JP5297349B2

JP5297349B2 - リフレクトアレイ

Info

Publication number: JP5297349B2
Application number: JP2009260213A
Authority: JP
Inventors: 珠美丸山; 辰男古野
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2009-11-13
Filing date: 2009-11-13
Publication date: 2013-09-25
Anticipated expiration: 2029-11-13
Also published as: JP2011109264A

Description

本発明は、リフレクトアレイに関する。

非特許文献１に、従来のリフレクトアレイの一例が示されている。かかるリフレクトアレイは、図１に示すように、マイクロストリップアンテナの形状をアレイ素子とし、地板を金属平板としている。かかるアレイ素子のサイズａ及びｂは、図２に示すように位相差によって決められている。

しかし、図１及び図２に示すような従来のリフレクトアレイでは、裏面に金属平板が用いられているために、所望の周波数以外の周波数の電波が透過することができず、ＴＭ波（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＭａｇｎｅｔｉｃＷａｖｅ）及びＴＥ波（ＴｒａｎｓｖｅｒｓｅＥｌｅｃｔｒｉｃＷａｖｅ）の偏波を共用することができず、さらに、任意の方角から到来する電波を所望方向に放射することができないという欠点があった。

また、従来のリフレクトアレイでは、裏面に金属平板が用いられているために、所望の周波数以外の周波数の電波が透過することができず、水平偏波及び垂直偏波を独立に制御する機能も持っていないため、任意の方向から独立に入射する偏波を予め別々に定められた任意の方角に放射できないという欠点があった。

また、非特許文献２に、従来の周波数選択板の例が示されている。かかる周波数選択板は、周波数選択性を持たせる周期構造のための素子として、クロスダイポール素子を用いている。

さらに、かかる周波数選択板は、位相差を付けるような構造を持っていないため、所望方向にビームを曲げて散乱させることはできないという欠点があった。

Ｆ. Ｖｅｎｎｅｒｉ、Ｇ. Ａｎｇｉｕｌｌｉ及びＧ. ＤｉＭａｓｓａ、「Ｄｅｓｉｇｎｏｆｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙｕｓｉｎｇｄａｔａｆｒｏｍｉｓｏｌａｔｅｄ」、ＩＥＥＥＭｉｃｒｏｗａｖｅａｎｄＯｐｔｉｃａｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＬｅｔｔｅｒｓ、Ｖｏｌ３４、Ｎｏ.６、２００２年９月２０日浅田順之、「周波数選択板を用いた電波吸収体に関する基礎的検討」、電子情報通信学会論文誌、Ｖｏｌ.Ｊ９０-ＢＮｏ.１、５６〜６２頁、２００７年

しかしながら、従来のリフレクトアレイ及び周波数選択板では、
（１）鏡面反射とは異なる方向に放射する機能、
（２）ＴＥ波入射及びＴＭ波入射を共に同じ所望方向に放射する機能、
（３）所望の周波数に対してのみ反射させ、他の周波数に対しては透過する機能、
（４）どんな方向からの入射に対しても所望方向にビームを向ける機能、
のいずれか２つ以上を同時に実現することは困難であった。

特に、従来のリフレクトアレイ及び周波数選択板では、
（５）複数の周波数に対する周波数選択性を有すること、及び、
（６）複数の周波数についてそれぞれ独立の方向に反射方向を制御すること、
を同時に実現すること、すなわち、周波数共用及び周波数独立制御機能、及び、二周波共用周波数選択機能を両立させることは困難であった。

そこで、本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであり、以下の点を実現することができるリフレクトアレイを提供することを目的とする。

- 反射板から散乱する電波を、所望の第１周波数では鏡面反射とは異なる第１所望方向に散乱させ、それ以外の周波数では透過させると共に、所望の第１周波数では、鏡面反射とは異なる第２所望方向に散乱させ、それ以外の周波数では透過させること。

- 水平偏波及び垂直偏波という２つの異なる偏波による独立した入射に対してそれぞれ独立に異なる方向へ放射方向を制御すること。

- 複数の異なる周波数で入射する水平偏波及び垂直偏波に対して、それぞれ独立に異なる方向へ放射方向を制御すること。

本発明の第１の特徴は、リフレクトアレイであって、複数のアレイ素子と、地板とによって構成されるリフレクトアレイであって、前記アレイ素子は、水平方向のロッド及び垂直方向のロッドを有するクロスダイポール素子によって構成されており、前記地板は、二重ループの周期構造を有しており、前記水平方向のロッドは、第１周波数で動作するように構成されており、前記垂直方向のロッドは、第２周波数で動作するように構成されており、前記地版において、前記第１周波数及び前記第２周波数で電波が反射し、他の周波数で電波が透過するように構成されていることを要旨とする。

以上説明したように、本発明によれば、２つの異なるシステムからの周波数の異なる入射に対してそれぞれ所望方向に電波を向けると共に、他の周波数については電波を透過させるため、他のシステムには影響を与えないことが可能となり、電波の届かないエリアのレベル改善、或いは、見通し環境におけるＭＩＭＯのパス数を増やすことにより、容量改善を図ることが可能となるリフレクトアレイを提供することができる。

従来のマイクロストリップリフレクトアレイを示す図である。図１に示す従来のリフレクトアレイのアレイ素子のサイズと位相との関係を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイを構成するアレイ素子を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイにおける二重ループの詳細寸法を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイのＳ１１特性及びＳ２１特性を示すグラフである。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの設計条件を示す表である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造（表面）を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造（裏面）を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の詳細設計法を示す図である。本発明の第１の本実施形態に係るリフレクトアレイ１の詳細設計法を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の詳細設計法を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を示す表である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を満たすアレイ素子の長さを示す表である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を示す表である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を満たすアレイ素子の長さを示す表である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が８.７５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示す図である。本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が１７.５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示す図である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１の全体構造（表面）を示す図である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイの設計条件を示す表である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１の全体構造を示す図である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイにおける二重ループの詳細寸法を示す図である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を満たすアレイ素子の長さを示す表である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１における位相設計値を満たすアレイ素子の長さを示す表である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が８.７５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示す図である。本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が８.７５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施形態について詳しく説明する。

（本発明の第１の実施形態）
本実施形態に係るリフレクトアレイ１は、水平偏波で任意方向から入射する第１周波数ｆ１の電波に対して、第１所望方向に反射方向を制御し、水平偏波で反射波を送ると共に、垂直偏波で入射する第２周波数ｆ２の電波に対して、第１所望方向に反射方向を制御し、垂直偏波で反射波を送ることができる偏波独立/二周波共用リフレクトアレイである。

また、本実施形態に係るリフレクトアレイ１は、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２については、電波を反射するが、それ以外の周波数では、電波を透過することができるように構成されている。

図３に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイ１は、誘電体基板上に構成されたクロスダイポール素子１００と、地板２０として動作する二重ループ２００とによって構成されているリフレクトアレイの素子１０を具備している。

本実施形態では、動作周波数を、８.７５ＧＨｚ（第１周波数）及び１７.５ＧＨｚ（第２周波数）の２つの周波数として設計した。

図４に、本実施形態に係るリフレクトアレイ１における地板２０を構成する二重ループ２００の詳細寸法について示す。ここで、地板２０の厚さは、両面の金属面を入れて１.６ｍｍｔであり、二重ループ２００の周囲長は、外側のループを０.８７λ_{８.７５ＧＨｚ}とし、内側のループを１.０７λ_{１７.５ＧＨｚ}とした。

図３及び図４の構造を、９.６ｍｍ（０.５６λ_{１７.５ＧＨｚ}）の間隔の周期構造によって構成する。図５に、このときのＳ１１特性及びＳ２１特性を示す。

図５により、所望とする８.７５ＧＨｚ及び１７.５ＧＨｚの２つの周波数で反射係数が大きくなり、透過係数が小さくなっていることが分かる。

図６に、本実施形態に係るリフレクトアレイ１の設計条件を示す。図６に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイ１は、低い周波数８.７５ＧＨｚでは、Ｘ軸に平行な偏波を用いてθ方向に３０度ビームを制御し、高い周波数１７.５ＧＨｚでは、Ｙ軸に平行な偏波を用いてφ方向に３０度ビームを制御するように構成されている。

図７及び図８に、このように構成された本実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造を示す。また、図９乃至図１１に、かかる本実施形態に係るリフレクトアレイ１の詳細設計法を示す。さらに、図１２乃至図１５に、位相設計値、及び、かかる位相設計値を満たすアレイ素子の長さを示す。

また、図１６に、表面のクロスダイポール素子１００と裏面の二重ループ２００とを合わせた本実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造を示す。図１７に、本実施形態に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が８.７５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示し、図１８に、本実施形態に係るリフレクトアレイ１における動作周波数が１７.５ＧＨｚである場合の遠方散乱界を示す。図１７及び図１８に示すように、それぞれ所望方向にビームが向いていることが確認できる。

本実施形態に係るリフレクトアレイ１によれば、第１周波数ｆ１（例えば、８.７５ＧＨｚ）で到来する第１偏波の電波を、第１所望方向（例えば、θ方向の３０度）へ反射（散乱）すると共に、第２周波数f２（例えば、１７.５ＧＨｚ）で到来する第２偏波の電波を、第２所望方向（例えば、φ方向の３０度）へ反射（散乱）し、かつ、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２においては、電波を反射させ、その他の周波数では、電波を透過させることができる。

（変更例１）
以下、図１９乃至図２６を参照して、本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１について説明する。以下、本発明の変更例１に係るリフレクトアレイ１について、上述の第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１との相違点に着目して説明する。

図１９に示すように、本変更例１に係るリフレクトアレイ１では、各水平方向のロッド１００Ａの幅及び各垂直方向のロッド１００Ｂの幅が、全て同一であり、水平方向のロッド１００Ａの幅と垂直方向のロッド１００Ｂの幅との比が、第１周波数ｆ１（例えば、８.７５ＧＨｚ）と第２周波数ｆ２（例えば、１７.５ＧＨｚ）との比と同一となるように構成されている。

図２０に、本変更例１に係るリフレクトアレイ１の設計条件を示す。かかる設計条件は、上述した第１の実施形態に係るリフレクトアレイ１の設計条件と同じである。

図２１に、表面のクロスダイポール素子１００と裏面の二重ループ２００とを合わせた本変更例１に係るリフレクトアレイ１の全体構造を示す。図２２に、本変更例１に係るリフレクトアレイ１における地板２０を構成する二重ループ２００の詳細寸法について示す。

図２３及び図２４は、上述の設計条件を満たすように設計したときの各クロスダイポール素子１００の寸法を示す。図２５及び図２６に示す遠方放射界より、本変更例１に係るリフレクトアレイ１において、それぞれ設計条件を満たす方向に電波が放射している様子が確認できる。

本変更例１に係るリフレクトアレイ１によれば、８.７５ＧＨｚ用のクロスダイポール素子（水平方向のロッド１００Ａ）の幅を１ｍｍから２ｍｍに変更することによって、２８度方向（設計では３０度方向）に反射する反射板を設計することができる。

本変更例１に係るリフレクトアレイ１によれば、８.７５ＧＨｚ用のクロスダイポール素子（水平方向のロッド１００Ａ）の幅を１ｍｍから２ｍｍに変更することによって、８.７５ＧＨｚにおいて、正規反射方向の反射レベルが小さくすることができ、性能を改善することができる。

以上に述べた本実施形態の特徴は、以下のように表現されていてもよい。

本実施形態の第１の特徴は、リフレクトアレイ１０であって、複数のアレイ素子１０と、地板２０とによって構成されるリフレクトアレイ１であって、アレイ素子１０は、水平方向のロッド１００Ａ及び垂直方向のロッド１００Ｂを有するクロスダイポール素子１００によって構成されており、地板２０は、二重ループ２００の周期構造を有しており、水平方向のロッド１００Ａは、第１周波数ｆ１で動作するように構成されており、垂直方向のロッド１００Ｂは、第２周波数ｆ２で動作するように構成されており、地版２０において、第１周波数ｆ１及び第２周波数ｆ２で電波が反射し、他の周波数で電波が透過するように構成されていることを要旨とする。

本実施形態の第１の特徴において、各水平方向のロッド１００Ａの幅及び各垂直方向のロッド１００Ｂの幅が、全て同一であり、水平方向のロッド１００Ａの幅と垂直方向のロッド１００Ｂの幅との比が、第１周波数ｆ１（例えば、８.７５ＧＨｚ）と第２周波数ｆ２（例えば、１７.５ＧＨｚ）との比と同一となるように構成されていてもよい。

以上、上述の実施形態を用いて本発明について詳細に説明したが、当業者にとっては、本発明が本明細書中に説明した実施形態に限定されるものではないということは明らかである。本発明は、特許請求の範囲の記載により定まる本発明の趣旨及び範囲を逸脱することなく修正及び変更態様として実施することができる。従って、本明細書の記載は、例示説明を目的とするものであり、本発明に対して何ら制限的な意味を有するものではない。

１…リフレクトアレイ
１０…アレイ素子
２０…地板
１００…クロスダイポール素子
２００…二重ループ

Claims

複数のアレイ素子と、地板とによって構成されるリフレクトアレイであって、
前記アレイ素子は、水平方向のロッド及び垂直方向のロッドを有するクロスダイポールによって構成されており、
前記地板は、二重ループの周期構造を有しており、
前記水平方向のロッドは、第１周波数で動作するように構成されており、
前記垂直方向のロッドは、第２周波数で動作するように構成されており、
前記地版において、前記第１周波数及び前記第２周波数で電波が反射し、他の周波数で電波が透過するように構成されていることを特徴とするリフレクトアレイ。
前記複数のアレイ素子において、前記水平方向のロッドの幅及び前記垂直方向のロッドの幅は、全て同一であり、
前記水平方向のロッドの幅と前記垂直方向のロッドの幅との比は、前記第１周波数と前記第２周波数との比と同一であることを特徴とする請求項１に記載のリフレクトアレイ。