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CN112164883A - 一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构 - Google Patents

一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构 Download PDF

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CN112164883A CN202010850780.4A CN202010850780A CN112164883A CN 112164883 A CN112164883 A CN 112164883A CN 202010850780 A CN202010850780 A CN 202010850780A CN 112164883 A CN112164883 A CN 112164883A
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万继响
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陈俢继
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Abstract

一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，属于星载天线技术领域。本发明喇叭阵列与极化器阵列层叠安装，并通过若干紧固件连接固定，极化器阵列安装在喇叭阵列底部；喇叭阵列和极化器阵列构成的组合体安装在波束形成网络顶部；波束形成网络包括若干层网络分层腔体；若干层网络分层腔体层叠安装，并通过若干紧固件连接固定；每个的紧固件均包括主动段和柱段；柱段穿过网络分层腔体上安装的通孔，主动段与与其最近的网络分层腔体之间设有热补偿垫圈，用于补偿环境发生温变时网络分层腔体发生的形变，从原理上解决了极端温度条件下的层联结构间紧固件预紧力变化导致的馈电部件电性能下降等问题。

Description

一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构
技术领域
本发明涉及一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，属于星载天线技术领域。
背景技术
天线馈电部件结构形式复杂，通常采用剖分式的分体加工形式，再使用紧固件(螺钉、垫圈等)、定位销钉等将分体结构装配成成整体使用，为了减少重量，星载天线馈电部件通常为铝合金材料，而紧固件为合金钢材料，在轨工作时会因为太阳光照射以及卫星舱板的遮挡产生的阴影区出现高温、低温的极端温度状态(如同步轨道通信卫星馈电部件高低温可以达到-130℃～+140℃)，由于铝合金材料与钢材料的热膨胀系数不一致，因此在极端温度环境下，特别是低温状态下的冷缩，馈电部件本体尺寸较紧固件连接尺寸缩小更多，紧固件预紧力下降，极有可能带来电磁波泄漏、微放电以及PIM等技术问题。
为了解决上述问题，传统的设计方法为：在馈电部件的连接中使用设有扼流槽的高压法兰，减少压紧面积，增大连接面间的压强，或者在法兰端面四周局部开槽，紧固件压紧时法兰外圈开槽部位附近产生附加应力变形，提高温变环境下的压紧裕度。传统设计方法的问题是：原理上不具备高低温环境下连接面保持压力恒定的能力，操作中常温环境下施加的螺钉预紧力在高低温环境下的保持能力无法测试及评估，只能通过高低温环境下的电性能测试进行的筛选；再者随着更高频率复杂腔体的馈电部件的广泛应用，小尺寸的多级层联薄壁结构没有空间设置扼流槽，传统的扼流槽式的高压法兰在设计上成为不可能。
发明内容
本发明解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，引入了殷钢制成的热补偿垫圈，通过不同材料间热膨胀系数匹配及连接长度补偿方法，平衡了铝合金的分层结构及连接螺钉的热膨胀系数，可保证任意温变环境下层间预紧力的近似恒定不变，使不同温度条件下馈电部件层间压力成为量化指标，从原理上解决了因温度变化导致的层联结构间紧固件预紧力力变化导致的馈电部件电磁泄漏、微放电及无源互调问题。
本发明的技术解决方案是：一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，包括合成多波束馈源阵；所述合成多波束馈源阵包括喇叭阵列、极化器阵列、波束形成网络、紧固件和热补偿垫圈；
所述喇叭阵列与极化器阵列层叠安装，并通过若干紧固件连接固定，极化器阵列安装在喇叭阵列底部；所述喇叭阵列和极化器阵列构成的组合体安装在波束形成网络顶部；
所述波束形成网络包括若干层网络分层腔体；所述若干层网络分层腔体层叠安装，并通过若干紧固件连接固定；
每个所述的紧固件均包括主动段和柱段；所述柱段穿过网络分层腔体上安装的通孔，所述主动段与与其最近的网络分层腔体之间设有热补偿垫圈，用于补偿环境发生温变时网络分层腔体发生的形变。
进一步地，所述热补偿垫圈的材料为热膨胀系数≤5.0e-6/℃的材料。
进一步地，所述热补偿垫圈的材料为殷钢。
进一步地，所述热补偿垫圈的高度为
Figure BDA0002644660580000021
其中，L1为波束形成网络若干层网络分层腔体层联结构的长度，α1为波束形成网络材料的热膨胀系数，α2为热补偿垫圈材料的热膨胀系数，α3为紧固件材料的热膨胀系数。
进一步地，所述紧固件的柱段根据需要穿过1～4层网络分层腔体。
进一步地，所述紧固件的柱段穿过喇叭阵列并螺接于极化器阵列。
进一步地，所述紧固件的柱段穿过极化器阵列并螺接于波束形成网络。
进一步地，在星载天线冷热环境下，网络分层腔体使用紧固件结合热补偿垫圈施加预紧力使网络分层腔体层联结构间压力保持不变，防止馈电部件电磁泄漏，以及提升PIM和微放电裕度。
本发明与现有技术相比的优点在于：
1、创新引入了热膨胀系数较低的金属材料(殷钢)制成的热补偿垫圈，通过材料热膨胀系数(α)与连接长度(L)的匹配，从原理上解决了因温度变化导致的层联结构间紧固件压紧力变化导致的馈电部件电磁泄漏、微放电及无源互调问题；
2、该发明使常温状态下预设的紧固件预紧力在高低温状态下保持不变，避免了以往依赖试验件高低温条件下通过摸索以试验筛选的评估方法，也避免了试验条件很难达到的-160℃以下的产品应用环境难以评估的问题；
3、该发明计算简单可靠，应用范围更为广泛，只要有紧固件安装控件便可实施，避免了扼流槽高压法兰等设计环节需要较大空间等限制条件。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明结构拆解示意图；
图3为本发明热补偿垫圈结构示意图。
具体实施方式
为了更好的理解上述技术方案，下面通过附图以及具体实施例对本申请技术方案做详细的说明，应当理解本申请实施例以及实施例中的具体特征是对本申请技术方案的详细的说明，而不是对本申请技术方案的限定，在不冲突的情况下，本申请实施例以及实施例中的技术特征可以相互组合。
以下结合说明书附图对本申请实施例所提供的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构做进一步详细的说明，具体实现方式可以包括(如图1、2所示)：
在本申请实施例所提供的方案中，本发明包括：合成多波束馈源阵1；所述合成多波束馈源阵1包括喇叭阵列2、极化器阵列3、波束形成网络4、紧固件5和热补偿垫圈6。
进一步，在本申请实施例所提供的方案中，所述喇叭阵列2与极化器阵列3层叠安装，并通过若干紧固件5连接固定，极化器阵列3安装在喇叭阵列2底部；所述喇叭阵列2和极化器阵列3构成的组合体安装在波束形成网络4顶部；所述波束形成网络4包括若干层网络分层腔体；所述若干层网络分层腔体层叠安装，并通过若干紧固件5连接固定；每个所述的紧固件5均包括主动段和柱段；所述柱段穿过网络分层腔体上安装的通孔，所述主动段与与其最近的网络分层腔体之间设有热补偿垫圈6，用于补偿环境发生温变时网络分层腔体发生的形变。
在一种可能的实现方式中，在紧固件连接环节中用热补偿垫圈替代传统的平垫、弹垫，使得紧固件在高低温环境下预紧力保持不变，各层联结构间始终保持预设的压紧力，热补偿垫圈采用4J32(YB/T5241-2005)的殷钢材料(200℃以下材料的热膨胀系数小于2.0e-6/℃)，利用殷钢材料热膨胀系数较低的特点，可以计算热补偿垫圈的高度方向尺寸(变量)，通过增加钢制连接螺钉长度的方法，达到铝合金分层连接结构与钢制螺钉不同温度条件下长度变化尺寸的近似一致，进而达到合成多波束馈源阵1不同部件以及波束形成网络4各层间保持一定的压强及压紧力的目的。
在一种可能的实现方式中，如图3，当常温条件下，使用力矩扳手通过紧固件对网络各层间施加预紧力压紧，此时：
L2＝L1+L3
在轨温度环境下T(℃)，其温度梯度定义为ΔT＝T-20(常温)(℃)，在此温度梯度下网络各层间连接长度的变化量为ΔL1，连接螺钉长度变化量为ΔL2，热补偿垫圈长度的变化量为ΔL3：
ΔL1＝L1×α1×ΔT；ΔL2＝L2×α2×ΔT；ΔL3＝L3×α3×ΔT
其中：αi(i＝1、2、3)分别为网络、连接螺钉、热补偿垫圈材料的热膨胀系数(10-6/℃)
相同温度梯度下，为了使网络各连接层始终保持近似不变的压强及压紧力，网络各连接层长度的变化量与热补偿垫圈长度的变化量之和应与连接螺钉的长度变化量相等，则有：
ΔL2＝ΔL1+ΔL3
即：L2×α2×ΔT＝L1×α1×ΔT+L3×α3×ΔT
由于网络各连接层连接紧密，各组成部件承受的温度梯度相等，网络层间压强及压紧力仅与网络连接层厚度、热补偿垫圈高度、螺钉的连接长度及上述各部分材料的热膨胀系数有关，与温度梯度数值无关，这样就保证了在轨工作温度范围内任意温度条件下，网络层间压紧力近似恒定的设计目标。
在一种可能实现的方式中，由于网络分层结构长度(L1)、紧固件长度(L2)、材料热膨胀系数均为已知量，因此涉及到两项计算变量，即热补偿垫圈的高度(L3)以及热膨胀系数(α3)的计算公式如下：
Figure BDA0002644660580000051
其中：α1：合成多波束馈源材料铝合金6061的热膨胀系数；
α2：热补偿垫圈低膨胀合金4J32的热膨胀系数；
α3：钢制连接螺钉的热膨胀系数。
通过上式可以看出，热补偿垫圈热膨胀系数(α3)越小，热膨胀垫圈高度(L3)越小，连接结构尺寸更为紧凑，因此殷钢材料4J32为制作热补偿垫圈优选材料,使用其他热膨胀系数较低的如复合材料作为热补偿垫圈也可以实现相同或者类似的功能。
显然，本领域的技术人员可以对本申请进行各种改动和变型而不脱离本申请的精神和范围。这样，倘若本申请的这些修改和变型属于本申请权利要求及其等同技术的范围之内，则本申请也意图包含这些改动和变型在内。
本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (8)

1.一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：包括合成多波束馈源阵(1)；所述合成多波束馈源阵(1)包括喇叭阵列(2)、极化器阵列(3)、波束形成网络(4)、紧固件(5)和热补偿垫圈(6)；
所述喇叭阵列(2)与极化器阵列(3)层叠安装，并通过若干紧固件(5)连接固定，极化器阵列(3)安装在喇叭阵列(2)底部；所述喇叭阵列(2)和极化器阵列(3)构成的组合体安装在波束形成网络(4)顶部；
所述波束形成网络(4)包括若干层网络分层腔体；所述若干层网络分层腔体层叠安装，并通过若干紧固件(5)连接固定；
每个所述的紧固件(5)均包括主动段和柱段；所述柱段穿过网络分层腔体上安装的通孔，所述主动段与与其最近的网络分层腔体之间设有热补偿垫圈(6)，用于补偿环境发生温变时网络分层腔体发生的形变。
2.根据权利要求1所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述热补偿垫圈(6)的材料为热膨胀系数≤5.0e-6/℃的材料。
3.根据权利要求2所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述热补偿垫圈(6)的材料为殷钢。
4.根据权利要求1所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述热补偿垫圈(6)的高度为
Figure FDA0002644660570000011
其中，L1为波束形成网络(4)若干层网络分层腔体层联结构的长度，α1为波束形成网络(4)材料的热膨胀系数，α2为热补偿垫圈(6)材料的热膨胀系数，α3为紧固件(5)材料的热膨胀系数。
5.根据权利要求1所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述紧固件(5)的柱段根据需要穿过1～4层网络分层腔体。
6.根据权利要求1所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述紧固件(5)的柱段穿过喇叭阵列(2)并螺接于极化器阵列(3)。
7.根据权利要求6所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：所述紧固件(5)的柱段穿过极化器阵列(3)并螺接于波束形成网络(4)。
8.根据权利要求1～7任一项所述的一种温变环境下保持次层间压力的分层式馈电结构，其特征在于：在星载天线冷热环境下，网络分层腔体使用紧固件(5)结合热补偿垫圈(6)施加预紧力使网络分层腔体层联结构间压力保持不变，防止馈电部件电磁泄漏，以及提升PIM和微放电裕度。
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