专利名称：用于可重构反射器的可变形反射隔膜和包括该隔膜的天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于可重构反射器的可变形反射隔膜、包括这样的隔膜的可重构反射器和包括这样的反射器的天线。其应用于在使用中需要修正波束形状的任何天线反射器， 更具体地，应用于例如人造卫星无线电通信的空间应用领域。
背景技术：
一种现有的获得具有定形的轮廓的波束的方法包括根据适当的照明规则采用多路光照馈送端、采用单偏心或双偏心反射器系统、甚至采用多路直接辐射馈送端。所述馈送端的辐射元件通过信号激发，通过波束形成网络(BFN)优化该信号的相位和幅度，该波束形成网络包括多个波导。然而，这类称为阵列天线的天线是非常复杂的，呈现出射频能量损耗，并且其重量相当大，这不利于其安装在人造卫星上。为了获得具有预先确定的轮廓的辐射图形，还已知采用与单或双反射器系统相关联的单个馈送端，该单或双反射器具有定形表面，也就是说，其表面具有在地面上定义了具有非圆形轮廓的区域，例如一个或一组国家的特定几何特征。该馈送端和反射器的不同点之间的光程变化使得能够产生具有与需要的辐射图形的特征相对应的相位和幅度图形的波束。由于人造卫星寿命的延长，在不更换反射器的情况下，在轨道中修正波束的形状并从而修正地面上区域的轮廓，以补偿轨道位置变化或实施新的服务限制的能力成为必要。为了重构轨道中的阵列天线，已知采用利用了相位和/或幅度的动态控制规则的BFN， 该规则使得能够在多路馈送端位于反射器系统前的情况下修正照明规则，或者在多路直接辐射馈送端的情况下直接修正辐射图形。为了重构轨道中的反射器天线，还已知采用一个或多个反射器，所述反射器的反射表面是可变形的，从而能够修正辐射图形。特别地，从文献FR 2 678 111可知利用针织织物结构(fabric)或网状织物结构形成的反射表面来制造可重构反射器天线。利用所述网状织物结构的缺点是刚度不足，这就必须将网状织物结构与刚性承载结构相结合，该刚性承载结构例如包括硬正交线的网格，该网格安装在网状织物结构的外围。然而，为了使天线的反射器不在接收波段Rx中产生射频干扰，例如，特别是3阶互调产物，即Ku波段最严重的射频干涉，对于网状织物结构来说重要的是要非常紧绷(taut)。然而恰恰很难，甚至不可能在产生需要的地面覆盖的反射器的表面不是水平而是变形的情况下，控制均衡的织物结构的张力。还已知，采用包括隔膜的反射表面，所述隔膜既像针织织物结构那样有弹性，又通过采用由硅树脂粘结的碳纤维实现尺寸上的稳定。然而，这类隔膜具有很高的刚度，这使得难于制造任何类型的非可展的变形表面(名词“可展表面”的含义应理解为可由水平表面生成的表面，例如圆柱形或锥形表面)。特别是根据要制造的表面的轮廓，隔膜的刚度可导致折叠。此外，该隔膜导致很高水平的3阶互调产物，这与通常的Ku波段要求不符。另一种已知类型的反射表面包括利用边缘自由的硬正交线网格，该网格仅通过控制点被固定和限制为预定的形状。利用由钢琴线构成的线形成了一种模型，其中钢琴线直径为0. 3mm，且对于30cm的反射器直径来说线之间的距离为10mm。采用了 9个控制点来使该表面变形。然而，该反射表面的射频反射率在Ku波段是不充分的，且该网格的每条线之间的接触是不可接受的互调产物的潜在来源。
发明内容
本发明的目的在于克服已知的可变形反射表面的缺陷，并制造具有高射频反射率的可变形反射隔膜，该隔膜具有高弹性区域，使得在隔膜的表面的平面以内或以外的多个方向中能够显著地变形；呈现挠曲刚度和低的热膨胀系数，这使得该隔膜在与空间应用相对应的温度范围内具有尺寸上的稳定性；并且具有很好的电均勻性或彼此的电接触绝缘， 从而不会产生很高等级的互调产物。为此，本发明涉及一种用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于该隔膜在厚度方向包括交互重叠的传导弹性体层和至少两个非连续的加固层，每个加固层被分割为空间上彼此分离的，且在该隔膜的平面内周期性分布的单独的碎片。有利地，所述单独的加固碎片从一层到另一层错列地布置。优选地，加固层的数量是偶数。在加固层的数量是奇数的情况下，加固碎片在不同的加固层中的分布相对于位于该隔膜中心的加固层的平面呈镜像对称。有利地，加固层由具有低热膨胀系数的材料构成，诸如由铁镍合金构成的纤维，例如殷钢，或碳纤维。加固层的要素也可以是不锈钢或钨纤维，或具有同样性质的任何其他材料。有利地，所述传导弹性层是填充有金属粒子的弹性层，并具有2X10_3Q/cm和 5 X 10_3 Ω /cm之间的电传导率。有利地，所述传导弹性层可包括30%的硅树脂和70%的金属粒子。本发明还涉及可重构天线反射器和包含该可变形反射隔膜的天线。
在以下作为仅描述性而非限制性的实例给出的说明书中，将清楚地呈现本发明的其他具体特征和优点，其参考附图如下图1 根据本发明的示例性的可变形反射隔膜部分的截面图；图加和2b 这两张图分别为根据本发明的隔膜的厚度方向的四个不同的加固层的碎片的错列布置的透视截面图和横截面图；图3a和北这两张图为根据本发明的两个不同的加固层的加固平面中的加固碎片的分布；图如根据本发明的具有双反射器的第一示例性格雷戈里天线，其中所述双反射器具有安装在主反射器上的可变形反射隔膜；图4b和如这两张图是根据本发明的具有双反射器的第二示例性格雷戈里天线的总体视图和细节视图，其中所述双反射器具有安装在辅反射器上的可变形反射隔膜。
具体实施例方式图1所示的隔膜部分5在沿Z轴的厚度方向上包括交互重叠的传导弹性体层10 和加固层11，加固层在该层的XY平面内是非均勻的。加固层11是非连续的，并包括空间上彼此分开并在隔膜的平面内周期性布置的单独的碎片13。碎片13例如可由非连续线的网格构成，该线网格形成了包含硬线12的织物结构(fabrics)，该硬线12具有大于IOOGpa 的很高的杨氏模数，并具有非常短的弹性区，例如具有0.2%量级的延伸率(已知弹性材料的延伸率百分数对应于其延伸能力与其长度的比值)。线12优选地由具有低于10ppm/°C 的低热膨胀系数的材料构成，例如碳纤维，或由例如殷钢(Invar，注册商标)或科瓦合金 (Kovar，注册商标)的铁镍合金构成的纤维，线12的直径例如在50和200微米之间。该纤维也可由其他类型的材料构成，例如不锈钢或钨。包括非连续碎片13的加固层11的数量大于或等于2，碎片13从一个到另一个加固层上是错列的，如图加和2b所示，从而不同加固层11的碎片13交叠，并且每个加固层11的非连续区14不会位于另一非连续区之上。碎片13的交叠区D使得隔膜5具有均勻的刚度。激励器4规律地安装在隔膜5的底面16，使得能够局部地改变隔膜的形状，并且能够在隔膜5被安装作为天线反射器时，获得与所希望的图形一致的辐射图形。隔膜5例如可被安装作为具有单个反射器的天线的反射器或作为格雷戈里(Gregorian)天线的主反射器40，如图如中的示例所示，或安装在格雷戈里天线的辅反射器41上，该格雷戈里天线包括主反射器和辅反射器，如图4b和如的总体视图和细节视图所示。传导弹性体10是填充有金属粒子的弹性体。金属粒子被植入形成该弹性体的基体的例如硅树脂的粘合剂中。这类材料具有弹性特性以及百分之几十量级的延伸率的高度变形能力。该弹性体的射频反射率取决于其填充比例，例如为了在Ku波段获得满意的反射率，该隔膜的电传导率需要在2 X 10_3 Ω /cm和5 X 10_3 Ω /cm之间。因此可确定弹性体中弓丨入的金属粒子的百分比从而满足上述隔膜电传导率值。特别地，作为非限制性示例，包括70%的金属填充物和30%的弹性体基体的硅树脂弹性体在由所采用的弹性体基体决定的温度范围内，在Ku波段上具有满意的反射率。例如，已知的注册商标为GT1000的传导弹性体包括30%的填充硅树脂基体和70%的镀银铜粒子，该弹性体测得的反射率在14. 5GHz下为-0. 18dB，在-50°C和+125°C之间的温度范围内其延伸能力大于70%。填充该弹性体的金属粒子通过例如硅树脂的弹性体彼此绝缘，这使得其具有针对Ku波段3阶、5阶和7阶互调产物具有满意的性能，对于两个100瓦特载波，上述互调产物的量级为-160到-180dBc。也可以使用其他类型的传导弹性体，例如已知名称为CV2 2646的传导弹性体，其包括填充了金属粒子的由硅树脂共聚物构成的基体，其在-115°C和+250°C之间的温度范围内是稳定的，且具有75%的延伸能力。填充弹性体的缺点在于150ppm/°C量级的高热膨胀系数CTE，以及挠曲刚度不足。 可通过增加填充比例来减小填充弹性体的热膨胀系数并提高填充弹性体的刚度，但是这会损害其延伸能力。在填充弹性体10中结合非连续加固层11能够为该填充弹性体提供机械加固，并使隔膜5在尺寸上稳定。为了使隔膜5在其平面以外的方向上大幅变形，将加固层分割为碎片形式，该碎片在隔膜5的XY平面内周期性地分布，如图3a和北所示。为了使构成碎片13的区域和位于两个碎片之间的区域14之间的刚度非连续性最小化，碎片13从一层到另一层错列地布置。加固层的数量取决于尺寸以及碎片13的周期。优选地，为了获得隔膜 5在XY平面上的均勻特性，加固层在沿Z轴的隔膜厚度方向上的数量是偶数。可选地，当加固层为奇数时，在不同的加固层中碎片13的分布优选的相对于位于隔膜中心的加固层平面呈镜像对称。这样，加固碎片13的位置在隔膜5的厚度方向上是对称的，因此在其底面 16和顶面17两个面上呈现相同的特性。制造隔膜5需要第一步骤，在该步骤中制造预制体(preform)，该预制体包括具有厚度约为0. 5mm的传导弹性体薄隔膜。该预制体放置在模具中，该模具具有需要的反射器的普通参考面的形状。在第二步骤中，将例如包含硬编织线的加固碎片周期性地放置在该预制体的整个表面上，并在碎片之间留有例如几毫米的距离，其中所述线优选地可由具有低CTE的材料构成，例如碳纤维或殷钢纤维，或由例如不锈钢或钨的材料构成。碎片例如可为正方形织物结构，其边长为6到7cm，或为任何其他形状和其他尺寸。在第三步骤中，将新的传导弹性体预制体放置在第一碎片层上，然后放置第二碎片层，第二层的碎片相对于第一碎片层层的碎片错列地布置，如此继续进行，直到获得了需要数量的层，最后一层是传导弹性体层。一般来说，在隔膜厚度方向上有三或四个加固层就足够了。然后，利用弹性体的聚合将放置在模具上的不同层结合在一起，可以在室温下进行，也可以在烤炉或熔炉中在所采用的硅树脂的熔化温度下进行，例如在110°和200°C之间进行一到两个小时，这取决于所选的硅树脂的类型。隔膜从模具中移除并可用作反射器的可变形反射表面。在使用中，可通过安装在隔膜5的下表面16的选定位置的激励器4以已知的方式修正隔膜的形状。激励器4例如可为压电类型，或包括旋转驱动电马达，该马达和与涡轮丝杆相关联的螺母系统耦合，该螺母固定在该隔膜上。激励器4在隔膜5上推或拉从而使其变形并给予其需要的形状。激励器和隔膜之间的链接也可以是球窝接合的或者弹性的，从而使激励器中引入的径向力最小化。某些激励器在抵抗径向力方面比另一些好，并且根据所采用的激励器，可能需要采用球窝接合。在采用球窝结合链接的情况下，隔膜可在平面内移动，线的热膨胀系数不再重要，且线可由非殷钢和碳的材料构成。特别地，在这种情况下线可由例如不锈钢或钨的材料构成。图^、4b、k显示了包括主反射器40和辅反射器41的格雷戈里天线的示例。馈送端42位于辅反射器41之前。隔膜5可如图如所示用作主反射器40的反射表面，或如图4b和如所示用作辅反射器41的反射表面。隔膜也可应用于具有单个反射器的天线。尽管本发明是通过特定实施例描述的，显然，这绝不是对本发明的限制，本发明包括所描述装置的技术等价物及其结合，只要其落入本发明的范围之内。
权利要求
1.一种用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于该可变形反射隔膜在厚度方向上包括交互重叠的传导弹性体层(10)和至少两个非连续的加固层(11)，每个加固层(11)被分割为空间上彼此分离的，并在该隔膜(5)的平面内周期性分布的单独的碎片 (13)。
2.根据权利要求1所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于所述单独的碎片(1 在一层到另一层上错列地布置。
3.根据权利要求2所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于加固层 (11)的数量为偶数。
4.根据权利要求1或2所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于加固层(11)的所述数量为奇数，以及所述碎片(1 在不同的加固层中的布置相对于位于所述隔膜(5)的中心的加固层的平面呈镜像对称。
5.根据权利要求1或2所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于所述加固层(11)的碎片(13)包括线网格(12)，所述线是由铁镍合金构成的纤维。
6.根据权利要求5所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于所述铁镍合金是殷钢。
7.根据权利要求1或2所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于加固层(11)的碎片(13)包括线网格(12)，所述线是碳纤维。
8.根据权利要求1或2所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于加固层(11)的碎片(13)包括线网格(12)，所述线是不锈钢或钨纤维。
9.根据权利要求1所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于所述传导弹性体(10)是填充有金属粒子的弹性体，并具有2X10_3Q/cm和5X10_3Q/cm之间的电传导率。
10.根据权利要求9所述的用于可重构反射器的可变形反射隔膜，其特征在于所述传导弹性体(10)包括30%的硅树脂和70%的金属粒子。
11.一种可重构天线反射器，其特征在于包括根据前述任意一项权利要求所述的可变形反射隔膜(5)。
12.—种天线，其特征在于包括根据权利要求11所述的反射器00，41)。
全文摘要
本发明提出了一种用于可重构反射器的可变形反射隔膜和包括该隔膜的天线，该可变形反射隔膜(5)在厚度方向包括，交互重叠的传导弹性体层(10)和至少两个加固层(11)，每个加固层被分割为在空间上彼此分离的，并在该隔膜的平面内周期性布置的单独的碎片。本发明特别适用于空间领域。
文档编号H01Q15/14GK102170046SQ201110048589
公开日2011年8月31日 申请日期2011年2月25日 优先权日2010年2月26日
发明者J-P·泰桑, L·施莱德, P·勒佩尔捷, S·德佩尔, V·贝勒伊 申请人:泰勒斯公司