JPWO2005034291A1

JPWO2005034291A1 - 誘電体レンズ、誘電体レンズ装置、誘電体レンズの設計方法、誘電体レンズの製造方法および送受信装置

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Publication number: JPWO2005034291A1
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Inventors: 永井　智浩; 智浩永井
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Abstract

第１ステップで所望の開口面分布を決定し、第２ステップで、電力保存則、誘電体レンズの裏面側のスネルの法則、および光路長一定を表す式を連立させて、誘電体レンズの焦点から誘電体レンズ裏面への主光線の方位角θに応じて誘電体レンズの表面側と裏面側の形状を計算し、誘電体レンズ表面の座標が所定の制限厚み位置に達したとき第３のステップで光路長一定を表す式における光路長を波長の整数倍だけ減じる。上記方位角θを初期値から順次変化させるとともに第２・第３のステップを繰り返すことによって誘電体レンズを設計する。これにより、誘電体レンズアンテナを構成した際のアンテナ特性を良好に保ちつつ、ゾーニングによって小型化量化を図る。

Description

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯の誘電体レンズアンテナに用いられる誘電体レンズ、誘電体レンズ装置、誘電体レンズの設計方法、誘電体レンズの製造方法および誘電体レンズまたは誘電体レンズ装置を用いた送受信装置に関するものである。

マイクロ波やミリ波帯で使用される誘電体レンズアンテナとは一次放射器から広く放射された電波をうまく屈折させて、レンズ前方の仮想的な開口面上で位相を揃え、且つその開口面上に電磁界の振幅分布を作り出すものである。これによりある方向に鋭く電波を放射させることができる。この誘電体レンズアンテナは、光学で用いられるレンズと似ているが、最も異なる点は単純に位相を揃えるだけではなく、振幅分布（開口面分布）を作る必要があるいうことである。これは、遠方でのアンテナ特性（指向性）が振幅分布のフーリエ変換で表される関係にあって、所望の指向性を得るためには開口面分布をうまく調整する必要があるからである。

したがって、誘電体レンズアンテナでは、開口面上で位相を揃えることと所望の開口面分布をうまく作り出すことが重要となる。

開口面上で位相を揃えるにあたっては、一次放射器から放射された光線が開口面まで到達する距離（光路長）が波長の整数倍変わってもそれぞれの光線は強め合うことを利用してレンズ形状を削ることができる。これをゾーニングという。光学の分野でよく知られているフレネルレンズもこれと同じ考え方に基づいているが、光学の場合は開口面分布という考え方がない。

誘電体レンズアンテナは、ホーンアンテナなどの１次放射器と誘電体レンズとによって構成されている。一般に、誘電体レンズアンテナはその誘電体レンズ部分の重量比率および体積比率が高く、装置全体を小型軽量化する上で誘電体レンズの小型軽量化が望まれている。誘電体レンズを薄型化・軽量化する方法として上述したゾーニング技術を利用することができる。

例えば非特許文献１には、前もって開口面分布を設計し、その後裏面側をゾーニングすることによって開口面分布をゾーニング前と略等しくする技術が示されている。図２３は、そのゾーニングした誘電体レンズの例を示している。この図において左側が１次放射器に面する側（裏面側）、右側が１次放射器とは反対面側（表面側）である。

図２６は非特許文献１の誘電体レンズの設計方法を示すフローチャートである。まず、所望の開口面分布を決定する（Ｓ１１）。計算の開始点としてレンズの中心位置を定める（Ｓ１２）。続いて電力保存則と表面（おもて面）のスネルの法則および光路長一定を表す式の解を数値計算で求める（Ｓ１３）。レンズの周端まで計算し、ゾーニングしないレンズ形状の計算を完了する（Ｓ１４）。その後、主光線に沿って適当な裏面位置で光路長を波長分変えていき、主に誘電体レンズの裏面形状を変える（ゾーニングする）（Ｓ１５）。このステップ１５の処理を誘電体レンズの全面に亙って行う（Ｓ１６→Ｓ１５→・・・・）。

また、特許文献１には、ゾーニングにより生じる屈折による損失を抑制するために、表面側を凸形状とし、裏面側をゾーニングする技術が示されている。図２４はその例を示す断面図である。誘電体レンズ１０は、誘電体部分１の裏面側（１次放射器２０に面する側）にゾーニングによる凹部２を形成している。

また、非特許文献２には１９８４年当時までに知られていた誘電体レンズのゾーニング技術が紹介されている。例えば、図２５の（Ａ）は誘電体レンズの表面側を平面とし、裏面側の凸形状をゾーニングした例である。（Ｂ）は裏面側を凸形状とし、表面側の平面をゾーニングした例である。さらに（Ｃ）は裏面側を平面とし、表面側の凸形状をゾーニングした例である。
Ｊ．Ｊ．Ｌｅｅ，″ＤｉｅｌｅｃｔｒｉｃＬｅｎｓＳｈａｐｉｎｇａｎｄＣｏｍａ−ＣｏｒｒｅｃｔｉｏｎＺｏｎｉｎｇ，ＰａｒｔＩ：Ａｎａｌｙｓｌｓ″，ＩＥＥＥＴｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓｏｎａｎｔｅｎｎａａｎｄｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｐｐ．２２１，ｖｏｌ，ＡＰ−３１，Ｎｏ．１，Ｊａｎｕａｒｙ１９８３ＲｉｃｈａｒｄＣ．ＪｏｈｎｓｏｎａｎｄＨｅｎｒｙＪａｓｉｋ，″Ａｎｔｅｎｎａｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇｈａｎｄｂｏｏｋ２ｎｄｅｄｉｔｉｏｎ″，ＭｃＧｒａｗ−Ｈｉｌｌ（１９８４）特開平９−２２３９２４号公報

アンテナ特性を向上させるためには開口面分布を最適化することが重要である。非特許文献１では、最適化したゾーニング前のレンズとゾーニング後のレンズとで開口面分布を等しくして、主としてレンズ裏側をゾーニングしているが、それでは軽量化は図れるものの、表側が凸形状のレンズでは薄型化できなかった。

また、表側が凸形状のレンズを、その表面側をゾーニングして薄型化しようとすると、従来技術では光学レンズにおけるフレネルレンズや非特許文献２の図２５の（Ｃ）に示したように単純に表側を切っていくため、ゾーニング前と後では開口面分布が変わってしまうという問題があった。

また、レンズの表側をゾーニングする場合に、光学レンズにおけるフレネルレンズのように単純に垂直に切ったり、図２５の（Ｃ）のように明確な指針がなく適当な寸法で切ったりすると回折効果により電磁界が乱れ、アンテナ特性が劣化する。

特許文献１では、主光線に沿ってレンズ形状を変更しているが、屈折による損失は防げるものの、誘電体レンズに尖った部分ができてしまうため、その部分での回折が新たに生じてしまう。

ゾーニングする位置の選び方については等間隔にしているものや、非特許文献１のようにコマ収差を除去する条件だけで選ぶことが多いが、その場合には回折効果で電磁界が乱れる影響を全く考慮していないことになる。

また、従来のゾーニングした誘電体レンズにおいては、段差面と屈折面とで切り立った谷のような凹部が生じるが、この凹部には塵埃や雨雪が付着したり溜まりやすい。特に雨雪や水分を含んだ塵埃は誘電率が高いため、それらが上記凹部に溜まると、アンテナ特性が大きく劣化するという問題が生じる。

この発明の目的は、上述の各種問題を解消して、誘電体レンズアンテナを構成した際のアンテナ特性を良好に保ち、ゾーニングによって小型化・軽量化した誘電体レンズ、塵埃や雨雪の付着による問題を解消した誘電体レンズ装置、誘電体レンズの設計方法、誘電体レンズの製造方法および誘電体レンズまたは誘電体レンズ装置を用いた送受信装置を提供することにある。

上記目的を達するために、この発明は次のように構成する。

（１）この発明の誘電体レンズの設計方法は、所望の開口面分布を決定する第１のステップと、電力保存則、誘電体レンズの１次放射器側に面する裏面のスネルの法則、および光路長一定を表す式を連立させて、誘電体レンズの焦点から誘電体レンズの裏面への主光線の方位角θに応じて誘電体レンズの１次放射器とは反対面側の面である表面と前記裏面との形状を計算する第２のステップと、誘電体レンズの表面の座標が所定の制限厚み位置に達するときに前記光路長一定を表す式における光路長を空気中の波長の整数倍だけ減じる第３のステップと、を備え、前記主光線の方位角θを初期値から変化させるとともに、第２のステップと第３のステップとを繰り返すことを特徴としている。

この誘電体レンズの設計方法によれば、誘電体レンズの表面と裏面を開口面分布を保存しながら直接計算して求めるため、所望の開口面分布を厳密に保存することができ、所望の誘電体レンズアンテナの特性を得ることができる。

なお、この発明の誘電体レンズで伝搬させるべき波は例えばミリ波帯の電磁波であるが、誘電体レンズでの屈折作用は、波長の短い電磁波である光と同様に扱えるので、この出願では、誘電体レンズの中心をその正背面方向に通る軸を「光軸」、所定方向に直進する電磁波を「主光線」、電磁波の伝搬経路を「光路」と称する。

（２）またこの発明の誘電体レンズの設計方法は、前記方位角θが終値に至るまで第２のステップと第３のステップとを繰り返した後、前記光路長を波長の整数倍だけ減じたことによって誘電体レンズの１次放射器とは反対面側の面である表面に生じた段差面が誘電体レンズの厚み方向より焦点方向寄りへ傾くように前記段差面の傾斜角を修正する第４のステップを備えたことを特徴としている。

（３）またこの発明の誘電体レンズの設計方法は、前記焦点から誘電体レンズの裏面の任意の位置に入射し屈折して誘電体レンズ内を進む電磁波の主光線に対して前記段差面が成す角度を±２０°の範囲内の角度にしたことを特徴としている。

この誘電体レンズの設計方法によれば、前記光路長を波長の整数倍だけ減じたことによって誘電体レンズ表面に生じる段差面の傾斜角を、誘電体レンズの厚み方向より焦点方向寄りへ傾くように修正したことにより、特に誘電体レンズ内を進む電磁波の主光線に対して段差面がなす角度を±２０°の範囲内にしたことにより、電磁界分布の乱れが抑えられるので回折によるサイドローブの発生が抑えられる。さらに、段差面のエッジ部分の角度がゆるくなるので製造が容易となる。

（４）またこの発明の誘電体レンズの設計方法は、前記方位角θの初期値を前記焦点から誘電体レンズの周端位置への主光線の成す角度とし、前記方位角θの終値を前記焦点から誘電体レンズの光軸への主光線の成す角度としたことを特徴としている。

この誘電体レンズの設計方法によれば、計算上の誤差の累積が小さくなり、より高精度な誘電体レンズの形状を設計できる。仮に誘電体レンズの中央から周端方向に計算を進めるとすると、レンズ中央部のように、レンズの表裏面と主光線との交わる角度が垂直に近い部分ではわずかな誤差でも累積されて、最終的に縁端部でレンズ表面と裏面との端部が一点に交わらないといった問題が生じる。また誘電体レンズの周端位置から誘電体レンズの厚みを０として計算できるので、方位角θを変化させてレンズの厚みが所定厚みになる毎に光路長を変える操作が容易にできるようになる。

（５）またこの発明の誘電体レンズの製造方法は、上述のいずれかの設計方法により誘電体レンズの形状を設計する工程と、射出成形金型を準備する工程と、前記射出成形金型に樹脂を射出し、該樹脂によって誘電体レンズを作成する工程とを有することを特徴としている。

（６）またこの発明の誘電体レンズは、主要部が光軸を回転中心とする回転対称体を成し、１次放射器側とは反対側の面である表面が、表面方向に膨らむ複数の表面側屈折面と、隣接する表面側屈折面同士の間をつなぐ段差面とからなり、該段差面が、焦点から前記１次放射器に面する裏面の任意の位置に入射してレンズ内部を進む主光線に対して±２０°の角度を成し、前記表面側屈折面を通る主光線の前記裏面における位置にゾーニングによる曲面を設けたことを特徴としている。

（７）またこの発明の誘電体レンズは、前記表面側屈折面と前記裏面のゾーニングによる曲面は、裏面のスネルの法則、光路長条件、および所望の開口面分布を与える電力保存則によって与えられる曲面であることを特徴としている。

（８）またこの発明の誘電体レンズ装置は、上記誘電体レンズと、その誘電体レンズの表面に、前記表面側屈折面と前記段差面とで形成される凹部を埋めるように形成され、前記誘電体レンズの誘電率よりも低誘電率のレドームとを備えたことを特徴としている。

このような構成により、表面側屈折面と前記段差面とで形成される凹部に塵埃や雨雪が溜まらず、アンテナ特性の劣化を防止できる。また、レドームを設けることによる特性劣化が抑えられる。

（９）また、この発明の誘電体レンズ装置は、前記レドームの比誘電率をε２、前記誘電体レンズの比誘電率をε１でそれぞれ表したとき、ε２≒√（ε１）を満たすようにしたことを特徴としている。

（１０）また、この発明の誘電体レンズ装置は、前記レドームの表面を、誘電体レンズの表面からλ／４＋ｎλ（ｎは０以上の整数、λは波長）離れた複数の曲面をつなぎ合わせた形状としたことを特徴としている。

このような構成により、誘電体レンズ装置表面の反射特性を低反射特性にすることができる。

（１１）またこの発明の送受信装置は、上述の誘電体レンズと１次放射器とを備えて構成する。

これにより、小型軽量な例えばミリ波レーダのような送受信装置を構成できる。

第１の実施形態に係る誘電体レンズの構造を示す図である。同誘電体レンズの座標系を示す図である。同誘電体レンズの設計手順を示すフローチャートである。誘電体レンズの計算開始点の違いによる計算結果の違いを示す図である。ゾーニング前後での開口面分布の変化の例を示す図である。第２の実施形態に係る誘電体レンズのゾーニングにより生じる段差面の修正例を示す図である。ゾーニングによる回折現象のシミュレーション結果を示す図である。段差面の傾斜角の変化とそれによる利得変化量との関係を示す図である。第３の実施形態に係る誘電体レンズの、与える開口面分布の違いによる形状変化の例を示す図である。いくつかの開口面分布の例を示す図である。開口面分布とアンテナの指向性との関係を示す図である。第４の実施形態に係る誘電体レンズのゾーニングの段数と誘電体レンズの形状変化との関係を示す図である。誘電体レンズの厚み制限曲線の例および誘電体レンズの分割成形例を示す図である。第６の実施形態に係る誘電体レンズの形状とアンテナの指向特性を示す図である。第７の実施形態に係る誘電体レンズの均等ゾーニングと不均等ゾーニングによるレンズ形状変化の例を示す図である。第８の実施形態に係る誘電体レンズアンテナの構成を示す図である。スキャニング可能とした誘電体レンズアンテナの構成を示す図である。第９の実施形態に係る誘電体レンズ装置の構成を示す図である。同誘電体レンズ装置のレイトトレース結果を示す図である。第１０の実施形態に係る誘電体レンズ装置の構成を示す図である。第１１の実施形態に係る誘電体レンズ装置の構成と設計方法を示す図である。第１２の実施形態に係るミリ波レーダの構成を示す図である。従来のゾーニングした誘電体レンズの構成を示す図である。従来のゾーニングした別の誘電体レンズの構成を示す図である。従来のゾーニングしたさらに別の誘電体レンズの構成を示す図である。図２３の誘電体レンズの設計手順を示すフローチャートである。

第１の実施形態に係る誘電体レンズ、その設計方法および製造方法について図１〜図５を参照して説明する。
図１の（Ａ）は誘電体レンズの外観斜視図、（Ｂ）はその光軸を含む面での断面図である。ここでｚ軸を光軸方向、ｘ軸を半径方向とし、ｚの正方向を誘電体レンズの表面方向、ｚの負方向を誘電体レンズの裏面方向としている。この誘電体レンズ１０の裏面側が１次放射器に面する側である。誘電体レンズ１０の誘電体部分１はその比誘電率が電磁波を伝搬させる周囲の媒質（空気）より大きな均一の物質からなる。誘電体レンズ１０の表面は、表面側屈折面Ｓｒと、互いに隣接する表面側屈折面Ｓｒ同士をつなぐ段差面Ｓｃとから構成している。誘電体レンズ１０の裏面Ｓｂは表面側のゾーニングに応じて表面側屈折面Ｓｒの数と同じ数の曲面をつなぎ合わせた形状を成している。なお、図１の（Ｂ）において細線はゾーニングを行わなかった場合の（ゾーニング前の）形状である。このように誘電体レンズ１０の表面側のゾーニング（表面側屈折面を段差面で順につなぎ合わせた形状とすること）によって全体に薄型化・軽量化を図ることができる。

図２は誘電体レンズの座標系を示している。この誘電体レンズの形状は幾何光学近似を用いて計算する。まず誘電体レンズはｚ軸周りに回転対称であるものとし、計算に使用する座標系を下図のようにとり、レンズ表面座標を直角座標系の（ｚ，ｘ）、レンズ裏面座標を極座標系では（ｒ，θ）、直角座標系では（ｒｃｏｓ θ，ｒｓｉｎ θ）で表す。

さらに一次放射器は原点０に置き、その指向性をＥｐ（θ）、位相特性をφ（θ）で表し、またｚ＝ｚｏにおける仮想的な開口面での開口面分布をＥｄ（ｘ）で表す。この時、表面と裏面それぞれにスネル（Ｓｎｅｌｌ）の法則が成り立つ。また一次放射器から放射される電力が開口面上で保存される条件から電力保存則が成り立たなければならない。さらに通常の誘電体レンズでは仮想的な開口面までの光路長が一定という条件が付くが、ゾーニングを行うためにこれを「光路長は波長の整数倍短くなっても構わない」という新たな条件に置き換える。

ここで表面のスネルの法則を省略して、裏面のスネルの法則および電力保存則と光路長条件を満たすようなレンズ形状を導出することで、主として表面がゾーニングでき薄型化できる。且つ電力保存則は成り立っているのでゾーニングしても開口面分布はゾーニング前と等しい。具体的に解くべき式の例は以下のように表せる。

〔裏面でのスネルの法則〕

〔電力保存則〕

〔光路長条件〕

但し上式で、ｍは整数、λは媒質（空気）中での波長、ｌｏはゾーニング前の光路長（定数）である。θは、電磁波の主光線が原点０から誘電体レンズの裏面に入射する時のその主光線と光軸との成す角度、ｒは図２に示したように原点（焦点）０から誘電体レンズの裏面の所定点までの距離、ψは誘電体レンズの裏面の所定点で屈折して誘電体レンズ内を進む電磁波の主光線の角度である。ｎは誘電体レンズの誘電体部分の屈折率である。θｍは原点０からレンズの周端とを直線で結んだ時の角度θの最大値である。Ｒｍはレンズ半径である。またｚｏは仮想的な開口面のｚ軸上の位置、ｋは波数である。

図２に示した破線は主光線の光路であり、θを定めることによってｒを求め、このθとｒとからレンズ裏面の主光線の入射位置（ｒｃｏｓ θ，ｒｓｉｎ θ）を求める。さらに誘電体レンズの裏面への主光線の入射角によってψを求め、さらにレンズ表面の座標（ｚ，ｘ）を求める。

図１に示した誘電体レンズの形状は上記の式を連立させて解いて得たものである。

一般には開口面分布が一様に近いほどビーム幅は細くなるが、サイドローブレベルが悪化する。逆に端の方で急激に落ちるような開口面分布の場合は、サイドローブレベルは低くなるがビーム幅は広くなる。与えられたスペックに応じて開口面分布を最適化することがレンズ設計上の大きな柱となる。当然、レンズをゾーニングする場合でもこの考え方は必須である。ところがゾーニング前とゾーニング後で全く開口面分布が変わってしまうようでは設計が非常に困難になる。もしゾーニング前後で開口面分布が変わらないならば、
（１）サイズ，指向性などのスペックの決定
（２）スペックを満たす開口面分布の決定
（３）ゾーニングしたレンズ設計
の３ステップで設計が終了するのに対し、開口面分布が変わってしまうならば、
（１）スペックを決定する。
（２）暫定的且つ適当な開口面分布を決定する。
（３）ゾーニングしたレンズを設計する。（開口面分布は（２）とは違ってしまう）
（４）実際のアンテナ特性の評価またはシミュレーションにより開口面分布を解析する。
（５）スペックを満たせば終了。満たさなければ（２）に戻って開口面分布を調整してやり直す。

というように、設計が何回もループを回ってしまうことになる。そのため、開口面分布を変えないようにゾーニングすることは効率的な設計を行う上で非常に重要である。

ここで注目すべき点は、表側をゾーニングして開口面分布をゾーニング前と同じにしようとすれば、表側面だけでなく裏面も必ず同心円状に変形されるということである。

フレネルレンズや非特許文献２に示されているような裏面がフラットのレンズの表側だけをゾーニングしていては開口面分布をゾーニング前と同じにすることは不可能である。

本発明によれば、表側が同心円状に大きくゾーニングされる一方、裏側もやはり同心円状に変形されて、ゾーニング後も所望の開口面分布を維持できる。

図３は上記誘電体レンズの設計方法の手順を示すフローチャートである。まず開口面分布を決定する（Ｓ１）。この開口面分布としては次のような様々な分布を採ることができる。

〔パラボリックテーパー分布〕

ｃ，ｎはこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔ＧｅｎｅｒａｌｉｚｅｄＴｈｒｅｅＰａｒａｍｅｔｅｒ分布〕

Λαはラムダ関数であり、ガンマ関数（Γ）とベッセル関数（Ｊα）を用いて次のように表される。

ここでｃ，α，βはこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔ガウス分布〕

ここでαはこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔多項式分布〕

ｃおよびａ１〜ａ５がこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔Ｔａｙｌｏｒ分布〕

Ｊ０は０次のベッセル関数、λｍは１次のベッセル関数の０点（Ｊ１（λｍ）＝０）を小さい順から並べたものであり、ｇｍは次数ｎとサイドローブレベルが与えられれば決まる定数である。

〔変形ベッセル分布〕

λ１＝３．８３１７であり、ｂ＝ａ−１である。ａがこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔ｃｏｓべき乗分布〕

ｃ，ｎがこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔Ｈｏｌｔ分布〕

ｂ，ｒ１がこの分布の形状を決めるパラメータである。

〔一様分布〕

さて、図３に戻って次にレンズの周端位置を定める（Ｓ２）。
例えば、図１に示した例では、ｘ＝−４５［ｍｍ］または＋４５［ｍｍ］が周端位置である。次に、電力保存則と裏面のスネルの法則および光路長一定を表す式を連立させて、その式の解を数値計算で求める（Ｓ３）。

この時、電力保存則を表す式を微分系で書き、それを例えば、Ｄｏｒｍａｎｄ＆Ｐｒｉｎｃｅ法によって計算することによって高精度な計算が可能となる。また、スネルの法則を表す式を極座標を用いて計算することによって、レンズ中央部で微分は０となって計算が容易となる。仮にこれを直角座標系で計算式を書き表すと、レンズ中央部で微分が発散する（傾きが無限大となる）ので、その数値計算結果の精度が非常に低下してしまう。

そして、ｚがθの変化に伴って、予め定めた上限に達した時、ｘの値を固定してｚの値を、光路上が１波長分短くなるような新たなレンズ表面の座標（ｚ，ｘ）を求める（Ｓ４→Ｓ５）。

以上の処理をθがθｍから０になるまで繰り返す（Ｓ４→Ｓ５→Ｓ６→Ｓ３→・・・・）。このようにしてレンズ表面がｚｍを超えない薄型の誘電体レンズを設計する。
なお、図３のステップＳ７については後述する。

図４は計算の開始点を異ならせた時の結果を示している。ここで、Ａは周端部から計算した場合、Ｂは中央部から計算した場合の結果である。但し、ここではレンズの周端付近の形状を比較するためにゾーニングを行っていない。このように周端部から計算を開始すると所望の大きさ（半径４５［ｍｍ］）の誘電体レンズを正しく設計できるが、中央部から計算を開始すると誘電体レンズの周端付近で誤差が大きくなり、レンズ表面側と裏面側とが所定位置に収束しないことも生じる。

図５はゾーニングの前後での開口面分布の変化を示している。ここで太線はゾーニング前、細線はゾーニング後の開口面分布である。横軸の規格化半径は誘電体レンズの半径を１としたときの値である。また開口面分布の値は最大値を１、最低値を０とした値である。このようにゾーニング後は回折の効果で若干乱れるものの、ゾーニング前と略等しい開口面分布が得られる。このように開口面分布をゾーニング前と等しくしながら主としてレンズ表面側をゾーニングすることによって薄型・軽量の誘電体レンズを得ることができる。

このようにして図１の（Ｂ）に示した誘電体レンズの表裏面の形状を設計した後、光軸を回転中心とする回転対称体を成すように樹脂の射出成形用金型を設計し作成する。その際、誘電体レンズの周端部付近を所定半径分捨てて、誘電体レンズの端部を上述の設計上の半径より短くしてもよい。また、光軸方向から見たとき円形ではなく、四方を直線状に切り落とした略正方形または略長方形状を成すようにしてもよい。さらには筐体への誘電体レンズの取り付けを容易にするために、電磁波の通過しない領域にネジ留め用の孔を有するフランジ部を設けてもよい。
レンズを構成する誘電体材料としては樹脂、セラミクス、樹脂−セラミクス複合材料、金属を周期的に並べた人工誘電体材料、フォトニック結晶、その他比誘電率が１以外の材料を用いる。

またこれらの誘電体材料を切削加工法、射出成形法、圧縮成形法、光造形法などによって加工することによって誘電体レンズを製造する。

次に、第２の実施形態に係る誘電体レンズとその設計方法について、図６〜図８を基に説明する。
図６の（Ａ）は図３のステップＳ１からステップＳ６までの処理によって設計された誘電体レンズの光軸を含む面での主要部の断面図である。上述の処理だけでは、レンズ表面の座標（ｚ，ｘ）のｚが上限値ｚｍに達したとき、光路長が１波長分減るようにｘを一定にしたままｚを減じるようにしたので、段差面Ｓｃ（Ｓｃ１〜Ｓｃ４）は光軸に平行な面となる。このような形状であると、屈折面と段差面との境界に鋭く尖った部分（谷Ｖと山Ｔ）が形成される。

そこで、次に述べるように段差面Ｓｃ（Ｓｃ１〜Ｓｃ４）の傾斜角を修正する。図６の（Ｂ）はその修正後の誘電体レンズの光軸を含む面での主要部の断面図、（Ｃ）はその部分拡大図である。ここで、表面側屈折面Ｓｒ２とＳｒ３との間の段差面Ｓｃ３に着目すると、この段差面Ｓｃ３は傾斜角修正前にはｚ軸を中心とする円筒面を成している。ｚ−ｘ平面においてこの段差面Ｓｃ３とｚ軸に平行な直線Ｌｚとの成す角度Ａｓを段差面Ｓｃ３の傾斜角とすると、段差面Ｓｃ３がこの段差面Ｓｃ３’と表面側屈折面Ｓｒ２’との境界Ｐ２３から誘電体レンズの厚み方向（ｚ軸方向）より焦点（原点０）方向寄りへ傾くように上記傾斜角Ａｓを定める。このことにより、段差面Ｓｃ３は主光線ＯＰ３の直線を含む円錐の側面（の一部）を成すことになる。

図６の（Ｂ）の段差面Ｓｃ１’，Ｓｃ２’，Ｓｃ３’，Ｓｃ４’はこのようにしてそれぞれ修正した段差面を表している。この段差面の修正に伴って表面側屈折面Ｓｒ１’，Ｓｒ２’，Ｓｒ３’，Ｓｒ４’の範囲も変化することになる。
図３のステップＳ７では上述の段差面の傾斜角度の修正処理を行う。

上述の段差面の傾斜角の修正は電磁界分布の乱れによる回折現象を抑制する点で有効である。図７は段差面が一箇所に生じる１段ゾーニングレンズについて電磁界分布をシミュレーションした結果を示している。ここで１０は誘電体レンズ、２０は１次放射器である。このように段差面とそれに隣接する正面側屈折面との境界部分に生じる内側に尖った谷部分および外部方向に突出する尖った山部分の存在により、電磁界分布が乱れて回折現象により図における右斜め下方向にサイドローブが生じている。図６の（Ｂ）に示したように段差面とそれに隣接する表面側屈折面との間に生じる谷Ｖと山Ｔの角度をそれぞれ緩くすることによって電磁界分布の乱れが抑制され、回折現象を抑制できる。

図６に示した例では原点（焦点）０から誘電体レンズの裏面の任意の位置に入射し屈折して誘電体レンズ内を進む電磁波の主光線を段差面が含むように、その段差面の傾斜角を定めたが、上記利得の向上および回折の抑制のためには段差面の傾斜角はある程度の許容幅を持つ。図８はその傾斜角の変化による利得変化について示している。図８の（Ａ）に示すように、主光線の光路ＯＰと段差面Ｓｃとの成す角度εを、段差面の傾斜角の修正が足りない状態を＋、過剰に傾斜させた状態を−で表し、この角度εを変化させた時の利得変化量を図８の（Ｃ）に示している。ここで利得変化量はε＝０の時を０としている。この結果から明らかなように、一般に誘電体レンズの利得変化の許容値は１０％程度であるので、段差面Ｓｃの傾斜角ε＝±２０の範囲内であれば良好な利得特性が得られる。

次に、第３の実施形態に係る誘電体レンズとその設計方法について図９〜図１１を参照して説明する。
この第３の実施形態では、開口面分布を変化させた時の誘電体レンズの形状の変化の例を示している。図１０は３種類の開口面分布の例を示している。また図９の（Ａ）〜（Ｃ）は図１０の３つの開口面分布を与えて設計した誘電体レンズの形状を示している。図１０中のＡ，Ｂ，Ｃは図９の（Ａ），（Ｂ），（Ｃ）にそれぞれ対応している。図１０の開口面分布はいずれも（４）式に示したパラボリックテーパ分布であり、パラメータｃ，ｎを変化させている。図９に示した例はいずれも段差面が４箇所に生じる４段ゾーニングの例であり、誘電体レンズの表面側が凸形状に近い程開口面分布は一様に近く、逆に裏面側が凸形状に近い程開口面分布は中心部から周端部へ向かうにつれ急激に落ちる形状となる。

図１１は開口面分布の変化に伴うアンテナの指向性の変化の例を示している。
このように開口面分布がａのように一様分布に近いとメインローブの幅は狭くなるが、サイドローブが全体に大きく現れる。ｃのように開口面分布が中央部から周端部にかけて急激に減衰する形状であればメインローブの幅が広くなるがサイドローブは抑えられる。また、ｂのようにａとｃの中間的な特性であれば、メインローブおよびサイドローブの現れ方もａとｃの中間的な特性を示すことがわかる。このような所望のアンテナの指向性が得られるように開口面分布のパターンを定める。

図１２は第４の実施形態に係る誘電体レンズの形状と設計方法について示している。図１２の（Ａ）〜（Ｆ）は誘電体レンズの表面側の制限厚み位置（図２に示したｚｍ）を変化させた時の結果について示している。（Ａ）はｚｍ＝４０［ｍｍ］、（Ｂ）はｚｍ＝３５［ｍｍ］、（Ｃ）はｚｍ＝３０［ｍｍ］、（Ｄ）はｚｍ＝２５、（Ｅ）はｚｍ＝２３、（Ｆ）はｚｍ＝２１にそれぞれ定めた時の結果である。（Ａ）ではゾーニングされていない。（Ｂ）では１段ゾーニング、（Ｃ）は２段ゾーニング、（Ｄ）は４段ゾーニング、（Ｅ）は５段ゾーニング、（Ｆ）は６段ゾーニングとなっている。このようにゾーニングの段数が増える程誘電体レンズを薄型化できる。

またゾーニングの段数が増すにつれて、誘電体レンズの裏面側の各点の位置がｚ軸の正方向（誘電体レンズの表面方向）に移動するので誘電体レンズの体積を削減でき、その分さらに軽量化を図ることができる。

図１３は第５の実施形態に係る誘電体レンズの設計方法および製造方法について示している。上述の各実施形態で示した誘電体レンズを成形により製造する際、必ずしも一体成形する必要はなく、各部を個別に成形し、その後にそれらを接合するようにしてもよい。図１３において、破線は分割面を示している。例えば図１３の（Ａ）に示すように、誘電体レンズを裏面側と表面側とに２分割してもよい。また、（Ｂ）に示すようにゾーニングにより生じる誘電体レンズの表面側の突出部を残る本体部分とは分けて成形してもよい。さらに（Ｃ）に示すように、ゾーニングにより生じる誘電体レンズの表面側屈折面と段差面とにより生じる谷部分で分割成形し、それらを組み合わせるようにしてもよい。

図１４は第６の実施形態に係る誘電体レンズの形状、設計方法および指向性の例を示している。図１４の（Ａ）は誘電体レンズの光軸を含む平面での断面図である。以上に示した各実施形態では誘電体レンズ表面の座標が所定の制限厚み位置に達するか否かの判定を行う際に、その位置をｚ＝ｚｍの直線で規定したが、これは任意の曲線で定めることができる。図１４に示した例は、ｘ−ｚ平面で曲線を成す厚み制限曲線ＴＲＬを定め、誘電体レンズ表面の座標がこの厚み制限曲線ＴＲＬに達した時に光路長一定を表す式における光路長を誘電体レンズ中の波長の１波長分減じるようにした結果である。このようにして厚み制限曲線ＴＲＬを定めることによって、誘電体レンズ表面の概略形状を厚み制限曲線ＴＲＬの回転面に合わせることができる。一般にレンズ中央部でｚが大きく周端部にかけてｚが小さくなるように厚み制限曲線ＴＲＬを定めることによって、ゾーニングによる誘電体レンズの中央部から周端部にかけての肉厚の変化が小さくなり機械的強度が向上する。また金型による設計が容易となる。また、ＴＲＬをうまく定めることによって、誘電体レンズの裏面が円弧形状に近づけば、コマ収差を少なくすることができる。

この例では誘電体レンズの裏面側の周端位置（計算開始位置）の座標（ｘ，ｚ）を（４５，０）とし、表面側の周端位置（計算開始位置）の座標（ｘ，ｚ）を（４５，２）としている。

図１４の（Ｂ）は誘電体レンズの光軸の方位を０とする方位角方向の指向性を示している。ここでは１次放射器はｃｏｓ^３．２θの形で表される放射パターンとしている。このようにメインローブと最大のサイドローブとのレベル差が２０ｄＢ以上で且つ−３ｄＢ減衰するビーム幅を２．８°という鋭い指向性を有する誘電体レンズアンテナ特性が得られる。

図１５は第７の実施形態に係る誘電体レンズとその設計方法について示す図である。これまでに示した各実施形態では、誘電体レンズ表面の座標が所定の制限厚み位置に達したときに光路長一定を表す式における光路長を誘電体レンズ中の波長の１波長分だけ減じるようにしたが、２波長分や３波長分などの整数倍だけ減じるようにしてもよい。図１５の（Ａ）に示す例は、制限厚み位置ｚｍ＝１９として全域に亙って光路長を１波長分ずつ減じるようにして設計した結果である。（Ｂ）は、ｘ＝４５〜２５の周辺部と、ｘ＝１５〜０［ｍｍ］の中央部とで、光路長を減じる際に波長の２波長ずつ減じ、それ以外のｘ＝１５〜２５の範囲で１波長ずつ減じた結果である。

一般に、アンテナ特性に最も寄与するのは開口面分布の中央部と周辺部である。図１５の（Ｂ）に示したような不均一なゾーニングを行えば、誘電体レンズの中央部と周辺部で段差面の数が減るので回折現象が抑えられ、より所望のアンテナ特性を得やすくなる。

図１５の（Ｃ）は（Ｂ）に示した形状の誘電体レンズを用いたアンテナの指向性を示している。図１４の（Ｂ）と比べて明らかなように、ビーム幅は２．６°にまで狭まり、且つ指向性も図１４の（Ｂ）では回折現象のために第１サイドローブ（メインローブ直近のサイドローブ）よりも第２サイドローブ（第１サイドローブの外側に隣接するサイドローブ）が大きくなって指向性が若干乱れていたが、この図１５の（Ｃ）の例では、回折現象が抑制されて第１・第２・第３のサイドローブがきれいに現れていて、回折が抑えられていることがわかる。

なお、図１４と図１５に示したいずれの誘電体レンズも、その誘電体として比誘電率３の樹脂材料を用い、直径９０［ｍｍ］、焦点距離２７［ｍｍ］とし、開口面分布をパラボリックテーパ分布とし、７６〜７７ＧＨｚ帯に対応させている。

次に、第８の実施形態に係る誘電体レンズアンテナの構成を図１６・図１７を参照して説明する。
図１６の（Ｂ）は誘電体レンズアンテナの光軸を含む平面での断面図、（Ａ）はその誘電体レンズアンテナで用いる１次放射器の斜視図である。ここでは、矩形ホーンアンテナを１次放射器とし、誘電体レンズアンテナ１０の略焦点位置に１次放射器２０を配置することによって最も鋭い指向性を光軸方向に得ることができる。

上記１次放射器としては、その他に円形ホーン、誘電体ロッド、パッチアンテナ、スロットアンテナなどを用いることができる。

図１７は送受信ビームをスキャニングできるようにした誘電体レンズアンテナの構成を示している。（Ａ）〜（Ｄ）のいずれも、１次放射器２０を誘電体レンズに対して相対的に移動させることによって、この１次放射器２０と誘電体レンズ１０との位置関係により定まる送受波ビームＯＢの方位を偏向させる。（Ａ）の例では、１次放射器２０を光軸ＯＡに垂直な面で且つ焦点位置付近を通る面上を誘電体レンズに対して相対的に移動することによって送受波ビームＯＢをスキャニングする。（Ｂ）の例では、光軸ＯＡに垂直で且つ焦点位置付近を通る面内に複数の１次放射器２０を配置しておき、これらを電子スイッチで切り替えることによって送受波ビームＯＢをスキャニングする。（Ｃ）の例では、誘電体レンズ１０の焦点位置付近で１次放射器２０を機械的に回転運動させることによって送受波ビームＯＢをスキャニングする。（Ｄ）の例では、誘電体レンズ１０の焦点位置付近に複数の１次放射器２０を所定の曲面または曲線上に配置しておき、それらを電子スイッチで切り替えることによって送受波ビームＯＢをスキャニングする。

以上に示した各誘電体レンズでは、段差面と屈折面とで切り立った谷のような凹部が生じるが、この凹部には塵埃や雨雪が付着したり溜まりやすい。以降の第９〜第１１の実施形態では、この塵埃や雨雪の付着を防止した構造の誘電体レンズ装置について示す。

図１８・図１９は第９の実施形態に係る誘電体レンズ装置の構成を示す図である。図１８の（Ａ）は誘電体レンズ１０と、その表面側に設けるレドーム１１とを分離した状態での外観図である。また、（Ｂ）は誘電体レンズとレドームを組み合わせる直前の断面図、（Ｃ）はその両者を組み合わせてなる誘電体レンズ装置１２の断面図である。

誘電体レンズ１０は、第１〜第８の実施形態で示したいずれかのゾーニングレンズであって、７６ＧＨｚ帯の車載用レーダ用アンテナとして用いる。具体的には、直径９０ｍｍ、焦点距離２７ｍｍであって、比誘電率３．１の樹脂材料を成型したものである。

図１８に示すように、レドーム１１は、誘電体レンズ１０の表面側の凹凸を無くすように、すなわち凹部を埋めるとともに、誘電体レンズの表面側を平面とする形状を備えている。

このレドーム１１は比誘電率１．１の発泡材（発泡性の樹脂材）で構成している。すなわち、誘電体レンズ１０の表面側に上記発砲材を注型するための型を設け、その型内に発泡材を注入することによって、このレドーム１１を設けている。

なお、レドーム１１は誘電体レンズ１０とは別に成型してもよい。その場合には、誘電体レンズ１０とレドーム１１とを低誘電率の接着剤で接着することによって、両者間のわずかな隙間を接着剤で埋める。または接着剤などは用いないで、誘電体レンズとレドームを密着させるだけでもよい。

この構造により、誘電体レンズ１０の凹部に塵埃や雨雪が付着することがなく、誘電体レンズアンテナ１２を構成したときのアンテナ特性の劣化要因を排除できる。

図１９は、上記レドーム１１を設けた場合と設けない場合とについて、焦点から誘電体レンズ１０の表面方向へ出て行く光（電波）の光線をレイトレース法により求めた結果である。

レドーム１１の比誘電率（１．１）は周囲の空気の比誘電率（１．０）に略等しいので、誘電体レンズ１０の表面側屈折面とレドーム１１との界面での屈折に殆ど悪影響を与えない。そのため、図１９の（Ｂ）に示したように、誘電体レンズ１０とレドーム１１からなる誘電体レンズ装置１２の光線の乱れは殆どなく、誘電体レンズ装置１２から出て行く光は、誘電体レンズ１０単体の場合と殆ど同様の平行光となる。

その結果、レドーム１１を設けないで構成した誘電体レンズアンテナのアンテナ利得が３４ｄＢｉであるのに対し、レドーム１１を設けた誘電体レンズ装置１２で構成した誘電体レンズアンテナのアンテナ利得は３３ｄＢｉとなった。このことからアンテナ利得の低下は殆ど問題とならないレベルであることがわかる。

なお、誘電体レンズ１０の表面側の外部の媒質の比誘電率をレドーム１１の比誘電率にして、［数１］〜［数３］の連立方程式を解いて誘電体レンズの形状を設計してもよい。このことにより、レドーム１１内を通過する光は平行光となる。そして、図１８・図１９に示したように、レドーム１１の表面側を平面とすることにより、このレドーム１１の表面と空気との界面には平行光が通過するので、このレドーム１１と空気との界面では、指向性を変化させるような屈折は生じない。このことによって、レドーム１１を付加したことによって誘電体レンズアンテナ特性のアンテナ利得が低下する、といった問題が生じない。

図２０は第１０の実施形態に係る誘電体レンズ装置の断面図である。この例では、誘電体レンズ１０の表面側の凹部にのみレドーム１１を設けている。具体的には、比誘電率１．１の発砲材で誘電体レンズ１０の凹部を埋めることによって、その発砲材でレドーム１１を構成している。

レドーム１１の比誘電率は誘電体レンズ１０の比誘電率より充分に小さく且つ空気の比誘電率に近いため、誘電体レンズ１０およびレドーム１１から表面側へ通過する光は略平行光のままとなる。そのため、レドーム１１を設けたことにより、誘電体レンズアンテナのアンテナ利得が低下するといった問題は生じない。

このような構成であれば、誘電体レンズ１０の表面を覆うレドームの体積が最小限となるので、光線の乱れがさらに少なくなり、誘電体レンズアンテナの特性劣化がさらに抑えられる。また、誘電体レンズ装置１２全体を薄くできる。

図２１の（Ａ）は第１１の実施形態に係る誘電体レンズ装置の構成を示す図である。（Ｂ）はそのレドーム１１の表面形状の設計過程を示している。

ここで、ｎを０以上の整数、λをレドーム１１内での波長としたとき、レドーム１１の表面が誘電体レンズ１０の表面からλ／４＋ｎλだけ離れるように、レドーム１１の表面形状を定める。

（Ｂ）に示した、誘電体レンズ１０の表面に沿って描いた複数のラインは、レドーム１１の採りうる表面位置を示している。誘電体レンズ１０のゾーニングを行っていない部分の表面側屈折面Ｓｒ０に近接する部分は、その表面からλ／４だけ離れた位置をレドーム１１の表面とする。誘電体レンズ１０のうちゾーニングを行った部分の表面側屈折面Ｓｒ１、Ｓｒ２については、誘電体レンズ１０の表面からλ／４＋ｎλだけ離れ、且つレドーム１１表面になるべく段差が生じないようにｎを定める。この図２１の（Ａ）の例では、表面側屈折面Ｓｒ１に近接する部分はλ／４＋２λ（＝９λ／４）とし、表面側屈折面Ｓｒ２に近接する部分はλ／４＋４λ（＝１７λ／４）としている。そして、不連続部分を円錐面（断面では直線）または曲面（断面では曲線）でつなぐ。

このようにレドームの各部の厚みを設計することによって、誘電体レンズ１０表面での反射とレドーム１１表面での反射とがレドーム表面で逆位相で合成され、反射光が相殺される。その結果、誘電体レンズ装置１２の表面での反射が低く抑えられる。

また、誘電体レンズ１０の比誘電率をε１、レドーム１１の比誘電率をε２で表したとき、ε２＝√（ε１）の関係となるように、レドーム１１の比誘電率を選定する。例えば、誘電体レンズ１０の比誘電率ε１が３．１であるとき、ε２＝√（３．１）≒１．７６であるので、比誘電率が約１．７６の樹脂材でレドーム１１を構成する。

このことによって、誘電体レンズ１０表面での反射光の強度とレドーム１１表面での反射光の強度とが一致するので上記相殺効果が最も高まり、最も低反射特性が得られる。

なお、図２１に示したように段差が極力生じないようにレドームの表面形状を設計した場合、折角ゾーニングによって誘電体レンズを薄型にしても、誘電体レンズ装置全体の厚み寸法が再び増す傾向となる。しかし、ゾーニングを行わない単体の誘電体レンズを用いた場合に比べて上述したとおり低反射特性が得られる。また、レドーム１１の比誘電率は誘電体レンズ１０より低誘電率であって低比重であるので、全体の軽量化が図れる。

図２２は第１２の実施形態に係るミリ波レーダの構成を示すブロック図である。図２２において、ＶＣＯ５１は、ガンダイオードまたはＦＥＴとバラクタダイオード等を用いた電圧制御発振器であり、発振信号を送信信号Ｔｘで変調し、その変調信号（送信信号）をＮＲＤガイドを経由してＬｏ分岐カプラ５２へ与える。Ｌｏ分岐カプラ５２は、送信信号の一部をローカル信号として取り出すＮＲＤガイドからなるカプラであり、このＬｏ分岐カプラ５２とターミネーション５６とによって方向性結合器を構成している。サーキュレータ５３は、ＮＲＤガイドサーキュレータであり、送信信号を誘電体レンズアンテナの１次放射器２０へ与え、また１次放射器２０からの受信信号をミキサー５４へ伝送する。１次放射器２０と誘電体レンズ１０とによって誘電体レンズアンテナを構成している。ミキサ５４はサーキュレータ５３からの受信信号と上記ローカル信号とを混合して中間周波の受信信号を出力する。ＬＮＡ５５はミキサ５４からの受信信号を低雑音増幅して受信信号Ｒｘとして出力する。図外の信号処理回路は、１次放射器移動機構２１を制御するとともにＶＣＯの変調信号ＴｘとＲｘ信号との関係から、物標までの距離および相対速度を検知する。なお、伝送線路としては上記ＮＲＤガイド以外に導波管やＭＳＬを用いてもよい。

この発明は、マイクロ波帯やミリ波帯の電波を送受信する誘電体レンズアンテナに適用できるものである。

Claims

誘電体レンズの設計方法であって、
所望の開口面分布を決定する第１のステップと、
電力保存則、誘電体レンズの１次放射器側に面する裏面のスネルの法則、および光路長一定を表す式を連立させて、誘電体レンズの焦点から誘電体レンズの裏面への主光線の方位角θに応じて誘電体レンズの１次放射器とは反対面側の面である表面と前記裏面との形状を計算する第２のステップと、
誘電体レンズの表面の座標が所定の制限厚み位置に達するときに前記光路長一定を表す式における光路長を空気中の波長の整数倍だけ減じる第３のステップと、を備え、
前記主光線の方位角θを初期値から変化させるとともに、第２のステップと第３のステップとを繰り返すことを特徴とする誘電体レンズの設計方法。
前記方位角θが終値に至るまで第２のステップと第３のステップとを繰り返した後、前記光路長を波長の整数倍だけ減じたことによって誘電体レンズの１次放射器とは反対面側の面である表面に生じた段差面が誘電体レンズの厚み方向より焦点方向寄りへ傾くように前記段差面の傾斜角を修正する第４のステップを備えた請求項１に記載の誘電体レンズの設計方法。
前記焦点から誘電体レンズの裏面の任意の位置に入射し屈折して誘電体レンズ内を進む電磁波の主光線に対して前記段差面が成す角度を±２０°の範囲内の角度にしたことを特徴とする請求項２に記載の誘電体レンズの設計方法。
前記方位角θの初期値を前記焦点から誘電体レンズの周端位置への主光線の成す角度とし、前記方位角θの終値を前記焦点から誘電体レンズの光軸への主光線の成す角度としたことを特徴とする、請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体レンズの設計方法。
請求項１〜３のいずれかに記載の誘電体レンズの設計方法によって誘電体レンズの形状を設計する工程と、射出成形金型を準備する工程と、前記射出成形金型に樹脂を射出し、該樹脂によって誘電体レンズを作成する工程と、を有することを特徴とする誘電体レンズの製造方法。
主要部が光軸を回転中心とする回転対称体を成し、１次放射器側とは反対側の面である表面が、表面方向に膨らむ複数の表面側屈折面と、隣接する表面側屈折面同士の間をつなぐ段差面とからなり、該段差面が、焦点から前記１次放射器に面する裏面の任意の位置に入射してレンズ内部を進む主光線に対して±２０°の角度を成し、前記表面側屈折面を通る主光線の前記裏面における位置にゾーニングによる曲面を設けたことを特徴とする誘電体レンズ。
前記表面側屈折面と前記裏面のゾーニングによる曲面は、裏面のスネルの法則、光路長条件、および所望の開口面分布を与える電力保存則によって与えられる曲面であることを特徴とする、請求項６に記載の誘電体レンズ。
請求項６または７に記載の誘電体レンズと、
該誘電体レンズの表面に、前記表面側屈折面と前記段差面とで形成される凹部を埋めるように形成され、前記誘電体レンズの誘電率よりも低誘電率のレドームとを備えたことを特徴とする誘電体レンズ装置。
前記レドームの比誘電率をε２、前記誘電体レンズの比誘電率をε１でそれぞれ表したとき、ε２≒√（ε１）を満たすことを特徴とする請求項８に記載の誘電体レンズ装置。
前記レドームの表面は、前記誘電体レンズの表面からλ／４＋ｎλ（ｎは０以上の整数、λは波長）離れた複数の曲面をつなぎ合わせた形状としたことを特徴とする請求項８または９に記載の誘電体レンズ装置。
請求項６もしくは７に記載の誘電体レンズまたは請求項８〜１０のいすれかに記載の誘電体レンズ装置と、１次放射器とを備えた送受信装置。