JP5398858B2 - リフレクトアレー及び設計方法 - Google Patents
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Description
入射波を所望方向に反射するリフレクトアレーであって、
所定の軸に垂直な表面を有する基板と、
前記基板に設けられかつ電波を反射する複数の素子をそれぞれが含む少なくとも第1及び第2の素子グループと
を含み、前記第1及び第2の素子グループは、前記所定の軸に対して0度ではない角度で入射した電波を、それぞれ異なる反射位相で反射し、
前記第1の素子グループに属する複数の素子の各々は第1の反射位相で電波を反射し、前記第2の素子グループに属する複数の素子の各々は前記第1の反射位相とは異なる第2の反射位相で電波を反射する、リフレクトアレーである。
1.1 斜め入射及び二共振特性
1.2 素子グループ
1.3 設計手順
1.4 シミュレーション結果
2.変形例
2.1 斜め入射を利用する変形例
2.2 二共振特性を利用する変形例
2.3 素子間隔を調整する変形例
2.4 更なる変形例
2.5 更なる変形例
2.6 更なる変形例
2.7 更なる変形例
<1.好ましい実施形態>
従来のマッシュルームリフレクトアレーは、隣接する素子のパッチ間のギャップの大きさで決まるキャパシタンスCとビアの長さで決まるインダクタンスLの値を素子ごとに変えている。これにより素子ごとにLC共振する周波数を変えることで、各マッシュルーム素子の反射位相の値を変えていた。このため、キャパシタンスやインダクタンスの変化する範囲を十分にとるために多層構造をとる必要があった。また、各キャパシタンスやインダクタンスの値は素子ごとに変化させる必要があった。このため、リフレクトアレーの特性を変化させるために、全ての素子のキャパシタンスやインダクタンスを一斉に同じ値で変化させることは困難であった。これに対して本発明では、反射位相の値は、素子間隔で決定されるため、導電層が一層である構造のリフレクトアレーを作成しやすくなる。さらに、全ての素子でギャップが同じ大きさであるため、このギャップの値を変えることで全ての素子のキャパシタンスを同時に変化させることができる。また、ビアの長さを変えることによって、全ての素子のキャパシタンスの値を一定にしたままインダクタンスLの値を一度に変化させることができる。このため、LとCの値を変化させることで制御可能なリフレクトアレーの実現が可能となる。
図4に示すような構造を有するリフレクトアレーにTM波がz軸に対して入射角θiで入射する場合、反射波の反射位相Γは次のように表現できる。
rf=fp/√εr (数式3)
により表現されるものとする。fpはプラズマ周波数を示す。εrはパッチ及び地板の間に介在する誘電体基板の比誘電率を示す。プラズマ周波数fpはプラズマ波数kpと次の関係を満たす。
ただし、cは光速を示す。プラズマ波数kpは素子間隔Δxと次の関係を満たす。
設計周波数=11GHz(波長=27.3mm)、
基板の厚みt=1mm、
誘電体の比誘電率εr=10.2及び
素子間隔Δx=Δy=2.25mm
とした場合、
共振周波数rfは、10.5GHzであった。このとき、反射位相がゼロとなる周波数は、このスプリアス共振より低い周波数と高い周波数の2箇所にあらわれ同相になる。したがって、この二つの反射位相がゼロとなる周波数の間で位相が360度一回転する。これらの数値例は単なる一例に過ぎず、適切な如何なる数値が使用されてもよい。なお、図4及び以下の説明において、素子間隔は、隣接する素子のビア同士の間の距離ΔV(Δx又はΔy)として定義されてもよいし、別の定義が使用されてもよい。例えば、隣接するパッチ間のギャップの中心から次のギャップの中心までの距離ΔPが、素子間隔であると定義されてもよい。
入射波がz軸に対して斜めに入射する場合、パッチによる反射だけでなく、地板による反射も考慮する必要がある。
図9を参照しながら、リフレクトアレーを構成する素子の素子間隔を決定する設計手順を説明する。図9には、そのような設計手順の一例を示すフローチャートが示されている。フローはステップS901から始まり、ステップS903に進む。
以下、上記の設計手順に従って素子間隔が決定されたリフレクトアレーについてのシミュレーション結果を説明する。
上記の「1.好ましい実施形態」においては、電波が斜めに入射すること、二共振特性を示すグラフを使用すること及び素子間隔を調整することという3つの特徴が全て使用されていた。しかしながらそれは最良の形態であり、3つの特徴を全て使用することは必須ではない。3つの特徴の内の任意の1つ以上の特徴を使用することが可能である。
例えば、電波がz軸に対して0度とは異なる角度で入射した場合において、反射位相及び素子間隔の間の関係は、二共振特性以外の特性を示していてもよい。また、反射位相が素子間隔の関数として表現されることは必須ではなく、反射位相が他のパラメータの関数として表現されてもよい。例えば、反射位相が、個々の素子のパッチサイズの関数として表現されてもよいし、或いは隣接する素子のパッチ同士の間の隙間(ギャップ)のサイズの関数として表現されてもよい。ただし、実現可能な反射位相の範囲を拡大する観点からは、「1.好ましい実施形態」のように、反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれるように(二共振特性を示すように)、設計パラメータを選択することが好ましい。
arcsin(・)は正弦関数の逆関数sin−1(・)である。例えば、入射角θi=70度、反射角θr=−30度の場合、制御角Aは70−(−30)=100度となる。図22は制御角A=100度の場合の電波の遠方放射界を示す。図23は制御角A=0度の場合の電波の遠方放射界を示す。すなわち、このリフレクトアレーの場合、斜めから入射した電波に対する位相で動作する反射波の制御角と、正面波から入射した電波波に対する位相で動作する反射波の制御角が異なっている。この例の場合、鏡面反射方向に反射波を形成する場合(A=0度)と鏡面反射方向とは異なる方向に反射波を形成する場合(A=70度)とを1つのリフレクトアレーで使い分けることができる。更に、設計パラメータを適切に選択することで、斜めから入射した波に対する反射波と、正面から入射した波に対する反射波を同じ方向にすることも可能である。
電波が入射して来る方向が0度であったとしても、反射位相と素子間隔の関係が二共振特性を示す場合があるかもしれない。そのような二共振特性を示すようにするパラメータの組み合わせを意図的に使用することで、反射位相としてとり得る値の範囲を拡大することができる。
更に、素子のパッチ同士のギャップを一定に維持しつつ、素子間隔を調整することで反射位相を決定する特徴が、単独で使用されてもよい。すなわち、電波が0度方向から入射し、反射位相と素子間隔の関係が図6に示されるような関係である場合において、パッチ同士のギャップを一定に維持しつつ、素子間隔を調整することは有意義である。例えば、ギャップの値が一定に維持されるので、極端に狭いギャップを形成する必要が無くなり、実現可能な素子を増やすことが可能である。
所望の反射角θr=40度、
誘電体基板の比誘電率εr=10.2、
誘電体基板の厚さ(ビアの長さ)t=1mm、
誘電体基板のtanδ=0.0023、
パッチ間のギャップg=0.1mm、
ビアの直径dv=0.1mm、及び
電波の周波数f=11GHz(波長λ=27.3mm)。
ところで、シングルビームのリフレクトアレーを用いた場合、従来の技術では図24に示すように、ある入射波に対して所望方向にビームを向けることはできるが、別の方向からの入射波に対しては、所望方向にビームを向けることができなかった。この問題を解決するため、例えば図25に示すようなマルチビームのリフレクトアレーを用いる必要があった。しかしマルチビームにすると一般にビームの数だけ個々の反射(散乱)電力は小さくなるため、十分なレベルを確保できないという問題があった。これはリフレクトアレーの制御角Aが一意にきまり、反射角θrは
θr=arcsin[sin(θi)+sin(A)]
で決まるためである。
θr=f(A)=arcsin[sin(θi)+sin(A)]
のように導出できる(この点については例えば次の文献に記載されている:電子情報通信学会全国大会2011ソサイエティ大会B−1−66“マルチビーム・リフレクトアレーの斜め入射に対する反射特性の検討”:丸山珠美、沈 紀▲ユン▼、小田恭弘、トラン ゴクハオ、加山英俊)。
上述したように上記の実施形態によれば、リフレクトアレーのビアの長さは全て等しいため、この高さを一度に同じ値で変えることができる。マッシュルーム構造のインダクタンスLの値は、ビアの長さtと透磁率μの積で表される:
L=μt。
また、インダクタンスLと共振周波数fは、次のような関係がある。
従って、各素子のインダクタンスLの値を一斉に大きくすると各素子それぞれの共振周波数は低いほうへずれ、一斉に小さくすると各素子それぞれの共振周波数は高い方にずれる。
次にTM斜め入射において、素子間隔を一定にし、ギャップを変化させたときの実施例を示す。図35は、素子間隔を約2.42mmで一定とし、ギャップを横軸にとったときの反射位相のシミュレーション値を示している。図35からわかるように、+180度から−180度まで360度全ての範囲の位相を確保できることがわかるここで、入射角は70度、電界の向きは入射面に平行としている。
入射角θiに対して、鏡面反射の場合は反射角θr=θiとなる。これに対して、リフレクトアレーの場合の反射角θrは、上述したように、入射角θiとリフレクトアレーによって決まる制御角Aの関数として求められる。従来のリフレクトアレーでは、この制御角が入射角θiに応じて変化するという考え方は存在しなかった。これに対して、本発明では、この制御角Aが入射角θiの変数となるためA(θi)となる。このとき、
θrm1=arcsin[sin(θim1)+sin(A(θim1)]=θrm2=arcsin[sin(θim2)+sin(A(θim2)]
が成立するように、制御角A(θim1)とA(θim2)を構成することで、異なる方向から入射した波を同一の方向に反射させることが可能となる。制御角は、各素子からの位相の差を用いて決定されるが、TM斜め入射の場合、各素子からの位相と位相差は入射角によって変化するためである。
θr 反射角
Mj 素子
g ギャップ
Claims (10)
- 入射波を所望方向に反射するリフレクトアレーであって、
所定の軸に垂直な表面を有する基板と、
前記基板に設けられかつ電波を反射する複数の素子をそれぞれが含む複数の素子グループと
を含み、前記複数の素子グループの内のm番目の素子グループに属する複数の素子の各々が入射波を反射する際に実現される反射位相φ m は、
φ m =(r m 2π/λ)(sin(θ i )−sin(θ r ))
により表現され、r m は前記m番目の素子グループの位置ベクトルの大きさを示し、θ i は前記入射波の進行方向が前記所定の軸に対してなす角度を示し、θ r は前記所望方向が前記所定の軸に対してなす角度を示し、λは前記入射波の波長を示す、リフレクトアレー。 - 前記複数の素子グループの各々は、前記所定の軸に垂直な軸方向に或るサイズを有し、該或るサイズは、前記基板の厚みと前記電波の入射角度の三角比との積の2倍以上の長さである、請求項1記載のリフレクトアレー。
- 前記複数の素子グループに属する第1の素子グループに属する複数の素子は第1の素子間隔で整列し、
前記複数の素子グループに属する第2の素子グループに属する複数の素子は、前記第1の素子間隔とは異なる第2の素子間隔で整列している、請求項1又は2に記載のリフレクトアレー。 - 前記第1及び第2の素子グループに属する複数の素子の各々は、パッチ及び地板を少なくとも有する素子構造を有し、
前記第1の素子グループに属する隣接する素子のパッチ間の隙間の長さは、前記第2の素子グループに属する隣接する素子のパッチ間の隙間の長さに等しい、請求項3記載のリフレクトアレー。 - 前記m番目の素子グループの位置ベクトルが、該素子グループに属する整列した複数の素子の内の先頭の素子を指す、請求項1記載のリフレクトアレー。
- 前記m番目の素子グループの位置ベクトルが、該素子グループに属する整列した複数の素子の内の中心の素子を指す、請求項1記載のリフレクトアレー。
- 複数の素子をそれぞれ含む複数の素子グループが所定の軸に垂直な表面を有する基板に設けられている入射波を所望方向に反射するリフレクトアレーの設計方法であって、
等しい素子間隔で並べられた複数の素子に、前記所定の軸に対して0度ではない角度で電波が入射し反射した場合における素子の反射位相を、前記素子間隔の関数として求め、前記反射位相及び前記素子間隔の対応関係をメモリに保存するステップと、
前記複数の素子グループの内の特定の素子グループが、前記複数の素子グループ毎に異なる特定の反射位相で前記入射波を反射するように、該特定の素子グループに属する複数の素子の素子間隔を、前記対応関係に従って決定することを、前記複数の素子グループ各々について反復するステップと
を有する、設計方法。 - 前記素子グループの各々は、前記所定の軸に垂直な軸方向に或るサイズを有し、該或るサイズは、前記基板の厚みと前記電波の入射角度の三角比との積の2倍以上の長さである、請求項7記載の設計方法。
- 前記素子間隔の前記関数は、素子間隔の所定の数値範囲に対して、実質的に360度の範囲にわたる値域を有し、かつある素子間隔において反射位相が素子間隔に対して、連続的に変化する関数であり、かつ、反射位相がゼロとなる共振点(共振する素子間隔)が2箇所にあらわれる二共振特性を示す連続な関数である、請求項7又は8に記載の設計方法。
- 前記複数の素子グループに属する前記複数の素子の各々は、パッチ及び地板を少なくとも有する素子構造を有し、
ある素子グループに属する隣接する素子のパッチ間の隙間の長さは、別の素子グループに属する隣接する素子のパッチ間の隙間の長さに等しい、請求項9記載の設計方法。
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