JP2011193345A

JP2011193345A - 電磁波反射面

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Publication number: JP2011193345A
Application number: JP2010059307A
Authority: JP
Inventors: Kouji Ihata; 光詞井幡; 崇 ▲柳▼; Takashi Yanagi; Hidetoshi Chiba; 英利千葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2010-03-16
Filing date: 2010-03-16
Publication date: 2011-09-29

Abstract

【課題】簡易な構成で電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面を提供する。
【解決手段】基板１と、前記基板の互いに対向する一対の面の一方の面上に形成された地板２と、前記基板の他方の面上に所定の間隔で配列されたそれぞれ少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３と、それぞれ隣接して配列された前記導体パッチ間で導体パッチ同士を電気的に接続する少なくとも１つのキャパシタンス素子又は少なくとも１つのインダクタンス素子４，５であって、それぞれ前記基板の面上の少なくとも１つの所望の方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有するものと、を備えた。
【選択図】図１

Description

この発明は、電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面に関するものである。

特定の周波数において電磁波を正規反射における反射方向とは異なる方向へ反射させる手段として、下記特許文献１に示されるような無線通信システムがある。この無線通信システムでは、送信側装置によって一次放射された電波を、正規反射における反射角度方向以外の方向にも二次放射するように構成されている散乱体を用いており、前記散乱体としてメタマテリアル材料を用いている。特許文献１では、メタマテリアル材料によって構成される散乱体の形状を多面体とし、前記メタマテリアル材料に対して第１の入射角度で入射した電磁波が、第１の境界面によって第２の屈折角度の方向に屈折し、前記屈折した電磁波が、前記メタマテリアル材料の内部から空中へ出て行く第２の境界面において、前記第１の入射角度とは異なる角度で二次放射されるように構成されている。

特開２００９−１５３０９５号公報

しかしながら、上記特許文献１では、メタマテリアル材料により構成される散乱体の形状として多面体が利用されているため、前記散乱体の大きさが大きくなってしまうとともに、形状が複雑になるという問題がある。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、簡易な構成で電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面を提供することを目的とする。

この発明は、基板と、前記基板の互いに対向する一対の面の一方の面上に形成された地板と、前記基板の他方の面上に所定の間隔で配列されたそれぞれ少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチと、それぞれ隣接して配列された前記導体パッチ間で導体パッチ同士を電気的に接続する少なくとも１つのキャパシタンス素子又は少なくとも１つのインダクタンス素子であって、それぞれ前記基板の面上の少なくとも１つの所望の方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有するものと、を備えたことを特徴とする電磁波反射面にある。

この発明では、簡易な構成で電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面を提供できる。

この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図である。図１の電磁波反射面の単位セルを示す図である。金属等の均一な面に電磁波が入射した場合の反射の様子を示す模式図である。この発明による電磁波反射面に電磁波が入射した場合の反射の様子を示す模式図である。この発明による電磁波反射面の導体パッチにおける反射位相と反射角度の関係を説明する図である。この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面の反射特性を計算するための計算モデルの例を示す図である。図６の計算モデルに関する反射特性計算結果を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図である。図８の電磁波反射面の単位セルを示す図である。この発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す上面図である。この発明の実施の形態４に係る電磁波反射面を示す上面図である。

以下、この発明による電磁波反射面を各実施の形態に従って図面を用いて説明する。なお、各実施の形態において、同一もしくは相当部分は同一符号で示し、重複する説明は部分的に省略する。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図であり、(ａ)は上面図、(ｂ)は(ａ)中のＡ−Ａ’での断面図である。電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、及びキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃとから構成されている。基板１は誘電体等からなる。基板１の互いに対向する一対の面又は一対の主面(以下主面とする、以下同様)の一方の主面上には地板２が形成されている。また他方の主面上には、少なくとも一辺の長さが動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔を有して、一次元的(例えば後述する図６のように直線状に)、又は二次元的(例えば図１のようにマトリックス状に)に配列されている。複数の導体パッチ３は、隣接する導体パッチ３とキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃで電気的に接続されており、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃのキャパシタンスは、少なくとも所定の一方向に沿って、増加又は減少するように配置されている。すなわち、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃのキャパシタンスをそれぞれＣａ，Ｃｂ，Ｃｃとすると、Ｃａ＜Ｃｂ＜Ｃｃ又は、Ｃａ＞Ｃｂ＞Ｃｃの関係になっている。

次に、動作について説明する。図２は図１の電磁波反射面の単位セルを示すものであり、(ａ)は上面図、(ｂ)は側面図である。図２ではキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃは全て簡略的にキャパシタンス素子４として示されている。この単位セルに電磁波が入射した場合、互いに隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分が生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分が生じる。これらのキャパシタンス成分とインダクタンス成分及びキャパシタンス素子４のキャパシタンスからなるユニットにより、ＬＣ共振回路が形成される。従って、この実施の形態に係る電磁波反射面における導体パッチ３は、ＬＣ共振回路とみなすことができる。

上述のＬＣ共振回路の反射係数及び反射係数の位相(以降、反射位相と示す)は下記式(１)(２)のように表すことができる。

Γ＝(Ｚ_ｓ−η)／(Ｚ_ｓ＋η)＝|Γ|exp(ｊφ) (１)
φ＝Im[ln{(Ｚ_ｓ−η)／(Ｚ_ｓ＋η)}] (２)

ここで、
η：自由空間インピーダンス
Ｚ_ｓ：ＬＣ共振回路のインピーダンス
であり、導体パッチ３上に流れる電流より生じるインダクタンス成分のインダクタンスをＬ、隣接する導体パッチ３間で生じるキャパシタンス成分のキャパシタンスとキャパシタンス素子４のキャパシタンスの合成キャパシタンスをＣとすると、Ｚ_ｓは下記式(３)で表すことができる。

Ｚ_ｓ＝ｊωＬ／(１−ω^２ＬＣ) (３)

従って式(１)〜(３)より、キャパシタンスＣが変化することにより、導体パッチ３における反射位相が変化する。

この実施の形態に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３がそれぞれ隣接する導体パッチ３とキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃで電気的に接続されており、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃのキャパシタンスが、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。従って、ある特定周波数の電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間で生じるキャパシタンス成分のキャパシタンスとキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃのキャパシタンスの合成キャパシタンスＣが変化するため、各導体パッチ３における反射位相は、それぞれ異なり、少なくとも所定の一方向に沿って、減少又は増加する。

ここで金属等の均一な面での反射とこの実施の形態に係る電磁波反射面での反射について説明する。図３は金属等の均一な面に電磁波が入射した場合の反射の様子を示す模式図である。均一な面に電磁波が入射した場合、反射位相は場所によらず同位相となるため、反射の法則に従って、入射角度と反射角度が等しい反射となる。図４はこの実施の形態に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合の反射の様子を示す模式図である。この実施の形態に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合は、各導体パッチ３における反射位相が少なくとも所定の一方向にそって減少又は増加するため、反射波の波面が傾斜し、入射角度と反射角度が等しくならず、反射の法則に従わない反射となる。

導体パッチ３における反射位相と反射角度の関係について、図を用いて説明する。図５は実施の形態１に係る電磁波反射面の導体パッチ３における反射位相と反射角度の関係を説明する図である。図５において互いに隣接する導体パッチ３間の距離をｐ、反射位相差をΔφ、反射角度をθ_ｒとすると、反射角度は下記式(４)で表すことができるため、隣接する導体パッチ３間の距離ｐ、反射位相差Δφを任意に設定することにより、反射波の反射方向を所望の方向へ向けることができる。

θ_ｒ＝sin^−１[{λ／(２π)}・{Δφ／ｐ}] (４)

ここで、計算例を用いて、この実施の形態１による電磁波反射面での反射について説明する。図６は実施の形態１に係る電磁波反射面の反射特性を計算するための計算モデルの例である。図６に示す計算モデルでは、導体パッチ３を６．５ｍｍ×６．５ｍｍ、隣接する導体パッチ間の距離を１ｍｍとし、基板１の厚さは１．５７ｍｍ、基板１の比誘電率は２．２とした。また、隣接する導体パッチ間のキャパシタンス素子４は、キャパシタンスが図中のＹ方向にそって０．０４ｐＦ〜０．２２ｐＦまで０．０２ｐＦずつ増加するように配置した。図７は図６に示す計算モデルのＸ方向を無限周期配列した構造において、Ｙ方向に電界成分を有する平面波が垂直入射した場合の周波数７ＧＨｚにおけるＹＺ面の反射特性計算結果である。図７では、３０°方向で反射レベルがピークなり、この方向に電磁波が強く反射されていることを示している。

以上のように、この発明の実施の形態１では、基板と、基板の互いに対向する一対の主面の一方の主面に形成された地板と、基板の他方の主面に形成され、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチを所定の間隔で配列した構造において、複数の導体パッチは、隣接する導体パッチと少なくとも１つ以上のキャパシタンス素子により電気的に接続されており、キャパシタンス素子のキャパシタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように構成されているため、簡易な構成で電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面を得ることができる。

なお実施の形態１では、基板上に複数の導体パッチ３を配置した構造において、隣接する導体パッチを少なくとも１つ以上のキャパシタンス素子４により電気的に接続した構成について説明したが、それに限るものではなく、例えばビアホール等の導体を介して地板２に接続した複数の導体パッチ３を配置した構造において、隣接する導体パッチ間に少なくとも１つ以上のキャパシタンス素子４により電気的に接続した構成としても同様の効果をえることができる。

実施の形態２．
図８はこの発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図であり、(ａ)は上面図、(ｂ)は(ａ)中のＡ−Ａ’での断面図である。電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、及びインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃとから構成されている。基板１は誘電体等からなる。基板１の互いに対向する一対の主面の一方の主面上には地板２が形成されている。また他方の主面には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔を有して、一次元的又は二次元的に配列されている。複数の導体パッチ３は、隣接する導体パッチ３とインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃで電気的に接続されており、インダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃのインダクタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。すなわち、インダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃのインダクタンスをそれぞれＬａ，Ｌｂ，Ｌｃとすると、Ｌａ＜Ｌｂ＜Ｌｃ又は、Ｌａ＞Ｌｂ＞Ｌｃの関係になっている。

次に、動作について説明する。動作は実施の形態１と基本的に同様なので、ここでは異なる点のみ説明する。図９は図８の電磁波反射面の単位セルを示すものであり、(ａ)は上面図、(ｂ)は側面図である。図９ではインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃは全て簡略的にインダクタンス素子５として示されている。この単位セルに電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分が生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分が生じる。これらのキャパシタンス成分とインダクタンス成分及びインダクタンス素子５のインダクタンスからなるユニットにより、ＬＣ共振回路が形成される。従って、この実施の形態に係る電磁波反射面のおける導体パッチ３は、ＬＣ共振回路とみなすことができ、インダクタンス素子５のインダクタンスが変化することにより、導体パッチ３における反射位相が変化する。

この実施の形態に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３がそれぞれ隣接する導体パッチ３とインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃで電気的に接続されており、インダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃのインダクタンスが、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。従って、ある特定周波数の電磁波が入射した場合、各導体パッチ３における反射位相は、それぞれ異なり、少なくとも所定の一方向に沿って減少又は増加するため、反射波の波面が傾斜し、入射角度と反射角度が等しくならず、反射の法則に従わない反射となる。

以上のように、この発明の実施の形態２では、基板と、基板の互いに対向する一対の主面の一方の主面に形成された地板と、基板の他方の主面に形成され、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチを所定の間隔で配列した構造において、複数の導体パッチは、隣接する導体パッチと少なくとも１つ以上のインダクタンス素子により電気的に接続されており、インダクタンス素子のインダクタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように構成されているため、簡易な構成で電磁波の反射方向を所望の方向へ向けることができる電磁波反射面を得ることができる。

なお実施の形態２では、基板上に複数の導体パッチ３を配置した構造において、隣接する導体パッチを少なくとも１つ以上のインダクタンス素子５により電気的に接続した構成について説明したが、それに限るものではなく、例えばビアホール等の導体を介して地板２に接続した複数の導体パッチ３を配置した構造において、隣接する導体パッチ間に少なくとも１つ以上のキャパシタンス素子４により電気的に接続した構成としても同様の効果をえることができる。

実施の形態３．
図１０はこの発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す上面図である。電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、及びキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’とから構成されている。基板１は誘電体等からなる。基板１の互いに対向する一対の主面の一方の主面上には、地板２が形成されている。また他方の主面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔を有して、一次元的又は二次元的に配列されている。複数の導体パッチ３は、隣接する導体パッチ３とキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’で電気的に接続されており、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’のキャパシタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。さらに、図１０中のＸ方向とＹ方向で増加又は減少のしかたが異なるように設定されている。すなわち、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’のキャパシタンスをそれぞれＣａ，Ｃｂ，Ｃｃ，Ｃａ’，Ｃｂ’，Ｃｃ’とすると、Ｃａ＜Ｃｂ＜Ｃｃ又はＣａ＞Ｃｂ＞Ｃｃ、Ｃａ’＜Ｃｂ’＜Ｃｃ’又はＣａ’＞Ｃｂ’＞Ｃｃ’、さらにＣａ≠Ｃａ’、Ｃｂ≠Ｃｂ’、Ｃｃ≠Ｃｃ’の関係になっている。

この実施の形態に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３がそれぞれ隣接する導体パッチ３とキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’により電気的に接続されており、キャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’のキャパシタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。さらに、図１０のＸ方向とＹ方向で増加又は減少のしかたが異なるように設定されている。従って、入射する電磁波が有する電界成分の方向がＸ方向の場合とＹ方向の場合では、導体パッチ３間のキャパシタンス素子４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’の寄与のしかたが異なるため、入射する電磁波が有する電界成分の方向により反射波の方向を異なる方向に設定することができる。

実施の形態４．
図１１はこの発明の実施の形態４に係る電磁波反射面を示す上面図である。電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、及びインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’とから構成されている。基板１は誘電体等からなる。基板１の互いに対向する一対の主面の一方の主面上には、地板２が形成されている。また他方の主面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔を有して、一次元的又は二次元的に配列されている。複数の導体パッチ３は、隣接する導体パッチ３とインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’で電気的に接続されており、インダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’のインダクタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。さらに、図１１中のＸ方向とＹ方向で増加又は減少のしかたが異なるように設定されている。すなわち、インダクタンス素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ａ’、５ｂ’、５ｃ’のインダクタンスをそれぞれＬａ，Ｌｂ，Ｌｃ，Ｌａ’，Ｌｂ’，Ｌｃ’とすると、Ｌａ＜Ｌｂ＜Ｌｃ又はＬａ＞Ｌｂ＞Ｌｃ、Ｌａ’＜Ｌｂ’＜Ｌｃ’又はＬａ’＞Ｌｂ’＞Ｌｃ’、さらにＬａ≠Ｌａ’、Ｌｂ≠Ｌｂ’、Ｌｃ≠Ｌｃ’の関係になっている。

この実施の形態に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３がそれぞれ隣接する導体パッチ３とインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’により電気的に接続されており、インダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’のインダクタンスは、少なくとも所定の一方向にそって、増加又は減少するように配置されている。さらに、図１１のＸ方向とＹ方向で増加又は減少のしかたが異なるように設定されている。従って、入射する電磁波が有する電界成分の方向がＸ方向の場合とＹ方向の場合では、導体パッチ３間のインダクタンス素子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’の寄与のしかたが異なるため、入射する電磁波が有する電界成分の方向により反射波の方向を異なる方向に設定することができる。

なお、この発明は上記各実施の形態に限定されるものではない。導体パッチは基板の面上に二次元的に配列が可能であり、二次元的な配列は、互いに直交するＸＹ方向に沿ったものに限定されるものではない。複数のキャパシタンス素子又は複数のインダクタンス素子は配列された導体パッチ間で導体パッチ同士を電気的に接続するように設けられ、その際、複数のキャパシタンス素子又は複数のインダクタンス素子はそれぞれ、基板の面上の所望の方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有するようにすればよい。またこの際、複数のキャパシタンス素子又は複数のインダクタンス素子がそれぞれ、基板の面上の所望の複数の方向に沿った配置位置に従って別々に増加又は減少するようなキャパシタンス又はインダクタンスを有するようにしてもよく、上記基板の面上の所望の複数の方向は必ずしも互いに直交していなくてもよく、また導体パッチの配列方向に一致していなくてもよく、このように構成しても相当の効果を奏する。
また、各導体パッチの形状は、正方形のみならず長方形等の矩形、さらには多角形、円形のものであってもよい。また、各導体パッチの寸法は、導体パッチが正方形の場合は一辺の長さ、長方形を含む矩形の場合は長辺の長さ、多角形の場合は対角線の長さ、円形の場合は直径がそれぞれ、動作周波数において１波長以下でかつ所望の電磁波を反射可能な寸法を有するものであればよい。

１基板、２地板、３導体パッチ、４ａ，４ｂ，４ｃ，４ａ’，４ｂ’，４ｃ’ キャパシタンス素子、５ａ，５ｂ，５ｃ，５ａ’，５ｂ’，５ｃ’ インダクタンス素子。

Claims

基板と、
前記基板の互いに対向する一対の面の一方の面上に形成された地板と、
前記基板の他方の面上に所定の間隔で配列されたそれぞれ少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチと、
それぞれ隣接して配列された前記導体パッチ間で導体パッチ同士を電気的に接続する少なくとも１つのキャパシタンス素子又は少なくとも１つのインダクタンス素子であって、それぞれ前記基板の面上の少なくとも１つの所望の方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有するものと、
を備えたことを特徴とする電磁波反射面。
前記複数の導体パッチが前記基板の面上に一次元的に配列され、前記各キャパシタンス素子又は各インダクタンス素子がそれぞれ、前記配列方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波反射面。
前記複数の導体パッチが前記基板の面上に二次元的に配列され、前記各キャパシタンス素子又は各インダクタンス素子がそれぞれ、前記基板の面上の所望の方向に沿った配置位置に従って増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波反射面。
前記複数の導体パッチが前記基板の面上に二次元的に配列され、前記各キャパシタンス素子又は各インダクタンス素子がそれぞれ、前記基板の面上の所望の複数の方向に沿った配置位置に従って別々に増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波反射面。
前記複数の導体パッチが前記基板の面上に互いに直交する２つの方向に沿って二次元的に配列され、前記各キャパシタンス素子又は各インダクタンス素子がそれぞれ、前記基板の面上の前記直交する２つの方向に沿った配置位置に従って別々に増加又は減少するキャパシタンス又はインダクタンスを有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波反射面。