JP2004511940A - マルチリフレクターアンテナにおける電磁波の送信／受信ソースに対する改良 - Google Patents

Abstract

本発明は、第一周波数帯域で操作する縦の放射手段（１２）と、縦の放射手段に関して対称に配置されるｎの放射要素を備えて第二周波数帯域で操作するｎの進行波動型の放射手段（１１）のアレイを有するマルチリフレクターアンテナのための電磁波を送信／受信するソースに関し、かかるアレイと縦の放射手段は実質的に共通の位相中心を有し、ｎの要素のアレイは多角形断面の導波管（１５）によって励起される。特に、本発明はＣ、Ｋｕ、又はＫａ帯域で操作する衛星通信システムに適用可能である。

Description

【０００１】
本発明は、アンテナシステムの焦点に配置でき、より詳細にはカセグレン型ダブルリフレクターアンテナ（Ｃａｓｓｅｇｒａｉｎ−ｔｙｐｅ　ｄｏｕｂｌｅ−ｒｅｆｌｅｃｔｏｒ　ａｎｔｅｎｎａ）の焦点に配置できる、送信（Ｔ）／受信（Ｒ）ソースアンテナ（これより以下ではＴ／Ｒソースと記載）に関する。かかるＴ／Ｒソースにおける一つの可能な適用は、Ｃ−、Ｋｕ−、又はＫａ−帯域を使用する衛星通信システムである。
【０００２】
発明の名称が、
【外１】

「電磁波の送信／受信ソースアンテナに対する改良（Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ　ｔｏ　ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ　ｗａｖｅ　ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ／ｒｅｃｅｐｔｉｏｎ　ｓｏｕｒｃｅ　ａｎｔｅｎｎａｓ）」である、トムソンマルチメディアによって２０００年６月９日に出願されたフランス国特許出願番号００／０７４２４において、螺旋又は“ポリロッド（ｐｏｌｙｒｏｄ）”のような縦の放射アンテナを囲んで、印刷されたフィード回路によって励起される、螺旋アレイから構成される、ハイブリッドＴ／Ｒソースが提案された。
【０００３】
送信と受信ソース間の相互作用を最小限にするために、受信のための螺旋アレイと送信のための縦の放射ソースを使用することが有用である。しかしながら、受信において、強く感じさせられたフィード回路の損失は関連予算に２倍の効果がある。これは、アンテナの長所のＧ／Ｔ比率が、一方でアンテナの増大Ｇの削減のために縮小されるからであり、さらに、もう一方では、フィード回路の消散的な損失に起因するシステムのノイズ温度Ｔの増加のために縮小されるからである。この見地から、アンテナのＧ／Ｔ比率を改善するために、好ましくはパッチのアレイを備える、螺旋アレイを使用して、フランス国特許出願番号００／０７４２４で提案された解決策を可能にする。
【０００４】
さらにフランス国特許出願番号００／０７４２４において、螺旋の印刷されたフィード回路の基板はエッチングされ、かかる基板はアンテナの受信回路を含み、螺旋の放射軸に対して垂直に位置する。したがって、カセグレン構造において、ＬＮＢ（低ノイズブロック）によるブロッキングを防ぐために、主反射器の頂点でダブルリフレクターシステムの焦点を配置することが必要である。カセグレンシステムの幾何学的配置上のこの強制は、アンテナシステムのサイドローブのレベルを増加させる効果がある、過度に指向的なソースの使用を要求する。
【０００５】
主反射器１、ソース２、及びソース２に面する第二反射器３を有するカセグレン構造を概略的に示す図１に例示されるように、これはサイドローブが主に、
ｉ）第二反射器３による回折。回折エネルギーは、（Ｇ−エッジ）と等しいｄＢで絶対レベルを有する。Ｇは、その指向性によって本質的に定義された主ソースの獲得である。ダブルリフレクターアンテナシステムの最適操作において、エッジはおよそ２０ｄＢである。この回折から帰着するサイドローブのレベルは、およそ（Ｇ−エッジ）の値である、
ｉｉ）同一のソース２によって放射され、第二反射器３を遮らないサイドローブＩ。主ソース１がＳＬＬに等しいｄＢでサイドローブレベルを有するのであれば、主ソースのサイドローブから帰着するアンテナシステムのサイドローブの絶対レベルは（Ｇ−ＳＬＬ）と等しい、
から発生するためである。カセグレンシステムのローブを減少する一つの解決策は、Ｇを減少することである。しかしながら、図２に例示のように、Ｇを減少し、（およそ２０ｄＢの）最適なエッジ値を維持するために、アンテナシステムの焦点２´は、主反射器１と第二反射器３との間に位置すべきである。
【０００６】
本発明は、ダブルリフレクターアンテナシステムの操作におけるブロッキングを誘発せずに主反射器と第二反射器との間にＴ／Ｒソース構造の位相中心を有するＴ／Ｒソース構造を提供することによって、かかる問題を緩和することを目的とする。したがって、アンテナシステムのサイドローブを減少することを可能にする。
【０００７】
さらに、主ソースのサイドローブレベルＳＬＬを減少することはまた、アンテナシステムのサイドローブが減少されることを可能にする。
【０００８】
本発明はまた、送信／受信ソースのサイドローブが縮小されることを可能にする、新規なＴ／Ｒソース構造を提供する。
【０００９】
加えて、均質のレンズに基づく焦点システムに反して、ダブルリフレクターアンテナシステムはＴ／Ｒ作用のため完璧に確定された焦点を有し、かかる位相中心の完全な一致を必要とする。
【００１０】
したがって、本発明はまた、Ｔ／Ｒソース構造に送信と受信ソースの位相中心の完全な一致を可能にする、Ｔ／Ｒソース構造を提供する。
【００１１】
したがって、本発明の主題は、第一周波数帯域で操作する縦の放射手段と、縦の放射手段のまわりに対称的に配置されたｎの放射要素を備えて第二周波数帯域で操作する移動波型のｎの放射要素のアレイを含み、かかるアレイと縦の放射手段はおよそ共通の位相中心を有し、ｎの放射要素のアレイは長方形断面の導波管によって励起されることを特徴とする、カセグレンタイプのマルチリフレクターアンテナのための電磁波の送信／受信（Ｔ／Ｒ）ソースである。
【００１２】
一つの実施態様によると、ｎの放射要素のアレイは円形アレイであり、導波管は“スライスしたパイナップル”形状の孔を形成する。かかる実施態様において、導波管は、
【数４】

式中、ｎは放射要素の数を示し、λ_ｇは操作周波数における導波の波長を表し、
【数５】

式中、λ_ｃはＴＥ_０１基本モードにおける長方形の導波管のカットオフ波長を示し、λ_ｏは真空における波長であり、ε_ｒは導波管を満たす誘電体の誘電率であり、
【数６】

式中、ａは長方形の導波管の幅である、
Ｄが円形アレイの平均直径であるような規模を有する。
【００１３】
ソースの良好な指向性を獲得するために、Ｄは、１．３λ_ｏ＜Ｄ＜１．９λ_ｏのように選択される。
【００１４】
前述の長方形の導波管は，同軸ラインを介した受信回路（ＬＮＡ（低ノイズ増幅器）、ミキサー等）に接続されるプローブによって励起される。
【００１５】
さらに、送信において、円形若しくは正方形の導波管によって励起される“ポリロッド”によるか、又は同軸ラインによって励起される、アレイの中心に位置している長い螺旋の何れかによって形成される縦の放射アンテナは、
１）縦の放射アンテナのサイドローブとリアローブを縮小することを可能にして、
２）送信の位相中心及び受信ソースを一致することを可能にして、さらに
３）送信と受信ソースとの間の分離に関する性能を改善することを可能にする、
一種の後部孔を持っている。
【００１６】
最後に、螺旋アレイのサイドローブを縮小するために、第二の円錐形の孔はアレイを囲む。
【００１７】
さらに、本発明の特徴と利点は、図面に関して下記に記載の様々な実施態様によって明白となるだろう。
【００１８】
簡素にするために、図面において同一の構成部品は同じ参照番号で示す。
【００１９】
本発明の様々な実施態様は、図３乃至１１に関して記載されるだろう。
【００２０】
図３は、二つの反射器１と３との間に位置するダブルリフレクターアンテナシステムの焦点ＥＰに位置する、本発明の内容を形成する、Ｔ／Ｒソース１０を概略する断面図である。
【００２１】
導波管技術を用いる従来の解決策と比較して、本発明の内容を形成する送信／受信ソースは、下記の利点を有し、それらは、
−二つのチャンネル間の物理的分離を認識する送信と受信チャンネル間の良好な電気的分離と同時に大きさが縮減され、質量が減少され、さらにコストが削減される。
【００２２】
加えて、フランス国特許出願００／０７４２４に記載のシステムと比較して、
ｉ）最小限の損失として周知の単一モードの長方形の導波管を使用する、螺旋アレイのフィード回路の非常にわずかな損失として認識される、螺旋アレイからなるソースの損失をさらに削減し、円形アレイの周囲の半分まで平均して短縮される長さをさらに短縮する。
【００２３】
ｉｉ）カセグレン型ダブルリフレクターシステムの極度に高いサイドローブの問題に対する低コストの解決策を提供する。
【００２４】
−ハイブリッドソースシステムの位相中心が、主反射器と第２反射器の間に配置されることを可能にすることによって提供する。
【００２５】
−主送信及び受信ソースのサイドローブを縮減することによって提供する。
【００２６】
ｉｉｉ）送信と受信ソースの位相中心の完全な一致を可能にして、したがって主ソースが送信と受信の両者に最適に配置されることを可能にする。
【００２７】
本発明の好ましい実施態様は、図４乃至１０に関して、ここでより詳細に記載される。
【００２８】
図４ａ及び４ｂは、本発明の内容を形成するソースシステムの断面図と上面図をそれぞれ示す。
【００２９】
かかる特定の実施態様において、
−移動波型のｎの放射要素のアレイは８つの螺旋１１から構成される。アレイは、円の直径Ｄの周囲のまわりに配置され、第二の周波数帯域で操作する。アレイは、“スライスしたパイナップル”形状の導波管１５の上部面１５ａに設置され、
−アレイの真中に位置する縦の放射アンテナは“ポリロッド”１２である。
【００３０】
図４ａ及び７に示されるように、“ポリロッド”と螺旋アレイの両実施態様におけるサイドローブの放射を減少するための後部孔１３と１４は、円錐形である。
【００３１】
スライスしたパイナップル形状の長方形の導波管１５は、同軸ライン１６によって励起される。放射螺旋１１は、プローブ１７を介して長方形の導波管孔に接続される。
【００３２】
螺旋の最適な励起のために、プローブは最大磁場平面、つまり開回路平面の導波管の断面の真中に位置する。
【００３３】
図５は、多角形断面、より詳細にはａとｂの規模の長方形断面の導波管１５に設置され、１２ＧＨｚで励起される螺旋１１の詳細及び規模を示す。
【００３４】
図６ａは、本発明による螺旋に対する長方形の導波管の接続の結果を示すシミュレーションを表し、ポートＡ１（図６ｂ）に関する、１１−２、１１−３、１１−４、１１−５などの４つの螺旋の場合における、１２ＧＨｚの中央の周波数において導波管孔の整合の結果を示すシミュレーションを表す。
【００３５】
したがって、長方形の導波管１５の規模は、下記のようである。
【数７】

（８つの螺旋１１から構成されるアレイの場合）式中、λ_ｇは操作周波数における導波の波長を表す、
【数８】

式中、λ_ｃはＴＥ^１０モードにおける長方形の導波管のカットオフ波長を示し、λ_ｏは真空における波長である、
【数９】

式中、ａは長方形の導波管の幅であり、
ε_ｒ＝導波管を満たす誘電体の誘電率である。
【００３６】
−さらに、第二反射器の最適なイルミネーションのために、主ソースの指向性は、−２０ｄＢにおいて±２０°と±３０°の間で変化する。かかる指向性の値は、
【数１０】

式中、λ_ｏは真空における波長、のような平均直径Ｄにおいて得られる。
【００３７】
ソースの指向性によって固定されるＤにおいて、式（Ｉ）と（ＩＩＩ）は、λ_ｇとλ_ｏ間の関係を導くために使用される。かかる関係を式（ＩＩ）に対して考慮することによって、ａの値がそこから導き出される。長方形の導波管の損失を最小限にするために、長方形の導波管の高さｂは、導波管の幅の約半分、つまり、ｂは約ａ／２に等しいように選択される。
【００３８】
一般的に、損失とコストを最小限にするために、導波管は空（ε_ｒ＝１）となるように選択される。しかしながら、導波管の幅があまりにも広いか、又は後部孔１３を備えるポリロッド１２を位置付けするために中心部でより広い空間をきれいにすることが必要である場合、誘電率ε_ｒ＝１の誘電体で導波管を満たすことが十分である。導波管の幅は、係数（ε_ｒ）^−１／２によって削減される。
【００３９】
外部孔の規模を測る場合、パラメータΔ、α及びｈは螺旋アレイのサイドローブレベルを縮小するために調節される。
【００４０】
内部孔１３の場合、直径ｄ_ｃは長方形に導波管１５の大きさ、より詳細には導波管の幅ａによって与えられる。図７に示すように、深度ｄは“ポリロッド”１２（ポリロッドの長さの約１／３に位置する）の位相中心ＦＰが螺旋１１のアレイの位相中心ＦＨ（つまり、螺旋アレイの中心部及び螺旋の長さの約１／３で）と一致するようである。したがって、図７を参照するに、基部に位置する原点から開始して、深度ｄの円錐形の孔の中心部において、点ＦＰは約ＬＰ／３の高さに位置している。ここでＬＰは、原点から測定したポリロッド１２の全長である。位相中心を一致させるために、点ＦＨはＦＰと同じ高さであるべきであり、式ｄ＋ＬＨ／３＝ＬＰ／３、つまりｄ＝（ＬＰ−ＬＨ）／３に相当しており、式中、ＬＨは各螺旋１１の長さである。
【００４１】
中央周波数で縦モードに操作する各螺旋１１の規模と、さらに所望の指向性の機能として中央のポリロッドの規模は、当業者に周知の従来の公式によって与えられる。
【００４２】
最後に、中央のポリロッドの後部孔の形状は変更できうる。したがって、円錐形の型１３に代わって、後部孔は円筒状であるか、又は同等の形状を有する。
【００４３】
図７は、本発明の内容を形成する、送信／受信ソースの一つの特定の実施態様を示す。送信部分はポリロッド１２によって形成され、１４乃至１４．５ＧＨｚ帯域で操作する。受信部分は１１．７乃至１２．５ＧＨｚ帯域で操作し、直径Ｄ＝４２ｍｍ、つまり、λ_ｏが受信帯域、λ_ｏ＝２４．７ｍｍの中央周波数において真空での波長を表す場合に約１．７λ_ｏである、直径の円に位置する８つの螺旋１１のアレイによって形成される。
【００４４】
かかる実施態様において、ポリロッド１２の型が最初に最適化される。２つのソースの位相中心を一致するように、すべてがｄ＝３０ｍｍ（つまり、約（ＬＰ−ＬＨ）／３＝２６．６ｍｍ）の深度である、３種類の型の内部孔（いわゆる、円筒状の孔、トラップを備える円筒状の孔、及び円錐形の孔）は、シミュレートされる。かかる形態において、円錐形の孔は最良の結果を与える。目的とする帯域（１４乃至１４．５ＧＨｚ）でのポリロッドの整合と、円錐形の孔の存在で獲得される放射パターンは、図８で与えられる。
【００４５】
外部の円錐形の孔１４の角度αと高さｈは、ポリロッドのサイドローブに関して最適化される。次いで、最良の結果がα＝４５°とｈ＝２５ｍｍで獲得される。図９は、かかるαとｈの値において得られた曲線の整合と放射パターンのシミュレーションの結果を示す。外部孔の存在におけるサイドローブレベルでの著しい削減は注意されるかもしれない。
【００４６】
最後に、図１０は、すべての長さが３０ｍｍで、直径Ｄ＝４２ｍｍ、つまり、λ_ｏが受信帯域の中央周波数において真空での波長を表す場合に約１．７λ_ｏである、直径の円で均一な間隔の８つの螺旋アレイの放射パターンを示す。
【００４７】
外部孔によって受信ソースのサイドローブを最適化することは、α＝４０°でのｈ＝２５ｍｍの最適値となる。かかる値は、送信ソースのサイドローブを最適化した場合（α＝４０°でのｈ＝２５ｍｍ）に得られる値とわずかに異なる。これらの値は、送信パターンにおけるより厳格な制約のために、好ましい送信ソースの場合に得られた値である。
【００４８】
図１１は、縦の放射ソースの代替となる実施態様を示す。この場合、ソースは円錐形の孔１３に設置された螺旋１２によって形成され、プローブ１７を介してフィードＴｘに接続される。
【００４９】
示された実施態様において、送信及び受信ソースの分極は円形であり、同じ極性であるか、又は反対の極性である。
【００５０】
当業者にとって明白であるように、螺旋１２´は、ポリロッド状の円筒形の孔に配置されうる。
【００５１】
本発明は、請求項に範囲を逸脱しない限り、多くの手法で修正されうる。
【図面の簡単な説明】
【図１】
従来技術によるカセグレンシステムの概略図である。
【図２】
図１のカセグレンシステムに対応して、解決するべき本発明の目的の一つの問題を説明する概略図である。
【図３】
本発明によるソースを含むカセグレンシステムの概略図である。
【図４ａ】
本発明の一つの実施態様によるソースシステムの断面図である。
【図４ｂ】
本発明の一つの実施態様によるソースシステムの上面図である。
【図５】
図４のシステムで使用される螺旋の詳細な断面図である。
【図６】
周波数の機能として螺旋に対する長方形導波管の接続の結果を表す曲線グラフである。
【図７】
シミュレーションのために生成されたシステムを示す、図４ａのソースシステムと同等図である。
【図８】
図７のソースシステムで実行したシミュレーションの結果を表す曲線グラフである。
【図９】
図７のソースシステムで実行したシミュレーションの結果を表す曲線グラフである。
【図１０】
図７のソースシステムで実行したシミュレーションの結果を表す曲線グラフである。
【図１１】
本発明によるソースシステムの別の実施態様を示す図である。

Claims (9)

1. 第一周波数帯域で操作する縦の放射手段（１２、１２´）と、該縦の放射手段のまわりに対称的に配置されたｎの放射要素を備えて第二周波数帯域で操作する移動波型の前記ｎの放射要素（１１）のアレイを有するカセグレンタイプのマルチリフレクターアンテナのための電磁波の送信／受信（Ｔ／Ｒ）ソースであって、前記アレイと前記縦の放射手段はおよそ共通の位相中心を有し、前記ｎの放射要素のアレイは多角形断面の導波管（１５）によって励起されることを特徴とする、ソース。
2. 前記ｎの放射要素のアレイは円形アレイであり、前記導波管は“スライスしたパイナップル”形状の孔を形成することを特徴とする請求項１に記載のソース。
3. 前記導波管（１５）は、
   

   

   式中、ｎは放射要素の数を示し、λ_ｇは操作周波数における導波の波長を表し、
   

   

   式中、λ_ｃはＴＥ_０１基本モードにおける長方形の導波管のカットオフ波長を示し、λ_ｏは真空における波長であり、ε_ｒは前記導波管を満たす誘電体の誘電率であり、及び
   

   

   式中、ａは前記長方形の導波管の幅である、
   Ｄが前記円形アレイの平均直径であるような規模を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のソース。
4. 前記Ｄは、１．３λ_ｏ＜Ｄ＜１．９λ_ｏのように選択されることを特徴とする請求項３に記載のソース。
5. 前記導波管は、１以上の誘電率の誘電体で充填されることを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載のソース。
6. 前記移動波型の前記放射要素は螺旋（１１）であることを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載のソース。
7. 前記縦の放射手段は、導波管を含む手段によって励起されており、放射軸と一致する軸を有する、縦の放射の誘電体ロッド又はポリロッド（１２）からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のソース。
8. 前記縦の放射手段は、同軸ラインを含む手段によって励起されており、前記放射軸と一致する軸を有する、螺旋形態の装置（１２´）からなることを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のソース。
9. 前記縦の放射手段は、サイドローブを減少する孔（１４）によって取り囲まれることを特徴とする請求項７又は８の何れかに記載のソース。

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