JP6751141B2 - 反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器 - Google Patents

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Description

関連出願との相互参照
本願は、２０１５年７月１６日に出願された米国仮特許出願第６２／１９３，４７４号の優先権を主張し、その全体を参照により本願に援用する。本願は、２０１６年５月１３日に出願された米国特許出願第１５／１５４，７６０号にも関連し、その全体を参照により本願に援用する。
連邦支援研究に関する声明
該当せず。
この発明は、反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器に関する。
特許文献１に記載されているように、従来の高利得宇宙アンテナは、そのサイズや重量と、３次元で折り畳み不能であることから、宇宙に輸送し軌道に乗せる為にコストがかかる。従来技術のこれら及びその他の不利な点を克服する為に、特許文献１に、膨張式のバルーンと機械的にステアリング可能な給電システム（例えば線状給電器）とを備えたバルーン反射鏡アンテナが開示されている。
図１は、特許文献１による宇宙に配備された大型バルーン反射鏡アンテナ１２０を有する人工衛星１００を示す図である。バルーン反射鏡アンテナ１２０は球面バルーン１４０を含み、この球面バルーン１４０は、電磁波を透過する表面１４２と、この透過面１４２に対向する反射面１４４を含む。（バルーン１４０はまた、その球面形状の保持を補助する１つ又は複数の誘電体支持カーテン１４６を含みうる。）人工衛星１００はまた、バルーン反射鏡キャニスタ１８２と、ＲＦモジュール１８４と、通信モジュール１８６と、ピッチ・リアクションホイール１８８と、ロール・リアクションホイール１８９と、パワーモジュール１９０と、太陽電池１９２とを含む。
バルーン反射鏡アンテナ１２０は、給電システム１６０を含む。この給電システム１６０は、１つ又は複数の給電ホーンであっても、１つ又は複数の平面アンテナであっても、準光学型球面補正器や線状給電器（図１に示す）などの１つ又は複数の球面補正器であってもよく、或いは、反射面１４４で反射された電磁波を受信する、又は反射面１４４で反射される電磁波を放射する、他の任意の適当な装置であってもよい。
バルーン反射鏡アンテナ１２０が（例えば地上からの）信号を受信する場合は、信号は透過面１４２を通過して反射面１４４に達し、その反射面１４４により給電システム１６０に集束する。バルーン反射鏡アンテナ２２０が（例えば地上に）信号を送信する場合は、信号は給電システム１６０から放射されて反射面１４４に達し、その反射面１４４により方向付けられて透過面１４２を通過する。
図１に示されているように、反射面１４４などの球面反射面は、平行光線を線に集束させる（平行光線を点に集束させる放物面反射面とは対照的である）。この球面収差の最も単純な「補正器」が、線状給電器である。
図２は、従来技術の線状給電器２００を示す図である。
図２に示されているように、従来技術の線状給電器２００は、外部１／４波長板２６０によって分離された周期的な開口２４０を有する細長い円形導波管２２０を含む。線状焦点は、球面反射面の任意の半径になりうることから、アンテナビームは、線状給電器２００を回転させることによって劣化することなく広い角度にわたって、容易にステアリングされうる。
再び図１を参照すると、給電システム１６０が、図２に示されている線状給電器２００と同様の線状給電器であってもよく、バルーン１４０の中心からそのバルーン１４０の１つ又は複数の径方向の線に沿って延びている。バルーン反射鏡アンテナ１２０の焦点を合わせる為に、給電システム１６０は、その給電システム１６０を径方向に動かす為の電動マウント１６２を含む。特許文献１に記載されているように、給電システム１６０を旋回させることにより、人工衛星１００全体を回転させることなくビームをステアリングすることが可能になる。しかしながら、給電システム２６０を旋回させてビームを方向転換することによって、別の問題が提起される。
米国特許出願第１５／１５４，７６０号
人工衛星１００は宇宙に配備されることから、給電システム１６０を旋回させる（又は人工衛星１００の他の任意の部分を動かす）と、意図せずに、人工衛星１００全体が航路から外れることになる（逆の同じ力が加えられない限り）。したがって、静止したままで反射鏡アンテナのビームを方向転換できる、電気的にステアリング可能な給電システムが必要とされる。さらに、地上用途では、機械式の衛星追尾システムの必要性を低減又はなくす為に、電気的にステアリング可能な給電システムが必要とされる。
これら及びその他の欠点を克服する為に、反射鏡アンテナ（例えば、宇宙又は地上用途の球面バルーン反射鏡アンテナなど）用のフェーズドアレイ線状給電器が提供される。上記線状給電器は、複数のほぼ平行な金属ロッドと、上記線状給電器の基部のところで上記金属ロッドに電気的に接続された位相／電力スイッチングマトリックスとを備える。上記位相／電力スイッチングマトリックスは、上記金属ロッド間の位相差及び／又は電力差を調整することによって、上記反射鏡アンテナのビームをステアリングできる。上記フェーズドアレイ線状給電器はまた、複数のほぼ平行な金属ディスクを備えうる。上記金属ロッドは、上記金属ディスクに対してほぼ垂直に上記金属ディスクを貫いて延びうる。上記金属ディスクは等間隔に隔置でき（例えば約λ／２の距離で隔置され、λは反射鏡アンテナの対象波長である）、上記金属ディスクの直径は、金属ロッドの長手に沿って減少しうる（例えば、上記線状給電器の基部における約λ／１．１から、頂点におけるλ／１．８まで）。或いは、上記金属ディスクの直径が等しくてもよく、金属ディスク間の間隔は、上記金属ロッドの長手に沿って減少しうる。
例示的な実施形態の態様への理解は、添付の図面を参照することによってより一層深まるであろう。図面の各構成要素は必ずしも一定の縮尺ではなく、例示的な実施形態の原理の説明に重点を置いている。
特許文献１による球面バルーン反射鏡アンテナを有する人工衛星を示す図である。 従来技術の線状給電器を示す図である。 本発明の例示的な一実施形態による反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器を示す図である。 本発明の別の例示的な実施形態による反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器を示す図である。
本発明の好ましい実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。各図面における同じ参照番号は、全体にわたって同じ要素又はステップを示す。
図３は、本発明の例示的な一実施形態による、対象波長λで動作する反射鏡アンテナ（例えば図１に示されている球面反射面１４４）用のフェーズドアレイ線状給電器３００を示す図である。
図３に示されているように、フェーズドアレイ線状給電器３００は、複数（例えば３本以上）の金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃと、位相／電力スイッチングマトリックス３４０を含む。位相／電力スイッチングマトリックス３４０は、例えば同軸コネクタ３４２を介して、金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃのそれぞれに電気的に接続される。フェーズドアレイ線状給電器３００はまた、複数の金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎを含みうる。金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃは、例えば同軸フィードスルー３２２を介して、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎを貫通できる。
金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎはほぼ平行である。金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃは、円形のパターンで配置されうる（例えば、３本の金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃを有する実施形態は、三角形のパターンを形成できる）。フェーズドアレイ線状給電器３００の基部のところで、金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃは、中心間距離で約λ／３．５だけ隔てられうる。金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃはほぼ平行にでき、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎに対してほぼ垂直に、その金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎをそれぞれ貫通しうる。例えば、ロッドは、約１度の角度（例えば１度±０．１度）で内側に傾斜していてもよい。
金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎを含む実施形態では、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎが、フェーズドアレイ線状給電器３００を、λ／２垂直アンテナからなる一連の独立したサブアレイに分割する。実質的に、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎはそれぞれ、各サブアレイの為の接地平面として機能する。各サブアレイから出射するビーム角度θは、各サブアレイ内における位相調整と、サブアレイを分離する金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎの直径との関数である。図１に示されているように、この出射ビーム角度θは、球面反射鏡に照射する為に、フェーズドアレイ線状給電器３００の長手に沿って変化する必要があり、反射面１４４に最も近い給電器の端部にて最大の出射ビーム角度θが生じる。図３に示されている実施形態では、出射ビーム角度θは、線状給電器の長手に沿って例えば１９度から６４度まで変化する。
従来の静的な線状給電器（例えば図２に示されている線状給電器２００）と比較して、フェーズドアレイ線状給電器３００の長さは、そうではなく従来の線状給電器であったなら捉え損ねるであろう軸外の反射光線を捕捉するように延びうる。±３０度の走査角度を実現する為に、線状給電器の長さは、照射される球状反射鏡（例えば反射面１４４）の直径の約１２パーセント（例えば１２±１パーセント）にできる。
図３に示す実施形態では、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎは金属ロッドの長手に沿って等間隔に隔置され、金属ディスクの直径は、線状給電器の基部から頂点まで減少しうる。例えば、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎは約λ／２（例えばλ／２±０．１３）の間隔で隔てられ、金属ディスクの直径は、線状給電器の基部での約λ／１．１から、頂点での約λ／１．８までとしうる。
図４は、本発明の別の例示的な実施形態による、対象波長λで動作する反射鏡アンテナ（例えば図１に示されている球面反射面１４４）用のフェーズドアレイ線状給電器４００を示す図である。
図３に示されているフェーズドアレイ線状給電器３００と同様に、フェーズドアレイ線状給電器４００は、複数（例えば３本以上）のほぼ平行な金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃと、金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃのそれぞれに電気的に接続された（例えば同軸コネクタ３４２を介して）位相／電力スイッチングマトリックス３４０を含む。フェーズドアレイ線状給電器４００はまた、複数のほぼ平行な金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎを含みうる。金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃは、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎに対して垂直に、その金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎを貫通できる（例えば同軸フィードスルー３２２を介して）。この場合も、フェーズドアレイ線状給電器４００の長さは、そうではなく従来の線状給電器（例えば図２に示された線状給電器２００）であったなら捉え損ねるであろう軸外の反射光線を捕捉するように、照射される球状反射鏡（例えば反射面１４４）の直径の約１２パーセント（例えば１２±１パーセント）まで延びうる。
図３に示されている実施形態では、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎの直径ｄは、ほぼ等しくできる。図３に示されているフェーズドアレイ線状給電器３００と同様に、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎは、フェーズドアレイ線状給電器４００を、λ／２垂直アンテナからなる一連の独立したサブアレイに分割する。各サブアレイからの出射ビーム角度θが、フェーズドアレイ線状給電器４００の長手に沿って変化するように（例えば１９度から６４度まで）、金属ディスク３１０ａ〜３１０ｎ間の間隔は、フェーズドアレイ線状給電器４００の基部からフェーズドアレイ線状給電器４００の頂点へと減少していく。
フェーズドアレイ線状給電器３００及び４００はそれぞれ、そのフェーズドアレイ線状給電器３００又は４００を回転させることなく電気的にステアリング可能な、反射鏡アンテナの表面（例えば反射面１４４）を照射するビームを生成する。位相／電力スイッチングマトリックス３４０は、金属ロッド３２０ａ〜３２０ｃ間の位相差及び／又は電力差を調整することによってビームをステアリングする。
フェーズドアレイ線状給電器３００又は４００から得られるビームパターンの数学的記述は、指向性相乗の理を用いて導き出すことができる。アレイ内の各放射素子（ここでは金属ディスク３１０を有する金属ロッド３２０）の幾何学的形状が同じであると仮定すると、合成放射パターンは、例えば式１によって定めることができる。
Figure 0006751141
 ここで、
ｆａ（θ，φ）＝結果として生じる放射パターン
ｆ０（θ，φ）＝各アレイ素子の共通放射パターン
Ｖｎ＝Ａｎｅｊαｎ＝各素子に対する複素励振
Ａｎ＝各素子の信号振幅
αｎ＝各素子の位相
ｄｎ＝アレイの中心に対する素子の間隔
ｋ＝２π／λ＝伝搬定数
θ＝極角
φ＝方位角
λ＝動作波長
ｎ＝素子番号（１、２、３など）。
ｆａ（θ，φ）に対する上記の式は、例えば式２に示すようなベクトル形式で表すこともできる。アレイの正規化された電力パターンＰｎ（θ、φ）は次式となる。
Figure 0006751141
 ここで
ｆｍａｘ＝ｆａ（θ，φ）の最大値。
上述の説明及び図面は、本発明の概念の原理のみを説明するものとみなされるべきである。例示的な実施形態は様々なサイズで実現されてもよく、上述の好ましい実施形態によって限定されることは意図されていない。例示的な実施形態の多数の応用が当業者には容易に思い浮かぶであろう。したがって、本発明の概念を、ここで開示した具体的な実施例、又は図示し説明した厳密な構成及び動作に限定することは望ましくない。むしろ、すべての適当な修正形態及び均等物は本願の範囲内で用いることができ、本願の範囲内に含まれる。
１００ 人工衛星
１２０ バルーン反射鏡アンテナ
１４０ 球面バルーン
１４２ 透過面
１４４ 反射面
１４６ 誘電体支持カーテン
１６０ 給電システム
１６２ 電動マウント
１８２ バルーン反射鏡キャニスタ
１８４ ＲＦモジュール
１８６ 通信モジュール
１８８ ピッチ・リアクションホイール
１８９ ロール・リアクションホイール
１９０ パワーモジュール
１９２ 太陽電池
２００ 線状給電器
２２０ 円形導波管
２６０ 外部１／４波長板
３００ フェーズドアレイ線状給電器
３１０ａ〜３１０ｎ 金属ディスク
３２０ａ〜３２０ｃ 金属ロッド
３２２ 同軸フィードスルー
３４０ 位相／電力スイッチングマトリックス
３４２ 同軸コネクタ
４００ フェーズドアレイ線状給電器

Claims (22)

  1. 反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器であって、
    複数のほぼ平行な金属ディスクと、
    複数のほぼ平行な金属ロッドであって、前記複数の金属ロッドの各々が、前記線状給電器の基部から、前記金属ディスクに対してほぼ垂直に前記金属ディスクを貫いて、前記線状給電器の頂点まで延びる、前記複数の金属ロッドと、
    前記線状給電器の前記基部のところで前記金属ロッドに電気的に接続された位相／電力スイッチングマトリックスとを備え、
    前記複数の金属ディスクは、前記フェーズドアレイ線状給電器を、一連の独立した垂直アンテナのサブアレイに分割する、
    線状給電器。
  2. 前記位相／電力スイッチングマトリックスが、前記金属ロッド間の位相差を調整することによって、前記反射鏡アンテナのビームをステアリングする、請求項１に記載の線状給電器。
  3. 前記位相／電力スイッチングマトリックスが、前記金属ロッド間の電力差を調整することによって、前記反射鏡アンテナのビームをステアリングする、請求項１に記載の線状給電器。
  4. 前記金属ディスクが、前記反射鏡アンテナの対象波長の約１／２の間隔で隔置されている、請求項１に記載の線状給電器。
  5. 前記金属ディスク間の間隔が、前記線状給電器の前記基部から、前記線状給電器の前記頂点まで減少する、請求項１に記載の線状給電器。
  6. 前記金属ディスクの直径が、前記線状給電器の前記基部における最大値から、前記線状給電器の前記頂点における最小値まで減少する、請求項１に記載の線状給電器。
  7. 前記金属ロッドが、前記線状給電器の前記基部において、前記反射鏡アンテナの対象波長の約１／３．５の間隔で隔置されている、請求項１に記載の線状給電器。
  8. 前記金属ロッド間の間隔が、前記線状給電器の前記基部から、前記線状給電器の前記頂点まで減少する、請求項１に記載の線状給電器。
  9. 前記反射鏡アンテナが球面反射鏡アンテナである、請求項１に記載の線状給電器。
  10. 前記線状給電器が、前記反射鏡アンテナの直径の約１２パーセントの長さを有する、請求項９に記載の線状給電器。
  11. 前記反射鏡アンテナがバルーン反射鏡アンテナである、請求項１に記載の線状給電器。
  12. 一対象波長を有する反射鏡アンテナ用のフェーズドアレイ線状給電器を作成する方法であって、
    複数のほぼ平行な金属ディスクを設けること、
    複数のほぼ平行な金属ロッドであって、前記複数の金属ロッドの各々が、前記線状給電器の基部から、前記金属ディスクに対してほぼ垂直に前記金属ディスクを貫いて、前記線状給電器の頂点まで延びる、前記複数の金属ロッドを設けること、及び
    前記線状給電器の前記基部のところで前記金属ロッドに電気的に接続された位相／電力スイッチングマトリックスを設けること、を含み、
    前記複数の金属ディスクは、前記フェーズドアレイ線状給電器を、一連の独立した垂直アンテナのサブアレイに分割する、
    方法。
  13. 前記位相／電力スイッチングマトリックスが、前記金属ロッド間の位相差を調整することによって、前記反射鏡アンテナのビームをステアリングする、請求項１２に記載の方法。
  14. 前記位相／電力スイッチングマトリックスが、前記金属ロッド間の電力差を調整することによって、前記反射鏡アンテナのビームをステアリングする、請求項１２に記載の方法。
  15. 前記金属ディスクが、前記対象波長の約１／２の間隔で隔置されている、請求項１２に記載の方法。
  16. 前記金属ディスク間の間隔が、前記線状給電器の前記基部から、前記線状給電器の前記頂点まで減少する、請求項１２に記載の方法。
  17. 前記金属ディスクの直径が、前記線状給電器の前記基部における最大値から、前記線状給電器の前記頂点における最小値まで減少する、請求項１２に記載の方法。
  18. 前記金属ロッドが、前記線状給電器の前記基部において、前記対象波長の約１／３．５の間隔で隔置されている、請求項１２に記載の方法。
  19. 前記金属ロッド間の間隔が、前記線状給電器の前記基部から、前記線状給電器の前記頂点まで減少する、請求項１２に記載の方法。
  20. 前記反射鏡アンテナが球面反射鏡アンテナである、請求項１２に記載の方法。
  21. 前記線状給電器が、前記反射鏡アンテナの直径の約１２パーセントの長さを有する、請求項２０に記載の方法。
  22. 前記反射鏡アンテナがバルーン反射鏡アンテナである、請求項１２に記載の方法。
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