JP5371633B2 - リフレクトアレイ - Google Patents

Description

本発明は、リフレクトアレイに関する。

特に、本発明は、（１）反射板に入射するＴＥ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｗａｖｅ）を正規反射（鏡面反射）とは異なる方向に散乱する技術、（２）ＴＥ波入射及びＴＭ波（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｖｅ）入射を共に同じ所望方向に散乱する技術、（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技術、（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ことの可能な技術を具備する偏波共用リフレクトアレイ及び周波数選択板型リフレクトアレイに関する。

また、本発明は、それぞれ独立に定まる方向から入射する水平偏波及び垂直偏波を１つのリフレクトアレイで受けて、それぞれ独立に決定できる所望方向へ各偏波を散乱させる偏波独立制御リフレクトアレイに関する。

また、本発明は、異なる周波数で到来する水平偏波及び垂直偏波に対して、それぞれのアレイ素子が作用して制御する周波数共用偏波独立制御リフレクトアレイに関する。

また、本発明は、所望周波数以外の波にとっては見えない存在となり、電波を透過するため、他のシステムへ影響を与えないリフレクトアレイに関する。

さらに、本発明は、偏波制御ＭＩＭＯ、偏波ダイバーシチ或いは放送と通信の共用等、水平偏波と垂直偏波の２つの偏波を独立に制御するシステムで用いられる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、他の周波数の電波が透過することができず、ＴＭ波及びＴＥ波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の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、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、他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. Ｄｉ Ｍａｓｓａ、「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ ｒｅｆｌｅｃｔ ａｒｒａｙ ｕｓｉｎｇ ｄａｔａ ｆｒｏｍ ｉｓｏｌａｔｅｄ」、ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ａｎｄ Ｏｐｔｉｃａｌ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｌｅｔｔｅｒｓ、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-Ｂ Ｎｏ.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。

また、従来のリフレクトアレイは、非特許文献１に記載されているような反射鏡アンテナの反射鏡として用いられており、入射する波の到来方向及び偏波は、一次放射器によって決められるため、予め分かっているものが想定されていた。

したがって、特願２００７-３１１６４９号に記載されたような屋外伝搬環境において、マルチパスが、回転により任意の偏波で任意の方向から反射板に入射する場合に対して、所望方向へ散乱する技術については何ら検討されていなかった。

また、従来の金属反射板は、水平偏波及び垂直偏波というそれぞれ異なる偏波で到来してきた入射波に対して、鏡面反射の方向に反射するだけであったため、水平偏波及び垂直偏波をそれぞれ独立に制御する機能はなかった。

また、従来のリフレクトアレイ及び周波数選択板では、複数の偏波を独立に制御する機能はなかった。

さらに、２つの異なる周波数で到来する水平偏波及び垂直偏波に対してそれぞれ独立に制御する周波数共用偏波独立制御機能は存在しなかった。

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。

（１）反射板から散乱する電波を、所望の周波数では鏡面反射とは異なる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。

（２）ＴＥ波入射の場合及びＴＭ波入射のどちらの場合も、リフレクトアレイから散乱する電波を所望方向に反射させること。

（３）どんな方向から来た入射に対しても、リフレクトアレイの散乱方向を傾ける機能が働くこと。

（４）（２）及び（３）の機能を有する散乱が所望の周波数において起こり、それ以外の周波数では電波が透過すること。

また、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。

（５）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。

（６）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、散乱波の位相を制御することにより、反射波（散乱波）の方向を制御するアレイを構成する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、前記地板は、周波数選択性機能を有する構造であることを要旨とする。

本発明の第２の特徴は、散乱波の位相を制御することにより、反射波の方向を制御するアレイを構成する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、ＴＥ波入射に対して位相を揃える構造と、ＴＭ波入射に対して位相を揃える構造とを有することを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、散乱波の位相を制御することにより、反射波の方向を制御するアレイを構成する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、偏波共用素子であり、水平方向、垂直方向、双方の偏波で到来する入射波に対して共用して使用できる機能を有することを要旨とする。

本発明の第２及び第３の特徴において、前記リフレクトアレイは、周波数選択性構造を有していてもよい。

本発明の第２及び第３の特徴において、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、前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向それぞれの大きさは、前記アレイ素子毎に異なり、ＴＥ波入射に対してもＴＭ波入射に対しても、前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向のいずれかが作用して、前記散乱波の位相を制御し、前記反射波の方向を、ＴＥ波及びＴＭ波の両方を同時に制御してもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、前記周波数選択構造は、周期構造ループであってもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、前記周波数選択構造は、選択周波数では電波を反射（散乱）させ、該選択周波数以外の周波数では電波を透過させてもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、Ｘ方向及びＹ方向の両方に位相差を付けることによって、Ｘ方向からの入射に対しても、Ｙ方向からの入射に対しても、ＸＹ方向の任意の入射に対しても、所望方向に反射波を傾けることを可能な構造であってもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、前記周期構造ループは、所望周波数を１λとし、該周期構造ループのピッチを０.４λ〜０.６λとしてもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、前記アレイ素子は、水平方向から見ても垂直方向から見ても同じ構造及び同じ大きさとなるように構成されていてもよい。

本発明の第１乃至第３の特徴において、前記地板は、水平方向から見ても垂直方向から見ても同じ構造及び同じ大きさとなるように構成されていてもよい。

かかる特徴によれば、任意の偏波及び角度からの入射波に対しても、反射波の影響を同様に出すことができる。

本発明の第４の特徴は、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、垂直偏波の入射方向及び水平偏波の入射方向がそれぞれ異なる場合に、該垂直偏波の入射に対しては各垂直方向のロッドが動作し、各垂直方向のロッドの電流分布の位相によって決まる方向に散乱波が放射し、該水平偏波に対しては各水平方向のロッドが動作し、各水平方向のロッドの電流分布の位相によって決まる方向に散乱波が放射することによって、該垂直偏波の散乱波の放射方向と該水平偏波の散乱波の放射方向とをそれぞれ独立に決定することができ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の特徴において、前記水平方向のロッドの動作周波数と前記垂直方向のロッドの動作周波数とが異なるように構成されていてもよい。

本発明の第４の特徴において、前記地板は、周波数選択板によって構成されていてもよい。

本発明の第４の特徴において、前記周波数選択板は、ループアレイによって構成されていてもよい。

本発明の第４の特徴において、前記地板は、２周波共用周波数選択板によって構成されていてもよい。

本発明の第４の特徴において、前記地板は、広帯域周波数選択板によって構成されていてもよい。

以上説明したように、本発明によれば、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ができる。

（１）反射板から散乱する電波を、所望の周波数では鏡面反射とは異なる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。

（２）ＴＥ波入射の場合及びＴＭ波入射のどちらの場合も、リフレクトアレイから散乱する電波を所望方向に反射させること。

（３）どんな方向から来た入射に対しても、リフレクトアレイの散乱方向を傾ける機能が働くこと、
（４）（２）及び（３）の機能を有する散乱が所望の周波数において起こり、それ以外の周波数では電波が透過すること。

また、本発明によれば、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ができる。

（５）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。

（６）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。

また、（５）及び（６）の機能を用いて、偏波共用ＭＩＭＯによる容量増加及び偏波ダイバーシチを用いたシステムに、本発明に係るリフレクトアレイを適用することができる。

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の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイを示す図である。 本発明の第１の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイを示す図である。 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配置された方形ループＦＳＳにおける反射係数及び透過係数の特性を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイに配置された方形ループＦＳＳにおける反射係数及び透過係数の特性を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイに配置された方形ループＦＳＳにおける反射係数及び透過係数の特性を説明するための図である。 本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイに配置された２４ＧＨｚのクロスダイポールの長さに対する反射係数の変化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において、地板が金属平板である場合におけるクロスダイポールの反射波の位相の変化、及び、地板が方形ループＦＳＳである場合におけるクロスダイポールの反射波の位相の変化を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係るマイクロストリップリフレクトアレイの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におけるクロスダイポールの長さ及び幅を示す表である。 本発明の第１の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイにおけるクロスダイポールの放射パターン（ＸＺ面）を示す図である。 従来の金属平板を地板としたリフレクトアレイにおける所望方向（３５°方向）の利得と、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所望方向（３５°方向）の利得とを比較するためのグラフである。 本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの長さ及び幅を示す表である。 本発明の第２の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイにおけるクロスダイポールの放射パターンを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの長さ及び幅を示す表である。 本発明の第３の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイにおけるクロスダイポールの放射パターンを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの長さ及び幅を示す表である。 本発明の第４の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイにおけるクロスダイポールの放射パターンを示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイを示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイにおける設計条件を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの素子番号を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの各素子の長さの一例を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイにおいて、クロスダイポールの長さを横軸に取り、リフレクションフェーズ（反射波の位相）の値を縦軸に取ったグラフである。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの設計パラメータについて説明するための図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイにおいて、Ｘ軸方向の偏波で角度（θ_ｉ１，φ_ｉ１）＝（２０°，−９０°）から入射するときのリフレクトアレイからの遠方散乱界について示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイにおいて、Ｙ軸方向の偏波で角度θ_ｉ２，Φ_ｉ２）＝（３０°，−１８０°）から入射するときのリフレクトアレイからの遠方散乱界について示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの裏面の構造を示す図である。 本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイにおける透過係数について示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るリフレクトアレイを示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るリフレクトアレイにおける設計条件を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係るリフレクトアレイにおいて、クロスダイポールの長さを横軸に取り、リフレクションフェーズ（反射波の位相）の値を縦軸に取ったグラフである。 本発明の第７の実施形態に係るリフレクトアレイにおける遠方散乱界について示す図である。

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）
図３乃至図５に、本発明の第１の実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイを示す。本実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイでは、誘電体基板上において、図３及び図５に示すように、表面にクロスダイポールのアレイ素子が配置されており、図４及び図５に示すように、裏面にループのアレイ素子が配置されている。

ここで、図３乃至図５に示す周波数選択型リフレクトアレイでは、表面のクロスダイポールは、反射波の位相差が所望の放射方向に揃うように長さを変えている。

また、かかる周波数選択型リフレクトアレイでは、裏面のループは、誘電体基板の誘電率及びループ幅を考慮した電磁界シミュレーションを行って、反射係数が０ｄＢとなる長さにしており、動作周波数の約１波長である。

まず、地板として動作させるために裏面に配置された方形ループの周波数選択性について説明する。図６及び図７は、方形ループの上面（Ｚ軸の正の方向）から平面波を与えた場合の解析モデルについて示す図であり、図８は、反射係数及び透過係数の特性を表すグラフである。

ここで、方形ループの構造は、周長１２ｍｍ、基板の厚さは１.５ｍｍｔ、方形ループ間のピッチＤ＝７ｍｍとした。解析には、周期境界条件を用いており、方形ループが無限周期となることを想定している。

図８から分かるように、反射係数は、２４ＧＨｚにおいて０ｄＢとなり、全反射となる。これに対して、他の周波数では、透過係数が０ｄＢに近づいている。すなわち、方形ループの周期構造に周波数選択性があることが確認できる。

次に、図６及び図７に示す方形ループの上面にクロスダイポールを設置したときの反射係数について調べる。

図９は、方形ループの上面にクロスダイポールを設置したときの解析モデル及び反射係数のグラフを示す。

具体的には、図９は、反射板の法線方向から入射波を与えた場合、進行方向に直交する面上の電界の向きを変えてＴＭ波を２０°度傾けて入射した場合、進行方向に直交する面上の電界の向きを変えてＴＭ波を２０°度傾けて入射した場合のそれぞれについての反射係数を、クロスダイポールの長さを変化させて示している。

０.５ｍｍ（０.０４λ_{ａｔ２４ＧＨｚ}）から６.５ｍｍ（０.５２λ_{ａｔ２４ＧＨｚ}）までクロスダイポールの長さを変化させたときの反射係数の変化量は、たかだか２ｄＢ以下であり、反射係数が周期構造方形ループに対して周波数選択性を持つのに比べて小さいと考えられる。

これは、本実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイの裏面に方形ループを配置し、表面にクロスダイポールを配置した構造の選択周波数は、裏面の方形ループの形状及び大きさで、ほぼ決定できることを表している。

なお、ここで、クロスダイポールは、Ｘ方向及びＹ方向に対して同じ長さで、対称構造をなしている。したがって、ＴＥ入射の場合もＴＭ入射の場合も法線方向から入射される場合の反射係数の値は、ほぼ同じになる。

次に、本実施形態に係る周波数選択型リフレクトアレイのクロスダイポールの長さを、図９のときと同様に、０.５ｍｍ（０.０４λ_{ａｔ２４ＧＨｚ}）から６.５ｍｍ（０.５２λ_{ａｔ２４ＧＨｚ}）まで変化させたときの位相の変化について図１０に示す。このときに用いられたクロスダイポールの長さ及び幅は、図１１の通りである。

図１０において、実線は、方形ループを地板とした場合におけるクロスダイポールの反射位相の変化を示し、破線は、比較のため、地板を金属平板とした場合におけるクロスダイポールの反射位相の変化を示している。

図１０から、クロスダイポールの長さを変えることにより反射波の位相を変えられることが分かる。図９及び図１０から、かかる反射板は、ループの周長で選択周波数を決定し、クロスダイポールの長さで反射波の位相を変えることが可能であることが分かる。

次に、かかる反射板を用いて所望方向に反射波を向ける方法について説明する。リフレクアレイの設計技術とは、所望方向にビームを向けるために、必要となる位相差で、入射波を散乱させるように（反射させるように）、各アレイ素子を設計することである。

この手法について説明するために、図１１に、標準的なプリントアレーを素子としたリフレクトアレイの原理を示す。所望方向へ位相をそろえるためのアレイ開口分布条件を（式１）に示す。

ここで、（式１）において、Ｒ_ｍｎは、波源からｍｎ番目の素子までの距離であり、Φ_ｍｎは、ｍｎ番目の素子からの散乱界の位相であり、

は、アレイ中心からｍｎ番目の素子までの位置ベクトルであり、

は、リフレクトアレイのメインビームの方向に対する単位ベクトルである。

従来のマイクロストリップリフレクトアレイでは、地板が金属平板であるのに対して、本発明の第１の実施形態に係るマイクロストリップリフレクトアレイでは、地板が周期構造のループで構成されているが、設計方法は同様である。

マイクロストリップリフレクトアレイの設計では、一般に、要求された位相を得るために、反射素子の形や大きさを変化させる。

本発明の第１の実施形態では、図１０に示す位相及びクロスダイポールの素子の長さのグラフから、（式１）を満たす長さをそれぞれ決めている。

図３乃至図５に示す本実施形態に係るリフレクトアレイの例では、２４ＧＨzで、Ｘ軸の方向に３５°傾けて散乱させるよう設計している。図１０に対応させて求めた図３における＃１から＃１５までのクロスダイポールの長さを図１２に示す。

次に、本発明の効果を見るために、図１３に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの遠方散乱界を示す。

ここで、波源が、（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（２０°，−９０°）から来ると仮定しているが、本発明の場合は、４０°以下でビームを曲げる場合は、波源は、どこからきても構わない。本発明の場合は、クロスダイポールを採用しているため、波源は、ＴＭ波でもＴＥ波のどちらでも構わない。

図１３（ａ）は、ＴＭ波入射の場合の放射パターンを示し、図１３（ｂ）は、ＴＥ波入射の場合の放射パターンを示す。どちらの場合も、所望方向の３５°に放射されていることが分かる。

次に、本実施形態における周波数選択性に対する効果について、図１４を用いて説明する。

図１４（ａ）は、ＴＭ波入射のときの３５°方向の利得を示し、図１４（ｂ）は、ＴＥ波入射のときの３５°方向の利得を示す。図１４（ａ）及び図１４（ｂ）では、従来の金属平板を地板とした場合の３５°方向の利得を破線で示し、本発明に係る周波数選択型方形ループを地板とした場合の３５°方向の利得を実線で示す。

ここで、利得は、メインビーム方向の電界の大きさを、全ての方向の放射の大きさを平均と比較して表している。図１４から、方形ループを地板とした場合は、設計周波数２４ＧＨｚ以下の周波数でレベルが小さくなっており、周波数選択性があることが確認できる。

（本発明の第２の実施形態）
図１５に、本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイの一例を示す。

図１５に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイは、表面がクロスダイポールで構成され、裏面がループで構成される偏波共用リフレクトアレイである。本実施形態に係るリフレクトアレイは、Ｙ方向とＸ方向に同じ長さを有するクロスダイポールを用いている。

一般の鏡面反射の場合は、入射波が、（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（０°，０°）の場合は、反射波は、（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（０°，０°）となる。

これに対して、図１５は、（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（０°，０°）、すなわち、図１５に示すＺ軸の正の方向から入射波した波が、どんな偏波に対しても、（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（３０°，０°）の方向へ反射するように設計した例を示している。

平面波の電界は、電波の進行方向に垂直な面にのみ存在する。したがって、Ｚ成分を持たず、電界ベクトルは、Ｅ_ｙ成分とＥ_ｘ成分とに分離して考えることができる。

したがって、Ｅ_ｘ成分に平行な波とＥ_ｙ成分に平行な波が、どちらも（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（３０°，０°）の方向に放射すれば、（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（０°，０°）から入射する波は、どんな偏波の場合も、（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（−３０°，０°）の方向に放射する。

図１５に示す上面のクロスダイポールは、これを実現するため、Ｘ方向もＹ方向も同じ長さとされている。

図１６に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの長さを示す。ここで、図１６における番号は、図１５における番号と対応している。本実施形態に係るリフレクトアレイでは、Ｙ軸方向の構造は、全て対称である。これは、入射がＺ軸方向でビームをＸＺ平面において制御することによる。

図１７に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの遠方界を示す。

図１７（ａ）に示すＥ_ｘ偏波の場合も、図１７（ｂ）に示すＥ_ｙ編波の場合も、メインビームは、θ＝−３０°と所望方向を向いていることが確認できる。なお、裏面のループは、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイと同様に、周波数選択性を有する。

（本発明の第３の実施形態）
図１８に、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの一例を示す。

本実施形態に係るリフレクトアレイは、地板を金属とし、素子をクロスダイポールとすることによって、進行方向に鉛直な面上のどんな偏波に対しても反射波を所望方向に曲げる例を示している。

図１８（ａ）は、本実施形態に係るリフレクトアレイの表面を示し、図１８（ｂ）は、本実施形態に係るリフレクトアレイの裏面を示す。

本実施形態に係るリフレクトアレイの表面の表面は、クロスダイポールによって構成されており、本実施形態に係るリフレクトアレイの裏面は、金属平板によって構成されている。

本実施形態に係るリフレクトアレイでは、２４ＧＨｚにおいて、入射波の方向を（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（２０°，−９０°）と設計し、反射波の方向を（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（３５°，１８０°）と設定した。

図１９に、本実施形態に係るリフレクトアレイの各素子の設計値を示す。また、図２０に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの遠方界を示す。

図２０によれば、ＴＭ波入射のときのＥ_φ成分及びＴＥ波入射のときのＥ_θ成分も共に、所望の３５°方向に反射していることが分かる。

（本発明の第４の実施形態）
図２１に、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの一例を示す。

図２１は、素子数を増やして反射板のサイズを大きくした場合の例である。設計は、入射波の方向を（θ_ｉ，φ_ｉ）＝（２０°，−９０°）とし、反射波の方向を（θ_ｓ，φ_ｓ）＝（３０°，１８０°）とした。

図２２に、本実施形態に係るリフレクトアレイの各素子の設計値を示す。また、図２３に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおけるクロスダイポールの遠方界を示す。

図２３によれば、ＴＭ波入射のときもＴＥ波入射のときも共に、所望の３０°方向に反射していることが分かる。

（本発明の第５の実施形態）
図２４に、本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの構造を示す。

図２４は、本実施形態に係る偏波独立クロスダイポールリフレクトアレイを、素子の側から見た上面図である。

ここで、座標を、図２４に示すように、平面に沿ってＸ軸Ｙ軸とし、平面に直交する方向をＺ軸と置いている。

本実施形態では、図２５に示すように、設計条件を定めた。すなわち、Ｘ軸方向の偏波に対しては入射角（θ_ｉ１，Φ_ｉ１）＝（２０°，−９０°）とし、Ｙ軸方向の偏波に対しては入射角（θ_ｉ２，Φ_ｉ２）＝（３０°，−１８０°）となるように、それぞれ異なる方向からの入射を仮定したとき、Ｘ軸方向の偏波に対しては反射角（θ_ｒ１，Φ_ｒ１）＝（４０°，０°）とし、Ｙ軸方向の偏波に対しては反射角（θ_ｒ２，Φ_ｒ２）＝（０°，０°）となるように、それぞれ異なる方向に散乱波が放射するように設計している。ここで、周波数は、１２ＧＨｚとした。

図２６に、本実施形態に係るリフレクトアレイの素子番号を示す。また、図２７に、各素子の長さの一覧を示す。

次に、各素子のＸ方向及びＹ方向の長さの決め方について述べる。

図２８に、クロスダイポールの長さを横軸に取り、リフレクションフェーズ（反射波の位相）の値を縦軸に取ったグラフを示す。

図２８において、破線は、地板を金属板とした場合の例を示し、実線は、地板を周波数選択板とした場合の例を示す。

地板の違いにより、長さに対するリフレクションフェーズの傾きは異なるが、どちらの場合もクロスダイポールの長さを、０ｍｍから１４ｍｍと変えることにより、リフレクションフェーズの値を、約５０°から-２５０°まで変化させることができることが分かる。

ここで、クロスダイポールは、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の両偏波に対して対称であるから、どちらの偏波の場合も、図２８を用いることができる。

図２８より、アレーアンテナの理論から、放射方向は、反射位相を用いて制御することができる。すなわち、各パラメータを、図２９のように表すとき、アレイ素子の位相α_ｍｎは、（式２）によって表現される。

図２７に示すパラメータは、図２８に基づいて、裏面が方形ループの場合のときの長さを決めたものである。

次に、設計したリフレクトアレイの特性について示す。

図３０に、Ｘ軸方向の偏波で角度（θ_ｉ１，Φ_ｉ１）＝（２０°，−９０°）から入射するときのリフレクトアレイからの遠方散乱界について示す。

図３０において、実線は、電界のＥ_θ成分を表し、破線は、Ｅ_Φ成分を表している。図３０の場合の散乱波は、Ｅ_θ成分が支配的であり、所望の角度（θ_ｒ１，Φ_ｒ１）＝（４０°，０°）の方向に放射している様子が分かる。

次に、図３１に、Ｙ軸方向の偏波で角度θ_ｉ２，Φ_ｉ２）＝（３０°，−１８０°）から入射するときのリフレクトアレイからの遠方散乱界について示す。

図３１において、実線は、電界のＥ_Φ成分を表し、破線は、電界のＥ_θ成分を表している。図３１の場合の散乱波は、Ｅ_Φ成分が支配的であり、所望の角度（θ_ｒ２，Φ_ｒ２）＝（０°，０°）の方向に放射している様子がわかる。

以上示したように、本実施形態では、２つの偏波に対する独立した入射方向に対して、それぞれ異なる独立した反射方向に散乱波を制御して向けることができることが分かる。

図３２に、本実施形態に係るリフレクトアレイの裏面の構造を示す。図３２に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイの裏面は、周囲長が約１λの方形ループのアレイで構成されている。

次に、図３３に、本実施形態に係るリフレクトアレイにおける透過係数について示す。

図３３は、本実施形態に係るリフレクトアレイにおける透過係数及び金属反射板における透過係数の周波数特性を比較して示している。ここで、実線Ａは、シミュレーションの値であり、実線Ｂは、測定値である。

図３３に示すように、金属反射板の場合は、いずれの周波数の場合も、透過係数の値が低いのに対して、本実施形態に係るリフレクトアレイの場合は、設計周波数の１２ＧＨｚ付近では、透過係数の値が低くなるのに対して、他の周波数では透過係数の値が大きくなっている。

すなわち、本実施形態に係るリフレクトアレイは、使用周波数以外の帯域では、金属反射板に比べて電波を通しやすいことが分かる。

（本発明の第６の実施形態）
本発明の第６の実施形態に係るリフレクトアレイでは、水平方向及び垂直方向の２つの素子長を、周波数を変えて、（式２）式から決定することができる。

（本発明の第７の実施形態）
図３４乃至図３７を参照して、本発明の第７の実施形態に係るリフレクトアレイについて説明する。

本実施形態に係るリフレクトアレイは、水平方向の素子を用いて第１の周波数ｆ１における散乱波の向きを制御し、垂直方向の素子を用いて第２の周波数ｆ２における散乱波の向きを制御することができる。

図３４に、２周波共用偏波独立制御のための１２×６素子のクロスダイポールアレイについて示す。ここで、水平素子が、水平偏波の入射波に対して動作し、垂直素子が、垂直偏波の入射波に対して動作する。

図３５に、かかるクロスダイポールアレイの設計条件を示す。水平方向の素子を用いる場合は、動作周波数を６ＧＨｚとし、垂直方向の素子を用いる場合は、動作周波数を１２ＧＨｚとした、
設計条件として、６ＧＨｚにおいては、球面座標のφが０°で一定となるＸＺ面において反射方向を３０°ステアリングし、１２ＧＨｚにおいては、球面座標のφが９０°で一定となるＹＺ面において反射方向を３０°ステアリングすることとする。

かかる設計条件を満たすリフレクトアレイの素子を設計するために、無限周期構造のクロスダイポールアレイに平面波が入射したときの反射波の位相を求めた。ただし、素子間隔を１４ｍｍとした。

図３６に、６ＧＨｚ及び１２ＧＨｚにおけるクロスダイポール（素子）の長さと位相との関係を示す。

１２ＧＨｚのときは、クロスダイポールの長さの変化に応じて、位相が変化するのに対して、６ＧＨｚのときは、クロスダイポールの長さが１３ｍｍから１４ｍｍの狭い範囲で位相が大きく変化しており、２つの周波数で反射波の位相の性質が異なる様子が分かる。

図３６に示すクロスダイポールの長さと位相との関係を用いて、図３５に示す入射方向及び散乱方向を満たす位相差となる各素子の寸法を求めて、図３４に示すリフレクトアレイを設計した。

図３７に、本実施形態に係るリフレクトアレイの遠方散乱界を示す。２つの周波数共に、鏡面反射から、Ｘ方向及びＹ方向のそれぞれの方向に、ビームを３０°傾けて放射していることが確認できる。

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

Claims (14)

1. 散乱波の位相を制御することにより、反射波の方向を制御するアレイを構成する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、ＴＥ波入射に対して位相を揃える構造と、ＴＭ波入射に対して位相を揃える構造とを有し、
   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、
   前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向それぞれの大きさは、前記アレイ素子毎に異なり、
   ＴＥ波入射に対してもＴＭ波入射に対しても、前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向のいずれかが作用して、前記散乱波の位相を制御し、前記反射波の方向を、ＴＥ波及びＴＭ波の両方を同時に制御することを特徴とするリフレクトアレイ。
2. 散乱波の位相を制御することにより、反射波の方向を制御するアレイを構成する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、偏波共用素子であり、水平方向、垂直方向、双方の偏波で到来する入射波に対して共用して使用できる機能を有し、
   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、
   前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向それぞれの大きさは、前記アレイ素子毎に異なり、
   ＴＥ波入射に対してもＴＭ波入射に対しても、前記クロスダイポールの水平方向及び垂直方向のいずれかが作用して、前記散乱波の位相を制御し、前記反射波の方向を、ＴＥ波及びＴＭ波の両方を同時に制御することを特徴とするリフレクトアレイ。
3. 前記リフレクトアレイは、周波数選択性構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のリフレクトアレイ。
4. 前記周波数選択性構造は、周期構造ループであることを特徴とする請求項３に記載のリフレクトアレイ。
5. 前記周波数選択性構造は、選択周波数では電波を反射（散乱）させ、該選択周波数以外の周波数では電波を透過させることを特徴とする請求項３または４に記載のリフレクトアレイ。
6. Ｘ方向及びＹ方向の両方に位相差を付けることによって、Ｘ方向からの入射に対しても、Ｙ方向からの入射に対しても、ＸＹ方向の任意の入射に対しても、所望方向に反射波を傾けることを可能な構造であることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載のリフレクトアレイ。
7. 前記周期構造ループは、所望周波数を１λとし、該周期構造ループのピッチを０.４λ〜０.６λとすることを特徴とする請求項４に記載のリフレクトアレイ。
8. 前記アレイ素子は、水平方向から見ても垂直方向から見ても同じ構造及び同じ大きさとなるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載のリフレクトアレイ。
9. 前記地板は、水平方向から見ても垂直方向から見ても同じ構造及び同じ大きさとなるように構成されていることを特徴とする請求項８に記載のリフレクトアレイ。
10. 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、
    垂直偏波の入射方向及び水平偏波の入射方向がそれぞれ異なる場合に、該垂直偏波の入射に対しては各垂直方向のロッドが動作し、各垂直方向のロッドの電流分布の位相によって決まる方向に散乱波が放射し、該水平偏波に対しては各水平方向のロッドが動作し、各水平方向のロッドの電流分布の位相によって決まる方向に散乱波が放射することによって、該垂直偏波の散乱波の放射方向と該水平偏波の散乱波の放射方向とをそれぞれ独立に決定することができるように構成されており、
    前記水平方向のロッドの動作周波数と前記垂直方向のロッドの動作周波数とが異な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。
11. 前記地板は、周波数選択板によって構成されていることを特徴とする請求項１０に記載のリフレクトアレイ。
12. 前記周波数選択板は、ループアレイによって構成されていることを特徴とする請求項１１に記載のリフレクトアレイ。
13. 前記地板は、２周波共用周波数選択板によって構成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のリフレクトアレイ。
14. 前記地板は、広帯域周波数選択板によって構成されていることを特徴とする請求項１１又は１２に記載のリフレクトアレイ。

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