WO2024142824A1 - 電波制御板の設置方法および通信システム - Google Patents

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敬平 白澤
拓哉 保▲高▼
信樹 平松
孝文 上濱
博道 吉川
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京セラ株式会社
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電波制御板の設置方法は、基地局と端末装置との間に設定される電波制御板の設置方法であって、第1方向に位相勾配が設けられた電波制御板を、第1方向に対して垂直な第2方向において基地局から離れた位置に設置する。

Description

電波制御板の設置方法および通信システム
 本開示は、電波制御板の設置方法および通信システムに関する。
 マンションなどの集合住宅において高速通信を行う場合、光回線のような有線接続か、公衆LTEを利用するFWA(Fixed Wireless Access)が利用されている(例えば、特許文献1)。
特開2017-17643号公報
 本開示の電波制御板の設置方法は、基地局と端末装置との間に設定される電波制御板の設置方法であって、第1方向に位相勾配が設けられた前記電波制御板を、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記基地局から離れた位置に設置する。
 本開示の通信システムは、電波を送信する基地局と、第1方向に位相勾配が設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記基地局から離れた位置に設置され、前記基地局が送信した電波を受けて屈折させる電波制御板と、前記電波制御板が屈折させた電波を受ける端末装置と、を含む。
図1は、第1実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。 図2は、第1実施形態に係る電波制御板の構成例を示す図である。 図3は、第1実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図4は、第1実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図5は、第2実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図6は、第2実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図7は、第3実施形態に係る電波制御板の電波の屈折方向を説明するための図である。 図8は、第3実施形態の比較例に係る屈折波の電力を説明するための図である。 図9は、第3実施形態に係る屈折波の電力を説明するための図である。 図10は、第4実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図11は、第4実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。 図12は、第4実施形態に係る端末装置の受信電力を説明するための図である。 図13は、第5実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。
 以下、添付図面を参照して、本発明に係る実施形態を詳細に説明する。なお、この実施形態により本開示が限定されるものではなく、また、以下の実施形態において、同一の部位には同一の符号を付することにより重複する説明を省略する。
 以下の説明においては、XYZ直交座標系を設定し、このXYZ直交座標系を参照しつつ各部の位置関係について説明する。水平面内のX軸と平行な方向をX軸方向とし、X軸と直交する水平面内のY軸と平行な方向をY軸方向とし、水平面と直交するZ軸と平行な方向をZ軸方向とする。以下においては、X軸方向およびY軸方向は地面と平行な方向であり、Z軸方向は地面からの高さ方向である。また、X軸及びY軸を含む平面を適宜、XY平面と称し、X軸及びZ軸を含む平面を適宜、XZ平面と称し、Y軸及びZ軸を含む平面を適宜、YZ平面と称する。XY平面は、水平面と平行である。XY平面とXZ平面とYZ平面とは直交する。
[第1実施形態]
(通信システム)
 図1を用いて、第1実施形態に係る通信システムについて説明する。図1は、第1実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。
 図1に示すように、通信システム1は、基地局10と、電波制御板12と、端末装置14と、を含む。通信システム1は、例えば、5G(第5世代移動通信システム)または6G(第6世代移動通信システム)などの方式により無線通信を行うシステムである。
 基地局10は、端末装置14と無線通信を行うように構成された無線通信装置である。基地局10は、例えば、ミリ波を送受信することで、端末装置14と無線通信を行うように構成されている。本実施形態では、基地局10は、電波制御板12を介して、端末装置14と無線通信を行うように構成されている。
 電波制御板12は、基地局が送信した電波を受けて、屈折または反射させる板状の部材である。本実施形態では、電波制御板12は、基地局10が送信した電波W1を受けると、屈折させて屈折波W2として端末装置14に向けて出射するように構成されている。具体的には、電波制御板12は、屋外に設置された基地局10が送信した電波W1を屈折させて屋内に設置された端末装置14に向けて屈折波W2を出射するように構成されている。電波制御板12は、例えば、建物の壁、ベランダ、窓等に設定されている。電波制御板12は、例えば、磁石などによって金属部材に設置位置が調整可能に取り付けられていてもよい。電波制御板12は、例えば、樹脂製の筐体内において、調整可能に設置されていてもよい。電波制御板12は、例えば、入射した電波の位相を変化させるメタマテリアルなどで構成され得る。
 図2を用いて、第1実施形態に係る電波制御板の構成例について説明する。図2は、第1実施形態に係る電波制御板の構成例を示す図である。
 図2に示すように、電波制御板12は、例えば、基板121と、単位構造122と、単位構造123と、単位構造124と、を含む。図2に示す例では、単位構造122、単位構造123、および単位構造124の3種類の単位構造が含まれているが、本開示はこれに限定されない。
 基板121は、例えば、誘電体で形成された誘電体基板であり得る。基板121は、例えば、矩形形状であるが、これに限定されない。基板121は、例えば、円形、矩形の除く多角形であってもよい。
 単位構造122と、単位構造123と、単位構造124とは、基板121上に形成され得る。単位構造122と、単位構造123と、単位構造124とは、基板121上に2次元に配列され得る。単位構造122と、単位構造123と、単位構造124とは、それぞれ、大きさが異なり得る。単位構造122と、単位構造123と、単位構造124とは、電波制御板12に入射した電波の位相を変化させる。単位構造122と、単位構造123と、単位構造124とは、それぞれ、変化させる電波の周波数帯域および位相の変化量が異なり得る。
 図2は、基板121の構造の一例を示す。基板121において、X軸方向に沿って、単位構造122、単位構造123、単位構造124が順に設けられている。この例では、電波制御板12は、X軸方向に沿って位相勾配を有するように構成されているが、一般には位相勾配はY軸方向の成分も持つ。図2に示す例では、電波制御板12の位相勾配の方向は、地面と平行であるが、本開示はこれに限定されない。電波制御板12の位相勾配の方向は、地面と平行であってもよいし、地面と平行でなくてもよい。単位構造122、単位構造123、単位構造124の大きさおよび形状が変化すると、電波制御板12が屈折または反射させる電波の周波数帯域および位相の変化量が変化する。
 本実施形態では、位相勾配が設けられた方向を第1方向と呼ぶこともある。第1方向と直交する水平面内の方向を第2方向と呼ぶこともある。第1方向と第2方向とに直行する方向を第3方向と呼ぶこともある。
 端末装置14は、電波制御板12を介して、基地局10と無線通信を行う通信装置である。端末装置14は、電波制御板12を介して、基地局10が送信した電波を受信する。端末装置14は、電波制御板12を介して、基地局10に向けて電波を送信する。端末装置14は、移動型の通信装置であってもよいし、固定型の通信装置であってもよい。端末装置14は、例えば、電波の中継装置であってもよいし、スマートフォンなどであってもよい。
(電波制御板の設置方法)
 図3と、図4とを用いて、第1実施形態に係る電波制御板の設置方法について説明する。図3と、図4とは、第1実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。
 以下では、X軸方向が第1方向に対応し、Y軸方向が第2方向に対応し、Z軸方向が第3方向に対応するものとして説明するが、本開示はこれに限定されない。
 図3および図4に示すように、基地局10が送信する電波W1の半値角度をφ、電波制御板12の電波W1の屈折角度をθとする。また、X軸方向、Y軸方向、およびZ軸方向の座標を(X,Y,Z)とすると、基地局10の位置座標(電波の送信点の位置座標)を(0,0,0)、電波制御板12を設置する位置座標を(0,Yp,0)、端末装置14の位置座標を(Xu,Yu,Zu)とする。すなわち、基地局10の位置座標を原点とする。基地局10と、電波制御板12とのX軸方向の位置とZ軸方向の位置は同じである。電波制御板12は、基地局10からY軸方向に離れた位置に設置されている。すなわち、基地局10と、電波制御板12とは、地面からの高さが同じ位置に設置されている。なお、第1実施形態では、基地局10と、電波制御板12とのZ軸方向の位置は同じであるものとしているが、本開示はこれに限定されない。例えば、電波制御板12は、基地局10からY軸方向に離れた位置に設置されていればよい。すなわち、基地局10と、電波制御板12とは、地面からの高さが異なる位置に設置されていてもよい。これは以下も同様である。端末装置14は、範囲R1内に設置されている。範囲R1は、θ±φ/2の範囲であり、以下の式(1)を満たす。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 式(1)において、位置ベクトルaは(0,Yp,0)であり、位置ベクトルbは(Xu,Yu-Yp,Zu)である。図3および図4において、範囲R1は、電波制御板12が出射した屈折波W2の有効な電力が得られる範囲である。すなわち、電波制御板12は、端末装置14が有効な電力を得られるように、基地局10と、端末装置14との間に設置されている。
 上述のとおり、第1実施形態では、電波制御板12を位相勾配と垂直な方向において基地局10と同じ高さに設置し、範囲R1に向けて電波を屈折させることで、基地局10が送信する電波W1を適切に端末装置14に受信させることができる。
 また、第1実施形態では、電波制御板12を位相勾配と垂直な方向において基地局10と異なる高さに設置する場合であっても、式(1)を満たすことで、基地局10が送信する電波W1を適切に端末装置14に受信させることができる。なお、この場合、電波制御板12を設置する位置座標は(0,Yp,Zp)、位置ベクトルaは(0,Yp,Zp)、位置ベクトルbは(Xu,Yu-Yp,Zu-Zp)となり得る。
[第2実施形態]
 第2実施形態について説明する。第2実施形態では、電波制御板12の位相勾配の方向を考慮することにより、基地局10が送信した電波W1をより適切に端末装置14に受信させることができる。
(電波制御板の設置方法)
 図5と、図6とを用いて、第2実施形態に係る電波制御板の設置方法について説明する。図5と、図6とは、第2実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。
 図5に示すように、第2実施形態では、電波制御板12を、XY平面と平行な地面20に対して傾き角αだけ傾けて設置する。すなわち、電波制御板12の位相勾配の方向を地面20に対して傾けて設置することにより、端末装置14が有効な電力を得られるように設置する。
 具体的には、電波制御板12と、端末装置14との間の距離をLとする。この場合、傾き角αを「電波制御板12の平面」と、「基地局10の位置座標と、電波制御板12の位置座標と、端末装置14の位置座標を中心とした半径Ltan(φ/2)の球30の内部の点とを通る平面群」の2平面が交わる直線40と、地面のなす角度に設定する。直線40の長さは、Lsinθである。
 図6に示すように、電波制御板12から端末装置14までのX方向の距離41は、Lcosαである。電波制御板12から端末装置14までのZ方向の距離42は、Lsinαである。この場合、端末装置14のX軸方向の位置座標Xuと、Z軸方向の位置座標Zuとは、それぞれ、以下の式(2)および式(3)の関係を満たすように、端末装置14を設置する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 
 第2実施形態では、式(2)および式(3)を満たすことにより、端末装置14は、より適切に有効電力を得ることができる。
[第3実施形態]
 図7を用いて、第3実施形態に係る電波制御板の電波の屈折方向について説明する。図7は、第3実施形態に係る電波制御板の電波の屈折方向を説明するための図である。
 図7に示すとおり、地面20に対する電波制御板12の位相勾配の方向の傾き角αを変化させることにより、基地局10が送信した電波W1の屈折方向を変化させることができる。例えば、電波制御板12の位相勾配の方向を地面20と水平に設置した場合には、電波制御板12は、位置51に向けて屈折波W2を出射する。例えば、電波制御板12の位相勾配の方向を矢印の方向に傾けて設置した場合には、電波制御板12は、位置52に向けて屈折波W2を出射する。電波制御板12は傾き角αを調整することにより、エリア60のいずれかの位置に屈折波W2を出射することができる。
 図8は、第3実施形態の比較例に係る屈折波の電力を説明するための図である。第3実施形態の比較例では、電波制御板12が水平偏波および垂直偏波のいずれか一方のみを屈折させるように構成されているものとする。電波制御板12が水平偏波および垂直偏波の一方のみを屈折させる場合には、偏波方向に垂直な方向の電波成分が屈折できない課題がある。例えば、図8に示すように、電波制御板12が水平偏波のみを屈折するように構成されている場合に、位置51に向けて屈折波W2を出射する場合には端末装置14は有効な電力が得られる。しかしながら、位置52に向けて屈折波W2を出射する場合には、端末装置14は有効な電力が得られない可能性がある。そのため、エリア60aに示すように、有効な電力が得られる位置と、有効な電力が得られない位置とができてしまう。そこで、第3実施形態では、電波制御板12は、水平偏波と垂直偏波との両偏波を屈折可能なものとする。
 図9は、第3実施形態に係る屈折波の電力を説明するための図である。図9に示すように、電波制御板12が水平偏波と垂直偏波の両偏波を屈折するように構成されている場合には、位置51と位置52との両方の位置において有効な電力を得ることができる。この場合、エリア60のどの位置においても、端末装置14は、有効な電力を得ることができる。
 上述のとおり、第3実施形態は、電波制御板12を水平偏波および垂直偏波の両偏波を屈折可能に構成することにより、端末装置14が有効な電力を得られるエリアが拡大する。これにより、第3実施形態は、電波制御板12のどのように傾けても端末装置14は有効な電力を得ることができるので、電波制御板12の設置の自由度を向上させることができる。
[第4実施形態]
 第4実施形態について説明する。電波制御板12の形状によっては、受信電力効率は変化する。そこで、第4実施形態では、受信電力効率を向上させるように電波制御板12の形状を変更する。
 図10と、図11とを用いて、第4実施形態に係る電波制御板の設置方法について説明する。図10と、図11とは、第4実施形態に係る電波制御板の設置方法を説明するための図である。
 第4実施形態では、基地局10と、電波制御板12と、端末装置14との位置関係に基づいて定義される領域に設置される。具体的には、電波制御板12は、基地局10と電波制御板12との間の直線距離と、電波制御板12と端末装置14との間の直線距離に基づいて定義される円形のフレネルゾーン70に設置される。
 フレネルゾーン70のうち、電波が強め合う領域を奇数次フレネルゾーンと呼び、電波が弱め合う領域を偶数次フレネルゾーンと呼ぶ。図10および図11では、第1フレネルゾーン71と、第2フレネルゾーン72と、第3フレネルゾーン73と、第4フレネルゾーン74と、第5フレネルゾーン75とが示されている。第1フレネルゾーン71と、第3フレネルゾーン73と、第5フレネルゾーン75とは、奇数次フレネルゾーンである。第2フレネルゾーン72と、第4フレネルゾーン74とは、偶数次フレネルゾーンである。図10には、直径の長さがL1の円形の電波制御板12Aが示されている。図11には、1辺の長さがL2の正方形の電波制御板12Bが示されている。
 図12は、第4実施形態に係る端末装置の受信電力を説明するための図である。図12は横軸が電波制御板の1辺のサイズ[m]を示し、縦軸が電波制御板12を使用しない見通しの場合の受信電力特性を基準として受信電力比[dB(デシベル)]を示している。図12には、円形の電波制御板12Aと、四角形の電波制御板12Bと、電波制御板12を使用しない見通しの場合の受信電力特性が示されている。図12において、電波制御板12Aの受信電力特性は実線の波形で示し、電波制御板12Bの受信電力特性は鎖線で示し、見通しの受信電力特性は点線で示している。
 実線の波形が示すように、電波制御板12Aの直径L1(または半径)と、偶数次のフレネルゾーンの直径(または半径)とが一致している場合には、受信電力比は極端に低下する。そのため、電波制御板12Aは、直径L1が偶数次フレネルゾーンの直径と一致しないように形成することが好ましい。なお、電波制御板12Aは、直径L1を奇数次フレネルゾーンと一致するように形成することで、受信電力特性を向上させることができる。
 鎖線の波形が示すように、電波制御板12Bは、1辺の長さL2に依らず、平均的に良好な受信電力比を示している。そのため、第4実施形態では、電波制御板12Bのように四角形で電波制御板を構成することが好ましい。第4実施形態では、電波制御板12Bの形状は、四角形に限定されず、四角形以外の多角形で構成されてもよい。電波制御板12Bのように電波制御板を多角形で構成する場合には、奇数次フレネルゾーンと、偶数次フレネルゾーンとを跨ぐように設置することが好ましい。
 電波制御板12Bは、少なくとも長さL2が第1フレネルゾーン71の半径よりも大きいことが好ましい。電波制御板12Bは、長さL2が第1フレネルゾーン71の半径の2倍±25%の長さの範囲に形成されていることがより好ましい。第4実施形態は、電波制御板12Bの長さL2を第1フレネルゾーン71の半径の2倍±25%の長さとすることにより、端末装置14に十分な電力を届けることができる。
 上述のとおり、第4実施形態は、電波制御板を電波制御板12Bのように多角形で構成することにより、端末装置14が得ることのできる受信電力を安定化することができる。これにより、第4実施形態は、端末装置14はより適切に基地局10が送信した電波を受信することができる。
 また、第4実施形態は、電波制御板12Bの長さL2を第1フレネルゾーン71の半径の2倍±25%の長さとすることにより、端末装置14が得られる電力を向上させることができる。
[第5実施形態]
 第5実施形態について説明する。端末装置14が複数ある場合には、複数の方向に基地局10からの電波を屈折しなければならないので、複数の端末装置14のそれぞれに電波を届けられない可能性がある。
 図13を用いて、第5実施形態に係る通信システムの構成例について説明する。図13は、第5実施形態に係る通信システムの構成例を示す図である。
 図13に示すように、通信システム1Aは、基地局10と、電波制御板12-1と、電波制御板12-2と、電波制御板12-3と、電波制御板12-4と、を含む。すなわち、通信システム1Aは、複数の電波制御板12を含む。図13に示す例では、電波制御板12-1から電波制御板12-4の4つの電波制御板12を含むものとして説明するが、本開示はこれに限定されない。
 電波制御板12-1から電波制御板12-4は、所定の間隔を空けて並べて設置され得る。各電波制御板12間の間隔は、同じであってもよいし、異なっていてもよい。電波制御板12-1から電波制御板12-4は、例えば、正方形状に設置され得る。電波制御板12-1から電波制御板12-4は、例えば、直線状に設置されていてもよい。
 電波制御板12-1は、基地局10が送信した電波W1を屈折させて、屈折波W2-1を出射する。電波制御板12-1は、地面に対する位相勾配方向の角度を変化させることで、エリア60-1に存在する端末装置14に向けて屈折波W2-1を出射することができる。
 電波制御板12-2は、基地局10が送信した電波W1を屈折させて、屈折波W2-2を出射する。電波制御板12-2は、地面に対する位相勾配方向の角度を変化させることで、エリア60-2に存在する端末装置14に向けて屈折波W2-2を出射することができる。
 電波制御板12-3は、基地局10が送信した電波W1を屈折させて、屈折波W2-3を出射する。電波制御板12-3は、地面に対する位相勾配方向の角度を変化させることで、エリア60-3に存在する端末装置14に向けて屈折波W2-3を出射することができる。
 電波制御板12-4は、基地局10が送信した電波W1を屈折させて、屈折波W2-4を出射する。電波制御板12-4は、地面に対する位相勾配方向角度を変化させることで、エリア60-4に存在する端末装置14に向けて屈折波W2-4を出射することができる。
 電波制御板12-1から電波制御板12-4は、それぞれ、同じ形状であってもよいし、異なる形状であってもよい。電波制御板12-1から電波制御板12-4は、それぞれ、屈折角が同じであってもよいし、異なっていてもよい。
 すなわち、電波制御板12-1から電波制御板12-4は、それぞれ、異なるエリアに電波を出射するように構成されている。すなわち、第5実施形態は、複数の電波制御板12を設置することで、より広い範囲に電波を届けることができる。
 上述のとおり、第5実施形態は、複数の電波制御板12を設置することのより、基地局10が送信した電波W1を屈折させる範囲を拡大することができる。これにより、第5実施形態は、複数の端末装置14に基地局10が送信した電波W1を受信させることができる。
 以上、本開示の実施形態を説明したが、これら実施形態の内容により本開示が限定されるものではない。また、前述した構成要素には、当業者が容易に想定できるもの、実質的に同一のもの、いわゆる均等の範囲のものが含まれる。さらに、前述した構成要素は適宜組み合わせることが可能である。さらに、前述した実施形態の要旨を逸脱しない範囲で構成要素の種々の省略、置換又は変更を行うことができる。
 1,1A 通信システム
 10 基地局
 12 電波制御板
 14 端末装置
 70 フレネルゾーン
 71 第1フレネルゾーン
 72 第2フレネルゾーン
 73 第3フレネルゾーン
 74 第4フレネルゾーン
 75 第5フレネルゾーン

Claims (11)

  1.  基地局と端末装置との間に設定される電波制御板の設置方法であって、
     第1方向に位相勾配が設けられた前記電波制御板を、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記基地局から離れた位置に設置する、
     電波制御板の設置方法。
  2.  前記電波制御板を、前記第1方向および前記第2方向に対して垂直な第3方向において前記基地局と同じ位置に設置する、
     請求項1に記載の電波制御板の設置方法。
  3.  前記電波制御板の屈折角θは、前記基地局の位置座標を原点、前記電波制御板の位置ベクトルをa、前記端末装置の位置ベクトルをb、前記基地局が送信する電波の半値角をφとした場合に、以下の式(1)を満たす、
     請求項1または2に記載の電波制御板の設置方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  4.  前記端末装置と前記電波制御板の距離をL、前記端末装置の第1方向の位置情報をXu、前記端末装置の第3方向の位置情報をZuとした場合に、前記第1方向および前記第2方向を含む第1面に対する、前記電波制御板の前記第1方向の角度αが、以下の式(2)および式(3)を満たすように、前記電波制御板を設置する、
     請求項1または2に記載の電波制御板の設置方法。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
  5.  前記電波制御板は、垂直偏波および水平偏波の電波を屈折させるように構成されている、
     請求項4に記載の電波制御板の設置方法。
  6.  前記電波制御板は、前記基地局、前記電波制御板、および前記端末装置の位置情報から定義される複数のフレネルゾーンのうち、偶数次のフレネルゾーンと一致しないように形成されている、
     請求項5に記載の電波制御板の設置方法。
  7.  前記電波制御板は、複数のフレネルゾーンのうち、偶数次のフレネルゾーンと、奇数次のフレネルゾーンとを跨ぐような多角形状に形成されている、
     請求項6に記載の電波制御板の設置方法。
  8.  前記電波制御板の面積は、複数のフレネルゾーンのうち、第1フレネルゾーンの面積よりも大きい、
     請求項7に記載の電波制御板の設置方法。
  9.  前記電波制御板の第1方向の長さは、第1フレネルゾーンの半径の2倍の75%以上125%以下である、
     請求項8に記載の電波制御板の設置方法。
  10.  前記基地局と前記端末装置との間に複数の前記電波制御板を設置し、
     複数の前記電波制御板は、それぞれ、前記基地局が送信した電波を受けて、異なる方向に屈折させるように形成されている、
     請求項9に記載の電波制御板の設置方法。
  11.  電波を送信する基地局と、
     第1方向に位相勾配が設けられ、前記第1方向に対して垂直な第2方向において前記基地局から離れた位置に設置され、前記基地局が送信した電波を受けて屈折させる電波制御板と、
     前記電波制御板が屈折させた電波を受ける端末装置と、
     を含む、通信システム。
PCT/JP2023/043781 2022-12-27 2023-12-07 電波制御板の設置方法および通信システム WO2024142824A1 (ja)

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