JP2014150463A

JP2014150463A - リフレクトアレー及び素子

Info

Publication number: JP2014150463A
Application number: JP2013018926A
Authority: JP
Inventors: Tamami Maruyama; 珠美丸山; Takahiro Oda; 恭弘小田; Ki-Yun Sim; 紀▲ユン▼ 沈; Ngochao Tran; ゴクハオトラン
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2013-02-01
Filing date: 2013-02-01
Publication date: 2014-08-21
Anticipated expiration: 2033-02-01
Also published as: JP5993319B2

Abstract

【課題】（１）TE入射の反射位相とTM入射の反射位相とを独立に変更することを可能にするリフレクトアレーを提供すること、（２）広角制御を可能にすること、（３）マッシュルーム構造において、X方向の反射位相をかえるためにＸ方向のギャップサイズを変化させたとき、Y方向の容量（キャパシタンス）の値を変化させないこと、（４）複数の周波数での共用、のうちの全て、もしくはどれか一つを可能とするリフレクトアレーを実現することである。
【解決手段】本発明の一態様は、外側パッチと内側パッチによって構成されるH型素子を複数配置したリフレクトアレーであって、隣接するH型素子の第１方向及び第２方向の外側パッチ間の間にそれぞれ生じる第１外側パッチ間ギャップ及び第２外側パッチ間ギャップの値を一定に保ったまま、前記第２方向の内側パッチの間に生じる内側パッチ間ギャップの値を変化させることで、前記第２方向の偏波に対する反射位相を変化させることを特徴とするリフレクトアレーに関する。
【選択図】図６Ｂ

Description

本発明は、無線通信に利用されるリフレクトアレーに関する。

無線通信の技術分野において、通信エリアの確保等のために、入射波を自在な方向に向けて散乱できるリフレクトアレーの適用が検討されている（非特許文献３）。また、リフレクトアレーは、直接波がドミナントである見通し伝搬環境において、複数の（マルチ）パスを形成し、複数入力複数出力(Multiple Input Multiple Output：MIMO)方式によるスループットの向上及び/又は信頼性の強化を図る等のために使用されてもよい（非特許文献５，６）。

また、通信の高速大容量化等を図るため、互いに直交する２つの偏波が、偏波ダイバーシチや、偏波ＭＩＭＯとして、通信に利用される場合がある。この場合における偏波は直線偏波であり、例えば、入射面に垂直な電界成分を有する電波(Transverse Electric wave：TE波)及び入射面に平行な電界成分を有する電波(Transverse Magnetic wave：TM波)のように言及されてもよい。あるいは偏波は大地に垂直な電界成分を有する垂直偏波(vertical polarization wave)及び大地に平行な電界成分を有する水平偏波(horizontal polarization wave)のように言及されてもよい。また、特に屋外においては、伝搬環境の影響により電界はさまざまな方向に回転するこの場合、電界は、垂直成分と水平成分の二つの成分を持つと考えてよい。何れにせよ、電界の振幅方向が互いに直交する２つの平面波は通信に利用可能である。

従来のリフレクトアレーは、非特許文献７にあるように、マイクロストリップ素子のように、約半波長の素子を用いている。この素子のサイズを変えることによって、共振周波数がずれるため、反射位相を変化させることができる。よって、平面波が所望方向に向くように各アレー素子の位相を決定すればよい。このような、半波長の素子を複数の偏波に対応させ、ある方向から到来する２つの偏波をそれぞれ所望の方向に反射させるリフレクトアレーを実現するために、クロスダイポールを用いる方法が報告されている（非特許文献２，８）。

一方、従来の半波長素子を用いたリフレクトアレーよりも反射方向を広角に制御する方法として、波長よりもはるかに小さい、マッシュルーム構造を用いたリフレクトアレーが報告されている（非特許文献３）。しかし、二つの直交する偏波を共用できるマッシュルーム構造はいままで存在しなかった。従って、広角制御できる偏波共用のためのマッシュルーム構造は存在しなかった。

他方、LTE(Long Term Evolution)-Advanced方式のような無線通信システムでは、必要に応じて通信に複数の周波数バンド又はキャリアが使用される。従って、通信に使用される電波を反射するリフレクトアレーも複数の周波数バンド(マルチバンド)に対応していることが望ましい。マルチバンドに対応した従来のリフレクトアレーについては非特許文献１および非特許文献２に記載されている。非特許文献１に記載のリフレクトアレーは、Kaバンド(32GHz)用の途切れた環状の素子と、Xバンド(8.4GHz)用の途切れた方形の線状素子と、Cバンド(7.1GHz)用のクロスダイポール素子とを有する。非特許文献２に記載のリフレクトアレーは、クロスダイポールを素子とし、電界がX軸に平行な第一の周波数f₁の入射波にについては、クロスダイポール素子のX方向の長さを変化させて反射位相が決定され、電界がY軸に平行な第二の周波数f₂の入射波電波については、クロスダイポール素子のY方向の長さを変化させて反射位相を決定する。

しかし、従来の構造は、半波長素子をベースにしており、グレーティングローブの発生や素子間相互結合の影響により、40度以上の広角制御が困難である。

このような問題を解決するため、非特許文献3、４に記載されるようなマッシュルーム構造を有したリフレクトアレーが提案された。しかし、これらは偏波共用素子ではない。このため、各偏波に対して独立に設計することは困難である。従って、図２に示すように、Ｙ方向のマッシュルーム間のギャップgyを変化させると、Ｘ方向のマッシュルーム間のギャップgｘに対する反射位相の値もまた変化してしまうことがわかる。

特開２０１２−３４３３１号公報

Fan Yang, Ang Yu, Atef Elsherbeni and John Huang,"Single-Layer Multi-band Circularly Polarized Reflect array Antenna: Concept, Design and Measurement,"URSI General Assembly, Chicago, Illinois, August 7-16, 2008. T. Maruyama, T. Furuno, T. Ohya, Y. Oda, Q. Chen, and K. Sawaya, "Dual Frequency Selective Reflectarray for Propagation Improvement", IEEE iWAT, 2010, pp.1-4, 5464764, March 2010. T. Maruyama, T. Furuno, Y. Oda, J. Shen, and T. Ohya, "Capacitance value control for metamaterial reflectarray using multi-layer mushroom structure with parasitic patches," ACES JOURNAL, vol. 27, no. 1, pp. 28-41, Jan. 2012. T. Maruyama, J. Shen, N. Tran and Y. Oda "Multi-band Reflectarray using Mushroom Structure," IEEE ICWITS 2012. T. Maruyama, Y. Oda, J. Shen, N. Tran andH. Kayama:"Design of wide angle reflection reflectarray using multi-layer mushroom structure to improve propagation," IEEE URSI General Assembly and Scientific Symposium, 2011 XXXth URSI, Aug., 2011. J. Shen, Y. Oda, T. Furuno, T. Maruyama, and T. Ohya, "A novel approach for capacity improvement of 2x2 MIMO in LOS channel using reflectarray," VTC2011 spring, 10.1109/VETECS.2011.5956339, May 2011. D. M. Pozar, T. S. Targonsky, and H. D. Syrigos, "Design of millimeter wave microstrip reflectarrays," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-45, no. 2, pp. 287-295, 1997. L. Li, Q. Chen, Q. Yuan, K. Sawaya, T. Maruyama, T. Furuno, and S Uebayashi, "Frequency Selective Reflectarray using Crossed-Dipole Elements with Square Loops for Wireless Communication Applications," IEEE Trans. Antennas Propagat., vol. AP-59, no. 1, pp. 89-99, 2011.

本発明は、従来困難であった、課題を解決するためになされたものであり、
（１）TE入射の反射位相とTM入射の反射位相とを独立に変更することを可能にするリフレクトアレーを提供すること、
（２）広角制御を可能にすること、
（３）マッシュルーム構造において、X方向の反射位相をかえるためにＸ方向のギャップサイズを変化させたとき、Y方向の容量（キャパシタンス）の値を変化させない方法を提供すること、
（４）複数の周波数での共用
のうちの全て、もしくはどれか一つを可能とするリフレクトアレーを実現することである。

上記課題を解決するため、本発明の一態様は、外側パッチと内側パッチによって構成されるＨ型素子を複数配置したリフレクトアレーであって、隣接するH型素子の第１方向及び第２方向の外側パッチ間の間にそれぞれ生じる第１外側パッチ間ギャップ及び第２外側パッチ間ギャップの値を一定に保ったまま、前記第２方向の内側パッチの間に生じる内側パッチ間ギャップの値を変化させることで、前記第２方向の偏波に対する反射位相を変化させることを特徴とするリフレクトアレーに関する。

本発明の他の態様は、外側パッチと内側パッチによって構成されるＨ型素子を複数配置したリフレクトアレーであって、隣接するH型素子の第１方向及び第２方向の外側パッチ間の間にそれぞれ生じる第１外側パッチ間ギャップ及び第２外側パッチ間ギャップの値と、第1内側パッチの長さを一定に保ったまま、前記第２方向の内側パッチの間に生じる内側パッチ間ギャップの値を変化させることで、前記第２方向の偏波に対する反射位相を変化させることを特徴とするリフレクトアレーに関する。

本発明の他の態様は、接地プレートと、前記接地プレートに接続されたビアと、前記ビアを介し前記接地プレートから隔てて設けられたH型パッチとを有する素子であって、前記H型パッチは、２つの矩形の外側パッチと、１つの矩形の内側パッチとを有し、前記２つの外側パッチは、前記内側パッチを挟むよう前記内側パッチに連結される素子に関する。

本発明によると、TE入射の反射位相とTM入射の反射位相とを独立に変更することを可能にするリフレクトアレーを、さらには、複数の周波数で共用可能なリフレクトアレーを提供することができる。

図１は、従来技術によるクロスダイポールアンテナのリフレクトアレーの概略図である。図２は、Ｙ方向のマッシュルーム間のギャップgyを変化させたときのＸ方向のマッシュルーム間のギャップgｘに対する反射位相を示す図である。図３は、マッシュルーム構造を用いたリフレクトアレーの原理を説明するための説明図である。図４は、マッシュルーム構造による素子の等価回路図である。図５は、従来のマッシュルーム構造によるリフレクトアレーの拡大平面図である。図６Ａは、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム素子の構造を示す図である。図６Ｂは、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム素子の構造を示す図である。図７は、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム素子の平面図である。図８は、本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子を用いて構成したリフレクトアレーの１周期分の構造図である。図９は、図８の本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーを3列並べたものの一部の拡大図である。図１０は、図８の本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーを3列並べたものの一部の拡大図である。図１１は、図８の本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーを3列並べたものの一部の拡大図である。図１２は、図８の本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーを3列並べたものの一部の拡大図である。図１３は、本発明の第１実施例の反射位相と外側パッチの長さとの関係を内側パッチの長さを変えて、３つの周波数の場合について示す図である。図１４は、本発明の第１実施例の反射位相と内側パッチの長さとの関係を外側パッチの長さを変えて、第一の周波数の場合について示す図である。図１５は、本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの一例となる設計値を示す。図１６は、選択されたOyの値を示す図である。図１７は、選択されたIxの値を示す図である。図１８は、表１の設計条件でリフレクトアレーに入射したときの散乱断面積を示す図である。図１９は、表１の設計条件でリフレクトアレーに入射したときの散乱断面積を示す図である。図２０は、本発明の第２実施例によるリフレクトアレーの構造を示す図である。図２１は、本発明の第２実施例によるTE入射H型マッシュルーム素子によるマルチバンドリフレクトアレーの反射位相特性のOyに対する変化を示す図である。図２２は、本発明の第２実施例によるTM入射H型マッシュルーム素子によるマルチバンドリフレクトアレーの反射位相特性のlxに対する変化を示す図である。図２３は、本発明の第３実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの拡大図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。図中、同様な要素には同じ参照番号又は参照符号が付されている。

まず、マッシュルーム構造を有した反射素子によるマルチバンドリフレクトアレーを概略する。

図３は、リフレクトアレーの基本原理を説明するための説明図を示す。図示されているように、地板上に整列した複数の素子各々による反射波の位相が、隣接する素子同士の間で徐々に変化していたとする。図示の例の場合、隣接する素子各々による反射波の位相差は90度である。電波は等位相面(破線で示されている)に垂直な方向に進行するので、個々の素子からの反射位相を適切に調整しつつ、素子を平面上に配置することでリフレクトアレーを形成し、入射波を所望の方向に反射させることができる。

M×Nのアレーによって構成されるリフレクトアレー設計の際にmn番目の素子に与えられる位相α_mnは、位置ベクトルｒ_mn、入射及び反射方向単位ベクトルｕ_ｉ，ｕ_ｒを用いて（１）式で表される（非特許文献７）。いいかえると、（１）式のように、mn番目の素子にα_mnの反射位相を与ると、反射方向の単位ベクトルｕ_ｒに直交する面が等位相面となり、ｕ_ｒの方向に反射波が進む。

（１）式において、ｋ_ｆは、動作周波数ｆにおける波数であり、(２)式であらわされる。

（１）式より、ｘ方向に隣接するmn番目と(m-1)n番目の素子どうしの位相差は（３）式で、ｙ方向に隣接する素子どうしの位相差は（４）式で与えられる。

また、ｙ方向に隣接するmn番目とm(n-1)番目の素子どうしの位相差は（３）式で、ｙ方向に隣接する素子どうしの位相差は（４）式で与えられる。

単位ベクトルｕ_ｉできまる入射方向と単位ベクトルｕ_ｒできまる反射方向のなす平面が、二本の直線の成す平面として求められる。これを反射面と呼ぶ。この反射面に対して、電界が直交しているときをTE波、平行なときをTM波と呼ぶ。

先ずはじめにTE入射とTM入射を同じ方向に反射させるための原理について述べる。
TE入射に対する位相差を、Δα_mxTE，Δα_nyTE TM入射に対する位相差を、Δα_mxTE，Δα_nyTEとおくと、(５)式、(６)式が成立するとき、TE波も、TM波も同じ方向から入射波を同じ方向に反射できることがわかる。

次に、第一の周波数と第二の周波数で同じ方向から入射する波を同じ方向に反射させるための原理について述べる。

第一の周波数をｆ_１、第二の周波数をｆ_２とするときに、二つの周波数どうしの入射方向ベクトルｕ_ｉと位置ベクトルｒ_mnがそれぞれ等しい場合に、二つの周波数ともに同じ反射方向ベクトルｕ_ｒの方向に反射するためには、

（７），（８）式が成り立てばよい。

（７），（８）式を変形して、位相の比と、波数の比が等しくすればよいことがわかる。また、このとき、（３），（４）式より位相の比が等しければ位相差の比もまた等しくなる。すなわち、（９）式が成り立てばよい。

（９）式は、Y方向の位相差の比も、X方向の位相差の比も周波数の比となることを示している。

次に、周波数とTM,TE入射の関係について述べる。ここで、第一の周波数がTM入射、第二の周波数がTM入射のときにそれぞれが同じ方向に反射するようにするためには、（１０）式が成り立てばよい。

また、第一の周波数がTE入射、第二の周波数がTE入射のときにそれぞれが同じ方向に反射するようにするためには、（１１）式が成り立てばよい。

また、第一の周波数がTE入射、第二の周波数がTM入射のときにそれぞれが同じ方向に反射するようにするためには、（１２）式が成り立てばよい。

また、第一の周波数がTM入射、第二の周波数がTE入射のときにそれぞれが同じ方向に反射するようにするためには、（１３）式が成り立てばよい。

すなわち、TE入射のときに第一の周波数でリフレクトアレーが動作したときの反射方向と、TM入射のときに第二の周波数でリフレクトアレーが動作したときの反射方向を等しくする場合は、TE入射のときに第一の周波数で得られる位相と、TM入射のときに第二の周波数で得られる位相の比と、波数の比が等しくすればよいことがわかる。

本発明のH型マッシュルームの動作原理を説明するために、まず従来のマッシュルーム構造の動作原理について説明する。

図４は、マッシュルーム構造の等価回路を示す。図４の並ぶマッシュルーム構造のパッチ５３の間のギャップに起因して、キャパシタンスCが生じる。従って図５の線pに沿って並ぶマッシュルーム構造のパッチ５３と、線qに沿って並ぶマッシュルーム構造のパッチにより、ギャップの大きさの異なるマッシュルームを並べると、値の異なるキャパシタンスC1,..,Cnが線qに沿って並ぶことになる。更に、線pに沿って並ぶマッシュルーム構造のビア５２、及び線qに沿って並ぶマッシュルーム構造のビア５２に起因して、インダクタンスLが生じる。したがって、隣接するマッシュルーム構造の等価回路は、図４右側に示されるような回路になる。すなわち、等価回路において、インダクタンスLとキャパシタンスCとが並列に接続されている。キャパシタンスC、は、（１４）、（１５）式であらわされる。

数式(１４)は、電界がｘ方向に平行なときに生まれるキャパシタンスであり、数式(１５)は、電界がｙ方向に平行なときに生まれるキャパシタンスである。非特許文献３に示されているように、マッシュルーム構造のキャパシタンスは、ギャップの値を変えることで変化させられる。しかし、（１４），（１５）式からわかるように、ｘ方向のギャップを変えると、ｘ方向のパッチサイズが変化するため、ｙ方向のキャパシタンスに影響を与える。すなわち、キャパシタンスの値をｘ方向とy方向で独立に決められないという問題が生じる。

なお、数式（１４）、（１５)において、ε₀は真空の誘電率を表し、ε_rはパッチ同士の間に介在する材料の比誘電率を表す。素子間隔は上記の例の場合、y軸方向のビア間隔Δyである。ギャップg_yは隣接するパッチ同士の隙間であり、上記の例の場合、g_y=Δy-Wyである。Wyはy軸方向のパッチの長さを表す。すなわち、arccosh関数の引数は、素子間隔とギャップとの比率を表す。
また、インダクタンスL、表面インピーダンスZs及び反射係数Γは、それぞれ（16）、（17）、（１８）式であらわされる。

数式（１4）、（15）において、ε₀は真空の誘電率を表し、ε_rはパッチ同士の間に介在する材料の比誘電率を表す。Wyはy軸方向のパッチの長さ、Wｘはx軸方向のパッチの長さを表す。すなわち、arccosh関数の引数は、素子間隔とギャップとの比率を表す。数式（１６）において、μはビア同士の間に介在する材料の透磁率を表し、tはパッチ５３の高さ(接地プレート５１からパッチ５３までの距離)を表す。数式（１７）において、ωは角周波数を表し、ｊは虚数単位を表す。数式（１８）において、ηは自由空間インピーダンスを表し、φは位相差を表す。

概して、マッシュルーム構造（素子）の反射位相は、ある共振周波数において０になる。素子のキャパシタンスC及び/又はインダクタンスLを調整することで、共振周波数がずれるため、反射位相の値を調整することができる。マッシュルーム構造を素子とするリフレクトアレーの設計においては、共振周波数の電波が所望方向に反射するように、キャパシタンスC及び/又はインダクタンスLにより個々の素子の反射位相を適切に設定する必要がある。

マッシュルーム構造の反射素子を利用した偏波共用マルチバンドリフレクトアレーでは、X方向のギャップを変化させると、電界がX方向に平行な電波の反射位相だけでなく、電界がY方向に平行な電波の反射位相もまた変化してしまう（非特許文献４）。また、Y方向のギャップを変化させると、電界がY方向に平行な電波の反射位相だけでなく、電界がX方向に平行な電波の反射位相もまた変化してしまう（図２）。すなわち、従来のマッシュルーム構造の反射素子を利用した偏波共用マルチバンドリフレクトアレーでは、TE入射の反射位相とTM入射の反射位相とを独立に変えることは困難であった。これは、X方向のギャップを変えると、Y方向のギャップに生じるパッチの長さが変化し、上述した数式（１４），（１５）に示されるように、容量（キャパシタンス）の値が変化してしまうためであると考えられる。

後述されるH型マッシュルーム構造を有した反射素子では、このようなマッシュルーム構造の反射素子を利用した偏波共用マルチバンドリフレクトアレーの問題点を解消することが可能となる。

次に、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム構造を有する反射素子を説明する。図６Ａ及び６Ｂは、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム素子の構造を示す図である。図６Ａに示されるように、本発明の一実施例によるH型マッシュルーム素子は、接地プレート５１と、ビア５２と、H型パッチ５４とを有する。典型的には、図６Ｂに示されるように、各H型マッシュルーム素子がビア５２及びH型パッチ５４を有し、複数のH型マッシュルーム素子が接地プレート５１上にアレー状に配置される。図７の実施例では、H型パッチ５４は、同一サイズの２つの矩形の外側パッチと、１つの矩形の内側パッチとの３つの矩形部分から構成され、H型パッチ５４が矩形の一辺により規定される第１方向（X方向）と第１方向に直交する第２方向（Y方向）とに関して対称となるように、２つの外側パッチが内側パッチを挟むよう内側パッチに連結される。

図示されるH型パッチ５４では、外側パッチのX方向に関する長さがOxであり、H型パッチのY方向に関する長さがOyであり、内側パッチのX方向に関する長さがIxであり、内側パッチのY方向に関する長さがIyである。典型的には、H型パッチは、図６，７に示されるようなH型の形状を有するが、本発明によるH型パッチは、これに限定されるものでなく、例えば、２つ外側パッチが異なるサイズを有してもよい。この場合、H型パッチは、第１方向と第２方向とに関して非対称となってもよい。また、上述した第１方向と第２方向とは必ずしも直交していなくてもよい。

上述した実施例によるH型パッチ54は、同一サイズの２つの矩形の外側パッチと、１つの矩形の内側パッチとの３つの矩形部分から構成され、H型パッチが矩形の一辺により規定される第１方向と第１方向に直交する第２方向とに関して対称となるように、２つの外側パッチが内側パッチを挟むよう内側パッチに連結される任意の形状のパッチである。例えば、図８〜１２に示される各反射素子のパッチは、このように規定された形状を有するものであり、何れもH型パッチである。また、典型的なH型パッチではOx>Ixであるが、これに限定されるものでなく、Ox≦Ixであってもよい。本発明の各実施例によるリフレクトアレーは、上述したH型パッチを有する複数のH型マッシュルーム素子をアレー状に配置することによって構成される。

次に、本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子から構成されるマルチバンドリフレクトアレーを説明する。第１実施例によるマルチバンドリフレクトアレーでは、Y方向に平行な電界の入射に対してはOyの長さを変化させ、X方向に平行な電界の入射に対してはOxの長さを一定にしたまま、Ixの値だけを変化させるようH型マッシュルーム素子が配置される。ここでOxを、X方向の容量（キャパシタンス）を形成するコンデンサーの面積、すなわち、（１４）式のWxに相当すると考えれば、Ixを変えてもOxの値は変化しないので、Y方向に隣接するギャップ間の生じる容量（キャパシタンス）を一定にすることが可能となり、X方向のギャップを変えても、容量の値を一定に維持することが可能となる。すなわち、X方向に電界が向いている場合は、Ixの値を変化させ、Y方向に電界が向いている場合はOyの値を変化させることで、Y方向のキャパシタンスに影響をあたえずに、X方向の反射位相の値を変化させることが可能となる。

すなわち、隣接するH型素子の第１方向及び第２方向の外側パッチ間の間にそれぞれ生じる第１外側パッチ間のギャップ及び第２外側パッチ間のギャップの値を一定に保ったまま、第２方向の内側パッチの間に生じる内側パッチ間のギャップの値を変化させることで、第２方向の偏波に対する反射位相を変化させることができる。この場合、第１方向に隣接するH型素子の間に生じるキャパシタンスは、第１外側パッチ間のキャップの大きさに基づき決定され、第２方向に隣接するH型素子の間に生じるキャパシタンスは、第２外側パッチ間のギャップの大きさに基づき決定されることになる。

上記H型パッチは、以下のように言い換えることもできる。すなわち、H型パッチは、２つの矩形の外側パッチによって構成されるＨ型パッチの外側の４つの頂点と、内側パッチによって構成される内側の４つの頂点によって構成され、第１方向に平行に入射した電界の反射位相を変えるため、外側パッチの４つの頂点の位置と外側パッチの大きさを一定に維持しながら、内側パッチの４つの頂点の位置よって決まる第１方向の内側パッチの長さが決定される。また、第２方向に平行に入射した電界の反射位相を変えるため、第２方向に関するH型パッチの外側パッチの４つの頂点の位置によって決まる第２方向の長さが決定される。

図１３は、本発明の第１実施例の反射位相と外側パッチの長さとの関係を示す図である。図示されたグラフでは、8.25GHz, 11GHz及び14.3GHzの３つのバンドについて、Y方向に平行に入射した電界の反射位相とOyとの関係に関するシミュレーション結果が示されている。例えば、8.25GHzについて、実線で示されたIx=2.8mmのシミュレーション結果と、破線で示されたIx=2.8mmのシミュレーション結果とはほぼ重なった曲線になっており、反射位相とOyとの関係が内側のパッチのX方向の長さIxに依存しないことが理解される。すなわち、外側のパッチのY方向の長さOyのみを変えることによって、Y方向に平行に入射した電界（TM入射）について所望の反射位相を得ることが可能になる。11GHz及び14.3GHzのシミュレーション結果についても、同様に実線で示されたIx=2.8mmのシミュレーション結果と、破線で示されたIx=2.8mmのシミュレーション結果とはほぼ重なった曲線になっており、反射位相とOyとの関係が内側のパッチのX方向の長さIxに依存しないことが示されている。

図１４は、本発明の第１実施例の反射位相と内側パッチの長さとの関係を示す図である。図示されたグラフでは、Y方向の外側のパッチの長さOyが2.8mm及び3.9mmであり、内側のパッチの長さIyが2.4mm及び3.5mm（Iy=Oy-0.4mm）のそれぞれのケースについて、X方向に平行に入射した電界の反射位相とIyとの関係に関するシミュレーション結果が示されている。Y方向の外側のパッチの長さOyを決めると、Ｉｙの値も決まり、このとき、Ｉｘを変化させることで、反射位相の値を360度近く変化できることがわかる。ここで、入射方向は、（θ=20度、φ=0度）としている。この結果、TE(Transverse Electric wave)入射の反射位相をTM(Transverse Magnetic wave)入射の反射位相と独立に変えることが可能となる。

本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの設計値を図１５の表１に示す。図１３、１４から、表１を満たすように、Oy及びIxの値を決定した。図１６は選択されたOyの値を示し、図１７は選択されたIxの値を示す。

図８は、表１に示した設計値に基づいて反射位相が得られるように、図１３，１４から構造を決定した本発明の第１実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの全体図である。また、図９〜１２は、当該H型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの拡大図である。図８及び図９〜１２の下部に示されるように、第１実施例によるマルチバンドリフレクトアレーは、各種サイズのH型マッシュルーム素子がアレー状に配置されることによって構成される。図９〜１２の上部には、図８に示されるマルチバンドリフレクトアレーの各部分の拡大図が示されている。

図９に示される第１部分では、X方向に３個とY方向に１０個の合計３０個のH型マッシュルーム素子がアレイ状に配置され、異なるOy₁-Oy₁₀及びIx₁-Ix₁₀のサイズと、同一のOxのサイズとを有する１０個のH型マッシュルーム素子のセット１１がY方向に配置されている。また、同様のH型マッシュルーム素子のアレイのセット１２，１３がX方向に配置されている。

このように構成されたリフレクトアレーは、同一のOxを有するマッシュルーム素子が利用されるため、Y方向に隣接するギャップ間に生じる容量を一定にすることが可能となり、上述した数式（１４），（１５）などを利用してOy₁-Oy₁₀の各サイズとIx₁-Ix₁₀の各サイズとを独立に求めることによって、Y方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射し、X方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射することができる。

次に図１０に示される第２部分では、第１部分と同様に、X方向に３個とY方向に１０個の合計３０個のH型マッシュルーム素子がアレイ状に配置され、異なるOy₁₁-Oy₂₀及びIx₁₁-Ix₂₀のサイズと、同一のOxのサイズとを有する１０個のH型マッシュルーム素子のセット２１がY方向に配置されている。また、同様のH型マッシュルーム素子のアレイのセット２２，２３がX方向に配置されている。

このように構成されたリフレクトアレーは、同一のOxを有するマッシュルーム素子が利用されるため、Y方向に隣接するギャップ間に生じる容量を一定にすることが可能となり、上述した数式（１４），（１５）などを利用してOy₁₁-Oy₂₀の各サイズとIx₁₁-Ix₂₀の各サイズとを独立に求めることによって、Y方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射し、X方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射することができる。

次に図１１に示される第３部分では、第１部分と同様に、X方向に３個とY方向に１０個の合計３０個のH型マッシュルーム素子がアレイ状に配置され、異なるOy₂₁-Oy₃₀及びIx₂₁-Ix₃₀のサイズと、同一のOxのサイズとを有する１０個のH型マッシュルーム素子のセット３１がY方向に配置されている。また、同様のH型マッシュルーム素子のアレイのセット３２，３３がX方向に配置されている。

このように構成されたリフレクトアレーは、同一のOxを有するマッシュルーム素子が利用されるため、Y方向に隣接するギャップ間に生じる容量を一定にすることが可能となり、上述した数式（１４），（１５）などを利用してOy₂₁-Oy₃₀の各サイズとIx₂₁-Ix₃₀の各サイズとを独立に求めることによって、Y方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射し、X方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射することができる。

次に図１２に示される第４部分では、第１部分と同様に、X方向に３個とY方向に１０個の合計３０個のH型マッシュルーム素子がアレイ状に配置され、異なるOy₃₁-Oy₄₀及びIx₃₁-Ix₄₀のサイズと、同一のOxのサイズとを有する１０個のH型マッシュルーム素子のセット４１がY方向に配置されている。また、同様のH型マッシュルーム素子のアレイのセット４２，４３がX方向に配置されている。

このように構成されたリフレクトアレーは、同一のOxを有するマッシュルーム素子が利用されるため、Y方向に隣接するギャップ間に生じる容量を一定にすることが可能となり、上述した数式（１４），（１５）などを利用してOy₃₁-Oy₄₀の各サイズとIx₃₁-Ix₄₀の各サイズとを独立に求めることによって、Y方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射し、X方向に平行に入射した電界を所望の反射位相で出射することができる。

図１８，１９は、表１の設計条件で本リフレクトアレーに入射したときの散乱断面積を示している。図１８は、θ=-37度一定としたときのTM入射１１GHzのEθ成分を表しており、所望のφ=-56度の方向にピークがあることがわかる。また、図１９は、θ=-37度一定としたときのTE入射１4.3GHzのEθ成分を表しており、所望のφ=-56度の方向にピークがあることがわかる。

次に、本発明の第２実施例によるH型マッシュルーム素子から構成されるマルチバンドリフレクトアレーを説明する。図２０は、本発明の第２実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの拡大図である。

第１実施例によるマルチバンドリフレクトアレーでは、Iyのサイズを可変的なものにしたが、図２０に示されるように、第２実施例によるマルチバンドリフレクトアレーでは、Iyを一定のサイズにする。

図２１は、本発明の第２実施例によるTE入射H型マッシュルーム素子によるマルチバンドリフレクトアレーの反射位相特性のOyに対する変化を示す図である。図２１に示されるように、Iyを一定にしたまま、Oyを変化させると、Ixの長さを2mm及び3.7mmに変えても、反射位相の値はほぼ同様の曲線を示すシミュレーション結果が得られている。すなわち、Y方向に平行な電界の入射について、Ixの長さに依存することなく、反射位相をOyの長さによって決定することが可能になることがわかる。

図２２は、本発明の第２実施例によるTM入射H型マッシュルーム素子によるマルチバンドリフレクトアレーの反射位相特性のIxに対する変化を示す図である。図２２に示されるように、Oxを一定にしたまま、Ixを変化させると、Oyの長さを3mm及び3.7mmに変えても、反射位相の値はほぼ同様の曲線を示すシミュレーション結果が得られている。すなわち、X方向に平行な電界の入射について、Oyの長さに依存することなく、反射位相をIxの長さによって決定することが可能になる。

次に、本発明の第３実施例によるH型マッシュルーム素子から構成されるマルチバンドリフレクトアレーを説明する。図２３は、本発明の第３実施例によるH型マッシュルーム素子によるリフレクトアレーの拡大図である。第３実施例によるマルチバンドリフレクトアレーでは、X方向に平行な電界の入射に対しては、Oxの長さを一定にしたまま、Ixの長さを変化させ、Y方向に平行な電界の入射に対しては、Iyの長さを一定にしたまま、Oyの長さを変化させるようH型マッシュルーム素子が配置される。すなわち、各H型マッシュルーム素子は、同一のサイズのOx及びIyと、異なるサイズのIx及びOyとを有している。

図２３に示されるように、第１実施例と同様に、各H型マッシュルーム素子は、同一のOxと異なるOy及びIxとを有すると共に、同一のIyを有している。これにより、第１実施例と同様に、TE入射の反射位相をTM入射の反射位相と独立に変えることが可能となると共に、図１４に関して上述されたようなX方向に平行に入射した電界の反射位相とIyとの関係を示すグラフをほぼ重なったものにすることができる。

以上、本発明の実施例について詳述したが、本発明は上述した特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

５１接地プレート
５２ビア
５３パッチ
５４ H型パッチ

Claims

外側パッチと内側パッチによって構成されるＨ型素子を複数配置したリフレクトアレーであって、
隣接するH型素子の第１方向及び第２方向の外側パッチ間の間にそれぞれ生じる第１外側パッチ間ギャップ及び第２外側パッチ間ギャップの値を一定に保ったまま、前記第２方向の内側パッチの間に生じる内側パッチ間ギャップの値を変化させることで、前記第２方向の偏波に対する反射位相を変化させることを特徴とするリフレクトアレー。
請求項１記載のリフレクトアレーであって、
前記第１方向に隣接するH型素子の間に生じるキャパシタンスは、前記第１外側パッチ間キャップの大きさに基づき決定され、
前記第２方向に隣接するH型素子の間に生じるキャパシタンスは、前記第２外側パッチ間ギャップの大きさに基づき決定されることを特徴とするリフレクトアレー。
請求項２記載のリフレクトアレーであって、
前記第１方向の外側パッチの間に生じる第１外側パッチ間ギャップを変化させることで、前記第１方向の偏波に対する反射位相の値を変化させることを特徴とするリフレクトアレー。
請求項３記載のリフレクトアレーであって、
前記内側パッチの前記第１方向の長さを一定とすることを特徴とするリフレクトアレー。
アレー状に配置された複数の素子を有するリフレクトアレーであって、
各素子は、接地プレートから隔てて設けられたH型パッチを有し、
前記H型パッチは、２つの矩形の外側パッチによって構成されるＨ型パッチの外側の４つの頂点と、内側パッチによって構成される内側の４つの頂点によって構成され、
第１方向に平行に入射した電界の反射位相を変えるため、前記外側パッチの４つの頂点の位置と外側パッチの大きさを一定に維持しながら、前記内側パッチの４つの頂点の位置よって決まる前記第１方向の内側パッチの長さが決定され、
前記第２方向に平行に入射した電界の反射位相を変えるため、前記第２方向に関する前記H型パッチの外側パッチの４つの頂点の位置によって決まる前記第２方向の長さが決定されるリフレクトアレー。
アレー状に配置された複数の反射素子を有するリフレクトアレーであって、
各反射素子は、接地プレートから隔てて設けられたH型パッチを有し、
前記H型パッチは、同一サイズの２つの矩形の外側パッチと、１つの矩形の内側パッチとを有し、
前記２つの外側パッチは、矩形の一辺により規定される第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに関して前記H型パッチが対称となるように、前記内側パッチを挟むよう前記内側パッチに連結され、
前記第１方向に平行に入射した電界を偏波するため、前記第２方向に配置される各反射素子の外側パッチの前記第１方向に関する長さを一定にしたまま、前記第１方向に関する前記内側パッチの長さが決定され、
前記第２方向に平行に入射した電界を偏波するため、前記第２方向に関する前記H型パッチの長さが決定されるリフレクトアレー。
請求項５又は６記載のリフレクトアレーであって、
前記第２方向に配置される各反射素子の内側パッチの前記第２方向に関する長さを一定にすることを特徴とするリフレクトアレー。
請求項５乃至７何れか一項記載のリフレクトアレーであって、
前記第２方向に平行に入射した電界を偏波するため、前記第２方向に配置される各反射素子の内側パッチの前記第２方向に関する長さを一定にしたまま、前記第２方向に関する前記H型パッチの長さが決定されることを特徴とするリフレクトアレー。
請求項１乃至８何れか一項記載のリフレクトアレーであって、
前記第２方向に平行した入射と、前記第１方向に平行した入射又は前記第１方向及び第２方向以外の第３方向に平行した入射とを異なる周波数とすることを特徴とするリフレクトアレー。
接地プレートと、
前記接地プレートに接続されたビアと、
前記ビアを介し前記接地プレートから隔てて設けられたH型パッチと、
を有する素子であって、
前記H型パッチは、２つの矩形の外側パッチと、１つの矩形の内側パッチとを有し、
前記２つの外側パッチは、前記内側パッチを挟むよう前記内側パッチに連結される素子。
請求項１０記載の素子であって、
前記２つの外側パッチは、同一のサイズを有し、
前記H型パッチは、前記外側パッチの一辺により規定される第１方向と前記第１方向に直交する第２方向とに関して対称であることを特徴とする素子。