JP2005531947A

JP2005531947A - 水平及び垂直のコルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ

Info

Publication number: JP2005531947A
Application number: JP2004508448A
Authority: JP
Inventors: リオボシオ，カルロスデル; ガルシア，ラモンゴンザーロ; カンピオン，ダビドゴニ; バリナス，ホルヘテニエンテ
Original assignee: ウニベルシダッドプブリカデナバラ
Priority date: 2002-05-24
Filing date: 2003-05-16
Publication date: 2005-10-20
Also published as: EP1508939A1; AU2003227767A1; ES2204288B1; US20060044202A1; US7091923B2; WO2003100907A1; CA2486792A1; ES2204288A1

Abstract

本発明は、水平及び垂直の隆起部を組み合わせたホーンアンテナに関するものである。本発明のアンテナは、２つの十分に異なる部分、即ち、水平の、言い換えれば、伝播軸に対して平行な隆起部を有するアンテナを形成する第１部分と、垂直の、言い換えれば、伝播軸を横断する方向の隆起部を有する第２部分を備えている。好ましくは、両方の部分の隆起部の配列における開口には、ガウス又は線形関数を採用可能である。

Description

本開示による構成要素は、ミリメートル波及びマイクロ波周波数のエネルギーを導波する電磁システム内に包含され、導波路内に存在する任意の電磁場をガウス構造に最適に合わせるものである。

現在のアプリケーションにおいては、通信システムに含まれるアンテナが満たさなければならない性能に対する要求は、それらが陸上リンクであるか、衛星を介したリンクであるかを問わず、益々厳しいものになっている。

より小さなレベルのサイドローブが要求されており、これは、要すれば、それらが、所望の放射方向におけるパワーの実効損失を意味しているためであり、同時に、サービスの需要増大により、偏波ダイバーシティを使用して２つの信号を識別することによる周波数の再使用が必要になっている。この事実により、非常に低い交差偏波レベルを具備することに関心が集まっており、これは、要すれば、異なる偏波を使用する同一周波数のこれら２つの可能な信号間における分離の尺度である。

又、これら２つの電磁的な側面に加えて、大部分の場合に、このタイプのアンテナは、衛星に装着しなければならないため、これらのアンテナのサイズも重要なパラメータである。

通常、電磁エネルギーの印加に対応する良好な放射特性は、それらが、ガウスプロファイル（R.Gonzalo, J.Teniente and C.del Rio, “Very Short and Efficient Feeder Design for Monomode Waveguide”Proceedings IEEE AP-S International Symposium, Canada, July 1977;C.Del Rio, R.Gonzalo and M.Sorolla, “High Purity Beam Excitation by Optimal Horn Antenna”, Proceedings ISAP'96, Chiba, Japan）を具備しているか、或いはその他のタイプの既に既知であって広く使用されている設計技法（A.D.Olver、P.J.B.Clarricoats, A.A.Kishk and L.Shafai, “Microwave Horns and Feeds”, IEE Electromagnetic waves series 39, The Institution of Electrical Engineers, 1994 and A.W.Rudge, K.Milne, A.D.Olver and P.Knight, “The Handbook of Antenna Design”, IEE Electromagnetic waves series 15 and 16, The Institution of Electrical Engineers、1982）を具備しているかに拘らず、より短いコルゲート構造アンテナを使用することにより、実現することができよう。

これまで使用されているコルゲートホーンアンテナの主な欠点は、突然の内部半径の変化により、アンテナの性能が大幅に低下してしまう点にある。このため、滑らかなフレア角をアンテナが具備するようにしなければならず、この結果、それが線形であるかどうかに拘らず、プロファイルが長いものになってしまう。

又、コルゲートホーンアンテナの第１部分内に、インピーダンス整合ユニットの形で、コルゲート構造の深さ整合器を内蔵しなければならず、この結果、第１コルゲート構造は、滑らかな円形導波アパーチャ半径と整合するように、必然的にアパーチャ半径よりも多少大きな深さを具備することになる。そして、その開始点において、構成要素がこれらの深いコルゲート構造を具備しているという事実により、製造プロセスが複雑なものになってしまうのである。

本発明によれば、これら２つの観点（電磁的及び形状的な観点）から優れた解決法が提供される。更には、アパーチャの近傍（内部半径が相対的に小さい部分）に垂直コルゲート構造が含まれていないため、製造が格段に容易になり、簡単な数値制御機械による機械加工によって製造することができる。

このタイプのアンテナのアパーチャは、単一モードの滑らかな円形導波管タイプの導波路と整合していなければならず、この唯一の可能なモードは、基本モードとして周知のＴＥ₁₁である。

本発明は、機械的な複雑性を伴わない水平コルゲート構造をアパーチャにおいて有するアンテナにあり、その第１部分において、非常に短い長さで、アンテナの内部半径を顕著に増大させることができる。通常は、アンテナの内部半径の増大に加えて、縦方向も増大させる必要があるが、特定のアプリケーションによれば、回転軸方向における増大をまったく伴わない水平コルゲート構造を有する第１部分も可能である、即ち、装置の長さに関してなんの犠牲も払うことなしに、半径が増大する。

アンテナの第１部分におけるこのような設計により、略規定された放射特性を有すると共に、ガウスタイプの伝播を横断する方向の電磁界分布に対するある類似性を有するアパーチャガイドよりも大きな半径の電磁界分布が実現することになる。

本発明のアンテナ設計の目標は、好ましくは、ガウスプロファイルに従って規定された、但し、必ずしもこれを必要としない、垂直コルゲート構造を有する第２部分を含んでいる。この結果、９９％を上回る純度の基本ガウスビームを生成するまで、アンテナの第１部分の放射特性を改善することができる。

水平及び垂直コルゲート構造の深さは、いずれも、一定に維持可能であるが、装置の回転軸に沿って、これを変化させることも可能である。

この結果、サイドローブの実際的な消失と、非常に低い交差偏波がもたらされる。その一方で、このように設計されたアンテナの長さは、同様の電磁的性能を有する従来技術によって設計されたその他のアンテナと比べて、格段に短い。

以下の説明を十分に理解できるように、２つの図面が添付されており、これらには、一例として、水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたアンテナの実際的な一実施例が示されている。

このタイプのアンテナの具体的な実施例を検討するために、基本モードＴＥ₁₁から始まる単一モードの円形導波管タイプに焦点を合わせる。

図示のごとく、図１には、このタイプのアンテナの断面図が示されており、水平コルゲート構造（伝播軸に対して平行なコルゲート構造）が、この場合には、直線によって規定されているが、第１部分に示されており、垂直コルゲート構造（伝播を横断する方向のコルゲート構造）、この場合には、ガウスプロファイルのアンテナ断面によって規定されている垂直コルゲート構造を有する第２部分が示されている。

この特定の設計における周波数は、ｆ＝９．６５ＧＨｚであり、合計アンテナ長は、１９４ｍｍ（即ち、６．２波長であって、λ＝ｃ／ｆ＝３１ｍｍであり、ｃ＝３＊１０＾８は、自由空間における光の速度である）である。アパーチャ半径は、１１．７ｍｍであり、出力半径は、８１．２ｍｍである。

水平コルゲート構造は、２ｍｍの歯幅と７ｍｍの深さで、５ｍｍの周期を具備している。垂直コルゲート構造は、７ｍｍの周期、３ｍｍの歯幅、及び８．８ｍｍの深さを具備している。

第１部分は、２５１の傾斜を有する線形関数に従って分布するコルゲート構造を具備している。

一方、第２部分は、次のタイプのガウス関数によって規定されている。

ここで、α＝０．７２５であり、ｒ₀は、２つの部分の接続の半径であって、約３９ｍｍであり、λは、以前に規定されている３１ｍｍの波長である。

図２には、これらのパラメータ及び寸法によって規定されるこのアンテナの放射特性が示されている。最大値に対して４０ｄＢより下に減少したサイドローブレベルと、交差偏波が示されている。

この新しいタイプのアンテナは、優れた放射特性を有する非常に短く且つ軽いアンテナであることから、宇宙及び陸上通信の両分野において、特に適用可能である。

本明細書において提示したアンテナにより、マイクロ波及びミリメートル波帯域の周波数を使用する多くの通信アプリケーションにおいて現在使用されている従来のホーンアンテナを直接置換することにより、アンテナの電磁的な性能が改善されるのみならず、同時に、システム全体のサイズと合計重量を削減することが可能である。

水平及び垂直コルゲート構造を有するアンテナの縦断面図を示している。この構成要素は、水平軸を中心とする回転対称性を具備しており、従って、この構成要素は、この単一の断面図によって完全に規定されている。Ｅ、Ｈ、及び４５°面の正偏波セクションと、４５°に対応する最大逆偏波構成要素セクションにおける図１に対応するアンテナの計測放射図を示している。このアンテナが回転対称性を具備しているため、この図も、この同一の対称性を具備している（但し、この場合には、この表現法に伴い、回転軸は、ｙ軸（グラフ左側の垂直軸）に対応することになる）。

Claims

自由空間において、単一モードの円形導波管のＴＥ₁₁モード（基本モード）を基本ガウスモードに或いは、この逆方向に変換するモード変換器から構成される、水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナであって、
２つの十分に異なる部分から構成されており、この第１部分は、水平の、即ち、伝播軸に対して平行なコルゲート構造を有するアンテナであり、第２部分は、垂直の、即ち、前記伝播軸を横断する方向のコルゲート構造を有していることを特徴とする水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第１部分には、線形関数に応じたアパーチャ又は前記水平コルゲート構造の配列の変化が提供されていることを特徴とする請求項１記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第１部分には、前記伝播軸の長手方向に伝播する際のガウスビームの拡大に応じたアパーチャ又は前記水平コルゲート構造の配列の変化が提供されていることを特徴とする請求項１記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第１部分には、次の式（１）によって規定されたアパーチャ又は前記水平コルゲート構造の配列の変化が提供されている請求項１記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナであって、

ここで、αは、前記変換器の最大傾斜を制御するパラメータであり、ｒ₀は、前記アンテナの前記アパーチャ半径であり、λは、次の比率（２）によって周波数に応じて算出された波長であり、

ここで、ｆは、動作周波数であり、ｃは、前記装置を充填する媒質内における光の速度である水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第２部分には、線形関数に応じたアパーチャ又は前記垂直コルゲート構造の配列の変化が提供されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第２部分には、伝播軸に沿って伝播する際のガウスビームの拡大に応じたアパーチャ又は前記垂直コルゲート構造の配列の変化が提供されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記第２部分には、次の式（１）によって規定されたアパーチャ又は前記垂直コルゲート構造の配列の変化が提供されている請求項１〜４のいずれか一項記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナであって、

ここで、αは、前記変換器の最大傾斜を制御するパラメータであり、ｒ₀は、前記第１スパンの出力半径であって、これは、前記第２スパンのアパーチャに等しく、λは、次の比率（２）によって周波数に応じて算出された波長であり、

ここで、ｆは、動作周波数であり、ｃは、前記装置を充填する媒質内における光の速度である水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。
前記コルゲート構造の深さが、前記装置の回転軸に沿って変化することを特徴とする請求項１〜７のいずれか一項記載の水平及び垂直コルゲート構造を組み合わせたホーンアンテナ。