ホーンアンテナは、シンプルな構造、広い周波数範囲、大きな電力容量、高い利得といった特徴を持つ、広く用いられているアンテナの一つです。ホーンアンテナ大規模な電波天文学、衛星追跡、通信アンテナにおいて、給電アンテナとしてよく用いられます。反射鏡やレンズへの給電として機能するだけでなく、フェーズドアレイの一般的な構成要素であり、他のアンテナの校正や利得測定における共通基準としても利用されます。
ホーンアンテナは、矩形導波管または円形導波管を特定の形状で徐々に展開することによって形成されます。導波管開口部の表面が徐々に拡大することで、導波管と自由空間との整合が改善され、反射係数が小さくなります。給電される矩形導波管では、可能な限り単一モード伝送、すなわちTE10波のみが伝送されるようにする必要があります。これにより、信号エネルギーが集中して損失が低減されるだけでなく、モード間干渉や多重モードによる追加的な分散の影響も回避できます。
ホーンアンテナの異なる展開方法に応じて、以下のように分類できます。セクターホーンアンテナピラミッド型ホーンアンテナ、円錐形ホーンアンテナ, 波型ホーンアンテナリッジホーンアンテナ、マルチモードホーンアンテナなど。これらの一般的なホーンアンテナについて、以下に一つずつ説明します。
セクターホーンアンテナ
Eプレーンセクターホーンアンテナ
E面セクターホーンアンテナは、電界の方向に対して一定の角度で開口した長方形の導波管で構成されている。
下図は、E面セクターホーンアンテナのシミュレーション結果を示しています。このパターンでは、E面方向のビーム幅がH面方向よりも狭くなっていますが、これはE面の開口部が大きいことに起因します。
H面セクターホーンアンテナ
H面セクターホーンアンテナは、磁場方向に対して一定の角度で開口した長方形の導波管で構成されている。
下図は、H面セクターホーンアンテナのシミュレーション結果を示しています。このパターンでは、H面方向のビーム幅がE面方向よりも狭くなっていますが、これはH面の開口部が大きいことに起因します。
RFMISOセクターホーンアンテナ製品：
RM-SWHA187-10
RM-SWHA28-10
ピラミッド型ホーンアンテナ
ピラミッドホーンアンテナは、長方形の導波管をある角度で同時に2方向に開いた構造になっている。
下図は、ピラミッド型ホーンアンテナのシミュレーション結果を示しています。その放射特性は、基本的にE面セクターホーンとH面セクターホーンの組み合わせとなっています。
円錐形ホーンアンテナ
円形導波管の開口端が角状になっている場合、それを円錐ホーンアンテナと呼びます。円錐ホーンアンテナは、その上部に円形または楕円形の開口部を備えています。
下図は、円錐形ホーンアンテナのシミュレーション結果を示しています。
RFMISO円錐形ホーンアンテナ製品：
RM-CDPHA218-15
RM-CDPHA618-17
波型ホーンアンテナ
コルゲートホーンアンテナは、内面が波状になっているホーンアンテナです。広い周波数帯域、低い交差偏波、優れたビーム対称性といった利点がありますが、構造が複雑で、加工の難易度とコストが高いという欠点があります。
コルゲートホーンアンテナは、ピラミッド型コルゲートホーンアンテナと円錐型コルゲートホーンアンテナの2種類に分類できます。
RFMISO規格準拠のコルゲートホーンアンテナ製品：
RM-CHA140220-22
ピラミッド型波状ホーンアンテナ
円錐形波状ホーンアンテナ
下図は、円錐形コルゲートホーンアンテナのシミュレーション結果を示しています。
稜線のあるホーンアンテナ
従来のホーンアンテナの動作周波数が15GHzを超えると、バックローブが分裂し始め、サイドローブのレベルが上昇します。スピーカーキャビティにリッジ構造を追加することで、帯域幅の拡大、インピーダンスの低減、ゲインの向上、放射指向性の向上を実現できます。
リッジホーンアンテナは、主にダブルリッジホーンアンテナとフォーリッジホーンアンテナに分類されます。以下では、最も一般的なピラミッド型ダブルリッジホーンアンテナを例としてシミュレーションを行います。
ピラミッド型ダブルリッジホーンアンテナ
導波管部とホーン開口部部の間に2つのリッジ構造を追加することで、ダブルリッジホーンアンテナが実現される。導波管部は、バックキャビティとリッジ導波管に分割される。バックキャビティは、導波管内で励起される高次モードをフィルタリングする役割を果たす。リッジ導波管は、主モード伝送のカットオフ周波数を低減することで、周波数帯域の拡大を実現する。
リッジホーンアンテナは、同じ周波数帯域の一般的なホーンアンテナよりも小型で、同じ周波数帯域の一般的なホーンアンテナよりも高い利得を持つ。
下図は、ピラミッド型二重リッジホーンアンテナのシミュレーション結果を示している。
マルチモードホーンアンテナ
多くの用途において、ホーンアンテナには、すべての平面で対称的なパターン、E面とH面での位相中心の一致、およびサイドローブの抑制が求められます。
マルチモード励振ホーン構造は、各平面のビーム均等化効果を向上させ、サイドローブレベルを低減することができる。最も一般的なマルチモードホーンアンテナの一つは、デュアルモード円錐ホーンアンテナである。
デュアルモード円錐形ホーンアンテナ
デュアルモードコーンホーンは、高次モードTM11モードを導入することでE面パターンを改善し、軸対称で均一なビーム特性を持つパターンを実現します。下図は、円形導波管における主モードTE11モードと高次モードTM11モードの開口電界分布、および合成された開口電界分布の概略図です。
デュアルモード円錐ホーンの構造的な実装形態は唯一無二のものではない。一般的な実装方法としては、ポッターホーンやピケット・ポッターホーンなどが挙げられる。
下図は、ポッター型デュアルモード円錐ホーンアンテナのシミュレーション結果を示している。
投稿日時：2024年3月1日
