CN117878566A - 一种高精度平面天线展开装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度平面天线展开装置，属于星载雷达技术领域，其左翼平面天线包括内天线板、外天线板；内天线板的一端通过根部铰链与星体铰接，另一端通过板间铰链与外天线板的一端铰接，外天线板的另一端向外延伸；左翼展开机构包括Y型斜撑杆组件；Y型斜撑杆组件包括第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆；第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆的一端通过杆间铰链铰接；第一斜撑杆的另一端与星体铰接，第二斜撑杆和第三斜撑杆的另一端分别与内天线板横向两端铰接；右翼平面天线和左翼平面天线关于星体左右对称；右翼展开机构和左翼展开机构关于星体左右对称。该装置降低了板间铰链的重复精度要求，实现了整个天线阵面的高平面度性能。

Description

一种高精度平面天线展开装置

技术领域

本发明属于星载雷达技术领域，具体涉及一种高精度平面天线展开装置。

背景技术

以平面阵为代表的阵列天线具有更多的设计自由度、可扩展性和工程可实现性，是目前星载合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar，SAR)最常用的天线形式，随着航天技术的发展，星载SAR天线朝着高密度、低成本、编队或组网的趋势发展。

2014年和2016年，欧空局发射的Sentinel－1A和Sentinel－1B中，其平面阵天线由5块天线板组成，完全展开的尺寸达到长12.3m×宽0.8m。2019年，加拿大发射了雷达卫星星座任务(RADARSAT Constellation Mission，RCM)，其中平面阵由2块板组成；上海宇航系统工程研究所李波等人于2016年公开了申请号为CN201611118145.7、名称为一种H构型星载天线可展机构，其平面天线构件包括左翼平面天线和右翼平面天线共两块天线板，并依靠驱动组件进行驱动展开。

然而，上述的Sentinel卫星、RCM卫星和H构型星载天线可展机构采用一套相对较为复杂的支撑桁架，以实现高的精度和好的平面度。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种高精度平面天线展开装置，该平面天线展开装置采用弹簧无源驱动铰链并结合Y型斜撑杆结构，解决了传统天线展开机构结构复杂、重量较重的问题。

本发明采用以下技术方案：

一种高精度平面天线展开装置，包括设置在星体上的左翼平面天线、左翼展开机构、右翼平面天线以及右翼展开机构；

所述左翼平面天线包括内天线板、外天线板；所述内天线板的一端通过根部铰链与所述星体铰接，另一端通过板间铰链与所述外天线板的一端铰接，所述外天线板的另一端向外延伸；

所述左翼展开机构包括Y型斜撑杆组件；所述Y型斜撑杆组件包括第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆；所述第一斜撑杆、所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆的一端通过杆间铰链铰接；所述第一斜撑杆的另一端与所述星体铰接，所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆的另一端分别与所述内天线板横向两端铰接；

所述右翼平面天线和所述左翼平面天线关于所述星体左右对称；

所述右翼展开机构和所述左翼展开机构关于所述星体左右对称。

进一步地，所述板间铰链和所述杆间铰链均为带有弹簧驱动源的铰链。

进一步地，在天线展开状态下，所述第一斜撑杆、所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆共面。

进一步地，在天线展开状态下，所述外天线板相对所述内天线板转动至180°时，所述板间铰链锁定，所述第一斜撑杆相对所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆转动至180°时，所述杆间铰链锁定。

进一步地，还包括天线板联动机构；

所述天线板联动机构包括外绳轮、内绳轮和绳索，所述外绳轮与一侧的所述板间铰链固接，所述内绳轮与位于同一侧的所述根部铰链固接，所述绳索张紧于所述外绳轮和所述内绳轮上；

所述外天线板通过所述板间铰链相对所述内天线板转动时，能够通过所述天线板联动装置带动所述内天线板相对所述星体转动。

进一步地，所述天线联动机构设置于所述左翼平面天线和所述右翼平面天线的一侧。

进一步地，所述内天线板还通过阻尼装置与所述星体连接。

进一步地，还包括压紧释放装置；

所述压紧释放装置设置于所述星体的左右两侧，能够在收拢状态下，将所述左翼平面天线和所述右翼平面天线压紧固定于所述星体的左右两侧，在展开状态下，能够解除对所述左翼平面天线和所述右翼平面天线的固定约束。

进一步地，还包括固定平面天线；

所述固定平面天线与所述星体固接，且在所述压紧释放装置解除压紧后，所述左翼平面天线、所述右翼平面天线和所述固定平面天线共面。

有益效果：

(1)内天线板的一端通过根部铰链与星体铰接，外天线板的一端与内天线板的另一端通过带有卷簧的板间铰链铰接；左翼展开机构包括Y型斜撑杆组件；Y型斜撑杆组件包括第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆；第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆的一端通过带有卷簧的杆间铰链铰接；第一斜撑杆的另一端与星体铰接，第二斜撑杆和第三斜撑杆的另一端分别与内天线板横向两端铰接；右翼平面天线和左翼平面天线的结构关于星体左右对称；所述右翼展开机构和左翼展开机构关于星体左右对称。

如此，采用弹簧无源驱动使展开机构展开，具有很高的环境适应性，与Sentinel－1、RCM等卫星天线展开机构采用“控制器+驱动组件”的方案相比，减小了天线展开机构结构复杂度和重量，从而降低了研制成本和整星资源需求；

而且，采用Y型斜撑杆组件，通过构型的设计保证了天线的高精度，在降低了板间铰链的重复精度要求同时，仍能实现整个天线阵面的高平面度性能。

(2)天线板联动机构包括外绳轮、内绳轮和绳索，外绳轮与板间铰链固接，内绳轮与根部铰链固接，绳索张紧于外绳轮和内绳轮上；外天线板通过板间铰链相对内天线板转动时，能够通过天线板联动装置带动内天线板相对星体转动。

如此，能够使外天线板和内天线板联动，结构简单紧凑。

(3)阻尼装置设置于内天线板与星体铰接的一端，能够降低左翼展开机构和右翼展开机构的展开速度。如此，降低了天线板展开到位时的锁定冲击，减小了天线锁定时刻的冲击对天线锁定精度的影响，有利于实现天线高精度的锁定。

(4)展开状态下，第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆共面。如此，使内天线板、Y型斜撑杆组件和星体之间形成稳定的三角形结构，提升展开状态下平面天线与星体相对位置的稳定性。

(5)在展开状态下，外天线板相对内天线板转动至180°时，板间铰链锁定，第一斜撑杆相对第二斜撑杆和第三斜撑杆转动至180°时，杆间铰链锁定。如此，使展开状态下平面天线与星体相对位置保持稳定。

附图说明

图1为本发明一种高精度平面天线展开装置在收拢状态下的结构示意图；

图2为本发明一种高精度平面天线展开装置在展开状态下的结构示意图；

图3为本发明一种高精度平面天线展开装置的左翼平面天线与左翼展开机构的连接关系示意图；

图4为本发明一种高精度平面天线展开装置的左翼平面天线在收拢状态下的结构示意图；

图5为本发明一种高精度平面天线展开装置的Y型斜撑杆在收拢状态下的结构示意图；

图6为本发明一种高精度平面天线展开装置的Y型斜撑杆中的杆间铰链结构示意图；

图7为本发明实施例提供的高精度平面天线展开装置在展开状态下形成的四连杆机构示意图；

图8为内天线板展开重复精度的计算原理示意图；

图9为内天线板展开重复精度计算的仿真结果示意图；

其中，101－固定平面天线、102－左翼平面天线、102A－内天线板、102B－外天线板、103－右翼平面天线、2－星体、3－Y型斜撑杆组件、301－第一斜撑杆、302－第二斜撑杆、303－第三斜撑杆、304－杆间铰链、305－第一支座、306－第二支座、307－第三支座、4－根部关节、401－第一根部铰链、402－第二根部铰链、501－第一板间铰链、502－第二板间铰链、601－外绳轮、602－内绳轮、603－绳索、7－压紧释放装置，701－固定部、702－活动部、8－斜杆、9－斜杆支座。

具体实施方式

下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。

参考图1～图8，本实施例提供了一种高精度平面天线展开装置，包括设置在星体2上的左翼平面天线102、左翼展开机构、右翼平面天线103以及右翼展开机构，其中右翼平面天线103和左翼平面天线102的结构关于星体2左右对称，右翼展开机构和左翼展开机构关于星体2左右对称，本实施例以左翼平面天线102和左翼展开机构为例进行说明。

左翼展开机构用于实现左翼平面天线102的展开和折叠。左翼平面天线102包括内天线板102A、外天线板102B，内天线板102A一端的横向两侧分别通过第一根部铰链401和第二根部铰链402与星体2左侧下部铰接，外天线板102B的一端的横向两侧分别通过第一板间铰链501和第二板间铰链502与内天线板102A的另一端铰接，外天线板102B的另一端向外延伸，特别地，第一板间铰链501和第二板间铰链502均带有卷簧。

左翼展开机构包括Y型斜撑杆组件3，Y型斜撑杆组件3包括第一斜撑杆301、第二斜撑杆302和第三斜撑杆303，第一斜撑杆301、第二斜撑杆302和第三斜撑杆303的一端通过带有卷簧的杆间铰链304铰接，第一斜撑杆301的另一端通过第一支座305与星体2左侧上部中间位置铰接，第二斜撑杆302的另一端通过第二支座306与内天线板102A靠近外天线板102B的横向一端铰接，第三斜撑杆303的另一端通过第三支座307与内天线板102A靠近外天线板102B的横向另一端铰接。

而且，该高精度平面天线展开装置还包括设置于星体的左右两侧的压紧释放装置7，用于对应侧折叠后的平面天线的压紧。压紧释放装置7包括固定部701和活动部702，固定部701与星体固接，活动部702与外天线板102B固接，收拢状态下，活动部702与固定部701对接固定，将左翼平面天线和右翼平面天线压紧固定于星体的左右两侧，并使板间铰链和杆件铰链中的卷簧积蓄能量，在天线需要展开时，压紧释放装置7的固定部701和活动部702分离，解除对左翼平面天线102和右翼平面天线103的固定约束，从而使杆间铰链304和板间铰链中的卷簧释放能量驱动展开机构使天线展开。

参照图7，采用Y形斜撑杆组件3后，可将内天线板102A、星体2、斜杆8(包括第二斜撑杆302和第三斜撑杆303)和第一斜撑杆301四个部件通过根部关节4(包括第一根部铰链401和第二根部铰链402)、杆间铰链304、星体接头(即第一支座305)、斜杆支座9(包括第二支座306、第三支座307)组成的机构简化为平面四连杆机构。其中，根部关节4、第一支座305和斜杆支座9中无锁定装置，仅杆间铰链304中含有锁定装置，则展开到位形成结构体后，内天线板102A与星体2之间角度的重复精度可按图8进行计算。

图8中，内天线板102A与Y形斜撑杆组件3、星体2组成了三角形结构，则内天线板102A的重复展开精度只与杆间铰链304的重复精度相关。杆间铰链304设计的锁定角度为180°，即天线展开后，理论上第一斜撑杆301和第二斜撑杆302(或第三斜撑杆303)共线，设h为内天线板102A的安装点(根部关节4)与第一支座305的垂直距离；L为内天线板102A支撑点(第二支座306和第三支座307)到其安装点的水平距离；S为内天线板102A支撑点和第一支座305正投影理论上的直线距离，S’为内天线板102A支撑点和第一支座305正投影实际上的直线距离，令t为斜杆8长度与第一斜撑杆301名义长度之比。考虑杆间铰链304重复精度为Δθ，通过计算可获得内天线板102A的展开重复精度Δα，具体计算过程如下：

由几何尺寸可知：

s′＝(ts)²+(1-t)²s²-2t(1-t)s² cosΔθ

s′＝h²+L²-2hLsinΔα (1)

则可得式(2)如下：

其中，令式(3)为：

综合式(1)－(3)，可得到式(4)：

当杆间铰链重复精度为Δθ＝0.02°时(一般铰链能达到的精度)，可计算不同的t和k比值下，内天线板的重复精度如图9所示，其重复精度优于0.000015°。

如此，能够通过弹簧无源驱动展开机构使天线展开，具有很高的环境适应性，与Sentinel－1、RCM等卫星天线展开机构采用“控制器+驱动组件”的方案相比，减小了天线展开机构结构复杂度和重量，从而极大地降低了研制成本和整星资源需求；而且，采用Y型斜撑杆组件3，通过构型的设计保证了天线的高精度，在降低了板间铰链重复精度要求的同时，仍能实现整个天线阵面高的平面度性能。

具体地，该高精度平面天线展开装置还包括设置于星体2的左右两侧的天线板联动机构，天线板联动机构包括外绳轮601、内绳轮602和绳索603，外绳轮601与一侧的板间铰链(第一板间铰链501或第二板间铰链502)固接，内绳轮602与位于同一侧的根部铰链(第一根部铰链401或第二根部铰链402)固接，绳索603张紧于外绳轮601和内绳轮602之间，外天线板102B通过板间铰链304相对内天线板102A转动时，能够通过天线板联动机构带动内天线板102A相对星体2转动。在本实施例中，天线板联动机构只设置在左翼平面天线102和右翼平面天线103的一侧，在满足天线展开需求的同时，降低了结构复杂度。

另外，该高精度平面天线展开装置还包括阻尼装置(图中未示出)，阻尼装置设置于内天线板102A与星体2铰接的一端，能够降低左翼展开机构和右翼展开机构的展开速度。如此，能够通过阻尼装置将展开机构的展开速度控制在较小水平，降低了天线展开到位时的锁定冲击，减小了锁定时刻的冲击对天线锁定精度的影响，有利于实现天线高精度的锁定。

在本实施例中，天线处于收拢状态时，左翼平面天线102和右翼平面天线103折叠并压紧固定于星体2两侧，Y型斜撑杆组件3折叠于内天线板102A与星体2之间。在展开状态下，第一斜撑杆301、第二斜撑杆302和第三斜撑杆303共面，如此，使内天线板102A、Y型斜撑杆组件3和星体2之间形成稳定的三角形结构，提升展开状态下平面天线与星体2相对位置的稳定性。而且，在展开状态下，外天线板102B相对内天线板102A转动至180°时，板间铰链锁定，第一斜撑杆301相对第二斜撑杆302和第三斜撑杆303转动至180°时，杆间铰链304锁定，内天线板102A相对星体2转动90°时，根部铰链锁定。值得注意的是，因为Y型斜撑杆组件3与内天线板102A、星体2之间已经构成四连杆机构，因此，根部铰链可以带卷簧也可以不带卷簧，在不带卷簧时，根部铰链随动即可，同理，天线展开后的根部铰链可以锁定也可以不进行锁定。

更具体地，本实施例还包括固定平面天线101，固定平面天线101与星体2的底部固接，且在展开状态下，左翼平面天线102、右翼平面天线103和固定平面天线101共面。而且，在本实施例中，展开机构将5块天线板展开后，平面阵总长度为5m，平面阵的平面度小于0.8mm，展开机构重量为9.9kg(含8个压紧释放装置)，可以看出，该高精度平面天线展开装置具有极大的重量优势，特别适应于高密度、低成本、编队组网的星载SAR天线发展趋势。

综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，包括设置在星体上的左翼平面天线、左翼展开机构、右翼平面天线以及右翼展开机构；

所述左翼平面天线包括内天线板、外天线板；所述内天线板的一端通过根部铰链与所述星体铰接，另一端通过板间铰链与所述外天线板的一端铰接，所述外天线板的另一端向外延伸；

所述左翼展开机构包括Y型斜撑杆组件；所述Y型斜撑杆组件包括第一斜撑杆、第二斜撑杆和第三斜撑杆；所述第一斜撑杆、所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆的一端通过杆间铰链铰接；所述第一斜撑杆的另一端与所述星体铰接，所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆的另一端分别与所述内天线板横向两端铰接；

所述右翼平面天线和所述左翼平面天线关于所述星体左右对称；

所述右翼展开机构和所述左翼展开机构关于所述星体左右对称。

2.如权利要求1所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，所述板间铰链和所述杆间铰链均为带有弹簧驱动源的铰链。

3.如权利要求1所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，在天线展开状态下，所述第一斜撑杆、所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆共面。

4.如权利要求1所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，在天线展开状态下，所述外天线板相对所述内天线板转动至180°时，所述板间铰链锁定，所述第一斜撑杆相对所述第二斜撑杆和所述第三斜撑杆转动至180°时，所述杆间铰链锁定。

5.如权利要求1所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，还包括天线板联动机构；

所述天线板联动机构包括外绳轮、内绳轮和绳索，所述外绳轮与一侧的所述板间铰链固接，所述内绳轮与位于同一侧的所述根部铰链固接，所述绳索张紧于所述外绳轮和所述内绳轮上；

所述外天线板通过所述板间铰链相对所述内天线板转动时，能够通过所述天线板联动装置带动所述内天线板相对所述星体转动。

6.如权利要求5所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，所述天线联动机构设置于所述左翼平面天线和所述右翼平面天线的一侧。

7.如权利要求1所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，所述内天线板还通过阻尼装置与所述星体连接。

8.如权利要求1～7任意一项所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，还包括压紧释放装置；

所述压紧释放装置设置于所述星体的左右两侧，能够在收拢状态下，将所述左翼平面天线和所述右翼平面天线压紧固定于所述星体的左右两侧，在展开状态下，能够解除对所述左翼平面天线和所述右翼平面天线的固定约束。

9.如权利要求8所述的一种高精度平面天线展开装置，其特征在于，还包括固定平面天线；

所述固定平面天线与所述星体固接，且在所述压紧释放装置解除压紧后，所述左翼平面天线、所述右翼平面天线和所述固定平面天线共面。