JP2001068920A - ホーンアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 アンテナ励振において整合のとりやすく、ア
レー化、クラスター化等の場合にも給電系が容易かつコ
ンパクトに構成できるホーンアンテナを提供すること。 【解決手段】 円形導波管と、円形導波管に設けられる
同軸導波管と、同軸導波管に設けられ、トリプレートラ
インもしくはサスペンデットラインにより構成される平
面型給電回路と、同軸導波管内に電気的に露出するよう
に、平面型給電回路に形成される励振部と、を具備す
る。トリプレートラインまたはサスペンデットラインに
より構成される平面型給電回路を同軸導波管内にその一
部を電気的に露出させる。露出した部分が励振源となり
同軸導波管内に電波を放射する。この電波は同軸導波管
から円形導波管へ、同軸導波管の伝搬モードから円形導
波管のそれに変換されて伝達され、ホーンアンテナ開口
面から電波を放射する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、円形導波管を接続
したホーンアンテナに関する。

【０００２】

【従来の技術】一般にホーンアンテナは、マイクロスト
リップアンテナなどに比較してアンテナ効率が高く、ま
た帯域も広くとれることが特徴であり、反射鏡アンテナ
の一次放射器やアレーアンテナの素子アンテナなどに広
く利用されている。

【０００３】ホーンアンテナの給電方法としては、図１
０に示すように同軸線路から導波管へのモード変換によ
り給電を行うのが一般的である。ここで９１はホーンフ
レア部、９２は円形導波管であり、中心軸に対して軸対
称構造である。また、９４はコネクタ、９３はプローブ
である。これと同様なものとして図１１のような構成の
給電方法がある。ここでは、円形導波管９２の後ろに円
形−矩形導波管変換器９５を接続し、プローブ９７を矩
形導波管９６の中に設ける。この同軸−導波管変換を用
いた給電はホーンアンテナを単体で利用する場合には簡
単で良い方法であるように考えられるが、ここで整合性
の良い同軸−導波管変換器を構成するためにはプローブ
の形状を複雑にしたり、プローブのまわりを誘電体で覆
う等の必要があり、同軸−導波管変換器の構成が複雑に
なってしまう。

【０００４】次に、円偏波化を行おうとした場合につい
て考える。この場合、円形導波管の内部に誘電体板を挿
入したり、円形導波管の内径を直交面で変えたりして構
成される円偏波器を接続して円偏波化するのが一般的な
方法である。しかし、この場合ホーンアンテナが長くな
ってしまう欠点がある。円偏波化の方法として、直交す
るプローブにより直交する偏波成分を取り出しアンテナ
とは別個の給電系により円偏波を合成する方法もある
が、この場合アンテナ全体が複雑になってしまう欠点が
ある。

【０００５】次に、アレー化した場合の問題点について
考える。ホーンアンテナをアレーアンテナ素子やクラス
ター型一次放射器などとして用いる場合には、給電系の
電力損失を小さくし所望の励振条件を実現するために導
波管系で構成される給電回路を用いることが必要であ
る。しかし、電力分配器や移相器等の導波管系のコンポ
ーネントは大きなものになってしまい、給電系の構成が
複雑になり重量も大きなものになってしまう。また、ア
レー化においてグレーティングローブを出さず利得を高
くするためには素子間隔を１波長以下の値に設定する必
要があるが、この場合の給電系を非常に密に配置するこ
とになり、給電系の構成が機械的に困難になってしま
う。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】以上述べたように、従
来のホーンアンテナでは、同軸−導波管変換器を用いる
給電の場合には整合性を良くするためにプローブの構成
が複雑になる問題があった。また、アレー化、円偏波化
等の場合に給電系が大きくなってしまい、機械的に複雑
なものになることが多いという問題があった。

【０００７】本発明は、アンテナ励振において整合のと
りやすく、アレー化、クラスター化等の場合にも給電系
が容易かつコンパクトに構成できるホーンアンテナを提
供することを目的とする。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
め、本発明の請求項１のホーンアンテナは、円形導波管
と、前記円形導波管に設けられる同軸導波管と、前記同
軸導波管に設けられ、トリプレートラインもしくはサス
ペンデットラインにより構成される平面型給電回路と、
前記同軸導波管内に電気的に露出するように、前記平面
型給電回路に形成される励振部と、を具備することを特
徴とするホーンアンテナである。

【０００９】請求項２の本発明によるホーンアンテナ
は、前記励振部を前記平面型給電回路の中に２カ所設
け、前記二つの励振部が互いに直交する偏波成分を前記
同軸導波管内に励振し、その励振位相の差が９０度にな
るように給電されることを特徴とする。

【００１０】本発明のホーンアンテナでは、トリプレー
トラインもしくはサスペンデットラインにより構成され
る平面型給電回路を同軸導波管内にその一部を電気的に
露出させることにより、露出した部分が励振源となり同
軸導波管内に電波を放射する。この電波は同軸導波管か
ら円形導波管へ、同軸導波管の伝搬モードから円形導波
管の伝搬モードに変換されて伝達され、ホーンアンテナ
開口面から電波を放射する。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明のホーンアンテナの
実施形態を図面を参照しながら説明する。

【００１２】図１は本発明のホーンアンテナの構成を示
す断面図である。本ホーンアンテナは、上部よりホーン
フレア３１、円形導波管３２、同軸導波管３３、平面型
給電回路３４、同軸導波管３５、導体板３６の順番で接
続されている。ここでホーンフレア３１、円形導波管３
２、同軸導波管３３、同軸導波管３５、導体板３６は全
て中心軸Ａ−Ａに対して軸対称な構造である。

【００１３】平面型給電回路３４は、同軸導波管部３３
と同軸導波管部３５との間に設けられ、誘電体基板３
８，３９により構成されている。誘電体基板３８の上に
は導体膜のパターン４０がエッチングにより形成されて
いる。導体膜のパターン４０について誘電体基板３９の
上から見た様子を示したものが図２である。

【００１４】励振部４１は、導体膜のパターン４０によ
りトリプレートラインが形成されており、これはＢ点に
おいてコネクタ３７と接続されている。このトリプレー
トラインは、その一部が部分Ａにおいて同軸導波管３
３，３５内に電気的に露出しており、この部分が励振部
４１となり、同軸導波管３３，３５内に電波を放射させ
る。

【００１５】ここで、トリプレートラインから同軸導波
管３３，３５への電波の伝達を良くするためにＣ点にお
いて観測される入力インピーダンスを線路のインピーダ
ンスと一致させる必要があるが、これは１／４波長変成
器４２とスタブ４３を用いることで容易になる。すなわ
ち、入力インピーダンスの抵抗成分に関しては１／４波
長変成器４２の線路幅を調整し、リアクタンス成分に関
してはスタブ４３の線路長を調整することにより容易に
整合性を良くすることができる。

【００１６】同軸導波管３３，３５内に発生した電波を
同軸導波管の一方向へよく伝搬させるために、同軸導波
管３５の終端に導体板３６を設け電波を反射させる。同
軸導波管３５の深さを管内波長の１／４程度に選ぶこと
により底面からの反射波は上部へ伝搬する電波と同相な
って伝搬していく。同軸導波管３３，３５を伝搬する電
波は円形導波管の伝搬モードで変換されて伝搬してい
き、ホーン開口から放射される。

【００１７】同軸導波管３３と同軸導波管３５の外導体
内径および内導体外径は同一であり、同軸導波管の外導
体内径をａ、内導体外径をｂとする。ここで、同軸導波
管が基本モードであるＴＥ１１に対しては伝搬し、次の
高次のモードであるＴＥ２１モードに対してはカットオ
フになるようにａ，ｂを設定する。すなわち、

【数１】 の式が成立つようにａ，ｂを設定する。

【００１８】ここで、ｃ＝ａ／ｂ，λ0 は電波の自由空
間波長、πは円周率である。ｘm1（ｍ＝１，２）は次の
ベッセル−ノイマン関数の微分方程式の最初の根であ
る。）

【数２】 Ｊ´ｍはｍ次のベッセル関数の微分、Ｎ´ｍはｍ次のノ
イマン関数の微分である。

【００１９】このようにａ，ｂを選ぶことにより、同軸
導波管３３，３５には基本モードを伝搬させ、ＴＥ２１
モード以上の不要な高次モードの伝搬を防ぐことができ
る。例として、ｃ＝１．１の場合、０．１７λ0 ＜ａ＜
０．３３λ0 とすればＴＥ１１モードが伝搬し、高次モ
ードは伝搬しない。同様な条件を円形導波管の場合にあ
てはめると０．２９λ0 ＜半径＜０．４９λ0 となるの
で、同軸導波管３３，３５の場合には円形導波管に比較
して小さな径で基本モードを伝搬できることがわかる。

【００２０】以上の説明からわかるように、本実施例の
ホーンアンテナにより給電系と一体化した構成が可能に
なり、同軸導波管および平面型給電回路を用いているこ
とによりアンテナ全体が非常にコンパクトになる。ま
た、励振点における整合が平面回路を用いていることで
容易に行える。さらに、トリプレート構造の給電回路を
用いていることによりＭＭＩＣによるコンポーネントが
内装でき、アクティブアンテナとして非常に有効であ
る。

【００２１】以上に示した実施例において、同軸導波管
と円形導波管の伝搬モードの特性インピーダンスが同じ
になるように導波管の大きさを設定すれば、整合良く電
波が伝搬していく。しかし、同軸導波管と円形導波管の
伝搬モードの特性インピーダンスは必ずしも同じにはで
きないので、この場合同軸導波管と円形導波管の接続点
で反射特性が悪くなる。以下に、この点の改善の方法に
ついて説明する。

【００２２】図３に上記問題点を改善した本発明の実施
例を示す。

【００２３】この実施例の特徴は、図１に示したホーン
アンテナの円形導波管３２と同軸導波管３３の間に同軸
導波管テーパ部５０を接続したことである。同軸導波管
テーパ部５０は、同軸導波管３３の特性インピーダンス
を円形導波管の特性インピーダンスへゆるやかに変換し
ていき、電波伝搬の整合性を良くするために設けてい
る。この場合、同軸導波管テーパ部５０の代りに図４に
示すように同軸導波管変成器部５１を設ける構成も考え
られる。同軸導波管変成器部５１の長さを伝搬モードの
管内波長の１／４に選定し、その特性インピーダンスＺ
ｒを次のようになるように外導体内径と内導体外径を設
定する。

【００２４】

【数３】 ここでＺCRは円形導波管３２の特性インピーダンス、Ｚ
cxは同軸導波管３３の特性インピーダンスである。こう
することにより、図３の構成の場合と同様に電波伝搬の
整合性が良くなる。

【００２５】図３と図４に示した構成により、円形導波
管と同軸導波管の特性インピーダンスを一致させなくて
も整合がとれるため同軸導波管の径を自由に設定でき、
その大きさをできるだけコンパクトな構造にすることが
可能である。

【００２６】ここまでは直線偏波の励振の場合について
述べてきたが、励振部４１の構造を変えることにより円
偏波の励振が容易に行える。以下にその場合の実施例に
ついて述べる。

【００２７】円偏波化を行う場合には、図１の実施例で
示したホーンアンテナにおいて平面型給電回路３４の一
部を変更するだけで容易に円偏波化が行える。図５に
は、円偏波励振を行う場合の平面型給電回路３４の構成
を示す。ここでは誘電体基板３９の上に導体膜のパター
ン６０がエッチングにより形成されておりトリプレート
ラインの給電回路となっている。ここで、励振部６１，
６２が互いに垂直な位置関係にあり、９０度ハイブリッ
ドに接続され、９０度の位相差により励振され円偏波が
放射できる。ここで給電点Ｄ，Ｆには互いに逆の円偏波
が生じ、右旋、左旋の円偏波が同時に送信もしくは受信
が行える。以上のような構成により左右の円偏波を同時
に送信もしくは受信できるアンテナが、平面の給電回路
の構成を若干変更するだけで容易に実現でき、しかもコ
ンパクトに形成できる。

【００２８】次に、同軸導波管では径の大きさにかかわ
らず発生する可能性のあるＴＥＭモードについて考え
る。

【００２９】ここまでの説明では、ＴＥＭモードに関し
て特に議論していない。なぜなら、同軸導波管３３，３
５内に仮にＴＥＭモードが発生しても、円形導波管では
ＴＥＭモードは伝搬しないのでアンテナからの放射特性
に関してはあまり問題にならないからである。しかし、
場合によっては同軸導波管３３，３５内で共振現象が生
じて、アンテナ全体の特性に悪影響を及ぼすことが考え
られる。

【００３０】図６に、ＴＥＭモードの発生を阻止するた
めの平面型給電回路３４の構成例を示す。ここでは誘電
体基板９上にエッチングされた導体膜のパターン６５を
示す。励振部６３，６４がホーンアンテナの中心軸を中
心にして１８０度対称な位置にあり、各々１８０度ハイ
ブリッドに接続されている。ここで点Ｇ，Ｈはコネクタ
と接続され、点Ｇでは終端され、点Ｈは入出力ポートと
なる。このような構成により、励振部６３，６４は互い
に逆相で励振されることになり、これからＴＥ１１モー
ドのみ同軸導波管内に励振される。ＴＥＭモードに対し
ては二つの励振部からの励振が互いに打ち消すかたちに
なるため、同軸導波管内には発生しない。このような構
成により、同軸導波管内にＴＥＭモードが発生して、ア
ンテナ特性に悪影響を及ぼすことがなくなる。

【００３１】本発明のアンテナは以下のように構成を変
えても同様な効果が得られる。

【００３２】図１では円錘ホーンアンテナの場合につい
て示したが、ここでホーンフレア部にコルゲートホーン
やステップホーンを用いてコルゲートモードやデュアル
モードのホーンアンテナを構成することができる。この
場合、反射鏡アンテナとして効率の良い一次放射器が構
成できる。

【００３３】また、平面型給電回路においては誘電体基
板による２層構造の例について示したが、ここで誘電体
基板の代わりにハニカムのサンドイッチ構造などを用い
ても良く、サスペンデットラインによる給電系を構成し
ても同様の効果が得られる。さらに、層の数を増やして
平面回路を多層に構成した複雑な給電回路を非常にコン
パクトにすることも容易に行え、ＭＭＩＣデバイスを組
み込み多機能のアンテナを構成することもできる。

【００３４】次に、本発明のホーンアンテナをアレー化
した場合の実施例を示す。

【００３５】図７には、本発明のホーンアンテナをアレ
ー化してその中の４素子（ホーンアンテナＰ，Ｑ，Ｒ，
Ｓ）だけ取り出して上面より見た図を示す。図７のＡ−
Ａの線においてアンテナを縦に切断した場合の断面図を
図８に示す。ここで素子アンテナであるホーンアンテナ
Ｐ，Ｑ，Ｒ，Ｓは、各々上部よりホーンフレア７１、円
形導波管７２、同軸導波管テーパ７３、同軸導波管７
４、平面型給電回路７７、同軸導波管７８、導体板７９
の順番で接続されている。平面型給電回路７７は誘電体
基板７５，７６を重ね合わせて構成され、これらを固定
するためにビス８０を用いる。同軸導波管７４，７８は
ＴＥ１１モードが伝搬し、これ以上の高次のモードが伝
搬しない径に設定する。こうすることにより、先に述べ
たように円形導波管７２に比較して同軸導波管７４，７
８を小さくすることができ、アレーアンテナの素子間隔
を小さくしても平面型給電回路７７による給電系の構成
が可能である。

【００３６】図９に平面型給電回路の構成例を示す。こ
の図は誘電体基板７６の上にエッチングされた導体のパ
ターン８１を上から見た図であり、トリプレートライン
による給電回路となっている。トリプレートラインはＡ
部分で同軸導波管７４，７８内に電気的に露出してお
り、そこが励振部となり同軸導波管７４，７８へ電波を
放射する。同軸導波管テーパ部７３は同軸導波管７４か
ら円形導波管７２への電波の伝搬を整合良く行うために
設けている。

【００３７】以上のようなアレーアンテナを構成するこ
とにより、給電系が平面型の給電回路により容易に実現
され、任意の励振分布を実現することも容易に行える。
また、１／４波長変成器やスタブ等の整合のために回路
や円偏波化のためのハイブリッド結合器やＴ分岐等の回
路を組み込むことも非常に簡単に行える。この場合に
も、給電系が薄型に構成できるのでアンテナ全体の大き
さも非常に小さく軽量になる。従って、衛星搭載用や移
動体搭載用のアンテナとして有効である。また、同軸導
波管の径は円形導波管を用いる場合に比較して小さくで
きるので、素子間隔を１波長以下に設定した密な配置に
よりアレーアンテナを構成でき、グレーティングローブ
の発生を押さえ利得を最大にしようとする場合にも対応
できる。さらに、ＭＭＩＣデバイスを組み込むことも比
較的簡単に行われ、将来需要の高まるアクティブアレー
アンテナとしても重要である。

【００３８】

【発明の効果】本発明のホーンアンテナによれば、給電
系を一体化したホーンアンテナが薄型かつコンパクトに
実現できる。また、簡単な構成の給電回路により円偏波
化が行え、右旋と左旋の偏波の切り換えも容易に行え
る。さらに、給電回路の励振点における入力インピーダ
ンスの整合や同軸導波管から円形導波管の整合をとるこ
とが簡単に行え、効率の良いアンテナを実現できる。ま
た、アレー化した場合にも任意の励振分布を設定するよ
うな給電系をコンパクトに構成することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例におけるホーンアンテナの構
成を示す断面図。

【図２】図１のホーンアンテナの平面型給電回路の構成
を示す図。

【図３】本発明の他の実施例によるホーンアンテナの断
面図。

【図４】本発明の他の実施例によるホーンアンテナの断
面図。

【図５】本発明のホーンアンテナの平面型給電回路の構
成の他例を示す図。

【図６】本発明のホーンアンテナの平面型給電回路の構
成のさらに他例を示す図。

【図７】本発明のホーンアンテナをアレー化した場合の
実施例を示す平面図。

【図８】図７に示すホーンアンテナのＡ−Ａによる断面
図。

【図９】本発明のホーンアンテナをアレー化した場合の
平面型給電回路の構成を示す図。

【図１０】従来におけるホーンアンテナの一例の構成を
示す断面図。

【図１１】従来におけるホーンアンテナの他の構成を示
す断面図。

【符号の説明】

３１，７１ ホーンフレア ３２，７２ 円形導波管 ３３，３５，７４，７８ 同軸導波管 ３４，７７ 平面型給電回路 ３８，３９，７５，７６ 誘電体基板 ３６，７９ 導体板 ４１，６１，６２ 励振部 ４２ １／４波長変成器 ４３ スタブ ５０，７３ 同軸導波管テーパ部 ５１ 同軸導波管変成器部

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 円形導波管と、前記円形導波管に設けら
   れる同軸導波管と、前記同軸導波管に設けられ、トリプ
   レートラインもしくはサスペンデットラインにより構成
   される平面型給電回路と、前記同軸導波管内に電気的に
   露出するように、前記平面型給電回路に形成される励振
   部と、を具備することを特徴とするホーンアンテナ。
2. 【請求項２】 前記励振部を前記平面型給電回路の中に
   ２カ所設け、前記二つの励振部が互いに直交する偏波成
   分を前記同軸導波管内に励振し、その励振位相の差が９
   ０度になるように給電されることを特徴とする請求項２
   のホーンアンテナ。
3. 【請求項３】 前記同軸導波管の外導体内径と内導体外
   径を、ＴＥＭモード以外ではＴＥ１１モードの電波のみ
   が伝搬するような値に設定したことを特徴とする請求項
   ２のホーンアンテナ。