JP4297027B2 - 複合誘電体レンズを用いたレンズアンテナの焦点距離調整方法 - Google Patents

Description

本発明は複合誘電体レンズを用いたレンズアンテナおよびその焦点距離調整方法に関するものである。

近年、次世代の高度道路交通システム（ＩＴＳ）の開発が進められ、走行時の安全運転を支援するための機能が次々と開発されている。特に、前方を走行している車等との距離を高精度に測定できる外部環境検知システムとして、ミリ波（７６ＧＨｚ）を利用した車載用ミリ波アンテナが開発されている。ミリ波アンテナとしては、平面アンテナやレンズアンテナがあるが、中でもレンズアンテナはアンテナ効率や検知角度の面において優れた性能を有する。車載用レンズアンテナの場合、レンズの厚みを薄くする必要があるため、レンズの材質として、厚みが薄くても高誘電率であり、かつ生産性に優れた複合誘電体レンズが用いられている。複合誘電体レンズとは、誘電体無機フィラーと有機高分子材料（樹脂）とを含む複合誘電体材料を成形してなるものである。

レンズアンテナ１の構造は、例えば図１に示すように、レンズ２と、レンズ２を支持するアンテナ本体（ハウジング）３と、アンテナ本体３の内部に固定された電波を送受信するためのＲＦ部４と、ＲＦ部４にレンズ２に向けて固定された一次放射器５などで構成されている。この例のレンズ２は、出射面が凸状で、入射面が平面状の複合誘電体成形物からなるレンズ本体２ａと、レンズ本体２ａの外面を薄く覆うように成形され、複合誘電体成形物または樹脂単体からなる整合層２ｂとで構成されている。レンズ２の外周部にフランジ部２ｃが一体に形成され、このフランジ部２ｃがアンテナ本体３の前面にネジ６で固定されている。レンズアンテナ１の場合、アンテナ利得が最大となるように、レンズ２の焦点を一次放射器５の位置に合わせるのが一般的である。

複合誘電体レンズの焦点距離ｆはレンズの誘電率によって決定される。しかし、レンズの材料誘電率はロット間でばらつきを持つことから、個々で焦点距離ｆを調整する必要がある。例えば、複合誘電体レンズ２をアンテナ本体３に組み込む場合、レンズ２の焦点を一次放射器５の位置に調整するために、スペーサ７をレンズ２とアンテナ本体３との間に介在させる方法がある。しかし、複合誘電体レンズ２の誘電率に応じた厚みｔのスペーサ７を複数種類準備しておかなければならず、コスト上昇を招くという問題がある。さらに、スペーサ７の厚みｔによって個々のアンテナのサイズが異なってしまうため、車載用機器として適さないという欠点がある。

特許文献１では、誘電率異方性が１．００〜１．０５の範囲にある複合誘電体レンズを用いたレンズアンテナが提案されている。すなわち、誘電率異方性を小さい範囲に制限することで、レンズの焦点距離のばらつきを少なくし、アンテナ利得やサイドローブ等の特性に優れ、かつ個体バラツキを小さくしたものである。
しかし、誘電率異方性を１．００〜１．０５の範囲に制御するには、射出成形時の溶融粘度を調整したり、誘電体無機フィラーの組成や含有率を調整しなければならず、製造コストの上昇を招く恐れがある。
特開２００２−１９７９２３号公報

そこで、本発明の目的は、誘電率のばらつきに関係なくその焦点距離をほぼ一定に調整でき、アンテナ利得に優れ、かつ個体バラツキを小さくできる複合誘電体レンズを用いたレンズアンテナの焦点距離調整方法を提供することにある。
また、他の目的は、アンテナのサイズを変えずに、レンズの焦点距離を調整可能なレンズアンテナの焦点距離調整方法を提供することにある。

本発明は、誘電体無機フィラーと有機高分子材料とを含む複合誘電体材料を成形してなり、誘電率異方性を有する複合誘電体レンズと、アンテナ本体と、上記アンテナ本体に対して上記複合誘電体レンズの外周部を、当該レンズの軸心を中心として角度調整可能に保持する焦点距離調整機構とを備えたレンズアンテナであって、上記複合誘電体レンズをその軸心を中心として回転させることにより、焦点距離を調整することを特徴とするレンズアンテナの焦点距離調整方法を提供する。

複合誘電体レンズは、誘電率異方性を持つものが多い。誘電率異方性は図２のような楕円を用いて表すことができる。例えば、誘電率が最大値εmax の角度をθ＝０°とした場合、θ＝９０°のときに誘電率は最小値εmin となる。この誘電率が最大となる方向での誘電率εmax と誘電率が最小となる方向での誘電率εmin との比（εmax ／εmin ）が誘電率異方性である。角度θによって誘電率εｒは変化する。
このように誘電率異方性を有する（誘電率異方性が１より大きい）複合誘電体レンズを用いたレンズアンテナでは、誘電率つまり焦点距離がレンズの軸心を中心とする回転位置によって変化する。焦点距離を最大のアンテナ利得が得られる距離に合わせる必要があるため、本発明では、焦点距離調整機構により複合誘電体レンズをその軸心を中心として角度調整可能とすることにより、レンズを誘電率が目標値となる角度に合わせ、焦点距離を最適値に調整可能としたものである。

誘電率異方性が大きくなればなるほど、誘電率の調整範囲つまり焦点距離の調整範囲が広くなる。誘電率の調整範囲は、電界方向ごとに各サンプルの誘電率を測定し、それらの平均値を求め、この平均値の中で最大のものを上限値、最小のものを下限値とし、その差によって求めることができる。誘電率の調整範囲が広すぎると、図２から分かるように回転角度θ当たりの誘電率の変化が大きくなるため、微調整が困難になるという問題がある。一方、調整範囲が狭すぎると、レンズを回転させても調整する意味がなくなる。実用上、誘電率異方性が１．０６〜１．９０程度の場合に調整しやすく、アンテナ利得も高い。

レンズアンテナは、複合誘電体レンズと、このレンズの外周部後面を支持するアンテナ本体とを備え、焦点距離調整機構は、レンズの外周部およびアンテナ本体の一方に設けられた軸部材と、レンズの外周部およびアンテナ本体の他方に複合誘電体レンズの軸心を中心として周方向に複数個設けられ、軸部材が選択的に嵌合される位置決め穴と、を有する構造とすることができる。
この場合は、位置決め穴と軸部材との嵌合によってレンズをアンテナ本体に対して一定角度ごとに位置決めできるので、焦点距離を段階的に調整できる。レンズとアンテナ本体とを位置決め穴と軸部材との嵌合によって位置決めするので、構造が簡単であり、かつ組み立てた後で角度ずれが発生することがない。
軸部材を位置決め穴に嵌合固定する方法としては、圧入固定、接着剤、溶着など任意の方法を用いることができる。
軸部材の本数および位置決め穴の数は任意に選定可能であるが、例えば軸部材が１本であっても、位置決め穴が複数あれば角度調整は可能である。軸部材と位置決め穴との嵌合だけではレンズがアンテナ本体に十分固定されない場合は、レンズの角度を調整した後に、別の箇所で接着剤などの別の手段により、レンズとアンテナ本体とを固定すればよい。

レンズアンテナは、複合誘電体レンズと、このレンズの外周部後面を支持するアンテナ本体とを備え、焦点距離調整機構は、レンズの外周部およびアンテナ本体の一方に設けられたネジ挿通穴と、レンズの外周部およびアンテナ本体の他方に複合誘電体レンズの軸心を中心として周方向に複数個設けられたネジ穴と、ネジ挿通穴に挿通され、ネジ穴のいずれかに螺着されるネジと、を有する構造とすることができる。
この場合は、ネジをネジ挿通穴を介してネジ穴に螺着することで、レンズの角度調整とレンズの固定とを同時に実施できる。

レンズアンテナは、複合誘電体レンズと、このレンズの外周部後面を支持するアンテナ本体とを備え、焦点距離調整機構は、レンズの外周部およびアンテナ本体の一方に複合誘電体レンズの軸心を中心として周方向に複数個設けられたネジ挿通穴と、レンズの外周部およびアンテナ本体の他方に設けられたネジ穴と、ネジ挿通穴のいずれかに挿通され、ネジ穴に螺着されるネジと、を有する構造としてもよい。
この場合は、いずれかのネジ挿通穴にネジを挿通し、このネジをネジ穴に螺着することで、請求項２と同様に、レンズの角度調整とレンズの固定とを同時に実施できる。

レンズアンテナは、複合誘電体レンズと、このレンズの外周部後面を支持するアンテナ本体とを備え、焦点距離調整機構は、上記レンズの外周部およびアンテナ本体の一方に設けられたガイド部と、上記レンズの外周部およびアンテナ本体の他方に、上記レンズの軸心を中心とする円弧状に設けられ、上記ガイド部と摺動自在に係合するレール部と、上記ガイド部をレール部の任意の位置で固定する固定手段と、を有する構造とすることができる。
この場合は、ガイド部とレール部との摺動によってレンズの角度を連続的に調整できるので、焦点距離も無段階に調整できる。ガイド部をレール部に固定する固定手段としては、例えばネジ、クリップ、接着剤、溶着などを用いることができる。

以上のように、本発明によれば、誘電率異方性を持つ複合誘電体レンズを用い、このレンズを回転させることによってレンズの誘電率を調整するようにしたので、材料誘電率にばらつきがあっても、常に焦点距離をほぼ一定に調整できる。そのため、アンテナ利得に優れ、個体バラツキの小さなレンズアンテナを提供できる。また、レンズを回転させるだけで誘電率（焦点距離）を調整できるので、アンテナ自体のサイズ（厚み）が変化せず、しかも安価に構成でき、車載用機器として適したレンズアンテナを提供できる。さらに、レンズの誘電率異方性を殊更小さくする必要がないので、製造コストを低減できるという利点がある。

以下に、本発明の実施の形態を、実施例を参照して説明する。

図３，図４は本発明にかかるレンズアンテナの第１実施例を示す。
このレンズアンテナ１０Ａの基本構造は、図１と同様であり、レンズ１１と、レンズ１１を支持するアンテナ本体（ハウジング）１２と、アンテナ本体１２の内部に固定された電波を送受信するためのＲＦ部１３と、ＲＦ部１３にレンズ１１に向けて固定された一次放射器１４などで構成されている。

アンテナ本体１２の前面にはレンズ１１に対応した開口部１２ａが形成されており、レンズ１１はアンテナ本体１２の前面の開口部１２ａを閉じるように取り付けられる。このレンズ１１も図１と同様に、出射面が凸球面状で、入射面が平面状の複合誘電体成形物からなるレンズ本体１１ａと、レンズ本体１１ａの外面を薄く覆うように成形された整合層１１ｂとで構成されている。レンズ１１を構成するレンズ本体１１ａは、誘電体無機フィラーと有機高分子材料とを含む複合誘電体材料を成形してなる複合誘電体レンズであり、誘電率異方性を有する。つまり、誘電率が最大となる方向での誘電率εmax と誘電率が最小となる方向での誘電率εmin との比（εmax ／εmin ）で与えられる誘電率異方性が１より大きい。

レンズ１１の外周部には、整合層１１ｂから一体に円環状のフランジ部１１ｃが形成されており、このフランジ部１１ｃには、レンズ１１の軸心Ｏを中心として等距離に２個のネジ挿通穴１１ｄが形成されている。これらネジ挿通穴１１ｄにネジ１５が挿入される。レンズ１１のフランジ部１１ｃと対向するアンテナ本体１２の前面には、複数のネジ穴１２ｂがレンズ１１の軸心Ｏを中心として周方向に等間隔で設けられている。この例では、９０°の範囲内に５個のネジ穴１２ｂが、左右対称位置にそれぞれ設けられているが、ネジ穴１２ｂの周方向のピッチ角度は任意に設定できる。上記ネジ穴１２ｂにレンズ１１のネジ挿通穴１１ｄに挿通されたネジ１５が螺着され、レンズ１１はアンテナ本体１２の前面に固定される。このとき、ネジ１５を螺着すべきネジ穴１２ｂを選択することにより、レンズ１１の取付角度を２２．５°間隔で調整できる。上記ネジ１５とネジ挿通穴１１ｄとネジ穴１２ｂとで焦点距離調整機構が構成される。
なお、ネジ穴１２ｂは必ずしも等間隔で設けられていなくてもよい。また、ネジ挿通穴１１ｄの個数は２個に限らず、ネジ１５の本数に応じて選定すればよく、１個または３個以上であってもよい。

ここで、上記レンズアンテナ１０Ａの焦点距離調整方法について説明する。
まずレンズ１１の誘電率特性（図２参照）を求める。この誘電率特性は、例えばレンズ本体１１ａである複合誘電体成形物から円周方向に１０点以上サンプルを切り出し、そのサンプルをＴＥ１０モードの電界を用いた摂動法によって回転方向の誘電率を測定することで求めることができる。複合誘電体成形物の誘電率異方性は、各サンプルの最大誘電率と最小誘電率との比である誘電率異方性を算出し、各サンプルの誘電率異方性の平均を算出することで求めることができる。
上記のように求めたレンズ１１の誘電率特性と焦点距離とによって、レンズ１１の取付角度を決定する。すなわち、焦点距離から決定される誘電率εｒにより、図２の誘電率特性からレンズ１１の角度θを求め、この角度θに合うようにネジ１５をネジ穴１２ｂに螺着する。なお、ネジ穴１２ｂは間欠的に設けられているので、角度θに最も近いネジ穴１２ｂにネジ１５を螺着すればよい。

表１は、複合誘電体レンズの材料組成およびその誘電率特性を示す幾つかの例を示す。

表１において、ＳＰＳとはシンジオタクチックポリスチレン、ＣＴとはチタン酸カルシウム、ＰＰとはポリプロピレン、ＰＳとはポリスチレン、ＢＴとはチタン酸バリウムを指す。

試料１〜４については、０．２以上の誘電率調整範囲を有し、良好な結果が得られた。例えば試料１については、レンズを回転させることで、誘電率を４．１〜７．５の範囲で調整できる。誘電率の設計値が４．１〜７．５の範囲に入るレンズアンテナであれば、レンズを回転させるだけで組み込み可能である。
試料５については、誘電率異方性が大き過ぎ、レンズ内部の場所による誘電率バラツキが増大し、利得自体が低下するので、実用的でない。
試料６は、誘電率調整範囲として、実用上必要な０．２０以上が得られていない。このような狭い調整範囲では、レンズの回転による誘電率調整の効果が小さい。
なお、各試料のεmax およびεmin を知るためには、０°＜θ＜１８０°または−９０°＜θ＜９０°の角度でレンズを回転させれば十分である。

図５は本発明にかかるレンズアンテナの第２実施例を示す。
この実施例のレンズアンテナ１０Ｂは、アンテナ本体１２に例えば２個のネジ穴１２ｂを設け、レンズ１１のフランジ部１１ｃにレンズ１１の軸心Ｏを中心として周方向に複数のネジ挿通穴１１ｄを形成したものである。この場合には、ネジ１５をいずれかのネジ挿通穴１１ｄを介してネジ穴１２ｂに螺着することで、レンズ１１を固定できる。
この場合も、ネジ挿通穴１１ｄを選択することにより、レンズ１１の角度を調整可能であり、かつネジ１５をネジ穴１２ｂに螺着するだけで、レンズ１１を簡単に固定できる。

図６は本発明にかかるレンズアンテナの第３実施例を示す。
この実施例のレンズアンテナ１０Ｃでは、レンズ１１の外周部後面に例えば２本のピン１１ｆを突設するとともに、アンテナ本体１２の前面にピン１１ｆが嵌合する複数の位置決め穴１２ｄを形成してある。位置決め穴１２ｄは、レンズ１１の軸心Ｏを中心として周方向に配列されている。
この場合は、ピン１１ｆをいずれかの位置決め穴１２ｄに嵌合させることにより、レンズ１１の角度を段階的に調整できる。なお、レンズ１１とアンテナ本体１２との固定は、ピン１１ｆと位置決め穴１２ｄとの圧入嵌合で固定してもよいし、接着などの他の方法を用いて固定してもよい。

図７は本発明にかかるレンズアンテナの第４実施例を示す。
この実施例のレンズアンテナ１０Ｄでは、第３実施例におけるピンと位置決め穴との関係を逆に設定したものである。すなわち、アンテナ本体１２の前面には２本のピン１２ｅが突設されており、レンズ１１の外周部にはピン１２ｅが嵌合する複数の位置決め穴１１ｄが形成されている。位置決め穴１１ｄは、レンズ１１の軸心Ｏを中心として周方向に配列されている。
この場合も、第３実施例と同様に、ピン１２ｅをいずれかの位置決め穴１１ｄに嵌合させることにより、レンズ１１の角度を調整できる。なお、レンズ１１とアンテナ本体１２との固定方法は、圧入嵌合、接着のほか、ピン１２ｅを熱カシメしてもよい。

図８は本発明にかかるレンズアンテナの第５実施例を示す。なお、第１実施例と同一部分には同一符号を付して重複説明を省略する。
この実施例のレンズアンテナ１０Ｅでは、レンズ１１の外周部のフランジ部１１ｃに円弧状の２本の長穴（レール部）１１ｅが形成されている。長穴１１ｅは、レンズ１１の軸心を中心とする同心円弧状で、約９０°の範囲に形成されている。一方、アンテナ本体１２の前面には、長穴１１ｅに摺動自在に挿入される２本のネジ軸（ガイド部）１２ｃが前方に向かって突設されている。ネジ軸１２ｃを長穴１１ｅに挿入し、レンズ１１のアンテナ本体１２に対する取付角度を調整した後、ネジ軸１２ｃの端部にナット（固定手段）１６を螺着することにより、レンズ１１をアンテナ本体１２に対して固定することができる。

レンズ１１のアンテナ本体１２に対する回転角度は、第１実施例と同様に、レンズ１１の誘電率特性と焦点距離とによって決定される。
この実施例では、レンズ１１をアンテナ本体１２に対して連続的に角度調整できるので、第１実施例に比べて細かな角度調整を行うことができ、焦点距離に最適な角度位置へ調整できる。つまり、よりアンテナ利得の高いレンズアンテナを実現できる。
なお、長穴をアンテナ本体１２に設け、ネジ軸をレンズ１１側に設けても、同様の角度調整を行うことができる。

図９は本発明にかかるレンズアンテナの第６実施例を示す。
この実施例のレンズアンテナ１０Ｆでは、第５実施例と同様にレンズ１１のフランジ部１１ｃに円弧状の２本の長穴（レール部）１１ｅが形成されている。長穴１１ｅはレンズ１１の軸心Ｏを中心とする同心円弧状である。アンテナ本体１２の前面には２個のネジ穴１２ｂが形成され、２本のネジ（ガイド部）１５が長穴１１ｅを介してネジ穴１２ｂに螺着される。この場合は、ネジ１５とネジ穴１２ｂとで固定手段が構成される。
ネジ１５を長穴１１ｅを介してネジ穴１２ｂに緩く螺合させた状態で、レンズ１１のアンテナ本体１２に対する取付角度を調整し、その後でネジ１５をネジ穴１２ｂに強く締め付けることにより、レンズ１１をアンテナ本体１２に対して任意の角度で固定することができる。
この実施例の場合も、レンズ１１をアンテナ本体１２に対して連続的に角度調整できるので、細かな角度調整を行うことができ、焦点距離に最適な角度位置へ調整できる。

上記実施例では、アンテナ本体を箱型のハウジングで構成した例を示したが、アンテナ本体の形状や構造は任意であり、レンズを直接または間接的に支持できるものであればよい。したがって、アンテナ本体とハウジングとは別個の部品であってもよく、この部品とレンズとの間に焦点距離調整機構を設け、この部品をハウジングに固定してもよい。
上記実施例では、ネジ手段を用いてレンズ１１をアンテナ本体１２に固定する例や、レンズまたはアンテナ本体の一方からピンを突設し、このピンを他方のピン穴に嵌合固定する例を示したが、固定方法は任意に選定できる。

従来の一般的なレンズアンテナの断面図である。 誘電率異方性を有する複合誘電体レンズの誘電体特性を示す図である。 本発明に係るレンズアンテナの第１実施例の断面図である。 図３に示すレンズアンテナの分解斜視図である。 本発明に係るレンズアンテナの第２実施例の分解斜視図である。 本発明に係るレンズアンテナの第３実施例の分解斜視図である。 本発明に係るレンズアンテナの第４実施例の分解斜視図である。 本発明に係るレンズアンテナの第５実施例の分解斜視図である。 本発明に係るレンズアンテナの第６実施例の分解斜視図である。

符号の説明

１０Ａ〜１０Ｆ レンズアンテナ
１１ レンズ
１１ｃ フランジ部
１１ｄ ネジ挿通穴
１２ アンテナ本体
１２ｂ ネジ穴
１３ ＲＦ部
１４ 一次放射器
１５ ネジ

Claims (1)

1. 誘電体無機フィラーと有機高分子材料とを含む複合誘電体材料を成形してなり、誘電率異方性を有する複合誘電体レンズと、
   アンテナ本体と、
   上記アンテナ本体に対して上記複合誘電体レンズの外周部を、当該レンズの軸心を中心として角度調整可能に保持する焦点距離調整機構とを備えたレンズアンテナであって、
   上記複合誘電体レンズをその軸心を中心として回転させることにより、焦点距離を調整することを特徴とするレンズアンテナの焦点距離調整方法。

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