Nec2ppSubRef_2.pub

Size: px

Start display at page:

Download "Nec2ppSubRef_2.pub"

ふじよしももき
5 years ago
Views:

1 Feed Radiation Pattern from Subreflector Yoshiyuki Takeyasu / JA6XKQ サブリフレクタからの放射パターン武安義幸 / JA6XKQ プライムフォーカスでのフィードホーンアンテナのシミュレーションを継続している [1] パラボラアンテナを要素ごとに分割して検討を進め最終的にはアンテナ総合での特性を設計し評価することが目的であるのでフィードホーンアンテナから検討要素を一つ進めるマルチリフレクタとしてフィードホーンアンテナのシミュレーションにサブリフレクタを追加しサブリフレクタからの放射パターンを図示してみたそこにはホーンアンテナ単体での特性とは違った知見が得られたはじめにアマチュアのマルチリフレクタアンテナ例えばカセグレンアンテナの設計と言えば光線の幾何学的なトレースを用いてサブリフレクタの双曲面パラメータを決定する程度であろうアンテナ総合での各種特性を考慮して設計パラメータを合理的に決定するツールとして W1GHZ のスプレッドシート Cassegrain_design.xls がある [] このツールから得た設計パラメータでどのような放射パターンでゲインは幾らで G/T が如何なるものか知りたいところであるモーメント法 (Method of Moment: MoM) の NEC を用いて W1GHZ 自身は 1998 年から 1999 年にサブリフレクタの検討を行なっている [3] 当時は PC の CPU 性能とメモリ容量の制限から直径 5.6 波長の平板リフレクタをシミュレーションするに留まっている当時の 500 MHz CPU & 18 MB RAM と現状を比べるとホーンアンテナと双曲面リフレクタを NEC++ で試さない理由はないであろう反射板を取扱うシミュレーション手法としてはメモリ容量と計算時間の観点において優位性を持つ PO : Physical Optics [4] が一般的である文献 [4] ではフィードホーンとして解析的な輻射パターンが例題と使用されているしかしここでは任意なフィードホーンの輻射パターンを解析したいことが MoM の NEC++ を用いたもう一つの理由であるいずれは文献 [4] の PO コードに NEC++ によるフィードホーンのシミュレーション結果を統合してアンテナ総合の特性を評価したいところであるシミュレーションを担う NEC++ にはメモリ使用のソフトウエアとしての制限は無いので [5] ホーンアンテナのモデルジェネレータに双曲面生成のルーチンを追加するだけであるモデルジェネレータ GNU Octave で記述したホーンアンテナのモデル生成プログラムに双曲面生成のルーチンを追加したホーンアンテナとサブリフレクタの関係を図 -1 に示す図中の寸法パラメータについて前述の Cassegrain_design.xls 等のツールで得られた値をモデルジェネレータに与えるモデルジェネレータは与えられたパラメータを用いて双曲面を四角形 ( Quadrilateral ) の Surface Patch で近似する Surface Patch を用いてモデルを生成するにあたってはパッチ総数 (= メモリ使用量 ) とシミュレーション精度の観点から Surface Patch のセグメントサイズを変更できるようにした Surface Patch で曲面を近似することはコニカルホーンアンテナと同様であるしかし注意を要する点は Surface Patch の表裏の定義である Surface Patch は反射する表面と反射しない裏面を持つ [6] したがってホーンアンテナでは反射する表面をホーンの内側に向くように双曲面のサブリフレクタでは反射する表面を凸面側に向くように配置しなくてはならない NEC++ を使い始めた当初この Surface Patch の定義を理解していなかったためモデルジェネレータでの記述を試行錯誤した経緯がある [7] Surface Patch の表裏の定義を図 - に示す [6] 直交座標系 XYZ に頂点 1~4 を持つ四角形の Surface Patch が配置されている ^t1 と ^t はパッチ上の直交する単位ベクトルで ^t1 は四角形の辺 1 と平行である ^n は単位法線ベクトルで反射する表面の向きを示している頂点 1~4 の配置順番を右回り ( 時計回り ) に見てパッチを右ネジの頭と見なし右回りに回した時にネジが進む方向を示したものが単位法線ベクトルすなわち反射する表面となる Surface Patch の表裏が正しいかの判定はビューワで見るのが簡単だろう

2 XnecView [8] は反射する表面を明るい水色で反射しない裏面を暗い緑色で表示するので判定が簡単にできる図 -1 は生成したモデルを XnecView を用いて Y 軸方向から表示したものでサブリフレクタが明るい水色で表示されているので反射する表面がフィードのホーンアンテナと対向している様子が解る一方ホーンアンテナの外側が暗い緑色で表示されているので反射しない裏面が外側であり反射する表面がホーンの内側になっていることが解る故にモデルは正しく生成されている計算例シミュレーションの結果を実測値と比較検討したいので計算例として JA4BLC 又賀 OM のカセグレンアンテナの設計パラメータ [9] を借用する如何なるフィードアンテナが適しているのかを検討する目的から F = 0.5 タイプと F = 0.7 タイプの二種類をシミュレーションする周波数は GHz とするフィードアンテナである WIMU ホーンの寸法パラメータは表 -1 のとおり寸法パラメータの算出には W1GHZ のプログラム HDL_ANT.exe を用いた [10] Dsub サブリフレクタは双曲面でありそのパラメータ定義を図 -3 に示すカセグレンアンテナ総合での配置はメインリフレクタの焦点とサブリフレクタの一方の焦点を一致させフィードホーンアンテナの位相中心 ( Phase Center ) とサブリフレクタのもう一方の焦点を一致させるサブリフレクタの寸法パラメータを表 - に示す Z R1 S + Offset 4 ˆt ˆt 1 3 nˆ R0 L L0 L1 ẑ r r 0 1 xˆ ŷ Y X 図 -1 : フィードホーンアンテナとサブリフレクタの関係図 - : Quadrilateral Surface Patch の表裏の定義

3 カセグレンアンテナの設計としてはフィードホーンアンテナの位相中心 ( Phase Center ) とサブリフレクタのもう一方の焦点を一致させる訳であるが位相中心も焦点も物理的な位置 ( 寸法 ) が見える ( 実測できる ) 訳ではないのでアンテナを工作する際に実測可能な寸法へこれらを置換してシミュレーションのパラメータを設定したすなわちフィードホーン開口先端とサブリフレクタ頂点の相対位置関係を示すパラメータとして図 -1 に示す S + Offset を定義した S はサブリフレクタの焦点と頂点の間隔 ( 設計値 ) であるそして Offset はフィードホーン開口先端位置の調整量であるシミュレーション結果 - ホーン単体のラジエーションパターンシミュレーション結果 - サブリフレクタからのラジエーションパターン次にフィードホーンのラジエーションがサブリフレクタで如何に広がっているのかを示す図 -6 は F = 0.55 タイプ WIMU ホーンとサブリフレクタの組合わせ図 -7 は F = 0.7 タイプ WIMU ホーンとサブリフレクタの組合わせによるラジエーションパターンである図 -8 と図 -9 に図 -6 と図 -7 の真数表示を示すいずれもフィードホーン開口先端とサブリフレクタ頂点の相対位置関係を示すパラメータ S + Offset は 95.61mm であり Offset が 0mm の場合を示しているすなわちフィードホーン開口先端がサブリフレクタの焦点に合致しているまず基本となるホーン単体のラジエーションパターンを示す図 -4 は F = 0.55 タイプの WIMU ホーン図 -5 は F = 0.7 タイプの WIMU ホーンのラジエーションパターンであるここで F 値はプライムフォーカスの場合の値でありフィードがメインリフレクタを見込む角度は F = 0.55 で 98 度 F = 0.7 で 79 度となるラジエーションパターンからメインリフレクタ端でのイルミネーションはそれぞれ 9.8 db と 9.0 db であるサブリフレクタの目的はこれらフィードホーンのラジエーションをメインリフレクタへの放射角度に合致するようにブロードに広げることである Dimension (mm) Type : F = 0.55 Type : F = 0.7 f 0 y a b f 0 x x a a f e = c = y b + b c a = 1 = c R L c R L f L 表 -1 : WIMU ホーンアンテナの寸法パラメータ図 -3 : 双曲面サブリフレクタの寸法パラメータの定義

4 シミュレーション結果 - 間隔を変えた時のラジエーションパターンホーンアンテナ開口端とサブリフレクタ頂点の間隔を変えた時のラジエーションパターンを示す図 -10 ~ 図 -18 に F = 0.55 タイプ図 -19 ~ 図 -7 に F = 0.7 タイプの場合を示す図においてはホーンアンテナ開口端とサブリフレクタ頂点の間隔を 1/4 波長毎に変えているすなわち Offset を 1 波長から +1 波長としている Offset が負では間隔が狭く正では間隔が広いことを示すカセグレンアンテナの設計ではホーンアンテナの位相中心をサブリフレクタの焦点におくことが求められるしかし WIMU ホーンの位相中心が不明であるためホーンアンテナの開口端とサブリフレクタ頂点の間隔を変えた時のラジエーションパターンの変化から位相中心が焦点に合致する様子を捉えられないかとシミュレーションを行なった考察まず照射テーパーについてホーンアンテナ単体とサブリフレクタを比較する次にいわゆる焦点合わせについてサブリフレクタからのラジエーションパターンを考察する Sub-reflector Parameter Dimension (mm) a 6.85 b c Focal Length f f0 to Vertex S Diameter 300 Depth 表 - : 双曲面サブリフレクタの寸法パラメータ F = 0.55 と F = 0.7 のプライムフォーカスのパラボラアンテナにおいてフィードアンテナがメインリフレクタを見込む幾何学的な立体角 ( 放射角度 ) はそれぞれ 98 度と 79 度である図 -4 と図 -5 に示すホーンアンテナ単体のラジエーションパターンから照射テーパーを読取るとそれぞれ -9.8 db と -9.0 db である照射効率とスピルオーバーの観点から照射テーパーは -10 db から -1 db 程度が適切といわれている [11] 一方図 -6 と図 -7 に示すサブリフレクタからのラジエーションパターンにおいて照射テーパーが 10 db の角度を読取るとそれぞれ 176 度と 164 度であるなおサブリフレクタからのラジエーションパターンにおいては図の下側半分がメインリフレクタへの照射であり上側半分はサブリフレクタから反射されずにサブリフレクタの後方へ漏れ出た ( 回折した ) 様子を示しているサブリフレクタの目的はフィードホーンアンテナのラジエーションをメインリフレクタへの放射角度に合致するようにブロードにすることであるこの観点から上記の放射角度を検証すると F = 0.5 のメインリフレクタに必要とする 180 度の放射角度に対して若干不足するもののサブリフレクタが概ね良好にラジエーションパターンを変換していることが見てとれる照射テーパーだけを見ると F=0.55 タイプのホーンアンテナとサブリフレクタの組合わせのほうが F=0.7 タイプよりも良好にメインリフレクタを照射しているように思えるが果たしていずれがフィードアンテナとしてより良くマッチしているのだろうか? 図 -6 と図 -7 を比較すると図 -7 の F=0.7 タイプのほうがメインリフレクタの中央部への照射が強くサブリフレクタ後方への漏れが少ないことが読取れるこの違いを強調するために図 -8 と図 -9 に真数で表示してみた違いは一目瞭然であるがカセグレンアンテナ総合としてゲインが高いのがいずれであるかは判断できないカセグレンアンテナ総合での特性評価が必要である上記の図 -6 ~ 図 -9 はホーンアンテナの開口端をサブリフレクタの焦点に合致させたものでホーンアンテナの位相中心とサブリフレクタの焦点は合致していない言わば焦点ボケの状態である WIMU ホーンアンテナの位相中心はシミュレーションで計算していないのでホーンアンテナとサブリフレクタの相対位置を変えることで焦点ボケ / 焦点合わせの具合を図 -10 ~ 図 -18 および図 - 19 ~ 図 -7 で検証するこれらの特性の違いを定量的に例えば照射効率を用いて評価すべきであるがフィードアンテナサブリフレクタおよびメインリフレクタ間の全ての相互作用にカセグレンアンテナ総合での特性が依存するのでその

5 一部のみを評価することにシミュレーションの過程で疑問を持ったためここでは定性的な検証にとどめるフィードアンテナとサブリフレクタの関係において焦点ボケ / 焦点合わせを表現すると照射効率を言い換えたメインリフレクタへ強く照射しサブリフレクタからの後方漏れを小さくとなるだろう F = 0.55 タイプと F = 0.7 タイプのいずれにおいてもフィードホーンがサブリフレクタに近づくとメインリフレクタへの照射が強くなりかつサブリフレクタから後方への漏れが小さくなることが見てとれるさらにその変化の具合に周期的な強弱があるように見えるまた F = 0.55 タイプと F = 0.7 タイプを比較すると F = 0.7 タイプのほうが変化の具合が顕著である上記の定性的な観察から WIMU ホーンアンテナの位相中心は開口端よりも内側にあると推定されるまとめパラボラアンテナの設計と評価についてシミュレーションをホーンアンテナ単体からサブリフレクタへ一歩進めた反射板のモデル生成と NEC++ でのシミュレーション手法を確立することができたホーンアンテナのラジエーションがサブリフレクタにより広がる様子をラジエーションパターンとして示したしかしホーンアンテナとサブリフレクタだけではカセグレンアンテナ総合での設計と評価の指針とすることは難しいとの結論を得たメインリフレクタを含めてのアンテナ総合でのシミュレーションはモデル規模が格段に大きくなるがモデル生成とシミュレーションに今回の経験と成果を生かせるものと期待するカセグレンアンテナの設計パラメータと実測データを提供して頂きさらに今回のシミュレーション結果について助言を頂いた JA4BLC 又賀 OM に深謝申し上げる初版 : 015 年 9 月 6 日第二版 : 015 年 9 月 1 日誤記訂正 // 参考文献 [1] 武安義幸, JA6XKQ, 粒子群最適化アルゴリズムによるフィードホーンアンテナの最適化設計, [] Paul Wade, W1GHZ, CASSEGRAIN ANTENNA DESIGN CALCULATOR, [3] Paul Wade, W1GHZ, The W1GHZ Online Microwave Antenna Book Chapter 6, Feeds for Parabolic Dish Antennas, Section 6.7 Other feeds, [4] Diaz, Leo, and Thomas A. Milligan, Antenna Engineering Using Physical Optics: Practical CAD Techniques and Software, Artech House, Inc., [5] 武安義幸, JA6XKQ, NEC++ アンテナファームの拡張, [6] Burke, B. J., and Poggio, A. J., NUMERICAL ELECTROMAGNETICS CODE (NEC9 METHOD OF MEMENTS, PART III: USER S GUIDE, [7] 武安義幸, JA6XKQ, NEC++ によるホーンアンテナのシミュレーション, [8] Pieter-Tjerk de Boer, PA3FWM, Xnecview - A program for visualizing NEC input and output data. [9] 又賀義郎, JA4BLC, カセグレン給電の実験その 1(10GHz), マイクロウェーブプログレスレポート, [10] Paul Wade, W1GHZ, HDL_ANT.exe, 003.

6 [11] Paul Wade, W1GHZ, Multiple Reflector Dish Antennas,

7 図 -4 : F = 0.55 タイプ WIMU ホーンのラジエーションパターン図 -6 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) S = mm Offset = 0 波長図 -5 : F = 0.7 タイプ WIMU ホーンのラジエーションパターン図 -7 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) S = mm Offset = 0 波長

8 図 -8 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) - 真数表示図 -10 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = -1 波長図 -9 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) - 真数表示図 -11 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = -3/4 波長

9 図 -1 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = -/4 波長図 -14 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = 0 波長図 -13 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = -1/4 波長図 -15 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = +1/4 波長

10 図 -16 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = +/4 波長図 -18 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = +1 波長図 -17 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.55 タイプ ) -Offset = +3/4 波長図 -19 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = -1 波長

11 図 -0 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = -3/4 波長図 - : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = -1/4 波長図 -1 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = -/4 波長図 -3 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = 0 波長

12 図 -4 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = +1/4 波長図 -6 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = +3/4 波長図 -5 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = +/4 波長図 -7 : サブリフレクタからのラジエーションパターン ( F = 0.7 タイプ ) -Offset = +1 波長

1.千葉工業大学（長）修正版

1.千葉工業大学（長）修正版別紙 5 周波数選択性素子を用いた周波数共用アンテナ千葉工業大学工学部情報通信システム工学科教授長敬三平成 30 年 2 月 19 日 Antennas and Wireless Systems Lab. 1 背景移動通信トラヒックの増加高速大容量通信システムの必要性 New Band 周波数帯の追加 4.5GHz Band etc. 1.5/1.7GHz Band 2GHz/800MHz