KR20220161287A - 무선 전달 시스템 - Google Patents
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Abstract
공장, 플랜트 등의 생산 시설 내에서의 이동체 통신의 전파의 전파를 개선한다. 무선 전달 시스템은, 1GHz 내지 170GHz의 주파수대에서 선택되는 원하는 대역의 전파를 송수신하는 기지국과, 상기 전파를 송수신하는 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인의 적어도 일부를 따라 배치되어, 상기 전파를 반사하는 반사면을 갖는 전자파 반사 장치를 구비한다.
Description
본 발명은 무선 전달 시스템에 관한 것이다.
제조 프로세스를 자동화하여, 고도의 생산·공정 관리나 예방 메인터넌스(Predictive Maintenance)를 제조 현장에 도입하는 인더스트리얼 IoT(Internet of Things)가 진전되고 있다. 인더스트리얼 IoT 중, 「스마트 팩토리」는 공장 내의 장치, 기기, 관리 시스템 등을 클라우드나 에지 AI(Artificial Intelligence)에 접속하여, 제조 프로세스를 효율화한다. 대량의 데이터를 다루는 인더스트리얼 IoT의 통신 네트워크에, 5G와 같은 고속 대용량, 저지연이면서 또한 다수 동시 접속이 가능한 이동체 통신 기술을 도입하는 것이 기대되고 있다. 이동체 통신 기술이 원래 갖는 모빌리티와 유연성에 더하여, 5G의 저지연 특성이 인더스트리얼 IoT에 적합하다고 여겨지고 있다.
인텔리전트 빌딩 등의 건축물에서 사용되는 투광성 전자파 실드판의 접합 구조가 제안되어 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
공장, 플랜트 등의 생산 시설 내의 통신 환경은, 공중 이동체 통신의 환경과 다르다. 생산 시설 내에서는, 통신용 전파의 전파 장해가 되는 다양한 기계나 구조물이 존재하여, 높은 통신 품질을 실현하는 것이 어렵다.
본 발명은, 생산 시설 내의 이동체 통신의 전파의 전파를 개선하는 기술을 제공하는 것을 목적으로 한다.
본 개시의 일 양태에서는, 무선 전달 시스템은,
1GHz 내지 170GHz의 주파수대에서 선택되는 원하는 대역의 전파를 송수신하는 기지국과,
상기 전파를 송수신하는 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인의 적어도 일부를 따라 배치되어, 상기 전파를 반사하는 반사면을 갖는 전자파 반사 장치
를 구비한다.
상기 구성의 전자파 반사 장치에 의해, 공장, 플랜트 등의 생산 시설 내에서 이동체 통신의 전파의 전파가 개선된다.
도 1은 본 개시가 적용될 수 있는 공장 내의 프로세스 라인의 모식도이다.
도 2는 실시 형태의 전자파 반사 장치를 사용한 무선 전달 시스템의 평면 모식도이다.
도 3a는 입사각과 동일한 반사각으로의 반사를 설명하는 도면이다.
도 3b는 입사각과 다른 반사각으로의 반사를 설명하는 도면이다.
도 3c는 복수의 방향으로의 확산을 설명하는 도면이다.
도 4는 실시 형태의 전자파 반사 장치의 기본 개념을 설명하는 도면이다.
도 5a는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5b는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5c는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5d는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 6a는 반사면의 구성예이다.
도 6b는 반사면의 다른 구성예이다.
도 6c는 반사면의 또 다른 구성예이다.
도 6d는 반사면의 또 다른 구성예이다.
도 7은 전자파 반사 장치를 접속한 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 지지체의 접속부의 모식도이다.
도 9a는 패널의 에지 처리의 예를 도시하는 도면이다.
도 9b는 패널의 에지 처리의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 10a는 접속부의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10b는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10c는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10d는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10e는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10f는 참고예로서 일반적인 접속 구성을 도시하는 도면이다.
도 11a는 복수 패널의 연결을 설명하는 도면이다.
도 11b는 연결 전의 전자파 반사 장치의 상태를 도시하는 도면이다.
도 11c는 연결 후의 전자파 반사 장치의 상태를 도시하는 도면이다.
도 12는 연결한 전자파 반사 장치의 보강 예를 도시하는 도면이다.
도 13은 고정 기구의 일례를 도시하는 도면이다.
도 14는 메타 리플렉터의 사이즈를 설명하는 도면이다.
도 15는 동작 주파수와 송수신의 위치 관계에 따른 존 사이즈를 검토하는 도면이다.
도 16a는 무선 전달 시스템의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 16b는 무선 전달 시스템의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 17a는 반사 패턴 1의 기준 로버스트성을 도시하는 도면이다.
도 17b는 반사 패턴 2의 기준 로버스트성을 도시하는 도면이다.
도 18은 기준 로버스트성의 정량화법을 설명하는 도면이다.
도 19a는 반사 패턴 1의 위상 점프의 변화를 도시하는 도면이다.
도 19b는 반사 패턴 2의 위상 점프의 변화를 도시하는 도면이다.
도 2는 실시 형태의 전자파 반사 장치를 사용한 무선 전달 시스템의 평면 모식도이다.
도 3a는 입사각과 동일한 반사각으로의 반사를 설명하는 도면이다.
도 3b는 입사각과 다른 반사각으로의 반사를 설명하는 도면이다.
도 3c는 복수의 방향으로의 확산을 설명하는 도면이다.
도 4는 실시 형태의 전자파 반사 장치의 기본 개념을 설명하는 도면이다.
도 5a는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5b는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5c는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 5d는 전자파 반사 장치의 변형예를 도시하는 도면이다.
도 6a는 반사면의 구성예이다.
도 6b는 반사면의 다른 구성예이다.
도 6c는 반사면의 또 다른 구성예이다.
도 6d는 반사면의 또 다른 구성예이다.
도 7은 전자파 반사 장치를 접속한 예를 도시하는 도면이다.
도 8은 지지체의 접속부의 모식도이다.
도 9a는 패널의 에지 처리의 예를 도시하는 도면이다.
도 9b는 패널의 에지 처리의 다른 예를 도시하는 도면이다.
도 10a는 접속부의 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10b는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10c는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10d는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10e는 접속부의 다른 구성예를 도시하는 도면이다.
도 10f는 참고예로서 일반적인 접속 구성을 도시하는 도면이다.
도 11a는 복수 패널의 연결을 설명하는 도면이다.
도 11b는 연결 전의 전자파 반사 장치의 상태를 도시하는 도면이다.
도 11c는 연결 후의 전자파 반사 장치의 상태를 도시하는 도면이다.
도 12는 연결한 전자파 반사 장치의 보강 예를 도시하는 도면이다.
도 13은 고정 기구의 일례를 도시하는 도면이다.
도 14는 메타 리플렉터의 사이즈를 설명하는 도면이다.
도 15는 동작 주파수와 송수신의 위치 관계에 따른 존 사이즈를 검토하는 도면이다.
도 16a는 무선 전달 시스템의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 16b는 무선 전달 시스템의 배치 관계를 설명하는 도면이다.
도 17a는 반사 패턴 1의 기준 로버스트성을 도시하는 도면이다.
도 17b는 반사 패턴 2의 기준 로버스트성을 도시하는 도면이다.
도 18은 기준 로버스트성의 정량화법을 설명하는 도면이다.
도 19a는 반사 패턴 1의 위상 점프의 변화를 도시하는 도면이다.
도 19b는 반사 패턴 2의 위상 점프의 변화를 도시하는 도면이다.
<시스템의 전체 상>
도 1은, 본 개시가 적용될 수 있는 공장 내의 프로세스 라인의 모식도이다. 프로세스 라인은, 조립이나 생산을 위한 설비 기기 등을 일련의 흐름으로서 배치한 벨트 형상의 생산 사이트이다. 인더스트리얼 IoT에서는, 프로세스 라인에서 사용되는 산업용 장치, 기기, 관리 시스템 등을 네트워크에 연결시킴으로써, 생산 효율을 향상시키고, 현장의 안전성을 확보한다.
프로세스 라인의 기기 등을 네트워크에 접속하기 위해서, 기지국(BS1, BS2)이 배치되어 있다. 프로세스 라인에서 사용되는 기기(M1, M2)는, 각각 무선 통신부(WT1, WT2)를 갖고, 기지국(BS1, BS2)의 적어도 한쪽과 통신해서 네트워크에 접속된다.
프로세스 라인의 기기와 네트워크의 무선 접속을 실현하기 위해서, 기지국(BS1 및 BS2)(이하, 적절히 「BS」라고 총칭함)은, 수평 방향으로 긴 직사각형의 서비스 에어리어를 제공한다. 이동체 통신의 표준화 단체인 3GPP(3rd Generation Partnership Project)의 기술 사양서(TS22.104)에서는, 시스템 요구 사항으로서, 수평인 면 내에서의 직사각형 에어리어의 애스펙트비가, 3 내지 5배의 서비스 에어리어가 나타내져 있다. 예를 들어, 「Motion Control」이라고 불리는 유스 케이스의 에어리어 사이즈는, 길이×폭×높이로, 50m×10m×10m로 규정되어 있다.
기지국(BS1, BS2)이 제공하는 서비스 에어리어에서 프로세스 라인을 커버해서 프로세스 라인 내에 존재하는 기기(M1, M2)의 네트워크 접속을 실현하기 위해서는, 기지국(BS1, BS2)을 프로세스 라인의 길이 방향의 단부에 배치하는 것이, 커버리지의 점에서 유효하다. 통신 품질과 커버리지를 향상시키기 위해서, 기지국(BS1, BS2)을 협조, 연계시켜도 된다. 프로세스 라인에 대한 기지국(BS)의 배치 관계의 상세는 후술한다.
도 2는, 실시 형태의 전자파 반사 장치(10)를 사용한 무선 전달 시스템(1)의 평면 모식도이다. 무선 전달 시스템(1)은, 전파의 송수신이 가능한 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인(3)과, 프로세스 라인(3) 상의 기기와 무선 통신을 행하는 기지국(BS)과, 프로세스 라인(3)을 따라 배치되는 전자파 반사 장치(10)를 포함한다. 전자파 반사 장치(10)는, 전파를 반사하는 반사면(105)을 갖는다. 프로세스 라인의 배치면을 X-Y면으로 하고, X-Y면에 수직인 높이 방향을 Z 방향으로 한다.
프로세스 라인(3) 내의 기기에는, 센서, 액추에이터 등의 미소 디바이스, 조립 장치, 제조 기계, 관리 시스템 등, 생산에 관계되는 모든 기기가 포함된다. 프로세스 라인(3)에서 사용되는 기기는, 고정 장치나 기계에 한정되지 않고, 프로세스 라인(3) 내를 자유롭게 이동하는 기기이어도 된다.
기지국(BS)과, 무선 통신 기능이 딸린 기기(M1, M2)(도 1 참조)는, 예를 들어 1GHz 내지 170GHz의 범위에서, 특정 주파수대의 전파를 송수신한다. 프로세스 라인이나 주변의 구조물(예를 들어 덕트, 파이프 등)은 금속제인 경우가 많아, 그에 의해 전파는 반사되어 차폐된다. 또한 밀리미터파대 등 높은 주파수의 전파는 직진성이 강하고, 회절이 적기 때문에 전파가 도달하기 어렵다. 프로세스 라인(3)의 중앙부에 위치하는 기기에 있어서, 주변의 기기나, 가공 중인 금속 제품 등으로부터의 반사가 장해로 되어, 통신 환경이 악화되는 경우가 있다.
프로세스 라인(3)의 길이 방향을 따라 다수의 기지국(BS)을 배치하면 통신 품질은 유지되지만, 작업 공간의 효율적인 사용이 방해되어, 설비 비용도 높아진다. 무선 전달 시스템(1)에서는, 프로세스 라인(3)의 길이 방향을 따라 전자파 반사 장치(10)를 배치하고, 프로세스 라인(3)의 길이 방향의 단부에 기지국(BS)을 배치한다. 전자파 반사 장치(10)에 의해, 생산 시설 내에 설치되는 기지국(BS)의 수를 억제하여, 기지국(BS)과 프로세스 라인(3) 내의 기기의 무선 통신 환경을 개선한다.
전자파 반사 장치(10)는, 프로세스 라인(3)의 적어도 일부에 대하여, 프로세스 라인(3)의 장축과 거의 평행하게 설치되어 있어도 된다. 「거의 평행하게」라는 것은, 엄밀하게 프로세스 라인(3)의 장축과 평행하게 전자파 반사 장치(10)가 배치될 필요는 없는 것을 의미한다. 기지국(BS)과 프로세스 라인(3) 내의 기기의 사이에서의 효율적인 전파의 송수신이 행하여지는 범위 내에서, 전자파 반사 장치(10)는 프로세스 라인(3)의 장축에 대하여 다소 기울어져 있어도 된다.
전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)은, 1GHz 내지 170GHz의 대역의 전파를 반사한다. 반사면(105)은, 입사각과 반사각이 동등한 정규 반사를 부여하는 노멀 리플렉터(101)와, 입사한 전자파의 반사 특성을 제어하는 인공적인 표면을 갖는 메타 리플렉터(102)의 적어도 한쪽으로 형성된다. 「메타 리플렉터」란, 입사 전자파의 투과 특성이나 반사 특성을 제어하는 인공 표면을 의미하는 「메타서페이스」의 일종이다. 메타 리플렉터에서는, 파장에 비해서 충분히 작은 산란체를 다수 배치하여, 반사 위상 분포와 진폭 분포를 제어함으로써, 정규 반사의 방향 이외의 소정의 방향으로 전파를 반사한다. 메타 리플렉터(102)에 의해, 정규 반사 이외의 방향으로의 반사에 더하여, 소정의 각도 분포를 갖는 확산, 및 파면의 형성이 실현되어도 된다.
도 3a 내지 도 3c는, 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)에서의 반사 양태를 도시한다. 도 3a에서는, 노멀 리플렉터(101)에 입사한 전자파는, 입사각(θin)과 동일한 반사각(θref)으로 반사된다.
도 3b에서, 메타 리플렉터(102a)에 입사한 전자파는, 입사각(θin)과 다른 반사각(θref)으로 반사된다. 메타 리플렉터(102)에 의한 반사각(θref)과, 정규 반사에 의한 반사각의 차의 절댓값을, 이상각(θabn)이라고 칭해도 된다. 상술한 바와 같이, 메타 리플렉터(102a)의 표면에, 사용 파장보다도 충분히 작은 금속 패치 등을 배치해서 표면 임피던스를 형성함으로써, 반사 위상 분포를 제어하여, 원하는 방향으로 입사 전자파를 반사한다. 상세는 후술하지만, 세로로 긴 프로세스 라인(3)에 전자파 반사 장치(10)를 사용하는 경우는, 도 3b와 같이, 기지국(BS)으로부터 입사하는 전자파의 입사각(θin)보다도 작은 반사각(θref)으로, 전자파를 프로세스 라인(3) 내의 기기의 무선 통신부(WT)에 유도하는 것이 바람직하다.
메타 리플렉터가 반사하는 전자파는 반사각이 단일한 평면파가 아니어도 된다. 메타 리플렉터(102b)의 표면에 형성하는 표면 임피던스를 고안함으로써, 도 3c에 도시하는 바와 같이, 입사한 전자파는, 복수의 다른 반사각(θref)으로 복수의 방향으로 확산된다. 도 3c의 반사를 실현하는 방법으로서, 예를 들어 PHYSICAL REVIEW B 97, "ARBITRARY BEAM CONTROL USING LOSSLESS METASURFACES ENABLED BY ORTHOGONALLY POLARIZED CUSTOM SURFACE WAVES"에 기재되는 방법이 있다. 확산되는 전자파의 강도는 균일해도 되고, 반사 방향에 따라서 소정의 강도 분포를 갖고 있어도 된다.
복수의 전자파 반사 장치(10)를 프로세스 라인(3)을 따라 배치해도 된다. 기지국(BS)과 프로세스 라인(3) 내의 기기의 사이의 통신 품질이 유지되는 한, 전자파 반사 장치를 안전을 위한 가드펜스로서 사용해도 된다.
프로세스 라인(3)에 대한 기지국(BS)의 최적 배치를 설명하기 전에, 이하에서 전자파 반사 장치(10)의 구성의 상세를 설명한다.
<전자파 반사 장치의 구성>
도 4는, 실시 형태의 전자파 반사 장치(10)의 기본 개념을 설명하는 도면이다. 전자파 반사 장치(10)는, 프로세스 라인이 마련되어 있는 X-Y면에 기립해서 배치된다. 전자파 반사 장치(10)의 높이 방향이 Z 방향으로 된다. 전자파 반사 장치(10)는, 1GHz 내지 170GHz의 주파수대에서 선택되는 원하는 대역의 전파를 반사하는 반사면(105)을 갖는 패널(13)과, 패널(13)을 지지하는 지지체(11)를 갖는다.
패널(13)의 반사면(105)은, 전자파를 원하는 방향으로 반사한다. 반사면(105)은, 정규 반사하는 노멀 리플렉터(101)와, 입사한 전자파의 반사 특성을 제어하는 인공적인 면을 갖는 메타 리플렉터(102)의 적어도 한쪽으로 형성된다. 노멀 리플렉터(101)는, 무기 도전 재료나, 도전성 고분자 재료로 형성되는 반사면을 포함해도 된다.
메타 리플렉터(102)는, 입사 전자파를 원하는 방향으로 반사하고, 또는, 원하는 각도 분포로 확산할 수 있는 것이라면, 그 재질, 표면 형상, 제작 방법 등은 상관없다. 일반적으로는, 금속 등의 도체의 표면에, 유전체 층을 개재하여 사용 파장보다도 충분히 작은 금속 패치를 형성함으로써 메타서페이스가 얻어진다. 메타 리플렉터(102)는, 전자파의 반사 방향의 설계에 맞춰서, 반사면(105)의 임의의 위치에 배치된다.
패널(13)의 사이즈는, 사용되는 환경에 따라서 적절하게 설계될 수 있다. 일례로서, 패널(13)의 폭은 0.5m 내지 3.0m, 높이는 1.0m 내지 2.5m, 두께는 3.0mm 내지 9.0mm이다. 공장 내에의 반송과, 설치·조립의 용이성을 생각하면, 패널(13)의 사이즈는, 1.4m×1.8m×5.0mm 정도이어도 된다. 패널(13)의 일부는 가시광에 대하여 투명해도 된다.
패널(13)은, 전자파 반사 장치(10)가 독립적으로 기립 가능하게 되도록, 지지체(11)에 의해 지지된다. 지지체(11)의 기계적인 구조는, 패널(13)을 설치면(예를 들어 X-Y면)에 대하여 안정적으로 기립시킬 수 있으면, 어떤 구조이어도 된다. 후술하는 바와 같이, 복수의 전자파 반사 장치(10)를 연결해서 사용해도 된다. 패널(13)과 지지체(11)를 포함한 전자파 반사 장치(10)의 전체 높이는, 일례로서 1.5m 내지 2.5m이며, 설치면으로부터 2.0m 정도의 높이에 설정되어도 된다.
지지체(11)는, 패널(13)을 독립적으로 기립시키기 위한 기계적인 설계에 더하여, 패널(13)의 반사면(105)에서 일어나는 반사의 전위면을 연속시키는 전기적인 접속부(15)를 갖는다. 복수의 전자파 반사 장치(10)를 연결해서 사용할 때, 인접하는 전자파 반사 장치(10)의 패널(13)의 사이에서, 입사한 전자파에 의해 흐르는 전류(이것을 반사 전류라고 칭함)가 차단되면, 반사되는 전자파의 에너지는 감쇠하고, 또한, 불필요한 방향으로 복사되어서 통신 품질이 열화된다.
인접하는 2개의 패널에 있어서, 반사 전류의 연속성을 담보하기 위해서는, 반사의 기준이 되는 전위가, 지지체(11)에 의해 한쪽 패널로부터 다른 쪽 패널로 고주파적으로 전달되어, 인접하는 2개의 패널의 사이에서 기준 전위가 고주파적으로 공유되는 것이 바람직하다. 반사 전류의 연속성은, 지지체(11)의 접속 영역에서 가능한 한 균일한 것이 바람직하다. 지지체가 패널의 반사면에서 생기는 반사의 기준 전위를 전달하는 구성을, 기준 전위를 「참조」하는 구성이라고 칭해도 된다.
지지체(11)의 전기적인 접속부(15)에서, 한쪽 패널에서 기준 전위를 전달 가능하게 하고, 다른 쪽 패널에서 기준 전위를 공유 가능하게 하기 위해서는, 패널(13)의 에지 처리, 반사 특성에 대한 영향의 억제 등의 고안이 이루어져 있는 것이 바람직하다. 패널(13)의 「에지」란, 2개의 대향하는 주면과 주면의 사이를 연결하는 단부를 의미한다. 전기적인 접속부의 구체적인 구성은, 도 7 내지 도 9d를 참조하여 후술한다.
도 5a 내지 도 5d는, 전자파 반사 장치(10)의 변형예를 도시한다. 도 5a의 전자파 반사 장치(10A)에서는, 메타 리플렉터(102)가 이동 가능하게 마련되어 있다. 반사면(105)에서의 메타 리플렉터(102)의 위치를 가변으로 하는 구성은, 메타 리플렉터(102)와 반사면(105)의 간섭이 억제되는 한, 어떤 구성을 취하든 상관없다. 일례로서, 메타 리플렉터(102)를 보유 지지하는 로드(16)를, 패널(13)의 수평 방향으로 슬라이드 가능하게 설치하고, 또한, 로드(16) 상에서 메타 리플렉터(102)의 위치를 수직 방향으로 이동 가능하게 보유 지지해도 된다.
로드(16)는, 노멀 리플렉터(101) 또는 메타 리플렉터(102)의 반사 특성을 방해하지 않는 비금속이면서 또한 저유전율의 재료로 구성되어도 된다. 로드(16)는, 패널 계면에서의 광학적, 및 기계적인 간섭이 제로 또는 최소가 되도록 설계되어 있어도 된다. 메타 리플렉터(102)는, 전자파 반사 장치(10)가 배치되는 현장의 환경, 기지국(BS)과의 위치 관계 등에 따라서, 패널(13) 상의 최적의 위치로 이동될 수 있다. 지지체(11)는, 도 4와 마찬가지로, 내부에 전기적인 접속부(15)를 갖고 있다.
도 5b는, 전자파 반사 장치(10B)를 도시한다. 전자파 반사 장치(10B)에서는, 전자파 반사 장치(10B)의 패널(13)의 강성을 높이기 위한 보강으로서, 패널(13)의 반사면(105)과 반대측 면에, 가새(19)가 마련되어도 된다. 가새(19)는, 예를 들어 패널(13)의 양단을 보유 지지하는 지지체(11)와 지지체(11)의 사이에 걸쳐져 있어도 된다.
도 5c의 전자파 반사 장치(10C)에서는, 패널(13)의 상하에 보강 빔(21a와 21b)이 마련되어 있다. 보강 빔(21a와 21b)은, 패널(13)의 양측을 지지하는 지지체(11)의 사이에 삽입될 수 있다.
도 5d의 전자파 반사 장치(10D)에서는, 보강 빔(21a 또는 21b)과 지지체(11)의 사이에 가새(19)가 마련되어 있다. 이들 보강 기구에 의해, 패널(13)의 진동 모드를 억제하여, 공장 플로어의 진동에 대하여 전자파 반사의 안정화를 도모함과 함께, 대면적 패널의 경량화를 실현할 수 있다. 도 5b 내지 도 5d에서, 지지체(11)의 내부에 반사의 기준 전위를 참조하는 전기적인 접속부(15)가 마련되어 있는 것은, 도 4와 마찬가지이다.
도 5a 내지 도 5d의 변형예는, 서로 조합이 가능하다. 예를 들어, 도 5a의 구성의 패널(13)을 사용하는 경우에, 반사면(105)측에서 메타 리플렉터(102)를 이동 가능하게 보유 지지하고, 반사면(105)과 반대측 면에 가새(19)를 넣어도 된다.
<반사면의 구성>
도 6a 내지 도 6d는, 반사면(105)의 구성예를 도시한다. 반사면(105)은, 1GHz 내지 170GHz의 전자파를 반사하는 면이라면, 어떤 구성이어도 된다. 일례로서, 1GHz 내지 170GHz의 범위에서 선택되는 임의의 주파수대의 전자파를 반사하는 메쉬 도체, 도전막, 투명 수지와 도체막의 조합 등에 의해 반사면(105)은 형성될 수 있다.
반사면(105)을 1GHz 내지 170GHz 중 원하는 주파수대의 전파를 반사 가능하게 설계함으로써, 현재 일본의 이동체 통신에서 사용되고 있는 주요한 주파수 대역인 1.5GHz대, 2.5GHz대 등을 커버할 수 있다. 차세대 5G 통신망에서는, 4.5GHz 대역, 28GHz대 등이 예정되어 있다. 외국에서는, 5G의 주파수대로서, 2.5GHz대, 3.5GHz대, 4.5GHz대, 24-28GHz대, 39GHz대 등이 예정되어 있다. 5G 규격의 밀리미터파대 주파수대의 상한인 52.6HGz에도 대응 가능하다.
한편, 170GHz를 초과하는 주파수는, 현단계에서는 스마트 팩토리 용도로서 현실적으로 이용될 가능성은 적다. 장래적으로, 옥내에서의 테라헤르츠 대역의 이동체 통신이 실현되는 경우는, 포토닉 결정 기술을 적용하거나 하여, 반사면(105)의 반사 대역을 테라헤르츠대까지 확장해도 된다.
도 6a에서, 패널(13A)은, 도체(131)의 반사면(105)을 갖는다. 도체(131)는, 1GHz 내지 170GHz의 전파를 30％ 이상 반사할 수 있으면, 균질한 도체막이 아니어도 된다. 예를 들어, 상기 주파수대의 전자파를 반사하는 밀도로 형성된 메쉬, 격자이어도 되고, 혹은 구멍 배열이어도 된다. 상기 밀도를 형성하는 반복 피치는, 균일한 주기이어도 되고, 혹은 불균일해도 된다. 이 주기, 혹은 평균적인 주기는, 상기 주파수의 파장의 1/5 이하가 바람직하고, 1/10 이하가 보다 바람직하다.
일반적으로 공장이나 창고에서 사용되고 있는 금속망 펜스의 개구 직경은, 3.2cm, 4cm, 5cm 등이며, 1GHz 내지 170GHz의 전자파 대부분은 펜스를 투과한다. 1GHz 내지 수GHz의 근방에서, 전자파가 금속망 펜스에서 약간 반사되는 경우가 있어도, 그 이상의 주파수대에서는 투과 성분이 지배적이어서, 통신 환경의 개선으로 이어지는 안정된 반사는 얻어지지 않는다고 간주해도 좋다.
도 6b에서, 패널(13B)은 노멀 리플렉터이며, 도체(131)와, 동작 주파수에 대하여 투명한 유전체(132)의 적층 구조를 갖는다. 도체(131)의 어느 것의 표면이 반사면(105)으로 된다. 도체(131)측으로부터 전자파가 입사할 때는, 도체(131)와 공기의 계면이 반사면(105)으로 된다. 유전체(132)측으로부터 전자파가 입사할 때는, 도체(131)와 유전체(132)의 계면이 반사면(105)으로 된다.
도체(131)를 보유 지지하고, 또는 도체(131)의 표면을 덮는 유전체(132)는, 진동에 견딜 수 있는 강성이 있어, ISO(International Organization for Standardization: 국제 표준화 기구)의 ISO014120의 안전성 요구를 충족시키는 것이 바람직하다. 공장 내에서 사용되는 점에서, 부품이나 제조 기기의 일부가 부딪쳐도 충격에 견디고, 또한, 방어할 수 있는 것이 좋으며, 또한, 가시광 영역에서 투명한 것이 바람직하다. 일례로서, 소정 이상의 강도를 갖는 광학 플라스틱, 강화 플라스틱, 강화 유리 등이 사용된다. 광학 플라스틱으로서, 폴리카르보네이트(PC), 폴리메틸메타크릴레이트(PMMA), 폴리스티렌(PS) 등을 사용해도 된다.
도 6c에서, 패널(13C)은, 유전체(132)와 유전체(133)의 사이에 끼워지는 도체(131)를 갖는다. 전자파의 입사 방향에 따라서, 어느 것의 유전체와의 계면이 반사면(105)으로 된다. 유전체(132 및 133)에 요구되는 강성은, 도 6b의 구성과 마찬가지이다.
도 6d에서, 패널(13D)은, 도 6b의 적층체의 일부에 메타 리플렉터(102)를 갖고 있어도 된다. 도체(131)와 유전체(132)의 적층체는, 노멀 리플렉터(101)로서 사용될 수 있다. 노멀 리플렉터(101)의 유전체(132)의 표면에, 접합 등에 의해 메타 리플렉터(102)가 고정되어도 된다. 도체(131), 유전체(132) 및 메타 리플렉터(102)의 3층 구조의 영역이, 메타서페이스를 형성하는 비대칭 반사 영역(AS)으로 될 수 있다. 메타 리플렉터(102)가 없는, 도체(131)와 유전체(132)의 2층 구조의 영역이, 정규 반사를 부여하는 대칭 반사 영역(SY)으로 될 수 있다.
도 6d의 예에서는, 메타 리플렉터(102)는, 도 4와 같이, 노멀 리플렉터(101)와 일체적으로 패널(13D)에 내장되어 있지만, 노멀 리플렉터(101)와 분리 가능하게 사용되어도 된다. 분리 가능한 구성으로서, 도 5a와 같이, 위치 가변인 메타 리플렉터(102)를 사용해도 된다. 현장의 환경에 따라서 패널(13) 상의 메타 리플렉터(102)의 위치를 선택함으로써, 비대칭 반사 영역의 위치를 조정할 수 있다.
<지지체의 접속 구조>
도 7과 같이, 복수의 전자파 반사 장치(10)를 지지체(11)로 연결해서 면(P)에 설치해도 된다. 예를 들어, 전자파 반사 장치(10-1과 10-2)를 연결할 경우, 패널(13-1)과 패널(13-2)은 지지체(11)의 전기적인 접속부(15)에서, 반사의 전위면이 연속하도록 접속된다. 상술한 바와 같이, 지지체(11)는, 패널(13)간을 연결하는 기계적 강도와, 패널(13)간에서 반사의 기준 전위를 연속시키는 전기적인 접속 성능을 구비한다. 이하에서는, 전기적인 접속부(15)의 구성예를 나타낸다.
도 8은, 지지체(11)의 전기적인 접속부(15)의 일례를, 전자파 반사 장치(10)를 면(P)(도 7 참조)에 세웠을 때의 수평 단면도로 나타낸다. 접속부(15)는, 인접하는 패널(13)간에서 반사 현상의 기준 전위가 공유되도록 한쪽 패널의 반사의 기준 전위를, 인접하는 패널에 전달 가능하게 설계되어 있다.
지지체(11)는, 프레임(111)과, 이 프레임(111)에 마련되어서 패널(13)간의 반사의 전위면을 공통으로 하는 전기적인 접속부(15)를 갖는다. 접속부(15)는, 인접하는 패널(13-1과 13-2)(이하, 적절히 「패널(13)」이라고 총칭함)의 사이에서 반사의 기준 전위를 안정되게 전달하고, 또는 공유시킬 수 있으면, 어떤 구성이어도 된다. 프레임(111)은, 전기적인 접속부(15)를 안정적으로 보유 지지할 수 있는 강도를 갖는다면, 어떤 구성이어도 된다. 도 8의 구성에서, 프레임(111)은 전기 절연성의 재료로 형성되어 있어도 된다.
도 8의 예에서는, 접속부(15)는, 패널(13)의 에지를 파지하는 도전성 에지 재킷(17-1 및 17-2)(이하, 적절히 「에지 재킷(17)」이라고 총칭함)과, 에지 재킷(17)을 인접 패널에 전기적으로 접속하는 브리지 전극(112)을 갖는다. 브리지 전극(112)은, 패널(13-1)과 패널(13-2)의 전위면을 걸치는 도전 브리지의 일례이다. 패널(13-1)의 에지를 파지하는 에지 재킷(17-1)과, 패널(13-2)의 에지를 파지하는 에지 재킷(17-1)은, 브리지 전극(112)에 의해 전기적으로 접속된다. 브리지 전극(112)은, 에지 재킷(17-1 및 17-2)과 면 접촉하여, 전기적인 접속을 확실하게 하고 있다. 패널(13-1)에서 반사 전류가 생기면, 반사 전류는 에지 재킷(17-1)으로부터 브리지 전극(112)을 통해서 에지 재킷(17-2)에 흘러, 패널(13-1)의 도체(131)에 유입된다. 반사 전류는 짧은 전류 경로로 흘러, 전류의 유입이 적어, 반사 성능이 양호하다.
여기서, 반사 전류는 범용의 3차원 전자계 시뮬레이션 소프트웨어로, 접속부(15)를 포함하는 모델에 평면파를 입사하여, 반사 특성으로서 산란 단면적을 해석하면서, 단면의 전류 분포로부터 전류 경로를 구함으로써, 양호한 범위를 정할 수 있다. 3차원 전자계 시뮬레이션의 해법으로서는, 예를 들어 FDTD법, 유한 요소법, 모멘트법 등을 이용할 수 있다. 전류 경로는 패널간의 직선 거리에 대하여, 50배 이하, 바람직하게는 10배 이하, 보다 바람직하게는 5배 이하, 더욱 바람직하게는 2배 이하가 바람직하다.
또한, 접속부(15)에서의 도전성 재료 부분, 즉 브리지 전극(112)이나, 하기 변형예에서의 금속층(121) 등의 모퉁이부는, R 면취를 함으로써, 도체의 에지에서의 산란을 안정화하기 때문에 바람직하다. R 면취부에서의 곡률 반경(R)은, 적어도 R=1mm 이상, 바람직하게는 2mm 이상, 보다 바람직하게는 4mm 이상, 더욱 바람직하게는 8mm 이상이다.
프레임(111)은, 지지체(11)의 강도를 확보하도록 마련되고, 프레임(111)을, 절연성 탄성체, 수지 등으로 형성함으로써, 반사 전류의 분류가 발생하지 않아 바람직하다. 또한, 상기 바람직한 범위는, 이하에서 설명하는 변형예에서도 적용할 수 있다.
도 9a와 도 9b는, 패널(13)의 에지 처리의 예를 도시한다. 도 9a에서는, 패널(13)은, 유전체(132)와 유전체(133) 사이에 끼워진 도체(131)를 반사면(105)으로서 갖는다. 에지 재킷(17)은, 일례로서, 단면 형상이 오픈 스퀘어 또는 U자형의 도전성 레일이며, 1조의 외측면(171)과, 외측면(171)을 접속하는 저면(172)을 가져도 된다. 에지 재킷(17)의 내면에, 미리 은 페이스트 등의 도전성 접착재(18)가 도포되어 있어도 된다.
도체(131)는, 패널(13)의 에지에서 폴딩되어, 적어도 한쪽의 유전체의 표면으로 인출되어도 된다. 패널(13)의 에지가 에지 재킷(17)에 삽입되면, 도체(131)의 폴딩부(131a)는 에지 재킷(17)의 내벽과 면 접촉한다. 도체(131)를 폴딩부(131a)에서 패널(13)의 표면으로 인출함으로써, 도체(131)와 에지 재킷(17)의 접촉 면적이 증대하여, 전기적인 접속이 안정된다.
도 9b에 도시하는 바와 같이, 패널(13)의 에지를 따라, 유전체(132 및 133)의 두께를 저감하여, 절결(134)을 형성해도 된다. 절결(134)에 의해 박화된 에지 영역이, 에지 재킷(17)과 끼워 맞추어지는 구성으로 해도 된다. 이 구성에서는, 에지 재킷의 외측면(171)이 패널(13)의 표면 위치와 정렬되어, 패널(13)을 취급하기 쉽다.
도 10a 내지 도 10e는, 지지체(11)의 접속부(15)의 변형예를 도시한다. 도 10a에서, 지지체(11A)는, 절연성 프레임(111) 대신에, 카본 함유 재료로 형성된 프레임(111A)을 갖는다. 프레임(111A)과 에지 재킷(17-1 및 17-2)으로, 전기적인 접속부(15A)가 형성된다. 카본 함유 재료로서는, CFRP(Carbon Fiber Reinforced Plastics: 탄소 섬유 강화 플라스틱)를 사용할 수 있다. 카본 섬유와 수지를 조합함으로써, 연속식 인발 성형과 같은 제조 방법으로 도전체인 카본 섬유와, 절연체인 수지를 일체 성형할 수 있어, 높은 강도가 실현된다.
에지 재킷(17-1과 17-2)을 보유 지지하는 CFRP 자체가 전기적인 접속부(15A)로 된다. 브리지 전극(112)을 사용하지 않고, 에지 재킷(17-1과 17-2)의 사이를 전기적으로 접속할 수 있다. 반사의 점에서는, 카본 섬유는 금속 벌크와 비교해서 반사 성능이 양호하여, 프레임(111A) 자체의 반사 특성도 우수하다.
반사 성능과 강도를 양립하기 위해서는, CFRP의 카본 섬유 함유 비율은 50％ 이상 60％ 이상, 70％ 이상, 80％, 90％ 이상인 것이 바람직하다. 한편, CFRP의 수지 함유 비율은 50％ 이하, 40％ 이하, 30％ 이하, 20％ 이하, 10％ 이하인 것이 바람직하다.
도 10b에서, 지지체(11B)는, 금속층(121)과 수지층(122)의 적층 프레임(111B)을 갖는다. 금속층(121)은, 에지 재킷(17-1과 17-2)을 덮는 형태로 패널(13-1과 13-2)을 연결한다. 에지 재킷(17-1 및 17-2)과 접촉하는 금속층(121)이 전기적인 접속부(15B)로 된다. 수지층(122)은, 금속층(121)에 의한 패널간의 연결을 외측으로부터 보강한다. 이 구성은, 전류의 유입이 적다. 금속층(121)과 수지층(122)이 조합된 구성은, 프레임(111B)의 설계와 가공이 용이하다. 적층 방향에서 보았을 때, 금속층(121)을 수지층(122)의 사이에 끼움으로써 프레임(111B)의 강도도 확보되어 있다.
도 10c는, 도 8b의 에지 처리가 이루어진 패널(13)끼리를 접속한다. 패널(13)의 표면과 에지 재킷(17)의 외측벽이 정렬되어 있으므로, 미리 패널(13)의 에지에 에지 재킷(17)을 끼워 넣은 상태에서, 패널(13)을 프레임(111C)에 삽입하면 된다. 프레임(111C)은, 예를 들어 절연성 플라스틱으로 형성되어 있다. 전기적인 접속부(15C)에 있어서, 반사 전류는, 에지 재킷(17)으로부터 브리지 전극(112C)을 통해서, 짧은 전류 경로로 인접하는 패널의 도체(131)에 유입된다. 브리지 전극(112C)은, 에지 재킷(17-1 및 17-2)의 외측면의 전체면과 면 접촉하도록 폭 넓게 형성되어도 된다. 패널(13-1)에서 전자파가 반사될 때, 백색 화살표로 나타낸 바와 같이, 고주파 전류가 브리지 전극(112C)의 적어도 일부를 통과하여, 패널(13-2)의 도체(131)에 흐르므로, 전류의 유입이 적다.
도 10d는, 지지체(11D)의 접속부(15D)의 구성예를 도시한다. 접속부(15D)는, 에지 재킷(17-1과 17-2)을 전기적으로 접속하는 브리지 전극(114)을 갖는다. 브리지 전극(114)은, 에지 재킷(17-1과 17-2)의 저면(172)끼리를 전기적으로 접속하고 있다. 도 10d의 구성은, 도체(131-1)로부터, 에지 재킷(17-1), 브리지 전극(114), 에지 재킷(17-2), 도체(131-2)로, 최단 경로로 고주파가 흐르는 점에서 유리하다. 도 10d의 예에서는, 브리지 전극(114)은 에지 재킷(17-1과 17-2)의 저면(172)의 일부를 접속하고 있지만, 브리지 전극(114)의 두께를 증가시켜, 에지 재킷(17-1과 17-2)의 저면(172)의 전체면에서 접속해도 된다. 브리지 전극(114)을 두껍게 함으로써, 전기적 및 물리적인 접속이 보다 안정된다. 브리지 전극(114)의 주위를 절연성 프레임(111D)으로 둘러쌈으로써 전기적인 접속부(15D)의 기계적 강도와, 전기 접속의 확실성을 담보하고 있다.
도 10e는, 금속과 수지의 복합형의 프레임(111E)을 사용하는 예를 도시한다. 금속의 커넥터(141)와 커넥터를 덮는 수지 보강부(142)를 갖는다. 커넥터(141)는, 압출 성형 등으로 용이하게 제작되어, 전기적 접속을 담보하면서, 커넥터 자체도 어느 정도의 강도를 구비하고 있다. 이 주위를 수지 보강부(142)로 덮음으로써, 커넥터(141)와 수지 보강부(142)의 양자에서 지지재로서의 강도를 확보한다. 이에 의해, 커넥터(141)의 두께를 얇게 하여, 전류의 우회에 의한 잔류 인덕턴스의 발생을 억제한다. 또한 단부를 둥글게 함으로써, 모퉁이부에서의 회절을 방지하고 있다.
도 10f는, 참고예로서, 알루미늄의 압출 성형으로 형성되는 기존의 프레임(1100)을 사용한 구조를 도시한다. 복잡한 단면 형상을 갖는 프레임(1100)에서는, 다양한 방향으로 전류가 흘러, 복잡한 전류 우회 경로에 의한 잔류 인덕턴스나 부유 용량이 발생한다. 입사 전자파에 의해 그 응답이 복잡하게 변화하기 때문에, 기준 전위의 참조 또는 전달에 악영향을 미친다. 이러한 점에서, 지지체(11)의 접속부(15)로서, 도 8 및 도 10a 내지 도 10e에 도시한 구성을 채용하는 것이 바람직하다.
<패널의 연결>
도 11a는, 전자파 반사 장치(10-1과 10-2)의 연결을 설명하는 도면이다. 패널(13-1)의 양측 에지에 에지 재킷(17-1)이 마련되어 있다. 패널(13-2)의 양측 에지에 에지 재킷(17-2)이 마련되어 있다. 미리 에지 재킷(17-1 및 17-2)이 끼워진 패널(13-1)과 패널(13-2)은, 지지체(11)에 의해 연결된다.
지지체(11)는, 전기적인 접속부(15)를 갖는 프레임(111)과, 프레임(111)을 수취하는 가이드 빔(118)을 갖고 있어도 된다. 도 11a의 구성예와 같이, 프레임(111)과 가이드 빔(118)이 별체로서 형성되어 있어도 되고, 일체로 구성되어 있어도 된다. 프레임(111)이 양측으로부터 패널(13-1)과 패널(13-2)을 수취하면, 접속부(15)의 브리지 전극(112)은, 패널(13-1)의 에지 재킷(17-1)의 외측면과, 패널(13-2)의 에지 재킷(17-1)의 외측면의 양쪽에 면 접촉한다. 이에 의해, 전자파 반사 장치(10-1)의 반사면(105-1)과, 전자파 반사 장치(10-2)의 반사면(105-2)의 사이에 전기적인 접속이 확립된다.
패널(13-1)과 패널(13-2)을 연결하는 프레임(111)을 가이드 빔(118)에 끼움으로써, 프레임(111)과 가이드 빔(118)이 일체로 되어 지지체(11)가 된다.
도 11b는, 연결 전의 전자파 반사 장치(10)의 상태를 도시한다. 전자파 반사 장치(10-1 내지 10-3) 각각에서, 패널(13)의 한쪽의 사이드 에지에, 전기적인 접속부(15)를 갖는 프레임(111)이 미리 설치되고, 다른 쪽의 사이드 에지에, 가이드 빔(118)이 설치되어 있다. 전자파 반사 장치(10-1 내지 10-3)의 반사면(105)은, 도 6a 내지 도 6d의 어느 구성이어도 된다.
프레임(111)은, 다른 전자파 반사 장치(10)에 마련되어 있는 가이드 빔(118)에 끼움 가능하게 형성되어 있다. 가이드 빔(118)은, 다른 전자파 반사 장치(10)에 마련된 프레임(111)을 수취 가능하게 형성되어 있다. 예를 들어, 전자파 반사 장치(10-1)의 가이드 빔(118)은, 전자파 반사 장치(10-2)의 프레임(111)을 수취한다. 전자파 반사 장치(10-2)의 가이드 빔(118)은, 전자파 반사 장치(10-3)의 프레임(111)을 수취한다. 정형 사이즈의 전자파 반사 장치(10)를 조합해서 일체화함으로써, 프로세스 라인의 길이에 대응할 수 있다. 조립 작업은, 공장 내의 현장에서행하면 된다. 개개의 전자파 반사 장치(10-1 내지 10-3)는, 구성이 단순해서 반송이 용이하다.
도 11c는, 연결 후의 전자파 반사 장치(10)의 상태를 도시한다. 프레임(111)과 가이드 빔(118)이 일체로 되어 지지체(11)가 형성된다. 지지체(11)에 의해, 복수의 전자파 반사 장치(10-1, 10-2 및 10-3)가 연결되어서, 전자파 반사 펜스(100)가 형성되어도 된다. 프레임(111)의 전기적인 접속부(15)에 의해, 패널(13)간의 연결부에서의 반사 전류의 불연속성이 억제되어 있다.
가이드 빔(118)과 프레임(111)의 적어도 한쪽에 미리 베이스(119)를 마련해 둠으로써, 연결된 전자파 반사 장치(10-1 내지 10-3)는, 지지체(11)의 베이스(119)에 의해 설치면에 독립적으로 기립한다. 가장 단부에 위치하는 전자파 반사 장치(10-3)의 패널(13)의 에지에 커버(29)를 씌워, 에지 재킷(17)과 가이드 빔(118)을 보호해도 된다.
도 12와 도 13은, 복수의 전자파 반사 장치(10-1, 10-2)를 연결할 때의 접속을 보강하는 기구를 도시한다. 도 12의 (A)는, 전자파 반사 펜스(100)의 정면도, 도 12의 (B)는, 보강 기구(125)의 체결 전의 상태를 도시하는 측면도, 도 12의 (C)는, 보강 기구(125)의 체결 후의 상태를 도시하는 측면도이다. 도 13은, 보강 기구(125)의 하나의 구성예이다. 도 13의 (A)는, 보강 기구(125)에서 사용되는 커버(127)의 패널(13)에의 설치면(127a)에 형성된 가이드 홈(129)을 도시한다. 도 13의 (B)는, 도 13의 (A)의 단면 A와 단면 B의 상태를 나타낸다.
연결 강도의 향상, 및 전기적 접속성의 향상을 위해서, 반사 특성을 악화시키지 않을 정도로 적절히, 도 12 및 도 13에 도시하는 보강 기구(125)를 사용해도 된다. 패널(13)에 구멍(126)을 형성하고, 그 구멍에 핀(128)을 통과시켜서, 패널(13)의 반사면과 반대측의 면에 커버(127)를 장착한다. 커버(127)의 설치면(127a)에 형성된 가이드 홈(129)을 따라 핀(128)을 이동시킴으로써, 지지체(11)에 대하여 양측으로부터 패널(13)을 압접시킬 수 있다. 보강 기구(125)의 체결에 의해, 패널(13)에 형성된 구멍(126)의 위치는 약간 지지체(11)의 방향으로 시프트한다. 패널(13)의 탄성력에 의해, 패널(13)의 에지와 지지체(11)의 접속부(15)(도 17 참조)의 접속이 확실해진다.
복수의 전자파 반사 장치(10)의 연결을 강화하는 기구는 도 12, 도 13에 도시한 예에 한정되지 않고, 전자파의 반사 특성을 저해하지 않는 범위에서, 적절한 패스너 기구, 래칫 등을 사용해도 된다. 이러한 압접 공정을 상정해서 에지 재킷(17) 및 접속부(15)의 설계가 적절히 조정되어도 된다.
<프로세스 라인에의 적용>
도 14는, 메타 리플렉터(102)의 사이즈를 설명하는 도면이다. 송신기를 「Tx」, 수신기를 「Rx」로 한다. 송신기(Tx)는, 예를 들어 기지국(BS)이다. 수신기(Rx)는, 예를 들어 프로세스 라인(3) 내의 기기이다. 송신기(Tx)로부터, 메타 리플렉터(102)의 표면(102S)까지의 거리를 d1, 메타 리플렉터(102)의 표면(102S)으로부터 수신기(Rx)까지의 거리를 d2로 한다.
프로세스 라인에서의 사용을 전제로 해서, d1과 d2의 토탈 거리(D)는, 일례로서 40m이다(D=d1+d2=40m). 프로세스 라인의 표준적인 길이는 80m이다. 프로세스 라인의 길이 방향의 양단부에 기지국(BS)을 배치하고, 2개의 기지국(BS)에서 표준적인 직사각형의 서비스 에어리어를 제공하는 상태를 상정하여, D=40m로 한다.
송신기(Tx)로부터 방사되어 메타 리플렉터(102)에서 반사된 전파가 동상으로 수신기(Rx)에 도달할 때의 제1 프레넬 존의 반경(R)은, 식 (1)로 규정된다.
[수학식 1]
여기서, λ는 사용 파장이다.
도 15는, 식 (1)로부터 유도되는 제1 프레넬 존의 반경(R)의 구체예를 도시한다. 동작 주파수가 28GHz, d1이 30m, d2가 10m일 때, 제1 프레넬 존의 반경(R)은 0.283m이다. 동일한 주파수에서, d1이 35m, d2가 5m일 때는, 반경(R)은 0.216m이다.
동작 주파수가 3.8GHz이고, d1이 30m, d2가 10m일 때, 제1 프레넬 존의 반경(R)은 0.770m이다. 동일한 주파수에서, d1이 35m, d2가 5m일 때는, 반경(R)은 0.588이다.
프로세스 라인에 배치되는 기기(M)에 있어서, 전자파 반사 장치(10)로부터의 반사파를, 기지국(BS)으로부터의 직접파와 동상으로 수신하여, 수신 강도를 향상시킬 수 있는 것이 바람직하다. 메타 리플렉터(102)를 사용한 전자파 반사 장치(10)를 프로세스 라인에 적용하는 경우, 동상 수신이 가능해지는 제1 프레넬 존을 고려하면, 28GHz대에서는, 하나의 메타 리플렉터(102)의 최소 사이즈로서, 1변의 길이는 적어도 0.5m 이상인 것이 바람직하다. 3.8GHz대에서는, 하나의 메타 리플렉터(102)의 최소 사이즈로서, 1변의 길이는 1m 정도인 것이 바람직하다. 도 5b 내지 도 5d에 도시한 바와 같이, 하나의 패널(13)에 복수의 메타 리플렉터(102)가 사용되는 경우도, 각 메타 리플렉터(102)의 사이즈는, 적어도 제1 프레넬 존을 커버하는 것인 것이 바람직하다.
제1 프레넬 존의 반경(R)은, 입사각과 반사각의 관계에는 의존하지 않으므로, 마찬가지의 계산이 노멀 리플렉터(101)에도 적용된다. 노멀 리플렉터(101)에 입사한 전파를, 정규 반사로 동상을 유지해서 수신기(Rx)로 유도하기 위해서는, 노멀 리플렉터(101)의 사이즈는, 1변이 50cm 이상인 것이 바람직하다.
메타 리플렉터(102)를, 애스펙트비가 큰 서비스 에어리어에 의해 커버되는 프로세스 라인에서 사용할 때, 입사각과 반사각의 어느 것의 사입사가 깊어진다. 이하에서, 프로세스 라인(3)과, 기지국(BS)과, 전자파 반사 장치(10)의 배치 관계를 검토한다.
<무선 전달 시스템의 배치 관계>
도 16a, 도 16b, 도 17a, 도 17b를 참조하여, 무선 전달 시스템(1)의 배치 관계를 설명한다. 도 1 및 도 2를 참조하여 설명한 바와 같이, 무선 전달 시스템(1)은, 1GHz 내지 170GHz의 대역의 전파를 송수신하는 기지국(BS)과, 상기 전파를 송수신하는 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인(3)과, 상기 프로세스 라인의 적어도 일부를 따라 배치되는 전자파 반사 장치(10)를 구비한다. 전자파 반사 장치(10)는, 상기 대역의 전파를 반사하는 반사면(105)을 갖는다.
이하에서 상세하게 설명하는 바와 같이, 기지국(BS)은, 반사면(105)과 수평인 연장선(L)보다도 프로세스 라인(3)측에 위치하는 것이 바람직하다. 예를 들어, 기지국(BS)은, 프로세스 라인(3)의 길이 방향 양단에 배치될 수 있다. 프로세스 라인(3) 내의 생산 기기는, 기지국(BS)과 직접, 또는 전자파 반사 장치(10)를 통해서 상기 대역에서 통신이 가능하다.
도 16a는, 무선 전달 시스템(1)에서의 반사의 패턴 1을 나타낸다. 패턴 1에서는, 실선의 화살표로 나타낸 바와 같이, 기지국(BS)과 프로세스 라인(3)은, 기지국(BS)으로부터 방사되는 전파가, 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)의 수선에 대하여 깊은 각도로 입사하고, 얕다 각도로 반사되는 위치 관계로 배치되어 있다. 즉, 패턴 1에 있어서, 전파는, 입사각 45도 이상의 각도로 입사하고, 반사각이 정규 반사에서의 반사 각도보다도 작아지도록 반사된다.
기지국(BS)으로부터의 전파를, 깊은 각도로 반사면(105)에 입사시키기 위해서는, 기지국(BS)은, 전자파 반사 장치(10)의 연장선(L)보다도 프로세스 라인(3)측에 위치하고, 또한, 프로세스 라인(3)의 길이 방향 단부에 위치하는 것이 바람직하다. 깊은 각도로 전파를 반사면(105)에 입사함으로써, 프로세스 라인(3)의 중앙부 또는 그 근방에 전파를 보낼 수 있다.
도 16b는, 반사의 패턴 2를 나타낸다. 패턴 2에서는, 기지국(BS)과 프로세스 라인(3)은, 기지국(BS)으로부터 방사되는 전파가 반사면(105)의 수선에 대하여 얕은 각도로 입사하고, 입사각보다도 깊은 각도로 반사되는 위치 관계로 배치되어 있다. 즉, 패턴 2에 있어서, 전파는, 입사각 45도 이하의 각도로 입사하고, 반사각이 정규 반사에서의 반사 각도보다도 커지도록 반사된다.
패턴 2의 경우, 기지국(BS)은 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)과 수평인 연장선(L)보다도 프로세스 라인(3)측에 위치하는데, 프로세스 라인(3)의 길이 방향 단부보다도 중앙쪽에 위치한다. 이하에서 설명하는 바와 같이, 패턴 2의 경우, 사입사 각도의 변동에 대한 영향이 커진다.
도 17a는, 패턴 1의 기준 로버스트성을 나타내고, 도 17b는, 패턴 2의 기준 로버스트성을 나타낸다. 기준 로버스트성이란, 입사각을 1도 변화시켰을 때의 반사각의 안정성을 말한다. 입사각 1도의 변화에 대하여 반사각의 변화가 적을 때는, 기준 로버스트성이 높다.
도 17a에서는, 패턴 1에서, 이상각(θabn)을 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 및 50°의 7가지로 바꾸어, 입사각의 변화에 대한 반사각의 변동을 어림한다. 7가지의 이상각(θabn)에서의 반사각의 변동은 거의 동일하고, 서로 겹쳐 있기 때문에, 도면 중에서 굵은 1개의 라인이 되어서 표시되어 있다.
이상각(θabn)은, 도 3b를 참조하여 설명한 바와 같이, 전파가 입사각과 다른 반사각으로 반사하는 비대칭 반사에 있어서, 정규 반사에 의한 반사각과 비대칭 반사의 반사각의 차이다. 이상각(θabn)을 20° 내지 50°까지 변화시키는 것은, 비대칭 반사의 반사 방향을 30도의 각도 범위에 걸쳐 제어하는 것에 상당한다.
입사각이 50° 내지 75°의 범위(깊은 입사)에서는, 입사각 1도의 변화에 대한 반사각의 변동은 1도 미만으로 작고, 또한, 입사각에 의존하지 않고 거의 일정하다. 입사각이 깊을 때는 비대칭 반사에서의 반사의 제어성이 높은 것을 알 수 있다. 반사각의 변동의 적음을 나타내는 도 17a의 경향은, 입사각이 75°를 초과해서 90° 근방에 이르러도 유지될 것으로 용이하게 추측된다.
도 17b에서는, 패턴 2에서, 이상각(θabn)을 20°, 25°, 30°, 35°, 40°, 45°, 및 50°의 7가지로 바꾸어, 입사각에 대한 반사각의 변동을 어림한다. 입사각이 15°부터 40°인 범위(얕은 반사)에서는, 입사각 1도의 변화에 대한 반사각의 변동은, 입사각에 따라 변화하고, 또한, 이상각(θabn)에 따라 크게 변동된다.
이상각(θabn)이 작을 때, 즉 정규 반사의 반사각과의 차가 작을 때는, 반사각의 변동의 입사각 의존성은 작다. 이상각(θabn)을 크게 하면, 즉, 메타 리플렉터(102)에 의한 반사 방향의 변화를 크게 하면, 입사각 1도의 변화에 대한 반사각의 변동이 매우 커지고, 또한 입사각에 따라 반사각의 변동량도 크게 다르다. 입사각이 15° 내지 40°라는 얕은 범위에서는, 비대칭 반사에서의 반사의 제어성이 좋지 않다.
도 17a와 도 17b로부터, 프로세스 라인(3)에 기지국(BS)을 배치할 때는, 입사각에 의존하는 반사각의 변동을 억제하는 관점에서, 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)에의 입사각이 50° 이상의 각도가 되는 위치에 기지국(BS)을 배치하는 것이 바람직하다. 따라서, 도 16b에 도시하는 배치보다도, 도 16a의 배치 관계쪽이 바람직하다.
도 18은, 기준 로버스트성의 정량화법을 설명하는 도면이다. 도 17a와 도 17b의 기준 로버스트성은, 이하의 수순으로 어림한다. 어떤 입사각(θi)과 반사각(θr)을 입력으로 하고, 위상 점프 분포의 함수(f)를 사용하여, 위상 점프(Φ(x))를 구한다. 여기서, x는 반사면 상의 x 방향의 위치이다. 위상 점프는, 반사파를 원하는 각도로 반사시키기 위해서, 반사파에 더해지는 위상량을 가리킨다. 위상 점프 분포(dΦ/dx)는,
sinθr-sinθi=(λ/2π)(dΦ/dx)
로 표현된다. 여기서, λ는 사용 파장이다. 비특허문헌, PHYSICAL REVIEW B 94.075142(2016), V.S. Asadchy, et al., "PERFECT CONTROL OF REFLECTION AND REFRACTION USING SPATIALLY DISPERSIVE METASURFACES"에 기재된 표면 임피던스(ZS)와 파동 임피던스(η)를 사용하면, 위상 점프 분포(Φ(x))를 구하는 함수(f)는,
[수학식 2]
로 표현된다. arg( )는 복소수 상의 편각(argument)을 나타내는 함수이다. 표면 임피던스(Zs(x))는,
[수학식 3]
으로 표현된다.
이어서, 입사각을 1도 변화시켜, 변화 후의 입사각과 반사각'를 입력으로 해서, 위상 점프 분포 함수(f)로부터 위상 점프(Φ'(x))를 구한다.
Φ'(x)-Φ(x)가 최소로 되는 반사각'를 구하여, 이것을 입사각에 대한 반사각의 변동으로 간주한다. 도 17a와 도 17b는, 구한 반사각의 변동을 입사각의 함수로서 플롯한 것이다.
도 19a는, 패턴 1의 위상 점프의 변화를 나타낸다. 횡축은 위치(m), 종축은 위상(도)이다. 도 19a의 Deep-in Shallow-out에서는, 반사각(θr)을 30도로 고정하고, 입사각(θi)을 68.5°, 70°, 71.5°로 바꾸고 있다. 깊은 각도의 입사에서는, 입사각을 3°의 범위에서 바꾸어도 위상 점프의 분포는 그다지 변하지 않는다.
도 19b는, 패턴 2의 위상 점프의 변화를 나타낸다. 횡축은 위치(m), 종축은 위상(도)이다. 도 19b의 Shallow-in Deep-out에서는, 반사각(θr)을 60도로 고정하고, 입사각(θi)을 18.5°, 20°, 21.5°로 바꾸고 있다. 얕은 각도로의 입사에서는, 도 19a와 마찬가지로 입사각을 3°의 범위에서 바꾸면, 입사각에 따라 위상 점프의 분포가 크게 어긋난다.
도 19a와 도 19b로부터도, 전자파 반사 장치(10)에 입사하는 전파의 위상 점프의 분을 균일하게 하는 점에서, 도 16a의 배치쪽이, 도 16b보다도 바람직한 것을 알 수 있다. 도 16b의 배치에서, 기지국(BS)은, 기지국(BS)으로부터의 전파가 50도 이상의 입사각으로 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)에 입사하는 위치에 배치된다.
이상, 특정 구성예에 기초하여 본 발명을 설명해 왔지만, 발명을 일탈하지 않는 범위에서 다양한 변형, 대체가 가능하다. 메타 리플렉터(102)는, 반사 위상 등의 반사 특성을 제어할 수 있으면, 어떤 구성을 채용해도 되며, 주파수 선택성 또는 파장 선택성을 갖는 주기 구조를 적절히 설계하면 된다.
전자파 반사 장치(10)는, 도 16a와 같이, 프로세스 라인(3)의 긴 변을 따라 편측에 배치되어도 되고, 도 2와 같이, 프로세스 라인(3)의 양측에 배치되어도 된다. 프로세스 라인(3)이 L자형과 같이 구부러져 있을 경우는, 직사각형 영역을 형성하는 각각의 영역에 전자파 반사 장치(10)를 설치해도 되고, 어느 것의 주요한 라인에 전자파 반사 장치(10)를 설치해도 된다. 어느 경우든, 기지국(BS)은, 전자파 반사 장치(10)의 반사면(105)에 대하여 깊은 입사각으로 전파가 입사하는 위치에 배치된다.
프로세스 라인(3) 내의 기기는, 반드시 전자파 반사 장치(10)로부터의 반사파만을 수신할 필요는 없고, 기지국(BS)으로부터 방사되는 전파를 직접 수신해도 된다. 이 경우, 동상 수신에 의해 수신 다이버시티를 행해도 된다. 프로세스 라인(3)의 길이 방향 양측에 기지국(BS)을 배치할 때는, 협조형 기지국을 사용해도 된다.
개개의 전자파 반사 장치(10)는, 도 11a와 같이, 패널(13)의 대향하는 에지의 한쪽에 프레임(111)이 설치되고, 다른 쪽에 가이드 빔(118)이 설치된 상태에서 반송되어도 된다. 이 경우는, 현장에서의 부품의 설치 작업이 생략되어 조립이 용이해진다. 혹은, 패널(13)에, 프레임(111)만이 설치된 상태에서 반송되어, 현장에서 가이드 빔(118)을 사용해서 조립해도 된다. 또한, 도 5a와 같이, 패널(13) 상의 메타서페이스의 위치 결정을 전자파 반사 장치(10)의 설치 현장에서 행해도 된다.
실시 형태의 전자파 반사 장치와, 무선 전달 시스템은, 스마트 팩토리의 실현에 공헌한다.
본 출원은, 2020년 3월 31일에 출원된 일본 특허 출원 제2020-064578호에 기초해서 그 우선권을 주장하는 것이며, 이 특허 출원의 전체 내용을 포함한다.
1: 무선 전달 시스템
3: 프로세스 라인
10, 10A 내지 10E, 10-1, 10-2: 전자파 반사 장치
11: 지지체
13, 13-1, 13-2: 패널
15, 15A 내지 15E: 접속부
16: 로드
17, 17-1, 17-2: 에지 재킷
19: 가새
100: 전자파 반사 펜스
101: 노멀 리플렉터
102: 메타 리플렉터
105: 반사면
111, 111A 내지 111E: 프레임
112, 112A, 114: 브리지 전극
118: 가이드 빔
125: 보강 기구
131: 도체
132, 133: 유전체
BS, BS1, BS2: 기지국
WT, WT1, WT2: 무선 통신부
SY: 대칭 반사 영역
AS: 비대칭 반사 영역
3: 프로세스 라인
10, 10A 내지 10E, 10-1, 10-2: 전자파 반사 장치
11: 지지체
13, 13-1, 13-2: 패널
15, 15A 내지 15E: 접속부
16: 로드
17, 17-1, 17-2: 에지 재킷
19: 가새
100: 전자파 반사 펜스
101: 노멀 리플렉터
102: 메타 리플렉터
105: 반사면
111, 111A 내지 111E: 프레임
112, 112A, 114: 브리지 전극
118: 가이드 빔
125: 보강 기구
131: 도체
132, 133: 유전체
BS, BS1, BS2: 기지국
WT, WT1, WT2: 무선 통신부
SY: 대칭 반사 영역
AS: 비대칭 반사 영역
Claims (10)
1GHz 내지 170GHz의 주파수대에서 선택되는 원하는 대역의 전파를 송수신하는 기지국과,
상기 전파를 송수신하는 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인의 적어도 일부를 따라 배치되어, 상기 전파를 반사하는 반사면을 갖는 전자파 반사 장치
를 구비하는 무선 전달 시스템.
상기 전파를 송수신하는 생산 기기가 배치되는 프로세스 라인의 적어도 일부를 따라 배치되어, 상기 전파를 반사하는 반사면을 갖는 전자파 반사 장치
를 구비하는 무선 전달 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기지국은, 상기 반사면의 연장면보다도 상기 프로세스 라인측에 위치하는, 무선 전달 시스템.
제1항 또는 제2항에 있어서, 상기 전자파 반사 장치는, 상기 프로세스 라인의 상기 적어도 1부를 따라 상기 프로세스 라인의 양측에 배치되는, 무선 전달 시스템.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 기지국은, 상기 프로세스 라인의 길이 방향 양단에 배치되는 제1 기지국과 제2 기지국을 포함하고,
상기 생산 기기는, 상기 제1 기지국과 상기 제2 기지국의 적어도 한쪽과 상기 대역에서 통신이 가능한, 무선 전달 시스템.
상기 생산 기기는, 상기 제1 기지국과 상기 제2 기지국의 적어도 한쪽과 상기 대역에서 통신이 가능한, 무선 전달 시스템.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면은, 상기 전파의 입사각과 동일한 반사각으로 상기 전파를 반사하는 대칭 반사 영역과, 상기 입사각과 다른 반사각으로 상기 전파를 반사하는 비대칭 반사 영역을 갖는, 무선 전달 시스템.
제5항에 있어서, 상기 기지국으로부터 송신되는 상기 전파의, 상기 비대칭 반사 영역에의 입사각은 50° 이상인, 무선 전달 시스템.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 비대칭 반사 영역의 면적은, 상기 전파의 주파수로 정해지는 제1 프레넬 존을 적어도 커버하는, 무선 전달 시스템.
제1항에 있어서, 상기 기지국은, 당해 기지국으로부터 송신되는 상기 전파의 상기 반사면에의 입사각이 50° 이상으로 되는 위치에 배치되어 있는, 무선 전달 시스템.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 반사면은, 상기 대역의 전파를 반사하는 밀도로 형성된 메쉬, 격자 또는 구멍 배열을 갖고, 상기 밀도로 형성된 상기 메쉬, 상기 격자 또는 상기 구멍 배열의 평균적인 주기는, 상기 대역의 자유 공간 파장의 1/5 이하인, 무선 전달 시스템.
제1항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서, 복수의 상기 전자파 반사 장치가 기계적 및 전기적으로 연결되어 있는, 무선 전달 시스템.
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