WO2021215161A1 - 多モード導波管アンテナ - Google Patents

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WO2021215161A1
WO2021215161A1 PCT/JP2021/011378 JP2021011378W WO2021215161A1 WO 2021215161 A1 WO2021215161 A1 WO 2021215161A1 JP 2021011378 W JP2021011378 W JP 2021011378W WO 2021215161 A1 WO2021215161 A1 WO 2021215161A1
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mode
waveguide
transmission line
circular waveguide
antenna
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PCT/JP2021/011378
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English (en)
French (fr)
Inventor
祥太郎 石野
耕治 箟
Original Assignee
古野電気株式会社
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01P—WAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
    • H01P5/00—Coupling devices of the waveguide type
    • H01P5/02—Coupling devices of the waveguide type with invariable factor of coupling
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/06—Waveguide mouths
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/08—Radiating ends of two-conductor microwave transmission lines, e.g. of coaxial lines, of microstrip lines
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/12—Longitudinally slotted cylinder antennas; Equivalent structures

Definitions

  • the present invention relates to a multimode waveguide antenna provided in a waveguide that transmits electromagnetic waves in a plurality of transmission modes.
  • MIMO multiple-input and multiple-output
  • the field of use of MIMO is expanding from the viewpoint that communication capacity can be increased without increasing bandwidth and transmission output.
  • MIMO is a technology that improves the transmission speed of the radio section by connecting multiple antennas to the transmitter and receiver of the radio. For example, in 3 ⁇ 3 MIMO, transmission by 3 systems (3 streams) becomes possible, and the communication speed is improved. In order to realize MIMO, it is necessary to provide an independent antenna for each radio. As a result, different propagation channels (3 ⁇ 3 propagation channel matrix) are formed. If three outputs are combined from the radio and output from one antenna, the propagation channel matrix has only eigenvalues, and one stream communication is performed.
  • Non-Patent Document 1 As a method of "mode separation" of a waveguide, a method (separator) for separating two modes of an orthogonal rectangular waveguide is described in, for example, Non-Patent Document 1. Such a mode separation method is a general method as used in a bipolar weather radar or the like. Further, Non-Patent Document 2 describes a method in which the input of a rectangular waveguide is divided into two branches having 180-degree phases different from each other. This method is a general method called a polarizer.
  • Non-Patent Document 1 is a method of separating two modes of a rectangular waveguide orthogonal to a circular waveguide
  • Non-Patent Document 2 is a method of dividing the input of a rectangular waveguide into two branches having 180-degree phases different from each other. Each is a method of separating into a rectangular TE11 mode.
  • An object of the present invention is to provide a multi-mode waveguide antenna which is connected to a waveguide which propagates a multi-mode electromagnetic wave, separates signals of each mode and radiates them to the outside of the waveguide.
  • the multi-mode waveguide antenna of the present invention is an antenna connected to a circular waveguide that propagates an electromagnetic wave in TE11 mode and an electromagnetic wave in TM01 mode.
  • This multi-mode waveguide antenna separates and synthesizes the TE11 mode electromagnetic wave from the circular waveguide and the TE11 mode transmission line and the TM01 mode electromagnetic wave between the circular waveguide.
  • the TM01 mode transmission line to be separated and combined, the TE11 mode radiation element coupled to the electromagnetic wave propagating in the TE11 mode transmission line, and the TM01 mode radiation element coupled to the electromagnetic wave propagating in the TM01 mode transmission line. , Equipped with.
  • the circular waveguide can be used as a multi-mode waveguide, and the multi-mode electromagnetic wave propagating in this circular waveguide is coupled with an independent radiating element for each mode.
  • a multi-mode waveguide antenna which is connected to a waveguide which propagates a multi-mode electromagnetic wave, separates signals of each mode and radiates them to the outside of the waveguide.
  • FIG. 1 is a perspective view of the multimode waveguide antenna 201 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a front view of the multimode waveguide antenna 201.
  • FIG. 3 shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1, the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TEM mode propagating in the transmission line 7 for the TM01 mode, and the distribution of the electric field strength in the transmission line 6Y for the TE11y mode. It is a figure which shows the electric field strength.
  • FIG. 3 shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1, the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TEM mode propagating in the transmission line 7 for the TM01 mode, and the distribution of the electric field strength in the transmission line 6Y for the TE11y mode. It is a figure which shows the electric field strength.
  • FIG. 4 shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TE11y mode propagating in the circular waveguide 1, the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TE11 mode propagating in the transmission line 6Y for the TE11y mode, and the distribution of the electric field strength in the transmission line 7 for the TM01 mode. It is a figure which shows the electric field strength.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the TM01 mode transmission line 7 and the TM01 mode patch antenna 9.
  • FIG. 6 is a front view showing the configuration of the coupling portion between the TE11y mode transmission line 6Y and the circular waveguide 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the TE11y mode transmission line 6Y and the TE11y mode patch antenna 8Y.
  • FIG. 8 is a perspective view of a multimode waveguide connector connected to the circular waveguide 1.
  • 9 (A) is a cross-sectional view of the multi-mode waveguide connector
  • FIG. 9 (B) is a front view of the multi-mode waveguide connector.
  • FIG. 10 is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TEM mode propagating on the coaxial line.
  • FIG. 11A is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1
  • FIG. 11B is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TE11 mode propagating in the circular waveguide 1. It is a figure.
  • FIG. 12 (A) is a diagram showing the electromagnetic field distribution of the coaxial TM01 mode propagating through the port 10 for the TM01 mode
  • FIG. 12 (B) is the electromagnetic field distribution of the coaxial TE11 mode blocked by the port 10 for the TM01 mode. It is a figure which shows.
  • FIG. 13 is a partial plan view showing the configuration of the TE11y mode transmission line 6Y according to the second embodiment.
  • the outline of the multi-mode waveguide antenna according to the embodiment of the present invention is as follows.
  • this multi-mode waveguide antenna is an antenna that propagates multi-mode electromagnetic waves in the waveguide and emits signals of each mode independently from a plurality of radiating elements.
  • the TM01 mode, TE11x mode, and TE11y mode signals are independently extracted from the circular waveguide.
  • the TM01 mode is converted into the coaxial line mode, and the TE11x mode and the TE11y mode are converted into the rectangular waveguide mode.
  • the coaxial line is configured by reducing the diameter of the circular waveguide and loading the inner conductor. As will be shown later, by reducing the diameter, the coaxial TE11x mode and the coaxial TE11y mode are set to the cutoff frequency so that transmission is not possible.
  • a rectangular waveguide which is a transmission line for the TE mode that transmits only the TE11x mode and the TE11y mode, is loaded on the circular waveguide. That is, the rectangular waveguide is connected to the circular waveguide via the coupling window, and is configured to straddle the TM01 mode transmission line.
  • the plurality of radiating elements are separated from the circular waveguide and loaded on the transmission line for transmitting the signals of TM01 mode, TE11x mode and TE11y mode. This allows each radiating element to radiate only a single mode signal.
  • FIG. 1 is a perspective view of the multimode waveguide antenna 201 according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a front view of the multimode waveguide antenna 201.
  • FIG. 11A is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1
  • FIG. 11B is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TE11 mode propagating in the circular waveguide 1. It is a figure. In these figures, the solid line shows the direction and distribution of the electric field, and the broken line shows the direction and distribution of the magnetic field.
  • the multi-mode waveguide antenna 201 is an antenna provided in the circular waveguide 1 that propagates the TM01 mode electromagnetic wave, the TE11x mode electromagnetic wave, and the TE11y mode electromagnetic wave.
  • the TE11 mode in which the X direction is the plane of polarization of the electric field is called the TE11x mode
  • the TE11 mode in which the Y direction is the plane of polarization of the electric field is called the TE11y mode.
  • the multimode waveguide antenna 201 separates the TE11x mode transmission line 6X, which separates and synthesizes the TE11x mode electromagnetic wave from the circular waveguide 1, and the TE11y mode electromagnetic wave from the circular waveguide 1.
  • the TE11y mode transmission line 6Y to be combined and the TM01 mode transmission line 7 for separating and synthesizing the TM01 mode electromagnetic wave from the circular waveguide 1.
  • the TE11x mode transmission line 6X and the TE11y mode transmission line 6Y are provided at two locations separated in the circumferential direction of the circular waveguide 1.
  • the connection position of the TE11x mode transmission line 6X to the circular waveguide 1 faces the Y direction shown in FIG. 1, and the connection position of the TE11y mode transmission line 6Y to the circular waveguide 1 faces the X direction. That is, the TE11x mode transmission line 6X and the TE11y mode transmission line 6Y are arranged in an angular relationship of 90 ° in the circumferential direction of the circular waveguide.
  • the TE11x mode transmission line 6X is coupled to the circular waveguide 1 for the TE11x mode propagating the circular waveguide 1
  • the TE11y mode transmission line 6Y is for the TE11y mode propagating the circular waveguide 1.
  • the multi-mode waveguide antenna 201 includes a TE11x mode patch antenna 8X that couples to a TE11x mode electromagnetic wave that propagates in a TE11x mode transmission path 6X, and a TE11y that couples to a TE11y mode electromagnetic wave that propagates in a TE11y mode transmission path 6Y.
  • the mode patch antenna 8Y and the TM01 mode patch antenna 9 coupled to the TM01 mode electromagnetic wave propagating in the TM01 mode transmission path 7 are provided.
  • FIG. 2 is a front view in the direction in which the patch antenna 9 is viewed from the front.
  • the TM01 mode transmission line 7 is inserted between the two circular waveguides 1 in the axial direction of the circular waveguide 1.
  • the TM01 mode transmission line 7 includes a coaxial line.
  • the TM01 mode transmission line 7 mutually converts the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1 and the TEM mode propagating in the coaxial line.
  • the TE11x mode transmission line 6X is composed of a rectangular waveguide having bends that bend at right angles at two points in the middle.
  • the TE11y mode transmission line 6Y is also composed of a rectangular waveguide having bends that bend at right angles at two points along the way. As will be shown later, these bends are H bends.
  • the TE11x mode transmission line 6X mutually converts the TE11x mode propagating in the circular waveguide 1 and the TE11 mode propagating in the rectangular waveguide 1.
  • the TE11y mode transmission line 6Y mutually converts the TE11y mode propagating in the circular waveguide 1 and the TE11 mode propagating in the rectangular waveguide 1.
  • the TM01 mode patch antenna 9 is a radiating element that couples to the TEM mode electromagnetic wave propagating in the TM01 mode transmission line 7.
  • the TE11x mode patch antenna 8X is a TE11x mode radiating element that couples to an electromagnetic wave of the TE11 mode propagating in the TE11x mode transmission line 6X.
  • the TE11y mode patch antenna 8Y is a TE11y mode radiating element that couples to an electromagnetic wave of the TE11 mode propagating in the TE11y mode transmission line 6Y.
  • FIG. 3 shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TM01 mode propagating in the circular waveguide 1, the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TEM mode propagating in the transmission line 7 for the TM01 mode, and the distribution of the electric field strength in the transmission line 6Y for the TE11y mode. It is a figure which shows the electric field strength.
  • the electromagnetic wave of the TM01 mode propagates in the circular waveguide 1, and propagates as the electromagnetic wave of the TEM mode in the transmission line 7 for the TM01 mode.
  • the electromagnetic wave of TM01 mode does not propagate in the transmission line 6Y for TE11y mode.
  • the TE11x mode transmission line 6X is not shown in FIG. 3, similarly, the TM01 mode electromagnetic wave does not propagate to the TE11x mode transmission line 6X.
  • FIG. 4 shows the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TE11y mode propagating in the circular waveguide 1, the distribution of the electric field strength of the electromagnetic wave in the TE11 mode propagating in the transmission line 6Y for the TE11y mode, and the distribution of the electric field strength in the transmission line 7 for the TM01 mode. It is a figure which shows the electric field strength. As will be shown later, the TE11 mode electromagnetic wave propagates in the TE11y mode transmission line 6Y, and the TEM mode electromagnetic wave does not propagate in the TM01 mode transmission line 7.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view showing the configuration of the TM01 mode transmission line 7 and the TM01 mode patch antenna 9.
  • FIG. 10 is a diagram showing the distribution of the electromagnetic field in the TEM mode propagating on the coaxial line, which will be described later.
  • the inner diameter of the outer conductor 12 of this coaxial line is smaller than the inner diameter of the circular waveguide 1.
  • the coaxial line has a cutoff frequency characteristic that blocks the TE11x mode electromagnetic wave and the TE11y mode electromagnetic wave propagating through the circular waveguide 1 (that is, blocks the TE11 mode electromagnetic wave). That is, the TM01 mode transmission line 7 blocks the electromagnetic waves of the TE11x mode and the TE11y mode, and acts as a filter through which the electromagnetic waves of the TM01 mode pass.
  • a TM01 mode patch antenna 9 is provided on the outer surface of the outer conductor 12 of the TM01 mode transmission line 7.
  • the patch antenna 9 is fixed to the outer surface of the outer conductor 12 of the TM01 mode transmission line 7 via an insulator.
  • a probe 9P is provided inside the transmission line 7 for TM01 mode.
  • One end of the probe 9P is connected to the inner wall surface of the outer conductor 12, and the other end is connected to a predetermined feeding point of the patch antenna 9.
  • the probe 9P is arranged so that its loop surface is orthogonal to the circumferential direction of the inner conductor 13. That is, the probe 9P acts as a magnetic field probe that couples with a TEM mode magnetic field propagating on the coaxial line.
  • FIG. 6 is a front view showing the configuration of the coupling portion between the TE11y mode transmission line 6Y and the circular waveguide 1 shown in FIG.
  • FIG. 6 is a front view in a direction in which the mounting surface of the TE11y mode transmission line 6Y is viewed from the front with the TE11y mode transmission line 6Y shown in FIG. 1 removed from the circular waveguide 1.
  • the TE11y mode transmission line (6Y in FIGS. 1 and 2) has a coupling window 1SL that opens a part of the side surface of the circular waveguide 1.
  • the coupling window 1SL is a slot-shaped opening extending in the axial direction (Z direction) of the circular waveguide 1, and is an electric field coupling window. That is, the electric field of the TE11y mode electromagnetic wave propagating through the circular waveguide 1 is directed in the Y direction.
  • the coupling window 1SL has a shape extending in the propagation direction of the electromagnetic wave in the TE11y mode in the circular waveguide 1.
  • FIG. 7 is a cross-sectional view showing the configuration of the TE11y mode transmission line 6Y and the TE11y mode patch antenna 8Y.
  • a pin 8P is formed at a predetermined feeding point of the patch antenna 8Y.
  • the pins 8P are arranged so as to face the electric field direction (Y direction) of the electromagnetic wave of the TE11 mode propagating in the transmission line 6Y for the TE11y mode. Therefore, the pin 8P acts as an electric field probe that couples with the electric field of the TE11 mode propagating in the transmission line 6Y for the TE11y mode.
  • the patch antenna 8Y is fed by the pin 8P and radiates electromagnetic waves to the outside. That is, the TE11y mode patch antenna 8Y radiates the TE11y mode signal propagating through the circular waveguide 1.
  • the configuration of the coupling portion between the other TE11x mode transmission line 6X and the circular waveguide 1 is the same as the example shown in FIG. That is, a coupling window is provided on a part of the side surface of the circular waveguide 1 to which the TE11x mode transmission line 6X is connected. As a result, the TE11x mode electromagnetic wave propagating through the circular waveguide 1 and the TE11 mode electromagnetic wave propagating through the TE11x mode transmission line 6X are coupled through the coupling window.
  • a TE11x mode patch antenna 8X (see FIG. 1) is provided on the outer surface of the TE11x mode transmission line 6X, and a pin is formed at a predetermined feeding point of the patch antenna 8X.
  • the probes are arranged so as to face the electric field direction (X direction) of the TE11 mode electromagnetic wave propagating in the TE11x mode transmission line 6X. Therefore, the pin acts as an electric field probe that couples with the electric field of the TE11 mode propagating in the transmission line 6X for the TE11x mode.
  • the patch antenna 8X is fed by the above probe and radiates electromagnetic waves to the outside. That is, the TE11x mode patch antenna 8X radiates the TE11x mode signal propagating through the circular waveguide 1.
  • each electromagnetic wave of TM01 mode, TE11x mode and TE11y mode independently propagates in the circular waveguide 1.
  • the TM01 mode patch antenna 9 provided in the TM01 mode transmission line 7 radiates a TM01 mode signal propagating through the circular waveguide 1.
  • Mode conversion between the circular waveguide 1 and the TE11x mode transmission line 6X is performed between the circular waveguide 1 TE11x mode and the square waveguide 6 TE11 mode, and the TE11x mode transmission line 6X is performed. Acts as a bypass transmission line for TE11x mode signals.
  • the mode conversion between the TE11y mode of the circular waveguide 1 and the TE11 mode of the square waveguide 6 is performed, and the mode is converted for the TE11y mode.
  • the transmission line 6Y acts as a bypass transmission line for the TE11y mode signal.
  • the TE11x mode patch antenna 8X provided in the TE11x mode transmission line 6X radiates the TE11x mode signal propagating through the circular waveguide 1.
  • the TE11y mode patch antenna 8Y provided in the TE11y mode transmission line 6Y radiates the TE11y mode signal propagating through the circular waveguide 1.
  • the multi-mode waveguide antenna 201 is inserted between the TM01 mode transmission line 7, the TE11x mode transmission line 6X, and the TE11y mode transmission line 6Y between the circular waveguide 1 and the circular waveguide 1. Therefore, the multi-mode waveguide antenna 201 can be inserted into a plurality of necessary locations of the long circular waveguide 1.
  • a circular waveguide 1 made of a single pipe can be installed in a vertical direction in a building under construction, and a multimode waveguide antenna 201 can be installed on each floor. This facilitates MIMO communication with equipment and personnel on each floor.
  • FIG. 8 is a perspective view of a multimode waveguide connector connected to the circular waveguide 1.
  • This multi-mode waveguide connector is a connector provided on the circular waveguide 1 that propagates the electromagnetic waves of the TE11 mode and the electromagnetic waves of the TM01 mode.
  • the TM01 mode port 10 for inputting / outputting the TM01 mode electromagnetic wave to the end of the circular waveguide 1
  • the TE11y mode port 11Y for inputting / outputting the TE11y mode electromagnetic wave to the side of the circular waveguide 1. It shows that.
  • a coaxial cable 5 is connected to the TM01 mode port 10.
  • the TE11y mode port 11Y includes a rectangular waveguide 6. In FIG. 8, a part of the rectangular waveguide 6 is shown.
  • FIG. 9 (A) is a cross-sectional view of the multi-mode waveguide connector
  • FIG. 9 (B) is a front view of the multi-mode waveguide connector
  • 9 (A) is a cross-sectional view taken along the line YY in FIG. 9 (B).
  • the TM01 mode port 10 is composed of an inner conductor 3 and an outer conductor 2.
  • the TM01 mode port 10 includes a coaxial connector 10C for connecting the coaxial cable 5.
  • the TM01 mode port 10 is a tapered coaxial line 4 in which the inner conductor 3 extends in a tapered shape toward the inner wall surface of the circular waveguide 1 from the coaxial connector 10C to the circular waveguide 1.
  • the tapered coaxial line 4 has a cutoff frequency characteristic of propagating electromagnetic waves in coaxial TM01 mode and blocking electromagnetic waves in coaxial TE11 mode.
  • the TE11y mode port 11Y has a coupling window 1SL that opens a part of the side surface of the circular waveguide 1.
  • the coupling window 1SL is a slot-shaped opening extending in the axial direction (Z direction) of the circular waveguide 1, and is an electric field coupling window. That is, the electromagnetic wave of the TE11y mode in which the electric field is directed in the Y direction propagates through the circular waveguide 1.
  • FIG. 12 (A) is a diagram showing the electromagnetic field distribution of the coaxial TM01 mode propagating through the port 10 for the TM01 mode
  • FIG. 12 (B) is the electromagnetic field distribution of the coaxial TE11 mode blocked by the port 10 for the TM01 mode. It is a figure which shows. In these figures, the solid line shows the direction and distribution of the electric field, and the broken line shows the direction and distribution of the magnetic field.
  • the electromagnetic wave of the TEM mode propagates to the coaxial cable 5 connected to the coaxial connector 10C shown in FIG. 9A, and the electromagnetic wave of the coaxial TM01 mode propagates to the port 10 for the TM01 mode.
  • the electromagnetic wave of the coaxial TE11 mode is blocked at the port 10 for the TM01 mode.
  • the tapered coaxial line 4 is configured so as to have such a cutoff frequency characteristic. That is, the TEM mode signal propagating through the coaxial cable 5 is converted into the coaxial TM01 mode at the TM01 mode port 10, and the TM01 mode is excited to the circular waveguide 1.
  • the coaxial TE11 mode has a cutoff frequency, so that the TE11 mode signal is not output from the TM01 mode port 10.
  • the tapered coaxial line 4 of the TM01 mode port 10 gradually matches the characteristic impedance from the coaxial line to the waveguide, while the TM01 mode port 10 is ideally a short-circuit plate when viewed from the TE11y mode port 11Y.
  • the diameter of the wide end (open end) of the tapered coaxial line 4 and the diameter of the circular waveguide 1 are set to extremely close values. Since there is a gap between the inner conductor 3 and the outer conductor 2 of the tapered coaxial line 4, it is possible to excite the circular waveguide 1 in the TM01 mode.
  • the tapered coaxial line 4 does not become a complete short-circuit plate (electrical wall) because the cutoff frequency of the TE11 mode decreases at the extended end WE of the inner conductor 3 and the outer conductor 2. A part of the cable does not reflect and enters the inside of the tapered coaxial line 4 as the coaxial TE11 mode. However, since the coaxial TE11 mode is cut off at a place where the inner conductor 3 and the outer conductor 2 have a small diameter to some extent, the coaxial TE11 The electromagnetic wave of the mode is reflected in one direction of the circular waveguide. If the design is made in consideration of the penetration depth, desired characteristics can be obtained.
  • the electromagnetic wave in the coaxial TE11 mode propagating through the circular waveguide 1 is ideally reflected by the end WE having a large diameter of the inner conductor 3 of the tapered coaxial line 4, but in reality, this diameter is large. It is reflected by the reflecting portion RE, which is a position where the diameter is slightly smaller than that of the end portion WE in the direction of the end portion NE.
  • the TM01 mode current propagating through the circular waveguide 1 flows in the axial direction (Z direction) through the tube wall of the circular waveguide 1, but the coupling window 1SL extends in the axial direction of the circular waveguide 1. Since it is short in the circumferential direction, the coupling window 1SL does not block the current in TM01 mode. That is, the coupling window 1SL does not hinder the propagation of electromagnetic waves in the TM01 mode.
  • the center of the TE11y mode port 11Y is formed at a position separated by ⁇ g / 2 from the reflection portion RE of the TM01 mode port 10.
  • the electromagnetic wave of TE11y mode incident from the port 11Y for TE11y mode propagates in the + Z direction and the ⁇ Z direction, but the electromagnetic wave of TE11 mode reflected by the reflection unit RE of the port 10 for TM01 mode and the electromagnetic wave of TE11 mode propagating in the + Z direction. It is superposed in phase with the electromagnetic waves. That is, the attenuation and phase shift of the electromagnetic wave in the TE11 mode are avoided.
  • the signal input from the TM01 mode port 10 propagates through the circular waveguide 1 as an electromagnetic wave in the TM01 mode, and the signal input from the TE11y mode port 11Y transmits the circular waveguide 1 through the TE11y. Propagates as a mode electromagnetic wave, ensuring isolation between both ports.
  • FIGS. 8, 9 (A) and 9 (B) only the port 11Y for the TE11y mode is shown for the TE11 mode, but the same applies to the TE11x mode, which is biased from the port 11Y for the TE11y mode.
  • a port for TE11x mode is provided at a position where the wave planes are orthogonal to each other.
  • only one set of the multimode waveguide connectors shown above may be provided, and a non-reflective terminator may be provided at the other end of the circular waveguide 1.
  • the TM01 mode signal propagating in the circular waveguide 1 connected to the circular waveguide 1 propagating the multimode electromagnetic wave is radiated from the TM01 mode patch antenna 9, and the circular waveguide is emitted.
  • the TE11x mode signal propagating through the tube 1 is radiated from the TE11x mode patch antenna 8X, and the TE11y mode signal propagating through the circular waveguide 1 is radiated from the TE11y mode patch antenna 8Y. Is obtained.
  • each of the above patch antennas can be applied not only to transmission but also to reception.
  • Second Embodiment In the second embodiment, other configurations of the radiating element for each mode will be illustrated.
  • FIG. 13 is a partial plan view showing the configuration of the TE11y mode transmission line 6Y according to the second embodiment.
  • the TE11y mode transmission line 6Y is provided with a plurality of slot antennas SL in place of the TE11y mode patch antenna 8Y.
  • a slot-shaped opening is formed in a plane (E plane) orthogonal to the electric field direction of the square waveguide 6 or a plane (H plane) parallel to the electric field direction.
  • the slot antenna SL may be formed on either the E plane or the H plane depending on the orientation of the plane of polarization.
  • a slot antenna may be provided instead of the patch antenna 8X.
  • the TE11x mode signal propagating through the circular waveguide 1 is radiated from the slot antenna of the TE11x mode transmission line 6X.
  • the TM01 mode transmission line 7 may be provided with a slot antenna instead of the patch antenna 9.
  • the TM01 mode signal propagating through the circular waveguide 1 is radiated from the slot antenna of the TM01 mode transmission line 7.
  • the "circular waveguide” in the present invention is a waveguide in which an electromagnetic field in the circular waveguide mode is generated in the tube, and is not necessarily a perfect circle.
  • the cross section on the plane orthogonal to the axis may be polygonal.
  • the multi-mode waveguide antenna 201 including the TE11x mode transmission line 6X and the TE11y mode transmission line 6Y is illustrated, but the circular waveguide 1 has three or more TE11 modes.
  • the electromagnetic wave may be propagated.
  • three TE11 modes are used, three TE11 mode transmission lines may be provided around the axis (Z direction) of the circular waveguide 1 in a relationship of 120 degrees.
  • n or more transmission lines for TE11 mode are provided, each input angle is set to 360 ° / n. In these cases, isolation between TE11 modes that are not orthogonal to each other is reduced, but can be used to the extent possible in signal processing.
  • the multimode waveguide antenna 201 including the TE11x mode transmission line 6X and the TE11y mode transmission line 6Y is illustrated, but only a single TE11 mode is used. You may.
  • NE End with small diameter of inner conductor WE ... End with large diameter of inner conductor RE ... Reflector SL ... Slot antenna 1 ... Circular waveguide 1SL ... Coupling window 2 ... Outer conductor 3 ... Inner conductor 4 ... Tapered coaxial Line 5 ... Coaxial cable 6 ... Square waveguide 6X ... TE11x mode transmission line 6Y ... TE11y mode transmission line 7 ... TM01 mode transmission line 8P ... Pin 8X ... TE11x mode patch antenna 8Y ... TE11y mode patch antenna 9 ... TM01 mode patch antenna 9P ... Probe 10 ... TM01 mode port 10C ... Coaxial connector 11Y ... TE11y mode port 12 ... Outer conductor 13 ... Inner conductor 13P ... Pin 14 ... Insulator 201 ... Multimode waveguide antenna

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Abstract

【課題】多モードの電磁波を伝搬する導波管に接続され、各モードの信号を分離してそれぞれ導波管外部へ輻射する多モード導波管アンテナを構成する。 【解決手段】多モード導波管アンテナ２０１は、ＴＥ１１モードの電磁波及びＴＭ０１モードの電磁波を伝搬する円形導波管１に接続されるアンテナである。ＴＥ１１モードの電磁波を円形導波管１との間で分離及び合成するＴＥ１１モード用伝送路６Ｘ，６Ｙと、ＴＭ０１モードの電磁波を円形導波管１との間で分離及び合成するＴＭ０１モード用伝送路７と、ＴＥ１１モード用伝送路６Ｘ，６Ｙを伝搬する電磁波に結合するＴＥ１１モード用パッチアンテナ８Ｘ，８Ｙと、ＴＭ０１モード用伝送路７を伝搬する電磁波に結合するＴＭ０１モード用パッチアンテナ９と、を備える。

Description

多モード導波管アンテナ
　本発明は、複数の伝送モードの電磁波を伝送する導波管に設けられる多モード導波管アンテナに関する。
　無線機の送信機と受信機に複数のアンテナを接続し、無線区間の伝送速度を向上させる技術として、MIMO（multiple-input and multiple-output）が有効である。MIMOは帯域幅や送信出力を増大させなくても通信容量を増大できるという観点から、利用分野が拡大している。
　MIMOは無線機の送信機と受信機に複数のアンテナを接続し、無線区間の伝送速度を向上させる技術である。例えば、3×3MIMOにおいては、３系統（３ストリーム）による伝送が可能となり、通信速度が向上する。MIMOを実現するには、無線機ごとに独立したアンテナを設ける必要がある。それにより、異なる伝搬チャネル（3×3の伝搬チャネル行列）が形成される。仮に無線機から３出力を合成して１つのアンテナから出力すれば、伝搬チャネル行列は固有値のみとなり、１ストリーム通信となる。
　光波では、光ファイバの多モード伝送がMIMOとなることが知られている。しかし、ファイバの途中から出力することは難しく、マイクロ波のように空間に放射して伝送することはできない。
　導波管の「モード分離」方法として、直交した方形導波管の２モードを分離する方法（分離器）が例えば非特許文献１に記載されている。このようなモード分離方法は２偏波気象レーダーなどでも使われているように、一般的な方法である。また、方形導波管の入力を１８０度位相が異なる２分岐とする方法が非特許文献２に記載されている。この方法はポーラライザーと呼ばれる一般的な方法である。
電子情報通信学会論文誌 B　　 Vol.J88-B　　 No.9　　 pp.1693-1699「ターンスタイル形分岐回路を用いた超薄形広帯域導波管偏分波器」発行日２００５年９月１日インターネット＜URL：https://search.ieice.org/bin/summary.php?id=j88-b_9_1693&category=B&year=2005&lang=J&abst=＞ 松本浩平「電波干渉計に搭載される 6.7GHz 帯・8GHz 帯受信機の同一給電化」［令和２年３月１９日検索］、インターネット＜URL：http://www.astro-wakate.org/ss2010/ss10_proceeding/proceeding/instrument_02b.pdf＞
　非特許文献１は円形導波管から直交した方形導波管の２モードを分離する方法であり、非特許文献２は方形導波管の入力を１８０度位相が異なる２分岐とする方法であって、いずれも方形のＴＥ１１モードに分離する方法である。
　一方、導波管を伝送路とする環境下で複数の伝送モードを利用するためには、複数の伝送モードの電磁波を伝送する導波管を構成する必要がある。しかし、そのような多モードの電磁波を伝送する導波管は無く、さらに、分離した複数のモードの信号をそれぞれ輻射するアンテナ機構を有するアンテナも従来無かった。
　本発明の目的は、多モードの電磁波を伝搬する導波管に接続されて、各モードの信号を分離してそれぞれ導波管外部へ輻射する多モード導波管アンテナを提供することにある。
　本発明の多モード導波管アンテナは、ＴＥ１１モードの電磁波及びＴＭ０１モードの電磁波を伝搬する円形導波管に接続されるアンテナである。この多モード導波管アンテナは、前記ＴＥ１１モードの電磁波を前記円形導波管との間で分離及び合成するＴＥ１１モード用伝送路と、前記ＴＭ０１モードの電磁波を前記円形導波管との間で分離及び合成するＴＭ０１モード用伝送路と、前記ＴＥ１１モード用伝送路を伝搬する電磁波に結合するＴＥ１１モード用放射素子と、前記ＴＭ０１モード用伝送路を伝搬する電磁波に結合するＴＭ０１モード用放射素子と、を備える。
　この構成によれば、円形導波管を多モード導波管として利用でき、この円形導波管を伝搬する多モードの電磁波と、モード毎に独立した放射素子とが結合する。
　この発明によれば、多モードの電磁波を伝搬する導波管に接続されて、各モードの信号を分離してそれぞれ導波管外部へ輻射する多モード導波管アンテナが得られる。
図１は第１の実施形態に係る多モード導波管アンテナ２０１の斜視図である。 図２は多モード導波管アンテナ２０１の正面図である。 図３は、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁波の電界強度の分布、ＴＭ０１モード用伝送路７を伝搬するＴＥＭモードの電磁波の電界強度の分布、及びＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙ内の電界強度を示す図である。 図４は、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの電磁波の電界強度の分布、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波の電界強度の分布、及びＴＭ０１モード用伝送路７内の電界強度を示す図である。 図５はＴＭ０１モード用伝送路７及びＴＭ０１モード用パッチアンテナ９の構成を示す断面図である。 図６はＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙと円形導波管１との結合部の構成を示す正面図である。 図７はＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙ及びＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙの構成を示す断面図である。 図８は、円形導波管１に接続する多モード導波管コネクタの斜視図である。 図９（Ａ）は多モード導波管コネクタの断面図であり、図９（Ｂ）は多モード導波管コネクタの正面図である。 図１０は同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの電磁界の分布を示す図である。 図１１（Ａ）は円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁界の分布を示す図であり、図１１（Ｂ）は円形導波管１を伝搬するＴＥ１１モードの電磁界の分布を示す図である。 図１２（Ａ）はＴＭ０１モード用ポート１０を伝搬する同軸ＴＭ０１モードの電磁界分布を示す図であり、図１２（Ｂ）は、ＴＭ０１モード用ポート１０では遮断される同軸ＴＥ１１モードの電磁界分布を示す図である。 図１３は第２の実施形態に係るＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙの構成を示す部分平面図である。
　本発明の実施形態に係る多モード導波管アンテナの概要は次のとおりである。
　まず、この多モード導波管アンテナは、導波管内に多モードの電磁波を伝搬させ、かつ複数の放射素子からそれぞれのモードの信号が独立して放射されるアンテナである。例えば円形導波管からＴＭ０１モード、ＴＥ１１ｘモード、ＴＥ１１ｙモードの信号をそれぞれ独立に取り出す。
　本発明の実施形態では、ＴＭ０１モードは同軸線路のモードに変換し、ＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードは方形導波管のモードに変換する。
　上記同軸線路は、円形導波管の径を細くし、内導体を装荷することで構成する。後に示すように、径を細くすることで同軸ＴＥ１１ｘモード及び同軸ＴＥ１１ｙモードを遮断周波数とし、伝送できないようにする。
　また、ＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードのみを伝送するＴＥモード用伝送路である方形導波管を円形導波管に装荷する。つまり、円形導波管に結合窓を介して、方形導波管を接続し、ＴＭ０１モード用伝送路を跨ぐように構成する。
　上記複数の放射素子は、円形導波管から分離して、ＴＭ０１モード、ＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードの信号を伝送する伝送路に装荷する。このことで、各放射素子は単一モードの信号のみを放射することが可能となる。
《第１の実施形態》
　第１の実施形態に係る多モード導波管アンテナについて、図を参照して説明する。図１は第１の実施形態に係る多モード導波管アンテナ２０１の斜視図である。図２は多モード導波管アンテナ２０１の正面図である。図１１（Ａ）は円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁界の分布を示す図であり、図１１（Ｂ）は円形導波管１を伝搬するＴＥ１１モードの電磁界の分布を示す図である。これらの図において、実線は電界の方向及び分布、破線は磁界の方向及び分布をそれぞれ示している。
　多モード導波管アンテナ２０１は、ＴＭ０１モードの電磁波、ＴＥ１１ｘモードの電磁波及びＴＥ１１ｙモードの電磁波を伝搬する円形導波管１に設けられたアンテナである。ここでは、Ｘ方向を電界の偏波面とするＴＥ１１モードをＴＥ１１ｘモードといい、Ｙ方向を電界の偏波面とするＴＥ１１モードをＴＥ１１ｙモードという。
　多モード導波管アンテナ２０１は、ＴＥ１１ｘモードの電磁波を円形導波管１との間で分離及び合成するＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘと、ＴＥ１１ｙモードの電磁波を円形導波管１との間で分離及び合成するＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙと、ＴＭ０１モードの電磁波を円形導波管１との間で分離及び合成するＴＭ０１モード用伝送路７と、を備える。
　ＴＥ１１ｘモード用伝送路６ＸとＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙは、円形導波管１の周方向に離れた２箇所に設けられている。円形導波管１に対するＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘの接続位置は図１に示すＹ方向を向いていて、円形導波管１に対するＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙの接続位置はＸ方向を向いている。つまり、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６ＸとＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙとは、円形導波管の周方向で９０°の角度関係で配置されている。
　後に示すように、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードについて円形導波管１と結合し、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードについて円形導波管１と結合する。
　多モード導波管アンテナ２０１は、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘを伝搬するＴＥ１１ｘモードの電磁波に結合するＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘと、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１ｙモードの電磁波に結合するＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙと、ＴＭ０１モード用伝送路７を伝搬するＴＭ０１モードの電磁波に結合するＴＭ０１モード用パッチアンテナ９と、を備える。図２はこのパッチアンテナ９を正面視する方向の正面図である。
　図１、図２では、ＴＭ０１モード用ポート１０を図示しているが、これについては後に説明する。
　また、後に詳細を示すように、ＴＭ０１モード用伝送路７は円形導波管１の軸方向での、２つの円形導波管１の間に挿入されている。このＴＭ０１モード用伝送路７は同軸線路を備える。ＴＭ０１モード用伝送路７は円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードと同軸線路を伝搬するＴＥＭモードとを相互に変換する。
　ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘは、途中の二箇所で直角に曲がるベンドを有する方形導波管で構成されている。同様に、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙも、途中の二箇所で直角に曲がるベンドを有する方形導波管で構成されている。後に示すように、これらベンドはＨベンドである。ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードと方形導波管を伝搬するＴＥ１１モードとを相互に変換する。同様に、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードと方形導波管を伝搬するＴＥ１１モードとを相互に変換する。
　ＴＭ０１モード用パッチアンテナ９は、ＴＭ０１モード用伝送路７を伝搬するＴＥＭモードの電磁波に結合する放射素子である。また、ＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘは、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波に結合するＴＥ１１ｘモード用放射素子である。同様に、ＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙは、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波に結合するＴＥ１１ｙモード用放射素子である。
　図３は、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁波の電界強度の分布、ＴＭ０１モード用伝送路７を伝搬するＴＥＭモードの電磁波の電界強度の分布、及びＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙ内の電界強度を示す図である。後に示すように、円形導波管１にはＴＭ０１モードの電磁波が伝搬し、ＴＭ０１モード用伝送路７ではＴＥＭモードの電磁波として伝搬する。ＴＥ１１ｙモード用伝送路６ＹにはＴＭ０１モードの電磁波は伝搬しない。図３ではＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘについては図示を省略しているが、同様に、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６ＸにはＴＭ０１モードの電磁波は伝搬しない。
　図４は、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの電磁波の電界強度の分布、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波の電界強度の分布、及びＴＭ０１モード用伝送路７内の電界強度を示す図である。後に示すように、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６ＹにはＴＥ１１モードの電磁波が伝搬し、ＴＭ０１モード用伝送路７にはＴＥＭモードの電磁波は伝搬しない。
　図５はＴＭ０１モード用伝送路７及びＴＭ０１モード用パッチアンテナ９の構成を示す断面図である。図１０は、後述する同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの電磁界の分布を示す図である。
　ＴＭ０１モード用伝送路７は、内導体１３と外導体１２とで構成される同軸線路を備える。この内導体１３は絶縁体１４によって、外導体１２の中心軸に位置する状態で保持されている。内導体１３の両端にはピン１３Ｐが形成されている。ピン１３Ｐは円形導波管１を電波するＴＭ０１モードの電磁波及び同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの電磁波と結合する。したがって、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁波は同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの電磁波に変換され、また、逆に、同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの電磁波は円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電磁波に変換される。
　この同軸線路の外導体１２の内径は円形導波管１の内径より小さい。そのことにより、同軸線路は、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの電磁波及びＴＥ１１ｙモードの電磁波を遮断する（すなわちＴＥ１１モードの電磁波を遮断する）、遮断周波数特性を有する。つまり、ＴＭ０１モード用伝送路７はＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードの電磁波を遮断し、ＴＭ０１モードの電磁波を通すフィルタとして作用する。
　また、同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの波長をλｇで表すとき、同軸線路はλｇ・ｎ／４　（ｎ＝奇数）の長さを有する。この構成により、ＴＭ０１モード用伝送路７と円形導波管１との一方の接続部で反射するＴＥＭモードの電磁波と他方の接続部で反射するＴＥＭモードの電磁波とは逆極性で重なるので、ＴＭ０１モード用伝送路７と円形導波管１との接続部での反射の影響が生じない。つまり、ＴＭ０１モード用伝送路７と円形導波管１とはステップインピーダンス整合する。
　ＴＭ０１モード用伝送路７の外導体１２の外面にはＴＭ０１モード用パッチアンテナ９が設けられている。このパッチアンテナ９は絶縁体を介してＴＭ０１モード用伝送路７の外導体１２の外面に固定されている。
　ＴＭ０１モード用伝送路７の内部にはプローブ９Ｐが設けられている。このプローブ９Ｐの一端は外導体１２の内壁面に接続されていて、他端はパッチアンテナ９の所定の給電点に接続されている。プローブ９Ｐはそのループ面が内導体１３の周回方向に直交する関係に配置されている。つまり、プローブ９Ｐは同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの磁界と結合する磁界プローブとして作用する。
　パッチアンテナ９はプローブ９Ｐによって給電されて電磁波を外部へ放射する。つまり、ＴＭ０１モード用パッチアンテナ９は、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの信号を放射する。
　図６は、図１に示したＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙと円形導波管１との結合部の構成を示す正面図である。図６においては、図１に示したＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを円形導波管１から取り外した状態で、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙの取付面を正面視する方向での正面図である。
　ＴＥ１１ｙモード用伝送路（図１、図２中の６Ｙ）は、円形導波管１の側面の一部を開口する結合窓１ＳＬを有する。この結合窓１ＳＬは円形導波管１の軸方向（Ｚ方向）に延びるスロット形状の開口であり、電界結合窓である。つまり、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの電磁波はＹ方向に電界が向く。
　結合窓１ＳＬは円形導波管１におけるＴＥ１１ｙモードの電磁波の伝搬方向に延びる形状である。これにより、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの電磁波と、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波とが結合窓１ＳＬを介して結合する。
　図７はＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙ及びＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙの構成を示す断面図である。パッチアンテナ８Ｙの所定給電点にはピン８Ｐが形成されている。このピン８ＰはＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波の電界方向（Ｙ方向）を向く関係に配置されている。したがって、ピン８ＰはＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを伝搬するＴＥ１１モードの電界と結合する電界プローブとして作用する。
　パッチアンテナ８Ｙはピン８Ｐによって給電されて電磁波を外部へ放射する。つまり、ＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙは、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの信号を放射する。
　もう一つのＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘと円形導波管１との結合部の構成についても、図６に示した例と同様である。つまり、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘが接続される円形導波管１の側面の一部に結合窓を有する。これにより、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの電磁波と、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波とが上記結合窓を介して結合する。
　そして、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘの外面にはＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘ（図１参照）が設けられていて、このパッチアンテナ８Ｘの所定給電点にはピンが形成されている。このプローブはＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘを伝搬するＴＥ１１モードの電磁波の電界方向（Ｘ方向）を向く関係に配置されている。したがって、上記ピンはＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘを伝搬するＴＥ１１モードの電界と結合する電界プローブとして作用する。
　パッチアンテナ８Ｘは上記プローブによって給電されて電磁波を外部へ放射する。つまり、ＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘは、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの信号を放射する。
　本実施形態の多モード導波管アンテナ２０１の作用を列挙すると次のとおりである。
（１）図３、図４に示したように、円形導波管１にＴＭ０１モード、ＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードの各電磁波が独立して伝搬する。
（２）円形導波管１とＴＭ０１モード用伝送路７との間で、ＴＭ０１モードとＴＥＭモードとのモード変換がなされ、ＴＭ０１モード用伝送路７はＴＥＭモードの伝送路として作用する。
（３）ＴＭ０１モード用伝送路７に設けられたＴＭ０１モード用パッチアンテナ９は円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの信号の放射を行う。
（４）円形導波管１とＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘとの間で、円形導波管１のＴＥ１１ｘモードと方形導波管６のＴＥ１１モードとのモード変換がなされ、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６ＸはＴＥ１１ｘモード信号の迂回伝送路として作用する。
（５）同様に、円形導波管１とＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙとの間で、円形導波管１のＴＥ１１ｙモードと方形導波管６のＴＥ１１モードとのモード変換がなされ、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６ＹはＴＥ１１ｙモード信号の迂回伝送路として作用する。
（６）ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘに設けられたＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの信号の放射を行う。
（７）同様に、ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙに設けられたＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙは円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの信号の放射を行う。
（８）多モード導波管アンテナ２０１は、そのＴＭ０１モード用伝送路７、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘ及びＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙは円形導波管１と円形導波管１との間に挿入されるので、この多モード導波管アンテナ２０１を長尺の円形導波管１の必要な複数の箇所に挿入することができる。例えば、建築中のビルに縦方向に単管パイプによる円形導波管１を設置し、各階に多モード導波管アンテナ２０１を設けることができる。そのことにより、各階の装置や人員との間でMIMOによる通信が容易となる。
　次に、円形導波管１にＴＭ０１モード、ＴＥ１１ｘモード及びＴＥ１１ｙモードの各モードの電磁波を伝搬させるための構成について示す。
　図８は、円形導波管１に接続する多モード導波管コネクタの斜視図である。この多モード導波管コネクタは、ＴＥ１１モードの電磁波及びＴＭ０１モードの電磁波を伝搬する円形導波管１に設けられるコネクタである。図８では、円形導波管１の端部にＴＭ０１モードの電磁波を入出力するＴＭ０１モード用ポート１０と、円形導波管１の側部にＴＥ１１ｙモードの電磁波を入出力するＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙとを示している。ＴＭ０１モード用ポート１０には同軸ケーブル５が接続される。ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙは方形導波管６を備える。図８においては方形導波管６の一部を図示している。
　図９（Ａ）は多モード導波管コネクタの断面図であり、図９（Ｂ）は多モード導波管コネクタの正面図である。図９（Ａ）は図９（Ｂ）におけるＹ－Ｙラインでの断面図である。
　ＴＭ０１モード用ポート１０は、内導体３と外導体２とで構成される。このＴＭ０１モード用ポート１０は同軸ケーブル５を接続する同軸コネクタ１０Ｃを備える。また、このＴＭ０１モード用ポート１０は、同軸コネクタ１０Ｃから円形導波管１にかけて、内導体３が円形導波管１の内壁面に向かってテーパー状に拡がるテーパー同軸線路４である。このテーパー同軸線路４は同軸ＴＭ０１モードの電磁波を伝搬し、同軸ＴＥ１１モードの電磁波を遮断する、遮断周波数特性を有する。
　ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙは、円形導波管１の側面の一部を開口する結合窓１ＳＬを有する。この結合窓１ＳＬは円形導波管１の軸方向（Ｚ方向）に延びるスロット形状の開口であり、電界結合窓である。つまり、Ｙ方向に電界が向くＴＥ１１ｙモードの電磁波が円形導波管１を伝搬する。
　図１２（Ａ）はＴＭ０１モード用ポート１０を伝搬する同軸ＴＭ０１モードの電磁界分布を示す図であり、図１２（Ｂ）は、ＴＭ０１モード用ポート１０では遮断される同軸ＴＥ１１モードの電磁界分布を示す図である。これらの図において、実線は電界の方向及び分布、破線は磁界の方向及び分布をそれぞれ示している。
　図９（Ａ）に示した同軸コネクタ１０Ｃに接続される同軸ケーブル５には、上記ＴＥＭモードの電磁波が伝搬し、ＴＭ０１モード用ポート１０には同軸ＴＭ０１モードの電磁波が伝搬する。しかし、このＴＭ０１モード用ポート１０では同軸ＴＥ１１モードの電磁波は遮断される。そのような遮断周波数特性となるように、テーパー同軸線路４は構成されている。つまり、同軸ケーブル５を伝搬するＴＥＭモードの信号はＴＭ０１モード用ポート１０で同軸ＴＭ０１モードに変換され、円形導波管１へＴＭ０１モードが励振される。一方、ＴＥ１１モードから見て、同軸ＴＥ１１モードは遮断周波数となるため、ＴＥ１１モードの信号はＴＭ０１モード用ポート１０からは出力されない。
　ＴＭ０１モード用ポート１０のテーパー同軸線路４は、同軸線路から導波管へ徐々に特性インピーダンスの整合をとる一方、ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙから見て、ＴＭ０１モード用ポート１０が理想的には短絡板（電気壁）として作用することで、ＴＥ１１ｙモード用ポート１１ＹからＴＭ０１モード用ポート１０への出力が無いようにする。そのため、テーパー同軸線路４の広い端部（開放端）の径と、円形導波管１の径とを極めて近い値としている。テーパー同軸線路４の内導体３と外導体２との間には隙間があるため、円形導波管１へのＴＭ０１モードの励振は可能である。
　テーパー同軸線路４は、内導体３及び外導体２の拡がった端部ＷＥにおいて、ＴＥ１１モードの遮断周波数が低下するため、完全な短絡板（電気壁）とはならない。一部は反射せずテーパー同軸線路４内部に同軸ＴＥ１１モードとして侵入するが、内導体３及び外導体２の径がある程度細くなる箇所で、同軸ＴＥ１１モードを遮断する条件となるため、その同軸ＴＥ１１モードの電磁波は円形導波管１方向へ反射される。上記侵入深さを考慮して設計すれば、所望の特性を得ることができる。
　つまり、円形導波管１を伝搬する同軸ＴＥ１１モードの電磁波は、理想的にはテーパー同軸線路４のうち内導体３の径が大きな端部ＷＥで反射されるが、実際にはこの径が大きな端部ＷＥより、径が小さな端部ＮＥ方向に少し入り込んだ位置まで侵入した位置である反射部ＲＥで反射する。
　円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの電流は円形導波管１の管壁を軸方向（Ｚ方向）に流れるが、上記結合窓１ＳＬは円形導波管１の軸方向に延びていて、周方向には短いので、結合窓１ＳＬはＴＭ０１モードの電流を遮らない。つまり、結合窓１ＳＬはＴＭ０１モードの電磁波の伝搬を阻害しない。
　ＴＥ１１モードの電磁波の波長をλｇで表すとき、ＴＥ１１ｙモード用ポート１１ＹはＴＭ０１モード用ポート１０の反射部ＲＥから、λｇ・ｎ／２　（ｎ＝奇数）の位置又は当該位置の近傍に配置される。図９（Ｂ）に示した例では、ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙは、その中心がＴＭ０１モード用ポート１０の反射部ＲＥからλｇ／２だけ離れた位置に形成されている。
　ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙから入射したＴＥ１１ｙモードの電磁波は＋Ｚ方向及び－Ｚ方向に伝搬するが、ＴＭ０１モード用ポート１０の反射部ＲＥで反射したＴＥ１１モードの電磁波と、＋Ｚ方向へ伝搬するＴＥ１１モードの電磁波とは同相で重ね合わされる。つまり、ＴＥ１１モードの電磁波の減衰及び位相シフトが回避される。
　以上に示した構成により、ＴＭ０１モード用ポート１０から入力された信号は円形導波管１をＴＭ０１モードの電磁波として伝搬し、ＴＥ１１ｙモード用ポート１１Ｙから入力された信号は円形導波管１をＴＥ１１ｙモードの電磁波として伝搬し、両ポート間のアイソレーションが確保される。
　図８、図９（Ａ）、図９（Ｂ）では、ＴＥ１１モードについては、ＴＥ１１ｙモード用のポート１１Ｙだけを図示したが、ＴＥ１１ｘモードについても同様であり、ＴＥ１１ｙモード用のポート１１Ｙとは偏波面が直交する位置にＴＥ１１ｘモード用のポートを設ける。
　図１，図２等に示したように、以上に示した多モード導波管コネクタをもう一組、円形導波管１に設けることによって、導波路が構成される。つまり、２つの多モード導波管コネクタを円形導波管１に設けることによって、多モードの電磁波を伝送する導波路が構成される。ただし、図１、図２等に示した例では、多モード導波管アンテナ２０１の直近にＴＭ０１モード用ポート１０を設け、かつ多モード導波管アンテナ２０１を２つのＴＭ０１モード用ポート１０で挟むように配置したが、これは、円形導波管１を備える導波路の全体を単一の図に収めるためである。上述のとおり、長尺の円形導波管１の必要な箇所に多モード導波管アンテナ２０１を挿入すればよい。
　また、以上に示した多モード導波管コネクタは一組だけ設け、円形導波管１の他方端には無反射終端器を設けてもよい。
　本実施形態によれば、多モードの電磁波を伝搬する円形導波管１に接続されて、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの信号がＴＭ０１モード用パッチアンテナ９から放射され、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの信号がＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ８Ｘから放射され、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｙモードの信号がＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙから放射される多モード導波管アンテナ２０１が得られる。
　なお、言うまでも無く、アンテナの可逆定理により、上記各パッチアンテナは送信に限らず受信にも適用できる。
《第２の実施形態》
　第２の実施形態では、各モード用放射素子の他の構成について例示する。
　第２の実施形態では、パッチアンテナに代えてスロットアンテナを用いる例である。図１３は第２の実施形態に係るＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙの構成を示す部分平面図である。ＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙには、ＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ８Ｙに代えて、複数のスロットアンテナＳＬが設けられている。具体的には、方形導波管６の電界方向と直交する面（Ｅ面）又は電界方向に平行な面（H面）にスロット状の開口が形成されている。このスロットアンテナＳＬは偏波面の向きに応じてＥ面又はＨ面のいずれかに形成すればよい。
　ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘについても同様に、パッチアンテナ８Ｘに代えてスロットアンテナを設けてもよい。そのことにより、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘのスロットアンテナから、円形導波管１を伝搬するＴＥ１１ｘモードの信号の放射がなされる。
　また、ＴＭ０１モード用伝送路７についても同様に、パッチアンテナ９に代えてスロットアンテナを設けてもよい。そのことにより、ＴＭ０１モード用伝送路７のスロットアンテナから、円形導波管１を伝搬するＴＭ０１モードの信号の放射がなされる。
　最後に、本発明は上述した実施形態に限られるものではない。当業者によって適宜変形及び変更が可能である。本発明の範囲は、上述の実施形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。さらに、本発明の範囲には、特許請求の範囲内と均等の範囲内での実施形態からの変形及び変更が含まれる。
　例えば、本発明においての「円形導波管」とは、管内に円形導波管モードの電磁界が生じる導波管のことであり、必ずしも真円に限らない。例えば、軸に直交する面での断面が多角形であってもよい。
　また、図１、図２等では、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘ及びＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを備える多モード導波管アンテナ２０１を例示したが、円形導波管１に３つ以上のＴＥ１１モードの電磁波を伝搬するようにしてもよい。例えば、３つのＴＥ１１モードを利用する場合、円形導波管１の軸（Ｚ方向）回りに１２０度の関係で３つのＴＥ１１モード用伝送路を設ければよい。同様に、ｎ個以上のＴＥ１１モード用伝送路を設ける場合、それぞれの入力角を３６０°／ｎとする。これらの場合、互いに直交しない関係のＴＥ１１モード間のアイソレーションは低減するが、信号処理上の可能な範囲で利用できる。
　また、図１、図２等に示した例では、ＴＥ１１ｘモード用伝送路６Ｘ及びＴＥ１１ｙモード用伝送路６Ｙを備える多モード導波管アンテナ２０１を例示したが、単一のＴＥ１１モードだけを利用してもよい。
ＮＥ…内導体の径の小さな端部
ＷＥ…内導体の径の大きな端部
ＲＥ…反射部
ＳＬ…スロットアンテナ
１…円形導波管
１ＳＬ…結合窓
２…外導体
３…内導体
４…テーパー同軸線路
５…同軸ケーブル
６…方形導波管
６Ｘ…ＴＥ１１ｘモード用伝送路
６Ｙ…ＴＥ１１ｙモード用伝送路
７…ＴＭ０１モード用伝送路
８Ｐ…ピン
８Ｘ…ＴＥ１１ｘモード用パッチアンテナ
８Ｙ…ＴＥ１１ｙモード用パッチアンテナ
９…ＴＭ０１モード用パッチアンテナ
９Ｐ…プローブ
１０…ＴＭ０１モード用ポート
１０Ｃ…同軸コネクタ
１１Ｙ…ＴＥ１１ｙモード用ポート
１２…外導体
１３…内導体
１３Ｐ…ピン
１４…絶縁体
２０１…多モード導波管アンテナ

Claims (15)

  1. 　ＴＥ１１モードの電磁波及びＴＭ０１モードの電磁波を伝搬する円形導波管に接続されるアンテナであって、前記ＴＥ１１モードの電磁波を前記円形導波管との間で分離及び合成するＴＥ１１モード用伝送路と、前記ＴＭ０１モードの電磁波を前記円形導波管との間で分離及び合成するＴＭ０１モード用伝送路と、前記ＴＥ１１モード用伝送路を伝搬する電磁波に結合するＴＥ１１モード用放射素子と、前記ＴＭ０１モード用伝送路を伝搬する電磁波に結合するＴＭ０１モード用放射素子と、を備える、多モード導波管アンテナ。
  2. 　請求項１に記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＭ０１モード用伝送路は内導体と外導体とで構成される同軸線路を備える、多モード導波管アンテナ。
  3. 　請求項２に記載の多モード導波管アンテナであって、前記同軸線路の前記外導体の内径は前記円形導波管の内径より小さい、多モード導波管アンテナ。
  4. 　請求項２又は３に記載の多モード導波管アンテナであって、前記同軸線路は、前記ＴＥ１１モードの電磁波を遮断する、遮断周波数特性を有する、多モード導波管アンテナ。
  5. 　請求項２から４のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記同軸線路を伝搬するＴＥＭモードの波長をλｇで表すとき、前記同軸線路はλｇ・ｎ／４　（ｎ＝奇数）の長さを有する、多モード導波管アンテナ。
  6. 　請求項１から５のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用伝送路は、前記円形導波管の側面でＴＥ１１モードの電磁波を分離及び合成する方形導波管であり、当該方形導波管に前記ＴＥ１１モード用放射素子が設けられた、多モード導波管アンテナ。
  7. 　請求項６に記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用伝送路と前記円形導波管との接続部に、前記円形導波管の側面の一部を開口する結合窓が設けられた、多モード導波管アンテナ。
  8. 　請求項７に記載の多モード導波管アンテナであって、前記結合窓は前記円形導波管におけるＴＥ１１モードの電磁波の伝搬方向に延びる形状である、多モード導波管アンテナ。
  9. 　請求項６から８のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用伝送路は前記円形導波管の周方向に離れた２箇所に設けられた、多モード導波管アンテナ。
  10. 　請求項９に記載の多モード導波管アンテナであって、前記２つのＴＥ１１モード用伝送路は、前記円形導波管の周方向で９０°の角度関係で配置された、多モード導波管アンテナ。
  11. 　請求項６から８のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用伝送路は、前記円形導波管の周方向で一定角度の関係で３箇所以上に設けられた、多モード導波管アンテナ。
  12. 　請求項１から１１のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用放射素子はパッチアンテナである、多モード導波管アンテナ。
  13. 　請求項１から１１のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＭ０１モード用放射素子はパッチアンテナである、多モード導波管アンテナ。
  14. 　請求項１から１１のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＥ１１モード用放射素子は、前記ＴＥ１１モード用伝送路に設けられたスロットアンテナである、多モード導波管アンテナ。
  15. 　請求項１から１１のいずれかに記載の多モード導波管アンテナであって、前記ＴＭ０１モード用放射素子は、前記ＴＭ０１モード用伝送路に設けられたスロットアンテナである、多モード導波管アンテナ。
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GIERULL CHRISTOPH H, LUKOWSKI TOM I: "Analysis of the Multimode Feedhorn Concept for Multi- channel SAR-GMTI", EUROPEAN CONFERENCE ON SYNTHETIC APERTURE RADAR, 1 June 2011 (2011-06-01), pages 649 - 652, XP055866677 *

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