JP7290588B2 - メタサーフェス反射板 - Google Patents

Description

本発明はメタサーフェス反射板に関し、特に、通信に用いる電波を反射させるメタサーフェス反射板に関する。

第５世代移動通信システムで使われる２８ＧＨｚ帯等の高い周波数帯の電波は直進性が高いため、遮蔽によりカバレッジホール（通信ができないエリアの穴）が頻繁に発生することが知られている。反射板を用いて基地局から放射された電波を反射させることによって電波をカバレッジホールに到達させることができれば、カバレッジホールを低減することができる。

しかしながら、反射板として通常の金属板を採用すると、基地局の位置とカバレッジホールの位置とに合わせて反射板の位置と角度とを最適にする必要が生じるため、反射板の設置条件が厳しくなる。このため、反射板に対する電波の入射角と反射角とを異ならせることができるメタサーフェス反射板が注目を集めている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２０１５－４６８２１号公報

一般に、メタサーフェス反射板は特定の周波数の電波について入射角と反射角とを変更させる技術であり、他の周波数の電波については効果がない。一方で、将来的に、例えば３９ＧＨｚ帯の電波等の新しい周波数帯の電波が移動通信システムに使われた場合、基地局の設置コスト等を鑑みると、新しい基地局は現在の周波数帯の基地局と同じ場所に置局される蓋然性が高い。このため、複数の周波数帯の電波について入射角と反射角とを異ならせることができるマルチバンドメタサーフェス反射板が望まれている。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、複数の周波数帯の電波について入射角と反射角とを異ならせることができるマルチバンドメタサーフェス反射板を提供することを目的とする。

本発明のある態様は、第１波長の電波と、前記第１波長よりも短い第２波長の電波とのそれぞれを、入射角とは異なる反射角で反射させるメタサーフェス反射板である。この反射板は、グランド板と、前記グランド板に周期的に配置された異なる種類の反射素子であって、各反射素子に入射する電波の位相と各反射素子から反射する電波の位相との差がそれぞれ異なる反射素子と、を備え、前記反射素子の種類の数は、１より大きい整数である第１因数と、前記第１因数よりも小さな整数である第２因数との少なくとも２つの因数の積で表され、前記第１波長と前記第２因数との積と、前記第２波長と前記第１因数との積との差が所定の閾値以下である。

前記グランド板において前記反射素子は等間隔に配置されていてもよい。

前記グランド板において互いに隣接する反射素子間の間隔である素子間隔と前記第１波長を前記第１因数で除算した値との差は所定の第２閾値以下であり、かつ、前記素子間隔と前記第２波長を前記第２因数で除算した値との差は前記第２閾値以下であってもよい。

前記反射素子はそれぞれ、前記第１波長の電波を反射するための第１部材と、前記第２波長の電波を反射するための第２部材との、少なくとも二つの部材が積層されて構成されていてもよい。

前記反射素子はそれぞれ、前記グランド板と前記第１部材との間に前記第２部材が位置するように前記グランド板に配置されていてもよい。

なお、以上の構成要素の任意の組み合わせ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。

本発明によれば、複数の周波数帯の電波について入射角と反射角とを異ならせることができるマルチバンドメタサーフェス反射板を提供することができる。

メタサーフェス反射板を説明するための模式図である。 ２種類の波長に関するメタサーフェス反射板における反射素子の反射位相の一例を表形式に示す図である。 実施の形態に係るメタサーフェス反射板の一部を模式的に示す図である。 実施の形態に係るメタサーフェス反射板のレーダー反射断面積を模式的に示す図である。 実施の形態に係るメタサーフェス反射板の利用シーンを説明するための模式図である。

＜前提となる技術＞
実施の形態に係るメタサーフェス反射板を説明する前に、その前提となる技術について説明する。

図１は、メタサーフェス反射板１を説明するための模式図である。一般に、入射角がθ_ｉである入射波ｉが金属等の物質で反射されるとき、反射波ｒの反射角θ_ｒは入射角θ_ｉと等しくなる。これに対し、メタサーフェス反射板１は、入射角θ_ｉとは異なる反射角θ_ｒで電波を反射させる。煩雑となることを防ぐために全てには符号を付していないが、図１において、符号ｉを付した実線の矢印は入射波ｉを表し、符号ｒを付した破線の矢印は反射波ｒを表している。

図１に示すように、メタサーフェス反射板１はグランド板２と、グランド板２に周期的に配置された異なる種類の反射素子３（第１反射素子３ａ～第９反射素子３ｉの９種類）を含んでいる。なお、図１はメタサーフェス反射板１の一部を示しており、メタサーフェス反射板１は一般に９よりも多くの反射素子３を含む。限定はしないが、一例として、グランド板２において互いに隣接する反射素子３間の間隔である素子間隔ｄが５ミリメートルであり、メタサーフェス反射板１が一辺１メートルの正方形であるとする。この場合、反射素子３は、メタサーフェス反射板１の表面に２次元の格子状に配置されることになる。このとき、メタサーフェス反射板１に配置される素子の数はおよそ２００×２００＝４万個となる。

既知の技術のため詳細な説明は省略するが、メタサーフェス反射板において、異なる反射素子３で反射された反射波ｒの位相がそれぞれ異なるように反射素子３が設計され、グランド板２上に配置される。ここで、第１反射素子３ａ～第８反射素子３ｈにおける反射波ｒの位相をφ_ｎ（ｎ＝１，・・・，８）としたとき、図１に示す例ではφ_ｎ＝Δφ（ｎ－１）となるように設計されている。

入射波の波長をλとすると、入射波ｉが入射角θ_ｉでメタサーフェス反射板１に入射し、反射角θ_ｒで反射波ｒが反射されるためのΔφの条件は、以下の式（１）となることが知られている。

図１に示す例では、第１反射素子３ａと第９反射素子３ｉとは同一の素子であり、反射波ｒの位相も同一である。すなわち、図１に示す例では、素子の種類の数Ｎは、Ｎ＝８となる。素子間隔ｄをｄ＝λ／Ｎとし、ｎ番目の反射素子３における反射波ｒの位相をφ_ｎ＝Δφ（ｎ－１）とすることにより、入射角θ_ｉでメタサーフェス反射板１に入射した入射波ｉを、反射角θ_ｒがとなる反射波ｒで反射させるメタサーフェス反射板１を構成することができる。この８個の素子を一単位として２次元の格子状に並べることにより、より大きなメタサーフェス反射板を生成できる。

以上をまとめると、波長λの電波に関するメタサーフェス反射板は以下のステップで設計することができる。
ステップ１：素子数Ｎを決める。このとき、素子間隔ｄは、ｄ＝λ／Ｎとなる。
ステップ２：入射角θ_ｉと反射角θ_ｒとから式（１）に基づいてΔφを決める。
これにより、１波長分の長さで反射波の位相は３６０度回転することになる。また、Δφは３６０度以下となるためフレーディングも抑制することができる。

＜実施の形態＞
以上をふまえ、実施の形態を説明する。実施の形態に係るメタサーフェス反射板１は、第１波長λ_１の電波と、第１波長λ_１よりも短い第２波長λ_２の電波とのそれぞれを、入射角θ_ｉとは異なる反射角θ_ｒで反射させるマルチバンドのメタサーフェス反射板である。

前提となる技術で説明した方法を用いて第１波長λ_１及び第２波長λ_２に関するメタサーフェス反射板１を設計することを考える。仮に素子数をＮとすると、第１波長λ_１に関する反射素子３の素子間隔である第１素子間隔ｄ_１は、ｄ_１＝λ_１／Ｎとなる。同様に、第２波長λ_２に関する反射素子３の素子間隔である第２素子間隔ｄ２は、ｄ_２＝λ_２／Ｎとなる。λ_１≠λ_２であるからｄ_１≠ｄ_２となる。すなわち、第１波長λ_１に関する反射素子３と第２波長λ_２に関する反射素子３とが異なる間隔で配置されることになり、波長毎に反射素子３を用意する必要がある。反射素子３の数が増加するため、メタサーフェス反射板１の製造コストも増加しかねない。

そこで、素子間隔ｄを固定することを考える。すなわち、第１素子間隔ｄ_１＝第２素子間隔ｄ_２＝ｄとする。例えば、素子間隔ｄを５ミリメートルとし、第１波長λ_１を１０．７ミリメートル（周波数は２８ＧＨｚ）、第２波長λ_２を７．７ミリメートル（周波数は３９ＧＨｚ）とする。また、入射角θ_ｉ＝０度、反射角θ_ｒ＝４５度とする。このとき、式（１）より、第１波長λ_１に関するΔφであるΔφ_１はおよそ１１９度となる。また、第２波長λ_２に関するΔφであるΔφ_２はおよそ１６５度となる。

図２は、２種類の波長に関するメタサーフェス反射板１における反射素子３の反射位相の一例を表形式に示す図であり、素子間隔ｄ＝５ミリメートル、第１波長λ_１＝１０．７ミリメートル、第２波長λ_２＝７．７ミリメートル。入射角θ_ｉ＝０度、反射角θ_ｒ＝４５度の場合の反射素子３の反射位相を示す図である。図２に示す１５種類の反射素子３は、いずれも第１波長λ_１に関する反射位相と第２波長λ_２に関する反射位相との組み合わせが異なる。このように、設計すべき反射素子３の種類が多くなり、コストが増加しかねない。

実施の形態に係るメタサーフェス反射板１は、比較的少ない種類の反射素子３で、２種類の波長に関するメタサーフェス反射板１を実現する。具体的には、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１は、１より大きい二つの異なる整数α及びβであって、βλ_１≒αλ_２となるαとβを設定することにより、反射素子３の種類をα×β種類に抑えることができる。説明の便宜上、α及びβをそれぞれ第１因数α、第２因数βと記載し、以下具体的に説明する。

第１波長λ_１を１０．７ミリメートル（周波数は２８ＧＨｚ）、第２波長λ_２を７．７ミリメートル（周波数は３９ＧＨｚ）とすると、第１因数α＝４、第２因数β＝３とすることにより、βλ_１≒αλ_２となる。実際、βλ_１＝３２．１、αλ_２＝３０．８となり、βλ_１とαλ_２との差ｅは、ｅ＝｜βλ_１－αλ_２｜＝１．３である。これは因数と波長との積の５％未満の値である。

反射素子３の素子間隔ｄは、λ_１／α又はλ_２／βで与えられる。λ_１／α＝２．６８、λ_２／β＝２．５７となるため、素子間隔ｄはおよそ２．６３ミリメートルとすればよい。第１波長λ_１の電波に関するΔφであるΔφ_１と、第２波長λ_２の電波に関するΔφであるΔφ_２と、は、それぞれ以下の式（２）及び式（３）で表される。

式（２）より、第１波長λ_１の電波はα波長分の長さで位相が３６０度回転することが分かる。同様に、式（３）より、第２波長λ_２の電波はβ波長分の長さで位相が３６０度回転することが分かる。したがって、αとβとの最小公倍数であるαβ波長分の長さで、第１波長λ_１の電波の位相と第２波長λ_２の電波の位相は同時に０度に戻る。ゆえに、αβ種類（上記の例では１２種類）の反射素子３を設計することで、異なる２つの波長の電波に関するメタサーフェス反射板１を実現することができる。

図３（ａ）－（ｂ）は、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１の一部を模式的に示す図である。具体的には、図３（ａ）は、第１波長λ_１を１０．７ミリメートル、第２波長λ_２を７．７ミリメートル、第１因数α＝４、第２因数β＝３、入射角θ_ｉ＝０度、反射角θ_ｒ＝４５度とした場合の、１２種類の反射素子３を示している。第１反射素子３ａ～第１２反射素子３ｌは、図３（ａ）におけるＥ１～Ｅ１２に対応する。図３（ａ）は、第４反射素子３ｄに対応する素子Ｅ４の拡大図も示している。また、図３（ｂ）は、図３（ａ）に示す１２種類の反射素子３それぞれの、各波長の電波に関する反射位相を示している。

各反射素子３は、グランド板２に周期的に配置された異なる種類の反射素子である。図３（ａ）に示すように、グランド板２において反射素子３は等間隔に配置されている。又、図３（ｂ）に示すように、各反射素子３に入射する電波の位相と各反射素子３から反射される電波の位相との差がそれぞれ異なる。反射素子３の種類は１２種類であり、この数は、第１因数α＝４と、第１因数よりも小さな整数である第２因数β＝３との少なくとも２つの因数の積で表される。

上述したように、第１波長λ_１と第２因数βとの積であるβλ_１と、第２波長λ_２と第１因数αとの積とであるαλ_２とは、厳密に等しくなるとは限らない。実施の形態に係るメタサーフェス反射板１において、βλ_１とαλ_２との差が所定の閾値以下となるように第１因数αと第２因数βとが設定されている。ここで「所定の閾値」は反射素子３の種類数と各反射素子３における反射位相の精度とを勘案して実験により定めればよいが、例えば、βλ_１とαλ_２とのいずれか小さい方の５％程度である。目安としては、目標とする反射位相の誤差が１０％以内となるように第１因数αと第２因数βとを設定する。

このように、比較的少ない種類の反射素子３で、２種類の周波数帯の電波について入射角θ_ｉと反射角θ_ｒとを異ならせることができるマルチバンドのメタサーフェス反射板１を提供することができる。

図３（ａ）に示すように、反射素子３はそれぞれ、第１波長λ_１の電波を反射するための第１部材３０と、第２波長λ_２の電波を反射するための第２部材３１との、少なくとも二つの部材が積層されて構成されている。より具体的には、図３（ａ）に示す例では、反射素子３はそれぞれ、グランド板２と第１部材３０との間に第２部材３１が位置するようにグランド板２に配置されている。すなわち、メタサーフェス反射板１は、グランド板２、第２部材３１、及び第１部材３０の順に積層されて構成されている。

ここで、上述したように、反射素子３の素子間隔ｄは、λ_１／α又はλ_２／βで与えられるが、第１波長λ_１と第２因数βとの積であるβλ_１と、第２波長λ_２と第１因数αとの積とであるαλ_２とは、厳密に等しくなるとは限らないため、λ_１／αとλ_２／βとも厳密には等しくならない場合がある。実施の形態に係るメタサーフェス反射板１において、素子間隔ｄと第１波長λ_１を第１因数αで除算した値であるλ_１／αとの差は所定の第２閾値以下であり、かつ、素子間隔ｄと第２波長λ_２を第２因数βで除算した値であるλ_２／βとの差も第２閾値以下となるように設計されている。所定の第２閾値の具体的な値は、上述した所定の閾値と同様に、目安として目標とする反射位相の誤差が１０％以内となるように設定すればよい。

＜実験結果＞
図４（ａ）－（ｂ）は、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１のレーダー反射断面積（Radar Cross-Section；ＲＣＳ）を模式的に示す図である。具体的には、図４（ａ）は、第１波長λ_１＝１０．７ミリメートル（周波数が２８ＧＨｚ）の電波のＲＣＳを示す図である。図４（ａ）に示すように、第１波長λ_１＝１０．７ミリメートルの電波では４７度の方向に反射が発生しており、設計目標の４５度と概ね一致している。

また、図４（ｂ）は、第２長λ_２＝７．７ミリメートル（周波数が３９ＧＨｚ）の電波のＲＣＳを示す図である。図４（ｂ）に示すように、第２長λ_２＝７．７ミリメートルの電波では４４度の方向に反射が発生しており、設計目標の４５度と概ね一致している。

＜実施の形態に係るメタサーフェス反射板１の利用シーン＞
図５は、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１の利用シーンを説明するための模式図である。２８ＧＨｚ帯等の高い周波数の電波は直進性が高いため、ビル等の遮蔽物Ｏが存在すると、遮蔽物Ｏに対して基地局Ｂの反対側はカバレッジホールＨとなる。図５に示す例では、第１遮蔽物Ｏａによって第１カバレッジホールＨａが誕生し、第２遮蔽Ｏｂによって第２カバレッジホールＨｂが誕生している。

そこで、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１である第１メタサーフェス反射板１ａを設置することにより、基地局Ｂから放射された第１入射波ｉａを第１メタサーフェス反射板１ａで反射させ、第１反射波ｒａを第１カバレッジホールＨａに向かわせる。同様に、第２メタサーフェス反射板１ｂを設置することにより、基地局Ｂから放射された第２入射波ｉｂを第２メタサーフェス反射板１ｂで反射させ、第２反射波ｒｂを第２カバレッジホールＨｂに向かわせる。これにより、メタサーフェス反射板１の設置条件を緩和でき、カバレッジホールＨを効果的に縮小させることができる。

＜第１の変形例＞
以上、第１波長λ_１と第２波長λ_２との２種類の波長の電波に関するメタサーフェス反射板１について説明したが、波長の種類は２種類に限られず、３種類以上であってもよい。具体例として、第１波長λ_１、第２波長λ_２、及び第３波長λ_３の３種類の波長（ただし、λ_１＞λ_２＞λ_３）の電波に関するメタサーフェス反射板１について考える。このとき、βγλ_１≒αγλ_２≒αβλ_３となるような１より大きい三つの整数α、β、及びγ（α＞β＞γ）を設定する。素子間隔ｄは、ｄ≒λ_１／α≒λ_２／β＝λ_３／γとする。このとき、反射素子３の種類はαβγ種類となる。４種類以上の波長についても同様に考えることができる。

＜第２の変形例＞
上記では、第１波長λ_１の電波の反射角θ_ｒと、第２波長λ_２の電波の角θ_ｒとが等しい場合について主に説明した。しかしながら、第１波長λ_１の電波の反射角θ_ｒと、第２波長λ_２の電波の角θ_ｒとは異なっていてもよい。これにより、第１波長λ_１の電波と第２波長λ_２の電波とのカバレッジホールＨの方向が異なる場合であっても対応することができる。

＜実施の形態に係るメタサーフェス反射板１が奏する効果＞
以上説明したように、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１によれば、複数の周波数帯の電波について入射角θ_ｉと反射角θ_ｒとを異ならせることができるマルチバンドのメタサーフェス反射板１を提供することができる。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果をあわせ持つ。

１・・・メタサーフェス反射板
２・・・グランド板
３・・・反射素子
３０・・・第１部材
３１・・・第２部材

Claims (5)

1. 第１波長の電波と、前記第１波長よりも短い第２波長の電波とのそれぞれを、入射角とは異なる反射角で反射させるメタサーフェス反射板であって、
   グランド板と、
   前記グランド板に周期的に配置された異なる種類の反射素子であって、各反射素子に入射する電波の位相と各反射素子から反射する電波の位相との差がそれぞれ異なる反射素子と、を備え、
   前記反射素子の種類の数は、１より大きい整数である第１因数と、前記第１因数よりも小さな整数である第２因数との少なくとも２つの因数の積で表され、
   前記第１波長と前記第２因数との積と、前記第２波長と前記第１因数との積との差が、前記第１波長と前記第２因数との積と前記第２波長と前記第１因数との積とのいずれか小さい方の５％未満である、
   メタサーフェス反射板。
2. 前記グランド板において前記反射素子は等間隔に配置されている、
   請求項１に記載のメタサーフェス反射板。
3. 前記グランド板において互いに隣接する反射素子間の間隔である素子間隔と前記第１波長を前記第１因数で除算した値との差は、前記第１波長を前記第１因数で除算した値の３％未満であり、かつ、前記素子間隔と前記第２波長を前記第２因数で除算した値との差は、前記第２波長を前記第２因数で除算した値との差の３％未満である、
   請求項１又は２に記載のメタサーフェス反射板。
4. 前記反射素子はそれぞれ、前記第１波長の電波を反射するための第１部材と、前記第２波長の電波を反射するための第２部材との、少なくとも二つの部材が積層されて構成されている、
   請求項１から３のいずれか１項に記載のメタサーフェス反射板。
5. 前記反射素子はそれぞれ、前記グランド板と前記第１部材との間に前記第２部材が位置するように前記グランド板に配置されている、
   請求項４に記載のメタサーフェス反射板。

Images