JPH05291820A - アンテナ用誘電体レンズ - Google Patents

アンテナ用誘電体レンズ

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JPH05291820A
JPH05291820A JP4092882A JP9288292A JPH05291820A JP H05291820 A JPH05291820 A JP H05291820A JP 4092882 A JP4092882 A JP 4092882A JP 9288292 A JP9288292 A JP 9288292A JP H05291820 A JPH05291820 A JP H05291820A
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JP
Japan
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lens
dielectric
dielectric lens
efficiency
resin material
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JP4092882A
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English (en)
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Kazuya Kawabata
一也 川端
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Murata Manufacturing Co Ltd
Original Assignee
Murata Manufacturing Co Ltd
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【目的】 軽量で高効率の誘電体レンズを得る。 【構成】 CaTiO3系セラミックス粉末と樹脂材
(例えば、ポリエチレン)とを混合した複合材料を均一
に発泡させて誘電体レンズを得る。この誘電体レンズは
比誘電率が低く(εr:1〜3)、高効率であり、比重
が小さくて(0.4〜0.7)、軽量である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【産業上の利用分野】本発明は、誘電体レンズ、特に通
信、放送用のマイクロ波の受信用アンテナとして使用さ
れる誘電体レンズに関する。
【0002】
【従来の技術】従来、5GHz以上のマイクロ波の受信
用アンテナとして使用される誘電体レンズとしては、比
誘電率が2程度の樹脂材(例えば、ポリエチレン、ポリ
プロピレン)で凸レンズ状に成形したものが知られてい
る。しかし、比誘電率が3以下のレンズは厚みが大きく
なり重量が大きく、また直径が20λ(λ=c/f、但
し、cは光速、fは周波数)以上のものでは、一次放射
器やレンズ支持機構を含めてアンテナが大型化する問題
点を有していた。
【0003】一方、この種の問題点を解決するため、焼
成されたセラミックス粉末と樹脂材との混合物からなる
誘電体レンズが本発明者によって提案されている(特開
平1−282904号参照)。この誘電体レンズにあっ
ては、セラミックスと樹脂材の混合比を調整することに
よって比誘電率が20程度まで高誘電率レンズを得るこ
とができ、しかも厚みが小さく、軽量化が図れるという
利点を有する。しかし、開口効率が必ずしも良好ではな
かった。即ち、従来の誘電体レンズでは、開口効率が8
0%程度が限界であり、小型、軽量で高効率の誘電体レ
ンズが要求されていた。
【0004】
【発明の目的、構成、作用、効果】そこで、本発明の目
的は、軽量で高効率の誘電体レンズを提供することにあ
る。以上の目的を達成するため、本発明に係る誘電体レ
ンズは、CaTiO3系セラミックス粉末と樹脂材とを
混合した複合材料を略均一に発泡させてなることを特徴
とする。樹脂材としては、ポリエチレン、ポリプロピレ
ン、ポリスチレン、TPX、テフロン等を使用できる。
CaTiO3系セラミックスを用いた理由は、この材料
は比誘電率εrが180、比重が3.9であり、(lo
gεr)/比重が0.58となり、他のセラミックス材
料よりもかなり大きいことによる。このようなCaTi
3系セラミックス粉末と樹脂材との混合率及び発泡率
を適宜調整することにより比誘電率が低くて開口効率の
高い、かつ、比重が小さくて軽量の誘電体レンズを得る
ことができる。特に、樹脂材に対するセラミック粉末の
混合率を約10〜60wt%とした場合に、好ましい特
性の誘電体レンズを得ることができた。例えば、CaT
iO3系セラミックス粉末(比誘電率:180、比重:
3.9)を55wt%、ポリエチレン(比誘電率:2.
3、比重:1)を45wt%で混合した複合材料を発泡
成形すると、比誘電率が2.3で、比重が0.4の誘電
体レンズを得ることができた。
【0005】特に、複合材料を発泡させることは誘電体
レンズの軽量化に大きく作用している。
【0006】
【実施例】以下、本発明に係るアンテナ用誘電体レンズ
の実施例について添付図面を参照して説明する。図1〜
図4は本発明に係る誘電体レンズ1を備えたBSアンテ
ナを示す。半球状の誘電体レンズ1はホルダ6の正面に
取り付けられている。ホルダ6は正面(図3、図4にお
いて左方)に向かって開いた上板部6aと下板部6b及
び背部に位置する筒状部6cにて構成され、筒状部6c
にはコンバータ11を備えた一次放射器10が設置され
ている。
【0007】誘電体レンズ1は衛星から放射されたマイ
クロ波をその焦点に集める。一次放射器10はレンズ1
によって集められたマイクロ波をピックアップし、コン
バータ11へ導く。コンバータ11は一次放射器から出
力された信号を増幅して第1中間周波数に変換し、その
信号をBSチューナ(図示せず)へ導く。この種のBS
アンテナで重要な点は誘電体レンズ1の開口効率及びレ
ンズ自体の大きさ(直径)、重量である。開口効率は高
い程受信状態が良好となり、レンズ自体の直径、重量が
小さくなればアンテナが小型化する。ここで開口効率と
は、通常、次式(1),(2)を用いて算出される。
【0008】 η=10A ……(1) A=[アンテナ利得−10×log(πD/λ)2]/10 ……(2) 但し、η:開口効率 D:レンズ直径 λ:c/f c:光速 f:周波数 従来の誘電体レンズでは開口効率が80%程度が上限で
あった。ところで、前記誘導体レンズ1を用いて各BS
チャンネルの受信実験を行ったところ、極めて良好な結
果を得た(第1表参照)。効率が高くなるのは(場合に
よっては100%を越える)、誘電体レンズ1の回折効
果によると考えられる。
【0009】以下の第1表は、それぞれのBSチャンネ
ルごとに、本発明に係る誘電体レンズ(電波吸収体無
し)の実測効率と、同じ誘電体レンズの外周縁に電波吸
収体を設けた場合の実測効率を示す。ここで用いられた
誘電体レンズは、CaTiO3系セラミックス粉末とポ
リエチレンとを混合した複合材料を均一に発泡成形した
もので、比誘電率が2.3で直径が180mmの半球状
体であり、焦点距離は100mmである。図9に、その
模式図を示し、20は電波吸収体である。
【0010】
【表1】
【0011】第1表から明らかなように同じ誘電体レン
ズであるにも拘らず、電波吸収体を取り除けば実測効率
が10%程度上昇し、チャンネルによっては100%を
越えている。ところで、誘電体レンズとしては、CaT
iO3系セラミックス粉末とポリエチレンとを種々の混
合率でかつ発泡率を適宜に調整して成形したものを用い
ることができ、また、樹脂材はポリエチレン以外に、ポ
リプロピレン、ポリスチレン、TPX、テフロン等を用
いることができる。
【0012】ここで、CaTiO3系セラミックス粉末
とポリエチレンとの複合材料の発泡成形品の比誘電率−
比重特性を図5に示す。(a)はCaTiO3/ポリエ
チレンの混合率が重量比で10/90、(b)は30/
70、(c)は55/45の場合の特性を示す。同じ混
合率であっても比誘電率及び比重が異なるのは、成形時
の発泡率の相違に基づき、比誘電率及び比重は発泡率に
反比例する傾向にある。従って、混合率及び発泡率を調
整することにより所望の比誘電率及び比重を有する誘電
体レンズを得ることができる。
【0013】以下に示す第2表は、特定の発泡率によっ
て得られた発泡体(レンズ)の比誘電率と比重の測定値
並びにその成形性の良否を示す。
【0014】
【表2】
【0015】第2表中第欄はポリエチレン単体の特性
を示す。第欄、第欄、第欄が本発明に係り、第
欄のものは成形性が不良であり、実用化できない。この
第2表と図5から明らかなように、比誘電率が3以下で
開口効率の高い誘電体レンズが得られると共に、CaT
iO3系セラミックス粉末の混合率を増加することによ
って比重が小さくなり、大幅な軽量化が可能である。比
重及び成形性から考慮すると、樹脂材に対するセラミッ
クス粉末の混合率は、約10〜60wt%が適切であ
る。
【0016】CaTiO3系セラミックス粉末は比誘電
率εrが180、比重が3.9であり、(logεr)/
比重が0.58となる。以下に示す第3表は、CaTi
3とその他のセラミックス粉末の特性を比較するため
ものである。
【0017】
【表3】
【0018】第3表から明かなように、CaTiO3
他のセラミックス粉末に対して(logεr)/比重の
値が極めて大きい。複合材料の発泡体の誘電率εは、以
下の式(3)で示される。 logε=v1logε1+v2logε2 ……(3) ε1: セラミックスの誘電率 ε2: 樹脂の誘電率 v1: セラミックスの体積率 v2: 樹脂の体積率 1−v1−v2:空気の体積率 また、CaTiO3系セラミックス粉末と樹脂材との複
合材料を発泡成形すると、表面に薄い樹脂の層が形成さ
れる。この樹脂層は内部の発泡体を外部環境から保護す
る作用を有し、別途レドームを形成しなくても耐候性が
良好となる。
【0019】次に、誘電体レンズの比誘電率と効率との
関係について説明する。図6は誘電体レンズの比誘電率
に対する効率の計算結果を示し、折線Aは誘電体レンズ
の表面に整合用誘電体層を設けなかった場合の効率の計
算結果を示し、折線Bは整合用誘電体層を設けた場合の
効率の計算結果を示す。整合用誘電体層とは、レンズ表
面での電波の反射を少なくするために、レンズ本体の誘
電率の平方根の値となる誘電率を有する材料を約λ/4
の厚さでレンズ表面をコーティングしたものである。
【0020】整合用誘電体層を設けない場合、その効率
は折線Aに示すとおりであるが、実測値は前記回折効果
によって約20%程高くなっている。比誘電率が2.3
のとき、効率は計算上78%であるが、その実測値は約
98%であった。比誘電率が3のとき、計算値は72%
であり、その実測値は95〜100%であった。従っ
て、実測効率として約90%以上を得るには、比誘電率
が3以下であることが好ましい。
【0021】一方、整合用誘電体層を設けた場合、その
効率の計算結果は折線Bに示すとおりであり、計算値と
実測値とはそれ程差はなくなるが、それでも10%程度
実測値が高くなった。従って、整合用誘電体層を設ける
場合、比誘電率が少なくとも4.5であれば、実測値と
して約90%以上の効率を得ることができる。次に、誘
電体レンズの直径と効率との関係について説明する。
【0022】図7は誘電体レンズの直径に対する効率
(実測値)を示し、レンズの材質としては前述の如く比
誘電率が2.3のものを使用した。直径が210mmの
実測値は95%であり、それ以上の開口効率を得るため
には、直径を210mm(10λ)以下に設定すればよ
い。ところで、誘電体レンズの周縁部の厚みに関して
は、薄い程効率が高くなる。これは、回折するレンズ周
囲のエネルギが周縁部が薄い程レンズ周縁部を透過する
エネルギと同相となるためであると考えられる。図7に
示す効率の実測に用いられた誘電体レンズにおいて、レ
ンズ周縁部の厚みは2mmである。周縁部の厚みを10
mmとした直径180mmの誘電体レンズ(比誘電率
2.3)の場合、その実測値は約78%であった(図7
中、点D参照)。種々の誘導体レンズを用いた実測によ
れば、95%の実測効率を得るにはレンズ周縁部の厚み
は4λ以下であることが好ましい。周縁部に関しては薄
い方が好ましいが、レンズ成形上の限界が存する。
【0023】次に、誘電体レンズの直径に対する中心部
の厚みの割合と効率との関係について説明する。図8は
直径150mmの誘電体レンズの中心部のそれぞれの厚
みに対する効率を示す。レンズの材質は比誘電率が2.
3のものを使用した。75%以上の効率が得られるの
は、本例のように直径150mmの場合で、レンズ中心
部の厚みが46〜86mmの範囲である。即ち、 46/150≦t/D≦86/150 0.3≦t/D≦0.6 ……(4) D:レンズ直径 t:レンズ中心部の厚さ なお、本発明に係る誘電体レンズは、前記実施例に限定
するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更可能
であることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係る誘電体レンズを用いたアンテナの
平面図。
【図2】図1に示したアンテナの正面図。
【図3】図2に示したアンテナの右側面図。
【図4】図2のX−X断面図。
【図5】CaTiO3系セラミックス粉末とポリエチレ
ンとの複合材料の発泡成形品の比誘電率−比重特性を示
すグラフ。
【図6】誘電体レンズの比誘電率と効率との関係を示す
グラフ。
【図7】誘電体レンズの直径と効率との関係を示すグラ
フ。
【図8】誘電体レンズの中心部の厚みと効率との関係を
示すグラフ。
【図9】誘電体レンズの回折効果の実験例の模式図。

Claims (3)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 CaTiO3系セラミックス粉末と樹脂
    材とを混合した複合材料を略均一に発泡させてなること
    を特徴とするアンテナ用誘電体レンズ。
  2. 【請求項2】 前記樹脂材に対する前記セラミックス粉
    末の混合率が約10〜60wt%であることを特徴とす
    る請求項1記載のアンテナ用誘電体レンズ。
  3. 【請求項3】 前記複合材料を発泡させた後の比重が1
    以下であることを特徴とする請求項1記載のアンテナ用
    誘電体レンズ。
JP4092882A 1992-04-13 1992-04-13 アンテナ用誘電体レンズ Pending JPH05291820A (ja)

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