JP2010111380A - ダクテッドファン型無人飛翔体のコンフォーマルアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】無人飛翔体の面に加えられることができる無人飛翔体用コンフォーマルアンテナを提供すること。
【解決手段】コンフォーマルアンテナは飛翔体の面に一体化されることができ、効果的に映像、指令信号および／または制御信号を送信、および受信するために使用される。コンフォーマルアンテナは任意の方向から信号の送信および受信を可能にし、４分の１波長よりも長い信号で機能することができる。保護層がコンフォーマルアンテナ上に配置されることができる。
【選択図】図２

Description

政府の権利
本発明は、米国陸軍によって授与された主契約第５６ＨＺＶ−０５−Ｃ−０７２４号の下で政府の支援によりなされたものであった。政府は本発明中において、一定の権利を有することができる。

本発明は、一般に無人飛翔体に関する。より具体的には、本発明は、ダクテッドファン型無人飛翔体に使用するためのコンフォーマルアンテナに関する。

無人飛翔体（「ＵＡＶ」）は、カメラ、センサ、通信機器またはペイロードを搬送することができる遠隔操縦式または自己操縦式飛翔体である。ＵＡＶは、制御され、維持される水平飛行が可能であり、ジェットまたはエンジンのどちらかによって動力を供給される。ＵＡＶは遠隔制御されることができ、あるいは事前にプログラムされた飛行計画またはより複雑で動的な自律操作システムに基づき自律的に飛行することができる。

ＵＡＶは、有人飛翔体の使用が適切でない、または可能でない様々な用途のために益々使用されるようになってきている。こうした用途には、監視、調査、目標捕捉、データ捕捉、通信中継、おとり、嫌がらせまたは配給飛行など、軍事状況が含まれることがある。これらの飛翔体はまた、人間の監視者が危険にあるときの消火、市民騒乱または犯罪現場の警察の監視、自然災害時の調査支援およびハリケーン内からのデータ収集などの科学的調査など、数が増加している民生にも使用される。

ＵＡＶは、遠隔コントローラと通信するために信号の送信および受信に頼っている。現在、ホイップアンテナが、ダクテッドファン型ＵＡＶ上に信号を送信および受信するために使用される。ホイップアンテナは典型的には、通常は垂直に取り付けられたワイヤを有するアンテナを備え、その一方の端部が地表面に隣接している。垂直に取り付けられることにより、ホイップアンテナは垂直な極性を有し、アンテナはそのまっすぐ上方に円錐形の死角領域を有するであろう。したがって、入力信号および発信信号の両方が、ＵＡＶが送信者とアンテナとの間にあるようにＵＡＶが方向付けられているとき、ダクテッドファン型ＵＡＶによって遮断されることがありうる。加えて、アンテナの長さがその波長を決定するので、より長いアンテナが所望されるが、より長いアンテナは飛翔体にかなりの重さを加える。重量制限のために、ＵＡＶ上のホイップアンテナ用の現在の波長限界は４分の１波長である。

これらの両方の問題は、映像信号ならびに命令信号および制御信号にあてはまる。もしアンテナが死角を有するならば、操作中のデータ転送および効果的な通信が妨害されるであろう。同様に、もし波長限界が、重量制限のためにより短いならば、データ転送および効果的な通信が一定の距離で不可能であろう。

米国特許出願第１２／１７９，６９０号「Ｄｕｃｔｅｄ Ｆａｎ Ｃｏｒｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ」

本発明により、無人飛翔体用ダクテッドファン中心部と共に使用するためのコンフォーマルアンテナが、提供される。このコンフォーマルアンテナは、効果的に映像、命令および制御信号を送信し、受信することができるであろう。

一実施形態では、ダクテッドファン中心部はフレームを備える。フレームは、第１の面と、第１の面の少なくとも一部分に一体化されている少なくとも１つのコンフォーマルアンテナとを備える。

別の実施形態では、無人飛翔体がダクテッドファンを備え、ダクテッドファンはファンの外側を形成する複数の面を備える。無人飛翔体は、ファンの面上に少なくとも１つのコンフォーマルアンテナも備える。コンフォーマルアンテナは第１の面を形成する前に金型内に一体化されてもよく、コンフォーマルアンテナが完成されたダクト面に加えられてもよい。

この飛翔体は、事実上飛翔体の任意の方向で送信および受信のための放射パターンを提供して、明瞭な映像転送ならびに妨害されない命令および制御信号を可能にするであろう。

これらの態様および利点、ならびに他の態様および利点が、添付の図面に適切な参照と共に、以下の詳細な説明を読むことにより当業者に明らかになるであろう。さらに、この発明の概要は、単なる例示に過ぎず、特許請求された本発明の範囲を限定するように意図するものではないことが理解されよう。

様々な実施形態が、本明細書に以下の図面に関連して説明される。図面の特定の側が、見やすいように簡単な方法で表示されている。すべての代替案および選択肢が図面に示されているわけではなく、したがって、本発明は、図面の内容の範囲に限定されるのではない。

本発明の一実施形態によるダクテッドファンの斜視図である。 ダクト面に一体化されたコンフォーマルアンテナの斜視図である。 完成されたダクト面に加えられたコンフォーマルアンテナの斜視図である。 図３ａのコンフォーマルアンテナの横断面図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。 例示的なコンフォーマルアンテナのパターンの図である。

図１は、本発明の一実施形態による無人飛翔体（「ＵＡＶ」）１００の斜視図を示す。ＵＡＶ１００は、遠隔操作されることができ、または特定の行程のために自己制御されることができる。ＵＡＶ１００は、米国特許出願第１２／１７９，６９０号「Ｄｕｃｔｅｄ Ｆａｎ Ｃｏｒｅ ｆｏｒ Ｕｓｅ ｗｉｔｈ ａｎ Ｕｎｍａｎｎｅｄ Ａｅｒｉａｌ Ｖｅｈｉｃｌｅ」に記載されたＵＡＶであることができ、本明細書に参照として組み込まれている。

ＵＡＶ１００は、中心本体１１０、フレーム１２０、エンジン１３０、複数の制御翼１４０、ファン１５０、ダクト部分１６０、複数のバー（図示せず）、複数の作動装置（図示せず）、変速機アセンブリ（図示せず）、複数の支持腕部１１２および排気口１３２を備える。ダクト部分１６０は、面１６４上にコンフォーマルアンテナ１６２を備える。ダクト部分１６０は、ＵＡＶの全体形状を備えることができる。面１６４は、図１に示すようにダクト部分１６０の外側面であることができる。加えて、着陸足部１１４が複数の支持腕部１１２に取り付けられ、ＵＡＶを地面から持ち上げるように働き、制御翼１４０を移動可能にし、その結果、飛翔体は離陸の準備がされることができる。

中心本体１１０は、ＵＡＶに動力を供給するエンジン１３０を含む。エンジン１３０は、タービンエンジンであることができる。しかし、エンジン１３０はこの型のエンジンに限定されず、他の型のエンジンが使用可能である。排気口１３２はエンジン１３０に取り付けられ、流体連通することができ、中心本体１１０からの開口として働くことができて、排出ガスがエンジン１３０を出ることを可能にする。中心本体１１０はまた、変速機アセンブリも含むことができる。変速機アセンブリはエンジン１３０を制御するように作動することができる。例えば、変速機アセンブリは、ファン１５０に結合され、エンジン１３０がいかに早くファン１５０の翼を回転させるかを制御することができる。中心本体１１０はまた、アビオニクスシステムなどの飛翔体操作のための追加の構成要素も含むことができる。

支持腕部１１２は、中心本体１１０をフレーム１２０に取り付けることができる。複数のバーの各バーは、制御翼１４０に取り付けられ、フレーム１２０と制御翼との間に延在する。複数のバーは複数の制御翼１４０を安定させるように働く。制御翼１４０は、飛行中のＵＡＶ１００の方向を案内するように空気流を方向付ける。

ＵＡＶ１００は、ポッド１２２、１２４、１２６および１２８など、フレーム１２０に取り付けられたポッドを含むことができる。ポッドは、フレーム１２０から容易に除去され、再び取り付けられることが可能である。ポッドは、ポッド自体の分解をせずにユニット単位として交換可能である。ポッドは様々なペイロードを保持するために使用されうる。ＵＡＶ内では、ペイロードは、例えば機材または器具を保持することができる。より具体的には、ポッドはカメラ、燃料、ガス、電子機器を保持することができる。例えば、ポッドは燃料ポッド、または電子機器輸送用具を収納するポッドであることができる。各ポッドは、外殻１２１および最縁部１２３を備えることができる。最縁部は、ポッド側面の最先端の点を結合する線であり、それはポッドの前縁部である。飛翔体が前方に移動するとき、最縁部は最初に空気に接触する部分である。各ポッドの形状は、ポッドがフレーム１２０に取り付けられるとき、ポッドがＵＡＶ１００の外側部分を形成するように構成することができる。空気は、外殻１２１の外に向く側および外殻１２１の内に向く側の両方の上を流れることができる。外殻１２１の内に向く側は、空気が最縁部にぶつかるとき、空気が内に向く側の下に案内され、ファン１５０にぶつかるように形成されることができる。

しかし、本発明のコンフォーマルアンテナは図１に図示されたモジュール式構造に限定されない。別法として、ＵＡＶ１００は個々のポッドを備えないこともあり、その代わりに円形の単一ダクトであってもよい。

コンフォーマルアンテナ１６２は、面１６４上に位置する。ダクト部分の面１６４が、コンフォーマルアンテナ１６２が面上にある図２に示されている。もしＵＡＶ１００が複数のダクトを備えずに、その代わりに円形の単一ダクトであるならば、コンフォーマルアンテナ１６２は単一ダクト上に存在するであろう。別法として、コンフォーマルアンテナ１６２は、有翼型ＵＡＶの翼内、または胴体内に組み込まれることができる。

ＵＡＶ１００は、ダクテッドファン型ＵＡＶとしてかなりの外側面面積があるので、コンフォーマルアンテナ１６２の適用に特に良く適している。ＵＡＶ１００は、飛翔体骨格上に金属メッキ層を有することができない。ダクテッドファン型ＵＡＶ１００の非金属メッキ層が、２分の１波長または完全波長のコンフォーマルアンテナ１６２がその上に設計されうる、多くの大きな、比較的平坦な面１６４を提供する。コンフォーマルアンテナが、様々なアンテナパターンで配置されることができ、コンフォーマルアンテナ１６２がその上に設計されうるこうした大きな面の面積があるので、ＵＡＶ１００の実際に任意の方向で送信および受信用放射パターンが可能である。２分の１波長または完全波長の波動が、重量制限されたホイップアンテナによって使用される４分の１波長を越える改善された利得を与える。したがって、明瞭な映像送信および妨害されない命令および制御信号が任意の方向から送信および受信されることができ、全体の受信可能範囲が改善されうる。送信および受信された信号は、位置、案内または航法情報を提供することができる。

図２に示すように、コンフォーマルアンテナ１６２は、面１６４を形成するために使用される金型内に直接一体化されることができる。この状況では、コンフォーマルアンテナ１６２は、ダクト面を形成するより前に金型内に一体化される。コンフォーマルアンテナ１６２は、十分に薄く可撓性のある材料から構成することができて、その結果、コンフォーマルアンテナ１６２は、ダクト部分１６０の形状を取る。これにより、地表面から垂直で、ダクト部分１６０の形状を取ることができないホイップアンテナに利点をもたらす。コンフォーマルアンテナ１６２をダクト面に一体化するために、付与によって、選択されたアンテナの型およびサイズの両方を決定することになり、アンテナが、堆積され次いでパターン形成された銅でできた非常に薄い可撓性基板上に作り出されることができ、次いでダクトまたは面に塗布される接着剤で補強されることができる。コンフォーマルアンテナ１６２は、銅から作製される必要はないが、しかし任意の導電金属または導電材料から作製されることができる。

別法として、図３ａおよび３ｂに示すように、コンフォーマルアンテナ１６２は、既に形成されたダクト面に加えられることができる。コンフォーマルアンテナ１６２が既に形成され、完成されたダクト面に加えられるとき、コンフォーマルアンテナ１６２を覆うための層１６６が加えられることができる。層１６６は、アンテナを覆い、保護するためにコンフォーマルアンテナ１６２上に加えられることができる。図３ｂは、図３ａの断面１−１で取られた横断面図であり、面１６４の上部上のコンフォーマルアンテナ１６２およびコンフォーマルアンテナ１６２の上部上の層１６６を示す。層１６６はエポキシ被覆であることができる。

コンフォーマルアンテナ１６２は、雨および適度の風を含む様々な気象状況で作動するように作製される。
コンフォーマルアンテナ１６２は様々なサイズを備えることができ、したがって、コンフォーマルアンテナ１６２の実際の配置および近接は、各設計に対してシミュレートされることが好ましい。図４ａから図４ｉは、ダクト面に一体化されることができるアンテナ形状のいくつかの例を図示する。双極子のように簡単なアンテナが、図４ａに示すように使用されうる。図４ｂ、４ｃおよび４ｄは、全方向性特性を改善するために設計された双極子形状を示する。図４ｅは偏向したホイップアンテナを示し、図４ｆはＦ型アンテナを示す。図４ｇ、４ｈおよび４ｉは環状アンテナを示す。図４ｇは完全な波動ループアンテナを示し、図４ｈは２分の１アンテナを示し、図４ｉは直列負荷ループアンテナを示す。コンフォーマルアンテナ１６２は、チップ抵抗またはチップキャップなどの整合素子もまた備えることができ、それはアンテナの性能を改良するためにアンテナ面上に一体化されることができる。プリント配線板のようなダクト面は、整合素子の配置のために適した面を備える。

ＵＡＶ１００はバックパック内で運搬されるように設計されることができる。より具体的には、ＵＡＶは機材パック（「ＭＯＬＬＥ」）を有するモジュール式軽量負荷内で運搬されうる。ＭＯＬＬＥパックは、バットパック付きの耐荷重性ベスト、支持ポーチを有する主ひだ、および外側フレームに取り付けられたスリーピングバッグコンパートメントからなる、完全に一体化されたモジュール式負荷支持システムである。ＵＡＶ１００は約２．７２〜３．６２ｋｇ（約６〜８ポンド）の重さであることができる。しかし、ＵＡＶ１００は、使用される材料およびサイズに応じて、この値より大きい、または小さい重量であることができる。コンフォーマルアンテナ１６２は、その利点の１つである、極端に軽い重量を備える。重量は３０．９８ｇ（１オンス）内であろう。

ＵＡＶ１００は地表面の上方に３０．４８ｍ〜１５２．４ｍ（１００〜５００フィート）の高度で作動することができ、通常、ＵＡＶは地面上方に３０．４８〜１５２．４ｍ（１００〜５００フィート）の間を飛行するであろう。携帯できる地表ステーションが、飛翔体を案内し、カメラからの画像を受信するために使用されることができる。地表ステーションは、ＵＡＶのための飛行経路をプログラムし、それを手動で制御するために使用可能である。飛翔体はまた、日中操作用電気光学カメラまたは夜間任務飛行用赤外線カメラを装備されることができる。

作動中、一旦飛翔体が発射されてしまうと、制御翼１４０が、コンフォーマルアンテナ１６２によって受信された信号に基づき、調整されることができる。作動される制御翼１４０は受信された信号に応答して動き、ファン１５０からの空気流のコースを変更し、ＵＡＶのための飛行方向を案内することになる。飛行中、コンフォーマルアンテナ１６２もまた、信号を送信するために使用される。転送された信号は、ＵＡＶの位置、飛行速度、任意の検出された近づきつつある障害物ならびに他の情報について伝えることができる。

ＵＡＶは自律的に動作し、プログラムまたは偵察などの簡単な任務を実行し、または乗員の制御の下で動作することができる。乗員はパイロットおよびセンサ操作者を含むことができる。パイロットは、Ｃバンド見通し線データリンクまたはＫｕバンド衛星リンクによって指令を送信する制御を使用して、飛翔体を操縦することができる。飛翔体は、Ｌ−３ Ｃｏｍ衛星データリンクシステムを介して命令を受信することができる。パイロットおよび他の乗員メンバは、ＵＡＶの制御に関する決定を下すために飛翔体から受信した画像およびレーダを使用する。

１００ 無人飛翔体（ＵＡＶ）
１１０ 中心本体
１１２ 支持腕部
１１４ 着陸足部
１２０ フレーム
１２１ 外殻
１２２ ポッド
１２３ 最縁部
１２４ ポッド
１２６ ポッド
１２８ ポッド
１３０ エンジン
１３２ 排気口
１４０ 制御翼
１５０ ファン
１６０ ダクト部分
１６２ コンフォーマルアンテナ
１６４ 面
１６６ 層

Claims (3)

1. フレームと、
   前記フレーム上の第１の面と、
   前記フレーム上の前記第１の面の少なくとも一部分に一体化されている、少なくとも１つのコンフォーマルアンテナと
   を備える、ダクテッドファン。
2. 前記コンフォーマルアンテナが完成されたダクト面に加えられた、請求項１に記載のダクテッドファン。
3. 第２の面をさらに備え、前記少なくとも１つのコンフォーマルアンテナのコンフォーマルアンテナが、前記第２の面の少なくとも一部分に一体化されている、請求項１に記載の飛翔体。