專利名稱：用于可重構反射器的可變形反射隔膜和包括該隔膜的天線的制作方法
技術領域：
本發明涉及用于可重構反射器的可變形反射隔膜、包括這樣的隔膜的可重構反射器和包括這樣的反射器的天線。其應用于在使用中需要修正波束形狀的任何天線反射器， 更具體地，應用于例如人造衛星無線電通信的空間應用領域。
背景技術：
一種現有的獲得具有定形的輪廓的波束的方法包括根據適當的照明規則采用多路光照饋送端、采用單偏心或雙偏心反射器系統、甚至采用多路直接輻射饋送端。所述饋送端的輻射元件通過信號激發，通過波束形成網絡(BFN)優化該信號的相位和幅度，該波束形成網絡包括多個波導。然而，這類稱為陣列天線的天線是非常復雜的，呈現出射頻能量損耗，并且其重量相當大，這不利于其安裝在人造衛星上。為了獲得具有預先確定的輪廓的輻射圖形，還已知采用與單或雙反射器系統相關聯的單個饋送端，該單或雙反射器具有定形表面，也就是說，其表面具有在地面上定義了具有非圓形輪廓的區域，例如一個或一組國家的特定幾何特征。該饋送端和反射器的不同點之間的光程變化使得能夠產生具有與需要的輻射圖形的特征相對應的相位和幅度圖形的波束。由于人造衛星壽命的延長，在不更換反射器的情況下，在軌道中修正波束的形狀并從而修正地面上區域的輪廓，以補償軌道位置變化或實施新的服務限制的能力成為必要。為了重構軌道中的陣列天線，已知采用利用了相位和/或幅度的動態控制規則的BFN， 該規則使得能夠在多路饋送端位于反射器系統前的情況下修正照明規則，或者在多路直接輻射饋送端的情況下直接修正輻射圖形。為了重構軌道中的反射器天線，還已知采用一個或多個反射器，所述反射器的反射表面是可變形的，從而能夠修正輻射圖形。特別地，從文獻FR 2 678 111可知利用針織織物結構(fabric)或網狀織物結構形成的反射表面來制造可重構反射器天線。利用所述網狀織物結構的缺點是剛度不足，這就必須將網狀織物結構與剛性承載結構相結合，該剛性承載結構例如包括硬正交線的網格，該網格安裝在網狀織物結構的外圍。然而，為了使天線的反射器不在接收波段Rx中產生射頻干擾，例如，特別是3階互調產物，即Ku波段最嚴重的射頻干涉，對于網狀織物結構來說重要的是要非常緊繃(taut)。然而恰恰很難，甚至不可能在產生需要的地面覆蓋的反射器的表面不是水平而是變形的情況下，控制均衡的織物結構的張力。還已知，采用包括隔膜的反射表面，所述隔膜既像針織織物結構那樣有彈性，又通過采用由硅樹脂粘結的碳纖維實現尺寸上的穩定。然而，這類隔膜具有很高的剛度，這使得難于制造任何類型的非可展的變形表面(名詞“可展表面”的含義應理解為可由水平表面生成的表面，例如圓柱形或錐形表面)。特別是根據要制造的表面的輪廓，隔膜的剛度可導致折疊。此外，該隔膜導致很高水平的3階互調產物，這與通常的Ku波段要求不符。另一種已知類型的反射表面包括利用邊緣自由的硬正交線網格，該網格僅通過控制點被固定和限制為預定的形狀。利用由鋼琴線構成的線形成了一種模型，其中鋼琴線直徑為0. 3mm，且對于30cm的反射器直徑來說線之間的距離為10mm。采用了 9個控制點來使該表面變形。然而，該反射表面的射頻反射率在Ku波段是不充分的，且該網格的每條線之間的接觸是不可接受的互調產物的潛在來源。
發明內容
本發明的目的在于克服已知的可變形反射表面的缺陷，并制造具有高射頻反射率的可變形反射隔膜，該隔膜具有高彈性區域，使得在隔膜的表面的平面以內或以外的多個方向中能夠顯著地變形；呈現撓曲剛度和低的熱膨脹系數，這使得該隔膜在與空間應用相對應的溫度范圍內具有尺寸上的穩定性；并且具有很好的電均勻性或彼此的電接觸絕緣， 從而不會產生很高等級的互調產物。為此，本發明涉及一種用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于該隔膜在厚度方向包括交互重疊的傳導彈性體層和至少兩個非連續的加固層，每個加固層被分割為空間上彼此分離的，且在該隔膜的平面內周期性分布的單獨的碎片。有利地，所述單獨的加固碎片從一層到另一層錯列地布置。優選地，加固層的數量是偶數。在加固層的數量是奇數的情況下，加固碎片在不同的加固層中的分布相對于位于該隔膜中心的加固層的平面呈鏡像對稱。有利地，加固層由具有低熱膨脹系數的材料構成，諸如由鐵鎳合金構成的纖維，例如殷鋼，或碳纖維。加固層的要素也可以是不銹鋼或鎢纖維，或具有同樣性質的任何其他材料。有利地，所述傳導彈性層是填充有金屬粒子的彈性層，并具有2X10_3Q/cm和 5 X 10_3 Ω /cm之間的電傳導率。有利地，所述傳導彈性層可包括30%的硅樹脂和70%的金屬粒子。本發明還涉及可重構天線反射器和包含該可變形反射隔膜的天線。
在以下作為僅描述性而非限制性的實例給出的說明書中，將清楚地呈現本發明的其他具體特征和優點，其參考附圖如下圖1 根據本發明的示例性的可變形反射隔膜部分的截面圖；圖加和2b 這兩張圖分別為根據本發明的隔膜的厚度方向的四個不同的加固層的碎片的錯列布置的透視截面圖和橫截面圖；圖3a和北這兩張圖為根據本發明的兩個不同的加固層的加固平面中的加固碎片的分布；圖如根據本發明的具有雙反射器的第一示例性格雷戈里天線，其中所述雙反射器具有安裝在主反射器上的可變形反射隔膜；圖4b和如這兩張圖是根據本發明的具有雙反射器的第二示例性格雷戈里天線的總體視圖和細節視圖，其中所述雙反射器具有安裝在輔反射器上的可變形反射隔膜。
具體實施例方式圖1所示的隔膜部分5在沿Z軸的厚度方向上包括交互重疊的傳導彈性體層10 和加固層11，加固層在該層的XY平面內是非均勻的。加固層11是非連續的，并包括空間上彼此分開并在隔膜的平面內周期性布置的單獨的碎片13。碎片13例如可由非連續線的網格構成，該線網格形成了包含硬線12的織物結構(fabrics)，該硬線12具有大于IOOGpa 的很高的楊氏模數，并具有非常短的彈性區，例如具有0.2%量級的延伸率(已知彈性材料的延伸率百分數對應于其延伸能力與其長度的比值)。線12優選地由具有低于10ppm/°C 的低熱膨脹系數的材料構成，例如碳纖維，或由例如殷鋼(Invar，注冊商標)或科瓦合金 (Kovar，注冊商標)的鐵鎳合金構成的纖維，線12的直徑例如在50和200微米之間。該纖維也可由其他類型的材料構成，例如不銹鋼或鎢。包括非連續碎片13的加固層11的數量大于或等于2，碎片13從一個到另一個加固層上是錯列的，如圖加和2b所示，從而不同加固層11的碎片13交疊，并且每個加固層11的非連續區14不會位于另一非連續區之上。碎片13的交疊區D使得隔膜5具有均勻的剛度。激勵器4規律地安裝在隔膜5的底面16，使得能夠局部地改變隔膜的形狀，并且能夠在隔膜5被安裝作為天線反射器時，獲得與所希望的圖形一致的輻射圖形。隔膜5例如可被安裝作為具有單個反射器的天線的反射器或作為格雷戈里(Gregorian)天線的主反射器40，如圖如中的示例所示，或安裝在格雷戈里天線的輔反射器41上，該格雷戈里天線包括主反射器和輔反射器，如圖4b和如的總體視圖和細節視圖所示。傳導彈性體10是填充有金屬粒子的彈性體。金屬粒子被植入形成該彈性體的基體的例如硅樹脂的粘合劑中。這類材料具有彈性特性以及百分之幾十量級的延伸率的高度變形能力。該彈性體的射頻反射率取決于其填充比例，例如為了在Ku波段獲得滿意的反射率，該隔膜的電傳導率需要在2 X 10_3 Ω /cm和5 X 10_3 Ω /cm之間。因此可確定彈性體中弓丨入的金屬粒子的百分比從而滿足上述隔膜電傳導率值。特別地，作為非限制性示例，包括70%的金屬填充物和30%的彈性體基體的硅樹脂彈性體在由所采用的彈性體基體決定的溫度范圍內，在Ku波段上具有滿意的反射率。例如，已知的注冊商標為GT1000的傳導彈性體包括30%的填充硅樹脂基體和70%的鍍銀銅粒子，該彈性體測得的反射率在14. 5GHz下為-0. 18dB，在-50°C和+125°C之間的溫度范圍內其延伸能力大于70%。填充該彈性體的金屬粒子通過例如硅樹脂的彈性體彼此絕緣，這使得其具有針對Ku波段3階、5階和7階互調產物具有滿意的性能，對于兩個100瓦特載波，上述互調產物的量級為-160到-180dBc。也可以使用其他類型的傳導彈性體，例如已知名稱為CV2 2646的傳導彈性體，其包括填充了金屬粒子的由硅樹脂共聚物構成的基體，其在-115°C和+250°C之間的溫度范圍內是穩定的，且具有75%的延伸能力。填充彈性體的缺點在于150ppm/°C量級的高熱膨脹系數CTE，以及撓曲剛度不足。 可通過增加填充比例來減小填充彈性體的熱膨脹系數并提高填充彈性體的剛度，但是這會損害其延伸能力。在填充彈性體10中結合非連續加固層11能夠為該填充彈性體提供機械加固，并使隔膜5在尺寸上穩定。為了使隔膜5在其平面以外的方向上大幅變形，將加固層分割為碎片形式，該碎片在隔膜5的XY平面內周期性地分布，如圖3a和北所示。為了使構成碎片13的區域和位于兩個碎片之間的區域14之間的剛度非連續性最小化，碎片13從一層到另一層錯列地布置。加固層的數量取決于尺寸以及碎片13的周期。優選地，為了獲得隔膜 5在XY平面上的均勻特性，加固層在沿Z軸的隔膜厚度方向上的數量是偶數。可選地，當加固層為奇數時，在不同的加固層中碎片13的分布優選的相對于位于隔膜中心的加固層平面呈鏡像對稱。這樣，加固碎片13的位置在隔膜5的厚度方向上是對稱的，因此在其底面 16和頂面17兩個面上呈現相同的特性。制造隔膜5需要第一步驟，在該步驟中制造預制體(preform)，該預制體包括具有厚度約為0. 5mm的傳導彈性體薄隔膜。該預制體放置在模具中，該模具具有需要的反射器的普通參考面的形狀。在第二步驟中，將例如包含硬編織線的加固碎片周期性地放置在該預制體的整個表面上，并在碎片之間留有例如幾毫米的距離，其中所述線優選地可由具有低CTE的材料構成，例如碳纖維或殷鋼纖維，或由例如不銹鋼或鎢的材料構成。碎片例如可為正方形織物結構，其邊長為6到7cm，或為任何其他形狀和其他尺寸。在第三步驟中，將新的傳導彈性體預制體放置在第一碎片層上，然后放置第二碎片層，第二層的碎片相對于第一碎片層層的碎片錯列地布置，如此繼續進行，直到獲得了需要數量的層，最后一層是傳導彈性體層。一般來說，在隔膜厚度方向上有三或四個加固層就足夠了。然后，利用彈性體的聚合將放置在模具上的不同層結合在一起，可以在室溫下進行，也可以在烤爐或熔爐中在所采用的硅樹脂的熔化溫度下進行，例如在110°和200°C之間進行一到兩個小時，這取決于所選的硅樹脂的類型。隔膜從模具中移除并可用作反射器的可變形反射表面。在使用中，可通過安裝在隔膜5的下表面16的選定位置的激勵器4以已知的方式修正隔膜的形狀。激勵器4例如可為壓電類型，或包括旋轉驅動電馬達，該馬達和與渦輪絲桿相關聯的螺母系統耦合，該螺母固定在該隔膜上。激勵器4在隔膜5上推或拉從而使其變形并給予其需要的形狀。激勵器和隔膜之間的鏈接也可以是球窩接合的或者彈性的，從而使激勵器中引入的徑向力最小化。某些激勵器在抵抗徑向力方面比另一些好，并且根據所采用的激勵器，可能需要采用球窩接合。在采用球窩結合鏈接的情況下，隔膜可在平面內移動，線的熱膨脹系數不再重要，且線可由非殷鋼和碳的材料構成。特別地，在這種情況下線可由例如不銹鋼或鎢的材料構成。圖^、4b、k顯示了包括主反射器40和輔反射器41的格雷戈里天線的示例。饋送端42位于輔反射器41之前。隔膜5可如圖如所示用作主反射器40的反射表面，或如圖4b和如所示用作輔反射器41的反射表面。隔膜也可應用于具有單個反射器的天線。盡管本發明是通過特定實施例描述的，顯然，這絕不是對本發明的限制，本發明包括所描述裝置的技術等價物及其結合，只要其落入本發明的范圍之內。
權利要求
1.一種用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于該可變形反射隔膜在厚度方向上包括交互重疊的傳導彈性體層(10)和至少兩個非連續的加固層(11)，每個加固層(11)被分割為空間上彼此分離的，并在該隔膜(5)的平面內周期性分布的單獨的碎片 (13)。
2.根據權利要求1所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于所述單獨的碎片(1 在一層到另一層上錯列地布置。
3.根據權利要求2所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于加固層 (11)的數量為偶數。
4.根據權利要求1或2所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于加固層(11)的所述數量為奇數，以及所述碎片(1 在不同的加固層中的布置相對于位于所述隔膜(5)的中心的加固層的平面呈鏡像對稱。
5.根據權利要求1或2所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于所述加固層(11)的碎片(13)包括線網格(12)，所述線是由鐵鎳合金構成的纖維。
6.根據權利要求5所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于所述鐵鎳合金是殷鋼。
7.根據權利要求1或2所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于加固層(11)的碎片(13)包括線網格(12)，所述線是碳纖維。
8.根據權利要求1或2所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于加固層(11)的碎片(13)包括線網格(12)，所述線是不銹鋼或鎢纖維。
9.根據權利要求1所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于所述傳導彈性體(10)是填充有金屬粒子的彈性體，并具有2X10_3Q/cm和5X10_3Q/cm之間的電傳導率。
10.根據權利要求9所述的用于可重構反射器的可變形反射隔膜，其特征在于所述傳導彈性體(10)包括30%的硅樹脂和70%的金屬粒子。
11.一種可重構天線反射器，其特征在于包括根據前述任意一項權利要求所述的可變形反射隔膜(5)。
12.—種天線，其特征在于包括根據權利要求11所述的反射器00，41)。
全文摘要
本發明提出了一種用于可重構反射器的可變形反射隔膜和包括該隔膜的天線，該可變形反射隔膜(5)在厚度方向包括，交互重疊的傳導彈性體層(10)和至少兩個加固層(11)，每個加固層被分割為在空間上彼此分離的，并在該隔膜的平面內周期性布置的單獨的碎片。本發明特別適用于空間領域。
文檔編號H01Q15/14GK102170046SQ201110048589
公開日2011年8月31日 申請日期2011年2月25日 優先權日2010年2月26日
發明者J-P·泰桑, L·施萊德, P·勒佩爾捷, S·德佩爾, V·貝勒伊 申請人:泰勒斯公司