一种星载卫星可展开螺旋天线及其制备方法与流程

1.本发明涉及卫星有效载荷的天线设计领域，特别是涉及一种星载卫星可展开螺旋天线及其制备方法。


背景技术：

2.螺旋天线是一种在卫星通信领域得到广泛应用的天线，具有较高的增益和优良的圆极化辐射性能，作为卫星通信系统的有效载荷，螺旋天线是实现dcs卫星数据收集系统的重要前提。但是传统的螺旋天线相对尺寸较大，无法满足卫星装星空间要求，从而限制了螺旋天线的应用。


技术实现要素：

3.本发明提供了一种星载卫星可展开螺旋天线及其制备方法，以解决现有螺旋天线不能满足实际需要的问题。
4.第一方面，本发明提供了一种星载卫星可展开螺旋天线，所述螺旋天线包括：极化器、顶盖、螺旋振子、柔性绳索、压紧释放机构以及支撑筒；
5.所述螺旋振子及所述柔性绳索的一端均与所述顶盖相连接，另一端均与所述极化器连接，所述极化器外壳为天线的底座，通过所述底座来支撑所述螺旋天线；
6.柔性绳索和螺旋振子都连接在极化器上，不同之处在于，螺旋振子不仅进行结构连接，还需要进行电连接。
7.所述柔性绳索为多条，且多条所述柔性绳索沿所述螺旋振子的轴向设置，通过所述柔性绳索对所述螺旋振子的展开工作形态进行控制，并通过所述螺旋振子的自身弹性回复力和所述柔性绳索的张力使得螺旋天线工作状态具有预设刚度。
8.所述柔性绳索与螺旋振子每一层的预设位置均固定连接。
9.所述螺旋振子工作状态下的几何参数包括：圈数、螺旋角、中径以及丝径，所述几何参数由螺旋天线辐射特性决定。
10.可选地，所述螺旋振子的末端均折弯得到折弯结构，通过固定件将所述折弯结构固定到所述极化器和所述顶盖上，其中，所述折弯结构为非正常螺旋段，其螺旋角低于正常螺旋角，所述折弯结构与所述螺旋振子上的螺旋结构之间设有预设长度的过渡段。
11.可选地，通过第一压板将所述柔性绳索固定到所述顶盖和极化器上，其中，所述第一压板优选绝缘材质，若为金属材质，应控制其体积和重量。
12.可选地，通过所述压紧座和第三压板将所述螺旋振子固定到所述极化器外壳上，所述压紧座和所述第三压板均为绝缘材质，从而使得螺旋振子与极化器外壳绝缘，所述螺旋振子再通过接线端子等结构与所述极化器内的微带电路实现电连接。
13.所述支撑筒固定在所述底座上，且位于所述螺旋振子组成的螺旋振子组件内部，其中所述螺旋振子组件是由多根螺旋振子以及柔性绳索所构成的一个整体结构；
14.可展开螺旋天线在发射前处于压紧收拢状态，收拢时，通过所述压紧释放机构将
所述顶盖压紧约束在支撑筒上，螺旋振子分布在支撑筒周围。
15.天线收拢时，旋转并下压所述顶盖，所述螺旋振子圈数增加，通过所述顶盖的定位止口与支撑筒进行轴向定位，所述支撑筒上设有v形槽，通过所述v形槽与所述顶盖的v形凸台进行周向定位。
16.压紧释放机构设置在底座两侧，通过自回弹包带将顶盖压紧固定在支撑筒上，从而实现对螺旋振子的收拢压缩。
17.可选地，所述螺旋振子的材质为铜合金丝、不锈钢丝或记忆合金。
18.可选地，所述螺旋振子截面可以是圆形，也可以是矩形等形状。
19.第二方面，本发明提供了一种制备上述任意一种所述的星载卫星可展开螺旋天线的方法，该方法包括：
20.将螺旋振子组件两端固定到极化器和顶盖上之后，在顶盖上对螺旋振子之间进行电连接，在极化器上对螺旋振子与极化器内的电路进行电连接。极化器可以对多根螺旋振子的电磁波进行合成，形成圆极化电磁信号，通过射频连接器进行输出。
21.通过预设定位工装将多根螺旋振子进行位置固定，使其由自由状态转换为工作状态，在此状态下用柔性绳索将螺旋振子之间进行捆绑固定，形成一个整体，称为螺旋振子组件。
22.可选地，所述预设定位工装根据所述螺旋振子工作状态决定，如螺旋振子组件呈圆柱形，那么定位工装也呈圆柱形；如螺旋振子组件呈圆锥形，则定位工装也随之呈圆锥形。以圆柱体为例，在圆柱体上的预设位置加工螺旋槽，螺旋槽尺寸为与所述螺旋振子工作状态尺寸相同，在对应柔性绳索位置预留操作空间，进行捆线和点胶操作，通过捆线和点胶操作使所述螺旋振子与所述柔性绳索位置固定。
23.本发明有益效果如下：
24.本发明通过定位工装保证螺旋振子的位置精度，并通过捆绑和点胶操作完成螺旋振子组件成形工作，使得螺旋振子工作在非完全展开状态，通过柔性绳索的张力和螺旋振子的弹性回复力使得螺旋天线具有足够高的形状位置精度和足够的刚性，最终确保螺旋天线的电性能指标。
25.通过压紧释放机构来完成天线的收拢压缩，从而保证螺旋天线收拢状态下的外形尺寸满足卫星运载空间要求。通过顶盖与支撑筒的配合，将螺旋振子收拢在支撑筒的周围，也保证了柔性绳索能够可靠的收纳，避免螺旋天线展开时的勾挂。
26.上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，而可依照说明书的内容予以实施，并且为了让本发明的上述和其它目的、特征和优点能够更明显易懂，以下特举本发明的具体实施方式。
附图说明
27.通过阅读下文优选实施方式的详细描述，各种其他的优点和益处对于本领域普通技术人员将变得清楚明了。附图仅用于示出优选实施方式的目的，而并不认为是对本发明的限制。而且在整个附图中，用相同的参考符号表示相同的部件。在附图中：
28.图1是本发明实施例提供的螺旋天线展开状态结构示意图；
29.图2是本发明实施例提供的螺旋振子组件成形后的形态示意图；
30.图3是本发明实施例提供的螺旋振子定位工装示意图；
31.图4是本发明实施例提供的螺旋振子下端安装结构示意图；
32.图5是本发明实施例提供的螺旋振子上端安装结构示意图；
33.图6是本发明实施例提供的螺旋天线收拢状态示意图；
34.附图说明：1极化器、2支撑筒、3螺旋振子、4柔性绳索、5顶盖、6压紧座、7第三压板、8极化器外壳、9第一压板、10第二压板、11凹槽、12预设定位工装。
具体实施方式
35.本发明实施例针对现有螺旋天线不能满足实际需要的问题，通过定位工装保证螺旋振子的位置精度、最终确保螺旋天线的电性能指标，同时通过压紧释放机构来收拢螺旋天线，从而保证螺旋天线在收拢状态下的外形尺寸减小，满足卫星运载空间要求。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
36.本发明第一实施例提供了一种星载卫星可展开螺旋天线，参见图1，该螺旋天线包括：极化器1、螺旋振子3、柔性绳索4、顶盖5和压紧释放机构；
37.所述螺旋振子3及所述柔性绳索4的一端均与所述顶盖5相连接，所述螺旋振子3的另一端与所述极化器1连接，所述柔性绳索4的另一端与极化器外壳8相连接，该极化器外壳8即为螺旋天线的底座，通过该底座来支撑所述螺旋天线；
38.也就是说，本发明实施例中的底座即是极化器外壳8；
39.具体实施时，本发明实施例柔性绳索和螺旋振子都连接在极化器上，不同之处在于在于，本发明中的螺旋振子3不仅进行结构连接，还需要进行电连接；
40.具体地，本发明实施例是将四根螺旋振子3的底端与四个电连接器相连接，电连接器再与极化器微带电路相连接，并最终通过一个电连接器进行输出，顶端通过导线或者金属构件将四根螺旋振子电连接，从而最终实现本发明的螺旋振子3的电连接。
41.需要说明的是，本发明实施例中所述柔性绳索4为多条，且多条所述柔性绳索4沿所述螺旋振子3的轴向设置，通过所述柔性绳索4来对所述螺旋振子3的展开工作形态来进行控制，以控制所述螺旋振子3的自身回复力和所述柔性绳索4的张力而使得螺旋天线工作状态具有预设刚度，从而满足螺旋天线的各项工作性能要求；
42.具体实施时，本发明实施例中的柔性绳索4与螺旋振子3的每一层预设位置之间固定连接，通过该柔性绳索4与螺旋振子3之间的连接，得到螺旋天线的主体结构。
43.具体实施时，本发明实施例是通过四根螺旋振子3通过柔性绳索4来对四根螺旋振子3进行位置约束，形成螺旋振子组件，最终得到螺旋天线的主体结构。
44.本发明实施例中的螺旋振子组件可以是圆柱形或者圆锥形等形状，具体本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，并且在具体实施时，本发明实施例中的螺旋振子3的截面可以是圆形，也可以是矩形等形状，具体本领域技术人员可以任意设置，本发明对此不作具体限定。
45.需要说明对是，本发明实施例中，所述螺旋振子3的末端均折弯得到折弯结构(即，如图5所示的螺旋振子3末端对弯折部分的结构)，通过预设固定件将所述折弯结构固定到所述极化器1和所述顶盖5上，以将所述螺旋振子3进行固定，其中，所述折弯结构为非正常
螺旋段，所述折弯结构与所述螺旋振子3上的螺旋结构之间设有预设长度的过渡段。
46.也就是说，本发明在螺旋振子3的末端均设置一折弯结构，通过该折弯结构能够使螺旋振子进行全约束固定，以有效避免收拢和展开过程中螺旋振子3的末端发生转动，通过这种设置方式使得极化器的电连接成为静态连接，电连接器不受外力，电连接方式简单且可靠，以确保螺旋天线工作性能的稳定，最终提升用户体验。
47.总体来说，本发明实施例是在螺旋振子3的两端都设置折弯结构，以便于螺旋振子3的约束固定。而从现有直接将螺旋振子3进行端部固定而言，本发明可在螺旋振子3收拢状态下，有效避免螺旋振子3在约束位置发生旋转，所以本发明可以有效避免螺旋振子3的磨损，并且也能有效避免电连接器端部连接承受螺旋振子旋转带来的外力。
48.具体实施时，本发明实施例顶盖5上的压块均优选为绝缘材质，若为金属材质，应控制其体积和重量，以尽量减小金属材料对天线电性能的影响，而极化器1上的压块和压紧座则必须为非金属材料，需要说明的是，为了避免各个压块对天线整体性能的影响，所以在具体实施时，本发明实施例是在达到固定要求的前提下，而将所有的压块的体积和总量都做的尽量小，以尽可能地减小压块对天线性能的影响。
49.具体地，本发明实施例是通过第二压板10将所述柔性绳索4固定到所述极化器1和所述顶盖5上，其中，所述第二压板10为优选绝缘材质，顶盖上的第二压板10可以是金属材质，但是如果是金属材质应控制其体积和重量。
50.以及通过所述第一压板9将所述螺旋振子3固定到顶盖5上，并通过压紧座6和第三压板7来将所述螺旋振子3固定到所述极化器1上，其中，所述压紧座6和所述第三压板7均为绝缘材质，或者也可以称为非金属材质，具体实施时，本领域技术人员可以根据实际需要进行任意设定，本发明对此不作具体限定。
51.本发明实施例将压紧座6和所述第三压板7均设置为绝缘材质，以避免金属压板对螺旋振子3的性能所造成的影响。
52.具体实施时，本发明实施例所述几何参数包括有圈数、螺旋角、中径以及丝径等等，本领域技术人员可以通过多次的数值计算来确定螺旋振子3的工作状态下的各项几何参数，所述的各种几何参数均由螺旋天线辐射特性来决定，具体本领域技术人员可以根据实际需要进行设置，本发明对此不作具体限定。
53.本发明实施例中，所述螺旋天线还可以包括：支撑筒2；如图1、图4和图5所示，本发明实施例中所述支撑筒2是固定在底座，也即是固定在极化器外壳8上，且位于在所述螺旋振子组成的螺旋振子组件内部，而本发明实施例中所述螺旋振子组件是由多根螺旋振子3以及柔性绳索4所构成一个整体结构；所述支撑筒为非金属材质，且需选用透波性能优良的材料如玻璃钢等。
54.可展开螺旋天线在发射前处于压紧收拢状态，收拢时，通过所述压紧释放机构将顶盖5压紧约束在支撑筒2上，螺旋振子3分布在支撑筒周围。
55.天线收拢时，旋转并下压所述顶盖5，所述螺旋振子3圈数增加，通过所述顶盖5的定位止口与支撑筒2进行轴向定位，所述支撑筒2上设有v形槽，通过所述v形槽与所述顶盖5的v形凸台进行周向定位。
56.压紧释放机构设置在极化器两侧，通过自回弹包带将顶盖5压紧固定在支撑筒2上，从而实现对螺旋振子3的收拢压缩。
57.简单来说，本发明实施例是通过所述包带卡扣在所述凹槽11上，所述包带的两端固定到所述极化器外壳8上，最终对所述螺旋振子3进行收拢固定。
58.也即本发明实施例设置了支撑筒2和顶盖5结构，收拢状态下通过压紧释放机构，依靠顶盖5与支撑筒2之间的约束定位，从而使得螺旋振子组件能够实现可靠的收纳，而现有的螺旋天线是不能够进行收纳的，即使能够收纳，也是需要将螺旋振子3压缩到底座上，这种收纳方式会使得螺旋振子3螺旋角变为0度，即圈数压并，这很可能会使螺旋振子3变形，导致其无法弹回到正常工作状态，从而影响螺旋天性的工作性能。
59.需要说明的是，本发明实施例中的所述螺旋振子3的材质为铜合金、不锈钢或记忆合金等材料。具体实施时，本发明实施例中的螺旋振子3可以是铍青铜或弹簧用不锈钢丝等。
60.下面将结合图1到图5通过一个具体的例子来对本发明所述的螺旋天线进行详细的解释和说明：
61.如图1所示，本发明实施例中的螺旋振子3是可展开螺旋天线的关键构件，采用压缩弹簧结构形式，其自身既要作为微波器件，发射和接收微波信号，另一方面又作为结构构件要具有高弹性，能够进行大幅度的压缩收拢和展开，为了提高螺旋振子3的压缩量，在材料的选取上，需要选择许用强度与模量之比较高的金属材料，如弹簧用不锈钢丝或铍青铜，虽然铍青铜的模量和许用强度较弹簧用不锈钢丝低，但其许用强度与模量之比高于弹簧用不锈钢丝，因此，铍青铜优于弹簧用不锈钢丝。
62.需要说明的是，本发明实施例针对螺旋振子3的选材上，提出了选择许用强度与模量之比较高的金属材料，通过选择许用强度与模量的比值较高的材料，螺旋天线的压缩行程越大，从而获得更好的用户体验。
63.本发明实施例中螺旋振子3两端的固定方式均采用了全约束方式，即两端分别与极化器1和顶盖5压接固定。为此分别在螺旋振子3两端设计了折弯结构，该折弯结构为非正常螺旋段，同时为了避免在压接根部局部屈服，折弯段与正常螺旋之间应有足够长度的过渡段。
64.在天线装配时，首先要进行螺旋振子3组件的成形工作，即将四根螺旋振子3与柔性绳索4进行捆线胶接成一体，如图2和图3所示。将四根螺旋振子3绕到预设定位工装12上，定位工装保证四根螺旋振子3的位置精度，取四根柔性绳索4，从螺旋振子3一端并沿螺旋振子3的高度方向逐个捆绑，在螺旋振子3上形成若干绳结，全部绳结捆绑完成后，在绳结处用胶将绳索与螺旋振子3进行胶粘固化。
65.具体来说，螺旋振子3在加工完成后处于自由态，而螺旋振子组件成型则是非自由态，但是现有方案是没有具体的工装来确保螺旋振子3的位置精度，所以在这种情况下，是很难保证螺旋振子3的位置精度的，基于此考虑，本发明创新性的提出通过定位工装12来保证螺旋振子3的位置精度，而实践证明，本发明所述的定位工装12能够很好地保证螺旋振子3的位置精度，从而为螺旋天线的稳定工作提供了有利的基础。
66.另外，本发明实施例柔性绳索4与螺旋振子3捆绑后胶粘固定，在收拢压缩状态下，捆扎点位置是不会变化的，这可以保证在轨展开后柔性绳索4对螺旋振子3的约束有效。而现有方案基本采用的是微调机构来在螺旋振子3上进行微调，这种调节方式带来三个问题，一是微调机构与螺旋振子如何固定，二是微调机构与柔性绳索如何固定，三是如何根据进
行微调，微调的基准如何选取。而本发明则仅仅是通过柔性绳索4与螺旋振子3捆绑后胶粘固定，其具体实现是简单易行的，成本也是非常低的。
67.本发明实施例中螺旋振子3自由状态与工作状态的区别在于，自由状态为螺旋振子3加工制造后的状态，工作状态下的螺旋振子参数由电性能仿真给出，并且处于非完全展开状态，即依靠螺旋振子3自身的回复力和柔性绳索4的张力达到平衡状态，从而使得天线的刚性增加。具体地说，在工作状态下，相比自由状态，螺旋振子3高度较低、螺距较小、中径较大、圈数一致。
68.本发明实施例中的螺旋振子3的定位工装用于确定螺旋振子3的相对位置，保证位置精度。这里提供一种设计思路，即在圆柱体上加工螺旋槽，螺旋槽尺寸与螺旋振子3工作状态尺寸吻合。也即在圆柱体上的预设位置加工螺旋槽，螺旋槽尺寸为与螺旋振子3工作状态尺寸相同，在对应柔性绳索4位置留操作空间，进行捆线和点胶操作，通过捆线和点胶操作使所述螺旋振子3与所述柔性绳索4位置固定。定位工装应可拆分，便于螺旋振子3组件成形后与定位工装分离。
69.本发明实施例中的柔性绳索4选用耐空间环境的高强度绝缘材料，其要求有：强度高，保证能够承受天线展开时的冲击；耐磨，能够经受天线展开过程以及振动试验过程绳索与支撑筒2的摩擦；耐空间辐照；可粘接，满足上述所有要求的绳索有聚酰亚胺绳、芳纶绳等，具体实施时，本发明采用的绳索为聚酰亚胺绳；
70.具体地，螺旋振子3组件下端通过压紧座6和第三压板7与极化器1连接固定，压紧座6和第三压板均采用高强度非金属材料加工而成，保证了螺旋振子3与极化器1绝缘，压紧座6设计有凹槽11，可将螺旋振子3折弯段进行约束固定，柔性绳索4下端通过压片与极化器1压接固定。螺旋振子3组件上端通过螺旋线压块与顶盖5连接固定，螺旋线压块上加工有凹槽11，可将螺旋振子3折弯段进行约束固定，绳索上端通过压块压接固定。
71.图6为螺旋天线收拢状态示意图，此时螺旋振子3处于压缩收拢状态，且圈数较展开状态有所增加，顶盖5与支撑筒2通过压紧释放机构压紧。顶盖5与支撑筒2通过定位止口和v形槽进行横向和周向定位，其中，支撑筒2顶端周向均布有v形槽，顶盖5上有匹配的v形块。从而实现所述顶盖与所述所述支撑筒2相连接。
72.本发明第二实施例提供了一种制备本发明第一实施例中任一种所述的星载卫星可展开螺旋天线的方法，该方法包括：
73.通过预设定位工装将多根螺旋振子进行位置固定，使其状态由自由状态转换为工作状态，在此状态下用柔性绳索将螺旋振子之间进行捆绑固定，形成一个整体，称为螺旋振子组件。
74.将螺旋振子组件两端固定到极化器和顶盖上，在顶盖上对螺旋振子之间进行电连接，在极化器上对螺旋振子与极化器内的电路进行电连接。极化器可以对多根螺旋振子的电磁波进行合成，形成圆极化电磁信号，通过射频连接器进行输出。
75.具体实施时，本发明实施例的预设定位工装根据所述螺旋振子工作状态决定，如螺旋振子组件呈圆柱形，那么定位工装也呈圆柱形；如螺旋振子组件呈圆锥形，则定位工装也随之呈圆锥形。以圆柱体为例，在圆柱体上的预设位置加工螺旋槽，螺旋槽尺寸为与所述螺旋振子工作状态尺寸相同，在对应柔性绳索位置留操作空间，进行捆线和点胶操作，通过捆线和点胶操作使所述螺旋振子与所述柔性绳索位置固定。
76.本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例进行理解，在此不做详细论述。
77.尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。