JP2008516555A - 同時多帯域のリング焦点反射器アンテナ‐広帯域フィード - Google Patents

Abstract

コンパクトな多帯域アンテナシステム（５００）が、互いにスペクトル的にオフセットされた複数の周波数帯域で動作可能な当該アンテナの視準軸のまわりの成形された回転面をもつ主反射器（５０２）を含む。当該アンテナの視準軸のまわりの成形された回転面として形成された副反射器（３０４）およびホーンアンテナ（３０２）を含む多帯域フィードシステム（３００）が主反射器のために設けられる。該ホーン・アンテナは、当該アンテナの視準軸（３１０）に揃った方向に延在するホーン・アンテナののど領域（３１４）に配置された一つまたは複数のうね（３１２）をもつ。ホーン・アンテナは、副反射器を定義する成形された回転面に結合される。

Description

近年、複数の周波数帯で同時に動作できるマイクロ波衛星通信アンテナのための需要がますます増えるようになっている。複数帯域のための単一の同軸フィードが望まれる状況では、既存のシステムパフォーマンス仕様を維持することは困難でありうる。

Durham et al.への米国特許第6,211,834B1号（以下Durham）は多帯域の成形されたリング焦点アンテナに関する。Durhamでは、交換可能な、多様な形状の、密な近接結合した（close proximity-coupled）副反射器‐フィード対の対がそれぞれ異なるスペクトル周波数帯域での動作のために使用される。副反射器／フィード対をスワップにより外せば、アンテナの動作帯域が変わる。したがって、そのシステムはスペクトル的にオフセットされた周波数帯域上での同時動作を提供しない。

リング焦点アンテナのための多帯域動作を提供するための一つのアプローチは、同軸アンテナフィードの使用に関わる。これらの種類のフィードは典型的には、第一の導波管フィードを第二の導波管フィード内に同軸的に配置することに関わる。第二の導波管フィードはいくつかの事例では、特有の断面形状のテーパーをもつコルゲートホーン（corrugated horn）である。コルゲートホーン・アンテナは典型的にはアンテナの内壁に沿って円周状のスロットすなわちコルゲートを含む。コルゲートホーン・アンテナのもう一つの利点は、なめらかな壁面をもつホーン・アンテナに比べてより大きな帯域幅で動作できるということである。それでも、特有の形をもつホーンを使用するこれらの種類の同軸フィードはあらゆる帯域の組み合わせについて好適ではない。

第二の種類の多帯域リング焦点フィードはハイブリッド・ホーン・システムである。これらの種類のフィードも、第一のホーンが第二のホーン内に同軸的に位置されたものを使う。ハイブリッド・ホーン・フィード・システムの一つの特有の特徴は、第一および第二の同軸ホーンがリング焦点アンテナの副反射器と相互作用する独特な仕方に関係する。特に、外側の同軸ホーンと副反射器との間の相対間隔は１波長程度より短く選択できる。このように位置されると、副反射器は外側ホーンの近接場内である。外側同軸ホーンと副反射器は、結合配位（coupled configuration）において動作していると言われる。逆に、内側同軸ホーンと副反射器との間の相対間隔は８波長程度より大きくでき、よって副反射器は内側ホーンに対しては遠距離場に位置される。したがって、内側同軸ホーンおよび副反射器は分離配位（de-coupled configuration）で動作していると言われる。多帯域動作のためのこれらのハイブリッド・ホーン・フィードはいくつかの帯域組み合わせについては成功を収めてきたが、すべてではない。

多帯域のリング焦点アンテナを提供するためのいま一つの解決策は、共位置の複数の副反射器または共位置の複数の主反射器をもつアンテナの使用に関わる。これらの設計は、既存の主反射器を利用することが望ましい場合か、あるいは設計上の要求が特に複雑な周波数プランに関わる場合に特に有用であることを実証してきた。しかしながら、共位置の副反射器または共位置の主反射器のための設計は通例周波数選択面（FSS: frequency selective surfaces）および軽量材料に関わる。したがって、これらの種類のシステムは製造するのが比較的高価でありうる。

本発明は、コンパクトな多帯域アンテナシステムであって、互いにスペクトル的にオフセットされた複数の周波数帯域で動作可能な当該アンテナの視準軸のまわりの成形された回転面をもつ主反射器を含むアンテナシステムに関する。たとえば、主反射器および／または副反射器を定義する成形された回転面は、非線形な回転面の形であってもよい。当該アンテナの視準軸のまわりの成形された回転面として形成された副反射器およびホーン・アンテナを含む多帯域フィードシステムが主反射器のために設けられる。該ホーン・アンテナは、当該アンテナの視準軸に揃った方向に延在するホーン・アンテナののど領域に配置された一つまたは複数のうね（ridge）をもつ。たとえば、視準軸に揃えて第二のうねが第一のうねと反対側に設けられる。あるいはまた、ホーン・アンテナののど領域は、視準軸のまわりに等間隔の角度間隔で配置されたうね４つを含むこともできる。

ここで記載されるホーン・アンテナは、当該アンテナの視準軸上の副反射器の頂点から空隙によって隔てられた第一の位置に設置されることができる。空隙は有利には、前記スペクトル的にオフセットされた周波数帯域のそれぞれでの４波長よりも短くして、ホーン・アンテナが副反射器と結合配位で動作するように選択できる。より具体的には、ホーン・アンテナの開口が副反射器を定義する成形された回転面に結合されることができる。結果として、多帯域フィードシステムは、前記複数の周波数帯のそれぞれにおいて主反射器を照射するための焦点リングを定義できる。

ある代替的な実施形態では、本発明は、二つ以上のスペクトル的にオフセットされた周波数帯でリング焦点アンテナにフィードするための方法をも含むことができる。本方法は、当該リング焦点アンテナの副反射器に結合されたホーン・アンテナを使って、前記周波数帯のうち第一の周波数帯内の第一の周波数で主反射器のための第一の焦点リングを形成することを含むことができる。本方法はまた、前記ホーン・アンテナおよび副反射器を使って、前記周波数帯のうち第二の周波数帯内の第二の周波数で主反射器のための第二の焦点リングを形成することを含むことができる。最後に、本方法はまた、当該アンテナの視準軸に揃った方向に延在する前記ホーン・アンテナののど領域に配置された第一のうねを少なくとも含めることによって、前記ホーン・アンテナの帯域幅を拡張することを含むことができる。たとえば、ホーンアンテナは、前記したのどの壁面において視準軸のまわりに等間隔の角度間隔で配置され、該視準軸に揃えられたうね４つを含むよう選ばれることができる。ある側面によれば、本発明は、副反射器および主反射器のうちの少なくとも一方を視準軸のまわりの成形された非線形な回転面となるよう選択することを含むことができる。さらに、ホーン・アンテナは円偏極を持つよう選択されることができる。

リング焦点アンテナのアーキテクチャは普通、図１および図２に示すような二反射器システムを利用する。二反射器システムでは、RFフィード１００が副反射器１０２を照射し、この副反射器１０２が今度は主反射器１０４を照射する。RFフィード１００は典型的には副反射器から離間されたマイクロ波ホーン・アンテナである。副反射器１０２および主反射器１０４は視準軸１１０のまわりの成形された回転面であり、RFエネルギーを反射するのに好適である。

典型的なカセグレン型およびグレゴリー型の反射器システムは普通、分離配位に配置されたフィードホーンおよび副反射器を使用する。これらは時に分離型フィード／副反射器アンテナと称される。分離型フィード／副反射器アンテナでは、RFフィード１００は副反射器１０２の遠距離場に位置される。たとえば、RFフィード１００の開口１０６は、副反射器１０２の頂点１０８から関心のある周波数においてある距離だけ離間して位置されることができる。ここで、距離s1は約４波長以上である。RFフィードが遠距離場にあるので、分離型フィード／副反射器配位は光線追跡、幾何学的回折理論（GTD: geometrical theory of diffraction）などのような光学設計技術に向いている。

図２に示されたリング焦点アンテナシステムの第二の既知の種類は、結合型フィード／副反射器アンテナとして知られる。図１のアンテナと同様、この種類のアンテナは、副反射器２０２および主反射器２０４を使用する。これらの反射器は視準軸２１０のまわりの成形された回転面であり、RFエネルギーを反射するのに好適である。しかしながら、この種類のアンテナでは、RFフィード２００および副反射器２０２は分離型配位に比べてより近接して離間されている。RFフィードの開口２０６および副反射器２０２の頂点２０８を離間する距離s2は、関心のある周波数において典型的には２波長未満である。このように配置されたとき、RFフィード２００および副反射器２０２は、普通「バックファイア」フィードとして知られるものを生成するよう近接場で結合されていると言われる。

バックファイア・フィード配位では、RFフィード２００および副反射器２０２は組み合わせて、単一の統合されたフィード・ネットワークを形成すると考えることができる。この単一のフィード・ネットワークは、主反射器２０４のための主リング焦点（prime-ring-focus）型のフィードを生成する、円形から動径方向への（circular to radial）導波管遷移を提供するので特に注目に値する。これに関し、バックファイア・フィードは、主焦点（prime-focus）パラボラ・フィードと類似のものと考えることができる。さらに、このフィード配位における副反射器２０２は、通常の意味での反射器として真に動作するのではなく、むしろスプラッシュ・プレート（splash plate）としてフィード開口２０６と直接相互作用する。

図２のリング焦点アンテナは、Durham et al.への米国特許第6,211,834B1と同様の成形された幾何形状の主反射器および成形された幾何形状の副反射器フィードを用いることができ、前記文献の開示はここに参照によって組み込まれる。Durham et al.においては交換可能な、多様な形状の、密な近接結合した（close proximity-coupled）副反射器／フィードの複数の対がそれぞれ異なるスペクトル周波数帯域での動作のために、単一の多帯域主反射器とともに使用される。副反射器／フィード対をスワップにより外せば、アンテナの動作帯域が変わる。Durham et al.で記載されているシステムの主反射器および副反射器のおのおのは、それぞれ、ゆがんだもしくは非正規な放物面およびゆがんだもしくは非正規な楕円面の形をしている。

ここで図３を参照すると、本発明の理解に有用な、広帯域フィード組立体３００の断面図が示されている。広帯域フィード組立体３００は、RFフィードホーン３０２および副反射器３０４を含むことができる。広帯域フィード組立体３００は結合型フィードである。これは、RFフィードホーン３０２の開口３０６が副反射器３０４と直接相互作用することを意味する。副反射器３０４は視準軸３１０のまわりの成形された回転面であることができ、RFエネルギーを反射するのに好適である。

RFフィードホーン３０２の開口３０６および副反射器３０４の頂点３０８は、約４波長未満の距離だけ離間されることができる。たとえば、間隔は関心のある動作周波数での約２波長未満であることができる。いずれにせよ、RFフィード３０２および副反射器３０４は、普通「バックファイア」フィードとして知られるものを生成する近接場において結合されている。

RFフィードホーン３０２は好ましくは図４に示される円形の断面をもつ。したがって、フィードホーン３０２内を伝搬し、副反射器３０４に向かって送出されるRFエネルギーは円偏極であることができる。

一つまたは複数の細長いうね３１２が、ホーン・アンテナの少なくとも導波管部分の内部に配置されることができる。たとえば、ホーン・アンテナ３０２ののど領域３１４に４つのうね３１２の組が配置されることができる。これら４つのうねはホーンの長さに沿って開口３０６に向かって概して視準軸３１０に揃った方向に延在することができる。うね３１２は壁面３１６の内側表面上で、視準軸３１０のまわりに等間隔の角度間隔で位置されることができる。たとえば、うねは図４に示されるような０°、９０°、１８０°および２７０°の角度配向に位置されることができる。最後に、うねのそれぞれは、開口３０６に近づくにつれその高さが減少するテーパーのある部分３１８をもつことができる。ある好ましい構成によれば、テーパーのある区画はホーン・アンテナ３０２ののど領域３１４内で終了すべきであり、ホーンが外向きに広がる開口領域にまで広がるべきではない。

ホーン・アンテナののど領域の帯域幅は一般に、導波管の幾何学形状によって励起されるモードのうち導波管の主モードのカットオフ周波数（図４に示す円形導波管についてはTE₁₁）と次に高次モードのカットオフとの間の差である。この帯域幅は図３および図４に示されるうね３１２を提供することによって増大されることができる。うねはTE₁₁モードのカットオフ周波数を低下させる。

より具体的には、うね３１２は円筒形導波管内で平行板導波管を形成できる。平行板導波管はTEMモードを伝える。うねの間の空隙b1およびb2が狭まると、TE₁₁モードのカットオフ周波数が周波数0に向かって減少する。うねを備えた導波管の性能は、基本的なRF伝送線技法を使って予言できる。該技法を使って、選択された関心のある周波数帯域にわたって所望の特性インピーダンスおよび戻り損失を与えるうねの大きさを計算できる。しかしながら、一般に、ホーン３０２についての最も広い帯域幅は間隔b1およびb2がのど３１４を形成する円筒形導波管の直径に対して小さい場合に達成される。

今一度図３を参照すると、テーパーのある部分３１８の厳密な曲率は決定的ではなく、ホーン３０２の長さに沿ったインピーダンスのなめらかな変化を与えるよう有利に選択される。たとえば、この目的のために指数関数状のテーパーを使用することができることは、導波管テーパーの技術分野においてよく知られている。テーパーのある部分３１８によって定義されるテーパーは、直線形または放物型であることもできるが、それでも本発明はこれに関しては限定されず、他のテーパーのある断面形も可能である。

最後に、図３において、ホーン・アンテナの開口が、副反射器３０４の頂点３０８に比較的近接して離間されていることが観察されうる。一般に、この距離は約４波長未満である。厳密な間隔の計算は、以下により詳細に記載する技法を使って達成できる。

副反射器３０４および主反射器５０２の使用を二つ以上の別個の周波数帯域で同時に容易にするために、各反射器は有利には、そのどの連続的な表面部分も正規の錐状回転面の形をしないように成形される。その結果、主反射器５０２および副反射器３０４の精確な形はコンピュータ解析に基づいて決定できる。

より具体的には、コンピュータプログラムを使って、副反射器３０４および主反射器５０２のために好適な形状を決定できる。このプロセスは、図５に関連して図示され、記述される数値的に定義される二反射器システムを生成する。結果として得られる主反射器の形は、錐状の回転面であり、一般には放物型であるが必ずしも精確に放物型でなくてもよい。結果として得られる副反射器の形は、錐状の回転面であり、一般には楕円型であるが必ずしも精確に楕円型でなくてもよい。

主反射器５０２および副反射器３０４は典型的には成形された非線形な回転面である。一般に、図３〜図５の主反射器および副反射器の形は、放物線または楕円のような正規の円錐曲線の場合なら通常可能である式による定義はできない。その代わり、形状は、ある所定の制約条件についての指定された連立方程式を解くコンピュータプログラムを実行することによって生成される。

ここでの用法では「成形された」の表現は、放物線または楕円のような正規の円錐曲線の式によって定義可能な形ではなく、（縮小された副ローブ外形）指向性パターン関係の指定された組および指定された連立方程式についての境界条件に従って定義される副反射器および主反射器の幾何形状を指す。境界条件は、主反射器および副反射器の直径およびフィード位相中心を含むことができる。アンテナへの指定されたフィード入力およびアンテナについての境界条件が与えられれば、副反射器および主反射器それぞれの形は、指定された制約条件のための指定された連立方程式を解くコンピュータプログラムを実行することによって生成される。ある好ましい実施形態では、連立される方程式は：１…アンテナ開口を渡るエネルギー保存を達成する方程式、２…アンテナ開口を渡る等しい位相を与える方程式および３…スネルの法則に従う方程式である。上記のプロセスの詳細はDurham et al.への米国特許第6,211,834号で議論されている。該文献の開示はここに参照によって組み込まれる。

境界条件は正規の円錐曲線形状を定義するよう選択されることもできるが、それは本発明の成形の意図ではない。副反射器および主反射器の究極的な形状は、指向性パターン関係および境界条件に適用されるときに、何であれアンテナの動作仕様のパラメータが要求するものである。

ひとたび副反射器および主反射器の対の形が生成されれば、アンテナの性能はコンピュータ解析にかけ、生成されるアンテナが所望の指向性特性を生み出すかどうかを判別することができる。最初、設計性能基準が満たされていなければ、パラメータ制約条件の一つまたは複数を調整することができ、アンテナの性能をその新たな形の組について解析できる。このプロセスは、成形された対がアンテナの意図された動作性能仕様を満たすまで逐次的に反復できる。

たとえば、以上の技法を使って、図６に示す幾何形状を得ることができる。これは次のパラメータで定義される：
主反射器直径＝98.4インチ
副反射器直径＝12.4インチ
副反射器頂点から主反射器の0基準の距離＝26.1インチ
副反射器頂点からホーン開口の距離＝2.4インチ
以上の大きさを用い、上記した計算技法を使って、3.5GHzから10GHzの動作周波数範囲をもつアンテナが達成できる。図７および図８は、図６に示したアンテナに関する、コンピュータモデリングによって得られた戻り損失および開口効率のプロットである。

本発明の理解に有用な、分離型（decoupled）リング焦点反射器アンテナの、アンテナの視準軸に沿った断面図である。 本発明の理解に有用な、結合フィード型（coupled-feed）リング焦点反射器アンテナの、アンテナの視準軸に沿った断面図である。 本発明の理解に有用な、多帯域リング焦点アンテナ・フィード・システムの、アンテナの視準軸に沿った断面図である。 図３の多帯域リング焦点アンテナ・フィード・システムの、４−４の線に沿った断面図である。 図３および図４のフィードシステムを組み込む多帯域リング焦点アンテナの断面図である。 本発明の構成の理解に有用な、アンテナ幾何形状の例を表す概略図である。 図６の広帯域フィードシステムを利用する広帯域リング焦点アンテナについての開口効率と周波数の関係をプロットしたグラフである。 図６の広帯域フィードシステムを利用する広帯域リング焦点アンテナについての戻り損失と周波数の関係をプロットしたグラフである。

Claims (10)

1. 互いにスペクトル的にオフセットされた複数の周波数帯域で動作可能な、当該アンテナの視準軸のまわりの成形された回転面をもつ主反射器ならびに；
   当該アンテナの前記視準軸のまわりの成形された回転面として形成された副反射器と、前記視準軸に揃った方向に延在する前記ホーン・アンテナののど領域に配置された少なくとも第一のうねをもつホーン・アンテナとを有する多帯域フィードシステム、
   を有するコンパクトな多帯域アンテナシステム。
2. 前記ホーン・アンテナが円偏極をもち、前記のどは前記うねとして、前記視準軸のまわりに等間隔の角度間隔で配置された４つのうねを含む、請求項１記載のコンパクトな多帯域アンテナシステム。
3. 前記ホーン・アンテナが、当該アンテナの前記視準軸上で前記副反射器の頂点からある空隙によって隔てられたある第一の位置に設置されている、請求項１記載のコンパクトな多帯域アンテナシステム。
4. 前記ホーン・アンテナが前記副反射器に結合されており、前記多帯域フィードシステムが前記複数の周波数帯域のそれぞれにおいて前記主反射器を照射するための焦点リングを定義する、請求項１記載のコンパクトな多帯域アンテナシステム。
5. 前記ホーン・アンテナが円偏極をもち、前記のどは前記うねとして前記視準軸のまわりに等間隔の角度間隔で配置された４つのうねを含み、前記ホーン・アンテナは前記副反射器に結合されて前記複数の周波数帯域において同時に前記主反射器を照射するための焦点リングを定義する多帯域フィードシステムを形成する、請求項１記載のコンパクトな多帯域アンテナシステム。
6. 複数のスペクトル的にオフセットされた周波数帯域でリング焦点アンテナにフィードするための方法であって：
   当該リング焦点アンテナの副反射器に結合されたホーン・アンテナを使って、前記周波数帯域のうち第一の周波数帯域内の第一の周波数で主反射器のための第一の焦点リングを形成する段階と、
   前記ホーン・アンテナおよび前記副反射器を使って、前記周波数帯域のうち第二の周波数帯域内の第二の周波数で前記主反射器のための第二の焦点リングを形成する段階と、
   視準軸に揃った方向に延在する前記ホーン・アンテナののど領域に配置された少なくとも第一のうねを含めることによって、前記ホーン・アンテナの帯域幅を拡張する段階、
   とを有する方法。
7. 前記副反射器および前記主反射器のうちの少なくとも一方を前記視準軸のまわりの成形された非線形な回転面となるよう選択する段階をさらに有する、請求項６記載の方法。
8. 円偏極をもつよう前記ホーン・アンテナを選択する段階をさらに有する、請求項６記載の方法。
9. 前記ホーンアンテナを、前記したのどの壁面において前記視準軸のまわりに等間隔の角度間隔で配置された前記うね４つを含むよう選択する段階をさらに有する、請求項６記載の方法。
10. 前記少なくとも一つのうねが、前記のどから前記ホーンの開口に向かって延在するよう選択する段階をさらに有する、請求項６記載の方法。

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