用于大型截抛物面天线的反射盘的改进支撑框架的制作方法

专利名称：用于大型截抛物面天线的反射盘的改进支撑框架的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于射电望远镜、太阳能收集器、卫星通信等的刚性截抛物面天线。更 特别地，本发明涉及用于支撑这种天线的反射盘或传导盘的结构。
背景技术：
大型截抛物面天线用于接收来自卫星的信号、来自太阳的能量以及来自恒星射电 源的信号。它们还用于向空间发送电磁辐射波束(例如，用于通信目的)。这种天线的大型 刚性反射盘通常具有反射或传导表面，其为抛物面或球冠形表面。接收器或发射器定位在 反射盘表面的焦点区域(或者其等效装置，如果天线包括副反射器，与卡塞格伦天线有些 类似)。就接收天线来说，反射盘将其接收到的电磁辐射聚焦或聚集，使得该辐射在天线使 用中入射到接收器上。大型反射盘接收天线结构一般围绕两个相互垂直的轴旋转，以便“跟踪”辐射源 (即，保持反射盘的指向轴，也称作“瞄准线”指向辐射源)。最通常地，一个轴为水平的，另 一个轴为竖直的。这称作“方位角/高度”跟踪。不太常见的可选布置是“地极/赤道”跟 踪布置。就用于收集太阳能的截抛物面天线来说，各种设计考虑认为方位角/高度跟踪布 置是优选的跟踪布置。在传统的截抛物面天线中，支撑反射盘的框架(支撑框架)具有复杂的结构。例 如，支撑框架可以是倒置的网格球顶或者由从反射盘中心下面径向延伸的多个相同副框架 支撑的一系列圆环。这种反射盘支撑框架具有内在的脆弱结构，缺乏刚性。因此，它们需要 复杂的支柱布置，从而赋予支撑框架足够的刚度和强度以支撑大型反射盘。即使利用这种 支柱，如果抛物面反射器具有连续表面(这通常是反射盘用于接收和聚焦太阳辐射时的情 况)，当天线承受即使适度风载时，反射面也会发生明显变形。反射盘反射面的这种变形直 接降低了作为太阳能收集器的天线的成本效益。反射盘太阳能收集器的成本效益同样取决于其在太阳处于或接近水平面时接收 太阳辐射的能力。由于反射盘指向轴仰角的变化受到反射盘及其相关支撑框架围绕水平 轴(其在反射盘直接指向上方时位于反射盘中心以下)的运动的影响，反射盘结构的旋转 轴必须至少为反射盘竖向宽度(当反射盘的指向轴指向水平方向时测量所得)的一半。因 此，用作太阳能收集器的截抛物面天线的旋转水平轴在塔顶几乎不变。这是指，当反射盘移 动以使其瞄准线竖直位于该轴上方时，所有反射盘表面远远高于地面，从而完全暴露在风 中。如上所述，即使轻的风载也会使反射盘表面扭曲，除非(a)反射盘的支撑框架为包括多 个支撑构件的刚性结构，和(b)反射盘由坚固、因而沉重且昂贵的材料构造而成(因此，必 须提高辅助装置的处理能力)。如果反射盘不由沉重的刚性材料制成的话，则必须减少在 强风中使用天线以避免反射盘受损的可能性。同样，当反射盘暴露在极限风中时，即使不使 用，也很难确保反射盘的完整性。现有反射盘支撑框架的另一缺陷在于，除非使用详细、复杂且耗时的步骤制造支撑框架，否则它们不能构造为使其上附接反射盘表面的支撑框架上的点(称作“安装点”)精确地位于所需反射盘表面的包络面上。因此，当装配天线时，特别是在将大型反射面安装在支撑框架上时，通常有必要调节反射面各个部分的安装以形成所需的反射盘表面形状。因此，制造传统截抛物面天线的高成本部分地由于支撑框架的复杂结构，部分地 由于反射盘必须使用的材料性质，部分地由于在装配和调节天线结构时所需熟练工人的数量。欧洲专利No. 0681747的说明书中描述了一种比用于截抛物面天线反射盘的传统 支撑框架刚度更大且具有较轻结构的支撑框架。该支撑框架具有两列刚性支柱。第一阵列 包括多个四面体支柱组件，每个组件由端部连接到四个节点上的六个支柱组成，从而形成 四面体结构。每个组件的三个节点位于反射盘的安装点处；第四个节点远离反射盘表面的 包络面。每个支柱组件通过边缘连接到至少两个相邻的支柱组件上。刚性支柱的第二阵列 通过将每个第四节点连接到每个相邻的第四节点上而形成。这种支撑框架结构的优点包括能够形成用于截抛物面天线的稳固、刚性且较轻的 支撑框架的能力。另外，天线设计可以在设计室内完成，反射盘支撑框架可以在现场精确装 配。此外，在装配时，安装于支撑框架上的反射盘和天线可以立即使用(因为不必进行现场 调节)。然而，这种支撑框架的结构需要复杂的节点设计，因为节点接收实际上以锐角相 交的多个支柱端部。另外，需要使用四面体支柱组件导致使用要安装在支撑框架安装点上 的三角形反射面元件，其中，角部具有大约60°的锐角。这一限制增大了制造和装配的复杂 性；同样使给定结构中的构件数量多于其它支撑框架结构所需的数量。为了避免对反射元 件的锐角形角部的需要，就需要更为复杂的反射盘元件以及更为复杂的安装配件，从而进 一步增加构造天线的成本。在构造如欧洲专利No. 0681747的说明书中所述的具有大型反射盘和反射盘支撑 框架的天线时另一个成本增加因素在于，需要分别构造支撑框架和反射盘或传导盘表面。 反射盘随后安装在支撑框架上，这包括时间和人力，并且仅能通过四面体支柱组件和反射 盘或传导盘元件的基本上更复杂的设计来避免。当然，重要之处在于如果损坏的话，每个反 射盘或传导盘表面元件可以去除和更换。

发明内容
本发明的一个目的是提供一种用于大型截抛物面天线的更轻、刚度更大且更经济 的反射盘支撑框架，其避免了如欧洲专利No. 0681747说明书中所述具有四面体支柱组件 的支撑框架的缺点。该目标通过具有两列刚性支柱的另一种支撑框架结构来实现。然而，在本发明中， 支柱的第一阵列形成为多个金字塔形支柱组件。每个金字塔形支柱组件具有八个刚性支 柱，其端部连接到五个节点上。每个组件中的四个节点(将成为“底座节点”)和四个支柱 形成用于金字塔结构的刚性矩形底座。每个底座节点(本身或通过从节点的偏置部或突出 部)提供用于天线反射盘的安装点。这些安装点位于反射盘的弯曲包络面上。[注意在本 说明书中，词语“弯曲的”是指非平面且在空间弯曲的形状。就太阳能收集器的反射盘(以 及在某些其他类型的天线中)来说，反射盘的弯曲包络面优选的为抛物面或球冠。]每个组 件的第五个节点一定要远离天线反射盘(并位于其后面)，所述第五个节点必须位于金字塔形组件的顶角(顶部)。每个矩形底座本身是刚性结构。除了在只具有两个或三个金字塔形支柱组件(不 与大型截抛物面天线的支撑框架相关)的支撑框架的不重要情况下之外，每个金字塔形组 件的矩形底座连接到至少两个相邻金字塔形支柱组件的矩形底座上。支柱的第二阵列包括刚性支柱层，每个支柱连接到支柱的第一阵列的金字塔形支 柱组件的五个节点中的两个(顶角或顶部节点)上。在支柱的第一阵列中，相邻金字塔形支柱组件的刚性底座的连接通过边缘连接布 置(其中，两个金字塔形支柱组件具有底座支柱和位于共用支柱端部的节点)或角部连接 布置(其中，两个支柱组件具有一个共用的底座节点)完成。
如果相邻金字塔形支柱组件的刚性底座的连接仅通过金字塔形组件的角部连接 完成的话，将形成本发明最小限度的刚性支撑框架。由最少数量支柱构成的支撑框架适合 于某些截抛物面天线将经受的使用条件。为了提高该支撑框架的刚度，将引入附加支柱。这 些附加支柱将加入到由四个支柱成组(每个支柱具有相关的附加顶角或顶部节点)构成的 支柱的第一阵列中，从而形成位于角部连接的金字塔形支柱组件之间间隔之一中的附加的 金字塔形支柱组件。为此，一组四个支柱中的每个支柱的一端保持在第一阵列的相应底座 节点中。这四个支柱中每一个的另一端连接到附加的相关顶部节点上，该顶部节点位于与 第一阵列的其它顶部节点相同的弯曲包络面上。因此，每一组四个附加的支柱的第一阵列 及其相关的附加顶部节点形成附加的金字塔形支柱组件，所述附加的金字塔形支柱组件通 过边缘连接到其相邻的金字塔形支柱组件上。需要第二列中的至少一个附加支柱，优选地 至少两个附加支柱将附加顶部节点连接到支柱的第二阵列上。每当以这种方式在支柱的第 一阵列中包括附加的金字塔形支柱组件时，其中，其附加的顶部节点锁定在支柱的第二阵 列中，位于附加的金字塔形支柱组件附近的支撑框架的刚度得以提高。因此，如果有限数量 的附加金字塔形支柱组件加入到支撑框架中的话，这些附加的支柱组件将被包括在支撑框 架的周边区域中。当第一阵列角部连接的金字塔形支柱组件中用于附加金字塔形支柱组件的每个 可能位置已经填满附加的金字塔形支柱组件(并且每个附加的顶部节点已经锁定到支柱 的第二阵列中)的话，第一阵列中的每个金字塔形支柱组件的刚性底座将通过边缘连接到 每个相邻金字塔形支柱组件的刚性底座上。如此形成的第一阵列反射盘支撑框架是可以根 据本发明构造的第一阵列或前列的最稳固形式。可以通过仔细选择形成第二阵列(或后列)支柱的支柱层的布置方式进一步增强 反射盘支撑框架。在基本形式中，支柱的第二阵列包括一层单个支柱，该层中每个支柱的端 部连接到第一阵列中相应的第五(或者顶角或顶部)节点上。对第二列的唯一要求是，第 一阵列的每个顶部节点连接到第二列的支柱上。对于更稳固的反射盘支撑框架来说，第二 列的支柱层由多组支柱构成，每组支柱由装配为矩形的四个支柱构成，其角部连接到支柱 的第一阵列的相应顶部节点上。如果这些支柱组是刚性矩形组件，并且已经采用第一阵列 的最稳固形式的话，将构造出尤为稳固的反射盘支撑框架。支柱的第一阵列的金字塔形支柱组件的矩形底座及其相关顶部节点(其决定了 反射盘(在安装到支柱的第一阵列的底座节点上时)和支柱的第二阵列之间的间隔)之间 的距离同样是影响反射盘支撑框架的强度和刚度的因素。
支柱的第二阵列的性质以及顶部节点与支柱的第一阵列的矩形底座之间的间隔 均为工程师在设计用于特殊截抛物面天线的反射盘支撑框架时要考虑的因素。由上可知，根据本发明最广义的形式可以得知，一种用于截抛物面天线反射盘的 支撑框架包括刚性支柱的第一阵列和刚性支柱的第二阵列，其特征在于(1)所述第一阵列包括第一多个刚性支柱组件，所述支柱组件中的每一个由端部 连接到五个节点上的八个支柱构成；所述五个节点由四个底座节点和一个顶部节点组成； 所述支柱组件中的每一个包括金字塔形组件，所述金字塔形组件具有(a)包括所述八个支柱中连接到所述四个底座节点上的四个支柱的刚性矩形底 座，所述底座节点位于所述矩形底座的角部处；所述四个底座节点包括用于所述反射盘的 安装点；和(b)其余四个支柱中的每一个支柱的一端连接到各自的底座节点上，另一端连接 到其相关的顶部节点上；所述顶部节点中的每一个与其相关的矩形底座隔开；(2)所述第一阵列的每个支柱组件的底座通过角部连接到所述第一阵列的每个相 邻支柱组件的底座上，两个相邻支柱组件的底座的所述角部连接通过所述两个支柱组件中 的第一个支柱组件的一个角部底座节点实现，该角部底座节点也是所述两个支柱组件中的 第二支柱组件的一个角部底座节点；和(3)所述第二列包括处于单层中的第二多个刚性支柱，所述第二列中的每个支柱 在所述第一阵列的金字塔形支柱组件的顶部节点和相邻金字塔形支柱组件的顶部节点之 间相连。对于更为刚性的支撑框架，至少一个附加的(或“填充”)金字塔形支柱组件位于 所述角部连接的金字塔形支柱组件的金字塔形支柱组件之间的间隔内，所述(或每个)附 加的支柱组件包括四个附加支柱；每个附加支柱的一端连接到金字塔形支柱组件的相应角 部底座节点上；每个附加支柱的另一端连接到附加的顶部节点上；所述附加的顶部节点位 于所述第二列的所述支柱层中；至少一个附加支柱包括在所述第二列中以将所述附加的顶 部节点连接到所述支柱的第二阵列上。在本发明最优选的形式中，一种用于截抛物面天线反射盘的支撑框架包括刚性支 柱的第一阵列和刚性支柱的第二阵列，其特征在于(1)所述第一阵列包括第一多个刚性支柱组件，所述支柱组件中的每一个由端部 连接到五个节点上的八个支柱构成；所述五个节点由四个底座节点和一个顶部节点组成； 所述支柱组件中的每一个包括金字塔形组件，所述金字塔形组件具有(a)包括所述八个支柱中连接到所述四个底座节点上的四个支柱的刚性矩形底 座，所述底座节点位于所述矩形底座的角部处；所述四个底座节点包括用于所述反射盘的 安装点；和(b)其余四个支柱中的每一个支柱的一端连接到各自的底座节点上，另一端连接 到所述顶部节点上；所述顶部节点与所述矩形底座隔开；(2)所述第一阵列的每个支柱组件的底座通过边缘连接到所述第一阵列的每个相 邻支柱组件的底座上，两个相邻支柱组件的底座的所述边缘连接通过金字塔形支柱组件的 底座的一个侧支柱实现，所述侧支柱也是相邻金字塔形支柱组件的底座的侧支柱，并且位 于所述相邻支柱组件中的第一个支柱组件的所述一个侧支柱端部处的底座节点也是位于所述相邻支柱组件中的第二个支柱组件的所述一个侧支柱端部处的底座节点；和(3)所述第二列包括处于单层中的第二多个支柱，所述第二列的每个支柱在所述 第一阵列的第一支柱组件的顶部节点和与所述第一支柱组件相邻的支柱组件的顶部节点 之间连接，所述第二多个支柱使得所述第二列中的相应支柱在所述第一阵列的支柱组件的 每个顶部节点和所述第一阵列的每个相邻支柱组件的相应顶部节点之间连接。
具有金字塔形支柱组件的该支撑框架的重要实际特征在于，如果需要的话，反射 盘片段(反射或传导)和要与其相连的金字塔形支柱组件可以制造和装配为具有所需的反 射或传导板刚度的整体可去除单元，从而使天线的总体结构更为适宜且成本更低。现在将参考附图仅以举例方式对本发明的实施例进行描述。


图1是已经建议用于太阳能收集的截抛物面天线的局部示意性透视图，其中截抛 物面天线具有根据本发明构造的反射盘支撑框架。图2是图1所示天线的示意性侧视图，其中天线具有用于控制反射盘指向轴仰角 的常规布置。图3是图1所示天线的示意性侧视图，其中天线具有用于控制反射盘指向轴仰角 的可选机构。图4是显示了根据本发明构造的支撑框架的支柱的第一阵列的示意图。图5是用于图1所示天线的反射盘支撑框架的一部分的示意图，其中，支撑框架的 金字塔形支柱组件的刚性矩形底座通过角部彼此连接。图6是图1和2所示天线的反射盘支撑框架的一部分的示意图，其中，反射盘支撑 框架的金字塔形支柱组件的刚性矩形底座通过边缘彼此连接。
具体实施例方式图1、2和3所示的已经建议的截抛物面天线(已经由本发明人设计出)的反射盘 10的口径(aperture)(面积)为500平方米。反射盘框架20和反射盘10具有18米的高 度和30米的宽度。总体口径形状为矩形，具有削平的角部。应当理解，可以根据本发明构 造具有比图示实施例更小或更大口径，具有其它多边形外周形状以及具有未削平角部的反射盘。反射盘10安装在反射盘支撑框架20上。位于支撑支柱15 —端的接收器/吸收 器14安装在反射盘10的焦点区域处，所述支撑支柱(在图示实施例中)与反射盘10的指 向轴11对准。就图1、2和3所示的本发明人的天线设计来说，接收器14包括产生高质量 蒸汽的盘管。蒸汽(连同进水)通过两个旋转接头流向地面，由此输送到使用蒸汽的位置。 携带供水管线、蒸汽管线和监控管线的支撑支柱15通过四根牵绳(附图中未显示)固定到 反射盘支撑框架的周边上。这种形式的接收器可以提供具有一定温度和压力的蒸汽，其可 以符合并且通常超过任何蒸汽轮机的需求。利用这种形式的接收器，反射盘元件必须装配 成使得反射盘产生选定的相对“模糊的”焦点区，从而将焦点区内的平均太阳辐射强度限制 在接收器/吸收器14使用材料允许的安全数值以内。(然而，应当指出，用于收集太阳能的 大型截抛物面天线无须用于给蒸汽轮机提供动能；因此，对使用反射盘10的模糊焦点区处的聚焦能量来说可以具有不同的布置。)反射盘支撑框架20安装在天线的底座框架19上，以围绕水平轴线18旋转。在图2所示实施例中，通过在支撑框架20和底座框架19之间连接的液压油缸17可以按传统方 式控制指向轴11的仰角。在图3所示实施例中，通过较小的液压油缸37可以控制指向轴的仰角，所述液压 油缸的一端连接到可以夹紧到横梁39 (典型地I形梁)上的夹具38上，所述横梁在枢转点 31处枢转连接到底座框架19上。液压油缸37的另一端连接到从反射盘10的支撑框架20 伸出的刚性支柱或突出部35上。突出部35的端部安装到横梁39上，使得它可以沿着横梁 39移动(例如，通过使用在通道内移动的轮子的布置，所述通道在I形梁的每一侧上各形成 一个)。可以与突起部35—致的附加的刚性突出部36从支撑框架20伸出。突出部36最 为远离反射盘10的端部可以沿着横梁39移动，并且设置有夹具40以使突出部36能够夹 紧到横梁39上。在(a)夹具38去激励(和夹紧到横梁39上)以及(b)夹具40 (被激励) 沿着横梁39自由移动时，致动液压油缸37，使得使突出部35和36能够沿着横梁39移动， 从而改变横梁39与水平方向的角度，并且改变反射盘指向轴11的仰角。当液压油缸37已 经完成伸出(或缩回)时，夹具40去激励(S卩，夹紧到横梁上)，使得夹具38可以松开并且 液压油缸37可以缩回(或伸出)，以使夹具38移动到新的位置，从该位置通过重复上述步 骤可以改变反射盘10的指向轴11的仰角。采用用于控制反射盘10的指向轴仰角的图3所示机构的优点在于，该机构还可以 用于使接收器/吸收器14移动到其靠近地面的位置(图3所示)。这里，接收器/吸收器 14被很好定位以便维修。图3还显示了位于底座框架19上的用于横梁39的两个可选枢转点31 ‘和31 “。 如果横梁39在31'处枢转，力三角形31'、18、35优于力三角形31、18、35。将横梁39的 枢转点移动到位于底座框架19端部(边缘)处的31 “，导致液压油缸37为改变反射盘10 的指向轴11所必须施加的力进一步减小。不管采用图2还是图3所示机构(或者其它仰角控制机构)来控制反射盘10的指 向轴11的仰角，底座框架19都安装在圆形底座13上。为了使指向轴11能够利用方位角/ 高度方法跟踪太阳，底座框架19可以围绕位于安装底座13中心的竖直轴12、优选地利用本 发明人的国际专利申请No. PCT/AU2004/001474(其为WIPO公开No. W02005/043671A1)的 说明书所描述的旋转设备进行旋转。该说明书还描述了可用作夹具38和40的夹具结构。 利用该结构，夹具在没有致动时被弹簧偏压以牢固地夹紧I形梁。在致动时，夹具从I形梁 上松开。如图1所示，反射盘10由单个的反射元件21构成，每个反射元件(除了反射盘的 角部处)包括正方形曲面，其通过基底保持刚性。反射盘可以由形状和尺寸不同的元件构 成。然而，如上所述，通过将反射盘表面的元件及其支撑基底形成矩形板可以实现工厂制造 的经济性和在天线安装位置便于装配，其中每个矩形板连接到支撑框架20的金字塔形支 柱组件的底座节点上。图4是用于反射盘的支撑框架中的支柱的第一阵列的示意图，所述反射盘具有大 致圆形的多边形形状。图4显示了沿着反射盘指向轴观察的支柱的第一阵列。显而易见的 是，这支柱阵列具有十六个金字塔形支柱组件。因此，这支柱阵列是象征性的，其支撑的反射盘为小型反射盘。本发明能够并且意图支撑大型反射盘，其中支撑框架在其支柱的第一 阵列中具有远远多于十六个的金字塔形支柱组件。 参考图4，每个金字塔形支柱组件具有四个底座支柱5，它们以确保形成刚性矩形 底座的方式连接到四个底座节点6上。[应当理解，四个刚性支柱和四个连接节点的矩形组 合不会内在地形成刚性底座。有必要装配这八个部件以形成刚性并且稳定的矩形底座。可 以使用多种传统的工程技术中的任何一种技术以确保金字塔形支柱组件的矩形底座为刚 性的]四个其它支柱7从各自的底座节点6延伸到顶部节点8。每个金字塔形支柱组件的 刚性底座通过角部连接到相邻金字塔形支柱组件的刚性底座上。支撑框架的支柱的第二阵列(图4中未显示)包括与顶部节点8相互连接的支柱 层。支柱的第一阵列和支柱的第二阵列的组合形成用于反射盘的支撑框架。底座节点6位 于弯曲的包络面上，并且形成用于反射或传导元件的安装点，所述反射或传导元件在安装 到其安装点上时形成截抛物面天线的反射盘。(一些底座节点可以包括偏置部或突出部，该 偏置部或突出部构成安装点。)将反射盘的反射或传导元件安装到支撑框架上的操作给支 撑框架提供了进一步的稳固性和刚度。如果需要附加的刚度，可以在角部相连的金字塔形支柱组件之间的九个“空间” 9 内形成附加的金字塔形支柱组件。从图4中可以清楚看出，在金字塔形支柱组件的底座高 度处，九个空间中的每一个由定位成矩形的四个底座支柱围绕。因此，每个附加的金字塔形 支柱组件在每个空间9中包括四个附加支柱而形成。每个附加支柱的一端连接到相应的底 座节点6上，另一端连接到附加的顶部节点上。附加的顶部节点定位在与顶部节点8相同 的弯曲包络面上，并且至少一个(优选地，至少两个)附加支柱添加到支柱的第二阵列中以 将附加的顶部节点连接到支柱的第二阵列上。显而易见的是，每当附加的金字塔形支柱组件添加到“空间”9中时，金字塔形支柱 组件的底座(a)为刚性的矩形底座，(b)通过边缘连接到四个“最初”角部相连的金字塔形 支柱组件中的刚性底座上。当附加的金字塔形支柱组件添加到九个“空间” 9中的每一个中时，它们附加的顶 部节点锁定到支柱的第二阵列中，所有金字塔形支柱组件的底座通过边缘连接到每个相邻 金字塔形支柱组件的底座支柱上。这是用于可以根据本发明构造的反射盘的第一阵列支撑 框架的最刚性(和最牢固)形式。当将附加的金字塔形支柱组件添加到位于角部相连的金字塔形支柱组件之间的 空间9中时，优选的是将这些附加的金字塔形支柱组件添加到支撑框架的边缘区域，从而 加固支撑框架的周边。图1所示太阳能收集器天线的抛物线反射盘的外周形状基本上为矩形，具有削平 的角部。图5和6显示了用于该反射盘的两种形式的支撑框架结构。参考图3中部分显示的支撑框架结构，支撑框架20具有支柱层，包括支柱AB、BC、 CD、AF、BG、CH、DI, FG, GH、HI, FK, GL、HM、IN、KL、LM 和 MN，这些支柱连接到底座节点 A、B、 C、D、F、G、H、I、K、L、M*Ni。这些节点是传统的节点，形式为其上形成平坦表面的大致球 形构件。每个节点的平坦表面适合于接收刚性附接到所述节点上的支柱端部。典型地，通 过将支柱的螺纹延伸部旋入节点内的相应螺纹孔中实现对节点的附接。底座节点A、B、C、D、F、G、H、I、K、L、M和N也是用于反射盘片段(segment)的安装点。通过仔细选择反射盘支撑框架的支柱长度，支撑框架可以如此构造，使得底座节点(或突出部或伸出部)位于所需反射盘表面的包络面上，在图1和2所示类型的太阳能收集天 线的情况下，所述反射盘表面是抛物面(或者基本上为球冠形状的表面)。应当认识到，因 为反射盘具有大口径，因而任何反射或传导片段或元件的表面只具有微小曲率。因此，图5所示支撑框架的底座节点(包括底座节点A、B、C、D、F、G、H、I、K、L、M 和 N)和它们的相互连接的支柱(AB、BC、CD、AF、BG、CH、DI, FG, GH、HI, FK, GL、HM、IN、KL、 LM和MN)形成承载反射盘10的刚性、大体上正方形或矩形(正方形为矩形的特殊情况)的 结构层。另外，这些矩形结构形成相应金字塔形支柱组件的矩形底座。为了完成金字塔形 支柱组件，顶部节点&、(；、64、^和111通过支柱34、38、&6和aF ；cC、cD、cI和cH ；eE、eF、 eK和ej等连接到顶部节点的四个相关的底座节点上。因此，天线的反射盘10连接到金字 塔形支柱组件的阵列上，每个支柱组件(a)具有八个支柱，四个底座节点和一个顶部节点， 并且(b)在其底座处通过角部连接到每个相邻的支柱组件上。支撑框架20的其余部分包括支柱的第二阵列，即，所述刚性支柱层aC、ae、ag、Cg、 ci、ek、gk、gm等，所述刚性支柱层与顶部节点a、c、e、g、i、k和m相互连接。现在参考图6中部分显示的支撑框架结构，支撑框架20具有支柱的第一阵列，其 包括支柱 AB、BC、CD、AF、BG、CH、DI、FG, GH、HI、FK, GL、HM、IN、KL、LM 和 MN 的层，支柱层连 接到底座节点A、B、C、D、F、G、H、I、K、L、M和N上。如前所述，底座节点A、B、C、D、F、G、H、 I、K、L、M和N还提供了用于反射盘片段21的安装点。底座节点A、B、C、D、F、G、H、I、K、L、M和N及其相互连接的支柱AB、BC、CD、AF、BG、 CH、DI、FG, GH、HI、FK, GL、HM、IN、KL、LM和MN形成承载反射盘10的一层刚性、大体上正方 形或矩形结构。(注意，图6所示支撑框架在支柱的第一阵列中具有与图5所示支撑结构相 同数量的刚性矩形结构。)这些矩形结构形成相应金字塔形支柱组件的矩形底座，其构成 支撑框架的支柱的第一阵列的其余部分。为了完成金字塔形支柱组件，顶部节点a、b、c、d、 e、f、g、h、i、j、k、1 禾口 m 通过支柱 aA、aB、aG 禾口 aF ；bB、bC、bH 禾口 bG ；cC、cD、ci 禾口 cH ；eE、 eF、eK和ej等连接到顶部节点的四个相关的底座节点上。因此，天线的反射盘10连接到一 列金字塔形支柱组件上，每个支柱组件(a)具有八个支柱，四个底座节点和一个顶部节点， (b)在其底座处通过边缘连接到每个相邻的支柱组件上。支撑框架20的其余部分包括支柱的第二阵列，即，刚性支柱ab、be、Cd、af、bg、Ch、 di、fg、gh、hi层等，其与顶部节点a、b、c、d、e、f、g、h、i、j、k、1和m相互连接。注意，除 了在反射盘的角部处，支柱的第二阵列通常不与对角相邻的金字塔形支柱组件的顶部节点 相互连接。图6所示支撑框架的特征在于，利用一个规则的mXn金字塔形支柱组件阵列，没 有未使用的支柱组件，所产生的结构基本上是两个相互锁定的金字塔形支柱组件阵列，偏 置的顶部节点和共用的刚性支柱将相应的底座连接到其顶部节点上。这是非常稳固和刚性 的结构，这是在反射盘上预期发生高风载的情况下采用的优选结构。因此，对于本发明的支柱的第一阵列的优选的布置是一个规则的mXn金字塔形 支柱组件阵列，阵列中没有间隙或间隔，每个金字塔形支柱组件的刚性矩形底座通过边缘 连接到其所有相邻的金字塔形支柱组件的底座上。支柱的第一阵列的金字塔形支柱组件的每个底座及其相应顶部节点之间的距离决定了反射盘(当安装在支柱的第一阵列上时)和支柱的第二阵列之间的间隔。如本说明 书之前所述，这个距离影响反射盘支撑框架的框架强度和刚度，因此，影响反射盘本身的精 度和刚度。尽管图1和2所示天线的第一阵列反射盘的矩形底座的节点限定了抛物面(或 者球冠)形状的弯曲表面，从而保证了反射盘本身的正确形状，但对于支柱的第一阵列的 顶部节点限定任何特殊表面来说没有强制性要求。方便地，第二列的支柱层可以具有基本 上抛物面，或者大致球冠形状，使得第一阵列的底座和第二列的支柱层之间的间隔足以满 足整个反射盘支撑框架结构的强度和刚度要求。然而，对反射盘和其支撑框架安装在天线 底座框架上的方式的功能限制是指第二列的支柱不位于弯曲表面的包络面上。可以有利执行的另一设计准则是确保反射盘支撑框架的刚性支柱尽可能具有相 等长度，优选地具有相等强度。应用该设计方法会使(a)制造成本降低，(b)将顶部节点连 接到构成第一阵列的金字塔形结构的底座节点上的所有刚性支柱具有相等的长度。
无论第二列的选定弯曲性质如何，都会在这个刚性支柱的第二阵列内建立由四个 支柱构成的一组显而易见的矩形组件。由四个支柱构成的每个这种矩形组件可以构造为 (利用传统的工程技术)刚性矩形组件，与第一阵列的金字塔形支柱组件的刚性矩形底座 类似。同样如本说明书之前所述，支柱的第二阵列中包括由四个支柱组成的刚性矩形组件 不会提高总反射盘支撑框架的刚度。(可选地，它会使一些支柱更轻，从而使总结构更为经 济。)反射盘支撑框架的最稳固形式需要第一阵列和第二列，在第一阵列中具有所有可 能的附加或“填充”金字塔形支柱组件，第二列包括多个由四个支柱组成的刚性矩形组件， 如图6所示。当设计反射盘支撑框架时，通常认为包括填充的金字塔形支柱组件不仅用于 加固目的，而且还提供了增大的“安全系数”，和/或能够在不危及反射盘支撑框架结构的 预期设计强度的情况下使选定的支柱强度降低(因此，降低成本)。因此，对于具有从最小到最大的特定刚度的反射盘支撑框架来说，设计方法包括 下列步骤(a)刚性支柱的第一阵列设计为一列金字塔形支柱组件，每个组件具有刚性底座。 这些支柱组件的底座仅通过角部连接，在支柱的第二阵列中没有刚性矩形支柱组件。(b)支柱的第一阵列中包括增加数量的填充的金字塔形支柱组件，在支柱的第二 阵列中没有刚性矩形支柱组件。(c)第一阵列中所有可能的填充位置包含附加的金字塔形支柱组件，使得支柱的 第一阵列的矩形底座全部通过边缘彼此连接。在支柱的第二阵列中不包括刚性矩形支柱组 件。(d)对于每一步骤(a)、(b)和(C)来说，支柱的第二阵列中包括增加数量的刚性 矩形支柱组件，直到在极限情况下支柱的第二阵列仅由刚性矩形支柱组件构成为止。如图6所示，通过实施支柱的第二阵列仅由刚性矩形支柱组件构成的步骤(C)而 制成的支撑框架是能够根据本发明构造的最稳固的支撑框架形式。如图1、2和3所示的大口径截抛物面天线包括本发明的支撑框架。它们还具有其 它有利的天线设计结构。这些其它结构包括反射盘口径形状和水平轴18相对于反射盘的 位置。当将反射盘支撑框架安装在天线底座框架上时，反射盘的仰角倾斜轴优选地位于反射盘支撑框架的中心部和反射盘支撑框架的支柱组件的最外端之间(即，位于天线的反 射盘下面，反射盘中心及其周边之间的中间位置)。这个结构允许天线的总高度在竖直朝上 时小于相同尺寸和口径形状的传统截抛物面天线的总高度，但是它的水平倾斜轴位于反射 盘中心线上并且布置为使其指向轴(瞄准线)竖直。倾斜轴可以位于反射盘的支撑框架的 边缘外部，但是人们认为，很少需要处于这种位置的倾斜轴。就反射盘口径形状而言，本发明的支撑框架允许实际截抛物面天线的构造具有从 几十平方米到几百平方米的口径；并且可能到两千五百平方米以上。对尺寸的限制因素是 天线安装位置的预期最大风速，反射盘上的总风载及总成本。最传统的截抛物面天线具有 圆形或多边形口径形状。由本发明的支撑框架支撑的反射盘口径的优选形状是这样的形 状，其中，当反射盘的指向轴水平时所测量到的反射盘顶部位于地面以上的高度小于其宽 度。形状优选地为矩形，其中，高宽比为2 3，并且具有可选的削平角部。与具有圆形或多边形口径的反射盘相比，反射盘高度降低、宽度增大和水平倾斜 轴18位于反射盘中心和反射盘的下部边缘之间的位置相结合具有以下优点，包括a)图示反射盘的形状使天线上的风载普遍降低；b)在太阳能收集天线阵列中，在清晨和傍晚，阵列中的截抛物面天线的遮挡减少； 和c)反射盘能够围绕其水平倾斜轴线18旋转，使得安装在天线上的接收器14能够 移动到地面高度以方便接近接收器。如前所述，图1所示天线具有跟踪太阳的设备。从技术上控制跟踪操作。优选地， 位于方位角和高度轴上的角位置转换器提供信号以与通过对各个瞬时的光源位置的计算 机模拟法获得的信息，以及用于每个截抛物面天线轴的特殊角位置的必要条件进行比较。 如果两个位置不同，则控制系统调节反射盘指向轴的位置以使它们相同。本领域的工程师及其他人员可以认识到，图4、5和6所示的支撑框架结构以及图 1、2和3所示的天线表示本发明和所用方式的实例。需要强调的是，支撑框架不局限于用于 太阳能收集器，或者用于图1、2和3所示类型的天线。在不脱离由下列权利要求所限定的 本发明构思的情况下，可以对如上所述的实施例进行改变和改进。
权利要求
一种用于截抛物面天线的反射盘的支撑框架，所述支撑框架包括刚性支柱的第一阵列和刚性支柱的第二阵列，其特征在于(1)所述第一阵列包括第一多个刚性支柱组件，所述支柱组件中的每一个由端部连接到五个节点上的八个支柱构成；所述五个节点由四个底座节点和一个顶部节点组成；所述支柱组件中的每一个包括金字塔形组件，所述金字塔形组件具有(a)包括所述八个支柱中连接到所述四个底座节点上的四个支柱的刚性矩形底座，所述底座节点位于所述矩形底座的角部处；所述四个底座节点包括用于所述反射盘的安装点；和(b)其余四个支柱中的每一个支柱的一端连接到各自的底座节点上，另一端连接到所述顶部节点上；所述顶部节点与其相关的矩形底座隔开；(2)所述第一阵列的每个支柱组件的底座通过角部连接到所述第一阵列的每个相邻支柱组件的底座上，两个相邻支柱组件的底座的所述角部连接通过所述两个支柱组件中的第一个支柱组件的一个角部底座节点实现，该角部底座节点也是所述两个支柱组件中的第二支柱组件的一个角部底座节点；和(3)所述第二阵列包括处于单层内的第二多个刚性支柱，所述第二阵列中的每个支柱在所述第一阵列的金字塔形支柱组件的顶部节点和相邻金字塔形支柱组件的顶部节点之间相连。
2.如权利要求1所述的反射盘支撑框架，包括位于角部连接的金字塔形支柱组件的金 字塔形支柱组件之间的相应间隔内的至少一个附加的金字塔形支柱组件；所述(或每个) 附加的支柱组件包括四个附加支柱；每个附加支柱的一端连接到金字塔形支柱组件的相应 的角部底座节点上；每个附加支柱的另一端连接到附加的顶部节点上；所述附加的顶部节 点位于所述第二阵列的所述支柱层中；至少一个附加支柱包括在所述第二阵列中以将所述 附加的顶部节点连接到支柱的所述第二阵列上。
3.一种用于截抛物面天线的反射盘的支撑框架，所述支撑框架包括刚性支柱的第一阵 列和刚性支柱的第二阵列，其特征在于(1)所述第一阵列包括第一多个刚性支柱组件，所述支柱组件中的每一个由端部连接 到五个节点上的八个支柱构成；所述五个节点由四个底座节点和一个顶部节点组成；所述 支柱组件中的每一个包括金字塔形组件，所述金字塔形组件具有(a)包括所述八个支柱中连接到所述四个底座节点上的四个支柱的刚性矩形底座，所 述底座节点位于所述矩形底座的角部处；所述四个底座节点包括用于所述反射盘的安装 点；和(b)其余四个支柱中的每一个支柱的一端连接到各自的底座节点上，另一端连接到所 述顶部节点上；所述顶部节点与所述矩形底座隔开；(2)所述第一阵列的每个支柱组件的底座通过边缘连接到所述第一阵列的每个相邻支 柱组件的底座上，两个相邻支柱组件的底座的所述边缘连接通过金字塔形支柱组件的底座 的一个侧支柱实现，所述侧支柱也是相邻金字塔形支柱组件的底座的侧支柱，并且位于所 述相邻支柱组件中的第一个支柱组件的所述一个侧支柱端部处的底座节点也是位于所述 相邻支柱组件中的第二个支柱组件的所述一个侧支柱端部处的底座节点；和(3)所述第二阵列包括处于单层中的第二多个刚性支柱，所述第二阵列的每个支柱在所述第一阵列的第一支柱组件的顶部节点和与所述第一支柱组件相邻的支柱组件的顶部 节点之间连接，所述第二多个支柱使得所述第二阵列中的相应支柱在所述第一阵列的支柱 组件的每个顶部节点和所述第一阵列的每个相邻支柱组件的相应顶部节点之间连接。
4.如在先权利要求中任一项所述的反射盘支撑框架，其特征在于，所述第二阵列支柱 包括由所述第二阵列的四个支柱组成的至少一个矩形组件。
5.如权利要求4所述的反射盘支撑框架，其特征在于，由所述第二阵列的四个支柱组 成的所述至少一个矩形组件是刚性组件。
6.如权利要求3所述的反射盘支撑框架，其特征在于，所述第二阵列支柱中的支柱形 成为由四个支柱组成的刚性矩形组件，从而形成包括两个阵列互锁的金字塔形支柱组件的 反射盘支撑框架，其中，偏置的顶部节点和共用的刚性支柱将相应的底座连接到相应底座 的顶部节点上。
7.如在先任意一项权利要求所述的反射盘支撑框架，其特征在于，所述第一阵列的所 述底座节点中的至少一个具有突出部，由此形成所述至少一个底座节点的安装点。
8.如在先任意一项权利要求所述的反射盘支撑框架，其特征在于，多个反射盘或传导 盘元件安装在所述底座节点的所述安装点上以形成所述反射盘。
9.一种安装在底座框架上的包括如权利要求8所述支撑框架的天线；所述反射盘具有 指向轴；其特征在于(a)所述天线包括能够与所述底座框架和所述支撑框架操作地相关以便改变所述指向 轴的高度的装置，和(b)所述底座框架能够围绕竖直轴线旋转。
10.如权利要求9所述的天线，其特征在于，用于改变所述指向轴仰角的所述装置包 括用于使所述反射盘支撑框架围绕水平轴线旋转的装置；所述水平轴线位于所述底座框架 上，且位于所述支撑框架的中心区域和所述支撑框架的边缘之间。
11.如权利要求9或10所述的天线，其特征在于，所述反射盘的口径具有多边形外周。
12.如权利要求11所述的天线，其特征在于，(a)所述反射盘的口径基本上为矩形，具 有大体上水平的顶部和底部边缘，以及(b)所述反射盘顶部位于地面以上的高度在所述反 射盘的指向轴为水平时小于所述反射盘口径的宽度。
13.如权利要求12所述的天线，其特征在于，所述高度与所述宽度之比为2 3。
14.一种用于截抛物面天线的反射盘的支撑框架，大体上与参考附图4、5和6描述的相同。
15.一种具有支撑在如权利要求1或3所述反射盘支撑框架上的大口径反射盘的天线， 大体上与参考附图描述的相同。
全文摘要
用于截抛物面天线的大口径反射盘(10)的支撑框架(20)构造为两个刚性支柱的阵列。支柱的第一阵列形成为多个金字塔形支柱组件。每个金字塔形支柱组件构造为端部连接到五个节点(6，8；A，B，G，F和a)上的八个刚性支柱(5，7；AB，AF，BG，FG，aA，aB，aG和aF)。每个组件中的四个节点(6；A，B，G，F)和四个支柱(5；AB，AF，BG，FG)形成刚性矩形底座，所述节点形成用于反射盘或传导盘元件(21)的安装点，所述反射盘或传导盘元件形成天线的反射盘(10)。每个组件的第五个节点(8；a)远离天线反射盘(10)并位于其后面，所述第五个节点位于金字塔形组件的顶角。
文档编号H01Q1/12GK101809811SQ200880108457
公开日2010年8月18日 申请日期2008年7月30日 优先权日2007年7月30日
发明者斯蒂芬·卡纳夫 申请人:斯蒂芬·卡纳夫