JP2005184806A - 放射アパーチャ導波管フィードアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 本発明は、楕円形の反射器に適合可能な非対称照射を提供し小スペースのみを要求する第一フィードを提案する。
【解決手段】 本発明は、開口型導波管セクションの放射を改変する短ロッドを使用する。本発明のアンテナは、導波管１で構成される放射フィードを備え、この導波管の一端は、放射アパーチャを形成する。この放射アパーチャを形成する端部は、誘電材料で構成されたロッドにフィットされ、このロッドは、導波管１に部分的に挿入２、３される。このロッドは、ガイドされる波長の２倍以下の長さＬだけ導波管の外部に伸展され、ロッドのセクションは、上記の平面のそれぞれにおいて、異なって導波管の外部に展開する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、放射アパーチャ導波管フィードアンテナに関する。この種のフィードは、放物面反射鏡と組み合わせ得る。

指向性アンテナを必要とする特定の種類の無線に関して、特に放物面反射鏡を有するアンテナをフィードと焦点とを組み合わせて使用することが知られている。これは、他のアンテナの中で、Ｃ、Ｋｕ及びＫａ帯域を使用する衛星伝送に使用するタイプのアンテナである。

反射鏡アンテナは、通常、凹面皿を有し、その表面は、放物面の線対称部分に対応する。円形反射鏡の空間的要求性は、通常大きい。宣伝の観点から見ると、楕円形のアパーチャを有する反射鏡を使用することは、円形のアパーチャを有する反射鏡よりもより魅力を有する可能性があり、特に、フィードが反射鏡の焦点に相対してオフセットである場合、顕著である。実用面において、楕円形のアパーチャを有する反射鏡の空間的要求性は、円形のアパーチャを有する反射鏡よりも視覚的によりコンパクトである。さらに、単一のパラボラを用いた多重衛星放送受信では、楕円形のアパーチャを有する反射鏡を使用することは、脱集束に関連した損失や変形を最小限にする点で特に有利である。

これら楕円形の反射鏡における照射を最適化するため、第一フィードは、これら楕円形の反射鏡に適合された放射パターンのアパーチャを使用する必要がある。実用的には、反射鏡アンテナの最大効率は、フィードによる反射鏡の照射が−１０〜−１３ｄＢの間の反射鏡の縁（ｒｉｍ）において利得を提供する際に得られる。このため、上記の放射パターンの互いに垂直な２つの平面は、かなり異なるアパーチャを示す必要がある。

例えば、５０ｃｍの高さ、９０ｃｍの幅及び１２ＧＨｚの周波数での焦点距離が５２ｃｍである楕円形の反射鏡を照射するため、第一フィードの放射パターンのアパーチャは、−１２ｄＢの反射鏡の端部における照射レベルに関して、その垂直面（楕円形の短軸）を照射するため２８°でなければならず、水平面を照射するため４５°でなければならない。

一般的な方法において、第一アンテナフィードのＥ及びＨ平面における放射パターンを均一又は不均一とするのに使用され得る技術は、Ｈｅｎｒｉ Ｊａｓｉｋ著の”Ａｎｔｅｎｎａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｈａｎｄｂｏｏｋ”のチャプター１５に述べられている。１つの例として、方形アパーチャを有するホーン又はマルチモードのホーンを使用することが挙げられる。

また、印刷アレイなどの、例えば、方形に配置された４要素アレイを用いて、不均一な照射効果を得ることも可能である。

これら第一フィードの全ては、比較的大型の横方向の空間を必要とし、非常に近接したオービタルの位置を占有する衛星からの多重的な衛星放送受信に使用し得ない。さらに、これら端末がコンシューマーユーズのために設計されている場合、複雑な第一フィードを排除しなければならない。

常套的な第一フィードの空間的要求性が１２ＧＨｚにて算出される場合、得られるのは、４０ｍｍの径のホーンであるか、４５〜５０ｍｍの径のパッチアレイである。この寸法から、２つの独立したフィードが４°の間で角度的に分離して使用される場合、その焦点の中心は、約３４ｍｍ離れる必要があって、この寸法を考慮することは不可能である。

さらに、２つの異なる放射パターンアパーチャを有する場合であっても、それほど大きくない断面を有する（ホーンを有さない）単一の開口型方形導波管は、方向的に十分でないため、良好なアパーチャを与えない。

また、波誘電性ロッド（ｗａｖｅ ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ ｒｏｄ）を移動させて使用することも知られている。このタイプのロッドは、その後、ホーンを置き換える。しかしながら、かかるロッドは、使用し得ない。なぜなら、４５°程度で−１２ｄＢにおけるアパーチャを得ることはその波長の約３倍と同程度の長さを必要とし、且つ、約２８°のアパーチャを得ることは、その波長の約１０倍の長さを必要とするためである。また、上記の波長の３倍と同程度及び上記の波長と１０倍と同程度のいずれかの長さを有するロッドを得ることは可能ではない。さらに、１２ＧＨｚの周波数における波長の１０倍の長さは、約２５ｃｍに対応し、一方で、この長さは比較的大型であって、他方では、同様の寸法の近傍でのフィードを崩壊するリスクが生じる長さである。

従って、既に知られているフィードを使用することは、一定の制約を満足しない。

本発明は、上述の問題に対する解決法を、楕円形の反射鏡に適合可能に非対称の照射を行い且つ小型のスペース要求性を有する第一フィードを提案することにより、提供する。本発明は、開口型導波管セクションの放射を改質する短ロッドを使用する。

本発明によるアンテナは、互いに対称な少なくとも２つの対称平面を有するセクションを有する導波管で構築された放射フィードを有しており、各平面は、波の伝播軸に延びており、導波管の１つの端部は、放射アパーチャを形成する。本発明によるアパーチャを形成する１つの端部は、誘電性材料で構築されたロッドに適合され、かかるロッドは、導波管に部分的に挿入され、且つ、所定の長さで導波管の上記のセクションを充填する。このロッドは、ガイドされる波長の少なくとも２倍以上、導波管を超えて延び、ロッドのセクションは、上記の平面のそれぞれにおいて別々の導波管の外側へと展開する。

好ましくは、導波管の外側のロッドのセクションの展開は、線形であってもよいが、２つの平面のそれぞれにおいて異なる方向でもよい。上記の平面の１つにおいて、ロッドはより大きくてもよく、且つ、他の平面において、ロッドはより小さくてもよい。上記の導波管は、四角形、方形又は円形の断面を有してもよい。導波管の外側に位置するロッドの端部は、導波管の上記のセクションとは異なる形状のセクションを有する。

導波管を循環する波は、分極された波であってもよい。この分極された波が上記の波の伝播軸と垂直に線形分極している場合は、各方向は、上記の２つの平面のいずれか１つに包含され、且つ、導波管の外側に存在するロッドの形状は、上記の２つの平面のそれぞれの関係において対称である。

フィードを変形させることなく、小型のフィードアンテナを提供する。

本発明で適用される原理は、短誘電性ロッドを用いた単一導波管の放射性を改変することで構成される。導波管の放射は重なり合うので、所定の周波数に関して、導波管の断面により、楕円形の反射鏡を照射するのに適合し得ない。この短ロッドは、ロッドに適合された導波管により形成されたアパーチャにおけるフィールドの分布を改変する。得られる放射パターンは、移動波フィードとして機能するロッドを有することなく改変される。このフィールドは、楕円形の領域を照射するのに適した放射パターンを得る方法により、等価なアパーチャに分布される。

図１及び図２Ａ乃至図２Ｃは、異なる視野から見た本発明によるフィードの例示的な実施例を示す。これら例において、フィードは、典型的には四角形の断面を有する導波管１を備えており、その一端は、放射アパーチャを形成する。この導波管は、受信又は送信される平均波長、例えば、１２ＧＨｚとおよそ同程度のガイド長を得るように、公知の技術に従って寸法付けされる。この導波管のこのセクションは、例えば、２１ｍｍ×２１ｍｍである。上記の放射アパーチャには誘電性ロッドを配置する。このロッドは、低い損失の誘電材料で構成され、１より大きい比誘電率を有する。この材料は、例えば、ポチスチレン、ポリプロピレン又は種々の誘電材料などのプラスチックであってもよく、これらは通常、軽プラスティック材料をベースに、得られるロッドの比誘電率の値を制御するのに使用される高い誘電率を有する材料で充填されて製造される。

このロッドは、２乃至４の符号を付した３つの部品を備える。第１部品２は、空の導波管から損失が最小限にされた上記の誘電材料へと通過するのに適合したインピーダンスを提供する。第１部品２は、伝播媒体を変更することにより、導波管における波伝播の公知の法則に従って寸法付けされる。第１部品２は、通常、円錐型の主要部で構成されその断面は、導波管１の上記のセクションに対応する。第２部品３は、導波管１の形状に適合する。第２部品３は、導波管１の端部にリッドを保持するのに使用され、この第２部品３の長さで、ロッドを機械的に固定する。第３部品４は、導波管１の放射アパーチャの放射をコリメートするのに使用される。第３部品４は、一方で波の伝播軸を通過し他方で照射される楕円形の対称軸のそれぞれを通過する上記の２つの平面のそれぞれに異なって展開する。

本発明は、フィードの放射パターンを決定するロッドの第３部品４に主として依拠する。この第３部品４の長さＬは、導波管のセクションと放射面５との間の長さを適合するインピーダンスを形成する。

放射面５は、等価な放射アパーチャを算出する公知の方法に従って算出される。この放射アパーチャは、広範に変化する形状を有していてもよいが、上記の計算を単純化するため、擬似的な楕円形の放射パターンを提供する方形放射面を選択することも可能である。放射面５を寸法付けした後、公知の技術に従って、最小限の長さで最適化するインピーダンスを得るように、長さＬが決定される。このロッドの製造を単純化するため、最適化された線形インピーダンスを使用し、これは、上記の２つの平面のそれぞれで異なって展開する。例えば、上記の楕円形の主軸に沿って５０°且つ短軸に沿って３８°で、−１３ｄＢにおけるアパーチャを有する楕円形の放射パターンを得るため、方形の放射面５は、a×ｂ＝３ｍｍ×２３ｍｍのセクションを有するものとする。この長さは、その後、導波管１の上記のセクションから放射面５へと通過するように算出され、結果、最適化されたインピーダンスは、長さＬ＝３５ｍｍとなる。

図３は、この寸法付けにてシミュレートして得られた放射パターンを示す。垂直軸のスケールは、利得を示し、水平軸のスケールは、ビームの中心に相対したアパーチャの角度を示す。曲線１０は、放射面５の幅寸法Ｂで規定された上記の楕円形の主軸に対応する平面における放射パターンを示す。曲線１１は、放射面５の上記の幅寸法で規定された上記の楕円形の短軸に対応する平面における放射パターンを示す。当業者が分かることは、それぞれ、４８°及び３７°と得られたことである。必要とする放射パターンを与えることにより、かかる結果は、高度に適切となる。しかしながら、必要とするパターンに近接するパターンを所望する場合、放射面５の寸法a及びｂを調節することも可能であり、これら寸法を最適化するため連続的にシミュレーションを行うことも可能である。

相補的な例として、この種のフィードで得られる可能性を示すため、a＝６ｍｍ、ｂ＝３６ｍｍ、長さＬ＝２５ｍｍの放射面に関する結果を図４に示す。当業者に理解可能なのは、そのアパーチャの角度は、楕円形の主軸が１１０°であり、短軸が２８°である、ということである。この技術を用いて、非常に広範な範囲を得ることも可能である。

上記の２つの寸法に続き、当業者が理解し得るのは、長さＬが、ガイドされる波長とおよそ同等である、ということである。この長さＬは、導波管１のセクションと放射面５との差異がこれを可能とする場合、上記の波長よりも小さくてもよい、ということである。また、指数的な適合特性が線形的な適合特性の代わりに使用される場合、より短い長さも可能であるが、製造を幾分複雑とする。

好適な例として、分極されていない波及び分極された波も同様に良好に使用され得る。しかしながら、線形に分極された波を使用する場合、上記の誘電性ロッドで導入された位相の差異が上記の２つの直交する分極方向と同様であることをチェックすることが重要である。この状態は、必要とされる全ての事項が波の伝播方向及び分極方向を含む長手の平面において対称的なロッドであるため、容易に充足される。

波が円形に分極する場合、その分極器は、ロッドの外部形状を考慮に入れて寸法付けされる必要がある。第１のインピーダンス適合部品は、もはや円錐形であるが、円形の分極を発生するため、電場の互いに直交する成分間の位相差を導入することにより分極器として機能する。ロッドの外部分により発生される種々の分極もまた、この分極器により補完される必要がある。

好適な例が示すのは、このロッドが１つの側面においてより大きくなり、他の面においてより小さくなる、ということである。しかしながら、ロッドが両方の端部において同時により大きく或いはより小さくなるように放射面を設定することも可能である。

好適な例において使用するのは、正方形の断面を有する導波管である。例えば、円形や方形などの種々の導波管のプロファイルは、この導波管が、互いに直交する２つの対称な平面を受け入れるように使用してもよいことは明らかである。本発明の１つの興味は、導波管のセクションとは異なる形状の放射面を得ることであって、これは、導波管のセクションとは独立する形状である。

本発明によるフィードの一例を示す斜視図である。 図２Ａは、本発明のフィードの一例を示す第１切断平面に沿った部分断面図である。図２Ｂは、本発明のフィードの一例を示す部分断面図であって、上記の第１切断平面に対して直角な第２切断平面に沿った断面図である。図２Ｃは、本発明のフィードの一例を示す図であって、反射鏡から見た図である。 本発明の第１寸法による放射曲線を示す。 本発明の第２寸法による放射曲線を示す。

符号の説明

１ 導波管
２ 第１部品
３ 第２部品
４ 第３部品
５ 放射面
１０ 曲線
１１ 曲線
Ｌ 長さ

Claims (10)

1. 互いに直交する少なくとも２つの対称な平面を有するセクションの導波管（１）で構成される放射フィードを備えるアンテナであって、
   前記平面のそれぞれは、波の伝播軸に沿って延び、
   前記導波管の一端は、放射アパーチャを形成し、
   前記放射アパーチャを形成する端部は、誘電材料で構成されたロッドにフィットされ、
   該ロッドは、前記導波管（１）に部分的に挿入（２、３）され、
   該ロッドの一部（４）は、ガイドされる波長の２倍以下の長さ（Ｌ）だけ前記導波管を超えて延び、且つ
   前記ロッドの前記セクションは、前記平面のそれぞれにおいて、異なって前記導波管の外部に展開する、
   ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記導波管の外部の前記ロッドの前記セクションの前記展開は、線形であり、前記の２つの平面のそれぞれにおいて、異なる方向であることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記平面の１つにおいて、前記ロッドは、より大型であり、他の平面において、前記ロッドはより小型であることを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記導波管は、四角形、方形又は円形の断面を有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載のアンテナ。
5. 前記導波管（１）の外部に位置する前記ロッドの端部（５）は、前記導波管の断面とは異なる形状を有するセクションを有することを特徴とする請求項４に記載のアンテナ。
6. 前記導波管（１）の前記セクションは、四角形であり、
   前記導波管の外部に位置する前記ロッドの前記端部（５）の前記セクションは、方形である、
   ことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記導波管の内部に位置する前記ロッドの部品（２，３）は、前記導波管と同様のセクションを有する円錐型の主要部で構成されるインピーダンス適合領域（２）で終了することを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載のアンテナ。
8. 前記導波管において循環する波は、分極された波であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のアンテナ。
9. 前記の分極された波は、前記波の伝播の軸に垂直に線形分極し、
   その各方向は、前記の２つの平面の１つに包含され、
   前記導波管の外部の前記ロッドの形状は、前記の２つの平面のそれぞれの関係において対称である、
   ことを特徴とする請求項８に記載のアンテナ。
10. 前記ロッドは、前記波長よりも小さい長さだけ前記導波管の外部に伸展されていることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載のアンテナ。

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