JP7406791B2 - Artificial satellite - Google Patents

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Description

本発明は、人工衛星に関する。 The present invention relates to an artificial satellite.

人工衛星は、地上局との間でデータを送受信するためのアンテナを備える。特許文献1~4は、人工衛星に搭載されるアンテナを開示する。例えば、特許文献1のアンテナは、小型の人工衛星に好適に搭載可能な構成を有する。 An artificial satellite is equipped with an antenna for transmitting and receiving data to and from a ground station. Patent Documents 1 to 4 disclose antennas mounted on artificial satellites. For example, the antenna of Patent Document 1 has a configuration that can be suitably mounted on a small artificial satellite.

特許第5991578号Patent No. 5991578 特開平10-270923号公報Japanese Patent Application Publication No. 10-270923 特開平11-186825号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-186825 特開平11-186840号公報Japanese Patent Application Publication No. 11-186840

特許文献1のアンテナが搭載されるような小型衛星は、大学といった研究機関などにおいて盛んに検討されている。例えば、小型衛星の一例であるキューブサットの形状は、一辺が10cm程度の立方体である。このような衛星の筐体容積は限られているので、姿勢制御装置を搭載することは困難である。姿勢制御装置を搭載しない人工衛星は、その姿勢が常に変化することになる。人工衛星の姿勢が変化するということは、人工衛星に搭載されたアンテナの向きも常に変化する。従って、アンテナの向きによっては、地上局との間で良好な通信状態を維持できない場合も生じ得る。 Small satellites equipped with the antenna of Patent Document 1 are being actively studied at research institutions such as universities. For example, a CubeSat, which is an example of a small satellite, has a cubic shape with a side of about 10 cm. Since the volume of the casing of such a satellite is limited, it is difficult to mount an attitude control device on board. An artificial satellite without an attitude control device will constantly change its attitude. As the satellite's attitude changes, the orientation of the antenna onboard the satellite also changes. Therefore, depending on the orientation of the antenna, it may not be possible to maintain good communication conditions with the ground station.

そこで、本発明は、良好な通信状態を維持できる人工衛星を提供することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to provide an artificial satellite that can maintain good communication conditions.

本発明の一形態である人工衛星は、衛星本体と、衛星本体の少なくとも1つの主面に配置されたアンテナと、を備え、アンテナは、弧状に形成されると共に主面から起立するループアンテナである。 An artificial satellite that is an embodiment of the present invention includes a satellite main body and an antenna disposed on at least one main surface of the satellite main body, and the antenna is a loop antenna formed in an arc shape and rising from the main surface. be.

この人工衛星は、ループアンテナを備えている。ループアンテナは、弧状に形成された部分の長さに応じて、アンテナの指向性を所望の態様に設定することができる。つまり、放射角を広げることが可能である。そうすると、アンテナの向きが一定でない場合であっても、地上局との間で良好な通信状態を維持することができる。 This satellite is equipped with a loop antenna. In the loop antenna, the directivity of the antenna can be set in a desired manner depending on the length of the arc-shaped portion. In other words, it is possible to widen the radiation angle. In this way, even if the direction of the antenna is not constant, it is possible to maintain a good communication state with the ground station.

上記の人工衛星において、アンテナは、弾性変形が可能であり、アンテナは、主面に沿う第1形態から、主面から起立する第2形態へ、アンテナが有する復元力によって切り替わることとしてよい。この構成によれば、第1形態とすることにより人工衛星の外形寸法を小さくすることができる。また、第2形態とすることにより、良好な通信状態を確保することができる。 In the above artificial satellite, the antenna can be elastically deformed, and the antenna may be switched from a first form along the main surface to a second form standing up from the main surface by the restoring force of the antenna. According to this configuration, the external dimensions of the artificial satellite can be reduced by using the first form. Moreover, by adopting the second form, a good communication state can be ensured.

上記の人工衛星は、第1形態を維持するアンテナ保持部をさらに備えてもよい。この構成によれば、外形寸法が小さくされた状態を好適に維持することができる。従って、ロケットなどに搭載される際に、人工衛星の外形寸法を所望の寸法に収めることができる。 The above artificial satellite may further include an antenna holding section that maintains the first form. According to this configuration, the state in which the external dimensions are reduced can be suitably maintained. Therefore, when mounted on a rocket or the like, the external dimensions of the artificial satellite can be kept within desired dimensions.

上記の人工衛星において、アンテナは、アンテナ機能を奏するアンテナエレメントを含み、アンテナエレメントの長さは、送信及び/又は受信する電波の波長よりも短くてもよい。この構成によれば、アンテナの放射角を広げることができる。 In the above artificial satellite, the antenna includes an antenna element that performs an antenna function, and the length of the antenna element may be shorter than the wavelength of the radio waves to be transmitted and/or received. According to this configuration, the radiation angle of the antenna can be widened.

上記の人工衛星において、アンテナは、アンテナエレメントに対する電力の授受を行うアンテナ入出力部と、アンテナエレメントとアンテナ入出力部との間に接続されるマッチング部と、さらに有してもよい。この構成によれば、アンテナとアンテナに接続される機器との間のマッチングを調整することが可能になる。従って、地上局との間でさらに良好な通信状態を維持することができる。 In the above artificial satellite, the antenna may further include an antenna input/output section that transfers power to and from the antenna element, and a matching section connected between the antenna element and the antenna input/output section. According to this configuration, it becomes possible to adjust the matching between the antenna and the device connected to the antenna. Therefore, even better communication conditions can be maintained with the ground station.

上記の人工衛星において、アンテナエレメントの長さは、電波の波長(λ)に対して、0.6λより大きく0.8λより小さくてもよい。この構成によれば、アンテナの放射角と放射強度とのバランスを良好に設定することができる。 In the above artificial satellite, the length of the antenna element may be greater than 0.6λ and smaller than 0.8λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave. According to this configuration, it is possible to set a good balance between the radiation angle and the radiation intensity of the antenna.

上記の人工衛星において、アンテナエレメントの長さは、電波の波長(λ)に対して、0.7λであってもよい。この構成によれば、アンテナの放射角と放射強度とのバランスをさらに良好に設定することができる。 In the above artificial satellite, the length of the antenna element may be 0.7λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave. According to this configuration, it is possible to set a better balance between the radiation angle and the radiation intensity of the antenna.

本発明によれば、良好な通信状態を維持できる人工衛星が提供される。 According to the present invention, an artificial satellite capable of maintaining good communication conditions is provided.

図1は、実施形態に係る人工衛星が展開形態であるときの斜視図である。FIG. 1 is a perspective view of an artificial satellite according to an embodiment in an expanded configuration. 図2は、実施形態に係る人工衛星が展開形態であるときの平面図である。FIG. 2 is a plan view of the artificial satellite according to the embodiment in an expanded configuration. 図3は、実施形態に係る人工衛星が展開形態であるときの断面を拡大した側面図である。FIG. 3 is an enlarged side view of a cross section of the artificial satellite according to the embodiment when it is in a deployed configuration. 図4は、実施形態に係る人工衛星が非展開形態であるときの斜視図である。FIG. 4 is a perspective view of the artificial satellite according to the embodiment in a non-deployed state. 図5の(a)部~(d)部は、比較例のアンテナの指向性を解析した結果を示す図である。Parts (a) to (d) of FIG. 5 are diagrams showing the results of analyzing the directivity of the antenna of the comparative example. 図6の(a)部~(d)部は、実施形態のアンテナの指向性を解析した結果を示す図である。Parts (a) to (d) of FIG. 6 are diagrams showing the results of analyzing the directivity of the antenna of the embodiment.

以下、図面を参照しつつ本発明に係る人工衛星の実施形態について詳細に説明する。なお、図面の説明においては、同一又は相当部分には同一符号を付し、重複する説明を省略する。また、各図面は説明用のために作成されたものであり、説明の対象部位を特に強調するように描かれている。そのため、図面における各部材の寸法比率は、必ずしも実際のものとは一致しない。 DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, embodiments of an artificial satellite according to the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same or corresponding parts are denoted by the same reference numerals, and redundant description will be omitted. Furthermore, each drawing is created for the purpose of explanation, and is drawn so as to particularly emphasize the target portion of the explanation. Therefore, the dimensional ratio of each member in the drawings does not necessarily match the actual one.

図1は、人工衛星1の斜視図である。図1では、軌道上に投入された人工衛星1の運用中の様子を示している。人工衛星1は、キューブサットと呼ばれる超小型の人工衛星である。人工衛星1は、いわゆるピギーバック衛星であり、大型ロケットの打ち上げ余剰能力を利用することにより、主衛星と共に軌道に投入される。また、人工衛星1は、ペイロードとして軌道上の宇宙ステーションへ送られ、当該宇宙ステーションから軌道へ放出されることもある。 FIG. 1 is a perspective view of the artificial satellite 1. FIG. 1 shows a state in which an artificial satellite 1 placed into orbit is in operation. The artificial satellite 1 is an ultra-small artificial satellite called a CubeSat. The artificial satellite 1 is a so-called piggyback satellite, and is placed into orbit together with the main satellite by utilizing the extra launch capacity of a large rocket. Furthermore, the artificial satellite 1 may be sent as a payload to a space station in orbit, and ejected from the space station into orbit.

人工衛星1は、衛星本体10と、アンテナ20と、を有する。 The artificial satellite 1 includes a satellite body 10 and an antenna 20.

衛星本体10は、所定のミッションを実現する機能部を有する。機能部として、電源、通信装置、制御装置などを含む。なお、制御装置とは、人工衛星1の電気的な動作を制御するものである。つまり、人工衛星1は、衛星本体10の姿勢を能動的に制御する装置及び機能を必須の要素としない。姿勢制御装置を備えない人工衛星1は、慣性の法則に従い、慣性系に対して運動状態を維持する。換言すると、人工衛星1の姿勢は、時間の経過と共に、常に変わり得る。 The satellite main body 10 has functional units that realize a predetermined mission. Functional units include power supplies, communication devices, control devices, etc. Note that the control device is a device that controls the electrical operation of the artificial satellite 1. In other words, the artificial satellite 1 does not include a device or function for actively controlling the attitude of the satellite body 10 as an essential element. The artificial satellite 1 without an attitude control device maintains a state of motion with respect to an inertial frame according to the law of inertia. In other words, the attitude of the artificial satellite 1 can always change over time.

衛星本体10は、略直方体であり、さらに具体的には略立方体としてよい。衛星本体10のサイズは、例えば、外形が10cm×10cm×10cm、10cm×10cm×20cm、10cm×10cm×30cm等である。立方体であるときの衛星本体10は、6つの暴露壁11A~11Fを有する。これらの暴露壁11A~11Fには、それぞれ、発電パネル12が設けられている。なお、発電パネル12は、すべての暴露壁11A~11Fに設けられている必要はなく、必要に応じて幾つかの暴露壁に設けることとしてよい。そして、暴露壁11A~11Fのうち、ひとつの暴露壁11Aには、アンテナ20が設けられる。 The satellite main body 10 has a substantially rectangular parallelepiped shape, and more specifically, it may have a substantially cubic shape. The size of the satellite body 10 is, for example, 10 cm x 10 cm x 10 cm, 10 cm x 10 cm x 20 cm, 10 cm x 10 cm x 30 cm, etc. The satellite main body 10 when it is cubic has six exposed walls 11A to 11F. A power generation panel 12 is provided on each of these exposed walls 11A to 11F. Note that the power generation panel 12 does not need to be provided on all exposed walls 11A to 11F, and may be provided on some exposed walls as necessary. An antenna 20 is provided on one of the exposed walls 11A to 11F.

アンテナ20は、いわゆるループアンテナである。アンテナ20は、所定の放射角と放射強度とを実現するように設計されている。具体的には、前述したように、人工衛星1の姿勢は、時間の経過と共に常に変わり得る。つまり、地上局に対するアンテナ20の向きも時間の経過と共に常に変化する。このような運用において、アンテナ20の指向性が強い場合に、地上局に対するアンテナ20の向きによっては、良好な通信状態が実現できるときがある。その一方で、地上局に対するアンテナ20の向きによっては、良好な通信状態が実現できないときもある。そこで、人工衛星1では、放射角と放射強度とのバランスを取ることにより、継続的に良好な通信状態を実現する。換言すると、アンテナ20は、人工衛星1の姿勢がどのような向きであっても、地上局との通信を維持可能な放射角と放射強度とに設定されている。 The antenna 20 is a so-called loop antenna. The antenna 20 is designed to achieve a predetermined radiation angle and radiation intensity. Specifically, as described above, the attitude of the artificial satellite 1 can always change over time. In other words, the orientation of the antenna 20 with respect to the ground station also constantly changes over time. In such an operation, if the antenna 20 has strong directivity, a good communication state may be achieved depending on the orientation of the antenna 20 with respect to the ground station. On the other hand, depending on the orientation of the antenna 20 with respect to the ground station, good communication conditions may not be achieved. Therefore, in the artificial satellite 1, a good communication condition is continuously achieved by balancing the radiation angle and the radiation intensity. In other words, the antenna 20 is set at a radiation angle and radiation intensity that can maintain communication with the ground station no matter what the attitude of the artificial satellite 1 is.

図2及び図3に示すように、アンテナ20は、いくつかの構成要素によって構成されている。具体的には、アンテナ20は、アンテナエレメント21と、マッチング部22と、アンテナ入出力部23と、を有する。 As shown in FIGS. 2 and 3, the antenna 20 is composed of several components. Specifically, the antenna 20 includes an antenna element 21, a matching section 22, and an antenna input/output section 23.

アンテナエレメント21は、アンテナとしての機能を発揮する部分である。アンテナエレメント21は、多層構造を有する線材によって構成されており、当該線材が後述する条件によって定められる直径となるように、円弧状に形成されている。 The antenna element 21 is a part that functions as an antenna. The antenna element 21 is made of a wire rod having a multilayer structure, and the wire rod is formed in an arc shape to have a diameter determined by conditions described below.

アンテナエレメント21は、主線部21mと、導電被覆部21nと、絶縁被覆部21pと、を有する。主線部21mは、例えば、バネ鋼を採用してよい。導電被覆部21nは、例えば、銅メッキ層である。絶縁被覆部21pは、電気的な絶縁性を有する樹脂材料によって構成されており、例えば、テフロン(登録商標)製のチューブを採用してよい。 The antenna element 21 has a main line portion 21m, a conductive coating portion 21n, and an insulating coating portion 21p. The main line portion 21m may be made of, for example, spring steel. The conductive coating portion 21n is, for example, a copper plating layer. The insulating coating portion 21p is made of a resin material having electrical insulation properties, and may be a tube made of Teflon (registered trademark), for example.

アンテナエレメント21の主要寸法は、送受信する電波の周波数(λ)に基づいて設定されている。例えば、電波の周波数は、437MHzである。このような電波の周波数(λ)に対して、一般的なループアンテナでは、アンテナエレメント21の一周の長さ(円周長:L)は、1λに設定される。例えば、周波数が437MHzであるとすると、円周長(L)は、約68.6cmである。この状態は、いわゆる共振状態である。一方、本実施形態の人工衛星1では、アンテナエレメント21の円周長(L)は、電波の波長より短くなるように設定されている。つまり、アンテナエレメント21の円周長(L)は、0.6λ以上0.8λ以下に設定される。一例として、アンテナエレメント21の円周長(L)は、0.7λに設定してよい。この状態は、アンテナエレメント21の円周長(L)は、1λである共振状態に対して、非共振状態である。 The main dimensions of the antenna element 21 are set based on the frequency (λ) of radio waves to be transmitted and received. For example, the frequency of radio waves is 437 MHz. In a typical loop antenna, the length of one circumference (circumferential length: L) of the antenna element 21 is set to 1λ for such a radio wave frequency (λ). For example, if the frequency is 437 MHz, the circumferential length (L) is approximately 68.6 cm. This state is a so-called resonance state. On the other hand, in the artificial satellite 1 of this embodiment, the circumferential length (L) of the antenna element 21 is set to be shorter than the wavelength of the radio wave. That is, the circumferential length (L) of the antenna element 21 is set to 0.6λ or more and 0.8λ or less. As an example, the circumferential length (L) of the antenna element 21 may be set to 0.7λ. In this state, the circumferential length (L) of the antenna element 21 is a non-resonant state, as opposed to a resonant state in which the circumferential length (L) is 1λ.

アンテナエレメント21は、エレメント本体21aと、エレメント端部21bと、を含む。エレメント本体21aは、暴露壁11Aから起立して、円弧状を呈する部分である。エレメント端部21bは、暴露壁11Aの貫通穴を介して暴露壁11Aの裏面11A2に延びる。エレメント端部21bは、ボルト41及び暴露壁11Aに挟持されることにより、暴露壁11Aに対して固定されている。つまり、エレメント端部21bは、ボルト41及び暴露壁11Aに挟持された第1の部分と、当該第1の部分から略90度(略直角)に折れ曲がる第2の部分と、第2の部分から暴露壁11Aの厚み方向に延びて暴露壁11Aの貫通穴を通りエレメント本体21aに連続する第3の部分と、を有する。 The antenna element 21 includes an element main body 21a and an element end 21b. The element main body 21a is a portion that stands up from the exposed wall 11A and has an arcuate shape. The element end portion 21b extends to the back surface 11A2 of the exposed wall 11A through a through hole in the exposed wall 11A. The element end portion 21b is fixed to the exposed wall 11A by being held between the bolt 41 and the exposed wall 11A. In other words, the element end portion 21b includes a first portion held between the bolt 41 and the exposed wall 11A, a second portion bent at approximately 90 degrees (approximately right angle) from the first portion, and a second portion that is bent from the first portion at approximately a right angle. A third portion extends in the thickness direction of the exposed wall 11A and continues to the element main body 21a through the through hole of the exposed wall 11A.

マッチング部22は、アンテナエレメント21と外部機器(例えば、通信制御装置)とのインピーダンスマッチングを図る。マッチング部22は、暴露壁11Aに沿って延びる一対の導線部22aと、一方の導線部22aの端部を他方の導線部22aの端部に接続するU字状の接続部22bと、を含む。アンテナエレメント21と外部機器とのマッチングは、導線部22aの長さに応じて設定されている。例えば、マッチング部22の長さは、1λからアンテナエレメント21の円周長0.7λを引いた0.3λより少し短い長さに設定することとしてよい。また、マッチング部22の長さの短い程度は、太陽光パネル等、周りの部材の影響を考慮して設定してよい。導線部22aは、暴露壁11Aの裏側(つまり、衛星本体10の内部側)に配置されている。導線部22aは、例えば、アンテナエレメント21と同様に、多層構造を有する線材によって構成されてよい。マッチング部22のマッチング端部22tは、導線部22aの一方の端部である。マッチング端部22tは、アンテナエレメント21側に配置されている。マッチング端部22tは、暴露壁11Aの貫通穴を介して暴露壁11Aの裏面11A2から表面11A1(主面)に引き出されている。そして、マッチング端部22tは、ナット42によって暴露壁11Aの表面11A1側に固定されている。このナット42及びボルト41は、上述したように、暴露壁11Aの裏面11A2側においてエレメント端部21bを固定している。従って、マッチング端部22tは、ボルト41及びナット42を介して、エレメント端部21bのそれぞれに電気的に接続されている。 The matching unit 22 performs impedance matching between the antenna element 21 and an external device (for example, a communication control device). The matching part 22 includes a pair of conductor parts 22a extending along the exposed wall 11A, and a U-shaped connection part 22b that connects an end of one conductor part 22a to an end of the other conductor part 22a. . Matching between the antenna element 21 and external equipment is set according to the length of the conducting wire portion 22a. For example, the length of the matching section 22 may be set to be slightly shorter than 0.3λ, which is 1λ minus 0.7λ, the circumferential length of the antenna element 21. Further, the shortness of the length of the matching section 22 may be set in consideration of the influence of surrounding members such as a solar panel. The conducting wire portion 22a is arranged on the back side of the exposed wall 11A (that is, on the inside of the satellite main body 10). For example, like the antenna element 21, the conducting wire portion 22a may be made of a wire having a multilayer structure. The matching end portion 22t of the matching portion 22 is one end portion of the conducting wire portion 22a. The matching end portion 22t is arranged on the antenna element 21 side. The matching end portion 22t is drawn out from the back surface 11A2 of the exposed wall 11A to the front surface 11A1 (main surface) through the through hole of the exposed wall 11A. The matching end portion 22t is fixed to the surface 11A1 side of the exposed wall 11A by a nut 42. As described above, the nut 42 and bolt 41 fix the element end 21b on the back surface 11A2 side of the exposed wall 11A. Therefore, the matching end 22t is electrically connected to each of the element ends 21b via the bolt 41 and nut 42.

マッチング部22の他方の端部は、アンテナエレメント21が配置された位置とは逆側に配置される。マッチング部22の他方の端部は、接続部22bである。具体的には、接続部22bは、暴露壁11Aの貫通穴を介して暴露壁11Aの裏面11A2から表面11A1に引き出されている。そして、引き出された接続部22bは、それぞれU字状の連結部によって互いに電気的に接続されている。 The other end of the matching section 22 is arranged on the opposite side to the position where the antenna element 21 is arranged. The other end of the matching section 22 is a connecting section 22b. Specifically, the connecting portion 22b is drawn out from the back surface 11A2 of the exposed wall 11A to the front surface 11A1 through a through hole in the exposed wall 11A. The pulled-out connecting portions 22b are electrically connected to each other by U-shaped connecting portions.

アンテナ入出力部23は、マッチング部22の他方の端部側に設けられる。つまり、本実施形態では、アンテナ入出力部23は、マッチング部22の一部である。アンテナ入出力部23は、マッチング部22を介して接続されたアンテナエレメント21へ信号を提供すると共にアンテナエレメント21から信号を受け取る。アンテナ入出力部23には、例えば、同軸ケーブル43が接続されている。従って、信号は、同軸ケーブル43を介して衛星本体10に収容された通信装置に送受信される。 The antenna input/output section 23 is provided on the other end side of the matching section 22. That is, in this embodiment, the antenna input/output unit 23 is a part of the matching unit 22. The antenna input/output unit 23 provides a signal to the antenna element 21 connected via the matching unit 22 and receives a signal from the antenna element 21 . For example, a coaxial cable 43 is connected to the antenna input/output section 23. Therefore, signals are transmitted and received via the coaxial cable 43 to the communication device housed in the satellite body 10.

アンテナ20は、2種類の形態を取り得る。具体的には、アンテナ20は、非展開形態と展開形態と、を取り得る。これら2つの形態は、非展開形態から展開形態へ不可逆に切り替えられる。 Antenna 20 can take two forms. Specifically, antenna 20 can take a non-deployed configuration and a deployed configuration. These two configurations are irreversibly switched from the non-deployed configuration to the deployed configuration.

<非展開形態(第1形態)>
図4は、非展開形態である人工衛星1を示す。非展開形態は、例えば、人工衛星1がロケットに搭載される際に取り得る形態である。非展開形態とは、アンテナ20が展開されていない形態であるともいえる。従って、人工衛星1が非展開形態であるとき、人工衛星1の外形寸法は、概ね衛星本体10の外形寸法と同じであるとみなせる。
<Non-deployed form (first form)>
FIG. 4 shows the artificial satellite 1 in a non-deployed configuration. The non-deployed form is, for example, a form that can be taken when the artificial satellite 1 is mounted on a rocket. The non-deployed form can also be said to be a form in which the antenna 20 is not deployed. Therefore, when the artificial satellite 1 is in the non-deployed state, the external dimensions of the artificial satellite 1 can be considered to be approximately the same as the external dimensions of the satellite main body 10.

非展開形態であるとき、アンテナエレメント21は、暴露壁11Aに沿って曲げられている。より詳細には、アンテナエレメント21は、二重巻き又は三重巻きとされて、展開時の直径(D)よりも小さい直径(D1)となっている。さらに、アンテナエレメント21は、貫通穴から表面11A1側に突出している第3の部分において、略直角に曲げられている。つまり、アンテナエレメント21は、延在方向における曲げ変形と、延在方向を中心としたねじり変形と、を生じている。これらの曲げ変形及びねじり変形は、主線部21mを構成するバネ鋼の降伏点を示す応力及び歪みよりも小さくなる範囲とされている。曲げ変形及びねじり変形をこのような範囲に収めることにより、曲げ変形及びねじり変形はいわゆる弾性域にとどまる。その結果、変形を維持する力を解放すると、アンテナエレメント21は、元の形状に戻ることができる。そのため、アンテナエレメント21の主線部21mの材料としては、弾性域が広い材料を選択するとよい。 When in the non-deployed configuration, the antenna element 21 is bent along the exposed wall 11A. More specifically, the antenna element 21 is double-wound or triple-wound, and has a diameter (D1) smaller than the diameter (D) when unfolded. Further, the antenna element 21 is bent at a substantially right angle at the third portion protruding from the through hole toward the surface 11A1. In other words, the antenna element 21 undergoes bending deformation in the extending direction and torsional deformation centered on the extending direction. These bending deformations and torsional deformations are in a range smaller than the stress and strain indicating the yield point of the spring steel forming the main line portion 21m. By keeping the bending deformation and torsional deformation within such ranges, the bending deformation and torsional deformation remain in the so-called elastic region. As a result, upon releasing the force maintaining the deformation, the antenna element 21 can return to its original shape. Therefore, as the material for the main line portion 21m of the antenna element 21, it is preferable to select a material with a wide elastic range.

非展開形態であるときのアンテナエレメント21は、弾性変形としての曲げ変形及びねじり変形を生じている。従って、この変形状態を維持するためには、曲げ変形及びねじり変形によって生じる復元力に対抗する力を与える必要がある。そこで、人工衛星1は、変形状態を維持するためのアンテナ保持部30を有する。アンテナ保持部30は、曲げ変形により生じる復元力に対抗する。この復元力は、例えば、暴露壁11Aの表面11A1に沿っていると言える。また、アンテナ保持部30は、ねじり変形により生じる復元力に対抗する。この復元力は、例えば、暴露壁11Aの表面11A1の法線方向に沿っていると言える。 The antenna element 21 in the non-deployed state undergoes bending and twisting deformations as elastic deformations. Therefore, in order to maintain this deformed state, it is necessary to apply a force that counters the restoring force caused by bending and torsional deformation. Therefore, the artificial satellite 1 has an antenna holding section 30 for maintaining the deformed state. The antenna holding portion 30 resists restoring force caused by bending deformation. This restoring force can be said to be along the surface 11A1 of the exposed wall 11A, for example. Furthermore, the antenna holding portion 30 resists restoring force caused by torsional deformation. This restoring force can be said to be along the normal direction of the surface 11A1 of the exposed wall 11A, for example.

例えば、アンテナ保持部30は、3個のピン31A、31B、31Cと、2本の保持糸32A、32Bと、糸切断部33と、を有する。ピン31A、31B、31Cは、暴露壁11Aの表面11A1から起立する。ピン31A、31B、31Cは、平面視して正三角形又は二等辺三角形の頂点の位置に配置される。例えば、ピン31Cは、エレメント端部21bの間に配置される。ピン31A、31Bは、発電パネル12の間において、互いに離間して配置される。保持糸32Aは、ピン31A、31Cの間に張られる。保持糸32Bは、ピン31B、31Cの間に張られる。保持糸32A、32Bは、上記の2つの復元力に対抗する力を生じる。なお、曲げ変形したアンテナエレメント21がピン31A、31Bに接することとしてもよい。この場合には、ピン31A、31Bも、暴露壁11Aの表面11A1に沿った復元力に対抗する力を生じるものとして扱うことができる。 For example, the antenna holding section 30 includes three pins 31A, 31B, and 31C, two holding threads 32A and 32B, and a thread cutting section 33. Pins 31A, 31B, and 31C stand up from surface 11A1 of exposed wall 11A. The pins 31A, 31B, and 31C are arranged at the vertices of an equilateral triangle or an isosceles triangle when viewed from above. For example, pin 31C is arranged between element ends 21b. The pins 31A and 31B are spaced apart from each other between the power generation panels 12. The holding thread 32A is stretched between the pins 31A and 31C. The holding thread 32B is stretched between the pins 31B and 31C. The holding threads 32A, 32B generate forces that counteract the two restoring forces mentioned above. Note that the bent antenna element 21 may be in contact with the pins 31A and 31B. In this case, the pins 31A and 31B can also be treated as generating a force that opposes the restoring force along the surface 11A1 of the exposed wall 11A.

そして、糸切断部33は、それぞれ保持糸32A、32Bを切断する。糸切断部33が保持糸32A、32Bを切断するタイミングは、所望の定義によって定めてよい。例えば、衛星本体10に搭載された制御装置が動作を開始してからの時間をカウントし、所定時間経過後に切断動作を行うこととしてよい。この所定時間とは、ロケットに搭載された人工衛星1に電源が投入されてから、ロケットから軌道に投入されるまでの時間としてよい。また、その他の例として、人工衛星1がロケットから分離されるときに生じる変化(例えば、衝撃、機械的スイッチのON/OFF)などに基づいて、切断動作を行うこととしてよい。切断動作の結果、復元力に対抗する力が解放されるので、アンテナエレメント21は、復元力によって、展開形態へ移行する。 Then, the thread cutting section 33 cuts the holding threads 32A and 32B, respectively. The timing at which the thread cutting section 33 cuts the holding threads 32A and 32B may be determined according to a desired definition. For example, the time elapsed after the control device mounted on the satellite main body 10 started operating may be counted, and the cutting operation may be performed after a predetermined period of time has elapsed. This predetermined time may be the time from when power is turned on to the artificial satellite 1 mounted on a rocket until it is launched into orbit from the rocket. Furthermore, as another example, the disconnection operation may be performed based on changes that occur when the artificial satellite 1 is separated from the rocket (for example, impact, ON/OFF of a mechanical switch), etc. As a result of the cutting action, the force opposing the restoring force is released, so that the restoring force causes the antenna element 21 to transition into the deployed configuration.

なお、上記の構成は、アンテナ保持部30の一例である。アンテナ保持部30として、これらの抵抗力を生じさせると共に、所定のタイミングで抵抗力を解放できる機構であれば、上記の例に限定されない。例えば、保持糸32A、32Bを切断する構成は種々の構成を採用し得る。例えば、保持糸32A、32Bを切断する構成は、カッター等で機械的に切断する構成であってもよいし、ニクロム線をタイマー制御で熱して保持糸32A、32Bを切断する構成であってもよい。 Note that the above configuration is an example of the antenna holding section 30. The antenna holding section 30 is not limited to the above example as long as it is a mechanism that can generate these resistance forces and release the resistance forces at a predetermined timing. For example, various configurations may be adopted for cutting the holding threads 32A and 32B. For example, the structure for cutting the holding threads 32A and 32B may be a structure in which the holding threads 32A and 32B are cut mechanically with a cutter or the like, or a structure in which the holding threads 32A and 32B are cut by heating the nichrome wire under timer control. good.

さらに、アンテナ保持部において、ピン31A、31Bに代えてクリップ等の弾性部材によって非展開形態のアンテナエレメント21を保持する構成を採用してもよい。具体的には、クリップ等の弾性部材は、衛星本体10側に向かう荷重によって弾性変形させられている。この変形は、保持糸32A、32Bによって維持される。そして、保持糸32A、32Bを切断すると、クリップ等の弾性部材の変形が解放される。保持糸32A、32Bは、軌道に到達する予定時刻の経過をタイマーでカウントし、予定時刻に達したときに、切断を行うこととしてよい。切断は、ニクロム線の加熱を利用してよい。その結果、アンテナエレメント21の変形状態も解放されることになる。 Furthermore, in the antenna holding section, a configuration may be adopted in which the antenna element 21 in the non-deployed state is held by an elastic member such as a clip instead of the pins 31A and 31B. Specifically, an elastic member such as a clip is elastically deformed by a load directed toward the satellite main body 10 side. This deformation is maintained by the holding threads 32A, 32B. Then, when the holding threads 32A and 32B are cut, the deformation of the elastic member such as the clip is released. The holding threads 32A and 32B may be cut by using a timer to count the passage of the scheduled time when they reach the orbit, and when the scheduled time is reached. The cutting may be performed using heating of a nichrome wire. As a result, the deformed state of the antenna element 21 is also released.

なお、この非展開形態である場合にも、アンテナエレメント21は、アンテナとしての機能を奏することが可能である。この場合には、アンテナエレメント21を展開した状態であるときの性能と比べると、性能は低下するものの、アンテナとしての機能は維持できる。その結果、仮に、何らかの理由でアンテナエレメント21の展開が失敗した場合であっても、アンテナエレメント21は、アンテナとしての機能を失うことがない。従って、アンテナエレメント21の展開の成否にかかわらず、アンテナとしての機能を奏することができる。その結果、アンテナエレメント21の展開が失敗した場合でも、通信機能が喪失せず、限定された範囲内で運用を継続することができる。 Note that even in this non-deployed state, the antenna element 21 can function as an antenna. In this case, the performance as an antenna can be maintained, although the performance is lower than that when the antenna element 21 is in an expanded state. As a result, even if deployment of the antenna element 21 fails for some reason, the antenna element 21 will not lose its function as an antenna. Therefore, regardless of whether the antenna element 21 is deployed successfully or not, it can function as an antenna. As a result, even if deployment of the antenna element 21 fails, the communication function is not lost and operation can be continued within a limited range.

<展開形態(第2形態)>
図1は、展開形態である人工衛星1を示す。非展開形態から展開形態へは、アンテナエレメント21の復元力によりなされる。つまり、アンテナエレメント21そのものが、展開形態の形状を復元する機能を有する。具体的には、アンテナエレメント21を構成する主線部21mが復元力を発揮する。アンテナ20は、アンテナエレメント21を展開するために、付加的なアクチュエータを必要としない。このようにアンテナエレメント21を展開する機構を単純化する、具体的には、アンテナ20の構成部品の数を少なくすることにより、アンテナエレメント21を展開する際の成功率を高めることができる。
<Development form (second form)>
FIG. 1 shows an artificial satellite 1 in a deployed configuration. The restoring force of the antenna element 21 causes the antenna element 21 to change from the non-deployed state to the deployed state. In other words, the antenna element 21 itself has a function of restoring the shape of the unfolded form. Specifically, the main line portion 21m that constitutes the antenna element 21 exhibits restoring force. Antenna 20 does not require additional actuators to deploy antenna element 21. By simplifying the mechanism for deploying the antenna element 21 in this way, specifically by reducing the number of component parts of the antenna 20, the success rate when deploying the antenna element 21 can be increased.

<作用効果>
人工衛星1は、衛星本体10と、衛星本体10の暴露壁11Aに配置されたアンテナ20と、を備える。アンテナ20は、弧状に形成されると共に暴露壁11Aの表面11A1から起立するループアンテナである。
<Effect>
The artificial satellite 1 includes a satellite body 10 and an antenna 20 disposed on an exposed wall 11A of the satellite body 10. The antenna 20 is a loop antenna that is formed in an arc shape and stands up from the surface 11A1 of the exposed wall 11A.

この人工衛星1は、ループアンテナを備えている。ループアンテナは、弧状に形成された部分の長さに応じて、アンテナ20の指向性を所望の態様に設定することができる。つまり、放射角を広げることが可能である。そうすると、アンテナ20の向きが一定でない場合であっても、地上局との間で良好な通信状態を維持することができる。 This artificial satellite 1 is equipped with a loop antenna. In the loop antenna, the directivity of the antenna 20 can be set in a desired manner depending on the length of the arc-shaped portion. In other words, it is possible to widen the radiation angle. Then, even if the direction of the antenna 20 is not constant, it is possible to maintain a good communication state with the ground station.

アンテナ20は、弾性変形が可能である。アンテナ20は、暴露壁11Aに沿う非展開形態から、暴露壁11Aから起立する展開形態へ、アンテナ20が有する復元力によって切り替わる。この構成によれば、非展開形態とすることにより人工衛星1の外形寸法を小さくすることができる。また、展開形態とすることにより、良好な通信状態を確保することができる。 The antenna 20 can be elastically deformed. The antenna 20 is switched from a non-deployed configuration along the exposed wall 11A to an expanded configuration in which it stands up from the exposed wall 11A by the restoring force of the antenna 20. According to this configuration, the external dimensions of the artificial satellite 1 can be reduced by setting it in a non-deployed form. Further, by using the expanded configuration, a good communication state can be ensured.

人工衛星1は、非展開形態を維持するアンテナ保持部30をさらに備えている。この構成によれば、外形寸法が小さくされた状態を好適に維持することができる。従って、ロケットなどに搭載される際に、人工衛星1の外形寸法を所望の寸法に収めることができる。 The artificial satellite 1 further includes an antenna holding section 30 that maintains the non-deployed state. According to this configuration, the state in which the external dimensions are reduced can be suitably maintained. Therefore, when mounted on a rocket or the like, the external dimensions of the artificial satellite 1 can be kept within desired dimensions.

アンテナ20は、アンテナ機能を奏するアンテナエレメント21を含む。アンテナエレメント21の長さは、送信及び/又は受信する電波の波長よりも短い。この構成によれば、アンテナ20の放射角を広げることができる。 Antenna 20 includes an antenna element 21 that performs an antenna function. The length of the antenna element 21 is shorter than the wavelength of the radio waves to be transmitted and/or received. According to this configuration, the radiation angle of the antenna 20 can be widened.

アンテナ20は、アンテナエレメント21に対する電力の授受を行うアンテナ入出力部23と、アンテナエレメント21とアンテナ入出力部23との間に接続されるマッチング部22と、さらに有する。この構成によれば、アンテナ20とアンテナに接続される機器との間のマッチングを調整することが可能になる。従って、地上局との間でさらに良好な通信状態を維持することができる。 The antenna 20 further includes an antenna input/output section 23 that transfers power to and from the antenna element 21, and a matching section 22 connected between the antenna element 21 and the antenna input/output section 23. According to this configuration, it becomes possible to adjust the matching between the antenna 20 and the device connected to the antenna. Therefore, even better communication conditions can be maintained with the ground station.

上記の人工衛星において、アンテナエレメント21の長さ(L)は、電波の波長(λ)に対して、0.6λより大きく0.8λより小さい。さらには、一例として、アンテナエレメントの長さ(L)は、電波の波長(λ)に対して、0.7λである。この構成によれば、アンテナの放射角と放射強度とのバランスをさらに良好に設定することができる。 In the above artificial satellite, the length (L) of the antenna element 21 is greater than 0.6λ and smaller than 0.8λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave. Furthermore, as an example, the length (L) of the antenna element is 0.7λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave. According to this configuration, it is possible to set a better balance between the radiation angle and the radiation intensity of the antenna.

例えば、図5の(a)部~(d)部は、アンテナエレメントを1λとしたときのアンテナ120の指向性を示す解析結果の例である。図5の(a)部は、人工衛星100と放射強度S100とを斜め方向から見た図である。図5の(b)部は、人工衛星100と放射強度S100とを平面視した図である。図5の(c)部は、人工衛星100と放射強度S100とを正面視した図である。図5の(d)部は、人工衛星100と放射強度S100とを側面視した図である。図5の(a)部~(d)部に示すように、アンテナエレメントを1λとした場合には、放射強度S100の分布に偏り(符号SP参照)が生じていることがわかる。つまり、アンテナエレメントを1λとした場合には、指向特性がドーナッツ状になってしまい、利得が出ない方向が生じてしまう。 For example, parts (a) to (d) of FIG. 5 are examples of analysis results showing the directivity of the antenna 120 when the antenna element is 1λ. Part (a) of FIG. 5 is a diagram of the artificial satellite 100 and the radiation intensity S100 viewed from an oblique direction. Part (b) of FIG. 5 is a plan view of the artificial satellite 100 and the radiation intensity S100. Part (c) of FIG. 5 is a front view of the artificial satellite 100 and the radiation intensity S100. Part (d) of FIG. 5 is a side view of the artificial satellite 100 and the radiation intensity S100. As shown in parts (a) to (d) of FIG. 5, it can be seen that when the antenna element is set to 1λ, the distribution of the radiation intensity S100 is biased (see symbol SP). In other words, when the antenna element is set to 1λ, the directivity becomes donut-shaped, and there is a direction in which no gain is produced.

前述のとおり、姿勢制御のためのアクチュエータを備えない人工衛星は、絶えず回転している。従って、地上との通信には全方位に対して、電波の受信ができなくなる谷間となってしまうような指向性がないことが重要である。 As mentioned above, an artificial satellite without an actuator for attitude control constantly rotates. Therefore, for communication with the ground, it is important that there is no directivity in all directions that would result in valleys where radio waves cannot be received.

一方、図6の(a)部~(d)部は、アンテナエレメント21を0.7λとしたときの指向性を示す解析結果の例である。図6の(a)部~(d)部に示すように、放射強度Sが特に強い方向及び特に弱い方向は生じていない。放射強度Sは、いずれの方向においても概ね一様であることがわかった。つまり、本実施形態の人工衛星1のアンテナ20は、全天全周利得を得ることができることがわかった。つまり、本実施形態の人工衛星1は、姿勢制御ができない小型衛星に必要な、3次元で全ての方向に対しての利得(全天全周利得)が低下しない指向特性を確保できていることがわかった。このような図6に示される全天全周利得は、アンテナ20の特性として、非共振アンテナを採用したことによる。 On the other hand, parts (a) to (d) of FIG. 6 are examples of analysis results showing the directivity when the antenna element 21 is set to 0.7λ. As shown in parts (a) to (d) of FIG. 6, there are no directions in which the radiation intensity S is particularly strong or in which it is particularly weak. It was found that the radiation intensity S was generally uniform in any direction. In other words, it was found that the antenna 20 of the artificial satellite 1 of this embodiment can obtain an all-sky all-round gain. In other words, the artificial satellite 1 of this embodiment is able to secure directivity characteristics in which the gain in all directions (all-sky gain) does not decrease in three dimensions, which is necessary for a small satellite whose attitude cannot be controlled. I understand. The all-sky all-round gain shown in FIG. 6 is due to the adoption of a non-resonant antenna as a characteristic of the antenna 20.

さらに、人工衛星1は、以下のような更なる作用効果を奏する。 Furthermore, the artificial satellite 1 has the following additional effects.

人工衛星1のアンテナ20は、ループアンテナである。従って、人工衛星1からアンテナ20の他に、構成物(例えば、テザー)が延びる場合に、アンテナ20が弧状であるために、当該構成物が引っ掛かりにくい。従って、人工衛星1のミッションの成功率を高めることができる。 The antenna 20 of the artificial satellite 1 is a loop antenna. Therefore, when a component (for example, a tether) extends from the artificial satellite 1 in addition to the antenna 20, the component is unlikely to be caught because the antenna 20 is arc-shaped. Therefore, the success rate of the mission of the artificial satellite 1 can be increased.

ループアンテナであるアンテナ20は、放射角と放射強度とのバランスを調整可能な点が有利である。通信可能状態を連続的に維持する必要性が高い場合には、上記のように、放射角を放射強度より優先させる設定とすることができる。その逆に、通信可能状態を連続的に維持する必要性が低い場合には、放射角よりも放射強度を優先させる設定とすることができる。また、人工衛星がスラスタやリアクションホイールといった姿勢制御装置を搭載した場合には、能動的に姿勢を制御できる。つまり、地上局に対するアンテナ20の向きを所望の状態とすることが可能である。このような場合にも、放射角よりも放射強度を優先させる設定とすることができる。 The antenna 20, which is a loop antenna, is advantageous in that the balance between the radiation angle and the radiation intensity can be adjusted. When it is highly necessary to continuously maintain a communicable state, the radiation angle can be set to have priority over the radiation intensity, as described above. On the other hand, if there is little need to continuously maintain a communicable state, the radiation intensity can be set to have priority over the radiation angle. Additionally, if the satellite is equipped with an attitude control device such as a thruster or reaction wheel, it can actively control its attitude. In other words, it is possible to set the antenna 20 in a desired direction with respect to the ground station. Even in such a case, settings can be made to give priority to the radiation intensity over the radiation angle.

1…人工衛星、11A~11F…暴露壁、11A1…表面、11A2…裏面、12…発電パネル、20…アンテナ、21…アンテナエレメント、21b…エレメント端部、21m…主線部、21n…導電被覆部、21p…絶縁被覆部、22…マッチング部、22a…導線部、22b…接続部、22t…マッチング端部、23…アンテナ入出力部、30…アンテナ保持部、31A,31B,31C…ピン、32A,32B…保持糸、33…糸切断部、41…ボルト、42…ナット、43…同軸ケーブル。 1...Artificial satellite, 11A to 11F...Exposed wall, 11A1...Front surface, 11A2...Back surface, 12...Power generation panel, 20...Antenna, 21...Antenna element, 21b...Element end, 21m...Main line part, 21n...Conductive coating part , 21p...Insulation coating part, 22...Matching part, 22a...Conductor part, 22b...Connection part, 22t...Matching end part, 23...Antenna input/output part, 30...Antenna holding part, 31A, 31B, 31C...Pin, 32A , 32B... Holding thread, 33... Thread cutting section, 41... Bolt, 42... Nut, 43... Coaxial cable.

Claims (5)

衛星本体と、
前記衛星本体の少なくとも1つの主面に配置され、弧状に形成されると共に前記主面から起立するループアンテナであって、弾性変形が可能であり、前記主面に沿う第1形態から、前記主面から起立する第2形態へ、復元力によって切り替わるアンテナと
前記アンテナの前記第1形態を維持するアンテナ保持部と、を備え、
前記アンテナは、前記衛星本体の前記主面を構成する暴露壁に固定されたエレメント端部を含み、
前記アンテナ保持部は、
前記エレメント端部の近傍に配置されて、前記主面から突出する第1のピンと、
前記衛星本体の前記主面を平面視して前記第1のピンと共に三角形の頂点となる位置に配置されて、前記主面から突出する第2のピン及び第3のピンと、
前記第1のピンと前記第2のピンの間に張られる第1の保持糸と、
前記第1のピンと前記第3のピンの間に張られる第2の保持糸と、を含み、
前記第1形態であるときの前記アンテナは、前記第1の保持糸及び前記第2の保持糸と、前記衛星本体の前記主面との間に配置されている、人工衛星。
The satellite body,
A loop antenna disposed on at least one main surface of the satellite main body, formed in an arc shape and standing up from the main surface, capable of elastic deformation, and capable of changing from a first shape along the main surface to a first shape along the main surface. An antenna that switches to a second form that stands up from a surface by restoring force ;
an antenna holding part that maintains the first form of the antenna,
The antenna includes an element end fixed to an exposed wall forming the main surface of the satellite main body,
The antenna holding part is
a first pin disposed near the end of the element and protruding from the main surface;
a second pin and a third pin that are arranged at the apexes of a triangle together with the first pin when the main surface of the satellite main body is viewed in plan, and protrude from the main surface;
a first holding thread stretched between the first pin and the second pin;
a second holding thread stretched between the first pin and the third pin,
In the artificial satellite, the antenna in the first form is disposed between the first holding string, the second holding string, and the main surface of the satellite main body.
前記アンテナは、アンテナ機能を奏するアンテナエレメントを含み、
前記アンテナエレメントの長さは、送信及び/又は受信する電波の波長よりも短い、請求項1に記載の人工衛星。
The antenna includes an antenna element that performs an antenna function,
The artificial satellite according to claim 1 , wherein the length of the antenna element is shorter than the wavelength of radio waves to be transmitted and/or received.
前記アンテナは、
前記アンテナエレメントに対する電力の授受を行うアンテナ入出力部と、
前記アンテナエレメントと前記アンテナ入出力部との間に接続されるマッチング部と、さらに有する、請求項に記載の人工衛星。
The antenna is
an antenna input/output unit that transfers power to and from the antenna element;
The artificial satellite according to claim 2 , further comprising a matching section connected between the antenna element and the antenna input/output section.
前記アンテナエレメントの長さは、前記電波の波長(λ)に対して、0.6λより大きく0.8λより小さい、請求項またはに記載の人工衛星。 The artificial satellite according to claim 2 or 3 , wherein the length of the antenna element is greater than 0.6λ and smaller than 0.8λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave. 前記アンテナエレメントの長さは、前記電波の波長(λ)に対して、0.7λである、請求項又はに記載の人工衛星。 The artificial satellite according to claim 2 or 3 , wherein the length of the antenna element is 0.7λ with respect to the wavelength (λ) of the radio wave.
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