可变反射阵列以及可变反射阵列的设计方法

摘要

本发明的课题在于，通过入射指向性的可重构化，能够灵活地调整垂直面或水平面内的入射指向性。具备使多个超级单元的间隔可变的可变机构，当在可变机构中变更多个超级单元的间隔时，对于预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。

说明书

技术领域

本发明涉及具有反射指向性的可变结构的可变反射阵列以及使用了超表面的可变反射板。

背景技术

在通信中，为了补充毫米波段的高直线性和传播损耗等，有时在传播路径上配置反射板。优选配置于传播路径的反射板使其开口尺寸大型化，通过天线增益换算成为75dBi以上的增益。

超材料反射板的增益根据开口面积而变化。为了补偿增益，需要使反射板尺寸大型化。但是，在提高了增益的情况下，指向性变得尖锐，因此设置时的设置精度对设置效果、性能产生较大影响。由于指向性变得尖锐，因此从基站向入射方向的调整变得困难。因此，在高增益时的锐利的指向性中，难以与来自基站的入射波正对。

因此，要求能够进行与入射角相应的调整的机构。

也可以考虑调整反射板整体的朝向的机械调整机构。另外，已知有通过双层结构使反射角可变的结构(非专利文献1)。

现有技术文献

非专利文献

非专利文献1：“二層パッチ型反射角可変メタ·サーフェスの構成法”电子信息通信学会技术研究报告(IEICE technical report)信学技报114(522)卷、13-16页、2015年3月19日、久世竜司等

发明内容

发明所要解决的课题

但是，在向入射方向的调整中，若改变反射板整体的朝向等机械地实施，则需要用于机械调整的机构，因此作为装置整体而大型化，不能发挥反射板本身为薄型且设置不需要大的空间这样的反射板的优点。

另外，若为了使反射角可变而采用双层结构，则结构会大型化。

因此，本发明的课题在于，通过入射指向性的可重构化，能够灵活地调整垂直面或水平面内的入射指向性。

另外，本发明的课题在于，不通过层叠而用单层来实现上述的调整。

用于解决课题的手段

本发明的技术方案1所涉及的可变反射阵列具备：

多个超级单元，其入射角和反射角相对于预定波长的电磁波不同；以及

可变机构，其使所述多个超级单元的间隔可变，

所述超级单元由多个单位单元构成，所述单位单元具有天线，

所述可变机构具有超级单元间隔调整部，该超级单元间隔调整部通过从2个以上的间隔中选择的间隔来配置所述多个超级单元，当在所述可变机构中变更所述多个超级单元的间隔时，对于所述预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。

根据本结构，通过入射指向性或反射指向性的可重构化，能够灵活地调整垂直面或水平面内的入射指向性或反射指向性。另外，根据本结构，能够实现如下的机构：能够用单层而不是层叠实现该调整，在有效利用薄型且设置不需要大的空间这样的反射板的优点的状态下，即使在高增益时的锐利的指向性中，也能够使与来自基站的入射波的正对变得容易，能够进行与入射角相应的调整。

本发明的技术方案2所涉及的可变反射阵列是在技术方案1所述的可变反射阵列中，通过在所述可变机构中变更所述超级单元的间隔，入射角或反射角变更10°以上。

本发明的技术方案3所涉及的可变反射阵列是在技术方案1或2所述的可变反射阵列中，关于所述超级单元的间隔，如果从预定间隔起扩大，则入射角或反射角增加，并且，如果从预定间隔起缩小，则入射角或反射角减少，或者，关于所述超级单元的间隔，如果从预定间隔起扩大，则入射角或反射角减少，并且，如果从预定间隔起缩小，则入射角或反射角增加。

本发明的技术方案4所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至3中的任一项所述的可变反射阵列中，所述预定波长的电磁波除了水平极化波以外且除了垂直极化波以外，具有从水平方向倾斜预定角度的极化波，所述单位单元配置在相对于预定电磁波从水平方向向与极化波相同的方向倾斜预定角度的方向上。

本发明的技术方案5所涉及的可变反射阵列是在技术方案4所述的可变反射阵列中，所述预定波长的电磁波是45°极化波，所述单位单元被配置为从水平方向倾斜45°。

本发明的技术方案6所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至5中的任一项所述的可变反射阵列中，所述超级单元被配置在与所述超级单元的长度方向垂直的方向上，并且在所述超级单元的长度方向上每次错开预定量地配置。

本发明的技术方案7所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至5中的任一项所述的可变反射阵列中，所述超级单元具有多个第一超级单元以及多个第二超级单元，所述多个第一超级单元在与所述超级单元的长度方向垂直的方向上配置，且在作为所述超级单元的长度方向的一个方向的第一方向上每次错开预定量地配置，并且，所述多个第二超级单元在与所述超级单元的长度方向垂直的方向上配置，且在与所述第一方向相反的方向的第二方向上每次错开预定量地配置。

本发明的技术方案8所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至7中的任一项所述的可变反射阵列中，所述单位单元具有从中心部呈放射状延伸的大致直线状的金属板。

本发明的技术方案9所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至7中的任一项所述的可变反射阵列中，所述单位单元是具有大致十字形状的金属板的交叉偶极子。

根据本结构，能够应对正交的2个极化波。

本发明的技术方案10所涉及的可变反射阵列是在技术方案1至9中的任一项所述的可变反射阵列中，关于所述超级单元的间隔，当变更间隔时，入射角和反射角双方被变更。

本发明的技术方案11的可变反射阵列的设计方法是技术方案1至10中的任一项所述的可变反射阵列的设计方法，具有如下步骤：通过变更所述多个超级单元的间隔，针对所述预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。

本发明的技术方案12所涉及的可变反射阵列的设计方法是一种可变反射阵列的设计方法，所述可变反射阵列具备入射角和反射角对于预定波长的电磁波不同的多个超级单元，所述超级单元由多个单位单元构成，所述单位单元具有天线，其特征在于，所述可变反射阵列的设计方法具有如下步骤：设计具有所述多个单位单元的所述超级单元；以及在设计所述超级单元后，通过变更所述多个超级单元的间隔，对于所述预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。

发明效果

本发明通过以上的结构，能够通过入射指向性或反射指向性的可重构化来灵活地调整垂直面或水平面内的入射指向性或反射指向性。另外，根据本结构，能够实现如下的机构：能够用单层而不是层叠来实现该调整，在有效利用薄型且设置不需要大的空间这样的反射板的优点的状态下，即使在高增益时的锐利的指向性中，也能够使与来自基站的入射波的正对变得容易，能够进行与入射角相应的调整。

附图说明

图1表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图2表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图3表示本发明的一实施例中的超表面(metasurface)的例子。

图4表示本发明的一实施例中的超级单元(supercell)的结构例。

图5表示本发明的一实施例中的单位单元(unit cell)的结构例。

图6表示本发明的一实施例中的单位单元的结构例。

图7表示本发明的一实施例中的单位单元的结构例。

图8表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图9表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图10表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图11表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图12表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图13表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图14表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图15表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图16表示本发明的一实施例中的超级单元的结构例。

图17表示本发明的一实施例中的超级单元的结构例。

图18表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图19表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图20表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图21表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的结构例。

图22表示本发明的一实施例中的可变反射阵列的设计方法的例子。

具体实施方式

图1表示本发明的一实施例中的可变反射阵列10的结构例。此外，可变反射阵列10包含可变反射板。

可变反射阵列10具备多个超级单元20和可变机构30。在超级单元20为大致长方形的情况下，超级单元20的间隔既可以如图1所示那样在超级单元20的短边方向上进行调整，也可以如图2所示那样在超级单元20的长边方向上进行调整。

如图3所示，超级单元20是入射角和反射角相对于预定波长的电磁波不同的超表面。在图3中，将反射方向为负的情况和正的情况重叠表示。

如图4所示，超级单元20由多个单位单元21构成。

如图5所示，在本实施例中，单位单元21具有天线，该天线具有从中心部呈放射状延伸的大致直线状的金属板。

在本实施例中，单位单元21具有配置于电介质基板23的表面的、作为天线的十字型的谐振器22，在电介质基板23的背面具有接地层24。在此，十字型在一个方式中也可以包含大致正方形的形状。另外，天线也可以是大致直线状的天线来代替本实施例中的十字型的偶极子。

虽然记载了“入射角和反射角相对于预定波长的电磁波不同”，但也可以包括如下情况：在对超级单元20的间隔进行了调整时入射角和反射角变得相同。即，意味着超级单元20构成超表面，入射角和反射角基本上不被限制为相同，能够通过调整来变更。

图6表示一实施例中的单位单元21的从横向即水平方向观察的结构。

在本实施例中，单位单元21具有十字型的谐振器22，谐振器2是经由支承部支承在基板25上的所谓的蘑菇(mushroom)型。

图7表示一实施例中的单位单元21的从上方观察的结构。

在本实施例中，单位单元21具有在水平方向内沿纵向以及横向延伸的L字型的谐振器22。谐振器22是经由支承部支承在基板25上的所谓的蘑菇型，但也可以是配置在电介质基板23的表面，在电介质基板23的背面具有接地层24的结构。

接下来，对超级单元20的设计进行说明。

根据所希望的入射角及反射角，从入射角θ

[数式1]

在将反射角设为固定的情况下，若使入射角设可变，则虽然超级单元20的长度发生变化，但相位梯度不发生变化。例如，能够如以下那样设计。

在从-5°入射到60°反射的情况下，超级单元20的长度为11.2mm，在从0°入射到60°反射的情况下，超级单元20的长度为12.3mm，在从5°入射到60°反射的情况下，超级单元20的长度为13.7mm。

图8和图9示出了入射角0°的情况下的单元间隔的可变反射阵列10。与此相对，如图10以及图11所示，若将单位单元21的间隔扩大1.2mm，则与入射角+5°对应，如图12以及图13所示，若将单位单元21的间隔缩小1.2mm，则与入射角-5°对应。这样，通过在1.2mm以内调整单位单元21的间隔，能够对应于-5°到+5°。

如此，通过在保持相位梯度(超级单元20)的同时对超级单元20的水平方向间隔进行调整，能够在使反射角保持固定的状态下使入射角可变。

可变机构30是使多个超级单元20的间隔可变的机构，具有基板部以及超级单元侧固定部，超级单元20经由超级单元侧固定部而被固定在基板部上，且超级单元20间的距离能够从2个以上的间隔中进行选择。特别是，在本实施例中，能够从连续的值中选择间隔。

可变机构30具有超级单元间隔调整部31，该超级单元间隔调整部31通过从2个以上的间隔中选择的间隔来配置多个超级单元20。此外，可变机构30也可以是在以所希望的间隔对超级单元20进行固定之后能够进一步变更间隔的结构。如果是能够变更间隔的结构，则能够容易地进行调整。或者，可变机构30也可以是在以所希望的间隔固定了超级单元20之后无法变更间隔的结构。如果是无法变更间隔的结构，则能够形成牢固的结构。可变机构30以及超级单元间隔调整部31只要能够在制造时等以手动或自动的方式对超级单元20的间隔进行调整，或者只要能够以手动或自动的方式对超级单元侧固定部的位置进行调整，则也包括任意的结构。

当然，与上述情况同样地，也能够在使入射角固定的状态下调整反射角。

如此，当在可变机构30中对多个超级单元20的间隔进行变更时，对于预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。

而且，关于超级单元20的间隔，在从预定间隔起进行放大时入射角或反射角增加，且在从预定间隔起进行缩小时入射角或反射角减少，或者，在从预定间隔起进行放大时入射角或反射角减少，且在从预定间隔起进行缩小时入射角或反射角增加。

根据本结构，通过入射指向性或反射指向性的可重构化，能够灵活地调整垂直面或水平面内的入射指向性或反射指向性。另外，根据本结构，能够实现如下的机构：能够用单层而不是层叠来实现该调整，在有效利用薄型且设置不需要大的空间这样的反射板的优点的状态下，即使在高增益时的锐利的指向性中，也能够使与来自基站的入射波的正对变得容易，能够进行与入射角相应的调整。

在一实施例中，可变反射阵列10通过在可变机构30中变更超级单元20的间隔，入射角或反射角变更10°以上。

图14表示入射角变更10°以上的反射阵列。图15表示反射角变更10°以上的反射阵列。

在设置可变反射阵列10时，难以进行与基站的正对的微调整，另一方面，大多情况下容易以大致的精度设置在基站的方向上。因此，如果能够在10°左右的范围内进行调整，则设置和调整都变得容易。

这样，由于采用进一步集合了多个作为构成超表面-反射阵列的单位单元21的集合体的超级单元20而成的集合体，并采用使其水平方向间隔或上下集合体的水平方向的位置关系可变的结构，所以能够在使反射方向固定的状态下，灵活地调整入射指向性。

另外，能够进行水平面和垂直面内指向性双方的调整。另外，在调换了入射方向与反射方向的关系的情况下，能够在固定了入射方向的状态下进行反射指向性的调整。

然而，在垂直极化波、水平极化波中，在入射方向向反射方向侧变化的情况下，存在增益减少的倾向。另外，在赋予入射角的情况下，存在正面方向的旁瓣增加的倾向。

在一实施例中，图16所示的可变反射阵列10对除了水平极化波以外且除了垂直极化波以外的、具有从水平方向倾斜了预定角度的极化波的电磁波进行反射。单位单元21配置在相对于该从水平方向倾斜了预定角度的极化波从水平方向向与极化波相同的方向倾斜了预定角度的方向上。在此，“向与极化波方向相同的方向倾斜地配置”是指，以与极化波的旋转角大致相同的量倾斜地配置。

在一实施例中，具有从上述水平方向倾斜了预定角度的极化波的电磁波是45°极化波，在图17所示的可变反射阵列10中，单位单元21配置为从水平方向倾斜45°。

在45°极化波中，当以Z轴、即图14的纸面垂直方向为中心旋转45°进行配置时，也能够在将反射角维持为固定的状态下调整入射角。另外，向正面方向的反射量等旁瓣与上述的水平极化波、垂直极化波等VH极化波相比改善了-10dB以上。

代替调整水平方向的间隔，在如图18那样将横向的超级单元20纵向排列且在横向上各错开固定间隔的配置中，能够施加倾角。即，在垂直方向(图中的上下方向)上的反射中，能够使反射波或入射波相对于垂直方向倾斜。

在本实施例中，所述超级单元具有多个第一超级单元及多个第二超级单元。

而且，超级单元20被配置在与超级单元20的长度方向垂直的方向上，且在超级单元20的长度方向上每次错开预定量地配置。

另外，如图19所示，在将横向上的超级单元20纵向排列的同时，在横向上每次以固定间隔向右偏移预定数量，并向左偏移预定数量的配置中，能够扩展射束。

在本实施例中，多个第一超级单元20在与超级单元20的长度方向垂直的方向上配置，且在作为超级单元20的长度方向的一个方向的第一方向上每次错开预定量地配置，并且，多个第二超级单元20在与超级单元20的长度方向垂直的方向上配置，且在与第一方向相反的方向的第二方向上每次错开预定量地配置。

在一实施例中，如图20所示，超级单元20的间隔在变更间隔时，入射角和反射角双方被变更。

根据本结构，能够灵活地应对入射角和反射角双方。

图21表示可变反射阵列10的一实施例。在本实施例中，可变反射阵列10具有柔软性，能够设置在曲面上，并设置在罩40上。

在设置的曲面较多的情况下，大多确定了曲率半径。因此，容易预先与曲面对应地设计可变反射阵列10的情况较多。

在一实施例中，可变反射阵列10的设计方法具有如下步骤：通过变更多个超级单元20的间隔，针对预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，变更入射角或反射角中的另一方。通过该可变反射阵列10的设计方法，能够设计到此为止叙述的任一种可变反射阵列10。

在一实施例中，通过可变反射阵列10的设计方法设计的可变反射阵列10具备入射角和反射角相对于预定波长的电磁波不同的多个超级单元20，超级单元20由多个单位单元21构成，单位单元21具有天线。

而且，如图22所示，具有：超级单元设计步骤S10，对具有多个单位单元21的超级单元20进行设计；以及间隔调整步骤S20，在对超级单元20进行设计之后，通过对多个超级单元20的间隔进行变更，从而针对预定波长的电磁波，在将入射角或反射角中的一方设为固定的状态下，对入射角或反射角中的另一方进行变更。

本发明并不限定于以上的实施例，当然在不脱离本发明的主旨的范围内包含各种实施例。

附图标记说明

10可变反射阵列

20超级单元

21单位单元

22谐振器

23电介质

24接地层

25基板

30可变机构

31超级单元间隔调整部

40罩。