JP3597103B2 - Disturbance suppression beam directional antenna for satellite - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は位相等を制御するアレイアンテナを採用する衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナに関し、特にコンフォーマル形状構造体の表面に素子アンテナを配置し、コンフォーマル形状構造体を限定された範囲で機械駆動させた後に、アレイアンテナによる電子的なビーム走査を行う衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】
従来の衛星では、比較的分解能が粗い(または、分解能が低い)ため、通信用に機械駆動型アンテナを用いていたが、5m以下の分解能を要求されるミッションでは、機械駆動時に発生する外乱で画像が歪み搭載することが困難であった。このため、機械駆動型のアンテナを搭載する場合には、衛星間通信を諦め、送信能力を比較的抑えて地上局との直接伝送を用いざるを得なかった。
【0003】
複数の素子アンテナから構成されこれら素子アンテナの各々に移相器を接続し各素子アンテナの励振位相を制御することにより、任意の方向にビームを指向するアレイアンテナのビーム走査範囲は狭いので、広いサービスエリアをカバーするには多数のアレイアンテナが必要となる。このような場合にアレイアンテナのみを用いるのは衛星に搭載する上で適切でない。
【0004】
上述のアレイアンテナの電子走査を機械的走査と組合せることを特徴とするアレイアンテナが知られている。
【0005】
このようなアレイアンテナの一例として、特開平10−190337号公報記載の「フェーズドアレイアンテナ装置」がある。この公報では、筒状構造体の回転による機械的走査と筒状構造体上に配置されたフェーズドアレイアンテナによる電子走査との組合せにより走査することが開示されている。
【0006】
陸域観測技術衛星では、分解能2m以下の要求に対し、機械駆動型アンテナを使用して前述の機械的走査を行うと駆動時の振動が原因となって通信時の画像乱れが生ずる恐れがある。米国のLANDSATでも当初衛星間通信用に同様の機械駆動型アンテナを搭載したが、通信時の画像乱れが生ずるとの理由で現在は地上局との直接伝送のみに使用している。偵察衛星や情報収集衛星等の分野でも同様であり、取得データの有効利用の面において機械駆動型アンテナを衛星搭載用として使用することは大きな障害になっている。
【0007】
しかし、衛星間通信は地上局との直接伝送に比べ100倍以上の通信時間が確保でき、更に即時性が図れるメリットがあるため、衛星間通信の実現が期待されている。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の機械駆動型アンテナは機械駆動(機械的駆動)における振動などの外乱が通信時の画像の乱れなどを引き起こしている。この発明は、機械駆動を行うが、電子走査と併用しながらも外乱を抑制することを課題とする。
【0010】
【課題を解決するための手段】
この発明の請求項1に係わる発明は、ビーム走査範囲を限定するビーム主軸方向の設定を行う1軸の機械駆動機構と、コンフォーマル形状構造体のそれぞれの面に素子アンテナを装着することにより形成したアレイアンテナと、通信信号を電力増幅して送出する送信モジュールと前記アレイアンテナとを切り換え接続するスイッチマトリクスと、前記送信モジュールを含んで構成する送信機とを備え、前記機械駆動機構を回転し前記ビーム主軸方向に固定して機械駆動により発生する外乱を抑制し、前記面のうちで隣接する前記面の一方及び他方に装着されている前記素子アンテナの動作の停止及び開始を次々に行って、隣接する前記面の一方から他方への面切り換えを行うことにより、前記アレイアンテナを切り換え接続すると共に位相を制御して通信相手にビームを指向制御することを特徴とする。
【0011】
また、この発明の請求項2に係わる発明は、一軸を中心に限定された範囲において回転する機械駆動機構と、コンフォーマル形状構造体のそれぞれの面に素子アンテナを装着して形成されるサブアレイアンテナより成るアレイアンテナと、入力した通信信号を切り換え接続して前記アレイアンテナへ出力するスイッチマトリクスと、前記スイッチマトリクスに前記通信信号を供給する送信機と、前記機械駆動機構を駆動制御する駆動制御信号と前記スイッチマトリクスを切り換え接続する接続制御信号と前記素子アンテナの位相を制御する位相制御信号とを算出する制御器とを備え、前記駆動制御信号により前記機械駆動機構を回転させて通信相手の方向にビームの走査範囲を限定するビーム主軸方向を固定し、前記接続制御信号により前記スイッチマトリクスを切り換え接続して、前記面のうちで隣接する前記面の一方及び他方に装着されている前記素子アンテナの動作の停止及び開始を次々に行って、隣接する前記面の一方から他方への面切り換えを行い、前記位相制御信号により前記素子アンテナの位相を制御することを特徴とする。
【0012】
さらに、この発明の請求項3に係わる発明は、前記請求項2記載の前記サブアレイアンテナをサブサブアレイアンテナを含んで構成し、前記サブサブアレイアンテナをアレイアンテナモジュールと分配器とを含んで構成し、前記アレイアンテナモジュールを前記素子アンテナと移相器とを含んで構成することを特徴とする。
【0013】
さらに、この発明の請求項4に係わる発明は、一軸を中心に限定された範囲において回転する機械駆動機構と、素子アンテナをコンフォーマル形状構造体の表面に装着して形成されるサブアレイアンテナより成るアレイアンテナと、入力した通信信号を切り換え接続して前記アレイアンテナへ出力するスイッチマトリクスと、前記スイッチマトリクスに前記通信信号を供給する送信機と、前記機械駆動機構を駆動制御する駆動制御信号と前記スイッチマトリクスを切り換え接続する接続制御信号と前記素子アンテナの位相を制御する位相制御信号とを算出する制御器とを備え、前記駆動制御信号により前記機械駆動機構を回転させて通信相手の方向にビームの走査範囲を限定するビーム主軸方向を固定し、前記接続制御信号により前記スイッチマトリクスを切り換え接続して前記アレイアンテナに前記送信機から出力される前記通信信号を供給し、前記位相制御信号により前記素子アンテナの位相を制御してビーム走査を行い、前記サブアレイアンテナを、前記素子アンテナと前記素子アンテナに接続する移相器とを含む複数のサブサブアレイアンテナで構成し、前記送信機を、前記通信信号を電力増幅し、前記サブサブアレイアンテナの台数に等しい台数の送信モジュールを含んで構成し、前記送信モジュールと前記サブサブアレイアンテナを切り換え接続することにより、通信の瞬断を防止することを特徴とする。
【0014】
さらに、この発明の請求項5に係わる発明は、前記請求項2記載の前記サブアレイアンテナのうち任意の台数を動作させてビームを形成することを特徴とする。
【0015】
さらに、この発明の請求項6に係わる発明は、前記請求項2記載の前記スイッチマトリクスの入力端子と出力端子において、前記入力端子の数量を前記出力端子の数量よりも少なくして前記送信機の台数を削減することを特徴とする。
【0016】
さらに、この発明の請求項7に係わる発明は、一軸を中心に限定された範囲において回転する機械駆動機構と、素子アンテナをコンフォーマル形状構造体の表面に装着して形成されるサブアレイアンテナより成るアレイアンテナと、入力した通信信号を切り換え接続して前記アレイアンテナへ出力するスイッチマトリクスと、前記スイッチマトリクスに前記通信信号を供給する送信機と、前記機械駆動機構を駆動制御する駆動制御信号と前記スイッチマトリクスを切り換え接続する接続制御信号と前記素子アンテナの位相を制御する位相制御信号とを算出する制御器とを備え、
前記素子アンテナと前記素子アンテナに接続する移相器と前記移相器に接続する分配器とを含んでサブサブアレイアンテナを構成し、複数の前記サブサブアレイアンテナを含んで前記サブアレイアンテナを構成し、
前記駆動制御信号により前記機械駆動機構を回転させて通信相手の方向にビームの走査範囲を限定するビーム主軸方向を固定し、前記接続制御信号により前記スイッチマトリクスを切り換え接続して前記アレイアンテナに前記送信機から出力される前記通信信号を供給し、前記位相制御信号により前記素子アンテナの位相を制御してビーム走査を行い、前記スイッチマトリクスの入力端子の数量は、前記通信信号を電力増幅し、前記送信機の一台に含まれる送信モジュールの台数と前記送信機の台数との積に等しく、前記スイッチマトリクスの出力端子の数量は、前記サブサブアレイアンテナの台数と前記サブアレイアンテナの台数との積に等しいことを特徴とする。
【0017】
さらに、この発明の請求項8に係わる発明は、一軸を中心に限定された範囲において回転する機械駆動機構と、素子アンテナをコンフォーマル形状構造体の表面に装着して形成されるサブアレイアンテナより成るアレイアンテナと、入力した通信信号を切り換え接続して前記アレイアンテナへ出力するスイッチマトリクスと、前記スイッチマトリクスに前記通信信号を供給する送信機と、前記機械駆動機構を駆動制御する駆動制御信号と前記スイッチマトリクスを切り換え接続する接続制御信号と前記素子アンテナの位相を制御する位相制御信号とを算出する制御器とを備え、前記駆動制御信号により前記機械駆動機構を回転させて通信相手の方向にビームの走査範囲を限定するビーム主軸方向を固定し、前記接続制御信号により前記スイッチマトリクスを切り換え接続して前記アレイアンテナに前記送信機から出力される前記通信信号を供給し、前記位相制御信号により前記素子アンテナの位相を制御してビーム走査を行い、前記コンフォーマル形状構造体の側面を排熱面として用いることを特徴とする。
【0018】
【発明の実施の形態】
次に、この発明の一実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【0019】
図1はこの発明の一実施の形態のブロック図である。このブロック図を参照して構成を説明する。
【0020】
この発明による衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナは、サブアレイアンテナ6−1〜6−m(mは2以上の整数)の集合体であるアレイアンテナ6とスイッチマトリクス7と送信機11−1〜11−n(nは2以上の整数)とn分配器12と制御器13と機械駆動機構14とを含んで構成される。
【0021】
サブアレイアンテナ6−1〜6−mはサブサブアレイアンテナ5−1〜5−k(kは2以上の整数)を含んで構成され、サブサブアレイアンテナ5−1〜5−kはアレイアンテナモジュール4−1〜4−j(jは2以上の整数)とj分配器3とを含んで構成され、アレイアンテナモジュール4−1〜4−jはそれぞれ移相器2−1〜2−i(iは2以上の整数)を備えた素子アンテナ1−1〜1−iを含んで構成される。
【0022】
つまり、アレイアンテナ6は、サブアレイアンテナ6−1〜6−mとサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kとアレイアンテナモジュール4−1〜4−jと素子アンテナ1−1〜1−iによる階層構造を構成している。
【0023】
送信機11−1〜11−nは送信モジュール8−1〜8−kとk分配器9と励振増幅器10とを含んで構成される。
【0024】
スイッチマトリクス7はスイッチ素子がマトリクス状に配置され、任意の入力端子へ入力する通信信号を制御器13からの接続制御信号に従って、任意の出力端子に切り換え接続する機能を有する。具体的には送信モジュール8−1〜8−kから供給される通信信号を入力し、サブサブアレイアンテナ5−1〜5−kに出力する。従って、サブアレイアンテナ6−1〜6−mは送信機11−1〜11−nと切り換え接続されることになる。
【0025】
制御器13は機械駆動機構14を駆動制御するための駆動制御信号を送出し、衛星の位置・姿勢情報を図示しない姿勢制御サブシステムから授受し、時々刻々変化する指向方向を算出し、スイッチマトリクス7を切り換え接続するための接続制御信号を送出する。さらに素子アンテナ1−1〜1−iに接続している移相器2−1〜2−iの位相を制御するための位相制御信号を算出し、送出する。
【0026】
機械駆動機構14は一軸を中心に限定された範囲において回転することにより、ビーム走査範囲を限定するビーム主軸方向を設定する。
【0027】
ビームはサブアレイアンテナ6−1〜6−mの各々のビームが合成されることで形成され、設定されたビーム主軸方向において通信相手の方向にビームを走査することにより指向制御する。
【0028】
通信相手であるデータ中継衛星との角度が時々刻々変動するため、サブアレイアンテナ6−1〜6−mの組み合わせもこれに合わせて変化させる。サブアレイアンテナ6−1〜6−mは、ビーム走査時の面切り換えにおける位相/振幅連続特性を維持するため、中間的なサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kから構成される。
【0029】
面18(図2参照)の1枚にはサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kが含まれている。面切り換えは、隣接する面18の一方から他方への切り換えとなる。具体的には、隣接する面18の一方の面で動作しているサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kのうちの1つの動作を停止し、同時に他方の面で動作していないサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kのうちの1つの動作を開始させることである。動作の停止と動作の開始を次々に行うことで面切り換えができる。
【0030】
サブアレイアンテナ6−1〜6−mの組み合わせ及びサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kと送信モジュール8−1〜8−kの切り換え接続を制御するためにスイッチマトリクス7を設け、送信機11−1〜11−nの台数を最小化している。例えばスイッチマトリクス7は、(k×n)入力・(k×m)出力で送信モジュール8−1〜8−kとサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kを切り換えて接続することを可能にしている。
【0031】
通信覆域(通信カバレッジ)は、衛星搭載用の場合半球面以上が要求されるが、限定された時間においては、その通信覆域も特定化されるため、素子アンテナ1−1〜1−iは半球面全てをカバーする数量を具備する必要は無い。このため、機械駆動機構14と併用して、アンテナ規模の縮小を図ることが可能となる。通信中に機械駆動でビームを指向制御すると外乱が生じ、観測画像歪みの原因にもなるため、機械駆動機構14による機械駆動は基本的にはビームの初期方向(ビーム主軸方向)の設定のみに使用する。
【0032】
図2はコンフォーマル形状構造体17の斜視図、図3はコンフォーマル形状構造体17の平面図(図3の上の図)と側面図(図3の下の図)を示す。図2と図3を用いてこの発明の一実施の形態の構造について説明する。
【0033】
図2と図3の中で示しているX、Y、Zのうち、例えばXは地球の地心とは反対の方向を指し、Zは衛星19の飛行方向を指すものとする。
【0034】
表面16cは、球面の一部を切り取った多面体の形状を有し、この多面それぞれが面18(図2では多数ある面18のうちの一枚に斜線を付けている)となり、サブアレイアンテナ6−1〜6−mに含まれる素子アンテナ1−1〜1−iが装着される。切り取った側面16bは内部16aに実装した送信機11−1〜11−nの発生する熱を宇宙空間に放射するための排熱面として利用する。n分配器12、送信機11−1〜11−n、スイッチマトリクス7、j分配器3、移相器2−1〜2−iはコンフォーマル形状構造体17の内部16aに組み込むことも可能である。ビーム指向制御のための制御器13はコンフォーマル形状構造体17の外部に設置しても良い。ビーム走査範囲の限定のため、一軸の機械駆動機構14を有しクリアランスを確保するため嵩上げブーム15で嵩上げする構造である。
【0035】
次に、ビーム指向制御について説明する。ビーム指向制御の動作としては、ビーム主軸方向を設定する機械駆動機構14による機械駆動と、設定されたビーム主軸方向を中心としてアレイアンテナ6によるビーム走査がある。機械駆動機構14による機械駆動では、X−Y面内においてコンフォーマル形状構造体17を限定された範囲でシーソーのように揺動させる。つまり、この限定された範囲を回転し、1回転させることはない。通信覆域によってこの限定された範囲は異なる。
【0036】
次に、この発明の一実施の形態の動作について図1を参照して説明する。機械駆動は、予め登録されている衛星19(図5参照)の軌道情報と通信相手(この場合は、図5のデータ中継衛星21)の位置情報に基づき、制御器13でビーム走査角が最小となる角度を算出し、機械駆動機構14に駆動制御信号を送出し、この駆動制御信号をもとに機械駆動機構14の角度設定(ビーム主軸方向の設定)が行われる。この角度設定は、軌道ごとに変わる通信覆域に合わせて行う。
【0037】
衛星の位置・姿勢情報を図示しない姿勢制御サブシステムから授受し時々刻々変化する指向方向を制御器13で算出し、通信信号の供給を必要とするサブアレイアンテナ6−1〜6−mと送信機11との切り換え接続(スイッチマトリクス7による切り換え接続)制御及び素子アンテナ1−1〜1−iに備えられた移相器2−1〜2−iの位相制御によりビームの指向制御が行われる。
【0038】
通信信号は信号IN端子から入力し、n分配器12を通って送信機11−1〜11−nに分配供給される。通信信号は送信機11−1〜11−nにおいて励振増幅器10で所要電力まで増幅された後、k分配器9を経由して送信モジュール8−1〜8−kに入力する。送信モジュール8−1〜8−kでさらに電力増幅された通信信号は、サブアレイアンテナ6−1〜6−m内のサブサブアレイアンテナ5−1〜5−kに切り換え接続されるためのスイッチマトリクス7を介して、接続ルートが設定される。
【0039】
サブサブアレイアンテナ5−1〜5−kは移相器2−1〜2−iを備えた素子アンテナ1−1〜1−iを小規模にまとめたアレイアンテナモジュール4−1〜4−jを1単位として、これを複数台まとめた構成になっており、j分配器3を介して通信信号が供給され、移相器2−1〜2−iによる位相制御を受けた後、素子アンテナ1−1〜1−iから放射され、空間合成によりビーム指向制御が行われる。
【0040】
図4は、ビーム指向方向とビーム走査角とビーム主軸方向との一例を示す。図4においてビーム主軸方向とは、機械駆動機構14が駆動されて設定された方向である。つまり、図3に示すようにコンフォーマル形状構造体17がX−Y面内において、回転していない場合には、ビーム主軸方向はX方向と一致する。ビーム走査角とはアレイアンテナ6により走査される角度である。ビーム指向方向はビーム主軸方向とビーム走査角とを加算した値である。
【0041】
図5は、この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナのビーム20が通信相手であるデータ中継衛星21を指向している図である。嵩上げブーム15は衛星19の頭部に装着され、衛星19の飛行方向Zに垂直なX−Y面内において、コンフォーマル形状構造体17が回転する。ビーム主軸方向がデータ中継衛星21の方向に設定され、さらに素子アンテナ1−1〜1−iの位相を制御した電子的なビーム走査によって、ビーム20がデータ中継衛星21を指向している。
【0042】
次に、地球観測衛星を対象に素子アンテナ1−1〜1−i等の設計結果の一例を説明する。i=8、j=8、k=16、m=70、n=20とすると、スイッチマトリクス7は16×20(k×n)入力・16×70(k×m)出力となる。サブアレイアンテナ6−1〜6−mのうち16面で1ビームを形成すると、同時に動作する送信モジュール8−1〜8−kは256台となる。
【0043】
以上の説明は、データ中継衛星との通信すなわち衛星間通信を意識しているが、地上との直接通信に応用することも可能である。また、通信における瞬断のない連続通信を目的としてコンフォーマル状構造体に設けたアレイアンテナを用いているが、コンフォーマル状構造体に形成される面数を削減して数枚の平板を組み合わせた構造にしても良い。
【0044】
【発明の効果】
5m以下の分解能を要求される地球観測衛星等のミッションにおいても、機械駆動時の外乱で画像が乱れることのないアンテナを実現できるので、直接伝送に比べ100倍以上の通信時間があり、更に即時性が図れるメリットのある衛星間通信を実現することが出来るという効果がある。
【0045】
また、質量・電力的に制約のある衛星搭載用規模を実現するため、通信覆域限定のための初期ビーム指向方向(ビーム主軸方向)設定用に機械駆動機構を一部残したので、通信覆域を、拡大することができるという効果がある。
【0046】
さらに、サブアレイアンテナの切り換え接続に対応させるためのスイッチマトリックスを設けることで、送信機の台数を最小限に抑えることが出来るという効果がある。
【0047】
さらに、球面の一部を切り取ったコンフォーマル形状構造体の表面に素子アンテナを装着することにより、平板形状の構造体などに比較してアレイアンテナのビーム走査範囲を拡大することが出来るという効果がある。
【0048】
以上の効果を質量面から算出する。機械駆動機構とスイッチマトリクスが無い状態(この状態ではコンフォーマル形状構造体は球面に近づいた形状になる)に比べ質量削減後は1/100以下に質量を抑えることが可能になる。例えば、スイッチマトリクスを使用することによる削減後の質量は約1/225、機械駆動機構を併用することによる削減後の質量は約1/2となる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナのブロック図である。
【図2】この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナの斜視図である。
【図3】この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナの構造用基体の平面図(図3の上の図)と側面図(図3の下の図)である。
【図4】この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナの指向方向とビーム主軸方向との関係を示す図である。
【図5】この発明の一実施の形態に係る衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナのビームがデータ中継衛星を指向している図である。
【符号の説明】
1−1〜1−i 素子アンテナ
2−1〜2−i 移相器
3 j分配器
4−1〜4−j アレイアンテナモジュール
5−1〜5−k サブサブアレイアンテナ
6 アレイアンテナ
6−1〜6−m サブアレイアンテナ
7 スイッチマトリクス
8−1〜8−k 送信モジュール
9 k分配器
10 励振増幅器
11−1〜11−n 送信機
12 n分配器
13 制御器
14 機械駆動機構
15 嵩上げブーム
16a 内部
16b 側面
16c 表面
17 コンフォーマル形状構造体
18 面
19 衛星
20 ビーム
21 データ中継衛星[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a satellite-borne disturbance suppression beam directing antenna that employs an array antenna for controlling the phase and the like, and in particular, arranges an element antenna on the surface of a conformal-shaped structure, and controls the conformal-shaped structure within a limited range. The present invention relates to a satellite-borne disturbance suppression beam-directional antenna that performs electronic beam scanning by an array antenna after being driven.
[0002]
[Prior art]
Conventional satellites use mechanically driven antennas for communication because they have relatively low resolution (or low resolution). However, in missions that require a resolution of 5 m or less, disturbances that occur during mechanical driving It was difficult to mount images with distortion. For this reason, when a mechanically driven antenna is mounted, inter-satellite communication has to be abandoned and the transmission capability has to be relatively suppressed to use direct transmission with a ground station.
[0003]
A plurality of element antennas are connected, and a phase shifter is connected to each of these element antennas to control the excitation phase of each element antenna, so that the beam scanning range of an array antenna that directs a beam in an arbitrary direction is narrow, so that it is wide. Many array antennas are required to cover the service area. In such a case, using only the array antenna is not appropriate for mounting on a satellite.
[0004]
An array antenna is known which combines the electronic scanning of the above-described array antenna with mechanical scanning.
[0005]
As an example of such an array antenna, there is a “phased array antenna device” described in JP-A-10-190337. This publication discloses that scanning is performed by a combination of mechanical scanning by rotation of a tubular structure and electronic scanning by a phased array antenna arranged on the tubular structure.
[0006]
In the case of the terrestrial observation technology satellite, if the above-described mechanical scanning is performed using a mechanically driven antenna for a resolution of 2 m or less, image disturbance during communication may occur due to vibration during driving. . LANDSAT in the United States initially equipped with a similar mechanically driven antenna for inter-satellite communication, but is currently used only for direct transmission to ground stations because image disturbances occur during communication. The same applies to fields such as reconnaissance satellites and information gathering satellites, and the use of mechanically driven antennas for onboard satellites is a major obstacle in terms of effective use of acquired data.
[0007]
However, the inter-satellite communication has a merit that a communication time more than 100 times as long as the direct transmission with the ground station can be ensured and the immediacy can be achieved. Therefore, the realization of the inter-satellite communication is expected.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
In the above-mentioned conventional mechanical drive antenna, disturbance such as vibration in mechanical drive (mechanical drive) causes disturbance of images during communication. An object of the present invention is to perform mechanical driving, and to suppress disturbance while using it in combination with electronic scanning.
[0010]
[Means for Solving the Problems]
The invention according to claim 1 of the present invention is formed by mounting a one-axis mechanical drive mechanism for setting a beam main axis direction that limits a beam scanning range, and mounting an element antenna on each surface of a conformal structure. And an array antenna, a transmission module for power-amplifying and transmitting a communication signal and a switch matrix for switching and connecting the array antenna, and a transmitter including the transmission module, and rotating the mechanical drive mechanism. Suppress disturbance caused by mechanical drive by fixing in the beam main axis direction, stop and start the operation of the element antenna mounted on one and the other of the adjacent surfaces among the surfaces one after another. , by performing the surface switching from one of said surfaces adjacent to the other, the phase with connecting switches the array antenna Characterized by direction control the beam control to the communication partner.
[0011]
Further, the sub-array to the invention according to
[0012]
Further, the invention according to the third aspect of the invention, the sub-array antenna of
[0013]
Further, the invention according to claim 4 of the present invention comprises a mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, and a subarray antenna formed by mounting an element antenna on the surface of a conformal structure. An array antenna, a switch matrix that switches and connects input communication signals and outputs the communication signals to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signals to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, and A controller for calculating a connection control signal for switching and connecting a switch matrix and a phase control signal for controlling the phase of the element antenna, and rotating the mechanical drive mechanism by the drive control signal to thereby emit a beam in the direction of a communication partner. The main axis direction of the beam, which limits the scanning range, is fixed, and the switch And connection switching matrix supplying the communication signal output from the transmitter to the array antenna performs beam scanning by controlling the phase of said element antennas by the phase control signal, the sub-array antenna, said elements a plurality of support constituted by blanking subarray antenna, the transmitter, and the power amplifying the communication signal, the transmission module of the number equal to the number of the sub-sub-array antenna comprising a phase shifter connected antenna and to the antenna elements And the connection between the transmission module and the sub-sub-array antenna is switched to prevent instantaneous interruption of communication.
[0014]
Further, the invention according to
[0015]
Furthermore, the invention according to claim 6 of the present invention is the input terminal and the output terminal of the switch matrix according to
[0016]
Further, the invention according to claim 7 of the present invention comprises a mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, and a sub-array antenna formed by mounting an element antenna on the surface of a conformal structure. An array antenna, a switch matrix that switches and connects input communication signals and outputs the communication signals to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signals to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, and A controller for calculating a connection control signal for switching and connecting a switch matrix and a phase control signal for controlling the phase of the element antenna,
Forming a sub-sub-array antenna including the element antenna and a phase shifter connected to the element antenna and a distributor connected to the phase shifter, configuring the sub-array antenna including a plurality of the sub-sub-array antennas,
The drive control signal rotates the mechanical drive mechanism to fix the beam main axis direction that limits the beam scanning range in the direction of the communication partner, and switches and connects the switch matrix by the connection control signal to connect the array antenna to the array antenna. Supplying the communication signal output from the transmitter, performing beam scanning by controlling the phase of the element antenna by the phase control signal, the number of input terminals of the switch matrix, power amplifying the communication signal, equal to the product of the number and the number of the transmitter of the transmission modules included on a single said transmitter, the number of output terminals of the switch matrix includes a number of pre-hexa Bed subarray antenna and the number of the sub-array antenna It is characterized by being equal to the product of
[0017]
Further, the invention according to claim 8 of the present invention comprises a mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, and a sub-array antenna formed by mounting an element antenna on a surface of a conformal structure. An array antenna, a switch matrix that switches and connects input communication signals and outputs the communication signals to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signals to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, and A controller for calculating a connection control signal for switching and connecting a switch matrix and a phase control signal for controlling the phase of the element antenna, and rotating the mechanical drive mechanism by the drive control signal to thereby emit a beam in the direction of a communication partner. The main axis direction of the beam, which limits the scanning range, is fixed, and the switch And connection switching matrix supplying the communication signal output from the transmitter to the array antenna performs beam scanning by controlling the phase of said element antennas by the phase control signal, the conformal shape structure It is characterized in that the side surface is used as a heat discharge surface.
[0018]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Next, an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
[0019]
FIG. 1 is a block diagram of one embodiment of the present invention. The configuration will be described with reference to this block diagram.
[0020]
The satellite-borne disturbance suppression beam directing antenna according to the present invention includes an array antenna 6, a switch matrix 7, and transmitters 11-1 to 11 which are an aggregate of sub-array antennas 6-1 to 6-m (m is an integer of 2 or more). -N (n is an integer of 2 or more), an
[0021]
The sub-array antennas 6-1 to 6-m are configured to include sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k (k is an integer of 2 or more). 1 to 4-j (j is an integer of 2 or more) and a j-divider 3, and the array antenna modules 4-1 to 4-j respectively include phase shifters 2-1 to 2-i (i is (I.e., an integer of 2 or more).
[0022]
In other words, the array antenna 6 has a hierarchy of sub-array antennas 6-1 to 6-m, sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k, array antenna modules 4-1 to 4-j, and element antennas 1-1 to 1-i. Make up the structure.
[0023]
The transmitters 11-1 to 11-n are configured to include the transmission modules 8-1 to 8-k, the k distributor 9, and the
[0024]
The switch matrix 7 includes switch elements arranged in a matrix, and has a function of switching a communication signal input to an arbitrary input terminal to an arbitrary output terminal in accordance with a connection control signal from the
[0025]
The
[0026]
The
[0027]
The beam is formed by combining the beams of the sub-array antennas 6-1 to 6-m, and the beam direction is controlled by scanning the beam in the direction of the communication partner in the set main beam axis direction.
[0028]
Since the angle with the data relay satellite, which is the communication partner, fluctuates every moment, the combination of the sub-array antennas 6-1 to 6-m is changed accordingly. The sub-array antennas 6-1 to 6-m are composed of intermediate sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k in order to maintain the phase / amplitude continuity characteristic at the time of plane switching during beam scanning.
[0029]
One of the surfaces 18 (see FIG. 2) includes the sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k. The face switching is switching from one of the adjacent faces 18 to the other. Specifically, the operation of one of the sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k operating on one surface of the adjacent surface 18 is stopped, and the sub-sub-array antennas not operating on the other surface at the same time are stopped. One of the operations 5-1 to 5-k is started. The surface can be switched by stopping the operation and starting the operation one after another.
[0030]
A switch matrix 7 is provided for controlling the combination of the sub-array antennas 6-1 to 6-m and the switching connection between the sub-array antennas 5-1 to 5-k and the transmission modules 8-1 to 8-k. 1 to 11-n are minimized. For example, the switch matrix 7 can switch and connect the transmitting modules 8-1 to 8 -k and the sub-subarray antennas 5-1 to 5-k with (k × n) inputs and (k × m) outputs. I have.
[0031]
The communication coverage (communication coverage) is required to be a hemisphere or more in the case of a satellite mounted, but the communication coverage is specified in a limited time, so that the element antennas 1-1 to 1-i Need not have a quantity that covers the entire hemisphere. For this reason, it is possible to reduce the size of the antenna in combination with the
[0032]
FIG. 2 is a perspective view of the
[0033]
Of X, Y, and Z shown in FIGS. 2 and 3, for example, X indicates a direction opposite to the center of the earth, and Z indicates a flight direction of the satellite 19.
[0034]
The surface 16c has the shape of a polyhedron in which a part of a spherical surface has been cut out, and each of the surfaces becomes a surface 18 (in FIG. 2, one of the many surfaces 18 is hatched). Element antennas 1-1 to 1-i included in 1 to 6-m are mounted. The cut side surface 16b is used as a heat exhaust surface for radiating the heat generated by the transmitters 11-1 to 11-n mounted in the inside 16a to outer space. The n-
[0035]
Next, beam pointing control will be described. The operation of the beam pointing control includes mechanical driving by the
[0036]
Next, the operation of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The mechanical driving is performed by the
[0037]
The position / attitude information of the satellite is transmitted / received from an attitude control subsystem (not shown), and the directional direction which changes every moment is calculated by the
[0038]
The communication signal is input from the signal IN terminal and is distributed and supplied to the transmitters 11-1 to 11-n through the
[0039]
The sub-sub-array antennas 5-1 to 5-k are array antenna modules 4-1 to 4-j in which the element antennas 1-1 to 1-i having the phase shifters 2-1 to 2-i are small-scaled. As a unit, a plurality of such units are combined, and a communication signal is supplied via a j-divider 3 and subjected to phase control by phase shifters 2-1 to 2-i. The beam is emitted from -1 to 1-i, and beam pointing control is performed by spatial synthesis.
[0040]
FIG. 4 shows an example of a beam directing direction, a beam scanning angle, and a beam main axis direction. In FIG. 4, the beam main axis direction is a direction set by driving the
[0041]
FIG. 5 is a diagram in which the
[0042]
Next, an example of the design results of the element antennas 1-1 to 1-i and the like for the earth observation satellite will be described. If i = 8, j = 8, k = 16, m = 70 and n = 20, the switch matrix 7 has 16 × 20 (k × n) inputs and 16 × 70 (k × m) outputs. When one beam is formed on 16 surfaces of the sub-array antennas 6-1 to 6-m, 256 transmission modules 8-1 to 8-k operate simultaneously.
[0043]
In the above description, communication with the data relay satellite, that is, inter-satellite communication is considered, but it is also possible to apply to direct communication with the ground. In addition, although an array antenna provided on a conformal structure is used for the purpose of continuous communication without momentary interruption in communication, the number of surfaces formed on the conformal structure is reduced and several flat plates are combined. May be used.
[0044]
【The invention's effect】
Even in missions such as earth observation satellites that require a resolution of 5 m or less, an antenna that does not disturb the image due to disturbance during mechanical driving can be realized, so there is 100 times or more communication time compared to direct transmission, and more immediate There is an effect that inter-satellite communication having an advantage of being able to be achieved can be realized.
[0045]
In addition, in order to realize a scale for use on a satellite with limited mass and power, a mechanical drive mechanism was partially left for setting the initial beam pointing direction (beam main axis direction) for limiting the communication coverage area. The effect is that the area can be expanded.
[0046]
Further, by providing a switch matrix for coping with the switching connection of the sub-array antenna, the number of transmitters can be minimized.
[0047]
Furthermore, by mounting the element antenna on the surface of a conformal structure with a part of the spherical surface cut off, the beam scanning range of the array antenna can be expanded compared to a flat structure. is there.
[0048]
The above effects are calculated from the mass aspect. Compared to a state without a mechanical drive mechanism and a switch matrix (in this state, the conformal structure has a shape close to a spherical surface), the mass can be reduced to 1/100 or less after the mass is reduced. For example, the mass after reduction by using the switch matrix is about 1/225, and the mass after reduction by using the mechanical drive mechanism together is about 1/2.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a block diagram of a satellite-borne disturbance suppressing beam directing antenna according to an embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a perspective view of a disturbance suppressing beam directing antenna for onboard satellite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 3 is a plan view (upper view of FIG. 3) and a side view (lower view of FIG. 3) of a structural base of the disturbance suppressing beam directing antenna mounted on a satellite according to an embodiment of the present invention.
FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the directing direction and the beam principal axis direction of the disturbance suppression beam directing antenna for onboard satellite according to one embodiment of the present invention.
FIG. 5 is a diagram in which a beam of a satellite-borne disturbance suppression beam directing antenna according to an embodiment of the present invention is directed to a data relay satellite.
[Explanation of symbols]
1-1 to 1-i Element antenna 2-1 to 2-i Phase shifter 3 j Distributor 4-1 to 4-j Array antenna module 5-1 to 5-k Sub-subarray antenna 6 Array antenna 6-1 6-m sub-array antenna 7 switch matrix 8-1 to 8-k transmission module 9
Claims (8)
前記サブアレイアンテナを、前記素子アンテナと前記素子アンテナに接続する移相器とを含む複数のサブサブアレイアンテナで構成し、前記送信機を、前記通信信号を電力増幅し、前記サブサブアレイアンテナの台数に等しい台数の送信モジュールを含んで構成し、前記送信モジュールと前記サブサブアレイアンテナを切り換え接続することにより、通信の瞬断を防止することを特徴とする衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナ。 A mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, an array antenna composed of a sub-array antenna formed by mounting an element antenna on the surface of a conformal structure, and switching and connecting input communication signals. A switch matrix that outputs to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signal to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, a connection control signal that switches and connects the switch matrix, and the element antenna And a controller for calculating a phase control signal for controlling the phase of the beam, fixing the main beam direction of the beam to limit the scanning range of the beam in the direction of the communication partner by rotating the mechanical drive mechanism by the drive control signal, The switch matrix is switched and connected by the connection control signal to The communication signal output from the transmitter is supplied to the antenna performs beam scanning by controlling the phase of said element antennas by the phase control signal,
The subarray antenna, the element composed of a plurality of sub sub array antenna comprising a phase shifter connected antenna and to the antenna elements, the transmitter, the communication signal to the power amplification, of the sub-sub-array antenna configured to include the number transmission module equal to the number, the by transmitting module and switching the sub sub array antenna connected, it characterized by preventing the interruption of communication satellites for mounting the disturbance suppression beam steering antenna .
前記素子アンテナと前記素子アンテナに接続する移相器と前記移相器に接続する分配器とを含んでサブサブアレイアンテナを構成し、複数の前記サブサブアレイアンテナを含んで前記サブアレイアンテナを構成し、
前記駆動制御信号により前記機械駆動機構を回転させて通信相手の方向にビームの走査範囲を限定するビーム主軸方向を固定し、前記接続制御信号により前記スイッチマトリクスを切り換え接続して前記アレイアンテナに前記送信機から出力される前記通信信号を供給し、前記位相制御信号により前記素子アンテナの位相を制御してビーム走査を行い、
前記スイッチマトリクスの入力端子の数量は、前記通信信号を電力増幅し、前記送信機の一台に含まれる送信モジュールの台数と前記送信機の台数との積に等しく、前記スイッチマトリクスの出力端子の数量は、前記サブサブアレイアンテナの台数と前記サブアレイアンテナの台数との積に等しいことを特徴とする衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナ。A mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, an array antenna composed of a sub-array antenna formed by mounting an element antenna on the surface of a conformal structure, and switching and connecting input communication signals. A switch matrix that outputs to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signal to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, a connection control signal that switches and connects the switch matrix, and the element antenna And a controller for calculating a phase control signal for controlling the phase of
Forming a sub-sub-array antenna including the element antenna and a phase shifter connected to the element antenna and a distributor connected to the phase shifter, configuring the sub-array antenna including a plurality of the sub-sub-array antennas,
The drive control signal rotates the mechanical drive mechanism to fix the beam main axis direction that limits the beam scanning range in the direction of the communication partner, and switches and connects the switch matrix by the connection control signal to connect the array antenna to the array antenna. Supplying the communication signal output from the transmitter, performing beam scanning by controlling the phase of the element antenna by the phase control signal,
The number of input terminals of the switch matrix amplifies the power of the communication signal, and is equal to the product of the number of transmission modules and the number of transmitters included in one of the transmitters, and the number of output terminals of the switch matrix. quantity, before hexa Bed subarray for satellite disturbance suppression beam directional antenna, wherein the number of antennas is equal to the product of the number of the sub-array antenna.
前記コンフォーマル形状構造体の側面を排熱面として用いることを特徴とする衛星搭載用外乱抑制ビーム指向アンテナ。 A mechanical drive mechanism that rotates in a limited range around one axis, an array antenna composed of a sub-array antenna formed by mounting an element antenna on the surface of a conformal structure, and switching and connecting input communication signals. A switch matrix that outputs to the array antenna, a transmitter that supplies the communication signal to the switch matrix, a drive control signal that drives and controls the mechanical drive mechanism, a connection control signal that switches and connects the switch matrix, and the element antenna And a controller for calculating a phase control signal for controlling the phase of the beam, fixing the main beam direction of the beam to limit the scanning range of the beam in the direction of the communication partner by rotating the mechanical drive mechanism by the drive control signal, The switch matrix is switched and connected by the connection control signal to The communication signal output from the transmitter is supplied to the antenna performs beam scanning by controlling the phase of said element antennas by the phase control signal,
The conformal shape structure side satellite mounting the disturbance suppression beam directional antenna you characterized by using as the exhaust heat surface of the.
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