JP6585722B2 - 高誘電率の高誘電性共振器を用いた誘電結合レンズ - Google Patents
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Description
本開示は、波動集束技術に関する。
利用可能な無線周波数スペクトルは、しばしば、管轄の規制及び規格によって制限される。帯域幅の需要の増加（即ち、データスループットの増加）は、ファイバのデータ速度を提供して密集した配備アーキテクチャをサポートすることができる多数の無線ポイントツーポイント技術の出現をもたらす。この機能にはミリ波通信システムを使用することができ、短リンク、高データ速度、低コスト、高密度、高セキュリティ、低伝送電力といった運用上の利点を得ることができる。
これらの利点により、ミリ波通信システムは、無線周波数スペクトルにおいて様々な波を送信するのに有益である。ミリ波通信システムに組み込むには現在非常に高価であるが、ミリ波を搬送するために同軸ケーブルが利用可能である。
概して、本開示は、高誘電性共振器を含むレンズに関するものである。このレンズは、基材と、基材全体に分散された複数の高誘電性共振器とを備え、複数の高誘電性共振器の各高誘電性共振器は、基材の比誘電率に対して高い比誘電率を有し、１つの高誘電性共振器の共振が周囲の高誘電性共振器にエネルギーを伝達するような幾何学的パターンで、複数の高誘電性共振器が配置される。
一実施形態では、本開示は、高誘電性共振器を含むレンズに関する。一例では、レンズは、電磁波を伝搬するための基材と、基材全体に分散された複数の共振器とを含む。複数の共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成される。複数の共振器の各々はまた、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する。複数の共振器のうちの少なくとも２つは、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、基材内に離間している。
別の実施形態では、本開示は導波管システム装置に関するものである。この装置は、導波管、アンテナ、及び、アンテナと導波管との間に配置されたレンズとを備える。このレンズは、アンテナによって送信又は受信される電磁波を伝搬するための基材と、基材全体に分散された複数の共振器とを含む。複数の共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成される。複数の高誘電性共振器のそれぞれは、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する。複数の共振器のうちの少なくとも２つは、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、基材内に離間している。
別の実施形態では、本開示は、レンズを形成する方法に関する。この方法は、レンズが使用される電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料の複数の共振器を形成することを含む。共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択される直径を有する。複数の共振器の各々は、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する。複数の共振器のうちの少なくとも２つは、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する共振器の第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、基材内に離間して配置される。
本開示の１つ以上の実施形態の詳細は、添付の図面及び以下の説明で述べる。本開示の他の特徴、目的、及び利点は、説明及び図面、並びに特許請求の範囲から明らかとなるであろう。
本開示は、アンテナと導波管との間の結合効率を改善するために使用され得るレンズ構造を記載する。レンズ構造は、低い比誘電率を有する材料で形成された基材と、高誘電性共振器（ＨＤＲ）間のエネルギー伝達を可能にするように基材内に離間した複数のＨＤＲとを含む。ＨＤＲは、特定の周波数で共振するように巧妙に作られた物体であり、例えば、セラミックタイプの材料で構成することができる。ＨＤＲの共振周波数又はその近傍の周波数を有する電磁（ＥＭ）波がＨＤＲを通過するとき、その波動のエネルギーは拡大される。ＨＤＲ間のエネルギー伝達が、ＨＤＲの共振によるＥＭ波エネルギーの拡大と組み合わされた場合、ＥＭ波は、導波管のみを通過する波の電力比の３倍を超える電力比を有する。このレンズ構造を導波管とアンテナとの間のインターフェースとして使用することにより、様々な通信システムにおける同軸ケーブル及び他のポイントツーポイント技術に代わる低損失かつ低反射のものが得られる。
図１は、本開示の１つ以上の技術に係る、導波管及び高誘電性共振器を有する誘電結合レンズを含むシステムの例を示すブロック図である。このシステム１０では、導波管１２は、導波管１２を通って延在するポート１４を有する。レンズ１６は、導波管１２とアンテナ２０との間に配置される。レンズ１６は、幾何学的パターンでレンズ１６全体に分散された複数のＨＤＲ１８を含む。レンズ１６はアンテナ２０から信号を受信し、この信号はＨＤＲ１８を通って導波管１２の第１端部に伝搬する。信号は、とりわけ、電磁波又は音響波であってもよい。いくつかの例では、信号は６０ＧＨｚのミリ波信号である。信号はポート１４を通って導波管１２を出て行く。
導波管１２は、波を誘導する構造である。導波管１２は、一般に、信号を一次元で伝搬するように制限する。開いた空間では、通常、波は全ての方向に球状波として伝搬する。これが起こると、波は伝搬距離の２乗に比例してその電力を失う。理想的な条件下では、導波管が波を単一の方向にしか伝搬しないように制限する場合、伝搬中に波はほとんど電力を失わない。
導波管１２は、長さの各端部に２つの開口部、即ちポート（ポート１４など）を有する構造であり、この開口部は、導波管１２の内部の長さに沿った中空部分によって接続されている。導波管１２は、例えば、銅、黄銅、銀、アルミニウム、又は低バルク抵抗率を有する他の金属で作られていてもよい。いくつかの例では、導波管１２の内壁が低バルク抵抗率の金属でメッキされている場合、導波管１２は、導電性の悪い金属、プラスチック、又は他の非導電性材料で作られていてもよい。一例では、導波管１２は２．５ｍｍ×１．２５ｍｍのサイズを有し、比誘電率εｒ＝２．１及び損失正接＝０．０００２を有するテフロン（登録商標）製であり、導波管１２の内壁に厚さ１ｍｍのアルミニウムクラッドを有する。
レンズ１６は、例えば、Ｔｅｆｌｏｎ（登録商標）などの低比誘電率材料の基材で作られた構造体である。他の例では、レンズ１６の基材部分は、例えば、石英ガラス、コージエライト、ホウケイ酸ガラス、ペルフルオロアルコキシ、ポリエチレン、又はフッ素化エチレンプロピレンなどの材料で作られていてもよい。いくつかの例では、レンズ１６は、導波管１２の一端に近接して配置された先細端部を持つ台形形状を有する。他の例では、レンズ１６は矩形形状を有する。他の例は、他の様々な形状のレンズを特徴とすることができる。一例では、レンズ１６は、２ｍｍの長さのテフロン（登録商標）基材で形成され、半径０．３５ｍｍのＨＤＲ球体を有し、アンテナ２０とレンズ１６との間の間隔は１．３５ｍｍである。
いくつかの実施形態では、レンズ１６は、幾何学的パターンで基材内に配置された複数のＨＤＲ１８を含む。一般に、結合効率を向上させるために、幾何学的パターンは、導波管サイズに適合するように設計することができる。いくつかの例では、このパターンは、導波管１２から最も離れた垂直平面内の等間隔のＨＤＲ１８の３×３グリッド、及び、３×３グリッドと導波管１２の間の中央に一直線に位置する３つの等間隔のＨＤＲ１８の垂直な一列であり、この垂直な一列は、導波管１２及びポート１４のサイズに適合するものである。この幾何学的パターンは、集束の利点を有し得る。上面図から、ＨＤＲの配置は三角形の形をとる。ＥＭ波、具体的にはＨＤＲの共振周波数又はその近傍の周波数は、アンテナに近接したレンズ１６の前部の９つのＨＤＲのうちのいずれかに捕捉される。いくつかの例では、共振周波数は、電磁波の周波数に一致するように選択される。いくつかの例では、複数の共振器の共振周波数はミリ波帯域内にある。一例では、複数の共振器の共振周波数は６０ＧＨｚである。次に、これらのＨＤＲの各々は、等間隔の３つのＨＤＲの当該単一垂直線内で同じ垂直配置を有する各ＨＤＲに向けて波を屈折させることができる。大きな振幅で振動する定在波がレンズ１６に形成される。これは、ＥＭ波の強度を更に拡大し、最終的にポート１４を経由して導波管１２に波を集束させる。
ＨＤＲ１８は、特定の間隔を有する他の幾何学的パターンで配置することもできる。例えば、いくつかの例では、導波管１２のサイズに適合するように、必要ならば、２つの球の垂直列を使用することができる。ＨＤＲ１８は、１つのＨＤＲの共振が周囲の任意のＨＤＲにエネルギーを伝達するように間隔を空けてもよい。この間隔は、ＨＤＲ１８のミー共鳴及びシステム効率に関連する。この間隔は、システム内の任意の電磁波の波長を考慮することによって、システム効率を改善するように選択することができる。各ＨＤＲ１８は、直径及び格子定数を有する。いくつかの例では、格子定数及び共振周波数は、レンズが使用される導波管に少なくとも部分的に基づいて選択される。格子定数は、１つのＨＤＲの中心から隣接するＨＤＲの中心までの距離である。いくつかの例では、ＨＤＲ１８は、１ｍｍの格子定数を有することができる。いくつかの例では、格子定数は電磁波の波長未満である。
ＨＤＲの直径とＨＤＲの格子定数の比（直径Ｄ／格子定数ａ）を使用して、レンズ１６内のＨＤＲ１８の幾何学的配置を特徴付けることができる。この比は、レンズ構造の比誘電率の差異によって変化し得る。いくつかの例では、共振器の直径の格子定数に対する比は１未満である。一例では、Ｄは０．７ｍｍであり、ａは１ｍｍであり、比は０．７とすることができる。この比が高いほど、レンズの結合効率は低くなる。一例では、図１に示すようなＨＤＲ１８の幾何学的配列の格子定数の最大限度は、放射された波の波長である。格子定数は波長より小さくしなければならないが、高い効率のためには、格子定数は波長よりもはるかに小さくなければならない。これらのパラメータの相対的なサイズは、レンズ構造の比誘電率の差異によって変化し得る。格子定数は、放射される波の波長内で所望の性能を達成するように選択することができる。一例では、格子定数は１ｍｍであり、波長は５ｍｍ、即ち波長の１／５の格子定数である。一般に、波長（λ）は空気媒体中の波長である。媒体に別の誘電材料を使用する場合、この式の波長は、次のλｅｆｆで置き換えなければならない。
ここで、εｒは媒体材料の比誘電率である。
ＨＤＲ１８とレンズ１６の基材との間の大きな比誘電率の差異により、ＨＤＲ１８の明確な共振モードが励起される。換言すれば、ＨＤＲ１８が形成される材料は、レンズ１６の基材の材料の比誘電率に対して高い比誘電率を有する。大きな差異によって高い性能が得られるので、ＨＤＲ１８の比誘電率はＨＤＲ１８の共振性を決定する重要なパラメータである。差異が小さいと、レンズ１６の基材材料にエネルギーが漏れるため、ＨＤＲ１８の共振が弱くなる恐れがある。差異が大きければ、完全な境界条件にほぼ近い条件が得られ、レンズ１６の基材材料にエネルギーがほとんど漏出しないことを意味する。この、ほぼ近い条件は、ＨＤＲ１８を形成する材料が、レンズ１６の基材の比誘電率の５〜１０倍を超える比誘電率を有する例について想定することができる。いくつかの例では、複数の共振器の各々は、基材の比誘電率よりも少なくとも２倍大きい比誘電率を有する。他の例では、複数の共振器の各々は、基材の比誘電率よりも少なくとも１０倍大きい比誘電率を有する。所定の共振周波数に対して、比誘電率が高いほど、誘電性共振器は小さくなり、誘電性共振器内によりエネルギーが集中する。いくつかの例では、複数の共振器は、セラミック材料で作られる。ＨＤＲ１８は、例えば、とりわけ、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ及びＸ７Ｒを含む、例えば様々なセラミック材料のいずれかで作ることができる。一例では、ＨＤＲ１８は４０の比誘電率を有することができる。
球形である例として図１に示されているが、他の例では、ＨＤＲ１８は様々な異なる形状で形成することができる。他の例では、ＨＤＲ１８の各々は、円筒形状を有することができる。更に他の例では、ＨＤＲ１８の各々は、立方体又は他の平行六面体の形状を有することができる。ＨＤＲ１８は他の幾何学的形状を取ることができる。ＨＤＲ１８の機能は、図５に関して以下で更に詳細に説明するように、形状に応じて変化し得る。
アンテナ２０は、電磁波の信号を放射するデバイスとすることができる。アンテナ２０は、ポート１４及びレンズ１６を経由して、導波管１２から波を受信するデバイスであってもよい。波は、例えば６０ＧＨｚのミリ波を含む無線周波数スペクトルの電磁波であってもよい。ＨＤＲ直径及び格子定数が上述の制約に従う限り、システム１０のレンズ１６は、例えば、無線周波数スペクトルの帯域内の任意の波に使用することができる。いくつかの例では、レンズ１６は、電磁スペクトルのミリ波帯において有用であり得る。いくつかの例では、レンズ１６は、例えば、１０ＧＨｚから１２０ＧＨｚの範囲の周波数の信号で使用することができる。他の例では、レンズ１６は、例えば、１０ＧＨｚ〜３００ＧＨｚの範囲の周波数の信号で使用することができる。
ＨＤＲ１８を有するレンズ１６は、例えば、低コストケーブル市場、非接触測定アプリケーション、チップ間通信、及び、ファイバのデータ速度を提供して密集した配備アーキテクチャをサポートすることができる多数の無線ポイントツーポイントアプリケーション、を含む、様々なシステムで使用することができる。
いくつかの例では、図１のレンズ１６などのレンズは、基材及び複数の高誘電性共振器を含むように形成することができ、基材内のＨＤＲの配置は、この形成中に、選択された距離でＨＤＲが互いに離間するように制御される。ＨＤＲ間の距離、即ち格子定数は、レンズが使用される電磁波信号の波長に基づいて選択することができる。例えば、格子定数は、波長よりかなり小さくてもよい。いくつかの例では、レンズ１６の形成中に、レンズ１６の基材材料を複数の部分に分割することができる。ＨＤＲの平面の位置の決定がある場合、基材材料をセグメント化することができる。半球状の溝が、各ＨＤＲの位置にある基材材料の複数の部分に含まれてもよい。異なる形状のＨＤＲを有する他の例では、半円筒形又は半矩形の溝を基材材料に含めることができる。続いて、ＨＤＲを基材材料の溝内に配置することができる。次に、基材材料の複数の部分を組み合わせて、全体に埋め込まれたＨＤＲを有する単一レンズ構造を形成することができる。
一例では、本開示の１つ以上の技術に従って、電磁波を伝搬するための基材と、基材全体に分散された複数の共振器（例えば、ＨＤＲ１８）とを含むレンズ（例えば、レンズ１６）が開示される。複数の共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成される。複数の共振器の各々はまた、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する。複数の共振器のうちの少なくとも２つは、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、基材内に離間している。いくつかの例では、本開示の１つ以上の技術に従って、このレンズは、アンテナと導波管との間に配置されることによって、導波管をアンテナに連結するシステムの一部として使用することができる。
このレンズは、本開示の１つ以上の技術に従って、レンズが使用される電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料の複数の共振器を形成することによって形成される。共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択される直径を有する。複数の共振器の各々は、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する。複数の共振器のうちの少なくとも２つは、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する共振器の第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、基材内に離間して配置される。
図２Ａ〜図２Ｄは、本開示の１つ以上の技術に係る、導波管、レンズ、及びアンテナなどの構成要素の様々な構成例を示すブロック図である。図２Ａは、導波管３２とアンテナ３６との間にレンズを含まない導波管システムの例を示すブロック図である。このシステム例３０Ａでは、導波管３２は、第１端部に中空の内部を露呈するポート３４を有する。この中空内部は、導波管３２の全長にわたって延び、導波管３２の第２端部の別のポートに通じている。アンテナ３６は、例えば、球面波として信号を放射することができる。これらの球面波の一部はポート３４を通って導波管３２に入り、エネルギーを節約するために、一方向に伝搬するように集束される。アンテナ３６が信号を放射する態様により、多くの他の球面波が失われる可能性があり、波が集束されない場合には、伝搬距離の２乗に比例して球面波がエネルギーを失うことにより、波の振幅が著しく減少し得る。
図２Ｂは、台形の低比誘電率材料基材のレンズ３８Ｂを含む導波管システムの例を示すブロック図である。図２の例では、レンズ３８Ｂはレンズ内にいかなるＨＤＲ要素も含んでいない。システム３０Ｂでは、レンズ３８Ｂは三次元台形の形状に形成され、導波管３２とアンテナ３６との間に配置される。台形レンズ３８Ｂの先細端部は、導波管３２のポート３４に近接し、台形レンズ３８Ｂの大きな端部は、アンテナ３６に近接している。アンテナ３６は、例えば、球面波として信号を放射する。これらの球面波の一部は、球面波を導波管３２のポート３４又はその近傍に集束するレンズ３８Ｂによって受信され、レンズ３８Ｂが存在しない図２Ａのシステム３０Ａと比較して、導波管３２を通過するエネルギーの大きさが増加する。
図２Ｃは、本開示の１つ以上の技術に従って、レンズ３８Ｃ内に配置された複数のＨＤＲを含む台形状低比誘電率材料基材のレンズ３８Ｃを含む導波管システムの例を示すブロック図である。システム３０Ｃでは、レンズ３８Ｃは三次元台形の形状に形成され、導波管３２とアンテナ３６との間に配置される。台形レンズ３８Ｃの先細端部は、導波管３２のポート３４に近接し、台形レンズ３８Ｃの大きな端部は、アンテナ３６に近接している。ＨＤＲ４０はレンズ３８Ｃ内に配置され、ＨＤＲ４０はアンテナ３６によって放射される波と同じ周波数で共振するように構成されている。ＨＤＲ４０は、レンズ３８Ｃの基材材料の比誘電率に対して高い比誘電率を有する材料で形成される。ＨＤＲ４０の共振周波数又はその近傍の周波数を有する入射波に起因して、ＨＤＲ４０が共振を開始し、大きな振動振幅を有する定在波を形成するときに、エネルギーが、導波管３２に向かって、個々のＨＤＲ４０間で伝達されるように、ＨＤＲ４０はレンズ３８Ｃ内で均等に配置される。いくつかの例では、レンズ３８Ｃ内のＨＤＲ４０の存在は、レンズ３８Ｃが存在しない図２Ａのシステム３０Ａと比較して、導波管３２を通過する波の振幅をほぼ３．５倍に増加させる。
いくつかの例では、アンテナ３６は、球面波として信号を放射する。これらの球面波の一部はレンズ３８Ｃによって受信され、レンズ３８Ｃは導波管３２に球面波を集束させることにより、導波管３２を通過する波の密度を増加させる。これらの球面波はまた、ＨＤＲ４０を通過する。球面波はＨＤＲ４０の共振周波数又はその近傍の周波数を有するので、ＨＤＲ４０は共振し始め、大きな振動振幅を有する定在波を形成する。これらの共振により、ＨＤＲ４０間でエネルギーが伝達され、波に更にエネルギーが加わり、波の振幅が増幅されることによって、アンテナ３６による放射の後に失われたエネルギーが補充され得る。球面波はレンズ３８Ｃを出て行き、ポート３４を経由して導波管３２に受信され、そこで波が集束される。
図２Ｄは、本開示の１つ以上の技術に従って、レンズ３８Ｄ内に配置された複数のＨＤＲ４０を含む矩形の低比誘電率材料基材のレンズ３８Ｄを含む導波管システムの例を示すブロック図である。システム３０Ｄにおいて、レンズ３８Ｄは、三次元矩形の形状に形成され、導波管３２とアンテナ３６との間に配置される。矩形レンズ３８Ｄの第１端部は導波管３２のポート３４に近接し、矩形レンズ３８Ｄの第２端部はアンテナ３６に面している。ＨＤＲ４０はレンズ３８Ｄ内に配置され、アンテナ３６によって放射される電磁波と同じ周波数又はその近傍で共振するように構成されている。ＨＤＲ４０は、レンズ３８Ｄの基材材料の誘電率に対して高い誘電率を有する材料で形成される。ＨＤＲ４０の共振周波数又はその近傍の周波数を有する入射波に起因して、ＨＤＲ４０が共振を開始するときに、エネルギーが、導波管３２に向かって、個々のＨＤＲ４０間で伝達されるように、ＨＤＲ４０はレンズ３８Ｄ内で均等に配置される。いくつかの例では、これによって、レンズ３８Ｄを有さない図２Ａのシステム３０Ａと比較して、導波管３２を通過する波の振幅を３倍より大きくすることができる。
アンテナ３６は、球面波として信号を放射することができる。これらの球面波の一部はレンズ３８Ｄによって受信され、レンズ３８Ｄは導波管３２に球面波を集束させることにより、導波管３２を通過する波の密度を増加させる。これらの球面波はまた、ＨＤＲ４０を通過する。球面波はＨＤＲ４０の共振周波数又はその近傍の周波数を有するので、ＨＤＲ４０は共振し始め、大きな振動振幅を有する定在波を形成する。これらの共振により、ＨＤＲ４０間でエネルギーが伝達され、波にエネルギーが加わり、波の振幅が増幅されることによって、アンテナ３６による放射の後に失われたエネルギーが補充され得る。球面波はレンズ３８Ｄを出て行き、ポート３４を経由して導波管３２に受信され、そこで波が集束される。
図３Ａ〜図３Ｄは、本開示の１つ以上の技術に係る、異なるシステム例における電磁場の例を示す概念図である。例えば、試験に従って電磁波が導波管を通過する際に、導波管、レンズ、及びアンテナの様々な配置の異なる位置に、電磁波の強度が示されている。これらの試験例では、２．５ｍｍ×１．２５ｍｍの導波管が使用されている。導波管は、厚さ１ｍｍのアルミニウムクラッドも有している。レンズを使用する例では、レンズは、２ｍｍの長さのテフロン（登録商標）製である。レンズはアンテナから１．３５ｍｍ離れて位置している。この例では、ＨＤＲは球形であり、６０ＧＨｚの波に対して０．３５ｍｍの半径と４０の比誘電率を有する。格子定数は、１つのＨＤＲの中心から隣接するＨＤＲの中心までの距離を意味し、１ｍｍである。アンテナは、初期電磁界強度が５．１３ｅ＋０３Ｖ／ｍの６０ＧＨｚ電磁波を放射している。
図３Ａは、本開示の１つ以上の技術に従って、電磁波が導波管を通過する際に、図２Ａのシステム３０Ａなどのレンズを有さない導波管システムの電磁界の例を示す概念図である。このシステム５０Ａの例では、導波管５２は、第１端部に中空の内部を露呈するポート５４を有する。この中空内部は、導波管５２の全長にわたって延び、導波管５２の第２端部の別のポートに通じている。アンテナ６０は、例えば、球面波として信号を放射することができる。アンテナ６０は、例えば、球面波として信号を放射することができる。これらの球面波の一部はポート５４を通って導波管５２に入り、エネルギーを節約するために、一方向に伝搬するように集束される。アンテナ６０が信号を放射する態様により、多くの他の球面波が失われる可能性があり、波が集束されない場合には、伝搬距離の２乗に比例して球面波がエネルギーを失うことにより、波の振幅が著しく減少し得る。
システム５０Ａの例では、電磁波がアンテナ６０から放射され、ポート５４を経由して導波管５２に入る。導波管５２の内部に入ると、電磁波が集束され、波の電磁場５６Ａの強度は一定のままである。電磁場５６Ａは、最大５．１３ｅ＋０３Ｖ／ｍに近い測定値の小さな中心を有するが、中心からの距離が増加するにつれて急速に消散する。
図３Ｂは、台形低比誘電率材料基材のレンズを有するが、図２Ｂのシステム３０Ｂなどの、レンズの内部に複数のＨＤＲを有さない導波管システムの電磁界の一例を示す概念図である。このシステム５０Ｂでは、三次元台形形状の低比誘電率材料基材のレンズ５８Ｂが、導波管５２をアンテナ５６に連結するシステムに含まれている。台形レンズ５８Ｂの先細端部は、導波管５２のポート５４に近接し、台形レンズ５８Ｂの大きな端部は、アンテナ５６に近接している。アンテナ５６は球面波として信号を放射する。これらの球面波の一部は、球面波を導波管５２のポート５４又はその近傍に集束するレンズ５８Ｂによって受信され、レンズ５８Ｂが存在しない図３Ａのシステム５０Ａと比較して、導波管５２を通過するエネルギーの大きさが増加する。
このエネルギーの増加は、電磁場５６Ｂによって知ることができる。システム５０Ｂの例では、電磁波がアンテナ６０から放射され、ポート５４を経由して導波管５２に入る。導波管５２の内部に入ると、電磁波が集束され、波の電磁場５６Ｂの強度は一定のままである。
図３Ｃは、この開示の１つ以上の技術に従って、台形低比誘電率材料基材レンズと、図２Ｃのシステム３０Ｃなどのレンズの内部に複数のＨＤＲと、を有する導波管システムの電磁界の一例を示す概念図である。システム５０Ｃは、図２Ｃのシステム３０Ｃと同様に構成された、導波管５２、ポート５４、レンズ５８Ｃ、及びアンテナ６０を備える。エネルギーの増加は、電磁場５６Ｃにおいて、図３Ａ及び図３Ｂの電磁場と比較して示されている。システム５０Ｃの例では、５．１３ｅ＋０３Ｖ／ｍである電磁場５６Ｃの部分は電磁場５６Ｃのほぼ全体である。電磁場５６Ｃにわたるこの増加した電位差によって、レンズ５８Ｃが存在しない図３Ａのシステム５０Ａと比較して、導波管５２を通過する波の振幅はほぼ３．５倍に増加する。
図３Ｄは、この開示の１つ以上の技術に従って、矩形の低比誘電率材料基材のレンズと、図２Ｄのシステム３０Ｄなどのレンズ内に分散された複数のＨＤＲとを有する導波管システムの電磁界の一例を示す概念図である。システム５０Ｄは、図２Ｄのシステム３０Ｄと同様に構成された、導波管５２、ポート５４、レンズ５８Ｄ、及びアンテナ６０を備える。
このエネルギーの増加は、電磁場５６Ｄによって知ることができる。システム５０Ｃの例では、５．１３ｅ＋０３Ｖ／ｍである電磁場５６Ｄの部分は、電磁場５６Ｄのほぼ全体である。電磁場５６Ｄにわたるこの増加した電位差によって、レンズ５８Ｃが存在しない図３Ａのシステム５０Ａと比較して、導波管５２を通過する波の振幅はほぼ３．５倍に増加する。
図４は、本開示の１つ以上の技術に係る、図３Ａ〜図３Ｄのブロック図における電磁場強度の凡例を示すブロック図である。凡例６６は、図３Ａ〜図３Ｄのブロック図のいずれかに存在し得る電磁場強度（例えば電磁場５６Ａ〜５６Ｄ）の変化を示す。この例では、電磁界の強さはＶ／ｍ、即ち、メートル当たりのボルトで測定される。アンテナ６０（図３Ａ〜図３Ｄ）は、最初に、凡例６６に可能な最大値として示される、５．１３ｅ＋０３Ｖ／ｍの電磁場強度を有する球面波を放射する。凡例６６の階調度は、凡例６６が更に下の位置に下がるにつれて減少する電磁場の強度を示す。
図５は、本開示の１つ以上の技術に従って、異なるシステムにおける異なる周波数での信号の振幅を示すグラフである。図５は、周波数（ＧＨｚ単位）の関数としての、デシベルによる振幅（ｄＢ単位）を示している。ＨＤＲを有する矩形レンズ（例えば、図２Ｄのシステム３０Ｄ）を備えた導波管システムと、ＨＤＲ（例えば、図２Ｃのシステム３０Ｃ）を有する台形レンズを備えた導波管システムと、の双方について、システムを通過する電磁波の振幅は、台形レンズのみ（例えば、図２Ｂのシステム３０Ｂ）又は導波管のみ（例えば、図２Ａのシステム３０Ａ）を有する導波管システムのいずれよりも、一貫して大きい。最大の振幅及び対応する出力比は、以下のように測定された。
表１で分かるように、ＨＤＲを有する台形テフロン（登録商標）レンズ（例えば、図２ＣのＨＤＲ４０を有する台形レンズ３８Ｃ）を付け足すと、導波管単独と比較して、関連する導波管システムを伝搬する電磁波に５デシベルを超える値が加わる。これは、電磁波の出力比にほぼ３．５を乗じることに等しい。ＨＤＲを有する矩形レンズ（例えば、図２ＤのＨＤＲ４０を有する矩形レンズ３８Ｄ）を付け足すと、導波管単独と比較して、関連する導波管システムを伝搬する電磁波に５デシベルが加わり、電磁波の出力比が３倍を超えることになる。
図６Ａ〜図６Ｃは、本開示の１つ以上の技術に係る、ＨＤＲの構造に使用され得る様々な形状を示すブロック図である。図６Ａは、本開示の１つ以上の技術に係る、球形のＨＤＲの例を示す。球形のＨＤＲ８０は、例えば、とりわけ、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ及びＸ７Ｒを含む、例えば様々なセラミック材料で作ることができる。図６Ｂ及び図６ＣのＨＤＲ８２及び８４は、類似の材料で作ることができる。球形のＨＤＲ８０は対称なので、アンテナの入射角と放射された波は本システム全体に影響を及ぼさない。ＨＤＲ球８０の比誘電率は、共振周波数に直接関係している。例えば、同じ共振周波数で、より高い比誘電率材料を使用することによって、ＨＤＲ球８０のサイズを縮小することができる。ＨＤＲ球８０のＴＭ共振周波数は、モードＳ及び極ｎについて、以下の式を使用して計算することができる。
ＨＤＲ球８０のＴＥ共振周波数は、モードＳ及び極ｎについて、以下の式を使用して計算することができる。
ここで、ａは球形共振器の半径である。
図６Ｂは、本開示の１つ以上の技術に係る円筒形ＨＤＲの例を示すブロック図である。円筒形ＨＤＲ８２は、全ての軸について対称である、とはいえない。したがって、円筒形ＨＤＲ８２に対するアンテナと放射された波の入射角は、波が円筒形ＨＤＲ８２を通過する際に、図５Ａの対称的な球状のＨＤＲ８０とは違って、入射角に依存して波に偏波の影響を及ぼし得る。孤立した円筒形ＨＤＲ８２のＴＥ０１ｎモードのおおよその共振周波数は、以下の式を使用して計算することができる。
ここで、ａは円筒形共振器の半径であり、Ｌはその長さである。ａとＬは共にミリメートル単位である。共振周波数ｆＧＨｚはギガヘルツの単位である。この式は、０．５＜ａ／Ｌ＜２及び３０＜εｒ＜５０の範囲で約２％の精度がある。
図６Ｃは、本開示の１つ以上の技術に係る立方体ＨＤＲの例を示すブロック図である。立方体ＨＤＲ８４は、全ての軸について対称である、とはいえない。したがって、円筒形ＨＤＲ８２に対するアンテナと放射された波の入射角は、波が立方体ＨＤＲ８４を通過する際に、図５Ａの対称的な球形のＨＤＲ８０とは違って、波に偏波の影響を及ぼし得る。おおよそ、立方体ＨＤＲ８４の最小共振周波数は、次のようになる。
ここで、ａは立方体の辺の長さであり、ｃは空気中の光の速度である。
図７は、本開示の１つ以上の技術に従って、複数の高誘電性共振器を有するレンズを形成する方法のステップを例示するフロー図である。この方法８００では、複数の共振器（例えば、ＨＤＲ１８）を形成することができ、複数の共振器の各共振器は、基材の比誘電率を超える比誘電率を有する（８０２）。例えば、複数の共振器は、使用される電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成してもよい。共振器の各々は、電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択される直径を有するように形成してもよい。複数の共振器を格子定数に従ってレンズの基材材料内に配置することによって、レンズ（例えば、レンズ１６）を形成することができる（８０４）。格子定数は、共振器のうちの第１の共振器の中心と、共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する。
本発明の様々な実施形態について、これまで記載してきた。これらの実施形態及び他の実施形態は、以下の特許請求の範囲に含まれるものである。本発明の実施態様の一部を以下の項目［１］−［２７］に記載する。
［項目１］
レンズであって、
電磁波を伝搬させる基材と、
前記基材全体に分散された複数の共振器と、を備え、
前記複数の共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、前記電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成され、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有し、
前記複数の共振器のうちの少なくとも２つは、前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記基材内に離間している、レンズ。
［項目２］
前記格子定数は、前記電磁波の前記波長未満である、項目１に記載のレンズ。
［項目３］
前記共振周波数は、前記電磁波の前記周波数と一致するように選択される、項目１又は２に記載のレンズ。
［項目４］
前記格子定数及び前記共振周波数は、前記レンズが使用される前記導波管に少なくとも部分的に基づいて選択される、項目１から３のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目５］
前記共振器の前記直径の前記格子定数に対する比が１未満である、項目１から４のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目６］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも２倍大きい比誘電率を有する、項目１から５のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目７］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも１０倍大きい比誘電率を有する、項目１から６のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目８］
前記複数の共振器の前記共振周波数は、ミリ波帯域内である、項目１から７のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目９］
前記複数の共振器の前記共振周波数は、６０ＧＨｚである、項目１から８のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１０］
前記複数の共振器はセラミック材料製である、項目１から９のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１１］
前記複数の共振器は、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ、及びＸ７Ｒのうちの１つから製造される、項目１から１０のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１２］
前記基材は、テフロン（登録商標）、石英ガラス、コージェライト、ホウケイ酸ガラス、ペルフルオロアルコキシ、ポリエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンのうちの１つから製造される、項目１から１１のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１３］
前記複数の共振器は、球形、円筒形、又は立方形のうちの１つを有して形成される、項目１から１２のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１４］
レンズを形成する方法であって、
前記レンズが使用される電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料の複数の共振器を形成することであって、前記共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択される直径を有し、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有する、複数の共振器を形成することと、
前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記複数の共振器のうちの少なくとも２つを前記基材内に離間するように配置することと、を含む、方法。
［項目１５］
前記格子定数を前記電磁波の前記波長未満となるように選択することを更に含む、項目１４に記載の方法。
［項目１６］
前記電磁波の前記周波数に一致するように前記共振周波数を選択することを更に含む、項目１４又は１５に記載の方法。
［項目１７］
前記レンズが使用される前記導波管に少なくとも部分的に基づいて前記格子定数及び前記共振周波数を選択することを更に含む、項目１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
［項目１８］
前記共振器の前記直径の前記格子定数に対する比が１未満である、項目１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
［項目１９］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率よりも少なくとも２倍大きい比誘電率を有する、項目１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
［項目２０］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも１０倍大きい比誘電率を有する、項目１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
［項目２１］
前記共振器の前記共振周波数は、ミリ波帯域内である、項目１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
［項目２２］
前記共振器の前記共振周波数は６０ＧＨｚである、項目１４から２１のいずれか一項に記載の方法。
［項目２３］
前記共振器はセラミック材料製である、項目１４から２２のいずれか一項に記載の方法。
［項目２４］
前記共振器は、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ、及びＸ７Ｒのうちの１つから製造される、項目１４から２３のいずれか一項に記載の方法。
［項目２５］
前記基材は、テフロン（登録商標）、石英ガラス、コージェライト、ホウケイ酸ガラス、ペルフルオロアルコキシ、ポリエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンのうちの１つから製造される、項目１４から２４のいずれか一項に記載の方法。
［項目２６］
前記複数の共振器は、球形、円筒形、又は立方形のうちの１つを有して形成される、項目１４から２５のいずれか一項に記載の方法。
［項目２７］
システムであって、
導波管と、
アンテナと、
前記アンテナと前記導波管との間に配置されたレンズと、を備え、前記レンズは、
前記アンテナによって送信又は受信される電磁波を伝搬するための基材と、
前記基材全体に分散された複数の共振器と、を含み、前記複数の共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、前記電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成され、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有し、
前記複数の共振器のうちの少なくとも２つは、前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記基材内に離間している、システム。
［項目１］
レンズであって、
電磁波を伝搬させる基材と、
前記基材全体に分散された複数の共振器と、を備え、
前記複数の共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、前記電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成され、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有し、
前記複数の共振器のうちの少なくとも２つは、前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記基材内に離間している、レンズ。
［項目２］
前記格子定数は、前記電磁波の前記波長未満である、項目１に記載のレンズ。
［項目３］
前記共振周波数は、前記電磁波の前記周波数と一致するように選択される、項目１又は２に記載のレンズ。
［項目４］
前記格子定数及び前記共振周波数は、前記レンズが使用される前記導波管に少なくとも部分的に基づいて選択される、項目１から３のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目５］
前記共振器の前記直径の前記格子定数に対する比が１未満である、項目１から４のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目６］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも２倍大きい比誘電率を有する、項目１から５のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目７］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも１０倍大きい比誘電率を有する、項目１から６のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目８］
前記複数の共振器の前記共振周波数は、ミリ波帯域内である、項目１から７のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目９］
前記複数の共振器の前記共振周波数は、６０ＧＨｚである、項目１から８のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１０］
前記複数の共振器はセラミック材料製である、項目１から９のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１１］
前記複数の共振器は、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ、及びＸ７Ｒのうちの１つから製造される、項目１から１０のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１２］
前記基材は、テフロン（登録商標）、石英ガラス、コージェライト、ホウケイ酸ガラス、ペルフルオロアルコキシ、ポリエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンのうちの１つから製造される、項目１から１１のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１３］
前記複数の共振器は、球形、円筒形、又は立方形のうちの１つを有して形成される、項目１から１２のいずれか一項に記載のレンズ。
［項目１４］
レンズを形成する方法であって、
前記レンズが使用される電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料の複数の共振器を形成することであって、前記共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択される直径を有し、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有する、複数の共振器を形成することと、
前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記複数の共振器のうちの少なくとも２つを前記基材内に離間するように配置することと、を含む、方法。
［項目１５］
前記格子定数を前記電磁波の前記波長未満となるように選択することを更に含む、項目１４に記載の方法。
［項目１６］
前記電磁波の前記周波数に一致するように前記共振周波数を選択することを更に含む、項目１４又は１５に記載の方法。
［項目１７］
前記レンズが使用される前記導波管に少なくとも部分的に基づいて前記格子定数及び前記共振周波数を選択することを更に含む、項目１４から１６のいずれか一項に記載の方法。
［項目１８］
前記共振器の前記直径の前記格子定数に対する比が１未満である、項目１４から１７のいずれか一項に記載の方法。
［項目１９］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率よりも少なくとも２倍大きい比誘電率を有する、項目１４から１８のいずれか一項に記載の方法。
［項目２０］
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率より少なくとも１０倍大きい比誘電率を有する、項目１４から１９のいずれか一項に記載の方法。
［項目２１］
前記共振器の前記共振周波数は、ミリ波帯域内である、項目１４から２０のいずれか一項に記載の方法。
［項目２２］
前記共振器の前記共振周波数は６０ＧＨｚである、項目１４から２１のいずれか一項に記載の方法。
［項目２３］
前記共振器はセラミック材料製である、項目１４から２２のいずれか一項に記載の方法。
［項目２４］
前記共振器は、ＢａＺｎＴａ酸化物、ＢａＺｎＣｏＮｂ、Ｚｒチタン系材料、チタン系材料、チタン酸バリウム系材料、酸化チタン系材料、Ｙ５Ｖ、及びＸ７Ｒのうちの１つから製造される、項目１４から２３のいずれか一項に記載の方法。
［項目２５］
前記基材は、テフロン（登録商標）、石英ガラス、コージェライト、ホウケイ酸ガラス、ペルフルオロアルコキシ、ポリエチレン、及びフッ素化エチレンプロピレンのうちの１つから製造される、項目１４から２４のいずれか一項に記載の方法。
［項目２６］
前記複数の共振器は、球形、円筒形、又は立方形のうちの１つを有して形成される、項目１４から２５のいずれか一項に記載の方法。
［項目２７］
システムであって、
導波管と、
アンテナと、
前記アンテナと前記導波管との間に配置されたレンズと、を備え、前記レンズは、
前記アンテナによって送信又は受信される電磁波を伝搬するための基材と、
前記基材全体に分散された複数の共振器と、を含み、前記複数の共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、前記電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成され、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有し、
前記複数の共振器のうちの少なくとも２つは、前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記基材内に離間している、システム。
Claims (7)
- レンズであって、
電磁波を伝搬させる基材であって、大きな端部及び該大きな端部に対して反対側の先細端部を有する、基材と、
前記基材全体に分散された複数の共振器と、を備え、
前記大きな端部に近接する共振器の数が、前記先細端部に近接する共振器の数よりも多く、
前記複数の共振器の各々は、前記電磁波の波長に少なくとも部分的に基づいて選択された直径を有し、前記電磁波の周波数に少なくとも部分的に基づいて選択された共振周波数を有する誘電材料から形成され、
前記複数の共振器の各々は、前記基材の比誘電率を超える比誘電率を有し、
前記複数の共振器のうちの少なくとも２つは、前記共振器のうちの第１の共振器の中心と、前記共振器のうちの隣接する第２の共振器の中心との間の距離を画定する格子定数に従って、前記基材内に離間している、レンズ。 - 前記格子定数は、前記電磁波の前記波長未満である、請求項１に記載のレンズ。
- 前記共振周波数は、前記電磁波の前記周波数と一致するように選択される、請求項１又は２に記載のレンズ。
- 前記格子定数及び前記共振周波数は、前記レンズが使用される導波管に少なくとも部分的に基づいて選択される、請求項１から３のいずれか一項に記載のレンズ。
- 前記複数の共振器の前記共振周波数は、ミリ波帯域内である、請求項１から４のいずれか一項に記載のレンズ。
- 前記複数の共振器の前記共振周波数は、６０ＧＨｚである、請求項１から５のいずれか一項に記載のレンズ。
- 前記複数の共振器はセラミック材料製である、請求項１から６のいずれか一項に記載のレンズ。
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