JP2001044742A - マルチモードのチョーク付きアンテナ・フィード・ホーン - Google Patents

マルチモードのチョーク付きアンテナ・フィード・ホーン

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JP2001044742A
JP2001044742A JP2000203425A JP2000203425A JP2001044742A JP 2001044742 A JP2001044742 A JP 2001044742A JP 2000203425 A JP2000203425 A JP 2000203425A JP 2000203425 A JP2000203425 A JP 2000203425A JP 2001044742 A JP2001044742 A JP 2001044742A
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feed horn
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Shady H Suleiman
シャディ・エイチ・スレイマン
Charles W Chandler
チャールズ・ダブリュー・チャンドラー
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Northrop Grumman Space and Mission Systems Corp
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    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/02Waveguide horns
    • H01Q13/0266Waveguide horns provided with a flange or a choke

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  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】 等しいE面及びH面ビーム幅、低い交差偏波
及び抑制されたサイドローブを与えかつ従来より高い有
効帯域幅を有するコンパクトで軽量で製造し易くかつコ
スト的に満足したアンテナ・フィード・ホーンを提供す
る。 【解決手段】 ホーン開口モード内容の実効的制御を与
える複数のチョーク34,36,40,42,44を含
む。これらチョークは、半径方向及び軸方向双方に寸法
を有する環状ノッチである。2つのチョーク34,36
が、円錐輪郭部14と円筒開口部16との間の内部遷移
場所に設けられる。更に、別のチョーク44が、ホーン
10のマウス20に設けられ、そして2つの追加のチョ
ーク40,42がマウス20に近接して設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、一般的にアンテナ
・フィード・ホーンに関し、詳細には、衛星通信アンテナ
・アレイ用のコンパクトで、重さが軽く、比較的製造し
易く、コスト的に有効なアンテナ・フィード・ホーンであ
って、実質的に等しいE面及びH面ビーム幅、抑制され
たサイドローブ、低い交差偏波、比較的広い帯域幅にわ
たり又は複数の広く分離された周波数帯域にわたり低い
軸比を有する放射パターンを与えるため複数のチョーク
を含むアンテナ・フィード・ホーンに関する。本ホーンの
追加の重要な特徴は、広い周波数インピーダンス整合及
び広い帯域にわたりホーン開口からの比較的固定された
位相中心である。
【0002】
【従来の技術】Kaバンド衛星追加のネットワークのよ
うな種々の追加のネットワークは、静止軌道で地球の周
囲を回る衛星を採用する。衛星アップリンク通信信号
は、衛星へ1つ以上の地上局から送信され、次いで切り
替えられ、所望の受信エリアをカバーするため衛星によ
り地球へダウンリンク通信信号として再送信される。ア
ップリンク及びダウンリンク信号は、特定の周波数帯域
で送信され、かつコード化される。商用及び軍事用双方
のKaバンド通信衛星ネットワークは、通信リンクのた
め、ダウンリンク信号において高効率の等方性放射パワ
ー(EIRP)を、そしてアップリンク信号において受
容可能な利得対温度比(G/T)を要求する。EIRP
及び受容可能なG/Tは、より小さいビーム・サイズを
与え、従ってビーム・カバレージを低減しかつマルチビ
ーム・アンテナ・システムを必要とする高利得アンテナ
・システムを要求する。従って、衛星には、アップリン
ク信号を受信しかつダウンリンク信号を地球に所定の視
野にわたり送信する所定の構成で配列された複数のアン
テナ・フィード・ホーンを含むアンテナ・システムが設置
されている。
【0003】アンテナ・システムは、視野の端でのより
長い経路長損失を補償するため低い走査損失及び最小ビ
ーム歪みを有するアンテナ・ボアサイト(boresi
ght)から離れて15個までのビーム幅のビーム走査
能力を与えねばならない。連続ビームの系を複数のフィ
ード・ホーンにより生成するマルチビーム・アンテナ・
システムは、隣接ビーム間の低干渉を実現するため、高
い円形ビーム対称性、急な主ビーム・ロールオフ、抑制
されたサイドローブ、及び低い交差偏波を必要とする。
ユーザの向きとは独立の最大信号強度を与えるため、通
信信号は円形偏波される必要がある。
【0004】前述の条件を達成するため、アンテナ・フ
ィード・ホーンは、信号の動作周波数帯域にわたり実質
的に等しいE面及びH面ビーム幅を有するビーム幅放射
パターンを生成することができなければならない。交差
偏波のレベル、及びダウンリンク又はアップリンク信号
におけるE面ビーム幅対H面ビーム幅の比は、信号の軸
比を決定する。交差偏波が実質的に無視し得てかつE面
及びH面ビーム幅が実質的に同じである場合、軸比は約
1であり、信号は実効的に円形偏波される。しかしなが
ら、E面及びH面ビーム幅が実質的に異なる場合、信号
は楕円偏波され、受信された信号強度は低減され、アッ
プリンク又はダウンリンク信号の挿入損失及びデータ転
送速度損失の増大を引き起こす。
【0005】情報を送信することができるダウンリンク
信号の使用可能な帯域幅は、ホーン開口における周波数
に対する種々の伝搬モード(振幅及び位相)の組合わせ
により決定される。これらのフィード・ホーン伝搬モー
ドは、横軸電気モード(TEm n)及び横軸磁気モード
(TMmn)を含む。
【0006】衛星アンテナ・システム用の従来の円錐形
状フィード・ホーンは、通常、通信信号(アップリンク
及びダウンリンク)の単一の(TE11)モード内容に制
限されかつ高い軸比を有し、そしてそこにおいてE面ビ
ーム幅は実質的にH面ビーム幅とは異なっていた。軸比
を訂正し、かつより一層円形偏波されたビームを与える
ため、抑制されたサイドローブを有し実質的に等しいE
面及びH面パターンを発生したポッター(Potte
r)型フィード・ホーン及びコルゲート形(波形)フィ
ード・ホーンが開発された。ポッター型ホーンは、ポッ
ター,P.D.著「抑制されたサイドローブ及び等しい
ビーム幅を有する新しいホーン・アンテナ」(Micr
owave,J.Vol.XI,1963年6月発行、
71−78頁)に開示されている。ポッター型ホーン
は、等しいE面及びH面ビーム幅及び抑制されたサイド
ローブのため追加の(TM11)モードを発生する単一段
遷移を含む円錐形状フィード・ホーンである。コルゲー
ト形ホーンは、TM11モードの伝搬を可能にしかつサイ
ドローブを抑制する、ホーン内の入力口から開口までの
波形構造を含む円錐形状フィード・ホーンである。
【0007】ポッター型ホーンの形態は一般的に首尾よ
く低い交差偏波及び抑制されたサイドローブ・レベルを
有して所望のモード内容を与えたにも拘わらず、ポッタ
ー型ホーンは、ホーン開口での伝搬モードの振幅及び位
相関係のため、3%のオーダで、それらの有効な帯域幅
により制限される信号を発生する。コルゲート形ホーン
は、より高いモード内容でより広い帯域幅を与えること
ができるが、信号損失の犠牲でそのようにしている。更
に、コルゲート形ホーンは、かなり大きなホーン材料を
含み、従って宇宙環境に対して適切な軽量及びコスト的
に満足すべきものではない。
【0008】
【発明が解決しようとする課題】必要とされることは、
実質的に等しいE面及びH面ビーム幅、低い交差偏波及
び抑制されたサイドローブを与えるがしかし当該技術に
おいて既知のフィード・ホーンより高い有効帯域幅を有
するコンパクトで軽量で製造し易くかつコスト的に満足
したアンテナ・フィード・ホーンである。従って、本発明
の目的は、そのようなアンテナ・フィード・ホーンを提供
することにある。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明の教示に従って、
実質的に等しいE面及びH面ビーム幅、低い交差偏波及
び抑制されたサイドローブを有する放射パターンを発生
するためホーン開口におけるモード内容の実効的制御を
与えるため複数のチョークを含む、衛星アンテナ・アレ
イ用アンテナ・フィード・ホーンが開示される。チョーク
は、半径方向及び軸方向の寸法を有する環状ノッチであ
る。1つの特定の実施形態において、2つのチョーク
が、円錐状の輪郭部と円筒状の開口部との間の内部遷移
場所に設けられる。更に、別のチョークが、ホーンの開
口に設けられ、そして2つの追加のチョークが開口に隣
接して設けられる。チョークのサイズ及び位置は、信号
の有効帯域幅が10%以上のオーダであるように複数の
伝搬モードを相互に対して適正に位相合わせさせるため
問題の周波数帯域で所望のモード内容に対して最適化さ
れる。
【0010】
【発明の実施の形態】本発明の更なる目的、利点及び特
徴は、添付図面と関係した以下の記載及び頭書の特許請
求の範囲から明らかになるであろう。
【0011】衛星アンテナ・アレイ用のマルチモード・
チョーク付きアンテナ・フィード・ホーンを指向した好適
な実施形態の以下の説明は、実際単なる例示であり、そ
して本発明又はその応用あるいは使用を制限することを
少しも意図するものでない。
【0012】図1は本発明に従ったアンテナ・フィード・
ホーン10の斜視図であり、図2はその側面図である。
アンテナ・フィード・ホーン10は、例えば、Ka周波数
バンドで動作している衛星通信ネットワークと一緒に用
いられているアンテナ・アレイと関連した複数のアンテ
ナ・フィード・ホーンの1つである。そのアンテナ・シス
テムは、例えば側方フィード・アンテナ・システム、前
方フィード・アンテナ・システム、カセグレン・アンテ
ナ及びグレゴリー型(Gregorian)アンテナ・
システムのような、このタイプの通信ネットワークのた
めのいずれの適切な形態及び光学的幾何学形状を取り得
る。しかしながら、当業者により認められるように、ア
ンテナ・フィード・ホーン10の設計は、特定の通信ネッ
トワーク又はアンテナ・システムに限定されず、多くの
タイプの通信システム及びネットワークに対して広範囲
の応用を有する。更に、アンテナ・フィード・ホーン10
の以下の説明は、衛星通信ネットワークのダウンリンク
信号のためアンテナ・フィード・ホーンを用いることに向
けられている。しかしながら、アンテナ・フィード・ホー
ン10はまた、地球から衛星へ衛星アップリンク上で送
信される信号を受信するための受信能力を有する。ま
た、アンテナ・フィード・ホーン10は、Ka周波数帯域
幅のような通信ネットワークと一致する周波数を有する
信号を送信するが、しかし、Kuバンドを含む、いずれ
の適用可能な周波数帯域幅及び商用及び軍事用の双方に
対して用いられることができる。
【0013】アンテナ・フィード・ホーン10は、単一の
ユニットを形成するため共に接続されたスロート部1
2、輪郭部14及び開口部16を含む。スロート部12
の入力端は、単一の導波管(図示せず)に接続され、そ
の単一の導波管は、当業者には良く理解されるように、
ビーム発生システム(図示せず)に接続されている。信
号は、導波管からスロート部12を介して進行し、輪郭
部14を介して拡大する。次いで、拡大された信号は、
スロート部12に対して反対側のマウス20でアンテナ
・フィード・ホーン10を出る。環状取付けフランジ18
は、輪郭部14を丸く取り囲み、アンテナ・フィード・ホ
ーン10をアンテナ支持構造体(図示せず)に取り付け
るための機構を与える。以下に説明されるように、アン
テナ・フィード・ホーン10の内部の形態は、望ましくな
い干渉サイドローブを抑制しながら望ましい入射TE及
びTMモードのホーン開口における伝搬を与え、そして
比較的広い帯域幅にわたり低い交差偏波及び低い位相中
心変動を有する実質的に等しいE面及びH面ビーム幅を
発生する。
【0014】スロート部12の外側表面は、円筒形であ
り、そしてスロート部12の内側表面は、アンテナ・フ
ィード・ホーン10の入力端部24に隣接して円筒形ス
ロート部分22を含む。円筒形スロート部分22を通っ
て進行する信号は、図示のように、円筒形スロート部分
22に接続された第1の拡大のど遷移部分26、及び第
1の拡大のど遷移部分26に接続された第2の拡大のど
遷移部分28を含む。第1及び第2の拡大のど遷移部分
26及び28は、アンテナ・フィード・ホーン10の開口
を入力端部24から徐々に広げ、それによりスロート部
分22、26及び28の組合わせは、アンテナ・システ
ムにより発生された隣接ビーム間の干渉を低下させるた
め周波数信号の交差偏波を低減するよう作用する。第1
及び第2の拡大のど遷移部分26及び28は、特に互い
に異なるよう設計され、この機能を与えるため図示のよ
うな形状を有する。第2の拡大のど遷移部分28は、輪
郭部14の中に拡大し続ける。輪郭部14は、外側円錐
状表面、及び二乗正弦波関数により定義された内側輪郭
部30を有する。輪郭の幾何学形状を選定する利点は、
サイズがコンパクトで、長さが短く、従って重さがより
軽いホーンを提供することにある。
【0015】図3は、開口部16の拡大側面図である。
開口部16の外側表面は円筒形状である。開口部16の
開口内側表面32は、一般的に円筒形状であり、本発明
に従って、一連の諸条件・効果等を十分に考慮して構成
されかつ位置決めされたチョークを含む。特に、第1の
チョーク34及び第2のチョーク36は、内側輪郭表面
30と内側開口表面32との間の遷移場所に形成され
る。双方のチョーク34及び36は、アンテナ・フィー
ド・ホーン10の開口内側表面32に形成された環状ノ
ッチであり、その環状ノッチは、所望された信号の周波
数及び帯域幅に依存したホーン最適化処理により選定さ
れた半径方向及び軸方向の寸法を有する。明らかなよう
に、チョーク34及び36は、相互に隣接しており、か
つ共通壁38により分離され、そこにおいて環状チョー
ク36は、より大きい直径を有しかつ環状チョーク34
の外側にある。チョーク34及び36により与えられる
アンテナ・フィード・ホーン10の内側表面におけるこの
不連続性は、より高い伝搬モードを増大した信号帯域幅
に対して発生するようにする。
【0016】開口部16の開口内側表面32はまた、開
口部16のマウス20に隣接したチョーク40、42及
び44を含む。図3のように、チョーク44は、アンテ
ナ・フィード・ホーン10の端部におけるマウス20に形
成され、チョーク40及び42は、開口内側表面32に
形成される。各チョーク40、42及び44はまた、半
径方向及び軸方向の寸法を有する環状ノッチであり、そ
こにおいて、チョークの直径は、図示のようにチョーク
40からチョーク44まで増大する。チョーク40、4
2及び44は、図示のように、所定の距離相互に離間し
ており、かつチョーク34及び36より狭い半径方向の
寸法を有する。チョーク40、42及び44は、マウス
20に隣接した開口部16における表面電流を吸収する
よう作用して、E面及びH面ビーム幅を等しくし、サイ
ドローブを抑制し、かつ交差偏波を低減するのを助け
る。チョーク34、36、40、42及び44は、マウ
ス20でモード内容を制御するよう組み合わさって、低
い交差偏波、低いサイドローブを有し、円形偏波されか
つ10%以上の動作帯域幅を有する出力信号を与える。
【0017】送信されつつある信号の波長λに関するス
ロート部12の内側直径は、より低いTE11モードの伝
搬のみを許す。TE11モードの伝搬は、E面ビーム幅を
制限し、従って円形偏波に対して必要な実質的に等しい
E面及びH面ビーム幅の伝搬を許さない。これは、前述
のように、信号を楕円偏波するようにする大きな軸比を
生成し、信号強度を低減しかつデータ転送速度損失を増
大する。TM11モードのようなより高い伝搬モードの伝
送を可能にすることによりE面ビーム幅がH面ビーム幅
と整合するため、アンテナ・フィード・ホーン10の伝搬
直径を拡大する不連続性がアンテナ・フィード・ホーン1
0内に設けられねばならない。等しいE面及びH面ビー
ム幅を与えることを含む、このタイプのフィード・ホー
ンにおけるTE及びTMモードの伝送の説明は、先に参
照したポッター文献に見つけることができる。チョーク
34、36、40、42及び44はこの不連続性を与え
る。チョーク34、36、40、42及び44の組合わ
せは、アンテナ・フィード・ホーン10の設計者が増大し
た帯域幅に対してこれらのより高いモード間の必要な位
相及び振幅関係を与えることにより一層高いモードの重
み付けを最適化するのを可能にする。
【0018】チョーク34、36、40、42及び44
は、マウス20で10%−20%のオーダのより広い帯
域幅にわたり伝搬モードに対して位相及び振幅の整合を
与えるための柔軟性を与える。チョーク34、36、4
0、42及び44の場所、並びにチョーク34、36、
40、42及び44の半径方向及び軸方向の寸法は、こ
の目的のためのホーン開口でのモード内容の所望の位相
及び振幅整合を与えるため実験的に最適化される。モー
ド内容のこの制御は、所望の動作帯域幅でアンテナ・フ
ィード・ホーン10の長さを最小化しかつマウス20の
サイズを最大にするよう構成され、そして等しいE面及
びH面ビーム幅、抑制されたサイドローブ及び低い交差
偏波を有する放射パターンを与える。追加のチョークが
また、上記の説明と合致した信号伝搬を更に最適化する
ためアンテナ・フィード・ホーン10内に設けられてもよ
い。
【0019】前述の説明は、単に本発明の例示的実施形
態を開示し記載している。当業者は、そのような説明か
ら、そして添付の図面及び特許請求の範囲から、種々の
変更、修正及び変化が頭書の特許請求の範囲に定義され
る本発明の精神及び範囲から離れることなくなし得るこ
とを容易に認めるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図1】図1は、本発明の一実施形態に従った、複数の
チョークを含むアンテナ・フィード・ホーンの斜視図であ
る。
【図2】図2は、図1に示されるアンテナ・フィード・ホ
ーンの側面図である。
【図3】図3は、図1及び図2に示されるアンテナ・フ
ィード・ホーンのチョーク部の拡大側面図である。
【符号の説明】
10 アンテナ・フィード・ホーン 12 スロート部 14 輪郭部 16 開口部 20 開口 22 円筒形スロート部分 24 入力端部 26 第1の拡大のど遷移部分 28 第2の拡大のど遷移部分 30 内側輪郭部 32 開口内側表面 34、36、40、42、44 チョーク 38 共通壁
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 チャールズ・ダブリュー・チャンドラー アメリカ合衆国カリフォルニア州91776, サン・ゲイブリエル,サウス・カリフォル ニア・ストリート 119,ナンバー 5

Claims (6)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 E面及びH面ビーム幅の双方を有する信
    号を送信するフィード・ホーンであって、 前記信号を受け入れるよう構成されたスロート部と、 前記スロート部に接続された輪郭部と、 前記輪郭部に接続され、かつホーンの開口を形成する開
    口部とを備え、 前記開口部は、当該開口部の内壁に形成された複数のチ
    ョークを含み、 前記複数のチョークは、開口における信号のモード内容
    を変えて、抑制されたサイドローブを有する実質的に等
    しいE面及びH面ビーム幅を有する放射パターンを生成
    する、フィード・ホーン。
  2. 【請求項2】 前記複数のチョークは、前記開口部の内
    壁に形成された環状ノッチである請求項1記載のフィー
    ド・ホーン。
  3. 【請求項3】 前記複数のチョークは、前記輪郭部と前
    記開口部との間の遷移場所に配置された第1のチョーク
    及び第2のチョークを含み、 前記第1及び第2のチョークは、それらの間に共通壁を
    含む請求項1記載のフィード・ホーン。
  4. 【請求項4】 前記スロート部は、一般的に円筒である
    外側表面を含み、更に円筒部分と前記スロート部の内側
    を拡大する少なくとも1つの拡大部分とを含む内側表面
    を含む請求項1記載のフィード・ホーン。
  5. 【請求項5】 E面及びH面ビーム幅の双方で伝搬する
    信号を送信するフィード・ホーンであって、 前記信号を受け入れるよう構成され、円筒部分を有する
    内側表面と、スロート部の内側を拡大する少なくとも1
    つの拡大部分とを含む、前記スロート部と、 前記スロート部に接続された輪郭部と、 前記輪郭部に接続されかつホーンの開口を形成する開口
    部とを備え、 前記開口部は、当該開口部の内壁に形成された環状ノッ
    チである複数のチョークを含み、 前記複数のチョークは、前記輪郭部と前記開口部との間
    の遷移場所に配置された第1のチョーク及び第2のチョ
    ークを含み、更に前記第1のチョークと前記第2のチョ
    ークとの間に共通壁、前記開口部に形成された第3のチ
    ョーク、及び前記輪郭部と開口との間に配置された複数
    の追加チョークを含み、 前記複数のチョークは、前記開口における信号のモード
    内容を変えて、比較的広い帯域幅に跨がって抑制された
    サイドローブを有する実質的に等しいE面及びH面ビー
    ム幅を生成する、フィード・ホーン。
  6. 【請求項6】 スロート部を設けるステップと、 円筒スロート部接続された輪郭部を設けるステップと、 開口部がホーンの開口と前記開口部の内壁に形成された
    複数のチョークとを含むように、前記輪郭部に接続され
    た開口部を設けるステップとを備え、 前記複数のチョークは、開口における信号のモード内容
    を変えて、比較的広い帯域に跨がって抑制されたサイド
    ローブを有する実質的に等しいE面及びH面ビーム幅を
    生成する、フィード・ホーンを形成する方法。
JP2000203425A 1999-07-13 2000-07-05 マルチモードのチョーク付きアンテナ・フィード・ホーン Ceased JP2001044742A (ja)

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