一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构

技术领域

本发明涉及天线技术领域，具体涉及一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构。

背景技术

近年来，卫星轻小型化、批量化、多功能化趋势明显，因此相应的对一种典型的卫星有效载荷——相控阵天线也提出了轻质化、低成本、高精度、高频段、高增益等方面的要求。

相控阵天线作为一种典型的、普遍应用的星上有效载荷，其趋势与卫星总体一致，相控阵天线结构组阵技术是天线成功批量工程化应用的关键。因此，如何实现相控阵天线低成本、快速、高精度组阵，已成为当前急需解决的问题。

目前传统的组阵模式为：如图1所示，在两侧天线外框架之间每列天线单元模块需要一组三角形网格桁架，该网格桁架重量大、成型工艺复杂、费用昂贵，成型后容易扭曲，导致组阵后精度较低，而且网格桁架只能位于每列天线单元模块之间，导致组阵间距较大。这些因素导致只能实现低频段、低精度相控阵天线单元稀疏组阵。

发明内容

本发明是为了解决如何为使相控阵天线低成本、快速、高精度组阵的问题，提供一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，能够实现高频段天线的高密度、高精度组阵，同时本发明所使用的结构件具备低成本、快速批生产的优势。

本发明提供一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，包括相控阵天线单元，设置在相控阵天线单元两端的天线外框架，连接在相控阵天线单元背部的经纬支架，从相控阵天线单元内部穿过的内部碳管组件和穿过经纬支架的上层碳管组件，天线外框架与部分内部碳管组件、部分上层碳管组件相连；

相控阵天线单元内部设置供内部碳管组件穿过的贯穿孔，内部碳管组件和上层碳管组件均包括至少两根碳管、锁紧或辅助锁紧相控阵天线单元，天线外框架与卫星平台连接。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，相控阵天线单元为深腔薄壁波导金属结构件，相控阵天线单元为由至少两个相控阵天线组成的平面阵列，相控阵天线单元背部局部增厚并设置经纬支架安装孔，经纬支架与经纬支架安装孔可拆卸连接。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，内部碳管组件和上层碳管组件均为大长径比碳管。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，天线外框架通过碳纤维模压成型，天线外框架上设置与部分内部碳管组件、部分上层碳管组件相连的连接孔，天线外框架的数量为2个、分别设置在相控阵天线单元的横向两侧。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，经纬支架的数量为至少两个、均匀分布在相控阵天线单元背面。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，经纬支架为铝合金一体加工的杆框架结构，经纬支架上设置用于使上层碳管组件穿过的至少两个贯穿孔。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，内部碳管组件包括纵向贯穿相控阵天线单元内部的中层纵向碳管和横向贯穿相控阵天线单元内部的下层横向碳管、中层横向碳管，下层横向碳管和中层横向碳管在相控阵天线单元内部的高度不同；

下层横向碳管和中层横向碳管向相控阵天线单元的外部延伸并与天线外框架连接；

中层纵向碳管形成相控阵天线单元的纵向锁紧，下层横向碳管和中层横向碳管形成相控阵天线单元的横向锁紧。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，下层横向碳管和中层横向碳管均包括一组或一组以上的碳管，每组碳管均可包括一个或一个以上的碳管。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，上层碳管组件包括横向贯穿经纬支架的上层横向碳管和纵向贯穿经纬支架的上层纵向碳管，上层横向碳管的两端均与天线外框架连接，上层横向碳管和上层纵向碳管均包括一组或一组以上的碳管，每组碳管均可包括一个或一个以上的碳管。

本发明所述的一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，作为优选方式，每个经纬支架中连接两个上层横向碳管和两个上层纵向碳管。

内部碳管组件和上层碳管组件的长径比为：50～1000，内部碳管组件和上层碳管组件的直径为4mm～6mm、长度为500～900mm。

本技术方案包括相控阵天线单元、天线外框架、经纬支架、中层纵向碳管、上层横向碳管、上层纵向碳管、下层横向碳管和中层横向碳管；

相控阵天线单元是一种复杂深腔薄壁波导金属结构件，其上设计有贯穿孔，可以使中层纵向碳管、下层横向碳管和中层横向碳管穿过其本体。另外相控阵天线单元背面设计有安装孔，可以安装连接经纬支架。相控阵天线单元以16×8的方式组成平面阵列后，经纬支架均匀分布安装于该平面阵列背面。同时，经纬支架上也设计有贯穿孔，上层横向碳管、上层纵向碳管可以穿过其本体。所有横向碳管即上层横向碳管、下层横向碳管和中层横向碳管往外延伸，全部与两个天线外框架相连。

128个相控阵天线单元的尺寸约为100mm×50mm×40mm，2个天线外框架的尺寸约为800mm×50mm×15mm，12个经纬支架的尺寸约为100mm×50mm×50mm，6根中层纵向碳管的直径为4mm到6mm之间，长度约为750mm，8根上层横向碳管的直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm，6根上层纵向碳管的直径为4mm到6mm之间，长度约为600mm，8根下层横向碳管的直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm，16根中层横向碳管的直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm。

一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线结构组阵技术，它包含相控阵天线单元、大长径比碳管、天线外框架和经纬支架，其中大长径比碳管又分为上层横向碳管、上层纵向碳管、中层横向碳管、中层纵向碳管、下层横向碳管。中层横向碳管、中层纵向碳管和下层横向碳管贯穿相控阵天线单元模块内部，上层横向碳管和上层纵向碳管通过经纬支架交叉连接，一起位于相控阵天线阵面背面。所有横向碳管向外延伸，与两侧的天线外框架连接形成一个网格形相控阵天线结构框架。本发明的天线结构框架完全与天线单元融合，天线单元之间无需组阵间距，适用于低成本、高精度、高密度的相控阵天线。

本发明具有以下优点：

(1)本发明中利用大长径比碳管贯穿天线单元，并与天线单元融合到一起，改善了结构的紧凑性，天线单元可以无间隙组阵，与传统方式——每列天线单元增加三角形网格桁架的方式相比，这种方式可将天线单元排布密度提高10％～15％。由于无间隙布阵，满足了高频段天线对单元布阵密度的苛刻要求，能够充分覆盖C、X、Ku及Ka频率范围，而传统方式只能做到C频率以下；同时，因为这种融合，使天线阵的结构剖面做到了最小，即与电性能天线单元一致。

(2)本发明中的大长径比碳管代替了传统的三角形网格桁架。该网格桁架重量大、成型工艺复杂、费用昂贵，成型后容易扭曲，导致组阵后精度较低。长径比碳管采用简易拉挤成型，价格相对低廉、成型效率高容易批生产，成型后容易保证直线度，组阵精度高。本发明方案与传统方案相对，成本降低了50％以上。根据实测，利用本发明组成的天线阵面的平面度优于0.2mm/1m

(3)本发明中大长径比碳管可形成离散式、空间立体式分布，传统的三角形网格桁架只能有限集中，这种离散市分布具有结构应力和变形梯度更小，从而使天线单元能做到更轻薄，减轻阵面有效载荷的重量。而空间立体式分布提高了结构力学连接效率，使得阵面支撑结构部分的重量更轻。正是因为这两项优势，本发明的天线阵面刚强度优异，经过力学、热学试验以后，实测显示其结构精度无任何变化，表现出了非常高的结构稳定性；

(4)本发明每个天线单元背面设计有安装孔，外加阵面结构刚性优异，这大大增加了天线阵面背面布置相控阵天线下属电性有源单机的自由度，而不是传统天线的有限的几个区域。

附图说明

图1为现有技术三角形网格桁架相控阵天线结构示意图

图2为一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构正面示意图；

图3为一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构背面示意图。

附图标记：

1、相控阵天线单元；2、天线外框架；3、经纬支架；4、内部碳管组件；41、中层纵向碳管；42、下层横向碳管；43、中层横向碳管；5、上层碳管组件；51、上层横向碳管；52、上层纵向碳管。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

实施例1

如图2～3所示，一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，包括相控阵天线单元1，设置在相控阵天线单元1两端的天线外框架2，连接在相控阵天线单元1背部的经纬支架3，从相控阵天线单元1内部穿过的内部碳管组件4和穿过经纬支架3的上层碳管组件5，天线外框架2与部分内部碳管组件4、部分上层碳管组件5相连；

相控阵天线单元1内部设置供内部碳管组件4穿过的贯穿孔，内部碳管组件4和上层碳管组件5均包括至少两根碳管、锁紧或辅助锁紧相控阵天线单元1，天线外框架2与卫星平台连接；

相控阵天线单元1为深腔薄壁波导金属结构件，相控阵天线单元1为由至少两个相控阵天线组成的平面阵列，相控阵天线单元1背部局部增厚并设置经纬支架安装孔，经纬支架3与经纬支架安装孔可拆卸连接；

内部碳管组件4和上层碳管组件5均为大长径比碳管；

天线外框架2通过碳纤维模压成型，天线外框架2上设置与部分内部碳管组件4、部分上层碳管组件5相连的连接孔，天线外框架2的数量为2个、分别设置在相控阵天线单元1的横向两侧；

经纬支架3的数量为至少两个、均匀分布在相控阵天线单元1背面；

经纬支架3为铝合金一体加工的杆框架结构，经纬支架3上设置用于使上层碳管组件5穿过的至少两个贯穿孔；

内部碳管组件4包括纵向贯穿相控阵天线单元1内部的中层纵向碳管41和横向贯穿相控阵天线单元1内部的下层横向碳管42、中层横向碳管43，下层横向碳管42和中层横向碳管43在相控阵天线单元1内部的高度不同；

下层横向碳管42和中层横向碳管43向相控阵天线单元1的外部延伸并与天线外框架2连接；

中层纵向碳管41形成相控阵天线单元1的纵向锁紧，下层横向碳管42和中层横向碳管43形成相控阵天线单元1的横向锁紧；

下层横向碳管42和中层横向碳管43均包括一组或一组以上的碳管，每组碳管均可包括一个或一个以上的碳管；

上层碳管组件5包括横向贯穿经纬支架3的上层横向碳管51和纵向贯穿经纬支架3的上层纵向碳管52；

上层横向碳管51的两端均与天线外框架2连接；

上层横向碳管51和上层纵向碳管52均包括一组或一组以上的碳管，每组碳管均可包括一个或一个以上的碳管；

每个经纬支架3中连接两个上层横向碳管51和两个上层纵向碳管52。

实施例2

如图2～3所示，一种基于大长径比碳管的轻质高精度相控阵天线组阵结构，包括一百二十八个相控阵天线单元1、两个天线外框架2、十二个经纬支架3、六个中层纵向碳管41、八根上层横向碳管51、六根上层纵向碳管52、八根下层横向碳管42和十六根中层横向碳管43。

图2～3中左右方向为横向，上下方向为纵向。

相控阵天线单元1共一百二十八个，紧密排布成8列，每个相控阵天线单元尺寸约为100mm×50mm×40mm。相控阵天线单元1是一种复杂深腔薄壁波导金属结构件，其上局部增厚并设计有贯穿孔，可以使中层纵向碳管41、下层横向碳管42和中层横向碳管43穿过其本体。

相控阵天线单元1背面局部增厚处设计有安装孔，可以安装连接经纬支架3。相控阵天线单元1组成平面阵列后，十二个经纬支架3均匀分布安装于该平面阵列背面。经纬支架3的分布间距约为175mm×175mm。

经纬支架3为铝合金一体加工而成，是一种杆框架结构，其上也设计有贯穿孔，上层横向碳管51、上层纵向碳管52可以分别横向、纵向穿过其本体。经纬支架3使上层碳管与天线阵面相互连接。

所有横向碳管即上层横向碳管51、下层横向碳管42和中层横向碳管43往外延伸，全部与两个天线外框架2相连，从而形成天线阵面整体。

天线外框架2使用碳纤维模压成型，其上设计有横向碳管的连接孔。两个分布于天线阵面两侧，间距约为800mm，是相控阵天线阵面与卫星平台的转接安装主结构。

中层纵向碳管41直径为4mm到6mm之间，长度约为750mm，共六根，分布间距约为100mm，每根纵向贯穿于八列相控阵天线单元，形成天线阵面纵向锁紧。

上层横向碳管51的直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm，共四组八根，每组间距约50mm，组间距约为200mm。每根横向贯穿于三个经纬支架3，两端与天线外框架2相连，在相控阵天线阵面背面形成横向辅助锁紧。

上层纵向碳管52直径为4mm到6mm之间，长度约为600mm，共三组六根，每组间距约50mm，组间距约为200mm。每根纵向贯穿于四个经纬支架3，在相控阵天线阵面背面形成纵向辅助锁紧。

下层横向碳管42的直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm，共八根，分布间距约为100mm，每根贯穿于每列相控阵天线单元，两端与天线外框架2相连，形成天线阵面横向锁紧。

中层横向碳管43直径为4mm到6mm之间，长度约为800mm，共八组十六根，每组间距约50mm，组间距约为100mm。每两根贯穿于每列相控阵天线单元，两端与天线外框架2相连，形成天线阵面横向锁紧。

本实施例的详细规格如下：

1、相控阵天线单元1尺寸为98mm×48mm×42mm，腔壁厚度0.5mm，金属材料；

2、天线外框架2使用碳纤维模压成型，尺寸为750mm×55mm×14mm；

3、经纬支架3的尺寸为80mm×45mm×45mm，铝合金一体加工而成；

4、中层纵向碳管41直径为6mm，长度约为742mm，碳纤维材质；

5、上层横向碳管51的直径为6mm，长度约为792mm，碳纤维材质；

6、上层纵向碳管62直径为6mm，长度约为586mm，碳纤维材质；

7、下层横向碳管42的直径为6mm，长度约为792mm，碳纤维材质；

8、中层横向碳管43直径为6mm，长度约为792mm，碳纤维材质；

经过仿真设计、加工及测试，该相控阵天线重量为14.89kg，平面度精度为0.21mm，刚度为52Hz。该天线工作于X频段，经测试，电性能优异。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。