JPS6251002B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は、電磁ホーンに関するものであり、特
に、マルチビーム円偏波アンテナを構成するに適
した電磁ホーンに関するものである。

一般に、放送衛星や通信衛星のサービスエリア
は複雑な形状をなしている場合が多く、例えば、
東経110度の赤道上における静止衛星軌道から日
本を見たときのサービスエリアは第１図に示すよ
うな形状となる。したがつて、かかる複雑な形状
のサービスエリアを効率よくカバーするアンテナ
としては、通常の単一の楕円ビームを形成する形
式のアンテナよりも、複数本のアンテナビームを
合成してサービスエリアの上述した複雑な形状に
適合した形状のビームパターンを形成するように
したマルチビームの成形ビームアンテナの方が適
している。例えば、３個の電磁ホーンとパラボラ
型反射鏡とを組合わせた３ビーム型の成形ビーム
アンテナにより第１図に示した形状のサービスエ
リアをカバーする場合における成形ビームアンテ
ナの動作の態様を第２図に示し、かかる成形ビー
ムアンテナの原理的構成の例を第３図に示す。

第２図に示す成形ビームアンテナの動作の態様
においては、主たるアンテナビームを形成する第
１の電磁ホーンにより日本本土を包むサービスエ
リアＡを広くカバーするとともに、第２および第
３の電磁ホーンにより沖縄方面を包むサービスエ
リアＢおよび小笠原方面を包むサービスエリアＣ
をそれぞれカバーするようにしてある。かかる成
形ビームを形成するようにしたアンテナの第３図
に示す模式的構成においては、パラボラ型反射鏡
Ｔの軸上にある焦点Ｆに、一次放射器としての上
述した各電磁ホーンのうち、主たる第一の電磁ホ
ーン１を、その開口の中心を焦点Ｆに合致させて
配置するとともに、パラボラ型反射鏡Ｔに対し離
軸してその焦点Ｆの近傍の点Ｑに、例えば第２の
電磁ホーン２を配置して、それらの電磁ホーン
１，２とパラボラ型反射鏡Ｔを組合わせてある。
かかる構成配置のアンテナによるアンテナビーム
の方向については、反射鏡Ｔの軸上に配置した第
１の電磁ホーン１によるアンテナビームの方向は
反射鏡Ｔの軸方向と一致したR₀方向となり、反
射鏡Ｔに対し離軸して配置した第２の電磁ホーン
２によるアンテナビームの方向は図示のＲ方向と
なり、パラボラ型反射鏡Ｔの中心Ｍと第２の電磁
ホーン２を配置した点Ｑとを結ぶ線とR₀方向と
のなす角αは、R₀方向とＲ方向とのなす角βに
ほぼ等しくなる。なお、図には示してないが、第
２の電磁ホーン２と同様に、パラボラ型反射鏡Ｔ
に対し離軸して配置する第３の電磁ホーン３につ
いても同様となる。

上述したような構成配置の成形ビームアンテナ
によりカバーすべきサービスエリアの形状分布
が、例えば前述した第２図示のサービスエリア
Ａ，Ｂ，Ｃのように定まると、まず、主たるサー
ビスエリアＡをカバーすべき軸上配置の第１の電
磁ホーン１によるアンテナビームの方向R₀すな
わち反射鏡Ｔの軸方向をサービスエリアＡの中心
に指向させると、前述した静止衛星軌道上からサ
ービスエリアＡとＢとをみた視角に等しくするこ
とにより、上述したR₀方向とＲ方向とのなす角
βが決まり、したがつて、その角βに等しい角α
が決まる。一方、第３図示の構成配置における反
射鏡Ｔの中心Ｍと焦点Ｆとの距離MFは、反射鏡
Ｔの形状寸法によつて決まるほぱ一定の値をとる
ので、その距離MFと上述した角αとから、第２
の電磁ホーン２を配置すべき離軸点Ｑと焦点Ｆと
の距離QFが決まる。したがつて、サービスエリ
アの形状分布によつて副ビームを形成すべき付随
の電磁ホーンを配置すべき離軸点の位置が一義的
に決まることになる。

しかして、放送衛星から送信するマイクロ波の
偏波形式に関しては、主として一般視聴者が個々
に設備すべき受信装置における受信アンテナの配
置調整の便からして、一般には、円偏波とするの
が好適とされているが、かかる円偏波のマイクロ
波を放射するに適した円錐形状の電磁ホーンすな
わち円錐ホーンの開口をなす円の直径は、その円
錐ホーンに対向配置して組合わせるパラボラ型反
射鏡の全反射面を円錐ホーンによつて効率よく照
射するようにするために、反射鏡の形状寸法によ
つて定まる一定の大きさにする必要があるので、
第３図に示したように複数個の円錐ホーンを配置
すべき場合に、上述した離軸点Ｑと焦点Ｆとの距
離QFをそれぞれの円錐ホーンの開口径より小さ
く設定する必要がある場合には、円錐ホーンによ
つては所要のサービスエリアをカバーすべきマル
チビーム型の成形ビームアンテナを構成すること
が不可能となる。

以上に述べたところを要約すれば、複雑な形状
分布のサービスエリアをカバーすべき放送衛星等
におけるマルチビーム型の成形ビームアンテナと
しては、パラボラ型反射鏡と対向配置すべき複合
の一次放射器を構成する電磁ホーンとしては、任
意所望に近接配置して組合わせ得る形状の開口を
有する電磁ホーンであつて、しかも、直交２偏波
成分の合成からなる円偏波励振が可能な電磁ホー
ンであることが好ましく、また、必要であるが、
かかる場合に従来用いられていた円偏波励振が可
能な電磁ホーンである円錐ホーンは、その開口径
に制約されて、複数個の円錐ホーンの組合わせに
より所要形状分布のサービスエリアを効率よくカ
バーし得る成形ビームアンテナを構成することが
困難である、という欠点があつた。

一方、放送衛星等に必須の円偏波アンテナを構
成する一次放射器用電磁ホーンに対しては、その
放射パターンができるだけ対称の形状をなしてい
なければならない、という条件が課されている。
すなわち、円偏波アンテナは、偏波面が互いに直
交し、かつ、互いに90度の位相差を有する同一周
波数、同一振幅の直線偏波によりそれぞれ励振し
た２個の直線偏波アンテナを組合わせて合成した
ものとみなすことができる。したがつて、一次放
射器としての電磁ホーンを励振する電磁波が垂直
偏波のときと水平偏波のときとでパラボラ型反射
鏡を照射する電磁波の照射パターンが同一でなけ
れば、パラボラ型反射鏡のボアサイト以外の方向
の利得はこれを照射する一次放射器の照射パター
ンで決まるのであるから、この方向では円偏波は
得られない。反射鏡のボアサイト以外の方向の利
得が、仮に、垂直偏波のときと水平偏波のときと
で等しくないとすると、反射鏡で反射して放射さ
れる電磁波の直交２偏波成分の振幅が互いに相違
することになり、かかる直交２偏波成分を合成し
てもこの方向では円偏波にはならないことにな
る。しかして、従来の通常の正方形状の開口を有
する正方形ホーンや円形開口を有する円錐ホーン
によつて放射した電磁波の電界面すなわちＥ面と
磁界面すなわちＨ面との放射パターンは、互いに
大幅に相違し、Ｅ面の放射パターンは、Ｈ面の放
射パターンに比して、軸方向からの偏向すなわち
離軸角度の増大によりはるかに急速に減衰し、は
るかに急峻な照射パターンとなる。その一例とし
て、開口径４cmの円錐ホーンの12GHzにおけるＥ
面とＨ面との放射パターンを第４図に示す。

なお、ホーンの放射パターンの対称性を図つた
ものとして、コルゲートホーン、複合モードホー
ン、誘導体装荷ホーンなどがあるが、いずれも開
口の大きさ、重量、帯域の点で衛星搭載用には適
しない。

本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し
て欠点を除去し、複数個を近接配置して組合わせ
ることにより任意所望の形状分布を呈するサービ
スエリアをカバーし得る衛星搭載用のマルチビー
ム型の成形ビームアンテナを構成するに適し、し
かも、Ｅ面とＨ面とについてほぼ同一の放射パタ
ーンが容易に得られるようにした電磁ホーンを提
供することにある。

すなわち、本発明電磁ホーンは、少なくとも、
正方形の各隅角部を互いにほぼ等しくほぼ正方形
状をなしてそれぞれ切除した形状の開口を有する
単位の電磁ホーンを複数個揃え、前記単位の電磁
ホーンの開口の切除した隅角部に相似の開口形状
を有する他の前記単位の電磁ホーンの開口を組合
わせ配置して複合電磁ホーンを構成したことを特
徴とするものである。

以下に図面を参照して実施例につき本発明を詳
細に説明する。

まず、本発明電磁ホーンにおける開口の基本的
形状とその開口内における電界分布の例を第５図
に示す。第５図に示す電磁ホーンの開口は、一辺
の長さが（ａ＋2b）の正方形における四個の隅
角部を一辺の長さがｂの正方形状に切り取つて除
去した形状をなしており、かかる形状の開口に生
ずるTEモードの電磁波中、基本波の電界分布
は、例えば、差分方程式に置換することによりマ
ツクスウエルの方程式を解くことができ、その電
界分布に基づいてかかる形状の開口を有する電磁
ホーンの放射パターンを求めることができる。な
お、第５図示の形状を有する開口に生ずるTEモ
ードの基本波の波長は、その一辺の長さ（ａ＋
2b）を、切除した正方形状の一辺の長さｂの割
合いに応じて適切に短縮した長さの直径を有する
円形開口におけるとほぼ同等となり、したがつ
て、第５図示の形状を有する開口は、電磁波の伝
搬モードについては、その周縁形状を平均したの
と同等の円形開口におけるとほぼ同様となる。

しかして、第５図示の形状の開口を有する電磁
ホーンの放射パターンについては、基本とする正
方形の一辺における残部の長さａと切除した正方
形状の一辺の長さｂとの比ａ：ｂを変えることに
よつてＥ面とＨ面との放射パターンの相違の態様
が変化し、ほぼａ：ｂ＝２：１としたときにＥ面
とＨ面との放射パターンがほぼ同一となる。

本発明電磁ホーンの上述した開口の形状寸法に
よるＥ面とＨ面との放射パターンの一致の例とし
て、衛星放送用マイクロ波の割当て周波数である
12GHz用に構成した電磁ホーンにおける第５図示
の形状の開口について、ａ：ｂ＝２：１としたと
きの周波数12GHzにおけるＥ面およびＨ面の放射
パターンの計算例を第６図に示す。第６図示の各
放射パターン曲線は、いずれも、実測値とよく一
致しており、図示の各曲線を対比すれば明らかな
とおり、基本とする正方形が同一であつても、そ
の各隅角部を正方形状に切除すると否とによつ
て、Ｅ面の放射パターンが大幅に変化するのに対
し、Ｈ面の放射パターンはほとんど変化せず、し
かも、そのＨ面の放射パターンと各隅角部を切除
したときのＥ面の放射パターンとはほぼ同一とみ
なすことができ、したがつて、本発明による電磁
ホーンの第５図示の形状についてほぼａ：ｂ＝
２：１とすれば、ほぼ満足な形状の放射パターン
をなして円偏波の放射を行なうことができる。

上述のように良好な放射パターンが得られる円
偏波放射用の電磁ホーンに対して円偏波励振を行
なうようにした場合の構成例を第７図に示す。第
７図示の円偏波励振電磁ホーンにおいては、慣用
の例えばWRJ120型方形導波管８を、方形―正方
形変換管７を介して、正方形―円筒変換管６の正
方形断面を有する正方形導波管部に接続し、その
円形断面を有する円筒導波管部を円偏波発生器５
に接続して、直交２偏波成分の一方の位相を90度
遅らせることにより、励振用直線偏波を円偏波に
変換する。その円偏波発生器５を、正方形―円筒
変換管４を介して、第５図示の形状の開口を有す
る本発明電磁ホーン１に接続し、上述した変換出
力の円偏波によりその電磁ホーン１を励振する。

つぎに、同一の形状寸法を有する本発明電磁ホ
ーンを３個組合わせて３ビーム円偏波アンテナを
構成し、しかも、それら３個の本発明電磁ホーン
を各ビームの間隔、すなわち、各ビームの指向方
向の互いになす角が最も狭くなるように、それぞ
れの電磁ホーンにおける開口の隅角切除部を互い
に組合わせて、それぞれの開口中心間の距離が最
短となるように配置した合成ビームアンテナ用複
合電磁ホーンの構成例を第８図に示す。第８図示
の構成においては、第１の電磁ホーン１の各隅角
部に組合わせた第２および第３の電磁ホーン２お
よび３の開口中心間隔は、隅角部を切除しない場
合の正方形開口の開口中心間隔と同一であるが、
各電磁ホーン２および３と電磁ホーン１との間の
開口中心間隔は、相互の電磁ホーンにおける基本
の正方形の隅角部が重なり合つている長さｂだけ
狭くなつており、したがつて、第８図に示したよ
うに組合わせた３個の本発明電磁ホーンをパラボ
ラ型反射鏡と組合わせたときに得られるマルチビ
ーム相互間の間隔、すなわち、各ビームの指向方
向の挾角は、上述したような隅角部切除の有無に
よる開口中心間隔の比 においてａ〓2bとするのであるから、約20％狭
くすることができる。

つぎに、第２図に示したように、３ビームアン
テナによつてカバーすべき３個のサービスエリア
ＡとＢ，Ｃとに広狭の差が著しい場合には、狭い
方のサービスエリアＢ，Ｃをカバーするパラボラ
型反射鏡からの反射ビームを鋭くするように、反
射鏡の全面を照射して反射ビームを効率よく絞る
ようにするために、第２および第３の電磁ホーン
２および３からの照射ビームを拡げる必要があ
り、したがつて、それらの電磁ホーンの開口面積
自体は主たる電磁ホーン１の開口面積に比して格
段に小さくする必要がある。かかる場合における
本発明による３ビームアンテナ用一次放射器の開
口部の構成例を第９図に示す。なお、主たる電磁
ホーン１の開口における各隅角切除部に組合わせ
配置する付随の電磁ホーンは、その開口の辺を主
たる開口の辺と平行に配置した方が開口中心間隔
を狭くすることができ、また、任意形状の開口と
することもできるが、円偏波放射を行なう限りに
おいては、本発明による主たる開口と相似の形状
にするのが好適である。なお、その場合には、主
副ビームの指向方向の狭角を、主副開口をいずれ
も正方形とした場合に比して約15％狭くすること
ができる。

以上の説明から明らかなように、本発明電磁ホ
ーンを円偏波アンテナの一次放射器として用いる
ことにより、パラボラ型反射鏡を直交２偏波成分
に対してほぼ同一のパターンで照射することがで
き、良好な性能を有する円偏波アンテナを構成す
ることができる。また、本発明電磁ホーンは、開
口の形状が簡単であり、しかも、複数個の電磁ホ
ーンを、相互の開口中心をできるだけ接近させて
組合わせ配置する必要のあるマルチビーム円偏波
アンテナを構成するときに、本発明電磁ホーンを
用いれば、約20％だけ各ビーム相互間の間隔を狭
くすることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は放送衛星のサービスエリアの形状分布
の例を示す線図、第２図は第１図示のサービスエ
リアをカバーするマルチビームアンテナの動作の
態様の例を示す線図、第３図は同じくそのマルチ
ビームアンテナの構成例を模式的に示す線図、第
４図は従来の円錐ホーンの放射パターンの例を示
す線図、第５図は本発明電磁ホーンの開口の構成
例および電界分布の例を示す線図、第６図は同じ
くその放射パターンの例を示す線図、第７図は本
発明による円偏波励振電磁ホーンの構成例を示す
斜視図、第８図は本発明によるマルチビーム円偏
波アンテナ用一次放射器の開口部の構成例を示す
線図、第９図は同じくその他の構成例を示す線図
である。 １，２，３……電磁ホーン、４，６……正方形
―円筒変換管、５……円偏波発生器、７……方形
―正方形変換器、８……方形導波管、Ｔ……パラ
ボラ型反射鏡、Ｍ……中心、Ｆ……焦点、Ｑ……
離軸点。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 少なくとも、正方形の各隅角部を互いにほぼ
   等しくほぼ正方形状をなしてそれぞれ切除した形
   状の開口を有する単位の電磁ホーンを複数個備
   え、前記単位の電磁ホーンの開口の切除した隅角
   部に相似の開口形状を有する他の前記単位の電磁
   ホーンの開口を組合わせ配置して複合電磁ホーン
   を構成したことを特徴とする電磁ホーン。 ２ 特許請求の範囲第１項記載の電磁ホーンにお
   いて、前記正方形状の一辺の長さを前記正方形の
   一辺の長さの1/4にほぼ等しくしたことを特徴と
   する電磁ホーン。