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特表2023-525644誘電体レンズおよび誘電体レンズを有する電磁デバイス

書誌要約請求の範囲詳細な説明課題実施例実施するための形態図面の説明

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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公表特許公報(A)

(11)【公表番号】

(43)【公表日】2023-06-19

(54)【発明の名称】誘電体レンズおよび誘電体レンズを有する電磁デバイス

(51)【国際特許分類】

H01Q 15/02 20060101AFI20230612BHJP

H01Q 3/26 20060101ALI20230612BHJP

【ＦＩ】

H01Q15/02

H01Q3/26 Z

【審査請求】未請求

【予備審査請求】有

(21)【出願番号】P 2022559741

(86)(22)【出願日】2021-03-31

(85)【翻訳文提出日】2022-09-29

(86)【国際出願番号】 US2021025064

(87)【国際公開番号】W WO2021206977

(87)【国際公開日】2021-10-14

(31)【優先権主張番号】63/006,976

(32)【優先日】2020-04-08

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(31)【優先権主張番号】17/216,989

(32)【優先日】2021-03-30

(33)【優先権主張国・地域又は機関】US

(81)【指定国・地域】

(71)【出願人】

【識別番号】596024851

【氏名又は名称】ロジャーズコーポレーション

(74)【代理人】

【識別番号】100105957

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田誠

(74)【代理人】

【識別番号】100068755

【弁理士】

【氏名又は名称】恩田博宣

(74)【代理人】

【識別番号】100142907

【弁理士】

【氏名又は名称】本田淳

(72)【発明者】

【氏名】ポリドール、トレバー

(72)【発明者】

【氏名】クラビホ、セルヒオ

(72)【発明者】

【氏名】バールス、ディルク

(72)【発明者】

【氏名】サンフォード、ジョン

【テーマコード（参考）】

5J020

5J021

【Ｆターム（参考）】

5J020AA02

5J020BB01

5J021AA09

5J021AA10

(57)【要約】

誘電体レンズは、空間的に変化する誘電率（Ｄｋ）を有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体を含み、３Ｄ本体は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のそれぞれの領域の周囲領域に対して誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する３つ以上の領域Ｒ（ｉ）を有し、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）の位置は、３Ｄ本体に関連付けられた特定の共通原点に対するアジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、および動径距離（ｉ）の局所座標によって定義され、ただし、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスであり、３Ｄ本体の空間的に変化するＤｋは、所与のアジマス角において、および所与の動径距離において、第１の領域Ｒ（１）と第２の領域Ｒ（２）との間の天頂角の関数として変化するように構成される。

【特許請求の範囲】

【請求項1】

誘電体レンズであって、
空間的に変化する誘電率（Ｄｋ）を有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体を備え、
前記３Ｄ本体は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のそれぞれの領域の周囲領域に対して誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）を有し、前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）の位置は、前記３Ｄ本体に関連付けられた特定の共通原点に対するアジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、および動径距離（ｉ）の局所座標によって定義され、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスであり、
前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、所与のアジマス角において、および所与の動径距離において、少なくとも、領域Ｒ（１）と領域Ｒ（２）との間の前記天頂角の関数として変化するように構成される、誘電体レンズ。

【請求項2】

前記所与の動径距離は、第１の所与の動径距離であり、さらに、
前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、前記所与のアジマス角において、および前記天頂角の関数として変化する第２の変化する動径距離において、前記領域Ｒ（１）と前記領域Ｒ（２）との間の前記天頂角の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１に記載の誘電体レンズ。

【請求項3】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、所与のアジマス角において、および所与の動径距離において、前記領域Ｒ（１）と領域Ｒ（３）との間の前記天頂角の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１または２に記載の誘電体レンズ。

【請求項4】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、所与の天頂角において、および所与の動径距離において、前記領域Ｒ（２）と前記領域Ｒ（３）との間の前記アジマス角の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１乃至３のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項5】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、前記特定の共通原点とＲ（１）との間の前記動径距離の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１乃至４のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項6】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、前記特定の共通原点とＲ（２）との間の前記動径距離の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１乃至５のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項7】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、前記特定の共通原点とＲ（３）との間の前記動径距離の関数として変化するようにさらに構成される、請求項１乃至６のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項8】

前記３Ｄ本体は、ベース領域と外部表面領域とを有し、前記特定の共通原点は、前記ベース領域の近くにある、請求項１乃至７のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項9】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、３つ以上の異なる動径方向において前記特定の共通原点から前記外部表面領域まで変化するようにさらに構成される、請求項８に記載の誘電体レンズ。

【請求項10】

Ｒ（２）およびＲ（３）は、１８０度離れている対応するアジマス角にあり、、互いに対称である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項11】

Ｒ（２）およびＲ（３）は、１８０度離れている対応するアジマス角にあり、互いに、およびＲ（１）に対して対称である、請求項１乃至９のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項12】

前記特定の共通原点における前記３Ｄ本体は、空気のＤｋ以上かつ１．２以下のＤｋを有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項13】

前記特定の共通原点から所定の動径距離ｒｋにおける前記３Ｄ本体は、空気のＤｋ以上かつ２以下のＤｋを有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項14】

前記特定の共通原点から所定の動径距離ｒｋにおける前記３Ｄ本体は、空気のＤｋ以上かつ１．５以下のＤｋを有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項15】

前記特定の共通原点から所定の動径距離ｒｋにおける前記３Ｄ本体は、空気のＤｋ以上かつ１．２以下のＤｋを有する、請求項１乃至１１のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項16】

ｒｋは、２λ以下であり、代替的には、１．５λ以下であり、代替的には、１λ以下であり、代替的には、２／３λ以下であり、またはさらに代替的には、１／２λ以下であり、λは、動作電磁放射信号の自由空間における波長である、請求項１３乃至１５のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項17】

前記動作電磁放射信号は、１ＧＨｚ以上かつ３００ＧＨｚ以下、代替的には、１０ＧＨｚ以上かつ９０ＧＨｚ以下、さらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ６０ＧＨｚ以下、およびさらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ４０ＧＨｚ以下の周波数範囲において動作可能である、請求項１６に記載の誘電体レンズ。

【請求項18】

Ｒ（１）は、０度以上かつ１５度以下の天頂角（１）において配設される、請求項１乃至１７のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項19】

Ｒ（２）は、７５度以上かつ９０度以下の天頂角（２）において配設される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項20】

Ｒ（３）は、７５度以上かつ９０度以下の天頂角（３）において配設される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項21】

領域Ｒ（４）をさらに備え、
Ｒ（４）は、１５度以上かつ７５度以下の天頂角（４）において配設される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項22】

領域Ｒ（５）をさらに備え、
Ｒ（５）は、１５度以上かつ７５度以下の天頂角（５）において配設される、請求項１乃至１８のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項23】

Ｒ（２）およびＲ（３）は、１５０度以上かつ１８０度以下のアジマス角によって分離される、請求項１乃至２２のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項24】

Ｒ（４）およびＲ（５）は、１５０度以上かつ１８０度以下のアジマス角によって分離される、請求項２１または２２に記載の誘電体レンズ。

【請求項25】

前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、１よりも大きく１５以下の間で変化し、代替的には、１よりも大きく１０以下の間で変化し、さらに代替的には、１よりも大きく５以下の間で変化し、さらに代替的には、１よりも大きく４以下の間で変化する、請求項１乃至２４のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項26】

前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの対応する領域の誘電率値Ｄｋ（ｉ）の各局所最大値は、２以上かつ１５以下、代替的には、３以上かつ１２以下、さらに代替的には３以上かつ９以下、さらに代替的には、３以上かつ５以下のＤｋを有する、請求項１乃至２５のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項27】

誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）は、領域Ｒ（６）および領域Ｒ（７）をさらに備え、領域Ｒ（１）は、０度以上かつ１５度以下の天頂角（１）において配設され、領域Ｒ（２）、領域Ｒ（３）、領域Ｒ（６）、および領域Ｒ（７）は各々、＋１５度以上かつ＋９０度以下、または－１５度以上かつ－９０度以下のいずれかである天頂角（２）において配設される、請求項１乃至２６のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項28】

領域Ｒ（２）および領域Ｒ（３）は、１５０度以上かつ１８０度以下のアジマス角によって分離され、
領域Ｒ（６）およびＲ（７）は、１５０度以上かつ１８０度以下のアジマス角によって分離され、
領域Ｒ（２）およびＲ（６）は、３０度以上かつ９０度以下のアジマス角によって分離され、
領域Ｒ（３）およびＲ（６）は、３０度以上かつ９０度以下のアジマス角によって分離され、
領域Ｒ（２）およびＲ（７）は、３０度以上かつ９０度以下のアジマス角によって分離され、
領域Ｒ（３）およびＲ（７）は、３０度以上かつ９０度以下のアジマス角によって分離される、請求項２７に記載の誘電体レンズ。

【請求項29】

誘電材料の前記３Ｄ本体の前記空間的に変化するＤｋは、前記アジマス角（ｉ）、前記天頂角（ｉ）、および前記動径距離（ｉ）の関数として漸進的に変化する、請求項１乃至２８のいずれか１項に記載の誘電体レンズ。

【請求項30】

誘電材料の前記３Ｄ本体の漸進的に変化する前記Ｄｋは、動作周波数の波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化し、代替的には、動作周波数の１／２波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化し、さらに代替的には、動作周波数の１／４波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化する、請求項２９に記載の誘電体レンズ。

【請求項31】

前記所定の最大Ｄｋ値は、＋／－１．９であり、特に、＋／－１．５であり、さらに特に、＋／－１．０である、請求項３０に記載の誘電体レンズ。

【請求項32】

誘電体レンズであって、
空間的に変化するＤｋを有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体を備え、前記空間的に変化するＤｋは、異なる方向および特定の共通原点を有する３つ以上の異なる射線に沿って、前記特定の共通原点から前記３Ｄ本体の外部表面まで変化し、前記特定の共通原点は、前記３Ｄ本体によって囲まれており、
前記３つ以上の異なる射線は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの対応する領域のすぐ隣の周囲領域の前記誘電材料に対する誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する、前記３Ｄ本体の前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの対応する領域の位置を定義し、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスであり、
前記３Ｄ本体の前記誘電材料は、前記３Ｄ本体内の任意の経路に沿って、前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）の各々から、前記３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの任意の他の領域まで空間的に変化するＤｋを有する、誘電体レンズ。

【請求項33】

電磁（ＥＭ）デバイスであって、
フェーズド・アレイ・アンテナと、
請求項１乃至３２のいずれか１項に記載の誘電体レンズと、を備え、
前記誘電体レンズは、電磁的に励起される場合、前記フェーズド・アレイ・アンテナとＥＭ通信するように構成および配設される、ＥＭデバイス。

【請求項34】

前記誘電体レンズは、前記フェーズド・アレイ・アンテナの上部の中心に配設される、請求項３３に記載のＥＭデバイス。

【請求項35】

前記誘電体レンズは、上から見た平面図において観察されるときに、前記フェーズド・アレイ・アンテナの対応する設置面積よりも大きい設置面積を有し、前記誘電体レンズは、前記フェーズド・アレイ・アンテナの縁を越えて延在する、請求項３３または３４に記載のＥＭデバイス。

【請求項36】

前記誘電体レンズのうち９０度の天頂角にある部分は、前記特定の共通原点から前記フェイズ・アレイの前記縁を越えて外方に向かう特定の動径方向に沿って、増加し、次いで減少し、次いで再び増加するＤｋを有する、請求項３５に記載のＥＭデバイス。

【請求項37】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、平面フェーズド・アレイ・アンテナである、請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載のＥＭデバイス。

【請求項38】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、非平面フェーズド・アレイ・アンテナである、請求項３３乃至３６のいずれか１項に記載のＥＭデバイス。

【請求項39】

前記非平面フェーズド・アレイ・アンテナは、円筒面を有するか、または円筒面上に配設される、請求項３８に記載のＥＭデバイス。

【請求項40】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、前記円筒面の凹側から前記誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される、請求項３９に記載のＥＭデバイス。

【請求項41】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、前記円筒面の凸側から前記誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される、請求項３９に記載のＥＭデバイス。

【請求項42】

前記非平面フェーズド・アレイ・アンテナは、球面を有するか、または球面上に配設される、請求項３８に記載のＥＭデバイス。

【請求項43】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、前記球面の凹側から前記誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される、請求項４２に記載のＥＭデバイス。

【請求項44】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、前記球面の凸側から前記誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される、請求項４２に記載のＥＭデバイス。

【請求項45】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、各個々のアンテナ素子が信号位相角、信号振幅、または信号位相角と信号振幅との両方に関して制御可能であるように構成される、請求項３３乃至４４のいずれか１項に記載のＥＭデバイス。

【請求項46】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、対応するＥＭ放射波面の伝播の方向に対してＥＭ波面＋／－９０度のビーム誘導のために構成される、請求項４５に記載のＥＭデバイス。

【請求項47】

前記ＥＭ波面＋／－９０度の前記ビーム誘導は、水平軸、垂直軸、または水平軸と垂直軸との両方に対するものである、請求項４６に記載のＥＭデバイス。

【請求項48】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、１ＧＨｚ以上かつ３００ＧＨｚ以下、代替的には、１０ＧＨｚ以上かつ９０ＧＨｚ以下、さらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ６０ＧＨｚ以下、さらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ４０ＧＨｚ以下の周波数範囲において動作するように構成および適合される、請求項３３乃至４７のいずれか１項に記載のＥＭデバイス。

【請求項49】

前記フェーズド・アレイ・アンテナは、ミリ波周波数において動作するように構成および適合される、請求項３３乃至４７のいずれか１項に記載のＥＭデバイス。

【請求項50】

前記ミリ波周波数は、５Ｇのミリ波周波数である、請求項４９に記載のＥＭデバイス。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、一般に、誘電体レンズに関し、詳細には、３つ以上の別個のフォーカス部またはデフォーカス部を有する誘電体レンズに関し、より詳細には、３つ以上の別個のフォーカス部またはデフォーカス部を有する誘電体レンズとの電磁（ＥＭ：ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ）通信のために配置および構成されたフェーズド・アレイ・アンテナを有するＥＭデバイスに関する。

【背景技術】

【0002】

フェーズド・アレイ・アンテナは、ＥＭ放射の伝播の方向に沿った１つまたは２つの方向においてＥＭ波面を誘導するのに役立つ。典型的な平面フェーズド・アレイにおいては、誘導角度が増加するにつれて有効開口が減少することに起因して、誘導能力が限定され得る。誘導能力を改善するために、既存のシステムでは、より多くのフェーズド・アレイ・アンテナ基地局セグメント、および／またはルネベルグ・レンズが採用されている。認識されるように、フェーズド・アレイ・アンテナ基地局セグメントの数における増加によって追加のコストおよびハードウェア用の土地や家屋が生じ、また、ルネベルグ・レンズの使用には、非平面アレイの使用が必要となる。

【0003】

既存のＥＭフェーズド・アレイ通信システムは、その意図された目的に適しているかもしれないが、そのようなシステムに関する技術は、既存の技術の欠点を克服する誘電体レンズ、または誘電体レンズとフェーズド・アレイ・アンテナとの組み合わせにより、向上することになる。

【発明の概要】

【0004】

一実施形態は、誘電体レンズであって、空間的に変化する誘電率（Ｄｋ）を有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体を有し、３Ｄ本体は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のそれぞれの領域の周囲領域に対して誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する３つ以上の領域Ｒ（ｉ）を有し、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）の位置は、３Ｄ本体に関連付けられた特定の共通原点に対するアジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、および動径距離（ｉ）の局所座標によって定義され、ただし、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスであり、３Ｄ本体の空間的に変化するＤｋは、所与のアジマス角において、および所与の動径距離において、第１の領域Ｒ（１）と第２の領域Ｒ（２）との間の天頂角の関数として変化するように構成される、誘電体レンズを含む。

【0005】

一実施形態は、誘電体レンズであって、空間的に変化するＤｋを有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体を有し、空間的に変化するＤｋは、異なる方向および特定の共通原点を有する３つ以上の異なる射線に沿って、特定の共通原点から３Ｄ本体の外部表面へ変化し、特定の共通原点は、３Ｄ本体によって囲まれており、３つ以上の異なる射線は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの対応する領域のすぐ隣の周囲領域の誘電材料に対して誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する、３Ｄ本体の３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの対応する領域の位置を定義し、ただし、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスであり、３Ｄ本体の誘電材料は、３Ｄ本体内の任意の経路に沿って、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）の各々から、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）のうちの任意の他の領域へ空間的に変化するＤｋを有する、誘電体レンズを含む。

【0006】

一実施形態は、電磁（ＥＭ）デバイスであって、フェーズド・アレイ・アンテナと、前述のレンズのいずれか１つに記載の誘電体レンズとを有し、それぞれの誘電体レンズは、電磁的に励起される場合、フェーズド・アレイ・アンテナとＥＭ通信するように構成および配設される、ＥＭデバイスを含む。

【0007】

本発明の上記の特徴および利点ならびに他の特徴および利点は、添付の図面に関連して考慮される場合、本発明の以下の詳細な説明から容易に明らかとなる。
添付の図において同様の要素が同様に採番される、例示的な非限定的な図面を参照する。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】一実施形態による、例示のフェーズド・アレイ・アンテナの上方に位置決めされた例示のレンズを表す誘電体レンズの３Ｄブロック図分析モデルの回転等角図。

【図2A】一実施形態による、ｘ－ｚ平面で切断された、図１の実施形態の正面断面図。

【図2B】一実施形態による、ｘ－ｚ平面で切断された、図１の実施形態の正面断面図。

【図3】一実施形態による、図１の実施形態の上から見た平面図。

【図4A】一実施形態による、図１の半対称図の回転等角図。

【図4B】一実施形態による、図４Ａに示された半対称図を通る対応するセクション・カットの断面スライスＬ１～Ｌ４を示す図。

【図4C】一実施形態による、図４Ｂの断面スライスＬ３およびＬ４の拡大図。

【図5】一実施形態による、本明細書において適用されるような球面座標系の表現図。

【図6】一実施形態による、図１の誘電体レンズと類似しているが、図１の誘電体レンズと比較して異なる形状および外側輪郭を有する、別の例示の誘電体レンズの上から見た透明な平面図。

【図7A】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7B】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7C】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7D】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7E】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7F】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7G】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7H】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7I】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図7J】一実施形態による、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状の回転等角図。

【図8A】一実施形態による、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図。

【図8B】一実施形態による、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図。

【図8C】一実施形態による、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図。

【図8D】一実施形態による、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図。

【図8E】一実施形態による、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図。

【図9A】一実施形態に従った使用のための代表的な代替的な表面の回転等角図。

【図9B】一実施形態に従った使用のための代表的な代替的な表面の回転等角図。

【図9C】一実施形態に従った使用のための代表的な代替的な表面の回転等角図。

【発明を実施するための形態】

【0009】

以下の詳細な説明は、例証の目的のために多くの詳細を含有しているが、いかなる当業者も、以下の詳細に対する多くの変形および変更が添付の特許請求の範囲の範囲内であることを認識する。したがって、以下の例示の実施形態は、本明細書において開示される、特許請求される発明に対する一般性を損なうことなく、かつ、限定を課することなく記載されている。

【0010】

図示され、様々な図および付随するテキストによって説明される一実施形態は、ＥＭ放射波面の伝播の方向に対してＥＭ波面＋／－９０度のビーム誘導を容易にするために、フェーズド・アレイ・アンテナと協働するように構造的および電磁的に構成されるレンズの本体内に戦略的に位置付けられる３つ以上の別個のフォーカス部またはデフォーカス部を有する３次元（３Ｄ：ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ）誘電体レンズを提供し、これは、基地局セグメントを増加させる必要なしに、信号カバレッジの増加を提供する。３Ｄ誘電体レンズの３つ以上の別個のフォーカス部／デフォーカス部の各々は、誘電率（Ｄｋ：ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃｃｏｎｓｔａｎｔ）値の局所最大値を有する対応する領域によって形成され、Ｄｋ値は、以下で詳細に論じられる。本明細書において使用されるように、誘電体レンズという用語は、放射されたＥＭエネルギーの空間分布を変更する役割を果たす誘電材料の３Ｄ本体を意味し、本明細書において開示されるように、より詳細には、放射アンテナ自体として役割を果たすこととは対照的に、放射されたＥＭエネルギーの空間分布を３つ以上のフォーカス部／デフォーカス部を介して変更する役割を果たす誘電材料の３Ｄ本体を意味する。

【0011】

本明細書において説明または例証される実施形態は、特定のジオメトリまたは分析モデルを例示的な誘電体レンズとして示し得るが、本明細書において開示される実施形態は、本明細書において開示される目的に適した他のジオメトリまたは構造にも適用可能であり、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まることが認識される。そのため、ここに提供される例証は、例証の目的のためのものにすぎず、本明細書において開示される目的のために可能な唯一の構造として解釈されるべきでないことが認識されるべきである。例えば、本明細書において以下に説明されるいくつかの図は、例示の分析ブロック要素１０４（図４Ａを参照）を参照し、これは、例証の目的のためのものにすぎず、限定として解釈されるべきではない。なぜならば、添付の特許請求の範囲は、レンズのある領域からレンズの別の領域への誘電率の段階的な遷移ではなく、漸進的な遷移を有する誘電体レンズ構造も包含することが、想定されているからである。添付の特許請求の範囲の範囲内に収まるあらゆる構造は、本明細書において明示的に開示されていないとしても、想定されており、固有のものであると考慮される。

【0012】

ここで、図１～図９Ｃが参照され、ただし、図１は、本明細書において開示される例示の実施形態を表す誘電体レンズの３Ｄブロック図分析モデルの回転等角図を示し、図２Ａおよび図２Ｂは、ｘ－ｚ平面で切断された、図１の実施形態の正面断面図（本明細書において、半対称図と称される）を示し、図３は、図１の実施形態の上から見た平面図を示し、図４Ａは、図２Ａおよび図２Ｂにおいても見られ、例示のＤｋ値のＤｋ目盛り１０２が示され、例示の分析ブロック要素１０４も示されている、図１の半対称図（３と１／２個分のブロック要素１０４の厚さ）の回転等角図を示し、図４Ｂは、図４Ａに示された半対称図を通る対応する連続したセクション・カットの断面スライスＬ１～Ｌ４を示し、図４Ｃは、図４Ｂの断面スライスＬ３およびＬ４の拡大図を示し、図５は、本明細書において適用されるような球面座標系の表現図を示し、図６は、図１の誘電体レンズと類似しているが、図１の誘電体レンズと比較して異なる形状および外側輪郭を有する、別の例示の誘電体レンズの上から見た透明な平面図を示し、図７Ａ～図７Ｊは、本明細書において開示される任意のレンズについての例示の代替的な３Ｄ形状を示し、図８Ａ～図８Ｅは、図７Ａ～図７Ｊの３Ｄ形状の例示の２Ｄのｘ－ｙ平面断面図を示し、図９Ａ～９Ｃは、本明細書において開示される一実施形態に従った使用のための代表的な代替的な表面を示す。様々な図に示された分析モデルにおける例示の分析ブロック要素１０４に関して、各ブロック要素１０４は、以下の寸法、すなわち、ｄｘ＝４．９２ｍｍ（ミリメートル）、ｄｙ＝５．２６ｍｍ、およびｄｚ＝５．０４ｍｍを有する。代替的に、各ブロック要素１０４は、約２λ／３であるｄｘ寸法、ｄｙ寸法、ｄｚ寸法を有し、ただし、λは、３９ＧＨｚ（ギガヘルツ）の動作周波数における波長である。しかしながら、そのようなブロック要素寸法は、例証または分析目的のためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲に従った、特許請求される発明の範囲に対して限定するものではない。断面スライスＬ１～Ｌ４に関して、図４Ａとの図４Ｂの比較は、スライスＬＩが、３Ｄ本体２００の後方外部表面領域２０６に対応し、半スライスＬ４が、図４Ａのｘ－ｚ平面セクション・カットに対応し、スライスＬ２およびＬ３が、スライスＬＩと半スライスＬ４との間の中間領域に対応することを示す。図４Ａに示されたＤｋ目盛り１０２に関して、例示の実施形態は、１．２（薄い灰色として示される）以上３．６（濃い灰色または黒として示される）以下に及ぶ相対的誘電率を有するＤｋ変化を含む。しかしながら、このＤｋ変化は、分析目的のためのものにすぎず、添付の特許請求の範囲に従った、特許請求される発明の範囲に対して非限定的であることが認識される。

【0013】

いくつかの図において分かるように、直交ｘ－ｙ－ｚ座標系と球面座標系との両方が示され、両方が、本明細書において開示される主題のより完全な理解のために、本明細書において以下で参照されることになる。図２Ｂに関して、天頂角の増分＋／－は、１５度の増分で示される。

【0014】

例示の誘電体レンズ１００は、空間的に変化するＤｋを有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体２００を含み、ただし、３Ｄ本体２００は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００のそれぞれの周囲領域に対する誘電率（比誘電率）値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００（それぞれ参照符号３０１、３０２、および３０３によって個々に列挙される、第１の領域Ｒ（１）、第２の領域Ｒ（２）、および第３の領域Ｒ（３））を有し、ただし、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００の位置は、３Ｄ本体２００に関連付けられた特定の共通原点２０２に関するアジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、およびラジアル（動径）距離（ｉ）の局所球面座標によって定義され得、ただし、（ｉ）は、１から３以上に及ぶインデックスである（局所球面座標系の例証は、図５を参照すると最もよく分かる）。３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、図２Ａを参照すると最もよく分かる、所与の（定数）アジマス角（例えば図２Ａの平面）および所与の（定数）動径距離ｒａにおける、領域Ｒ（１）３０１と領域Ｒ（２）３０２との間の天頂角Ｚａの関数として変化するように構成される。例えば、図２Ａと図４Ａ～図４Ｃとの両方を参照し、図４Ａに示されたＤｋ目盛り１０２を特に参照すると、３Ｄ本体２００内のＤｋ値は、天頂角Ｚａが０度から９０度に変化するにつれて、比較的高い値、例えば、Ｒ（１）３０１における３．６などから、比較的低い値、例えば、Ｒ（１）３０１およびＲ（２）３０２の中間の領域における１．２などへ、さらに、比較的高い値、例えば、Ｒ（２）３０２における３．６などへ変化することが分かる。本明細書において使用されるように、および図５を参照すると、＋／－アジマス角についての符号規約は、（上から見た平面図において観察されるように）正のＹ軸から時計回りに（ＣＷ：ｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）正のＸ軸の方へ（プラス）であり、正のＹ軸から反時計回りに（ＣＣＷ：ｃｏｕｎｔｅｒｃｌｏｃｋｗｉｓｅ）負のＸ軸の方へ（マイナス）である。

【0015】

本明細書において使用されるように、「周囲領域に対する」という句は、Ｄｋの局所最大値のそれぞれの領域のすぐ近くの３Ｄ本体２００の誘電体媒質のＤｋに対する、を意味し、ただし、対応する周囲領域のＤｋは、Ｄｋの局所最大値の関連付けられた領域よりも低く、したがって、「局所」最大値という用語である。一実施形態において、Ｄｋの局所最大値の関連付けられた領域のすぐ近くの、対応する周囲領域は、Ｄｋの局所最大値の関連付けられた領域を完全に囲む。

【0016】

本明細書において使用されるように、「特定の共通原点２０２」という句は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００のアジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、および動径距離（ｉ）の局所座標が決定可能となり得る（例えば図２Ａおよび図５を参照）、球面座標系、または、共通原点２０２が局所ｘ－ｙ－ｚ座標系の原点である局所ｘ－ｙ－ｚ直交座標系の基準原点として適切に役割を果たし得る、誘電体レンズ１００の３Ｄ本体２００に対する点を意味する。図２Ａおよび図２Ｂは、３Ｄ本体２００の底面またはベース領域２０４に実質的にアラインされるｘ－ｙ平面上の共通原点２０２を示しているが、そのような例証はあくまでも１つの例示のシナリオであり、添付の特許請求の範囲の範囲に収まる他のシナリオおよび構造が、３Ｄ本体２００の内部または外部に位置する共通原点を含んでもよいことが認識される。

【0017】

一実施形態では、また図２Ａを特に参照すると、所与の動径距離ｒａは、第１の所与の動径距離として見られてもよく、３Ｄ本体２００は、天頂角Ｚｂの関数として変化する第２の変化する動径距離ｒｂに関してさらに説明され得る。例えば、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、所与のアジマス角（例えば図２Ａの平面）において、および図２Ａを参照すると最もよく分かる、天頂角Ｚｂの関数として変化する第２の変化する動径距離ｒｂにおいて、領域Ｒ（１）３０１と領域Ｒ（２）３０２との間の天頂角Ｚｂの関数として変化するようにさらに構成される。図２Ａに示されるように、変化する動径距離ｒｂは、天頂角Ｚｂが０度から９０度に増加するにつれて増加する。図２Ａと図４Ａ～図４Ｃとの両方を参照し、および図４Ａに示されたＤｋ目盛り１０２を特に参照すると、天頂角Ｚｂが０度から９０度に変化するにつれて、３Ｄ本体２００の一実施形態におけるＤｋ値は、比較的高い値（例えばＲ（１）３０１における３．６など）から、比較的低い値（例えば、Ｒ（１）３０１およびＲ（４）３０４の中間の領域における１．２など）へ、さらに、比較的高い値（例えば、Ｒ（４）３０４における２．４など）へ、比較的低い値（例えば、Ｒ（４）３０４およびＲ（２）３０２の中間の領域における１．２など）へ、さらに、比較的高い値（例えば、Ｒ（２）３０２における３．６など）へ、変化することが分かる。

【0018】

３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋ値の上記の説明は、０度から９０度の間の天頂角、および＋９０度のアジマス角について説明されている。しかしながら、図２Ａおよび図２Ｂにおいて分かるように、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋ値の同一でないにしても同様の構造は、０度から９０度の間の天頂角、および－９０度のアジマス角について見られ得る。すなわち、３Ｄ本体２００の一実施形態は、２Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋ値が、例証されたｙ－ｚ平面に対して対称である構成を含み、ただし、ｘ－ｙ－ｚ原点は、３Ｄ本体２００の上から見た平面図において観察されるように、３Ｄ本体２００に対して中心に配設される（例えば、０度から９０度の天頂角Ｚａの関数として、および０度から９０度の天頂角Ｚｂの関数として、Ｒ（１）３０１からＲ（５）３０５からＲ（３）３０３へのＤｋ値の遷移を参照）。そのため、前述の内容を考慮すると、誘電体レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、所与のアジマス角（例えば図２Ａの平面）および所与の（定数）動径距離ｒａにおいて、領域Ｒ（１）３０１と領域Ｒ（３）３０３との間の天頂角Ｚａの関数として変化するように構成される構成も含むことは認識される。また、誘電体レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、１８０度離れている対応するアジマス角にある、領域Ｒ（２）３０２および領域Ｒ（３）３０３が、ｙ－ｚ平面に対して、互いに、および／または領域Ｒ（１）３０１に対して、対称なＤｋを有するように構成される構成も含むことが認識される。

【0019】

図３および図４Ａ～図４Ｃにおいて分かるように、図４ＡにおけるＤｋ目盛り１０２を参照すると、誘電体レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、所与の天頂角（例えば９０度など、ただし、これに限定されない）および所定の（固定または可変）動径距離ｒａ（固定）、ｒｂ（可変）において、領域Ｒ（２）３０２と領域Ｒ（３）３０３との間の（例えば、例証されたｘ－ｙ平面における、図５も参照）アジマス角の関数として変化するようにさらに構成される構成を含むことがさらに認識される。例えば、図４Ａおよび図４ＡにおけるＤｋ目盛り１０２を参照すると、９０度（すなわち、ｘ－ｙ平面）の天頂角および可変動径距離ｒｂにおいて、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、領域Ｒ（２）３０２における約３．６から、領域Ｒ（２）３０２から時計回りに＋９０度のアジマス角における１（空気）へ、領域Ｒ（３）３０３における約３．６へ、領域Ｒ（３）３０３から時計回りに－９０度のアジマス角における１（空気）へ、さらに、領域Ｒ（２）３０２における約３．６へ変化する。

【0020】

図２Ａおよび図４Ａ～図４Ｃにおいて分かるように、図４ＡにおけるＤｋ目盛り１０２を参照すると、誘電体レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、共通原点２０２と領域Ｒ（１）３０１との間の動径距離の関数として変化するようにさらに構成され、ただし、図４Ａ～図４Ｃに例証される実施形態において、Ｄｋ値は、共通原点２０２の近くの中央領域ｒｃ３０８における約１（例えば、空気）から、領域Ｒ（１）３０１における約３．６へ漸進的に上方へ変化する構成を含むことがさらに認識される。一般に、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋの一実施形態は、共通原点２０２と、領域Ｒ（ｉ）３００のうちの１つ以上、例えば領域Ｒ（１）３０１などとの間の動径距離の関数として、１つ以上のラジアル・パスに沿って漸進的に上方へ変化する（すなわち、増加する）ように構成される。一実施形態において、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、共通原点２０２と、領域Ｒ（ｉ）３００のうちの１つ以上、例えば、領域Ｒ（１）３０１、Ｒ（２）３０２、およびＲ（３）３０３などとの間の対応する動径距離の関数として、共通原点２０２を有する、３つ以上の異なるラジアル・パスに沿って漸進的に上方へ変化するように構成される。図１、図２Ａ～図２Ｂおよび図４Ａ～４Ｃに示される実施形態は、中央領域ｒｃ３０８、および／または、空気である、もしくは空気のＤｋと等しいＤｋを有する、共通原点２０２を囲む領域を例証するが、これは例証および／またはモデル化の目的のためのものにすぎないこと、ならびに、中央領域ｒｃ３０８および／または共通原点２０２を囲む領域は、実際には空気であってもよく、または空気のＤｋ値に近い低いＤｋ値を有する誘電体媒質、例えば、空気で満たされたオープン・セルもしくはクローズド・セルを有する誘電性発泡体などであってもよいことが認識される。そのため、共通原点における３Ｄ本体２００は、空気のＤｋ値以上の、かつ、１．２以下のＤｋ値を有することが認識される。

【0021】

本明細書において使用されるように、「漸進的に」という用語は、必ずしも段階的な変化の不在を意味するとは限らず、例えば、誘電材料の階層状のシェルの存在と共に存在してもよいが、階層状のシェル・インターフェース（または遷移帯）であり得るものにわたって、遷移帯を横切って３Ｄ本体２００のある領域から隣接領域へ、Ｄｋ値における変化が＋／－１．９、より詳細には＋／－１．５、さらにより詳細には＋／－１．０を超えないレートにあることを意味する。本明細書において使用されるように、３Ｄ本体２００のある領域から隣接領域への遷移帯を横切る距離は、１λの動作波長に対して測定され、一実施形態においては、０．５λの動作波長に対して測定され、ただし、λは、所定の動作周波数を有する、動作電磁放射信号の自由空間における動作波長である。すなわち、一実施形態において、３Ｄ本体２００のある領域から隣接領域への遷移帯を横切る距離は、１λであり、別の実施形態においては、λ／２である。一実施形態において、所定の動作周波数は４０ＧＨｚである。

【0022】

中央領域ｒｃ３０８に関して、図２Ａを参照すると、一実施形態は、共通原点２０２からの所定の動径距離ｒｋ２１０についての３Ｄ本体２００が、空気のＤｋ値以上の、かつ、２以下のＤｋ値、代替的には、空気のＤｋ値以上の、かつ、１．５以下のＤｋ値、さらに代替的には、空気のＤｋ値以上の、かつ、１．２以下のＤｋ値を有する構成を含む。一実施形態において、ｒｋは、２λ以下であり、代替的には、１．５λ以下であり、代替的には、１λ以下であり、代替的には、２／３λ以下であり、またはさらに代替的には、１／２λ以下である。

【0023】

図１～図４Ｃに示された実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナ６００が、電磁的に励起される場合、共通原点２０２からＺ軸に沿った領域Ｒ（１）３０１へのラジアル・パスは、フェーズド・アレイ・アンテナ６００からの誘電体レンズ１００のボアサイトの方向としても見られ、これは、以下でより詳細に論じられる。

【0024】

少なくとも図２Ａおよび図４Ａ～図４Ｂを再び参照すると、誘電体レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、共通原点２０２と領域Ｒ（２）３０２との間、および／または共通原点２０２と領域Ｒ（３）３０３との間の動径距離の関数として変化するようにさらに構成される構成を含むことが認識される。例えば、図２Ａと図４Ａ～図４Ｂとの両方は、＋ｘ軸と－ｘ軸との両方に沿ったｘ－ｙ平面において見た場合に、共通原点２０２における約１（空気）と、領域Ｒ（２）３０２および領域Ｒ（３）３０３における約３．６との間で変化する、３Ｄ本体２００のＤｋ値を示す。

【0025】

別の実施形態において、依然として少なくとも図２Ａおよび図４Ａ～４Ｂを参照すると、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、共通原点２０２から、３つ以上の異なる動径方向において、例えば、＋Ｘ軸に沿って、－Ｘ軸に沿って、＋Ｚ軸に沿ってなど、ただし、これらに限定されない、３Ｄ本体２００の外部表面領域２０６へ変化するようにさらに構成される。

【0026】

本明細書において上記に説明されたように、誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する３Ｄ本体２００の３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００は、３つよりも多い領域Ｒ（ｉ）３００を含んでもよい。例えば、図２Ｂ（図２Ｂにおいて分かるように、Ｚ軸に対してＣＷとＣＣＷとの両方において１５度の増分で天頂角を示す）と本明細書において開示されるいくつかの他の図とを組み合わせて特に参照すると、一実施形態は、領域Ｒ（ｌ）３０１が、ＣＣＷに１５度とＣＷに１５度との間の天頂角（ｌ）（Ｚａ１）において配設され、領域Ｒ（２）３０２が、ＣＣＷに７５度とＣＣＷに９０度との間の天頂角（２）（Ｚａ２）において配設され、領域Ｒ（３）３０３が、ＣＷに７５度とＣＷに９０度との間の天頂角（３）（Ｚａ３）において配設され、領域Ｒ（４）３０４が、ＣＣＷに１５度とＣＣＷに７５度との間の天頂角（４）（Ｚａ４）において配設され、および／または、領域Ｒ（５）３０５が、ＣＷに１５度とＣＷに７５度との間の天頂角（５）（Ｚａ５）において配設される構成を含む。図２Ａ～図２Ｂと、図１、図３および図４Ａ～図４Ｂとを比較することによって分かるように、領域Ｒ（４）３０４およびＲ（５）３０５は、領域Ｒ（ｌ）３０１、Ｒ（２）３０２、およびＲ（３）３０３と同じ平面（例えばｘ－ｚ平面）にないが、誘電体レンズ１００の３Ｄ分析モデルが、領域Ｒ（４）３０４およびＲ（５）３０５の近くに内部エア・ポケット２２０（図４Ａおよび図４Ｂを参照すると最もよく分かる）を有することに起因して、図２Ａ～図２Ｂにおいて「目に見え」、図２Ａおよび図２ｂのｘ－ｚ平面セクション・カットから見た場合、領域Ｒ（４）３０４およびＲ（５）３０５が目に見えるという結果になる。実際には、いくつかの図から、領域Ｒ（４）３０４およびＲ（５）３０５が、ｘ－ｚ平面に対して平行な平面に配設され、ｘ－ｚ平面から－ｙ方向にオフセットされていることが分かる。誘電体レンズ１００の３Ｄ分析モデルは、上述したエア・ポケット２２０を有するものとして本明細書において説明されるが、そのようなポケット２２０は、実際には、空気であってもよく、または空気のＤｋ値に近い低いＤｋ値を有する誘電体媒質、例えば、空気で満たされたオープン・セルもしくはクローズド・セルを有する誘電性発泡体などであってもよいことが認識される。

【0027】

図４Ｂ～図４Ｃを特に参照すると、Ｌ１～Ｌ４断面またはスライスを介して、一実施形態は、領域Ｒ（２）３０２および領域Ｒ（３）３０３が、約１８０度のアジマス角によって、より一般的には、１５０度から１８０度の間のアジマス角によって、分離される構成も含むことが分かり、少なくとも図１を特に参照すると、領域Ｒ（４）３０４および領域Ｒ（５）３０５も、約１８０度のアジマス角によって、より一般的には、１５０度から１８０度の間のアジマス角によって、分離されることも分かる。

【0028】

前述の内容を考慮して、いくつかの図、特にＤｋ目盛り１０２を参照すると、一実施形態は、３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋが、１よりも大きく１５以下の間で変化し、代替的には、１よりも大きく１０以下の間で変化し、さらに代替的には、１よりも大きく５以下の間で変化し、さらに代替的には、１よりも大きく４以下の間で変化する構成を含むことが認識される。一実施形態は、誘電率値Ｄｋ（ｉ）の対応する局所最大値を有する各領域Ｒ（ｉ）３００が、２以上かつ１５以下のＤｋ、代替的には、３以上かつ１２以下のＤｋ、さらに代替的には、３以上かつ９以下のＤｋ、さらに代替的には、３以上かつ５以下のＤｋを有する構成を含むことも認識される。一実施形態において、誘電材料の３Ｄ本体２００の空間的に変化するＤｋは、アジマス角（ｉ）、天頂角（ｉ）、および動径距離（ｉ）の関数として漸進的に変化する。一実施形態において、誘電材料の３Ｄ本体２００の漸進的に変化するＤｋは、動作周波数の１／４波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化し、代替的には、動作周波数の１／２波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化し、さらに代替的には、動作周波数の波長あたり、所定の最大Ｄｋ値以下で変化する。一実施形態において、所定の最大Ｄｋ値は、＋／－１．９であり、より特には＋／－１．５であり、さらにより特には、＋／－１．０である。

【0029】

ここで、図１の誘電体レンズ１００と類似しているが、図１の誘電体レンズ１００と比較して異なる形状および外側輪郭を有する、別の例示の誘電体レンズ１００’の上から見た透視平面図を示す図６を参照する。分かるように、誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する、領域Ｒ（１）３０１、Ｒ（２）３０２、およびＲ（３）３０３、ならびに任意選択の領域Ｒ（４）３０４およびＲ（５）３０５に加えて、一実施形態は、（図２Ｂを部分的に参照して）ｘ－ｚ平面またはｙ－ｚ平面において観察されるように、誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００が、領域Ｒ（６）３０６および領域Ｒ（７）３０７をさらに含み、領域Ｒ（１）３０１は、－１５度から＋１５度の間の天頂角（１）において配設され（図２Ｂを参照）、領域Ｒ（２）３０２、Ｒ（３）３０３、Ｒ（６）３０６、およびＲ（７）３０７は各々、－７５度から－９０度の間、または＋７５度から＋９０度の間のいずれかである天頂角（２）において配設される、構成を含む。一実施形態において、領域Ｒ（２）３０２およびＲ（３）３０３は、１５０度から１８０度の間のアジマス角によって分離され、領域Ｒ（６）３０６およびＲ（７）３０７は、１５０度から１８０度の間のアジマス角によって分離され、領域Ｒ（２）３０２およびＲ（６）３０６は、３０度から９０度の間のアジマス角によって分離され、領域Ｒ（３）３０３およびＲ（６）３０６は、３０度から９０度の間のアジマス角によって分離され、領域Ｒ（２）３０２およびＲ（７）３０７は、３０度から９０度の間のアジマス角によって分離され、領域Ｒ（３）３０３およびＲ（７）３０７は、３０度から９０度の間のアジマス角によって分離される。図６は、誘電体レンズ１００’について実線の形式で円形の外側輪郭を示すが、これは、例証の目的のためのものにすぎないこと、および、誘電体レンズ１００’は、本明細書において開示される目的に適した任意の形状を有してもよく、任意の形状は、実線の形式の円形を囲む、破線の形式の正方形の外側輪郭によって表されていることが認識される。

【0030】

前述の内容の全てから、誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する領域Ｒ（ｉ）３００の様々な量および構成を示す、本明細書における様々な例証された実施形態は、無限に説明するにはあまりにも多いが、十分に当業者の範囲内である、多くの可能な構成のうちのわずかな例にすぎないことが認識される。そのため、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まる領域Ｒ（ｉ）３００のあらゆるそのような実施形態は、本明細書において提示される代表的な例によって、本明細書において完全におよび／または本質的に開示されているものと想定され、考慮される。

【0031】

また、誘電体レンズ１００、１００’の一定の実施形態は、一定の２Ｄ形状および３Ｄ形状（例えば、図１における矩形のブロック、および図６における円形または矩形の設置面積）を有するものとして説明されおよび／または示されてきたが、これらは、例証の目的のためのものにすぎないこと、ならびに、本明細書において開示される本発明の一実施形態は、そのように限定されず、本開示の範囲を損なうことなく、例えば、図７Ａ～図７Ｊおよび図８Ａ～図８Ｅに示される形状などの、他の２Ｄ形状および３Ｄ形状に及ぶことも認識される。例えば、図７Ａ～図８Ｅを参照すると、本明細書において説明された任意の誘電体レンズ１００、１００’は、円筒図７Ａ、多角形ボックス図７Ｂ、図７Ｃ、先細りの多角形ボックス図７Ｄ、図７Ｅ、円錐図７Ｆ、円錐台図７Ｇ、環状体図７Ｈ、ドーム図７１（例えば、半球体）、細長いドーム図７Ｊの形状における３次元の形態、または、本明細書において開示される目的に適した任意の他の３次元の形態を有してもよく、したがって、円形図８Ａ、長方形図８Ｂ、多角形図８Ｃ、リング図８Ｄ、楕円面の８Ｅの形状、または、本明細書において開示される目的に適した任意の他の形状におけるＺ軸断面図を有してもよい。

【0032】

前述の内容の全てを考慮すると、誘電体レンズ１００を説明する代替的な手法は、異なる方向と特定の共通原点２０２とを有する、３つ以上の異なる射線（ｒａｙ）に沿って、３Ｄ本体２００の共通原点２０２から外部表面２０６へ変化する、空間的に変化するＤｋを有する誘電材料の３次元（３Ｄ）本体２００であって、特定の共通原点２０２は、３Ｄ本体２００によって囲まれ、３つ以上の異なる射線（例えば、図２Ａ、領域Ｒ（１）３０１および領域Ｒ（２）３０２を通る射線ｒａ、ならびに領域Ｒ（４）３０４を通る射線ｒｂを参照）は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００のうちの対応する領域のすぐ隣の周囲領域の誘電材料に対する誘電率値Ｄｋ（ｉ）の局所最大値を有する、３Ｄ本体２００の３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００（３０１、３０２、３０４）のうちの対応する領域の位置を定義し、３Ｄ本体２００の誘電材料は、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００のそれぞれのペア間の３Ｄ本体２００内の任意の経路に沿って、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００の各々から、３つ以上の領域Ｒ（ｉ）３００のうちの任意の他の領域へ、空間的に変化するＤｋを有する、３Ｄ本体２００を備える誘電体レンズ１００によることが認識される。

【0033】

ここで、図１および図４Ａ～図４Ｃを再び参照するが、これらは、本明細書において上記に説明および開示されているもの全てに加えて、フェーズド・アレイ・アンテナ６００と、本明細書において上記に開示されたような誘電体レンズ１００とを含む電磁（ＥＭ）デバイス５００も開示しており、誘電体レンズ１００は、フェーズド・アレイ・アンテナ６００が電磁的に励起される場合、フェーズド・アレイ・アンテナ６００とＥＭ通信するように構成および配設される。一実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナ６００は、少なくとも図１および図４Ａ～図４Ｃに示されるように、平面フェーズド・アレイ・アンテナである。

【0034】

一実施形態において、誘電体レンズ１００は、少なくとも図１および図４Ａ～図４Ｃに示されるように、フェーズド・アレイ・アンテナ６００の上部の中心に配設される。
一実施形態において、誘電体レンズ１００は、少なくとも図１および図４Ａ～図４Ｃに示されるように、上から見た平面図において観察されるときに、フェーズド・アレイ・アンテナ６００の対応する設置面積よりも大きい設置面積を有し、それにより、誘電体レンズ１００は、フェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ（縁）６０２（図１および図２Ａを参照すると最もよく分かる）を越えて延在する。

【0035】

一実施形態において、９０度の天頂角における誘電体レンズ１００の一部は、共通原点２０２からフェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ６０２を越えて外方に向かう特定の動径方向に沿って、例えば、＋／－ｘ軸（図４Ａ～図４Ｃを参照すると最もよく分かる）に沿って、増加し、次いで減少し、次いで再び増加するＤｋ値を有する。例えば、＋ｘ軸に沿って、図４Ｂおよび図４Ｃに示された断面図Ｌ３およびＬ４において、誘電体レンズ１００は、共通原点２０２（ここでは、空気の領域にあるものとして示される）における約１または１近くから、フェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ６０２の近くの領域３１０における約３．６の値へ増加し、次いで、領域３１０およびフェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ６０２を越えた領域３１２における約１．２へ減少し、次いで、領域３１２を越えて、フェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ６０２をさらに越えた領域３１４における約３．６へ再び増加するＤｋ値を有する。代替的な言い方をすれば、レンズ１００の一実施形態は、３Ｄ本体２００が、（例えばｘ－ｚ平面において）＋／－９０度の天頂角における共通原点２０２から、所与のアジマス角についての３Ｄ本体２００の外部表面２０６の方への動径方向において、比較的低いＤｋ領域３１２の外側の比較的高いＤｋ領域３１４を有し、比較的低いＤｋ領域３１２は、比較的高いＤｋ領域３１０の外側にあり、比較的高いＤｋ領域３１０は、共通原点２０２における比較的低いＤｋ領域の外側にある、構成を含む。いかなる特定の理論にもとらわれず、分析的なモデル化を通じて、フェーズド・アレイ・アンテナ６００のエッジ６０２をちょうど越えた、低いＤｋポケット、例えば領域３１２の存在は、フェーズド・アレイ・アンテナ６００に由来するＥＭ波面の伝播の方向に対してＥＭ波面＋／－９０度のビーム誘導を容易にするために、フェーズド・アレイ・アンテナ６００からのＥＭ放射パターンを強化することが見出された。

【0036】

本明細書において上記に説明されるように、ＥＭデバイス５００の一実施形態は、平面フェーズド・アレイ・アンテナであるフェーズド・アレイ・アンテナ６００を含み、平面フェーズド・アレイ・アンテナは、図１および図４Ａ～図４Ｃのみに示されるだけではなく、図９Ａにも示されており、図９Ａにおいて、個々のアンテナ素子６５０は、平面基板６２０上に配設された例示の５ｘ６アレイにおいて示されている。誘電体レンズ１００の前述の説明から理解されるように、本明細書において開示されるような一実施形態は、単一の誘電体レンズ１００が、フェーズド・アレイ・アンテナ６００全体とＥＭ通信するように配設される構成を含む。

【0037】

本明細書において上記に説明される実施形態は、平面フェーズド・アレイ・アンテナ６００を参照および例証するが、本明細書において開示される実施形態は、そのように限定されず、フェーズド・アレイ・アンテナの非平面の構成も包含することが認識され、フェーズド・アレイ・アンテナの非平面の構成は、ここで、図９Ｂ～図９Ｃを図１～図８Ｅおよび図９Ａと組み合わせて参照して論じられることになる。

【0038】

図９Ｂは、非平面基板６２２を球体の形態で示しており、図９Ｃは、非平面基板６２４を円筒の形態で示している。そして、図９Ｂおよび図９Ｃは、それぞれ完全な球体および完全な円筒を示しているが、半球体および半円筒も想定されることが認識される。一実施形態において、個々のアンテナ素子６５０のアレイは、それぞれの球形基板６２２または円筒基板６２４の凸状表面または凹状表面のいずれかに戦略的に配設されてもよく、本明細書において開示される任意の形態の誘電体レンズ１００、１００’が、アンテナ素子６５０のアレイ上に配設されてもよい。

【0039】

一実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナ６００におけるアンテナ素子６５０の各々は、位相角制御もしくは振幅制御により動作させられて、または代替的には、励起信号の位相角制御と振幅制御との両方により動作させられて、ＥＭ波面の伝播の方向に対して＋／－９０度の全体にわたって最適なアンテナ・システム性能を達成することができる。一実施形態において伝播の方向に対する＋／－９０度の制御は、水平軸もしくは垂直軸に対するもの（例えば、図１～図４Ｃにおけるレンズ１００を参照）、または水平軸と垂直軸との両方に対するもの（例えば、図６におけるレンズ１００’を参照）であってもよい。

【0040】

したがって、一実施形態は、非平面フェーズド・アレイ・アンテナであるフェーズド・アレイ・アンテナを含み、非平面フェーズド・アレイ・アンテナは、球面もしくは円筒面を有するか、または球面もしくは円筒面上に配設されることが認識される。一実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは、球面の凸側、凹側、または凸側と凹側との両方から誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される。一実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナは、円筒面の凸側、凹側、または凸側と凹側との両方から誘電体レンズの方へＥＭ放射を放出するように構成される。

【0041】

非平面フェーズド・アレイ・アンテナの前述の説明は、球面または円筒面のいずれかを参照して行われているが、本明細書における本開示の範囲は、そのように限定されず、例えば、回転楕円体面、楕円体面、または双曲線面などの、ただし、これらに限定されない、他の非平面の表面も包含することが認識される。添付の特許請求の範囲の範囲内に収まるありとあらゆる表面が、想定されており、本明細書において本質的に開示されているものと考慮される。

【0042】

任意の形態の基板６２０、６２２、６２４を有するＥＭデバイス５００の前述の説明に関して、その上に配設されるアンテナ素子６５０の任意の構成により、および本明細書において開示されるように構成および配設される任意の形態の誘電体レンズ１００、１００’により、ＥＭデバイス５００の一実施形態は、フェーズド・アレイ・アンテナ６００が、１ＧＨｚ以上かつ３００ＧＨｚ以下、さらに代替的には、１０ＧＨｚ以上かつ９０ＧＨｚ以下、さらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ６０ＧＨｚ以下、さらに代替的には、２０ＧＨｚ以上かつ４０ＧＨｚ以下の周波数範囲において動作するように構成および適合されるように、構成される。一実施形態において、フェーズド・アレイ・アンテナ６００は、ミリ波周波数において動作するように構成および適合され、一実施形態において、ミリ波周波数は、５Ｇのミリ波周波数である。個々の特徴の一定の組み合わせが、本明細書において説明および例証されてきたが、特徴のこれらの一定の組み合わせは、例証の目的のためのものにすぎないこと、および、そのような個々の特徴のいずれかの任意の組み合わせは、そのような組み合わせが本明細書において明示的に例示されているか否かに関わらず、一実施形態に従って採用され、本明細書における本開示と調和し得ることが認識される。本明細書において開示されるような特徴のありとあらゆるそのような組み合わせは、本明細書において想定されており、本出願を全体として考慮した場合に、当業者の理解の範囲内にあると考慮され、それらが、当業者によって理解される手法において、添付の特許請求の範囲によって定義される本発明の範囲内に収まる限り、本明細書において開示される本発明の範囲内にあると考慮される。

【0043】

前述の内容の全てを考慮すると、本明細書において開示される実施形態のうちのいくつかは、以下の利点、すなわち、最大５Ｇのミリ波周波数の平面フェーズド・アレイ・アンテナ上に置かれた場合に、利得における最小限の低下を有し、プラス／マイナス９０度のビーム誘導を可能にするＥＭビーム誘導デバイス、必要とされている基地局セグメントの数の１／３から１／２の減少と共に、放射場カバレッジ領域が増加されることを可能にするＥＭビーム誘導デバイス、および、レンズが、レンズの他のフォーカス領域と共に入射したＥＭ放射を構造的に屈折させて、所与の所望の角度の放射を達成するように、誘電率値の局所最大値がある、複数の別個のフォーカス領域を有するＥＭ誘電体レンズ、のうちの１つまたは複数を提供し得ることが認識される。

【0044】

発明は、例示の実施形態を参照して本明細書において説明されてきたが、特許請求の範囲の範囲から逸脱せずに、様々な変更が行われてもよく、均等物がその要素に置換されてもよいことが、当業者によって理解される。多くの変形が、本発明の本質的な範囲から逸脱せずに、本発明の教示に対して特定の状況または材料を適合させるために行われ得る。したがって、本発明は、この発明を実施するために想定されるベスト・モードまたは唯一のモードとして本明細書において開示される、１つまたは複数の特定の実施形態に限定されず、本発明は、添付の特許請求の範囲の範囲内に収まるあらゆる実施形態を含むこととなることが意図されている。図面および説明において、例示の実施形態が開示されており、特定の用語および／または寸法が採用されていることがあり得るが、それらは、特に明記しない限り、一般的な、例示的な、および／または記述的な意味において使用されるにすぎず、限定の目的のためではなく、したがって、特許請求の範囲の範囲は、そのように限定されない。層、膜、領域、基板、または他の説明される特徴などの要素が、別の要素の「上に」あるものとして参照される場合、要素は、別の要素の上に直接あってもよく、または、介在要素も存在してもよい。対照的に、要素が、別の要素の「上に直接」あるものとして参照される場合、介在要素は存在しない。第１の、第２の等の用語の使用は、いかなる順序または重要性も表さないが、第１の、第２の等の用語は、ある要素を別の要素と区別するために使用される。ある、１つの等の用語の使用は、量の限定を表さないが、参照されるアイテムの少なくとも１つの存在を表す。本明細書において使用されるような「備える」という用語は、１つまたは複数の付加的な特徴の可能な包含を除外しない。そして、本明細書において提供されるいかなる背景情報も、本明細書において開示される本発明に対して関連する可能性があると本出願人によって信じられる情報を明らかにするために提供されている。そのような背景情報のいずれも、本明細書において開示される本発明の一実施形態に対する先行技術を構成するという自認は必ずしも意図されているとは限らず、そのように解釈されるべきでもない。

【図1】