JP4771617B2 - 電磁波を送受信するソースアンテナ - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁波を送受信するソースアンテナ、より特定的には、Ｃバンド、Ｋｕバンド、又は、Ｋａバンドにおける衛星通信システムに使用されるこの型の装置を改善することに関わる。
【０００２】
【従来の技術】
対話式無線電気通信サービスは、より急速に発展している。これらサービスは、特に電話法、テレファックス、テレビジョン、インターネットネットワーク、及び、全てのいわゆるマルチメディア領域に関わる。これら一般放送サービス用の機器は、手頃な費用で入手可能でなくてはならない。これは、特に、通常、通信衛星によってサーバと通信しなくてはならないユーザの送受信システムにおいて見られる。この場合、通信が、マイクロ波周波数領域、特にＣ、Ｋｕ、又は、Ｋａバンド、つまり、４ＧＨｚ乃至３０ＧＨｚにある周波数において行われる。
【０００３】
送信（Ｔ）／受信（Ｒ）ソースアンテナに関して、送信及び受信といった２つのバンドを占めるよう広い周波数バンド域の波形のホーンを一般に有する導波管装置を一般に使用し、このホーンは、送信路並びに受信路及び／又は直交偏波の分離を可能にし、直交モード（又は直交モードトランスデューサ：ＯＭＴ）及び各ポート上の導波管フィルターから成る装置と関連する。
【０００４】
技術における装置は、扱いにくく高価である。装置の重さ及び大きさは、一般に個別に使用することに適さない。
【０００５】
従って、出願人は、THOMSON Multimediaの名前の下、特許ＷＯ９９／３５７１１において衛星通信システム用の家庭内端末において使用されてもよい球面レンズ、放物面反射アンテナ、又は、マルチリフレクタアンテナのような集束システムの焦点にある送受信ソースアンテナを既に提案した。この場合、レンズ又は放物面反射器を照射するために使用されるソースアンテナは、Ｎの放射素子、即ち、受信のような一方の方向のリンクに対するＮのパッチから成るアレイと、アレイの中央におかれ、軸が放射の軸と一致するヘリックス、誘電体棒のような縦放射アンテナ、又は、送信のような他方の方向のリンクに対する全ての他のタイプの縦放射アンテナとから成る。従って、縦放射アンテナ及びパッチからなるアレイの位相の中心は、略一致し、アンテナのシステムの焦点におかれ得る。
【０００６】
パッチタイプのＮの放射素子から成るアレイとヘリックスのような縦放射アンテナとの間で最大の減結合をこのタイプの組み合わされたソースに確実にさせるためには、パッチからなるアレイを低周波数で行われるリンク、即ち、受信において使用し、縦放射アンテナを高周波数で行われるリンク、即ち、送信において使用することが好ましい。
【０００７】
しかしながら、受信周波数バンドが送信周波数バンドより一般に広く、リンクバジェットが受信源の損失に対してより感応であると、この観点から受信源に対してパッチからなるアレイを選択することは最適ではない。
【０００８】
更に、パッチからなるアレイでは受信バンドにわたって質の良い円偏波を得ることがしばしば困難である。しかしながら、低軌道の衛星を使用する多くの通信システムは円偏波で動作する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
従って、本発明は、円偏波を使用する衛星通信システムの場合に上述の問題に対する最適な解決策を提案することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
一実施例によるソースアンテナは、
第１の周波数バンドにおいて電磁波を受信又は送信するｎ個の放射素子のアレイと、上記アレイの中心に設けられ第２の周波数バンドにおいて電磁波を送信又は受信する縦放射素子とを支持部上に有し、上記ｎ個の放射素子のアレイは、上記縦放射素子の回りに対称的に配置され、上記アレイの放射素子各々は進行波アンテナから構成され、該進行波アンテナは、一連の環状配列を形成するように、上記支持部に設けられかつ複数の線路のフィードアレイにより相互に接続され、上記ｎ個の放射素子は複数の線路のフィードアレイにより励起され、該複数の線路の長さは、
L5−L6＝λg／2
L2−L1＝L3−L4＝λg/4
の関係を満たし、λgは動作周波数の中心において線路に生じる波長であり、L2及びL1は2つの放射素子と第1の共通接続点との間の線路長であり、L3及びL4は他の2つの放射素子と第2の共通接続点との間の線路長であり、L5及びL6は上記第1及び第2の共通接続点と上記フィードラインに至る接続点との間の線路長である、電磁波を送信／受信するソースアンテナである。
【００１１】
好ましい実施例によると、進行波形の放射素子は、ヘリカル装置である。
【００１２】
この場合、ｎの素子を有するアレイの各ヘリックスの長さは、縦放射素子となり、即ち、アレイのヘリックスと略同一である。
【００１３】
各ヘリックスの長さは、縦モードにおけるヘリックスの正常な動作のためには、
【００１４】
【数１】

が成立しなくてはならないことを既知として従来の方法で決定され、このとき波長λはヘリックスの動作の中央周波数に対応し、Ｄは１つのターンの径であり、Ｓは２つの連続するターン間の距離である。
【００１５】
ターンの数Ｎ’、従って、ヘリックスの全長Ｌ＝Ｎ’Ｓは、ヘリックスの指向性を決定する。放射パターンのメインビームの幅は、
【００１６】
【数２】

といった典型的な関係から得られ、このときθ°は、３ｄＢにおけるビームの幅である。
【００１７】
進行波形の放射装置、より特定的には、ヘリカル装置の使用は、幾つかの利点をもたらす。それにより、アレイの損失を制限することを可能にし、ヘリカル装置は非常に低い損失を示す。結果として、アレイアンテナからの損失は、フィードアレイからの損失まで略制限される。更に、基板を選択する問題に対して解決策を提供する。
【００１８】
特に、パッチタイプのアンテナの場合、高い誘電透過率を有する細長い基板を必要とする回路の要求と、低い透過率を有する厚い基板を必要とするアンテナの要求との間で折り合いをつける必要がある。
【００１９】
更に、アレイに対する基本の放射素子としてヘリカル装置を使用することは、その円偏波の下での固有の放射及び広い周波数バンドにわたるその動作により、バンドの幅及びソースアンテナの円偏波の問題に対する解決策を提供する。
【００２０】
更に、順次回転の技法をアレイに対して使用してｎの放射素子を位置決めするとき、ヘリックスを基本の放射素子として使用することはフィードアレイのトポロジーを簡略化し、フィードアレイの損失及び大きさを制限することを可能にする。
【００２１】
本発明の別の特徴によると、縦放射素子は、軸が放射の軸と一致する縦放射の誘電体棒、又は、軸が放射の軸と一致するヘリカル装置を有する。誘電体棒の場合、縦放射素子は、導波管を有する手段によって励起される。
【００２２】
本発明の別の特徴によると、２つの周波数バンドのうち一方は、電磁波を受信するために使用され、他方の周波数は電磁波を送信するために使用される。
【００２３】
それにより、本発明は、低周波数／高周波数反転の場合に使用され得る。
【００２４】
【発明の実施の形態】
本発明の他の特徴及び利点は、本願に添付する図面を参照して提供する様々な好ましい実施例の以下の説明を読むことで明らかになる。
【００２５】
説明を簡略化するため、図面中、同じ素子は同じ参照番号を有する。
【００２６】
図１及び図４により顕著に表示するように、ソースアンテナは、第１の周波数バンド、特に受信において動作するｎの放射素子の第１のアレイと、第２の周波数バンド、即ち、送信において動作する縦放射アンテナとを有する、組み合わされたソースである。
【００２７】
図１に示すように、ｎの放射素子の第１のアレイは、平行六面体の形状の支持部１から成り、この支持部の上面は誘電材料から成る基板で覆われる。
【００２８】
図２に明確に示すように、支持部１は、４つの円形の穴１０_１、１０_２、１０_３、１０_４を有し、本実施例においてこれらの穴は正方形の４つの頂点に位置決めされる。４つの穴は、ヘリックス１１_１、１１_２、１１_３、１１_４からなる４つの放射素子が通ることを可能にする。正方形の真中には、後に説明する縦放射アンテナの支持素子の一部を形成する取付用ステムの通過を可能にする円形の開口部３が設けられる。円形の開口部（アパーチャ）３は、開口１０_１、１０_２、１０_３、１０_４によって境界がつけられる正方形の中央に位置決めされ、上記４つの放射素子が通ることを可能にする。
【００２９】
図２に示すように、ヘリカル装置１１_１、１１_２、１１_３、１１_４は、順次回転アレイを形成するように位置決めされる。更に、図１に示すように、ヘリカル装置１１_１、１１_２、１１_３、１１_４は、短い長さ１を有する。更に、図３に示すように、ヘリカル装置１１_１、１１_２、１１_３、１１_４は、基板２の裏面上に印刷技術で形成されるフィードアレイに接続される。既知の方法において、フィードアレイはマイクロストリップ線路Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４、Ｌ５、Ｌ６、及び、Ｌ７から成る。より特定的には、線Ｌ１及びＬ２は接続点Ｃ１でアンテナ１１_１及び１１_２を接続し、線Ｌ３及びＬ４は接続点Ｃ２でアンテナ１１_３及び１１_４を接続し、線Ｌ５は接続点Ｃ１を接続点Ｃ３に接続し、線Ｌ６は接続点Ｃ２を接続点Ｃ３に接続し、線Ｌ７は励起回路と接続点Ｃ３との間に接続される。順次の回転を得るためには、値Ｌｉは、
【００３０】
【数３】

を満たし、このときλｇは、動作の中央周波数におけるマイクロストリップ線路中で導かれる波長である。それにより、ヘリックス１１_１、１１_２、１１_３、１１_４の相対的な励起位相は、夫々０°、９０°、１８０°、及び、２７０°である。ヘリックスが夫々０°、９０°、１８０°、及び、２７０°の角で夫々の軸の周りを順次に回転される場合、一連の回転の状態は、この場合右円偏波に関して確実となる。左円偏波に関して、一連の回転はヘリックスを夫々０°、−９０°、−１８０°、及び、−２７０°と回転させることで得られる。
【００３１】
実施例では、４つのヘリックスを有する放射素子からなるアレイに関する。しかしながら、後に説明するとおり、放射素子からなるアレイは、例えば、径が１．７λ０の円にわたって規則的に分布される８つのヘリックスを有し得る。
【００３２】
図１に示すように、受信において使用される第１の周波数バンドで動作する４つのヘリックスからなるアレイと関連して、第２の周波数バンドで動作する縦放射手段がある。図１の実施例において、この手段は、後に説明する励起回路にステム３の中を通る同軸ケーブル２１によって接続されるヘリックス２０を有する。ヘリックス２０は、ターン２２の組から構成され、軸モードで動作する。従って、ヘリックスの右円部分は、波長を３で割算した値に略制限され、より特定的には、
【００３３】
【数４】

を満たさなくてはならず、このときＤはヘリックスの径である。
【００３４】
ステム３は、導電材料から形成される平行六面体の支持部４の一部を形成し、支持部４は、励起回路を受容することを意図する。
【００３５】
この回路は、基板上にエッチングされ、特性インピーダンスが良い適合を確実にするために同軸線（ステム）を引伸ばすことで適応されるヘリックスの特性インピーダンスに等しい一本のマイクロストリップ線路Ｌ’から成る。
【００３６】
既知の方法において、線Ｌ７及びＬ’は、実施例において、夫々電磁波を受信する回路と、電磁波を送信する回路とに夫々接続され、これら回路は、増幅器及び周波数変換器を有する。本発明の変形例によると、受信回路及び送信回路は逆にされてもよく、即ち、長いヘリックスアンテナを受信に使用し、アレイを送信に使用してもよい。
【００３７】
本発明による送受信ソースアンテナの別の実施例を図４及び図５を参照してここで説明する。この場合、第１の実施例に関して、受信回路は、第１の周波数バンドで動作するｎの放射素子からなるアレイ、即ち、約１．７λ０の径の円上に位置決めされる８つのヘリックス３０_１、３０_２、３０_３・・・３０_８からなるアレイを含む。所望の指向性に依存して、この円の径は変更され得る。８つの放射素子の使用は、アレイのより指向的な放射を得ることを可能にし、本実施例はダブルリフレクタアンテナを照射するのに好適である。ヘリックス３０_１乃至３０_８は、順次の回転を得るように供給される。これらヘリックスは、印刷技術で形成されるフィードアレイ（図示せず）に接続される。図４及び図５の実施例において、縦放射手段は、軸が放射の軸と一致する縦放射誘電体棒を有する素子を含む。より特定的には、図４に示すように、縦放射手段は、ステム３１の上に現れる棒４０を有する。コーン４１の頂点は、波が放射する又は波が捕捉される空間の方に指される。このコーン４１の底面はシリンダを用いて延在され、頂点はコーン４１の頂点と反対の方向を指すコーン４３で終端する。
【００３８】
コーン４１、シリンダ４２、及び、コーン４３から形成される棒４０は、例えば、縦放射誘電体アンテナ、即ち、比較的細長い放射パターンを示す、アンテナを含む、圧縮されたポリスチレンを有する。このタイプのアンテナは、「ポリロッド」と呼ばれる。
【００３９】
棒４０の構造は、そのシリンドロ−コニカルアンテナの名を説明する。棒４０は、導波管として動作し、送信モードは最大放射が棒４０の方向の軸上に現れ得るようなモードである。図示しない変形例によると、棒４０は中空である。このような誘電体アンテナを製造する技法は、当業者に周知であり、より詳細には説明しない。
【００４０】
図４に示すように、棒４０は、コーン４１の底面において軸が棒４０の軸と一致するシリンダ状のステム４４によって囲われる。ステム４４は、本体３１並びに導電材料から形成される平行六面体の本体４５の中を通る。ステム４４は、導電材料からなり、壁が本体４５と接触する導波管を形成する。
【００４１】
本体３１の上部面から現れるステム４４の上部分は開いており、本体４５から出現するステム４４の下部分は金属板４４ａによって閉じられ、従って、ステムは、共振空洞を形成する。ステム４４は、垂直な開口部を示し、マイクロストリップ技術において形成される電磁波を受信又は送信する回路を受容する基板４６の通過を可能にする。基板形成プレート４６は、例えば、テフロンガラスのような所与の誘電透過率の材料から構成される。プレートは、棒４０の方に向けられる上部面、及び、アース面を形成する金属化された低部面を示す。プレートは、ステム４４の導体壁と接触する。プレート４６は、プレート４６の上部表面上にエッチングされるプローブによって既知の方法で供給される。実施例は、第１の実施例と同一の方法で動作される。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施例による電磁波を送受信するソースアンテナの断面図。
【図２】図１のソースアンテナの平面図。
【図３】ヘリックスによるアレイのフィード回路のトポロジーを示す図１のＡ−Ａ線断面図。
【図４】別の実施例による電磁波を送受信するソースアンテナの断面図。
【図５】図４のアンテナの平面図。
【符号の説明】
１ 支持部
２ 基板
３ 円形の開口部
１０ 開口
１１，２０，３０ ヘリックス
２１ 同軸ケーブル
２２ ターン
３１，４４ ステム
４０ 棒
４１，４３ コーン
４２ シリンダ
４５ 本体
４６ プレート

Claims (5)

1. 第１の周波数バンドにおいて電磁波を受信又は送信するｎ個の放射素子のアレイと、上記アレイの中心に設けられ第２の周波数バンドにおいて電磁波を送信又は受信する縦放射素子とを支持部上に有し、上記ｎ個の放射素子のアレイは、上記縦放射素子の回りに対称的に配置され、上記アレイの放射素子各々は進行波アンテナから構成され、該進行波アンテナは、一連の環状配列を形成するように、上記支持部に設けられかつ複数の線路のフィードアレイにより相互に接続され、上記ｎ個の放射素子は複数の線路のフィードアレイにより励起され、該複数の線路の長さは、
   L5−L6＝λg／2
   L2−L1＝L3−L4＝λg/4
   の関係を満たし、λgは動作周波数の中心において線路に生じる波長であり、L2及びL1は2つの放射素子と第1の共通接続点との間の線路長であり、L3及びL4は他の2つの放射素子と第2の共通接続点との間の線路長であり、L5及びL6は上記第1及び第2の共通接続点と上記フィードラインに至る接続点との間の線路長である、電磁波を送信／受信するソースアンテナ。
2. 上記進行波アンテナは、ヘリカル装置である、請求項１記載のソースアンテナ。
3. 上記縦放射素子は、放射の軸に一致する軸を有する誘電体の棒を有する、請求項１又は２に記載のソースアンテナ。
4. 上記縦放射素子は、放射の軸に一致する軸を有するヘリカル装置を有する、請求項１又は２に記載のソースアンテナ。
5. 上記縦放射素子は、導波管を有する手段によって励起される、請求項３又は４に記載のソースアンテナ。

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