CN116190976B - 星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,包括桁架和电极板;桁架上设置有若干张拉索位置调节装置和电极板高度调节装置;电极板通过电极板高度调节装置固连在桁架上;正对电极板的下部设置平面薄膜阵列天线,薄膜阵列天线通过张拉索位置调节装置与桁架四周相连;电极板包括电极层和有机玻璃板,有机玻璃板与电极板高度调节装置连接;桁架正面还设置有摄影测量系统,摄影测量系统包括相机,相机用于拍摄平面薄膜阵列天线的形状和位置状态,配合摄影测量系统确定天线的形面精度。本发明基于平板电容器原理,利用静电吸附力抵消重力引起的垂坠变形,因为电场力是非接触力,同时运用摄影测量系统,能很好保证天线阵面较高的形面精度。
Description
技术领域
本发明属于星载薄膜天线技术领域,具体涉及一种星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,还涉及星载平面薄膜阵列天线的地面装调方法。
背景技术
随着灾害监测、民用测绘以及军事侦察等领域对三维高分辨率成像需求的提升,一种将T/R组件与平面薄膜阵列天线一体化集成的平面阵列天线因为其口径大、重量轻、收拢体积小和波束扫描角度宽等诸多优点,快速成为研究热点。平面阵列天线的核心部件是薄膜阵面,通常由介质基底层和金属馈电层组成,厚度随波段和介质层不同往往在几十微米到几个毫米之间。薄膜阵面通过周边连接在桁架上的周边索张拉成形。然而如此大尺寸,低剖面的薄膜张拉结构在地面装调阶段很容易在重力作用下产生垂坠变形,导致天线平面度下降从而影响实验效果。因此需要相应的重力消除手段来抵消或者减小重力引起的形变。
目前比较常见的方法是将薄膜天线沿着宽度方向进行吊装,从而减少薄膜平面沿法向的重力变形。但是当天线尺寸较大时,薄膜沿着竖直方向的应力分布不均会导致褶皱产生,从而影响平面精度。现有的相关研究主要是将静电力用于薄膜反射面天线的静电成形控制,目的在于通过静电力维持薄膜天线的抛物面形态。
发明内容
针对上述问题,本发明的目的是提供一种星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,结合摄影测量系统,共同满足大尺度平面薄膜阵列天线地面装调阶段的零重力调整需求。
本发明所采用的技术方案是,星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,包括桁架和电极板;桁架上设置有若干张拉索位置调节装置和电极板高度调节装置;电极板通过电极板高度调节装置固连在桁架上;正对电极板的下部设置平面薄膜阵列天线,薄膜阵列天线通过张拉索位置调节装置与桁架四周相连;电极板包括电极层和有机玻璃板,有机玻璃板作为电极层的支撑结构布置在电极层的下部;有机玻璃板与电极板高度调节装置连接;
桁架正面还设置有摄影测量系统,摄影测量系统包括相机,相机用于拍摄平面薄膜阵列天线的形状和位置状态,配合摄影测量系统确定天线的形面精度。
本发明的特点还在于,
电极层选用便于剪裁和拼接的金属镀层薄膜电极层由多个电极拼接而成、分为多个区域类,分别为中间区域、边缘角区域和边缘非角区域,三种不同区域分别接通对应的电压。
电极层粘贴在有机玻璃板上,有机玻璃板上设置有通孔。
张拉索位置调节装置包括可滑动底座,可滑动底座的下部有三角凸起、与桁架上部的燕尾槽匹配滑动从而调整平面薄膜阵列天线的水平位置;可滑动底座上滑动连接有高度调节滑块,高度调节滑块通过滑块锁紧螺钉紧固在高度调节滑块上,高度调节滑块的上部螺纹连接有张拉索锁紧螺钉,平面薄膜阵列天线通过张拉索固定连接在张拉索锁紧螺钉上。
电极板高度调节装置包括一侧设置有滑槽的安装块,安装块通过燕尾螺母和螺栓固定于桁架下方,滑槽内设置有竖直方向的滑块a,滑块a通过锁紧螺钉a紧固在安装块上;滑块a为L型,其水平段螺纹连接有长螺栓,长螺栓向下穿过有机玻璃板上设置的通孔后通过高度调节螺母锁紧调整。
布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧还分别设置有标尺,两个标尺位于同一水平面内。
本发明所采用的第二种技术方案是:星载平面薄膜阵列天线的地面装调方法,采用星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,具体操作步骤如下:
步骤1:将平面薄膜阵列天线正确的安装在周边桁架的张拉索位置调节装置上;保证张拉节点位于预定的水平位置,调节高度调整螺母,保证各个电极的水平及其与平面薄膜阵列天线之间的距离;
步骤2:设置正确的相机参数,将两根大理石标尺布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧并位于同一水平面内,将编码点粘贴于平面薄膜阵列天线周围并位于同一水平面内;将标识点粘贴于平面薄膜阵列天线上,保证边缘的每个张拉点都有分布,内部区域的标识点沿薄膜对角线分布且标识点间距保持100mm-120mm;
步骤3:相机拍摄完成后,将照片导入摄影测量系统Digimetric软件,解算标识点和编码点的三维空间坐标,实现薄膜平面的三维重建;最终通过Digimetric软件导出平面薄膜阵列天线平面的三维坐标,并通过与理想平面对比计算得出平面薄膜阵列天线的型面精度。
形面精度RMS计算公式为:
其中,n为标识点的个数,zi为第i个标识点与理想平面z坐标的偏差。
电极和平面薄膜阵列天线通电之后,电极与平面薄膜阵列天线金属接地层之间近似构成平板电容器,结合虚位移原理可以推导出面积为S的薄膜天线所受静电力为:
其中,Fs表示静电力,εr表示有机玻璃的相对介电常数,ε0表示真空中介电常数,S表示被吸附的薄膜面积,U表示电极与薄膜之间的电压差值,h1表示有机玻璃的厚度,h2表示电极与薄膜之间空气层厚度;显然电场力与电压的平方成正比,其他参数不变时,电压越高,吸附力越强;
面积为S的平面薄膜阵列天线对应的重力可表示为:
Gs=(ρ1h1+ρ2h2)Sg+Gk
其中,ρ1表示平面薄膜阵列天线介质层的密度,h1表示平面薄膜阵列天线介质层厚度,ρ2表示平面薄膜阵列天线接地层的密度,h2表示平面薄膜阵列天线接地层厚度,g表示重力加速度,Gk表示研究区域内除去平面薄膜阵列天线介质层和接地层以外的附加重量,附加重量包括中间区域天线贴片的重量和边缘区域裙边索和索套的重量。
要使得平面薄膜阵列天线整体保持水平,则各部分所受电场力与重力应相等,即令Fs=Gs,于是可以得到:
不同部位由于附加的重量Gk有所不同,因而需要不同的平衡Uk。
平面薄膜阵列天线主体为索-膜-梁张拉结构,由于其尺寸大、剖面低,在地面测试阶段受重力作用会产生的垂坠变形,使得整个天线面的平面度降低,从而影响贴片天线的电性能。在天线阵上方布置带有高压的电极板,使其给天线阵提供竖直向上的静电力。通过调节电源可以使电极获得不同电势,从而产生适当的电场力以平衡薄膜平面所受重力。
平面薄膜阵列天线主体结构主要由金属接地层、电介质层和金属贴片共同组成。平面薄膜阵列天线通过周边张拉索,与电极板高度调节装置上的张拉索紧固螺钉相连,共同构成索-膜-梁张拉系统。其中金属接地层通过导线与可调高压电源的负极(接地端)相连。电极板主要由分块的电极构成。不同电极块间相互绝缘,且连接电源的不同正极输出端口,获得不同的高压电势。通过直流高压电源输出,使得电极与天线阵面维持稳定的电势差,形成平板电容器件,电极板与天线阵面产生静电场。
调节电源,可以提供1-8路不同电压值的可调高压电,电源通过导线连接在平面薄膜阵列天线的接地层和电极板的接头上,为调整系统提供可调稳定电压。
本发明目的在于将垂坠变形的薄膜天线面拉回并维持平面状态。本发明的研究重点还在于:由于边缘裙边索和索套质量较大,且都是电介质材料,无法与电极板间产生有效静电吸附力,容易造成天线平面精度的显著下降,因而需要通过合理的电极布局来解决此问题。本发明通过在平面薄膜天线的上方设置电极板,将电极板和天线的接地层分别连接高压电源的正负极,根据平板电容器原理,利用电极板与平面薄膜天线之间产生的静电力,来抵消地面调整时出现的重力变形。
本发明的有益效果是:
1)本发明设计的平面薄膜阵列天线地面装调时可以通用的调整装置和调整方法。利用分块电极产生的多通道电场对天线形面精度进行主动调整,可以灵活适应不同天线尺寸,不同温度、预应力等调整工况。
2)本发明基于平板电容器原理,利用静电吸附力抵消重力引起的垂坠变形,因为电场力是非接触力,同时运用非接触的摄影测量系统,能很好保证天线阵面较高的形面精度。
3)本发明还重点考虑到边界索和索套结构本身质量大,但直接静电吸附效果差。于是对裙边区域进行合理电极分布,通过裙边薄膜区域的静电吸附力来牵连裙边索和索套,进而显著提高平面薄膜的形面精度。
附图说明
图1是本发明星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置整体结构示意图;
图2是图1中A局部放大图;
图3是图1中B局部放大图;
图4是电极板分块示意图;
图5是平面薄膜阵列天线示意图;
图6是本发明实施例提供的装调装置工作流程图;
图7(a)为本发明实施例中平面薄膜阵列天线没有吸附之前的变形云图;
图7(b)为本发明实施例中平面薄膜阵列天线吸附后的变形云图。
图中:1、桁架;2、直角接头;3、燕尾螺母;4、螺栓;5、可滑动底座;6、高度调节滑块;7、张拉索锁紧螺钉;8、滑块锁紧螺钉;9、长螺栓;10、高度调节螺母;11、电极;12、有机玻璃板;13、标尺;14、相机;15、电源系统;16、平面薄膜阵列天线;17、周边张拉索。
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,下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
本发明包括桁架系统、电源系统、电极板高度调节装置、摄影测量系统、桁架和电极板;考虑到实验装置和测试方法的通用性需求,选用型材作为桁架主体结构,可以根据尺寸需求自由装配,便于适应不同尺寸和形状的平面薄膜天线。桁架由若干桁架单元1、直角接头2、螺栓、燕尾螺母装配而成。
如图1-3所示,桁架1上设置有若干张拉索位置调节装置和电极板高度调节装置;电极板通过电极板高度调节装置固连在桁架1上;正对电极板的下部设置有平面薄膜阵列天线16,天线通过张拉索位置调节装置与桁架1四周相连;
电极板包括电极层11和有机玻璃板12,有机玻璃板12作为电极层11的支撑结构布置在电极层11的下部;有机玻璃板12与电极板高度调节装置连接;
摄影测量系统设置在桁架1正面,摄影测量系统包括相机14,相机14用于拍摄平面薄膜阵列天线16的形状和位置状态,配合摄影测量系统确定天线的形面精度。
电极层选用便于剪裁和拼接的金属镀层薄膜电极层11由多个电极拼接而成。电极层11粘贴在有机玻璃板12上,有机玻璃板12上设置有通孔,与长螺栓9以及高度调节螺母10配合,实现电极面的高度调节。考虑到天线结构特点,边界索和索套需要通过吸附邻近的薄膜区域进行牵连从而实现高度调整。故而将电极分为9个区域3个通道(如图4所示),分别为中间区域、边缘角区域和边缘非角区域,分别接通不同的电压。
张拉索位置调节装置包括可滑动底座5,可滑动底座5的下部有三角凸起、与桁架上部的燕尾槽匹配滑动从而调整平面薄膜阵列天线的水平位置;可滑动底座5上滑动连接有高度调节滑块6,高度调节滑块6通过滑块锁紧螺钉8紧固在高度调节滑块6上,高度调节滑块6的上部螺纹连接有张拉索锁紧螺钉7,平面薄膜阵列天线通过张拉索固定连接在张拉索锁紧螺钉7上。高度调节滑块6可以沿着可滑动底座5的槽滑动,通过滑块锁紧螺钉8锁定位置。调节高度调节滑块6的高度,可以实现薄膜天线周边张拉点整体位于同一水平面。张拉索锁定螺钉7用以固定薄膜天线的张拉索。试验过程中可以根据不同的实验对象选择张拉索位置调节装置的安装个数和安装位置
电极板高度调节装置包括一侧设置有滑槽的安装块,安装块通过燕尾螺母3和螺栓4固定于桁架1下方,滑槽内设置有竖直方向的滑块a,滑块a通过锁紧螺钉a紧固在安装块上;滑块a为L型,其水平段螺纹连接有长螺栓9,长螺栓9向下穿过有机玻璃板12上设置的通孔后通过高度调节螺母10锁紧调整。通过调节滑块a和高度调节螺母10便可以实现电极11位于同一水平面,同时可以调节电极11与薄膜天线间的距离。
布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧还分别设置有标尺13,两个标尺位于同一水平面内。
调整测量前,考虑到薄膜平面厚度小、面外刚度低,需要采用非接触的测量方法对调整过程进行型面精度监测。其次,由于薄膜天线的型面精度高,要求测量仪器具有较高的测量精度。基于上述需求,测量实验使用基于Digimetric软件建立的摄影测量系统,对薄膜平面进行型面精度监测。摄影测量系统的测量精度可达0.005mm/m,能够满足天线平面的测量精度要求。摄影系统的基本部件包括:Digimetric摄影测量软件、高精度CCD测量相机1台、大理石测量标尺2根、编码点和标识点若干。
平面精度测量前需要的准备工作有:将平面薄膜天线正确的安装在周边桁架的调节张拉装置上,保证张拉索获得正确的预应力(本次实验设定为20N),保证张拉节点位于预定的水平位置,调节高度调整螺母10,保证电极模块的水平及其与薄膜天线之间的距离。设置正确的相机参数,将两根大理石标尺13布置在薄膜两侧并位于同一水平面内,将编码点粘贴于薄膜天线周围并位于同一水平面内。将标识点粘贴于薄膜天线上,保证裙边张拉点都有分布,内部区域沿薄膜对角线分布,标识点间距保持100-120mm。
本发明的星载平面薄膜阵列天线的地面装调方法,采用星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,流程如图6所示,具体操作步骤如下:
步骤1:将平面薄膜阵列天线正确的安装在周边桁架的张拉索位置调节装置上;保证张拉点(薄膜与站拉索接触的点)位于预定的水平位置,调节高度调整螺母,保证各个电极的水平及其与平面薄膜阵列天线之间的距离;
步骤2:设置正确的相机参数,将两根大理石标尺13布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧并位于同一水平面内,将编码点粘贴于平面薄膜阵列天线周围并位于同一水平面内;将标识点粘贴于平面薄膜阵列天线上,保证边缘的每个张拉点都有分布,内部区域的标识点沿薄膜对角线分布且标识点间距保持100mm-120mm;
步骤3:相机拍摄完成后,将照片导入摄影测量系统Digimetric软件,解算标识点和编码点的三维空间坐标,实现薄膜平面的三维重建;最终通过Digimetric软件导出平面薄膜阵列天线平面的三维坐标,并通过与理想平面对比计算得出平面薄膜阵列天线的型面精度。
测量实验时,给对应的电极板施加基于仿真结果得到的电压,待薄膜稳定后进行摄影测量。采用CCD相机14进行仰拍。为保证测量精度,要保证拍摄环境光线明暗适中,拍摄距离合适,拍摄角度多变,照片清晰度高。此外需要保证前后两次拍照所得照片中同名编码点不少于5个。拍摄完成后,将照片导入测量系统Digimetric软件,解算标志点和编码点的三维空间坐标,实现薄膜平面的三维重建。最终通过Digimetric软件导出薄膜平面的三维坐标,并通过与理想平面对比计算得出薄膜平面的型面精度。
形面精度RMS计算公式为:
其中,n为标识点的个数,zi为第i个标识点与理想平面z坐标的偏差。
电极和平面薄膜阵列天线通电之后,电极与平面薄膜阵列天线金属接地层之间近似构成平板电容器,结合虚位移原理可以推导出面积为S的薄膜天线所受静电力为:
其中,Fs表示静电力,εr表示有机玻璃的相对介电常数,ε0表示真空中介电常数,S表示被吸附的薄膜面积,U表示电极与薄膜之间的电压差值,h1表示有机玻璃的厚度,h2表示电极与薄膜之间空气层厚度;显然电场力与电压的平方成正比,其他参数不变时,电压越高,吸附力越强;
面积为S的平面薄膜阵列天线对应的重力可表示为:
Gs=(ρ1h1+ρ2h2)Sg+Gk
其中,ρ1表示平面薄膜阵列天线介质层的密度,h1表示平面薄膜阵列天线介质层厚度,ρ2表示平面薄膜阵列天线接地层的密度,h2表示平面薄膜阵列天线接地层厚度,g表示重力加速度,Gk表示研究区域内除去平面薄膜阵列天线介质层和接地层以外的附加重量,附加重量包括中间区域平面薄膜阵列天线的重量和边缘区域裙边索和索套的重量。
要使得平面薄膜阵列天线整体保持水平,则各部分所受电场力与重力应相等,即令Fs=Gs,于是可以得到:
不同部位由于附加的重量Gk有所不同,因而需要不同的平衡Uk。
中间区域、边缘区域等不同部位由于附加的重量Gk有所不同,因而需要施加不同的电压Uk。
由于薄膜天线结构具有一定的非线性,同时受边缘电场效应等影响,实际所需电压与仿真计算结果存在差距。因而调整过程中需要基于二分法对电压值进行调整,然后进行测量,重复多次直到δrms<0.1mm,则精度满足要求,调整停止。
仿真实施案例
薄膜天线介质材料选用聚酰亚胺,材料参数为:厚度为25μm,弹性模量3.53Gpa,泊松比0.3,密度1440kg/m3;
薄膜天线接地层材料为铝质镀层,材料参数为:厚度为10μm,弹性模量70Gpa,泊松比0.3,密度2700kg/m3;
薄膜天线张拉索采用芳纶绳,材料参数为:直径1mm,弹性模量126Gpa,泊松比0.34,密度1416kg/m3。
保持电极层与平面薄膜阵列天线的间距为10mm,周边索预应力为10N。
如图7(a)平面薄膜天线变形云图所示,平面薄膜阵列天线在无静电作用时,受重力产生最大变形量为2.7mm,形面精度RMS为1.73mm。对电极中间区域、边缘非角区域、边缘角区域分别施加4000v、4075v、4125v电压,通过电极对平面薄膜阵列天线进行吸附以后,如图7(b)平面薄膜天线变形云图所示,天线平面最大变形量为0.14mm,形面精度RMS为0.07mm,满足RMS≤0.1mm的形面精度要求。
Claims (7)
1.星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,其特征在于,包括桁架(1)和电极板;所述桁架(1)上设置有若干张拉索位置调节装置和电极板高度调节装置;所述电极板通过所述电极板高度调节装置固连在桁架(1)上;正对所述电极板的下部设置有平面薄膜阵列天线(16),所述平面薄膜阵列天线通过所述张拉索位置调节装置与桁架(1)四周相连;
所述电极板包括电极层(11)和有机玻璃板(12),所述有机玻璃板(12)作为电极层(11)的支撑结构布置在电极层(11)的下部;所述有机玻璃板(12)与电极板高度调节装置连接;
所述桁架(1)正面还设置有摄影测量系统,所述摄影测量系统包括相机(14),所述相机(14)用于拍摄平面薄膜阵列天线(16)的形状和位置状态,配合摄影测量系统确定天线的形面精度;
所述电极层选用便于剪裁和拼接的金属镀层薄膜所述电极层(11)由多个电极拼接而成、分为9个区域3类,分别为中间区域、边缘角区域和边缘非角区域,三种不同区域分别接通对应的电压。
2.根据权利要求1所述的星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,其特征在于,所述电极层(11)粘贴在所述有机玻璃板(12)上,所述有机玻璃板(12)上设置有通孔。
3.根据权利要求1所述的星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,其特征在于,所述张拉索位置调节装置包括可滑动底座(5),所述可滑动底座(5)的下部有三角凸起、与桁架上部的燕尾槽匹配滑动从而调整平面薄膜阵列天线的水平位置;所述可滑动底座(5)上滑动连接有高度调节滑块(6),所述高度调节滑块(6)通过滑块锁紧螺钉(8)紧固在高度调节滑块(6)上,所述高度调节滑块(6)的上部螺纹连接有张拉索锁紧螺钉(7),所述平面薄膜阵列天线通过张拉索固定连接在所述张拉索锁紧螺钉(7)上。
4.根据权利要求2所述的星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,其特征在于,所述电极板高度调节装置包括一侧设置有滑槽的安装块,所述安装块通过燕尾螺母(3)和螺栓(4)固定于桁架(1)下方,所述滑槽内设置有竖直方向的滑块a,所述滑块a通过锁紧螺钉a紧固在安装块上;所述滑块a为L型,其水平段螺纹连接有长螺栓(9),所述长螺栓(9)向下穿过所述有机玻璃板(12)上设置的通孔后通过高度调节螺母(10)锁紧调整。
5.根据权利要求2所述的星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,其特征在于,所述布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧还分别设置有标尺(13),两个标尺位于同一水平面内。
6.星载平面薄膜阵列天线的地面装调方法,其特征在于,采用如权利要求1-5中任一项所述的星载平面薄膜阵列天线的地面装调装置,具体操作步骤如下:
步骤1:将平面薄膜阵列天线正确的安装在周边桁架的张拉索位置调节装置上;保证张拉节点位于预定的水平位置,调节高度调整螺母,保证各个电极的水平及其与平面薄膜阵列天线之间的距离;
步骤2:设置正确的相机参数,将两根大理石标尺(13)布置在靠近平面薄膜阵列天线的桁架两侧并位于同一水平面内,将编码点粘贴于平面薄膜阵列天线周围并位于同一水平面内;将标识点粘贴于平面薄膜阵列天线上,保证边缘的每个张拉点都有分布,内部区域的标识点沿薄膜对角线分布且标识点间距保持100mm-120mm;
步骤3:相机拍摄完成后,将照片导入摄影测量系统Digimetric软件,解算标识点和编码点的三维空间坐标,实现薄膜平面的三维重建;最终通过Digimetric软件导出平面薄膜阵列天线平面的三维坐标,并通过与理想平面对比计算得出平面薄膜阵列天线的型面精度。
7.根据权利要求6所述星载平面薄膜阵列天线的地面装调方法,其特征在于,所述天线的形面精度RMS计算公式为:
其中,n为标识点的个数,为第i个标识点与理想平面z坐标的偏差;
电极和平面薄膜阵列天线通电之后,电极与平面薄膜阵列天线金属接地层之间构成平板电容器,结合虚位移原理可以推导出面积为S的薄膜天线所受静电力为:
其中,表示静电力,/>表示有机玻璃的相对介电常数,/>表示真空中介电常数,/>表示被吸附的薄膜面积,/>表示电极与薄膜之间的电压差值,/>表示有机玻璃的厚度,/>表示电极与薄膜之间空气层厚度;显然电场力与电压的平方成正比,其他参数不变时,电压越高,吸附力越强;
面积为S的平面薄膜阵列天线对应的重力可表示为:
其中,表示平面薄膜阵列天线介质层的密度,/>表示平面薄膜阵列天线介质层厚度,表示平面薄膜阵列天线接地层的密度,/>表示平面薄膜阵列天线接地层厚度,/>表示重力加速度,/>表示研究区域内除去平面薄膜阵列天线介质层和接地层以外的附加重量,所述附加重量包括中间区域平面薄膜阵列天线的重量和边缘区域裙边索和索套的重量;
要使得平面薄膜阵列天线整体保持水平,则各部分所受电场力与重力应相等,即令,于是可以得到:
不同部位由于附加的重量有所不同,因而需要不同的平衡/>。
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