(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、前記レンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるように前記レンズの面の形状が決定されたレンズアンテナと、
前記電磁波を前記レンズに入射させる一次放射器と、
を備え、
前記レンズは、内部を伝搬する前記電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備え、
前記誘電部は、それぞれ、誘電チューナビリティ材料から構成され、前記曲面からなる両側面上に対して、前記レンズの中心軸から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備えるレンズアンテナシステムであって、
前記一次放射器から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するように前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を制御する比誘電率制御部を備え、
前記比誘電率制御部は、前記基準面に対して各電磁波が同位相となるように、前記レンズの中心軸を通る光路と、所定の方位角であり、且つ半径方向の所定の位置を通る光路との光路差に基づいて決定される比誘電率を前記レンズの比誘電率として制御することにより前記レンズから放射される電磁波の指向性を制御し、
前記基準面は、前記レンズの中心軸に垂直な面から、方位角φの関数である角度α（φ）だけ傾いた面として、前記比誘電率制御部に対して外部から指定されるレンズアンテナシステム。
【請求項２】
請求項１に記載のレンズアンテナシステムと、
入力された信号を所定の無線周波数帯の信号に変換し、前記一次放射器に出力するとともに、前記基準面を前記比誘電率制御部に対して指定する送信部と、
を備え、
前記比誘電率制御部は、前記送信部から指定された前記基準面に応じて前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を調整する送信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レンズアンテナシステム及び送信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的なレンズアンテナの設計法としては、レイトレーシング法（例えば、非特許文献１）が知られている。図５は、レイトレーシング法における設計原理を示す図である。図５に示すように、レンズアンテナ１００におけるレンズ１２０の曲面をＱＱ´、焦点をＦとする。焦点Ｆより放射された電磁波は原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑ等を通り、Ｚ軸方向に距離ｄ離れた面１１０に到達する。レンズアンテナ１００のレンズ１２０の曲面は、各点（原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑ）を通ってきた電磁波が面１１０で同位相となるように決定される。そのため、原点Ｏ、点Ｐ、点Ｑそれぞれを通る３つの光学長は同一となる。したがって、以下に示す式（１）の関係が成り立つ。
【０００３】
【数１】
0006530321.tif 000002
【０００４】
なお、Ａ、Ｂ及びＣは、以下の式で表される。
【０００５】
【数２】
0006530321.tif 000003
【０００６】
ここで、式（１）において、ｎ１２は、媒質１に対する媒質２の屈折率である。媒質１を真空と仮定すると、ｎ１２はレンズ１２０の比誘電率εｒの平方根で与えられるとともに、θ１、θ２を用いて式（３）のスネルの法則が成り立つ。
【０００７】
【数３】
0006530321.tif 000004
【０００８】
式（１）、式（３）より、レンズ１２０の面の形状は式（４）で表される。
【０００９】
【数４】
0006530321.tif 000005
【００１０】
レンズ１２０の曲面は、この式（４）に基づいて設計される。
上述したレイトレース法に基づいてレンズアンテナ１００で電磁波の指向性を制御する場合、図６に示すように所望の方位の基準面１４０を設定し、レンズ面の形状を変化させる方法（例えば、非特許文献１）が知られている。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１１】
【非特許文献１】川村一代、外４名、「ミリ波帯マルチビーム誘電体レンズアンテナの検討」、信学技報、MW2012−173 (2013年3月)、p.75―80.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、非特許文献１に記載の方法では、所定の指向性を得るためのレンズ面の形状を設計する。そのため、一度完成してしまったレンズ面の形状を別の形状に変更することは容易ではなく、レンズアンテナから放射される電磁波の指向性を動的に制御できない。
【００１３】
本発明は、これらの事情を鑑みてなされたものであり、その目的は、レンズアンテナから放射される電磁波の指向性を動的に制御することができるレンズアンテナシステム及び送信装置を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の一態様は、焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、前記レンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるように前記レンズの面の形状が決定されたレンズアンテナであって、内部を伝搬する前記電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備えたレンズを備え、前記各誘電部は、誘電チューナビリティ材料から構成され、前記曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備えるレンズアンテナである。
【００１５】
また、本発明の一態様は、上述のレンズアンテナと、前記電磁波を前記レンズに入射させる一次放射器と、前記一次放射器から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するように前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を制御する比誘電率制御部と、を備え、前記比誘電率制御部は、前記基準面に対して各電磁波が同位相となるように、前記レンズの中心を通る光路と、所定の方位角であり、且つ半径方向の所定の位置を通る光路との光路差に基づいて決定される比誘電率を前記レンズの比誘電率として制御することにより前記レンズから放射される電磁波の指向性を制御するレンズアンテナシステムである。
【００１６】
また、本発明の一態様は、上述のレンズアンテナシステムと、入力された信号を所定の無線周波数帯の信号に変換し、前記一次放射器に出力するとともに、前記基準面を前記比誘電率制御部に対して指定する送信部と、を備え、前記比誘電率制御部は、前記送信部から指定された前記基準面に応じて前記調整部を制御することで前記レンズの比誘電率を調整する送信装置である。
【発明の効果】
【００１７】
以上説明したように、本発明によれば、レンズアンテナから放射される電磁波の指向性を動的に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本実施形態における送信装置３の概略構成の一例を示す図である。
【図２】本実施形態におけるレンズ４２の構成概略の一例を示す図である。
【図３】本実施形態における電磁波の指向性を制御するためのレンズアンテナの比誘電率配置の一例を示す図である。
【図４】本実施形態における変形例の送信装置３の概略構成の一例を示す図である。
【図５】レイトレーシング法における設計原理を示す図である。
【図６】指向性を制御する従来の方法を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、発明の実施の形態を通じて本発明を説明するが、以下の実施形態は特許請求の範囲にかかる発明を限定するものではない。また、実施形態の中で説明されている特徴の組み合わせの全てが発明の解決手段に必須であるとは限らない。なお、図面において、同一又は類似の部分には同一の符号を付して、重複する説明を省く場合がある。
【００２０】
本実施形態におけるレンズアンテナは、レンズの比誘電率が一様である場合に、焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で複数回屈折して所定の放射方向に対して平行となり、レンズの前方に設定された所定の基準面において同位相となるようにレンズの面の形状が決定されたレンズアンテナである。レンズは、内部の電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備える。各誘電部は、誘電チューナビリティ材料からなり、曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部を備える。
【００２１】
図１は、本実施形態における送信装置３の概略構成の一例を示す図である。
図１に示すように、送信装置３は、レンズアンテナシステム１０及び送信部３０を備える。
レンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０及び比誘電率制御部５０を備える。レンズアンテナ４０は、一次放射器４１及びレンズ４２を備える。
レンズアンテナ４０において、焦点Ｆから放射された電磁波は、レンズ４２と空気との境界面で２回屈折してＺ軸方向に対して平行となる。レンズ４２の比誘電率εｒが一様であるとして、レンズ４２と空気との境界面で２回屈折した各電磁波がレンズ４２の前方に設定された所定の基準面１２において同位相となるように、レンズ４２の面の形状が決定される。
【００２２】
一次放射器４１は、送信部３０から送信された電磁波をレンズ４２に入射させる。すなわち、一次放射器４１は、送信部３０から送信された電磁波をレンズ４２の焦点Ｆからレンズ４２に入射させる。
【００２３】
レンズ４２は、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性に変換し、その変換した電磁波を空中に放射する。図２は、本実施形態におけるレンズ４２の構成概略の一例を示す図である。また、図３は、本実施形態における電磁波の指向性を制御するためのレンズアンテナの比誘電率配置の一例を示す図である。図３（Ａ）は、本実施形態におけるレンズのＺ方向から見た平面図である。また、図３（Ｂ）は、本実施形態におけるレンズの側面図である。
【００２４】
レンズ４２は、印加する電圧や温度などによって比誘電率が制御可能な誘電チューナビリティ材料などで構成されている。すなわち、レンズ４２は、側面から見た場合のレンズ４２内の電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面を備え、半径方向（ｒ方向）に分割された複数の円環状の誘電部から構成されている。各誘電部は、誘電チューナビリティ材料からなり、曲面からなる両側面上に、レンズ４２の正面前方から見た場合の方位角方向（φ方向）に沿った複数の平面で分割された領域毎（すなわち、中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎）に、当該領域内の材料の比誘電率εｒ（レンズ４２の比誘電率εｒ）を個別に変化させる手段として調整部（透明電極、透明ガラスヒータなど）を備える。したがって、レンズ４２は、透明電極に印加される電圧値やガラスヒータにより制御される温度によって比誘電率εｒが制御される。なお、本実施形態では、図３（Ｂ）に示すように、太点線上と中心軸周り、レンズ４２の底面円周上に隙間を設け、その隙間に電圧制御では透明電極、温度制御では透明ガラスヒータが備えられるが、これに限定されない。なお、本実施形態におけるレンズ４２は、各誘電部の比誘電率を電圧（電界）によって制御される場合に、隣接する領域間に配置される透明電極の数に限定されなく、各領域に所定の電界が印加される構成を有していればよい。また、本実施形態におけるレンズ４２は、各誘電部の比誘電率を温度によって制御する場合には、１つの透明ガラスヒータから発生した熱が目的の領域のみを加熱し、目的以外の領域の温度に影響を与えないようにするために、例えば、各領域間に断熱材を有してもよい。
【００２５】
比誘電率制御部５０は、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性でレンズ４２から放射するようにレンズ４２の比誘電率εｒを制御する。すなわち、比誘電率制御部５０は、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性でレンズ４２から放射するようにレンズ４２の比誘電率εｒを所定の比誘電率に制御する。所定の放射特性とは、例えば所定の指向性である。換言すれば、レンズ４２の比誘電率εｒを制御することで、レンズ４２から放射される電磁波の指向性が制御可能となる。所定の比誘電率は、送信部３０から一次放射器４１に送信される電磁波の周波数（以下、送信周波数）やレンズ４２から放射される電磁波の指向性などを考慮して予め最適な放射特性となるように決定される。
【００２６】
（比誘電率の算出方法）
以下に、本実施形態における電磁波の指向性を制御するための比誘電率の算出方法について、図２を参照して説明する。
電磁波の指向性を制御するためには、Ｚ軸方向に垂直な面１１からα（φ）（αは方位角φの関数）だけ傾いた基準面１２において、電磁波の位相を合わせる必要がある。
【００２７】
焦点Ｆより原点Ｏを通って基準面１２の点Ｄ０に達する第１光路と、焦点Ｆより点Ｐｎを通って基準面１２の点Ｄｎに達する第２光路とを考える。ここで、第１光路におけるレンズ４２内の比誘電率は基準となるεｒ０、第２光路におけるレンズ４２内の比誘電率はεｒｎとする。基準面１２において、第１光路と第２光路との光路差が０となるように比誘電率が与えられればよいので、比誘電率εｒｎは式(５)を満たすように設定される。
【００２８】
【数５】
0006530321.tif 000006
【００２９】
ただし、λは電磁波の波長であり、Ｈ及びｒ´は、以下の式で表される。
【００３０】
【数６】
0006530321.tif 000007
【００３１】
【数７】
0006530321.tif 000008
【００３２】
なお、基準となる比誘電率の添え字をｒ０とし、算出する比誘電率の添え字をｒｎとする。式（５）を整理すると、式（５）は式（８）で表される。
【００３３】
【数８】
0006530321.tif 000009
【００３４】
ここで、比誘電率εｒｎは、以下の式で表される。
【００３５】
【数９】
0006530321.tif 000010
【００３６】
したがって、式（８）に式（９）を代入すると、式（１０）で表されるように、入射位置ｒｉｎの方程式が得られる。入射位置ｒｉｎとは、半径方向の所定の位置を示す。
【００３７】
【数１０】
0006530321.tif 000011
【００３８】
よって、方位角φと入射位置ｒｉｎとを任意に設定して方程式を解けば、式（９）より比誘電率εｒｎが一意に決定される。
【００３９】
上述の算出方法をレンズアンテナ４０のポイント毎で行い、それぞれに異なる比誘電率を設定することで同位相面を基準面１２のように傾けられ、指向性制御が可能となる。ここで、レンズアンテナ４０の比誘電率εｒｎの変化は、離散的であっても連続的であってもよい。また、焦点Ｆには一次放射器４１としてレンズへの焦点距離やビーム幅に対する放射特性を考慮したホーンアンテナを用いてもよいが、これに限定されない。
なお、比誘電率εｒｎは、あらかじめ設定されたものであっても、制御により設定できるものであってもよい。前者は比誘電率εｒｎを決めた上で製造し、後から変更はできないレンズアンテナ４０であり、後者は制御により比誘電率εｒｎを変更可能なレンズアンテナ４０である。
【００４０】
（比誘電率の配置）
以下に、本実施形態における電磁波の指向性を制御するためのレンズアンテナの比誘電率配置について、図３を用いて説明する。
図３に示すように、本実施形態におけるレンズ４２は、Ｚ軸方向からの平面上において、方位角方向（φ方向）に４５度ずつ扇形に分割されている。すなわち、中心角４５度毎に半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に分割されている。また、レンズは、側面から見た平面上で半径方向（ｒ方向）に１０個に分割し、異なる比誘電率εｒ（φ、ｒｉｎ）を与えられている。ただし、φ＝０,４５,９０,…，３３０［ｄｅｇ］であり、ｎ＝１,２,３,…,１０である。なお、本実施形態において、レンズ４２の比誘電率εｒｎが方位角方向及び半径方向に離散的に設定されているが、比誘電率εｒｎの変化は離散的であっても連続的であってもよい。
【００４１】
このように、第１光路を通る電磁波と、第２光路を通る電磁波とが指定された基準面１２に対して同位相となるようにレンズ４２の比誘電率εｒが決定される。すなわち、レンズ４２の中心である原点Ｏを通る第１光路と、方位角φ、入射位置ｒｉｎを通る第２光路との光路差を表す式（１０）を満たすように算出された比誘電率がレンズ４２の比誘電率εｒとして設定される。そして、比誘電率制御部５０は、レンズ４２の比誘電率εｒが上述の方法で算出された比誘電率になるように、レンズ４２に備えられた透明電極に印加される電圧値や透明ガラスヒータによるレンズ４２の温度を制御する。これにより、レンズ４２から放射される電磁波の指向性を動的に制御することができる。
【００４２】
送信部３０は外部から入力されるデータ信号を所定の無線周波数帯の電磁波に変換し、一次放射器４１に出力する。例えば、送信部３０は外部から入力されるデータ信号に対し変調、周波数変換、帯域制限、電力増幅等の無線周波数への信号変換を行うことで送信周波数帯の電磁波に変換して一次放射器４１に入力する。また、送信部３０は、所定の基準面１２を比誘電率制御部５０に対して指定することができる。すなわち、送信部３０は、所望の角度α（φ）となる基準面１２で同位相となるように比誘電率を制御する。
【００４３】
上述したように、本実施形態のレンズアンテナ４０は、レンズ４２内の電磁波の進行方向に略沿った複数の曲面で半径方向に分割された複数の円環状の誘電部を備える。各誘電部は、誘電チューナビリティ材料からなり、曲面からなる両側面上に対して中心角から半径方向にのびる複数の平面で分割された領域毎に、当該領域内の材料の比誘電率を変化させる調整部（透明電極、透明ガラスヒータ）を備える。これにより、レンズアンテナ４０から放射される電磁波の指向性を動的に制御可能となる。
【００４４】
また、上述したように、本実施形態のレンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０と、一次放射器４１から入射された電磁波を所定の放射特性で放射するようにレンズ４２の比誘電率εｒを制御する比誘電率制御部５０とを備える。比誘電率制御部５０は、基準面１２に対して各電磁波が同位相となるように、レンズ４２の中心を通る光路と、所定の方位角であり、且つ半径方向の所定の位置を通る光路との光路差に基づいて決定される比誘電率をレンズ４２の比誘電率εｒとして制御する。すなわち、比誘電率制御部５０は、レンズ４２の比誘電率εｒが、基準面１２に対して各電磁波が同位相となるように決定された比誘電率になるように調整部を制御する。これにより、レンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０から放射される電磁波の指向性を動的に制御することができる。
【００４５】
また、上述したように、本実施形態の送信装置３は、レンズアンテナシステム１０と送信部３０を備える。送信部３０は、入力された信号を所定の無線周波数帯の信号に変換し、一次放射器４１に出力するとともに、基準面１２を比誘電率制御部５０に対して指定する。比誘電率制御部５０は、送信部３０から指定された基準面１２に応じて調整部を制御することでレンズ４２の比誘電率εｒを制御し、指向性を変化させる。これにより、同一のレンズアンテナ４０で放射する電磁波の送信周波数や指向性が異なる場合にも所定の放射特性に変換して空中に放射することが可能になる。
【００４６】
（変形例）
図４は、本実施形態における変形例の一例を示す図である。この変形例では、比誘電率制御部５０は送信部３０から供給される制御信号に基づいてレンズ４２の比誘電率εｒを制御する。すなわち、本変形例では、送信部３０の制御によりレンズ４２の比誘電率εｒが変更可能である。例えば、本変形例の送信部３０は、送信周波数（チャネル）の切り替えタイミングや電磁波のタイムスロット毎など任意の時間を示す制御信号を比誘電率制御部５０に出力する。そして、本変形例の比誘電率制御部５０は、この制御信号に基づいてレンズ４２の比誘電率εｒを制御することで、所定の放射特性の電磁波をレンズ４２から空中に放射させることができる。すなわち、本変形例の比誘電率制御部５０は、送信部３０の制御に応じてレンズ４２の比誘電率εｒを調整することで、レンズ４２から放射される電磁波の指向性を変化させることができる。
【００４７】
なお、本実施形態における他の変形例として、レンズ４２内に空間を設けることで焦点から放射された電磁波がレンズと空気との境界面で３回以上屈折して所定の放射方向に対して平行となるようにしてもよい。
【００４８】
なお、上述した実施形態において、レンズアンテナ４０は、一次放射器４１を含める構成としたが、これに限定されない。例えば、レンズアンテナ４０は、一次放射器４１を含めない構成としてもよい。その場合、レンズアンテナシステム１０は、レンズアンテナ４０、一次放射器４１及び比誘電率制御部５０を備える。
【００４９】
上述した実施形態における比誘電率制御部５０をコンピュータで実現するようにしてもよい。その場合、この機能を実現するためのプログラムをコンピュータ読み取り可能な記録媒体に記録して、この記録媒体に記録されたプログラムをコンピュータシステムに読み込ませ、実行することによって実現してもよい。なお、ここでいう「コンピュータシステム」とは、ＯＳや周辺機器等のハードウェアを含むものとする。また、「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、フレキシブルディスク、光磁気ディスク、ＲＯＭ、ＣＤ−ＲＯＭ等の可搬媒体、コンピュータシステムに内蔵されるハードディスク等の記憶装置のことをいう。さらに「コンピュータ読み取り可能な記録媒体」とは、インターネット等のネットワークや電話回線等の通信回線を介してプログラムを送信する場合の通信線のように、短時間の間、動的にプログラムを保持するもの、その場合のサーバやクライアントとなるコンピュータシステム内部の揮発性メモリのように、一定時間プログラムを保持しているものも含んでもよい。また上記プログラムは、前述した機能の一部を実現するためのものであってもよく、さらに前述した機能をコンピュータシステムにすでに記録されているプログラムとの組み合わせで実現できるものであってもよく、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等のプログラマブルロジックデバイスを用いて実現されるものであってもよい。
【００５０】
以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。
【符号の説明】
【００５１】
３  送信装置
１０  レンズアンテナシステム
１２  基準面
３０  送信部
４０  レンズアンテナ
４１  一次放射器
４２  レンズ
５０  比誘電率制御部
【図１】
0006530321.tif 000012
【図２】
0006530321.tif 000013
【図３】
0006530321.tif 000014
【図４】
0006530321.tif 000015
【図５】
0006530321.tif 000016
【図６】
0006530321.tif 000017