JP3936292B2

JP3936292B2 - 無線周波数アンテナ給電装置

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Publication number: JP3936292B2
Application number: JP2002560225A
Authority: JP
Inventors: ホールデン、リチャード・エイチ; ベルトラン、フェルナンド; ハンリン、ジョン・ジェイ
Original assignee: Raytheon Co
Current assignee: Raytheon Co
Priority date: 2001-01-24
Filing date: 2002-01-22
Publication date: 2007-06-27
Anticipated expiration: 2022-01-22
Also published as: WO2002060000A8; NO20024468D0; CA2403700C; EP1354370A1; CA2403700A1; NO20024468L; DE60235687D1; AU2002248375B2; TW548876B; JP2004518362A; US6724277B2; US20020097111A1; EP1354370B1; WO2002060000A1; NO326805B1; ATE461536T1; AU2002248375A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線周波数アンテナ給電装置に関し、特に隔壁偏波素子を有する給電装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
技術的に知られているように、多くの無線周波数通信システムにおいては、１対の独立した信号が円偏波されたエネルギの複合信号として送信され、受信される。特に、１対の信号のそれぞれは複合円偏波信号の２つの極性の偏波の対応するものによって送信され、受信される。すなわち、１対の信号の１つは時計方向円偏波エネルギ成分として、また、他方は反時計方向円偏波エネルギ成分として送信、受信される。それ故このようなシステムは１対の信号の電気的に分離された給電ポートを有するアンテナ給電装置の使用を必要とする。送信中、各給電ポートは１対の無線周波数信号の対応するものによって給電される。給電ポートは同時にまたは異なった長さの時間に給電される可能性があることに注意すべきである。その後、給電装置は２つの信号を複合円偏波エネルギに結合する。エネルギの時計方向円偏波成分は１対の信号の１つを伝送し、エネルギの反時計方向円偏波成分は１対の信号の他方を伝送する。受信中、給電装置は逆の方法で動作する。すなわち、給電装置によって受信された複合円偏波エネルギは、１対の信号の一方を伝送する時計方向円偏波エネルギ成分と１対の信号の他方を伝送する反時計方向円偏波エネルギ成分とに分離される。それから給電装置は時計方向円偏波成分を電気的に分離された１対の給電ポートの１つに結合し、反時計方向円偏波成分を電気的に分離された１対の給電ポートの他方に結合する。
【０００３】
技術的によく知られているように、給電装置１つの望ましいタイプは同軸給電装置10である。すなわち、その給電装置は外部導体と内部導体とを備えている。円偏波エネルギは給電装置の内部導体と外部導体との間を長手方向に沿って伝搬する。そのような給電装置の１つが図１に示されている。そのような給電装置10は次のような２つの別々の装置を備えている。すなわち、（Ａ）後部直交モードトランスデューサ（ＯＭＴ）12および（Ｂ）１対の誘電体ベイン16を備えた前部導波管１／４波長偏波素子14を具備している。ＯＭＴ12は導電プレート22によって電気的に分離された１対の給電ポート18, 20を備えている。導電プレート22は図２にさらに明瞭に示されているように同軸給電装置10に沿って内部導体24と外部導体26との間に延在している。導波管１／４波長偏波素子14は誘電体ベイン16を有しており、これらのベイン16は給電装置10の直径に沿って延在し、その直径は導電プレート（すなわち隔壁）22に関して４５度の角度であり、それによって円偏波エネルギと直線偏波エネルギとの間の変換が行われる。したがって、例えば、受信において、時計方向の円偏波エネルギは水平（直線）偏波エネルギに変換され、反時計方向の円偏波エネルギは垂直（直線）偏波エネルギに変換される。水平偏波エネルギは１対の電気的に分離されたポートの１つに送られ、垂直偏波エネルギは他方の電気的に分離されたポートに送られる。反対に、電気的に分離された給電ポートの１つに導入された直線偏波エネルギは１つの極性の偏波を有する円偏波に変換される。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
そのような給電装置は多くの応用において満足すべき動作をするが、比較的大きな構造であり、損失のある誘電体材料を必要とする。さらに、同軸導波管中の主要モードはＴＥＭモードであり、上述の応用において、所望のモードはＴＥ₁₁垂直モードおよびＴＥ₁₁水平モードであるために、同軸隔壁偏波装置の設計ではこれらの所望のモードを提供し、その一方でＴＥＭモードの過剰な励起を注意深く避けなければならない。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
本発明の１特徴によれば、同軸伝送ラインを有する導波管給電装置が提供される。この伝送ライン中にはその直径の１つに沿って導電性で平坦な隔壁が配置されている。給電ポートは伝送ラインに電気的に結合されている。隔壁は給電ポートに近接して配置された後部部分を有しており、給電ポートと隔壁の後部部分は内部導体と外部導体との間の伝送ライン中に平坦な導電性の隔壁に実質的に垂直な成分を有する電界を設定するように構成されている。隔壁の前部部分は直径に沿って非対象に配置されて伝送ラインの直径に沿って伝送ライン内に電界成分を設定する。
【０００６】
１実施形態では、１対の給電ポートが設けられる。隔壁の後部部分は給電ポートに近接して配置されて給電ポートの一方を給電ポートの他方から電気的に分離している。
【０００７】
１実施形態では、同軸伝送ラインを有する導波管給電装置が設けられる。この伝送ライン中にその直径の１つに沿って導電性で平坦な隔壁が配置されている。給電ポートが伝送ラインに電気的に結合されている。隔壁は給電ポートに近接して配置されて内部導体と外部導体との間に延在する後部部分を有している。給電ポートと隔壁の後部部分は内部導体と外部導体との間の伝送ライン中に平坦な隔壁に垂直な方向に沿って実質的にＴＥ₁₁モードの成分を有する電界を設定するように構成されている。隔壁の前部部分は直径に沿って非対象に配置されて伝送ラインの直径に沿ったＴＥ₁₁成分を有する電界成分を伝送ライン内に設定するギャップを内部導体と外部導体との間に設定する。１実施形態では、隔壁は１対の末端の端部を有し、その一方の端部は外部導体の最も近い部分から分離されており、その分離距離は、端部の１つと外部導体の最も近い部分との間の距離が他方のものと外部導体の最も近い部分との間の距離とは異なっている。１実施形態では、第１の距離は隔壁の後部部分から隔壁の前部部分へ伝送ラインに沿って増加している。
【０００８】
１実施形態では、距離は段階的に増加して隔壁の端部と外部導体との間を伝送ラインに沿って伝搬するエネルギに位相シフトを与える。１実施形態では、位相シフトは動作周波数帯域にわたって約９０度である。
【０００９】
【発明の実施の形態】
本発明の複数の実施形態の詳細を以下添付図面を参照にして説明する。本発明のその他の特徴、もくてき、利点は以下の説明、図面、および特許請求の範囲の記載から明らかにされるであろう。なお、図面において同じ参照符号は各図面において同様の素子を示している。
【００１０】
図４を参照すると、無線周波数アンテナ給電装置30が示されている。給電装置30は同軸伝送ライン31を有する導波管給電装置である。詳しく説明すると、同軸伝送ライン31は内部導体32と外部導体33とを有している。外部導体33と内部導体32とは同軸であり、図５に示されているようにそれぞれ円形断面を有する。ここでは同軸伝送ライン31は円形断面の内部導体と外部導体とを有している。同軸伝送ライン31は楕円形または方形の断面形状を有していてもよいことを理解すべきである。すなわち、同軸伝送ライン31は共通の縦軸を有する１対の細長い内部導体および外部導体を有している。
【００１１】
導波管給電装置30はまた図５に示されるように伝送ライン31内にその直径の１つに沿って配置されている導電性の平坦な隔壁34を含んでいる。さらに説明すると、隔壁34は２つの部分34a ，34b を有しており、その一方の部分、この例では34a は伝送ラインの半径に沿って配置され、他方の部分、この例では34b は伝送ラインの別の半径に沿って配置されている。それら２つの半径は互いに１８０度離れており、したがって両方の半径は伝送ラインの共通の直径に沿って配置されている。
【００１２】
給電装置30はまた伝送ライン31に電気的に結合された１対の給電ポート36，38を含んでいる。ここで給電ポート36，38のそれぞれは図７にさらに明瞭に示されているように１対の方形導波管36a ，38a の対応するものの端部をそれぞれ終端している。
【００１３】
図６を参照すると隔壁34は給電ポート36，38に近接して配置されている後部部分34₁ を有している。この隔壁34の後部部分34₁ は図６および７に明らかに示されているように内部導体32と外部導体33との間に延在して１対の給電ポートを互いに隔離している。さらに説明すると、隔壁34の後部部分34₁ の２つの部分34a および34b は図６に示されているように内部導体32と外部導体33との間に延在している。さらに、給電ポート36，38のそれぞれおよび隔壁34の後部部分34₁ は給電ポート36，38の１つ、この例では給電ポート36に対する平坦な隔壁に垂直な方向に沿って実質的にＴＥ₁₁モードで伝送ライン31中の内部導体32と外部導体33との間に電界（図７で矢印37で示している）を設定するように配置されている。
【００１４】
図８のＡおよびＢを参照すると、隔壁34の後部部分34₁の断面図が示されている。図６および７から明らかなように隔壁34の後部部分34₁は給電ポート36，38に近接しており、図８のＡおよびＢに示されているように隔壁34の後部部分34₁は内部導体32と外部導体33との間に延在している（図８のＡ）。特に、両部分34a ，34b は半径方向で直径的に反対で同じ長さで延在している（図８のＢ）。したがって、その後部部分34₁の隔壁34は隔壁34の平面に垂直に、伝送ラインの直径に関して対称に配置されている。隔壁34の前部部分34₂（図６）は図８のＣ乃至Ｅに示されているように伝送ライン31の直径に沿って非対称に配置されている。
【００１５】
特に、図６に示されているように、隔壁34は１対の末端端部38₁ ，38₂ を有する。１対の末端端部の一方、この例では端部38₁ と外部導体33の最も近い部分との間の距離は、１対の末端端部の他方、この例では端部38₂ と外部導体33の最も近い部分との間の距離とは異なっている。１対の末端端部の１つ、この例では端部38₂ は隔壁34の全長に沿って外部導体33の最も近い部分と接触している。１対の末端端部の他方、この例では端部38₁ は隔壁34の前部部分34₂ に沿って外部導体33の最も近い部分から小さいギャップＧだけ離れている。ギャップＧは放射端部35、すなわちホーン37に向かって前方に進むにしたがって増加していることに注意すべきである。ここで、ギャップＧは隔壁34の端部38₁ と外部導体33との間で伝送ライン31に沿って伝搬するエネルギに対して位相シフトを与えるように段階的増加している。ここで隔壁34の前部部分34₂ は３つの段部を有しており、ギャップＧに沿って伝送ラインを伝搬する電気エネルギに９０度の位相シフトを与えるように構成されている。
【００１６】
図８のＡ乃至Ｆを参照し、エネルギが給電ポートの１つ、この例では給電ポート36に供給される場合を考えると、給電ポート36の主要モードである矢印37で示される電界が方形導波管36a の幅の狭い壁を横切って生成されることに注目される。したがって、図８のＡでは、電界の方向は二重丸の記号37' によって表されるように図の紙面に向かう方向である。給電ポート36にエネルギか入力されるとき、電界は９０度屈曲され、それによって内部導体32と外部導体33との間に延在する。図８のＢに示される給電ポート36より少し前方の位置では、電界は実質上水平方向に延びて、強い疑似ＴＥ₁₁水平モードになる。隔壁34の後部部分34₁ （給電ポートに近い部分）は給電ポート36，38を互いに電気的に分離する効果を有する。すなわち、後部部分34₁ は内部導体32から外部導体33へ延在する導電性の壁を提供するから、伝送ライン31を実効的に２つの電気的に分離した領域に２分する。
【００１７】
図８のＣを参照すると、ギャップＧは少し増加し、一方隔壁部分34b の縁部は内部導体32および外部導体33と接触したままであることに注意すべきである。すなわち、電界37は隔壁部分34a の末端部分である縁部と外部導体33との間のギャップＧ中に生成される。ギャップＧ中に生成された電界37は、図８のＣ乃至Ｅに示されているように実質的に垂直の方向をとり、疑似ＴＥ₁₁モードと考えることができる。もしも隔壁部分34b の縁部と外部導体33との間にギャップＧと同じ大きさのギャップが存在するならば、電界はギャップＧ中に生成されたのと同じ大きさでそのギャップ中に発生するであろう。しかしながら、その場合には、一方の電界は垂直方向上方を向き、他方の電界は下方を向くから、２つの電界は結合されて不所望なＴＥＭモードを生成し、所望のＴＥ₁₁モードに結合されない。したがって、隔壁34の非対称性（図８のＣ乃至Ｅに示されたように隔壁34の平面に垂直な直径に関して非対称である前部部分34₂ ）の結果として正味の疑似ＴＥ₁₁垂直モード電界が生成される。
【００１８】
図８のＤ乃至Ｆを参照すると、エネルギが前方に伝搬するとき、さらに広くされたギャップＧを横切る電界は強度を増加し（図８のＤおよびＥ）、それによって強力な垂直ＴＥ₁₁モードおよび強力な水平ＴＥ₁₁モードの両者を有する電界をホーンにおいて生成する。隔壁に沿った段部は疑似垂直ＴＥ₁₁モードエネルギに対して位相シフトを与え、ここでギャップに沿って伝送されるとき、そのような垂直ＴＥ₁₁モードエネルギは９０度の位相シフトを与えられる。したがって、結果的な電界は垂直および水平ＴＥ₁₁モード成分を有しており、その一方は他方に対して９０度の位相シフトを有し、その結果送信されるエネルギは円偏波となる。
【００１９】
したがって、隔壁34a の最初の段部（図８のＣ）において、隔壁の右側で、水平ＴＥ₁₁モードからのエネルギのほぼ半分は影響されないで伝搬を続ける。残りのエネルギは疑似ＴＥＭモードまたは疑似ＴＥ₁₁垂直モードに結合される。隔壁が存在するために、純粋のＴＥＭモードまたはＴＥ₁₁垂直モードは存在することができない。
【００２０】
隔壁34a の第２の段部（図８のＤ）において、水平ＴＥ₁₁モードは影響されないで伝搬を続ける。残りのエネルギは疑似ＴＥＭモードよりは疑似ＴＥ₁₁垂直モードに強力に結合される。各段部においては疑似ＴＥ₁₁垂直モードは水平モードに関して位相が進められる。
【００２１】
隔壁34a の第３の段部（図８のＥ）において、水平ＴＥ₁₁モードは影響されないで伝搬を続ける。残りのエネルギは再び疑似ＴＥＭモードよりは疑似ＴＥ₁₁垂直モードに強力に結合される。電界は疑似ＴＥ₁₁垂直モードでこの部分で導波管の下部隔壁に到達する。
【００２２】
最後の段部において、上下の両隔壁は消滅し、パワーのほぼ半分は水平ＴＥ₁₁モードで伝搬を続ける。ほぼ同量のパワーは垂直ＴＥ₁₁モード伝搬し、非常に少量の部分がＴＥＭモードで伝搬する。水平および垂直ＴＥ₁₁モードは円偏波に必要なように互いに９０度位相がずらされている。
【００２３】
反時計方向円偏波エネルギが所望される場合には、マイクロ波エネルギが給電ポート38に供給され、給電ポート36にはエネルギは供給されない。時計方向円偏波エネルギが所望される場合には、マイクロ波エネルギが給電ポート36に供給され、給電ポート38にはエネルギは供給されない。時計方向円偏波エネルギおよび反時計方向円偏波エネルギの両者が所望される場合にはエネルギは両給電ポート36および38に供給される。
【００２４】
受信においては、給電装置30（図４）は時計方向または反時計方向円偏波エネルギが受信され、それぞれポート36，38へ導かれる。
【００２５】
本発明の多くの実施形態が説明された。それにも拘らず、種々の変形、変更が本発明の技術的範囲を逸脱することなく行われることが可能である。例えば、図４の給電装置30は図９に示されているように円形の伝送ラインの後部に給電装置36' および38' を有していてもよい。隔壁34の後部部分は給電装置36' および38' を互いに電気的に分離している。また、給電装置は図１０に示されるように中空の中心導体32' を有していてもよい。すなわち、図１０に示された給電装置はその後端部にポート60を有し、その前端部にポート62を有している。この中空の中心導体32' により与えられた円形導波管中の電界は矢印17' によって示されている。中空の中心導体32' は同軸導波管により与えられる周波数帯域とは異なった周波数帯域で動作する。本発明の実施形態の別の例においては、サイズをスケールアップし、または複数のそのようにスケールされた例は同軸的に本発明の最初の例に示された構造を囲んで図１１および１２に示されたような多数の周波数帯域に対する付加的なポートを提供する。したがって、図１１および１２に示された実施形態では図９に関連して示され、説明された示された給電装置は付加的に外部導体33' を含んでいる。部分34a'および34b'を有する隔壁は導体対33と33' の間に設けられて第１の伝送ラインを形成している。部分34a および34b を有する第２の隔壁は導体対32と33の間に設けられて第２の伝送ラインを形成している。さらに、本発明の各付加的な例の隔壁の平面は第１およびそれに続く例の隔壁の平面に対して任意の角度の方向であってよい。したがって、図１１および１２に示されたように給電装置は共通の縦軸を有する複数の電気導体32, 33, 33' を含んでいる。導体の隣接する対は同軸伝送ラインを形成している。そのような同軸伝送ラインは伝送ライン中にその直径の１つに沿って導電性の平らな隔壁を有している。そのような同軸伝送ラインはその伝送ラインに電気的に結合された図１１に示される給電ポート（すなわちポート36', 38'または36'', 38''）を有している。隔壁は給電ポートに近接して配置された後部部分を有している。給電ポートと隔壁の後部部分は内部導体と外部導体との間の伝送ライン中に電界を設定し、その成分は導電性の平坦な隔壁に実質上垂直である。隔壁の前部部分は伝送ラインの前記直径に沿って電界成分を設定するようにその直径に沿って非対称に配置されている。ここでは導体32と33の間の隔壁は導体33および33' の間の隔壁に関して９０度の角度であるが、他の角度方向が使用されてもよい。さらに付加的な同軸伝送ライン、すなわち、図１１および１２に示された２個よりも多い伝送ラインが設けられてもよい。同軸導波管は円形断面のものである必要はない。事実、上述のように内部導体および外部導体の断面は実質上楕円または方形であってもよい。さらに、隔壁の２つの部分、34a および34b はここで図示されたものと正確に同じ形状および長さを有する必要はない。部分34a および34b および、または34a'および34b'は互いに異なった長さであってもよく、部分34b でもまた隔壁と外部導体33との間にギャップが存在していてもよい。ギャップは個別の段部を含まないで連続した曲線または直線を構成してもよい。本質的な点は、隔壁の部分34a, 34bがどのような形状を有していても、実質的な大きさの非対称が隔壁の平面に垂直な平面における直径に関して全体の隔壁の形状中に存在していなければならないことである。
【００２６】
したがって、その他の実施形態も本発明の特許請求の範囲の技術的範囲に含まれる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術による導波管の後部部分に直交モードトランスデューサ（ＯＭＴ）を有し、導波管の前部部分に１／４波長偏波子を具備している同軸給電装置の分解斜視図。
【図２】従来技術による図１の給電装置のＯＭＴ部分の断面図。
【図３】従来技術による図１の給電装置の１／４波長偏波子部分の断面図。
【図４】本発明による同軸給電装置の斜視図。
【図５】図４の給電装置の前面図。
【図６】図４の給電装置のアンテナのホーン部分に結合されている状態の断面図。
【図７】図４の給電装置のアンテナのホーン部分に結合されている状態の断面図で、図６に関して角度が９０度異なった位置の断面図。
【図８】給電装置内の電界を示している図６の線８Ａ−８Ａ乃至８Ｆ−８Ｆに沿った図４の給電装置の縦軸に垂直な断面図。
【図９】本発明の別の実施形態による給電装置の一部破断して示した斜視図。
【図１０】本発明の別の実施形態による給電装置の一部破断して示した斜視図。
【図１１】本発明の別の実施形態による給電装置の斜視図。
【図１２】図１１の給電装置の前面図。

Claims

内部導体と外部導体とを有する同軸伝送ラインと、
この同軸伝送ライン中に、その直径の１つに沿って配置されている導電性で平坦な隔壁と、
前記同軸伝送ラインに電気的に結合されている給電ポートとを具備し、
前記隔壁は、前記給電ポートに近接して配置されて内部導体と外部導体との間に延在している後部部分を有しており、
前記給電ポートと前記隔壁の後部部分は内部導体と外部導体との間の同軸伝送ライン中に前記平坦な隔壁に垂直な方向の実質的にＴＥ₁₁モードの成分を有する電界を設定するように構成され、
前記給電ポートから離れた位置にある隔壁の前部部分は前記直径に沿って内部導体の両側に非対称に配置されて１対の半径方向の末端端部を有し、それらの末端端部の一方と外部導体の最も近接する部分との間の第１の距離は、それらの末端端部の他方のものと外部導体の最も近接する部分との間の第２の距離とは異なるように構成されている導波管給電装置。
内部導体は中空である請求項１記載の導波管給電装置。
前記第１の距離は隔壁の後部部分から隔壁の前部部分に向かって同軸伝送ラインに沿って増加している請求項１記載の導波管給電装置。
前記第１の距離は隔壁の半径方向の末端端部と外部導体との間で同軸伝送ラインに沿って伝搬するエネルギに位相シフトを与えるように段階的に増加している請求項３記載の導波管給電装置。
１対の直交するＴＥ₁₁垂直モードとＴＥ₁₁水平モードとの間の相対的な位相シフトは反時計方向または時計方向の円偏波エネルギのいずれが生成されるかに応じて実質的にプラスマイナス９０度である請求項４記載の導波管給電装置。
共通の縦軸を有する複数の導体を含み、それら複数の導体の隣接する第１の導体と第２の導体とが第１の同軸伝送ラインを形成し、前記複数の導体の隣接する第２の導体と第３の導体とが第２の同軸伝送ラインを形成している複数の導体と、
第１の同軸伝送ライン中にその直径の１つに沿って配置されている導電性で平坦な第１の隔壁と、
第２の同軸伝送ライン中にその直径の１つに沿って配置されている導電性で平坦な第２の隔壁と、
前記第１および第２の同軸伝送ラインにそれぞれ電気的に結合されている第１および第２の給電ポートとを具備し、
前記第１の隔壁は第１の給電ポートに近接して配置されている後部部分を有し、
前記第２の隔壁は第２の給電ポートに近接して配置されている後部部分を有し、
前記第１の給電ポートと前記第１の隔壁の後部部分とは第１の導体と第２の導体との間の第１の同軸伝送ライン中に前記平坦な導電性の第１の隔壁に実質的に垂直な成分を有する電界を設定するように構成され、
前記第２の給電ポートと前記第２の隔壁の後部部分とは第２の導体と第３の導体との間の第２の同軸伝送ライン中に前記平坦な導電性の第２の隔壁に実質的に垂直な成分を有する電界を設定するように構成され、
前記第１の給電ポートから離れた位置にある前記第１の隔壁の前部部分は前記第１の同軸伝送ラインの直径に沿って内側の第１の導体の両側に非対称に配置されて１対の半径方向の末端端部を有し、それらの末端端部の一方と前記第２の導体の最も近接する部分との間の第１の距離は、それらの末端端部の他方のものと前記第２の導体の最も近接する部分との間の第２の距離とは異なるように構成されて第１の同軸伝送ラインの前記直径に沿った電界成分を設定し、
前記第２の給電ポートから離れた位置にある前記第２の隔壁の前部部分は前記第２の同軸伝送ラインの直径に沿って内側の第２の導体の両側に非対称に配置されて１対の半径方向の末端端部を有し、それらの末端端部の一方と前記第３の導体の最も近接する部分との間の第３の距離は、それらの末端端部の他方のものと前記第３の導体の最も近接する部分との間の第４の距離とは異なるように構成されて前記第２の同軸伝送ラインの直径に沿った電界成分を設定するように構成されている導波管給電装置。