基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线
阅读说明：本技术 基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线 (Reflecting surface antenna based on three-telescopic-rod driving and quasi-geodesic grid structure ) 是由 郑飞 颜立德 陈梅 芮喜 于 2020-11-23 设计创作，主要内容包括：本发明提出了一种基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线,旨在在保证反射面天线的型面精度的同时,减轻反射面天线的质量,并降低建造成本。包括支撑背架、反射面骨架、竖向连接杆、主反射面、副反射面、径向支撑杆、馈源和姿态控制装置；所述支撑背架和反射面骨架采用准测地线网格形式的抛物面状桁架结构；所述支撑背架与反射面骨架之间,通过竖向连接杆连接；所述主反射面固定在反射面骨架的准测地线网格上；所述副反射面通过径向支撑杆固定在主反射面的焦点位置；所述馈源固定在反射面骨架的顶点位置；所述姿态控制装置,包括基座和伸缩杆,每根伸缩杆的底端通过转动副连接结构与基座连接,顶端通过球面副连接结构与支撑背架连接。(The invention provides a reflector antenna based on a three-telescopic-rod driving and quasi-geodesic grid structure, aiming at reducing the quality of the reflector antenna and reducing the construction cost while ensuring the profile precision of the reflector antenna. The device comprises a supporting back frame, a reflecting surface framework, a vertical connecting rod, a main reflecting surface, an auxiliary reflecting surface, a radial supporting rod, a feed source and an attitude control device; the supporting back frame and the reflecting surface framework adopt a parabolic truss structure in a quasi-geodesic grid form; the supporting back frame is connected with the reflecting surface framework through a vertical connecting rod; the main reflecting surface is fixed on a quasi-geodesic grid of the reflecting surface framework; the auxiliary reflecting surface is fixed at the focus position of the main reflecting surface through a radial supporting rod; the feed source is fixed at the vertex position of the reflector framework; the posture control device comprises a base and telescopic rods, wherein the bottom end of each telescopic rod is connected with the base through a revolute pair connecting structure, and the top end of each telescopic rod is connected with a support back frame through a spherical pair connecting structure.)
技术领域
本发明属于天线技术领域，涉及一种反射面天线，具体涉及一种基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线。
背景技术
反射面天线是主要接收电磁辐射的精密仪器，也可以向外辐射电磁波，可以实现大口径、窄波束，有着高分辨率和高灵敏度的特点，广泛应用于射电天文、雷达、通讯和太空探测等领域。
传统的反射面天线采用由刚性面板制成的固面结构，顺应通信应用的发展需求，天线口径越造越大，因复杂环境中的自重、温度和风荷等因素影响而产生的严重变形，使得天线反射面精度变差，偏离需求面形，造成天线增益降低、指向偏转、副瓣抬高等不利影响，因此难以实现大口径天线的广泛应用。为了降低环境载荷的影响，人们开始采用桁架结构支撑的反射面天线。由于反射面天线的桁架结构会直接影响到整体天线的重量，因此有必要对反射面天线的桁架结构进行深入的研究。
为了提供一种高精度，轻量化，易安装的桁架结构的反射面天线，如申请公布号CN104362423A，名称为“弹性铰链驱动的双层环形桁架天线机构”的专利申请，公开了一种双层环形桁架机构的反射面天线，包括内圈环形桁架、外圈环形桁架、多个内外圈连接桁架和多个拉索结构，内圈环形桁架和外圈环形桁架之间相对应的四个顶角通过一个内外圈连接桁架支撑。该发明存在的缺陷在于，复杂的桁架结构导致加工制造复杂，重量高，并且四边形结构的不稳定性会影响天线的形面精度；同时多种类型的桁架结构其加工制作难度大，成型过程过于复杂。由于重量和制造难度的限制使得反射面口径继续扩大的技术难度越来越难以克服，因此不利于大口径天线的进一步推广使用。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术存在的缺陷，提出了一种基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，旨在在保证反射面天线的型面精度的同时，减轻反射面天线的质量，并降低建造成本。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括支撑背架、反射面骨架、竖向连接杆、主反射面、副反射面、径向支撑杆、馈源和姿态控制装置，其中：
所述支撑背架，采用包括支撑主背架和支撑次背架的抛物面状桁架结构，所述支撑主背架采用由多个第一主杆件和多个第一主关节球连接形成的桁架结构，包括内环架、外环架和分布在内环架和外环架之间且呈辐射状均匀排列的N个径向架；所述支撑次背架包括N个准测地线网格形式的桁架结构单元，每个桁架结构单元由多个第一次杆件和多个第一次关节球连接而成，分布在由支撑主背架中内环架、外环架和相邻径向架所形成的空间区域内，且与第一主关节球邻近的第一次杆件与该第一主关节球相连，N≥6。
所述反射面骨架，采用包括反射面主骨架和反射面次骨架的抛物面状桁架结构，所述反射面主骨架包括多个第二主杆件和多个第二主关节球，其结构和连接方式与支撑主背架相同；所述反射面次骨架包括N个准测地线网格形式的桁架结构单元，每个桁架结构单元由多个第二次杆件和多个第二次关节球连接而成，分布在由反射面主骨架中内环架、外环架和相邻径向架所形成的空间区域内，且与第二主关节球邻近的第二次杆件与该第二主关节球相连。
所述支撑主背架中每个第一主关节球与反射面主骨架中对应位置的第二主关节球，以及支撑次背架中每个第一次关节球与反射面主骨架中对应位置的第二次关节球之间，通过竖向连接杆连接。
所述主反射面包括多块轻质金属板，固定在反射面骨架的准测地线网格上。
所述副反射面的形状为抛物面状，其口面与主反射面的口面相对，并通过径向支撑杆固定在主反射面的焦点位置。
所述馈源固定在反射面骨架的顶点位置。
所述姿态控制装置，包括基座和三根伸缩杆，每根伸缩杆的底端通过转动副连接结构与基座连接，顶端通过球面副连接结构与支撑主背架连接。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述第一主杆件、第一次杆件、第二主杆件和第二次杆件，均采用空心碳纤维管、空心铝合金管或空心钢管，且第一主杆件的管径大于第一次杆件的管径，第二主杆件的管径大于第二次杆件的管径，第一主杆件的管径大于第二主杆件的管径，第一次杆件的管径大于第二次杆件的管径；所述第一主关节球的直径大于第一次关节球的直径，第二主关节球的直径大于第二次关节球的直径。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述主反射面，其所采用的轻质金属板的形状为三角形或梯形。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述副反射面，其与主反射面的焦距相等，且该副反射面的焦轴与主反射面的焦轴重合。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述姿态控制装置，其中包含的三个转动副连接结构与基座的连接点呈等边三角形分布，三个球面副连接结构与支撑主背架的连接点呈等边三角形分布。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述竖向连接杆，采用空心碳纤维管、空心铝合金管或空心钢管。
上述基于三伸缩杆驱动和准测地线网格结构的反射面天线，所述球面副连接结构，采用包括虎克铰链和转动铰链的复合球铰结构。
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明由于支撑次背架和反射面次骨架均采用准测地线网格形式的桁架结构，具有形式单一，结构稳固，结构对称的特点，可以实现在保证天线形面精度的同时，有效降低天线的质量。
2.本发明采用三伸缩杆并联驱动结构实现对反射装置的姿态控制，极大地简化其跟踪定位的支撑结构，由于其机构刚度高、位置误差不积累、控制简单方便、制造容易、价格低廉，使得整个反射面天线结构系统总体质量显著降低，灵活性显著提高，而且易于维护和更换。
3.本发明的主反射面采用由多块轻质金属板拼接而成中心对称结构，结构布局规则简单，便于制造和维护。
4.本发明姿态控制装置中，连接三根伸缩杆与支撑主背架采用的是球面副连接结构，可以圆满地解决传统的俯仰方位型跟踪器过天顶“盲锥区”空域连续的问题，能够方便快速地实现反射面天线在不同的工作空间的方位俯仰等姿态控制。
附图说明
图1是本发明的整体结构示意图；
图2是本发明支撑背架的结构示意图；
图3是本发明姿态控制装置的结构示意图；
图4是本发明的静力平衡仿真结果图。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述：
实施例1，本实施例的主反射面采用三角形的轻质金属板。
参照图1，本发明包括支撑背架1、反射面骨架2、竖向连接杆3、主反射面4、副反射面5、径向支撑杆6、馈源7和姿态控制装置8，其中：
所述支撑背架1，其结构示意图参照图2，采用包括支撑主背架11和支撑次背架12的抛物面状桁架结构，所述支撑主背架11采用由多个第一主杆件和多个第一主关节球连接形成的桁架结构，包括内环架、外环架和分布在内环架和外环架之间且呈辐射状均匀排列的N个径向架；所述支撑次背架12包括N个准测地线网格形式的桁架结构单元，每个桁架结构单元由多个第一次杆件和多个第一次关节球连接而成，分布在由支撑主背架11中内环架、外环架和相邻径向架所形成的空间区域内，且与第一主关节球邻近的第一次杆件与该第一主关节球相连，N≥6；由于支撑次背架12中的桁架结构单元采用的准测地线网格形式具有形式单一，结构稳固的特点，因此可以有效降低支撑背架1的加工难度，并且在保证天线形面精度的同时，有效降低天线的质量。
所述反射面骨架2，采用包括反射面主骨架21和反射面次骨架22的抛物面状桁架结构，所述反射面主骨架21包括多个第二主杆件和多个第二主关节球，其结构和连接方式与支撑主背架11相同；所述反射面次骨架22包括N个准测地线网格形式的桁架结构单元，每个桁架结构单元由多个第二次杆件和多个第二次关节球连接而成，分布在由反射面主骨架21中内环架、外环架和相邻径向架所形成的空间区域内，且与第二主关节球邻近的第二次杆件与该第二主关节球相连。由于反射面次骨架22中的桁架结构单元采用的准测地线网格形式具有形式单一，结构稳固的特点，因此可以有效降低反射面骨架2的加工难度，并且在保证天线形面精度的同时，有效降低天线的质量。
所述第一主杆件、第一次杆件、第二主杆件和第二次杆件，均采用空心钢管，且第一主杆件的管径大于第一次杆件的管径，第二主杆件的管径大于第二次杆件的管径，第一主杆件的管径大于第二主杆件的管径，第一次杆件的管径大于第二次杆件的管径；所述第一主关节球的直径大于第一次关节球的直径，第二主关节球的直径大于第二次关节球的直径。
所述支撑主背架11中每个第一主关节球与反射面主骨架21中对应位置的第二主关节球，以及支撑次背架12中每个第一次关节球与反射面主骨架21中对应位置的第二次关节球之间，通过竖向连接杆3连接。上述竖向连接杆3，采用空心钢管。
所述主反射面4包括多块轻质金属板，固定在反射面骨架2的准测地线网格上；主反射面4由三角形面板拼接；周向阵列数目与反射面的周向等分数相同，每组周向阵列中的径向层数与反射面的径向分环数相同，每组阵列中最内圈的三角形面板数目为3，每层增加三角形面板数目2，直到最外圈层为止。
所述副反射面5的形状为抛物面状，其口面与主反射面4的口面相对，并通过径向支撑杆6固定在主反射面4的焦点位置；所述副反射面5，其与主反射面4的焦距相等，且该副反射面5的焦轴与主反射面4的焦轴重合。
所述馈源7固定在反射面骨架2的顶点位置。
所述姿态控制装置8，其结构示意图参照图3，包括基座81和三根伸缩杆82，每根伸缩杆82的底端通过转动副连接结构83与基座81连接，顶端通过球面副连接结构84与支撑主背架11连接；为了满足较长的伸缩长度，要求各伸缩杆82均采用多段组合连接的结构方式；三个转动副连接结构83与基座81的连接点呈等边三角形分布，三个球面副连接结构84与支撑主背架11的连接点呈等边三角形分布；所述姿态控制装置8通过精确调整三根伸缩杆82的长度和转动副连接结构83的旋转角度，快速实现对反射面天线在不同的工作空间的方位俯仰等姿态控制；所述球面副连接结构84，采用包括虎克铰链和转动铰链的复合球铰结构；虎克铰链包括左右对称的U型板，U型板上设置有螺纹孔，用来将虎克铰链固定在支撑主背架11上；虎克铰链通过十字轴与转动铰链中的U型板连接；转动铰链的底端套筒与三根伸缩杆82的上端连接。所述姿态控制装置8极大地简化其跟踪定位的支撑结构，使得整个反射面天线结构系统总体质量显著降低，灵活性显著提高，而且易于维护和更换。
实施例2，本实施例的主反射面采用梯形的轻质金属板，其他结构与实施例1相同。
主反射面4通过梯形的轻质金属板组成；主反射面4以反射面骨架2的顶点为圆心按照同心圆的阵列拼接，周向阵列数目与反射面的周向等分数相同，每组周向阵列中的径向层数与反射面的径向分环数相同，每组阵列中每个径向层数内的梯形面板数目根据梯形的最大面积限制取1、2、4中的一种，即当该径向层内的梯形面板数目取1时，梯形的最大面积超过了面积限制，则将该径向层内的梯形面板数目取2；当该径向层内的梯形面板数目取2时，梯形的最大面积超过了面积限制，则将该径向层内的梯形面板数目取4，直到最外圈层为止。
以下结合仿真实验，对本发明技术效果作进一步说明：
1.仿真条件和内容：
使用商业仿真软件ANSYS mechanical APDL 17.1对上述实施例进行；
该反射系统口径120m，焦径比0.4，反射面的周向等分数6，反射面的径向分环数15，反射面主骨架的空心圆管外径为0.137m，壁厚为0.030m，反射面次骨架的空心圆管外径为0.014m，壁厚为0.005m，支撑主背架的空心圆管外径为0.196m，壁厚为0.047m，支撑次背架的空心圆管外径为0.045m，壁厚为0.014m，竖向连接杆的空心圆管外径为0.125m，壁厚为0.016m，径向撑腿的空心圆管外径为0.2m，壁厚为0.005m。所有刚性杆件选择钢材料，反射面板厚度0.002m，采用金属铝板。
将反射面天线呈仰天位置放置，约束与伸缩杆连接呈中心对称的3个支撑点，在重力作用下，对反射面天线进行静力平衡仿真，结果如图4所示。
2.仿真测量结果分析：
从图4中可以看出，其反射系统的最大变形为0.037m。通过计算可以得到反射面的面密度为104.20kg/m2，反射面的节点绝对位置均方根误差为28.08mm。在此基础上进一步进行保型设计，型面精度为0.82mm，对比参考文献中面密度为407kg/m2，型面精度为1.0mm的反射面，可以看出本发明的反射面天线能够实现在保证天线形面精度的同时，有效降低天线的质量。
上述描述的具体实施例仅仅是对本发明的举例说明，并不构成对本发明的限制。显然，本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。例如本实例使用了伸缩杆、反射面骨架、支撑背架、竖向连接杆等术语，但并不排除使用其它术语的可能性。使用这些术语仅仅是为了更方便地描述和解释本发明的本质，若把它们解释成任何一种附加的限制都是与本发明精神相违背的。这种在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式或细节上的各种修改和改变，仍在本发明的权利要求保护范围之内。
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