JP2010527565A - マイクロ波放射用の屈折率分布型レンズ - Google Patents

Abstract

マイクロ波放射用の屈折率分布型レンズ。このレンズは、各々が共振周波数を有する複数の電場結合共振器を含む。共振器は、離間した側縁部ならびに離間した上縁部および下縁部を有する平面アレイに配設される。共振器の共振周波数は、レンズの所望の特性に従って、アレイの離間した縁部の少なくとも２つの間で変化する。

Description

関連出願の相互参照
本願は、２００７年５月１５日に出願された米国特許出願第１１／７４８，５５１号明細書に対する優先権を主張し、その内容全体は、参照により本明細書に援用されるものとする。

本発明は、マイクロ波レンズに関し、特に、平面アレイに配設された複数の電子誘導容量共振器を利用した屈折率分布型マイクロ波レンズに関する。

メタマテリアルの分野は、高い関心を集めている成長分野である。このようなメタマテリアルは、メタマテリアルの組成ではなく、その構造に依存する電磁放射に応じた特性を呈する。

しかしながら、メタマテリアルへの関心のほとんどが、負の屈折率を示すメタマテリアルに向けられてきた。このような負の屈折率は、材料の誘電率と透磁率の両方が負の場合に可能となる。

しかしながら、負の屈折率のメタマテリアルに関する１つの問題として、作製が困難であり、入射放射の減衰が高くなってしまう点が挙げられる。さらに、既知のメタマテリアルの中で、マイクロ波放射用の屈折率分布型レンズで使用するために用いられているものはない。

本発明により、既知のデバイスの上述した欠点を解消するマイクロ波放射用の屈折率分布型レンズが提供される。

簡潔に言えば、本発明のレンズは、各々が独自の共振周波数を有する複数の電子誘導容量（ＥＬＣ）共振器を備える。共振器は、離間した側縁部と、離間した上縁部および下縁部とを有する平面アレイに配設される。

共振器の共振周波数、ひいては、屈折率は、アレイの離間した側部の少なくとも２つの間で変動する。例えば、２つの離間した縁部間の共振周波数が放物線状に変動する場合、ビーム集束が達成されうる。逆に、１つの縁部から離間した縁部へ線形に共振周波数が変動すると、ビームが屈曲し、またはビームの方向が変わる。

各ＥＬＣ共振器は、実質的に非導電性の基板と、基板の片側上にある導電パターンとの両方を含む。導電パターンは、さらに、ＬＣ共振回路として入射マイクロ波放射に応答するように配設される。共振周波数で、共振器は、入射放射に対して実質的に不透明であるが、共振周波数からオフセットした周波数にある屈折率で放射を通過させる。

本発明の一形態において、基板上の導電性ストリップの少なくとも１つ、好ましくは、２つの細長い部分が、共振マイクロ波周波数で容量をシミュレートするように互いに離間され平行に配置される。このようにして、ＥＬＣ共振器の共振周波数を変化させるために、容量に形成された導電パターン部分の長さは、共振器の所望の目的周波数に応じて短くされ、または長くされる。

ＥＬＣ共振器には、正の屈折率を有するメタマテリアルが利用されることが好ましい。このような正の屈折率の材料は、作製が容易なだけでなく、レンズを通過するマイクロ波放射の減衰が少ない。

添付の図面を参照しながら以下の詳細な記載を読むことで、本発明のさらに深い理解が得られるであろう。図面の中の同様の参照文字は、いくつかの図において同様の部品をさす。

本発明の一形態の動作を示す上面図である。 図１に類似しているが、本発明の異なる動作を示す図である。 本発明の好ましい実施形態を示す分解斜視図である。 単一のＥＬＣ共振器を示す平面図である。 図４の実質的に線５−５に沿った図である。 ＥＬＣ共振器の容量長さと屈折率の関数を示すグラフである。 図１に示すレンズ上の位置と屈折誤差の関数を示すグラフである。 図７に類似しているが、図２に示すレンズの動作を示す図である。 例示的なＥＬＣ共振器のＳパラメータを示すグラフである。 微細加工技術を用いる例示的なレンズを示す断面図である。 １つのＥＬＣ共振器の等価回路を示す平面図である。

最初に図１を参照すると、マイクロ波導波管２２の端部に位置付けられたマイクロ波放射用の屈折率分布型レンズ２０が示されている。さらに詳細に後述するように、レンズ２０の屈折率は、一方の側縁部２４から他方の側縁部２６へ放物線状に変動する。結果的に、入射マイクロ波放射、すなわち、３００メガヘルツから３００ギガヘルツの範囲にある放射が、レンズ２０に衝突すると仮定すると、レンズ２０の屈折は、放射を点２８に集束させることになる。

以下、図２を参照すると、屈折率分布型レンズ２０’の変形形態が示されており、この形態では、レンズ２０’の屈折率は、レンズ２０の一方の側縁部２４’から他方の側縁部２６’へ線形変化する。レンズ２０のこのような構成により、マイクロ波導波管２２およびレンズ２０’を通過するマイクロ波ビームは、屈曲したり、方向を変えたりする。

マイクロ波レンズ２０は、マイクロ波放射のビーム集束またはビーム方向を制御する必要がある任意のマイクロ波用途において使用されてもよいことは言うまでもない。しかしながら、レンズ２０は、約２４または７７ギガヘルツのマイクロ波源またはこのような用途に割り当てられる他の周波数を有する自動車のレーダーシステムで利用されることも好ましい。

以下、図３を参照すると、レンズ２０は、各々が平面アレイ３２に配設された複数の電子誘導容量（ＥＬＣ）共振器３０を備える。このように、平面アレイ３２は、離間した側縁部３４および３６と、上縁部３８および下縁部４０とを含む。図３には、ほぼ矩形状の平面アレイ３２が示されているが、本発明の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の形状が利用されてもよいことを理解されたい。

同様に、本発明のレンズ２０は、ＥＬＣ共振器３０の単一の平面アレイ３２を備えてもよいが、三次元アレイを形成するように、２つまたはさらにそれ以上の平面アレイ３２を積層して位置決めされてもよい。積層した平面アレイ３２の各々は、互いに実質的に同一であり、追加の平面アレイ３２は、積層されるが、１つのＥＬＣ共振器３０の幅に等しい距離だけ離間されるため、レンズ２０の屈折率は、それに応じて増大する。結果的に、ＥＬＣ共振器の平面アレイ３０の数は、特定の用途のレンズ２０の要求された焦点特性または屈折特性に応じて異なる。

以下、図４および図５を参照しながら、１つのＥＬＣ共振器３０をさらに詳細に示す。ＥＬＣ共振器は、ほぼ矩形状であり、実質的に非導電性材料で構成される基板４０を含む。例えば、基板４０は、非導電性高周波ラミネート、パイレックス（登録商標）（Ｐｙｒｅｘ）、溶融シリカ、ガラス、またはシリコン系であってもよい。

導電性フォイルから形成されたパターン４２が、基板４０の片側４４上にパターン化される。さらに、このパターン４２は、細長く、互いに対して離間され平行である少なくとも１つ、好ましくは、２つの部分４６を含む。

図１１に、共振器３０と同等の電気回路が、インダクタ４８および２つの容量５０を有する共振ＬＣ回路として示されている。さらに、容量５０は、導電性フォイルパターン４２の部分４６に相当する。

周知のように、図６に示すＬＣ共振回路の共振は、容量５０の値を変更することで変更されてもよい。結果的に、図４に示すＥＬＣ共振器３０の共振周波数は、導電性フォイルパターン４２の部分４６の長さを変更し、ひいては、ＥＬＣ共振器３０の静電容量を変更することで変更されてもよい。

フォイル部分４６の長さが変動すると、ひいては、ＥＬＣ共振器３０の共振周波数を変更することになるため、ＥＬＣ３０の屈折率も同様に、所与の固定マイクロ波周波数に対して変更される。例えば、ＥＬＣ共振器３０の屈折率のグラフが、約０．５ミリメートルから約１．０ミリメートルまでのフォイル部分４６の長さの関数として示される図６を参照されたい。この例におけるＥＬＣ共振器３０の屈折率は、およそ０．２から約１．０へ変化する。

実際には、ＥＬＣの幅は、マイクロ波波長の６分の１以下、好ましくは、マイクロ波波長の１０分の１未満にすべきである。

以下、図７を参照すると、レンズ２０が図１に示すような点にビームを集束させるために、グラフ５１で示す個々のＥＬＣ共振器３０の屈折率ｎは、レンズ２０の一方側２４から反対側２６へ放物線状に変動することになる。屈折率は、導電性フォイルパターンの容量部分４６の長さを変更することで変更される。

以下、図８を参照すると、図２に示すように、マイクロ波ビームを屈曲したり方向を変えたりするために、屈折率ｎは、レンズ２０’の一方側の縁部２４’から反対側の縁部２６’に向かって、グラフ５３に示すように線形に変化させる。前述したように、屈折率は、導電性フォイルパターンの容量部分４６の長さを制御することによって制御される。

言うまでもなく、マイクロ波ビームの他のタイプの操作は、レンズ２０の一方側の縁部から他方側の縁部へ屈折率を変化させることで達成されてもよいことを理解されたい。

以下、単一のＥＬＣ共振器が共振周波数ｆ_resで約１０．７ギガヘルツの共振周波数を有する場合のＳパラメータのグラフである図９を参照する。図にあるように、レンズを通るマイクロ波放射の透過を表すパラメータＳ２１のグラフは、共振周波数ｆ_resで最小値に達する。同時に、反射放射Ｓ１１は、共振周波数ｆ_resで最大値に達する。結果的に、約１０．７ギガヘルツの共振周波数では、事実上、共振器３０を透過する放射はない。

逆に、反射放射グラフＳ１１は、約１４．２ギガヘルツの周波数ｆ_transで最小値に達する。この時点で、レンズ２０を透過した放射量は、最大値に達しただけでなく、透過放射２１が非常に一定である約１３ギガヘルツから約１６．５ギガヘルツの通過帯域７０を形成する。結果的に、レンズ２０が、レンズ全体にわたって通過帯域７０で動作する限り、透過放射の最小減衰が達成されうる。

レンズ２０の任意の特定の共振器３０の共振周波数が、７７ギガヘルツより少し低いか、または４０〜６０ギガヘルツの範囲となるように、約７７ギガヘルツの周波数での自動車レーダーでレンズ２０が利用されることが好ましい。さらに、約７７ギガヘルツの範囲で使用されるレンズの場合、レンズ２０の構造は、微細加工により達成されてもよい。

例えば、図１０を参照すると、第１の基板８０と、この基板８０の上部にパターン化された導体８２とを有する、７７ギガヘルツのマイクロ波源とともに使用するためのレンズの例示的な製造が示されている。次に、導体パターン８２は、任意に、非導電性層８４によって覆われる。

その後、このアセンブリは、レンズを作製するために積層可能であり、または、第１の基板８０と実質的に同じである第２の基板８６が、非導電性層８４の上部に配置される。次に、導体８２と実質的に同じである導体８８が、第２の基板８６の上部に堆積またはパターン化される。次に、非導電性コーティング９０が、導電パターン８８上にわたって堆積され、上記プロセスは、レンズ２０の所望の層の数に応じて繰り返される。

本発明のレンズは、レンズ特性が一定であるレンズとして記載されてきたが、この記載から過度な制限が課せられるべきではない。レンズは、システム要件に応じてレンズを変更または調整するために、ＭＥＭＳ、ＲＦ ＭＥＭＳ、または他の手段によってレンズの屈折特性が変更される能動レンズとして作製されてもよい。例えば、レーダービームの投射を操向、ズーム、または他の方法で制御するために、自動車レーダーシステムにおいて、能動レンズが利用されてもよい。

上記記載から、本発明により、マイクロ波放射用の単純かつ効果的な電磁屈折率分布型レンズが提供されることが分かる。レンズが、電子誘導容量共振器のアレイを利用するため、レンズ２０の製造は比較的簡単に達成されうる。さらに、レンズ２０の屈折率が正であるため、負の屈折率のメタマテリアルの場合の既知の減衰損失が回避される。

レンズ２０は、二次元レンズとして記載してきたが、言うまでもなく、本発明は、屈折率がレンズの２つの側縁部間でのみ変動するのではなく、レンズの上縁部と下縁部との間でも変動する三次元レンズとして動作してもよいことを理解されたい。

以上、本発明を記載してきたが、当業者であれば、添付の特許請求の範囲に規定されたような本発明の趣旨から逸脱することなく、本発明への多数の修正例が明らかになるであろう。

Claims (9)

1. マイクロ波放射用の屈折率分布型レンズであって、
   離間した側縁部ならびに離間した上縁部および下縁部を有する平面アレイに配設された、各々が共振周波数を有する複数の電子誘導容量共振器を備え、
   前記共振器の共振周波数が、前記アレイの前記離間した縁部の少なくとも２つの間で変動する屈折率分布型レンズ。
2. 前記共振器の共振周波数が、前記アレイの前記離間した側縁部および前記アレイの前記離間した上縁部および縁部の間で変化する、請求項１に記載のレンズ。
3. 共振器の少なくとも２つの実質的に同一の平面アレイを備え、前記アレイが離間され、互いに平行な関係に配設される、請求項１に記載のレンズ。
4. 前記平面アレイが、１つの共振器の幅に対応する量だけ互いから離間される、請求項３に記載のレンズ。
5. 各共振器の形状が、共振器の共振周波数の波長の６分の１未満の幅を有する矩形状である、請求項１に記載のレンズ。
6. 各共振器が、基板上に２つの離間した平行な導電性ストリップによって形成された少なくとも１つの容量を備え、前記導電性ストリップの長さが、前記共振器の共振周波数を確立する、請求項１に記載のレンズ。
7. 各共振器が、少なくとも２つの容量を備え、各容量が、基板上の２つの離間した平行な導電性ストリップによって形成される、請求項２に記載のレンズ。
8. 前記レンズが、自動車レーダーシステムに利用される、請求項１に記載のレンズ。
9. 前記共振器が、２４ＧＨｚ〜７７ＧＨｚの範囲にある共振周波数を中心とした通過帯域を有する、請求項８に記載のレンズ。

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