JP5355643B2 - 二帯域マイクロ波放射エレメント - Google Patents

Description

本発明は、たとえば、マイクロ波領域における衛星通信またはレーダタイプの用途の枠組みにおいて、別々の二つの帯域または二つの副帯域において円偏波で作動する放射エレメントに関するものである。

通信の場合は、このタイプの放射エレメントは、とりわけ、システムの種々のアセンブリ間の通信を可能にすることができるように、衛星に搭載される、または地上に配置されるアンテナの中に組み入れられる。

たとえば帯域Ｋａの２０／３０ＧＨｚのように異なる周波数帯域、または同一帯域の異なる範囲を用いることは、非常に広い帯域において作動することが可能な放射装置の使用を必要とする。

比較的広い周波数帯域のこうした必要性は、放射エレメントが、送信及び受信のために異なる周波数の２つの副帯域において作動しなければならない場合には、いっそう明らかである。

実際に、この場合、それら周波数副帯域は、送信信号と受信信号が互いに干渉し合うことを防ぐために、比較的離れていることが重要である。

ところで、比較的広い帯域で作動する従来の放射装置は体積が大きく、したがって、製造コストが高くつき、利用法も複雑である。

さらに、広い帯域のこのタイプの装置は、それらの構造のため、比較的限定された面積効率を有する。

従来の方法では、複数の帯域または同一周波数帯域の複数の副帯域において作動する放射エレメントを開発することが必要であった。

欧州特許出願０ １３０ １１１によって、たとえば、高周波数での大きな分解能と、低周波数での広い範囲とを有することができるように、少なくとも２つの周波数を送信することができるレーダ源が知られている。

このレーダ源は、第５番目の導波管を取り囲む４つの導波管を使用する。

４つの周辺の導波管は、たとえば、１６ＧＨｚに中心を置くＫｕ帯域で作動し、また中央導波管は、１０ＧＨｚに中心を置くＸ帯域で作動することができる。

しかしながら、このような装置は、直線偏波によってしか作動せず、円偏波は、ハイブリッドカプラを付け加えることを必要とし、その結果、装置のサイズが大きくなり、コストも高くなる。さらに、高周波数用のハイブリッドカプラは、回路内で大きな損失を生じる。

従来のこのような装置はまた、正確な放射を行うためには、体積が大きく複雑な給電システムを必要とし、その結果、さらに大きな場所とコストを占めることになる。

さらに、このような源を有するアンテナは、最大周波数と最小周波数との間に存在する隔たりのため、大きな作動上の制約を生じない比である、６以上の最大周波数と最小周波数との比で作動するためのものである。

しかしながら、このようなアンテナは、最大周波数と最小周波数との比が１．２２から２の間の場合には、アンテナの種々の部品間に存在する相互作用によって、効果的でなくなってしまう。

さらに、また特にフランス特許出願９８ ０６２００によって、集積回路タイプの回路を介して作動し、ハイブリッドカプラを使用しないですむ「平面」アンテナと呼ばれるアンテナが知られている。

しかしながら、１．２２から２の間の周波数比で平面アンテナを作動させると、特にそのコンパクトさのために、高帯域及び低帯域で作動するエレメントのカップリングに起因する大きな損失が生じてしまう。

欧州特許出願０ １３０ １１１ 仏国特許出願９８ ０６２００

このような背景において、本発明は、サイズが小さく、わずかな損失ですむ、二帯域マイクロ波放射エレメントであって、たとえばハイブリッドカプラのような追加回路を備えることを必要とせずに、円偏波がアンテナ自体の放射部分によって発生する、放射エレメントを提案することによって、これらの欠点を解消することを目的とする。

そのため、本発明によれば、第一の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第一の手段と、第二の周波数帯域で電磁波を伝送ことができる第二の手段とを備えた、マイクロ波放射エレメントは、第一及び第二の手段が同軸であり、第一の手段は、同軸となるように第二の手段を収容することができる金属製の中空導波管を備えることを特徴とする。

第一の実施形態によれば、第二の手段もまた、金属製の中空導波管を備える。

第二の実施形態によれば、第二の手段は、いずれも誘電材料でできたコアとカバーを備えた導波管を有する。例えば、誘電性の導波管が、Ｈ１１ハイブリッドモードだけを伝播することができるマイクロ波ファイバである。

好ましくは、第一の実施形態においては、第一及び第二の手段を構成する導波管は、各々の先端に偏波器を備え、該偏波器は互いに重なり合って、偏波器の形状は電磁波の偏波が円形になるようなものである。

好ましくは、偏波器は、長方形また楕円形の横断面を有する。

本発明の放射エレメントの好ましい第二の実施形態によれば、誘電性の導波管の形状は、電磁波の偏波が円形となるようなものである。

好ましくは、誘電性の導波管のコアは、前記導波管のカバーから延長する、楕円形、長方形または楕円面の横断面を有する延長部を備える。

添付の図面を参照して、いかなる場合にも限定的でない、例示的な実施形態を以下に説明することで、本発明がより明らかになるだろう。

本発明による放射エレメントの第一の実施形態の概略的透視図である。 他の角度から見た図１の放射エレメントの概略的透視図である。 図１の放射エレメントの側面図である。 本発明による放射エレメントの第二の実施形態の概略的透視図である。

図１は、本発明による放射エレメント１の第一の実施形態の概略的透視図を示している。

放射エレメント１は、伝播される波を発生する第一の励起ポート２を備える。励起ポート２は、図１の実施形態においては、同軸タイプであり、管状の周辺部分２ａと、周辺部分２ａの中心に配置された円筒形の中央部分２ｂとを有する（図２及び３参照）。

励起ポート２は、ストリップ線路のような他の何らかの従来の励起技術を使用することができ、あるいはまた、他の導波管で構成されることもできる点に留意されたい。

励起ポート２は、中央部分２ｂを介して、従来の方法で、たとえば、およそそ３０ＧＨｚ、より正確には２７．６ＧＨｚから２９ＧＨｚのＫａ帯域において作動することができる、第一の供給導波管３の第一の先端に連結される。

供給導波管３（以下、導波管３と呼ぶ）は、励起ポート２に垂直であり、縦軸Ｚを有する細長い中空ダクトの形をとり、長方形横断面をもち、直線偏波された電磁波を伝播させることができる。

励起ポート２が存在する先端とは反対側の先端で、導波管３は、導波管３の軸Ｚ方向への延長部において、整合変換器４で構成された移行セクションを有する。

整合変換器４は、導波管３の断面形状と同じだが、軸Ｚに平行な縦方向寸法を除いては、寸法はより大きい中空導波管で構成される。

導波管３は、整合変換器４上で中心合わせされ、一列に並べられ、導波管３と整合変換器４とを構成する種々の面は互いに平行となる。

整合変換器４の延長部には、整合変換器４の断面より大きな寸法の長方形断面をもち、平行六面体で同じく中空であり、３０ＧＨｚで作動する偏波器５が存在する。

信号の円形偏波を生成するために、偏波器５は、導波管３に整列される整合変換器４に対して、軸Ｚの周りで角度方向に４５°ずれている。

ここでは長方形断面を有する偏波器５は、信号の円形偏波を得るために、楕円形とすることもできる。

これら３つのエレメント、導波管３と整合変換器４と偏波器５とは、たとえば金属製であり、溶接、機械加工、放電加工のような従来の何らかの技術によって、それらの面のいずれか一つのレベルで、端と端を連結される、または鋳造によって製造される。

さらに、整合変換器４のような複数の移行セクションを、図１から３に表されている実施形態において、導波管３と偏波器５との間に備えることができる点に留意されたい。

第一の導波管３は、第一の導波管３より大きな寸法のほぼ長方形の断面をもつ中空の第二の供給導波管６の内部に、同軸となるように配置される。導波管３及び６の各々の面は互いに平行である。

第二の導波管６は、最も大きな面のいずれか一つにおいて、導波管３の軸Ｚに平行な長方形断面を有する溝６ａを形成する、内側に向ってわずかな窪みを有する。

「リッジ（仏語で、ｒｉｄｇｅ）」とも呼ばれるこの溝６ａは、ただ一つの基本モードに、このような溝６ａを備える導波管によって搬送される電磁波の伝播を制限することができる。

このようなリッジ６ａを備える導波管は、リッジ付き導波管と呼ばれる。

軸Ｚの方向における第一の導波管３より短い第二の導波管６は、同軸タイプの第二の励起ポート７に連結される。同軸とは別の何らかの技術も考えることができる。

第二の導波管６はまた、およそ２０ＧＨｚで、たとえば１７．８ＧＨｚから１９．２ＧＨｚの間で、Ｋａ帯域において作動する。

第一の導波管３は、リッジ６ａのレベルで第二の導波管６に結合され、前記リッジ６ａの幅は、第一の導波管３の幅に対応する。

第二の供給導波管６の延長部には、整合変換器８で構成された移行セクションが存在する。

整合変換器８は、リッジ８ａを備える導波管（リッジ付き導波管）であり、その横断面は、第二の供給導波管６と同じ形状であるが、より大きな寸法を有する。

こうして、リッジ６ａと８ａは一列に並び、第一の導波管３の軸Ｚに平行になる。

第二の導波管６が存在する側とは反対側では、整合変換器８が偏波器９に連結される。

偏波器９は、少なくとも部分的に、高帯域の偏波器５を含むために十分に大きい寸法を有するほぼ長方形の横断面を有する。

偏波器５と同様に、偏波器９は、信号の円偏波を生成できるように、整合変換器８と導波管６に対して、軸Ｚの周りで角度方向に４５°ずれている。

偏波器９は、たとえば、導波管６と整合変換器８の中に伝播する信号の直線偏波から、円偏波を生成することができる楕円形の横断面のような、異なる形状を有することができる。

図１から３の実施形態においては、放射エレメント１の種々の部品の形状及び構成は、偏波器５及び９が同じように方向づけられるようなものであり、面はそれぞれ互いに平行となる。偏波器５及び９のその相対的配置によって、２つの帯域について同じ方向の円偏波を得ることができる。

しかしながら、反対方向の円偏波の場合には、偏波器５及び９は、互いに９０°の角度に方向づけられるだろう。

このようにして、本発明の放射エレメント１は、偏波器５及び９の相対的配置にしたがって、円偏波の４つの異なる構成、すなわち右と右、右と左、左と右、左と左、を得ることが可能である。

図２は、種々の部品の相互の方向が明示されている、図１とは異なる角度から見た図１の放射エレメントの概略図である。

したがって、放射エレメント１は、独立したポートを有する第一及び第二の同軸回路で構成される。第一の回路は、励起ポート２と供給導波管３と整合変換器４と偏波器５とで構成され、高帯域（３０ＧＨｚ）で作動する。第二の回路は、励起ポート７とリッジ付き供給導波管６と整合変換器８と偏波器５とを有し、低帯域（２０ＧＨｚ）で作動する。

図３の側面図は、放射エレメントの種々の部品の相対的配置と、特に偏波器５及び９の相対的位置を再び示している。

偏波器５はその大部分が、偏波器９内に含まれ、軸Ｚの方向にはわずかしか突出していない。しかしながら、変形実施形態によれば、偏波器５（３０ＧＨｚ）はまた偏波器９（２０ＧＨｚ）内に完全に含まれる、または全体が偏波器９（２０ＧＨｚ）の外に出ることもできる。

供給導波管３及び６については、それぞれ、整合変換器４及び８を介して、偏波器５及び９の中に通じている。

したがって、放射エレメント１は、異なる２つの周波数帯域、すなわち、より正確には、一方が送信用（高帯域）で、他方が受信用（低帯域）である、独立してアクセスできる２つの副帯域において作動することができる。

さらに放射エレメント１の独自の形状によって、電磁波の円偏波を得ることができる。

図４は、本発明による放射エレメント１の第二の実施形態の概略的透視図を示している。

図１から３の第一の実施形態と同じ放射エレメント１の部品には、同じ参照符号が付されている。

このようにして、以下を含む放射エレメント１の低帯域部分（２０ＧＨｚ）の全体が存在する。

励起ポート７、
リッジ付供給導波管６、
リッジを備えていない整合変換器８、および
偏波器９。

整合変換器８上にリッジがないことに加えて、放射エレメント１の第一の実施形態との違いは、高周波回路のレベルにある。

高周波エレメントは、先の図面の導波管３に類似した金属製の供給導波管１０の第一の先端に連結された、図１から３の実施形態と同じ同軸型の励起ポート２を有する。

実際に、導波管１０は、導波管３と同じ横断面を有するが、長さ（軸Ｚに沿った）は短い。導波管１０は、図１から３における導波管３と同じようにリッジ６ａのレベルで、導波管６の中に収納される。

導波管１０は、ほぼ、導波管６と整合変換器８との接合部のレベルで中断され、他の何らかの構成が可能である。ここで、導波管１０は、従来の方法で、導波管１０の延長部内に配置されたマイクロ波ファイバ１１に連結される。

マイクロ波ファイバ１１は、軸Ｚと一致する軸をもつ誘電体導波管であり、Ｈ１１ハイブリッドモード（基本モード）だけを伝播する。

ファイバ１１は、光ファイバのように、管状の中空カバー１３に取り囲まれた円筒形１２の中実コアを有する。コア１２及びカバー１３は、たとえば、一方を他方の内へ締まりばめすることによって、または滑動させてはめ込み、接着剤によってともに結合させることによって、取付けられる。

理想的には、マイクロ波ファイバは、従来通り「ステップインデックス型」と呼ばれるタイプの誘電材料で製造され、カバー１３は、Ｈ１１ハイブリッドモードを正確に閉じ込めるために、相対的に高い屈折率（たとえば最低でも１０）を有する。理想的には、コア１２の屈折率は、カバー１３の屈折率よりわずかに高い。

使用することができる材料は、たとえば、合成サファイア、酸化ベリリウム、アルミナなどである。

導波管１０とマイクロ波ファイバ１１との間の連結は、励起ポート２に近い先端に、導波管１０内に入り込む延長部１２ａを有するコア１２を介して行なわれる。この延長部１２ａは、軸Ｚの方向に口が広がっているほぼ円錐形をしている。

有利には、高周波用の偏波器を使用しないですますために、マイクロ波ファイバ１１は、２つの直交Ｈ１１モードＨの生成によって円偏波を生じることが可能になるような形状を有する。

そのために、マイクロ波ファイバ１１のコア１２は、第一の延長部１２ａと反対側のカバー１３の外に、横断面が楕円形の第二の延長部１２ｂにおいて延長している。

カバー１３に取り囲まれたコア１２の部分の形状とは反対に、ファイバ１１のコア１２の放射部分１２ｂの楕円面の独自の形状（軸Ｚに平行な主軸をもつ）は、追加の部品を備えることを必要とせずに、簡単に、円偏波の波を発生させることができる。

図１から３の第一の実施形態についてと同様に、高帯域で作動する放射エレメント１の部品は、低帯域で作動する中空金属部品内に同軸方向に配置される。

このようにして、供給導波管１０とマイクロ波ファイバ１１は、リッジ付供給導波管６と整合変換器８とさらに偏波器９とを横断する。

本発明は、図１から４と関連して説明した実施形態に限定されるものではなく、同軸型放射エレメント１内で波の円偏波を生じさせるために、種々のエレメントについて、特に供給導波管３、６、１０、偏波器５及び９、またはファイバ１１について、他の形状または構成を考えることもできる。

採用された形状に関係なく、本発明は、追加の回路に頼らずに円偏波を生成させることができ、場所を取らず、周波数の各副帯域について独立したポートを有し、１．２２から２までの作動周波数比をもつことができる、二帯域放射エレメントを得ることを可能にする。

このタイプの放射エレメントは、たとえばＫａ帯域のような高周波数にとりわけ適している。

１ 放射エレメント
２、７ 励起ポート
２ａ 周辺部分
２ｂ 中央部分
３、６、１０ 供給導波管
４、８ 整合変換器
５、９ 偏波器
６ａ 溝（リッジ）
８ａ リッジ

Claims (11)

1. 第一の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第一の手段と、第二の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第二の手段とを有するマイクロ波放射エレメントであって、第一の手段は、同軸方向に第二の手段を収納することができる金属製の中空導波管を備え、第二の手段は、同じく金属製の中空導波管を備え、さらに第一及び第二の手段を構成する導波管が、各々の先端に偏波器を有し、該偏波器が互いに整列し、第一の手段を構成する導波管が、リッジを備えることを特徴とする放射エレメント。
2. 第二の手段が、いずれも誘電材料でできたコアとカバーとを有する導波路を含むことを特徴とする請求項１に記載の放射エレメント。
3. 誘電性の導波管が、Ｈ１１ハイブリッドモードだけを伝播することができるマイクロ波ファイバであることを特徴とする請求項２に記載の放射エレメント。
4. 偏波器の形状が、電磁波の偏波が円形となるようなものであることを特徴とする請求項１に記載の放射エレメント。
5. 誘電性の導波管の形状が、電磁波の偏波が円形となるようなものであることを特徴とする請求項２または３に記載の放射エレメント。
6. 第一の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第一の手段と、第二の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第二の手段とを有するマイクロ波放射エレメントであって、第一の手段は、同軸方向に第二の手段を収納することができる金属製の中空導波管を備え、第二の手段は、同じく金属製の中空導波管を備え、さらに第一及び第二の手段を構成する導波管が、各々の先端に偏波器を有し、該偏波器が互いに整列し、誘電性の導波管のコアが、カバーの外に、楕円形、長方形、長円体の断面を有する延長部を有することを特徴とする放射エレメント。
7. 第一の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第一の手段と、第二の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第二の手段とを有するマイクロ波放射エレメントであって、第一の手段は、同軸方向に第二の手段を収納することができる金属製の中空導波管を備え、第二の手段は、同じく金属製の中空導波管を備え、さらに第一及び第二の手段を構成する導波管が、各々の先端に偏波器を有し、該偏波器が互いに整列し、偏波器が、長方形または楕円形の断面を有し、第二の手段が、いずれも誘電材料でできたコアとカバーとを有する導波路を含むことを特徴とする放射エレメント。
8. 第一の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第一の手段と、第二の周波数帯域で電磁波を伝送することができる第二の手段とを有するマイクロ波放射エレメントであって、第一の手段は、同軸方向に第二の手段を収納することができる金属製の中空導波管を備え、第二の手段は、同じく金属製の中空導波管を備え、さらに第一及び第二の手段を構成する導波管が、各々の先端に偏波器を有し、該偏波器が互いに重なり合い、整合変換器が、リッジを備えることを特徴とする放射エレメント。
9. 整合変換器が、第一の手段を構成する導波管と位置合わせされることを特徴とする請求項８に記載の放射エレメント。
10. 第一の手段を構成する導波管が、リッジを備え、整合変換器のリッジが第一の手段を構成する導波管のリッジと同じ形の断面を有し、整合変換器のリッジが第一の手段を構成する導波管のリッジより大きい寸法を有することを特徴とする請求項８または９に記載の放射エレメント。
11. 整合変換器が、第二の手段を構成する導波管と位置合わせされることを特徴とする請求項８または９に記載の放射エレメント。

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