JP2012205104A - レンズアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】 水平または垂直方向にのみビーム幅が広いメインローブとし、かつアンテナ利得の低下を防止する。
【解決手段】 誘電体レンズ６は、誘電体レンズ本体部８の背部に平面である背部平面１０を有し、背部平面１０よりも後方の焦点Ｆに放射手段が設けられ、誘電体レンズ本体部８の中心軸を通る水平面内において、背部平面１０に対する距離が中心軸から外側に向かうに従って増加する斜面１４を有する傾斜部１２が、背部平面１０と一体に背部平面よりも後方に突出して設けられている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、レンズアンテナに関し、特に、誘電体レンズを使用したものに関する。

従来、レンズアンテナとしては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。特許文献１の技術では、誘電体レンズの後部に接してレンズ固定台を配置し、レンズ固定台の背部に接して金属円板を配置し、金属円板の背部に接してＮＲＤガイドを設けてある。ＮＲＤガイドが有する誘電体ロッドが、金属円板に設けた孔を介してレンズ固定台に突き出している。

特開２００６−１６６３７４号公報

特許文献１に開示された技術では、ビーム幅を小さくすることができる。レンズアンテナは、例えばミリ波帯の電波の送受信のアンテナとして使用されることがある。この場合、ビーム幅が小さいと、良好にミリ波帯の電波を送受信するための送信用アンテナと受信用アンテナとの位置合わせが困難で非常に手間がかかる。また、受信用アンテナと送信用アンテナとを互いに対向させなければならないので、広範囲に複数個の受信用アンテナを配置する場合には、受信用アンテナと同数の送信用アンテナが必要となる。水平方向及び垂直方向の両方向にメインローブのビーム幅を広げるようにレンズアンテナを構成すると、位置合わせは容易となり、また１台の送信用アンテナで送信したミリ波帯の電波を複数個の受信用アンテナで受信することが可能になるが、水平及び垂直両方向にメインローブのビーム幅を広げたことにより、アンテナ利得が低下する。このアンテナ利得の低下を補おうとすると、送信アンテナの場合、放射手段に供給する送信電力を大きくする必要があるし、受信アンテナの場合、放射手段に接続される増幅手段を高利得のものとする必要がある。しかし、このようなレンズアンテナを使用したミリ波帯の送受信装置は汎用品として販売することが多いので、送信電力を増加させたり、高利得増幅器を使用したりすることは、送受信装置のコスト増を招き、望ましくない。

本発明は、特定の方向、例えば水平または垂直方向にのみ広いメインローブのビーム幅とし、かつアンテナ利得の低下を防止したレンズアンテナを提供することを目的とする。

本発明の一態様のレンズアンテナは、誘電体レンズを有している。誘電体レンズは、誘電体レンズ本体部を有し、その本体部の背部に平面である背部平面を有している。誘電体レンズ本体部は、予め定めた曲線の回転体形状とすることができ、例えば半球状、半楕円球状、放物面形状とすることができる。誘電体レンズの背部平面よりも後方に送信又は受信用の放射手段が設けられている。この放射手段は、例えば誘電体レンズのほぼ焦点位置に設けることができる。放射手段としては、種々のものを使用することができ、パッチアンテナ素子や、プローブを使用することができる。レンズアンテナの背部平面を垂直に通る基準面内において、前記背部平面に対する距離が前記誘電体レンズの内側から外側に向かうに従って増加する斜面を有する傾斜部が、前記背部平面と一体に前記背部平面よりも後方に突出して設けられている。基準面としては、例えば水平面または鉛直面を使用することができる。前記傾斜部は、前記背部平面に対して鋭角をなす直線状の斜面を有するものとすることもできる。即ち、内側から外側に向かう距離に比例して、背部平面に対する距離が増加するものとすることもできる。

このように構成したレンズアンテナを送信アンテナとして使用する場合、放射手段から放射された電波、例えばミリ波帯の電波が傾斜面に入射して、外方に屈折し、誘電体レンズの本体部の外表面に向かい、この外表面から空気中に出るときに更に外方に屈折する。このようにして基準面内において、メインローブのビーム幅を広げることができる。この基準面と異なる面、例えば基準面と垂直な面では、このようなメインローブのビーム幅を広げることが行われていない。上記の説明は送信アンテナの場合のものであるが、アンテナの可逆性により、受信アンテナの場合でも可能である。従って、この送信アンテナからの電波を受信する受信アンテナの送信アンテナに対する位置あわせは容易となり、また１台の送信アンテナからの電波を複数個の受信アンテナで受信することも可能となる。

前記傾斜部は、前記基準面に対して垂直な方向に連続的に形成することができる。このように構成すると、ビーム幅が広いメインローブを基準面に垂直な方向に連続的に広げることができ、送信用アンテナと受信用アンテナとの位置合わせが容易に行える。

前記傾斜部は、前記基準面に対して垂直な面の両側にそれぞれ設けることができる。このように構成すると、ビーム幅が広いメインローブを垂直な面の両側にそれぞれ形成することができ、送信用アンテナと受信用アンテナとの位置合わせが更に容易に行える。

傾斜部が両側に設けられる垂直な面は、前記誘電体レンズの中心を通るものとすることができる。この場合、前記放射手段が前記誘電体レンズのほぼ焦点位置に配置されている。このように構成すると、送信アンテナの場合、誘電体レンズの中心を通る電波は、広角指向に放射されることはない。従って、このレンズアンテナの基準面におけるメインローブのビーム幅の広さを利用して、受信アンテナにおいてこのレンズアンテナからの送信電波を受信できるようにした後、受信アンテナを、このレンズアンテナの中心軸上に位置合わせできた場合には、最も良好にこのレンズアンテナからの電波を受信することができる。このレンズアンテナを受信アンテナとして利用した場合も、同様である。

前記誘電体レンズ本体部が、電波広角指向化放射手段を有するものとすることもできる。電波広角指向化放射手段は、例えば誘電体レンズ本体部の外表面側に設けることができる。このように構成すると、誘電体レンズ本体部においても、電波の広角指向化が行われるので、更にメインローブのビーム幅を広くすることができる。

以上のように、本発明によれば、特定の方向のみ広いメインローブのビーム幅とすることによって、位置合わせを容易とし、また１つの送信用アンテナで広範囲に配置した複数個の受信用アンテナへの送信を可能とし、かつアンテナ利得の低下を防止することができる。

本発明の１実施形態のレンズアンテナを使用した無線伝送システムの概略構成図である。 本発明の第１の実施形態のレンズアンテナの縦断平面図である。 図２のレンズアンテナの誘電体レンズの背面図である。 図２のレンズアンテナにおいてビーム幅が広いメインローブとなる説明図である。 図２のレンズアンテナにおいて背部平面に対する斜面の角度θを０度、３０度、４２度、５０度とした場合の放射パターンを示す図である。 図２のレンズアンテナにおいて背部平面に対する斜面の角度θを３５度とした場合における５９ＧＨｚ、６０ＧＨｚ及び６１．４９ＧＨｚにおける放射パターンを示す図である。 図２のレンズアンテナにおいて背部平面に対する斜面の角度θを３５度とした場合における２つの傾斜部それぞれにおける最大利得の周波数特性を示す図である。 本発明の第２の実施形態のレンズアンテナの誘電体レンズの平面図である。 図９の誘電体レンズの正面図である。 図９のＡ−Ａ、Ｂ−Ｂ及びＣ−Ｃ線に沿う断面図である。 図９のレンズアンテナにおいて傾斜部を設けていない場合、傾斜部と広角指向化放射領域とを設けた場合、傾斜部のみを設けた場合の放射パターンを示す図である。

本発明の第１の実施形態のレンズアンテナ１は、図１に示すように、１台の送信機２からのミリ波帯信号を、水平面内で互いに離れて位置する複数個の受信機４で受信するような場合に、送信機２の送信アンテナとして使用されている。

図２に示すように、レンズアンテナ１は、誘電体レンズ６を有している。誘電体レンズ６は、誘電体レンズ本体部８を備え、この誘電体レンズ本体部８は、例えば１つの曲線を回転させて形成した所定の曲面、例えば放物面、球面、楕円面、多項式で表される曲面によって構成されている。この誘電体レンズ本体部８の背面に円形の背部平面１０を有している。この誘電体レンズ本体部８は、誘電体、例えばポリプロピレンのような合成樹脂によって構成されている。レンズ本体部８は、それの中心軸線上の背部平面１０よりも後方位置に焦点Ｆを有している。この焦点Ｆに、放射手段、例えば送信機２が備えるパッチアンテナまたはプローブが配置されている。

この誘電体レンズ本体部８の背部平面１０に傾斜部１２が設けられている。傾斜部１２は、背部平面１０に垂直でかつ中心軸を通る１つの面、例えば垂直面の両側に、それぞれ設けられている。これら傾斜部１２は、同一形状である。これら傾斜部１２は、背部平面１０と一体に、誘電体レンズ本体部８と同一材料によって形成されている。これら傾斜部１２は、上記１つの面に垂直な面である基準面、例えば水平面内において、背部平面１０に対して所定の鋭角θをなす斜面１４をそれぞれ有している。即ち、水平面内において、誘電体レンズ本体部８の中心軸から背部平面１０の周縁部に向かう距離が大きくなるに従って、この距離に比例して斜面１４と背部平面１０との距離が増加していく。これら斜面１４は、図３に示すように、レンズ本体部８の垂直方向に連続的に形成されている。

但し、斜面１４の長さは、中心軸上において最も長く、中心軸から垂直方向の両端に向かうに従って徐々に短くなっている。これは背部平面１０が円板状であるからである。これら斜面１４の先端に連ねて、支持斜面１６が背部平面１０の周縁にまで形成されている。この支持斜面１６が、図２に破線で示すホーン状の支持体に接触して、誘電体レンズ６を支持している。

図４（ａ）に示すように、このレンズアンテナ１において、誘電体レンズ６に傾斜部１２を設けずに、送信アンテナとして使用した場合、焦点Ｆの放射手段から放射されて、誘電体レンズ本体部８の周縁に向かったミリ波の電波は、誘電体レンズ本体部８に入射して、中心軸に平行とされて放射される。これは、水平面内においても垂直面内においても同様である。従って、メインローブのビーム幅が狭くなる。受信アンテナとして使用した場合でも、アンテナの可逆性によって同様にメインローブのビーム幅が狭くなる。

これに対し、傾斜部１２を設けたレンズアンテナ１を送信アンテナとして使用した場合、水平面内では、図４（ｂ）に示すように、焦点Ｆの放射手段から放射されて、誘電体レンズ本体部８の周縁に向かったミリ波の電波は、斜面１４に入射する際に入射角αで入射し、屈折角βで中心軸から離れる方向に屈折し、誘電体レンズ本体部８内を直進し、誘電体レンズ本体部８の表面から空気中へ入射する際に、入射角γで入射し、屈折角φで中心軸から離れる方向に屈折する。従って、水平面内では、メインローブのビーム幅が、傾斜部１２を設けていない場合よりも広くなる。受信アンテナとして使用した場合でも、アンテナの可逆性によって同様にメインローブのビーム幅が広くなる。

一方、垂直面内では、上述した傾斜部１２を設けていない場合と同様に、メインローブのビーム幅は、水平面のメインローブのビーム幅よりも狭い。受信アンテナとして使用した場合でも、アンテナの可逆性によって同様である。

図５（ａ）乃至（ｄ）は、背部平面１０に対する角度θを０度（傾斜部１２なし）、３０度、４２度、５０度とした場合の６０ＧＨｚにおける放射パターンを示したもので、図５（ａ）に示すように、傾斜部１２を設けていない場合にはメインローブのビーム幅は約±４度であるが、図５（ｂ）、（ｃ）に示すようにθが３０度、４２度の場合、メインローブのビーム幅は約±２０度であり、θが５０度の場合、同図（ｄ）に示すようにメインローブのビーム幅は約±２５度である。このように傾斜部１２を設けることによって、メインローブのビーム幅を広くできる。但し、メインローブのビーム幅を狭くすることによって相対電力のピークは、傾斜部１２を設けない場合よりも低下しており、θを大きくするほど、その低下が大きく、５０度とした場合の低下が最も大きい。従って、必要とする相対電力のピーク値と、必要とするメインローブのビーム幅とを勘案して、θを鋭角の範囲内で決定すればよい。

図６（ａ）乃至（ｃ）は、θを３５度とした場合における５９ＧＨｚ、６０ＧＨｚ及び６１．４９ＧＨｚにおける放射パターンを示したもので、周波数の変化における大きな放射パターンの変化はなく、傾斜部１２は、特定の周波数においてのみメインローブのビーム幅を広げることができるものではなく、ミリ波帯、特に６０ＧＨｚ帯においてメインローブのビーム幅を広げることができる。

図７は、θを３５度とした場合における２つの傾斜部１２それぞれにおける最大利得の周波数特性を示し、符号Ｒで示すのが、図２において下側に示された傾斜部１２の周波数特性で、符号Ｌで示すのが図２において上側に示された傾斜部１２の周波数特性である。図７から２つの傾斜部１２のいずれにおいても、ほぼ同様な利得が得られることが分かる。

従って、図１に示すように、このレンズアンテナ１を送信アンテナとして使用した送信機２から送信されたミリ波信号は、水平面内に間隔をおいて配置された複数台のミリ波の受信機４において受信することができる。また、１台の送信機からのミリ波信号を１台の受信機で受信する場合には、このレンズアンテナ１を送信機または受信機のいずれか一方に使用すると、送信機と受信機との位置合わせが容易となる。

本発明の第２の実施形態のレンズアンテナ１ａを、図８乃至図１１に示す。この実施形態のレンズアンテナ１ａでは、誘電体レンズ本体部８ａの形状が異なる以外、第１の実施形態のレンズアンテナ１と同様に構成されている。同一部分には、同一符号を付して、その説明を省略する。

第１の実施形態の誘電体レンズ本体部８の曲面は、１つの関数によって表される曲線を回転させることによって形成されていたが、図８乃至図１０（Ｃ）に示すように、誘電体レンズ本体部８ａの曲面は、例えば複数の曲線によって表される曲線によって形成され、誘電体レンズ本体部８ａが、ミリ波電波を広角指向化させる広角指向化放射手段、例えば広角指向化放射領域１８を有するものとされている。この広角指向化放射領域１８が形成されていることにより、ミリ波帯の信号が拡散され、メインローブのビーム幅を誘電体レンズ本体部８ａにおいても広げられる。傾斜部１２及び誘電体レンズ本体部８ａの双方によって、第１の実施形態のレンズアンテナ１よりも、メインローブのビーム幅を広げることができる。

図１１（ａ）は、通常の誘電体レンズアンテナ、同図（ｂ）は傾斜部１２及び拡散領域１８を設けたレンズアンテナ、同図（ｃ）は傾斜部１２のみを設けたレンズアンテナの放射パターンを示したものである。図１１（ａ）と同図（ｃ）との比較により傾斜部１２を設けたことにより、メインローブのビーム幅が広がっていることが分かる。同図（ｂ）と同図（ｃ）との比較により、傾斜部１２を設けた上に拡散領域１８を設けたことにより、メインローブのビーム幅が更に広がっていることが分かる。

上記の各実施形態では、傾斜部１２、１２の斜面１４が水平面内において背部平面１０に対して鋭角をなすようにして、水平面内でメインローブのビーム幅を広げたが、斜面１４が垂直面内に背部平面１０に対して鋭角をなすようにして、垂直面内においてメインローブのビーム幅を広げるようにしてもよい。上記の各実施形態では、傾斜部１２は、誘電体レンズ本体部８、８ａの中心軸線の両側に設けたがいずれか一方のみに設けることもできる。また、上記の各実施形態では、傾斜部１２の斜面１４が背部平面１０と接している位置は、中心軸線上としたが、中心軸線から離れた位置で背部平面１０と接するように構成することもできる。上記の各実施形態では、斜面１４は、直線状としたが、これに限ったものではなく、例えば背部平面１０に対して曲線状とすることもできる。

１ １ａ レンズアンテナ
６ ６ａ 誘電体レンズ
８ ８ａ 誘電体レンズ本体部
１０ 背部平面
１２ 傾斜部
１４ 斜面
１８ 広角指向化放射領域（広角指向化放射手段）

Claims (6)

1. 誘電体レンズ本体部の背部に、背部平面を有する誘電体レンズと、
   前記背部平面よりも後方に設けられた送信又は受信用の放射手段とを、
   具備し、前記背部平面を垂直に通る基準面内において、前記背部平面に対する距離が前記誘電体レンズの内側から外側に向かうに従って増加する斜面を有する傾斜部が、前記背部平面と一体に前記背部平面よりも後方に突出して設けられているレンズアンテナ。
2. 請求項１記載のレンズアンテナにおいて、前記傾斜部は、前記背部平面に対して鋭角をなす直線状の斜面を有するレンズアンテナ。
3. 請求項１または２記載のレンズアンテナにおいて、前記傾斜部は、前記基準面に対して垂直な方向に連続的に形成されているレンズアンテナ。
4. 請求項１乃至３いずれか記載のレンズアンテナにおいて、前記傾斜部は、前記基準面に対して垂直な面の両側にそれぞれ設けられているレンズアンテナ。
5. 請求項４記載のレンズアンテナにおいて、前記垂直な面は、前記誘電体レンズの中心を通り、前記放射手段が前記誘電体レンズのほぼ焦点位置に配置されているレンズアンテナ。
6. 請求項１乃至５いずれか記載のレンズアンテナにおいて、前記誘電体レンズ本体部が、電波広角指向化放射手段を有しているレンズアンテナ。
   

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