专利名称：组合式巨型天线及其天线单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种射电天文望远镜的天线，特别是一种组合式巨型天线，以及组成这种天线的天线单元。
射电天文学中广泛使用抛物面天线。一般由抛物面反射器与机械跟踪系统构成。所说的机械跟踪系统包括使天线作俯仰运动的背架支撑机构和一个使整个天线作二维旋转运动的座架。该机械跟踪系统能够满足天线的任意倾斜和旋转，使其电主轴能够指向天空的不同部分，观察不同的天体。整个天线的结构在倾斜、旋转的过程中，以及受到自身重力或风力、温度等各种外力因素作用时，抛物面形状必需保持不变。现有技术中的机械跟踪系统其背架支撑机构的主力骨架是辐射状桁架结构，其中心是一个刚性很强的中央圆筒，整个反射体由中央圆筒支撑。在中央圆筒上安装有两个俯仰轴承，支撑于天线座架上。俯仰轴的另一端，还装有平衡配重。巨型射电天文望远镜的天线反射器的重量、背架支撑机构的自身重量、平衡配重以及天线座架自重，加在一起的总重量是惊人的。由于这个巨大重量对天线抛物面反射器与机械跟踪系统的形变都有巨大影响。重力与结构尺度的立方成正比；镜面的运动与自身重力还直接影响支撑材料的挠距，而固定形状刚性梁的挠曲与结构尺度的平方成正比；挠距与结构尺度的四次方成正比。因此，天线尺度的微小增加，会引起变形因素的迅速增加，对巨型天线而言，上述各种变形是一个十分严重的问题，甚至造成反射面严重偏离设计形状，以至无法收到信号。
本发明将提供解决这一问题的技术方案，该方案应能满足巨型天线的使用要求，能任意旋转、俯仰，同时，其结构又能保证天线的变形度保持在天文观测所允许的微小范围内。本发明还同时提供组成这种天线的各个部件——天线单元的结构。
实现上述发明任务是采用组合式天线，即整个天线由若干彼此独立的天线单元组合而成，各单元一起拼合成完整天线。其具体结构是组合式巨型天线由反射器与机械跟踪系统构成，机械跟踪系统包括作俯仰运动的背架支撑机构和作旋转运动的座架，其特征是整个天线由若干彼此独立的天线单元组合而成，天线的反射器由各个天线单元的反射块拼合构成，天线的机械跟踪系统由各个天线单元的机械跟踪装置共同组成，每个天线单元设置有各自的支撑机构和旋转机构，同时设有控制所有单元机械运动的控制装置。这里所说的旋转机构是，在地平面上设置若干环形轨道，组成同心圆，各单元的旋转机构为座架车，座架车下装有车轮及驱动装置，并按各自位置安放在各圈轨道上。所说的支撑机构是在各单元下面连接有升降杆，每支杆的下端联结在驱动装置上，联结处设有万向轴，并安装到座架车上。
组成这种巨型天线的天线单元设置有天线反射块，其特征是反射块下连接有支撑机构和旋转机构，支撑机构固定在旋转机构上，两者与控制装置连接。这里所说的“天线反射块”，是指各单元在整个天线抛物面系统中有固定的位置，每个单元反射块的形状与整个抛物面在该位置的形状要求一一对应，各单元一起拼合成完整天线。所说的“支撑机构”除起支撑作用外，还必需分别做相应的升降运动与俯仰运动，才能完成整个天线的俯仰动作，所以这里所说的“支撑机构”包含有支撑器件、升降器件、俯仰器件和它们的驱动装置，例如每个单元至少设置二个驱动杆结构作为支撑机构，驱动杆由液压杆、螺杆等公知的升降杆承担，两端设有万向轴。各天线单元的支撑机构在控制装置和驱动装置的作用下，完成该单元块的升降功能与俯仰功能。同样，这里所说的“旋转装置”也包含有驱动装置，它对各天线单元起承载作用的同时，还承担着装载各单元块围绕一个统一的轴线“公转”以及在“公转”的同时做小角度“自转”的任务。以上三种作用均由作为旋转机构的“旋转座架”及其驱动装置完成。所说的控制装置同时与所有的天线单元连接，统一控制其机械运动。该控制装置是由计算机经继电器或电位器等执行元件，连接各单元支撑机构、旋转机构中的驱动装置构成，它使各单元按整个天线的俯仰、旋转要求统一运动。实际操作时，首先由计算机根据天文观测的需要，将整个天线的方向与俯仰角度，分解成各个单元的公转、自转、升降、俯仰等各项数据，并将这些数据分别传送给各天线单元，由其执行机构和驱动装置完成各自所需动作，整体上合成天线的旋转、俯仰动作。各天线单元的支撑机构、旋转机构可采用现有公知技术。本技术方案中旋转机构的优化设计是在地平面上设置若干环形轨道，组成同心圆。各单元的旋转机构为座架车，座架车下装有车轮及驱动装置，并按各自位置安放在各圈轨道上。整个天线需要旋转时，控制装置使各单元按统一的角速度在轨道上运动，以达到整个天线旋转的效果。分解天线单元时，如在天线中心有中央单元，则该中央单元不需作“公转”运动，所以不需轨道，只需作自转和俯仰。
本发明提供的技术方案，解决了巨型天线实际制造工艺中的设计困难和加工的困难。若干天线单元组成巨型组合天线的方案能满足巨型天线的使用要求，能任意旋转、俯仰。由于将天线重量分散到若干单元，其运动形变与结构形变的应力也被分散到各个单元，所以能保证天线的变形度保持在天文观测所允许的微小范围内。本发明为制造大型的、连续的射电天线打开了一个新的领域。
现结合附图与实施例作进一步说明。
图1为实施例1中各天线单元的反射块拼合成完整天线的结构示意图；图2为各天线拼合成完整天线的侧视图；图3该实施例中各天线单元与其座架车对应关系图；图4为座架车与圆形轨道对应图；图5为实施例2，分区抛物面天线侧面轮廓示意图，图6为天线单元结构示意图。
实施例1，参照图1组合式巨型抛物面天线由抛物面反射器1与机械跟踪系统构成，机械跟踪系统包括作俯仰运动的背架支撑机构和作旋转运动的座架，整个天线沿径向分成数环，每环沿圆周方向分成若干块，每块为一个天线单元反射块。其中位于圆心的一个单元称为“小天线座”。它和其他若干彼此独立的天线单元一起拼合成完整天线。参照图3、图4各单元的座架车4与反射块2的位置一一对应；各座架车按计算的位置分别安放在圆形轨道上。参照图2每个天线单元设置有各自的支撑机构和旋转机构，同时设有控制所有单元机械运动的控制装置。参照图6本例中的天线单元结构，其支撑机构是在各单元下面各连接三支升降杆3，每支杆的下端联结在驱动装置上，并安装到座架车4上。该联结处设有万向轴，使各升降杆与地平面间的角度任意可调。升降杆采用丝杆时，其驱动装置为电机驱动的螺辊、螺母或齿轮；采用液压升降杆时，驱动装置为液压缸。座架车4的下面设有与电机联结的车轮，车轮安放在同心圆形的轨道5上。所有的轨道均在一个水平面上。控制装置中的计算机跟据天文观测所需要的天线角度，分别计算出各天线单元所需要的运动数据，包括座车公转尺度(因采用了环形轨道，座车公转时，即自动完成了所需的自转角度)、每个单元内三根丝杆各自的升降尺度(三根之间的尺度差别即为俯仰角度)，并用该计算结果经连线控制各单元丝杆的升降与座架车的驱动、制动。在该控制装置的控制下，各单元完成统一动作，满足天线的角度需要。本例中的升降杆数量可不限于三根。天线馈源用三根支撑杆固定，其相位中心与抛物面天线的焦点重合；其轴线与抛物面天线的对称轴线重合。馈源的三根支撑杆分别固定在处于同一圆环上的三个单元块上。
实施例2，分区抛物面天线，参照图5分区抛物面天线的实际轮廓有一系列的阶梯，阶梯间的相位跳变等于360°的整数倍。这样的跳变不会破坏天线输出端波前同相位的条件。图中虚线表示不同焦距的抛物面天线的轮廓。将本例的分区抛物面天线按实施例1的组合方式分解成各个单元，即成为组合式天线。分区抛物面天线采用组合式结构时，各单元的支撑机构之间的升降幅度差别较小，机械装置更为简单。
实施例3，与实施例1基本相同，但其旋转机构的结构不同。特点是安装在每个同心圆上的各天线单元，其座架车联合制成一个完整环形，或两个半环形，或三个120°弧形的座架车。以完整环形车为例，即整个天线分解成几个同心圆，就设置几个环形的座架车。同一个圆环上的各个单元都将支撑机构联结到该环形座架车上，这样控制装置的工作即可简化。座架车制成一个完整环形、两个半环形、三个120°的弧形，甚至将整个天线的座架制成一个完整的座架车时，各单元的支撑机构按各自位置联结到车上的相应位置上，车下的车轮与支撑机构的联结点对应，以分别承担其重量。
实施例4基本构造与以上各例相同，但在建造较大直径天线时，天线单元的支撑机构采用单杆的升降杆，以减轻其自身重量。杆顶的万向轴联有驱动机构，控制反射块的俯仰。
权利要求
1.一种组合式巨型天线，由反射器与机械跟踪系统构成，机械跟踪系统包括作俯仰运动的背架支撑机构和作旋转运动的座架，其特征是整个天线由若干彼此独立的天线单元组合而成天线的反射器由各个天线单元的反射块拼合构成，天线的机械跟踪系统由各个天线单元的机械跟踪装置共同组成，每个天线单元设置有各自的支撑机构和旋转机构，同时设有控制所有单元机械运动的控制装置。
2.按照权利要求1所述的组合式巨型天线，其特征是所说的旋转机构是，在地平面上设置若干环形轨道，组成同心圆，各单元的旋转机构为座架车，座架车下装有车轮及驱动装置，并按各自位置安放在各圈轨道上。
3.按照权利要求1所述的组合式巨型天线，其特征是所说的支撑机构是在各单元下面连接有驱动杆，每支杆的两端设有万向轴，其下端联结在驱动装置上并安装到座架车上。
4.按照权利要求1或2或3所述的组合式巨型天线，其特征是所说的天线反射器采用天线分区抛物面天线，其实际轮廓有一系列的阶梯，阶梯间的相位跳变等于360°整倍数。
6.按照权利要求4所述的组合式巨型天线，其特征是所说的天线反射器采用天线分区抛物面天线，其实际轮廓有一系列的阶梯，阶梯间的相位跳变等于360°整倍数。
7.按照权利要求2所述的组合式巨型天线，其特征是所说的旋转机构中的座架车结构为处在每个同心圆上的各天线单元，其座架车联合成一个完整环形、两个半环形、三个120°弧形或四个90°弧形的座架车，或将整个天线的座架制成一个完整的座架车，各单元的支撑机构按各自的位置联结到车的相应位置上。
8.组合式巨型天线的天线单元，设有天线反射块，其特征是反射块下连接有各自的支撑机构和旋转机构，支撑机构固定在旋转机构上，两者与控制装置连接。
9.按照权利要求8所述的组合式巨型天线的天线单元，其特征是所说的旋转机构为座架车，座架车下装有车轮及驱动装置，并安放在轨道上，所说的支撑机构是升降杆，每支杆的下端联结在驱动装置上，联结处设有万向轴，并安装到座架车上，控制装置连接各单元支撑机构及旋转机构中的驱动装置。
全文摘要
组合式巨型天线由抛物面反射器与机械跟踪系统构成,特征是:整个天线由若干彼此独立的天线单元组合而成,各单元一起拼合成完整天线,每个天线单元设置有各自的支撑机构和旋转座架,同时设有运动控制装置。由于将天线重量分散到各单元,其运动形变与结构形变的应力也被分散到各个单元,能保证天线的变形度保持在微小范围内。本发明为制造大型的、连续的射电天线打开了一个新的领域。本发明还同时提供了天线单元的结构。
文档编号H01Q15/14GK1253395SQ9911445
公开日2000年5月17日 申请日期1999年9月23日 优先权日1998年9月25日
发明者殷兴辉, 徐之材 申请人:中国科学院紫金山天文台