中，一个或多个第二区域由顺应性材料形成，该顺应性材料构造为允许膜折叠成塌缩构造并且随后张开成展开构造，并且布置为允许多个第一区域中的相邻者折叠以便彼此贴靠。在一些实施例中，膜由复合材料形成，该复合材料包括顺应性基质中的多个纤维，并且多个第一区域包括比一个或多个第二区域具有更高纤维密度的材料。还公开了一种包括该可展开膜结构的可展开天线。

Description

用于天线的可展开膜结构

技术领域

本发明涉及可展开结构。更具体地，本发明涉及一种用于天线的可展开膜结构。

背景技术

在各种应用中使用可展开结构来允许设备的物理尺寸暂时减小。例如，在基于太空的应用(比如卫星或太空飞船)中，可以设置可展开结构来允许设备塌缩为小体积并且装载到运载飞船的有效载重舱中。一旦发射到太空中并且从有效载重舱释放，可展开结构就可以移动为展开构造以运行卫星或飞船。

可展开结构通常用作天线中的反射体。期望大的反射体面积，因为这通过允许天线接收和/或传输更多能量而增加天线能力。然而，大的反射体会使得天线笨重且难以运输。已经开发了使用薄的柔性膜来形成反射体表面的可展开反射体。膜可以塌缩到小的空间中。然而，高装填效率需要具有充足水平的面内和面外刚度的高顺应性膜，以确保尺寸稳定性。通常使用复杂的背衬结构来展开膜并且一旦展开就将膜保持为期望的形状，并且增加系统的整体刚度，从而减小对膜几何结构的不期望的外部干扰效应。可展开背衬结构通常包括由铰链连接的支柱的框架，这不可避免地增加了可展开反射体的整体成本、复杂性和质量。

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膜结构，该可展开膜结构包括膜，该膜包括经由较低刚度材料的一个或多个第二区域一体连接的较高刚度材料的多个第一区域，其中，一个或多个第二区域由顺应性材料形成，顺应性材料构造为允许膜折叠成塌缩构造并且随后张开成展开构造，并且布置为允许多个第一区域中的相邻者折叠以便彼此贴靠。

在根据第一方面的一些实施例中，在塌缩构造中，多个第一区域中的相邻者绕一个或多个第二区域中的连接所述相邻第一区域的相应一者折叠，以便彼此贴靠。

在根据第一方面的一些实施例中，膜包括横跨多个第一区域和一个或多个第二区域延伸的连续基质。

在根据第一方面的一些实施例中，膜由复合材料形成，该复合材料包括顺应性基质中的多个纤维。

在根据第一方面的一些实施例中，多个第一区域包括比一个或多个第二区域具有更高纤维密度的材料，和/或包括第一基质材料，该第一基质材料比包括在一个或多个第二区域中的第二基质材料具有更高的刚度。

在根据第一方面的一些实施例中，多个纤维包括分布在多个第一区域和一个或多个第二区域上的多个第一纤维和限制在多个第一区域中的多个第二纤维，其中，多个第二纤维用于在多个第一区域中增强膜。

在根据第一方面的一些实施例中，多个纤维是碳纤维。

在根据第一方面的一些实施例中，膜构造为在展开构造中采用抛物面形式。

在根据第一方面的一些实施例中，当膜处于展开构造时，第二区域布置为沿着径向方向和周向方向的条带。

在根据第一方面的一些实施例中，多个第一区域彼此电连接。

在根据第一方面的一些实施例中，多个第一区域中的相邻者通过一个或多个第二区域中的相应一者彼此间隔开。

在根据第一方面的一些实施例中，多个第一区域中的所述相邻者和一个或多个第二区域中的所述相应一者彼此电连接。

在根据第一方面的一些实施例中，多个第一区域和一个或多个第二区域由包括导电纤维的复合材料形成。

在根据第一方面的一些实施例中，复合材料是碳纤维增强的硅树脂CFRS复合物。

在根据第一方面的一些实施例中，膜包括衬底、一个或多个增强构件和一个或多个开口，一个或多个增强构件设置在多个第一区域中的一者中以在多个第一区域中的所述一者中增强膜，一个或多个开口在所述一个或多个增强构件下方形成在衬底中。

在根据第一方面的一些实施例中，所述一个或多个增强构件横跨衬底中的一个或多个开口延伸，以便在多个第一区域中的所述一者中维持膜的连续表面。

根据本发明的第二方面，提供了一种可展开天线，其包括：根据第一方面的可展开膜结构，其构造为当处于展开构造中时形成天线的初级反射体；和天线馈线，其用于在膜处于展开构造时经由可展开膜结构来传输或接收信号。

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示出根据本发明的实施例的可展开膜结构；

图2示出根据本发明的实施例的、在沿着与膜一体化的低刚度材料的条带折叠之后的图1的可展开膜结构；

图3示出根据本发明的实施例的、处于完全塌缩构造的图1的可展开膜结构；

图4示出根据本发明的实施例的、构造为形成天线的抛物面反射体的可展开膜结构；

图5示出根据本发明的实施例的、处于展开构造的抛物面可展开膜结构的俯视图；

图6示出根据本发明的实施例的抛物面可展开膜结构的剖视图；

图7示出根据本发明实施例的、处于部分塌缩构造的抛物面可展开膜结构的俯视图；

图8A至图8C是示出根据本发明的实施例的、当将结构放置为塌缩构造时的抛物面可展开膜结构的一个部段的折叠布置的一系列图；

图9示出根据本发明的实施例的、包括形成在较高刚度区域中的多个开口的可展开膜结构；和

图10示出穿过图9的可展开膜结构的剖视图。

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至图3，示出了根据本发明的实施例的可展开膜结构100。图1示出处于展开构造的可展开膜结构100，图2示出了在沿着与膜一体化的低刚度材料的条带折叠之后处于半塌缩构造的可展开膜结构100，而图3示出了处于完全塌缩构造的可展开膜结构100。在展开构造中，膜可以形成天线的反射体。

可展开膜结构100包括可以折叠成塌缩构造并且随后张开成展开构造的膜。膜包括较高刚度材料的多个第一区域101、102、103、104，这些第一区域经由较低刚度材料的一个或多个第二区域111、112、113、114一体地彼此连接。

第二区域111、112、113、114在允许膜折叠成塌缩构造的结构中提供较低刚度材料的线。第二区域111、112、113、114可以由弹性材料形成，该弹性材料能够抵挡当折叠该结构时发生的应力同时因此经受较小的损坏或没有损坏。第二区域111、112、113、114的材料特性可以适应于特定的应用，以允许膜反复地折叠和展开许多次，而不会经受原本可能会使天线的性能退化的损坏。

由具有比第二区域111、112、113、114更高的刚度的材料形成的第一区域101、102、103、104确保结构处于展开构造时的尺寸稳定性。第一区域101、102、103、104中的每一者都可以形成为封闭单元连续膜。由于第一区域101、102、103、104由比第二区域111、112、113、114更硬、更高密度的材料形成，因此第一区域101、102、103、104可以比较低刚度材料的第二区域111、112、113、114更高效地反射高频射频(RE)信号。第二区域111、112、113、114也可以由作为良好RF反射体的材料形成，以在天线的整个表面上确保满意的性能。第一区域101、102、103、104因此允许天线在使用可展开膜作为天线中的反射体时实现高的运行频率。根据天线构造，展开膜结构可以用作初级反射体或次级反射体。在需要导电反射体的实施例中，例如在RF天线中，多个第一区域101、102、103、104可以例如借助于嵌入在膜中的导电纤维彼此电连接。使第一区域彼此电连接改善了天线的性能。然而，在一些应用中，在不将第一区域彼此电连接的情况下仍然可以实现满意的性能。例如，在一些实施例中，使顺应性较低的第一区域连接的顺应性较高的第二区域可以包括电绝缘材料，使得多个较高刚度的第一区域彼此电绝缘。

在本实施例中，图1所示的膜的一部分包括四个第一区域101、102、103、104和四个第二区域111、112、113、114。每个第二区域111、112、113、114连接两个相邻的第一区域101、102、103、104。在本实施例中，四个第二区域111、112、113、114布置成十字的形状，以允许膜沿着水平中心线和竖直中心线折叠。在其他实施例中，可以设置不同数量和布置的第一区域和第二区域。图1所示的布置可以在更大的结构上重复。例如，在图4所示的抛物面反射体400中，四个相邻区域之间的每个交叉部可以具有类似于图1所示的构造。

图2示出在沿着竖直中心线折叠之后的可展开膜结构100。图2所示的构造可以称为部分塌缩构造或部分展开构造。在部分塌缩构造中，结构100可以张开，或者可以折叠成具有较小占地面积的构造。图3所示的构造可以称为完全塌缩构造，因为结构100已经沿着所有的第二区域111、112、113、114折叠，并且因此结构100的尺寸可以进一步减小。

为了在塌缩构造中实现结构整体尺寸的高度减小，在本实施例中，第二区域111、112、113、114布置为允许多个第一区域101、102、103、104中的相邻者折叠为彼此贴靠。例如，在图2所示的半塌缩构造中，第一区域中的第一者101绕第二区域中的第一者111折叠为贴靠第一区域中的第二者102，而第一区域中的第四者104绕第二区域中的第三者113折叠为贴靠第一区域中的第三者103。第二区域中的第一者111是将第一区域中的第一者101连接到第一区域中的第二者102的区域，而第二区域中的第三者113是将第一区域中的第三者103连接到第一区域中的第四者104的区域。在图3所示的完全塌缩构造中，该结构进一步沿着第二区域中的第二者112和第四者114折叠，使得第二区域中的第二者102和第三者103彼此贴靠。

在一些实施例中，多个第一区域101、102、103、104中的相邻者可以通过第二区域111、112、113、114中的相应一者彼此间隔开。换句话说，第二区域111、112、113、114中的一者的表面可以暴露在两个相邻的第一区域101、102、103、104之间。这种布置可以使得易于在塌缩构造中将相邻的第一区域折叠为彼此贴靠，并且可以通过在将第一区域绕第二区域折叠时增加弯曲半径而减小第二区域中的材料发生损坏的风险。另外，在相邻的第一区域通过第二区域中的一者间隔开使得第二区域的表面暴露的实施例中，可以通过由导电材料形成第二区域来改善天线性能。

膜可以包括在多个第一区域101、102、103、104和一个或多个第二区域111、112、113、114上延伸的连续基质。在一些实施例中，膜可以由复合材料形成，该复合材料包括顺应性基质中的多个纤维，例如碳纤维复合物。多个纤维可以布置为连续的或离散的基于纤维的织物，并且可以提供膜的主结构。多个纤维嵌入在顺应性基质中，顺应性基质将纤维结合在一起。基质可以由任意合适的材料形成，例如顺应性环氧树脂或硅树脂。在一些实施例中，膜可以包括导电纤维(比如碳纤维)的织物，以便将多个第一区域101、102、103、104彼此电连接。在第二区域也由导电材料形成的实施例中，如上所述，相邻的第一区域101、102、103、104和所连接的第二区域可以全部经由导电纤维电连接在一起。例如，第一区域101、102、103、104和第二区域111、112、113、114可以由碳纤维增强硅树脂(CFRS)复合材料形成。对第二区域111、112、113、114使用导电材料确保了第二区域111、112、113、114中的暴露材料区能够充当RF反射体，并且因此确保了RF频率在天线的整个表面上的满意性能。

使用复合材料允许在第一区域101、102、103、104和第二区域111、112、113、114中的每一者中精确地控制膜的机械特性，例如通过改变比如基质组分、纤维尺寸、重量百分比(wt％)和/或取向的参数。当使用纤维复合物来形成膜时，可以在多个第一区域101、102、103、104中使用相对于第二区域111、112、113、114中的纤维密度更高的纤维密度，以便使膜在第一区域101、102、103、104中的刚度相对于膜在第二区域111、112、113、114中的刚度增加。更高的纤维密度也可以通过减小导电纤维之间的间距来增加反射体的运行频率。

在一些实施例中，可以在第一区域101、102、103、104中使用相对于第二区域111、112、113、114不同的基质以便提供必要的特性，作为对改变复合物的其他参数(比如纤维尺寸、wt％或纤维取向)的替代或补充。多个第一区域101、102、103、104可以包括具有比包括在一个或多个第二区域中的第二基质材料更高刚度的第一基质材料。例如，第一基质材料可以是环氧树脂，而第二基质材料可以是硅树脂。

在本实施例中，可以使用单独的展开机构将膜从塌缩构造张开成展开构造。膜可以形成为随着结构接近展开构造而自动采用反射体所需要的形状。例如，膜可以构造为在展开构造中采用抛物面形式，比如对称抛物面形状或对称抛物面的一部分。以这种方式，通过膜而非展开机构来控制反射体的形状。这允许展开机构相较于现有技术中的可展开天线其复杂性减小，在现有技术的可展开天线中，需要复杂的背衬结构来不仅展开反射体，而且还使反射体一旦展开就保持为期望的形状。

在其他实施例中，膜可以预成型为在展开构造中自动采用期望的三维形状。例如，膜可以在合适的模具中预成型。当使用复合材料时，纤维可以铺设在模具中并且涂覆有液体或胶体，该液体或胶体在固化时形成预成型的顺应性基质，纤维嵌入在该顺应性基质中。例如，在一些实施例中，纤维可以涂覆有低粘度的硅树脂胶体，硅树脂胶体在固化时形成顺应性基质。当膜折叠成塌缩构造时，第二区域中变形的基质和纤维可以存储弹性能量，该弹性能量可以用来辅助张开和展开结构的过程。例如，在使用背衬结构来展开膜的实施例中，背衬结构可能需要比常规可展开天线的情况下更小的力，因为用于驱动展开过程的一些能量可以由存储在膜结构中的弹性应变能量来提供。相应地，相较于常规的可展开天线，背衬结构的尺寸和质量可以减小。

现在参考图4至图8，示出了根据本发明的实施例的、构造为形成天线的抛物面反射体的可展开膜结构400。如同图1至图3的可展开膜结构100一样，本实施例的抛物面可展开膜结构400包括较高刚度材料的多个第一区域401、402，这些第一区域401、402由较低刚度材料的多个第二区域411、412连接。

在本实施例中，如图5所示，当膜处于展开构造时，多个第二区域411、412布置为沿着径向方向和周向方向的条带。在其他实施例中，多个第二区域可以根据展开的反射体的最终形状和所选择的折叠机构而布置为不同的构造。例如，在一些实施例中，膜可以构造为形成用于偏置天线的反射体。在偏置天线中，反射体可以具有非对称的形状。例如，用于偏置天线的反射体可以形成为对称抛物面的一部分。当反射体具有非对称的形状时，第二区域可以不沿着径向或周向方向布置，因为可能需要不同的折叠布置。

图6示出了在抛物面可展开膜结构400中穿过高刚度材料的两个相邻区域401、402的剖视图。在本实施例中，膜包括下方衬底，下方衬底在整个膜上延伸，也就是说，横跨所有的第一区域401、402和第二区域411、412。衬底可以由任意合适的材料形成，并且在本实施例中，由嵌入在硅树脂基质中的三轴碳纤维织物形成。多个第一区域401、402可以由更硬的材料(比如具有不同碳纤维密度和/或具有相对于衬底不同取向的碳纤维复合物)形成。在一些实施例中，多个第一区域401、402可以使用相对于较高顺应性的第二区域411、412不同的基质材料。例如，多个第一区域401、402可以由碳纤维平纹织物、薄纱或任意其他封闭单元织物形成。也可以称为坐标带的多个第一区域401、402可以在成型工艺期间集成到膜中。

如图6所示，在本实施例中，衬底包括多个第一纤维601，多个第一纤维601分布在多个第一区域401、402和多个第二区域411、412上并且嵌入在顺应性基质602中。第一区域401、402中的每一者包括限制在多个第一区域中的多个第二纤维，例如以平纹织物、薄纱或其他封闭单元织物的形式。第二纤维用于在第一区域401、402中增强膜，从而在展开构造中辅助维持膜的期望形状。如上所述，当使用导电纤维时，第一纤维也可以用于提供膜的相邻区域之间的电连接。

图7示出了处于部分塌缩构造的抛物面可展开膜结构400的俯视图，而图8A至图8C是示出当将结构放置为塌缩构造时的抛物面可展开膜结构400的一个部段410的折叠布置的一系列图。如图7和图8A至图8C所示，较低刚度的区域沿着径向方向和周向方向布置允许在塌缩构造中将抛物面膜折叠成小体积，从而实现高装填效率。膜随后可以张开成展开构造，以提供相对于结构处于塌缩构造中的直径具有较大表面积的抛物面反射体。抛物面反射体可以包括在可展开天线中，可展开天线包括天线馈线，天线馈线用于在膜处于展开构造时经由抛物面可展开膜结构来传输或接收信号。

现在参考图9和图10，示出了膜包括形成于较高刚度区域中的多个开口以减小可展开膜结构的总体质量的实施例。图9以俯视图示出了膜900的一部分，而图10示出了穿过可展开膜结构的剖视图。膜900包括较高刚度材料的多个第一区域，这些第一区域经由较低刚度材料的多个第二区域911、912、913、914而一体地彼此连接。如在图6所示的实施例中，本实施例的可展开膜结构包括下方衬底和用于在第一区域中的每一者中增强衬底的多个坐标带901、902、903、904。

结构900还包括形成在下方衬底中的多个开口921、922、923、924。开口921、922、923、924用于减小下方衬底的质量，同时集成坐标带901、902、903、904覆盖开口921、922、923、924中的相应者。坐标带用于在多个第一区域中增强结构以在多个第一区域中提供必要的刚度，并且也可以称为增强构件。每个坐标带901、902、903、904可以横跨衬底中的下方开口延伸以在相应的第一区域中维持膜的连续表面。这里，应认识到，为了方便起见，比如“下方”和“覆盖”的术语仅用来表达结构的某些元件的相对位置，并且不应当解释为暗示当天线处于运行中时膜结构的特定取向。

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 (17)

1.一种用于天线的可展开膜结构，所述可展开膜结构包括：

膜，其包括经由较低刚度材料的一个或多个第二区域一体连接的较高刚度材料的多个第一区域，

其中，所述一个或多个第二区域由顺应性材料形成，所述顺应性材料构造为允许所述膜折叠成塌缩构造并且随后张开成展开构造，并且布置为允许所述多个第一区域中的相邻者折叠以便彼此贴靠。

2.根据权利要求1所述的可展开膜结构，其中，在所述塌缩构造中，所述多个第一区域中的相邻者绕所述一个或多个第二区域中的连接所述相邻第一区域的相应一者折叠，以便彼此贴靠。

3.根据权利要求1或2所述的可展开膜结构，其中，所述膜包括横跨所述多个第一区域和所述一个或多个第二区域延伸的连续基质。

4.根据权利要求3所述的可展开膜结构，其中，所述膜由复合材料形成，所述复合材料包括顺应性基质中的多个纤维。

5.根据权利要求4所述的可展开膜结构，其中，所述多个第一区域包括比所述一个或多个第二区域具有更高纤维密度的材料，和/或包括第一基质材料，所述第一基质材料比包括在所述一个或多个第二区域中的第二基质材料具有更高的刚度。

6.根据权利要求5所述的可展开膜结构，其中，所述多个纤维包括：

多个第一纤维，其分布在所述多个第一区域和所述一个或多个第二区域上；和

多个第二纤维，其限制在所述多个第一区域中，其中，所述多个第二纤维用于在所述多个第一区域中增强所述膜。

7.根据权利要求4、5或6所述的可展开膜结构，其中，所述多个纤维是碳纤维。

8.根据前述权利要求中任一项所述的可展开膜结构，其中，所述膜构造为在所述展开构造中采用抛物面形式。

9.根据权利要求8所述的可展开膜结构，其中，当所述膜处于所述展开构造时，所述第二区域布置为沿着径向方向和周向方向的条带。

10.根据前述权利要求中任一项所述的可展开膜结构，其中，所述多个第一区域彼此电连接。

11.根据前述权利要求中任一项所述的可展开膜结构，其中，所述多个第一区域中的相邻者通过所述一个或多个第二区域中的相应一者彼此间隔开。

12.根据基于权利要求10的权利要求11所述的可展开膜结构，其中，所述多个第一区域中的所述相邻者和所述一个或多个第二区域中的所述相应一者彼此电连接。

13.根据权利要求12所述的可展开膜结构，其中，所述多个第一区域和所述一个或多个第二区域由包括导电纤维的复合材料形成。

14.根据基于权利要求7的权利要求13所述的可展开膜结构，其中，所述复合材料是碳纤维增强的硅树脂CFRS复合物。

15.根据前述权利要求中任一项所述的可展开膜结构，其中，所述膜包括：

衬底；

一个或多个增强构件，其设置在所述多个第一区域中的一者中以在所述多个第一区域中的所述一者中增强所述膜；和

一个或多个开口，其在所述一个或多个增强构件下方形成在所述衬底中。

16.根据权利要求15所述的可展开膜结构，其中，所述一个或多个增强构件横跨所述衬底中的所述一个或多个开口延伸，以便在所述多个第一区域中的所述一者中维持所述膜的连续表面。

17.一种可展开天线，包括：

根据前述权利要求中任一项所述的可展开膜结构，其构造为当处于所述展开构造中时形成所述天线的初级反射体；和

天线馈线，其用于在所述膜处于所述展开构造时经由所述可展开膜结构来传输或接收信号。

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