JP2006217459A

JP2006217459A - リング付きホーンアンテナ、円筒ホーンアンテナ、アンテナシステム

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Publication number: JP2006217459A
Application number: JP2005030137A
Authority: JP
Inventors: Masahiko Adachi; 政彦足立; Hiroyuki Omine; 裕幸大嶺
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-02-07
Filing date: 2005-02-07
Publication date: 2006-08-17
Anticipated expiration: 2025-02-07
Also published as: JP4241636B2

Abstract

【課題】これらのアンテナは構成が複雑であり、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ帯）程度以上の比較的高い周波数では、アンテナが小さくなり、バイコニカルアンテナではスロット、４線巻ヘリカルアンテナでは給電部の製作が困難になる。この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ帯）程度以上の比較的高い周波数を使用する場合でも簡易な構造で、ブロードな指向性を有するアンテナを提供することを目的とする。
【解決手段】本発明に係わるリング付きホーンアンテナは、円形導波管の一端を開放した円筒ホーンアンテナと、前記円筒ホーンアンテナの外周部に設けられる反射リングと、を備え、送受信する電波の波長をλとしたときに、前記円筒ホーンアンテナの開放部から前記反射リングの表面までの距離Ｌｄがλ／４の概奇数倍である。
【選択図】図1

Description

この発明は、リング付きホーンアンテナ、円筒ホーンアンテナ、アンテナシステムに関するものである。

例えば衛星搭載用で、衛星の動作状態を知らせるためのテレメトリ信号送信及び地上からのコマンド信号受信のために用いられるテレメトリ・コマンドアンテナは、衛星の姿勢のいかんにかかわらず信号回線を保たなければならないため、ブロードな指向性が要求される。ブロードな指向性を有するアンテナとして、バイコニカルアンテナ（例えば、非特許文献１）や４線巻ヘリカルアンテナ（例えば、特許文献１）が実用化されている。

電子情報通信学会編「アンテナ工学ハンドブック」オーム社、昭和５５年１０月３０日、ｐ３２６−３２８特開２００４−２５４１６８号公報（第１図）

これらのアンテナは構成が複雑であり、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ帯）程度以上の比較的高い周波数では、アンテナが小さくなり、バイコニカルアンテナではスロット、４線巻ヘリカルアンテナでは給電部の製作が困難になる。

この発明は、係る課題を解決するために成されたものであり、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ帯）程度以上の比較的高い周波数を使用する場合でも簡易な構造で、ブロードな指向性を有するアンテナを提供することを目的とする。

本発明に係わるリング付きホーンアンテナは、円形導波管の一端を開放した円筒ホーンアンテナと、前記円筒ホーンアンテナの外周部に設けられる反射リングと、を備え、送受信する電波の波長をλとしたときに、前記円筒ホーンアンテナの開放部から前記反射リングの表面までの距離Ｌｄがλ／４の概奇数倍である。

本発明に係わる円筒ホーンアンテナは、円形導波管の一端を開放した円筒ホーンアンテナにおいて、前記円筒ホーンアンテナの内壁に固着され、前記円筒ホーンアンテナの中心方向に向かうリッジを備えるものである。

本発明に係わるアンテナシステムは、円筒ホーンアンテナの他端に、円形導波管／方形導波管変換器を接続するものである。

本発明によれば、簡単な構造でブロードな指向性を有するアンテナを提供できる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１を示すリング付きホーンアンテナ１００の概略構成図を示す。図１において、円筒ホーンアンテナ１は円形導波管の一端を開放したものである。反射リング２は円筒ホーンアンテナ１の外周部に設けられている。

ここで、円筒ホーンアンテナ１の開口部から反射リング２の表面までの距離をＬｄとし、電波の波長をλとしたときに、Ｌｄはλ／４の概奇数倍とする。通常、Ｌｄはλ／４の３または、５倍を中心に数十％程度増減させることが優れるが、詳細はリング付きホーンアンテナ１００の特性を勘案しながら、Ｌｄを決定すればよい。つまり、Ｌｄはλ／４の概略３倍または概略５倍が優れるが、詳細はリング付きホーンアンテナ１００の特性を勘案しながら、Ｌｄを決定すればよい。もちろん、５倍を越える奇数倍でもよい。

以下、送信を例に取って説明する。リング付きホーンアンテナ１００において、送信信号は円筒ホーンアンテナ１の開放部から放出される。放出された送信信号の一部は、円筒ホーンアンテナ１の外壁部分に沿って図１紙面下側に行き、反射リング２で反射され反射波１１０となる。

反射波１１０は、図１に示すθ＝０°方向に放射される直接波１１１と逆相となる。これは、Ｌｄがλ／４の概奇数倍のため、反射波１１０と直接波１１１との位相差はλ／２の概奇数倍となるためである。

θ＝０°では反射波１１０と、直接波１１１とは逆相であるため波の重ね合わせにより、打ち消し合いθ＝０°方向のアンテナ利得は低くなる。

逆に、反射リング２から放射される反射波１１２と円筒ホーンアンテナ１の開口から放射される直接波１１３がθ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向で同相に重なり合うようにすることで、θ＝±θｏ方向の利得を高くなる。

このようにして、広角までブロードな指向性３が得られる。なお、Ｌｄがλ／４の概略１倍の場合は、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離が短くなり、反射波１１０が期待できないため、Ｌｄはλ／４の概略３倍以上が優れる。

以上は送信を例に取って説明したが、アンテナは可逆性が成り立つため、受信の場合も同様にブロードな指向性が得られる。

また、電界が集中する構造がないため、放電を起こしにくく、耐電力性に優れている。

さらに、円筒ホーンアンテナ１は円形導波管の一端を開放したものであるため、Ｋｕ帯（１２ＧＨｚ帯）程度以上の比較的高い周波数を使用する場合でも製作が可能である。

図２は別な実施例のリング付きホーンアンテナ１００の概略構成図を示す。図２は、反射リング２に高さＬｈのリム４を設けたリング付き反射リング１２０を備えるものである。リム４は、反射リング２の最外周に設けられる一種の壁である。リム４は、送信信号が発射される方向に伸びている。

図３は、図２に示すリング付きホーンアンテナ１００の断面図を示す。リング付き反射リング１２０の裏面に流れる電流１２１のパスが、リム４が無いときと比較して長くなるため、リング付き反射リング１２０の裏面に流れる電流を低減できる。結果として、後方への電波の放射（バックローブ）を低減できる。

バックローブはアンテナが取り付けられる構造物（例えば衛星搭載用アンテナであれば、衛星構体やアンテナ周辺の搭載機器）での電波の反射・散乱を発生させ、アンテナの指向性に乱れを発生させるため、なるべく低減させることが望ましい。つまり、リム４を設けることにより、バックローブが低減でき優れる。

図４はリム付き反射リング１２０の有無の違いによるアンテナの指向性（放射パターン）測定値の比較例である。図４において、半径方向は利得を示している。この例では、リム付き反射リング１２０がある場合は、無しの場合と比べてθ＝０°方向の利得が小さく、その分広角角度方向の利得が大きくなっており、よりブロードな指向性を有していることが分かる。また、反射リング有りの場合は無しの場合と比べてバックローブが低減されていることが分かる。

図５は反射リング２の半径Ｌｒとリム４の高さＬｈを固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄを変えた時の、θ＝０°方向の利得の変化を示した解析例である。

ここでは、利得が低くなっている領域（利得の谷５）が存在するが、これらの領域はＬｄがλ／４の３倍及び５倍（Ｌｄ＝ｎλ／４としたときｎ＝３，５）の部分である。つまり、Ｌｄはλ／４の概奇数倍とすると、θ＝０°方向のアンテナ利得は低くなる。

図６はリム４の高さＬｈを図５と同じ値に固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄと反射リング２の半径Ｌｒを変えた時の、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向の利得の変化を示した解析例である。

ここでは、利得が高くなる領域（利得の山６）が存在するが、これらの領域はＬｄがλ／４の３倍及び５倍（Ｌｄ＝ｎλ／４としたときｎ＝３，５）の部分である。つまり、Ｌｄはλ／４の概奇数倍とすると、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向のアンテナ利得は高くなる。

また、図６によれば、Ｌｄをλ／４の３倍または５倍としたとき、θ＝０゜方向の利得を低くするために適する反射リング２の半径Ｌｒが存在する。Ｌｒは、Ｌｄの長さを勘案しθ＝０゜方向の利得が低くなるように、設計により適当に決定すればよい。

以上より、図５、図６の例では、Ｌｄをλ／４の概奇数倍に設定し、Ｌｒを適切な値に設定することで、θ＝０°方向では利得が低くなり、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向では高い利得が得られることが分かる。

図７は反射リング２の半径Ｌｒを適切な値に固定し、さらにリム４の高さＬｈをｘ，ｙいずれかの値に固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄを変えた時の、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向の利得の変化を模式的に示した図である。つまり、図６の横一列を示した図である。

ＬｈがＸであっても、Ｙであっても利得が最大を示すＬｄの長さは同じである。また、Ｌｈの値によって、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）の利得の大きさが異なることが分かる。

以上より、所望広角方向の利得を最も高くするＬｄ、Ｌｒ、Ｌｈの最適値があることが分かる。そして、その最適値はＬｄがλ／４の概奇数倍に選び、Ｌｈ、Ｌｒを適切な値にすることで得られる。このようにして、所望広角角度方向で利得が高いブロードな指向性３が得られる。

図８は別な実施例のリング付きホーンアンテナ１００の概略構成図を示す。ここでは、円筒ホーンアンテナ１の外周部に反射リング２を２重に付加している。反射リング２により、ブロードな指向性が得られる。更に、反射リング２の裏面に流れる電流がさらに低減されるため、バックローブを抑圧できる。又、リングを２重にし、且つこの２つのリングのリムにてチョークが構成すると、更なるバックローブの低減を図ることができる。

ここでは、リム４を追加した反射リング２を２重に付加した例を示したが、反射リング２を３重以上に付加しても同様な効果が得られる。

更に、別な実施例を図９に示す。図９は図１に示す反射リング２をスカート状反射リング７に変更すると共に、チョーク８を設けたものである。スカート状反射リング７は反射リング２を円筒ホーンアンテナ１の開放している方向と反対側に傾斜させたものである。つまり、図９の紙面下方向に傾斜させたものである。反射リング２を傾斜させたスカート状反射リング７を設けることにより、反射リング２よりも放射波を更に広角方向に反射させることができる。

また、チョーク８を設けることにより、ブロードなビームに影響を与えずに、裏面への放射を更に抑圧するものである。もちろん、スカート状反射リング７にリム４を設けても良い。また、チョーク８は必要に応じてはずしても良い。

以上の様に、本発明によれば、簡単な構造でブロードな指向性を有するアンテナを提供できる。

実施の形態２．
図１０は円筒ホーンアンテナ１の半割り断面図の概略構成図である。円筒ホーンアンテナ１の内壁に固着され、円筒ホーンアンテナ１の中心方向に向かうテーパ型リッジ９を備えている。テーパ型リッジ９は、複数備えても良い。図１０においては、テーパ型リッジ９は円筒ホーンアンテナ１の開放方向が大きいテーパとなっている。

円筒ホーンアンテナ１の開口径を小さくすることにより、放射パターンはブロードとなる。しかし、単純に開口径を小さくしてしまうと、導波管のCut off周波数に近づいてきて、電波が放射されない。そこで、テーパ型リッジ９を取り付けることにより、開口径が小さくてもカットオフ周波数を低くすることができ、放射が可能になる。

リッジの長さLaは、電波の波長をλとしたときλの整数倍（ｎ倍）とする。図１１は、リッジの長さLaに対するカットオフ周波数の関係例を示している。図１１において縦軸は、カットオフ周波数を示し、横軸はテーパ型リッジ９の幅Lbを示す。図１１に示すように、Ｌbを大きくすることにより、よりカットオフ周波数を低くすることができる。

図１０では、円筒ホーンアンテナは一例として円形としたが、矩形ホーンや楕円ホーンであってもよい。

図１２は、円筒ホーンアンテナ１の半割り断面図の概略構成図である。図１２はテーパを有するテーパ型リッジ９を方形にした直線型リッジ１０を備えるものである。テーパ型リッジ９では入力インピーダンスの整合を取るためにｎλの長さが必要であった。

直線型リッジ１０は、長さLa1をλの１／４とすることで、開口部からの反射を打ち消すことができ、小型化が可能となる。また、直線型リッジ１０にてカットオフ周波数を低くすることができる。

図１３は円筒ホーンアンテナ１の半割り断面図の概略構成図である。ここでは、テーパ型リッジ９と直線型リッジ１０と組み合わせている。つまり、円筒ホーンアンテナの開口に近い方に直線型リッジ１０を備え、それに接続する形でテーパ型リッジ９を備えている。つまり、図１３は、テーパ型リッジ９と直線型リッジ１０とが組み合わされている。もちろん、テーパ型リッジ９と直線型リッジ１０とこれらを組み合わせたものが存在していても良い。

これは、直線型リッジ１０にてカットオフ周波数を低くし、テーパ型リッジにて入力インピーダンスの整合を取る構成である。更に、直線型リッジ１０の長さLa1および、テー型リッジ９の長さLa2をλの１／４とすることで開口部からの反射を打ち消すことができ、広帯域化を図ることができる。また、テーパ型リッジ９の長さを短くすることができ、小型化が可能となる。

また、直線型リッジ１０の幅Lbを適当な長さにすることで、円筒ホーンアンテナ１を磁気壁とすることができる。この構成は等価的にコルゲートホーンと同じ原理になり、電界ベクトルをほぼ直線状にすることができ、交差偏波を低減することができる。

図１４は、直線型リッジ１０の幅Lbに対する軸比を示している。Lbを大きくすることにより軸比を改善できており、交差偏波を低減できていることが分かる。

これらの円筒ホーンアンテナ１に実施の形態１で示した反射リング２、リム４、スカート状反射リング７、チョーク８を備えても良い。

実施の形態３．
図１５から図１７はこの発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態３を示す概略構成図である。図１５は、リング付きホーンアンテナ１００を構成する円筒ホーンアンテナ１の開口とは反対側に円形導波管／方形導波管変換器１１を接続するアンテナシステム１３０である。

円形導波管／方形導波管変換器１１はよく知られた導波管ステップによる構造等を用いればよい。これにより、送受信機とアンテナを結ぶ伝送線路を円形導波管より一般的な方形導波管１２で構成することが可能となる。また、方形導波管１２に同軸導波管変換器を接続し、伝送線路をケーブル等の同軸線路で構成することも容易にできる。

図１６は、リング付きホーンアンテナ１００を構成する円筒ホーンアンテナ１の開口とは反対側に円偏波発生器１３を接続するアンテナシステム１３０である。円偏波発生器１３は、円形導波管に接続できればどのような構造をしていてもよい。

図１７は、リング付きホーンアンテナ１００を構成する円筒ホーンアンテナ１の開口とは反対側に円偏波発生器１３と円形導波管／方形導波管変換器１１を直列に接続するアンテナシステムである。これにより、送受信機とアンテナを結ぶ伝送線路を円形導波管より一般的な方形導波管１２で構成し、かつリング付きホーンアンテナは円偏波を送受信できるようになる。また、方形導波管８に同軸導波管変換器を接続し、伝送線路をケーブル等の同軸線路で構成することも容易にできる。

以上のように、リング付きホーンアンテナは、方形導波管と接続することができる。

この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態１を示す概略構成図である。この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態１を示す概略構成図である。図２に示すリング付きホーンアンテナ１００の断面図を示す図である。リム付き反射リングの有無の違いによるアンテナの指向性（放射パターン）測定値の比較例である。反射リング２の半径Ｌｒとリム４の高さＬｈを固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄを変えた時の、θ＝０°方向の利得の変化を示した解析例である。リム４の高さＬｈを図５と同じ値に固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄと反射リング２の半径Ｌｒを変えた時の、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向の利得の変化を示した解析例である。反射リング２の半径Ｌｒを適切な値に固定し、さらにリム４の高さＬｈをｘ，ｙいずれかの値に固定して、円筒ホーンアンテナ１の開口から反射リング２の表面までの距離Ｌｄを変えた時の、θ＝±θｏ（θｏ：所望広角角度）方向の利得の変化を模式的に示した図である。この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態１を示す概略構成図である。図１に示す反射リング２をスカート状反射リング７に変更すると共に、チョーク８を設けたものである。この発明による円筒ホーンアンテナの実施の形態２を示す概略構成図である。リッジの長さLaとカットオフ周波数の関係を示した図である。この発明による円筒ホーンアンテナの実施の形態２を示す概略構成図である。この発明による円筒ホーンアンテナの実施の形態２を示す概略構成図である。リッジの長さLbmと軸比の関係を示した図である。この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態３を示す概略構成図である。この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態３を示す概略構成図である。この発明によるリング付きホーンアンテナの実施の形態３を示す概略構成図である。

符号の説明

１円筒ホーンアンテナ、２反射リング、３指向性、４リム、５利得の谷、６利得の山、７スカート状反射リング、８チョーク、９テーパ型リッジ、１０直線型リッジ、１１円形導波管／方形導波管変換器、１２方形導波管、１３円偏波発生器、１００リング付きホーンアンテナ、１１０反射波、１１１直接波、１１２反射波、１１３直接波、１２０リング付き反射リング、１２１裏面に流れる電流、１３０アンテナシステム。

Claims

円形導波管の一端を開放した円筒ホーンアンテナと、
前記円筒ホーンアンテナの外周部に設けられる反射リングと、を備え、
送受信する電波の波長をλとしたときに、前記円筒ホーンアンテナの開放部から前記反射リングの表面までの距離Ｌｄがλ／４の概奇数倍であるリング付きホーンアンテナ。
前記概奇数の値が概略３倍または概略５倍である請求項１に記載のリング付きホーンアンテナ。
前記反射リングの周方向に配置されているリムを備える請求項１または請求項２に記載のリング付きホーンアンテナ。
前記リムは、前記反射リング上に複数備える請求項３に記載のリング付きホーンアンテナ。
前記反射リングが前記円筒ホーンアンテナの開放している方向と反対側に傾斜している請求項１から請求項４のいずれかに記載のリング付きホーンアンテナ。
前記反射リングを複数備える請求項１から請求項５のいずれかに記載のリング付きホーンアンテナ。
円形導波管の一端を開放した円筒ホーンアンテナにおいて、
前記円筒ホーンアンテナの内壁に固着され、前記円筒ホーンアンテナの中心方向に向かうリッジを備える円筒ホーンアンテナ。
前記リッジを複数備える請求項７に記載の円筒ホーンアンテナ。
前記リッジは、方形である請求項７または請求項８に記載の円筒ホーンアンテナ。
前記リッジは、円形導波管の開放方向が大きいテーパを有する請求項７または請求項８に記載の円筒ホーンアンテナ。
前記リッジは、方形部分とテーパ部分を有する請求項７または請求項８に記載の円筒ホーンアンテナ。
請求項７から請求項１１のいずれかに記載の円筒ホーンアンテナと、
前記円筒ホーンアンテナの外周部に設けられる反射リングと、を備え
送受信する電波の波長をλとしたときに、前記円筒ホーンアンテナの開放部から前記反射リングの表面までの距離Ｌｄがλ／４の概奇数倍であるリング付きホーンアンテナ。
請求項１から請求項６または請求項１２のいずれかに記載のリング付きホーンアンテナの他端に、円形導波管／方形導波管変換器を接続するアンテナシステム。
請求項１から請求項６または請求項１２のいずれかに記載のリング付きホーンアンテナの他端に、偏波発生器を接続するアンテナシステム。
請求項１から請求項６または請求項１２のいずれかに記載のリング付きホーンアンテナの他端に、円偏波発生器と円形導波管／方形導波管変換器とを直列に接続するアンテナシステム。
請求項７から請求項１１のいずれかに記載の円筒ホーンアンテナの他端に、円形導波管／方形導波管変換器を接続するアンテナシステム。
請求項７から請求項１１のいずれかに記載の円筒ホーンアンテナの他端に、偏波発生器を接続するアンテナシステム。
請求項７から請求項１１のいずれかに記載の円筒ホーンアンテナの他端に、円偏波発生器と円形導波管／方形導波管変換器とを直列に接続するアンテナシステム