ホーンアンテナおよびその設計方法
【課題】２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすること。
【解決手段】横断面が方形の内部空間を有し、一対の対向側面６がホーン３の一端開口５から他端開口４に向かってテーパ面を形成しているホーン３を備えたホーンアンテナ１であって、テーパ面は、ホーン３の中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部９を有している。凹部９は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有している。凹部９の開口幅は一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、凹部９の深さは他方の偏波による楕円ビームの形状が一方の偏波による楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されている。
【解決手段】横断面が方形の内部空間を有し、一対の対向側面６がホーン３の一端開口５から他端開口４に向かってテーパ面を形成しているホーン３を備えたホーンアンテナ１であって、テーパ面は、ホーン３の中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部９を有している。凹部９は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有している。凹部９の開口幅は一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、凹部９の深さは他方の偏波による楕円ビームの形状が一方の偏波による楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２つの直交する偏波からそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のホーンアンテナとして、Ｅ面のみがテーパ面を形成し、偏波の磁界方向に広げられたＨ面扇形ホーンを備えたものや、Ｈ面のみがテーパ面を形成し、偏波の電界方向のみに広げられたＥ面扇形ホーンを備えたものが知られている。このような扇形ホーンには、図１２に示すように、軸長Ｌ’を一定にして開口面の大きさａ’×ｂ’を変化させたときに、利得が最大となる開口面の大きさａ’×ｂ’が存在し、その状態の扇形ホーンは最適ホーン３１と呼ばれる。最適ホーン３１は、Ｘ帯の標準導波管を例にとると、開口面の大きさａ’×ｂ’が１００ｍｍ×１０．１６ｍｍ、のど元の大きさＡ’×Ｂ’が２２．９ｍｍ×１０．１６ｍｍ、軸長Ｌ’が８１．３２ｍｍとなり、開口面での位相のずれがＥ面では１／４波長、Ｈ面では３／８波長となることが知られている。
【０００３】
ところで、上記の最適ホーン３１のような方形の開口面を有するホーンを備えたホーンアンテナは、２つの直交する偏波で励振するとモードの違いから開口面振幅分布が異なり、同じ形状の楕円ビームを発生させることができない。このため、上記ホーンアンテナを、成形ビームアンテナの一次放射器として用いる場合、楕円反射鏡を効率よく照射することができず利得が低下してしまう。
【０００４】
そこで、本件発明者らは、図１３および図１４に示すような多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナを提案している。図１３に示す多段ステップホーン３１Ａは、Ｅ面のみが階段状のテーパ面を形成するＨ面扇形ホーン１２と、Ｈ面のみが階段状のテーパ面を形成するＥ面扇形ホーン１３とが個別に設計され、縦続接続されたものである。一方、図１４に示す多段ステップホーン３１Ｂは、Ｅ面とＨ面とが交互に広がるピラミッド形に設計されたものである（例えば、非特許文献１参照）。これらの多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナによれば、２つの直交する偏波で励振させたときの楕円ビームの形状を一致させることができ、楕円反射鏡を効率よく照射することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】松井祐介、出口博之、辻幹男、「直交偏波だ円ビーム多段ステップホーンの小型化」信学総大、Ｂ−１−６７、Ｍａｒ．２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナでは、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を一致させることができるものの、ホーンの軸長が長くなってしまい、ホーンの小型化を図ることができないという問題が生じていた。
【０００７】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナ設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１発明に係るホーンアンテナは、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、Ｅ面はホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有し、開口幅は、一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、深さは他方の偏波による楕円ビームの形状が一方の偏波による楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、一対の凹部の開口幅により一方の偏波のモード発生量（振幅）を制御することができ、さらに一対の凹部の深さにより他方の偏波のモード発生量（振幅および位相）を制御することができるので、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができる。
【００１０】
また、本発明の第２発明に係るホーンアンテナは、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの各一対の対向側面がそれぞれホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、一方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＥ面をなし、かつ他方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＨ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、Ｅ面およびＨ面は、それぞれ、ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、Ｅ面およびＨ面の凹部は、ともにＥ面とＨ面との境界線に接しておらず、Ｅ面の凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、Ｈ面の凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して他方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、他方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は他方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、Ｅ面およびＨ面の凹部の深さは、一方の偏波により発生する楕円ビームの形状と他方の偏波により発生する楕円ビームの形状とが実質的に一致するような長さにそれぞれあらかじめ決定されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、Ｅ面だけでなくＨ面にも一対の凹部が形成されているので、Ｈ面の凹部でも一方の偏波および他方の偏波のモード発生量を制御することができ、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１２】
上記テーパ面の前記中心軸に対して対称な位置には、一端開口と平行に設けられた少なくとも一対の平坦部がさらに形成されているのが好ましい。この構成によれば、一端開口と平行な一対の平坦部が設けられているので、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１３】
上記テーパ面の少なくとも一部は、曲面状または階段状に形成されていてもよい。この構成によれば、テーパ面を曲面状または階段状に形成することで、平面状のテーパ面と比較して一方の偏波からより多くの高次モードを発生させることができるので、モード合成の自由度が広がり、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１４】
上記凹部の開口面積は、凹部の内部空間の横断面の面積よりも小さくてもよい。また、凹部内に、電界面と平行に少なくとも１つの仕切板を設けてもよいし、磁界面と平行に少なくとも１つの仕切板を設けてもよい。
【００１５】
また、本発明に係るホーンアンテナの設計方法は、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かって先細りになるテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナの設計方法であって、（１）一端開口および他端開口の大きさを決定するステップと、（２）内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、ホーンの中心軸に対して対称に形成される少なくとも一対の凹部のＥ面における位置を決定するステップと、（３）凹部の一方の偏波の磁界方向の開口幅を最適化により決定するステップと、（４）凹部の深さを最適化により決定するステップとを含み、ステップ（３）では、開口幅を前記一方の偏波がカットオフとなる長さに決定し、ステップ（４）では、深さを他方の偏波による前記楕円ビームが前記一方の偏波による楕円ビームの形状に実質的に一致する長さに決定することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、一方の偏波がカットオフとなるように一対の凹部の開口幅を決定することにより、一方の偏波のモード発生量を凹部の開口幅によってのみ制御することができ、他方の偏波のモード発生量を凹部の深さによって制御することができるので、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができる。
【００１７】
また、本発明に係るホーンアンテナの設計方法は、ホーンの他端開口から一方の偏波を導入した場合における一端開口での開口面分布から、該開口面分布を構成している伝搬可能なモードを決定するステップと、ホーンの一端開口から他端開口までを中心軸に沿って、モードの数に応じた複数の区間に分割するステップとをさらに含み、上記ステップ（２）ないし（４）は、一端開口側から区間ごとに順次おこなうことが好ましい。この構成によれば、その区間で発生する伝搬可能なモードの発生量に注目して最適化を行うことができ、ホーンの形状を区間ごとに順次決定していくことができるため、ホーンの設計が容易になる。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、凹部の開口幅を調整することにより一方の偏波のモード発生量を制御することができ、凹部の深さを調整することにより他方の偏波のモード発生量を制御することができるので、凹部の開口幅と深さを適切な長さに設定することで、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を一致させることができる。さらに、ホーンのＥ面に凹部を形成することにより、ホーンを一方の偏波の磁界方向に広げることができるので、ホーンの軸長を短くても開口面を所定の大きさにすることができる。したがって、本発明によれば、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナ設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るホーンアンテナを示す斜視図である。
【図２】本発明におけるホーンであって、（ａ）はｙ＝０におけるｘ−ｚ断面図、（ｂ）はｘ＝０におけるｙ−ｚ断面図である。
【図３】図２のＣ−Ｃ’断面（ｘ−ｙ平面）を開口面側から見た図であって、（ａ）はＴＥ10モードの電気力線、（ｂ）はＴＥ01モードの電気力線を示す図である。
【図４】凹部の働きを説明するためのホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図５】凹部の開口幅および深さに対するＴＥ10モードの振幅を示す図である。
【図６】凹部の深さに対するＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。
【図７】本発明に係るホーンアンテナにおけるＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。
【図８】本発明に係るホーンアンテナの設計方法を説明するための図である。
【図９】変形例１におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１０】変形例２におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１１】変形例３におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１２】最適ホーンを示す斜視図である。
【図１３】Ｈ面扇形ホーンとＥ面扇形ホーンを縦続接続した多段ステップホーンを示す斜視図である。
【図１４】ピラミッド形の多段ステップホーンを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２１】
［ホーンアンテナの構成］
図１に示すように、本発明に係るホーンアンテナ１は、矩形導波管からなる給電部２と、横断面（ｘ−ｙ断面）が方形の内部空間を有する金属製のホーン３とを備え、給電部２で励振された２つの直交する偏波（Ｘ帯のＴＥ10モードおよびＴＥ01モード）により、ホーン３の開口面（一端開口）４からそれぞれの楕円ビームを発生させるものである。
【００２２】
ホーン３は、方形の開口面４と、方形ののど元（他端開口）５と、各一対の対向側面６、７とから構成されている。一対の対向側面６は、開口面４からのど元５に向かってテーパ面を形成しており、一方の励振偏波の基本モードとなるＴＥ10モードに対するＥ面をなしている。これに対して、一対の対向側面７は、開口面４からのど元５に向かって平行に設けられており、ＴＥ10モードに対するＨ面をなしている。
【００２３】
テーパ面となる一対の対向側面（Ｅ面）６は、平面状のテーパ部８と、ホーン３の中心軸に対して対称な位置に形成された一対の凹部９および一対の平坦部１０とを有している。図２に示すように、凹部９は、Ｅ面６の電界方向全体にわたり内部空間に向かって横断面が方形状に開口しており、ＴＥ10モードの電界面と平行に延びている。ＴＥ10モードの磁界方向（ｘ方向）に沿った凹部９の開口幅はＫ１＝Ｋ２＝Ｋ３＝３ｍｍに設計されており、凹部９の深さはＵ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝９ｍｍに設計されている。平坦部１０は、ホーン３の軸長Ｌをより短くするために、開口面４と平行に設けられたものであり、ｘ方向に沿った幅がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝２ｍｍに設計されている。
【００２４】
本発明に係るホーンアンテナ１では、ＴＥ10モードとＴＥ01モードの両方を励振させるため、図２に示すように、ホーン３ののど元５はＡ×Ｂ＝２２．９ｍｍ×２２．９ｍｍの大きさをもった正方形に設計されている。また、ホーン３の開口面４はａ×ｂ＝１００ｍｍ×２２．９ｍｍの大きさをもった長方形に設計されている。
【００２５】
また、本発明に係るホーンアンテナ１では、Ｅ面６がテーパ面を形成しているため、ＴＥ10モード励振時には、開口面４に向かうにつれて、ＴＥ10モードの高次モードであるＴＥ30モード、ＴＥ50モード等の伝搬可能なモード（伝搬モード）が発生する。
【００２６】
図３は図２のＣ−Ｃ’断面におけるホーン３のｘ−ｙ平面を開口面４側から見た図であって、（ａ）はＴＥ10モードの電気力線を示し、（ｂ）はＴＥ01モードの電気力線を示す図である。図３（ａ）に示すように、ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなる。
【００２７】
図４は、ＴＥ10モード励振時における凹部９の働きを説明するために設計したホーン３Ａの図である。図４に示すホーン３Ａは、一対の凹部９が一段装荷され、のど元５から凹部９の開口面までの長さがｓ１＝１０ｍｍに設計されており、開口面４およびのど元５の大きさが最適ホーン３１と同様に設計されている。図５は、図４に示すホーン３Ａにおいて、凹部９の開口幅ｋ１を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍと変化させ、凹部９の深さｕ１をそれぞれ０から８ｍｍの間で変化させたときの１０ＧＨｚにおけるＴＥ10モードの振幅（モード発生量）を示す図である。同図から、凹部９の開口幅ｋ１を変化させるとＴＥ10モードの振幅は変化するが、開口幅ｋ１を固定して凹部９の深さｕ１を変化させてもＴＥ10モードの振幅はほとんど変化しないことが分かる。
【００２８】
表１は、図４に示すホーン３Ａにおいて、凹部９の開口幅ｋ１を３ｍｍとし、凹部９の深さｕ１を０、４ｍｍ、８ｍｍと変化させたときのＴＥ10モード、ＴＥ30モード、ＴＥ50モードの位相を示す表である。同表から、凹部９の深さｕ１を変化させても各モードの位相はほとんど変化しないことが分かる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図５および表１に示すように、凹部９の深さｕ１を変化させてもＴＥ10モードの振幅や位相はほとんど変化しないことから、ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなっていることが分かる。すなわち、凹部９の開口面では電磁界が乱れ境界条件を満たすように新たなモードが発生するが、この新たに発生したモードは、凹部９内に蓄積され、伝搬することなく減衰していくカットオフモードとなる。このように、ＴＥ10モードの振幅や位相は、凹部９の深さにほとんど影響を受けないため、凹部９の開口幅のみでＴＥ10モードの振幅を制御することができる。なお、カットオフモードが再変換されて、伝搬モードとなる場合もあるが、この再変換された伝搬モードは通常十分小さいため無視することができる。
【００３１】
一方、図３（ｂ）に示すように、ＴＥ01モード励振時には、凹部９内に伝搬モードが発生する。この伝搬モードは、凹部９の底面で反射するため、凹部９の深さによって振幅および位相が変化する。図６は、図２に示すホーン３において、凹部９の深さ（Ｕ１＝Ｕ２＝Ｕ３）を０、λ／８（λはＴＥ01モードの励振波長）ｍｍ、λ／４ｍｍと変化させたときのＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。同図から、凹部９の深さが変わることにより放射パターン（楕円ビームの形状）が変化することが分かる。本実施形態では、凹部９の深さをＵ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝９ｍｍとすることで、図７に示すように、ＴＥ01モード励振時の放射パターンをＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致させている。
【００３２】
上記のように、本発明に係るホーンアンテナ１では、Ｅ面６に、凹部９や平坦部１０が設けられているためホーン３の軸長Ｌを短くすることができる。本実施形態では、ホーン３の軸長Ｌを４４．０２ｍｍにすることができ、最適ホーン３１の軸長Ｌ’の半分近くまで短縮することができている。さらに、凹部９の開口幅によりＴＥ10モードのモード発生量（振幅）を制御することができ、凹部９の深さによりＴＥ01モードのモード発生量（振幅および位相）を制御することができるので、ＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の楕円ビームの形状を容易に一致させることができる。
【００３３】
［ホーンアンテナの設計方法］
次に、本発明に係るホーンアンテナ１の設計方法について説明する。
【００３４】
本発明に係るホーンアンテナ１の設計方法は、ホーン３の開口面４からのど元５までを該ホーン３の中心軸に沿って複数の区間に分割し、各区間のホーン３の形状をその区間内で新たに発生する高次モードを制御することにより順次設計していくというものである。
【００３５】
設計にあたって、最初に、所望の放射パターンを実現しうる開口面４およびのど元５の大きさを決定する（ステップ（１））。開口面４およびのど元５の大きさが定まると、ＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の放射パターンから開口面分布が定まるので、開口面分布を構成しているモードを決定することができる。これにより、発生させる高次モードの数が決定し、図８に示すように制御すべきモードの数に応じた区間数（Ｓ１〜ＳＮ）が決定する。
【００３６】
なお、これらの区間では、区間内において伝搬可能なモード数が変わらないようになっており、開口面４側に向かうにつれて区間ごとに伝搬可能なモード数が順次一つずつ増えるようになっている。このため、各区間のホーン３の形状は、その区間で新たに発生する伝搬可能なモードの発生量に注目して設計することができ、区間ごとに順次決定していくことができる。具体的には、以下のように、開口面４側の区間ＳＮから順に、テーパ部８の開き角や平坦部１０の幅等を最適化により定めてＥ面における凹部９位置を決定し（ステップ（２））、凹部９の開口幅および深さを最適化により決定していく（ステップ（３）および（４））。なお、最適化とは、所望の開口面分布を得るために、テーパ部８の開き角、平坦部１０の幅、凹部９の開口幅および深さ等の開口面分布に影響を及ぼす項目の各値を微調整することをいう。
【００３７】
まず、区間ＳＮでは、ＴＥ10モード励振時に発生する第Ｎ次高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長ＬＮと、区間ＳＮ内のテーパ部８の開き角を最適化により決定する。
【００３８】
次いで、上記で決定した区間ＳＮに区間ＳＮ−１を接続した区間では、ＴＥ10モード励振時に発生する第Ｎ−１次高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長ＬＮ−１、区間ＳＮ−１内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅ＫＮ−１、平坦部１０の幅ＭＮ−１を最適化により決定する。ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなっており、凹部９の開口面で発生した新たなモードは伝搬することなく減衰していくので、凹部９の深さは第Ｎ−１次高次モードの開口面分布にほとんど影響を与えない。このため、ＴＥ10モード励振時において凹部９の開口幅ＫＮ−１を決定した後に、凹部９の深さＵＮ−１を決定することが好ましい。凹部９の深さＵＮ−１は、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように最適化することで決定する。なお、第Ｎ−１次高次モードの発生量および第Ｎ次高次モードの発生量が大きい場合は、ホーン３の軸長ＬＮ、区間ＳＮ内のテーパ部８の開き角の最適化を再度おこない、決め直すことが好ましい。
【００３９】
同様にして、区間ＳＮ−２から区間Ｓ２までの区間では、ＴＥ10モード励振時に発生する各高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長（ＬＮ−２〜Ｌ２）、各区間（ＳＮ−２〜Ｓ２）内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅（ＫＮ−２〜Ｋ２）、平坦部１０の幅（ＭＮ−１〜Ｍ２）を最適化により決定し、その後に、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように凹部９の深さ（ＵＮ−２〜Ｕ２）を最適化により決定する。これらの場合も、各区間のホーン３の軸長、テーパ部８の開き角、凹部９の開口幅および深さ、平坦部１０の幅等の各項目の最適化をおこなう際に、すでに最適化が終了している区間も併せて最適化を繰り返すことにより各項目の値を決め直すことが好ましい。
【００４０】
次いで、上記で決定した区間Ｓ２までの区間に区間Ｓ１を接続した区間では、ＴＥ10モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長Ｌ１、区間Ｓ１内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅Ｋ１、平坦部１０の幅Ｍ１を最適化により決定し、その後に、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように凹部９の深さＵ１を最適化により決定する。
【００４１】
上記のように、ＴＥ10モードおよびその高次モードがカットオフとなるような長さの凹部９をＥ面６の適切な位置に設けることにより、凹部９の開口幅を調整するだけでＴＥ10モードおよびその高次モードのモード発生量を制御することができ、凹部９の深さを調整してＴＥ01モードのモード発生量を制御することができる。このため、ホーン３の軸長を短くすることができ、なおかつＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時のそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、区間ごとに伝搬可能なモード数が順次一つずつ増えるように区間を分割したが、最適化が可能であれば区間ごとに伝搬可能なモード数が順次複数増えるように区間を分割してもよい。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【００４４】
［変形例１］
例えば、上記実施形態におけるテーパ部８は、平面状であるが、曲面状や階段状でも良い。図９は、Ｅ面６ののど元５側に平面状のテーパ部８が設けられ、開口面４側に曲線状のテーパ部８Ｂが設けられたホーン３Ｂのｘ−ｚ断面図である。同図に示すように、曲線状のテーパ部８Ｂを設けることにより、より多くの高次モードを発生させることができるので、モード合成の自由度が広がり、ホーン３Ｂの軸長をより短くすることができる。
【００４５】
［変形例２］
また、上記実施形態における凹部９の内部空間の横断面の形状および面積は、凹部９の開口面と同じであるが、その形状はおよび面積は任意に変更することができる。図１０は、凹部９Ｃの開口幅Ｋ1が凹部９Ｃの内部空間における底面近傍の磁界方向に沿った幅Ｋ2よりも小さくなるホーン３Ｃのｘ−ｚ断面図である。
【００４６】
［変形例３］
また、上記実施形態における凹部９内には、ＴＥ10モードの電界面および／または磁界面と平行に金属製の仕切板１１を設けることができる。図１１は、凹部９Ｄ内にＥ面と平行に仕切板１１が設けられ、凹部９Ｄが複数に分割されたホーン３Ｄのｘ−ｚ断面図である。同図に示すように、凹部９Ｄ内にＴＥ10モードの電界面と平行に仕切板１１を設けることで、ＴＥ10モードおよびその高次モードのモード発生量の制御をより容易におこなうことができる。
【００４７】
［変形例４］
さらに、上記実施形態では、Ｅ面６のみがホーン３の開口面４からのど元５に向かって先細りになるテーパ面を形成しているが、Ｈ面７も同様にテーパ面を形成していてもよく、Ｈ面７にもテーパ部、凹部および平坦部を設けてもよい。例えば、図１３や図１４に示す多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂに凹部を設けることができる。なお、Ｅ面６とＨ面７の両方に凹部を設ける場合は、凹部内の電磁界がカットオフとなるように、Ｅ面６の凹部とＨ面７と凹部とを互いに離間させ、それぞれの凹部が、Ｅ面６とＨ面７との境界で連通しないようにする必要がある。
【符号の説明】
【００４８】
１ ホーンアンテナ
２ 給電部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ ホーン
３１ 最適ホーン
４ 開口面（一端開口）
５ のど元（他端開口）
６ Ｅ面
７ Ｈ面
８ テーパ部
９ 凹部
１０ 平坦部
１１ 仕切板
【技術分野】
【０００１】
本発明は２つの直交する偏波からそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナの設計方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来のホーンアンテナとして、Ｅ面のみがテーパ面を形成し、偏波の磁界方向に広げられたＨ面扇形ホーンを備えたものや、Ｈ面のみがテーパ面を形成し、偏波の電界方向のみに広げられたＥ面扇形ホーンを備えたものが知られている。このような扇形ホーンには、図１２に示すように、軸長Ｌ’を一定にして開口面の大きさａ’×ｂ’を変化させたときに、利得が最大となる開口面の大きさａ’×ｂ’が存在し、その状態の扇形ホーンは最適ホーン３１と呼ばれる。最適ホーン３１は、Ｘ帯の標準導波管を例にとると、開口面の大きさａ’×ｂ’が１００ｍｍ×１０．１６ｍｍ、のど元の大きさＡ’×Ｂ’が２２．９ｍｍ×１０．１６ｍｍ、軸長Ｌ’が８１．３２ｍｍとなり、開口面での位相のずれがＥ面では１／４波長、Ｈ面では３／８波長となることが知られている。
【０００３】
ところで、上記の最適ホーン３１のような方形の開口面を有するホーンを備えたホーンアンテナは、２つの直交する偏波で励振するとモードの違いから開口面振幅分布が異なり、同じ形状の楕円ビームを発生させることができない。このため、上記ホーンアンテナを、成形ビームアンテナの一次放射器として用いる場合、楕円反射鏡を効率よく照射することができず利得が低下してしまう。
【０００４】
そこで、本件発明者らは、図１３および図１４に示すような多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナを提案している。図１３に示す多段ステップホーン３１Ａは、Ｅ面のみが階段状のテーパ面を形成するＨ面扇形ホーン１２と、Ｈ面のみが階段状のテーパ面を形成するＥ面扇形ホーン１３とが個別に設計され、縦続接続されたものである。一方、図１４に示す多段ステップホーン３１Ｂは、Ｅ面とＨ面とが交互に広がるピラミッド形に設計されたものである（例えば、非特許文献１参照）。これらの多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナによれば、２つの直交する偏波で励振させたときの楕円ビームの形状を一致させることができ、楕円反射鏡を効率よく照射することができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】松井祐介、出口博之、辻幹男、「直交偏波だ円ビーム多段ステップホーンの小型化」信学総大、Ｂ−１−６７、Ｍａｒ．２００８．
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂを備えたホーンアンテナでは、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を一致させることができるものの、ホーンの軸長が長くなってしまい、ホーンの小型化を図ることができないという問題が生じていた。
【０００７】
本発明は上記事情を鑑みてなされたものであって、その課題とするところは、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナ設計方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、本発明の第１発明に係るホーンアンテナは、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、Ｅ面はホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有し、開口幅は、一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、深さは他方の偏波による楕円ビームの形状が一方の偏波による楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されていることを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、一対の凹部の開口幅により一方の偏波のモード発生量（振幅）を制御することができ、さらに一対の凹部の深さにより他方の偏波のモード発生量（振幅および位相）を制御することができるので、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができる。
【００１０】
また、本発明の第２発明に係るホーンアンテナは、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの各一対の対向側面がそれぞれホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、一方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＥ面をなし、かつ他方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＨ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、Ｅ面およびＨ面は、それぞれ、ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、Ｅ面およびＨ面の凹部は、ともにＥ面とＨ面との境界線に接しておらず、Ｅ面の凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、Ｈ面の凹部は、内部空間に向かって横断面が方形状に開口して他方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、他方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は他方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、Ｅ面およびＨ面の凹部の深さは、一方の偏波により発生する楕円ビームの形状と他方の偏波により発生する楕円ビームの形状とが実質的に一致するような長さにそれぞれあらかじめ決定されていることを特徴とする。
【００１１】
この構成によれば、Ｅ面だけでなくＨ面にも一対の凹部が形成されているので、Ｈ面の凹部でも一方の偏波および他方の偏波のモード発生量を制御することができ、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１２】
上記テーパ面の前記中心軸に対して対称な位置には、一端開口と平行に設けられた少なくとも一対の平坦部がさらに形成されているのが好ましい。この構成によれば、一端開口と平行な一対の平坦部が設けられているので、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１３】
上記テーパ面の少なくとも一部は、曲面状または階段状に形成されていてもよい。この構成によれば、テーパ面を曲面状または階段状に形成することで、平面状のテーパ面と比較して一方の偏波からより多くの高次モードを発生させることができるので、モード合成の自由度が広がり、ホーンの軸長をより短くすることができる。
【００１４】
上記凹部の開口面積は、凹部の内部空間の横断面の面積よりも小さくてもよい。また、凹部内に、電界面と平行に少なくとも１つの仕切板を設けてもよいし、磁界面と平行に少なくとも１つの仕切板を設けてもよい。
【００１５】
また、本発明に係るホーンアンテナの設計方法は、横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かって先細りになるテーパ面を形成しており、ホーンの他端開口から２つの直交する偏波を、テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、一端開口から偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナの設計方法であって、（１）一端開口および他端開口の大きさを決定するステップと、（２）内部空間に向かって横断面が方形状に開口して一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、ホーンの中心軸に対して対称に形成される少なくとも一対の凹部のＥ面における位置を決定するステップと、（３）凹部の一方の偏波の磁界方向の開口幅を最適化により決定するステップと、（４）凹部の深さを最適化により決定するステップとを含み、ステップ（３）では、開口幅を前記一方の偏波がカットオフとなる長さに決定し、ステップ（４）では、深さを他方の偏波による前記楕円ビームが前記一方の偏波による楕円ビームの形状に実質的に一致する長さに決定することを特徴とする。
【００１６】
この構成によれば、一方の偏波がカットオフとなるように一対の凹部の開口幅を決定することにより、一方の偏波のモード発生量を凹部の開口幅によってのみ制御することができ、他方の偏波のモード発生量を凹部の深さによって制御することができるので、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができる。
【００１７】
また、本発明に係るホーンアンテナの設計方法は、ホーンの他端開口から一方の偏波を導入した場合における一端開口での開口面分布から、該開口面分布を構成している伝搬可能なモードを決定するステップと、ホーンの一端開口から他端開口までを中心軸に沿って、モードの数に応じた複数の区間に分割するステップとをさらに含み、上記ステップ（２）ないし（４）は、一端開口側から区間ごとに順次おこなうことが好ましい。この構成によれば、その区間で発生する伝搬可能なモードの発生量に注目して最適化を行うことができ、ホーンの形状を区間ごとに順次決定していくことができるため、ホーンの設計が容易になる。
【発明の効果】
【００１８】
上記構成によれば、凹部の開口幅を調整することにより一方の偏波のモード発生量を制御することができ、凹部の深さを調整することにより他方の偏波のモード発生量を制御することができるので、凹部の開口幅と深さを適切な長さに設定することで、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を一致させることができる。さらに、ホーンのＥ面に凹部を形成することにより、ホーンを一方の偏波の磁界方向に広げることができるので、ホーンの軸長を短くても開口面を所定の大きさにすることができる。したがって、本発明によれば、２つの直交する偏波で励振させたときのそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができ、なおかつホーンの軸長を短くすることができるホーンアンテナおよび該ホーンアンテナ設計方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に係るホーンアンテナを示す斜視図である。
【図２】本発明におけるホーンであって、（ａ）はｙ＝０におけるｘ−ｚ断面図、（ｂ）はｘ＝０におけるｙ−ｚ断面図である。
【図３】図２のＣ−Ｃ’断面（ｘ−ｙ平面）を開口面側から見た図であって、（ａ）はＴＥ10モードの電気力線、（ｂ）はＴＥ01モードの電気力線を示す図である。
【図４】凹部の働きを説明するためのホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図５】凹部の開口幅および深さに対するＴＥ10モードの振幅を示す図である。
【図６】凹部の深さに対するＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。
【図７】本発明に係るホーンアンテナにおけるＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。
【図８】本発明に係るホーンアンテナの設計方法を説明するための図である。
【図９】変形例１におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１０】変形例２におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１１】変形例３におけるホーンのｘ−ｚ断面図である。
【図１２】最適ホーンを示す斜視図である。
【図１３】Ｈ面扇形ホーンとＥ面扇形ホーンを縦続接続した多段ステップホーンを示す斜視図である。
【図１４】ピラミッド形の多段ステップホーンを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の好ましい実施形態について説明する。
【００２１】
［ホーンアンテナの構成］
図１に示すように、本発明に係るホーンアンテナ１は、矩形導波管からなる給電部２と、横断面（ｘ−ｙ断面）が方形の内部空間を有する金属製のホーン３とを備え、給電部２で励振された２つの直交する偏波（Ｘ帯のＴＥ10モードおよびＴＥ01モード）により、ホーン３の開口面（一端開口）４からそれぞれの楕円ビームを発生させるものである。
【００２２】
ホーン３は、方形の開口面４と、方形ののど元（他端開口）５と、各一対の対向側面６、７とから構成されている。一対の対向側面６は、開口面４からのど元５に向かってテーパ面を形成しており、一方の励振偏波の基本モードとなるＴＥ10モードに対するＥ面をなしている。これに対して、一対の対向側面７は、開口面４からのど元５に向かって平行に設けられており、ＴＥ10モードに対するＨ面をなしている。
【００２３】
テーパ面となる一対の対向側面（Ｅ面）６は、平面状のテーパ部８と、ホーン３の中心軸に対して対称な位置に形成された一対の凹部９および一対の平坦部１０とを有している。図２に示すように、凹部９は、Ｅ面６の電界方向全体にわたり内部空間に向かって横断面が方形状に開口しており、ＴＥ10モードの電界面と平行に延びている。ＴＥ10モードの磁界方向（ｘ方向）に沿った凹部９の開口幅はＫ１＝Ｋ２＝Ｋ３＝３ｍｍに設計されており、凹部９の深さはＵ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝９ｍｍに設計されている。平坦部１０は、ホーン３の軸長Ｌをより短くするために、開口面４と平行に設けられたものであり、ｘ方向に沿った幅がＭ１＝Ｍ２＝Ｍ３＝２ｍｍに設計されている。
【００２４】
本発明に係るホーンアンテナ１では、ＴＥ10モードとＴＥ01モードの両方を励振させるため、図２に示すように、ホーン３ののど元５はＡ×Ｂ＝２２．９ｍｍ×２２．９ｍｍの大きさをもった正方形に設計されている。また、ホーン３の開口面４はａ×ｂ＝１００ｍｍ×２２．９ｍｍの大きさをもった長方形に設計されている。
【００２５】
また、本発明に係るホーンアンテナ１では、Ｅ面６がテーパ面を形成しているため、ＴＥ10モード励振時には、開口面４に向かうにつれて、ＴＥ10モードの高次モードであるＴＥ30モード、ＴＥ50モード等の伝搬可能なモード（伝搬モード）が発生する。
【００２６】
図３は図２のＣ−Ｃ’断面におけるホーン３のｘ−ｙ平面を開口面４側から見た図であって、（ａ）はＴＥ10モードの電気力線を示し、（ｂ）はＴＥ01モードの電気力線を示す図である。図３（ａ）に示すように、ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなる。
【００２７】
図４は、ＴＥ10モード励振時における凹部９の働きを説明するために設計したホーン３Ａの図である。図４に示すホーン３Ａは、一対の凹部９が一段装荷され、のど元５から凹部９の開口面までの長さがｓ１＝１０ｍｍに設計されており、開口面４およびのど元５の大きさが最適ホーン３１と同様に設計されている。図５は、図４に示すホーン３Ａにおいて、凹部９の開口幅ｋ１を３ｍｍ、６ｍｍ、９ｍｍと変化させ、凹部９の深さｕ１をそれぞれ０から８ｍｍの間で変化させたときの１０ＧＨｚにおけるＴＥ10モードの振幅（モード発生量）を示す図である。同図から、凹部９の開口幅ｋ１を変化させるとＴＥ10モードの振幅は変化するが、開口幅ｋ１を固定して凹部９の深さｕ１を変化させてもＴＥ10モードの振幅はほとんど変化しないことが分かる。
【００２８】
表１は、図４に示すホーン３Ａにおいて、凹部９の開口幅ｋ１を３ｍｍとし、凹部９の深さｕ１を０、４ｍｍ、８ｍｍと変化させたときのＴＥ10モード、ＴＥ30モード、ＴＥ50モードの位相を示す表である。同表から、凹部９の深さｕ１を変化させても各モードの位相はほとんど変化しないことが分かる。
【００２９】
【表１】
【００３０】
図５および表１に示すように、凹部９の深さｕ１を変化させてもＴＥ10モードの振幅や位相はほとんど変化しないことから、ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなっていることが分かる。すなわち、凹部９の開口面では電磁界が乱れ境界条件を満たすように新たなモードが発生するが、この新たに発生したモードは、凹部９内に蓄積され、伝搬することなく減衰していくカットオフモードとなる。このように、ＴＥ10モードの振幅や位相は、凹部９の深さにほとんど影響を受けないため、凹部９の開口幅のみでＴＥ10モードの振幅を制御することができる。なお、カットオフモードが再変換されて、伝搬モードとなる場合もあるが、この再変換された伝搬モードは通常十分小さいため無視することができる。
【００３１】
一方、図３（ｂ）に示すように、ＴＥ01モード励振時には、凹部９内に伝搬モードが発生する。この伝搬モードは、凹部９の底面で反射するため、凹部９の深さによって振幅および位相が変化する。図６は、図２に示すホーン３において、凹部９の深さ（Ｕ１＝Ｕ２＝Ｕ３）を０、λ／８（λはＴＥ01モードの励振波長）ｍｍ、λ／４ｍｍと変化させたときのＴＥ01モード励振時の放射パターンを示す図である。同図から、凹部９の深さが変わることにより放射パターン（楕円ビームの形状）が変化することが分かる。本実施形態では、凹部９の深さをＵ１＝Ｕ２＝Ｕ３＝９ｍｍとすることで、図７に示すように、ＴＥ01モード励振時の放射パターンをＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致させている。
【００３２】
上記のように、本発明に係るホーンアンテナ１では、Ｅ面６に、凹部９や平坦部１０が設けられているためホーン３の軸長Ｌを短くすることができる。本実施形態では、ホーン３の軸長Ｌを４４．０２ｍｍにすることができ、最適ホーン３１の軸長Ｌ’の半分近くまで短縮することができている。さらに、凹部９の開口幅によりＴＥ10モードのモード発生量（振幅）を制御することができ、凹部９の深さによりＴＥ01モードのモード発生量（振幅および位相）を制御することができるので、ＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の楕円ビームの形状を容易に一致させることができる。
【００３３】
［ホーンアンテナの設計方法］
次に、本発明に係るホーンアンテナ１の設計方法について説明する。
【００３４】
本発明に係るホーンアンテナ１の設計方法は、ホーン３の開口面４からのど元５までを該ホーン３の中心軸に沿って複数の区間に分割し、各区間のホーン３の形状をその区間内で新たに発生する高次モードを制御することにより順次設計していくというものである。
【００３５】
設計にあたって、最初に、所望の放射パターンを実現しうる開口面４およびのど元５の大きさを決定する（ステップ（１））。開口面４およびのど元５の大きさが定まると、ＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時の放射パターンから開口面分布が定まるので、開口面分布を構成しているモードを決定することができる。これにより、発生させる高次モードの数が決定し、図８に示すように制御すべきモードの数に応じた区間数（Ｓ１〜ＳＮ）が決定する。
【００３６】
なお、これらの区間では、区間内において伝搬可能なモード数が変わらないようになっており、開口面４側に向かうにつれて区間ごとに伝搬可能なモード数が順次一つずつ増えるようになっている。このため、各区間のホーン３の形状は、その区間で新たに発生する伝搬可能なモードの発生量に注目して設計することができ、区間ごとに順次決定していくことができる。具体的には、以下のように、開口面４側の区間ＳＮから順に、テーパ部８の開き角や平坦部１０の幅等を最適化により定めてＥ面における凹部９位置を決定し（ステップ（２））、凹部９の開口幅および深さを最適化により決定していく（ステップ（３）および（４））。なお、最適化とは、所望の開口面分布を得るために、テーパ部８の開き角、平坦部１０の幅、凹部９の開口幅および深さ等の開口面分布に影響を及ぼす項目の各値を微調整することをいう。
【００３７】
まず、区間ＳＮでは、ＴＥ10モード励振時に発生する第Ｎ次高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長ＬＮと、区間ＳＮ内のテーパ部８の開き角を最適化により決定する。
【００３８】
次いで、上記で決定した区間ＳＮに区間ＳＮ−１を接続した区間では、ＴＥ10モード励振時に発生する第Ｎ−１次高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長ＬＮ−１、区間ＳＮ−１内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅ＫＮ−１、平坦部１０の幅ＭＮ−１を最適化により決定する。ＴＥ10モード励振時には、凹部９内の電磁界はカットオフとなっており、凹部９の開口面で発生した新たなモードは伝搬することなく減衰していくので、凹部９の深さは第Ｎ−１次高次モードの開口面分布にほとんど影響を与えない。このため、ＴＥ10モード励振時において凹部９の開口幅ＫＮ−１を決定した後に、凹部９の深さＵＮ−１を決定することが好ましい。凹部９の深さＵＮ−１は、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように最適化することで決定する。なお、第Ｎ−１次高次モードの発生量および第Ｎ次高次モードの発生量が大きい場合は、ホーン３の軸長ＬＮ、区間ＳＮ内のテーパ部８の開き角の最適化を再度おこない、決め直すことが好ましい。
【００３９】
同様にして、区間ＳＮ−２から区間Ｓ２までの区間では、ＴＥ10モード励振時に発生する各高次モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長（ＬＮ−２〜Ｌ２）、各区間（ＳＮ−２〜Ｓ２）内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅（ＫＮ−２〜Ｋ２）、平坦部１０の幅（ＭＮ−１〜Ｍ２）を最適化により決定し、その後に、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように凹部９の深さ（ＵＮ−２〜Ｕ２）を最適化により決定する。これらの場合も、各区間のホーン３の軸長、テーパ部８の開き角、凹部９の開口幅および深さ、平坦部１０の幅等の各項目の最適化をおこなう際に、すでに最適化が終了している区間も併せて最適化を繰り返すことにより各項目の値を決め直すことが好ましい。
【００４０】
次いで、上記で決定した区間Ｓ２までの区間に区間Ｓ１を接続した区間では、ＴＥ10モードの開口面分布が所望の開口面分布となるように、ホーン３の軸長Ｌ１、区間Ｓ１内のテーパ部８の開き角、凹部９の開口幅Ｋ１、平坦部１０の幅Ｍ１を最適化により決定し、その後に、ＴＥ01モード励振時の放射パターンがＴＥ10モード励振時の放射パターンに実質的に一致するように凹部９の深さＵ１を最適化により決定する。
【００４１】
上記のように、ＴＥ10モードおよびその高次モードがカットオフとなるような長さの凹部９をＥ面６の適切な位置に設けることにより、凹部９の開口幅を調整するだけでＴＥ10モードおよびその高次モードのモード発生量を制御することができ、凹部９の深さを調整してＴＥ01モードのモード発生量を制御することができる。このため、ホーン３の軸長を短くすることができ、なおかつＴＥ10モードおよびＴＥ01モード励振時のそれぞれの楕円ビームの形状を容易に一致させることができる。
【００４２】
なお、本実施形態においては、区間ごとに伝搬可能なモード数が順次一つずつ増えるように区間を分割したが、最適化が可能であれば区間ごとに伝搬可能なモード数が順次複数増えるように区間を分割してもよい。
【００４３】
以上、本発明の好ましい実施形態について説明してきたが、本発明はこれらの構成に限定されるものではない。
【００４４】
［変形例１］
例えば、上記実施形態におけるテーパ部８は、平面状であるが、曲面状や階段状でも良い。図９は、Ｅ面６ののど元５側に平面状のテーパ部８が設けられ、開口面４側に曲線状のテーパ部８Ｂが設けられたホーン３Ｂのｘ−ｚ断面図である。同図に示すように、曲線状のテーパ部８Ｂを設けることにより、より多くの高次モードを発生させることができるので、モード合成の自由度が広がり、ホーン３Ｂの軸長をより短くすることができる。
【００４５】
［変形例２］
また、上記実施形態における凹部９の内部空間の横断面の形状および面積は、凹部９の開口面と同じであるが、その形状はおよび面積は任意に変更することができる。図１０は、凹部９Ｃの開口幅Ｋ1が凹部９Ｃの内部空間における底面近傍の磁界方向に沿った幅Ｋ2よりも小さくなるホーン３Ｃのｘ−ｚ断面図である。
【００４６】
［変形例３］
また、上記実施形態における凹部９内には、ＴＥ10モードの電界面および／または磁界面と平行に金属製の仕切板１１を設けることができる。図１１は、凹部９Ｄ内にＥ面と平行に仕切板１１が設けられ、凹部９Ｄが複数に分割されたホーン３Ｄのｘ−ｚ断面図である。同図に示すように、凹部９Ｄ内にＴＥ10モードの電界面と平行に仕切板１１を設けることで、ＴＥ10モードおよびその高次モードのモード発生量の制御をより容易におこなうことができる。
【００４７】
［変形例４］
さらに、上記実施形態では、Ｅ面６のみがホーン３の開口面４からのど元５に向かって先細りになるテーパ面を形成しているが、Ｈ面７も同様にテーパ面を形成していてもよく、Ｈ面７にもテーパ部、凹部および平坦部を設けてもよい。例えば、図１３や図１４に示す多段ステップホーン３１Ａ、３１Ｂに凹部を設けることができる。なお、Ｅ面６とＨ面７の両方に凹部を設ける場合は、凹部内の電磁界がカットオフとなるように、Ｅ面６の凹部とＨ面７と凹部とを互いに離間させ、それぞれの凹部が、Ｅ面６とＨ面７との境界で連通しないようにする必要がある。
【符号の説明】
【００４８】
１ ホーンアンテナ
２ 給電部
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ、３Ｄ ホーン
３１ 最適ホーン
４ 開口面（一端開口）
５ のど元（他端開口）
６ Ｅ面
７ Ｈ面
８ テーパ部
９ 凹部
１０ 平坦部
１１ 仕切板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、前記テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、
前記Ｅ面は、前記ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、
前記凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有し、
前記開口幅は、前記一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、
前記深さは、他方の偏波による前記楕円ビームの形状が前記一方の偏波による前記楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されていることを特徴とするホーンアンテナ。
【請求項２】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの各一対の対向側面がそれぞれ前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、一方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＥ面をなし、かつ他方の一対の対向側面が前記一方の偏波に対するＨ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、
前記Ｅ面および前記Ｈ面は、それぞれ、前記ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、
前記Ｅ面および前記Ｈ面の凹部は、前記Ｅ面と前記Ｈ面との境界で連通しておらず、
前記Ｅ面の凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は前記一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、
前記Ｈ面の凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して他方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記他方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は前記他方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、
前記Ｅ面および前記Ｈ面の凹部の深さは、前記一方の偏波により発生する楕円ビームの形状と前記他方の偏波により発生する楕円ビームの形状とが実質的に一致するような長さにそれぞれあらかじめ決定されていることを特徴とするホーンアンテナ。
【請求項３】
前記テーパ面の前記中心軸に対して対称な位置には、前記一端開口と平行に設けられた少なくとも一対の平坦部がさらに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のホーンアンテナ。
【請求項４】
前記テーパ面の少なくとも一部は、曲面状または階段状に形成されていること特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項５】
前記凹部の開口面積は、前記凹部の内部空間の横断面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項６】
前記凹部内には、前記電界面と平行な少なくとも１つの仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項７】
前記凹部内には、前記磁界面と平行な少なくとも１つの仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項８】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、前記テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナの設計方法であって、
（１）前記一端開口および前記他端開口の大きさを決定するステップと、
（２）前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記ホーンの中心軸に対して対称に形成される少なくとも一対の凹部の前記Ｅ面における位置を決定するステップと、
（３）前記凹部の前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を最適化により決定するステップと、
（４）前記凹部の深さを最適化により決定するステップとを含み、
前記ステップ（３）では、前記開口幅を前記一方の偏波がカットオフとなる長さに決定し、前記ステップ（４）では、前記深さを他方の偏波による前記楕円ビームが前記一方の偏波による前記楕円ビームの形状に実質的に一致する長さに決定することを特徴とするホーンアンテナの設計方法。
【請求項９】
前記ホーンの前記他端開口から前記一方の偏波を導入した場合における前記一端開口での開口面分布から、該開口面分布を構成している伝搬可能なモードを決定するステップと、
前記ホーンの前記一端開口から前記他端開口までを前記中心軸に沿って、前記モードの数に応じた複数の区間に分割するステップとをさらに含み、
前記ステップ（２）ないし（４）は、前記一端開口側から前記区間ごとに順次おこなうことを特徴とする請求項８に記載のホーンアンテナの設計方法。
【請求項１】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、前記テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、
前記Ｅ面は、前記ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、
前記凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅と、深さとを有し、
前記開口幅は、前記一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定され、
前記深さは、他方の偏波による前記楕円ビームの形状が前記一方の偏波による前記楕円ビームの形状と実質的に一致するような長さにあらかじめ設定されていることを特徴とするホーンアンテナ。
【請求項２】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの各一対の対向側面がそれぞれ前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、一方の一対の対向側面が一方の偏波に対するＥ面をなし、かつ他方の一対の対向側面が前記一方の偏波に対するＨ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナであって、
前記Ｅ面および前記Ｈ面は、それぞれ、前記ホーンの中心軸に対して対称な位置に少なくとも一対の凹部を有し、
前記Ｅ面および前記Ｈ面の凹部は、前記Ｅ面と前記Ｈ面との境界で連通しておらず、
前記Ｅ面の凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は前記一方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、
前記Ｈ面の凹部は、前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して他方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記他方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を有し、該開口幅は前記他方の偏波がカットオフとなるような長さにあらかじめ設定されており、
前記Ｅ面および前記Ｈ面の凹部の深さは、前記一方の偏波により発生する楕円ビームの形状と前記他方の偏波により発生する楕円ビームの形状とが実質的に一致するような長さにそれぞれあらかじめ決定されていることを特徴とするホーンアンテナ。
【請求項３】
前記テーパ面の前記中心軸に対して対称な位置には、前記一端開口と平行に設けられた少なくとも一対の平坦部がさらに形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載のホーンアンテナ。
【請求項４】
前記テーパ面の少なくとも一部は、曲面状または階段状に形成されていること特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項５】
前記凹部の開口面積は、前記凹部の内部空間の横断面の面積よりも小さいことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項６】
前記凹部内には、前記電界面と平行な少なくとも１つの仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１ないし５のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項７】
前記凹部内には、前記磁界面と平行な少なくとも１つの仕切板が設けられていることを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のホーンアンテナ。
【請求項８】
横断面が方形の内部空間を有するホーンを備え、前記ホーンの一対の対向側面が前記ホーンの方形の一端開口から方形の他端開口に向かってテーパ面を形成しており、前記ホーンの前記他端開口から２つの直交する偏波を、前記テーパ面が一方の偏波に対するＥ面をなすように導入し、前記一端開口から前記偏波のそれぞれの楕円ビームを発生させるホーンアンテナの設計方法であって、
（１）前記一端開口および前記他端開口の大きさを決定するステップと、
（２）前記内部空間に向かって横断面が方形状に開口して前記一方の偏波の電界面と平行に延びるとともに、前記ホーンの中心軸に対して対称に形成される少なくとも一対の凹部の前記Ｅ面における位置を決定するステップと、
（３）前記凹部の前記一方の偏波の磁界方向に沿った開口幅を最適化により決定するステップと、
（４）前記凹部の深さを最適化により決定するステップとを含み、
前記ステップ（３）では、前記開口幅を前記一方の偏波がカットオフとなる長さに決定し、前記ステップ（４）では、前記深さを他方の偏波による前記楕円ビームが前記一方の偏波による前記楕円ビームの形状に実質的に一致する長さに決定することを特徴とするホーンアンテナの設計方法。
【請求項９】
前記ホーンの前記他端開口から前記一方の偏波を導入した場合における前記一端開口での開口面分布から、該開口面分布を構成している伝搬可能なモードを決定するステップと、
前記ホーンの前記一端開口から前記他端開口までを前記中心軸に沿って、前記モードの数に応じた複数の区間に分割するステップとをさらに含み、
前記ステップ（２）ないし（４）は、前記一端開口側から前記区間ごとに順次おこなうことを特徴とする請求項８に記載のホーンアンテナの設計方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１２−３４２８５（Ｐ２０１２−３４２８５Ａ）
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１７３７６８（Ｐ２０１０−１７３７６８）
【出願日】平成２２年８月２日（２０１０．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０１０年２月１５日 同志社大学大学院工学研究科電気電子工学専攻 発行の「２００９年度電気電子工学専攻 博士課程（前期課程）修士論文審査会予稿集」において文書をもって発表
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年２月１６日（２０１２．２．１６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２日（２０１０．８．２）
【新規性喪失の例外の表示】特許法第３０条第１項適用申請有り ２０１０年２月１５日 同志社大学大学院工学研究科電気電子工学専攻 発行の「２００９年度電気電子工学専攻 博士課程（前期課程）修士論文審査会予稿集」において文書をもって発表
【出願人】（５０３０２７９３１）学校法人同志社 (346)
【Ｆターム（参考）】
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