CN114883777B - 一种高收纳比圆极化天线 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高收纳比圆极化天线，由振子压紧释放组件、极化器及供电遥测组件、振子组件、底板、微动开关、直流连接器和射频连接器组成。天线在收拢和展开状态下，通过反馈微动开关通断状态的遥测信号向整星反馈天线状态信息。天线通过振子压紧释放组件实现天线振子组件的高收纳比折叠，并通过弹性元件实现无电机展开；极化器及供电遥测组件实现对振子压紧释放组件的供电，并反馈振子组件的收拢和展开状态遥测信号；当振子组件展开时，通过极化器分别实现左、右旋圆极化辐射特性。整个天线设计新颖，结构稳定、可靠，具有高收纳比、双圆极化的特点，且具有很好的环境适应性。

Description

一种高收纳比圆极化天线

技术领域

本发明涉及天线技术领域，特别是一种高收纳比、双圆极化天线。

背景技术

随着航天器技术的发展，特别商业航天概念的提出，微纳卫星、立方星等卫星形式应用日趋广泛。微纳卫星因为重量和体积的制约对天线的小型化和轻量化提出了极高的要求，传统星载天线无法满足微纳卫星的发展需要。传统星载天线的物理尺寸由工作频率以及增益大小决定，当天线频率较低、增益较大时，通常会造成天线尺寸和重量较大的问题，无法适用于微纳卫星等小卫星平台。20世纪60年代后期，随着航天技术的发展，一种具有可收拢和折展的天线技术迅速发展，被各国广泛应用在航天领域。天线在发射前需要依据安装要求收拢到最小尺寸，待卫星入轨后，经过控制指令使得天线按照设计要求逐步展开，并且在天线完全展开之后自锁并保持为工作状态。

针对常见的6U立方星V/UHF频段测控要求，天线工作频率较低造成天线尺寸包络较大，并且需要增大天线辐射口径实现高增益辐射特性，亟待需要设计一款高收纳比天线，满足微纳卫星对于小型化、低剖面、高增益、双圆极化的天线的需求。

发明内容

要解决的技术问题

针对目前小卫星所用天线造成卫星包络尺寸过大的问题，本发明提供一种高收纳比圆极化天线。该天线具有两种圆极化辐射模式，通过振子组件的可折展设计实现天线的高收纳比折叠，并通过弹性元件实现无电机展开；展开后的振子组件与极化器构成两组相位关系，可同时实现左、右旋圆极化辐射特性。整个天线设计新颖、结构稳定、可靠，且具有很好的环境适应性。

技术方案

一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于包括底板、极化器及供电遥测组件、振子压紧释放组件、振子组件、微动开关、直流连接器和射频连接器；所述底板为各组件安装基座并提供外接安装孔；所述极化器及供电遥测组件采用印制电路板实现，实现圆极化馈电、微动开关通断的信号反馈功能；其中，极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)射频激励信号，通过对振子组件进行馈电，可实现两种圆极化辐射模式；天线在收拢状态下，振子组件通过振子压紧释放组件固定；通电解锁后，振子组件通过振子压紧释放组件展开，构成四支振子单元；所述微动开关为一种通过端口通断表征电压信号的开关，表贴于极化器及供电遥测组件的印制电路板上，当振子组件处于收拢状态时，微动开关处于压紧状态；当振子组件处于展开状态时，微动开关处于打开状态；所述直流连接器为一种矩形连接器，反馈微动开关的电压遥测信号，判别振子组件的收拢和展开状态；所述射频连接器实现对振子组件的四处可展开振子单元进行激励，产生左、右旋圆极化辐射特性。

本发明进一步的技术方案：所述底板为中空结构，并采用星体截面共形设计，使天线可作为立方星堆叠结构的一部分而不影响整星表面其余载荷的安装。

本发明进一步的技术方案：所述的振子组件包括铰链支座、扭簧、转轴、介质座、馈线组件、振子、卡簧、接线套、IPEX连接器，振子穿过接线套后插入介质座；介质座根部为带孔圆弧结构，与铰链支座、扭簧、卡簧及转轴形成铰链结构，扭簧为振子展开提供动力；振子组件通过铰链支座安装至底板，馈线组件固定至接线套，将极化器及供电遥测组件的极化器端口与振子连接，馈线组件采用IPEX连接器与极化器及供电遥测组件的高频电路连接。

本发明进一步的技术方案：所述的振子压紧释放组件包括张紧螺钉、熔断电阻、绑扎绳、约束块、压簧，所述振子压紧释放组件采用绑扎绳缠绕熔断电阻后将振子水平向固定至约束块侧面半圆槽内，并通过张紧螺钉将绑扎绳拉紧；压簧可将约束块的侧向两处半圆形凹槽与振子组件在折叠状态下始终处于贴合状态。

本发明进一步的技术方案：所述铰链支座为两种不同弯曲度的外伸形结构，使振子可上下排列在底板侧壁。

本发明进一步的技术方案：所述转轴采用中空结构，馈线组件由内部穿过，避免展开过程中馈线组件出现受力或存在干涉。

本发明进一步的技术方案：所述熔断电阻采用金属膜色环电阻。

本发明进一步的技术方案：所述绑扎绳采用抗蠕变性能良好的大力马绳。

本发明进一步的技术方案：所述直流连接器为两组8芯表贴型矩形连接器，两组连接器互为备份，对角线布置于极化器及供电遥测组件的印制电路板上。

本发明进一步的技术方案：所述射频连接器为两组MCX连接器，两组连接器互为备份，对应极化方式相反，对角线布置于极化器及供电遥测组件的印制电路板上。

有益效果

本发明提出的一种高收纳比圆极化天线，由振子压紧释放组件、极化器及供电遥测组件、振子组件、底板、微动开关、直流连接器和射频连接器组成。该高收纳比圆极化天线(以下简称“天线”)分别对应收拢和展开两种状态。天线在收拢状态下，振子组件通过锁紧绳及卡槽固定；通电解锁后，振子组件通过弹性元件有序展开，构成四支振子单元。极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)射频激励信号，并分别对振子组件构成的四支振子单元进行馈电，分别形成两种圆极化辐射模式。天线在收拢和展开状态下，通过反馈微动开关通断状态的遥测信号向整星反馈天线状态信息。天线通过振子压紧释放组件实现天线振子组件的高收纳比折叠，并通过弹性元件实现无电机展开；极化器及供电遥测组件实现对振子压紧释放组件的供电，并反馈振子组件的收拢和展开状态遥测信号；当振子组件展开时，通过极化器分别实现左、右旋圆极化辐射特性。整个天线设计新颖，结构稳定、可靠，具有高收纳比、双圆极化的特点，且具有很好的环境适应性。本发明所述天线的有益效果是：

1、本发明通过可折展设计，实现1:47高收纳比；

2、本发明具有左、右旋圆极化辐射模式及球形辐射方向图；

3、本发明采用与整星截面共形设计，使天线可作为立方星堆叠结构的一部分而不影响整星表面其余载荷的安装；

4、本发明的天线展开形式为从星体侧壁向整星周向展开，展开路径不与星体表面其余设备干涉；

5、本发明展开动力为弹性元件的弹性势能，止动结构为机械限位，锁紧方式为残余弹性势能，收拢及展开过程无需卫星控制；

6、本发明的高频馈电电路、天线展开直流供电电路、天线收拢和展开状态遥测电路分别布置于印制电路板的正反面，具有高集成度，结构紧凑的优点，避免星体外置走线等多余物。

附图说明

为了更清楚的说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一个实施例，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为本发明的天线整体结构示意图；

图2为本发明的振子压紧释放组件示意图；

图3为本发明的张紧螺钉结构示意图；

图4为本发明的振子组件示意图；

图5为本发明的辐射方向图；

附图标记说明

1-底板、2-极化器及供电遥测组件、3-振子压紧释放组件、3-1-张紧螺钉、3-2-熔断电阻、3-3-绑扎绳、3-4-盖板、3-5-约束块、3-6-压簧、4-振子组件、4-1-铰链支座、4-2-扭簧、4-3-转轴、4-4-介质座、4-5-馈线组件、4-6-振子、4-7-卡簧、4-8-接线套、4-9-IPEX连接器、5-微动开关、6-直流连接器、7-射频连接器。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。基于本发明的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创新性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明提供一种高收纳比圆极化天线，包括：底板1、极化器及供电遥测组件2、振子压紧释放组件3、张紧螺钉3-1、熔断电阻3-2、绑扎绳3-3、盖板3-4、约束块3-5、压簧3-6、振子组件4、铰链支座4-1、扭簧4-2、转轴4-3、介质座4-4、馈线组件4-5、振子4-6、卡簧4-7、接线套4-8、IPEX连接器4-9、微动开关5、直流连接器6和射频连接器7。底板1，所述底板1为各组件安装基座并提供外接安装孔；极化器及供电遥测组件2，所述极化器及供电遥测组件2采用印制电路板实现，分别实现圆极化馈电、熔断电阻3-2的直流供电以及微动开关5通断的信号反馈功能。其中，极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)射频激励信号；四处熔断电阻3-2构成并联电路，四处微动开关5构成串联电路，并分别引至直流连接器6。振子压紧释放组件3，所述振子压紧释放组件3采用绑扎绳3-3缠绕熔断电阻3-2后将振子4-6水平向固定至约束块3-5侧面半圆槽内，并通过张紧螺钉3-1将绑扎绳3-3拉紧；振子组件4，所述振子组件4为四处可展开振子单元，振子4-6穿过接线套4-8后插入介质座4-4；介质座4-4根部为带孔圆弧结构，与铰链支座4-1、扭簧4-2、卡簧4-7及转轴4-3形成铰链结构，扭簧4-2为振子4-6展开提供动力；振子组件4通过铰链支座4-1安装至底板1，馈线组件4-5固定至接线套4-8，将极化器及供电遥测组件2的极化器端口与振子4-6连接。微动开关5，所述微动开关5为一种通过反馈电压信号判断通断状态的开关，表贴于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上，当振子组件4处于收拢状态时，微动开关5处于压紧状态；当振子组件4处于展开状态时，微动开关5处于打开状态。直流连接器6，所述直流连接器6为一种矩形连接器，表贴于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上，对四处熔断电阻3-2进行供电，并反馈微动开关5的电压遥测信号，判别振子组件4的收拢和展开状态。射频连接器7，所述射频连接器7为高频连接器，表贴于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上，实现对振子组件4的四处可展开振子单元进行激励，产生左、右旋圆极化辐射特性。

所述底板1为中空结构，并采用星体截面共形设计，在底板1表面安装舱板后可通过中空部分连接其余舱外设备；可将底板堆叠安装至星体后作为整星框架结构的一部分；使天线可作为立方星堆叠结构的一部分而不影响整星表面其余载荷的安装。

所述极化器及供电遥测组件2采用印制电路板实现，将天线的圆极化馈电、熔断电阻3-2供电以及微动开关5反馈信号三种功能集成。极化器及供电遥测组件2的高频线路及直流线路印制在电路板上下两面；极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)射频激励信号，通过对振子组件4的四个振子4-6进行馈电，可实现两种圆极化辐射模式；所述极化器及供电遥测组件2的高频电路采用MCX射频连接器，相互备份；所述极化器及供电遥测组件2的供电及遥测电路采用两组8芯表贴型连接器，相互备份；所述极化器及供电遥测组件2的供电电路采用并联方式，可在端口实现小电压、大电流；所述极化器及供电遥测组件2的供电电路的正负极均采用“三点三线”设计，各占用直流连接器6的三个点位；所述极化器及供电遥测组件2的遥测电路采用串联方式，当四个振子4-6全部展开时，反馈展开遥测信号，提高遥测信号的可靠性；所述极化器及供电遥测组件2与直流连接器6连接，对四处熔断电阻3-2进行供电，并反馈微动开关5的电压遥测信号，判别振子组件4的收拢和展开状态。

所述振子压紧释放组件3中压紧部分为水平向约束功能的绑扎绳3-3以及垂直向约束功能的约束块3-5；所述约束块3-5后端采用压簧3-6支撑，使振子4-6始终处于半圆槽内，对振子4-6的上下位置进行约束；所述压簧3-6可将约束块3-5的侧向两处半圆形凹槽与振子组件4在折叠状态下始终处于贴合状态。所述绑扎绳3-3采用抗蠕变性能良好的大力马绳，缠绕熔断电阻3-2后将振子4-6水平向固定。所述熔断电阻3-2采用金属膜色环电阻；所述张紧螺钉3-1将固定完成的绑扎绳3-3自由余量全部缠绕拉紧。所述压簧3-6弹性势能通过约束块3-5对振子4-6提供水平向压力，保证绑扎绳3-3始终与熔断电阻3-2贴合。

所述振子组件4通过异形铰链支座4-1延伸至底板1长边两侧，展开路径不与星体表面其余设备干涉，避免增加天线高度包络。所述振子组件4为以铰链支座4-1为基础的单独模块；所述铰链支座4-1为两种不同弯曲度的外伸形结构，使同侧振子4-6可上下排列在底板1侧壁，并分别内嵌于约束块3-5的上下半圆形凹槽内；所述转轴4-3采用中空结构，馈线组件4-5由内部穿过，避免展开过程中馈线组件4-5出现受力或存在干涉。所述扭簧4-2为振子4-6展开提供动力，同时在展开状态下残余弹性势能将振子4-6锁紧。所述转轴4-3采用中空结构，馈线组件4-5由内部穿过，避免展开过程中馈线组件4-5受力以及与其他结构的干涉；所述介质座4-4为带限位的圆弧结构；所述馈线组件4-5采用IPEX连接器4-9与极化器及供电遥测组件2的高频电路连接。

所述微动开关5表贴于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上，天线处于收拢状态时，通过介质座4-4对微动开关5进行压紧；天线处于展开状态时，介质座4-4对微动开关5解除压紧状态。

所述直流连接器6为两组8芯表贴型矩形连接器，两组连接器互为备份，对角线布置于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上。

所述射频连接器7为两组MCX连接器，两组连接器互为备份，对应极化方式相反，对角线布置于极化器及供电遥测组件2的印制电路板上。

如图2所示，振子压紧释放组件2采用绑扎绳3-3缠绕熔断电阻3-2后将振子4-6水平向固定至约束块3-5侧面半圆槽内，并通过张紧螺钉3-1将绑扎绳3-3拉紧，压簧3-6的弹性势能通过约束块3-5对振子4-6提供水平向压力，保证绑扎绳3-3始终与熔断电阻3-2贴合。

如图3所示，张紧螺钉3-1为螺帽带侧向孔的螺钉，绑扎绳3-3自由端穿入张紧螺钉3-1测孔后将螺钉紧固，可通过螺钉旋转缠绕绑扎绳3-3，将其打结后的自由余量全部拉紧。

如图4所示，振子4-6穿过接线套4-8后插入介质座4-4，介质座4-4根部为带孔圆弧结构，与铰链支座4-1、扭簧4-2、卡簧4-7及转轴4-3形成铰链结构，扭簧4-2的弹性势能为铰链结构展开提供动力。

如图5所示，天线安装在6U立方星体的辐射方向图，可同时覆盖对天和对地面空域。

本发明的天线工作原理如下：卫星入轨后，对天线提供电压解锁信号，完成天线振子的释放，并反馈展开遥测信号；振子在铰链内部扭簧的带动下旋转至设计位置后，由介质座机械限位，为防止振子摆动，扭簧内部留有一定的弹性势能。射频信号通过极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)激励信号，并分别对振子组件构成的四支振子单元进行馈电，分别形成两种圆极化辐射模式。

通过上述技术方案，本发明所述天线可实现高收纳比折叠，以及左、右旋圆极化辐射模，设计新颖、结构稳定、可靠，且具有很好的环境适应性。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明其他各种可能的组合方式不再另行说明。工程技术人员可根据此发明权利要求书中的思想做具体的操作实施，自然也可以根据以上所述对实施方案做一系列的变更。上述这些都应视为本发明涉及的范围。

Claims (10)

1.一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于包括底板(1)、极化器及供电遥测组件(2)、振子压紧释放组件(3)、振子组件(4)、微动开关(5)、直流连接器(6)和射频连接器(7)；所述底板(1)为各组件安装基座并提供外接安装孔；所述极化器及供电遥测组件(2)采用印制电路板实现，实现圆极化馈电、微动开关(5)通断的信号反馈功能；其中，极化器产生两组幅度相等，相位关系依次为(0°，90°，180°，270°)和(0°，-90°，-180°，-270°)射频激励信号，通过对振子组件(4)进行馈电，可实现两种圆极化辐射模式；天线在收拢状态下，振子组件(4)通过振子压紧释放组件(3)固定；通电解锁后，振子组件(4)通过振子压紧释放组件(3)展开，构成四支振子单元；所述微动开关(5)为一种通过端口通断表征电压信号的开关，表贴于极化器及供电遥测组件(2)的印制电路板上，当振子组件(4)处于收拢状态时，微动开关(5)处于压紧状态；当振子组件(4)处于展开状态时，微动开关(5)处于打开状态；所述直流连接器(6)为一种矩形连接器，反馈微动开关(5)的电压遥测信号，判别振子组件(4)的收拢和展开状态；所述射频连接器(7)实现对振子组件(4)的四处可展开振子单元进行激励，产生左、右旋圆极化辐射特性。

2.根据权利要求1所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述底板(1)为中空结构，并采用星体截面共形设计，使天线可作为立方星堆叠结构的一部分而不影响整星表面其余载荷的安装。

3.根据权利要求1所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述的振子组件(4)包括铰链支座(4-1)、扭簧(4-2)、转轴(4-3)、介质座(4-4)、馈线组件(4-5)、振子(4-6)、卡簧(4-7)、接线套(4-8)、IPEX连接器(4-9)，振子(4-6)穿过接线套(4-8)后插入介质座(4-4)；介质座(4-4)根部为带孔圆弧结构，与铰链支座(4-1)、扭簧(4-2)、卡簧(4-7)及转轴(4-3)形成铰链结构，扭簧(4-2)为振子(4-6)展开提供动力；振子组件(4)通过铰链支座(4-1)安装至底板(1)，馈线组件(4-5)固定至接线套(4-8)，将极化器及供电遥测组件(2)的极化器端口与振子(4-6)连接，馈线组件(4-5)采用IPEX连接器(4-9)与极化器及供电遥测组件(2)的高频电路连接。

4.根据权利要求3所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述的振子压紧释放组件(3)包括张紧螺钉(3-1)、熔断电阻(3-2)、绑扎绳(3-3)、约束块(3-5)、压簧(3-6)，所述振子压紧释放组件(3)采用绑扎绳(3-3)缠绕熔断电阻(3-2)后将振子(4-6)水平向固定至约束块(3-5)侧面半圆槽内，并通过张紧螺钉(3-1)将绑扎绳(3-3)拉紧；压簧(3-6)可将约束块(3-5)的侧向两处半圆形凹槽与振子组件(4)在折叠状态下始终处于贴合状态。

5.根据权利要求3所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述铰链支座(4-1)为两种不同弯曲度的外伸形结构，使振子(4-6)可上下排列在底板(1)侧壁。

6.根据权利要求3所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述转轴(4-3)采用中空结构，馈线组件(4-5)由内部穿过，避免展开过程中馈线组件(4-5)出现受力或存在干涉。

7.根据权利要求4所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述熔断电阻(3-2)采用金属膜色环电阻。

8.根据权利要求4所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述绑扎绳(3-3)采用抗蠕变性能良好的大力马绳。

9.根据权利要求1所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述直流连接器(6)为两组8芯表贴型矩形连接器，两组连接器互为备份，对角线布置于极化器及供电遥测组件(2)的印制电路板上。

10.根据权利要求1所述的一种高收纳比可展开圆极化天线，其特征在于所述射频连接器(7)为两组MCX连接器，两组连接器互为备份，对应极化方式相反，对角线布置于极化器及供电遥测组件(2)的印制电路板上。