JP2004274646A

JP2004274646A - 誘電体レンズおよびレンズアンテナ

Info

Publication number: JP2004274646A
Application number: JP2003065974A
Authority: JP
Inventors: Atsushi Kezuka; 敦毛塚; Shoji Ishizaki; 庄治石崎; Hiroyuki Kida; 弘幸木田; Yasuhiro Kazama; 保裕風間
Original assignee: Japan Radio Co Ltd
Current assignee: Japan Radio Co Ltd
Priority date: 2003-03-12
Filing date: 2003-03-12
Publication date: 2004-09-30

Abstract

【課題】誘電体レンズを用いたレンズアンテナにおいて、ビーム幅を拡大する。
【解決手段】誘電体レンズ１４は、放射面側で突出形成されその上面が平坦な隆起部２０と、放射面側で隆起部２０を挟んだ両側に形成される平坦な基面２２と、を備え、隆起部２０の上面２４と基面２２とが略平行である。さらに隆起部２０の側面２６は平坦部を有し、その平坦部は基面２２および上面２４に対して略垂直である。実験的検討により、このような段差が形成されている場合、段差が形成されている断面を含む面においてビーム幅が拡大することが判明した。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、誘電体レンズまたは誘電体レンズを用いたレンズアンテナに関し、特にビーム幅を特定方向に拡大可能な技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
誘電体レンズは電波レンズの一種であり、ミリ波帯での無線通信やレーダで利用されている。
【０００３】
図７は従来の誘電体レンズを備えたレンズアンテナ４０の断面図である。図７のレンズアンテナ４０は、円錐状に広がる金属製のホーン４２と、ホーン４２の開口端に装着された誘電体レンズ４４と、を備える。このホーン４２の壁面内部の空洞として、基端側から誘電体レンズ４４側に向けて拡開する導波路４６が形成されている。なお、図７の誘電体レンズ４０は、表面側（露出面側）が平面でありかつ裏面側が凸の曲面となっているが、これ以外にも、露出面側に凸の曲面を備える誘電体レンズもある。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
さて、誘電体レンズを用いたレンズアンテナでは、使用される状況に応じて所期のビームが形成されるように各部のスペック（例えばレンズの曲率や大きさ等）が決定されることになる。このとき、用途によっては、特定方向についてビームを広げたいという場合がある。例えば車々間通信装置等では、水平方向（横方向）にビームを広げて、通信可能範囲を拡張したいという要望がある。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、その目的は、特定の方向に広がったビームを形成可能な誘電体レンズおよびその誘電体レンズを用いたレンズアンテナを提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明にかかる誘電体レンズは、放射面側で突出形成されその上面が平坦な隆起部と、放射面側で前記隆起部を挟んだ両側または該隆起部の周囲に形成される平坦な基面と、を備え、上記隆起部の上面と上記基面とが略平行である。
【０００７】
また本発明にかかる誘電体レンズでは、上記隆起部の側面が平坦部を有するのが好適である。
【０００８】
また本発明にかかる誘電体レンズでは、上記隆起部の側面の平坦部が上記基面に対して略垂直であるのが好適である。
【０００９】
また本発明にかかる誘電体レンズでは、上記隆起部は放射面に沿った線状の隆起として形成されるのが好適である。
【００１０】
また本発明にかかるレンズアンテナは、上記誘電体レンズと、上記誘電体レンズに接続される導波路の形成される基体部と、を備える。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を参照して説明する。図１は、本実施形態にかかるレンズアンテナ１０の外観図、図２は、レンズアンテナ１０を側方から見た断面図（図３のＡ−Ａ断面図）、また図３は、レンズアンテナ１０を斜め上方から見た断面図（図２のＢ−Ｂ断面図）である。
【００１２】
レンズアンテナ１０は、ホーン１２の略矩形の開口部に誘電体レンズ１４を装着したホーンアンテナとして構成されている。
【００１３】
ホーン１２は、導波路（導波管）１６としての内部空洞の設けられた金属導体（例えばアルミニウム合金）によって構成されている。この例では、導波路１６は、略矩形の断面（電波の伝搬方向に垂直な断面）を有している。そして、図３に示すように、その矩形断面の水平方向の幅は基部側から開口部側まで一定であり、また図２に示すように、上下方向の幅は基部側から開口部側に向けて例えば線形（一次）的に漸増して側方からの視点ではラッパ状に拡開するような形状となっている。なお、図には示さないが、ホーン１２の例えば基端側（すなわち誘電体レンズ１４の他端側）にはレンズアンテナ１０をその装置（例えば通信装置等）に接続固定するためのフランジが設けられている。
【００１４】
誘電体レンズ１４は、ホーン１２の開口部に例えば接着されて固定されている。ここで図２に示すように、誘電体レンズ１４の放射面（露出面）１８（図２では上面２４）の法線方向は斜め上方を指向している。また誘電体レンズ１４の下側は裏面側にＳ字状に膨らみ、上方から下方に向けて厚みが漸増する形状となっている。こうした姿勢および形状としたのは、この例において主ビームを水平方向に放射し、かつ下方向にサイドローブを放射させたくないという理由に基づいている。
【００１５】
さて、本実施形態では、誘電体レンズ１４は、放射面側において段差を有する構成となっている。図１〜３の例では、誘電体レンズ１４には、放射面の水平方向中央となる位置で上下に（すなわちホーン１２の矩形の開口部の上側端辺の中央から下側端辺の中央にかけて）一定の幅で伸びる線状の（畝状あるいは直方体状の）隆起部２０が形成され、さらに隆起部２０を挟んだ両側に平坦な基面２２が形成されている。この隆起部２０の上面２４は基面２２と略平行な平坦面となっており、さらに平坦面として形成される隆起部２０の側面２６は、基面２２に対して略垂直となっている。
【００１６】
実験的検討により、放射面に上述したような段差を形成することにより、アジマス面（段差の形成される断面を含む平面）でビームが拡大することがわかった。この点について、図４を参照して説明する。図４の（ａ）は、段差を設けず放射面を単なる平面として構成した場合（１）と、放射面側に上述した段差を設けた場合（すなわち図１〜３の形状とした場合：２）のアジマス面における指向特性の一例を示す図である。また図４の（ｂ）は、図３と同じ断面図であり、図４（ａ）の横軸の角度（すなわちアジマス面内での角度）θの定義を示すための説明図である。なお、図４（ａ）の縦軸に示す利得は、最大値を０デシベル［ｄＢ］として表し、また横軸の角度θの単位は度［ｄｅｇ］である。
【００１７】
図４からわかるように、段差を設けずに放射面を単なる平面として構成した場合（１）に比べ、放射面側に上述した段差を設けた場合（２）は、アジマス面においてビーム幅が拡大していることがわかる。ここで、利得最大値に対して−３［ｄＢ］となる角度、すなわち利得最大値に対して利得が半分となる角度は、半値角と称され、ビームの指向性の指標として用いられているが、この半値角で比較すると、（１）の場合は４２°、（２）の場合は４８°となっており、上述した段差を設けることによって半値角としては６°拡大していることがわかる。すなわち、図１〜３に示すレンズアンテナ１０を用いた場合、水平方向のビーム幅が拡大することになる。
【００１８】
なお、実験的検討により、段差の形状によってビームの拡がりの度合いが変化することが判明している。この点について、図５を参照して説明する。図５（ａ）は、段差の形状が異なる６つのパターン（ｐ１〜ｐ６）のそれぞれについての半値角を示すものであり、その横軸を隆起部２０の基面２２からの高さ（隆起部２０の上面２４と基面２２との距離）とし、縦軸を半値角（単位：［ｄｅｇ］）としている。また、図５（ｂ）は、図３と同じ断面図であり、図５（ａ）における高さおよび幅の定義を示すための説明図である。なお、図５（ａ）は、誘電体レンズの比誘電率が２．１の場合の例であり、電波の波長（＝λ）は、電波の周波数が６０［ＧＨｚ］の場合、自由空間（空気中）では約５［ｍｍ］となる。
【００１９】
この図５から、これら６つのパターン（ｐ１〜ｐ６）の中では、幅によらず、高さが０．２λの場合に半値角が最も大きくなることがわかる（ｐ２，ｐ５）。また、高さによって、半値角の大きくなる幅が異なる。すなわち、図５（ａ）の例では、高さが０．２λの場合には、幅３．４λの場合（ｐ５）の半値角が幅３．０λの場合（ｐ２）より大きくなるが、それ以外の高さ（０．１４λ，０．２６λ）の場合には、幅３．０λの場合（ｐ１，ｐ３）の半値角が幅３．４λの場合（ｐ４，ｐ６）より大きくなる。
【００２０】
放射面上に形成した段差による効果は、上記形状以外によっても得られる。例えば、図１〜３のように隆起部２０の側面２６と基面２２（および上面２４）との角度を垂直すなわち９０°とせず、図６に示すように、側面２６ａを傾斜させた場合（図６では基面２２ａから見た側面２６ａの仰角は４５°）にも、放射面を単なる平坦面とした場合に比べてビームの幅は拡大する（すなわち半値角が大きくなる）。また、この段差によるビーム幅（半値角）拡大の効果は、段差の形成される２次元断面を含む平面について得られるものであるから、隆起部の周囲全体にわたって基面を形成した場合には、３次元的にビームの幅が拡大することが理解できよう。なお、段差によって形成される角部あるいは隅部に対しては、当該構造の信頼性向上の観点から適切な面取り等を施しても構わない。また、上記実施形態では、ホーンアンテナと誘電体レンズとを組み合わせたレンズアンテナについて説明したが、一次放射器を用いるタイプのレンズアンテナに段差を有する誘電体レンズを用いた場合にも同様の効果が得られることは容易に理解できよう。
【００２１】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、放射面に段差を設けることにより、それを設けない場合に比べて、段差を含む断面のビームの幅を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態にかかるレンズアンテナの一例を示す外観図である。
【図２】図１のレンズアンテナを側方からみた断面図である（図３のＡ−Ａ断面図）。
【図３】図１のレンズアンテナを斜め上方からみた断面図である（図２のＢ−Ｂ断面図）。
【図４】本発明の実施形態にかかるレンズアンテナによるビーム拡大効果の一例を示す図である。
【図５】本発明の実施形態にかかるレンズアンテナの段差形状パターンに応じたビーム拡大効果の一例を示す図である。
【図６】本発明の実施形態にかかる誘電体レンズの段差形状の他の一例を示す断面図である。
【図７】従来のレンズアンテナを側方からみた断面図である。
【符号の説明】
１０レンズアンテナ、１２ホーン、１４誘電体レンズ、１６導波路、１８放射面（露出面）、２０，２０ａ隆起部、２２，２２ａ基面、２４，２４ａ上面、２６，２６ａ側面。

Claims

放射面側で突出形成されその上面が平坦な隆起部と、
放射面側で前記隆起部を挟んだ両側または該隆起部の周囲に形成される平坦な基面と、
を備え、
前記隆起部の上面と前記基面とが略平行であることを特徴とする誘電体レンズ。
前記隆起部の側面が平坦部を有することを特徴とする請求項１に記載の誘電体レンズ。
前記隆起部の側面の平坦部が前記基面に対して略垂直であることを特徴とする請求項１または２に記載の誘電体レンズ。
前記隆起部は放射面に沿った線状の隆起として形成されることを特徴とする請求項１〜３のうちいずれか一つに記載の誘電体レンズ。
請求項１〜４のうちいずれか一つに記載の誘電体レンズと、
前記誘電体レンズに接続される導波路の形成される基体部と、
を備えるレンズアンテナ。