JP7339207B2

JP7339207B2 - メタサーフェス反射板アレイ

Info

Publication number: JP7339207B2
Application number: JP2020076304A
Authority: JP
Inventors: 宏己松野
Original assignee: KDDI Corp
Current assignee: KDDI Corp
Priority date: 2020-04-22
Filing date: 2020-04-22
Publication date: 2023-09-05
Anticipated expiration: 2040-04-22
Also published as: JP2021175054A

Description

本発明は、２枚以上のメタサーフェス反射板を並べて構成されるメタサーフェス反射板アレイに関する。

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

上記の技術を用いることにより、所望の方向に電波を反射させることができる。しかしながら、例えば他の通信機器との間の干渉を避けるため、所望の方向に電波を反射させつつも、別の方向に電波が反射することを抑制することも求められている。

本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、電波を反射させる方向と反射電波を抑制する方向とを制御する反射板を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、Ｎ枚（Ｎは２以上の整数）のメタサーフェス反射板を並べて構成されるメタサーフェス反射板アレイである。このメタサーフェス反射板アレイにおいて、前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板はそれぞれ、波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の電波強度の方向特性が同一であり、互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板が反射する電波の位相差が、０とは異なる所定の値φである。

前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板は、いずれも波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）となり、互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板の距離を距離ｌ、前記メタサーフェス反射板アレイ全体としての反射電波の反射角θ方向の電波強度をＡ（θ）、θ_ｄ及びθ_ｕを異なる角度としたとき、距離ｌ及び位相差φは、所定のε_ｄについて、

の条件の下で、

を最小化するものであってもよい。

前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板はそれぞれ、波長λの電波を所定の入射角で入射した
ときの反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）となり、互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板の距離を距離ｌ、前記メタサーフェス反射板アレイ全体としての反射電波の反射角θ方向の電波強度をＡ（θ）、θ_ｄ及びθ_ｕを異なる角度としたとき、距離ｌ及び位相差φは、所定のε_ｕについて、

の条件の下で、

を最大化するものであってもよい。

前記メタサーフェス反射板アレイは２枚のメタサーフェス反射板を並べて構成されており、前記２枚のメタサーフェス反射板それぞれの反射電波の位相差φは１８０度であってもよい。

本発明によれば、電波を反射させる方向と反射電波を抑制する方向とを制御する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。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。実施の形態に係るメタサーフェス反射板アレイを説明するための図である。メタサーフェス反射板アレイにおけるメタサーフェス反射板の配置の仕方を説明するための図である実施の形態に係るメタサーフェス反射板及びメタサーフェス反射板アレイの反射電波の方向特性の一例を示す模式図である。

＜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すべ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_ｍ（ｍ＝１，・・・，８）としたとき、図１に示す例ではφ_ｍ＝Δφ（ｍ－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Ｍは、Ｍ＝８となる。素子間隔ｄをｄ＝λ／Ｍとし、ｎ番目の反射素子３における反射波ｒの位相をφ_ｍ＝Δφ（ｍ－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Ｍを決める。このとき、素子間隔ｄは、ｄ＝λ／Ｍ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度以下となるためグレーディングも抑制することができる。

図２は、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２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。

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。

＜実施の形態＞
一般に、所定の方向にのみ電波を反射させ、それ以外の方向には一切電波を反射させないというメタサーフェス反射板１を設計することは難しく、強度に差はあるものの種々の方向に電波を反射させてしまう。例えば、図２において、第１メタサーフェス反射板１ａが反射させる電波は、第３反射波ｒｃの方向にも電波を反射させてしまう。仮に、第３反射波ｒｃの方向に他の基地局等がカバーすべきエリアが存在すると、第３反射波ｒｃは干渉の原因となりかねない。

そこで、実施の形態に係るメタサーフェス反射板アレイは、Ｎ枚のメタサーフェス反射板１を並べて１枚の反射板を構成することにより、電波を反射させる方向と、反射電波が少ない方向とを制御する。以下、その方法について具体的に説明する。

図３（ａ）－（ｂ）は、実施の形態に係るメタサーフェス反射板アレイ１００を説明するための図である。具体的には、図３（ａ）はメタサーフェス反射板１の外観を模式的に示す図であり、図３（ｂ）はメタサーフェス反射板アレイ１００の外観を模式的に示す図である。

煩雑となることを防ぐためにすべての反射素子３に符号は付していないが、図３（ａ）において十字形又は矩形の部材は反射素子３である。メタサーフェス反射板１は、Ｎ枚の反射素子３を同一平面上に並べて構成されている。煩雑となることを防ぐためにすべてのメタサーフェス反射板１に符号は付していないが、図３（ｂ）に示すように、実施の形態に係るメタサーフェス反射板アレイ１００は複数のメタサーフェス反射板１を並べて構成されている。

メタサーフェス反射板アレイを構成しているＮ枚のメタサーフェス反射板１は、それぞれ式（１）に基づいて作成されている。具体的には、各メタサーフェス反射板１は、波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の電波強度の方向特性が同一であり、入射角θ_ｉで入射した電波を、反射角θ_ｒの方向に最も強い反射波ｒが反射される。

さらに具体的には、メタサーフェス反射板アレイ１００を構成するＮ枚のメタサーフェス反射板１は、いずれも波長λの電波を所定の入射角θ_ｉで入射したときの反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）となる。

図４は、メタサーフェス反射板アレイにおけるメタサーフェス反射板１の配置の仕方を説明するための図である。図４に示すように、互いに隣り合う２つのメタサーフェス反射板１の距離をｌとする。具体的には、距離ｌは、互いに隣り合う２つのメタサーフェス反射板１の距離ｌ１と、メタサーフェス反射板１を並べた方向と同じ方向のメタサーフェス反射板の長さｌ２とを加算した距離である。このとき、反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）であるメタサーフェス反射板１を並べた場合の、メタサーフェス反射板アレイ１００全体としての反射電波の反射角θ方向の電波強度をＡ（θ）は、以下の式（２）で表されることが知られている。

式（２）において、ｊは虚数単位、Ｇ_ｉ（θ）は、Ｎ枚のメタサーフェス反射板１のうちｉ番目（ｉ＝１，・・・，Ｎ）のメタサーフェス反射板１の反射電波の電波強度であり、計測によって取得できる。また、φ_ｉは互いに隣り合う２つのメタサーフェス反射板１の反射電波が最大となる方向の差である位相差である。ただし、位相差φ_ｉは、０とは異なる所定の値である。

なお、式（２）において、Ｇ（θ）＝１、すなわち、反射電波の強度がθによらず一定の場合、メタサーフェス反射板アレイの反射電波の強度が最も高くなる方向θ_０は、以下の式（３）となる。

上述したように、メタサーフェス反射板アレイに要求される性能は、所望の方向に電波を反射させつつも、別の方向に電波が反射することを抑制することである。言い換えると、θ_ｄ及びθ_ｕを異なる角度としたとき、所望方向にθ_ｄに向かう電波の電波強度を所定の値ε_ｄ以上としつつ、干渉方向θ_ｕに向かう電波の電波強度を最小とすることで実現できる。具体的には、

という条件の下で、

を最小化する距離ｌ及び位相差φを求める。距離ｌ及び位相差φは、既知の最適化手法やシミュレーションによって算出できる。これにより、メタサーフェス反射板アレイは、所望の方向に電波を反射させつつも、別の方向に電波が反射することを抑制することができる。

上記の方法は、電波を反射させるべき方向θ_ｄに向かう電波の強度を確保したうえで、干渉方向θ_ｕに向かう電波の電波強度を最小とするものであり、いわば、カバレッジホールの解消に重きを置いたものである。これに対し、干渉電波の抑制に重きを置くべき場合もあり得る。

これを実現するには、θ_ｄ及びθ_ｕを異なる角度としたとき、干渉方向θ_ｕに向かう電波の電波強度が所定の値ε_ｕとしつつ、所望の方向θ_ｄに向かう電波の電波強度を最大化すればよい。具体的には、

という条件の下で、

を最大化する距離ｌ及び位相差φを求める。距離ｌ及び位相差φは、既知の最適化手法やシミュレーションによって算出できる。これにより、メタサーフェス反射板アレイは、所望の方向に電波を反射させつつも、別の方向に電波が反射することを抑制することができる。

図５（ａ）－（ｃ）は、実施の形態に係るメタサーフェス反射板１及びメタサーフェス反射板アレイの反射電波の方向特性の一例を示す模式図である。より具体的には、正面から入射した電波を４５度方向に反射する特性を持ったメタサーフェス反射板１を２枚配置して作成されたメタサーフェス反射板アレイの反射電波の方向特性を説明するための図である。

図５（ａ）では、反射電波の方向を定めるための座標系を示す図である。図５（ａ）において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸からなる３次元座標系におけるＺＸ平面に、メタサーフェス反射板１が配置されている。ここで、平面Ｐは、Ｚ軸を回転軸としてＺＹ平面を時計回りに４５度回転した平面である。メタサーフェス反射板１は、正面から入射した電波を４５度方向に反射する特性を持っているので、Ｙ軸に沿ってメタサーフェス反射板１に電波を入射すると、反射電波は平面Ｐ上で最大の強度となる。

図５（ｂ）は、平面Ｐにおける反射電波の強度を示す図である。メタサーフェス反射板１に正面から入射した電波は平面Ｐ上に強度を持っていることが示されている。

図５（ｃ）は、図５（ａ）に示すメタサーフェス反射板１のＺ軸方向に、メタサーフェス反射板１が反射する電波と比較して位相が１８０度ずれた電波を反射させるメタサーフェス反射板１を配置して生成されたメタサーフェス反射板アレイ１００の反射電波の方向特性を示す図である。メタサーフェス反射板１を構成する２枚のメタサーフェス反射板１は、いずれも正面から入射した電波を４５度方向に反射する特性を持っているが、反射電波の位相差が１８０度である。

図５（ｃ）に示すように、メタサーフェス反射板アレイの反射電波は、９０度の方向（すなわち、図５（ａ）におけるＸＹ平面と平面Ｐとの交線の方向）の反射電波の強度が、メタサーフェス反射板１単体の場合と比較して弱まっている。その代わり、図５（ｃ）に示しように、メタサーフェス反射板アレイは、Ｚ軸の正及び負の方向に向かう反射電波の強度がメタサーフェス反射板１単体の場合と比較して強まっている。

図５（ａ）－（ｃ）は一例であるが、このように、反射電波の強度の方向特性が同じで、反射電波の位相が異なるメタサーフェス反射板１を組み合わせて配置してメタサーフェス反射板アレイ１００を生成することにより、反射電波が強まる方向と弱まる方向とを制御することができる。

＜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アレイ１００によれば、電波を反射させる方向と反射電波を抑制する方向とを制御することができる。

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
１００・・・メタサーフェス反射板アレイ

Claims

Ｎ枚（Ｎは２以上の整数）のメタサーフェス反射板を並べて構成されるメタサーフェス反射板アレイであって、
前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板はそれぞれ、波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の電波強度の方向特性が同一であり、
互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板が反射する電波の位相差がが、０とは異なる所定の値φであり、
前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板は、いずれも波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）となり、
互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板の距離を距離ｌ、前記メタサーフェス反射板アレイ全体としての反射電波の反射角θ方向の電波強度をＡ（θ）、θ _ｄ及びθ _ｕを異なる角度としたとき、距離ｄ及び位相差φは、所定のε _ｄについて、

の条件の下で、

を最小化する、
メタサーフェス反射板アレイ。
Ｎ枚（Ｎは２以上の整数）のメタサーフェス反射板を並べて構成されるメタサーフェス反射板アレイであって、
前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板はそれぞれ、波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の電波強度の方向特性が同一であり、
互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板が反射する電波の位相差がが、０とは異なる所定の値φであり、
前記Ｎ枚のメタサーフェス反射板はそれぞれ、波長λの電波を所定の入射角で入射したときの反射電波の反射角θ方向の電波強度がＧ（θ）となり、
互いに隣り合う２つの前記メタサーフェス反射板の距離を距離ｌ、前記メタサーフェス反射板アレイ全体としての反射電波の反射角θ方向の電波強度をＡ（θ）、θ _ｄ及びθ _ｕを異なる角度としたとき、距離ｄ及び位相差φは、所定のε _ｕについて、

の条件の下で、

を最大化する、
メタサーフェス反射板アレイ。
前記メタサーフェス反射板アレイは２枚のメタサーフェス反射板を並べて構成されており、前記２枚のメタサーフェス反射板のうちの一方のメタサーフェス反射板が反射する電波は、他方のメタサーフェス反射板が反射する電波と比較して位相が１８０度ずれている、
請求項１又は２に記載のメタサーフェス反射板アレイ。