KR20080021645A

KR20080021645A - 경량의 공간-피딩된 능동 위상 어레이 안테나 시스템

Info

Publication number: KR20080021645A
Application number: KR1020077028662A
Authority: KR
Inventors: 피터 알렌 폭스; 케네스 빅터 제임스
Original assignee: 맥도널드, 디트윌러 앤드 어소시에이츠 엘티디.
Priority date: 2005-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2008-03-07
Also published as: EP1889327A4; ES2489765T3; KR100971096B1; WO2006130993A1; IL186982A; IL186982A0; CA2610937C; RU2367068C1; EP1889327A1; JP2008542768A; CA2610937A1; RU2007149233A; EP1889327B1; JP4951622B2; WO2006130993B1; US20090009391A1; US7889129B2

Abstract

위성용 시스템은 능동 위상 어레이를 발생시키는 다수의 노드들 및 코어 시스템을 포함한다. 각각의 노드는 코어 시스템으로부터 송신 신호를 무선으로 수신하고, 타겟에 송신 신호들을 무선으로 송신하며, 타겟으로부터 수신 신호들을 무선으로 수신하고, 다시 코어 시스템에 수신 신호를 무선으로 송신하는 송수신기를 포함한다. 상기 시스템은 또한 송신 및 수신 신호들 사이의 신호 간섭을 억제하는 서브시스템을 포함한다. 노드들 각각은 또한 국부 전력 발생 회로를 포함할 수 있다.

위성용 시스템, 능동 위상 어레이, 노드, 코어 시스템, 국부 전력 발생 회로.

Description

경량의 공간-피딩된 능동 위상 어레이 안테나 시스템{Lightweight space-fed active phased array antenna system}

관련 출원(들)과의 상호참조

본 출원은 2005년 6월 9일자로 출원된 미국 가특허출원 번호 60/689,473호(대리인 문서 번호 34716-8002.US00)의 이점을 청구한다.

본 발명은 경량 공간-피딩된 위상 어레이 안테나 시스템에 관한 것이다.

위상 어레이 안테나들의 주요 장점은 상기 안테나들이 빔을 전자적으로 조종(steering)하여, 기계적인 포인팅 및 정렬에 대한 필요성을 제거할 수 있다는 것이다. 또 다른 이점은 빔 조종이 고속으로 수행될 수 있어서, 고속으로 이동하는 타겟들을 추적하고, 다수의 타겟들을 추적할 수 있다는 것이다. 고속 빔 조종은 또한 이동하는 플랫폼(예를 들어, 항해중인 배) 상의 안테나가 통신 또는 브로드캐스트 위성과 같은 고정된 엔티티와의 접촉을 유지하고자 하는 애플리케이션들을 용이하게 한다.

위상 어레이 안테나들의 공통 애플리케이션은 레이더 시스템들, 특히 합성 개구 레이더 시스템들의 구현예이다.

일반적으로 공지되어 있는 무선 검출 및 계측, 즉 레이더 그 자체는 제2차 세계 대전 이래로 존재하였고, 광범위한 애플리케이션들에 사용된다. 예를 들어, 레이더들은 비행기들, 배들 및 다른 차량들과 같은 물체들의 위치를 추적하거나, 대기 조건들을 모니터링하는데 사용된다.

기본적인 레이더 시스템들은 통상적으로 타겟에서 짧은 펄스의 형태로 무선 주파수 신호를 송신함으로써 동작한다. 기본적인 레이더 시스템은 거리 분해능 및 방위 분해능 둘 모두에서 제한된다. 기본적인 레이더 시스템의 한계들을 극복하기 위하여 다양한 기술들이 개발되었다. 예를 들어, 펄스 압축과 같은 거리 분해능 기술들을 개선시키는 것이 사용될 수 있다.

수용 불가능하게 큰 안테나를 필요로 함이 없이 방위 분해능을 개선시키기 위하여, 합성 개구 레이더 기술이 개발되었다. 합성 개구 레이더들은 요즘 항공 및 우주(예를 들어, 비행기 또는 위성) 기반으로 한 애플리케이션들 둘 모두에서 일반적으로 사용된다.

현대의 합성 개구 레이더 시스템들은 광범위한 분해능들 및 이미지 관측 폭(image swath width)들에 걸쳐 이미지화(imaging)을 지원함으로써 동작 유연성을 필요로 한다. 이 동작 유연성은 능동 위상 어레이 안테나 시스템의 사용을 필요로 한다.

우주 애플리케이션들을 위한 현재의 능동 위상 어레이 시스템들은 다수의 제한들이 있고, 이로 인해 상기 시스템들이 광범위하게 사용되는 것이 제한된다. 안테나들은 비교적 큰데, 길이가 10 내지 10 미터 정도이고 폭이 1 내지 2미터 정도이다. 빔의 품질을 보존하고 이를 안전하게 유지하기 위해서는 안테나 자신이 견고 하고 필요로 되는 허용오차들 내에서 안테나를 평활하게 유지하도록 견고하게 지지되는 것이 필요로 된다. 이것은 안테나의 질량이 높도록 하며, 신장될 때 필요로 되는 강성도(stiffness)를 제공하기 위하여 지지 트러스(support truss)들 또는 다른 기계적인 수단을 필요로 한다.

안테나가 너무 커서 발사체(launch vehicle)의 이용 가능한 탑재량(payload volume)에 적합하지 않기 때문에, 안테나의 크기로 인해 일반적으로 안테나들의 동작적인 구성에서 안테나들이 발사되지 못하게 된다. 안테나는 발사를 위해 폴딩되어 격납되고 나서, 궤도 위에서 한 번 전개된다. 안테나를 전개하고 전개될 때 상기 안테나를 견고하게 유지하기 위한 복잡하고 고가의 메커니즘들이 특히 디자인되어야 한다. 안테나 패널들을 발사 중에 격납된 채로 안전하게 유지하고 안테나가 발사 중에 초래되는 응력들에 의하여 손상되지 않도록 하기 위하여 특수용 메커니즘들이 또한 디자인되어 구성될 수 있다. 안테나의 높은 질량으로 인해, 안테나를 격납하고 전개하는 작업이 훨씬 더 어려워진다.

능동 위상 어레이의 소자들은 메인 버스 구조 및 안테나 소자들 사이에 복잡한 세트의 상호접속부들을 필요로 한다. 송신 및 수신 둘 모두를 위하여 무선 주파수 신호들의 전력, 제어, 모니터링 및 분배를 위한 접속부가 필요로 된다. 복잡한 방위 및 고도 빔 형성 장치들 및 상호접속부들이 필요로 된다. 이러한 상호접속부들은 안테나의 전체 중량, 복잡도 및 비용에 더 부가된다. 게다가, 상호접속부들은 안테나의 패널들 사이에서 힌지들을 브리징하도록 이루어져서, 제조 복잡도 및 비용을 부가하고 전체 신뢰도를 감소시킬 수 있다.

RADARSAT-2 우주선은 능동 위상 어레이 안테나를 사용한 최첨단 합성 개구 레이더 시스템의 일례이다. 안테나는 이 경우에, 길이가 15미터이고 폭이 1.5미터이다. 상기 안테나는 각각 길이가 대략 3.75미터이고 폭이 1.5미터인 2개의 패널들을 각각 포함하는 2개의 윙들로 이루어진다. 각각의 패널은 20개의 방사 소자들을 갖는 관련된 서브-어레이를 각각 가진 32개의 송/수신 모듈들을 각각 포함하는 4개의 컬럼들을 포함한다. 상기 안테나에서 총 512개의 송수신 모듈들이 사용된다. 안테나의 전체 질량은 대략 785kg이다. 안테나 패널들을 전개하고 이를 적소에서 유지하는데 필요로 되는 신장 가능한 지지 구조는 대략 120kg의 질량을 갖는다. 격납된 채로 안테나를 유지하고 나서, 상기 안테나를 전개하기 위해 릴리스하는데 사용되는 메커니즘들은 부가적인 대략 120kg의 중량을 부가한다. 안테나에 의해 필요로 되는 총 질량은 대략 1025kg이다. 이 큰 질량이 차례로 우주선 버스 구조 및 자세 제어 시스템들의 디자인을 구동시켜, 우주선을 더 크고 더 무겁게 한다.

큰 중량 및 복잡한 디자인은 이 등급의 우주선을 디자인하고 구성하고 발사하는 총 비용이 높다는 것을 의미한다. 이는 특수화된 애플리케이션들에 이 기술을 사용하는 것을 제한하고, 발사될 수 있는 우주선의 수를 제한하여, 관측 빈도를 감소시키고 지원될 수 있는 동작적인 미션들을 제한한다.

본 발명의 실시예들은 종래의 위상 어레이 안테나 시스템들의 동작 케이퍼빌리티들을 유지하지만, 이들을 보다 낮은 질량, 보다 낮은 제조 복잡도에서 유지하므로 더 낮은 전체 미션 비용에서 유지하는 우주 능동 위상 어레이 안테나 시스템을 구성하는 방법 및 시스템을 제공한다. 공간 피드는 능동 안테나 노드들에 신호들을 분배하고, 능동 안테나 노드들은 국부 전력 발생 및 저장 케이퍼빌리티를 포함하며, 경량 안테나 패널들을 제조하는 구성 방법, 및 보상 시스템은 안테나 기하구조에서 기계적인 왜곡들을 측정하여 보상한다.

도면들에서, 관련된 형상은 번호가 동일하지만, 알파벳 첨자들이 상이하게 병기된다.

도1은 하나의 우주선 구성의 전체적인 도면.

도2A는 안테나 시스템의 블록도.

도2B는 안테나 시스템의 타이밍도.

도3은 능동 안테나 노드의 블록도.

도4는 능동 안테나 노드에 포함된 무선 주파수 회로 기능들의 블록도.

도5A는 하나의 안테나 패널의 배면을 도시한 도면.

도5B는 안테나 패널의 배면의 일부의 상세도.

도5C는 안테나 패널의 배면의 일부의 에지로부터 본 상세도.

도5D는 안테나 패널의 정면(방사면)의 일부의 상세도.

도6A는 안테나 패널의 정면의 일부의 절개도.

도6B는 안테나 패널의 일부를 통한 단면도.

도7은 이미지들을 수집하기 위한 위성 버스 내의 기하구조 보상 시스템 및 광학적 경로들에 사용된 타겟들을 도시한 도면.

도8A는 포어 빔 장착되는 조사된 타겟(fore beem mounted illuminated targer)의 상세도.

도8B는 2개의 안테나 패널들 상의 조사된 타켓들의 배열을 도시한 도면.

도8C는 타겟들 중 하나의 세부사항을 도시한 도면.

도9는 안테나 패널들 상의 타겟들을 위치를 도시한 하나의 윙의 도면으로서, 보다 가까운 타겟들이 보다 먼 타겟들을 막지 않도록 하는 타겟들의 배열 및 이미지화 시스템(도면의 최하부)에 의해 관측된 도면.

도10은 기하구조 보상 시스템의 구성요소들을 도시한 도면으로서, 기하구조 보상은 안테나에서 기계적인 왜곡들을 보상하기 위하여 안테나 소자들의 위상 세팅들을 조정하는데 사용됨.

도11A는 발사를 위해 격납된 안테나 패널들 및 붐(boom)들을 갖는 우주선을 도시한 도면.

도11B는 하나의 안테나 윙 및 붐을 전개하는 동안의 우주선을 도시한 도면.

도11C는 윙들 및 붐들 둘 모두가 전개된 동작적인 구성에서 우주선을 도시한 도면.

도12A는 대안적인 버스 구조 구성을 도시한 도면.

도12B는 또 다른 대안적인 버스 구조 구성을 도시한 도면.

도12C는 또 다른 대안적인 버스 구조 구성을 도시한 도면.

도13은 능동 안테나 노드에 대한 동작들의 시퀀스를 도시한 도면.

도14는 능동 위상 어레이 안테나의 동작들의 전체 시퀀스를 도시한 도면.

도15는 능동 위상 어레이 안테나로부터 송신 및 수신되는 신호들 및 능동 안테나 노드 제어 신호들 사이의 타이밍 관계를 도시한 도면.

도16은 기하구조 보상을 수행하기 위한 동작들의 시퀀스를 도시한 도면.

도17은 다수의 편파 케이퍼빌리티를 갖는 능동 위상 어레이 안테나에 대한 능동 안테나 노드에 포함된 무선 주파수 회로 기능들의 블록도.

도면-참조 번호들

100 우주선 버스 구조

105 안테나 패널

110 하나 이상의 안테나 패널들(이 예에서 4개의 패널들이 도시되어 있음)로 이루어진 안테나 포어 윙(fore wing)

115 하나 이상의 안테나 패널들(이 예에서 4개의 패널들이 도시되어 있음)로 이루어진 안테나 애프트 윙(aft wing)

120 안테나 패널의 방사면

125 안테나 패녈의 배면

130 포어 붐

135 애프트 붐

140 붐 안테나 어셈블리

145 (버스 전력을 제공하기 위한) 태양 어레이

150 (포어 윙 및 애프트 윙으로 이루어진) 위상 어레이 안테나

200 우주선 버스 구조에 하우징된 장비

205 우주선 버스 시스템들(전력, 제어, 데이터 핸들링, 등)

210 수신기/여자기

215 안정된 국부 발진기

220 송신 펄스 발생기

225 수신기

230 신호 추출 및 인코딩 유닛

235 브로드캐스팅된 안정된 국부 발진기 신호

240 주파수 변환된 송신 및 수신 신호들을 갖는 양방향 링크

245 2-와이어 CAN Bus 제어 버스

250 송신 및 수신 신호 분배용 붐 장착 안테나

255 안정된 국부 발진기 기준 주파수의 분배용 붐 장착 안테나

260 제어 버스

265 기저대역 처프 신호

270 안테나 제어기

300 능동 안테나 노드

305 안테나 노드 태양전지 패널 어셈블리

310 배터리 충전 조정기

315 재충전 가능한 배터리

320 전원 및 전력 스위칭 어셈블리

325 안정된 국부 발진기 기준 주파수를 수신하기 위한 안테나

330 기준 주파수 프로세싱 어셈블리

335 송신/수신 신호용 안테나

340 송신기 어셈블리

345 수신기 어셈블리

350 서브어레이

355 안테나 노드 제어기

360 마이크로-제어기

365 디지털-대-아날로그 컨버터 수단

370 위상 제어 신호들

375 송신 이득 제어 신호

380 수신 이득 제어 신호

385 안테나로부터의 송신 및 수신 신호들

400 신호 라우팅 장치(예를 들어, 순환기, 스위치, 커플러, 등)

405 가변 이득 증폭기

410 믹서

415 고 전력 증폭기

420 신호 라우팅 장치(예를 들어, 순환기, 스위치, 커플러, 등)

425 저 잡음 증폭기

430 믹서

435 가변 이득 증폭기

440 저 잡음 증폭기

445 주파수 2배기

450 직접 변조기

455 전력 분배기

460 위상 시프트된 기준 주파수

500 노드 전자 모듈

505 태양 전지 어레이

510 도파관 슬롯들

600 RF 투명 재료(예를 들어, 석영 벌집)

605 패널 구조

610 접합된 알루미늄 시트(안테나 패널의 정면)

615 도파관 내로 신호를 주입하기 위한 도파관 발사기

700 광학 어셈블리 및 이미지 프로세싱 유닛의 위치

705 안테나 윙 이미지들에 대한 광학 경로

710 붐 이미지들에 대한 광학 경로

715 안테나 패널들 상의 조사된 타겟들(식별된 모든 타겟들이 아님)

720 포어 붐 상의 조사된 타겟

725 애프트 붐 상의 조사된 타겟

800 안테나 패널 상의 예시적인 조사된 타겟

1000 광학 어셈블리

1005 포어 및 애프트 윙들 및 포어 및 애프트 붐들을 위한 개구들

1010 포어 및 애프트 윙들 및 포어 및 애프트 붐들의 이미지

1015 결합된 이미지

1020 고체 상태 이미지화 어레이

1025 이미지 프로세싱 유닛

1030 포어 윙 타겟 조사 제어기들

1035 애프트 윙 타겟 조사 제어기

1040 오퍼 붐 타겟 조사 제어기

1045 애프트 붐 타겟 조사 제어기

1050 윙 조사 제어 신호들

1055 붐 조사 제어 신호들

1060 안테나 제어기로의 인터이스

1100 발사 차량 탑재 페어링

1200 우주선 버스 구조(대안 1)

1205 버스 전력용 태양 전지 어레이(대안 1)

1210 우주선 버스 구조(대안 2)

1215 버스 전력용 태양 전지 어레이(대안 2)

1220 우주선 버스 구조(대안 3)

1225 버스 전력용 태양 전지 어레이(대안 3)

1230 전개 가능한 붐 어셈블리

1400 CAN Bus 타이밍 및 제어 메시지

1405 능동 안테나 노드 송신 모드 인에이블

1410 능동 안테나 애노드 수신 모드 인테이블

1700 안테나

1702 신호 라우팅 장치(예를 들어, 순환기, 스위치, 커플러, 등)

1704 가변 이득 증폭기

1706 믹서

1708 전력 분배기

1710 고 전력 증폭기(수평 편파)

1712 고 전력 증폭기(수직 편파)

1714 신호 라우팅 장치(예를 들어, 순환기, 스위치, 커플러, 등)

1716 수평 편파된 피드 어셈블리

1718 수직 편파된 피드 어셈블리

1720 서브어레이

1722 저 잡음 증폭기

1724 믹서

1726 가변 이득 증폭기

1728 신호 라우팅 장치(예를 들어, 순환기, 스위치, 커플러, 등)

1730 저 잡음 증폭기

1732 믹서

1734 가변 이득 증폭기

1736 안테나

1738 안테나

1740 저 잡음 증폭기

1742 전력 분배기

1744 주파수 2배기

1746 직접 변조기

1748 직접 변조기

1750 전력 분배기

1752 위상 제어 신호

1754 위상 제어 신호

1756 위상 시프트된 기준 주파수(송신기)

1758 위상 시프트된 기준 주파수(수평 수신 편파)

1760 위상 시프트된 기준 주파수(수직 수신 편파)

1762 송신 편파 선택 신호

1764 수신 이득 보상 신호

1766 수신 이득 제어 신호(수평 편파)

1768 수신 이득 제어 신호(수직 편파)

1770 주파수 변환된 송신 및 수신 신호들을 갖는 양방향 링크

1772 주파수 변환된 수신 신호를 갖는 단방향 링크

본 발명의 다양한 실시예들이 이제 설명될 것이다. 다음의 설명은 이러한 실시예들을 철저히 이해시키고 이러한 실시예의 설명을 가능하게 하기 위하여 특정 세부사항들을 제공한다. 그러나, 당업자들은 본 발명이 많은 이러한 세부사항들 없이 실행될 수 있다는 것을 이해할 것이다. 부가적으로, 어떤 널리-공지된 구조들 및 기능들은 다양한 실시예들의 관련 설명을 불필요하게 모호하지 않게 하기 위하여 상세히 제시되거나 설명되지 않을 수 있다.

이하에 제공되는 설명에서 사용된 용어는 본 발명의 어떤 특정 실시예들의 상세한 설명과 관련하여 사용되고 있을지라도, 가장 넓은 적합한 방식으로 해석되도록 의도된다. 어떤 용어들은 이하에서 강조될 수 있다; 그러나, 임의의 제한된 방식으로 해석되도록 의도된 임의의 용어는 이 상세한 설명 부분에서 명백하고 명확하게 규정될 것이다.

도1은 경량의 공간-피딩된 능동 위상 어레이 안테나 시스템을 사용하는 우주선의 구성을 도시한다. 위상 어레이 안테나(150)는 다수의 안테나 패널들(105)로 이루어진다. 각각의 패널은 타겟을 향해 신호를 송신하고 타겟으로부터 반사된 리턴 신호를 수신하는 방사면(120)이라 칭해지는 정면을 갖는다. 각각의 패널의 배면(125)은 능동 위상 어레이를 형성하는 다수의 능동 안테나 노드들(300)을 포함한다.

안테나 패널들(105)은 윙들이라 칭해지는 2개의 그룹들로 배열된다. 우주선의 비행 방향에 대해 선단 윙(110)은 포어 윙이라 칭해진다. 다른 윙(115)은 애프 트 윙이라 칭해진다.

송신될 주파수 변환된 신호는 전개 가능한 붐(130) 상에 장착된 붐 안테나 어셈블리(140)에 포함된 안테나(250)를 사용하는 공간 피드 배열을 통하여 포어 윙 능동 안테나 노드들로 분배된다. 애프트 윙에 대한 신호는 유사한 전개 가능한 붐(135) 상에 장착된 또 다른 붐 안테나 어셈블리(140)를 사용하여 분배된다. 2개의 붐 안테나 어셈블리들 상에 위치된 안테나들은 또한 능동 안테나 노드들로부터 송신되는 주파수 변환된 신호들을 수신한다. 수신되는 주파수 변환된 신호는 위상 어레이 안테나의 방사면에서 수신되는 타겟으로부터의 리턴 신호를 포함한다.

각각의 붐 안테나 어셈블리(140)는 또한 제2 안테나(255)를 포함한다. 이 제2 안테나는 능동 안테나 노드들 각각에 안정된 기준 주파수를 브로드캐스팅하는데 사용된다.

도시된 실시예에서, 안테나들(250 및 255)은 패치 안테나들이지만, 다른 유형의 안테나가 또한 사용될 수 있다.

버스 구조(100)는 능동 위상 어레이 안테나 시스템을 기계적으로 지지한다. 버스는 통신들, 자세 제어, 우주선 모니터링 및 제어, 열적 제어, 데이터 핸들링, 추진, 등을 포함하는 기능들을 수행하기 위한 대부분의 우주선에서 일반적으로 발견되는 시스템들을 내부에 포함한다. 버스 구조의 대향 면들 상에 장착된 태양 어레이들(145)은 자신의 전력을 제공할 수 있는 능동 안테나 노드들(300)을 제외한, 우주선의 모든 부품들에 전력을 제공한다.

도2A의 블록도는 능동 위상 어레이 안테나 시스템의 주요 구성요소들 및 이 들이 서로 상호작용하는 방법을 도시한다. 간소화를 위하여, 단지 단일 윙의 단일 안테나 패널이 도시되어 있다. 다른 안테나 패널들은 구성 및 동작에서 유사하다.

수신기/여자기(210)가 버스 구조(100)에 포함된다. 수신기/여자기는 레이더 애플리케이션에 사용되는 기준 주파수 및 변조 송신 신호들을 발생시킨다. 수신기/여자기는 또한 패널로부터의 리턴 신호를 수신하고, 상기 수신된 신호를 디지털화하여 포맷하기 위하여 신호 추출 및 인코딩 기능들을 제공한다.

수신기/여자기는 동작용 전력을 수신하고 수신된 데이터를 전달하기 위하여 우주선 버스 시스템들(205)에 인터페이스한다. 수신기/여자기 내의 안테나 제어기(270)는 제어 버스(260)를 통하여 메인 우주선 버스 프로세서에 접속되어 안테나 시스템을 제어하고 모니터링하도록 한다. 제어 버스에 대한 특정 요건들은 존재하지 않고, 이것은 MIL STD 1553B 또는 CAN Bus와 같은 여러 이용 가능한 기술들 중 어느 하나를 사용하여 구현될 수 있다.

안테나 제어기(270)는 능동 안테나 노드들(300) 및 수신기/여자기 내의 모든 유닛을 제어하고 모니터링한다.

안정된 국부 발진기(215)는 안정된, 변조되지 않은 기준 주파수를 발생시킨다. 이 기준 주파수는 송신 펄스 발생기(220) 및 수신기(225)에 국부적으로 분배되고, 또한 붐 안테나 어셈블리들(140) 내의 안테나(255)를 사용하여 능동 안테나 노드들(300) 모두에 브로드캐스팅된다. 단순한 전력 분배기를 통해 붐 안테나 어셈블리 둘 모두를 구동시키기 위하여 단일의 안정된 국부 발진기가 사용된다.

송신 펄스 발생기(220)는 송신된 펄스의 파형을 발생시킨다. 레이더 시스템 들의 경우에, 이것은 통상적으로 처프로서 일반적으로 공지되어 있는 선형으로 변저된 주파수 펄스이다. 이 유형의 펄스를 발생시키는 기술들은 현재의 기술에 널리 공지되어 있다.

처프는 붐 안테나 어셈블리(140)로부터 대응하는 윙 내의 모든 능동 안테나 노드들(300)에 송신된다(240). 각각의 능동 안테나 노드 내에서 처프가 수신되고, 안테나의 동작 주파수로 변환되고, 위상 및 진폭에 대해 조정되며, 안테나의 방사면으로부터 증폭되어 송신된다.

능동 안테나 노드들(300)은 타겟으로부터 리턴된 신호를 수신하고 이 신호를 재송신하여, 상기 신호는 붐 안테나 어셈블리(140) 상의 안테나(250)에 의해 수신될 수 있다.

다른 신호들과의 간섭을 피하기 위하여, 공간-피드를 사용하여 송신되는 처프 및 수신 신호들은 규정된 주파수 계획에 따라 개별적인 캐리어 주파수로 변환되어 원래 신호들의 주파수 변환된 버전들을 생성한다. 일례로서, 전형적인 SAR 애플리케이션에 대한 주파수 계획은 다음과 같을 것이다: 5.400 GHz(C-대역)의 SAR 동작 주파수, 2.400 GHz의 안정된 국부 발진기 주파수 및 10.200 GHz(X-대역)의 주파수 변환된 송신 처프(240) 및 수신 신호들(240)에 대한 캐리어 주파수. 다음의 설명은 이 예의 주파수 계획을 가정한다.

도2B는 상이한 신호들 간의 타이밍 관계의 예를 도시한다. 안정된 국부 발진기 기준 주파수가 각각의 능동 안테나 노드에 연속적으로 브로드캐스팅된다(235). 송신 펄스 발생기(220)는 기저대역 처프 신호(265) 및 모든 능동 안테나 노드들에 또한 브로드캐스팅되는(240) X-대역의 변조된 처프 신호를 발생시킨다. 능동 안테나 노드에서, X-대역 처프 신호는 C-대역으로 변환되고, 타겟 쪽으로 전달되기(385) 전에, 위상이 조정된다. 타겟으로부터의 리턴 신호(385)는 위상 및 이득이 조정되고, C-대역으로부터 X-대역으로 변환되어 수신기(225)에 송신된다(240). 공간 피드 경로 차이들을 보상하기 위하여 이득 조정들(375 및 380)이 사용된다. 이득 조정(380)은 또한 안테나 개구 어포디제이션(antenna aperture apodization)을 제공한다.

수신기(225)는 변환되는 브로드캐스팅된 신호(240)를 수신하고, 이를 복조하고 기저대역 신호를 신호 추출 및 인코딩 유닛(230)에 전달한다. 신호는 디지털화되고, 인코딩되고 포맷되며, 결과적인 디지털 데이터가 프로세싱, 저장 및/또는 접지 바이어스된 수신 단자로의 송신을 위해 우주선 버스 시스템들(205)에 전달된다.

위상 어레이 안테나(150)는 다수의 안테나 패널들(105)로 이루어진다. 각각의 안테나 패널은 상기 패널의 배면(125) 상에 장착된 다수의 능동 안테나 노드들(300)을 포함한다. 일례로서, 합성 개구 레이더 애플리케이션용의 능동 위상 어레이 안테나는 64개 정도의 능동 안테나 노드들을 각각 포함하는 8개 정도의 안테나 패널들을 포함하여, 총 512개의 안테나 노드들을 포함한다.

도3은 능동 안테나 노드(300)의 블록도를 도시한다. 능동 안테나 노드는 자신의 모든 구성요소들에 전력을 제공하는 자신의 국부 전력 발생기 및 저장 수단을 포함한다. 전력 발생을 제공하기 위하여, 태양 전지 어레이(305)는 안테나 패널(125)의 배면 상에 장착된다. 정상 동작에서, 안테나 패널(120)의 방사면은 밑바 닥으로부터 적어도 30도의 각도로 지구를 향할 것이다. 이 우주선 자세에서, 안테나 패널들의 배면 상의 태양 전지 어레이들은 우주선이 태양-동기, 새벽-황혼 궤도와 같은 적절한 궤도에 위치될 때, 태양에 노출될 것이다. 우주선은 더 효율적인 태양 전력 발생 및 배터리 충전을 위해 태양전지 패널들을 태양 쪽으로 더 양호하게 지향시키기 위하여 슬류(slew)될 수 있다. 이것은 SAR 이미지화가 필요로 되지 않는 간격들과 같은 안테나 시스템의 동작을 필요로 하지 않는 기간들에서 발생할 수 있다.

집적 회로 배터리 충전 조정기(310)는 태양 전지 어레이(305)로부터의 전력을 조정하고 재충전 가능한 배터리(315)를 충전한다. 스위칭 회로들(320)로의 조정된 전력 공급은 능동 안테나 노드의 모든 다른 구성요소들에 전력을 제공하고, 능동 안테나 노드의 소자들, 예를 들어, 송신기 및 수신기가 독립적으로 전력 온 및 오프되도록 한다.

능동 안테나 노드의 RF 구성요소들은 2개의 안테나들(325 및 335), 기준 주파수 프로세싱 회로(330), 송신기 회로(340), 수신기 회로(345) 및 서브어레이(350)로 이루어진다. 능동 안테나 노드의 RF 구성요소들의 동작은 다음의 도4에 대한 논의에서 설명된다.

도시된 실시예에서, 안테나들(325 및 335)은 패치 안테나들이지만, 다른 유형들의 안테나가 사용될 수 있다.

도시된 실시예에서, 서브어레이(350)는 슬롯된 도파관 어레이이지만, 다른 배열들이 또한 사용될 수 있다. 대안적인 배열의 일례는 다수의 패치, 안테나 패널 의 정면 또는 배면에 접합된 등각 또는 평면 방사체들로 이루어진 서브어레이이다. 배면에 접합된 경우, 패널은 RF 투명할 것이며; 이 대안은 구조적인 지지를 또한 제공하면서, 방사 서브어레이 소자들을 장착 및 피딩할 시에 간소화 및 감소된 질량을 제공할 것이다.

능동 안테나 노드의 제어는 마이크로제어기 또는 필드 프로그램 가능한 게이트 어레이와 같은 다른 프로그램 가능한 논리 소자를 사용함으로써 성취될 수 있다. 도시된 실시예는 내장 CAN 버스 인터페이스를 포함하는 Intel 8051과 같은 마이크로제어기(360)를 사용한다. 2-와이어 CAN 버스 인터페이스 접속(245)이 사용되어 안테나 제어기(270)로부터 능동 안테나 노드에 제어 및 타이밍 신호들을 제공하고, 노드의 상태를 모니터링한다. 이 인터페이스를 위해 무선 상호접속을 사용하는 실시예가 사용될 수 있을지라도, 안테나 패널들 상에 축적될 수 있는 정전하를 방산하도록 도전성 경로들을 제공하기 위하여 어떤 와이어링이 여전히 필요로 될 수 있다. 와이어드 버스는 구현하기가 더 용이하고, 이 정전하를 방산하는데 사용될 수 있다. 마이크로제어기는 송신기 이득, 수신기 이득 및 위상(송신 및 수신)을 각각 제어하는데 사용되는 아날로그 제어 신호들(380, 375, 370)을 발생시키는 디지털-대-아날로그 컨버터(365)를 구동시킨다.

도4는 능동 안테나 노드의 RF 회로들을 도시한다. 필터들이 도면을 더 간소화하기 위하여 도면으로부터 생략되었다는 것에 주의하라. 필터들에 대한 특별한 요건들이 존재하지 않으며, 필터들의 용도, 디자인 및 구성은 현재의 기술에서 양호하게 이해된다. 안테나(325)는 브로드캐스팅된 안정된 국부 발진기 신호(235)를 수신한다. 이 신호는 저 잡음 증폭기(440)에 의해 증폭되고 나서, 다른 주파수 조정이 사용될 수 있을지라도, 주파수 2배기(445)를 사용하여 주파수가 2배가 된다. 디지털 대 아날로그 컨버터(365)로부터의 위상 제어 신호(370)를 기반으로 하여 신호의 위상을 조정하기 위해 직접 변조기(450)가 사용된다. 위상 조정된 기준 신호가 전력 분배기(455)(또는 스위치)를 사용하여 분배되고, 위상 조정된 기준 신호들(460)이 능동 안테나 노드의 송신기(340) 및 수신기(345) 섹션들 둘 모두에 라우팅된다. 대안적인 실시예는 직접 변조기(450) 대신에 위상 시프터를 사용하거나, 전력 분배기 대신에 2개의 변조기들을 사용할 수 있다.

능동 안테나 노드는 안테나(335)를 사용하여 주파수 변환된 처프 신호(240)를 수신한다. 신호 라우팅 장치(400)는 이득이 신호(375)를 통하여 마이크로제어기에 의해 설정되는 가변 이득 증폭기(405)에 신호를 라우팅한다. 믹서(410)는 상기 신호를 레이더의 동작 주파수로 변환하고 상기 신호를 위상 조정하여 빔을 형성한다. 상기 신호는 고 전력 증폭기(415)를 사용하여 증폭되고 신호 라우팅 장치(420)를 통하여 서브어레이(350)에 라우팅된다.

타겟으로부터 반사된 신호들은 서브어레이(350)에 의해 수신되고 신호 라우팅 장치(420)를 통하여 능동 안테나 노드의 수신부에 라우팅된다. 저 잡음 증폭기(425)는 상기 신호를 증폭한다. 믹서(430)는 상기 신호를 상향변환하며(upconvert) 상기 신호의 위상을 조정하여 수신 빔을 형성한다. 상기 신호는 증폭되고, 이득이 신호(380)를 통하여 마이크로제어기에 의해 설정되는 이득 증폭기(435)에 의해 상기 신호의 이득이 조정된다. 신호 라우팅 장치(400)는 상기 신호 를 수신기/여자기(210) 내의 수신기(225)로의 송신을 위해 안테나(335)에 라우팅한다.

대안적인 실시예는 믹서들(410 및 430) 중 하나 또는 둘 모두 대신에 이중 또는 삼중 평형 믹서를 사용할 수 있다.

수신된 신호들에 대한 신호 대 잡음비를 개선시키기 위하여, 안테나의 빔 패턴은 수신 모드일 때 고도가 더 좁아져서, 이 축에서 이득이 증가된다. 타겟 에어리어의 커버리지(coverage)를 유지하기 위하여, 빔 패턴은 근거리로부터 원거리까지의 타겟 에어리어를 통하여 스윕핑(sweeping)된다. 스윕은 상기 스윕의 시작에서 근거리 에지에서의 타켓들, 및 상기 스윕의 끝에서 원거리 에지에서의 타겟들로부터 신호들을 수신하기 위하여 고도에서 빔을 가리키도록 시간조정된다. 마이크로제어기(360)는 디지털-대-아날로그 컨버터 수단(365)을 사용함으로써 빔의 스윕핑을 제어하여, 제어 신호들(370)을 발생시켜서 수신된 신호의 위상을 조정한다. 수신 중에 빔을 조종하는 이 방법은 보다 낮은 송신 전력으로 신호 대 잡음비를 유지시켜서, 더 적거나 더 낮은 능동 안테나 노드들이 사용되도록 하고, 질량을 낮추며 구성을 간소화한다.

공간 피드를 통한 능동 안테나 노드 신호들은 안테나 패널들의 정면으로부터 타겟으로/타겟으로부터 송신된/수신된 신호들로부터 격리되어야 한다. 이와 같은 격리는 이러한 2개의 무선 주파수 링크들 사이에서 신호들의 결합을 방지하기 위하여 필요로 된다. 상술된 실시예는 이 격리를 성취하기 위하여 주파수 변환을 사용한다. (일 실시예에서, 이와 같은 주파수 격리는 버스 구조(100)라기보다는 오히려 노드들에서 수행되지만, 대안적인 실시예는 그 반대일 수 있다). 이 격리를 성취하거나 신호들 사이의 간섭을 억제하기 위하여 다른 기술들이 또한 사용될 수 있다. 가능한 기술들은 다음: 전자기 차폐, 상이한 신호 편파들의 사용, 디지털 신호 프로세싱 기술들의 사용, 상이하게 코딩된 확산 스펙트럼 채널들의 사용, 시간 도메인 멀티플렉싱의 단독적인 사용 또는 국부 신호 저장과 함께 사용 중 하나 또는 어느 하나의 조합을 포함할 수 있다.

도5A는 안테나 패널(105)의 배면(125) 상의 능동 안테나 노드들의 배열을 도시한다. 능동 안테나 노드들의 수 및 배열은 의도된 애플리케이션들의 필요들에 적합하도록 조정될 수 있다. 도시된 배열은 합성 개구 레이더 애플리케이션에 대한 전형적인 것이다. 이 예시적인 배열은 컬럼당 32개의 능동 안테나 노드들의 2개의 칼럼들로서 배열되는, 안테나 패널당 총 64개의 능동 안테나 노드들을 갖는다. 대안적인 배열들, 예를 들어, 패널 치수들이 희망하는 개구 크기를 제공하기 위하여 조정되는, 총 384개의 능동 안테나 노드들을 갖는 6개의 패널 안테나가 또한 가능하다.

도5A는 또한 각각의 능동 안테나 노드들에 대한 노드 전자 모듈들(500) 및 태양 전지 어레이들(505)을 도시한다.

도5B는 식별된 노드 전자 모듈(500) 및 태양 전지 어레이(505)를 갖는 패널(125)의 배면의 일부의 상세도를 도시한다.

도5C는 안테나 패널 방사면(120) 및 안테나의 배면(125)을 갖는 안테나 패널의 일부, 및 식별된 노드 전자 모듈(500)의 에지도를 도시한다.

도5D는 볼 수 있는 슬롯된 도파관 서브어레이를 위한 슬롯들(510)을 갖는 안테나 패널의 방사면(120)을 도시한다. 슬롯들의 배열, 크기 및 수는 안테나의 동작 주파수 및 동작 요건들에 따르며, 이러한 특성을 결정하는 수단은 종래기술에서 널리 이해되며 문서화되어 있다.

도6A는 슬롯된 도파관 서브어레이의 구성을 설명하기 위한 안테나 패널의 일부의 절개도를 도시한다. 안테나 패널 프레임(605)은 노드 전자 모듈들(500)을 지지하는 구조들을 형성하고 슬롯된 도파관 서브어레이를 위한 캐비티들을 형성하기 위하여 탄소 섬유와 같은 도전성 도금된 비-도전 재료 또는 알루미늄과 같은 도전 재료로 구성된다. 구조적인 지지를 제공하기 위하여, 슬롯된 도파관 서브어레이의 캐비티는 석영 벌집과 같은 RF 투명 재료(600)로 충전될 수 있다. 석영 벌집 재료는 공간-적격 애플리케이션(space-qualified application)들을 위해 상업적으로 입수 가능하다. 다른 RF 투명 재료들이 또한 사용될 수 있다.

도6B는 안테나 패널을 통한 섹션을 도시한다. 세부사항 "B"는 식별된 RF 투명 재료(600) 및 안테나 패널 프레임(605)을 갖는 패널의 구성을 도시한다. 슬롯(510)을 갖는 알루미늄 시트 또는 도전성 도금된 탄소 섬유 시트(610)는 도전성 접착제를 사용하여 안테나 프레임 및 RF 투명 재료에 접합되어, 안테나의 방사면을 형성하고 구조적인 강도를 제공한다. 세부사항 "A"는 노드 전자 모듈 및 슬롯된 도파관 서브어레이 사이에서 RF 신호들을 결합하는데 사용되는 도파관 발사기 소자(615) 및 노드 전자 모듈(500)의 일부를 도시한다.

RADARSAT-2 미션을 위해 사용되는 것과 같은 현재의 능동 위상 어레이 안테 나들은 평방 미터당 45 kg 정도의 질량을 갖는다. 상술된 바와 같이 안테나 패널들을 구성하는 조합, 및 전력 및 RF 신호 분배에 대한 와이어링 하네스(wiring harness)들의 제거에 의하여 능동 위상 에러이는 평방 미터당 5 kg 정도의 질량을 갖는다.

상당한 질량 감소에 의하여 우주선을 위한 더 큰 태양 어레이들을 전개하기 위해 공간 산업에 의하여 발전된 기술이 사용될 수 있게 된다. 이 기술은 능도 위상 어레이 안테나를 지지하고 전개하는데 더 쉽게 적응될 수 있다. 이 기술은 큰 개구들을 전개하는 가장 저가이고 가장 신뢰 가능한 방식이다. 많은 회사들은 큰 태앙 어레이들을 성공적으로 구성하였고 전개하였으며, 사용된 기술들은 충분히 적격이고 전통이 되었다.

안테나의 디자인 및 동작에서, 공간 피드 배열에 의해 도입된 영향들에 대한 보상이 사용된다. 하나의 영향은 능동 안테나 노드들 및 붐들 상의 안테나들로부터의 불균일한 방사 패턴에 기인한다. 또 다른 영향은 능동 안테나 노드들 및 공간 피드 안테나 어셈블리들(140)로부터의 경로 길이 차이들로 인한 이득 및 위상의 변동이다. 이 영향은 안테나 기하구조의 함수이다.

방사 패턴은 지상에서 측정될 수 있고, 각각의 능동 안테나 노드에서의 보상이 계산될 수 있다. 안테나 기하구조의 함수인 영향들에 대한 보상은 안테나가 동작하고 있는 동안 상기 기하구조가 공지되는 것을 필요로 한다. 이상적인 능동 위상 어레이는 평면이지만 기계적 또는 열적 왜곡을 겪지 않는 정면 반사면을 가질 것이다. 안테나 기하구조는 일정할 것이고, 발사 이전에 지상에서 측정될 수 있으 며, 각각의 능동 안테나 노드에서의 필요로 되는 보상이 계산된다.

태양 어레이 기술을 사용하는 단점은 전개된 개구가 강성이 아니고 기계적 및 열적 왜곡들과 진동들을 가질 때, 이러한 이상적인 특성을 성취할 수 없다는 것이다. 왜곡들 또는 진동들로 인하여 이상적인 것으로부터 예측된 변형은 0.1 Hz 또는 그보다 적은 주파수들에서 몇 센티미터 정도이다. 이 고유한 한계는 안테나의 기하구조 보상을 제공하는 수단에 의해 극복되어야 한다.

기하구조 보상 수단을 구현하는 몇 가지 가능한 방법이 존재한다. 예를 들어, 보상은 안테나 왜곡들의 동적인 실시간 보상을 수행하기 위하여 우주선 선상에서 구현될 수 있다. 대안적인 방법은 습득된 레이더 데이터의 프로세싱 동안 지면에 적용된 비실시간 수정으로서 기하구조 보상을 구현하는 것이다. 선택된 방법은 안테나 개구의 크기, 안테나 동력들 및 애플리케이션에 따른다.

도시된 기하구조 보상 수단은 우주선 선상의 동적인 실시간 기하구조 보상을 수행하기 위하여 안테나 패널들의 배면 및 포어 및 애프트 붐들 상에 장착되는 조사된 타겟들의 다수의 이미지들을 찍기 위한 최적의 기술을 사용한다.

도7은 능동 위상 어레이 안테나의 동적인 기하구조 보상에 대한 개요를 제공한다. 우주선 버스 구조(100) 내의 캐비티(700)는 동적 보상 시스템을 포함하는 광학 및 전자 어셈블리들을 하우징한다. 광학 경로들(705 및 710)은 광학 어셈블리 캐비티로부터 포어 및 애프트 윙들로, 그리고 포어 및 애프트 붐들로 각각 제공된다. 타겟들(715, 720 및 725)은 안테나 패널의 배면 및 포어 붐 및 애프트 붐들의 단부들에 각각 부착된다. 타겟들은 광학 경로의 방향에 대항하여 타겟의 표면을 조 사하기 위한 내부 광원을 포함한다. 광원은 동적 기하구조 보상 시스템의 제어 하에서 스위치 온 및 오프될 수 있다. 타겟들의 조사된 표면의 형상은 타겟의 이미지에서 타겟의 위치의 중심의 정확한 결정을 용이하게 하기 위하여 선택된다. 예를 들어, 타겟의 결과적인 이미지가 다중 픽셀들 폭이 되도록 하는 크기의 원형 형상은 사용될 타겟의 이미지의 중심을 위치시키는 기술들이 위치 결정을 개선하도록 한다. 이들의 각각의 길이들을 따른 차원에서의 붐들 및 안테나 패널들의 왜곡은 작고, 이 왜곡의 영향은 무시 가능하며, 기하구조 보상 수단은 이 차원에서 측정할 필요가 없다. 왜곡들은 다른 2차원에서 더 명백하고, 이들의 영향은 상당하다. 측정되는 구조들의 길이를 따른 이미지화에 의하여 이러한 2차원에서 높은 정확도를 성취하기 위하여 광학 경로가 배열된다.

이미저리(imagery)로부터 타겟들을 추출하기 위한 능력을 더 개선시키기 위하여, 타겟들은 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 고체-상태 광원들을 사용할 수 있다. 대응하는 대역폭을 갖는 광학 픽터들은 필터의 대역폭 외부에 있는 광을 필터링하기 위하여 광학 어셈블리에 배치된다.

도8A는 포어 붐(130) 상의 타겟(720)의 장착 위치의 세부사항을 도시한다. 도8B는 2개의 안테나 패널들(105)을 도시한다. 우주선 버스 구조에 가장 가까운 패널들을 제외한 각각의 안테나 패널은 도시된 위치들에 장착된 4개의 타겟들을 갖는다. 우주선(도시되지 않음) 버스 구조에 가장 가까운 2개의 패널들은 2개의 타겟들만이 장착된다. 더 가까운 패널에 대한 타겟들의 장착 위치들은 더 가까운 타겟이 광학 어셈블리로부터 보여질 때 부가적인 타겟에 대한 뷰(view)를 차단하는 것을 피하도록 배열된다. 이것은 도9에 점선들로 도시된 광학 경로들로 도시되어 있다. 타겟들은 안테나 패널 또는 붐의 표면 충분히 위에 장착되어, 상기 타겟들은 안테나 윙 또는 붐이 왜곡되거나 진동할 때 보여질 수 있게 유지되도록 한다. 도8C는 예시적인 타겟(800)을 도시한다. 타겟들은 패널들이 발사 이전에 격납될 때 패널에 대해 폴딩될 수 있고, 패널들이 전개된 후에 간단한 스프링 또는 다른 수단을 사용하여 전개될 수 있다.

도10은 기하구조 보상 시스템의 광학 및 전자 구성요소들을 도시한다. 광학 어셈블리(1000)는 포어 및 애프트 붐들 및 포어 및 애프트 윙들로부터 광(1010)을 수신한다. 광학 어셈블리는 고체의 2차원 이미지화 어레이(1020)의 이미지화 표면 상에 투영되는 단일의 결합된 이미지(1015)를 형성하기 위하여 4개의 개구들로부터의 광을 결합한다. 이미지화 어레이의 출력이 컴퓨터 기반으로 한 이미지 프로세싱 유닛(1025)에 의해 수신되고, 프로세싱되고 해석된다. 붐 타겟 제어기들(1040 및 1045)은 포어 및 애프트 붐들 상에서 각각 타겟들의 조도를 제어한다. 포어 윙 및 애프트 윙의 각 안테나 패널 상에 각각 위치된 패널 타겟 제어기들(1030 및 1035)은 패널 타겟들의 조도를 제어한다.

붐 타겟 제어기들에 대한 제어 신호들은 이미지 프로세싱 유닛(1025)으로부터의 와이어드 접속에 의해 제공된다. 패널 타겟 제어기들에 대한 제어 신호들(1050)은 이미지 프로세싱 유닛(1025)에 의해 개시된 제어 신호에 의해 제공되고, CAN 버스 신호를 사용하여 각각의 패널 타겟 제어기에 송신된다. 대안적으로, 이미지 프로세싱 유닛(1025)에 의해 발생되고 패널 타겟 제어기들로 지향되어 상기 패널 타겟 제어기에 의해 수신되는 코딩된 적외선 신호는 제어 기능에 영향을 주는데 사용될 수 있다.

기하구조 보상 시스템의 동작이 이하에 설명된다.

동작

능동 위상 어레이 안테나 시스템의 개별적인 소자들의 동작이 위에서 상술되었다. 여기서, 일례로서 지구의 표면의 관측을 위한 이미지들을 만드는데 사용되는 합성 개구 레이더와 같은 전형적인 우주 레이더 애플리케이션을 사용하는 시스템의 전체적인 동작이 설명될 것이다.

발사 이전에, 우주선은 자신의 발사 구성에 배치된다. 도11A는 발사 차량 탑재 페어링(1110) 내측에 격납된 위치에서 포어 및 애프트 붐들(130, 135) 및 포어 및 애프트 윙(110, 115) 안테나 패널들을 갖는 우주선을 도시한다.

발사 및 개시 검사 이후에, 윙들 및 붐들은 자신의 동작 구성들로 전개된다. 도11B는 포어 붐(130) 및 포어 윙(110)이 부분적으로 전개되는 궤도 상에서의 우주선을 도시한다. 도11C는 완전히 전개된 동작 구성에서의 우주선을 도시한다.

예시적인 애플리케이션, 및 또한 전형적인 다른 애플리케이션들에서, 레이더는 간헐적으로 동작되는데, 관심 영역들에 걸쳐 활성이고(이 예에서는 이미지 데이터를 수집하고) 다른 시간에서는 비활성으로 유지된다.

전력을 절약하기 위하여, 능동 위상 어레이 안테나 시스템은 자신의 내부 유닛들이 완전히 스위치 오프되거나 명령들에 응답하는 저 전력 상태가 되는 대기 상태가 된다. 이 상태에서, 우주선은 일반적으로 태양 전력 발생의 효율을 개선시키 는 자세로 슬류될 것이다.

수신기/여자기(210)를 포함하는 유닛들의 회로들은 유닛들을 전력 상승시키고 활성이 되도록 명령하는 제어 버스(260) 상의 신호들에 응답하는 그러한 소자들을 제외하고는 전력 오프된다.

위상 어레이 안테나에 대해서 유사한 방법이 사용된다. 안테나 내에 많은 능동 안테나 노드들이 존재하기 때문에, 각 노드는 사용되고 있지 않은 전력 중 최소값을 소모하도록 설계된다. 이 대기 상태는 배터리 충전과 전력 공급 회로들 및 마이크로제어기를 제외하고는, 노드 내의 모든 회로들을 전력 하강시킴으로써 성취된다. 마이크로제어기는 자신이 CAN 버스 인터페이스를 통하여 자신에게 송신된 웨이크업 신호(wakeup signal)에 응답하도록 하는 매우 낮은 전력 대기 상태가 된다.

전체 동작의 이해를 더 용이하게 하기 위하여, 능동 안테나 노드의 동작이 먼저 설명될 것이다.

도13은 능동 안테나 노드를 비활성 상태로부터 동작 상태에 이르게 하는 이벤트들의 시퀀스를 도시한다. 상기 도면은 하나의 실시예를 도시하며, 유사한 목적을 성취하기 위하여 대안적인 방법들 및 시퀀스들이 또한 사용될 수 있다. 노드들이 시퀀스의 시작에서 상술된 대기 상태라고 가정된다.

마이크로제어기 회로들은 웨이크업 신호에 대해 CAN 버스를 모니터링한다(단계 1). 웨이크업 신호가 수신될 때, 마이크로제어기 클록들은 인에이블되고, 마이크로제어기는 대기 모드를 빠져나가서 자신의 소프트웨어 프로그램의 실행을 재개한다(단계 2). 그 후, 마이크로제어기는 마이크로제어기 자신의 정확한 동작을 검 증하는 셀프-테스트 시퀀스의 실행을 시작하고, 노드 내의 나머지 회로들을 전력 상승시키며, 자신의 동작 조건을 결정한다. 온도들 및 전압들이 수용 가능한 범위 내에 있는지를 결정하기 위하여 온도들 및 전압들이 또한 측정된다.

상당한 폴트(fault)가 검출되면, 상기 폴트는 안테나 제어기(270)에 보고되고(단계 5), 노드는 유지 모드에 진입한다(단계 6). 유지 모드는 노드가 안정된 상태가 되도록 하고, 부가적인 진단 테스팅 및 명령들 또는 소프트웨어 패치들의 업로딩이 고장을 수정하도록 한다. 안테나 제어기로부터의 CAN 버스 인터페이스 상의 명령은 마이크로제어기가 유지 모드를 빠져나가도록 한다(단계 7). 그 후, 마이크로제어기는 노드를 자신의 저 전력 대기 상태로 리턴시킨다(단계 8).

폴트들이 검출되지 않는 경우, 노드는 자신이 동작 모드가 되도록 하는 명령을 대기한다(단계 9). 이 명령이 특정 시간 기간 내에 수신되지 않는 경우, 노드는 유지 모드에 진입할 것이다. 상기 명령이 수신되는 경우, 노드는 동작 모드에 진입한다(단계 10). 동작 모드에서, 노드는 안테나 제어기로부터의 제어 및 타이밍 명령에 응답하고, 송신 및 수신된 레이더 신호들을 프로세싱한다. 부가적인 세부사항이 이하의 도14에 대한 논의에서 제공된다.

동작 모드 동안, 마이크로제어기는 노드 동작을 모니터링하여 너무 높은 온도와 같은 임의의 폴트들 또는 비-공칭 조건들을 검출한다(단계 10). 폴트가 검출되는 경우, 노드는 동작 모드를 빠져나가고(단계 11), 폴트 조건을 보고하며(단계 5) 유지 모드에 진입한다(단계 6). 유지 모드에서의 동작은 상술된 바와 같다.

동작 모드 동안 폴트가 검출되지 않은 경우, 마이크로제어기는 안테나 제어 기로부터 셧다운 신호가 수신되었는지를 결정한다(단계 12). 셧다운 신호가 수신되지 않은 경우, 동작 모드가 지속된다. 셧다운 신호가 수신된 경우, 마이크로제어기는 노드를 자신의 저 전력 대기 상태로 리턴시키고(단계 8), 레이더 동작 세션은 상기 노드에서 완료된다.

도14는 위상 어레이 안테나 시스템의 전체적인 동작을 도시한다. 상기 시스템이 시퀀스의 시작에서 대기 상태라고 가정된다.

레이더의 동작은 우주선이 희망하는 이미지화 동작을 위한 자신의 궤도 내의 정확한 위치에 있는 특정 시간에 발생하도록 스케줄링된다. 지상의 우주선 제어 센터로부터 발부된 시간-태깅된 명령들을 사용함으로써 성취된다. 이미지 포착의 스케줄링된 시작 시간 직전에, 우주선 버스에 위치된 수신기/여자기(210) 하드웨어는 전력 상승된다(단계 1). 안테나 제어기(270)는 웨이크업 신호를 능동 안테나 노드들에 송신한다(단계 2). 능동 안테나 노드들은 상술된 바와 같이 자신의 시동 시퀀스 및 자기-테스트 활동들을 실행하기 시작한다.

안테나 제어기는 버스 구주에 장착된 모든 유닛들의 정확한 동작 및 능동 안테나 노드들로부터의 수신 상태를 검증하는 전체 위상 어레이 안테나 시스템에 대한 셀프-테스트 시퀀스를 시작한다(단계 3). 주요 폴트가 검출되는 경우(단계 4), 안테나 제어기는 안테나 원격측정(antenna telemetry)에서 폴트를 보고하고(단계 5), 안테나는 유지 모드에 진입한다(단계 6). 유지 모드는 안테나 시스템이 안정된 상태가 되도록 하며, 또한 진단 테스팅 및 명령들 또는 소프트웨어 패치들의 업로딩이 폴트를 수정하도록 한다. 유지 활동들이 완료될 때, 안테나 제어기는 유지 모 드를 빠져나간다(단계 7). 셧다운 신호가 능동 안테나 노드들에 송신되고(단계 8), 수신기/여자기는 전력 하강되고 자신의 대기 상태로 리턴된다(단계 9).

폴트가 검출되지 않는 경우, 안테나 제어기는 안테나에 대한 스케줄링된 활동이 유지 활동인지 또는 동작 활동인지를 결정한다(단계 10). 상기 스테줄링된 활동이 유지 활동인 경우, 유지 모드에 진입한다(단계 6). 유지 활동이 아닌 경우, 안테나는 자신의 공칭 동작을 시작한다.

공칭 동작들의 제1 단계는 빔 파라미터들 및 다른 동작 파라미터들로 능동 안테나 노드들을 초기화하는 것인데, 예를 들어, 이 이미지에 필요로 되는 윈도우 타이밍 및 지속기간을 송신 및 수신하는 것이다(단계 11). 안테나의 기하구조를 측정하고 각각의 능동 안테나 노드에 대한 위상 및 진폭 보상을 결정하기 위하여 기하구조 보상 프로세스가 시작된다(단계 12). 기하구조 보상 프로세스의 동작은 이하에 설명된다.

스케줄링된 이미지화 시간에서, 능동 위상 어레이 안테나는 동작하기 시작한다(단계 13). 상기 동작은 안테나 제어기(270)에 의하여 CAN 버스 상에서 모든 능동 안테나 노드에 브로드캐스팅된 타이밍 및 제어 메시지들(1400)에 의하여 제어된다. 상기 메시지들은 송신 펄스 반복 주파수에서 송신된다.

도15는 타이밍 관계들의 예를 도시한다. CAN 버스 타이밍 및 제어 메시지는 다음 송신 펄스 직전에 송신된다. 상기 메시지는 다음 펄스 사이클에 대한 타이밍 기준 지점을 규정한다. 능동 안테나 노드 마이크로제어기는 수신된 타이밍 및 제어 메시지를 사용하여 2개의 타이밍 윈도우, 송신 모드 인에이블(1405)에 의해 표현되 는 송신 타이밍 윈도우, 및 수신 모드 인에이블(1410)에 의해 표현되는 수신 타이밍 윈도우를 설정한다. 이들 윈도우들은 CAN 버스 메시지들 내의 타이밍 지터를 허용하기 위해 필요한 것보다 다소 더 크게 이루어진다. 송신된 펄스에 대한 정확한 타이밍은 송신 펄스 발생기(220)에 의해 설정된다.

동작은 스케줄링된 종료 시간에 도달하거나(단계 14) 주요 폴트가 검출될 때까지(단계 17) 지속된다(단계들 15 및 16).

스케줄링된 종료 시간에 도달하는 경우에, 레이더 동작들 및 기하구조 보상 프로세스들은 종료된다(단계 19). 셧다운 신호가 능동 안테나 노드들에 송신되어 상기 능동 안테나 노드들을 이들의 대기 상태로 리턴시킨다. 수신기/여자기 내의 구성요소들은 또한 전력이 공급되어 배터리 전력을 보존한다(단계 9).

폴트가 검출되는 경우에, 상기 폴트는 안테나 원격측정에서 보고되고(단계 18), 레이더 동작 및 기하구조 보상 프로세스들이 종료되며(단계 19), 안테나 시스템은 전력 하강되고 자신의 대기 상태로 리턴된다(단계들 8 및 9).

도16은 기하구조 보상을 수행하는 동작들의 시퀀스 및 기하구조 보상 시스템이 동작하는 방법을 도시한다. 기준 이미지들을 다소 빈번하게 수정하거나 타겟들의 이미지들을 상이한 순서로 수정하는 다른 시퀀스들이 가능하지만, 전체적인 개념은 동일하게 유지된다.

기하구조 보상 동작은 능동 위상 어레이 안테나가 활성이 될 때마다 개시된다. 모든 타겟들(715, 720 및 725)의 광들은 스위치 오프되고(단계 1), 기준 이미지가 포착되어 저장된다(단계 2). 기준 이미지는 포어 및 애프트 붐들 및 포어 및 애프트 윙들의 중첩된 이미지들로 이루어진다. 붐들 및 윙들의 조명 조건들은 중요하지 않다. 포어 윙 패널(1) 광들이 스위치 온되고(단계 3), 이미지가 수집된다(단계 4). 이 이미지는 또한 포어 및 애프트 붐들 및 포어 및 애프트 윙들의 중첩된 이미지들로 이루어지지만, 하나의 패널 상의 타겟들은 이제 조사되지 않는다. 모든 패널들이 각 사이클 동안 이미지화될 것이기 때문에, 패널 1로서 지정된 특정 패널이 중요하지 않다는 점에 주의하라.

단계 2의 기준 이미지는 단계 4의 이미지로부터 감산된다(단계 5). 타겟의 공칭 위치가 공지되어 있기 때문에, 공칭 타겟 위치 주위의 이미지의 영역만이 프로세싱될 필요가 있다. 이미지들이 제2 부분의 프렉션(fraction)들로서 취해지기 때문에, 2개의 이미지들의 차이들은 단지 포어 윙 패널(1) 상의 타겟들의 조사로 인한 것일 것이다. 결과적인 이미지는 조사된 타겟들만을 포함하여, 이미지들로부터 타겟들을 효율적으로 추출한다. 타겟들은 자신들의 상대적인 위치를 기반으로 하여 식별되고, 이미지 내의 각 타겟의 위치는 각 타겟의 중심을 위치시키는 알고리즘을 적용하고(단계 6) 2차원 위치를 계산함으로써 결정된다. 제3 차원은 고정되고, 발사 이전에 지상 측정들에 의하여 획득될 수 있다. 타겟들의 결과적인 3-차원 위치들이 저장된다(단계 7).

패널(1) 상의 광들은 턴오프되고(단계 8), 타겟 위치들을 결정하는 프로세스는 패널(2)에 대한 반복된다(단계 9). 유사하게, 패널(3)(단계 10) 및 패널(4)(단계 11) 측정들이 행해진다. 기준 이미지를 수집하고, 각 패널에 대한 램프들을 차례로 턴온하며 타겟 위치들을 결정하는 프로세스는 애프트 윙의 4개의 패널들에 대 해 반복된다(단계 12).

새로운 기준 이미지가 수집되어 저장된다(단계 13). 포어 빔 상의 타겟이 조사되고(단계 14), 포어 빔 타겟의 위치가 결정된다(단계 15). 유사하게, 애프트 붐 타겟의 위치가 결정된다(단계 16). 측정치들에서 잡음을 제거하고 전체적인 정확도를 개선시키기 위하여, 여러 측정치들이 취해지고(단계 17) 평균화되어(단계 18), 각 타겟에 대한 최종적인 위치 결정을 생성한다(단계 19).

이러한 위치 측정치들을 사용하여, 안테나의 기하학적 모델이 구성된다(단계 20). 이 모델은 각각의 능동 안테나 노드 위치에서 안테나의 기계적인 왜곡들 및 진동들에 의해 도입되는 위상 에러들 및 이러한 에러들을 보상하는데 필요한 위상 수정을 계산하는데 사용된다(단계 21). 각각의 능동 안테나 노드에 대하여, 최근에 계산된 위상 보상 값이 그 노드에 대해 이전에 계산된 값과 비교되어, 어느 노드들이 갱신된 수정 정보를 필요로 하는지를 결정한다. 갱신된 수정 정보는 CAN 버스 인터페이스를 사용하여 상기 정보를 필요로 하는 그러한 노드들에 송신된다(단계 22).

안테나 노드들의 위상 보상을 측정하고 갱신하는 이 프로세스는 안테나가 활성인 한(단계 23), 지속적으로 동작한다.

부가적인 실시예들의 설명 및 동작

도시된 실시예는 정사각형 단면 우주선 버스 구조(100)를 사용한다. 상이한 단면들이 사용될 수 있고, 일부 실시예들에서 많은 장점들을 가질 수 있다. 상이한 구성들의 3가지 예들이 제공된다. 도12A는 표면(1205) 상에 장착된 버스 전력을 제 공하는데 사용되는 태양 어레이들을 갖는 삼각형 버스 구조(1200)를 도시한다. 도12B는 버스 구조(1210) 내의 더 많은 내부 볼륨을 제공하는 삼각형 형상의 변형을 도시한다. 버스 전력을 제공하는 태양 전지들은 표면(1215) 상에 장착될 수 있다. 도12C는 위상 어레이 안테나가 버스 구조(1220)의 외부에 장착되는 대안적인 배열을 도시한다. 이 배열에서, 단일 붐 어셈블리(1230)만이 필요로 된다. 버스 전력을 제공하는 태양 전지들은 표면(1225) 상에 장착된다.

본 발명의 일 실시에는 송신 및 수신 둘 모두에서 동일한 편파, 예를 들어, 송신 시에 수직 편파 및 수신 시에 수직 편파로 동작하는 레이더를 생성한다. 본 시스템은 송신된 신호에 대해서는 선택적인 편파, 및 수신된 신호에 대해서는 이중 편파들로 동작할 수 있는 레이더를 제공하도록 구현될 수 있다. 예를 들어, 송신 신호들은 수평 편파 또는 수직 편파 중 하나이도록 선택될 수 있고, 수신 신호들은 수평 편파, 수직 편파, 또는 동시에 편파들 둘 모두이도록 선택될 수 있다. 따라서, 쿼드편파 레이더(quadpolarization radar)는 교호적인 송신 펄스들 상에서 수평 및 수직 편파들을 송신하고, 모든 펄스들에 대하여 수평 및 수직 편파들 둘 모두를 동시에 수신함으로써 성취될 수 있다.

상기 실시예에서 설명된 기본적인 개념들 및 특성들은 유지되지만, 능동 안테나 노드 내의 서브어레이에 대한 상이한 배열과 같은 부가적인 편파를 지원하기 위하여 일부 변경들이 사용될 수 있다. 이중 편파를 위하여 슬롯된 도파관 배열이 구성될 수 있을지라도, 이것은 안테나 패널을 보다 두껍게 하고, 질량을 증가시키며, 격납 및 전개를 더 어렵게 하는 단점을 가질 수 있다. 슬롯된 도파관 서브어레 이 대신에, 다수의 패치 방사체들로 이루어진 얇은 서브어레이 어셈블리(1720)가 안테나 패널의 정면에 접합된다. 각각의 패치 방사체 소자는 2개의 피드 어셈블리들, 즉 수평 편파(1716)를 위한 피드 어셈블리 및 수직 편파(1718)를 위한 피드 어셈블리에 의해 구동된다. 안테나 패널의 기게적인 구성은 슬롯된 도파관 아래에서 도전성 캐비티들을 제거함으로써 간소화된다.

송신 측 상에서, 능동 안테나 노드 내의 마이크로제어기에 의해 발생된 제어 신호들과 함께, 펄스를 기반으로 하여 2개의 피드들 중 어느 것이 구동되는지를 선택하는 수단이 제공된다. 수신 측 상에서, 능동 안테나 노드 및 수신기/여자기 둘 모두 내에 2개의 수신 채널들이 제공된다.

도17은 다수의 편파 케이퍼빌리티를 갖는 능동 위상 어레이 안테나에 대한 능동 안테나 노드에 포함된 무선 주파수 회로 기능들의 블록도를 도시한다. 주파수 변환된 송신 펄스는 안테나(1700)에 의해 수신되고, 신호 라우팅 장치(1702)에 의하여 송신기 회로들에 지향된다. 수신된 신호는 우선 가변 이득 증폭기(1704)에 의해 증폭되고 나서, 믹서(1706)에 의해 레이더의 동작 주파수로 변환된다. 진폭 및 위상은 이득 제어 신호(1764) 및 위상 제어 신호(1752)를 사용하여 조정된다. 고 전력 증폭기들(1710 및 1712)은 편파 선택 신호(1762)에 의해 서브어레이의 수평 또는 수직 피드 중 하나를 각각 구동시키기 위하여 선택적으로 인에이블된다. 신호 라우팅 장치들(1714 및 1728)은 송신 신호를 수평 및 수직 피드 어셈블리들(1716 및 1718)에 각각 접속시킨다.

타겟으로부터 리턴되는 반사 신호는 서브어레이 내의 패치 방사체들에 의해 수신되고, 수평 및 수직 편파들은 신호 라우팅 장치들(1714 및 1728)에 의하여 2개의 별도의 수신 채널들로 라우팅된다. 수평 편파는 저 잡음 증폭기(1722)에 의해 증폭되고, 믹서(1724)에 의해 주파수 변환되고 위상 조정된다. 상기 신호는 가변 이득 증폭기(1726)에 의해 증폭되고, 붐 안테나 어셈블리(140)로의 송신을 위해 신호 라우팅 장치(1702)에 의하여 안테나(1700)에 라우팅된다. 진폭 및 위상은 이득 제어 신호(1766) 및 위상 제어 신호(1752)를 사용하여 조정된다. 수직 편파는 신호 라우팅 장치(1728), 저 잡음 증폭기(1730), 믹서(1732) 및 가변 이득 증폭기(1734)를 사용하여 유사하게 프로세싱된다. 안테나(1736)는 신호를 붐 안테나 어셈블리에 송신하는데 사용된다. 진폭 및 위상은 이득 제어 신호(1768) 및 위상 제어 신호(1754)를 사용하여 조정된다.

제2 수신 주파수가 붐 안테나 어셈블리에 동시적으로 송신되어야 하기 때문에, 공간 피드를 위한 주파수 계획은 확장되어야 한다. 이전에 제공된 예를 확장하면, 전형적인 다수의 편파 SAR 애플리케이션에 대한 주파수 계획은 다음과 같을 것이다: 5.400 GHz(C-대역)의 SAR 동작 주파수, 2.400 GHz의 안정된 국부 발진기 주파수, 10.200 GHz의 주파수 변환된 송신 처프 및 수평 수신 편파 신호(1770)에 대한 캐리어 주파수 및 7.8 GHz의 주파수 변환된 수직 수신 편파 신호(1772)에 대한 캐리어 주파수.

브로드캐스팅된 안정된 국부 발진기 신호는 안테나(1738)에 의해 수신되고, 저 잡음 증폭기(1740)에 의해 증폭되며, 전력 분배기(1742)에 의해 2개의 신호들로 분배된다. 상기 분배기의 한 출력은 수신된 수직 편파에 사용되는 기준 주파수를 직접 제공한다. 상기 분배기의 다른 출력은 주파수 2배기(1744)에 의해 주파수가 두 배가 되어, 주파수 변환된 처프를 하향변환하고 수신된 수평 편파를 상향변환하는데 사용되는 기준 주파수를 제공하도록 한다. 기준 주파수들의 위상은 제어 신호들(1754 및 1752) 각각을 기반으로 하여 직접 변조기들(1748 및 1746)에 의해 조정된다. 송신 및 수신이 동시에 발생하지 않기 때문에, 직접 변조기(1746)는 전력 분배기(1750)를 통해 송신기 및 수평 편파 수신 회로들 둘 모두에 위상 조정된 기준 주파수를 제공하는데 사용될 수 있다. 위상 제어 신호(1752)는 펄스 기간 동안 조정되어, 송신 펄스에 필요로 되는 위상을 우선 생성하고 나서, 수신된 신호에 필요로 되는 위상을 생성한다.

다수의 편파 안테나의 다른 실시예들이 가능하지만, 기본적인 원리들은 동일하게 유지된다.

기하구조 보상 시스템은 대안적으로 그 표면이 고도의 방향성 반사 재료에 의해 커버되는 수동 타겟들을 사용하여 구현될 수 있다. 타겟들은 광학 어셈블리 부근에 위치된 광원들로부터 투영된 보다 좁은 광 빔들에 의해 선택적으로 조사된다. 보다 좁은 스펙트럼 대역폭을 갖는 광원들 및 광학 경로 내의 대응하는 필터들이 사용된다. 동작은 버스 구조 내의 광원들이 타겟들 내의 광원들 대신에, 순차적으로 조사된다는 것을 제외하면, 내장된 광원을 갖는 타겟들에 대해 설명된 것과 유사하다. 이 방법은 타겟들의 디자인을 간소화하고, 안테나 패널들 상의 타겟들에 대한 제어 회로들 및 전원들에 대한 필요성을 제거한다. 단점은 상기 방법이 광축에 가까운 광원들을 통합할 것이기 때문에, 광학 어셈블리가 더 복잡해진다는 것이 다.

안테나 왜곡은 2개의 성분들, 고정 왜곡 및 가변 왜곡으로 분해될 수 있다. 고정 왜곡은 이와 같은 시스템에서 통상적으로 사용되는 종래의 교정 방법을 사용하여 측정 및 보상될 수 있다. 예를 들어, SAR 시스템에서, 빔 패턴은 양호하게 선택된 타겟 에어리어에 걸쳐 측정될 수 있고, 왜곡은 빔들을 형상화하는데 사용되는 동일한 위상 시프터들을 사용하는 위상 보상을 적용함으로써 결정 및 제거될 수 있다. 가변 성분을 보상하는 것은 안테나가 사용되고 있는 기간에 걸쳐 궤도상 측정(on-orbit measurement)들을 행하고 동적 보상을 적용하는 것을 수반한다. 이 특성을 이용하는 기하구조 보상이 또한 광학 기반 보상 방법 대신 사용될 수 있다.

하나의 대안은 궤도상 측정들의 지상 프로세싱을 사용하는 것이다. 이를 성취하는 방법은 Luscombe 등(In orbit Characterisation of the RADARSAT-2 Antenna - Proceedings of the Committee on Earth Observation Standards -Working Group on Calibration and Validation - Synthetic Aperture Radar Workshop 2004)에 의해 설명되었다. 이 기술은 측정되고 있는 안테나의 상이한 부분(예를 들어, 로우 또는 컬럼)의 상대적인 기하학적 변위에 대한 데이터를 획득하기 위한 기준으로서 안테나의 일부를 사용한다. 그 후, 안테나의 이전에 측정된 부분을 기준으로서 사용함으로써 최초에 사용된 기준 부분이 측정된다. 완전한 세트의 측정치들이 비교적 짧은 시간 기간(전형적으로 2초 미만)에 취해질 수 있다. 동작 시에, 측정치들의 세트는 이미지에 대한 데이터 수집 직전 및 직후에 만들어진다. 측정된 결과들은 지상에 송신되고, 사후-프로세싱되어 이미지화 동작 동안 존재하는 안테나 기하 구조를 결정하도록 한다. 그 후, 이 기하구조 정보는 이미지 데이터의 프로세싱 동안 안테나 왜곡을 보상하는데 사용된다.

기하구조 보상의 또 다른 대안적인 수단은 가변 왜곡을 결정하는 수단으로서 안테나에 걸친 다수의 지점들에서 온도를 측정하는 것이다. 상술된 바와 같이 고정 왜곡을 결정 및 보상하기 위하여 종래의 기술들이 사용될 것이다. 그 후, 온도의 함수로서 안테나 왜곡을 특징지우기 위하여 교정 캠페인(calibration campaign)이 구성될 것이다. 이 교정 캠페인은 양호하게 선택된 타겟 에어리어에 걸쳐 안테나 패널의 반복된 측정들을 수반할 것이다. 이러한 측정들 이전의 안테나의 온도는 예를 들어, 우주선을 재지향시켜서 안테나를 가열하거나 측정치를 취하기 전에 이미지화의 길이들을 변화시키는 (따라서, 송신 수신 모듈들로부터 안테나 구조 내로 다소 전력을 방산시키는) 안테나를 사용함으로써 가별될 것이다. 결과적인 안테나 패턴들의 지상 분석은 왜곡 보상 교정 데이터를 산출할 것이다. 그 후, 안테나 왜곡의 보상이 우주선 상에 실시간 수정으로서 적용되거나(안테나 내의 각 지점에서 온도들을 측정하고 대응하는 위상 수정을 적용하거나), SAR 데이터의 지상 프로세싱의 부분으로서 적용될 수 있다.

안테나 시스템의 일 실시예에서, 능동 렌즈 구성이 사용된다. 렌즈 구성이 직접 피딩되는 어레이 또는 반사기보다 물리적인 안테나 왜곡에 본질적으로 덜 민감하기 때문에, 상기 렌즈 구성은 상기 대안적인 기하구조 보상 방법들 중 하나에 특히 적합하다.

레이더 애플리케이션들을 위한 능동 위상 어레이 안테나의 구성은 동시적인 송신 및 수신 기능들을 지원할 필요가 없는 안테나를 이용한다. 그러나, 안테나는 동시적이고 연속적인 송신 및 수신이 필요로 되는 레이더 시스템들 이외의 애플리케이션들, 예를 들어, 통신 시스템에서의 용도들에 적응될 수 있다. 상기 방법은 공간 피드 및 능동 위상 어레이 안테나 면 각각에 2개의 캐리어 주파수들, 즉 송신될 신호에 대한 하나의 주파수, 및 수신된 신호에 대한 하나의 주파수를 사용하는 것이다. 능동 안테나 노드의 기본적인 구조는 변경되지 않은 채로 유지된다. 예시적인 주파수 계획은 다음과 같다: 5.700 GHz의 통신 링크 송신 동작 주파수, 5.100 GHz의 수신 주파수, 2.400 GHz의 안정된 국부 발진기 주파수, 10.5 GHz의 주파수 변환된 송신 신호 및 9.900 GHz의 주파수 변환된 수신 신호에 대한 캐리어 주파수.

명세서 및 청구항들에 걸쳐 문맥이 명백하게 다르게 요구하지 않는다면, 단어 "포함한다", "포함하는", 등은 독점적이고 소모적인 의미에 반대되는 바와 같은 포괄적인 의미, 즉, 포함하지만, 이에 국한되지 않는 의미로서 해석되어야 한다. 본원에 사용된 바와 같은, 용어들 "접속된", "결합된", 또는 이의 변형은 2개 이상의 소자들 사이의 직접적이거나 간접적인 임의의 접속 또는 결합을 의미하며; 소자들 사이의 접속의 결합은 물리적이거나, 논리적이거나, 이들의 조합일 수 있다. 부가적으로, 본 명세서에서 사용될 때, 단어들 "본원에", "위의", "아래의", 및 유사한 의미의 단어들은 전체적으로 본 출원과 관련되며, 본 출원의 임의의 특정 부분들에 관련된 것이 아니다. 문맥이 허용하는 경우에, 단수 또는 복수를 사용한 상기 상세한 설명의 단어들은 또한 복수 또는 단수를 각각 포함할 수 있다. 2개 이상의 아이템들의 리스트를 참조하는 단어 "또는"은 단어의 다음의 해석들: 리스트 내의 아이템들 중 어느 하나; 리스트 내의 아이템들 모두, 리스트 내의 아이템들의 임의의 조합 모두를 커버한다.

본 발명의 실시예들의 상기 상세한 설명은 상술된 정확한 형태로 본 발명을 제한하거나 소모적이도록 하고자 하는 것이 아니다. 본 발명의 특정 실시예들 및 본 발명에 대한 예들이 설명을 위하여 상술되었지만, 당업자들이 인식하는 바와 같이, 본 발명의 범위 내에서 다양한 등가 변경들이 가능하다. 예를 들어, 프로세스들 및 블록들이 소정의 순서로 제공되지만, 대안적인 실시예들은 상이한 순서로, 단계들을 갖는 루틴들을 수행하거나, 블록들을 갖는 시스템들을 사용할 수 있고, 일부 프로세스들 및 블록들은 대안 또는 서브조합들을 제공하기 위하여 삭제되고, 이동되고, 부가되고, 세분되고, 결합되고, 및/또는 변경될 수 있다. 이러한 프로세스들 및 블록들 각각은 다수의 상이한 방식들로 구현될 수 있다. 또한, 프로세스들 또는 블록들은 시간적으로 연속하여 수행되는 것으로 도시되어 있지만, 이러한 프로세스들 및 블록들은 그 대신에 동시에 수행되거나, 상이한 시간들에 수행될 수 있다.

본원에 제공된 본 발명의 내용들은 반드시 상술된 시스템이 아니라, 다른 시스템들에 적용될 수 있다. 상술된 다양한 실시예들의 소자들 및 동작들은 부가적인 실시예들을 제공하기 위하여 결합될 수 있다.

첨부된 제출 논문들에 목록화될 수 있는 상기 특허들 및 출원들 및 다른 참조문헌들 모두는 본원에 참조된다. 본 발명의 양상은 본 발명의 또 다른 부가적인 실시예를 제공하기 위하여 상술된 다수의 참조문헌들의 시스템들, 기능들, 및 개념 들을 사용하도록 필요하다면, 변경될 수 있다.

상기 상세한 설명을 비추어서 본 발명에 대해 이러한 변화들 및 다른 변화들이 행해질 수 있다. 상기의 설명이 본 발명의 어떤 실시예들을 설명하고, 고려된 최상의 모드를 설명하지만, 텍스트에서 무엇이 상세히 나타났든지 간에, 본 발명은 많은 방식들로 실행될 수 있다. 시스템의 세부사항들은 본원에 게시된 본 발명에 의해 여전히 포함되면서, 이의 구현 세부사항에서 상당히 가변될 수 있다. 상술된 바와 같이, 본 발명의 어떤 특징들 또는 양상들을 설명할 때 사용되는 특정 용어는 상기 용어가 관련되는 본 발명의 임의의 특정 특성들, 특징들, 또는 양상들에 국한되도록 본원에서 재규정되고 있다는 것을 나타내는 것으로 간주되지 않아야 한다. 일반적으로, 다음 청구항들에서 사용된 용어들은 상기 상세한 설명 부분이 명시적으로 이와 같은 용어들을 규정하지 않는다면, 본 발명을 명세서에서 게시된 특정 실시예들로 국한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 따라서, 본 발명의 실제 범위는 게시된 실시예들, 뿐만 아니라, 본 발명의 실행하거나 구현하는 모든 등가 방식들을 포함한다.

Claims

위성용 공간-기반 안테나 시스템에 있어서,

상기 공간-기반 안테나 시스템의 중앙 시스템으로서,

기준 주파수 신호를 발생시키도록 구성된 안정된 국부 발진기,

적어도 부분적으로 상기 기준 주파수 신호를 기반으로 하여 송신 신호들을 발생시키도록 구성된 회로,

상기 기준 주파수 신호 및 상기 송신 신호를 송신하고 수신 신호를 수신하는 적어도 하나의 시스템 송수신기를 포함하는, 상기 중앙 시스템; 및

능동 위상 어레이 안테나 시스템의 일부를 형성하는 다수의 능동 안테나 노드들을 포함하며, 각각의 능동 안테나 노드는:

상기 시스템 송수신기로부터 상기 기준 주파수 신호 및 상기 송신 신호를 수신하고 상기 시스템 송수신기에 상기 수신 신호를 송신하도록 구성된 적어도 하나의 노드 송수신기,

상기 기준 주파수 신호를 수신하고, 상기 송신 및 수신 신호들 사이의 간섭을 억제하기 위하여 상기 송신 및 수신 신호들 사이의 신호 변환을 제공하기 위하여 결합된 주파수 변환 회로,

전력 발생부, 및

상기 노드 송수신기 및 상기 전력 발생부와 결합된 제어 회로를 포함하며, 상기 제어 회로는 상기 송신 및 수신 신호들을 프로세싱 또는 제어하도록 구 성되고, 적어도 부분적으로 상기 기준 주파수 신호, 및 상기 송신 및 수신 신호 중 하나 또는 둘 모두를 사용하여 상기 공간-기반 안테나 시스템의 빔 형성 및 빔 조종의 제어를 적어도 용이하게 하도록 구성된, 위성용 공간-기반 안테나 시스템.
제1항에 있어서,

상기 제어 회로는 상기 노드에 대해 국부적인 타이밍 신호들을 사용하고, 상기 공간-기반 안테나 시스템은 분배된 기준 주파수를 사용하여 위상 제어를 사용하는, 위성용 공간-기반 안테나 시스템.
제1항에 있어서,

상기 능동 안테나 노드들 중 적어도 일부를 유지시키는 적어도 하나의 안테나 윙, 및 안테나 왜곡 보상 시스템을 더 포함하며, 상기 안테나 왜곡 보상 시스템은:

상기 안테나 윙 상에 위치된 다수의 광학 타겟들;

상기 안테나 윙 상의 상기 다수의 타겟들 중 적어도 일부를 위치시키고 이미지 신호를 출력하는 적어도 하나의 이미지 센서; 및

상기 출력된 이미지 신호를 프로세싱하고 왜곡 보상 신호를 발생시키는 기하구조 보상 서브시스템을 포함하는, 위성용 공간-기반 안테나 시스템.
제1항에 있어서,

상기 능동 안테나 노드들 중 적어도 일부를 유지시키는 적어도 하나의 안테나 윙을 더 포함하며, 상기 안테나 윙은 한 측 상에 방사 패널부 및 반대 측 상에 태양 전지들을 포함하고, 구조적인 지지를 제공하고 안테나로서 동작하는, 위성용 공간-기반 안테나 시스템.
제1항에 있어서,

상기 공간-기반 안테나 시스템의 스윕핑된 수신 모드를 구현하기 위해 상기 안정된 국부 발진기에 결합된 안정된 국부 발진기 위상 제어 회로를 더 포함하며, 상기 위상 제어 회로는 수신된 신호 스윕 위상을 조정하여 상기 스윕의 시작에서의 근거리 에지에서, 및 상기 스윕의 끝에서의 원거리 에지에서 신호들을 수신하기 위한 고도에서 상기 빔을 가리키도록 구성된, 위성용 공간-기반 안테나 시스템.
위성용 시스템에 있어서,

송신 신호들을 발생시키는 제어 수단, 및 상기 송신 신호를 무선으로 송신하고, 수신 신호를 무선으로 수신하는 송수신기 수단을 포함하는, 코어 시스템;

능동 위상 어레이를 발생시키는 다수의 노드 수단을 포함하며, 각각의 노드 수단은:

상기 송신 신호를 무선으로 수신하고, 상기 송신 신호들을 타겟에 무선으로 송신하며, 상기 타겟으로부터 상기 수신 신호들을 무선으로 수신하고, 상기 코어 시스템에 상기 수신 신호를 무선으로 송신하는, 노드 송수신기 수단;

상기 송신 및 수신 신호들 사이의 신호 간섭을 억제하는 수단; 및

상기 송신 및 수신 신호들을 제어 또는 프로세싱하기 위하여 상기 송수신기 수단 및 신호 간섭을 억제하는 수단과 결합된 노드 제어 수단을 포함하는, 위성용 시스템.
제6항에 있어서,

각각의 노드 수단에서, 전력을 발생시키는 전력 발생 수단을 더 포함하고,

상기 노드 제어 수단은 적어도 부분적으로 상기 송신 신호에 기초하여 빔 형성 및 빔 조종을 용이하게 하는 수단을 포함하는, 위성용 시스템.
제6항에 있어서,

안정된 기준 주파수 신호를 발생시키기 위하여 상기 제어 수단에 결합된 발진기 수단을 더 포함하며,

상기 송수신기 수단은 상기 기준 주파수 신호를 상기 노드 수단에 송신하는 수단을 포함하는, 위성용 시스템.
제6항에 있어서,

상기 다수의 노드들 중 일부를 소유하는 윙 수단; 및

상기 윙 수단의 왜곡을 결정하고 상기 결정된 왜곡에 기초하여 적어도 하나의 보상 신호를 발생시키기 위하여 상기 제어 수단에 결합된 보상 수단을 더 포함 하는, 위성용 시스템.
컴퓨터-판독 가능한 매체에 있어서,

상기 컴퓨터-판독 가능한 매체의 콘텐트들은 적어도 하나의 위성이,

기준 주파수 신호를 수신하는 단계;

타겟에서 무선으로 지향된 송신 빔을 형성하기 위해 적어도 부분적으로 상기 기준 주파수 신호를 기반으로 하여 송신 신호들을 발생시키는 단계;

다수의 안테나 노드들 각각에서, 상기 타겟으로부터 수신 신호를 무선으로 수신하는 단계;

다수의 안테나 노드들 각각에서, 상기 위성의 또 다른 부분에 상기 수신 신호를 무선으로 송신하는 단계; 및

다수의 안테나 노드들 각각에서, 상기 송신 및 수신 신호들 사이의 신호 간섭을 억제하기 위하여 상기 송신 및 수신 신호들을 제어하거나 프로세싱하는 단계를 포함하는 방법을 수행하도록 하는, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
제10항에 있어서,

상기 컴퓨터-판독 가능한 매체는 서버의 메모리 또는 착탈 가능한 메모리인, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
제10항에 있어서,

상기 컴퓨터-판독 가능한 매체는 상기 콘텐트들을 수신하는 컴퓨터 네트워크 내의 논리적 노드이거나, 상기 콘텐트들을 포함하는 발생된 데이터 신호를 운반하는 데이터 송신 매체인, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
제10항에 있어서,

상기 컴퓨터-판독 가능한 매체는 컴퓨터-판독 가능한 디스크인, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
제10항에 있어서,

상기 방법은 다수의 안테나 노드들 각각에서, 전력을 국부적으로 발생시키는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
제10항에 있어서,

상기 방법은 다수의 안테나 노드들 각각에서, 적어도 부분적으로 상기 기준 주파수 신호에 기초하여 빔 형성 및 빔 조종을 용이하게 하는 단계를 더 포함하는, 컴퓨터-판독 가능한 매체.
적어도 하나의 윙을 갖는 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치에 있어서,

상기 윙에 의해 소유된 다수의 노드들을 포함하며, 각각의 노드는:

상기 레이더 시스템으로부터 공간 피딩된 신호를 무선으로 수신하고 송신 빔의 부분으로서 타겟으로 무선으로 지향될 송신 신호를 발생시키도록 구성된 송신부;

상기 타겟으로부터 에코 신호를 무선으로 수신하고 상기 레이더 시스템에 무선으로 송신될 수신 신호를 발생시키도록 구성된 수신부;

상기 송신부 및 수신부 중 적어도 하나에 결합되며, 상기 송신 신호 및 수신 신호 사이의 신호 간섭을 억제하도록 구성된 신호 격리부; 및

상기 송신부, 수신부 및 신호 격리부 사이에 결합된 제어기를 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제16항에 있어서,

상기 제어기, 송신부, 수신부 및 신호 격리부에 전력을 제공하는 국부 전력 발생기를 더 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제16항에 있어서,

상기 제어기 및 상기 레이더 시스템의 중앙 제어 시스템 사이에 와이어드 접속을 더 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제16항에 있어서,

수신된 기준 신호를 조정하여 주파수 조정된 신호를 생성하는 주파수 조정기;

상기 주파수 조정된 신호를 기반으로 하여 변조된 신호를 생성하는 변조기;

상기 변조된 신호의 혼합을 위한 믹서를 각각 갖는 송신 및 수신 경로들; 및

상기 송신 및 수신 경로들에 상기 변조된 신호를 선택적으로 제공하는 신호 선택기를 더 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제16항에 있어서,

상기 윙의 후방부는 상기 다수의 노드들을 소유하고, 상기 윙의 전방부는 상기 송신 빔의 적어도 일부를 송신하고 상기 에코 신호의 적어도 일부를 수신하도록 구성된, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제16항에 있어서,

상기 신호 격리부는 주파수 변환, 전자기 차폐, 상이한 신호 편파들의 사용, 디지털 신호 프로세싱 기술들의 사용, 상이하게 코딩된 확산 스펙트럼 채널들의 사용, 또는 시간 도메인 멀티플렉싱의 사용을 통하여 상기 송신 신호 및 상기 수신 신호 사이의 신호 간섭을 억제하도록 구성된, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
적어도 하나의 윙을 갖는 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치에 있어서,

상기 윙에 의해 소유된 다수의 노드들을 포함하며, 각각의 노드는:

적어도 송신 빔의 부분으로서 타겟에 송신 신호를 지향시키는 것을 돕 고 상기 타겟으로부터 에코 신호를 수신하도록 구성된, 신호 프로세싱부;

상기 신호 프로세싱부에 결합된 제어기; 및

상기 레이더 시스템으로부터 상기 다수의 노드들로의 전력 분배 배선을 사용함이 없이, 상기 제어기 및 상기 신호 프로세싱부에 전력을 국부적으로 제공하도록 구성된 국부 전력 발생 회로를 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.
제22항에 있어서,

상기 국부 전력 발생 회로는 태양 전지 어레이, 재충전 가능한 배터리, 및 상기 태양 전지 어레이 및 상기 배터리 사이에 결합된 배터리 충전 조정기를 포함하는, 능동 렌즈 레이더 시스템에서의 장치.