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申请/专利权人：中国电子科技集团公司第五十四研究所

摘要：本发明公开了一种内外边数为1比2的单层空间结构副面背架及制造方法，它涉及通信、测控以及射电天文等领域中双反射面天线的副面背架技术。旨在提供一种轻量化、高刚度、易安装且适合批量生产的副面背架。它包括内环支撑、外环支撑、主杆、斜杆、内环球节点和外环球节点等。内环支撑和外环支撑为多边形形式，且内环支撑和外环支撑的边数之比为1:2。副面背架为单层空间结构，由多个三角形单元组成，具有稳定的力学特性，各节点连接方式采用螺栓球结构。本发明具有结构刚度好、重量轻和快速安装的特点，同时能够降低制造成本和安装、运输成本，特别适用于大中型双反射面天线中的副面背架结构。

主权项：1.一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：包括位于两个平面内的内环支撑1和外环支撑2；所述的内环支撑1外形为N边形，其中，N为自然数，且N≥3，内环支撑1由N个内环杆1-1～1-N组成，内环杆1-1～1-N两两之间通过内环球节点5相连接；所述的外环支撑2外形为2N边形，外环支撑2由2N个外环杆2-1～2-2N组成，外环杆2-1～2-2N两两之间通过外环球节点6相连接；2N个外环球节点6包括N个外环主杆球节点和N个外环斜杆球节点，外环主杆球节点与外环斜杆球节点为间隔布置；N个外环主杆球节点与N个内环球节点5通过N个主杆3一一对应相连接；N个外环斜杆球节点与N个内环球节点5通过2N个斜杆4进行对应连接；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构。

全文数据：一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架及制造方法技术领域本发明涉及通信、测控以及射电天文等领域中双反射面天线的副面背架及制造方法，更具体地讲，涉及中等口径副面的轻量化、高刚度背架结构，尤其适用于大批量、快速安装的中大型口径双反射面天线的生产和制造。背景技术反射面天线具有高增益、低旁瓣等特点，广泛应用于通信、测控以及射电天文等领域中，双反射面天线与单反射面天线相比，有以下优点：1由于增加了副面，几何参数增多，便于按照各种需求灵活地进行设计；2可以采用短焦距抛物面作主反射面，减小了天线的纵向尺寸；3由于副面的引入，馈源可以安装在抛物面顶点附近，使馈源和接收机之间的传输路径缩短，减少了传输过程的噪声。基于以上原因，双反射面天线的地位比单反射面天线更加重要，特别适用于高性能、宽频带和多频段等重要场合。双反射面天线由主面、副面和馈源三者组成，其中副面用于反射来自主面或馈源的电磁波，其性能直接影响了天线系统的整体指标。副面背架用于支撑副面并为其提供刚度，副面的表面精度和位置精度直接由背架决定。因此，副面背架结构是双反射面天线系统中的核心部件。对于口径为1500～8000mm的副面而言，如果采用整体式结构，将受到机械制造能力的限制，一般采用分块形式。分块形式副面均由背架来提供连接和支撑，传统的副面背架一般是由中心体、辐射梁和环拉杆等组成，辐射梁沿中心体圆周均匀分布，并由环拉杆连接形成天线背架，如中国专利公开号CN101630776A，名称为《容易调节的反射面板背架结构和反射面板支撑结构》中公开了一种易调节的反射面板背架结构。在传统的副面背架结构中，中心体采用圆筒形式，内部衬有加强筋板，经焊接成型；辐射梁是由若干型材经焊接后形成平面桁架结构。这种背架结构形式虽然可以满足天线电气性能指标，但存在以下缺陷：1自重变形大。传统的副面背架采用中心体和桁架组合方式。中心体采用实板成型，在内部设置有环向和径向的加强筋板，桁架由若干个沿圆周分布平面辐射梁组成。该种结构形式，虽然能够满足副面的精度要求，但会导致背架重量升高，进而增大支撑副面系统的整体结构的变形，影响了副面的位置精度。2表面精度差。由中心体和辐射梁以及环拉杆组成的传统副面背架，其中心体位置刚度非常高，而辐射梁位置刚度偏弱，造成背架在结合位置的刚度不连续，使得副面精度变差。3天线效率低。为了减小由于过重的副面背架引起的变形，需要加大支撑系统的几何尺寸，以提高刚度和位置精度，这样会使得支撑系统所产生的口径遮挡增大，造成天线总体效率降低。中国专利公开号CN105281036A，名称为《副面姿态空间六维调节机构》中公开了一种用于卫通天线的副面位姿调节机构；中国专利公开号CN203910974U，名称为《一种含有摆动调整机构的天线副反射面系统》中公开了一种采用曲柄摇杆机构调整副面姿态的装置；中国专利公开号CN202712431U，名称为《一种含有固定调整机构的天线副反射面系统》中公开了一种大型天线的副面六自由度并联调整机构。上述几种机构虽然能够对副面进行位置或姿态的调整，但对其中所涉及到的有关副面背架方面来说，存在以下不足：1只涉及副面调整。以上三种专利通过采用不同的方法对副面进行调整，不涉及副面本身的支撑方式或结构形式。2不涉及副面背架。在上述的专利中，没有给出为了保证副面刚度和精度的背架结构方案。3只提及小口径或传统背架。上述的公开号为CN105281036A和CN203910974U专利中只涉及整体式小口径副面；公开号为CN202712431U专利中的副面采用分块式结构，但其副面背架为传统结构形式。发明的内容本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种内外边数为1比2的单层空间结构天线副面背架及制造方法，与现有的技术相比，具有重量轻、精度高、刚度大以及能够快速安装的特点。本发明副面背架采用单层空间螺栓球结构形式，分内外两环，多若干个稳定的三角形单元组成，节点连接方式采用螺栓球结构，螺栓球采用中空结构且经数控加工成型，这种副面背架结构形式能够有效提高副面的整体刚度，减小副面系统的重量，同时能够降低制造成本和安装、运输成本。为解决上述技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，包括位于两个平面内的内环支撑1和外环支撑2；所述的内环支撑1外形为N边形，其中，N为自然数，且N≥3，内环支撑1由N个内环杆1-1～1-N组成，内环杆1-1～1-N两两之间通过内环球节点5相连接；所述的外环支撑2外形为2N边形，外环支撑2由2N个外环杆2-1～2-2N组成，外环杆2-1～2-2N两两之间通过外环球节点6相连接；2N个外环球节点6包括N个外环主杆球节点和N个外环斜杆球节点，外环主杆球节点与外环斜杆球节点为间隔布置；N个外环主杆球节点与N个内环球节点5通过N个主杆3一一对应相连接；N个外环斜杆球节点与N个内环球节点5通过2N个斜杆4进行对应连接；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构。其中，所述的内环杆、外环杆、主杆和斜杆均为钢制圆管、铝合金圆管或碳纤维复合材料管。其中，所述的内环杆、外环杆、主杆和斜杆均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。其中，所述的内环杆、外环杆、主杆3和斜杆与对应的内环球节点5和外环球节点6的连接形式均采用螺栓球结构。其中，所述的内环球节点5和外环球节点6均为球冠形中空结构，在半球面上分布有相应螺纹孔。其中，所述的N边形的每个边长均相同其中，所述的N边形包括三角形、四边形、五边形和六边形。如权利要求1-7任一所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架的制造方法，其特征在于包括以下步骤：①任取天线副面边缘上的不在同一直线上的三个点，并确定过这三个点的平面；②将步骤①所得到的平面沿副面口径法向轴线方向平移设定距离A，得到外环平面；③在所述外环平面内作出边数为2N的多边形，记为2N边形，使2N边形的重心位于反射面面口径法向轴线上；其中，N为自然数，且N≥3，；④将所述外环平面沿与步骤②同方向平移设定距离B，得到内环平面；其中，B大于A；⑤在所述内环平面内作出边数为N的多边形，记为N边形，所述的N边形中至少有一个顶点与所述的2N边形中的顶点相对应，且使N边形的重心位于反射面面口径法向轴线上；⑥将2N边形的2N个顶点分为N个外环主杆球节点和N个外环斜杆球节点，外环主杆球节点与外环斜杆球节点为间隔布置；N个外环主杆球节点与N个内环球节点5通过N个径向线段一一对应相连接；N个外环斜杆球节点与N个内环球节点5通过2N个斜向线段进行对应连接；⑦将2N边形的边替换为外环杆，将N边形的边替换为内环杆，将顶点替换为球节点，将径向线段替换为主杆，将斜向线段替换为斜杆；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构；完成内外边数为1比2的单层空间结构副面背架的制造。其中，所述的N边形的每个边长均相同其中，所述的球节点为球冠形中空结构，在半球面上分布有相应螺纹孔。本发明与背景技术相比具有如下有益效果：1本发明与现有技术相比，背架采用单层空间结构形式，由多个三角形单元组成，具有稳定的力学性能，能够提升副面的表面精度，具有刚度大、重量轻的优点。2本发明所采用的单层结构，杆件分布均匀，重力变形均衡，克服了传统副面背架刚度突变的缺点。3本发明中的副面背架均由单根杆件组成，可单独加工成型，与传统焊接成型的桁架结构相比，具有精度高、不易变形和易于调整的优点。4本发明副面背架中的各连接节点，均采用螺栓球节点经数控加工成型，经组装后的背架位置精度高、互换性好，特别适用于大批量生产制造。5本发明中组成背架的所有杆件均采用螺栓球结构相互连接，分解后的可运输单元均适合于公路运输和标准集装箱。总之，本发明构思巧妙，思路清晰，易于实现，既解决了传统的双反射面天线中的副面背架结构精度低、重量重的问题，又提高了副面背架的刚度和安装精度，是对现有技术的一种重要改进。附图说明图1是本发明实施例的总体结构图；图2是本发明实施例的节点结构示意图；图3是本发明实施例的球节点结构示意图；图4是本发明实施例的组成原理图；图5是本发明内环为三角形的拓扑原理图；图6是本发明内环为四边形的拓扑原理图；图7是本发明内环为六边形的拓扑原理图。图中各标号的含义如下：内环支撑1，内环杆1-1，内环杆1-2，内环杆1-3，内环杆1-4，内环杆1-5，外环支撑2，外环杆2-1，外环杆2-2，外环杆2-3，外环杆2-4，外环杆2-5，外环杆2-6，外环杆2-7，外环杆2-8，外环杆2-9，外环杆2-10，主杆3，斜杆4，内环球节点5，外环球节点6。具体实施方式下面结合附图1-7与具体实施方式对本发明作进一步的描述。本发明实施例以双反射面天线中副面口径为5米的副面背架为示例，如图1所示，本发明的副面背架包括：内环支撑1、外环支撑2、主杆3、斜杆4、内环球节点5和外环球节点6。内环支撑1和外环支撑2分别位于两个平面内，两个平面之间的距离为500～3000mm。本例中两个平面之间的距离取值为1000mm。内环支撑1外形为N边形，所述的N边形的每个边长均相同，其中，N为自然数，且N≥3，内环支撑1由N个内环杆1-1～1-N组成，内环杆1-1～1-N两两之间通过内环球节点5相连接；本例中内环支撑1外形为五边形，由内环杆1-1、内环杆1-2、内环杆1-3、内环杆1-4和内环杆1-5组成。外环支撑2外形为2N边形，外环支撑2由2N个外环杆2-1～2-2N组成，外环杆2-1～2-2N两两之间通过外环球节点6相连接。本例中外环支撑2外形为十边形，由外环杆2-1、外环杆2-2、外环杆2-3、外环杆2-4、外环杆2-5、外环杆2-6、外环杆2-7、外环杆2-8、外环杆2-9和外环杆2-10组成。N个内环球节点5中至少有一个节点与外环球节点6相对应。本例中内环球节点5的五个节点均与外环球节点6相对应。主杆3两端分别与内环球节点5和外环球节点6相连接，数量为N个。本例中主杆3的数量为5个。斜杆4两端分别与内环球节点5和外环球节点6相连接，数量为2N个。本例中斜杆数量为10个。内环杆1-1～1-5、外环杆2-1～2-10、主杆3和斜杆4组成多个三角形空区的网面结构。本例中的背架结构是由15个三角形空区组成的网面结构。内环杆1-1～1-5、外环杆2-1～2-10、主杆3和斜杆4为钢制圆管或铝合金圆管，也可以是碳纤维复合材料，直径为30～120mm，长度为500～3000mm。本例中内环杆1-1～1-5、外环杆2-1～2-10、主杆3和斜杆4为碳纤维复合材料，直径为60～100mm，长度为1200～2000mm。内环杆1-1～1-5、外环杆2-1～2-10、主杆3和斜杆4均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。如图2所示，内环杆1-1～1-5、外环杆2-1～2-10、主杆3和斜杆4与对应的内环球节点5和外环球节点6的连接形式均采用螺栓球结构。如图3所示，内环球节点5和外环球节点6均为球冠形中空结构，在半球面上分布有相应螺纹孔，采用数控机床加工成型。本发明一种内外边数为1比2的单层空间结构副面背架的制造方法的最佳实施例如图4所示，包括以下步骤：①任取副面边缘上的不在同一直线上的三个点，并确定过这三个点的平面，记为平面A；②将步骤①所得到的平面A沿副面口径法向轴线方向平移适当距离，得到外环平面，记为平面B；③在平面B内作出边数为10的多边形，顶点分别记为P1、P2、P3、P4、P5、P6、P7、P8、P9和P10，使十边形的重心位于副面口径法向轴线上；④将平面B沿与步骤②同方向平移适当距离，得到内环平面，记为平面C；⑤在平面C内作出边数为5的多边形，顶点分别记为P1’、P2’、P3’、P4’和P5，五边形的顶点P1’、P2’、P3’、P4’和P5’分别与十边形的顶点P2、P4、P6、P8和P10相对应，且使五边形的重心位于副面口径法向轴线上；⑥依次连接五边形的顶点和相应十边形的顶点，得到五条径向线段，分别记为P1’P2、P2’P4、P3’P6、P4’P8和P5’P10；依次连接五边形的顶点和其余十边形的顶点，得到十条斜向线段，分别记为P1’P3、P2’P3、P2’P5、P3’P5、P3’P7、P4’P7、P4’P9、P5’P9、P5’P1和P1’P1。⑦将2N边形的边替换为外环杆，将N边形的边替换为内环杆，将顶点替换为球节点，将径向线段替换为主杆，将斜向线段替换为斜杆；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构；得到内外边数为1比2的单层空间结构副面背架。为了验证本发明的通用性，实施例也给出了内环为不同边数多边形的原理图。图5是本发明实施例内环为三角形的拓扑原理图；图6是本发明实施例内环为四角形的拓扑原理图；图7是本发明实施例内环为六角形的拓扑原理图。对于其它内环边数的制造方法，也可以根据上面提供的步骤所得到。以上所述，仅是本发明的最佳实施例，并非对本发明作任何限制，凡是根据本发明技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、变更以及等效结构改变，均仍属于本发明技术方案的保护范围内。

权利要求：1.一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：包括位于两个平面内的内环支撑1和外环支撑2；所述的内环支撑1外形为N边形，其中，N为自然数，且N≥3，内环支撑1由N个内环杆1-1～1-N组成，内环杆1-1～1-N两两之间通过内环球节点5相连接；所述的外环支撑2外形为2N边形，外环支撑2由2N个外环杆2-1～2-2N组成，外环杆2-1～2-2N两两之间通过外环球节点6相连接；2N个外环球节点6包括N个外环主杆球节点和N个外环斜杆球节点，外环主杆球节点与外环斜杆球节点为间隔布置；N个外环主杆球节点与N个内环球节点5通过N个主杆3一一对应相连接；N个外环斜杆球节点与N个内环球节点5通过2N个斜杆4进行对应连接；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构。2.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的内环杆、外环杆、主杆和斜杆均为钢制圆管、铝合金圆管或碳纤维复合材料管。3.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的内环杆、外环杆、主杆和斜杆均包括圆管、锥头、高强度螺栓和螺母。4.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的内环杆、外环杆、主杆3和斜杆与对应的内环球节点5和外环球节点6的连接形式均采用螺栓球结构。5.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的内环球节点5和外环球节点6均为球冠形中空结构，在半球面上分布有相应螺纹孔。6.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的N边形的每个边长均相同。7.根据权利要求1所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的N边形包括三角形、四边形、五边形和六边形。8.如权利要求1-7任一所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架的制造方法，其特征在于包括以下步骤：①任取天线副面边缘上的不在同一直线上的三个点，并确定过这三个点的平面；②将步骤①所得到的平面沿副面口径法向轴线方向平移设定距离A，得到外环平面；③在所述外环平面内作出边数为2N的多边形，记为2N边形，使2N边形的重心位于反射面面口径法向轴线上；其中，N为自然数，且N≥3，；④将所述外环平面沿与步骤②同方向平移设定距离B，得到内环平面；其中，B大于A；⑤在所述内环平面内作出边数为N的多边形，记为N边形，所述的N边形中至少有一个顶点与所述的2N边形中的顶点相对应，且使N边形的重心位于反射面面口径法向轴线上；⑥将2N边形的2N个顶点分为N个外环主杆球节点和N个外环斜杆球节点，外环主杆球节点与外环斜杆球节点为间隔布置；N个外环主杆球节点与N个内环球节点5通过N个径向线段一一对应相连接；N个外环斜杆球节点与N个内环球节点5通过2N个斜向线段进行对应连接；⑦将2N边形的边替换为外环杆，将N边形的边替换为内环杆，将顶点替换为球节点，将径向线段替换为主杆，将斜向线段替换为斜杆；所述的内环杆和两个斜杆之间以及外环杆、主杆和斜杆之间均构成三角形结构；完成内外边数为1比2的单层空间结构副面背架的制造。9.根据权利要求8所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的N边形的每个边长均相同。10.根据权利要求8所述的一种内外边数为1比2的单层空间结构的天线副面背架，其特征在于：所述的球节点为球冠形中空结构，在半球面上分布有相应螺纹孔。

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