(57)【要約】入射電磁波の出射方向（Ω）を制御するためのレンズ（３００，５００）が開示される。レンズは第１の主表面（２０７，５０７）を持った強誘電材料の本体部（２１０，５１０）と第１の変換器（２２０，２２２）を備えている。電磁波は変換器を介してレンズに入出射する。そのレンズは本体部内の第１の方向にＤＣ電場を発生させる手段（３７０，３８０）を備える。強誘電材料の本体部（２１０，５１０）は強誘電材料の複数のスラブ（２１０11−２１０NN，５１０11−５１０NN）を備え、各スラブはまた導電性材料でできた第１の電極（４０３，６０３）と第２の電極を備える。ＤＣ電場を発生させる手段は、第１と第２の電極を用いて、第１の方向に勾配を持つＤＣ電場を発生でき、その結果、本体部の誘電率も第１の方向に勾配を持つことになり、このようにして存在する電磁波の制御を可能としている。
2008523707.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射電磁波（２４０）の出射方向（Ω）を制御するためのレンズ（２００，３００，５００）であって、
前記レンズは少なくとも第１の主表面（２０７，５０７）を持った強誘電材料の本体部（２１０，５１０）と前記強誘電材料の本体部に隣接した第１の変換器（２２０，２２２）を備え、前記電磁波は前記第１の変換器を介してレンズに入射し（２４０）、また、出射し（２５０）、
前記レンズはさらに前記本体部内の第１の方向に第１のＤＣ電場を発生させる手段（３７０，３８０）を備え、
前記レンズは、
前記強誘電材料の本体部（２１０，５１０）が強誘電材料の複数のスラブ（２１０11−２１０NN，５１０11−５１０NN）を備え、
前記複数のスラブの各々は、導電性材料からなる第１の電極（４０３，６０３）と第２の電極をと備え、
前記ＤＣ電場を発生させる手段は、前記複数のスラブにおいて、前記第１と第２の電極を用いて、前記第１の方向に勾配を持つＤＣ電場を発生でき、これにより、前記本体部の誘電率が前記第１の方向に勾配を持ち、これにより出射する電磁波の制御を可能とすることを特徴とするレンズ。
【請求項２】
前記ＤＣ電場を発生させる手段は、前記本体部の前記第１の主表面（２０７，５０７）に実質的に平行な第１の方向に前記第１のＤＣ電場を発生できることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
第２の変換器をさらに有し、
前記強誘電材料の本体部は第２の主表面（２０８，５０８）を備え、
前記第１の変換器と前記第２の変換器の夫々は前記本体部の主表面の１つに隣接して配置され、前記電磁波が前記第１と第２の変換器の一方を介して前記レンズに入射し、前記第１と第２の変換器の他方を介して前記レンズから出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
【請求項４】
前記複数のスラブは少なくとも、
導電性材料からなる第３の電極（６０７）と、
前記第３の電極を用いて前記本体部の前記第１と第２の主表面の少なくとも１つに平行な第２の方向に勾配のある第２の電場を創成する第２の手段（５９０）とをさらに備え、
前記第２の方向は前記第１のＤＣ電場の方向とは一致しておらず、
これにより、前記本体部の誘電率は前記第２の方向にも勾配をもつようになり、
さらに前記第２の方向にも前記出射する電磁波を制御することを可能にすることを特徴とする請求項２又は３に記載のレンズ。
【請求項５】
前記第１及び第２の変換器（２２０，２２２）は前記強誘電材料の本体部（２１０，５１０）を介して前記入射電磁波の遷移を容易にするよう適合されていることを特徴とする請求項２乃至４のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項６】
前記複数のスラブ（２１０xx，５１０xx）は、実質的には同じ幅（ｗ）、高さ（ｈ）、長さ（ｌ）をもつ細長い箱状の形をしており、前記本体部において互いに対して列方向と行方向に平行に配置され、前記箱の長さが前記強誘電材料の本体部において前記電磁波が伝播する距離を定義し、前記幅と前記高さとが前記本体部の第１の主表面（２０７，５０７）と第２の主表面（２０８，５０８）との小領域を定義していることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項７】
前記第１及び第２の電極はスラブの対向する面に配置されることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項８】
各スラブ（５１０11−５１０NN）は互いに隣接して配置される２つの小さなスラブ（６０５，６０６）から構成され、前記第３の電極（６０７）は前記２つの小さなスラブの間に配置された高い抵抗率をもつ層であることを特徴とする請求項４乃至６のいずれか１項に記載のレンズ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はレンズに入射した電磁波の出射方向を制御するレンズに関し、そのレンズは、少なくとも第１の主表面がある強誘電材料の本体部と、その強誘電材料の本体部の第１の主表面に隣接している第１の変換器とを備えている。このレンズはさらにその本体部に第１の方向に第１のＤＣ電場を発生させる手段を備えていて、入射電磁波が変換器を介してレンズに入出射する。
【背景技術】
【０００２】
強誘電材料はその材料にＤＣ電場が誘導されると、その誘電率が変化する性質を持つ。この性質を用いると、アンテナビームのような電磁波ビームを電気的に制御する強誘電材料でできたレンズを製造することができる。なお、そのビームがレンズに入射した電磁場のレンズからの出力である。
【０００３】
強誘電材料でできていて、レンズに入射してレンズから出射するビームの出射方向を電気的に制御するために用いられるレンズは非特許文献１から知られている。
【非特許文献１】“電圧制御型強誘電体レンズ・フェーズド・アレイ（Voltage-Controlled Ferroelectric Lens Phased Array）”，アンテナと伝播についてのＩＥＥＥトランザクション（IEEE Transaction on Antennas and Propagation）、第４７巻、第３号、ｐ．４５８−４６８、１９９９年
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
この論文で議論されているデバイスの欠点は設計の複雑さと価格である。このデバイスは強誘電材料を充填した従来型の多くの導波管と、更にデバイスのコストを増加させることになる入出力整合部を用いている。
【０００５】
強誘電体を用いたビーム制御用のレンズの他の例は、第３３回ＥｕＭＣ・ＷＳ６の予稿集の７９−８２ページから知ることが出来る。この論文で開示されたデバイスの欠点は非常に大きな荷電時定数とレンズを駆動するために必要な（２０ｋＶの程度の大きさの）非常に高い電圧とであるように思われる。さらに、この論文に開示されているように大面積の強誘電体平板（レンズ）を製造することは複雑であり、即ち、許容できる密度と均一性を持つように設計される大面積の平板（＞５×５ｃｍ2）を製造することは困難である。
【０００６】
従って、現在既知となっているものよりも製造費用が安く複雑ではない、入射電磁ビームの出力方向を制御する強誘電体レンズが必要とされている。さらに、そのような新しいレンズは現在知られているレンズよりも低い駆動電圧で動作することも必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
これらの必要は本発明により扱われ、本発明ではレンズに入射した電磁波の出射方向を制御するレンズを開示している。そのレンズは少なくとも第１の主表面を持つ強誘電材料からなる本体部と、また前記強誘電材料の本体部の第１の主表面に隣接する第１の変換器とを備えている。
【０００８】
電磁波はその変換器を介してレンズに入出射する。レンズはさらに本体内の第１の方向に第１のＤＣ電場を発生する手段を備えている。
【０００９】
本発明によれば、強誘電材料からなるレンズの本体は、強誘電材料からなる離散した厚平板（スラブ）を複数備えている。複数のスラブの各々は導電材でできた第１と第２の電極も備えている。また、ＤＣ電場を発生する手段は、複数のスラブの第１と第２の電極とを用いて、前記第１の方向に勾配を持ったＤＣ電場を発生することができる。これによって、本体部の誘電率も前記第１の方向に勾配をもち、これによって出射する電磁波の制御が可能となり、少ない経費で柔軟性を備えた設計を提供している。
【００１０】
このように、本発明によれば、強誘電材料からなるビーム制御レンズは以前から知られるそのようなレンズに比べて製造費用が安く、より詳細な説明によって明らかになるであろうが、必要となる制御電圧は従来のレンズよりもずっと低くなる。
【００１１】
ＤＣ電場を発生する手段は、本体部の前記第１の主表面に実質的に平行な第１の方向に前記第１のＤＣ電場を発生するように適合しているのが好適である。
【００１２】
本発明の好適な実施例においては、レンズはさらに第２の変換器を備え、強誘電材料の本体部は第２の主表面を持ち、第１と第２の変換器の夫々が本体部の主表面の１つに隣接して配置され、電磁波は変換器の１つを通してレンズに入り、他の変換器を通って出射する。
【００１３】
次に本発明を添付図面を参照して詳細に説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
図１は本発明に従うレンズ１００の基本原理のいくつかを示している。その図に示すように、本発明はレンズ１００を備え、そのレンズは強誘電材料からなる本体部１１０を備えている。強誘電材料の特性の１つは材料の誘電率εが、その材料をＤＣ電場に置くことにより変化できるという点である。
【００１５】
図１に概略的に示すように、本発明のレンズは強誘電材料からなる本体部１１０に印加されるＤＣ電場を発生する手段１４０を備えている。強誘電性の本体部上にわたり、或はその内部に発生するＤＣ電場が一定ではないが、少なくとも１方向に勾配を持っている場合には、その強誘電性の本体部の誘電率εもＤＣ電場の勾配にしたがって変化する。
【００１６】
強誘電材料の本体部の誘電率を変化させる能力の１応用例が図１に示されている。平面電磁波１５０が本体部１１０の第１の主表面に入射する。このとき入射方向は第１の主表面に垂直である。その電磁波は第１の主表面を通って本体部１１０へ入り、その本体部の第２の主表面を通して出射する。
【００１７】
本発明によれば、ＤＣ手段１４０を用いてＤＣ電場が本体部１１０の第１の方向に創成される。図１に示すその方向は矢印で示されていて、実質的に正方形または長方形であるように示されている本体部の１つの辺に平行である。ＤＣ手段によって創成されるＤＣ電場の方向は、図１に示した座標系においてｘとして示された方向である。ｘ軸は実質的に正方形の本体部の前記の辺と一致している。前記のように、本発明のレンズ１００において創成されたＤＣ電場は勾配を持っていて、この場合にはＤＣ勾配はレンズのｘ方向に沿って創成される。
【００１８】
勾配を持つＤＣ電場の結果も図１に示されている。強誘電性の本体部１１０の第１の主表面を介して、第１の主表面に垂直な入射角で強誘電性の本体部１１０に入った平面電磁波１５０は、本体部の第２の主表面を通ってその法線から角度Ωをなす方向でレンズより出射する。
【００１９】
強誘電性の本体部に勾配を持つＤＣ電場を加えることで、入射波の出射方向を変えることができるという事実は、本発明に従うレンズがビーム制御デバイスとして用いられることを意味している。図１に示したデバイス１００は、本発明の基本原理を示すために用いられている。次に、本発明をより詳細に説明する。
【００２０】
図２は図１の破線II−IIに沿った断面内の本発明のレンズ２００を示している。図１のレンズ１００と同様に、図２のレンズ２００は、後により詳細に記述する強誘電材料からなる本体部２１０を備えている。本体部２１０は第１の主表面２０７も示している。
【００２１】
尚、図１には示されていなかったが、図２のレンズ２００は、強誘電性の本体部２１０の第１の主表面２０７に隣接して配置されている整合用変換器２２０を備えている。変換器２２０の機能は、レンズと周囲の空気との間の電磁波の入射・出射を容易にすることであり、これは後により詳しく説明する。
【００２２】
従って、波がレンズから出射する場所にも変換器があるのが適当であろう。これは、波の入射・出射面となる場所でレンズを取り囲むように変換器２２０を配置することによって達成できる。即ち、第１の変換器を１つの固体の連続した要素片にするか、或いは、図２に示すように、本発明のレンズ２００が第１の変換器２２０に加えて、第２の変換器２２２を備えるようにして実現される。第２の変換器は電磁波の出射面に隣接して、或は、本体部２１０の第２の主表面２０８に隣接して配置される。
【００２３】
図２に示すように、強誘電性の本体部２１０は長方形の箱のような形で、本体部２１０の第１の主表面２０７と第２の主表面２０８が箱の２つの向かい合う主表面となるのが適当である。
【００２４】
また、本発明によれば、図２に示すように、強誘電性の本体部２１０は、複数の離散的な厚平板（スラブ）２１０1−２１０Nを備えている。図２に示すようにスラブ２１０1−２１０Nは互いに隣接して、この例では交互に上へ積み上げられて強誘電性の本体部２１０を形成する。
【００２５】
このようにして、強誘電材料からなる本体部２１０の第１の主表面２０７に垂直方向にレンズ２００に入射した平面電磁波２４０は、第１の変換器２２０と第１の主表面２０７を通ってレンズに入り、第２の主表面２０８と第２の変換器２２２を通って本体部２１０から出射する。
【００２６】
図２に示すように、また前に説明したように、出射波２５０の方向は本体部２１０に電場を導入することによって制御され、その電場の勾配が“端のスラブ”２１０1或は２１０Nで最大となり、“もう１端のスラブ”で最小となるように形成されるのが適当である。
【００２７】
従って、本発明のレンズは本体部において第１の方向に第１のＤＣ電場を導入する手段（ＤＣ＋，ＧＮＤ）を備える。このことについては、図３を参照して、より詳しく説明する。
【００２８】
図３は図２のレンズ２００を図２に示す点線III―IIIに沿って切断した断面前面図を示している。図３は本体部２１０の構成を明示している。それは複数のスラブを有していて、この具体例でのスラブは行と列のマトリックスのように配列した、長く伸びた箱のような構造をしており、各スラブは図示のように２次元マトリクス内の１要素２１０11−２１０NNとみることができる。
【００２９】
そのマトリクスは、もちろん、強誘電性の本体部２１０の適切な形の１つに過ぎず、個々のスラブが長く伸びた箱のような形のように、スラブ及び強誘電性の本体部の形としては他の多くの形も本発明の範囲内で実現できる。例えば、この特有の実施例では、各行、即ち、要素２１０11−２１０1Nなどは、１つの繋がったスラブでも良く、その代わり、本体部２１０は相互に上下に配列した複数の“ボード”を備えることになる。
【００３０】
前記のように、本発明のレンズはまた、レンズ内にＤＣ電場の勾配を創成する手段を備えている。これら手段は図３により鮮明に見ることができ、この例では第１のセットの“接地線”３７０と第２のセットのＤＣ線３８０とを備えている。
【００３１】
見て分かるように、接地線３７０は共通の接地点ＧＮＤに接続され、ＤＣ線はＤＣ電源“Ｖ”に接続される。ＤＣ電場を生成する手段をより詳しく記述する前に、強誘電性の本体部２１０の個々の要素である“スラブ”を図４の助けを借りてより詳しく説明する。
【００３２】
図４は図３に示したマトリクスのスラブ２１０xxの１つを示している。図４から分かるように、そのスラブは矩形状で、幅ｗ、高さｈ、および長さｌを持つ箱型である。それは、強誘電材料の本体部２１０の第１と第２の主表面２０７と２０８を形成するのは、幅ｗと高さｈで定義される２つの面（スラブの前面と裏面）である。
【００３３】
本発明によれば、図３に示すように、マトリクスのスラブは、例えば、銀（Ａｇ）、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、または、パラジウム（Ｐｄ）のような導電性物質の第１及び第２の電極を備える。図４に示すような形のスラブでは、電極はスラブの上面４０３および底面に配置されるのが適当である。従って、図４の右下に示した座標系を用いると、ｘ方向に互いに隣接して配置された２つのスラブは、１つのスラブの上面の電極と他のスラブの底面の電極との間で機械的および電気的に接触がある。電極のために、個々のスラブ２１０11から２１０NNは基本的なＴＥＭ導波管とみなすことができる。
【００３４】
図３に戻り、ＤＣ電場を生成する手段おいて、前記のように、これらの手段は第１のセットの接地線３７０と第２のセットのＤＣ線３８０とを備える。
【００３５】
最も右側の列のスラブ、即ち、スラブ２１０1N，２１０2N，……，２１０NNを考えよう。スラブ２１０1Nは底面の電極がそのすぐ下のスラブ２１０2Nの上面の電極と接触するように配置される。これはどの列のスラブに対しても（当然のことであるが、最上部と最下部のスラブは除く）全て当てはまる原則である。即ち、各スラブの底面の電極はすぐその下のスラブの上面の電極と接触している。
【００３６】
従って、多くの接触点が２つのスラブの間の合い接する面に作られ、各接触点は１つのスラブの底面の電極とすぐ下の次のスラブの上面の電極を備える。２つの電極がスラブの側面へ伸びておらず、接続点は側面ではアクセスすることができないならば、余分の導体を導入してこの２つの電極の出会う箇所への電気的アクセスを容易にすることができる。
【００３７】
このように、２つのスラブ間の接する面、即ち、接続点では、その接続点をＤＣ給電部に接続することによって電位を設定することができる。これが図３の実施例で行われていることであり、接地点に繋がっている第１の電位線３７０と、ＤＣ電源に接続される第２の電位線３８０とがある。この２つの電位線によって強誘電性の本体部２１０に電場勾配が次のようにして創成される。即ち、第２の電位線３８０がＤＣ電源に接続され、その電位線は多くの電圧分割器、この場合は抵抗器を備えている。
【００３８】
図３は７個の抵抗器を示している。そこで説明を簡単にするために、ＶDC＝７ボルトと仮定する。言うまでもなく、抵抗器の数とＤＣ電圧の大きさは単なる例に過ぎず、抵抗器の数とＤＣ振幅は応用に応じて必要により変えることができる。
【００３９】
ＶDC＝７Ｖとするなら、各抵抗器間には１Ｖの電圧が存在する。いずれか１つの抵抗器とその抵抗に隣接して示されている接地との間に電圧があれば、接地点までの前記電圧は０から７ボルトまでの勾配を持って変化する。
【００４０】
第１のスラブ、即ち、スラブ２１０1Nを例外として、各スラブの１つの側（上面／底面）上の電極は接地線３７０の点に接続され，同じスラブの他の側（底面／上面）上の電極は第２の電位線３８０の点に接続される。
【００４１】
従って、各スラブの電極の１つは接地に接続され、他の電極はＤＣ電源によって供給される電位線に接続される。
【００４２】
ＤＣ勾配において最小の電位であるスラブから始まって所望の勾配の方向へと進む複数のスラブにわたり所望のＤＣ勾配を作るために、各スラブは第２の電位線３８０に接続されている次のスラブにおける点よりもより高い電位を持つ第２の電位線３８０の点に接続される。
【００４３】
このことの理解を容易にするために、図３は第２の電位線３８０の各抵抗器の側に電圧を示している。
【００４４】
この原則の理解をさらに容易にするために、以下の表は、最右列、つまり、列Ｎのスラブに対して、ＤＣ線に繋がれるスラブの点と接地との間の電位を示している。もちろん単なる例であるが、その表では１６個の行が示されているので、右下隅にあるスラブは２１０16,Nと表記される。
【００４５】
【表１】
2008523707.tif 000003
【００４６】
従って、ＤＣ勾配が強誘電材料の本体部２１０の全体に亘って創成される。その勾配は図３の矢印Ｇで示されている。そのＤＣ勾配は、今度は、本体部の中に誘電率εの勾配を創り出し、ＤＣ電圧が増加する方向にεは減少する。即ち、ＤＣ電場バイアスが高ければ高いほど、強誘電材料のεは低くなる。
【００４７】
電位線３８０を制御することによって勾配を制御することができるので、この制御が用いられて、図２に関連して示され説明された出射する電磁波２５０の出力方向Ωを制御できることが理解される。従って、図２と図３で示され前述したようなＤＣ手段を用いて、図３に示した座標系に関してｘ方向において電磁波の出射方向を制御することができる。
【００４８】
本発明の他の重要な原理は、ＤＣ手段、或は、バイアス手段の説明から現れてくるものである。即ち、本発明のレンズにおいて創成されるＤＣ電場は、図２に示した入射電磁波の電場に本質的に平行である。これにより、既知の設計におけるものに比べてより大きな同調精度が可能になる。ここで、２つの電場（バイアス電場と入射電磁波の電場）がしばしば互いに対して多かれ少なかれ直交する。
【００４９】
図５は本発明の異なる実施例５００を示している。それによれば、出射電磁ビームの方向は、図３と図５に示された座標系を改めて参照して、ｘ及びｙ方向の両方向に制御可能である。
【００５０】
前の実施例と同様に、この実施例は強誘電材料５１０の本体部を基本部としている。レンズ５００は本体部の主表面に１つ以上の整合用変換器を備えているが、それは図２〜図４に関連して示され説明がなされた実施例と同様である。それ故に、その変換器をここで再び説明はしない。
【００５１】
強誘電性の本体部５１０はまた複数のスラブ５１０11〜５１０NNで構成されていて、これらは図ではＮ行Ｎ列のマトリクスとして配列された長方形の箱のような構造として示されている。この実施例に用いられているスラブの１つは図６により詳細に示されている。
【００５２】
前の実施例のスラブと同様に、図６に示したスラブ５１０XXは、この例ではスラブの上面６０３と底面上に配された第１と第２の電極を備えている。図３と図４のスラブとさらに類似して、スラブ５１０XXは、幅ｗ、高さｈ、長さｌの長方形の箱のような形をしている。スラブの幅ｗと高さｈで定義される２つの表面（スラブの前面および裏面）は強誘電材料の本体部５１０の第１と第２の主表面５０７、５０８を形成する。
【００５３】
しかしながら、前に示したスラブとは異なって、この実施例５００のスラブ、即ち、ＴＥＭ導波管５１０XXは図６に示すように２層構造を持っていて、次のように構成される。
【００５４】
強誘電材料の第１層６０５は強誘電材料の第２層６０６の上面に配置される。強誘電材料は同じ種類であることが好適ではあるが、これは必要条件ではない。これら２つの層６０５，６０６の間に導電性の層が配置される。これは、後の記述で明らかになる理由によって、高抵抗率を持つ材料であることが好適である。以前に示したスラブと同様に、スラブ５１０XXは基本的なＴＥＭ導波管とみなすことができ、低抵抗率を持つ導電材料でできた第１と第２の電極を備える。この例では、第１の電極６０３はスラブの上面に配され、第２の電極６０４はそのスラブの対向する底面上に配されている。
【００５５】
このように、図５に示すように、図２と図３とに示した構成の接続点に加えて、付加的或は中間的な接続点が以前に示した接続点の間に作られる。この付加的な接続点は各スラブの第３の電極とみなすことができる高抵抗層へのアクセスポイントである。
【００５６】
図５に示すように、接地手段５７０とＤＣ勾配５８０を創成する第１の手段に加えて、レンズ５００は強誘電性の本体部５１０の第２の方向にＤＣ勾配を創成する第２の手段５９０を備えている。以下に説明するように、第２の勾配の方向は第１の手段５８０によって創成される第１の勾配の方向に直交するのが好適であるが、他の方向もあり得、それも本発明の範囲内である。
【００５７】
図５に示すように、勾配を生成する第２の手段５９０もまた、多くの電圧分割器、この場合は、多くの抵抗器に接続されたＤＣ電源（Ｖ1）を備える。
【００５８】
図５に見られるように、第３の電極６０７が電圧電源Ｖ1，Ｖ2の両方に接続されている。この接続は本体部５１０の第１の主側面５０１の１つの電圧電源Ｖ1へと、本体部５１０の対向する第２の主端面５０２のもう１つの電圧電源Ｖ2に対してなされる。加えて、その接続は第３の電極６０７の（ｘ方向にある）最初のものが２つのネットワーク５８０，５９０のそれぞれの第１の電圧分割器の第１の側に接続され、第３の電極の（ｘ方向にある）次のものが、第２の電圧分割器の第１の側に接続されるとともに、第１の電圧分割器の第２の側に接続される。
【００５９】
第３の電極のその次のものは、それから、第２の電圧分割器の第２の側に接続される。要は、具体化される原理とは、ＤＣ電圧電源Ｖ1，Ｖ2のそれぞれからの１つの電圧分割器が２つの隣接する第３の電極を接続している点である。
【００６０】
本体部５１０のスラブの間の接する面に作られる接続点がこの実施例では、接地ネットワーク、或は接地線５７０に接続されるように用いられる。
【００６１】
図２から図４に関連して説明した原則を用いるとともに、電圧電源Ｖ2またはＶ1のいずれかを用いて、ＤＣ勾配を実施例５００においてもｘ方向に創成できることが理解されたであろう。また、第３の電極に高抵抗率の材料を用いる理由も次のように理解されるであろう。もし、ＤＣ電源Ｖ1とＶ2の間に電圧差があり、それらの間の接続が理想的な導体でない場合には、実質的に直線的な電圧差がｙ方向に存在する。それにより、ＤＣ勾配が、電圧差Ｖ1−Ｖ2によって、その方向にも創成される。
【００６２】
従って、２つの電圧源Ｖ1とＶ2を制御することによって、ボードの誘電率εはｘ方向とｙ方向の両方向に勾配を持つように変化させることができる。それによって、入射電磁波の出射方向を両方向において制御される。これは実施例５００の所望の結果であった。
【００６３】
ここで言及すべきこととして、強誘電性の本体部５１０において、強誘電性の本体部２１０と同様に、各列の要素、例えば、要素５１０11から５１０1Nは、離散的な要素ではなく、１つの繋がったスラブであっても良い。即ち、本体部５１０は交互に積み上げられた“ボード”からなるものであってもよい。
【００６４】
上述の、また、添付図面で示した実施例は、本発明の理解を容易にするための例に過ぎない。ＴＥＭ導波管“スラブ”の構造が問題になるときや、ＤＣ電場の勾配を生成する手段が問題になるときには、多くの変形が可能であることが理解されよう。
【００６５】
別の実施例７００の１例を図７に示す。ここで、強誘電体レンズ７００は強誘電性の本体部７１０と、強誘電性の本体部７１０の２つの主表面７０７，７０８のそれぞれに隣接している整合変換器７２０，７２２とを備えている。
【００６６】
しかしながら、代替案として、レンズ７００は、凹状の第１の主表面７０７と、平面状の第２の主表面７０８をもち、対応した形を持つ夫々の整合変換器７２０と７２２を持っている。レンズの部品のこの形は、例えば、出力ビームのビーム形とビーム幅との内の少なくともいずれかを形成することを可能にしている。
【００６７】
本発明に従うレンズの材料と寸法のいくつかの例について説明する。これらの材料とその例は本発明に従うレンズに対して適当であるが、これらは例示にしか過ぎず、本発明の範囲を限定するものとして理解すべきではないことを指摘しておこう。
【００６８】
強誘電性の本体部の強誘電性スラブに対して適した材料の１例として、ＢａxＳｒ1-xＴｉＯ3（０≦ｘ≦１）を挙げることが出来る。
【００６９】
整合変換器の材料を選ぶことになると、次式に従う適当な誘電率を持つ材料ならどれでも選ぶことが出来る。
【００７０】
εtransformer＝√εferr.lens      （１）
【００７１】
寸法に関しては、即ち、強誘電材料の本体部の“スラブ”、或は、ＴＥＭ導波管のｗ、ｈ、ｌについては、次のように言うことができる。幅ｗは、例えば、製造の容易さから決められる。換言すれば、導波管が大きなブロックの１部として生産される場合には、導波管の幅ｗが小さければ小さいほどその歩留まりが高くなる。
【００７２】
高さｈ、或は、導波管が上述のようなレンズで構成されるときの高さである寸法については、高さｈはレンズの意図している動作波長の半分よりも短くすべきである。それ故、特定の周波数との関連においてのみ、特定の高さについて論じることができる。例えば、レンズはε＝２００をもつ強誘電体を用いて１０ＧＨｚで動作するように設計されるとすれば、次式が成り立つ。
【００７３】
即ち、
ｈ＜３×１０8／（２×１０10×√２００）≒１．０６ｍｍ
である。
【００７４】
従って、スラブの高さｈに関する一般公式は
ｈ＜ｃ／（２＊ｆ×√εferr）                    （２）
である。
【００７５】
ここで、ｃは光速、ｆはレンズの意図している動作周波数（中心周波数）、εferrは用いる強誘電材料の誘電率である。
【００７６】
スラブの適当な高さｈの例は０．５から１ｍｍの範囲である。これは適当な値の単なる１例であり、本発明を制限するものでは決して無い。
【００７７】
適当な強誘電材料を用いるなら、制御電場の典型的な値は電圧が印加される方向で１０Ｖ／μｍであろう。従って、ｈ＝１ｍｍのスラブの場合には制御電圧は１ｋＶであろう。
【００７８】
スラブの長さｌはとりわけ、レンズの走査角度の必要値で定義される。ｌの典型的な値は約１０〜２０ｍｍの範囲であろう。
【００７９】
整合変換器に関して、その深さ、即ち、強誘電材料でできた本体部の主表面に垂直な寸法である変換器の深さは、意図した動作周波数の１／４波長であるべきである。その周波数を１０ＧＨｚとして、強誘電体の誘電率をε＝２００とすると、変換器の誘電率を数式（１）を用いれば、変換器の厚さｄTRANSは次の通りである。
【００８０】
即ち、
ｄTRANS＝３×１０8／｛４×１０10×（２００）1/4｝≒２ｍｍ
である。
【００８１】
高抵抗率膜として適した材料の例として、ＬａＭｎＯ3／ＳｒＴｉＯ3が挙げられる。
【００８２】
図８ｂは上に示した導波管の１変形例８２０を示す。図８ａには、背景として、上記のスラブ、即ち、箱の対向面にそれぞれ１つ、計２つの電極をもった、強誘電材料でできた長方形の箱の形８１０が示されている。それに代わって、図８ｂにおいては、導波管が多層構造８２０として形成される。即ち、それは強誘電材料と導電体とが交互に積層している。このように以前に示した上面と底面の電極に加えて、導波管８２０は交互に中間電極或は電極層８２１と、中間強誘電体層８２２とを持つ。
【００８３】
図９ａと図９ｂは上記の図２と同じ視点から見た本発明に従うレンズの変形例９１０と９２０を示している。即ち、図９ａと図９ｂは側断面図である。図９ａと図９ｂに示すように、強誘電性の本体部９２１、９２２の導波管は長さ、即ち、前記の寸法ｌが異なっていても良い。さらに、図９ａと図９ｂは強誘電材料の本体部と共に用いられる変換器の別形態９１１、９２１を示している。図９ａと図９ｂに示す導波管は長さが異なるので、強誘電材料の本体部の主表面は平滑ではない。しかしながら、変換器９１１，９２１はこれに適応している。即ち、各導波管に対する変換器のεは式（１）より決定され、各導波管に対する変換器の厚さはλ／４となっている。
【００８４】
さらに、レンズ９１０、９２０から外へ向くように意図された変換器９１１、９２１の表面は平坦である。しかしながら、図９ａの場合には、レンズ９１０は２つの変換器部９１１1と９１１2とを備え、強誘電材料の本体部９１２の各主表面に隣接して１つずつ配置され、両方とも強誘電材料の本体部９１２の伸びている方向の主方向と一致するように構成された直線的な外輪郭を持っている。
【００８５】
図９ｂの場合は、レンズ９２０もまた２つの変換器部９２１1と９２１2を備え、強誘電材料の本体９２２の各主表面に隣接して１つずつ配置されている。しかしながら、これら変換器部の外輪郭は凸面であり、その結果、レンズは実質的に卵形になる。
【００８６】
図１０において、本発明のレンズ１０００が図３と図５と同様の視点で示されている。即ち、レンズの主表面の１つと、変換器１００１、１００２を示している断面図である。図１０は本発明のレンズを製造するときに有用となるであろう実際的な細部を示すことを意図している。前記のように、レンズ１０００は複数の電極１００５と、これら電極間の接続と、例えば、図３と図５に示されたようなＤＣ電圧を創成する手段とを備える。ＤＣ電圧への異なる接続間での干渉や短絡が起こらないように、特別な絶縁層１００３、１００４を、それがＤＣ手段と電極との接続が行われる場所であるなら、強誘電材料の本体部の主表面の片側または両側に配置する必要がある。従って、接続点が絶縁層１００３、１００４に“埋めこまれる”ことになり、互いに対して絶縁される。絶縁層に適した材料は多くの既知の絶縁材料の中から選んでよい。
【００８７】
図１１は本発明に従うレンズの別の実施例１１００を、図３、図５、または図１０に示したレンズと同様の視点から見た図を示している。これまでに記述してきたレンズと同じように、レンズ１１００は強誘電材料の本体部からできている多くのＴＥＭ導波管を備えており、これらが合わさって強誘電材料の本体部を形成するように構成されている。説明を明瞭にするために、前に示したものと同じであるから変換器とＤＣ手段は図１１には示していない。
【００８８】
実施例１１００と以前に示したものとの主たる相違点は次の点である。即ち、レンズ１１００のＴＥＭ導波管は第１と第２の電極を備えているが、それは下の行、可能な場合には上の行にある導波管に面している側にはない。そうではなくて、レンズ１１００の導波管は同じ行で隣接する導波管に面する側に第１と第２の電極を持っている。
【００８９】
このことはレンズ１１００の２つの隣接する導波管１１０２と１１０４を用いて図示されている。従って、導波管１１０２は第１の電極１１０１と第２の電極１１０３を前記側面各々に備え、第２の電極１１０３を、その側のすぐ隣の導波管１１０４と共有する。
【００９０】
図１１ａに示すように、ある行にある導波管の電極が隣接する行にある導波管の電極と接触することの無いように、導波管が配置されている。これは図１１ａに示したように行われるのが好適である。即ち、行１１００1〜１１００7はすぐ隣の行に対して交互に距離Δだけ変位している。その結果、ある行の導波管の電極は周囲の行の導波管の電極と接触する危険性は無い。
【００９１】
図１１ａに示す実施例の１つの利点は、以前に示した実施例とは異なり、各導波管が独立にアドレスされることである。従って、例えば、電極１１０１と１１０３が導波管１１０２をアドレスするために用いられるなどである。この実施例では、ＤＣバイアスネットワークは強誘電材料の本体部の主表面の平面に適当に構成される。
【００９２】
当然のことながら、各導波管を個々にアドレス可能である実施例は、強誘電材料の本体部の勾配の形を問題にする場合に、より大きな柔軟性を発揮できるようになる。
【００９３】
図１１ｂは図１１ａに示したレンズの別の実施例１１０５を示している。図１１ｂの導波管は図１１ａと同様であるが、主なる相違点は行方向に同数の導波管が配置されていないことである。従って、強誘電性の本体部の主表面は少し卵型になっている。
【００９４】
図１１に示した実施例は各導波管が個々にアドレスできるものであるが、勾配は１方向にだけしか作ることが出来ない。図１２はこれを改良した実施例を示す。レンズ１２００では、図１１と同じ視点で示されているが、複数の導波管が存在していて、この場合、６４個の導波管があり、行と列に規則正しく配列されて、８×８のマトリクスを形成している。これら導波管の中の複数個は、この例では全ての導波管は、第１、第２、第３、および第４の電極を持っている。
【００９５】
示された例では、導波管は矩形の箱型であり、図４に示したものと同じ基本構造である。レンズ１２００に用いられる導波管の電極は、レンズ１２００のどちらの主表面を構成するのにも寄与しない“箱”或は“スラブ”の側面のそれぞれに１つの電極が存在するように電極を配列している。従って、各導波管は（外側の行に位置しているものを別にして）１つの電極が各側でそれを取り囲む他の導波管の１つと共通になっている。
【００９６】
例として、導波管１２００11を考えよう。この導波管は前記各側に１つずつ計４つの電極を持っている。導波管１２００11は、前と同じ座標系を用いるならば、ｙ方向に隣接した導波管、即ち、導波管１２００12と共通となる１つの電極を１つの側にもっている。
【００９７】
さらに、導波管１２００11はまた、電極の１つをｘ方向に隣接する導波管１２００21と共有している。導波管１２００11はマトリクスの左上隅に配置されているので、２つの方向には隣接する導波管を持たない。２つの電極は他の導波管のいずれとも共用することは無いが、これで原則は実現されている。
【００９８】
図１２に示した実施例を用いると、各導波管は個々にアドレスされ、２つの方向に個別のＤＣ電圧源を持つように制御される。その結果、２つの方向にビーム制御機能をもつアンテナまたはレンズとなる。
【００９９】
図３と図５に示した実施例に関連して言及したように、本発明の大きな利点は、入射波の電場がバイアスネットワークの電場と実質的に平行となる点である。図１２の実施例を用いると、バイアスネットワークの電場が大きな柔軟性を持って制御できるので、入射電磁波の電場に関してさらに大きな柔軟性が可能になる。従って、入射波の電場が基本的にいかなる偏波を持っていても良いことになる。
【０１００】
また、図１２に示した実施例では、レンズの中に“局所的な勾配”、即ち、レンズ内に誘電率εの異なる領域を創成できることを指摘しておくべきであろう。
【０１０１】
最後に、図１３ａは図１２と同じ基本概念を示すが、電極がどのように設計されるのかも図示している。今までは電極は基本的には平坦であるとして示してきた。これは１つの実施例ではあるが、図１３ａに示すように断面形が円であっても良い。
【０１０２】
図１３ｂは図１３ａの個々の導波管の１つを示している。
【０１０３】
本発明は上述の実施例に限定されるものではなく、添付の請求の範囲内で自由に変形することができる。従って、導波管技術においてよく知られているように、導波管はどのような断面の形をとってもよい。例えば、可能な断面の形状は丸くても、卵形でも、六角形などでも良い。
【０１０４】
また、本発明の導波管は他の応用に用いることもできる。例えば、その導波管はハイブリッド集積回路の位相シフタとして用いることもできよう。
【図面の簡単な説明】
【０１０５】
【図１】本発明に従うレンズの原理を示す図である。
【図２】本発明に従うレンズの側断面図である。
【図３】本発明のレンズの第１の実施例の主表面の断面図である。
【図４】本発明のレンズの第１の実施例における構成部品を示す図である。
【図５】本発明のレンズの第２の実施例の主表面の断面図である。
【図６】本発明のレンズの第２の実施例における構成部品を示す図である。
【図７】本発明の第３の実施例の側断面図である。
【図８ａ】、
【図８ｂ】図６の構成部品の変形例を示す図である。
【図９ａ】、
【図９ｂ】本発明のいくつかのバージョンを示す図である。
【図１０】本発明のより詳細な実施例を示す図である。
【図１１ａ】、
【図１１ｂ】本発明のレンズの別の実施例を示す図である。
【図１２】、
【図１３】本発明に従うレンズのさらに別の実施例のバージョンを示す図である。
【図１３】
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【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８ａ】
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【図８ｂ】
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【図９ａ】
2008523707.tif 000014
【図９ｂ】
2008523707.tif 000015
【図１０】
2008523707.tif 000016
【図１１ａ】
2008523707.tif 000017
【図１１ｂ】
2008523707.tif 000018
【図１２】
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【手続補正書】
【提出日】平成18年7月7日(2006.7.7)
【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】
入射電磁波（２４０）の出射方向（Ω）を制御するためのレンズ（２００，３００，５００）であって、
前記レンズは少なくとも第１の主表面（２０７，５０７）を持った強誘電材料の本体部（２１０，５１０）と前記強誘電材料の本体部に隣接した第１の変換器（２２０，２２２）を備え、前記電磁波は前記第１の変換器を介してレンズに入射し（２４０）、また、出射し（２５０）、
前記レンズはさらに前記本体部内の第１の方向に第１のＤＣ電場を発生させる手段（３７０，３８０）を備え、
前記レンズは、
前記強誘電材料の本体部（２１０，５１０）が強誘電材料の複数のスラブ（２１０11−２１０NN，５１０11−５１０NN）を備え、
前記複数のスラブの各々は、導電性材料からなる第１の電極（４０３，６０３）と第２の電極をと備え、
前記ＤＣ電場を発生させる手段は、前記複数のスラブにおいて、前記第１と第２の電極を用いて、前記第１の方向に勾配を持つＤＣ電場を発生でき、これにより、前記本体部の誘電率が前記第１の方向に勾配を持ち、これにより出射する電磁波の制御を可能にしており、
前記第１のＤＣ電場は、前記本体部の前記第１の主表面（２０７，５０７）に実質的に平行な第１の方向に発生され、
前記レンズは、
前記複数のスラブが少なくとも、
導電性材料からなる第３の電極（６０７）と、
前記第３の電極を用いて前記本体部の前記第１と第２の主表面の少なくとも１つに平行な第２の方向に勾配のある第２の電場を創成する第２の手段（５９０）とをさらに備え、
前記第２の方向は前記第１のＤＣ電場の方向とは一致しておらず、
これにより、前記本体部の誘電率は前記第２の方向にも勾配をもつようになり、
さらに前記第２の方向にも前記出射する電磁波を制御することを可能にすることを特徴とするレンズ。
【請求項２】
前記第３の電極（６０７）は高い抵抗率をもつ材料からできていることを特徴とする請求項１に記載のレンズ。
【請求項３】
第２の変換器をさらに有し、
前記強誘電材料の本体部は第２の主表面（２０８，５０８）を備え、
前記第１の変換器と前記第２の変換器の夫々は前記本体部の主表面の１つに隣接して配置され、前記電磁波が前記第１と第２の変換器の一方を介して前記レンズに入射し、前記第１と第２の変換器の他方を介して前記レンズから出射することを特徴とする請求項１又は２に記載のレンズ。
【請求項４】
前記第１及び第２の変換器（２２０，２２２）は前記強誘電材料の本体部（２１０，５１０）を介して前記入射電磁波の遷移を容易にするよう適合されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項５】
前記複数のスラブ（２１０xx，５１０xx）は、実質的には同じ幅（ｗ）、高さ（ｈ）、長さ（ｌ）をもつ細長い箱状の形をしており、前記本体部において互いに対して列方向と行方向に平行に配置され、前記箱の長さが前記強誘電材料の本体部において前記電磁波が伝播する距離を定義し、前記幅と前記高さとが前記本体部の第１の主表面（２０７，５０７）と第２の主表面（２０８，５０８）との小領域を定義していることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項６】
前記第１及び第２の電極はスラブの対向する面に配置されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のレンズ。
【請求項７】
各スラブ（５１０11−５１０NN）は互いに隣接して配置される２つの小さなスラブ（６０５，６０６）から構成され、前記第３の電極（６０７）は前記２つの小さなスラブの間に配置された高い抵抗率をもつ層であることを特徴とする請求項１乃至６のいずれか１項に記載のレンズ。
【国際調査報告】
2008523707.tif 000020
2008523707.tif 000021
2008523707.tif 000022