一种反射面天线及其制备方法与流程

本发明涉及天线
技术领域：
，特别提供了一种具有高主波束效率高形面精度的反射面天线。
背景技术：
：静止轨道太赫兹辐射计是静止轨道微波气象卫星实现微波遥感探测最重要的载荷，地球静止轨道太赫兹辐射计为fy-4微波星主载荷的预研项目，科学目标是在地球静止轨道对大气温湿廓线、强降水等高时间分辨率观测。同时由于卫星轨道高度远高于极轨卫星高度，辐射计为了获得一定的空间分辨率，需要将天线的最高频率提高到424ghz。目前，辐射计用天线通常为碳纤维制成的反射面天线，在空间应用时由于型面精度较低、主波束效率较差，无法满足太赫兹波段的使用要求。技术实现要素：针对现有技术中存在的问题，本发明实施例提供了一种反射面天线及其制备方法，本发明实施例提供的主反射器口径可限制在1m内，且含太赫兹波的电磁波经主反射器反射后最高工作频率达到424ghz，主波束效率实测结果优于92％，成功将星载天线的工作频率从微波频段提升到太赫兹频段，满足空间太赫兹技术的应用。本发明的技术解决方案是：一种反射面天线，包括馈源(1)、第一副反射器(2)、第二副反射器(3)和主反射器(4)，所述馈源(1)用于产生电磁波的初级照射，所述电磁波包含太赫兹波，所述第一副反射器(2)用于改变所述初级照射的波束方向，使所述初级照射的波束反射至所述第二副反射器(3)后经所述第二副反射器(3)反射至所述主反射器(4)，所述主反射器(4)用于将经过所述第二副反射器(3)反射的电磁波再次进行反射，所述主反射器(4)由c/c-sic复合材料制成。在一可选实施例中，所述第一副反射器(2)为平面反射面，所述第二副反射器(3)为双曲反射面，所述主反射器(4)为偏馈抛物反射面，所述主反射器(4)的焦点与所述第二副反射器(3)的第一焦点重合，所述第二副反射器(3)的第二焦点经所述第一副反射器(2)镜像后形成的虚焦点位于所述馈源(1)处，所述馈源(1)位于所述主反射器(4)的背面。在一可选实施例中，所述主反射器(4)厚度为25～35mm，所述主反射器(4)背面外圈设有高度为2～4mm的加强环，所述加强环内的区域均布有多条沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和多条沿第二方向贯穿所述加强环的筋条，各所述筋条相交形成三角形网格背筋，所述筋条的高度为22～35mm、厚度为1～3mm、同一方向上相邻两条筋条的间距为120～140mm。在一可选实施例中，所述主反射器(4)的反射面精度为15～35um，所述c/c-sic复合材料的热膨胀系数为(0.01～0.2)×10-6/℃。一种反射面天线的制备方法，将馈源(1)、第一副反射器(2)、第二副反射器(3)和主反射器(4)分别固定安装在一高频箱上得到反射面天线，其中，所述馈源(1)用于产生电磁波的初级照射，所述电磁波包含太赫兹波，所述第一副反射器(2)用于改变所述初级照射的波束方向，使所述初级照射的波束反射至所述第二副反射器(3)后经所述第二副反射器(3)反射至所述主反射器(4)，所述主反射器(4)用于将经过所述第二副反射器(3)反射的电磁波再次进行反射，所述主反射器(4)由c/c-sic复合材料制成。在一可选实施例中，所述的反射面天线的制备方法，还包括制备所述主反射器(4)，具体步骤包括：制作密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料胚体；根据主反射器(4)的设计参数对所述c/c复合材料胚体进行机加工，加工后得到正面留有1～2mm加工余量的待渗硅的主反射器；对所述待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应，得到密度为1.9～2.1g/cm3的c/c-sic复合材料主反射器胚体；对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体的正面进行精加工，得到所述主反射器(4)。在一可选实施例中，所述主反射器(4)背面外圈设有加强环，所述加强环内的区域均布有多条沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和多条沿第二方向贯穿所述加强环的筋条，所述根据主反射器(4)的设计参数对所述c/c复合材料胚体进行机加工，包括以下步骤：(1)根据主反射器(4)的设计参数加工出外轮廓与设计尺寸一致、厚度加工余量为5～10mm的c/c复合材料胚体；(2)在步骤(1)得到的c/c复合材料胚体背面先机加工所述加强环；(3)在所述加强环围成的区域内交替加工沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和沿第二方向贯穿所述加强环的筋条直至加工完所述筋条，其中，在加工下一条筋条时，在之前加工的筋条围成的三角形区域内填充相容性芯模材料，待所述筋条全部加工完后取出填充的相容性芯模材料；(4)在步骤(3)得到的复合材料胚体的正面机加工反射面，得到正面留有加工余量的待渗硅的主反射器。在一可选实施例中，所述对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体的正面进行精加工，包括：(a)对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体型面进行精度检测；(b)根据检测数据确定所述c/c-sic复合材料主反射器胚体各区域的形面误差并根据形面误差分布情况标定各区域；(c)根据各区域对应的形面误差分布情况研磨各区域，其中对形面误差均匀分布的区域采用流线式刀具路径，对形面误差径向条形分布的区域采用放射式刀具路径，对形面误差正交条形分布的区域采用平行式刀具路径，对形面误差呈环形分布的区域采用等高线方式刀具路径，进刀量为0.01～0.05mm；(d)对步骤(c)得到的所述c/c-sic复合材料主反射器胚体重复步骤(a)至(c)直至形面精度达到0.8～0.12mm后，按照流线形刀具路径对整个型面进行加工，直至形面精度满足要求。在一可选实施例中，所述制作密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料胚体，包括：采用气相烷烃作为前驱体，在30～50℃条件下，对密度为0.4～0.5g/cm3的针刺无纬布网胎预制体进行气相沉积，得到密度为0.9～1.0g/cm3的c/c复合材料胚体；采用呋喃树脂对所述密度为0.9～1.0g/cm3的c/c复合材料胚体进行真空浸渍2～3h，然后在90～110℃下固化4～5h，之后在惰性气体保护下在700～800℃下碳化40～50h，得到c/c复合材料胚体。在一可选实施例中，所述对所述待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应，包括：在惰性气体气氛中或者是在真空条件下，在1650～1800℃下，对待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应。本发明与现有技术相比的有益效果是：本发明实施例提供的反射面天线，通过给主反射器配置两个副反射器，馈源产生的初级照射波束经第一副反射器改变方向反射至第二副反射器，然后经第二副反射器反射至所述主反射器，实现了对电磁波的离轴三反，满足天线系统低旁瓣与低交叉极化的设计要求，同时该结构减小了反射面天线的包络尺寸，从而有利于整个辐射计系统结构的紧缩，便于辐射计系统的定标操作；同时，通过采用近似0膨胀的c/c-sic复合材料的主反射器，避免了在静止轨道-150℃至120℃环境下反射面变形导致的型面精度下降；本发明实施例提供的主反射器口径可限制在1m内，且含太赫兹波的电磁波经主反射器反射后最高工作频率达到424ghz，主波束效率实测结果优于92％，成功将星载天线的工作频率从微波频段提升到太赫兹频段，满足空间太赫兹技术的应用。附图说明图1为本发明实施例提供的一种反射面天线原理示意图；图2为本发明一具体实施例提供的反射面天线坐标系示意图；图3为本发明实施例提供的一种主反射器结构示意图；图4为本发明实施例提供的主反射器的型面精度测试图；图5为本发明实施例提供的主反射器的胚体制作示意图；图6为本发明实施例提供的一种反射面天线结构示意图；图7为本发明实施例提供的一种反射面天线的测试方向图。具体实施方式以下将结合附图及具体实施例对本发明的具体实施方式做进一步详细说明。如图1所示，本发明实施例提供了一种反射面天线，包括馈源1、第一副反射器2、第二副反射器3和主反射器4，所述馈源1用于产生电磁波的初级照射，所述电磁波包含太赫兹波，所述第一副反射器2用于改变所述初级照射的波束方向，使所述初级照射的波束反射至所述第二副反射器3后经所述第二副反射器3反射至所述主反射器4，所述主反射器4用于将经过所述第二副反射器3反射的电磁波再次进行反射，所述主反射器4由c/c-sic复合材料制成。本发明实施例提供的反射面天线，通过给主反射器配置两个副反射器，馈源产生的初级照射波束经第一副反射器改变方向反射至第二副反射器，然后经第二副反射器反射至所述主反射器，实现了对电磁波的离轴三反，满足天线系统低旁瓣与低交叉极化的设计要求，同时该结构减小了反射面天线的包络尺寸，从而有利于整个辐射计系统结构的紧缩，便于辐射计系统的定标操作；同时，通过采用近似0膨胀的c/c-sic复合材料的主反射器，避免了在静止轨道-150℃到120℃环境下反射面变形导致的型面精度下降；本发明实施例提供的主反射器口径可限制在1m内，且含太赫兹波的电磁波经主反射器反射后最高工作频率达到424ghz，主波束效率实测结果优于92％，成功将星载天线的工作频率从微波频段提升到太赫兹频段，满足空间太赫兹技术的应用。具体地，所述第一副反射器2为平面反射面，所述第二副反射器3为双曲反射面，所述主反射器4为偏馈抛物反射面，所述主反射器4的焦点与所述第二副反射器3的第一焦点重合，所述第二副反射器3的第二焦点经所述第一副反射器2镜像后形成的虚焦点位于所述馈源1处，所述馈源(1)位于所述主反射器(4)的背面。该结构反射面天线在实现离轴三反的同时，可以避免副反射器、馈源以及固定各反射器的支撑杆对副瓣电平的影响，可以最大程度的降低天线副瓣；同时该离轴三反面系统可拉长整个反射面天线系统的焦距，使系统获得较低的交叉极化，从而进一步保证天线系统获得高主波束效率。如图3所示，在一可选实施例中，所述主反射器4厚度为25～35mm，所述主反射器4背面外圈设有高度为2～4mm的加强环41，所述加强环41内的区域均布有多条沿第一方向贯穿所述加强环的筋条42和多条沿第二方向贯穿所述加强环的筋条42，各所述筋条42相交形成三角形网格背筋，所述筋条42的高度为22～35mm、厚度为1～3mm、同一方向上相邻两条筋条的间距为120～140mm。c/c-sic复材制件通常应用在空间承力筒等结构件中，没有用于星载高精度反射器的先例，发明人根据c/c-sic材料特性经过大量实验摸索，最终得出当反射器采用上述结构时，可以减轻胚体50％以上的重量，反射器的谐振基频大于80hz，具备轻质、高强度、高模量以及高稳定的特征。在一可选实施例中，所述主反射器4的反射面精度为15～35um，所述c/c-sic复合材料的热膨胀系数为0.01～0.2×10-6/℃。该主反射器能够保证天线主反射器的在轨变形小于20um。本发明实施例还提供了一种反射面天线的制备方法，将馈源1、第一副反射器2、第二副反射器3和主反射器4分别固定安装在一高频箱上得到反射面天线，其中，所述馈源1用于产生电磁波的初级照射，所述电磁波包含太赫兹波，所述第一副反射器2用于改变所述初级照射的波束方向，使所述初级照射的波束反射至所述第二副反射器3后经所述第二副反射器3反射至所述主反射器4，所述主反射器4用于将经过所述第二副反射器3反射的电磁波再次进行反射，所述主反射器4由c/c-sic复合材料制成。本实施例可用于制备上述实施例提供的反射面天线，有关反射面天线的具体描述及效果可参见上述实施例，在此不再赘述。进一步地，在对各反射器进行安装固定前，还包括制备所述主反射器4，具体步骤包括：a：制作密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料胚体；b：根据主反射器4的设计参数对所述c/c复合材料胚体进行机加工，加工后得到正面留有1～2mm加工余量的待渗硅主反射器；具体地，本发明实施例中，主反射器4的设计参数即根据使用要求设计的标准主反射器结构及尺寸等参数；c：对所述待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应，得到密度为1.9～2.1g/cm3的c/c-sic复合材料主反射器胚体；d：对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体的正面进行精密机械加工，得到主反射器4。在一可选实施例中，所述主反射器4背面外圈设有加强环，所述加强环内的区域均布有多条沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和多条沿第二方向贯穿所述加强环的筋条，所述根据主反射器4的设计参数对所述c/c复合材料胚体进行机加工，包括以下步骤：(1)根据主反射器4的设计参数加工出外轮廓与设计尺寸一致、厚度加工余量为5～10mm的c/c复合材料胚体；(2)在步骤(1)得到的c/c复合材料胚体背面先机加工所述加强环；(3)在所述加强环围成的区域内交替加工沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和沿第二方向贯穿所述加强环的筋条直至加工完所述筋条，其中，在加工下一条筋条时，在之前加工的筋条围成的三角形区域内填充相容性芯模材料，待所述筋条全部加工完后取出填充的相容性芯模材料；具体地，所述相容性芯模材料可以为石膏、沙粒等；(4)在步骤(3)得到的复合材料胚体的正面机加工反射面，得到正面留有加工余量的待渗硅的主反射器。该方法对c/c复合材料胚体进行先背面后正面的加工顺序，并用相容性芯模材料填充已加工区域，在确保反射面型面精度的同时，实现了轻量化。具体地，所述对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体的正面进行精加工，包括：(a)对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体型面进行精度检测；(b)根据检测数据确定所述c/c-sic复合材料主反射器胚体各区域的形面误差并根据形面误差分布情况标定各区域；(c)根据各区域对应的形面误差分布情况研磨各区域，其中对形面误差均匀分布的区域采用流线式刀具路径，对形面误差径向条形分布的区域采用放射式刀具路径，对形面误差正交条形分布的区域采用平行式刀具路径，对变形误差呈环形分布的区域采用等高线方式刀具路径，进刀量为0.01～0.05mm；(d)对步骤(c)得到的所述c/c-sic复合材料主反射器胚体重复步骤(a)至(c)直至形面精度达到0.8～0.12mm后，按照流线形刀具路径对整个型面进行加工，直至形面精度满足15～35um。该方法提供的多维路径表面研磨采取了“流线、放射、平行、等高线等多维刀具路径”的加工方式，以最大限度消除加工部位的各方向应力，并使得刀路分布更为均匀；在反射器实际的高精度打磨过程中采取了“型面精度检测—检测数据分析—变形部位标定—手工修磨变形部位—型面精度检测”的循环工序，确保1米口径的反射器(电尺寸大于1400倍波长)数次打磨后的形面精度为32um(rms)，实测结果如图4所示，比传统微波反射面天线形面精度(rms)高出一个数量级。具体地，所述制作密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料胚体，包括：如图5所示，以气相烷烃作为前驱体，在1200～1600℃的条件下对密度为0.4～0.5g/cm3的针刺无纬布网胎预制体进行气相沉积，直至得到密度为0.9～1.0g/cm3的c/c复合材料胚体；然后在30～50℃条件下，采用呋喃树脂对密度为0.9～1.0g/cm3的c/c复合材料胚体进行真空浸渍2～3h，然后在90～110℃下固化4～5h，之后在惰性气体保护下在700～800℃下碳化40～50h实现高温裂解，得到密度为1.1～1.3g/cm3的c/c复合材料胚体。其中，所述气相烷烃优选丙烷、甲烷、乙烷等。c/c复合材料作为一类多相纯炭质材料，其热膨胀性能取决于组成相石墨结构的程度及其分布，即热膨胀系数受增强体结构、热处理温度和工艺条件等因素影响，该方法制备的c/c复合材料胚体由于平面方向大量增强纤维乱向分布，本身具有低的热膨胀系数，而低密度材料内部存在大量微孔，又进一步缓解了热膨胀，因此在-150℃～150℃范围内，其热膨胀系数均为负值，即(-0.542～-0.421)×10-6/℃，在与后续渗硅工艺结合时，能够得到近似0膨胀的c/c-sic复合材料。具体地，所述对所述待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应，包括：在氮气或氩气等惰性气体气氛中，或者是在真空条件下，在1650～1800℃下，对密度待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应。通过c/c复合材料坯体在真空下或惰性气氛中与熔融硅接触，利用熔融液态硅的毛细管作用进行渗透和反应得到c/c-sic复合材料，熔融渗硅后得到密度为1.9～2.1g/cm3的c/c-sic复合材料。c/c-sic复合材料是一种由碳纤维增强碳和碳化硅二元基体结合成的复合材料，碳纤维、碳基体、sic各相共同对其热膨胀系数产生影响。本发明实施例中随着液态硅的渗入c/c复合材料胚体以及与碳反应转化为碳化硅充填了c/c复合材料坯体中的孔隙，得到更为致密的c/c-sic复合材料，如表1所示，该材料的热膨胀系数可低至0.01～0.2×10-6/℃。采用netzschdil402c进行了c/c复合材料坯体和c/c-sic复合材料的热膨胀系数测试和分析见下表1所示：表1c/c、c/c-sic复合材料的热膨胀系数×10-6/℃温度℃c/cc/c-sic-150-0.474-0.015-100-0.4630.010-50-0.4350.0310-0.4420.11550-0.5070.192100-0.4290.182150-0.4210.194从上述表1的实测结果来看，本发明提供的c/c-sic复合材料热膨胀系数在静止轨道-150℃到150℃环境下均小于0.2e-6/℃，能够满足天线主反射器在轨的热变形要求。以下为本发明的一个具体实施例：如图1所示，本发明实施例提供了一种辐射计用反射面天线，包括馈源1、第一副反射器2、第二副反射器3和主反射器4，所述馈源1用于产生电磁波的初级照射，所述电磁波包含太赫兹波，所述第一副反射器2为平面反射面，用于改变所述初级照射的波束方向，使所述初级照射的波束反射至所述第二副反射器3后经所述第二副反射器3反射至所述主反射器4，所述第二副反射器3为偏馈双曲反射面，是标准双曲面的一部分，所述主反射器4为偏馈抛物反射面，是标准抛物面的一部分，用于将经过所述第二副反射器3反射的电磁波再次进行反射，所述主反射器4由c/c-sic复合材料制成。本发明的提供的辐射计用反射面天线各个部件的坐标系如图2所示，其中，所述主反射器4坐标系(xamyamzam)：xam轴为所述主反射器4偏馈抛物反射面的对称轴，zam轴与所述主反射器反射面所在抛物面焦轴重合并指向所述主反射器反射面所在抛物面的焦点方向，坐标原点为所述主反射器反射面所在抛物面的顶点；所述第二副反射器3坐标系(xas2yas2zas2)：zas2轴通过所述第二副反射器反射面所在双曲面的两个焦点，所述主反射器反射面所在抛物面焦点与双曲面的第一焦点重合，方向为由所述主反射器反射面所在抛物面焦点指向双曲面的第二焦点，坐标原点为所述主反射器反射面所在抛物面焦点(即第一焦点)；所述第一副反射器2坐标系(xas1yas1zas1)：第一副反射器2是一个平面镜，仅改变馈源1的波束传播方向，使得整个天线子系统的布局更紧凑，zas1轴垂直于平面镜，xas1是平面镜的对称轴，第一副反射器2的坐标原点位于平面镜的轴线上；所述馈源1坐标系(xfcyfczfc)：该坐标系的原点即是通过平面镜镜像双曲面的第二焦点的位置，是馈源1喇叭的束腰位置。所述主反射器4反射面的焦距f＝800mm，反射面的偏置p＝789.1mm，反射面的口径尺寸为d＝1000mm；所述第二副反射器3反射面的焦距f＝573.1mm，短轴a＝445.8mm，离心率e＝1.2856，口面中心在其坐标系中(xas1yas1zas1)为(138.2mm，0，0)，半径为120mm；所述第一副反射器2是标准的平面镜，平面镜的口面中心在其坐标系(xas2yas2zas2)中的为(202mm，0，0)，平面镜的半径为180mm；所述馈源(1)采用波纹喇叭形式，喇叭的最高工作频率为424ghz，喇叭的照射半张角为1.65°，照射锥削电平为-15db，喇叭的束腰宽度为10.26mm。如图3所示，本实施例中主反射器4为30mm，所述主反射器4背面外圈设有高度为3mm的加强环41，所述加强环41内的区域均布有多条沿第一方向贯穿所述加强环的筋条42和多条沿第二方向贯穿所述加强环的筋条42，各所述筋条42相交形成三角形网格背筋，所述筋条42的高度为27mm、厚度为2mm、同一方向上相邻两条筋条的间距为130mm；另外，筋条相交处设有4处m10连接螺孔43，方便主反射器4支撑结构的安装。主反射器4边缘处设计有8处φ2mm的校准孔，方便主反射器4装配时的校准调整；主反射器4的口径为1m，重量为8.5kg，形面精度为32um(rms)，实测结果如图4所示，比传统微波反射面天线形面精度(rms)高出一个数量级。本实施例中主反射器4的制备方法包括以下步骤：a、先经4个周期的气相沉积渗碳致密，采用乙烷作为原料，在高温1400℃的条件下，对密度为0.45g/cm3的针刺无纬布网胎预制体进行气相沉积渗碳致密化处理，每个周期保温时间为8h，保温结束后冷却至室温，并观察沉积情况，最终得到密度为1.0g/cm3的c/c复合材料胚体；再采用呋喃树脂对密度为1.0g/cm3的c/c复合材料胚体进行真空浸渍2h，然后在100℃下固化4h，之后在惰性气体保护下在750℃下保温45h，得到密度为1.2g/cm3的c/c复合材料胚体。b、根据主反射器4的设计参数加工出外轮廓与设计尺寸一致、厚度加工余量为6mm的c/c复合材料胚体；在得到的c/c复合材料胚体背面先机加工所述加强环；在所述加强环围成的区域内交替加工沿第一方向贯穿所述加强环的筋条和沿第二方向贯穿所述加强环的筋条直至加工完所述筋条，其中，在加工下一条筋条时，在之前加工的筋条围成的三角形区域内填充相容性芯模材料，待所述筋条全部加工完后取出填充的相容性芯模材料，得到正面留有1.5mm加工余量的待渗硅主反射器；具体地，所述相容性芯模材料为石膏；c、在真空条件下，在高温1650℃的件下对所述待渗硅的主反射器进行熔融渗硅反应，得到密度为2g/cm3的c/c-sic复合材料主反射器胚体。d、对所述c/c-sic复合材料主反射器胚体的正面进行精密机械加工，得到型面精度为32um(rms)的c/c-sic复合材料主反射器。主反射器4加工完成后，将馈源1、第一副反射器2、第二副反射器3、主反射器4采用支撑杆a、支撑座b等支撑部件与高频箱装配完成天线的组装，其中馈源1置于高频箱内，装配完成后的天线示意图如图6所示。在太赫兹天线测试暗室对本实施例提供的天线进行了电性能测试。图7给出了天线的电性能测试方向图，天线的旁瓣优于30db，天线的实测主波束效率优于92％，本发明在国际上首次实现了静止轨道1米口径太赫兹天线的设计、加工与电性能测试，天线主波束效率优于传统反射面天线主波束效率。以上所述，仅为本发明一个具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本
技术领域：
的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。当前第1页12