JP3810366B2

JP3810366B2 - ホーンアンテナ装置、およびこれを用いた方位探知用アンテナ装置

Info

Publication number: JP3810366B2
Application number: JP2002372148A
Authority: JP
Inventors: 英樹伏見; 弘行植松
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2002-12-24
Filing date: 2002-12-24
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-12-24
Also published as: JP2004207856A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、ホーン部内壁面にリッジ（ridge：細長い隆起部）を有し、方位探知アンテナ装置などに好適な指向性に優れたホーンアンテナ装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
図１３は、例えば、特許文献１などに示されている従来のダブルリッジホーンアンテナの構造を示す図である。
図１３において、１は給電部、２は給電部１から徐々に広がり、中心軸と直交かる断面の形状が長方形の構造を持つ角錐ホーン、３は角錐ホーン２の開口面、４ｃは角錐ホーン２の内部の一面（例えば、上面）に設けられた第一のリッジ、４ｄは角錐ホーン内部のリッジ４ａが設けられている面と対向する面（例えば、下面）に取り付けられた第二のリッジ、５は給電用導波管、６は給電用導波管５と角錐ホーン２とを接続するためのフランジ部である。
なお、図１３（ａ）は斜視図、図１３（ｂ）は側面図、図１３（ｃ）は開口面３から給電部１側を見たときの正面図である。
【０００３】
次に、図１３に示した従来のダブルリッジ角錐ホーンアンテナの動作について説明する。
いま、第一のリッジ４ｃおよび第二のリッジ４ｄが設けられていない通常の角錐ホーンの場合について考える。
リッジが設けられていない通常の角錐ホーンアンテナでは、送信あるいは受信することのできる下限周波数は、給電部１の磁界面方向の幅寸法（図１３（ｃ）のＬ_Ｈ）で決定され、その幅寸法が１／２波長以下では、給電用導波管５の遮断周波数となり伝播されない。
遮断周波数より上の周波数では、給電部１から励振された信号は、角錐ホーンの内部を方形導波管のＴＥ１０モードの電磁界が伝搬され、開口面３から放射される。
このとき、開口面３での位相分布は、開口面中心部と開口面周辺部とでは角錐ホーンの頂点からの距離差に対応する分の位相差が発生するため、球面状の位相分布となり空間に放射される。
【０００４】
次に、図１３に示すように、角錐ホーン２に第一のリッジ４ａおよび第二のリッジ４ｂを設けた場合では、リッジの効果により遮断周波数が下がり、広帯域にわたり使用することが可能となる。
いま、給電部１の中心から開口面３の中心に向う方向をＸ、これと直交する電界面の方向をＹとする（図１３（ｃ）参照）とする。
通常、第一のリッジ４ｃおよび第二のリッジ４ｄの形状は、ＶＳＷＲ（voltage standing wave ratio）を低く抑えるために、給電部１から開口面３までのリッジの形状を、Ｙ＝Ａｅｘｐ（ＢＸ＋Ｃ）、（Ａ、Ｂ、Ｃは定数）で表されるような指数関数的に広がる形状か、あるいはＹ＝ＡＸ＋Ｂで表される直線テーパ形状で形成される。
【０００５】
ここで、開口面３での位相分布は、開口面全体を等位相分布とすることにより、サイドローブレベルの上昇、メインビームのショルダーレベルの上昇を低く抑えることができる。
従って、通常、角錐ホーンは搭載条件（即ち、ホーンを搭載したときの装置全体の大きさの条件）等から制約される寸法が許す限り、十分長いホーンを用いることで開口面３での位相分布を等位相になるようにしている。
そのため、リッジの無い角錐ホーンでは、頂点からの距離差に対応するわずかな球面状の位相分布になるのに対して、リッジを設けたホーンではリッジ部分での伝搬定数の違いにより、開口面中央付近では、リッジの無い角錐ホーンに比べ、さらに進み位相となるため、開口面位相分布は、球面状の位相分布よりもさらに中央部が進んだ位相分布となる
【０００６】
【特許文献１】
特開２０００−２６１２３２号公報（図１）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
以上説明したように、従来のダブルリッジ角錐ホーンは、開口面までリッジを有するため、リッジ部分での伝搬定数の違いにより、開口面中央付近では、リッジが設けられていない通常の角錐ホーンに比べ、進み位相となるため、開口面位相分布は、球面状の位相分布よりもさらに中央部が進んだ位相分布となる。
そのため、アンテナ装置としての放射パターンの特性において、サイドローブレベルの上昇、メインビームのショルダーレベルの上昇などによる指向性劣化の問題があった。
【０００８】
この発明は、このような問題点を解決するためになされたもので、サイドローブレベルの上昇およびメインビームのショルダーレベルの上昇を低く抑えた放射パターンを有し、方位探知アンテナなどに好適な指向性に優れたホーンアンテナ装置を得ることを目的としている。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明に係わるホーンアンテナ装置は、矩形状の断面を有する角錐ホーンと、この角錐ホーンの給電部に接続された給電用導波管とから構成され、上記角錐ホーンの対向する２つの内壁面の中央部に上記給電部から上記角錐ホーンの開口面に向かって延びる一組のリッジを備えたホーンアンテナ装置において、上記リッジを上記給電部から上記角錐ホーンの内壁面における磁界面方向の幅寸法が上記給電用導波管の遮断周波数の１／２波長となる位置まで設けたものである。
【００１０】
また、この発明に係わるホーンアンテナ装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のホーンアンテナ装置をアレイ状に複数個配置したものである。
また、この発明に係わる方位探知アンテナ装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のホーンアンテナ装置を放射状に複数個配置したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、図面に基づいて本発明の一実施の形態および参考例について説明する。
なお、従来と同一符号は従来のものと同一あるいは相当のものを表す。
実施の形態１．
図１は、実施の形態１によるホーンアンテナ装置の構造を示す図であり、図１（ａ）は斜視図である。
図において、１は給電部、２は給電部１から徐々に広がり、中心軸に直交する面での断面形状が矩形（即ち、長方形あるいは正方形）の構造を持つ角錐ホーン、３は給電部１より大きい面積を有する角錐ホーン２の開口面である。
【００１２】
また、４ａは角錐ホーン２の内壁面の一面（例えば、上面）の中央部において給電部１の位置から開口面３に向かって設けられた細長い隆起物である第一のリッジ、４ｂは角錐ホーン２の第一のリッジ４ａが設けられた内壁面と対向する内壁面（例えば、下面）の中央部において給電部１の位置から開口面３に向かって設けられた細長い隆起物である第二のリッジである。
なお、各リッジは、開口面３に近づくにつれて、リッジ高さが指数関数的に低くなる形状で形成されている。
また、５は一端に給電部１を有した給電用導波管、６は角錐ホーン２と給電用導波管５とを給電部１において接続するためのフランジ部である。
給電用導波管５は、角錐ホーン２に設けられたリッジに対応して、その内壁面にリッジ（図示せず）が設けられている。
なお、図１（ｂ）は側面図、図１（ｃ）は開口面３側より給電部１側を見たときの正面図である
【００１３】
次に、図１に示した実施の形態１によるホーンアンテナ装置の動作について説明する。
例えば、送信用アンテナとして用いられる場合、給電用導波管５で励振された信号は、給電部１から第一のリッジ４ａおよび第二リッジ４ｂに沿って、角錐ホーン２の内部を伝搬し、開口面３から放射される。
このとき、開口面３での位相分布は、開口面中心部と開口面周辺部では、角錐ホーン２の頂点からの距離差に対応する分の位相差分と、リッジの伝播定数の違いにより発生する位相差が発生する。
【００１４】
ここで、第一のリッジ４ａおよび第二リッジ４ｂは、給電部１の位置から、角錐ホーン２の内部の磁界面方向（図１（ｃ）に示すＨ方向）の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長以上となる位置までの間しか設けられていないため、リッジの伝搬定数に依存する位相の進み分は、ほとんど無視できる程度となり、開口面３では通常の角錐ホーン（即ち、リッジを設けていない角錐ホーン）と同様な球面状の位相分布となり空間に放射される。
なお、図１（ｃ）に示すＥ方向は、電界面の方向を示している。
【００１５】
図２は、実施の形態１によるホーンアンテナ装置に用いられる角錐ホーン２の具体的な寸法例を説明するための図であり、図２（ａ）は図１（ａ）のＡ−Ａ線における断面図（但し、波線部は除く）、図２（ｂ）は開口面側から給電部を見たときの正面図である。
使用上限周波数の波長をλoとして、ホーン長さ３λo、開口面幅寸法２.９λo、開口面高さ寸法２.１λoのホーンアンテナであり、給電部１から角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法ＬＡ（図２（ｂ）参照）が給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長となる位置まで第一のリッジ４ａおよび第二のリッジ４ｂが設けられている場合と、波線で示した従来装置のように給電部１から開口面３までの距離である３λoの位置まで第一のリッジ４ｃおよび第二のリッジ４ｄが設けられている場合の２通りを例にして、リッジの効果の説明をする。
【００１６】
なお、図２（ａ）に示した“０．９λo”の寸法は、給電部１から角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法ＬＡが給電用導波管５の遮断周波数の１／２の位置までリッジ４ａおよび４ｂを設けたときに、角錐ホーン２の中心軸方向において、給電部１とリッジ４ａ、４ｂの開口面側端部との間の距離（寸法）である。
このように、第一のリッジ４ａおよび第二のリッジ４ｂは、図２（ｂ）のＬ_Ａ寸法が使用下限周波数（即ち、給電用導波管５の遮断周波数）の１／２波長以上となる位置まで設けられており、これにより下限周波数において給電用導波管５のカットオフによる遮断を避けるように決定している。
【００１７】
図３は、使用上限周波数におけるホーンアンテナの磁界面内の放射パターンの測定値である。
図において、放射パターン特性グラフＡ（実線）は、図２に示す４ａ、４ｂの２つのリッジが設けられている場合のアンテナの放射パターン特性を、また、放射パターン特性グラフＢ（波線）は、図２に示す４ｃ、４ｄの２つのリッジが設けられている場合のアンテナの放射パターン特性を示している。
図３に示した放射パターン特性グラフＢから明らかなように、給電部１の位置から角錐ホーン２の開口面３の位置までリッジが設けられている場合（即ち、リッジ４ｃ、リッジ４ｄを設けた場合）では、放射角度が４５゜方向で−２０ｄＢ程度のショルダー部を有している。
【００１８】
これに対して、放射パターン特性グラフＡから明らかなように、給電部１から角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長の位置までリッジが設けられている場合（即ち、リッジ４ａ、リッジ４ｂを設けた場合）では、放射角度が４５゜方向でのサイドローブレベルが−３０ｄＢ程度となり、約１０ｄＢの特性改善が見られる。
即ち、放射パターンの先鋭度が増加し、アンテナ装置としてのアンテナ指向性が改善される。
【００１９】
なお、角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長の位置を越えて、リッジの長さを大きくして行くとサイドローブは上昇して行き、放射パターン特性の先鋭度は劣化してくる。
しかし、角錐ホーンの内壁面に設けられたリッジの開口面３側の端部が、角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１波長となる位置まではアンテナ装置としての良好な放射パターン特性が得られることが確認できた。
【００２０】
図４は、給電部１から角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１波長となる位置までの間において、リッジが対向して設けられた場合に測定される放射パターン特性グラフＣ（一点鎖線で示す）追加した図である。
なお、図４における特性グラフＡおよび特性グラフＢは、図３における特性グラフＡおよび特性グラフＢと同じものである。
このように、角錐ホーン２の内部の磁界面方向の幅寸法が、給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長となる位置から給電用導波管５の遮断周波数の１波長となる位置までの間にリッジ４ａ，４ｂの開口面側端部が位置しておれば、方位探知アンテナとして有効な放射パターンを得ることが判った。
【００２１】
以上説明したように、本実施の形態によるホーンアンテナ装置は、矩形状の断面を有する角錐ホーン２と、この角錐ホーン２の給電部１に接続された給電用導波管５とから構成され、角錐ホーン２の対向する２つの内壁面の中央部に給電部１から角錐ホーン２の開口面に向かって延びる一組のリッジ４ａ、４ｂを備えたホーンアンテナ装置において、上記リッジ４ａ、４ｂを給電部１から角錐ホーン２の内壁面における磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の１／２波長となる位置まで設けている。
これにより、サイドローブレベルおよびメインビームのショルダーレベルの上昇を低く抑えた放射パターンを有し、指向性に優れたホーンアンテナ装置を得ることができる。
【００２２】
実施の形態２．
図５は、実施の形態２によるホーンアンテナ装置の構造を示す図であり、図５（ａ）は水平方向から見たときの側面図、図５（ｂ）は開口面側より給電部側を見たときの正面図である。
なお、給電用導波管５およびフランジ部６の図示は省略している。
前述の実施の形態１では、アンテナの磁界面が水平面と平行になるように角錐ホーン２を設置していたが、本実施の形態では、図５に示すようにアンテナの磁界面が水平面に対して斜め４５となるように角錐ホーン２を配置することにより、垂直偏波、水平偏波の両偏波に対応できるようしている。
その結果、使用周波数範囲の各周波数において垂直偏波、水平偏波それぞれ、同等の−１０ｄＢビーム幅となるようにすることができる一例である。
【００２３】
図６は、図２に示したアンテナ寸法でのメインビームの−３ｄＢビーム幅の周波数特性を示す。
図２のアンテナ寸法の例では、垂直偏波と水平偏波の−３ｄＢビーム幅が、各周波数において概ね一致するように開口面寸法等を決定している。
−３ｄＢビーム幅では、図２に示したように、ビーム中心近傍ではリッジの形状によらず、概ね所望のビーム幅が得られることがわかる。
また、図７はメインビームの−１０ｄＢビーム幅の周波数特性を示したものである。
なお、図６および図７において、実線は、リッジが前述の実施の形態１によるリッジ４ａ、４ｂの場合を、波線は、従来のように開口面までリッジ４ｃ、４ｄが設けられている場合を示している。
また、“Ｈ−ｐｏｌ”は水平偏波を、“Ｖ−ｐｏｌ”は垂直偏波の場合を示している。
なお、図６、図７の横軸の“周波数（ｆ／ｆ０）”は、上限周波数ｆ０で規格化した周波数を示している。
また、“Ｈ−ｐｏｌ”あるいは“Ｖ−ｐｏｌ”の“ｐｏｌ”は、polarization（偏波）のことである。
【００２４】
図６および図７に示すように、−３ｄＢビーム幅を揃えるようにアンテナ寸法を設定しているにもかかわらず、開口面までリッジが延びた場合（即ち、図２のリッジ４ｃ、４ｄの場合）には、水平偏波でのメインビームのショルダーレベルの上昇により、水平偏波の−１０ｄＢビーム幅が、垂直偏波の−１０ｄＢビーム幅に対して広がることがわかる。
これに対して、図２の４ａ、４ｂで示すリッジの場合には、メインビームのショルダーレベルの上昇が抑えられ、下限周波数付近の一部を除き、使用周波数範囲の各周波数において垂直偏波、水平偏波それぞれの−１０ｄＢビーム幅が概ね揃う放射パターンが得られることが判る。
このように、本実施の形態によるホーンアンテナ装置は、角錐ホーン２の開口面３の縁が水平面に対して略４５゜となるよう前述の実施の形態１によるホーンアンテナ装置を傾けて配置したことにより、垂直偏波、水平偏波の両偏波に対応することができる。
【００２５】
参考例１．
図８は、本発明の参考例１によるホーンアンテナ装置の構造を示す側面図である。
なお、給電用導波管５およびフランジ部６の図示は省略している。
前述の実施の形態１あるいは２では、角錐ホーン２に設けられるリッジの形状を指数関数的に広がる構造としていたが、図８に示すように、第一のリッジ４ａおよび第二のリッジ４ｂの形状を、開口面３に近づくにつれてリッジ高さが直線的に低くなる直線テーパとしても、同様な効果が得られる。
なお、形状を直線テーパとした方が、構造が簡単になる。
【００２６】
実施の形態３．
図９は、実施の形態３によるホーンアンテナ装置の構造を示す図であり、図９（ａ）は側面図、図９（ｂ）は開口面３側から給電部１側を見たときの正面図である。
なお、給電用導波管５およびフランジ部６の図示は省略している。
前述の実施の形態１〜２あるいは参考例１では、角錐ホーンの対向する２つの内壁面にそれぞれリッジを設けたダブルブリッジ角錐ホーンの例を示したが、本実施の形態によるホーンアンテナ装置は、角錐ホーン２の対向する４つの内壁面にそれぞれリッジを設けたクォッドリッジホーンであることを特徴とする。
このようなクォッドリッジホーンであっても同様な効果が得られる。
【００２７】
参考例２．
図１０は、参考例２によるホーンアンテナ装置の構造を示す斜視図である。
前述の実施の形態１〜３あるいは参考例１では、中心軸に直交する断面が長方形あるいは正方形の角錐ホーンを使用しているが、図１０に示すような円錐ホーンを用いても同様な効果が得られる。
なお、円錐ホーンを用いた場合には、給電部１の位置から、円錐ホーン２０の内部の磁界面方向の幅寸法が給電用導波管５の遮断周波数の０．３波長以上、かつ、０．６波長以下となる位置まで、リッジを設けることにより、実施の形態１の場合と同様に、サイドローブレベルおよびメインビームのショルダーレベルの上昇を低く抑えた放射パターンを有し、指向性に優れたホーンアンテナ装置を得ることができることが判った。
【００２８】
実施の形態４．
図１１は、実施の形態４によるホーンアンテナ装置の構造を示す側面図である。
図において、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・・３０ｎは、前述の実施の形態１〜５のいずれか１項のホーンアンテナ装置、７は分配・合成器である。
本実施の形態によるホーンアンテナ装置は、前述の実施の形態１〜３のいずれかによる複数のホーンアンテナ装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・３０ｎを分配・合成器７を介して、直線状あるいは平面状等のアレイ（array）状に配置したことを特徴とする。
【００２９】
素子（即ち、各角錐ホーン）の配列によって決まるアレイファクタと、各素子の放射パターン（エレメントファクタ）の積により、全体の放射パターンが決定され、エレメントファクタのサイドローブが小さければ、全体の放射パターンのサイドローブも下がる。
即ち、複数の角錐ホーンを直線状あるいは平面状等のアレイ配列とすることにより、サイドローブの抑圧効果が得られる。
従って、本実施の形態によれば、受信時には不要な方向からの電波を抑圧でき、また、逆に、送信時には不要な方向への電波の出射を抑圧でき、アンテナとしての指向特性がさらに良くなる。
【００３０】
実施の形態５．
図１２は、実施の形態５による方位探知装置の構成を示す図である。
図において、３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・３０ｈは実施の形態１ないし５のいずれか１項の複数のホーンアンテナ装置である。
本実施の形態による方位探知装置は、実施の形態１ないし３のいずれか１項の複数のホーンアンテナ装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・３０ｈを放射状に複数個配置し、各ホーンアンテナ装置３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・３０ｈでの受信信号と隣接するホーンアンテナ装置の受信信号の強さ（例えば、振幅）を比較することによって、受信する電波の方位探知を行う方位探知装置に利用したことを特徴とする。
これにより、メインビームのショルダーレベルの上昇による方位誤差あるいはサイドローブの上昇による誤方位の表示を避けることが可能であり、精度の高い方位探知装置を得ることができる。
【００３１】
【発明の効果】
この発明によわるホーンアンテナ装置は、矩形状の断面を有する角錐ホーンと、この角錐ホーンの給電部に接続された給電用導波管とから構成され、角錐ホーンの対向する２つの内壁面の中央部に給電部から角錐ホーンの開口面に向かって延びる一組のリッジを備えたホーンアンテナ装置において、リッジを給電部から角錐ホーンの内壁面における磁界面方向の幅寸法が給電用導波管の遮断周波数の１／２波長となる位置まで設けているので、
サイドローブレベルおよびメインビームのショルダーレベルの上昇を低く抑えた放射パターンを有し、指向性に優れたホーンアンテナ装置を提供できる。
【００３２】
また、この発明による方位探知アンテナ装置は、請求項１〜３のいずれか１項に記載のホーンアンテナ装置を放射状に複数個配置したので、メインビームのショルダーレベルの上昇による方位誤差あるいはサイドローブの上昇による誤方位の表示を避けることが可能であり、精度の高い方位探知装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施の形態１によるホーンアンテナ装置の構造を示す図ある。
【図２】実施の形態１によるホーンアンテナ装置に用いられる角錐ホーンの具体例を説明するための図である。
【図３】実施の形態１によるホーンアンテナ装置の磁界面放射パターンを示す図である。
【図４】実施の形態１によるホーンアンテナ装置の磁界面放射パターンを示す図である。
【図５】実施の形態２によるホーンアンテナ装置の構成を示す図ある。
【図６】実施の形態２によるホーンアンテナ装置の−３ｄＢビーム幅の周波数特性を示す図ある。
【図７】実施の形態２によるホーンアンテナ装置の−１０ｄＢビーム幅の周波数特性を示すグラフである。
【図８】参考例１によるホーンアンテナ装置の構造を示す図ある。
【図９】実施の形態３によるホーンアンテナ装置の構造を示す図ある。
【図１０】参考例２によるホーンアンテナ装置の構造を示す図ある。
【図１１】実施の形態４によるホーンアンテナ装置の構造を示す図である。
【図１２】実施の形態５による方位探知アンテナ装置の構成を示す図である。
【図１３】従来のホーンアンテナ装置の構造を示す図である。
【符号の説明】
１給電部２角錐ホーン
３開口面
４ａ、４ｂ、４ｅ、４ｆリッジ（細長い隆起物）
５給電用導波管６フランジ部
７分配・合成器
２０円錐ホーン
３０ａ、３０ｂ、３０ｃ、・・・３０ｎホーンアンテナ装置

Claims

矩形状の断面を有する角錐ホーンと、この角錐ホーンの給電部に接続された給電用導波管とから構成され、上記角錐ホーンの対向する２つの内壁面の中央部に上記給電部から上記角錐ホーンの開口面に向かって延びる一組のリッジを備えたホーンアンテナ装置において、
上記リッジを上記給電部から上記角錐ホーンの内壁面における磁界面方向の幅寸法が上記給電用導波管の遮断周波数の１／２波長となる位置まで設けたことを特徴とするホーンアンテナ装置。
上記角錐ホーンの開口面の縁が水平面に対して略４５゜となるように、傾けて配置されたことを特徴とする請求項１に記載のホーンアンテナ装置。
上記リッジは、上記角錐ホーンの４つの内壁面にそれぞれ設けられていることを特徴とする請求項１に記載のホーンアンテナ装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のホーンアンテナ装置をアレイ状に複数個配置したことを特徴とするホーンアンテナ装置。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のホーンアンテナ装置を放射状に複数個配置したことを特徴とする方位探知アンテナ装置。