JP5961087B2 - キーホールのないワイドスキャン操作性を有するアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、アンテナシステムの分野に関し、特には、電磁信号を送信及び／又は受信するための操作性を有するアンテナに関する。

ワイドスキャン角（広走査角）に亘って相対的に移動する標的と通信するために操作性（または追尾）アンテナを使用することは当該分野においては広く知られている。特に、航空産業においては、そのような操作性アンテナは、高ゲイン（利得）であり、低質量（軽量）であって、高信頼性を備えていることが必要である。

これらワイドスキャン構造形態で使用されるアンテナは、典型的には、二つのロータリジョイント（回転関節）を必要とする二つの回転軸、ケーブルカセット、またはそれぞれの回転軸を利用して信号を伝播する他の手段を含む。ＲＦ（無線周波）ロータリジョイントの排除またはその数の削減が、費用、信号損失および信頼性の観点から非常に望ましい。

広角（一般的に９０°を超える角度）操作性アンテナにおいて、ロータリジョイントを省く目的でいくつかの技術が開発されたが、それらは、電磁ビームが回転軸の一方と実質的に整合したとき、標的を追尾する能力に影響を及ぼす特異性の存在によって影響を受ける。この特異性は、キーホール効果（現象）と称される。それは、標的の移動速度に追いつくよう、特異性を提供する軸の周囲を回転するのに必要な時間のためである。

一般的には、衛星を利用するシステムのためには、この特異性は、地球（衛星直下点または天底）に向けられた方位角回転軸の利用に関わる。任務の種類によっては、この特異性はシステムの全体的な性能または複雑性にほとんど影響を及ぼさないが、多くの場合、特に、高ゲインが要求される場合に、標的が回転軸と整合すると、適した連結状態を維持するためにアクチュエータを非常に高速とすることがある。

天底指向方位角軸を備えた操作性アンテナにおいては、衛星直下追尾が、意図する標的に非常に接近して通過するとき、そのようなことが発生する。これは、アクチュエータの選択においてはドライバとなり得、ドライブ電子機器システムの複雑性を増す。そうなると、さらに複雑で、さらに費用が高いドライブ電子機器を備えた、さらに大きなロータリアクチュエータが必要になる。

ロータリジョイントを備えない解決策が特許文献１（米国特許６７４７６０４）にて提案されており、その代表的な内容を本願の図１に図示している。この形態は、一方の回転軸が天底を指向しているため、天底（地球を周回する宇宙飛行体の地球に面したパネルに取り付けられたアンテナのために地球の中心を指向）にキーホールまたは特異性を有している。

方位角ジンバルを介して仰角を活用する別形態は図２において図示されている。この取り組みではロータリジョイントは一つだけであるが、天底においてキーホール現象の影響を受ける。

従って、改良された操作性アンテナ形態に対する需要が存在する。

米国特許第６７４７６０４号

従って、本発明の一目的は、ワイドスキャン角度、特に９０°を超える角度に亘って電磁ビームの伝送及び／又は受領の操作を最善化するために、改善された操作性アンテナ構造または形態を提供することである。

本発明の一利点は、その構造が、ほぼ全半球的（２πステラジアン）にビームを操作できることである。

本発明の別利点は、受信可能領域内に特異性やキーホールが存在せず、よって、ロータリアクチュエータの高速操作の必要がなく、関連する複雑性や高コストが回避できることである。

本発明のさらなる利点は、アンテナ構造には、ＲＦロータリジョイントまたは屈曲性導波管あるいはフレキシブルなＲＦケーブルのごとき一つのＲＦ信号ロータリ機構のみが必要であり、従って、アンテナシステムの信頼性が高まることである。

本発明のさらに別利点は、アンテナ可動部分の質量とサイズを最小化するようにアンテナ形状を最良化できることである。

本発明のさらなる利点は、アンテナの充填された動的包囲体が最良化できることである。

本発明のさらに別利点は、リフレクタ（反射器）の形状、相対位置、並びに方位性が、最良質量、最良移動質量、充填容量および排除容量を提供するように最善化できることである。主リフレクタによって発生されるビームは、フィードソース（供給源）位相中心および副リフレクタの中心によって画定された軸（フィード軸）に直交する必要はない。しかし、フィード軸とのビームの角度は、その最も細い寸法の方向に沿った受信可能領域の角度幅の少なくとも半分でなければならない。

本発明の一形態によれば、アンテナの所定受信可能領域内で、ワイドスキャン角度に亘って電磁信号の最良ビーム操作を提供する送信及び／又は受信操作性アンテナ形態が提供される。このアンテナ形態は、
主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ及び主リフレクタ構造体と、
アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び／又は受領用信号フィードチェーンであって、主リフレクタは、フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
フィードチェーンと副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、フィード軸にほぼ垂直であり、受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
信号フィードチェーンに対して、主リフレクタと、副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的にフィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、第一回転部材によって回転される第二回転部材と、
を含んでいる。

このアンテナにおいて、有利には、ビーム角度は、受信可能領域の最も細い角度幅を画定する所定受信可能領域の最も細い寸法の角度幅の少なくとも半分である。

このアンテナの一実施態様では、副リフレクタ交差点は、構造体の副リフレクタの幾何学中心に隣接して位置する。

このアンテナにおいて、有利には、構造体の主リフレクタ表面と副リフレクタ表面は、それぞれの円錐機能表面の対応部分である。

典型的には、主リフレクタ表面と副リフレクタ表面の少なくとも一方は、所定信号ゲインパターンに実質的に合致するためにアンテナ構造体の信号ゲインパターンを達成するように形状化される。

本発明の他の目的および利点は、添付図面を適宜参考にして、以下の詳細な説明から明らかになろう。

以上の通り、本発明に係るアンテナは、
「主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ・主リフレクタ構造体と、
アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び／又は受領用信号フィードチェーンであって、主リフレクタは、フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
フィードチェーンと副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、フィード軸にほぼ垂直であり、受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
信号フィードチェーンに対して、主リフレクタと、副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的にフィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、第一回転部材によって回転される第二回転部材と、を含んでいること」
にその構成上の主たる特徴があっり、これにより、ワイドスキャン角度、特に９０°を超える角度に亘って電磁ビームの伝送及び／又は受領の操作を最善化するために、改善された操作性を有するアンテナ構造または形態を提供することができるのである。

本発明の一利点は、その構造が、ほぼ全半球的（２πステラジアン）にビームを操作できることである。

本発明の別利点は、受信可能領域内に特異性やキーホールが存在せず、よって、ロータリアクチュエータの高速操作の必要がなく、関連する複雑性や高コストが回避できることである。

本発明のさらなる利点は、アンテナ構造には、ＲＦロータリジョイントまたは屈曲性導波管あるいはフレキシブルなＲＦケーブルのごとき一つのＲＦ信号ロータリ機構のみが必要であり、従って、アンテナシステムの信頼性が高まることである。

本発明のさらに別利点は、アンテナ可動部分の質量とサイズを最小化するようにアンテナ形状を最良化できることである。

本発明のさらなる利点は、アンテナの充填された動的包囲体が最良化できることである。

本発明のさらに別利点は、リフレクタ（反射器）の形状、相対位置、並びに方位性が、最良質量、最良移動質量、充填容量および排除容量を提供するように最善化できることである。主リフレクタによって発生されるビームは、フィードソース（供給源）位相中心および副リフレクタの中心によって画定された軸（フィード軸）に直交する必要はない。しかし、フィード軸とのビームの角度は、その最も細い寸法の方向に沿った受信可能領域の角度幅の少なくとも半分でなければならない。

ロータリジョイントおよびキーホールの特異性を備えない従来技術による操作性アンテナの上方斜視図である。 一つのロータリジョイントおよびキーホールの特異性を備えた従来技術による操作性アンテナの平面図、正面図、側面図および底面図である。 キーホールの特異性を備えない本発明の一実施例による操作性アンテナの上方斜視図である。 キーホールの特異性を備えない本発明の一実施例による操作性アンテナの側面図である。 キーホールの特異性を備えておらず、アンテナ信号ビームを発生させるために平坦な副リフレクタと、放物形状の主リフレクタとを使用した図３の実施例による操作性アンテナの形状を示す概略図である。 キーホールの特異性を備えており、アンテナ信号ビームを発生させるために双曲形状の副リフレクタと放物形状の主リフレクタとを使用した、本発明の別実施例による操作性アンテナの形状を示す概略図である。 キーホールの特異性を備えず、アンテナ信号ビームを発生させるために、フィード軸から実質的にオフセットされている平坦な副リフレクタと放物形状の主リフレクタとを使用した、本発明の別実施例による操作性アンテナの形状を示す概略図である。 宇宙飛行体に取り付けられた図３の実施例のための典型的な受信可能領域の概略図であり、最も細い角度幅と最も広い角度幅とを図示する。

添付の図面に図示した本発明の好適実施例を、本発明の非限定的な例示の目的でのみ説明する。

図３と図３ａには、地球の表面のごとき所定の表面に亘って、図７にて斜線で示されているアンテナの受信可能領域１４内で電磁信号を送信及び／又は受信させる操作性アンテナ１０が図示されている。電磁信号は、フィードチェーンを通過し、フィードソース１８と標的との間で伝播する。標的は、アンテナ信号ビーム１２が操作されるアンテナ受信可能領域１４内で移動する。

ここで説明するアンテナ１０は、標的がその特定位置に存在している地球表面（図示せず）を指向する衛星の地球に面したパネル２４またはデッキに取り付けられているが、周回する衛星に面した地上アンテナのごとき他の形態の類似アンテナであっても、本発明の範囲から逸脱しないと考えることができることは理解されるであろう。

アンテナ１０は双リフレクタシステムまたは構造体２６を含む。このシステム２６はフィードソース１８と標的との間で電磁信号を反射するために副リフレクタ表面２７と、主リフレクタ表面２８を画定し、従って、ビーム軸１３を画定するアンテナ信号ビーム１２を発生させる。副リフレクタ表面２７と主リフレクタ表面２８はシステム２６の焦点３０を画定する。フィードソースの開孔部中心点はシステム２６の焦点３０に近接または隣接して位置する。フィードソース１８は実質的に副リフレクタ交差点３２を指向し、フィードソース軸４０は焦点３０および副リフレクタ交差点３２と交差する。主リフレクタ表面２８に到達する電磁信号部分は、フィード軸４０から角度αにてビーム軸１３で反射する。角度αは、受信可能領域１４の最も狭い寸法１５（図７参照）の角度幅または方向の少なくとも半分程度であり、受信可能領域１４の最も狭い角度幅を画定する。

第一回転部材、好適にはロータリアクチュエータ４２、等々は、フィード軸４０にほぼ垂直に延び、受信可能領域と交差しない第一回転軸ＲＡ１の周囲で双リフレクタシステム２６およびフィードソース１８を回転させ、受信可能領域１４に亘って一方向に沿って名目信号ゲイン操作を提供する。好適には、アクチュエータ４２は双リフレクタシステム２６とフィードソース１８を回転させ、ビーム１２は、受信可能領域１４の最も広い寸法１６（図７参照）の角度幅または方向の周囲で走査して最も広い角度幅を画定するか、または標的の主航跡に沿って、約１８０°の範囲等に亘って、第一制限位置θ_１と第二制限位置θ_２との間で走査する。

典型的には、名目副リフレクタ表面２７と主リフレクタ表面２８はそれぞれ円錐機能表面の一部であり、好適には放物形状表面（図５の実施例１０’の副リフレクタ２７、および図３から図４および図６の実施例１０、１０”の主リフレクタ２８の場合と同様）、双曲表面、楕円表面または平坦面（図３と図４および図６の実施例１０、１０”の副リフレクタ２７、および図５の実施例１０’の主リフレクタ２８の場合と同様）である。名目副リフレクタ表面２７と主リフレクタ表面２８のうちの少なくとも一方は、それぞれ、所定信号ゲインパターンに実質的に合致するようにアンテナ構造体の信号ゲインパターンを達成するように形状化することが可能である。

アンテナ１０は、双リフレクタシステム２６を、第一位置ψ_１と第二位置ψ_２との間でフィード軸４０と実質的に整合または同一線となる第二回転軸ＲＡ２の周囲で回転させる第二回転部材、好適にはロータリアクチュエータ４６、等々をさらに含む。ビーム１２は受信可能領域１４で円弧線に沿って走査される。典型的には、物理的には３６０°に亘って動作できるが、ロータリアクチュエータ４６は最大でも約１８０°の範囲で回転し、よって特異性とは一切無関係である。好適には、ロータリアクチュエータ４６は、ビーム１２が受信可能領域の最も狭い角度幅１５の周囲を実質的に走査するように、双リフレクタシステム２６を回転させる。副リフレクタ２７が実質的にフィード軸４０の周囲で軸対称であるとき、図４のアンテナ形態によってそれが実行できたであろうごとくに、ロータリアクチュエータ４６は一般的に主リフレクタ２８のみを回転させる。

双リフレクタシステム２６とフィードソース１８、および典型的には第二ロータリアクチュエータ４６は、フィード軸４０（ＲＡ２）にほぼ垂直に延び、受信可能領域とは交差しない回転軸ＲＡ１の周囲で回転され、アンテナ１０は特異性を備えない受信可能領域１４で所定信号ゲインを提供する。

ここでは説明されていないが、好適には、エンコーダ、等々が、ＲＡ１アクチュエータ４２とＲＡ２アクチュエータ４６のそれぞれの角位置θ、ψにフィードバックを提供するのに使用される。

操作性アンテナ１０、１０’、１０”を説明したが、開示内容は例示であり、本発明はそれら実施例および添付図面には限定されず、本発明は「請求の範囲」の精神に含まれる全ての変形および改良を含む。

１０ アンテナ
１２ 信号ビーム
１３ ビーム軸
１４ 受信可能領域
１５ （最も狭い）寸法
１６ （最も広い）寸法
１８ フィードソース
２４ パネル
２６ 双リフレクタシステムまたは構造体
２７ 副リフレクタ表面
２８ 主リフレクタ表面
３０ 焦点
３２ 副リフレクタ交差点
４０ フィード軸
４２・４６ ロータリアクチュエータ
θ_１ 第一制限位置
θ_２ 第二制限位置
ψ_１ 第一位置
ψ_２ 第二位置

Claims (5)

1. アンテナの所定受信可能領域内におけるワイドスキャン角度での電磁信号の最良ビーム操作のための送信及び／又は受信操作性アンテナ形態であって、
   主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ及び主リフレクタ構造体と、
   前記アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び／又は受領用信号フィードチェーンであって、前記主リフレクタは、前記フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
   前記フィードチェーンと前記副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、前記フィード軸に略垂直であり、前記受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
   前記信号フィードチェーンに対して、前記主リフレクタと、前記副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的に前記フィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、前記第一回転部材によって回転される第二回転部材と、
   を含んでいることを特徴とする操作性を有するアンテナ。
2. 前記ビーム角度は、前記受信可能領域の最も狭い角度幅を画定する該所定受信可能領域の最も狭い寸法の角度幅の少なくとも半分であることを特徴とする請求項１記載の操作性を有するアンテナ。
3. 前記副リフレクタ交差点は、前記構造体の副リフレクタの幾何学中心に隣接して位置することを特徴とする請求項１または２記載の操作性を有するアンテナ。
4. 前記主リフレクタ表面と、前記構造体の副リフレクタの表面とは、それぞれの円錐状機能表面の対応部分であることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の操作性を有するアンテナ。
5. 前記主リフレクタ表面と前記副リフレクタ表面の少なくとも一方は、所定信号ゲインパターンと実質的に合致するように前記アンテナ構造体の信号ゲインパターンを達成すべく形状化されていることを特徴とする請求項４記載の操作性を有するアンテナ。

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