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基于放缩原理的可展天线的设计与应用
一 选题的背景和意义
随着立体化信息化战场模式的建立与发展，无线通信技术在未来战争中的作用日益突出，甚至成为战事成败的关键。^[1]天线作为无线通信系统中的关键构件，成为各国航空领域以及军事领域致力发展的一项重要技术。就太空领域而言，太空之间太空与地面之间的联络离不开高增益天线；在地面上，执行远距离作战任务的班排或单兵欲取得和指挥部的联络也离不开高增益天线。对于机动分队而言，重量大小及架设难易度便成为天线在远距离作业中的一组重要性能指标。^[2]可展天线就是一种可以满足上述要求的高增益天线，迄今为止该类型天线已经在卫星机载雷达地面站移动通信站车载站等场合中得到了广泛的应用。常规的反射面天线由于采用刚性板块构成，因而存在重量大、成本高、架设难度大等缺点，不符合未来作业环境对通信设备机动灵活性的要求。因此，可展天线就成了卫星通信和深空通信的最佳选择。本设计的初衷就是总结归纳前人对于机构放缩原理及天线领域的研究，完成更进一步的机构设计，更好的迎合将来工作场合的需求，从而为我国通讯事业做出一份贡献。
 
二 研究的基本内容和拟解决的主要问题
现今的常见天线产品中移动式便携可展天线很少见。本文将要进行的天线机构方面的探索是基于放缩原理的可展天线机构研究，在研究现有的机构放缩原理的基础上，利用多种形式结构组合的方法，提出一种可靠地可展天线的放缩机构方式，取得较高的放缩形状比。借鉴以往国内外对于此方向的结构研究成果，考虑用机构的优化设计降低其机构自由度和降低驱动电机数量。并在此基础上，进行整体机构的模块化设计，将复杂的展开结构化简为一系列简单易拼装的结构单元，从而提高可展天线的应用范围和受用广度。
2.1 放缩原理
空间可展结构的形式多种多样，而且包含的内容也很庞大，经过几十年的研究，许多国家在空间可展结构方面已经取得了长足的进步，并已经有了许多成功应用的先例。通过总结^[3]。可以将可展结构大体分为以下六种类型：张拉结构、三重对称连杆结构、多边形多面体结构、可收缩平面结构、可展张拉压杆结构和x型可展结构。下面简单介绍这几种结构及其特点。
2.1.1 张拉结构
广义张拉结构^[4] 指的是任何由索和支架所构成的并且索部分具有初应力的放缩结构。而狭义张拉结构则指的是为了满足稳定结构的目的而对连接索施加初应力的单元是由相似的单元构成的伸缩结构（如图1所示），其特点为每一个节点都至少与一个支架与三条连接索相连接，保证其稳定性。
2.1.2 三重对称连杆结构
这是一种封闭的空间放缩结构^[5]，主要由连杆与转动副所构成，它的每一个位置拥有三个面的对称性（如图2所示），从而使得该放缩结构具有很好的叠加性。这类结构具有等边长性，即该类结构在加工时图纸十分方便，装配式零件互换性强，但是由于其结构的几何精度要就较高，所以对于铰链连接处加工精度要求也会有所提高。
2.1.3 多边形可展结构
多边形可展结构^[6]是一种开放式平面展开机构，它主要由连杆和转动副组成（如图3所示）。两连杆间通过改变铰接角度可以将一个较大大的六边形结构变换成一个较小的六边形结构结构。同样的原理还可以应用到四边形、八边形等平面单元。
2.1.4 可收缩平面结构
这种结构^[7]与多边形结构相似，区别在于可收缩平面结构用板单元代替多边形可展结构中的连杆单元结构。如图4所示，将图4(a)中的八个单元分别用图4(b)中的板状结构单元替换，在各板单元相交处添加转动副。它便可以展开成图4(c)的状态。可收缩平面结构是一种单自由度结构，在实际应用中大大降低了控制复杂度等问题，但是在展开后在结构中间会有空余空间，但是板单元间没有间隙、重叠等，在展开过程中不会相互干涉。

 
2.1.6 X 形可展结构
 X形可展结构^[9]是现今最常见的可展结构，其主要有多个由剪式单元组成。剪式单元及成角构件的形状与相互连接方式决定了可展结构的展开方式与展开过程，如图6所示。
 X形可展结构具有单自由度、放缩比大、展开过程稳定等特点，因而在工程应用中广泛使用。
2.2 空间可展天线研究现状

虽然现今已有的放缩原理及结构已有很多种类，但实际用到可展天线机构使用中的 大体可以分为三类^[10]:固面可展天线结构、网面可展天线结构、充气可展天线结构。而每种类型里都会根据其结构组成、驱动方式等的不同而衍生出很多其他形式应用。

2.2.1 固面可展天线结构
 固面可展天线结构是由多个可动刚性板单元反射面构成，在收拢状态下，刚性反射板折叠，在电机的驱动下展开至工作状态。DSL曾研制出SSDA天线^[11]，其展开过程如图7所示。该类固面展开天线结构的优点在于其展开形面精度很高，但是收纳率较低，这大大限制了其在空间领域的应用广度。
2.2.2 网面可展天线结构
网面可展天线结构是目前国际上广为使用的一种空间可展天线结构，这种天线结构的反射面有轻质金属网面构成，其柔性特点便于结构收缩方式的多样化^[12]。美国NASA的Langley研究中心曾提出过可展四面体天线结构方案^[13]，如图8所示。该结构具有收纳率较大，构型灵活等特点，但同时面临着放缩形面精度低等问题。

2.2.3 充气可展天线结构
 近年来，随着新型材料领域不断推进，充气可展天线研究也变得活跃起来，该类天线主要由充气性硬化材料制造而成，通过对结构内气压的控制使其达到所需形状位置并使其保持下去，及发生塑性形变。^[14]该类型天线的优点在于打破了可展天线受结构硬性要求的空间尺寸，可以是放缩比达到一种阶跃性突破，但是由于材料领域发展的独特性，该类型天线的应用还比较稀少，更多的实验室处于起步阶段的理论性研究。^[15]
三 研究方法及措措施
在广泛查阅先关资料的基础上，立足于课堂中所得关于理论力学、材料力学、机械原理、机械设计等知识加以理论分析研究、软件仿真验证相结合的方法进行研究。循序渐进，首先设计一个少分支数的结构进行机构可行性考量与分析，然后进行原理性重复与叠加。
理论分析：用所学的材料力学、理论力学、机械原理等知识分析构件的受力分析，强度校核，机架绞链位置选择等问题。
软件仿真：使用 SolidWorks 等进行运动仿真，并使用 Matlab 进行分析计算设计中所遇到的矩阵分析。
初步设计方案：
经过对空间放缩机构可展天线系统调研后笔者初步设计方案为：将图8所示展开臂重复叠加，使其在投影上满足一个圆形的要求。为满足本要求，初步将平面平分成15个展开臂，以达到放缩式天线折叠态达到较小体积的目的。

四 研究工作的步骤与进度
 
2014 年 2 月 17 日-3 月 16 日：了解当前可伸缩天线的发展、技术及在各行业的应运背景；初步构想可伸缩天线的设计；熟悉各领种领域天线的外部结构。完成开题报告撰写 2014 年 3 月 17 日-4 月 21 日：充分考虑在设计可伸缩天线时遇到的各种可能问题，并提出解决问题；设计出几种解决方案，结合设计结构模型图对各种方案进行运动仿真，比较各种方案的利弊。2014 年 4 月 22 日-5 月 11 日：对提出方案，进行更进一步运动验证，确定最佳方案； 2014 年 5 月 12 日-5 月 25 日：整理文档、撰写论文，准备答辩。
 
五 参考文献
 
[1] 郭东洋,李萍等.可折叠反射面天线的发展现状及前景.电子科技.额.2011,12:118-119.
 [2] 李端玲,张振华.基于蝶形机构的放缩机构的设计及仿真.机电产品开发与创新.22(6).2009,9:38-39.
 [3] 关富玲,刘亮.四面体构架式可展天线展开过程控制及测试.工程设计学报.17(5).2010,10:381-387.
 [4] 田大可 , 刘荣强等 . 多模块构架式空间可展开天线背架的几何建模 . 西安交通大学学报.45(1).2011,1:111-116.
 [5] 李团结 , 张琰等 . 周边桁架客栈开天线展开过程运动分析及控制 . 西安电子科技大学学报.34(6).2007,12:916-921. 
[6] 安明明.空间可展开结构的分析与仿真研究.[硕士学位论文].西安.西安电子科技大学:2009. 

[7] 黄元林,吴志军等.小型卫星天线机构动态干涉检验.中国制造业信息化.34(1).2005,1:106-108.
 [8] 胡宇,陈务军等.空间充气可展天线反射面精度测试分析.四川兵工学报.32(8).2011,8:109-119.
 [9] 肖勇,罗国华等.大型可展天线展开方式及规律的研究.机械设计与制造.(2).2005,2:84-85.
 [10] 廖启征,李端玲.单层及多层平面图形放缩机构的构造方法.机械工程学报.44(6).2008,6:43-48.
 [11] 张淑杰,关富玲等.大型空间可展网状天线的形面分析.空间结构.7(2).2001,6:44-48.
 [12] 赵孟良.空间可展结构展开过程动力学理论分析、仿真及试验 .[博士学位论文].浙江.浙江大学:2007.
 [13] 王兴泽. 基于特殊基本单元放缩机构的结构设计与仿真 .[硕士学位论文].北京. 北京邮电大学:2011.
 [14] 张惠峰.空间可展天线精度测量、热分析、可靠性分析及间隙影响研究.[博士学位论文].浙江.浙江大学:2010.
 [15] 侯国勇.桁架式展开结构设计、分析及试验.[博士学位论文].浙江.浙江大学:2008.