一种车载微波天线的双层金属条阵列抛物柱状反射面结构的制作方法

本发明涉及微波天线，具体涉及一种车载微波天线的双层金属条阵列抛物柱状反射面结构。

背景技术：

1、反射面天线是微波通信与雷达探测系统的核心功能部件，其工作原理为通过特定形态的反射曲面聚焦电磁波，实现远距离信号传输与高精度目标探测。其中，反射面的面形精度与结构稳定性直接决定了整套天线系统的作用距离、探测精度与通信可靠性。按反射曲面的光学形态划分，反射面天线主要包含旋转抛物面天线、抛物柱状反射面天线等品类。其中，抛物柱状反射面天线可将馈源辐射的柱面波转换为平行波束，兼具一维波束扫描能力与灵活的结构布局优势，广泛应用于车载移动通信、应急指挥、气象探测、交通监测等机动作业平台。

2、目前，行业内主流的反射面天线技术主要分为三大类，分别为铝蒙皮夹层结构、碳纤维一体化成形结构以及钢索网张拉结构。

3、其中，铝蒙皮夹层结构反射面以铝板为外层反射蒙皮，搭配蜂窝芯层复合成型，通过专用拉压模具整体塑形，具备优异的面形精度，多应用于固定式通信天线场景。例如，公开号为cn101673880b的《一种铝蒙皮蜂窝夹层结构天线反射面的制造方法》、公开号为cn201655975u的《一种轻型高刚度结构的高精度天线反射面面板》，均以铝板为基材、模具拉形工艺制备一体式实体反射面板；除此之外，公开号为cn106450791a的《一种大型空间抛物柱状可卷金属面天线反射面结构》，以整张金属薄板作为反射面基体，同样属于铝蒙皮类抛物柱状反射面方案。

4、碳纤维一体化成形反射面采用碳纤维复合材料与背部加强筋一体模压加工成型，整体结构刚度高、高低温环境下面形稳定性优异，主要用于高精度固定探测雷达、固定式卫星通信天线。常规碳纤维天线采用实体一体化成型工艺，例如公开号为cn105958211a的《一种背筋融合的碳纤维复合材料卫星天线反射面》。为改善风阻性能，公开号为cn10920738822b《一种轻型车载碳纤维栅格散射通信天线》进一步优化了结构，采用矩形栅格镂空式碳纤维反射面，在保留一体模压工艺的基础上有效降低了风阻。

5、钢索网式反射面则是张拉柔性金属索网成型标准反射曲面，依托天线周边配套拉索调节装置微调张力，进而校准面形精度。其镂空结构具备良好的透风性，多用于大口径固定式卫星接收天线，例如，公开号为cn119852676a的《一种索网式反射面的充气天线结构》，就是通过张拉金属索网形成反射曲面，配套拉索调节装置调整面形精度。

6、但是，上述三类反射面结构均针对固定基座场景研发，无法适配车载高速行驶、路面颠簸振动等复杂机动工况，在车载微波天线实际应用中，存在着以下缺点：

7、⑴ 铝蒙皮夹层结构为全封闭实体面板，整体几乎无透风能力，风载适配性极差。经实际工况测算，当车载平台以40km/h速度行驶时，天线安装位置的等效迎面风速可达11.1m/s，高速气流持续冲刷挤压实体反射面会产生风载荷，直接诱发蒙皮面板弹性形变，最终导致反射面面形精度偏离设计标定值。而天线面形精度一旦劣化，就会连锁引发天线增益衰减、方向图主瓣展宽、副瓣电平抬升等电性能问题，轻则缩短有效通信距离、降低目标探测分辨率，重则直接造成无线信号中断、雷达目标漏判误判。

8、但是，从实际作业需求来看，应急救援、全域灾害预警、移动环境监测等核心场景，均要求车载天线行驶、作业一体化，机动行进过程中必须保持常态化开机工作。这类实体面板天线电性能随风载波动极大，工作稳定性不足，不仅会直接降低现场作业效率、削弱无线数据传输可靠性，极端工况下还会造成应急任务中断、环境监测关键数据缺失等不可逆问题。

9、⑵ 镂空式碳纤维一体化结构虽在一定程度上优化了风阻性能，但仍存在结构短板与成本弊端。具体而言，该结构采用的矩形直棱边栅格风阻体型系数偏高，且铝蒙皮夹层结构与碳纤维一体化结构均需定制专用硬质成型模具，单套模具开发成本高昂，且不同口径、不同焦距的反射面无法通用，模具复用率低，难以满足车载装备多型号、批量化量产的成本管控需求。

10、⑶ 钢索网式反射面属于柔性受力体系，依靠索网预紧力维持反射面形，抗振动性能无法适配车载工况。换句话说，车载行驶过程中持续承受路面颠簸、发动机振动产生的交变载荷，会导致索网张力波动衰减，引发索网松弛、面形畸变，无法保障天线电性能的长期稳定性。若通过提升索网初始预紧力抵消振动影响，增大的预紧载荷会对支撑背架提出更高刚度与承载要求，必然导致支撑结构重量大幅增加，超出车载设备轻量化设计限值。此外，该结构的成型、张拉校准需专用模具与调试工装，存在装配工序复杂、生产周期长、制造成本高的问题，且野外现场运维、校准难度大，无法适配车载装备快速部署、简易运维的实战需求。

11、综上所述，现有实体蒙皮类反射面，存在高速行车风阻大、风载形变明显、量产制造成本高、总成自重偏大的技术缺陷；栅格式碳纤维反射面相对风阻较小，但碳纤维一体化成形，成本高，不利于批量产业化；现有钢索网柔性反射面，存在抗交变振动能力弱、行车保形难度大、支撑结构易超重短板的技术缺陷，均无法同步满足车载高机动场景提出的低风阻、轻量化、低成本的综合要求。

12、如果强行沿用现有技术路线，就只能二选一妥协取舍：要么牺牲天线电性能指标、牺牲车辆行驶安全性适配车载工况，要么通过强化结构、增加成本保障天线性能，两种方式均无法实现车载微波与雷达探测系统在高速机动工况下的稳定可靠运行。因此，亟需一种能够适配车载高速行驶工况、同时兼顾轻量化与低成本的新型抛物柱状反射面结构，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本发明的目的是针对现有技术对应的不足，提供一种车载微波天线的双层金属条阵列抛物柱状反射面结构，能够有效降低车载高速行驶风阻性能，同时兼顾结构轻量化与低成本批量制备，保障车载工况下天线电性能稳定性。

2、本发明的目的是采用下述方案实现的：

3、一种车载微波天线的双层金属条阵列抛物柱状反射面结构，包括框架结构和设置于框架结构上的反射面本体，所述框架结构包括纵向设置在两端的基板、位于两块基板之间的至少一块中间支承板，以及多根横向布设并与基板和中间支承板分别固定连接的支撑杆；

4、所述反射面本体包括前层反射面和后层反射面，前层反射面、后层反射面均为曲率相同、口径参数一致的共焦抛物柱面，且前层反射面与后层反射面沿抛物柱面的焦轴方向前后相互平移错位布置；每层反射面均包括若干根相互平行的金属条，金属条的两端分别张紧固定在基板上；同一反射层内，垂直于金属条轴线的口径截面内，相邻两根金属条的中心间距不大于天线工作波长的1/7；前层反射面和后层反射面之间，沿焦轴方向投影重合的金属条的中心间距不大于天线工作波长的1/5。

5、优选地，所述基板上设置多个装配孔，所述中间支承板上包括多个中间装配孔，各中间装配孔与基板上的装配孔一一对应且同轴设置，所述支撑杆穿过对应的装配孔和中间装配孔，并分别与基板和中间支承板焊接固定。

6、优选地，各中间支承板上分别固定设置一透波尼龙板，所述透波尼龙板上设置与金属条一一对应的定位孔，金属条穿设在对应定位孔中，并通过粘接剂与透波尼龙板固定连接。

7、优选地，所述透波尼龙板与中间支承板通过铆钉固定连接，在透波尼龙板上设置有让位凹槽，用于避让支撑杆。

8、优选地，所述金属条的一端设置套管，通过压接固定在一侧基板上，金属条的另一端为外螺纹段，通过螺母锁紧固定在另一侧基板上，以提供轴向预紧力。

9、优选地，所述金属条采用7050硬质铝合金圆条型材制成，经校正拉直处理，其直线度不大于0.2mm/m。

10、优选地，所述基板上对应每层反射层均开设有沿抛物线轨迹连续分布的安装孔位，所述安装孔位为沉头阶梯孔，用于容纳金属条的端部固定结构。

11、优选地，所述金属条的横截面为圆形，所述反射面本体的镂空通风面积占反射面口径正投影总面积的比例大于50%。

12、本发明的有益效果在于以下几点：

13、一种车载微波天线的双层金属条阵列抛物柱状反射面结构，包括框架结构和设置于框架结构上的反射面本体，所述框架结构包括纵向设置在两端的基板、位于两块基板之间的至少一块中间支承板，以及多根横向布设并与基板和中间支承板分别固定连接的支撑杆；

14、所述反射面本体包括前层反射面和后层反射面，前层反射面、后层反射面均为曲率相同、口径参数一致的共焦抛物柱面，且前层反射面与后层反射面沿抛物柱面的焦轴方向前后相互平移错位布置；每层反射面均包括若干根相互平行的金属条，金属条的两端分别张紧固定在基板上；同一反射层内，垂直于金属条轴线的口径截面内，相邻两根金属条的中心间距不大于天线工作波长的1/7；前层反射面和后层反射面之间，沿焦轴方向投影重合的金属条的中心间距不大于天线工作波长的1/5。

15、本发明采用离散金属条阵列替代传统实体蒙皮与张拉索网的反射面结构，构建了“框架承载+双层金属条阵列反射”的抛物柱状反射面架构。相较于现有技术，本方案彻底摒弃对大型成形模具的依赖，金属条采用标准型材即可制备，框架通过常规机加与焊接工艺成型，大幅降低制造成本与生产周期，适配车载装备批量列装需求。同时，离散排布的金属条之间形成天然镂空通风间隙，气流可直接穿过反射面，从根源上降低车载高速行驶时的风载荷，有效避免实体蒙皮结构因强风载产生弹性变形、造成天线增益下降的缺陷；刚性金属条依靠两端基板张紧固定，相较于柔性索网结构，无需施加极高预紧力即可稳定维持抛物面面形，无需配套重型加强背架，从结构上实现轻量化设计，解决传统索网反射面为保障面形精度而整体超重的痛点。

16、另外，本发明设置前、后双层金属条阵列，前层反射面、后层反射面均为同一基准抛物柱面的反射曲面且沿抛物柱面焦轴方向相互平移布置（即前层反射面和后层反射面，前层反射面与后层反射面为曲率相同、口径参数一致的共焦抛物柱面，且前层反射面与后层反射面沿抛物柱面的焦轴方向前后相互平移错位布置）；通过将同一反射层内，沿抛物线法线方向相邻两根金属条的中心间距（即，图7中的周期性间距）控制为不大于天线工作波长的1/7，该尺寸能够有效抑制栅瓣产生，保证对工作频段电磁波的有效反射，防止因间距过大引发电磁波泄露、天线增益下降。前层反射面和后层反射面之间，沿抛物柱面焦轴方向对应金属条的中心间距（即图7中的水平间距）设置为不大于天线工作波长的1/5，该尺寸能够使两层金属条所反射的电磁波形成有效相位叠加，依靠两层反射结构的电磁耦合作用弥补镂空结构带来的反射效率损失，使天线增益与方向性指标达到和实体蒙皮相当的水平，保障双层结构电性能指标满足车载天线使用要求，实现低风阻、轻量化与高性能的平衡。

17、优选地，所述基板上设置多个装配孔，所述中间支承板上包括多个中间装配孔，各中间装配孔与基板上的装配孔一一对应且同轴设置，所述支撑杆穿过对应的装配孔和中间装配孔，并分别与基板和中间支承板焊接固定。

18、本发明利用基板与中间支承板上一一同轴布设的装配孔、中间装配孔实现支撑杆装配预定位，支撑杆穿装到位后与板材焊接相连，形成了稳定的空间桁架承载体系。上述这种同轴孔位能够在装配阶段约束支撑杆的空间位置，无需复杂工装夹持即可完成预限位，有效降低组装难度，保障框架整体几何基准精度，为后续金属条的精准安装奠定基础。同时，多根支撑杆贯穿连接基板与中间支承板，可将风载、振动载荷均匀分散传递至各个构件，避免局部应力集中，显著提升框架整体刚度与结构抗疲劳能力，有效抵御车载高速迎风载荷与路面交变颠簸冲击，长期维持抛物柱状反射曲面的面形精度。

19、优选地，各中间支承板上分别固定设置一透波尼龙板，所述透波尼龙板上设置与金属条一一对应的定位孔，金属条穿设在对应定位孔中，并通过粘接剂与透波尼龙板固定连接。

20、本发明通过在框架内部设置透波尼龙板作为中间支撑结构，能够为跨距较长的金属条提供多点径向支撑约束，可显著减小金属条在风载与振动作用下的挠曲变形，进一步提升抛物面面形精度的稳定性，保障车载颠簸工况下的电性能一致性。具体而言，金属条与定位孔采用间隙配合并通过粘接剂固接，既保证了装配的可实施性，又能通过粘接剂填充间隙、缓冲振动，避免金属条与孔壁碰撞磨损，同时将中间支撑与金属条连为整体，能够有效提升结构的整体刚度与抗振性能。而透波尼龙材质对工作频段的电磁波传输损耗极低，不会像金属支撑板一样遮挡反射路径、干扰电磁波反射，从材料上保证了反射面的电性能不受中间支撑结构的影响。

21、优选地，所述透波尼龙板与中间支承板通过铆钉固定连接，在透波尼龙板上设置有让位凹槽，用于避让支撑杆。

22、本发明中，透波尼龙板与中间支承板采用铆钉铆接固定，这种固定方式连接强度稳定，无需复杂工装即可实现装配，适合批量生产。透波尼龙板上开设的让位凹槽可有效避让横向支撑杆的结构干涉，保证透波板能够精准安装至设计位置，避免结构冲突导致的装配失效与面形偏差；而定位孔与安装孔位保持同轴设置，可确保金属条穿装后无额外弯曲应力，维持金属条的直线度精度，同时降低装配难度，提升批量生产的面形一致性。

23、优选地，所述金属条的一端设置套管，通过压接固定在一侧基板上，金属条的另一端为外螺纹段，通过螺母锁紧固定在另一侧基板上，以提供轴向预紧力。

24、在金属条的端部固定方式上，采用一端铝质套管压接、一端双螺母锁紧的结构，压接工艺操作简便、连接可靠性高，可实现金属条端部的无螺纹快速固定；双螺母锁紧结构具备可靠的防松效果，可通过控制锁紧扭矩精准调节金属条的轴向预紧力，将金属条拉直并保持稳定的张紧状态，有效抵消车载行驶过程中交变振动载荷的影响，避免金属条出现松动、弯曲变形，长期维持抛物面的面形精度。同时，两端固定结构均适配沉头孔设计，可完全容纳于铝板内部，不会突出反射面的外轮廓，既避免了固定结构对电磁波辐射的干扰，又不会额外增加风阻，保持结构的低风阻特性。

25、优选地，所述金属条采用7050硬质铝合金圆条型材制成，经校正拉直处理，其直线度不大于0.2mm/m。

26、本发明所述的金属条采用7050硬质铝合金型材制备，该材料具备极高的强度与刚度，在保证结构强度与抗变形能力的同时，可维持极低的自重，进一步强化反射面的轻量化优势；同时该材料耐候性强，适配车载室外复杂环境的使用需求。金属条经校正拉直后直线度不大于0.2mm/m，从单体构件层面保证了每根金属条的形位精度，为整体抛物柱状反射面的面形精度提供了基础保障，有效提升了天线电性能的一致性与稳定性。

27、优选地，所述基板上对应每层反射层均开设有沿抛物线轨迹连续分布的安装孔位，所述安装孔位为沉头阶梯孔，用于容纳金属条的端部固定结构。

28、本发明的基板上的安装孔位采用沉头阶梯孔设计，可完全容纳金属条端部的压接套管与锁紧螺母，使端部固定结构不突出基板的外表面，一方面避免了突出结构额外增加风阻，维持反射面的低风阻特性；另一方面消除了金属构件突出对电磁波近场辐射的干扰，避免方向图畸变、副瓣抬升等问题，保障天线的电性能。同时沉头阶梯结构可对金属条的轴向安装位置形成限位，提升装配精度与一致性，降低批量生产的装配误差。

29、优选地，所述金属条的横截面为圆形，所述反射面本体的镂空通风面积占反射面口径正投影总面积的比例大于50%。

30、本发明的金属条采用圆形截面杆件，依据荷载规范中的风阻系数特性，圆形截面的风阻系数远低于矩形、棱边类截面，可进一步降低车载高速行驶时气流对金属条的作用力，从构件截面层面优化风阻性能。反射面本体的镂空面积占比达到50%以上，大幅提升了反射面的整体透风性，直接降低了50%以上的迎风受力面积，显著减小车载行驶时的风载荷与结构变形量；同时高镂空率也直接降低了反射面的整体材料用量，进一步减轻自重，强化了车载应用的轻量化优势。