JP6337171B1 - Antenna device - Google Patents
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Abstract
【課題】一次放射器が平面波を放射するものであっても、誘電体レンズで開口面の直径を変えることができて、ビーム幅を広げることができるアンテナ装置を提供する。
【解決手段】Ｙ軸方向に放射部２ａの開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器２を使用し、Ｙ軸方向に一次放射器２の開口径以上の開口径を有するとともに第１の焦点距離ｆ１を有する第１の誘電体レンズ３を一次放射器２の放射方向に配置し、更に第１の誘電体レンズ３の主面３ａから、一次放射器２と反対側に第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２とを加算して得られた距離だけ離れた位置に、一次放射器２の放射方向に対向して第２の焦点距離ｆ２を有する第２の誘電体レンズ４を配置した。
【選択図】図２Provided is an antenna device capable of widening the beam width by changing the diameter of an aperture surface with a dielectric lens even when the primary radiator radiates a plane wave.
A radiation portion 2a has an opening diameter of 5 wavelengths or more in the Y-axis direction, a primary radiator 2 that emits a plane wave is used, and has an opening diameter that is equal to or larger than the opening diameter of the primary radiator 2 in the Y-axis direction. In addition, a first dielectric lens 3 having a first focal length f 1 is arranged in the radiation direction of the primary radiator 2, and further from the main surface 3 a of the first dielectric lens 3 on the side opposite to the primary radiator 2. The second focal length f 2 is opposed to the radiation direction of the primary radiator 2 at a position separated by a distance obtained by adding the first focal length f 1 and the second focal length f 2 to each other. The 2nd dielectric lens 4 which has is arrange | positioned.
[Selection] Figure 2
Description
本発明は、ミリ波帯を使用した通信システムに用いて好適なアンテナ装置に関する。 The present invention relates to an antenna device suitable for use in a communication system using a millimeter wave band.
ミリ波帯を使用した通信システムは、低い周波数帯と比較して広い通信帯域を利用可能であるため、超高速通信や高い分解能を持ったレーダー用途での実用が期待されている。例えば、２８ＧＨｚ帯の第５世代移動通信や、６０ＧＨｚ帯のＩＥＥＥ８０２．１１ａｄ規格、７９ＧＨｚ帯のＩＴＳ（Ｉｎｔｅｌｌｉｇｅｎｔ Ｔｒａｎｓｐｏｒｔ Ｓｙｓｔｅｍｓ、高度道路交通システム）での実用が検討されている。 Since a communication system using the millimeter wave band can use a wide communication band as compared with a low frequency band, it is expected to be practically used for ultra-high speed communication and radar with high resolution. For example, practical use in 28 GHz band 5th generation mobile communication, 60 GHz band IEEE802.11ad standard, 79 GHz band ITS (Intelligent Transport Systems, Intelligent Transportation System) is being studied.
ミリ波帯を使用した通信は、従来の５ＧＨｚ以下の移動通信と比較して周波数が高いため、空間の伝搬損失が非常に大きい。そのため、使用するアンテナを多数のアレイ素子で構成することで高いアンテナ利得を実現することが一般的である。 Since the communication using the millimeter wave band has a higher frequency than the conventional mobile communication of 5 GHz or less, the space propagation loss is very large. Therefore, it is common to realize a high antenna gain by configuring the antenna to be used with a large number of array elements.
アンテナ利得を高くするほど伝搬距離を延ばすことができるが、同時に指向性が鋭くなり、対応できるビーム幅が狭くなる。つまり、伝搬距離とビーム幅がトレードオフの関係である。このため、複数の新たな利用シーンに対応させたい場合には、アンテナを変更する必要があった。しかしながら、新規にアンテナを作り直すにはコストがかかるため、アンテナに後付けで放射パターンを変える部品を装着することで、複数の利用シーンに対応させる方法が案出されている。後付けの部品でビーム幅を変える方法として、例えばアンテナを一次放射器として誘電体のレンズを設計し、それを装着する方法がある。なお、周知の如く、ビーム幅とは、アンテナから放射される電磁波の強度が最大となる方向から３ｄＢ低くなる点の間の角度のことであり、半値幅とも呼ばれる。 The higher the antenna gain, the longer the propagation distance, but at the same time the directivity becomes sharper and the beam width that can be handled becomes narrower. That is, the propagation distance and beam width are in a trade-off relationship. For this reason, when it is desired to correspond to a plurality of new usage scenes, it is necessary to change the antenna. However, since it takes a lot of cost to recreate a new antenna, a method has been devised to accommodate a plurality of usage scenes by attaching a component that changes the radiation pattern to the antenna later. As a method of changing the beam width with a retrofitted component, for example, there is a method of designing a dielectric lens using an antenna as a primary radiator and mounting it. As is well known, the beam width is an angle between points where the intensity of the electromagnetic wave radiated from the antenna becomes 3 dB lower than the direction in which the intensity is maximum, and is also called a half-value width.
特許文献１に記載された誘電体レンズアンテナは、後付けの部品でビーム幅を変える方法によるものであり、回転対称に形成されたレンズ本体と、縁部の一部に平坦な端面を形成した誘電体レンズと、該誘電体レンズの焦点位置に設けた一次放射器とを備え、前記一次放射器と前記誘電体レンズを、前記一次放射器の外周部から前記誘電体レンズの縁部へと全周に渡ってテーパー状に広がる支持板で接続し、前記支持板の少なくとも内面を金属で形成した構成を採る。
The dielectric lens antenna described in
誘電体レンズを用いたアンテナは、レンズ面を開口面とした開口面アンテナの一種であり、開口面の直径とビーム幅は反比例の関係にある。即ち、開口面の直径が小さくなると、ビーム幅が広くなる。 An antenna using a dielectric lens is a kind of aperture antenna having a lens surface as an aperture surface, and the diameter of the aperture surface and the beam width are in an inversely proportional relationship. That is, as the diameter of the aperture surface decreases, the beam width increases.
一次放射器が球面波を放射するアンテナ（例えば、パッチアンテナ）の場合、一次放射器を点波源と近似し、これを焦点としてレンズとの距離と開口面サイズを光学設計することで開口面の直径を大きくすることができる。また、レンズの一部を切り欠くことでビーム幅を広げることができる。 When the primary radiator is an antenna that radiates a spherical wave (for example, a patch antenna), the primary radiator is approximated as a point wave source, and the distance from the lens and the size of the aperture are optically designed using this as a focal point. The diameter can be increased. Further, the beam width can be widened by cutting out a part of the lens.
しかしながら、一次放射器が平面波を放射するアンテナ（例えば、６４×６４素子のパッチアレイアンテナ）の場合、一次放射器自体が開口面アンテナであり、点波源と近似できないため、上述した球面波を放射するアンテナと同様の光学設計はできず、誘電体レンズで開口面の直径を変えることが困難であり、ビーム幅を広げることができなかった。 However, when the primary radiator is an antenna that radiates a plane wave (for example, a patch array antenna having 64 × 64 elements), the primary radiator itself is an aperture antenna and cannot be approximated to a point wave source. An optical design similar to that of the antenna could not be made, and it was difficult to change the diameter of the aperture with a dielectric lens, and the beam width could not be expanded.
本発明は、一次放射器が平面波を放射するものであっても、誘電体レンズで開口面の直径を変えることができて、ビーム幅を広げることができるアンテナ装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an antenna device that can change the diameter of the aperture surface with a dielectric lens and can widen the beam width even when the primary radiator radiates a plane wave. .
本発明のアンテナ装置は、所望の軸方向に放射部の開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器と、前記一次放射器の放射方向に第１の焦点距離を有し、前記所望の軸方向に前記一次放射器の開口径以上の開口径を有する第１の誘電体レンズと、前記一次放射器の放射方向に対向して第２の焦点距離を有する第２の誘電体レンズと、を備え、前記第１の誘電体レンズの主面から、前記一次放射器と反対側に前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離とを加算して得られた距離だけ離れた位置に、前記第２の誘電体レンズが配置される。 The antenna device of the present invention has a primary radiator that radiates a plane wave having an aperture diameter of 5 wavelengths or more in a desired axial direction, a first focal length in the radiation direction of the primary radiator, A first dielectric lens having an aperture diameter equal to or larger than the aperture diameter of the primary radiator in the desired axial direction; and a second dielectric body having a second focal length facing the radiation direction of the primary radiator. A distance from the principal surface of the first dielectric lens by a distance obtained by adding the first focal length and the second focal length to the opposite side of the primary radiator. The second dielectric lens is disposed at a predetermined position.
上記構成によれば、アンテナ装置としての開口面が第２の誘電体レンズの開口面となるので、一次放射器が平面波を放射するものであっても、開口面の直径を変えることができ、ビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, since the aperture surface as the antenna device becomes the aperture surface of the second dielectric lens, even if the primary radiator radiates a plane wave, the diameter of the aperture surface can be changed, The beam width can be widened.
本発明のアンテナ装置は、所望の軸方向に放射部の開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器と、前記一次放射器の放射方向に焦点距離を有し、前記所望の軸方向に前記一次放射器の開口径以上の開口径を有する誘電体レンズと、前記誘電体レンズの主面から、前記一次放射器と反対側に前記焦点距離だけ離れた位置に配置され、前記所望の軸方向に５波長以下のスリットを有する金属板と、を備える。 The antenna device of the present invention has a primary radiator that radiates a plane wave having an aperture diameter of 5 wavelengths or more in a desired axial direction, a focal length in the radiation direction of the primary radiator, A dielectric lens having an aperture diameter equal to or larger than the aperture diameter of the primary radiator in the axial direction, and disposed at a position away from the main surface of the dielectric lens by the focal length on the opposite side to the primary radiator, A metal plate having slits of 5 wavelengths or less in a desired axial direction.
上記構成によれば、一次放射器の開口径以上の開口径を有する誘電体レンズの主面から、一次放射器と反対側に焦点距離だけ離れた位置に配置した金属板により、５波長以下の開口径を実現することができ、ビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, the metal plate disposed at a position away from the main surface of the dielectric lens having an aperture diameter greater than or equal to the aperture diameter of the primary radiator by the focal length on the side opposite to the primary radiator has a wavelength of 5 wavelengths or less. An aperture diameter can be realized and the beam width can be increased.
本発明のアンテナ装置の一態様として例えば、前記スリットは、少なくとも前記誘電体レンズの焦点におけるビーム半径の２倍以上である。 As one aspect of the antenna device of the present invention, for example, the slit is at least twice the beam radius at the focal point of the dielectric lens.
上記構成によれば、ビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, the beam width can be increased.
本発明のアンテナ装置の一態様として例えば、前記スリットは、少なくとも以下の式で表されるスリット幅ｄを有する。 As one aspect of the antenna device of the present invention, for example, the slit has at least a slit width d represented by the following formula.
ここで、
λ：波長
θ：誘電体レンズの焦点から無限遠におけるビームの広がり角度
here,
λ: Wavelength θ: Beam divergence angle at infinity from the focal point of the dielectric lens
上記構成によれば、ビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, the beam width can be increased.
本発明のアンテナ装置の一態様として例えば、前記誘電体レンズは、第１の誘電体レンズであり、前記スリットに、前記第１の誘電体レンズとは異なる第２の誘電体レンズを設けた。 As one aspect of the antenna device of the present invention, for example, the dielectric lens is a first dielectric lens, and a second dielectric lens different from the first dielectric lens is provided in the slit.
上記構成によれば、スリットに、第１の誘電体レンズとは異なる第２の誘電体レンズを設けたことで、スリットのみの場合よりも更にビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, by providing the slit with the second dielectric lens different from the first dielectric lens, the beam width can be further expanded as compared with the case of only the slit.
本発明のアンテナ装置の一態様として例えば、前記第２の誘電体レンズは凹レンズである。 As one aspect of the antenna device of the present invention, for example, the second dielectric lens is a concave lens.
上記構成によれば、スリットのみの場合よりも更にビーム幅を広げることができる。 According to the above configuration, the beam width can be further expanded as compared with the case of only the slit.
本発明のアンテナ装置は、一次放射器が平面波を放射するものであっても、誘電体レンズで開口面の直径を変えることができて、ビーム幅を広げることができる。 In the antenna device of the present invention, even if the primary radiator radiates a plane wave, the diameter of the aperture can be changed by the dielectric lens, and the beam width can be widened.
以下、本発明を実施するための好適な実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。 DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments for carrying out the invention will be described in detail with reference to the drawings.
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａの外観構成を示す斜視図である。また、図２は、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａの一次放射器２、第１の誘電体レンズ３及び第２の誘電体レンズ４の位置関係を示す図である。図１及び図２において、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａは、ミリ波帯（例えば、３００ＧＨｚ帯）以下の周波数で動作するレンズアンテナ装置であり、平面波を放射する一次放射器２と、第１の焦点距離ｆ１を有する第１の誘電体レンズ３と、第２の焦点距離ｆ２を有する第２の誘電体レンズ４とを備える。一次放射器２は、所望の軸方向に放射部２ａの開口径Ｄ１が使用周波数の５波長以上である。所望の軸方向とはレンズによって光線設計を行う軸方向であり、図１及び図２ではＹ軸方向である。
(First embodiment)
FIG. 1 is a perspective view showing an external configuration of an
図３は、一次放射器２の外観構成を示す斜視図である。同図に示すように、一次放射器２は、長方形板状を成し、Ｘ方向に８素子（アンテナ素子２１）、Ｙ方向に１６素子（アンテナ素子２１）を持つ。Ｘ軸方向の８素子は、それぞれの位相と振幅の制御が可能であり、合成することによりＸＺ平面上で指向性走査を行うことができる。Ｙ軸方向の１６素子は、中央にある給電部２２から給電線２３を介して給電され、開口面におけるＹ軸方向の磁界強度分布がガウス分布となるように設計されている。このように設計することで、放射パターンのサイドローブを小さくすることができる。一次放射器２の開口面のサイズは、Ｘ軸方向が約１３ｍｍ、Ｙ軸方向が約４３ｍｍである。また、放射偏波２５は、Ｘ軸をＸＹ平面上で４５°回転させた軸方向の直線偏波である。
FIG. 3 is a perspective view showing an external configuration of the
図１及び図２に戻り、第１の誘電体レンズ３は、一次放射器２の放射方向（図中Ｚ軸方向）に第１の焦点距離ｆ１を有し、一次放射器２の放射部２ａの開口径Ｄ１と同方向（図中Ｙ軸方向）に、一次放射器２の開口径Ｄ１と同径の開口径Ｄ２を有する。ここで、第１の誘電体レンズ３の開口径Ｄ２は、一次放射器２の開口径Ｄ１以上であればよく、本実施形態では同径としている。第２の誘電体レンズ４は、一次放射器２の放射方向に対向して第２の焦点距離ｆ２を有する。第２の誘電体レンズ４は、第１の誘電体レンズ３の主面３ａから、一次放射器２と反対側に、第１の誘電体レンズ３の第１の焦点距離ｆ１と第２の誘電体レンズ４の第２の焦点距離ｆ２とを加算して得られた距離（ｆ１＋ｆ２）だけ離れた位置に配置される。第２の誘電体レンズ４は、第１の誘電体レンズ３よりも小径であって、開口径Ｄ３が一次放射器２の開口径Ｄ１より小さくなっている。本実施形態では、一次放射器２の開口径Ｄ１を４３ｍｍ、第２の誘電体レンズ４の開口径Ｄ３を３０ｍｍとしている。なお、誘電体レンズにおける主面は、入射前及び出射後の光線をそれぞれ延長した２直線を考え、その２直線の交点が描く軌跡のことである。
1 and 2, the first dielectric lens 3 has a first focal length f 1 in the radiation direction of the primary radiator 2 (Z-axis direction in the drawing), and the radiation portion of the
第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａにおける定数、変数値は以下の通りである。
４３[ｍｍ]：一次放射器２の開口径（Ｙ軸方向）
ｎ＝√εｒ：誘電体の屈折率（誘電体は、例えば“テフロン（登録商標）”）
εｒ＝１．９６:誘電体の比誘電率（誘電体は、例えば“テフロン（登録商標）”）
ｆ１＝３７ｍｍ：第１の誘電体レンズ３の第１の焦点距離（光線近似による設計値）
ｆ２＝２６ｍｍ：第２の誘電体レンズ４の第２の焦点距離（光線近似による設計値）
４３ｍｍ：第１の誘電体レンズ３の開口径（Ｙ軸方向）
３０ｍｍ：第２の誘電体レンズ４の開口径（Ｙ軸方向）
７９ＧＨｚ：周波数
Constants and variable values in the
43 [mm]: Opening diameter of primary radiator 2 (Y-axis direction)
n = √ε r : Refractive index of dielectric (dielectric is, for example, “Teflon (registered trademark)”)
ε r = 1.96: dielectric constant of dielectric (dielectric is, for example, “Teflon (registered trademark)”)
f 1 = 37 mm: the first focal length of the first dielectric lens 3 (design value by ray approximation)
f 2 = 26 mm: second focal length of the second dielectric lens 4 (design value based on ray approximation)
43 mm: aperture diameter of first dielectric lens 3 (Y-axis direction)
30 mm: aperture diameter of second dielectric lens 4 (Y-axis direction)
79 GHz: Frequency
第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａは上述した構成を採るので、Ｙ軸方向の開口径が４３ｍｍから３０ｍｍとなり、一次放射器２が平面波を放射するものであっても、誘電体レンズで開口面の直径を変えることができて、ビーム幅を広げることができる。
Since the
このように、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａによれば、Ｙ軸方向に放射部２ａの開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器２を使用し、Ｙ軸方向に一次放射器２の開口径以上の開口径を有するとともに第１の焦点距離ｆ１を有する第１の誘電体レンズ３を一次放射器２の放射方向に配置し、更に第１の誘電体レンズ３の主面３ａから、一次放射器２と反対側に第１の焦点距離ｆ１と第２の焦点距離ｆ２（第２の誘電体レンズ４の焦点距離）とを加算して得られた距離だけ離れた位置に第２の誘電体レンズ４を配置したので、アンテナのＹ軸方向の開口径を小さくでき、ビーム幅を広げることができる。
As described above, according to the
なお、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａのようなレンズアンテナ装置は、所望の軸方向をＹ軸方向／Ｘ軸方向それぞれの断面を個別に設計することができる。つまり、図１及び図２に示すように、Ｙ軸方向に曲率を持つ円柱形状のシリンドリカルレンズのみならず、Ｙ軸方向／Ｘ軸方向で異なる曲率を持つトーリックレンズ、回転対称のレンズ等でも良い。
In addition, the lens antenna device such as the
また、誘電体レンズを光学設計するためには、一般に使用周波数の５波長以上程度の開口径が必要とされているため、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａにおいて第２の誘電体レンズ４も５波長以上の開口径であると、より設計通りにビーム幅を広げることが可能となる。
In addition, in order to optically design the dielectric lens, generally an aperture diameter of about 5 wavelengths or more of the use frequency is required. Therefore, the second dielectric lens 4 is also included in the
（第２実施形態）
図４は、本発明の第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの外観構成を示す斜視図である。また、図５は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの一次放射器２、誘電体レンズ５及び金属板６の位置関係を示す図である。なお、図４及び図５において、前述した図１及び図２に示す第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａと共通する部材には同一の符号を付けている。
(Second Embodiment)
FIG. 4 is a perspective view showing an external configuration of an
図４及び図５において、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂは、ミリ波帯（例えば、３００ＧＨｚ帯）以下の周波数で動作するレンズアンテナ装置であり、平面波を放射する一次放射器２と、一次放射器２の放射方向に焦点距離ｆを有する誘電体レンズ５と、所望の軸方向に使用周波数の５波長以下のスリット７を有する金属板６と、を備える。一次放射器２は、所望の軸方向に放射部２ａの開口径Ｄ１が使用周波数の５波長以上である。誘電体レンズ５は、所望の軸方向に一次放射器２の開口径Ｄ１と同径の開口径Ｄ４を有する非球面レンズである。金属板６は、誘電体レンズ５の主面５ａから、一次放射器２と反対側に焦点距離ｆだけ離れた位置に配置される。
4 and 5, an
ここで、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂにおいても誘電体レンズ５の開口径Ｄ４は、一次放射器２の開口径Ｄ１以上であればよいため、同径としている。また、第１実施形態に係るアンテナ装置１Ａで説明したように、上記所望の軸方向は、レンズによって光線設計を行う軸方向であり、図４及び図５ではＹ軸方向である。また、誘電体レンズにおける主面は、入射前及び出射後の光線をそれぞれ延長した２直線を考え、その２直線の交点が描く軌跡のことである。
Here, also in the
図４に示すように、金属板６は、２枚の長方形状の金属板６Ａ，６Ｂからなり、スリット７を形成する距離（スリット幅：ｄ）を隔てて対向配置される。この場合、金属板６Ａ，６Ｂの長手方向側が対向するように配置される。
As shown in FIG. 4, the
図６は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの金属板６の配置位置を示す図である。同図において、“Ｍｅｆ”は一次放射器２の開口面の磁界強度の分布、“Ｐ”は一次放射器２の開口面における磁界強度がピークの１／ｅ（ｅ：自然対数の底）になる点、“ω[ｆ]”は誘電体レンズ５の主面におけるビーム半径、“ｆｐ”は誘電体レンズ５の焦点、“θ”は誘電体レンズ５の焦点ｆｐから無限遠におけるビームの広がり角度、“ω０”は誘電体レンズ５の焦点ｆｐにおけるビーム半径、“ＢＷ”は実際のビーム分布範囲、“Ｏａｘ”は光軸（誘電体レンズ５の焦点ｆｐを通る光学設計の代表線であり、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂでは誘電体レンズ５のＹ軸方向中央とする）である。
FIG. 6 is a diagram illustrating an arrangement position of the
上記ビームの広がり角度θ、誘電体レンズ５の焦点ｆｐにおけるビーム半径ω０及び誘電体レンズ５の主面におけるビーム半径ω[ｆ]は、以下に示す式（１）〜（３）で表すことができる。
The beam divergence angle θ, the beam radius ω 0 at the focal point fp of the
ｍｏｕｔｈ＝４３[ｍｍ]：一次放射器２の開口径（Ｙ軸方向）
ω[ｆ]＝１０．７５[ｍｍ]：誘電体レンズ５の主面におけるビーム半径（式（３）より）
ω０＝３．８４[ｍｍ]：誘電体レンズ５の焦点ｆｐにおけるビーム半径
ｎ＝√εｒ：誘電体の屈折率（誘電体は、例えば“テフロン（登録商標）”）
εｒ＝１．９６:誘電体の比誘電率（誘電体は、例えば“テフロン（登録商標）”）
ｆ＝３７[ｍｍ]：誘電体レンズ５の焦点距離ｆ（光線近似による設計値）
θ＝３２ｄｅｇ：誘電体レンズ５の焦点ｆｐから無限遠におけるビームの広がり角度（式（１）より）
ｄ＝８．５[ｍｍ]≧２*ω０：金属板６のスリット幅
７９ＧＨｚ：周波数
mouth = 43 [mm]: Aperture diameter of primary radiator 2 (Y-axis direction)
ω [f] = 10.75 [mm]: beam radius on the main surface of the dielectric lens 5 (from equation (3))
ω 0 = 3.84 [mm]: beam radius at the focal point fp of the dielectric lens 5 n = √ε r : refractive index of the dielectric (the dielectric is, for example, “Teflon (registered trademark)”)
ε r = 1.96: dielectric constant of dielectric (dielectric is, for example, “Teflon (registered trademark)”)
f = 37 [mm]: Focal length f of dielectric lens 5 (design value by ray approximation)
θ = 32 deg: Beam divergence angle at infinity from the focal point fp of the dielectric lens 5 (from equation (1))
d = 8.5 [mm] ≧ 2 * ω 0 : slit width of the
一次放射器２の開口面分布の磁界強度がピーク値の１／ｅになる点Ｐはビーム半径と呼ばれ、誘電体レンズ５の焦点ｆｐで最小となる。誘電体レンズ５の焦点ｆｐにおけるビーム半径ω０は特にビームウェスト半径と呼ばれる。ビーム半径ω０の端では電力密度がピーク値の１／ｅ２になるため、この半径内に約８６％のエネルギーが含まれる。したがって、誘電体レンズ５の焦点ｆｐにビームウェスト半径と同等の幅を持つスリット７を配置することでエネルギーの遮蔽が少なく非常に小さい開口径（最小で２ω０）を実現することができる。但し、一次放射器２から伝搬してくる電磁波の一部をスリット７によって遮蔽しているため、スリット７の通過後は回折波によるグレーティングローブが発生する。グレーティングローブについては、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの遠方界放射パターンにおいてメインローブの外側で発生していることが確認できるが、目的通り半値幅を広げることが実現できているため、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂは有効である。
A point P at which the magnetic field intensity of the aperture plane distribution of the
また、一次放射器２から放射された平面波は、誘電体レンズ５を通過した後は球面波として空間を伝搬するため、ＹＺ平面で切った断面で見た際に等位相面が湾曲している。しかし、誘電体レンズ５の焦点ｆｐにおいては等位相面がＹ軸と並行となっており、位相の観点からもスリット７を誘電体レンズ５の焦点ｆｐに配置することが適している。ω０は、ｔａｎθに反比例する関数となっているが、実際にはビームの広がり角度θを大きくすると収差によって指数関数的にビームウェストが悪化する。このような場合に非球面レンズを使用することで収差（主に球面収差）が抑えられ、ビームの広がり角度θを大きくすることでビームウェスト径をさらに小さくすることができる。
Further, since the plane wave radiated from the
第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂにおいて、正規化した一次放射器２の開口面の磁界強度分布関数は、以下に示す式（４）で表すことができる。
In the
ｒ：ｍｏｕｔｈ／２で正規化した、誘電体レンズ５のＹ軸方向中心からの開口面位置、“０”が中心で、“１”が開口端面となる。
ｒ０＝０．５：一次放射器２の開口面端（ｒ＝１）における磁界強度を決める係数
ｆｆ[ｒ]：位置ｒにおけるピーク値で正規化した磁界強度分布関数
開口面分布の磁界強度がピーク値の１／ｅになる点はｒ＝０．５となる。実寸法は開口面中心からｍｏｕｔｈ／４となる。これにより式（３）が導出される。
The aperture surface position from the Y-axis direction center of the
r 0 = 0.5: Coefficient that determines the magnetic field strength at the aperture end (r = 1) of the
第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂでは、Ｙ軸方向の開口径を４３ｍｍから８．５ｍｍとすることができる。即ち、ビーム幅を広くすることができる。
In the
図７は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの遠方界放射パターンと、その比較対象である一次放射器２のみの遠方界放射パターンを示す図である。この場合、図７の（ａ）が一次放射器２のみの遠方界放射パターンであり、図７の（ｂ）が第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの遠方界放射パターンである。共にＹＺ平面における放射パターンを示している。一次放射器２のみの場合、ピーク利得は２５．２ｄＢｉ、半値幅は７．０ｄｅｇである。他方、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの場合、ピーク利得は１９．２ｄＢｉ、半値幅は２６．５ｄｅｇである。半値幅においては、一次放射器２のみの場合の７．０ｄｅｇに対し、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの場合は２６．５ｄｅｇと、ビーム幅が広くなっているのが分かる。
FIG. 7 is a diagram illustrating a far-field radiation pattern of the
このように、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂによれば、Ｙ軸方向に放射部２ａの開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器２を使用し、Ｙ軸方向に一次放射器２の開口径以上の開口径を有するとともに、焦点距離ｆを有する誘電体レンズ５を一次放射器２の放射方向に配置し、更に誘電体レンズ５の主面５ａから、一次放射器２と反対側に焦点距離ｆだけ離れた位置に、Ｙ軸方向に５波長以下のスリット７を有する金属板６を配置したので、アンテナのＹ軸方向の開口径を小さくできて、ビーム幅を広げることができる。
Thus, according to the
（第３実施形態）
図８は、本発明の第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃの外観構成を示す斜視図である。なお、同図において、前述した図４に示す第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂと共通する部材には同一の符号を付けている。
(Third embodiment)
FIG. 8 is a perspective view showing an external configuration of an
前述した第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂは、片凸レンズの誘電体レンズ５を有したが、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃは、両凸レンズの誘電体レンズ１０を有している。誘電体レンズ１０は、ＹＺ平面の断面で両凸レンズとして光学設計されたシリンドリカルレンズである。なお、誘電体レンズ１０のＹＸ平面視した形状は長方形である。誘電体レンズ１０は、一次放射器２に対し、ＹＺ平面の放射パターンを変化させ、ＸＺ平面の放射パターンはできるだけ変化させないようにしている。両凸レンズの誘電体レンズ１０を使用しても本発明の効果は得られ、より簡便な設計で誘電体レンズの設計を行うことができる。
The
図９は、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃの金属板６の配置位置を示す図である。ビームの広がり角度θ、誘電体レンズ１０の焦点ｆｐにおけるビーム半径ω０及び誘電体レンズ１０の主面におけるビーム半径ω[ｆ]は、前述した式（１）〜（３）で表すことができる。また、正規化した一次放射器２の開口面の磁界強度分布関数ｆｆ[ｒ]は、前述した式（４）で表すことができる。なお、ｍｏｕｔｈ＝４３[ｍｍ]、ω[ｆ]＝１０．７５[ｍｍ]、ｎ＝√εｒ、εｒ＝１．９６、周波数７９ＧＨｚは、前述した通りである。他の定数、変数値は以下の通りである。
FIG. 9 is a diagram illustrating an arrangement position of the
ω０＝８．６９[ｍｍ]：焦点ｆｐにおけるビーム半径（ビームウェスト半径）（式（２）より）
Ｒ１＝６０ｍｍ：誘電体レンズ１０の一次放射器側曲率半径
Ｒ２＝−６０ｍｍ：誘電体レンズ１０の放射方向側曲率半径
ＬＤ１＝２０ｍｍ：光軸Ｏａｘにおける誘電体レンズ１０の厚み
ｆ＝７９ｍｍ：誘電体レンズ１０の焦点距離（式（５）より）
θ＝１５．５ｄｅｇ：焦点ｆｐから無限遠におけるビームの広がり角度（式（１）より）
ｄ＝１７．５ｍｍ≧２*ω０：金属板６のスリット幅
なお、レンズ曲率半径は、一次放射器２側へ膨らむ方向をプラスで表記している。
ω 0 = 8.69 [mm]: Beam radius (beam waist radius) at the focal point fp (from equation (2))
R 1 = 60 mm: radius of curvature of the primary radiator side of the dielectric lens 10 R 2 = −60 mm: radius of curvature of the
θ = 15.5 deg: Beam divergence angle at infinity from the focal point fp (from equation (1))
d = 17.5 mm ≧ 2 * ω 0 : slit width of the
焦点距離ｆの逆数であるジオプトリ（１／ｆ）は、以下に示す式（５）で表すことができる。 Diopter (1 / f), which is the reciprocal of the focal length f, can be expressed by the following equation (5).
第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃでは、Ｙ軸方向の開口径を４３ｍｍから１７．５ｍｍとすることができる。即ち、ビーム幅を広くすることができる。
In the
このように、第３実施形態に係るアンテナ装置１Ｃによれば、Ｙ軸方向に放射部の開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器２を使用し、Ｙ軸方向に一次放射器２の開口径以上の開口径を有するとともに、焦点距離ｆを有する両凸レンズの誘電体レンズ１０を一次放射器２の放射方向に配置し、更に誘電体レンズ１０の主面から、一次放射器２と反対側に焦点距離ｆだけ離れた位置に、Ｙ軸方向に５波長以下のスリット７を有する金属板６を配置したので、アンテナのＹ軸方向の開口径を小さくできて、ビーム幅を広げることができる。
As described above, according to the
（第４実施形態）
図１０は、本発明の第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの一次放射器２、第１の誘電体レンズ３０、金属板６及び第２の誘電体レンズ３１の位置関係を示す図である。なお、同図において、前述した図４及び図５に示す第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂと共通する部材には同一の符号を付けている。また、第１の誘電体レンズ３０は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの誘電体レンズ５と同一のものであり、非球面レンズである。また、金属板６にはスリット（スリット幅：ｄ）７が設けられている。
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing a positional relationship among the
前述した第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂは、一次放射器２、誘電体レンズ５及び金属板６の３つの部材を有したが、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄは、それらの部材の他に第２の誘電体レンズ３１を有する。第２の誘電体レンズ３１は、第１の誘電体レンズ３０とは異なるものであり、ＹＺ平面における断面が、｜Ｒ３｜＜｜Ｒ４｜となった凹メニスカレンズである。第２の誘電体レンズ３１は、金属板６のスリット７の出力側部分に設けられる。第２の誘電体レンズ３１を設けることで、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂよりもさらにビーム幅を広げることができる。なお、第２の誘電体レンズ３１は、凹レンズであれば良く、例えば両凹レンズや平凹レンズでも良い。
The
第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄにおいて、ビームの広がり角度θ、第１の誘電体レンズ３０の焦点ｆｐにおけるビーム半径ω０及び第１の誘電体レンズ３０の主面におけるビーム半径ω[ｆ]は、前述した式（１）〜（３）で表すことができる。また、正規化した一次放射器２の開口面の磁界強度分布関数ｆｆ[ｒ]は、前述した式（４）で表すことができる。なお、ｍｏｕｔｈ＝４３[ｍｍ]、ω[ｆ]＝１０．７５[ｍｍ]、ｎ＝√εｒ、εｒ＝１．９６、周波数７９ＧＨｚは、前述した通りである。他の定数、変数値は以下の通りである。
In the
ω０＝３．８４[ｍｍ]：焦点ｆｐにおけるビーム半径（ビームウェスト半径）（式（２）より）
Ｒ３＝−８．５ｍｍ：第２の誘電体レンズ３１の一次放射器側曲率半径
Ｒ４＝−２５．５ｍｍ：第２の誘電体レンズ３１の放射方向側曲率半径
ＬＤ２＝４．２５ｍｍ：光軸Ｏａｘにおける第２の誘電体レンズ３１の厚み
ｆ＝３７ｍｍ：第１の誘電体レンズ３０の焦点距離（光線近似による設計値）
θ＝３２ｄｅｇ：焦点ｆｐから無限遠におけるビームの広がり角度（式（１）より）
ｄ＝８．５ｍｍ≧２*ω０：金属板６のスリット幅
なお、レンズ曲率半径は、一次放射器２側へ膨らむ方向をプラスで表記している。
ω 0 = 3.84 [mm]: Beam radius (beam waist radius) at the focal point fp (from equation (2))
R 3 = −8.5 mm: primary radiator-side radius of curvature of the second dielectric lens 31 R 4 = −25.5 mm: radial radius of curvature of the second
θ = 32 deg: Beam divergence angle at infinity from the focal point fp (from equation (1))
d = 8.5 mm ≧ 2 * ω 0 : slit width of the
第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄでは、Ｙ軸方向の開口径を４３ｍｍから８．５ｍｍとなり、第２の誘電体レンズ３１を有したことで、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂよりもビーム幅が広がる。
In the
図１１は、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの遠方界放射パターンと、その比較対象である一次放射器２のみの遠方界放射パターンを示す図である。この場合、図１１の（ａ）が一次放射器２のみの遠方界放射パターンであり、図１１の（ｂ）が第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの遠方界放射パターンである。共にＹＺ平面における放射パターンを示している。一次放射器２のみの場合、ピーク利得は２５．２ｄＢｉ、半値幅は７．０ｄｅｇである。他方、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの場合、ピーク利得は１９．１ｄＢｉ、半値幅は２９．９ｄｅｇである。半値幅においては、一次放射器２のみの場合の７．０ｄｅｇに対し、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄの場合は２９．９ｄｅｇと、ビーム幅が広くなっているのが分かる。また、そのビーム幅は、第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂの２６．５ｄｅｇよりも広がっている。
FIG. 11 is a diagram illustrating a far-field radiation pattern of the
このように、第４実施形態に係るアンテナ装置１Ｄによれば、Ｙ軸方向に放射部の開口径が５波長以上であり、平面波を放射する一次放射器２を使用し、Ｙ軸方向に一次放射器２の開口径以上の開口径を有するとともに、焦点距離ｆを有する第１の誘電体レンズ３０を一次放射器２の放射方向に配置し、更に第１の誘電体レンズ３０の主面から、一次放射器２と反対側に焦点距離ｆだけ離れた位置に、Ｙ軸方向に５波長以下のスリット７を有する金属板６を配置し、更にＹＺ平面における断面が、｜Ｒ３｜＜｜Ｒ４｜となった凹メニスカレンズである第２の誘電体レンズ３１を金属板６のスリット７の出力側部分に配置したので、アンテナのＹ軸方向の開口径を小さくできて、ビーム幅を広げることができ、しかも第２の誘電体レンズ３１を有していない第２実施形態に係るアンテナ装置１Ｂよりも更にビーム幅を広げることができる。
As described above, according to the
以上、本発明の第１〜第４実施形態を詳細に説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。 Although the first to fourth embodiments of the present invention have been described in detail above, it will be apparent to those skilled in the art that various changes and modifications can be made without departing from the spirit and scope of the present invention.
本発明に係るアンテナ装置は、ミリ波帯を使用した通信システム等に適用可能である。 The antenna device according to the present invention is applicable to a communication system using a millimeter wave band.
１Ａ〜１Ｄ アンテナ装置
２ 一次放射器
２ａ 一次放射器の放射部
３，３０ 第１の誘電体レンズ
３ａ 第１の誘電体レンズの主面
４，３１ 第２の誘電体レンズ
５，１０ 誘電体レンズ
５ａ 誘電体レンズの主面
６，６Ａ，６Ｂ 金属板
７ スリット
ｆ 焦点距離
ｆ１ 第１の焦点距離
ｆ２ 第２の焦点距離
２１ アンテナ素子
２２ 給電部
２３ 給電線
２５ 放射偏波
DESCRIPTION OF
Claims (6)
前記一次放射器の放射方向に第１の焦点距離を有し、前記所望の軸方向に前記一次放射器の開口径以上の開口径を有する第１の誘電体レンズと、
前記一次放射器の放射方向に対向して第２の焦点距離を有する第２の誘電体レンズと、を備え、
前記第１の誘電体レンズの主面から、前記一次放射器と反対側に前記第１の焦点距離と前記第２の焦点距離とを加算して得られた距離だけ離れた位置に、前記第２の誘電体レンズが配置されることを特徴とするアンテナ装置。 A primary radiator that radiates a plane wave having an aperture diameter of 5 wavelengths or more in a desired axial direction;
A first dielectric lens having a first focal length in the radiation direction of the primary radiator and having an aperture diameter equal to or greater than the aperture diameter of the primary radiator in the desired axial direction;
A second dielectric lens having a second focal length facing the radiation direction of the primary radiator,
The first dielectric lens is located at a position away from the main surface of the first dielectric lens by a distance obtained by adding the first focal length and the second focal length to the side opposite to the primary radiator. An antenna device comprising two dielectric lenses.
前記一次放射器の放射方向に焦点距離を有し、前記所望の軸方向に前記一次放射器の開口径以上の開口径を有する誘電体レンズと、
前記誘電体レンズの主面から、前記一次放射器と反対側に前記焦点距離だけ離れた位置に配置され、前記所望の軸方向に５波長以下のスリットを有する金属板と、を備えることを特徴とするアンテナ装置。 A primary radiator that radiates a plane wave having an aperture diameter of 5 wavelengths or more in a desired axial direction;
A dielectric lens having a focal length in the radiation direction of the primary radiator and having an aperture diameter equal to or larger than the aperture diameter of the primary radiator in the desired axial direction;
A metal plate disposed at a position away from the main surface of the dielectric lens by the focal length on the side opposite to the primary radiator and having a slit of 5 wavelengths or less in the desired axial direction. An antenna device.
前記スリットは、少なくとも前記誘電体レンズの焦点におけるビーム半径の２倍以上であることを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to claim 2, wherein
The antenna device according to claim 1, wherein the slit is at least twice the beam radius at the focal point of the dielectric lens.
前記スリットは、少なくとも以下の式で表されるスリット幅ｄを有することを特徴とするアンテナ装置。
λ：波長
θ：誘電体レンズの焦点から無限遠におけるビームの広がり角度 The antenna device according to claim 2 or 3, wherein
The slit device has at least a slit width d represented by the following formula.
λ: Wavelength θ: Beam divergence angle at infinity from the focal point of the dielectric lens
前記誘電体レンズは、第１の誘電体レンズであり、
前記スリットに、前記第１の誘電体レンズとは異なる第２の誘電体レンズを設けたことを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to any one of claims 2 to 4, wherein
The dielectric lens is a first dielectric lens;
An antenna device, wherein a second dielectric lens different from the first dielectric lens is provided in the slit.
前記第２の誘電体レンズは凹レンズであることを特徴とするアンテナ装置。 The antenna device according to claim 5, wherein
The antenna device according to claim 1, wherein the second dielectric lens is a concave lens.
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