特許 7519697 レンズアンテナ、これを用いたレーダ装置、及び無線通信装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-07-11

(45)【発行日】2024-07-22

(54)【発明の名称】レンズアンテナ、これを用いたレーダ装置、及び無線通信装置

(51)【国際特許分類】

   H01Q 3/12 20060101AFI20240712BHJP

   H01Q 15/02 20060101ALI20240712BHJP

   H01Q 19/02 20060101ALI20240712BHJP

   G01S 7/03 20060101ALI20240712BHJP

【ＦＩ】

H01Q3/12

H01Q15/02

H01Q19/02

G01S7/03 230

【請求項の数】 19

(21)【出願番号】P 2021540707

(86)(22)【出願日】2020-08-03

(86)【国際出願番号】 JP2020029659

(87)【国際公開番号】W WO2021033525

(87)【国際公開日】2021-02-25

【審査請求日】2023-06-05

(31)【優先権主張番号】P 2019150591

(32)【優先日】2019-08-20

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(73)【特許権者】

【識別番号】504137912

【氏名又は名称】国立大学法人 東京大学

(74)【代理人】

【識別番号】100107766

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠重

(74)【代理人】

【識別番号】100070150

【弁理士】

【氏名又は名称】伊東 忠彦

(72)【発明者】

【氏名】門内 靖明

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 和人

【審査官】赤穂 美香

(56)【参考文献】

【文献】米国特許第５９６６１０３（ＵＳ，Ａ）

【文献】特表２００１－５０６８１７（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開平１０－３２７０１４（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｈ０１Ｑ ３／１２

Ｈ０１Ｑ １５／０２

Ｈ０１Ｑ １９／０２

Ｇ０１Ｓ ７／０３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

第１プレートと、
前記第１プレートと対向する第２プレートと、
を有し、
前記第１プレートと第２プレートの少なくとも一方は、他方との対向面に所定の曲率の湾曲部を有し、
前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、入力ビームの光軸と平行な軸を回動軸として、前記光軸と直交する面でチルト可能であることを特徴とするレンズアンテナ。

【請求項2】

前記湾曲部によって前記第１プレートと前記第２プレートの間に形成される第１空間が所定の伝搬モードに対してレンズとして作用することを特徴とする請求項１に記載のレンズアンテナ。

【請求項3】

前記レンズは、ルネベルグレンズの屈折率条件を満たすことを特徴とする請求項２に記載のレンズアンテナ。

【請求項4】

前記湾曲部は、複数の伝送周波数に対して計算された曲率から得られる形状であることを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載のレンズアンテナ。

【請求項5】

前記湾曲部から連続する平坦部が設けられ、前記平坦部によって前記第１プレートと前記第２プレートの間に第２空間が形成され、前記第１空間と前記第２空間で前記入力ビームの導波路が形成されることを特徴とする請求項２または３に記載のレンズアンテナ。

【請求項6】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、プレートの外周に向かって厚さが減少する傾斜部を有し、
前記傾斜部によって前記第１プレートと前記第２プレートの間にテーパ空間が形成されることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載のレンズアンテナ。

【請求項7】

前記第１プレートと前記第２プレートは少なくとも表面が金属で形成されていることを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載のレンズアンテナ。

【請求項8】

前記前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方の前記表面に形成される前記金属は、使用波長よりも小さな開口パターンを有することを特徴とする、請求項７に記載のレンズアンテナ。

【請求項9】

前記第１プレートと前記第２プレートは、円、楕円、または多角形の少なくとも一部を構成する平面形状を有することを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載のレンズアンテナ。

【請求項10】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、前記光軸と平行な第１の軸のまわりに回動またはチルト可能であり、前記第１の軸のまわりのチルトにより、前記第１の軸と直交する第１の面内で、前記第１プレートと前記第２プレートの間に形成される空間の実効屈折率分布に勾配が生じ、前記入力ビームはプレートチルト角に応じた方向に偏向することを特徴とする請求項１～９のいずれか１項に記載のレンズアンテナ。

【請求項11】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、プレート面内で前記第１の軸と直交する第２の軸のまわりに、回動またはチルト可能であることを特徴とする、請求項１０に記載のレンズアンテナ。

【請求項12】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は漏れ波放射構成を有し、前記第２の軸のまわりの回動またはチルトにより、前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方から放射される漏れ波の放射の広がりが制御されることを特徴とする、請求項１１に記載のレンズアンテナ。

【請求項13】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、前記他方のプレートと垂直な方向へ並進移動が可能であることを特徴とする、請求項１０に記載のレンズアンテナ。

【請求項14】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は漏れ波放射構成を有し、前記並進移動により、前記第１プレートと前記第２プレートの前記少なくとも一方から放射される漏れ波の放射方向が制御されることを特徴とする、請求項１３に記載のレンズアンテナ。

【請求項15】

前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、前記他方のプレートと垂直な方向へ並進移動が可能、またはプレート面内で前記第１の軸と直交する第２の軸の周りに、回動またはチルト可能であり、
前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は漏れ波放射構成を有し、前記並進移動により、前記第１プレートと前記第２プレートの前記少なくとも一方から放射される漏れ波の放射方向が制御され、前記第２の軸の周りの回動またはチルトにより、前記漏れ波の放射の広がりが制御される、請求項１０に記載のレンズアンテナ。

【請求項16】

請求項１～１５のいずれか１項に記載のレンズアンテナと、
前記レンズアンテナの前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方を駆動するアクチュエータと、
前記レンズアンテナから送信する信号を生成し、前記レンズアンテナで受信した信号を受信する送受信機と、
前記アクチュエータを制御し、かつ前記送受信機で受信された信号を解析するプロセッサと、
を有するレーダ装置。

【請求項17】

前記プロセッサは、あらかじめ前記レンズアンテナのチルト角と前記入力ビームの偏向角の対応関係を表わす情報を保持し、前記情報に基づいて、前記レンズアンテナで受信された信号から、物体の方向と距離を決定することを特徴とする請求項１６に記載のレーダ装置。

【請求項18】

前記レンズアンテナは漏れ波を放射し、
前記プロセッサは、あらかじめ前記第１プレートと前記第２プレートの間隔と、前記漏れ波の放射方向の対応関係を表す第２情報を保持し、前記第２情報に基づいて、前記レンズアンテナで受信された信号から、物体の方向と距離を決定することを特徴とする請求項１６に記載のレーダ装置。

【請求項19】

請求項１～１５のいずれか１項に記載のレンズアンテナと、
前記レンズアンテナに接続される送信器及び受信器と、
を有し、所定の無線通信帯域内で、前記レンズアンテナでビームを送受信する無線通信装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ビームステアリングを実現するレンズアンテナと、これを用いたレーダ装置及び無線通信装置に関する。

【背景技術】

【0002】

近年、高速無線通信や高解像度レーダへのテラヘルツ波の応用が検討されている。自由空間におけるテラヘルツ波の伝送は、マイクロ波と比較して放射開口部の小型化と、空間分解能の向上を実現し、センシング、イメージング等への適用も見込まれている。一方、波長が短くなると、波長の二乗に反比例して経路損失が生じる。通信、レーダ等の分野では、指向性の高いビームを走査して回折減衰を補償し高空間解像を維持するビームステアリングの実現が不可欠である。

【0003】

マイクロ波、またはミリ波の周波数帯域では、低損失な移相器が存在しており、移相器をアレイ化したフェーズドアレイによるビーム走査が可能である。しかし、テラヘルツ帯では、現時点で低損失かつ広帯域の移相器が存在せず、マイクロ波、またはミリ波と同様の考え方でビームステアリングを実現するのは困難である。

【0004】

ルネベルグレンズをテラヘルツ帯で実装して、その給電位置を切り替えることでビーム方向を変化させる手法が提案されている（たとえば、非特許文献１参照）。また、Maxwellのフィッシュアイレンズにより平板に挟まれた空間でテラヘルツ波のビームフォーミングを行う構成が知られている（たとえば、非特許文献２参照）。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【文献】Daniel Headland et al., "Terahertz multi-antenna using photonic crystal waveguide and Luneburg lens", APL Photonics 3, 126105 (2018)

【文献】Jingbo Liu, Rajind Mendis, and Daniel M. Mittleman, "Maxwell's fish eye lens for the terahertz region", Applied Physics Letters 103, 031104 (2013)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

ルネベルグレンズを用いる構成では、給電位置を切り替えるための機械的駆動が必要である。また、高い屈折率を有する誘電体構造を外部空間と結合するための手段が不可欠であり、集積性と高速性の観点で課題が残る。フィッシュアイレンズを用いた公知の構成では、自由空間への放射も、効率的なビーム走査も実現されていない。

【0007】

本発明は、低損失かつ広い角度範囲でビーム走査が可能なレンズアンテナと、これを用いたレーダ装置、及び無線通信装置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】

【0008】

上記の目的を実現するため、実施形態では、一対のプレートを用いてルネベルグレンズを等価的に実現し、少なくとも一方のプレートを傾けることでビームを走査する。具体的には、本発明のレンズアンテナは、
第１プレートと、
前記第１プレートと対向する第２プレートと、
を有し、
前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、他方との対向面に所定の曲率の湾曲部を有し、
前記第１プレートと前記第２プレートの少なくとも一方は、入力ビームの光軸と平行な軸を回動軸として、前記光軸と直交する面でチルト可能である。

【発明の効果】

【0009】

低損失かつ広い角度範囲でビーム走査が可能になる。本発明の構成は、無線通信、レーダ計測をはじめとして、光波を空中で伝送するすべてのアプリケーションに適している。

【図面の簡単な説明】

【0010】

【図1】第１実施形態のレンズアンテナの構成図である。

【図2】実際に作製されたアンテナ部品の図である。

【図3】第１実施形態のレンズアンテナによるビームステアリングの図である。

【図4】第１実施形態のレンズアンテナの屈折率分布とそれを生み出すための湾曲構造の図である。

【図5】第１実施形態のレンズアンテナの分光透過スペクトルを示す図である。

【図6】第１実施形態のレンズアンテナのレンズの効果確認に用いるモデルの図である。

【図7】図６のモデルによる電磁界シミュレーション図である。

【図8】給電点を変えた放射パターン測定のためのセットアップ模式図である。

【図9】給電点を変えながら測定した放射パターンの測定結果である。

【図10】給電点を固定し、レンズのチルト角を変えた放射パターン測定のためのセットアップ模式図である。

【図11】チルト角を変えながら測定した放射パターンの測定結果である。

【図12】チルト角の関数としてのビーム方向の変化を示す図である。

【図13A】ビームの偏向を説明する図である。

【図13B】折れ線ビームへの近似を示す図である。

【図14】第１実施形態のレンズアンテナを用いたレーダ装置の模式図である。

【図15A】レーダ測定の実験セットアップ図である。

【図15B】図１５Ａと異なる距離、方向でのレーダ測定の実験セットアップ図である。

【図15C】図１５Ａと異なる距離、方向でのレーダ測定の実験セットアップ図である。

【図16A】図１５Ａのセットアップで受信されたレーダ信号から得られたＴＯＦ信号である。

【図16B】図１５Ｂのセットアップで受信されたレーダ信号から得られたＴＯＦ信号である。

【図16C】図１５Ｂのセットアップで受信されたレーダ信号から得られたＴＯＦ信号である。

【図17A】図１５Ａのセットアップでチルト角の関数としてプロットされたＴＯＦ信号の図である。

【図17B】図１５Ｂのセットアップでチルト角の関数としてプロットされたＴＯＦ信号の図である。

【図17C】図１５Ｃのセットアップでチルト角の関数としてプロットされたＴＯＦ信号の図である。

【図18A】レンズアンテナのチルト駆動の構成例を示す図である。

【図18B】レンズアンテナのチルト駆動の構成例を示す図である。

【図18C】レンズアンテナのチルト駆動の構成例を示す図である。

【図19A】レンズアンテナの変形例の図である。

【図19B】レンズアンテナの別の変形例の図である。

【図20A】第２実施形態のレンズアンテナの第１のレンズ構成を説明する図である。

【図20B】第２実施形態のレンズアンテナの第２のレンズ構成を説明する図である。

【図21】第１のレンズ構成の断面形状の一例を示す図である。

【図22】第１のレンズ構成の帯域幅拡張効果を示す図である。

【図23】第２のレンズ構成の断面形状の一例を示す図である。

【図24】第２のレンズ構成の帯域幅拡張効果を示す図である。

【図25】第１のレンズ構成、及び第２のレンズ構成を用いたレンズアンテナの電磁界シミュレーションを、特定周波数対応のレンズアンテナの電磁界シミュレーションとともに示す図である。

【図26A】特定周波数対応のレンズアンテナのｙ方向の電場分布とその周波数変化を示す図である。

【図26B】第１のレンズ構成のレンズアンテナのｙ方向の電場分布とその周波数変化を示す図である。

【図26C】第２のレンズ構成のレンズアンテナのｙ方向の電場分布とその周波数変化を示す図である。

【図27】図２６Ａ～図２６Ｃの電場分布の半値幅（３ｄＢ幅）の平均と標準偏差を示す図である。

【図28】様々なレンズの終端部に対する中心部の屈折率比の周波数依存性を示す図である。

【図29】第３実施形態のレンズアンテナの模式図である。

【図30】図２９のレンズアンテナのＺ方向への電磁界シミュレーション図である。

【図31】第３実施形態のレンズアンテナでプレート間隔を変化させることによるビーム掃引を示す図である。

【図32】第３実施形態のレンズアンテナの変形例を示す模式図である。

【図33】図３２のレンズアンテナのＩ－Ｉ'断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0011】

実施形態では、一対の平板で、ルネベルグレンズと等価のレンズを有するレンズアンテナを実現し、広帯域に渡ってビームステアリングを実現する。一対の平板のうちレンズを形成する部分は金属、または表面が金属コートされた高分子材料で形成されている。誘電体材料を用いずにルネベルグレンズと等価のレンズを実現するので、誘電損失を低減できる。また、移相器を用いず、かつ、周波数を変えることなく、ビーム走査を実現する新たな構成を提供する。良好な構成例では、一対の平板のいずれか一方に、漏れ波ビームを出射する放射部を設け、所望の方向にビームを掃引する。

【0012】

＜第１実施形態のレンズアンテナの構成と原理＞
図１は、第１実施形態のレンズアンテナ１０の構成例を示す。レンズアンテナ１０は、自由空間を挟んで配置される第１プレート１１０と第２プレート１２０によって構成される。

【0013】

第１プレート１１０は、第２プレート１２０との対向面に、所定の曲率で湾曲する湾曲部１１１と、平坦部１１２と、プレートの外周に向かって厚さが減少する傾斜部１１３を有する。

【0014】

第２プレート１２０は、第１プレート１１０との対向面に、平坦部１２１と、プレートの外周に向かって厚さが減少する傾斜部１２３を有する。第１プレート１１０と第２プレート１２０の間に形成される空間が、レンズアンテナ１０の導波路となる。

【0015】

レンズアンテナ１０の導波路は、レンズ１０１と、レンズ１０１の周囲に位置するパラレル部１０２と、パレレル部に連通するテーパ部１０３を含む。レンズ１０１は、第１プレート１１０の湾曲部１１１によって、第２プレート１２０との間の空間に形成される。パラレル部１０２は、第１プレートの平坦部１１２と、第２プレート１２０の平坦部１２１との間に形成される。テーパ部１０３は、第１プレートの傾斜部１１３と、第２プレート１２０の傾斜部１２３との間に形成される。

【0016】

第１プレート１１０と第２プレート１２０の間隔ｄは、レンズ１０１においてはレンズ径ｒの関数として変化し、パラレル部１０２で一定、テーパ部１０３でプレートのエッジに向かって単調増加する。

【0017】

図１の最下段は、第１プレート１１０と第２プレート１２０の間に形成される導波路の実効屈折率分布を示す。以下、「実効屈折率」というときは、金属で囲まれた空間中を光波が伝搬するときの屈折率をさす。導波路の一部であるレンズ１０１は、ルネベルグレンズと同様に、レンズ中心の実効屈折率が、レンズ周縁部の実効屈折率の√２倍になる。ここで、レンズ中心とは、レンズ１０１の頂点をさす。パラレル部１０２の屈折率は一定であり、テーパ部１０３はパラレル部１０２よりも大きな屈折率を持つ。

【0018】

レンズ１０１は、入射ビームをコリメートするとともに、給電位置に応じて入射ビームの進行方向を可変にする。パラレル部１０２は、ビームを整形する機能と、ビームの方向を制御する機能を持つ。テーパ部１０３は必須ではないが、テーパ部１０３を設けることによって、徐々に拡がる導波路空間からビームを効率的に放射し、かつ入力ビームと出力ビームのインピーダンス整合を改善することができる。

【0019】

第１プレート１１０と第２プレート１２０の重ね合わせの方向、または厚さ方向をｚ方向とする。ｚ方向と直交する面内で、図１のようにｘ軸とｙ軸をとる。ｘ方向は、入射ビームの光軸と平行な方向、ｙ方向は、ｘ方向とｚ方向に垂直な方向である。

【0020】

レンズアンテナ１０の特徴として、第１プレート１１０と第２プレート１２０の少なくとも一方は、プレート間の空間の厚さがｙ方向に勾配を持つように、チルト可能に保持されている。たとえば、第１プレート１１０を固定し、第２プレート１２０がｘ軸を回動軸としてｙ－ｚ面に沿って傾斜可能となるように保持する。

【0021】

第１プレート１１０と第２プレート１２０の間の距離にｙ方向の勾配をつけることで、レンズ１０１とパラレル部１０２での屈折率分布がｙ方向に変化し、入射ビームの進行方向を変化させることができる。テーパ部１０３でもｙ方向の屈折率分布に多少の勾配がつくが、プレートチルトによる屈折率分布の変化の影響は、レンズ１０１とパラレル部１０２と比較して小さい。テーパ部１０３のＹ方向の長さは、レンズ１０１とパラレル部１０２を併せた領域と比較して小さく、また、テーパ部１０３では、導波路空間それ自体が傾斜をもって拡がっているからである。ｙ－ｚ面でのプレートチルトによるビームステアリングの詳細については、後述する。

【0022】

図１の構成例では、第１プレート１１０と第２プレート１２０の平面形状は半円形または半円に近い形状であり、半円の直線部１０４の中央に、レンズ１０１の外周の一部となる突起１０５が設けられている。レンズ１０１の中心は、直線部１０４よりもプレートの内側に位置する。プレートの直線部１０４をレンズ１０１の中心よりも入射側（マイナスｘ側）に配置することで、レンズ１０１を取り囲むパラレル部１０２の面積を拡張して、ビームを効果的に走査することができる。

【0023】

レンズアンテナ１０のプレート形状は、図１の例に限定されない。パラレル部１０２の面積を広くとることができれば、レンズ１０１の中心は直線部１０４の上にあってもよいし、直線部１０４よりも外側にあってもよい。また、平坦部の形状は必ずしも半円である必要はなく、半円よりも広がった（中心角が１８０°よりも大きい）扇型、矩形、多角形の一部、楕円形の一部などであってもよい。

【0024】

図２は、実際に作製されたアンテナ部品である。第１プレート１１０、第２プレート１２０ともにアルミニウムで形成されている。第１プレート１１０の湾曲部１１１の径Ｌlensは１５ｍｍ、平坦部１１２の幅Ｌparallelは１５ｍｍ、傾斜部１１３の幅Ｌtaperは１０ｍｍである。第２プレート１２０で、突起１０５の先端から平坦部１２１の反対側の外周までの長さは３０ｍｍ、傾斜部１２３の幅は１０ｍｍである。

【0025】

チルト前の初期位置で、第１プレート１１０と第２プレート１２０のパラレル部１０２の間隔ｄは、０．６ｍｍに設定されている。第１プレート１１０と第２プレート１２０の全体を金属で形成する替わりに、プレート本体を高分子材料の３Ｄ印刷で形成し、表面を金属コーティングしてもよい。

【0026】

図３は、第１実施形態のレンズアンテナ１０によるビームステアリングの図である。図３の（Ａ）は、ｙ－ｚ面でのプレートのチルト角θtiltが０°のとき、すなわち第１プレート１１０と第２プレート１２０が平行に保持されているときの電磁界シミュレーションである。図３の（Ｂ）は、ｙ－ｚ面での一方のプレートの他方のプレートに対する相対的なチルト角θtiltの絶対値が２５'（約０．４２°）のときの電磁界シミュレーションである。なお、図３の座標系では、このチルト角は負の方向のチルトになる。図３の（Ａ）と（Ｂ）では、電界（ｙ方向）成分を計算している。

【0027】

図３の（Ａ）において、チルト角θtiltが０のとき、入射ビームは直進する。図３の（Ｂ）において、一方のプレートをｙ－ｚ面で２５'の角度に傾けることで、ビームは進行方向（ｘ方向）からｙ方向に向かって２５°の角度で曲がる（θdef＝２５°）。わずかなチルト角θtiltで、約６０倍以上のビーム偏向角θdefが得られる。

【0028】

プレートの微小なチルトは、機械的手段、音響的手段、電気光学的手段などを用いて実現することができる。レンズアンテナ１０に微細な駆動を与えることで、広い角度範囲にわたってビーム走査が可能になる。

【0029】

たとえば、バイモルフ圧電アクチュエータ、誘電エラストマー、ＭＥＭＳアクチュエータ等を使用して、一方のプレートのチルト角θtiltを－０．４２°から＋０．４２°の範囲で変化させると、入射ビームの方向を直進方向に対して－２５°から＋２５°の範囲で走査して６０倍以上の角度テコ比を実現することができる。移相器を用いずに、また、周波数の掃引なしに、低損失で広範囲のビームステアリングが可能になる。

【0030】

図４は、レンズアンテナ１０のレンズ１０１の実効屈折率分布と、その実効屈折率分布を生成するための湾曲構造の図である。点線のラインａは、第１プレート１１０の湾曲部１１１の湾曲面の設計値、太線のラインｂは、実際に作製した部品の測定値、実線のラインｃは、ＴＥ1モードの基本波に対するレンズ１０１の実効屈折率である。湾曲部１１１の形状は、レンズ１０１の中心（すなわち頂点）での実効屈折率が、レンズの周縁部の実効屈折率の√２倍になるように設計されている。これにより、固体の誘電体球では作り得ない実効屈折率分布が実現される。

【0031】

第１プレート１１０と第２プレート１２０の間に形成されるレンズ１０１は、空気レンズに限定されず、その他の気体、液体等で構成されてもよい。用いる媒体に応じて、ルネベルグレンズと同じ実効屈折率分布となるように、湾曲部１１１の曲率が決定される。

【0032】

図５は、レンズアンテナ１０の分光透過特性を示す。横軸は周波数、縦軸は複素透過係数Ｓ21である。実線はシミュレーション値、黒丸のデータ点は実験値である。実験値は、数値シミュレーションとよく一致している。

【0033】

レンズアンテナ１０は、２６０ＧＨｚ～３３０ＧＨｚの広いテラヘルツ帯域にわたって使用可能であり、特に、２８０～３２０ＧＨｚでの透過率は高い。３００ＧＨｚ付近の３６ＧＨｚの帯域幅（３ｄＢ基準）においても、６０ＧＨｚの帯域幅（１０ｄＢ基準）においても、自由空間での伝送が実現される。２５５ＧＨｚ未満ではカットオフ状態になる。

【0034】

図６は、湾曲部１１１で形成されるレンズ１０１の効果を確認するためのシミュレーションモデルの模式図である。ボトムプレートＢＰとトッププレートＴＰを、０．６ｍｍの間隔で配置し、給電点を半円形の突起１０５の頂点に固定する。このシミュレーションモデルでは、各プレートの主要領域は矩形であり、プレートのエッジに傾斜部を設けていない。平板の矩形領域のｘ方向のサイズは２６．２５ｍｍ、ｙ方向のサイズは３０ｍｍである。

【0035】

ボトムプレートＢＰに湾曲部を設けてレンズを構成するモデルと、湾曲部を設けずにレンズを構成しないモデルの２種類を用意する。レンズを構成するモデルでは、ボトムプレートＢＰの突起１０５の位置に、直径１５ｍｍの湾曲部が設けられる。湾曲部の湾曲面は、上述した実効屈折率条件（ルネベルグレンズの実効屈折率分布）を満たす曲率をもつ。湾曲部の中心は、ボトムプレートＢＰの入射側（励起点）のエッジよりもプレートの内側に位置する。一方、レンズを構成しないモデルでは、ボトムプレートＢＰの全体が平坦なプレートである。

【0036】

図７は、図６のモデルによる電磁界シミュレーション図である。ここでも電界のみを計算している。給電点を突起１０５の頂点に固定し、ＴＥ1モードのテラヘルツ波を２９０ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、３１０ＧＨｚで入力する。図７の（Ａ）のレンズ有りの構成では、図７の（Ｂ）のレンズなしの構成と比較して、各周波数でビームの拡がりが抑制され、指向性ビームに変換されている。レンズ１０１のコリメート機能が確認される。

【0037】

図８は、給電点を変えて放射パターンを測定するセットアップ模式図である。このセットアップでは、レンズアンテナ１０のプレートはチルトされず、２枚のプレートは平行に維持される。

【0038】

送受信機能を有するベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）に、ポート１とポート２を接続する。ポート１は送信側、ポート２は検出側である。ポート１は、レンズアンテナ１０のレンズ１０１にビームを直接入力できるように配置される。ポート２は、レンズアンテナ１０の外周から２００ｍｍ離れた位置に配置される。

【0039】

ポート１から延びる導波路フランジ２５ａと、ポート２から延びる導波路フランジ２５ｂは、電界がｙ方向に平行になりＴＥ1モードに結合するように配向されている。ＶＮＡは、たとえば２２０～３３０ＧＨｚのテラヘルツ波を出力可能である。

【0040】

ポート１の給電位置を、レンズ１０１の外周に沿って変化させる。レンズ１０１への入射位置を、ｘ方向に対して－１０°から＋１０°の範囲で、５°刻みで変化させる。各入射位置で、検出側のポート２をｘ軸に対して－３０°から＋３０°の範囲で動かして、放射ビームを検出する。ポートから見てｘ軸の左側をマイナス側、右側をプラス側とする。

【0041】

図９は、図８のモデルでの放射パターンの測定結果である。３００ＧＨｚのテラヘルツ波を測定している。プロットＡは入射位置が－１０°のときの放射パターン、プロットＢは入射位置が－５°のときの放射パターン、プロットＣは入射位置が０°のときの放射パターン、プロットＤは入射位置が＋５°のときの放射パターン、プロットＥは入射位置が＋１０°のときの放射パターンである。

【0042】

各入射位置で、テラヘルツ波はプレート間の導波路を進行し、ビームが平行に整形されて、受信側で検出されている。レンズアンテナ１０から放射される各ビームの３ｄＢ幅は６°に相当し、入射位置に拠らずにほぼ一定である。給電点に応じた方向に指向性ビームが出力されているということは、レンズアンテナ１０のレンズ１０１が、ルネベルグレンズを実現していることを示している。

【0043】

図１０は、給電点を固定し、プレートのチルト角を変えた放射パターン測定のセットアップ模式図である。給電点（励起点）を固定した状態でのビーム走査を実証する。図８と同じＶＮＡを用いて、ポート１を入射位置０°の位置に固定する。ｘ軸を回動軸とするプレートのチルト角がゼロのときは（配置(i)）、２枚のプレートは平行であり、レンズアンテナ１０へのビームの入射方向と、レンズアンテナ１０からの出射方向は、ｘ軸と平行である。

【0044】

レンズアンテナ１０の一方のプレートのｘ軸まわりのチルト角を、－２５'～＋２５'の範囲で、１０'刻みに変化させる（配置(ii)）。各チルト角において、検出側のポート２をｘ軸に対して－３０°から＋３０°の範囲で動かして、放射ビームを検出する。

【0045】

図１１は、チルト角を変えながら測定した放射パターンの測定結果である。レンズアンテナ１０のチルト角を－２５'、－１５'、－５'、５'、１５'、２５'と変えることで、－２３．５°、－１６°、－７．５°、５.５°、１７°、２４．５°の位置で各ビームのピークが測定されている。わずかなチルト角の変化で、６０倍以上のビーム偏向角が実現されることがわかる。

【0046】

図１２は、チルト角の関数としてのビーム方向の変化を示す図である。黒丸マークはプレートチルト角の実験値、三角マークはプレート角度の計算値、点線は三次多項式による補間、実線は線形理論値である。プレートのチルト角を適切に設定することで、所望の方向にビームを偏向させることができる。

【0047】

レンズアンテナ１０によるビームの偏向は、以下のように説明できる。ＴＥ1モードの光波にとって、実効屈折率ｎpは第１プレート１１０と第２プレート１２０の間の間隔ｄに依存し、式（１）で表される。

【0048】

【数1】

ここで、ｃは光速、ωは角周波数である。式（１）から、ｃ／２ｄのカットオフ周波数を超えるすべての周波数で、実効屈折率が１より小さくなることがわかる。ＴＥ1モードは、カットオフ周波数を含むが、伝搬中の多重反射が少ないため、カットオフ周波数を超える広い帯域で低損失の伝送が可能になる。

【0049】

光波が感じる実効屈折率が２枚のプレート間の間隔ｄに依存するので、プレートの湾曲部１１１の形状を制御することで、実効屈折率分布に勾配をもたせることができる。ルネベルグレンズを実現するために、レンズ１０１の実効屈折率ｎLを、式（２）にしたがって径方向に変化させる。

【0050】

【数2】

ここで、Ｒはレンズ半径である。図１の座標系で、ｘ－ｙ面内でのレンズ中心の座標を（ｘ，ｙ）＝（Ｒ，０）とすると、レンズ中心からの距離ｒはｒ＝［（ｘ－Ｒ）2＋ｙ2］1/2と表される。実効屈折率は、レンズ中心（ｒ＝０）で最大となり、外周（ｒ＝Ｒ）に向かうにつれて連続的に減少する。

【0051】

従来は、レンズ外周は自由空間になり、実効屈折率ｎL（Ｒ）は１となるので、考慮の対象外とされていた。これに対し、第１実施形態のレンズアンテナ１０では、レンズ１０１の周囲にパラレル部１０２が設けられており、ｒ＝Ｒでの実効屈折率ｎL（Ｒ）は１よりも小さいので、パラレル部１０２での実効屈折率も考慮に入れる。すなわち、レンズ１０１は、曲率だけではなく、周囲を囲むパラレル部１０２の実効屈折率によっても規定される。式（２）のｎL（ｒ）が、式（１）のｎP（ｄ）と一致すると考えると、径方向の距離ｒの関数としてのプレート間の間隔ｄ（ｒ）は、式（３）で表される。

【0052】

【数3】

レンズ１０１の外周での間隔（最小間隔ｄ（Ｒ））は、次の２つの条件を満たす必要がある。第１の条件は、着目する周波数のカットオフ状態を回避するのに十分な大きさの間隔をもつこと、第２の条件は、レンズ中心部の実効屈折率はレンズ周辺部の実効屈折率の√２倍であるが、その値はどちらも１よりも小さい値をとることである。この２つの条件は、式（４）の不等式で表される。

【0053】

【数4】

式（３）と式（４）に基づき、３００ＧＨｚのビームをコリメートするために、レンズアンテナ１０のレンズ１０１の半径Ｒを７．５ｍｍ、レンズ外周でのプレート間の間隔ｄ（Ｒ）を０．６ｍｍに設計する。このレンズ設計によって、図７に示したように、入射テラヘルツ波は指向性ビームに変換される。

【0054】

次に、チルト角制御によるビーム偏向を説明する。レンズアンテナ１０の一方のプレートをｘ軸の周りに回動してｙ－ｚ面で傾けると、２枚のプレート間の間隔ｄはｙ方向に線形に変化する。座標（ｘ，ｙ）におけるプレート間の間隔ｄ（ｘ，ｙ）は、式（５）で表される。

【0055】

【数5】

ここで、係数ｂは、式（３）で表される初期間隔に付加される線形の傾きまたは摂動である。

【0056】

実効屈折率は、式（１）で表されるように、プレート間の間隔に依存するので、摂動の影響を受ける。摂動ｂが小さいときは、実効屈折率はｙ方向に線形に変化するとみなすことができる。実効屈折率の線形勾配の下では、伝搬時間を最小にするパスを決定する変分原理に基づいて、ビーム軌道を計算することができる。

【0057】

図１３Ａにおいて、ビームの軌跡をｙ＝ｆ（ｘ）と表すと、ｆ（ｘ）は変分原理に基づいて、以下のように伝搬時間最小化問題の解として与えられる。

【0058】

【数6】

ここで、ｃは高速、ｄはレンズアンテナ１０のプレート間の距離、ωは角周波数である。

【0059】

ビーム軌跡は上記の方程式の解ｙ＝ｆ（ｘ）で与えられるが、ｙ＝ｆ（ｘ）を解析的に求めるのは困難である。そこで、図１３Ｂのように、レンズでの軌跡Ｔ１と、パラレル部における軌跡Ｔ２の２段階の折れ線として近似する。軌跡Ｔ１とＴ２は、図１２の線形理論にあたる。

【0060】

レンズの半径をＲとすると、レンズでの伝搬距離は２Ｒ（＝１５ｍｍ）である。パラレル部の幅Ｌとすると、パラレル部での伝搬距離はＬ（＝１５ｍｍ）である。ビームの偏向角は、ｙ＝ｆ（ｘ）の微分
φ（ｘ）＝ｄｆ（ｘ）／ｄｘ
として与えられる。

【0061】

【数7】

ここで、ｄ_Ｌ（バー）は、レンズ１０１における平均的なプレート間距離、ｄ（Ｒ）はレンズ１０１の外周、すなわちパラレル部１０２でのプレート間距離である。

【0062】

最終的に求めたいビーム方向は、ｘ＝２Ｒ＋Ｌでの角度φ（２Ｒ＋Ｌ）として与えられる。図１２におけるビーム偏向角θdefは、プレートの勾配（チルト）の関数として、式（７）から求められている。

【0063】

＜レーダ装置への適用＞
図１４は、第１実施形態のレンズアンテナ１０を用いたレーダ装置１の模式図である。上述したレンズアンテナ１０によるビームステアリングは、送信信号と受信信号の両方に有効である。したがって、テラヘルツ波の放射を、自由空間でのセンシング、イメージング、無線通信など、広範囲の用途に適用できる。一例として、ＣＷ（連続波）レーダへの適用を説明する。

【0064】

レーダ装置１は、レンズアンテナ１０と、送受信機２１と、プロセッサ２２と、レンズを駆動するアクチュエータ２３を有する。送受信機２１とレンズアンテナ１０は、たとえば導波路フランジ２５で接続されている。送受信機２１は、レンズアンテナ１０から送信するテラヘルツ波を発信し、また、レンズアンテナ１０で受信された反射波を検波する。送信波と受信波は、たとえば、方向性結合器によって分離される。

【0065】

プロセッサ２２は、送受信機２１による検波結果を用いて、後述するように物体の位置（距離と方向）を算出する。プロセッサ２２はまた、アクチュエータ２３の駆動を制御して、レンズアンテナ１０のチルト角を制御する。

【0066】

図１５Ａ～図１５Ｃは、図１４のレーダ装置１の実験セットアップ図である。ターゲット１３０として、直径１２ｍｍの金属ロッドをレンズアンテナ１０の放射側に配置する。図１０のセットアップで使用したポート２に替えて、ポート１の導波路フランジ２５を介してで、ターゲット１３０からの反射レーダ信号を複素反射率Ｓ１１として受信する。受信信号はＶＮＡＸ（Vector Network Analyzer Extender）に入力される。

【0067】

図１５Ａでは、ターゲット１３０を出力ビームの方向から＋１５°の方向で、レンズアンテナ１０の外周から１３５ｍｍの位置に配置する。図１５Ｂでは、ターゲット１３０を出力ビームの直進方向、かつ、レンズアンテナ１０の外周から２１０ｍｍの位置に配置する。図１５Ｃでは、ターゲット１３０を出力ビームの方向から－２０°の方向、かつ、レンズアンテナ１０の外周から２１０ｍｍの位置に配置する。

【0068】

図１５Ａ～図１５Ｃの各セットアップにおいて、レンズアンテナ１０の第１プレートをチルトさせながらテラヘルツビームを異なる方向に放射し、ターゲット１３０からの反射波（Ｓ１１）を測定して、ターゲットの距離と方向を決定する。

【0069】

図１６Ａ～図１６Ｃは、レーダ信号の周波数スペクトルを逆フーリエ変換（ＩＦＴ：Inverse Fourier Transform）して得られるＴＯＦ（Time of Flight）信号である。縦軸はＴＯＦ信号の大きさ、横軸はターゲット１３０までの往復の伝搬時間である。図１６Ａ～図１６Ｃは、図１５Ａ～図１５のセットアップのそれぞれに対応する。ターゲット１３０の距離は、一般的には、ＴＯＦ信号のピークが得られるときの往復伝搬時間に光速を乗算し、２で割ることで計算できる。

【0070】

レンズアンテナ１０での受信信号からターゲット１３０の距離を正確に抽出するには、レンズアンテナ１０内の往復伝搬時間を補正することが望ましい。距離の補正は、ＴＥ1モードの群速度Ｖｇを考慮して行われる。群速度Ｖｇは、

【0071】

【数8】

で計算される。

【0072】

レンズアンテナ１０の第１プレート１１０と第２プレート１２０の間の平均間隔が０．６５ｍｍであると仮定すると、３００ＧＨｚでの群速度は、自由空間の場合よりも０．６４倍遅くなる。したがって、０．４２ｎｓの遅延が、図１６Ａ～図１６Ｃのオフセットとして現れる。ピーク位置の時間からオフセットを差し引いて計算すると、図１６Ａ～図１６Ｃにおいて、ターゲット１３０の距離は、それぞれ１３４ｍｍ、２１２ｍｍ、及び２０９ｍｍと計算される。これらの計算値は、図１５Ａ～図１５Ｃの実際のセットアップ距離である１３５ｍｍ、２１０ｍｍ、及び２１０ｍｍとよく整合している。

【0073】

図１７Ａ～図１７Ｃは、ＴＯＦ信号をプレートのチルト角の関数としてプロットした図である。ターゲット１３０の方向が未知の場合、ＴＯＦ信号のピーク与えるチルト角から、図１２の相関関係を用いてビーム偏向角を決定し、ビーム偏向角からターゲットの方向を決定することができる。図１２の相関関係、またはこの相関関係を記述する関数を、あらかじめプロセッサ２２のメモリ内に格納しておいてもよい。

【0074】

図１７Ａ～図１７Ｃのピーク位置を与えるチルト角を、図１２の多項式補間を用いてビーム偏向角に変換すると、それぞれ１７°、０．１５°、－２２°の偏向角が得られる。これらの計算値は、図１５Ａ～図１５Ｃの実際のターゲット位置である１５°、０°、－２０°とよく整合している。

【0075】

このように、使用ビームの周波数に設計された非誘電のルネベルグレンズを用い、少なくとも一方のプレートをチルトしてレンズアンテナ１０の実効屈折率を空間変調することで、正確なビームステアリングが実現される。

【0076】

レンズアンテナ１０に固体の誘電体を用いないので、挿入損失を最小にできるだけでなく、実効屈折率の空間的摂動を利用することが可能になる。レンズアンテナ１０をポリマーで形成する場合は、３Ｄ印刷等で軽量のレンズアンテナが簡単に作製できる。レンズアンテナ１０のレンズ１０１を含む導波路に線形摂動を加えることで、自由空間の任意の方向に指向性ビームを放射することができる。

【0077】

第１実施形態の構成と手法では、ビーム走査のために励起点（給電点）を移動する必要がない。大きな角度テコ作用が得られるので、プレートのチルトに必要な駆動量は、非常に小さくてよい。一方のプレートを、たとえば－２５'～＋２５'（－０．４２°～＋０．４２°）のわずかな範囲でチルトすることで、ビームの方向を－２５°～＋２５°の範囲で連続的に変えることができる。

【0078】

図１８Ａ～図１８Ｃは、レンズアンテナのチルト駆動の構成例を示す図である。チルト駆動は、図１４のプロセッサ２２の制御下で、アクチュエータ２３によって実行される。

【0079】

図１８Ａでは、アクチュエータ２３として、ゴニオステージ３１が用いられる。レンズアンテナ１０Ａの第１プレート１１０は、ゴニオステージ３１に保持されている。ゴニオステージ３１に支持体２２０Ａが設けられ、支持体２２０Ａのうち第１プレート１１０と対向する平坦面が、第２プレート１２０として機能する。

【0080】

第１プレート１１０と支持体２２０Ａの対向面との間の空間が導波路となり、ビームは紙面の奥行方向に入射する。ゴニオステージ３１で第１プレート１１０を傾斜させることによって、入射ビームを偏向することができる。

【0081】

図１８Ｂでは、アクチュエータ２３として、屈曲アクチュエータ３２が用いられる。レンズアンテナ１０Ｂの第１プレート１１０は、屈曲アクチュエータ３２によって、支持体２２０Ｂに保持されている。支持体２２０Ｂのうち、第１プレート１１０と対向する平坦面が、第２プレート１２０として機能する。第１プレート１１０と支持体２２０Ｂの対向面の間の空間が導波路となり、ビームは紙面の奥行方向に入射する。

【0082】

屈曲アクチュエータ３２は、たとえばバイモルフを用いており、印加電圧の方向と大きさによって、屈曲の方向と屈曲量を制御することができる。屈曲アクチュエータ３２で第１プレート１１０を傾斜させることによって、入射ビームを偏向することができる。

【0083】

図１８Ｃでは、アクチュエータ２３として、伸縮アクチュエータ３３が用いられている。レンズアンテナ１０Ｃの第１プレート１１０は、伸縮アクチュエータ３３によって、支持体２２０Ｃに保持されている。支持体２２０Ｃのうち、第１プレート１１０と対向する平坦面が、第２プレート１２０として機能する。第１プレート１１０と支持体２２０Ｃの対向面の間の空間が導波路となり、ビームは紙面の奥行方向に入射する。

【0084】

伸縮アクチュエータ３３は、たとえばピエゾ素子を用いており、印加電圧の方向と大きさによって伸縮する方向と伸縮量を制御することができる。伸縮アクチュエータ３３で第１プレート１１０を傾斜させることによって入射ビームを偏向することができる。

【0085】

図１９Ａ、及び図１９Ｂは、レンズアンテナの変形例の図である。図１９Ａで、レンズアンテナ１０Ｄの第１プレート１１０の平坦部１１２（図１参照）と、第２プレート１２０の平坦部１２１の平面形状は、１８０°よりも大きい中心角を有する扇型である。平坦部１２１の面積は、図１のように半円形状の場合よりも広くなる。突起１０５はレンズ１０１の外周の一部を構成する。レンズ１０１の中心は、扇型の中心と一致していてもよいし、扇型の中心よりも内側に入っていてもよい。

【0086】

図１９Ｂで、レンズアンテナ１０Ｅの第１プレート１１０の平坦部１１２（図１参照）と、第２プレート１２０の平坦部１２１の平面形状は、多角形の一部である。この例では、図１９Ａと同様に、１８０°よりも大きい中心角で多角形の一部を構成しているが、１８０°以下の中心角で多角形の一部を用いてもよい。突起１０５はレンズ１０１の外周の一部を構成する。レンズ１０１の中心は、多角形の中心と一致していてもよいし多角形の中心よりも内側に入っていてもよい。

【0087】

いずれの構成でも、第１プレート１１０と第２プレート１２０のいずれかを、レンズ１０１への入射ビームの光軸（図の例ではｘ軸）を回動軸としてチルトすることで、チルト角の６０倍以上の角度テコ倍率で、チルト角に応じた方向にビームを偏向することができる。

【0088】

＜第２実施形態＞
第２実施形態では、レンズアンテナ１０の広帯域化を実現する。第１実施形態で、式（３）に基づいて設計されたレンズは、特定の周波数（一例では３００ＧＨｚ）に対してルネベルグレンズとして有効に機能し、それ以外の周波数に対しても近似的に動作することができる。第２実施形態では、より広い周波数帯域で、ルネベルグレンズとして有効に動作するレンズ設計を提案する。

【0089】

レンズアンテナ１０を広帯域化するには、次の２つの構成が考えられる。
（第１の構成）複数の周波数でレンズを設計し、複数のレンズ設計の重みづけ平均をとってレンズ面を形成する。この重みづけ平均レンズは、図面中で「ＷＡ－ｌｅｎｓ」とも表記される。
（第２の構成）レンズの曲面を半径方向に複数の領域に分割し、複数の周波数に応じて設計された異なる曲率を組み合わせる。このレンズを曲率分割レンズと呼び、図面中では「ＣＤ－ｌｅｎｓ」とも表記される。

【0090】

図２０Ａは、重みづけ平均レンズの設計例を示す。この例では、２８０ＧＨｚ、２９０ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、３１０ＧＨｚ、３２０ＧＨｚという５つの伝送周波数でのレンズ設計の重みづけ平均を用いて、レンズ面を作製する。各周波数での設計に重みづけ係数ａ１～ａ５が設定される。どの周波数の設計にどの程度の重みづけをするかは、目的とする伝送特性に応じて決められる。ここでは説明を簡便にするために、たとえば、ａ１＝ａ２＝１、ａ３＝ａ４＝ａ５＝１０に設定するが、求める伝送特性によっては、重み係数を所定の関数にしたがって大きくしてもよいし、不規則に増大させてもよい。

【0091】

図２０Ｂは、曲率分割レンズの設計例を示す。この例では、レンズ面を中心から５つの同心円領域に分割して、それぞれの周波数に応じた曲面を形成する。一例として、中心から外周に向かって、３１０ＧＨｚ、３０５ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、２９５ＧＨｚ、２９０ＧＨｚに合わせて設計された異なる曲率の面が組み合わせられる。周波数に基づく曲率の組み合わせはこの例に限定されず、周波数を規則的または不規則に変化させてもよい。

【0092】

図２１は、図２０Ａの重みづけ平均レンズの断面形状の一例を示す。横軸はレンズ中心からの距離、縦軸は曲率である。曲率は曲率半径ｒ'の逆数で表され、凸形状をプラス、凹形状をマイナスとする。２８０ＧＨｚ設計の重みづけ係数ａ１と、２９０ＧＨｚ設計の重みづけ係数ａ２は「１」、３００ＧＨｚ設計の重みづけ係数ａ３は「１０」、３１０ＧＨｚ設計の重みづけ係数ａ４と、３２０ＧＨｚ設計の重みづけ係数ａ５は「１５」である。

【0093】

各周波数で式（３）から設計されたレンズの断面形状を、５つの点線で示す。周波数が高くなるほど、曲率は大きくなる。第２実施形態の重みづけ平均レンズの断面形状を実線で示す。上記の重みづけ係数の設定により、３００ＧＨｚをターゲットとするンズと比べて、レンズ中心部で曲率の大きい湾曲面が形成される。

【0094】

図２２は、図２１の重みづけ平均レンズの周波数特性を示す。横軸は伝送周波数（ＧＨｚ）、縦軸はｙ方向の電場の強さ（Ｖ／ｍ）である。ｙ方向とは、図６に示すように、ビーム入射方向（ｘ方向）と、レンズの厚さ方向（ｚ方向）の両方に直交する方向である。ここでは、重みづけ平均レンズのｘ方向の最外周から同方向に１５ｍｍの位置での電界のｙ成分を計算している。比較のため、３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナの、同じ位置での電界ｙ成分を点線で示す。

【0095】

３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナの３ｄＢ幅は２６３ＧＨｚ～２９３ＧＨｚであるのに対し、第２実施形態の重みづけ平均レンズを用いたレンズアンテナの３ｄＢ幅は、２７０ＧＨｚ～３０２ＧＨｚとやや高周波側にシフトし、かつ帯域幅が幾分広くなっている。３ｄＢ幅とは、最大放射強度から３ｄＢ低下する位置での帯域幅である。重みづけ平均レンズの３ｄＢ幅は、各周波数設計に対する重みづけ係数を適切に設定することで、さらに拡張され得る。

【0096】

図２３は、図２０Ｂの曲率分割レンズの断面形状の一例を示す。横軸はレンズ中心からの距離、縦軸は曲率である。レンズ面を半径方向に４つの同心円領域に分割し、中心から外周に向かって、３１０ＧＨｚ設計と３００ＧＨｚ設計を交互に繰り返す。

【0097】

式（３）を用いて３００ＧＨｚ設計と３１０ＧＨｚ設計のそれぞれで計算されたレンズの断面形状を、２つの点線で示す。実線は、第２実施形態の曲率分割レンズの断面形状である。曲率分割レンズは、半径方向に２つの周波数での設計形状が交互に繰り返された断面形状を有する。

【0098】

図２４は、図２３の曲率分割レンズの周波数特性である。横軸は伝送周波数（ＧＨｚ）、縦軸はｙ方向の電場の強さ（Ｖ／ｍ）である。ここでは、曲率分割レンズのｘ方向の最外周から同方向に１５ｍｍの位置での電界のｙ成分を計算している。比較のため、３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナの同じ位置での電界ｙ成分を点線で示す。

【0099】

３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナの３ｄＢ幅は２６３ＧＨｚ～２９３ＧＨｚであるのに対し、第２実施形態の曲率分割レンズを用いたレンズアンテナの３ｄＢ幅は、２６７ＧＨｚ～３１０ＧＨｚと高周波側にシフトし、かつ帯域幅が十数ＧＨｚも拡張されている。上述した重みづけ平均レンズよりも、周波数帯域がさらに拡張されている。

【0100】

図２５は、３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナ、重みづけ平均レンズを用いたレンズアンテナ、及び、曲率分割レンズを用いたレンズアンテナの電界シミュレーションである。伝送周波数を２８０ＧＨｚ、２９０ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、３１０ＧＨｚ、３２０ＧＨｚと変えている。

【0101】

第１実施形態の３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナで、伝送周波数が変化してもビームパターンはある程度維持されている。第２実施形態の重みづけ平均レンズ、または曲率分割レンズを用いることで、伝送周波数が変化しても、３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナよりもさらに効果的にビームパターンを一定に保つことができる。

【0102】

図２６Ａは３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナの電場分布とその周波数依存性を示す。図２６Ｂは、第２実施形態の重みづけ平均レンズを用いたレンズアンテナの電場分布とその周波数依存性を示す。図２６Ｃは、第２実施形態の曲率分割レンズを用いたレンズアンテナの電場分布とその周波数依存性を示す。

【0103】

図２６Ａ、図２６Ｂ、図２６Ｃのそれぞれで、横軸は位置（ｍｍ）、縦軸は電場のｙ成分である。これらの図は、図２５の各レンズアンテナの電界シミュレーションの右端（破線で囲んだ位置）での電場のｙ成分を、ｙ方向にプロットしたものである。同じ位置での電場ｙ成分を、２７０ＧＨｚ～３３０ＧＨｚまで１０ＧＨｚごとにプロットしている。図２５の破線で示す位置は、レンズの最外周からｘ方向に１５ｍｍの位置に相当する。

【0104】

図２６Ａの３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナでは、特定の伝送周波数で指向性のある電場分布が得られるが、その他の伝送周波数で電場分布がｙ方向に広がり、伝送周波数によって電場分布がばらつく。

【0105】

図２６Ｂの重みづけ平均レンズを用いたレンズアンテナでは、図２６Ａと比較して、伝送周波数の変化にもかかわらず、電場分布が収束する傾向をもつ。図２６Ｃの曲率分割レンズを用いたレンズアンテナでは、伝送周波数が変化しても電波分布はさらに収束する。これは、第２実施形態のレンズアンテナの広帯域化の根拠となる。

【0106】

図２７は、図２６Ａ～図２６Ｃの電界分布の半値幅（３ｄＢ幅）の平均値と標準偏差を示す。３００ＧＨｚ設計のレンズアンテナでは、２７０～３３０ＧＨｚの範囲で周波数を変えたときの電界分布の半値幅の平均が８．５ｍｍ、標準偏差は４．５ｍｍである。重みづけ平均レンズを用いたレンズアンテナでは、同範囲で周波数を変えたときの電界分布の半値幅の平均が６．１ｍｍ、標準偏差は３．０ｍｍに低減されている。曲率分割レンズを用いたレンズアンテナでは、同範囲で周波数を変えたときの電界分布の半値幅の平均が４．７ｍｍ、標準偏差はわずか０．８５ｍｍである。第２実施形態のレンズアンテナを用いることで、第１実施形態のレンズアンテナよりも広い周波数帯域にわたって、ビーム形状のばらつきが抑制されることがわかる。

【0107】

図２８は、様々なレンズの終端部に対する中心部の屈折率比の周波数依存性を示す。屈折率比はルネベルグレンズの定義より、中心部分と終端部での屈折率の比は、関心のある全帯域幅にわたって√２（２^1/2）になることが望ましい。しかし、実際には周波数分散の影響によりルネベルグレンズの条件を完全に満たす周波数は設計周波数においてのみである（第１実施形態の例では３００ＧＨｚのみ）。

【0108】

理論的には、設計周波数よりも低い周波数では、屈折率比は√２よりも大きく、設計周波数よりも高い周波数では、屈折率比は√２よりも小さくなる。屈折率比は式（９）で表される。

【数9】

ここでｎ（０，ω）は角周波数ωでのレンズ中心での屈折率、ｎ（Ｒ，ω）は角周波数ωでのレンズ最外周での屈折率、ω０は設計角周波数、ｄ（Ｒ）はレンズ外周でのプレート間距離である。

【0109】

屈折率比が√２を上回る場合、ビームがより強く収束するので、ある程度は許容できるが、√２を下回ると、ビームが収束せずに発散してしまうので好ましくない。この意味で「関心のある全帯域幅にわたって屈折率比が√２を下回らない」ようにすることが設計指針である。

【0110】

図２８を参照すると、ラインＨは３００ＧＨｚ設計レンズの屈折率比を示す。ラインＩは、２８０ＧＨｚ、２９０ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、３１０ＧＨｚ、及び３２０ＧＨｚの各設計の単純平均をとったレンズの屈折率比を示す。ラインＪは、上記の各周波数の設計の重みづけ係数が（１，１，１０，１０，１０）のときの重みづけ平均レンズ（図２０Ａ参照）の屈折率比を示す。ラインＬは、上記の各周波数の設計の重みづけ係数が（１０，１０，１０，２，２）のときの屈折率比を示す。ラインＭは、上記の各周波数の設計の重みづけ係数が（１，１，５，５，５）のときの屈折率比を示す。

【0111】

ラインＫは、レンズ中心から最外周に向かって３１０ＧＨｚ、３０５ＧＨｚ、３００ＧＨｚ、２９５ＧＨｚ、及び２９０ＧＨｚの設計を組み合わせた曲率分割レンズ（図２０Ｂ参照）の屈折率比を示す。ラインＫの曲率分割レンズと、高周波側で重みづけ係数を大きくしたラインＪ及びラインＭの重みづけ平均レンズが、２８０ＧＨｚ～３１０ＧＨｚの全範囲にわたって、屈折率比を√２以上に維持している。

【0112】

曲率分割レンズ、または重みづけ係数が適切に選択された重みづけ平均レンズを用いることで、広帯域にわたってルネベルグレンズとして動作させることができる。曲率分割レンズ、または重みづけ平均レンズは、互いに対向する２枚のプレートのいずれか一方の対向面に上述した形状の湾曲部１１１を設けることで、２枚のプレートの間の空間に形成される。第２実施形態のレンズを用いたレンズアンテナは、拡張された周波数帯域にわたって放射ビームのパターンを良好に維持することができる。なお、少なくとも一方のプレートをｘ軸回りにチルトさせてることで、放射ビームをｘ‐ｙ面内に走査できることは、第１実施形態と同じである

【0113】

＜第３実施形態＞
第３実施形態では、ビーム走査の自由度を高める。第１実施形態では、レンズアンテナを構成する２枚のプレートのいずれか一方を、ビーム入射方向と平行なｘ軸の周りにチルトさせ、チルト角度をわずかに変化させることで、ｘ‐ｙ面内で放射ビームを大きく走査した。第３実施形態では、ｘ‐ｙ面内でのビーム走査に加えて、ｘ‐ｚ面内でのビーム走査を実現する。

【0114】

図２９は、第３実施形態のレンズアンテナ１０Ｆの模式図である。レンズアンテナ１０Ｆは、第１プレート（ＢＰ）と、第１プレートと向かい合う第２プレート（ＴＰ）を有する。第１プレート（ＢＰ）と第２プレート（ＴＰ）の少なくとも一方は、他方との対向面に所定の曲率の湾曲を有し、２枚のプレート間にレンズ１０１が形成されている。図２９の例では、下側のボトムプレートＢＰの内側に湾曲面が形成されて、上側のトッププレートＴＰとの間にレンズ１０１を形成する。

【0115】

レンズ１０１を形成する湾曲面は、第１実施形態のように特定周波数に対応する形状に設計されていてもよいし、第２実施形態のように重みづけ平均レンズ、または曲率分割レンズの形状に設計されていてもよい。図２９の左側の円形の領域が図１の湾曲部１１１に対応し、湾曲部１１１に対応する円形の領域からｘ方向に平坦部が延びている。

【0116】

第１プレート（ＢＰ）と第２プレート（ＴＰ）の少なくとも一方は、入力ビームの光軸と平行なｘ軸のまわりに回動またはチルト可能である。第３実施形態の特徴として、第１プレート（ＢＰ）と第２プレート（ＴＰ）の少なくとも一方は、漏れ波ＬＷを空中に放射する漏れ波放射構成１４５を有する。たとえば、チルト可能なトッププレートＴＰに、漏れ波放射構成１４５が設けられてもよい。

【0117】

漏れ波放射構成１４５は、波長よりも十分に小さな間隔で穴、スリット等が形成された金属板、金属メッシュ、金属格子などで構成され得る。いずれの場合も、回折格子として働かないように使用波長よりも十分に小さい開口が設けられる。トッププレートＴＰとボトムプレートＢＰの間を伝搬する電磁波は、漏れ波放射構成１４５の開口から空中に漏れ出る。開口から放射される漏れ波ＬＷは、「ペンシルビーム」と呼ばれる高い指向性をもつビームである。

【0118】

図３０は、漏れ波の電界シミュレーションである。伝搬につれて、ｘ-ｚ面内でビームが＋ｚ方向に放射される様子がわかる。２枚のプレートの間隔ｄを変えることで、または周波数を掃引することで、図の双方向矢印で示すように、高指向性ビームをｘ-ｚ面内で走査することができる。このうち、プレート間の間隔ｄは、一方のプレート（たとえばトッププレートＴＰ）をｘ軸回りにチルトさせることで、変化させることができる。このチルトにより、同時にプレート間を伝搬するビームをｘ‐ｙ面内で偏向でき、また、放射の広がりを制御することができる。

【0119】

ｘ軸まわりのチルト手段（たとえば図１８Ａ～図１８Ｃのチルト駆動構成）に加えて、２枚のプレートを平行に保ったまま間隔ｄを変える並進移動手段を設けてもよい。一方のプレート（たとえばレンズ面が形成されたボトムプレートＢＰ）に対して、他方のプレート（たとえばトッププレートＴＰ）の高さ位置を相対的に変えることで、漏れ波の放射方向を制御することができる。これにより、周波数を掃引しなくてもビームを走査することができる。このとき、一方のプレートを、ｘ軸を回動軸としてチルト可能にすることによって、ビームの放射方向とともに、ビームの広がりを制御してもよい。ｘ軸まわりのチルト手段なしに、並進移動手段のみを設けてもよい。この場合も、周波数の掃引なしにｘ‐ｚ面内で所定の方向にビームを走査することができる。

【0120】

図３１は、プレート間隔の変更、または周波数掃引によるビーム走査を示す図である。プレート間の間隔ｄを、０．５ｍｍ、０．６ｍｍ、０．７ｍｍと変える。周波数は、３００ＧＨｚ、３１０ＧＨｚ、３２０ＧＨｚと変える。

【0121】

間隔ｄの変化に着目すると、周波数一定の場合、プレート間隔を狭くすることでプレート面からの放射角度を大きくすることができる。周波数の掃引に着目すると、プレート間隔一定の場合、周波数を下げることでプレート面からの放射角度を大きくすることができる。間隔ｄまたは周波数（または角周波数ω）を変えることによる放射角の変化は、式（１）で表されるとおりである。

【0122】

図３２は、漏れ波放射構成１４６を有するレンズアンテナ１０Ｇの模式図、図３３は、図３２のＩ－Ｉ'断面図である。レンズ１０１を形成する湾曲部１１１に隣接して、平坦部１１２が設けられ、漏れ波放射構成１４６は、たとえば平坦部１１２と対向する位置に設けられる。

【0123】

漏れ波放射構成１４６は、使用波長に対して透明な誘電体１４７と、誘電体１４７の表面に形成された金属パターン１４８を有する。金属パターンは、メッシュパターン、格子パターンなど、使用波長よりも十分に小さい開口を持つパターンである。誘電体１４７は透明な絶縁フィルム、絶縁性のポリマープレートなどであってもよい。

【0124】

図３２の構成は、図２９のレンズアンテナと比較して作製が容易であり、軽量である。図２９と図３２のいずれの構成でも、ビームの走査方向に２つの自由度（ｘ-ｙ面内での走査と、ｘ-ｚ面内での走査）を与えることができる。

【0125】

漏れ波放射構成１４５または１４６に設けられる穴またはメッシュ開口は、必ずしも同一サイズでなくてもよい。たとえば、開口サイズをｘ方向に向かって徐々に大きくすることで、漏れ波の放射強度を徐々に強めることも可能である。この場合、漏れ波放射構成１４５、１４６は、放射率調整器としても機能し得る。すなわち、漏れ波としてｚ方向に放射される成分と、プレート間を伝搬して漏れ波と異なる方向（たとえばｙ方向）に偏向される成分の割合を調整することができる。

【0126】

第３実施形態の構成により、ビーム走査の自由度を増やすことができる。第３実施形態の構成は、第１実施形態のレンズアンテナと、第２実施形態のレンズアンテナのいずれにも適用可能である。第３実施形態のレンズアンテナをレーダ装置１（図１４参照）に適用する場合は、あらかじめプロセッサ２２に２枚のプレート間の間隔ｄと、漏れ波の放射方向（または角度）の対応関係を保存し、対応関係に基づいて、レンズアンテナで受信された信号から物体の方向と距離を決定してもよい。

【0127】

以上、特定の実施例に基づいて本発明を説明してきたが、本発明は実施例の構成に限定されない。本発明のレンズアンテナは、特にテラヘルツ波の走査に有用であるが、ミリ波やマイクロ波の走査にも適用可能であり、小型で軽量、かつ小消費電力のミリ波レーダ等が実現可能である。

【0128】

湾曲部１１１が形成されるのは、第１プレート１１０または第２プレート１２０の一方に限定されず、第１プレート１１０と第２プレート１２０の双方に湾曲部が形成されてもよい。第１プレート１１０の湾曲部と第２プレート１２０の湾曲部を同じ形状にする場合は同じ部品を用いることができ、生産効率が向上する。第１プレート１１０と第２プレート１２０の湾曲部の深さ割合は、必ずしも０．５対０．５である必要はない。たとえば、第１プレート１１０の湾曲部を第１実施形態の０．７倍の深さに形成し、第２プレート１２０に、第１実施形態の０．３倍の深さの浅い湾曲部を形成してもよい。

【0129】

第１プレート１１０と第２プレート１２０（またはボトムプレートＢＰとトッププレートＴＰ）に形成される湾曲部は、必ずしも凹形状である必要はなく、上述したルネベルグレンズの実効屈折率分布が得られる限り、一方の湾曲部を凸形状、他方の湾曲部を、凸形状を上回る曲率の凹形状にすることでメニスカス形状のレンズを実現してもよい。

【0130】

第１プレート１１０と第２プレート１２０のそれぞれに所定曲率の湾曲部を設ける場合に、一方のプレートの曲率がゼロ（すなわち曲率半径が無限大）のときは、そのプレートは平坦面だけを有し、図１～図７等を参照して説明した実施形態の構成となる。

【0131】

プレートの外周にテーパ部を設ける場合、第１プレート１１０と第２プレートの双方に傾斜部を設ける必要はなく、いずれか一方に傾斜部を設ける構成としてもよい。

【0132】

レンズアンテナ１０のチルトは、第１プレート１１０と第２プレート１２０が互いに対して相対的に傾斜すればよいので、第１プレート１１０を固定して第２プレート１２０を傾斜してもよい。また、第１プレート１１０と第２プレートをそれぞれ逆方向にチルトすることで、ビーム偏向角を２倍に拡張してもよい。チルトの回動軸は１つに限定されず、たとえば、直交するニ軸方向にそれぞれ独立してチルト可能にすることで、ビーム走査の自由度を向上してもよい。

【0133】

漏れ波放射構成を用いる場合、開口パターンを必ずしも平坦部１１２と対向する領域に設ける必要はなく、レンズ１０１が形成される領域に設けてもよい。たとえば、透明な誘電体でトッププレートＴＰを形成し、トッププレートＴＰのうちボトムプレートＢＰの湾曲部１１１と対向する領域に金属膜で開口パターンを形成してもよい。この場合は、誘電体自体にビーム整形機能を持たせることが望ましい。

【0134】

所望の周波数、あるいは所望の周波数帯域に対して、レンズ１０１を形成するプレート内面の湾曲面を、ルネベルグレンズの実効屈折率分布を満たすように設計することで、わずかのチルト角で大きくビームを偏向することができる。レンズ１０１はエアレンズに限定されず、第１プレートと第２プレートの間に適切な気体または液体を満たしてもよい。プレートのチルトによって導波路を形成する媒質の実効屈折率分布に勾配をつけることで、周波数の掃引なしに、かつ、給電点の切り替えなしに、効率的にビームを偏向することができる。

【0135】

本発明は、ドローン等の移動体に搭載して、詳細な位置測定が可能である。また、センサー技術に適用して、人体の微細変位の測定等が可能である。さらに、送信波または受信波の指向性を切り換えながら情報伝送を行う無線通信装置に適用することもできる。この場合は、送信器と受信器をレンズアンテナに取り付け、レンズアンテナのチルト角を制御することで指向性を切り替えることができる。２台以上の無線通信装置を用いて双方向通信を行うことも可能である。使用波にテラヘルツ波を用いる場合は、リンクが途切れがちなテラヘルツ無線通信でビームの指向性を自動調整（トラッキング）しながら安定かつ高速、広帯域の無線通信を実現できる。第２実施形態の漏れ波を利用したレンズアンテナでは、周波数の掃引なしにビームを走査することができるので、所定の通信帯域内で無線通信する無線通信装置に特に好適に適用される。

【0136】

この出願は、２０１９年８月２０日に出願された日本国特許出願第２０１９－１５０５９１号に基づきその優先権を主張するものであり、その全内容を含むものである。

【符号の説明】

【0137】

１ レーダ装置
１０、１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ、１０Ｆ、１０Ｇ レンズアンテナ
２１ 送受信機
２２ プロセッサ
２３ アクチュエータ
３１ ゴニオステージ
３２ 屈曲アクチュエータ
３３ 伸縮アクチュエータ
１０１ レンズ
１０２ パラレル部
１０３ テーパ部
１０４ 直線部
１０５ 突起
１１０ 第１プレート
１１１ 湾曲部
１１２ 平坦部
１１３ 傾斜部
１２０ 第２プレート
１２１ 平坦部
１２３ 傾斜部
１３０ ターゲット
１４５，１４６ 漏れ波放射構成
ＴＰ トッププレート
ＢＰ ボトムプレート

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13A】

【図13B】

【図14】

【図15A】

【図15B】

【図15C】

【図16A】

【図16B】

【図16C】

【図17A】

【図17B】

【図17C】

【図18A】

【図18B】

【図18C】

【図19A】

【図19B】

【図20A】

【図20B】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】

【図26A】

【図26B】

【図26C】

【図27】

【図28】

【図29】

【図30】

【図31】

【図32】

【図33】