JPS5823006B2 - 電磁ホ−ン - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 この発明はマイクロ波、ミリ波用の電磁ホーンの特性改
善に関するものである。

電磁ホーンの特性改善を図る一つの方法に複モード励振
ホーンがある。

複モード励振ホーンは電磁ホーンを、電磁ホーンの基本
波と高次モード波とで励振することにより、・放射指向
特注の改善を図るものである。

ここでは説明を簡単にするため、電磁ホーンの横断面が
円形の円錐ホーンを例にとり以下説明を行なう。

１ず、従来の考え方に立つ複セード励振ホーンについて
説明する。

通常の円錐ホーンは円形導波管の基本波（ＴＥ、。

モード波）のみでホーンが励振される。

（ＴＥ、□モード波は電界の振幅分布が回転対称でなく
、かつ円形導波管の横断面内の電界が径方向成分および
周方向電界成分を有する。

このためＴＥ１□モード波のみで励振される通常の円錐
ホーンにおいては、サイドローブが高く、交差偏波特注
が悪い欠点がある。

これに対し、複モード励振ホーンは、高次モード波が伝
搬可能な内径の大きなホーン部に、電気的な不連続部を
設は高次モード波を発生させることにより、ホーンをＴ
Ｅ１１モード波と高次モード波の二つのモード波で励振
するものである。

ここでは高次モード波としてＴＭ１１モード波を考える
ことにする。

円形導波管の横断面内のＴＥ１１モード波およびＴＭＨ
モード波の電界分布を考察すると、管軸近傍における両
モードの径方向電界の位相がほぼ同相の場合、両モード
の電界比を適さ惰こ選ぶと、両モード波の合成電界の振
幅分布が回転対称となり、かつ電界成分に交差偏波成分
がなくなることがわかる。

したがって、ホーンの内径の大きな位置でＴＭ１□モー
ド波を必要量発生させ、ホーンの開口において、両モー
ド波の合成電界が上記の％ＰＩＥを有するように、ＴＭ
ｌ、モード波の発生位置とホーンの長さを設計すると、
低サイドロープで、かつ交差偏波特注の良好なホーンが
得られる。

これが複モード励振ホーンであり、従来の複モード励振
ホーンの構成を第１図、第２図、第３図ならびに第４図
に示す。

第１図は、ステップ（段）によりＴＭｌ、モードを励振
する複モード励振ホーンである。

図中、１は円形導波管、２はホーン、３はＴＭ１□モー
ドを発生させるためのステップである。

図において円形導波管１側からＴ Ｅ、、モード波が伝
搬すると、ステップ８において、ＴＥ、１モード波の一
部がＴＭ１１モード波に変換される。

ホーン２部においては、ＴＥｌ、とＴＭ１□モード波が
伝搬するのでステップ３の大きさ、およびステップ３と
ホーン２開口との距離を調整すると、開口において両モ
ード波の合成電界を第１図の挿入図に示す電界分布のよ
うに、すなわち、電界の振幅分布を回転対称に、力）つ
交差偏波成分をなくすることができる。

したがって第１図のホーンは低サイドローブでかつ交差
偏波特性のすぐれたホーンとなる。

第２図は、第１図中のステップ３に代り、ＴＭ、１モ一
ド発生源としてフレヤーを用いたものである。

図中、４がフレヤーである。

第３図は、ＴＭ１１モード発生源にステップ３、アイリ
スおよびフレヤー４を用いたものである。

図中５はアイリスである。

また、第４図はＴＭ１１モード発生源として誘電体を用
いたものである。

図中６が誘電体である。第２図から第４図に示す複モー
ド励振ホーンも、動作原理は第１図の複モード励振ホー
ンと同一である。

しかし従来の複モード励振ホーンは上述のように、１個
あるいは複数個のＴＭｌ、モード発生源を用いて、ＴＭ
１１モード発生源の形状およびホーン２開口とＴＭ１□
モード発生源との相対位置を調整することによって、放
射指向特注の改善に有効なホーン２開口の振幅分布を得
ているため、使用可能な周波数帯域が狭帯域であるとい
う欠点がある。

これは、ホーン２部を伝搬するＴＭ１□モード波の位相
定数βＭとＴＥ１□モード波の位相定数βＥの同波数特
性が異なることによる。

すなわち、ホーン２開口におけるＴＥ１１モード波とＴ
Ｍ１□モード波との相対位相差△φをＴＭ１１モード発
生源とホーン２開口との距離によって調整しているため
、周波数が異なると第１式の△φが大きく変化し、ホー
ン２開口の振幅分布が放射指向特注の改善に有効な分布
から、急激に変化するためである。

△φ＝（βＥ−βＭ ’） ｌ （１）こ
こで、ｌ：ホーン２開口とＴＭ１１モード発生源との距
離 λ：自由空間波長 λＯＥ、λＣＭは、それぞれＴＥ、□およびＴＭ１１モ
ードのしゃ断固波数であり、 λＯＥ＞λＣＡＭである０ この発明は、ＴＭ１□モード発生源を管軸方向に連続的
に分布させることにより、複モード励振ホーンの広帯域
化を図ることにある。

寸ず、この発明の基本となる結合伝送線路の伝送方程式
についてこの発明の理解に必要な範囲内で説明する。

一様な伝送線路が結合している場合には、後進波の影響
が少ないので伝送線路の特注は第２式のように前進波の
みで表わすことができる。

ここで、Ｅ １（２１第１伝送線路の前進波の振幅Ｅ２
（Ｚ）は第２伝送線路の前進波の振幅β１はＥｌ（Ｚ）
の位相定数（反作用の効果を含む） β２はＥ２（Ｚ）の位相定数（反作用の効果を含む） Ｃは単位長あたりの伝送線路間の結合 係数 Ｚは線路方向の長さ 第２式は、２＝０におけるＥ １ （Ｚ） 、 Ｅ２
（Ｚ）をＥｌ（ｏ）。

Ｅ２（ｏ）とそれぞれすると、つぎのように解ける。

ここで、 Ｐ−ψ＋４Ｃ２ ψ−β１−β２ いま、ＴＥ１□モード波の振幅および位相定数を、それ
ぞれＥｌ（Ｚ）β１とまた、ＴＭＨモード波の振幅およ
び位相定数を、それぞれＢＩＴＥ）β２と考え、両モー
ド波が結合係数Ｃで結合しているとすると、Ｚ＝Ｚにお
ける両モード波の振幅比は、Ｅ２（Ｚ）／ Ｅｌ（Ｚ）
となり第３式、第４式から明らかなように振幅比はＺの
関数となる。

しかし、い呼 の関係が成立すると、第３式および第４式の右辺第１項
は零となり、 となる。

すなわち、第５式の条件が成立すると両モード波の振幅
比および相対位相はＺに関係しなくなることがわかる。

つぎに、第１伝送線路と第２伝送線路との結合区間をｎ
個の小区間にわけ、各小区間では位相定数および結合度
が一定とし、かつＥｌ（ｏ）−１。

Ｅ２（ｏ）−〇 の場合を考える。

第１区間において、Ｃに比べてψを大きく選ぶと（Ｃ＜
ψ）、第５式が成立するため となる。

すなわち、Ｅｌ（Ｚｌ）１＝１．Ｅ２（Ｚ、、）：０と
なりＥ２（Ｚｌ）がわずか振動され、Ｅ４． （Ｚｔ
）ｔの振幅が１よりやや小さくなる。

このとき第７式から明らかなようにＥ２（Ｚｌ）とＥｌ
（Ｚｌ）とは同相である。

なおここで、Ｐｎ、ψＨｓ Ｃｎ ｓ Ｅ２ （Ｚ ｎ
） ｓＥ□（Ｚｏ）は、それぞれ、第ｎ区間における
Ｐ。

ψ、 Ｃ、Ｅ２（Ｚ） 、 Ｅｌ（Ｚ）である。

したがって、第２、第３区間と区間が進むにつれて、Ｃ
ｏをわずかずつ増し、ψ。

をわずかずつへらしていくと第ｎ区間においては、 となる。

第８式においては、上述のようにＣ１゜ψ。

を変化させるとが成立しているので、Ｅｌ（Ｚ）を次第
に小さり、Ｅ２（Ｚ）を次第に大きくしていくことがで
きる。

すなわち、ＴＥ１１モード波のみが伝搬している第１伝
送線路と結合している第２伝送線路に次第にＴＥ１１モ
ード波をＴＥ、１モード波と同相で励振できる。

以上の説明は、第１伝送線路と第２伝送線路とを区別し
て説明したが、高次モード波が伝搬可能なオーバサイズ
導波管、あるいはホーンにおいてはオーバサイズ導波管
あるいはホーンが各モード波に対して１つの独立した伝
送線路を呈するので、１つのオーバサイズ導波管あるい
は１つのホーンにおいては、上述の伝送線路の理論が二
つのモード波間に成立する。

そこで、上述の理論をホーンに適用した場合を考える。

い才、ホーン２を管軸方向にｎ個の小区間にわけて、各
区間を円形導波管１側からホーン２開口側に、第１、第
２・・・第ｎ区間とする。

円形導波管１とホーン２の第１区間寸での間ではＴＭｌ
、モード波を発生しないようにすると、第１区間への入
射波はＥｌ（ｏ）＝ １ 、 Ｅ２（ｏ）＝ ０である
。

したがって第１区間において、Ｃ１（ψ１となるように
ホーン２の管壁を変形すると第２区間への入射波はＥｌ
、（Ｚｌ）：１．Ｅ２（Ｚｌ）二〇となる。

すなわち、ＥＩ ＣＺｌ）（Ｔ Ｅｉｔモード波）がわ
ずかに減少し、Ｅ２（Ｚｌ ）（Ｔ Ｅｌｌモード波）
がわずかに励振される。

したがって、Ｃｎ＞Ｃｎ−１，ψ。くψ。

−１の条件を保ちなからＣ１，ψ。をすこしずつ変化さ
せるとホーン２開口においては、 で与えられる。

ＴＭ１１モード波をＴＥ１１モード波と同相で励振でき
る。

第１０式から明らかなように、両モード波の相対位相が
周波数に無関係であるので、この振幅比を適当に選ぶと
広帯域な複モード励振ホーンを得ることができる。

第５図にこの発明の一実施例を示す。

アイリス５が、ＴＭ１１モード波が伝搬し得る内径以上
の、内径の大きなホーン２に連続的に設けられており、
このアイリス５により、Ｔ Ｅｌ １モード波とＴＭｌ
。

モード波とが結合する。

アイリス５の管軸方向の間隔は、アイリス５相互間の結
合が無視できるように±λｇＢ以上としている。

又、開口にもつとも近いｎ番目のアイリス５と開口との
距離は、上記アイリス５の管軸方向の間隔より短かくし
ている。

よく知られているようにＴＥ１１モード波とＴＭ。

モード波とのアイリス５による結合量（Ｃｎ）は、（ア
イリスの外径）／（アイリスの内径）を大きくすると次
第に大きくなる。

呼た、一方ＴＥ１．モード波とＴＭ、１モード波との位
相定数の差（ψｎ）は内径が多きくなるに従って小さく
なる。

第５図においては、各アイリス５の管軸方向の間隔を一
定に保ち、開口に近い（ｎが大きい）ア。

イリス５はどホーン２内への挿入長を長＜ｔ、ｃ詮大き
くしている。

このためＣ１＞Ｃｏ 、が満足される。

また、開口に近いほどホーン２の内径が太きいのでψ。

くψｎ−１の条件が成立している。このため第５図のホ
ーンでは、上記結合伝送線路の理論による広帯域にＴＭ
、□モード波を一定かつ、ＴＥｌ、モード波と同相でホ
ース２開口に発生できる条件を満足しているので、広帯
域な複モード励振ホーンとして動作する。

以上のように、この発明に係る電磁ホーンでは、ホーン
の各部において、ＴＭ１１モード発生量と、ＴＭ１１モ
ード波とＴＥ１□七−ドとの位相定数の差を特定の関係
で変化することによってホーン開口において放射指向特
注の改善に有効な合成電界を広帯域に得るため、広帯域
な複モード励振ホーンを得ることができる効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は従来の複モード励振ホーンの断面図、第２図、
第３図、第４図は従来の他の複モード励振ホーンの断面
図、第５図はこの発明の一実施例を示す断面図である。 １は円形導波管、２はホーン、３はステップ、４はフレ
ヤー、５はアイリス、６は誘電体である。 なお図中同一あるいは相当部分には同一符号を付して示
しである。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 内壁面が円形をなす電磁ホーンにおいて、上記内壁
   面に複数のアイリスをＴＥ１１モード波の管内波長の１
   以上の間隔で取付け、上記ホーンの内径が大きな位置に
   設けられるアイ４リスはどＴ Ｍｌ。 モード波の発生量が大きくなるようにするとともに上記
   電磁ホーンの開口にもつとも近い上記アイリスと上記開
   口との距離を上記アイリスの間隔より短かくしたことを
   特徴とする電磁ホーン。