JP5392766B2 - Electromagnetic wave communication medium, electromagnetic wave scattering device and antenna - Google Patents
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Description
本発明は、シート状の電磁波伝達媒体を利用して通信を行う技術に関する。 The present invention relates to a technique for performing communication using a sheet-like electromagnetic wave transmission medium.
従来、二次元の導波路を有する通信シート表面のマイクロ波近接場を利用して、通信デバイス間の通信や給電を行う二次元通信が提案されている。例えば、非特許文献１においては、電磁波伝送による信号送受信と電力受給電とをする電磁波インタフェース装置が紹介されている。これによると、通信シート上に載置されたデバイス間において、干渉性が低く電磁波漏洩の少ない高セキュリティな無線通信が可能となる。 2. Description of the Related Art Conventionally, two-dimensional communication that performs communication and power feeding between communication devices using a microwave near field on the surface of a communication sheet having a two-dimensional waveguide has been proposed. For example, Non-Patent Document 1 introduces an electromagnetic wave interface device that performs signal transmission and reception and electric power receiving and feeding by electromagnetic wave transmission. According to this, high-security wireless communication with low coherence and less electromagnetic wave leakage is possible between devices placed on the communication sheet.
上述の二次元通信シートは、シート表面から数ミリの範囲でのみ通信可能になることから高い秘匿性を有している点で有利であるが、各通信デバイスを配置できる範囲が通信シート上に拘束されてしまうという問題がある。また、その原理上、電磁波の伝搬はシートが連続している範囲に限られるので、複数の分断されたシート間の結合が困難であるという問題がある。 The above-described two-dimensional communication sheet is advantageous in that it has high confidentiality because it can communicate only within a range of several millimeters from the sheet surface, but the range in which each communication device can be arranged is on the communication sheet. There is a problem of being restrained. Further, because of the principle, the propagation of electromagnetic waves is limited to a range where the sheets are continuous, there is a problem that it is difficult to bond the plurality of divided sheets.
そこで本願発明者らは、通信シート上に誘電体の周期構造からなるグレーティングアンテナを配置することで、二次元通信の適用範囲を空間的に拡張することを提案している（例えば、非特許文献２）。このようなアンテナ構造が十分多数存在する場合、通信シート内の損失を無視すれば、通信シート内を伝播するマイクロ波の導波モードのエネルギーの大半を放射モードに変換することができる。したがって、例えば通信シートから離れた位置に対して指向性ビームを伝送したり、机と壁などの複数の面に組み込まれた通信シート間を指向性ビームによって相互結合するといった応用的な用途が期待できる。 Therefore, the inventors of the present application have proposed to spatially extend the application range of two-dimensional communication by arranging a grating antenna having a dielectric periodic structure on a communication sheet (for example, non-patent literature). 2). When there are a sufficient number of such antenna structures, most of the microwave guided mode energy propagating in the communication sheet can be converted into a radiation mode if the loss in the communication sheet is ignored. Therefore, for example, directional beams are transmitted to a position away from the communication sheet, and application uses such as coupling between communication sheets installed on a plurality of surfaces such as a desk and a wall by a directional beam are expected. it can.
しかしながら、現実の用途では、指向性ビームの方向が空間内で固定されていると不便なことが多い。例えば、指向性ビームを利用して通信デバイスと通信シートの無線接続を試みる場合、通信デバイスの位置に応じて指向性ビームの方向を変化させる必要がある。また、現実の用途では通信シート内を伝播するマイクロ波等の電磁波の波形は一様ではないので、通信状況に応じて適応的にグレーティングパターンを変化させる必要が生じうる。 However, in practical applications, it is often inconvenient if the direction of the directional beam is fixed in space. For example, when trying to wirelessly connect a communication device and a communication sheet using a directional beam, it is necessary to change the direction of the directional beam according to the position of the communication device. In actual applications, the waveform of an electromagnetic wave such as a microwave propagating in the communication sheet is not uniform, and it may be necessary to adaptively change the grating pattern according to the communication status.
本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的は、通信シート内を伝播する電磁波をシート外部に散乱させるための散乱体の分布パターンが可変である通信シートの構成およびその制御技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of such a situation, and an object thereof is a configuration of a communication sheet in which a distribution pattern of scatterers for scattering electromagnetic waves propagating in the communication sheet to the outside of the sheet is variable, and a control technology thereof. Is to provide.
本発明の一実施形態は、電磁波通信媒体である。この電磁波通信媒体は、電磁波を伝搬する少なくとも一層の誘電体層を有する平面状の電磁波伝搬層と、電磁波伝搬層の表面の少なくとも一部の領域に重ねて配置されるスイッチ層であって、予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で電磁波伝搬層中を伝搬する電磁波を表面上方に散乱させる複数の散乱スイッチを有するスイッチ層と、を備える。そして、所定の制御信号を付与することで散乱スイッチの状態を変更可能に構成される。 One embodiment of the present invention is an electromagnetic wave communication medium. The electromagnetic wave communication medium includes a planar electromagnetic wave propagation layer having at least one dielectric layer that propagates an electromagnetic wave, and a switch layer that is disposed so as to overlap at least part of the surface of the electromagnetic wave propagation layer, A switch layer having a plurality of scattering switches that scatter electromagnetic waves propagating through the electromagnetic wave propagation layer in the vicinity of the set plurality of scattering points upward. And it is comprised so that a state of a scattering switch can be changed by giving a predetermined control signal.
この態様によると、二次元の電磁波通信媒体内を伝播する電磁波を表面上方に散乱させることで、二次元通信の範囲を三次元に拡張することができる。また、電磁波通信媒体上に電磁波を散乱する多数の散乱スイッチを配置した構造を採ることで、散乱ポイントの分布を自在に制御することができる。 According to this aspect, the range of two-dimensional communication can be extended to three dimensions by scattering the electromagnetic waves propagating in the two-dimensional electromagnetic wave communication medium upward on the surface. Further, by adopting a structure in which a large number of scattering switches that scatter electromagnetic waves are arranged on an electromagnetic wave communication medium, the distribution of scattering points can be freely controlled.
スイッチ層は、互いに略平行に配置された複数の第１導線と、第１導線と交差し第１導線に対して絶縁された複数の第２導線とを備え、散乱スイッチは、第１導線と第２導線の交差部付近で両者を接続し、制御信号に応じて両者を容量性結合させて電磁波伝搬層内の電磁波を散乱させるように構成されたスイッチであってもよい。 The switch layer includes a plurality of first conductors arranged substantially parallel to each other, and a plurality of second conductors that intersect the first conductor and are insulated from the first conductor, and the scattering switch includes the first conductor, A switch configured to scatter both electromagnetic waves in the electromagnetic wave propagation layer by connecting both in the vicinity of the intersection of the second conductive wires and capacitively coupling both in accordance with a control signal may be used.
スイッチ層は、電圧を印加することで誘電率が変化する可変誘電率層を備え、散乱スイッチは、複数の散乱ポイント近傍で局所的に高い誘電率となるように可変誘電率層に電圧を印加するように構成されたスイッチであってもよい。 The switch layer has a variable dielectric constant layer whose dielectric constant changes when a voltage is applied, and the scattering switch applies a voltage to the variable dielectric constant layer so that the dielectric constant is locally high near multiple scattering points. The switch may be configured to do so.
散乱スイッチは、各散乱ポイントで散乱される電磁波が空間中のある方向に対して同位相で伝搬するように制御されてもよい。これによると、各散乱スイッチによって散乱される電磁波を合成して指向性ビームを放射することができる。隣接する散乱ポイント間の位相差に依存して、指向性ビームの放射方向が決まる。 The scattering switch may be controlled so that the electromagnetic wave scattered at each scattering point propagates in the same phase with respect to a certain direction in the space. According to this, a directional beam can be emitted by synthesizing electromagnetic waves scattered by the respective scattering switches. Depending on the phase difference between adjacent scattering points, the radiation direction of the directional beam is determined.
散乱スイッチは、各散乱ポイントで散乱される電磁波が空間上のある点において同位相で干渉するように制御されてもよい。これによると、各散乱体から散乱される電磁波を合成することで、空間上の一点に電磁波を集光させることができる。 The scattering switch may be controlled so that electromagnetic waves scattered at each scattering point interfere with each other at a certain point in space. According to this, by synthesizing the electromagnetic waves scattered from each scatterer, the electromagnetic waves can be condensed at one point in space.
次式を満足する位置またはその近傍に位置する散乱スイッチがオンにされて前記誘電体層内の電磁波を表面上方に散乱させるように散乱スイッチが制御されてもよい：
本発明の別の実施形態は、電磁波を伝搬する少なくとも一層の誘電体層を有する平面状の電磁波通信媒体の表面に近接して配置される電磁波散乱装置である。この装置は、電磁波通信媒体と対向する面にあり、予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で電磁波通信媒体中を伝搬する電磁波を表面上方に散乱させる複数の散乱スイッチを有するスイッチ層と、所定の制御信号を付与することで散乱スイッチの状態を変更可能に構成された制御手段と、を備える。 Another embodiment of the present invention is an electromagnetic wave scattering device disposed close to the surface of a planar electromagnetic wave communication medium having at least one dielectric layer that propagates electromagnetic waves. This device is on a surface facing the electromagnetic wave communication medium, and has a switch layer having a plurality of scattering switches that scatter electromagnetic waves propagating in the electromagnetic wave communication medium in the vicinity of a plurality of preset scattering points upward on the surface, and a predetermined Control means configured to be able to change the state of the scattering switch by applying the control signal.
この態様によると、二次元の電磁波通信媒体内を伝播する電磁波を表面上方に散乱させることで、二次元通信の範囲を三次元に拡張することができる。また、電磁波通信媒体上に電磁波を散乱する多数の散乱スイッチを配置した構造を採ることで、散乱ポイントの分布を自在に制御することができる。さらに、電磁波通信媒体の全領域に渡って散乱スイッチを設ける必要がなくなるため、電磁波通信媒体の製造が容易になりコストを抑制できる。 According to this aspect, the range of two-dimensional communication can be extended to three dimensions by scattering the electromagnetic waves propagating in the two-dimensional electromagnetic wave communication medium upward on the surface. Further, by adopting a structure in which a large number of scattering switches that scatter electromagnetic waves are arranged on an electromagnetic wave communication medium, the distribution of scattering points can be freely controlled. Furthermore, since it is not necessary to provide a scattering switch over the entire area of the electromagnetic wave communication medium, the electromagnetic wave communication medium can be easily manufactured and the cost can be suppressed.
制御手段は、指向性ビームまたは結像ビームを放射するように散乱スイッチを制御してもよい。 The control means may control the scattering switch to emit a directional beam or an imaging beam.
本発明のさらに別の実施形態は、上述した電磁波通信媒体のいずれか一つと、予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で散乱される電磁波が空間上の任意の一点で結像するように散乱スイッチを制御して対象物を検出するように構成された制御手段と、を備える。 According to still another embodiment of the present invention, any one of the electromagnetic wave communication media described above and an electromagnetic wave scattered in the vicinity of a plurality of predetermined scattering points are scattered so that an image is formed at an arbitrary point in space. And a control means configured to detect the object by controlling the switch.
この態様によると、従来のフェーズドアレイアンテナよりも簡単な構造で、大口径かつ極薄型のアンテナを構成することができる。 According to this aspect, a large-diameter and ultra-thin antenna can be configured with a simpler structure than the conventional phased array antenna.
本発明によれば、電磁波通信媒体上に電磁波を散乱する多数の散乱スイッチを配置した構造としたので、散乱ポイントの分布を自在に制御することができる。 According to the present invention, since a large number of scattering switches that scatter electromagnetic waves are arranged on an electromagnetic wave communication medium, the distribution of scattering points can be freely controlled.
以下の説明においては、説明と理解とを容易にするため、電磁波の伝達に用いる電磁波周波数帯において導電体であるものを「導電体」と呼び、当該周波数帯において誘電体であるものを「誘電体」と呼ぶ。したがって、例えば直流電流に対して導体であるか半導体であるか絶縁体であるか等によって、直接的には何ら制約されるものではない。また、導電体と誘電体とは、電磁波との関係においてその特性により定義されるものであって、固体であるか液体であるか気体であるか等の態様や構成材料を制限するものではない。 In the following description, in order to facilitate explanation and understanding, what is a conductor in the electromagnetic wave frequency band used for electromagnetic wave transmission is referred to as “conductor”, and what is a dielectric in the frequency band is referred to as “dielectric”. Called "body". Therefore, it is not directly restricted by, for example, whether it is a conductor, a semiconductor, or an insulator with respect to a direct current. In addition, the conductor and the dielectric are defined by their characteristics in relation to the electromagnetic wave, and do not limit the aspect or constituent material such as whether it is solid, liquid or gas. .
まず、図１を参照して従来の電磁波通信媒体について説明する。その後、本発明の一実施形態に係る散乱スイッチを備えた電磁波通信媒体について説明する。 First, a conventional electromagnetic wave communication medium will be described with reference to FIG. Then, the electromagnetic wave communication medium provided with the scattering switch which concerns on one Embodiment of this invention is demonstrated.
図１は、従来の電磁波通信媒体１０の全体図および鉛直方向の断面図を示す。図１に示すように、電磁波通信媒体１０は、メッシュ状の第１導電体層１２と、誘電体層１４と、第２導電体層１６とを順に備える。第１導電体層１２の上面や第２導電体層１６の下面にさらに保護層を有していてもよい。各層は、いずれも二次元的に一定の広がりを有する。 FIG. 1 shows an overall view of a conventional electromagnetic wave communication medium 10 and a sectional view in the vertical direction. As shown in FIG. 1, the electromagnetic wave communication medium 10 includes a mesh-shaped first conductor layer 12, a dielectric layer 14, and a second conductor layer 16 in order. A protective layer may be further provided on the upper surface of the first conductor layer 12 and the lower surface of the second conductor layer 16. Each layer has a two-dimensionally constant spread.
誘電体層１４は、ある程度の強度と柔軟性と軽量性と美観とを兼ね備えた部材を用いることが好ましい。誘電体層１４に用いる不透明な誘電材料として、例えば柔軟性のある樹脂性部材等を用いてもよい。また、誘電体層１４として、平面状の布、紙、ゴム、発泡体、ゲル材等を用いることができる。 The dielectric layer 14 is preferably a member having a certain degree of strength, flexibility, lightness, and beauty. As the opaque dielectric material used for the dielectric layer 14, for example, a flexible resin member or the like may be used. Further, as the dielectric layer 14, a flat cloth, paper, rubber, foam, gel material, or the like can be used.
電磁波通信媒体１０は、全体として、二次元的に一定の広がりを有する平面状に構成される。媒体表面または側面に形成される入力部（図示せず）から電磁波（例えば、マイクロ波）が電磁波通信媒体１０に入力される。電磁波は主に誘電体層１４中を伝搬し、メッシュ状の第１導電体層１２の表面に近接場を形成する。この近接場を用いて信号の授受を行うことができる。 As a whole, the electromagnetic wave communication medium 10 is configured in a planar shape having a constant spread in two dimensions. An electromagnetic wave (for example, a microwave) is input to the electromagnetic wave communication medium 10 from an input unit (not shown) formed on the surface or side surface of the medium. The electromagnetic wave propagates mainly in the dielectric layer 14 and forms a near field on the surface of the mesh-shaped first conductor layer 12. Signals can be exchanged using this near field.
具体的には、電磁波通信媒体１０の誘電体層１４内を電磁波が伝搬している場合に、メッシュ状の第１導電体層１２側に所定の構造を持つ電磁波インタフェース装置（図示せず）を近接させると、電磁波通信媒体１０との間で容量結合する。そして、誘電体層１４内を流れる電磁波の一部がメッシュ状の第１導電体層１２と電磁波インタフェース装置との間に吸い出される。電磁波が吸い出される効率は、電磁波インタフェース装置の大きさ、メッシュ状の第１導電体層１２と電磁波インタフェース装置との間の距離、保護層の誘電率に依存する。 Specifically, when an electromagnetic wave propagates in the dielectric layer 14 of the electromagnetic wave communication medium 10, an electromagnetic wave interface device (not shown) having a predetermined structure is provided on the mesh-like first conductor layer 12 side. When close to each other, capacitive coupling is established with the electromagnetic wave communication medium 10. A part of the electromagnetic wave flowing in the dielectric layer 14 is sucked out between the mesh-shaped first conductor layer 12 and the electromagnetic wave interface device. The efficiency of sucking out electromagnetic waves depends on the size of the electromagnetic wave interface device, the distance between the mesh-shaped first conductor layer 12 and the electromagnetic wave interface device, and the dielectric constant of the protective layer.
なお、本明細書において平面状とは、帯状、シート状、布状、紙状、箔状、板状、膜状、フィルム状等であって、面としての広がりを持ち、厚さが薄いものを意味する。以下では、電磁波通信媒体のことを単に「通信シート」と称する場合もある。 In this specification, the term “planar” refers to a band, sheet, cloth, paper, foil, plate, film, film, etc., which has a wide surface and is thin. Means. Hereinafter, the electromagnetic wave communication medium may be simply referred to as a “communication sheet”.
続いて、本発明の実施形態について説明する。なお、以下に説明する実施形態は例示であって、これに限定されるものではなく、かつ本発明の範囲を制限するものではない。 Subsequently, an embodiment of the present invention will be described. In addition, embodiment described below is an illustration, Comprising: It is not limited to this and does not restrict | limit the scope of the present invention.
実施の形態１．
図２は、本発明の一実施形態に係る通信シート３０の概略断面図である。通信シート３０は、導体メッシュ層３１と、電磁波伝達媒体としての誘電体層３６と、導体グラウンド層３８とを備える。導体メッシュ層３１は、ｘ方向に互いに略平行に配置された導線であるｘライン３２と、ｙ方向に互いに略平行に配置された導線であるｙライン３４と、両ラインや後述する散乱スイッチ回路を実装、支持するための誘電体基板層３３を含む。導体メッシュ層３１の上面や導体グラウンド層３８の下面にさらに保護層を有していてもよい。各層は、いずれも二次元的に一定の広がりを有する。以下の説明では、図２の断面図において通信シートの長手方向をｘ軸、紙面に垂直な方向をｙ軸、通信シートに対して垂直上方をｚ軸（表面でｚ＝０）として説明する。
Embodiment 1 FIG.
FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the communication sheet 30 according to an embodiment of the present invention. The communication sheet 30 includes a conductor mesh layer 31, a dielectric layer 36 as an electromagnetic wave transmission medium, and a conductor ground layer 38. The conductor mesh layer 31 is composed of an x line 32 which is a conducting wire arranged substantially parallel to each other in the x direction, a y line 34 which is a conducting wire arranged substantially parallel to each other in the y direction, both lines, and a scattering switch circuit described later. A dielectric substrate layer 33 for mounting and supporting the substrate. A protective layer may be further provided on the upper surface of the conductor mesh layer 31 and the lower surface of the conductor ground layer 38. Each layer has a two-dimensionally constant spread. In the following description, in the cross-sectional view of FIG. 2, the longitudinal direction of the communication sheet is assumed to be the x-axis, the direction perpendicular to the paper surface is the y-axis, and the upper direction perpendicular to the communication sheet is the z-axis
誘電体層３６として、平面状の布、紙、ゴム、発泡体、ゲル材等を用いることができる。導体メッシュ層３１は、誘電体層３６内部を伝搬する電磁波を通信シート３０の表面から散乱させるための散乱スイッチ層として機能する。メッシュの各交点には後述する散乱スイッチが配置され、電磁波を散乱させるポイントを調整できるように構成される。なお、導体メッシュの周期は、伝送される電磁波の波長よりも十分短くなるようにする。 As the dielectric layer 36, a planar cloth, paper, rubber, foam, gel material or the like can be used. The conductor mesh layer 31 functions as a scattering switch layer for scattering electromagnetic waves propagating through the dielectric layer 36 from the surface of the communication sheet 30. A scattering switch, which will be described later, is arranged at each intersection of the mesh, and is configured so that the point at which the electromagnetic wave is scattered can be adjusted. Note that the period of the conductor mesh is made sufficiently shorter than the wavelength of the transmitted electromagnetic wave.
図３は、図２の二次元通信シート３０の概略全体図である。導体メッシュ層３１のｘライン３２とｙライン３４とは略垂直に交差して通信シート３０の表面上に多数の格子点を形成する。格子点間の間隔は、後述する散乱体の分布パターンの自由度の観点から、短いほど好ましい。ｘライン３２とｙライン３４とは誘電体基板層３３によって互いに直流絶縁されている。ｘライン３２はそれぞれｘ方向制御部４０に接続され、ｙライン３４はそれぞれｙ方向制御部４２に接続される。ｘ方向制御部４０およびｙ方向制御部４２の動作については後述する。 FIG. 3 is a schematic overall view of the two-dimensional communication sheet 30 of FIG. The x line 32 and the y line 34 of the conductor mesh layer 31 intersect substantially perpendicularly to form a large number of lattice points on the surface of the communication sheet 30. The interval between the lattice points is preferably as short as possible from the viewpoint of the degree of freedom of the scatterer distribution pattern described later. The x line 32 and the y line 34 are galvanically isolated from each other by the dielectric substrate layer 33. Each x line 32 is connected to an x direction control unit 40, and each y line 34 is connected to a y direction control unit 42. Operations of the x-direction control unit 40 and the y-direction control unit 42 will be described later.
図４は、図３中のＡ部の拡大図であり、誘電体基板層３３内で各格子点の近傍に設けられる散乱スイッチ５０を説明する図である。
散乱スイッチ５０は、二つのコンデンサＣ１、Ｃ２と、スイッチ素子Ｔｒとから構成される。ｘ方向制御部４０およびｙ方向制御部４２は、ｘライン３２およびｙライン３４に直流制御信号を入力することで、所望の格子点における高周波容量性結合量を初期状態より大きくする。こうすると、直流絶縁を維持したまま、高周波の電磁波に対しては導通した状態になる。したがって、通信シート３０上の各格子点のうち、容量性結合量が局所的に高くなっている箇所を、誘電体層内の電磁波を散乱させる散乱体として機能させることができる。以下の説明では、散乱スイッチ５０をオンにして電磁波を散乱させる状態となったものを、特に「散乱体」と呼ぶことにする。
FIG. 4 is an enlarged view of a portion A in FIG. 3 and is a diagram for explaining the scattering switch 50 provided in the vicinity of each lattice point in the dielectric substrate layer 33.
The scattering switch 50 includes two capacitors C1 and C2 and a switch element Tr. The x-direction control unit 40 and the y-direction control unit 42 input a DC control signal to the x-line 32 and the y-line 34, thereby increasing the high-frequency capacitive coupling amount at a desired lattice point from the initial state. If it carries out like this, it will be in the state connected with respect to the high frequency electromagnetic wave, maintaining DC insulation. Therefore, the location where the capacitive coupling amount is locally increased among the lattice points on the communication sheet 30 can be made to function as a scatterer that scatters electromagnetic waves in the dielectric layer. In the following description, what is in a state in which the scattering switch 50 is turned on to scatter electromagnetic waves is particularly referred to as a “scattering body”.
図４の構成によって、通信シート３０の誘電体層３６内を伝搬する電磁波を、散乱体で三次元空間に放出することができる。この散乱体による電磁波の放出プロセスは、可逆的であることに注意する。つまり、本実施形態の通信シート３０は、通信シート表面の散乱体に向けて三次元空間から伝わる電磁波を受け取り、通信シート内部に伝搬させることも可能である。 With the configuration of FIG. 4, the electromagnetic wave propagating in the dielectric layer 36 of the communication sheet 30 can be emitted to the three-dimensional space by the scatterer. Note that the electromagnetic wave emission process by this scatterer is reversible. That is, the communication sheet 30 of the present embodiment can receive electromagnetic waves transmitted from the three-dimensional space toward the scatterer on the surface of the communication sheet, and can propagate the electromagnetic waves inside the communication sheet.
通信シート３０では、各散乱体から所望の指向性方向または集光点位置に到達するまでの空中経路における位相差が２πの整数倍となるように散乱体を分布させることによって、シート上方に放射される電磁波の波面を制御することができる。図５および図６は、そのような散乱体の分布パターンの例を示す。 The communication sheet 30 radiates above the sheet by distributing the scatterers so that the phase difference in the air path from each scatterer to the desired directivity direction or the focal point position is an integral multiple of 2π. It is possible to control the wavefront of the electromagnetic wave generated. 5 and 6 show examples of such scatterer distribution patterns.
図５は、通信シート３０の表面上に散乱体を周期的に配置した場合を示す。図中、ｙライン３４の黒塗りした箇所は、散乱スイッチ５０がオンにされ散乱体として機能している部分を表している。図５では、散乱体は電磁波の進行方向に対してほぼ直角に、すなわちｙ方向と平行に配置されている。このように、通信シート表面に散乱体を周期的に配置すると、各散乱体によって近接場が一定の位相差で空間中に散乱されるため、波面合成の結果指向性ビームが放射される。 FIG. 5 shows a case where scatterers are periodically arranged on the surface of the communication sheet 30. In the drawing, the black lined portion of the y line 34 represents a portion where the scattering switch 50 is turned on and functions as a scatterer. In FIG. 5, the scatterers are arranged substantially perpendicular to the traveling direction of the electromagnetic wave, that is, parallel to the y direction. As described above, when the scatterers are periodically arranged on the surface of the communication sheet, the near field is scattered in the space with a constant phase difference by each scatterer, and thus a directional beam is emitted as a result of the wavefront synthesis.
電磁波の伝送方向がｘ、ｙ方向で一様であると仮定して、ｘｚ面内の二次元電磁場を考える。このときの電磁場の規準モードは、通信シートに波動がトラップされながら伝送される導波モード（ｘ方向波数βｇ）と、空間全域に波動が広がる放射モード（ｘ方向波数βｒ）の二種類に分けられる。導波モードで伝送されるマイクロ波は通信シート中でほぼ平面波とみなされ、通信シート表面にはｚ方向に指数減衰する非放射の近接場が形成される。通信シートの表面に波数βｐで（すなわち、周期２π／βｐ）で散乱体を配置したときの指向性ビームの放射方向θｎは、次式で表される（例えば、上述の非特許文献２）。
式（１）から分かるように、θｎはβｐに依存しているので、散乱体の配置周期を変えることで放射方向を調節することができる。つまり、導体メッシュ層３１の格子点のうち、散乱体が所望の周期で現れるように格子点を選択し、対応する散乱スイッチ５０をオンにすることで、指向性ビームの方向を調節することが可能になる。 As can be seen from Equation (1), θ n depends on β p , and therefore the radiation direction can be adjusted by changing the arrangement period of the scatterers. That is, the direction of the directional beam can be adjusted by selecting a lattice point from among the lattice points of the conductor mesh layer 31 so that the scatterer appears at a desired period and turning on the corresponding scattering switch 50. It becomes possible.
図６は、散乱体の分布パターンの別の例を説明する図である。この例では、各散乱体から散乱される電磁波が空間上のある点において同位相で干渉するように散乱体を分布させることで、空間上の一点に電磁波を集光させる。 FIG. 6 is a diagram for explaining another example of the distribution pattern of the scatterers. In this example, the scatterers are distributed so that the electromagnetic waves scattered from the scatterers interfere at the same phase at a certain point in the space, thereby collecting the electromagnetic waves at one point in the space.
誘電体層３６を伝搬する電磁波の形状が整っていると仮定し、図５と同様にｘｚ面内の二次元問題を考える。各散乱体で散乱させる電磁波が集光点（ｘ０、ｚ０）において同相で加算される必要があるため、散乱体の分布は非周期的になる。図中左端の散乱体による散乱波とｎ番目の散乱波が２πｎの位相差で加算される条件を書き下すと、ｎ番目の散乱体の位置ｐｎを決定する次の方程式が導かれる。
図７（ａ）、（ｂ）は、通信シート上の一点と空間上の一点との間で結像関係を実現するための散乱体の分布を説明する図である。図７（ａ）に示す各円周上に適切な間隔で散乱体が分布するように導体メッシュ層３１の散乱スイッチを制御することで、通信シート側の集光点位置、すなわち図７（ａ）の円の内側の極限点と、空間上の一点との間で結像関係を実現することができる。 FIGS. 7A and 7B are diagrams for explaining the distribution of scatterers for realizing an imaging relationship between one point on the communication sheet and one point on the space. By controlling the scattering switch of the conductor mesh layer 31 so that the scatterers are distributed at appropriate intervals on each circumference shown in FIG. 7A, the condensing point position on the communication sheet side, that is, FIG. The imaging relationship can be realized between a limit point inside the circle) and a point in space.
通信シート上の集光点Ｐと空間上の集光点Ｑの二点間で結像が生じるための散乱体の分布パターンの条件は、次式の通りである。
これによって、例えば通信シートの上方に保持された無線通信デバイスに向けて電磁波ビームを放射することで、通信シートと無線通信デバイス間で通信をすることが可能になる。また、電磁波ビームの広がりを絞ることで、空間内に複数のビームを混在させることも可能になり、帯域の活用にもつながる。 Accordingly, for example, by emitting an electromagnetic wave beam toward the wireless communication device held above the communication sheet, it is possible to communicate between the communication sheet and the wireless communication device. In addition, by narrowing the spread of the electromagnetic wave beam, it becomes possible to mix a plurality of beams in the space, leading to utilization of the band.
さらに、散乱スイッチのオンオフパターンを適宜変化させることで、集光点を空間内の任意の位置に移動させることも可能である。また、必要に応じて各散乱体の誘電率や電磁波の周波数を制御してもよい。したがって、後述するように、本発明の通信シートをフェーズドアレイアンテナとして機能させることも可能である。 Furthermore, the focal point can be moved to an arbitrary position in the space by appropriately changing the on / off pattern of the scattering switch. Moreover, you may control the dielectric constant of each scatterer, and the frequency of electromagnetic waves as needed. Therefore, as will be described later, the communication sheet of the present invention can function as a phased array antenna.
図８は、各格子点に配置された散乱スイッチを制御して、所望の位置の格子点を散乱体として機能せしめるための制御プロセスを説明するフローチャートである。
まず、ｘ方向制御部４０は、ｘラインのうち一本をＬｏｗに設定する（Ｓ１０）。続いてｙ方向制御部４２は、所望の散乱体分布パターンにしたがって、オンにすべき散乱スイッチを含むｙラインを選択してＨｉ状態とし、それ以外のｙラインをＬｏｗ状態に設定する（Ｓ１２）。これによって、オンにすべき散乱スイッチのコンデンサＣ１に電荷が蓄積される。電荷の蓄積されたコンデンサＣ１がスイッチＴｒを制御し（Ｓ１４）、コンデンサＣ２がｘラインとｙラインの間に挿入され容量性結合量が増大する（Ｓ１６）。その後、ｘ方向制御部４０はｘラインをＺ（ハイインピーダンス）に設定する（Ｓ１８）。以上の一連のプロセスを全てのｘラインについて繰り返す（Ｓ２０）。なお、ｘライン、ｙラインに与える制御信号のＨｉ、Ｌｏｗ状態として対応させる電圧の符号や値は、用いるスイッチＴｒの性質に応じて適宜定めればよい。
以上のプロセスの結果、Ｃ２が挿入された散乱スイッチではｘラインとｙラインとが容量性結合され、通信シート内部を伝搬する電磁波を散乱させる散乱体として機能するようになる。
FIG. 8 is a flowchart illustrating a control process for controlling the scattering switch arranged at each lattice point so that the lattice point at a desired position functions as a scatterer.
First, the x-direction control unit 40 sets one of the x lines to Low (S10). Subsequently, the y-direction control unit 42 selects the y line including the scattering switch to be turned on according to a desired scatterer distribution pattern, sets it to the Hi state, and sets the other y lines to the Low state (S12). . As a result, charge is accumulated in the capacitor C1 of the scattering switch to be turned on. The capacitor C1 in which charge is stored controls the switch Tr (S14), and the capacitor C2 is inserted between the x line and the y line, thereby increasing the amount of capacitive coupling (S16). Thereafter, the x-direction control unit 40 sets the x line to Z (high impedance) (S18). The above series of processes is repeated for all x lines (S20). Note that the sign and value of the voltage corresponding to the Hi and Low states of the control signal applied to the x line and the y line may be appropriately determined according to the property of the switch Tr to be used.
As a result of the above process, in the scattering switch in which C2 is inserted, the x line and the y line are capacitively coupled to function as a scatterer that scatters electromagnetic waves propagating through the communication sheet.
実施の形態２．
図９は、本発明の別の実施形態に係る通信シート８０の概略断面図である。この実施形態では、導体メッシュ層の代わりに、電磁波を散乱させるスイッチ層として局所的に電圧を印加することで誘電率が変化する可変誘電率層を利用する。
通信シート８０は、散乱スイッチ層８１と、電磁波伝達媒体としての誘電体層８８と、誘電体層８８よりも誘電率の低い保護層８７およびクラッド層９０とを備える。散乱スイッチ層８１は、ｘ方向に互いに略平行に配置された導線であるｘライン８２と、ｙ方向に互いに略平行に配置された導線であるｙライン８４と、両者に挟まれ、初期状態で誘電体層８８よりも誘電率の低い可変誘電率層８６とを含む。ｘライン８２、ｙライン８４および可変誘電率層８６は、保護層８７に実装され支持される。散乱スイッチ層８１の上面やクラッド層９０の下面にさらに保護層を有していてもよい。各層は、いずれも二次元的に一定の広がりを有する。
Embodiment 2. FIG.
FIG. 9 is a schematic cross-sectional view of a communication sheet 80 according to another embodiment of the present invention. In this embodiment, a variable dielectric constant layer whose dielectric constant changes by applying a voltage locally as a switch layer that scatters electromagnetic waves is used instead of the conductor mesh layer.
The communication sheet 80 includes a scattering switch layer 81, a dielectric layer 88 as an electromagnetic wave transmission medium, and a protective layer 87 and a cladding layer 90 having a dielectric constant lower than that of the dielectric layer 88. The scattering switch layer 81 is sandwiched between an x line 82, which is a conducting wire arranged substantially parallel to the x direction, and a y line 84, which is a conducting wire arranged substantially parallel to each other in the y direction. And a variable dielectric constant layer 86 having a dielectric constant lower than that of the dielectric layer 88. The x-line 82, the y-line 84, and the variable dielectric constant layer 86 are mounted and supported on the protective layer 87. A protective layer may be further provided on the upper surface of the scattering switch layer 81 and the lower surface of the cladding layer 90. Each layer has a two-dimensionally constant spread.
可変誘電率層８６は、ｘライン８２とｙライン８４とが交差する格子点において局所的に電圧を印加することで、その部分の誘電率が初期状態よりも高くなる誘電率可変の誘電体で構成されている。したがって、図１０に示すように、通信シート８０の表面上に、局所的に誘電率の高い領域と低い領域とを混在させることができる。なお、図中ｘライン８２およびｙライン８４のうち黒塗りの部分は電圧を印加していることを表し、可変誘電率層８６のうち斜線部分９２は誘電率が変化している領域を表している。このように通信シートの近接場中で誘電率の変化が存在する部分は、誘電体層８８内を伝搬する電磁波を通信シート上面に散乱させる。以下の説明では、誘電率が変化し、誘電体層８８内を伝搬する電磁波を散乱させる状態となった局所領域を「散乱体」と呼ぶことにする。 The variable dielectric constant layer 86 is a dielectric having a variable dielectric constant in which a voltage is locally applied at a lattice point where the x-line 82 and the y-line 84 intersect so that the dielectric constant of the portion becomes higher than the initial state. It is configured. Therefore, as shown in FIG. 10, a region having a high dielectric constant and a region having a low dielectric constant can be mixed on the surface of the communication sheet 80. In the figure, the black portions of the x line 82 and the y line 84 indicate that a voltage is applied, and the hatched portion 92 of the variable dielectric constant layer 86 indicates a region where the dielectric constant changes. Yes. Thus, the part where the change in the dielectric constant exists in the near field of the communication sheet scatters the electromagnetic wave propagating in the dielectric layer 88 on the upper surface of the communication sheet. In the following description, the local region where the dielectric constant has changed and the electromagnetic wave propagating in the dielectric layer 88 is scattered is referred to as “scattering body”.
なお、散乱体の形状、すなわち誘電率を変化させる領域の形状は特に制限されない。一般に、誘電体層を伝搬する電磁波の波長は散乱体の幅よりも大きいため、散乱体の形状の影響は小さいためである。 The shape of the scatterer, that is, the shape of the region where the dielectric constant is changed is not particularly limited. This is because, in general, the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the dielectric layer is larger than the width of the scatterer, so that the influence of the shape of the scatterer is small.
（実施例）
図１１および図１２は、実施の形態１に係る通信シートによる電磁波散乱のシミュレーション結果を示す。本シミュレーションにおけるモデルを、図１１（ａ）を参照して説明する。通信シート１００は、下から導体グラウンド層、第１誘電体層、ｙライン層、第２誘電体層、ｘライン層の５層から構成される。電磁波は第１誘電体層内を伝播する。ｘライン１０２およびｙライン１０４ともに、１ｍｍ幅の導線を５ｍｍ間隔で配列した。ｘラインとｙラインの格子点のうち、容量性結合を与える箇所、つまり散乱スイッチをオンにする箇所には、誘電率の大きな誘電体１０６を挿入することで表現している。シミュレーションの対象とする電磁波の周波数は、５．６ＧＨｚである。なお、図では簡略化のためにｙ方向の幅を短く表しているが、実際のシミュレーションでは、ｘ、ｙ方向のいずれにも同様の構造が繰り返されるものとして行った。
(Example)
11 and 12 show simulation results of electromagnetic wave scattering by the communication sheet according to the first embodiment. A model in this simulation will be described with reference to FIG. The communication sheet 100 includes five layers including a conductor ground layer, a first dielectric layer, a y-line layer, a second dielectric layer, and an x-line layer from the bottom. The electromagnetic wave propagates in the first dielectric layer. For both the x-line 102 and the y-line 104, 1 mm-wide conductive wires were arranged at intervals of 5 mm. Of the lattice points of the x-line and y-line, this is expressed by inserting a dielectric 106 having a large dielectric constant at a location that gives capacitive coupling, that is, a location where the scattering switch is turned on. The frequency of the electromagnetic wave to be simulated is 5.6 GHz. In the figure, the width in the y direction is shown short for simplification, but in the actual simulation, the same structure was repeated in both the x and y directions.
図１１（ａ）に示す散乱体の分布パターン１では、図中にＢで示すように、ｙラインの５列ごとに１列の散乱体を配置した（つまり、散乱スイッチをオンにした）。図１１（ｂ）は分布パターン１のシミュレーション結果である。ここでは、ｘｚ面の断面図において電場のｘ方向成分をプロットしている。図示するように、通信シートの表面からｘ軸の負方向に向かう平面波が形成されていることが分かる。 In the scatterer distribution pattern 1 shown in FIG. 11A, as shown by B in the figure, one row of scatterers is arranged for every five rows of the y line (that is, the scattering switch is turned on). FIG. 11B shows a simulation result of the distribution pattern 1. Here, the x direction component of the electric field is plotted in the cross-sectional view of the xz plane. As shown in the figure, it can be seen that a plane wave is formed from the surface of the communication sheet toward the negative x-axis direction.
図１２（ａ）は、散乱体の分布パターン２を示す。図中にＣで示すように、ｙラインの３列に連続して散乱体を配置し、さらに隣接する３列の散乱体とは５列の間隔をあけるようにしてある。図１２（ｂ）は、分布パターン２に対するシミュレーション結果である。図示するように、通信シートの表面からｘ軸の正方向に向かう平面波が形成されていることが分かる。 FIG. 12A shows a distribution pattern 2 of scatterers. As indicated by C in the figure, scatterers are arranged continuously in three rows of the y line, and further, five rows are spaced from adjacent three rows of scatterers. FIG. 12B shows a simulation result for the distribution pattern 2. As shown in the drawing, it can be seen that a plane wave is formed from the surface of the communication sheet toward the positive direction of the x-axis.
以上の通り、通信シートの表面上でｘ、ｙライン間の容量性結合量を急激に変化させることで、通信シートの誘電体層内を伝播する電磁波をシートの表面から散乱させられることが確認された。また、散乱体の分布パターンを変えることで、シート表面から放射される平面波の方向を制御できることが確認された。この結果は、図２乃至図４を参照して説明した散乱スイッチのアレイが原理的に実現可能であることを示している。
なお、本明細書では省略するが、実施の形態２で示した通信シートについても同様のシミュレーション結果が得られることはいうまでもない。
As described above, it is confirmed that the electromagnetic wave propagating in the dielectric layer of the communication sheet can be scattered from the surface of the sheet by rapidly changing the capacitive coupling amount between the x and y lines on the surface of the communication sheet. It was done. It was also confirmed that the direction of the plane wave radiated from the sheet surface can be controlled by changing the distribution pattern of the scatterers. This result shows that the array of scattering switches described with reference to FIGS. 2 to 4 can be realized in principle.
Although omitted in this specification, it goes without saying that similar simulation results can be obtained for the communication sheet shown in the second embodiment.
実施の形態３．
上述の各実施の形態では、通信シートの少なくとも一部の領域または全領域に、電磁波を散乱させる散乱体を自在に分布できるスイッチ層を配置することを述べた。しかしながら、このような構成では、シートの比較的広い領域に渡って散乱スイッチを設けなくてはならないので、コストが上昇し、またシート面積が大きくなるほど製造が困難になる。そこで、電磁波を伝播させる通信シートと電磁波の散乱装置とを別個の構成としてもよい。
Embodiment 3 FIG.
In each of the above-described embodiments, it has been described that a switch layer capable of freely distributing a scatterer that scatters electromagnetic waves is disposed in at least a partial region or the entire region of a communication sheet. However, in such a configuration, the scattering switch must be provided over a relatively wide area of the sheet, so that the cost increases and the manufacture becomes difficult as the sheet area increases. Therefore, the communication sheet for propagating electromagnetic waves and the electromagnetic wave scattering device may be configured separately.
図１３は、通信シート１４０と電磁波散乱装置１３１とを別個とする構成の一例を示す。
通信シート１４０は、図１で説明した従来の通信シート１０と同様の構造であり、ｘ−ｙライン間が絶縁されていないメッシュ状の第１導電体層１４２と、誘電体層１３６と、第２導電体層１３８とを備える。
一方、電磁波散乱装置１３１は、導体メッシュ層と誘電体層１３５とを備える。導体メッシュ層は、ｘ方向に互いに略平行に配置された導線であるｘライン１３２と、ｙ方向に互いに略平行に配置された導線であるｙライン１３４と、両ラインや上述の散乱スイッチ回路を実装、支持するための誘電体基板層１３３を含む。
FIG. 13 shows an example of a configuration in which the communication sheet 140 and the electromagnetic wave scattering device 131 are separated.
The communication sheet 140 has the same structure as that of the conventional communication sheet 10 described with reference to FIG. 1, and the mesh-shaped first conductor layer 142 in which the xy lines are not insulated, the dielectric layer 136, 2 conductor layers 138.
On the other hand, the electromagnetic wave scattering device 131 includes a conductor mesh layer and a dielectric layer 135. The conductor mesh layer includes an x line 132 which is a conductor arranged substantially parallel to each other in the x direction, a y line 134 which is a conductor arranged substantially parallel to each other in the y direction, both lines, and the scattering switch circuit described above. A dielectric substrate layer 133 for mounting and supporting is included.
電磁波散乱装置１３１は、ｘライン１３２とｙライン１３４の各格子点の近傍に設けられた散乱スイッチを所望の散乱体分布パターンにしたがってオンオフするための制御回路（図示せず）をさらに備える。電磁波散乱装置１３１の導体メッシュ層は、上述の実施の形態１と同様の動作原理により、電磁波散乱装置１３１の上面から電磁波を散乱させるための散乱スイッチ層として機能する。なお、電磁波散乱装置１３１は、通信シート１４０の表面に対して着脱自在に構成される。 The electromagnetic wave scattering device 131 further includes a control circuit (not shown) for turning on / off a scattering switch provided in the vicinity of each lattice point of the x line 132 and the y line 134 according to a desired scatterer distribution pattern. The conductor mesh layer of the electromagnetic wave scattering device 131 functions as a scattering switch layer for scattering electromagnetic waves from the upper surface of the electromagnetic wave scattering device 131 based on the same operating principle as in the first embodiment. The electromagnetic wave scattering device 131 is configured to be detachable from the surface of the communication sheet 140.
この構成において、通信シート１４０の誘電体層１３６を伝搬する電磁波は、電磁波散乱装置１３１の誘電体層１３５に吸い出される。そして、誘電体基板層１３３に配置された散乱スイッチを実施の形態１と同様に制御することで、電磁波散乱装置１３１上の所望のポイントから電磁波を散乱させることができる。 In this configuration, electromagnetic waves propagating through the dielectric layer 136 of the communication sheet 140 are sucked out by the dielectric layer 135 of the electromagnetic wave scattering device 131. Then, the electromagnetic wave can be scattered from a desired point on the electromagnetic wave scattering device 131 by controlling the scattering switch arranged on the dielectric substrate layer 133 in the same manner as in the first embodiment.
図１４は、通信シート２００と電磁波散乱装置１８１とを別個とする構成の別の例を示す。
通信シート２００は、電磁波伝達媒体としての誘電体層１８８と、誘電体層１８８よりも誘電率の低い上部クラッド層１８７および下部クラッド層１９０とを備える。但し、上部クラッド層１８７は、近接場を減衰しきらない程度の厚さになるように調節する。
一方、電磁波散乱装置１８１は、ｘ方向に互いに略平行に配置された導線であるｘライン１８２と、ｙ方向に互いに略平行に配置された導線であるｙライン１８４と、両者に挟まれ、初期状態で誘電体層１８８よりも誘電率の低い可変誘電率層１８６とを含む。可変誘電率層１８６は、ｘライン１８２とｙライン１８４とが交差する格子点において局所的に電圧を印加することで、その部分の誘電率が初期状態よりも高くなる誘電率可変の誘電体で構成されている。ｘライン１８２、ｙライン１８４は、可変誘電率層１８６に実装され支持される。
FIG. 14 shows another example of a configuration in which the communication sheet 200 and the electromagnetic wave scattering device 181 are separated.
The communication sheet 200 includes a dielectric layer 188 as an electromagnetic wave transmission medium, and an upper clad layer 187 and a lower clad layer 190 having a dielectric constant lower than that of the dielectric layer 188. However, the upper cladding layer 187 is adjusted to have a thickness that does not attenuate the near field.
On the other hand, the electromagnetic wave scattering device 181 is sandwiched between an x line 182 which is a conducting wire arranged substantially parallel to each other in the x direction and a y line 184 which is a conducting wire arranged substantially parallel to each other in the y direction. And a variable dielectric constant layer 186 having a dielectric constant lower than that of the dielectric layer 188 in the state. The variable dielectric constant layer 186 is a dielectric having a variable dielectric constant in which a voltage is locally applied at a lattice point where the x-line 182 and the y-line 184 intersect, so that the dielectric constant of the portion becomes higher than the initial state. It is configured. The x line 182 and the y line 184 are mounted and supported on the variable dielectric constant layer 186.
電磁波散乱装置１８１は、所望の散乱体分布パターンにしたがって各格子点に局所的に電圧を印加するための制御回路（図示せず）をさらに備える。電磁波散乱装置１８１は、上述の実施の形態２と同様の動作原理により、電磁波散乱装置１８１の上面から電磁波を散乱させる。なお、電磁波散乱装置１８１は、通信シート２００の表面に対して着脱自在に構成される。 The electromagnetic wave scattering device 181 further includes a control circuit (not shown) for applying a voltage locally to each lattice point according to a desired scatterer distribution pattern. The electromagnetic wave scattering device 181 scatters electromagnetic waves from the upper surface of the electromagnetic wave scattering device 181 according to the same operating principle as that of the second embodiment. The electromagnetic wave scattering device 181 is configured to be detachable from the surface of the communication sheet 200.
この構成において、制御回路が通信シート２００の表面上に局所的に誘電率の高い領域と低い領域とを混在させると、通信シートの近接場中で誘電率が変化して、誘電体層１８８内を伝搬する電磁波を電磁波散乱装置１８１上の所望のポイントから散乱させることができる。 In this configuration, when the control circuit locally mixes a high dielectric constant region and a low dielectric region on the surface of the communication sheet 200, the dielectric constant changes in the near field of the communication sheet, and the dielectric layer 188 Can be scattered from a desired point on the electromagnetic wave scattering device 181.
以上のように、散乱スイッチを多数備えた電磁波散乱装置を通信シート上に載置することで、上述の実施の形態１および２と同様の散乱効果が期待できる。つまり、図１３または図１４に示した構成によると、電磁波を内部に閉じ込める通信シート上に電磁波散乱装置を置いた部分のみが電磁波を散乱させるようになるため、スイッチ層を通信シートの全域に構成する必要性がなくなる。また、通信シートと電磁波散乱装置の間には電気的な接点等が不要なので、電磁波散乱装置を通信シートの所望の位置に置いて電磁波を送受信することができる。したがって、シートの製造が容易になるとともに、コストを抑制することができる。 As described above, by placing the electromagnetic wave scattering device having a large number of scattering switches on the communication sheet, the same scattering effect as in the first and second embodiments can be expected. That is, according to the configuration shown in FIG. 13 or FIG. 14, only the part where the electromagnetic wave scattering device is placed on the communication sheet that confines the electromagnetic wave inside scatters the electromagnetic wave. No need to do. In addition, since an electrical contact or the like is not required between the communication sheet and the electromagnetic wave scattering device, the electromagnetic wave can be transmitted and received by placing the electromagnetic wave scattering device at a desired position on the communication sheet. Therefore, the manufacturing of the sheet becomes easy and the cost can be suppressed.
以上説明したように、実施の形態１乃至３によれば、二次元の通信シート内を伝播する電磁波を通信シートの上面に散乱させることで、二次元通信の範囲を三次元に拡張することができる。つまり、二次元通信の電波局在性と通常の無線通信の電波偏在性という両者のメリットを併せ持つ電波空間を構築することができる。 As described above, according to the first to third embodiments, the range of two-dimensional communication can be extended to three dimensions by scattering electromagnetic waves propagating in the two-dimensional communication sheet on the upper surface of the communication sheet. it can. That is, it is possible to construct a radio wave space that has the advantages of both radio wave localization of two-dimensional communication and radio wave unevenness of normal wireless communication.
また、通信シート上に多数散乱のスイッチを密に配置しスイッチのオン／オフにより散乱体の配置を制御する可変構造を採用することで、指向性ビームを所望の方向に放射することができる。これによって、通信シート上空の特定のポイントに位置する他の通信媒体との無線通信や、複数の二次元シート間（例えば、机、壁、天井に配置された二次元通信シート間）の相互接続が実現される。つまり、いたずらに通信範囲を広がることなく、また通信シートと密着させる必要なく外部機器と通信シート間の通信ができるようになる。この通信手法は、ミリ波などの直進性の強い高周波の伝送形態として特に有効である。 Further, by adopting a variable structure in which a large number of scattering switches are densely arranged on the communication sheet and the arrangement of the scatterers is controlled by turning on / off the switches, a directional beam can be emitted in a desired direction. This enables wireless communication with other communication media located at a specific point above the communication sheet, and interconnection between multiple two-dimensional sheets (for example, between two-dimensional communication sheets placed on a desk, wall, or ceiling). Is realized. That is, communication between the external device and the communication sheet can be performed without unnecessarily expanding the communication range and without having to be in close contact with the communication sheet. This communication method is particularly effective as a high-frequency transmission mode with strong straightness such as millimeter waves.
なお、通信シートにおいて導体層を配置するか否かは、主に伝播する電磁波の周波数帯に応じて決まる。図２に示したような、誘電体層を導体メッシュ層と導体グラウンド層とで挟んだ構成の通信シートは、主にマイクロ波を伝播させるのに適している。これに対し、図９に示したような、誘電体層をより誘電率の低い低誘電率層で挟んだ構成の通信シートは、ミリ波やテラヘルツ波を伝播させるのに適している。 Note that whether or not the conductor layer is arranged in the communication sheet is mainly determined according to the frequency band of the electromagnetic wave propagating. A communication sheet having a dielectric layer sandwiched between a conductor mesh layer and a conductor ground layer as shown in FIG. 2 is suitable mainly for propagating microwaves. In contrast, a communication sheet having a dielectric layer sandwiched between low dielectric constant layers having a lower dielectric constant as shown in FIG. 9 is suitable for propagating millimeter waves and terahertz waves.
また、スイッチ層と電磁波伝播層の組み合わせとして、上記では、「導体メッシュ層を用いたスイッチ層、誘電体層、導体グラウンド層」の組み合わせと、「可変誘電率層を用いたスイッチ層、誘電体層、クラッド層」の組み合わせを示した。この他に、「可変誘電率層を用いたスイッチ層、誘電体層、導体グラウンド層」の組み合わせも可能である。 In addition, as a combination of the switch layer and the electromagnetic wave propagation layer, in the above, the combination of “switch layer using a conductor mesh layer, dielectric layer, conductor ground layer” and “switch layer using a variable dielectric constant layer, dielectric The combination of “layer, clad layer” is shown. In addition, a combination of “a switch layer using a variable dielectric constant layer, a dielectric layer, and a conductor ground layer” is also possible.
実施の形態４．
上記では、多数の散乱スイッチが配置されたスイッチ層を有する通信シートを用いることで、二次元通信を三次元的に拡張することを説明した。これに加えて、本発明に係る通信シートは、フェーズドアレイアンテナとしても機能させることができる。
Embodiment 4 FIG.
In the above description, the two-dimensional communication is extended three-dimensionally by using a communication sheet having a switch layer in which a large number of scattering switches are arranged. In addition, the communication sheet according to the present invention can function as a phased array antenna.
上述したように、通信シート上に分布される散乱体は、その位置に応じた位相で電磁波の一部を放射する。したがって、制御回路を使用して散乱体の分布パターンを適応的に変化させることで、放射波面を自在に形成し、指向性や集光性を制御することが可能になる。つまり、通信シート上の散乱体（または散乱スイッチ）をそれぞれ小さなアンテナとみなし、これら多数のアンテナから放射される電磁波の位相を電気回路で制御することで電磁波を合成し、放射方向を走査することでレーダーとして用いることができる。また、アンテナ全体の開口径は、通信シート表面上の散乱体の個数を増やすことで拡大することができる。上述と同様、この散乱体による放射過程は可逆的であり、送受信において双方向的に用いることができる。 As described above, the scatterers distributed on the communication sheet radiate part of the electromagnetic waves with a phase corresponding to the position. Therefore, by using the control circuit to adaptively change the distribution pattern of the scatterers, it is possible to freely form the radiation wavefront and control the directivity and the light condensing property. In other words, each scatterer (or scattering switch) on the communication sheet is regarded as a small antenna, and the phase of the electromagnetic waves emitted from these multiple antennas is controlled by an electric circuit to synthesize the electromagnetic waves and scan the radiation direction. Can be used as a radar. Moreover, the aperture diameter of the whole antenna can be expanded by increasing the number of scatterers on the surface of the communication sheet. As described above, the radiation process by this scatterer is reversible and can be used bidirectionally in transmission and reception.
従来のフェーズドアレイアンテナでは、アンテナの裏側に多数の位相変換器を備え、電磁波送受信機からの電波を分配しながらそれぞれのアンテナにあわせて位相をずらしていた。このため、アンテナの小型化、薄型化が難しく、また大口径のアンテナを作成しにくいという問題があった。これに対し、本発明の二次元通信シートを用いれば、より簡単な構造で大口径かつ極薄型のフェーズドアレイアンテナを構成することができる。この薄さのため、無線通信やレーダー計測といったマイクロ波帯の応用のみならず、アンテナを生活空間中の壁面や天井などに組み込み、テラヘルツ帯を利用して数ｍ以上遠方に存在する人物や化学物質を検出、識別したり、または集光点を順次切り替えてイメージングを実現するなどの応用が期待される。 In the conventional phased array antenna, a number of phase converters are provided on the back side of the antenna, and the phase is shifted in accordance with each antenna while distributing radio waves from the electromagnetic wave transmitter / receiver. For this reason, there existed a problem that it was difficult to make the antenna small and thin, and it was difficult to produce a large-diameter antenna. On the other hand, if the two-dimensional communication sheet of the present invention is used, a large-diameter and extremely thin phased array antenna can be configured with a simpler structure. Because of this thinness, not only applications in the microwave band such as wireless communication and radar measurement, but also antennas built into walls and ceilings in living spaces, and using the terahertz band, people and chemistry that are located several meters or more away Applications such as detection and identification of substances, or realization of imaging by sequentially switching condensing points are expected.
上述の実施形態では、ｘラインとｙラインとが略垂直に交差しているが、導線の配置はこれに限られない。例えば、ｘラインとｙラインとが菱形のメッシュを形成するような角度で配置されてもよい。また、ｘラインとｙラインによる格子点の間隔は等間隔であることが好ましいが、不等間隔であってもよい。通信シートの表面上に多数の格子点が比較的粗密少なく分布しており、制御信号に応じて格子点近傍のスイッチをオン／オフして所望の散乱体パターンを形成できるならば、格子点またはスイッチの分布の仕方に制限はない。 In the above-described embodiment, the x line and the y line intersect substantially perpendicularly, but the arrangement of the conducting wires is not limited to this. For example, the x line and the y line may be arranged at an angle such that a rhombus mesh is formed. Further, the interval between the lattice points of the x line and the y line is preferably equal, but may be unequal. If a large number of lattice points are distributed on the surface of the communication sheet with a relatively low density and a desired scatterer pattern can be formed by turning on / off a switch in the vicinity of the lattice point in accordance with a control signal, the lattice points or There is no limit to the way the switches are distributed.
実施の形態では、散乱スイッチをオンにした状態を「散乱体」と呼称したが、伝搬層の電磁波が反射する部分とみなしてこれを「反射体」と称してもよい。 In the embodiment, the state in which the scattering switch is turned on is referred to as “scattering body”. However, it may be regarded as a portion where the electromagnetic wave of the propagation layer reflects and may be referred to as “reflection body”.
また、実施の形態では、高周波に対する容量性結合量を変化させる方式と、誘電率を変化させる方式の通信シートについて説明したが、電磁波を通信シートの表面で散乱させることが可能であれば、他の手法を使用してもよい。例えば、誘電体層の上に導電率またはインピーダンスや透磁率が可変な層を設けてもよい。また、各散乱スイッチは、機械的、電気的または電子的なスイッチング動作を必ずしも含んでいなくてもよい。 Further, in the embodiment, the communication sheet of the method of changing the capacitive coupling amount with respect to the high frequency and the method of changing the dielectric constant has been described. However, if the electromagnetic wave can be scattered on the surface of the communication sheet, other methods may be used. The method may be used. For example, a layer having variable conductivity, impedance, or permeability may be provided on the dielectric layer. Each scattering switch does not necessarily include mechanical, electrical, or electronic switching operations.
実施の形態では、散乱体を通信シート上に規則的に配置する例を述べた。しかしながら、実際の使用時には、誘電体層内を伝搬する電磁波の波形は不規則であることが多い。そこで、電磁波の波形に応じて遅延を与えられるように、散乱体とするスイッチの配置を適応的に変更するように構成してもよい。 In the embodiment, the example in which the scatterers are regularly arranged on the communication sheet has been described. However, in actual use, the waveform of the electromagnetic wave propagating in the dielectric layer is often irregular. Therefore, the arrangement of the switch as the scatterer may be adaptively changed so that a delay is given according to the waveform of the electromagnetic wave.
本発明に係る電磁波通信媒体、電磁波散乱装置およびアンテナは、上述の実施形態等での説明に限定されることはなく、自明な範囲で適宜その構成を変更し、また形状や素材や部材等を変更して用いることが可能であることは当業者に容易に理解されるところである。また、上述の実施形態の説明等に用いた各部材の間に、適宜他の任意の部材を含ませ、かつ介在させることを何ら妨げるものではない。 The electromagnetic wave communication medium, the electromagnetic wave scattering device, and the antenna according to the present invention are not limited to the description in the above-described embodiment and the like, and the configuration thereof is appropriately changed within the obvious range, and the shape, material, member, and the like are changed. Those skilled in the art will readily understand that the modification can be used. Moreover, it does not prevent any other members from being appropriately included and interposed between the members used in the description of the above-described embodiment.
３０ 通信シート、 ３１ 導体メッシュ層（スイッチ層）、 ３３ 誘電体基板層、 ３６ 誘電体層、 ３８ 導体グラウンド層、 ５０ 散乱スイッチ、 ８０ 通信シート、 ８１ 散乱スイッチ層、 ８６ 可変誘電率層、 ８７ 保護層、 ８８ 誘電体層、 ９０ クラッド層、 １００ 通信シート、 １０６ 誘電体、 １３１ 電磁波散乱装置、 １３３ 誘電体基板層、 １３５，１３６ 誘電体層、 １３８ 第２導電体層、 １４０ 通信シート、 １４２ 第１導電体層、 １８１ 電磁波散乱装置、 １８６ 可変誘電率層、 １８７ 上部クラッド層、 １８８ 誘電体層、 １９０ 下部クラッド層、 ２００ 通信シート。 30 communication sheet, 31 conductor mesh layer (switch layer), 33 dielectric substrate layer, 36 dielectric layer, 38 conductor ground layer, 50 scattering switch, 80 communication sheet, 81 scattering switch layer, 86 variable dielectric constant layer, 87 protection Layer, 88 dielectric layer, 90 clad layer, 100 communication sheet, 106 dielectric, 131 electromagnetic wave scattering device, 133 dielectric substrate layer, 135, 136 dielectric layer, 138 second conductor layer, 140 communication sheet, 142 first 1 conductor layer, 181 electromagnetic wave scattering device, 186 variable dielectric constant layer, 187 upper clad layer, 188 dielectric layer, 190 lower clad layer, 200 communication sheet.
Claims (9)
前記電磁波伝搬層の表面の少なくとも一部の領域に重ねて配置されるスイッチ層であって、予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で前記電磁波伝搬層中を伝搬する電磁波を表面上方に散乱させる複数の散乱スイッチを有するスイッチ層と、を備え、
所定の制御信号を付与することで前記散乱スイッチの状態を変更可能に構成されたことを特徴とする電磁波通信媒体。 A planar electromagnetic wave propagation layer having at least one dielectric layer for propagating electromagnetic waves;
A switch layer arranged to overlap at least a part of the surface of the electromagnetic wave propagation layer, and scatters the electromagnetic wave propagating through the electromagnetic wave propagation layer in the vicinity of a plurality of preset scattering points upward. A switch layer having a plurality of scattering switches,
An electromagnetic wave communication medium configured to change a state of the scattering switch by applying a predetermined control signal.
互いに略平行に配置された複数の第１導線と、
第１導線と交差し第１導線に対して絶縁された複数の第２導線と、を備え、
前記散乱スイッチは、第１導線と第２導線の交差部付近で両者を接続し、前記制御信号に応じて両者を容量性結合させて前記電磁波伝搬層内の電磁波を散乱させるように構成されたスイッチであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波通信媒体。 The switch layer is
A plurality of first conductors arranged substantially parallel to each other;
A plurality of second conductors intersecting the first conductor and insulated from the first conductor;
The scattering switch is configured to connect both in the vicinity of the intersection of the first conducting wire and the second conducting wire and capacitively couple them in accordance with the control signal to scatter the electromagnetic waves in the electromagnetic wave propagation layer. The electromagnetic wave communication medium according to claim 1, wherein the electromagnetic wave communication medium is a switch.
前記散乱スイッチは、前記複数の散乱ポイント近傍で局所的に高い誘電率となるように前記可変誘電率層に電圧を印加するように構成されたスイッチであることを特徴とする請求項１に記載の電磁波通信媒体。 The switch layer includes a variable dielectric constant layer whose dielectric constant is changed by applying a voltage,
2. The switch according to claim 1, wherein the scattering switch is a switch configured to apply a voltage to the variable dielectric constant layer so as to locally have a high dielectric constant in the vicinity of the plurality of scattering points. Electromagnetic communication medium.
前記電磁波通信媒体と対向する面にあり、予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で前記電磁波通信媒体中を伝搬する電磁波を表面上方に散乱させる複数の散乱スイッチを有するスイッチ層と、
所定の制御信号を付与することで前記散乱スイッチの状態を変更可能に構成された制御手段と、
を備えることを特徴とする電磁波散乱装置。 An electromagnetic wave scattering device disposed close to the surface of a planar electromagnetic wave communication medium having at least one dielectric layer that propagates electromagnetic waves,
A switch layer having a plurality of scattering switches on a surface facing the electromagnetic wave communication medium and scattering electromagnetic waves propagating in the electromagnetic wave communication medium in the vicinity of a plurality of preset scattering points upward on the surface;
Control means configured to change the state of the scattering switch by applying a predetermined control signal;
An electromagnetic wave scattering device comprising:
予め設定されている複数の散乱ポイント近傍で散乱される電磁波が空間上の任意の一点で結像するように前記散乱スイッチを制御して対象物を検出するように構成された制御手段と、
を備えることを特徴とするアンテナ。 The electromagnetic wave communication medium according to any one of claims 1 to 3,
Control means configured to detect the object by controlling the scattering switch so that an electromagnetic wave scattered in the vicinity of a plurality of preset scattering points forms an image at an arbitrary point in space;
An antenna comprising:
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