JP2005137010A - 放射開口を有するソースアンテナの改良 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、開口の内部に浮かせて取り付けられた誘電体からなる少なくとも1つのインサートを備える放射開口によって構成されるソースアンテナに関する。
【解決手段】本発明においてはアンテナは放射開口タイプのソースアンテナからなり、アンテナの内部には誘電体のインサートが設置されている。誘電体インサートを設けることによって次のことが可能となる：
１）特にインサートが本発明の特徴である、開口の横断面から見て楕円形状であることによる位相応答の対称性の構築、
２）誘電体インサートの位置および縦方向の形状を変えることによる、ソースアンテナの位相応答および強度応答の均一レンズへの適合。
【選択図】図1

Description

本発明は放射開口、特にホーンで構成されるソースアンテナに関する。本発明はさらに均一レンズタイプのフォーカスシステムと連結された本発明のソースアンテナを有するアンテナ構造に関する。

低軌道型の衛星通信システムに対しては、パラボラタイプのフォーカスシステムを使用することは適切ではない。特に、非静止衛星の軌道に対し継続追跡を確実に行うため、また前記衛星がグランドアンテナの視野方向にないときの通信障害を回避するため、少なくともある衛星から別の衛星に切り替える期間中、後者は2つの別個のビームを示さなければならない。さらにビームの角度範囲を極めて広範囲に確保しておかなければならない。

これらの問題に対処するため、ルーネベルグレンズタイプのフォーカスシステムを用いることが可能である。これはその球対称の効果によって、多くのビームを受信することが可能で、レンズの焦点面にただ送信／受信源を置くだけで広範な角度範囲にわたって衛星を追跡することができる。しかしながら、ルーネベルグレンズの実際の実現は難しく、高価である。そのためルーネベルグレンズの代用として、均一球レンズの使用を検討することとなる。

均一レンズは製造コストが低い。しかしながら、入射平面波の完全なフォーカスができない。特に光行差現象は焦点面の平面位置で顕著になる。均一レンズの場合には、パラボラまたはルーネベルグレンズによって構成されるフォーカスシステムにおいて議論される焦点（focal point）のことは問題とされず、フォーカス領域がより広がることになる焦点（focal spot）のことが問題となる。

結果的に均一レンズの出口焦点の不完全性は設計上の制約となり、関連の基本ソースアンテナをより複雑化させる。従ってこの不完全なフォーカスシステムによってもたらされる位相と強度の歪みをできる限り補償するように、均一レンズに連結されたソースアンテナの主な機能を検討しなければならない。

従ってロビュー（Robieux）理論の適用によれば、基本的なソースアンテナおよびそれと結びついたフォーカスシステムを有するアンテナシステムの効率は、ソースアンテナとフォーカスシステムの電界Eおよび磁界Hが相互に共役であるとき、最適となることがわかる。従ってソースアンテナの開口におけるフィールド分布は、フォーカスシステムのフィールド分布と強度が等しくなければならならず、その位相応答は反対位相でなければならない。

本発明はソースアンテナに関するものであって、ソースアンテナはその放射開口においてフィールド分布を得ることができ、さらにそれをフォーカスシステムによって生じたフィールド分布に重畳することができる。フォーカスシステムがパラボラタイプのシステムであるとき、解決策としてソースアンテナに対してホーンを用いることが従来より行われている。しかしながら、ホーンのようなソースアンテナの場合、E平面とH平面の対称性を確保するために採用される通常の技術は、ホーンの内側若しくは外側に横方向若しくは縦方向のファロウまたは波形を付加することであり、これによりホーンの開口の平面位置での電磁フィールドのモード分布を修正することができる。実際波形は、波形の平面位置でのガイド構造部に高ハイブリッドモードを形成し、ホーンの開口での位相応答および強度応答の調和を可能にする。

しかしながらフォーカスシステムが均一レンズのときは、フォーカスは従来のパラボラタイプのフォーカスシステム出口に比べてあまり有効ではない。従来のパラボラタイプのフォーカスシステムはずっと広いフォーカス領域に変換するからである。従って波形ホーンは均一レンズタイプのフォーカスシステムの場合には最善策であるとは言えない。

以上のことを鑑み本発明では放射開口で構成されるソースアンテナに対する別の解決策を提案する。

本発明においてはアンテナは放射開口タイプのソースアンテナからなり、アンテナの内部には誘電体のインサートが設置されている。誘電体インサートを設けることによって次のことが可能となる：
１）特にインサートが本発明の特徴である、開口の横断面から見て楕円形状であることによる位相応答の対称性の構築、
２）誘電体インサートの位置および縦方向の形状を変えることによる、ソースアンテナの位相応答および強度応答の均一レンズへの適合。特にインサートは放射開口の放射の軸Ozに沿った断面から見て凹状または凸状である。この特定の形状は光路を修正し、従って放射開口内の位相応答および強度分布を修正する。

本発明の別の特徴は放射開口がホーンで構成されることである。

第1の実施例においては、ホーンは外面が金属化された合成材料からなる発泡体ブロックで形成され、前記ブロックはインサートを受ける内部陥凹部を備える。

別の実施例においては、ホーンは、内面と外面が金属化され、内部が窪んだ合成材料からなる発泡体ブロックで構成される。

本発明はさらに、均一レンズタイプのフォーカスシステムと連結された上記のようなソースアンテナを有するアンテナ構造に関する。

本発明の他の特徴および利点は、以降の多くの実施例に付された記載を読むことで明らかになろう。この記載は添付図面の参照用に付されたものである。

図中の記載を簡単にするため、同じ構成物には同じ参照符号を付してある。

まず本発明のソースアンテナの実施例を図1ないし8を参照して説明する。この場合図1に示すように、ソースアンテナを形成する放射開口はホーン1によって構成され、ホーンは、一端に円筒部分1aを備え、その開口1bまで徐々に形状が広がっている放射材料で構成される。

本発明においてはホーン1の内部には誘電体からなるインサート2が取り付けられている。

用いられる材料は以下の市販名称で知られる材料である。

エコストックロック：誘電率1.7誘電正接0.004
エコストックロックSH-14：誘電率1.25誘電正接0.005
通常の方法では、誘電体の誘電率＞1であり、正接が十分に低く、誘電損失を最小にできるいかなる材料も使用可能であり、この材料は機械加工や鋳造が可能である。

図1の断面に明確に示されているように、誘電体インサート2は前面から見ると楕円状である。実際にはより詳しいインサートの形状は図3に示されている。図3の左側の図はインサート2の楕円面を示しており、右側は側面図であって、インサート2の縦方向の形状から端部が窪んでいることを示す。図3に与えられるインサートの寸法は後でシミュレーションに用いられる。

誘電体インサートの役割は図2に示されており、この図はそれぞれ、ホーンがインサートを持たない場合（左の図）およびホーンが楕円誘電体インサートを備える場合（右の図）の、軸Oxに沿って直線的に偏波された従来のホーンの開口において得られる位相チャートである。図から明らかなように、楕円インサートの付加によりホーンの開口における位相応答を対称にすることができる。これは放射パターンの平面位置でEおよびH平面が対称性を有するように変換する。

さらにこの対称性を得るためには誘電体インサートの形状が重要である。位相応答の対称性を確保するためにはインサートが楕円状である必要があり、インサートのない場合、楕円プロファイルはホーンの位相の非対称性をより一層強調してしまう。

さらに図3に示すように、わずかに窪んだインサートの縦方向の形状、およびホーン内のインサートの設置位置が２つのパラメータとなり、最適な方法で、所与のレンズの所望の応答に、位相応答および強度応答を合わせることを可能にする。軸Ozに沿ったインサートの設置位置は強度補正に顕著な影響を及ぼし、窪んだ形状はレンズの中央および周縁の光線間の位相シフトを抑制することを可能にする。

「フェコ（Feko）」の商標で知られるプログラムを用いて、12GHzでの軸Oxに沿った直線偏波によって励磁されるホーンを元にして、図1に示すようなホーンに楕円インサートを挿入することで得られる結果を検討した。ホーンの寸法は、誘電率が1.5で径が30cmの均一誘電レンズの照射を確実に行えるように定められる。このホーンは中央上部の放射開口の平面位置で4cmの径を有し、インサートは図3に与えられる寸法、すなわち楕円の長軸は14mm短軸は7mmであって、2つのくぼみ部間の深さは18mmで誘電率は1.4である。シミュレーションの結果は図4、5A、5B、6、7、8の各曲線で示される。図4、5A、5Bの曲線はOx軸に沿ったEフィールドの振幅、または同軸に沿ったEフィールドの位相およびHフィールドの位相を示す曲線である。各曲線をそれぞれレンズ、ホーン単体およびインサートを備えるホーンの場合で比較したとき、誘電体インサートの付与によって、ホーン出口のフィールド分布を焦点の平面位置でのレンズの分布に適合できること、さらに同様のことが位相および強度の場合にも言えることがわかる。

さらに位相応答の対称性は図6および7に示すように変化し、放射パターンが著しく改善される。なお図6の場合はインサートのないホーンの放射パターンを表し、図7の場合はインサートを備えるホーンを表している。これらの図において、楕円インサートはEおよびH平面の応答を対称にすると同時にサイドローブの平面位置を下げることがわかる。

従って図8に示すように、インサートはサイドローブを著しく低下させるとともに、応答の顕著な改善をもたらし、広帯域動作の実現を可能にする。

次に本発明の実施例であるホーンタイプのソースアンテナの多くの実施例について図9ないし13を参照して説明する。

図9に示すように、ホーンは外部金属部11と、内部金属部12とを有する内側に窪んだ発泡ブロック10によって構成され、ホーンの内部には空気が充填されている。この場合、浮遊インサートは、図9には示されていない、ホーンの内部に設けられた溝に固定される。

図10には発泡技術を利用したホーンの別の実施例を示す。この場合ホーンは、フレア部分まで伸びる円筒部分を有するように形成された合成材料からなる発泡固体ブロックにより構成される。この場合発泡ブロック20の外面は金属化され、ソースアンテナを形成する。

発泡ホーンは市販の以下の名称の材料から構成されても良い：
ロハセル71：誘電率1.09誘電正接0.0038、または
エコストックPP：誘電率範囲1.03ないし1.1誘電正接0.0002
図10に記載したような、金属化発泡ブロックによって構成されるホーンについての多くの代わりの実施例を図11、12および13を参照して次に説明する。

図11の場合、発泡ブロック30はその外面に金属部31を備える。さらにホーン30の開口側は凹状の窪み32を備え、ここには図3において説明したようなタイプの形状を有する誘電体で構成されるインサート33を挿入することが可能である。このインサートはわずかに窪んだ形状となっており、中央放射線と周縁の放射線との位相シフトを低減することができる。

図12に示されているのは図11のホーンと同様のホーン40である。ホーンはその外面に金属部41を備え、その開口平面位置に窪み部42を有し、そこには誘電体インサート43を挿入することが可能である。しかしながらこの実施例ではインサート43は凸状となっており、逆に中央部の放射線と周縁部の放射線の位相シフトを増大させる。

図13は発泡ブロック50によって構成されたホーンの別の実施例であり、その外面は金属層51で被覆されている。この場合、いくつかの誘電インサート53Aおよび53Bが用いられ、EおよびH平面の応答を対称化させる。図13に示すように発泡ブロック50は、誘電体からなる第1の中央インサート53Aを受ける中央の窪み部52Aと、環状リング53Bの形のインサートを受ける環状溝52Bとを備える。この場合、中央のインサートは焦点のコアの面位置でのひずみを補正し、環状リング形状の周囲のインサートは放射開口の外平面位置でのフィールド分布を適合させることができる。

上記の実施例は単なる例示として提供されており、多くの方法での変更が可能であることは当業者にとって明らかである。特に放射開口の形状は図に示したホーンに限定されるものではない。これはいかなる他の形状でも良く、特にピラミッドホーン形状または他の既知の形状の放射開口であっても良い。同様に誘電体のインサートも上述の形状以外の形状であっても良い。特に楕円形は円状に変更されても良く、輪郭は凹状または凸状とは異なる形状であっても良い。

誘電体インサートを備えるホーンタイプのソースの横断面図と縦断面図である。 インサートのないホーンの場合およびインサートを備えるホーンの場合の位相チャート図である。 インサートの形状の前面図および側面図である。 レンズに対する

軸に沿ったEフィールドの強度、ホーン単体およびインサートを備えるホーンのEフィールドの強度を示す曲線である。
軸

に沿ったHフィールドの位相についての図4と同様の曲線である。
軸

に沿ったEフィールドの位相についての図4と同様の曲線である。
インサートを備えないタイプのホーンのソースアンテナのEおよびＨ平面における放射パターンを示す図である。 インサートを備えたタイプのホーンのソースアンテナのEおよびＨ平面における放射パターンを示す図である。 16GHzでの多くの放射パターンを示す図である。 第1の実施例のホーンの概略図である。 第2の実施例のホーンの概略図である。 本発明のインサートを備えたホーンの実施例の断面図である。 第2の実施例の場合の図11と同様の断面図である。 第3の実施例の場合の図11および12と同様の断面図である。

符号の説明

1 ホーン
1b 開口部
1a 円筒部分
2 誘電体インサート
10 発泡ブロック
11 外部金属部
12 内部金属部
20 発泡ブロック
30 発泡ブロック
31 金属部
32 窪み
33 インサート
40 ホーン
41 金属部
42 窪み
43 インサート
50 発泡ブロック
51 金属層
52A 窪み
52B 環状溝
53A 中央インサート
53B 環状インサート

Claims (8)

1. 放射開口によって構成されるソースアンテナであって、前記放射開口（1）の内部に浮かせて取り付けられた誘電体からなる少なくとも1つのインサート（2）を備えることを特徴とするソースアンテナ。
2. 前記インサートは前記放射開口の横断面から見て楕円形であることを特徴とする請求項1に記載のソースアンテナ。
3. 前記インサートは、前記放射開口の放射の軸（Oz）に沿った断面から見て、凹状または凸状であることを特徴とする請求項1または2に記載のソースアンテナ。
4. 前記インサートは必要な強度補正のため、前記放射開口の放射の軸（Oz）に沿って、前記放射開口の内部に置かれていることを特徴とする請求項1ないし3のいずれかに記載のソースアンテナ。
5. 前記放射開口はホーンによって構成されることを特徴とする請求項1ないし4のいずれかに記載のソースアンテナ。
6. 前記ホーンは外面が金属化された合成材料からなる発砲ブロックで構成され、前記ブロックは前記インサートを受ける内部陥凹部を備えることを特徴とする請求項5に記載のソースアンテナ。
7. 前記ホーンは、内面および外面が金属化され内側に窪んだ合成材料の発砲ブロックで構成されることを特徴とする請求項5に記載のソースアンテナ。
8. 請求項1ないし7のいずれかに記載のソースアンテナを有し、均一レンズタイプのフォーカスシステムと連結されたアンテナ構造。

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