JP2011019021A - Reflect array - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、リフレクトアレイに関する。具体的には、本発明は、「電波環境の改善のための反射波の応用」や「MIMO無線通信を利用した伝送容量増加を目的とする独立なパスの確保」や「反射鏡アンテナの反射鏡又は一次放射器」として用いるためのリフレクトアレイにおいて、アレイ素子における散乱波の位相が変化する範囲を広くすることの可能な広帯域リフレクトアレイに関する。 The present invention relates to a reflect array. Specifically, the present invention relates to “application of reflected waves for improving radio wave environment”, “securing independent paths for the purpose of increasing transmission capacity using MIMO wireless communication” and “reflection of reflector antennas”. The present invention relates to a reflect array for use as a “mirror or primary radiator” and relates to a wideband reflect array capable of widening the range in which the phase of a scattered wave in an array element changes.
従来のリフレクトアレイの例は、非特許文献1及び非特許文献2に開示されている。
Examples of conventional reflect arrays are disclosed in Non-Patent
図1は、非特許文献1から引用した従来のリフレクトアレイを構成する素子の構造を示す。図1に示すように、比誘電率εrの誘電体基板の裏面に金属地板が設けられており、かかる素子は、かかる誘電体基板の表面に設けられた幅w及び長さlの短冊素子によって構成されている。
FIG. 1 shows the structure of an element constituting a conventional reflect array cited from Non-Patent
図2は、非特許文献1から引用した図1の素子を、横方向に周期Dで配列し、縦方向に周期Lで配列したときの素子の長さlに対する反射波の位相(Reflection Phase)を示すグラフである。 FIG. 2 shows the phase of the reflected wave with respect to the length l of the element (Reflection Phase) when the elements of FIG. It is a graph which shows.
ここで、素子の幅wを「1.5mm」とし、基板の厚さhを「0.76mm」とし、比誘電率εγを「2.5」とし、周期Lを「5mm」とし、周期Dを「5mm」とし、設計周波数fを「24GHz」としている。 Here, the width w of the device is "1.5mm", the thickness h of the substrate and "0.76mm", the dielectric constant epsilon gamma is "2.5", the period L is "5mm" period D is “5 mm” and the design frequency f is “24 GHz”.
図2から、素子の長さを「1mm」から「4.8mm」まで変化させることにより、反射波の位相の値を「140度」から「−180度」まで変化できる様子を確認できる。 From FIG. 2, it can be confirmed that the phase value of the reflected wave can be changed from “140 degrees” to “−180 degrees” by changing the element length from “1 mm” to “4.8 mm”.
図2より、素子の長さを「1mm」より小さくしても、反射波の位相の値の変化が小さくなり、「140度」より大きくするのが困難であることが分かる。 FIG. 2 shows that even if the length of the element is made smaller than “1 mm”, the change in the value of the phase of the reflected wave becomes small and it is difficult to make it larger than “140 degrees”.
また、周期D及び周期Lを共に「5mm」としているため、素子の長さを「5mm」以上にすることはできない。このため、図2に示すリフレクトアレイは、かかる周期内で、素子長を変化させたときに、反射波の位相の変化を「−180度」から「180度」までのように「360度」分だけ変化させることが困難であった。 Further, since both the period D and the period L are set to “5 mm”, the length of the element cannot be set to “5 mm” or more. For this reason, the reflect array shown in FIG. 2 changes the phase of the reflected wave from “−180 degrees” to “180 degrees” when the element length is changed within this period. It was difficult to change by minutes.
以上示したように、従来のリフレクトアレイでは、予め決められた周期内で構造の寸法を変化させたときの反射波の位相の変化を「180度」から「−180度」までのように「360度」分だけ変化させることが困難であった。 As described above, in the conventional reflect array, the change in the phase of the reflected wave when the dimension of the structure is changed within a predetermined period is changed from “180 degrees” to “−180 degrees”. It was difficult to change by “360 degrees”.
一方、リフレクトアレイは、一般に、図3に定める構造パラメータ及び(式1)を用いて設計される。 On the other hand, the reflect array is generally designed using the structural parameters defined in FIG. 3 and (Equation 1).
ここで、Rmnは、波源からmn番目の素子までの距離であり、Φmnは、mn番目の素子からの反射波の位相であり、 Here, R mn is the distance from the wave source to the mn th element, Φ mn is the phase of the reflected wave from the mn th element,
各素子の長さは、(式1)で決まる反射波の位相の値から、図2を用いて決定することができる。 The length of each element can be determined from the value of the phase of the reflected wave determined by (Equation 1) using FIG.
したがって、例えば、図2の「150度」のように、反射波の位相の値が、どの素子長でも求めることができない場合は、理論に沿った位相となるリフレクトアレイを構成することができないという課題があった。 Therefore, for example, if the value of the phase of the reflected wave cannot be obtained for any element length, as in “150 degrees” in FIG. 2, a reflect array having a phase in line with the theory cannot be configured. There was a problem.
そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、予め定められた周期内で素子の構造を変化させたときの反射波の位相の変化する範囲を大きくし、設計の自由度を高くすることができるリフレクトアレイを提供することを目的とする。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described problems, and increases the range in which the phase of the reflected wave changes when the structure of the element is changed within a predetermined period, thereby increasing the degree of freedom in design. It is an object of the present invention to provide a reflect array capable of increasing the height.
本発明の第1の特徴は、複数のアレイ素子と地板とによって構成されるリフレクトアレイであって、前記複数のアレイ素子は、散乱波の位相を制御することにより、該散乱波の方向を制御するように構成されており、前記アレイ素子は、メインの素子と、該メインの素子に近接する1つ又は複数のサブの素子によって構成されていることを要旨とする。 A first feature of the present invention is a reflect array composed of a plurality of array elements and a ground plane, wherein the plurality of array elements controls the direction of the scattered waves by controlling the phase of the scattered waves. The array element is constituted by a main element and one or a plurality of sub-elements close to the main element.
本発明の第1の特徴において、前記メインの素子は、ダイポール素子であり、前記サブの素子は、パラシティック素子であってもよい。 In the first aspect of the present invention, the main element may be a dipole element, and the sub element may be a parasitic element.
本発明の第1の特徴において、前記サブの素子の長さは、前記メインの素子の長さの0.6倍乃至0.95倍の範囲内の長さであってもよい。 In the first feature of the present invention, the length of the sub element may be in the range of 0.6 to 0.95 times the length of the main element.
以上説明したように、本発明によれば、予め定められた周期内で素子の構造を変化させたときの反射波の位相の変化する範囲を大きくし、設計の自由度を高くすることができるリフレクトアレイを提供することができる。 As described above, according to the present invention, the range in which the phase of the reflected wave changes when the structure of the element is changed within a predetermined period can be increased, and the degree of freedom in design can be increased. A reflect array can be provided.
以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳しく説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.
(本発明の第1の実施形態)
図4(a)及び図4(b)は、本発明の第1の実施形態に係るリフレクトアレイを構成する素子(アレイ素子)の形状を示している。
(First embodiment of the present invention)
FIG. 4A and FIG. 4B show the shapes of elements (array elements) constituting the reflect array according to the first embodiment of the present invention.
図1に示すように、従来のリフレクトアレイを構成する素子が、1つの短冊素子(ダイポール素子)によって構成されていたのに対して、図4(a)及び図4(b)に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイを構成する素子では、メインの素子である短冊素子(ダイポール素子)1の両側に、サブの素子である無給電素子2を近接させている。
As shown in FIGS. 1A and 1B, the elements constituting the conventional reflect array are composed of one strip element (dipole element), as shown in FIGS. 4A and 4B. In the element constituting the reflect array according to the present embodiment, the
ここで、本実施形態に係るリフレクトアレイは、複数のアレイ素子と地板とによって構成されており、複数のアレイ素子は、散乱波(反射波)の位相を制御することにより、かかる散乱波の方向を制御するように構成されている。 Here, the reflect array according to the present embodiment includes a plurality of array elements and a ground plane, and the plurality of array elements controls the direction of the scattered wave by controlling the phase of the scattered wave (reflected wave). Is configured to control.
なお、サブの素子である無給電素子2は、1つであってもよいし、複数であってもよい。また、サブの素子である無給電素子2は、パラシティック(Parasitic)素子(或いは、無給電素子)であってもよい。
In addition, the
一般に、半波長程度のダイポール素子に、かかるダイポール素子よりもやや短い素子を近接させると、八木宇田アンテナのように、近接させた素子に電流が誘導され、広帯域特性や二共振特性が得られることが知られており、反射位相の特性も変化する。 In general, when an element slightly shorter than the dipole element is brought close to a half-wavelength dipole element, a current is induced in the adjacent element like the Yagi-Uda antenna, and broadband characteristics and two-resonance characteristics can be obtained. And the characteristics of the reflection phase also change.
図5に、リフレクトアレイを構成するダイポール素子の長さlmに対する反射波の位相を示す。 Figure 5 shows the phase of the reflected wave relative to the length l m of the dipole elements constituting the reflectarray.
ここで、ダイポール素子の幅wを「1.5mm」とし、比誘電率εγを「2.5」とし、周期Lを「5mm」とし、周期Dを「5mm」とし、設計周波数fを「24GHz」としている。 Here, the width w of the dipole elements is "1.5mm", the dielectric constant epsilon gamma is "2.5", the period L is "5mm", the period D is "5mm", a design frequency f " 24 GHz ".
また、無給電素子2の長さは、ダイポール素子1の長さlmの0.85倍とする。なお、無給電素子2の長さは、ダイポール素子1の長さlmの0.6倍乃至0.95倍の範囲内の長さであってもよい。
The length of the
図5において、線C及び線Dは、本実施形態に係るリフレクトアレイの結果について示しており、線A及び線Bは、比較のために、ダイポール素子に無給電素子を近接させていないケースの計算結果について示している。 In FIG. 5, the line C and the line D show the result of the reflect array according to the present embodiment, and the line A and the line B are for the case where the parasitic element is not brought close to the dipole element for comparison. The calculation results are shown.
ここで、線Cは、基板の厚さhが「0.76mm」のケースの特性について示し、線Dは、基板の厚さhが「1.5mm」のケースの特性について示している。なお、線A及び線Bのケースでは、基板の厚さhを「0.76mm」としている。 Here, the line C shows the characteristics of the case where the thickness h of the substrate is “0.76 mm”, and the line D shows the characteristics of the case where the thickness h of the substrate is “1.5 mm”. In the case of the line A and the line B, the thickness h of the substrate is “0.76 mm”.
図5から、ダイポール素子1の長さlmが「4.5mm」以下の部分に着目すると、基板を厚くしたときの反射波の位相の傾きが緩やかになっていることが分かる。
FIG. 5 shows that when the length l m of the
また、従来のダイポール素子だけのケースでは、「4.5mm」を超えて素子の長さを大きくしても、反射波の位相の値は、ほとんど変化しないのに対して、本実施形態のケースでは、「−360度」から「−540度」まで「180度」以上、反射波の位相の値を変化させることができている。 In the case of the conventional dipole element alone, the phase value of the reflected wave hardly changes even when the element length is increased beyond “4.5 mm”. Then, the phase value of the reflected wave can be changed from “−360 degrees” to “−540 degrees” by “180 degrees” or more.
すなわち、本実施形態に係るリフレクトアレイは、ダイポール素子1の長さlmを、「1mm」から、予め定められた周期である「5mm」までの範囲で変化させることにより、反射波の位相の変化する範囲を「0度」から「−540度」まで大きくとることができる。
That is, the reflect array according to this embodiment, the length l m of the
反射波の位相の値は、ダイポール素子1の長さlmに対する近接する無給電素子2の長さlpの比r、及び、ダイポール素子1と無給電素子2との間の距離dの値によって変化する。
Phase values of the reflected wave, the ratio r of the length l p of the
図6では、横軸をdとし、縦軸を「r(=lp/lm)」としたときの反射波の位相の値を、等高線で示している。図6において、ダイポール素子1の幅wmは「1.0mm」であり、無給電素子2の幅wmは「0.5mm」であり、基板の厚さhは「0.76mm」であり、比誘電率εγは「2.5」であり、設計周波数fは「24GHz」である。
In FIG. 6, the phase value of the reflected wave when the horizontal axis is d and the vertical axis is “r (= l p / l m )” is indicated by contour lines. In FIG. 6, the width w m of the
本実施形態に係るリフレクトアレイによれば、メインの素子(ダイポール素子1)にサブの素子(無給電素子2)を近接させることによって、アレイ素子における散乱波の位相の変化する範囲を広くすることができる。 According to the reflect array according to this embodiment, the range in which the phase of the scattered wave changes in the array element is widened by bringing the sub element (parasitic element 2) close to the main element (dipole element 1). Can do.
(本発明の第2の実施形態)
図7に、本実施形態に係るリフレクトアレイを構成するダイポール素子1の長さlmに対する反射波の位相を示す。
(Second embodiment of the present invention)
Figure 7 shows a phase of the reflected wave relative to the length l m of the
図7において、周期L及び周期Dは共に「60mm(約0.41λ)」であり、ダイポール素子1の幅wmは「12mm」であり、無給電素子2の幅wmは「6mm」であり、基板の厚さhは「10mm」であり、比誘電率εrは「2.5」であり、ダイポール素子1と無給電素子2との間の距離dは「3mm」であり、設計周波数fは「2.05GHz」である。
In FIG. 7, the period L and the period D are both “60 mm (about 0.41λ)”, the width w m of the
図7から、本実施形態に係るリフレクトアレイのケースも、ダイポール素子1の長さlmを「5mm」から「55mm」まで、与えられた周期内で変化させることにより、反射波の位相の変化する範囲を「360度」以上とすることができることが分かる。 From Figure 7, also in case the reflect array according to this embodiment, the dipole elements 1 a length l m from "5mm" to "55mm", by changing within a given period, the phase change of the reflected wave It can be seen that the range to be set can be “360 degrees” or more.
(本発明の第3の実施形態)
図8乃至図10を参照して、本発明の第3の実施形態に係るリフレクトアレイについて説明する。
(Third embodiment of the present invention)
A reflect array according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
図8は、本発明の第2の実施形態に係るリフレクトアレイの反射波の位相に基づいて設計した無給電素子2を近接したダイポール素子1を用いたリフレクトアレイである。
FIG. 8 is a reflect array using a
ここで、第2の実施形態のケースと同様に、設計周波数fを「2.05GHz」としており、(式1)で決まる素子ごとの位相及び図7に示す反射波の位相に基づいて、各素子の長さを決定した。 Here, as in the case of the second embodiment, the design frequency f is set to “2.05 GHz”. Based on the phase of each element determined by (Equation 1) and the phase of the reflected wave shown in FIG. The length of the element was determined.
従来のダイポール素子だけで構成したリフレクトアレイの場合、ダイポール素子1の長さlmが、約「3mm」から約「4.5mm」までの間で変化する際に、反射波の位相の値が「180度」以上変化している。なお、入射方向を(θi,φj)=(0°,0°)とし、反射方向を(θi,φj)=(60°,0°)とした。
In the case of a reflect array composed only of a conventional dipole element, when the length l m of the
図9に、各素子の寸法の値を示す。図10に、本実施形態に係るリフレクトアレイの遠方散乱界を示す。 FIG. 9 shows the dimension values of each element. FIG. 10 shows a far scattered field of the reflect array according to the present embodiment.
図10に示すように、入射方向(θi,φj)=(0°,0°)から入射された波は、所望の反射方向(θi,φj)=(60°,0°)に放射し、入射方向(θi,φj)=(60°,0°)から入射された波は、所望の反射方向(θi,φj)=(0°,0°)に放射し、通信の可逆性が保たれていることが確認できる。 As shown in FIG. 10, a wave incident from an incident direction (θ i , φ j ) = (0 °, 0 °) is reflected in a desired reflection direction (θ i , φ j ) = (60 °, 0 °). The wave incident from the incident direction (θ i , φ j ) = (60 °, 0 °) is radiated in the desired reflection direction (θ i , φ j ) = (0 °, 0 °). It can be confirmed that the reversibility of communication is maintained.
なお、本明細書では、八木宇田アンテナの動作原理に基づく慣例に従って、中央の短冊素子に「ダイポール素子」という名称を使用し、近接している短冊素子に「無給電素子」という名称を使用した。 In this specification, the name “dipole element” is used for the central strip element, and the name “parasitic element” is used for the adjacent strip elements in accordance with the convention based on the operating principle of the Yagi-Uda antenna. .
図1に示すようなリフレクトアレイを「ダイポールアレイ」と呼ぶ論文が多く発表されているが、実際には、かかる素子は、給電されているわけない。 Although many papers have been published in which the reflect array as shown in FIG. 1 is called a “dipole array”, in reality, such elements are not supplied with power.
以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。 Although the present invention has been described in detail using the above-described embodiment, it is obvious for those skilled in the art that the present invention is not limited to the embodiment described in the present specification. The present invention can be implemented as modified and changed modes without departing from the spirit and scope of the present invention defined by the description of the scope of claims. Therefore, the description of the present specification is for illustrative purposes and does not have any limiting meaning to the present invention.
1…ダイポール素子
2…無給電素子
1.
Claims (3)
前記複数のアレイ素子は、散乱波の位相を制御することにより、該散乱波の方向を制御するように構成されており、
前記アレイ素子は、メインの素子と、該メインの素子に近接する1つ又は複数のサブの素子によって構成されていることを特徴とするリフレクトアレイ。 A reflect array including a plurality of array elements and a ground plane,
The plurality of array elements are configured to control the direction of the scattered wave by controlling the phase of the scattered wave,
The array element includes a main element and one or a plurality of sub elements adjacent to the main element.
前記サブの素子は、パラシティック素子であることを特徴とする請求項1に記載のリフレクトアレイ。 The main element is a dipole element,
The reflect array according to claim 1, wherein the sub-element is a parasitic element.
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