JP6499091B2

JP6499091B2 - レンズアンテナ、レンズアンテナシステム及び送信装置

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Publication number: JP6499091B2
Application number: JP2016001282A
Authority: JP
Inventors: 貴寛土屋; 守秋元; 清水　達也; 達也清水; 秀幸坪井; 正孝飯塚
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2016-01-06
Filing date: 2016-01-06
Publication date: 2019-04-10
Anticipated expiration: 2036-01-06
Also published as: JP2017123546A

Description

本発明は、レンズアンテナ、レンズアンテナシステム及び送信装置に関する。

近年、伝送帯域の広帯域化が可能な３０ＧＨｚ以上のミリ波による高速大容量の無線通信に関する研究が行われている。ミリ波を用いることで高速大容量な無線通信が期待できる反面、伝送時の電磁波の損失や降雨等による電磁波の減衰が大きいため、電磁波の伝送距離が制限される。これに対し、鋭い指向性を伴う高利得化が実現できるレンズアンテナの適用が注目されている（例えば、非特許文献１参照）。

また、ＯＡＭ（orbital angular momentum：軌道角運動量）伝送技術は、複数の電磁波に異なる値のＯＡＭを与え、各々の電磁波を直交独立した電磁波とすることで見通し環境でも多重伝送可能な大容量化技術である。そのため、最近注目されている（例えば、非特許文献２、３参照）。ここで、ＯＡＭのモードは通常Ｌで表され、整数値をとる。例えば、Ｌ＝Ｎであれば電磁波の進行方向に垂直な面内で２πＮの位相を変化させる必要があり、Ｎが正であれば左回りに、負であれば右回りに位相が変化することを意味する。２πの位相変化を与えるために、非特許文献２では、オフセットパラボラアンテナの反射鏡を、中心から放射方向に切断し、螺旋状に高さを０〜λ／２で変化させる（図７参照）。また、非特許文献３では、螺旋状に電磁波を透過させる誘電体プレートの厚みを０〜λ／ｎで変化させている（図８参照）。

川村一代、外４名、「ミリ波帯マルチビーム誘電体レンズアンテナの検討」、信学技報、MW2012−173 (2013年3月)、p.75−80. Fabrizio Tamburini、Elettra Mari、Anna Sponselli、Bo Thide、Antonio Bianchini and Filippo Romanato、「Encoding many channelso on the same frequency through radio vorticity: first experimental test」New Journal of Physics 14(2012)033001(17pp)、1 March 2012. Fariborz Eslampanahi Mahmouli、Stuart Walker「Orbital Angular Momentum Generation in a 60GHz Wireless Radio Channel」、20th Telecommunications forum TELFOR 2012、Serbia、Belgrade、November 20−22、2012.

しかしながら、上述した従来のレンズアンテナでは、電磁波の位相を進行方向に垂直な面内で同位相になるようにレンズの曲面を設計しているため、ＯＡＭのモードがゼロの通常の電磁波しか生成できない。

本発明は、これらの事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成することができるレンズアンテナ、レンズアンテナシステム及び送信装置を提供することである。

本発明の一態様は、焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、前記レンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるように前記レンズの面の形状が決定されたレンズアンテナであって、レンズを備え、前記レンズの比誘電率は、前記基準面における基準の位相から中心角φだけ離れた電磁波の位相差δが、以下の式（実施形態における式（１１））を満足するように設定されるレンズアンテナである。

また、本発明の一態様は、上述のレンズアンテナであって、前記レンズは、前記レンズ内の前記電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備え、前記各誘電部は、誘電チューナビリティ材料から構成され、前記曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備え、前記分割された各領域は、それぞれ異なる比誘電率が設定される。

また、本発明の一態様は、上述のレンズアンテナと、請求項２に記載のレンズアンテナと、前記電磁波を前記レンズに入射させる一次放射器と、前記一次放射器から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するように前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を制御する比誘電率制御部と、を備え、前記比誘電率制御部は、前記レンズアンテナから放射する電磁波の軌道角運動量、又は前記電磁波の周波数に応じて、前記レンズの比誘電率を設定するレンズアンテナシステムである。

また、本発明の一態様は、上述のレンズアンテナシステムであって、入力された信号を所定の無線周波数帯の電磁波に変換し、前記一次放射器に送信するとともに、送信タイムスロット毎に前記電磁波の周波数、又は軌道角運動量の値を示す制御信号を前記比誘電率制御部に送信する送信部と、を備え、前記比誘電率制御部は、前記送信部から送信された前記制御信号に応じて前記レンズの比誘電率を調整することで各電磁波に軌道角運動量を割り当てる送信装置である。

以上説明したように、本発明によれば、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成することができる。

本実施形態における送信装置３の概略構成の一例を示す図である。本実施形態におけるレンズ４２の断面図を示す図であり、且つレイトレーシング法における設計原理を示す図である。本実施形態における、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成するための比誘電率ε_ｒの決定方法について説明する図である。本実施形態におけるＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成するためのレンズアンテナ４０の比誘電率配置の一例を示す図である。本実施形態におけるレンズアンテナ４０の比誘電率の変化の一例を示す図である。本実施形態における送信装置３の変形例の概略構成の一例を示す図である。従来の各電磁波に対して軌道角運動量を与える第１の方法を示す図である。従来の各電磁波に対して軌道角運動量を与える第２の方法を示す図である。

以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。

本実施形態におけるレンズアンテナは、焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、そのレンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるようにレンズの面の形状が決定されたレンズアンテナである。このレンズアンテナは、レンズを備え、そのレンズの比誘電率は、前記基準面における基準の位相から中心角φだけ離れた電磁波の位相差δが、後述する式（１１）を満足するように設定される。

図１は、本実施形態における送信装置３の概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、送信装置３は、レンズアンテナシステム１０及び送信部３０を備える。
レンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０及び比誘電率制御部５０を備える。レンズアンテナ４０は、一次放射器４１及びレンズ４２を備える。
レンズアンテナ４０において、焦点Ｆから放射された電磁波は、レンズ４２と空気との境界面で２回屈折してＺ軸方向に対して平行となる。レンズ４２の比誘電率ε_ｒが一様として、レンズ４２と空気との境界面で２回屈折した各電磁波がレンズ４２の前方に設定された所定の基準面１１において同位相となるように、レンズ４２の面の形状が決定される。

一次放射器４１は、送信部３０から送信された電磁波をレンズ４２に入射させる。すなわち、一次放射器４１は、送信部３０から送信された電磁波をレンズ４２の焦点Ｆからレンズ４２に入射させる。

レンズ４２は、印加する電圧や温度などによって比誘電率が制御可能な誘電チューナビリティ材料などで構成されている。レンズ４２は、比誘電率が所定値に設定されることで、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性に変換し、その変換した電磁波を空中に放射する。レンズ４２の面の形状は、例えば、レイトレーシング法により決定される。以下に、本実施形態におけるレイトレーシング法によるレンズ４２の面の形状の決定方法について、説明する。

（レイトレーシング法によるレンズ４２の面の形状の決定方法）
図２は、レンズ４２の断面図を示す図であり、且つレイトレーシング法における設計原理を示す図である。
図２に示すように、レンズアンテナ４０におけるレンズ４２の曲面をＱＱ´、焦点をＦとする。焦点Ｆより放射された電磁波は原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑ等を通り、Ｚ軸方向に距離ｄ離れた面１１に到達する。レンズアンテナ４０のレンズ４２の曲面は、各点（原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑ）を通ってきた電磁波が面１１で同位相となるように決定される。そのため、原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑそれぞれを通る３の光学長は同一となる。したがって、式（１）の関係が成り立つ。

なお、Ａ、Ｂ及びＣは、以下の式で表される。

ここで、式（１）において、媒質１に対する媒質２の屈折率であり、媒質１を真空と仮定すると、ｎ_１２はレンズ４２の比誘電率ε_ｒの平方根で与えられるとともに、θ_１、θ_２を用いて式（３）のスネルの法則が成り立つ。

式（１）、式（３）より、レンズ４２の面の形状は式（４）で表される。

これにより、レンズ４２の曲面は、この式（４）に基づいて決定される。

（比誘電率の算出方法）
次に、本実施形態におけるレンズ４２の比誘電率ε_ｒの決定方法について、説明する。
本実施形態の特徴としては、レンズ４２の比誘電率ε_ｒは、基準位相から中心角φ［ｄｅｇ］離れた位相差δ［ｒａｄ］が、δ=φ／１８０・Ｎ・π（Ｎは整数）を満足するように決定される点である。これにより、レンズアンテナ４０は、ＯＡＭ（orbital angular momentum：軌道角運動量）のモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成可能となる。

図３は、本実施形態における、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成するための比誘電率ε_ｒの決定方法について説明する図である。ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成するには、Ｚ軸に垂直な面内（例えば、面１１）において、方位角とともに電磁波の位相を変化させる必要がある。

面１１でＺ軸を対称軸として等距離ｒ´離れた点Ｄ_０、点Ｄ_ｎのそれぞれに電磁波が到達する光学長を考える。ここで、焦点Ｆから点Ｐ_０を通り点Ｄ_０に到達する第１光路におけるレンズ４２内の比誘電率は基準となる比誘電率ε_ｒ０、焦点Ｆから点Ｐ_ｎを通り点Ｄ_ｎに到達する第２光路におけるレンズ４２内の比誘電率は比誘電率ε_ｒｎとする。面１１において第１光路と第２光路との光路差が位相差δ［ｒａｄ］となるように比誘電率が与えられればよいので、レンズ４２の比誘電率ε_ｒｎは、式（５）を満たすように設定される。

なお、添え字において、基準となる比誘電率をｒ０とし、算出する比誘電率をｒｎとする。ただし、λは電磁波の波長であり、ｈ及びｒ´は、以下の式で表される。

したがって、式（５）は、式（６）を用いて以下の式で表される。

ここで、式（２）より比誘電率ε_ｒｎは、以下の式で表される。

したがって、式（７）に式（８）を代入すると、式（９）で表されるように、ｒ_ｉｎの方程式が得られる。

ただし、ｒ´は、以下の式で表される。

以上のように、ｒ_ｉ０およびｒ´を任意に設定して方程式を解けば、式（８）より比誘電率ε_ｒｎが一意に求まる。なお、比誘電率ε_ｒｎは、あらかじめ設定されたものであっても、制御により設定できるものであってもよい。前者は比誘電率ε_ｒｎを決めた上で製造し、後から変更はできないレンズアンテナ４０であり、後者は制御により比誘電率ε_ｒｎを変更可能なレンズアンテナ４０である。

（比誘電率の配置）
以下に、本実施形態におけるレンズアンテナ４０の比誘電率の配置について、説明する。図４は、本実施形態におけるＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成するためのレンズアンテナ４０の比誘電率配置の一例を示す図である。図４（Ａ）は、本実施形態におけるレンズのＺ方向から見た平面図である。また、図４（Ｂ）は、本実施形態におけるレンズの側面図である。図５は、本実施形態におけるレンズアンテナ４０の比誘電率の変化の一例を示す図である。図５（Ａ）は、本実施形態におけるレンズアンテナ４０のｒ方向の比誘電率の変化の一例を示す図である。図５（Ｂ）は、本実施形態におけるレンズアンテナ４０のφ方向の比誘電率の変化の一例を示す図である。

位相差δ［ｒａｄ］が方位角方向（φ方向）に変化するならば、ＯＡＭのモードがＬ＝Ｎの場合、位相差δ［ｒａｄ］は、以下の式で表される。

したがって、式（９）は、以下の式で表される。

図４に示すように、本実施形態におけるレンズ４２は、Ｚ軸方向からの平面上において、方位角方向（φ方向）に４５度ずつ扇形に分割されている。すなわち、中心角４５度毎に半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に分割されている。また、レンズ４２は、側面から見た平面上で半径方向（ｒ方向）に１０個に分割し、異なる比誘電率ε_ｒ（φ、ｒ_ｉ０）が与えられる。ただし、φ＝０,４５,９０,…，３３０［ｄｅｇ］であり、r_ｉ０＝（２ｍ−１）Ｒ／２０であり、ｍ＝１,２,３,…,１０である。本実施形態では、比誘電率ε_ｒ（φ、r_ｉ０）は、各r_ｉ０において、基準となる比誘電率ε_ｒ０＝ε_ｒ（０、r_ｉ０）から位相差がπ／４ずつ変化し、φ＝３３０［ｄｅｇ］で位相差が７π／４となるよう設定される。したがって、レンズアンテナ４０は、ＯＡＭのモードがＬ＝１を有する電磁波を生成可能である。なお、本実施形態において、レンズ４２の比誘電率が方位角（又は中心角）方向および半径方向に離散的に設定されるが、比誘電率の変化は離散的であっても連続的であってもよい。また、比誘電率は方位角方向に増加しているが、方位角方向に減少してもよい。さらに、焦点Ｆには一次放射器４１としてレンズ４２への焦点距離やビーム幅に対する放射特性を考慮したホーンアンテナを用いてもよいが、これに限定されない。

このように、レンズ４２は、側面から見た場合のレンズ４２内の電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面を備え、半径方向（ｒ方向）に分割された複数の円環状の誘電部から構成されている。各誘電部は、誘電チューナビリティ材料からなり、曲面からなる両側面上に、レンズ４２の正面前方から見た場合の方位角方向（φ方向）に沿った複数の平面で分割された領域毎（すなわち、中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎）に、当該領域内の材料の比誘電率ε_ｒ（レンズ４２の比誘電率ε_ｒ）を個別に変化させる手段として調整部（透明電極、透明ガラスヒータ等）を備える。したがって、レンズ４２は、透明電極に印加される電圧値やガラスヒータにより制御される温度によって比誘電率ε_ｒが制御される。なお、本実施形態では、図４（Ｂ）に示すように、太点線上と中心軸周り、レンズ４２の底面円周上に隙間を設け、その隙間に電圧制御では透明電極、温度制御では透明ガラスヒータが備えられるが、これに限定されない。なお、本実施形態におけるレンズ４２は、各誘電部の比誘電率を電圧（電界）によって制御される場合に、隣接する領域間に配置される透明電極の数に限定されなく、各領域に所定の電界が印加される構成を有していればよい。また、本実施形態におけるレンズ４２は、各誘電部の比誘電率を温度によって制御する場合には、１つの透明ガラスヒータから発生した熱が目的の領域のみを加熱し、目的以外の領域の温度に影響を与えないようにするために、例えば、各領域間に断熱材を有してもよい。

比誘電率制御部５０は、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性でレンズ４２から放射するようにレンズ４２の比誘電率ε_ｒを制御する。すなわち、比誘電率制御部５０は、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性でレンズ４２から放射するようにレンズ４２の比誘電率ε_ｒを式（８）で算出した比誘電率に制御する。

送信部３０は外部から入力されるデータ信号を所定の無線周波数帯の電磁波に変換し、一次放射器４１に出力する。例えば、送信部３０は外部から入力されるデータ信号に対し変調、周波数変換、帯域制限、電力増幅等の無線周波数への信号変換を行うことで送信周波数帯の電磁波に変換して一次放射器４１に出力する。

上述したように、本実施形態のレンズアンテナ４０は、基準面１１における基準の位相から中心角φだけ離れた電磁波の位相差δが、式（１１）を満足するようにレンズ４２の比誘電率ε_ｒが設定される。したがって、レンズアンテナ４０は、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成可能である。

また、本実施形態において、レンズ４２は、レンズ４２内の電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備えている。各誘電部は、誘電チューナビリティ材料から構成され、曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備える。そして、その分割された各領域は、それぞれ異なる比誘電率が設定される。これにより、レンズアンテナ４０は、調整部により比誘電率を変化させることで、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成することができる。

また、上述したように、本実施形態のレンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０と、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するようにレンズ４２の比誘電率ε_ｒを制御する比誘電率制御部５０とを備える。比誘電率制御部５０は、レンズアンテナ４０から放射する電磁波の軌道角運動量、又は電磁波の周波数に応じて、レンズ４２の比誘電率を設定する。これにより、レンズアンテナシステム１０は、ＯＡＭのモードがゼロ以外の値を有する電磁波を生成することができる。
（変形例）
図６は、本実施形態における変形例の一例を示す図である。この変形例では、比誘電率制御部５０は送信部３０から供給される制御信号に基づいてレンズ４２の比誘電率ε_ｒを制御する。すなわち、本変形例では、送信部３０の制御によりレンズ４２の比誘電率ε_ｒが変更可能である。例えば、本変形例の送信部３０は、送信タイムスロット毎に送信周波数（チャネル）や軌道角運動量の値を設定するような制御信号を比誘電率制御部５０に出力する。これにより、変形例の送信部３０は、各電磁波に軌道角運動量を割り当てることができる。なお、この軌道角運動量は、多重しない場合には、任意の値（整数）に設定され、多重伝送の場合には、それぞれ異なる値に設定される。

なお、本実施形態における他の変形例として、レンズ４２内に空間を設けることで焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で３回以上屈折して所定の放射方向に対して平行となるようにしてもよい。

なお、上述した実施形態において、レンズアンテナ４０は、一次放射器４１を含める構成としたが、これに限定されない。例えば、レンズアンテナ４０は、一次放射器４１を含めない構成としてもよい。その場合、レンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０、一次放射器４１及び比誘電率制御部５０を備える。

上述した実施形態における比誘電率制御部５０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。

１１Ｚ軸に垂直な面
３０送信部
４０レンズアンテナ
４１一次放射器
４２レンズ
５０比誘電率制御部

Claims

焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、前記レンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるように前記レンズの面の形状が決定されたレンズアンテナであって、
レンズを備え、
前記レンズの比誘電率は、前記基準面における基準の位相から中心角φだけ離れた電磁波の位相差δが、以下の式を満足するように設定されるレンズアンテナ。
δ＝φ／１８０・Ｎ・π（Ｎは整数）・・・（１）
前記レンズは、
前記レンズ内の前記電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備え、
前記各誘電部は、誘電チューナビリティ材料から構成され、前記曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備え、
前記分割された各領域は、それぞれ異なる比誘電率が設定される請求項１に記載のレンズアンテナ。
請求項２に記載のレンズアンテナと、
前記電磁波を前記レンズに入射させる一次放射器と、
前記一次放射器から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するように前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を制御する比誘電率制御部と、
を備え、
前記比誘電率制御部は、前記レンズアンテナから放射する電磁波の軌道角運動量、又は前記電磁波の周波数に応じて、前記レンズの比誘電率を設定するレンズアンテナシステム。
請求項３に記載のレンズアンテナシステムと、
入力された信号を所定の無線周波数帯の電磁波に変換し、前記一次放射器に送信するとともに、送信タイムスロット毎に前記電磁波の周波数、又は軌道角運動量の値を示す制御信号を前記比誘電率制御部に送信する送信部と、
を備え、
前記比誘電率制御部は、前記送信部から送信された前記制御信号に応じて前記レンズの比誘電率を調整することで各電磁波に軌道角運動量を割り当てる送信装置。