JPH0547001B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、電波レンズに係り、とくに誘電体を
利用した電波レンズ（誘電体レンズ）に関する。

〔従来の技術〕

到来した電波に反射や収束等のレンズ作用を施
す電波レンズの内、プラスチツク誘電体（例えば
発泡ポリエチレン）を用いたルーネベルグレン
ズ、イートンリツプマンレンズ等の電波レンズ
は、海難救助用、航路標識用のレーダ反射器を初
めとして各種の分野において広く使用されてい
る。

このような電波レンズ（誘電体レンズともい
う）例えば球状の電波レンズにあつては、レンズ
中心部から外周部に向かうに従つて、その比誘電
率ε_rを所定の関係式、即ち、ε_r＝〔２−（ｒ／ａ）
^２〕（ただし、ａ：球状レンズの半径、ｒ：中心か
らの距離）に基づいて徐々に変化させ屈折率ｎ
（＝ε_r ^1/2）を変化せしめることが必要とされてい
る（電子通信ハンドブツク、第1532頁、電子通信
学会編、昭和54年３月30日発行；Antenna
Engineering Handbook、SECOND EDISION
第18−３頁、Richard C.Johnson等）。

このため、従来からの電波レンズでは、理論通
りのものを単純には製作し得ないため、球状の電
波レンズ全体を相互に重合可能なおわん型の半球
殻に分割して組合わされた多層構造とし、これら
の半球殻の誘電率を各々所定値になるよう設定す
るという手法が一般に用いられていた。また、こ
の場合において、誘電率を各々変化させ所定値に
設定する技術としては、半球殻中に混入させる金
属粒（例えばアルミニウム粒）の割合を人為的に
調整するという手法が多用されていた。

〔発明が解決しようとする問題点〕

しかしながら、上述した従来技術にあつては、
電波レンズの誘電率に対してその中心部から外周
部へ向かう変化を極力連続的にして精密な電波レ
ンズを形成しようとするほど、前述した半球殻の
数を多くしなければならないことから、型の数及
び製作工程等が必然的に増加し、結局価格の著し
い上昇を招くという不都合があつた。

一方、混入する金属粒の割合を変えながらプラ
スチツクを発泡させる際には、その成型に多くの
熟練を必要とするほか、誘電率の値によつては必
ずしも金属粒が一様に混入され難いことも多く、
歩留まりが低下したり、レンズとしての性能が低
下するという不都合があつた。

〔発明の目的〕

本発明は、かかる従来技術の有する不都合を改
善し、とくに製作が著しく容易化され、これによ
つて生産コストの大幅な低減を図ることのできる
電波レンズを提供することを、その目的とする。

〔問題点を解決するための手段〕

本発明では、小片状の多数の導体箔をシート状
絶縁性面状基板上に配設すると共に、当該導体箔
の配設密度を中心部から同心円状に且つ外周部へ
向けて徐々に粗くなるように変化せしめて成る複
数枚の誘導体部材を設けている。そして、この各
誘電体部材をその中心部を同一軸上に配置して所
定間隔をおいて積層すると共に、この積層して成
る積層体の内の少なくとも中央部に位置する誘電
体部材の呈する比誘電率ε_rが、ε_r＝〔２−（ｒ／
ａ）²〕（ただし、ａ：同心円状に導体箔が付され
た領域の最大半径、ｒ：中心からの距離）に準じ
て変化するように小片状の多数の導体箔が配設さ
れている等の構成を採つている。これによつて前
述した目的を達成しようとするものである。

〔発明の実施例〕

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第５図
に基づいて説明する。

まず、第１図において、符号２はルーネベルグ
レンズを示す。このルーネベルグレンズ２は、薄
いシート状の誘電体部材としての人工誘電体板４
_Ａ，…，４_M（但し、４_Aのみ１枚、他は各々２枚）
と、これらの各人工誘電体板４（以下、同様に必
要に応じて添字「_A」ないし「_M」を外して示す）
を相互に所定距離だけ隔てて積層するための積層
部材としての発泡スチロール板６，…，６とを要
部として備えている。そして、各人工誘電体板４
と各発泡スチロール板６とは図示の如く交互に積
層され、しかも全体として球状を成すように予め
各寸法が設定されている。

ここで、符号８は各人工誘電体板４及び発泡ス
チロール板６の外周部に凹状に形成された位置決
め用のガイド手段としての溝部（実際には、積層
状態において溝部となる）を示す。この溝部８
は、後述するようにルーネベルグレンズ２全体を
も固定するために兼用されるものである。

ルーネベルグレンズ２を更に詳述すると、本実
施例における各人工誘電体板４は、合計25枚から
成つており、中心部の人工誘電体板４_Aを介して
上下に各々12枚の人工誘電体板４_Bないし４_Mが第
２図に示す如く対称に配設されている。そして、
各人工誘電体板４は所定距離間隔を隔てて積層さ
れ、この状態において、側面方向の輪郭が第１図
ないし第２図に示す如く円形となるよう各寸法が
設定されている。

そして、上記各人工誘電体板４は、非吸水性の
絶縁性面状基板としてのユポ紙１０（厚さ略
20μ）と、このユポ紙１０上に形成された円板状
の導体箔１２，…，１２（直径は略２mm）により
構成されている（第１図中の４_A参照）。この導体
箔１２，…，１２は、本実施例では、銅を主成分
とする導電性ペーストでユポ紙１０にシルク印刷
されており、これによつて容易に且つ大量に形成
することができるようになつている。そして、こ
の各導体箔１２の印刷密度は、後述するように、
中心部を起点として同心円状で且つ段階状に粗く
なるとともに、各人工誘電体板４においてその分
布半径が各々異なるように設定されている。これ
は、後述するように、ルーネベルグレンズ２内
に、その中心部を起点として導体箔１２，…，１
２の密度差による層状且つ同心状の球殻A₁ない
しA₅を形成するためである（第２図参照）。

ここで、各人工誘電体板４の内、代表的な導体
箔密度のパターンを第３図１ないし同図５に示
す。

第３図１は、前述した中心部の人工誘電体板４
_Ａを示す。この誘電体板４_Aにあつては、中心部の
最も導体箔密度の濃い第１の円状区域B₁（半径r₁）
を中心として、その周囲部に円心円状に第２、第
３、および第４の円状区域B₂，B₃，B₄（半径はr₂
ないしr₄）が印刷され、更にその外周部に導体箔
の印刷されない円状区域B₅（半径r₅）が設定され
ている。そして、その導体箔密度は外周へ向かう
につれて所定の密度勾配をもつて前述の如く階段
状に粗くなるように形成されている。

また、第３図２は、前述した人工誘電体板４_A
を中心に上下５番目の人工誘電体板４_F，４_Fを示
す。この誘電体板４_F，４_Fにあつては、その外周
半径r₆が同図１のr₅より所定値だけ小さくなつて
おり、従つて第１ないし第５の各々の円状区域
B₁ないしB₅も所定値だけ各々の半径が小さくな
るように形成されている。

更に、第３図３は、人工誘電体板４_Aを中心に
上下８番目の人工誘電体板４_I，４_Iを示す。この
各誘電体板４_I，４_Iでは、その外周半径r₇が更に
小さく形成されると同時に、前述した最も導体板
密度の濃い第１の円状区域B₁が形成されず、第
２ないし第５の円状区域B₂ないしB₅のみが上述
と同様にして形成されている。

第３図４ないし同図５には、上述と同様にして
形成された10番目又は12番目の人工誘電体板４_K，
４_K又は４_M，４_Mが各々示されている。

ここで、上述した以外の人工誘電体板４，…，
４も第３図１ないし５と同様にして形成されるも
のである。

一方、各発泡スチロール板６は、各人工誘電体
板４を所定距離隔てて立体的に配設支持するとと
もに全体の強度増を図るためのものである。本実
施例では、発泡スチロール板６の誘電率との兼合
いを考慮しつつ、中心部では比較的薄く形成され
るとともに上下端に近づくにつれて比較的厚く形
成されるように成つている。これは、中心部にお
いて、より精密な屈折率を持たせるためである。
そして、これらの発泡スチロール板６はその積層
状態において全体として球状を成すという多層分
割構造となつている。

そして、上述の如く形成された各人工誘電体板
４及び各発泡スチロール板６は、第４図に示すよ
うに各溝部８によつて位置決めしつつ交互に積層
した後、当該溝部８に沿つて図示しないひも状部
材によつてバインドし固定することにより、第１
図ないし第２図に示す如く球状のルーネベルグレ
ンズ２が形成されるようになつている。

これによつてルーネベルグレンズ２全体として
は、その内部に比誘電率ε_r（即ち、屈折率ｎ）の
異なる同心状の球殻A₁ないしA₅（その外周は半径
r₁ないしr₅）が第２図中の二点鎖線の如く層状に
形成されることになる。そして、ここでは、中心
部の球殻A₁の比誘電率ε_rが「２」であり、外周
に近づくにつれてε_r＝２−R²（但しＲは正規化半
径であり、外周でＲ＝「１」）の関係式に基づいて
徐々に階段状に変えられており、最外周の球殻
A₅の比誘電率ε_rが「１」となるように、発泡ス
チロール板６の誘電率を考慮しつつ各人工誘電体
板４上の導体箔１２，…，１２の分布密度が設定
されている。

この場合、本実施例では、前述したユポ紙１０
の厚さは、到来電波（例えば9375〔ＭHz〕）の波長
に対して充分薄いものが選択使用されていること
から、ユポ紙１０の誘電率を無視することがで
き、設計の簡単化が図られている。

次に、本実施例の作用について説明する。

前述の如く構成された球状のルーネベルグレン
ズ２の比誘電率ε_rは、外周部から中心部に進むに
従つて「１」から「２」へ５段階に分かれて徐々
に変化する。このため、上記レンズ２に平行に入
射する電磁波は、従来例におけるルーネベルグレ
ンズの場合と同様に第５図１の如く入射方向と反
対側のレンズ表面の点Ｐが焦点となり、この点Ｐ
に当該電磁波が収束する。また、反対に、レンズ
表面上の１点Ｐから内部方向に向けて放射された
電磁波は、層状の誘電率の相違、即ちレンズ効果
から平面波となつて、第５図２の如く、反対側の
レンズ表面より放出されることとなる。従つて、
レンズ表面の１点Ｐを中心にして当該表面に反射
器を装備することにより、容易にレーダ反応器と
しても機能することとなる。

ここで、前述のルーネベルグレンズ２と同様に
して構成し（即ち、発泡スチロール板によつて人
工誘電体板を交互に積層）、円板状の導体箔１２
を三次元に配列した原理モデル（第６図１参照）
について説明する。この原理モデルでは、各導体
箔１２の直径ｄは２〔mm〕とし、同一人工誘電体
板内の導体箔１２の中心線相互の距離ａ，ｂは共
に３〔mm〕に設定した。そして、これに9375〔Ｍ
Hz〕の電磁波（水平偏波）を人工誘電体板に平行
に入射させたときのカツプリング係数（人工誘電
体板相互の垂直方向の距離）ｃの屈折率ｎとの関
係は第６図２中の×印のようになることが実験に
より示された。

また、理論的には、上記原理モデルの屈折率ｎ
は ｎ＝√_r・_r で与えられることが知られており、ε_rは比誘電
率、μ_rは比誘磁率であり、各々、 ε_r＝１＋α_e／〔ε_p（１−α_eＣ）〕 μ_r＝１＋α_n／〔μ_p（１−α_nＣ）〕 で与えられる。ここで、α_eは分極率、α_nは磁化
率、Ｃは前述したカツプリング係数、ε_p、μ_pは
各々真空中の誘電率、透磁率である。

上記各関係式による計算結果（第６図２中の実
線参照）は、実験結果とも良く一致している。

また、誘電体中の導体箔の密度対比誘電率の定
性的関係は一般に第７図のようになることが知ら
れており、分布密度が高くなるほど比誘電率が上
がることになる。

従つて、導体箔の分布密度を変えると比誘電率
が変わり、且つ屈折率ｎが√２以上になるカツプ
リング係数が存在する（第６図２参照）ことか
ら、前述の第１図ないし第４図に示した如く構成
し、各該値を適宜設定することによつてルーネベ
ルグレンズ２を製作することができるということ
が確認された。

このように、本実施例によると、薄いシート状
の絶縁性面状基板に小片状の導体箔を印刷によつ
て所定の分布密度をもつて形成し、これを発泡ス
チロール板を介して積層することによつて、従来
技術の如く誘電体中に金属粒を所定分布をもつて
混入するという手法に係るものと同等の構成を有
する電波レンズが得られるようになつた。そし
て、導体箔を印刷技術によつても形成することか
ら、大量にしかも簡単に行えるため、従来例にみ
られた発泡技術等の煩わしさから解放され、レン
ズ全体の製作が極めて容易になり、その分著しく
生産コスト低減を図ることができるという利点を
有している。また、導体箔の配設はユポ紙上に印
刷によつて極めて精密に所望のものを得ることが
できるため、積層状態における導体箔の三次元配
列もより精密に行うことができ、これによつて従
来例に比べて焦点距離等を容易に且つ精密に調整
可能になるという利点をも備えている。更に、本
実施例の手法を採用することによつて、従来例と
同等以上の性能を有しながら、軽量、小形化を図
ることができるという利点も有している。更に、
積層部材の使用によつて、レンズ全体の強度増を
容易に図るとともに、絶縁性面状基板として導体
箔を印刷し易い紙材の使用を可能にするという利
点を有している。

なお、上記実施例では、電波レンズとして球状
のルーネベルグレンズについて説明したが、本発
明は必ずしもこれに限定されるものではなく、イ
ートンリツプマンレンズ等にも同様に適用可能な
ものである。また、この球状の電波レンズの場合
であつても、各人工誘電体板４の外形を角形とし
て導体箔を前述のように円状に各々形成すること
によつて、レンズ全体の外形としては角形である
が電磁波的にはその内部に球状の電波レンズを形
成することも可能である。また、前記実施例で
は、球状の電波レンズの場合について示したが、
本発明は必ずしもこれに限定されることなく、例
えば、前述の第３図１に示した人工誘電体板４_A
を多数枚製作し積層することによつて、円柱状の
ルーネベルグレンズを形成することもでき、これ
によつて本発明の実施の多様化が図られることに
なる。更に、人工誘電体板内の導体箔の印刷密度
を一定にすることによつてモノスタチツクレンズ
をも容易に形成することができる。

一方、前記実施例では、積層部材として発泡ス
チロール板を層状に切断して使用するとしたが、
本発明は必ずしもこれに限定されず、他の誘電体
であつてもよい。また、この場合、絶縁性面状基
板が比較的堅牢なものであれば、適宜に配設され
た支柱に当該各基板を支持せしめ、積層部材とし
ては何も使用しない（即ち空気）構成とし、構成
の簡単化、軽量化を図るとしてもよい。

更に、前記実施例では、絶縁性面状基板として
耐水性のあるユポ紙とするとしたが、これも上述
の如く、他の絶縁部材であつてもよい。また、導
体箔の形状は必ずしも円板状でなくてもよいし、
その材質もアルミニユーム等他のものでもよい。

〔発明の効果〕 本発明は以上のように構成され機能するので、
これによると、小片状の導体箔を誘電体中に混入
せしめる手法が従来例に比較して著しく簡単化さ
れ且つその混入分布を精密に調整し得ることか
ら、全体としてより安価に製作可能となるととも
に、極めて精密かつ安定したレンズ性能を得るこ
とができ、一方、従来例に比較して小形、軽量に
構成できることから、一層扱い易くなるとともに
装備対象物への装着の際にも省スペース化及び支
持機構の小形化等をも合わせて図り得るという従
来にない優れた電波レンズを提供することができ
る。

また、本発明にあつては、誘電体中の導体箔の
密度を中心部からの距離によつて変えたり、その
密度範囲を誘電体部材毎に適宜変えることによ
り、円柱状或いは球状の電波レンズをも極めて容
易に製作可能となるという効果も得られる。

更に、本発明にあつては、積層部材を用いて誘
電体部材を積層することにより、積層工程が容易
になり且つレンズ全体の強度増を容易に図ること
ができるとともに、誘電体部材の絶縁性面状基板
は導体箔を形成し易い薄いシート状のもので充分
間に合い、この面からも製作の容易化が図られる
という効果も得られる。

更に、本発明にあつては、ガイド手段の採用に
よつて各構成部材に対する位置決め及びレンズ全
体のバインドをも兼用して容易に行うことができ
るという効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例に係るルーネベルグ
レンズの一部断面した斜視図、第２図は第１図の
ルーネベルグレンズの誘電率の異なる層状且つ同
心状の球殻を説明する説明図、第３図１ないし５
は各々人工誘電体板の導体箔の代表的な印刷密度
パターンを示す説明図、第４図は人工誘電体板と
発泡スチロール板との積層状態を説明する説明
図、第５図１，２は各々第１図のルーネベルグレ
ンズのレンズ作用を説明する説明図、第６図１は
第１図のルーネベルグレンズの原理モデルの説明
図、第６図２は同図１のカツプリング係数と屈折
率との関係を示すグラフ図、第７図は導体箔の密
度対比誘電率の定性的関係を説明するグラフ図で
ある。 ２……電波レンズとしてのルーネベルグレン
ズ、４，４_A，…，４_M……誘電体部材としての人
工誘電体板、６，…，６……積層部材としての発
泡スチロール板、８……ガイド手段としての溝
部、１０……絶縁性面状基板としてのユポ紙、１
２，…，１２……導体箔、A₁，…，A₅……球殻。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ 小片状の多数の導体箱をシート状絶縁性面状
   基板上に配設すると共に、当該導体箔の配設密度
   を中心部から同心円状に且つ外周部へ向けて徐々
   に粗くなるように変化せしめて成る複数枚の誘電
   体部材を設け、 この各誘電体部材をその中心部を同一軸上に配
   置して所定間隔をおいて積層すると共に、 この積層して成る積層体の内の少なくとも中央
   部に位置する前記誘電体部材の呈する比誘電率ε_r
   が、ε_r＝〔２−（ｒ／ａ）²〕（ただし、ａ：同心円
   状に導体箔が付された領域の最大半径、ｒ：中心
   からの距離）に準じて変化するように前記小片状
   の多数の導体箔が配設されていることを特徴とし
   た電波レンズ。 ２ 前記積層体が円柱状に形成されると共に、こ
   の積層体を形成する複数枚の各誘電体部材が、当
   該積層体の前記中央部に位置する誘電体部材とほ
   ぼ同一に形成されていることを特徴とした特許請
   求の範囲第１項記載の電波レンズ。 ３ 前記積層体を球状に形成すると共に、この球
   状積層体の中心部を含む任意の方向の断面内に於
   ける比誘電率ε_rが、前記中央部に位置する誘電体
   部材の呈する比誘電率ε_rの変化に準じて変化する
   ように、前記積層体の各誘電体部材に前記小片状
   の導体箔が付されていることを特徴とした特許請
   求の範囲第１項記載の電波レンズ。 ４ 前記積層体に於ける各誘電体部材の積層間隔
   は、その中心軸上の中央部では密に、その両端部
   では粗くなるように設定されていることを特徴と
   した特許請求の範囲第３項記載の電波レンズ。 ５ 小片状の多数の導体箔をシート状絶縁性面状
   基板上に配設すると共に、当該導体箔の配設密度
   を中心部から同心円状に且つ外周部へ向けて徐々
   に粗くなるように変化せしめて成る複数枚の誘電
   体部材を設け、 この各誘電体部材をその中心部を同一軸上に配
   置して所定間隔をおいて積層すると共に、 この積層して成る積層体の内の少なくとも中央
   部に位置する前記誘電体部材の呈する比誘電率ε_r
   が、ε_r＝〔２−（ｒ／ａ）²〕（ただし、ａ：同心円
   状に導体箔が付された領域の最大半径、ｒ：中心
   からの距離）に準じて変化するように前記小片状
   の多数の導体箔を配設し、 前記各誘電体部材の相互間に、所定の誘電率を
   備えた絶縁材から成る固形の積層部材を装着し一
   体化せしめたことを特徴とする電波レンズ。 ６ 小片状の多数の導体箔をシート状絶縁性面状
   基板上に配設すると共に、当該導体箔の配設密度
   を中心部から同心円状に且つ外周部へ向けて徐々
   に粗くなるように変化せしめて成る複数枚の誘電
   体部材を設け、 この各誘電体部材をその中心部を同一軸上に配
   置して所定間隔をおいて積層すると共に、 この積層して成る積層体の内の少なくとも中央
   部に位置する前記誘電体部材の呈する比誘電率ε_r
   が、ε_r＝〔２−（ｒ／ａ）²〕（ただし、ａ：同心円
   状に導体箔が付された領域の最大半径、ｒ：中心
   からの距離）に準じて変化するように前記小片状
   の多数の導体箔を配設し、 前記各誘電体部材の相互間に、所定の誘電率を
   備えた絶縁材から成る固形の積層部材を介装し、 前記各誘電体部材と各積層部材との外周部の一
   部に位置決め用のガイド手段を設けると共に、当
   該ガイド手段を介して前記各誘電体部材と各積層
   部材とを一体的に固定したことを特徴とする電波
   レンズ。