WO2024029325A1 - 反射パネル、これを用いた電磁波反射装置、及び電磁波反射フェンス - Google Patents

反射パネル、これを用いた電磁波反射装置、及び電磁波反射フェンス Download PDF

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WO2024029325A1
WO2024029325A1 PCT/JP2023/026269 JP2023026269W WO2024029325A1 WO 2024029325 A1 WO2024029325 A1 WO 2024029325A1 JP 2023026269 W JP2023026269 W JP 2023026269W WO 2024029325 A1 WO2024029325 A1 WO 2024029325A1
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pattern
unit
reflective panel
reflective
unit pattern
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PCT/JP2023/026269
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English (en)
French (fr)
Inventor
久美子 神原
Original Assignee
Ａｇｃ株式会社
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures

Definitions

  • the present invention relates to a reflective panel, an electromagnetic wave reflecting device using the same, and an electromagnetic wave reflecting fence.
  • 5G 5th generation
  • NLOS Non-Line-Of-Sight
  • a metasurface is formed of a periodic structure or pattern that is finer than a wavelength, and is designed to reflect radio waves in a desired direction (see, for example, Non-Patent Document 1).
  • the metasurface itself is realized by periodically repeating minute structures or metal patterns, but when actually manufactured, a metal pattern is provided on the surface of a dielectric substrate, and a ground layer is placed on the opposite surface. is often provided. Since metasurfaces can achieve a desired reflection angle while maintaining a planar arrangement, they function effectively as reflectors even in environments where there is not enough space to install a large number of electromagnetic wave reflecting panels. Furthermore, radio waves can reach places where radio waves cannot reach with regular reflectors such as general metal plates.
  • a reflective surface with a metasurface functions using a conductor such as metal, and the reflection angle and reflection efficiency are determined by the surface condition, shape, size, arrangement, resistance value, etc. of the conductor.
  • the direction of incident electromagnetic waves and the direction of reflection can be designed by the conductor pattern shape, dimensions, spacing, etc.
  • the beam width of the reflected wave by the electromagnetic wave reflection panel is designed to be about 3 degrees. Generally, the narrower the beam width, the more powerful the electromagnetic waves can be sent over a long distance. However, considering actual usage conditions, it is often impossible to cover the dead zone, and it may be desirable to widen the beam width of the reflected waves.
  • One object of the present invention is to provide a reflective panel that can expand the beam width of reflected waves with a simple design.
  • the reflective panel includes a dielectric layer and a periodic conductive pattern provided on a surface of the dielectric layer,
  • the periodic conductive pattern includes a first unit pattern in which a plurality of metal elements having long axes in a first direction within the plane of the dielectric layer are arranged in a second direction orthogonal to the first direction; at least a second unit pattern different from the first unit pattern, The first unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a first pattern row, The second unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a second pattern row, The first pattern row and the second pattern row are repeatedly arranged in the first direction.
  • a simple design realizes a reflective panel that can expand the beam width of reflected waves.
  • FIG. 2 is a schematic diagram of an electromagnetic wave reflecting fence in which a plurality of electromagnetic wave reflecting devices are connected.
  • FIG. 1B is a horizontal cross-sectional view of the frame taken along line AA in FIG. 1A.
  • FIG. 3 is a diagram showing the beam width of a beam reflected by a reflective panel. It is a figure showing an example of the layer composition of a reflective panel. It is a figure which shows another example of the layer structure of a reflective panel.
  • FIG. 3 is a diagram of a conductive pattern including different types of unit patterns (supercells). It is a figure showing an example of a unit pattern.
  • FIG. 3 is a diagram showing an analysis space. It is a schematic diagram of the xy plane of analysis space. It is a schematic diagram of the xz plane of analysis space. It is a figure which shows the electrically conductive pattern of a comparative example.
  • the conductive pattern provided on the dielectric layer is formed by repeating two or more types of unit patterns. Specifically, a unit pattern including a plurality of metal elements is repeatedly arranged in the width direction (x direction) of the reflective panel, and different types of unit patterns are repeatedly arranged in the height direction (y direction) of the reflective panel. do. For example, when two types of unit patterns are used, the first unit pattern is repeatedly arranged in the x direction to form a first pattern row. A second pattern row is formed by repeatedly arranging a second unit pattern different from the first unit pattern in the x direction. The first pattern row and the second pattern row are repeated in the y direction. Even when there are three or more types of unit patterns, different pattern rows are repeatedly arranged in the y direction. By using such a conductive pattern, the beam width of the reflected wave can be expanded and the dead zone can be reduced with a simple design.
  • the pitch of the plurality of metal elements included in the first unit pattern is different from the pitch of the plurality of metal elements included in the second unit pattern.
  • the same pitch is maintained within the same pattern row extending in the x direction, but unit patterns with different pitches are repeated in the y direction. This allows the beam width in the horizontal direction to be widened.
  • the beam width generally refers to the peak of the reflected wave, that is, the angular width that is 3 dB lower (the intensity is halved) from the direction of maximum gain.
  • FIG. 1A is a schematic diagram of an electromagnetic wave reflecting fence 100.
  • the electromagnetic wave reflecting fence 100 includes electromagnetic wave reflecting devices 60-1, 60-2 having reflective panels 10-1, 10-2, and 10-3 (hereinafter, may be collectively referred to as "reflecting panels 10" as appropriate), and 60-3 are connected in the horizontal direction.
  • the width or lateral direction of the reflective panel 10 is the x direction
  • the height or longitudinal direction is the y direction
  • the thickness direction is the z direction.
  • an electromagnetic wave reflecting fence 100 is configured by connecting three electromagnetic wave reflecting devices 60-1, 60-2, and 60-3 (hereinafter may be collectively referred to as "electromagnetic wave reflecting device 60" as appropriate).
  • electromagnetromagnetic wave reflecting device 60 there is no particular limit to the number of electromagnetic wave reflecting devices 60 that are connected.
  • the reflective panels 10-1, 10-2, and 10-3 used in the electromagnetic wave reflecting devices 60-1, 60-2, and 60-3 have a frequency of 1 GHz or more and 300 GHz or less, for example, 1 GHz or more and 170 GHz or less, or 1 GHz or more and 100 GHz or less. , or reflect electromagnetic waves in a desired band selected from a frequency band of 1 GHz or more and 80 GHz or less.
  • Each reflective panel 10 has a layer including a conductive pattern as a reflective film.
  • the conductive pattern is designed according to the desired reflection angle, frequency band, etc.
  • the reflective film may be formed with a periodic pattern, a mesh pattern, a geometric pattern, a transparent film, or the like. As described below, the conductive pattern may be bonded to the dielectric layer of the reflective panel 10 by an adhesive layer.
  • At least a portion of the reflective panels 10-1, 10-2, and 10-3 may be non-specular reflective surfaces with different angles of incidence and reflection of electromagnetic waves.
  • Non-specular reflective surfaces include diffuse surfaces, scattering surfaces, and metasurfaces that are artificial reflective surfaces designed to reflect radio waves in a desired direction. It may be desirable for the reflective panels 10-1, 10-2, and 10-3 to be electrically connected to each other from the viewpoint of maintaining continuity of reflected potential, but if they include a metasurface, adjacent There may be no electrical connection between the reflective panels 10. By holding adjacent reflective panels 10 with the frame 50, electromagnetic wave reflective fences 100 connected in the x direction can be obtained.
  • the electromagnetic wave reflecting device 60 may have legs 56 that support the frame 50. As shown in FIG. 1A, when the electromagnetic wave reflecting device 60 or the electromagnetic wave reflecting fence 100 is made to stand up on an installation surface, it is desirable to provide the legs 56, but the legs 56 are not essential.
  • a top frame 57 that holds the upper end of the reflective panel 10 and a bottom frame 58 that holds the lower end may be used. In this case, the frame 50, the top frame 57, and the bottom frame 58 constitute a frame that holds the entire circumference of the reflective panel 10.
  • the frame 50 may also be called a "side frame" due to its positional relationship with the top frame 57 and bottom frame 58. Providing the top frame 57 and the bottom frame 58 ensures mechanical strength and safety during transportation and assembly of the reflective panel 10.
  • the electromagnetic wave reflecting device 60 may be installed on a wall or ceiling by holding the reflective panel 10 with the frame 50, top frame 57, and bottom frame 58 without providing the legs 56.
  • FIG. 1B shows an example of the configuration of the frame 50 along line AA in FIG. 1A in a cross-sectional view parallel to the xz plane.
  • the frame 50 has a conductive main body 500 and slits 51-1 and 51-2 formed on both sides of the main body 500 in the width direction.
  • the edges of reflective panels 10-1 and 10-2 are inserted into slits 51-1 and 51-2, respectively, and held within space 52.
  • the space 52 is not essential, by providing the space 52, the main body 500 of the frame 50 can be made lighter, and the holding angle of the reflective panel 10 can be made more flexible.
  • Adjacent reflective panels 10-1 and 10-2 can be stably held by inserting reflective panels 10-1 and 10-2 into slits 51-1 and 51-2, respectively.
  • a portion of body 500 may be formed of a non-conductive material.
  • a non-conductive cover 501 made of resin or the like may be provided on the outer surface of the main body 500, but the cover 501 is not essential. When the cover 501 is provided, the cover 501 functions as a protection member that protects the frame 50.
  • FIG. 2 shows the beam width of electromagnetic waves reflected by the reflective panel 10.
  • the conductive pattern formed on the reflective panel 10 is adjusted so that the beam width of the reflected wave is at an angle of 4 degrees or more, preferably more than 5 degrees. Adjustment of the conductive pattern to expand the beam width will be described later.
  • the reflective panel 10A includes a dielectric layer 14, a conductive pattern 15 provided on one surface of the dielectric layer 14, and a ground layer 13 provided on the opposite surface of the dielectric layer 14. , and an adhesive layer 153 supporting the conductive pattern 15 and bonding to the dielectric layer 14 .
  • the conductive pattern 15 is a periodic pattern including a plurality of metal elements 151 carried in a predetermined arrangement on an adhesive layer 153.
  • the dielectric layer 14 is an insulating polymer film made of polycarbonate, cycloolefin polymer (COP), polyethylene terephthalate (PET), fluororesin, etc., and has a thickness of about 0.3 mm to 1.0 mm.
  • the dielectric layer 14 may be any material as long as it has a relative dielectric constant and a dielectric loss tangent suitable for realizing the target reflection characteristics.
  • the reflective surface of the reflective panel 10 is formed by the conductive pattern 15 including the plurality of metal elements 151.
  • the reflective surface formed by the conductive pattern 15 may include a metasurface whose reflective properties are artificially controlled.
  • the conductive pattern 15 of the embodiment has a periodic pattern arrangement described below, and reflects incident electromagnetic waves in a desired direction with an expanded beam width.
  • the metal element 151 forming the conductive pattern 15 is made of a good conductor such as Cu, Ni, or Ag.
  • the thickness of the metal element 151 may be set to 0.01 mm or more and 0.05 mm or less in order to maintain the flatness of the reflective surface and function sufficiently as a reflective surface. From the viewpoint of increasing the power reflection efficiency while maintaining the transparency of the reflective surface to visible light, the occupancy rate of the conductive pattern 15 with respect to the dielectric layer 14 may be set to 10.0% or more and 45.0%. . When transparency is not required for the reflective panel, the occupancy rate of the conductive pattern 15 may be set higher than 45.0% to further increase the power reflection efficiency.
  • the adhesive layer 153 is made of vinyl acetate resin, acrylic resin, cellulose resin, aniline resin, ethylene resin, silicone resin, or other resin material.
  • a material having a composition satisfying a predetermined dielectric constant and dielectric loss tangent can be used as the adhesive layer 153.
  • the thickness of the adhesive layer 153 is 0.002 mm or more and 0.05 mm or less, and from the viewpoint of stably holding the conductive pattern 15, it is preferably 0.01 mm or more and 0.05 mm or less.
  • FIG. 3B shows an example of the configuration of the reflective panel 10B.
  • the reflective panel 10B includes an intermediate layer 16 that covers the conductive pattern 15, a dielectric substrate 17 that is bonded to the conductive pattern 15 side by the intermediate layer 16, and an intermediate layer 12 that covers the ground layer 13. and a dielectric substrate 11 connected to the ground layer 13 side by an intermediate layer 12.
  • the intermediate layer 16 protects the surface of the metal element 151 of the conductive pattern 15 and also adheres and holds the dielectric substrate 17.
  • the intermediate layer 16 desirably has durability and moisture resistance, and can be made of, for example, ethylene-vinyl acetate (EVA) copolymer or cycloolefin polymer (COP).
  • EVA ethylene-vinyl acetate
  • COP cycloolefin polymer
  • the thickness of the intermediate layer 16 is 0.01 mm or more and 0.40 mm or less.
  • the dielectric substrate 17 is desirably made of a material with excellent impact resistance, durability, and transparency.
  • the dielectric substrate 17 polycarbonate, acrylic resin, PET, etc. can be used.
  • the thickness of the dielectric substrate 17 is, for example, 1.0 mm to 10.0 mm.
  • the intermediate layer 12 protects the surface of the ground layer 13 and also adheres and holds the dielectric substrate 11.
  • the intermediate layer 12 desirably has durability and moisture resistance, and can be made of, for example, ethylene-vinyl acetate (EVA) copolymer or cycloolefin polymer (COP).
  • EVA ethylene-vinyl acetate
  • COP cycloolefin polymer
  • the thickness of the intermediate layer 12 is 0.01 mm or more and 0.40 mm or less.
  • the dielectric substrate 11 is desirably made of a material with excellent impact resistance, durability, and transparency.
  • the dielectric substrate 11 polycarbonate, acrylic resin, PET, etc. can be used.
  • the thickness of the dielectric substrate 11 is, for example, 1.0 mm to 10.0 mm.
  • FIG. 4 shows an example of the conductive pattern 15 of the embodiment.
  • the conductive pattern 15 is formed as a periodic pattern and includes a plurality of different unit patterns 210A, 210B, and 210C. In this example, three different unit patterns 210A, 210B, and 210C are used, but it is sufficient to have at least two different unit patterns.
  • the x direction and y direction in FIG. 4 correspond to the x direction and y direction of the reflective panel 10 in FIG. 1A.
  • the x direction is the width direction of the electromagnetic wave reflecting device 60, and the y direction is the height direction.
  • Each of the unit patterns 210A, 210B, and 210C includes a plurality of metal elements 151 having a long axis in the y direction within the xy plane of the reflective panel 10.
  • the unit pattern 210A has a plurality of metal elements 151 arranged in the x direction.
  • Unit pattern 210B has a plurality of metal elements 151 arranged in the x direction, but the arrangement pitch is different from unit pattern 210A.
  • Unit pattern 210C has a plurality of metal elements 151 arranged in the x direction, but the arrangement pitch is different from unit patterns 210A and 210B.
  • the unit patterns 210A are repeatedly arranged in the x direction to form a pattern row 21A.
  • the unit patterns 210B are repeatedly arranged in the x direction to form a pattern row 21B.
  • the unit patterns 210C are repeatedly arranged in the x direction to form a third pattern row.
  • the pattern rows 21A, 21B, and 21C are repeatedly arranged in the y direction. Therefore, the same unit pattern is repeated in the x direction, and a plurality of different unit patterns are repeated in the y direction.
  • FIG. 5 shows an example of the unit pattern 210.
  • This unit pattern is called a "super cell” and is formed of a plurality of metal elements 151a, 151b, 151c, 151d, 151e, and 151f.
  • the long axes of metal elements 151a-151f extend parallel to the y direction.
  • the width W and pitch P of the six metal elements 151 are constant, but the lengths L are different.
  • the longitudinal centers of the six metal elements 151 are on the same axis, and the y-coordinates of the center points of the metal elements 151a-151f are constant.
  • the phase of reflection is controlled by the shape and size of the metal elements 151a-151f, and a reflected beam is formed in a desired direction by superimposing the reflected waves.
  • the unit pattern 210 is designed such that the peak of the reflected wave of the vertically incident electromagnetic wave (incident angle of 0°) appears in a direction of 50° from the normal.
  • the beam width can be expanded. Below, the effect of beam width expansion will be confirmed through calculations by changing the type of unit pattern.
  • a 28.0 GHz plane wave is incident at an incident angle of 0° using general-purpose three-dimensional electromagnetic field simulation software, and the scattering cross section is analyzed from the reflected current.
  • the scattering cross section is used as an index representing reflection characteristics.
  • the scattering cross section is analyzed and the beam width is calculated from the reflection angle and maximum gain (dB).
  • a model used for calculation a model in which the unit patterns 210 (ie, supercells) shown in FIG. 5 are arranged in 12 columns in the x direction and 18 columns in the y direction is used. By changing the pitch P of the unit patterns 210, different unit patterns are formed.
  • FIG. 6 shows an analysis space 101 for electromagnetic wave simulation.
  • the analysis space is (size in the x direction) x ( It is expressed as (size in y direction) x (size in z direction).
  • the size of the analysis space 101 when the frequency of the incident electromagnetic wave is 28.0 GHz is 83.9 mm x 192.6 mm x 3.7 mm.
  • the boundary condition is a design in which electromagnetic wave absorbers 102 are arranged around the analysis space 101.
  • FIG. 7 is a schematic diagram of the xy plane of the analysis space 101 surrounded by the electromagnetic wave absorber 102
  • FIG. 8 is a schematic diagram of the xz plane of the analysis space 101.
  • the scattering cross section is analyzed by changing the pitch of the metal elements 151 forming the unit pattern 210, and the beam width is calculated from the reflection angle and maximum gain.
  • the dielectric layer 14 is made of a polycarbonate film with a thickness of 0.7 mm.
  • Examples 1 to 8 correspond to Examples.
  • Examples 9 to 11 correspond to comparative examples.
  • a ground layer 13 made of an Ag-based multilayer film with a thickness of 0.36 mm is set on one side of the polycarbonate film.
  • a conductive pattern 15 including a plurality of types of unit patterns 210 is arranged on the other surface of the polycarbonate film with an adhesive layer 153 interposed therebetween.
  • the thickness of the adhesive layer is 0.01 mm
  • the relative permittivity of the adhesive layer 153 at 28.0 GHz is 2.39
  • the dielectric loss tangent is 0.05.
  • the material of the metal elements 151a to 151f forming the unit pattern 210 is copper foil with a thickness of 0.03 mm.
  • the metal elements 151a to 151f have a rectangular shape with a uniform width W of 1.5 mm, and lengths of 2.468 mm, 2.796 mm, 3.091 mm, 0.903 mm, 1.225 mm, and 2.359 mm, respectively. Set.
  • Example 1 In the layer structure set as described above, five types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch P between the metal elements 151 of each unit pattern is made different. The pitch of the first unit pattern is 14.8843 mm, the pitch of the second unit pattern is 14.6398 mm, the pitch of the third unit pattern is 14.4075 mm, the pitch of the fourth unit pattern is 14.1867 mm, and the pitch of the fifth unit pattern is 14.8843 mm. The pitch of the unit pattern is 13.9768 mm. These five types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction, and 12 of the same unit patterns are arranged in the x direction. The beam width of the reflected beam will be 6°.
  • Example 2 In addition to the layer structure of Example 1, polycarbonate with a thickness of 2.0 mm is bonded to the ground layer 13 via an adhesive layer with a thickness of 400 ⁇ m as the outermost dielectric substrate. Similarly, a 2.0 mm thick polycarbonate is bonded to the conductive pattern 15 via a 400 ⁇ m thick adhesive layer as a dielectric substrate to set the configuration shown in FIG. 3B. As in Example 1, five types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). As in Example 1, the pitches of the four types of unit patterns are 14.8843 mm, 14.6398 mm, 14.4075 mm, 14.1867 mm, and 13.9768 mm, respectively.
  • unit patterns are repeatedly arranged in the y direction. Twelve identical unit patterns are arranged in the x direction.
  • the beam width of the reflected beam is 6°. It can be seen that the configuration in which a polycarbonate dielectric substrate is provided as the outermost layer is advantageous in terms of weather resistance and mechanical strength, and does not affect the beam width expansion effect.
  • Example 3 In the same layer structure as in Example 1, six types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch P between the metal elements 151 of each unit pattern is made different.
  • the pitch of the first unit pattern is 15.1418 mm
  • the pitch of the second unit pattern is 14.8843 mm
  • the pitch of the third unit pattern is 14.6398 mm
  • the pitch of the fourth unit pattern is 14.4075 mm
  • the pitch of the fifth unit pattern is 14.4075 mm.
  • the pitch of the unit pattern is 14.1867 mm
  • the pitch of the sixth unit pattern is 13.9768 mm.
  • These six types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction, and 12 of the same unit patterns are arranged in the x direction.
  • the beam width of the reflected beam is 9°. By increasing the types of different unit patterns, the effect of expanding the beam width becomes greater.
  • Example 4> In the same layer structure as in Example 1, seven types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch P between the metal elements 151 of each unit pattern is made different.
  • the pitch of the first unit pattern is 15.4131 mm
  • the pitch of the second unit pattern is 15.1418 mm
  • the pitch of the third unit pattern is 14.8843 mm
  • the pitch of the fourth unit pattern is 14.6398 mm
  • the pitch of the fifth unit pattern is 14.6398 mm.
  • the pitch of the unit patterns is 14.4075 mm
  • the pitch of the sixth unit pattern is 14.1867 mm
  • the pitch of the seventh unit pattern is 13.9768 mm.
  • These seven types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction, and 12 of the same unit patterns are arranged in the x direction.
  • the beam width of the reflected beam is 9°.
  • Example 5 In the same layer structure as in Example 1, eight types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch P between the metal elements 151 of each unit pattern is made different.
  • the pitch of the first unit pattern is 15.6993 mm
  • the pitch of the second unit pattern is 15.4131 mm
  • the pitch of the third unit pattern is 15.1418 mm
  • the pitch of the fourth unit pattern is 14.8843 mm
  • the pitch of the fifth unit pattern is 15.6993 mm.
  • the pitch of the unit patterns is 14.6398 mm
  • the pitch of the sixth unit pattern is 14.4075 mm
  • the pitch of the seventh unit pattern is 14.1867 mm
  • the pitch of the eighth unit pattern is 13.9768 mm.
  • These eight types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction, and 12 of the same unit patterns are arranged in the x direction.
  • the beam width of the reflected beam is 10°.
  • Example 6> In the same layer structure as in Example 1, ten types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch P between the metal elements 151 of each unit pattern is made different.
  • the pitch of the first unit pattern is 16.3200 mm
  • the pitch of the second unit pattern is 16.0012 mm
  • the pitch of the third unit pattern is 15.6993 mm
  • the pitch of the fourth unit pattern is 15.4131 mm
  • the pitch of the fifth unit pattern is 15.4131 mm.
  • the pitch of the unit pattern is 15.1418 mm
  • the pitch of the sixth unit pattern is 14.8843 mm
  • the pitch of the seventh unit pattern is 14.6398 mm
  • the pitch of the eighth unit pattern is 14.4075 mm
  • the pitch of the ninth unit The pitch of the patterns is 14.1867 mm
  • the pitch of the tenth unit pattern is 13.9768 mm.
  • Example 7 In addition to the layer structure of Example 1, a polycarbonate dielectric substrate with a thickness of 2.0 mm is bonded to the ground layer 13 via an adhesive layer with a thickness of 400 ⁇ m. A polycarbonate dielectric substrate with a thickness of 2.0 mm is bonded to the conductive pattern 15 via an adhesive layer with a thickness of 400 ⁇ m.
  • Two types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch of the first unit pattern is 16.6569 mm, and the pitch of the second unit pattern is 13.9768 mm. These two types of unit patterns are arranged alternately in the y direction. Twelve identical unit patterns are arranged in the x direction.
  • the beam width of the reflected beam is 4°. It has been confirmed in Example 2 that the configuration in which a polycarbonate dielectric substrate is provided via the outermost adhesive layer does not affect the beam width expansion effect. Therefore, even without providing a polycarbonate preferential substrate as the outermost layer, the same beam width (4°) can be obtained by arranging two types of unit patterns in the y direction. By providing a polycarbonate dielectric substrate as the outermost layer, weather resistance and mechanical strength are improved.
  • Example 8> In addition to the layer structure of Example 1, a 2.0 mm thick polycarbonate dielectric substrate is bonded to the ground layer 13 via a 400 ⁇ m thick adhesive layer, and a 2.0 mm thick polycarbonate dielectric substrate is bonded to the conductive pattern 15 via a 400 ⁇ m thick adhesive layer. A polycarbonate dielectric substrate with a thickness of 2.0 mm is bonded. Three types of unit patterns are repeatedly arranged in the y direction (ie, the long axis direction of the metal element 151). The pitch of the first unit pattern is 16.6569 mm, the pitch of the second unit pattern is 15.1418 mm, and the pitch of the third unit pattern is 13.9768 mm. These three types of unit patterns are arranged alternately in the y direction.
  • the beam width of the reflected beam is 4°. It has been confirmed in Example 2 that the configuration in which a polycarbonate dielectric substrate is provided via the outermost adhesive layer does not affect the beam width expansion effect. Therefore, even without providing a polycarbonate preferential substrate as the outermost layer, the same beam width (4°) can be obtained by arranging three types of unit patterns in the y direction. By providing a polycarbonate dielectric substrate as the outermost layer, weather resistance and mechanical strength are improved.
  • the beam width can be widened by arranging two or more types of unit patterns with different pitches in the y direction. In particular, repeating five or more types of unit patterns in the y direction increases the effect of beam width expansion.
  • the conductive pattern formed on the reflection panel 10 can be formed with a plurality of unit patterns to reduce the incident wave. You can improve the radio wave environment without changing anything. Even a configuration in which dielectric substrates are placed as protective layers on both sides of the reflective panel 10 does not affect the beam width expansion effect.
  • Example 9 which is a comparative example, the same layer structure of the reflective panel as in Example 1 is used, but only one type of unit pattern is used.
  • the pitch of the metal elements 151 included in the unit pattern is set to 16.6569 mm. Similar to Examples 1 to 8, this unit pattern is repeated 12 times in the x direction and 18 columns in the y direction.
  • the beam width of the reflected beam is 3°.
  • Example 10 which is a comparative example, five types of unit patterns are used in the same layer structure as Examples 1 and 9.
  • the pitches of the five types of unit patterns are 14.8843 mm, 14.6398 mm, 14.4075 mm, 14.1867 mm, and 13.9768 mm.
  • five types of unit patterns are repeated in the x direction, and the same unit pattern is arranged in the y direction.
  • This conductor pattern is shown in FIG.
  • groups 121a, 121b, 121c, 121d, and 121e of different unit patterns are repeated in the x direction. Focusing on one column in the y direction, the pitches of the metal elements included in the unit pattern within the column are the same.
  • the beam width of the reflected beam is 3°.
  • Example 11 which is a comparative example, two types of unit patterns are used in the same layer structure as Examples 1, 9, and 10.
  • the pitch of the first unit pattern is 15.1418 mm
  • the pitch of the second unit pattern is 13.9768 mm.
  • the first unit pattern and the second unit pattern are arranged alternately in the x direction.
  • the same unit pattern is repeated in the y direction, and the pitch is uniform.
  • the beam width of the reflected beam is 3°.
  • the reflective panel of the embodiment can expand the beam width of reflected waves with a simple design.
  • the electromagnetic wave reflecting device and the electromagnetic wave reflecting fence using the reflective panel of the embodiment are particularly effective in an environment where many dead zones occur in a limited space. This is because within a space of a certain size, it is often more desirable to deliver electromagnetic waves over as wide an area as possible than to send them far.
  • the conductive pattern 15 of the reflective panel 10 expands the beam width of reflected waves and has transparency to visible light
  • the electromagnetic wave reflecting device and the electromagnetic wave reflecting fence can also be used as a safety fence, a soundproof fence, etc.
  • the reflective panel of the embodiment is not limited to the configuration example described above.
  • the in-plane size of the reflective panel 10 can be appropriately selected from a range of 30 cm x 30 cm to 3 m x 3 m.
  • the entire surface of the reflective panel 10 may be a metasurface, or a portion may be a specular reflective surface.
  • the present disclosure may include the following configurations.
  • (Section 1) a dielectric layer; a periodic conductive pattern provided on the surface of the dielectric layer; has The periodic conductive pattern includes a first unit pattern in which a plurality of metal elements having long axes in a first direction within the plane of the dielectric layer are arranged in a second direction orthogonal to the first direction; at least a second unit pattern different from the first unit pattern, The first unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a first pattern row, The second unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a second pattern row, the first pattern row and the second pattern row are repeatedly arranged in the first direction; reflective panel.
  • the periodic conductive pattern has three or more types of different unit patterns, each of which is repeatedly arranged in the second direction to form two or more types of pattern rows, and the three or more types of pattern rows. are repeatedly arranged in the first direction, Item 1.
  • the reflective panel according to item 1. (Section 3) The periodic conductive pattern has five or more different unit patterns, and each unit pattern is arranged repeatedly in the second direction, and five or more pattern rows are arranged repeatedly in the first direction. There is, The reflective panel according to item 2. (Section 4)
  • the plurality of metal elements included in the first unit pattern and the plurality of second metal elements included in the second unit pattern have different pitches in the second direction. Item 1.
  • the three or more types of different unit patterns each have a different pitch, The three or more types of pattern rows are arranged such that the pitch monotonically increases or monotonically decreases in the first direction, The reflective panel according to item 2.
  • the periodic conductive pattern is supported on the dielectric layer via an adhesive layer, The reflective panel according to any one of Items 1 to 5.
  • the thickness of the periodic conductive pattern is 0.01 mm or more and 0.05 mm or less, and the occupation rate of the conductive pattern with respect to the dielectric layer is 10.0% or more and 45.0% or less.
  • (Section 8) a ground layer formed on a surface of the dielectric layer opposite to the surface on which the periodic conductive pattern is provided;
  • the reflective panel according to any one of Items 1 to 7.
  • (Section 9) a reflective panel that reflects radio waves in a desired band selected from a frequency band of 1 GHz or more and 300 GHz or less; a frame holding the reflective panel; Equipped with The reflective panel includes a dielectric layer and a periodic conductive pattern provided on one surface of the dielectric layer,
  • the periodic conductive pattern includes a first unit pattern in which a plurality of metal elements having long axes in a first direction within the plane of the dielectric layer are arranged in a second direction perpendicular to the first direction; a second unit pattern different from the first unit pattern, The first unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a first pattern row, The second unit pattern is repeatedly arranged in the second direction to form a second pattern row,
  • An electromagnetic wave reflecting device wherein the first pattern row and the second pattern row are

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Abstract

簡単な設計で反射波のビーム幅を拡大することのできる反射パネルを提供する。反射パネルは、誘電体層と、前記誘電体層の一方の表面に設けられる周期的な導電パターンとを有し、前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を少なくとも有し、前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている。

Description

反射パネル、これを用いた電磁波反射装置、及び電磁波反射フェンス
　本発明は、反射パネル、これを用いた電磁波反射装置、及び電磁波反射フェンスに関する。
　第５世代（以下、「５Ｇ」と呼ぶ）移動通信規格では、高速大容量の通信が期待される一方で、直進性の強い電波を使用するため、電波の届きにくい場所が発生し得る。工場内のように金属機械が多く存在する場所や、ビル街のように壁面や街路樹での反射が多い場所では、目的の端末装置や無線機器に電波を届けるための手段が必要である。医療現場、イベント会場、大型商業施設など、基地局アンテナを見通せない（ＮＬＯＳ：Non-Line-Of-Sight）スポットが発生する場所にも同様の要求がある。
　近年、「メタサーフェス」と呼ばれる人工的な表面を持つ反射面が開発されている。メタサーフェスは、波長よりも細かい周期的な構造物またはパターンで形成され、所望の方向に電波を反射するように設計されている（例えば、非特許文献１参照）。メタサーフェス自体は、周期的に繰り返される微細な構造物や金属パターンで実現されるが、実際に製造される場合には、誘電体基板の表面に金属パターンが設けられ、対向する面にグラウンド層が設けられることが多い。メタサーフェスは、平面的な配置構成を維持しながら所望の反射角度を実現できるため、電磁波反射パネルを多数設置する空間的な余裕がない環境でも、リフレクタとして有効に機能する。さらに一般的な金属プレートなどのような正規反射の性能を持つリフレクタでは電波を届かせられない場所にも電波を届かせることができる。
Diaz-Rubio et al., Sci. Adv. 2017: 3: e1602714 1
　メタサーフェスを有する反射面は金属等の導体によって機能し、導体の表面状態、形状、寸法、配列、抵抗値などによって反射角度と反射効率が決まる。入射電磁波の方向と反射方向は、導体のパターン形状や、寸法、間隔などによって設計され得る。電磁波反射パネルによる反射波のビーム幅は、３°程度に設計される。一般的に、ビーム幅が狭いほうが、強い強度で遠くまで電磁波を送ることができるからである。しかし、実際の利用状況を考えると、不感地帯をカバーできない場合が多く、反射波のビーム幅を広げたほうが望ましい場合がある。
　本発明は、簡単な設計で、反射波のビーム幅を拡大することのできる反射パネルを提供することを一つの目的とする。
　一実施形態において、反射パネルは、誘電体層と、前記誘電体層の表面に設けられる周期的な導電パターンと、を有し、
　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を少なくとも有し、
　前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、
　前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、
　前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている。
　簡単な設計で、反射波のビーム幅を拡大することのできる反射パネルが実現される。
複数の電磁波反射装置を連結した電磁波反射フェンスの模式図である。 図１ＡのＡ－Ａラインに沿ったフレームの水平断面図である。 反射パネルで反射されたビームのビーム幅を示す図である。 反射パネルの層構成の一例を示す図である。 反射パネルの層構成の別の例を示す図である。 異なる種類の単位パターン（スーパーセル）を含む導電パターンの図である。 単位パターンの一例を示す図である。 解析空間を示す図である。 解析空間のｘｙ面の模式図である。 解析空間のｘｚ面の模式図である。 比較例の導電パターンを示す図である。
　反射パネルに入射する電磁波に変更を加えることなく、反射パネルで反射された電磁波のビーム幅を拡張する。これを実現するために、誘電体層の上に設けられる導電パターンを、２種類以上の単位パターンの繰り返しで形成する。具体的には、複数の金属素子を含む単位パターンを、反射パネルの幅方向（ｘ方向）に繰り返して配置し、反射パネルの高さ方向（ｙ方向）に、異なる種類の単位パターンを繰り返し配置する。たとえば、２種類の単位パターンを用いる場合、第１の単位パターンをｘ方向に繰り返し配置して第１のパターン列を形成する。第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンをｘ方向に繰り返し配置して、第２のパターン列を形成する。第１のパターン列と第２のパターン列を、ｙ方向に繰り返す。単位パターンが３種類以上の場合も、ｙ方向に異なるパターン列を繰り返し配置する。このような導電パターンを用いることで、簡単な設計で、反射波のビーム幅を拡大し、不感地帯を低減することができる。
　第１の単位パターンに含まれる複数の金属素子のピッチは、第２の単位パターンに含まれる複数の金属素子のピッチと異なる。ｘ方向に延びる同じパターン列の中では同じピッチが維持されるが、ｙ方向に異なるピッチの単位パターンが繰り返される。これにより水平方向のビーム幅を広げることができる。ビーム幅は、一般的には反射波のピーク、すなわち最大利得の方向から３ｄＢ下がる（強度が半分になる）角度幅をいう。
　以下で、図面を参照して異なる単位パターンを含む反射パネルの具体的な構成を説明する。以下に示す形態は、本発明の技術思想を具現化するための一例であって、本発明を限定するものではない。各図面に示される各部材の大きさ、位置関係等は、発明の理解を容易にするために誇張して描かれている場合がある。以下の説明において、同一の構成要素または機能に同一の名称または符号を付けて、重複する説明を省略する場合がある。
　＜電磁波反射装置と電磁波反射フェンス＞
　図１Ａは、電磁波反射フェンス１００の模式図である。電磁波反射フェンス１００は、反射パネル１０－１、１０－２、及び１０－３（以下、適宜「反射パネル１０」と総称する場合がある）を有する電磁波反射装置６０－１、６０－２、及び６０－３を横方向に連結したものである。図１の座標系で、反射パネル１０の幅または横方向をｘ方向、高さまたは縦方向をｙ方向、厚さ方向をｚ方向とする。図１では、３つの電磁波反射装置６０－１、６０－２、及び６０－３（以下、適宜「電磁波反射装置６０」と総称する場合がある）を連結して電磁波反射フェンス１００を構成しているが、連結される電磁波反射装置６０の数に、特に制限はない。
　電磁波反射装置６０－１、６０－２、及び６０－３で用いられる反射パネル１０－１、１０－２、及び１０－３は、１ＧＨｚ以上３００ＧＨｚ以下、たとえば、１ＧＨｚ以上１７０ＧＨｚ以下、１ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下、または１ＧＨｚ以上８０ＧＨｚ以下の周波数帯から選択される所望の帯域の電磁波を反射する。各反射パネル１０は、導電パターンを含む層を反射膜として有する。導電パターンは、目的とする反射角度、周波数帯域等に応じて設計されている。反射膜は、周期的なパターン、メッシュパターン、幾何学パターン、透明膜などで形成されてもよい。後述するように、導電パターンは、接着層により反射パネル１０の誘電体層に接合されていてもよい。
　反射パネル１０－１、１０－２、１０－３の少なくとも一部は、電磁波の入射角と反射角が異なる非鏡面反射面であってもよい。非鏡面反射面は、拡散面や散乱面の他、所望の方向に電波を反射するように設計された人工的な反射面であるメタサーフェスを含む。反射パネル１０－１、１０－２、１０－３は、反射電位の連続性を保つ観点から、互いに電気的に接続されていることが望ましい場合があるが、メタサーフェスを含む場合は、隣接する反射パネル１０間に電気的な接続はなくてもよい。隣接する反射パネル１０同士をフレーム５０で保持することでｘ方向に連結された電磁波反射フェンス１００が得られる。
　電磁波反射装置６０は、反射パネル１０とフレーム５０に加えて、フレーム５０を支持する脚部５６を有していてもよい。図１Ａのように、電磁波反射装置６０または電磁波反射フェンス１００を設置面に自立させるときは、脚部５６を設けるのが望ましいが、脚部５６は必須ではない。フレーム５０の他に、反射パネル１０の上端を保持するトップフレーム５７と、下端を保持するボトムフレーム５８を用いてもよい。この場合、フレーム５０と、トップフレーム５７と、ボトムフレーム５８とで、反射パネル１０の全周を保持するフレームが構成される。
　フレーム５０は、トップフレーム５７とボトムフレーム５８に対する位置関係から、「サイドフレーム」と呼んでもよい。トップフレーム５７とボトムフレーム５８を設けることで、反射パネル１０の搬送、組立時の機械的強度と安全性が確保される。用途によっては、脚部５６を設けずに、フレーム５０、トップフレーム５７、及びボトムフレーム５８で反射パネル１０を保持して、電磁波反射装置６０を壁面や天井に設置してもよい。
　図１Ｂは、図１ＡのＡ－Ａラインに沿ったフレーム５０の構成例を、ｘｚ面と平行な断面図で示す。フレーム５０は、導電性の本体５００と、本体５００の幅方向の両側に形成されたスリット５１－１、及び５１－２を有する。反射パネル１０－１と１０－２のエッジは、スリット５１－１と５１－２にそれぞれ挿入され、空間５２内で保持される。空間５２は必須ではないが、空間５２を設けることで、フレーム５０の本体５００を軽量化するとともに、反射パネル１０の保持角度にゆとりを持たせることができる。
　反射パネル１０－１と１０－２のそれぞれがスリット５１－１と５１－２に挿入されることで、隣接する反射パネル１０－１と１０－２は安定的に保持され得る。本体５００の一部は非導電性の材料で形成されていてもよい。本体５００の外表面に、樹脂などの非導電性のカバー５０１が設けられていてもよいが、カバー５０１は必須ではない。カバー５０１を設ける場合、カバー５０１はフレーム５０を保護する保護部材として機能する。
　図２は、反射パネル１０で反射された電磁波のビーム幅を示す。所望の方向に電磁波を反射するメタサーフェスを設計する場合、電磁波を強い強度で遠方まで反射するために、反射波のビーム幅が３°程度になるように設計される場合が多い。これに対し、実施形態では、反射波のビーム幅を４°以上、好ましくは５°を超える角度になるように、反射パネル１０に形成される導電パターンを調整する。ビーム幅を拡張する導電パターンの調整については、後述する。
　図３Ａ、及び図３Ｂは、反射パネル１０の層構成の例を示す。これらの層構成は、反射パネル１０の厚さ（ｚ）方向の層構成である。図３Ａにおいて、反射パネル１０Ａは、誘電体層１４と、この誘電体層１４の一方の表面に設けられた導電パターン１５と、誘電体層１４の反対側の表面に設けられたグラウンド層１３と、導電パターン１５を担持して誘電体層１４に接合する接着層１５３とを有する。導電パターン１５は、接着層１５３の上に所定の配置で担持された複数の金属素子１５１を含む周期的なパターンである。
　誘電体層１４は、ポリカーボネート、シクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）、ポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）、フッ素樹脂など、絶縁性のポリマーフィルムであり、厚さは０．３ｍｍから１．０ｍｍ程度である。誘電体層１４は、目標の反射特性を実現するのに適した比誘電率と誘電正接を持つ材料であればよい。
　複数の金属素子１５１を含む導電パターン１５により、反射パネル１０の反射面が形成される。導電パターン１５によって形成される反射面は、反射特性が人工的に制御されたメタサーフェスを含んでいてもよい。実施形態の導電パターン１５は、後述する周期的なパターン配列を有し、入射電磁波を、拡張されたビーム幅で所望の方向へ反射する。導電パターン１５を形成する金属素子１５１は、Ｃｕ、Ｎｉ、Ａｇ等の良導体で形成される。
　反射面の平坦性を保ちつつ、反射面として十分に機能させるために、金属素子１５１の厚さは、０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下に設定されてもよい。反射面の可視光に対する透明性を維持しつつ、電力反射効率を高くする観点から、誘電体層１４に対する導電パターン１５の占有率を１０．０％以上、４５．０％に設定してもよい。反射パネルに透明性が要求されない場合は、導電パターン１５の占有率を４５．０％よりも高く設定して、電力反射効率をさらに高めてもよい。
　接着層１５３は、酢酸ビニル樹脂、アクリル樹脂、セルロース樹脂、アニリン樹脂、エチレン樹脂、シリコン樹脂、その他の樹脂材料で形成されている。接着層１５３として、所定の誘電率と誘電正接を満たす組成の材料を用いることができる。接着層１５３の厚さは０．００２ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であり、導電パターン１５を安定的に保持する観点から、０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であることが望ましい。
　図３Ｂは、反射パネル１０Ｂの構成例を示す。反射パネル１０Ｂは、図３Ａの構成に加えて、導電パターン１５を覆う中間層１６と、中間層１６によって導電パターン１５の側に接合される誘電体基板１７と、グラウンド層１３を覆う中間層１２と、中間層１２によってグラウンド層１３側に接合される誘電体基板１１とを有する。
　中間層１６は導電パターン１５の金属素子１５１の表面を保護するとともに、誘電体基板１７を接着保持する。中間層１６は、耐久性と耐湿性を有することが望ましく、たとえばエチレン・酢酸ビニル（ＥＶＡ：ethylene-vinyl acetate）共重合体やシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）を用いることができる。中間層１６の厚さは０．０１ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。誘電体基板１７は、反射パネル１０Ｃの最外層として、耐衝撃性、耐久性、透明度に優れた材料で形成されていることが望ましい。誘電体基板１７としてポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＥＴなどを用いることができる。誘電体基板１７の厚さは、たとえば、１．０ｍｍから１０．０ｍｍである。
　中間層１２は、グラウンド層１３の表面を保護するとともに、誘電体基板１１を接着保持する。中間層１２は、耐久性と耐湿性を有することが望ましく、たとえばエチレン・酢酸ビニル（ＥＶＡ：ethylene-vinyl acetate）共重合体やシクロオレフィンポリマー（ＣＯＰ）を用いることができる。中間層１２の厚さは０．０１ｍｍ以上０．４０ｍｍ以下である。誘電体基板１１は、反射パネル１０Ｃの最外層として、耐衝撃性、耐久性、透明度に優れた材料で形成されていることが望ましい。誘電体基板１１としてポリカーボネート、アクリル樹脂、ＰＥＴなどを用いることができる。誘電体基板１１の厚さは、たとえば、１．０ｍｍから１０．０ｍｍである。
　導電パターン１５を中間層１６で覆って誘電体基板１７を接合することで、金属素子１５１の表面への水分や空気の侵入が抑制され、反射面の劣化が抑制される。グラウンド層１３を中間層１２で覆って誘電体基板１１を接合することで、グラウンド層１３の表面への水分や空気の侵入が抑制され、グラウンド層１３の表面劣化が抑制される。これにより、グラウンド層１３と各金属素子１５１の間のキャパシタンスが一定に維持され、設計された位相遅れの大きさを維持することができる。すなわち、設計された方向への電磁波の電力反射効率を維持することができる。
　＜反射パネルの導電パターン＞
　図４は、実施形態の導電パターン１５の一例を示す。導電パターン１５は周期的なパターンとして形成され、複数の異なる単位パターン２１０Ａ、２１０Ｂ、及び２１０Ｃを有する。この例では、３つの異なる単位パターン２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃを用いているが、少なくとも２つの異なる単位パターンを有していればよい。図４のｘ方向とｙ方向は、図１Ａの反射パネル１０のｘ方向とｙ方向に一致する。ｘ方向は電磁波反射装置６０の幅方向、ｙ方向は高さ方向になる。
　単位パターン２１０Ａ、２１０Ｂ、及び２１０Ｃの各々は、反射パネル１０のｘｙ面内で、ｙ方向に長軸を有する複数の金属素子１５１を含む。単位パターン２１０Ａは、ｘ方向に配列された複数の金属素子１５１を有する。単位パターン２１０Ｂは、ｘ方向に配列された複数の金属素子１５１を有するが、その配列ピッチは単位パターン２１０Ａと異なる。単位パターン２１０Ｃは、ｘ方向に配列された複数の金属素子１５１を有するが、その配列ピッチは、単位パターン２１０Ａ及び２１０Ｂと異なる。
　単位パターン２１０Ａは、ｘ方向に繰り返し配置されてパターン列２１Ａを形成する。単位パターン２１０Ｂは、ｘ方向に繰り返し配置されてパターン列２１Ｂを形成する。単位パターン２１０Ｃは、ｘ方向に繰り返し配置されて第３のパターン列を形成する。パターン列２１Ａ、２１Ｂ、及び２１Ｃは、ｙ方向に繰り返し配置される。したがって、ｘ方向に同じ単位パターンが繰り返され、ｙ方向に異なる複数の単位パターンが繰り返される。
　図５は、単位パターン２１０の一例を示す。この単位パターンは「スーパーセル」と呼ばれ、複数の金属素子１５１ａ、１５１ｂ、１５１ｃ、１５１ｄ、１５１ｅ、及び１５１ｆで形成されている。金属素子１５１ａ－１５１ｆの長軸は、ｙ方向と平行に延びる。６つの金属素子１５１の幅ＷとピッチＰは一定であるが、長さＬはそれぞれ異なる。６つの金属素子１５１の長さ方向の中心は同じ軸上にあり、金属素子１５１ａ－１５１ｆの中心点のｙ座標は一定である。金属素子１５１ａ－１５１ｆの形状とサイズにより、反射の位相を制御し、反射波の重ね合わせにより所望の方向に反射ビームを形成する。この例で、単位パターン２１０は、垂直入射（入射角０°）した電磁波の反射波のピークが、法線から５０°の方向に現れるように設計されている。
　このような単位パターン２１０の金属素子１５１のピッチを変えて、少なくとも２つの異なる単位パターンをｙ方向に繰り返し配置することで、ビーム幅を拡張することができる。以下で、単位パターンの種類を変えて、ビーム幅拡張の効果を計算により確認する。
　計算では、汎用の三次元電磁界シミュレーションソフトウェアを用い、２８．０ＧＨｚの平面波を入射角０°で入射して、反射電流から散乱断面積を解析する。散乱断面積は、反射特性を表す指標として用いられる。散乱断面積を解析し、反射角度と最大利得（ｄＢ）からビーム幅を計算する。計算に用いるモデルとして、図５に示した単位パターン２１０（すなわちスーパーセル）を、ｘ方向に１２個、ｙ方向に１８列ならべたモデルを使用する。単位パターン２１０のピッチＰを変えることで、異なる単位パターンを形成する。
　図６は、電磁波シミュレーションの解析空間１０１を示す。反射パネル１０の厚さ方向をｚ方向、導電パターンのモデル２０の金属素子１５１の長さ方向をｙ方向、金属素子１５１の配列方向をｘ方向として、解析空間を（ｘ方向のサイズ）×（ｙ方向のサイズ）×（ｚ方向のサイズ）で表す。入射電磁波の周波数が２８．０ＧＨｚのときの解析空間１０１のサイズを、８３．９ｍｍ×１９２．６ｍｍ×３．７ｍｍとする。境界条件は、解析空間１０１の周囲に電磁波吸収体１０２を配置した設計とする。
　図７は、電磁波吸収体１０２に囲まれた解析空間１０１のｘｙ面の模式図、図８は解析空間１０１のｘｚ面の模式図である。解析空間１０１内で、単位パターン２１０を形成する金属素子１５１のピッチを変えて散乱断面積を解析し、反射角度と最大利得からビーム幅を計算する。
　以下の例１から例１１で共通する条件として、誘電体層１４に、厚さ０．７ｍｍのポリカーボネートフィルムを設定する。例１から例８は実施例に相当する。例９から例１１は比較例に相当する。ポリカーボネートフィルムの一方の面に、厚さ０．３６ｍｍのＡｇ系多層膜でグラウンド層１３を設定する。ポリカーボネートフィルムの他方の面に、複数種類の単位パターン２１０を含む導電パターン１５を、接着層１５３を介して配置する。接着層の厚さは０．０１ｍｍ、２８．０ＧＨｚにおける接着層１５３の比誘電率は２．３９、誘電正接は０．０５である。
　単位パターン２１０を形成する金属素子１５１ａ－１５１ｆの材料は、厚さ０．０３ｍｍの銅箔とする。金属素子１５１ａ－１５１ｆは、幅Ｗが一律１．５ｍｍの長方形の形状であり、長さをそれぞれ、２．４６８ｍｍ、２．７９６ｍｍ、３．０９１ｍｍ、０．９０３ｍｍ、１．２２５ｍｍ、２．３５９に設定する。
　＜例１＞
　上述のように設定された層構造において、５種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。各単位パターンの金属素子１５１間のピッチＰを異ならせる。第１の単位パターンのピッチは１４．８８４３ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１４．６３９８ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは１４．４０７５ｍｍ、第４の単位パターンのピッチは１４．１８６７ｍｍ、第５の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである。この５種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置し、ｘ方向へは同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は６°になる。
　＜例２＞
　例１の層構造に加えて、グラウンド層１３に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートを最外層の誘電体基板として接合する。同様に、導電パターン１５に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートを誘電体基板として接合して、図３Ｂの構成を設定する。例１と同様に、５種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。４種類の単位パターンのピッチは、例１と同様に、それぞれ１４．８８４３ｍｍ、１４．６３９８ｍｍ、１４．４０７５ｍｍ、１４．１８６７ｍｍ、１３．９７６８ｍｍである。この５種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置する。ｘ方向には同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は、６°である。最外層にポリカーボネートの誘電体基板を設ける構成は、耐候性や機械的強度の面で有利であり、かつ、ビーム幅の拡張効果に影響しないことがわかる。
　＜例３＞
　例１と同じ層構造において、６種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。各単位パターンの金属素子１５１間のピッチＰを異ならせる。第１の単位パターンのピッチは１５．１４１８ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１４．８８４３ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは１４．６３９８ｍｍ、第４の単位パターンのピッチは１４．４０７５ｍｍ、第５の単位パターンのピッチは１４．１８６７ｍｍ、第６の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである。この６種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置し、ｘ方向へ同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は９°になる。異なる単位パターンの種類を増やすことでビーム幅の拡張効果が大きくなる。
　＜例４＞
　例１と同じ層構造において、７種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。各単位パターンの金属素子１５１間のピッチＰを異ならせる。第１の単位パターンのピッチは１５．４１３１ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１５．１４１８ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは１４．８８４３ｍｍ、第４の単位パターンのピッチは１４．６３９８ｍｍ、第５の単位パターンのピッチは１４．４０７５ｍｍ、第６の単位パターンのピッチは１４．１８６７ｍｍ、第７の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである。この７種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置し、ｘ方向へ同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は、９°である。
　＜例５＞
　例１と同じ層構造において、８種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。各単位パターンの金属素子１５１間のピッチＰを異ならせる。第１の単位パターンのピッチは１５．６９９３ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１５．４１３１ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは１５．１４１８ｍｍ、第４の単位パターンのピッチは１４．８８４３ｍｍ、第５の単位パターンのピッチは１４．６３９８ｍｍ、第６の単位パターンのピッチは１４．４０７５ｍｍ、第７の単位パターンのピッチは１４．１８６７ｍｍ、第８の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである。この８種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置し、ｘ方向へ同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は、１０°になる。
　＜例６＞
　例１と同じ層構造において、１０種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。各単位パターンの金属素子１５１間のピッチＰを異ならせる。第１の単位パターンのピッチは１６．３２００ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１６．００１２ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは１５．６９９３ｍｍ、第４の単位パターンのピッチは１５．４１３１ｍｍ、第５の単位パターンのピッチは１５．１４１８ｍｍ、第６の単位パターンのピッチは１４．８８４３ｍｍ、第７の単位パターンのピッチは１４．６３９８ｍｍ、第８の単位パターンのピッチは１４．４０７５ｍｍ、第９の単位パターンのピッチは１４．１８６７ｍｍ、第１０の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである。この１０種類の単位パターンをｙ方向に繰り返し配置し、ｘ方向へ同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は１２°になる。
　＜例７＞
　例１の層構造に加えて、グラウンド層１３に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートの誘電体基板を接合する。導電パターン１５に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートの誘電体基板を接合する。２種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。第１の単位パターンのピッチは、１６．６５６９ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは、１３．９７６８ｍｍである。この２種類の単位パターンをｙ方向に交互に配置する。ｘ方向には同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は、４°になる。最外層の接着層を介してポリカーボネートの誘電体基板を設ける構成は、ビーム幅の拡張効果に影響しないことは例２で確認済みである。したがって、最外層にポリカーボネートの優先体基板を設けなくても、２種類の単位パターンをｙ方向に配置することで、同じビーム幅（４°）が得られる。最外層にポリカーボネートの誘電体基板を設けることで、耐候性や機械的強度が改善される。
　＜例８＞
　例１の層構造に加えて、グラウンド層１３に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートの誘電体基板を接合し、導電パターン１５に厚さ４００μｍの接着層を介して厚さ２．０ｍｍのポリカーボネートの誘電体基板を接合する。３種類の単位パターンをｙ方向（すなわち金属素子１５１の長軸方向）に繰り返し配置する。第１の単位パターンのピッチは、１６．６５６９ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは、１５．１４１８ｍｍ、第３の単位パターンのピッチは、１３．９７６８ｍｍである。この３種類の単位パターンをｙ方向に交互に配置する。ｘ方向には同じ単位パターンを１２個配置する。反射ビームのビーム幅は、４°になる。最外層の接着層を介してポリカーボネートの誘電体基板を設ける構成は、ビーム幅の拡張効果に影響しないことは例２で確認済みである。したがって、最外層にポリカーボネートの優先体基板を設けなくても、３種類の単位パターンをｙ方向に配置することで、同じビーム幅（４°）が得られる。最外層にポリカーボネートの誘電体基板を設けることで、耐候性や機械的強度が改善される。
　例１から８に示したように、２種類以上のピッチの異なる単位パターンをｙ方向に配置することで、ビーム幅を広げることができる。特に、５種類以上の単位パターンをｙ方向に繰り返すことで、ビーム幅拡張の効果が大きくなる。電磁波反射装置６０が設置される場所の状況に応じて、不感地帯が多くビーム幅を広げたい場合は、反射パネル１０に形成される導電パターンを複数の単位パターンで形成することで、入射波を変えなくても電波環境を改善することができる。反射パネル１０の両面に誘電体基板を保護層として配置する構成でも、ビーム幅拡張の効果には影響しない。
　次に、比較例の評価結果を提示する。比較例として、１種類の単位パターンのみを用いる構成と、異なる単位パターンをｘ方向に繰り返す構成を用いる。
　＜例９＞
　比較例である例９では、例１と同じ反射パネルの層構造において、１種類の単位パターンのみを用いる。単位パターンに含まれる金属素子１５１のピッチは、１６．６５６９ｍｍに設定される。この単位パターンを、例１から例８と同様に、ｘ方向に１２個、ｙ方向に１８列繰り返す。反射ビームのビーム幅は３°である。
　＜例１０＞
　比較例である例１０では、例１、及び例９と同じ層構造において、５種類の単位パターンを用いる。５種類の単位パターンのピッチは、例１と同じく、１４．８８４３ｍｍ、１４．６３９８ｍｍ、１４．４０７５ｍｍ、１４．１８６７ｍｍ、及び１３．９７６８ｍｍである。例１と異なり、５種類の単位パターンをｘ方向に繰り返し、ｙ方向に同一の単位パターンを配置する。この導体パターンを図９に示す。図９に示すように、異なる単位パターンのグループ１２１ａ、１２１ｂ、１２１ｃ、１２１ｄ、及び１２１ｅがｘ方向に繰り返される。ｙ方向の一つのカラムに着目すると、カラム内で単位パターンに含まれる金属素子のピッチは同じである。この導体パターンを用いたときの反射ビームのビーム幅は３°である。
　＜例１１＞
　比較例である例１１では、例１、例９、及び例１０と同じ層構造において、２種類の単位パターンを用いる。第１の単位パターンのピッチは１５．１４１８ｍｍ、第２の単位パターンのピッチは１３．９７６８ｍｍである、第１の単位パターンと第２の単位パターンをｘ方向に交互に配置する。ｙ方向に同じ単位パターンが繰り返され、ピッチは揃っている。この導体パターンを用いたときの反射ビームのビーム幅は３°である。
　例９から例１１に基づくと、異なる種類の単位パターンを用いても、繰り返しの方向が適切でない場合は、ビーム幅を拡張することができない。例１から例８のように、２つ以上の異なる単位パターンをｙ方向（金属素子の長軸方向）に繰り返し配置する場合、単位パターンのピッチをｙ方向に単調増加、または単調減少させてもよい。ピッチの変化の方向を一定にすることで、反射特性を同じ方向に変化させてビーム幅を拡張できると考えられる。
　以上述べたように、実施形態の反射パネルは、簡単な設計で、反射波のビーム幅を拡張することができる。実施形態の反射パネルを用いた電磁波反射装置と電磁波反射フェンスは、特に限られた空間内に不感地帯が多く発生する環境で有効である。一定サイズの空間内では、電磁波を遠くに飛ばすことよりも、エリア内のなるべく広い領域にわたって電磁波を届けることが望ましい場合が多いからである。反射パネル１０の導電パターン１５が反射波のビーム幅を拡張しつつ、可視光に対する透明性を有する場合は、電磁波反射装置と電磁波反射フェンスを安全フェンス、防音フェンス等としても利用可能である。
　実施形態の反射パネルは、上述した構成例に限定されない。単位パターン２１０に含まれる金属素子１５１のサイズ、形状、ピッチ、誘電体層１４の誘電率を設計することで、垂直入射に対する反射角を３５°以上９０°未満の範囲で適切に設計することができる。反射パネル１０の面内サイズは、３０ｃｍ×３０ｃｍから３ｍ×３ｍの範囲で、適宜選択可能である。反射パネル１０の全面をメタサーフェスにしてもよいし、一部を鏡面反射面にしてもよい。反射パネル１０の両面に、所定の誘電率及び誘電正接と、機械的強度を併せ持つ保護層を設けることで、屋外の環境で使用されてもよい。透過率がそれほど必要とされない適用場面では、誘電体層１４に対する導電パターン１５の面積占有率を４５％よりも高くして反射効率を優先してもよい。
　以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示には以下の構成が含まれ得る。
（項１）
　誘電体層と、
　前記誘電体層の表面に設けられる周期的な導電パターンと、
を有し、
　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を少なくとも有し、
　前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、
　前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、
　前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、
反射パネル。
（項２）
　前記周期的な導電パターンは、３種類以上の異なる単位パターンを有し、それぞれの単位パターンが前記第２方向に繰り返し配置されて２種類以上のパターン列が形成され、前記３種類以上のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、
項１に記載の反射パネル。
（項３）
　前記周期的な導電パターンは、５種類以上の異なる単位パターンを有し、それぞれの単位パターンが前記第２方向に繰り返し配置される５種類以上のパターン列が、前記第１方向に繰り返し配置されている、
項２に記載の反射パネル。
（項４）
　前記第１の単位パターンに含まれる前記複数の金属素子と、前記第２の単位パターンに含まれる複数の第２金属素子は、前記第２方向のピッチが異なる、
項１に記載の反射パネル。
（項５）
　前記３種類以上の異なる単位パターンはそれぞれ異なるピッチを有し、
　前記３種類以上のパターン列は、前記ピッチが前記第１方向に単調増加、または単調減少するように配置されている、
項２に記載の反射パネル。
（項６）
　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の上に接着層を介して担持されている、
項１から項５のいずれかに記載の反射パネル。
（項７）
　前記周期的な導電パターンの厚さは０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であり、前記誘電体層に対する前記導電パターンの占有率は１０．０％以上４５．０％以下である、
項１から項６のいずれかに記載の反射パネル。
（項８）
　前記誘電体層の前記周期的な導電パターンが設けられている面と反対側の面に形成されるグラウンド層、
を有する項１から項７のいずれかに記載の反射パネル。
（項９）
　１ＧＨｚ以上、３００ＧＨｚ以下の周波数帯から選択される所望の帯域の電波を反射する反射パネルと、
　前記反射パネルを保持するフレームと、
を備え、
　前記反射パネルは、誘電体層と、前記誘電体層の一方の表面に設けられる周期的な導電パターンと、を有し、
　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を有し、
　前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、
　前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、
　前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、電磁波反射装置。
（項１０）
　項９に記載の電磁波反射装置を２以上有し、２以上の前記反射パネルを前記フレームによって連結した電磁波反射フェンス。
この出願は、２０２２年８月３日に出願された日本国特許出願第２０２２－１２４２９１号に基づいてその優先権を主張するものであり、これらの日本国特許出願の全内容を含む。
１０、１０－１、１０－２、１０－３、１０Ａ、１０Ｂ　反射パネル
１１、１７　誘電体基板
１２、１６　中間層
１３　グラウンド層
１４　誘電体層
１５　導電パターン
１５１、１５１ａ－１５１ｆ　金属素子
２０　モデル
２１Ａ、２１Ｂ、２１Ｃ　パターン列
５０　フレーム（サイドフレーム）
５７　トップフレーム
５８　ボトムフレーム
６０、６０－１、６０－２、６０－３　電磁波反射装置
１００　電磁波反射フェンス
１５３　接着層
２１０、２１０Ａ、２１０Ｂ、２１０Ｃ　単位パターン

Claims (10)

  1. 　誘電体層と、
    　前記誘電体層の表面に設けられる周期的な導電パターンと、
    を有し、
    　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を少なくとも有し、
    　前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、
    　前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、
    　前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、
    反射パネル。
  2. 　前記周期的な導電パターンは、３種類以上の異なる単位パターンを有し、それぞれの単位パターンが前記第２方向に繰り返し配置されて２種類以上のパターン列が形成され、前記３種類以上のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、
    請求項１に記載の反射パネル。
  3. 　前記周期的な導電パターンは、５種類以上の異なる単位パターンを有し、それぞれの単位パターンが前記第２方向に繰り返し配置される５種類以上のパターン列が、前記第１方向に繰り返し配置されている、
    請求項２に記載の反射パネル。
  4. 　前記第１の単位パターンに含まれる前記複数の金属素子と、前記第２の単位パターンに含まれる複数の第２金属素子は、前記第２方向のピッチが異なる、
    請求項１に記載の反射パネル。
  5. 　前記３種類以上の異なる単位パターンはそれぞれ異なるピッチを有し、
    　前記３種類以上のパターン列は、前記ピッチが前記第１方向に単調増加、または単調減少するように配置されている、
    請求項２に記載の反射パネル。
  6. 　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の上に接着層を介して担持されている、
    請求項１に記載の反射パネル。
  7. 　前記周期的な導電パターンの厚さは０．０１ｍｍ以上０．０５ｍｍ以下であり、前記誘電体層に対する前記導電パターンの占有率は１０．０％以上４５．０％以下である、
    請求項１に記載の反射パネル。
  8. 　前記誘電体層の前記周期的な導電パターンが設けられている面と反対側の面に形成されるグラウンド層、
    を有する請求項１に記載の反射パネル。
  9. 　１ＧＨｚ以上、３００ＧＨｚ以下の周波数帯から選択される所望の帯域の電波を反射する反射パネルと、
    　前記反射パネルを保持するフレームと、
    を備え、
    　前記反射パネルは、誘電体層と、前記誘電体層の一方の表面に設けられる周期的な導電パターンと、を有し、
    　前記周期的な導電パターンは、前記誘電体層の面内の第１方向に長軸を有する複数の金属素子が前記第１方向と直交する第２方向に配列された第１の単位パターンと、前記第１の単位パターンと異なる第２の単位パターンと、を有し、
    　前記第１の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第１のパターン列が形成され、
    　前記第２の単位パターンは前記第２方向に繰り返し配置されて第２のパターン列が形成され、
    　前記第１のパターン列と前記第２のパターン列が前記第１方向に繰り返し配置されている、
    電磁波反射装置。
  10. 　請求項９に記載の電磁波反射装置を２以上有し、２以上の前記反射パネルを前記フレームによって連結した電磁波反射フェンス。
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