JP2013183239A - リフレクトアレー、設計方法およびシステム - Google Patents
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Abstract
【解決手段】リフレクトアレーの設計方法は、素子間隔、素子のパッチ又は隣接する素子のパッチ間のギャップの内の何れかの設計パラメータが等しく設定され並べられた複数の素子に電波が入射し反射した場合における素子の反射位相を、設計パラメータの関数として求め、反射位相及び設計パラメータの対応関係をメモリに保存し、特定の素子の設計パラメータを対応関係に従って決定することを、複数の素子各々について反復する。設計パラメータの関数は、設計パラメータの所定の数値範囲に対して、実質的に360度の範囲にわたる値域を有し、かつ反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれる(二共振特性を示す)連続な関数である。
【選択図】図9
Description
複数の素子が所定の軸に垂直な表面を有する基板に設けられている入射波を所望方向に反射するリフレクトアレーの設計方法であって、
素子間隔のサイズ、素子のパッチのサイズ又は隣接する素子のパッチ間のギャップのサイズの内の何れかの設計パラメータが等しく設定され並べられた複数の素子に電波が入射し反射した場合における素子の反射位相を、前記設計パラメータの関数として求め、前記反射位相及び前記設計パラメータの対応関係をメモリに保存するステップと、
前記複数の素子の内の特定の素子が、複数の反射位相の内の特定の反射位相で前記入射波を反射するように、該特定の素子の設計パラメータを前記対応関係に従って決定することを、前記複数の素子各々について反復するステップと
を有し、前記設計パラメータの前記関数は、前記設計パラメータの所定の数値範囲に対して、実質的に360度の範囲にわたる値域を有し、かつ反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれる(二共振特性を示す)連続な関数である、設計方法である。
1.1 斜め入射及び二共振特性
1.2 素子グループ
1.3 設計手順
1.4 シミュレーション結果
2.変形例
2.1 斜め入射を利用する変形例
2.2 二共振特性を利用する変形例
2.3 素子間隔を調整する変形例
2.4 更なる変形例
2.5 更なる変形例
2.6 更なる変形例
2.7 更なる変形例
<1.好ましい実施形態>
従来のマッシュルームリフレクトアレーは、隣接する素子のパッチ間のギャップの大きさで決まるキャパシタンスCとビアの長さで決まるインダクタンスLの値を素子ごとに変えている。これにより素子ごとにLC共振する周波数を変えることで、各マッシュルーム素子の反射位相の値を変えていた。このため、キャパシタンスやインダクタンスの変化する範囲を十分にとるために多層構造をとる必要があった。また、各キャパシタンスやインダクタンスの値は素子ごとに変化させる必要があった。このため、リフレクトアレーの特性を変化させるために、全ての素子のキャパシタンスやインダクタンスを一斉に同じ値で変化させることは困難であった。これに対して本発明では、反射位相の値は、素子間隔で決定されるため、導電層が一層である構造のリフレクトアレーを作成しやすくなる。さらに、全ての素子でギャップが同じ大きさであるため、このギャップの値を変えることで全ての素子のキャパシタンスを同時に変化させることができる。また、ビアの長さを変えることによって、全ての素子のキャパシタンスの値を一定にしたままインダクタンスLの値を一度に変化させることができる。このため、LとCの値を変化させることで制御可能なリフレクトアレーの実現が可能となる。
図4に示すような構造を有するリフレクトアレーにTM波がz軸に対して入射角θiで入射する場合、反射波の反射位相Γは次のように表現できる。
rf=fp/√εr (数式3)
により表現されるものとする。fpはプラズマ周波数を示す。εrはパッチ及び地板の間に介在する誘電体基板の比誘電率を示す。プラズマ周波数fpはプラズマ波数kpと次の関係を満たす。
ただし、cは光速を示す。プラズマ波数kpは素子間隔Δxと次の関係を満たす。
設計周波数=11GHz(波長=27.3mm)、
基板の厚みt=1mm、
誘電体の比誘電率εr=10.2及び
素子間隔Δx=Δy=2.25mm
とした場合、
共振周波数rfは、10.5GHzであった。このとき、反射位相がゼロとなる周波数は、このスプリアス共振より低い周波数と高い周波数の2箇所にあらわれ同相になる。したがって、この二つの反射位相がゼロとなる周波数の間で位相が360度一回転する。これらの数値例は単なる一例に過ぎず、適切な如何なる数値が使用されてもよい。なお、図4及び以下の説明において、素子間隔は、隣接する素子のビア同士の間の距離ΔV(Δx又はΔy)として定義されてもよいし、別の定義が使用されてもよい。例えば、隣接するパッチ間のギャップの中心から次のギャップの中心までの距離ΔPが、素子間隔であると定義されてもよい。
入射波がz軸に対して斜めに入射する場合、パッチによる反射だけでなく、地板による反射も考慮する必要がある。
図9を参照しながら、リフレクトアレーを構成する素子の素子間隔を決定する設計手順を説明する。図9には、そのような設計手順の一例を示すフローチャートが示されている。フローはステップS901から始まり、ステップS903に進む。
以下、上記の設計手順に従って素子間隔が決定されたリフレクトアレーについてのシミュレーション結果を説明する。
<2.変形例>
上記の「1.好ましい実施形態」においては、電波が斜めに入射すること、二共振特性を示すグラフを使用すること及び素子間隔を調整することという3つの特徴が全て使用されていた。しかしながらそれは最良の形態であり、3つの特徴を全て使用することは必須ではない。3つの特徴の内の任意の1つ以上の特徴を使用することが可能である。
例えば、電波がz軸に対して0度とは異なる角度で入射した場合において、反射位相及び素子間隔の間の関係は、二共振特性以外の特性を示していてもよい。また、反射位相が素子間隔の関数として表現されることは必須ではなく、反射位相が他のパラメータの関数として表現されてもよい。例えば、反射位相が、個々の素子のパッチサイズの関数として表現されてもよいし、或いは隣接する素子のパッチ同士の間の隙間(ギャップ)のサイズの関数として表現されてもよい。ただし、実現可能な反射位相の範囲を拡大する観点からは、「1.好ましい実施形態」のように、反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれるように(二共振特性を示すように)、設計パラメータを選択することが好ましい。
arcsin(・)は正弦関数の逆関数sin−1(・)である。例えば、入射角θi=70度、反射角θr=−30度の場合、制御角Aは70−(−30)=100度となる。図22は制御角A=100度の場合の電波の遠方放射界を示す。図23は制御角A=0度の場合の電波の遠方放射界を示す。すなわち、このリフレクトアレーの場合、斜めから入射した電波に対する位相で動作する反射波の制御角と、正面波から入射した電波波に対する位相で動作する反射波の制御角が異なっている。この例の場合、鏡面反射方向に反射波を形成する場合(A=0度)と鏡面反射方向とは異なる方向に反射波を形成する場合(A=70度)とを1つのリフレクトアレーで使い分けることができる。更に、設計パラメータを適切に選択することで、斜めから入射した波に対する反射波と、正面から入射した波に対する反射波を同じ方向にすることも可能である。
電波が入射して来る方向が0度であったとしても、反射位相と素子間隔の関係が二共振特性を示す場合があるかもしれない。そのような二共振特性を示すようにするパラメータの組み合わせを意図的に使用することで、反射位相としてとり得る値の範囲を拡大することができる。
更に、素子のパッチ同士のギャップを一定に維持しつつ、素子間隔を調整することで反射位相を決定する特徴が、単独で使用されてもよい。すなわち、電波が0度方向から入射し、反射位相と素子間隔の関係が図6に示されるような関係である場合において、パッチ同士のギャップを一定に維持しつつ、素子間隔を調整することは有意義である。例えば、ギャップの値が一定に維持されるので、極端に狭いギャップを形成する必要が無くなり、実現可能な素子を増やすことが可能である。
所望の反射角θr=40度、
誘電体基板の比誘電率εr=10.2、
誘電体基板の厚さ(ビアの長さ)t=1mm、
誘電体基板のtanδ=0.0023、
パッチ間のギャップg=0.1mm、
ビアの直径dv=0.1mm、及び
電波の周波数f=11GHz(波長λ=27.3mm)。
ところで、シングルビームのリフレクトアレーを用いた場合、従来の技術では図24に示すように、ある入射波に対して所望方向にビームを向けることはできるが、別の方向からの入射波に対しては、所望方向にビームを向けることができなかった。この問題を解決するため、例えば図25に示すようなマルチビームのリフレクトアレーを用いる必要があった。しかしマルチビームにすると一般にビームの数だけ個々の反射(散乱)電力は小さくなるため、十分なレベルを確保できないという問題があった。これはリフレクトアレーの制御角Aが一意にきまり、反射角θrは
θr=arcsin[sin(θi)+sin(A)]
で決まるためである。
θr=f(A)=arcsin[sin(θi)+sin(A)]
のように導出できる(この点については例えば次の文献に記載されている:電子情報通信学会全国大会2011ソサイエティ大会B−1−66“マルチビーム・リフレクトアレーの斜め入射に対する反射特性の検討”:丸山珠美、沈 紀▲ユン▼、小田恭弘、トラン ゴクハオ、加山英俊)。
上述したように上記の実施形態によれば、リフレクトアレーのビアの長さは全て等しいため、この高さを一度に同じ値で変えることができる。マッシュルーム構造のインダクタンスLの値は、ビアの長さtと透磁率μの積で表される:
L=μt。
また、インダクタンスLと共振周波数fは、次のような関係がある。
従って、各素子のインダクタンスLの値を一斉に大きくすると各素子それぞれの共振周波数は低いほうへずれ、一斉に小さくすると各素子それぞれの共振周波数は高い方にずれる。
次にTM斜め入射において、素子間隔を一定にし、ギャップを変化させたときの実施例を示す。図35は、素子間隔を約2.42mmで一定とし、ギャップを横軸にとったときの反射位相のシミュレーション値を示している。図35からわかるように、+180度から−180度まで360度全ての範囲の位相を確保できることがわかるここで、入射角は70度、電界の向きは入射面に平行としている。
入射角θiに対して、鏡面反射の場合は反射角θr=θiとなる。これに対して、リフレクトアレーの場合の反射角θrは、上述したように、入射角θiとリフレクトアレーによって決まる制御角Aの関数として求められる。従来のリフレクトアレーでは、この制御角が入射角θiに応じて変化するという考え方は存在しなかった。これに対して、本発明では、この制御角Aが入射角θiの変数となるためA(θi)となる。このとき、
θrm1=arcsin[sin(θim1)+sin(A(θim1)]=θrm2=arcsin[sin(θim2)+sin(A(θim2)]
が成立するように、制御角A(θim1)とA(θim2)を構成することで、異なる方向から入射した波を同一の方向に反射させることが可能となる。制御角は、各素子からの位相の差を用いて決定されるが、TM斜め入射の場合、各素子からの位相と位相差は入射角によって変化するためである。
θr 反射角
Mj 素子
g ギャップ
Claims (10)
- 複数の素子が所定の軸に垂直な表面を有する基板に設けられている入射波を所望方向に反射するリフレクトアレーの設計方法であって、
素子間隔のサイズ、素子のパッチのサイズ又は隣接する素子のパッチ間のギャップのサイズの内の何れかの設計パラメータが等しく設定され並べられた複数の素子に電波が入射し反射した場合における素子の反射位相を、前記設計パラメータの関数として求め、前記反射位相及び前記設計パラメータの対応関係をメモリに保存するステップと、
前記複数の素子の内の特定の素子が、複数の反射位相の内の特定の反射位相で前記入射波を反射するように、該特定の素子の設計パラメータを前記対応関係に従って決定することを、前記複数の素子各々について反復するステップと
を有し、前記設計パラメータの前記関数は、前記設計パラメータの所定の数値範囲に対して、実質的に360度の範囲にわたる値域を有し、かつ反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれる(二共振特性を示す)連続な関数である、設計方法。 - 前記複数の素子の各々は、パッチ及び地板を少なくとも有する素子構造を有し、
ある隣接する素子のパッチ間の隙間の長さは、別の隣接する素子のパッチ間の隙間の長さに等しい、請求項1記載の設計方法。 - マッシュルーム構造を用いたリフレクトアレーであって、該リフレクトアレーにあらかじめ定められた0以外の角度から、入射面に電界が平行となるように入射する波に対して、
マッシュルームのビアとビアの間隔、素子の間隔、ギャップとギャップの間隔、を含むマッシュルームの配列に基づく構造をパラメータとするときに、反射位相が、0となる構造が少なくとも二箇所存在し、反射位相の範囲を360度確保できることを特徴とするリフレクトアレー。 - 請求項1又は2に記載の設計方法で設計されたリフレクトアレーであって、斜めから入射した波に対する位相で動作する反射波の制御角と、正面波から入射した波に対する位相で動作する反射波の制御角が異なることを特徴とするリフレクトアレー。
- 請求項3に記載のリフレクトアレーであって、斜めから入射した波に対する反射波と、正面から入射した波に対する反射波を同じ方向となることを特徴とするリフレクトアレー。
- 複数の素子を用いて構成されるリフレクトアレーであって、
前記複数の素子の内のk番目の素子が入射波を反射する場合の反射波の反射位相は、N種類の入射角θinによって異なる値φknをとり(n=1,...,N)、
当該リフレクトアレーに電波が或る入射角θimで入射し、前記複数の素子各々が各自の反射位相φkmで前記電波を反射し、当該リフレクトアレーによる反射波が反射角θrmで反射される場合に、前記入射角θim、前記反射角θrm及び制御角Amが所定の関数関係を満たし(m=1,...,N)、
当該リフレクトアレーに電波が或る入射角θiwで入射し、前記複数の素子各々が各自の反射位相φkwで前記電波を反射し、当該リフレクトアレーによる反射波が反射角θrwで反射される場合に、前記入射角θiw、前記反射角θrw及び制御角Awが前記所定の関数関係を満たし(w=1,...,N)、
前記Amと前記Awは互いに異なる値をとる、リフレクトアレー。 - 前記或る入射角θimで電波が入射する場合の反射角θrmが、前記或る入射角θiwで電波が入射する場合の反射角θrwと同じ値をとる、ことを特徴とする前記請求項6に記載のリフレクトアレー。
- 前記所定の関数関係は、電波の入射角をθi、電波の反射角をθr及び制御角をAとした場合に、
θr= arcsin[sin(θi)+sin(A)]
により表現される、請求項6又は7に記載のリフレクトアレー。 - 請求項3ないし7の何れか1項に記載のリフレクトアレーを用いて、マルチパスを発生させこれを用いてMIMO方式の通信を行うことを特徴とするMIMO通信システム。
- 請求項5又は7に記載のリフレクトアレーが、複数の入射方向から到来する複数の電波を同一の方向に反射させ、前記リフレクトアレーにより反射した電波を受信する通信端末がマルチパス環境で通信できるようにしたことを特徴とするMIMO通信システム。
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