IT9047799A1 - Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore, particolarmente idoneo per applicazioni spaziali. - Google Patents

Description

tando nel contempo effetti di modulazioni indesiderate, indotte sui segnali.

Detto sistema è essenzialmente costituito da (Fig. 2):

un giunto cardanico (3) (4);

molla/e di spinta (5);

due motori di attuazione (7), provvisti di fermo della posizione; due rocchetti (13) per avvolgimento o svolgimento dei fili di pilotaggio ;

due fili di pilotaggio (6),

10 Testo dell'invenzione

L'invenzione riguarda un metodo di scansione ed un certo numero di soluzioni circa il tipo di meccanismo di attuazione del puntamento di antenne a riflettore.

Un giunto cardanico, che ha il suo centro di rotazione coincidente con il fuoco del riflettore, ha la funzione di una cerniera sferica .

Esso consente così la rotazione nello spazio dell'assieme braccio più riflettore.

La molla di spinta circolare 5 operante tra braccio del riflettore e asse del cardano impone un movimento angolare al riflettore in senso opposto rispetto a quello applicato dai fili 6 in continua trazione .

La lunghezza dei due fili di pilotaggio viene modificata dai motori 7 su comando, cosicché la posizione del riflettore dipende dalle due lunghezze dei fili di pilotaggio che rappresentano le variabili di stato del meccanismo.

La molla, se non fosse contrastata dai fili 6, imporrebbe una rotazione di verso opposto a quella imposta dai fili di pilotaggio stessi, allontanando il riflettore dalle posizioni correnti richieste per il puntamento.

L'invenzione trova applicazione:

in sistemi di puntamento del o dei fasci di antenne di satellite per sistemi di acquisizione e di inseguimento angolare ove vengano utilizzati sensori di tipo "monopulse", di tipo "lobe switching", di tipo "conical scan", di tipo "step track";

in antenne non permanentemente in movimento, per le quali sia richiesta la ripuntabilità del o dei fasci di antenna;

nei sistemi di antenna/e a riflettore focalizzanti, a riflettore singolo o multiplo, in cui la rotazione del riflettore avverrebbe intorno al fuoco.

L'invenzione trova la sua migliore applicazione nelle antenne poste su satellite, ma può anche essere applicata vantaggiosamente su antenne impiegate a terra.

L'invenzione presentata è utilizzabile in diverse applicazioni su satellite per le quali è richiesto di ripuntare il fascio o di inseguire direzioni mutevoli su un campo ampio con perdite di scansione basse rispetto a metodi alternativi. Ciò per la presente in-venzione è realizzato mantenendo fissa la posizione dell'illuminatore.

Alcuni dei problemi risolti dall'invenzione:

minime perdite per scansione, inferiori a valori da 0.3 a 0.5dB entro un ampio campo di scansione, dell’ordine di 40 volte la dimensione del fascio di antenna seguendo i criteri convenzionali di progetto adottando usuali valori di "edge taper", nel range valore compreso tra 5 e 15dB. Per campi di scansione ancora maggiori, l'invenzione è ancora applicabile accrescendo la dimensione del riflettore e lasciando immutata 1'illuminazione;

impiego di un sistema di illuminazione fisso (non articolato) che consente l'eliminazione di giunti rotanti (in guida d'onda anche a più vie, e quindi complicatissimi, quando ad esempio si operi con inseguimento angolare a radio frequenza "RF sensing" ad anello chiuso) e quindi delle relative perdite a radio frequenza;

riduzione dei percorsi di guida d'onda altrimenti necessari per connettere il ripetitore all'illuminatore dell'antenna, nel caso in cui l'antenna sia articolata in un punto differente dal fuoco del paraboloide;

possibilità di adozione di sistemi di "RF sensing" su antenna a copertura sagomata (con la restrizione che la sagomatura del fascio è ottenuta con un diagramma di radiazione dell'illuminatore di tipo sagomato), e anche su antenne di tipo multifascio per le quali l'articolazione di molte linee di alimentazione sarebbe difficilmente realizzabile. E' opportuno richiamare l'attenzione sulla possibilità di rilassare la specifica di precisione del sistema di controllo di assetto del satellite adottando un sistema di "RF sensing", essendo detto controllo di assetto non realizzabile con i sistemi convenzionali. Quanto sopra può essere considerato un ulteriore vantaggio;

possibilità di ottimizzare la configurazione del sensore RF, per la rivelazione dell'errore angolare rispetto ad una certa direzione di provenienza di un segnale di beacon, svincolando dalla scelta di soluzioni di sensori RF a minimo numero di connessioni in guida, spesso penalizzanti sotto il profilo delle prestazioni;

- semplificazione del progetto strutturale del braccio dell'antenna implicato nel puntamento del solo riflettore e non dell'antenna completa del sistema d'illuminazione; semplificazione notevole (considerata la particolare applicazione ai satelliti) del problema dell'allocazione dell'antenna sul supporto o sul satellite e nel lanciatore;

utilizzo del meccanismo anche per il dispiegamento del braccio dell'antenna, dopo il posizionamento in orbita;

utilizzo di un attuatore con applicazione di forze tangenziali al braccio applicate al bordo del riflettore che non impegnano a flessione lo stesso come in soluzioni alternative, consentendo l'uso di bracci meno complessi, più leggeri e sottili; possibilità di uso di bande più ampie dell'eventuale anello di controllo, considerata la minore inerzia della struttura in movimento e la possibilità di raggiungere frequenze di risonanza maggiori.

Fino ad ora il puntamento meccanico di antenne a riflettore era ottenuto:

con meccanismi di puntamento posti sotto il riflettore in grado di inclinare il riflettore incernierato in un suo punto: tale soluzione, generando aberrazioni sempre maggiori in funzione dell'angolo scandito (e quindi notevoli riduzioni del guadagno d'antenna, incremento dei lobi laterali, dissimetrie nel diagramma d'antenna), è adeguata soltanto per angoli voluti di scansione molto limitati o altrimenti impone un progetto d'antenna in cui il rapporto F/D è molto grande e spesso impraticabile per le notevoli dimensioni dell’antenna·,

con complessi meccanismi a più gradi di libertà in grado di muovere l'antenna completa del suo sistema di illuminazione, assumendo realizzabili linee articolate (in guida o in cavo coassiale) di illuminazione, utilizzanti giunti rotanti comunque di elevato costo e difficoltà realizzative, con conseguenti importante perdite di RF.

L'invenzione viene ora descritta in riferimento ad una sua forma di realizzazione attualmente preferita, riportata a scopo illustrativo e non limitativo, ed in base alle tavole di disegno allegate :

Fig. 1 Rappresentazione schematica del riflettore parabolico rappresentato in due delle n posizioni. In essa sono visibili:

F Fuoco :

Sfera

Paraboloide

Flg. 2 Vista assonometrica del meccanismo di puntamento. In essa sono visibili:

1 riflettore;

2 illuminatore;

3 braccio di supporto del riflettore rotante sull'asse Y;

4 supporto rotante sull'asse X;

5 molla di spinta;

6 fili di pilotaggio, ritenzione è posizionamento di lunghezza di e d2;

7 motori di attuazione provvisti di rocchetto scanalato per 1'avvolgimento/svolgimento dei fili di pilotaggio;

8 elettronica di controllo;

9 (eventuali) rilevatori di angolo;

10 connessioni RF;

11 struttura fissa (corpo del satellite);

12 fuoco della parabola (assi del giunto cardanico).

La Fig. 2 è da considerarsi la più significativa. Essa illustra la struttura del meccanismo.

L'elettronica di controllo 8 invia i due segnali di attuazione ai due motori 7 mediante i quali è possibile, tramite i rocchetti scanalati, modificare la lunghezza libera dei due fili di pilotaggio 6 avvolgendo o svolgendo essi sui relativi rocchetti scanalati.

La lunghezza libera di e d2 dei fili di pilotaggio determina la posizione del riflettore rispetto alla struttura fissa, in quanto sia il braccio 3 che il supporto 4 sono soggetti all’azione della molla di spinta 5. Detta molla 5 mantiene comunque in trazione i due fili 6, stabilendo univocamente la posizione del riflettore rispetto al riferimento fisso 11 (corpo del satellite).

Comandi applicati sequenzialmente ai motori consentono di fare seguire le volute traiettorie di puntamento al riflettore.

Tre forze sono applicate nel punto di attacco dei due fili al braccio del riflettore bilanciando in condizioni statiche, così come illustrato in Fig. 3.

La forza F3 è perpendicolare all'asse Y ed è imposta dalla costante elastica della molla 5.

I valori delle forze FI ed F2 sono determinate dalla scomposizione della forza F3 lungo le due direzioni componenti, stabilite dalla posizione dei rocchetti con cui si controlla la lunghezza dei due fili rispetto al punto di attacco dei fili sul braccio del riflettore.

Fig. 3 Rappresentazione schematica delle forze applicate nel punto di attacco dei fili al braccio del riflettore.

Fig. U a) Rappresentazione schematica della geometria d'antenna per scansione;

b) Rappresentazione schematica di perdite per scansione (trascurabili).

Fig. 5 Esempio di meccanismo ridondato.

Fig. 6 Esempi di realizzazioni del sistema circa alcune soluzioni do dispositivi attuatori alternativi al sistema descritto (es.: attuatori lineari e giunti sferici).

Alcune delle caratteristiche determinanti dell'invenzione possono essere riassunte come segue:

Il sistema proposto consente di puntare antenne di grandi dimensioni su angoli ampi decine di volte la larghezza del fascio elementare anche per rapporti F/D di progetto dell'antenna tra zero e uno. Anzi* gli scostamenti lineari da imprimere al riflettore si riducono tanto più quanto minore è la distanza focale, caratteristica questa vantaggiosa specialmente per uso su satellite;

le perdite per scansione inerenti il metodo di scansione proposto sono del tutto accettabili e riportate ad esempio in Fig. 4.b per un tipico esempio di geometria d'antenna mostrata in Fig. 4.a.

Il sistema, oggetto dell'invenzione presentata, trova vantaggiosa applicazione in tutti i sistemi in cui siano presenti ottiche focalizzanti.

Il sistema, oggetto dell'invenzione presentata, nella sua forma di realizzazione preferita, può vantaggiosamente essere applicato ad una vasta casistica di antenne, di diametro e geometrie opportuni variando soltanto:

a) - la lunghezza dei fili;

b) - la dimensione del giunto cardanico per la corretta allocazione del sistema d'illuminazione nel fuoco;

c) il momento impresso dalla molla di spinta;

d) - la potenza dei motori di pilotaggio e la velocità massima di trazione/rilascio dei

11 meccanismo può facilmente essere ridondato ai fini di conseguire un'elevata affidabilità:

ciascuno dei due motori può essere ridondato, agendo la ridondanza sullo stesso albero motore;

entrambi i fili possono essere ridondati;

la molla di spinta può essere ridondata.

Ne consegue la configurazione ridondata illustrata in Fig. 5. Il meccanismo proposto non utilizza leveraggi, o complicati parallelogrammi articolati, o slitte curve o attuatori lineari come si potrebbe ipotizzare in alternativa, a tutto vantaggio della semplicità realizzativa, dell'affidabilità e della precisione dell'attuazione.

Il meccanismo consente il puntamento di antenne multifascio pur con un sistema d'illuminazione fisso e non articolato, evitando giunti rotanti evitandone le relative perdite RF ed evitando effetti di modulazione indotti da essi sul segnale. Il meccanismo consente il puntamento di fasci singoli o multipli per antenne non permanentemente in movimento, per le quali sia richiesta la ripuntabilità del o dei fasci d'antenna e per tutta la casistica di antenne a riflettore focalizzanti, a riflettore singolo o multiplo, per le quali la rotazione del riflettore avverrebbe intorno al fuoco indipendentemente dal tipo di configurazione d'antenna considerata.

Il sistema ed il meccanismo proposti rappresentano la soluzione unica viabile nel caso in cui il sistema d'illuminazione sia del tipo a schiera sfasata o del tipo a matrice di formazione del fascio, in cui le relazioni di fase sui singoli canali debbano essere mantenute in condizioni di scansione.

Il sistema proposto rappresenta la soluzione unica viabile, stanti i vincoli di scansione su ampio campo con relative basse perdite, nel caso in cui il sensore RF utilizzi fasci multipli, per i quali le relazioni di fase tra la molteplicità di segnali ricevuti sui singoli fasci, debbano essere mantenute in condizioni di scansione.

Vale la pena considerare che la presenza della molla di spinta 5 non è indispensabile se si sostituisce con un assieme motore-rocchetto-filo del tipo 7, 13, 6, applicato ad un opportuno prolungamento della staffa del braccio 3 dal lato opposto a quello del riflettore.

Claims (10)

1. . Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, caratterizzato dal fatto che il sistema dell’illuminazione è fisso, essendo il sistema costituito da un giunto cardanico (3,4), una molla di spinta (5); due o più motori di attuazione (7) provvisti di fermo della posizione; due o più rocchetti (7) per avvolgimento o svolgimento dei fili di pilotaggio e due o più fili di pilotaggio (6). .
2. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da rivendicazione 1, caratterizzato dal fatto che la molla (5) di spinta agisce sul braccio (3) del riflettore o sul riflettore stesso portando in trazione i fili di pilotaggio (6).
3. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni 1 e 2. caratterizzato dal fatto che i fili di pilotaggio (6) ed i relativi motori (7) possono essere due o più di uno per motivi di ridondanza, per motivi cinematici ovvero per motivi dinamici.
4. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che il suo centro di rotazione è coincidente con il fuoco del riflettore (12) opportuna mente collegato ad un giunto cardanico (3,4) e tale da permettere la rotazione dell'assieme braccio riflettore (1,3) mentre una molla (5) possibilmente a spirale, operante tra il braccio (3) del riflettore e asse (9) del cardano, impone un momento angolare al riflettore in senso opposto rispetto a quello applicato dai fili (6) in continua trazione; essendo la lunghezza dei due fili di pilotaggio modificata dai motori (7) su comando in modo tale che la posizione del riflettore è dipendente dalla lunghezza dei fili di pilotaggio al cui variare, varia lo stato del meccanismo.
5. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto che una pluralità di fasci ricetrasmittenti inviino-trasmettano segnali verso-dal ripetitore del satellite.
6. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni 1, 2, 3, 4, 5, caratterizzato dal fatto di poter utilizzare riflettore singolo o multiplo per segnali a RF ovvero ottici movimentando l'assieme dei riflettori ovvero degli specchi ottici intorno al fuoco.
7. 7. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni da 1 a 6, caratterizzato dal fatto di poter essere utilizzato nella sua preferenziale applicazione in satelliti geostazionari e non geostazionari oltre che su altri mezzi di superficie, subacquei, aeromobili, ecc.
8. 8. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di trovare vantaggioso impiego in sistemi di antenne non permanentemente in movimento, per le quali si richieda la ripuntabilità del o dei fasci d'antenna o che movimenti continuamente antenne per inseguimento di direzioni angolari.
9. 9. Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni precedenti, caratterizzato dal fatto di poter essere vantaggiosamente impiegato in un sistema in cui sia richiesto anche il dispiegamento dell'antenna.
10. 10 Sistema di puntamento fine per antenna a riflettore di tipo focalizzante, come da Rivendicazioni da 1 a 9, caratterizzato dal fatto di poter avere qualsiasi tipo di configurazione del tipo: giunto-bracci rigidi e/o flessibili-motore molle attuatori lineariSB3⁄43⁄43⁄4>Stcc. dislocati a piacere 6a. 6n.