CN112768952A - 一种星载卡塞格伦伞式网状sar天线 - Google Patents

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Abstract

本申请实施例公开一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线，包括：延轴向设置的天线底座、主反射器、馈源、连杆机构和副反射器；所述主反射器包括沿天线底座均匀分布排列的可分段折展的多个支撑肋和贴附于所述支撑肋上表面的反射网面，所述天线完全展开状态时，所述反射网面的上表面形成连续的抛物曲面；所述副反射器通过所述连杆机构与所述天线底座连接，所述副反射器的反射面面型为双曲面，所述主反射器的焦轴与所述副反射器的焦轴重合，所述反射面的第一焦点与所述抛物曲面的焦点重合；所述馈源设置于所述天线底座上、并位于所述主反射器与所述副反射器之间，所述馈源的相位中心与所述反射面的第二焦点重合。

Description

一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线
技术领域
本申请涉及星载合成孔径雷达技术领域，尤其涉及一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线。
背景技术
卡塞格伦天线是反射面天线的一种，其天线结构的特点是引入了副反射面，将前馈式馈源结构变为后馈式的馈源结构天线，使得馈源辐射出的电磁波经副面与主面两次反射，到主反射面的口径面上。
当前，星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)反射面天线的发展有以下几个趋势：
天线大孔径化：大孔径的反射面天线会获得更高的指向性能和天线增益，天线的展开机构需具有更大的展开面积。
天线收拢小型化、轻量化：越来越多的载荷采用一箭多星的模式进行发射，星载反射面天线需具备更小的收拢体积，更轻的重量。
低成本化：近些年航天领域商业化迅速发展，卫星载荷需具有更低廉的制造成本。
现有的星载SAR反射面天线均采用的是单反射面构型，目前还没有星载双反射面构型的卡塞格伦式SAR天线。
发明内容
本申请实施例提供一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线，包括：延轴向设置的天线底座、主反射器、馈源、连杆机构和副反射器；其中，
所述主反射器包括沿天线底座均匀分布排列的可分段折展的多个支撑肋和贴附于所述支撑肋上表面的反射网面，所述天线完全展开状态时，所述反射网面的上表面形成连续的抛物曲面；
所述副反射器通过所述连杆机构与所述天线底座连接，所述副反射器的反射面面型为双曲面，所述主反射器的焦轴与所述副反射器的焦轴重合，所述反射面的第一焦点与所述抛物曲面的焦点重合；
所述馈源设置于所述天线底座上、并位于所述主反射器与所述副反射器之间，所述馈源的相位中心与所述反射面的第二焦点重合。
在一些实施例中，所述连杆机构包括：第一连接件、第二连接件和纵向连接杆；
所述纵向连接杆的一端通过所述第一连接件与所述副反射器固定连接，另一端通过所述第二连接件与所述天线底座铰接；
所述纵向连接杆包括通过铰链连接的纵向杆，所述纵向连接杆能够通过所述纵向杆和所述铰链实现收拢与展开。
在一些实施例中，所述连杆机构还包括多个横向杆和铰链接头；
所述铰链接头设置于所述铰链处；所述铰链接头两两通过所述横向杆连接，形成横向支撑结构；所述横向支撑结构与展开状态下的所述纵向连接杆垂直，所述横向支撑结构能够提供所述连杆机构的横向支撑力。
在一些实施例中，所述连杆机构还包括压紧释放装置；所述压紧释放装置设置于所述第二连接件上，所述压紧释放装置能够用于控制处于收拢状态的所述纵向连接杆展开起始。
在一些实施例中，所述天线底座包括筒型的底座主体和设置于所述底座主体底部的连接盘；
所述连接盘与所述主反射器的所述多个支撑肋铰接；
述馈源设置于底座主体的顶部。
在一些实施例中，所述底座主体具有容置空间；所述天线还包括电子设备；所述电子设备设置于所述容置空间内，并与所述馈源电连接。
在一些实施例中，所述主反射器还包括：根部铰链、肋间铰链和相邻支撑肋之间的触发绳索；其中，
所述支撑肋，包括多个子支撑肋，所述多个子支撑肋完全展开状态时，所述子支撑肋按与所述天线底座的距离由小到大依次排列；
所述支撑肋与所述连接盘通过所述根部铰链连接，每个支撑肋上的所述多个子支撑肋之间通过所述肋间铰链连接；
所述根部铰链、肋间铰链均设置有弹性组件，所述肋间铰链设置有限位组件，所述限位组件用于限制所述肋间铰链的弹性组件运动；
所述触发绳索的一端与所述肋间铰链的限位组件连接，所述触发绳索的另一端与相邻支撑肋的同一层级的肋间铰链连接。
在一些实施例中，所述天线在收拢状态时，所述支撑肋中的各子支撑肋通过连接铰链相互弯折，所述天线收纳为圆柱体状。
在一些实施例中，在所述天线展开的过程中，所述多个子支撑肋按与所述天线底座展开状态时的距离由小到大、分层级依次展开。
在一些实施例中，所述馈源为相控阵馈源。
本申请实施例提供了一种全新的星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构，其主反射面由可分段展开的支撑肋和反射网面组成，副反射面采用可展开的连杆机构作为支撑结构，馈源紧接收发组件，该天线结构具有重量轻、馈线损耗低、收拢率高、集成化成度高等优点。
附图说明
附图以示例而非限制的方式大体示出了本文中所讨论的各个实施例。
图1为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构示意图；
图2为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构示意图；
图3为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构示意图；
图4为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构示意图；
图5为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构示意图；
图6为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构示意图；
图7为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构示意图；
图8为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构展开示意图；
图9为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线局部结构示意图；
图10为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构展开示意图；
图11为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构展开示意图；
图12为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构展开示意图；
图13为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构展开示意图；
图14为本申请实施例一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线结构展开示意图。
具体实施方式
为了能够更加详尽地了解本申请实施例的特点与技术内容，下面结合附图对本申请实施例的实现进行详细阐述，所附附图仅供参考说明之用，并非用来限定本申请实施例。
在本申请实施例记载中，需要说明的是，除非另有说明和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是电连接，也可以是两个元件内部的连通，可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。
需要说明的是，本申请实施例所涉及的术语“第一\第二\第三”仅仅是是区别类似的对象，不代表针对对象的特定排序，可以理解地，“第一\第二\第三”在允许的情况下可以互换特定的顺序或先后次序。应该理解“第一\第二\第三”区分的对象在适当情况下可以互换，以使这里描述的本申请的实施例可以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
以下结合图1至14对本申请实施例记载的星载卡塞格伦伞式网状SAR天线详细说明。
本申请实施例提供一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线，如图1至3所示，包括：延轴向设置的天线底座101、主反射器102、馈源103、连杆机构104和副反射器105；其中，
主反射器102包括沿天线底座101均匀分布排列的可分段折展的多个支撑肋106和贴附于支撑肋106上表面的反射网面107，天线完全展开状态时，反射网面107的上表面形成连续的抛物曲面。
在一些实施例中，反射网面107包括可反射电磁波的镀金钼丝网。
在一些实施例中，反射网面107材料采用镀金钼丝网，网面的支撑结构由多根沿天线底座101圆周均布排列的支撑肋106所组成，支撑肋106的上表面是按天线的旋转抛物面方程加工的曲面，镀金钼丝网通过固定节点缝合在支撑肋106的上表面，以形成反射面天线所需的旋转抛物曲面型。主反射器102的支撑肋106分为多段；如图4所示，本申请的一些实施例中采用三段，分别是根部肋1061、中间肋1062、尾部肋1063。它们之间通过肋间铰链1064互联，收拢状态时，根部肋1061、中间肋1062、尾部肋1063相互对折，可收拢为特定尺寸的圆柱体。
副反射器105通过连杆机构104与天线底座101连接，副反射器105朝向天线底座101侧具有反射面，即副反射器105与主反射器102相对的一侧具有反射面，反射面的面型为双曲面，主反射器102的焦轴与副反射器105的焦轴重合，反射面的第一焦点O1与抛物曲面的焦点重合。
在一些实施例中，副反射器采用碳纤维材料加工成型，其支撑结构为可伸展的连杆机构104，由铰链、臂杆、压紧释放装置所组成。连杆机构104的一端固定在天线的天线底座101，另一端与副反射器固连，展开时可沿反射面的中心线直线展开。
可以理解的是，本申请实施例中，主反射器102的焦轴即上述反射网面107的上表面抛物曲面的焦轴；副反射器105的焦轴即上述反射面双曲面的焦轴。
馈源103设置于天线底座101上、并位于主反射器102与副反射器105之间，馈源103的相位中心与反射面的第二焦点O2重合。
可以理解的是，双曲面具有两个焦点；本申请一些实施例中，反射面的面型具体包括旋转双曲面。
在一些实施例中，馈源103辐射出的电磁波经副反射器105与主反射器102两次反射，到主面口径面上，其可以等效为馈源103相位中心在第一焦点O1位置的抛物面天线。
在一些实施例中，如图2、8和9所示，天线底座101包括筒型的底座主体208和设置于底座主体底部的连接盘209；
连接盘209与主反射器102的多个支撑肋106铰接；
馈源103设置于底座主体208的顶部。
在一些实施例中，如图9所示，底座主体208具有容置空间211；天线还包括电子设备210；电子设备设置于容置空间211内，并与馈源103电连接。
本申请实施例中，电子设备210包括收发组件。
本申请实施例中，通过将收发电子设备210设置于底座主体208内，电子设备210中的收发组件通过垂直互连的方式与馈源电连接，无需在天线外部设置收发组件与馈源之间的电缆，有效解决了前置收发组件线缆连接复杂的问题，天线收拢和展开的过程中无需对电缆进行操作，同时，减少了电缆连接所产生的损耗、进一步提高了相控阵馈源的相位精度。在一些实施例中，馈源103为相控阵馈源；在一些实施例中，馈源103由喇叭天线阵组成，其安装固定在天线底座101上；在一些实施例中，喇叭天线的射频输入口与收发组件垂直互连，馈线网络、电源及控制模块均按层叠结构固定在天线底座101内部。
本申请实施例的天线结构布局有效的解决了收发组件前置的问题，降低了结构复杂度，并减少信号损耗。
在一些实施例中，如图7所示，连杆机构104包括：第一连接件201、第二连接件202和纵向连接杆203；
纵向连接杆203的一端通过第一连接件201与副反射器105固定连接，另一端通过第二连接件202与天线底座101铰接；
纵向连接杆203包括通过铰链204连接的纵向杆205，纵向连接杆203能够通过纵向杆205和铰链204实现收拢与展开，效果如图8所示。
在一些实施例中，如图7所示，连杆机构104包括纵向连接杆203、多个横向杆206和多个铰链接头207；
所述铰链接头设置于所述铰链处；所述铰链接头两两通过所述横向杆连接，形成横向支撑结构；所述横向支撑结构与展开状态下的所述纵向连接杆垂直，所述横向支撑结构能够提供所述连杆机构的横向支撑力；
纵向连接杆203包括N个依次通过铰链204连接的纵向杆205，其中N为4以上的偶数；在本申请一些实施例中，采用4个纵向杆的方案，实际应用中，还可以根据副反射器所需要伸展的长度需要来确定纵向杆的数量，以实现连接机构104的可伸缩结构。
铰链接头207两两通过横向杆206固定连接。
在一些实施例中，如图7所示，连杆机构104还包括压紧释放装置212；压紧释放装置212设置于第二连接件202上，压紧释放装置212能够用于控制处于收拢状态的纵向连接杆203展开起始。
在一些实施例中，如图4和图6所示，主反射器102还包括：根部铰链1065、肋间铰链1064和相邻支撑肋106之间的触发绳索1067；其中，
支撑肋106，包括多个子支撑肋，多个子支撑肋完全展开状态时，子支撑肋与天线底座101的距离由小到大依次排列；
支撑肋106与连接盘通过根部铰链1065连接，每个支撑肋106上的多个子支撑肋之间通过肋间铰链连接1064；
根部铰链1065、肋间铰链1064均设置有弹性组件，肋间铰链1064设置有限位组件，限位组件用于限制肋间铰链1064的弹性组件运动；
触发绳索1067的一端与肋间铰链1064的限位组件连接，触发绳索1067的另一端与相邻支撑肋106的同一层级的肋间铰链1064连接。
如图4所示，本申请的一些实施例中采用三段子支撑肋，分别是根部肋1061、中间肋1062、尾部肋1063。它们之间通过肋间铰链1064互联，收拢状态时，根部肋1061、中间肋1062、尾部肋1063相互对折，可收拢为特定尺寸的圆柱体。
在一些实施例中，天线在收拢状态时，支撑肋106中的各子支撑肋106通过连接铰链相互弯折，天线收纳为圆柱体状。
在一些实施例中，在天线展开的过程中，多个子支撑肋106按与天线底座101展开状态时的距离由小到大、分层级依次展开。
本申请提供了一种全新的星载SAR卡塞格伦伞式网状反射面天线结构，其主反射器由可分段展开的支撑肋106和反射网面107组成，副反射器采用可展开的连杆机构104作为支撑结构，馈源103紧接收发组件。该天线结构具有重量轻、馈线损耗低、收拢率高、集成化成度高等优点。
在一些实施例中，如图10至14，天线的展开机构按层级分步骤进行展开，天线的展开顺序依次为：根部肋1061展开、中间肋1062展开、尾部1063肋展开、副反射器105展开。对天线机构展开进行顺序控制，展开触发机制为：主反射器102以支撑肋106之间的相互位置关系作为阶段展开的触发条件，副反射器102的展开由压紧释放装置控制展开的开始。
在一些实施例中，主反射器102天线采用多根完全相同的支撑肋106作为支撑结构，本例采用了36根，亦可根据精度的要求选择其他数量，沿着天线底座101的圆周均匀排布。采用镀金钼丝网作为反射网面107，镀金钼丝网是由镀金钼丝编织而成的可以反射电磁波的柔性网面。支撑肋106的上表面加工成天线所需的抛物曲面，镀金钼丝网通过固定节点缝合在支撑肋106的上表面，从而形成天线的抛物曲面构型，如图3所示。
主反射面的支撑肋106分为多段，本例采用3段，依次为：根部肋1061，中间肋1062，尾部肋1063。展开过程由肋之间的连接铰链实现，使用的铰链分别是：根部铰链1065、肋间铰链1064，如图4所示。根部铰链1065实现根部肋与底座圆盘间的相对转动；肋间铰链1064实现中间肋与根部肋的相对转动、尾部肋与中间肋的相对转动。根部铰链1065中设置由卷簧，肋间铰链1064中设置有扭簧。
肋间铰链1064具体包括尾部铰链和中间铰链；其中，尾部铰链用于连接根部肋和中间肋，实现中间肋与根部肋的相对转动；中间铰链用于连接尾部肋和中间肋，实现尾部肋与中间肋的相对转动。
展开过程中，主反射器102的外包络圆直径D会逐渐变大，相邻支撑肋106上特定两点的距离L也随着包络圆逐步变大，利用L的变化作为展开时序控制的条件，如图5所示。
采用可触发式的铰链，如图6所示。肋间铰链1064的公铰与母铰分别与根部肋1061和中间肋1062固连，铰链转轴上设置扭簧提供肋间铰链1064转动所需要的驱动力。设置限位销的一端插入公铰与母铰，以限制其相对转动。
在一些实施例中，触发绳索1067的一端与相邻铰链固连，另一端与限位销相连，长度设置为L。
副反射器105的双曲面加工直接成型，副反射器105由连杆机构104作为支撑结构，连杆机构104包括横向杆206、纵向杆205、铰链204，压紧释放装置212，铰链接头207，连杆机构104一端的铰链接头通过第一连接件201与副反射器105固连，另一端通过第二连接件202与天线底座101固连，铰链204内部设有扭簧，作为展开驱动，图7所示。
纵向杆205通过铰链205实现杆系的收拢与展开，副反射器105延反射面中心线直线展开，横向杆206与铰链接头207两端固连，组成三角形刚体的横向支撑结构以提高连杆机构104的刚度，压紧释放装置212控制副反射器105的展开起始，如图8所示。
上述实施例中，采用了三个纵向连接杆的方案，展开状态的连杆机构104呈三角柱形，以提供对副反射器105的支撑；在一些实施例中，还可以根据需要调整纵向连接杆的数量，并对应匹配横向杆206，以形成横向支撑结构，为连杆机构104提供横向支撑力，提高连杆机构104的刚度。
馈源103固定在天线底座101上，馈源103喇叭天线的辐射端朝向副反射器反射面的凸面，另一端的射频输入口与收发组件垂直互连。天线的收发组件、馈线网络、电源及控制模块均按层叠结构固定在天线底座101内部，如图9所示。
卡塞格伦式网状可展开SAR天线展开机构在各个阶段展开过程的如下：
主反射器根部肋展开：天线收拢包带释放，根部铰链开始转动，此时相邻中间铰链的触发绳索还处于松散状态，限位销限制中间铰链运动。当根部铰链转动到接近锁定角度时，触发绳索张紧，并带动限位销拔出，根部铰链到达设定角度后锁定，中间铰链解锁。如图10所示。
主反射器中间肋展开：中间铰链解锁后开始转动，此时相邻尾部铰链的触发绳索处于松散状态，限位销抑制转动。当中间铰链转动到接近锁定角度时，触发绳索张紧，并带动限位销拔出，中间铰链到达设定角度后锁定，尾部铰链解锁。如图11所示。
主反射器尾部肋展开：尾部铰链解锁后开始转动，到达设定角度后锁定，天线的主反射器展开完成，如图12所示。
副反射器展开：主反射器展开结束后，副反射器的压紧释放装置释放，副反射器开始展开，副反射器的支撑连杆机构104在铰链内驱动扭簧的作用下，沿直线展开，当到达指定位置时，支撑连杆机构104由限位结构限位移动，副反射器展开结束。此时天线形成双反射面构型，副反射器的凹面焦点与主反射器的焦点重合，如图13所示。
本实例中，卡塞格伦伞式网状可展开SAR天线在收拢状态下的体积为610mm×610mm×760mm，完全展开状态的体积为4000mm×4000mm×1160mm，如图14所示。
相比与现有的技术方案，本发明的优点为：重量轻、收拢率高、天线结构布局合理、馈线路径短、信号损耗低等。
本发明的设计已经过仿真论证，该天线主反射器的面密度＜1kg/㎡，天线孔径4m，其收拢包络610mm×610mm×760mm。
本申请实施例所记载的技术方案之间，在不冲突的情况下，可以任意组合。
以上，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种星载卡塞格伦伞式网状SAR天线，其特征在于，所述天线包括：延轴向设置的天线底座、主反射器、馈源、连杆机构和副反射器；其中，
所述主反射器包括沿天线底座均匀分布排列的可分段折展的多个支撑肋和贴附于所述支撑肋上表面的反射网面，所述天线完全展开状态时，所述反射网面的上表面形成连续的抛物曲面；
所述副反射器通过所述连杆机构与所述天线底座连接，所述副反射器的反射面面型为双曲面，所述主反射器的焦轴与所述副反射器的焦轴重合，所述反射面的第一焦点与所述抛物曲面的焦点重合；
所述馈源设置于所述天线底座上、并位于所述主反射器与所述副反射器之间，所述馈源的相位中心与所述反射面的第二焦点重合。
2.根据权利要求1所述的天线，其特征在于，所述连杆机构包括：第一连接件、第二连接件和纵向连接杆；
所述纵向连接杆的一端通过所述第一连接件与所述副反射器固定连接，另一端通过所述第二连接件与所述天线底座铰接；
所述纵向连接杆包括通过铰链连接的纵向杆，所述纵向连接杆能够通过所述纵向杆和所述铰链实现收拢与展开。
3.根据权利要求2所述的天线，其特征在于，所述连杆机构还包括多个横向杆和铰链接头；
所述铰链接头设置于所述铰链处；所述铰链接头两两通过所述横向杆连接，形成横向支撑结构；所述横向支撑结构与展开状态下的所述纵向连接杆垂直，所述横向支撑结构能够提供所述连杆机构的横向支撑力。
4.根据权利要求3所述的天线，其特征在于，所述连杆机构还包括压紧释放装置；所述压紧释放装置设置于所述第二连接件上，所述压紧释放装置能够用于控制处于收拢状态的所述纵向连接杆展开起始。
5.根据权利要求1至4任一项所述的天线，其特征在于，所述天线底座包括筒型的底座主体和设置于所述底座主体底部的连接盘；
所述连接盘与所述主反射器的所述多个支撑肋铰接；
述馈源设置于底座主体的顶部。
6.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述底座主体具有容置空间；所述天线还包括电子设备；所述电子设备设置于所述容置空间内，并与所述馈源电连接。
7.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述主反射器还包括：根部铰链、肋间铰链和相邻支撑肋之间的触发绳索；其中，
所述支撑肋，包括多个子支撑肋，所述多个子支撑肋完全展开状态时，所述子支撑肋按与所述天线底座的距离由小到大依次排列；
所述支撑肋与所述连接盘通过所述根部铰链连接，每个支撑肋上的所述多个子支撑肋之间通过所述肋间铰链连接；
所述根部铰链、肋间铰链均设置有弹性组件，所述肋间铰链设置有限位组件，所述限位组件用于限制所述肋间铰链的弹性组件运动；
所述触发绳索的一端与所述肋间铰链的限位组件连接，所述触发绳索的另一端与相邻支撑肋的同一层级的肋间铰链连接。
8.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，所述天线在收拢状态时，所述支撑肋中的各子支撑肋通过连接铰链相互弯折，所述天线收纳为圆柱体状。
9.根据权利要求7所述的天线，其特征在于，在所述天线展开的过程中，所述多个子支撑肋按与所述天线底座展开状态时的距离由小到大、分层级依次展开。
10.根据权利要求5所述的天线，其特征在于，所述馈源为相控阵馈源。
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