(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の波長帯域の電波に対する透過率若しくは位相変調率の分布による干渉縞パターンを有し、電波の集光又は偏向若しくはその両方の機能を有するアンテナにおいて、複数方向からの電波を同一方向へ集束若しくは偏向するような形状の複数の干渉縞パターンを重ね合わせてなる干渉縞パターンを有することを特徴とするアンテナ。
【請求項２】
複数の干渉縞パターンを重ね合わせてなる干渉縞パターンが複数のゾーンプレートを重畳した形状であることを特徴とする請求項１記載のアンテナ。
【請求項３】
所定の波長帯域の電波に対する透過率若しくは位相変調率の分布による干渉縞パターンを有し、電波の集光又は偏向若しくはその両方の機能を有するアンテナにおいて、前記干渉縞パターンは基板面に垂直な方向に厚みを有し、かつ、前記干渉縞パターンが基板面に垂直な厚み方向に屈折率が変化する体積ホログラムの干渉縞パターンであることを特徴とするアンテナ。
【請求項４】
前記の厚みを有する干渉縞パターンは、透過率若しくは屈折率の異なる材料を交互に並べたものからなることを特徴とする請求項３記載のアンテナ。
【請求項５】
前記の厚みを有する干渉縞のパターンは、板状あるいは膜状の材料を間隔を空けて並列させたものからなることを特徴とする請求項３記載のアンテナ。
【請求項６】
前記の基板面に垂直な方向に厚みを有する干渉縞パターンを複数個重ねた構造からなることを特徴とする請求項３から５の何れか１項記載のアンテナ。
【請求項７】
前記の個々の干渉縞パターンは、互いに異なる特定方向の入射角度選択性を有し、入射角度選択性のある方向からの電波を同一方向へ回折することを特徴とする請求項６記載のアンテナ。
【請求項８】
複数の人工衛星からの電波の受信に用いることを特徴とする請求項７記載のアンテナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電波素子の１つであるアンテナに関し、特に、衛星放送、レーダー、通信等の用途に用いられるアンテナに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、衛星放送で用いられてきたアンテナは、集束素子とコンバータの組み合わせが主流であるが、集束素子としてはパラボラ反射板が一般的であり、これ以外にも、電波レンズ、ゾーンプレート等が知られている。特にゾーンプレートは平面で実現できるので、小型化、軽量化、量産化に優れるていると言える。
【０００３】
また、回折素子若しくはホログラムは光学の分野では一般的であるが、電波の分野にも同様用いられている。基本的に光学で用いられる回折理論は、電波でも同等に使えることは証明されている。実際、上記のゾーンプレートの集束素子は回折理論の電波への応用である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記のような集束素子を用いるアンテナにおいては、受信に必要な利得を得るにはアンテナが大型となり、例えば衛星放送・通信では数十ｃｍのサイズが必要となる。特に移動を要するアンテナ、例えば、テレビ中継用、衛星中継用、移動体用等は大型なため持ち運びが大変であった。
【０００５】
また、例えば衛星電波の受信において、複数個の衛星からの電波を同時に受信する場合、衛星の数だけのアンテナを設けるか、その都度アンテナの向きを変えるか、あるいは、集束素子は１つしか用いないがコンバータを複数設ける等の措置が必要であった。
【０００６】
本発明は従来技術のこのような状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、電波の干渉縞からなるアンテナを提供することであり、特に、折り畳み可能なアンテナ、複数方向からの電波を１個のコンバータへ同時に集束するアンテナ、及び、角度選択性を持たせたアンテナを提供することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、集束素子として回折素子を用いることにより平面化し、かつ同時に、その基材としてフレキシブルな材料を用いることにより、折り畳み可能で持ち運び時に小型になるアンテナを達成できた。フレキシブルであれば、移動時はロール状等に丸められるので、スペースをとらず、衝撃にも強く、軽い。この場合、使用時に周辺から引っ張ったり、別の平面状のものに張り付けることにより、平面性を持たせることは容易である。
【０００８】
この場合、基材として分割可能若しくは折り畳み可能なものであっても同様である。
【０００９】
また、集束素子に回折素子を用い、かつ同時に、干渉縞の形を単純なゾーンプレートから変更して複数の方向からの電波を同じ一方向に導くことが可能となる。ただし、この場合、クロストークにより利用効率が低下することは避けられない。
【００１０】
その場合の単純なゾーンプレートから変更する電波の干渉縞の形状は、複数のゾーンプレートを単純に重ねるのが簡単であるが、ホログフィーで公知となっている種々の計算法（最急降下法、シミュレーテッドアニーリング法、遺伝的探索法等（例えば、「ＯｐｌｕｓＥ」Ｎｏ．２３，ｐｐ．８３〜８９参照））により、複数点へ同時に集束するホログラム形状を求めるようにしてもよい。
【００１１】
また、光学の分野で用いられている「体積ホログラム」の手法を導入することにより、集束素子に角度選択性を持たせることができる。以下のＱ値が１より十分大きい場合、干渉縞は体積的となり、角度選択性を有し、特定の入射角の電波のみ回折し、それ以外の入射角の電波はそのまま透過させる。
【００１２】
Ｑ＝２πλｔ／ｎΛ
ここで、λ：波長
ｔ：厚み
ｎ：屈折率
Λ：干渉縞のピッチ
このような角度選択性を有する集束素子要素を複数枚重ねると、複数の方向からくる電波を１つの同じ方向へ回折させることができる。このとき、材料の吸収や角度選択性の不完全さを無視すると、重ねることによる効率の劣化はない。
【００１５】
以上から、本発明のアンテナは、所定の波長帯域の電波に対する透過率若しくは位相変調率の分布による干渉縞パターンを有し、電波の集光又は偏向若しくはその両方の機能を有するアンテナにおいて、複数方向からの電波を同一方向へ集束若しくは偏向するような形状の複数の干渉縞パターンを重ね合わせてなる干渉縞パターンを有することを特徴とするものである。
【００１６】
この場合、干渉縞パターンとしては、例えば複数のゾーンプレートを重畳した形状がある。
【００１７】
本発明のさらにもう１つのアンテナは、所定の波長帯域の電波に対する透過率若しくは位相変調率の分布による干渉縞パターンを有し、電波の集光又は偏向若しくはその両方の機能を有するアンテナにおいて、前記干渉縞パターンは基板面に垂直な方向に厚みを有し、かつ、前記干渉縞パターンが基板面に垂直な厚み方向に屈折率が変化する体積ホログラムの干渉縞パターンであることを特徴とするものである。
【００１８】
この場合、厚みを有する干渉縞パターンは、例えば、透過率若しくは屈折率の異なる材料を交互に並べたものからなる。
あるいは、その厚みを有する干渉縞のパターンは、板状あるいは膜状の材料を間隔を空けて並列させたものからなる。
【００１９】
また、基板面に垂直な方向に厚みを有する干渉縞パターンを複数個重ねた構造とすることもできる。その場合には、個々の干渉縞パターンは、互いに異なる特定方向の入射角度選択性を有し、入射角度選択性のある方向からの電波を同一方向へ回折するものとすることができ、例えば複数の人工衛星からの電波の受信に用いることができる。
【００２０】
本発明においては、複数方向からの電波を同一方向へ集束若しくは偏向するような形状の複数の干渉縞パターンを重ね合わせてなる干渉縞パターンを有するものとすることにより、複数方向からの電波を１個のコンバータへ同時に集束して受信できる。さらに、干渉縞パターンを基板面に垂直な方向に厚みを有し、かつ、その干渉縞パターンを基板面に垂直な厚み方向に屈折率が変化する体積ホログラムの干渉縞パターンとすることにより、角度選択性を持たせたアンテナを得ることができる。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のアンテナをいくつかの実施例に基づいて詳しく説明する。
（実施例１）
図１（ａ）は、フレネルゾーンプレート模様を干渉縞パターンとし、その模様を設ける基材をフレキシブルなものとしたアンテナの実施例を示す模式的な斜視図であり、図１（ｂ）は同図（ａ）の線分Ｐに沿う断面図である。この実施例においては、図１（ｂ）に示すように、厚み１００μｍ、大きさ６０ｃｍ×６０ｃｍのＰＥＴフィルム２の表面にゾーンプレートの模様にアルミ箔３を転写してフィルム状の集束素子１とする。そして、実際の使用時には、このフィルム状の集束素子１を、図１（ａ）に示すように、例えば矩形の枠４に張り渡して固定する。そして、この集束素子１の焦点にコンバータ５が位置するように組み合せ、通信衛星６からの電波をコンバータ５上に集束させ、ＣＳ衛星放送が受信できる。なお、枠４は分割可能にしてもよく、また、折り畳み可能にしてもよい。
【００２２】
（実施例２）
この実施例は、干渉縞パターンとして異なる方向からの電波を共通の焦点に集束する２つのフレネルゾーンプレート模様を重ね合わせてなる模様を用い、２つの方向からの電波を１個のコンバータで受信するようにしたアンテナの実施例であり、その詳細を図２に示す。図２（ａ）はそのアンテナ７を用いて２つの通信衛星６1 、６2 からの電波を同時に１個のコンバータ５で受信する様子を示す模式的な斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のアンテナ７の領域Ａの拡大平面図、同図（ｃ）は同図（ｂ）の線分Ｑに沿う断面図、同図（ｄ）は重ね合わせた２つのフレネルゾーンプレート模様を分解して示す図である。
【００２３】
この実施例のアンテナ７は、図２（ｄ）に示したような２種類のゾーンプレート模様ａ、ｂを重畳した形のレリーフ９（図２（ｃ））の金型を作製し、これを転写原版として射出成形によりアクリル樹脂基板８上に複製する。その後、複製されたレリーフ９表面にアルミニウム１０を真空蒸着して電波反射層とする。そのレリーフ９面は、図２（ｂ）、（ｃ）に示すように、ゾーンプレート模様ａとｂの縞の重なり方に応じて３つの高さ異なる部分からなるレリーフパターンとなる。したがって、このアンテナ７は位相型の二重焦点型集束素子となる。このアンテナ７の大きさは８０ｃｍ×８０ｃｍとする。
【００２４】
このアンテナ７の共通の焦点にコンバータ５が位置するように組み合せ、通信衛星６1 、６2 からの電波を同時にコンバータ５上に集束させ、２つのＣＳ衛星放送が同時に受信できる。
【００２５】
（実施例３）
図３に、干渉縞パターンが基板面に垂直な方向に厚みを有し、入射角度選択性を有するアンテナ２０を用る実施例を示す。同図（ａ）は２つの通信衛星６1 、６2 からの電波を同時に１個のコンバータ５で受信する様子を示す模式的な斜視図、同図（ｂ）は同図（ａ）のアンテナ２０の２枚の集束素子１１、１２それぞれの構成を示す斜視図、同図（ｃ）は集束素子１１、１２を構成する板状体２３の斜視図である。
【００２６】
このアンテナ２０は、通信衛星６1 からの電波を選択的に集束する集束素子１１と、通信衛星６2 からの電波を選択的に集束する集束素子１２とを重畳して一体化してなるもので、各集束素子１１、１２は、図３（ｂ）に示すように、２枚の支え基板２１、２２の間に板状体２３と空気２４を交互に並列固定してなるものであり、板状体２３が体積ホログラムの干渉縞の高屈折率縞部を構成している。そのためには、板状体２３の３次元的な形状、配置は、通信衛星６1 又は６2 からの所定波長の電波をコンバータ５の位置に回折して集束するような形状、配置に選ばれる。ここで、板状体２３には、図３（ｃ）に示すように、所望の屈折率になるように微細な孔２５が多数設けられている。
【００２７】
具体例として、集束素子１１、１２の大きさは６０ｃｍ×６０ｃｍとし、板状体２３としてアクリル樹脂板を用いる。集束素子１１、１２の板状体２３と空気２４を交互に並列固定した部分の厚さを８．１ｃｍとする。また、板状体２３のアクリル樹脂板には直径５ｍｍの孔２５を開口率が６０％になるように開けて、実効屈折率を１．２８（Δｎ＝０．１４。後記）としてある。この点に関する計算は後述する。このような集束素子１１、１２を２枚重ねて接着してアンテナ２０とする。
【００２８】
このアンテナ２０の集束素子１１、１２の共通の焦点にコンバータ５が位置するように組み合せ、相互に２０°離れた通信衛星６1 、６2 からの電波をアンテナ２０を動かすことなく同時にコンバータ５上に集束させ、２つのＣＳ衛星放送が同時に受信できる。
【００２９】
以下、集束素子１１、１２の干渉縞のピッチ、厚さ、屈折率差を求める。条件として、板状体２３として用いるアクリル樹脂板の屈折率を１．５、電波の波長を２．５ｃｍとする。そして、集束素子１１、１２を形成する体積ホログラムは、４５°入射、垂直出射の集束機能付きとする。以降の計算は、このホログラムの中心点を考える。
【００３０】
まず、干渉縞のピッチΛを求める。ブラッグ回折の式より、
0003750887.tif 000002
である。上記式から、
Λ＝２．８２ｃｍ
となる。
【００３１】
次に、分解能２０°を得るために必要なホログラムの厚さＴを求める。コーゲルニックの式、
η＝ｓｉｎ2 （ν2 ＋ξ2 ）1/2 ／（１＋ξ2 ／ν2 ）
において、ブラッグ条件での回折効率η＝１００％を満たすのは、
ν＝π／２
であり、この条件で回折効率ηが０になるのは、ξ＝２．８であり、ξの式から以下の関係が導かれている。
【００３２】
２Δθ＝２Λ／Ｔ
この式に以下の条件を代入する。
【００３３】
Δθ＝２０°＝０．３４９：入射角のずれ（＝入射角分解能）
Λ＝２．８２ｃｍ        ：干渉縞のピッチ
その結果、
Ｔ＝８．１ｃｍ
が得られる。
【００３４】
このとき、回折効率を１００％とする屈折率差Δｎを求める。ブラッグ条件での回折効率の式より、
η＝ｓｉｎ2 （πΔｎＴ／λｃｏｓθB ）＝１
となる。この式より、
πΔｎＴ／λｃｏｓθB ＝π／２
これに以下の条件を代入する。
【００３５】
θB ＝２２．５°          ：プラック角
Ｔ  ＝８．１ｃｍ
その結果、
Δｎ＝０．１４
が得られる。これはアクリル樹脂と空気の屈折率差０．２５より小さいので、前記のように、アクリル樹脂板２３に直径５ｍｍの孔２５を開口率が６０％になるように開けることにより、実現可能である。
【００３６】
以上、本発明のアンテナをいくつかの実施例に基づいて説明してきたが、本発明はこれら実施例に限定されず種々の変形が可能である。
【００３７】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように、本発明のアンテナによると、複数方向からの電波を同一方向へ集束若しくは偏向するような形状の複数の干渉縞パターンを重ね合わせてなる干渉縞パターンを有するものとすることにより、複数方向からの電波を１個のコンバータへ同時に集束して受信できる。さらに、干渉縞パターンを基板面に垂直な方向に厚みを有し、かつ、その干渉縞パターンを基板面に垂直な厚み方向に屈折率が変化する体積ホログラムの干渉縞パターンとすることにより、角度選択性を持たせたアンテナを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のアンテナの構成と作用を説明するための図である。
【図２】本発明の実施例２のアンテナの構成と作用を説明するための図である。
【図３】本発明の実施例３のアンテナの構成と作用を説明するための図である。
【符号の説明】
１…集束素子
２…ＰＥＴフィルム
３…アルミ箔
４…枠
５…コンバータ
６、６1 、６2 …通信衛星
７…アンテナ
８…アクリル樹脂基板
９…レリーフ
１０…アルミニウム
１１、１２…集束素子
２０…アンテナ
２１、２２…支え基板
２３…板状体
２４…空気
２５…孔
ａ、ｂ…ゾーンプレート模様
【図１】
0003750887.tif 000003
【図２】
0003750887.tif 000004
【図３】
0003750887.tif 000005