JP2022039867A

JP2022039867A - メタ表面

Info

Publication number: JP2022039867A
Application number: JP2020154982A
Authority: JP
Inventors: 隆広塩沢; Takahiro Shiozawa
Original assignee: KDDI Research Inc
Current assignee: KDDI Research Inc
Priority date: 2020-08-28
Filing date: 2020-08-28
Publication date: 2022-03-10

Abstract

【課題】マッシュルーム構造を持つ複数の素子を用いて所望の方向に電波を向けるメタ表面を用いた反射器、または、偏向器において、素子の周期を変えないで所定の位相を与える構造を提供する。【解決手段】複数のパッチ板を持つメタ表面において、パッチ板と導体面、あるいは、パッチ板間に導体線を設け、導体線の数、位置、配置、形状、大きさを変えることにより特性を制御する。【選択図】図４

Description

本発明は、人工表面材料、すなわちメタ表面、メタサーフェスに関し、このような材料は、電波を特定の方向に反射、または、屈曲させる反射器（リフレクタ）や、電波を送受信する際のアンテナの特性改善や、特定の周波数を減衰させるフィルタ等に使用可能である。

移動通信等において、電波の経路に建物等の障害物が存在すると、受信レベルが劣化する。このため、その建物と同程度以上の高所に反射器、または、偏向器を設け、電波が届きにくい場所に反射波または透過屈曲波を送る技術がある。反射器により電波を反射する際、垂直面内における電波の入射角が比較的小さかった場合、導体板等による反射器では、電波の入射角と反射角は等しいので、電波を所望方向に向けることが困難になる。反射板に対する入射角及び反射角を大きくするために、地面を覗き込むように反射板を傾斜させることが考えられるが、高所に設置する反射器を地面側に傾けることは、安全性の観点からは好ましくない。このため、電波の入射角が比較的小さかったとしても、所望方向に反射波を向けることが可能な反射器が望まれる。同様に、透過屈曲波の偏向角を制御できる偏向器が望まれる（図１）。

このような反射器や偏向器として、半波長程度の素子を周期的に並べた構造を用いる方法が考えられるが、このような構造はかなり大型になってしまう。これに対して、半波長よりも小さな素子を多数並べたメタ表面が注目されている。このようなメタ表面の一例は、導体面と導体板（パッチ板）と両者を結ぶ導体線から構成されるきのこ状の構造（マッシュルーム構造）を複数並べたメタ表面（例えば、非特許文献１参照。）である。

マッシュルーム構造を用いた反射器は、等価回路におけるインダクタンスＬと容量Ｃを調整して共振周波数を調整することで反射位相を制御し、電波が反射する方向を制御する。共振周波数を調整する方法としては、パッチのサイズを変える方法等（例えば、非特許文献２参照。）がある。

Ｄ．Ｓｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒ，Ｌ．Ｚｈａｎｇ，Ｒ．Ｆ．Ｊ．Ｂｒｏａｓ，Ｎ．Ｇ．Ａｌｅｘｏｐｏｌｏｕｓ，ａｎｄＥ．Ｙａｂｌｏｎｏｖｉｔｃｈ，"Ｈｉｇｈ－ＩｍｐｅｄａｎｃｅＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＳｕｒｆａｃｅｓｗｉｔｈａＦｏｒｂｉｄｄｅｎＦｒｅｑｕｅｎｃｙＢａｎｄ，"ＩＥＥＥＴｒａｎｓ．ＭｉｃｒｏｗａｖｅＴｈｅｏｒｙＴｅｃｈ．，ｖｏｌ．４７，ｎｏ．１１，ｐｐ．２０５９－２０７４，Ｎｏｖ．１９９９．Ｔ．Ｍａｒｕｙａｍａ，Ｔ．Ｆｕｒｕｎｏ，Ｙ．Ｏｄａ，Ｊ．Ｓｈｅｎ，ａｎｄＴ．Ｏｈｙａ，"ＣａｐａｃｉｔａｎｃｅＶａｌｕｅＣｏｎｔｒｏｌｆｏｒＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌＲｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙＵｓｉｎｇＭｕｌｔｉ－ｌａｙｅｒＭｕｓｈｒｏｏｍＳｔｒｕｃｔｕｒｅｗｉｔｈＰａｒａｓｉｔｉｃＰａｔｃｈｅｓ，"ＡＣＥＳＪｏｕｒｎａｌ，ｖｏｌ．２７，Ｎｏ．１，ｐｐ．２８－４１，Ｊａｎ．２０１２．

複数の素子を用いて所望の方向に電波を向ける反射器を実現するには、所定の位相を与える素子を整列させる必要がある。マッシュルーム構造のパッチ板の大きさを変えることで所定の位相を得ることが行われているが、素子間隔が変化するため効率良く素子を配置することが困難であったり、設計が煩雑となったりする問題がある。また、入射電波の偏波が変化すると反射位相、または、透過位相が変化し、反射角、または、透過角が変化する問題があった。

本発明の課題は、マッシュルーム構造を持つ複数の素子を用いたメタ表面に利用可能な構造で、素子の中心間隔、すなわち周期（ピッチ）を変えないで所定の位相を与える構造を提供することである。または、入射電波の偏波の変化に対する反射位相、または、透過位相の変化を小さくする構造を提供することである。

本発明のメタ表面は、導体板と導体板、あるいは、導体板と導体面を接続する導体線を有し、この導体線の数、または、位置、または、形状、または、大きさ、あるいは、これらの組み合わせにより特性を制御することを特徴としたものである。

複数のパッチ板を持つメタ表面の等価回路は、パッチ板間の間隙で生じる容量Ｃとパッチ板に加えてパッチ板と導体面を結ぶ導体線で生じるインダクタンスＬの並列共振回路で表される（図２）。または、パッチ板間の間隙で生じる容量Ｃとパッチ板に加えてパッチ板間を結ぶ導体線で生じるインダクタンスＬの並列共振回路で表される（図３）。

本発明のメタ表面は、パッチ板とパッチ板、あるいは、パッチ板と導体面を接続する導体線の数、または、位置、または、形状、または、大きさ、あるいは、これらの組み合わせにより主に等価回路のインダクタンスＬを変えることで、共振特性を制御し、所定の反射位相、あるいは、透過位相を得るので、または、入射電波の偏波の変化による反射位相、あるいは、透過位相の変化を小さくするので、素子の周期（ピッチ）を変えないで所定の特性を得ることができる。

これにより素子を隙間無く配置できるので、高い反射率、または、透過率を得ることができる。また、等周期（等ピッチ）に素子を配置できるので、設計が容易になる。更に、両面プリント基板と導体線による単純な構造で、プリント基板製造に標準的に使われる構造で実現されるので、低価格に製造できる。

移動通信の受信環境を、メタ表面を用いて改善する例を示す図。反射型メタ表面を説明する図。透過型メタ表面を説明する図。反射型メタ表面における実施例を示す図。導体線の数を変える例を示す図。導体線の位置を変える例を示す図。導体線の形状を変える例を示す図。導体線の大きさを変える例を示す図。パッチ板中央から導体線までの距離を変えることでメタ表面における反射位相が変化することを説明する図。導体線の配置により入射電波の偏波の変化によるメタ表面における反射位相の変化量が変わることを説明する図。

図４に反射型メタ表面に適用した実施例を示す。この例では、パッチ板として六角形状のパッチ板を用いる。パッチ板と導体面の間は複数の導体線で接続される。図５に示すようにこの導体線の数（図５Ａ）、位置、配置（図５Ｂ）、形状（図５Ｃ）、大きさ（図５Ｄ）を変えることにより等価回路の主にインダクタンスＬの値を変えることができるので、パッチ板の周期を変えないで、等価回路のインダクタンスＬの値を連続的に変えることができる。これにより反射位相を変えることができる。また、位置、配置、形状を変えることにより入射電波の偏波に対する反射位相特性を変えることができる。

図６は、図５Ａに示すように導体線の数をパラメータとし、パッチ板中央から導体線までの距離を変えることでメタ表面における反射位相が変化することを示す一つの例である。

図６には、パッチ板中央から導体線までの距離を変えることの効果を示したが、図５Ｄに示すように導体線の大きさを変えて所定の位相を得ることもできる。

図７は、図５Ｂ中央に示すように複数の導体線を配置することで、入射電波の偏波に対する反射位相の変化量が小さくなることを示す一つの例である。

図７には、複数の導体線の配置による効果を示したが、図５Ｃの右側の図に示すように導体線の形状を変えて所定の位相を得ることもできる。

図４には、六角形状のパッチ板と導体面の間を複数の導体線で接続する例を示したが、四角形状のパッチ板等、他の形状をもつパッチ板に適用しても同様な効果が得られる。多層の構造等を持つ他の構造のメタ表面に適用しても同様な効果が得られる。また、図４は反射型メタ表面に関する実施例として説明したが、透過型メタ表面に関しても同様な効果が得られる。

ここまで電波を反射、偏向させる方向を一方向として説明しているが、同時に複数方向へ反射、屈曲させるメタ表面を設計することも可能であり、このようなメタ表面に関しても同様な効果が得られる。

１反射型メタ表面
２透過型メタ表面
３基地局アンテナ
４建物
５パッチ板
６導体線
７導体面

Claims

複数の導体板を持つメタ表面において、導体板と導体板、あるいは、導体板と導体面を接続する導体線を有し、この導体線の数、または、位置、または、形状、または、大きさ、あるいは、これらの組み合わせにより特性を制御することを特徴としたメタ表面。
複数の導体板を持つメタ表面において、導体板と導体板、あるいは、導体板と導体面を接続する導体線を有し、この導体線の数、または、位置、または、形状、または、大きさ、あるいは、これらの組み合わせにより電波の反射位相、または、透過位相を局所的に特定の値に制御することを特徴とした請求項１記載のメタ表面。
複数の導体板を持つメタ表面において、導体板と導体板、あるいは、導体板と導体面を接続する導体線を有し、この導体線の数、または、位置、または、形状、または、大きさ、あるいは、これらの組み合わせにより入射電波の偏波の変化に対する反射位相、または、透過位相の変化が小さくなるように制御することを特徴とした請求項１記載のメタ表面。