JP2006115063A

JP2006115063A - 一次放射器および一次放射器の設計方法

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Publication number: JP2006115063A
Application number: JP2004298614A
Authority: JP
Inventors: Ko Tsuchida; 航土田
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2004-10-13
Filing date: 2004-10-13
Publication date: 2006-04-27

Abstract

【課題】取り付けられるフィドームの機械的強度が十分であると共にそれがアンテナ特性に与える影響が小さい一次放射器、およびその設計方法を提供する。
【解決手段】一次放射器１は、円筒導波管ＴＥ₁₁モードを励振する円筒導波管１４、円錐ホーン１２、および誘電体板によって形成される半波長厚フィドーム１０から構成される。半波長厚フィドーム１０の厚みｔは、放射する電磁波の誘電体内波長の半分の長さに対応して決定される。また、一次放射器１の開口面Ｓから位相中心Ｐまでの距離は、放射する電磁波の波長の半分の長さより短くなるよう決定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射鏡アンテナ等に適用される開口面にフィドームを設けた一次放射器およびそのような一次放射器の設計方法に関する。

反射鏡アンテナ等に用いられる一次放射器には、雨水や埃などの進入を防ぐため、誘電体などで形成された電磁波透過性の保護部材が取り付けられる。この保護部材は、フィードームと呼ばれる。一次放射器は、フィドームがアンテナ給電端における定在波比特性、放射指向性に影響を与えないよう、その構造が決定されることが望ましい。

そのため、図１２（ａ）に示すように、放射する電磁波の波長よりも十分薄くした板状のフィドーム９０を開口面に設けた一次放射器３が従来から用いられてきた。この一次放射器３では、円筒導波管ＴＥ₁₁モードを励振する円筒導波管１４に円錐ホーン１２を設け、円錐ホーン１２の開口面Ｓにフィドーム９０を設けた構成となっている。フィドーム９０を薄くすることで電磁波の伝搬に与える影響を低減し、定在波比特性の劣化および放射指向性の劣化を低減することができる。しかしながら、マイクロ波帯で設計される場合にあってはフィドーム９０が非常に薄くなってしまい、十分な機械的強度が得られないという問題があった。

そこで、図１２（ｂ）に示すように、一次放射器を構成するホーンアンテナの位相中心Ｐから等距離の点集合で定義される曲面に、電磁波の誘電体内波長の半分に相当する厚さのフィドーム９２を設けた一次放射器４が考え出された。ここで誘電体内波長とは、フィドーム９２を形成する誘電体内を伝搬する電磁波の波長をいい、以下、その他のフィドームについても同様とする。この一次放射器４では放射される電磁波がフィドーム９２の表面に垂直に入射するため、フィドーム９２による半波長共振を利用することで位相中心Ｐへ電磁波を反射させることなく電磁波を放射することができる。しかしながら、フィドーム９２を曲面で構成する必要があるため構造が複雑となり、設計製造コストの観点から不利であるという問題がある。また、放射する電磁波の誘電体内波長の半分がフィドーム９２の厚みと一致する周波数においてのみ所望の特性が得られるように設計されるため、使用可能な周波数帯域が狭くなってしまうという問題がある。

また、図１２（ｃ）に示すように、開口中心部の厚みを放射する電磁波の誘電体内波長の半分の整数倍としたフィドーム９４を設けることで、フィドームの機械的強度を高めるとともに、定在波比特性および放射指向性を良好に維持した一次放射器５が、特開平９−３６６３４号公報に開示されている。この一次放射器５では、フィドーム９４の開口中心部の構造が複雑になり、設計製造コストの観点から不利であるという問題がある。

特開平９−３６６３４号公報

図１２（ｂ）に示す一次放射器４および図１２（ｃ）に示す一次放射器５では、図１２（ａ）に示す一次放射器３よりもフィドームの機械的強度が高められる。しかしながら、いずれの一次放射器も、設計製造コストの観点からは不利であるという問題点を有する。

本発明はこのような課題に対してなされたものであり、取り付けられるフィドームの機械的強度が十分であると共にフィドームがアンテナ特性に与える影響が小さい一次放射器、およびその設計方法を提供する。

本発明は、開口面に誘電体板を備える、ホーン状に形成された一次放射器であって、前記誘電体板の厚みは、放射する電磁波の誘電体内波長の半分の長さに対応して決定され、一次放射器の開口面から位相中心までの距離は、放射する電磁波の波長の半分の長さより短くなるよう決定されることを特徴とする。

また、本発明に係る一次放射器においては、一次放射器の開口面から位相中心までの距離が、一次放射器の入力定在波比および指向性に基づいて決定されることが好適である。

また、本発明に係る一次放射器は、ホーン内側に円環状の突起部を設けたコルゲートホーン状に形成されることが好適である。

また、本発明は、開口面に誘電体板を備える、ホーン状に形成された一次放射器の設計方法であって、前記誘電体板の厚みを、放射する電磁波の誘電体内波長の半分の長さに対応して決定するステップと、一次放射器の開口面から位相中心までの距離を、放射する電磁波の波長の半分の長さより短くなるよう決定するステップと、を含むことを特徴とする。

また、本発明に係る一次放射器の設計方法においては、一次放射器の開口面から位相中心までの距離を、一次放射器の入力定在波比および指向性に基づいて決定するステップを含む設計方法とすることが好適である。

本発明によれば、取り付けられるフィドームの機械的強度が十分であると共にフィドームがアンテナ特性に与える影響が小さい一次放射器を実現することができる。また、フィードームを取り付けることによって指向性を良好にした一次放射器を実現することができる。

図１は本発明の一実施形態である一次放射器１の構成を示す。この一次放射器１は、円筒導波管ＴＥ₁₁モードを励振する円筒導波管１４に円錐ホーン１２を取り付けた構造となっており、円錐ホーン１２の開口面Ｓには誘電体板によって形成された半波長厚フィードーム１０が設けられている。半波長厚フィードーム１０は、放射する電磁波の誘電体内波長の半分に相当する厚みｔを有する。

一般に、開口面にフィドームを有する一次放射器は、フィドームの存在によって定在波比特性や指向性が劣化する。本実施形態の一次放射器１は、開口面Ｓから位相中心Ｐまでの距離を調整することで、定在波比特性および指向性が半波長厚フィードーム１０によって悪影響を受けないように構成される。

ここで、アンテナの位相中心とは、アンテナに定義された指向性面でアンテナを切断したときの断面である指向性断面上の点であって、その点を中心とする指向性面に含まれる円の円周上での放射電磁波の位相が一定となるような点をいう。指向性面内での放射特性を考える限りにおいては、アンテナから放射される電磁波については、位相中心に設けられた無指向性点波源から励振されたものとして幾何光学的な考察を適用することができる。

図２に示すように、供試アンテナ３２から放射される電磁波を測定アンテナ３４で受信し、その受信波の位相を位相測定受信機３６で測定することで供試アンテナ３２から放射される電磁波の位相を測定する位相測定系３０を考える。供試アンテナ３２の指向性断面上の位相中心を中心として、供試アンテナ３２を指向性面内で回転させながら放射される電磁波の位相を測定すると、測定される電磁波の位相は一定となる。

逆に、位相中心の位置が未知であるアンテナの位相中心の位置を図２の位相測定系３０によって知ることができる。アンテナの指向性断面上の任意の点を中心として、当該アンテナを指向性面内で回転させながら放射される電磁波の位相を測定する。このようにして測定された位相と、アンテナを回転させた角度との関係から、位相中心が当該回転中心とした任意の点からどの方向にどれだけ離れた所にある点であるのかを知ることができる。

位相中心は１つの指向性断面内に１点存在し、定義された指向性面によって位相中心の位置は異なる。例えば、円筒導波管ＴＥ₁₁モードで励振された円錐ホーン１２の場合、指向性としてはＥ面指向性とＨ面指向性とが定義されるが、位相中心は、Ｅ面指向性に対するもの（以下、Ｅ面位相中心とする）とＨ面指向性に対するもの（Ｈ面位相中心とする）とでアンテナ上での位置が異なる。

次に、本実施形態の一次放射器１の動作原理について説明する。以下では、一次放射器１から電磁波が放射される場合に着目して説明するが、アンテナの相反性から、一次放射器１で電磁波が受信される場合については電磁波の伝搬方向を逆にしたものとして説明することができる。図１の一次放射器１は、その位相中心Ｐが開口面Ｓから距離ｄを隔てた位置に存在するよう円錐ホーン１２が構成される。ここに、ｄは放射する電磁波の波長の半分の長さより小さくすることが好適である。

位相中心Ｐの位置を調整するには、一次放射器１に適用される円錐ホーン１２の形状を変形させればよい。例えば、開口面Ｓの半径を放射する電磁波の１波長分とするという条件の下で図３のように定義されるセミフレア角θを調整すれば、開口面Ｓから位相中心Ｐまでの距離ｄを調整することができる。図４にはセミフレア角θとＥ面位相中心との関係、およびセミフレア角θとＨ面位相中心との関係の計算結果を示す。円筒導波管１４は直径１９．０５ｍｍのものを用いるものとし、放射される電磁波の周波数は１２．５ＧＨｚ、すなわちその波長を２４ｍｍとした。また、位相中心Ｐの開口面Ｓからの距離ｄについては、放射される電磁波の波長で規格化している。

このように、位相中心Ｐを開口面Ｓの近傍に設けることで、半波長厚フィードーム１０を開口面Ｓに取り付けた場合であっても、一次放射器１の給電端Ｉにおける定在波比特性を良好に維持することができる。その理由を図５を参照して説明する。上述の位相中心の定義から、給電端Ｉから入射され一次放射器１から放射される電磁波は、位相中心Ｐに設けられた無指向性点波源から放射されたものと等価である。一次放射器１の給電端Ｉにおける定在波比は、位相中心Ｐから放射された電磁波が半波長厚フィードーム１０を形成する誘電体板において反射し、再び位相中心Ｐに到来することによって増加、すなわち劣化する。半波長厚フィードーム１０の厚みｔは電磁波の誘電体内波長の半分としているため、円錐ホーン１２の伝搬軸方向の電磁波ａは、厚み方向の共振伝送によって開口面Ｓから半波長厚フィードーム１０を介して外部空間に放射される。しかしながら、その他の電磁波については共振条件が成立しないため、半波長厚フィードーム１０の内面Ｂ_Iおよび外面Ｂ_Oで円錐ホーン１２の側に反射する。このように反射した電磁波は、位相中心Ｐに再び到来することはなく、円錐ホーン１２と半波長厚フィードーム１０との間を多重反射し、やがては共振条件が成立する入射角を以て半波長厚フィードーム１０に入射し、外部空間に放射される。

図１２（ｂ）に示す一次放射器４では、位相中心Ｐに仮想的に設けられた無指向性点波源から放射された電磁波は、放射する電磁波の周波数がフィドーム９２の厚み方向の共振条件から数１０パーセントずれた場合においても、フィドーム９２の表面に垂直に入射する。したがって、周波数離調に起因して発生する反射波は、そのまま位相中心Ｐに到来することになるので、離調時の定在波比が増大する。一方、本実施形態の一次放射器１においては、数１０パーセントの周波数離調によって、位相中心Ｐに到来する反射波は増加しないため、定在波比は良好に維持される。その理由は、電磁波が半波長厚フィードーム１０で反射し、円錐ホーン１２と半波長厚フィードーム１０との間を多重反射し、やがては共振条件が成立する入射角を以て半波長厚フィードーム１０に入射するという放射条件が、わずかな周波数離調によっても成立するためである。これによって、所望の定在波比を広帯域で実現することができる。

本実施形態の一次放射器１においては、位相中心Ｐを開口面Ｓの近傍に設けることで、給電端Ｉにおける定在波比特性を改善しているが、位相中心Ｐが開口面Ｓに近づくことで指向性が鈍化することが懸念される。しかしながら、次に説明する半波長厚フィードーム１０における屈折の効果により、このような指向性の鈍化を回避することができる。

図６に示すように位相中心Ｐから放射された電磁波は、スネルの法則に従って内境界Ｂ_Iおよび外境界Ｂ_Oにおいて屈折して伝搬し、電磁波の伝搬経路が円錐ホーン１２の伝搬軸側へ移動する。例えば、半波長厚フィードーム１０の比誘電率を２．１、入射角を３０度とすれば、電磁波の伝搬経路は外境界Ｂ_Oにおいて０．１波長だけ円錐ホーン１２の伝搬軸側へ移動する。これによって、一次放射器１の指向性を円錐ホーン１２の伝搬軸近傍に集中させることができる。この効果は、特に円錐ホーン１２の開口面Ｓの外縁に近いほど大きく、反射鏡アンテナに適用した場合には、反射鏡に照射される電磁波の分布を一様にすることができる。

次に、本実施形態の一次放射器１の構成を定在波比特性および指向性に基づいて決定する具体的な手順について述べる。ここで、使用周波数帯は１２．２５ＧＨｚから１２．７５ＧＨｚであり、目標とする定在波比は１．２未満であるものとする。使用する円筒導波管１４は直径が１９．０５ｍｍのものであり、円錐ホーン１２の開口半径は使用周波数帯の中心周波数１２．５ＧＨｚ（以下、設計中心周波数とする。）における１波長分である２４ｍｍとした。半波長厚フィードーム１０を形成する誘電体板には比誘電率が２．１のものを用い、その厚みｔは設計中心周波数における誘電体内波長の半分の長さである８．３ｍｍとした。以下、１波長とは、設計中心周波数に対する波長を基準としたものをいう。

図７は開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離ｄを０．３３波長、０．６４波長、および０．７４波長とした場合の定在波比周波数特性のシミュレーション結果を示す。この３種類のｄの値に対する特性のうち、ｄが０．３３波長の場合に定在波比が目標値１．２未満となる周波数帯域が最も広くなることがわかる。図７から開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離ｄが小さい程、定在波比が目標値１．２未満となる周波数帯域が広くなることが予想され、それをシミュレーションによって示したものが図８に示す開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離ｄと定在波比との関係である。図８から、開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離が半波長未満であれば、２０パーセントより広い帯域が得られることがわかる。

図７の特性は、半波長厚フィードーム１０の厚みｔを設計中心周波数の電磁波の誘電体内波長の半分である８．３ｍｍとした場合のものである。この特性をｄが０．３３波長の場合についてみると、定在波比が目標値１．２未満となる周波数帯域は十分広いものの、定在波比が最小となる周波数は１３ＧＨｚ付近と、設計中心周波数よりも高域側にある。そこで、半波長厚フィードーム１０の厚みｔをやや厚くすることで、定在波比が最小となる周波数を設計中心周波数に合わせ込むことができる。図１の一次放射器１では、開口面Ｓで発生する高次モードや半波長厚フィードーム１０を形成する誘電体板の損失等の影響によって、電磁波の誘電体内波長の半分が半波長厚フィードーム１０の厚みｔと一致する周波数において定在波比が最小とはならない場合がある。このような場合であっても、半波長厚フィードーム１０の厚みｔをわずかに変化させることで、所望の周波数において定在波比が最小となるよう調整することができる。

次に、指向性について考慮する。図９（ａ）から図９（ｃ）は、開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離ｄを、それぞれ０．３３波長、０．６４波長、０．７４波長とした場合のＨ面指向性のシミュレーション結果を示す。実線は半波長厚フィードーム１０を取り付けた場合の特性、破線は半波長厚フィードーム１０を取り付けない場合の特性を示す。これより、ｄが０．３３波長の場合において、０度方向（円錐ホーン１２の伝搬軸方向）から４０度の方向までの間は、半波長厚フィードーム１０による屈折効果、すなわち指向性を円錐ホーン１２の伝搬軸近傍に集中させる効果が現れていることがわかる。また、ｄが０．６４波長または０．７４波長の場合にあっても、半波長厚フィードーム１０を取り付けた場合の指向性の劣化は見られない。

以上のことから、開口面ＳからＨ面位相中心Ｐまでの距離を、放射する電磁波の半波長未満、より好ましくは０．３３波長未満とすることで、目標の定在波比特性を実現し、かつ半波長厚フィドーム１０が指向性に悪影響を与えない一次放射器１を構成することができるといえる。なお、開口面ＳからＥ面位相中心までの距離は、図４からわかるように、開口面ＳからＨ面位相中心までの距離よりも小さい。したがって、一次放射器１の構成を決定するに際しては、Ｈ面位相中心について考慮すれば十分である。

本実施形態の一次放射器１は、図１０に示すパラボラアンテナ５０に適用することが好適である。このパラボラアンテナ５０の反射鏡部５２は、放物面の一部を切り取った形状を有し、一次放射器１は放物面の焦点の位置にコンバータ５４と共に支持腕５８によって固定される。反射鏡部５２を放物面の一部分としているので、仰角の大きい方向へ指向性を設定した場合でも、反射鏡部５２の開口面Ｒの法線の仰角を小さく抑えることができ、積雪や雨水の滞留を回避することができる。

衛星等から放射された電磁波は、反射鏡部５２で反射され一次放射器１で受信される。コンバータ５４は受信した電磁波を周波数変換し、受信信号として同軸ケーブル５６を介して受信機（図示せず）に入力する。衛星放送では、円偏波が用いられるため、図１のように円錐ホーン１２および円筒導波管１４によって構成される一次放射器１を適用することが好適である。なお、本実施形態の一次放射器１は、反射鏡部５２が放物面の一部を切り取った形状を有するパラボラアンテナ５０のような、いわゆるオフセットパラボラアンテナのみならず、一般的な反射鏡アンテナにも適用できることはいうまでもない。

次に、その他の実施形態について説明する。上述のことから、半波長厚フィードームを開口面に設けた一次放射器においては、位相中心をできるだけ開口面に近づけることで良好な定在波比特性および指向性が得られることは明らかである。位相中心が開口面に近いホーンアンテナとしては、コルゲートホーンアンテナがあり、これを適用した一次放射器２の構成を図１１に示す。コルゲート円錐ホーン７０は、図１１に示すようにホーン内側に円環状の突起部７２を設けたものであり、円環状の突起部７２の数やその形状によって指向性を調整することができる。一般に、コルゲートホーンアンテナは、ホーン内側に円環状の突起部を設けない通常のホーンアンテナと比較して、位相中心が開口面に近いため、本発明に適用するホーンアンテナとして好適である。

本発明は、矩形ホーン形状など一般的なホーン形状を有する一次放射器についても適用可能である。一般のホーン形状を有する一次放射器については、まず指向性面を定義し、その指向性面内における位相中心を求める。位相中心は、電磁界シミュレーションによって求めることも可能であるし、図２に示した位相測定系３０を用いて測定によって求めることも可能である。次に、開口面に半波長厚フィードームを取り付けた場合における定在波比および指向性が所望の特性となるように、開口面と求められた位相中心との間の距離を決定しつつ、一次放射器の形状を決定すればよい。

以上、本発明の実施形態について説明した。本発明はここでとりあげられた実施形態になんら限定されるものではなく、本発明の要旨の範囲内で様々な実施形態が可能であることはいうまでもない。

本発明の実施形態の一次放射器の構成を示す図である。供試アンテナから放射される電磁波の位相を測定するための測定系を示す図である。円錐ホーンのセミフレア角の定義を示す図である。セミフレア角と、開口面から位相中心までの距離との関係の計算結果を示す図である。位相中心に仮想的に設られた無指向性点波源から放射される電磁波の様子を示す図である。位相中心から放射された電磁波の伝搬経路が移動する様子を示した図である。定在波比の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。開口面からＨ面位相中心までの距離と、定在波比が１．２未満となる周波数帯域幅との関係のシミュレーション結果を示す図である。一次放射器のＨ面指向性のシミュレーション結果を示す図である。本発明の実施形態の一次放射器を用いたパラボラアンテナの構成を示す図である。コルゲートホーンを用いた一次放射器の構成を示す図である。フィドームを備えた一次放射器の従来構成を示す図である。

符号の説明

１，２，３，４，５一次放射器、１０半波長厚フィドーム、１２円錐ホーン、１４円筒導波管、３０位相測定系、３２供試アンテナ、３４測定アンテナ、３６位相測定受信機、５０パラボラアンテナ、５２反射鏡部、５４コンバータ、５６同軸ケーブル、５８支持腕、７０コルゲート円錐ホーン、７２突起部、９０，９２，９４フィドーム。

Claims

開口面に誘電体板を備える、ホーン状に形成された一次放射器であって、
前記誘電体板の厚みは、放射する電磁波の誘電体内波長の半分の長さに対応して決定され、
一次放射器の開口面から位相中心までの距離は、放射する電磁波の波長の半分の長さより短くなるよう決定されることを特徴とする一次放射器。
請求項１に記載の一次放射器であって、
一次放射器の開口面から位相中心までの距離は、一次放射器の入力定在波比および指向性に基づいて決定されることを特徴とする一次放射器。
請求項１または請求項２に記載の一次放射器であって、
ホーン内側に円環状の突起部を設けたコルゲートホーン状に形成されることを特徴とする一次放射器。
開口面に誘電体板を備える、ホーン状に形成された一次放射器の設計方法であって、
前記誘電体板の厚みを、放射する電磁波の誘電体内波長の半分の長さに対応して決定するステップと、
一次放射器の開口面から位相中心までの距離を、放射する電磁波の波長の半分の長さより短くなるよう決定するステップと、
を含むことを特徴とする一次放射器の設計方法。
請求項４に記載の一次放射器の設計方法であって、
一次放射器の開口面から位相中心までの距離を、一次放射器の入力定在波比および指向性に基づいて決定するステップを含むことを特徴とする一次放射器の設計方法。