(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
同軸フィードホーンにおいて、
上面および底面を含む誘電体基板と、
前記基板の前記底面に置かれる、少なくとも１つのマイクロストリップフィードラインと、
前記基板の前記上面に置かれる、第１の接地面と、
前記接地面に電気的に結合され、内部チャンバを含む筒状の外側導体であって、前記基板の反対側に、前記フィードホーンのアパーチャを画定する開口を含む、筒状の外側導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記外側導体と同軸である、組込まれた導体であって、前記少なくとも１つのマイクロストリップラインと電気的に接触状態にある円錐部と、前記基板と反対側の筒状部と、前記アパーチャで前記外側導体の外へ延びるテーパー部とを含む、組込まれた導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記組込まれた導体の外側にある、誘導体部材であって、前記アパーチャで前記外側導体の外へ延びるテーパー部を含む、誘導体部材と、を備える同軸フィードホーン。
【請求項２】
前記テーパー部が、自由空間と対象の伝搬モードとの間にインピーダンス整合を提供するように選択されたテーパーを有する、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項３】
前記少なくとも１つのマイクロストリップフィードラインが、９０°離れて配向される４つのフィードラインである、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項４】
前記誘導体部材の誘導率が、ＴＥ１１和モードの伝搬を可能にするように選択される、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項５】
前記少なくとも１つのマイクロストリップライン上の信号伝搬が円偏波され、前記円錐部が、マイクロストリップモードから同軸モードまでの信号のインピーダンス整合を提供するように選択されたテーパーを有する、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項６】
前記誘電体部材が、規定された誘電率を有する複数の誘電体層を含み、最初の誘導体層が前記外側導体の下端に位置付けられ、かつ最も低い誘電率を有し、最後の誘電体層が前記テーパー部を含み、かつ最も高い誘電率を有し、前記複数の誘電体層が所望の周波数帯のカットオフ周波数を下げる、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項７】
前記最初の誘導体層が、和ＴＥ１１モードの伝搬を可能にするように選択された誘電率を有し、前記最後の誘電体層が、差ＴＥ１２モードの伝搬を可能にするように選択された誘電率を有する、請求項６に記載のフィードホーン。
【請求項８】
前記最初の誘導体層が約２．１の誘電率を有し、前記最後の誘電体層が約６の誘電率を有する、請求項７に記載のフィードホーン。
【請求項９】
前記複数の誘電体層が４つの誘電体層である、請求項６に記載のフィードホーン。
【請求項１０】
前記アパーチャに隣接する前記外側導体と電気的に結合する、第２の接地面をさらに備える、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項１１】
衛星通信システムの一部である、請求項１に記載のフィードホーン。
【請求項１２】
同軸フィードホーンにおいて、
上面および底面を含む、誘電体基板と、
前記基板の前記底面に置かれる、少なくとも１つのマイクロストリップフィードラインと、
前記基板の前記上面に置かれる接地面と、
前記接地面に電気的に結合され、内部チャンバを含む筒状の外側導体であって、前記基板の反対側に、前記フィードホーンのアパーチャを画定する開口を含む、筒状の外側導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記外側導体と同軸である、組込まれた導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記組込まれた導体の外側ある、複数の誘電体層であって、前記複数の誘電体層は規定の誘電率を有し、インピーダンス整合を提供し、かつＴＥ１２差モードの伝搬を可能にするために、最初の誘電体層は前記外側導体の下端に位置付けられ、かつ最も低い誘電率を有し、最後の誘電体層は前記アパーチャに隣接して位置付けられ、かつ最も高い誘電率を有する、複数の誘電体層と、を備える同軸フィードホーン。
【請求項１３】
前記最初の誘導体層が、ＴＥ１１和モードの伝搬を可能にするように選択された誘電率を有し、前記最後の誘電体層が、ＴＥ１２差モードの伝搬を可能にするように選択された誘電率を有する、請求項１２に記載のフィードホーン。
【請求項１４】
前記最初の誘導体層が約２．１の誘電率を有し、前記最後の誘電体層が約６の誘電率を有する、請求項１３に記載のフィードホーン。
【請求項１５】
前記複数の誘電体層が４つの誘電体層である、請求項１２に記載のフィードホーン。
【請求項１６】
前記最後の誘電体層が、前記アパーチャで前記外側導体から外へ延びるテーパー部を含み、前記テーパー部が、組込まれた導体上の信号伝搬と自由空間との間のインピーダンス整合を提供するように選択されたテーパーを有する、請求項１２に記載のフィードホーン。
【請求項１７】
前記少なくとも１つのマイクロストリップフィードラインが、９０°離れて配向される４つのフィードラインである、請求項１２に記載のフィードホーン。
【請求項１８】
同軸フィードホーンにおいて、
上面および底面を含む、誘電体基板と、
前記基板の前記底面に置かれ、９０°離された４つのマイクロストリップフィードラインと、
前記基板の前記上面に置かれる接地面と、
前記接地面に電気的に結合され、内部チャンバを含む筒状の外側導体であって、前記基板の反対側に、前記フィードホーンのアパーチャを画定する開口を含む、筒状の外側導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記外側導体と同軸である、組込まれた導体であって、前記少なくとも１つのマイクロストリップラインと電気的に接触状態にある円錐部と、前記基板と反対側の筒状部と、前記アパーチャで前記外側導体の外へ延びるテーパー部とを含む、組込まれた導体と、
前記チャンバ内に位置付けられ、かつ前記組込まれた導体の外側にある、複数の誘電体層であって、前記複数の誘電体層は規定の誘電率を有し、最初の誘電体層は前記外側導体の下端に位置付けられ、かつ最も低い誘電率を有し、最後の誘電体層は前記アパーチャに隣接して位置付けられ、かつ最も高い誘電率を有し、前記最初の誘電体層が、ＴＥ１１和モードの伝搬が可能になるように選択された誘電率を有し、前記最後の誘電体層が、ＴＥ１２差モードの伝搬が可能になるように選択された誘電率を有する、複数の誘電体層と、を備える同軸フィードホーン。
【請求項１９】
マイクロストリップフィードライン上の信号伝搬が円偏波され、前記円錐部がマイクロストリップモードから同軸モードまでの前記信号のインピーダンス整合を提供するように選択されたテーパー部を有する、請求項１８に記載のフィードホーン。
【請求項２０】
前記最初の誘導体層が約２．１の誘電率を有し、前記最後の誘電体層が約６の誘電率を有する、請求項１８に記載のフィードホーン。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
[0001]本発明は、概して、広帯域幅狭ビーム同軸アンテナのフィードホーンに関し、より詳細には、自由空間へのインピーダンス整合のためのホーンアパーチャにテーパー付き誘電体、および／または、偏波が直線もしくは円であり得る、同じカットオフ周波数から始まるＴＥ１１和モードおよびＴＥ１２差モードの伝搬を可能にする多層誘電体部材を含む、広帯域幅同軸アンテナのフィードホーンに関する。
【背景技術】
【０００２】
[0002]特定の通信用途において、ブロードバンドシステム、すなわち一般的に１．５：１より大きい、比較的広い周波数範囲にわたる動作を有することが望ましい。いくつかのリフレクタベースのシステムにおいて、小フットプリントのフィードを有することが望ましく、それは、焦点距離の径に対する比が非常に小さいリフレクタレンズへの照射に適している。
【０００３】
[0003]特定の通信システムにおいて、受信器と送信器との間の信号トラッキングは、和および差パターンの使用によって実現される。和パターンはブロードサイドピークの放射パターンを示し、一方で差パターンはブロードサイドヌルの放射パターンを提供する。この場合、フィードホーンにおける２つの電磁伝搬モードである横電気（ＴＥ）モード（ＴＥ１１、ＴＥ１２）が、同じ周波数範囲内で和および差を実現するために必要とされる。一般的に、ＴＭ００モードは直線偏波に使用される。システム性能の要件は、いくつか例を挙げると、大きい瞬時のＲＦ帯域幅、および小さい物理的なフットプリントを必要とし得る。
【０００４】
[0004]システム仕様を満たしながら、信号トラッキング機能を実現するための重要な要素は、フィードアンテナである。サイズの制約を満たすため、同軸ホーンアンテナのアパーチャサイズのような、より小さいアパーチャサイズが通常は望ましい。しかし、同軸ホーンアンテナのＴＥ１２差モードのカットオフ周波数は、ＴＥ１１和モードのカットオフ周波数の２倍であり、この場合、特定のモードのカットオフ周波数は、そのモードが伝搬し得る最低の周波数である。そのような特定のモードのカットオフ周波数を低くするための誘電体を伴うフィードホーンを搭載することが、当技術分野で知られている。和モードおよび差モードを生成するために、必要なモードを実現することに加えて、フィードホーンからの十分な信号が送信／受信される必要がある。すなわち、動作波長に対して小さいアパーチャのフィードホーンでは、誘電体と自由空間との間にインピーダンスの大きい不整合が存在して、著しい信号ロスをもたらす。
【図面の簡単な説明】
【０００５】
【図１】[0005]同軸アンテナのフィードホーンの等角図である。
【図２】[0006]図１で示されるフィードホーンの断面図である。
【図３】[0007]図１で示されるフィードホーンの、一部を切り取った底部等角図である。
【図４】[0008]複数の誘電体層を含む、同軸アンテナのフィードホーンの断面図である。
【図５】[0009]ＴＥ１１和モードの、円偏波励起を示す図である。
【図６】[0010]ＴＥ１２差モードの、円偏波励起を示す図である。
【図７】[0011]横軸に仰角（角度）を、および縦軸に指向性（ｄＢ）を表わす指向性のプロットであり、ＴＥ１１和モードの円偏波パターンおよびＴＥ１２差モードの円偏波パターンを示す図である。
【発明を実施するための形態】
【０００６】
[0012]ブロードバンド同軸アンテナのフィードホーンを対象とする、本発明の実施形態に関する以下の説明は、本質的に例示に過ぎず、本発明またはその適用もしくは使用を制限することを意図するものではない。
【０００７】
[0013]図１は同軸アンテナのフィードホーン１０の等角図、図２は同断面図、図３は一部を切り取った同底部等角図であり、特定の広帯域幅の周波数帯、たとえば２１〜５１ＧＨｚのための、適切な寸法を有している。ホーン１０は、たとえば相対的な誘電率εｒ＝３であるＲｏｇｅｒｓ  Ｄｕｒｏｉｄ（登録商標）のような誘電体基板１２を含む。銅などの導電性の有限接地面１４は基板１２の上面に置かれ、銅などの外側筒状接地導体１６と電気的に接触状態にあり、その内部で筒状チャンバ３６を画定する。導体１６は図示のように、基板１２とは反対側の、ホーン１０のアパーチャ２２を画定するテーパー部１８を含む。円形接地面２０は図示のように、アパーチャ２２に近接する外側導体１６と、電気的に接触状態にある。接地面２０は、特定の実施形態のための、任意で適用可能なサイズおよび／または形状とすることができ、導体１６とは、その長さに沿った任意の箇所で電気的に結合され得る。さらにここで、接地面２０は、いくつかの実施形態において除外され得る。
【０００８】
[0014]組込まれた導体２４はチャンバ３６の内部に提供される。組込まれた導体２４は接地導体１６と同軸である。組込まれた導体２４は、底部の円錐部２６と、中間の筒状部２８と、アパーチャ２２を貫通して延在するテーパー部３０とを含む。誘電体部材３２はチャンバ内で、組込まれた導体２４と外側導体１６との間に提供され、テーパー部３０を囲んでアパーチャ２２から延在するテーパー端部３４を含む。互いに対して９０°で位置付けられる、一連のマイクロストリップのフィードライン３８は、基板１２の、接地面１４と反対側の底面に置かれる。この非限定の実施形態において、４つの独立したマイクロストリップライン４０が、フィードライン３８に取り付けられて基板１２を貫通して延在し、組込まれた導体２４の円錐部２６の下端に電気的に取り付けられた筒状フィードライン移行部材４２に電気的に取り付けられる。円錐部２６はマイクロストリップから同軸へのモード変換機能を提供し、それによって、マイクロストリップモードにおいて伝搬するマイクロストリップフィードライン３８の信号が、同軸伝送モードに転換されることが可能である。本明細書で説明する導電性材料は、銅などの任意の好適な導体でよく、組込まれた導体２４は中実または中空の部品であってよい。
【０００９】
[0015]誘電体部材３２のテーパー部３４は、フィードホーン１０のアパーチャ２２と自由空間との間のインピーダンス整合のための移行部を提供する。自由空間への最良のインピーダンス整合を提供するために、テーパー部３４をより長くする、テーパー部３４の移行部を提供することが一般に望ましい。上述の周波数帯のための非限定の実施形態において、誘電体部材３２は誘電率εｒ＝２．１を有するＴｅｆｌｏｎ（登録商標）であってよく、テーパー部３４は約１６ｍｍ（０．６３インチ）の長さを有する。円錐部２６は、マイクロストリップライン３８および４０と、組込まれた導体２８、３６との間にインピーダンス整合を提供する。さらに、マイクロストリップライン３８に印加された励起信号は、ホーン１０のＴＥ１１和モードを段階的に励起し、それが円偏波和パターンを生成する。
【００１０】
[0016]誘電体材料３２はホーン１０の長さに延在し、同質すなわち頂部から底部まで同じ誘電率を有する。この設計において、ＴＥ１２差モードのカットオフ周波数は、ＴＥ１１和モードのカットオフ周波数よりも依然として高い。ＴＥ１２差モードのカットオフ周波数およびＴＥ１１和モードのカットオフ周波数が信号トラッキングのために所望の周波数範囲内で伝搬するよう、ＴＥ１２差モードのカットオフ周波数を、ＴＥ１１和モードと同じカットオフ周波数まで下げるために、本発明は、ＴＥ１２差モードの励起信号をアンテナのフィードホーン１０に提供し、誘電体３２の誘電率の移行をもたらして、ＴＥ１２差モードのカットオフ周波数を下げることを提案する。比較的高い誘電率の誘電体材料をフィードホーンに装着することによって、ＴＥ１２差モードのカットオフ周波数をＴＥ１１和モードのカットオフ周波数まで下げることができるので、軸方向に異なる位置にあっても、両モードが同時にかつ同周波数で伝搬し得る。
【００１１】
[0017]図４は、フィードホーン１０と同様の本実施形態を示す、同軸アンテナのフィードホーン５０の断面図であり、同様の要素は同じ参照番号で識別される。この設計において、誘電体部材３２は、インピーダンス整合を提供するために、フィードホーン５０の底部からフィードホーン５０の頂部まで、異なる誘電率εｒを有する複数の誘導体層に置き換えられる。たとえば、誘導体層５２は、導体１６内のフィードホーン５０の底部に提供され、ＴＥ１１和モードの伝搬を可能にする誘電率εｒ、たとえばＴｅｆｌｏｎ（登録商標）などの誘電率εｒ＝２．１を有する。ここで、ＴＥ１１和モードは、マイクロストリップライン３８に印加された励起信号によって生成される。非限定の本実施形態において、複数の他の誘電体層が、誘電率εｒの昇順で誘電体層５２の上に提供され、層間のインピーダンス整合を提供する。この特定の設計において、誘電体層５４は誘電体層５２の上部に提供され、誘電体層５２より大きい誘電率εｒを有する。誘電体層５６は誘電体層５４の上部に提供され、誘電体層５４より大きい誘電率εｒを有する。誘電体層５８は誘電体層５６の上部に提供され、アパーチャ１８の外に延びるテーパー部６０を含み、誘電体層５６より大きい誘電率εｒを有する。誘電体層５８はまた、εｒ＝６など、ＴＥ１２差モードの伝搬を可能にする適切な誘電率εｒを有する。ここで、ＴＥ１１和モードはライン４０で、およびその上方で伝搬し、直交するＴＥ１２差モードは層５８で、およびその上方で伝搬する。
【００１２】
[0018]例示目的のみで示される、非限定の一実施形態において、誘電体層５４は誘電率εｒ＝３の融解石英、誘電体層５６は誘電率εｒ＝４の窒化ホウ素、および誘電体層５８は誘電率εｒ＝６の酸化ベリリウムである。さらにまた、非限定の実施形態により、誘電体層５２は３．３ｍｍ（０．１３インチ）、誘電体層５４は６．３ｍｍ（０．２４８インチ）、誘電体層５６は４．９ｍｍ（０．１９３インチ）、およびアパーチャ１８の下の誘電体層５８の筒状部は４．５ｍｍ（０．１７６インチ）とすることができる。
【００１３】
[0019]この実施形態では、励起信号はＴＥ１２差モードを生成するためにホーン５０に印加される必要があり、誘電体層５８の領域に印加される必要がある。誘電体層５８は、ＴＥ１２差モードがより低いカットオフ周波数でホーン５０に伝搬するのを可能にする誘電率εｒを有する。この信号は、任意の好適な方法でホーン５０に印加され得る。この信号の一般的な表示として、電気プローブ４４が、ＴＥ１２差モードの励起信号が提供される誘電体層５８に隣接して示される。
【００１４】
[0020]ＴＥ１１和伝搬モードを得るために、均一振幅で位相変化する励起信号がマイクロストリップライン３８に印加される。たとえば、図５は、ＴＥ１１和伝搬モードの励起信号が選択的に順番に印加される、ライン４０を表わす外側導体６８の周りを、０°、９０°、１８０°、２７０°に位置付けられた電気端子６６を示す例示６４である。
【００１５】
[0021]ＴＥ１１和伝搬モードおよびＴＥ１２差伝搬モードを得るために、均一振幅で位相変化する励起信号がマイクロストリップライン３８および４４に印加される。たとえば、図６は、マイクロストリップライン４０を表わす外側導体７４の周りを、０°、９０°、１８０°、２７０°に位置付けられた電気端子７２を示す例示７０である。ＴＥ１２差伝搬モードを得るために、一定振幅で位相変化する励起信号が７０の電気端子７２の各々に提供される。各電気端子７２の相対的な位相差は、左回転で、０°、９０°、１８０°、２７０°、０°、９０°、１８０°、２７０°である。
【００１６】
[0022]図７は横軸に仰角（角度）を、および縦軸に指向性（ｄＢ）を表わす指向性のプロットであり、ＴＥ１１和モードの円偏波を示す図である。詳細には、プロットライン８４はＴＥ１１和アンテナパターン、およびプロットライン８６はＴＥ１２差アンテナパターンである。
【００１７】
[0023]前述の説明は、単に本発明の例示的実施形態を開示および記載するに過ぎない。当業者は、このような説明から、ならびに添付の図面および特許請求の範囲から、様々な変化、変更、変形が、以下の特許請求の範囲で規定する本発明の趣旨および範囲から逸脱することなく、成され得ることを容易に理解するであろう。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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