ホーンアンテナ

ホーンアンテナまたはマイクロ波ホーンは、ホーン状に広がった金属導波管で構成され、電波をビーム状に指向するアンテナです。ホーンは、300 MHzを超えるUHFおよびマイクロ波周波数帯でアンテナとして広く使用されています。 ^{[ 1 ]} これらは、放物面アンテナなどの大型アンテナ構造の給電アンテナ(給電ホーンと呼ばれる) として、他のアンテナの利得を測定するための標準校正アンテナとして、またレーダーガン、 自動ドアオープナー、マイクロ波放射計などのデバイスの指向性アンテナとして使用されます。^{[ 2 ]} その利点は、適度な指向性、広い帯域幅、低損失、簡単な構造と調整です。^{[ 3 ]} 

最初のホーンアンテナの1つは、1897年にベンガル系インド人の無線研究者ジャガディッシュ・チャンドラ・ボースがマイクロ波の先駆的な実験で製作したものです。^{[ 4 ] [ 5 ]} 現代のホーンアンテナは、1938年にウィルマー・バローとGCサウスワースによって独自に発明されました^{。[ 6 ] [ 7 ] [ 8 ] [ 9 ]}第二次世界大戦中のレーダー の開発は、レーダーアンテナ用の給電ホーンを設計するためのホーン研究を刺激しました。1962年にケイによって発明されたコルゲートホーンは、衛星放送受信アンテナや電波望遠鏡などのマイクロ波アンテナの給電ホーンとして広く使用されるようになりました。^{[ 9 ]}

ホーンアンテナの利点は、共振素子がないため、広い周波数範囲、つまり広い帯域幅で動作できることです。ホーンアンテナの使用可能な帯域幅は通常10:1程度で、最大20:1まで可能です（たとえば、1GHzから 20GHzまで動作できます ）。^{[ 1 ]} 入力インピーダンスはこの広い周波数範囲で緩やかに変化するため、帯域幅全体で低い電圧定在波比（VSWR）を実現できます。 ^{[ 1 ]} ホーンアンテナの利得は最大25dBiで、10～20dBiが一般的です。^{[ 1 ]}

ホーンアンテナは、導波管（電波を伝送するために使用される金属管）から電波を宇宙空間に送信したり、受信のために電波を導波管に集めたりするために使用されます。通常、ホーンアンテナは、片端が閉じた長方形または円筒形の短い金属管（導波管）で構成され、もう一方の端は円錐形またはピラミッド形の開口部を持つホーンになっています。^{[ 10 ]} 電波は通常、側面に取り付けられた同軸ケーブルによって導波管に導入され、中心導体が導波管内に突き出て1/4波長モノポールアンテナを形成します。その後、電波はホーン端から狭いビームで放射されます。一部の機器では、送信機または受信機とアンテナの間を導波管によって電波が伝送されます。この場合、ホーンは導波管の端に取り付けられます。衛星放送受信アンテナのフィードホーンなどの屋外ホーンでは、湿気を遮断するために、ホーンの開口部が電波に対して透明なプラスチックシートで覆われていることがよくあります。

ホーンアンテナは、トランペットなどの楽器の音波に対する音響ホーンと同様の機能を電磁波に対して果たします。管のインピーダンスを自由空間のインピーダンスに整合させるための緩やかな遷移構造を提供し、管からの波が効率的に空間に放射されることを可能にします。^{[ 11 ]}

単純な開口端導波管をホーンなしでアンテナとして使用すると、導電壁の急な終端により、開口部でインピーダンスが急激に変化し、導波管内の波のインピーダンスから自由空間のインピーダンス（約 377 Ω）に変わります。^{[ 2 ] [ 12 ]} 導波管を通過する電波が開口部に当たると、このインピーダンスの段差により、波のエネルギーのかなりの部分が導波管を下って送信元に向かって反射されるため、すべての電力が放射されるわけではありません。これは、開口端伝送線路や、ガラス面のように屈折率の低い光学媒体と高い光学媒体の境界での反射に似ています。反射波は導波管内に 定在波を引き起こし、 SWR を増加させ、エネルギーを浪費し、送信機を過熱させる可能性があります。さらに、導波管の開口部が小さい（1 波長未満）ため、そこから出る波が大きく回折し、指向性の低い広い放射パターンになります。

これらの劣悪な特性を改善するために、導波管の両端は広がってホーンを形成します。ホーンのテーパーは、ホーンの長さに沿ってインピーダンスを徐々に変化させます。^{[ 12 ]} これはインピーダンス整合トランスのように機能し、波のエネルギーの大部分が最小限の反射でホーンの端から空間に放射されます。このテーパーは、テーパー伝送線路や、屈折率が滑らかに変化する光学媒体と同様に機能します。さらに、ホーンの広い開口部により、波は狭いビームで投影されます。

反射電力が最小となるホーンの形状は指数テーパーです。^{[ 12 ]}指数ホーンは、衛星アンテナや電波望遠鏡 など、信号損失を最小限に抑える必要がある特殊な用途で使用されます。しかし、円錐形やピラミッド形のホーンは、側面が直線で設計や製造が容易なため、最も広く使用されています。

波はホーン内を球面波面として伝搬し、その発生源はホーンの頂点、すなわち位相中心と呼ばれる点です。ホーンの開口部における電界と磁界のパターンは、放射パターンを決定するものであり、導波管内の電界と磁界を拡大したものです。波面は球面であるため、頂点からの中心点と端点までの距離の違いにより、位相は開口面の端から中心に向かって滑らかに増加します。中心点と端点間の位相の差は位相誤差と呼ばれます。この位相誤差はフレア角とともに増加し、利得を低下させ、ビーム幅を広げるため、ホーンはパラボラアンテナなどの同サイズの平面波アンテナよりも広いビーム幅を持ちます。

フレア角では、ビームローブの放射は 最大値から約20 dB低下します。^{[ 13 ]}

ホーンのサイズ（波長で表される）が大きくなると、位相誤差が大きくなり、ホーンの放射パターンが広くなります。ビーム幅を狭く保つには、位相誤差を一定に保つために、より長いホーン（より小さなフレア角）が必要になります。位相誤差の増加により、実用的なホーンの開口サイズは約 15 波長に制限されます。より大きな開口には、実用的ではないほど長いホーンが必要になります。^{[ 14 ]} これにより、実用的なホーンの利得は約 1000 (30 dBi) に制限され、対応する最小ビーム幅は約 5～10° になります。^{[ 14 ]}

以下に、ホーンアンテナの主な種類を示します。ホーンは、電界方向と磁界方向において、異なるフレア角度や異なる拡張曲線（楕円形、双曲線形など）を持つことができ、非常に多様なビームプロファイルを実現できます。

ピラミッド型ホーン（図a） – 四角錐形のホーンを持ち、断面が長方形のホーンアンテナ。長方形導波管とともに使用される一般的なタイプで、直線偏波の電波を放射する。^{[ 12 ]}

セクターホーン– ピラミッド型のホーンで、片側の側面のみが広がっており、もう片側の側面は平行です。扇形のビームを生成し、広がった側面の平面ではビーム幅が狭く、狭い側面の平面ではビーム幅が広くなります。このタイプのホーンは、広域探索レーダーアンテナの給電ホーンとしてよく使用されます。

E面ホーン（図b） –導波管内の電界またはE電界の方向に広がったセクターホーン。

H面ホーン（図c） –導波管内の磁場またはH場の方向に広がったセクターホーン。

円錐形ホーン（図d） –円錐形をしたホーンで、断面は円形です。円筒形導波管と組み合わせて使用​​されます。

指数ホーン（図e） – 側面が湾曲したホーンで、側面間の間隔が長さの指数関数として増加します。スカラーホーンとも呼ばれ、断面はピラミッド型または円錐型になります。指数ホーンは内部反射が最小限で、広い周波数範囲にわたってインピーダンスやその他の特性がほぼ一定です。通信衛星アンテナや電波望遠鏡の給電ホーンなど、高性能が求められる用途に使用されます。

コルゲートホーンとは、波長に比べて小さい平行な溝がホーンの内面全体に、軸に垂直に並んだホーンのことです。コルゲートホーンは帯域幅が広く、サイドローブと交差偏波が小さいため、衛星放送受信アンテナや電波望遠鏡の給電ホーンとして広く使用されています。

デュアルモード円錐ホーン– (ポッターホーン^{[ 15 ]} ) このホーンは、コルゲートホーンが損失が大きく製造が難しいサブミリ波帯で使用する際に、コルゲートホーンの代わりに使用できます。

斜めホーン– このシンプルなデュアルモードホーンは、一見すると正方形の出力開口部を持つピラミッド型ホーンのように見えます。しかし、詳しく調べると、正方形の出力開口部は導波管に対して45°回転していることがわかります。これらのホーンは通常、分割ブロックに加工され、サブミリ波で使用されます。^{[ 16 ]}

リッジホーン– ピラミッド型のホーンで、ホーンの内側にリッジまたはフィンが取り付けられており、側面の中央に沿って伸びています。フィンによってカットオフ周波数が下がり、アンテナの帯域幅が広がります。

中隔角– 内部の金属製の仕切り（中隔）によって複数の小角に分割され、それらが反対側の壁に取り付けられている角。

開口制限ホーン– 位相誤差が波長の無視できるほど小さくなるほど長い、細長いホーン^{[ 13 ]}で、実質的に平面波を放射します。開口効率は1.0なので、与えられた開口サイズに対して最大の利得と最小のビーム幅が得られます。利得は長さの影響を受けず、開口での回折によってのみ制限されます。^{[ 13 ]}電波望遠鏡やその他の高解像度アンテナ のフィードホーンとして使用されます。

開放境界四重リッジホーン– 開放境界を持つ四重構造として設計された特殊なタイプのホーンアンテナ。広い周波数範囲をカバーし、偏波は二重直線です。^{[ 17 ]}

開放境界二重リッジホーン– 上記の開放境界四重リッジホーンと同様。広い周波数範囲、低いVSWR、高ゲインで動作するように設計されている。^{[ 10 ]}

特定の周波数とホーンの長さに対して、反射が最小で利得が最大となるフレア角が存在します。直線状のホーンにおける内部反射は、波の経路に沿ってインピーダンスが急激に変化する2つの場所、すなわちホーンの開口部と、側面が広がり始めるスロートで発生します。これら2つの場所での反射量は、ホーンのフレア角（側面が軸となす角度）によって変化します。フレア角が小さい狭いホーンでは、反射の大部分はホーンの開口部で発生します。開口部が小さいため、インピーダンスの段差が大きい開放端導波管に近似し、アンテナの利得は低くなります。角度が大きくなるにつれて、開口部での反射は急速に減少し、アンテナの利得は増加します。対照的に、フレア角が90°に近い広いホーンでは、反射の大部分はスロートで発生します。スロートが開放端導波管に近似し、ホーンの利得は再び低くなります。角度が小さくなると、この場所での反射量が減少し、ホーンのゲインが再び増加する。

この議論から、0°から90°の間には、最大の利得と最小の反射をもたらすフレア角度が存在することがわかります。^{[ 18 ]} これは最適ホーンと呼ばれます。ほとんどの実用的なホーンアンテナは最適ホーンとして設計されています。ピラミッドホーンでは、最適ホーンとなる寸法は次のとおりです。^{[ 18 ] [ 19 ]}

${\displaystyle a_{E}={\sqrt {2\lambda L_{E}}}\qquad a_{H}={\sqrt {3\lambda L_{H}}}$

円錐形のホーンの場合、最適なホーンとなる寸法は次のとおりです。^{[ 18 ]}

${\displaystyle d={\sqrt {3\lambda L}}}$

どこ

Eは電界方向における開口部の幅である_。

HはH磁場方向の開口部の幅である_。

L _Eは、電場方向における側面の斜高である。

L _Hは、H 磁場方向における側面の斜高です。

dは円筒形ホーン開口部の直径である。

Lは円錐の頂点からの斜高である。

λは波長です

最適なホーンは、特定の開口サイズに対して最大の利得をもたらすものではありません。最大の利得は、非常に長いホーン（開口制限ホーン）によって達成されます。最適なホーンは、特定のホーン長に対して最大の利得をもたらします。様々な周波数における最適なホーンの寸法を示す表は、マイクロ波ハンドブックに掲載されています。

ホーンアンテナは損失が非常に少ないため、ホーンの指向性はほぼゲインに等しくなります。^{[ 1 ]}ピラミッド型ホーンアンテナの ゲインG （ビーム軸に沿った放射電力強度と、同じ入力電力を持つ等方性アンテナの強度との比）は次のとおりです。^{[ 19 ]}

${\displaystyle G={\frac {4\pi A}{\lambda ^{2}}}e_{A}}$

円錐形のホーンの場合、ゲインは次のようになります。^{[ 18 ]}

${\displaystyle G=\left({\frac {\pi d}{\lambda }}\right)^{2}e_{A}}$

どこ

Aは開口部の面積であり、

dは円錐角の開口径である。

λは波長です。

e _Aは、開口効率と呼ばれる 0 から 1 の間の無次元パラメータです。

実用的なホーンアンテナでは、開口効率は 0.4 ～ 0.8 の範囲です。最適なピラミッド型ホーンでは、e _A = 0.511. ^{[ 18 ]}、最適な円錐型ホーンでは、e _A = 0.522. ^{[ 18 ]} となります。そのため、0.5 という近似値がよく使われます。開口効率はホーンの長さとともに増加し、開口制限のあるホーンではほぼ 1 になります。

ホーンと放物面反射鏡を組み合わせたタイプのアンテナは、ホッグホーンアンテナ、またはホーン反射鏡アンテナとして知られており、1941年にアルフレッド・C・ベックとハラルド・T・フリースによって発明され^{[ 20 ]} 、 1961年にベル研究所 のデビッド・C・ホッグによってさらに発展させられました^{[ 21 ]。} 特徴的な形状から「シュガースクープ」とも呼ばれています。ホーンアンテナと、ホーンの開口部に45度の角度で取り付けられた反射鏡で構成されており、放射ビームはホーンの軸に対して直角になります。反射鏡は放物面反射鏡の一部であり、反射鏡の焦点はホーンの頂点にあるため、この装置はオフアクシス給電の放物面アンテナに相当します。^{[ 22 ]} この設計の標準的な放物面アンテナに対する利点は、ホーンが主ビーム軸外の角度から来る放射からアンテナを遮蔽するため、放射パターンのサイドローブが非常に小さいことです。^{[ 23 ]} また、通常の前面給電放物面アンテナのように、開口部が給電部とその支持部によって部分的に遮られることがないため、前面給電アンテナの 55〜60% に対して 70% の開口効率を達成できます。^{[ 22 ]}欠点は、同じ開口面積に対して放物面アンテナよりもはるかに大きく重く、完全に操舵可能にするには扱いにくいターンテーブルに取り付ける必要があることです。 この設計は、1960 年代にいくつかの電波望遠鏡や通信衛星の地上アンテナに使用されました。 しかし、最大の用途は、 AT&T Long Linesマイクロ波ネットワークのマイクロ波中継リンクの固定アンテナとしてでした。^{[ 21 ] [ 23 ] [ 24 ]} 最もよく知られた例の一つは、広帯域アンテナとして設計され、ウェスタン・エレクトリック社が販売したKS-15676ファミリーのホーンアンテナである。1970年代以降、この設計は、より軽量でコンパクトな構造で同等のサイドローブ性能を実現できる、覆い付きパラボラアンテナに取って代わられた。おそらく最も写真に撮られ、最もよく知られている例は、ニュージャージー州ホルムデルのベル研究所にある長さ15メートル（50フィート）のホルムデルホーンアンテナ^{[ 21 ]}である。アーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンは、このアンテナを用いて1965年に宇宙マイクロ波背景放射を発見し、1978年のノーベル物理学賞を受賞した。もう一つの最近のホーン反射器設計はカセグレンホーンで、これは2つの反射器を使用したホーンとカセグレン放物面アンテナの組み合わせである。^{[ 25 ]}

米国ニュージャージー州ホルムデルにあるベル研究所に設置された、高さ15メートル（50 フィート）のホルムデルホーンアンテナ。1964年にアーノ・ペンジアスとロバート・ウィルソンはこのアンテナを用いて宇宙マイクロ波背景放射を発見した。

米国メイン州アンドーバーにあるAT&T衛星通信施設に設置された、高さ54メートル（177 フィート）の大型ホーン反射鏡アンテナ。 1960年代に、初の直接中継通信衛星であるテルスターとの通信に使用された。

AT&TロングラインズKS-15676 Cバンド（4～6GHz）マイクロ波リレーホーンリフレクターアンテナ^{[ 24 ]}は、米国ワシントン州シアトルのAT&T電話交換センターの屋上に設置されている。

ホーン型反射鏡アンテナ

• マイクロ波放射計（ジュノー探査機）（木星観測用にホーンアンテナ1基を使用）

• ホーンアンテナAntenna-Theory.com
• 「KS-15676 ホーンリフレクターアンテナの説明」（PDF）。ベルシステムプラクティス、第3版、セクション402-421-100。AT &T社、1975年9月。アルバート・ラフランス氏[long-lines.net]のウェブサイトにて
• 米国特許番号2416675 「ホーンアンテナシステム」、1941年11月26日出願、アルフレッド・C・ベック、ハロルド・T・フリース（Google Patentsより）