阅读说明：本技术 一种大口径车载可展开复合材料天线 (Large-caliber vehicle-mounted deployable composite antenna ) 是由 李林才 王贵林 李嘉祥 彭国勋 刘珺 王洲 于 2020-07-29 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种大口径车载可展开复合材料天线,包括安装托盘、固定反射面、多片可展开瓜瓣反射面及多个驱动件,固定反射面的外圈边缘均匀开设有多个相间的定位凹槽和定位凸缘,瓜瓣反射面底端背面均可铰接于安装托盘的顶部外周边缘,驱动件驱动瓜瓣反射面展开时,各瓜瓣反射面的底端分别定位于相应的定位凹槽内或定位凸缘上,相邻两片瓜瓣反射面之间通过一支撑组件支撑限位；驱动件驱动瓜瓣反射面收拢时,定位于定位凹槽内的瓜瓣反射面向天线底部收拢,定位于定位凸缘上的瓜瓣反射面向天线顶部收拢。具有高精度、高刚度、轻量化、大收纳比、可自动收展等优点,满足车辆搭载和公路超限运输的要求,可用于地面车载移动通信系统和卫星通信系统中。(The invention discloses a large-caliber vehicle-mounted deployable composite material antenna, which comprises an installation tray, a fixed reflecting surface, a plurality of deployable melon petal reflecting surfaces and a plurality of driving pieces, wherein the outer ring edge of the fixed reflecting surface is uniformly provided with a plurality of alternate positioning grooves and positioning flanges; when the driving piece drives the melon-petal reflecting surface to be folded, the melon-petal reflecting surface positioned in the positioning groove is folded towards the bottom of the antenna, and the melon-petal reflecting surface positioned on the positioning flange is folded towards the top of the antenna. The device has the advantages of high precision, high rigidity, light weight, large storage ratio, automatic folding and unfolding and the like, meets the requirements of vehicle carrying and road transfinite transportation, and can be used in ground vehicle-mounted mobile communication systems and satellite communication systems.)

一种大口径车载可展开复合材料天线

技术领域

本发明涉及到一种天线，具体涉及到一种大口径车载可展开复合材料天线。

背景技术

在现代通信系统中，天线作为向空间发射或接收电磁波的装置，对通信性能起着决定性作用。随着信息量的增大，人们对天线的大容量、大功率、多谱段等功能需求变得越来越迫切，需要以增大天线的口径为前提。

对于可移动天线，在口径增大的同时，也加大了运输难度。目前，直径3米以上车载整体反射面天线的应用受到制约，因此大口径可展开天线的研制逐渐引起重视，成为研究热点。

可展开天线是在运输、储藏状态下折叠为较小尺寸的单元(此时为收拢状态)，工作时通过展开机构按照设计的方式进行解锁、展开、锁定，成为反射面天线(此时为展开状态)。天线的展开过程比较复杂，采用金属材料制作的天线反射面在展开时容易受到冲击、振动而影响工作性能，同时由于热膨胀系数大，环境温度的波动也会恶化天线反射面的精度。

随着各种新型材料的使用和加工装配技术的提高，天线反射面和承力结构开始采用碳纤维复合材料进行制造，以减小重力变形和温度变形、保证工作精度，同时具有比强度、比刚度高等优点，极大地减轻了天线重量。到目前为止，车载可展开复合材料天线一般采用伞状网面天线或固面天线，收纳比(反射面展开直径与收拢直径之比)有限，展开效率和反射面精度、刚度比较低，而且对操作人员的技术水平要求高。

总体来看，现有的可展开天线具有结构复杂、质量大、展开效率低等缺点，需要在高精度、大收纳比、轻量化等方面进行技术创新。

发明内容

本发明要解决的技术问题是克服现有技术存在的不足，提供一种具有高精度、高刚度、轻量化、大收纳比、可自动收展的大口径车载可展开复合材料天线。

为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：

一种大口径车载可展开复合材料天线，包括安装托盘、固定连接于安装托盘顶部的固定反射面、多片可展开与固定反射面形成完整的天线主反射面的瓜瓣反射面、以及多个驱动瓜瓣反射面收展的驱动件，所述固定反射面的外圈边缘均匀开设有多个凹凸相间的定位凹槽和定位凸缘，多片所述瓜瓣反射面的底端背面均可转动铰接于所述安装托盘的顶部外周边缘，所述驱动件驱动瓜瓣反射面展开时，各瓜瓣反射面的底端分别定位于相应的定位凹槽内或定位凸缘上，且相邻两片瓜瓣反射面之间通过一支撑组件支撑限位；所述驱动件驱动瓜瓣反射面收拢时，定位于定位凹槽内的瓜瓣反射面向天线底部收拢，定位于定位凸缘上的瓜瓣反射面向天线顶部收拢。

作为上述技术方案的进一步改进：

优选的，还包括一与所述主反射面共同组成反射系统的副反射面，所述固定反射面的中心设有一通孔并穿设一中心筒，所述副反射面装设于所述中心筒的顶端；所述主反射面的口径为6.3米。

优选的，所述安装托盘为由上圆环和下圆环构成的中空圆台，所述上圆环通过若干个放射状筋板支撑于所述下圆环上，所述固定反射面的背面通过预埋螺纹件和胶接方式固接于所述上圆环上，所述中心筒的底端穿过上圆环和下圆环的中心孔并通过预埋螺纹件固接于下圆环的中心孔处。

优选的，所述瓜瓣反射面设有16片，所述安装托盘的上圆环的外缘处均匀装设有16个瓜瓣反射面安装座，各瓜瓣反射面分别铰接于一所述的瓜瓣反射面安装座上并能绕铰接轴上下转动。

优选的，所述驱动件为电动推杆，设有16件，各所述瓜瓣反射面的背部均通过预埋螺纹件连接一电动推杆驱动座，所述安装托盘的下圆环对应位置处通过预埋螺纹件连接一电动推杆连接座，各电动推杆的固定端均与相应的所述电动推杆连接座连接，伸缩端与相应的电动推杆驱动座连接，电动推杆的伸缩端均套设有防护伸缩套。

优选的，所述电动推杆驱动瓜瓣反射面收展时需提供足够的驱动力，其最大驱动力F的计算过程如下：

F＝M/L_min；

其中，L_min为瓜瓣反射面在翻转过程中的最小驱动力臂；M为电动推杆驱动瓜瓣反射面匀速翻转时的驱动力矩，M应满足下述条件：

M≥M_g+M_f+M_w

其中，M_g为瓜瓣反射面的重力距，M_f为瓜瓣反射面的摩擦力距；M_w为瓜瓣反射面的风载力距；

M_w＝C·q₀·A·H

其中，C为风载荷系数，A为瓜瓣反射面在迎风方向的投影面积，H为瓜瓣反射面的风载力臂，q₀为基本风压；

q₀＝0.5ρ·V²

其中，ρ为当地的空气密度，V为风速；

所述电动推杆的额定功率P的计算过程如下：

P＝F·v；

其中，v为电动推杆的运动速度。

优选的，所述电动推杆的运动行程为500mm，收展时间为15秒；电动推杆的运动速度v为0.05m/s，额定功率P为75W。

优选的，所述支撑组件设有16组，各支撑组件均包括支撑杆和支撑杆固定插销，所述安装托盘的下圆环的边缘处通过预埋螺纹件均匀连接有16个支撑杆连接座，所述支撑杆的底端连接于对应的所述支撑杆连接座上，支撑杆的顶端在瓜瓣反射面展开后支撑在相邻两片瓜瓣反射面的背部连接处，并通过所述支撑杆固定插销插进支撑杆及背部连接处的同轴通孔内卡紧。

优选的，还包括16组能对展开到位的相邻两片瓜瓣反射面进行紧固的固紧组件，各固紧组件均包括口面固定座和口面固定插销，所述口面固定座呈E字形，E字形口面固定座的三条平行的连接臂与相邻两片瓜瓣反射面的背部连接处的对应位置处设有同轴的固定连接孔，所述口面固定插销穿过所述固定连接孔并卡紧。

优选的，所述固定反射面和瓜瓣反射面为碳纤维板状结构，内含蜂窝夹层；所述瓜瓣反射面的背面设有筋板；所述安装托盘为碳纤维复合材料夹心结构，中间是碳纤维蜂窝；所述支撑杆是中空的碳纤维复合材料杆件。

优选的，所述中心筒、支撑杆固定插销、口面固定座和口面固定插销采用钛合金制成；所述瓜瓣反射面安装座、副反射面、电动推杆连接座、电动推杆驱动座、支撑杆连接座均采用铝合金制成。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、本发明的大口径车载可展开复合材料天线，结构紧凑，满足口径大、高精度、高刚度、大收纳比、瓜瓣反射面可自动收展等要求。轻量化效果好，主反射面口径为6.3米时天线反射面部分的重量仅有220kg；收纳比大，运输时采用一部分瓜瓣反射面向天线顶端收拢、另一部分瓜瓣反射面向天线底部收拢的交叉错层折叠方式，6.3米主反射面收拢后包络直径小于2.5米，可满足车辆搭载和公路超限运输的要求；

2、本发明的大口径车载可展开复合材料天线，支撑组件和固紧组件的结构简单、安装便捷，展开后并经支撑组件和固紧组件锁紧的6.3米主反射面刚度很高，在8级风(风速为20.7m/s)作用下面形精度保持为0.4mm RMS，满足高质量通信要求；

3、本发明的大口径车载可展开复合材料天线，利用电动推杆驱动收展，自动化程度高、收展时间短、灵活机动，主反射面收展过程只有15秒；

4、本发明的大口径车载可展开复合材料天线，天线主反射面具有高弹性模量、低热胀系数等特点，在各种野外恶劣工况环境下能够正常工作，工作温度范围为-40℃～55℃，储存温度范围为-45℃～70℃，在6级风(风速为13.8m/s)作用下可以实现瓜瓣反射面的正常收展。本发明可用于地面车载移动通信系统和卫星通信系统中。

附图说明

图1是本发明在展开完成后的立体结构示意图。

图2是本发明在展开完成后的截面结构示意图。

图3是本发明中安装托盘下方的连接结构示意图。

图4是本发明中安装托盘、固定反射面、中心筒及副反射面的连接结构局部示意图。

图5是本发明中相邻瓜瓣反射面、支撑杆、支撑杆固定插销的连接结构示意图。

图6是本发明中相邻瓜瓣反射面、口面固定座、口面固定插销的连接结构示意图。

图7是本发明在展开过程中的立体结构示意图。

图8是本发明在收拢后的立体结构示意图。

图9是本发明进行展开操作的流程示意图。

图例说明：

1、固定反射面；2、瓜瓣反射面；3、瓜瓣反射面安装座；4、安装托盘；5、中心筒；6、副反射面；7、电动推杆；8、电动推杆连接座；9、电动推杆驱动座；10、防护伸缩套；11、支撑杆；12、支撑杆连接座；13、支撑杆固定插销；14、口面固定座；15、口面固定插销。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下文将结合说明书附图和较佳的实施例对本发明作更全面、细致地描述，但本发明的保护范围并不限于以下具体的实施例。

如图1-图8所示，本实施例的大口径车载可展开复合材料天线，包括呈圆形的安装托盘4、固定连接于安装托盘4顶部并位于中心区域的固定反射面1、16片可展开与固定反射面1形成完整的天线主反射面的瓜瓣反射面2、以及16个驱动瓜瓣反射面2收展的驱动件(优选为电动推杆7)，固定反射面1的外圈边缘均匀开设有16个凹凸相间的定位凹槽和定位凸缘，16片瓜瓣反射面2的底端背面均可转动铰接于安装托盘4的顶部外周边缘，电动推杆7驱动瓜瓣反射面2展开时，各瓜瓣反射面2的底端分别定位于相应的定位凹槽内或定位凸缘上以实现径向定位，且相邻两片瓜瓣反射面2之间通过一支撑组件支撑限位；电动推杆7驱动瓜瓣反射面2收拢时，定位于定位凹槽内的瓜瓣反射面2向天线底部收拢，定位于定位凸缘上的瓜瓣反射面2向天线顶部收拢。本发明能满足口径大、轻量化、高精度、高刚度、大收纳比、瓜瓣反射面可自动收展等要求。收纳比大，运输时采用一部分瓜瓣反射面向天线顶端收拢、另一部分瓜瓣反射面向天线底部收拢的交叉错层折叠方式，6.3米主反射面收拢后包络直径小于2.5米，可满足车辆搭载和公路超限运输的要求。

本实施例中，安装托盘4为由上圆环和下圆环构成、拓扑轻量化的中空圆台，上圆环的外径大于下圆环的外径，且上圆环通过16个放射状筋板支撑于下圆环上，固定反射面1的背面通过预埋螺纹件和胶接方式固接于上圆环上。固定反射面1的中心设有一通孔并竖直穿设一中心筒5，中心筒5的顶端固定装设一副反射面6，用于与由固定反射面1和瓜瓣反射面2形成的主反射面共同组成反射系统，实现电磁波的精确传输。

本实施例中，中心筒5为中空状态，其呈开口状态的底端穿过上圆环和下圆环的中心孔并通过预埋螺纹件固接于下圆环的中心孔处，中心筒5的顶部封闭且自顶部四周向上延伸出四个“7”字形连接夹爪，四个“7”字形连接夹爪的横杆位于一个水平面内，副反射面6通过螺钉装设于四个横杆的下方。

本实施例中，安装托盘4的上圆环的外缘处对应固定反射面1边缘的各定位凹槽和定位凸缘的位置处均装设有1个瓜瓣反射面安装座3，16片瓜瓣反射面2分别铰接于一瓜瓣反射面安装座3上并能绕铰接轴上下转动。即向天线顶端和底部收拢的瓜瓣反射面2各有8片，在展开状态下，16片瓜瓣反射面2和固定反射面1形成完整的天线主反射面，主反射面的口径为6.3米。瓜瓣反射面2背面周边及中部均设有加强筋，可保证其具有足够的强度和刚度。

本实施例中，16个电动推杆7分别对16片瓜瓣反射面2进行驱动。各瓜瓣反射面2的背部于中部的加强筋上均通过预埋螺纹件连接一电动推杆驱动座9，安装托盘4的下圆环对应位置处通过预埋螺纹件连接一电动推杆连接座8，各电动推杆7的固定端均与相应的电动推杆连接座8连接，伸缩端与相应的电动推杆驱动座9连接。电动推杆7驱动瓜瓣反射面2收展时需提供的驱动力、运动行程和精度均需满足瓜瓣反射面2的展开要求，并且运动平稳。电动推杆7的最大驱动力和额度功率的计算过程如下：

在天线收展过程中，瓜瓣反射面2的风载力距M_w为：

M_w＝C·q₀·A·H

其中，C为风载荷系数，q₀为基本风压，A为瓜瓣反射面2在迎风方向的投影面积，H为瓜瓣反射面2的风载力臂。

基本风压q₀为：

q₀＝0.5ρ·V²

其中，ρ为当地的空气密度，V为风速。

在本实施例中，风载荷系数C为0.15，6级风速V＝13.8m/s对应的基本风压q₀为120Pa，瓜瓣反射面2在迎风方向的投影面积A为2m²，风载力臂H为2.5m，计算得出瓜瓣反射面2的风载力距M_w为90N·m。

瓜瓣反射面2在匀速翻转时，电动推杆7的驱动力矩M应满足下述条件：

M≥M_g+M_f+M_w

其中，M_g为瓜瓣反射面2的重力距，M_f为瓜瓣反射面2的摩擦力距。

在本实施例中，瓜瓣反射面的重力距M_g为120N·m，瓜瓣反射面的摩擦力距M_f为12.5N·m，计算得出电动推杆的驱动力矩M应不小于222.5N·m。

电动推杆的最大驱动力F为：

F＝M/L_min

其中，L_min为瓜瓣反射面在翻转过程中的最小驱动力臂。

在本实施例中，瓜瓣反射面在翻转过程中的最小驱动力臂L_min为0.16m，计算得出电动推杆的最大驱动力F为1390.6N。

电动推杆的额定功率P取为：

P＝F·v

其中，v为电动推杆的运动速度。

本实施例中，当电动推杆7驱动瓜瓣反射面2由收拢状态变成展开状态，或驱动瓜瓣反射面2由展开状态变成收拢状态时，其运动行程均为500mm，收展时间仅有15秒，效率很高。为了满足收展过程不超过15秒的时间要求，电动推杆的运动速度v设为0.05m/s，电动推杆的额定功率P选为75W。在满足结构轻量化的前提条件下，电动推杆7的推力可以在6级风(风速为13.8m/s)迎面作用下实现瓜瓣反射面2的正常展开。

本实施例中，电动推杆7的伸缩端均套设有防护伸缩套10。防护伸缩套10对电动推杆7进行保护，确保电动推杆7的运动部件在恶劣环境下能够长期正常工作，减少沙尘、雨雪等造成的划伤或锈蚀损坏。电动推杆7和防护伸缩套10均可以根据性能要求进行选购。

本实施例中，支撑组件设有16组，用于对已展开的瓜瓣反射面2进行支撑。各支撑组件均包括支撑杆11和支撑杆固定插销13，安装托盘4的下圆环的边缘处通过预埋螺纹件均匀连接有16个支撑杆连接座12，支撑杆11的底端连接于对应的支撑杆连接座12上，在瓜瓣反射面2展开后，将支撑杆11的顶端支撑在相邻两片瓜瓣反射面2的背部连接处，支撑杆11的顶端以及瓜瓣反射面2的背部连接处均设有对应的同轴通孔，通过将支撑杆固定插销13插进支撑杆11和瓜瓣反射面2的同轴通孔内卡紧即可二者固定实现支撑。支撑杆固定插销13与瓜瓣反射面2、支撑杆11的同轴通孔采用的是过渡配合方式，其拆装方便快捷，且精度和刚度都比较高。

本实施例中，还包括16组能对展开到位的相邻两片瓜瓣反射面2进行紧固的固紧组件，以进一步提高天线反射面的抗变形能力和面形稳定性。各固紧组件均包括口面固定座14和口面固定插销15，口面固定座14呈E字形，E字形口面固定座14的三条连接臂与相邻两片瓜瓣反射面2的背部连接处(其位置与支撑杆11的顶端支撑的位置不同)的对应位置处设有同轴的固定连接孔，将E字形口面固定座14的三条连接臂之间形成的两个空腔分别卡住相邻两片瓜瓣反射面2的背部连接处后，将口面固定插销15穿过对应的固定连接孔并卡紧，即可将相邻两片瓜瓣反射面2进行周向连接。16组口面固定座14、口面固定插销15分别对16个瓜瓣反射面2进行周向连接，形成整体刚性结构，保证天线主反射面具有更高的刚度，提高面形稳定性和精度保持能力，保证6.3米天线主反射面的面形精度达到0.4mm RMS。

本实施例中，天线主反射面在由支撑杆11、支撑杆固定插销13、口面固定座14、口面固定插销15组成的16组支撑固紧机构的作用下，能够保证本发明的大口径车载可展开复合材料天线具有很强的抗变形能力和面形稳定性，在8级风(风速为20.7m/s)作用下能够保精度工作，满足恶劣环境下的高质量通信要求。

本实施例中，固定反射面1、瓜瓣反射面2、安装托盘4、支撑杆11均采用碳纤维复合材料制成。其中，固定反射面1和瓜瓣反射面2为碳纤维板状结构，内含蜂窝夹层；安装托盘4为碳纤维复合材料夹心结构，中间是碳纤维蜂窝；支撑杆11是中空的碳纤维复合材料杆件。中心筒5、支撑杆固定插销13、口面固定座14和口面固定插销15均采用钛合金制成；瓜瓣反射面安装座3、副反射面6、电动推杆连接座8、电动推杆驱动座9、支撑杆连接座12均采用铝合金制成，以实现天线的轻量化。本发明的主反射面口径为6.3米时天线反射面部分的重量仅有220kg。

如图9所示，本发明的大口径车载复合材料天线展开时的操作流程如下：

在解锁状态下，采用电动推杆7对交叉错层折叠的瓜瓣反射面2进行驱动，按照设定的驱动力、速度、位置等参数，对向天线顶端收拢的瓜瓣反射面2往后拉，对向天线底部收拢的瓜瓣反射面2往前推。展开到位后，16片瓜瓣反射面2与固定反射面1共同形成完整的天线主反射面。然后将支撑杆11的顶端固定在相邻瓜瓣反射面2的背部连接部位，并通过支撑杆固定插销13进行卡紧。在此基础上，采用16组口面固定座14和口面固定插销15对所有瓜瓣反射面2沿圆周方向进行固定连接，即完成了展开过程。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。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。