JP2006246271A

JP2006246271A - ホーンアンテナ

Info

Publication number: JP2006246271A
Application number: JP2005061730A
Authority: JP
Inventors: Takenao Wada; 武尚和田; Shigeru Matsumoto; 茂松本; Yasuhiro Kazama; 保裕風間; Shoji Ishizaki; 庄治石崎; Katsutoshi Nihei; 勝利仁平; Tetsuya Shiromizu; 哲也白水
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2005-03-07
Filing date: 2005-03-07
Publication date: 2006-09-14

Abstract

【課題】ホーンアンテナにおいて、簡単な構造付加により、垂直面指向性における主要ｎｕｌｌのレベルアップを行う。
【解決手段】ホーンアンテナの開口端縁部のうち電界面と交わる端部に開口外側へ向け折り曲げ部を設ける。折り曲げ部の端部では端部電流が流れ回折波を生じる。この回折波を２次波源として、ホーンからの主放射に干渉させ合成して、折り曲げ部がないときの垂直面指向特性中の或る俯仰角におけるレベル落ち込みを少なくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波帯において用いられるホーンアンテナ（例えば、導波管アンテナ、電界面セクトラルホーン、ピラミダルホーン、バイコニカルホーン等）の技術分野に属する。

ＦＷＡ（Fixed
Wireless Access System）などの基地局のアンテナとして、広帯域特性を有する、導波管アンテナ、セントラルホーン、ピラミダルホーン、バイコニカルホーン等のホーンアンテナを電界面が垂直面（垂直偏波）になるようにして用いている。
特開２０００−１３４０３３号公報（図１）和田、松本、風間、馬場、「広帯域ＦＷＡ基地局用アンテナ」（Ｂ−１−９０）、電子情報通信学会２００４年総合大会講演論文集、電子情報通信学会、平成１６年３月８日、ＩＳＳＮ１３４９−１３７７、Ｐ．１３０電子通信学会、「アンテナ工学ハンドブック」、第１版、オーム社、昭和５５年１０月３０日、Ｐ．１５４〜１５６

一般にホーンアンテナでは、電界面と交わる端部に電流が集中して回折が生じる。
従って、ホーンアンテナを垂直偏波で用いた場合に、前記ホーン端部の回折効果によって、アンテナの垂直面内指向特性にリップルや回り込みによる後方へ放射が生じる。ＦＷＡなどの基地局用アンテナには、加入者局の位置に依ることなく受信電力が一定となるコセカント自乗曲線に沿った放射パータンが求められるが、このリップルの極少点（ｎｕｌｌ点）では受信電力が低下し、このｎｕｌｌ点に相当する俯仰角では通信の安定性が低下するという問題があった。また、後方への放射が大きいと後方の他局との間で通信干渉するという問題があった。

本発明の課題は、簡単な構造の改良によりｎｕｌｌ点における受信電力の低下を減少、または後方への放射を抑圧したホーンアンテナを提供することである。

上記の課題を解決するため、本発明の基本構成（第１の構成）は、ホーンアンテナの、電界面と交わる開口端縁部に開口外側へ向けての折り曲げ部を設ける構成としたものである。

第２の構成は、ホーンアンテナとしての導波管アンテナの開口端のＨ面端部に、上記折り曲げ部を設けたものである。

第３の構成は、電界面セクトラルホーンアンテナの開口端のＨ面端部に上記折り曲げ部を設けたものである。

第４の構成は、ピラミダルホーンアンテナの開口端のＨ面端部に上記折り曲げ部を設けたものである。

第５の構成は、バイコニカルホーンアンテナの円形端部に上記折り曲げ部を設けたものである。

一般にホーンのＥ面（電界面）端部では、電流が集中し、回折が生じる。そこで、ホーン端部を折り曲げ、その折り曲げた部分の先端部で生ずる回折波を２次波源とすることで、ホーンからの主放射と折り曲げ部先端部からの２次放射を合成させることにより全体の指向性を形成する。

本発明のホーンアンテナは、電界面と交わる開口端縁部に開口外側へ向けて折り曲げ部を有しているので、この折り曲げ部分先端で２次放射が生じ、これが主放射に合成されることにより、全体としての指向特性を変えることができる。
この場合、折り曲げ部の幅や折り曲げ角度を変えると、２次放射が主放射に与える影響も変化するので望ましい指向性、例えば第２ｎｕｌｌ点のレベル低下を少なくした指向性や、後方への放射を抑圧した指向性が得られるように調整することができるという利点がある。

このように、折り曲げ部の端部電流からの放射を干渉（合成）させることによって、主放射の部分的な改善を図ろうとするときには、端部電流による放射レベルと干渉（合成）される部分の放射レベルが同程度である方が効果が上がり望ましい。

この点、まず寸法が小さい低利得用のアンテナでは、ビーム幅が大きく各方向に放射されるエネルギーが小さいので、端部電流が相対的に大きなものとなるためこの端部電流を使用して指向性を操作する自由度が与えられる。一方で高利得を得るためにアンテナの寸法（開口）を大きくしていくと、端部の電流は開口部に比べて相対的に小さくなるため、主放射方向においては端部の影響は小さくなる。しかし、高利得のアンテナにおいては主放射方向にエネルギーが集中する一方でその他の方向は急峻にレベルが低下するため、端部電流からの放射と同程度のエネルギーになる角度が存在し、その方向において干渉による改善効果が期待できる。
いずれにしても、折り曲げ部を設けることにより指向特性を改善できるという利点がある。

本発明の実施の形態としては、ホーン開口形状が、導波管アンテナ、Ｅ面セクトラルホーン、又は、ピラミダルホーンのように矩形であるか、或いはバイコニカルホーンのように円筒状になっているホーンアンテナが、折り曲げ部を設け易く最良である。
また、折り曲げ部の寸法や折り曲げ角度は最終的には実験によって得られた望ましい数値で、ホーンと一体的に作成するのが最良である。
以下、２，３の実施例について図面を参照して説明する。

図１はＥ面セクトラルホーン２の例である。
（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のｙｚ断面で見た断面図である。
即ち、矩形導波管からＨ面の幅は同じままで、Ｅ面のみ扇形に開いた形状のホーンである。ホーン開口部のＥ面と交わる上側端部に折り曲げ部１Ａを設け、下側端部に折り曲げ部１Ｂが設けられている。

図２は、図１のＥ面セクトラルホーン２を周波数２５ＧＨｚで、図１の（ｂ）の長さＬを４．５λ、高さＨを３λとし、折り曲げ部１Ａ，１Ｂの高さ寸法ｄを０、λ／４（３ｍｍ）、λ／２（６ｍｍ）としたときの、φ＝９０度方向における、垂直面（Ｅ面）指向性図である。
横軸は、図１の（ｂ）における俯仰角θの度数である。
縦軸は、θ＝９０度のときの電力を０ｄＢとした比較レベル値である。
グラフの細実線は、折り曲げ部１Ａ，１Ｂがない場合、即ち、ｄ＝０ｍｍの場合の曲線である。グラフの太実線は、ｄ＝３ｍｍのときの曲線であり、点線はｄ＝６ｍｍのときの曲線である。破線は、比較参考までに示したコセカント２乗特性の曲線である。

この指向性図によれば、細実線（ｄ＝０ｍｍ）の曲線の４５度および１３５度近くの落ち込み（第２ｎｕｌｌ点）が、折り曲げ部を設けた場合の太実線および点線ではおよそ３ｄＢ程上昇しており、改善が認められる。
垂直指向性において、水平方向に対して、仰角４５度、俯角４５度近傍の利得改善は実用上非常に有益である。

また、後方（２７０度方向）を見ると、ｄ＝０ｍｍ、３ｍｍ、ではおよそ−２５ｄＢの放射レベルがｄ＝６ｍｍでは−３５ｄＢと１０ｄＢも低減し、折り曲げによる後方放射の抑圧効果が確認できる。すなわち、本セクトラルホーンアンテナの場合、ｄ＝６ｍｍとすることで第２ｎｕｌｌ点レベルの改善と後方放射の抑圧を同時に達成できる利点がある。

図３はθ＝４５度近傍の第２ｎｕｌｌ点の周波数特性図である。
やはり、中心周波数付近の２５．５ＧＨｚ近傍で、ｄ＝０ｍｍの場合に較べて、ｄ＝３ｍｍ、ｄ＝６ｍｍの場合はおよそ３ｄＢの改善が認められる。θ＝１３５度近傍の第２ｎｕｌｌ点についてもほぼ同様の結果が得られる。

図４は、バイコニカルホーン３の例である。
（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は、（ａ）のｙｚ断面で見た断面図である。
円錐形の軸を一致させてその頂点同士を突き合わせた形状であり、上側の円周部に折り曲げ部１Ａを設け、下側の円周部に折り曲げ部１Ｂを設けている。
今、円周部の半径をＲとし、円周から円周までの寸法を高さＨとする。また、折り曲げ部１Ａ，１Ｂの寸法を（ｂ）に示すようにｄとする。

図５は、図４のバイコニカルホーン３について、周波数２５ＧＨｚで、半径Ｒ＝５λ、高さＨ＝３λとしたときの、ｄ＝０ｍｍ，３ｍｍ，６ｍｍの３つの場合についての垂直面（Ｅ面）指向性図である。
横軸は、図４の（ａ）のｚ軸を基準とする俯仰角θの度数である。
縦軸は、θ＝９０度又は−９０度のときの電力を０ｄＢとした比較レベル値である。
グラフの細実線は折り曲げ部１Ａ，１Ｂがない場合、即ち、ｄ＝０ｍｍの場合の曲線である。グラフの太実線は、ｄ＝３ｍｍのときの曲線であり、点線は、ｄ＝６ｍｍのときの曲線である。破線は、比較参考までに示したコセカンド２乗特性の曲線である。

この指向性図によれば、細実線（ｄ＝０ｍｍ）の曲線の±４５度近傍に存在する第２ｎｕｌｌ点のレベルが、折り曲げ部を設けた場合の太実線および点線の曲線ではおよそ６ｄＢ程上昇しており、改善が認められる。

図６は、θ＝４５度近傍の第２ｎｕｌｌ点の周波数特性図である。
やはり、折り曲げ部のない場合（ｄ＝０ｍｍ）には中心周波数近傍の２５．６ＧＨｚではｎｕｌｌが大幅に落ち込んでいるが、折り曲げ部を設けた（ｄ＝３ｍｍ，６ｍｍ）場合には、同周波数での落ち込みは少なく１２〜１３ｄＢ位の改善が見られ、また広い周波数範囲に渡って改善が認められ、良好な特性のアンテナが得られる。

図７はその他の実施例で、（ａ）はピラミダルホーン４の斜視図で、Ｅ面と交差する開口端部に折り曲げ部１Ａ，１Ｂを設けた例である。
（ｂ）は導波管アンテナ５の斜視図であり、同じくＥ面と交差する開口端部に折り曲げ部１Ａ，１Ｂを設けた例であり、いずれも垂直面指向性の改善に効果を現している。

本発明のＥ面セクトラルホーンの実施例の構成図である。図１のＥ面セクトラルホーンの垂直面指向性図である。図２の垂直指向性図における第２ｎｕｌｌ点の周波数特性図である。本発明のバイコニカルホーンの実施例の構成図である。図４のバイコニカルホーンの垂直面指向性図である。図５の垂直面指向性図における±４５度近傍の第２ｎｕｌｌ点の周波数特性図である。本発明のピラミダルホーンおよび導波管アンテナの実施例の構成図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ折り曲げ部
２Ｅ面セクトラルホーン
３バイコニカルホーン
４ピラミダルホーン
５導波管アンテナ

Claims

電界面と交わる開口端縁部に開口外側へ向けての折り曲げ部を設けたことを特徴とするホーンアンテナ。
ホーンアンテナが導波管アンテナであることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ。
ホーンアンテナが電界面セクトラルホーンアンテナであることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ。
ホーンアンテナがピラミダルホーンアンテナであること特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ。
ホーンアンテナがバイコニカルホーンアンテナであることを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ。