JP5355000B2 - 無線通信システム、周期構造反射板及びテーパ付きマッシュルーム構造 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信システム、周期構造反射板及びテーパ付きマッシュルーム構造に関する。例えば、本発明は、以下の機能を具備する無線通信システムに関する。

（１） 反射波の位相（反射位相）を制御する反射板において、送信側装置から一次放射された電波を、正規反射（具体的には、鏡面反射）と異なる方向の所望エリアに向かう等位相の平面波として反射させるように反射特性が設定されている機能。

（２）反射波の位相差を制御することによって反射角を制御する構造を周期的に並べることによって、波長に対して十分大きな反射板を構成する機能。

近年、メタマテリアル材料の研究が盛んであり、非特許文献１に示すように、マッシュルーム構造において、テーパ（傾斜）を付けて反射波に位相差を与え、放射方向を制御する技術が検討されている。

図４４は、非特許文献１に示す従来のテーパ付きマッシュルーム構造を示している。図４４に示すように、かかるテーパ付きマッシュルーム構造は、Ｌ１からＬ１１まで１１個の長さの異なるパッチを有するマッシュルーム素子によって構成されている。表１に、図４４に示すマッシュルーム構造の詳細寸法について示す。

図４４のように周期的に配列されたマッシュルーム構造の共振周波数は、パッチのサイズを変えることによって、図４５のように変化する。

図４５は、図４４に示すテーパ付きマッシュルーム構造体におけるＬ１からＬ１１までの長さのマッシュルーム素子に対する反射波の位相を示している。

図４５に示すように、２.４ＧＨｚにおいて、長さＬ１１（２０.７０ｍｍ）では、位相が−９０°であるのに対して、長さＬ１（１７.７０ｍｍ）のときは、位相が９０°となっている。

反射波の位相を制御して反射波を所望方向へ向けるには、位相は−１８０°（−πラジアン）から１８０°（πラジアン）まで自由に変化できることが望ましい。

従来のテーパ付きマッシュルーム構造の場合について考えると、反射波の位相は、伝送線路理論により、図４４のＹ軸方向に隣り合うパッチどうしのギャップ間隔で近似的に決定されるが、パッチのＹ軸方向の長さが、パッチ間隔に比べて小さくなりすぎると、伝送線路理論の適用が困難になり、反射波の位相が変化しなくなるし、また、パッチのＹ軸方向の長さを大きくするとパッチ間隔が小さくなるが、小さくしすぎれば、製造上の限界がある。

これらの理由により、従来のテーパ付きマッシュルーム構造は、十分なダイナミックレンジが確保できなかった。

また、図４４に示すテーパ付きマッシュルーム構造の大きさは、Ｙ軸方向が１６１ｍｍであり、Ｘ軸方向が１８７ｍｍであり、いずれも１.５λ以下となっており、電波を反射させるための反射板としては十分な大きさになっていない。

さらに、図４４に示すテーパ付きマッシュルーム構造を用いた位相差の制御では、反射角θとＸ軸方向の周期間隔Δｘ（ピッチ）は、（式１）で近似される関係がある。

θ ＝ ｓｉｎ^−１（（λ・Δφ）/(２π・Δｘ)）… （式１）
図４４及び表１の設計値は、反射角θが約２２°度の場合とされているが、反射角θをさらに大きくすると、（式１）により、Δｘをさらに小さくし、反射板全体のサイズもさらに小さくなるという欠点があった。

また、従来のテーパ付きマッシュルーム構造は、直交する方向（この例の場合、Ｙ方向）にビームを制御する手法については、なんら考えられていなかった。
K. Chang, J. Ahn and Y. J. Yoon: "High-impedance Surface with Nonidentical Lattices", iWAT2008, p.315, pp.474〜477

上述したように、従来のテーパ付きマッシュルーム構造では、周期構造を形成する各マッシュルーム素子の寸法を変化させて求める位相差に限界があることにより、大きな反射板を構成することができないという欠点があった。

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、
（１）反射波の進む方向を所望方向に制御する機能を持つ反射板のサイズを大きく構成することができ、（２）所望方向を反射板の周期を動かすことで制御することができ、（３）反射波の進む方向を、ＸＹ二次元的に制御することの可能な無線通信システム、周期構造反射板及びテーパ付きマッシュルーム構造を提供することを目的とする。

本発明の第１の特徴は、反射波の位相を制御する反射板を用いて、送信側装置から一次放射された電波を、反射によって所望エリアに対して二次放射するように構成されている無線通信システムであって、前記反射板は、前記送信側装置から一次放射された電波を、鏡面反射の場合の反射角度と異なる方向に向かう等位相の平面波として反射させるように反射特性が設定されていることを要旨とする。

本発明の第１の特徴において、前記反射板は、周波数選択性反射板によって構成されており、前記反射板は、前記送信側装置から一次放射された電波のうち、所定の１又は複数の周波数帯域の電波のみを、鏡面反射の場合の反射角度と異なる方向に向かう等位相の平面波として反射させるように反射特性が設定されていてもよい。

本発明の第１の特徴において、前記反射板として、後述する本発明の第２の特徴に係る周期構造反射板を用いてもよい。また、本発明の第１の特徴において、前記送信側装置は、無線基地局或いは移動局であってもよい。

本発明の第２の特徴は、周期構造反射板であって、反射波の位相差を制御することによって反射角を制御する構造を周期的に配置する構造を具備することを要旨とする。

本発明の第２の特徴において、間隔ΔＳ_ｋで配列されるｎ個の反射板構成片ｒ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ）において、各反射板構成片ｒ_ｋにおける反射波の位相をΦ_ｋとし、各反射板構成片ｒ_ｋと隣接する反射板構成片ｒ_ｋ＋１との位相差（Φ_ｋ＋１−Φ_ｋ）をΔΦ_ｋとし、反射波の波長をλとするとき、所望の反射波の進行方向を示す角αに対して、（式１）を満たすように配列されている該ｎ個の反射板構成片ｒ_ｋによって構成され、
α＝ｓｉｎ^−１（λ・ΔΦ_ｋ/２π・ΔＳ_ｋ）） … （式１）

によって規定される長さＲＬであるブロックを、周期Ｔ（Ｔ≧ＲＬ）毎に、複数個設けるように構成されていてもよい。

本発明の第２の特徴において、前記周期Ｔは、Ｔ＝λ/ｓｉｎαが成立する値であってもよい。かかる発明によれば、反射板の大きさを波長に対して十分な大きさに確保することができる。

本発明の第２の特徴において、各ブロックの周期Ｔを、前記周期構造反射板を設置する周囲の電波伝搬環境に応じて変化させることにより、前記反射波の伝搬する方向を変化させてもよい。

本発明の第３の特徴は、底面を金属地板とする誘電体基板と、該誘電体基板の上面に構成される短冊状のパッチと、該金属地板と該パッチとを短絡するショートピンとによって構成されるマッシュルーム素子によって構成されるマッシュルーム構造体であって、各マッシュルーム素子を、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉでｎ個配置し、Ｙ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでｍ個配置するように構成されており、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、或いは、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されており、各マッシュルーム素子において電波が反射するときの反射係数の位相が、ＸＹ平面上で任意に定めた直線に対して平行となるように、各マッシュルーム素子の長さを決めるように構成されていることを要旨とする。

本発明の第４の特徴は、底面を金属地板とする誘電体基板と、該誘電体基板の上面に構成される短冊状のパッチと、該金属地板と該パッチとを短絡するショートピンとによって構成されるマッシュルーム素子によって構成されるマッシュルーム構造体であって、各マッシュルーム素子を、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉでｎ個配置し、Ｙ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでｍ個配置するように構成されており、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向に沿って、長さを傾斜させて変化させるか、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、或いは、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されており、各マッシュルーム素子において電波が反射するときの反射係数の位相が、ＸＹ平面上で任意に定めた直線に対して平行となるように、各マッシュルーム素子の長さを決めるように構成されていることを要旨とする。

本発明の第３又は４の特徴において、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させてもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させてもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるとともに、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させてもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、前記所定間隔ΔＸ_ｉ及びΔＹ_ｊによって決定されるＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊ及びＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊに関する制約により、ｍ個或いはｎ個のマッシュルーム素子を配置することができない場合、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉで且つＹ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでマッシュルーム素子が配置されるブロックを、周期的に繰り返し配置してもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、任意のｋに対するｋ番目とｋ−１番目との間に位相差のずれが生じないように、各マッシュルーム素子を配置してもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、任意のｐに対するｐ周期目とｐ−１周期目との間に位相のずれが生じないように、各マッシュルーム素子を配置してもよい。

本発明の第３又は４の特徴において、間隔Δｘで配列されるマッシュルーム素子において、各マッシュルーム素子における反射係数の位相差をΔΦとし、反射波の波長をλとするとき、所望の反射波の進行方向を示す角αは、（式２）によって決定され、
α＝ｓｉｎ^−１（λ・ΔΦ/２π・Δｘ）） … （式２）、
反射係数Γは、自由空間インピーダンスη及び表面インピーダンスＺ_ｓを用いて（式３）によって決定され、
Γ＝（Ｚ_ｓ−η）/（Ｚ_ｓ＋η）＝|Γ|ｅｘｐ（ｊΦ） … （式３）、
表面インピーダンスＺ_ｓは、前記テーパ付きマッシュルーム構造によって決まるインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを用いて（式４）によって決定されるとき、
Ｚ_ｓ＝ｊωＬ/１−ω^２ＬＣ） … （式４）、
マッシュルーム素子は、Ｘ軸方向にｉ個配置され、前記インダクタンスＬ及び前記キャパシタンスＣから近似的に求められる反射係数の位相を前記間隔Δｘごとに等間隔として前記位相差ΔΦが等しくなるように構成し、所定の周期Ｔの間隔で、マッシュルーム素子がＸ軸方向にｉ個配置されたブロックを並べてもよい。

本発明の第２の特徴に係る周期構造反射板が、本発明の第３又は４の特徴に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成してもよい。

本発明の第５の特徴において、各ブロックの周期Ｔを、前記周期構造反射板を設置する周囲の電波伝搬環境に応じて変化させることにより、前記反射波の伝搬する方向を変化させることを特徴としてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、反射波の進む方向を所望方向に制御する機能を持つ反射板のサイズを大きく構成し、簡易に制御し、2次元的にビームを操作することができる無線通信システム、周期構造反射板及びテーパ付きマッシュルーム構造を提供することができる。

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）
図１を参照して、本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図１は、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造であり、Ｘ軸方向（縦方向）に所定間隔ΔＸ_ｉで１１個、Ｙ軸方向（横方向）に所定間隔ΔＹ_ｊで７個のマッシュルーム素子２をそれぞれ等間隔に配列している。

図１に示すように、マッシュルーム素子２は、底面を金属地板とする誘電体基板１と、誘電体基板１の上面に構成される短冊状のパッチ２Ａと、金属地板とパッチ２Ａとを短絡するショートピン３とによって構成される。

図１の例では、各マッシュルーム素子２のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊは、Ｘ軸方向に沿って傾斜して変化するように構成されている。すなわち、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、縦方向にはテーパ（傾斜）を付けており、その結果、反射波の位相を変化させることができる。

テーパ付きマッシュルーム構造の設計の一例としては、以下の２つが知られている。

（１） マッシュルーム構造が、通常の伝送線路モデルのインダクタンスＬとキャパシタンスＣとをひっくり返した構造であることから、左手系伝送線路モデルを用いて近似的に行う方法

（２） リフレクトアレイと同様に、各マッシュルーム素子における反射波の位相を所望方向に揃える方法

本実施形態では、（１）の左手系伝送線路モデルが用いられている。以下、本実施形態の各マッシュルーム素子の設計法について説明する。

図２及び図３に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータを示す。

図２において、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子の間隔をΔｘとおく。ここで、テーパ付きマッシュルーム構造において構成された反射板に対して、反射板の正面方向（図１乃至３におけるＺ軸の正の方向）から平面波を入射する場合の反射係数の位相をφ、隣接するマッシュルーム素子に対する反射係数の位相の差をΔφとすると、所望の反射波の進行方向を示す角（反射角）αは、（式５）で表すことができる。

α＝ｓｉｎ^−１（λ・ΔΦ/２π・Δｘ）） … （式５）

ここで、反射係数Γは、自由空間インピーダンスηと表面インピーダンスＺ_ｓを用いて（式６）のように表すことができる。

Γ＝（Ｚ_ｓ−η）/（Ｚ_ｓ＋η）＝|Γ|ｅｘｐ（ｊΦ） … （式６）

表面インピーダンスＺ_ｓは、前記テーパ付きマッシュルーム構造によって決まるインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを用いて（式７）のように表すことができる。

Ｚ_ｓ＝ｊωＬ/１−ω^２ＬＣ） … （式７）

ここで、インダクタンスＬは、誘電体基板１の厚みをｔとし、自由空間の透磁率をμ_０とおいたとき、（式８）で示される。

Ｌ＝μ_０・ｔ … （式８）

また、キャパシタンスＣは、（式９）で示される。

本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を、横方向に増やすことは可能であるが、縦方向にテーパを付けたまま増やそうとすると、ピッチが決まっている中で、これ以上、短いマッシュルーム素子や長いマッシュルーム素子を作るのには限界が生じ増やすことはできない。

（式５）から（式９）の近似式を用いて、位相を−π/２からπ/２の間で等間隔で変化するように構成したときの各パラメータを図２及び図３に示し、かかるパラメータの値を表２に示す。

図２において、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子の間隔は、Δｘで表され、Ｙ軸方向のマッシュルーム素子の間隔は、Δｙで表され、Ｙ軸方向のｎ番目のマッシュルーム素子の間隔（ギャップ）は、Ｇ_ｙｇａｐ（ｎ）で表される。

図３において、Ｗ_ｘは、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子の幅であり、ｇ_ｘは、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子の間隔（ギャップ）であり、Ｗ_ｙｎ」は、ｎ番目のＹ軸方向のマッシュルーム素子の幅であり、Ｙ_{ｌｅｎｇｔｈ}（ｎ）は、ｎ番目のマッシュルーム素子のＹ軸方向の長さである。

図４に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の遠方散乱界の解析結果を示す。図４は、平面波をＺ軸の正の方向から反射板に対して与えた場合の結果である。

図４に示すように、かかる結果によれば、電波は、鏡面反射の方向であるθ＝０°の方向への放射がなく、４５°傾いた方向に曲がっていることが分かる。しかし、この場合は、マッシュルーム素子の数が、１１×７個であり、Ｘ軸方向の位相は、−π/２からπ/２までしか動かない。この影響により、反射波のメインビームの設計値が、α＝７０°であるのに対して、実際の反射波のメインビームは、４５°の傾きと異なっている。

なお、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、各マッシュルーム素子において電波が反射するときの反射係数の位相が、ＸＹ平面上で任意に定めた直線に対して平行となるように、各マッシュルーム素子の長さを決めるように構成されていてもよい（図４３参照）。

（本発明の第２の実施形態）
次に、本発明の第２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図５に示すように、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、図２及び図３で示した設計法をベースとしてテーパを付けた１×１１個のマッシュルーム素子のまとまり（図６参照）を１ブロックとし、かかるブロックが、縦方向（Ｘ軸方向）及び横方向（Ｙ軸方向）に周期的に配列されている。

本実施形態では、図５に示すように、縦方向の周期を２９.０３２４ｍｍとしている。図７（ａ）及び図７（ｂ）に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の遠方散乱界の特性を示す。

図７（ａ）は、図５に示すテーパ付きマッシュルーム構造の遠方散乱界を有限要素法で解析した結果を示し、図７（ｂ）は、図７（ａ）と同じ大きさの金属平板の遠方散乱界を有限要素法で解析した結果を示す。

金属平板の場合には、反射波が、鏡面反射の方向だけを向いているのに対して、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の場合には、設計値より傾きが１０°少ない約５８°の方向に、鏡面反射の方向０°よりも高いレベルで電波が放射されていることが分かる。

（本発明の第３の実施形態）
次に、本発明の第３の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、図８に示すように、上述のブロックの周期Ｔを２６.６ｍｍとし、１２ＧＨｚにおいて、α＝７０°のときの「Ｔ＝λ/ｓｉｎα」を満たしている。

図９に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の遠方散乱界を示す。図７（ａ）の例では、５８°方向のビームとなっていたのに対して、周期を「Ｔ＝λ/ｓｉｎα」とすることにより、反射波の所望方向であるα＝７０°にビームを向けられていること、及び、図７（ａ）には存在した−７０°方向のビームはレベルが抑えられていることが分かる。

（本発明の第４の実施形態）
次に、本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図１０に、８.８ＧＨｚにおいて、α＝７０°として設計された本発明の第３の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を示す。図１０は、８.８ＧＨｚにおいて、周期３６ｍｍとして配列したテーパ付きマッシュルーム構造の全体図である。

図１０は、Ｘ軸方向に１３個のマッシュルーム素子が配列されているブロックを、Ｘ軸方向に１３個、Ｙ軸方向に４５個並べて、４５０ｍｍ×４５０ｍｍの周期構造反射板（テーパ付きマッシュルーム構造）を作っている。

図１１に、かかるブロックの構造について示し、図１２に、各ブロックを構成するマッシュルーム素子の構造について示す。

本実施形態では、設計条件を、図１３に示すように、すなわち、周波数を８.８ＧＨｚとし、垂直偏波とし、反射波の反射方向α＝７０°とし、誘電体基板１の厚さを３.２０ｍｍとし、誘電体基板１の比誘電率ε_ｒ＝４.４としている。

また、図１２に示すマッシュルーム素子の構造パラメータについては、図１４に示すように、Ｘ軸方向のピッチａ_ｘを１.８０ｍｍとし、Ｙ軸方向のピッチａ_ｙを１０ｍｍとし、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子の幅Ｗ_ｘを１.２０ｍｍとし、ビアの直径ｄを０.３０ｍｍとしている。

ここで、ａ_ｘの値は、反射係数の位相差Δφをπ/１０とおいて、所望の反射波の進行方向を示す角αを７０°としたときの（式５）におけるΔｘの値である。

本実施形態では、図１４に示すように、構造パラメータを設定した後、Ｙ軸方向のマッシュルーム素子の長さＷ_ｙの値を変化させたときのＷ_ｙに対する反射係数の位相の値を求めた結果について、図１５に示す。

所望方向に、ビームを曲げるためには、図１５から、位相差がπ/１０°ずつ変化するＷ_ｙの値を求めればよい。

このようにして、テーパ付きマッシュルーム構造のＷ_ｙの値を決めたときの各Ｗ_ｙの値及び隣接するマッシュルーム素子どうしのギャップの値を、図１６に示す。図１６は、便宜的に、３ブロック分の構造パラメータの値を示している。

図１７に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の遠方散乱界を示す。図１７に示すように、かかる遠方散乱界によれば、７０°傾いた方向にビームが向いており、鏡面反射の方向θ＝０°方向よりも、放射レベルが高くなっている。

（本発明の第５の実施形態）
次に、本発明の第５の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。本発明に係るテーパ付きマッシュルーム構造によれば、マッシュルーム素子の数を増やしても減らしてもビームを所望方向に向ける効果がある。また、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、テーパを付ける方向は、正の方向でも負の方向でも構わない。

本実施形態では、上述の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造に対して、短いマッシュルーム素子及び長いマッシュルーム素子を追加し１５個のマッシュルーム素子とし、テーパを付ける方向を、上述の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の反対側とした。

図１８に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロック、すなわち、１５個のマッシュルーム素子分のテーパ付きマッシュルーム構造の長さを示す。

本実施形態では、図１９に示す１ブロックの構造を、Ｙ軸方向に４５個、Ｘ軸方向に周期を３６ｍｍとして１３個で配列した。

図２０に、このときの遠方散乱界を示す。図２０に示すように、所望の方向である−７０°の方向に反射波が向いていることが分かる。

また、本発明の第４の実施形態で示したマッシュルーム素子の数を１３個として同じ大きさの反射板を作った図１７の結果と比較すると、所望の方向である７０°方向のビーム（図２０の−７０°のビーム）は、１３個のマッシュルーム素子の場合が、９.１２ｄＢであるのに対して、１５個のマッシュルーム素子の場合の方が、９.３７ｄＢとレベルが高くなっている。

一方、鏡面反射の方向のレベルは、１３個のマッシュルーム素子の場合が、３.６６ｄＢであるのに対して、１５個のマッシュルーム素子の場合が、−０.１６ｄＢとなっている。すなわち、１５個のマッシュルーム素子の場合の方が、反射波のビームを曲げる効果が大きいことが分かる。

（本発明の第６の実施形態）
本発明に係るテーパ付きマッシュルーム構造は、周期方向に配列するブロックの個数を変えて、反射板の大きさを変えてもよい。

本発明の第６の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造では、１ブロックにおけるマッシュルーム素子の数を、第４の実施形態の場合と同じ１３個とし、Ｙ軸方向に３０個のブロックを配列し、Ｘ軸方向に周期を３６ｍｍとして１１個のブロックを配列し、３００ｍｍ^２の反射板を構成した。

図２１に、このときの遠方散乱界を示す。図２１に示すように、最大放射方向のレベルは、４５０ｍｍ^２の場合が、９.１２ｄＢであるのに対して、４.１５ｄＢと小さくはなっているが、反射波は７０°の方向に曲がっている。

（本発明の第７の実施形態）
次に、本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。図２２は、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックを示すものであり、図２３は、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造で用いられる構造パラメータを示すものである。

本実施形態は、本発明に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、Ｘ軸方向のマッシュルーム素子のピッチａ_ｘ及びＹ軸方向のマッシュルーム素子のピッチａ_ｙを１.８ｍｍとほぼ等しい大きさとし、周期Ｔを３６ｍｍとした場合の例である。

本実施形態では、設計条件を、図２４に示すように、周波数を８.８ＧＨｚとし、垂直偏波とし（ここで、座標は、図２３に示す）、入射したときにθ＝７０°の方向にビームが曲がることとしている。

また、誘電体基板１は、比誘電率を４.４とし、厚さを３.２ｍｍとし、ｔａｎδ＝０.０１８と仮定した。図２５に、構造パラメータを示す。

図２６に、このときのＷ_ｙの長さに対する反射係数の位相を示す。図２６から、Ｘ軸方向のピッチａ_ｘごとの位相差がπ/１０となるように選んだＷ_ｙの値を、図２７に示す。

図２８及び図２９に、本実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造で用いられる構造パラメータ及びそれらの値の詳細について示す。

図３０に、周期Ｔを２πとし、Ｘ軸方向に２ブロック配列し、Ｙ軸方向に７ブロック配列したときの構造について示し、図３１に、Ｙ軸方向に２５０ブロック配列し、Ｘ軸方向に１２ブロック配列して、４５０ｍｍ^２の反射板を作成したときの遠方散乱界を示す。

（本発明の第８の実施形態）
次に、本発明の第８の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図３２は、図１１に示す第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造におけるブロックの周期Ｔの値、及び、図６に示す第２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造におけるブロックの周期Ｔの値を変えて配置したときの、周期Ｔに対する反射波の放射方向の値を示している。

図３２に示すように、Ｔを２πから３πまで変化させることで、４０°以上、反射波の方向を変化させることができることが分かる。

図３３は、周期Ｔを変化させたときのテーパ付きマッシュルーム構造及び位相の様子について説明するための図である。

図３３において、ブロック１のマッシュルーム素子＃１とブロック２の魔手ルーム素子＃１とが同位相となり、両者が、周期Ｔの間隔で離れている。

マッシュルーム素子＃２〜＃１１についても同様である。さらに、マッシュルーム素子＃１とマッシュルーム素子＃２との間には、位相差がπ/１０だけ付いている。これによって、周期Ｔを変化させることで、反射波の方向を制御できる

（本発明の第９の実施形態）
次に、本発明の第９の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図３４は、従来の鏡面反射では、反射板を設置しても、移動局ｊのある方向に電波が届きにくい環境で、本発明の周期構造反射板（テーマ付きマッシュルーム構造）を使用することによって、電波が届くようにした本発明の第９の実施形態に係る無線通信システムについて示す図である。

本実施形態に係る無線通信システムでは、当初想定していた反射板の反射角θｒ１に対して、環境の変化により、反射角をθｒ２に変化する必要が生じたときに、図３５に示すように、反射板の周期Ｔをスライドさせて、反射角を所望方向に変化させることができる。スライドする方法は、手動でも機械駆動でも構わない。

（本発明の第１０の実施形態）
次に、本発明の第１０の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図４２に、入射到来波の電界がＹ方向を向いている場合に、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて長さを変えるように構成した例を示す。ここで、α＝ｓｉｎ^−１（λΔΦ/（２πΔｙ））とする。このとき、ＹＺ面において、鏡面反射に対して、αだけ、所望の反射波の進行方向を示す角を変えることができる。

（本発明の第１１の実施形態）
次に、本発明の第１１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

図４１に、入射到来波の電界がＹ方向を向いている場合に、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて長さを変えると共に、Ｙ軸方向に沿って傾斜させて長さをかえるように構成されていてもよい。

（本発明の第１２の実施形態）
次に、本発明の第１２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

入射到来波の電界がＸ方向を向いている場合は、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成し、α＝ｓｉｎ^−１（λΔΦ/（２πΔｙ））としても構わない。

（本発明の第１３の実施形態）
次に、本発明の第１３の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

かかるテーパ付きマッシュルーム構造では、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されていてもよい。

（本発明の第１４の実施形態）
次に、本発明の第１４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について説明する。

かかるテーパ付きマッシュルーム構造では、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをX軸方向とＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されていてもよい。

（変更例１）
図３６及び図３７に、誘電体基板１及びパッチ２Ａで構成されるビアホール３の無いマッシュルーム素子２が配列されているマッシュルーム構造について示す。ここで、パッチ２Ａの長さは、位相差によって決定される。

図３８に、かかるテーパ付きマッシュルーム構造における反射係数の位相のコンター図について示す。図３８に示すように、かかるテーパ付きマッシュルーム構造では、パッチ２Ａの長さに応じて、位相差がきれいについていることが分かる。

（変更例２）
また、図３９に、短冊状の金属のみによって形成されているテーパ付きマッシュルーム構造について示す。

さらに、図４０に、短冊状のスロットのみによって形成されているテーパ付きマッシュルーム構造について示す。

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。

本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータについて示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータについて示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第３の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータについて示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の設計条件について示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータの値について示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、Ｙ軸方向のマッシュルーム素子の長さＷ_ｙの値を変化させたときのＷ_ｙに対する反射係数の位相の値について示すグラフである。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、Ｗ_ｙの値を決めたときの各Ｗ_ｙの値及び隣接するマッシュルーム素子どうしのギャップの値について示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第５の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における１ブロック分のテーパ付きマッシュルーム構造の長さについて示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第６の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータについて示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の設計条件について示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の構造パラメータの値について示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、Ｙ軸方向のマッシュルーム素子の長さＷ_ｙの値を変化させたときのＷ_ｙに対する反射係数の位相の値について示すグラフである。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造で用いられる構造パラメータについて示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造で用いられる構造パラメータの詳細について示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における遠方散乱界について示すグラフである。 本発明の第８の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、テーパ付きマッシュルーム構造におけるブロックの周期Ｔの値を変えて配置したときの周期Ｔに対する反射波の放射方向の値を示すグラフである。 本発明の第８の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造において、周期Ｔを変化させたときのテーパ付きマッシュルーム構造及び位相の様子について説明するための図である。 本発明の第９の実施形態に係る無線通信システムについて説明するための図である。 本発明の第９の実施形態に係る無線通信システムについて説明するための図である。 本発明の変更例１に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の変更例１に係るテーパ付きマッシュルーム構造を構成する１ブロックについて示す図である。 本発明の変更例１に係るテーパ付きマッシュルーム構造における反射係数の位相のコンター図である。 本発明の変更例２に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の変更例２に係るテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 本発明の第１１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の一例について示す図である。 本発明の第１０の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造の一例について示す図である。 本発明の第１の実施形態に係るテーパ付きマッシュルーム構造における反射係数の位相のコンター図である。 従来のテーパ付きマッシュルーム構造について示す図である。 従来のテーパ付きマッシュルーム構造において、Ｙ軸方向のマッシュルーム素子の長さの値を変化させたときの反射係数の位相の値について示すグラフである。

符号の説明

１…誘電体基板
２…マッシュルーム素子
２Ａ…パッチ
３…ビアホール

Claims (12)

1. 反射波の位相差を制御することによって反射角を制御する構造を周期的に配置する構造を具備し、
   間隔ΔＳ_ｋで配列されるｎ個の反射板構成片ｒ_ｋ（１≦ｋ≦ｎ）において、各反射板構成片ｒ_ｋにおける反射波の位相をΦ_ｋとし、各反射板構成片ｒ_ｋと隣接する反射板構成片ｒ_ｋ＋１との位相差（Φ_ｋ＋１−Φ_ｋ）をΔΦ_ｋとし、反射波の波長をλとするとき、
   所望の反射波の進行方向を示す角αに対して、（式１）を満たすように配列されている該ｎ個の反射板構成片ｒ_ｋによって構成され、
   α＝ｓｉｎ^−１（λ・ΔΦ_ｋ/２π・ΔＳ_ｋ）） … （式１）
   

   

   
   によって規定される長さＲＬであるブロックを、周期Ｔ（Ｔ≧ＲＬ）毎に、複数個設けるように構成されていることを特徴とする周期構造反射板。
2. 前記周期Ｔは、Ｔ＝λ/ｓｉｎαが成立する値であることを特徴とする請求項１に記載の周期構造反射板。
3. 底面を金属地板とする誘電体基板と、該誘電体基板の上面に構成される短冊状のパッチと、該金属地板と該パッチとを短絡するショートピンとによって構成されるマッシュルーム素子によって構成されるテーパ付きマッシュルーム構造であって、
   各マッシュルーム素子を、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉでｎ個配置し、Ｙ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでｍ個配置するように構成されており、
   各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、或いは、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されており、
   各マッシュルーム素子において電波が反射するときの反射係数の位相が、ＸＹ平面上で任意に定めた直線に対して平行となるように、各マッシュルーム素子の長さを決めるように構成されており、
   各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ _ｉｊ をＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させることを特徴とするテーパ付きマッシュルーム構造。
4. 底面を金属地板とする誘電体基板と、該誘電体基板の上面に構成される短冊状のパッチと、該金属地板と該パッチとを短絡するショートピンとによって構成されるマッシュルーム素子によって構成されるテーパ付きマッシュルーム構造であって、
   各マッシュルーム素子を、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉでｎ個配置し、Ｙ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでｍ個配置するように構成されており、
   各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるか、或いは、各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向に沿って傾斜させて変化させると共に各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させるように構成されており、
   各マッシュルーム素子において電波が反射するときの反射係数の位相が、ＸＹ平面上で任意に定めた直線に対して平行となるように、各マッシュルーム素子の長さを決めるように構成されており、
   各マッシュルーム素子のＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させることを特徴とするテーパ付きマッシュルーム構造。
5. 各マッシュルーム素子のＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊをＹ軸方向とＸ軸方向に沿って傾斜させて変化させることを特徴とする請求項３又は４に記載のテーパ付きマッシュルーム構造。
6. 前記所定間隔ΔＸ_ｉ及びΔＹ_ｊによって決定されるＸ軸方向の長さＬＸ_ｉｊ及びＹ軸方向の長さＬＹ_ｉｊに関する制約により、ｍ個或いはｎ個のマッシュルーム素子を配置することができない場合、Ｘ軸方向に所定間隔ΔＸ_ｉで且つＹ軸方向に所定間隔ΔＹ_ｊでマッシュルーム素子が配置されるブロックを、周期的に繰り返し配置することを特徴とする請求項３乃至５のいずれか一項に記載のテーパ付きマッシュルーム構造。
7. 任意のｋに対するｋ番目とｋ−１番目との間に位相差のずれが生じないように、各マッシュルーム素子を配置することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載のテーパ付きマッシュルーム構造。
8. 任意のｐに対するｐ周期目とｐ−１周期目との間に位相のずれが生じないように、各マッシュルーム素子を配置することを特徴とする請求項３乃至６のいずれか一項に記載のテーパ付きマッシュルーム構造。
9. 間隔Δｘで配列されるマッシュルーム素子において、各マッシュルーム素子における反射係数の位相差をΔΦとし、反射波の波長をλとするとき、
   所望の反射波の進行方向を示す角αは、（式２）によって決定され、
   α＝ｓｉｎ^−１（λ・ΔΦ/２π・Δｘ）） … （式２）、
   反射係数Γは、自由空間インピーダンスη及び表面インピーダンスＺ_ｓを用いて（式３）によって決定され、
   Γ＝（Ｚ_ｓ−η）/（Ｚ_ｓ＋η）＝|Γ|ｅｘｐ（ｊΦ） … （式３）、
   表面インピーダンスＺ_ｓは、前記テーパ付きマッシュルーム構造によって決まるインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣを用いて（式４）によって決定されるとき、
   Ｚ_ｓ＝ｊωＬ/１−ω^２ＬＣ） … （式４）、
   マッシュルーム素子は、Ｘ軸方向にｉ個配置され、前記インダクタンスＬ及び前記キャパシタンスＣから近似的に求められる反射係数の位相を前記間隔Δｘごとに等間隔として前記位相差ΔΦが等しくなるように構成し、所定の周期Ｔの間隔で、マッシュルーム素子がＸ軸方向にｉ個配置されたブロックを並べることを特徴とする請求項３乃至８のいずれか一項に記載のテーパ付きマッシュルーム構造。
10. 請求項３乃至９のテーパ付きマッシュルーム構造を構成することを特徴とする請求項１又は２に記載の周期構造反射板。
11. 各ブロックの周期Ｔを、前記周期構造反射板を設置する周囲の電波伝搬環境に応じて変化させることにより、前記反射波の伝搬する方向を変化させることを特徴とする請求項１、２又は１０に記載の周期構造反射板。
12. 請求項１、２、１０又は１１の周期構造反射板を用いることを特徴とする無線通信システム。

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