DE60013792T2

DE60013792T2 - Antenne mit begrenztem Blickfeld für Weltraumanwendungen

Info

Publication number: DE60013792T2
Application number: DE60013792T
Authority: DE
Inventors: Daniel Davis
Original assignee: Northrop Grumman Corp
Current assignee: Northrop Grumman Corp
Priority date: 2000-01-21
Filing date: 2000-12-28
Publication date: 2005-09-29
Anticipated expiration: 2020-12-29
Also published as: EP1168497A2; EP1168497A3; EP1168497B1; ATE276592T1; DE60013792D1; US6836255B1

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Gebiet der Erfindung
Die Erfindung bezieht sich im Allgemeinen auf Antennen, die für Weltraumanwendungen verwendet werden, und insbesondere auf eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit einem parabolischen Hybridreflektor, welche im zusammengefalteten Zustand beim Start verstaut wird, und welche danach, wenn sie auf einer Umlaufbahn ist, ausgefahren wird, um eine relativ große Antenne vom Reflektortyp zu bilden.
Beschreibung des Stands der Technik
Extrem große Abtastantennen für Weltraumanwendungen, die begrenzte Abtastanforderungen aufweisen, sind bekannt. Wird die Antenne von der Erde wegbewegt, so verkleinern sich die Abtastwinkel, während sich die Abmessungen der Antenne vergrößern. Das Problem beim Ausfahren und Steuern großer Antennen ist beträchtlich. Gruppenantennen haben im Allgemeinen zu viele Elemente, um kosteneffektiv zu sein, während Reflektorantennen Konfigurationsprobleme aufweisen hinsichtlich eines Blockierens und eines Leistungsabfalls an den Rändern des Abtastbereichs.
Gegenwärtig verwenden große Abtastantennen parabolische Reflektoren mit Anhäufungen von Elementen am und in der Nähe des Brennpunkts, um den Strahl abzutasten. Um die Antenne zu steuern, wird eine große Gruppe von Elementen verwendet zum Senden und Empfangen. Beim Senden wird eine Steuerung nur der Phase bevorzugt, während beim Empfangen sowohl Phasen- als auch Amplitudensteuerungen verwendet werden. Weiterhin ist beim Senden die Amplitude gleichmäßig, während sie beim Empfangen normalerweise konisch zuläuft. Um die Leistung zwischen vielen Elementen zu verteilen, um eine Konzentration der Erwärmung zu reduzieren, ist das Einspeisarray typischerweise nach vorne vom Brennpunkt hin versetzt; dies erhöht jedoch die Abmessungen der Einspeisvorrichtungen beträchtlich, mit einem damit einhergehenden Blockadeverlust.
Blenden, die aus einer Vielzahl von Reflektorsuperelementen bestehen, und die alle ein Einspeisarray aufweisen, welches entsprechenden Antennenmuster erzeugt, steuern ein zusammengesetztes Strahlmuster in der Nähe der erwünschten Richtung. In solch einer Vorrichtung wird dann die Phasen- oder Zeitverzögerung zwischen Elementen verwendet, um die Antenne feinzusteuern. Mit großen Abständen zwischen den Elementen werden jedoch Gitterstrahlkeulen ausgebildet, wobei es sich um das klassische Problem beim Verwenden eines großen Elements in einer phasengesteuerten Gruppenantenne handelt. Bei Strahlpositionen zwischen Elementausrichtungspositionen kann es zu größeren Gitterstrahlkeulen kommen, welche die Leistung aus dem Hauptstrahl aufzehren und somit wiederum zu ernsten Problemen führen.
US 4,259, 674 offenbart eine phasengesteuerte Gruppenantenne mit parabolischem Reflektor für Weltraumanwendungen.
US 4,896,165 offenbart eine ausfahrbare Antennenstruktur für Weltraumanwendungen.
ZUSAMMENFASSUNG
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem mit parabolischem Hybridreflektor, welches verstaubar ist in einer Rakete, und ausfahrbar ist im Weltraum. Die Antenne umfasst einen großen Torus, welcher als Stützaufbau für eine Vielzahl von kleinen Reflektorzellen dient, die als Superelemente bezeichnet werden, wobei eine jede ihren eigenen Reflektor aufweist sowie eine Arrayanordnung von Einspeiselementen. Der Torus stützt ein gestrecktes Reflektornetz und dazu passende Sicherungstragseile, welche einen Mechanismus bereitstellen zum Herabziehen der Reflektoroberfläche der Zellen zu einem exakten Paraboloid. Ein Satz starrer Eckpfosten zum Strecken des Maschengewebes zum Ausbilden der mehrfachen Reflektoren ist ebenfalls bereitgestellt. Der Torus wird auch verwendet, um individuelle Superelementeinspeisarrays für einen jeden Reflektor zu tragen. Die Superelemente tasten den Strahl stückweise ab durch eine Gruppenauswahl von Einspeis elementen in einem jeden Einspeisarray mit einer Zeitverzögerungsphasenkontrolle, welche verwendet wird, um den Arrayfaktor zu steuern, um so eine Feinsteuerung zu erreichen. Ein jedes der Superelemente tastet mit einer ausgewählten Gruppe von Einspeiselementen, die zwischen sieben und zwölf schwanken können, stückweise ab, wobei die Einspeiselemente in ihrer Position verändert werden relativ zur Brennachse des Einspeisarrays. An Zwischenpositionen, wo Gitterstrahlkeulen auftreten, wird die Anzahl der Gruppen von Einspeiselementen verringert und so ausgewählt, dass sie genau zu dieser Position steuern, wodurch das Gitterstrahlkeulenproblem vermindert wird. Andere Verfahren zum Mildern des Gitterstrahlkeulenproblems umfassen die zufällige Auswahl von Gruppen von Elementen um die optimale Position, allmähliches Verschieben der ausgewählten Gruppe von Elementen von einer Position zu einer anderen, zufälliges Auswählen der Einspeisarrays um ihre jeweiligen Brennpunkte, und überlappende Einspeisverteilungen, um das Einspeiszentrum allmählich zu verschieben und so das Einspeiselementmuster exakt anzupassen, um mit der Arrayfaktorspitzenwertposition übereinzustimmen.
Figurenbeschreibung
Die vorliegende Erfindung wird besser verständlich aus der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung und den beigefügten Figuren, welche nur zum Zwecke der Veranschaulichung beigefügt sind, und somit die vorliegende Erfindung nicht beschränken.
Es zeigen:
1 eine perspektivische Ansicht, die in allgemeiner Weise ein weltraumgestütztes Antennensystem veranschaulicht, welches eine Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst;
2 eine Draufsicht von vorne auf das in 1 gezeigte L-Band-Untersystem, welches die vorliegende Erfindung bildet;
3 ein zu Veranschaulichungszwecken dienender Querschnitt der in 2 gezeigten Antennenstruktur längs der Linien 3-3 hiervon;
4A eine perspektivische Ansicht, welche die Einzelheiten einer einzelnen Superelementzelle der in 3 gezeigten Antennenstruktur veranschaulicht;
4B eine perspektivische Ansicht von sieben nebeneinander liegenden und zusammenhängenden Superelementzellen für die in 2 und 3 gezeigte Antenne;
5 eine Draufsicht von vorne auf ein Mehrfachelementeinspeisarray in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung, wobei eine Gruppe von sieben Einspeiselementen aktiviert ist;
6 ein elektrisches Blockdiagramm der Steuerungsschaltung zum wahlweisen Aktivieren einer ausgewählten Gruppe der in 5 gezeigten Einspeiselemente;
7 ein Diagramm, welches die physische Anordnung der Einspeiselemente zeigt, die mittels der in 6 gezeigten Steuerungsschaltung aktiviert werden;
8A, 8B und 8C veranschaulichen die Weise, in welcher sieben Elemente in einem Einspeisarray wahlweise aktiviert werden können, um so die Gruppe der aktivierten Elemente über die Oberfläche des Einspeisarrays bewegen zu können;
9A und 9B veranschaulichen den Arraysteuerungsmechanismus, wobei eine Einspeisgruppenauswahl einen Superelementstrahl bei 0° steuert, wobei Zeitverzögerungseinheiten ebenfalls den Arrayfaktor auf 0° steuern;
10A und 10B veranschaulichen einen Arraysteuerungsmechanismus, wobei eine Einspeisgruppenauswahl einen Superelementstrahl auf 0° steuert, während Zeitverzögerungseinheiten den Arrayfaktor auf 1,1° steuern;
11A und 11B veranschaulichen den Arraysteuerungsmechanismus, wobei eine Einspeisgruppenauswahl einen Superelementstrahl auf 2,4° steuert;
12A und 12B veranschaulichen einen Arraysteuerungsmechanismus, wobei eine Einspeisgruppenauswahl einen Superelementstrahl auf 4,8° steuert, während Zeitverzögerungseinheiten den Arrayfaktor auf 6° steuern;
13A und 13B veranschaulichen ein Beispiel für das Gitterstrahlkeulenproblem, welches auftritt, wenn eine Einspeisgruppenauswahl einen Superelementstrahl auf 0° steuert und Zeitverzögerungseinheiten den Arrayfaktor in der Höhe auf 1,386° steuern;
14A, 14B und 14C veranschaulichen das Verfahren zum Vermindern der Gitterstrahlkeulen durch Steuern einer in ihrer Anzahl verminderten Einspeisgruppe auf 1,386° in der Höhe, wobei der Arrayfaktor auf 1,386° in der Höhe eingestellt wird, wie in 13B gezeigt;
15A bis 15D veranschaulichen ein weiteres Verfahren zum Verringern des Gitterstrahlkeulenproblems, wie in 13B gezeigt, durch zufällige Auswahl von Einspeisgruppen;
16A bis 16D veranschaulichen nochmals ein weiteres Verfahren zum Vermindern des Gitterstrahlkeulenproblems und beinhalten einen Übergang zwischen Strahlpositionen; und
17A bis 17C veranschaulichen nochmals ein weiteres Verfahren zum Vermindern des Gitterstrahlkeulenproblems und umfassen die zufällige Positionierung von Einspeisarrays um ihre jeweiligen Brennachsen.
18A bis 18C veranschaulichen nochmals ein weiteres Verfahren zum Vermindern des Gitterstrahlkeulenproblems, welches das Überlappen der Amplitudenverteilung von Einspeiselementen beinhaltet, um horizontal zwischen nominellen Strahlpositionen zu steuern;
19A bis 19D veranschaulichen nochmals ein weiteres Verfahren zum Verringern des Gitterstrahlkeulenproblems, welches das Überlappen der Amplitudenverteilung von Einspeiselementen beinhaltet, um vertikal zwischen nominellen Strahlpositionen zu steuern; und
20 ist ein Diagramm, welches ein Verfahren veranschaulicht zum gleichmäßigeren Verteilen über ein Einspeisarray, während das Elementmuster zum selben Ort wie der Arrayfaktor gesteuert wird.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In allen Figuren beziehen sich übereinstimmende Bezugszeichen auf dieselben Teile. 1 zeigt ein weltraumgestütztes Antennensystem 10, welches ein X-Band-Untersystem 12 und ein L-Band-Untersystem 14 umfasst. Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das L-Band-Untersystem 14, dessen Einzelheiten in den 2 bis 4 gezeigt sind. Das L-Band-Untersystem 14 umfasst eine relativ großen auffaltbaren Antennenaufbau 18, der eine Torusstützstruktur 20 (2) umfasst, die zum Beispiel 50 m im Durchmesser aufweist und 91 zusammenhängende und nebeneinander liegende Reflektorsuperelemente 22 trägt. Ein Querschnitt des Antennenaufbaus 18 längs der Linien 3-3 in 2 ist in 3 gezeigt. Eine jede der in 3 und 4A gezeigten Reflektorzellen 22 umfasst einen maschenartigen parabolischen Reflektor 24 mit einem sechseckförmigen Umfang. Der Maschenreflektor 24 wird an seinen sechs Ecken durch starre Pfostenelemente 26 gestützt, die, wenn die Antenne ausgefahren ist, die Maschenreflektoren 24 versteifen, sowie Sicherungsspannkabel 28, die ein Netz 30 bilden sowie einen Satz von Falllinien 32, die dazu dienen, den maschenförmigen Reflektor 24 in eine parabolische Form zu bringen.
Ein jedes Reflektorsuperelement 22 umfasst auch ein aus mehreren Elementen bestehendes Einspeisarray 34, welches zum Beispiel aus einer Anhäufung von 37 zusammenhängenden Einspeiselementen 36 besteht, wie in 5 gezeigt. Das Einspeisarray 34 ist weiterhin oberhalb der konkaven Oberfläche des Reflektors 24 mittels eines Satzes von Spannkabeln 38 aufgespannt, die sich zwischen den steifen Stützpfosten 26 und dem Einspeisarray 34 erstrecken. Obwohl nicht unmittelbar ersichtlich, sind auch längs der Kanten des Maschenre flektors 24 Kabelelemente 38 vorgesehen zwischen den Pfosten 26, so dass sich die Maschen nicht längs der Kanten erstrecken, wenn die Reflektoroberfläche durch die Falllinien 32 und ein Spannkabel 28 nach unten gezogen werden.
Während die 4A die mechanischen Details einer einzelnen Reflektorsuperelementzelle 22 offenbart, veranschaulicht 4B eine Gruppe von sieben zusammenhängenden Reflektorzellen 22₁ , 22₂ , ... 22₇ . Es sei angemerkt, dass bei einer solchen Anordnung ein Stützpfosten 25 in vielen Fällen auftritt im Schnittpunkt von drei Reflektoren 24 von zusammenhängenden Superelementreflektorzellen, so dass zum Beispiel an dem Schnittpunkt von drei Oberflächen ein "Y" ausgebildet wird. Die starren Pfostenelemente 26 dienen auch dazu, eine Ausrichtung der verschiedenen Reflektorzellen 22 beizubehalten.
In den 5, 6 und 7 sind Einzelheiten des Einspeisarrays 34 für ein jedes Reflektorsuperelement 22 gezeigt. Wie oben erwähnt, umfasst ein jedes Einspeisarray 34 siebenunddreißig Einspeiselemente 36, die über eine in 6 gezeigte Schaltmatrix 35 aktiviert werden, um Leistung auszusenden (Tx) und zu empfangen (Rx). Die Schaltungsmatrix 35 umfasst sieben Sätze von Schaltern 40₁ , 40₂ , ...40₇ , wobei die ersten sechs Sätze von Schaltern 40₁ ...40₆ einen Satz von fünf einpoligen Umschaltern umfassen, während der siebte Satz von Schaltern 40₇ sieben einpolige Umschalter umfasst, von denen nur sechs verwendet werden. Somit ist ein jedes Einspeiselement mit einem jeweiligen einpoligen Umschalter verbunden. Die sieben Sätze von Schaltern sind verbunden mit einem 1:7 Signalteiler 42, welcher an einen Zirkulator 44 gekoppelt ist, der Sendesignale von einem Leistungsverstärkungsmodul 46 empfängt und empfangene Signale auf einen Verstärker mit niedrigem Rauschen über eine Empfängerschutzvorrichtung 50 einspeist.
In 7 ist zu sehen, dass der Signalteiler 42 so bedienbar ist, dass er sieben Elemente zur gleichen Zeit in einem Muster A, B, C,... G, wie in 7 gezeigt, bedienen kann, so dass diese eine Anhäufung oder Gruppe 37 von Einspeiselementen 36 an diesem Ort bilden, wie in 5 gezeigt. Diese Position umfasst eine von einer Vielzahl von Positionen auf der Oberfläche des Einspeisarrays 34, wie zum Beispiel in 8A, 8B und 8C gezeigt. Wie in 8A gezeigt, wird eine Gruppe von sieben Einspeiselementen in der Mitte der Anordnung ausgewählt, wohingegen bei 8B eine Gruppe von sieben Elementen rechts von dem Array ausgewählt wird, was dem in 5 und 7 Gezeigten entspricht, während die in 8C gezeigte Gruppe eine Gruppe von sieben Elementen 36 umfasst, die oberhalb und rechts von dem Array angeordnet sind. Eine Gruppe 37 von Einspeiselementen 36 ist nicht beschränkt auf eine feste Anzahl von Elementen, wie zum Beispiel sieben Elemente, sondern kann variabel ausgestaltet werden mit zum Beispiel bis zu zwölf Einspeiselementen in einer Gruppe, wodurch sich jedoch der Aufbau in 6 ändern würde.
Es gibt zwei Mechanismen zum Steuern des Array. Der erste umfasst eine Einspeisgruppenauswahl. Der andere Mechanismus ist eine Zeitverzögerungssteuerung des Arrayfaktors. Dementsprechent gilt, dass, wo eine Vielzahl von Superelementreflektorzellen ein phasengesteuertes Gruppenantennensystem, wie in 1 bis 3 gezeigt, bilden, eine Reflektoreinspeisgruppenauswahl beinhaltet, dass eine spezielle Einspeisgruppe ausgewählt wird für eine von einem Strahl abgedeckte Region, wobei ähnliche Gruppen bei jeder Einspeisung ausgewählt werden, und wobei all die einzelnen Superelementreflektoren ein breites Elementmuster in derselben Richtung erzeugen. Eine zeitverzögerte Steuerung des Arrayfaktors führt zu einer Feinsteuerungsregelung und wird erreicht durch Zeitverzögerungseinheiten, die nicht gezeigt sind, welche die relative Verzögerung zwischen Superelementreflektorzellen anpassen. Beispiele für eine Arraysteuerung durch Reflektoreinspeisgruppenauswahl und Zeitverzögerungssteuerung des Arrayfaktors ist in den 9 bis 12 gezeigt.
Im Folgenden wird auf die 9A und 9B Bezug genommen. Sie veranschaulichen den Arraysteuerungsmechanismus, wobei ein Einspeisarray 34 einen mittels des Einspeisarrays 34 in 9A erzeugten Superelementstrahl auf 0° steuert, wobei Zeitverzögerungseinheiten auch den Arrayfaktor auf 0° steuern. Wie in 9A gezeigt, ist das Einspeiselement der Gruppe 37 im Einspeiselementarray 34 zentriert. Wird keine Arrayfaktorsteuerung angewendet, so ergibt sich ein Antennenmuster, wie in 9B gezeigt. In 9B zeigt das Bezugszeichen 52 das Superelementstrahlmuster, welches erzeugt wird durch die ausgewählte Einspeiselementgruppe 37. Das zusammengesetzte Antennenmuster des gesamten phasengesteuerten Gruppenantennensystems, wie in 2 und 3 gezeigt, umfasst eine Hauptstrahlkeule 54 und Paare von Nebenstrahlkeulen 55. Eine Arrayfaktorsteuerung ist angezeigt durch die Position eines Paares von Gitterstrahlkeulen 56 auf einer jeden Seite der Hauptstrahlkeule 54.
10A und 10B veranschaulichen den Steuerungsmechanismus, bei dem eine Gruppenauswahl abermals den Superelementstrahl auf 0° steuert durch Zentrieren des ausgewählten Einspeiselements in der Gruppe 37, wie in 10A gezeigt, wobei aber nun der Arrayfaktor auf 1,1° gesteuert wird, wie in 10B durch Gitterstrahlkeulen 56 gezeigt. Die Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Antennenmusters ist nun ebenfalls bei 1,1°.
Als Nächstes werden die 11A und 11B betrachtet. 11A zeigt eine Einspeisgruppenauswahlsteuerung des individuellen Superelementstrahlmusters der Einspeisgruppe 37 bei 2,4°, aber nun ist der Arrayfaktor ebenfalls auf 2,4° gesteuert, was in 11B gezeigt ist, und wobei ein individuelles Superelementmuster 52 der Einspeisgruppe 37 und die Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Antennenmusters nun beide bei 3,4° positioniert sind.
Als Nächstes werden die 12A und 12B betrachtet. Hierin gezeigt ist ein Zustand, bei dem die Gruppenauswahl das jeweilige Superelementstrahlmuster der Einspeisgruppe 39 (12A) auf 4,8° steuert, wohingegen der Arrayfaktor auf 6° gesteuert wird, wie durch die Gitterstrahlkeulen 56 in 12B gezeigt. Die Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Antennenmusters ist nun auch bei 6° positioniert.
Es sei jedoch angemerkt, dass es einige Abtastpositionen gibt, wo insbesondere ein Gitterstrahlkeulenproblem auftritt, soweit es sich auf ein zusammengesetztes Muster bezieht. Dies ist zum Beispiel, wie in 13A und 13B gezeigt, der Fall, wo eine Einspeiselementgruppenauswahl (13A) den Superelementstrahl auf 0° steuert, wohingegen der Arrayfaktor in der Höhenerstreckung auf 1,386° gesteuert wird. Wie in 13B gezeigt, ist ersichtlich, dass, während die Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Musters bei 1,386° positioniert ist, eine Gitterstrahlkeule 58 des zusammengesetzten Musters erzeugt wird, welche in der Amplitude (bis hinab zu 5 dB) relativ zur Hauptstrahlkeule 54 beachtlich ist.
Dieser unerwünschte Zustand kann überwunden werden gemäß der vorliegenden Erfindung durch Auswählen einer reduzierten Einspeiselementgruppe 60, wie in 14A gezeigt, die aus einer Gruppe von nur drei Einspeiselementen 36 besteht und wobei der durch die Einspeiselementgruppe 60 (14A) erzeugte Strahl auf die Position in Höhenerstreckung bei 1,386° gerichtet wird. Es ist ersichtlich in 14B, dass die unerwünschte Gitterstrahlkeule 58 des zusammengesetzten Strahlmusters um fast 20 dB in der Amplitude relativ zur Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Musters reduziert wird.
Eine mögliche Abwandlung einer solchen Ausführungsform, die in 14A gezeigt ist, ist in 14C gezeigt, wobei sechs Einspeiselemente 36 ausgelegt sind in einer dreieckförmigen Gruppe 62, wie dort gezeigt.
Ein anderes Verfahren zum Reduzieren der Gitterstrahlkeulen 58 des zusammengesetzten Strahls besteht darin, zufällig Einspeiselementgruppen um die optimale Position herum auszusuchen, wie in den 15A, 15B und 15C gezeigt, wo die Anordnung der ausgewählten Einspeisgruppen 37_a des Einspeisarrays 34-1 um 0° zentriert ist, während die Einspeisgruppen 37_b und 37_c der Einspeisarrays 34-1 und 34-2, wie in 15B und 15C gezeigt, nach links und rechts relativ zur Gruppe 37_a verschoben sind. Solch eine Anordnung würde Antennenmuster erzeugen, wie in 15B gezeigt, wobei die Hauptstrahlkeule 54 des zusammengesetzten Musters bei 1,38° in Höhenrichtung positioniert ist; jedoch sind die Gitterstrahlkeulen 58 wesentlich größer als die in 14B gezeigten, welche in der Amplitude gegenüber der Hauptstrahlkeule 54 nur um 10 dB nach unten verschoben sind.
Die 16A bis 16D veranschaulichen noch ein weiteres Verfahren zum Verringern des Gitterstrahlkeulenproblems. Dies beinhaltet einen allmählichen Übergang von einer Strahlposition zu einer anderen. Zum Beispiel ist, wie in 16A gezeigt, die Einspeiselementgruppe 37 zentriert, während in 16B und 16C ein unregelmäßiges Muster von Einspeiselementen einen Übergang in die letzendlich in 16D gezeigte Position zeigt. In diesem Fall wird dieselbe Anzahl von Einspeiselementen verwendet.
Ein nochmals weiteres Verfahren des Verringerns des Gitterstrahlkeulenproblems ist in den 17A, 17B und 17C gezeigt und umfasst das zufällige Positionieren der Einspeisarrays, zum Beispiel Arrays 34-1, 34-2 und 34-3 um den Brennpunkt des jeweiligen Arrays, wie er im Schnittpunkt der X- und Y-Achse positioniert ist.
18A bis 18C und 19A bis 19D veranschaulichen nochmals ein weiteres Verfahren zum Verringern des Gitterstrahlkeulenproblems und beinhalten das Anpassen der Amplitudenverteilung für ein jedes Einspeiselement. Die Verteilungen überlappen sich wie notwendig ist, um das Einspeisarray exakt zu der Position zu steuern wie den Arrayfaktor. Der Nachteil ist, dass die Einspeisarrayamplituden nicht gleichförmig sind.
18A und 18B zeigen zum Beispiel zwei nominelle Verteilungen von Strahlen bei 0° und 2,4°. Überlappende Verteilungen bilden eine zusammengesetzte Verteilung, wie in 18C gezeigt, welche das Elementmuster horizontal exakt in der Mitte zwischen Strahlpositionen abtastet. Somit ergibt für diese Position kein Fehler zwischen dem Spitzenwert des Elementmusterstrahls und dem Spitzenwert des Arrayfaktorstrahls. Dementsprechend sind die Gitterstrahlkeulen reduziert.
In den 19A, 19B und 19C sind dort drei nominelle Verteilungen für Strahlen bei θ=0°, φ=30° und θ=2,4° φ=30° und θ=2,4° gezeigt. Überlappende Verteilungen bilden eine zusammengesetzte Verteilung, wie in 19B gezeigt, um das Elementmuster vertikal exakt zum Schnittpunkt zwischen den Positionen zu steuern. Somit gibt es für diese Position keinen Fehler zwischen dem Elementmusterstrahlscheitelwert und dem Arrayfaktorstrahlscheitelwert, und somit sind die Gitterstrahlkeulen reduziert.
Wird die Einspeisblende vor der Brennebene 60 zu einer neuen Position 62 verschoben, wie in 20 gezeigt, so stellt dies eine Möglichkeit bereit, die Leistung gleichmäßiger über den Einspeisarray zu verteilen, während das Elementmuster zur selben Position wie der Arrayfaktor gesteuert wird. Bei diesem Aufbau müssen die Amplitude und Phase der Einspeisarrayelemente individuell angepasst werden beim Senden und Empfangen. In 20 wird der exakte Einspeispunkt analytisch bestimmt. Es wird angenommen, dass eine optimale Einspeisung von diesem Punkt ausstrahlt, und dass ihre Strahlung auf die Einspeisebene projiziert wird. Die in der Einspeisebene bestimmte Verteilung wird dann von dort ausgestrahlt. Der Vorteil dieser Vorgehensweise liegt darin, dass Leistung zwischen allen Einspeiselementen verteilt wird. Der Nachteil besteht darin, dass die Phase und Amplitude geregelt werden müssen.
Aus dem Vorstehenden ist ersichtlich, dass die vorliegende Erfindung die Inbetriebnahme einer Antenne mit begrenztem Blickfeld für Weltraumanwendungen ermöglicht durch Ausbilden einer Vielzahl von Reflektorzellen in einer flexiblen reflektierenden Membran unter Verwendung von starren Stützelementen, welche an die flexible Membran an vorbestimmten Positionen angrenzen sowie einen Mechanismus, wie zum Beispiel Spanndrähten, welche die flexible Membran gegen die steifen Stützelemente ziehen, um die Reflektorzellen zu bilden.

Claims

Phasengesteuerte Gruppenantenne mit parabolischem Reflektor, geeignet zur Stationierung im Weltraum, welche umfasst: einen Reflektorstützaufbau (20); eine Vielzahl von parabolischen Reflektorzellen (22), die Seite an Seite in einem offenen inneren Teil der Stützstruktur angebracht sind; wobei eine jede Reflektorzelle einen Hochfrequenzsignalreflektor (24) und eine Array von Hochfrequenzsignaleinspeiselementen (30) umfasst; wobei ein jeder Reflektor eine flexible reflektierende Oberfläche aufweist und eine Vielzahl von länglichen Kanten, die eine geometrische Form festlegen, und entsprechende Eckbereiche, Schnittpunkt von Paaren von Kanten umfasst; jeweils starre Stützelemente (26), die angebracht sind an den Eckbereichen des Reflektors zum Versteifen des Reflektors und der länglichen Kanten, und auch zum Bereitstellen einer Stütze für das Array von Einspeiselementen; einen Satz von flexiblen Stützelementen (38), die sich zwischen den steifen Stützelementen einer jeden Reflektorzelle und dem jeweiligen Array von Einspeiselementen zum Positionieren des Arrays oberhalb des Hochfrequenzsignalreflektors erstrecken; und einen Mechanismus (28, 30, 32), der angebracht ist unterhalb eines jeden Hochfrequenzsignalreflektors zum Herunterziehen der flexiblen reflektierenden Oberfläche in eine im Wesentlichen parabolische Form.
Ein Antennenaufbau nach Anspruch 1, wobei der Reflektorstützaufbau eine toroidale Stützstruktur (20) umfasst.
Antennenaufbau nach Anspruch 1, wobei die Vielzahl von parabolischen Reflektorzellen aus Superelementreflektorzellen (22) besteht, die in einem ebenen Array angeordnet sind.
Antenne nach Anspruch 1, welche zusätzlich ein Stützelement (38) umfasst, welches angebracht ist an den Kanten der reflektierenden Oberfläche, um ein Strecken des Reflektors längs der Kanten zu verhindern.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die starren Stützelemente eine Vielzahl von verlängerten Pfosten (26) umfassen.
Antenne nach Anspruch 1, wobei der Satz von flexiblen Stützelementen Tragstützelemente (38) umfasst.
Antenne nach Anspruch 1, wobei der Mechanismus zum Nachuntenziehen der reflektierenden Oberfläche einen Reserveaufbau enthält, der einen Satz von Drähten (28) und Spannkabeln (32) umfasst.
Antenne nach Anspruch 1, wobei die flexible reflektierende Oberfläche eine Reflektormasche (24) umfasst.
Antenne nach Anspruch 1, wobei das Array der Einspeiselemente ein ebenes Array (34) von Einspeiselementen (36) umfasst.
Antenne nach Anspruch 9, wobei das Array von Einspeiselementen in einer jeden Reflektorzelle wahlweise aktiviert wird in Gruppen (37) von Einspeiselementen (36) und wobei die Gruppen in ihrer Position relativ zu einem Brennpunkt des Arrays variiert werden, um einen von einer oder mehreren Reflektorzellen erzeugten und/oder empfangenen Strahl zu steuern.
Antenne nach Anspruch 10, wobei das Array auch durch den Arrayfaktor gesteuert wird.
Antenne nach Anspruch 10, wobei das Array in eine Position gesteuert wird, wo eine unerwünschte Gitterstrahlkeule (56) auftritt, um ein Gitterstrahlkeuelenproblem zu vermindern.
Antenne nach Anspruch 12, wobei die Anzahl der Einspeiselemente in zumindest einer Gruppe ebenfalls reduziert wird zum Vermindern des Gitterstrahlkeulenproblems.
Antenne nach Anspruch 10, wobei die Gruppen von Einspeiselementen zufällig ausgewählt werden, so dass sie um eine vorbestimmte Position des ebenen Arrays von Einspeiselementen positioniert sind, um ein Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Antenne nach Anspruch 10, wobei die Gruppen von Einspeiselementen allmählich verschoben werden von einer Position zu einer anderen, um ein Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Antenne nach Anspruch 10, wobei die Gruppen von Einspeiselementen zufällig positioniert sind um jeweilige Brennpunkte der ebenen Arrays, um ein Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren zum Steuern eines ausgesandten und/oder empfangenen Strahls eines phasengesteuerten Gruppenantennensystems, welches eine Vielzahl von Superelementreflektorzellen (22) enthält, von denen eine jede ein parabolisches Reflektorelement (24) umfasst und eine Vielzahl von Einspeiselementen (36), die angeordnet sind in einem ebenen Array (34) und wobei die Reflektorzellen aufgebracht sind auf einer Stützstruktur (20); und welches die folgenden Schritte umfasst: Aktivieren der Einspeiselemente eines jeden Einspeisarrays in ausgewählten Gruppen (37) der Einspeiselemente (36) bei vorbestimmten Positionen relativ zum Brennpunkt des jeweiligen Arrays, um einen Grobabtastvorgang des Strahls zu bewirken; und Steuern des Arrayfaktors des Strahls, um einen Feinabtastvorgang des Strahls zu bewirken.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Überlappens von Einspeisverteilungen auf das Einspeisarray, um allmählich das Einspeiszentrum des Arrays zu verschieben, um den Strahl zwischen nominellen Strahlpositionen zu steuern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Steuerns des Strahls über eine Gruppenauswahl auf im Wesentlichen die exakte Position der Strahlkeule (56), um ein unerwünschtes Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 19, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Reduzierens der Anzahl der Einspeiselemente, die ausgewählt sind in einer Gruppe, um ein unerwünschtes Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des zufälligen Auswählens von Gruppen von Einspeiselementen zum Positionieren der Gruppen um eine vorbestimmte Position auf dem Einspeisarray, um ein unerwünschtes Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des allmählichen Verschiebens bestimmter Gruppen von Einspeiselementen von einer Position zu einer anderen, um ein Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Auswählens von Gruppen von Einspeiselementen, um sie so zufällig um jeweilige Brennpunkte der ebenen Arrays zu positionieren, um ein Gitterstrahlkeulenproblem zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Überlappens von Einspeisverteilungen auf das Einspeisarray, um das Einspeisarray zu steuern in dieselbe Position wie die Arrayfaktorspitzenwertposition, um unerwünschte Strahlkeulenprobleme zu vermindern.
Verfahren nach Anspruch 17, welches zusätzlich den Schritt umfasst des Verstauens des Antennensystems in einem zusammengelegten Zustand für den Start und danach das Stationieren der Antenne für den Betriebszustand im Weltraum.