DE112004001821T5

DE112004001821T5 - Dielektrische Linse, dielektrische Linsenvorrichtung, Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, Herstellungsverfahren und Sende-Empfangs-Ausrüstung einer dielektrischen Linse

Info

Publication number: DE112004001821T5
Application number: DE112004001821T
Authority: DE
Inventors: Tomohiro Nagaokakyo Nagai
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2003-10-03
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-10-19
Also published as: US20060202909A1; CN1856907B; JPWO2005034291A1; WO2005034291A1; US7355560B2; JP4079171B2; CN1856907A

Abstract

Ein Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, das folgende Schritte aufweist:
einen ersten Schritt zum Bestimmen einer gewünschten Aperturflächenverteilung;
einen zweiten Schritt zum Umwandeln des Snellius'schen Gesetzes an der Rückfläche, die der ersten Primärstrahlerseite einer dielektrischen Linse zugewandt ist, des Gesetzes zur Bewahrung elektrischer Leistung und der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit darstellt, in simultane Gleichungen, und Berechnen der Formen der Oberfläche, die die Vorderseite gegenüberliegend zum dem Primärstrahler der dielektrischen Linse ist, und der Rückfläche, abhängig von dem Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von dem Fokalpunkt der dielektrischen Linse zu der Rückfläche der dielektrischen Linse; und
einen dritten Schritt zum Reduzieren der Lichtweglänge in der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge in der Luft, wenn die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickeposition erreichen;
wobei der Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von seinem anfänglichen Wert verändert wird und ferner der zweite...

Description

Technisches Gebiet
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine dielektrische Linse, die für eine dielektrische Linsenantenne in einem Mikrowellenband oder Millimeterband verwendet wird, eine dielektrische Linsenvorrichtung, ein Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, ein Herstellungsverfahren einer dielektrischen Linse und eine Sende-Empfangs-Ausrüstung, die eine dielektrische Linse oder eine dielektrische Linsenvorrichtung verwendet.
Hintergrund der Technik
Eine dielektrische Linsenantenne, die in einem Mikrowellen- oder Millimeterwellen-Band verwendet wird, ist zum Brechen einer elektrischen Welle, die Breit von einer Primärstrahlerquelle abgestrahlt wird, Ausrichten der Phase derselben auf einer virtuellen Aperturfläche vor einer Linse und ferner zum Erzeugen einer Amplitudenverteilung des Magnetfeldes auf der Aperturfläche derselben. Somit kann eine elektrische Welle hergestellt sein, um genau in einer bestimmten Richtung zu Emittieren. Diese dielektrische Linsenantenne ähnelt einer Linse, die für Optik verwendet wird, aber der größte Unterschied ist, dass es nicht nur notwendig ist, die Phase einfach auszurichten, sondern ferner eine Amplitudenverteilung (Aperturflächenverteilung) zu erzeugen. Der Grund dafür ist, dass Antenneneigenschaften (Richtwirkung) an einem entfernten Ort eine Relation aufweisen, die durch die Fourier-Transformation der Amplitudenverteilung dargestellt wird, und somit ist es notwendig, um eine gewünschte Richtwirkung zu erhalten, die Aperturflächenverteilquelle einzustellen.
Dementsprechend ist es bei der dielektrischen Antenne wichtig, die Phase von elektrischen Wellen über der Aperturfläche auszurichten, und eine gewünschte Aperturflächenverteilquelle zu erzeugen.
Um die Phase über der Aperturfläche auszurichten, werden die Eigenschaften von Lichtstrahlen verwendet, wobei, sogar wenn die Distanz (Lichtweglänge), die der Lichtstrahl, der aus dem Primärstrahler emittiert wird, erreicht, zu der Aperturfläche sich um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge verändert, jeweilige Lichtstrahlen einander verstärken, wodurch die Form der Linse abgeschnitten werden kann. Dies wird Zonengebung genannt. Die Fresnel-Linse, die auf dem Gebiet der Optik gut bekannt ist, basiert ebenfalls auf demselben Konzept wie dies, aber in dem Fall von Optik besteht kein Konzept einer Aperturflächenverteilung.
Die dielektrischen Linsenantenne weist einen Primärstrahler auf, wie z. B. eine Hornantenne, und eine dielektrische Linse. Im Allgemeinen weisen dielektrische Linsenantennen ein hohes Verhältnis von Gewicht- und Volumen-Verhältnis des dielektrischen Linsenabschnitts derselben auf, und um die Größe und das Gewicht der Gesamtausrüstung zu reduzieren, ist eine Reduzierung der Größe und des Gewichts von dielektrischen Linsen erwünscht. Für ein Verfahren, um eine dielektrische Linse dünner und leichter zu machen, kann die obige Zonengebungstechnik eingesetzt werden.
Zum Beispiel wurde in einem Nichtpatentdokument 1 eine Technik offenbart, bei der eine Aperturflächenverteilung vorangehend entworfen ist, wonach die Rückflächenseite einer Zonengebung unterzogen wird, wodurch die Aperturflächenverteilung nach der Zonengebung im Allgemeinen gleich zu der vor der Zonengebung gemacht wird. 23 stellt ein Beispiel einer dielektrischen Linse dar, die einer Zonengebung unterzogen wurde. In dieser Zeichnung ist die linke Seite die Seite, die einem Primärstrahler zugewandt ist (Rückflächenseite), und die rechte Seite ist die Seite gegenüberliegend zu dem Primärstrahler (Oberflächenseite).
26 ist ein Flussdiagramm, das das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse des Nichtpatentdokuments 1 darstellt. Zuerst wird eine gewünschte Aperturflächenverteilung bestimmt (S11). Bestimmen der Mittelposition der Linse, die als der Startpunkt von Berechnungen dient (S12). Nachfolgend werden die Lösungen des Gesetzes zur Bewahrung elektrischer Leistung, des Snellius'schen Gesetzes im Hinblick auf eine Oberfläche (Frontfläche), und die Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, unter Verwendung von numerischen Berechnungen erhalten (S13). Berechnungen werden für bis zu den Umfangsrändern der Linse ausgeführt, um die Berechnungen von Linsenformen fertigzustellen, die keiner Zonengebung unterzogen wurden (S14). Dann wird die Lichtweglänge um eine Wellenlänge verändert, an einer geeigneten Rückflächenposition entlang des Primärstrahls, und die Rückflächenform der dielektrischen Linse wird primär verändert (Zonengebung) (S15). Die gesamte dielektrische Linse wird dieser Verarbeitung von Schritt 15 unterzogen (S16 → S15 → usw.).
Ferner wurde mit dem Patentdokument 1 eine Technik offenbart, bei der, um einen Verlust aufgrund einer Brechung zu unterdrücken, die durch Zonengebung verursacht wird, die Oberflächenseite in einer konvexen Form hergestellt ist, und die Rückflächenseite einer Zonengebung unterzogen ist. 24 ist eine Querschnittsansicht, die ein Beispiel davon darstellt. Eine dielektrischen Linse 10 bildet einen vertieften Abschnitt 2 aufgrund einer Zonengebung auf der Rückflächenseite eines dielektrischen Abschnitts 1 (Seite, die einem Primärstrahler 20 zugewandt ist).
Ferner wird mit einem Nichtpatentdokument 2 die Zonengebungstechnik einer dielektrischen Linse eingeführt, die zu dieser Zeit 1984 bekannt war. Zum Beispiel ist (A) in 25 ein Beispiel, bei dem die Oberflächenseite einer dielektrischen Seite als eine Ebene genommen wurde, wobei die konvexe Form auf der Rückflächenseite einer Zonengebung unterzogen ist. (B) ist ein Beispiel, bei dem die Rückflächenseite als eine konvexe Form genommen wurde, wobei die Ebene auf der Oberflächenseite einer Zonengebung unterzogen ist. Ferner ist (C) ein Beispiel, bei dem die Rückflächenseite als eine Ebene genommen wurde, wobei die konvexe Form auf der Oberflächenseite einer Zonengebung unterzogen ist.

Nichtpatentdokument 1: J. J. Lee, „Dielectric Lens Shaping and Coma-Correction Zoning, Part I: Analysis", IEEE Transactions on antenna and propagation, Seite 221, Bd. AP-31, Nr. 1, Januar 1983.
Nichtpatentdokument 2: Richard C. Johnson und Henry Jasik, „Antenna engineering handbook 2nd edition", McGraw-Hill (1984)
Patentdokument 1: japanische ungeprüfte Patentanmeldungsveröffentlichung Nr. 9-223924.

Offenbarung der Erfindung
Um Antenneneigenschaften zu verbessern, ist es wichtig, die Aperturflächenverteilung zu optimieren. Bei dem Nichtpatentsdokument 1 wurde die Aperturflächenverteilung gleich mit der Linse vor einer optimierten Zonengebung und der Linse nach einer Zonengebung gemacht, und hauptsächlich die Linsenrückseite wurde einer Zonegebung unterzogen, aber in diesem Fall, obwohl eine Gewichtsreduzierung realisiert wurde, konnte eine Reduzierung der Dicke nicht mit Linsen realisiert werden, deren Oberflächenseite konvex war.
Ferner haben beim Versuchen, die Dicke einer Linse zu reduzieren, deren Oberflächenseite eine konvexe Form ist, dadurch, dass die Oberflächenseite derselben einer Zonengebung unterzogen wird, die herkömmlichen Techniken einfach die Vorderseite abgeschnitten, wie z. B. mit der Fresnel-Linse, die als eine optische Linse dient, oder wie in 25(C) des Nichtpatentdokuments angezeigt ist, und somit besteht ein Problem, dass sich die Aperturflächenverteilung vor und nach der Zonengebung ändert.
Ferner, in dem Fall, dass die Vorderseite einer Linse einer Zonengebung unterzogen wird, wenn die Linse senkrecht abgeschnitten wird, einfach wie die Fresnel-Linse, die als eine optische Linse dient, oder wenn keine klare Führungslinie vorliegt, wie in 25(C) gezeigt ist, und die Linse zu einer unpräzisen Größe abgeschnitten wird, resultiert die Störung in dem Magnetfeld aufgrund von Brechungseffekten und die Antenneneigenschaften verschlechtern sich.
Bei Patentdokument 1 wird die Linsenform zusammen mit dem Primärstrahl verändert, und in diesem Fall kann ein Verlust aufgrund von Brechung verhindert werden, aber dies erzeugt einen geschärften Abschnitt auf der dielektrischen Linse, so dass eine Brechung an diesem Abschnitt erneut auftritt.
Im Hinblick darauf, wie Zonengebungspositionen ausgewählt werden sollen, wird das Auswählen in vielen Fällen einfach abhängig von der Positionierung bei gleichen Intervallen ausgeführt, oder von Bedingungen zur Entfernung einer Komaaberration, wie in dem Nichtpatentdokument 1 gezeigt ist, aber in diesem Fall wird der Einfluss einer Störung bei dem Magnetfeld, die durch Brechungseffekte verursacht wird, überhaupt nicht berücksichtigt.
Ferner tritt bei der dielektrischen Linse, die der herkömmlichen Zonengebung unterzogen wird, ein vertiefter Abschnitt, wie ein Schertal, zwischen einer gestuften Fläche und einer Brechungsfläche auf, und Staub, Regen und Schnee haften ohne weiteres an oder sammeln sich in diesem vertieften Abschnitt. Genauer gesagt, da Regen oder Schnee oder Staub, der Feuchtigkeit enthält, eine hohe dielektrische Konstante aufweisen, wird das Problem von Antenneneigenschaften, die sich bedeutend verschlechtern, durch eine Ansammlung in dem obigen angenommenen Abschnitt verursacht.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine dielektrische Linsenvorrichtung, ein Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, ein Herstellungsverfahren einer dielektrischen Linse und eine Sende-Empfangs-Ausrüstung, die eine dielektrische Linse oder eine dielektrische Linsenvorrichtung verwerdet, zu schaffen, die die obigen verschiedenen Probleme beseitigen, Antenneneigenschaften bei einer Konfiguration einer dielektrischen Linsenantenne geeignet beizubehalten, die Größe und das Gewicht von dielektrischen Linsen durch Zonengebung zu reduzieren und das Problem der Anhaftung von Staub, Regen und Schnee zu beseitigen.
Um das obige Ziel zu erreichen, ist die vorliegende Erfindung wie folgt konfiguriert.

(1) Ein Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass das Entwurfsverfahren folgende Schritte aufweist: einen ersten Schritt zum Bestimmen einer gewünschten Aperturflächenverteilung; einen zweiten Schritt zum Umwandeln des Snellius'schen Gesetzes an der Rückfläche, die der ersten Primärstrahlerseite einer dielektrischen Linse zugewandt ist, des Gesetzes zur Bewahrung elektrischer Leistung und der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit darstellt, in simultane Gleichungen, und Berechnen der Formen der Oberfläche, die die Vorderseite gegenüberliegend zum dem Primärstrahler der dielektrischen Linse ist, und der obigen Rückfläche, abhängig von dem Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von dem Fokalpunkt der dielektrischen Linse zu der Rückfläche der dielektrischen Linse; und einen dritten Schritt zum Reduzieren der Lichtweglänge in der obigen Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge in der Luft, wenn die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickeposition erreichen; wobei der Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von seinem anfänglichen Wert verändert wird und ferner der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden.

Gemäß diesem Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, werden die Oberfläche und Rückfläche der dielektrischen Linse durch direktes Berechnen derselben erhalten, während eine Aperturflächenverteilung gespeichert wird, so dass eine gewünschte Aperturflächenverteilung strikt gespeichert werden kann, wodurch gewünschte Eigenschaften einer dielektrischen Linsenantenne erhalten werden.
Es wird darauf hingewiesen, dass Wellen, die mit der dielektrischen Linse der vorliegenden Erfindung übermittelt werden sollen, z. B. elektromagnetische Wellen in einem Millimeterband sind, aber Brechungsaktionen an der dielektrischen Linsen auf dieselbe Weise gehandhabt werden können wie Licht, was elektromagnetische Wellen mit einer kurzen Wellenlänge sind, und entsprechend wird bei dieser Anmeldung die Achse, die entlang der Mitte einer dielektrischen Linse in der Richtung der Rückseite verläuft, eine „optische Achse" genannt, die elektromagnetischen Wellen, die gerade in einer vorbestimmten Richtung verlaufen, werden ein „Primärstrahl" genannt, und der Ausbreitungskurs von elektromagnetischen Wellen wird ein „Lichtweg" genannt.

(2) Ferner ist das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Entwurfsverfahren ferner einen vierten Schritt zum Korrigieren des Neigungswinkels der gestuften Fläche aufweist, der auf der Oberfläche auftritt, die die Vorderseite gegenüberliegend zu dem Primärstrahler der dielektrischen Linse ist, durch Reduzieren der Lichtweglänge nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge, derart, dass die gestufte Fläche sich hin zu der Fokalrichtung und nicht der Dickerichtung der dielektrischen Linse neigt, nachdem der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden, bis der Azimutwinkel θ einen Endwert erreicht.
(3) Ferner ist das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel, den die obige gestufte Fläche bezüglich des Primärstrahls aus elektromagnetischen Wellen bildet, der in eine zufällige Position der Rückfläche der dielektrischen Linse von dem Fokalpunkt eintritt, gebrochen wird und innerhalb der dielektrischen Linse fortschreitet, als ein Winkel innerhalb der Grenzen von ± 20° genommen wird.

Gemäß diesem Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, durch Korrigieren des Neigungswinkels der gestuften Fläche, der auf der Oberfläche der dielektrischen Linse auftritt, durch Reduzieren der obigen Lichtweglänge nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge, derart, dass sich die obige gestufte Fläche hin zu der Fokalrichtung und nicht der Dickerichtung der dielektrischen Linse neigt, und insbesondere durch Nehmen des Winkels, den die gestufte Fläche zu dem Primärstrahl von elektromagnetischen Wellen bildet, der sich innerhalb der dielektrischen Linse ausbreitet, als einen Winkel innerhalb der Grenzen von ± 20°, wird die Störung des Magnetfeldes unterdrückt, wodurch verhindert wird, das ein Seiten-Lappen bzw. -Lobe aufgrund einer Brechung auftritt. Ferner, da der Winkel des Randabschnitts der gestuften Fläche sanfter wird, wird die Herstellung einfacher.

(4) Ferner wird mit dem Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß der vorliegenden Erfindung der Anfangswert des obigen Azimutwinkels θ als der Winkel genommen, den der Primärstrahl von dem Fokalpunkt zu den umliegenden Endpositionen der dielektrischen Linse bildet, und der Endwert des Azimutwinkels θ wird als der Winkel genommen, den der Primärstrahl von dem obigen Fokalpunkt zu der optischen Achse der dielektrischen Linse bildet.

Gemäß diesem Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse wird die Ansammlung von Fehlern, die sich auf Berechnungen beziehen, gering, und eine hochpräzise Form einer dielektrischen Linse kann entworfen werden. Unter der Annahme, dass die Berechnungen hin zu der Umfangsrandrichtung von der Mitte einer dielektrischen Linse fortschreiten, entsteht an einem Abschnitt, wo der Überkreuzungswinkel der Rück- und Vorder-Oberflächen der Linse und des Primärstrahls annähernd senkrecht ist, wie dem Linsenmittelabschnitt, ein Problem, bei dem sich die Endabschnitte der Oberfläche und der Rückfläche der Linse schließlich nicht an einem Punkt an dem Randendabschnitt kreuzen, nachdem nur wenige Fehler angesammelt werden. Ferner, da die Dicke der dielektrischen Linse von der Umfangsrandposition der dielektrischen Linse als Null berechnet werden kann, können Operationen zum Ändern der Lichtweglänge, immer wenn die Dicke der Linse eine vorbestimmte Dicke wird, durch Ändern des Azimutwinkels θ, ohne Weiteres ausgeführt werden.

(5) Ferner ist ein Herstellungsverfahren einer dielektrischen Linse der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass das Herstellungsverfahren folgendes aufweist: einen Prozess zum Entwerfen der Form einer dielektrischen Linse unter Verwendung von einem der obigen Entwurfsverfahren; einen Prozess zum Vorbereiten einer Spritzgussform; und einen Prozess zum Einspritzen von Harz in die Spritzgussform, um eine dielektrische Linse mit dem Harz zu erzeugen.
(6) Ferner ist eine dielektrische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Linse, von der der Hauptabschnitt ein rotationssymmetrisches Bauglied mit der optischen Achse als Rotati onszentrum bildet, und die Oberfläche die Vorderseite gegenüberliegend zu einem Primärstrahler ist, die folgende Merkmale aufweist: mehrere Vorderseiten-Brechungsflächen, die in der Richtung der Oberfläche hervorstehen; und eine gestufte Fläche, die zwischen den benachbarten Vorderseiten-Brechungsflächen verbunden ist; wobei die gestufte Fläche eine Winkel von ± 20° bezüglich des Primärstrahls bildet, der in eine beliebige Position der Rückfläche eintritt, die dem Primärstrahler zugewandt ist, von einem Fokalpunkt, und innerhalb der Linse fortschreitet, und eine gekrümmte Fläche durch Zonengebung an der Position in der obigen Rückfläche des Primärstrahls bereitgestellt wird, der durch die Vorderseiten-Brechungsfläche verläuft.
(7) Ferner ist die dielektrische Linse gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die gekrümmte Fläche durch Zonengebung zwischen der obigen Vorderseitenbrechungsfläche und der obigen Rückfläche eine gekrümmte Fläche ist, die durch das Snellius'sche Gesetz im Hinblick auf die Rückfläche, Licht-Weg-Längen-Bedingungen und das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung, das eine gewünschte Aperturflächenverteilung liefert, erhalten wird.
(8) Ferner ist eine dielektrische Linsenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die dielektrische Linse Folgendes aufweist: die obige dielektrische Linse; und eine Antennenkuppel, die auf der Oberfläche der dielektrischen Linse gebildet ist, um den vertieften Abschnitt zu füllen, der durch die obige Vorderseitenbrechungsfläche und die obige gestufte Fläche gebildet wird, und eine dielektrische Konstante aufweist, die niedriger ist als die der dielektrischen Linse.

Gemäß einer solchen Konfiguration sammeln sich Staub, Regen und Schnee nicht in dem vertieften Abschnitt an, der durch die Vorderseitenbrechungsfläche und die obige gestufte Fläche gebildet wird, wodurch verhindert wird, dass sich Antenneneigenschaften verschlechtern. Ferner kann eine Verschlechterung von Charakteristika durch Bereitstellen der Antennenkuppel bzw. des Radoms verhindert werden.

(9) Ferner ist die dielektrische Linsenvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass, wenn die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel als ε2 dargestellt wird und die spezifische induktive Kapazität der dielektrischen Linse entsprechend als ε1 dargestellt wird, ε2 = √(ε1) erfüllt ist.
(10) Ferner ist die dielektrische Linsevorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die Oberfläche der obigen Antennenkuppel eine Form ist, die mehrere gekrümmte Flächen in einer Distanz von der Oberfläche der dielektrischen Linse durch λ/4 + nλ verbindet (wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 0 ist und λ eine Wellenlänge ist).

Gemäß einer solchen Konfiguration können die Reflexionseigenschaften der dielektrischen Linsenvorrichtungsoberfläche niedrig gemacht werden.

(11) Ferner weist die Sende-Empfangs-Ausrüstung folgende Merkmale auf: die obige dielektrische Linse; und einen Primärstrahler.

Somit kann eine kleine, leichte Sende-Empfangs-Ausrüstung, wie z. B. ein Millimeterwellenradar, konfiguriert werden.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linse gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel darstellt.
2 ist ein Diagramm, das das Koordinatensystem der obigen dielektrischen Linse darstellt.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Entwurfsverfahren der obigen dielektrischen Linse darstellt.
4 ist ein Diagramm, das die Differenz bei dem Berechnungsergebnis durch die Differenz bei dem Berechnungsstartpunkt einer dielektrischen Linse darstellt.
5 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Änderung einer Aperturflächenverteilung vor und nach der Zonengebung darstellt.
6 ist ein Diagramm, das ein Korrekturbeispiel der gestuften Fläche darstellt, die durch die Zonengebung der dielektrischen Linse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel verursacht wird.
7 ist ein Diagramm, das Simulationsergebnisse eines Brechungsphänomens durch Zonengebung darstellt.
8 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Änderung des Neigungswinkels einer gestuften Fläche und dem Betrag der Gewinnänderung dadurch darstellt.
9 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Formänderung durch die Differenz zwischen Aperturflächenverteilungen darstellt, die im Hinblick auf eine elektrische Linse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel geschaffen werden sollen.
10 ist ein Diagramm, das einige Beispiele einer Aperturflächenverteilung darstellt.
11 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen Aperturflächenverteilung und Antennenrichtwirkung darstellt.
12 ist ein Diagramm, das die Beziehung zwischen der Anzahl von Stufen einer Zonengebung und der Änderung bei der Form einer dielektrischen Linse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel darstellt.
13 ist ein Diagramm, das ein Beispiel der Dickeeinschränkungskurve einer dielektrischen Linse und ein Beispiel einer Teilformung einer dielektrischen Linse darstellt.
14 ist ein Diagramm, das die Form einer dielektrischen Linse und die Eigenschaften einer Antennenrichtwirkung gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel darstellt.
15 ist ein Diagramm, das ein Beispiel einer Formänderung darstellt, dadurch dass eine dielektrische Linse gemäß einem siebten Ausführungsbeispiel einer gleichen Zonengebung und einer ungleichen Zonengebung unterzogen wird.
16 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linsenantenne gemäß einem achten Ausführungsbeispiel darstellt.
17 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linsenantenne darstellt, die zu einem Abtasten in der Lage ist.
18 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel darstellt.
19 ist ein Diagramm, das das Strahlverfolgungsergebnis der obigen dielektrischen Linsenvorrichtung darstellt.
20 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel darstellt.
21 ist ein Diagramm, das die Konfiguration und das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem elften Ausführungsbeispiel darstellt.
22 ist ein Diagramm, das die Konfiguration eines Millimeterwellenradars gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel darstellt.
23 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linse darstellt, die einer herkömmlichen Zonengebung unterzogen wird.
24 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer anderen dielektrischen Linse darstellt, die einer herkömmlichen Zonengebung unterzogen wird.
25 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer wiederum anderen dielektrischen Linse darstellt, die einer herkömmlichen Zonengebung unterzogen wird.
26 ist ein Flussdiagramm, das die Entwurfsverfahren der dielektrischen Linse von 23 darstellt.
Beste Ausführung der Erfindung
Eine Beschreibung wird im Hinblick auf eine dielektrische Linse, ein Entwurfsverfahren und ein Herstellungsverfahren derselben gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel Bezug nehmend auf 1 bis 5 ausgeführt.
(A) in 1 ist eine perspektivische Außenansicht einer dielektrischen Linse, und (B) ist eine Querschnittsansicht bei einer Fläche, die die optische Achse derselben umfasst. Nun sei angenommen, dass die z-Achse als die Optikachsenrichtung genommen wird, die x-Achse als die radiale Richtung genommen wird, die positiven Richtung von z die Oberflächenrichtung der dielektrischen Linse ist und die negative Richtung von z als die Rückflächenrichtung der dielektrischen Linse genommen wird. Die Rückflächenseite dieser dielektrischen Linse 10 ist die Seite, die einem Primärstrahler zugewandt ist. Der dielektrische Abschnitt 1 der dielektrischen Linse 10 besteht aus einer einheitlichen Substanz mit einer größeren spezifischen induktiven Kapazität als das Umgebungsmedium (Luft), durch das sich elektromagnetische Wellen ausbreiten. Die Oberfläche der dielektrischen Linse 10 weist Vorderseitenbrechungsflächen Sr und gestufte Flächen Sc auf, die zwischen den gegenseitig angrenzenden Vorderseitenbrechungsflächen Sr verbunden sind. Die Rückfläche Sb der dielektrischen Linse 10 bildet eine Form, die dieselbe Anzahl von gekrümmten Flächen verbindet wie die Anzahl der Vorderseitenbrechungsflächen Sr gemäß einer Vorderseitenzonengebung. Es wird darauf hingewiesen, dass die dünne Linie bei (B) 1 die Form (vor der Zonengebung) in dem Fall darstellt, dass keine Zonengebung ausgeführt wird. Somit kann eine Reduzierung der Dicke und eine Reduzierung des Gewichts insgesamt dadurch erreicht werden, dass die Oberflächenseite der dielektrischen Linse 10 einer Zonengebung unterzogen wird (Bilden der Vorderseitenbrechungsflächen in eine Form, die kontinuierlich mit der gestuften Fläche verbunden ist).
2 stellt das Koordinatensystem der dielektrischen Linse dar. Die Form dieser dielektrischen Linse unter Verwendung einer geometrischen Optikannäherung berechnet. Zuerst, unter der Annahme, dass die dielektrische Linse an der z-Achse rotationssymmetrisch ist, wird das Koordinatensystem, das für eine Berechnung verwendet werden soll, wie in der nachfolgenden Zeichnung gezeigt ist genommen, die Linsenoberflächenkoordinaten sind dargestellt als (z, x) eines rechtwinkligen Koordinatensystems, die Linsenrückflächenkoordinaten sind dargestellt als (r, θ) eines Polarkoordinatensystems und sind ebenfalls dargestellt als (rcos θ, rsin θ) eines rechtwinkligen Koordinatensystems.
Ferner ist der Primärstrahler an dem Ursprung 0 angeordnet, die Richtwirkung desselben ist dargestellt als Ep (θ), die Phaseneigenschaften desselben sind dargestellt durch Φ(θ), und ferner ist die Aperturflächenverteilung einer virtuellen Aperturfläche bei z = zo dargestellt durch Ed(x). Dabei gilt das Snellius'sche Gesetz im Hinblick auf die Oberfläche bzw. die Rückfläche. Das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung muss eingehalten werden, basierend auf den Bedingungen, bei denen die elektrische Leistung, die aus dem Primärstrahler emittiert wird, auf einer Aperturfläche gespart wird. Ferner, obwohl eine übliche dielektrische Linse die Bedingungen aufweist, dass die Lichtweglänge zu der virtuellen Aperturfläche konstant ist, wird dies zum Ausführen einer Zonengebung durch eine neue Bedingung ersetzt, dass „die Lichtweglänge in ihrer Länge um ein ganzzahliges Mehrfaches der Wellenlänge reduziert werden kann".
Hier kann die Vorderfläche hauptsächlich einer Zonengebung und einer Reduzierung der Dicke unterzogen werden, durch Weglassen des Snellius'schen Gesetzes an der Vorderfläche und Herleiten einer Linsenform, um das Snellius'sche Gesetz an der Rückfläche zu erfüllen, sowie das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung und die Lichtweglängenbedingungen. Zusätzlich dazu, da das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung realisiert wird, sogar wenn eine Zonengebung ausgeführt wird, ist die Aperturflächenverteilung gleich zu der vor einer Zonengebung. Ein spezifisches Beispiel des Ausdrucks, der gelöst werden sollte, kann wie folgt ausgedrückt werden.
[Snellius'sches Gesetz bei Rückfläche] [Ausdruck 1]
[Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung] [Ausdruck 2]
[Lichtweglängenbedingungen] [Ausdruck 3]
Wobei in dem obigen Ausdruck m eine ganze Zahl ist, λ eine Wellenlänge innerhalb eines Mediums (Luft) ist und lo die Lichtweglänge (konstant) vor der Zonengebung ist. θ ist ein Winkel, der durch den Primärstrahl und die optische Achse gebildet wird, wenn der Primärstrahl von elektromagnetischen Wellen in die Rückfläche der dielektrischen Linse von dem Ursprung 0 eintritt, r ist, wie in 2 gezeigt ist, die Distanz von dem Ursprung (Fokalpunkt) 0 zu einem vorbestimmten Punkt der Rückfläche der dielektrischen Linse und Φ ist der Winkel des Primärstrahl der elektromagnetischen Wellen, die an dem vorbestimmten Punkt der Rückfläche der dielektrischen Linse gebrochen werden und innerhalb der dielektrischen Linse fortschreiten. n ist ein Brechungsindex des dielektrischen Abschnitts der dielektrischen Linse.
θm ist der Maximalwert des Winkels θ, wenn der Ursprung 0 mit dem Umfangsrand der Linse mit einer geraden Linie verbunden ist. Rm ist der Radius der Linse. Ferner ist zo die Position auf der z-Achse der virtuellen Aperturfläche und k ist eine Wellenzahl.
Die gestrichelte Linie, die in 2 gezeigt ist, ist der Lichtweg des Primärstrahls, r wird erhalten durch Bestimmen von θ, und die Einfallsposition (rcosθ, rsinθ) des Primärstrahls auf der Rückfläche der Linse wird aus diesem θ und r erhalten. Ferner wird Φ durch den Einfallswinkel des Primärstrahls auf die Rückfläche der dielektrischen Linse erhalten, und ferner werden die Koordinaten (z, x) auf der Oberfläche erhalten.
Die Form der dielektrischen Linse, die in 1 gezeigt ist, wird durch Umwandeln der obigen Ausdrücke in simultane Gleichungen und Auflösen derselben erhalten.
Im Allgemeinen, je einheitlicher die Aperturflächenverteilung ist, desto schmaler ist die Strahlenbündelbreite, aber der Seitenlappenpegel verschlechtert sich. Umgekehrt ist in dem Fall einer Aperturflächenverteilung, die rapide zum Ende hin abfällt, der Seitenlappenpegel niedrig, aber die Strahlenbündelbreite ist groß. Ein grundlegender Aspekt eines Linsentewurfs ist das Optimieren der Aperturflächenverteilung unter den gegebenen Spezifikationen. Natürlich ist dieses Konzept auch unerlässlich, wenn die Linse einer Zonengebung unterzogen wird. In dem Fall jedoch, dass sich die Aperturflächenverteilung vor einer Zonengebung oder nach einer Zonengebung vollständig verändern kann, wird ein Entwurf sehr schwierig. Wenn sich die Aperturflächenverteilung vor und nach einer Zonengebung nicht ändert, wird der Entwurf mit folgenden Schritten fertiggestellt

(1) Bestimmen der Spezifikationen, wie z. B. Größe und Richtwirkung,
(2) Bestimmen der Aperturflächenverteilung, die die Spezifikationen erfüllt, und
(3) Entwerfen einer verzonten Linse,

(1) Bestimmen der Spezifikationen,
(2) Bestimmen einer vorläufig geeigneten Aperturflächenverteilung,
(3) Entwerfen einer verzonten Linse (wobei sich die Aperturflächenverteilung von (2) unterscheidet),
(4) Analysieren der Aperturflächenverteilung unter Verwendung einer Evaluierung oder Simulation der tatsächlichen Antenneneigenschaften, und
(5) Beenden der Verarbeitung, wenn die Aperturflächenverteilung die Spezifikationen erfüllt. Ansonsten, Zurückkehren zu (2), und die Aperturflächenverteilung wird eingestellt und erneut ausgeführt.

Dementsprechend ist es beim Ausführen eines effizienten Entwurfs sehr wichtig, eine Zonengebung so auszuführen, dass die Aperturflächenverteilung nicht verändert wird.
Ein Punkt, der hierin erwähnt werden sollte, ist, dass, wenn versucht wird, die Aperturflächenverteilung gleich wie vor der Zonengebung zu machen, sich durch Zonengebung der Vorderseite nicht nur die Vorderfläche sondern auch die Rückfläche immer in eine konzentrische Kreisform ändern.
Mit einer Linse, deren Rückfläche flach ist, wie z. B. einer Fresnel-Linse oder der Linse, die in dem Nichtpatentdokument 2 gezeigt ist, ist es unmöglich, durch Zonengebung von nur der Oberflächenseite derselben die Öffnungsseitenverteilung gleich der vor einer Zonengebung zu machen.
Während gemäß der vorliegenden Erfindung die Oberflächenseite einer Zonengebung hauptsächlich in einer konzentrischen Kreisform unterzogen wird, wird die Rückflächenseite ebenfalls in einer konzentrischen Kreisform deformiert, wodurch eine gewünschte Aperturflächenverteilung sogar nach der Zonengebung beibehalten wird.
3 ist ein Flussdiagramm, das die Prozesse des Entwurfsverfahrens der obigen dielektrischen Linse darstellt. Zuerst wird eine Aperturflächenverteilung bestimmt (S1). Die folgenden verschiedenen Verteilungen können als diese Öffnungsseitenverteilung genommen werden.
[Parabolische-Verjüngung-Verteilung]
[Ausdrjuck 4]

Ed(r) = c + (1 – c)(1 – r2)n (4)

c und n sind Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Verallgemeinerte Drei-Parameter-Verteilung] [Ausdruck 5]
Λα ist eine Lambdafunktion und ist wie folgt unter Verwendung einer Gammafunktion (Γ) und der Bessel-Funktion (Jα) dargestellt.
[Ausdruck 6]
Hier sind c, α und β Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Gauss'sche Verteilung]
[Ausdruck 7]

Ed(r) = exp(–αr2) (7)

Hier ist α ein Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Polynom-Verteilung] [Ausdruck 8]
c und a1 bis a5 sind Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Taylor-Verteilung] [Ausdruck 9]
J0 ist eine Bessel-Funktion nullter Ordnung, λm sind Null-Punkte (J1 (λm) = 0) einer Bessel-Funktion erster Ordnung, die in aufsteigender Ordnung angeordnet sind, und gm ist eine Konstante, die bestimmt wird, wenn Ordnung n und ein Seitenlappenpegel gegeben sind.
[Modifizierte Bessel-Verteilung]
[Ausdruck 10]

Ed(r) = a + bJ0(λ1r) (10)

λ1 = 3,8317 und b ist gleich a – 1. a ist ein Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Kosinus-Exponentialverteilung] [Ausdruck 11]
c und n sind Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Holt-Verteilung] [Ausdruck 12]
b und r1 sind Parameter zum Bestimmen der Form dieser Verteilung.
[Einheitliche Verteilung]
[Ausdruck 13]

Ed(r) = 1 (13)

Nun, zurück zu 3, wird als Nächstes die Umfangsrandposition der Linse bestimmt (S2).
Zum Beispiel, ist bei dem Beispiel, das in 1 gezeigt ist, x = –45 [mm] oder +45 [mm) die Umfangsrandposition. Als Nächstes werden das Gesetzt zur Bewahrung elektrischer Leistung, das Snellius'sche Gesetz an der Rückfläche und die Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, in simultane Gleichungen umgewandelt, und die Lösung dieser Gleichungen wird unter Verwendung numerischer Berechnungen erhalten (S3).
Dabei wird der Ausdruck, der das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung zeigt, durch ein Differenziersystem geschrieben, und die hochpräzise Berechnung wird erreicht durch Berechnen z. B. durch das Verfahren von Dormand und Prince. Ferner bringt das Berechnen des Ausdrucks, der das Snellius'sche Gesetz zeigt, unter Verwendung von Polarkoordinaten, die Differenzierung in dem Linsenmittelabschnitt auf 0, wodurch eine Berechnung erleichtert wird. Wenn dieser Ausdruck schriftlich ausgedrückt wird unter Verwendung eines rechtwinkligen Koordinatensystems, divergiert die Differenzierung an dem Linsenmittelabschnitt (Neigung wird unendlich), und entsprechend fällt die Genauigkeit des numerischen Berechnungsergebnisses davon markant ab.
Nachfolgend werden die Koordinaten (z, x) auf der neuen Oberfläche der Linse erhalten (S4 → S5), wobei der Wert von z um einem Wellenlänge kürzer ist bei dem Licht mit festem Wert x, wenn z das Maximum erreicht, das vorangehend durch eine Änderung von θ definiert wurde.
Die obige Verarbeitung wird wiederholt, bis θ von θm zu 0 geht (S4 → S5 → S6 → S3 → usw.). Somit wird eine dünne dielektrische Linse entworfen, deren Linsenfläche zm nicht überschreitet.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Beschreibung später Bezug nehmend auf Schritt S7 in 3 ausgeführt wird.
4 zeigt das Ergebnis, wenn der Startpunkt der Berechungen geändert wird. Hier ist A das Ergebnis in dem Fall, dass die Berechnungen von dem Umfangsrandabschnitt gestartet werden, und B ist das Ergebnis, in dem Fall, dass die Berechnungen von dem Mittelabschnitt gestartet werden. Jedoch wird hier keine Zonengebung ausgeführt, um die Form in der Nähe des Umfangsrands der Linse zu vergleichen. Somit kann, wenn die Berechnungen von dem Umfangsrandabschnitt gestartet werden, eine dielektrische Linse einer gewünschten Größe (Radius 45 [mm]) korrekt entworfen werden, aber andererseits, wenn die Berechnungen von dem Mittelabschnitt gestartet werden, wird ein Fehler in der Nähe des Umfangsrands der dielektrischen Linse groß, und eine Situation, in der die Linsenoberflächenseite und die Rückflächenseite nicht an einer vorbestimmten Position konvergieren, tritt ebenfalls auf.
5 stellt eine Änderung bei der Aperturflächenverteilung vor und nach einer Zonengebung dar. Hier ist die dicke Linie die Aperturflächenverteilung vor einer Zonengebung und die dünne Linie ist die Aperturflächenverteilung nach einer Zonengebung. Der Standardisierungsradius der horizontalen Achse ist ein Wert, wenn der Radius der dielektrischen Linse auf 1 gesetzt ist. Ferner ist der Wert der Aperturflächenverteilung ein Wert, dessen maximaler Wert 1 ist und dessen minimaler Wert 0 ist. Somit wird, obwohl eine leichte Störung nach einer Zonengebung aufgrund von Brechungseffekten besteht, im Allgemeinen dieselbe Aperturflächenverteilung wie die vor einer Zonengebung erreicht. Somit kann eine dünne und leichte dielektrische Linse hauptsächlich dadurch erhalten werden, dass die Linsenvorderseite einer Zonengebung unterzogen wird, während die Aperturflächenverteilung gleich der vor einer Zonengebung gemacht wird.
Nach einem Entwerfen der Form der Rück- und Vorder-Oberfläche der dielektrischen Linse, die in (B) aus 1 gezeigt ist, auf diese Weise, wird eine Einspritzform, die aus Harz gebildet ist, entworfen und erzeugt, so dass ein rotationssymmetrisches Objekt mit der optischen Achse als die Drehmitte erhalten wird. Hier kann der Umfangsrandabschnitt der dielektrischen Linse um einen vorbestimmten Radius verworfen werden, wobei der Randabschnitt der dielektrischen Linse kürzer ist als der oben erwähnte Entwurfsradius. Ferner kann abgesehen von einer kreisförmigen Form eine Anordnung hergestellt werden, bei der, wenn die dielektrischen Linse von der optischen Achse betrachtet wird, eine im Allgemeinen quadratische Form oder eine im Allgemeinen rechteckige Form eingesetzt wird, die durch Abschneiden der vier Seiten durch Folgen von geraden Linien erhalten wird. Ferner kann, um eine Anbringung der dielektrischen Linse an ein Chassis zu ermöglichen, ein Flanschabschnitt bereitgestellt werden, der ein Bolzenloch in der Region aufweist, durch die keine elektromagnetischen Wellen passieren.
Für das dielektrische Material, das die Linse bildet, kann Harz, Keramik, ein Harz-Keramik-Verbundmaterial, ein künstliches dielektrisches Material mit Metall, das zyklisch in demselben angeordnet ist, ein Photonenkristall und andere Materialien, die eine andere spezifische Dielektrizitätskonstante als 1 aufweisen, eingesetzt werden.
Ferner wird die dielektrische Linse hergestellt durch Verarbeiten solcher dielektrischer Materialien durch Schneiden, Einspritzformen, Formpressen, optisches Modellieren oder Ähnliches.
Als Nächstes wird eine Beschreibung im Hinblick auf eine dielektrische Linse gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel und dem Entwurfsverfahren desselben unter Bezugnahme auf 6 bis 8 ausgeführt.
(A) in 6 ist eine Querschnittsansicht der Hauptabschnitte auf der Oberfläche der dielektrischen Linse, die die optische Achse umfasst, entworfen durch die Verarbeitung von Schritt S1 bis Schritt S6 in 3. Alleine mit der oben erwähnten Verarbeitung wird z reduziert, während x festgelegt ist, so dass die Lichtweglänge um eine Wellenlänge verkürzt wird, wenn z der Koordinaten (z, x) auf der Oberfläche der Linse die obere Grenze zm erreicht, so dass die gestuften Flächen Sc (Sc1 – Sc4) zu Flächen parallel zu der optischen Achse werden. Mit einer solchen Form werden scharfzugespitzte Abschnitte (Tal V und Berg T) an der Grenze der Brechungsfläche und der gestuften Fläche gebildet.
Dementsprechend werden die Neigungswinkel der gestuften Flächen Sc (Sc1 – Sc4) korrigiert, wie als Nächstes beschrieben wird. (B) in 6 ist eine Querschnittsansicht der Hauptabschnitte auf der Oberfläche einschließlich der optischen Achse der dielektrischen Linse nach der Korrektur derselben, und (C) ist eine teilweise vergrößerte Ansicht derselben. Hier, wenn die Aufmerksamkeit auf die gestufte Fläche Sc3 zwischen den Vorderseitenbrechungsflächen Sr2 und Sr3 gelegt wird, bildet diese gestufte Fläche Sc3 eine zylindrische Fläche, die auf der z-Achse zentriert ist, vor einer Korrektur der Neigungswinkel. Auf der z-x-Ebene, mit einem Winkel As, der durch diese gestufte Fläche Sc3 und eine Linie Lz parallel zu der z-Achse als der Neigungswinkel der gestuften Fläche Sc3 gebildet wird, wird der obige Neigungswinkel As derart bestimmt, dass sich die gestufte Fläche Sc3 hin zu der Richtung des Fokalpunkts (Ursprung 0) und nicht in der Richtung der Dicke (z-Achsenrichtung) der dielektrischen Linse neigt, von einer Grenze P23 dieser gestuften Fläche Sc3' und der Vorderseitenbrechungsfläche Sr2'. Somit bildet die gestufte Fläche Sc3 (einen Teil der) die Seitenoberfläche des Kegels, der die gerade Linie des primären Strahls OP3 enthält.
Die gestuften Flächen Sc1', Sc2', Sc3' und Sc4' in 6(B) stellen die gestuften Flächen dar, die somit entsprechend korrigiert sind. Die Bereiche der Vorderseitenbrechungsflächen Sr1', Sr2', Sr3' und Sr4' ändern sich ebenfalls mit dieser Korrektur der gestuften Flächen.
Bei Schritt 7 in 3 wird die Korrekturverarbeitung der Neigungswinkel der obigen gestuften Flächen aufgeführt.
Eine Korrektur der Neigungswinkel der oben erwähnten gestuften Flächen ist insofern wirksam, als die Brechungsphänomene aufgrund einer Störung der Magnetfeldverteilung unterdrückt werden können. 7 stellt das Ergebnis einer Simulation dar, die die Magnetfeldverteilung stimuliert, im Hinblick auf eine Ein-Schritt-verzonte Linse, bei der eine Stufenbildung an einer Stelle auftritt. Hier ist 10 eine dielektrische Linse und 20 ist ein Primärstrahler. Somit stört das Vorhandensein eines einwertsgewandten, spitzen Talabschnitts und eines auswärtsgewandten, spitzen Bergabschnitts, die an dem Grenzabschnitt der gestuften Fläche und der Vorderseitenbrechungsfläche benachbart zu derselben auftreten, die Magnetfeldverteilung, und ein Seitenlappen tritt hin zu der unteren rechten Richtung in der Zeichnung auf, aufgrund eines Brechungsphänomens. Wie in (B) in 6 gezeigt ist, wenn die Winkel des Tals V und des Berges T, die zwischen der gestuften Fläche und der Vorderseitenbrechungsfläche benachbart zu derselben auftreten, weniger steil gemacht werden, wird dadurch ein Stören der Magnetfeldverteilung verhindert, wodurch Brechungsphänomene unterdrückt werden können.
Mit dem Beispiel, das in 6 gezeigt ist, wurde der Neigungswinkel der gestuften Fläche derart bestimmt, dass die gestufte Fläche den Primärstrahl der elektromagnetischen Wellen enthält, die in eine beliebige Position der Rückfläche der dielektrischen Linse von dem Ursprung (Fokalpunkt) 0 eintreten, dieselben gebrochen werden und sich durch eine dielektrische Linse ausbreiten, aber der Nei gungswinkel der gestuften Fläche einen bestimmten Spielraumbetrag aufweist, um den obigen Gewinn zu verbessern und die obige Brechung zu unterdrücken. 8 stellt die Gewinnänderung aufgrund einer Änderung des Neigungswinkels dar. Wie bei (A) in 8 gezeigt ist, wird ein Winkel ε, der durch den optischen Weg OP des primären Strahls und die gestufte Fläche Sc gebildet, dargestellt durch + in einem Zustand, in dem eine Korrektur des Neigungswinkels der gestuften Fläche nicht ausreichend ist, und dargestellt durch – in einem Zustand, in dem der Neigungswinkel übermäßig geneigt ist, und der Betrag der Gewinnänderung, wenn dieser Winkel ε geändert wird, ist in 8(C) gezeigt. Der Betrag der Gewinnänderung zur Zeit von ε = 0 ist hier auf 0 eingestellt. Wie aus diesem Ergebnis deutlich verständlich ist, ist der akzeptable Wert einer Gewinnänderung einer dielektrischen Linse allgemein ungefähr 10%, so dass innerhalb des Bereichs des Neigungswinkels von ε = ± 20 die gestufte Fläche Sc ermöglicht, dass gute Gewinneigenschaften erreicht werden. Als Nächstes wird eine Beschreibung im Hinblick auf eine dielektrische Linse gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel und das Entwurfsverfahren derselben Bezug nehmend auf 9–11 ausgeführt.
Dieses dritte Ausführungsbeispiel zeigt ein Beispiel einer Änderung der Form der dielektrischen Linse, wenn die Aperturflächenverteilung geändert wird. 10 stellt ein Beispiel von drei Typen einer Aperturflächenverteilung dar. Ferner stellen (A) bis (C) in 9 die Form der dielektrischen Linse dar, wo drei Aperturflächenverteilungen in 10 gegeben und entworfen waren. A, B und C in 10 entsprechen (A), (B) bzw. (C) in 9. Die Aperturflächenverteilungen von 10 sind alle die Parabolische-Verjüngung-Verteilungen, die in Ausdruck (4) gezeigt sind, wobei sich Parameter c und n ändern. Jedes in 9 gezeigte Beispiel ist ein Beispiel der Vier-Stufen-Zonengebung, bei der Schritte an vier Stellen auftreten, wobei je näher an einer konvexen Form die Oberflächenseite der dielektrischen Linse ist, desto näher ist die Aper turflächenverteilung an einer Einheitlichkeit, aber umgekehrt, je näher die Rückflächenseite der dielektrischen Linse an einer konvexen Form ist, desto eher wird die Aperturflächenverteilung eine Form, die schnell hin zu dem Umfangsrandabschnitt von dem Mittelabschnitt abfällt.
11 stellt ein Beispiel einer Richtungwirkungsänderung der Antenne gemäß einer Änderung der Aperturflächenverteilung dar. Somit, in dem Fall, dass die Aperturflächenverteilung wie bei a nahe an einer einheitlichen Verteilung ist, ist die Hauptlappenbreite schmal, aber ein Seitenlappen erscheint im Wesentlichen überall. In dem Fall, dass die Aperturflächenverteilung eine Form ist, die schnell von dem Mittelabschnitt zu dem Umfangsrandabschnitt gedämpft wird, wie bei c, ist die Breite des Hauptlappens groß, aber der Seitenlappen ist unterdrückt. Ferner, weist in dem Fall, dass die Aperturflächenverteilung Zwischeneigenschaften zwischen a und c aufweist, wie bei b, die Manifestation des Hauptlappens und des Seitenlappens Zwischeneigenschaften zwischen a und c auf. Das Muster der Aperturflächenverteilung ist bestimmt, um eine solche gewünschte Antennenrichtwirkung zu erhalten.
12 stellt die Form und das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel dar. (A) bis (F) in 12 stellen die Ergebnisse dar, wenn sich die Einschränkungsdickeposition auf der Vorderseite der dielektrischen Linse ändert (zm gezeigt in 2). (A) ist das Ergebnis, wenn bestimmt wird zm = 40 [mm], (B) wenn zm = 35 [mm], (C) wenn zm = 30 [mm], (D) wenn zm = 25 [mm], (E) wenn zm = 23 und (F) wenn zm = 21. Eine Zonengebung wird bei (A) nicht ausgeführt. Eine Ein-Schritt-Zonengebung wird bei (B) ausgeführt, eine Zwei-Schritt-Zonengebung bei (C), eine Vier-Schritt-Zonengebung bei (D), eine Fünf-Schritt-Zonengebung bei (E) und eine Sechs-Schritt-Zonengebung bei (F). Somit, je mehr sich die Anzahl von Schritten der Zonengebung erhöht, desto dünner kann die dielektrische Linse hergestellt werden.
Ferner bewegt sich die Position jedes Punkts auf der Rückflächenseite der dielektrischen Linse in der positiven Richtung der z-Achse (der Oberflächenrichtung der dielektrischen Linse), wenn sich die Anzahl von Schritten der Zonengebung erhöht, wodurch das Volumen der dielektrischen Linse reduziert werden kann, und eine Reduzierung des Gewichts kann um so viel realisiert werden.
13 stellt das Entwurfsverfahren und das Herstellungsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß einem fünften Ausführungsbeispiel dar. Wenn die dielektrische Linse, die in jedem oben erwähnten Ausführungsbeispiel gezeigt ist, durch Formen hergestellt wird, ist es nicht notwendigerweise von Bedeutung, ein einstückiges Formen auszuführen, die entsprechenden Abschnitte können individuell geformt werden und dann verbunden werden. In 13 zeigt die gestrichelte Linie die Teilungsfläche. Zum Beispiel, wie bei (A) in 13 gezeigt ist, kann eine dielektrische Linse in die Rückflächenseite und die Vorderseite unterteilt sein. Ferner, wie bei (B) gezeigt ist, kann der hervorstehende Abschnitt der Vorderseite einer dielektrischen Linse, der durch Zonengebung verursacht wird, separat von dem verbleibenden Hauptkörperabschnitt geformt werden. Ferner, wie bei (C) gezeigt ist, kann eine Anordnung hergestellt werden, bei der eine Teilungsformung an den Talabschnitten ausgeführt wird, die zwischen den Vorderseitenbrechungsflächen und den gestuften Flächen der dielektrischen Linse gebildet sind, die durch Zonengebung erzeugt werden, und dann kombiniert wird.
14 stellt ein Beispiel der Form, des Entwurfsverfahrens und einer Richtwirkung einer dielektrischen Linse gemäß einem sechsten Ausführungsbeispiel dar. (A) in 14 ist eine Querschnittsansicht an einer flachen Fläche, die die optische Achse der dielektrischen Linse umfasst. Bei jedem oben gezeigten Ausführungsbeispiel wurde eine Bestimmung dahingehend gemacht, ob die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickeposition erreichen oder nicht, dadurch, dass die Position derselben durch die gerade Linie z = zm festgesetzt wird, aber dies kann mit einer beliebigen Kurve bestimmt werden. Das Beispiel, das in 14 gezeigt ist, ist das Ergebnis einer Anordnung, bei der eine Dickeeinschränkungskurve TRL (TRL = thickness restrictign curve), die eine Kurve auf der x-z-Flach-Fläche bildet, bestimmt wird, und die Lichtweglänge in der Formel für die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit um eine Wellenlänge von der Wellenlänge innerhalb der dielektrischen Linse an dem Punkt der Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse reduziert wird, der diese Dickeeinschränkungskurve erreicht. Somit kann durch Bestimmen der Dickeeinschränkungskurve TRL die Umrissform der Oberfläche der dielektrischen Linse mit der Drehungsoberfläche der Dickeeinschränkungskurve TRL vereint werden. Durch Bestimmen der Dickeeinschränkungskurve TRL derart, dass z im Allgemeinen groß in dem mittleren Linsenabschnitt ist und kleiner hin zu dem Umfangsrand wird, wird eine Änderung bei der Dicke von dem Mittelabschnitt zu dem Umfangsrandabschnitt der dielektrischen Linse durch Zonengebung reduziert, und eine mechanische Festigkeit verbessert sich. Ferner wird ein Entwurf mit Formen erleichtert. Ferner kann eine Komaaberration dadurch reduziert werden, dass die Rückfläche der dielektrischen Linse sich einer Bogenform nähert, durch Bestimmen der TRL-Quelle.
Bei diesem Beispiel sind die Koordinaten (x, z) der Umfangsrandposition auf der Rückflächenseite der dielektrischen Linse (Berechungsstartposition) eingestellt auf (45, 0) und die Koordinaten (x, z) der Umgangsrandposition auf der Oberflächenseite (Berechungsstartposition) sind auf (45, 2) eingestellt.
(B) in 14 stellt die Richtwirkung in der Richtung eines Azimutwinkels dar, der die Richtung der optischen Achse einer dielektrischen Linse auf 0 einstellt. Hier weist der Primärstrahler ein Strahlungsmuster auf, ausgedrückt mit der Form von cos^3,2θ. Somit werden Dielektrische-Linsenantenne-Eigenschaften, die eine scharfe Richtwirkung aufweisen, wobei der Pegelunterschied zwischen dem Hauptlappen und dem größten Seitenlappen 20 dB oder mehr ist, und auch die Strahlbreite, die –3 dB dämpft, 2,8° ist, erhalten.
15 ist ein Diagramm, das eine dielektrische Linse und das Entwurfsverfahren derselben gemäß eines siebten Ausführungsbeispiels darstellt. Bei jedem Ausführungsbeispiel, das bislang gezeigt wurde, wenn die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickeposition erreichten, wurde die Lichtweglänge in der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, um eine Wellenlänge von der Wellenlänge innerhalb der dielektrischen Linse reduziert, aber die Lichtweglänge kann um ganzzahlige Mehrfache reduziert werden, wie z. B. zwei Wellenlängen oder drei Wellenlängen. Das Beispiel, das bei (A) in 15 gezeigt ist, ist das Ergebnis eines Entwurfs, um die Lichtweglänge aller Regionen um jeweils eine Wellenlänge zu reduzieren, mit der Einschränkungsdickeposition von zm = 19. (B) ist das Ergebnis, des Reduzierens der Lichtweglänge um jeweils zwei Wellenlängen für den Umfangsabschnitt von x = 45 bis 25 und den Mittelabschnitt von x = 15 bis 0 [mm], und um eine Wellenlänge für den anderen Bereich von x = 15 bis 25.
Im Allgemeinen sind die Abschnitte, die am meisten zu Antenneneigenschaften beitragen, der Mittelabschnitt und der Umfangsabschnitt einer Aperturflächenverteilung. Eine uneinheitliche Zonengebung, wie bei (B) aus 15 gezeigt ist, ermöglicht, dass Brechungsphänomene unterdrückt werden, da die Anzahl von Stufen an dem Mittelabschnitt und dem Umfangsabschnitt der dielektrischen Linse geringer wird, wodurch ermöglicht wird, das gewünschte Antenneneigenschaften ohne Weiteres erreicht werden.
(C) in 15 zeigt die Richtwirkung der Antenne unter Verwendung der dielektrischen Linse der Form, die bei (B) gezeigt ist. Wie verständlich ist durch Vergleichen mit 14(B), ist die Strahlenbündelbreite auf 2,6 Grad herunterverschmälert, und im Hinblick auf die Richtwirkung ist bei (B) in 14 ein Seitenlappen (der Seitenlappen benachbart zu der Außenseite eines ersten Seitenlappens) größer als der erste Seitenlappen (Seitenlappen am nächsten zu dem Hauptlappen), aufgrund des Brechungsphänomens, und die Richtwirkung wird etwas gestört, aber bei dem Beispiel bei (C) in 15 ist ersichtlich, dass eine Brechung unterdrückt würde und der erste, zweite und dritte Seitenlappen erscheinen klar, was eine Unterdrückung der Brechungsphänomene bedeutet.
Zusätzlich dazu weisen alle dielektrischen Linsen, die in 14 und 15 gezeigt sind, die das Harzmaterial der spezifischen induktiven Kapazität 3 als das dielektrische Material derselben verwenden, einen Durchmesser von 90 [mm] und eine Fokaldistanz von 27 [mm] auf, mit einer Parabolische-Verjüngung-Verteilung für die Aperturflächenverteilung, und entsprechen dem Band von 76 bis 77 GHz.
Als Nächstes wird eine Beschreibung im Hinblick auf die Konfiguration einer dielektrischen Linsenantenne gemäß einem achten Ausführungsbeispiel Bezug nehmend auf 16 und 17 ausgeführt.
(B) in 16 ist eine planare Querschnittsansicht, die die optische Achse einer dielektrischen Linsenantenne enthält, und (A) ist eine perspektivische Ansicht des Primärstrahlers, der für die dielektrische Linsenantenne derselben verwendet wird. Hier wird eine rechteckige Hornantenne als ein Primärstrahler verwendet, und die schärfste Richtwirkung kann in der Richtung der optischen Achse erhalten werden, durch Anordnen des Primärstrahlers 20 im Allgemeinen in der Fokalposition der dielektrischen Linsenantenne 10.
Zusätzlich dazu kann für den oben erwähnten primären Strahler, ein kreisförmiges Horn, ein dielektrischer Stab, eine Patch-Antenne, eine Schlitzantenne oder ähnliches verwendet werden.
17 zeigt die Konfigurationen der dielektrischen Linsenantennen, die so erdacht sind, dass ein Sende-Empfangs-Gerät-Strahlenbündel abgetastet werden kann. Jedes von (A) bis (D) lenkt die Richtung des Sende- und -Empfangs-Wellen-Strahlenbündels OB ab, die gemäß den räumlichen Beziehungen dieses Primärstrahlers 20 und der dielektrischen Linse 10 bestimmt ist, durch ein Bewegen des Primärstrahlers 20 relativ zu der dielektrischen Linse. Das Beispiel von (A) tastet das Sende- und -Empfangs-Wellen-Strahlenbündel OB durch Bewegen des Primärstrahlers 20 relativ zu der dielektrischen Linse über eine Fläche ab, die senkrecht zu der Optikachse OA ist und in der Nähe der Fokalposition verläuft. Das Beispiel von (B) ordnet mehrere Primärstrahler 20 innerhalb der Fläche an, die senkrecht zu der Optikachse OA ist und in der Nähe der Fokalposition verläuft, um das Sende- und -Empfangs-Wellen-Strahlenbündel OB abzutasten, durch Schalten derselben unter Verwendung eines elektronischen Schalters. Das Beispiel von (C) tastet das Sende- und -Empfangs-Wellen-Strahlenbündel OB ab, durch Verursachen, dass sich der Primärstrahler 20 mechanisch in der Nähe der Fokalposition der dielektrischen Linse 10 dreht. Das Beispiel von (D) ordnet die mehreren Primärstrahler 20 auf der vorbestimmten gekrümmten Fläche oder der Krümmung in der Nähe der Fokalposition der dielektrischen Linse 10 an und bewegt das Sende- und -Empfangs-Wellen-Strahlenbündel OB durch Ändern mit einem elektronischen Schalter.
Bei jeder dielektrischen Linse, wie oben erwähnt wurde, wird ein vertiefter Abschnitt, wie ein spitzes Tal, zwischen der gestuften Fläche und der Brechungsfläche erzeugt, und Staub, Regen und Schnee haften leicht in diesem vertieften Abschnitt oder sammeln sich in demselben. Bei dem nachfolgenden neunten bis elften Ausführungsbeispiel wird eine Beschreibung im Hinblick auf einen dielektrische Linsenvorrichtung ausgeführt, die diese Konfiguration aufweist, die verhindert, dass Staub, Regen und Schnee anhaften.
18 und 19 sind Diagramme, die die Konfiguration einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem neunten Ausführungsbeispiel darstellen. 18(A) ist eine externe Ansicht eines Zustands, in dem eine dielektrische Linse 10 von einer Antennenkuppel oder einen Radom 11 getrennt ist, die bzw. das auf der Seitenoberfläche derselben vorgesehen ist. Ferner ist (B) eine Querschnittsansicht direkt vor dem Kombinieren einer dielektrischen Linse und einer Antennenkuppel, und (C) ist eine Querschnittsansicht einer dielektrischen Linsenvorrichtung 12, bei der die zwei angeordnet sind.
Die dielektrische Linse 10 ist jegliche Eine der verzonten Linsen, die in dem ersten bis achten Ausführungsbeispiel gezeigt sind, und wird als eine Antenne für fahrzeugintegrierte 76-GHz-Band-Radare eingesetzt. Genauer gesagt ist diese Linse 90 mm im Durchmesser und beträgt 27 mm Fokaldistanz und ist mit einem Harzmaterial einer spezifischen induktiven Kapazität von 3,1 geformt.
Wie in 18 gezeigt ist, weist die Antennenkuppel 11 eine Form auf, die einen vertieften Abschnitt füllt, um die Unebenheit der Vorderseite der dielektrischen Linse 10 zu beseitigen, und macht die Vorderseite der dielektrischen Linse zu einer Ebene.
Diese Antennenkuppel 11 besteht aus einem Schaummaterial (Harzschaum) einer spezifischen induktiven Kapazität von 1,1. Das heißt, diese Antennenkuppel 11 wird vorbereitet durch Bereitstellen eines Modells zum Gießen des zuvor erwähnten Schaummaterials in die Oberflächenseite der dielektrischen Linse 10 und Einspritzen des Schaummaterials in dieses Modell.
Es wird darauf hingewiesen, dass die Antennenkuppel 11 unabhängig von der dielektrischen Linse 10 geformt werden kann. In diesem Fall füllt das Anhaften der dielektrischen Linse 10 und der Antennenkuppel 11 mit einem Haftmittel mit einer niedrigen dielektrischen Konstante den kleinen Zwischenraum zwischen den beiden mit Haftmittel. Alternativ kann es ausreichend sein, die dielektrische Linse und die Antennenkuppel in engen Kontakt zu bringen, ohne Haftmittel oder Ähnliches zu verwenden.
Diese Konfiguration verhindert, dass Staub, Regen und Schnee an dem vertieften Abschnitt der dielektrischen Linse 11 haften, wodurch der Verschlechterungsfaktor der Antenneneigenschaften beseitigt werden kann, wenn die dielektrische Linsenantenne 12 konfiguriert wird.
19 stellt das Ergebnis dar, wenn Lichtstrahlen (elektrische Wellen) erhalten wurden, die in der Richtung der Oberfläche der dielektrischen Linse 10 von einem Fokalpunkt austreten, unter Verwendung des Strahlverfolgungsverfahrens im Hinblick auf den Fall der Bereitstellung der obigen Antennekuppel 11 und den Fall, dass die Antennekuppel 11 nicht bereitgestellt wird.
Da die spezifische induktive Kapazität (1,1) der Antennenkuppel 11 im Allgemeinen gleich der spezifischen Induktiven Kapazität (1, 0) der umliegenden Luft ist, besteht praktisch kein negativer Einfluss auf die Brechung an der Schnittstelle der Vorderseitenbrechungsfläche der dielektrischen Linse 10 und der Antennenkuppel 11. Dementsprechend, wie bei (B) in 19 gezeigt ist, besteht fast keine Störung des Lichtstrahls der dielektrischen Linsenvorrichtung 12, die aus der dielektrischen Linse 10 und der Antennenkuppel 11 besteht, und das Licht, das aus der dielektrischen Linsevorrichtung 12 austritt ist fast dasselbe parallele Licht wie bei dem Fall der dielektrischen Linse 10 alleine.
Folglich war der Antennengewinn der dielektrischen Linsenantenne, die ohne Bereitstellung der Antennenkuppel 11 konfiguriert ist, 34 dBi, aber der Antennegewinn der dielektrischen Linsenantenne, die aus der dielektrischen Linse 12 versehen mit der Antennenkuppel 11 konfiguriert ist, war 33 dBi. Dies zeigt, dass eine Verschlechterung des Antennengewinns auf einem vernachlässigbarem Pegel ist.
Es wird darauf hingewiesen, dass eine Anordnung ausgeführt werden kann, bei der die spezifische induktive Kapazität des Mediums der Außenseite auf der Vorderseite der dielektrischen Linse 10 auch für die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel 11 verwendet wird, und die simultanen Gleichungen von [Ausdruck 1] bis [Ausdruck 3] gelöst werden, wodurch die Form einer dielektrischen Linse entworfen wird. Somit wird das Licht, das durch die Innenseite der Antennenkuppel 11 verläuft, paralleles Licht. Wie in 18 und 19 gezeigt ist, da paralleles Licht durch die Schnittstelle zwischen der Oberfläche dieser Antennenkuppel 11 und Luft verläuft, wird eine Brechung, die eine Richtwirkung ändert, nicht an einer Schnittstelle dieser Antennenkuppel 11 und Luft erzeugt, da die Vorderseite der Antennenkuppel 11 als eine Ebene geformt wurde. Dementsprechend entstehen keine Probleme, wie z. B., dass sich der Antennengewinn der Eigenschaften der dielektrischen Linsenantenne verschlechtert, da die Antennenkuppel 11 hinzugefügt wurde.
20 ist eine Querschnittansicht einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem zehnten Ausführungsbeispiel. Bei diesem Beispiel ist die Antennenkuppel 11 nur in den vertieften Abschnitt der Oberflächenseite der dielektrischen Linse 10 vorgesehen. Genauer gesagt ist die Antennenkuppel 11 aus einem Schaummaterial gebildet, durch Füllen des vertieften Abschnitts der dielektrischen Linse 11 mit dem Schaummaterial einer spezifischen induktiven Kapazität von 1,1.
Da die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel 11 ausreichend kleiner ist als die spezifische induktive Kapazität der dielektrischen Linse 10 und auch nahe an der spezifischen induktiven Kapazität von Luft, bleibt das Licht, das von der dielektrischen Linse 10 und der Antennenkuppel 11 zu der Vorderseite hindurchtritt im Allgemeinen paralleles Licht. Daher wird das Problem, dass sich der Antennengewinn der dielektrischen Linse verschlechtert, nicht dadurch verursacht, dass die Antennenkuppel 11 bereitgestellt wurde.
Da das Volumen der Antennenkuppel, die die Oberfläche der dielektrischen Linse 10 abdeckt, bei einer solchen Konfiguration minimal ist, verringert sich eine Störung von Lichtstrahlen weiter und eine Verschlechterung der Eigenschaften der dielektrischen Linsenantenne wird weiter unterdrückt. Ferner kann die gesamte dielektrische Linsenvorrichtung 12 dünn gebildet werden.
(A) in 21 ist ein Diagramm, das die Konfiguration einer dielektrischen Linsenvorrichtung gemäß einem elften Ausführungsbeispiel darstellt. (B) zeigt den Entwurfsprozess der Oberflächenform der Antennenkuppel 11.
Hier, mit n als einer ganzen Zahl von 0 oder größer und λ als der Wellenlänge innerhalb der Antennenkuppel 11, ist die Oberflächenform der Antennenkuppel 11 derart bestimmt, dass die Vorderfläche der Antennenkuppel 11 nur λ/4 + nλ von der Vorderfläche der dielektrischen Linse 10 ist.
Mehrere Linien, die entlang der Oberfläche der dielektrischen Linse 10 gezeichnet sind, die bei (B) gezeigt ist, zeigen die Oberflächenposition, die die Antennenkuppel 11 annehmen kann. Der Abschnitt nahe an der Vorderseiten-Brechungsfläche Sr0 des Abschnitts der dielektrischen Linse 10, der keiner Zonengebung unterzogen wurde, nimmt die Position nur λ/4 von der Vorderfläche als die Vorderfläche der Antennenkuppel 11 ein. Für die Vorderseiten-Brechungsflächen Sr1 und Sr2, die als die Abschnitte der dielektrischen Linse 10 dienen, die einer Zonengebung unterzogen wurden, ist n so bestimmt, um nur λ/4 + nλ von der Oberfläche der dielektrischen Linse 10 zu sein, und dass wenn möglich keine Stufen auf der Vorderfläche der Antennenkuppel 11 auftreten. Mit diesem Beispiel von Fig. (A) 21 ist der Abschnitt nahe der Vorderseiten-Brechungsfläche Sr1 auf λ/4 + 2λ (= 9λ/4) eingestellt, und der Abschnitt in der Nähe der Vorderseiten-Brechungsfläche Sr2 ist auf λ/4 + 4λ (= 17λ/4) eingestellt. Unterbrochene Abschnitte sind mit einer Konusfläche (eine gerade Linie in einem Querschnitt) oder einer gekrümmten Fläche (einer Kurve in einem Querschnitt) verbunden.
Somit werden durch Entwerfen der Dicke jedes Teils der Antennenkuppel, die Reflexion an der Oberfläche der dielektrischen Linse 10 und die Reflexion an der Oberfläche der Antennenkuppel 11 durch gegenläufige Phasen auf der Antennenkuppeloberfläche vereinigt und reflektiertes Licht wird herausgelöscht. Folglich wird eine Reflexion an der Oberfläche der dielektrischen Linsenvorrichtung 12 auf einen niedrigen Pegel unterdrückt.
Ferner ist die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel 11 ausgewählt, um eine Beziehung von ε2 = √(ε1) aufzuweisen, wobei die spezifische induktive Kapazität der dielektrischen Linse 10 durch ε1 dargestellt ist und die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel 11 durch ε2 dargestellt ist. Wenn z. B. die spezifische induktive Kapazität ε1 der dielektrischen Linse 10 3,1 ist, ist ε2 = √(3,1) ungefähr gleich 1,76, so dass die Antennenkuppel 11 mit einem Harzmaterial mit einer spezifischen induktiven Kapazität von ungefähr 1,76 konfiguriert ist.
Da die Intensität des reflektierten Lichts auf der Oberfläche der dielektrischen Linse 10 und die Intensität des reflektierten Lichts auf die Oberfläche der Antennenkuppel 11 übereinstimmen, ist der oben erwähnte Löscheffekt maximal und die höchsten Niedrig-Reflexions-Eigenschaften werden erhalten.
Es wird darauf hingewiesen, dass sich, wenn die Oberflächenform der Antennenkuppel derart entworfen ist, dass so weit wie möglich keine Stufen auftreten, wie in 21 gezeigt ist, die Dicke der gesamten dielektrischen Linsenvorrichtung wieder erhöht, obwohl die dielektrische Linse durch Zonengebung in einer dünnen Form gebildet wurde. Die niedrigen Reflexionseigenschaften werden jedoch wie oben erwähnt erworben, im Vergleich zu dem Fall, in dem die einzelne dielektrische Linse verwendet wird, die keiner Zonengebung unterzogen ist. Ferner ist die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel 11 eine niedrige dielektrische Konstante und weist ein niedriges spezifisches Gewicht im Vergleich zu der dielektrischen Linse 10 auf, wodurch eine Gesamtgewichtsreduzierung realisiert wird.
22 ist ein Blockdiagramm, das die Konfiguration eines Millimeterwellenradars gemäß einem zwölften Ausführungsbeispiel darstellt. In 22 ist VCO51 ein spannungsgesteuerter Oszillator, der eine Gunn-Diode oder einen FET und eine Varaktor-Diode usw. einsetzt, die ein Oszillationssignal mit einem gesendeten Signal Tx moduliert und das Modulationssignal (gesendete Signal) zu einem Lo-Zweig-Koppler 52 über eine NRD-Führung weitergibt. Der Lo-Zweig-Koppler 52 ist ein Koppler, der aus einer NRD-Führung besteht, die einen Teil des gesendeten Signals als ein lokales Signal herausnimmt, wobei ein Richtungskoppler aus diesem Lo-Zweig-Koppler 52 und einem Abschluss 56 konfiguriert ist. Ein Zirkulator 53 ist ein NRD-Führungszirkulator (NRD = non-radiative dielectric = nicht abstrahlend, dielektrisch) und gibt das gesendete Signal zu dem Primär strahler 20 einer dielektrischen Linsenantenne und sendet das empfangene Signal von dem Primärstrahler 20 zu einem Mischer 54. Der Primärstrahler 20 und die dielektrische Linse 10 bilden die dielektrische Linsenantenne. Der Mischer 54 mischt das empfangene Signal aus dem Zirkulator 53 und das oben erwähnte lokale Signal und gibt das empfangene Signal einer Zwischenfrequenz aus. Ein LNA 55 (LNA = lownoise amplifier = Niedrig-Rausch-Verstärker) unterzieht das empfangene Signal aus dem Mischer 54 einer Niedrigrauschverstärkung und gibt dies als ein empfangenes Signal Rx aus. Die Signalverarbeitungsschaltung außerhalb der Zeichnung steuert einen Primärstrahler-Bewegungsmechanismus 21 und erfasst ferner die Distanz zu einem Ziel und eine relative Geschwindigkeit aus der Beziehung zwischen dem Modulationssignal Tx des VCO (VCO = voltage-controlled oscillator = spannungsgesteuerter Oszillator) und dem Rx-Signal. Es wird darauf hingewiesen, dass für eine Übertragungsleitung eine Wellenleiterröhre oder eine MSL eingesetzt werden kann, abgesehen von dem oben erwähnten NRD-Leiter.
Industrielle Anwendbarkeit
Die vorliegende Erfindung ist an eine dielektrische Linsenantenne anwendbar, die elektrische Wellen eines Mikrowellenbandes oder eines Millimeterwellenbandes sendet und empfängt.
Zusammenfassung
Ein erster Schritt bestimmt eine gewünschte Aperturflächenverteilung, ein zweiter Schritt wandelt das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung, das Snellius'sche Gesetz auf der Rückflächenseite einer dielektrischen Linse und die Formel, die eine Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit darstellt, in simultane Gleichungen um, und Berechnet die Formen der Oberfläche und der Rückfläche der dielektrischen Linse abhängig von dem Azimutwinkel θ eines Primärstahls von dem Fokalpunkt der dielektrischen Linse zu der Rückfläche der dielektrischen Linse, und ein dritter Schritt reduziert die Lichtweglänge in der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge, wenn die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickenposition erreichen. Eine dielektrische Linse wird entworfen durch sequentielles Ändern des obigen Azimutwinkels θ von seinem Anfangswert und ferner Wiederholen des zweiten und dritten Schritts. Somit wird ein Verkleinern und Quantifizieren durch Zonengebung realisiert, während Antenneneigenschaften zur Zeit der Bildung einer dielektrischen Linsenantenne in einem guten Zustand gehalten werden.

Claims

Ein Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse, das folgende Schritte aufweist: einen ersten Schritt zum Bestimmen einer gewünschten Aperturflächenverteilung; einen zweiten Schritt zum Umwandeln des Snellius'schen Gesetzes an der Rückfläche, die der ersten Primärstrahlerseite einer dielektrischen Linse zugewandt ist, des Gesetzes zur Bewahrung elektrischer Leistung und der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit darstellt, in simultane Gleichungen, und Berechnen der Formen der Oberfläche, die die Vorderseite gegenüberliegend zum dem Primärstrahler der dielektrischen Linse ist, und der Rückfläche, abhängig von dem Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von dem Fokalpunkt der dielektrischen Linse zu der Rückfläche der dielektrischen Linse; und einen dritten Schritt zum Reduzieren der Lichtweglänge in der Formel, die die Licht-Weg-Länge-Regelmäßigkeit zeigt, nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge in der Luft, wenn die Koordinaten auf der Oberfläche der dielektrischen Linse eine vorbestimmte Einschränkungsdickeposition erreichen; wobei der Azimutwinkel θ eines Primärstrahls von seinem anfänglichen Wert verändert wird und ferner der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden.
Das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß Anspruch 1, das ferner folgenden Schritt aufweist: einen vierten Schritt zum Korrigieren des Neigungswinkels der gestuften Fläche, der auf der Oberfläche auftritt, die die Vorderseite gegenüberliegend zu dem Primärstrahler der dielektrischen Linse ist, durch Reduzieren der Lichtweglänge nur um das ganzzahlige Mehrfache der Wellenlänge, derart, dass die gestufte Fläche sich hin zu der Fokalrichtung und nicht der Dickerichtung der dielektrischen Linse neigt, nachdem der zweite Schritt und der dritte Schritt wiederholt werden, bis der Azimutwinkel θ einen Endwert erreicht.
Das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß Anspruch 2, bei dem der Winkel, den die gestufte Fläche bezüglich des Primärstrahls aus elektromagnetischen Wellen bildet, der in eine zufällige Position der Rückfläche der dielektrischen Linse von dem Fokalpunkt eintritt, gebrochen wird und innerhalb der dielektrischen Linse fortschreitet, als ein Winkel innerhalb der Grenzen von ± 20° genommen wird.
Das Entwurfsverfahren einer dielektrischen Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem der Anfangswert des Azimutwinkels θ als der Winkel genommen wird, den der Primärstrahl von dem Fokalpunkt zu den umliegenden Endpositionen der dielektrischen Linse bildet, und der Endwert des Azimutwinkels θ als der Winkel genommen wird, den der Primärstrahl von dem Fokalpunkt zu der optischen Achse der dielektrischen Linse bildet.
Ein Herstellungsverfahren einer dielektrischen Linse, das folgende Schritte aufweist: einen Prozess zum Entwerfen der Form einer dielektrischen Linse unter Verwendung des Entwurfsverfahrens einer dielektrischen Linse gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3; einen Prozess zum Vorbereiten einer Spritzgussform; und einen Prozess zum Einspritzen von Harz in die Spritzgussform, um eine dielektrische Linse mit dem Harz zu erzeugen.
Eine dielektrische Linse, von der der Hauptabschnitt ein rotationssymmetrisches Bauglied mit der optischen Achse als Rotationszentrum bildet, und deren Oberfläche die Vorderseite gegenüberliegend zu einem Primärstrahler ist, die folgende Merkmale aufweist: mehrere Vorderseiten-Brechungsflächen, die in der Richtung der Oberfläche hervorstehen; und eine gestufte Fläche, die zwischen den benachbarten Vorderseiten-Brechungsflächen verbunden ist; wobei die gestufte Fläche einen Winkel von ± 20° bezüglich des Primärstrahls bildet, der in eine beliebige Position der Rückfläche eintritt, die dem Primärstrahler zugewandt ist, von einem Fokalpunkt, und innerhalb der Linse fortschreitet, und eine gekrümmte Fläche durch Zonengebung an der Position in der Rückfläche des Primärstrahls bereitgestellt wird, der durch die Vorderseiten-Brechungsfläche verläuft.
Die dielektrische Linse gemäß Anspruch 6, bei der die gekrümmte Fläche durch Zonengebung zwischen der Vorderseitenbrechungsfläche und der Rückfläche eine gekrümmte Fläche ist, die durch das Snellius'sche Gesetz im Hinblick auf die Rückfläche, Licht-Weg-Längen-Bedingungen und das Gesetz zur Bewahrung elektrischer Leistung, das eine gewünschte Aperturflächenverteilung liefert, erhalten wird.
Eine dielektrische Linsenvorrichtung, die folgende Merkmale aufweist: eine dielektrische Linse gemäß Anspruch 6 oder 7; und eine Antennenkuppel, die auf der Oberfläche der dielektrischen Linse gebildet ist, um den vertieften Abschnitt zu füllen, der durch die Vorderseitenbrechungsfläche und die gestufte Fläche gebildet wird, und eine dielektrische Konstante aufweist, die niedriger ist als die der dielektrischen Linse.
Die dielektrische Linsenvorrichtung gemäß Anspruch 8, bei der, wenn die spezifische induktive Kapazität der Antennenkuppel als ε2 dargestellt ist und die spezifische induktive Kapazität der dielektrischen Linse entsprechend als ε1 dargestellt ist, ε2 = √(ε1) erfüllt ist.
Die dielektrische Linsenvorrichtung gemäß Anspruch 8 oder 9, bei der die Fläche der Antennenkuppel eine Form ist, die mehrere gekrümmte Flächen in einer Distanz von der Oberfläche der dielektrischen Linse durch λ/4 + nλ verbindet (wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 0 ist und λ eine Wellenlänge ist).
Sende-Empfangs-Ausrüstung, die folgende Merkmale aufweist: eine dielektrische Linse gemäß Anspruch 6 oder 7 oder eine dielektrische Linsenvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 8 bis 10; und einen Primärstrahler.