JP2022535795A - ワイヤレスアプリケーションを強化するためのメタ構造ベースのリフレクトアレイ - Google Patents

Abstract

本明細書に開示される例は、ワイヤレスアプリケーションを強化するためのリフレクトアレイアンテナに関する。リフレクトアレイアンテナは、接地導電面と、接地導電面に結合された誘電体基板と、誘電体基板に結合され、アンテナゲインを生成するためのセルのアレイを備えるパターン化された導電面と、を有する。いくつかの態様では、セルのアレイ内の各セルは、所定のカスタム構成を備え、かつ無線周波数（ＲＦ）信号を受信して、所定の方向にＲＦ戻りビームを生成するように構成されている反射素子を含む。本明細書に開示される他の例は、携帯型リフレクトアレイおよびリフレクトアレイアンテナを組み立てる方法に関する。【選択図】図１

Description

関連出願の相互参照
この出願は、２０１９年５月３１日に出願された米国仮出願第６２／８５５，６８８号、および２０１９年８月２６日に出願された米国非仮出願第１６／５５１，３６１号からの優先権を主張し、参照によりその全体が組み込まれる。

新世代のワイヤレスネットワークは、ユーザの要求に対応するためにますます必要になっている。モバイルデータトラフィックは毎年増加し続けており、ワイヤレスネットワークがより高速で、より多くのデバイスを接続し、より低遅延になり、かつますます多くのデータを一度に送信することを求めている。現在、ユーザは、オフィスビル、公共スペース、開放領域、または車両のいずれであっても、環境および状況に関係なく、即時のワイヤレス接続を期待している。これらの要求に応えて、近い将来に展開するための新しいワイヤレス規格が設計された。ワイヤレス技術の大きな発展は、第４世代（「４Ｇ」）の現在のロングタームエボリューション（「ＬＴＥ」）機能以上のものを網羅し、移動体、固定ワイヤレスなどを介して高速インターネットを配信することを約束する、第５世代のセルラーコミュニケーション（「５Ｇ」）である。５Ｇ規格は、６ＧＨｚを超える周波数をカバーするミリ波帯域、および世界中の計画されている２４ＧＨｚ、２６ＧＨｚ、２８ＧＨｚ、３９ＧＨｚ～最大３００ＧＨｚに動作を拡張し、高速データ通信に必要な広い帯域幅を可能にする。

ミリ波（「ミリ波」）スペクトルは、約１～１０ミリメートルの範囲内の狭い波長を提供し、これらの波長は、高い大気減衰の影響を受けやすく、短距離（わずか１キロメートル強）で動作する必要がある。例えば、ストリートキャニオンがある密集－拡散エリアおよびショッピングモールでは、マルチパス、シャドウイング、地理的な障害物のために死角が存在する場合がある。範囲が広く、豪雨を伴う極端な気候条件が発生することもある遠隔地では、環境条件により、強風および暴風雨のために事業者が大型アレイアンテナを使用できない場合がある。５Ｇネットワークにミリ波ワイヤレスコミュニケーションを提供する際のこれらの課題およびその他の課題は、周囲の環境の多くの信号および構造間の干渉を回避しながら、制御された方向で所望のビームフォームを生成する能力を含む、システム設計に野心的な目標を課する。

本出願は、添付の図面と併せて記載された以下の詳細な説明に関連して、より完全に理解され得、添付の図面は、縮尺通りに描写されておらず、また図面全体を通して、同様の参照文字は、同様の部分を指す。

様々な例に従って、メタ構造（「ＭＴＳ」）リフレクトアレイが、５Ｇアプリケーション用に展開される環境を示す。 様々な例に従って、ＭＴＳベースのリフレクトアレイが、５Ｇアプリケーション用に展開されている都市環境を示す。 様々な例に従って、ＭＴＳベースのリフレクトアレイを展開して５Ｇワイヤレスカバレッジおよび性能を大幅に向上させることができる、別の環境を示す。 様々な例による、屋内に設定されたＭＴＳリフレクトアレイの配置を示す。 様々な例に従って、ＭＴＳリフレクトアレイを使用してワイヤレスカバレッジおよび性能を向上させる５Ｇアプリケーションを示す。 様々な例による、ＭＴＳリフレクトアレイおよびそのセル構成の概略図である。 様々なセル構成を有する例示的なリフレクトアレイである。 様々な例による、その裏面に壁取り付け台を備えたリフレクトアレイを示す。 様々な例による、取り外し可能なカバーを備えたリフレクトアレイを示す。 様々な例に従って、その裏面に回転機構が配置されたリフレクトアレイを示す。 様々な例に従って、その裏面にソーラー制御回転機構が配置されたリフレクトアレイを示す。 様々な例による、回転取り付け台上のデュアルリフレクトアレイを示す。 様々な例による、曲げ可能なリフレクトアレイを示す。 様々な例に従って、複数のリフレクトアレイ層を有する積み重ね可能でスライド可能なリフレクトアレイの概略図である。 様々な例による、携帯型リフレクトアレイを示す。 本明細書に開示されている様々な例によるリフレクトアレイを設計するためのフローチャートである。 様々な例による、リフレクトアレイの幾何学的設定を示す。 様々な例による、リフレクトアレイからの放射パターンを示す。 様々な例による、リフレクトアレイセルならびにその位相および振幅分布を示す。 様々な例による、リフレクトアレイのライブラリおよび取り外し可能なカバーのライブラリを示す。

ワイヤレスアプリケーションを強化するためのメタ構造ベースのリフレクトアレイが開示されている。リフレクトアレイは多くの異なるワイヤレスアプリケーションに適しており、様々な環境および構成で展開できる。様々な例において、リフレクトアレイは、特定の方向に入射無線周波数（「ＲＦ」）信号を反射するメタ構造反射素子を有するセルのアレイである。本明細書で全体的に定義されるメタ構造は、特定の位相および周波数分布を満たすように空間的に分布される、操作された非周期的または半周期的構造である。メタ構造反射素子は、反射されたＲＦ信号の波長に比べて非常に小さくなるように設計されている。リフレクトアレイは、５Ｇおよびその他のワイヤレスアプリケーションに必要なより高い周波数で、比較的短い距離で動作することができる。それらの設計と構成は、屋内か屋外かにかかわらず、所与のアプリケーションまたは展開の幾何学的およびリンクバジェットの考慮事項によって決定される。

以下の説明では、多くの具体的な詳細は、実施例の徹底的な理解を提供するために記載されている。しかしながら、これらの具体的な詳細に限定されることなく、実施例が実施され得ることが理解される。他の場合では、実施例の説明を不必要に曖昧にすることを避けるために、よく知られた方法および構造を詳細に説明しない場合がある。また、これらの実施例は、互いに組み合わせて使用することができる。

図１は、様々な例に従って、ワイヤレスアプリケーションのためにメタ構造ベースのリフレクトアレイが展開される環境を示している。無線基地局（「ＢＳ」）１００は、そのカバレッジエリア内のモバイルデバイスから無線信号を送受信する。カバレッジエリアは、環境内の建物およびその他の構造物によって妨害されることがあり、無線信号の品質に影響を与えることがある。図示の例では、建物１０２および１０４は、ＢＳ１００のカバレッジエリアに影響を与えるため、ＢＳ１００は見通し内（「ＬＯＳ」）ゾーンを有することになる。このゾーン外のデバイスのユーザは、無線アクセスがないか、カバレッジが大幅に低下しているか、または何らかのカバレッジが損なわれていることがある。５Ｇに使用される高周波帯域では、ＢＳ１００のＬＯＳゾーン外のカバレッジエリアを拡大することは困難であり、ワイヤレス業界は解決策として電波の反射を利用することが予期されている。

建物１０２の表面（例えば、壁、窓など）にＭＴＳベースのリフレクトアレイ１０６を設置することにより、ＬＯＳゾーン外のユーザのワイヤレスカバレッジを大幅に改善させることができる。リフレクトアレイ１０６は、ＢＳ１００とユーザ機器（「ＵＥ」）（例えば、建物１０４内のＵＥ）との間に図示されているように位置決めされており、ネットワークカバレッジを大幅に改善する、ロバストかつ低コストのリレーである。図示のように、リフレクトアレイ１０６は、建物１０２の一部に形成、配置、構成、埋め込み、またはその他の方法で接続されている。例示の目的で単一のリフレクトアレイ１０６が示されているが、要望に応じて、複数のそのようなリフレクトアレイを建物１０２の外面および／または内面に配置してもよい。

様々な例において、リフレクトアレイ１０６は、ＢＳ１００とそのＬＯＳゾーン内またはＬＯＳゾーン外のユーザとの間のリレーとして機能することができる。非見通し内（「ＮＬＯＳ」）ゾーン内のユーザは、リフレクトアレイ１０６で反射されるＢＳ１００からの無線信号を受信することができる。様々な構成、形状、および寸法を使用して、特定の設計を実装し、特定の制約を満たし得る。リフレクトアレイ１０６は、ＢＳ１００からの無線信号を、それが郊外の静かなエリアまたは通信量の多い、高密度の街区であろうと、図示の環境内の任意の所望の位置から特定の方向に直接反射するように設計することができる。リフレクトアレイ１０６などの、本明細書に開示されるように設計されたリフレクトアレイを使用すると、現在の５Ｇデータレートの１０倍もの大幅な性能改善をもたらすことができる。

図２は、ＭＴＳベースのリフレクトアレイを展開して５Ｇワイヤレスカバレッジを大幅に改善できる都市環境を示している。環境２００は、ＢＳ２０２が多数のＵＥにワイヤレスカバレッジを提供する、通信量の多い、高密度の街区である。ＢＳ２０２の配置に応じて、そのワイヤレスカバレッジは、所与の通りの方向（例えば、南北）のＢＳ２０２のＬＯＳ内に位置するＵＥに対して最適化できる。ＵＥが垂直な通りの方向に位置している場合、そのＵＥはカバレッジの低下に悩まされることがある。ミリ波スペクトルは環境影響を受けやすいため、ＢＳ１０２はすべての方向に同じワイヤレス性能を提供できない場合がある。ＭＴＳベースのリフレクトアレイ２０４を使用すると、ＢＳ２０２からのＲＦ信号を、リフレクトアレイ２０４からＮＬＯＳ方向、またはワイヤレスカバレッジおよび性能が環境２００の密な状況によって影響を受ける方向に反射させることができるため、この問題を解決する。

図３は、ＭＴＳベースのリフレクトアレイを展開して、５Ｇワイヤレスカバレッジおよび性能を大幅に向上させることができる別の環境を示している。環境３００では、ＢＳ３０２は建物の上部に位置しているため、橋３０４の下のＮＬＯＳエリアに位置し得るＵＥを含め、ＢＳ３０２はその到達範囲内のＵＥに優れたワイヤレスカバレッジおよび性能を提供することは困難である。環境３００内のこれらのＵＥなどに対して、ＭＴＳリフレクトアレイ３０４は、ＢＳ３０２からのＲＦ信号を戦略的な方向に反射することにより、性能およびカバレッジの大幅な増大を達成する。リフレクトアレイ３０４の設計、ならびにワイヤレスカバレッジおよび性能の向上のために到達する必要のある方向の決定は、環境３００の幾何学的構成（例えば、ＢＳ３０２の配置、リフレクトアレイ３０４との相対距離など）だけでなく、以下でより詳細に説明するように、ＢＳ３０２から環境３００のリフレクトアレイ３０４へのリンクバジェット計算を考慮に入れる。

ＭＴＳリフレクトアレイは、屋外環境および屋内環境の両方に配置できることに留意されたい。図４は、様々な例による屋内に設定されたＭＴＳリフレクトアレイの配置を示している。部屋４００には、その隅のうちの１つにワイヤレス無線機４０２が配置されている。無線機４０２は、固定ワイヤレスネットワーク内などの、部屋４００内のＵＥにワイヤレスカバレッジを提供する。部屋４００内にはいくつものＵＥがいつでも存在し、高速データ通信に対する需要が高い場合がある。ＭＴＳリフレクトアレイ４０４～４０６を所定の位置に配置することにより、無線機４０２からのＲＦ波が任意の方向に到達し、性能を増大させることができる。ＭＴＳベースのリフレクトアレイ４０４～４０６によって達成される性能の増大は、そのすべてのセルおよびそれらのＭＴＳ反射素子から反射された指向性ビームの建設的な効果によるものである。建設的な効果は、５Ｇアプリケーションを可能にするために不可欠な受動的（または能動的）、低コスト、かつ製造が容易なリフレクトアレイにより達成されることに留意されたい。多くの構成に加えて、本明細書に開示されるリフレクトアレイは、例えば、方位角が狭く、仰角が広いなど、要望に応じて狭いまたは広いビームを、異なる周波数（例えば、シングル、デュアル、マルチバンド、またはブロードバンド）で、異なる材料によって、などにより生成することができる。リフレクトアレイは、５Ｇまたはその他のワイヤレス環境の幅広い方向および位置に到達できる。これらのリフレクトアレイは低コストで、製造および設定が簡単で、かつその動作を手動で調整する必要がなく、自己較正できる。

図５に示されている一例の用途では、リフレクトアレイ５００は、高速道路または道路５０４の近くの柱５０２または他のそのような構造物に取り付けられており、道路を走行している車両中のＵＥに、改善されたワイヤレスカバレッジおよび５Ｇ性能を提供する。この用途では、リフレクトアレイ５００は、柱に取り付けられた平らな長方形（または他の形状）のパネル、または、図１３でも見られるように、柱の周りの曲線などの非平面にその形状を適合させることができる、曲げ可能なリフレクトアレイとすることができる。

次に、様々な例による、ＭＴＳリフレクトアレイおよびそのセル構成の概略図を示している、図６に注目する。リフレクトアレイ６００は、行と列に編成されたセルのアレイである。リフレクトアレイ６００は、受動的または能動的であり得る。受動的リフレクトアレイは、一度位置決めされると、入射ビームを特定の方向または複数の方向に向けるため、電子機器またはその他の制御を必要としない。方向を変えるには、リフレクトアレイ全体の再配置が必要になる場合があり、これは、例えば、図８～図１１に示すように、リフレクトアレイ６００の背面にある機械的または電子的に制御される回転取り付け台によって達成できる。リフレクトアレイ６００は、その個々のセルおよびそれらのセル内の個々の反射素子のサイズおよび構成により、指向性および高帯域幅およびゲインを提供する。

様々な例において、リフレクトアレイ６００中のセルは、ＭＴＳ反射素子を備えたＭＴＳセルである。他の例では、リフレクトアレイセルは、マイクロストリップ、ギャップ、パッチなどから構成され得る。様々な構成、形状、および寸法を使用して、特定の設計を実装し、特定の制約を満たし得る。図示のように、リフレクトアレイ６００は、長さｌおよび幅ｗの長方形のリフレクトアレイであり得る。他の形状（例えば、台形、六角形など）も、ワイヤレス無線機に対するリフレクトアレイの位置、所望のゲイン、および指向性の性能など、所与の５Ｇアプリケーションの設計基準を満たすように設計されてもよい。いくつかの実施態様では、リフレクトアレイ６００のセルのアレイ内の各セルは、所定のカスタム構成を有する反射素子を含み、所定のカスタム構成は、長方形状、正方形状、台形状、六角形状、または十字形状に対応する。この点で、反射素子は、正方形の反射素子、長方形の反射素子、双極子反射素子、小型反射素子などのように、様々な構成を有し得る。いくつかの実施態様では、セルのアレイ内の少なくとも２つのセルは、異なるレイアウト構成を有する反射素子を有する。例えば、第１のセルは長方形状を有し得、第２のセルは正方形状を有し得る。

いくつかの実施態様では、反射素子は、セルの寸法とは異なる寸法を有する。例えば、セル６０２は、その幅および長さがそれぞれ寸法ｗ_ｃおよびｌ_ｃの長方形のセルである。セル６０２内には、寸法ｗ_ｒｅおよびｌ_ｒｅのＭＴＳ反射素子６０４がある。ＭＴＳ反射素子として、その寸法はサブ波長範囲（約λ／３）にあり、λはその入射または反射したＲＦ信号の波長を示している。いくつかの実施態様では、セルのアレイ内の少なくとも２つのセルは、異なる種類の反射素子を備える。例えば、セル６０６は双極子素子６０８を含み、セル６１０は、リフレクトアレイ６００内のセル内の他の種類の反射素子の寸法と比較して最小の寸法を有する小型反射素子６１２を含む。小型反射素子６１２は、事実上、エッチングまたはパターン化されたプリント回路基板（「ＰＣＢ」）金属層内の非常に小さなドットであり得、これは、人間の目には知覚できないものであり得る。以下でより詳細に説明するように、リフレクトアレイ６００の設計は、屋内または屋外にかかわらず、所与の用途または展開に対する幾何学的およびリンクバジェットの考慮事項によって決定される。したがって、リフレクトアレイ６００の寸法、形状、およびセル構成は、特定の用途によって異なることになる。リフレクトアレイ６００内の各セルは、図７に示されているリフレクトアレイ７００が示すように、様々な反射素子を有し得る。

図８は、様々な例による、その裏面に壁取り付け台を備えたリフレクトアレイを示している。リフレクトアレイ８００は、高周波動作に適した低コストのＰＣＢ材料で作製できるため、製造性が高い。図示のように、リフレクトアレイ８００は、接地導電面８０２、および誘電体基板８０６を取り囲むパターン化された導電面８０４を有する。いくつかの態様では、誘電体基板は、パターン化された導電面８０４と接地導電面８０２との間に挟まれる。リフレクトアレイ８００の反射素子は、エッチングまたは金属材料内に堆積され、パターン化された導電面８０４を形成することができる。様々な例において、接地導電面８０２およびパターン化された導電面８０４は、複合誘電体材料を取り囲む銅層である。所与の５Ｇまたは他のワイヤレスアプリケーションの所望の性能に応じて、他の材料を使用してリフレクトアレイ８００を設計してもよい。取り付け面８０８は、リフレクトアレイ８００の接地導電面８０２の第１の面（例えば、裏面）に結合して、壁または他の同様の表面に取り付け台８１０を提供することができる。取り付け台８１０を備えた取り付け面８０８は、ねじ８１２などの１つ以上の留め具を介して表面（例えば、壁）に非永久的に留められ得る。

様々な例において、取り外し可能なカバーが、用途によって要望に応じて、リフレクトアレイの上部に配置され得る。図９に示すように、リフレクトアレイ９００は、パターン化された導電面（例えば、８０４）に非永久的に結合されており、接着剤、シルクスクリーン、または他のそのような手段などの様々な手段によってリフレクトアレイの上部に位置決めされ得る、取り外し可能なカバー９０２を有する。リフレクトアレイ９００の設計プロセス中に、反射されたＲＦ信号の指向性性能を妨げない適切なカバー材料、例えば、ガラス繊維または他のそのような材料を選択するように注意を払わなければならない。様々な例において、リフレクトアレイ９００は、取り外し可能なカバー９０２を用いて設計およびシミュレーションされ、リフレクトアレイセルおよびそれらの反射素子が所望の性能を提供することを確実にすることができる。取り外し可能なカバー９０２は、リフレクトアレイ９００を環境からまたはその表面への他の損傷から保護し、かつ５Ｇプロバイダ、緊急応答システムなどが、リフレクトアレイ９００中に、その近傍内のＵＥによって見ることができるメッセージ（例えば、道路ナビゲーションに関連するメッセージ）、広告、または宣伝を表示できるようにする、という、２つの目的を果たし得る。後部取り付け台９０６を介して表面に取り付けられたリフレクトアレイ９００から広告およびメッセージがリレーされるのを可能にするカバー９０２の様々な構成があり得る。

環境内に別のリフレクトアレイを配置する必要なしに、リフレクトアレイがその位置を変更することを必要とし得る様々な用途が存在し得ることに留意されたい。図１０は、壁または他のそのような表面に取り付け可能であり得るその裏面１００２上に配置された回転機構１００４を有する、例示的なリフレクトアレイ１０００を示している。回転機構１００４は、制御回路１００６によって制御可能であり、リフレクトアレイ１０００の向きを要望に応じて変更し得る。回転機構はまた、例えば、太陽電池などの制御回路１００６以外の他の手段によって制御することができる。図１１は、裏面１１０２上の回転機構１１０４が太陽電池１１０６によって制御されるようなリフレクトアレイ１１００を示している。

回転リフレクトアレイの他の構成は、要望に応じて実装されてもよい。図１２は、回転取り付け台上のデュアルリフレクトアレイの一例を示している。構造１２００は、リフレクトアレイ１２０２およびリフレクトアレイ１２０４の、２つのリフレクトアレイを支持するように設計されている。これらのリフレクトアレイは、レバー１２０６および１２０８をそれぞれ回転させることにより、異なる向きに回転させることができる。一例では、リフレクトアレイ１２０２は水平配向を有し、リフレクトアレイ１２０４は垂直配向を有する。それらの向きは、それぞれの５Ｇまたは他のワイヤレスアプリケーションによって必要に応じて変更できる。

構成および配置機能に関して、さらに柔軟なリフレクトアレイを図１３に示している。リフレクトアレイ１３００は、曲げ可能でありかつ柔軟なＰＣＢ材料で製造されている、図５に示すような、高速道路を走行している車両内のＵＥのワイヤレスカバレッジおよび性能を改善するために、高速道路の近くの街灯に取り付けられた、曲げ可能なリフレクトアレイが示されている場合の用途向けの、曲げ可能なリフレクトアレイである。いくつかの実施態様では、リフレクトアレイ１３００は、リフレクトアレイ１３００が非平面に取り付けられたときにその形状を非平面に適合させることを可能にする、曲げ可能なＰＣＢ材料をそれぞれ含む、パターン化された導電面、接地導電面、および誘電体基板を含む。

図１４は、様々な例による積み重ね可能でスライド可能なリフレクトアレイを示している。リフレクトアレイ１４００は、複数のリフレクトアレイ層を有する積み重ね可能な構造である。各リフレクトアレイ層、例えば、リフレクトアレイ層１４０２～１４１０は、積み重ね内のその配置に従って設計されている。積み重ねは、用途によって要望に応じて変更できるため、いつでもネットワーク事業者は、例えば、リフレクトアレイ層１４０６など、リフレクトアレイ層を積み重ねから削除できる一方、他のリフレクトアレイ層は、その場所に留まるか、または移動させられて、削除されたリフレクトアレイ層の置換に対応する。リフレクトアレイ１４００のこの設計構成により、多くの異なるワイヤレスアプリケーションがリフレクトアレイの機能を活用して特定の方向に高いゲインを提供できることに留意されたい。リフレクトアレイ１４００の積み重ね可能な構造により、５Ｇネットワーク事業者は、すでに製造されたリフレクトアレイのライブラリまたはカタログから選択し、様々な設計基準を満たすことができる。同様に、取り外し可能なカバーのライブラリまたはカタログは、単一または積み重ね可能なリフレクトアレイで使用され得る。リフレクトアレイ層１４０２～１４１０の材料は、ＲＦ信号が設計基準に従って反射され得るように選択されることに留意されたい。様々な例において、所与の層は、所与の周波数で信号を反射することができる透明な層であり得る。積み重ね内の各リフレクトアレイ層は、異なる周波数の信号を反射するように設計され得る。

リフレクトアレイの別の構成を図１５に示しており、これは、要望に応じてワイヤレスネットワーク内で容易に持ち運びできる携帯型リフレクトアレイ１５００を示している。携帯型リフレクトアレイ１５００は、５Ｇネットワークまたはワイヤレスアプリケーション内の特定の必要性を達成するために、リフレクトアレイのライブラリから選択され得る。携帯型リフレクトアレイ１５００はまた、図１４に示すような携帯型積み重ね可能なリフレクトアレイであってもよく、またはカバーのカタログから選択された、図９に示すような取り外し可能なカバーを有してもよい。取り外し可能なカバーは、５Ｇネットワーク内で広告、宣伝、またはメッセージを表示するために使用され得る。携帯型リフレクトアレイ１５００は、容易に持ち運び可能であり、必要に応じて壁または他の表面に取り付けることができる。

次に、図１６に注目すると、本明細書に開示されている様々な例に従ってリフレクトアレイを設計するためのフローチャートを示している。設計プロセスの最初のステップは、所望のワイヤレスアプリケーションの、リフレクトアレイアンテナとワイヤレス無線機との間の幾何学的構成を決定することである（１６００）。これには、リフレクトアレイからのその距離を含む、リフレクトアレイで反射される入射ＲＦ信号を提供するＢＳまたはワイヤレス無線機の位置、およびリフレクトアレイ自体の向きおよび位置を決定することを伴う。幾何学的設定は、リフレクトアレイ１７００の中心に位置決めされたデカルト（ｘ，ｙ，ｚ）座標系からＤ_０に位置するワイヤレス無線機（「ＷＲ」）１７０２を示している、図１７に見ることができる。リフレクトアレイ１７００は、ｘ軸に沿って位置決めされており、ｙ軸は、そのボアサイトを示している。ＷＲ１７０２の仰角はθ_０であり、方位角はφ_０である。幾何学的設定を決定することは、例えば、レーザ距離計および角度計などの単純な幾何学的ツールを伴う単純な手順であることに留意されたい。これは、リフレクトアレイ１７００の設定の容易さを強調し、屋内または屋外を問わず、あらゆる５Ｇまたはワイヤレス環境に簡単に展開できる高度に製造可能なリフレクトアレイを使用して、そのワイヤレスカバレッジおよび性能の大幅な向上を低コストで達成する場合に、その使用をさらに奨励する。

リフレクトアレイ１７００は、例えば、θ_１の仰角およびφ_１の方位角を有するリフレクトアレイ１７００から距離Ｄ_１に位置するＵＥ１７０４などの、ＷＲ１７０２によって提供される５Ｇネットワーク内のＵＥに、ＷＲ１７０２からＲＦ波を反射するために使用することができる。図１８は、接地導電面、誘電体基板、および反射素子、例えば、ＭＴＳ反射素子を有するリフレクトアレイセルを備えたパターン化された導電面を有する、リフレクトアレイ１８００から生成される遠方界放射パターン１８０６を示している。図示のように、ＢＳ１８０２は、距離ｄからｉ番目のセル１８０４まで、ＲＦ信号をリフレクトアレイ１８００に送信する。次に、これらのＲＦ信号は、ＲＦビームで、リフレクトアレイ１８００内の各セルから反射される。リフレクトアレイ１８００内のすべてのセルからのＲＦビームの建設的な挙動は、事実上アンテナゲインであり、放射パターン１８０６を受信するＵＥのワイヤレスカバレッジおよび性能の大幅な向上をもたらす。

図１６に戻り、幾何学的設定が決定したら、次のステップは、少なくともワイヤレスアプリケーションの幾何学的構成に基づいて、リフレクトアレイアンテナ（例えば、リフレクトアレイ１７００）とワイヤレス無線機（例えば、ＷＲ１７０２）の間の信号伝送のリンクバジェットを計算することである（１６０２）。リンクバジェットは、例えば、その中心周波数、帯域幅、送信電力（ＥＩＲＰ）、アンテナゲイン（ビーム幅）、偏波、受信感度、および位置（Ｄ_０，θ_０，φ_０）などのＢＳ（例えば、ＷＲ１７０２）のゲインプロファイルを識別するパラメータ、ならびに、例えば、その送信電力（ＥＩＲＰ）、アンテナゲイン（ビーム幅）、偏波、受信感度、および位置（Ｄ_１，θ_１，φ_１）などのＢＳ（例えば、ＵＥ１７０４）の到達範囲内にあるＵＥのパラメータまたはゲインプロファイルを、入力として取り込む計算である。リンクバジェット計算の出力は、リフレクトアレイのカスタムタイプ、形状、および寸法だけでなく、アップリンク通信およびダウンリンク通信の両方の方位角および仰角に関するその予期されるゲイン、ビーム幅、および位置を決定する（１６０４）。

リフレクトアレイのカスタムタイプ、形状、および寸法がリンクバジェットに従って決定されると、次の２つのステップである、リフレクトアレイ開口の位相分布が、リンクバジェットに従って決定され（１６０６）ることと、リフレクトアレイセルが設計される、つまり、それらの形状、サイズ、および材料が選択される（１６０８）ことが、順次または並行して実行され得る。リフレクトアレイ内のｉ番目のセル（例えば、リフレクトアレイ１８００内のセル１８０４）の反射位相φ_ｒは、次のように計算される。
φ_ｒ＝ｋ_０（ｄ_ｉ－（ｘ_ｉｃｏｓφ_０＋ｙ_ｉｓｉｎφ_０）ｓｉｎθ_０）±２Ｎπ （式１）
ここで、ｋ_０は自由空間伝搬定数、ｄ_ｉはＢＳからリフレクトアレイ内のｉ番目のセルまでの距離、Ｎは位相ラッピングの整数、およびφ_０およびθ_０は、目標反射点の方位角および仰角である。計算により、集束ビームを（φ_０，θ_０）に向けるために、ｘ－ｙ平面上のｉ番目の素子によって、望ましいまたは必要な反射位相φ_ｒを識別する。ｄ_ｉは、ＢＳの位相中心からｉ番目のセルの中心までの距離であり、Ｎは整数である。この式および等式は、特定のセルまたはセルの組を適応および調整するための重みをさらに含み得る。いくつかの例では、リフレクトアレイは、２つ以上の方向、周波数などで受信した信号の向け直しを可能にする複数のサブアレイを含み得る。

設計プロセスの最後のステップは、各セル内の反射素子（例えば、カスタムタイプ、形状、およびサブ波長範囲内の寸法）を設計して、リフレクトアレイ開口の位相分布を達成することである（１６１０）。例えば、各セルの反射素子は、位相分布に対応する反射位相を含む。設計プロセスのステップ１６０４～１６１０は、セルの一部に重みを付けたり、先細りの定式化を追加したりするなどして、パラメータを調整するために必要に応じて反復させることができる。図１９は、それぞれグラフ１９０４および１９０６に示されている位相および振幅分布を達成するための、反射素子１９０２、例えば、カスタマイズされたＭＴＳ反射素子を備えたリフレクトアレイセル１９００を示している。

リフレクトアレイが設計されると、屋内または屋外を問わず、５Ｇまたはワイヤレスアプリケーションのワイヤレスカバレッジおよび性能を大幅に増大させるための配置および動作の準備が整う。設計が完了し、リフレクトアレイが製造され、高性能５Ｇアプリケーションを可能にする環境に配置された後でも、リフレクトアレイは、図１０～図１２に示すような、例えば、回転機構を使用して、または図１４に示すような積み重ね可能な構成で、依然として調整することができることに留意されたい。リフレクトアレイは、街灯などの構造物に簡単に配置できるように、曲げ可能なＰＣＢを使用して製造することもでき（図５および図１３に示すように）、図１５にあるように携帯型にすることもでき、または５Ｇ環境でＵＥなどに広告、宣伝、またはメッセージを表示するオプションを備えた取り外し可能なカバーを有することもできる（図８に示すように）。５Ｇ事業者は、図２０に示すように、リフレクトアレイ２０００およびカバー２０００２のカタログにアクセスできるか、または５Ｇ事業者は所望の場合、リフレクトアレイおよびカバーのカスタムメイドの設計を要望できる。多くの構成に加えて、本明細書に開示されているリフレクトアレイは、要望に応じて、狭いまたは広いビーム、例えば、方位角が狭く、仰角が広いビームを、異なる周波数（例えば、シングル、デュアル、マルチバンド、またはブロードバンド）で、異なる材料によって、などで生成することができるリフレクトアレイは、あらゆる５Ｇ環境で幅広い方向および位置に到達できる。これらのリフレクトアレイは低コストで、製造および設定が簡単で、５Ｇまたはワイヤレスネットワークの事業者がその動作を調整する必要がなく、自己較正し得る。それらは受動的または能動的であり得、ゲインのようなＭＩＭＯを実現し、マルチパス環境を充実させる。これらのリフレクトアレイは、５Ｇおよび将来のワイヤレスコミュニケーション規格を約束する望ましい性能および高速データ通信を事実上可能にすることが理解される。

開示された例の前述の説明は、当業者が本開示を作成または使用することを可能にするために提供されることが理解される。これらの例に対する様々な変更は、当業者には容易に明らかになり、本明細書で定義された一般的な原理は、本開示の趣旨または範囲から逸脱することなく、他の例に適用することができる。よって、本開示は、本明細書に示す例に限定されることを意図するものではなく、本明細書に開示された原理および新規の特徴に一致する最も広い範囲が与えられるべきである。

Claims (20)

1. ワイヤレスアプリケーションを強化するためのリフレクトアレイアンテナであって、
   接地導電面と、
   前記接地導電面に結合されている誘電体基板と、
   前記誘電体基板に結合されており、アンテナゲインを生成するためのセルのアレイを備えるパターン化された導電面であって、前記セルのアレイ内の各セルが、所定のカスタム構成を備え、かつ無線周波数（ＲＦ）信号を受信して、所定の方向にＲＦ戻りビームを生成するように構成されている反射素子を備える、パターン化された導電面と、を備える、リフレクトアレイアンテナ。
2. 前記アンテナゲインが、前記セルのアレイによって放射されるＲＦ戻りビームの受動的な建設的挙動を表す、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
3. 前記所定のカスタム構成が、リンクバジェットの決定に基づく、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
4. 前記反射素子が、前記セルの寸法とは異なるサブ波長範囲の寸法を有する、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
5. 前記セルのアレイ内の少なくとも２つのセルが、異なるカスタム構成を有する反射素子を有する、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
6. 反射素子の前記所定のカスタム構成が、前記反射素子の所定の種類、寸法、および形状に対応する、請求項５に記載のリフレクトアレイアンテナ。
7. 前記セルのアレイ内の少なくとも２つのセルが、異なる種類の反射素子を備える、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
8. 前記反射素子が、メタ構造（ＭＴＳ）反射素子である、請求項１に記載のリフレクトアレイアンテナ。
9. ミリ波ワイヤレスコミュニケーションシステムで使用するための携帯型リフレクトアレイであって、
   誘電体基板の上部に配設されたパターン化された導電層に構成された、セルのアレイであって、前記セルのアレイの各セルが、カスタマイズされたメタ構造（ＭＴＳ）反射素子を備える、セルのアレイと、
   前記パターン化された導電層に非永久的に結合されている、取り外し可能なカバーと、を備える、携帯型リフレクトアレイ。
10. 各セル内の前記カスタマイズされたＭＴＳ反射素子が、少なくともリンクバジェットに基づくカスタムタイプ、形状、および寸法を含む、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
11. 前記カスタマイズされたＭＴＳ反射素子が、パッチ、双極子、および小型化された反射素子からなる群から選択される種類を含み、前記カスタマイズされたＭＴＳ反射素子が、前記ミリ波ワイヤレスコミュニケーションシステムのサブ波長範囲の寸法を有する、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
12. 接地導電面の第１の面に結合されている取り付け面であって、前記接地導電面が、前記誘電体基板に結合されている第２の面を有する、取り付け面をさらに備え、前記携帯型リフレクトアレイの前記取り付け面が、１つ以上の留め具を介して表面に非永久的に留められている、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
13. 前記取り付け面に結合されており、１つ以上の方向で前記携帯型リフレクトアレイの向きを調整するように構成されている、回転ユニットをさらに含む、請求項１２に記載の携帯型リフレクトアレイ。
14. 前記回転ユニットが、前記回転ユニットに結合されている制御回路または前記回転ユニットに結合されている太陽電池によって電力供給および制御される、請求項１３に記載の携帯型リフレクトアレイ。
15. 前記パターン化された導電層、前記接地導電面、および前記誘電体基板の各々が、前記携帯型リフレクトアレイが非平面に取り付けられたときにその形状を前記非平面に適合させることを可能にする、曲げ可能なプリント回路基板材料を含む、請求項１２に記載の携帯型リフレクトアレイ。
16. 前記取り外し可能なカバーが、前記カバーの外面上のコンテンツを含み、前記コンテンツが、道路ナビゲーションまたは広告に関連するメッセージのうちの１つ以上を含む、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
17. 前記パターン化された導電層が、受信したＲＦ信号を複数の方向のうちのそれぞれの方向に向け直すように構成された複数のサブアレイを備える、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
18. 前記セルのアレイに結合されている複数の積み重ね可能なリフレクトアレイをさらに備える、請求項９に記載の携帯型リフレクトアレイ。
19. リフレクトアレイアンテナを組み立てる方法であって、
    リフレクトアレイアンテナとワイヤレス無線機との間の幾何学的構成を決定することであって、前記リフレクトアレイアンテナがセルのアレイを備える、決定することと、
    少なくとも前記幾何学的構成に基づいて、前記リフレクトアレイアンテナと前記ワイヤレス無線機との間の信号伝送のリンクバジェットを決定することと、
    前記リンクバジェットに基づいて、前記リフレクトアレイアンテナの形状および寸法を決定することと、
    前記リンクバジェットから、前記リフレクトアレイアンテナの開口の位相分布を決定することと、
    前記セルのアレイの各セルに対してカスタマイズされた反射素子を決定することであって、前記カスタマイズされた反射素子が前記位相分布に対応する反射位相を有する、決定することと、を含む、方法。
20. 前記セルのアレイの各セルに対して前記カスタマイズされた反射素子を決定することが、メタ構造反射素子のカスタムタイプ、形状、およびサブ波長寸法を決定することを含む、請求項１９に記載の方法。

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