JPH1013147A - 衛星搭載用フェーズドアレイ給電装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 放射素子を曲面の上に配置した状態で、排熱
効率が良くかつ電力損失の少ないアクティブフェーズド
アレイ給電装置を提供する。 【解決手段】 増幅器（１−２）とこれに結合する放射
素子（１−１）を所定の面にそってアレイ状に配置する
と共に放熱用ヒートパイプ（３）を結合したフェーズド
アレイ給電装置において、前記所定の面が規定された曲
率の曲面であり、該曲面にそって前記ヒートパイプ
（３）を所定の間隔で配置し、前記増幅器（１−２）を
該ヒートパイプ（３）に直接取り付け、該増幅器に結合
する放射素子が前記曲面にそって配列される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は人工衛星に搭載する
アクティブフェーズドアレイ用の給電装置に用いられる
構造に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】図６は衛星搭載用のアクティブフェーズ
ドアレイ方式を採用した給電装置の例であって、１はア
クティブフェーズドアレイ給電装置であり、１−１の放
射素子、１−２の増幅器、１−３の放射素子、および増
幅器搭載パネル、１−４のビーム形成装置から形成され
る。１−１の放射素子は電波を放射する部分であり、１
−２の増幅器は電波を増幅する装置であり、１−３の機
器搭載パネルは放射素子、および増幅器を搭載するハニ
カムサンドイッチパネルであり、１−４のビーム形成装
置は信号を各増幅器へ分配する装置である。放射素子１
−１と増幅器１−２はネジ１−６によって平らなパネル
１−３に固定され、また放射素子１−１と増幅器１−２
は同軸ケーブル１−５によって電気的に結合される。発
熱は増幅器内の電子回路チップ１−２−１で生じ、これ
らの熱は上記パネル内に埋め込んだヒートパイプによっ
て輸送される。信号はビーム形成装置１−４から各増幅
器１−２へ送信され、増幅器１−２で増幅され、各放射
素子１−１から放射される。そして、空間で所定の電界
強度や指向を持つ電波として形成される。

【０００３】図７は衛星に搭載したアクティブフェーズ
ドアレイ給電装置の実施例である。１はアクティブフェ
ーズドアレイ給電装置であり、２は衛星構体であって、
２−１は衛星構体を構成する内の地球指向面パネルであ
る。６はアクティブフェーズドアレイ給電装置搭載パネ
ルに埋め込んだヒートパイプであり、地球指向面パネル
表面に接触している。また、７は地球指向面パネルに埋
め込んだヒートパイプであり、南北面パネル表面に接触
している。アクティブフェーズドアレイ給電装置を地球
指向面パネル上に取り付けることによって、主反射鏡を
用いない場合では放射素子を地球方向に向けることがで
き、また衛星構体に取り付けた主反射鏡を用いる場合に
は主反射鏡に面するように給電装置の設置が可能となる
ため、電波を所定の方向へ照射し易すくなる。

【０００４】アクティブフェーズドアレイ給電装置から
の発熱を宇宙空間へ放熱するため、アクティブフェーズ
ドアレイ給電装置からの発熱をヒートパイプ６によって
地球指向面パネルへ伝え、さらにヒートパイプ７によっ
て地球指向面パネルから放熱面となる南北面パネルへ伝
える方法を採っていた。

【０００５】一方、図８は地上で用いられるフェーズド
アレイ給電装置であって、放射素子を球面になるように
配置した例である。このような放射素子の配置によって
電波を広角に出力でき、広領域に電波を照射することが
可能となる。一般的に地上で使用される場合には発熱量
が比較的小さい場合が多く、また発熱量が大きくなる場
合にはファンを付けるなど空冷する手段を用いて、熱制
御を行うためにヒートパイプを使用することはなかっ
た。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】人工衛星用のアクティ
ブフェーズドアレイ給電装置では、従来、平面型、ある
いは平板に取り付けた放射素子を採用していた。しか
し、広領域への電界強度の高い電波の照射を行うために
は放射素子がパラボラ形状や球面形状に配置した方がよ
り、高い利得が得られることがある。

【０００７】したがって、将来のアクティブフェーズド
アレイ給電装置を搭載した衛星を考えると、アクティブ
フェーズドアレイ給電装置において放射素子がパラボラ
形状などの曲面形状を有したものが必要となる。

【０００８】図９に将来の衛星に搭載するアクティブフ
ェーズドアレイ給電装置の例を示す。さらに図１０に曲
面を有するハニカムサンドイッチパネルに搭載した放射
素子と増幅器を示す。ここで、増幅器からの発熱がわず
かであれば放射素子や増幅器を取り付けたパネル表面を
ペイントするなどの受動的な熱制御方法によって温度制
御可能となるが、増幅器からの発熱が大きくなるとその
熱を南北面などの放熱面に輸送して排熱する手段が必要
となる。そこで、ヒートパイプを埋め込んだ曲面を持つ
パネルを地球指向面パネルに連結させ、さらに地球指向
面に埋め込んだヒートパイプを南北面に接続して熱輸送
する方法が考えられる。

【０００９】増幅器の熱制御を効率よく行うためには発
熱機器と埋め込みヒートパイプ間の熱抵抗を小さくする
必要がある。発熱機器と埋め込みヒートパイプ間の熱抵
抗を減らすには、発熱機器とパネル表皮間の接触熱抵抗
を減らすこと、およびパネル表皮と埋め込みヒートパイ
プ間の熱抵抗を減らすことが重要となる。ここで、接触
熱抵抗は接触面積が大きければ大きいほど小さくなり、
接触圧力が高ければ高いほど小さくなる。したがって、
熱伝達を良くするには接触面積を大きくし、接触圧力を
高くする必要がある。

【００１０】しかし、増幅器の底面は一般的に平面であ
るため、パネル表皮が曲面である場合には、これらの間
で接触が良くなく、接触面を増やすことができず、接触
熱抵抗が増大する。さらに増幅器を取り付ける場合にも
平面と曲面を接触させるため、取付力が増幅器底面にお
いて一定にならず、締め付け力のバラツキが生じ、増幅
器とパネル表皮間の接触熱抵抗を小さくできない。

【００１１】また、埋め込みヒートパイプとパネル表皮
間は接着剤によって結合されているが、接着剤の熱伝導
が非常に悪いため、埋め込みヒートパイプとパネル表皮
間の温度差が大きくなる傾向があった。しかも埋め込み
ヒートパイプをパネル表皮の曲率に合うように曲げなけ
ればならず、その曲げ精度は十分ではなく、パネル表皮
と埋め込みヒートパイプ間の隙間が大きくなる場合もあ
り、その隙間に接着剤が注入される。したがって、この
隙間が大きいと接着剤の厚みも増大してパネル表皮と埋
め込みヒートパイプ間で伝熱効率が非常に悪く、温度差
も非常に大きくなるという問題点があった。

【００１２】さらに、放射素子と増幅器間の接続に同軸
ケーブルを用いているため、パネルの厚さが大きくなる
と同軸ケーブルによる損失も大きくなる。したがって、
放射素子から所要の出力を得るためには増幅器からの出
力をより大きくする必要があるが、損失する分の電力が
熱に変わり、発生熱量が増加するという問題点があっ
た。

【００１３】そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてな
されたものであり、放射素子をパラボラ形状や球面形状
の曲面に配置した状態で排熱効率がよく、かつ、電力損
失の少ないアクティブフェーズドアレイ給電装置を提供
することを目的とする。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
の本発明の特徴は、増幅器とこれに結合する放射素子を
所定の面にそってアレイ状に配置すると共に放熱用ヒー
トパイプを結合したフェーズドアレイ給電装置におい
て、前記所定の面が規定された曲率の曲面であり、該曲
面にそって前記ヒートパイプを所定の間隔で配置し、前
記増幅器を該ヒートパイプに直接取り付け、該増幅器に
結合する放射素子が前記曲面にそって配列される、衛星
搭載用フェーズドアレイ給電装置にある。

【００１５】上記構成により増幅器にヒートパイプを接
触できるため、パネル表皮や接着剤を介さず、高発熱す
る増幅器からの発熱を効率よくヒートパイプに熱入力可
能となる。さらに同軸ケーブルなしに放射素子と増幅器
を密着できるため、同軸ケーブルを用いた場合と比較し
て損失を小さくできることから、放熱面積を一定とした
条件のもとにおいて、より大容量の伝送能力を持つアク
ティブフェーズドアレイ給電装置を提供できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の実
施例を説明する。

【００１７】図１Ａはヒートパイプをパラボラ形状、球
面形状、あるいは与えられた曲率を持つように曲げた図
であって、波線で描かれている面は図５で示したパネル
１−３の形状である。このようにヒートパイプを曲げ、
それらに増幅器を取り付けることによって、増幅器から
の熱を効率良くヒートパイプへ入力できる。ヒートパイ
プと増幅器間の接触では曲率を有する面には増幅器を取
り付けず、法線方向と直交する面に増幅器を取り付け
る。このような構成によってヒートパイプと増幅器間で
平面どうしの接触が確保できるため、接触熱抵抗を小さ
くでき、伝熱効率良く増幅器からヒートパイプへ熱を入
力できる。放射素子は発熱しないため、必ずしもヒート
パイプに接触する必要はない。そこで、増幅器シャーシ
に放射素子を固定することによって、アクティブフェー
ズドアレイの個々の装置が一体化でき、パネル内にヒー
トパイプを埋め込む手間も係らず製造が容易になり、か
つ同軸ケーブルが不要となる構成とすることができる。

【００１８】図１Ｂの（ａ）は図１Ａの面Ａにおける断
面図はフィン付きのヒートパイプ例を示している。フィ
ン付きのヒートパイプを使用することによって、剛性も
高くでき、かつ増幅器をフィンにネジを立てて固定する
ことが可能となり、接触圧力が向上でき、伝熱が促進さ
れる。

【００１９】さらに図１Ｂの（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に
は増幅器を取り付けるヒートパイプの断面形状を示して
いる。必要となる剛性に応じて、たとえば、フィンを付
けたり、パネルを一部付けたり、デュアル型のヒートパ
イプにするなどによってヒートパイプの剛性を高めるこ
とができる。

【００２０】図２は本発明を衛星に適用した場合の実施
を示す例である。例では増幅器を取り付けたヒートパイ
プを延長して地球指向面パネル表面に接触させる。ま
た、地球指向面パネル内には別のヒートパイプが埋め込
まれており、そのヒートパイプは南北面パネル表面のヒ
ートパイプに接続されている。このような構成によって
給電装置からの発熱を南北面から放熱できる。製造的に
可能であれば、地球指向面パネルと南北面パネルにＬ字
型の１本の埋め込みヒートパイプで連結して熱輸送効率
をより向上することができる。

【００２１】図３はヒートパイプに増幅器と放射素子の
両者を取り付けた例であって、この図のように増幅器と
放射素子をヒートパイプの外壁に直交するように搭載す
ることによって、放射素子の温度を増幅器に同じ温度に
設定できる。同じ温度に設定することによって、放射素
子が太陽光など外部からの熱を受けても高温にならず、
熱的な損傷を受けることが少なくなる。また、図２で説
明しているように増幅器と放射素子を取り付けたヒート
パイプは地球指向面に埋め込んだヒートパイプと熱的に
結合されているため、アクティブフェーズドアレイ給電
装置からの熱は南北面まで熱輸送される。したがって、
太陽光照射など外部から熱的な変化を給電装置が受けて
も、給電装置における温度は南北面パネルの熱容量や温
度にも依存することとなり、急激な熱入力や熱遮断など
の温度変化に対して短い時間で上昇下降を繰り返すこと
がない。すなわち、温度サイクルの温度差を小さくでき
る。

【００２２】図４はバックストラクチャとしてのヒート
パイプをさらに強度的にあるいは熱輸送的に高めるため
の補強材５をヒートパイプ３に対して垂直方向に配置し
た図であって、部材５はヒートパイプでもよければ、導
伝熱性金属材料でもよい。このように補強材を配するこ
とによって、アクティブフェーズドアレイ給電装置の剛
性が高くなり、かつ温度分布のバラツキがなくなり、均
一な温度分布に近づけることができ、増幅器の温度的な
性能のバラツキを抑えることが可能となる。

【００２３】さらに図１０に示したパネル１−３を使用
するよりもヒートパイプのような線材を使用することに
よって軽量化も達成できる。

【００２４】図５は増幅器を取り付ける例を示すもの
で、増幅器よりヒートパイプ形状が小さい場合の取付例
である。ヒートパイプを受け入れるような矩形溝を増幅
器シャーシと一体化して製作することによってヒートパ
イプ壁と増幅器底面とが接触できる構造となっているた
め、この間の伝熱効率を高くできる。

【００２５】

【発明の効果】上記説明した構成によって、増幅器とヒ
ートパイプを接触でき、あるいは増幅器と放射素子を密
着できるため、増幅器の熱制御効果が向上し、かつ同軸
ケーブルを用いた場合と比較して損失が小さくなる。し
たがって、より大容量の出力が可能となる衛星搭載用ア
クティブフェーズドアレイ給電装置が実現可能となる。
さらにパネルを使用する場合と比較して軽量化も可能と
なる。

【図面の簡単な説明】

【図１Ａ】本発明の実施例を示した図であり、ヒートパ
イプをパラボラ形状、球面形状、あるいは曲率を持つよ
うに曲げ、そのヒートパイプに増幅器を取り付けた例で
あり放射素子は増幅器に取り付けている。

【図１Ｂ】図１Ａにおける、搭載した放射素子と増幅
器、ヒートパイプ断面図を示す。

【図２】本発明を衛星に適用した例を示す図である。

【図３】本発明を適用した場合の、パラボラ形状、球面
形状、あるいは曲率を持つように曲げたヒートパイプに
設置した放射素子、および増幅器である。さらに搭載し
た放射素子と増幅器、ヒートパイプ断面図も示す。

【図４】本発明を適用した場合の、パラボラ形状、球面
形状、あるいは曲率を持つように曲げたヒートパイプに
設置した放射素子、および増幅器である。アクティブフ
ェーズドアレイ用のヒートパイプと垂直に配置するよう
に補強材を装着した例である。

【図５】本発明を適用した増幅器とヒートパイプの取付
方法であり、ヒートパイプ形状が増幅器より小さい場合
の取付方法である。増幅器シャーシ底に溝を一体化させ
て、ヒートパイプと増幅器の接触を良好にした例であ
る。

【図６】従来技術を説明する上で、アクティブフェーズ
ドアレイ給電装置を示す例であり、従来の放射素子と増
幅器の構成と取付方法を示す図である。

【図７】従来技術を説明する上で、アクティブフェーズ
ドアレイ給電装置を搭載した人工衛星の例である。

【図８】従来技術を説明する上で、地上で用いられてい
る放射素子が球面近似されたアクティブフェーズドアレ
イ給電装置である。

【図９】従来技術を説明するための人工衛星にパラボラ
形状あるいは球面形状をした放射素子面を搭載した図で
ある。

【図１０】従来技術を説明するための人工衛星にパラボ
ラ形状あるいは球面形状をしたアクティブフェーズドア
レイ給電搭載パネル面と地球指向面を表した図である。

【符号の説明】

１ アクティブフェーズドアレイ給電装置 １−１ 放射素子 １−２ 増幅器 １−２−１ 電子回路チップ １−３ 放射素子、および増幅器搭載パネル １−４ ビーム形成装置 １−５ 同軸ケーブル １−６ 取り付け用ネジ ２ 衛星構体 ２−１ 地球指向面ハニカムサンドイッチパネル ３ 放射素子、および増幅器取付用ヒートパイプ ４ アクティブフェーズドアレイ用のパネルと地球指向
面を連結する装置 ５ 補強材 ６ アクティブフェーズドアレイ用のパネル埋め込みヒ
ートパイプ ７ 地球指向面パネル埋め込みヒートパイプ

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 増幅器とこれに結合する放射素子を所定
   の面にそってアレイ状に配置すると共に放熱用ヒートパ
   イプを結合したフェーズドアレイ給電装置において、 前記所定の面が規定された曲率の曲面であり、 該曲面にそって前記ヒートパイプを所定の間隔で配置
   し、 前記増幅器を該ヒートパイプに直接取り付け、 該増幅器に結合する放射素子が前記曲面にそって配列さ
   れることを特徴とする、衛星搭載用フェーズドアレイ給
   電装置。
2. 【請求項２】 前記請求項１において、規定された曲率
   がパラボラ形状であることを特徴とする衛星搭載用フェ
   ーズドアレイ給電装置。
3. 【請求項３】 前記請求項１において、規定された曲率
   が球面形状であることを特徴とする衛星搭載用フェーズ
   ドアレイ給電装置。
4. 【請求項４】 前記請求項１乃至３において、放射素子
   と増幅器を直接ヒートパイプに取り付けたことを特徴と
   する衛星搭載用フェーズドアレイ給電装置。