JP6327928B2 - 一次放射器及び多周波共用アンテナ - Google Patents

Description

この発明は、２つの周波数帯域の電波の放射が可能な２周波共用の一次放射器と、２周波共用の一次放射器を実装している多周波共用アンテナとに関するものである。

反射鏡アンテナは、電波を放射する一次放射器と、一次放射器から放射された電波を反射する反射鏡とから構成されている。
特に、多周波共用の反射鏡アンテナ（多周波共用アンテナ）では、２つの周波数帯域の電波の放射が可能な２周波共用の一次放射器が実装されることがある。

図７は以下の特許文献１に開示されている２周波共用の一次放射器を示す斜視図である。
この一次放射器は、２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する中空の外導体１０１と、外導体１０１の中心に配置され、２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の内導体１０２と、内導体１０２に装荷されている誘電体ロッド１０３とから構成されている。
外導体１０１と内導体１０２から同軸管が構成されており、低周波数側の電波を放射する際には、一次放射器が同軸状の開口になり、高周波数側の電波を放射する際には、一次放射器が円形開口になる。

図８は図７の一次放射器の開口部での電界強度を模式的に示す説明図であり、低周波数側の電波を放射する際の電界強度を示している。
図８において、１０４は電界ベクトル、１０５は電界が強くなる領域、１０６は電界が弱くなる領域である。
同軸導波管での最低次モードはＴＥＭ波であるが、ＴＥＭ波はアンテナ正面でヌルとなるため、通信用アンテナとしては使用することができない。このため、通常は、ＴＥ１１モードが使用される。
ＴＥ１１モードは円形導波管の最低次モードであり、図８に示すように、Ｅ面（電界と平行な面）では電界が強くなり、Ｈ面（電界と直交する面）では電界が弱くなる。この傾向は、内導体１０２の径が大きくなるほど顕著になる。

図９は図７の一次放射器が低周波数側の電波を放射する際の開口分布（電界強度分布）の計算例を示す説明図である。
図９より、Ｅ面の内導体１０２の外側の２箇所に電界が強い箇所が生じていることが分かる。一方、Ｈ面では電界強度が弱く、ヌルが生じていることが分かる。

図１０は図９の開口分布に対応する放射パターンを示す説明図である。
Ｅ面の放射パターンは、ビームが絞られており、図１０の計算例では、３０度付近にヌルが生じ、５０度程度の位置にサイドローブが生じている。一方、Ｈ面の放射パターンは、ビーム幅が広がっている。
このため、鏡面の照射範囲が例えば±６０度である場合、Ｅ面では、鏡面の一部をサイドローブで照射することになり、大きな利得低下を生じる。
また、Ｅ面とＨ面では、放射パターンが大きく異なるため、反射鏡アンテナとして高い開口能率を得ることができず、交差偏波レベルも高くなる。

以上より、低周波数側の電波を放射する場合、Ｅ面で電界が強くなり、Ｈ面で電界が弱くなるため、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンが大きく異なる。そのため、当該一次放射器を反射鏡アンテナに実装して、低周波数側の電波を放射する場合、アンテナ性能が劣化する問題が生じる。

以下の非特許文献１には、導波管の軸に沿って管壁に放射状の溝を設け、その溝に誘電体を装荷して、導波管の壁面での境界条件を変えることで、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンを近付ける方法が開示されている。
ただし、この方法は、同軸構造である多周波共用の一次放射器において、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンを近付けるものではない。また、誘電体を溝に装荷する必要がある。

特開平０５−２４３８１４号公報（段落番号［０００６］）

M.S.Aly and S.F.Mahmoud，"Propagation and Radiation Behavior of a Longitudinally Slotted Horn with Dielectrically Filled Slots"，IEE Proceedings，Vol.132，Pt.H，No.7，pp.477-479，December 1985．

従来の一次放射器は以上のように構成されているので、低周波数側の電波を放射する場合、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンが大きく異なる。そのため、当該一次放射器を反射鏡アンテナに実装して、低周波数側の電波を放射する場合、アンテナ性能が劣化してしまう課題があった。

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、低周波数側の電波を放射する際に、Ｅ面とＨ面で同様の放射パターンを得ることができる一次放射器及び多周波共用アンテナを得ることを目的とする。

この発明に係る一次放射器は、２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する中空の外導体と、外導体の中心に配置され、２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の内導体とから構成されており、外導体の中心から放射状に伸びる仮想の線と平行な複数の溝が外導体の内側に施されているようにしたものである。

この発明によれば、外導体の中心から放射状に伸びる仮想の線と平行な複数の溝が外導体の内側に施されているように構成したので、低周波数側の電波を放射する際に、Ｅ面とＨ面で同様の放射パターンを得ることができる効果がある。

この発明の実施の形態１による２周波共用の一次放射器を示す斜視図である。 図１の一次放射器が実装されている多周波共用アンテナを示す構成図である。 図１の一次放射器の開口部での電界強度を模式的に示す説明図である。 図１の一次放射器が低周波数側の電波を放射する際の開口分布（電界強度分布）の計算例を示す説明図である。 図４の開口分布に対応する放射パターンを示す説明図である。 この発明の実施の形態３による２周波共用の一次放射器を示す斜視図である。 特許文献１に開示されている２周波共用の一次放射器を示す斜視図である。 図７の一次放射器の開口部での電界強度を模式的に示す説明図である。 図７の一次放射器が低周波数側の電波を放射する際の開口分布（電界強度分布）の計算例を示す説明図である。 図９の開口分布に対応する放射パターンを示す説明図である。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による２周波共用の一次放射器を示す斜視図であり、図２は図１の一次放射器が実装されている多周波共用アンテナを示す構成図である。
この多周波共用アンテナは、図１の一次放射器と、図１の一次放射器から放射された電波を反射する反射鏡とを備えている。

図１において、外導体１は中空の導体であって、２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する円形導波管である。
内導体２は外導体１の中心に配置され、２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の導体であり、先端には誘電体ロッド３が設けられている。
この一次放射器では、外導体１の中心から放射状に伸びる仮想の線Ｌと平行な複数の溝４が外導体１の内側に施されている。複数の溝４における外導体１の周方向の幅は、低周波数側の電波の波長の半分以下である。
図１では、外導体１の周方向に２４個の溝４が施されているが、さらに細かい溝４が数多く施されていてもよいし、幅広い溝４が施されていてもよい。また、溝４の間隔は等間隔に限るものではない。

図１の一次放射器では、外導体１と内導体２から同軸管が構成されており、低周波数側の電波を放射する際には同軸状の開口になり、高周波数側の電波を放射する際には円形開口になる。
図１の一次放射器では、内導体２の先端に誘電体ロッド３を設けている構造を示しているが、開口部にチョークを設けたホーンにしてもよいし、開口部にフレアを設けるようにしてもよい。また、ステップを設けた複モードホーンにしてもよいし、それらの組み合わせとしてもよい。

図３は図１の一次放射器の開口部での電界強度を模式的に示す説明図であり、低周波数側の電波を放射する際の電界強度を示している。
図３において、５は電界ベクトル、６は電界が強くなる領域、７は電界が弱くなる領域である。
図３に示すように、Ｅ面では電界が強くなり、Ｈ面では電界が弱くなる。この傾向は、内導体２の径が大きくなるほど顕著になる。
ただし、図１の一次放射器では、複数の溝４における外導体１の周方向の幅が、低周波数側の電波の波長の半分以下であるため、Ｅ面ではカットオフになり、溝４の中に電波が進入できない。一方、Ｈ面では、カットオフの影響を受けないため、電波が広がる。
その結果として、Ｅ面ではホーンの開口径が小さく見え、Ｈ面では逆にホーンの開口径が広く見える。
したがって、溝４の形状を適切に選択すれば、Ｅ面とＨ面の放射パターンを概ね揃えることができる。

図４は図１の一次放射器が低周波数側の電波を放射する際の開口分布（電界強度分布）の計算例を示す説明図である。
図４より、Ｅ面ではカットオフの影響で開口が絞られ、Ｈ面では逆に開口が広がっていることが分かる。
特許文献１に開示されている図７の一次放射器と異なり、Ｈ面にはヌルが生じていないことが分かる。

図５は図４の開口分布に対応する放射パターンを示す説明図である。
図１の一次放射器では、図５に示すように、Ｅ面の放射パターンとＨ面の放射パターンが概ね揃っており、鏡面の照射範囲内にヌルが生じていないことが分かる。

以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、外導体１の中心から放射状に伸びる仮想の線Ｌと平行な複数の溝４が外導体１の内側に施されているように構成したので、低周波数側の電波を放射する際に、Ｅ面とＨ面で同様の放射パターンを得ることができる効果を奏する。
即ち、この実施の形態１によれば、Ｅ面方向の溝４には電波が侵入できず、Ｈ面方向の溝４には電波が侵入するため、Ｅ面では一次放射器の開口径が小さく見え、Ｈ面では一次放射器の開口径が広く見えるようになる。その結果、溝４の形状を適切に選べば、Ｅ面とＨ面で同様の放射パターンを得ることが可能になる。
よって、この実施の形態１の一次放射器を実装する多周波共用アンテナは、反射鏡アンテナとして高い開口能率を得ることができる。

実施の形態２．
上記実施の形態１では、複数の溝４における外導体１の周方向の幅が、低周波数側の電波の波長の半分以下であるものを示したが、さらに、複数の溝４における外導体１の径方向の深さが、低周波数側の電波の波長の４分の１程度であるようにしてもよい。
複数の溝４の径方向の深さを、低周波数側の電波の波長の４分の１程度にすることで、溝４の内側でオープン境界（インピーダンス無限大の境界条件）とすることができる。

外導体１の壁に溝４がない場合は、ショート境界（インピーダンスゼロの境界条件）となるので、電界の接線成分がゼロになる。そのため、Ｅ面では、電界強度が中心から外導体１の壁に向かって小さくなっていき、外導体１の壁上でゼロになる。
しかし、オープン境界では、外導体１の壁で電界がゼロにはならないため、電界強度が一様に近付くようになる。その結果、一次放射器の開口能率が向上する。

以上で明らかなように、この実施の形態２によれば、複数の溝４における外導体１の径方向の深さが、低周波数側の電波の波長の４分の１程度であるように構成したので、上記実施の形態１と同様に、低周波数側の電波を放射する際に、Ｅ面とＨ面で同様の放射パターンを得ることができるほか、溝４の内側がオープン境界になるため、一次放射器の開口能率が向上する効果が得られる。

実施の形態３．
図６はこの発明の実施の形態３による２周波共用の一次放射器を示す斜視図であり、図において、図１と同一符号は同一または相当部分を示している。
上記実施の形態１，２では、複数の溝４が外導体１の内側に施されているものを示したが、少なくとも、低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向に溝４が施されていれば、上記実施の形態１，２と同様に、Ｅ面ではカットオフとなり、溝４の中に電波が進入できない。一方、Ｈ面では、カットオフの影響を受けないため、電波が溝４の内に進入して広がる。
よって、低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向にだけ溝４が施されているものであってもよい。
図６の一次放射器では、対称性を考慮して、低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向に２個ずつ溝４が施されている例を示しているが、低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向に１個ずつ溝４が施されているものであってもよい。
この実施の形態３によれば、上記実施の形態１，２と同様の効果が得られるほか、溝４の数が少なくなるので、加工が容易になるという効果が得られる。

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 外導体、２ 内導体、３ 誘電体ロッド、４ 溝、５ 電界ベクトル、６ 電界が強くなる領域、７ 電界が弱くなる領域、１０１ 外導体、１０２ 内導体、１０３ 誘電体ロッド、１０４ 電界ベクトル、１０５ 電界が強くなる領域、１０６ 電界が弱くなる領域。

Claims (5)

1. ２つの周波数帯域の電波の放射が可能な２周波共用の一次放射器において、
   前記２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する中空の外導体と、
   前記外導体の中心に配置され、前記２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の内導体とから構成されており、
   前記外導体の中心から放射状に伸びる仮想の線と平行な複数の溝が前記外導体の内側に施されていることを特徴とする一次放射器。
2. ２つの周波数帯域の電波の放射が可能な２周波共用の一次放射器において、
   前記２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する中空の外導体と、
   前記外導体の中心に配置され、前記２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の内導体とから構成されており、
   前記外導体の中心から放射状に伸びる仮想の線と平行な複数の溝が、前記外導体の内側のうち、前記低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向にだけ施されていることを特徴とする一次放射器。
3. 前記複数の溝における前記外導体の周方向の幅が、前記低周波数側の電波の波長の半分以下であることを特徴とする請求項１又は請求項２記載の一次放射器。
4. 前記複数の溝における前記外導体の径方向の深さが、前記低周波数側の電波の波長の４分の１であることを特徴とする請求項３記載の一次放射器。
5. ２つの周波数帯域の電波の放射が可能な２周波共用の一次放射器と、
   前記一次放射器から放射された電波を反射する反射鏡とを備えた多周波共用アンテナにおいて、
   前記一次放射器は、
   前記２つの周波数帯域のうち、低周波数側の電波を伝搬する中空の外導体と、
   前記外導体の中心に配置され、前記２つの周波数帯域のうち、高周波数側の電波を伝搬する導波管構造の内導体とから構成されており、
   前記外導体の中心から放射状に伸びる仮想の線と平行な複数の溝が前記外導体の内側のうち、前記低周波数側の電波の電界に対して平行な方向と垂直な方向にだけ施されていることを特徴とする多周波共用アンテナ。

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