JPH04502061A - ガウス形分布のミリ波ビームを生ずるアンテナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ガウス形分布のミリ波ビームを生ずるアンテナ本発明は、高出力源を用いガウス 形分布のミリ波ビームを生ずるアンテナに関する。

サイクロトロン共振メーザと呼ばれるこのような出力源、たとえばジャイロトロ ン用の出力源は、熱核融合の研究分野においてメガワット台の出力レベルでプラ ズマを生成し形状制御し共振加熱するのに用いられ好結果を与えている。このよ うな出力源の共振は軸対称モードＴＥｏかまたはｍ〉〉１とするときの高非対称 モードＴＥ、、である。

将来の核融合装置はより大型となり、より高い磁界で作動するものとなるので、 出力源としては、より高い周波数（１００ギカヘルツ以上）でより高いマイクロ 波出力で作動するように開発されねばならない。このような用途では、例えばＴ ＥＭ、。ガウスビームのような軸対称の狭いペンシル形ビームをよく定められた 直線偏波をもって配置することが望ましい。事実、この種のビームは、プラズマ の効率のよい電子サイクロトロン共振加熱に要求されるばかりでなく、低損失高 出力ミリ波伝送にも要求されるのである。

ＩＥＥＥ　Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ　Ｍｉｃｒｏｗ、　Ｔｈ、　Ｔｅｃｈｎ、 、Ｖｏｌ、　ＮＴＴ−２６Ｎｏ、５．１９７８．３３２−３３４ページにはモー ド変換アンテナが記載され公知となっている。これはＴＥ、、モードを直線偏波 ビームに変換するコルゲーションを有するものである。しかしながら、このよう なアンテナがら出るマイクロ波はまず可成りの副ローブを生じ、このため、主ロ ーブへのエネルギ集中を減殺し、このシステムの損失を増大せしめている。

本発明の主要な目的は、このような副ローブで消散されるエネルギを減じて、軸 対称の狭いガウス形主ローブを提供することにある。

本発明の特定の用途ではこのアンテナシステムは線形のＴＥＭ、。モード型の出 力を提供する。

本発明の目的は、請求の範囲に記載されたアンテナにより達成せしめられる。

以下本発明を、添付図面に例示したいくつかの実施例により詳述する。

第１図は本発明の好適なｌ実施例の略図的断面図である。

第２図は第１図の実施例の変形例を示す同様な図である。

第３図は第１図および第２図に示した実施例に用いられる部分モード変換器を示 す略図である。

第４図は第１図および第２図に示した実施例のコルゲート面を拡大して示す斜視 図である。

第５図は本発明によるアンテナシステムの反射板の別の構造例を示す略図である 。

本発明は電界モードＴＥおよび磁界モードＴＭのいずれにも等しく適用されるが 、ここでは特にＴＥモードについて述べるものとする。

本発明は、円対称ＴＥ、、、モード、ことにＴＥ、、モードについて次に述べる 共通の特徴に基づいている。

ａ）すべてのパターンは副ローブ間の最小位置が同じ場所にある。

ｂ）主ローブの最大位置が、ベッセル関数Ｊ　、（ｘ）のｎ番目のゼロに対応す る角度位置に近接している。

ｃ）ＴＥ、、モードの主ローブの位相が交番する。

このような諸特性は、モードＴＥ、、　、−□およびモードＴＥ、、　−＋ｓ　 （いずれもＴＥ、、に対して反対の位相である）の出力の何分かのパーセントを 重畳するにより所定の優勢なＴＥ、。モードの内外側ローブを減少せしめるので ある。経験的に、パターンの中心では実際上放射出力はなく　（主ローブは３０ ｄＢ以上落ちている）、また副ローブも３０ｄＢ以上減衰することがわかってい る。さらに、出発した回転する非対称モードとは全く異なり基本的結果であるク ロス偏波が実際上ないことが観察されている。

第１図を参照するに、このシステムは、たとえば１４０ＧＨｚでＩＭＷの出力レ ベルのビームを発することができる電子銃兼キャビティ部分１を有する高出力マ イクロ波発生源（すなわちジャイロトロン）を包含する。

ｍおよびｎの選択値はたとえばそれぞれ１５および２である。このマイクロ波放 射は、部分モード変換器２により、７０ないし８５％の主ＴＥ、１．モードとこ れに加えてＩＯないし２０％の付加的なＴＥ、、　、−□および’ｒＥ−１＋１ の型式のモードとの混合マイクロ波に変換される。相互の位相関係は、付加的な モードがどちらも主モードに対して逆位相であるような関係である。これら３つ のモードの混合は最良の結果を与えるものではあるが、主モード８０％付加的な ふたつのモードのうちの一方２０％の割合としたふたつのモードだけの混合でも 上述の場合よりもわずかに悪いだけのビーム特性を得ることができる。

この混合モードは次いでコリメーションレフレクタ３へ向けられる。このコリメ ーションレフレクタには中央孔４が設けてあり、変換器２から出るジャイロトロ ンの電子ビームがここを通るようにする。

前述のように、変換器２から出る混合モードは軸ｎ重対称の方位偏波を有し、出 力はリング内に集中せしめられる。従ってこの中央孔４はマイクロ波放射のエネ ルギ損失を増大させることがない。実際上側ローブがないという事実により、マ イクロ波エネルギの全部がレフレクタ３の環状領域に差し向けられる。レフレク タは、反射された放射が焦点５または一般にこの焦点を中心とする規準領域に集 束するような形状としである。レフレクタ３の作用面は、円形電界を有する放射 モード混合が線形偏波のＴＥＭ、。モードに変換されるようにコルゲーションを 付けである。このＴＥＭ、。モードは自由空間または図示しない適宜の導波管内 を伝播させるモードとして直接に用いることができるモードである。

レフレクタ３を包含する全システムはジャイロトロン真空ケーシング８内に収容 されており、コルゲーションを有するレフレクタ３から出る放射マイクロ波は半 円筒形の伝播透過窓６を通り抜ける。他方、電子ビームはケーシング８の遠端に 設けた押（２下げたコレクタ７へと投射される。

第１図の構造の変形例が第２図に示しである。この場合、コルゲーションを有す るレフレクタは環状円板の形状とした平面レフレクタ９であり、集束はこの平面 レフレクタ９の下流側で図示していないケーシング８の外部の放射マイクロ波経 路に配設した付加的な１．ノフレクタ１０で行われる。このケーシング８は第１ 図に示したものと同様であって、ジャイロトロンの電子ビームのためのコレクタ を有すると共に、伝播透過窓を有している。

第３図は第１図の部分モード変換器２を拡大して詳細に示している。この変換器 は図の左手からジャイロトロンから出た放射を受ける。このマイクロ波はＴＥ、 、　ｆｉモード型のもである。変換器はそれぞれ波を打った壁の導波部分１１お よび１２から成る直列のふたつの部分モード変換器から構成されている。これら ふたつの部分モード変換器の波形の形状は互いに異なっており、第１の変換器１ １では入来するマ・イクロ波の一部、１５％位をＴＥ、、。−□モード（ＴＥ、 、。モードとは逆位相）に変換する。他方、下流側の変換器１２では、基本モー ドの同様な量のエネルギをＴＥｓ１＋１モード（これもＴＥ＝、。

モードとは逆位相）に変換する。各変換器における変換出力の百分率は各個の変 換器の長さに依存する。

システムの寸法を減じさせるためには、この部分モード変換器の大型化とその長 さとの間に妥協が成立しなければならない。

部分モード変換器２の放射面と中央に孔を有するレフレクタとの間の距離は、レ フレクタの表面に充分に低い出力密度を有して電波のブレークダウンを回避し、 かつ充分に狭い幅の放射としてこのレフレクタの寸法を減するように選定される 。

第４図はレフレクタ３または９のコルゲーションの詳細を示している。このコル ゲーションはここでは簡単に示すために直線のコルゲーションとしてあられしで ある。コルゲーションのピッチはシステムの中心作動周波数の約１／２の波長に 対応する。溝の深さは同じ周波数における１／４波長におおよそ等しいものとす る。

第１図および第２図に示したシステムは、主ローブに集束しく領域５）線形偏波 を有する出力とジャイロトロンの電力との間の割合が少なくとも９５％であると いう、期待どおりの効率を提供するものである。

本発明による装置の他の可能な用途としては米国特許第３，２３５，８７０号明 細書に記載の形式のカセグレンアンテナがあげられる。導波管１３でリング内に 放射されたＲＦ小出力コルゲートサブレフレクタ１４によって線形偏波ビームに 変換され、主レフレクタ１５によって集束される。この主レフレクタはその中央 に孔を有し、この孔を介して導波管１３の設置ができるようにしである。

本発明は上述の実施例に限定されるものではない。

ことに、ケーシング８（第１図）を部分モード変換器２と共にマイクロ波発生源 の外部でその出口の近くまたはマイクロ波エネルギを使う場所の近くに配置し、 他方ジャイロトロンはこれから遠い場所に配置し、これに従来の導波管で接続す るようにすることも可能である。特別の用途においてマイクロ波のエネルギの基 本モードＴＥＭ、。への変換を必要としてない場合には、どのレフレクタ（第１ 図、第２図、第５図）もコルゲーション付きのレフレクタとする必要がない。

さらに、上述において焦点を形成するものとして説明したが、本発明は無限焦点 すなわち平行出力ビームの場合をも包含する。

Ｆｉｇ、５ 補正書の写しく翻訳文）提出書 （特許法第１８４条の８） 平成３年５月２１日

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １　高出力発生源を用いてガウス形分布のミリ波ビームを発生せしめるアンテナ において、部分モード変換器（２）を前記高出力発生源（１）に関連せしめて前 記高出力発生源からＴＥｍ．ｎまたはＴＭｍ．ｎのいずれかであるＴｍ．ｎモー ドを受け、相対出力率７０ないし８５％相対位相ゼロのモードＴｍ．ｎと、次の 付加的なモードすなわち相対出力率１０ないし２０％相対位相πのモードＴｍ． ｎ−１および相対出力率１０ないし２０％相対位相πのモードＴＥｍ．ｍ＋１い ずれかひとつとの混合モードを送り出し、この混合モードを、アンテナシステム 出口を形成する集束点（５）を有するコリメーションレフレクタ（３，１０）に 印加できるようにしたことを特徴とするアンテナ。 ２　請求の範囲第１項に記載のアンテナにおいて、入来するミリ波の軸対称電界 を線形ガウス形ビーム（ＴＥＭ。。モード）に変換することができるコルゲート レフレクタ（３，９）を、前記混合モードにより構成されるミリ波の進路に配設 したことを特徴とするアンテナ。 ３　請求の範囲第２項に記載のアンテナにおいて、前記コリメーションレフレク タ（３）にコルゲーションをつけて前記コルゲートレフレクタを形成せしめたこ とを特徴とするアンテナ。 ４　請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記 高出力発生源の直ぐ下流側に配設した少なくともひとつのレフレクタ（３，９） に中央孔（４）を設けて、前記高出力発生源から発する電子ビームがこの中央孔 を通るようにしたことを特徴とするアンテナ。 ５　請求の範囲第２項記載のアンテナにおいて、前記コルゲートレフレクタ（９ ）が、前記コリメーションレフレクタ（１０）と直列に配置した平面レフレクタ であることを特徴とするアンテナ。 ６　請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載のアンテナにおいて、前記 混合モードが大略等しい出力比のＴｍ．ｎ−１およびＴｍ．ｎ＋１の付加的なモ ードを包含することを特徴とするアンテナ。