JP2013093846A - Wide scan steerable antenna with no key-hole - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アンテナシステムの分野に関し、特には、電磁信号を送信及び/又は受信するための操作性を有するアンテナに関する。 The present invention relates to the field of antenna systems, and more particularly to an antenna having operability for transmitting and / or receiving electromagnetic signals.
ワイドスキャン角(広走査角)に亘って相対的に移動する標的と通信するために操作性(または追尾)アンテナを使用することは当該分野においては広く知られている。特に、航空産業においては、そのような操作性アンテナは、高ゲイン(利得)であり、低質量(軽量)であって、高信頼性を備えていることが必要である。 The use of operability (or tracking) antennas to communicate with targets that move relatively over a wide scan angle (wide scan angle) is well known in the art. In particular, in the aeronautical industry, such an operable antenna needs to have high gain (gain), low mass (light weight), and high reliability.
これらワイドスキャン構造形態で使用されるアンテナは、典型的には、二つのロータリジョイント(回転関節)を必要とする二つの回転軸、ケーブルカセット、またはそれぞれの回転軸を利用して信号を伝播する他の手段を含む。RF(無線周波)ロータリジョイントの排除またはその数の削減が、費用、信号損失および信頼性の観点から非常に望ましい。 The antennas used in these wide scan structures typically propagate signals using two rotating shafts, cable cassettes, or their respective rotating shafts that require two rotary joints (rotating joints). Including other means. Eliminating or reducing the number of RF (radio frequency) rotary joints is highly desirable from a cost, signal loss and reliability standpoint.
広角(一般的に90°を超える角度)操作性アンテナにおいて、ロータリジョイントを省く目的でいくつかの技術が開発されたが、それらは、電磁ビームが回転軸の一方と実質的に整合したとき、標的を追尾する能力に影響を及ぼす特異性の存在によって影響を受ける。この特異性は、キーホール効果(現象)と称される。それは、標的の移動速度に追いつくよう、特異性を提供する軸の周囲を回転するのに必要な時間のためである。 In wide angle (generally greater than 90 °) maneuverable antennas, several techniques have been developed to eliminate rotary joints, but when the electromagnetic beam is substantially aligned with one of the rotation axes, Affected by the presence of specificity that affects the ability to track a target. This peculiarity is called a keyhole effect (phenomenon). It is because of the time required to rotate around an axis that provides specificity to keep up with the speed of movement of the target.
一般的には、衛星を利用するシステムのためには、この特異性は、地球(衛星直下点または天底)に向けられた方位角回転軸の利用に関わる。任務の種類によっては、この特異性はシステムの全体的な性能または複雑性にほとんど影響を及ぼさないが、多くの場合、特に、高ゲインが要求される場合に、標的が回転軸と整合すると、適した連結状態を維持するためにアクチュエータを非常に高速とすることがある。 In general, for systems that utilize satellites, this specificity involves the use of an azimuth rotation axis that is directed toward the earth (the satellite direct point or nadir). Depending on the type of mission, this specificity has little impact on the overall performance or complexity of the system, but in many cases, especially when high gain is required, if the target is aligned with the axis of rotation, The actuator may be very fast to maintain a proper connection.
天底指向方位角軸を備えた操作性アンテナにおいては、衛星直下追尾が、意図する標的に非常に接近して通過するとき、そのようなことが発生する。これは、アクチュエータの選択においてはドライバとなり得、ドライブ電子機器システムの複雑性を増す。そうなると、さらに複雑で、さらに費用が高いドライブ電子機器を備えた、さらに大きなロータリアクチュエータが必要になる。 In operability antennas with nadir-oriented azimuth axes, this occurs when tracking directly below the satellite passes very close to the intended target. This can be a driver in the choice of actuator, increasing the complexity of the drive electronics system. This would require a larger rotary actuator with more complex and more expensive drive electronics.
ロータリジョイントを備えない解決策が特許文献1(米国特許6747604)にて提案されており、その代表的な内容を本願の図1に図示している。この形態は、一方の回転軸が天底を指向しているため、天底(地球を周回する宇宙飛行体の地球に面したパネルに取り付けられたアンテナのために地球の中心を指向)にキーホールまたは特異性を有している。 A solution that does not include a rotary joint has been proposed in Patent Document 1 (US Pat. No. 6,747,604), and a typical content thereof is shown in FIG. 1 of the present application. This configuration is keyed to the nadir (directed to the center of the earth due to the antenna attached to the earth-facing panel of the spacecraft that orbits the earth) because one of the rotation axes points to the nadir. Has a hole or specificity.
方位角ジンバルを介して仰角を活用する別形態は図2において図示されている。この取り組みではロータリジョイントは一つだけであるが、天底においてキーホール現象の影響を受ける。 Another form of utilizing the elevation angle via an azimuth gimbal is illustrated in FIG. In this approach, there is only one rotary joint, but it is affected by the keyhole phenomenon at the nadir.
従って、改良された操作性アンテナ形態に対する需要が存在する。 Accordingly, there is a need for improved operability antenna configurations.
従って、本発明の一目的は、ワイドスキャン角度、特に90°を超える角度に亘って電磁ビームの伝送及び/又は受領の操作を最善化するために、改善された操作性アンテナ構造または形態を提供することである。 Accordingly, it is an object of the present invention to provide an improved maneuverable antenna structure or configuration to optimize the operation of transmission and / or reception of electromagnetic beams over a wide scan angle, in particular over 90 °. It is to be.
本発明の一利点は、その構造が、ほぼ全半球的(2πステラジアン)にビームを操作できることである。 One advantage of the present invention is that the structure allows the beam to be manipulated in a substantially hemispherical (2π steradian) manner.
本発明の別利点は、受信可能領域内に特異性やキーホールが存在せず、よって、ロータリアクチュエータの高速操作の必要がなく、関連する複雑性や高コストが回避できることである。 Another advantage of the present invention is that there are no singularities or keyholes in the coverage area, thus eliminating the need for high speed operation of the rotary actuator and avoiding the associated complexity and cost.
本発明のさらなる利点は、アンテナ構造には、RFロータリジョイントまたは屈曲性導波管あるいはフレキシブルなRFケーブルのごとき一つのRF信号ロータリ機構のみが必要であり、従って、アンテナシステムの信頼性が高まることである。 A further advantage of the present invention is that the antenna structure only requires one RF signal rotary mechanism, such as an RF rotary joint or a flexible waveguide or a flexible RF cable, thus increasing the reliability of the antenna system. It is.
本発明のさらに別利点は、アンテナ可動部分の質量とサイズを最小化するようにアンテナ形状を最良化できることである。 Yet another advantage of the present invention is that the antenna shape can be optimized to minimize the mass and size of the antenna moving parts.
本発明のさらなる利点は、アンテナの充填された動的包囲体が最良化できることである。 A further advantage of the present invention is that an antenna filled dynamic enclosure can be optimized.
本発明のさらに別利点は、リフレクタ(反射器)の形状、相対位置、並びに方位性が、最良質量、最良移動質量、充填容量および排除容量を提供するように最善化できることである。主リフレクタによって発生されるビームは、フィードソース(供給源)位相中心および副リフレクタの中心によって画定された軸(フィード軸)に直交する必要はない。しかし、フィード軸とのビームの角度は、その最も細い寸法の方向に沿った受信可能領域の角度幅の少なくとも半分でなければならない。 Yet another advantage of the present invention is that the shape, relative position, and orientation of the reflector (reflector) can be optimized to provide the best mass, the best moving mass, the fill volume, and the displacement volume. The beam generated by the primary reflector need not be orthogonal to the axis (feed axis) defined by the feed source (center) phase center and the center of the secondary reflector. However, the angle of the beam with the feed axis must be at least half the angular width of the coverage area along the direction of its narrowest dimension.
本発明の一形態によれば、アンテナの所定受信可能領域内で、ワイドスキャン角度に亘って電磁信号の最良ビーム操作を提供する送信及び/又は受信操作性アンテナ形態が提供される。このアンテナ形態は、
主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ及び主リフレクタ構造体と、
アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び/又は受領用信号フィードチェーンであって、主リフレクタは、フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
フィードチェーンと副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、フィード軸にほぼ垂直であり、受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
信号フィードチェーンに対して、主リフレクタと、副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的にフィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、第一回転部材によって回転される第二回転部材と、
を含んでいる。
According to one aspect of the invention, a transmit and / or receive operable antenna configuration is provided that provides the best beam manipulation of electromagnetic signals over a wide scan angle within a predetermined coverage area of the antenna. This antenna form is
A sub-reflector and a main reflector structure defining an antenna focus located substantially adjacent to the reflective surface of the main reflector;
A transmission and / or reception signal feed chain having a signal source located adjacent to the antenna focus and defining a feed axis substantially directed to a secondary reflector intersection, wherein the main reflector is a beam with the feed axis. A signal feed chain for generating a signal beam having a beam axis defining an angle of
A first rotating member that rotates the feed chain and the sub-reflector / main reflector structure around a first rotating shaft that is substantially perpendicular to the feed axis and does not intersect the receivable region;
A second rotating member for rotating one of a main reflector and a sub-reflector / main reflector structure around a second rotating shaft substantially aligned with the feed shaft with respect to the signal feed chain, A second rotating member rotated by one rotating member;
Is included.
このアンテナにおいて、有利には、ビーム角度は、受信可能領域の最も細い角度幅を画定する所定受信可能領域の最も細い寸法の角度幅の少なくとも半分である。 In this antenna, the beam angle is advantageously at least half of the narrowest dimension of the predetermined receivable area that defines the narrowest angular width of the receivable area.
このアンテナの一実施態様では、副リフレクタ交差点は、構造体の副リフレクタの幾何学中心に隣接して位置する。 In one embodiment of this antenna, the secondary reflector intersection is located adjacent to the geometric center of the secondary reflector of the structure.
このアンテナにおいて、有利には、構造体の主リフレクタ表面と副リフレクタ表面は、それぞれの円錐機能表面の対応部分である。 In this antenna, the main reflector surface and the sub-reflector surface of the structure are advantageously corresponding parts of the respective conical functional surface.
典型的には、主リフレクタ表面と副リフレクタ表面の少なくとも一方は、所定信号ゲインパターンに実質的に合致するためにアンテナ構造体の信号ゲインパターンを達成するように形状化される。 Typically, at least one of the primary reflector surface and the secondary reflector surface is shaped to achieve the antenna structure signal gain pattern to substantially match the predetermined signal gain pattern.
本発明の他の目的および利点は、添付図面を適宜参考にして、以下の詳細な説明から明らかになろう。 Other objects and advantages of the present invention will become apparent from the following detailed description, with reference where appropriate to the accompanying drawings.
以上の通り、本発明に係るアンテナは、
「主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ・主リフレクタ構造体と、
アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び/又は受領用信号フィードチェーンであって、主リフレクタは、フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
フィードチェーンと副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、フィード軸にほぼ垂直であり、受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
信号フィードチェーンに対して、主リフレクタと、副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的にフィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、第一回転部材によって回転される第二回転部材と、を含んでいること」
にその構成上の主たる特徴があっり、これにより、ワイドスキャン角度、特に90°を超える角度に亘って電磁ビームの伝送及び/又は受領の操作を最善化するために、改善された操作性を有するアンテナ構造または形態を提供することができるのである。
As described above, the antenna according to the present invention is
“A sub-reflector / main reflector structure defining an antenna focus located substantially adjacent to the reflective surface of the main reflector;
A transmission and / or reception signal feed chain having a signal source located adjacent to the antenna focus and defining a feed axis substantially directed to a secondary reflector intersection, wherein the main reflector is a beam with the feed axis. A signal feed chain for generating a signal beam having a beam axis defining an angle of
A first rotating member that rotates the feed chain and the sub-reflector / main reflector structure around a first rotating shaft that is substantially perpendicular to the feed axis and does not intersect the receivable region;
A second rotating member for rotating one of a main reflector and a sub-reflector / main reflector structure around a second rotating shaft substantially aligned with the feed shaft with respect to the signal feed chain, A second rotating member rotated by the one rotating member ”
The main features of this structure are to improve the operability in order to optimize the operation of transmission and / or reception of electromagnetic beams over a wide scan angle, in particular over 90 °. It is possible to provide an antenna structure or form having.
本発明の一利点は、その構造が、ほぼ全半球的(2πステラジアン)にビームを操作できることである。 One advantage of the present invention is that the structure allows the beam to be manipulated in a substantially hemispherical (2π steradian) manner.
本発明の別利点は、受信可能領域内に特異性やキーホールが存在せず、よって、ロータリアクチュエータの高速操作の必要がなく、関連する複雑性や高コストが回避できることである。 Another advantage of the present invention is that there are no singularities or keyholes in the coverage area, thus eliminating the need for high speed operation of the rotary actuator and avoiding the associated complexity and cost.
本発明のさらなる利点は、アンテナ構造には、RFロータリジョイントまたは屈曲性導波管あるいはフレキシブルなRFケーブルのごとき一つのRF信号ロータリ機構のみが必要であり、従って、アンテナシステムの信頼性が高まることである。 A further advantage of the present invention is that the antenna structure only requires one RF signal rotary mechanism, such as an RF rotary joint or a flexible waveguide or a flexible RF cable, thus increasing the reliability of the antenna system. It is.
本発明のさらに別利点は、アンテナ可動部分の質量とサイズを最小化するようにアンテナ形状を最良化できることである。 Yet another advantage of the present invention is that the antenna shape can be optimized to minimize the mass and size of the antenna moving parts.
本発明のさらなる利点は、アンテナの充填された動的包囲体が最良化できることである。 A further advantage of the present invention is that an antenna filled dynamic enclosure can be optimized.
本発明のさらに別利点は、リフレクタ(反射器)の形状、相対位置、並びに方位性が、最良質量、最良移動質量、充填容量および排除容量を提供するように最善化できることである。主リフレクタによって発生されるビームは、フィードソース(供給源)位相中心および副リフレクタの中心によって画定された軸(フィード軸)に直交する必要はない。しかし、フィード軸とのビームの角度は、その最も細い寸法の方向に沿った受信可能領域の角度幅の少なくとも半分でなければならない。 Yet another advantage of the present invention is that the shape, relative position, and orientation of the reflector (reflector) can be optimized to provide the best mass, the best moving mass, the fill volume, and the displacement volume. The beam generated by the primary reflector need not be orthogonal to the axis (feed axis) defined by the feed source (center) phase center and the center of the secondary reflector. However, the angle of the beam with the feed axis must be at least half the angular width of the coverage area along the direction of its narrowest dimension.
添付の図面に図示した本発明の好適実施例を、本発明の非限定的な例示の目的でのみ説明する。 The preferred embodiments of the present invention illustrated in the accompanying drawings will now be described for purposes of non-limiting illustration of the invention only.
図3と図3aには、地球の表面のごとき所定の表面に亘って、図7にて斜線で示されているアンテナの受信可能領域14内で電磁信号を送信及び/又は受信させる操作性アンテナ10が図示されている。電磁信号は、フィードチェーンを通過し、フィードソース18と標的との間で伝播する。標的は、アンテナ信号ビーム12が操作されるアンテナ受信可能領域14内で移動する。
3 and 3a show a maneuverable antenna that transmits and / or receives electromagnetic signals within a
ここで説明するアンテナ10は、標的がその特定位置に存在している地球表面(図示せず)を指向する衛星の地球に面したパネル24またはデッキに取り付けられているが、周回する衛星に面した地上アンテナのごとき他の形態の類似アンテナであっても、本発明の範囲から逸脱しないと考えることができることは理解されるであろう。
The
アンテナ10は双リフレクタシステムまたは構造体26を含む。このシステム26はフィードソース18と標的との間で電磁信号を反射するために副リフレクタ表面27と、主リフレクタ表面28を画定し、従って、ビーム軸13を画定するアンテナ信号ビーム12を発生させる。副リフレクタ表面27と主リフレクタ表面28はシステム26の焦点30を画定する。フィードソースの開孔部中心点はシステム26の焦点30に近接または隣接して位置する。フィードソース18は実質的に副リフレクタ交差点32を指向し、フィードソース軸40は焦点30および副リフレクタ交差点32と交差する。主リフレクタ表面28に到達する電磁信号部分は、フィード軸40から角度αにてビーム軸13で反射する。角度αは、受信可能領域14の最も狭い寸法15(図7参照)の角度幅または方向の少なくとも半分程度であり、受信可能領域14の最も狭い角度幅を画定する。
The
第一回転部材、好適にはロータリアクチュエータ42、等々は、フィード軸40にほぼ垂直に延び、受信可能領域と交差しない第一回転軸RA1の周囲で双リフレクタシステム26およびフィードソース18を回転させ、受信可能領域14に亘って一方向に沿って名目信号ゲイン操作を提供する。好適には、アクチュエータ42は双リフレクタシステム26とフィードソース18を回転させ、ビーム12は、受信可能領域14の最も広い寸法16(図7参照)の角度幅または方向の周囲で走査して最も広い角度幅を画定するか、または標的の主航跡に沿って、約180°の範囲等に亘って、第一制限位置θ1と第二制限位置θ2との間で走査する。
A first rotating member, preferably a
典型的には、名目副リフレクタ表面27と主リフレクタ表面28はそれぞれ円錐機能表面の一部であり、好適には放物形状表面(図5の実施例10’の副リフレクタ27、および図3から図4および図6の実施例10、10”の主リフレクタ28の場合と同様)、双曲表面、楕円表面または平坦面(図3と図4および図6の実施例10、10”の副リフレクタ27、および図5の実施例10’の主リフレクタ28の場合と同様)である。名目副リフレクタ表面27と主リフレクタ表面28のうちの少なくとも一方は、それぞれ、所定信号ゲインパターンに実質的に合致するようにアンテナ構造体の信号ゲインパターンを達成するように形状化することが可能である。
Typically, nominal
アンテナ10は、双リフレクタシステム26を、第一位置ψ1と第二位置ψ2との間でフィード軸40と実質的に整合または同一線となる第二回転軸RA2の周囲で回転させる第二回転部材、好適にはロータリアクチュエータ46、等々をさらに含む。ビーム12は受信可能領域14で円弧線に沿って走査される。典型的には、物理的には360°に亘って動作できるが、ロータリアクチュエータ46は最大でも約180°の範囲で回転し、よって特異性とは一切無関係である。好適には、ロータリアクチュエータ46は、ビーム12が受信可能領域の最も狭い角度幅15の周囲を実質的に走査するように、双リフレクタシステム26を回転させる。副リフレクタ27が実質的にフィード軸40の周囲で軸対称であるとき、図4のアンテナ形態によってそれが実行できたであろうごとくに、ロータリアクチュエータ46は一般的に主リフレクタ28のみを回転させる。
The
双リフレクタシステム26とフィードソース18、および典型的には第二ロータリアクチュエータ46は、フィード軸40(RA2)にほぼ垂直に延び、受信可能領域とは交差しない回転軸RA1の周囲で回転され、アンテナ10は特異性を備えない受信可能領域14で所定信号ゲインを提供する。
The
ここでは説明されていないが、好適には、エンコーダ、等々が、RA1アクチュエータ42とRA2アクチュエータ46のそれぞれの角位置θ、ψにフィードバックを提供するのに使用される。
Although not described here, an encoder, etc. is preferably used to provide feedback to the angular positions θ, ψ of the
操作性アンテナ10、10’、10”を説明したが、開示内容は例示であり、本発明はそれら実施例および添付図面には限定されず、本発明は「請求の範囲」の精神に含まれる全ての変形および改良を含む。
Although the
10 アンテナ
12 信号ビーム
13 ビーム軸
14 受信可能領域
15 (最も狭い)寸法
16 (最も広い)寸法
18 フィードソース
24 パネル
26 双リフレクタシステムまたは構造体
27 副リフレクタ表面
28 主リフレクタ表面
30 焦点
32 副リフレクタ交差点
40 フィード軸
42・46 ロータリアクチュエータ
θ1 第一制限位置
θ2 第二制限位置
ψ1 第一位置
ψ2 第二位置
DESCRIPTION OF
Claims (5)
主リフレクタの反射表面に実質的に隣接して位置するアンテナ焦点を画定する副リフレクタ及び主リフレクタ構造体と、
前記アンテナ焦点に隣接して位置する信号源を有し、副リフレクタ交差点を実質的に指向するフィード軸を画定する伝送及び/又は受領用信号フィードチェーンであって、前記主リフレクタは、前記フィード軸とのビームの角度を画定するビーム軸を有した信号ビームを発生させる、信号フィードチェーンと、
前記フィードチェーンと前記副リフレクタ・主リフレクタ構造体とを、前記フィード軸に略垂直であり、前記受信可能領域と交差しない第一回転軸の周囲で回転させる第一回転部材と、
前記信号フィードチェーンに対して、前記主リフレクタと、前記副リフレクタ・主リフレクタ構造体のうちの一方を、実質的に前記フィード軸と整合した第二回転軸の周囲で回転させる第二回転部材であって、前記第一回転部材によって回転される第二回転部材と、
を含んでいることを特徴とする操作性を有するアンテナ。 A transmit and / or receive operable antenna configuration for best beam manipulation of electromagnetic signals at wide scan angles within a predetermined coverage area of the antenna, comprising:
A sub-reflector and a main reflector structure defining an antenna focus located substantially adjacent to the reflective surface of the main reflector;
A transmission and / or reception signal feed chain having a signal source located adjacent to the antenna focus and defining a feed axis substantially directed to a secondary reflector intersection, wherein the main reflector is the feed axis A signal feed chain for generating a signal beam having a beam axis defining an angle of the beam with respect to
A first rotation member that rotates the feed chain and the sub-reflector / main reflector structure around a first rotation axis that is substantially perpendicular to the feed axis and does not intersect the receivable region;
A second rotating member that rotates one of the main reflector and the sub-reflector / main reflector structure around a second rotating shaft substantially aligned with the feed shaft with respect to the signal feed chain; A second rotating member rotated by the first rotating member;
The antenna which has operativity characterized by including.
Applications Claiming Priority (2)
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