CN113422193A - 一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线 - Google Patents

一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线 Download PDF

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Abstract

本发明属于星载可展开天线技术领域,公开了一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线,包括中心轮毂、柱状径向肋、矩形波导、馈源、撑腿、柱状副面和金属丝网,柱状径向肋由一系列不同的径向肋组成,形成抛物柱面形状,投影为矩形;柱状副面由曲线沿柱状方向拉伸而成,投影为矩形,柱状径向肋安装在中心轮毂上;柱状径向肋由多个不同曲线肋组成,这些曲线肋组合在一起,即可构成抛物柱面;中心轮毂的端面上留有波导孔,撑腿通过螺钉之间连接在波导上,柱状副面通过螺钉连接在撑腿上,以此来构成天线传输和接收系统的主要结构。本发明的径向肋抛物柱面天线具有高精度、高频段的特点,能够应用于星载可展开抛物柱面天线领域。

Description

一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线
技术领域
本发明属于星载可展开天线技术领域,尤其涉及一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线。
背景技术
目前:随着航天科技技术的飞速发展,在轨航天器的数目不断增加,空间电磁环境也日益复杂。传统天线相对较低的频段和精度已不能满足高速率、高容量的通信需求;并且,传统的单波束天线在增益和精度方面已经很难提高,更为重要的是,该类型天线不能用于多频段、高频段的信号传输。而抛物柱面天线由于其反射面独特的成形方式,能够实现波束自动扫描和多频段、高频段和信号传输。所以抛物柱面天线逐渐成为研究的热点之一,其主要应用于天基目标检测、空间遥感、水资源探测等领域。为了提高天线的增益和更加快速、准确的获取微弱的地面信号,天线结构尺寸大型化已经成为了必然的发展趋势,而传统的固面发射面不能实现大型化设计,所以必须设计一种具备高收纳比、轻质量、低面密度特点的可展开天线。由于网状抛物柱面可展开天线除具备上述特点外,还具备高频段、高精度的特点。因此,网状抛物柱面可展开天线具有重要的研究意义。
2011年,美国空间研究实验室的Stever A. Lane等人研究了PAFR(phased-array-fed reflector)大尺寸抛物柱面雷达天线(Cooley M. Phased Array Fed Reflector(PAFR) antenna architectures for space-based sensors[C]// AerospaceConference. IEEE, 2015:1-11.),该结构用伸展臂展开后构成抛物柱面网络,其展开长度为108m,天线的动力来源由电机提供,整体结构通过桁架来支撑,反射面的型面精度通过绳索来进行调节,复合应变能铰链将多个相控阵馈源面板连接起来,在螺杆导轨上进行展开和锁定。北京航空航天大学秦波等人提出了一种可展收抛物柱面天线(秦波.可展收抛物柱面天线机构的设计与分析[J].机械工程学报,2020, 56(5):100-107.),并对其展收机构进行详细分析和设计。该天线主要由网面支撑机构、索网和金属丝网反射面三部分组成,其中,网面支撑机构即为抛物柱面天线展收机构,主要包含抛物线方向上的径向展收机构和基线方向上的轴向展收机构两大部分。
通过上述分析,现有技术存在的问题及缺陷为:
当前网状抛物柱面可展开天线的频段较低,天线展开后反射面面型精度较低。
解决以上问题及缺陷的难度为:由于通信卫星的数量不断增加,使得空间电磁环境变得更加复杂,各种频段的天线之间容易相互干扰,提高天线的频段变得愈发困难难;天线的柱状径向肋为不规则的曲线肋,在进行加工时容易形成加工误差。
解决以上问题及缺陷的意义为:高频段、高精度的抛物柱面天线具有优越的通信性能,能够应对各种复杂的电磁环境,在一定程度上,有助于增加天线的通信距离。
发明内容
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线。
本发明是这样实现的,一种径向肋抛物柱面天线包括:
中心轮毂、柱状径向肋、矩形波导、馈源、撑腿、柱状副面和金属丝网;
所述中心轮毂的后端面通过连接机构固定在卫星上,所述中心轮毂的前端面与矩形波导固定连接,所述矩形波导上端通过多个撑腿与柱状副面连接;
所述柱状径向肋通过铰链与中心轮毂的外周连接,所述金属丝网连接在柱状径向肋上,在天线展开时,由柱状径向肋带动金属丝网展开。
所述柱状径向肋包含多个不同的曲线肋,所述多个不同的曲线肋组合在一起构成天线反射面的抛物柱面;
所述柱状径向肋展开到既定位置后,其所在曲线均为抛物柱面上的曲线。
进一步,所述柱状径向肋中沿抛物线方向的两根柱状径向肋为抛物线肋,沿基线方向的两根柱状径向肋为直线肋,其余的柱状径向肋为抛物柱面上的曲线肋。
进一步,所述中心轮毂的前端面和后端面之间为中心轮毂侧边,中心轮毂侧边设置有若干凸台,所述凸台上设置有铰链孔,柱状径向肋通过铰链连接在凸台上,中心轮毂的后端面设置有用于限定柱状径向肋位置的定位凸台。
进一步,所述中心轮毂内部留有矩形孔,所述矩形波导的横截面形状与所述中心轮毂内部的矩形孔的形状相同。
进一步,所述馈源设置在矩形波导的内部,且所述馈源的位置在所述柱状副面的焦点上。
进一步,所述撑腿的数量为4个,通过螺钉连接在波导上,所述柱状副面通过螺钉与4个撑腿相连接。
进一步,所述柱状副面为圆锥曲线拉伸所形成的面。
进一步,所述柱状副面为圆锥曲线中的双曲线拉伸而成,双曲线所形成的面存在两个焦点,且柱状副面的其中一个焦点与正馈抛物柱面的焦点相同,另一个焦点所在位置为所述馈源所在的位置。
进一步,相邻的单个柱状径向肋各不相同,单个柱状径向肋所在曲线为抛物柱面上的曲线,天线展开后所形成的面为抛物柱面,抛物柱面的投影面为矩形面。
进一步,所述柱状副面的上端面为凹陷式设计。
本发明的另一目的在于提供一种所述径向肋抛物柱面天线的控制方法,所述控制方法包括:径向肋抛物柱面天线在发射时需要将柱状径向肋围绕中心轮毂收拢起来;在卫星进入预定轨道后,柱状径向肋在驱动元件的作用下展开到既定位置,同时,柱状径向肋展开时也会带动金属丝网的展开;在柱状径向肋展开到既定位置后,锁紧限位装置会对其进行锁紧限位。
本发明的另一目的在于提供一种星载可展开天线,所述星载可展开天线使用所述的径向肋抛物柱面天线。
结合上述的所有技术方案,本发明所具备的优点及积极效果为:
1)本发明所设计的径向肋抛物柱面天线,在设计上具有一定的创新性,既能使得柱状径向肋带动的金属丝网展开后形成抛物柱面状,又能保证金属丝网面的面型精度,满足星载可展开天线高精度、高频段的要求。
2)本发明利用柱状径向肋作为可展开机构,来形成结构设计所要求的的抛物柱面,相比其他桁架式可展开机构,不容易形成误差累积,具有展开精度高、展开方式简单等特点。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案,下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍,显而易见地,下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例提供的径向肋抛物柱面天线在展开状态下的结构示意图。
图2是本发明实施例提供的径向肋抛物柱面天线在收拢状态下的结构示意图。
图3是本发明实施例提供的中心轮毂的结构示意图。
图4是本发明实施例提供的柱状径向肋的结构示意图。
图5是本发明实施例提供的矩形波导、馈源、撑腿和柱状副面的结构示意图。
图中:1、中心轮毂;2、定位凸台;3、凸台;4、铰链孔;5、柱状径向肋;6、柱状径向肋根部;7、柱状径向肋顶部;8、矩形波导;9、馈源;10、撑腿;11、柱状副面;12、金属丝网。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
针对现有技术存在的问题,本发明提供了一种径向肋抛物柱面天线、控制方法、星载可展开天线,下面结合附图对本发明作详细的描述。
如图1至图5所示,本发明实施例提供的径向肋抛物柱面天线包括中心轮毂1、柱状径向肋5、矩形波导8、馈源9、撑腿10、柱状副面11、金属丝网12。中心轮毂1的后端面与卫星连接在一起,前端面与矩形波导8连接在一起;中心轮毂1的内部留有波导孔,便于波导组件的设置和安装;中心轮毂的后端面凸台2起到限定柱状径向肋5位置的作用,柱状径向肋5展开到既定位置后,其根部与中心轮毂后端面定位凸台2相接触;中心轮毂边缘的凸台3上开有铰链孔4,柱状径向肋5通过铰链孔4与中心轮毂边缘的凸台3进行铰链连接,柱状径向肋5在通过铰链连接后即可进行收拢和展开;柱状径向肋根部6的所受的扭矩大于柱状径向肋顶部7,所以柱状径向肋根部6的横截面面积大于柱状径向肋7顶部的横截面面积,满足力学设计要求;矩形波导8连接在中心轮毂1的一面上,馈源9设置在矩形波导8的内部,且所述馈源的位置恰好在所述柱状副面的另一个焦点上。撑腿10通过螺钉螺接在矩形波导8上,撑腿10的数量为4个,有助于保持柱状副面11的稳定性,柱状副面11的中心被挖去一部分,有利于减轻径向肋抛物柱面天线的整体重量,这样做既不会影响所述柱状副面反射面的精度,又能减轻天线的整体质量。
所述径向肋抛物柱面天线的柱状副面可以是圆锥曲线拉伸所形成的面,本发明所述的柱状副面为圆锥曲线中的双曲线拉伸而成,双曲线所形成的面存在两个焦点,且柱状副面的其中一个焦点与正馈抛物柱面的焦点相同,另一个焦点所在位置即为所述馈源所在的位置,以此来满足天线接收和发射电磁波的光学原理。
金属丝网12连接在柱状径向肋5上,在天线展开时,由柱状径向肋带动金属丝网的展开,并保证展开后金属丝网所形成的抛物柱面的面型精度。
本发明的工作原理为:径向肋抛物柱面天线在发射时需要将柱状径向肋围绕中心轮毂收拢起来。在卫星进入预定轨道后,柱状径向肋在驱动元件的作用下展开到既定位置,同时,柱状径向肋展开时也会带动金属丝网的展开。金属丝网展开后的面型精度由柱状径向肋的参数特性来保证,在柱状径向肋展开到既定位置后,锁紧限位装置会对其进行锁紧限位,以保证其良好的工作性能。
因此,本发明解决了径向肋抛物柱面天线低频段、低精度的问题,且具有良好的经济效益,能够应用于网状抛物柱面可展开天线领域。
在本发明的描述中,除非另有说明,“多个”的含义是两个或两个以上;术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、“头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系,仅是为了便于描述本发明和简化描述,而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作,因此不能理解为对本发明的限制。此外,术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的,而不能理解为指示或暗示相对重要性。
以上所述,仅为本发明的具体实施方式,但本发明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发明揭露的技术范围内,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,都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种径向肋抛物柱面天线,包括中心轮毂、柱状径向肋、矩形波导、馈源、撑腿、柱状副面和金属丝网,其特征在于,所述中心轮毂的后端面通过连接机构固定在卫星上,所述中心轮毂的前端面与矩形波导固定连接,所述矩形波导上端通过多个撑腿与柱状副面连接;
所述柱状径向肋通过铰链与中心轮毂的外周连接,所述金属丝网连接在柱状径向肋上,在天线展开时,由柱状径向肋带动金属丝网展开。
所述柱状径向肋包含多个不同的曲线肋,所述多个不同的曲线肋组合在一起构成天线反射面的抛物柱面;
所述柱状径向肋展开到既定位置后,其所在曲线均为抛物柱面上的曲线。
2.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述柱状径向肋中沿抛物线方向的两根柱状径向肋为抛物线肋,沿基线方向的两根柱状径向肋为直线肋,其余的柱状径向肋为抛物柱面上的曲线肋。
3.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述中心轮毂的前端面和后端面之间为中心轮毂侧边,中心轮毂侧边设置有若干凸台,所述凸台上设置有铰链孔,柱状径向肋通过铰链连接在凸台上,中心轮毂的后端面设置有用于限定柱状径向肋位置的定位凸台。
4.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述中心轮毂内部留有矩形孔,所述矩形波导的横截面形状与所述中心轮毂内部的矩形孔的形状相同。
5.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述馈源设置在矩形波导的内部,且所述馈源的位置在所述柱状副面的焦点上。
6.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述撑腿的数量为4个,通过螺钉连接在波导上,所述柱状副面通过螺钉与4个撑腿相连接。
7.如权利要求1所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述柱状副面为圆锥曲线拉伸所形成的面。
8.如权利要求7所述的径向肋抛物柱面天线,其特征在于,所述柱状副面为圆锥曲线中的双曲线拉伸而成,双曲线所形成的面存在两个焦点,且柱状副面的其中一个焦点与正馈抛物柱面的焦点相同,另一个焦点所在位置为所述馈源所在的位置;
相邻的单个柱状径向肋各不相同,单个柱状径向肋所在曲线为抛物柱面上的曲线,天线展开后所形成的面为抛物柱面,抛物柱面的投影面为矩形面;
所述柱状副面的上端面为凹陷式设计。
9.一种如权利要求1~8任意一项所述径向肋抛物柱面天线的控制方法,其特征在于,所述控制方法包括:径向肋抛物柱面天线在发射时需要将柱状径向肋围绕中心轮毂收拢起来;在卫星进入预定轨道后,柱状径向肋在驱动元件的作用下展开到既定位置,同时,柱状径向肋展开时也会带动金属丝网的展开;在柱状径向肋展开到既定位置后,锁紧限位装置会对其进行锁紧限位。
10.一种星载可展开天线,其特征在于,所述星载可展开天线使用权利要求1~8任意一项所述的径向肋抛物柱面天线。
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