(57)【要約】      （修正有）【課題】低雑音指数開口アンテナを提供する。【解決手段】開口アンテナ２０は、開口21aを含み、前記開口21aを介して、無線周波数の所与の帯域内に含まれる周波数を有する無線信号を受信するように構成されている受信エレメント21と、受信エレメント21から無線信号を受け取るように構成されている導波管22と、受信エレメント21と導波管22との間に配置され、部分的に受信エレメント21の内側におよび/または部分的に導波管22の内側に延在し、無線周波数の所与の帯域の所定の副帯域内に含まれる周波数を有する受信無線信号のみを、受信エレメント21から導波管22に伝搬させるように構成されているメタマテリアル構造体を含む周波数選択構造体とを備える。さらに、周波数選択構造体は、所定の副帯域に含まれない周波数を有する受信無線信号を反射して受信エレメント21に戻すように構成されている。【選択図】図４
2013141251.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
開口(21a)を含み、前記開口(21a)を介して、無線周波数の所与の帯域(B1)内に含まれる周波数を有する無線信号を受信するように構成されている受信エレメント(21)と、
前記受信エレメント(21)から無線信号を受け取るように構成されている導波管(22)と、
前記受信エレメント(21)と前記導波管(22)との間に配置されており、部分的に前記受信エレメント(21)の内側におよび/または部分的に前記導波管(22)の内側に延在し、無線周波数の前記所与の帯域(B1)の所定の副帯域(B2)内に含まれる周波数を有する前記受信無線信号のみを、前記受信エレメント(21)から前記導波管(22)に伝搬させるように構成されているメタマテリアル構造体を含む周波数選択構造体とを備え、
前記周波数選択構造体が、前記所定の副帯域(B2)に含まれない周波数を有する前記受信無線信号を反射して前記受信エレメント(21)に戻すように構成されている、
開口アンテナ(20)。
【請求項２】
前記周波数選択構造体が、金属壁(25)をさらに備え、当該金属壁(25)は、
前記受信エレメント(21)と前記導波管(22)との間に配置されており、
前記所定の副帯域(B2)に含まれない周波数を有する前記受信無線信号を反射して前記受信エレメント(21)に戻すように構成され、
スリット(26)を含み、
前記メタマテリアル構造体が、前記スリット(26)を貫通する、
請求項1に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項３】
前記スリット(26)が、前記金属壁(25)の中心に配置される、請求項2に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項４】
前記周波数選択構造体が、前記金属壁(25)内の前記スリット(26)を貫通し、かつ部分的に前記受信エレメント(21)の内側におよび部分的に前記導波管(22)の内側に延在する、誘電体プレート(27)をさらに備え、前記メタマテリアル構造体が、前記誘電体プレート(27)の第1の面に印刷された第1のメタマテリアル構造体、および前記誘電体プレート(27)の第2の面に印刷された第2のメタマテリアル構造体を備える、請求項2または3に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項５】
前記第1のメタマテリアル構造体が、
前記誘電体プレート(27)の前記第1の面の第1の部分に印刷された第1のメタマテリアル素子(28)であって、前記第1の部分が前記受信エレメント(21)の内側に延在する、第1のメタマテリアル素子(28)と、
前記誘電体プレート(27)の前記第1の面の第2の部分に印刷された第2のメタマテリアル素子(28)であって、前記第2の部分が前記導波管(22)の内側に延在する、第2のメタマテリアル素子(28)と、
前記第1のメタマテリアル素子(28)および前記第2のメタマテリアル素子(28)を接続し、前記誘電体プレート(27)の前記第1の面の第3の部分に印刷された第1のメタマテリアルストリップ(29)であって、前記第3の部分が前記金属壁(25)内の前記スリット(26)を貫通し、部分的に前記受信エレメント(21)の内側におよび部分的に前記導波管(22)の内側に延在する、第1のメタマテリアルストリップ(29)とを備え、
前記第2のメタマテリアル構造体が、
前記誘電体プレート(27)の前記第2の面の第1の部分に印刷された第3のメタマテリアル素子(30)であって、前記第1の部分が前記受信エレメント(21)の内側に延在する、第3のメタマテリアル素子(30)と、
前記誘電体プレート(27)の前記第2の面の第2の部分に印刷された第4のメタマテリアル素子(30)であって、前記第2の部分が前記導波管(22)の内側に延在する、第4のメタマテリアル素子(30)と、
前記第3のメタマテリアル素子(30)および前記第4のメタマテリアル素子(30)を接続する、前記誘電体プレート(27)の前記第2の面の第3の部分に印刷された第2のメタマテリアルストリップ(31)であって、前記第3の部分が前記金属壁(25)内の前記スリット(26)を貫通し、部分的に前記受信エレメント(21)の内側におよび部分的に前記導波管(22)の内側に延在する、第2のメタマテリアルストリップ(31)と
を備える、請求項4に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項６】
前記第1(28)、第2(28)、第3(30)および第4(30)のメタマテリアル素子がオメガ形状であり、
前記第1のオメガ形状のメタマテリアル素子(28)の中心が、前記第3のオメガ形状のメタマテリアル素子(30)の中心に一致し、
前記第2のオメガ形状のメタマテリアル素子(28)の中心が、前記第4のオメガ形状のメタマテリアル素子(30)の中心に一致し、
前記第1および第2のメタマテリアル構造体が、前記受信エレメント(21)および前記導波管(22)の内側で、前記無線信号の伝搬方向に関して互いに180°回転している、
請求項5に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項７】
前記第1(28)および前記第3(30)のオメガ形状のメタマテリアル素子がそれぞれ、前記金属壁(25)内の前記スリット(26)に面するそれぞれの第1の足、および前記受信エレメント(21)の内側に面するそれぞれの第2の足を備え、
前記第2(28)および前記第4(30)のオメガ形状のメタマテリアル素子がそれぞれ、前記金属壁(25)内の前記スリット(26)に面するそれぞれの第1の足、および前記導波管(22)の内側に面するそれぞれの第2の足を備え、
前記第1のメタマテリアルストリップ(29)が、前記第1(28)および前記第2(28)のオメガ形状のメタマテリアル素子の前記第1の足を接続し、
前記第2のメタマテリアルストリップ(31)が、前記第3(30)および前記第4(30)のオメガ形状のメタマテリアル素子の前記第1の足を接続する、
請求項6に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項８】
前記メタマテリアル構造体が、前記所定の副帯域(B2)内に含まれる周波数を有し、かつ水平または垂直偏波によって偏波されている、前記受信無線信号のみを、前記受信エレメント(21)から前記導波管(22)に伝搬させるように構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項９】
前記メタマテリアル構造体が、前記所定の副帯域(B2)内に含まれる周波数を有し、かつ2つの異なる偏波によってまたは円偏波によって偏波されている、前記受信無線信号のみを、前記受信エレメント(21)から前記導波管(22)に伝搬させるように構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項１０】
前記メタマテリアル構造体が、無線周波数の前記所与の帯域(B1)の複数の所定の副帯域内に含まれる周波数を有する前記受信無線信号のみを、前記受信エレメント(21)から前記導波管(22)に伝搬させるように構成されている、請求項1から7のいずれか一項に記載の開口アンテナ(20)。
【請求項１１】
1つまたは複数の所定の方向から来る無線信号をそれぞれの焦点領域に向かって反射するように構成されている反射システムと、
請求項1から10のいずれか一項に記載の開口アンテナ(20)であって、前記反射システムによって反射された前記無線信号を受信するように前記反射システムの焦点領域に配置される開口アンテナ(20)と
を備える、リフレクタアンテナシステム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、以下の説明が一般性を損なわずに明示的に言及する衛星通信、詳細にはダウンリンク衛星通信において、有利に、しかし限定されることなく利用されうる低雑音指数の開口アンテナに関する。実際、本発明は、衛星通信と異なる他のタイプの無線通信において、およびレーダシステムにおいても有利に利用することができる。
【背景技術】
【０００２】
現在、送信/受信システムとして典型的にはホーンアンテナを利用するリフレクタタイプの指向性アンテナシステムが衛星通信において使用されている。
【０００３】
ホーンアンテナは、知られているように、放射/受信開口を介して無線信号を放射/受信するように設計されたアンテナである開口アンテナに分類される。
【０００４】
具体的には、ホーンアンテナは、
ホーンとして知られ、
放射/受信開口を有する第1の端部で終端し、
前記放射/受信開口を介して無線信号を放射/受信するように構成されている、
長方形/正方形/円形の断面を有する中空の金属製放射/受信エレメントと、
放射/受信エレメントの第2の端部に結合され、放射/受信エレメントによって受信される無線信号を受け取り、かつ/または放射/受信エレメントによって放射される無線信号を送信するように構成されている導波管と
を典型的に備える。
【０００５】
開口アンテナの例は、無線信号を放射/受信するためのアンテナシステム、例えばAESA(アクティブ電子走査アレイ)アンテナシステムにおいて使用される先端を切断された(truncated)導波管である。先端を切断された導波管の場合、放射/受信エレメントは、放射/受信開口を画成する、切断部(truncation)が作られている導波管の端部部分である。
【０００６】
知られているように、衛星通信は、用いられるホーンアンテナの動作帯域よりも通常狭い無線周波数帯域を特徴とする無線チャネルにおいて実施される。これらのアンテナは、ホーンアンテナの動作帯域がホーンに結合される導波管の単峰性の帯域幅に直接接続されるため、通常広帯域動作をするように設計されている。
【０００７】
したがって、ホーンアンテナは、衛星チャネルの無線周波数帯域よりも通常広い動作帯域を特徴とするため、衛星チャネルによって送信される狭帯域無線信号、およびそれぞれの動作帯域の全体にわたって存在する雑音の両方を受信していた。このため、ホーンアンテナは高い雑音指数を特徴とする。これに関して、従来のホーンアンテナ10の長手方向断面が、概略的に、単なる例として図1に示される(図示するサイズは説明を簡単にするため縮尺通りではない)。
【０００８】
具体的には、図1に示される例において、ホーンアンテナ10は、ダウンリンク衛星通信における受信に使用され、すなわち、この衛星通信においてホーンアンテナ10が、地球表面に位置する地上局(説明を簡単にするため図1には示されていない)によって使用され、衛星上に据え付けられたアンテナシステム(説明を簡単にするため図1には示されていない)によって送信される無線信号を受信する。
【０００９】
詳細には、図1に示されるように、ホーンアンテナ10は、使用に際して、
衛星上に据え付けられたアンテナシステムによって送信され、典型的には狭帯域スペクトルS(f)を有する無線信号(説明を簡単にするため、以降有用な信号と呼ぶ)、および
様々な要因により、ホーン11の動作帯域の全体にわたって存在し、典型的には広帯域スペクトルN(f)を有する雑音
を捕捉、すなわち受信するホーン11を備える。
【００１０】
加えて、常に、図1に示されるように、ホーンアンテナ10は、ホーン11に結合され、使用に際して、ホーン11から有用な信号および雑音の両方を受け取る導波管12も備える。
【００１１】
図2は、
ホーン11によって受信され、導波管12内を伝播する有用な信号の狭帯域スペクトルS(f)、および
ホーン11の動作帯域B1内に存在し、ホーン11によって受信され、やはり導波管12内を伝播する雑音の広帯域スペクトルN(f)
を示す。
【００１２】
したがって、衛星通信においてホーンアンテナを使用することにより、信号対雑音比の必然的な劣化と共にアンテナ雑音温度の望ましくない上昇が引き起こされる。
【００１３】
したがって、衛星と地上局との間の大きな距離、大気の影響、地上雑音およびホーンアンテナの高い雑音指数を考慮して、現在の衛星通信システムは、特にダウンリンク接続に対して、信号対雑音比を最大限にするように設計されている追加のフィルタリング装置および特殊な信号処理システムを使用しなければならない。
【００１４】
出願人は、衛星通信用に現在使用されているホーンアンテナの高い雑音指数の問題に対処する必要性を認識した。したがって、出願人名は、革新的な低雑音指数開口アンテナを開発するために徹底した研究を実施した。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１５】
したがって、本発明の目的は、低雑音指数開口アンテナを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
上記の目的は、開口アンテナおよびリフレクタアンテナシステムに関する限りにおいて、添付の特許請求の範囲において定義される本発明に従って、本発明によって達成される。
【００１７】
具体的には、本発明による開口アンテナは、
開口を含み、前記開口を介して、無線周波数の所与の帯域内に含まれる周波数を有する無線信号を受信するように構成されている受信エレメントと、
受信エレメントから無線信号を受け取るように構成されている導波管と、
受信エレメントと導波管との間に配置され、部分的に受信エレメントの内側におよび/または部分的に導波管の内側に延在するメタマテリアル構造体を備え、無線周波数の所与の帯域の所定の副帯域内に含まれる周波数を有する受信無線信号のみを、受信エレメントから導波管へ伝搬させるように構成されている周波数選択構造体と
を備える。
【００１８】
加えて、この周波数選択構造体は、所定の副帯域に含まれない周波数を有する受信無線信号を反射して受信エレメントに戻すように構成されている。
【００１９】
好ましくは、周波数選択構造体はまた、金属壁を備え、この金属壁は、受信エレメントと導波管との間に配置され、所定の副帯域に含まれない周波数を有する受信無線信号を反射して受信エレメントに戻すように構成され、スリットを含む。さらに、メタマテリアル構造体は、前記スリットを貫通する。
【００２０】
より好ましくは、周波数選択構造体は、金属壁内のスリットを貫通して、部分的に受信エレメントの内側におよび部分的に導波管の内側に延在する誘電体プレートも備える。加えて、メタマテリアル構造体は、誘電体プレートの第1の面に印刷された第1のメタマテリアル構造体、および誘電体プレートの第2の面に印刷された第2のメタマテリアル構造体を備える。
【００２１】
本発明をよりよく理解するために、例示であって非限定的な例として提供されるいくつかの好ましい実施形態が、添付図面(縮尺通りではない)を参照して次に説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】ダウンリンク衛星通信において受信に使用される従来のホーンアンテナの長手方向断面を概略的に示す図である。
【図２】図1に示されるホーンアンテナによって、使用に際して受信される有用な信号および雑音の周波数スペクトルを概略的に示すグラフ図である。
【図３】本発明の好ましい実施形態によるホーンアンテナの斜視図である。
【図４】本発明の好ましい実施形態によるホーンアンテナの概略の長手方向断面図である。
【図５】図3および図4に示されるホーンアンテナによって、使用に際して受信される有用な信号および雑音の周波数スペクトルを概略的に示すグラフである。
【図６】図3および図4に示されるホーンアンテナの特定の構成部品の正面図である。
【図７】図3および図4に示されるホーンアンテナの特定の構成部品の正面図である。
【図８】図1に示されるホーンアンテナ、ならびに図3および図4に示されるホーンアンテナのそれぞれの電磁特性の比較を概略的に示すグラフである。
【図９】図1に示されるホーンアンテナ、ならびに図3および図4に示されるホーンアンテナのそれぞれの電磁特性の比較を概略的に示すグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の説明は、当業者が本発明を具体化し使用することができるように提供される。しかし、提示される実施形態に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかであり、本明細書に開示された包括的な原理は、本発明の保護の範囲から逸脱することなく他の実施形態および用途に適用されうる。
【００２４】
したがって、本発明は、単に本明細書に記載され示される実施形態に限定されることが意図されておらず、本明細書で開示され、添付の特許請求の範囲に定義される原理および特徴と一致する最も広い範囲の保護が与えられることが意図されている。
【００２５】
本発明は革新的な低雑音指数の開口アンテナに関する。
【００２６】
具体的には、本発明は、開口アンテナの周波数選択性を増大させるためにメタマテリアルに基づく構造体を利用し、その結果このアンテナの雑音指数を低減する出願人の革新的なアイデアに由来する。
【００２７】
詳細には、出願人は、開口アンテナの受信エレメントと導波管との間にメタマテリアルに基づく周波数選択構造体を挿入して周波数選択性を増大させて、その結果アンテナの雑音指数を低減するという革新的なアイデアを思いついた。
【００２８】
詳細には、本発明による開口アンテナは、
開口を含み、前記開口を介して無線周波数の所与の帯域内に含まれる周波数を有する無線信号を受信するように構成されている受信エレメントと、
受信エレメントから無線信号を受け取るように構成されている導波管と、
受信エレメントと導波管との間に配置され、ホーンアンテナによって受信可能な無線周波数の帯域の所定の副帯域内に含まれる周波数を有する受信無線信号のみを、受信エレメントから導波管へ伝搬させるように構成されているメタマテリアルに基づく周波数選択構造体と
を備える。
【００２９】
本発明による低雑音指数開口アンテナは、1つまたは複数の所定の方向から来る無線信号をそれぞれの焦点領域へ向けて反射するように構成されている反射システムを備えるリフレクタアンテナシステムにおいて有利に利用することができる。具体的には、本発明による開口アンテナは、反射システムによって反射される無線信号を受信するように反射システムの焦点領域に配置することができる。
【００３０】
以降、説明を簡単にするために、本発明による開口アンテナは、衛星通信、具体的にはダウンリンク衛星通信を明示的に言及することによって説明される。しかし、本発明による開口アンテナは、アップリンク衛星通信ならびに衛星通信と異なる他のタイプの通信および無線システムにおいても有利に利用されうることを理解されたい。
【００３１】
さらに、以降、本発明は、常に、説明を簡単にするために、ホーンアンテナを明示的に言及することによって説明される。しかし、本発明が、任意のタイプの開口アンテナを製作するために有利に利用されうることを理解されたい。例えば、本発明は、例えばAESAアンテナシステムにおいて、無線信号を放射/受信するためのアンテナシステムで使用される低雑音指数の先端を切断された導波管を製作するために有利に利用することができる。
【００３２】
本発明の好ましい実施形態によれば、低雑音指数のホーンアンテナが提供される。
【００３３】
具体的には、現在のホーンアンテナにおけるホーンは、導波管とホーンとの間の接合部に不連続がないように通常導波管に結合されているが、本発明の前記好ましい実施形態によるホーンアンテナにおいては、それとは反対に、金属壁が導波管とホーンとの間の接合部分に挿入されている。
【００３４】
詳細には、金属壁は、導波管およびホーンの内側でのエネルギー伝搬の、というよりも無線信号の方向に垂直になるように導波管とホーンの間の接合部分に挿入されている。
【００３５】
接合部分の電力の通過は、金属壁の中心に作られた垂直の長方形のスリットの存在によって保証される。長方形の誘電体プレートは、その長辺がエネルギー伝搬の軸方向になるようにスリットに挿入される。誘電体プレートは、接合部分に中心が置かれ、その半分の長さが導波管の内側に延在し、他の半分がホーンの内側に延在する。言いかえれば、誘電体プレートの対称軸は、接合部分上に、というよりも接合部分に配置された金属壁上に位置し、結果としてエネルギー伝搬軸に垂直となる。
【００３６】
2つの第1のオメガ形状の、電気的に小さな(すなわち、サイズがホーンアンテナによって放射/受信される無線信号の波長の数分の1の)金属性のメタマテリアル構造体が、誘電体プレートの対称軸に関して対称となるように誘電体プレートの第1の面に印刷され、金属性のメタマテリアルストリップによって接続される。この2つの第1のオメガ形状のメタマテリアル金属被膜の一方は、導波管の内側の誘電体プレートの部分にあり、他方の第1のオメガ形状のメタマテリアル金属被膜は、ホーンの内側の誘電体プレートの部分にある。2つの第1のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、金属壁内のスリットに面する2つの第1のオメガの足と足との間を横方向に延在し、前記スリットを貫通する。さらに、2つの第1のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、エネルギー伝搬軸と平行で、誘電体プレートの対称軸に垂直である。
【００３７】
さらに、誘電体プレートの第1の面に印刷された第1のオメガと同じサイズを有し、誘電体プレートの対称軸に関して対称で、やはり金属性のメタマテリアルストリップによって接続される、2つの第2のオメガ形状の金属性のメタマテリアル構造体が、誘電体プレートの第2の面に印刷される。この2つの第2のオメガ形状のメタマテリアル金属被膜の一方は、導波管の内側にある誘電体プレートの部分にあり、他方の第2のオメガ形状のメタマテリアル金属被膜は、ホーンの内側にある誘電体プレートの部分にある。2つの第2のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、金属壁内のスリットに面する2つの第2のオメガの足と足との間を横方向に延在し、前記スリットを貫通する。さらに、2つの第2のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、エネルギー伝搬軸と平行で、誘電体プレートの対称軸に垂直である。2つの第2のメタマテリアルオメガは、
導波管の内側にある第2のオメガの中心が、導波管の内側にある第1のオメガの中心と一致し、
ホーンの内側にある第2のオメガの中心が、ホーンの内側にある第1のオメガの中心と一致し、
第2のオメガおよび第1のオメガが、エネルギー伝搬軸に対して互いに180°回転する
ように誘電体プレートの第2の面に印刷される。
【００３８】
このように考案されたホーンアンテナは、放射特性をほとんど変化させずに、同じ幾何学的な寸法を有する従来のホーンアンテナに対してより狭い帯域の無線周波数で動作することができる。
【００３９】
本発明の好ましい実施形態をよりよく理解するために、本発明の前記好ましい実施形態によるホーンアンテナ20の斜視図が、単に例として、図3に示される。
【００４０】
具体的には、図3に示されるように、ホーンアンテナ20は、
長方形の放射/受信開口21aを有する、角錐台のより大きな底面に相当する第1の端部で終端し、
無線信号を前記放射/受信開口21aを介して放射/受信するように構成され、
以降、説明を簡単にするためにホーンと呼ばれる、
長方形の底面を有する角錐台のように成形された中空の金属製放射/受信エレメント21と、
ホーン21の第2の端部に、具体的には角錐台のより小さな底面に相当するホーン21の端部に結合される導波管22であって、導波管22およびホーン21が、それぞれの継手フランジ23によって接続され、こうしてこの継手フランジ23において接合部分が導波管22とホーン21との間に画成される、導波管22と
を備える。
【００４１】
詳細には、図3に示される導波管22は、10〜14GHzの周波数範囲における単峰形領域で動作し、使用に際して、ホーン21によって受信された無線信号を受け取り、および/または送信のためにホーン21に無線信号を供給する、WR62金属製導波管である。
【００４２】
接合部分は、放射/受信開口21aと平行であり、両方とも、導波管22およびホーン21の内側でのエネルギー伝搬の、というよりも無線信号の方向に垂直である。
【００４３】
本発明の好ましい実施形態についてさらにより詳細に説明するために、ホーンアンテナ20が、ダウンリンク衛星通信、すなわちホーンアンテナ20が、地球の表面(説明を簡単にするために図4には示されていない)に位置する地上局によって使用されて、衛星上に据え付けられたアンテナシステム(説明を簡単にするために図4には示されていない)によって送信される無線信号を受信する衛星通信の受信において使用される場合の、ホーンアンテナ20の長手方向断面が、図4に概略的に、単に例として示されている(サイズは説明を簡単にするために縮尺通りではない)。
【００４４】
具体的には、図4に示されるように、金属製シールド25が、導波管22とホーン21との間の接合部分(図4では参照数字24によって示される)に挿入され、それぞれの継手フランジ23(図4には示されていない)によって導波管22およびホーン21に接続される。
【００４５】
接合部分24の電力の通過は、金属製シールド25の中心に作られた垂直の長方形のスリット26の存在によって保証される。長方形の誘電体プレート27は、その長辺がエネルギー伝搬軸の方向になるようにスリット26に挿入される。誘電体プレート27は、接合部分24に中心が置かれ、その長さの半分が導波管22の内側に延在し、他の半分がホーン21の内側に延在する。言いかえれば、誘電体プレート27は、それぞれの対称軸が、前記接合部分24上に、というよりも接合部分24に配置された金属製シールド25上に位置するように、スリット26に挿入される。誘電体プレート27のこの対称軸は、エネルギー伝搬軸に垂直である。
【００４６】
2つの第1のオメガ形状の、電気的に小さな(例えば、ホーンアンテナ20によって放射/受信される無線信号の波長の10分の1程度の)金属性のメタマテリアル構造体28が、誘電体プレート27の第1の面、具体的には図4に示されるプレート27の面に、誘電体プレート27の対称軸に関して対称となるように印刷され、金属性のメタマテリアルストリップ29によって接続される。2つの第1のオメガ形状のメタマテリアル金属薄膜28の一方は、導波管22の内側にある誘電体プレート27の部分にあり、他方の第1のオメガ形状のメタマテリアル金属薄膜28は、ホーン21の内側にある誘電体プレート27の部分にある。2つの第1のオメガ28を接続する金属性のメタマテリアルストリップ29は、金属製シールド25のスリット26に面する2つの第1のオメガ28のアームの延長部分によって構成され、前記スリット26を貫通する。さらに、2つの第1のオメガ28を接続する金属性のメタマテリアルストリップ29は、エネルギー伝搬軸と平行で、誘電体プレート27の対称軸に垂直である。
【００４７】
さらに、2つの第2のオメガ形状の金属性のメタマテリアル構造体が、誘電体プレート27の第2の面、具体的には図4には示されないプレート27の面に印刷され、この2つの第2のオメガ形状の金属性のメタマテリアル構造体は、誘電体プレート27の第1の面に印刷された第1のオメガ28と同じサイズを有し、誘電体プレート27の対称軸に関して対称で、やはり金属性のメタマテリアルストリップによって接続される。2つの第2のオメガ形状のメタマテリアル金属薄膜の一方は、導波管22の内側にある誘電体プレート27の部分にあり、他方の第2のオメガ形状のメタマテリアル金属薄膜は、ホーン21の内側にある誘電体プレート27の部分にある。2つの第2のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、金属製シールド25のスリット26に面する2つの第2のオメガのアームの延長部分によって構成され、前記スリット26を貫通する。さらに、2つの第2のオメガを接続する金属性のメタマテリアルストリップは、エネルギー伝搬軸と平行で、誘電体プレート27の対称軸に垂直である。
【００４８】
2つの第2のメタマテリアルオメガは、
導波管22の内側にある第2のオメガの中心が、導波管22の内側にある第1のオメガ28の中心と一致し、
ホーン21の内側にある第2のオメガの中心が、ホーン21の内側にある第1のオメガ28の中心と一致し、
2つの第2のオメガおよび2つの第1のオメガ28が、エネルギー伝搬軸に関して互いに180°回転する
ように誘電体プレート27の第2の面に印刷される。
【００４９】
使用に際して、図4に示されるように、ホーン21は、放射/受信開口21aを介して、
衛星上に据え付けられたアンテナシステムによって送信され、典型的には狭帯域スペクトルS(f)を有する無線信号(以降、説明を簡単にするために有用な信号と呼ぶ)、および
様々な要因により、ホーン21の動作帯域全体にわたって存在し、典型的には広帯域スペクトルN(f)を有する雑音
を捕捉、すなわち受信する。
【００５０】
たとえホーン21が有用な信号および雑音の両方を捕捉したとしても、有用な信号の周波数の寄与のみによって第1のオメガ28および第2のオメガの共振が引き起こされ、有用な信号がスリット26を通り抜けて、導波管22に送信されうる。雑音による残りのスペクトル成分は、金属製シールド25で反射され、したがって、導波管22には送信されない。第1のオメガ形状の介在物28および第2のオメガ形状の介在物の共振は、
リングの軸に垂直な磁界による、第1のオメガ28および第2のオメガのリングすなわちループの励振、ならびに
アームと平行な電界による、第1のオメガ28および第2のオメガのアームの励振
による。
【００５１】
実際、第1のオメガ28および第2のオメガのリングならびにアームは、それぞれ小さな磁気および電気双極子として振る舞い、したがって周波数選択特性を有する。
【００５２】
まさに上述したことに基づき、第1のオメガ介在物28および第2のオメガ介在物が有用な信号を運ぶ電磁界の偏波に敏感であることは明白である。ホーンアンテナ20が図4に示される向きに従って配置される場合、前記ホーンアンテナ20は、垂直偏波を受信し、ホーンアンテナ20が90°回転している場合は、水平偏波を受信する。
【００５３】
正方形または円形断面のホーンの使用、および互いに直角に配置された2つのオメガ形状の介在物の使用によって、二重偏波または円偏波において受信を行うことが可能である。
【００５４】
2組以上のオメガ形状の介在物の使用によって、いくつかの周波数帯域で受信することも可能である。
【００５５】
したがって、ホーンアンテナ20は、第1および第2のオメガ形状の介在物によって表わされる一体化された周波数フィルタを備えることによって、わずかな雑音部分、具体的には有用な信号の無線周波数と同じ帯域に存在する雑音部分に足し合わされた有用な信号を含むスペクトルの部分を選択し、大幅に雑音の寄与を低減し、このようにして有用な信号の最適な受信を可能にする低雑音指数アンテナである。
【００５６】
これに関して、図5は、
ホーン21によって受信され、第1の金属性のメタマテリアルオメガ28および第2の金属性のメタマテリアルオメガによって金属製シールド25のスリット26を通り抜けるように作られ、その結果、導波管22に伝搬する有用な信号の狭帯域スペクトルS(f)と、
ホーン21の動作帯域B1内に存在し、前記ホーン21によって受信され、金属製シールド25によって反射される雑音の広帯域スペクトルN(f)(図5で破線によって表わされる)と、
有用な信号と同じ周波数帯域内、というよりもホーンアンテナ20の動作帯域B2内に存在し、ホーン21によって受信され、第1の金属性のメタマテリアルオメガ28および第2の金属性のメタマテリアルオメガによって金属製シールド25のスリット26を通り抜けるように作られ、その結果、導波管22に伝搬する雑音の広帯域スペクトルN(f)の部分と
を示す。
【００５７】
金属製シールド25およびそれぞれの継手フランジ23の正面図が、図6に示される。図6に示されるように、長方形のスリット26は金属製シールド25の中心に作られる。
【００５８】
加えて、図6は、誘電体プレート27も示す。上記したように、使用に際して、誘電体プレート27は、それぞれの対称軸が金属製シールド25上に位置し、その結果として使用に際して接合部分24に置かれるようにスロット26に配置される。
【００５９】
具体的には、図6は、使用に際して、
導波管22の内側にある第2のオメガ30の中心が、導波管22の内側にある第1のオメガ28の中心と一致し、
ホーン21の内側にある第2のオメガ30の中心が、ホーン21の内側にある第1のオメガ28の中心と一致し、
2つの第2のオメガ30および2つの第1のオメガ28が、エネルギー伝搬軸に関して互いに180°回転する
ように、第2のオメガ(図6で参照数字30によって示される)が印刷された誘電体プレートの第2の面を示し、この第2のオメガが、上記したように、金属性のメタマテリアルストリップ(図6で参照数字31によって示される)によって接続され、誘電体プレート27の第2の面に印刷される。
【００６０】
加えて、この誘電体プレート27の有効サイズについてもっとよくわかるように、誘電体プレート27が、10セントのユーロコインと共に、図7に示される(具体的には、誘電体プレート27の第1の面が図7に示される)。
【００６１】
出願人は、電磁特性を測定するために図3および図4に示される、上記したホーンアンテナ20の試作品を構築した。具体的には、出願人は、従来のホーンアンテナ、具体的には図1に示される上記のホーンアンテナ10、およびホーンアンテナ20の適合特性を得るために、ベクトルネットワークアナライザーを使用した。
【００６２】
これに関して、図8は、従来のホーンアンテナ10の適合特性とホーンアンテナ20の適合特性の比較を示す。
【００６３】
具体的には、図8は、従来のホーンアンテナ10(図8で従来のアンテナとして示される)、およびホーンアンテナ20(図8で低雑音指数のアンテナとして示される)の入力ポートでの反射係数のグラフを周波数の関数として示す。
【００６４】
詳細には、図8に示されるように、従来のホーンアンテナ10は、10〜13GHzの帯域幅(-10dBの典型的なしきい値で見積もられた)を有するが、本発明の好ましい実施形態によるホーンアンテナ20は、12.5GHzに中心がある狭帯域(すなわち、前記ホーンアンテナ20の動作帯域B2)において-10dBを下回る反射係数を有する。したがって、従来のホーンアンテナ10は、狭帯域信号を選択することができず、有用な信号の外側の雑音も効率的に捕捉する。代わりに、本発明の好ましい実施形態によるホーンアンテナ20は、狭帯域信号を捕捉することができ、有用な信号の帯域の外側の雑音のスペクトルの寄与をすべて反射して、よりよい信号対雑音比およびよりよい衛星信号受信を保証する。
【００６５】
図9において、従来のホーンアンテナ10(図9で従来のアンテナとしてやはり示される)、およびホーンアンテナ20(図9で低雑音指数のアンテナとしてやはり示される)の利得のグラフが、周波数の関数として示されている。図9に示されるように、12.5GHzに中心がある狭帯域において(すなわち、ホーンアンテナ20の動作帯域B2において)、ホーンアンテナ20の利得値は、従来のホーンアンテナ10とほぼ同等である。
【００６６】
本発明による低雑音指数開口アンテナは、有利に、しかし限定することなく、衛星通信用の、例えばKu、KおよびKa帯で動作するリフレクタアンテナシステムにおいて送信/受信システムとして使用することができる。
【００６７】
具体的には、本発明による低雑音指数開口アンテナは、狭帯域において動作し、この動作帯域において従来の送信/受信システムと同じ特性を維持することによって、ダウンリンク衛星通信における信号対雑音比を改善することができる。いかなる場合も、本発明は、2つの別個の帯域、具体的にはダウンリンク用に使用される第1の帯域およびアップリンク用に使用される第2の帯域において開口アンテナの動作を保証するように、異なるサイズのいくつかのオメガ形状の構造体を使用して、アップリンクにおいても有利に使用することができる。本発明は、衛星通信とは異なる他のタイプの通信および無線システムにおいても有利に利用することができる。
【００６８】
本発明の利点は、上記から直ちに理解することができる。
【００６９】
具体的には、本発明による低雑音指数開口アンテナが、その動作帯域において従来の開口アンテナと同じ電磁特性を維持しながら、信号対雑音比を最大化することが可能であるという事実をさらにもう一度強調することは重要である。
【００７０】
さらに、本発明による低雑音指数開口アンテナは、従来の開口アンテナと同じ寸法および同じ体積を有している。これにより、わずかな低コストの変更で、本発明の使用によって改良することができる以前に設計されたアンテナシステムとの完全な相互運用性が可能となる。実際に、メタマテリアルオメガの印刷は、生産コストが低く、生産時間が短く、既存のアンテナシステムにおいてこれらオメガを組み込むことは、特に手のかかることではない。
【００７１】
本発明による低雑音指数開口アンテナは、ダウンリンクおよび/またはアップリンク衛星通信用に、ならびに/あるいは衛星通信と異なる他のタイプの通信および無線システムに対して使用することができる。
【００７２】
衛星通信に関して、本発明による低雑音指数開口アンテナは、ホーンアンテナが、帯域外の雑音の寄与を除去するために必要なフィルタ部品を伴う必要がないという事実のおかげで、衛星通信用のリフレクタアンテナシステムの送信/受信システムに対してより低いコストを保証する。
【００７３】
さらに、帯域外の雑音の寄与を除去するためのフィルタ部品がもはや必要ないので、本発明による低雑音指数開口アンテナは、体積および重量についての著しい利点と共に、全体的な衛星通信システムの大幅な小型化も保証する。
【００７４】
しかし、本発明による開口アンテナは、同じ大きさの従来の送信/受信システムに対して雑音指数が決定的に低いことが特徴である。
【００７５】
最後に、添付の特許請求の範囲に定義される本発明の保護の範囲を逸脱せずに、本発明に様々な変更を行うことができることは明らかである。
【符号の説明】
【００７６】
10  ホーンアンテナ
11  ホーン
12  導波管
20  ホーンアンテナ
21  放射/受信エレメント
21a  放射/受信開口
22  導波管
23  継手フランジ
24  接合部分
25  金属製シールド
26  スリット
27  誘電体プレート
28  第1のオメガ
29  メタマテリアルストリップ
30  第2のオメガ
31  メタマテリアルストリップ
S(f)  狭帯域スペクトル
N(f)  広帯域スペクトル
B1  動作帯域
B2  動作帯域
【図１】
2013141251.tif 000003
【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】
2013141251.tif 000009
【図８】
2013141251.tif 000010
【図９】
2013141251.tif 000011
【外国語明細書】
2013141251000001.pdf