ホーンアンテナのフレアは導波構造を広げ、放射開口とその電界分布を形成する部分です。反射と指向性を調整しますが、すべてのホーンが同じ角度、VSWRや効率になるわけではありません。開口、長さと位相誤差を一緒に設計します。
開放導波管とホーン
導波管の開いた端も放射します。ホーンは壁を拡張して開口を大きくし、そこでの振幅・位相分布を変えます。ピラミッド型は二つの主平面、セクタ型は一平面、円錐型は円形構造として広がります。
ピラミッド型を単一の円錐角で表すと二平面の違いを見落とします。図面の角度が全角か半角かも確認します。
1. 遷移と反射の制御
開口での境界変化は反射を生み得ます。適切なフレアと給電設計は必要帯域の反射低減に役立ちます。
全開放導波管が電力の15%を反射したり、10～15°の角度が必ずVSWR 1.2未満にしたりするわけではありません。入力モード、寸法と周波数が必要です。
反射係数の大きさと反射電力比も別です。|Γ| = 0.15なら反射電力は2.25%であり15%ではありません。低反射だけでは放射効率を証明できません。
2. 開口で指向性を形成
適切な開口モデルではG ≈ ηap4πA/λ²で利得を見積もります。Aは面積、ηapは開口効率、Gは線形値です。電力増幅ではなく空間分布と効率の関係です。
10 GHz、A = 0.01 m²、ηap = 0.60を仮定すると約19.2 dBiです。同寸法でも給電や位相が変われば結果が変わります。
大きな電気的開口は一般に狭いビームを作れますが、E面とH面の幅は同じとは限りません。全10 GHzホーンに20°を割り当てません。
3. 長さと位相誤差の折り合い
短い距離で急に広げると短いホーンになりますが、開口中心と端の経路差が増える場合があります。位相変化は利得とローブに影響します。
単純な幾何モデルで仮想原点から軸上開口までをR、端までの横距離をxとすると、経路差は√(R²+x²)−Rです。xがRより十分小さければx²/(2R)と近似できます。
位相差は2πΔℓ/λに対応します。ただし実際の場と仮想原点は形状・モードで変わるため、この式だけで全ホーンの最適長を決めません。
4. 帯域と偏波を保つ
入口と給電が帯域を制限する場合があります。WR-42の一般帯域は18～26.5 GHzですが、利得とパターンは製品の周波数別データで確認します。
円形開口が自動的に円偏波になるわけではなく、直交成分と位相関係が必要です。リッジやコルゲートはモード・帯域を調整する別の設計で、単なるフレアと同義ではありません。
反射鏡フィードの条件
反射鏡を照射する場合は、縁の照射、スピルオーバー、位相中心と偏波を鏡へ合わせます。ホーン単体の最大利得を上げても、全体効率が必ず向上するとは限りません。
物理的開口面が常に位相中心ではありません。周波数による位相中心と取付位置を必要に応じて検証します。
製作後の確認
定めた基準面で反射を測り、放射試験で利得・パターン・偏波を確認します。表面、接合と位置合わせの公差は周波数と設計感度に合わせます。
VNAの良いS11だけではサイドローブ、効率や高電力耐性を全て保証しません。平均・ピーク電力と熱条件は別に定義します。
