一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法与流程

本发明涉及卫星用天线技术领域，具体涉及一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法。

背景技术：

在一些试验卫星工程中，需要研制带指向机构的高增益大口径反射面天线，以满足卫星对地指向通信要求。根据指标要求，天线设计口径2.5m，工作频率x频段，天线口径大、增益高，在轨期间要求具有大范围扫描指向地球通信能力。天线(包括指向机构)整体设计尺寸大约在φ2.5m*1.16m。

本型号卫星整体侧面呈现为6面体结构，单面最大宽度2.3m，俯视最大允许包络直径4.5m。按照正常设计要求，卫星表面仅有宽度约2.5m，中心最大高度约0.5m的扇形表面安装空间，采用常规设计方法设计的天线在现有卫星表面正常安装会严重超出卫星包络范围，无法满足任务要求。

目前，公知的用于卫星的带指向机构的大口径反射面天线，在研制时，直接从卫星结构本体设计上入手，预留充足的安装平台，满足大口径天线安装使用包络要求。一些型号卫星由于受限于卫星整体构型设计限制，无法按照常规做法提供标准安装平台安装大口径天线。如天线口径减小，又无法满足通信需求。

技术实现要素：

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法。本发明的技术方案如下：

一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法，包括如下设计步骤：

s1：设计带指向机构大口径反射面天线；

s2：根据步骤s1设计的反射面天线的结构特征，对卫星结构进行适应性改造；

s3：对步骤s1设计的反射面天线进行建模得到天线结构模型，对所述天线结构模块开展单机级力学仿真分析，校核所述天线结构模型；

s4：所述天线结构模型参加卫星系统级力学仿真分析，分析所述反射面天线的力学响应情况；确认所述反射面天线以及卫星整星结构可满足卫星力学环境需求；

s5：针对所述反射面天线，进行天线安装工艺设计、天线在装星后的整星状态天线测试方案设计；

s6：所述反射面天线参加卫星力学试验，确认所述反射面天线可满足卫星系统力学试验环境需求。

可选地，步骤s2中，还包括：

将所述带指向机构大口径反射面天线嵌入安装在卫星内，安装后的所述天线最大包络不超出卫星最大允许包络范围。

可选地，步骤s4中，“分析所述反射面天线的力学响应情况”至少包括：分析所述反射面天线的反射面、馈源、指向机构的力学响应情况。

可选地，所述步骤s2进一步包括：将原卫星舱板去除，根据所述反射面天线安装点需求，提供多个维度上的天线安装点固定位置。

可选地，所述步骤s3进一步包括：针对步骤s1设计的所述反射面天线的结构设计模型，建立有限元仿真模型，开展天线模态及力学响应分析，验证所述反射面天线结构强度适应性。

可选地，所述步骤s4，进一步包括：所述天线结构模型参加卫星系统力学仿真分析，将所述反射面天线的天线结构模型提供给卫星系统进行系统力学仿真分析，可得出所述反射面天线的力学响应情况；确认所述反射面天线以及卫星整星结构可满足卫星力学环境需求。

可选地，所述步骤s5中，在开展天线安装工艺设计时，根据所述反射面天线的安装固定位置需求，在所述天线的反射面上可开操作工艺孔、卫星舱板预留操作工艺孔，用于所述反射面天线的安装使用；所述反射面上的操作工艺孔同时可作为放气通道，防止气体积聚影响。

可选地，所述步骤s6进一步包括：所述反射面天线参加卫星力学试验，验证所述反射面天线在安装到卫星系统进行力学试验时，天线在卫星上的真实力学响应情况，验证所述反射面天线结构强度可满足所述卫星系统使用环境要求。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

在开展带指向机构大口径反射面天线设计时，从初始设计阶段，即开展单机与卫星系统协同设计，将天线设计与卫星系统结构设计相结合，开展共形设计。根据抛物反射面天线曲面特点，充分利用卫星最大允许包络范围。将天线内嵌在卫星整星结构内，同时满足天线与卫星系统结构设计目标。在轨使用时，依靠内嵌安装在卫星内部的指向机构将大口径反射面天线从卫星共形表面伸展出远离卫星本体位置，具备大角度指向跟踪能力。该设计方法充分利用了有限的卫星空间资源，实现天线设计目标。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明具体实施例一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法的流程图；

图2为本发明具体实施例中所述带指向机构大口径反射面天线外形结构示意图；

图3为本发明具体实施例中所述带指向机构大口径反射面天线在卫星上共形设计安装状态示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图3，本实施例公开了一种带指向机构大口径反射面天线共形设计方法，该方法包括如下步骤：

s1：设计带指向机构大口径反射面天线；所述反射面天线至少包括指向机构、反射面、馈源。其中，反射面为大口径反射面。

馈源是指连续口径天线或天线阵的初级辐射器。

反射面是指面天线中用以将馈源发出的电磁波按一定要求向某一方向集中反射，以加强发射效果的导电曲面或平面，当用于接收时，可以增强接收信号强度，改善接收效果，简称反射面。

指向机构是所述大口径反射面天线对地面站跟踪定位的执行机构。

s2：根据步骤s1设计的反射面天线的结构特征，对卫星结构进行适应性改造；将所述带指向机构大口径反射面天线嵌入安装在卫星内，安装后的所述天线最大包络不超出卫星最大允许包络范围；

s3：对步骤s1设计的反射面天线进行建模得到天线结构模型，对所述天线结构模型开展单机级力学仿真分析，校核所述天线结构模型；需要说明的是，这里的“单机级力学仿真分析”是指对单机结构模型开展模态分析、振动力学响应分析。

“校核所述天线结构模型”进一步包括：计算所述天线模态结果，振动响应量级以及结构应力大小。各项计算结果需要满足技术指标要求(具体实施时，技术指标要求由具体使用场景决定)，不得超过天线所用材料强度安全极值要求。

s4：所述天线结构模型参加卫星系统级力学仿真分析，分析所述反射面天线的指向机构、反射面、馈源等主要部件的力学响应情况；确认所述反射面天线以及卫星整星结构可满足卫星力学环境需求；这里的“卫星系统级力学仿真分析”是对卫星系统结构建模进行振动力学响应分析。

需要说明的是，“确认所述反射面天线以及卫星整星结构可满足卫星力学环境需求”意思是：通过仿真计算，评估计算结果，看数据是否满足要求，结论是需要确认保证满足任务要求。该方法为本领域公知常识，这里不再赘述。

s5：针对所述反射面天线，进行天线安装工艺设计、天线在装星后的整星状态天线测试方案设计；由于所述反射面天线内嵌在卫星系统内，需要对天线装星工艺以及装星后天线在整星状态测试方案进行针对性设计，以满足所述反射面天线在卫星系统上装配、测试、试验需求。

s6：所述反射面天线参加卫星力学试验，确认所述反射面天线可满足卫星系统力学试验环境需求。

其中，所述步骤s1进一步包括：

首先根据天线高增益大口径并且需带二维指向功能技术指标需求，开展天线电性能设计，开展带指向机构大口径反射面天线的结构设计。天线设计口径2.5m，在轨期间要求具有大范围扫描指向地球通信能力。天线(包括指向机构)整体设计尺寸大约在φ2.5m*1.16m。

天线机构等部件以贴合反射面弧线设计为目标。在满足在轨使用要求的情况下，节约天线收拢状态下所占用卫星空间。

所述反射面天线收拢状态的外形结构见图2所示。其中天线本体尺寸2.5m*0.8m，所述天线的反射面直径2.5m；指向机构包括了伸展机构1、1m长度的支撑臂2、二维机构3，均贴合反射面弧线设计，减少所占用的空间资源。所述反射面天线的整体尺寸为2.5m*1.16m。所述伸展机构1、二维机构3均设置在支撑臂2上。对应所述天线的反射面上设置了6个压紧点，见图2，其中压紧点1固定在伸展机构1上、压紧点2固定在二维机构上、其余压紧点3～6对称分布于所述反射面上。从图2的视角看，压紧点3、4前后对称，压紧点5、6前后对称，压紧点3、5左右对称，压紧点4、6左右对称。

其中，所述步骤s2进一步包括：将原卫星舱板去除，根据所述反射面天线安装点需求，提供多个维度上的天线安装点固定位置。

具体的，根据带指向机构大口径反射面天线结构特征，对卫星结构进行适应性改造：对应卫星安装位置舱板内凹，提供天线安装空间，并采用多点分散约束固定，提供多个维度上的天线安装点位置。安装点见图2中压紧点1～6。

天线在卫星上的安装状态，以机构、主反射面弧面结构全部安装在卫星内凹部位为目标，外包络满足要求，表面实现共形设计目标。所述反射面天线安装后的示意图见图3所示。外形尺寸达2.5m*1.16m的天线内嵌安装进直径4.5m的卫星系统允许包络范围。

其中，所述步骤s3进一步包括：针对步骤s1设计的所述反射面天线的结构设计模型，建立有限元仿真模型即天线结构模型，开展天线模态及力学响应分析，验证所述反射面天线结构强度适应性。

具体的，通过天线自身的单机级力学仿真分析，首先确保当前天线结构具备较强的抗振动冲击能力。

其中，所述步骤s4，进一步包括：所述天线模型参加卫星系统级力学仿真分析，将所述反射面天线的有限元仿真模型即天线结构模型提供给卫星系统进行系统力学仿真分析，可得出所述反射面天线的指向机构、反射面、馈源等主要结构部件的力学响应情况；确认所述反射面天线以及卫星整星结构可满足卫星力学环境需求。对于部分指标临界或存在强度隐患的结构进行局部优化或结构加强。

其中，所述步骤s5中，在开展天线安装工艺设计时，根据所述反面面天线的安装固定位置需求，在所述天线的反射面上可开操作工艺孔、卫星舱板预留操作工艺孔，用于所述反射面天线的安装使用；所述反射面上的操作工艺孔同时可作为放气通道，防止气体积聚影响。

具体的，在开展天线安装工艺设计时，根据天线上二维机构以及支撑臂上的2个火工品压紧点安装固定需求，在天线反射面对应位置开2个直径50mm操作工艺孔，用于压紧状态下火工品安装固定用。解决在其它位置不可见，无法操作难题。

具体的，在步骤s5需要综合开展天线安装工艺以及测试方案设计，实现带指向机构大口径反射面共形天线产品装星以及星上测试和在轨天线展开跟踪指向通信功能需求。

其中，所述步骤s6进一步包括：所述反射面天线参加卫星力学试验，验证所述反射面天线在安装到卫星系统进行力学试验时，天线在卫星上的真实力学响应情况，验证所述反射面天线结构强度可满足所述卫星系统使用环境要求。

卫星力学试验是本领域的常规试验，这里不再进一步展开。

具体的，所述带指向机构大口径反射面天线产品完成交付后，参加卫星力学试验，观察天线安装点位置响应以及产品内部各主要部件响应情况，评估确认天线以及卫星系统结构可满足卫星力学试验环境需求。

通过采用本发明实施例，实现了将带指向机构的2.5m大口径反射面天线内嵌在卫星整星结构内，同时满足天线与卫星系统结构设计目标。在轨使用时，依靠内嵌安装在卫星内部的指向机构将大口径反射面天线从卫星共形表面伸展出远离卫星本体位置，具备大角度指向跟踪能力。该设计方法充分利用了有限的卫星空间资源，实现天线设计目标。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。