一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法与流程

本发明涉及有效载荷天线结构设计领域，具体涉及一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法。

背景技术：

随着有效载荷天线的飞跃式发展，对天线多功能、多波段、远距离、高功率等性能要求越来越高，卫星数据传输容量的要求越来越大，卫星的有效载荷随之增加。高传输功率、低损耗和高可靠性的金属馈电波导得到广泛应用。

某大口径星载无源平面反射阵列天线采用空馈形式的刚性反射阵列天线，其馈源与反射面之间的相对位置精度较高，高传输功率、低损耗和高可靠性的馈电方式选择及抗空间热环境设计成为星载无源平面反射阵列天线结构设计技术的难点之一。综合考虑高功率电性能传输的低损特性、产品加工成型的工艺成熟度以及星载产品重量等要求，星载无源平面反射阵列采用金属馈电波导的方式进行电性能传输。

公开号为CN201857337U的专利文献公开了一种锡槽升温过程大罩钢结构膨胀热变形的控制装置，容易引起金属内部应力集中。非专利文献《Helgesson Propagation in dielectric slab loaded rectangular wave-guide》介绍了国外NASA Langley研究中心与L'Garde公司合作研制用于大口合成孔径雷达(SAR)系统的缝隙天线阵，其馈源主要通过折叠展开矩形波导进行馈电，但未能考虑星载环境下的热学特性以及折叠结构引起的电磁损耗。非专利文献《折叠波导空间展开纵向形变控制分析》介绍了一种采用充气薄膜形式制作波导，主要分析了波导内部压力、材料厚度等条件对折叠波导空间形变的影响，忽略了外部环境因素对其力学环境的影响。非专利文献《殷钢波导变形分析及控制》分析了温度线性变化对采用殷钢材料波导传输性能的影响，未考虑殷刚波导的工艺成熟度。非专利文献《S波段气象雷达天线馈线设计与测量》介绍了一款用于气象雷达的铝型材馈电波导，波导采用分段式配合旋转关节，忽略了空间热环境引起波导变形导致旋转关节电磁泄露等影响。非专利文献《变形对梯形单脊波导衰减等传输特性影响》介绍了错位与受力变形对矩形单脊波导电性能的影响，无相应改进措施。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法，通过设计弹性支架，解决金属馈电波导的抗热学设计难点，可指导金属馈电波导在空间环境下及发射阶段的形变控制设计。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法，其特点是，包含以下步骤：

S1、根据星载无源平面反射阵列天线，确定金属馈电波导的几何结构参数和材料属性；

S2、根据金属馈电波导的结构布局、边界条件、性能要求，确定弹性支架的结构；

S3、根据金属馈电波导的几何结构参数和材料属性，建立金属馈电波导的有限元模型；

S4、根据金属馈电波导的约束条件及热载荷环境，计算金属馈电波导在空间环境下的热应力分布及热变形值；

S5、根据热应力分布及热变形值，确定弹性支架的弹力范围，以完成金属馈电波导在空间环境下的形变控制。

所述的星载无源平面反射阵列天线包含天线阵面、支架、馈源及金属馈电波导，所述的金属馈电波导分为依次连接的四个部分，分别为上端面、主体段、下端平直段及下端面，其中，所述的上端面与所述馈源连接，所述的主体段沿所述支架设置，并与所述支架固定，下端平直段通过弹性支架进行约束，下端面通过波导同轴转化器连接到星体内部。

所述的步骤S1中，金属馈电波导的几何结构参数包含：金属馈电波导的截面尺寸、金属馈电波导的高度、金属馈电波导的弯折角度、金属馈电波导的法兰尺寸。

所述的步骤S1中，确定金属馈电波导的几何结构参数包含：

根据馈源距天线阵面安装高度确定金属馈电波导的高度；

根据支架的外形结构与馈电输入端口位置，确定金属馈电波导的弯折角度和平直段长度；

根据输入端电接口法兰尺寸，确定金属馈电波导端口与之匹配的法兰尺寸；

根据星载无源平面反射阵列天线的工作频率指标要求，计算出金属馈电波导的内壁尺寸，根据金属馈电波导的重量、刚度与加工工艺要求，确定金属馈电波导的壁厚，由内壁尺寸及壁厚确定金属馈电波导的截面尺寸。

所述的步骤S1中，金属馈电波导的材料属性包含：金属馈电波导的材料类型、密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数及比热容。

所述的金属馈电波导的材料类型为铝材、铜材及殷钢中的一种。

所述的步骤S2中，弹性支架包含：

支撑架；

固定板，设置在所述支撑架的上方；

传输波导法兰，设置在所述支撑架与固定板之间，金属馈电波导的下端平直段穿过所述传输波导法兰；

一对固定螺钉，依次穿过所述固定板、传输波导法兰与所述支撑架连接；

一对上部弹簧，分别套接在一对固定螺钉上，并且位于固定板与传输波导法兰之间；

一对下部弹簧，分别套接在一对固定螺钉上，并且位于支撑架与传输波导法兰之间。

所述的步骤S3中，金属馈电波导的结构有限元模型表示为：

式中，M表示质量阵，C表示阻尼阵，K表示刚度阵，F表示外载荷阵，与δ分别表示节点加速度、速度和位移矢量。

所述的步骤S4包含：

确定金属馈电波导的约束条件，金属馈电波导的上端面与馈源连接，主体段沿所述支架设置，并与所述支架固定，下端平直段通过弹性支架进行约束，下端面通过波导同轴转化器连接到星体内部；

根据星载无源平面反射阵列天线的工作环境，确定金属馈电波导的高温环境、低温环境以及不同温度环境下的工作时间；

分别计算金属馈电波导在高温环境下的热应力分布和热变形值，低温环境下的热应力分布和热变形值。

所述的步骤S5中，确定弹性支架的弹力范围即确定弹性支架中上部弹簧及下部弹簧的弹性系数和弹簧长度，其中，弹性系数的计算公式为：

S＝(a+2h)·(b+2h)-ab

式中，k表示弹性系数，δ表示空间环境下的热变形值，n表示安全系数，P表示空间环境下的热应力，S为波导截面积，a表示金属馈电波导的内壁长度，b表示金属馈电波导的内壁宽度，h表示金属馈电波导的壁厚；

弹簧长度的计算公式为：

l＝b+2h+δ

式中，l表示弹簧长度，b表示金属馈电波导的内壁宽度，h表示金属馈电波导的壁厚，δ表示空间环境下的热变形值。

本发明一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法与现有技术相比具有以下优点：能够解决金属馈电波导空间形变控制问题，可用于解决金属馈电波导在空间环境下的抗力学设计及抗热学设计难点，可指导金属馈电波导在空间环境下及发射阶段的形变控制设计。

附图说明

图1为本发明一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法的流程图；

图2为金属馈电波导的空间结构布局图；

图3为金属馈电波导剖面尺寸示意图；

图4为安装在金属馈电波导下端平直段的弹性支架的立体图；

图5为弹性支架的剖面图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种金属馈电波导在空间环境下形变控制方法，包含以下步骤：

S1、根据星载无源平面反射阵列天线，确定金属馈电波导的几何结构参数和材料属性。

如图2所示，星载无源平面反射阵列天线包含天线阵面、支架1(碳纤维材料制成)、馈源2及金属馈电波导3，所述的金属馈电波导3分为依次连接的四个部分，分别为上端面31、主体段32、下端平直段33及下端面34，其中，所述的上端面31与所述馈源2连接(上端面的法兰与馈源喇叭的法兰通过螺钉连接)，所述的主体段32沿所述支架1设置，并与所述支架1固定(通过线扎固定)，下端平直段33通过弹性支架4进行约束，下端面34通过波导同轴转化器连接到星体内部。

金属馈电波导的几何结构参数包含：金属馈电波导的截面尺寸、金属馈电波导的高度、金属馈电波导的弯折角度、金属馈电波导的法兰尺寸。

确定金属馈电波导的几何结构参数包含：

根据馈源距天线阵面安装高度确定金属馈电波导的高度；

根据支架的外形结构与馈电输入端口位置，确定金属馈电波导的弯折角度和平直段长度；

根据输入端电接口法兰尺寸，确定金属馈电波导端口与之匹配的法兰尺寸；

根据星载无源平面反射阵列天线的工作频率指标要求，计算出金属馈电波导的内壁尺寸，根据金属馈电波导的重量、刚度与加工工艺要求，确定金属馈电波导的壁厚，由内壁尺寸及壁厚确定金属馈电波导的截面尺寸。如图3所示。

金属馈电波导的材料属性包含：金属馈电波导的材料类型、密度、弹性模量、泊松比、热膨胀系数、导热系数及比热容。

常用的金属馈电波导的材料类型为铝材、铜材及殷钢中的一种，，根据材料工艺成熟度以及卫星产品对质量的严格要求，在本实施例中选用铝材制作金属馈电波导，其材料属性如表1所示。

表1

S2、根据金属馈电波导的结构布局、边界条件、性能要求，确定弹性支架的结构。

如图5，并结合图3及图4所示，弹性支架4包含支撑架41(铝制)；固定板42，设置在所述支撑架41的上方；传输波导法兰43，设置在所述支撑架41与固定板42之间，金属馈电波导的下端平直段33穿过所述传输波导法兰43；一对固定螺钉44，依次穿过所述固定板42、传输波导法兰43与所述支撑架41连接；一对上部弹簧45，分别套接在一对固定螺钉44上，并且位于固定板42与传输波导法兰43之间；一对下部弹簧46，分别套接在一对固定螺钉44上，并且位于支撑架41与传输波导法兰43之间。一对上部弹簧45和一对下部弹簧46有一定的弹力，达到可以上下调节的作用。星载无源平面反射阵列天线暴露在星体外部，温度环境较为恶劣，高温环境时，金属馈电波导3热涨引起的向下变形，上部弹簧45拉伸、下部弹簧46收缩，当星载无源平面反射阵列天线处于低温环境，金属馈电波导3热冷缩引起的向上变形，上部弹簧45收缩、下部弹簧46拉伸。弹性支架4即保证了金属馈电波导轴向一定范围的自由延展性，又提高了金属馈电波导的抗力学性及太空环境下的热胀冷缩的物理特性。传输波导法兰43的间距为c，上部弹簧45(下部弹簧46)的弹簧长度为l，固定板42的厚度为e，传输波导法兰43的高度为f，支撑架41的高度为g+d+i。

S3、根据金属馈电波导的几何结构参数和材料属性，建立金属馈电波导的有限元模型。

金属馈电波导的结构有限元模型表示为：

式中，M表示质量阵，C表示阻尼阵，K表示刚度阵，F表示外载荷阵，与δ分别表示节点加速度、速度和位移矢量。

S4、根据金属馈电波导的约束条件及热载荷环境，计算金属馈电波导在空间环境下的热应力分布及热变形值。

确定金属馈电波导的约束条件，金属馈电波导的上端面与馈源连接，主体段沿所述支架设置，并与所述支架固定，下端平直段通过弹性支架进行约束，下端面通过波导同轴转化器连接到星体内部；

根据星载无源平面反射阵列天线的工作环境，确定金属馈电波导的高温环境、低温环境以及不同温度环境下的工作时间；

分别计算金属馈电波导在高温环境下的热应力分布和热变形值，低温环境下的热应力分布和热变形值。

热载荷环境主要为冷热交变(-110℃～+110℃)的温度环境。

S5、根据热应力分布及热变形值，确定弹性支架的弹力范围，以完成金属馈电波导在空间环境下的形变控制。

根据应力分布F与形变值δ，结合波导设计的安全系数n，计算弹性支架弹簧(上部弹簧及下部弹簧)弹力范围(0～nF)和伸长或压缩量，由胡克定理计算出弹簧弹性系数k和弹簧长度l。其中，根据应力，结合胡克定律，弹性系数的计算公式为：

S＝(a+2h)·(b+2h)-ab

式中，k表示弹性系数，δ表示空间环境下的热变形值，n表示安全系数，P表示空间环境下的热应力，S为波导截面积，a表示金属馈电波导的内壁长度，b表示金属馈电波导的内壁宽度，h表示金属馈电波导的壁厚；

弹簧长度的计算公式为：

l＝b+2h+δ

式中，l表示弹簧长度，b表示金属馈电波导的内壁宽度，h表示金属馈电波导的壁厚，δ表示空间环境下的热变形值。

螺钉长度应大于2l+e+f+g。

具体地，空间环境下铝型材金属馈电波导空间环境下热应力P最大值为1.24×106Pa，热变形值δ最大值为0.88mm，带入公式计算可得：k＝30.2N/mm。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。