JPS6251003B2

JPS6251003B2 -

Info

Publication number: JPS6251003B2
Application number: JP54105846A
Authority: JP
Inventors: Noboru Toyama
Original assignee: Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Japan Broadcasting Corp
Priority date: 1979-08-22
Filing date: 1979-08-22
Publication date: 1987-10-28
Also published as: JPS5630302A

Description

【発明の詳細な説明】本発明は、電磁ホーンに関し、特に、マルチビ
ーム円偏波アンテナを構成するに適するようにし
たものである。

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
式のアンテナよりは、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
したマルチビーム型の成形ビームアンテナの方が
適しており、衛星搭載機器からの放射電力を有効
に利用し得ることになる。

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Ｅ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
１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に対し離軸した焦点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とを組合わせて
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を方向
R₀すなわち反射鏡Ｔの軸方向をサービスエリア
Ａの中心に指向されると、前述した静止衛星軌道
上からサービスエリアＡとＢとをみた視角を互い
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ぼ
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、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
し得るようにするために、反射鏡の形状寸法によ
つて決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
が不可能となり、特に、円錐ホーンの内壁面に円
周方向の溝を多数設けて広い周波数帯域に亘つて
良好なビーム特性の円偏波を放射し得るようにし
たコルゲート型円錐ホーンなどのように電磁ホー
ンとしての性能は優れているが開口径が大きくな
る構造の円錐ホーンは全く使用し得ないことにな
り、何らかの工夫により複数個近設配置する円錐
ホーンの間隔を狭くし得れば、それぞれの放射ビ
ームのなす角を狭くしたマルチビーム型成形ビー
ムアンテナを実現するうえで極めて有用となるの
で、かかる工夫が従来から要望されていた。

一方、1977年開催のWARC―BS、すなわち、
放送衛星に関する世界無線主管庁会議において
も、12GHz帯で行なう衛星放送には円偏波を使用
することが定められているが、円偏波のマルチビ
ーム型マイクロ波アンテナを設計するに当つて
は、パラボラ型反射鏡に給電する電磁ホーンの放
射パターンをできるだけ対称にしておかないと、
パラボラ型反射鏡から放射される電波の軸比が劣
化し、複数個の円偏波ビームが交叉した場合にそ
れぞれの円偏波ビームを識別して選択的に受信す
るための交叉偏波識別度が劣化する。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、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によつて
決まるのであるから、この方向では円偏波が得ら
れなくなる。また、パラボラ型反射鏡におけるボ
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、
パラボラ型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その方向
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、例えば第４図に示すように、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、軸方向からの偏角すな
わち離軸角度の増大により、遥かに急速に減衰
し、遥かに急峻な照射パターンとなる。通常の円
錐ホーンによる放射パターンのかかる非対称性を
改良して対称性の良好な放射パターンが得られる
ようにした円錐ホーンとして、例えば前述したコ
ルゲート型のほかにも、複合モード型や誘電体装
荷型の円錐ホーンがあるが、いずれも開口径、重
量、あるいは周波数帯域の点で放送衛星搭載用と
するには適しない。

本発明の目的は、上述した従来の問題を解決し
てその欠点を除去し、複数個を近接配置してパラ
ボラ型反射鏡と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
る衛星搭載用として好適なマルチビーム型の円偏
波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かつ対称の放
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、第１の円の中
心を過ぎり、互いに直交する２本の線上にあつ
て、前記第１の円の中心からそれぞれ同一の距離
に位置する４個の点をそれぞれ中心とする４個の
第２の円により前記第１の円をそれぞれ切り欠い
た面を開口面とした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における前記第
１の円を切り欠いた部分に他の前記単位の電磁ホ
ーンの開口における前記第１の円の切り欠いた残
余の部分を当接させて組合わせ、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
形状を第５図に示す。本発明電磁ホーンの開口
は、図に示すように、半径r₁の円形開口の周辺
を、その円形の中心に関し点対称となるように円
弧をもつて切取つた形状を有しており、通常の円
錐ホーンにおける照射パターンの対称性を改善す
るものであるが故に、切取る周辺部分が点対称を
なすことが必須の要件であつて、切取る円弧の半
径および円弧長がすべて等しいことが必要である
が、もとの円形において切取つた円弧長と残余の
円弧長とは必ずしも等しくする必要はない。ま
た、切取る部分がもとの円形の中心に関し点対称
であることを必須の条件とするが、直交２偏波成
分について照射パターンを対称とするには、図に
示すように、もとの円形開口を４等分した各象限
に１個ずつの切欠き部分を設けて、それぞれに斜
影を施して示す４個の切欠き部分を中心に関し点
対称に配置するのが最も好適である。また、切欠
き部分の半径は、もとの円形開口の半径と等しい
r₁とすることもでき、もとの円形開口の半径とは
異なるr₂とすることもでき、そのそれぞれの中心
間距離をl₁あるいはl₂とする。

本発明による上述のような形状の開口を有す
る、いわば、疑似の円錐ホーンのその開口におけ
る電界分布は、図に示すように、半径r₁の円形開
口の中心からの距離l₂の点を中心とした半径r₂の
円弧により、もとの円形開口の周辺部分を点対称
に切欠いたものを境界条件として有限差分法を適
用することによりマクスウエルの方程式を解いて
求めることができる。

上述のようにして求めた本発明電磁ホーンの開
口における電界分布は、直線偏波により励振した
ときの電界の向きを矢印で示すと、例えば第６図
に示すようになり、対称配置の切欠き部分に関し
て極めて正確に左右対称となる。

また、上述した形状を有する本発明電磁ホーン
の放射パターンは、例えば、もとの円形開口と切
除部分の円弧との中心間距離l₂をもとの円形開口
の半径r₁に対してl₂＝1.37r₁の関係に設定すると
ともに、切除部分の円弧の半径r₂をr₂＝0.58r₁の
関係に設定した場合について例示すると第７図に
示すようになり、通常の円錐ホーンにおけるＥ面
とＨ面との放射パターンが著しく相違しているの
に対し、本発明電磁ホーンにおけるＥ面とＨ面と
の放射パターンの差異は極めてわずかであり、円
偏波の励振を行なうに極めて好適であることが判
る。

上述したところの根拠を正確に示すには、有限
差分法を適用してマクスウエルの方程式を解く必
要があるが、定性的に説明すれば、つぎのように
なる。

すなわち、本発明電磁ホーンの開口における電
界分布を示した第６図において中央の矢印が表わ
す電界が電磁ホーンの壁面に垂直に入る部分の壁
面近傍においては、前述した円形開口の切欠きに
より、図に示すように左右の開口壁面が突出して
中央矢印が表わす電界に近づいているために、壁
面近傍における電界の振幅が弱められ、その結
果、中央矢印が示すＥ面方向の壁面近傍における
電磁波の振幅分布が、本来壁面において零になる
Ｈ面方向の電磁波の振幅分布に近づき、したがつ
て、Ｅ面の放射パターンがＨ面の放射パターンに
近づいて両者間の差異がわずかとなる。

つぎに、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本発明電磁ホーンに対して
円偏波励振を行なうようにした構成の例を第８図
に示す。第８図に示す構成の円偏波励振電磁ホー
ンにおいては、マイクロ波装置の慣用の例えば
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、順次の断面がほぼ第５図
に示した形状を有する概略円錐状の本発明電磁ホ
ーン４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４を励振する。なお、図示の例
においては、方形導波管８と円偏波発生器５と
を、方形―正方形変換管７および正方形―円筒変
換管６を順次に介して接続するようにしたが、こ
れを単一の方形―円筒変換管を介して接続するよ
うにすることもできる。

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
Ａ，Ｂ，Ｃを、各放射ビームの指向方向の互いに
なす角が、同じ半径を有する通常の円錐ホーンを
密接配置して組合わせたときよりも格段に狭くな
るように、一方の電磁ホーンの切欠き部と他方の
電磁ホーンのもとの円周部とを当接させて組合わ
せて、パラボラ型反射鏡に対する給電ホーンとし
た構成例を第９図に示す。なお、図に実線で示す
当接部は切欠き部ともとの円形開口との半径を等
しくした場合を示し、図に点線で示す当接部は切
欠き部の半径をもとの円形開口の半径より小さく
した場合を示す。

以上の説明から明らかなように、本発明電磁ホ
ーンをマルチビーム円偏波アンテナの一次放射器
として使用すれば、パラボラ型反射鏡を、ほぼ同
一の放射パターンを有する直交２偏波成分によつ
て対称に照射することができるので、良好な性能
を有するマルチビーム円偏波アンテナを実現する
ことができる。また、本発明電磁ホーンは、放射
パターンが良好となるように構成した従来の複雑
かつ大形の円錐ホーンに比して形状並びに構造が
簡単かつ小形であつて、しかも、複数個の電磁ホ
ーンを、相互間の間隔を従来に比し格段に狭くし
て組合わせ配置することができるので、各ビーム
間挾角を狭く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のに極めて好適である。

【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
の例を模式的に示す線図、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模式的に示す線図、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におけ
る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基本的形状を示す線図、第６
図は同じくその開口の電界分布の例を示す線図、
第７図は同じくその放射パターンの例を従来の円
錐ホーンと比較して示す線図、第８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９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
である。１，２，３，４……電磁ホーン、５……円偏波
発生器、６……正方形―円筒変換管、７……方形
―正方形変換管、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

【特許請求の範囲】１第１の円の中心を過ぎり、互いに直交する２
本の線上にあつて、前記第１の円の中心からそれ
ぞれ同一の距離に位置する４個の点をそれぞれ中
心とする４個の第２の円により前記第１の円をそ
れぞれ切り欠いた面を開口面とした単位の電磁ホ
ーンを複数個備え、前記単位の電磁ホーンの開口
における前記第１の円の切り欠いた部分に他の前
記単位の電磁ホーンの開口における前記第１の円
の切り欠いた残余の部分を当接させて組合わせ、
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前記第１の円の半径r₁と前記第２の円の半径
r₂および前記同一の距離ｌとを互いにr₂＝0.58r₁
およびｌ＝1.37r₁の関係にそれぞれ規定すること
により、Ｅ面およびＨ面の放射パターンがほぼ同
一となるようにしたことを特徴とする特許請求の
範囲第１項記載の電磁ホーン。