JP5653297B2 - ホーンアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器に用いるホーンアンテナに関するものである。

離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラアンテナなどの反射鏡アンテナにおいて、一次放射器として用いるホーンアンテナは、使用する複数の周波数帯でのビーム幅が大きく異なると、反射鏡面の照射条件が大きく変わるため、アンテナ能率が著しく低下する。

以下の特許文献１には、離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器として用いるために、リッジ導波管の開口付近に低周波用のモノポールアンテナを設け、２周波で反射鏡アンテナを共用する方法が開示されている。
また、以下の特許文献２には、低周波用ホーンの中心に高周波用ホーンを配置して、２周波で反射鏡アンテナを共用する方法が開示されている。

特開昭６４−１８３０３号公報（図１） 特開平１１−７４７２４号公報（図１）

従来のホーンアンテナは以上のように構成されているので、リッジ導波管の開口付近に低周波用のモノポールアンテナを設けて、２周波で反射鏡アンテナを共用する場合（特許文献１の場合）、モノポールアンテナを使用することで狭帯域になってしまう課題があった。
また、低周波用ホーンの中心に高周波用ホーンを配置して、２周波で反射鏡アンテナを共用する場合（特許文献２の場合）、高周波数側と低周波数側で給電ポートが異なるため、複数の送受信機が必要になる課題があった。

この発明は上記のような課題を解決するためになされたもので、複数の送受信機を搭載することなく、反射鏡面を２つ以上の周波数帯で共用することができる広帯域なホーンアンテナを得ることを目的とする。

この発明に係るホーンアンテナは、離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器に用いるホーンアンテナにおいて、内部にリッジ構造が装荷されている導波管の周囲に第１のチョーク構造が配置されるとともに、第１のチョーク構造の外側に第２のチョーク構造が配置され、その導波管における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、高域側の使用周波数帯に応じて第１のチョーク構造の形状が調整され、低域側の使用周波数帯に応じて第２のチョーク構造の形状が調整されており、導波管の内部に装荷されているリッジ構造にスリットが設けられているようにしたものである。

この発明によれば、離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器に用いるホーンアンテナにおいて、内部にリッジ構造が装荷されている導波管の周囲に第１のチョーク構造が配置されるとともに、第１のチョーク構造の外側に第２のチョーク構造が配置され、その導波管における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、高域側の使用周波数帯に応じて第１のチョーク構造の形状が調整され、低域側の使用周波数帯に応じて第２のチョーク構造の形状が調整されているように構成したので、複数の送受信機を搭載することなく、反射鏡面を２つ以上の周波数帯で共用することができる広帯域なホーンアンテナが得られる効果がある。

この発明の実施の形態１によるホーンアンテナを示す斜視図である。 図１のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図である。 図１のホーンアンテナの上面図・側面図である。 この発明の実施の形態２によるホーンアンテナを示す斜視図である。 図４のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図である。 図４のホーンアンテナの上面図・側面図である。 この発明の実施の形態３によるホーンアンテナを示す斜視図である。 図７のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図である。 図７のホーンアンテナの上面図・側面図である。 この発明の実施の形態４によるホーンアンテナを示す斜視図である。 図１０のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図である。 図１０のホーンアンテナの上面図・側面図である。 この発明の実施の形態５によるホーンアンテナを示す斜視図である。 図１３のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図である。 図１３のホーンアンテナの上面図・側面図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１によるホーンアンテナを示す斜視図である。
図２は図１のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図であり、図３は図１のホーンアンテナの上面図・側面図である。
図１〜３において、円形導波管１は離れている２以上の周波数帯を伝送する導波管であり、内部にはリッジ構造２が装荷されている。

高周波数用チョーク構造３は円形導波管１の開口付近において、その円形導波管１の周囲に配置されている。なお、高周波数用チョーク構造３は第１のチョーク構造を構成している。
低周波数用チョーク構造４は円形導波管１の開口から離れた位置で、高周波数用チョーク構造３の外側に配置されている。なお、低周波数用チョーク構造４は第２のチョーク構造を構成している。
なお、円形導波管１における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、高域側の使用周波数帯に応じて高周波数用チョーク構造３の形状が調整され、低域側の使用周波数帯に応じて低周波数用チョーク構造４の形状が調整されている

即ち、高周波数用チョーク構造３を構成している複数のチョークの深さは、高域側の使用周波数帯における下限周波数の略４分の１波長に調整され、低周波数用チョーク構造４を構成している複数のチョークの深さは、低域側の使用周波数帯における下限周波数の略４分の１波長に調整されており、低周波数用チョーク構造４の方が、高周波数用チョーク構造３より深いチョークとなっている。
高周波数用チョーク構造３及び低周波数用チョーク構造４におけるチョークの間隔は任意でよく、加工する際の深さと幅の関係から決めればよい。
例えば、高周波数用チョーク構造３におけるチョークの間隔は、高域側の使用周波数帯における下限周波数の１／１０波長程度に決めればよく、低周波数用チョーク構造４におけるチョークの間隔は、低域側の使用周波数帯における下限周波数の１／１０波長程度に決めればよい。

なお、円形導波管１における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるようにするには、高周波数用チョーク構造３及び低周波数用チョーク構造４におけるチョークの数を調整すればよい。
例えば、チョークの深さ及びチョークの間隔が上記のように決められた場合、高周波数用チョーク構造３におけるチョークの数が３個、低周波数用チョーク構造４におけるチョークの数が５個に調整されれば、ビーム幅が同程度になる（図１〜３を参照）。

以下、この実施の形態１の内容を具体的に説明する。
離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラアンテナ（１枚鏡アンテナ）などの反射鏡アンテナにおいて、一次放射器として用いるホーンアンテナは、使用する複数の周波数帯でのビーム幅が大きく異なると、反射鏡面の照射条件が大きく変わるため、アンテナ能率が著しく低下する。
例えば、ホーンアンテナのビーム幅が狭い場合は、鏡面周囲と中心付近の照射電力の比が大きくなるため、開口能率が低下する。
一方、ホーンアンテナのビーム幅が広い場合は、鏡面に照射されず、スピルオーバとなるため、やはり開口能率が低下する。
そのため、反射鏡アンテナにおいては、一次放射器の最適なビーム幅が存在する。

一般的に、アンテナのビーム幅は、波長に対する開口径で決まるため、同じ物理開口のホーンアンテナを広い周波数範囲で使用する場合、低い周波数と高い周波数ではビーム幅が大きく異なることになる。その結果、反射鏡アンテナとして、開口能率が低下することになる。
そのため、離れている２つの周波数帯で開口面を共用する反射鏡アンテナの一次放射器に用いるホーンアンテナは、離れている２つの周波数帯で同程度のビーム幅とする必要がある。

ホーンアンテナは、導波管の開口部分にテーパをつけたものであるため、ホーンの喉元の導波管のカットオフの影響を特に低周波数側で受けることになる。
大きな開口径のホーンアンテナの場合は、大きな問題とならないが、小さい開口径のホーンアンテナの場合、カットオフを回避することが困難となる。

ここで、パラボラアンテナの一次放射器を想定する場合、一次放射器のビーム幅は広くする必要がある。
例えば、−１０ｄＢビーム幅で１００度から１２０度程度とする必要があり、ホーンの開口径は小さくする必要がある。
前述のビーム幅を得るためには、１波長程度の開口径となる。低周波数と高周波数の比にもよるが、高周波数側で１波長の開口径とすると、低周波数側ではカットオフとなる。
そこで、この実施の形態１では、円形導波管１の内部にリッジ構造２を装荷して、カットオフ周波数を下げるようにしている。
なお、リッジ構造２の形状は、必要な周波数帯で円形導波管１内が伝搬モードとなるように決めればよい。

円形導波管１における高周波数帯と低周波数帯ではビーム幅が異なるため、この実施の形態１では、円形導波管１の周囲にチョーク構造を配置（円形導波管１の開口付近に高周波数用チョーク構造３を配置し、円形導波管１の開口から離れた位置に低周波数用チョーク構造４を配置）することで、それぞれのビーム幅が同程度となるように調整している。
なお、低周波数帯では、高周波数用チョーク構造３は、波長に対して小さいため影響は小さい。高周波数帯では、高周波数用チョーク構造３によりビームが絞られて、背面に漏洩する電力が小さくなるため、低周波数用チョーク構造４の影響は小さい。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器に用いるホーンアンテナにおいて、内部にリッジ構造２が装荷されている円形導波管１の周囲に高周波数用チョーク構造３が配置されるとともに、高周波数用チョーク構造３の外側に低周波数用チョーク構造４が配置され、その円形導波管１における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、高域側の使用周波数帯に応じて高周波数用チョーク構造３の形状が調整され、低域側の使用周波数帯に応じて低周波数用チョーク構造４の形状が調整されているように構成したので、複数の送受信機を搭載することなく、反射鏡面を２つ以上の周波数帯で共用することができる広帯域なホーンアンテナが得られる効果がある。

実施の形態２．
図４はこの発明の実施の形態２によるホーンアンテナを示す斜視図である。
図５は図４のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図であり、図６は図４のホーンアンテナの上面図・側面図である。
上記実施の形態１では、円形導波管１の内部にはリッジ構造２が装荷されているものを示したが、この実施の形態２では、円形導波管１の内部に装荷されるリッジ構造５にテーパが設けられている点で相違している。
即ち、この実施の形態２では、円形導波管１の内部に装荷されるリッジ構造５の形状が、開口に近くなるにつれて広がるようにしている。

内部にリッジ構造２が装荷されている円形導波管１の場合、通常の円形導波管よりもインピーダンスが低くなり、自由空間のインピーダンス３７７Ωとの不整合が大きくなる。
そこで、この実施の形態２では、円形導波管１の内部に装荷されるリッジ構造５にテーパを設けることで、通常の円形導波管のインピーダンスに近付けて、自由空間のインピーダンスに近付けるようにしている。これにより、ホーンとしての反射特性を改善することができる。
なお、テーパの形状は、例えば、指数関数や直線など必要な周波数帯域と反射特性によって適宜選択すればよい。

実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３によるホーンアンテナを示す斜視図である。
図８は図７のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図であり、図９は図７のホーンアンテナの上面図・側面図である。
上記実施の形態２では、円形導波管１の内部に装荷されるリッジ構造５にテーパが設けられているものを示したが、図７〜９に示すように、円形導波管１の内部に装荷されているリッジ構造５の一部が、円形導波管１から突出しているようにしてもよい。

リッジ構造５に設けられているテーパの形状によっては、開口付近で通常の円形導波管と同様の構造となり、開口付近でカットオフとなることがある。
一方、円形導波管１の外部では、カットオフがない。
そこで、この実施の形態３では、開口付近でのカットオフを回避するために、リッジ構造５の一部を円形導波管１の外に配置するようにしている。

実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態４によるホーンアンテナを示す斜視図である。
図１１は図１０のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図であり、図１２は図１０のホーンアンテナの上面図・側面図である。
上記実施の形態２では、円形導波管１の内部に装荷されるリッジ構造５にテーパが設けられているものを示したが、図１０〜１２に示すように、円形導波管１の側壁に導波管スリット６が設けられているようにしてもよい。

リッジ構造５に設けられているテーパの形状によっては、開口付近で通常の円形導波管と同様の構造となり、開口付近でカットオフとなることがある。
一方、円形導波管１の外部では、カットオフがない。
そこで、この実施の形態３では、円形導波管１の側壁に導波管スリット６を設けているが、円形導波管１の側壁に導波管スリット６を設けることで、リッジ構造５の一部を円形導波管１の外に配置する場合と同様に（実施の形態３）、開口付近でのカットオフを回避することができる。

実施の形態５．
図１３はこの発明の実施の形態５によるホーンアンテナを示す斜視図である。
図１４は図１３のホーンアンテナにおける円形導波管の軸に沿う断面図であり、図１５は図１３のホーンアンテナの上面図・側面図である。
上記実施の形態１〜４では、円形導波管１の内部にはリッジ構造２（または、リッジ構造５）が装荷されているものを示したが、図１３〜１５に示すように、リッジ構造５にスリット７を設けるようにしてもよい。
図１３〜１５の例では、テーパが設けられているリッジ構造５にスリット７を設けているが、テーパが設けられていないリッジ構造２にスリット７を設けてもよい。

この実施の形態５では、リッジ構造５にスリット７を設けているが、このスリット７は、円形導波管１の周囲に配置されているチョーク構造と同様に動作し、実質的に高域側の開口径を小さくすることができる。
また、円形導波管１の周囲に配置されているチョーク構造と同様に、低周波数帯では波長に対して小さいため影響が小さい。

なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。

１ 円形導波管、２，５ リッジ構造、３ 高周波数用チョーク構造（第１のチョーク構造）、４ 低周波数用チョーク構造（第２のチョーク構造）、６ 導波管スリット、７ スリット。

Claims (5)

1. 離れている２以上の周波数帯で開口面を共用するパラボラ反射鏡の一次放射器に用いるホーンアンテナにおいて、
   内部にリッジ構造が装荷されている導波管の周囲に第１のチョーク構造が配置されるとともに、上記第１のチョーク構造の外側に第２のチョーク構造が配置され、
   上記導波管における高域側の使用周波数帯でのビーム幅と低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、上記高域側の使用周波数帯に応じて上記第１のチョーク構造の形状が調整され、上記低域側の使用周波数帯に応じて上記第２のチョーク構造の形状が調整されており、
   上記導波管の内部に装荷されている上記リッジ構造にスリットが設けられている
   ことを特徴とするホーンアンテナ。
2. 上記第１のチョーク構造における各チョークの深さが、上記高域側の使用周波数帯における下限周波数の略４分の１波長に調整され、
   上記第２のチョーク構造における各チョークの深さが、上記低域側の使用周波数帯における下限周波数の略４分の１波長に調整されており、
   上記導波管における上記高域側の使用周波数帯でのビーム幅と上記低域側の使用周波数帯でのビーム幅とが同程度になるように、上記第１及び第２のチョーク構造における各チョークの数が調整されている
   ことを特徴とする請求項１記載のホーンアンテナ。
3. 上記導波管の内部に装荷されている上記リッジ構造にテーパが設けられていることを特徴とする請求項１または請求項２記載のホーンアンテナ。
4. 上記導波管の内部に装荷されている上記リッジ構造の一部が、上記導波管から突出していることを特徴とする請求項３記載のホーンアンテナ。
5. 上記導波管の側壁にスリットが設けられていることを特徴とする請求項３記載のホーンアンテナ。

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