JP7566643B2 - リフレクトアレー、リフレクトアレーの設計方法、および、リフレクトアレーシステム - Google Patents
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Description
本発明は、リフレクトアレー、リフレクトアレーの設計方法、および、リフレクトアレーシステムに関する。
通信において、５Ｇなどの通信規格では、用いられる周波数が高くなるため、４Ｇに比べ電波の直進性がますます高くなる。このため、今後は、基地局から端末までの間に障害物が存在する場合などに、電波が障害物の背後などに回り込みにくくなる。
これを解決する手段として、基地局と端末との間に反射板を配置することが考えられる（非特許文献１）。
開口寸法を無視できないアンテナは、遠方界領域（遠方領域）での利用を前提とし、通常はこの遠方界条件で設計が行われている。なお、一般に遠方界領域と近傍界領域（近傍領域）を分ける遠方界条件は、反射板の寸法をＤ、反射される電磁波の波長をλとして、２×D×D／λで定義される距離であり、遠方界領域は、アンテナから２×D×D／λ以上離れた領域を示す。
反射板の利得は、反射板の面積と反射指向性のビーム幅、損失で決まる。反射指向性のビーム幅は、エリアの広さに合わせて設計する必要がある。また、反射板の必要利得は、基地局と反射板の距離および反射板と端末の距離により選ぶ必要がある。
このように、反射板において必要とされる利得と反射指向性は、基地局と反射板と端末の距離、および、対象とするエリアの広さで決める必要があるが、一般的な反射板は面積が決まるとビーム幅が決まってしまう。
また、反射板には、入射波の角度、反射波の角度、ビーム幅、必要利得の４つのパラメータがあり、従来の設計方法では莫大な種類の反射板が必要になる。
これを解決する手段として、基地局と端末との間に反射板を配置することが考えられる（非特許文献１）。
開口寸法を無視できないアンテナは、遠方界領域（遠方領域）での利用を前提とし、通常はこの遠方界条件で設計が行われている。なお、一般に遠方界領域と近傍界領域（近傍領域）を分ける遠方界条件は、反射板の寸法をＤ、反射される電磁波の波長をλとして、２×D×D／λで定義される距離であり、遠方界領域は、アンテナから２×D×D／λ以上離れた領域を示す。
反射板の利得は、反射板の面積と反射指向性のビーム幅、損失で決まる。反射指向性のビーム幅は、エリアの広さに合わせて設計する必要がある。また、反射板の必要利得は、基地局と反射板の距離および反射板と端末の距離により選ぶ必要がある。
このように、反射板において必要とされる利得と反射指向性は、基地局と反射板と端末の距離、および、対象とするエリアの広さで決める必要があるが、一般的な反射板は面積が決まるとビーム幅が決まってしまう。
また、反射板には、入射波の角度、反射波の角度、ビーム幅、必要利得の４つのパラメータがあり、従来の設計方法では莫大な種類の反射板が必要になる。
T. Hongnara et al., "Dual-Polarized Reflective Metasurface Based on Cross-Shaped Resonator for 5G Wireless Communication Systems at 28 GHz," 2019 International Symposium on Antennas and Propagation (ISAP), Xi’an, China, 2019, pp. 1-2
従来、高利得時の指向性調整が難しく、特に、遠方界での使用では、反射板を高利得にすると、反射される電波が届く対象エリアが狭窄化する。
設計時には、 リフレクトアレー反射板は、第一にエリアの広さに合わせてビーム幅を決め、第二に距離から必要利得を決め面積を決め、第三に決めた面積で所望のビーム幅となるように反射板を設計する。エリアの広さや送受信・反射板の距離により様々な反射板の設計パラメータが必要になりコスト高となる。
従来の反射板は、面積が決まるとビーム幅が決まってしまうので、必要な利得と必要なビーム幅の双方を満たすことは難しい。この問題を解決するためには、リフレクトアレーの技術を用い、反射板表面の反射位相をコントロールしビーム幅を設計することが考えられる。
そこで、本発明は、高利得時の鋭利な指向性により通信領域が狭くなるという問題を解決し、反射角を広角とすることを課題とする。
また、本発明は、マルチビーム化による反射波の高利得化と広ビーム化の両立を課題とする。
さらに、本発明は、反射板開口寸法から算出される近傍界領域でのエリア設計による、広角な指向性の提供を課題とする。
これに加えて、エリアの広さや送受信・反射板の距離により様々な反射板の設計パラメータが必要になりコスト高となるという問題を解決することを課題とする。
設計時には、 リフレクトアレー反射板は、第一にエリアの広さに合わせてビーム幅を決め、第二に距離から必要利得を決め面積を決め、第三に決めた面積で所望のビーム幅となるように反射板を設計する。エリアの広さや送受信・反射板の距離により様々な反射板の設計パラメータが必要になりコスト高となる。
従来の反射板は、面積が決まるとビーム幅が決まってしまうので、必要な利得と必要なビーム幅の双方を満たすことは難しい。この問題を解決するためには、リフレクトアレーの技術を用い、反射板表面の反射位相をコントロールしビーム幅を設計することが考えられる。
そこで、本発明は、高利得時の鋭利な指向性により通信領域が狭くなるという問題を解決し、反射角を広角とすることを課題とする。
また、本発明は、マルチビーム化による反射波の高利得化と広ビーム化の両立を課題とする。
さらに、本発明は、反射板開口寸法から算出される近傍界領域でのエリア設計による、広角な指向性の提供を課題とする。
これに加えて、エリアの広さや送受信・反射板の距離により様々な反射板の設計パラメータが必要になりコスト高となるという問題を解決することを課題とする。
必要利得を満たし、反射位相が少しずつ異なり、反射方向が少しずつ異なる狭ビームの反射板を複数用意し、必要なビーム幅が確保されるように、複数枚配置する。
本構成により、反射板の種類を削減できる。
本発明の請求項１に係るリフレクトアレーの設計方法は、
リフレクトアレーは、通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するものであり、
前記基地局と前記リフレクトレーとの距離情報、および、前記リフレクトアレーと前記受信領域との距離情報を含む、必要な利得を定める利得設定ステップ、
前記受信領域をカバーする、必要なビーム幅を定める幅設定ステップ、
反射方向が互いに異なる複数の反射板を用意する準備ステップ、および、
前記設定ステップおよび前記準備ステップの後に行われ、複数の前記反射板により形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすように、複数の前記反射板を配置する配置ステップ、を有することを特徴とする、リフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項２に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記準備ステップにおいて、
反射方向が互いに異なる複数の前記反射板は同一のセルを有し、
反射方向が互いに異なる前記反射板ごとに異なる間隔で配置された同一のセルを有することを特徴とする、請求項１に記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項３に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記配置ステップにおいて、
反射方向が略一定角度ずつ異なる３以上の前記反射板を配置することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項４に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記幅設定ステップは、受信領域を複数の区分領域に分割し、反射板と対応づける、区分設定ステップを有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本設計方法により区分領域ごとに独立して設計でき、全体の設計がさらに容易となる。
本発明の請求項５に係るリフレクトアレーは、
通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するものであり、
複数の反射板を有し、
前記反射板は所定の間隔で配置された同一のセルを有し、
複数の前記反射板のうち少なくとも２つは互いに異なる間隔で配置された同一のセルを有し、かつ、異なる反射角を有し、
異なる反射角により受信領域を構成することを特徴とする、リフレクトアレーである。
本発明の請求項６に係るリフレクトアレーは、
略一定角度ずつ異なる反射角を有する３以上の前記反射板により受信領域を構成することを特徴とする、請求項４に記載のリフレクトアレーである。
本発明の請求項７に係るリフレクトアレーは、
請求項１ないし４のいずれかの設計方法により設計されたリフレクトアレーである。
本発明の請求項８に係るリフレクトアレーは、
反射板上において反射される電波の反射方向が、反射板の位置により互いに３０°以上異なる２点を有することを特徴とする、請求項７に記載のリフレクトアレーである。
本構成により、近傍界で電波が３０°以上の広角に反射されるため、利得を低下することなく、広角指向性を実現できる。
本発明の請求項９に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、複数枚が離散的に配置されていることを特徴とする、請求項７または８のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、大きな反射板の代わりに複数枚の反射板により広角指向性を実現できる。
本発明の請求項１０に係るリフレクトアレーは、
前記反射板はメタサーフェスであることを特徴とする、請求項７ないし９のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
メタサーフェスにより所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
本発明の請求項１１に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は略一平面上に設置されることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
リフレクトアレー全体として略一平面上に配置することができる。
本発明の請求項１２に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は金属反射板を含むことを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
反射板はリフレクトアレーだけでなく、金属反射板でも構わない。よりコストの低い金属反射板を用いることにより、製造も含めてコストを低減できる。
本発明の請求項１３に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、ガラス貼り付け用の透過型であることを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、室内のガラス窓などを利用して広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１４に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、建材貼り付け等の壁材フェイク型、または、看板フェイク型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、街中などにおいて広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１５に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、カバー内取り付け型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、カバーの内側など様々な場所において広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１６に係るリフレクトアレーシステムは、
請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーを複数枚有したリフレクトアレーシステムであって、各リフレクトアレーに用いられる平均の反射板の数をＭとして、全てのＮ枚のリフレクトアレーが有する反射板の種類は全体で（Ｍ×Ｎ／５）種類以下であることを特徴とする、リフレクトアレーシステムである。
通常、M＊Nの反射板の設計が必要であるところ、５分の１以下の反射板で設計するため、コストを削減できる。さらに、予め設計した反射板を組み合わせて用いることになるため、設計コストも著しく削減できる。
本構成により、反射板の種類を削減できる。
本発明の請求項１に係るリフレクトアレーの設計方法は、
リフレクトアレーは、通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するものであり、
前記基地局と前記リフレクトレーとの距離情報、および、前記リフレクトアレーと前記受信領域との距離情報を含む、必要な利得を定める利得設定ステップ、
前記受信領域をカバーする、必要なビーム幅を定める幅設定ステップ、
反射方向が互いに異なる複数の反射板を用意する準備ステップ、および、
前記設定ステップおよび前記準備ステップの後に行われ、複数の前記反射板により形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすように、複数の前記反射板を配置する配置ステップ、を有することを特徴とする、リフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項２に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記準備ステップにおいて、
反射方向が互いに異なる複数の前記反射板は同一のセルを有し、
反射方向が互いに異なる前記反射板ごとに異なる間隔で配置された同一のセルを有することを特徴とする、請求項１に記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項３に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記配置ステップにおいて、
反射方向が略一定角度ずつ異なる３以上の前記反射板を配置することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本発明の請求項４に係るリフレクトアレーの設計方法は、
前記幅設定ステップは、受信領域を複数の区分領域に分割し、反射板と対応づける、区分設定ステップを有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法である。
本設計方法により区分領域ごとに独立して設計でき、全体の設計がさらに容易となる。
本発明の請求項５に係るリフレクトアレーは、
通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するものであり、
複数の反射板を有し、
前記反射板は所定の間隔で配置された同一のセルを有し、
複数の前記反射板のうち少なくとも２つは互いに異なる間隔で配置された同一のセルを有し、かつ、異なる反射角を有し、
異なる反射角により受信領域を構成することを特徴とする、リフレクトアレーである。
本発明の請求項６に係るリフレクトアレーは、
略一定角度ずつ異なる反射角を有する３以上の前記反射板により受信領域を構成することを特徴とする、請求項４に記載のリフレクトアレーである。
本発明の請求項７に係るリフレクトアレーは、
請求項１ないし４のいずれかの設計方法により設計されたリフレクトアレーである。
本発明の請求項８に係るリフレクトアレーは、
反射板上において反射される電波の反射方向が、反射板の位置により互いに３０°以上異なる２点を有することを特徴とする、請求項７に記載のリフレクトアレーである。
本構成により、近傍界で電波が３０°以上の広角に反射されるため、利得を低下することなく、広角指向性を実現できる。
本発明の請求項９に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、複数枚が離散的に配置されていることを特徴とする、請求項７または８のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、大きな反射板の代わりに複数枚の反射板により広角指向性を実現できる。
本発明の請求項１０に係るリフレクトアレーは、
前記反射板はメタサーフェスであることを特徴とする、請求項７ないし９のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
メタサーフェスにより所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
本発明の請求項１１に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は略一平面上に設置されることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
リフレクトアレー全体として略一平面上に配置することができる。
本発明の請求項１２に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は金属反射板を含むことを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
反射板はリフレクトアレーだけでなく、金属反射板でも構わない。よりコストの低い金属反射板を用いることにより、製造も含めてコストを低減できる。
本発明の請求項１３に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、ガラス貼り付け用の透過型であることを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、室内のガラス窓などを利用して広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１４に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、建材貼り付け等の壁材フェイク型、または、看板フェイク型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、街中などにおいて広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１５に係るリフレクトアレーは、
前記反射板は、カバー内取り付け型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーである。
本構成により、カバーの内側など様々な場所において広角指向性のリフレクトアレーを実現できる。
本発明の請求項１６に係るリフレクトアレーシステムは、
請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーを複数枚有したリフレクトアレーシステムであって、各リフレクトアレーに用いられる平均の反射板の数をＭとして、全てのＮ枚のリフレクトアレーが有する反射板の種類は全体で（Ｍ×Ｎ／５）種類以下であることを特徴とする、リフレクトアレーシステムである。
通常、M＊Nの反射板の設計が必要であるところ、５分の１以下の反射板で設計するため、コストを削減できる。さらに、予め設計した反射板を組み合わせて用いることになるため、設計コストも著しく削減できる。
まず、反射板１００の広角ビーム化について説明する。
いくつかの実施例においては、マルチビームを用いた広角ビームにより、必要な利得を保ったまま広角ビーム形成を実現している。なお、以下では、便宜上、水平方向のみの説明を行う場合もあるが、実際には水平方向および垂直方向などの２方向、あるいは、垂直方向など１方向の場合を含む。また、以下では、反射方向のみ説明することがあるが、実際には入射方向、あるいは、反射方向あるいは入射方向の双方についても実施できる。また、本明細書および請求項に記載のリフレクトアレー１０は、反射板１００が複数枚の反射板１００を有するもの以外に、１枚の反射板１００を有するものも含む。
リフレクトアレー１０およびその設計方法では、必要利得を満たし、反射方向が互いに異なる狭ビームの反射板１００を複数用意し、必要なビーム幅が確保されるように、複数枚配置している。これにより、反射板１００の種類を削減できるメリットがある。
いくつかの実施例においては、マルチビームを用いた広角ビームにより、必要な利得を保ったまま広角ビーム形成を実現している。なお、以下では、便宜上、水平方向のみの説明を行う場合もあるが、実際には水平方向および垂直方向などの２方向、あるいは、垂直方向など１方向の場合を含む。また、以下では、反射方向のみ説明することがあるが、実際には入射方向、あるいは、反射方向あるいは入射方向の双方についても実施できる。また、本明細書および請求項に記載のリフレクトアレー１０は、反射板１００が複数枚の反射板１００を有するもの以外に、１枚の反射板１００を有するものも含む。
リフレクトアレー１０およびその設計方法では、必要利得を満たし、反射方向が互いに異なる狭ビームの反射板１００を複数用意し、必要なビーム幅が確保されるように、複数枚配置している。これにより、反射板１００の種類を削減できるメリットがある。
図１は、本発明の一実施例における、リフレクトアレー１０の設計方法を示す。
リフレクトアレー１０は、通信に用いられる基地局２からの２８ＧＨｚなどの電波を、受信領域３に送信するものであり、利得設定ステップS１０、幅設定ステップS２０、準備ステップS３０、配置ステップS４０を含む。
リフレクトアレー１０は、通信に用いられる基地局２からの２８ＧＨｚなどの電波を、受信領域３に送信するものであり、利得設定ステップS１０、幅設定ステップS２０、準備ステップS３０、配置ステップS４０を含む。
利得設定ステップS10では、基地局２とリフレクトアレーとの距離情報、および、リフレクトアレー１０と受信領域３との距離情報を含む情報から、必要な利得を定める。
幅設定ステップS２０では、受信領域３をカバーする、必要なビーム幅を定める。
本実施例では、利得設定ステップＳ１０、幅設定ステップＳ２０の順であるが、図２に示されるように、幅設定ステップＳ２０、利得設定ステップＳ１０の順でもよく、あるいは、２つのステップは同時に行ってもよい。
幅設定ステップS２０では、受信領域３をカバーする、必要なビーム幅を定める。
本実施例では、利得設定ステップＳ１０、幅設定ステップＳ２０の順であるが、図２に示されるように、幅設定ステップＳ２０、利得設定ステップＳ１０の順でもよく、あるいは、２つのステップは同時に行ってもよい。
準備ステップＳ３０では、反射方向が互いに異なる複数の反射板１００を用意する。ここで「反射方向が互いに異なる複数の反射板１００を用意する」とは、データ上の準備であり、反射板１００のデータを揃えておくという意味である。
配置ステップＳ４０は、利得設定ステップS１０、幅設定ステップS２０および準備ステップＳ３０の後に行われ、複数の反射板１００により形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすように、複数の反射板１００を配置する。
配置ステップＳ４０は、利得設定ステップS１０、幅設定ステップS２０および準備ステップＳ３０の後に行われ、複数の反射板１００により形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすように、複数の反射板１００を配置する。
ここで、「反射方向が互いに異なる」とは、ある方向において異なることを言い、例えば水平方向において反射方向は異なるが、垂直方向においては反射方向が同一であってもよい。
また、受信領域３とは、リフレクトアレー１０が反射した電波が最も集中する電波集中領域を含む、電波を届ける範囲を言い、通信において、対象とする通信端末などの存在を想定する領域を言う。電波集中領域は、例えば1平方メートルなど単位領域当たりの電波の量が最も密となる領域であり、当該場所での通信端末などの使用を意図せず偶発的に集中する点などは除く。
また、受信領域３とは、リフレクトアレー１０が反射した電波が最も集中する電波集中領域を含む、電波を届ける範囲を言い、通信において、対象とする通信端末などの存在を想定する領域を言う。電波集中領域は、例えば1平方メートルなど単位領域当たりの電波の量が最も密となる領域であり、当該場所での通信端末などの使用を意図せず偶発的に集中する点などは除く。
基地局２は通信用の電波を送信するものを含む。
「受信領域３をカバーする」とは、実用上、通信に問題がないよう、受信領域３の大半をカバーすることを示し、必ずしもすべてをカバーしていなくてもよい。
エリアの広さや送受信・反射板１００の距離により様々な反射板１００の設計パラメータが必要になりコスト高となる課題に対し、反射板１００をユニット化し、配列することで広ビーム化を実現することにより、設計が容易となる。つまり、必要利得となる反射方向が異なる狭ビームの反射板１００のユニットを複数用意し、必要なビーム幅となるよう枚数を決め配列することにより、容易に設計が可能となる。
「受信領域３をカバーする」とは、実用上、通信に問題がないよう、受信領域３の大半をカバーすることを示し、必ずしもすべてをカバーしていなくてもよい。
エリアの広さや送受信・反射板１００の距離により様々な反射板１００の設計パラメータが必要になりコスト高となる課題に対し、反射板１００をユニット化し、配列することで広ビーム化を実現することにより、設計が容易となる。つまり、必要利得となる反射方向が異なる狭ビームの反射板１００のユニットを複数用意し、必要なビーム幅となるよう枚数を決め配列することにより、容易に設計が可能となる。
一実施例において、図３に示されるように、幅設定ステップＳ２０は、受信領域３を複数の区分領域に分割し、反射板１００と対応づける、区分設定ステップS２３を有するものとしてもよい。本実施例では、幅設定本ステップS２２と、区分設定ステップS２３を含む。
本設計方法により区分領域ごとに独立して設計でき、全体の設計がさらに容易となる。
本設計方法により区分領域ごとに独立して設計でき、全体の設計がさらに容易となる。
図４は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
リフレクトアレー１０は、通信に用いられる基地局２からの電波を、受信領域３に送信する。
送信するビームは、通信に必要な利得、および、受信領域３をカバーするビーム幅を有する。
リフレクトアレー１０は、通信に用いられる基地局２からの電波を、受信領域３に送信する。
送信するビームは、通信に必要な利得、および、受信領域３をカバーするビーム幅を有する。
図５に示されるように、本実施例におけるリフレクトアレー１０は、反射方向が互いに異なる複数の反射板（１００１１～１００１９）を有する。なお、反射方向が互いに異なる、とは、少なくとも２つの反射板１００の方向が、いずれかの方向において異なる、という意味である。反射板１００の位置が異なる場合、同一の反射方向を有する方が、効率よく受信領域３をカバーできる場合もあり、このような場合には、異なる位置に配置された２つの反射板１００の反射方向が一致してもよい。
そして、反射方向が互いに異なる複数の反射板（１００１１～１００１９）により、基地局２からの電波を反射して形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすよう配置されている。
リフレクトアレー１０は上述のいずれかの設計方法により設計することもでき、また、後述のように別の構成とすることもできる。
そして、反射方向が互いに異なる複数の反射板（１００１１～１００１９）により、基地局２からの電波を反射して形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすよう配置されている。
リフレクトアレー１０は上述のいずれかの設計方法により設計することもでき、また、後述のように別の構成とすることもできる。
図６は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
リフレクトアレー１０は、４つの反射板（１００１～１００４）を有する。それぞれの反射板は所定の間隔で配置された複数の同一のセル１１０を有しており、本実施例ではそれぞれ５枚のセル１１０を有している。
ここで、同一のセルとは、形状、性質が同じセルを言う。以下では、この反射板をスーパーセルと称することがある。
リフレクトアレー１０は、４つの反射板（１００１～１００４）を有する。それぞれの反射板は所定の間隔で配置された複数の同一のセル１１０を有しており、本実施例ではそれぞれ５枚のセル１１０を有している。
ここで、同一のセルとは、形状、性質が同じセルを言う。以下では、この反射板をスーパーセルと称することがある。
反射板１００の入射角と反射角を決定する要素として、回折格子理論を用いた下記の式よりスーパーセル長を決定する。
ここで、Ｄはスーパーセルの長さ、ｍは次数、λは反射する電磁波の波長、θｉは入射角、θｒは反射角である。
反射角を広角とする場合においては、θrの値を所望方向から一定間隔で変化させたスーパーセルを設計し配列する。これにより、スーパーセル長Ｄおよび位相勾配が異なるスーパーセルを設計し、配列を行うことで広角な反射特性を得る。
水平面内を広角とする反射板１００に関して、所望角度が６０°、１つの反射板１００による水平面内ビーム幅が４°の場合に±５°の範囲を通信エリアとしたい場合においては、入射角はすべて同一、反射角が５７°、５９°、６１°、６３°のような４つの反射板パターンを設計し、それぞれを所望のＲＣＳ値（利得）とできる開口寸法として設計する例が挙げられる。すなわち、所望のビーム幅を満たすように反射板１００の各ビーム幅とビーム数を決定し、これらを組み合わせユニット化することで広角反射指向性が実現できる。
垂直面内指向性を広角とする場合においては、所望角度が垂直面内０°、垂直面内ビーム幅が４°の場合に±１０°の範囲を通信エリアとしたい場合においては、－３°、－１°、１°、３°の方向が最大方向となるよう４つの反射板パターンユニットを設計し、それぞれを所望のRCS値（利得）とできる開口寸法として設計する例が挙げられる。
水平面内を広角とする反射板１００に関して、所望角度が６０°、１つの反射板１００による水平面内ビーム幅が４°の場合に±５°の範囲を通信エリアとしたい場合においては、入射角はすべて同一、反射角が５７°、５９°、６１°、６３°のような４つの反射板パターンを設計し、それぞれを所望のＲＣＳ値（利得）とできる開口寸法として設計する例が挙げられる。すなわち、所望のビーム幅を満たすように反射板１００の各ビーム幅とビーム数を決定し、これらを組み合わせユニット化することで広角反射指向性が実現できる。
垂直面内指向性を広角とする場合においては、所望角度が垂直面内０°、垂直面内ビーム幅が４°の場合に±１０°の範囲を通信エリアとしたい場合においては、－３°、－１°、１°、３°の方向が最大方向となるよう４つの反射板パターンユニットを設計し、それぞれを所望のRCS値（利得）とできる開口寸法として設計する例が挙げられる。
図７に示される実施例においては、リフレクトアレー１０は、通信に用いられる基地局２からの電波を、受信領域３に送信するものであり、複数の反射板（１００１～１００４）を有する。
反射板１００は所定の間隔で配置された同一のセル１１０を有する。
複数の反射板（１００１～１００４）のうち少なくとも２つは互いに異なる間隔で配置された同一のセル１１０を有し、かつ、異なる反射角を有する。
そして、異なる反射角により受信領域３を構成する。
本実施例では、水平方向に２つ、垂直方向に２つの、互いに異なる反射角により受信領域３を構成している。
反射板１００は所定の間隔で配置された同一のセル１１０を有する。
複数の反射板（１００１～１００４）のうち少なくとも２つは互いに異なる間隔で配置された同一のセル１１０を有し、かつ、異なる反射角を有する。
そして、異なる反射角により受信領域３を構成する。
本実施例では、水平方向に２つ、垂直方向に２つの、互いに異なる反射角により受信領域３を構成している。
図８は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成を示す。
本実施例では、略一定角度ずつ異なる反射角を有する３以上の反射板１００により受信領域３を構成する。
本実施例では、略一定角度ずつ異なる反射角を有する３以上の反射板１００により受信領域３を構成する。
本発明の一実施例として、上述のリフレクトアレー１０の設計方法を説明する。
本実施例では、準備ステップＳ３０において、反射方向が互いに異なる複数の反射板１００は同一のセル１１０を有する。そして、反射方向が互いに異なる複数の反射板１００は、反射方向が互いに異なる反射板１００ごとに異なる間隔で配置された同一のセル１１０を有する。
本実施例では、準備ステップＳ３０において、反射方向が互いに異なる複数の反射板１００は同一のセル１１０を有する。そして、反射方向が互いに異なる複数の反射板１００は、反射方向が互いに異なる反射板１００ごとに異なる間隔で配置された同一のセル１１０を有する。
本発明の一実施例において、リフレクトアレー１０の設計方法は、配置ステップＳ４０において、反射方向が略一定角度ずつ異なる３以上の反射板１００を配置する。
エリアの広さや送受信・反射板１００の距離により様々な反射板１００の設計パラメータが必要になりコスト高となる課題に対し、反射板１００をユニット化し、配列することで広ビーム化を実現することにより、設計が容易となる。つまり、必要利得となる反射方向が異なる狭ビームの反射板１００のユニットを複数用意し、必要なビーム幅となるよう枚数を決め配列することにより、容易に設計が可能となる。
リフレクトアレー１０の設計コストを削減するためには、マルチビームによるのみならず、近傍領域での使用によることもできる。
エリアの広さや送受信・反射板１００の距離により様々な反射板１００の設計パラメータが必要になりコスト高となる課題に対し、反射板１００をユニット化し、配列することで広ビーム化を実現することにより、設計が容易となる。つまり、必要利得となる反射方向が異なる狭ビームの反射板１００のユニットを複数用意し、必要なビーム幅となるよう枚数を決め配列することにより、容易に設計が可能となる。
リフレクトアレー１０の設計コストを削減するためには、マルチビームによるのみならず、近傍領域での使用によることもできる。
図９および図１０は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
リフレクトアレー１０の開口寸法を、エリア化したい位置などの受信点、または、基地局２などの送信点が近傍界領域となるよう設置する。つまり、反射板１００からの距離が２×Ｄ×Ｄ／λ≧送信・受信点位置、となる開口寸法として反射板１００を設計する。ここで、リフレクトアレー１０は、パラボラアンテナなどのような開口面アンテナのように、点からの放射ではなく面からの放射を行うものである。
リフレクトアレー１０の開口寸法を、エリア化したい位置などの受信点、または、基地局２などの送信点が近傍界領域となるよう設置する。つまり、反射板１００からの距離が２×Ｄ×Ｄ／λ≧送信・受信点位置、となる開口寸法として反射板１００を設計する。ここで、リフレクトアレー１０は、パラボラアンテナなどのような開口面アンテナのように、点からの放射ではなく面からの放射を行うものである。
本実施例では、大型の反射板１００を用いることにより、広ビーム化できる。
反射板１００を置く位置に、入射角度の差が出るように設置する。下側からの入射は上向きに反射し、上側からの入射は下向きに反射し、垂直入射は垂直に反射するため、合成すると広角ビームとなる。
近傍領域では、反射板１００の中央部と端部で経路差が生じるため、位相がそろわず、広角方向へエリアが形成されるため、本構成により、反射板１００の近傍界領域をエリアとして用いることにより、広角な反射エリアを提供することができる。
反射板１００を置く位置に、入射角度の差が出るように設置する。下側からの入射は上向きに反射し、上側からの入射は下向きに反射し、垂直入射は垂直に反射するため、合成すると広角ビームとなる。
近傍領域では、反射板１００の中央部と端部で経路差が生じるため、位相がそろわず、広角方向へエリアが形成されるため、本構成により、反射板１００の近傍界領域をエリアとして用いることにより、広角な反射エリアを提供することができる。
図１１および図１２は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
本実施例において、反射板１００上において反射される電波の反射方向が、反射板１００の位置により互いに３０°以上異なる２点を有することとすることができる。より広い角度に反射することにより、より広角方向へ受信領域３（受信エリア）が形成される。図８は複数の反射板１００を有するリフレクトアレー１０において、２つの反射板１００の反射方向Δθが３０°以上異なる例を示す。また、図９は、１枚の反射板１００の両端の２点において、反射方向が３０°以上異なる構成を示す。
本構成により、近傍界で電波が３０°以上の広角に反射されるため、利得を低下することなく、広角指向性を実現できる。
本実施例において、反射板１００上において反射される電波の反射方向が、反射板１００の位置により互いに３０°以上異なる２点を有することとすることができる。より広い角度に反射することにより、より広角方向へ受信領域３（受信エリア）が形成される。図８は複数の反射板１００を有するリフレクトアレー１０において、２つの反射板１００の反射方向Δθが３０°以上異なる例を示す。また、図９は、１枚の反射板１００の両端の２点において、反射方向が３０°以上異なる構成を示す。
本構成により、近傍界で電波が３０°以上の広角に反射されるため、利得を低下することなく、広角指向性を実現できる。
反射板１００は、使用する場所に応じて、使用する距離で必要ビーム幅となるような大きさを選ぶことができるが、代わりに反射板１００を複数枚離散的に配置することができる。ここで、離散的とは、反射板１００同士が離間して配置されていることを示す。
図１３は複数の反射板１００が離散的に配置されているリフレクトアレー１０の構成例を示す。本実施例において、複数の反射板１００は、隙間を空けて、格子状に配置されている。
本構成により、大きな反射板１００の代わりに複数枚の反射板（１００１１～１００１５）により広角指向性を実現できる。
反射板１００を離散的に配置、または、大型の反射板１００を用いる必要はあるが、スペースを確保できれば、設計も著しく容易となる。
図１３は複数の反射板１００が離散的に配置されているリフレクトアレー１０の構成例を示す。本実施例において、複数の反射板１００は、隙間を空けて、格子状に配置されている。
本構成により、大きな反射板１００の代わりに複数枚の反射板（１００１１～１００１５）により広角指向性を実現できる。
反射板１００を離散的に配置、または、大型の反射板１００を用いる必要はあるが、スペースを確保できれば、設計も著しく容易となる。
一実施例において、反射板１００は一枚または複数枚のメタサーフェスとすることができる。
図１４は、複数枚のメタサーフェス反射板（１００２１～１００２９）を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
メタサーフェスにより所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
図１４は、複数枚のメタサーフェス反射板（１００２１～１００２９）を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
メタサーフェスにより所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
一実施例において、反射板１００は、図１１に示されるように、略一平面上に設置される。
リフレクトアレー１０全体として略一平面上に配置することができる。特に、複数のメタサーフェスの反射板１００を用いた場合には、同一平面上に配置した反射板１００により、所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
リフレクトアレー１０全体として略一平面上に配置することができる。特に、複数のメタサーフェスの反射板１００を用いた場合には、同一平面上に配置した反射板１００により、所望の方向に電波の入射方向または反射方向を調整することができる。
一実施例において、反射板１００は金属反射板１２０を含むものとしてもよい。
反射板１００はリフレクトアレー１０だけでなく、金属反射板１２０でも構わない。よりコストの低い金属反射板１２０を用いることにより、製造も含めてコストを低減できる。
図１５は、金属反射板１２０およびメタサーフェス反射板１００を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
代わりに、近傍界領域に一枚の金属反射板１２０を配置してもよい。
反射板１００はリフレクトアレー１０だけでなく、金属反射板１２０でも構わない。よりコストの低い金属反射板１２０を用いることにより、製造も含めてコストを低減できる。
図１５は、金属反射板１２０およびメタサーフェス反射板１００を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
代わりに、近傍界領域に一枚の金属反射板１２０を配置してもよい。
図１６は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
本実施例において、反射板１００は、ガラス貼り付け用の透過型である。
本構成により、室内のガラス窓３２などを利用して広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。もちろん、ガラス以外でも、電波を透過するものに対して貼り付けることもできる。
本実施例において、反射板１００は、ガラス貼り付け用の透過型である。
本構成により、室内のガラス窓３２などを利用して広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。もちろん、ガラス以外でも、電波を透過するものに対して貼り付けることもできる。
一実施例において、反射板１００は、建材貼り付け等の壁材フェイク型、または、看板フェイク型である。
図１７は、建造物３１の壁面に設置された壁材フェイク型の反射板１００、および、看板の裏面に設置された看板フェイク型の反射板１００を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
図１７は、建造物３１の壁面に設置された壁材フェイク型の反射板１００、および、看板の裏面に設置された看板フェイク型の反射板１００を有するリフレクトアレー１０の構成例を示す。
壁材フェイク型の反射板１００は、屋外だけでなく、室内の壁面などでも構成できる。建造物３１の外壁面や室内の壁面では大きな面積を確保しやすいため、複数の反射板１００または近傍界に電波を反射するリフレクトアレー１０を設置しやすい。また、看板フェイク型の反射板１００は表面にも構成できるが、看板も大きな面積を確保しやすいため、複数の反射板１００または近傍界に電波を反射するリフレクトアレー１０を設置しやすい。
本構成により、街中や屋内などにおいて広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。
本構成により、街中や屋内などにおいて広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。
図１８は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
本実施例において、反射板１００は、カバー内取り付け型である。
カバーは、複数の平面より構成されること、あるいは、一定の曲率を有する面を利用することが多いため、リフレクトアレー１０の設計が容易であると同時に、ふだん利用することの少ない面を利用することができる。
本実施例において、反射板１００は、カバー内取り付け型である。
カバーは、複数の平面より構成されること、あるいは、一定の曲率を有する面を利用することが多いため、リフレクトアレー１０の設計が容易であると同時に、ふだん利用することの少ない面を利用することができる。
図１９は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレー１０の構成例を示す。
本実施例において、リフレクトアレー１０は柔軟性を有する素材で構成されている。。
本構成により、カバー３３の内側など様々な場所において広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。
本実施例において、リフレクトアレー１０は柔軟性を有する素材で構成されている。。
本構成により、カバー３３の内側など様々な場所において広角指向性のリフレクトアレー１０を実現できる。
次に、一実施例における、リフレクトアレーシステム１について説明する。
図２０は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレーシステム１の構成例を示す。
本実施例において、リフレクトアレーシステム１は、上述のリフレクトアレー１０を複数枚有する。具体的には、リフレクトアレー５枚を有する。
それぞれのリフレクトアレー（１０１～１０５）は前述の図５に示されるように９枚の反射板（１００２１～１００２９）を有する。
そして、計４５枚の反射板１００は、９種類以下の反射板１００を組み合わせて構成されている。
図２０は、本発明の一実施例におけるリフレクトアレーシステム１の構成例を示す。
本実施例において、リフレクトアレーシステム１は、上述のリフレクトアレー１０を複数枚有する。具体的には、リフレクトアレー５枚を有する。
それぞれのリフレクトアレー（１０１～１０５）は前述の図５に示されるように９枚の反射板（１００２１～１００２９）を有する。
そして、計４５枚の反射板１００は、９種類以下の反射板１００を組み合わせて構成されている。
このように、各リフレクトアレー１０に用いられる平均の反射板１００の数をＭとして、全てのＮ枚のリフレクトアレー１０が有する反射板１００の種類は全体でＭ＊Ｎ／５種類以下である。
通常、M＊Nの反射板１００の設計が必要であるところ、５分の１以下の反射板１００で設計するため、コストを削減できる。さらに、予め設計した反射板１００を組み合わせて用いることになるため、設計コストも著しく削減できる。
また、指向性を広角とすることで反射板設計を共通化して総設計数を削減することが可能となる。
通常、M＊Nの反射板１００の設計が必要であるところ、５分の１以下の反射板１００で設計するため、コストを削減できる。さらに、予め設計した反射板１００を組み合わせて用いることになるため、設計コストも著しく削減できる。
また、指向性を広角とすることで反射板設計を共通化して総設計数を削減することが可能となる。
本発明は以上の実施例に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で様々な実施例を含むことは言うまでもない。
例えば、基地局２からの電波を、上述のリフレクトアレー１０で反射した後、さらに別の反射板１００を経由して受信領域３に電波を届けるなど、複数回の反射を利用する構成も可能である。
例えば、基地局２からの電波を、上述のリフレクトアレー１０で反射した後、さらに別の反射板１００を経由して受信領域３に電波を届けるなど、複数回の反射を利用する構成も可能である。
１ リフレクトアレーシステム
１０，１０１～１０５ リフレクトアレー
１００，１００１～１００４，１００１１～１００１９，１００２１～１００２９ 反射板
１１０ セル
１２０ 金属反射板
２ 基地局
３ 受信領域
３１ 建造物
３２ 窓
３３ カバー
１０，１０１～１０５ リフレクトアレー
１００，１００１～１００４，１００１１～１００１９，１００２１～１００２９ 反射板
１１０ セル
１２０ 金属反射板
２ 基地局
３ 受信領域
３１ 建造物
３２ 窓
３３ カバー
Claims (16)
- リフレクトアレーの設計方法であって、
リフレクトアレーは、通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するものであり、
前記基地局と前記リフレクトアレーとの距離情報、および、前記リフレクトアレーと前記受信領域との距離情報を含む、必要な利得を定める利得設定ステップ、
前記受信領域をカバーする、必要なビーム幅を定める幅設定ステップ、
反射方向が互いに異なる複数の反射板を用意する準備ステップ、および、
前記利得設定ステップおよび前記準備ステップの後に行われ、複数の前記反射板により形成されるビームが、全体として必要なビーム幅を満たすように、複数の前記反射板を配置する配置ステップ、を有することを特徴とする、リフレクトアレーの設計方法。 - 前記準備ステップにおいて、
反射方向が互いに異なる複数の前記反射板は同一のセルを有し、
反射方向が互いに異なる前記反射板ごとに異なる間隔で配置された同一のセルを有する
ことを特徴とする、請求項１に記載のリフレクトアレーの設計方法。 - 前記配置ステップにおいて、
反射方向が略一定角度ずつ異なる３以上の前記反射板を配置することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法。 - 前記幅設定ステップは、受信領域を複数の区分領域に分割し、反射板と対応づける、区分設定ステップを有することを特徴とする、請求項１または２のいずれかに記載のリフレクトアレーの設計方法。
- 通信に用いられる基地局からの電波を、受信領域に送信するリフレクトアレーであって、
複数の反射板を有し、
前記反射板は所定の間隔で配置された同一のセルを有し、
複数の前記反射板のうち少なくとも２つは互いに異なる間隔で配置された同一のセルを有し、かつ、異なる反射角を有し、
異なる反射角により受信領域を構成することを特徴とする、リフレクトアレー。 - 略一定角度ずつ異なる反射角を有する３以上の前記反射板により受信領域を構成することを特徴とする、請求項４に記載のリフレクトアレー。
- 請求項１ないし４のいずれかの設計方法により設計されたリフレクトアレー。
- 反射板上において反射される電波の反射方向が、反射板の位置により互いに３０°以上異なる２点を有することを特徴とする、請求項７に記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は、複数枚が離散的に配置されていることを特徴とする、請求項７または８のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板はメタサーフェスであることを特徴とする、請求項７ないし９のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は略一平面上に設置されることを特徴とする、請求項７ないし１０のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は金属反射板を含むことを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は、ガラス貼り付け用の透過型であることを特徴とする、請求項７ないし１１のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は、建材貼り付け等の壁材フェイク型、または、看板フェイク型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 前記反射板は、カバー内取り付け型であることを特徴とする、請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレー。
- 請求項５ないし１２のいずれかに記載のリフレクトアレーを複数枚有したリフレクトアレーシステムであって、各リフレクトアレーに用いられる平均の反射板の数をＭとして、全てのＮ枚のリフレクトアレーが有する反射板の種類は全体で（Ｍ×Ｎ／５）種類以下であることを特徴とする、リフレクトアレーシステム。
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