一种碳纤维网状双反射面高增益天线的制作方法

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1.本发明属于星载微波天线技术领域，具体涉及一种碳纤维网状双反射面高增益天线。

背景技术：

2.随着我国深空探测技术的不断的发展，在小天体探测任务中，探测器的飞行距离越来越远，安装于探测器上的天线面临着以下几个问题：
3.(1)对数传功能要求越来越高，要求天线能够在器地距离大于200万公里情况下实现对地测控、数传的功能。解决该问题需要天线具有高增益、高效率的特点；
4.(2)面临的在轨温度越发苛刻，天线面临着-185℃～+125℃的宽温域在轨工作温度。解决该问题需要天线具有耐深低温和高热稳定性的特点，从而能在苛刻的在轨温度下正常工作；
5.(3)要求结构超轻量化，结构轻量化是提升航天装备效能的重要手段，目前常用的小天体探测高增益天线有反射面天线和径向线缝隙天线，其中，径向线缝隙天线无法实现收发共用，需要配备两套天线才能实现相关功能，对天线总体尺寸、重量及器表布局均为不利因素；反射面天线能够实现收发共用，且具有较小的包络尺寸，但是仍可以在结构上进行进一步轻量化的设计。
6.综上，在小天体探测任务中，安装于探测器上的天线同时具有高增益、高效率、耐深低温、高热稳定性、超轻量化特点，才能满足探测器的探测任务要求。

技术实现要素：

7.有鉴于此，本发明提供了一种碳纤维网状双反射面高增益天线，具有高增益、高效率、耐深低温、高热稳定性、超轻量化的特点，能够实现深空超远距离通信、满足运载对重量及包络的严苛要求和能够在宽温域在轨工作温度下正常工作，满足小天体探测的任务需求。
8.本发明是通过下述技术方案实现的：
9.一种碳纤维网状双反射面高增益天线，包括：副反射面、副反射面支撑杆、馈源和主反射面；
10.主反射面的外凸面安装在探测器上，主反射面的内凹面为工作面，所述主反射面的工作面为旋转抛物面；主反射面采用编织网状结构；
11.副反射面的外凸面为工作面，副反射面的工作面为旋转双曲面；
12.副反射面和主反射面之间通过两根以上副反射面支撑杆连接，所述主反射面的工作面和副反射面的工作面相对，旋转双曲面的虚焦点与旋转抛物面的焦点重合；
13.主反射面上、旋转抛物面的顶点处设置有通孔，馈源贯穿所述通孔设置，且馈源的相位中心位于旋转双曲面的实焦点上。
14.进一步的，每个所述副反射面支撑杆的横截面均为椭圆形。
15.进一步的，所述主反射面的外凸面设置有主反射面背筋，所述主反射面背筋包括：径向主筋、径向辅筋、环向主筋、外封口框和内封口框；
16.所述外封口框设置在主反射面的外缘处，所述内封口框设置在主反射面的顶点处，所述环向主筋与主反射面同轴设置，且位于外封口框和内封口框之间；三个以上所述径向主筋与同等数量的所述径向辅筋在主反射面的外凸面沿圆周方向间隔交替设置，且分布均匀，每个所述径向主筋一端与外封口框固定连接，另一端与环向主筋固定连接；每个所述径向辅筋一端与外封口框固定连接，中部与环向主筋固定连接，另一端与内封口框固定连接。
17.进一步的，所述径向主筋和径向辅筋均采用变曲线截面的封口“ω”型梁，环向主筋采用封口“ω”型梁。
18.进一步的，所述馈源收发共用，包括：喇叭、极化器、波导和波同；
19.所述波导为“t”形的双路波导集成结构，“t”形的水平部分的两端分别为接收端和发射端，“t”形的竖直部分为双路结构，分别与接收端和发射端连通，“t”形竖直部分的端部设置有法兰d；
20.所述极化器的两端均设置有法兰，分别为法兰a和法兰b，极化器的一端通过法兰a与喇叭固连，另一端通过法兰b与波导的法兰d固连，所述波同连接于波导的接收端；
21.所述馈源与主反射面也通过法兰b相连接，波导和波同位于主反射面的外凸面一侧，极化器和喇叭位于主反射面的内凹面一侧；所述极化器的法兰b上还设置有对称分布的三角加强筋。
22.进一步的，所述副反射面进行赋形设计，将标准双曲面修改为非标准双曲面，且使口径处的相位分布均匀。
23.进一步的，所述副反射面采用碳纤维编织布模压而成，主反射面的材料为高模量碳纤维材料。
24.进一步的，所述副反射面支撑杆采用高模量碳纤维材料模压而成。
25.进一步的，所述内封口框和外封口框的截面均为“n”型。
26.进一步的，所述内封口框上设置有主反与馈源接口，所述馈源与主反射面通过主反与馈源接口连接；
27.所述环向主筋上设置有副反撑杆接口和主反与星体接口，主反射面通过副反撑杆接口与副反射面支撑杆连接；主反射面通过主反与星体接口与探测器连接，从而将主反射面的外凸面安装在探测器上。
28.有益效果：
29.(1)本发明在反射面天线中选用卡塞格伦型双反射面天线，即，主反射面的外凸面安装在探测器上，主反射面的内凹面为工作面，所述主反射面的工作面为旋转抛物面；副反射面的外凸面为工作面，副反射面的工作面为旋转双曲面；副反射面和主反射面之间通过两根以上副反射面支撑杆连接，所述主反射面的工作面和副反射面的工作面相对，旋转双曲面的虚焦点与旋转抛物面的焦点重合；主反射面上、旋转抛物面的顶点处设置有通孔，馈源贯穿所述通孔设置，且馈源的相位中心位于旋转双曲面的实焦点上；本发明采用卡塞格伦型(抛物面和双曲面)双反射面天线，能够实现高增益以及较小的包络尺寸，相较于环焦型(母线为抛物线和椭圆弧线的旋转曲面)双反射面天线，对装配精度的要求相对降低，便
于工程实现；本发明的主反射面采用网状结构，从而从结构上实现天线的轻量化。
30.(2)本发明的每个副反射面支撑杆的横截面均为椭圆形，椭圆形截面相比较于矩形截面、正方形截面、圆形截面和菱形截面，可以有效降低天线性能损耗。
31.(3)本发明主反射面的外凸面设置有主反射面背筋，其中，所述外封口框10设置在主反射面的大径端，所述内封口框11设置在主反射面的小径端，所述环向主筋与主反射面同轴设置，且位于外封口框10和内封口框11之间；三个以上所述径向主筋与同等数量的所述径向辅筋在主反射面的外凸面沿圆周方向间隔交替设置，且分布均匀，每个所述径向主筋一端与外封口框10固定连接，另一端与环向主筋固定连接；每个所述径向辅筋一端与外封口框10固定连接，中部与环向主筋固定连接，另一端与内封口框11固定连接，保证了结构的刚度。
32.(4)本发明的径向主筋和径向辅筋采用变曲线截面的封口“ω”型梁，环向主筋采用封口“ω”型梁，且均对铺层方式进行了优化设计，封口“ω”型梁的设置保证了背筋在成形阶段的稳定性，对铺层方式进行了优化设计进一步保证了背筋与主反射面的热变形相匹配，从而确保主反射面整体的热稳定性，同时径向主筋和径向辅筋采用变曲线截面能够最大程度实现轻量化，同时还能保证对主反射面的高支撑刚度。
33.(5)本发明的述波导为“t”形的双路波导集成结构，能够实现收发共用。本发明极化器法兰b所在一端在法兰与极化器形成的台阶面上设置有均匀分布的三角加强筋，可有效提升馈源的刚度。
34.(6)本发明副反射面进行赋形设计，将标准双曲面修改为非标准双曲面，使口径处的相位分布均匀，充分提升反射面天线的效率。
35.(7)本发明主反射面的材料为高模量碳纤维材料，副反射面采用碳纤维编织布模压而成，碳纤维材料实现了进一步轻量化。同时，主反射面采用高模量的碳纤维，能够保证结构的刚度。
36.(8)本发明副反射面支撑杆采用高模高弹碳纤维材料模压而成，且对模压过程中的铺层方式进行了优化设计，保证反射面天线的整体刚度和减小热变形引起的指向精度偏差。
37.综上，本发明整机重量小于5kg，天线收发共用，
±
0.35
°
波束角范围内接收增益大于38dbi，发射增益大于39dbi，天线收发端口隔离度大于20db，最大输入功率105w，天线整机三向一阶基频大于70hz，由热变形引起的指向精度优于
±
0.01
°
；本发明通过了-230℃低温存储试验考核，且试验前后天线型面精度一致性良好，表明本发明反射面天线可耐受极端低温环境；本发明还通过了应用太阳模拟器模拟在轨温度环境的热变形测量试验考核，试验中各温度场工况以及试验前后天线型面精度一致性良好，表明本发明反射面天线具有高热稳定性，可适应在轨-185℃～+125℃的宽温域工作温度范围；同时本发明还通过了我国小天体探测运载力学环境试验条件考核。所以，本发明具备高增益、较小的包络尺寸、超轻量化、耐深低温、高热稳定性及高效率等特点，且具有较大设计余量，能够满足小天体探测的任务需求，实现深空超远距离通信。
附图说明
38.图1是本发明整体结构示意图；
39.图2为本发明副反射面结构示意图；
40.图3是本发明的主反射面碳纤维网状结构示意图；
41.图4为本发明副反射面支撑杆结构示意图；
42.图5是本发明主反射面背筋结构示意图；
43.图6是本发明的径向主筋、径向辅筋和环向主筋的横截面示意图；
44.图7是本发明内封口框和外封口框的横截面示意图；
45.图8为本发明反射面天线馈源结构示意图；
46.其中，1-副反射面，2-副反射面支撑杆，3-馈源，4-主反射面，5-主反射面背筋，7-径向主筋，8-径向辅筋，9-环向主筋，10-外封口框，11-内封口框，12-主反与馈源接口，13-主反与星体接口，14-副反撑杆接口，16-喇叭，17-极化器，18-波导，19-波同。
具体实施方式
47.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
48.本实施例提供了一种碳纤维网状双反射面高增益天线，参见附图1，采用卡塞格伦式双反射面天线，包括：副反射面1、副反射面支撑杆2、馈源3和主反射面4；
49.主反射面4的外凸面安装在探测器上，主反射面4的内凹面为工作面，所述主反射面4的工作面为旋转抛物面，用于反射信号波，主反射面4的外凸面设置有主反射面背筋5，用于保证主反射面4的结构强度；
50.副反射面1的外凸面为工作面，副反射面1的工作面为旋转双曲面，用于反射信号波；
51.副反射面1和主反射面4之间通过两根以上副反射面支撑杆2连接，所述主反射面4的工作面和副反射面1的工作面相对，旋转双曲面的虚焦点与旋转抛物面的焦点重合；
52.主反射面4上、旋转抛物面的顶点处设置有通孔，馈源3贯穿所述通孔设置，且馈源3的相位中心位于旋转双曲面的实焦点上，所述馈源3用于发射和接收信号波。
53.参见附图2，所述副反射面1进行了赋形设计，将标准双曲面修改为非标准双曲面，使口径处的相位分布均匀，充分提升反射面天线效率。且副反射面1为对称结构，对称结构使得副反射面1各法向切面性能具有一致性；所述副反射面1采用碳纤维编织布模压而成，实现了轻量化；所述副反射面1的口径φ为0.35m。
54.参见附图3，所述主反射面4采用编织网状结构，材料为高模量碳纤维材料，并根据电性能仿真结果对网状结构的网孔尺寸进行设计；通过采用碳纤维材料的网状结构，进一步实现天线的轻量化，采用高模量的碳纤维材料，可保证结构刚度；所述主反射面4的口径φ为1.5m。
55.参见附图4，每根所述副反射面支撑杆2的横截面均为椭圆形，椭圆形截面相比较于矩形截面、正方形截面、圆形截面和菱形截面，可以有效降低天线性能损耗；副反射面支撑杆2采用高模量高弹性碳纤维材料模压而成，且对模压过程中的铺层方式进行了优化设计，保证反射面天线的整体刚度和减小热变形引起的指向精度偏差。每根副反射面支撑杆2的两端均设置有接头，接头分别采用2-m4螺钉实现与主反射面4、副反射面1的连接。
56.参见附图5，所述主反射面背筋5均对铺层进行优化设计，用于保证主反射面4的结构强度，所述主反射面背筋5包括：径向主筋7、径向辅筋8，环向主筋9，外封口框10和内封口
框11；
57.所述外封口框10设置在主反射面4的大径端，所述内封口框11设置在主反射面4的小径端(即通孔所在端)，所述环向主筋9与主反射面4同轴设置，且位于外封口框10和内封口框11之间；三个以上所述径向主筋7与同等数量的所述径向辅筋8在主反射面4的外凸面沿圆周方向间隔交替设置，且分布均匀，每个所述径向主筋7一端与外封口框10固定连接，另一端与环向主筋9固定连接；每个所述径向辅筋8一端与外封口框10固定连接，中部与环向主筋9固定连接，另一端与内封口框11固定连接；所述内封口框11上设置有主反与馈源接口12，所述馈源3采用4-m4螺钉与主反与馈源接口12连接，从而实现馈源3与主反射面4的连接；所述环向主筋9上设置有副反撑杆接口14和主反与星体接口13，主反射面4通过副反撑杆接口14与副反射面支撑杆2连接；主反射面4通过主反与星体接口13与探测器连接，从而将主反射面4的外凸面安装在探测器上；
58.参见附图6，所述径向主筋7和径向辅筋8采用变曲线截面的封口“ω”型梁，变曲线截面能够最大程度实现轻量化，同时还能保证对主反射面4的高支撑刚度；环向主筋9采用封口“ω”型梁；封口“ω”型梁的设置保证了背筋在成形阶段的稳定性，且对铺层进行优化设计进一步保证了主反射面背筋5与主反射面4的热变形相匹配，从而确保主反射面4整体的热稳定性；参见附图7，所述内封口框11和外封口框10的截面均为“n”型。
59.参见附图8，所述馈源3可以收发共用，包括：喇叭16、极化器17、波导18和波同19；
60.所述喇叭16为波纹圆锥喇叭形式，口径φ为82mm，长度为125mm，喇叭16上设置有一法兰；
61.所述极化器17为波导膜片式极化器，长度为145mm；所述极化器17的两端均设置有法兰，分别为法兰a和法兰b；
62.所述波导18为“t”形的双路波导集成结构，“t”形的水平部分的两端分别为接收端和发射端，接收端和发射端之间长度为311.5mm，接收端设置有法兰c，法兰c为bj84标准法兰；“t”形的竖直部分为双路结构，分别与接收端和发射端连通，“t”形竖直部分的端部设置有法兰d；
63.所述波同19为标准bj84波同转换器，波同长度为48.5mm。
64.馈源3各部件的连接关系为：
65.喇叭16上设有的法兰通过4-m3螺钉与所述极化器17的法兰a固连，波导18的法兰d通过8-m3螺钉与所述极化器17的法兰b固连，波同19通过4-m4螺钉与波导18的法兰c连接于波导18的接收端；
66.所述馈源3与主反射面4也通过法兰b相连接，波导18和波同19位于主反射面4外凸面一侧，极化器17和喇叭16位于主反射面4内凹面一侧；所述极化器17的法兰b上还设置有对称分布的三角加强筋，可有效提升馈源3的刚度。
67.本发明整机重量小于5kg，0.35
°
波束角范围内接收增益大于38dbi，发射增益大于39dbi，天线收发端口隔离度大于20db，最大输入功率105w，天线整机三向一阶基频大于70hz，可耐受-230℃极端低温环境，可适应在轨-185℃～+125℃的宽温域工作温度范围，同时具备高增益、较小的包络尺寸、超轻量化、耐深低温、高热稳定性及高效率等特点，能够满足小天体探测的任务需求，实现深空超远距离通信。
68.工作原理：
69.当天线发射信号波时，探测器通过馈源3发射球面波，所述球面波依次由副反射面1的工作面、主反射面4的工作面反射成平面波发射；
70.当天线接收信号波时，外来平面波依次经主反射面4的工作面、副反射面1的工作面反射后汇聚在馈源3的相位中心，由馈源3接收并传输信号波至探测器。
71.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。

技术特征：

1.一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，包括：副反射面(1)、副反射面支撑杆(2)、馈源(3)和主反射面(4)；主反射面(4)的外凸面安装在探测器上，主反射面(4)的内凹面为工作面，所述主反射面(4)的工作面为旋转抛物面；主反射面(4)采用编织网状结构；副反射面(1)的外凸面为工作面，副反射面(1)的工作面为旋转双曲面；副反射面(1)和主反射面(4)之间通过两根以上副反射面支撑杆(2)连接，所述主反射面(4)的工作面和副反射面(1)的工作面相对，旋转双曲面的虚焦点与旋转抛物面的焦点重合；主反射面(4)上、旋转抛物面的顶点处设置有通孔，馈源(3)贯穿所述通孔设置，且馈源(3)的相位中心位于旋转双曲面的实焦点上。2.如权利要求1所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，每个所述副反射面支撑杆(2)的横截面均为椭圆形。3.如权利要求1所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述主反射面(4)的外凸面设置有主反射面背筋(5)，所述主反射面背筋(5)包括：径向主筋(7)、径向辅筋(8)、环向主筋(9)、外封口框(10)和内封口框(11)；所述外封口框(10)设置在主反射面(4)的外缘处，所述内封口框(11)设置在主反射面(4)的顶点处，所述环向主筋(9)与主反射面(4)同轴设置，且位于外封口框(10)和内封口框(11)之间；三个以上所述径向主筋(7)与同等数量的所述径向辅筋(8)在主反射面(4)的外凸面沿圆周方向间隔交替设置，且分布均匀，每个所述径向主筋(7)一端与外封口框(10)固定连接，另一端与环向主筋(9)固定连接；每个所述径向辅筋(8)一端与外封口框(10)固定连接，中部与环向主筋(9)固定连接，另一端与内封口框(11)固定连接。4.如权利要求3所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述径向主筋(7)和径向辅筋(8)均采用变曲线截面的封口“ω”型梁，环向主筋(9)采用封口“ω”型梁。5.如权利要求1所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述馈源(3)收发共用，包括：喇叭(16)、极化器(17)、波导(18)和波同(19)；所述波导(18)为“t”形的双路波导集成结构，“t”形的水平部分的两端分别为接收端和发射端，“t”形的竖直部分为双路结构，分别与接收端和发射端连通，“t”形竖直部分的端部设置有法兰d；所述极化器(17)的两端均设置有法兰，分别为法兰a和法兰b，极化器(17)的一端通过法兰a与喇叭(16)固连，另一端通过法兰b与波导(18)的法兰d固连，所述波同(19)连接于波导(18)的接收端；所述馈源(3)与主反射面(4)也通过法兰b相连接，波导(18)和波同(19)位于主反射面(4)的外凸面一侧，极化器(17)和喇叭(16)位于主反射面(4)的内凹面一侧；所述极化器(17)的法兰b上还设置有对称分布的三角加强筋。6.如权利要求1-5任意一项所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述副反射面(1)进行赋形设计，将标准双曲面修改为非标准双曲面，且使口径处的相位分布均匀。7.如权利要求1-5任意一项所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述副反射面(1)采用碳纤维编织布模压而成，主反射面(4)的材料为高模量碳纤维材料。
8.如权利要求1-5任意一项所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述副反射面支撑杆(2)采用高模量碳纤维材料模压而成。9.如权利要求3所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述内封口框(11)和外封口框(10)的截面均为“n”型。10.如权利要求3所述一种碳纤维网状双反射面高增益天线，其特征在于，所述内封口框(11)上设置有主反与馈源接口(12)，所述馈源(3)与主反射面(4)通过主反与馈源接口(12)连接；所述环向主筋(9)上设置有副反撑杆接口(14)和主反与星体接口(13)，主反射面(4)通过副反撑杆接口(14)与副反射面支撑杆(2)连接；主反射面(4)通过主反与星体接口(13)与探测器连接，从而将主反射面(4)的外凸面安装在探测器上。

技术总结

本发明公开了一种碳纤维网状双反射面高增益天线，包括：副反射面、副反射面支撑杆、馈源和主反射面；主反射面的外凸面安装在探测器上，主反射面的内凹面为旋转抛物面；主反射面采用编织网状结构；副反射面的外凸面为旋转双曲面，副反射面和主反射面之间通过两根以上副反射面支撑杆连接；主反射面上、旋转抛物面的顶点处设置有通孔，馈源贯穿所述通孔设置。本发明具有高增益、高效率、耐深低温、高热稳定性、超轻量化的特点，能够实现深空超远距离通信、满足运载对重量及包络的严苛要求和能够在宽温域在轨工作温度下正常工作，满足小天体探测的任务需求。测的任务需求。测的任务需求。