一种星载柔性射频激光一体化通信天线的制作方法

[0001]
本发明涉及通信技术领域，具体涉及一种星载柔性射频激光一体化通信天线。


背景技术：

[0002]
随着航天及深空探测任务多样化的发展，对卫星及深空通信载荷提出了高速化、轻量化、小型化、综合化和集成化的应用需求。对于卫星及深空通信应用，虽然射频通信难以满足未来深空探测任务对高速数据回传需求，但是射频通信链路的可靠性和可通率却很高，因此射频通信仍将是卫星及深空探测的主用通信手段。激光通信具有通信速率高、方向性强以及载荷体积小、重量轻、功耗低等特点，可满足未来卫星及深空探测活动对高速通信、超远距离传输等需求，在未来的卫星及深空探测领域具有良好的应用前景。兼顾卫星及深空通信链路的高可靠性和高速率化应用需求，可以预见，未来卫星及深空射频通信和激光通信将相辅相成、融合发展。
[0003]
受空间搭载条件的限制，卫星及深空飞行平台对通信载荷的集成化和综合化的需求愈加明显，以进一步降低通信载荷对飞行平台的搭载资源需求。因此，将射频通信载荷和激光通信载荷整合为一体化通信载荷成为提高卫星及深空通信链路可靠性、改善卫星及深空通信系统兼容性、提升卫星及深空通信品质、节约卫星及深空飞行平台资源的一种有效解决途径。在卫星及深空射频和激光一体化通信系统中，射频和激光一体化天线的设计至关重要。
[0004]
现有技术中，2016年11月15日申请的公开号为cn106571511a的中国专利介绍了一种轻型可折叠射频和激光混合薄膜通信天线。该技术实现了射频和激光的共用天线设计。但是该天线的馈源放置在射频主反射面的焦点位置即光学天线的次镜背面，馈源装置的结构将额外增加光学系统中心遮拦所引起的损失，因此降低了光学天线的利用率。同时，该技术通过连接杆在连接轴上的滑动实现射频反射面的折叠和展开状态，七个连接杆不仅增加了天线的整体质量，而且通过连接杆连接支撑肋和连接轴的方式降低了天线的可靠性，不利于星载应用。现有技术中，2018年4月11日申请的公开号为cn108565559a的中国专利介绍了一种激光/毫米波复合通信用共轴共形天线。该技术虽然实现了射频和激光的共用天线设计，但是其激光/毫米波共用的主镜采用微晶材料，无法实现折叠或收拢，无法同时满足火箭运载时的小包络要求和星载通信对大口径增益的需求，不适用于星载应用。现有技术中，2018年5月2日申请的公开号为cn110445545a的中国专利介绍了一种用于激光微波复合通信的共轴可展天线。该技术的馈源也放置在射频主反射面的焦点位置，馈源装置的结构将增加光学系统中心遮拦所引起的损失，且次镜支撑架采用桁架结构，也会额外大幅降低光学天线的利用率。因此，现有技术没有彻底解决星载射频激光一体化通信天线的问题。


技术实现要素：

[0005]
本发明是为了解决星载射频激光一体化通信天线的问题，针对卫星及深空射频和激光一体化通信需求，提供了一种星载柔性射频激光一体化通信天线，在实现射频和激光
一体化发射和接收的同时，具有结构紧凑、可展开、体积小、重量轻、可靠性高、激光射频传输效率高等特点。
[0006]
本发明提供一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统，设置在射频反射系统中空处的射频激光主镜系统，设置在射频激光主镜系统上方的射频激光次镜系统，设置在射频激光主镜系统后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜和与射频反射系统相连用于将射频反射系统展开收紧的固定系统；
[0007]
射频反射系统包括柔性射频主反射面和设置在柔性射频主反射面背部起支撑作用的背部支撑肋；
[0008]
主镜系统包括主镜室和固定在主镜室上部的射频激光复用主镜；
[0009]
射频激光次镜系统包括固定在主镜室上端用于控制主镜系统与射频激光次镜系统间距的次镜支撑架，固定在次镜支撑架顶部的次镜固定结构和固定在次镜固定结构下部的射频激光共用次镜；
[0010]
固定系统包括固定在柔性射频主反射面外边缘用于将柔性射频主反射面收紧的锁定绳索结构和固定在柔性射频主反射面与主镜室交接处用于将柔性射频主反射面在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构。
[0011]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，还包括设置在射频激光路径分离镜两侧的射频馈源和激光收发单元。
[0012]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，柔性射频主反射面为能够展开和收紧的金属网状结构；柔性射频主反射面与背部支撑肋胶接固定；背部支撑肋为变截面中空梁式结构的高模量碳纤维。
[0013]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，射频激光复用主镜为与射频反射系统展开状态曲面一致的抛物面，射频激光共用次镜为双曲面，射频激光复用主镜和射频激光共用次镜均为表面依次镀金属膜和介质膜的光学玻璃；射频激光路径分离镜是表面镀有高反射率介质膜的光学玻璃。
[0014]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，主镜室为外环设置有不少于一组用于固定背部支撑肋底端的固定环的圆形，固定环上端设置有连接次镜支撑架的孔位。
[0015]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，固定环的数量为8～12。
[0016]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，次镜支撑架为四翼梁结构，次镜支撑架材质为殷钢；
[0017]
次镜固定结构上设置有用于射频激光共用次镜位置微调的微调装置。
[0018]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，锁定绳索结构包括固定在背部支撑肋背部外边缘两侧的绳索连接孔、设置在绳索连接孔内部的阻尼器和形状大小与绳索连接孔对应的锁定绳索。
[0019]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，在背部支撑肋外边缘还设置用于一体化通信天线自解锁的切割装置。
[0020]
本发明所述的一种星载柔性射频激光一体化通信天线，作为优选方式，支撑肋锁紧结构为环形锁紧铰链。
[0021]
火箭发射阶段，星载柔性射频激光一体化通信天线处于收拢状态。此时，柔性射频主反射面与背部支撑肋采用胶接的方式连接，锁定绳索结构与背部支撑肋上端连接口处于收紧状态。
[0022]
在轨工作阶段，星载柔性射频激光一体化通信天线处于展开状态。通过控制阻尼大小，实现对展开速度的控制。展开后，背部支撑肋处于平展状态，背部支撑肋通过支撑肋锁紧结构与主镜室锁紧，使柔性射频反射面与射频激光复用主镜的面形完全吻合，形成一个全口径的射频主反射面。当射频信号通过天线时，能够完全通过全口径的主反射面进入到射频激光共用次镜；同理，激光信号也能通过射频激光复用主镜进入到射频激光共用次镜。激光和射频信号由射频激光共用次镜反射通过射频激光复用主镜的中心孔，后端有一个射频激光路径分离镜，将射频信号和激光信号分离，并分别进入各自的后端信号处理系统，即射频馈源、激光收发单元。
[0023]
射频激光共用主镜固定在主镜室上，其中射频激光复用主镜与展开状态下的柔性射频主反射面的曲率等参数吻合，使入射的射频信号反射后入射至射频激光路径分离镜，由射频激光路径分离镜反射后进入通信接收系统。
[0024]
次镜支撑架底端固定在主镜室的上端；射频激光共用次镜固定在次镜支撑架的顶端。次镜支撑架主要起到控制主次镜间距和固定射频激光共用次镜的作用。
[0025]
背部支撑肋为由细到粗的中空结构，材料为高模量碳纤维，提高结构的刚度，热膨胀系数小、抗疲劳和成型工艺简单等优点，适应于长寿命设计需要。
[0026]
射频激光复用主镜的面形与柔性射频主反射面相吻合，材料为材质为光学玻璃镀金属膜和介质膜，能够实现对射频和激光的高反射，提高天线的传输效率。
[0027]
次镜支撑架材料为殷钢，其特点是线膨胀系数小，随温度变化产生的变形小，能够在温差变化较大的环境下，保证主次镜的中心间距，增强天线的稳定性。
[0028]
次镜固定结构上有“一顶三拉”微调装置，用于次镜的装调，确保次镜与主镜之间不出现离轴、倾斜、偏移等误差。
[0029]
射频激光路径分离镜具有射频高效透过、激光高效反射从而实现射频和激光路径分离的作用。
[0030]
本发明具有以下优点：
[0031]
(1)本发明采用射频和激光共用次镜和主馈结构、次镜支撑采用四翼梁结构，有效减少了因前馈结构和桁架结构带来的光学损失，提升了光学传输效率。
[0032]
(2)本发明采用中空背部支撑肋、支撑肋锁紧结构和锁定绳索结构的方式来固定射频主反射面的方式，不仅减小了天线的重量，也增加了射频天线在展开状态下的可靠性。
[0033]
(3)本发明采用金属网状结构的柔性射频主反射面，支持收缩和展开两种状态，在实现高反射率的同时，使得整机结构紧凑、重量轻。
[0034]
(4)本发明采用激光射频共用反射面高反射膜系设计，通过在光学玻璃表面依次镀金属膜和介质膜的形式，实现对射频和激光的同时高反射，大幅提高了天线的传输效率。
附图说明
[0035]
图1为一种星载柔性射频激光一体化通信天线实施例1收拢状态示意图；
[0036]
图2为一种星载柔性射频激光一体化通信天线实施例1展开状态示意图。
[0037]
图3为一种星载柔性射频激光一体化通信天线实施例2-6收拢状态示意图；
[0038]
图4为一种星载柔性射频激光一体化通信天线实施例2-6展开状态示意图。
[0039]
附图标记：
[0040]
1、射频反射系统；11、柔性射频主反射面；12、背部支撑肋；2、射频激光主镜系统；21、主镜室；22、射频激光复用主镜；3、射频激光次镜系统；31、次镜支撑架；32、次镜固定结构；33、射频激光共用次镜；4、射频激光路径分离镜；5、固定系统；51、锁定绳索结构；52、支撑肋锁紧结构；6、射频馈源；7、激光收发单元。
具体实施方式
[0041]
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
[0042]
实施例1
[0043]
如图1-2所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统1，设置在射频反射系统1中空处的射频激光主镜系统2，设置在射频激光主镜系统2上方的射频激光次镜系统3，设置在射频激光主镜系统2后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜4和与射频反射系统1相连用于将射频反射系统1展开收紧的固定系统5；
[0044]
射频反射系统1包括柔性射频主反射面11和设置在柔性射频主反射面11背部起支撑作用的背部支撑肋12；
[0045]
主镜系统2包括主镜室21和固定在主镜室21上部的射频激光复用主镜22；
[0046]
射频激光次镜系统3包括固定在主镜室21上端用于控制主镜系统2与射频激光次镜系统3间距的次镜支撑架31，固定在次镜支撑架31顶部的次镜固定结构32和固定在次镜固定结构32下部的射频激光共用次镜33；
[0047]
固定系统5包括固定在柔性射频主反射面11外边缘用于将柔性射频主反射面11收紧的锁定绳索结构51和固定在柔性射频主反射面11与主镜室21交接处用于将柔性射频主反射面11在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构52。
[0048]
实施例2
[0049]
如图3-4所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统1，设置在射频反射系统1中空处的射频激光主镜系统2，设置在射频激光主镜系统2上方的射频激光次镜系统3，设置在射频激光主镜系统2后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜4和与射频反射系统1相连用于将射频反射系统1展开收紧的固定系统5，还包括设置在射频激光路径分离镜4两侧的射频馈源6和激光收发单元7；
[0050]
射频反射系统1包括柔性射频主反射面11和设置在柔性射频主反射面11背部起支撑作用的背部支撑肋12；
[0051]
主镜系统2包括主镜室21和固定在主镜室21上部的射频激光复用主镜22；
[0052]
射频激光次镜系统3包括固定在主镜室21上端用于控制主镜系统2与射频激光次镜系统3间距的次镜支撑架31，固定在次镜支撑架31顶部的次镜固定结构32和固定在次镜固定结构32下部的射频激光共用次镜33；
[0053]
固定系统5包括固定在柔性射频主反射面11外边缘用于将柔性射频主反射面11收紧的锁定绳索结构51和固定在柔性射频主反射面11与主镜室21交接处用于将柔性射频主
反射面11在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构52。
[0054]
实施例3
[0055]
如图3-4所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统1，设置在射频反射系统1中空处的射频激光主镜系统2，设置在射频激光主镜系统2上方的射频激光次镜系统3，设置在射频激光主镜系统2后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜4和与射频反射系统1相连用于将射频反射系统1展开收紧的固定系统5，还包括设置在射频激光路径分离镜4两侧的射频馈源6和激光收发单元7；
[0056]
射频反射系统1包括柔性射频主反射面11和设置在柔性射频主反射面11背部起支撑作用的背部支撑肋12；柔性射频主反射面11为能够展开和收紧的金属网状结构；柔性射频主反射面11与背部支撑肋12胶接固定；背部支撑肋12为变截面中空梁式结构的高模量碳纤维；
[0057]
主镜系统2包括主镜室21和固定在主镜室21上部的射频激光复用主镜22；射频激光复用主镜22为与射频反射系统1展开状态曲面一致的抛物面，射频激光共用次镜33为双曲面，射频激光复用主镜22和射频激光共用次镜33均为表面依次镀金属膜和介质膜的光学玻璃；射频激光路径分离镜4是表面镀有高反射率介质膜的光学玻璃；主镜室23为外环设置有不少于一组用于固定背部支撑肋12底端的固定环的圆形，固定环上端设置有连接次镜支撑架31的孔位；
[0058]
射频激光次镜系统3包括固定在主镜室21上端用于控制主镜系统2与射频激光次镜系统3间距的次镜支撑架31，固定在次镜支撑架31顶部的次镜固定结构32和固定在次镜固定结构32下部的射频激光共用次镜33；次镜支撑架31为四翼梁结构，次镜支撑架31材质为殷钢；
[0059]
固定系统5包括固定在柔性射频主反射面11外边缘用于将柔性射频主反射面11收紧的锁定绳索结构51和固定在柔性射频主反射面11与主镜室21交接处用于将柔性射频主反射面11在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构52。
[0060]
实施例4
[0061]
如图3-4所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统1，设置在射频反射系统1中空处的射频激光主镜系统2，设置在射频激光主镜系统2上方的射频激光次镜系统3，设置在射频激光主镜系统2后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜4和与射频反射系统1相连用于将射频反射系统1展开收紧的固定系统5，还包括设置在射频激光路径分离镜4两侧的射频馈源6和激光收发单元7；
[0062]
射频反射系统1包括柔性射频主反射面11和设置在柔性射频主反射面11背部起支撑作用的背部支撑肋12；柔性射频主反射面11为能够展开和收紧的金属网状结构；柔性射频主反射面11与背部支撑肋12胶接固定；背部支撑肋12为变截面中空梁式结构的高模量碳纤维；
[0063]
主镜系统2包括主镜室21和固定在主镜室21上部的射频激光复用主镜22；射频激光复用主镜22为与射频反射系统1展开状态曲面一致的抛物面，射频激光共用次镜33为双曲面，射频激光复用主镜22和射频激光共用次镜33均为表面依次镀金属膜和介质膜的光学玻璃；射频激光路径分离镜4是表面镀有高反射率介质膜的光学玻璃；主镜室23为外环设置有不少于一组用于固定背部支撑肋12底端的固定环的圆形，固定环上端设置有连接次镜支
撑架31的孔位；固定环的数量为8～12；
[0064]
射频激光次镜系统3包括固定在主镜室21上端用于控制主镜系统2与射频激光次镜系统3间距的次镜支撑架31，固定在次镜支撑架31顶部的次镜固定结构32和固定在次镜固定结构32下部的射频激光共用次镜33；次镜支撑架31为四翼梁结构，次镜支撑架31材质为殷钢；
[0065]
固定系统5包括固定在柔性射频主反射面11外边缘用于将柔性射频主反射面11收紧的锁定绳索结构51和固定在柔性射频主反射面11与主镜室21交接处用于将柔性射频主反射面11在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构52。
[0066]
实施例5
[0067]
如图3-4所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，包括中空的射频反射系统1，设置在射频反射系统1中空处的射频激光主镜系统2，设置在射频激光主镜系统2上方的射频激光次镜系统3，设置在射频激光主镜系统2后部的用于将射频和激光分离的射频激光路径分离镜4和与射频反射系统1相连用于将射频反射系统1展开收紧的固定系统5，还包括设置在射频激光路径分离镜4两侧的射频馈源6和激光收发单元7；
[0068]
射频反射系统1包括柔性射频主反射面11和设置在柔性射频主反射面11背部起支撑作用的背部支撑肋12；柔性射频主反射面11为能够展开和收紧的金属网状结构；柔性射频主反射面11与背部支撑肋12胶接固定；背部支撑肋12为变截面中空梁式结构的高模量碳纤维；
[0069]
主镜系统2包括主镜室21和固定在主镜室21上部的射频激光复用主镜22；射频激光复用主镜22为与射频反射系统1展开状态曲面一致的抛物面，射频激光共用次镜33为双曲面，射频激光复用主镜22和射频激光共用次镜33均为表面依次镀金属膜和介质膜的光学玻璃；射频激光路径分离镜4是表面镀有高反射率介质膜的光学玻璃；主镜室23为外环设置有不少于一组用于固定背部支撑肋12底端的固定环的圆形，固定环上端设置有连接次镜支撑架31的孔位；
[0070]
射频激光次镜系统3包括固定在主镜室21上端用于控制主镜系统2与射频激光次镜系统3间距的次镜支撑架31，固定在次镜支撑架31顶部的次镜固定结构32和固定在次镜固定结构32下部的射频激光共用次镜33；次镜支撑架31为四翼梁结构，次镜支撑架31材质为殷钢；次镜固定结构32上设置有用于射频激光共用次镜33位置微调的微调装置；
[0071]
固定系统5包括固定在柔性射频主反射面11外边缘用于将柔性射频主反射面11收紧的锁定绳索结构51和固定在柔性射频主反射面11与主镜室21交接处用于将柔性射频主反射面11在展开状态锁紧的支撑肋锁紧结构52；锁定绳索结构51包括固定在背部支撑肋12背部外边缘两侧的绳索连接孔、设置在绳索连接孔内部的阻尼器和形状大小与绳索连接孔对应的锁定绳索；在背部支撑肋12外边缘还设置用于一体化通信天线自解锁的切割装置；支撑肋锁紧结构52为环形锁紧铰链。
[0072]
实施例6
[0073]
如图3-4所示，一种星载柔性射频激光一体化通信天线，其中射频波段为ka波段，激光波段为1550nm波段；
[0074]
本实施例的基本结构与实施例5相同，具体的，柔性射频主反射面11为金丝网状结构；背部支撑肋12采用变截面中空梁式结构，其材质为高模量碳纤维，共有12根；
[0075]
主镜室21为圆形结构，外环有n组固定环，上端有连接次镜支撑架31的孔位；射频激光复用主镜22采用的是抛物面结构，材质为微晶表面依次镀铝膜和二氧化钛/二氧化硅(tio2/sio2)介质膜，其中铝膜对ka的反射率为≥96％，tio2/sio2介质膜对1550nm的反射率为≥98％；
[0076]
次镜支撑架31下端为圆环形结构且有与主镜室21连接的孔位，上端为外圆环通过四粱结构连接内圆环，内圆环有连接次镜固定结构32的孔位；次镜固定结构32为圆形结构，外环有连接次镜支撑架31的孔位，内部有固定射频激光共用次镜33结构和“一顶三拉”微调装置；射频激光共用次镜33采用的使双曲面结构，其材质与射频激光复用主镜22的材料相同；
[0077]
锁定绳索材质为高强芳纶纤维；绳索连接孔材质为高模量碳纤维；阻尼器材质为铝合金；
[0078]
射频激光路径分离镜4为表面镀有二氧化钛/二氧化硅(tio2/sio2)介质膜的微晶玻璃，对ka的透过率为≥90％，tio2/sio2介质膜对1550nm的反射率为≥98％。
[0079]
实施例1-6的使用方法是：
[0080]
火箭发射阶段，星载柔性射频激光一体化通信天线处于收拢状态。此时，柔性射频主反射面11与背部支撑肋12采用胶接的方式连接，锁定绳索结构51与背部支撑肋12上端连接口处于收紧状态。
[0081]
在轨工作阶段，星载柔性射频激光一体化通信天线处于展开状态。此时，背部支撑肋12处于平展状态，支撑肋锁紧结构52将背部支撑肋12固定端锁死到主镜室21侧面上，从而使柔性射频主反射面11处于稳定的工作状态。
[0082]
射频激光共用主镜22固定在主镜室21上，其中射频激光复用主镜22与展开状态下的柔性射频主反射面11的曲率等参数吻合，使入射的射频信号反射后入射至射频激光路径分离镜4，由射频激光路径分离镜4反射后进入通信接收系统，即射频馈源6和激光收发单元7。
[0083]
次镜支撑架31底端固定在主镜室21的上端；射频激光共用次镜33固定在次镜支撑架31的顶端。次镜支撑架31主要起到控制主次镜间距和固定射频激光共用次镜33的作用。
[0084]
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。