JP7327465B2 - 無線通信用装置 - Google Patents

Description

本開示は、無線通信用装置に関する。

リフレクトアレイのような指向性制御アレイに関する技術は知られている。また、この種の指向性制御アレイに関して、メタマテリアルの特性を利用すれば、入射する電波に対して所望の指向性を与える態様で電波を反射又は透過させることができることが、知られている（例えば特許文献１，２）。

特開２０１２－０４９９３１号公報 特開２０１３－４８３４４号公報

しかしながら、上記のような従来技術では、窓ガラスのような透明な物体における可視光の透過率を大きく低下させることなく、指向性制御アレイを形成することが難しい。

そこで、１つの側面では、本発明は、透明な物体における可視光の透過率を大きく低下させることなく、指向性制御アレイを形成することを目的とする。

１つの側面では、基材と、
前記基材上に、所定の２次元パターンからなる複数の単位素子を有する指向性制御アレイと、直流電源に電気的に接続され、前記複数の単位素子のそれぞれに直流電圧を印加するための配線部と、を有し、
前記複数の単位素子に印加する直流電圧を制御する制御部を更に備える、無線通信用装置が提供される。

１つの側面では、本発明によれば、透明な物体における可視光の透過率を大きく低下させることなく、指向性制御アレイを形成することが可能となる。

本発明の実施形態１による通信用装置が配置される建物の一例を概念的に示す概略図である。 一の窓ガラスに設けられる通信用装置を概略的に示す図である。 図２の矢印Ａ１の方向に視た概略図である。 実施形態１の通信用装置に関連する制御系と、通信用装置を利用した通信形態を概略的に示す図である。 通信用装置の動作の説明図である。 図２のＱ１部の拡大図である。 図６のラインＢ－Ｂに沿った断面図である。 本発明の単位素子と配線部の一例を示す説明図である。 単位素子（及び単位素子に含まれるスイッチ回路）の一例を示す説明図である。 制御用のマップ情報の説明図である。 電圧印加パターンの相違によって実現される指向性制御アレイの反射角度の相違（変化）を示す図である。 電圧印加パターンの相違によって実現される指向性制御アレイの反射角度の相違（変化）を示す図である。 電圧印加パターンの説明図である。 電圧印加パターンの説明図である。 マイクロコンピュータにより実行される指向性制御処理の一例を示すフローチャートである。 本発明の実施形態２の通信用装置に関連する制御系と、通信用装置を利用した通信形態を概略的に示す図である。 本発明の実施形態３の通信用装置の説明図である。 窓ガラスの断面視で、指向性制御アレイにおける屈折角度を説明する図である。 窓ガラスの断面視で、指向性制御アレイにおける屈折角度を説明する図である。 変形例（壁に設置される例）の説明図である。 シミュレーションで用いたモデルの説明図である。 シミュレーションで用いたモデルの説明図である。 特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 特定の電圧印加パターンの説明図である。 他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 他の特定の電圧印加パターンの説明図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果の説明図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンの説明図である。 更なる他の特定の電圧印加パターンの適用が好適な環境の一例の説明図である。

以下、添付図面を参照しながら各実施形態について詳細に説明する。なお、添付図面では、見易さのために、複数存在する同一属性の部位には、一部のみしか参照符号が付されていない場合がある。

［実施形態１］
図１は、本発明の実施形態１による通信用装置１（無線通信用装置の一例）が配置される建物ＢＤの一例を概念的に示す概略図である。

本実施形態の通信用装置１は、例えば図１に示すように、建物ＢＤに設けられてもよい。建物ＢＤの種類は、任意であるが、例えば高層な建物が林立するような地域での建物である。高層な建物が林立する地域では、電波が正常に届かない不感地（通信環境が良好でない地域ないし空間、「不感地帯」とも称される）が発生しやすい。通信用装置１は、後述のように不感地の問題を低減するものであり、本明細書では、「不感地」とは、本実施形態の通信用装置１が存在しない場合における不感地を指す。

なお、通信用装置１は、ＬＴＥ（Ｌｏｎｇ Ｔｅｒｍ Ｅｖｏｌｕｔｉｏｎ）や、ＬＴＥ－Ａ（ＬＴＥ－Ａｄｖａｎｃｅｄ）、第五世代移動通信システム、ＵＭＢ（Ｕｌｔｒａ Ｍｏｂｉｌｅ Ｂｒｏａｄｂａｎｄ）、ＩＥＥＥ８０２．１１（Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標））、ＩＥＥＥ８０２．１６（ＷｉＭＡＸ（登録商標））、ＩＥＥＥ８０２．２０、ＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ－Ｗｉｄｅｂａｎｄ）、Ｂｌｕｅｔｏｏｔｈ（登録商標）、ＬＰＷＡ（Ｌｏｗ Ｐｏｗｅｒ Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ）、他の拡張された通信システム等のような、任意の通信システムで利用されてよい。

通信用装置１は、後述のように、基地局装置としての機能を有するので、かかる地域においては、通信用装置１の有用性が更に高くなる。なお、周波数が高くなるにつれて、反射や回折による伝搬損失が大きくなり、このような不感地が発生しやすくなる。このため、通信用装置１は、比較的高い周波数を扱う通信に好適である。

本実施形態では、通信用装置１は、一例として、図１に示すように、建物ＢＤの窓ガラス１０に設けられる。この場合、通信用装置１は、建物ＢＤのすべての窓ガラス１０に対して設けられてもよいが、図１に示すように、一部の窓ガラス１０に対して設けられてよい。例えば、通信用装置１が設けられる窓ガラス１０は、不感地内の窓ガラス１０や不感地周辺の窓ガラス１０であってよい。なお、窓ガラス１０の地上からの高さは、電波の効率性の点で、１～１４ｍが好ましく、２～１０ｍが特に好ましい。

図２は、ある一の窓ガラス１０に設けられる通信用装置１を概略的に示す図であり、窓ガラス１０の表面に対して垂直方向に視た平面図である。図３は、図２の矢印Ａ１の方向に視た概略図である。

図２には、窓ガラス１０とともにサッシ（枠体）７が示される。窓ガラス１０は、透明である。なお、本明細書において、「透明」とは、可視光の透過率が５０％以上である状態であるが、好ましくは、可視光の透過率が６０％以上であり、より好ましくは、可視光の透過率が７０％以上である。窓ガラス１０は、複層ガラスであってもよいし、層数は任意である。また、変形例では、窓ガラス１０に代えて、樹脂（例えば、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、ポリエチレン）、ガラス樹脂複合体（例えば、繊維強化プラスチック）又はセラミックス等の素材により形成される透明な板材が利用されてもよい。

窓ガラス１０の厚さは、任意である。窓ガラス１０を形成するガラス板としては、透明な無機ガラスを例示することができる。無機ガラスとしては、通常のソーダライムガラス、ホウ珪酸ガラス、無アルカリガラス又は石英ガラス等を例示することができる。成形法についても特に限定されないが、例えば、フロート法によって製造されたフロート板ガラスを例示することができる。また、着色成分を添加しない無色透明な材質を用いてもよく、あるいは、着色された着色透明な材質を用いてもよい。

本実施形態では、一例として、通信用装置１は、図２に示すように、指向性制御アレイ２０と、プリント基板３０と、アンテナ部４０と、処理装置５０とを含む。

指向性制御アレイ２０は、反射型（リフレクトアレイ）である。指向性制御アレイ２０は、窓ガラス１０を誘電体の基材（可視光の透過率が５０％以上である基材の一例）として形成される。指向性制御アレイ２０は、窓ガラス１０の全面に対して形成されてもよいし、図２に示すように、窓ガラス１０の一部に対して形成されてもよい。ただし、指向性制御アレイ２０は、好ましくは、図２に示すように、サッシ７に隣接する態様で形成される。この場合、サッシ７を利用して見栄えの良好な配線構造が容易に実現できる。指向性制御アレイ２０の構造は後述する。なお、基材の可視光透過率は、透明性の点で、６０％以上が好ましく、さらには７０％以上が特に好ましい。

プリント基板３０は、指向性制御アレイ２０に関連する各種電子部品（処理装置５０を含む）が実装される。プリント基板３０は、指向性制御アレイ２０と同様、窓ガラス１０上に設けられる。ただし、変形例では、プリント基板３０は、サッシ７内や他の箇所に配置されてもよい。

アンテナ部４０は、図３に示すように、指向性制御アレイ２０に向けて電波を放射する。アンテナ部４０は、窓ガラス１０上に設けられてもよいが、好ましくは、図３に示すように、サッシ７に設けられる。サッシ７に設けられる場合は、窓ガラス１０に対するサッシ７の高さＨ１を利用して、窓ガラス１０における比較的広い範囲（指向性制御アレイ２０が形成される範囲）に電波を放射することが容易となる。なお、図３には、アンテナ部４０からの電波の放射態様がハッチング領域Ｓ１で模式的に示される。

処理装置５０は、プリント基板３０上に実装される。なお、処理装置５０の構成の一部は、プリント基板３０とは別に実装されてもよい。処理装置５０は、後述するが、指向性制御アレイ２０で反射する電波の指向性を制御する。

なお、図２では、プリント基板３０（及びそれに伴い処理装置５０）は、窓ガラス１０上に配置されるが、これに限られない。プリント基板３０（及びそれに伴い処理装置５０）の少なくとも一部（例えば直流電源生成部５３）は、窓ガラス１０に隣接する壁部や天井部、床部等のような他の箇所に配置されてもよい。この点、プリント基板３０（及びそれに伴い処理装置５０）の少なくとも一部（例えば直流電源生成部５３）は、好ましくは、壁部内や、天井内、床下等のような、可視でないような箇所に配置され、この場合は、意匠性を高めることができる。また、同様の観点から、アンテナ部４０は、窓ガラス１０に隣接する壁部や天井部、床部等、あるいは、窓ガラス１０に隣接しない壁部や天井部、床部等、のような他の箇所に配置されてもよい。

図４は、本実施形態の通信用装置１に関連する制御系と、通信用装置１を利用した通信形態を概略的に示す図である。図４には、２つのユーザ端末Ｕ１，Ｕ２が示される。以下では、区別のため、ユーザ端末Ｕ２を、「外部のユーザ端末Ｕ２」とも称する。図４では、外部のユーザ端末Ｕ２とユーザ端末Ｕ１とが通信している状況が示される。ユーザ端末Ｕ１は、例えば、建物ＢＤの室内に存在するものとする（図５参照）。図４に関する説明において、特に言及しない限り、「受信」及び「送信」とは、ユーザ端末Ｕ１を基準とし、例えば「受信」は、ユーザ端末Ｕ１が外部のユーザ端末Ｕ２からデータ等を受信する際の「受信」を意味する。

図４に示すように、処理装置５０は、マイクロコンピュータ５１（以下、「ＭＩＣＯＭ５１」と称する）（制御部の一例）と、通信回路部５２と、直流電源生成部５３（電源生成部の一例）とを含む。

ＭＩＣＯＭ５１は、指向性制御アレイ２０の制御を行う。ＭＩＣＯＭ５１には、外部入力として指向性指示（反射方向指示）が入力される。外部入力は、例えば建物ＢＤを管理する管理コンピュータ（図示せず）やユーザ端末Ｕ１等から入力される。ＭＩＣＯＭ５１は、指向性指示に基づいて、指向性制御アレイ２０を制御する。この制御については図１１等を参照して後述する。なお、ＭＩＣＯＭ５１は、その他、通信回路部５２等の制御も実行してもよい。ＭＩＣＯＭ５１は、直流電源生成部５３で生成された電源電圧Ｖ０に基づいて動作する。

通信回路部５２は、通信インターフェース５２１と、ベースバンド回路部５２２と、ＲＦ回路部５２３とを含む。通信回路部５２は、直流電源生成部５３で生成された電源電圧Ｖ０に基づいて動作する。

通信回路部５２は、通信インターフェース５２１を介して外部のネットワークＮと接続し、ネットワークＮを介して外部のユーザ端末Ｕ２と通信する。なお、通信回路部５２で取り扱う通信は、音声通信やデータ通信など任意である。

なお、ネットワークＮは、無線通信網や、インターネット、ＶＰＮ（Ｖｉｒｔｕａｌ Ｐｒｉｖａｔｅ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、有線ネットワーク、又はこれらの任意の組み合わせ等を含んでもよい。

外部のユーザ端末Ｕ２は、後述するユーザ端末Ｕ１とは異なる端末であり、ユーザ端末Ｕ１に対して例えば遠隔位置に位置する。従って、例えば外部のユーザ端末Ｕ２とユーザ端末Ｕ１とが通信している状況（図４に示す状況）では、外部のユーザ端末Ｕ２とユーザ端末Ｕ１の各ユーザは、異なるユーザであることが想定される。

通信インターフェース５２１は、ネットワークＮと接続するためのインターフェースである。

ベースバンド回路部５２２は、ＩＰパケットとベースバンド信号とを相互に変換する処理を行う。

ＲＦ回路部５２３は、ベースバンド回路部５２２から受信したベースバンド信号に対して、Ｄ／Ａ（Ｄｉｇｉｔａｌ－ｔｏ－Ａｎａｌｏｇ）変換、変調、周波数変換、及び電力増幅等を行うことでアンテナ部４０から送信すべき無線信号（ＲＦ信号）を生成する。また、ＲＦ回路部５２３は、アンテナ部４０により受信した無線信号に対して、周波数変換、Ａ／Ｄ（Ａｎａｌｏｇ ｔｏ Ｄｉｇｉｔａｌ）変換、復調等を行うことでベースバンド信号を生成し、ベースバンド回路部５２２に与える。

外部のユーザ端末Ｕ２からデータ等の受信の際、ベースバンド回路部５２２は、通信インターフェース５２１を介して得た受信データに基づいて、当該受信データに応じたベースバンド信号を生成して、ＲＦ回路部５２３に与える。この場合、ＲＦ回路部５２３は、ベースバンド回路部５２２からのベースバンド信号に基づいて、当該ベースバンド信号に応じた無線信号を生成し、生成した無線信号に応じた送信電波をアンテナ部４０を介して放射する（図４のＲ１参照）。

外部のユーザ端末Ｕ２へのデータ等の送信の際、ＲＦ回路部５２３は、アンテナ部４０を介して受信した電波（ユーザ端末Ｕ１からの電波）に応じたベースバンド信号を生成してベースバンド回路部５２２に与える。ベースバンド回路部５２２は、ＲＦ回路部５２３を介して得たベースバンド信号に基づいて、外部のユーザ端末Ｕ２への送信データを生成し、生成した送信データを通信インターフェース５２１を介して外部のユーザ端末Ｕ２へ送信する。

直流電源生成部５３は、図４に示すように、外部電源である例えば交流電源６００（建物ＢＤに供給される交流電源）に電気的に接続され、交流電源６００に基づいて直流の電源電圧Ｖ０を生成する。直流電源生成部５３が生成する電源電圧Ｖ０は、ＭＩＣＯＭ５１及び通信回路部５２の動作だけでなく、指向性制御アレイ２０の動作にも利用される。指向性制御アレイ２０の動作について後に詳説する。

図５は、通信用装置１の動作の説明図であり、通信用装置１が窓ガラス１０に設けられる室内の状態を模式的に示す図である。図５には、通信用装置１の指向性制御アレイ２０からユーザ端末Ｕ１に送信される電波（図４の矢印Ｒ２参照）の放射態様が、ハッチング領域Ｓ２で模式的に示される。

受信の際は、指向性制御アレイ２０は、アンテナ部４０からの電波が入射されると（図３参照）、当該電波に基づいて、室内側に向かう反射波を出力する（図４の矢印Ｒ２、図５のＳ２参照）。例えば、アンテナ部４０からは、上述のように、外部のユーザ端末Ｕ２からの受信データに係る電波が指向性制御アレイ２０に向けて放射される。従って、この場合、室内のユーザ端末Ｕ１は、指向性制御アレイ２０からの反射波を受信することで、外部のユーザ端末Ｕ２からの受信データを受信できる。

また、送信の際は、指向性制御アレイ２０は、ユーザ端末Ｕ１からの電波が入射されると（図４の矢印Ｒ２参照）、当該電波に基づいて、アンテナ部４０に向かう反射波を出力する（図４の矢印Ｒ１参照）。例えば、ユーザ端末Ｕ１からは、上述のように、外部のユーザ端末Ｕ２への送信データに係る電波が放射され、指向性制御アレイ２０に入射する。従って、この場合、アンテナ部４０が指向性制御アレイ２０からの反射波を受信することで、通信用装置１は、外部のユーザ端末Ｕ２へと送信データを（通信回路部５２及びネットワークＮを介して）送信できる。

このような図４に示す通信形態によれば、ユーザ端末Ｕ１と外部のユーザ端末Ｕ２とは、通信用装置１を介して通信可能となる。具体的には、窓ガラス１０を利用して形成される指向性制御アレイ２０を利用して、室内のユーザ端末Ｕ１と、外部のユーザ端末Ｕ２との間で通信を成立させることができる。このようにして、通信用装置１は、基地局装置として機能でき、ユーザ端末Ｕ１が上述のような不感地に位置する場合でも、外部のユーザ端末Ｕ２との間で通信を成立させることができる。

次に、図６以降を参照して、指向性制御アレイ２０について更に説明する。

図６は、図２のＱ１部の拡大図であり、指向性制御アレイ２０の説明図である。図７は、図６のラインＢ－Ｂに沿った断面図である。なお、図６は、窓ガラス１０の室内側から視た平面図であるものとする。また、図６では、図８Ａを参照して後述する配線部９０及びスイッチ回路９４の図示は省略されている。

図６に示すように、指向性制御アレイ２０は、窓ガラス１０上に形成される複数の導電体２１を含む。複数の導電体２１は、それぞれが後述の一の単位素子７０を形成し、所定の２次元パターンで設けられる。所定の２次元パターンは、図６に示すような各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等で決まる。なお、前出の図３（後出の図１０Ａ等も同様）では、指向性制御アレイ２０を形成する薄い導電体２１等は図示が省略されている。

パラメータｐ１は、導電体２１間の縦方向のピッチであり、パラメータｐ２は、導電体２１間の横方向のピッチであり、パラメータｇ１は、導電体２１間の縦方向の離間距離であり、パラメータｇ２は、導電体２１間の横方向の離間距離である。なお、パラメータｐ１とパラメータｇ１は、導電体２１の縦方向の寸法が影響するパラメータであるが、導電体２１の縦方向の寸法が新たなパラメータとして利用されてもよい。導電体２１の横方向の寸法についても同様である。

各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２は、一定である必要はなく、後述のように、後述の複数の単位素子７０への電圧印加パターンごとに所望の指向性が実現されるように適合される。なお、図６では、複数の導電体２１は、平面視で矩形の形態であるが、矩形である必要はなく、また、複数の導電体２１の形状も一定である必要はない。また、複数の導電体２１の一部又は全部は、立体的な構成（すなわち窓ガラス１０の表面に対して垂直方向に特徴的な形状）を有してもよい。

また、指向性制御アレイ２０は、図７に示すように、窓ガラス１０を挟んで複数の導電体２１に対向するように、グランド用の導電体２２が形成される。すなわち、窓ガラス１０における室外側の表面には、複数の導電体２１に対向する領域（すなわち指向性制御アレイ２０の形成領域）に導電体２２が形成される。ただし、変形例では、導電体２２は省略されてもよい。なお、導電体２２は、複数に分割されない形態であるが、導電体２１と同様に分割されてもよい。

ここで、本実施形態では、複数の導電体２１及び導電体２２は、好ましくは、透明である。これにより、窓ガラス１０における複数の導電体２１及び導電体２２が設けられる領域（すなわち窓ガラス１０における指向性制御アレイ２０が設けられる領域）を透明とすることが可能となる。すなわち、複数の導電体２１及び導電体２２は、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０上に設けることができる。このようにして、指向性制御アレイ２０は、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０を利用して成立することができる。

複数の導電体２１及び導電体２２としては、例えば酸化スズドープ酸化インジウム（ＩＴＯ）、酸化スズなどの酸化物からなる導電体やＬｏｗ－Ｅのような多層からなる導電体を使用できる。Ｌｏｗ－Ｅとは、Ｌｏｗ ｅｍｉｓｓｉｖｉｔｙの略であり、導電性の透明酸化膜や、膜厚約１０ｎｍの銀膜を誘電体層で挟み、可視域で低反射率、赤外域で高反射率とした銀多層膜をコートしたものが知られている。複数の導電体２１及び導電体２２の厚さは、特に限定されるものではないが、一例として０．００２ｍｍ～０．０２０ｍｍである。なお、複数の導電体２１及び導電体２２の厚さが０．０２０ｍｍ以下であれば、エッチング等によるパターニングがしやすくなる。導電体２１の導電性は、アレイとしての性能の点で、シート抵抗が、１０Ω／ｓｑ以下であることが好ましく、１Ω／ｓｑ以下であることがより好ましく、０．１Ω／ｓｑ以下であることが最も好ましい。導電体２２の導電性は、性能の点で、シート抵抗が、１０Ω／ｓｑ以下であることが好ましく、１Ω／ｓｑ以下であることがより好ましく、０．１Ω／ｓｑ以下であることが最も好ましい。

複数の導電体２１は、それぞれ、メッシュ状に形成されてもよい。複数の導電体２１のそれぞれをメッシュ状に形成することにより、複数の導電体２１の透視性及び透光性（及びそれに伴い窓ガラス１０における指向性制御アレイ２０が設けられる領域での透視性及び透光性）を高めることができる。

複数の導電体２１のそれぞれがメッシュ状に形成される場合、メッシュの目は方形であってもよく、菱形であってもよい。メッシュの目を方形に形成する場合、メッシュの目は正方形であることが好ましい。メッシュの目が正方形であれば、意匠性が良い。また、自己組織化法によるランダム形状でもよい。ランダム形状にすることでモアレを防ぐことができる。メッシュの線幅は、５～３０μｍが好ましく、６～１５μｍがより好ましい。メッシュの線間隔は、５０～５００μｍが好ましく、１００～３００μｍがより好ましい。

また、導電体２２についても、複数の導電体２１のそれぞれと同様に、メッシュ状に形成されてもよい。

図８Ａは、単位素子７０と配線部９０の一例を示す説明図である。図８Ｂは、単位素子７０のスイッチ回路９４の一例を示す説明図である。図８Ａには、複数の単位素子７０が示される。

単位素子７０は、メタサーフェスの単位素子として機能可能であり、複数の導電体２１ごとに形成される。一の単位素子７０は、一の導電体２１と、当該一の導電体２１に電気的に接続される一のスイッチ回路９４とを含む。複数の単位素子７０は、それぞれが１つずつ導電体２１を含む形で、アレイ状に配列されることで指向性制御アレイ２０を形成する。

単位素子７０のスイッチ回路９４は、任意の態様で実現されてよい。例えば図８Ｂに示す例では、スイッチ回路９４は、ダイオード９４２と、容量性素子９４３とを含む。ダイオード９４２は、カソード側がグランドに電気的に接続され、アノード側が容量性素子９４３を介して導電体２１に電気的に接続される。電源ライン９２は、一端がダイオード９４２と容量性素子９４３の間に電気的に接続される。この場合、ダイオード９４２に電源電圧Ｖ０が印加されると、当該ダイオード９４２を含む単位素子７０（導電体２１及びスイッチ回路９４）がメタサーフェスとして機能する。他方、ダイオード９４２に電圧が印加されない場合は、当該ダイオード９４２を含む単位素子７０（導電体２１及びスイッチ回路９４）は、メタサーフェスとして機能しない。スイッチ回路９４は、このような構成に限られず、例えばトランジスタのような半導体スイッチ素子や、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）スイッチ等を含んでもよい。また、トランジスタの場合、トランジスタは、薄膜デバイスとして導電体２１と一体に形成されてもよい。

なお、以下では、ある一の単位素子７０に電源電圧Ｖ０（又は直流電圧）が印加されるとは、当該一の単位素子７０のダイオード９４２に電源電圧Ｖ０（又は直流電圧）が印加されることを意味する。

配線部９０は、直流電源生成部５３により生成される電源電圧Ｖ０に電気的に接続される。配線部９０は、複数の単位素子７０のうちの、所定の単位素子７０だけに直流電圧が印加できるように形成される。また、配線部９０は、好ましくは、複数の単位素子７０のうちの、直流電圧の印加される単位素子７０のパターンが複数種類存在するように設定される（図９参照）。

具体的には、配線部９０は、グランドライン９１と、電源ライン９２とを含む。電源ライン９２及びグランドライン９１は、対応するスイッチ回路９４を介して、対応する単位素子７０に接続される。グランドライン９１は、グランドに電気的に接続され、電源ライン９２は、電源電圧Ｖ０に電気的に接続される。この場合、ある単位素子７０のスイッチ回路９４に電源電圧Ｖ０を印加すると、当該単位素子７０のスイッチ回路９４のダイオード９４２に、電源電圧Ｖ０が印加されることになる。なお、グランドライン９１は、ビア等により導電体２２に電気的に接続されてもよいし、電源ライン９２と同様の態様で窓ガラス１０上に形成されてもよい。なお、窓ガラス１０上にグランドライン９１及び電源ライン９２を形成する場合、電源ライン９２とグランドライン９１とが交差する領域では、絶縁膜等が設けられてよい。

なお、電源ライン９２は、複数の単位素子７０のそれぞれに対して設けられてもよいが、複数の単位素子７０のうちの、同時に電源電圧Ｖ０が印加される単位素子７０（すなわち、ある一の電圧印加パターンのときに電源電圧Ｖ０を印加される単位素子７０）は、共通の電源ライン９２により電気的に接続されてもよい。

配線部９０の電源ライン９２は、好ましくは、複数の導電体２１と同様、透明である。この場合、電源ライン９２は、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０上に配置されることができる。すなわち、指向性制御アレイ２０に係る配線部９０は、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０を利用して成立することができる。

ここで、図９～図１０Ｄを参照して、電圧印加パターンと指向性制御アレイ２０で実現される指向性（反射角度）との関係について説明する。

図９は、制御用のマップ情報の説明図であり、指示ＩＤと電圧印加パターンとの関係の一例を示す図である。

図９では、指示ＩＤは、指向性指示に含まれる情報であり、電圧印加パターンは、複数の単位素子７０のうちの、直流電圧の印加される単位素子７０のパターンを示す。電圧印加パターンは、指示ＩＤに対応付けられる態様で、指示ＩＤごとに用意される。図９では、指示ＩＤ“０００１”には、電圧印加パターン“パターンＡ”が対応付けられ、指示ＩＤ“０００２”には、電圧印加パターン“パターンＢ”が対応付けられ、といった具合である。なお、電圧印加パターンの数は、指向性制御アレイ２０により実現される指向性の種類の数に対応し、好ましくは、多様な指向性が実現可能なように、２つ以上であってよい。

図１０Ａ及び図１０Ｂは、電圧印加パターンの相違によって実現される指向性制御アレイ２０の反射角度の相違（変化）を示す図であり、図１０Ｃ及び図１０Ｄは、電圧印加パターンの説明図である。図１０Ａ及び図１０Ｂは、窓ガラス１０の断面視で、指向性制御アレイ２０における反射角度を説明する図である。図１０Ｃ及び図１０Ｄには、図８Ａ及び図８Ｂで示した単位素子７０のそれぞれが、１つの矩形単位で非常に模式的に示されている。なお、図１０Ｃ及び図１０Ｄでは、説明の便宜上、複数の単位素子７０は、同じ大きさかつ同じ形状で、同じ間隔で配置されているが、上述のように、複数の導電体２１は、多様に設定されるパラメータに基づいて構成される。

図１０Ｃ及び図１０Ｄでは、複数の単位素子７０のうちの、直流電圧の印加される単位素子７０がハッチングで示される。

ここでは、説明の便宜上、図１０Ｃは、電圧印加パターン“パターンＡ”に対応し、図１０Ａは、電圧印加パターン“パターンＡ”のときの反射角度を表す。また、図１０Ｄは、電圧印加パターン“パターンＢ”に対応し、図１０Ｂは、電圧印加パターン“パターンＢ”のときの反射角度を表す。なお、この場合、“パターンＡ”に対しては、複数の単位素子７０のうちの、図１０Ｃでハッチングされている単位素子７０が、直流電圧の印加対象の単位素子７０として対応付けられる。同様に、“パターンＢ”に対しては、複数の単位素子７０のうちの、図１０Ｄでハッチングされている単位素子７０が、直流電圧の印加対象の単位素子７０として対応付けられる。

図１０Ａ～図１０Ｄの場合、電圧印加パターン“パターンＡ”であるとき、指向性制御アレイ２０に対して入射角度（９０－α）で入射した電波は、図１０Ａに示すように、指向性制御アレイ２０から反射角度（９０－β１）で出力される。また、電圧印加パターン“パターンＢ”であるとき、指向性制御アレイ２０に対して入射角度（９０－α）で入射した電波は、図１０Ｂに示すように、指向性制御アレイ２０から反射角度（９０－β２）で出力される。このとき、β１≠β２である。

このように、指向性制御アレイ２０では、電圧印加パターンを変化させることで、反射角度を変化させることができる。そして、反射角度は、直流電圧が印加される各単位素子７０に係る導電体２１の位相差を調整することで、自由に設計できる。例えば、電圧印加パターン“パターンＡ”に関しては、電圧印加パターン“パターンＡ”のときに直流電圧が印加される各単位素子７０（図１０Ｃでハッチングされている各単位素子７０）に係る導電体２１の位相差を調整することで、反射角度（９０－β１）を所望の値に調整できる。ここで、各単位素子７０に係る導電体２１の位相差は、図６を参照して上述した導電体２１に係る各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、調整できる。このようにして、この種の指向性制御アレイ２０では、メタマテリアルないしメタサーフェスの性質を利用して、各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、反射角度を調整することができる。

なお、同じ入射角度（９０－α）であるときに電圧印加パターンに応じて反射角度が変化するということは、指向性制御アレイ２０から出力される電波の指向性が、電圧印加パターンに応じて変化することを意味する。従って、この種の指向性制御アレイ２０では、各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、電圧印加パターンごとの指向性を調整することができる。そして、電圧印加パターンを変化させることで、動的に指向性を変化させることができる。

次に、図１１を参照して、本実施形態の通信用装置１の動作例（指向性制御アレイ２０の制御例）について説明する。

図１１は、ＭＩＣＯＭ５１により実行される指向性制御処理の一例を示すフローチャートである。ここでは、一例として、電圧印加パターンが“パターンＡ”～“パターンＣ”の３種類だけ用意されているものとする。

ステップＳ１１００では、ＭＩＣＯＭ５１は、外部入力（指向性指示）が受信されたか否かを判定する。外部入力は、任意の外部装置からの入力であってよく、例えばユーザ端末Ｕ１からの入力であってもよい。判定結果が“ＹＥＳ”の場合、ステップＳ１１０２に進み、それ以外の場合は、ステップＳ１１１２に進む。

ステップＳ１１０２では、ＭＩＣＯＭ５１は、指向性指示に含まれる指示ＩＤが“０００１”（図９参照）であるか否かを判定する。すなわち、ＭＩＣＯＭ５１は、“パターンＡ”が指示されているか否かを判定する。判定結果が“ＹＥＳ”の場合、ステップＳ１１０４に進み、それ以外の場合は、ステップＳ１１０６に進む。

ステップＳ１１０４では、ＭＩＣＯＭ５１は、電圧印加パターンを“パターンＡ”に設定する。なお、電圧印加パターンの初期値（デフォルト値）は、例えば“パターンＡ”であってよい。

ステップＳ１１０６では、ＭＩＣＯＭ５１は、指向性指示に含まれる指示ＩＤが“０００２”（図９参照）であるか否かを判定する。すなわち、ＭＩＣＯＭ５１は、“パターンＢ”が指示されているか否かを判定する。判定結果が“ＹＥＳ”の場合、ステップＳ１１０８に進み、それ以外の場合（すなわち“パターンＣ”が指示されている場合）は、ステップＳ１１１０に進む。

ステップＳ１１０８では、ＭＩＣＯＭ５１は、電圧印加パターンを“パターンＢ”に設定する。

ステップＳ１１１０では、ＭＩＣＯＭ５１は、電圧印加パターンを“パターンＣ”に設定する。

ステップＳ１１１２では、ＭＩＣＯＭ５１は、現在の設定された電圧印加パターンに基づいて、複数の単位素子７０に印加する直流電圧を制御する。例えば、現在の設定された電圧印加パターンが“パターンＡ”である場合、ＭＩＣＯＭ５１は、複数の単位素子７０のうちの、“パターンＡ”に対応付けられる単位素子７０に対して、直流電圧を印加する。

このようにして、図１１に示す処理によれば、外部入力（指向性指示）に応じて、電圧印加パターン及びそれに伴い指向性制御アレイ２０の指向性を変化させることができる。従って、例えば、室内でのユーザ端末Ｕ１の位置に応じた外部入力（指向性指示）を入力することで、室内でのユーザ端末Ｕ１の位置に応じた指向性を有するように指向性制御アレイ２０の指向性を調整できる。

なお、上述した実施形態では、外部のユーザ端末Ｕ２が、ユーザ端末Ｕ１と通信する相手側として例示されているが、通信用装置１を利用してユーザ端末Ｕ１と通信可能な対象は、任意である。例えば、通信用装置１を利用してユーザ端末Ｕ１は、各種のサーバと通信することも可能である。なお、外部のユーザ端末Ｕ２（ユーザ端末Ｕ１についても同様）は、任意であり、スマートフォン、タブレット、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、ゲーム機、ウエアラブルデバイス等のような、通信機能を持つ任意の端末であってよい。

以上説明した本実施形態によれば、とりわけ、以下のような優れた効果が奏される。

本実施形態によれば、上述したように、窓ガラス１０を利用して指向性制御アレイ２０を形成できるので、建物ＢＤ等にすでにある窓ガラスを利用でき、窓ガラス１０以外の誘電体の基材を、新たに用意する必要性を無くすことができる。ただし、変形例では、室内等に配置される間仕切り板や壁体の一部を基材として指向性制御アレイ２０を形成してもよい。

ところで、窓ガラス１０のような、透明な基材を利用して指向性制御アレイ２０を形成する場合、窓ガラス１０の本来の機能を可能な限り損なわないように指向性制御アレイ２０を形成することが有用である。例えば、指向性制御アレイ２０を形成する導電体２１等が非透明である場合、窓ガラス１０の本来の機能を比較的大きく損なうおそれがある。

この点、本実施形態によれば、上述したように、透明な導電体２１及び２２が形成されるので、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０に導電体２１及び２２を形成できる。また、配線部９０の電源ライン９２が透明である場合は、窓ガラス１０の可視光の透過率を大きく低下させることなく、窓ガラス１０に配線部９０を形成できる。これにより、窓ガラス１０の本来の機能を損なうことなく、窓ガラス１０を利用して指向性制御アレイ２０を形成できる。

また、本実施形態においては、処理装置５０の一部又は全部を、壁部内等の、可視でない箇所に配置する場合には、指向性制御アレイ２０を制御するための構成に起因した見栄えの悪化を防止できる。例えば、直流電源生成部５３を窓ガラス１０の外側（例えばサッシ７内）に配置し、指向性制御アレイ２０を形成する複数の単位素子７０への直流電圧の印加のための配線部９０と、直流電源生成部５３との間の配線等を、サッシ７を利用して配索することで、見栄えを良好に保ちつつ、窓ガラス１０を利用して指向性制御アレイ２０を形成できる。

また、本実施形態によれば、上述したように、不感地に存在するユーザ端末Ｕ１が外部のユーザ端末Ｕ２と通信可能となるので、不感地の問題を低減できる。周波数が高くなるほど不感地が多くなるので、特に、将来の高速・広帯域通信システムの実現に向けて周波数が高くなると、不感地の問題が顕著となり得る。この点、本実施形態によれば、窓ガラス１０のような既存の物体を利用して、不感地での良好な通信環境を確保できる。

なお、本実施形態では、指向性制御アレイ２０は、室内側のアンテナ部４０から入射される電波に基づいて、室内側に電波を出力するように構成されているが、これに限られない。例えば、アンテナ部４０を室外側に配置し（配置に関して図１３のアンテナ部４０Ｂ参照）、指向性制御アレイ２０Ｂは、室外側のアンテナ部４０から入射される電波に基づいて、室外側に電波を出力するように構成されてもよい。かかる構成は、ユーザ端末Ｕ１が、建物ＢＤの室内ではなく、建物ＢＤの外部、例えば建物ＢＤの前を通る道路（特に不感地内の道路）上に存在する場合等に好適となる。すなわち、通信用装置１は、建物ＢＤの外部の不感地に対しても機能するように構成することもできる。

ところで、指向性制御アレイ２０を設けずに、アンテナ部４０から直接的に室内側に電波を放射する構成（すなわちアンテナ部４０から室内に電波を放射する構成）では、電波法等の関係もあり、室内の広範囲をカバーする態様で電波を放射することが難しい。また、かかる構成では、室内の広範囲をカバーしようとすると、壁などから反射することにより（遅れて入射する電波のためＳ／Ｎ比が劣化して）干渉問題なども発生する。

この点、本実施形態によれば、指向性制御アレイ２０を用いるので、アンテナ部４０から直接的に室内側に電波を放射する構成で生じる上述の不都合を低減できる。また、例えばユーザ端末Ｕ１の位置に応じて指向性制御アレイ２０の指向性を動的に制御することも可能となり、この場合、ビームフォーミングと同様の効果を実現することも可能である。

［実施形態２］
次に、実施形態２について説明する。本実施形態に関しては、上述した実施形態１と同様であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する場合がある。

図１２は、本実施形態の通信用装置１Ａに関連する制御系と、通信用装置１Ａを利用した通信形態を概略的に示す図である。

実施形態２による通信用装置１Ａは、上述した実施形態１による通信用装置１に対して、アンテナ部４０を備えず、指向性制御アレイ２０が指向性制御アレイ２０Ａで置換され、かつ、処理装置５０が処理装置５０Ａで置換された点が異なる。

処理装置５０Ａは、上述した実施形態１による処理装置５０に対して、通信回路部５２が省略される点が異なる。

指向性制御アレイ２０Ａは、反射型（リフレクトアレイ）である。指向性制御アレイ２０Ａは、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０に対して、構成や配置は同じであり、機能だけが異なる。具体的には、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０は、アンテナ部４０とユーザ端末Ｕ１との間での電波の送受に介在するのに対して、指向性制御アレイ２０Ａは、基地局ＢＳとユーザ端末Ｕ１との間での電波の送受に介在する。すなわち、指向性制御アレイ２０Ａは、基地局ＢＳとユーザ端末Ｕ１との間の中継器として機能する。

ただし、本実施形態においては、指向性制御アレイ２０Ａは、窓ガラス１０の室外側に単位素子７０が配置されるように、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０に対して、導電体２１及び導電体２２に関する室内外の配置が逆であってもよい。

実施形態２による通信用装置１Ａは、ユーザ端末Ｕ１が、建物ＢＤの室内ではなく、建物ＢＤの外部、例えば建物ＢＤの前を通る道路（特に不感地内の道路）上に存在する場合等に好適である。

受信の際は、指向性制御アレイ２０Ａは、基地局ＢＳからの電波が入射されると、当該電波に基づいて、反射波を出力する。例えば、基地局ＢＳからは、外部のユーザ端末Ｕ２からの受信データに係る電波が放射される。従って、この場合、ユーザ端末Ｕ１は、指向性制御アレイ２０Ａからの反射波を受信することで、外部のユーザ端末Ｕ２からの受信データを受信できる。

また、送信の際は、指向性制御アレイ２０Ａは、ユーザ端末Ｕ１からの電波が入射されると、当該電波に基づいて、基地局ＢＳに向かう反射波を出力する。例えば、ユーザ端末Ｕ１からは、上述のように、外部のユーザ端末Ｕ２への送信データに係る電波が放射され、指向性制御アレイ２０Ａに入射する。従って、この場合、基地局ＢＳは、指向性制御アレイ２０Ａからの反射波を受信することで、外部のユーザ端末Ｕ２へと送信データを送信できる。

このようにして、本実施形態においても、ユーザ端末Ｕ１は、指向性制御アレイ２０Ａ及び基地局ＢＳを介して、外部のユーザ端末Ｕ２と通信することが可能である。具体的には、窓ガラス１０を利用して形成される指向性制御アレイ２０Ａを利用して、ユーザ端末Ｕ１（本実施形態の場合、建物ＢＤの外部に位置するユーザ端末Ｕ１）と、外部のユーザ端末Ｕ２との間で通信を成立させることができる。このようにして、通信用装置１は、基地局装置として機能でき、ユーザ端末Ｕ１が上述のような不感地に位置する場合でも、外部のユーザ端末Ｕ２との間で通信を成立させることができる。

［実施形態３］
次に、実施形態３について説明する。本実施形態に関しては、上述した実施形態１と同様であってよい構成要素については、同一の参照符号を付して説明を省略する場合がある。

図１３は、本実施形態の通信用装置１Ｂの説明図であり、本実施形態の場合の図２の矢印Ａ１の方向に視た概略図に対応する。

実施形態３による通信用装置１Ｂは、上述した実施形態１による通信用装置１に対して、指向性制御アレイ２０が指向性制御アレイ２０Ｂで置換され、かつ、アンテナ部４０がアンテナ部４０Ｂで置換された点が異なる。

指向性制御アレイ２０Ｂは、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０に対して、反射型ではなく、透過型である点が異なる。すなわち、指向性制御アレイ２０Ｂは、室外側から入射した電波に基づいて、室内側に電波を放射するように構成される。透過型の構成は、反射型と同様、メタマテリアルないしメタサーフェスの性質を利用して、複数の導電体２１に係る各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで構成できる。すなわち、各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、複数の単位素子７０からなるアレイ（裏側に導電体２２が形成されるアレイ）を、反射型にしたり透過型にしたり自由に設計できる。

アンテナ部４０Ｂは、上述した実施形態１によるアンテナ部４０に対して、室外側から指向性制御アレイ２０Ｂに電波を入射させるように配置される点が異なる。アンテナ部４０Ｂは、例えば図１３に示すように、サッシ７の室外側に設けられてもよい。この場合、指向性制御アレイ２０Ｂは、室外側から窓ガラス１０を透過して入射する電波に基づいて、室内側に電波を放射することになる。

図１４Ａ及び図１４Ｂは、窓ガラス１０の断面視で、指向性制御アレイ２０Ｂにおける屈折角度を説明する図である。

指向性制御アレイ２０Ｂは、図１４Ａ及び図１４Ｂに概念的に示すように、室外側から入射する電波の入射角度（９０－α）が同じである場合でも、電圧印加パターンの相違に応じて、屈折角度が異なるように構成される。

具体的には、図１４Ａは、電圧印加パターン“パターンＡ”のときの屈折角度を表し、図１４Ｂは、電圧印加パターン“パターンＢ”のときの屈折角度を表すものとする。この場合、電圧印加パターン“パターンＡ”であるとき、指向性制御アレイ２０Ｂに対して入射角度（９０－α）で入射した電波は、図１４Ａに示すように、指向性制御アレイ２０Ｂから屈折角度（９０－γ１）で出力される。また、電圧印加パターン“パターンＢ”であるとき、指向性制御アレイ２０Ｂに対して入射角度（９０－α）で入射した電波は、図１４Ｂに示すように、指向性制御アレイ２０Ｂから屈折角度（９０－γ２）で出力される。このとき、γ１≠γ２である。

このように、指向性制御アレイ２０Ｂでは、電圧印加パターンを変化させることで、屈折角度を変化させることができる。そして、屈折角度は、直流電圧が印加される各単位素子７０に係る導電体２１の位相差を調整することで、自由に設計できる。例えば、電圧印加パターン“パターンＡ”に関しては、電圧印加パターン“パターンＡ”のときに直流電圧が印加される各単位素子７０（図１０Ｃでハッチングされている各単位素子７０）に係る導電体２１の位相差を調整することで、屈折角度（９０－γ１）を所望の値に調整できる。このようにして、この種の指向性制御アレイ２０Ｂでは、メタマテリアルないしメタサーフェスの性質を利用して、各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、屈折角度を調整することができる。

なお、反射の場合と同様に、同じ入射角度（９０－α）であるときに電圧印加パターンに応じて屈折角度が変化するということは、指向性制御アレイ２０Ｂから出力される電波の指向性が、電圧印加パターンに応じて変化することを意味する。従って、この種の指向性制御アレイ２０Ｂでは、複数の導電体２１に係る各種パラメータｐ１，ｐ２，ｇ１，ｇ２等を調整することで、電圧印加パターンごとの指向性を調整することができる。そして、電圧印加パターンを変化させることで、動的に指向性を変化させることができる。

本実施形態によれば、上述のように、窓ガラス１０を基材として利用して上述した透過型の指向性制御アレイ２０Ｂを形成できるので、上述した実施形態１と同様の効果が奏される。

また、本実施形態による透過型の指向性制御アレイ２０Ｂは、上述した実施形態２の指向性制御アレイ２０Ａに代えて利用されてもよい。この場合、上述した実施形態２は、上述した実施形態１と同様、ユーザ端末Ｕ１が室内に存在する場合に好適となる。

次に、図１６以降を参照して、本願発明者が実施したシミュレーション結果について説明する。ここでは、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０に関するシミュレーション結果について説明するが、他の実施形態に関しても実質的に同様である。

図１６及び図１７は、本シミュレーションで用いたモデルの説明図であり、一の単位素子７０に関連したモデルを示す。本シミュレーションは、図示しないが、単位素子７０は８×８のアレイで配置されたモデルを用いた。また、本シミュレーションでは、８×８のアレイに入射させる電波の周波数（動作周波数）は２８ＧＨｚとし、偏波方向はエレベーション方向で計算した。同アレイにおいて、アジマス方向のピッチ（図６のパラメータｐ２参照）は、０．５λとし、エレベーション方向のピッチ（図６のパラメータｐ１参照）は、０．５λとした。なお、窓ガラス１０に対応する基材の厚みは一定であるが、今回設計した例では厚みが大きいほど以下で説明する効果が得られる電波の周波数帯（帯域幅）を広げることができる。

なお、本シミュレーションでは、図１６及び図１７に示すように、単位素子７０の導電体２１は、ＰＩＮダイオード９４２Ａを介して接地されるモデルとしている。なお、かかる構成は、導電体２１をスルーホール（ビア）６６００を介して導電体２２（図７参照）に電気的に接続することで実現できる。

図１８Ａ～図１８Ｄは、図１８Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。図１８Ａは、アジマス方向のＲＣＳ（Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）の特性（単位ｄＢ ｍ^２、以下同じ）を反射側の角度範囲で示し、図１８Ｂは、エレベーション方向のＲＣＳの特性を反射側の角度範囲で示す。ここでは、図１８Ａにて模式的に示すように、８×８の単位素子７０のアレイには、アジマス方向の基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向（３３０度）から電波を入射させた（図１８Ｃ参照）。また、エレベーション方向では、基準方向（０度の方向）から電波を入射させた。図１８Ａ及び図１８Ｂ（後出の同様の、図１９Ａ、図１９Ｂ等も同様）では、電波の入射波は、矢印Ｒｉで模式的に示され、反射波は、矢印Ｒｒで模式的に示される。なお、図１８Ｃ（図１８Ｄも同様）では、通信用装置１に対する電波の入射方向（図１８Ｄでは、反射方向）が同様の矢印Ｒｉ、Ｒｒで模式的に示される。なお、この場合、通信用装置１は、８×８の単位素子７０のアレイを含む装置全体を表す。なお、これらは、後出の同様の図（図１９Ｃ、図１９Ｄ等）も同様である。

なお、図１８Ｅは、横方向をアジマス方向に対応させ、縦方向をエレベーション方向に対応させたときの、８×８の単位素子７０のアレイにおける各単位素子７０への電圧印加状態を示す。電圧印加状態は、“ＯＮ”と“ＯＦＦ”の２種類であり、“ＯＮ”は、直流電圧が印加された状態を表し、“ＯＦＦ”は、直流電圧が印加されていない状態を表す。“ＯＮ”状態の単位素子における反射位相と“ＯＦＦ”状態の単位素子における反射位相は、およそ１８０°ずれるように設計している。例えば、図１８Ｅの例では、アジマス方向で左から１列目と２列目と５列目と６列目はすべての単位素子７０が“ＯＦＦ”であり、残りのすべての単位素子７０は“ＯＮ”である。なお、このような表記の意味は、後出の図１９Ｅ及び図２０Ｅについても同様である。

図１８Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合、図１８Ａ～図１８Ｄに示すように、アジマス方向では、基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向から電波を入射させると、アジマス方向の基準方向（０度の方向）への反射波が強くなる特性を示すシミュレーション結果が得られた。なお、単純な金属板に対して、アジマス方向で基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向（３３０度）から電波を入射させると、基準方向（０度の方向）に対して３０度をなす方向（３０度）への反射が強くなる特性（図示せず）が得られる。このことから、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０によれば、単純な金属板では得られない反射特性を実現できることがわかる。

図１９Ａ～図１９Ｄは、図１９Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。図１９Ａは、アジマス方向のＲＣＳの特性を反射側の角度範囲で示し、図１９Ｂは、エレベーション方向のＲＣＳの特性を反射側の角度範囲で示す。ここでは、図１９Ａにて模式的に示すように、８×８の単位素子７０のアレイには、図１８Ａ～図１８Ｅに係るシミュレーションの場合と同様に、アジマス方向の基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向（３３０度）から電波を入射させた（図１９Ｃ参照）。また、エレベーション方向では、基準方向（０度の方向）から電波を入射させた。なお、図１９Ｃ（図１９Ｄも同様）では、８×８の単位素子７０のアレイを含む通信用装置１に対する電波の入射方向（図１９Ｄでは、反射方向）が模式的に示される。

図１９Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合、図１９Ａ～図１９Ｄに示すように、アジマス方向では、基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向から電波を入射させると、アジマス方向の基準方向に対して２０度をなす方向（２０度の方向）への反射が強くなる特性を示すシミュレーション結果が得られた。このことから、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０によれば、単純な金属板では得られない反射特性を実現できることがわかる。

また、図１９Ａ～図１９Ｅに係るシミュレーションは、図１８Ａ～図１８Ｅに係るシミュレーションに対して、図１８Ｅ及び図１９Ｅを対比してわかるように、電圧印加パターンが異なる。そして、他の条件は同じである。従って、電圧印加パターンを変化させることで、反射角（反射方向）を変化させることができることがわかる。

図２０Ａ～図２０Ｄは、図２０Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合のシミュレーション結果を示す図である。図２０Ａは、アジマス方向のＲＣＳの特性を反射側の角度範囲で示し、図２０Ｂは、エレベーション方向のＲＣＳの特性を反射側の角度範囲で示す。ここでは、図２０Ａにて模式的に示すように、８×８の単位素子７０のアレイには、図１８Ａ～図１８Ｅに係るシミュレーションの場合と同様に、アジマス方向の基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向（３３０度）から電波を入射させた（図２０Ｃ参照）。また、エレベーション方向では、基準方向（０度の方向）から電波を入射させた。なお、図２０Ｃ（図２０Ｄも同様）では、８×８の単位素子７０のアレイを含む通信用装置１に対する電波の入射方向（図２０Ｄでは、反射方向）が模式的に示される。

図２０Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合、図２０Ａ～図２０Ｄに示すように、アジマス方向では、基準方向（０度の方向）に対して－３０度をなす方向から電波を入射させると、アジマス方向で比較的広い角度範囲わたり反射が均一化される特性を示すシミュレーション結果が得られた。このことから、上述した実施形態１による指向性制御アレイ２０によれば、単純な金属板では得られない反射特性を実現できることがわかる。

また、図２０Ａ～図２０Ｅに係るシミュレーションは、図１８Ａ～図１８Ｅに係るシミュレーションや図１９Ａ～図１９Ｅに係るシミュレーションに対して、図１８Ｅ、図１９Ｅ、及び図２０Ｅを対比してわかるように、電圧印加パターンが異なる。そして、他の条件は同じである。従って、電圧印加パターンを変化させることで、反射角（反射方向）を変化させるのみならず、指向性（及びそれに伴いカバレッジ）を変化させることができることがわかる。すなわち、図２０Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合、図１８Ｅや図１９Ｅに示す電圧印加パターンを適用した場合に比べて、カバレッジを拡張できる。

このような、カバレッジを拡張できる電圧印加パターンは、比較的高い周波数を扱う通信に好適である。これは、周波数が高くなるにつれて、反射や回折による伝搬損失が大きくなり、このような不感地が発生しやすくなるためである。例えば、図２１に示すように、障害物２１００により不感地が生じやすい環境下では、窓ガラス１０への電波の伝播経路が制限されているものの、窓ガラス１０には、障害物２１００の間を通って電波が入射する（図２１の矢印Ｒｉ参照）。このような環境下では、カバレッジを拡張できる電圧印加パターンを適用すると、図２１に反射波を波面Ｒｒで模式的に示すように、通信用装置１から不感地に向けて等方的に反射波を形成できる。これにより、障害物２１００に起因して生じうる不感地を効果的に低減できる。

以上、各実施形態について詳述したが、特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された範囲内において、種々の変形及び変更が可能である。また、前述した実施形態の構成要素を全部又は複数を組み合わせることも可能である。

例えば、上述した各実施形態では、指向性制御アレイ２０、２０Ａ、及び２０Ｂは、窓ガラス１０を基材として形成されているが、これに限られない。例えば、指向性制御アレイ２０、２０Ａ、及び２０Ｂは、ガラスや樹脂等の透明な板材を基材として形成され、任意の場所に配置されてもよい。例えば、図１５に模式的に示すように、基材１０Ａを利用して指向性制御アレイ２０を形成し、当該基材１０Ａが、部屋の壁１５０に取付けられてもよい。この場合も、当該部屋が不感地である場合でも、室内のユーザ端末Ｕ１は、外部のユーザ端末Ｕ２との間で同様に通信を行うことができる。なお、図１５に示す例では、壁１５０に取付けられているが、ディスプレイのような他の表面に取り付けられてもよいし、自動車や航空機、鉄道、船舶等のような移動体に取り付けられてもよい。

また、指向性制御アレイ２０、２０Ａ、及び２０Ｂは、透明なフィルムを基材として形成されてもよい。この場合、透明なフィルムは、フレキシブルなフィルム状の誘電体シート（例えばフッ素系樹脂のシート）であってもよい。例えば透明なフィルムは、フッ素系の低損失の接着層を含み、当該接着層を利用して窓ガラス１０に接着されてよいし、他の箇所に貼り付けられてもよい。

また、上述した実施形態では、指向性指示は、ユーザ端末Ｕ１の位置に無関係に外部から入力されるが、これに限られない。例えば、ユーザ端末Ｕ１の位置（例えば室内カメラ等により検出）に応じて、当該位置での通信環境が良好となるように指向性指示が生成されてもよい。この場合、当該指向性指示が処理装置５０に外部入力として入力されることで、指向性制御アレイ２０、２０Ａ、及び２０Ｂの指向性が自動的に制御されることになる。

１、１Ａ、１Ｂ 通信用装置
７ サッシ
１０ 窓ガラス
１０Ａ 基材
２０、２０Ａ、２０Ｂ 指向性制御アレイ
２１ 導電体
２２ 導電体
３０ プリント基板
４０、４０Ｂ アンテナ部
５０、５０Ａ 処理装置
５１ ＭＩＣＯＭ
５２ 通信回路部
５３ 直流電源生成部
９０ 配線部
９１ グランドライン
９２ 電源ライン
１５０ 壁
５２１ 通信インターフェース
５２２ ベースバンド回路部
５２３ ＲＦ回路部
なお、２０１９年３月１５日に出願された日本特許出願第２０１９－０４８４１９号の明細書、特許請求の範囲、図面及び要約書の全内容をここに引用し、本発明の明細書の開示として、取り入れるものである。

Claims (9)

1. 基材と、
   前記基材上に、所定の２次元パターンからなる複数の単位素子を有する指向性制御アレイと、直流電源に電気的に接続され、前記複数の単位素子のそれぞれに直流電圧を印加するための配線部と、を有し、
   前記複数の単位素子に印加する直流電圧を制御する制御部を更に備え、
   前記基材は、窓ガラス又は窓ガラスに貼り付けられるフィルムであり、
   前記複数の単位素子に対して電波を放射するアンテナ部を更に備え、
   前記アンテナ部は、前記窓ガラスの枠体としてのサッシ上、又は前記窓ガラス上に設けられる、無線通信用装置。
2. 前記制御部は、複数の電圧印加パターンのうちの選択した一の電圧印加パターンで、前記複数の単位素子に前記直流電圧を印加し、
   前記複数の電圧印加パターンは、
   前記複数の単位素子に第１の入射態様で入射する電波に基づいて前記指向性制御アレイから第１方向に電波を出力させる第１の電圧印加パターンと、
   前記複数の単位素子に前記第１の入射態様で入射する電波に基づいて前記指向性制御アレイから前記第１方向とは異なる第２方向に電波を出力させる第２の電圧印加パターンとを含む、請求項１に記載の無線通信用装置。
3. 前記制御部は、複数の電圧印加パターンのうちの選択した一の電圧印加パターンで、前記複数の単位素子に前記直流電圧を印加し、
   前記複数の電圧印加パターンは、
   前記複数の単位素子に第１の入射態様で入射する電波に基づいて前記指向性制御アレイから第１の指向性で電波を出力させる第１の電圧印加パターンと、
   前記複数の単位素子に前記第１の入射態様で入射する電波に基づいて前記指向性制御アレイから前記第１の指向性とは異なる第２の指向性で電波を出力させる第２の電圧印加パターンとを含む、請求項１に記載の無線通信用装置。
4. 前記制御部は、前記第１の電圧印加パターン及び前記第２の電圧印加パターンの少なくともいずれか一方を前記一の電圧印加パターンとして選択する、請求項２又は３に記載の無線通信用装置。
5. 前記制御部は、前記基材上に設けられる、請求項１に記載の無線通信用装置。
6. 外部電源から前記直流電源を生成する電源生成部を更に含み、
   前記電源生成部は、前記基材上に設けられる、請求項５に記載の無線通信用装置。
7. 前記基材は、窓ガラス又は窓ガラスに貼り付けられるフィルムである、請求項１～６のうちのいずれか１項に記載の無線通信用装置。
8. 前記複数の単位素子に対して電波を放射するアンテナ部を更に備える、請求項１～７のうちのいずれか１項に記載の無線通信用装置。
9. 前記単位素子は、前記所定の２次元パターンで形成された複数の導電体を含み、
   前記基材における前記複数の導電体が設けられる領域は、前記複数の導電体が設けられた状態で、可視光の透過率が５０％以上である、請求項１～８のうちのいずれか１項に記載の無線通信用装置。

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