УСТРОЙСТВО ДЛЯ СЛОЖЕННОГО РАЗВЕРТЫВАЕМОГО ВОЛНОВОДА
DEVICE FOR FOLDED DEPLOYABLE WAVEGUIDE

Уровень техники
Сфера применения спутников, как правило, характеризуется жесткими ограничениями в отношении множества физических размеров спутника, а именно, в отношении веса, габаритного размера при запуске, объема топлива на борту (химического, электрического и т.д.), размера развертываемых панелей солнечных батарей, размера параболических (и других) антенн, и т.д., причем эти ограничения, главным образом, обусловлены предельными значениями, связанными с запуском ракеты (весом, объемом и т.д.). В настоящее время предпринимаются усилия для сведения к минимуму соответствующих физических размеров запущенных спутников, что позволит минимизировать расходы по их запуску, расширить возможности использования запущенных спутников и т.д. Соответственно, любая часть такого спутника, которая по весу и/или размеру может быть меньше при запуске, чем в развернутом состоянии, способна повысить удобство пользования сопряженного с ней спутника и/или его коммерческую эффективность.
Раскрытие изобретения
В настоящем изобретении раскрыт складываемый и развертываемый узел, предназначенный для использования с целью передачи радиочастотных (РЧ) сигналов, содержащий РЧ передатчик/приемник, выполненный с возможностью работы в РЧ диапазоне S и выше, передающий/принимающий рупор для присоединения указанного узла к антенне, работающей в РЧ диапазоне S и выше, и складываемый/развертываемый РЧ волновод, присоединенный между РЧ передатчиком/приемником и передающим/принимающим рупором и выполненный с возможностью работы в РЧ диапазоне S и выше, причем указанный волновод выполнен в виде полого вытянутого элемента, изготовленного по меньшей мере из одного из следующих материалов: кремнийорганического композиционного материала с эффектом запоминания формы на основе армированного углеродными волокнами кремнийорганического соединения (CFRS, от англ. Carbon Fiber Reinforced Silicone) и графита с кремнийорганическим соединением.
Краткое описание чертежей
Объект, рассматриваемый в качестве настоящего изобретения, детально обозначен и четко заявлен в заключительной части описания. Однако, настоящее изобретение как в отношении компоновки, так и в отношении способа функционирования, с учетом его задач, признаков и преимуществ, можно лучше всего понять со ссылкой на нижеследующее подробное описание в сочетании с прилагаемыми чертежами, на которых изображено следующее.
На фиг. 1 показан волновод в его развернутом положении и сложенном положении, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 2 схематично показан РЧ передающий/принимающий (TR/TX) узел в его развернутом положении и сложенном положении, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3А представлены размеры исследуемого волновода, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
На фиг. 3В/3В1 и 3С/3С1 представлены графики, отражающие характеристики РЧ передачи известного волновода и не сложенного/развернутого волновода согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения, соответственно.
На фиг. 4 схематично показан РЧ передающий/принимающий узел 400, содержащий Tx/Rx РЧ преобразователь 402 для возбуждения ортогональных мод (ОМТ, от англ. Orthomode Transducer), РЧ поляризатор 404, РЧ волновод 406 и Tx/Rx рупор 408, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения.
Следует понимать, что для упрощения и наглядности иллюстрирования, элементы, изображенные на чертежах, необязательно приведены в масштабе. Например, размеры некоторых элементов могут быть увеличены относительно остальных элементов для ясности. Кроме того, при необходимости, номера позиций могут повторяться на разных чертежах для обозначения соответствующих или аналогичных элементов.
Осуществление изобретения
В нижеследующем подробном описании изложено множество специфических подробностей для обеспечения полного понимания настоящего изобретения. Однако, специалисту в данной области техники будет понятно, что настоящее изобретение может быть реализовано на практике без таких специфических подробностей. В других случаях, широко известные способы, процедуры и компоненты подробно не описаны для того, чтобы не затруднять понимание настоящего изобретения.
Одним из структурных элементов, используемых в спутниках, является волновод, который применяется для передачи сигналов очень высокой частоты от передатчика в антенну или от антенны в приемник, или между активными блоками, работающими при очень высоких частотах в диапазоне S и выше. Также возможно использование коаксиального кабеля, однако, в соответствующих диапазонах частот связанные с ним потери невозможно не учитывать. Для максимального увеличения эффективности и минимизации потерь скорости передачи информации, коаксиальные кабели не подходят и требуется применение волноводов.
Благодаря усовершенствованиям в микроэлектромеханических системах (MEMS, от англ. Micro Electromechanical System) сферой действия небольших спутников могут оказаться коммуникационные системы с применением частот, которые до настоящего времени использовались только в больших геостационарных спутниках в Ku-диапазоне и Ka-диапазоне. Применение устройств MEMS может позволить свести к минимуму количество элементов спутников в случае нахождения в сложенном/убранном положении и, при необходимости, при их развертывании, с очень небольшим добавочным весом или затраченной энергией.
Для обеспечения возможности укладки и запуска спутников с одновременным расположением в пределах минимально возможного объема, целесообразно гарантировать сокращение размера запускаемых волноводов до наименьшего значения. Типовые волноводы изготавливаются из металла с высокой электропроводностью, для обеспечения возможности функционирования с минимальными потерями мощности. Тем не менее, изготовленный из металла волновод невозможно сгибать или иным образом уменьшать его объем для запуска, без существенной потери эффективности передачи электроэнергии в связи с вариантом реализации, который будет предусматривать применение большого количества конструктивных соединений, что приведет с снижению эффективности передачи.
Применение жесткого волновода вызывает определенные сложности, поскольку сгибание жесткого волновода может, вероятнее всего, привести к изменению его формы и размера в сложенном положении, что отрицательно скажется на его эксплуатационных характеристиках. Таким образом, существует потребность в выдвижных, раскрываемых или развертываемых системах, с возможностью запуска в минимальном объеме и развертывания до требуемой формы и размеров, в случае необходимости.
В соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, предусматривается применение трубки из кремнийорганического композиционного материала с эффектом запоминания формы на основе CFRS. Трубка из CFRS может иметь достаточную отражательную способность и электропроводность для выполнения функции волновода с потерями менее 0,5 дБ в Ku-диапазоне и Ka-диапазоне. На фиг. 1 показан волновод 100 в его развернутом положении и волновод 100А, который представляет собой волновод 100 в его сложенном положении, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. Волновод 100 может представлять собой полую, гибкую трубку, изготовленную, например, из CFRS. Волновод 100 в его развернутом положении может иметь следующие наружные размеры: длину DL (102А) и диаметр DD (102В), которые задают занимаемый в развернутом положении объем DLxDDxDD. Благодаря своей гибкости волновод 100 может быть сложен, как показано на примере сложенного волновода 100А, при этом он занимает объем FLxFWxFD (длина в сложенном положении, ширина в сложенном положении и высота в сложенном положении, соответственно), который может составлять не более 50% указанного объема в развернутом положении или даже меньше. Например, можно уменьшить большую часть объема полого пространства внутри трубки. Благодаря эффекту запоминания формы, сложенный волновод 100А, после освобождения или иного разворачивания, может восстановить свою развернутую форму 100 с ничтожно малыми деформациями.
На фиг. 2 представлено схематичное изображение РЧ передающего / принимающего (TR/TX) узла 200 в его развернутом положении и TR/TX узла 250, отражающего узел 200 в его сложенном положении, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. TR/TX система 200 может содержать РЧ передающий/принимающий блок 202, соединенный посредством складываемого волновода 204 с РЧ рупорным облучателем 206. TR/TX узел 200 можно согнуть в его соответствующее сложенное положение 250, например, для уменьшения занимаемого им объема, при запуске посредством ракеты для запуска спутника. В сложенном положении гибкий волновод 204 можно согнуть, например, в виде Z-образной схемы складывания, в сложенное положение 254, тем самым, снижая общий объем TR/TX узла 200 в его сложенном положении.
Форма гибкого волновода, после развертывания, может оказывать нежелательное влияние на его РЧ характеристики, ввиду чего допустимые отклонения его физических/геометрических показателей, таких как эксцентриситет, стрела прогиба, поперечное сечение в развернутом положении, и т.д., должны сохраняться в надлежащих пределах.
Для сохранения этих геометрических параметров в конкретных допустимых пределах, которые удерживаются в рамках РЧ требований, следует обратить внимание на следующие параметры: тип волокон (модульность), тип кремнийорганической смолы (твердость по Шору и коэффициент удлинения), толщина стенки волновода, диаметр поперечного сечения волновода, схема складывания (Z-образный загиб, скатка и т.д.), шероховатость (Ra) внутренней поверхности и волнистость (материал оправки, разделительный агент/средство и допуск на обработку поверхности).
Для обеспечения желаемых механических, геометрических и электрических характеристик складываемого/развертываемого волновода в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, для изготовления волноводной трубки может быть использован кремнийорганический композиционный материал с эффектом запоминания формы на основе CFRS. Согласно другим дополнительным вариантам осуществления, углеродом может быть графит, а кремнийорганическое соединение в трубке из композиционного материала CFRS может быть проводящим, что может повысить ее РЧ характеристики. Такой выбор материалов обеспечивает достаточную РЧ отражательную способность и проводимость, благодаря чему она может выполнять функцию волновода с потерями менее 0,5 дБ в Ku-диапазоне и Ka-диапазоне длин волн.
Складываемый волновод, изготовленный в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, был подвергнут испытаниям на РЧ характеристики, после развертывания из сложенного положения. В частности, на фиг. 3А показаны размеры исследуемого волновода 300, а на фиг. 3В/3В1 и 3С/3С1 представлены графики, отражающие характеристики РЧ передачи известного алюминиевого волновода и не сложенного/развернутого волновода в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, соответственно. Как можно видеть на чертежах, хорошо известный алюминиевый волновод демонстрирует РЧ характеристики в соответствии с графиком 302, на котором для частот выше 5 ГГц, затухание по существу является нулевым. Количество затуханий продемонстрировано также в таблице 3В1.
Характеристики складываемой/развертываемой волноводной трубки 300, выполненной в соответствии с различными вариантами осуществления настоящего изобретения, представлены на графике 304 (фиг. 3С), а числа, определяющие ее характеристики, представлены в таблице на фиг. 3С1. Как можно видеть на чертежах, затухание развернутого волновода 300 при частотах выше 7 ГГц меньше 5 дБ, при частотах выше 10 ГГц затухание превышает 2,5 дБ, а при частотах выше 24 ГГц затухание менее 1 дБ.
На фиг. 4 схематично показан РЧ передающий/принимающий узел 400, содержащий Tx/Rx РЧ преобразователь 404 для возбуждения ортогональных мод (ОМТ), РЧ поляризатор 406 и Tx/Rx рупорную антенну 408, согласно различным вариантам осуществления настоящего изобретения. В соответствии с некоторыми вариантами осуществления, по меньшей мере один из элементов 404, 406 и 408 может быть изготовлен из гибких материалов, как раскрыто в отношении волноводов 100 или 204. Соответственно, эти элементы могут удерживаться в их сложенном/убранном положении при запуске и при необходимости могут быть развернуты, что позволяет сэкономить даже большее пространство при запуске. Хотя развертываемые элементы 404, 406 и 408 не показаны в их сложенном положении, специалисту в данном области техники будет очевидно, что в сложенном положении каждый из этих элементов может принимать одну из нескольких различных форм, причем благодаря эффекту запоминания формы материала, из которого эти элементы изготовлены, в случае высвобождения из сложенного положения, элементы будут возвращаться в свое развернутое положение и форму с минимальными отклонениями и пренебрежимо малым влиянием на их эксплуатационные характеристики.
Хотя выше проиллюстрированы и раскрыты конкретные признаки настоящего изобретения, специалист в данной области техники после ознакомления с описанием сможет предложить многочисленные модификации, замены, изменения и эквиваленты. Таким образом, следует понимать, что прилагаемая формула изобретения призвана охватить все такие модификации и изменения, подпадающие под истинную сущность настоящего изобретения.