WO2022092029A1 - 可変リフレクトアレーおよび可変リフレクトアレーの設計方法 - Google Patents

可変リフレクトアレーおよび可変リフレクトアレーの設計方法 Download PDF

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supercell
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隆吉 佐々木
ホンナラ タナン
嘉樹 白澤
克守 佐々木
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Definitions

  • the present invention relates to a variable reflector having a variable structure of reflection directivity and using a variable reflect array and a metasurface.
  • a reflector may be placed in the propagation path for the purpose of compensating for the high linearity and propagation loss of the millimeter wave band. It is desirable that the reflector arranged in the propagation path has a large opening size and a gain of 75 dBi or more in terms of antenna gain.
  • the gain of the metamaterial reflector changes according to the opening area. It is necessary to increase the size of the reflector to compensate for the gain.
  • the directivity becomes sharp, so the installation accuracy at the time of installation greatly affects the installation effect and performance. Since the directivity becomes sharp, it becomes difficult to adjust from the base station to the incident direction. Therefore, in the sharp directivity at the time of high gain, it is difficult to face the incident wave from the base station.
  • Non-Patent Document 1 a configuration in which the reflection angle is variable due to a two-layer structure is known.
  • the variable reflect array according to claim 1 of the present invention is Multiple supercells with different incident and reflection angles for electromagnetic waves of a predetermined wavelength, and It is equipped with a variable mechanism that makes the spacing between the plurality of supercells variable.
  • the supercell is composed of a plurality of unit cells, and the unit cell has an antenna.
  • the variable mechanism is It has a supercell interval adjusting unit that arranges the plurality of supercells at an interval selected from two or more intervals. When the interval between the plurality of supercells is changed in the variable mechanism, the incident angle or the reflected angle is changed while the incident angle or the reflection angle is kept constant with respect to the electromagnetic wave having the predetermined wavelength. It is a variable reflect array.
  • variable reflect array according to claim 2 of the present invention is The variable reflect array according to claim 1, wherein the incident angle or the reflection angle is changed by 10 ° or more by changing the interval of the supercells in the variable mechanism.
  • the variable reflect array according to claim 3 of the present invention is The spacing between the supercells is Increasing from a predetermined interval increases the angle of incidence or reflection, and decreasing from a predetermined interval decreases the angle of incidence or reflection, or The variable reflect array according to claim 1 or 2, wherein the incident angle or the reflection angle decreases when the distance is expanded from a predetermined interval, and the incident angle or the reflection angle increases when the angle is reduced from the predetermined interval.
  • the variable reflect array according to claim 4 of the present invention is The electromagnetic wave having a predetermined wavelength has a polarization other than horizontal polarization and non-vertical polarization, and is inclined by a predetermined angle from the horizontal direction.
  • variable reflect array according to any one of claims 1 to 3, wherein the unit cell is arranged in a direction inclined by a predetermined angle in the same direction as the polarization from the horizontal direction with respect to a predetermined electromagnetic wave.
  • the variable reflect array according to claim 5 of the present invention is The electromagnetic wave having the predetermined wavelength is polarized at 45 ° and has a polarization of 45 °.
  • the variable reflect array according to claim 6 of the present invention is The supercell is arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell, and The variable reflect array according to claim 1, wherein the supercells are arranged so as to be offset by a predetermined amount in the longitudinal direction.
  • the variable reflect array according to claim 7 of the present invention is The supercell has a first plurality of supercells and a second plurality of supercells. The first plurality of supercells are arranged so as to be offset by a predetermined amount in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell and in the first direction which is one direction in the longitudinal direction of the supercell.
  • the second plurality of supercells are arranged so as to be offset by a predetermined amount in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell and in the second direction opposite to the first direction.
  • the variable reflect array according to claim 8 of the present invention is The variable reflect array according to any one of claims 1 to 7, wherein the unit cell has a substantially linear metal plate extending radially from the central portion.
  • the variable reflect array according to claim 9 of the present invention is The variable reflect array according to any one of claims 1 to 7, wherein the unit cell is a cross dipole having a metal plate having a substantially cross shape. With this configuration, it is possible to deal with two orthogonal polarizations.
  • the variable reflect array according to claim 10 of the present invention is The variable reflect array according to any one of claims 1 to 9, wherein the supercell spacing changes both the incident angle and the reflection angle when the spacing is changed.
  • the method for designing a variable reflect array according to claim 11 of the present invention is as follows.
  • the method for designing a variable reflect array according to any one of claims 1 to 10. By changing the interval of the plurality of supercells, there is a step in which one of the incident angle or the reflection angle is changed while the incident angle or the reflection angle is kept constant with respect to the electromagnetic wave of the predetermined wavelength.
  • the method for designing a variable reflect array according to claim 12 of the present invention is as follows.
  • the step of designing the supercell having the plurality of unit cells and After designing the supercell, by changing the interval between the plurality of supercells, one of the incident angle or the reflection angle is kept constant for the electromagnetic wave of the predetermined wavelength, and the other of the incident angle or the reflection angle is maintained.
  • the present invention makes it possible to flexibly adjust the incident directivity or the reflection directivity in a vertical plane or a horizontal plane by recomposing the incident directivity or the reflection directivity.
  • this adjustment can be realized with a single layer instead of stacking, and while taking advantage of the reflector, which is thin and does not require a large space for installation, sharp directivity at high gain is achieved.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of a metasurface in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the supercell in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the unit cell in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the unit cell in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the unit cell in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the unit cell in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the supercell in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the configuration of the supercell in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • a configuration example of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • An example of the design method of the variable reflect array in one embodiment of the present invention is shown.
  • FIG. 1 shows a configuration example of the variable reflect array 10 in one embodiment of the present invention.
  • the variable reflect array 10 includes a variable reflector.
  • the variable reflect array 10 includes a plurality of supercells 20 and a variable mechanism 30.
  • the supercell 20 is substantially rectangular, the spacing of the supercells 20 may be adjusted in the short side direction of the supercell 20 as shown in FIG. 1 and the length of the supercell 20 as shown in FIG. It may be adjusted in the side direction.
  • the supercell 20 is a metasurface having a different incident angle and reflection angle with respect to an electromagnetic wave having a predetermined wavelength. In FIG. 3, the case where the reflection direction is negative and the case where the reflection direction is positive are superimposed.
  • the supercell 20 is composed of a plurality of unit cells 21.
  • the unit cell 21 has an antenna having a substantially linear metal plate extending radially from the center.
  • the unit cell 21 has a cross-shaped resonator 22 as an antenna arranged on the surface of the dielectric substrate 23, and has a ground layer 24 on the back surface of the dielectric substrate 23.
  • the cross shape may include a substantially square shape in one form.
  • the antenna may be a substantially linear antenna instead of the cross-shaped dipole as in this embodiment.
  • FIG. 6 shows a configuration of the unit cell 21 in one embodiment as viewed from the horizontal direction, that is, the horizontal direction.
  • the unit cell 21 has a cross-shaped resonator 22, and the resonator 2 is a so-called mushroom type supported on the substrate 25 via a support portion.
  • FIG. 7 shows a configuration of the unit cell 21 in one embodiment as viewed from above.
  • the unit cell 21 has an L-shaped resonator 22 extending in the vertical and horizontal directions in the horizontal direction.
  • the resonator 22 is a so-called mushroom type supported on the substrate 25 via a support portion, but may be arranged on the front surface of the dielectric substrate 23 and have a ground layer 24 on the back surface of the dielectric substrate 23.
  • the supercell 20 is designed by deriving the cell size D from the relational expressions of the incident angle ⁇ i , the reflection angle ⁇ r , the wavelength ⁇ 0 , and the mode m according to the desired incident angle and reflection angle.
  • the length of the supercell 20 changes, but the phase gradient does not change.
  • it can be designed as follows. In the case of -5 ° incident to 60 ° reflection, the length of supercell 20 is 11.2 mm, and in the case of 0 ° incident to 60 ° reflection, the length of supercell 20 is 12.3 mm, and 5 ° incident. In the case of reflection from 60 °, the length of the supercell 20 is 13.7 mm.
  • the variable mechanism 30 has a variable spacing between the plurality of supercells 20 and has a substrate portion and a supercell side fixing portion, and the supercell 20 is provided with respect to the substrate portion via the supercell side fixing portion. Is fixed, and the distance between the supercells 20 can be selected from an interval of 2 or more. In particular, in this embodiment, the interval can be selected from consecutive values.
  • the variable mechanism 30 has a supercell interval adjusting unit 31 that arranges a plurality of supercells 20 at intervals selected from two or more intervals.
  • the variable mechanism 30 may have a structure in which the supercell 20 is fixed at a desired interval and then the interval can be further changed. If the configuration is such that the interval can be changed, adjustment can be facilitated.
  • variable mechanism 30 may be configured such that the supercell 20 cannot be changed after fixing the supercell 20 at a desired interval. If the structure does not allow the interval to be changed, a strong structure can be used.
  • the variable mechanism 30 and the supercell spacing adjusting unit 31 can adjust the spacing of the supercell 20 manually or automatically at the time of manufacturing, or can manually or automatically adjust the position of the fixed portion on the supercell side. If so, any structure is included.
  • the reflection angle can be adjusted while keeping the incident angle constant.
  • one of the incident angle or the reflection angle is kept constant and the other of the incident angle or the reflection angle is changed with respect to the electromagnetic wave of a predetermined wavelength. Will be done.
  • the incident angle or the reflection angle increases, and when the interval is reduced from the predetermined interval, the incident angle or the reflection angle decreases, or when the interval is expanded from the predetermined interval, the incident angle or the reflection angle is incident.
  • the angle or reflection angle decreases and the angle is reduced from a predetermined interval, the incident angle or reflection angle increases.
  • this adjustment can be realized with a single layer instead of stacking, and while taking advantage of the reflector that it is thin and does not require a large space for installation, sharp directivity at high gain is achieved. Also, it is possible to realize a mechanism that facilitates facing the incident wave from the base station and can be adjusted according to the incident angle.
  • the variable reflect array 10 has an incident angle or a reflection angle changed by 10 ° or more by changing the interval of the supercells 20 in the variable mechanism 30.
  • FIG. 14 shows a reflection reflect array in which the angle of incidence is changed by 10 ° or more.
  • FIG. 15 shows a reflection reflect array in which the reflection angle is changed by 10 ° or more.
  • a plurality of supercells 20 which are aggregates of unit cells 21 constituting the metasurface reflect array are further aggregated, and the horizontal spacing thereof or the horizontal positional relationship of the upper and lower aggregates is variable. Due to the structure, the incident directionality can be flexibly adjusted while the reflection direction is constant. In addition, both horizontal plane and vertical in-plane directivity can be adjusted. Further, when the relationship between the incident direction and the reflection direction is exchanged, the reflection directivity can be adjusted with the incident direction fixed.
  • variable reflect array 10 shown in FIG. 16 reflects an electromagnetic wave having a polarization that is not horizontally polarized and is not vertically polarized and is inclined by a predetermined angle from the horizontal direction.
  • the unit cell 21 is arranged in a direction inclined by a predetermined angle in the same direction as the polarization from the horizontal direction with respect to the polarization inclined by a predetermined angle from the horizontal direction.
  • "arranged at an angle in the same direction as the polarization direction” means that the arrangement is inclined by almost the same amount as the rotation angle of the polarization.
  • the electromagnetic wave having the polarization inclined from the horizontal direction by a predetermined angle is 45 ° polarized wave, and in the variable reflect array 10 shown in FIG. 17, the unit cell 21 is arranged at an angle of 45 ° from the horizontal direction.
  • the incident angle can be adjusted while keeping the reflection angle constant by arranging the Z-axis, that is, by rotating it by 45 ° around the vertical direction of the paper surface of FIG.
  • the sidelobes such as the amount of reflection in the front direction are improved by -10 dB or more as compared with the above-mentioned VH polarization such as horizontal polarization and vertical polarization.
  • tilting can be applied by arranging the horizontal supercells 20 vertically as shown in FIG. 18 and shifting them by a fixed spacing in the horizontal direction. That is, in the reflection in the vertical direction (vertical direction in the drawing), the reflected wave or the incident wave can be tilted with respect to the vertical direction.
  • the supercell has a first plurality of supercells and a second plurality of supercells.
  • the supercell 20 is arranged in a direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell 20, and is arranged so as to be offset by a predetermined amount in the longitudinal direction of the supercell 20.
  • the beam can be expanded by arranging the supercells 20 in the horizontal direction vertically, shifting them to the right by a predetermined number at regular intervals in the horizontal direction, and shifting them to the left by a predetermined number.
  • the first plurality of supercells 20 are arranged so as to be offset by a predetermined amount in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell 20 and in the first direction which is one direction in the longitudinal direction of the supercell 20.
  • the second plurality of supercells 20 are arranged so as to be offset by a predetermined amount in the direction perpendicular to the longitudinal direction of the supercell 20 and in the second direction opposite to the first direction.
  • the spacing of the supercells 20 changes both the incident angle and the reflection angle when the spacing is changed. With this configuration, it is possible to flexibly deal with both the incident angle and the reflection angle.
  • FIG. 21 shows an embodiment of the variable reflect array 10.
  • the variable reflect array 10 has flexibility, can be installed on a curved surface, and is installed on the cover 40.
  • the curved surface to be installed has a fixed radius of curvature. Therefore, it is often easy to design the variable reflect array 10 in advance according to the curved surface.
  • the design method of the variable reflect array 10 is to change the interval between the plurality of supercells 20 so as to be incident on an electromagnetic wave having a predetermined wavelength while keeping either the incident angle or the reflected angle constant. It has a step in which the angle or the other of the reflection angles is changed.
  • the variable reflect array 10 designed by the design method of the variable reflect array 10 includes a plurality of supercells 20 having different incident angles and reflection angles with respect to an electromagnetic wave having a predetermined wavelength, and the plurality of supercells 20 are present.
  • the unit cell 21 is composed of the unit cell 21 of the above, and the unit cell 21 has an antenna.
  • the supercell design step S10 for designing the supercell 20 having the plurality of unit cells 21 and the interval between the plurality of supercells 20 after designing the supercell 20 are changed.
  • the interval adjusting step S20 is provided, in which one of the incident angle and the reflected angle is changed while the other of the incident angle and the reflection angle is changed with respect to the electromagnetic wave having a predetermined wavelength.

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Abstract

【課題】入射指向性のリコンフィギュアラブル化により垂直面または水平面内の入射指向性を柔軟に調整することを可能とすることを課題とする。 【解決手段】複数のスーパーセルの間隔を可変とする可変機構を備え、可変機構において複数のスーパーセルの間隔を変更すると、所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更される。

Description

可変リフレクトアレーおよび可変リフレクトアレーの設計方法
　本発明は、反射指向性の可変構造を有する、可変リフレクトアレーおよびメタサーフェスを用いた可変反射板に関する。
　通信において、ミリ波帯の高い直線性および伝搬損失を補完するなどの目的で、伝搬路に反射板を配置することがある。伝搬路に配置する反射板は、その開口寸法を大型化しアンテナ利得換算で７５ｄBi以上の利得とすることが望ましい。
　メタマテリアル反射板は開口面積に応じて利得が変化する。利得を補償するために反射板寸法を大型化する必要がある。しかし、利得を高めた場合、指向性が鋭くなるため、設置時の設置精度が設置効果・性能に大きく影響する。指向性が鋭くなることから、基地局から入射方向への調整が難しくなる。このため、高利得時の鋭利な指向性においては、基地局からの入射波との正対が難しい。
　そこで、入射角に応じた調整ができる機構が求められている。
　反射板全体の向きを調整する、機械的な調整機構も考えられる。また、二層構造により反射角を可変とした構成が知られている（非特許文献１）。
「二層パッチ型反射角可変メタ・サーフェスの構成法」電子情報通信学会技術研究報告（IEICE technical report）信学技報　114(522)巻、13-16頁、２０１５年３月１９日、久世竜司　他
　しかし、入射方向への調整は、反射板全体の向きを変えるなど、機械的に実施すると、機械的な調整のための機構が必要となるため、装置全体として大型化してしまい、反射板自体が薄型であり設置に大きなスペースを要しないという反射板のメリットが活かされない。
　また、反射角を可変とするために二層構造とすると、構造が大型化してしまう。
　そこで、本発明は、入射指向性のリコンフィギュアラブル化により垂直面または水平面内の入射指向性を柔軟に調整することを可能とすることを課題とする。
　また、本発明は、上記の調整を、積層ではなく単層で実現することを課題とする。
 
　本発明の請求項１にかかる可変リフレクトアレーは、
　所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる複数のスーパーセル、および、
　前記複数のスーパーセルの間隔を可変とする可変機構を備え、
　前記スーパーセルは複数のユニットセルより構成され、前記ユニットセルはアンテナを有し、
　前記可変機構は、
　２以上の間隔から選択された間隔で前記複数のスーパーセルを配置する、スーパーセル間隔調整部を有し、
　前記可変機構において前記複数のスーパーセルの間隔を変更すると、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更される、可変リフレクトアレーである。
　本構成により、入射指向性または反射指向性のリコンフィギュアラブル化により垂直面または水平面内の入射指向性または反射指向性を柔軟に調整することが可能となる。また、本構成により、この調整を、積層ではなく単層で実現することができ、薄型であり設置に大きなスペースを要しないという反射板のメリットを活かしたまま、高利得時の鋭利な指向性においても、基地局からの入射波との正対を容易とし、入射角に応じた調整ができる機構が実現できる。
 
　本発明の請求項２にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記可変機構において前記スーパーセルの間隔を変更することにより、入射角または反射角が１０°以上変更される、請求項１に記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項３にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記スーパーセルの間隔は、
　所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が増加し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が減少し、あるいは、
　所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が減少し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が増加する、請求項１または２のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項４にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記所定の波長の電磁波は、水平偏波以外かつ垂直偏波以外であって、水平方向から所定角傾いた偏波を有し、
　前記ユニットセルは所定の電磁波に対して、水平方向から、偏波と同じ方向に所定角だけ傾いた向きに配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項５にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記所定の波長の電磁波は４５°偏波であり、
　前記ユニットセルは水平方向から４５°傾けて配置されている、請求項４に記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項６にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記スーパーセルが、前記スーパーセルの長手方向と垂直な方向に配置されており、かつ、
　前記スーパーセルの長手方向に所定量ずつずらして配置されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項７にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記スーパーセルは、第一の複数のスーパーセル、および、第二の複数のスーパーセルを有し、
　前記第一の複数のスーパーセルは、前記スーパーセルの長手方向と垂直方向に、かつ、前記スーパーセルの長手方向の一方向である第一方向に所定量ずつずらして配置され、かつ、
　前記第二の複数のスーパーセルは、前記スーパーセルの長手方向と垂直方向に、かつ、前記第一方向と逆方向の第二方向に所定量ずつずらして配置されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項８にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記ユニットセルは、中心部より放射状に延びる略直線状の金属板を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項９にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記ユニットセルは、略十字形状の金属板を有するクロスダイポールであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
　本構成により、直交する２偏波に対応することができる。
 
　本発明の請求項１０にかかる可変リフレクトアレーは、
　前記スーパーセルの間隔は、間隔を変更すると入射角と反射角の双方が変更される、請求項１ないし９のいずれかに記載の可変リフレクトアレーである。
 
　本発明の請求項１１にかかる可変リフレクトアレーの設計方法は、
　請求項１ないし１０のいずれかに記載の可変リフレクトアレーの設計方法であって、
　前記複数のスーパーセルの間隔を変更することにより、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更されるステップを有する、可変リフレクトアレーの設計方法である。
 
　本発明の請求項１２にかかる可変リフレクトアレーの設計方法は、
　所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる複数のスーパーセルを備え、前記スーパーセルは複数のユニットセルより構成され、前記ユニットセルはアンテナを有する、可変リフレクトアレーの設計方法であって、
　前記複数のユニットセルを有する前記スーパーセルを設計するステップ、および、
　前記スーパーセルを設計後、前記複数のスーパーセルの間隔を変更することにより、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更されるステップ、を有する、可変リフレクトアレーの設計方法である。
 
　本発明は、以上の構成により、入射指向性または反射指向性のリコンフィギュアラブル化により垂直面または水平面内の入射指向性または反射指向性を柔軟に調整することが可能となる。また、本構成により、この調整を、積層ではなく単層で実現することができ、薄型であり設置に大きなスペースを要しないという反射板のメリットを活かしたまま、高利得時の鋭利な指向性においても、基地局からの入射波との正対を容易とし、入射角に応じた調整ができる機構が実現できる。
本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるメタサーフェスの例を示す。 本発明の一実施例におけるスーパーセルの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるユニットセルの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるユニットセルの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるユニットセルの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるスーパーセルの構成例を示す。 本発明の一実施例におけるスーパーセルの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの構成例を示す。 本発明の一実施例における可変リフレクトアレーの設計方法の例を示す。
　図１は、本発明の一実施例における可変リフレクトアレー１０の構成例を示す。なお、可変リフレクトアレー１０は、可変反射板を含む。
　可変リフレクトアレー１０は、複数のスーパーセル２０および可変機構３０を備える。スーパーセル２０が略長方形である場合、スーパーセル２０の間隔は、図１に示されるようにスーパーセル２０の短辺方向において調整してもよく、図２に示されるようにスーパーセル２０の長辺方向において調整してもよい。
　図３に示されるように、スーパーセル２０は所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる、メタサーフェスである。図３では、反射方向がマイナスの場合とプラスの場合を重ねて示している。
　図４に示されるように、スーパーセル２０は複数のユニットセル２１より構成される。
　図５に示されるように、本実施例では、ユニットセル２１は中心部より放射状に延びる略直線状の金属板を有するアンテナを有する。
　本実施例では、ユニットセル２１は、誘電体基板２３の表面に配置された、アンテナとして十字型の共振器２２を有し、誘電体基板２３の裏面にはグラウンド層２４を有する。ここで十字型とは、一形態において略正方形のものが含まれていてもよい。また、アンテナは本実施例におけるような十字型のダイポールに代えて、略直線状のアンテナでもよい。
　「所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる」と記載されているが、スーパーセル２０の間隔を調整した際に、入射角と反射角が同じとなる場合を含んでもよい。つまり、スーパーセル２０はメタサーフェスを構成しており、入射角と反射角は基本的に同一に制限されず、調整により変更できることを意味する。
　図６は一実施例におけるユニットセル２１の横方向つまり水平方向から見た構成を示す。
　本実施例において、ユニットセル２１は十字型の共振器２２を有し、共振器２は基板２５上に支持部を介して支持されたいわゆるマッシュルーム型である。
　図７は一実施例におけるユニットセル２１の上方向から見た構成を示す。
　本実施例において、ユニットセル２１は水平方向内で縦方向および横方向に延びるL字型の共振器２２を有する。共振器２２は基板２５上に支持部を介して支持されたいわゆるマッシュルーム型であるが、誘電体基板２３の表面に配置され、誘電体基板２３の裏面にグラウンド層２４を有する構成でもよい。
　次に、スーパーセル２０の設計について説明する。
　所望の入射角および反射角に応じて、セルサイズDを、入射角θi、反射角θr、波長λ0およびモードmの関係式から導出して、スーパーセル２０を設計する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  
　反射角を一定とした場合、入射角を可変とすると、スーパーセル２０の長さが変化するものの位相勾配は変化しない。例えば、以下のように設計できる。
　－５°入射から６０°反射の場合、スーパーセル２０の長さは１１．２ｍｍであり、０°入射から６０°反射の場合、スーパーセル２０の長さは１２．３ｍｍであり、５°入射から６０°反射の場合、スーパーセル２０の長さは１３．７ｍｍである。
　図８および図９は、入射角０°の場合のセル間隔の可変リフレクトアレー１０を示す。これに対して、図１０および図１１に示されるようにユニットセル２１の間隔を１．２ｍｍ拡大すると入射角＋５°に対応し、図１２および図１３に示されるようにユニットセル２１の間隔を１．２ｍｍ縮めると入射角－５°に対応する。このように、ユニットセル２１の間隔を１．２ｍｍ以内で調整することにより、－５°から＋５°まで対応できる。
　このように、位相勾配（スーパーセル２０）はそのままとしながらスーパーセル２０の水平方向間隔を調整することで、反射角を一定としたまま入射角を可変とすることができる。
　可変機構３０は、複数のスーパーセル２０の間隔を可変とするものであり、基板部、および、スーパーセル側固定部を有し、基板部に対してスーパーセル側固定部を介してスーパーセル２０が固定され、かつ、スーパーセル２０間の距離が２以上の間隔から選択可能である。特に、本実施例では、連続した値から間隔を選択できる。
　可変機構３０は、２以上の間隔から選択された間隔で複数のスーパーセル２０を配置する、スーパーセル間隔調整部３１を有する。なお、可変機構３０は、所望の間隔でスーパーセル２０を固定した後、さらに間隔を変更可能な構造でもよい。間隔が変更可能な構成であれば、調整を容易とすることができる。あるいは、可変機構３０は、所望の間隔でスーパーセル２０を固定した後、間隔を変更できない構成であってもよい。間隔を変更できない構成であれば、強固な構造とすることができる。可変機構３０およびスーパーセル間隔調整部３１は、製造時などにスーパーセル２０の間隔を手動または自動で調整可能であれば、あるいは、スーパーセル側固定部の位置を手動または自動で調整できるものであれば、どのような構造のものも含まれる。
　当然ながら、上述の場合と同様に、入射角を一定としたまま、反射角を調整することもできる。
　このように、可変機構３０において複数のスーパーセル２０の間隔を変更すると、所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更される。
　そして、スーパーセル２０の間隔は、所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が増加し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が減少し、あるいは、所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が減少し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が増加する。
　本構成により、入射指向性または反射指向性のリコンフィギュアラブル化により垂直面または水平面内の入射指向性または反射指向性を柔軟に調整することが可能となる。また、本構成により、この調整を、積層ではなく単層で実現することができ、薄型であり設置に大きなスペースを要しないという反射板のメリットを活かしたまま、高利得時の鋭利な指向性においても、基地局からの入射波との正対を容易とし、入射角に応じた調整ができる機構が実現できる。
　一実施例において、可変リフレクトアレー１０は、可変機構３０においてスーパーセル２０の間隔を変更することにより、入射角または反射角が１０°以上変更される。
　図１４は入射角が１０°以上変更される反射リフレクトアレーを示す。図１５は反射角が１０°以上変更される反射リフレクトアレーを示す。
　可変リフレクトアレー１０の設置時には、基地局との正対の微調整が難しい反面、おおよその精度で基地局の方向に設置することは容易であることが多い。このため、１０°程度の範囲で調整できれば、設置も調整も共に容易となる。
このように、メタサーフェス・リフレクトアレーを構成するユニットセル２１の集合体であるスーパーセル２０をさらに複数集めた集合体とし、その水平方向間隔または上下集合体の水平方向の位置関係を可変とする構造とするため、反射方向を一定とした状態で、入射指向性が柔軟に調整可能である。
　また、水平面および垂直面内指向性双方の調整が可能となる。また、入射方向と反射方向の関係を入れ替えた場合においては、入射方向を固定した状態で反射指向性の調整が可能となる。
　ところで、垂直偏波、水平偏波では、入射方向が反射方向側へ変化した場合、利得が減少する傾向がある。また、入射角を付けた場合、正面方向のサイドローブが増加する傾向にある。
　一実施例において、図１６に示される可変リフレクトアレー１０は、水平偏波以外かつ垂直偏波以外であって、水平方向から所定角傾いた偏波を有する電磁波を反射する。ユニットセル２１は、この、水平方向から所定角傾いた偏波に対して、水平方向から、偏波と同じ方向に所定角だけ傾いた向きに配置されている。ここで「偏波方向と同じ方向に傾けて配置」とは、偏波の回転角とほぼ同じ量だけ傾けて配置されていることを意味する。
　一実施例において、上述の水平方向から所定角傾いた偏波を有する電磁波は４５°偏波であり、図１７に示される可変リフレクトアレー１０において、ユニットセル２１は水平方向から４５°傾けて配置されている。
　４５°偏波においても、Ｚ軸、つまり、図１４の紙面垂直方向を中心に４５°回転させて配置すると、反射角を一定に維持したまま入射角を調整できる。また、正面方向への反射量など、サイドローブは、先述の水平偏波や垂直偏波などのＶＨ偏波と比較してー１０ｄＢ以上改善している。
　水平方向の間隔を調整する代わりに、図１８のように横方向のスーパーセル２０を縦に並べつつ、横方向に一定間隔ずつずらした配置では、チルトをかけることができる。つまり、垂直方向（図面での上下方向）での反射において、反射波または入射波を垂直方向に対して傾けることができる。
　本実施例においては、前記スーパーセルは、第一の複数のスーパーセル、および、第二の複数のスーパーセルを有する。
　そして、スーパーセル２０が、スーパーセル２０の長手方向と垂直な方向に配置されており、かつ、スーパーセル２０の長手方向に所定量ずつずらして配置されている。
　また、図１９のように横方向のスーパーセル２０を縦に並べつつ、横方向に一定間隔ずつ、所定数右にずらし、所定数左にずらした配置では、ビームを広げることができる。
　本実施例では、第一の複数のスーパーセル２０は、スーパーセル２０の長手方向と垂直方向に、かつ、スーパーセル２０の長手方向の一方向である第一方向に所定量ずつずらして配置され、かつ、　第二の複数のスーパーセル２０は、スーパーセル２０の長手方向と垂直方向に、かつ、第一方向と逆方向の第二方向に所定量ずつずらして配置されている。
　一実施例において、図２０に示されるように、スーパーセル２０の間隔は、間隔を変更すると入射角と反射角の双方が変更される。
　本構成により、入射角と反射角の双方に柔軟に対応することができる。
　図２１は、可変リフレクトアレー１０の一実施例を示す。本実施例において可変リフレクトアレー１０は柔軟性を有し、曲面に設置することができ、カバー４０に設置されている。
　設置される曲面は多くの場合、曲率半径が決まっている場合が多い。このため、予め曲面に合わせて可変リフレクトアレー１０を設計することが容易である場合が多い。
　一実施例において、変リフレクトアレー１０の設計方法は、複数のスーパーセル２０の間隔を変更することにより、所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更されるステップを有する。この可変リフレクトアレー１０の設計方法により、これまで述べたいずれかの可変リフレクトアレー１０を設計することができる。
　一実施例において、可変リフレクトアレー１０の設計方法により設計される可変リフレクトアレー１０は、所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる複数のスーパーセル２０を備え、スーパーセル２０は複数のユニットセル２１より構成され、ユニットセル２１はアンテナを有する。
　そして、図２２に示されるように、複数のユニットセル２１を有するスーパーセル２０を設計するスーパーセル設計ステップＳ１０、および、スーパーセル２０を設計後、複数のスーパーセル２０の間隔を変更することにより、所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更される間隔調整ステップＳ２０、を有する。
　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。
 
１０　可変リフレクトアレー
２０　スーパーセル
２１　ユニットセル
２２　共振器
２３　誘電体
２４　グラウンド層
２５　基板
３０　可変機構
３１　スーパーセル間隔調整部
４０　カバー
 

Claims (12)

  1. 　所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる複数のスーパーセル、および、
    　前記複数のスーパーセルの間隔を可変とする可変機構を備え、
    　前記スーパーセルは複数のユニットセルより構成され、前記ユニットセルはアンテナを有し、
    　前記可変機構は、
    　２以上の間隔から選択された間隔で前記複数のスーパーセルを配置する、スーパーセル間隔調整部を有し、
    　前記可変機構において前記複数のスーパーセルの間隔を変更すると、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更される、可変リフレクトアレー。
     
  2. 　前記可変機構において前記スーパーセルの間隔を変更することにより、入射角または反射角が１０°以上変更される、請求項１に記載の可変リフレクトアレー。
     
  3. 　前記スーパーセルの間隔は、
    　所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が増加し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が減少し、あるいは、
    　所定の間隔から拡大すると入射角または反射角が減少し、かつ、所定の間隔から縮小すると入射角または反射角が増加する、請求項１または２のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  4. 　前記所定の波長の電磁波は、水平偏波以外かつ垂直偏波以外であって、水平方向から所定角傾いた偏波を有し、
    　前記ユニットセルは所定の電磁波に対して、水平方向から、偏波と同じ方向に所定角だけ傾いた向きに配置されている、請求項１ないし３のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  5. 　前記所定の波長の電磁波は４５°偏波であり、
    　前記ユニットセルは水平方向から４５°傾けて配置されている、請求項４に記載の可変リフレクトアレー。
     
  6. 　前記スーパーセルが、前記スーパーセルの長手方向と垂直な方向に配置されており、かつ、
    　前記スーパーセルの長手方向に所定量ずつずらして配置されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  7. 　前記スーパーセルは、第一の複数のスーパーセル、および、第二の複数のスーパーセルを有し、
    　前記第一の複数のスーパーセルは、前記スーパーセルの長手方向と垂直方向に、かつ、前記スーパーセルの長手方向の一方向である第一方向に所定量ずつずらして配置され、かつ、
    　前記第二の複数のスーパーセルは、前記スーパーセルの長手方向と垂直方向に、かつ、前記第一方向と逆方向の第二方向に所定量ずつずらして配置されている、請求項１ないし５のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  8. 　前記ユニットセルは、中心部より放射状に延びる略直線状の金属板を有することを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  9. 　前記ユニットセルは、略十字形状の金属板を有するクロスダイポールであることを特徴とする、請求項１ないし７のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  10. 　前記スーパーセルの間隔は、間隔を変更すると入射角と反射角の双方が変更される、請求項１ないし９のいずれかに記載の可変リフレクトアレー。
     
  11. 　請求項１ないし１０のいずれかに記載の可変リフレクトアレーの設計方法であって、
    　前記複数のスーパーセルの間隔を変更することにより、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更されるステップを有する、可変リフレクトアレーの設計方法。
     
  12. 　所定の波長の電磁波に対して入射角と反射角が異なる複数のスーパーセルを備え、前記スーパーセルは複数のユニットセルより構成され、前記ユニットセルはアンテナを有する、可変リフレクトアレーの設計方法であって、
    　前記複数のユニットセルを有する前記スーパーセルを設計するステップ、および、
    　前記スーパーセルを設計後、前記複数のスーパーセルの間隔を変更することにより、前記所定の波長の電磁波に対して、入射角または反射角の一方を一定としたまま、入射角または反射角の他方が変更されるステップ、を有する、可変リフレクトアレーの設計方法。
     
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