(57)【要約】平坦な金属プレート20は平面の表面を横切って変化する特性を有する複数の穴50を有し、それによって平坦なプレート20は湾曲した波頭の変換器の動作を模倣する。変化特性は、半径または深さのような寸法を含むことができ。したがってプレート20の中心近くの穴50は例えばプレート20の中心からさらに離れた穴50よりも小さい。各穴50の寸法は穴50に衝突する特定の波長または周波数の電磁波に与えられた局部的な位相変化と、穴50に存在する反射された波が穴50と焦点との間を伝播するときに生じる伝播位相変化との関数である。【選択図】図１
2005504474.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状を有する入射電磁波波頭を異なる形状を有する反射された波頭へ変換するのに適した波頭変換器において、入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面中の複数の開口とを具備し、各開口は導電性表面から延在する複数の空洞のそれぞれによって形成され、各空洞は焦点への距離にわたって伝播位相シフトを誘起するために焦点に関して導電性表面上に選択された位置を有し、各空洞は空洞の選択された寸法の関数として反射された電磁エネルギに局部的な位相シフトを誘起し、複数の空洞からの結合された伝播位相シフトと局部的な位相シフトは焦点において同位相の反射された電磁エネルギを生成させる波頭変換器。
【請求項２】
基体は金属プレートである請求項１記載の波頭変換器。
【請求項３】
プレートは実質上平坦である請求項２記載の波頭変換器。
【請求項４】
プレートは第２のプレートの上に位置する第１のプレートを含み、第１のプレートは空洞を形成する複数の貫通穴を有し、第２のプレートは空洞の平坦な底部表面を形成している請求項２記載の波頭変換器。
【請求項５】
プレートは実質上均一な厚さである請求項２記載の波頭変換器。
【請求項６】
空洞の１以上の特性は焦点に関する位置により変化する請求項１記載の波頭変換器。
【請求項７】
変化する特性は空洞の寸法と、近傍の空洞との間の間隔とを含んでいる請求項６記載の波頭変換器。
【請求項８】
空洞の寸法は幅、深さ、半径の１以上のものを含む断面寸法を含んでいる請求項７記載の波頭変換器。
【請求項９】
複数の空洞は定期的なアレイを形成している請求項１記載の波頭変換器。
【請求項１０】
空洞の位置と空洞の選択された寸法だけが変化し、各空洞の寸法は各空洞から反射された電磁波の焦点における総位相シフトが等しいように選択され、それによって、
【数１】
2005504474.tif 000010
ここで、ｒは導電性表面の平面の基準点からの空洞までの距離であり、φ（ｒ）は平坦な反射表面によりｒにおいて入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトであり、ｆは反射装置の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）はディメンションａ（０，０）を有する基準点における空洞により入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトである請求項１記載の波頭変換器。
【請求項１１】
波頭変換器は約４．５インチ（約１１．４ｃｍ）の焦点距離を有している請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１２】
ａ（０，０）は円筒形の空洞により形成される円形の開口の半径である請求項１２記載の波頭変換器。
【請求項１３】
ａ（０，０）は約４４．５ミル（約２５４μｍ）である請求項１２記載の波頭変換器。
【請求項１４】
空洞の寸法は約２０ＧＨｚよりも大きい周波数に対して選択されている請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１５】
空洞の寸法は約９５ＧＨｚの周波数に対して選択されている請求項１４記載の波頭変換器。
【請求項１６】
空洞は約１００ミル（約２．５４ｍｍ）の均一な深さを有している請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１７】
近接する空洞間の最も近傍の距離は均一である請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１８】
近接する空洞間の最も近傍の距離は約１０５ミル（約２．６７ｍｍ）である請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１９】
空洞はプレートの局部的な厚さよりも小さい深さを有する請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２０】
開口は円形である請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２１】
空洞は円筒形である請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２２】
複数の空洞は正三角形で配置されている請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２３】
焦点に動作波長の入射電磁エネルギを集束するように構成され、請求項１記載の波頭変換器を含んでいる反射装置。
【請求項２４】
請求項２３記載の反射装置と焦点に位置する導波管フィードとを備えているアンテナ。
【請求項２５】
動作波長の入射電磁エネルギを焦点に集束させるように構成された反射装置の製造方法において、波頭変換器は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面の複数の開口とを含んでおり、各開口は導電性表面から延在する複数のディスクリートな空洞のそれぞれ１つ１つにより形成され、方法は、焦点から所望の距離において空洞により生成される伝播位相シフトおよび局部的な位相シフトの関数として各空洞の寸法を選択し、導電性表面に空洞を形成するステップを含み、各空洞の寸法は入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトが次式であるように選択され、
【数２】
2005504474.tif 000011
ここで、ｒは導電性表面の基準点からの空洞までの距離であり、ｆは波頭変換器の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）はディメンションａ（０，０）を有する空洞により基準点の入射電磁波に与えられた局部的な総位相シフトである製造方法。
【請求項２６】
空洞の形成は正三角形の配置で空洞を形成することを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
空洞の形成は第１のプレートに貫通穴を形成し、各穴に対する固体の底部表面を形成するバッキングプレート上に第１のプレートを取付けるステップを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
空洞の形成はマシンリームするステップを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項２９】
空洞の形成は電子放電機械加工を使用するステップを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項３０】
動作波長の入射電磁エネルギを焦点に集束するように構成されたアンテナにおいて、導電性表面と反射された電磁エネルギを受けるように構成された焦点に位置する導波管フィードとを有する平坦な形状の波頭変換器プレートを具備しており、前記波頭変換器プレートはさらに導電性表面の複数のディスクリートな空洞開口を含んでおり、各空洞の寸法は電磁エネルギが反射されるとき電磁エネルギの入射波に局部的な位相シフトを誘起するため焦点に関してプレート上の空洞の位置の関数として変化し、空洞は波頭変換器プレートから反射された電磁エネルギが焦点で同位相であるように波頭変換器プレートが反射された電磁エネルギに焦点を結ばせることを可能にしているアンテナ。
【請求項３１】
空洞は正三角形に配置されている請求項３０記載のアンテナ。
【請求項３２】
動作波長の入射電磁エネルギを集束するように構成され、任意の偏波の入射平面波を焦点に集束させる手段を具備している反射装置。
【請求項３３】
焦点に集束させる手段は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面に開口を有する複数のディスクリートな空洞とを含んでおり、各空洞は少なくとも１つの正三角形に配置された空洞の一部を形成している請求項３２記載の反射装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば反射アンテナおよびミラーで使用される反射された波頭を合成する反射表面に関し、特に反射するミリメートル波周波数に特に有効なこのような反射表面を製造し使用するシステムおよび方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビーム導波管システムで使用されるような反射アンテナおよびミラーは最良の信号を得るのに必要な機械的許容度を達成することが難しいため、ミリメートル波周波数用に作ることが困難であり高価になる傾向にある。例えば、一般的な法則として、放物面反射装置の反射表面は理想的な放物面に対して１波長の約５０分の１以内の許容誤差にしなければならない。１００ＧＨｚの周波数では、これは約２ミル（約５０．８μｍ）の許容誤差に対応する。反射装置の周波数および／またはサイズが増加すると、必要な許容誤差を保持することはさらに困難になる。放物面または双曲面のような規則的に湾曲した表面は特に高い正確度で製造することが困難である。
【０００３】
規則的な湾曲した表面の製造が困難であるので、幾つかの応用は所望の遠距離パターンを生成するために不規則に湾曲した表面、または入射ビームの位相を補正するために（例えばビーム導波管システムの）不規則は反射表面を必要としている。周波数と、必要とされる不規則性の程度に基づいて、このような湾曲した表面は機械加工するコストが非常に高くなり、場合によっては、現在の製造技術では製造が不可能である。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
平坦な放物表面（ＦＬＡＰＳ）アンテナ技術では誘電体層により接地面から分離されたダイポールのアレイを使用することによりこの問題を解決しようとしている。ＦＬＡＰＳ表面から反射された波に与えられる局部的な位相シフトは近くのダイポールの形状により決定される。ＦＬＡＰＳ表面上の位置の関数として、ダイポールの形状と間隔の適切な変化により、通常の湾曲された反射アンテナの特性に類似するようにされる。
【０００５】
しかし残念ながら、誘電体は通常、環境的に頑強ではなく、天候から保護されなければならない。さらに幾つかの応用（例えば実験的な慣性閉込め核融合反応炉）では、ビームは１００ＧＨｚを超える周波数で１メガワットよりも大きいパワーを伝送する。誘電体はミリメートル波周波数で損失があり、熱伝導特性が悪く、これらは高パワー応用では重大な欠点である。それ故、ＦＬＡＰＳシステムのダイポールをサポートするための誘電体層の使用は通常、高パワー応用での使用を困難にする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
従来のシステムと異なって、本発明は反射表面を横切って所望の局部的位相シフトを実現するためにディメンションおよび／または間隔を変化する空洞を有するプレートの形態の反射表面を提供し、それによって誘電材料の使用の必要性を無くす。プレートの表面は平坦または湾曲している。プレートに入射する平面波は反射のときに位相のシフトを受け、局部的な位相シフトは空洞の寸法および間隔に依存している。プレート上の位置の関数として空洞の寸法を適切に選択することにより、プレートから反射する波頭は等しく湾曲した反射装置から反射される波頭に似せられる。換言すると、本発明は任意選択的に湾曲された表面の電磁特性をエミュレートできる所望の表面形状を有する反射表面を提供する。例えば放物面状の反射装置をエミュレートする反射構造は円筒形表面、例えば航空機の外壁に埋設されることができる。この技術に基づく反射アンテナとミラーは価格と性能において通常の形状の対応するものよりも優秀な利点を与える。
【０００７】
特に、本発明は所定の形状を有する入射電磁波頭を異なる形状を有する反射された波頭へ変換するのに適した波頭変換器を提供する。この波頭変換器は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面中の複数の開口とを含んでいる。各開口は導電性表面から延在する複数のディスクリートな空洞のそれぞれ１つ１つにより形成され、その距離にわたって焦点への伝播位相シフトを誘起するため焦点に関して導電性表面上に選択された位置を有する。各空洞はまた空洞の選択された寸法の関数として反射された電磁エネルギ中に局部的な位相シフトを含んでいる。複数の空洞からの結合された伝播位相シフトと局部的な位相シフトは焦点において同位相の反射された電磁エネルギを与える。
【０００８】
本発明に含まれる他の特徴は、波頭変換器を含んでおり、ここでは基体は金属プレートであり、そのプレートは実質上平坦であり、プレートは第２のプレートの上に位置する第１のプレートを含み、第１のプレートは空洞を形成する複数の貫通穴を有し、第２のプレートは空洞の平坦な下部表面を形成し、プレートは実質上均一な厚さであり、空洞の１以上の特性は焦点に関する位置により変化し、変化する特性は空洞の寸法と、近傍の空洞間の間隔を含み、空洞の寸法は幅、深さ、半径の１以上を含む断面寸法を含み、複数の空洞は周期的なアレイを形成し、空洞の位置と空洞の選択された寸法だけが変化し、各空洞の寸法は各空洞から反射された電磁波の焦点の総位相シフトが等しいように選択され、それは次によって決定される。
【数３】
2005504474.tif 000003
【０００９】
ここで、ｒは導電性表面の平面の基準点からの空洞の距離であり、φ（ｒ）は平坦な反射表面によりｒで入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトであり、ｆは反射装置の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）はディメンションａ（０，０）を有する基準点における空洞により入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトである。
【００１０】
他の特徴は、約４．５インチ（約１１．４ｃｍ）の焦点距離を有する波頭変換器を含み、中央空洞の寸法ａ（０，０）は円筒形の空洞により形成される円形の開口の半径であり、ａ（０，０）は約４４．５ミル（約２５４μｍ）であり、空洞の寸法は約２０ＧＨｚよりも大きい周波数のために選択され、空洞の寸法は約９５ＧＨｚの周波数に対して選択され、空洞は約１００ミル（約２．５４ｍｍ）の均一な深さを有し、近接する空洞間の最も近傍の距離は均一であり、近接する空洞間の最も近傍の距離は約１０５ミル（約２．６７ｍｍ）であり、空洞はプレートの局部的な厚さよりも小さい深さを有し、開口は円形であり、空洞は円筒形であり、複数の空洞は正三角形で配置されている。
【００１１】
本発明はまた焦点に動作波長の入射電磁エネルギを集中させるのに適し、波頭変換器を含んでいる反射装置と、焦点に位置する反射装置および導波管フィードを含むアンテナを提供する。
【００１２】
本発明はまた動作波長の入射電磁エネルギの焦点を結ぶのに適した反射装置の製造方法を提供し、波頭変換器は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面の複数の開口を含んでおり、各開口は導電性表面から延在する複数のディスクリートな空洞のそれぞれ１つ１つにより形成される。その方法は、焦点から所望の距離において空洞により生成される伝播位相シフトと局部的な位相シフトの関数として各空洞の寸法を選択し、導電性表面に空洞を形成するステップを含み、各空洞の寸法は入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトが次式であるように選択され、
【数４】
2005504474.tif 000004
【００１３】
ここで、ｒは導電性表面の基準点からの空洞の距離であり、ｆは波頭変換器の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）は寸法ａ（０，０）を有する空洞により基準点の入射電磁波に与えられた局部的な総位相シフトである。
【００１４】
本発明に含まれる他の特徴は、空洞の形成が正三角形の配置で空洞を形成し、第１のプレートに貫通穴を形成し、各穴に固体の下部表面を形成するバッキングプレート上に第１のプレートを取付け、マシンリームし、電子放電機械加工を使用することを含んでいる。
【００１５】
本発明はまた、動作波長の入射電磁エネルギを焦点に集束するのに適したアンテナを提供し、これは反射された電磁エネルギを受けるのに適した焦点に位置する導電性表面と導波管フィードを有する形状的に平坦の波頭変換器プレートを含んでいる。その波頭変換器プレートはさらに導電性表面の複数のディスクリートな空洞開口を含んでおり、各空洞の寸法は電磁エネルギが反射されるとき電磁エネルギの入射波に局部的な位相シフトを誘起するために焦点に関するプレートの空洞の位置の関数として変化し、空洞は波頭変換器プレートが反射された電磁エネルギを焦点に結ぶことを可能にし、それによって波頭変換器プレートから反射された電磁エネルギは焦点において同位相である。
【００１６】
アンテナの１実施形態にしたがって、空洞は正三角形に配置されている。
【００１７】
本発明はまた動作波長の入射電磁エネルギの焦点を結ぶのに適した反射装置を提供し、任意の偏波の入射平面波を焦点に集束する手段を含んでいる。
【００１８】
反射装置の１実施形態によれば、焦点を結ぶ手段は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面に開口を有する複数のディスクリートな空洞を含んでおり、各空洞は少なくとも１つの正三角形配置の空洞の一部を形成する。
【００１９】
本発明の例示的な実施形態によれば、反射装置は形状的に平坦なプレートから形成され、空洞の位置と、空洞の選択された寸法だけが反射装置を横切って変化されている。各空洞の寸法は、各空洞により反射される入射波の一部が（２Πラジアンの倍数内で）同位相で焦点に到着するように選択される。数学的に、これは導電性表面の平面の基準点から距離ｒの空洞により反射波に与えられた位相シフトが次式であることを意味している。
【数５】
2005504474.tif 000005
【００２０】
この式では、ｆは反射装置の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、ｆ（０）は寸法ａ（０，０）を有する基準点における空洞により反射された波に与えられた局部的な位相シフトである。
【００２１】
本発明にしたがって製造された反射装置は従来技術と同様の限定を受けず、パワー伝播容量を犠牲にせずに、湾曲したミラーの代わりに使用されることができる。さらに、表面の湾曲ではなく反射された波頭を形成するために反射装置を空洞に依存することにより特に製造において、設計上のフレキシブル性と、価格の利点が与えられ、そうでなければこれらは有効ではない。これらの利点はさらに反射装置の環境に対する頑強性を改良することにより強化される。
【００２２】
したがって、本発明は所望の形状の反射された波頭の合成のための反射表面を与え、その反射表面は反射された波頭の形状とは独立している形状を有する。換言すると、平坦なプレートは例えば放物状の反射された波頭を発生することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
本発明の前述および他の利点を、以後十分に説明し、特に特許請求の範囲で指摘され、以下の説明と添付図面は本発明のある例示的な実施形態を詳細に説明しており、この実施形態は本発明の原理が使用される種々の方法の１つを示している。
【００２４】
最初に図１乃至３を参照すると、本発明にしたがって形成された例示的なアンテナ10が示されている。アンテナは入射電磁エネルギを反射する反射表面30を有する反射プレートと、電磁信号を放射または受信するため反射プレートの焦点45に位置されている導波管フィード40を含んでいる。受信モードでは、反射プレートの表面に入射する電磁エネルギは焦点方向に反射され、ここで導波管フィードにより集められる。送信モードでは、導波管フィードからの電磁エネルギは反射プレート表面を照射し、反射プレートの穿孔軸に関して外方向に反射される。
【００２５】
ここで示され説明されている例示的な実施形態では、反射プレート20は実質上平坦な導電性反射表面30を形成する金属プレートである。反射プレートは入射電磁エネルギを反射するために表面上の導電性材料を支持する任意の構造的に適切な材料で形成されている。さらに、反射プレートは一定、可変または不規則な厚さを有するプレートを含んだ任意の形状を有していてもよい。導電性表面は反射プレートを横切って延在するアレイを形成するために隔てられている複数の開口50を有している。それらの開口は好ましくは平坦な底部表面を有するディスクリートな接続されていないスロットまたは空洞を形成するためにプレート表面を延在する。
【００２６】
図示の実施形態では、反射プレート20は２つの部材で形成され、即ち空洞の平坦な底部表面を形成する平坦なバッキングプレート80は複数の貫通穴を有し空洞50の開口および側面を形成する穿孔表面プレート60に取り付けられている。空洞の結果的なアレイは直径約６インチ（約１５．２ｃｍ）であり、反射プレートの直径全体は約６．６２５インチ（約１６．８３ｃｍ）である。
【００２７】
通常の場合、本発明は所定の形状の入射電磁波長を異なる形状の反射された波頭へ変形する図示の反射装置10のような波頭変換器を提供し、波頭は通常、一定の位相の表面である。反射装置は入射平面波を球面波に変換することができる。
【００２８】
導電性表面中の空洞は反射された電磁波に局部的な位相シフトを与える。反射装置の一部から反射された電磁波の位相はそれが焦点に到着したとき、空洞の形状および寸法により決定される局部的な位相シフトと、空洞から焦点までの距離により決定される伝播位相シフトとの和である。本発明により与えられるアンテナは空洞寸法の適切な変化および／または所望の焦点に関する反射表面上の位置に関する近傍の空洞間の間隔により、湾曲された反射アンテナの性能を近似する。
【００２９】
特定の空洞により与えられる局部的な位相シフトは空洞の形状および寸法（容積、深さ、断面寸法または寸法を含む）と、近傍空洞に関するその間隔とに依存する。図示の実施形態のように、形状および間隔が実質上反射装置を横切って均一であるならば、例えば深さまたは断面の寸法などの空洞の１以上の寸法の適切な変化は所望の局部的な位相シフトを与える。
【００３０】
さらに、放物反射器に入射する平面波は、例えば、反射プレートから焦点までの等しいパス長を伝播する反射された電磁波を提供する。したがって伝播位相シフトは波頭が放物状の反射プレートの表面に衝突する場所にかかわりなく等しい。しかしながら、（図３で示されているように）平坦なプレートに入射する平面波では、反射された波は焦点に到達するために等しくないパス長を伝播し、したがって異なる伝播位相シフトを有する。パス長を等しくするよりも、本発明は反射された波のパス長が異なっているにもかかわらずこれらが同位相で焦点45に到着するように、反射された波に局部的な位相シフトを与える空洞50を反射プレート20に設ける。
【００３１】
個々の空洞から焦点のパス長の差の結果として与えられた位相シフトと組合わせて、局部的な位相シフトは反射された同位相の波を焦点に位置させるように選択され、それによってこれらは加算され、強力でクリアな信号を生成する。反射装置はしたがって湾曲した反射装置を模擬する。
【００３２】
図示の実施形態では、深さと近傍の空洞との間隔は実質上均一であるように選択され、単一の容積測定の形状、即ち円筒形の形状は容積が円形の空洞の開口の寸法で変化するように選択された。空洞の１ディメンションおよび位置の変化は、所望の位相シフトを生成する空洞の特性を決定するために使用される計算を簡単にした。図示の実施形態では、円筒形の空洞が整列され、プレートの表面に円形の開口の正三角形アレイを形成し、計算を簡単にし、製造の価格と容易さにおいてある利点を与える。このような構造から反射された電磁波に与えられる局部的な位相シフトは局部的な空洞のサイズ、この場合は半径に主として依存する。正三角形の配置はまた任意の偏波または偏波の組合わせに対してほぼ同一の位相シフトを与える。
【００３３】
さらにアンテナの動作を支配する原理を示すために、示された例示的な反射プレートが平坦であり、焦点距離ｆの焦点を有する中心で給電された反射プレートであることを考慮する。焦点距離は反射表面から焦点までの垂直軸に沿った距離であり、反射プレートの穿孔軸と一致する。図示の実施形態では、表面から焦点までの垂直軸（この場合中心軸）は反射表面の中心を通過する（説明を容易にするために、焦点はプレートの形状の中心を通過する垂直軸に位置する必要はないが、ここでの参照用語中心は中心軸の位置を意味している）。
【００３４】
図３で示されている光線はこのような平坦な反射表面に垂直に入射する平面波を表している。反射された波で空洞により与えられた局部的な位相シフトと、反射表面から焦点への伝播による位相シフトとの和が（２Πラジアンの倍数内で）ｒと独立し、ｒは中心軸の垂線に沿って測定された特定の空洞までの距離であるとき、反射プレートの異なる部分から反射された波は焦点で同位相に加算される。
【００３５】
数学的に、これは次式を意味する。
【数６】
2005504474.tif 000006
【００３６】
ここでφ（ｒ）は軸から距離ｒの平坦な反射表面により与えられた局部的な位相シフトであり、Φ（ｒ）は表面からの反射と、表万から焦点までの伝播による焦点の位相シフト全体である。中心で給電された放物反射装置を模擬するために、Φ（ｒ）は便宜的にｒと独立し、次式を必要とする。
【数７】
2005504474.tif 000007
【００３７】
ここで、Ｃは任意選択的な定数である。定数Ｃは便宜的に例えば値φ（０）−２Πｆ／λを割当てられ、それによってφ（ｒ）は以下の形を想定する。
【数８】
2005504474.tif 000008
【００３８】
波長λおよび焦点距離ｆを与えられると、反射プレートの設計はφ（０）値により決定され、φ（０）は反射表面の中心から反射された電磁波に与えられる位相シフトを表し、反射プレートの中心の空洞のディメンション、即ちａ（０，０）の反射プレートの中心の空洞の半径により決定される。
【００３９】
ｆの焦点距離を有する中心で給電された反射装置は位置ｒ（ｘ，ｙ）に位置する空洞により与えられた総位相シフトがφ（ｒ）であるように位置ｒ（ｘ、ｙ）によって空洞半径ａ（ｘ，ｙ）を変化することによって合成されることができる。プレートの設計はその後、プレートの中心の空洞の半径を選択することにより決定され、これは位置ｒ（０，０）に位置する空洞により与えられた総位相シフトφ（０）を決定する。残りの空洞の半径はその後、２Πラジアン（３６０゜）の倍数内で式（３）を満足するように選択される。
【００４０】
しかしながら、近傍空洞により分散されるフィールドの相互動作のために、単一の空洞の寸法は隔離して計算されない。むしろ、特定の空洞の変化特性（寸法および／または深さ等）は空洞が同一の空洞の無限の周期的なアレイの一部であるという仮定によって近似される。
【００４１】
構造および平面波励起の周期性は有限数のディスクリートな平面波（フロケのモード）を有する反射された波と、有限数の導波管モードを有する空洞のフィールドを近似することにより反射された波の位相シフトを計算することを可能にする。境界条件を、反射プレートの表面の接線電界および磁界に適用することにより、即ち接線電界および磁界に連続性を与えることにより、導波管とフロケのモードの係数を決定できる。これらの係数は未知の導波管モードの振幅を決定するために解かれることができるマトリックスのベースを形成する。焦点における反射された平面波の総位相シフトはその後、このマトリックス式の解から得られる。この方法のさらに詳細についてはChao-Chu ChenのTransmission of Microwaves Through Perforated  Flat Plates of Finite Thickness、MTT21 IEEE 、Trans.、Microwave Theory and Techs 1(1983年１月)を参照されたい。これをGonzalezの米国特許4,905,014号明細書と比較する。
【００４２】
例示的な実施形態では、図５で示されているように空洞50（図４参照）の正三角形アレイに垂直に入射する９５ＧＨｚ平面波に対するこのような計算の結果を考察する。図５は約１００ミル（約２．５４ｍｍ）の均一な深さを有する空洞により穿孔されたプレート20（図４）の空洞半径と、約１０５ミル（約２．６７ｍｍ）の近傍空洞間の最も近い近傍との距離（ｄX）（図４）の関数として示されている局部的な位相シフトを示している。局部的な位相シフトはｘおよびｙ方向（図２および４で規定されているｘとｙ）の両者に沿って電界が偏波されている直角入射平面波に対して示されている。入射偏波では、反射された波に与えられた局部的な位相シフトは、穴の半径が約２０ミル（約０．５ｍｍ）から約４７．５ミル（約１．２ｍｍ）まで増加するとき、３６０゜（２Πラジアン）を超える範囲で変化する。
【００４３】
さらに、空洞の正三角形のアレイ構造では、局部的な位相シフトは実質上、いずれかの入射偏波で同じであり、局部的な位相シフトが入射波の偏波と独立していることが示されている。これは図６でより明白に示されており、ここでは２つの直交する偏波の局部的な位相シフト間の差は空洞の半径の関数として示されている。最大の位相差は０．５゜よりも小さい。したがって、任意の偏波の入射平面波は、線形、球形、または楕円形で焦点で結ばれ、その偏波は保存されることができる。
【００４４】
前述したように、中心空洞ａ（０，０）の寸法は残りの空洞の寸法を決定するために使用されることができる。ａ（０，０）の決定において、例えば複数の異なる量子化された空洞寸法を最小にするために複数の基準が使用されることができる。示された実施形態では、空洞のアレイはアルミニウムプレートに機械加工で穴あけされた。製造コストは空洞の直径を標準的な規制のリーマーのセットにより規定されたディスクリートなセットへ限定することにより最小にされ、それにより工具のコストを最小にする。異なる製造技術が使用されるならば、他の基準が使用されてもよい。例えば、空洞はまた電子的な放電加工（ＥＤＭ）技術により形成されることもできる。
【００４５】
複数の異なる量子化された空洞寸法が示された反射プレートでａ（０，０）の複数の可能な値で計算されたとき、複数の異なる量子化された空洞の寸法は６７から７９の範囲であり、最小の数は約４４．５ミル（約１．１３ｍｍ）の半径ａ（０，０）で達成されることが分かった。しかしながら空洞寸法の量子化の結果として、各空洞により与えられる局部的な位相シフトは理想値と僅かに異なり、位相エラーを生じる。示された反射プレートでは、空洞寸法の量子化から生じるルート二乗平均（ｍｓ）位相エラーは９５ＧＨｚの周波数で約２度（２゜）（等価の湾曲した表面の反射装置０．５ミル（約１２．７μｍ）よりも小さいｒｍｓ表面エラーに対応する）であり、ほぼａ（０，０）と独立していることが分かった。
【００４６】
示された例示的な実施形態の空洞は均一の正三角形グリッドで構成されているので、レイアウトは図４で示されているように、最も近い近傍間の距離ｄXにより決定される。図示の実施形態では、距離ｄXは約１０５ミル（約２．７ｍｍ）である。幾つかの基準がこの値ｄXの選択に使用された。第１に、反射された波の格子ローブを避ける必要性はｄX値に上限を置いている。二等辺三角形アレイでは、格子ローブは以下の条件が満たされるならば通常、存在できない。
【数９】
2005504474.tif 000009
【００４７】
ここでθは反射装置の軸に関する入射平面波の入射角度である。空洞のアレイが正三角形パターンで構成されるならば、ｄY＝ｄX＊ｓｉｎ（６０゜）である。直角入射では、θ＝０であり、格子ローブは通常、ｄXが約１４３ミル（約３．６ｍｍ）よりも小さいならば存在できない。これは値ｄXの上限を表している。
【００４８】
第２に、選択された値ｄXは空洞の半径が変化するときに位相シフトの実現可能な範囲を提供しなければならない。数値シミュレーションは、得られることが可能な位相シフトの範囲が通常、ｄXの増加と共に増加するが、空洞半径の変化率は劇的に増加し、それによって可能な位相シフトの範囲のほぼ全体が空洞半径の非常に狭い範囲で実現されることを示している。即ち、ｄXが増加すると、位相シフトの空洞半径の小さい変化に対する感度が増加する。ｄXが減少すると、得られることのできる位相シフトの範囲は減少し、空洞半径の反射位相シフトの変化率も減少し、それによって位相シフトは空洞半径の小さい変化に対する感度が少なくなる。ｄXの下限では、反射位相シフトの範囲は少なくとも３６０゜（２Πラジアン）で走査し、ｄXよりも小さい直径を有する最大の空洞と、空洞間の十分な壁の厚さで可能な幾つかのマージンにより、空洞半径の実現可能な範囲で得られる。示されている実施形態では、距離ｄｘは約１０５ミル（２．７ｍｍ）に選択され、それはこれが図５に示されているように、空洞の半径により漸進的に変化する反射位相シフトを生じるからである。最大の空洞半径はこの選択によって約４７．５ミル（約１．２ｍｍ）に限定され、近傍空洞間で約１０ミル（約０．２５ｍｍ）の最小距離を与える。
【００４９】
図１乃至３で示されているように、アレイはプレート20の中心から周期的な距離で空洞寸法の環状の不連続性を有する同心リングを形成しているように見える。式（３）は局部的な位相シフトφ（ｒ）がｒにより単調に増加することを示している。例えば周波数が９５ＧＨｚであり、焦点距離ｆが４．５インチであるならば、ｒ＝０に関して中心軸から約３インチの距離ｒの局部的な位相シフトは２６３２゜である。図５は、穴の半径が近傍空洞間に最小の距離を維持する必要性により制約されるので、このような位相シフトの範囲が穴の半径の連続的な増加により適用されることができないことを示している。必要とされる局部的な位相シフトが図５でカバーされている範囲外に位置するならば、３６０゜の倍数は図５でカバーされる範囲内に位置する位相シフトが得られるまで減算されることができる。この状態は図７に示されており、これはφ（０）が約２７．０２゜（約４４．５ミル（約１．１３ｍｍ）のａ（０，０）に対応する）であるとき式（３）から得られるような理想的な連続的な局部位相シフトφ（ｒ）と、２Πラジアン（３６０゜）のφ（ｒ）の整数倍からの減算により得られる実現された位相シフトを示している。図１および２で見られる穴の半径の不連続性の説明は図７で見られ、局部的な位相シフトが図５でカバーされた範囲を丁度超えるとき、穴の半径は局部的な位相シフト（モジュール２Π）の連続性を維持するために曲線の他方の側へ突然ジャンプしなければならない。
【００５０】
示されている反射プレートは約９５ＧＨｚでＷ帯域のミリメートル波用に設計され、結果的なアンテナはブロードバンド通信に有効であると予測されている。当然、本発明は他の周波数で使用するためのアンテナも提供するが、空洞開口の寸法は通常、周波数が低い程、増加する。
【００５１】
さらに、示されている実施形態は導電性表面を横切って半径を変化する円形の開口のアレイを有し、空洞は均一な深さと間隔を有しているが、空洞の深さ等の１以上の特性は所望の局部的な位相シフトを生成するために変化されることができる。反射プレートはまたバッキングプレートなしで単一の部材として形成されることができる。さらに、示されている反射装置は形状的に平坦なプレートであるが、反射装置は湾曲した表面を形成するときのエラーを補償し、または双曲面の表面をエミュレートする半球面の表面等の異なる形状をエミュレートするため、適切に選択された空洞で穿孔された規則的または任意選択的に湾曲した導電性表面を有することもできる。
【００５２】
示された実施形態は所定の形状を有する入射波頭を異なる形状を有する反射された波頭へ変形するために使用されることができるここで説明した技術に基づいて、さらに一般的なクラスの装置の単なる１例であり、波頭は一定位相の表面である。示された反射装置は入射平面波頭を受信モードの焦点に収斂する反射された球面波へ変換し、球面波を送信モードの反射された平面波頭に変換する。さらに一般的な波頭変換は本発明により可能であり、例えばビーム導波管システムで使用するための位相補正ミラーを構成できる。
【００５３】
本発明をある好ましい実施形態に関して示し説明したが、等価の代替および変形がこの明細書および添付図面を読み理解して当業者により行われるであろう。特に前述の完全体（コンポーネント、アセンブリ、装置、構成等）により実行される種々の機能に関して、このような完全体の説明に使用される（“手段”の参照を含む）用語は、その他の方法で示されなければ、本発明のここで示された例示的な実施形態で機能を実行する説明した構造に構造的に等しくなくても、説明した完全体の特別な機能（即ち機能的に等しい）を行う任意の完全体に対応することを意図する。さらに、本発明の特別な特徴をただ１つの実施形態に関して前述したが、このような特徴は任意の所定または特別な応用で所望であり有効であるように、他の実施形態の１以上の特徴と組み合わされてもよい。
【図面の簡単な説明】
【００５４】
【図１】本発明にしたがって形成されたアンテナの斜視図。
【図２】本発明にしたがった例示的な平坦な反射装置のレイアウトのグラフ。
【図３】反射装置に垂直に入射する平面波と共に示されている図２の反射装置の断面図。
【図４】本発明にしたがって形成された反射装置の空洞の正三角形レイアウトを拡大した概略図。
【図５】図４で示されている正三角形アレイに入射する直交偏波平面波に対する空洞サイズの関数として反射位相シフトを示すグラフ。
【図６】図５で示されている２つの直交入射平面波に対する反射位相シフト間の差を示すグラフ。
【図７】図１で示されている例示的な平坦な反射装置に対する反射装置上の半径方向の位置の関数として局部的な位相シフトを示すグラフ。
【図１】
2005504474.tif 000012
【図２】
2005504474.tif 000013
【図３】
2005504474.tif 000014
【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【国際公開パンフレット】
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【手続補正書】
【提出日】平成15年11月13日(2003.11.13)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の形状を有する入射電磁波波頭を異なる形状を有する反射された波頭へ変換するのに適した波頭変換器(10)において、入射電磁エネルギを反射する導電性表面(30)を有する基体（20）と、導電性表面中の複数の開口(50)とを具備し、各開口は導電性表面から延在する複数の空洞のそれぞれによって形成され、各空洞は焦点への距離にわたって伝播位相シフトを誘起するために焦点に関して導電性表面上に選択された位置を有し、各空洞は空洞の選択された寸法の関数として反射された電磁エネルギに局部的な位相シフトを誘起し、複数の空洞からの結合された伝播位相シフトと局部的な位相シフトは焦点において同位相の反射された電磁エネルギを生成させる波頭変換器。
【請求項２】
基体は金属プレートである請求項１記載の波頭変換器。
【請求項３】
プレートは実質上平坦である請求項２記載の波頭変換器。
【請求項４】
プレートは第２のプレートの上に位置する第１のプレートを含み、第１のプレートは空洞を形成する複数の貫通穴を有し、第２のプレートは空洞の平坦な底部表面を形成している請求項２記載の波頭変換器。
【請求項５】
プレートは実質上均一な厚さである請求項２乃至４のいずれか１項記載の波頭変換器。
【請求項６】
空洞の１以上の特性は焦点に関する位置により変化する請求項１記載の波頭変換器。
【請求項７】
変化する特性は空洞の寸法と、近傍の空洞との間の間隔とを含んでいる請求項６記載の波頭変換器。
【請求項８】
空洞の寸法は幅、深さ、半径の１以上のものを含む断面寸法を含んでいる請求項７記載の波頭変換器。
【請求項９】
複数の空洞は定期的なアレイを形成している請求項１記載の波頭変換器。
【請求項１０】
空洞の位置と空洞の選択された寸法だけが変化し、各空洞の寸法は各空洞から反射された電磁波の焦点における総位相シフトが等しいように選択され、それによって、
【数１】
2005504474.tif 000047
ここで、ｒは導電性表面の平面の基準点からの空洞までの距離であり、φ（ｒ）は平坦な反射表面によりｒにおいて入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトであり、ｆは反射装置の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）はディメンションａ（０，０）を有する基準点における空洞により入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトである請求項１記載の波頭変換器。
【請求項１１】
波頭変換器は約４．５インチ（約１１．４ｃｍ）の焦点距離を有している請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１２】
ａ（０，０）は円筒形の空洞により形成される円形の開口の半径である請求項１０または１１記載の波頭変換器。
【請求項１３】
ａ（０，０）は約４４．５ミル（約２５４μｍ）である請求項１２記載の波頭変換器。
【請求項１４】
空洞の寸法は約２０ＧＨｚよりも大きい周波数に対して選択されている請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１５】
空洞の寸法は約９５ＧＨｚの周波数に対して選択されている請求項１４記載の波頭変換器。
【請求項１６】
空洞は約１００ミル（約２．５４ｍｍ）の均一な深さを有している請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１７】
近接する空洞間の最も近傍の距離は均一である請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１８】
近接する空洞間の最も近傍の距離は約１０５ミル（約２．６７ｍｍ）である請求項１０記載の波頭変換器。
【請求項１９】
空洞はプレートの局部的な厚さよりも小さい深さを有する請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２０】
開口は円形である請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２１】
空洞は円筒形である請求項２０記載の波頭変換器。
【請求項２２】
複数の空洞は正三角形で配置されている請求項１記載の波頭変換器。
【請求項２３】
焦点に動作波長の入射電磁エネルギを集束するように構成され、請求項１記載の波頭変換器を含んでいる反射装置。
【請求項２４】
請求項２３記載の反射装置と焦点に位置する導波管フィードとを備えているアンテナ。
【請求項２５】
動作波長の入射電磁エネルギを焦点に集束させるように構成された反射装置の製造方法において、波頭変換器は入射電磁エネルギを反射する導電性表面を有する基体と、導電性表面の複数の開口とを含んでおり、各開口は導電性表面から延在する複数のディスクリートな空洞のそれぞれ１つ１つにより形成され、方法は、焦点から所望の距離において空洞により生成される伝播位相シフトおよび局部的な位相シフトの関数として各空洞の寸法を選択し、導電性表面に空洞を形成するステップを含み、各空洞の寸法は入射電磁波に与えられた局部的な位相シフトが次式であるように選択され、
【数２】
2005504474.tif 000048
ここで、ｒは導電性表面の基準点からの空洞までの距離であり、ｆは波頭変換器の焦点距離であり、λは反射された電磁エネルギの所望の波長であり、φ（０）はディメンションａ（０，０）を有する空洞により基準点の入射電磁波に与えられた局部的な総位相シフトである製造方法。
【請求項２６】
空洞の形成は正三角形の配置で空洞を形成することを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項２７】
空洞の形成は第１のプレートに貫通穴を形成し、各穴に対する固体の底部表面を形成するバッキングプレート上に第１のプレートを取付けるステップを含んでいる請求項２５記載の方法。
【請求項２８】
空洞の形成はマシンリームするステップを含んでいる請求項２５乃至２７のいずれか１項記載の方法。
【請求項２９】
空洞の形成は電子放電機械加工を使用するステップを含んでいる請求項２５乃至２７のいずれか１項記載の方法。
【請求項３０】
動作波長の入射電磁エネルギを焦点に集束するように構成されたアンテナ(10)において、導電性表面(30)と反射された電磁エネルギを受けるように構成された焦点に位置する導波管フィード（40）とを有する平坦な形状の波頭変換器プレート（20）を具備しており、前記波頭変換器プレートはさらに導電性表面の複数のディスクリートな空洞開口（50）を含んでおり、各空洞の寸法は電磁エネルギが反射されるとき電磁エネルギの入射波に局部的な位相シフトを誘起するため焦点に関してプレート上の空洞の位置の関数として変化し、空洞は波頭変換器プレートから反射された電磁エネルギが焦点で同位相であるように波頭変換器プレートが反射された電磁エネルギに焦点を結ばせることを可能にしているアンテナ。
【請求項３１】
空洞は正三角形に配置されている請求項３０記載のアンテナ。
【請求項３２】
動作波長の入射電磁エネルギを集束するように構成され、任意の偏波の入射平面波を焦点に集束させる手段を具備している反射装置において、焦点に集束させる手段は入射電磁エネルギを反射する導電性表面（30）を有する基体（20）と、導電性表面（30）に開口（50）を有する複数のディスクリートな空洞とを含んでおり、各空洞は少なくとも１つの正三角形に配置された空洞の一部を形成している反射装置。
【国際調査報告】
2005504474.tif 000049
2005504474.tif 000050