DE69315398T2

DE69315398T2 - Versenkbare, verteilte Antennengruppe

Info

Publication number: DE69315398T2
Application number: DE69315398T
Authority: DE
Inventors: David Lloyd Binsley; John Robert Knapp; Donald Paul Miller; John Donald Reale
Original assignee: General Electric Co
Current assignee: Lockheed Martin Corp
Priority date: 1992-09-08
Filing date: 1993-08-27
Publication date: 1998-06-04
Anticipated expiration: 2013-08-28
Also published as: EP0587359B1; EP0587359A1; DE69315398D1; ES2112394T3; US5351062A

Description

Hintergrund der Erfindung

Die Erfindung ist auf eine Antenne für elektromagnetische Strahlung gerichtet und insbesondere auf eine neuartige verteilte Array-Antenne, die auf ein Volumen zusammengezogen werden kann, das viele male kleiner ist als das Volumen der vollständig auseinandergezogenen Array.
Es ist bekannt, ein elektromagnetisches Signal in ein Strahlungsbündel für verschiedene Zwecke zu formen, z.B. Kommunikationen, Objektortung und ähnliches; allgemein gilt, je schmaler das Strahlungsbündel ist, das durch die Antenne erzeugt wird (um einen größeren Anteil der abgestrahlten Leistung an einen speziellen entfernten Ort zu liefern), desto größer ist die Größe der das Bündel bildenden Antenne. Es ist häufig möglich, eine große Antenne an einem Ort anzuordnen, zu dem es unmöglich ist, die Antenne als eine Einheit zu transportieren; gewisse Mittel zum Aufbauen der Antenne mit endgültiger Größe aus kleineren Komponenten ist die gewöhnliche Lösung für ein derartiges Transportproblem. Es gibt jedoch Situationen, wo eine Verbindung von mehreren Komponenten durch menschliche Intervention entweder nicht möglich oder aus einem gewissen Grund verboten ist. In einer derartigen Situation ist es höchst wünschenswert, eine Antenne für den Transport zu einem kleineren als dem endgültigen Volumen zusammenzulegen und die Antenne dann am endgültigen Ort ohne menschliche Intervention in einen nutzbaren Zustand auszufahren. Diese Möglichkeit ist insbesondere wünschenswert für große verteilte Array-Antennen.
In bevorzugten Ausführungsbeispielen von unserer neuartigen ausfahrbaren Antenne kann das Array entweder eine regelmäßige Elementanordnung, z.B. ein Array mit Elementen, die in regelmäßiger symmetrischer Form angeordnet sind, wie mit rechteckiger Symmetrie (z.B. mit quadratisch geformten Elementanordnungen), Winkelsymmetrie (wie mit rautenförmigen Elementanordnungen), Kreissymmetrie und ähnliches, oder es kann eine unregelmäßige Elementanordnung haben, wie beispielsweise verarmte Arrays und ähnliches. Alle Arrays haben eine Kontinuität der erhaltenen HF Erdebene, um die Erzielung von Strahlungsmustern mit kleiner Seitenkeule zu erleichtern, und erfordern keine Drehverbindungen und ähnlich komplexe mechanische Anordnungen für das Falten von irgendwelchen Speiseleitungen. Das gefaltete "Jalousie"-Array gemäß der Erfindung kann Federarme, Zugkabel und ähnliches verwenden für eine Zwangsbewegung in die offenen und/oder geschlossenen Positionen, um ein relativ einfaches Ausfahren aus einer verstauten Position zu gestatten. Alle Speise- und Säulenabschnitte können in ihren endgültigen Konfigurationen voll getestet werden, vor dem Verstauen und Ausfahren, um so einen störungsfreien Betrieb nach dem Ausfahren des Arrays sicherzustellen. Die Spalten von Elementen und ihre Spalten tragenden Teile gestatten einen hohen Grad an Teileüblichkeit. Dementsprechend ist es eine Aufgabe der Erfindung, eine neuartige, ausfahrbare, verteilte Array-Antenne zu schaffen.
Diese und andere Aufgaben der Erfindung werden für den Leser beim Lesen der folgenden detaillierten Beschreibung deutlich, wenn sie im Zusammenhang mit den zugeordneten Zeichnungen betrachtet wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1a ist eine Draufsicht auf ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel von einer ausfahrbaren, verteil ten Array-Antenne gemäß der Erfindung, in dem ausgefahrenen Zustand;
Figur 1b ist eine Endansicht von dem Antennen-Array gemäß Figur 1a;
Figur 1c ist eine Draufsicht auf die Array-Antenne in dem geschlossenen oder zusammengelegten Zustand;
Figur 2 ist eine perspektivische Ansicht von einem Teil des Arrays während des Ausfahrens aus der zusammengelegten Konfiguration; und
Figuren 3a, 3b und 3c sind Ansichten von einem Teil des Arrays auf entsprechende Weise in den zusammengelegten, teilweise geöffneten und vollständig geöffneten Zuständen, und sie sind nützlich zum Verstehen des Ausfahrbetriebes der Antenne gemäß der Erfindung.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Es wird zunächst auf die Figuren 1a und 1b Bezug genommen, in denen eine Array-Antenne 10 mit verteilter Apertur gezeigt ist, die eine Vielzahl von Strahlungselementen 11 hat, die in einer gewünschten Konfiguration angeordnet sind, wenn das Array offen und vollständig auseinandergeklappt ist für einen Betrieb. Das Array ist allgemein in einer zweidimensionalen Ebene angeordnet, wobei jedes Element an der Schnittstelle von einer von einer Anzahl C Spalten und einer von einer anderen Anzahl R von Reihen angeordnet ist. Lediglich zu Darstellungszwecken ist das Array 11 rechteckig, wobei jedes von N Spalten von Elementen im wesentlichen senkrecht zu jeder von M Elementreihen liegt. Somit ist irgendein Element 11ij in der i-ten Spalte angeordnet, wobei die a≤i≤N Spalten im allgemeinen vertikal aufgestellt sind, wenn man eine Antenne 10 betrachtet, deren längste Arrayabmessung horizontal angeordnet ist, und in der j-ten Reihe, wobei die a≤j≤ Reihe das j-te Element in der i-ten Spalte ist; jede der N Spalten hat die gleiche Anzahl N von Elementen (d.h. a≤j≤M. Es sei darauf hingewiesen, daß das Array in gleicher Weise auch ein unregelmäßiges Array sein kann mit irgendeiner Form oder Gestalt, die in der Antennentechnik bekannt sind. In ähnlicher Weise wird zwar jedes Strahlungselement 11 später der Einfachheit halber als ein Dipol-Strahler gezeigt, es sei aber darauf hingewiesen, daß jeder Typ von Strahlungselement (Einzelelement-Strahler, wie beispielsweise Dipol oder Horn) und auch Vielelement-Strahler, wie beispielsweise Yagi- oder log-periodische Arrays) an jeder Arraystelle 11ij in Verbindung mit der gewählten Arraygröße, -form oder anderen Charakteristiken verwendet werden kann, um die gewünschte Endüberdeckung/Muster abzuleiten. Die Mehrzahl der Arrayelemente wird auf einem zugehörigen von einer Anzahl N von Arrayspaltenteilen 12a-12n angebracht sein. Die Spaltenteile 12 sind üblicherweise mit einer gleichen Anzahl auf jeder Seite von einem mittleren Verstaumodul 14 angeordnet; eine Verwendung ungleicher Zahlen von Spalten, die von den gegenüberliegenden Seiten 14a/14b des Verstaumoduls 14 ausgehen, ist möglich, obwohl die ungleichen Massen, Beanspruchungen usw., die mit ungleichen Seitenlängen verbunden sind, und auch die unsymmetrischen Kräfte, die mit dem Auseinanderklappen und Verstauen eines derartigen Arrays verbunden sind, unerwünscht sein können. Eine oder mehrere Spalten der Arrayelemente können an dem mittleren Verstaumodul angebracht sein, oder ein Teil des Moduls kann aus einem oder mehreren Spaltenmodulen gebildet sein; wie dargestellt ist, bilden Spaltenteile 12f und 129, tragende Arrayelemente 11fa-11fn bzw. llga-llgn einen Teil von einer gegenüberliegenden Modulseite 14a oder 14b.
Die Spaltenteile 12 sind in dem gezeigten rechteckigen Array idealerweise parallel zueinander gehalten; diese Konfiguration wird dadurch erhalten, daß das Ende von jedem Spaltenteil 12j von einem gegenüberliegenden Ende des benachbarten Spaltenteils 12(j-1) oder 12(j+1) oder der benachbarten Seite 14a/14b des mittleren Moduls durch eine der Gelenkvorrichtungen 16 weggedrückt wird. Jede Gelenkvorrichtung 12 enthält eine gewisse Vorrichtung, wie beispielsweise eine Feder oder ähnliches, um die erforderliche Kraft zu liefern, um die Spaltenteile 12 in den auseinandergefalteten, offenen Arrayzustand zu drücken, entgegen der Kraft, die durch wenigstens ein Zugkabel 18 geliefert wird. Das Maß an Auseinanderfaltung des Arrays wird durch die Länge von jedem Kabel 18 bestimmt, wie es von wenigstens einer Vorratstrommelvorrichtung 20 in dem Verstaumodul 14 abgewickelt wird (z.B. in der Richtung der Pfeile A). In dem dargestellten Ausführungsbeispiel wird eines von vier verschiedenen Kabeln auf jeder von vier Trommelvorrichtungen 20 getragen, und jedes unterschiedliche Kabel 18 führt durch Öffnungen 22 in einem zugeordneten unterschiedlichen Ende von einem Teil 12 hindurch, wobei eine Kabelhalterungsformation (beispielsweise ein Knoten 18k) an dem äußersten Teil (12a für den rechten "Flügel" und 12n für den linken Flügel) des Arrays verwendet wird. Es ist ersichtlich, daß es nicht notwendig ist, das Kabel außer an dem äußeren Teil 12 von einem Flügel an jedem Teil zu befestigen, und es ist nur notwendig, für einen reibungsarmen Durchtritt von dem Kabel durch die nicht-äußersten Teile von einem Flügel zu sorgen, damit die Kabel für ein Zusammenlegen die Teile 12 in Richtung auf den Innenraum des Arrays ziehen können, und das Kabel durchhängen kann und den Teilen gestattet, sich unter den Entfaltungskräften der Gelenkvorrichtungen 16 voneinander weg zu bewegen. Es sei auch darauf hingewiesen, daß eine Trommelvorrichtung 20 für alle vier Kabel 18 verwendet werden kann, oder es können einzelne Trommelvorrichtungen (wie gezeigt) oder sogar ein Paar von Trommelvorrichtungen, die jeweils das Kabelpaar zum Entfalten von einem Flügel des Arrays (siehe beispielsweise Figur 1c) verwendet werden, um für getrennte Flügelbewegungen zu sorgen, wenn dies gewünscht wird. Wenn die Arrayteile 12a - 12n in ihre richtigen Positionen entfaltet sind, verbindet ein Satz von die Spalten verbindenden HF Kabeln 24 die Spalten der Arrayelemente; die Spalten haben eine interne Verkabelung, so daß alle Arrayelemente 11 in einer richtigen Verbindung verbunden sind, um das gewünschte Strahlungsmuster zu formen.
Das Array kann in den vollständig eingezogenen Zustand, der in Figur 1c gezeigt ist, geschlossen werden, indem ein geeigneter Trommeldrehmechanismus (wie beispielsweise ein reversibler Motor, nicht gezeigt) veranlaßt wird, die Trommeln 20 in der entgegengesetzten Richtung (z.B. wie es durch Pfeile B gezeigt ist) zu drehen und die Kabelenden 18k in Richtung auf das mittlere Modul 14 zu ziehen, wobei die Gelenkvorrichtungen 16 entgegen ihrer Federkräfte zusammengelegt werden, bis jedes Spaltenteil 12 in eine Anlage mit benachbarten Teilen 14 und/oder Modulseiten 14a/14b gezogen ist. Die Gelenkvorrichtungen und auch die verschiedenen HF Speisekabel 24 biegen sich aus dem Weg der sich schließenden Teile.
Es sei darauf hingewiesen, daß die exakte Hochfrequenzeinrichtung und Speisemechanismusdetails nicht gezeigt sind, da sie im Rahmen des Wissens des Fachmanns in der Array-Antennentechnik liegen; es gibt verschiedene übliche Modulräume 32, die die notwendige übliche Array-Einrichtung enthalten können, und jedes Teil 12 kann, wie es in den Figuren 3a-3c gezeigt ist, verteilte HF/DC/Verarbeitungsmoduln enthalten, wie es für die bestimmte Form des verteilten Arrays notwendig ist, das für eine Halterung auf der entfaltbaren/einziehbaren Antenne gewählt ist.
Es wird nun auf Figur 2 Bezug genommen, aus der ersichtlich ist, daß jedes Teil 12 (wobei Endabschnitte 12ha, 12ia , (12(n-2)a, 12(n-1) und 12na der entsprechenden Teile 12h, 12i , 12(n-2), 12(n-1) und 12n gezeigt sind) eine HF Verbindungsvorrichtung 26 hat, an der das HF Übertragungsmedium 24 (ein Koaxialkabel, Wellenleiterbahn und ähnliches) befestigt ist, um eine elektromagnetische Energieversorgung zwischen den Spalten zu erleichtern. Jedes Teil 12 kann eine im wesentlichen ebene gedruckte Schaltung, einen Mikrostrip, eine Stripline oder eine andere Form enthalten, die für die Frequenz, Leistung und ähnliche Charakteristiken des zu verwendenden HF Betriebs geeignet sind. Verteilte aktive und/oder passive Elektronik kann in jedem der mehreren Moduln 28 untergebracht sein, die auf dem Spaltenteil angebracht sind, wobei jedes Modul einem strahlenden Arrayelement 11 (wie es gezeigt ist) oder mehreren derartigen Elementen zugeordnet ist. Somit ist, wie hier, das Dipolelement ihm auf dem Spaltenteil 11i dem HF Modul 28im zugeordnet, während das Element 11i(m-1) auf dem gleichen Teil 11i einem anderen HF Modul 28i(m-1) zugeordnet ist; ein vorhergehendes Teil 12h enthält ein Array element 11hm und sein zugeordnetes HF Modul 11hm. Die HF Verteilungsnetzwerkmittel (nicht gezeigt, aber in der Technik bekannt) von den zwei Spaltenteilen sind durch ein Übertragungskabel 24hi miteinander verbunden, das sich zwischen dem Verbindungsstück 26h des Teils 12h und dem Verbindungsstück 26i des Teils 12i erstreckt.
Das Jalousie-Array von im wesentlichen parallelen Teilen ist in einem Zustand nahe der verstauten bzw. zusammengelegten Stellung gezeigt; die Teile sind noch relativ nahe zueinander. Auf Wunsch kann eine tragende Vorrichtung vorgesehen sein, so daß jedes Teileende 12qa, wobei a≤q≤n, einen vorstehenden Ansatzabschnitt 12qx haben kann, der in dem U-Kanal 30c von einem Führungsteil 30m enthalten und von diesem geführt ist, wenn die Spaltenteile. Eine zusätzliche tragende Struktur kann für eine weitere Versteifung oder andere Verstärkung und ähnliches der Antenne 10 auch an dem Verstaumodul 14 befestigt sein.
Es wird nun auf die Figuren 3a-3c Bezug genommen, in denen die Lage des Antennen-Arrays um etwa 90º in bezug auf die Lage gemäß Figur 1a gedreht worden ist; es wird ersichtlich, daß die Spaltenteile 12 nun horizontal angeordnet sind, sehr ähnlich wie die Lamellen in einer Fenster- Jalousie, von der wir den Spitznamen von unserer Antenne genommen haben. Um die Vielseitigkeit von unserer Erfindung näher darzustellen, sind von der Antenne 10', wenn sie vollständig ausgefahren und entfaltet ist, ihre Elemente entlang diagonal angeordneten Linien angeordnet, z.B. mit rautenförmigen Mustern. Diese Anordnung gestattet, daß die Elemente (z.B. Elemente 11g', 11i', 11k', usw.) auf jedem anderen Speiseteil (z.B. Speiseteile 12g', 12i', 12k', usw.) von den Elementen (z.B. 11h', 11j', usw.) auf den da zwischen angeordneten Speiseteilen (z.B. Speiseteile 12h', 12j', usw.) versetzt sind, und sie gestattet auch, daß die zugeordneten Moduln auf benachbarten Speiseteilen 12 auf gegenüberliegenden Oberflächen von diesen Teilen sind, wodurch die versetzten Moduln, wenn sie richtig dimensioniert sind, in dem verstauten Zustand des Arrays (Figur 3a) zwischen einander ruhen können. Die zwischen den Spalten angeordneten HF Kabel 24 können zu HF Verbindungsstücken geführt werden, die für eine ähnliche Verschachtelung ange ordnet sind, oder sie können für andere HF Kabel 24' angeordnet sein, die aus den Rändern der Teile 12 austreten.
Die Entfaltungskabel 18 sind in einem Maß um ihre Trommelvorrichtung 20 gewickelt, das notwendig ist, um die Kraft der Gelenkvorrichtungen 16 zu überwinden, die das Array zu öffnen versucht. Zu Darstellungszwecken hat die Gelenkvorrichtung 16 Armabschnitte, die sich von einem mittleren Schwenkabschnitt, von den Teilen 12 weg, zu anderen Schwenkabschnitten erstrecken, die auf Ansatzabschnitten 16d angebracht sind, die jeweils an einem der zugeordneten Speise/Spaltenteile 12 befestigt sind. Eine Feder 165 kann in den Schwenkabschnitt 16b angeordnet sein, um die Arme 16a voneinander wegzudrücken und so das Array zu öffnen; das Kabel 18 zieht entgegen der Kraft von mehreren Federn, die in den verschiedenen Sätzen von Gelenkvorrichtungen 16 verwendet sind, die erforderlich sind, um gleiche benachbarte Abschnitte der Teile 12 zu verbinden. Wenn sich die Trommel in der Array-Öffnungsrichtung drehen kann, bewegt die Federkraft der Gelenkvorrichtungen die Teile 12 auseinander (wie es in Figur 3b gezeigt ist) und noch weiter auseinander für ein weiteres Abrollen des Kabels 18 von seiner Trommelvorrichtung, bis ein maximaler Öffnungszustand erreicht ist (Figur 3c). Dieser maximal geöffnete oder entfaltete Zustand kann gemäß der Wirkung von Anschlagansätzen 16e auf den Gelenken eingestellt werden; dies ist insbesondere wichtig, wenn das Array anschließend unter der Wirkung von Zugkabeln 16 schließen muß - die Gelenkarme 16a dürfen sich nicht dem "ebenen" oder 180 º Zustand nähern, oder der richtige Faltvorgang um den Mittelabschnitt 16b kann nicht auftreten und das Array blockiert in der Öffnungsstellung. Ein weiterer Vorteil, das nicht gestattet wird, daß sich die Gelenkvorrichtung vollständig in einen ebenen Zustand faltet, ist die Möglichkeit, Stöße oder andere kurzzeitige Kräfte aufzunehmen und dann die Teile 12 und die darauf getragenen Elemente in die gewünschte Array-Konfiguration zurückzubringen, so daß die Antenne bis zu weniger als idealen Zuständen verwendet werden kann.

Claims

1. Einziehbare, verteilte Array-Antenne (10,10') enthaltend: eine Vielzahl von Strahlerelementen (11), die in einem Bündel-bildenden Array von gewünschter Konfiguration angeordnet sind, die eine Anzahl C von Spalten hat, die jeweils wenigstens eines der Strahlerelemente der Antenne aufweisen,

eine Anzahl P, die nicht größer als die Anzahl C ist, von langgestreckten Spaltenteilen (12), die jeweils die Antennenelemente (11) von einer zugeordneten Spalte tragen und mit ihren langgestreckten Abmessungen im wesentlichen parallel zueinander angeordnet sind,

eine Anzahl H von Gelenkvorrichtungen (16), die jeweils Endabschnitte (12qa) von einem Paar nenbeneinander angeordneter Spaltenteile (12) verbinden und in der Lage sind, die verbundenen Endabschnitte von Spaltenteilen jeweils voneinander wegzudrücken, um die Spaltenteile von Elementen in die gewünschte verteilte Konfiguration der Array-Antenne anzuordnen, und

Mittel (18,20) zum gesteuerten Ziehen der verbundenen Endabschnitte der Spaltenteile jeweils in Richtung zueinander, entgegen der Wirkung der Gelenkvorrichtungen (16), um das Array in ein kleineres Volumen als das Volumen zusammenzulegen, das von dem Array eingenommen wird, wenn es auseinander gezogen ist, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine der mehreren Gelenkvorrichtungen (16) ein Paar von Armen (16a) aufweist, die jeweils gegenüberliegende erste und zweite Enden aufweisen, wobei jedes erste Ende schwenkbar an dem anderen angebracht ist und jedes zweite Ende von einem anderen Arm schwenkbar mit einem anderen der Teile (12) verbunden ist, und eine Druckvorrichtung (165), um die zweiten Enden von dem Paar von Armen (16a) in entgegengesetzte Richtungen zu drücken, wobei die Druckvorrichtung (165) wenigstens eine Feder aufweist.

2. Antenne nach Anspruch 1, wobei jedes Teil (12) erste und zweite gegenüberliegende Endabschnitte aufweist, wobei die ersten Endabschnitte von wenigstens einem Paar benachbarter Teile (12) miteinander verbunden sind durch einen ersten Satz der Gelenkvorrichtungen (16), und die zweiten Endabschnitte von dem gleichen wenigstens einen Paar von benachbarten Teilen durch einen anderen Satz von Gelenkvorrichtungenn (16) miteinander verbunden sind.

3. Antenne nach Anspruch 2, wobei der erste Satz und der andere Satz in der Zahl gleich sind.

4. Antenne nach Anspruch 3, wobei von allen Teilen (12) jedes seiner zwei gegenüberliegenden Endabschnitte mit einem benachbarten Endabschnitt von einem anderen Teil durch eine der Gelenkvorrichtungen (16) verbunden ist.

5. Antenne nach Anspruch 1, wobei die Zugvorrichtung enthält: wenigstens ein Zugkabel (18) mit ersten und zweiten Enden, einer Vorrichtung (18k), die das erste Kabelende an einem Teil (12) von einem bezeichneten Punkt in dem Array entfernt hält, und eine Vorrichtung (20) zum gesteuerten Bewegen des ersten Kabelendes in Richtung auf und von dem bezeichneten Arraypunkt weg, um das Array auf entsprechende Weise in die entsprechenden zusammengefalteten und entfalteten Zustände zusammenzulegen und zu öffnen.

6. Antenne nach Anspruch 5, wobei die Bewegungsvorrichtung (20) wenigstens eine Trommelvorrichtung aufweist, um das wenigstens eine Zugkabel (18) wenigstens auszurollen, damit die Gelenkvorrichtung (16) das Array öffnen kann.

7. Antenne nach Anspruch 6, wobei die wenigstens eine Trommelvorrichtung (20) auch zum Einrollen des wenigstens einen Zugkabels (18) vorgesehen ist, um das Array entgegen einer Öffnungskraft der Gelenkvorrichtung (16) zu schließen.

8. Antenne nach Anspruch 7, wobei ferner ein Verstaumodul (14) zum Unterbringen der Trommelvorrichtung (20) vorgesehen ist.

9. Antenne nach Anspruch 8, wobei wenigstens eines der Teile (12) an dem Verstaumodul (14) befestigt ist.

10. Antenne nach Anspruch 8, wobei das Array eine HF-Vorrichtung (28) aufweist und das Verstaumodul (14) einen Teil der HF-Vorrichtung (28) trägt.

11. Antenne nach Anspruch 10, wobei andere Abschnitte der HF- Vorrichtung (25) von den Teilen (12) getragen sind.

12. Antenne nach Anspruch 8, wobei das Verstaumodul (14) im wesentlichen an der Mitte des Arrays angeordnet ist.

13. Antenne nach Anspruch 1, wobei das Array ein rechteckiges Array mit einer Anzahl N von Spaltenteilen ist, die jeweils die gleiche Anzahl M von strahlenden Elementen (11) aufweisen.