JPS58500832A - 吸収材でライニングされた円錐フィ−ド付き反射型マイクロ波アンテナ - 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】 発明の名称 吸収材でライニングされた円錐フィード付き反射型マイクロ波アンテナ １、技術分野 本発明はマイクロ波アンテナ、より詳細には円錐フィード付き反射型マイクロ波 アンテナに関する。

２、背景技術 反射型マイクロ波アンテナのための円錐フィードは多年にわたって公知である。

たとえば、ザ・ベル・システム・テクニカル・ジャーナル（Ｔｈｅ、　Ｂｅ１ｌ 　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ　Ｊｏｕｒｎａｌ　）の１９６３年の論文 には、衛星通信地上局に使用するための、円錐ホーンリフレクタの選定についテ 記載されて（Ｓる。〔ハインズ等（Ｈｉｎｅｓ　ｅｔ　ａｌ、）による「円錐ホ ーンリフレクタアンテナの電気的特性（Ｔｈｅ　Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ　Ｃｈａ ｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓ　ｏｆＴｈｅ　Ｃｏｎ１ｃａｌ　Ｈｏｒｎ−Ｒｅｆｌ ｅｃｔｏｒ　Ａｎｔｅｎｎａ　）　Ｊ　、ザ・ベル・システム・テクニカル・ジ ャーナル、（１９６３年７月、１１８７−１２１１ページ）〕。

円円錐ホーン反射アンテナはまた、ドーソン（Ｄａｗｓｏｎ　）の、−１９７０ 年１２月２２日発行の米国特許第３，５５０，１４２号に開示されている。

円錐フィードホーンはまた、大型のノ（ラボラアンテナに使用されてきた。

滑らかな壁を有する円錐ホーン反射アンテナの問題の１つは、そのＥ面における 放射指向性包絡線図（ｒａｄｉａｔｉｏｎ　ｐａｔｔｅｒｎ　ｅｎｖｅｌｏｐｅ 　、以下Ｅより実質的に幅が広いということである。地上間通信システムに使用 した場合、Ｅ面における広いビーム幅のために、他のアンテナからの信号との干 渉を引き起すこととなる。また、〕（ラボラアンテナに対して一次フイード（Ｐ ｒｉｍａ−ｒｙｆｅｅｄ）として、滑ら力箋な壁を有する円錐ホーンが使用され た場合、ＥおよびＨ面におけるその異なったビーム幅のために、パラボラアンテ ナに対して対称性のよい照射を困難にして来た。

３、　発明の開示 本発明の主要な目的は、アンテナのＨ面のＲＰｒ、または他の性能特性をも著し く低下させることなく、円錐フィードを有するホーン反射型アンテナのＥ面ＲＰ Ｅの幅を著しく減少させるための、経済的かつ有効な方法を提供することにある 。

本発明の別の目的は、Ｅ面およびＨ面の両者において、狭（か・つ実質的に等し いＲＰＥおよび抑制されたサイドロープを提供する改良され本発明の別の目的は 、大きな帯域幅を与える円錐フィードを提供することにある。

本発明のさらに別の目的は、アンテナの利得に対して重大な逆効果を与えること なく、前記の目的を達成する改良された円錐フィードを提供することにある。

本発明の他の目的と利点とは、以下の詳細な説明と添付図面Ｇこより嬰らかとな るであろう。

本発明によれば、反射型マイクロ波アンテナを二対して改良された円錐フィード が設けられ、同円錐フィード１よ、滑らかな壁を有する円錐部と、Ｈ面のＲＰＥ の幅を著しく増大させることなく、アンテナのＥ面のＲＰＥの幅を減少させるた めの、円錐部の内壁上の吸収材料のライニングとよりなっている。

４、図面の簡単な説明 図面において： 第１図は本発明を具体化した円錐ホーンリフレクタの一部破断正面図であり； 第２図は第１図の２−２線における縦断面図であり； 第３図は第１および２図（こおいて示されているアンテナに各種基準線を付加し た斜視図であり　； 第４図は円錐断面に吸収ライニングのあるものとないものの場合に第１−３図の アンテナが形成した２つのＥ面ＲＰＥを示し； 第５図は第４図と同様の円錐断面に吸収ライニングのあるものとないものの場合 に、第１−３図のアンテナが形成する２つのＨ面ＲＰＥを示し； 第６図は円錐部に吸収ライニングのあるものとないものとの、第１−３図のアン テナの円錐断面の半径方向の電磁界分布パターンのグラフの説明図であり；そし て 第７図は第１−３図のアンテナの円錐部の吸収ライニングを形成するために使用 する複数個の吸収材料の）５ツドの１つを示す拡大端面図である。

５、　発明を実施するための最良の形態さて、先ず図面中東１図および第２図に ついて述べると、マイクロ波信号をパラボラ反射プ□レート１１へ導波するため 、円錐断面１ｏを備える円錐ホーン反射型マイクロ波アンテナが示されている。

マイクロ波信号は反射プレート１１から、円筒状部１３の前方に形成さ、れた開 口１２を通って伝達され、前記円筒状部１３は円錐断面１０と反射プレート１１ との両者に取付けられて、完全−に包囲されかつ一体状のアンテナ構造を形成し ている。

パラボラ反射プレート１１は、放物線の頂点と焦点を通って延びる軸線４１の回 りに放物線を回転させることによって形成される放物面体の一部分である。周知 のように、このような放物面の焦点から発生するいかなるマイクロ波も、プレー ト１１によって、前記軸線に直角な平面波面にすなわち、第２図の軸線１４によ って示される方向に反射される。このようにして、図面に示されるアンテナの円 錐断面１０は、その頂点と放物面体の焦点とが一致し、かつ円錐部の軸線１５は 放物面体の軸線４１に直角であるように調整されている。この幾何形状において 、発散球面波は円錐断面１０かも放射され、反射プレート１１につき当る平面波 として反射され、開口１２を通過し、かつ軸線１４（こ直角である。

円筒状部１３は反射プレート１１から側帯および後退の干渉信号が発生すること を防止する遮蔽として使用され、かつ、円錐フィードから発せられた若干の漏れ （５ｐｉｌｌｏｖｅｒ　）　エネルギーを捕えるのに役立つ。円錐断面１０と反 射プレート１１および円筒状遮蔽１３は通常導電金属で形成されることが理解で きるであろう（反射プレート１１は金属表面を有していることが必要欠くべから ざることであるが）。

悪天候および浮遊信号の両者からアンテナの内部を保護するため゛、反射プレー ト１１の上部は円筒状遮蔽、１３に取付けられたパネル２０によって覆われてい る。レードーム（ｒａｄｏｍｅ　）　２１もまた、悪天候に対する保護のため、 アンテナの前方で開口１２を覆っている。円筒状遮蔽１３の内面は浮遊信号を吸 収するために吸収材料２２で被覆されているので、ＲＰＥを低下させることはな い。そのような吸収遮蔽材料は当該技術においては公知であり、そして代表的に は、多角錐あるいは渦巻円錐の形態の表面を有する誘電材料に金属または炭素の ような導電材料が分散されているものからなっている。

本発明の１つの様相によれば、金属の円錐部１０は滑らかな内壁と、アンテナの Ｅ面中のＲＰＥの幅を減少させるための吸収ライニングを有している。従って、 第１−３図に示すよう（こ、吸収材料のライニング３５は、円錐断面１０の上端 部から、金属円錐体の内面に沿って下方へと延び、その延びる距離は、アンテナ のＥ面中のＲＰＥの幅をＥ面中のＲＰＥの幅に近づけるために減少させるのに充 分なものである。（注：この幅は通常６−５　ｄ　Ｂ下方レベルで測定される） 。吸収材料は円錐の内面の全周にわたり連続して延びている。このライニング３ ５の吸収材料は、円錐断面１０の長さ方向に延び、円錐を通って伝達されるマイ クロ波信号の最も長い波長の約７倍まで円錐の内径が減少される点４０まで、続 いていることが望ましい。もし吸収ライニングが、円錐内のより小さい直径の領 域まで延びていると、吸収材中のＩＲの損失が過大、となることがある。そして 、円錐断面の広端部においては、吸収ライニングは円錐の端部まで完全に延びて いなければならない。

ライニング３５は従来の吸収材料で形成すればよく、その−例は、メイン州、ア メスベリ−、ポーラ−ストリート４の７ドバンスド・アブソーバ・プロダクツ・ インコーホレイテラ）’（Ａ−ｄｖａｎｃｅｄ　Ａｂｓｏｒｂｅｒ　Ｐｒｏｄｕ ｃｔｓ　Ｉｎｃ、、　４　Ｐｏ１ａｒ　Ｓ　−ｔｒｅｅｔ　、　Ａｍｅｓｂｕｒ ｙ　、　Ｍａｉｎｅ　）によって製造されているＡＡＰ−ＭＩ、−７３である。

この吸収材は第７図に示すように平坦な表面を有しく遮蔽昏こ使用される角錐あ るいは円錐表面とは対称的に）、厚さは約８分の３インチである。吸収材料はア ンテナの金属壁に接着剤にて固着される。上記に一例として述べた吸収材を使用 する場合は、多数個の比較的小さいパッドに切断し、そ、れは互に当接しそそれ が曲面上に装着され、吸収材料の連続した層を形成する。この多数個のパッドは 、第１−３図において網目模様によって示０ されている。

アンテナの円錐断面１０内の吸収ライニング３５は、Ｅ面のＲＰＥの幅を減少さ せてＨ面のＲＰＥの幅に実効的に等しくなるようにすることができる（それは− Ｅ面中のすべての側葉を減少させることによって行なう）。これらの改良された 点は第４〜５図に示されており、両図はそれぞれＥ面およびＨ面のＲＰＥを示し ている。

第４−５図の破線による曲線は、第１−２図に示すアンテナの円錐部中において 吸収材なしでつくられるＲＰＥを説明し、実線による曲線はアンテナの円錐部中 に吸収ライニングを設けて得られるＲＰＥを示している。吸収ライニングは、Ｈ 面ＲＰＥの幅に著しい変化をもたらすことなしに、Ｅ面ＲＰＥの幅の著しい減少 をもたらすことが分かる。たとえば、第４−５図中の２つのＲＰＥの６５ｄＢレ ベルを比較すると（前述したように、６５ｄＢはこのようなアンテナの性能特性 を指定するのに通常使用される基準点である）、このレベルにおけるＥ面ＲＰＥ とＨ面ＲＰＥの両者の幅は軸線から約２０°ずれていることが分かる。すなわち 、６５ｄＢレベルにおいてはＥ面とＨ面のＲＰＥはほぼ等しいことが分かる。吸 収材付きで（第４図）６５ｄＢＥ面幅は、吸収材なしの幅の約２分の１に狭くさ れたことが分かる。すなわち、θ１＝θ２／２となる。さらに、これらの改良点 は利得が僅かに損失するだけで得られる。すなわち、約４３ｄＢの全アンテナ利 得は０．２ｄＢ以下しか減少しない。

円錐断面内の吸収ライニングは円錐の内面に隣接して、円錐内の電界分布をより 活発に減衰させる（　ｔａｐｅｒｅｄ　′ｏｆｆ　）。これは吸収ライニングの 壁のインピーダンスが垂直のＥ電界をＯに強制する傾向があるからである。さら に、これは円錐を通過したマイクロ波エネルギーのほんの僅かの部分乞・除去す ることにより行われる。

このことは第６図のグラフによって示されており、円錐の横切断の電界分布にお ける幾つかの異なった減衰状態（ｔａｐｅｒｓ　）を表わしている。

ここで横軸は円錐断面の半径を示している。さらに詳しく述べるならば、第６図 における横軸上の点Ｏは円錐の軸線に直交する任意の平面中における円錐の軸線 の位置を示し、横軸上の点１．０は同じ平−回申の円錐の壁の位置を示している 。この横軸上の数値は比θ／α０を示し、ここでθは円錐軸線からの角度、α０ は円錐の半角（第６図参照）である。縦軸の頂部の点Ｏは円錐の軸線における電 界の強さを示し、そして縦軸の残りの数値は軸線上における電界強度の減少をｄ Ｂで示している。第６図の実線による曲線は吸収材がない場合の円錐を横切るＥ 面およびＨ面の電磁界分布を示し、破線による曲線は吸収ライニングがある場合 の円錐を横切るＥ面およびＨ面の電磁界分布を示している。

第６図の実線による曲線から分かるように、吸収ライニングがない場合は、Ｅ面 およびＨ面において電磁界分布の減衰あるいは降下（ｄｒ　−ｏＰ−ｏｆｆ）が 実質的に相違する。破線による曲線は吸収ライニングを追加したときに、Ｅ面の 電界分布ははるかに活発に減衰して、Ｈ面の磁界分布に近づく一方、Ｈ面の減衰 状態は僅かの低下があるだけでＥ面の電界に近づくことを示している。理論的な 理想状態では、Ｈ面の磁界分布は実線のような形を有しているであろうし、Ｅ面 の電界分布はそのＨ面のものと一致するであろう。しかし、実際上は、この理論 的な理想的状態は、第６図の破線曲線によって示すように近似できるだけである 。

数学的には、フィードホーンの作用は次のように特徴づけることができる。仮に 、Ｅθ（ｒ＋θ、φ）とＥφ（ｒ、θ、φ）を電界の極および方位成分、とする と（円錐の頂点を原点として、θとφをそれぞれ極および方位角度とする）、そ れらは数学的を二次のように表わすことができる。

（１）Ｅθ（ｒｔ　θ　、φ）＝Ａｆ　（ｗ）　ｃｏｓφ（２）Ｅφ（ｒｅ　θ 　、φ）＝Ａｇ（ｗ）ｓｉｎφここで、 （３）　Ａ＝Ｅ０　ｅｘＰ　（ｊｋｒ）／ｋｒＥＯ＝＝任意演算定数（Ａｒｂｉ ｔａｒｙ　ｄｒｉｖｉｎｇ　ｃ−ｏｎｓｔａｎｔ　）、　ｋ＝２ｙｒ／λ、λ＝ 自由空間作動波長（ｆｒｅｅ　５ｐａｃｅ　ｏｐｅｒａｔｉｎｇ　ｗａｖｅｌｅ ｎｇｔｈ）であり、そして関数ｆ　（ｗ　）およびｇ（ｗ）は以下の通りで−あ る。

（４）　ｆ　（ｗ）＝Ｊ１　（Ｘ）／Ｘ＋Ｒ，Ｊ’ｌ　（Ｘ）（５）ｇ　（ｗ） ＝ＲｓＪｉ　（Ｘ）；／Ｘ十Ｊ’、（Ｘ）（７）　Ｊｌ（Ｘ）＝−次のベッセル 関数（Ｂｅｓ−ｓｅｌ　ｆｕｎｃｔｉｏｎ　）　、独立変数（ａｒｇｎｅｍｅｎ ｔ　）　Ｘ（８）Ｊｌ（Ｘ）＝Ｘに関するＪｌ（Ｘ）　の導関数（ｄｅｒｉｖｉ ｔｉｖｅ　） すると、仮にパラメータ（ｐａｒａｍｅｔｅｒ　）　Ｅ　（固有値（Ｅｉｇｅｎ 　ｖａｌｕｅ　）　）とＲｓ（球状複合係数（５ｐｈｅｒｉｃａｌ　ｈｙｂｒｉ ｄｉｃｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　）　）が分かつているならば、電界の範囲は０≦ θ≦α。およびＯ≦φ≦３６０°であることが一意的に分かる。これらのパラメ ータは円錐壁の材料の性質により一意的（こ決定される。

吸収材料がない場合 吸収材料がない場合、Ｅ＝１．８４　およびＲｓ＝０によって表わされるので以 下の式で示すことができる。

（９）　ｆ　（Ｗ）　−Ｊｌ（１，８４θ／αｏ）／（１，８４θ／α０） （１０）　ｇ　（ｗ　）　＝　Ｊ’□（１，８４θ２α０）ここで振幅分布は（ 軸線θ＝０に対して正規化されたｄＢで）第６図において実線で示される。（注 ＝Ｅ面＝−２０１０ｇ１ｏｌ　ｆ　（Ｗ）／ｆ（０）ｌ　；Ｈ面＝　２０１０ｇ １ｏＩ　ｇ　（ｗ　）　ｌ　ｇ（０）　ｌ　）。

完全吸収材料 完全吸収材料の場合〔また４分の１波の歯（ｑｕａｒｔｅｒ　ｗａｖｅ　ｔｅｅ ｔｈ　）を有する波形ホーンもまた〕はＥ＝２．３９、　Ｒｓ＝＋１ということ が示される。よって、 （１１）　ｆ（ｗ）＝ｇ（ｗ）−Ｊ　（２，３９θ／α０）、完全吸収材料の場 合、 （１２）　Ｊ、（−Ｘ）／Ｘ＋Ｊ’１（Ｘ）＝Ｊｏ（Ｘ）がＪ　（Ｘ）が零次の ベッセル関数、独立変数Ｘとともに使用される。（１１）のｄＢプロットは（１ ０）のそれと事実上同一であることがわがゲ。従って、滑らかな完全吸収材料の Ｈ面は事実上同一であることを示している。また、この完全吸収材料の場合はＥ 面とＨ面が同一であることが分かる。

実際の吸収材 実際の吸収材料では、Ｅは１．８４の吸収材料がない場合や２．３９の完全吸収 材料の場合とは異って、複合係数（ｈｙｂｒｉｃｉｔｙ　ｆａｃｔｏｒ　）　Ｒ ８は零（吸収材料なし）でもなければ、単一（完全吸収材料）でもない。一般に 両者は吸収材料中において制限された損失（ｌｏｓｓ）と混成される。典型的な Ｅ面およびＨ面のプロットは第６図に鎖線で示されており、前述したように、Ｅ 面は吸収材料なしの場合に比べて大きく減衰させる一方、Ｈ面は僅かに幅を広（ されるので所望の効果を達成することができる。

本発明のさらに利点とするところは、ＲＰＥが比較的広い周波数帯域にわたって 達成できるということである。たとえば、第１−３図に示すアンテナに対する上 記の改良は、通常４　ＧＨｚ、６ＧＨｚおよび１１　Ｇ　Ｈｚと呼ばれる通常の 搬送周波数をこわたって実現することができる。

吸収材料は一般に３つのパラメータによって特徴づけられる。すなわち、厚さ、 誘電定数、および損失正接（１ｏｓｓ　ｔａｎｇｅｎｔ　）である。本発明に使 用される吸収材は望ましくない表面（遅い）波を゛抑制するのに充分な厚さと損 失正接を有していなければならない。そのような表面波は円錐の内壁の内面の金 属部分から円錐の壁の吸収ライニングされた部分への伝播される際に容易己発生 してしまうが、これらの波は吸収材によって減衰されるため、反射プレート１１ ゛表つき当るエネルギーの所望電界パターンと干渉することはない。最終の結果 として、上述したすべての改良点は電界パターンに望ましくない歪をつくらない で達成される。事実、Ｅ面の幅を狭くする効果は損失正接が０の材料で達成でき るけれども、損失がＯでは表面波が減衰せず、作動帯域幅が減少される。従って 、若干の損失がある吸収材”料を使用することが望ましい。

本発明は特にホーンリフレクタアンテナについて記載したけれども、皿型アンテ ナの主要フィードホーンにも有効に利用されるものである。

実際に後者をこ応用する場合には、吸収材でライニングされたフィードホーンに よって提供されるＥ面およびＥ面中における主要ビーム幅が実質的に等しいこと はとりわけ有効である。なぜならば、それらはパラボラの皿に対して対称的照射 を提供するからである。結果として生ずるほぼ等しい二次パターンは、それらの 減少されたサイドロープ、広い帯域幅および無視しうる利得の損失とともに、こ の主要フィードホーンを応用する際においても重要なものである。

上記から理解されるように、本発明は円錐フィードを有するリフレクタ型のアン テナにおいてＨ面のＲＰＥや他の動作特性を低下させることなく、Ｅ面のＲＰＥ を著しく細密にするものである。円錐フィード中における吸収ライニングはＥ面 で細密なＲＰＥをつくる一方、Ｈ面では既に細密なＲＰＥを保存し、これら２つ のＲＰＥの幅をほぼ等しくすることができる。さらに、これらの改良点はアンテ ナの利得あるいはそのＶＳＷＲに関して、重大な逆効果を与えることなく広い帯 域幅（たとえば４　１２ＧＨｚ）にわたって達成される。

ここまで、本発明に関しては特に円錐フィードのホーンフィードリフレクタアン テナについて述べたがこ　リフレクタアンテナにフィードしている角錐（あるい は他の形状）のフィードホーン上に吸収ライニングを使用すれば、円錐フィード ホーン上に使用したときと同様（こ所望の効果をもたらすことができる（すなわ ち、Ｈ面のＲＰＥとほぼ等しくするため、Ｅ面のＲＰＥを細密をこすること）。

ダパ 国際調査報告

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 ■、　滑らかな壁を有する円錐ホーンと、Ｈ面におけるＲＰＥの幅を著しく増大 させることなしにＥ面（こおけるＲＰＥの幅を減少させるためのホーンの丙壁土 の吸収材料のライニングとからなる反射型マイクロ波アンテナのフィードホーン 。 ２、　前記吸収材料はアンテナのＥ面ＧこおけるＲＰＥの幅をアンテナのＨ面に おけるＲＰＥの幅に近くなるように減少させることを特徴とする請求範囲第１項 Ｇこ記載のフィードホーン。 ３、　皿型アンテナ（二対して、互いにほぼ等しい特徴とする請求の範囲第２項 に記載のフィードホーン。 ４、　前記吸収材料のライニングは円錐ホーンの広く形成された一端から狭く形 成された他端へ延び、かつホーンの直径がホーンを通って伝達されるマイクロ波 信号の最も長い波長の少なくとも約７倍の点で終っていることを特徴とする請求 の範囲第１項に記載のフィードホーン。 ５、　円錐ホーンリフレクタ１ンテナにおいて、アンテナのＥ面↓こおけるＲＰ Ｅの幅を減少させるため、円錐部の滑らかな壁上に吸収材料のライニングを有す ることを特徴とする改良された円錐ホーン反射型アンテナ。 ６、　前記吸収材料はアンテナのＥ面中のＲＰＥの幅をアンテナのＥ面中のＲＰ Ｅの幅に近くなるように減少させることを特徴とする請求の範囲第５項に記載の 円錐ホーン反射型アンテナ。 ７、　前記吸収材料のライニングは前記円錐断面の広（形成された一端から狭く 形成された他端へ延び、−かつホーンの直径がホーンを通って伝播されるマイク ロ波信号の最も長い波長の少なくとも約７倍である点で終っていることを特徴と する請求の範囲第５項（こ記載の円錐ホーン反射型アンテナ。 ８、　滑らかな壁を有する円錐フィードホーンを有し、反射型マイクロ波アンテ ナのＥ面中におけるＲＰＥ指向性包絡線図の幅を減少させるための方法であって 、Ｅ面において前記ホーンの半径に沿って電界分布の減衰を行わせる前記フィー ドホーンの内壁の少なくとも一部分をライニングすることを特徴とする前記方法 。 ９、　前記吸収材料のライニングはＥ面において前記ホーンの半径方向の電界分 布の減衰を行わせて、Ｈ面におけるホーンの半径方向の磁界分布の漸減に近似さ せることを特徴とする請求の範囲第８項に記載の方法。 １０、前記吸収材料のライニングはホーン内において、同ホーンの直径がホーン を通って伝播されるマイクロ波信号の最も長い波長の少なくとも約７倍である点 から連続して広く形成された一端へ延びていることを特徴とする請求の範囲第８ 項に記載の方法。