JP6586059B2 - レンズアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、レンズアンテナ装置に関する。

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して見通し環境でも多重伝送可能な大容量化技術のため、最近注目されている（例えば、非特許文献１、２参照）。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、ＯＡＭのモードがＬであれば電磁波の進行方向に垂直な面内で２πＬまでの位相を変化させる必要があり、Ｌが正であれば左回り、負であれば右回りの位相変化を意味する。Ｌ＝１のＯＡＭモードを有する電磁波（ＯＡＭ波）を生成するために、非特許文献１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）。

非特許文献２では、円状に配置したＮ個の素子の位相を０〜２πまで２π／Ｎずつ変化させることで位相差を与えている（図８参照）。また、非特許文献２では、ＯＡＭ波の特徴として、ＯＡＭモードの絶対値（|Ｌ|）が１以上では最大利得の放射角（θｍａｘ）がθ=０度（Ｚ軸）方向ではないこと、また、絶対値が大きくなるにしたがって最大放射角が大きくなることが知られている（図９参照）。

"Encoding many channels on the same frequency through radio vorticity: first experimental test.", Fabrizio Tamburini, et al., New Journal of Physics 14(2012)033001(17pp), 1 March 2012. "Orbital Angular Momentum in Radio-A System Study", Siavoush Mohaghegh Mohammadi et al., IEEE Trans. on Antennas and Propagation, Vol. 58, No. 2, Feb. 2010.

しかしながら、非特許文献２のように、ＯＡＭモードの絶対値が１以上では最大利得の放射角が放射軸方向（θ=０度（Ｚ軸）方向）ではないため、最大利得となる箇所で受信するためには、高次のＯＡＭモードほど受信アンテナの開口径が増大してしまうという課題がある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、その目的は、絶対値が１以上のＯＡＭモードを用いる場合に、受信アンテナの開口径の増大を抑制可能なレンズアンテナ装置を提供することである。

本発明の一態様は、複数の素子を備えたアレーアンテナと、前記アレーアンテナの各素子の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズを組み合わせた合成レンズと、を備えるレンズアンテナ装置である。

本発明の一態様は、上述のレンズアンテナ装置であって、前記アレーアンテナ及び前記合成レンズの距離と、前記誘電体レンズのレンズ径とは、ＯＡＭを有する電磁波の最大利得の放射角に応じて設定される請求項１のレンズアンテナ装置。

本発明の一態様は、上述のレンズアンテナ装置であって、前記アレーアンテナに対して、中心角の変化とともにＯＡＭのモードがＬ（整数）であれば２πＬまでの位相差を与える位相制御部と、前記アレーアンテナに対して、ＯＡＭモード毎の利得差及び伝搬損失に基づいて、前記アレーアンテナに入力する入力電力を制御する電力制御部と、をさらに備える。

本発明の一態様は、上述のレンズアンテナ装置であって、前記合成レンズの形状は前記アレーアンテナの中心を焦点とした一の誘電体レンズと同一の形状であって、前記誘電体レンズは、複数の誘電体から構成され、前記誘電体の比誘電率がそれぞれ独立して分割制御可能に構成されている。

以上説明したように、本発明によれば、絶対値が１以上のＯＡＭモードを用いる場合に、受信アンテナの開口径の増大を抑制することができる。

本実施形態におけるレンズアンテナ装置１の概略構成の一例を示す図である。 本実施形態における合成レンズ２２の概略構成の一例を示す図である。 アンテナ中心を焦点として設計した誘電体レンズを用いた例を示す図である。 レンズアンテナ装置の電界強度分布のシミュレーション結果を示す図である。 本実施形態における合成レンズ２２のレンズ径及び焦点距離による最大利得の放射角の変化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装置１の変形例を示す図である。 非特許文献１におけるオフセットパラボラアンテナの概要を示す図である。 非特許文献２におけるアレーアンテナの概要を示す図である。 ＯＡＭモードの絶対値が１以上の放射パターンの例を示す図である。

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。

図１は、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１の概略構成の一例を示す図である。
レンズアンテナ装置１は、異なるＯＡＭモードの電磁波を多重伝送する。
図１に示すように、レンズアンテナ装置１は、アレーアンテナ１３、合成レンズ２２、位相制御部３０及び電力制御部３１を備える。
アレーアンテナ１３は、円周上に配置された複数の素子１２（１２−１〜１２−ｓを備える。複数の素子１２は、それぞれＺ軸方向に電磁波を放射する。なお、ｓは２以上の整数である。

図２は、本実施形態における合成レンズ２２の概略構成の一例を示す図である。
図２（ａ）は、合成レンズ２２をＹ軸方向から見た図であり、図２（ｂ）は、合成レンズ２２をＺ軸方向から見た図である。
合成レンズ２２は、アレーアンテナ１３の各素子１２の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズである。
本実施形態では、合成レンズ２２は、アレーアンテナ１３の各素子１２の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズ２１−１，２１−２を組み合わせたレンズである。

例えば、各誘電体レンズ２１−１，２１−２は、アレーアンテナ１３の中心を焦点としてＺ軸に垂直な方向に所定の距離だけ離れた位置に設けられている。例えば、各素子１２が半波長ダイポールアンテナである場合には、この所定の距離は、半波長ダイポールアンテナの開口径Ｄの半分の値である。

このように、誘電体レンズ２１−１は、素子１２−１の位置を焦点とした位置に配置され、誘電体レンズ２１−２は、素子１２−２の位置を焦点とした位置に配置される。そして、誘電体レンズ２１−１と誘電体レンズ２１−２のそれぞれの位置を組み合わせて合成レンズ２２が形成されている。

例えば、素子１２の数が多く、且つその素子１２が円状に配置されている場合は、Ｚ軸を中心軸として誘電体レンズ２１を回転させた回転体で近似できる。この合成レンズ２２を用いることで、１１−１ｂや１１−２ｂのようにアレーアンテナ１３の各素子１２から放射された電磁波の一部をＺ軸と平行にすることができる。

ここで、受信アンテナの開口径が増大するという課題に対し、図３に示すように一の誘電体レンズを用いて、レンズから放射される電磁波の最大利得の放射角を抑制することが考えられる。図３は、アンテナ中心を焦点として設計した一の誘電体レンズを用いた例を示す図である。
一の誘電体レンズを用いる場合には、図３に示すように、アレーアンテナ１３の中心を焦点とした誘電体レンズ１００が用いられる。そのため、各素子１２（１２−１，１２−２）の位置がアレーアンテナ１３の中心からずれてしまう。そのため、各素子１２から放射された電磁波は、Ｚ軸に対して平行に進まず、放射角を抑制することが困難である。例えば、図３に示すように、素子１２−１から放射された電磁波は１１−１ａのような経路をたどって斜め右方向へ進み、素子１２−２から放射された電磁波は１１−２ａのような経路をたどって斜め左方向へ進む。

一方、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１は、アレーアンテナ１３の各素子１２を焦点とした誘電体レンズ２１−１，２１−２を組み合わせた合成レンズ２２を用いる。これにより、各素子１２から放射された電磁波の一部は、Ｚ軸に対して平行に進むため、放射角を抑制することができる。

図４（ａ）は、アンテナ中心を焦点として設計した誘電体レンズを用いたレンズアンテナ装置の電界強度分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、素子１２を半波長ダイポールアンテナとして開口径Ｄ＝２λで円状に１２個配置したアレーアンテナ１３を送信アンテナとし、誘電体レンズは、比誘電率２．１（テフロン（登録商標））、焦点距離８λ、レンズ径９λという条件でレイトレースによって曲面設計された誘電体レンズとした。

図４（ｂ）は、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１の電界強度分布のシミュレーション結果を示す。このシミュレーションにおいて、半波長ダイポールアンテナとして開口径Ｄ＝２λで円状に１２個配置したアレーアンテナ１３を送信アンテナとし、比誘電率２．１（テフロン（登録商標））、焦点距離８λ、レンズ径９λという条件でレイトレースによって曲面設計した誘電体レンズからなる合成レンズ２２を用いた場合の例である。

図４（ｂ）に示す電界強度分布からも分かるように、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１では、図４（ａ）に示す電界強度分布と比較して、合成レンズ２２から出力された電磁波が直進するため、最大利得の放射角を抑制することができる。ここで、合成レンズ２２を構成する誘電体レンズの曲面は、レイトレース法により設計されたものであってもよいが、それに限定されない。また、アレーアンテナ１３の各素子１２の配置は円形であってもよいが、それに限定されない。

位相制御部３０は、アレーアンテナ１３に対して、中心角（０〜３６０度）の変化とともにＯＡＭのモードがＬ（整数）であれば２πＬの位相差を与える機能を備えている。

電力制御部３１は、アレーアンテナ１３に対して設けられている。電力制御部３１は、アレーアンテナ１３に対して、ＯＡＭモード毎の利得差及び伝搬損失に基づいてアレーアンテナ１３に入力する入力電力を制御する機能を備えている。なお、位相制御部３０及び電力制御部３１は、それぞれのアレーアンテナ１３の位相および電力を制御できればよく、その個数には特に限定されない。また、位相制御については給電回路の長さ等による固定的な制御でも、位相器等による動的な制御でもよい。

図５は、本実施形態における合成レンズ２２のレンズ径及び焦点距離による最大利得の放射角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合成レンズ２２の焦点距離による最大利得の放射角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合成レンズ２２のレンズ径による最大利得の放射角の変化の一例を示す図である。

図５（ａ）に示すように、レンズアンテナ装置１において、例えば、ＯＡＭモードに依らず同じ開口径のアレーアンテナと、合成レンズ２２との距離（焦点距離）に対する最大利得の放射角の特性は、焦点距離がｎλで最大利得の放射角の値がα°に収束する。
また、各素子１２を焦点としてこの収束した焦点距離ｎλで設計した誘電体レンズ２１−１，２１−２のレンズ径に対する最大利得の放射角の特性は、レンズ径がｍλで最大放射角の値がβ°に収束する。したがって、これらの特性を基づいて、焦点距離及びレンズ径を調整することで、図５に示す特性で示すようにＯＡＭ波の最大利得の放射角を所定の値とすることが可能になり、受信アンテナ開口径の増大を抑制しつつ、複数のモードを用いて多重伝送を行う場合にも、モードに依らず同一の受信点で通信が可能になる。すなわち、アレーアンテナ及び合成レンズ２２の距離と、誘電体レンズのレンズ径とは、ＯＡＭを有する電磁波の最大利得の放射角に応じて設定される。なお、アレーアンテナの開口径はＯＡＭモードに依らず同じであってもよいが、これに限定されない。

上述したように、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１は、複数の素子１２が円周上に配置されたアレーアンテナ１３と、アレーアンテナ１３の各素子１２の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズを組み合わせた合成レンズ２２と、を備える。これにより、モードの絶対値が１以上のＯＡＭモータを用いる場合において、合成レンズ２２を出た電磁波が直進するため、最大利得の放射角を抑制することができる。したがって、受信アンテナの開口径の増大を抑制することができる。

また、アレーアンテナ１３と合成レンズ２２との距離と、誘電体レンズ２１−１，２１−２のレンズ径とは、ＯＡＭを有する電磁波の最大利得の放射角に応じて設定される。これにより、レンズアンテナ装置１は、ＯＡＭ波の最大利得の放射角を所定の値とすることが可能になり、受信アンテナの開口径の増大を抑制しつつ、複数のモードを用いて多重伝送を行う場合にも、モードに依らず同一の受信点で通信が可能になる。

以下に、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１の変形例について、説明する。
図６は、本実施形態におけるレンズアンテナ装置１の変形例を示す図である。
本変形例は、レンズの形状をアレーアンテナ１３の中心を焦点とした誘電体レンズと同一としたまま、比誘電率を分割制御することで合成レンズ２２Ａを実現するものである。

本変形例のレンズアンテナ装置は、円状に４つの素子１２（１２−１〜１２−４）を備える。また、合成レンズ２２Ａは、内部を伝搬する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を組み合せた誘電部（誘電体）２３を備える。すなわち、合成レンズ２２Ａは、複数の誘電体を備える一の誘電体レンズである。
そして、各誘電部２３は、印加され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等で構成され、１１−１ｂの経路と１１−１ｃの経路とが同一になるように、以下に示す式（１）に基づいて、比誘電率ｎ_１が設定される。ここで、ｎ_０は合成レンズ２２Ａの設計時に用いられる比誘電率である。

ｎ_０Ｂ_０＋（ｄ−ｈ_０）＝ｎ_１Ｂ_１＋（ｄ−ｈ_１） …（１）

各誘電部の比誘電率は固定的に与えられたものであっても、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り、動的に制御されるものでもよく、これらに限定されない。なお、本変形例の合成レンズ２２Ａは、内部を伝搬する電磁波の進行方向に略沿った複数の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。

例えば、図６に示すように、長二点鎖線上と中心軸周り、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調整部として備えられるが、これに限定されない。なお、本実施形態の合成レンズ２２Ａは、各誘電部２３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、本実施形態の合成レンズ２２Ａは、各誘電部２３の比誘電率を温度によって制御する場合には、一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。
このように、本変形例の合成レンズ２２Ａの形状は前記アレーアンテナの中心を焦点とした一の誘電体レンズと同一の形状であり、その誘電体レンズを構成する複数の誘電体は比誘電率がそれぞれ独立して分割制御可能に構成されている。

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。

１ レンズアンテナ装置
１２ 素子
１３ アレーアンテナ
２２ 合成レンズ
３０ 位相制御部
３１ 電力制御部

Claims (3)

1. 複数の素子により絶対値が１以上のＯＡＭモードの電磁波を放射するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナの各素子の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズを組み合わせた合成レンズと、
   を備え、
   前記アレーアンテナ及び前記合成レンズの距離と、前記誘電体レンズのレンズ径とは、ＯＡＭを有する電磁波の最大利得の放射角に応じて設定されるレンズアンテナ装置。
2. 複数の素子により絶対値が１以上のＯＡＭモードの電磁波を放射するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナの各素子の配置位置を焦点とした複数の誘電体レンズを組み合わせた合成レンズと、
   前記アレーアンテナに対して、中心角の変化とともにＯＡＭのモードがＬ（整数）であれば２πＬまでの位相差を与える位相制御部と、
   前記アレーアンテナに対して、ＯＡＭモード毎の利得差及び伝搬損失に基づいて、前記アレーアンテナに入力する入力電力を制御する電力制御部と、
   を備えるレンズアンテナ装置。
3. 複数の素子により絶対値が１以上のＯＡＭモードの電磁波を放射するアレーアンテナと、
   前記アレーアンテナの中心を通りかつ前記アレーアンテナの放射方向に平行な直線を回転軸とした一の回転体の形状の合成レンズと、
   を備え、
   前記合成レンズは、複数の誘電体から構成され、
   前記複数の誘電体は、それぞれ、内部を伝搬する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円環の一部をなす形状であり、
   前記複数の誘電体の比誘電率は、それぞれ、当該誘電体と対応する前記素子の配置位置を焦点とし、前記素子の配置位置を通りかつ前記放射方向に平行な直線を回転軸とした一の回転体の形状を有する一の誘電体からなる仮想的な誘電体レンズを仮定した次式に基づいて設定されるレンズアンテナ装置。
   但し、ｎ _１ は当該誘電体の比誘電率、Ｂ _１ は当該誘電体上の所定の入射位置から入射した電磁波の当該誘電体内部の経路長、（ｄ−ｈ _１ ）は該電磁波の当該誘電体上の出射位置から前記放射方向に垂直な基準面までの距離、ｎ _０ は前記仮想的な誘電体レンズの比誘電率、Ｂ _０ は前記仮想的な誘電体レンズに前記所定の入射位置から入射した電磁波のレンズ内部の経路長、（ｄ−ｈ _０ ）は該電磁波の前記仮想的な誘電体レンズ上の出射位置から前記基準面までの距離である。