CN114256604B - 基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，包括折展支撑结构、支撑立柱、索网结构以及柔性反射面，折展支撑结构由若干三棱柱可折展单元排列而成，三棱柱可折展单元包括三根竖直放置的腹杆，每根腹杆的顶端可转动连接两根上弦杆，每根腹杆的底端可转动连接两根下弦杆，通过三棱柱单元可折展设计实现天线支撑结构的展开，索网结构为柔性反射面的成形提供张力，柔性反射面铺设在索网结构上，张拉成特定的抛物柱状曲面，采用三棱柱可折展单元实现天线结构的展开，通过三棱柱可折展单元的拼接可拓展天线的展开尺寸，同时提升了天线反射面支撑结构的刚度利于反射面高精度成形与形面保持，适应于星载大型载荷天线反射器。

Description

基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线
技术领域
本发明属于天线的设计领域，尤其涉及基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线。
背景技术
随着空间科学技术的迅猛发展，卫星天线已成为各航天系统不可或缺的重要组成部分，在卫星通信、深空探测、对地观测和陆地遥感等领域发挥着重大的作用。为了满足高增益、多频段等使用要求，星载天线朝着大型化、高精度等方向发展；同时受运载能力的限制，轻量化、可收展是星载天线的必然趋势。
星载柱面天线是各类型星载天线的一种，其具有方向性强、增益高、易于光束自动扫描等特点，成为星载天线新的主要发展方向之一。目前，星载柱面天线已开始应用于降水雷达、通信卫星等多类航天器上，如美国PR-2降雨雷达天线采用抛物柱面形式。星载大型可展开柱面天线多采用充气展开形式或者网状反射面可展结构形式。充气式天线反射面采用柔性材料并通过充气的形式展开，相比于网状天线，其展开型面精度控制难度大且展开稳定性较差。已公布的申请号为201611087678.3的四棱柱模块化可展开抛物柱面天线支撑结构由四个正交的四边形折展单元组成的四棱柱模块单元拼接而成，虽实现了两轴展开的运动协调，但由四边形折展单元组成的四棱柱模块刚度低、易变形、不稳定，不利于反射面高精度成形和形面保持；已公布的申请号为201710616247.X的基于张拉结构的抛物柱面网状天线采用铰接肋与一维桁架实现柱面天线两个方向的展开，铰接肋与一维桁架是开环结构，天线支撑结构刚度低，通过张拉具有一定的刚度提升，但提升有限，支撑结构依然存在着结构易变形、稳定性差等不利于反射面成形与形面保持等缺陷。
发明内容
本发明的目的是提供基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，通过三棱柱可折展单元的拼接可拓展天线的展开尺寸，同时提升了天线反射面支撑结构的刚度利于反射面高精度成形与形面保持。
为解决上述问题，本发明的技术方案为：
基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，包括索网结构、折展支撑结构、支撑立柱和柔性反射网，所述柔性反射网和所述支撑立柱分别位于所述索网结构的上方和下方，所述折展支撑结构位于所述支撑立柱的下方；
所述折展支撑结构由若干三棱柱可折展单元排列而成，所述三棱柱可折展单元包括三根竖直放置的腹杆，每根所述腹杆的顶端可转动连接两根上弦杆，每根所述腹杆的底端可转动连接两根下弦杆；
当需要展开所述抛物柱面天线时，所述相邻两根腹杆间的一对上弦杆之间夹角转动至180°，且相邻所述上弦杆连接组成上三角框，所述相邻两根腹杆间的一对下弦杆之间夹角转动至180°，且相邻所述下弦杆连接组成下三角框；
当需要收拢所述抛物柱面天线时，所述上三角框与下三角框的三边通过外力辅助同时解锁，所述上弦杆向下转动至与所述腹杆相平行，所述下弦杆向上转到至与所述腹杆相平行；
所述三棱柱可折展单元带动所述折展支撑结构展开，当所述折展支撑结构展开到位后，所述折展支撑结构的上表面和下表面分别形成同心轴的前圆柱面和后圆柱面，所述索网结构的上表面张拉成抛物柱面形状，所述柔性反射面铺设于所述索网结构上，张拉成抛物柱状曲面。
优选地，所述索网结构为单层索网结构或双层索网结构。
优选地，当所述索网结构采用双层索网结构时，所述索网结构包括前索网、张紧索及背索网，所述张紧索设于所述前索网与所述背索网之间，用于连接所述前索网与所述背索网，使得前索网的节点落在抛物柱面上。
优选地，所述前圆柱面及所述后圆柱面与采用最小二乘法拟合抛物柱面的圆柱面同心，所述前圆柱面及所述后圆柱面的半径R1和R2满足几何关系R1>R+Dmax，R2＝R1+L腹杆，式中R为拟合圆柱面半径，Dmax为R与抛物线段上到圆心距离差值的最大值。
优选地，所述支撑立柱的长度通过所述前圆柱面与抛物柱面相对应的节点距离确定。
优选地，所述折展支撑结构内部的三棱柱可折展单元的上三角框及下三角框为等边三角形；
所述折展支撑结构边界的三棱柱可折展单元的上三角框及下三角框为直角三角形。
优选地，所述上弦杆、所述下弦杆和所述腹杆的杆长满足关系式：L腹杆>L上弦杆+L下弦杆，式中L腹杆为所述腹杆的杆长，L上弦杆为所述上弦杆的杆长，L下弦杆为所述下弦杆的杆长。
优选地，所述上弦杆与所述腹杆的顶端、所述下弦杆与所述腹杆的底端均通过花盘进行连接。
优选地，所述柔性反射网为金属网或高分子膜网。
本发明由于采用以上技术方案，使其与现有技术相比具有以下的优点和积极效果：
1.本发明采用基于三棱柱单元可折展结构，通过三棱柱可折展单元的拼接可拓展天线的展开尺寸，易于实现天线口径的大型化。
2.本发明基于三棱柱单元的抛物柱面天线反射器是闭环可展结构，且展开支撑结构上下表面由稳定的三角形组成，提升了天线整体结构展开态的刚度，易于反射面的高精度成形。
附图说明
图1为本发明实施例提供的基于三棱柱折展单元的抛物柱面天线示意图；
图2为本发明实施例的抛物柱面天线反射面拟合示意图；
图3为图2中A处的放大图；
图4为本发明实施例提供的基于三棱柱折展单元的抛物柱面天线三棱柱可折展单元的收拢状态示意图；
图5为图4中B处的放大图；
图6为本发明实施例提供的基于三棱柱折展单元的抛物柱面天线三棱柱可折展单元的展开状态示意图；
图7为本发明实施例提供的基于三棱柱折展单元的的抛物柱面天线的单层索网结构示意图；
图8为本发明实施例提供的基于三棱柱折展单元的的抛物柱面天线的双层索网结构示意图。
附图标记说明：
1：索网结构；11：单层索网结构；12：双层索网结构；121：前索网；122：张紧索；123：背索网；2：折展支撑结构；21：三棱柱可折展单元；211：腹杆；212：上弦杆；213：下弦杆；214：花盘；215：弦杆同步接头；216：连接头；3：支撑立柱；4：柔性反射网。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明提出的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线作进一步详细说明。根据下面说明和权利要求书，本发明的优点和特征将更清楚。
参看图1所示，本实施例提供了基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，包括索网结构1、折展支撑结构2、支撑立柱3和柔性反射网4，柔性反射网4和支撑立柱3分别位于索网结构1的上方和下方，折展支撑结构2位于支撑立柱3的下方；
参看图2至图5所示，折展支撑结构2由若干三棱柱可折展单元21排列而成，三棱柱可折展单元21包括三根竖直放置的腹杆211，每根腹杆211的顶端可转动连接两根上弦杆212，每根腹杆211的底端可转动连接两根下弦杆213，在本实施例中，腹杆211与上弦杆212、腹杆211与下弦杆213均通过花盘214进行连接，弦杆同步接头215两侧均通过弦杆与连接头216连接，花盘214与弦杆之间通过连接头216进行连接；
当需要展开抛物柱面天线时，与弦杆同步接头215连接的一对上弦杆212之间夹角转动至180°，且与相邻花盘214连接组成上三角框，与弦杆同步接头215连接的一对下弦杆213之间夹角转动至180°，且与相邻花盘214组成下三角框，当需要收拢抛物柱面天线时，上三角框的三边与下三角框的三边通过外力辅助同时解锁，上弦杆212向下转动至与腹杆211相平行贴靠，下弦杆213向上转动至与腹杆211相平行贴靠；弦杆同步接头215与连接头216内部含有弹簧驱动元件，弹簧驱动元件可以实现上弦杆212与下弦杆214往腹杆211收拢以及展开，进而实现可折展支撑结构2的收拢和展开，弦杆同步接头215上还可以设置展开限位块，实现上下弦杆展开到位控制；
作为本实施例的优选例，参看图1及图2所示，折展支撑结构2内部的三棱柱可折展单元21的上三角框及下三角框为等边三角形，折展支撑结构2边界的三棱柱可折展单元21的上三角框及下三角框为直角三角形。
上弦杆212、下弦杆213和腹杆211的杆长满足关系式：L腹杆>L上弦杆+L下弦杆，式中L腹杆为腹杆211的杆长，L上弦杆为上弦杆212的杆长，L下弦杆为下弦杆213的杆长。
三棱柱可折展单元21带动折展支撑结构2展开，当折展支撑结构2展开到位后，折展支撑结构2的上表面和下表面分别形成同心轴的前圆柱面和后圆柱面，索网结构1的上表面张拉成抛物柱面形状，柔性反射面4铺设于索网结构1上，张拉成抛物柱状曲面，参看图6所示，支撑立柱3的前连接点即索网结构1的节点坐落在抛物柱面上，支撑立柱3的后连接点即天线支撑结构上表面花盘的前表面中心坐落在前圆柱面上，天线支撑结构下表面花盘的后表面中心坐落在后圆柱面上，前后圆柱面的拟合方法如下：首先，采用最小二乘法进行圆柱面拟合抛物柱面方程，由于圆柱面在横向切面为圆弧，纵向切面为直线，拟合可以简化成圆弧方程对抛物线方程的拟合，获取误差平方和最小的拟合圆弧的圆心O'以及半径R；其次保持圆心O'不变，增大半径至R1和R2分别为前圆柱面与后圆柱面的圆弧半径，满足几何关系R1>R+Dmax，R2＝R1+L腹杆，式中Dmax为R与抛物线段上到圆心O'距离差值的最大值；最后，综合考虑折展机构收拢后的包络空间约束、天线展开后的刚度，将前、后圆柱面的圆弧均等分为n段；折展支撑结构2的三棱柱可折展单元的腹杆211指向圆心O'，天线折展支撑结构的自由度为1，在收展过程中，具有很好的几何协调性能。支撑立柱3的长度通过所述前圆柱面与抛物柱面相对应的节点距离确定。
作为本实施例的一个优选例，参看图7及图8所示，索网结构1根据反射面的精度需求可设计为单层索网结构11或双层索网结构12。
参看图8所示，当索网结构1采用双层索网结构12时，索网结构12包括前索网121、张紧索122及背索网123，张紧索122设于前索网121与背索网123之间，用于连接前索网121与背索网123，使得前索网121的节点落在抛物面上；
当索网结构1采用单层索网结构11时，单层索网结构11的节点张拉于支撑立柱3的前连接点，索网反射面的原理误差取决于支撑立柱3前连接点组成的三角形尺寸大小；当索网结构1为双层索网结构12，索网反射面的原理误差取决于前索网121沿抛物线母线方向网格尺寸的划分，背索网123的连接硬点张拉于支撑立柱3的后连接点，前索网121与背索网123相对应的节点由张紧索122连接，可通过张紧索122的调节实现索网反射面的高精度成形。抛物柱面索网设计的原理误差可近似计算为：式中F为抛物柱面的焦距，l为三角形或四边形沿抛物线母线方向的边长。
作为本实施例的一个优选例，柔性反射面4为单层柔性金属网或膜类材料，该柔性反射面4张拉于索网结构1上，且该柔性反射面4具有一定的张力，通过索网张拉使得柔性反射面4成形。
本发明公开了基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，包括折展支撑结构、支撑立柱、索网结构以及柔性反射面，折展支撑结构由若干三棱柱可折展单元排列而成，三棱柱可折展单元包括三根竖直放置的腹杆，每根腹杆的顶端可转动连接两根上弦杆，每根腹杆的底端可转动连接两根下弦杆，通过三棱柱单元可折展设计实现天线支撑结构的展开，索网结构为柔性反射面的成形提供张力，可根据反射面精度需求设计成单层或双层索网结构形式，柔性反射面铺设在索网结构上，张拉成特定的抛物柱状曲面，采用三棱柱可折展单元实现天线结构的展开，通过三棱柱可折展单元的拼接可拓展天线的展开尺寸，同时提升了天线反射面支撑结构的刚度利于反射面高精度成形与形面保持，适应于星载大型载荷天线反射器。
上面结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但是本发明并不限于上述实施方式。即使对本发明作出各种变化，倘若这些变化属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则仍落入在本发明的保护范围之中。

Claims (8)

1.基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，包括索网结构、折展支撑结构、支撑立柱和柔性反射网，所述柔性反射网和所述支撑立柱分别位于所述索网结构的上方和下方，所述折展支撑结构位于所述支撑立柱的下方，其特征在于；
所述折展支撑结构由若干三棱柱可折展单元排列而成，所述三棱柱可折展单元包括三根竖直放置的腹杆，每根所述腹杆的顶端可转动连接两根上弦杆，每根所述腹杆的底端可转动连接两根下弦杆；
当需要展开所述抛物柱面天线时，相邻两根腹杆间的一对上弦杆之间夹角转动至180°，且相邻所述上弦杆连接组成上三角框，所述相邻两根腹杆间的一对下弦杆之间夹角转动至180°，且相邻所述下弦杆连接组成下三角框；
当需要收拢所述抛物柱面天线时，所述上三角框与下三角框的三边通过外力辅助同时解锁，所述上弦杆与下弦杆转动至与所述腹杆相平行；
所述三棱柱可折展单元带动所述折展支撑结构展开，当所述折展支撑结构展开到位后，所述折展支撑结构的上表面和下表面分别形成同心轴的前圆柱面和后圆柱面，所述索网结构的上表面张拉成抛物柱面形状，所述柔性反射网铺设于所述索网结构上，张拉成抛物柱状曲面；
所述前圆柱面及所述后圆柱面与采用最小二乘法拟合抛物柱面的圆柱面同心，所述前圆柱面及所述后圆柱面的半径R1和R2满足几何关系R1>R+Dmax，R2＝R1+L腹杆，式中R为拟合圆柱面半径，Dmax为R与抛物线段上到圆心距离差值的最大值；
所述上弦杆和下弦杆的两端以及中间部均设有含有弹簧驱动元件的接头，所述弹簧驱动元件用于实现所述上弦杆与所述下弦杆收拢以及展开，位于中间部的接头上还设置展开限位块，用于对所述上弦杆和所述下弦杆展开限位；所述腹杆指向圆心O'，所述折展支撑结构的自由度为1。
2.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述索网结构为单层索网结构或双层索网结构。
3.根据权利要求2所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，当所述索网结构采用双层索网结构时，所述索网结构包括前索网、张紧索及背索网，所述张紧索设于所述前索网与所述背索网之间，用于连接所述前索网与所述背索网，使得前索网的节点落在抛物柱面上。
4.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述支撑立柱的长度通过所述前圆柱面与抛物柱面相对应的节点距离确定。
5.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述折展支撑结构内部的三棱柱可折展单元的上三角框及下三角框为等边三角形；
所述折展支撑结构边界的三棱柱可折展单元的上三角框及下三角框为直角三角形。
6.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述上弦杆、所述下弦杆和所述腹杆的杆长满足关系式：L腹杆>L上弦杆+L下弦杆，式中L腹杆为所述腹杆的杆长，L上弦杆为所述上弦杆的杆长，L下弦杆为所述下弦杆的杆长。
7.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述上弦杆与所述腹杆的顶端、所述下弦杆与所述腹杆的底端均通过花盘进行连接。
8.根据权利要求1所述的基于三棱柱可折展单元的抛物柱面天线，其特征在于，所述柔性反射网为金属网或高分子膜网。
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