JP5463354B2 - 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。具体的には、本発明は、「左手系伝送線路モデル、メタマテリアル或いはＥＢＧ（電気的バンドギャップ）構造を用いたリフレクトアレイの設計」、「リフレクトアレイを応用する伝搬環境改善技術」、「リフレクトアレイを応用する反射波の方向制御技術」及び「リフレクトアレイを応用するＭＩＭＯ伝送容量増加」等に関する。

近年、メタマテリアル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テーパを付けて反射波に位相差を与えることによって放射方向を制御する技術が検討されている。

図１は、非特許文献１に記載の従来のテーパ付きマッシュルーム構造を有するリフレクトアレイ１を示している。図１に示すように、リフレクトアレイ１は、複数のパッチ１０、それぞれのパッチ１０に形成されるビアホール２０、地板３０及び基板４０を備える。このような従来の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１０で構成されている。図２に、図１の構造の詳細寸法について示す。

図１及び図２から分かるように、従来のマッシュルーム構造を用いたリフレクトアレイ１は、パッチの長さと、位相とを関連付けて設計していた。特開２０１０−６２６８９号によれば、図１及び図２は、電界がＹ方向に平行でＸ方向に垂直となる偏波を持つ波の反射波をＸ方向に制御する従来の設計法であると考えることができる。

次に、図３に、同様の偏波、すなわち、電界がＹ方向に平行でＸ方向に垂直となる偏波を持つ波の反射波をＹ方向に制御する従来のマッシュルーム構造を用いたリフレクトアレイ１の構造について示す（特開２０１０−６２６８９号参照）。図３において、「Ｔ」は、隣接するビアホール２０間の間隔を示し、「ＰＴ」は、隣接するパッチ１０の間隔を示しており、「Ｔ＝ＰＴ」が成立している。各パッチのＹ方向の長さは「２×Ｗ_ｙｉ」である。

「ｇ_ｙｉ＝Ｔ−（２×Ｗ_ｙｉ）」とおくと、隣接するｉ番目のパッチと（ｉ＋１）番目のパッチとの間のギャップは「（ｇ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋１）/２」で表される。

図１及び図３に示したマッシュルーム構造を用いた従来のリフレクトアレイ１は、従来のマイクロストリップパッチを用いたリフレクトアレイの設計（非特許文献２参照）と同様に、マッシュルーム構造の反射位相の値を用いてパッチの長さを決定していた。

図４に、マッシュルーム構造の反射位相及びパッチサイズの関係を示す計算例について示す。図４は、同じ大きさの方形マッシュルーム構造を、２.４ｍｍ間隔で周期配列したときにおける当該マッシュルーム構造の反射位相及びパッチサイズの関係を示している。隣接するマッシュルーム間の反射位相の差が、２４度である場合は、これらのマッシュルーム間のパッチサイズ差は、図４の三角によって示される。

図５に、周期配列したマッシュルーム構造を有するリフレクトアレイ１を示す。図５から分かるように、周期配列したマッシュルーム構造では、「２×Ｗ_ｙ」のパッチの長さに対応するギャップの大きさ「ｇ_ｙ」は、「Ｔ−（２×Ｗ_ｙ）」で表される。

Ｋ．Ｃｈａｎｇ、Ｊ．Ａｈｎ及びＹ．Ｊ．Ｙｏｏｎ著、「Ｈｉｇｈ-ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｓｕｒｆａｃｅ ｗｉｔｈ Ｎｏｎｉｄｅｎｔｉｃａｌ Ｌａｔｔｉｃｅｓ」、ｉＷＡＴ２００８、ｐ.３１５頁ｐｐ.４７４〜４７７ Ｄａｖｉｄ Ｍ．Ｐｏｚａｒ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｄ．Ｔａｒｇｏｎｓｋｉ及びＨ．Ｄ．Ｓｙｒｉｇｏｓ著、「Ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ Ｍｉｌｌｉｍｅｔｅｒ Ｗａｖｅ Ｍｉｃｒｏｓｔｒｉｐ Ｒｅｆｌｅｃｔａｒｒａｙｓ」、ＩＥＥＥ ＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳ ＯＮ ＡＮＴＥＮＮＡＳ ＡＮＤ ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ、ＶＯＬ.４５，Ｎｏ.２、１９９７年２月、ｐｐ.２８７〜２９６ Ｄ．Ｓｉｅｖｅｎｐｉｐｅｒ著、「Ｈｉｇｈ−ｉｍｐｅｄａｎｃｅ Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｓｕｒｆａｃｅ」、Ｐｈ．Ｄ．ｄｉｓｓｅｒｔａｔｉｏｎ、Ｄｅｐａｒｔｍｅｎｔ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｎｅｒｉｎｇ，Ｕｎｉｖ．Ｃａｌｉｆｏｒｎｉａ、Ｌｏｓ Ａｎｇｅｌｅｓ、ＣＡ、１９９９年

以上示したように、従来のマッシュルーム構造を用いたリフレクトアレイの設計法は、マイクロストリップパッチを用いたリフレクトアレイの設計法と同様に、マッシュルーム構造の反射位相の値を用いてパッチの長さを決定していた。

非特許文献２に示すマイクロストリップパッチの場合は、パッチの大きさが約半波長となり、パッチが共振する周波数で反射位相がゼロとなる。このため、反射位相はパッチの大きさで決まると考えてよい。

一方、ＥＢＧ構造や左手系材料の場合、反射位相は、左手系伝送線路モデルに基づいて考えることができる。ここで、図６乃至図８を用いて簡単に原理を述べる。図６（ａ）及び図６（ｂ）は、従来の右手系伝送線路モデルである。ここで、図７のように、インダクタ「Ｌ」及びキャパシタンス「Ｃ」の位置を入れ替えることができれば、位相定数をマイナスとする左手系伝送線路モデルを作ることができる。これを実現するために考案されたのが、図８（ａ）及び図８（ｂ）に示すマッシュルーム構造であり（非特許文献３参照）、伝送線路の間のキャパシタンス「Ｃ」を、マッシュルーム構造のパッチ間のギャップ「ｇ_ｙ」を用いて、（式１）のように構成している。ここで、符号は、図３と同じ符号を用いている。

また、インダクタンス「Ｌ」は、基板の厚みを「ｔ」とし、基板の透磁率を「μ」として、（式２）で示される。

Ｌ＝μ・ｔ … （式２）
なお、基板に強磁性体を用いない場合は、一般に基板の透磁率を「μ」自由空間の透磁率μ0で近似しても差し支えない。

また、表面インピーダンス「Ｚ_ｓ」は、「Ｌ」及び「Ｃ」を用いて、（式３）で示される。

Ｚ_ｓ＝ｊωＬ/（１−ω^２ＬＣ） … （式３）
マッシュルーム構造の反射波の位相は、上述の式及び左手系伝送線路モデルを用いて、（式４）から求めることができる。すなわち、図３のように、マッシュルーム構造を配置して反射板を構成し、Ｚ軸方向から平面波を入射する場合の反射係数「Γ」の位相を「φ」とすると、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４）のように表せる。

Γ＝（Ｚ_ｓ−η）/ （Ｚ_ｓ＋η）＝|Γ| ｅｘｐ（ｊΦ） … （式４）
隣接するマッシュルーム構造に対する反射係数の位相の差を「Δφ」とすると、反射波の所望方向「α」は、（式５）で表すことができる。

α＝ｓｉｎ^-１（（λ・Δφ）/（２π・ＰＴ）） … （式５）
以上示したように、マッシュルーム構造を用いた左手系伝送線路モデルの場合、反射位相は、パッチ間のギャップで決まるキャパシタンスの値が支配的である。

すなわち、波長に比べてはるかに小さいパッチを用いるマッシュルーム構造でリフレクトアレイを構成した場合は、ギャップの大きさによって左手系伝送線路モデルのキャパシタンスの値が決定されるため、反射位相は、パッチの長さよりもギャップの間隔が支配的となる。一方、半波長程度のパッチを用いる従来のマイクロストリップアレイを用いたリフレクトアレイの場合は、パッチの長さによって共振周波数が決定されるため、反射位相は、パッチ間のギャップよりもパッチの長さの方が支配的となる。

このように左手系伝送線路モデルの場合、ギャップの大きさによってキャパシタンスの値が決定されるにも拘わらず、非特許文献２に示したような従来のリフレクトアレイの設計法を用いて、図４の位相から、それぞれのパッチの長さを決定すると、ギャップの値は、図３に示すように、「（ｇ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋１）/２」となり、「ｇ_ｙｉ」にすることができないという欠点があった。

図９は、横軸をギャップとし、縦軸を反射位相としたグラフである。図９において、三角の記号は、図４のようにパッチの長さを決定したときの各ギャップの大きさ「（ｇ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋１）/２」に対応する位相の値をプロットしたものである。

丸い記号は、反射位相の差が２４度となるようにギャップの値を選んだものであり、両者が異なる値となっていることが分かる。

図１０に、上述の（式１）乃至（式５）の理論式に基づく値を、曲線Ａで示す。理論値及び解析値の傾向は良く一致していることが分かる。すなわち、リフレクトアレイのリフレクションフェーズの解析値は、左手系伝送線路モデルに基づく理論値に良く一致する。

図１１に、パッチの長さを決定する従来のリフレクトアレイの設計法を用いた場合の位相差（三角の記号）、及びギャップの大きさを決定する設計法を用いた場合の位相差（丸い記号）を示す。図１１に示すように、従来のリフレクトアレイの設計法に基づいてパッチの長さを決定した場合は、位相差が一定にならず、リフレクトアレイの性能向上に限界がある。

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、左手系伝送線路モデルに基づいてメタマテリアルを用いる場合において、従来の手法と比較して性能が向上したリフレクトアレイの提供を目的とする。

本発明の第１の特徴は、地板（地板３０）上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイ（リフレクトアレイ１）であって、前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチ（パッチ１０）と、前記パッチと前記地板とを短絡するビア（例えば、ビアホール２０）とによって構成されており、隣接する前記ビアの間隔は、少なくとも前記地板の垂直方向（電界の向きと同じ方向）において等しくなるように配置されており、隣接する前記パッチ間のギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整されることを要旨とする。なお、前記ビアの間隔は、水平方向及び垂直方向のそれぞれにおいても等しくなるように配置されてもよい。

本発明の第２の特徴は、地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチと、前記パッチと前記地板とを短絡するビアとによって構成されており、ｉ番目のパッチの端辺から（ｉ＋１）番目のパッチの端辺までの間隔「ＰＴ」を全てのｉに対して等しい値とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップの大きさを「ｇ_ｙｉ」とすると、ｉ番目のパッチの長さは「２×Ｗ_ｙｉ」であり、ｉ番目のビア「Ｖｈ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のビア「Ｖｈ_ｉ＋１」との間の間隔「ＩＶｈ_ｉ」は、「Ｗ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋Ｗ_ｙｉ＋１」であることを要旨とする。

本発明の第３の特徴は、地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチによって構成されており、隣接する前記パッチ間のギャップを二分した中心と、前記ギャップに隣接する隣接ギャップを二分した中心との間隔は、少なくとも前記地板の垂直方向（電界の向きと同じ方向）において等しくなるように配置されており、前記ギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整されることを要旨とする。なお、前記間隔は、水平方向及び垂直方向のそれぞれにおいても等しくなるように配置されてもよい。

本発明の第４の特徴は、地板（地板３０）上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイ（リフレクトアレイ１）であって、前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチ（パッチ１０）と、前記地板よって構成されるビアなしマッシュルーム構造で構成されており、前記マッシュルームを構成するパッチとパッチの間のギャップの中心が、等間隔で配置されており、隣接する前記パッチ間のギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整されることを要旨とする。

本発明の第１乃至第４に特徴において、前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在しない場合、前記リフレクトアレイの表面には前記マッシュルーム構造を配列せず、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置しないと共に、前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在する場合、前記リフレクトアレイの表面に前記マッシュルーム構造を配列し、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置してもよい。

本発明の第１の特徴において、前記ビアの間隔を「Ｔ」とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップの大きさを「ｇ_ｙｉ」とすると、前記ギャップは、隣接するｉ番目のビア「Ｖｈ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のビア「Ｖｈ_ｉ＋１」との間に配置されており、前記ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」は、入射波に対する各パッチからの反射波の位相の値に基づいて決定され、前記ビアの間隔「Ｔ」から前記ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」を引いた差分を「２×Ｗ_ｙｉ」とし、前記ビア「Ｖｈ_ｉ」及び「Ｖｈ_ｉ＋１」から前記ギャップまでのパッチの長さをそれぞれ「Ｗ_ｙｉ」とすると、ｉ番目のパッチの長さは「Ｗ_{ｙ（ｉ−１）}＋Ｗ_ｙｉ」であってもよい。

本発明の第５の特徴は、前記マッシュルーム構造によって構成される、リフレクトアレイであって、前述のマッシュルーム間に生じるギャップの大きさを、反射位相の等位相面が所望反射方向を向くように決定するとともに、該ギャップgyiを、等しい間隔PTで配置し、間隔ＰＴとギャップgyiの差分で構成されるパッチの長さの半分を、ギャップの両端に配置し、パッチの長さをgyi＋Gy_i+1で規定することを要旨とする。

また、本発明の第６の特徴は、地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチによって構成されており、隣接するパッチの間隔をギャップとし、該ギャップの値と反射位相の関係をもとに反射波の等位相面が所望方向に直交するように各ギャップの値を決定することを要旨とする。

上述した特徴において、該ギャップの中心が等間隔Tになるように配列し、隣接するパッチiとパッチi+1の間のギャップをgijとするとき、パッチiの電界方向の長さを（(T-g_i-1,i) +(T-g_i,i+1)）/2としてもよい。

上述した特徴において、該ギャップの端点が等間隔ＰTになるように配列し、パッチiの電界方向の長さを (T-g_i,i+1) /2としてもよい。

上述した特徴において、地板とパッチを短絡するビアを各マッシュルームに設け、該ビアを、各ギャップの中心から、等間隔Ｔ/2となるように配置してもよい。

上述した特徴において、地板とパッチを短絡するビアを各マッシュルームに設け、該ビアを、各パッチの中央に配置してもよい。

上述した特徴において、前述のビアを構造とせず、パッチ上の位置を決定するための印とし、マッシュルームを前述の地板と前述パッチで構成してもよい。

図１は、従来のリフレクトアレイの構造について示す図である。 図２は、従来のリフレクトアレイの構造の詳細寸法について示す表である。 図３は、従来のリフレクトアレイの構造について示す図である。 図４は、従来のリフレクトアレイの構造における反射位相とパッチサイズとの関係の一例について示すグラフである。 図５は、従来のリフレクトアレイの構造について示す図である。 図６は、右手系伝送線路モデルについて説明するための図である。 図７は、左手系伝送線路モデルについて説明するための図である。 図８は、「２Ｄ ＬＨ Ｍｕｓｈｒｏｏｍ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ」について説明するための図である。 図９は、従来のリフレクトアレイの構造におけるギャップに対する反射位相の関係の一例について示すグラフである。 図１０は、従来のリフレクトアレイの構造におけるギャップに対する反射位相の関係の一例について示すグラフである。 図１１は、従来のリフレクトアレイの構造における隣接する素子間の位相差の一例について示すグラフである。 図１２は、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの構造について示す図である。 図１３は、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細構造について示す図である。 図１４は、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの構造の詳細寸法について示す表である。 図１５は、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの構造による効果について説明するための図である。 図１６は、本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイの構造について示す図である。 図１７は、本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイの構造による効果について説明するための図である。 図１８は、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細構造について示す図である。 図１９は、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの構造の詳細寸法について示す表である。 図２０は、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの構造による効果について説明するための図である。 図２１は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの構造について示す図である。 図２２は、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反射波の位相のコンター図である。 図２３は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイと比較するための反射波の位相のコンター図である。 図２４は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの構造による効果について説明するための図である。 図２５は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの構造による効果について説明するための図である。 図２６は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの構造におけるギャップに対する反射位相の関係の一例について示すグラフである。 図２７は、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細構造について示す図である。 図２８は、本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイ構造について示す図である。 図２９は、本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイの全体構造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１２に、本発明の第１の実施形態に係るメタマテリアルを用いたリフレクトアレイ１について示す。図１２に示すように、リフレクトアレイ１は、地板３０上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成される。

マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチ１０と、パッチ１０と地板３０とを短絡するビアホール２０とによって構成されている。隣接するビアホール２０の間隔は、地板３０の水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）のそれぞれにおいて等しくなるように配置されている。なお、水平方向における間隔と、垂直方向における間隔とは、必ずしも同一でなく、異なる間隔でもよい。

隣接するパッチ１０間のギャップの大きさは、リフレクトアレイ１による反射波の反射位相の値が所望値となるように調整される。以下、さらに具体的に説明する。

本実施形態では、「Δφ」を「２４度」とし、「ＰＴ」を「２.４ｍｍ」とし、周波数を「８.８ＧＨｚ」とし、（式５）における「α」を「７０度」としている。

図１２において、ビアホールの間隔を「Ｔ」とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップを「ｇ_ｙｉ」としている。

各ギャップは、隣接するｉ番目のビアホール「Ｖｈ_ｉ」と（ｉ＋１）番目のビアホール「Ｖｈ_ｉ＋１」との間に配置されている。ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」の値は、入射波に対する各パッチからの反射波の位相の値で、図９から決定する。

各パッチの長さは、ビアホールの間隔「Ｔ」からギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」を引いた差分を「２×Ｗ_ｙｉ」とするとき、ビアホール「Ｖｈ_ｉ」からギャップ「ｇ_ｙｉ」までのパッチの長さを「Ｗ_ｙｉ」とし、ビアホール「Ｖｈ_ｉ＋１」からギャップ「ｇ_ｙｉ」までのパッチの長さを「Ｗ_ｙｉ」として、図１１に示すように決定される。

このとき、ｉ番目のパッチの長さは「Ｗ_{ｙ(ｉ−１)}＋Ｗ_ｙｉ」となる。図１１のように設計することによって、等間隔のピッチのままギャップを所望の値にすることができる。

図１３に、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細構造について示し、図１４に、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細寸法を示す。

図１５に、本発明の第１の実施形態に係るリフレクトアレイの効果について示す。図１５は、Ｚ-Ｙ平面における遠方散乱界の計算値を示している。

図１５において、実線Ｂは、本発明のギャップの値で設計したメタマテリアルを用いたリフレクトアレイにおける結果について示しており、実線Ａは、従来のパッチの値で設計したメタマテリアルを用いたリフレクトアレイにおける結果について示している。

所望の−７０度方向の放射は、本実施形態に係るリフレクトアレイのレベルが高くなっているのに対して、不要方向である正規反射方向（０度方向）の放射は、本実施形態に係るリフレクトアレイのレベルが低くなっており、本実施形態に係るリフレクトアレイの効果が確認できる。

すなわち、本実施形態に係るリフレクトアレイによれば、リフレクションフェーズは、左手系伝送線路モデルの理論値に一致し易く、従来のリフレクトアレイの設計法に基づいてパッチの長さを決定した場合のように位相差が一定にならない状態を抑制できる。つまり、リフレクトアレイの性能を大きく向上させることができる。

なお、本実施形態では、ビアホール２０が用いられていたが、ビアホール２０に代えて短絡線路によるビア（導体柱）を用いても構わない。

（本発明の第２の実施形態）
図１６に、本発明の第２の実施形態に係るメタマテリアルを用いたリフレクトアレイ１について示す。以下、上述した本発明の第１の実施形態と異なる部分について主に説明し、同一の部分については、その説明を適宜省略する。

図１６において、ｉ番目のパッチの端辺から（ｉ＋１）番目のパッチの端辺までの間隔「ＰＴ」を全てのｉに対して等しい値とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップを「ｇ_ｙｉ」とする。

このとき、ｉ番目のパッチの長さを「２×Ｗ_ｙｉ」とすると、ｉ番目のビアホール「Ｖｈ_ｉ」と（ｉ＋１）番目のビアホール「Ｖｈ_ｉ＋１」との間隔「ＩＶｈ_ｉ」は「Ｗ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋Ｗ_ｙｉ＋１」となる。

これにより、全てのパッチを図９の位相で設計したギャップ間隔とすることができる。ただし、第２の実施形態に係るリフレクトアレイの場合は、各ビアホールの間隔は、一定ではなくパッチごとに「Ｗ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋Ｗ_ｙｉ＋１」で計算される値となる。

図１７を参照して、本発明の第２の実施形態に係るリフレクトアレイの効果について説明する。図１７は、Ｚ-Ｙ平面における遠方散乱界の計算値を示している。

図１７において、実線Ａは、本発明のギャップの値で設計したメタマテリアルを用いたリフレクトアレイにおける結果を示し、実線Ｂは、従来のパッチの値で設計したメタマテリアルを用いたリフレクトアレイにおける結果を示している。

所望の−７０度方向の放射は、本実施形態に係るリフレクトアレイのレベルが高くなっているのに対して、不要方向である正規反射方向（０度方向）の放射は、本実施形態に係るリフレクトアレイのレベルが低くなっており、本実施形態に係るリフレクトアレイの効果が確認できる。

（本発明の第３の実施形態）
図１８に、本発明の第３の実施形態に係るメタマテリアルを用いたリフレクトアレイについて示す。

図１８は、−４５度の方向に反射波を向けるための本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細構造について示し、図１９は、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイの詳細寸法について示している。

図２０に、本実施形態の遠方散乱界について、従来の結果と比較して示す。図２０によれば、本実施形態に係るリフレクトアレイでは、所望の−４５度方向の放射のレベルが若干高く、不要方向である０度方向の放射のレベルが下がっていることが確認できる。

（本発明の第４の実施形態）
図２１に、本発明の第４の実施形態に係るメタマテリアルを用いたリフレクトアレイについて示す。

図２１に示すように、本発明の第４の実施形態に係るリフレクトアレイは、本発明の第３の実施形態に係るリフレクトアレイと同様に、−４５度方向の放射を目的としており、図１８に示す構造を、Ｘ方向及びＹ方向に周期的に配列することによって構成されている。

図２６に、本設計に用いられたギャップ及びリフレクションフェーズ（反射位相）の関係について示す。図２６において、三角形で示した値が設計値であり、位相が１８度ごとに選択されている。このときに選択できる範囲は、−１２６度から７２度までであり、他の範囲の位相に対しては選択できる構造が存在しない。

ここで、パッチを配列していない部分は、所望の反射位相を得られるギャップが存在しない場所である。

本実施形態に係るリフレクトアレイでは、パッチを配列しない部分の裏面の金属を剥いでいる。図２７に、パッチを配列しない部分の裏面の金属を剥いだ構造を示す。

図２２に、このときの反射板からの反射波の位相について示す。図２２は、本実施形態に係るリフレクトアレイにおける反射波の位相のコンター図である。図２２によれば、Ｚ軸から４５度の方向に等位相面が揃っていることが分かる。

図２３は、図２２との比較のために示した裏面を全て金属とした場合における反射波の位相のコンター図である。

図２３に示すように、表面にパッチがあるところでは、位相が所望方向に揃うが、表面にパッチがないところでは、正規反射の方向に放射しようとするため、反射波の位相は、所望方向に等位相を作ることができていないことが確認できる。

図２４は、本発明の第１の実施形態と同様に、ギャップ間隔を重視した素子配列に対するモデルにおいて、裏面を全面金属とした場合のＹ-Ｚ面における遠方放射界と、パッチを配列している場合のみ金属とした場合のＹ-Ｚ面における遠方放射界との比較結果を示している。

図２４において、表面の素子の配列は、第１の実施形態と同様であり、設計におけるビームの制御角は−７０度としている。

図２４において、実線Ａは、裏面を前面金属とした場合であり、実線Ｂは、パッチの裏面のみを金属とした場合である。どちらも、所望の−７０度方向にビームが向いている。

しかし、裏面を全て金属とした場合は、鏡面反射となる０度方向の放射のレベルが−７０度方向の放射のレベルよりも高くなっている。すなわち、本発明の第４の実施形態のように、パッチの裏面のみを金属地板とし、パッチの内面の金属を剥いだモデルの特性は、より良いことが分かる。

図２５は、本発明の第２の実施形態と同様に、ギャップ間隔を重視した素子配列に対するモデルにおいて、裏面を全面金属とした場合のＹＺ面における遠方放射界と、パッチを配列している場合のみ金属とした場合のＹＺ面における遠方放射界との比較結果について示している。

図２５において、表面の素子の配列は、第１の実施形態と同様であり、設計におけるビームの制御角は−７０度としている。

図２５において、実線Ａは、裏面を前面金属とした場合であり、実線Ｂは、パッチの裏面のみを金属とした場合である。どちらも、所望の−７０度方向にビームが向いている。

しかし、裏面を全て金属とした場合は、鏡面反射となる０度方向の放射のレベルが−７０度方向の放射のレベルよりも高くなっている。すなわち、本発明の第４の実施形態のように、パッチの裏面のみを金属地板とし、パッチの内面の金属を剥いだモデルの特性は、より良いことが分かる。

（本発明の第５実施形態）
図２８に、本発明の第５の実施形態に係るメタマテリアルを用いたリフレクトアレイ１について示す。また、図２９に、本発明の第５の実施形態に係るリフレクトアレイ１の全体構造について示す。図２８に示すように、本実施形態に係るリフレクトアレイ１では、マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチ１０によって構成されており、上述した実施形態のようなビアホール２０が設けられていない。すなわち、本実施形態に係るリフレクトアレイ１は、パッチ１０と地板３０とが接続されていない、いわゆる「ビアなしマッシュルーム構造」（ＥＢＧ、ＨＩＳともいう）を有する。また、図２９に示すように、複数のパッチ１０が地板３０の水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）において配置されている。

具体的には、本実施形態に係るリフレクトアレイ１では、隣接するパッチ間のギャップを二分した中心と、当該ギャップに隣接する隣接ギャップを二分した中心との間隔は、地板の水平方向（Ｘ方向）及び垂直方向（Ｙ方向）のそれぞれにおいて等しくなるように配置されている。当該ギャップの大きさは、パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整される。

図２８において、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップを「ｇ_ｙｉ」としている。ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」の値は、上述した本発明の第１実施形態と同様に、入射波に対する各パッチからの反射波の位相の値で決定する（図９参照）。

本実施形態に係るリフレクトアレイ１では、長さが「Ｗ_ｙ１」であるパッチと、当該パッチに隣接し、長さが「Ｗ_ｙ２」であるパッチとの間のギャップ「ｇ_ｙ１」を二分した中心ＣＴ１とする。同様に、長さが「Ｗ_ｙ２」であるパッチと、長さが「Ｗ_ｙ３」であるパッチとの間のギャップ「ｇ_ｙ２」を二分した中心ＣＴ２とする。さらに、長さが「Ｗ_ｙ３」であるパッチと、長さが「Ｗ_ｙ４」であるパッチとの間のギャップ「ｇ_ｙ３」を二分した中心ＣＴ３とする。

本実施形態に係るリフレクトアレイ１では、中心ＣＴ１と中心ＣＴ２との間隔Ｔ、中心ＣＴ２と中心ＣＴ３との間隔Ｔは、等しくなるように配置される。

このようなリフレクトアレイ１によれば、本発明の第１実施形態に係るリフレクトアレイ１と同様に、リフレクションフェーズは、左手系伝送線路モデルの理論値に一致し易く、従来のリフレクトアレイの設計法に基づいてパッチの長さを決定した場合のように位相差が一定にならない状態を抑制できる。つまり、リフレクトアレイの性能を大きく向上させることができる。

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。

なお、日本国特許出願第２００９−１３１５８５号（２００９年５月２９日出願）の全内容が、参照により、本願明細書に組み込まれている。

本発明によれば、左手系伝送線路モデルに基づいてメタマテリアルを用いる場合において、従来の手法と比較して性能が向上したリフレクトアレイを提供できるため、無線通信などにおいて有用である。

１…リフレクトアレイ
１０…パッチ
２０…ビアホール
３０…地板
４０…基板

Claims (7)

1. 地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、
   前記マッシュルーム構造の各々は、
   １つの四辺形のパッチと、
   前記パッチと前記地板とを短絡するビアと
   によって構成されており、
   隣接する前記ビアの間隔は、前記地板の垂直方向において等しくなるように配置されており、
   隣接する前記パッチ間のギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整され、
   ｉ番目のパッチの端辺から（ｉ＋１）番目のパッチの端辺までの間隔「ＰＴ」を全てのｉに対して等しい値とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ _ｉ 」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ _ｉ＋１ 」との間のギャップの大きさを「ｇ _ｙｉ 」とすると、ｉ番目のパッチの長さは「２×Ｗ _ｙｉ 」であり、
   ｉ番目のビア「Ｖｈ _ｉ 」と、（ｉ＋１）番目のビア「Ｖｈ _ｉ＋１ 」との間の間隔「ＩＶｈ _ｉ 」は、「Ｗ _ｙｉ ＋ｇ _ｙｉ ＋Ｗ _ｙｉ＋１ 」であることを特徴とするリフレクトアレイ。
2. 地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、
   前記マッシュルーム構造の各々は、
   １つの四辺形のパッチと、
   前記パッチと前記地板とを短絡するビアと
   によって構成されており、
   ｉ番目のパッチの端辺から（ｉ＋１）番目のパッチの端辺までの間隔「ＰＴ」を全てのｉに対して等しい値とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップの大きさを「ｇ_ｙｉ」とすると、ｉ番目のパッチの長さは「２×Ｗ_ｙｉ」であり、
   ｉ番目のビア「Ｖｈ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のビア「Ｖｈ_ｉ＋１」との間の間隔「ＩＶｈ_ｉ」は、「Ｗ_ｙｉ＋ｇ_ｙｉ＋Ｗ_ｙｉ＋１」であることを特徴とするリフレクトアレイ。
3. １つの地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、
   前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチによって構成されており、
   隣接する前記パッチ間のギャップを二分した中心と、前記ギャップに隣接する隣接ギャップを二分した中心との間隔は、前記地板の垂直方向において等しくなるように配置されており、
   前記ギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整されることを特徴とする請求項２に記載のリフレクトアレイ。
4. 反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在しない場合、前記リフレクトアレイの表面には前記マッシュルーム構造を配列せず、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置しないと共に、
   前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在する場合、前記リフレクトアレイの表面に前記マッシュルーム構造を配列し、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置することを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のリフレクトアレイ。
5. 前記ビアの間隔を「Ｔ」とし、隣接するｉ番目のパッチ「Ｐ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のパッチ「Ｐ_ｉ＋１」との間のギャップの大きさを「ｇ_ｙｉ」とすると、前記ギャップは、隣接するｉ番目のビア「Ｖｈ_ｉ」と、（ｉ＋１）番目のビア「Ｖｈ_ｉ＋１」との間に配置されており、
   前記ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」は、入射波に対する各パッチからの反射波の位相の値に基づいて決定され、
   前記ビアの間隔「Ｔ」から前記ギャップの大きさ「ｇ_ｙｉ」を引いた差分を「２×Ｗ_ｙｉ」とし、前記ビア「Ｖｈ_ｉ」及び「Ｖｈ_ｉ＋１」から前記ギャップまでのパッチの長さをそれぞれ「Ｗ_ｙｉ」とすると、ｉ番目のパッチの長さは「Ｗ_{ｙ（ｉ−１）}＋Ｗ_ｙｉ」であることを特徴とする請求項１に記載のリフレクトアレイ。
6. １つの地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、
   前記マッシュルーム構造の各々は、１つの四辺形のパッチによって構成されており、
   隣接する前記パッチ間のギャップを二分した中心と、前記ギャップに隣接する隣接ギャップを二分した中心との間隔は、前記地板の垂直方向において等しくなるように配置されており、
   前記ギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整され、
   前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在しない場合、前記リフレクトアレイの表面には前記マッシュルーム構造を配列せず、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置しないと共に、
   前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在する場合、前記リフレクトアレイの表面に前記マッシュルーム構造を配列し、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置することを特徴とするリフレクトアレイ。
7. 地板上に、複数のマッシュルーム構造を配列することによって形成されるリフレクトアレイであって、
   前記マッシュルーム構造の各々は、
   １つの四辺形のパッチと、
   前記パッチと前記地板とを短絡するビアと
   によって構成されており、
   隣接する前記ビアの間隔は、前記地板の垂直方向において等しくなるように配置されており、
   隣接する前記パッチ間のギャップの大きさは、前記パッチからの反射波の反射位相の値が所望値となるように調整され、
   前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在しない場合、前記リフレクトアレイの表面には前記マッシュルーム構造を配列せず、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置しないと共に、
   前記反射位相「φ」に相当するギャップ「Δｇ」の値が存在する場合、前記リフレクトアレイの表面に前記マッシュルーム構造を配列し、前記リフレクトアレイの裏面には前記地板を設置することを特徴とするリフレクトアレイ。

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