CN116031606A - 一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，包括中心体，与中心体连接的展开机构，设置在中心体上的天线和设置在中心体下方用于对展开机构和天线固定的锁定机构。本发明提供的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其结构简单、收纳包络小、展开过程可靠、展开后形面精度高，可满足Ka频段使用要求。

Description

一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种用于星间通信、对地遥感的缠绕式收纳高精度反射面天线装置。

背景技术

随着微小卫星技术的发展，基于微小卫星的深空通信、对地遥感观测等任务日益增多。为提高通信速率或对地分辨率，多种航天应用场景对高精度小口径高收纳效率的可展开反射面天线提出了需求。

目前高收纳效率可展开反射面天线通常为旋转抛物面形式，主要采用金属丝网作为接收和反射电磁波的主体。金属丝网为柔性材料，需要施加预张力保持平面构型。美国Mark W.THOMSON等人在《PARABOLIC DEPLOYABLE ANTENNA》(US 2019/0173194Al)中提出了一种可用于35.75GHz的0.5m口径可展开反射面天线，通过将30条径向肋二次折叠，实现天线收纳体积约1.6U，并依靠电机驱动展开到位机构保持对金属丝网的预紧。中国吴明儿等人在《高收纳比缠绕肋式可展开天线结构》(CN 108767418B)中提出了一种将径向支撑肋绕中心体缠绕收纳的高效率收纳方案，由于反射面采用金属丝网，缠绕肋展开后周向需要较高的刚度用于维持网面的构型，仅适用于X及以下频段。

由于采用金属丝网的反射面天线需要预紧成型，且通过金属丝网平面片对旋转抛物面进行近似拟合，为实现高精度反射面，需要较多的支撑肋数量和连接点数量，进而导致整体构型实施和装调困难。为减少支撑连接点数量，简化小口径可展开天线背部支撑结构，提高展开后的形面精度，采用具有局部弯曲刚度的柔性碳纤维复合材料壳面是一种有效的解决方法。

发明内容

本发明是为了克服现有技术中高精度金属丝网可展开天线需要较多结构支撑点的问题，提供一种缠绕式收纳高精度反射面天线装置，其结构简单、收纳包络小、展开过程可靠、展开后形面精度高，可满足Ka频段使用要求。

本发明提供一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，包括中心体，与中心体连接的展开机构，设置在中心体上的天线和设置在中心体下方用于对展开机构和天线固定的锁定机构；

展开机构包括与中心体相连的可展开的柔性壳面，设置在柔性壳面外侧的若干支撑杆和与支撑杆一一对应且两端分别固定在中心体、支撑杆上的薄壁可展开柱壳杆；

天线包括与中心体固定连接的馈源喇叭，设置在馈源喇叭外侧且一端与馈源喇叭底部连接能够沿馈源喇叭轴线方向上下运动的圆柱压簧，设置在圆柱压簧另一端的副反支撑环，一端固定设置在副反支撑环上的副反支撑杆，设置在副反支撑杆另一端的副反；

锁定机构包括与中心体相连的锁定固定件，通过深沟球轴承与锁定固定件相连的锁定转动盘，与锁定转动盘相连的摇杆支座，设置在摇杆支座上的锁定摇杆，设置在锁定转动盘上的涡卷扭簧，设置在中心体上的熔断式切割器、锁定绳支架，绕过熔断式切割器并穿过锁定绳支架、支撑杆的锁定绳和两端分别与锁定绳、锁定转动盘连接的附属锁定绳。锁定摇杆一端用于实现对副反支撑环的锁定，另一端位于锁定转动盘的滑槽内。从锁定固定件到馈源喇叭间提供圆形波导通道。圆形波导根部布置圆方过渡波导，与信道通过标准波导口匹配连接。

锁定时，锁定绳绕过熔断式切割器，通过锁定绳支架后将柔性壳面和薄壁可展开柱壳杆绕中心体中心轴线缠绕式高效率折叠收纳锁定，副反支撑环通过锁定摇杆压紧到锁定位置，锁定转动盘通过附属锁定绳限位到锁定状态。展开时，熔断式切割器供电一段时间，锁定绳切断，薄壁可展开柱壳杆有序展开至工作状态，附属锁定绳同步释放，实现对副反支撑环的解锁，最终副反支撑环在圆柱压簧的作用下到位后锁定。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，馈源喇叭包括与一侧中心体连接的法兰安装面，设置在法兰安装面另一侧的喇叭，沿喇叭延伸方向设置在喇叭外表面用于在展开过程中对副反支撑环进行导向的轴向导向槽，设置在喇叭上远离法兰安装面一端且位于轴向导向槽内用于在展开状态下对副反支撑环进行机械限位锁定的凹槽，设置在喇叭上靠近法兰安装面一端且位于轴导向槽内用于锁定摇杆的锁定端穿过的径向开孔。馈源喇叭上预制副反支撑环锁定所需的径向开孔和限位凹槽。喇叭用于电磁波的辐射和接收。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，支撑杆包括一端与柔性壳面粘结的支杆，设置在支杆上且与薄壁可展开柱壳杆匹配的圆柱面，设置在圆柱面上用于约束薄壁可展开柱壳杆的连接孔，设置在支杆上用于锁定绳穿过的穿线孔和设置在支杆另一端用于在收纳状态下限定径向位置的限位挡杆。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，锁定转动盘包括与深沟球轴承相连的安装面、限位面，与锁定摇杆一端接触且用于限定锁定摇杆一端空间位置的滑槽，与涡卷扭簧连接的挡杆和与附属锁定绳连接的螺纹孔。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，柔性壳面的材料为单层或双层碳纤维三向织物复合材料。柔性壳面在专用模具上成型，为整个旋转抛物面的一部分，固化成型后的柔性壳面与对应的薄壁可展开柱壳杆的根部和自由端通过2点连接。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，在柔性壳面上根据收纳模式设有若干条折痕。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，薄壁可展开柱壳杆材料为碳纤维复合材料。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，薄壁可展开壳柱的数量为9个。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，在锁定转动盘上设有三个锁定摇杆。

本发明所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，作为优选方式，在副反和副反支撑环之间设有三个副反支撑杆。

上述方案的原理是：采用单层或双层碳纤维三向织物复合材料沿一定角度铺设固化成型后的薄壁复合材料壳面具有局部抗弯刚度，且具有较小的弹性弯曲曲率半径，可以实现壳面高效弯曲收纳。柔性壳面正面为天线的反射面，可以反射电磁波。柔性壳面上提前预制折痕，便于保持多次折展行为的一致性。柔性壳面在中心和边缘位置分别与多个薄壁可展开柱壳杆连接。薄壁可展开柱壳杆采用碳纤维复合材料成型，截面为圆弧的一部分，能够高效率弯曲收纳。当薄壁可展开柱壳杆绕中心体中心轴线旋转式收纳时，带动柔性壳面沿折痕发生弹性弯曲变形，并同步缠绕到中心体中心轴线上。柔性壳面缠绕收纳状态外包络直径与可展开柱壳杆缠绕收纳状态外包络直径相当。采用绕过熔断式切割器和锁定绳支架的锁定绳将收纳状态的所有薄壁可展开柱壳杆捆绑约束。将副反支撑环向下按压至3个锁定摇杆能够对其进行锁定的位置，旋转锁定转动盘使得3个锁定摇杆通过锁定转动盘上滑槽的约束运动到锁定状态，完成对副反支撑环的锁定。采用附属锁定绳与锁定转动盘上的连接孔连接，完成对锁定转动盘的锁定。柔性反射面天线锁定时，锁定绳支架处于竖立状态。对熔断式切割器进行供电，锁定绳切断后，锁定绳支架在扭簧的驱动下转动至水平状态，并带动锁定绳从支撑杆上的穿线孔中脱出，解除对薄壁可展开柱壳杆的约束，薄壁可展开柱壳杆在自身存储的弹性能驱动下展开，并带动柔性壳面展开。同时，随着锁定绳的解锁释放，附属锁定绳随之释放，锁定转动盘在涡卷扭簧驱动下转动，驱动3个锁定摇杆运动至解锁状态，完成对副反支撑环的解锁。副反支撑环在圆柱压簧的驱动下向上运动，到达机械限位后，通过径向布置的3个压簧锁定销实现定位锁定，完成副反的展开到位锁定。

本发明与现有技术相比的优点在于：本发明由于采用柔性碳纤维复合材料壳面，可以缠绕式弹性折叠收纳，展开后具有局部抗弯刚度，相比金属丝网面，无需施加张力，具有在较少结构支撑点情况下的高精度保形能力。柔性壳面采用碳纤维薄壁可展开柱壳杆提供支撑点和展开驱动，展开后可展开柱壳杆自行锁定，具有结构简单、热膨胀系数低、热稳定性能好的优点。采用1套熔断式切割器和无源驱动联动机构实现对柔性壳面和副反的同时解锁，能耗需求少、结构集成度高。缠绕式收纳高精度柔性反射面天线可为各类微小卫星Ka频段天线载荷应用提供新的技术解决途径。

附图说明

图1为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置工作状态示意图；

图2为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置背部状态示意图；

图3为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置收纳状态示意图；

图4为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置收纳状态剖视图；

图5为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置壳柱支撑杆示意图；

图6为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置馈源喇叭示意图；

图7为一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置锁定转动盘示意图。

附图标记：

1、柔性壳面；2、副反；3、副反支撑杆；4、副反支撑环；5、馈源喇叭；51、喇叭；52、凹槽；53、轴向导向槽；54、法兰安装面；55、径向开孔；6、圆柱压簧；7、中心体；8、薄壁可展开柱壳杆；9、支撑杆；91、支杆；92、穿线孔；93、限位挡杆；94、圆柱面；95、连接孔；10、熔断式切割器；11、锁定绳支架；12、锁定转动盘；121、安装面；122、限位端面；123、滑槽；124、挡杆；125、螺纹孔；13、锁定固定件；14、锁定绳；15、附属锁定绳；16、锁定摇杆；17、摇杆支座；18、深沟球轴承；19、涡卷扭簧。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图1～4所示，一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，包括中心体7，与中心体7连接的展开机构，设置在中心体7上的天线和设置在中心体7下方用于对展开机构和天线固定的锁定机构；

展开机构包括与中心体7相连的可展开的柔性壳面1，设置在柔性壳面1外侧的9个支撑杆9和与支撑杆9一一对应且两端分别固定在中心体7、支撑杆9上的薄壁可展开柱壳杆8；柔性壳面1的材料为单层或双层碳纤维三向织物复合材料，在柔性壳面1上根据收纳模式设有若干条折痕；薄壁可展开柱壳杆8材料为碳纤维复合材料；

如图5所示，支撑杆9包括一端与柔性壳面1连接的支杆91，设置在支杆91上且与薄壁可展开柱壳杆8匹配的圆柱面94，设置在圆柱面94上用于约束薄壁可展开柱壳杆8的连接孔95，设置在支杆91上用于锁定绳14穿过的穿线孔92和设置在支杆91另一端用于在收纳状态下限定径向位置的限位挡杆93；

天线包括与中心体固定连接的馈源喇叭5，设置在馈源喇叭5外侧且一端与馈源喇叭5底部连接能够沿馈源喇叭5轴线方向上下运动的圆柱压簧6，设置在圆柱压簧6另一端的副反支撑环4，一端固定设置在副反支撑环4上的三个副反支撑杆3，设置在副反支撑杆3另一端的副反2；

如图6所示，馈源喇叭5包括与一侧中心体7连接的法兰安装面54，设置在法兰安装面54另一侧的喇叭51，沿喇叭51延伸方向设置在喇叭51外表面用于在展开过程中对副反支撑环4进行导向的轴向导向槽53，设置在喇叭51上远离法兰安装面54一端且位于轴向导向槽53内用于在展开状态下对副反支撑环4进行机械限位锁定的凹槽52和设置在喇叭51上靠近法兰安装面54一端且位于轴导向槽53内用于锁定摇杆16的锁定端穿过的径向开孔55；

锁定机构包括与中心体7相连的锁定固定件13，通过深沟球轴承18与锁定固定件13相连的锁定转动盘12，与锁定转动盘12相连的摇杆支座17，设置在摇杆支座17上的三个锁定摇杆16，设置在锁定转动盘12上的涡卷扭簧19，设置在中心体7上的熔断式切割器10、锁定绳支架11，绕过熔断式切割器10并穿过锁定绳支架11、锁定支撑杆9的锁定绳14和两端分别与锁定绳14、锁定转动盘12连接的附属锁定绳15。

如图7所示，锁定转动盘12包括与深沟球轴承18相连的安装面121、限位面122，与锁定摇杆16一端接触且用于限定锁定摇杆16一端空间位置的滑槽123，与涡卷扭簧19连接的档杆124和与附属锁定绳15连接的螺纹孔125。

本实施例在使用过程中，当锁定时，锁定绳14绕过熔断式切割器10后，通过锁定绳支架11后将柔性壳面1和薄壁可展开柱壳杆8绕中心体7中心轴线缠绕式高效率折叠收纳锁定，副反支撑环4通过锁定摇杆16压紧到锁定位置，锁定转动盘12通过附属锁定绳15限位到锁定状态；当展开时，熔断式切割器10供电一段时间，锁定绳14被切断，薄壁可展开柱壳杆8有序展开至工作状态，附属锁定绳15同步释放，实现对副反支撑环4的解锁，最终副反支撑环4在圆柱压簧6的作用下到位后锁定。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，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，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：包括中心体(7)，与所述中心体(7)连接的展开机构，设置在所述中心体(7)上的天线和设置在所述中心体(7)下方用于对所述展开机构和所述天线固定的锁定机构；

所述展开机构包括与所述中心体(7)相连的可展开的柔性壳面(1)，设置在所述柔性壳面(1)外侧的若干支撑杆(9)和与所述支撑杆(9)一一对应且两端分别固定在所述中心体(7)、所述支撑杆(9)上的薄壁可展开柱壳杆(8)；

所述天线包括与所述中心体固定连接的馈源喇叭(5)，设置在所述馈源喇叭(5)外侧且一端与所述馈源喇叭(5)底部连接能够沿所述馈源喇叭(5)轴线方向上下运动的圆柱压簧(6)，设置在所述圆柱压簧(6)另一端的副反支撑环(4)，一端固定设置在所述副反支撑环(4)上的副反支撑杆(3)，设置在所述副反支撑杆(3)另一端的副反(2)；

所述锁定机构包括与所述中心体(7)相连的锁定固定件(13)，通过深沟球轴承(18)与所述锁定固定件(13)相连的锁定转动盘(12)，与所述锁定转动盘(12)相连的摇杆支座(17)，设置在所述摇杆支座(17)上的锁定摇杆(16)，设置在所述锁定转动盘(12)上的涡卷扭簧(19)，设置在所述中心体(7)上的熔断式切割器(10)、锁定绳支架(11)，绕过所述熔断式切割器(10)并穿过所述锁定绳支架(11)、所述支撑杆(9)的锁定绳(14)和两端分别与所述锁定绳(14)、所述锁定转动盘(12)连接的附属锁定绳(15)。

2.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：所述馈源喇叭(5)包括与一侧所述中心体(7)连接的法兰安装面(54)，设置在所述法兰安装面(54)另一侧的喇叭(51)，沿所述喇叭(51)延伸方向设置在所述喇叭(51)外表面用于在展开过程中对所述副反支撑环(4)进行导向的轴向导向槽(53)，设置在所述喇叭(51)上远离所述法兰安装面(54)一端且位于所述轴向导向槽(53)内用于在展开状态下对所述副反支撑环(4)进行机械限位锁定的凹槽(52)和设置在所述喇叭(51)上靠近所述法兰安装面(54)一端且位于所述轴向导向槽(53)内用于所述锁定摇杆(16)的锁定端穿过的径向开孔(55)。

3.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：所述支撑杆(9)包括一端与所述柔性壳面(1)粘结的支杆(91)，设置在所述支杆(91)上且与所述薄壁可展开柱壳杆(8)匹配的圆柱面(94)，设置在所述圆柱面(94)上用于约束所述薄壁可展开柱壳杆(8)的连接孔(95)，设置在所述支杆(91)上用于所述锁定绳(14)穿过的穿线孔(92)和设置在所述支杆(91)上另一端用于在收纳状态下限定径向位置的限位档杆(93)。

4.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：所述锁定转动盘(12)包括与所述深沟球轴承(18)相连的安装面(121)、限位面(122)，与所述锁定摇杆(16)一端接触且用于限定所述锁定摇杆(16)一端空间位置的滑槽(123)，与所述涡卷扭簧(19)连接的挡杆(124)和与所述附属锁定绳(15)连接的螺纹孔(125)。

5.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：所述柔性壳面(1)的材料为单层或双层碳纤维三向织物复合材料。

6.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：在所述柔性壳面(1)上根据收纳模式设有若干条折痕。

7.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：所述薄壁可展开柱壳杆(8)材料为碳纤维复合材料。

8.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：在所述锁定转动盘(12)上设有三个所述锁定摇杆(16)。

9.根据权利要求1所述的一种缠绕式收纳高精度柔性反射面天线装置，其特征在于：在所述副反(2)和所述副反支撑环(4)之间设有三个所述副反支撑杆(3)。

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