JP4202267B2 - 宇宙ベースのレーダのための膨張可能な反射器アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、一般にアンテナシステムに関し、特に、膨張される反射器アンテナ構造に関する。

宇宙で展開可能なアンテナ構造は重く、かさばり、包装および展開することが難しく、組立てが高価である金属メッシュデザインを含んでいる。さらにメッシュアンテナは大きいアンテナとして構成するのは難しい。

別の宇宙で展開可能なアンテナ構造には膨張可能なアンテナが含まれており、膨張可能な構造は反射表面を形成する。

既知の膨張可能なアンテナ構造は変化する傾向があるアンテナ形状を有し、アンテナの特性を劣化させる。

本発明のアンテナは、無線周波数（ＲＦ）を透過する湾曲した壁を有する膨張可能で柔軟な密閉された外被容器を含み、湾曲した壁は第１および第２の両側のエッジで終端している。無線周波数反射被覆は湾曲した壁に配置される。カテナリの支持フレームは第１および第２のエッジを支持し、外被容器が膨張されたときに予め定められた形状に湾曲された壁を維持する。支持構造はＲＦエネルギでＲＦ反射被覆を照射する給電アレイを支持するよう構成されている。

本発明のこれらおよびその他の特徴および利点は添付図面で示される例示的な実施形態の以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

図１は本発明による膨張可能なアンテナ構造の例示的な実施例を示す。図１は一般に０．３ミルの厚さのカプトン（商標名）のような薄い柔軟なＲＦ透過プラスティック膜で形成され、後部の湾曲した壁11および前部の湾曲した壁13（図２）を有する枕のような形状の膨張可能な外被容器20を含んでいる膨張可能なアンテナの概略的斜視図である。膨張可能な外被容器の形状はさらにここに記載された膨張するガスおよび、カテナリおよび支柱フレームによって維持される。ＸバンドおよびＬバンド給電アレイ30およびバス40は前部の湾曲した壁13の前方に支持される。

図２を参照にすると、インク被覆のような、ＲＦ透過性で高放射率の黒色被覆16は壁の熱膨張変化が許容可能な反射物表面の正確度およびしたがって許容可能なＲＦ性能が得られるように十分低いように反射器を覆って低い熱勾配が得られるように後部壁11および前部壁13の内部表面上に配置されている。ＲＦ反射被覆17は後部の湾曲した壁11の外側に配置され、ＲＦ透過性で太陽エネルギを反射する被覆19は前方の湾曲した壁13上に配置されることができる。ＲＦ反射被覆17は例えば複数のＲＦ反射のための金属化された層で構成することができる。

この例示的な実施例において、前部および後部の湾曲した壁は円筒形であり、平行な円筒軸を有する。前部および後部の湾曲した壁は交差し、参考のため図１に示されるＸＹＺ座標系のここでは水平であるＸ軸に沿って実質上平行な両側のエッジ15に沿って接合されている。ＲＦ反射被覆と後部壁11との境界面はＹＺ平面に平行な高低平面（ＥＬ）において円形断面図を有する反射器を構成する。

高低平面において円筒形の形状はガス圧力によって維持され、Ｙ軸反射器支柱21はエッジ15の端の間にそれぞれ位置され、円筒形を平らにしようとする力を吸収する。Ｙ軸反射器支柱はＹ軸に平行であり、特にさらに膨張可能で、非導電性で、硬化可能であってもよい。

反射器表面は水平軸すなわちＸ軸に沿ったカテナリハンガ−構造によって円筒形を外れた平らにされた形状になる。各カテナリハンガ−構造は例えばカテナリワイヤ23およびカテナリメッシュ布あるいは膜25を含んでおり、それらはエッジ15とＸ軸支柱の端部あるいは縦部材27と間に接続され、カテナリハンガ−構造によって生成されたＸ軸方向の力を吸収するように作用する。各カテナリワイヤ23は特にワイヤに正確な形を維持する膜25の輪郭を有するエッジの長さに沿って接続されている。膜25の反対側のエッジは直線形であり、湾曲した壁11,13 のの接合部に接続されている。ワイヤ23および膜25は好ましくは予想された温度でワイヤの正確な形状を維持するように熱膨張係数の低い材料で形成される。 超微粒子（micrometeriod ）のシールド28（図２）は外被容器20中に配置され、両側のエッジ15間に延在し、エッジ15の直線性を維持するのを助けている。シールド28a は湾曲した壁の１つを貫通する超微粒子の断片的になった破片を吸収あるいは遅らせるために０．２５ミルの厚さのマイラ−（商標名）のような膜で構成され、破片が外被容器の湾曲した壁に衝突したとき生じる膨張漏浅の割合を減少させる。

図３を参照すると、給電アレイ30は縦部材32の間に配置された複数の垂直なクロスバー33および給電アレイ30の反対側の水平なフィード縦部材32あるいはＸ軸を含むカテナリのフレーム34を含んでいる給電アレイ支持構造31によって水平および垂直軸に沿って支持される。カテナリワイヤ37およびカテナリメッシュ繊布あるいは膜35を含んでいるカテナリハンガ−構造は給電アレイ30のエッジとカテナリフレーム34との間に配置される。カテナリワイヤ37はＸ軸フィード縦通材32とクロスバー33との相互接続において中断され、各々は給電アレイのエッジに取付けられた両側の直線形エッジを有する関連したカテナリ膜35の輪郭を有するエッジの長さに沿って接続される。カテナリワイヤ37およびカテナリ膜35は予想された操作温度において正確な形状に近い形で維持するよう熱膨張係数の低いファイバで形成されることができる。

例示的な実施例において給電アレイ30はＺ形の折り畳んだ構造であり、折り畳みを可能にする柔軟な回路板構造のような柔軟な誘電体基板上に構成されている。放射素子の行および列は基板上に組立てられ、ＲＦパッチ素子を含むことができる。各列はＹ軸に整列され、行はＸ軸に整列されている。

給電アレイ30およびカテナリ支持フレーム34を含んでいる給電アレイアセンブリは１対のＷトラスによって反射器支持フレームに接続され、それぞれは給電アレイ縦部材32の端部と反射器縦部材27の端部との間に接続された外部支柱41（図１）と、給電アレイ縦部材32の中央と反射器縦部材27の端部の間に接続された対角線支柱43とを含んでいる。支持ワイヤ45は給電アレイの縦部材32の端部と垂直に離れる方向の反射器縦部材27の対応する端部との間を接続している。これらのワイヤは剪断に対して強化するように設けられている。

アンテナ構造の縦部材、支柱およびクロスバーは、例えばアトラスＩＩロケットのような発射ロケットから拡張されたペイロ−ド流線形構造により放出されることによって宇宙空間で展開されるとき、拡張されて剛性構造となるように剛性構造にすることが可能で折り畳まれたエレメントで構成されることが好ましい。例えば反射器の縦部材27は膨張可能で剛性構造にすることができる部材で構成されることができる。反射器Ｙ軸支柱21および対角線支柱23は膨張可能で、剛性構造にすることが可能であり、Ｚ形に折畳まれた部材で構成されている。給電Ｘ軸縦通材31および外部支柱41は膨張可能で、剛性構造にすることが可能である部材で構成することができる。給電クロスバー33は膨張可能で、剛性構造にすることができる可能性であるＺ形に折畳まれた部材で構成されることができる。

図４を参照すると、膨張された外被容器20の後部の湾曲した表面11およびその表面上のＲＦ反射被覆17は例えば約55メートルの半径Ｒを有する円形断面の円筒反射器200 を形成する。反射器200 は高さ（ＥＬ）および方位（ＡＺ）走査を持続するために大型にされることができる。例えば、反射器はＹＺ平面に平行な高低平面において高さＨ（図４）が約65メートルであり、ＸＺ平面に平行な方位平面における長さＬ（図１）は60メートルである。以下は反射器として使用する１つの例示的なアンテナシステムのパラメータの例である。

周波数 １ＧＨｚ
帯域幅 ５％
方位ビーム幅 ０．３Ｄｅｇ
高低ビーム幅 ０．３Ｄｅｇ
走査量 ＋／−６Ｄｅｇ ＡＺ，＋／−６Ｄｅｇ ＥＬ
電力開口 ３０，０００ ＫＷ ｍ²
初期電力 ３２ ＫＷ
衛星高度 中間地球軌道
ボリューム アトラスＩＩに合わせて
質量 ＜１１００Ｋｇ

この例示的な実施例では、アクティブ給電アレイ30は長さＦＬが約50メートル、高さＦＨが約１メートルであり、後述するような理由により反射器200 の頂点と円形アンテナの中心の間の約中間に位置する。理想的には、給電アレイ30は反射器200 の半径と等しい放射状のアーク上に支持される。しかし、多くの応用では、平面給電アレイが使用される可能性がある。Ｌバンドの０．３度の特定の方位方向のビーム幅を生成するために、方位平面の約50メートルの開口長ＡＬ（図１）が使用される。しかし高低平面では、わずかに大きい約55メートルの開口高さＡＨ（図４）はフィ−ドアレイの妨害によって引き起こされた広がる効果をオフセットするよう選択される可能性がある。10ｄＢの開口テ−パ−はサイドロ−ブを制御するために高低および方位平面の両者で与えられる。

高低平面のビーム走査は円形反射器の中心に関してビームを“振動する”（回転する）ことによって行われる。これはＹ軸の給電アレイの上部および下部にいくつかの放射素子を選択的にオン、オフすることによって行われる。与えられた指向方向において動作するめに必要とされたＹ軸における放射素子の数は各列を形成する素子数よりも少ない。Ｙ軸の特定ビームに対して使用された特定の素子を電気的に選択することによって、例えば切換スイッチネットワークの使用によって、制限されたビーム幅でビームを回転あるいは走査させることができる。ビームが中心軸上のビームと比較して高低平面において軸から±6 度変化するように走査すると、給電アレイの照射パターンが約5 メートルだけ上および下に移動し、約65メートルの反射器の高さＨ（図４）が全走査されたビームを捕獲するために選択される。

例示的な実施例は次の特徴を提供する。円形対称は高低ＥＬスキャンにおいて均一の走査実行を提供する。方位平面の線形構造はパッケ−ジング、展開、給電デザインを最小化する。球状構造の代わりに円筒形を使用すると送信モジュールの電力密度を減少する。対称形および円筒形の配置は膨張可能なデザインおよび構成を簡単にし、したがって実質上全ての費用を減少する。

光学系は円筒形反射器の焦点距離の長さＦが半径の約２分の１を示す。したがって、例示的な実施例の設計の第１のステップは所定の開口の大きさに適切な半径を選択し、特定された高低ビーム幅によって制約される。長い焦点距離Ｆは収差（位相誤差）およびまた焦点スポットの大きさを減少し、焦点領域のより良い（スム−スな）位相フロントを生じる。さらに均一な位相分布は整合するのが容易であり、小さく、しかし小さすぎず、焦点スポットは焦点に集まったビームを受ける放射素子の少ない行を必要とする。

言い換えれば、長い焦点距離Ｆは高低走査で軸から遠く離れた焦点位置に向けてオフセットし、それは給電アレイを占める必要とされた放射素子の数および給電サイズを増加させる。これは切換スイッチのデザインを複雑にし、移動する焦点位置のアクチブ動域に電力を移動するために使用される。さらに、開口の妨害が増加し、給電アレイの散乱によるサイドのローブおよび利得低下の原因となる。

この例示的な実施例の焦点の最適条件はスポットサイズ、焦点領域の電力濃度、給電の高さ、許容された最大開口妨害をバランスするよう選択される。この実施例の設計指針は高さ８ｍより少ない給電を維持し、焦点スポットの大きさは−１０ｄＢの打切り点を使用する〜１．５ｍである。この設計に対する最適な焦点距離Ｆは反射器200 の頂点から約２６メートルである。

図５乃至７を参照にすると、パッケージされたアンテナ構造は以下説明するように展開され、それは例えば折畳まれたアンテナ構造を含むコンテナを発射した後である。外側Ｗ−支柱41は図５に示されるように膨張可能な外被容器20から給電アレイおよび給電支持構造を分離するために膨張することによってテレスコ−プ式に展開される。この展開によって、二重Ｚ折畳み外被容器20はＹ軸方向で展開され、Ｚ折畳み密閉支柱21は自由に展開し、Ｚ折畳み対角線Ｗ支柱21は自由に展開する。

図６に示されるようにＸ軸給電縦部材32および反射器縦部材21は膨張することによって展開される。この展開によって、外被容器20はＸ軸にそって展開し、二重に折畳まれた、Ｚ折畳み給電アレイ30は展開される。

給電クロスバーは給電アレイ30を伸ばすよう膨張され、密閉されたＹ軸反射器支柱21および対角線支柱3 は管状の縦部材、支柱およびクロスバーの展開を完了するために膨張される。外被容器はその後膨張されて、剪断強度を与えられ、必要とされた公差を持続し、また管状の縦部材、支柱およびクロスバーは剛性構造を与えられる。管はヌルジェットを通って排気される。太陽パネル48もまた電力を供給するために展開される。

本発明が例示的な周波数およびサイズパラメータの例示的な実施例に関連して記載されたが、本発明は上記に述べられた特定のパラメータに限定されず、他の応用および周波数において使用可能である。アンテナは例えばマルチバンド、共通の開口に応用され、様々な軌道位置において使用可能であり、合成開口レーダ、宇宙ベースのレーダ等としてこのような応用におけるサービスを提供することができる。

本願発明はここで特定の例示的な実施形態を参照にして説明しているが、それは本発明の原理を単に示したものであり、それに限定されないことを理解すべきである。当業者は本発明の技術的範囲内において付加的な変形、応用および実施形態、ならびに本発明が顕著に利用される付加的な分野を認識するであろう。

本発明によるアンテナ構造の概略的斜視図。 図１のアンテナ構造の膨張可能な外被容器の壁の被覆を示す概略断面図。 図１のアンテナ構造の給電アレイ支持構造の概略正面図。 図１のアンテナ構造の操作を示す概略正面図。 図１のアンテナ構造の展開の段階を示す概略図。 図１のアンテナ構造の展開の別の段階を示す概略図。 図１のアンテナ構造の展開のさらに別の段階を示す概略図。

Claims (3)

1. 外被容器の壁上に配置された被覆により構成されたＲＦ（無線周波数）反射器を使用する展開可能なアンテナにおいて、
   膨張可能な柔軟な密閉された外被容器(20)と、
   展開されて外被容器(20)が膨張されたときにＲＦ反射器として使用されるように前記外被容器(20)の側壁に被覆されているＲＦ反射被覆(17)と、
   前記外被容器(20)に被覆されたＲＦ反射被覆(17)により構成されているＲＦ反射器を支持するための、展開可能に構成されたＲＦ反射器の支持フレームと、
   ＲＦ反射被覆(17)に向けてＲＦエネルギを照射するための展開可能に構成された給電アレイ(30)と、
   前記給電アレイ(30)を支持するための展開可能に構成された給電アレイ支持構造(31)とを具備し、
   前記外被容器(20)はＲＦ電磁波を透過する材料で構成され円筒の側面形状の一部である曲面の円筒壁(11)を有し、
   前記ＲＦ反射器の支持フレームは、アンテナが展開されたとき前記外被容器 (20) の円筒壁(11)の両側の、円筒壁(11)の縦方向に延在する第１および第２のエッジ(15)を、前記円筒壁(11)により形成された前記ＲＦ反射器の形状が保持されるように支持するカテナリハンガー構造を具備し、
   前記給電アレイ支持構造(31)は前記ＲＦ反射器の支持フレームと結合されており、アンテナが展開されたとき前記ＲＦ反射器のＲＦ反射被覆(17)をＲＦエネルギが照射する位置に給電アレイ(30)を位置させるように構成されている展開可能なアンテナ。
2. 前記カテナリハンガー構造はカテナリワイヤおよびカテナリメッシュ膜を含んでいる請求項１記載のアンテナ。
3. 前記ＲＦ反射器支持フレームは拡張可能で、硬化可能である構成部品(21,27) を含んでいる請求項１または２記載のアンテナ。

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