專利名稱：一種大型雙曲率天線及其制造方法
技術領域：
本發明涉及天線領域，具體地講是一種大型雙曲率天線及其制造方法。
背景技術：
采用低副瓣天線是現代雷達具有強抗干擾能力的重要途徑之一，而高精度雙曲率反射面天線是實現天線低副瓣、高增益、超余割平方波束的有效技術措施。雖然國內外已在中低空警戒、航管一次等雷達中都逐步使用了雙曲率反射面天線，但一般尺寸較小，精度較低，因此開展大尺寸、高精度的雙曲率天線系統結構研究具有重要意義。然而在大型雙曲率天線中，由于尺寸大，因而重量大，不利于安裝，而且精度低。在某型雷達研制過程中，需要采用口徑為4436mmX8000mm的大型雙曲率天線，由于該天線安裝于大型升空平臺中，所以對天線的重量要求異常苛刻，必須采用必要的輕質復合材料，應用特定的成型工藝實現該天線的高精度(反射面精度σ rms ^ 0. 8mm)、超低重量(包括背架接口和饋源支桿的天線總重量< 145kg)，而現有技術的天線骨架一般采用鋁合金蒙皮，其密度相對較高，無法到達上述質量和精度的要求。該大型天線反射面的外形為雙彎曲賦形后橢圓切割，8000mm長度方向分為左中右三塊，中塊寬度觀00讓，兩邊塊寬度沈00讓，各塊之間的連接不僅需要滿足連接面強度和剛度力學性能要求，更需要降低分塊對整個天線面精度的影響，以實現天線低副瓣電性能指標，而現有技術的分塊之間的連接對天線精度影響較大，降低了天線的精度。該大型天線采用偏饋形式，偏饋天線是指偏饋天線的饋源和高頻頭的安裝位置不在與天線中心切面垂直且過天線中心的直線上。饋源采用3根1800 mm長的支桿支撐。由于饋源支桿位于天線電磁輻射區，因此，饋源支桿會影響天線電性能，從而降低了天線的精度。
發明內容
本發明要解決的技術問題之一是提供一種質量輕、精度高的大型雙曲率天線。本發明要解決的技術問題之二是提供一種上述大型雙曲率天線的制造方法。本發明是采用以下技術方案解決上述技術問題之一的一種大型雙曲率天線，包括反射面、骨架和饋源支桿，所述的反射面設置在骨架上，所述的骨架采用碳纖維蒙皮和泡沫夾芯復合材料結構，骨架內層為泡沫夾芯，外層為碳纖維蒙皮。本發明進一步具體為
所述碳纖維蒙皮中的碳纖維的拉伸彈性模量、拉伸強度分別不低于330GPa和 3500Mpao所述泡沫夾芯耐溫140°C以上，耐壓不低于0. 4Mpa。所述的饋源支桿包括低損耗介質材料和纏繞在其上的透波材料。所述低損耗介質材料采用樹脂基復合材料，介電常數在4. 0-4. 5之間、介電損耗小于0. 03。
本發明是采用以下技術方案解決上述技術問題之二的一種上述大型雙曲率天線的制造方法，包括
(1)、天線的網狀反射面分為三塊，在大型天線模胎上分別成型三塊網狀反射面；
(2)、制作骨架，骨架分為與網狀反射面對應的三塊；
(3)、對上述三塊骨架拼接和定位，同時固定連接三塊骨架，并按對三塊骨架進行整體式固化成型；
(4)、在骨架上定位網狀反射面，并復合連接網狀天線反射面和天線骨架；
(5)、在行吊配合下，使大型雙曲率天線處于工作工況，并在線定位安裝饋源支桿；
(6)、使用大型三座標測量系統檢測雙曲率天線的面精度，檢測天線電性能；
所述步驟(2)中，采用泡沫材料制作骨架，然后分別在各塊上按各層設計的角度鋪貼多層碳纖維層；步驟(3)中，按優化的工藝參數對三塊骨架進行整體式固化成型。進一步具體為
步驟(2)中的按各層設計的角度鋪貼及步驟(3)中按優化的工藝參數是指，首先把大型天線的3D設計模型輸入到網格處理工具中進行有限元分析模型設計，按照大型天線的應用要求在有限元軟件中進行材料特性、模型約束、載荷工況、纖維方向、分析類型方面的設定，根據大型天線的仿真結果進行鋪層方向、骨架布局優化，完成多層碳纖維鋪貼、曲面結構單元的賦形、定位和成型，并使其滿足大型天線的風載力學性能要求。該大型雙曲率天線制造方法中使用了專用工裝，所述的專用工裝為一鋼板，其外型與天線骨架的側視外形相近，其上設置有復數個骨架安裝定位孔和復數個與成型模胎相連的安裝孔，步驟(3)中，使用該專用工裝對三塊骨架定位和拼接，具體的，使用該專用工裝與三塊骨架的安裝面緊貼放置，對三塊骨架的安裝面進行準確定位，保證中塊骨架與兩邊塊骨架的安裝孔位的一致性，然后采用螺接和膠接方式進行骨架之間的連接；步驟(4) 中拼接時，對單塊骨架與網狀反射面的外形進行定位，保證反射面與骨架復合成型的可靠性，對網狀反射面進行外形修整，把修整后的網狀反射面準確賦形與骨架之上，并在二者之間預置膠粘劑，進行固化組裝；步驟(5)中，天線反射面上使用專用工裝，對三個饋源支桿在骨架上的位置進行檢測定位，保證饋源支桿與反射面的空間位置關系，并在線定位安裝饋源支桿。所述的專用工裝為一 4X 1. 9m的高精度的45#鋼板，其上設置有八個骨架安裝定位孔7和六個與成型模胎相連的安裝孔。所述鋼板的定位孔精度達到0. Imm,該鋼板的兩面面精度均達到0. 5mm。本發明的優點在于由于骨架占天線的大部分重量，降低骨架的重量就能大幅降低天線的重量，碳纖維蒙皮和泡沫夾芯復合材料結構的設計大大降低了骨架的重量，復合結構密度僅為0. 16g/cm3，是鋁合金密度的十六分之一，解決了大型天線輕質化需求，并在一定程度上提高了天線的精度；
饋源支桿為典型細長結構件，常規模壓或拉擠等成型方法難以滿足脫模工藝或剛強度要求，本發明通過采用無需芯模的制造方法，即直接在低損耗介質材料上纏繞透波材料成型饋源支桿的方法，解決電學“透明”的饋源支桿制造，有效減低饋源支桿對大型天線副瓣電平和增益的較大影響；
專用工裝的設計實現了天線的拼接、裝配和檢測基準的一致性，保證了天線的左中右三塊構件高精度的制造和裝配。
圖1為本發明大型雙曲率天線的結構示意圖。圖2為骨架的橫截面圖。圖3為工裝的結構示意圖。圖中所示1、反射面，2、骨架，3、饋源支桿，4、碳纖維蒙皮，5、泡沫夾芯，6、工裝， 7、定位孔，8、安裝孔。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施例對本發明作進一步地說明。如圖1和圖2所示，本發明的大型雙曲率天線，包括反射面1、骨架2和饋源支桿 3，所述的反射面1設置在骨架2上，所述的骨架2采用碳纖維蒙皮4和泡沫夾芯5復合材料結構，骨架2內層為泡沫夾芯5，外層為碳纖維蒙皮4。碳纖維蒙皮4中的碳纖維的拉伸彈性模量、拉伸強度分別不低于330GPa和3500Mpa，所述泡沫夾芯5采用特種泡沫，該特種泡沫須滿足成型工藝和使用條件要求，可耐溫140°C以上，耐壓不低于0. 4Mpa。所述的饋源支桿3包括低損耗介質材料和纏繞在其上的透波材料。低損耗介質材料可以采用對天線電性能影響較小的樹脂基復合材料，介電常數在4. 0-4. 5之間、介電損耗小于0. 03。透波材料可采用現有的各種透波材料。請參照圖3所示，為該大型雙曲率天線的制造過程中用到的專用工裝6，該專用工裝6同時作為拼接工裝、裝配工裝和檢測工裝，現有大型雙曲率天線的制造過程的都需要三個工裝，本專用工裝的設計實現了天線的拼接、裝配和檢測基準的一致性，保證了天線的左中右三塊構件高精度的制造和裝配。所述的專用工裝6為一 4X 1. 9m的高精度的45#鋼板，其外型與天線骨架的側視外形相近。其上設置有八個骨架安裝定位孔7和六個與成型模胎相連的安裝孔8，工裝的面精度和孔位精度要求較高，定位孔精度達到0. 1mm，該鋼板的兩面面精度均達到0. 5mm。本發明的大型雙曲率天線制造方法，包括以下步驟
(1)、天線的網狀反射面1分為三塊，在大型天線模胎上分別成型三塊網狀反射面；
(2)、采用泡沫材料制作骨架2，骨架2分為與網狀反射面1對應的三塊，分別在各塊上按各層設計鋪貼多層碳纖維層；多層碳纖維層構成碳纖維蒙皮4，本實施例中采用8層碳纖維層設計。(3)、使用高精度拼裝專用工裝6對上述三塊骨架2定位和拼接，同時固定連接三塊骨架2，并按優化的工藝參數對三塊骨架2進行整體式固化成型，具體的，使用該工裝6與三塊骨架2的安裝面緊貼放置，對三塊骨架2的安裝面進行準確定位，保證中塊骨架與兩邊塊骨架的安裝孔位的一致性，然后采用螺接和膠接方式進行骨架2之間的連接。(4)、在骨架2上定位網狀反射面1，并復合連接網狀天線反射面1和天線骨架2， 具體的，拼接時，對單塊骨架2與網狀反射面1的外形進行定位，保證反射面1與骨架2復合成型的可靠性，對網狀反射面1進行外形修整，把修整后的網狀反射面1準確賦形與骨架 2之上，并在二者之間預置膠粘劑，進行固化組裝。
(5)、在行吊配合下，使大型雙曲率天線處于工作工況，天線反射面上使用專用工裝6，對三個饋源支桿3在骨架上的位置進行檢測定位，保證饋源支桿3與反射面1的空間位置關系，并在線定位安裝饋源支桿3。(6)、使用大型三座標測量系統檢測雙曲率天線的面精度，檢測天線電性能。步驟(2)中的按各層設計鋪貼及步驟(3)中按優化的工藝參數是指，首先把大型天線的3D設計模型輸入到網格處理工具中進行有限元分析模型設計，按照大型天線的應用要求在有限元軟件中進行材料特性、模型約束、載荷工況、纖維方向、分析類型等方面的設定，根據大型天線的仿真結果進行鋪層方向、骨架布局優化，完成多層碳纖維鋪貼、曲面結構單元的賦形、定位和成型，并使其滿足大型天線的風載力學性能要求，每層碳纖維的鋪貼角度視分析結果而定。
權利要求
1.一種大型雙曲率天線，包括反射面、骨架和饋源支桿，所述的反射面設置在骨架上， 其特征在于所述的骨架采用碳纖維蒙皮和泡沫夾芯復合材料結構，骨架內層為泡沫夾芯， 外層為碳纖維蒙皮。
2.根據權利要求1所述的大型雙曲率天線，其特征在于所述碳纖維蒙皮中的碳纖維的拉伸彈性模量、拉伸強度分別不低于330GPa和3500Mpa。
3.根據權利要求1所述的大型雙曲率天線，其特征在于所述泡沫夾芯耐溫140°C以上，耐壓不低于0. 4Mpa。
4.根據權利要求1所述的大型雙曲率天線，其特征在于所述的饋源支桿包括低損耗介質材料和纏繞在其上的透波材料。
5.根據權利要求4所述的大型雙曲率天線，其特征在于所述低損耗介質材料采用樹脂基復合材料，介電常數在4. 0-4. 5之間、介電損耗小于0. 03。
6.如權利要求1至5任一項所述大型雙曲率天線的制造方法，包括(1)、天線的網狀反射面分為三塊，在大型天線模胎上分別成型三塊網狀反射面；(2)、制作骨架，骨架分為與網狀反射面對應的三塊；(3)、對上述三塊骨架拼接和定位，同時固定連接三塊骨架，并按對三塊骨架進行整體式固化成型；(4)、在骨架上定位網狀反射面，并復合連接網狀天線反射面和天線骨架；(5)、在行吊配合下，使大型雙曲率天線處于工作工況，并在線定位安裝饋源支桿；(6)、使用大型三座標測量系統檢測雙曲率天線的面精度，檢測天線電性能；其特征在于所述步驟(2)中，采用泡沫材料制作骨架，然后分別在各塊上按各層設計的角度鋪貼多層碳纖維層；步驟(3)中，按優化的工藝參數對三塊骨架進行整體式固化成型。
7.根據權利要求6所述的大型雙曲率天線制造方法，其特征在于步驟(2)中的按各層設計的角度鋪貼及步驟(3)中按優化的工藝參數是指，首先把大型天線的3D設計模型輸入到網格處理工具中進行有限元分析模型設計，按照大型天線的應用要求在有限元軟件中進行材料特性、模型約束、載荷工況、纖維方向、分析類型方面的設定，根據大型天線的仿真結果進行鋪層方向、骨架布局優化，完成多層碳纖維鋪貼、曲面結構單元的賦形、定位和成型， 并使其滿足大型天線的風載力學性能要求。
8.根據權利要求6所述的大型雙曲率天線制造方法，其特征在于該大型雙曲率天線制造方法中使用了專用工裝，所述的專用工裝為一鋼板，其外型與天線骨架的側視外形相近，其上設置有復數個骨架安裝定位孔和復數個與成型模胎相連的安裝孔，步驟(3)中， 使用該專用工裝對三塊骨架定位和拼接，具體的，使用該專用工裝與三塊骨架的安裝面緊貼放置，對三塊骨架的安裝面進行準確定位，保證中塊骨架與兩邊塊骨架的安裝孔位的一致性，然后采用螺接和膠接方式進行骨架之間的連接；步驟(4)中拼接時，對單塊骨架與網狀反射面的外形進行定位，保證反射面與骨架復合成型的可靠性，對網狀反射面進行外形修整，把修整后的網狀反射面準確賦形與骨架之上，并在二者之間預置膠粘劑，進行固化組裝；步驟(5)中，天線反射面上使用專用工裝，對三個饋源支桿在骨架上的位置進行檢測定位，保證饋源支桿與反射面的空間位置關系，并在線定位安裝饋源支桿。
9.根據權利要求6所述的大型雙曲率天線制造方法，其特征在于所述的專用工裝為一 4X 1. 9m的高精度的45#鋼板，其上設置有八個骨架安裝定位孔7和六個與成型模胎相連的安裝孔。
10.根據權利要求9所述的大型雙曲率天線制造方法，其特征在于所述鋼板的定位孔精度達到0. 1mm，該鋼板的兩面面精度均達到0. 5mm。
全文摘要
本發明公開了一種大型雙曲率天線及其制造方法，所述的天線包括反射面、骨架和饋源支桿，所述的反射面設置在骨架上，所述的骨架采用碳纖維蒙皮和泡沫夾芯復合材料結構；所述的制造方法包括天線的反射面和骨架的成型，骨架成型材料為泡沫，并在骨架外鋪貼多層碳纖維層。本發明的優點在于采用本發明的結構和方法，大大降低了骨架的重量，解決了大型天線輕質化需求，并提高了天線的精度。
文檔編號H01Q1/12GK102544686SQ201110423360
公開日2012年7月4日 申請日期2011年12月16日 優先權日2011年12月16日
發明者杜雄蕘, 武斌功, 王亞鋒, 薛偉鋒, 鞠金山 申請人:中國電子科技集團公司第三十八研究所