专利名称：电介透镜、电介透镜器件、电介透镜的设计方法、电介透镜的制造方法和收发装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及微波段或毫米波段用的电介透镜天线的电介透镜、电介透镜器件、电介透镜的设计方法、电介透镜的制造方法，以及使用电介透镜或电介透镜器件的收发装置。
背景技术：
微波段或毫米波段用的电介透镜天线，其作用在于折射从主发射器阱广角辐射出的电波；在透镜前方的虚拟孔径表面上对齐电波的相位；以及在所述孔径表面上产生磁场的幅度分布。于是，可使电波沿一定方向尖锐地发射出去。这种电介透镜天线与光学中所用的透镜类似，它们之间的最大差别是，不仅必须简单地对齐相位，而且还要产生一个幅度分布(孔径表面分布)。这是因为，在远方的位置处，天线的特性(方向性)具有一种可用傅里叶变换代表的关系，因此，为了获得所预期的方向性，必须调节孔径表面分布阱。
因此，对于电介天线而言，重要的是在孔径表面上对齐电波的相位，并且产生所预期的孔径表面分布阱。
为了在孔径表面上对齐所述相位，需要利用光线的一些性质，其中，即使从主发射器发射的光线抵达孔径表面的距离(光路长度)改变波长的整数倍，对应的光线也能互相强化，借此，可以切割透镜的形状。这称为分区(zoning)。光学领域中众所周知的菲涅耳(Fresnell)透镜也是基于与此相同的原理，但在光学中不存在孔径表面分布的概念。
电介透镜天线包括一个主发射器，如喇叭透镜和一个电介透镜。一般情况下，电介透镜天线的电介透镜部分的重量和体积之比是很高的，而且，为了减小整个设备的尺寸和重量，希望减小电介透镜的尺寸和重量。至于使电介透镜变薄和变轻的方法，可以采用上述分区技术。
例如，非专利文献1公开的技术是，其中的孔径表面分布是预先设计的，在这之后再对于后表面一侧进行分区，由此可使分区后的孔径表面分布大体上等于分区前的孔径表面分布。图23表示经受分区的电介透镜的一个实例。在该附图中，左侧是面对主发射器的一侧(后表面一侧)，右侧是在主发射器对面的一侧(表面一侧)。
图26是说明非专利文献1电介透镜的设计方法的流程图。首先，确定预期的孔径表面分布(S11)。确定透镜的中心位置，以此用作计算的开始点(S12)。使用数字计算获得电能守恒定律(有关表面(前表面)的斯涅耳(Snell)定律)的解，以及表示光路长度规律的公式(S13)。对于最远到透镜圆周的边缘进行计算，从而完成尚未经过分区的透镜形状的计算(S14)。然后，在适当的后表面位置按波长沿主光线改变光路长度，并且主要改变电介透镜的后表面(分区)(S15)。使整个电介透镜经受步骤15的这种处理(S16→S15→如此等等)。
另外，采用专利文献1公开的技术，其中，为了抑制由于分区引起的折射所致产生的损耗，要使表面一侧成为上凸形状，并使后表面一侧经历分区。图24是说明这种技术的一种举例的剖面图。由于要在电介部分1(面对主发射器20一侧)的后表面一侧上进行分区，电介透镜10要形成一个下凹部分2。
再有，采用非专利文献2，在1984年就引入了关于透镜的分区技术，从这时开始，分区技术就已成为公知的。例如，图25(A)中就是一个实例，其中，把电介透镜的表面一侧取为平面，使后表面一侧上的上凸形状经过分区。图25(B)中的举例，其中，把电介透镜的后表面一侧取为上凸形状，而使表面一侧上的平面经受分区。再有，在图25(C)中的又一个例子中，把电介透镜的后表面一侧取为平面，而使表面一侧的上凸形状经受分区。
非专利文献1J.J.Lee，“电介透镜成形及慧差校正分区，第1部分分析”，IEEE关于天线和传播的学报，1983年1月，第AP-31卷，第1期，pp.221。
非专利文献2Richard C.Johnson和Henry Jasik，“天线工程手册，第二版”，McGraw-Hill(1984)
专利文献1日本未审专利申请公开特开平9-223924发明内容为了改进天线的性质，重要的是要优化孔径表面分布。对于非专利文献1，使优化分区之前的透镜和分区之后的透镜形成的孔径表面分布相等，并且主要是使后表面一侧经受分区处理。然而，在这种情况下，虽然能够实现重量的减轻，但利用表面一侧上凸的透镜并不能实现厚度的减小。
另外，当试图通过使表面一侧接受分区处理以使表面一侧为上凸形状的透镜的厚度减小时，传统技术只是简单地切断前面一侧，比如利用菲涅耳透镜作为光学透镜，或者如非专利文献2的图25(C)所示那样，从而产生在分区前、后孔径表面分布发生变化的问题。
再有，一旦使透镜的前面一侧被分区，如果像用作光学透镜的菲涅耳透镜那样简单地垂直切断所述透镜，或者如果没有如图25(C)所示的清晰的导向线，则由于衍射效应而导致磁场紊乱，使天线性质变差。
就专利文献1而论，透镜形状与主光线一起发生变化，在这种情况下，可以防止因折射所引起的损耗。但这会在电介透镜上产生一个尖锐的部分，在这个部分上重新发生衍射。
有关如何选择分区位置，在许多情况下，可以简单地根据按相等间隔确定的位置或者根据消除有如非专利文献1中所述慧差的条件进行选择。但在这种情况下，并未将衍射效应引起的磁场扰动的影响完全考虑在内。
此有，对于经受传统分区处理的电介透镜而论，在台阶表面和折射表面之间产生一个下凹部分，有如陡峭的山谷，尘土、雨水和雪花就容易粘结到或者被收集在这个下凹部分内。具体来说，由于包含湿气的雨、雪、尘土的介电常数较大，上面所述的下凹部分中的这种积累就可能会引起天线特性极度变差的问题。
本发明的目的在于提供一种电介透镜器件、一种电介透镜的设计方法、一种电介透镜的制造方法，以及一种使用电介透镜或电介透镜器件的收发装置，其中，消除了上述各种不同的问题，并且可以在电介透镜天线的结构中适当地保持天线的特性；通过分区减小电介透镜的尺寸和重量，并且消除所述尘土、雨水和雪花的粘结问题。
为了实现上述目的，本发明的特征如下(1)按照本发明的设计方法，其特征在于，所述设计方法包括第一步，确定所预期的孔径表面分布；第二步，将面对电介透镜第一主发射器一侧的后表面侧的斯涅耳定律、电能守恒定律和代表光路长度规则的公式转换为联立方程，并根据从电介透镜的焦点到电介透镜后表面的主光线的方位角θ计算在主发射器和上述后表面对面的前侧的表面形状；第三步，当在电介透镜表面上的坐标到达预定的约束厚度位置时，使上述表示光路长度规则的公式中的光路长度减小空气中波长的整数倍；其中，使主光线的方位角θ从它的起始值开始变化，并重复上述第二步和第三步。
按照这种电介透镜设计方法，通过直接计算这些内容，同时存储孔径表面分布，可获得电介透镜的表面和后表面，因而能严格地存储所预期的孔径表面分布，借此获得预期的电介透镜天线特性。
应予说明的是，采用本发明的电介透镜传递的波比如为毫米段电磁波，但是可以按照与对光的处理相同的方式处理电介透镜处的折射作用，所说的光是指具有短波长的电磁波，因此，在本申请中，把在右后方的方向沿电介透镜的中心通过的轴称为“光轴”，把在预定方向笔直入射的电磁波称为“主光线”，而把电磁波的传播路线称为“光路”。
(2)另外，本发明电介透镜的设计方法的特征在于，所述设计方法还包括第四步，通过使上述光路长度减小波长的整数倍，使上述台阶表面向焦点方向而不是向电介透镜的厚度方向倾斜，然后重复第二步和第三步，直到上述方位角θ达到最终值为止，由此，可以校正台阶表面的倾斜角，所述台阶表面的倾斜角是在电介透镜的主发射器对面的前侧表面上发生的。
(3)此外，本发明电介透镜的设计方法的特征在于，将上述台阶表面相对于电磁波的主光线形成的角度取为限制值±20°之间的角度，所述电磁波的主光线是从上述焦点进入电介透镜后表面的任意位置，并且在电介透镜内折射和逐渐行进的。
按照这种电介透镜的设计方法，通过使上述光路长度减小波长的整数倍，以使上述台阶表面向焦点方向倾斜而不是向电介透镜的厚度方向倾斜，而且，特别是通过使台阶表面相对于在电介透镜中行进的电磁波的主光线形成的角度为限制值±20°之间的角度，可以校正在电介透镜的表面上产生的台阶表面的倾斜角，从而可以抑制磁场的紊乱。由此，可以防止发生由于衍射所引起的旁瓣(side lobe)。进而，由于台阶表面边缘部分的角度变得更加缓和，所以就比较容易制造。
(4)再有，就本发明的电介透镜设计方法而言，把上述方位角θ的初始值取为从上述焦点到电介透镜外围末端位置的主光线所形成的角度，并将上述方位角θ的最终值取为从上述焦点到电介透镜光轴的主光线形成的角度。
按照这种电介透镜的设计方法，有关计算的误差累积值是很小的，并且可以设计出电介透镜的非常准确的形状。假定计算是从电介透镜中心开始向外围边缘推进的，则就像透镜中心部分那样，在透镜的前-后表面和主光线的交叉角接近于垂直的部分处，将要发生一个问题在只累积几个误差时，透镜的表面和后表面的端部最终并不交叉在边缘端部的一个点上。另外，由于可以将电介透镜从周边边缘位置开始的厚度作为0来计算，所以一旦通过改变方位角θ，而使透镜的厚度变为预定厚度，就容易实现改变光路长度的运算。
(5)还有，本发明电介透镜的制造方法的特征在于，所述制造方法包括使用上述设计方法中任何一个设计电介透镜形状的过程；制备注模模具的过程；以及在所述注模模具中注入树脂，以便利用树脂产生电介透镜的过程。
(6)还有，本发明电介透镜的特征在于，电介透镜的主要部分形成一个旋转对称的部件，所述部件以光轴为转动中心，它的表面在主发射器对面的前侧，所述表面包括在表面的方向突起的多个前侧折射面；以及台阶表面，所述台阶表面连接在相邻的前侧折射面之间；其中，所述台阶表面相对于从焦点开始进入面对上述主发射器后表面的任意位置并在电介透镜内行进的主光线形成±20°的角度，而且在通过上述前侧折射表面的主光线的上述后表面内的一个位置处，提供通过分区弯曲的表面。
(7)还有，本发明电介透镜的特征在于所述通过在上述前侧折射表面和上述后表面之间分区形成的弯曲表面是，通过关于后表面的斯涅耳定律、光路长度条件以及提供预期孔径表面分布的电能守恒定律获得的弯曲表面。
(8)还有，本发明电介透镜器件的特征在于，所述电介透镜包括上述电介透镜和天线罩，所述天线罩形成于电介透镜的表面上，因此，可以填充由上述前侧折射表面和上述台阶表面形成的下凹部分，所述天线罩的介电常数小于上述电介透镜的介电常数。
按照这种结构，在由前侧折射表面和上述台阶表面形成的下凹部分内不会积存尘土、雨和雪，因此，可以防止天线特性变差。还有，可以防止因设置天线罩而使特性下降。
(9)还有，本发明电介透镜器件的特征在于，当分别将上述天线罩的介电常数(介电常数)表示为ε2，并且将上述的电介透镜的介电常数表示为ε1，则满足ε2√(ε1)。
(10)还有，本发明电介透镜的特征在于，上述天线罩表面的形状可以连接距电介透镜器件的表面的距离为λ/4+nλ的多个弯曲表面(其中的n是大于等于0的整数，λ是波长)。
按照这种结构，可以使电介透镜器件表面的折射性能很低。
(11)还有，收发装置包括上述电介透镜和主发射器。
于是，可以构成体积小、重量轻的收发装置。
图1是说明第一实施例电介透镜结构的示意图；图2是说明上述电介透镜坐标系的示意图；图3是说明上述电介透镜设计过程的流程图；图4是说明由电介透镜的计算起始点的差异所致计算结果差异的示意图；图5是说明分区之前和分区之后孔径表面分布变化的一种举例的示意图；图6是说明第二实施例通过电介透镜的分区所引起的台阶表面的校正实例的示意图；图7是说明由分区所引起的折射现象的模拟结果示意图；图8是说明台阶表面倾斜角的变化以及由此引起增益变化之间关系的示意图；
图9是说明要对第三实施例电介透镜提供的孔径表面分布之间的差别引起形状变化的一种举例的示意图；图10是说明一些孔径表面分布举例的示意图；图11是说明孔径表面分布和天线方向性之间关系的示意图；图12是说明第四实施例中的分区步骤数和电介透镜形状变化之间的关系的示意图；图13是说明电介透镜的厚度约束曲线的一种举例以及电介透镜的分割模制的一种举例的示意图；图14是说明第六实施例电介透镜的形状和天线方向性的示意图；图15是说明通过使第七实施例的电介透镜经受相等分区和不相等分区所致形状变化的一种举例的示意图；图16是说明第八实施例电介透镜的结构示意图；图17是说明能够扫描的电介透镜天线的结构示意图；图18是说明第九实施例电介透镜的结构示意图；图19是说明上述电介透镜器件的速率跟踪结果的示意图；图20是说明第十实施例电介透镜的结构示意图；图21是说明第十一实施例电介透镜的结构和设计方法示意图；图22是说明第十二实施例毫米波雷达的结构示意图；图23是说明经受常规分区的电介透镜的结构示意图；图24是说明另一种经受常规分区的电介透镜的结构示意图；图25是说明又一种经受常规分区的电介透镜的结构示意图；图26是说明图23电介透镜设计过程的流程图。
具体实施例方式
下面参照附图1-5描述第一实施例的电介透镜、它的设计方法和制造方法。
图1中的(A)是电介透镜的外观透视图，(B)是其中在含有其光轴的表面处的剖面图，。现在，让我们说，将z轴取作光轴方向，将x轴取作径向方向，而以z的正方向作为电介透镜的表面方向，z的负方向取作电介透镜器件的后表面方向。这个电介透镜10的后表面一侧是面对主发射器的一侧。电介透镜10的电介部分布阱由均匀物质构成，它的介电常数大于传播电磁波的周围介质(空气)的介电常数。电介透镜10的表面包括前侧折射表面Sr和台阶表面Sc，所述台阶表面Sc连接在相互接合的前侧折射表面Sr之间。电介透镜10的后表面Sb所成的形状使得按照前侧分区，该种形状连接与前侧折射表面Sr相同数目的弯曲表面。应予说明的是，图1(B)中的细线代表未进行分区的情况下的形状(在分区之前)。于是，通过使电介透镜10的表面一侧进行分区(也就是使前侧折射表面成为与台阶表面连续连接的形状)，就可以在整体上获得厚度的减小和重量的减轻。
图2说明的是电介透镜的坐标系。使用几何光学近似方法计算电介透镜的形状。首先，假定电介透镜在z轴上是旋转对称的，用于计算的坐标系取为下面附图所示的，透镜表面的坐标表示为直角坐标系的(z，x)，透镜后表面坐标表示为极坐标的(r，θ)，并且表示为直角坐标系的(rcosθ，rsinθ)。
另外，将主发射器设在原点0，用Ep(θ)表示主发射器的方向性，用φ(θ)表示它的相位特性，还有，用Ed(x)表示在z＝zo的虚拟孔径表面的孔径表面分布。这时，斯涅耳(Snell)定律对于表面和后表面分别是成立的。电能守恒定律成立的条件是从主发射器发射出来的电能都保存在孔径表面上。而且，虽然通用的电介透镜遵守如下的条件光路长度相对于虚拟孔径表面来说是个常数，但是为了进行分区，这个条件要用如下的新的条件代替“光路长度在长度上可以减小波长的整数倍”。
这里通过在前表面略去斯涅耳定律，主要使前表面经受分区处理和减小厚度，并且导出一种透镜形状，使得后表面满足斯涅耳定律和光路长度条件。此外，由于实现了电能守恒定律，所以即使进行了分区，孔径表面分布也要等于分区之前的孔径表面分布。一种特定求解的表示式举例表示如下。
[表示式1]drdθ=rnsin(θ-ψ)ncos(θ-ψ)-1---(1)]]>[电能守恒定律] dxdθ=Ep2(θ)sinθ∫0θmEp2(θ)sinθdθ∫0RmEd2(x)xdxEd2(x)x---(2)]]>[光路长度条件][表示式3]r+n(z-rcosθ)cosψ+z0-z-φ(θ)k=l0-mλ---(3)]]>其中，上述各式中的m为一整数，λ是介质(空气)中的波长，IO是分区前光路长度(常数)。θ是在电磁波的主光线从原点0进入电介透镜后表面时由所述主光线和光轴形成的角度，r是如图2所示自原点(焦点)0到电介透镜后表面的预定点的距离，φ是在电介透镜的后表面的预定点折射并在电介透镜内伸展的电磁波主光线的角度。n是电介透镜的电介部分的折射率。θm是在以直线连接原点0到透镜周边边缘时角度θ的最大值。Rm是透镜的半径。另外，其中的zo是虚拟孔径表面在z轴上的位置，k是波数。
图2中所示的虚线是主光线的光路，r是通过确定θ获得的，主光线在透镜的后表面上的入射位置(rcosθ，rsinθ)是从θ和r获得的。进而，φ是通过主光线到电介透镜的后表面的入口角获得的，进而可获得在透镜的表面上的坐标(z，x)。
通过将上述表示式转换成联立方程并求解它们，可以获得图1中所示形状的电介透镜。
一般地说，孔径表面分布越均匀，束宽度越窄，但旁瓣水平的性能下降。相反，一旦孔径表面分布向末端迅速下落，旁瓣水平变低，但束宽度变大。透镜设计的基本方面是在指定的规范指标下优化孔径表面分布。当然，当使透镜经受分区时，这一概念是不可缺少的。然而，一旦孔径表面分布在分区之前和分区之后完全改变，设计将变得极其困难。如果孔径表面分布在分区之前和分区之后不变，则由下面的步骤完成设计(1)确定指标，如尺寸和方向性；(2)确定满足这些指标的孔径表面分布；
(3)设计一个被分区的透镜，但是，在另一方面，如果孔径表面分布改变，则设计过程保持循环，即，(1)确定指标；(2)确定一个试探性的孔径表面分布；(3)设计一个被分区的透镜(它的孔径表面分布与(2)是不同的)；(4)使用实际天线特性的估算或模拟分析所述孔径表面分布；(5)如果所述孔径表面分布满足所说的指标，则结束这个过程，否则返回到(2)，调整孔径表面分布，并且重新产生孔径表面分布。
于是，在进行有效的设计当中，极为重要的是要进行这样的分区，使孔径表面分布不发生改变。
这里应予说明的一点是，在试图通过分区前侧而使孔径表面分布与分区之前相同的情况下，不仅前侧，而且还有后侧，总是要变成同心圆的形状。
对于后表面是平直的透镜来说，比如对于菲涅耳透镜或者有如非专利文献2中所表示的透镜，只通过分区它的表面一侧不可能使开放侧的分布与分区前的分布相同。
按照本发明，当主要按照同心圆形状使表面一侧经受分区时，后表面一侧也要按照同心圆的形状发生变形，借此即使在分区之前也可以维持所预期的孔径表面分布。
图3是说明上述电介透镜设计方法各个过程的流程图。首先确定一个孔径表面分布(S1)。可以取下面各种不同的分布作为这个开放侧的分布。
[表示式4]Ed(r)＝c+(1-c)(1-r2)n(4)其中的c和n是用于确定这个分布的形状的参数。
Ed(r)=c+(1-c)(1-r2)αΛα(jβ1-r2)Λα(jβ)---(5)]]>其中的Λα是“蓝姆达函数”，并且可以使用伽玛函数(Γ)和贝塞尔函数(Jα)将该“蓝姆达函数”表示为下式。
Λα(ξ)=2αΓ(α)Jα(ξ)ξα---(6)]]>这里，c，α，β是用来确定这种分布形状的参数。
[表示式7]Ed(r)＝exp(-αr2) (7)这里，α是用来确定这种分布形状的参数。
[表示式8]Ed(r)＝c+(1-c)(1+a1r2+a2r4+a3r6+a4r8+a5r10-(1+a1+a2+a3+a4+a5)r12) (8)其中的c和a1到a5是用来确定这种分布形状的参数。
[表示式9]Ed(r)=2π2+Σm=1n-1gmJ0(λmr)---(9)]]>其中，J0是零阶贝塞尔函数，λm是第阶贝塞尔函数的零点(J1(λm)＝0)，它们是按升序排列的，gm是常数，如果指定阶数n和旁瓣水平，则可确定这个常数。
[表示式10]Ed(r)＝a+bJ0(λ1r)(10)其中，λ1等于3.8317，b等于a-1。a是用来确定这种分布形状的参数。
[表示式11]Ed(r)=c+(1-c)cosn(πr2)----(11)]]>其中c和n是用于确定这种分布形状的参数。
[表示式12]Ed(r)＝1 (0≤r≤r1)Ed(r)=1+1-b2(cosπ(r-r1)1-r1-1)---(r1≤r≤1)---(12)]]>其中的b和r1是用于确定这种分布形状的参数。
[表示式13]Ed(r)＝1 (13)现在回到图3，接着确定透镜的周边边缘位置(S2)。
例如，采用图1所示的例子，x＝-45[mm]或者+45[mm]是周边边缘的位置。接下去，将电能守恒定律、后表面的斯涅耳定律，以及表示光路长度的公式分别转换成联立方程，并且使用数字计算获得这些方程的解(S3)。
这时，用一个微分系统写出电能守恒定律，并通过比如使用Dormand&Prince方法对其进行计算，获得极为准确的计算结果。还有，计算用极坐标表示斯涅耳定律的表示式，可使透镜中心部分的微分为0，由此便于进行计算。如果使用直角坐标系的写法表示这个表示式用，则在透镜中心部分的微分结果是发散的(倾斜角变为无限大)，因此，数值计算结果的准确性明显下降。
随后，得到透镜这个新表面上的坐标(z，x)(S4→S5)，其中，当z达到由θ的变化预先确定的最大值时，对于x值固定的光，z的值缩短一个波长。
将上述处理过程重复到θ自θm变到0时为止(S4→S5→S6→S3→如此等等)。于是，设计出一个薄的电介透镜，它的透镜表面不超过zm。
应予说明的是，下面还会描述图3中的步骤S7。
图4表示的是改变计算起始点时结果。图中的A表示对于从周边边缘部分开始计算的结果，B表示对于从中心部分开始计算的结果。但是，这里还没有进行分区，为的是比较靠近透镜的周边边缘处的形状。于是，如果计算从周边边缘部分开始，则可以正确地设计出所预期尺寸的电介透镜(半径45mm)。但在另一方面，如果计算是从中心部分开始的，在靠近电介透镜的周边边缘的地方误差变得很大，并且还要发生如下的情况透镜的表面一侧和后表面一侧都不收敛在预定的位置。
图5表示在分区之前和分区之后孔径表面分布的变化。图中的粗线表示分区之前的孔径表面分布，细线表示分区之后的孔径表面分布。水平轴的标准半径是将电介透镜的半径设定为1时的值。再有，孔径表面分布的值是它的最大值为1并且它的最小值为0时的值。于是，虽然在分区之后因衍射效应使得存在很小的扰动，但在一般情况下，可以获得与分区之前相同的孔径表面分布。于是，通过使透镜的前侧经受分区，同时使孔径表面分布等于分区之前的孔径表面分布，就可以获得一个厚度薄、重量轻的电介透镜。
在按这种方式设计出有如图1(B)中所示电介透镜的前和后表面的形状以后，设计并产生一个由树脂形成的注模模具，从而可以获得一个以光轴为转动中心的旋转对称物体。这里，舍弃靠近电介透镜的周边边缘部分中的一部分，舍弃部分的大小等于预定的半径。还有，除了圆形形状以外，还可以使用大体为正方形的形状，或者大体为长方形的形状，这些形状是通过切掉直线后面的四个侧边而获得的。进而，为了便于固定电介透镜到机箱上，可以给出一个凸缘部分，所述凸缘部分在电磁波不能通过的区域有一个螺孔。
至于构成透镜的电介材料，可以使用树脂、陶瓷、树脂-陶瓷组合材料、内中有环形布置之金属的人工电介材料、光子晶体，以及其它介电常数不为1的材料。
再有，通过加工处理这样的电介材料制成电介透镜，其中可利用切割、注模、压模、光学成型等方法。
接下来，参照附图6-9描述第二实施例的电介透镜及其设计方法。
图6(A)是电介透镜表面上主要部分的剖面图，其中包括光轴，所述电介透镜是通过图3的步骤S1-S6的加工处理设计出来的。只采用上述处理，在固定x的同时z是减小的，因此，当透镜表面上的坐标(z，x)中的z达到最大值zm时，光路长度缩短一个波长长度，所以台阶表面Sc(Sc1-Sc4)变化平行于光轴的表面。对于这样一种形状，在折射表面和台阶表面的边界上形成一个陡峭的指向部分(凹陷V和突起Tare)。
相应地，有如下述那样，对于台阶表面Sc(Sc1-Sc4)的倾斜角进行校正。图6(B)是所述表面上主要部分的剖面图，其中包括校正之后电介透镜的光轴，图6(C)是它的局部放大视图。这里要说明的是，在前侧折射表面Sr2和Sr3之间的台阶表面Sc3，这个台阶表面Sc3形成在倾斜角校正之前的中心在z轴上的圆筒形表面。在z-x平面，对于由这个台阶表面Sc3和平行于z轴的直线Lz形成的角度As，即台阶表面Sc3的倾斜角，确定上述的这个倾斜角As，以使台阶表面Sc3从台阶表面Sc3′和前侧折射表面Sr2′的交界面P23开始向焦点(原点0)方向倾斜，而不是向电介透镜的厚度方向(z轴方向)倾斜。于是，台阶表面Sc3构成了包含主光线OP3的直线方向在内的锥体侧面(的一部分)。
图6(B)中的台阶表面Sc1′、Sc2′、Sc3′、Sc4′代表分别这样校正过的台阶表面。前侧折射表面Sr1′、Sr2′、Sr3′、Sr4′的范围也要随着台阶表面的这种校正发生变化。
在图3的步骤S7中，完成上述台阶表面倾斜角的校正过程。
上述台阶表面的倾斜角校正过程的效果是，可以抑制由于磁场分布的紊乱引起的衍射现象。图7表示一种模拟的结果，它模拟的是有关一个台阶分区透镜的磁场分布，在一个台阶分区透镜中，只在一个位置产生台阶。这里，参考标记10为电介透镜，20为主发射器。于是，在台阶表面和与其相邻的前侧折射表面的边界部分产生面向内的尖锐的下凹部分和面向外的尖锐上凸部分，所说的下凹部分和上凸部分的存在使磁场分布发生了扰动，并且由于衍射现象，向附图的右下方向产生了一个旁瓣。如图6中的(B)所示，使在台阶表面和与其相邻的前侧折射表面之间产生的下凹部分V和上凸部分T构成的角度的陡峭程度下降，可以防止磁场分布受到扰动，由此可以抑制衍射现象。
采用图6中所示的例子，已经确定了台阶表面的倾斜角，因此台阶表面包含从原点(焦点)0进入电介透镜的后表面的任意位置的、受到折射、并通过电介透镜传播的电磁波的主光线，但是台阶表面的倾斜角有一定量的容差，用于改进上述的增益和抑制上述的衍射。图8说明由于倾斜角变化所引起的增益变化。如图8(A)所示，由主光线的光路OP和台阶表面Sc形成的角度ε在台阶表面的倾斜角校正不充分的状态下表示为+，并且在倾斜角过分倾斜的状态下表示为-，并且当改变这个角度ε时的再次变化量示于图8(C)中。在这里，将ε＝0时的增益变化量设定为0。从这个结果可以清楚地理解，电介透镜的增益变化的可接受的数值在一般情况下大约为10％，所以在台阶表面Sc的倾斜角ε＝±20°的范围之内，可以获得很好的增益特性。
下面参照附图9-11描述第三实施例的电介透镜及其设计方法。
这第三种实施例表示一种当改变孔径表面分布时改变电介透镜的形状的举例。图10表示三种类型孔径表面分布的例子。另外，在图9(A)-(C)中表示电介透镜的形状，其中给定了图10中的三个孔径表面分布。图10中的A、B、C分别对应于图9中的(A)、(B)、(C)。图10的孔径表面分布全是表示式(4)中所示的抛物线锥形分布，只有参数c和n是变的。图9中所示的每个例子是四步分区的示例，其中在四个位置发生台阶。其中，电介透镜的表面一侧越接近上凸形状，孔径表面分布越接近均匀，但是相反，电介透镜的后表面一侧越接近上凸形状，孔径表面分布越变得从中心部分向周边边缘部分迅速跌落的形状。
图11说明天线的方向性随孔径表面分布的变化而改变的例子。于是，一旦像曲线a那样孔径表面分布接近均匀分布，这时主瓣变窄，但出现旁瓣，总体来看很大。一旦孔径表面分布的形状像曲线c那样从中心部分向周边边缘部分迅速衰减，这时主瓣的宽度很大，但使旁瓣受到抑制。另外，一旦孔径表面分布表现出在曲线a和曲线c之间的中间性质，就像曲线b那样，这时主瓣和旁瓣都表现出来，展示出在曲线a和曲线c之间的中间性质。确定孔径表面分布的图形，以便可以获得像这样的所预期的天线方向性。
图12表示第四实施例的电介透镜的形状和设计方法。图12中的(A)-(F)表示当改变电介透镜前表面一侧上的约束厚度位置时(图2中的zm)的结果。(A)是当确定zm＝40[mm]时的结果，(B)是当zm＝35[mm]时的结果，(C)是当zm＝30[mm]时的结果，(D)是当zm＝25[mm]时的结果，(E)是当zm＝23[mm]时的结果，(F)是当zm＝21[mm]时的结果。在(A)中没有进行分区。在(B)中进行一个台阶的分区。在(C)中进行两个台阶的分区。在(D)中进行四个台阶的分区。在(E)中进行五个台阶的分区。在(F)中进行六个台阶的分区。于是，分区的台阶数越多，可能使电介透镜越薄。
再有，随着分区的台阶数的增加，电介透镜的后表面一侧每一点的位置将会在z轴的正方向(电介透镜的表面方向)移动，由此可以减小电介透镜的体积，并且能够借此实现重量的大幅度减小。
图13表示第五实施例电介透镜的设计方法和制造方法。当通过模注制造上述的每个实施例中所示的电介透镜的时候，实现整体式的模注并非关键，可以逐个地模注对应的部分然后再将它们接合起来。图13中的虚线表示分割表面。例如，就像图13(A)所示那样，可以将电介透镜分成后表面一侧和前表面一侧。另外，如图13(B)所示，可以与其余的主体部分分开地模注通过分区在电介透镜的前侧上产生的突出部分。进而，如图13(C)所示，可以产生一种设备，其中在下凹部分实现分割模注，所述下凹部分是通过分区在电介透镜的前侧折射表面和台阶表面之间形成的，然后再将它们组合起来。
图14表示第六实施例电介透镜的形状、设计方法和方向性的一种实例。图14(A)是在一个含有电介透镜光轴在内的平面的剖面图。对于以上所示的每个实施例，都要通过由直线z＝zm规定的位置确定电介透镜的表面上的坐标是否达到预定的约束厚度位置，但这也可以利用任意的曲线来对此作出确定。图14所示的例子是以如下方式布置的结果确定在x-z平平面上形成一条曲线的厚度约束曲线TRL，在电介透镜内，在电介透镜表面上达到这个厚度约束曲线的坐标点，在光路长度规则公式中的光路长度减小一个波长。这样，通过确定厚度约束曲线TRL，就可以使电介透镜的表面形状与厚度约束曲线TRL的转动表面一致。通过确定厚度约束曲线，使得在透镜的中心部分的z通常是很大的，并在向周边边缘方向上逐渐变小，可以减小从电介透镜的中心部分到周边边缘部分的厚度变化，并使机械强度得到改善。而且，方便模具的设计。另外，通过接近弧形形状的电介透镜的后表面，并通过确定厚度约束曲线TRL，可以减小慧差。
在本实施例中，将电介透镜的后表面一侧上的周边边缘位置(计算起始位置)的坐标(x，z)设定为(45，0)，并将表面一侧上的周边边缘位置(计算起始位置)的坐标(x，z)设定为(45，2)。
图14(B)表示以方位角的方向所表示的方向性，将电介透镜的光轴方向设定为0。这里，主发射器具有用cos3.2θ表示的辐射图形。于是，得到如下的电介透镜天线特性具有尖锐的方向性，其中，在主瓣和最大旁瓣之间的水平差为20分贝或者更大些；并且，衰减-3分贝的射束宽度为2.8°。
图15是说明第六实施例的电介透镜及其设计方法的示意图。对于到现在为止的每个实施例，当电介透镜的表面上的坐标达到预定的约束厚度位置时，在表示光路长度规则的公式中的光路长度就已经减小了电介透镜中的波长的一个波长，但是光路长度可以减小整数倍，例如两个波长或三个波长。图15(A)中所示的例子就是进行下述设计的结果所有区域的光路长度中的每个光路长度都减小一个波长，并且约束厚度位置为zm＝19。图15(B)中所示的就是光路长度减小的结果，其中，对于周边部分x＝45到25和中心部分x＝15到0[mm]的范围，每个光路长度减小两个波长；对于x＝15到25的另一个范围，光路长度减小一个波长。
一般地说，对于天线特性贡献最大的部分是孔径表面分布的中心部分和周边部分。如图15(B)所示的不均匀分区，它可以抑制衍射现象，因为在电介透镜的中心部分和周边部分台阶的数目较少，借此，容易获得所预期的天线特性。
图15(C)表示使用图15(B)中所示形状的电介透镜的天线的方向性。通过与图14(B)比较可以理解，设束宽度变窄，下降到2.6°，并且，就方向性而论，在图14(B)中，由于衍射现象使第二旁瓣(靠近第一旁瓣外部的旁瓣)大于第一旁瓣(最靠近主瓣的旁瓣)，但是，对于图15(C)中的例子，可以看出衍射已经受到抑制，并且清楚地出现第一、第二和第三旁瓣，这就意味着衍射现象已受到抑制。
此外，图14和图15中所示的各电介透镜都使用介电常数为3的树脂材料作为电介透镜的电介材料，它们的直径为90[mm]，焦点为27[mm]，孔径表面分布为抛物线锥形分布，这些电介透镜对应于76-77GHz波段。
接下去，参照附图16和17描述第八实施例的电介透镜。
图16(B)是平面剖面图，其中包括电介透镜的光轴，图16(A)是用于电介透镜的主发射器的透视图。这里，使用矩形喇叭天线作为主发射器，通过通常在电介透镜天线10的焦点位置设置主发射器20，可以在光轴方向获得最尖锐的方向性。
此外，对于上述的主发射器，可以使用圆形喇叭天线、电介拉杆天线、接插天线、隙缝天线，或类似天线。
图17表示电介透镜天线的结构，设计这种天线用于扫描收发器光束。图17(A)至(D)当中的每一个都偏转发射和接收波束OB的方向，波束OB的方向是通过向电介透镜相对移动所述主发射器20并按这个主发射器20和电介透镜10的空间关系予以确定的。图17(A)的例子是通过在垂直于光轴OA并在焦点位置附近通过的一个表面上向电介透镜相对移动主发射器20，以扫描发射和接收波束OB。图17(B)的例子是在垂直于光轴OA并在焦点位置附近通过的一个表面上设置多个主发射器20，以便通过使用电子开关切换这些主发射器20来扫描发射和接收波束OB。图17(C)的例子是通过使主发射器20在电介透镜10的焦点位置附近机械转动，以扫描发射和接收波束OB。图17(D)的例子是在预定的弯曲表面上或靠近电介透镜10的焦点位置的曲线上设置多个主发射器20，并通过利用电子开关进行变化来扫描发射和接收波束OB。
采用每一种有如上述的电介透镜，在台阶表面和折射表面之间产生一个下凹部分，象陡峭的山谷那样，尘土、雨、雪容易粘结到或积存在这个下凹部分中。对于下面的第九至第十一实施例，描述具有可以防止尘土、雨、雪粘结结构的电介透镜器件。
图18和图19是说明第九实施例的结构示意图。图18(A)是电介透镜10与天线罩11分开的外部视图，天线罩11设置在电介透镜的表面一侧。另外，图18(B)是在组合电介透镜和天线罩之前的剖面图，而图18(C)是电介透镜器件12的剖面图，其中组装了两个电介透镜。
电介透镜10是在第一至第八实施例所示分区透镜中的任何一种，并且可以用作车内76GHz波段雷达的天线。具体来说，这样的透镜，其直径为90mm，焦距为27mm，并且是用介电常数为3.1的树脂材料模注而成的。
如图18所示，天线罩11的形状可以填充下凹部分，因而可以消除电介透镜10的前面一侧的不均匀性，并且还使电介透镜的前面一侧成为平面。
这个天线罩11由介电常数为1.1的泡沫材料(树脂泡沫)构成。这就是说，这个天线罩11是通过提供一个模具制成的，所述模具用于在电介透镜的表面一侧内模注上述泡沫材料，并将这种泡沫材料注入该模具中。
应予说明的是，可以与电介透镜10无关地单独模注天线罩11。在这种情况下，用具有低介电常数的粘结剂粘结电介透镜10和天线罩11，并且利用粘结剂填充于二者之间的小间隙内。作为另一种可供选择的方式，可以十分简单地使电介透镜和天线罩紧密接触，而不使用粘结剂或类似物。
这种结构可以防止尘土、雨、雪粘到电介透镜10的下凹部分，因此在构成电介透镜天线时，可以消除天线性能下降的因素。
图19说明已经获得的光线(电波)从焦点开始沿电介透镜10的表面的方向出射的结果，其中对于提供上述天线罩11的情况和不提供上述天线罩11的情况都使用光线跟踪方法。
由于天线罩11的介电常数(1.1)一般而言是等于周围空气的介电常数(1.0)的，因此，对于电介透镜10的前面一侧折射表面和天线罩11的界面的折射实际上是没有任何负面影响的。约束，如图19(A)所示，几乎不存在由电介透镜10和天线罩11构成的电介透镜器件12的光线紊乱问题，并且，从电介透镜器件12离开的光是几乎与只有电介透镜10情况一样的平行光。
结果，没有提供天线罩11构成的电介透镜天线的天线增益是34分贝，由提供天线罩11的电介透镜器件12构成的电介透镜天线增益是33分贝。这表明，天线增益的性能下降具有可以忽略的水平。
应予说明的是，可以做如下的布置电介透镜10前面一侧上的外部介质的介电常数也用于天线罩11的介电常数，并且求解[表示式1]至[表示式3]的联立方程，由此可设计出电介透镜的形状。于是，穿过天线罩11的内侧的光变为平行光。如图18和19所示，由于平行光穿过这个天线罩11的表面和空气之间的界面，所以在这个天线罩11和空气的界面上没有产生改变方向性的折射，这是由于天线罩11的前面一侧被形成为平面的缘故。因此，并没有因为增加了天线罩11而发生比如使电介透镜天线性能下降的天线增益之类的问题。
图20是第十实施例电介透镜器件的剖面图。对于这个例子，只在电介透镜10的表面一侧的下凹部分提供天线罩11。具体来说，天线罩11是通过以介电常数为1.1的泡沫材料填充电介透镜10的下凹部分而由泡沫材料形成的。
由于与电介透镜10的介电常数相比，天线罩11的介电常数是充分小的，而且接近空气的介电常数，所以从电介透镜10和天线罩11开始穿过到达前面一侧的光基本上仍然是平行光。因此，设置天线罩11不会引起电介透镜天线性能下降的问题。
由于采用这样的结构，覆盖电介透镜10的表面的天线罩的体积是微小的，所以进一步减小了光线的紊乱，进一步抑制了电介透镜天线的性能下降。而且，可以将整个电介透镜器件12做得很薄。
图21(A)是说明第十一实施例电介透镜器件的结构示意图。图21(B)表示天线罩11的表面形状的设计过程。
这里，采用n是0或较大的整数，以及λ是在天线罩11内的波长，则确定天线罩11的表面形状，以使天线罩11的前表面距电介透镜10的前表面刚好是λ/4+nλ。
沿图21(B)中所示电介透镜10的表面所画出的多条直线表示是天线罩11可能采取的表面位置。靠近电介透镜10的尚未进行分区的部分的前侧折射表面SrO的部分所取的位置距前表面刚好是λ/4，以此作为天线罩1 1的前表面。对于用作已经进行分区的电介透镜10的部分的前侧折射表面Sr1和Sr2，对于n进行确定，以使距电介透镜10的表面刚好是λ/4+nλ，并且在天线罩11的前表面上不会发生这个步骤—如果可能发生的话。对于图21(A)的这个例子，将靠近前侧折射表面Sr1的部分设定为λ/4+2λ(＝9λ/4)，将靠近前侧折射表面Sr2的部分设定为λ/4+4λ(＝17λ/4)。用锥形表面(横截面为直线)或弯曲表面(横截面为曲线)连接不连续的部分。
于是，通过设计天线罩各部分的厚度，在电介透镜10的表面上的折射以及在天线罩11的表面上的反射能够以相反的相位在天线罩表面上汇合，抵消了反射光。结果，使在电介透镜器件12的表面上的反射被抑制到很低的水平。
还有，选择天线罩11的介电常数，使其具有关系ε2＝√(ε1)，用ε1表示电介透镜10的介电常数，用ε2表示天线罩11的介电常数。例如，当电介透镜10的介电常数ε1为3.1时，ε2＝√(3.1)，近似等于17.6，所以，构成天线罩11的树脂材料的介电常数约为1.76。
由于电介透镜10的表面上的反射光强度与天线罩11的表面上的反射光强度是一致的，所以，上述抵消效应是最大的，并且获得了最大的低反射性能。
应予说明的是，当把天线罩的表面形状设计成使得有如图21所示那样尽可能地不发生这些步骤，则使整个电介透镜器件的厚度再一次地增大，而与通过分区形成薄形电介透镜无关。然而，与使用不经受分区的单个电介透镜的情况相比，有如上述那样得到低的反射性能。而且，与电介透镜10相比，天线罩11的介电常数是小介电常数，并且比重是小的，由此可以实现总重量的减小。
图22是说明第十二实施例的毫米波雷达的结构方块图。图22中的VCO51是压制振荡器，可以使用耿式二极管或场效应晶体管、变容二极管、如此等等，它们用发射信号Tx调制振荡信号，并且经过NRD导向器向Lo分支耦合器52提供调制信号(发射信号)。Lo分支耦合器52是由NRD导向器构成的耦合器，NRD导向器取出部分发射信号，作为本地信号；方向耦合器是由这种Lo分支耦合器52和终端56构成的。循环器53是NRD导向循环器，并向电介透镜天线的主发射器20提供所述发射信号，并且向混频器54发送从主发射器20接收的信号。主发射器20和电介透镜10构成电介透镜天线。混频器54混合从循环器53接收的信号和上述本地信号，并输出中间频率的接收信号。低噪声放大器(LNA)55使从混频器54接收的信号经受低噪声放大，并且输出这个信号，作为接收信号Rx。图外的信号处理电路用于控制主发射器移动机构21，还从VCO的调制信号Tx和Rx信号之间的关系检测距目标的距离和相对速度。应予说明的是，对于发射线路而言，除了上述的NRD导向器以外，还可以使用波导管或MSL。
工业实用性可将本发明应用到用于发射和接收微波段和毫米波段的电波的电介透镜天线。
权利要求
1.一种电介透镜的设计方法，所述方法包括如下步骤第一步，确定所预期的孔径表面分布；第二步，将面对电介透镜的第一主发射器一侧的后表面侧的菲涅耳定律、电能守恒定律和代表光路长度规则的公式转换为联立方程，并根据从电介透镜的焦点到电介透镜后表面的主光线的方位角θ计算在电介透镜的主发射器和上说后表面对面的前侧的表面的形状；第三步，当在电介透镜表面上的坐标到达预定的约束厚度位置时，使上述表示光路长度规则的公式中的光路长度减小空气中波长的整数倍；其中，使主光线的方位角θ从它的起始值开始变化，并重复上述第二步和第三步。
2.根据权利要求1所述的电介透镜的设计方法，其中，还包括如下步骤第四步，通过使所述光路长度减小波长的整数倍，使所述台阶表面向着焦点方向而不向着电介透镜的厚度方向倾斜，然后重复第二步和第三步，直至所述方位角θ达到最终值，以校正台阶表面的倾斜角，所述阶表面的倾斜角是在电介透镜的主发射器对面的前侧表面上发生的。
3.根据权利要求2所述的电介透镜的设计方法，其中，所述台阶表面相对于电磁波的主光线所形成的角度取为限制值±20°之间的角度，所述电磁波的主光线是从上述焦点进入电介透镜的后表面的任意位置，并在电介透镜内折射是逐渐行进的。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的电介透镜的设计方法，其中，所述的方位角θ的初始值取为从所述焦点到电介透镜周围末端位置的主光线形成的角度，所述方位角θ的最终值取为从所述焦点到电介透镜光轴的主光线形成的角度。
5.一种电介透镜的制造方法，所说方法包括如下步骤使用权利要求1-3任一种所述电介透镜设计方法设计电介透镜的形状的过程；制备注模模具的过程；和在所述注模模具中注入树脂，利用树脂产生电介透镜的过程。
6.一种电介透镜，它的主要部分形成以光轴为转动中心的旋转对称部件，并且它的在与主发射器对面的前侧的表面包括沿着表面的方向突起的多个前侧折射面；和一个台阶表面，所述台阶表面连接在相邻的前侧折射面之间；其中，所述台阶表面相对于从焦点进入面对上述主发射器后表面的任意位置并在电介透镜内伸展的主光线形成±20°的角度，而且在通过所述前侧折射表面的主光线的上述后表面内的一个位置，提供分区的弯曲表面。
7.根据权利要求6所述的电介透镜，其中，通过在所述前侧折射表面和后表面之间分区形成的弯曲表面是由关于后表面的斯涅耳定律、光路长度条件和提供预期孔径表面分布的电能守恒定律所获得的弯曲表面。
8.一种电介透镜器件，所述电介透镜包括按照权利要求6或7那样的电介透镜；和天线罩，所述天线罩形成于电介透镜的表面上，因此可以填充由所述前侧折射表面和台阶表面形成的下凹部分，所述天线罩的介电常数小于电介透镜的介电常数。
9.根据权利要求8所述的电介透镜器件，其中，当分别将所述天线罩的介电常数表示为ε2，以及将所述电介透镜的介电常数表示为ε1时，满足ε2√(ε1)。
10.根据权利要求8或9所述的电介透镜，其中，所述天线罩表面的形状连接离电介透镜表面的距离为λ/4+nλ的多个弯曲表面，其中n为大于等于0的整数，λ为波长。
11.一种收发装置，包括按照权利要求6或7那样的电介透镜，或权利要求8-10中任一项那样的电介透镜器件；以及主发射器。
全文摘要
为设计电介透镜，第一步确定预期的孔径表面分布，第二步将电能守恒定律、后表面一侧的菲涅耳定律以及代表光路长度规则的公式转换为联立方程，并根据从电介透镜的焦点到电介透镜后表面的主光线的方位角θ计算电介透镜的表面和后表面的形状，第三步，在电介透镜表面上的坐标达到预定的约束厚度位置时，使上述表示光路长度规则公式中的光路长度减小波长的整数倍。使上述方位角θ从其起始值依次变化，并重复第二步和第三步。于是，在构成电介透镜时使天线性能保持在良好状态的同时，通过分区，可实现尺寸减小和分区量化。
文档编号H01Q15/08GK1856907SQ20048002744
公开日2006年11月1日 申请日期2004年6月15日 优先权日2003年10月3日
发明者永井智浩 申请人:株式会社村田制作所