刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置

1.本发明属于卫星天线技术领域，涉及一种刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置。


背景技术：

2.伴随航天技术的不断发展和需求的不断提高，对天线的性能要求也不断提高。由于作用距离较远，卫星接收到的微弱信号需要进行放大，因此对高增益星载天线的需求不断提高，同时天线还应具有较高的形面精度，这样才能够获取微弱的信号，与此同时天线口径不断趋于大型化才能满足大容量、高功率以及多波段和多功能的应用需求。高精度、大口径、可展开、低质量与高收纳比是星载天线发展与研究的热点。
3.目前发展较为成熟的星载可展开反射面天线，例如周边桁架、径向肋、构架式等网状可展开反射面天线等都难以同时满足上述要求。静电成形薄膜反射面可展开天线是一种新型星载天线，具有高精度、大口径与轻质量的特点，为实现大口径星载天线提供了一种新方案，静电成形的主动实时控制为提高反射面精度提供了一种新方法，它可充分结合静电成形主动实时控制和网状天线大口径的技术优势，同时满足天线高精度与大口径的需求。现阶段关于静电成形薄膜天线的研究基本都是基于周边桁架结构作为基础支撑结构，它最大的一个问题就是薄膜难以进行收拢管理，加州理工学院喷气推进实验室的surya p.chodimella(design evaluation of a large aperture deployable antenna[c].//47th aiaa/asme/asce/ahs/asc structures,structural dynamics,and materials conference.:american institute of aeronautics and astronautics,2006:1-.)等人提出的收拢折叠方案都难以解决这个问题，他们的方案在薄膜折叠后都会产生不可修复的折痕，严重影响反射面的展开精度。关于此问题截止到目前还没有一个较好的解决方案。


技术实现要素：

[0004]
本发明的目的是提供一种刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，解决了目前实际工程中静电成形薄膜天线中薄膜收拢折叠方式复杂、产生折痕较多，导致反射面展开精度低的问题。
[0005]
本发明所采用的技术方案是，刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，包括刚性肋基础支撑结构，刚性肋基础支撑结构包括沿圆周方向均匀设置的若干个肋条，刚性肋基础支撑结构上安装有反射面；反射面上沿圆周方向均匀分布有若干根肋板条，肋板条与肋条分别位于反射面的相对两侧；相邻两根肋条上挂接有柔索，相邻两根肋板条上粘贴有薄膜电极面，相邻两根肋板条之间的薄膜电极面由柔索进行支撑成形，薄膜电极面与反射面均连接静电高压电源。
[0006]
本发明的特点还在于：
[0007]
刚性肋基础支撑结构为一个可收展的结构，各肋条均固定在中心轮毂上。
[0008]
肋条的材料为碳纤维，肋条为直线形变截面肋条或者为抛物线形变截面肋条。
[0009]
肋条上均匀设置若干个通过固定螺母固定的调节柱，每个调节柱的上端安装有调节接头。
[0010]
分片柔索包括前索网和后索网，前索网和后索网之间通过竖向索网连接，前索网挂接在调节接头上。
[0011]
调节接头的上下调整同步对肋板条进行调整，从而对薄膜电极面进行整体的调整。
[0012]
薄膜电极面采用分片的形式，相邻两根肋条之间为一片，薄膜电极面首先在肋板条上利用胶水进行粘贴固定，然后薄膜电极面的中间部分和柔索的前索网利用胶带进行粘贴固定，以形成抛物面形状。
[0013]
反射面包括中心固面反射面、金属丝网反射面和薄膜反射面，金属丝网反射面为中心固面反射面和薄膜反射面之间的一个过渡面。
[0014]
反射面包括中心固面反射面、金属丝网反射面和薄膜反射面，金属丝网反射面为中心固面反射面和薄膜反射面之间的一个过渡面。
[0015]
薄膜反射面包括反射面薄膜、薄膜裙边拉索和薄膜加强边，薄膜裙边拉索挂接在位于肋条末端的调节接头上，薄膜加强边对反射面薄膜的边界进行加强，防止收展过程薄膜被撕裂。
[0016]
刚性肋式静电成形薄膜反射面天线的调节方法，具体包括如下过程：
[0017]
首先，将天线薄膜反射面随着天线刚性肋基础支撑结构的展开而展开，然后通过静电高压电源给天线薄膜反射面整个面施加一个电压a，给天线薄膜电极面不同的区域施加不同的电压b，且电压a的值小于电压b，从而在天线薄膜反射面和天线薄膜电极面之间产生一个电势差，从而产生静电力，使天线薄膜反射面和天线薄膜电极面相互吸引，通过调整天线薄膜电极面上不同区域所施加电压的大小对静电力大小进行调整，实现对天线薄膜反射面的型面保持和精度调整。
[0018]
本发明的有益效果如下：
[0019]
1.本发明采用了刚性肋式可展开结构为整个天线系统的支撑结构，该结构可以像雨伞一样进行收拢展开，解决了目前实际工程中静电成形薄膜天线中薄膜收拢方式复杂，产生折痕较多引起展开精度低的问题，为静电成形薄膜天线的在轨应用提供了一种可行的方案。
[0020]
2.本发明的天线反射面采用固面反射面、金属丝网反射面和薄膜反射面相结合的形式，固面反射面精度高，可以保证天线的基本精度，薄膜反射面可以进行静电调整，从而使天线整体达到一个较高的精度，金属丝网反射面作为固面反射面和薄膜反射面之间的一个过渡面，方便薄膜反射面的收拢管理，减小天线的电性能损失。
[0021]
3.本发明的电极面面形也采用模具成型的理想抛物面形状，不同于以往的利用平面进行逼近电极抛物面，提高了电极面的精度，进而提高薄膜反射面的静电调控精度。
[0022]
4.本发明的柔索挂接在天线肋条上的调节接头上，使得在具体工程中方便进行天线柔索的调试工作，提高柔索的精度。
附图说明
[0023]
图1是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的天线整体展开结构示意
图；
[0024]
图2是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置去除薄膜反射面后的展开结构示意图；
[0025]
图3是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置去除薄膜电极面和反射面后的展开结构示意图；
[0026]
图4是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的柔索结构示意图；
[0027]
图5是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的单根肋条的详细结构示意图；
[0028]
图6是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的柔索及肋板条调节装置的示意图；
[0029]
图7是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的薄膜电极面与肋板条的安装示意图；
[0030]
图8是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的薄膜电极面与柔索的安装示意图；
[0031]
图9是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的反射面整体结构示意图；
[0032]
图10是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的薄膜反射面结构示意图；
[0033]
图11是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的反射面安装示意图；
[0034]
图12是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置去除薄膜电极面和和反射面后的结构收拢态示意图；
[0035]
图13是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置收拢状态下薄膜电极面和薄膜反射面的状态示意图；
[0036]
图14是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的工作原理图；
[0037]
图15是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置整体结构有限元模型图；
[0038]
图16是本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的整体结构变形云图。
[0039]
图中，1.刚性肋基础支撑结构，2.柔索，3.薄膜电极面，4.反射面，5.静电高压电源，11.肋条，12.调节柱，13.调节接头，14.肋板条，15.固定螺钉，16.固定螺母，17.反射面支撑块，21.前索网，22.后索网，23.竖向索网，31.胶带，41.中心固面反射面，42.金属丝网反射面，43.薄膜反射面，121.调节柱上的后索网挂节点，122.调节柱的上端，131.调节接头上的前索网挂节点，132.调节接头的下端，133.调节接头的上端，171.反射面支撑块a端，172.反射面支撑块b端，211.前索网挂节点，221.后索网挂节点，411.固面外边缘，421.金属丝网反射面内边缘，422.金属丝网反射面外边缘，431.反射面薄膜，432.薄膜裙边拉索，433.薄膜加强边。
具体实施方式
[0040]
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
[0041]
本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，如图1所示，包括刚性肋基础支撑结构1、薄膜电极面3、反射面4、静电高压电源5(电压为6000v)。刚性肋基础支撑结构1为整个天线系统提供一个结构支撑，分片的薄膜电极面3在相邻两根肋条上方的肋板条14上进行粘贴，反射面4由中心固面反射面41、金属丝网反射面42和薄膜反射面43组成，薄膜反射
面43在电极面3上方一定距离内进行安装，用以反射电磁波，静电高压电源5为薄膜反射面43提供低电势，为薄膜电极面3提供高电势，以完成天线的薄膜反射面43的在轨保型与静电调整功能。刚性肋基础支撑结构1为一个可收展的结构，肋条11固定在中心轮毂上，肋条11的数目可根据天线的精度要求来进行设计。肋条11的材料可以为碳纤维，利用模具进行成型，对于较小口径的天线，肋条11可以为直线形变截面肋条，而对于较大口径的天线，肋条11可以为抛物线形变截面肋条，肋条11上可以进行开孔减重，降低发射成本。
[0042]
如图2所示，薄膜电极面3采用分片的形式，相邻两肋条11之间为一片，薄膜电极面3首先在肋板条14上利用胶水进行粘贴固定；如图3所示，刚性肋基础支撑结1为一个可收展的结构，肋条11固定在中心轮毂上，肋条11的数目可根据天线的精度要求来进行设计。每根肋板条14与金属丝网反射面42的连接处设有反射面支撑快17；
[0043]
如图4所示，分片柔索2由前索网21、后索网22和竖向索23组成，柔索2的后索网22挂接在调节柱12上的后索网挂节点121上，调节柱12上的后索网挂节点121为一个不可调的固定挂接点，柔索2的前索网21挂接在调节接头上的前索网挂节点131上，调节接头13上的前索网挂节点131是一个可调的挂节点，通过挂节点实现柔索2的挂接。前索网21的两端分别设有前索网挂节点211，后索网22的两端分别设有后索网挂节点221。后索网挂节点221挂接在调节柱上的后索网挂节点121上，调节柱12上的后索网挂节点121为一个不可调的固定挂接点，柔索2的前索网挂节点211挂接在调节接头上的前索网挂节点131上，调节接头13上的前索网挂节点131是一个可调的挂节点，通过挂节点实现柔索2的挂接。
[0044]
调节接头13上的前索网挂节点131可调的过程为：调节接头的下端132和调节柱的上端122为螺纹连接，调节接头的下端132可沿着调节柱的上端122进行上下移动，可以对柔索2的前索网21所有点进行一个整体的调整，从而达到一个前索网21可调的目的。利用柔索2的竖向索网23可对前索网21进行一个局部点的调整。调节接头13的上下调整也可对肋板条14进行一个调整，从而对薄膜电极面3进行一个整体的调整。薄膜电极面3面形也采用模具成型的理想抛物面形状，不同于以往的利用平面进行逼近电极抛物面，提高了电极面的精度，进而提高薄膜反射面43的静电调控精度。
[0045]
薄膜电极面3采用分片的形式，相邻两肋条11之间为一片，薄膜电极面3首先在肋板条14上利用胶水进行粘贴固定，然后薄膜电极面3的中间部分和每一片柔索2的前索网21利用胶带31进行粘贴固定，以形成抛物面形状
[0046]
分片的柔索2挂接在刚性肋基础支撑结构1相邻两根肋条上的调节装置上，两肋之间的薄膜电极面3由柔索2进行支撑成形。
[0047]
如图5和图6所示，肋条11上有多个通过固定螺母16固定的调节柱12，调节柱的上端122处安装有调节接头13，调节装置由调节柱12和调节接头13组成，调节接头上的前索网挂节点131可调的过程为：调节接头的下端132和调节柱的上端122为螺纹连接，调节接头的下端132可沿着调节柱的上端122进行上下移动，可以对柔索2的前索网21所有点进行一个整体的调整，从而达到一个前索网21可调的目的。利用柔索2的竖向索网23可对前索网21进行一个局部点的调整。调节接头13的上下调整也可对肋板条14进行一个调整，从而对薄膜电极面3进行一个整体的调整。
[0048]
如图7和图8所示，肋板条14通过固定螺钉15固定在调节接头的上端133上，薄膜电极面3采用分片的形式，相邻两肋条11之间为一片，薄膜电极面3首先在肋板条14上利用胶
水进行粘贴固定，然后薄膜电极面3的中间部分和每一片柔索2的前索网21利用胶带31进行粘贴固定，以形成抛物面形状。
[0049]
如图9所示，反射面4由中心固面反射面41、金属丝网反射面42和薄膜反射面43组成，中心固面反射面41精度高，可以保证天线的基本精度，同时也可作为天线在轨测量的一个长度基准，薄膜反射面43可以进行在轨静电调整，从而使天线反射面达到一个较高的精度，金属丝网反射面42作为中心固面反射面41和薄膜反射面43之间的一个过渡面，方便薄膜反射面43的收拢管理，减小它们之间的空隙，提高天线的电性能。
[0050]
如图10所示，薄膜反射面43包括反射面薄膜431、薄膜裙边拉索432和薄膜加强边433，反射面薄膜431可用的材料为镀铝聚酰亚胺薄膜、mylar薄膜、kapton薄膜，薄膜裙边拉索432挂接在肋条11末端的调节接头13上，薄膜加强边433对反射面薄膜431的边界进行加强，防止收展过程薄膜被撕裂。薄膜裙边拉索432的材料可以选择芳纶绳、碳纤维绳、聚酰亚胺纤维绳。
[0051]
薄膜反射面43的薄膜裙边拉索432挂接在调节接头上的前索网挂节点131上，如图11所示，薄膜反射面43的薄膜加强边433通过胶水粘贴固定在反射面支撑块a端171上，金属丝网反射面外边缘422固定连接在反射面支撑块b端172上，中心固面反射面41的固面外边缘411加工出凹槽平台和均布的小孔，凹槽平台是考虑了金属丝网反射面42的厚度，让金属丝网和中心固面反射面41更好的贴合，均布的小孔是和金属丝网反射面内边缘421进行连接。金属丝网反射面内边缘421通过拉索连接固定在中心固面反射面41的固面外边缘411出的凹槽平台上，薄膜反射面43的薄膜加强边433通过胶水粘贴固定在反射面支撑块a端171上，对薄膜反射面内部进行一个固定。金属丝网反射面外边缘422和反射面支撑块b端172进行连接固定，起到对金属丝网反射面外边缘422的一个固定作用。
[0052]
如图12、13所示，整个天线的收拢与展开和直杆雨伞相似，收拢时肋条11紧紧地围绕在中心轮毂周围，天线收拢时薄膜电极面3和薄膜反射面43紧紧地贴在一起，肋条正上方的薄膜电极面3贴在肋板条14上，两肋之间的的薄膜向下垂，位于两肋之间。从图中可以看出，天线收拢时薄膜电极面3和薄膜反射面43折叠的方式很简单，而且在折叠的地方都有比较大的弧度，基本不会产生折痕，因而不会引起展开精度低的问题。
[0053]
如图14所示，当天线结构展开到位后，静电高压电源5为薄膜反射面43提供低电势，为薄膜电极面3提供高电势，薄膜反射面43和薄膜电极面3就相当于一个电容，通过改变电压改变两层膜之间的电势差，从而可以对薄膜反射面43进行在轨保型与静电调整功能，形成天线的反射面，用以反射电磁波，完成天线的在轨功能。
[0054]
如图15所示，相对于三维造型图，模型中的部分地方做了简化处理，方便整体模型的构建。
[0055]
如图16所示，由于这里建模时使用的偏置反射面，所以整体结构变形关于x轴对称，最终计算得到反射面的拟合精度为0.07mm，具有较高的反射面精度，可应用于高频段星载天线。
[0056]
实施例1
[0057]
刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，包括刚性肋基础支撑结构，刚性肋基础支撑结构包括沿圆周方向均匀设置的若干个肋条，刚性肋基础支撑结构上安装有反射面；反射面上沿圆周方向均匀分布有若干根肋板条，肋板条与肋条分别位于反射面的相对两
侧；相邻两根肋条上挂接有柔索，相邻两根肋板条上粘贴有薄膜电极面，相邻两根肋板条之间的薄膜电极面由柔索进行支撑成形，薄膜电极面与反射面均连接静电高压电源。
[0058]
实施例2
[0059]
在实施例1的基础上，刚性肋基础支撑结构为一个可收展的结构，各所述肋条均固定在中心轮毂上。
[0060]
实施例3
[0061]
在实施例2的基础上，肋条的材料为碳纤维，肋条可以为直线形变截面肋条或者为抛物线形变截面肋条。
[0062]
实施例4
[0063]
在实施例2的基础上，肋条上均匀设置若干个通过固定螺母固定的调节柱，每个调节柱的上端安装有调节接头。
[0064]
本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置的工作过程为：当天线进入轨道后，肋条11在天线的驱动机构带动下进行展开，肋条11上有多个通过固定螺母16固定的调节柱12，调节柱12的上端122处安装有调节接头，调节接头13上的前索网挂节点131处挂接柔索2，柔索2随着肋条11的展开而张紧，为薄膜电极面3提供支撑；肋板条14通过固定螺钉15安装在调节接头13的上端133处，肋板条14的上方通过胶水对薄膜电极面3进行粘贴固定，同时薄膜电极面3的中间部分与柔索2的前索网21通过胶带31进行粘贴固定，薄膜电极面3随着肋条11的展开而展开并张紧；反射面薄膜43的外部通过薄膜裙边拉索432与肋条11上最外部的调节接头的上端131进行连接，反射面薄膜43的内部薄膜加强边433与反射面支撑块a端171通过胶水进行粘贴固定，金属丝网反射面外边缘422固定连接在反射面支撑块b端172上，金属丝网反射面内边缘421通过拉索连接固定在中心固面反射面41的固面外边缘411出的凹槽平台上，凹槽平台是考虑了金属丝网反射面42的厚度，让金属丝网和中心固面反射面41更好的贴合；金属丝网反射面42和薄膜反射面43也随着肋条的展开而展开。天线完全展开后，薄膜反射面43、金属丝网反射面42和中心固面反射面41组成整个天线的反射面，用以反射电磁波。静电高压电源5为薄膜电极面3提供高电势，为薄膜反射面43提供低电势，可以通过对电压的调整以完成天线薄膜反射面43的在轨保型与静电调整功能。
[0065]
本发明刚性肋式静电成形薄膜反射面天线的调节方法为：首先天线薄膜反射面43随着天线刚性肋基础支撑结构1的展开而展开，然后通过静电高压电源5给天线薄膜反射面43整个面施加一个低电压，给天线薄膜电极面3不同的区域施加不同的高电压，从而在天线薄膜反射面43和天线薄膜电极面3之间产生一个电势差，从而产生静电力，使天线薄膜反射面43和天线薄膜电极面3相互吸引，通过调整天线薄膜电极面3上不同区域所施加电压的大小对静电力大小进行调整，实现对天线薄膜反射面43的型面保持和精度调整。其中天线薄膜电极面3的电极电压可通过静电高压电源5主动控制，且不同电极的电压可通过不同的电压通道独立控制。

技术特征：
1.刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：包括刚性肋基础支撑结构(1)，刚性肋基础支撑结构(1)包括沿圆周方向均匀设置的若干个肋条(11)，刚性肋基础支撑结构(1)上安装有反射面(4)；反射面(4)上沿圆周方向均匀分布有若干根肋板条(14)，肋板条(14)与肋条(11)分别位于反射面(4)的相对两侧；相邻两根肋条(1)上挂接有柔索(2)，相邻两根肋板条(14)上粘贴有薄膜电极面(3)，相邻两根肋板条(14)之间的薄膜电极面(3)由柔索(2)进行支撑成形，薄膜电极面(3)与反射面(4)均连接静电高压电源(5)。2.根据权利要求1所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述刚性肋基础支撑结构(1)为一个可收展的结构，各所述肋条(11)均固定在中心轮毂上。3.根据权利要求2所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述肋条(11)的材料为碳纤维，肋条(11)可以为直线形变截面肋条或者为抛物线形变截面肋条。4.根据权利要求2所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述肋条(11)上均匀设置若干个通过固定螺母(16)固定的调节柱(12)，每个调节柱(12)的上端安装有调节接头(13)。5.根据权利要求4所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述分片柔索(2)包括前索网(21)和后索网(22)，前索网(21)和后索网(22)之间通过竖向索网(23)连接，前索网(21)挂接在所述调节接头(13)上。6.根据权利要求5所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述调节接头(13)的上下调整同步对肋板条(14)进行调整，从而对薄膜电极面(3)进行整体的调整。7.根据权利要求5所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述薄膜电极面(3)采用分片的形式，相邻两根肋条(11)之间为一片，薄膜电极面(3)首先在肋板条(14)上利用胶水进行粘贴固定，然后薄膜电极面(3)的中间部分和柔索(2)的前索网(21)利用胶带(31)进行粘贴固定，以形成抛物面形状。8.根据权利要求5所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述反射面(4)包括中心固面反射面(41)、金属丝网反射面(42)和薄膜反射面(43)，金属丝网反射面(42)为中心固面反射面(41)和薄膜反射面(43)之间的一个过渡面。9.根据权利要求8所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，其特征在于：所述薄膜反射面(43)包括反射面薄膜(431)、薄膜裙边拉索(432)和薄膜加强边(433)，薄膜裙边拉索(432)挂接在位于肋条(11)末端的调节接头(13)上，薄膜加强边(433)对反射面薄膜(431)的边界进行加强，防止收展过程薄膜被撕裂。10.根据权利要求1～9任一权利要求所述的刚性肋式静电成形薄膜反射面天线的调节方法，其特征在于，具体包括如下过程：首先，将天线薄膜反射面(43)随着天线刚性肋基础支撑结构(1)的展开而展开，然后通过静电高压电源(5)给天线薄膜反射面(43)整个面施加一个电压a，给天线薄膜电极面(3)不同的区域施加不同的电压b，且电压a的值小于电压b，从而在天线薄膜反射面(43)和天线薄膜电极面(3)之间产生一个电势差，从而产生静电力，使天线薄膜反射面(43)和天线薄膜电极面(3)相互吸引，通过调整天线薄膜电极面(3)上不同区域所施加电压的大小对静电力大小进行调整，实现对天线薄膜反射面(43)的型面保持和精度调整。

技术总结
本发明公开了一种刚性肋式静电成形薄膜反射面天线装置，刚性肋基础支撑结构为整个天线系统提供一个结构支撑，分片的柔索挂接在相邻两根肋条上的调节装置上，分片的薄膜电极面在相邻两根肋条上方的肋板条上进行粘贴，两肋之间的薄膜电极面由柔索进行支撑成形，反射面由中心固面反射面、金属丝网反射面和薄膜反射面组成；薄膜反射面在电极面上方一定距离内进行安装，用以反射电磁波，静电高压电源为薄膜反射面提供低电势，为薄膜电极面提供高电势，以完成天线薄膜反射面的在轨保型与静电调整功能。功能。功能。


技术研发人员：韩继锋 李鹏飞 杜敬利 钟旺 李振宇
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.06
技术公布日：2023/8/24