電波レンズ
【課題】電波レンズアンテナを小型化することが可能な、焦点距離の短い電波レンズを提供する。
【解決手段】ハイブリッドレンズアンテナ２を構成する電波レンズ１は、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板１０から構成されている。金属平板１０は、波源Ｏ１より放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置される。また、隣接する金属平板１０で挟まれた部分（狭間部分）には誘電体２０が配置される。誘電体２０が配置される位置に応じて、誘電体の厚さを調整する。これにより、狭間部分を通過する電波の速度を制御し、電波レンズ１から出射する電波の位相を揃え、平面波を出射させる。また誘電体２０を配置することによって、電波の速度を制御できるので、波源Ｏ１と電波レンズ１との間の距離の短いハイブリッドレンズアンテナ２を作製することが可能となる。
【解決手段】ハイブリッドレンズアンテナ２を構成する電波レンズ１は、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板１０から構成されている。金属平板１０は、波源Ｏ１より放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置される。また、隣接する金属平板１０で挟まれた部分（狭間部分）には誘電体２０が配置される。誘電体２０が配置される位置に応じて、誘電体の厚さを調整する。これにより、狭間部分を通過する電波の速度を制御し、電波レンズ１から出射する電波の位相を揃え、平面波を出射させる。また誘電体２０を配置することによって、電波の速度を制御できるので、波源Ｏ１と電波レンズ１との間の距離の短いハイブリッドレンズアンテナ２を作製することが可能となる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行に配置される複数の金属平板と、隣接する金属平板間に配置される誘電体とから構成される電波レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体検知用センサとして電波センサが注目されている。特にマイクロ波帯を使用する電波センサを使用した場合、熱線センサや赤外線センサと比較して、機能性や設置容易性等で優位である。従ってその利用が期待されている。
【０００３】
マイクロ波帯電波センサは、熱線センサや赤外線センサのように検知エリアを容易に調整、変更することが難しい。通常、検知エリアを変更する為には、アンテナそのものを指向性の異なるものに交換しなければならない。このような中、電波の指向性を比較的容易に変更させる方法として、例えば、多数の金属平板を等間隔に並べたメタルレンズを用いたメタルレンズアンテナを使用する方法が挙げられる（特許文献１参照）。メタルレンズを用いた場合、誘電体レンズを用いた場合と比較して、軽量で安価にアンテナを構成可能であるという利点を有している。
【０００４】
メタルレンズ４１を用いたメタルレンズアンテナ４２の物理的構成及び動作原理の概要について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は、メタルレンズアンテナ４２の物理的構成を示す斜視図である。図１３は、メタルレンズアンテナ４２のＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。なお、図１３における紙面上側をメタルレンズ４１の上側、紙面下側をメタルレンズ４１の下側、紙面右方向を電波の伝搬方向と定義する。
【０００５】
メタルレンズアンテナ４２の物理的構成について説明する。図１２に示すように、メタルレンズアンテナ４２は、波源Ｏ２、及び、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板５０（上から順に、金属平板５１、５２、・・・５７、５８）からなるメタルレンズ４１から構成される。金属平板５０は、波源Ｏ２から所定間隔離れた場所に、波源Ｏ２から放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置され、支持枠４３によって支持されている。
【０００６】
金属平板５１〜５８における波源Ｏ２に近接する側（以下「入射側」という。）の端部が、波源Ｏ２を焦点とする回転楕円面上に配置されるように、金属平板５０の形状が調整されている。また、金属平板５１〜５８における入射側と反対側（以下「出射側」という。）の端部が、電波の伝搬方向に直交する面上に配置されるように、金属平板５０の形状が調整されている。従って、金属平板５０のＢ−Ｂ線における断面では、図１３に示すように、金属平板５１及び金属平板５８における伝搬方向の長さが最も長く、以下順に、金属平板５２及び金属平板５７、金属平板５３及び金属平板５６、金属平板５４及び金属平板５５の順で、伝搬方向の長さが短くなっている。また図１３に示すように、金属平板５１と金属平板５８、金属平板５２と金属平板５７金属平板５３と金属平板５６、及び、金属平板５４と金属平板５５は、其々、伝搬方向の長さが同一となっている。
【０００７】
メタルレンズアンテナ４２における電波の伝搬の様子について概説する。波源Ｏ２より放射される電波（球面波）は、メタルレンズ４１における金属平板５０の入射側から、隣接する金属平板５０で挟まれる空間部分（以下「狭間部分」という。）に入射する。メタルレンズ４１に入射した電波は、狭間部分を通過し、金属平板５０の出射側より出射する。ここで、金属平板５０間の間隔、及び、金属平板５０における電波の伝搬方向の長さを其々調節することによって、金属平板５０の出射側における電波の位相を揃え、メタルレンズ４１より出射される電波を平面波とする。これによって、波源Ｏ２より放射される電波の指向性をメタルレンズ４１によって変化させている。
【０００８】
図１３を参照し、メタルレンズアンテナ４２の動作原理について詳説する。図１３には、メタルレンズアンテナ４２を構成するメタルレンズ４１の金属平板５１〜５８、及び波源Ｏ２が示されている。また、金属平板５４と金属平板５５との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分６０が示されている。この線分６０の左端には、ちょうど波源Ｏ２が配置されている。また、金属平板５２と金属平板５３との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分６２が示されている。また、金属平板５０の入射側を結ぶ回転楕円面のＢ−Ｂ線（図１２参照）における断面を示す点線分６５が示されている。また、金属平板５０の出射側を結ぶ平面のＢ−Ｂ線（図１２参照）における断面を示す点線分６６が示されている。
【０００９】
また、線分６５と線分６２との交点Ｐ１、線分６５と線分６０との交点Ｑ２が其々示されている。また、Ｐ１を通り伝搬方向に直交する線分６３、Ｑ２を通り伝搬方向に直交する線分６４が其々示されている。また、線分６３と線分６０との交点Ｑ１、線分６４と線分６２との交点Ｐ２、線分６６と線分６２との交点Ｐ３、線分６６と線分６０との交点Ｑ３、Ｏ２Ｐ１を結ぶ線分６１が其々示されている。
【００１０】
また、Ｏ２Ｐ１間の長さｒ、Ｏ２Ｑ２間の長さｌ、Ｐ２Ｐ３間（Ｑ２Ｑ３間）の長さｘ、金属平板５０間の距離ｂが其々示されている。また、線分６０と線分６１とのなす角がθ２にて示されている。なお、Ｏ２Ｑ１の長さはｒ×ｃｏｓθ２に相当する。Ｐ１Ｑ１の長さはｒ×ｓｉｎθ２に相当する。ｌはメタルレンズ４１の焦点距離に相当する。
【００１１】
メタルレンズ４１では、図１２及び図１３で示すように、金属平板５０間の距離ｂは、波源Ｏ２より出力される電波の波長（λ０）に対し、λ０＞ｂ＞（λ０／２）を満たすように設定される。この状態で、金属平板５０と偏波面が並行な電波を波源Ｏ２からメタルレンズ４１に対して放射する。すると、狭間部分を通過する電波は、方形導波管のＴＥ１０モードと同じになり、その位相速度（ｖ）は真空の速度（ｖ０）より速くなり、（１）式にて与えられる。メタルレンズ４１では、この位相速度の変化を利用して、メタルレンズ４１より出射される電波の位相を揃え、平面波を出射させる。
【数１】
【００１２】
波源Ｏ２から放射された電波が、経路Ｏ２Ｑ１Ｑ２Ｑ３、及び、経路Ｏ２Ｐ１Ｐ２Ｐ３をそれぞれ通り、同時刻に点Ｑ３及び点Ｐ３に到達する（すなわち、メタルレンズ４１より出射する電波の位相が揃う）条件は、（２）式にて表わされる。なお、金属平板５０にて挟まれた狭間部分を電波が通過する場合の周波数をλｇにて表わしている。
【数２】
【００１３】
なお、λｇは（３）式にて表わされる（非特許文献１参照）。
【数３】
【００１４】
ｌ及びｒが（２）式を満たす場合、メタルレンズ４１の出射側より出射する電波は平面波となる。ここで、経路Ｑ２Ｑ３と経路Ｐ２Ｐ３とは同一の伝搬条件であるので、（２）式におけるこれらの項を両辺から消去する。結果、経路Ｏ２Ｑ１Ｑ２及び経路Ｏ２Ｐ１Ｐ２をそれぞれ経由し、同時刻にＱ２及びＰ２に到達する（すなわち、メタルレンズ４１より出射する電波の位相が揃う）条件は、（４）式のように表わされる。
【数４】
【００１５】
また、（４）式を変形すると、ｒはｌを用いて次式にて表わされる。
【数５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−１６６３９９号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】John D. Kraus, RonaＬd J. Marhefka, "Antennas for AＬＬ AppＬications 3rd ed.", McGRAW-HIＬＬ, 2003, Chap. 17.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
メタルレンズアンテナ４２を小型化する場合には、メタルレンズ４１における上述の（５）式の関係を満たしつつ、焦点距離ｌの値を小さくして電波の伝搬方向の長さを小さくする必要がある。しかしながら、ｌを小さくすると、必然的にθ２の値が大きく（ｃｏｓθ２の値が小さく）なってしまうため、実質上、とりうるｌ及びｒには限界がある。従って、短い焦点距離ｌを有するメタルレンズ４１を作製することができず、アンテナ全体を小型化できないという問題点があった。
【００１９】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、アンテナ全体を小型化することが可能な、焦点距離の短い電波レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の問題点を解決するために、請求項１に係る発明の電波レンズは、電波の伝搬方向に平行に配置される平板状の導体である導体平板であって、所定間隔を空けて積層配置される複数の導体平板と、隣接する前記導体平板の間に挟まれた部分である狭間部分に配置される誘電体とを備えた電波レンズであって、前記導体平板における前記電波の放射源と近接する側である入射側の端部が、前記放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置され、前記導体平板における入射側と反対側の端部である出射側の端部が、前記電波の伝搬方向と直交する面上に配置されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項２に係る発明の電波レンズは、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記誘電体は、配置される場所毎に異なる前記電波の伝搬方向の厚さを有しており、前記誘電体と前記放射源との間の距離が小さい程、前記厚さが大きいことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項３に係る発明の電波レンズは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、前記誘電体は、フッ素樹脂であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に係る発明の電波レンズでは、電波レンズは、積層配置する複数の導体平板と、隣接する導体平板にて挟まれる部分である狭間部分に配置される誘電体とから構成される。導体平板における入射側の端部は、放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置される。導体平板における出射側の端部は、電波の伝搬方向と直交する面上に配置される。誘電体を電波の伝搬経路に配置し、誘電体内を通過する電波は速度が遅延するという現象を利用することによって、放射源をより電波レンズに近づけて配置させることが可能となる。これによって、電波レンズを用いた電波レンズアンテナを小型化することが可能となる。
【００２４】
また、請求項２に係る発明の電波レンズでは、請求項１に記載の発明の効果に加えて、誘電体が配置される場所と放射源との間の距離が小さい程、誘電体の厚さを大きくする。これによって、電波レンズを構成する導体平板の出射側より出射させる電波の位相を揃えることが可能となる。従って、電波レンズに入射した球面波を平面波に変換し、出射させることが可能となるので、放射源より放射される電波の指向性を変化させる（強く）することが可能となる。
【００２５】
また、請求項３に係る発明の電波レンズでは、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、誘電体としてフッ素樹脂が使用される。フッ素樹脂は、誘電正接（tanδ）の値が非常に小さいため、誘電体としてフッ素樹脂を使用することによって、他の樹脂と比較してレンズ内を透過する際の電波の損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成を示す斜視図である。
【図２】電波レンズ１の正面図である。
【図３】ハイブリッドレンズアンテナ２のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。
【図４】実験時における測定系を示す写真である。
【図５】実験時における測定系を示す写真である。
【図６】ハイブリッドレンズアンテナ２の指向性を測定した結果を示す図である。
【図７】メタルレンズアンテナ４２を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】電波レンズ１（Ｌ＝０．０７ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】電波レンズ１（Ｌ＝０．０６４ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】電波レンズ１（Ｌ＝０．０６ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】電波レンズ１（Ｌ＝０．０５５ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】メタルレンズアンテナ４２の物理的構成を示す斜視図である。
【図１３】メタルレンズアンテナ４２のＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態における電波レンズ１について、図面を参照して説明する。なおこれらの図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されている装置の構成などは、特に特定的な記載がない限り、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２８】
本実施の形態の電波レンズ１、及び電波レンズ１を用いた電波レンズアンテナ（以下「ハイブリッドレンズアンテナ」という。）２の物理的構成及び動作原理の概要について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成を示す斜視図である。図２は、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た正面図である。図３は、ハイブリッドレンズアンテナ２のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。なお、図２における紙面右側を電波レンズ１の右側、紙面左側を電波レンズ１の左側と定義する。また、図３における紙面上側を電波レンズ１の上側、紙面下側を電波レンズ１の下側、紙面右方向を電波の伝搬方向と定義する。
【００２９】
ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成について説明する。図１に示すように、ハイブリッドレンズアンテナ２は、波源Ｏ１、及び、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板１０（上から順に、金属平板１１、１２、・・・１７、１８）からなる電波レンズ１から構成される。金属平板１０は、波源Ｏ１から所定間隔離れた場所に、波源Ｏ１から放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置されている。金属平板１０は支持枠３によって支持されている。
【００３０】
なお本実施の形態では、金属平板１０は支持枠３によって支持される構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。従って例えば、板状の発砲スチロールを金属平板１０（金属平板１１〜１８）にて順次挟み込むことによって、金属平板１０を積層状態に保持する構成であってもよい。このように、誘電率が真空（空気）と同等である発砲スチロールを金属平板１０間の狭間部分に配置させることによって、電波レンズ１を、金属平板１０の間を真空とした場合と同様の物理特性とすることが可能となる。
【００３１】
電波レンズ１は、図１２におけるメタルレンズ４１と同様、金属平板１１〜１８における波源Ｏ１に近接する側である入射側の端部が、波源Ｏ１を焦点とする回転楕円面上に配置されるように、金属平板１０の形状が調整されている。また金属平板１１〜１８における入射側と反対側である出射側の端部が、電波の伝搬方向に直交する面上に配置されるように、金属平板１０の形状が調整されている。従って、金属平板１０のＡ−Ａ線における断面では、図３に示すように、金属平板１１及び金属平板１８における伝搬方向の長さが最も長く、以下順に、金属平板１２及び金属平板１７、金属平板１３及び金属平板１６、金属平板１４及び金属平板１５の順で、伝搬方向の長さが短くなっている。また図３に示すように、金属平板１１と金属平板１８、金属平板１２と金属平板１７金属平板１３と金属平板１６、及び、金属平板１４と金属平板１５は、其々、伝搬方向の長さが同一となっている。金属平板５０の材料としては特段限定されず、様々な金属材料が使用可能である。例えば、真鍮や銅が使用可能である。
【００３２】
また図１に示すように、電波レンズ１における狭間部分の其々には、誘電体２０が配置されている。誘電体２０は、配置される狭間部分の場所毎に、電波の伝搬方向の厚さが調整されている。誘電体の材料としては特段限定されず、様々な誘電体材料が使用可能である。例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標）など）が使用可能である。
【００３３】
図２に示すように、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た場合の形状は全体として正方形状である。そして金属平板１０が、左右方向に平行な状態で、上下方向に積層配置されている。上側から順に、金属平板１１、１２・・・、１７、１８となるように配置されている。
【００３４】
狭間部分に配置される誘電体２０は、波源Ｏ１から見た場合に、正方形状及び左右方向を長手方向とする長方形状となる複数の誘電体ブロック（誘電体ブロック２１〜２４）が整列配置して形成されている。中心部分に正方形状の誘電体ブロック２４が配置されている。誘電体ブロック２４は、ちょうど金属平板１４及び金属平板１５によって上下方向から挟まれ、左右方向中央部分に配置されている。また、誘電体ブロック２４の周囲を囲むように誘電体ブロックが配置されている（これらを「誘電体ブロック２３」という。）。また、誘電体ブロック２３の周囲を囲むように誘電体ブロックが整列配置されている（これらを「誘電体ブロック２２」という。）。また、誘電体ブロック２２の周囲を囲むように誘電体ブロックが配置配置されている（これらを「誘電体ブロック２１」という。）。誘電体ブロック２１〜２４は其々、ちょうど金属平板１０によって上下方向から挟まれた状態で配置されている。
【００３５】
また、図３に示すように、誘電体ブロック２４が、伝搬方向における厚さが最も大きく、誘電体ブロック２３、誘電体ブロック２２、誘電体ブロック２１の順で、厚さが小さくなっている。なお、誘電体ブロック２４の周囲を囲む誘電体ブロック２３は、其々同一厚さを有している。誘電体ブロック２３の周囲を囲む誘電体ブロック２２は、其々同一厚さを有している。誘電体ブロック２２の周囲を囲む誘電体ブロック２１は、其々同一厚さを有している。また図１に示すように、誘電体ブロック２４の伝搬方向の厚さと、近接する金属平板１４及び金属平板１５の伝搬方向の長さとは同一となっている。
【００３６】
なお、本実施の形態における電波レンズ１では、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た場合の一辺の長さは０．０５６ｍとなっている。金属平板１０間の長さは０．００８ｍとなっている。
【００３７】
ハイブリッドレンズアンテナ２における電波の伝搬の様子について概説する。波源Ｏ１より放射される電波は、電波レンズ１における金属平板１０の入射側から、隣接する金属平板１０で挟まれる狭間部分に入射する。電波レンズ１に入射した電波は、狭間部分を通過し、金属平板１０の出射側より出射する。ここで、狭間部分のうち誘電体が配置されていない部分を通過する電波の速度（ｖ）は、真空中の速度（ｖ０）より速くなる（（１）式参照）。一方、狭間部分に配置された誘電体を通過する場合の速度（ｖｐ）は、誘電体の誘電率をεｓとすると、ｖｐ＝ｖ／√εｓとなり、真空中と比較して遅くなる。
【００３８】
本実施の形態では、電波レンズ１の中心部分に誘電体を厚く配置させ、電波レンズ１の周囲部分に向かうに従い、誘電体を薄く配置させる。このようにして、電波レンズ１の中心部分に近い程、電波レンズ１内を透過する電波の速度を遅らせる。この結果、メタルレンズ４１（図１２等参照）よりも波源の位置を電波レンズ１に近づける（焦点距離を短くする）ことが可能となっている。
【００３９】
図３を参照し、ハイブリッドレンズアンテナ２の動作原理について詳説する。図３には、ハイブリッドレンズアンテナ２を構成する電波レンズ１の金属平板１１〜１８、及び波源Ｏ１が示されている。波源Ｏ１は、メタルレンズアンテナ４２（図１２参照）と比較してより電波レンズ１に近い位置に配置される。
【００４０】
金属平板１４と金属平板１５との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分３０が示されている。この線分３０の左端には、ちょうど波源Ｏ１が配置される。また、金属平板１２と金属平板１３との上下中央部を通り、水平方向に延びる線分３２が示されている。また、金属平板１０の左端部を結ぶ回転楕円面のＡ−Ａ線（図１参照）における断面を示す点線分３５が示されている。また、金属平板１０の右端部を結ぶ平面のＡ−Ａ線（図１参照）における断面を示す点線分３６が示されている。
【００４１】
また、線分３５と線分３２との交点Ｐ１、線分３５と線分３０との交点Ｑ２が其々示されている。また、Ｐ１を通り伝搬方向に直交する線分３３、Ｑ２を通り伝搬方向に直交する線分３４が其々示されている。また、線分３３と線分３０との交点Ｑ１、線分３４と線分３２との交点Ｐ２、線分３６と線分３２との交点Ｐ３、線分３６と線分３０との交点Ｑ３、Ｏ１Ｐ１を結ぶ線分３１が其々示されている。
【００４２】
また、Ｏ１Ｐ１間の長さＲ、Ｏ１Ｑ２間の長さＬ、Ｐ２Ｐ３間（Ｑ２Ｑ３間）の距離ｘ、金属平板１０間の距離ｂ、配置される誘電体２０（図１参照）の厚さｔが其々示されている。波源Ｏ１は、メタルレンズ４１（図１２参照）における波源Ｏ２と比較し、距離ｓ（＝ｌ−Ｌ）だけ電波レンズ１に近づいた位置に配置される。また、線分３０と線分３１とのなす角がθ１にて示されている。なお、Ｏ１Ｑ１の長さはＲ×ｃｏｓθ１に相当する。Ｐ１Ｑ１の長さはｒ×ｓｉｎθ２に相当する。Ｌは電波レンズ１の焦点距離に相当する。
【００４３】
電波レンズ１における金属平板１０間の距離ｂと、波源Ｏ１より出力される電波の波長λ０との関係は、上述にて示したメタルレンズ４１におけるｂと波長λ０との関係と同一であるので、説明を省略する。
【００４４】
波源Ｏ１から放射された電波が、経路Ｏ１Ｑ１Ｑ２Ｑ３及び経路Ｏ１Ｐ１Ｐ２Ｐ３をそれぞれ通り、同時刻に点Ｑ３及びＰ３に到達する（すなわち、電波レンズ１より出射する電波の位相が揃う）条件を（６）式にて示す。なお、金属平板１０間に配置された誘電体内における電波の波長をλｒとする。
【数６】
【００４５】
なお、金属平板１０間に配置された誘電体内における電波の波長λｒは、（７）式にて表わされる。
【数７】
【００４６】
ここで、Ｌ＝ｌ−ｓ、Ｒ×ｃｏｓθ１＝ｒ×ｃｏｓθ２−ｓとおいて（７）式を変形し整理すると、（８）式にて表わされる。
【数８】
【００４７】
上述の（８）式に、誘電体内における電波の波長λｒを示す（７）式を代入して整理すると、（９）式にて表わされる。
【数９】
【００４８】
（９）式にて示される関係を満たすパラメータを電波レンズ１に適用した場合、波源Ｏ１から最も近い距離に配置されている狭間部分には厚さが大きい誘電体（誘電体ブロック２４）が配置され、波源Ｏ１から遠い距離に配置されている狭間部分には厚さが小さい誘電体（誘電体ブロック２１〜２３）が配置される。
【００４９】
上述のように、誘電体内を通過する電波の速度は、真空中と比較して遅くなる。従って、短い経路長（Ｏ１Ｑ１Ｑ２Ｑ３）を経由して電波が電波レンズ１を構成する金属平板１０の出射側に到達する場合、厚さが大きい誘電体を経由するので、電波の速度は大きく遅れる。一方、長い経路長（Ｏ１Ｐ１Ｐ２Ｐ３）を経由して電波が電波レンズ１を構成する金属平板１０の出射側に到達する場合、厚さが小さい誘電体を経由するので、電波の速度の遅れは比較的小さい。本実施の形態の電波レンズ１では、配置する誘電体２０の厚さを、誘電体ブロック２１〜２４を適宜選択することによって調整し、電波レンズ１より出射する電波の位相がちょうど揃うように電波の速度を制御する。これによって、電波レンズ１より出射される電波を平面波とすることが可能となり、波源Ｏ１より放射される電波の指向性を変化させることが可能となる。
【００５０】
また、（９）式にて示される関係を満たすパラメータを電波レンズ１に適用することによって、波源Ｏ１の配置される焦点距離Ｌの位置を、ｌと比較してｓ分だけ短くすることが可能となる。これによって、ハイブリッドレンズアンテナ２を小型化することが可能となる。
【００５１】
例えば、電波レンズ１の各パラメータを表１及び表２にて示す値とした場合、誘電体が配置されない従来のメタルレンズ４１（誘電体を除く部分の構成は、電波レンズ１と同様）と比較して、焦点距離を０．０１４ｍ小さくする（焦点距離ｌ：０．０６２ｍ、焦点距離Ｌ：０．０４８ｍ、ｓ：０．０１４ｍ）ことが可能となることがわかった。なお表１中「中心の金属平板の長さ」とは、金属平板１４及び金属平板１５のうち、誘電体２０に近接する部分における電波の伝搬方向の長さを示している。
【表１】
【表２】
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態の電波レンズ１では、波源Ｏ１と電波レンズ１との間の距離（焦点距離Ｌ）を従来のメタルレンズ４１と比較して短くすることが可能となる。従って、波源Ｏ１より放射される電波の指向性を変更することが可能であるばかりでなく、電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２を小型化することが可能となる。
【００５３】
なお、図１の金属平板１０が本発明の「導体平板」に相当する。
＜実施例＞
【００５４】
以下、本実施の形態の電波レンズ１を用いた実験の方法及び結果について、図面を参照して説明する。以下、（Ａ）試作したハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性測定、（Ｂ）シミュレーションによるハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性評価、の順に説明する。
（Ａ）試作したハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性測定
【００５５】
本発明の電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２を試作し、指向性を測定して特性を評価した。はじめに、図４及び図５を参照し、測定系について説明する。図４は、試作したハイブリッドレンズアンテナ２の近傍を拡大した写真である。図５は、測定系全体の詳細を示す写真である。
【００５６】
上述の表１及び表２にて示すパラメータ（一部を除く、異なるパラメータについては後述する。）に基づき電波レンズ１を作製した。金属平板１０として、厚さが０．０７５mmの真鍮製のシートを使用した。金属平板間に配置する誘電体として、テフロン（登録商標）（誘電率：２．１）を使用した。図４に示すように、波源Ｏ１を構成するアンテナとして、４エレメントのパッチアンテナ７０を使用した。パッチアンテナ７０及び電波レンズ１は、図４及び図５に示すように、発砲スチロール製のアンテナ設置台７１の上面に配置した。電波レンズ１の高さが２．３ｍとなるように、アンテナ設置台７１の高さを調節した。
【００５７】
図５に示すように、アンテナ設置台７１をターンテーブル７２上に設置し、電波暗室床面上に配置した信号発生器７３（アンリツ製「ＭＧ３６９４Ａ」）から、パッチアンテナ７０に対して同軸ケーブル７４（図４参照）で給電した。ターンテーブル７２の中心に、動軸型ロータリーコネクタを装備し、無限回転でのアンテナパターンの測定を可能とした。
【００５８】
図５に示すように、受信アンテナ７５をハイブリッドレンズアンテナ２と同一高さ（２．３ｍ）となる位置に固定した。ハイブリッドレンズアンテナ２（図４参照）と受信アンテナ７５との間の距離は３ｍとした。受信アンテナとして、標準ゲインホーンアンテナ（ＥＴＳ社製「３１６０−０９」）を使用した。また、スペクトラムアナライザ（アドバンテスト製「Ｒ３１８２」）にて受信電界強度の測定を行った。なお、測定周波数はＫバンド帯（２４．１５ＧＨｚ）とした。測定は、３ｍ法電波暗室内で行った。
【００５９】
指向性を評価する指標として一般的に用いられる半値角（ＨａＬｆ Ｐｏｗｅｒ ＢｅａｍＷｉｄｔｈ、以下「ＨＰＢＷ」と略す）を測定することによって、電波レンズの指向性を評価した。試作したハイブリッドレンズアンテナ２（「サンプル１」という。）と、従来のメタルレンズ４１を使用したメタルレンズアンテナ４２（「サンプル１」において配置されている誘電体を除去したもの。以下「サンプル２」という。）とを使用し、電界強度を測定して指向性（Ｈ面）を評価した。其々の焦点距離は、サンプル１の焦点距離（Ｌ）：０．０５５ｍ、サンプル２の焦点距離（ｌ）：０．０７ｍとした。
【００６０】
図６を参照し、測定結果について説明する。図６は、電波レンズアンテナの指向性を測定した結果を示す図である。図のうち実線は、パッチアンテナ７０単体の指向特性を示している。点線は、サンプル１の指向特性を示している。破線は、サンプル２の指向特性を示している。この結果から算出したＨＰＢＷは、パッチアンテナ７０単体（図６中実線）で４５°、サンプル１（図６中点線）では１３°、サンプル２（図６中破線）では１４°であった。
【００６１】
以上の結果から、電波レンズ１を使用することによって、パッチアンテナ７０の指向性を高めることが可能であることがわかった。また電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２は、メタルレンズ４１を使用したメタルレンズアンテナ４２とほぼ同程度、パッチアンテナ７０より放射される電波の指向性を高めることが可能であることがわかった。さらに電波レンズ１は、従来のメタルレンズ４１と比較して、焦点距離を約２０％短縮可能であることがわかった。この結果から、電波レンズ１が、電波の指向性を高めつつ、より小型なハイブリッドレンズアンテナ２を作製できるものであることが明らかとなった。
（Ｂ）シミュレーションによる電波レンズアンテナの指向特性評価
【００６２】
三次元電磁界シミュレータを使用することによって、電波レンズ１を用いたハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性をシミュレーションし評価を行った。三次元電磁界シミュレータとして、ＣＳＴ製「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ」を使用した。上述の（Ａ）にて試作したサンプル１の構成パラメータを基に、焦点距離Ｌの異なる合計４つの構成パラメータ（Ｌ＝０．０７ｍ、０．０６４ｍ、０．０６ｍ、０．０５５ｍ）を用意した。そして用意した構成パラメータをシミュレータに入力し、電界強度の指向特性（Ｈ面）を算出した。また比較のため、上述の（Ａ）にて比較のために使用したサンプル２の構成パラメータに基づいて、同様に電界強度の指向性（Ｈ面）を算出した。そして、其々の結果におけるＨＰＢＷの値と、メインローブに対するサイドローブの値（以下「サイドローブレベル」という。）を算出して評価した。結果を図７〜図１１に示す。
【００６３】
図７は、サンプル２の構成パラメータを使用した場合（ｌ＝０．０７ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図８は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０７ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図９は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０６４ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図１０は、サンプル１に基づいた構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０６ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図１１は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０５５ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。
【００６４】
図７の結果から、サンプル２におけるＨＰＢWが１１．８°、サイドローブレベルが−１２．４ｄＢとなることがわかった。また図８の結果から、Ｌを０．００７ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．０°、サイドローブレベルが−１０．５ｄＢとなることがわかった。また図９の結果から、Ｌを０．０６４ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．２°、サイドローブレベルが−１１．４ｄＢとなることがわかった。また図１０の結果から、Ｌを０．０６ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．３°、サイドローブレベルが−１２．９ｄＢとなることがわかった。また図１１の結果から、Ｌを０．０５５ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．９°、サイドローブレベルが−１３．４ｄＢとなることがわかった。これらの結果整理して、表３に示す。
【表３】
【００６５】
上述の解析結果から、本発明の電波レンズに基づいて解析を行った場合、Ｌが０．０７ｍから０．０５５ｍと短くなるに従い、サイドローブレベルが小さくなる（−１０．５ｄＢ→−１３．４ｄＢ）ことがわかった。なお特に後方放射に限った場合、７ｄＢ減衰することがわかった。以上の結果から、電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２において、焦点距離（Ｌ）を短くした場合に、より指向性が高くなることがわかった。また、ＨＰＢＷの算出結果から、電波レンズ１が、メタルレンズ４１と同程度、波源の指向性を高めることが可能であることがわかった。以上の解析結果から、電波レンズ１を使用することによって、指向性が高く、より小型のハイブリッドレンズアンテナ２を作製することが可能であることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００６６】
１ 電波レンズ
２ ハイブリッドレンズアンテナ
１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８ 金属平板
２０ 誘電体
２１、２２、２３、２４ 誘電体ブロック
【技術分野】
【０００１】
本発明は、平行に配置される複数の金属平板と、隣接する金属平板間に配置される誘電体とから構成される電波レンズに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、移動体検知用センサとして電波センサが注目されている。特にマイクロ波帯を使用する電波センサを使用した場合、熱線センサや赤外線センサと比較して、機能性や設置容易性等で優位である。従ってその利用が期待されている。
【０００３】
マイクロ波帯電波センサは、熱線センサや赤外線センサのように検知エリアを容易に調整、変更することが難しい。通常、検知エリアを変更する為には、アンテナそのものを指向性の異なるものに交換しなければならない。このような中、電波の指向性を比較的容易に変更させる方法として、例えば、多数の金属平板を等間隔に並べたメタルレンズを用いたメタルレンズアンテナを使用する方法が挙げられる（特許文献１参照）。メタルレンズを用いた場合、誘電体レンズを用いた場合と比較して、軽量で安価にアンテナを構成可能であるという利点を有している。
【０００４】
メタルレンズ４１を用いたメタルレンズアンテナ４２の物理的構成及び動作原理の概要について、図１２及び図１３を参照して説明する。図１２は、メタルレンズアンテナ４２の物理的構成を示す斜視図である。図１３は、メタルレンズアンテナ４２のＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。なお、図１３における紙面上側をメタルレンズ４１の上側、紙面下側をメタルレンズ４１の下側、紙面右方向を電波の伝搬方向と定義する。
【０００５】
メタルレンズアンテナ４２の物理的構成について説明する。図１２に示すように、メタルレンズアンテナ４２は、波源Ｏ２、及び、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板５０（上から順に、金属平板５１、５２、・・・５７、５８）からなるメタルレンズ４１から構成される。金属平板５０は、波源Ｏ２から所定間隔離れた場所に、波源Ｏ２から放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置され、支持枠４３によって支持されている。
【０００６】
金属平板５１〜５８における波源Ｏ２に近接する側（以下「入射側」という。）の端部が、波源Ｏ２を焦点とする回転楕円面上に配置されるように、金属平板５０の形状が調整されている。また、金属平板５１〜５８における入射側と反対側（以下「出射側」という。）の端部が、電波の伝搬方向に直交する面上に配置されるように、金属平板５０の形状が調整されている。従って、金属平板５０のＢ−Ｂ線における断面では、図１３に示すように、金属平板５１及び金属平板５８における伝搬方向の長さが最も長く、以下順に、金属平板５２及び金属平板５７、金属平板５３及び金属平板５６、金属平板５４及び金属平板５５の順で、伝搬方向の長さが短くなっている。また図１３に示すように、金属平板５１と金属平板５８、金属平板５２と金属平板５７金属平板５３と金属平板５６、及び、金属平板５４と金属平板５５は、其々、伝搬方向の長さが同一となっている。
【０００７】
メタルレンズアンテナ４２における電波の伝搬の様子について概説する。波源Ｏ２より放射される電波（球面波）は、メタルレンズ４１における金属平板５０の入射側から、隣接する金属平板５０で挟まれる空間部分（以下「狭間部分」という。）に入射する。メタルレンズ４１に入射した電波は、狭間部分を通過し、金属平板５０の出射側より出射する。ここで、金属平板５０間の間隔、及び、金属平板５０における電波の伝搬方向の長さを其々調節することによって、金属平板５０の出射側における電波の位相を揃え、メタルレンズ４１より出射される電波を平面波とする。これによって、波源Ｏ２より放射される電波の指向性をメタルレンズ４１によって変化させている。
【０００８】
図１３を参照し、メタルレンズアンテナ４２の動作原理について詳説する。図１３には、メタルレンズアンテナ４２を構成するメタルレンズ４１の金属平板５１〜５８、及び波源Ｏ２が示されている。また、金属平板５４と金属平板５５との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分６０が示されている。この線分６０の左端には、ちょうど波源Ｏ２が配置されている。また、金属平板５２と金属平板５３との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分６２が示されている。また、金属平板５０の入射側を結ぶ回転楕円面のＢ−Ｂ線（図１２参照）における断面を示す点線分６５が示されている。また、金属平板５０の出射側を結ぶ平面のＢ−Ｂ線（図１２参照）における断面を示す点線分６６が示されている。
【０００９】
また、線分６５と線分６２との交点Ｐ１、線分６５と線分６０との交点Ｑ２が其々示されている。また、Ｐ１を通り伝搬方向に直交する線分６３、Ｑ２を通り伝搬方向に直交する線分６４が其々示されている。また、線分６３と線分６０との交点Ｑ１、線分６４と線分６２との交点Ｐ２、線分６６と線分６２との交点Ｐ３、線分６６と線分６０との交点Ｑ３、Ｏ２Ｐ１を結ぶ線分６１が其々示されている。
【００１０】
また、Ｏ２Ｐ１間の長さｒ、Ｏ２Ｑ２間の長さｌ、Ｐ２Ｐ３間（Ｑ２Ｑ３間）の長さｘ、金属平板５０間の距離ｂが其々示されている。また、線分６０と線分６１とのなす角がθ２にて示されている。なお、Ｏ２Ｑ１の長さはｒ×ｃｏｓθ２に相当する。Ｐ１Ｑ１の長さはｒ×ｓｉｎθ２に相当する。ｌはメタルレンズ４１の焦点距離に相当する。
【００１１】
メタルレンズ４１では、図１２及び図１３で示すように、金属平板５０間の距離ｂは、波源Ｏ２より出力される電波の波長（λ０）に対し、λ０＞ｂ＞（λ０／２）を満たすように設定される。この状態で、金属平板５０と偏波面が並行な電波を波源Ｏ２からメタルレンズ４１に対して放射する。すると、狭間部分を通過する電波は、方形導波管のＴＥ１０モードと同じになり、その位相速度（ｖ）は真空の速度（ｖ０）より速くなり、（１）式にて与えられる。メタルレンズ４１では、この位相速度の変化を利用して、メタルレンズ４１より出射される電波の位相を揃え、平面波を出射させる。
【数１】
【００１２】
波源Ｏ２から放射された電波が、経路Ｏ２Ｑ１Ｑ２Ｑ３、及び、経路Ｏ２Ｐ１Ｐ２Ｐ３をそれぞれ通り、同時刻に点Ｑ３及び点Ｐ３に到達する（すなわち、メタルレンズ４１より出射する電波の位相が揃う）条件は、（２）式にて表わされる。なお、金属平板５０にて挟まれた狭間部分を電波が通過する場合の周波数をλｇにて表わしている。
【数２】
【００１３】
なお、λｇは（３）式にて表わされる（非特許文献１参照）。
【数３】
【００１４】
ｌ及びｒが（２）式を満たす場合、メタルレンズ４１の出射側より出射する電波は平面波となる。ここで、経路Ｑ２Ｑ３と経路Ｐ２Ｐ３とは同一の伝搬条件であるので、（２）式におけるこれらの項を両辺から消去する。結果、経路Ｏ２Ｑ１Ｑ２及び経路Ｏ２Ｐ１Ｐ２をそれぞれ経由し、同時刻にＱ２及びＰ２に到達する（すなわち、メタルレンズ４１より出射する電波の位相が揃う）条件は、（４）式のように表わされる。
【数４】
【００１５】
また、（４）式を変形すると、ｒはｌを用いて次式にて表わされる。
【数５】
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開２００６−１６６３９９号公報
【非特許文献】
【００１７】
【非特許文献１】John D. Kraus, RonaＬd J. Marhefka, "Antennas for AＬＬ AppＬications 3rd ed.", McGRAW-HIＬＬ, 2003, Chap. 17.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
メタルレンズアンテナ４２を小型化する場合には、メタルレンズ４１における上述の（５）式の関係を満たしつつ、焦点距離ｌの値を小さくして電波の伝搬方向の長さを小さくする必要がある。しかしながら、ｌを小さくすると、必然的にθ２の値が大きく（ｃｏｓθ２の値が小さく）なってしまうため、実質上、とりうるｌ及びｒには限界がある。従って、短い焦点距離ｌを有するメタルレンズ４１を作製することができず、アンテナ全体を小型化できないという問題点があった。
【００１９】
本発明は上述の問題点を解決するためになされたものであり、アンテナ全体を小型化することが可能な、焦点距離の短い電波レンズを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
上述の問題点を解決するために、請求項１に係る発明の電波レンズは、電波の伝搬方向に平行に配置される平板状の導体である導体平板であって、所定間隔を空けて積層配置される複数の導体平板と、隣接する前記導体平板の間に挟まれた部分である狭間部分に配置される誘電体とを備えた電波レンズであって、前記導体平板における前記電波の放射源と近接する側である入射側の端部が、前記放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置され、前記導体平板における入射側と反対側の端部である出射側の端部が、前記電波の伝搬方向と直交する面上に配置されることを特徴とする。
【００２１】
また、請求項２に係る発明の電波レンズは、請求項１に記載の発明の構成に加えて、前記誘電体は、配置される場所毎に異なる前記電波の伝搬方向の厚さを有しており、前記誘電体と前記放射源との間の距離が小さい程、前記厚さが大きいことを特徴とする。
【００２２】
また、請求項３に係る発明の電波レンズは、請求項１又は２に記載の発明の構成に加えて、前記誘電体は、フッ素樹脂であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２３】
請求項１に係る発明の電波レンズでは、電波レンズは、積層配置する複数の導体平板と、隣接する導体平板にて挟まれる部分である狭間部分に配置される誘電体とから構成される。導体平板における入射側の端部は、放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置される。導体平板における出射側の端部は、電波の伝搬方向と直交する面上に配置される。誘電体を電波の伝搬経路に配置し、誘電体内を通過する電波は速度が遅延するという現象を利用することによって、放射源をより電波レンズに近づけて配置させることが可能となる。これによって、電波レンズを用いた電波レンズアンテナを小型化することが可能となる。
【００２４】
また、請求項２に係る発明の電波レンズでは、請求項１に記載の発明の効果に加えて、誘電体が配置される場所と放射源との間の距離が小さい程、誘電体の厚さを大きくする。これによって、電波レンズを構成する導体平板の出射側より出射させる電波の位相を揃えることが可能となる。従って、電波レンズに入射した球面波を平面波に変換し、出射させることが可能となるので、放射源より放射される電波の指向性を変化させる（強く）することが可能となる。
【００２５】
また、請求項３に係る発明の電波レンズでは、請求項１又は２に記載の発明の効果に加えて、誘電体としてフッ素樹脂が使用される。フッ素樹脂は、誘電正接（tanδ）の値が非常に小さいため、誘電体としてフッ素樹脂を使用することによって、他の樹脂と比較してレンズ内を透過する際の電波の損失を抑制することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成を示す斜視図である。
【図２】電波レンズ１の正面図である。
【図３】ハイブリッドレンズアンテナ２のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。
【図４】実験時における測定系を示す写真である。
【図５】実験時における測定系を示す写真である。
【図６】ハイブリッドレンズアンテナ２の指向性を測定した結果を示す図である。
【図７】メタルレンズアンテナ４２を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図８】電波レンズ１（Ｌ＝０．０７ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図９】電波レンズ１（Ｌ＝０．０６４ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１０】電波レンズ１（Ｌ＝０．０６ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１１】電波レンズ１（Ｌ＝０．０５５ｍ）を使用した場合の指向特性のシミュレーション結果を示す図である。
【図１２】メタルレンズアンテナ４２の物理的構成を示す斜視図である。
【図１３】メタルレンズアンテナ４２のＢ−Ｂ線矢視方向断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
以下、本発明の実施の形態における電波レンズ１について、図面を参照して説明する。なおこれらの図面は、本発明が採用しうる技術的特徴を説明するために用いられるものであり、記載されている装置の構成などは、特に特定的な記載がない限り、それのみに限定する趣旨ではなく、単なる説明例である。
【００２８】
本実施の形態の電波レンズ１、及び電波レンズ１を用いた電波レンズアンテナ（以下「ハイブリッドレンズアンテナ」という。）２の物理的構成及び動作原理の概要について、図１〜図３を参照して説明する。図１は、ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成を示す斜視図である。図２は、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た正面図である。図３は、ハイブリッドレンズアンテナ２のＡ−Ａ線矢視方向断面図である。なお、図２における紙面右側を電波レンズ１の右側、紙面左側を電波レンズ１の左側と定義する。また、図３における紙面上側を電波レンズ１の上側、紙面下側を電波レンズ１の下側、紙面右方向を電波の伝搬方向と定義する。
【００２９】
ハイブリッドレンズアンテナ２の物理的構成について説明する。図１に示すように、ハイブリッドレンズアンテナ２は、波源Ｏ１、及び、所定間隔を空けて積層配置される多数の金属平板１０（上から順に、金属平板１１、１２、・・・１７、１８）からなる電波レンズ１から構成される。金属平板１０は、波源Ｏ１から所定間隔離れた場所に、波源Ｏ１から放射される電波の伝搬方向に対して平行に配置されている。金属平板１０は支持枠３によって支持されている。
【００３０】
なお本実施の形態では、金属平板１０は支持枠３によって支持される構成としたが、本発明はこの構成に限定されない。従って例えば、板状の発砲スチロールを金属平板１０（金属平板１１〜１８）にて順次挟み込むことによって、金属平板１０を積層状態に保持する構成であってもよい。このように、誘電率が真空（空気）と同等である発砲スチロールを金属平板１０間の狭間部分に配置させることによって、電波レンズ１を、金属平板１０の間を真空とした場合と同様の物理特性とすることが可能となる。
【００３１】
電波レンズ１は、図１２におけるメタルレンズ４１と同様、金属平板１１〜１８における波源Ｏ１に近接する側である入射側の端部が、波源Ｏ１を焦点とする回転楕円面上に配置されるように、金属平板１０の形状が調整されている。また金属平板１１〜１８における入射側と反対側である出射側の端部が、電波の伝搬方向に直交する面上に配置されるように、金属平板１０の形状が調整されている。従って、金属平板１０のＡ−Ａ線における断面では、図３に示すように、金属平板１１及び金属平板１８における伝搬方向の長さが最も長く、以下順に、金属平板１２及び金属平板１７、金属平板１３及び金属平板１６、金属平板１４及び金属平板１５の順で、伝搬方向の長さが短くなっている。また図３に示すように、金属平板１１と金属平板１８、金属平板１２と金属平板１７金属平板１３と金属平板１６、及び、金属平板１４と金属平板１５は、其々、伝搬方向の長さが同一となっている。金属平板５０の材料としては特段限定されず、様々な金属材料が使用可能である。例えば、真鍮や銅が使用可能である。
【００３２】
また図１に示すように、電波レンズ１における狭間部分の其々には、誘電体２０が配置されている。誘電体２０は、配置される狭間部分の場所毎に、電波の伝搬方向の厚さが調整されている。誘電体の材料としては特段限定されず、様々な誘電体材料が使用可能である。例えばフッ素樹脂（テフロン（登録商標）など）が使用可能である。
【００３３】
図２に示すように、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た場合の形状は全体として正方形状である。そして金属平板１０が、左右方向に平行な状態で、上下方向に積層配置されている。上側から順に、金属平板１１、１２・・・、１７、１８となるように配置されている。
【００３４】
狭間部分に配置される誘電体２０は、波源Ｏ１から見た場合に、正方形状及び左右方向を長手方向とする長方形状となる複数の誘電体ブロック（誘電体ブロック２１〜２４）が整列配置して形成されている。中心部分に正方形状の誘電体ブロック２４が配置されている。誘電体ブロック２４は、ちょうど金属平板１４及び金属平板１５によって上下方向から挟まれ、左右方向中央部分に配置されている。また、誘電体ブロック２４の周囲を囲むように誘電体ブロックが配置されている（これらを「誘電体ブロック２３」という。）。また、誘電体ブロック２３の周囲を囲むように誘電体ブロックが整列配置されている（これらを「誘電体ブロック２２」という。）。また、誘電体ブロック２２の周囲を囲むように誘電体ブロックが配置配置されている（これらを「誘電体ブロック２１」という。）。誘電体ブロック２１〜２４は其々、ちょうど金属平板１０によって上下方向から挟まれた状態で配置されている。
【００３５】
また、図３に示すように、誘電体ブロック２４が、伝搬方向における厚さが最も大きく、誘電体ブロック２３、誘電体ブロック２２、誘電体ブロック２１の順で、厚さが小さくなっている。なお、誘電体ブロック２４の周囲を囲む誘電体ブロック２３は、其々同一厚さを有している。誘電体ブロック２３の周囲を囲む誘電体ブロック２２は、其々同一厚さを有している。誘電体ブロック２２の周囲を囲む誘電体ブロック２１は、其々同一厚さを有している。また図１に示すように、誘電体ブロック２４の伝搬方向の厚さと、近接する金属平板１４及び金属平板１５の伝搬方向の長さとは同一となっている。
【００３６】
なお、本実施の形態における電波レンズ１では、電波レンズ１を波源Ｏ１から見た場合の一辺の長さは０．０５６ｍとなっている。金属平板１０間の長さは０．００８ｍとなっている。
【００３７】
ハイブリッドレンズアンテナ２における電波の伝搬の様子について概説する。波源Ｏ１より放射される電波は、電波レンズ１における金属平板１０の入射側から、隣接する金属平板１０で挟まれる狭間部分に入射する。電波レンズ１に入射した電波は、狭間部分を通過し、金属平板１０の出射側より出射する。ここで、狭間部分のうち誘電体が配置されていない部分を通過する電波の速度（ｖ）は、真空中の速度（ｖ０）より速くなる（（１）式参照）。一方、狭間部分に配置された誘電体を通過する場合の速度（ｖｐ）は、誘電体の誘電率をεｓとすると、ｖｐ＝ｖ／√εｓとなり、真空中と比較して遅くなる。
【００３８】
本実施の形態では、電波レンズ１の中心部分に誘電体を厚く配置させ、電波レンズ１の周囲部分に向かうに従い、誘電体を薄く配置させる。このようにして、電波レンズ１の中心部分に近い程、電波レンズ１内を透過する電波の速度を遅らせる。この結果、メタルレンズ４１（図１２等参照）よりも波源の位置を電波レンズ１に近づける（焦点距離を短くする）ことが可能となっている。
【００３９】
図３を参照し、ハイブリッドレンズアンテナ２の動作原理について詳説する。図３には、ハイブリッドレンズアンテナ２を構成する電波レンズ１の金属平板１１〜１８、及び波源Ｏ１が示されている。波源Ｏ１は、メタルレンズアンテナ４２（図１２参照）と比較してより電波レンズ１に近い位置に配置される。
【００４０】
金属平板１４と金属平板１５との上下中央部分を通り、水平方向に延びる線分３０が示されている。この線分３０の左端には、ちょうど波源Ｏ１が配置される。また、金属平板１２と金属平板１３との上下中央部を通り、水平方向に延びる線分３２が示されている。また、金属平板１０の左端部を結ぶ回転楕円面のＡ−Ａ線（図１参照）における断面を示す点線分３５が示されている。また、金属平板１０の右端部を結ぶ平面のＡ−Ａ線（図１参照）における断面を示す点線分３６が示されている。
【００４１】
また、線分３５と線分３２との交点Ｐ１、線分３５と線分３０との交点Ｑ２が其々示されている。また、Ｐ１を通り伝搬方向に直交する線分３３、Ｑ２を通り伝搬方向に直交する線分３４が其々示されている。また、線分３３と線分３０との交点Ｑ１、線分３４と線分３２との交点Ｐ２、線分３６と線分３２との交点Ｐ３、線分３６と線分３０との交点Ｑ３、Ｏ１Ｐ１を結ぶ線分３１が其々示されている。
【００４２】
また、Ｏ１Ｐ１間の長さＲ、Ｏ１Ｑ２間の長さＬ、Ｐ２Ｐ３間（Ｑ２Ｑ３間）の距離ｘ、金属平板１０間の距離ｂ、配置される誘電体２０（図１参照）の厚さｔが其々示されている。波源Ｏ１は、メタルレンズ４１（図１２参照）における波源Ｏ２と比較し、距離ｓ（＝ｌ−Ｌ）だけ電波レンズ１に近づいた位置に配置される。また、線分３０と線分３１とのなす角がθ１にて示されている。なお、Ｏ１Ｑ１の長さはＲ×ｃｏｓθ１に相当する。Ｐ１Ｑ１の長さはｒ×ｓｉｎθ２に相当する。Ｌは電波レンズ１の焦点距離に相当する。
【００４３】
電波レンズ１における金属平板１０間の距離ｂと、波源Ｏ１より出力される電波の波長λ０との関係は、上述にて示したメタルレンズ４１におけるｂと波長λ０との関係と同一であるので、説明を省略する。
【００４４】
波源Ｏ１から放射された電波が、経路Ｏ１Ｑ１Ｑ２Ｑ３及び経路Ｏ１Ｐ１Ｐ２Ｐ３をそれぞれ通り、同時刻に点Ｑ３及びＰ３に到達する（すなわち、電波レンズ１より出射する電波の位相が揃う）条件を（６）式にて示す。なお、金属平板１０間に配置された誘電体内における電波の波長をλｒとする。
【数６】
【００４５】
なお、金属平板１０間に配置された誘電体内における電波の波長λｒは、（７）式にて表わされる。
【数７】
【００４６】
ここで、Ｌ＝ｌ−ｓ、Ｒ×ｃｏｓθ１＝ｒ×ｃｏｓθ２−ｓとおいて（７）式を変形し整理すると、（８）式にて表わされる。
【数８】
【００４７】
上述の（８）式に、誘電体内における電波の波長λｒを示す（７）式を代入して整理すると、（９）式にて表わされる。
【数９】
【００４８】
（９）式にて示される関係を満たすパラメータを電波レンズ１に適用した場合、波源Ｏ１から最も近い距離に配置されている狭間部分には厚さが大きい誘電体（誘電体ブロック２４）が配置され、波源Ｏ１から遠い距離に配置されている狭間部分には厚さが小さい誘電体（誘電体ブロック２１〜２３）が配置される。
【００４９】
上述のように、誘電体内を通過する電波の速度は、真空中と比較して遅くなる。従って、短い経路長（Ｏ１Ｑ１Ｑ２Ｑ３）を経由して電波が電波レンズ１を構成する金属平板１０の出射側に到達する場合、厚さが大きい誘電体を経由するので、電波の速度は大きく遅れる。一方、長い経路長（Ｏ１Ｐ１Ｐ２Ｐ３）を経由して電波が電波レンズ１を構成する金属平板１０の出射側に到達する場合、厚さが小さい誘電体を経由するので、電波の速度の遅れは比較的小さい。本実施の形態の電波レンズ１では、配置する誘電体２０の厚さを、誘電体ブロック２１〜２４を適宜選択することによって調整し、電波レンズ１より出射する電波の位相がちょうど揃うように電波の速度を制御する。これによって、電波レンズ１より出射される電波を平面波とすることが可能となり、波源Ｏ１より放射される電波の指向性を変化させることが可能となる。
【００５０】
また、（９）式にて示される関係を満たすパラメータを電波レンズ１に適用することによって、波源Ｏ１の配置される焦点距離Ｌの位置を、ｌと比較してｓ分だけ短くすることが可能となる。これによって、ハイブリッドレンズアンテナ２を小型化することが可能となる。
【００５１】
例えば、電波レンズ１の各パラメータを表１及び表２にて示す値とした場合、誘電体が配置されない従来のメタルレンズ４１（誘電体を除く部分の構成は、電波レンズ１と同様）と比較して、焦点距離を０．０１４ｍ小さくする（焦点距離ｌ：０．０６２ｍ、焦点距離Ｌ：０．０４８ｍ、ｓ：０．０１４ｍ）ことが可能となることがわかった。なお表１中「中心の金属平板の長さ」とは、金属平板１４及び金属平板１５のうち、誘電体２０に近接する部分における電波の伝搬方向の長さを示している。
【表１】
【表２】
【００５２】
以上説明したように、本実施の形態の電波レンズ１では、波源Ｏ１と電波レンズ１との間の距離（焦点距離Ｌ）を従来のメタルレンズ４１と比較して短くすることが可能となる。従って、波源Ｏ１より放射される電波の指向性を変更することが可能であるばかりでなく、電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２を小型化することが可能となる。
【００５３】
なお、図１の金属平板１０が本発明の「導体平板」に相当する。
＜実施例＞
【００５４】
以下、本実施の形態の電波レンズ１を用いた実験の方法及び結果について、図面を参照して説明する。以下、（Ａ）試作したハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性測定、（Ｂ）シミュレーションによるハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性評価、の順に説明する。
（Ａ）試作したハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性測定
【００５５】
本発明の電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２を試作し、指向性を測定して特性を評価した。はじめに、図４及び図５を参照し、測定系について説明する。図４は、試作したハイブリッドレンズアンテナ２の近傍を拡大した写真である。図５は、測定系全体の詳細を示す写真である。
【００５６】
上述の表１及び表２にて示すパラメータ（一部を除く、異なるパラメータについては後述する。）に基づき電波レンズ１を作製した。金属平板１０として、厚さが０．０７５mmの真鍮製のシートを使用した。金属平板間に配置する誘電体として、テフロン（登録商標）（誘電率：２．１）を使用した。図４に示すように、波源Ｏ１を構成するアンテナとして、４エレメントのパッチアンテナ７０を使用した。パッチアンテナ７０及び電波レンズ１は、図４及び図５に示すように、発砲スチロール製のアンテナ設置台７１の上面に配置した。電波レンズ１の高さが２．３ｍとなるように、アンテナ設置台７１の高さを調節した。
【００５７】
図５に示すように、アンテナ設置台７１をターンテーブル７２上に設置し、電波暗室床面上に配置した信号発生器７３（アンリツ製「ＭＧ３６９４Ａ」）から、パッチアンテナ７０に対して同軸ケーブル７４（図４参照）で給電した。ターンテーブル７２の中心に、動軸型ロータリーコネクタを装備し、無限回転でのアンテナパターンの測定を可能とした。
【００５８】
図５に示すように、受信アンテナ７５をハイブリッドレンズアンテナ２と同一高さ（２．３ｍ）となる位置に固定した。ハイブリッドレンズアンテナ２（図４参照）と受信アンテナ７５との間の距離は３ｍとした。受信アンテナとして、標準ゲインホーンアンテナ（ＥＴＳ社製「３１６０−０９」）を使用した。また、スペクトラムアナライザ（アドバンテスト製「Ｒ３１８２」）にて受信電界強度の測定を行った。なお、測定周波数はＫバンド帯（２４．１５ＧＨｚ）とした。測定は、３ｍ法電波暗室内で行った。
【００５９】
指向性を評価する指標として一般的に用いられる半値角（ＨａＬｆ Ｐｏｗｅｒ ＢｅａｍＷｉｄｔｈ、以下「ＨＰＢＷ」と略す）を測定することによって、電波レンズの指向性を評価した。試作したハイブリッドレンズアンテナ２（「サンプル１」という。）と、従来のメタルレンズ４１を使用したメタルレンズアンテナ４２（「サンプル１」において配置されている誘電体を除去したもの。以下「サンプル２」という。）とを使用し、電界強度を測定して指向性（Ｈ面）を評価した。其々の焦点距離は、サンプル１の焦点距離（Ｌ）：０．０５５ｍ、サンプル２の焦点距離（ｌ）：０．０７ｍとした。
【００６０】
図６を参照し、測定結果について説明する。図６は、電波レンズアンテナの指向性を測定した結果を示す図である。図のうち実線は、パッチアンテナ７０単体の指向特性を示している。点線は、サンプル１の指向特性を示している。破線は、サンプル２の指向特性を示している。この結果から算出したＨＰＢＷは、パッチアンテナ７０単体（図６中実線）で４５°、サンプル１（図６中点線）では１３°、サンプル２（図６中破線）では１４°であった。
【００６１】
以上の結果から、電波レンズ１を使用することによって、パッチアンテナ７０の指向性を高めることが可能であることがわかった。また電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２は、メタルレンズ４１を使用したメタルレンズアンテナ４２とほぼ同程度、パッチアンテナ７０より放射される電波の指向性を高めることが可能であることがわかった。さらに電波レンズ１は、従来のメタルレンズ４１と比較して、焦点距離を約２０％短縮可能であることがわかった。この結果から、電波レンズ１が、電波の指向性を高めつつ、より小型なハイブリッドレンズアンテナ２を作製できるものであることが明らかとなった。
（Ｂ）シミュレーションによる電波レンズアンテナの指向特性評価
【００６２】
三次元電磁界シミュレータを使用することによって、電波レンズ１を用いたハイブリッドレンズアンテナ２の指向特性をシミュレーションし評価を行った。三次元電磁界シミュレータとして、ＣＳＴ製「Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ」を使用した。上述の（Ａ）にて試作したサンプル１の構成パラメータを基に、焦点距離Ｌの異なる合計４つの構成パラメータ（Ｌ＝０．０７ｍ、０．０６４ｍ、０．０６ｍ、０．０５５ｍ）を用意した。そして用意した構成パラメータをシミュレータに入力し、電界強度の指向特性（Ｈ面）を算出した。また比較のため、上述の（Ａ）にて比較のために使用したサンプル２の構成パラメータに基づいて、同様に電界強度の指向性（Ｈ面）を算出した。そして、其々の結果におけるＨＰＢＷの値と、メインローブに対するサイドローブの値（以下「サイドローブレベル」という。）を算出して評価した。結果を図７〜図１１に示す。
【００６３】
図７は、サンプル２の構成パラメータを使用した場合（ｌ＝０．０７ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図８は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０７ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図９は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０６４ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図１０は、サンプル１に基づいた構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０６ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。図１１は、サンプル１に基づく構成パラメータを使用した場合（Ｌ＝０．０５５ｍ）の指向特性のシミュレーション結果を示している。
【００６４】
図７の結果から、サンプル２におけるＨＰＢWが１１．８°、サイドローブレベルが−１２．４ｄＢとなることがわかった。また図８の結果から、Ｌを０．００７ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．０°、サイドローブレベルが−１０．５ｄＢとなることがわかった。また図９の結果から、Ｌを０．０６４ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．２°、サイドローブレベルが−１１．４ｄＢとなることがわかった。また図１０の結果から、Ｌを０．０６ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．３°、サイドローブレベルが−１２．９ｄＢとなることがわかった。また図１１の結果から、Ｌを０．０５５ｍとしたサンプル１におけるＨＰＢＷが１１．９°、サイドローブレベルが−１３．４ｄＢとなることがわかった。これらの結果整理して、表３に示す。
【表３】
【００６５】
上述の解析結果から、本発明の電波レンズに基づいて解析を行った場合、Ｌが０．０７ｍから０．０５５ｍと短くなるに従い、サイドローブレベルが小さくなる（−１０．５ｄＢ→−１３．４ｄＢ）ことがわかった。なお特に後方放射に限った場合、７ｄＢ減衰することがわかった。以上の結果から、電波レンズ１を使用したハイブリッドレンズアンテナ２において、焦点距離（Ｌ）を短くした場合に、より指向性が高くなることがわかった。また、ＨＰＢＷの算出結果から、電波レンズ１が、メタルレンズ４１と同程度、波源の指向性を高めることが可能であることがわかった。以上の解析結果から、電波レンズ１を使用することによって、指向性が高く、より小型のハイブリッドレンズアンテナ２を作製することが可能であることが明らかとなった。
【符号の説明】
【００６６】
１ 電波レンズ
２ ハイブリッドレンズアンテナ
１０、１１、１２、１３、１４、１５、１６、１７、１８ 金属平板
２０ 誘電体
２１、２２、２３、２４ 誘電体ブロック
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波の伝搬方向に平行に配置される平板状の導体である導体平板であって、所定間隔を空けて積層配置される複数の導体平板と、
隣接する前記導体平板の間に挟まれた部分である狭間部分に配置される誘電体と
を備えた電波レンズであって、
前記導体平板における前記電波の放射源と近接する側である入射側の端部が、前記放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置され、前記導体平板における入射側と反対側の端部である出射側の端部が、前記電波の伝搬方向と直交する面上に配置されることを特徴とする電波レンズ。
【請求項２】
前記誘電体は、配置される場所毎に異なる前記電波の伝搬方向の厚さを有しており、
前記誘電体と前記放射源との間の距離が小さい程、前記厚さが大きいことを特徴とする請求項１に記載の電波レンズ。
【請求項３】
前記誘電体は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電波レンズ。
【請求項１】
電波の伝搬方向に平行に配置される平板状の導体である導体平板であって、所定間隔を空けて積層配置される複数の導体平板と、
隣接する前記導体平板の間に挟まれた部分である狭間部分に配置される誘電体と
を備えた電波レンズであって、
前記導体平板における前記電波の放射源と近接する側である入射側の端部が、前記放射源を焦点として形成される回転楕円面上に配置され、前記導体平板における入射側と反対側の端部である出射側の端部が、前記電波の伝搬方向と直交する面上に配置されることを特徴とする電波レンズ。
【請求項２】
前記誘電体は、配置される場所毎に異なる前記電波の伝搬方向の厚さを有しており、
前記誘電体と前記放射源との間の距離が小さい程、前記厚さが大きいことを特徴とする請求項１に記載の電波レンズ。
【請求項３】
前記誘電体は、フッ素樹脂であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電波レンズ。
【図１】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１０−２１３０２１（Ｐ２０１０−２１３０２１Ａ）
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００９−５７３０１（Ｐ２００９−５７３０１）
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（３９１０４８０４９）滋賀県 (81)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年９月２４日（２０１０．９．２４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２１年３月１１日（２００９．３．１１）
【出願人】（３９１０４８０４９）滋賀県 (81)
【Ｆターム（参考）】
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