ホーンアンテナの制約は開口、長さ、帯域、指向と実装に関係します。すべてのホーンが20 dBi未満で指向性が弱いわけではありません。具体的な構造の特性を、システムの要求と比較します。
1．寸法は電気的な大きさに依存
開口の概算はG ≈ ηap4πA/λ²です。Aは開口面積、ηapは開口効率です。同じ利得と効率なら、低い周波数では大きな面積が必要になります。
10 GHz、20 dBi、ηap = 0.60の仮定では面積は約0.0119 m²、正方形なら一辺約0.109 mです。長さや電界分布はまだ設計が必要で、完成図面ではありません。
外形には壁、フランジと支持も含まれます。低周波で高利得を求める場合、占有空間が主な制約になることがあります。
2．開口を広げる際の条件
電気的に大きな開口は高い最大利得と狭いビームを得られますが、短い長さで急に広げると開口位相の不均一が増える場合があります。
長くすることにも重量、支持と空間の負担があります。形状、振幅と位相を一緒に最適化します。利得に一律20 dBiの物理的上限はありません。
最大利得だけではサイドローブや必要な範囲のカバレッジを表せません。E面とH面のパターンも確認します。
3．帯域は構成全体で決まる
入口の導波管、変換部、偏波器とプロファイルが帯域に関係します。良い整合と、同じ範囲で一定のビーム・偏波を保つことは別です。
リッジ付きなどの広帯域設計もあり、すべてのホーンを狭帯域と断定できません。WR-42の一般的な使用範囲は18～26.5 GHzで、名前だけを根拠に標準製品を94 GHzへ使うこともできません。
4．狭いビームには適切な指向
狭いビームは向きと支持の動きに敏感です。許容角度誤差は実際のパターンと損失予算から決めます。すべての型式に同じ角度を適用しません。
単独ホーンは通常、それだけで電子的にビーム方向を変えません。機械移動、切替系やホーンアレイには別の要素と制約があります。
回転は線偏波の方向も変えます。ビームの指向誤差と偏波のずれは異なる損失要因です。
5．加工精度と費用
波長が短くなると寸法、表面と接続の誤差は電気的に大きくなります。ただし全ホーン共通の粗さや公差はなく、設計の感度から必要値を定めます。
94 GHzの自由空間波長は約3.19 mm、四分の一は約0.80 mmです。0.13 mmをこの周波数の四分の一波長とする計算は誤りです。
費用は材料、加工、数量、表面処理と試験で変わります。特定プロジェクトの根拠なしに長さ1 cmから打上げ費用や加工費を決めることはできません。
6．反射鏡と組み合わせる場合
ホーンレフレクタ構成では、照明、端部のレベル、spillover、位相中心と偏波を反射鏡に合わせます。ホーン単体の最大利得を上げることが、全アンテナの最適化とは限りません。
位相中心は物理的な開口面と一致するとは限らず、周波数で動く場合があります。レドーム、近くの金属と温度を組立状態で確認します。
高電力では平均・ピーク、反射、圧力と冷却を定義します。金属本体より入口の変換部や窓が先に限界になる場合もあります。
制約が許容できるかを確かめる
| 要求 | 確認 |
|---|---|
| ポート特性 | 指定基準面で反射と損失。 |
| 指向性 | パターンと利得。 |
| 偏波 | 必要な成分と観測角。 |
| 実装 | 支持、カバーと温度。 |
| 電力 | 電気・熱の対応試験。 |
VNAのポート測定だけで放射パターンを証明しません。測定基準として使う場合は校正条件と不確かさも必要です。
