JP5565717B2 - エネルギ集中のための汎用デバイス - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ設計に関し、かつ可視光、ＵＶ、ＩＲ、短波、ＵＨＦおよびＶＨＦを含む、広い周波帯範囲内で動作する種々のデバイスに用いられることができる。

種々の従来技術デバイスが、エネルギを集中させるために用いられる。特に、（特許文献１）内に記述される放射線集中装置が、デバイス軸線の方向に放射線を反射する裏面およびデバイスの前面でへこむ半球状レンズおよびレンズと反射器の共通焦点に放出振動子を有する放物面として設計されている。（特許文献２）内に記述される別の放射エネルギ集中装置が、線形供給源および湾曲反射器を備える。

従来技術の集中装置は、それらの相対的に低い効率の理由で不利である。

（特許文献３）のデバイスは、必須の特徴の組合せにおいて請求された本発明の最も近い関連の従来技術である。このデバイスは、主要および付加集中装置およびエネルギコンバータを備える。この従来技術デバイスは、その限定された機能および低い効率の理由で不利である。

１９９５年５月２０日公開、旧ソ連特許第１，８１９，４８８号明細書、 １９８２年７月２３日公開、旧ソ連特許発明者証第９４５，８３９号明細書、 ２００３年６月１０日公開、ロシア特許第２，２０６，１５８号明細書

可視光、紫外線および赤外線周波帯内の複数の発光ダイオードならびに種々の電磁および音波周波帯内のレーダおよび通信システム内の複数の固体ＵＨＦ素子からなる分散システムによって強力な、浪費的なかつ短命なランプを置換することが、今日世界的実践において持続するトレンドであることは常識である。

１２０°までの幅広いセクターを、同時に両方の平面で、照明するか、照射するか、加熱するかまたは聞くことが可能な多機能小型長寿命経済的かつ効率的デバイスを開発することが、請求された本発明の一目的である。

請求された本発明の実質的な技術的成果は、既存のヘッドライト、サーチライト、ランプ、通信アンテナ、レーダおよび十分に狭い指向性パターン内で動作する他の照明、照射または受波システムのそれに類似したサイズの小型多目的および多機能デバイスである。このデバイスは、各方向に十分に高いアンテナ増幅率（アンテナ利得）で１２０°×１２０°までの広い指向性パターンの範囲内で、光および放射線を放出するかまたは両方とも受波する。

上記の技術的成果は、反射器および放射源または受波器を備える多目的エネルギ集中装置において達成され、反射器は回転体の表面の少なくとも一部であり、および放射源または受波器は、それぞれそれの曲率半径の０．３と０．５の間に等しい反射器からの同一の距離に位置する能動または受動素子の分散システムである。更に、反射器は円筒周面もしくはそれのセグメント、または球形の表面もしくはそれの先端を切ったセグメントであることができるか、または、１つの第１の平面内の反射器の断面が、円弧であることができ、および第１の平面に垂直の平面内にそれが、二次曲線によって形成されるか、または、球体もしくはパラボラのオフセットされた部分が垂直面内に用いられることができる。また、反射器表面は断面で、各セクターの１つの焦点が回転体の軸線にあり、能動または受動素子の分散システムが楕円のもう一方の焦点内に配置されているような方法で接続される２つの楕円によって代表される回転体であることができる。

上記の技術的成果は、また、異なる電力定格の能動素子を有する分散システムで達成されることができる。連続的に動作している照射器または受波器が、その中で能動または受動素子として用いられることができる。その上、このデバイスは更に少なくとも１台の反射器および少なくとも１台の放射源または受波器を備えていることができ；放射源または受波器は、回転することができ；ならびに、反射器および放射源または受波器は同時に回転することができる。

概して、反射器またはアンテナは切り詰めた球形の表面または１つの平面内の円筒周面およびもう一方の平面内のパラボラまたは楕円の表面である複合表面の領域として設計されている。一部のデバイスでは、円筒形反射器が用いられることができる。別の形状が、また、所望の指向性パターンを生成するために平面のどちらかに用いられることができる。

実際に連続するラインの能動または受動素子（可視光、ＵＶおよびＩＲ周波帯内の発光ダイオード、固体ＵＨＦ素子、ＩＲ放射および超音波放射源、マイク、など）が、放射源または受波器として用いられることができる。単一トランシーバまたは受波器を有する連続ラインが、ＵＨＦ周波帯内の広い指向性パターンでの同時動作を容易にするために用いられることができる。ＩＲ周波帯では、連続放射源が素子のラインの代わりに用いられることができる。指定された寸法を有する能動または受動素子が、球体または円筒の半径の半分よりアンテナまたは反射器にいくぶん近い指定された距離で配置され、かつ、パラボラまたは楕円内に、各素子に対して実効アンテナ開口を生成するために、焦点を合わせる。

本発明が添付の図面で例示され、ここで、

デバイスの全体図である； 先端を切った球形の表面の形の反射器またはアンテナを備えたおよび素子のラインの形の放射源または受波器を備えたデバイスの全体図である； 球体またはパラボラのオフセットされた部分を用いるデバイスの全体図である； 全方向受波器の３台のアンテナを備えるデバイスまたは情報を受信して送信する全方向デバイスまたは円形指向性パターンを有するデバイスの全体図である； 回転垂直円筒アンテナおよび能動位相型アンテナラインを有するデバイスの全体図である； 固定垂直円筒アンテナおよび３台の回転能動位相型アンテナラインを有するデバイスの全体図である；および 凹面球形または円筒形アンテナの焦点距離の計算を例示する。

このデバイスは、次のように動作する：

事実上連続するラインの能動または受動素子が、それぞれ、アンテナ表面曲率の半径の０．３から０．５と等しい反射器またはアンテナからの距離でお互いに最小距離で配置され、前記素子の各々が球体または円筒１の一部に放出するかそれから受波する。

能動または受動素子の数は十分に大きくなることができ、その場合、球形のまたは円筒形のアンテナの十分に大きな部分が、この種の素子があるのと同程度しばしば用いられる。

デバイスがＸ線、ＵＶ、可視光、ＩＲ、ＵＨＦ、ＶＨＦ、短波、超音波または音波放射を集中させるために用いられる時、１つの平面で球形の表面の先端を切った部分もしくは円筒およびもう一方の平面でパラボラもしくは楕円、または２０ｍｍから数１００ｍの半径を有する通常の円筒の形のアンテナを用いることが、好ましい。両方の平面内のアンテナセクターは、２０°から３６０°にわたることができる。音波、超音波、短波、ＶＨＦ、ＵＨＦ、ＩＲ、可視光、ＵＶまたはＸ線周波帯の能動または受動素子が、この種のラインとして用いられることができる。個々の素子のラインは、また、任意の周波帯の１台の能動もしくは受動放射体または受波器に接続される単一連続素子によって置換されることができる。個々の素子のいくつかのラインもしくはいくつかの連続線形素子または、その他の構成が特定の寸法の反射器およびアンテナの単一ラインの代わりに用いられることができる。異なる電力定格の素子が、水平面内の所望の指向性パターンを達成するために用いられることができ、および、円筒の場合、球体、パラボラまたは楕円と直線の間の中間の別の形状が、平面のどちらかで所望の指向性パターンを達成するために用いられることができる。

図７は、そこからの距離ａでそれの主光軸と平行にアンテナに当たるビームに対して半径Ｒの凹面球形のまたは円筒形のアンテナの焦点距離ＦＰの計算を例示する。問題の幾何学的構成は、図から明確である。二等辺三角形ＡＯＦにおいて、辺ＯＦが底辺ＯＡ＝Ｒおよびその角度αとして容易に表される：

直角三角形ＯＢＡは、次を与える：

点Ｆから極Ｐへの未知の焦点距離：

これは、円筒形のまたは球形のアンテナの焦点ゾーンに対する等式である。主光軸から平行ビームへの距離ａがより長いほど、焦点は、より遠くアンテナの方へ移る。能動または受動素子が明確な幾何学的寸法を有するところで、それは半径のサイズおよび素子の幾何学的寸法に依存して、半分の半径から算出された距離でアンテナにより近く配置されることができる。上記の計算式は、単一主光軸にあてはまる。現在の場合である、円筒または球体において、円筒または球体の中心からアンテナの開口角の範囲内で表面まで多数の主光軸があることができる。

それ自体の主光軸を有する球形のもしくは円筒形のアンテナのその領域に対するまたはそれの中のラインの個々の能動または受動素子による放射または受波は、平面の１つに広扇形指向性パターンが生成されることを可能にし、そこで各素子が球体または円筒の半径とおよそ等しい反射器またはアンテナの領域でもう一方から独立にそのセクターで動作する。例えば、単一ＵＨＦ照射器および単一アンテナを有する従来のレーダから類推して、２５０ｍｍの円筒半径、２５０ｍｍの高さおよび９ＧＨｚの周波数を有する請求されたデバイスは１４ｍｍと測定される約２０台の照射器を取ることができ、球体または円筒の一部を係合する各々がおよそ２５０×２５０ｍｍと測定される。２５０×２５０ｍｍアンテナが、したがって、少なくとも２０回、用いられる。２０台のアンテナが用いられる場合、各々が２５０×２５０ｍｍと測定されてそれの焦点内に配置される別々の素子および各々水平面内におよそ８°の指向性パターンを有し、組み合わせられた１２０°セクターが、重なりと共に照明される。アンテナは、この場合５×０．２５ｍの全体的なサイズを有し、一方請求されたデバイスのアンテナはわずか０．５×０．２５ｍまたは１０％の大きさで測定され、かつおよそ同じ性能を示す。

それが可視光、ＵＶおよびＩＲ周波帯内の発光ダイオードを用いるところで、請求されたデバイスは、サーチライト、街灯、工業および家庭用のランプ、植物成育のためのランプ、および、反射器が（１２０°×１２０°までの照明開口を備えた）円筒周面の形状である時、大面積の均一光照射または加熱を意図される他の照明デバイスに、または、反射器が球形の表面の先端を切った部分または１つの平面内の円筒周面およびもう一方の平面内のパラボラもしくは楕円の表面の形の時、（例えば、制御システム、掃引サーチライト、自動車の低ビームヘッドライト、海および川ブイおよび可視周波帯の灯台、水、空気および種子を消毒するためのデバイスおよびＵＶ周波帯のサンルーム、ならびに水を加熱する、ＩＲ周波帯の加熱およびバックライティングのためのシステムで、ならびに超音波周波帯で液体を混合、洗浄、洗濯および処理するためのシステムで）、水平面内の１２０°までのセクターおよび垂直面内の十分に狭い指向性パターンでの集中した照明のために、実際上用いられることができる。

ＵＶ周波帯で用いられる時、このデバイスは、強力な、浪費的なおよび信頼できないＵＶランプの代わりにＵＶ周波帯で経済的なおよび持続性の発光ダイオードの分散されたラインの集中された放射を用いて、均一な集中された放射が、３つまたは４つの方向から標的（人間、流水、気流、種子、など）に向けられることを可能にする。ラインの代わりに分散された連続ＩＲ放射源を有する類似したデバイスが、ＩＲ周波帯での流水加熱のために用いられることができる。

いくつかのアンテナは、完全もしくは先端を切った球体または共通円筒または１つの平面内の円筒およびもう一方の平面内のパラボラもしくは楕円の形の単一円形アンテナと置換されることができる。この場合、放射体のラインまたは連続放射体は同様に３６０°円形である。パラボラが用いられるところで、このラインは、円筒の半分の半径より少し近くかつパラボラ焦点内に配置されるべきであり、および、楕円が用いられる時、それは楕円焦点のどちらか内に配置され、それのもう一方の焦点が円筒中心内に配置される。この場合には、高集中のＵＶおよびＩＲ放射線またはその他の周波帯の放射線が、処理されるべき対象物が配置されるデバイスの中心部に到達する。

同じ小型に対する放射線集中を更に増加するために、上記の通りの３ラインの素子を備えた３台の円形アンテナが、素子が全ての３平面内の座標軸に沿って配置される場合には用いられることができる。その結果、共通焦点ゾーンは３平面内の３交差焦点ゾーンから成る。

ラインの代わりに単一アンテナおよび連続ＩＲ放射源を有するデバイスが、加熱システムに用いられることができ、およびそれが所望の波長のＩＲダイオードのラインであるところで、それが、１２０°までの広い周波帯の範囲内の赤外線バックライティングに用いられることができる。ＩＲ、ＵＶまたはＸ線周波帯内の感光性素子のラインが上記したアンテナ内に配置されるところで、結果は、水平面内に広さ１２０°までのセクターの範囲内で動作する小型暗視デバイスである。

音波周波帯では、ラインの焦点ゾーン内に配置される敏感なマイクのラインが、十分な精度で音源の方向を検出すること、および別々に各チャネルを処理することが可能な広さ１２０°までの水平セクターの範囲内で動作する長射程音声センサを生成する。

バイブレータのラインが焦点ゾーン内に用いられる超音波周波帯では、その集中された放射が均質の混合物を調合する、洗浄、洗濯および液体処理のためのシステムに、ならびに動物および昆虫を遠ざけるためのデバイス、などに用いられることができる。
この技術が植物成育用のランプに用いられるところで、３ラインの発光ダイオード−２本の赤ラインおよび１本の青ライン−が植物成長のために最も効果的な混合光を生成するために用いられることができる。

請求されたデバイスが自動車の低ビームヘッドライトに用いられるところで、それが大部分の現代の自動車で用いられる反射器を有する１ランプシステムにとって通常である、ドライバが前を見ることを可能にし、かつ、広さ１２０°までのセクターで側面照明を生成する。ライン内の発光ダイオードの電力を選択することによって、すぐ前を照明するための高出力の発光ダイオード、（右側通行で）右側を照明するためのより強力でないダイオードおよび左側を照明するための非常に低出力のＬＥＤを備えた、水平面内に好ましい指向性パターンが得られることができる。上記の技術は、暗闇での道路交通安全を有意に改善することができる。類似したデバイスが、自動車または交通安全監視を自動化するその他の可動対象物上に設置されるレーダシステムに用いられることができる。この場合、また、所望のレーダ指向性パターンが固体ＵＨＦ素子の電力を選択することによって得られることができる。

このデバイスが海および川ブイおよび灯台で用いられるところで、３台の反射器が、水平面内に円形パターンおよび垂直面内に十分に狭いパターンを生成するために用いられることができる。この設計の光出力が発光ダイオード単独のそれより大きいので、合計必要電力がより低く、それは大部分のブイおよび灯台が完全に自律的であるので重要な利点である。

それがレーダシステムに用いられる時、レーダが、パターンの範囲内で標的を照明する機会を提供する、広さ１２０°までのパターンで連続的に照射することができるので、それは請求されたデバイスの重要な利点である。次に、標的から反射される信号のドップラー成分がより完全に処理され、および情報がかなりの時間の間蓄積されることができる。狭い指向性パターンを有する回転または走査型レーダおよび、特に、位相型アレイのような鉛筆パターンを有するレーダが用いられるところで、レーダービームは、情報が蓄積されるのに、かつ信号のドップラー成分が処理されるのに常に十分とはいえない非常に限定された時間の間、標的にロックオンする。上述した設計のレーダは可動標的、とりわけ、低速度で動く標的を検出することに非常に効率的である。この場合、例えば、個々の詳細（例えば男性と女性の歩幅の間の差異）を検出するのに、標的からの信号のドップラー成分を徹底的に処理する十分な時間がある。この徹底的な処理は、高速走査ビームによって実行されることができない。標的照射時間が放射電力に正比例し、および、アンテナシステムの実効総面積がより大きいので、上記の設計のレーダのエネルギ潜在力は、同じ電力の走査型レーダに十分に匹敵する。レーダシステムは、アンテナ開口から放射体を除去するためにパラボラまたは球体のオフセットされた部分を用いることができる。

それらが水平面内に１２０°までの広い指向性パターンおよび垂直面内に約１０°の十分に狭いパターンを供給しなければならないので、セルラー電話網基地局の既存のアンテナは垂直に十分に大きくて水平に小さい。アンテナ利得はこの場合十分に低い約３０である。球形の表面の先端を切った部分または水平面内に円筒形で垂直面１内にパラボラの形の３台のアンテナを備えるデバイスが円形走査に対してセルラー電話網基地局で用いられるところで、アンテナ利得は最高３５０で何倍も大きい。この利得は、次に、伝達および受波範囲を有意に増大する。アンテナは、１２０°セクターに対しておよそ１×２メーターのサイズを有することができる。アンテナはその時、既存のアンテナに類似した１２０°×１０°の一般的なパターンを有するが、各方向の能動アンテナ開口は大きさおよそ１×１メーターで、およそ１０×１０度のパターンを有する。より長い交信距離は必要な基地局の数を減少させ、セルラー電話網展開コストを切り詰めることができる。

請求されたデバイスは衛星テレビジョン信号を受信するために、かつ衛星通信でアンテナが正確に配置される必要なく用いられることができる。１２０°×１２０°までの指向性パターンを有する衛星アンテナが、円筒の形であることができる。この場合、可動対象物上に設置されるアンテナによって用いられるべき非常に高価なジャイロスタビライザに対する、何の必要も全くないかまたは、必要性が有意に減少させられる。このタイプのアンテナは、また、低軌道の通信またはインターネット衛星群に非常に効率的であることができる。連続受波または受波伝送線を有する単一受波器またはトランシーバで用いられるこのタイプの３台のアンテナは、衛星テレビ番組の全方向受信および、衛星から独立に衛星インターネットを含んで、全方向衛星通信に十分でかつ受信周波数が変わることを必要としているだけである。衛星インターネットが、連続的に変化する照準線と共に、低軌道高速衛星群を用いる時、静止または可動対象物に供給されるこのタイプのデバイスはとりわけ効果的である。

請求されたデバイスはまた、地上デジタルテレビジョンの、Ｗｉ−Ｍａｘのような地上広帯域通信システムで、および他のシステムで、静止および可動対象物で用いられることができる。

大量に製造される場合、これらのアンテナデバイスは、３台のアンテナを備えるものさえ、十分に安価である。

レーダの別の用途では、デバイスはお互いに約半波長の距離で配置される個々の固体ＵＨＦ受波器−送波機モジュール（ＲＴＭ）を備えるその能動位相型アンテナライン（ＡＰＡＬ）２の半径の０．３から０．５の距離に配置される垂直面１内の共通円筒の形で用いられる。それらは、ＲＴＭ位相を制御するために垂直面内の指向性パターンの電子走査を可能にし、および、システムは全体として水平面内に回転することができる。この場合、３座標レーダが生成される。

別の実施態様において、システムは固定された円筒１および円筒半径の半分を超える経路に沿って動くＡＰＡＬ２を有する。円筒が水平面内の１２０°放射を可能にする幾何学形状を有するところで、３台のＡＰＡＬ２が、１２０°の角度でそれの周囲の上に配置されることができ、および得られたシステムが１つの方向にゆっくりと回転する時、それは、１２０°セクターの範囲内でそれの前にスペースの連続ビューをもたらす。この設計は、デシメートル波長レーダ（３０センチメートル以上の波長）で、かつとりわけメーター周波帯で最も有利である。良い分解能および高いアンテナ利得を達成するこれらの周波帯の範囲内で、高いコストでかつ冷却および他の課題に対応することによって、多数のＲＴＭが、能動位相アンテナアレイ（ＡＰＡＡ）をセットアップするために必要とされる。請求されたデバイスは、相対的に低いコストで少数のＲＴＭで高いアンテナ利得および良い分解能を達成することができる。さらに、たとえＲＴＭがＡＰＡＡのそれの数倍の電力を有するとしても何の特殊冷却デバイスも必要とされない。３台のＡＰＡＬの１台が時間の３分の１だけの間動作してかつ時間の残りの間（２４０°）不動であるので、ＲＴＭは５のオン／オフ比率で時間の７％だけの間動作する。

例えば、３０ｃｍの波長に対して、２°×２°分解能を達成するために単一ＡＰＡＬ内に６４台のＲＴＭが、または３台のＡＰＡＬ内に１９２台のＲＴＭが設けられなければならない。この配置は、水平面内に回転する、かつ垂直面内に電子位相走査をもたらす２°×２°鉛筆パターンを与える。円筒形の垂直アンテナの半径は、この場合、約１０ｍ、高さおよそ１５ｍ、１０ｍのＡＰＡＬ高さおよび５ｍを少し超える、ＡＰＡＬ回転半径である。比較して、１台のＡＰＡＡに対して３，５００台のＲＴＭが、この分解能およびアンテナ利得を得るために必要である。

１°×１°分解能が達成されるべきであるところで、１２８台のＲＴＭが、２０ｍの長さで単一ＡＰＡＬ内に（全部で３台のＡＰＡＬ内に３８４台のＲＴＭ）配置され、円筒アンテナの半径が２０ｍに、その高さが３０ｍに増加され、およびＡＰＡＬの回転半径が１０ｍを上回らなければならない。このサイズのＡＰＡＡは、過度の材料を必要として、その結果、非効率的であるほとんど１４，０００台のＲＴＭを必要とする。

請求されたデバイスは、合計ピーク電力でＡＰＡＡより劣っているが、周知のように、アンテナ利得の増加は、電力増加の２倍効率的にレーダの合計エネルギ潜在力に影響する。

円筒は、メーター周波帯で１００ｍまでの半径を有することができる。この周波帯に用いられるアンテナは、また、ネットとして設計されることができる。３台のＡＰＡＬを有するデバイスは、円で配置されるレールを中心に回転することができる。

本発明は、サーチライト、ヘッドライト、街灯、家庭用のランプ、および植物を栽培するためのランプのような種々の可視周波帯デバイスで；またはＵＶ周波帯で水および種子を消毒するためのおよびサンルームで；ＩＲ周波帯の加熱および乾燥システム、温水、および赤外線バックライティングシステムで；ＵＨＦおよびＶＨＦ周波帯で、レーダおよび特に、衛星テレビおよびインターネット用の通信技術で、セルラー電話通信システムの基地局で、Ｗｉ−Ｍａｘタイプの地上広帯域通信システムで、地上デジタルテレキャストで；暗視デバイスのＵＶ、ＩＲおよびＸ線周波帯で；遠隔音声センサの音波周波帯で；均質混合調合、洗浄、洗濯および液体処理システムの超音波周波帯で；動物および昆虫を遠ざけるデバイスで、および任意の電磁、超音波および音波周波帯の多くの他のデバイスで用いられることができる。小型デバイス、本発明は、各方向に十分に大きなアンテナ利得で垂直におよび水平に１２０°までの幅広いセクターの範囲内の照射のために用いられることができる。

１ 球体または円筒
２ 能動位相型アンテナライン（ＡＰＡＬ）

Claims (8)

1. 回転体の表面の少なくとも一部の形の反射器、前記回転体の内側の面のいずれかの箇所の面に垂直な方向で前記反射器の曲率半径の０．３から０．５と等しい前記反射器から同一の距離に置かれる、それぞれ、能動または受動素子の分散システムとしての複数の放射源または受波器、を備える多目的エネルギ集中装置。
2. 前記反射器が、円筒周面またはそれのセグメントであることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
3. 前記反射器が、球形の表面またはそれの先端を切ったセグメントであることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
4. １つの第１の平面内の前記反射器の断面が、円弧であり、および前記平面内の二次曲線が前記第１の平面に垂直であることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
5. 球体またはパラボラのオフセットされた部分が、それの垂直面内に用いられることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
6. 前記反射器表面が、楕円の各々が回転体の軸線にその焦点の１つを有し、および、前記楕円のもう一方の焦点がその中に配置されるべき能動または受動素子の分散システムのために用いられるように接続される２つの前記楕円の断面に存在する前記回転体であることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
7. 連続動作照射器または受波器が、能動または受動素子として用いられることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。
8. 前記放射源または受波器が、回転可能であり、回転における少なくとも一時点において前記反射器の曲率半径の０．３から０．５と等しい前記反射器から同一の距離に置かれることを特徴とする請求項１に記載の多目的エネルギ集中装置。