JP4035506B2 - 二重の円偏波を備えた周波数分離導波管モジュール - Google Patents

Description

本発明は、二重の円偏波を備えた周波数分離導波管モジュールに関するものであり、特に、２つの周波数帯域で同時に動作し、送信と受信とで反対の円偏波を備えた送受信機のためのアンテナのアクセスモジュールとしての機能を果たすことを目的とする。

この形式の送受信機、及びその結果としてこの形式のモジュールは、特に低軌道の衛星を介して高いビットレートで送受信するシステムで用いられることを目的とする。同じアクセスポイントでシステムに同時送受信ができることは、アンテナのアクセスポイントで送信経路と受信経路との間の高度の分離と、広周波数帯域上で高度の純度の偏波を備えた二重の円偏波とを得ることができることを意味する。例えば、送信経路に右円偏波、及び受信経路に左円偏波が選択される。例えば、送信アクセスポイントと受信アクセスポイントで、1dB未満の軸率に対応する-25dB未満の交差偏波が求められる。

線形に偏向された領域から円偏波を得る従来の方法が、図１に図式的に示されている。前記方法は、導波管技術を用いて作られた偏向器2に励振器1を組み合わせる。励振器1は、送信時に用いられる周波数帯域T_Xと受信時に用いられる周波数帯域R_Xとを分離する。偏向器2は円偏波を生成し、その座標系は、電場ベクトルの方向に依存し、一方が右偏波で他方が左偏波に対応すると仮定されるラベルRCPとLCPの記号で表される。

前記の円偏波を作ることを可能にする既知の導波管の要素は、セプタム（septum）の境界で作られた段差が、円偏波を作るために垂直方向の入力場と再結合する水平場を生成する中央セプタム（septum）を備えたシステムである。図２に概略的に示されている既知の実施例において、偏向器2は、矩形断面を備えた導波管で構成されており、線XX’の中央面に関して対称的に構成された２つのアクセスポイント3Aと3Bからなり、セプタム（septum）が配置される正方形断面を備えた導波管部5に広がるように、セプタム（septum）4により延在された端部で相互に結合する。右／左円偏波は、水平の電場ベクトルの連続的な生成により、セプタム（septum）4を形成する面の段差により、及びそれが入るアクセスポイント3A又は3Bの線形偏波に対応する垂直ベクトルと前記水平ベクトルを再結合して得られる。従って、２つのアクセスポイント3Aと3Bは、正方形断面を備えた部分5の端部を構成するアクセスポイント3Cで、２つの異なる周波数帯域について反対の方向を有する２つの円偏波を生成することが可能になる。後者は、場合によって通常の変化を備えていることがあり（図示なし）、必要に応じて、正方形断面から円形断面にすることが可能になる。

分離器1は、それぞれのアクセスポイント3Aと3Bのための送信T_Xと受信R_Xとを分離するために、偏向器2に結合される。負荷を介してそれぞれの前記アクセスポイント3A、3Bで有用でない帯域を吸収する対策が行われる。

この理由は、前述の分離器なしで、アクセスポイント3Aと3Bのみが使用される場合、一方のアクセスポイントで使用されない周波数帯域の反射、すなわち送信に使用されるアクセスポイントの場合に受信に使用される帯域の反射が存在することになり、その逆も同様である。セプタム（septum）の方向の前記反射の結果は、偏向器の不一致を生じる。これが、一方のアームに、例えばアクセスポイント3Aで送信のために使用されるアーム7Aに平行なアーム6Aに、この場合に50オームであると仮定される負荷を入れる理由であり、アクセスポイント3Bで受信のために使用されるアーム7Bに平行なアーム6Bに、同様の負荷を入れる理由である。

しかし、この解決策は、アクセスのための複数のアームで分離器を使用するため、扱いにくいという欠点を有する。更に、フィルタのような要素が使用されるため高価になり、遷移とセプタム（septum）が製作と組み立てに不便である。

従って、本発明は、二重の円偏波を備えた周波数分離導波管モジュールを提供し、特に、２つの周波数帯域で同時に動作し、送信と受信とで反対の偏波を備えた送受信機のためのアンテナのアクセスモジュールとしての機能を果たすことを目的とする。

周波数分離導波管モジュールは、正方形導波管と呼ばれる正方形断面を備えた導波管の第１の端部への入／出力アクセスポイントと、矩形導波管と呼ばれる矩形断面を備えた導波管で構成され、正方形導波管の第２の端部に並行して配置された２つのアクセスポイントと、それぞれ１つの矩形導波管に関連付けられた反対の座標系の２つの円偏波の生成を可能にするように、２つの矩形導波管に共通の中央分離領域の端部で前記正方形導波管に配置されたセプタム（septum）とを有する。

本発明の１つの特徴によると、セプタム（septum）が含まれ、矩形導波管によるアクセスポイントがフィルタで拡張されるダイプレクサ（diplexer）を形成するように、前記モジュールが構成され、各アクセスポイントは、異なる周波数帯域を送信するために提供されたフィルタが備えられ、セプタム（septum）の段差は、各フィルタによって前記セプタム（septum）の方向にそれぞれ除波される周波数の反射を補うような大きさにされる。

本発明はまた、２つの周波数帯域で同時に動作し、送信と受信とで反対の円偏波を備えた送受信機を提供する。

本発明の１つの特徴によると、前記送受信機は、前記に定められた導波管モジュールで構成されるアンテナのアクセスモジュールを有する。

本発明と、その特徴と、その利点とが、図面に関係して以下の詳細な説明で特定される。

本発明による二重の円偏波を備えた周波数分離導波管モジュールが、図３に概略的に示される。前記モジュールは、複数の段差を備えたセプタム（septum）9が配置されるダイプレクサ（diplexer）8を有し、前記セプタム（septum）は偏向器として使用される。前記セプタム（septum）は、正方形断面を備えた導波管部10の中にあり、ここでは点線で示されている。ダイプレクサ（diplexer）は、並行し、且つ矩形断面を有する短い導波管要素を有する２つのアクセスポイント11Aと11Bを有し、アクセスポイント11Aのようなその一方が、送信に使用されることを目的としており、アクセスポイント11Bのような他方が、受信に使用されることを目的とする。前記アクセスポイント11A、11Bに対応する矩形断面を備えた導波管の要素は、一端で導波管部10を貫く中央の共通分離領域12のそれぞれの側面で導波管部10に結合されている。提案された例示的な実施例において、セプタム（septum）9は、導波管部10の内部の分離領域12の端部に配置された基部を有する段差を備えた薄い面で構成される。側面にあり、基部から頂部に向かって減少する段差は、この導波管部の第１の部分に存在する。更に、ダイプレクサ（diplexer）は、２つの矩形アクセスポイント11Aと11Bが開いている端部から離れた導波管部10の端部で開いた正方形アクセスポイント11Cを有する。前記２つのアクセスポイントは、それぞれ異なる特定の周波数帯域のために提供される。前記の構成は、二重帯域のセプタム（septum）を備えたモジュールを得るために使用される。このため、完全に相互に独立している２つのアクセスポイント11Aと11Bは、それぞれが２つの周波数帯域のうちの１つをフィルタリングすることを可能にするように、それぞれ備えられている。

高周波数帯域でフィルタリングすることは、図３のアクセスポイント11Aのフィルタを形成する緩和要素13Aで図式的に示されている通り、前記アクセスポイントの拡張部の矩形アクセスポイントでの断面を減少することで自然に実行されてもよい。カットオフ周波数は、低周波数の伝搬を回避するように変更される。

低周波数帯域でフィルタリングすることは、他方の矩形アクセスポイントで実行され、ここでは、アクセスポイント11Bに関して矩形導波管部のそれぞれの側面に内部に配置された挿入部14Bの記号で表されているように、前記アクセスポイントの拡張部に配置された部分に水平の金属挿入部又は“スタブ”を配置することで得られると仮定される。

前記モジュールが、図２に関して説明した４つのアームを備えた分離器を有する先行技術によるモジュールと比較されると、本発明によるモジュールについて全体の大きさに関する有意な節約が得られる。このことは、本発明によるモジュールを、必要な組立部品に統合することを容易にし、特に前述の送受信機の場合には、アンテナのアクセス回路として統合することを容易にする。

図３に関して提案された方法は、唯一のものではなく、特に小型のため、及びモジュールの機械的な製造を簡潔にするため、図４に図式的に示される方法が提供される。

この図４に示されるモジュールは、図３に示されるダイプレクサ（diplexer）8と類似するダイプレクサ（diplexer）8’で構成される。前記ダイプレクサ（diplexer）8’は、セプタム（septum）9’が配置される正方形断面を備えた導波管部10’を有する。ダイプレクサ（diplexer）8’は、ダイプレクサ（diplexer）8のアクセスポイント11Aと11Bと同様に、並行して配置され、矩形断面を備えた２つのアクセスポイント11A’と11B’を有する。前記矩形アクセスポイントのうちの１つ、この場合には11A’は、断面13A’の緩和要素で拡張され、それはアクセスポイント11Aと同様に構成され、それはまた高周波数帯域でフィルタリングすることを可能にする。他の矩形アクセスポイント、この場合には11B’は、低周波数帯域でフィルタリングするように備えられ、ここでは、それは水平の金属挿入部14B’が外部に作られる部分で拡張される。提案された例において、前記挿入部14B’は、矩形導波管部の内側に向かって開いている水平の溝の形式で作られ、それはこの導波管部を側面に規定する直交する平らな壁面部のうちの少なくとも１つに作られている。提案された実施例において、溝は最も外側の平らな壁面部から外側に突出する領域で作られている。従って、特に実施が簡単な機械的な実施例が得られることがある。

本発明によるどの方法が選択されても、モジュールの矩形アクセスポイントの拡張部に配置された手段によって実行されるフィルタリングが、フィルタなしで使用されるセプタム（septum）の手段によって得られるものに関して、このモジュールの送信係数における摂動を取り入れる傾向があるという事実が残る。

送受信機を対象とした本発明による導波管モジュールは、14から14.5GHzにある周波数帯域T_Xで送信し、11.7から12.7GHzにある帯域R_Xで受信することを前提とする。更に、-25dBより大きい軸方向の交差偏波と、送受信帯域で20dBより大きい絶縁を有する必要が存在することを前提とする。

モジュールで提供されるセプタム（septum）は、後者が交差偏波の識別力に直接依存する程度に得られる絶縁の質を調整する。

11.7から14.5GHzにある帯域を有するセプタム（septum）を備えた偏向器が選択されると仮定する。その帯域は、それを構成するその薄い面が有する段差の数の関数であり、４つの段差を有するセプタム（septum）で前記に想定された周波数帯域について、約0.6dBの軸率を得ることが可能であることが知られている。

矩形アクセスポイントが、例えば19.05×9.525mmのWR75規格の導波管と、20×20mmの正方形導波管を使用して作られていることを仮定すると、想定された帯域で良い組み合わせを得ることが可能となり、TE10の水平偏波モードのカットオフ周波数は7.49GHzである。更に、カットオフ周波数が14.99GHzであるため、TE20の水平偏波モードは励振されない。

段差の長さは、導波長λgの約４分の１であり、13.1GHzの中央の周波数で6.97mmに対応し、それは約35mmのセプタム（septum）の面の長さを導く。

既知の通り、励振の質は、それが動作する導管の短絡の端部に関して励振プローブの位置に依存し、前記位置は約４分の１の波長λgだけ前記端部から離れたプローブの動きに対応する。ここで、セプタム（septum）は、基本モードでセプタム（septum）を駆動することができるように、約λgのプローブから離れて配置されていることを仮定する。

良い質の円偏波を得るために、正方形導波管に存在する直交モードの位相は、利用される各モードについて3dBの転送係数の値S13とS23を有するように、90°だけシフトされ、同じ振幅を有する。S13は、ポート1と3の間の転送係数に対応し、S23は、ポート2と3の間の転送係数に対応し、ポート1と2と3は、それぞれ図３のアクセスポイント11Bと11Aと11Cに対応する。更に、モード1と2は、それぞれ電場の垂直方向とその電場の水平方向に対応する。

図５に示される図は、先行技術に従って、本発明によるモジュールで提供され、前述の通りモジュールの２つの直行のアクセスポイントでフィルタのない４つの段差を有するセプタム（septum）で得られた性能を示したものである。

含まれる周波数帯域の幅は、X軸に示されている通り11.5GHzから14.5GHzであり、0から-60dBの目盛がY軸に示されている。実質的な水平の曲線Iで図式的に示されている通り、モード1の転送係数S13とS23の性能は実質的に同じである。曲線IIで図式的に示されている通り、モード2の転送係数S13とS23は実質的に同じであり、周波数12.5GHzと13.5GHzの近くでわずかに低下し、13.6GHzの周波数の近くで-10dBより大きい範囲の負のピーク値を有する。モード1と2は、それぞれ電場の垂直の偏波と水平の偏波に対応する。

曲線IとIIは、11.8から14.3GHzの間の周波数の間で、それ故に全受信周波数帯域について3dBの上限が保持され、これと対称的に、送信帯域の全周波数について、特に前述の13.6GHzの周波数の近くで上限が保持されないことを示している。従って、このレベルで性能を最適化する対策が行われる。

図６と７に示される図は、前述の通り、該当のアクセスポイントにより送信されない周波数帯域をそれぞれ選択的に除去するために、矩形アクセスポイントの拡張部に配置されたフィルタの存在によって引き起こされた摂動を示したものである。

図６に示される曲線IIIとIVは、モード1と2の係数S23で得られた性能をそれぞれ示している。曲線IIIが約-36dBまで上がるピーク値を有し、曲線IVが-59dBまで下がるピーク値を有する12.1GHzの周波数の近くの領域を除いては、モード1の係数S23に関する曲線IIIは、11.5GHzから13.5GHzにある周波数の範囲で曲線IVと実質的に一致する。２つの曲線は、特に13.65GHzの周波数の近くで離れ、曲線IVは-12dBまで下がるピーク値を有し、曲線IIIは-3dBまで上がるピーク値を有する。おおよそ13.7と14.5GHzの間の周波数帯域に位置する曲線IIIとIVの部分は、その範囲で送信に利用される14から14.5GHzの周波数帯域T_Xがあり、その帯域について図８に拡大される。モード1の送信係数S23に関する曲線IIIは、13.7から14.4GHzの範囲の周波数帯域では-1dBと-3dBの間であり、モード2の送信係数S23に関する曲線IVは、13.7から14.5GHzの範囲の周波数帯域では-4dBと-7dBの間である。このようなモジュールは、得られる望ましい性能を可能にしない。本発明は、試行錯誤で多様な段階の長さと深さを変更することでセプタム（septum）を形成する薄い面が有する段差の再調整することによって、送信帯域で生成された摂動を補うために、セプタム（septum）の構成で動作することを目的とする。

図７に示される曲線VとVIは、11.5から15GHzにある周波数帯域でのモード1と2の係数S13で得られた性能をそれぞれ示したものである。

曲線VとVIは、11.5と12.7GHzの周波数の間で-2dBと-5dBの間の領域にあり、その領域において、２つの曲線が下方のピーク値を示す実質的に12.1GHzの周波数を中心とする限定された範囲を除いて、受信に利用される周波数帯域R_Xがある。図９は、受信帯域の11.7と12.5GHzの制限した周波数の間の曲線VとVIの部分の拡大に対応する。

モード1の係数S13に関して、-10dBより大きい低点が曲線Vで見られ、モード2の係数S13に関して、曲線VIの-19dBの低点がある（図７）。

本発明によるモジュールにおいて、フィルタリングによって引き起こされ、送信係数に影響を与える前記の摂動は、セプタム（septum）の段差の大きさの再調整で補われる。この再調整は、ここでは図１０と１１に示されている最適な結果が得られるまで、段差において実行される。前記図に示されている曲線III’とIV’とV’とVI’は、本発明による想定されたモジュールで最適化された後に、それぞれdBで測定され、周波数の関数として提供されたモード1と2のS23の係数、及びモード1と2のS13の係数の変形形態をそれぞれ示したものである。図９の対応する曲線VとVIに比較して図１１の曲線V’とVI’で示されている負のピーク値の減少が、特に留意すべきである。

例えば、同等の送信される直交モードの振幅が、各アクセスポイントの最適化要素として選択される場合、それは以下の基準の形式で変換されることがある。
モード1のS13=モード2のS13=11.7から12GHz帯域上で-3dB
モード1のS23=モード2のS23=13.9から14.1GHz帯域上で-3dB
最適化された帯域上で性能を改善することは、特に一例として以下に提示された表に現れる前述の曲線から得られた値を結果として生じる。

20mmの基部と、それぞれ幅が15.69mmと9.62mmと5.67mmと2.56mmの幅である４つの段差とを有する前述の４つの段差を備えたセプタム（septum）を検討すると、最適化されたセプタム（septum）は、前記と同じ基部と、それぞれ幅が16.79mmと9.32mmと6.71mmと2.58mmである４つの段差とを有するものとしてここに提示される。

前述の表に従って、以下のものが得られる。

84と90°の間の位相シフトで振幅間の1.3dBの差分は、1.75dBより良い軸率に導く。

位相がこの最適化に関して考慮されていない限り、セプタム（septum）の段差の長さを変化することにより更なる調整を実行することが可能である。

セプタム（septum）の段差の幅を変更することにより、矩形アクセスポイントの拡張部に配置されたフィルタによって引き起こされた欠陥を補うことが可能になる。前記段差の大きさを調整することにより、各フィルタによってセプタム（septum）の方向にそれぞれ除波される周波数の反射を補うことが可能になる。例えば、最適化は、段差の大きさを変更し、各変形形態についてシミュレーションをすることにより、試行錯誤で実行される。

得られた二重帯域のセプタム（septum）を備えた偏向器により、二重の円偏波を備えた周波数分離導波管モジュールを作ることが可能になる。このモジュールは、特に、アンテナと送受信機との間のリンクとしての機能を果たすことを目的とし、送信と受信とで反対の円偏波を備えた２つの周波数帯域で同時に動作することを目的とする。送信機は、矩形アクセスポイントのうちの１つに接続され、ここで想定されている通り、送信周波数帯域が受信のものより高い場合に、それはこの場合には緩和要素13A又は13A’を備えたアクセスポイント11A又は11A’であることが仮定される。受信機は、他方の矩形アクセスポイントに接続され、アンテナは、正方形導波管部10又は10’の他の端部に配置されたアクセスポイントに接続される。

線形に偏向された場から円偏波を得ることが可能になる先行技術による導波管装置の概略図を示したものである。 アンテナにアクセスするための既知の導波管モジュールに関する概略図を示したものである。 本発明によりアクセスするための導波管モジュールに関する概略図を示したものである。 本発明によるアクセスモジュールの代替の実施例に関する透視図を示したものである。 ２つの矩形アクセスポイントでフィルタのないアクセスモジュールの状況において、先行技術によるセプタム（septum）で得られる可能性のある性能を表した図を示したものである。 本発明によるモジュールの状況において、セプタム（septum）が矩形アクセスポイントの拡張部に配置されたフィルタと結合される場合に、取り入れられる摂動を示す最適化の前に得られる性能を表す図を示したものである。 本発明によるモジュールの状況において、セプタム（septum）が矩形アクセスポイントの拡張部に配置されたフィルタと結合される場合に、取り入れられる摂動を示す最適化の前に得られる性能を表す図を示したものである。 一例として前述のフィルタのないセプタム（septum）で取り込まれた送信帯域と受信帯域で、最適化の前に特に得られた性能を表す図を示したものである。 一例として前述のフィルタのないセプタム（septum）で取り込まれた送信帯域と受信帯域で、最適化の前に特に得られた性能を表す図を示したものである。 一例としてフィルタを備えたセプタム（septum）で取り込まれた送信帯域と受信帯域で、最適化の後に特に得られた性能に関する拡大された図を示したものである。 一例としてフィルタを備えたセプタム（septum）で取り込まれた送信帯域と受信帯域で、最適化の後に特に得られた性能に関する拡大された図を示したものである。

Claims (5)

1. 正方形導波管と呼ばれる正方形断面を備えた導波管部分を有するダイプレクサ（diplexer）の第１の端部に入／出力アクセスポイントを有し、矩形導波管と呼ばれる矩形断面を備えた導波管要素で構成され、前記ダイプレクサの第２の端部に並行して配置された２つのアクセスポイントを有するダイプレクサと、
   反対の座標系の２つの円偏波の生成を可能にするように、２つの矩形導波管に共通の中央分離領域の端部で前記正方形導波管に配置されたセプタム（septum）と
   を有する周波数分離導波管モジュールであって、
   矩形導波管の各アクセスポイントは、異なる第１及び第２の周波数帯域を送信するために提供されたフィルタで拡張され、
   前記セプタムは、各フィルタによって前記セプタムの方向にそれぞれ除波される周波数の反射により引き起こされる摂動を補うような大きさの段差の形式のブレード（blade）である
   ことを特徴とする周波数分離導波管モジュール。
2. 請求項１に記載のモジュールであって、
   前記フィルタのうち１つは、断面の１つ以上の減少によるフィルタリングを提供する要素を有するモジュール。
3. 請求項１又は２に記載のモジュールであって、
   前記フィルタのうち１つは、要素を有し、前記要素のそれぞれの側面に内部に配置された横断金属挿入部を用いて構成されるモジュール。
4. 請求項１又は２に記載のモジュールであって、
   前記フィルタのうち１つは、要素を有し、前記要素のそれぞれの側面に外部に配置された金属挿入部を用いて構成されるモジュール。
5. ２つの周波数帯域で同時に動作し、送信と受信とで反対の円偏波で動作するように設計された送受信機であって、
   請求項１ないし４のうちのいずれか１項に記載の導波管モジュールで構成されるアンテナのアクセスモジュールを有することを特徴とする送受信機。

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