CN113574737A - 无线通信用装置 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种无线通信用装置，不使透明的物体中的可见光的透射率大幅降低地，形成指向性控制阵列。上述无线通信用装置具备：基材；指向性控制阵列，在基板上具有由规定的二维图案构成的多个单位元件；布线部，在基材上与直流电源电连接，用于向各个单位元件施加直流电压；以及控制部，控制向多个单位元件施加的直流电压。

Description

无线通信用装置
技术领域
本公开涉及无线通信用装置。
背景技术
已知有与反射阵列那样的指向性控制阵列相关的技术。另外，关于这种指向性控制阵列，已知如果利用超材料的特性，则能够以对入射的电波赋予所希望的指向性的方式使电波反射或者透射(例如专利文献1、2)。
专利文献1：日本特开2012-049931号公报
专利文献2：日本特开2013-48344号公报
然而，在上述那样的现有技术中，难以在不使可见光在窗玻璃那样的透明物体中的透射率大幅降低的情况下形成指向性控制阵列。
发明内容
因此，在一个方面中，本发明的目的在于不使可见光在透明的物体中的透射率大幅降低地下形成指向性控制阵列。
在一个方面中，提供一种无线通信用装置，具有：
基材；
指向性控制阵列，在上述基材上具有由规定的二维图案构成的多个单位元件；以及
布线部，与直流电源电连接，用于向上述多个单位元件的各个施加直流电压，
上述无线通信用装置还具备控制部，对朝向上述多个单位元件施加的直流电压进行控制。
在一个方面中，根据本发明，能够在不使可见光在透明的物体中的透射率大幅降低的状态下形成指向性控制阵列。
附图说明
图1是示意性地表示配置有本发明的实施方式1所涉及的通信用装置的建筑物的一个例子的简图。
图2是简要表示设置于一个窗玻璃的通信用装置的图。
图3是在图2的箭头A1的方向上观察的简图。
图4是简要表示与实施方式1的通信用装置相关的控制系统和利用了通信用装置的通信方式的图。
图5是通信用装置的动作的说明图。
图6是图2的Q1部的放大图。
图7是沿着图6的线B-B的剖视图。
图8A是表示本发明的单位元件和布线部的一个例子的说明图。
图8B是表示单位元件(以及单位元件所包含的开关电路)的一个例子的说明图。
图9是控制用的映射信息的说明图。
图10A是表示由电压施加图案的不同实现的指向性控制阵列的反射角度的不同(变化)的图。
图10B是表示由电压施加图案的不同实现的指向性控制阵列的反射角度的不同(变化)的图。
图10C是电压施加图案的说明图。
图10D是电压施加图案的说明图。
图11是表示由微型计算机执行的指向性控制处理的一个例子的流程图。
图12是简要表示与本发明的实施方式2的通信用装置相关的控制系统和利用了通信用装置的通信方式的图。
图13是本发明的实施方式3的通信用装置的说明图。
图14A是在窗玻璃的剖视下，对指向性控制阵列中的折射角度进行说明的图。
图14B是在窗玻璃的剖视下，对指向性控制阵列中的折射角度进行说明的图。
图15是变形例(设置于壁的例子)的说明图。
图16是模拟中使用的模型的说明图。
图17是模拟中使用的模型的说明图。
图18A是表示应用了特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图18B是表示应用了特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图18C是应用了特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图18D是应用了特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图18E是特定的电压施加图案的说明图。
图19A是表示应用了另一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图19B是表示应用了另一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图19C是应用了另一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图19D是应用了另一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图19E是另一特定的电压施加图案的说明图。
图20A是表示应用了又一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图20B是表示应用了又一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的图。
图20C是应用了又一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图20D是应用了又一特定的电压施加图案的情况的模拟结果的说明图。
图20E是又一特定的电压施加图案的说明图。
图21是又一特定的电压施加图案的应用比较适合的环境的一个例子的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图并对各实施方式进行详细说明。此外，在附图中，为了易看性，有时对存在的多个相同属性的部位仅标注一部分附图标记。
[实施方式1]
图1是示意性地表示配置有本发明的实施方式1所涉及的通信用装置1(无线通信用装置的一个例子)的建筑物BD的一个例子的简图。
本实施方式的通信用装置1也可以例如如图1所示那样设置于建筑物BD。建筑物BD的种类是任意的，例如是高层的建筑物林立的地域上的建筑物。在高层的建筑物林立的地域，容易产生电波无法正常到达的盲区(通信环境不好的地域乃至空间，也被称为“盲带”)。通信用装置1是如后所述减少盲区的问题的装置，在本说明书中，“盲区”是指不存在本实施方式的通信用装置1的情况下的盲区。
此外，通信用装置1可以在LTE(Long Term Evolution：长期演进技术)、LTE-A(LTE-Advanced：LTE升级版)、第五代移动通信系统、UMB(Ultra Mobile Broadband：超行动宽带)、IEEE802.11(Wi-Fi(注册商标))、IEEE802.16(WiMAX(注册商标))、IEEE802.20、UWB(Ultra-Wideband：超宽带)、Bluetooth(注册商标)、LPWA(Low Power Wide Area：低功耗广域)、其它扩展后的通信系统等的任意的通信系统中被利用。
如后所述，通信用装置1具有作为基站装置的功能，因此在上述的地域中，通信用装置1的可用性进一步变高。此外，随着频率变高，反射、衍射导致的传播损失变大，容易产生这样的盲区。因此，通信用装置1适于处理较高的频率的通信。
在本实施方式中，作为一个例子，如图1所示，通信用装置1设置于建筑物BD的窗玻璃10。该情况下，通信用装置1也可以设置于建筑物BD的所有窗玻璃10，但如图1所示，设置于一部分窗玻璃10即可。例如，设置有通信用装置1的窗玻璃10可以是盲区内的窗玻璃10、盲区周边的窗玻璃10。此外，在电波的效率性方面，窗玻璃10距地面的高度优选为1～14m，特别优选为2～10m。
图2是简要表示设置于某一窗玻璃10的通信用装置1的图，是在与窗玻璃10的表面垂直方向上观察的俯视图。图3是在图2的箭头A1的方向上观察的简图。
在图2中，与窗玻璃10一起示出了窗框(框体)7。窗玻璃10是透明的。此外，在本说明书中，“透明”是可见光的透射率为50％以上的状态，但优选可见光的透射率为60％以上，更优选可见光的透射率为70％以上。窗玻璃10也可以是多层玻璃，层数是任意的。另外，在变形例中，代替窗玻璃10，也可以利用由树脂(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚乙烯)、玻璃树脂复合体(例如，纤维增强塑料)或者陶瓷等材料形成的透明的板材。
窗玻璃10的厚度是任意的。作为形成窗玻璃10的玻璃板，能够例示透明的无机玻璃。作为无机玻璃，能够例示通常的碱石灰玻璃、硼硅酸玻璃、无碱玻璃或者石英玻璃等。对于成形法没有特别限定，例如，能够例示由浮法制造的浮板玻璃。另外，也可以使用不添加着色成分的无色透明的材质，或者也可以使用着色后的着色透明的材质。
在本实施方式中，作为一个例子，如图2所示，通信用装置1包括指向性控制阵列20、印刷电路基板30、天线部40以及处理装置50。
指向性控制阵列20是反射型(反射阵列)。指向性控制阵列20将窗玻璃10作为电介质的基材(可见光的透射率为50％以上的基材的一个例子)而形成。指向性控制阵列20可以形成于窗玻璃10的整个面，或者也可以如图2所示那样形成于窗玻璃10的一部分。但是，指向性控制阵列20优选如图2所示那样以与窗框7邻接的方式形成。该情况下，利用窗框7能够容易地实现外观良好的布线构造。指向性控制阵列20的构造如后所述。此外，在透明性方面，基材的可见光透射率优选为60％以上，进一步特别优选为70％以上。
印刷电路基板30安装有与指向性控制阵列20相关的各种电子部件(包括处理装置50)。印刷电路基板30与指向性控制阵列20同样，设置于窗玻璃10上。但是，在变形例中，印刷电路基板30也可以配置在窗框7内、其它的部位。
如图3所示，天线部40朝向指向性控制阵列20放射电波。天线部40也可以设置于窗玻璃10上，但优选如图3所示那样设置于窗框7。在设置于窗框7的情况下，利用窗框7相对于窗玻璃10的高度H1，容易向窗玻璃10中的较宽的范围(形成指向性控制阵列20的范围)放射电波。此外，在图3中，用阴影区域S1示意性地表示来自天线部40的电波的放射形态。
处理装置50安装于印刷电路基板30上。此外，处理装置50的结构的一部分也可以与印刷电路基板30分开安装。处理装置50如后所述，控制由指向性控制阵列20反射的电波的指向性。
此外，在图2中，印刷电路基板30(以及与之相伴的处理装置50)配置于窗玻璃10上，但不限于此。印刷电路基板30(以及与之相伴的处理装置50)的至少一部分(例如直流电源生成部53)也可以配置于与窗玻璃10邻接的壁部、顶部、地板部等那样的其它的部位。关于这一点，印刷电路基板30(以及与之相伴的处理装置50)的至少一部分(例如直流电源生成部53)优选配置于壁部内、天花板内、地板下等不可见的部位，该情况下，能够提高外观设计性。另外，从同样的观点出发，天线部40也可以配置于与窗玻璃10邻接的壁部、顶部、地板部等、或者不与窗玻璃10邻接的壁部、顶部、地板部等其它的部位。
图4是简要表示与本实施方式的通信用装置1相关的控制系统和利用了通信用装置1的通信方式的图。在图4中示出了两个用户终端U1、U2。在以下，为了进行区别，将用户终端U2也称为“外部的用户终端U2”。在图4中，示出外部的用户终端U2和用户终端U1进行通信的状况。用户终端U1例如存在于建筑物BD的室内(参照图5)。在关于图4的说明中，只要没有特别提及，“接收”和“发送”就以用户终端U1为基准，例如“接收”是指用户终端U1从外部的用户终端U2接收数据等时的“接收”。
如图4所示，处理装置50包括微型计算机51(以下，称为“MICOM51”)(控制部的一个例子)、通信电路部52以及直流电源生成部53(电源生成部的一个例子)。
MICOM51进行指向性控制阵列20的控制。向MICOM51输入指向性指示(反射方向指示)作为外部输入。外部输入例如从管理建筑物BD的管理计算机(未图示)、用户终端U1等输入。MICOM51基于指向性指示，控制指向性控制阵列20。对于该控制参照图11等后述。此外，MICOM51除此之外也可以执行通信电路部52等的控制。MICOM51基于在直流电源生成部53中生成的电源电压V0进行动作。
通信电路部52包括通信接口521、基带电路部522以及RF电路部523。通信电路部52基于在直流电源生成部53中生成的电源电压V0进行动作。
通信电路部52经由通信接口521与外部的网络N连接，经由网络N与外部的用户终端U2进行通信。此外，在通信电路部52中处理的通信是声音通信、数据通信等任意的通信。
此外，网络N也可以包括无线通信网、因特网、VPN(Virtual Private Network：虚拟专用网络)、WAN(Wide Area Network：广域网)、有线网络、或者它们的任意的组合等。
外部的用户终端U2是与后述的用户终端U1不同的终端，相对于用户终端U1例如位于远程位置。因此，例如在外部的用户终端U2和用户终端U1进行通信的状况(图4所示的状况)下，假定外部的用户终端U2和用户终端U1的各用户是不同的用户。
通信接口521是用于与网络N连接的接口。
基带电路部522进行将IP分组和基带信号相互转换的处理。
RF电路部523通过对从基带电路部522接收到的基带信号进行D/A(Digital-to-Analog：数字-模拟)转换、调制、频率转换以及功率放大等，从而生成应从天线部40发送的无线信号(RF信号)。另外，RF电路部523通过对由天线部40接收到的无线信号进行频率转换、A/D(Analog to Digital)转换、解调等从而生成基带信号，提供给基带电路部522。
从外部的用户终端U2接收数据等时，基带电路部522基于经由通信接口521得到的接收数据，生成与该接收数据相应的基带信号，并提供给RF电路部523。该情况下，RF电路部523基于来自基带电路部522的基带信号，生成与该基带信号相应的无线信号，并经由天线部40放射与所生成的无线信号相应的发送电波(参照图4的R1)。
向外部的用户终端U2发送数据等时，RF电路部523生成与经由天线部40接收到的电波(来自用户终端U1的电波)相应的基带信号并提供给基带电路部522。基带电路部522基于经由RF电路部523得到的基带信号，生成向外部的用户终端U2的发送数据，并将所生成的发送数据经由通信接口521向外部的用户终端U2发送。
如图4所示，直流电源生成部53与作为外部电源的例如交流电源600(供给到建筑物BD的交流电源)电连接，基于交流电源600生成直流的电源电压V0。直流电源生成部53所生成的电源电压V0不仅用于MICOM51和通信电路部52的动作，也用于指向性控制阵列20的动作。对于指向性控制阵列20的动作在后面详细说明。
图5是通信用装置1的动作的说明图，是示意性地表示通信用装置1设置于窗玻璃10的室内的状态的图。在图5中，用阴影区域S2示意性地表示从通信用装置1的指向性控制阵列20向用户终端U1发送的电波(参照图4的箭头R2)的放射形态。
在接收时，若被入射来自天线部40的电波(参照图3)，则指向性控制阵列20基于该电波，输出朝向室内侧的反射波(参照图4的箭头R2、图5的S2)。例如，如上述那样，从天线部40朝向指向性控制阵列20放射来自外部的用户终端U2的接收数据所涉及的电波。因此，该情况下，室内的用户终端U1能够通过接收来自指向性控制阵列20的反射波，从而接收来自外部的用户终端U2的接收数据。
另外，在发送时，若被入射来自用户终端U1的电波(参照图4的箭头R2)，则指向性控制阵列20基于该电波，输出朝向天线部40的反射波(参照图4的箭头R1)。例如，如上述那样，从用户终端U1放射向外部的用户终端U2的发送数据所涉及的电波，入射到指向性控制阵列20。因此，该情况下，天线部40接收来自指向性控制阵列20的反射波，从而通信用装置1能够向外部的用户终端U2发送发送数据(经由通信电路部52和网络N)。
根据这样的图4所示的通信方式，用户终端U1和外部的用户终端U2能够经由通信用装置1进行通信。具体而言，利用使用窗玻璃10而形成的指向性控制阵列20，能够在室内的用户终端U1与外部的用户终端U2之间成立通信。这样，通信用装置1能够作为基站装置发挥功能，即使用户终端U1位于上述那样的盲区的情况下，也能够在与外部的用户终端U2之间成立通信。
接下来，参照图6以后，对指向性控制阵列20进一步进行说明。
图6是图2的Q1部的放大图，是指向性控制阵列20的说明图。图7是沿着图6的线B-B的剖视图。此外，图6是从窗玻璃10的室内侧观察的俯视图。另外，在图6中，参照图8A省略后述的布线部90和开关电路94的图示。
如图6所示，指向性控制阵列20包括形成于窗玻璃10上的多个导电体21。多个导电体21分别形成后述的一个单位元件70，以规定的二维图案设置。规定的二维图案由图6所示那样的各种参数p1、p2、g1、g2等决定。此外，在前面出现的图3(后面出现的图10A等也同样)中，形成指向性控制阵列20的薄的导电体21等被省略图示。
参数p1是导电体21之间的纵向的间距，参数p2是导电体21之间的横向的间距，参数g1是导电体21之间的纵向的间隔距离，参数g2是导电体21之间的横向的间隔距离。此外，参数p1和参数g1是受导电体21的纵向的尺寸影响的参数，但导电体21的纵向的尺寸也可以作为新的参数被利用。对于导电体21的横向的尺寸也同样。
各种参数p1、p2、g1、g2不需要是恒定的，如后所述，适合于对后述的多个单位元件70的每个电压施加图案实现所希望的指向性。此外，在图6中，多个导电体21在俯视时为矩形的形态，但不需要为矩形，另外，多个导电体21的形状也不需要是恒定的。另外，多个导电体21的一部分或者全部也可以具有立体的结构(即在与窗玻璃10的表面垂直方向上具有特点的形状)。
另外，如图7所示，指向性控制阵列20以隔着窗玻璃10与多个导电体21对置的方式形成有接地用的导电体22。即，在窗玻璃10中的室外侧的表面，在与多个导电体21对置的区域(即指向性控制阵列20的形成区域)形成有导电体22。但是，在变形例中，也可以省略导电体22。此外，导电体22是没有被分割成多个的形态，但也可以与导电体21同样被分割。
在这里，在本实施方式中，多个导电体21和导电体22优选为透明的。由此，能够使窗玻璃10中的设置有多个导电体21和导电体22的区域(即窗玻璃10中的设置有指向性控制阵列20的区域)成为透明。即，多个导电体21和导电体22能够不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低地设置于窗玻璃10上。这样，指向性控制阵列20能够在不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低的情况下，利用窗玻璃10而成立。
作为多个导电体21和导电体22，例如能够使用由掺锡氧化铟(ITO)、氧化锡等氧化物构成的导电体、由Low-E那样的多层构成的导电体。Low-E是Low emissivity的缩写，已知有用电介质层夹着导电性的透明氧化膜、膜厚约10nm的银膜，对在可见区域为低反射率、在红外区域为高反射率的银多层膜进行涂布而成的导电体。多个导电体21和导电体22的厚度没有特别限定，但作为一个例子是0.002mm～0.020mm。此外，如果多个导电体21和导电体22的厚度为0.020mm以下，则通过蚀刻等容易进行图案成型。导电体21的导电性在作为阵列的性能方面，优选薄膜电阻为10Ω/sq以下，更优选为1Ω/sq以下，最优选为0.1Ω/sq以下。导电体22的导电性在性能方面，优选薄膜电阻为10Ω/sq以下，更优选为1Ω/sq以下，最优选为0.1Ω/sq以下。
多个导电体21也可以分别形成为网格状。将多个导电体21的各个形成为网格状，从而能够提高多个导电体21的透视性和透光性(以及伴随此，窗玻璃10中的设置有指向性控制阵列20的区域处的透视性和透光性)。
在将多个导电体21的各个形成为网格状的情况下，网眼可以是方形，也可以是菱形。在将网眼形成为方形的情况下，网眼优选为正方形。如果网眼是正方形，则外观设计性良好。另外，也可以是利用自组织化法的随机形状。通过形成随机形状而能够防止莫尔条纹。网格的线宽度优选为5～30μm，更优选为6～15μm。网格的线间隔优选为50～500μm，更优选为100～300μm。
另外，对于导电体22，与多个导电体21的各个同样，也可以形成为网格状。
图8A是表示单位元件70和布线部90的一个例子的说明图。图8B是表示单位元件70的开关电路94的一个例子的说明图。在图8A中，示出了多个单位元件70。
单位元件70能够作为超表面的单位元件发挥功能，按多个导电体21的每一个形成。一个单位元件70包括一个导电体21和与该一个导电体21电连接的一个开关电路94。多个单位元件70以分别各包含一个导电体21的形式排列为阵列状，从而形成指向性控制阵列20。
单位元件70的开关电路94可以以任意的方式来实现。例如在图8B所示的例子中，开关电路94包括二极管942和电容元件943。二极管942的阴极侧与地电连接，阳极侧经由电容元件943与导电体21电连接。电源线92的一端电连接于二极管942与电容元件943之间。该情况下，若向二极管942施加电源电压V0，则包含该二极管942的单位元件70(导电体21和开关电路94)作为超表面发挥功能。另一方面，在不向二极管942施加电压的情况下，包含该二极管942的单位元件70(导电体21和开关电路94)不作为超表面发挥功能。开关电路94不限于这样的结构，例如也可以包括晶体管那样的半导体开关元件、MEMS(Micro ElectroMechanical Systems：微电子机械系统)开关等。另外，晶体管的情况下，晶体管也可以作为薄膜设备与导电体21一体形成。
此外，在以下，向某一单位元件70施加电源电压V0(或者直流电压)是指，向该一个单位元件70的二极管942施加电源电压V0(或者直流电压)。
布线部90与由直流电源生成部53生成的电源电压V0电连接。布线部90形成为能够仅向多个单位元件70中的规定的单位元件70施加直流电压。另外，布线部90设定为优选多个单位元件70中的施加有直流电压的单位元件70的图案存在多种(参照图9)。
具体而言，布线部90包括接地线91和电源线92。电源线92和接地线91经由对应的开关电路94与对应的单位元件70连接。接地线91与地电连接，电源线92与电源电压V0电连接。该情况下，若向某单位元件70的开关电路94施加电源电压V0，则电源电压V0被施加到该单位元件70的开关电路94的二极管942。此外，接地线91也可以通过导通孔等与导电体22电连接，或者也可以以与电源线92同样的方式形成于窗玻璃10上。此外，在窗玻璃10上形成接地线91和电源线92的情况下，在电源线92和接地线91交叉的区域，可以设置绝缘膜等。
此外，电源线92可以相对于多个单位元件70的各个而设置，但多个单位元件70中的同时施加有电源电压V0的单位元件70(即，某一电压施加图案时施加电源电压V0的单位元件70)也可以通过共用的电源线92电连接。
布线部90的电源线92优选与多个导电体21同样是透明的。该情况下，电源线92能够在不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低的情况下，配置于窗玻璃10上。即，指向性控制阵列20所涉及的布线部90能够在不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低的情况下利用窗玻璃10而成立。
在这里，参照图9～图10D对电压施加图案与由指向性控制阵列20实现的指向性(反射角度)的关系进行说明。
图9是控制用的映射信息的说明图，是表示指示ID与电压施加图案的关系的一个例子的图。
在图9中，指示ID是指向性指示所包含的信息，电压施加图案表示多个单位元件70中的被施加直流电压的单位元件70的图案。电压施加图案以与指示ID建立对应的方式，按每个指示ID准备。在图9中，是如下情况：将电压施加图案“图案A”与指示ID“0001”建立对应，将电压施加图案“图案B”与指示ID“0002”建立对应。此外，电压施加图案的数量可以与由指向性控制阵列20实现的指向性的种类的数量对应，优选为两个以上，以能够实现多样的指向性。
图10A和图10B是表示由电压施加图案的不同实现的指向性控制阵列20的反射角度的不同(变化)的图，图10C和图10D是电压施加图案的说明图。图10A和图10B是在窗玻璃10的剖视下，对指向性控制阵列20中的反射角度进行说明的图。在图10C和图10D中，以一个矩形为单位非常示意性地示出了图8A和图8B中所示的单位元件70的各个。此外，在图10C和图10D中，为了便于说明，多个单位元件70以相同的大小且相同的形状，并以相同的间隔而配置，如上述那样，多个导电体21基于多样设定的参数而构成。
在图10C和图10D中，多个单位元件70中的施加有直流电压的单位元件70由阴影表示。
在这里，为了便于说明，图10C与电压施加图案“图案A”对应，图10A表示电压施加图案“图案A”时的反射角度。另外，图10D与电压施加图案“图案B”对应，图10B表示电压施加图案“图案B”时的反射角度。此外，该情况下，将多个单位元件70中的在图10C中被阴影化的单位元件70作为直流电压的施加对象的单位元件70而与“图案A”建立对应。同样地，将多个单位元件70中的在图10D中被阴影化的单位元件70作为直流电压的施加对象的单位元件70而与“图案B”建立对应。
在图10A～图10D的情况下，在电压施加图案为“图案A”时，如图10A所示，以入射角度(90－α)入射到指向性控制阵列20的电波以反射角度(90－β1)从指向性控制阵列20输出。另外，在电压施加图案为“图案B”时，如图10B所示，以入射角度(90－α)入射到指向性控制阵列20的电波以反射角度(90－β2)从指向性控制阵列20输出。此时，β1≠β2。
这样，在指向性控制阵列20中，通过使电压施加图案变化，能够使反射角度变化。而且，反射角度通过调整施加有直流电压的各单位元件70所涉及的导电体21的相位差，能够自由设计。例如，关于电压施加图案“图案A”，通过调整在电压施加图案为“图案A”时施加有直流电压的各单位元件70(在图10C中被阴影化的各单位元件70)所涉及的导电体21的相位差，从而能够将反射角度(90－β1)调整为所希望的值。在这里，参照图6，通过调整上述的导电体21所涉及的各种参数p1、p2、g1、g2等，能够调整各单位元件70所涉及的导电体21的相位差。这样，在这种指向性控制阵列20中，利用超材料乃至超表面的性质来调整各种参数p1、p2、g1、g2等，从而能够调整反射角度。
此外，在为相同的入射角度(90－α)时，反射角度根据电压施加图案发生变化是指，从指向性控制阵列20输出的电波的指向性根据电压施加图案发生变化。因此，在这种指向性控制阵列20中，通过调整各种参数p1、p2、g1、g2等，能够调整每个电压施加图案的指向性。而且，通过使电压施加图案变化，能够动态地使指向性变化。
接下来，参照图11，对本实施方式的通信用装置1的动作例(指向性控制阵列20的控制例)进行说明。
图11是表示由MICOM51执行的指向性控制处理的一个例子的流程图。在这里，作为一个例子，仅准备三种电压施加图案“图案A”～“图案C”。
在步骤S1100中，MICOM51判定是否接收到外部输入(指向性指示)。外部输入可以是来自任意的外部装置的输入，例如也可以是来自用户终端U1的输入。在判定结果为“是”的情况下，进入步骤S1102，在除此以外的情况下，进入步骤S1112。
在步骤S1102中，MICOM51判定指向性指示所包含的指示ID是否为“0001”(参照图9)。即，MICOM51判定是否指示了“图案A”。在判定结果为“是”的情况下，进入步骤S1104，在除此以外的情况下，进入步骤S1106。
在步骤S1104中，MICOM51将电压施加图案设定为“图案A”。此外，电压施加图案的初始值(默认值)例如可以是“图案A”。
在步骤S1106中，MICOM51判定指向性指示所包含的指示ID是否为“0002”(参照图9)。即，MICOM51判定是否指示了“图案B”。在判定结果为“是”的情况下，进入步骤S1108，在除此以外的情况下(即指示了“图案C”的情况)，进入步骤S1110。
在步骤S1108中，MICOM51将电压施加图案设定为“图案B”。
在步骤S1110中，MICOM51将电压施加图案设定为“图案C”。
在步骤S1112中，MICOM51基于当前所设定的电压施加图案，控制施加到多个单位元件70的直流电压。例如，当前所设定的电压施加图案为“图案A”的情况下，MICOM51对多个单位元件70中的与“图案A”建立对应的单位元件70施加直流电压。
这样，根据图11所示的处理，能够根据外部输入(指向性指示)，使电压施加图案以及与此相伴的指向性控制阵列20的指向性变化。因此，例如，通过输入与用户终端U1在室内的位置相应的外部输入(指向性指示)，能够调整指向性控制阵列20的指向性，以具有与用户终端U1在室内的位置相应的指向性。
此外，在上述的实施方式中，外部的用户终端U2作为与用户终端U1进行通信的对象侧而被例示，但利用通信用装置1能够与用户终端U1进行通信的对象是任意的。例如，利用通信用装置1，用户终端U1也能够与各种服务器进行通信。此外，外部的用户终端U2(对于用户终端U1也同样)是任意的，可以是智能手机、平板、PC(个人计算机)、游戏机、可穿戴设备等那样的具有通信功能的任意的终端。
根据以上说明的本实施方式，特别起到以下那样的优异的效果。
根据本实施方式，如上所述，利用窗玻璃10能够形成指向性控制阵列20，因此能够利用建筑物BD等中已经存在的窗玻璃，能够消除重新准备窗玻璃10以外的电介质的基材的必要性。但是，在变形例中，也可以将配置于室内等的分隔板、壁体的一部分作为基材来形成指向性控制阵列20。
然而，在利用窗玻璃10那样的透明的基材来形成指向性控制阵列20的情况下，以尽可能不损害窗玻璃10的本来功能的方式形成指向性控制阵列20是有用的。例如，在形成指向性控制阵列20的导电体21等为非透明的情况下，有可能较大地损害窗玻璃10的本来功能。
在这方面，根据本实施方式，如上所述，形成透明的导电体21和22，因此能够在不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低的情况下，在窗玻璃10上形成导电体21和22。另外，在布线部90的电源线92为透明的情况下，能够在不使窗玻璃10的可见光的透射率大幅降低的情况下，在窗玻璃10上形成布线部90。由此，能够在不损害窗玻璃10的本来功能的情况下，利用窗玻璃10形成指向性控制阵列20。
另外，在本实施方式中，在将处理装置50的一部分或者全部配置于壁部内等的不可见的部位的情况下，能够防止用于控制指向性控制阵列20的结构引起的外观的恶化。例如，将直流电源生成部53配置于窗玻璃10的外侧(例如窗框7内)，利用窗框7布置用于向形成指向性控制阵列20的多个单位元件70施加直流电压的布线部90与直流电源生成部53之间的布线等，从而能够良好地保持外观，并且利用窗玻璃10形成指向性控制阵列20。
另外，根据本实施方式，如上所述，存在于盲区的用户终端U1能够与外部的用户终端U2进行通信，因此能够减少盲区的问题。频率越高，盲区越多，因此特别是若面向将来的高速、宽带通信系统的实现而频率变高，则盲区的问题可能变得显著。在这方面，根据本实施方式，利用窗玻璃10那样的已有的物体，能够确保盲区处的良好的通信环境。
此外，在本实施方式中，指向性控制阵列20构成为基于从室内侧的天线部40入射的电波，向室内侧输出电波，但并不限于此。例如，将天线部40配置于室外侧(关于配置参照图13的天线部40B)，指向性控制阵列20B也可以构成为基于从室外侧的天线部40入射的电波，向室外侧输出电波。上述结构适于用户终端U1不存在于建筑物BD的室内，而存在于建筑物BD的外部、例如通过建筑物BD的前方的道路(特别是盲区内的道路)上的情况等。即，通信用装置1也能够构成为对建筑物BD的外部的盲区也发挥功能。
然而，在不设置指向性控制阵列20而从天线部40直接向室内侧放射电波的结构(即从天线部40向室内放射电波的结构)中，也有电波法等的关系，难以以覆盖室内的大范围的方式放射电波。另外，在上述的结构中，若想覆盖室内的大范围，则由于从墙壁等反射(由于延迟入射的电波，S/N比劣化)，也会产生干扰问题等。
在这方面，根据本实施方式，由于使用指向性控制阵列20，因此能够减少在从天线部40直接向室内侧放射电波的结构中产生的上述的不便。另外，例如也能够根据用户终端U1的位置来动态控制指向性控制阵列20的指向性，该情况下，也能够实现与波束成形同样的效果。
[实施方式2]
接下来，对实施方式2进行说明。关于本实施方式，对于可以与上述的实施方式1同样的构成要素，存在标注相同的附图标记而省略说明的情况。
图12是简要表示与本实施方式的通信用装置1A相关的控制系统和利用了通信用装置1A的通信方式的图。
基于实施方式2的通信用装置1A相对于基于上述的实施方式1的通信用装置1不同的点在于：不具备天线部40，用指向性控制阵列20A置换指向性控制阵列20，并且用处理装置50A置换处理装置50。
处理装置50A相对于基于上述的实施方式1的处理装置50不同的点在于：省略了通信电路部52。
指向性控制阵列20A是反射型(反射阵列)。指向性控制阵列20A相对于基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20，结构、配置相同，仅功能不同。具体而言，基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20介于在天线部40与用户终端U1之间的电波的收发，与此相对，指向性控制阵列20A介于在基站BS与用户终端U1之间的电波的收发。即，指向性控制阵列20A作为基站BS与用户终端U1之间的中继器发挥功能。
但是，在本实施方式中，指向性控制阵列20A相对于基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20，与导电体21和导电体22相关的室内外的配置也可以相反，以在窗玻璃10的室外侧配置单位元件70。
基于实施方式2的通信用装置1A适于用户终端U1不存在于建筑物BD的室内而存在于建筑物BD的外部、例如在建筑物BD的前方通过的道路(特别是盲区内的道路)上的情况等。
在接收时，若被从基站BS入射电波，则指向性控制阵列20A基于该电波输出反射波。例如，从基站BS放射来自外部的用户终端U2的接收数据所涉及的电波。因此，该情况下，用户终端U1接收来自指向性控制阵列20A的反射波，从而能够接收来自外部的用户终端U2的接收数据。
另外，在发送时，若从用户终端U1入射电波，则指向性控制阵列20A基于该电波，输出朝向基站BS的反射波。例如，如上述那样，从用户终端U1放射向外部的用户终端U2的发送数据所涉及的电波，入射到指向性控制阵列20A。因此，该情况下，基站BS接收来自指向性控制阵列20A的反射波，从而能够向外部的用户终端U2发送发送数据。
这样，在本实施方式中，用户终端U1也能够经由指向性控制阵列20A和基站BS，与外部的用户终端U2进行通信。具体而言，利用使用窗玻璃10而形成的指向性控制阵列20A，能够在用户终端U1(本实施方式的情况下，位于建筑物BD的外部的用户终端U1)与外部的用户终端U2之间成立通信。这样，通信用装置1能够作为基站装置发挥功能，即使在用户终端U1位于上述那样的盲区的情况下，也能够在与外部的用户终端U2之间成立通信。
[实施方式3]
接下来，对实施方式3进行说明。关于本实施方式，对于可以与上述的实施方式1同样的构成要素，存在标注相同的附图标记而省略说明的情况。
图13是本实施方式的通信用装置1B的说明图，对应于在本实施方式的情况下的图2的箭头A1的方向观察的简图。
基于实施方式3的通信用装置1B相对于基于上述的实施方式1的通信用装置1不同的点在于：用指向性控制阵列20B置换指向性控制阵列20，并且用天线部40B置换天线部40。
指向性控制阵列20B相对于基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20不同的点在于：是透射型而不是反射型。即，指向性控制阵列20B构成为基于从室外侧入射的电波，向室内侧放射电波。透射型的结构与反射型同样，能够利用超材料乃至超表面的性质，调整多个导电体21所涉及的各种参数p1、p2、g1、g2等而构成。即，通过调整各种参数p1、p2、g1、g2等，能够将由多个单位元件70构成的阵列(在背侧形成导电体22的阵列)自由设计为反射型或者透射型。
天线部40B相对于基于上述的实施方式1的天线部40不同的点在于：配置为从室外侧向指向性控制阵列20B入射电波。例如如图13所示，天线部40B也可以设置于窗框7的室外侧。该情况下，指向性控制阵列20B基于从室外侧透过窗玻璃10而入射的电波，向室内侧放射电波。
图14A和图14B是在窗玻璃10的剖视下，对指向性控制阵列20B中的折射角度进行说明的图。
如图14A和图14B示意性所示，指向性控制阵列20B构成为即使在从室外侧入射的电波的入射角度(90－α)相同的情况下，根据电压施加图案的不同，折射角度也不同。
具体而言，图14A表示电压施加图案为“图案A”时的折射角度，图14B表示电压施加图案为“图案B”时的折射角度。该情况下，电压施加图案为“图案A”时，以入射角度(90－α)入射到指向性控制阵列20B的电波如图14A所示那样以折射角度(90－γ1)从指向性控制阵列20B输出。另外，电压施加图案为“图案B”时，以入射角度(90－α)入射到指向性控制阵列20B的电波如图14B所示那样以折射角度(90－γ2)从指向性控制阵列20B输出。此时，γ1≠γ2。
这样，在指向性控制阵列20B中，通过使电压施加图案变化，能够使折射角度变化。而且，通过调整施加有直流电压的各单位元件70所涉及的导电体21的相位差，能够自由设计折射角度。例如，关于电压施加图案“图案A”，通过调整电压施加图案为“图案A”时施加有直流电压的各单位元件70(在图10C中被阴影化的各单位元件70)所涉及的导电体21的相位差，能够将折射角度(90－γ1)调整为所希望的值。这样，在这种指向性控制阵列20B中，利用超材料乃至超表面的性质，调整各种参数p1、p2、g1、g2等，从而能够调整折射角度。
此外，与反射的情况同样，在为相同的入射角度(90－α)时，根据电压施加图案而折射角度发生变化是指从指向性控制阵列20B输出的电波的指向性根据电压施加图案发生变化。因此，在这种指向性控制阵列20B中，通过调整多个导电体21所涉及的各种参数p1、p2、g1、g2等，能够调整每个电压施加图案的指向性。而且，通过使电压施加图案变化，能够动态地使指向性变化。
根据本实施方式，如上述那样，将窗玻璃10作为基材而利用，能够形成上述的透射型的指向性控制阵列20B，因此起到与上述的实施方式1同样的效果。
另外，基于本实施方式的透射型的指向性控制阵列20B也可以代替上述的实施方式2的指向性控制阵列20A而被利用。该情况下，上述的实施方式2与上述的实施方式1同样，适于用户终端U1存在于室内的情况。
接下来，参照图16及以后的附图，对本申请发明人所实施的模拟结果进行说明。在这里，对基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20所相关的模拟结果进行说明，但关于其它的实施方式，实质上是同样的。
图16和图17是本模拟中使用的模型的说明图，表示与一个单位元件70相关的模型。虽然未图示，但本模拟使用单位元件70以8×8的阵列配置而成的模型。另外，在本模拟中，入射到8×8的阵列的电波的频率(动作频率)为28GHz，偏振波方向在仰角方向上计算。在同阵列中，方位方向的间距(参照图6的参数p2)设为0.5λ，仰角方向的间距(参照图6的参数p1)设为0.5λ。此外，与窗玻璃10对应的基材的厚度是一定的，但在这次设计的例子中，厚度越大，越能够扩大得到以下说明的效果的电波的频带(带宽)。
此外，在本模拟中，如图16和图17所示，单位元件70的导电体21为经由PIN二极管942A接地的模型。此外，上述的结构能够通过将导电体21经由通孔(导通孔)6600与导电体22(参照图7)电连接而实现。
图18A～图18D是表示应用了图18E所示的电压施加图案的情况的模拟结果的图。图18A以反射侧的角度范围表示方位方向的RCS(Radar Cross Section：雷达散射截面)的特性(单位dB m2，以下相同)，图18B以反射侧的角度范围表示仰角方向的RCS的特性。在这里，如图18A示意性所示，在8×8的单位元件70的阵列中，从方位方向的相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向(330度)入射电波(参照图18C)。另外，在仰角方向上，从基准方向(0度的方向)入射电波。在图18A和图18B(后面出现的同样，图19A、图19B等也同样)中，电波的入射波用箭头Ri示意性表示，反射波用箭头Rr示意性表示。此外，在图18C(图18D也同样)中，电波相对于通信用装置1的入射方向(在图18D中，反射方向)用同样的箭头Ri、Rr示意性表示。此外，该情况下，通信用装置1表示包括8×8的单位元件70的阵列的装置整体。此外，对于这些而言，后面出现的同样的图(图19C、图19D等)也同样。
此外，图18E表示使横向与方位方向对应、使纵向与仰角方向对应时的向8×8的单位元件70的阵列中的各单位元件70的电压施加状态。电压施加状态为“ON”和“OFF”这两种，“ON”表示施加了直流电压的状态，“OFF”表示还未施加直流电压的状态。“ON”状态的单位元件中的反射相位和“OFF”状态的单位元件中的反射相位设计成大约错开180°。例如，在图18E的例子中，在方位方向上从左起第一列、第二列、第五列、第六列的所有单位元件70为“OFF”，剩余的所有单位元件70为“ON”。此外，这样表记的意义对于后面出现的图19E和图20E也同样。
在应用了图18E所示的电压施加图案的情况下，如图18A～图18D所示，在方位方向上，若从相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向入射电波，则得到表示向方位方向的基准方向(0度的方向)的反射波变强的特性的模拟结果。此外，若在方位方向上从相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向(330度)对单纯的金属板入射电波，则得到向相对于基准方向(0度的方向)形成30度的方向(30度)的反射变强的特性(未图示)。由此可知，根据基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20，能够实现在单纯的金属板中没有得到的反射特性。
图19A～图19D是表示应用了图19E所示的电压施加图案的情况的模拟结果的图。图19A以反射侧的角度范围表示方位方向的RCS的特性，图19B以反射侧的角度范围表示仰角方向的RCS的特性。在这里，如图19A示意性所示，在8×8的单位元件70的阵列中，与图18A～图18E所涉及的模拟的情况同样，从方位方向的相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向(330度)入射电波(参照图19C)。另外，在仰角方向上，从基准方向(0度的方向)入射电波。此外，在图19C(图19D也同样)中，示意性地示出电波相对于包含8×8的单位元件70的阵列的通信用装置1的入射方向(在图19D中，反射方向)。
在应用了图19E所示的电压施加图案的情况下，如图19A～图19D所示，在方位方向上，若从相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向入射电波，则得到表示向方位方向的相对于基准方向形成20度的方向(20度的方向)的反射变强的特性的模拟结果。由此可知，根据基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20，能够实现在单纯的金属板中没有得到的反射特性。
另外，图19A～图19E所涉及的模拟相对于图18A～图18E所涉及的模拟，将图18E和图19E进行对比可知，电压施加图案不同。而且，其它的条件相同。因此，可知通过使电压施加图案变化，能够使反射角(反射方向)变化。
图20A～图20D是表示应用了图20E所示的电压施加图案的情况的模拟结果的图。图20A以反射侧的角度范围表示方位方向的RCS的特性，图20B以反射侧的角度范围表示仰角方向的RCS的特性。在这里，如图20A示意性所示，在8×8的单位元件70的阵列中，与图18A～图18E所涉及的模拟的情况同样，从方位方向的相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向(330度)入射电波(参照图20C)。另外，在仰角方向上，从基准方向(0度的方向)入射电波。此外，在图20C(图20D也同样)中，示意性地示出电波相对于包含8×8的单位元件70的阵列的通信用装置1的入射方向(在图20D中，反射方向)。
在应用了图20E所示的电压施加图案的情况下，如图20A～图20D所示，在方位方向上，若从相对于基准方向(0度的方向)形成－30度的方向入射电波，则得到表示在方位方向上较宽的角度范围内反射被均匀化的特性的模拟结果。由此可知，根据基于上述的实施方式1的指向性控制阵列20，能够实现在单纯的金属板中没有得到的反射特性。
另外，图20A～图20E所涉及的模拟相对于图18A～图18E所涉及的模拟、图19A～图19E所涉及的模拟，将图18E、图19E以及图20E进行对比可知，电压施加图案不同。而且，其它的条件相同。因此，可知通过使电压施加图案变化，不仅能够使反射角(反射方向)变化，也能够使指向性(以及与之相伴的覆盖性)变化。即，应用了图20E所示的电压施加图案的情况与应用了图18E、图19E所示的电压施加图案的情况相比，能够扩展覆盖性。
这样的能够扩展覆盖性的电压施加图案适于处理较高的频率的通信。这是因为，随着频率变高，由反射、衍射导致的传播损失变大，容易产生这样的盲区。例如，如图21所示，在由于障碍物2100而容易产生盲区的环境下，虽然电波向窗玻璃10的传播路径被限制，但电波通过障碍物2100之间入射到窗玻璃10(参照图21的箭头Ri)。在这样的环境下，若应用能够扩展覆盖性的电压施加图案，则如在图21中用波面Rr示意性地表示反射波那样，能够从通信用装置1向盲区各向同性地形成反射波。由此，能够有效地减少可能因障碍物2100而产生的盲区。
以上，对各实施方式进行了详述，但并不限定于特定的实施方式，在权利要求书所记载的范围内，能够进行各种变形以及变更。另外，也能够将上述的实施方式的构成要素的全部或者多个进行组合。
例如，在上述的各实施方式中，指向性控制阵列20、20A以及20B以窗玻璃10作为基材而形成，但不限于此。例如，指向性控制阵列20、20A以及20B也可以以玻璃、树脂等透明的板材为基材而形成，配置于任意的场所。例如，如图15示意性所示，利用基材10A形成指向性控制阵列20，该基材10A也可以安装于房间的壁150。该情况下，即使在该房间为盲区的情况下，室内的用户终端U1也能够在与外部的用户终端U2之间同样进行通信。此外，在图15所示的例子中，安装于壁150，但也可以安装于显示器那样的其它的表面，或者也可以安装于汽车、飞机、铁路、船舶等那样的移动体。
另外，指向性控制阵列20、20A以及20B也可以将透明的膜作为基材而形成。该情况下，透明的膜也可以是挠性的膜状的电介质片(例如氟类树脂的片)。例如透明的膜包含氟类的低损失的粘结层，可以利用该粘结层与窗玻璃10粘结，或者也可以粘贴于其它的部位。
另外，在上述的实施方式中，指向性指示与用户终端U1的位置无关地从外部被输入，但不限于此。例如，也可以根据用户终端U1的位置(例如由室内照相机等检测)生成指向性指示，以使该位置处的通信环境成为良好。该情况下，将该指向性指示作为外部输入输入到处理装置50，从而自动地控制指向性控制阵列20、20A以及20B的指向性。
附图标记说明
1、1A、1B…通信用装置；7…窗框；10…窗玻璃；10A…基材；20、20A、20B…指向性控制阵列；21…导电体；22…导电体；30…印刷电路基板；40、40B…天线部；50、50A…处理装置；51…MICOM；52…通信电路部；53…直流电源生成部；90…布线部；91…接地线；92…电源线；150…壁；521…通信接口；522…基带电路部；523…RF电路部。
此外，在此引用了于2019年3月15日申请的日本专利申请第2019-048419号的说明书、权利要求书、附图以及摘要的全部内容，作为本发明的说明书所公开的内容而引入其中。

Claims (10)

1.一种无线通信用装置，具有：
基材；
指向性控制阵列，在所述基材上具有由规定的二维图案构成的多个单位元件；以及
布线部，与直流电源电连接，用于向所述多个单位元件的每一个施加直流电压，
所述无线通信用装置还具备控制部，所述控制部对朝向所述多个单位元件施加的直流电压进行控制。
2.根据权利要求1所述的无线通信用装置，其中，
所述控制部以多个电压施加图案中的选择出的一个电压施加图案，向所述多个单位元件施加所述直流电压，
所述多个电压施加图案包含：
第一电压施加图案，基于以第一入射形态向所述多个单位元件入射的电波，从所述指向性控制阵列向第一方向输出电波；和
第二电压施加图案，基于以所述第一入射形态向所述多个单位元件入射的电波，从所述指向性控制阵列向与所述第一方向不同的第二方向输出电波。
3.根据权利要求1所述的无线通信用装置，其中，
所述控制部以多个电压施加图案中的选择出的一个电压施加图案，向所述多个单位元件施加所述直流电压，
所述多个电压施加图案包含：
第一电压施加图案，基于以第一入射形态向所述多个单位元件入射的电波，以第一指向性从所述指向性控制阵列输出电波；和
第二电压施加图案，基于以所述第一入射形态向所述多个单位元件入射的电波，以与所述第一指向性不同的第二指向性从所述指向性控制阵列输出电波。
4.根据权利要求2或3所述的无线通信用装置，其中，
所述控制部选择所述第一电压施加图案和所述第二电压施加图案的至少任一方作为所述一个电压施加图案。
5.根据权利要求1所述的无线通信用装置，其中，
所述控制部设置于所述基材上。
6.根据权利要求5所述的无线通信用装置，其中，
还包括电源生成部，所述电源生成部从外部电源生成所述直流电源，
所述电源生成部设置于所述基材上。
7.根据权利要求1～6中任一项所述的无线通信用装置，其中，
所述基材是窗玻璃或者粘贴于窗玻璃的膜。
8.根据权利要求1～7中任一项所述的无线通信用装置，其中，
还具备天线部，对所述多个单位元件放射电波。
9.根据权利要求1～6中任一项所述的无线通信用装置，其中，
所述基材是窗玻璃或者粘贴于窗玻璃的膜，
所述无线通信用装置还具备天线部，对所述多个单位元件放射电波，
所述天线部设置于所述窗玻璃的框体。
10.根据权利要求1～9中任一项所述的无线通信用装置，其中，
所述单位元件包含由所述规定的二维图案形成的多个导电体，
对于所述基材中的供所述多个导电体设置的区域而言，在设置了所述多个导电体的状态下，可见光的透射率为50％以上。
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