JP2014165808A

JP2014165808A - 金属プレートレンズ及びこのレンズを使用した電波吸収体の性能評価方法

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Publication number: JP2014165808A
Application number: JP2013037048A
Authority: JP
Inventors: Yasuyuki Matsuda; 靖之松田; Yukinori Matsushita; 之憲松下; Osamu Hashimoto; 橋本　　修; Ryosuke Suga; 良介須賀; Hiroyuki Onoe; 寛幸尾上; Tomio Hocchi; 富夫発知; Takayuki Onda; 隆行恩田
Original assignee: Keycom Corp; West Nippon Expressway Co Ltd; Central Nippon Expressway Co Ltd; East Nippon Expressway Co Ltd; Nippon Expressway Research Institute Co Ltd
Current assignee: Keycom Corp; West Nippon Expressway Co Ltd; Central Nippon Expressway Co Ltd; East Nippon Expressway Co Ltd; Nippon Expressway Research Institute Co Ltd
Priority date: 2013-02-27
Filing date: 2013-02-27
Publication date: 2014-09-08

Abstract

【課題】金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価を正確に行う小型で製造が容易な性能評価装置を提供する。
【解決手段】金属プレートレンズは、複数の金属プレート1を電界方向Aと平行にかつ各相互間に等しい間隔dを保って配置した状態で、該複数の金属プレート1の各一端面1aが同一の半凹球状面2上に位置しかつ各他端面1bが該電界方向Aとの同一の直交状面3上に位置している。該各間隔dに誘電体が介装する場合は、該誘電体が共同して、各一端面で該半凹球状面2に適合し、かつ各他端面で該直交状面3と適合するようにする。
【選択図】図３

Description

本発明は金属プレートレンズ及びこのレンズを使用した電波吸収体の性能評価方法にかかり、焦点距離を短くすることにより電波吸収体の性能評価を正確になせるようにしたものに関する。

一般的に電波吸収体の性能評価を行うには、アンテナから照射された電磁波が平面波になる距離（５．８GHzの場合、波源より約７０ｃｍ）にて測定する。そのため、例えば有料路のトールゲートの屋根下に設置された電波吸収体の評価を行う場合は、高所作業車に測定器を載せて実施していた。高所作業車を用いずに地上から電波吸収体に通常のホーンアンテナで電波を照射すると、アンテナ開口部から先において徐々に波形が広がり、所望の範囲に纏まった電波を照射することができず、正しい電波吸収体の評価ができない。

レンズをアンテナの前面に配置して電磁波を平行に伝播させて反射や回折を抑えられれば、被測定対象物から離れた位置から電波吸収体の性能評価を行うことができる。このレンズに誘電体レンズを採用することが知られている（特許文献１）。

また、この特許文献１の発明では焦点距離が大になるので小型化ができない点を改良したアンテナで、平行に配置される複数の金属平板と、隣接する金属平板間に誘電体を配置して構成し、これらの金属平板(50)の一端部の形状を、波源O₂を焦点とする回転楕円面上に配置されるように調整したものも知られている（特許文献２）。

特開２００６−１６６３９９号公報（段落００７０、図７等。）特開２０１０−２１３０２１号公報（段落０００１、０００６、図１等）

特許文献１に記載の発明で採用されている凹レンズは通常の構成で、焦点距離が大きく、レンズを波源に近接させることが困難である。また、幾何光学によるレンズは、仮想点波源からの計算に基づく算出法のため、アンテナとレンズを近付けると、電磁波は図４（ａ）に示すように、中央の波形が先に金属プレートに到達し、平面波とならない。特許文献２によれば、回転楕円面上に平行に配置される複数の金属平板と、隣接する金属平板間に誘電体を配置して構成することにより、焦点距離は小さくできるが、各金属平板間に設置する誘電体の調整が簡便でない。これらの文献１と２に示されるレンズ形状は基本的に同一である。

本発明に係る一次放射器を近接配置可能な金属プレートレンズは、複数の金属プレートを電界方向と平行にかつ各相互間に等しい間隔を保って配置した状態で、該複数の金属プレートの各一端面が同一の半凹球状面上に位置しかつ各他端面が該電界方向との同一の直交状面上に位置している。

本発明での、複数の金属プレートが各一端面で同一の半凹球状面上に位置しかつ各他端面が電界方向との同一の直交状面上に位置する構成は、幾何光学上で算出されるレンズ曲率及び波源からのレンズ離隔による構成系とは異なる新たなレンズ形状並びに全体構成で、この構成によって小型化を果たせた。

従来の金属プレートレンズは、複数の金属プレートの波源側の形状が、波源を焦点とする同一の楕円回転面を呈するように構成されているので、波源から放射される電磁波を効率良く楕円回転面側から金属プレートレンズに導入して反対側から平面波として放射しようとすると、金属プレートレンズと波源の焦点距離を長くとらざるを得ない。そのため、金属プレートレンズの軸線方向の長さが大となって、小型化を果たせない。本発明の金属プレートレンズは、波源に対する配置を一層近接させても、入射した電磁波を変向させてほぼ平面波として出射できる。また、金属プレートレンズをホーンアンテナと別個の構成とすれば、製造も容易となる。

（請求項２）該各間隔は自由空間となっていてもよい。
こうすると、各別の自由空間を通った電磁波と複数の金属プレートを通った電磁波が出射側で平面波となって射出される。

（請求項３）該各間隔は誘電率が１に近い発泡スチロールとなっていてもよい。
こうすると、該各間隔の確保が容易で、電磁波の進行を妨げることもない。

（請求項４）該金属プレートはアルミ箔で該発泡スチロールと面接着されていてもよい。
こうすると、コストを下げられ、供用も容易となる。

（請求項５）該半凹球状面の直径は５０ｃｍ、該間隔は３ｃｍで、該金属プレートの枚数は１７枚であってもよい。
こうすると、小型化できるので、汎用性を高められる。

（請求項６）本発明の金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価装置は、請求項１から５の一つの項に記載の金属プレートレンズがホーンアンテナに取り付けられて電磁式料金収受設備のある料金所の路面に設置される。そして、天井面の電波吸収体に向けて出射された電磁波の反射波を測定する。
この装置によると、金属プレートレンズをホーンアンテナに付設することにより平面波を出射できるので、地上に置いた状態でも高い所にある天井面の電波吸収体に向けて出射した電波を集中的に当てることができ、従来のように作業車両に載せて昇降装置により天井面に近付ける必要がないので、作業を効率よく行える。

（請求項７）該ホーンアンテナは傾斜及び高さ調節自在の支持装置に載置されていてもよい。
こうすると、電波の出射方向を電波吸収体に直角に調節することが可能で、評価を正確になせる。

（請求項８）該支持装置は台車に載せられて移動自在となっていてもよい。
こうすると、金属プレートレンズ付きのホーンアンテナを移動する必要が生じたときに、容易に移動させることができる。

本発明によれば、本発明での、複数の金属プレートが各一端面で同一の半凹球状面上に位置しかつ各他端面が電界方向との同一の直交状面上に位置する構成は、幾何光学上で算出されるレンズ曲率及び波源からのレンズ離隔による構成系とは異なる新たなレンズ形状並びに全体構成で、この構成によって小型化を果たせた。
従来の金属プレートレンズは、複数の金属プレートの波源側の形状が、波源を焦点とする同一の楕円回転面を呈するように構成されているので、波源から放射される電磁波を効率良く楕円回転面側から金属プレートレンズに導入して反対側から平面波として放射しようとすると、金属プレートレンズと波源の焦点距離を長くとらざるを得ない。そのため、金属プレートレンズの軸線方向の長さが大となって、小型化を果たせない。本発明の金属プレートレンズは、波源に対する配置を一層近接させても、入射した電磁波を変向させてほぼ平面波として出射できる。また、金属プレートレンズはホーンアンテナと別個の構成となっているので、製造が容易である。

請求項２によれば、各別の自由空間を通った電磁波と複数の金属プレートを通った電磁波を出射側で平面波として射出できる。

請求項３によれば、該各間隔の確保が容易で、電磁波の進行を妨げることもない。

請求項４によれば、コストを下げられ、供用も容易となる。

請求項５によれば、小型化できるので、汎用性を高められる。

請求項６の金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価装置によれば、金属プレートレンズをホーンアンテナに付設することにより平面波を出射できるので、地上に置いた状態でも高い所にある天井面の電磁波吸収体に向けて出射した電磁波を集中的に当てることができ、従来のように作業車両に載せて昇降装置により天井面に近付ける必要がないので、作業を効率よく行える。

請求項７によれば、電磁波の出射方向を電磁波吸収体に直角に調節することが可能で、評価を正確になせる。

請求項８によれば、金属プレートレンズ付きのホーンアンテナを移動する必要が生じたときに、容易に移動させることができる。

本発明にかかる金属プレートレンズの原理を示す正面図である。図１の２−２線断面図である。本発明にかかる金属プレートレンズの原理をホーンアンテナとの関係で示す斜面図である。（ａ）は幾何光学によるレンズ、（ｂ）は本発明のレンズで、双方の原理の違いを示す側面図である。本発明にかかる金属プレートレンズと幾何光学により設計した金属プレートレンズの、電磁界解析を用いてホーンアンテナ開口面からレンズ先端までの距離Ｌに対する利得を示す図である。レンズの有無に対する磁界面の放射パターンを示す図である。図１の一点鎖線における先端の電界強度及び位相特性を示す図である。本発明にかかる金属プレートレンズを取り付けたホーンアンテナで被測定対象の測定をする概要を示す図である。当該ホーンアンテナの昇降機構の概念図である。従来の被測定対象の測定方法の概要を示す図である。

図１乃至図３は本発明にかかる金属プレートレンズを概念的に示す図である。複数の金属プレート１を電界方向Ａと平行にかつ各相互間に等しい間隔ｄを保って配置する。この状態で、これら複数の金属プレート１の各一端面１ａが同一の半凹球状面２上に位置しかつ各他端面１ｂがこの電界方向Ａとの同一の直交状面３上に位置している。

この複数の金属プレート１の構成は、幾何光学上で算出されるレンズ曲率ｒ、仮想上の波源Ｐ、幾何光学レイＲ等によるものに比し、レンズ離隔Ｌによる構成系とは異なる新たなレンズ形状並びに全体構成となっており、この構成によって小型化を果たせた。

図４はホーンアンテナ５から放射された電磁波Ｗが金属プレート１を通った後の出射状態を示すもので、（ａ）は従来型で、（ｂ）は本発明型である。従来型では曲面波形となっているのに対し、本発明型では平面波形となっているのが分かる。
複数の金属プレートの波源側の形状が、波源を焦点とする同一の回転楕円面を呈するように構成されている従来の金属プレートレンズは、波源から放射される電磁波を効率良く回転楕円面側から金属プレートレンズに導入して反対側から平面波として放射しようとすると、金属プレートレンズと波源の焦点距離を長くとらざるを得ない。必然的に金属プレートレンズの軸線方向の長さが大となって、小型化を果たせない。本発明の金属プレートレンズは、波源に対する配置を一層近接させても、入射した電磁波を変向させてほぼ平面波として出射できる。また、金属プレートレンズはホーンアンテナ５と一体に構成するのが望ましいが、別個の構成とすれば製造が容易となる。

（請求項２）各間隔ｄは誘電率が１の自由空間ｓとなっている。
この場合、各別の自由空間ｓを通った電磁波と複数の金属プレート１を通った電磁波が出射側で平面波となって射出される。複数の誘電体４と複数の金属プレート１の各一端面４ａで共通の半凹球状面２上に位置し、各他端面４ｂで同一の直交状面３上に位置するので、全体として細かい凹凸のないブロック形状に構成でき、塵埃等の堆積を防いで長期に使用に供し得る。

（請求項３）各間隔ｄは誘電率が１に近い発泡スチロール４となっている。
この場合、各間隔ｄの確保が容易で、電磁波の進行を妨げることもない。

（請求項４）金属プレート１はアルミ箔で、発泡スチロール４と面接着されている。
この場合、電磁波の移動速度の調整が容易で、軽量化を果たせ、コストの低下にも役立つ。

（請求項５）半凹球状面２の直径Ｄは５０ｃｍ、間隔ｄは３ｃｍで、金属プレート１の枚数は１７枚である。
この場合、小型化できるので、取り扱いが容易で、コストも低減でき、汎用性を高められる。

（請求項６）図８に示すように、本発明の電波吸収体の性能評価装置は、請求項１から５の一つの項に記載の金属プレートレンズがホーンアンテナ５に取り付けられて電磁式料金収受設備のある料金所６の路面７に設置される。そして、天井面８の電磁波吸収体９に向けて出射された電磁波の反射波を測定する構成である。
この装置の場合、金属プレートレンズをホーンアンテナ５に付設することにより平面波を出射できるので、路面７に置いた状態でも高い所にある天井面８の電磁波吸収体９に電磁波を集中的に当てることができ、従来のように作業車両Ｖに載せて昇降装置により天井面に近付ける必要がないので、作業を効率よく行える。

（請求項７）図９で、ホーンアンテナ５は傾斜及び高さ調節自在の支持装置１０に載置されている。
この場合、電磁波の出射方向を電磁波吸収体に直角に調節することが可能で、評価を正確になせる。

（請求項８）支持装置１０は台車１１に載せられて移動自在となっている。
この場合、金属プレートレンズ付きのホーンアンテナ５を移動する必要が生じたときに、容易に移動させることができる。

図５は、電磁界解析を用いてホーンアンテナ５の開口面からレンズ先端までの距離Ｌｃｍに対する、幾何光学レンズと本発明のレンズの利得を示したものである。この結果から、距離L=30〜50cmにおいて本発明のレンズの利得は25±１dBiを示した。これは幾何光学によるレンズの有効とされる距離L=70〜119cmにおける平均利得26.1dBiと同程度となることを確認した。これより、幾何光学によるレンズの距離L=70cmよりも40cm(8λ)ほどホーンアンテナ５近傍に配置することが可能であることを示した。

図６はレンズの有無に対する磁界面の放射パターンを示してある。結果より、ホーンアンテナ５単体の利8.2dBi、半値ビーム幅24°から幾何光学によるレンズを配置した場合、利得25.8dBi、半値ビーム幅7°となり、本発明レンズを配置した場合、利得25.2dBi、半値ビーム幅10°を示すことを確認した。これより、幾何光学によるレンズと同様に本発明レンズも指向性が改善されることを確認できた。

図７は、図１の一点鎖線におけるレンズ先端の電界強度及び位相特性を示す。同図より、両レンズ共に電界強度は中心からの距離に対して減少することを確認した。また、位相変化は本発明レンズの方が小さいことを確認した。

これらから、ホーンアンテナの近傍電磁界に着目し、近接可能なレンズの設計を行った。結果より、本発明レンズは幾何光学によるレンズよりも40cm(8λ)ほどホーンアンテナに近接して配置可能であり、従来のランズアンテナと同程度の利得と指向性を得ることができた。

１金属プレート
１ａ一端面
１ｂ他端面
Ａ電界方向
ｄ間隔
ｓ自由空間
２半凹球状面
３直交状面
ｄ間隔
４発泡スチロール
Ｄ直径
５ホーンアンテナ
６料金所
７路面
８天井面
９電波吸収体
１０支持装置
１１台車
Ｒ幾何光学レイ
ｒ曲率半径
Ｐ波源

Claims

複数の金属プレート(1)を電界方向(A)と平行にかつ各相互間に等しい間隔(d)を保って配置した状態で、該複数の金属プレート(1)の各一端面(1a)が同一の半凹球状面(2)上に位置しかつ各他端面(1b)が該電界方向(A)との同一の直交状面(3)上に位置していることを特徴とする金属プレートレンズ。
該各間隔(d)は誘電率が１の自由空間(s)となっている請求項１に記載の金属プレートレンズ。
該各間隔(d)は誘電率が１に近い発泡スチロール(4)となっている請求項１に記載の金属プレートレンズ。
該金属プレート(1)はアルミ箔で該発泡スチロール(4)と面接着されている請求項３に記載の金属プレートレンズ。
該半凹球状面(2)の直径(D)は５０ｃｍ、該間隔(d)は３ｃｍで、該金属プレート(1)の枚数は１７枚である請求項１、２、３又は４に記載の金属プレートレンズ。
請求項１から５の一つの項に記載の金属プレートレンズがホーンアンテナ(5)に取り付けられて電磁式料金収受設備のある料金所(6)の路面(7)に設置され、天井面(8)の電波吸収体(9)に向けて出射した電波の反射波を測定するようになっていることを特徴とする金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価装置。
該ホーンアンテナ(5)は傾斜及び高さ調節自在の支持装置(10)に載置されている請求項６に記載の金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価装置。
該支持装置(10)は台車(11)に載せられて移動自在となっている請求項７に記載の金属プレートレンズを使用した電波吸収体の性能評価装置。