專利名稱：透鏡天線及透鏡天線陣列的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及使用于車輛等的移動體的毫米波雷達等的透鏡天線。
背景技術：
以將自動航行裝置、回避危險等作為目的，對汽車、摩托車的車輛等的移動體中的雷達裝置進行了種種研究。其中，利用所謂的毫米波帶域的電波的雷達以其裝置小型化、輕量化容易而適合于移動體。
該雷達裝置大致分為具有振蕩器、放大器等的毫米波子系統(tǒng)和天線。在該天線中，由于透鏡天線構造比較簡單，定向性等的調(diào)整也比較容易，因此，被視為有前途。
關于透鏡天線本身，在例如特開昭51-100664號公報、特公昭59-23483號公報等中進行了種種的研究。
過去的透鏡天線，一般是回轉(zhuǎn)體，與光學透鏡同樣，一面是平面、球面、雙曲面、拋物面等的幾何學形狀，另一面是被決定為可以準光學性地滿足被要求的性能等的形狀。
但是，在將形成為回轉(zhuǎn)體的天線安裝在移動體表面上時，移動體本身由于是幾乎左右對稱，因此，為了盡量不損壞其外觀設計而僅沿其中心軸進行配置。形成為該回轉(zhuǎn)體的天線由于也是上下對稱，在移動體、特別是汽車等中，表面中的上下左右對稱的部分成為例如圖8的位置F所示那樣的保險杠中央前端等的非常有限的部分。但是，幾何學性放射側(cè)的面和形成保險杠等的車輛等的移動體的表面的面形狀不一致的情況多，設計構思不相容的要素配置在移動體表面上，成為顯著損害外觀的主要原因。
特別是對于像汽車等那樣的在設計方面趣味性高、重視外觀的移動體來說，是重大的問題。
另外，對于高速移動的物體來說，即使具有從對于流體力學為理想的形狀稍微變形了的部分，在高速移動時也會產(chǎn)生大的阻抗，成為使移動體的運動性能降低的重要原因。因此，像近年來在汽車和摩托車等中大力研究著的空氣動力性優(yōu)良的車身外殼構造那樣，需要極力避免配置從表面形狀上突出或使其變形的構造物。
作為可以獲得與形成移動體的表面的面形狀一致的自由的表面形狀的天線，例如在航空設備等中研究了共形陣天線(Conformal ArrayAntenna)等，但是，其配置了許多的小元件的構造難以廉價化。另外，該通過控制多個元件所獲得的定向性能不能滿足動的要求。
因此，考慮了由樹脂質(zhì)的雷達罩隱蔽該透鏡天線的方案。但是，使用毫米波特性優(yōu)良的材料形成雷達罩會增加新的工序數(shù)量，并且會導致成本高，不適合于特別是面向大眾的大批量生產(chǎn)的車輛等。另外，例如如圖8中的位置I所示，也考慮了將是回轉(zhuǎn)體而與移動體的外觀形狀不相稱的透鏡天線收容在移動體內(nèi)部的方案。但是，由于移動體外部材料的反射和衰減，難以獲得所希望的性能。
在特開平8-139514號公報中，對使透鏡天線和車輛保險杠一體化的方案進行了記載。但在該公報中所討論的構造，例如圖8的位置H所示，是在保險杠的里側(cè)配置一體成形的凸透鏡天線或?qū)⑵酵雇哥R天線配置在保險杠里側(cè)的構造，通過透鏡天線部分的電波也通過到保險杠表面上。但是用同一材料一體成形要求使用以再利用為前提的低費用的材料且經(jīng)常受到機械性壓力的保險杠本體與要求高度的毫米波特性和準光學性能且高精度尺寸形狀的透鏡天線是困難的。
因此，電波受到由用保險杠部分和透鏡天線部分形成的形狀給予的準光學的折射率的影響，難以獲得所希望的性能。另外，在將平凸透鏡配置在保險杠里側(cè)時，在其構造上產(chǎn)生結(jié)合部分和間隙，由于該部分所產(chǎn)生的反射和衰減難以獲得所希望的性能。
另外，在特開平7-283634號公報中，如圖8的位置G所示，考慮將車牌換由樹脂制，將其一部分作為天線發(fā)揮作用。但是，如果變更車牌本身，需要變更的車輛的數(shù)量巨大，而且車牌的管理體制本身也需要大幅度的變更，因此，不現(xiàn)實。
另外，在USP4224626號公報、USP4847628號公報中公開了一種非球面的透鏡天線，都是關于提高F-數(shù)(光圈數(shù))或頻率特性、定向性的天線，沒有進行關于使用于移動體或與非對稱形狀移動體表面的形狀的匹配性等的研究。
另外，在USP5264859號公報中公開了一種使用于移動體的雷達用透鏡天線，但是，也與上述相同，沒有進行關于非對稱性的形狀或移動表面的匹配性的研究，發(fā)明目的本發(fā)明的目的是提供一種透鏡天線和透鏡天線陣列，該透鏡天線可以與移動體的外觀(表面)形狀一體化，不損害移動體的外觀，可以比較廉價地容易制造，組裝容易且性能高。
技術方案為了達到上述目的，本發(fā)明的構造為(1)透鏡天線，該天線安裝在移動體上，其放射側(cè)的面和焦點側(cè)的面具有作為透鏡的準光學性的形狀，而且是非回轉(zhuǎn)體形狀。
(2)上述(1)的透鏡天線是非線對稱形狀。
(3)上述(1)的透鏡天線是線對稱形狀。
(4)上述(1)的透鏡天線的開口投影面的形狀是橢圓。
(5)上述(1)的透鏡天線的開口投影面的形狀是角被弄圓了的三角形。
(6)上述(1)的透鏡天線的開口投影面的形狀是角被弄圓了的方形。
(7)上述(1)～(6)的任何一種透鏡天線，在安裝在上述移動體上時，移動體本體的表面與透鏡天線表面的接合部形成連續(xù)的面。
(8)上述(1)～(7)的任何一種透鏡天線，其至少放射側(cè)表面被著色。
(9)上述(1)～(8)的任何一種透鏡天線，在頻率30～300GHz的頻率帶域中使用。
(10)上述(1)～(8)的任何一種透鏡天線，使用頻率帶域中的構成材料的電容率εr＝2～9。
(11)上述(1)～(10)的任何一種透鏡天線，在放射側(cè)的面上具有防反射膜。
(12)是一體地成形多個上述(1)～(11)的任何一種透鏡天線的透鏡天線陣列。
附圖的簡單說明

圖1是表示本發(fā)明的透鏡天線的安裝位置的外觀立體圖。
圖2是表示與本發(fā)明的其它的透鏡天線的安裝位置的外觀立體圖。
圖3是表示本發(fā)明的實施例的透鏡天線和其電波的傳播路徑的剖面圖。
圖4是從焦點側(cè)斜下方透視本發(fā)明的實施例的透鏡天線的構造圖。
圖5是將本發(fā)明的實施例的透鏡天線的開口面形狀做成方形時的構造圖。
圖6是表示在本發(fā)明的實施例的透鏡天線的焦點側(cè)配置了副反射鏡時的電波的傳播路徑的剖面圖。
圖7是表示將本發(fā)明的實施例的透鏡天線做成為多個天線陣列時的電波的傳播路徑的剖面圖。
圖8是表示現(xiàn)有技術的透鏡天線安裝位置的外觀立體圖。
用于實施本發(fā)明的最佳方式本發(fā)明的透鏡天線安裝在移動體上，具有非回轉(zhuǎn)體形狀，這樣通過做成為非回轉(zhuǎn)體形狀，可以與移動體的外觀(表面)形狀一體化，不會損害移動體的外觀，比較廉價且容易制造，另外，組裝也容易可維持高性能。
本發(fā)明的透鏡天線最好是首先決定向移動體的安裝位置，然后與移動體的安裝位置的面形狀吻合地決定透鏡天線放射側(cè)面形狀。
圖1是表示將本發(fā)明的透鏡天線安裝在移動體上時的安裝位置的一例的外觀立體圖。
由于本發(fā)明的透鏡天線是非回轉(zhuǎn)體，其放射面可以是非線對稱、即是上下/左右非對稱。因此，其安裝位置不限定于移動體前端的上下/左右對稱的位置，即使如圖1的位置A那樣地露出地安裝在移動體前表面的任意位置也不會損害外觀形狀。
在這些形狀中，透鏡天線的放射面的輪廓部最好沒有角或曲率半徑極小的區(qū)域。
另外，本發(fā)明的透鏡天線也可以是線對稱，即通過做成為線對稱，其放射面也成為線對稱。因此，其安裝位置不限定于移動體前端的上下對稱的位置，即使如圖1的位置B那樣地露出地安裝在移動體前面的中心軸上的任意位置，也不會損害外觀形狀。
另外，本發(fā)明的透鏡天線，其開口投影面的形狀可以是橢圓或角被弄圓了的三角形或角被弄圓了的方形。在此，所謂開口投影面，是指由垂直于從焦點發(fā)出的使用頻率帶域的電波中的通過透過透鏡天線所獲得的電波束而截斷該電波束時的投影面。這樣，通過將開口投影面的形狀做成為橢圓或角被弄圓了的三角形或角被弄圓了的方形，即使在安裝在圖2的位置C、D時也不損害移動體的外觀設計。這時，倒圓的R(半徑)最好是R＝1～100mm，特別是5～20mm左右。
另外，本發(fā)明的透鏡天線最好是移動體本體的表面和透鏡天線的表面的接合部形成連續(xù)的面。通過將移動體本體的表面和透鏡天線的表面的接合部形成為連續(xù)的面，可以在不損害移動體的外觀設計的情況下在高速移動時也不產(chǎn)生流體力學性的阻抗。
為了連續(xù)地形成接合部，最好是，透鏡天線的安裝位置中的移動體表面的傾斜方向、傾斜大小、曲率、透鏡天線的放射側(cè)表面的傾斜方向、傾斜大小、曲率一致。在此，所謂一致是指移動體表面的傾斜方向、傾斜大小、曲率、透鏡天線的放射側(cè)表面的傾斜方向、傾斜大小、曲率分別是±20％以內(nèi)、最好是±5％以內(nèi)。
另外，透鏡表面形狀不限定于簡單地用曲率表示的球面，即使是例如高次二變數(shù)函數(shù)、花鍵面等的更復雜的面形狀，也可以如后面所說明的那樣由公式翻譯程序等的通用高級語言的函數(shù)數(shù)據(jù)列表現(xiàn)。
另外，本發(fā)明的透鏡天線至少其放射側(cè)的表面可以著色。通過著色放射側(cè)表面，可以進一步與移動體本體在色彩上進行調(diào)合，進一步減少對外觀設計的損害。
如上所述，本發(fā)明的透鏡天線可以任意地決定向移動體的安裝位置，也不會損害移動體的外觀設計，因此，也可以增大外觀設計的自由度。
<透鏡天線的開口投影面的形狀>
如上所述，透鏡天線的開口投影面的形狀可以做成為橢圓或角被弄圓了的三角形或角被弄圓了的方形、或公知的圓形，但其大小必須由透鏡天線所要求的電氣性的放射特性來決定。
天線開口投影面的大小，在將其天線的放射半幅值的大小設為θ、將開口投影面的最大長度設定為a、將波長設為λ時，有θ＝kλ/a的關系。
在此，k為1～1.5的程度。(“天線工程學手冊”電子通信學會編，才-ム公司，S55，10，30)例如，將必要的放射半幅值θ設定為3度、即3/180×π＝0.05弧度、將頻率設定為60GHz、即波長λ＝3×108/60×109＝5×10-3米、k＝1時，a＝kλ/θ＝5×10-3/0.05＝0.1米。
當然，該必要的放射半幅值在水平方向和垂直方向不同時，即從與移動體的外觀設計的匹配性出發(fā)也可以做成圓以外的形狀。在該種情況下，只要滿足由各方向的放射半幅值決定的開口投影面積的大小即可。
<透鏡天線的焦點位置>
焦點位置是自透鏡天線的焦點側(cè)面的距離，較好是上述開口投影面的大小a的1/3～3倍，更好是1/2～2倍，最好是做成為2/3～3/2倍。
在焦點位置與透鏡接近時，可以將含有一次放射器的天線系統(tǒng)的縱深縮小，但其反面，透鏡天線的厚度變厚，材料費用變大。而且，由一次放射器的安裝位置的偏移所帶來的性能的變化變大。特別是，在透鏡天線材料的電容率大時，有放射效率低等的弊病。
另外，在焦點位置離透鏡遠時，透鏡天線變薄，有由一次放射器的安裝位置的偏移所帶來的性能的變化變小，放射效率高的優(yōu)點。但其反面，含有一次放射器的天線系統(tǒng)的縱深變大，要求一次性放射器有敏銳的定向性。因此，需要由副反射鏡、副透鏡、棱鏡等的新的準光學系統(tǒng)縮短其縱深和實現(xiàn)一次放射系統(tǒng)的敏銳的定向性。
<透鏡天線的材料>
作為用于構成透鏡天線的材料，可以使用高頻率特性優(yōu)良的特氟隆、特開昭59-23483號公報記載的連續(xù)氣孔性多孔質(zhì)的結(jié)晶性高分子材料、特開平9-246052號公報記載的耐熱性低感應性高分子材料、或陶瓷、或它們的復合材料等種種材料。在這些材料中，從輕量、成形加工容易方面考慮最好是使用樹脂材料。但是，例如，當要求某種程度的硬度、強度時，可以使用氧化鋁等的陶瓷材料等的適用于其適用條件和使用目的的材料。
另外，其使用頻率的電容率最好是εr＝2～12，特別最好是εr＝5～9左右。當電容率過低時，透鏡天線變厚，重量增加，若是昂貴的材料則顯著提高了成本。另外，當設有用于降低表面反射的防反射膜時，使用于防反射膜的材料的電容率必須選定為與透鏡本體的電容率的平方根相等。因此，當例如將透鏡本體的電容率εr設定為2時，適于其的防表面反射膜的電容率為1.41?？墒牵娙萋市∮?的材料大都難以獲得。另外，電容率極低的材料大都比較脆，因此，最好不露出于移動體表面。
另外，當電容率過高時，天線可以薄而輕量化，但是，由于反射增大，必須需要防反射膜。而且，即使設有防反射膜，其效果有效的頻率范圍窄。天線具有極端的頻率特性。
關于在透鏡天線表面(放射面)設置反射膜時的方法，在特開平7-16941號公報、特開平7-16862號公報、特開平7-30324號公報等中進行了研究。
<透鏡天線的焦點側(cè)的面形狀>
作為為了使透鏡天線本體部分形成為成為其放射面的表面和焦點側(cè)的面在使用的頻率帶域中具有作為電波透鏡的準光學的形狀方法，可以應用各種準光學的設計方法，但是，特別是最好使用光學模擬程序。
該光學模擬程序，作為光學設計評價程序等在市場上被銷售著。通過將這樣的光學模擬程序?qū)胪ㄓ玫膫€人用計算機(安裝奔騰處理器程度)、或工作站等，可以進行透鏡的模擬解析。另外，對于透鏡面的任意形狀，其形狀如果在C語言、公式翻譯程序等的通用的高級語言上可以用公式(函數(shù))、數(shù)據(jù)列等進行表現(xiàn)則容易對應。作為將任意形狀取入計算機等、進行公式(函數(shù))、數(shù)據(jù)列化的方法，除了在設計階段使用其數(shù)據(jù)(CAD數(shù)據(jù)等)時之外，也可以，將實現(xiàn)的形狀用激光解析裝置(應用激光干涉的形狀測定裝置等)等的三維測定方式取入形狀數(shù)據(jù)，用最小二乘法等數(shù)學方法求面定義式的系數(shù)，進行公式化。
這樣，在相對移動體表面的形狀決定形成與其一致的面的透鏡放射面的形狀后，只要用上述模擬程序求出焦點側(cè)的形狀和其厚度即可。
作為可在本發(fā)明的所使用的光學模擬程序，例如有美國OpticalResearch Associates公司的CODE V等。由于這些光學模擬程序的大多數(shù)進行根據(jù)幾何光學的解析，在用于光學透鏡的設計時有可能產(chǎn)生大的誤差。由于例如焦點距離非常短的情況下的放射效率低、由一次放射器的定向性所引起的放射效率降低等多在基于幾何光學的解析中不表現(xiàn)出，因此，需要注意。但是，在本發(fā)明中數(shù)值限定了的范圍中不產(chǎn)生致命的誤差。
<由副反射鏡、副透鏡、棱鏡進行的焦點位置的移動>
關于焦點位置，如所記述的那樣，在焦點位置離透鏡天線的焦點側(cè)遠時，含有一次放射器的天線系統(tǒng)的縱深變大，有難以安裝到移動體上的情況。這時，通過在透鏡天線和一次放射器之間的電波路徑上配置圖6所示的副反射鏡、或副透鏡或電波棱鏡，使其電波路徑彎折，可以縮小天線系統(tǒng)的縱深。在圖6中，焦點F的位置由配置在透鏡天線1焦點側(cè)的副反射鏡5變更到透鏡天線1側(cè)。
<透鏡天線陣列>
透鏡天線的開口投影面的大小由必要的放射半幅值決定，但也有由于移動體安裝面的構造和外觀設計其大小不能允許的情況。另外，也有根據(jù)天線的用途，需要改變放射方向或合成多個天線的放射的情況。本發(fā)明的透鏡天線在這樣的情況下也可以構成適用于多個的各透鏡天線且更加與移動體的外觀形狀匹配了的透鏡天線。即，例如如圖7所示，一體成形多個透鏡天線1，通過給予分別適當?shù)男螤詈徒裹cF1、F2來增大透鏡天線的外觀、設計的自由度。
實施例以下，表示實施例，更具體地說明本發(fā)明。
在此說明的實施例中，將開口投影面的大小設定為0.1米，透鏡天線放射面是平面并相對放射方向傾斜60度，焦點位置從透鏡天線焦點面離開0.1米，透鏡材料的電容率為2.1。將這些條件給予上述光學模擬程序(Optical Research Associates公司的CODE V)，求出透鏡天線焦點側(cè)面形狀。在此，需要注意在上述光學模擬器中需要將電容率的平方根作為折射率給予的情況。在本實施例中，由于電容率為2.1，因此，給予模擬器的折射率是1.449。
在本實施例中，將透鏡天線的安裝位置如圖1的B所示地設定為車體中央車蓋前端。這時的透鏡天線放射表面的傾斜方向，從下朝上向焦點側(cè)傾斜，放射側(cè)表面的傾斜的大小相對放射方向為60度，而且放射表面的曲率為無窮大即是平面。
作為該實施例進行說明的透鏡天線的放射側(cè)表面的傾斜方向和大小和曲率不一定與透鏡天線安裝位置中移動體表面的一致，但是為了說明本發(fā)明的實施例是足夠的。
圖3是表示這樣地設計的本實施例的透鏡天線和其電波傳播路徑的剖面圖。在該圖中，當入射電波2進入透鏡天線1時，前進方向被改變(3)，成為聚焦在焦點F上的電波4。圖4在從焦點側(cè)斜下方透視本實施例的透鏡天線1構造的圖中表示電波2、4的傳播路徑、透鏡天線的水平及垂直面的斷面，開口投影面的形狀。
本實施例的透鏡天線做成為左右對稱(線對稱)的形狀，但是，在將透鏡天線從移動體的中心軸離開進行安裝時，只要與其移動體的面形狀對合，將透鏡天線的放射側(cè)表面向左右傾斜地進行同樣的設計方法即可。另外，本實施例的透鏡天線的放射側(cè)面形狀是平面，但是，只要設定與移動體的面形狀吻合的曲率并進行同樣的設計方法也可以構成更加與移動體的外觀形狀匹配的透鏡天線。
另外，本實施例的透鏡天線其開口投影面的形狀做成為圓形，如果是滿足必要的放射半幅值的大小，也可以切斷本實施例的透鏡天線而變更為任意的形狀，構成更加與移動體的外觀形狀匹配的透鏡天線。例如，圖5表示切斷本實施例的透鏡天線的上下左右將開口投影面的形狀變更為方形的情況。這時的放射半幅值由分別在水平、垂直方向上的透鏡天線的水平方向的最大開口尺寸、垂直方向的最大開口尺寸決定，因此，需要注意的是比切斷上下左右前放射半幅值變大的情況。另外，在該例子中未示出，但也可以通過在切斷部上實施倒角、將角倒圓，增大機械強度，提高外觀形狀特別是設計方面的質(zhì)量。
另外，如果對本實施例的透鏡天線的至少放射側(cè)的表面著色，則可以構成更加與移動體的外觀形狀匹配的透鏡天線。
發(fā)明效果根據(jù)以上的本發(fā)明，可以實現(xiàn)與移動體外觀(表面形狀一體化)，不會損害移動體的外觀，比較廉價且容易制造，組裝也容易，高性能的透鏡天線及透鏡天線陣列。
權利要求
1.透鏡天線，其特征在于，該天線安裝在移動體上，其放射側(cè)的面和焦點側(cè)的面具有作為透鏡的準光學性的形狀，而且是非回轉(zhuǎn)體形狀。
2.如權利要求1所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線是非線對稱形狀。
3.如權利要求1所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線是線對稱形狀。
4.如權利要求1所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線的開口投影面的形狀是橢圓。
5.如權利要求1所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線的開口投影面的形狀是角被弄圓了的三角形。
6.如權利要求1所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線的開口投影面的形狀是角被弄圓了的方形。
7.如權利要求1～6中的任何一項所述的透鏡天線，其特征在于，透鏡天線在安裝在上述移動體上時，移動體本體的表面與透鏡天線表面的接合部形成連續(xù)的面。
8.如權利要求1～7中的任何一項所述的透鏡天線，其特征在于，其至少放射側(cè)表面被著色。
9.如權利要求1～8中的任何一項所述的透鏡天線，其特征在于，在頻率30～300GHz的頻率帶域中使用。
10.如權利要求1～6中的任何一項所述的透鏡天線，其特征在于，使用頻率帶域中的構成材料的電容率εr＝2～9。
11.如權利要求1～6中的任何一項所述的透鏡天線，其特征在于，在放射側(cè)的面上具有防反射膜。
12.透鏡天線陣列，其特征在于，是一體地成形多個權利要求1～11所述的透鏡天線的透鏡天線陣列。
全文摘要
本發(fā)明以實現(xiàn)與移動體外觀(表面形狀一體化),不會損害移動體的外觀,比較廉價且容易制造,組裝也容易,高性能的透鏡天線為目的,為了達到該目的,本發(fā)明的透鏡天線安裝在移動體上,其放射側(cè)的面和焦點側(cè)的面具有作為透鏡的準光學形狀,而且,是非回轉(zhuǎn)體形狀。
文檔編號H01Q15/00GK1354900SQ00803676
公開日2002年6月19日 申請日期2000年2月8日 優(yōu)先權日1999年2月12日
發(fā)明者石飛德昌, 下田秀昭 申請人:Tdk株式會社