このデュアルバンドKu/Ka 4ポートOMTディプレクサは、Kuバンドで10.7-12.7 GHz (Rx)および13.75-14.5 GHz (Tx)、Kaバンドで17.3-21.2 GHz (Rx)および27.0-31.0 GHz (Tx)で動作します。バンド間で55 dB以上のアイソレーション、0.8 dB未満の挿入損失を特徴とし、500Wの電力を処理できるため、衛星通信やVSATアンテナネットワークに最適です。
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定義と主な機能
Kuバンド（通常、Rx：10.7–12.75 GHz、Tx：13.75–14.5 GHz）およびKa-バンド（Rx：17.3–21.2 GHz、Tx：27.5–31 GHz）にわたって動作するこのデバイスは、4つの物理ポートを1つのコンパクトなユニット（多くの場合、300 × 300 × 150 mm未満、重量2.5 kg未満）に統合し、フルデュプレックス（全二重）通信をサポートします。その核となる機能は、単一の導波管内で2つの直交する偏波を分離する直交モード変換（OMT）と、異なる周波数帯域を分割または結合するディプレキシング（分波）を統合することにあります。これにより、単一のアンテナディッシュで、追加のハードウェアやコストのかかる構造変更を必要とせずに、ブロードバンドインターネット、ビデオ放送、軍事通信などの複数のサービスをサポートできるようになります。
4つのポートを単一のアセンブリに統合することで、複数の導波管の敷設や複雑な取り付け構造が不要になり、アンテナ全体の重量を最大15%削減し、設置時間を30%近く短縮できます。
内部設計には、特定の周波数に調整された共振器とフィルタが使用されています。例えば、自己干渉を防ぐためにTxチャンネルとRxチャンネルの間で80 dB以上のアイソレーションを達成しています。各ポートは特定の機能に合わせて最適化されています。Kuバンド用に2つ（TxおよびRx）、Kaバンド用に2つ（TxおよびRx）で、導波管サイズは通常、Kaバンド用がWR-75、Kuバンド用がWR-112となっており、挿入損失を最小限（<0.3 dB）に抑え、高電力（Txパスで最大500 W CW）を処理します。
コンポーネントのアルミニウムまたは銅のボディは、±0.05 mmの精度で精密加工されており、最小限のVSWR（<1.25:1）と、-40°Cから+85°Cの動作温度範囲にわたる安定した性能を保証します。この高い信頼性は、メンテナンスの機会が限られている衛星地上局や航空機プラットフォームにおいて極めて重要な、15年を超える耐用年数に反映されます。4つの機能ブロックを1つに統合することで、このデバイスはスペースと重量を節約するだけでなく、製造、テスト、統合の費用を整理統合することでシステムコストを削減し、アンテナメーカーの総材料費をしばしば20%以上引き下げます。
内部構造とコンポーネント
デュアルバンドKu/Ka 4ポートOMTディプレクサの内部アーキテクチャは、導波管チャネル、共振器、フィルタを精密に組み立てたもので、電気的導通と熱的安定性を確保するために、アルミニウムまたは銅の単一ブロックから削り出されています。通常、長さ300 mm未満、重量は約2.2 kgで、4つの主要な物理ポート（Kuバンド用Tx/Rx、Kaバンド用Tx/Rx）を統合し、内部接合ネットワークによってリンクされています。これらの接合部には、直交する波の偏波を分離するためのセプタム偏波器や、Ku-Tx用の13.85 GHzやKa-Tx用の29.5 GHzといった特定の周波数サブバンドに調整されたアイリス結合キャビティフィルタが含まれます。構造全体が厳しい公差で製造されており、導波管の内部寸法は±0.05 mm以内に保たれ、電圧定在波比（VSWR）を1.25:1未満に、挿入損失をすべての経路で0.4 dB未満に抑えています。
コンポーネントの心臓部は直交モード変換器（OMT）であり、厚さわずか1.2 mmの薄い金属セプタム（隔壁）を使用して、入力信号を80 dBを超えるアイソレーションで2つの直交偏波に分割します。これは、それぞれ約22 mm × 18 mm × 12 mmの共振器内の4段チェビシェフフィルタを採用したディプレクサセクションに結合されています。これらの共振器は±0.01 GHzの精度で特定の周波数に調整されており、TxノイズがRxパスの感度を低下させるのを防ぐため、チャンネル間アイソレーションを85 dB以上に保っています。最大500 Wの連続波電力を扱うKaバンドTxパスには、断面が7.112 mm × 3.556 mmのWR-28導波管が使用され、KuバンドRxパスには、12 GHzでの損失を低減するためにWR-75（19.05 mm × 9.525 mm）が使用されます。
すべての内部表面には、抵抗損失を減らすために20 µmの銀メッキが施されており、メッキなしの設計と比較して全体効率が98.5%に向上しています。アセンブリはレーザー溶接されたカバーで密閉され、空気漏れが1 × 10⁻⁶ cc/sec未満であることをテストされ、内部の湿度を5%以下に保つことで、-40°Cから+85°Cの環境において15年間の運用寿命にわたり安定した性能を保証します。このモノリシック（一体型）設計により、サブコンポーネント間のフランジ接続が排除され、モジュール式の代替品と比較して重量が15%削減され、組み立て時間が30%短縮されます。
4ポート設計の動作原理
この設計により、両方のバンドで同時に送受信が可能になり、現代のVSATアプリケーションにおいて最大1.2 Gbpsの合計データスループットをサポートします。例えば、ポート3に入る30 GHzのKaバンドTx信号が500 Wの電力を運ぶ一方で、ポート1から出る11.8 GHzのKuバンドRx信号は0.8 dB未満のノイズ指数を維持します。最大の課題は、これらの経路間のアイソレーションを維持することです。Tx-Rx間のアイソレーションは85 dBを超え、バンド間アイソレーションは75 dBに達し、フルキャパシティで動作しているときでも干渉を防ぎます。
14.25 GHzの水平偏波KuバンドTx信号がポート2に入り、内部寸法28.5 mm × 12.6 mmのWR-112導波管を伝搬する一方で、18.6 GHzの垂直偏波KaバンドRx信号がWR-75導波管（19.05 mm × 9.525 mm）を介してポート4から出力されます。ディプレクサセクションは次に、周波数に基づいて信号をルーティングします。Rxパス（Ku：10.7–12.75 GHz、Ka：17.3–21.2 GHz）にはローパスフィルタを、Txパス（Ku：13.75–14.5 GHz、Ka：27.5–31 GHz）にはハイパスフィルタを使用します。各フィルタは±0.005 GHzの精度で調整された4〜6個の共振器で構成され、すべてのポートで挿入損失を0.35 dB未満に、リターンロスを20 dB以上に抑えます。以下の表は、主要なポート機能と典型的な性能パラメータをまとめたものです。
| ポート番号 | バンド | 機能 | 周波数範囲 (GHz) | 電力容量 | 導波管タイプ |
|---|---|---|---|---|---|
| 1 | Kuバンド | Rx | 10.70–12.75 | ≤10 W | WR-112 |
| 2 | Kuバンド | Tx | 13.75–14.50 | ≤500 W CW | WR-112 |
| 3 | Kaバンド | Tx | 27.50–31.00 | ≤400 W CW | WR-28 |
| 4 | Kaバンド | Rx | 17.30–21.20 | ≤5 W | WR-75 |
動作中、システムはTxポート全体で合計最大900 Wのピーク電力負荷を処理しますが、過熱を避けるために電力密度は5 W/cm²以下に保たれます。熱管理はユニットのアルミニウムボディ（熱伝導率 ≈ 160 W/m·K）に依存しており、周囲温度が最大+55°Cの状況でも内部温度を+85°C未満に維持するために熱を放散します。群遅延特性の変動は、衛星放送や軍事通信などの位相に敏感なアプリケーションにおいて重要な、任意の100 MHzチャンネル内で1.5 ns未満に抑えられています。
周波数帯域とアイソレーション
Kuバンドは通常、受信に10.7–12.75 GHz、送信に13.75–14.5 GHzを使用し、Kaバンドはダウンリンクに17.3–21.2 GHz、アップリンクに27.5–31 GHzを使用します。これらの近接した帯域間、特にわずか4 GHzの隔たりしかないKaバンドRx (18 GHz)とKuバンドTx (14 GHz)の間でアイソレーションを維持するには、75 dBを超えるアイソレーションレベルを達成するための高度なフィルタリングと導波管設計が必要です。
| バンド | 方向 | 周波数範囲 (GHz) | 他バンドへのアイソレーション | 挿入損失 |
|---|---|---|---|---|
| Kuバンド | Rx | 10.70–12.75 | Txに対し≥80 dB | ≤0.25 dB |
| Kuバンド | Tx | 13.75–14.50 | Rxに対し≥85 dB | ≤0.30 dB |
| Kaバンド | Rx | 17.30–21.20 | Kuバンドに対し≥75 dB | ≤0.35 dB |
| Kaバンド | Tx | 27.50–31.00 | Rxに対し≥90 dB | ≤0.40 dB |
内部では、中心周波数（例：Ku-Rx用11.725 GHz、Ka-Tx用29.65 GHz）付近で±0.015 GHzの帯域幅を持つ4段キャビティフィルタが、1 GHzあたり120 dBの急峻なロールオフを作り出し、帯域外信号を抑制します。500 Wの連続波電力を扱うKuバンドTxパスには、損失を最小限にするためにWR-112導波管（内部寸法：28.5 mm × 12.6 mm）が使用され、KaバンドRxパスには、17–21 GHz間での最適な伝搬のためにWR-75（19.05 mm × 9.525 mm）が採用されています。バンド間のアイソレーションは偏波デカップリングによって達成されます。OMTが直交する偏波（垂直/水平）を80 dB以上のアイソレーションで分離し、Kaバンドの信号がKuバンドのパスに漏れないようにします。
さらに、±0.01 mmの精度で加工されたディプレクサのアイリス結合共振器が、各チャンネルを調整してバンドエッジから2 GHz以内の隣接周波数を55–65 dB減衰させます。例えば、Ku-Tx (14.0 GHz)とKa-Rx (17.3 GHz)の間のクリティカルなクロスオーバー地点において、このユニットは16 GHzにカットオフを持つハイパスフィルタを介して75 dBのアイソレーションを達成し、システムノイズ指数の劣化を0.5 dB未満に抑えています。アセンブリ全体で、任意の40 MHzチャンネルにおける群遅延変動 <1.0 nsという位相安定性を維持しており、これは<10⁻⁹のBER（ビット誤り率）を必要とする高速データアプリケーションにおいて不可欠です。この精密な周波数制御により、衛星オペレータは、デュアルアンテナ構成と比較してハードウェアコストを20%削減しつつ、偏波あたり400 Mbpsのスループットをサポートし、スペクトルの再利用を最大化できます。
アンテナシステムへの統合
通常、アンテナフィードホーンの直後に取り付けられるこのユニットは、RFシーリングを確実にするために±0.1 mmの精度で加工されたボルト穴パターンを持つ4つの導波管フランジ（例：Kuバンド用CPR-229、Kaバンド用CPR-137）を介して接続されます。フィード、OMT、ディプレクサを含むアセンブリ全体の重量は5.2 kg未満で、400 mm × 300 mmの円筒形ボリューム内に収まります。これは、ディスクリートコンポーネント構成と比較して30%以上の軽量化が求められる航空機用や移動体衛星端末にとって極めて重要です。電気的な統合においては、フィードホーンの位相中心をOMTの導波管開口部に0.3 mmの許容誤差内で一致させ、ビーム効率を85%以上に、VSWRを全バンドで1.25:1未満に維持する必要があります。
主な統合ステップは以下の通りです：
- 機械的取り付け：ディプレクサは、8 N·mのトルクで締め付けられた4本のM6ステンレス鋼ボルトを使用してフィード支持構造に固定されます。-40°Cから+85°Cの間の±0.2 mmの寸法変化に対応するため、0.5 mmの熱膨張ギャップが設けられています。
- 導波管のアライメント：挿入損失が0.05 dB以上増加するのを避けるため、各ポートは0.15 mm未満の径方向のずれに抑える必要があります。
- 熱管理：ベースプレートはフルパワー送信時（500 W Ku-Tx + 400 W Ka-Tx）に45 Wの熱を放出するため、温度を+90°C未満に保つには、3 W/m·K以上の伝導率を持つ熱伝導材料が必要です。
- ケーブルルーティング：低損失同軸ケーブル（例：直径0.25インチ、18 GHzで2.2 dB/100mの損失）がTx/Rxポートをモデムに接続します。インピーダンスの急上昇を防ぐため、曲げ半径は50 mm以上にする必要があります。
ディプレクサの85 dBのTx-Rxアイソレーションは、KaバンドRxパスにおけるノイズ温度の上昇を3 K未満に抑え、システムのG/T（利得対雑音温度比）を12 dB/K以上に保ちます。偏波ダイバーシティについては、OMTが80 dB以上の交差偏波識別度を維持し、スペクトル効率を4 bps/Hzに倍増させる周波数再利用スキームを可能にします。典型的なVSATアンテナにおいて、この統合により12個以上の導波管フランジと6個以上の同軸アダプタを排除することで、組み立て時間を40%削減（8時間から4.8時間へ）し、コンポーネントコストをユニットあたり1,200ドル削減します。また、統一された設計により相互接続が少なくなり、ディスクリート構成と比較して潜在的な故障箇所が50%減少するため、MTBF（平均故障間隔）は100,000時間を超え、信頼性が向上します。運用中、システムはデュアル偏波と両バンドでのフルデュプレックスを活用することで最大1 Gbpsの合計データレートをサポートし、温度サイクル全体で2°未満の位相ドリフトという位相安定性を維持します。
テストと業界アプリケーション
各ユニットは、-40°Cから+85°Cの熱サイクルにわたるRF性能検証、500 W連続波での72時間の電力供給試験、軍事用途向けの15 G RMSまでの振動試験など、8〜10時間に及ぶ25項目以上の個別テストを受けます。アイソレーション（>85 dB）、挿入損失（<0.35 dB）、VSWR（<1.25:1）などの主要な指標は、±0.05 dBの精度を持つベクトルネットワークアナライザを使用して測定されます。また、パッシブ相互変調（PIM）テストでは、マルチキャリアシステムでの干渉を防ぐために2×43 dBmトーンで-150 dBc未満であることを確認します。
業界アプリケーションでは、コンポーネントのデュアルバンド機能を活用しています：
- 衛星通信：VSAT端末（例：Hughes JUPITERシステム）において800 Mbpsの双方向スループットをサポートします。ダウンロードにKuバンド（12.75 GHz、200 W Tx）、アップロードにKaバンド（30 GHz、400 W Tx）を使用し、プラットフォームあたりのアンテナ数を50%削減します。
- 軍事衛星通信（SATCOM）：航空機用端末（例：ボーイング737 AEW&C）において、10.7–31 GHz間の100%の周波数アジリティを可能にします。90 dB以上のEMIシールドを備え、MIL-STD-810H衝撃規格に準拠しています。
- 地球観測：ESAのSentinel-1のような衛星において、Kaバンド（26 GHz）を使用した高速伝送を行いながら、±0.2°の位相安定性を監視し、1.2 Gbpsでのデュアル偏波合成開口レーダー（SAR）データのダウンリンクを促進します。
- 5Gバックホール：都市ネットワークにおいて、KaバンドTx（28 GHz）とRx（18 GHz）を組み合わせ、3 ms未満のレイテンシと99.999%の可用性を備えた10 Gbpsミリ波リンクを提供します。
テストプロトコルには、自動プローブステーションを使用した5〜40 GHzにわたる全4ポートの100%生産スクリーニングが含まれ、バンドあたり800の周波数ポイントを±0.01 dBの再現性で測定します。環境試験では、ユニットを95%の湿度に96時間さらし（IEC 60068-2-30に準拠）、-55°Cから+125°Cまでの熱衝撃サイクルを課すことで、15年間の運用寿命を検証します。衛星地上局では、この統合により冗長なフィードネットワークやLNBアセンブリが不要になるため、アンテナあたり18,000ドルの展開コストが削減される一方で、4.5 bps/Hzでのデュアル偏波動作を通じてスペクトル効率が向上します。500台以上の配備ユニットからのフィールドデータによると、MTBFは120,000時間を超え、海軍艦艇や北極の研究ステーションのような高振動環境であっても、年間故障率は0.2%未満に抑えられています。
