一种适用于火星表面着陆、巡视探测的可移点波束天线的制作方法

1.本发明涉及微波天线技术领域，是涉及一种适用于火星着陆巡视探测的高增益可移点波束天线。该天线系统可以应用到我国火星探测任务中，也可以应用到具有类似要求的其他深空探测着陆巡视器上。


背景技术：

2.在火星探测工程中，着陆于火星表面并在火星表面进行着陆、巡视探测的火星车，需要配备一副高增益可移点波束天线天线用于同地球测控、通信以及同环绕火星轨道的人造火星卫星进行高速通信。
3.为了实现对地球和对人造火星卫星通信，火星车用高增益可移点波束天线需要天线组件结合展开机构、指向驱动机构以及压紧释放机构以及相关支撑结构和射频传输结构而形成一套天线系统，以实现：
①
在压紧状态下，天线系统承受发射入轨、环火轨道、火星大气进入以及火星表面着陆等不同状态下的环境载荷不被破坏；
②
在着陆后可以在火星表面环境条件下顺利完成解除压紧，实现天线展开，并按工作需求进行指向跟踪实现。按照传统方案，此类天线系统的实现，火星车高增益天线系统重量将在10kg以上，受到包络、空间的限制，很难安装到火星车车体，且安装于火星车后，垂直于其安装面的火星车包络需要增加400mm以上。对于我国火星探测工程配套的火星车来说，其重量和包络尺寸均是不能接受的。具体而言，火星车用高增益可移点波束天线的实现需要解决以下问题：
4.①
相互并行的射频系统与天线组件-支撑结构-机构组件两个链路中材料和结构的热失配，容易对射频链路中的旋转关节造成附加力矩，从而增加机构组件的阻力距，阻碍机构正常转动。在射频传输结构中，为了实现与展开机构和指向驱动机构的转动同步转动，通常可以选用射频电缆随动或者旋转关节的方案。在火星车应用中，由于火星表面温差大且火星车不能提供电缆加热资源，采用旋转关节的方案较为合理。当选用旋转关节时，旋转关节自身阻力距通过设计可以满足要求，但由于旋转关节安装于射频系统中，射频系统与天线组件-支撑结构-机构组件为并行的两个支路，两个支路间当采用的材料热胀系数不同时，存在热匹配的问题，当热失配时，将对旋转关节相对旋转的两个构件产生弯矩作用，从而造成旋转关节阻力距的增大，进而增大天线指向调整难度甚至使得天线指向无法调整。
5.②
射频系统中波导口面转动实现方式所需结构体积与系统干涉、传输性能之间的矛盾需要解决。在射频传输结构中，馈源到系统射频信号输出口之间通常通过波导和电缆连接实现，由于火星车测控通信的性能要求，当采用电缆时，天线增益等难以满足使用需求，因此需要采用波导进行连接。当采用波导进行射频通道连接时，由于被连接的馈源、旋转关节等口面相对位置存在一定的转动，需要通过弯波导组合或者扭波导来实现波导传输主模方向的调整。在火星车通信采用的x频段，波导的口径尺寸较大，而受限于火星车包络要求，天线组件本身具有较小的尺寸，因此用于波导传输主模方向调整的波导长度有限，通过弯波导组合实现方向调整时将带来较大的天线转动干涉且对于天线压紧装置等的设置造成障碍，而较短的扭波导存在差损大等缺点，不利于实现天线系统的电性能指标要求。
6.③
天线系统压紧状态对火星车带来的附加包络增加难以为火星车接受。在天线系统压紧实施中，通常采用天线系统各组成尽量集中后进行压紧安装，形成结构紧凑、抗力学性能良好的天线压紧状态。但此种状态造成天线组件中反射面与馈源组合体及其支撑结构尺寸最大的方向附加在垂直压紧安装面的方向，叠加双轴驱动机构和压紧装置的高度后，天线对于火星车包络造成的附加包络贡献将达到不可接受的水平。
7.④
低附加包络天线系统安装位置与天线系统展开工作之间的矛盾需要解决。通常天线展开机构安装结构底面与天线压紧安装结构底面位于同一平面，以便尽可能简化天线安装面力学环境考虑要素、降低相对于最低安装面的重心高度从而提升天线系统抗力学性能。火星车上为满足能源需求、载荷安装需求等，其可提供的天线安装面为顶板顶面和一个侧壁，且其顶板由于上述需求凸出于侧壁。当天线安装于火星车顶面时，需要安装于压紧状态的太阳帆板和其它载荷之上，加上自身的高度包络，此种方式不仅对太阳帆板和其它载荷造成较大影响、增加设备间耦合，且大大超出火星车高度方向包络；而安装于侧壁时，有两种具体方式，一是可以将安装面设置到火星车上较为凹进的侧壁位置，此时便于满足附加包络需求，但是火星车上相应的凸出位置造成展开受限，无法满足展开后工作需要；二是可以将安装面设置到形成凸出位置的火星车顶板的侧壁上，此时，天线安装后造成的包络需求将是火星车无法接受的。
8.⑤
天线系统需要提供一套火星车其它载荷安装结构。天线系统在展开后进入指向工作状态时，位于火星车顶面，为了有效利用火星车顶面空间，火星车要求天线系统结构件提供设备安装结构，用于提供火星车其它载荷的安装，以便拓展火星车有效载荷安装空间、提升火星车有效载荷应用数量。
9.为解决上述问题，本发明提供一种满足火星探测应用需求的轻量化、低附加包络的可移点波束天线。


技术实现要素：

10.有鉴于此，本发明提供了一种适用于火星表面着陆、巡视探测的可移点波束天线，能够满足火星车的轻量化要求和低附加包络要求。
11.本发明的适用于火星表面着陆、巡视探测的可移点波束天线，包括天线组件、波导组件c、压紧装置b、旋转关节c、指向驱动轴b、波导组件b、指向驱动轴a、旋转关节b、压紧装置a、波导组件a、展开装置和旋转关节a；
12.其中，天线组件包括馈源、馈源支撑a、馈源支撑b、反射面、天线支架、波导d和波导e，其中，反射面通过压紧装置b安装在天线支架上，形成第一次压紧安装面；波导d和波导e互连，作为馈源支撑之一，与馈源支撑a和馈源支撑b一起将馈源悬空在反射面中心；
13.天线支架通过旋转关节c与指向驱动轴b连接，指向驱动轴b通过旋转关节b与指向驱动轴a连接；指向驱动轴a通过压紧装置a安装在展开装置上，形成第二处压紧安装面；展开装置安装在火星车上；
14.所述波导组件c的一端固定在天线支架上并与旋转关节c连接，另一端变波导口径与波导e连接；所述波导组件b连接旋转关节b和旋转关节c。
15.较优的，所述波导d采用双弯结构。
16.较优的，所述波导e、馈源支撑a和馈源支撑b在反射面的安装点位于反射面边缘、
电口径以外的位置。
17.较优的，所述波导组件c由波导f、波导g、波导h连接得到，其中，波导f与波导e连接，并口径渐变为旋转关节c的波导口径；波导g采用紧凑型正交模变换波导；波导h的一端与旋转关节c连接，并固定于天线支架上。
18.较优的，波导h弯曲，使得波导组件c与反射面之间的距离尽可能小。
19.较优的，旋转关节c在指向驱动轴b上的安装轴线与指向驱动轴b的驱动轴安装轴线共轴；旋转关节b在指向驱动轴a上的安装轴线与指向驱动轴a的驱动轴安装轴线共轴。
20.较优的，所述展开装置上设有安装结构，用于安装其他载荷设备，包括另一套天线。
21.有益效果：
22.①
本发明将波导d和波导e的组合作为馈源的支撑之一，与馈源支撑a和馈源支撑b一起形成三点支撑，将馈源悬空于反射面中心，有效减小了支撑结构对天线性能的影响；
②
馈源、波导d和波导e采用非标波导口径，可有效实现馈源小型化、降低馈源的遮挡影响、推动了系统轻量化的实现；
③
将波导组件c端口固定在天线支架上，使得在大温差条件下，波导与反射面-天线支架两个支路不同的热变形对旋转关节的变形力矩被天线支架消耗掉一部分，有效降低了不同材料热匹配对旋转关节的作用，降低了高低温环境下旋转关节阻力距的增大，避免了较大阻力距可能带来的指向调整困难和无法调整的风险；
④
波导组件c中，采用的紧凑型正交模变换波导实现扭波导的功能，减小了扭波导对波导长度方向的需求、降低了通过弯曲波导组合实现波导扭转带来的包络需求及其性能损失；
⑤
本发明采用的非紧凑型天线组件压紧构型，降低了天线系统安装后带来的火星车附加包络增加量；
⑥
采用的有高度差的压紧安装面与展开支撑结构提供的安装面既满足了天线展开后工作需求，同时使得天线安装后的最大附加包络最小可达到展开驱动轴组件部分的最大高度尺寸，从而大大降低该附加包络，满足了火星车应用包络需求；
⑦
采用的各种轻量化措施形成的最终整机重量比传统方案降低40％以上，满足了火星车对天线系统的重量要求；
⑧
利用天线展开后天线系统内固定的闲置空间提供了火星车其它载荷安装结构，拓展了火星车有效载荷安装空间、提升了火星车有效载荷应用数量；
⑨
在采用上述各种措施后形成的天线系统满足火星车从地球发射到火星表面巡视工作中所有的环境载荷工况、功能性能指标要求。
附图说明
23.图1为本发明天线系统结构示意图；
24.图2为本发明天线组件与波导组件c组合体示意图；
25.图3为本发明压紧装置b及天线组件压紧角度示意图；
26.图4为本发明波导组件b及周边部组件示意图；
27.图5为本发明展开装置及旋转关节a组合体示意图；
28.图6为本发明天线系统侧视图。
29.其中，1-天线组件，2-波导组件c，3-压紧装置b，4-旋转关节c，5-指向驱动轴b，6-波导组件b，7-指向驱动轴a，8-旋转关节b，9-压紧装置a，10-波导组件a，11-展开装置，12-旋转关节a，1-1-馈源，1-2-馈源支撑a，1-3-馈源支撑b，1-4-反射面，1-5-天线支架，1-6-波
导d，1-7-波导e，2-1-波导f，2-2-波导g，2-3-波导h，11-1-展开驱动轴组件，11-2-展开臂，11-3-展开支撑结构，11-4-设备安装结构，
具体实施方式
30.下面结合附图并举实施例，对本发明进行详细描述。
31.本发明提供了一种适用于火星表面着陆、巡视探测的可移点波束天线，包括天线组件1、波导组件c2、压紧装置b 3、旋转关节c 4、指向驱动轴b 5、波导组件b 6、指向驱动轴a 7、旋转关节b 8、压紧装置a 9、波导组件a 10、展开装置11、旋转关节a 12，如图1所示。
32.天线组件1为天线系统功能主体，如图2所示，天线组件1为一反射面天线组件，包括馈源1-1、馈源支撑a 1-2、馈源支撑b1-3、反射面1-4、天线支架1-5、波导d1-6和波导e1-7，其中，波导d1-6、波导e1-7采用馈源1-1专用波导口径，波导d1-6和波导e1-7互联，波导d1-6的另一端接馈源，波导e1-7的另一端固定在反射面1-4上；波导d和波导e的组合作为馈源1-1的支撑之一，与馈源支撑a 1-2、馈源支撑b1-3形成三点支撑，将馈源固定悬空在反射面的中心，可有效减小馈源及关联波导体积、降低馈源及关联波导重量，进而降低馈源支撑结构重量和天线组件重量，从而可以有效降低指向驱动机构和展开装置的负载重量，为指向驱动机构和展开装置减重提供了基础，为天线系统整体减重奠定了基础。此外，波导d、e，馈源支撑a和馈源支撑b均采用轻质、低散射截面材料制成，支撑的安装点均在反射面边缘，有效减小了支撑结构对天线性能的影响。其中，波导d1-6还可通过双弯结构将馈源提供的位于非中心面的射频端口调整到中心面，为波导作为支撑结构以及与波导组件c的连接提供了便利。具体实现时，将反射面1-4安装于天线支架1-5，将馈源通过波导d1-6、波导e1-7，馈源支撑a1-2以及馈源支撑b1-3形成的三点支撑悬空置于反射面中心轴线上方，三点支撑与反射面连接点位于反射面边缘、电口径以外的位置。
33.波导组件c 2用于连接旋转关节c和天线组件中的波导e，如图2所示，波导组件c 2由波导f 2-1、波导g 2-2、波导h 2-3连接得到。所述的波导f通过波导口径渐变实现将馈源波导口径过渡到旋转关节c的波导口径。波导g 2-2采用紧凑型正交模变换波导实现波导传输主模方向的变换，减小了扭波导对波导长度方向的需求、降低了通过弯曲波导组合实现波导扭转带来的包络需求及其性能损失。波导h 2-3与旋转关节c连接，并通过固定结构2-3-1将其与旋转关节c的连接法兰固定于天线支架1-5上，将波导组件c与反射面-天线支架两组并行结构间的热匹配应力造成的与旋转关节c连接界面位移减小到最小。同时，对波导h 2-3弯曲结构的合理设置，使得波导组件c与反射面之间的距离尽可能小，降低了天线组件与波导组件c组合体的转动包络，避免了转动干涉。
34.如图3所示，天线组件1在天线支架1-5中部通过压紧装置b3压紧形成第一处压紧安装面。天线支架提供的与压紧装置b3接触面使得天线组件1中天线中心轴线与压紧安装面法向成一定夹角a，降低压紧后位于天线组件的天线系统最高点，降低的尺寸为d1。第一处压紧安装面的位置与天线组件边缘最低点之间的距离d2按照常规的结构间安全距离进行考虑。
35.所述指向驱动轴b与天线支架、旋转关节c连接，提供天线支架在绕指向驱动轴b轴线方向的转动动力，及旋转关节c随动的动力。指向驱动轴b由支撑结构b和驱动轴b组成，天线支架与驱动轴b直接连接，旋转关节c与天线支架和支撑结构b连接。通过支撑结构b上的
旋转关节安装轴线、驱动轴b的安装轴线一体加工保证两轴线的共轴，减小旋转关节带来的附加阻力距。
36.所述指向驱动轴a由支撑结构a和驱动轴a组成。支撑结构b与驱动轴a直接连接，旋转关节b与支撑结构b和支撑结构a连接。通过支撑结构a上的旋转关节安装轴线、驱动轴a的安装轴线一体加工保证两轴线的共轴，减小旋转关节带来的附加阻力距。所述的波导组件b用于连接旋转关节b和旋转关节c，在旋转关节b和旋转关节c之间形成完整的射频通道。压紧装置a在指向驱动轴a与展开装置连接处，对指向驱动轴a的支撑结构a进行压紧，形成第二处压紧安装面。
37.具体实现时，如图4所示，旋转关节c 4安装于指向驱动轴b 5，并通过波导组件b 6连接到旋转关节b 8，旋转关节b 8安装于指向驱动轴a7，压紧装置a9对指向驱动轴a7的结构进行压紧，形成第二处压紧安装面。
38.如图5所示，展开装置11由展开驱动轴组件11-1、展开臂11-2、展开支撑结构11-3及设备安装结构11-4组成。展开支撑结构11-3提供展开驱动轴组件11-1安装支撑结构11-3-1、与火星车连接结构11-3-2以及旋转关节a12的安装支撑结构11-3-3。展开支撑结构提供与火星车连接面形成天线系统的第三处安装面。该安装面与第一处压紧安装面和第二处压紧安装面之间具有一定高度差。该高度差由火星车可提供的凸面和凹面之间的高度差确定。该高度差的存在使得天线安装后的最大附加包络最小可达到展开驱动轴组件部分的最大高度尺寸，从而大大降低该附加包络，满足火星车应用需求。展开臂在提供波导组件a的固定结构之外，同时利用无天线内零部件或特征的位置设置一设备安装结构11-4，设备安装结构11-4可以根据需要提供一定尺寸的设备安装空间与接口，用于火星车上其它载荷设备的安装，该位置在必要时亦可集成安装一全向低增益天线。
39.如图6所示，展开支撑结构11-3提供的与火星车连接结构11-3-2形成天线系统的第三处安装面。该安装面与第一处压紧安装面和第二处压紧安装面之间具有一定高度差d3。该高度差d3由火星车可提供的凸面和凹面之间的高度差确定。该高度差的存在使得天线安装后的最大附加包络d4最小可达到展开驱动轴组件部分的最大高度尺寸d5(即d4≥d5)，从而大大降低该附加包络，满足火星车应用需求，在本具体实施例中，d4＝172.5，d3＝161，附加包络比常规安装减小了48.3％。本实施案例采取的方案最终重量约6kg，比常规方案重量(＞10kg)减重达到40％以上。
40.综上所述，以上仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。