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WO2023140193A1 - リフレクタ - Google Patents

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Publication number
WO2023140193A1
WO2023140193A1 PCT/JP2023/000797 JP2023000797W WO2023140193A1 WO 2023140193 A1 WO2023140193 A1 WO 2023140193A1 JP 2023000797 W JP2023000797 W JP 2023000797W WO 2023140193 A1 WO2023140193 A1 WO 2023140193A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
reflector
reflection
ghz
layer
dielectric layer
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/000797
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
直樹 永岡
大貴 加藤
晋平 八鍬
駿二 今村
Original Assignee
日東電工株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by 日東電工株式会社 filed Critical 日東電工株式会社
Priority to CN202380022310.0A priority Critical patent/CN118715673A/zh
Priority to KR1020247027031A priority patent/KR20240136381A/ko
Priority to EP23743187.9A priority patent/EP4468521A1/en
Priority to JP2023575231A priority patent/JPWO2023140193A1/ja
Publication of WO2023140193A1 publication Critical patent/WO2023140193A1/ja

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14Reflecting surfaces; Equivalent structures
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/0006Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices
    • H01Q15/0086Devices acting selectively as reflecting surface, as diffracting or as refracting device, e.g. frequency filtering or angular spatial filtering devices said selective devices having materials with a synthesized negative refractive index, e.g. metamaterials or left-handed materials

Definitions

  • the present invention relates to reflectors, and more particularly to reflectors with metasurfaces.
  • high-frequency radio waves such as microwaves, millimeter waves, and terahertz waves for wireless communication enables high-speed, large-capacity communication.
  • high-frequency radio waves such as 1 GHz to 10 THz have a strong linearity, and there is a drawback that the presence of an obstacle between the transmitting antenna and the receiving antenna prevents the radio wave from reaching and communication becomes impossible.
  • a reflector is used to improve the communication environment and communication area of mobile communication using high frequencies.
  • a normal reflector has a specular reflection surface where the angle of incidence and the angle of reflection are the same, so there is a limit to the range of reflection. In order to extend the communication range, metareflectors with metasurfaces that reflect incident waves in desired directions are being actively developed.
  • Metalsurface means an artificial surface that controls the transmission and reflection characteristics of incident electromagnetic waves. By periodically arranging metal patterns of about half a wavelength and controlling the reflection characteristics, the incident wave is reflected in a desired direction.
  • a reflect array has been proposed in which array elements are formed in divided regions on a substrate and gaps between a plurality of patches constituting the array elements are varied for each region (see, for example, Patent Document 1).
  • Reflector arrays with metasurfaces use resonance phenomena, so the frequency band that can be reflected in the desired direction is narrow. If the reflection band is narrow, the reflection peak shifts due to changes in the usage environment, and it may not be possible to obtain the necessary reflection characteristics at the target frequency.
  • the 5G standard uses frequency bands above 24 GHz in many countries, and in Japan, the 28 GHz band covers 27 to 29.5 GHz. The frequency bands used in Europe, the United States, China, etc. also include a bandwidth of about 1 GHz to 3.5 GHz. It is desirable that the meta-reflector have reflection characteristics in a wide frequency band covering 24 GHz to 30 GHz.
  • an object of the present invention is to provide a reflector having reflection characteristics over a wide frequency band.
  • the reflector has a dielectric layer, a conductive layer provided on a first surface of the dielectric layer and including a periodic arrangement of a plurality of conductor patterns, and a ground layer provided on a second surface opposite to the first surface, the conductive layer reflects an incident wave at an angle different from the angle of incidence;
  • a dielectric constant of the dielectric layer is 2.0 or less.
  • FIG. 4 shows the reflection properties of a reflector according to the design of Figure 3;
  • FIG. 4 shows reflection properties of a low-k reflector at different frequencies;
  • FIG. 4 shows reflection properties of a high-permittivity reflector at different frequencies;
  • FIG. 4 is a diagram showing the reflection range with respect to frequency of a low dielectric constant reflector;
  • FIG. 4 is a diagram showing a reflection range with respect to frequency of a high dielectric constant reflector;
  • FIG. 4 is a diagram showing a reflection range with respect to frequency of a high dielectric constant reflector;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of dielectric layers with different dielectric constants and the reflection bandwidth;
  • FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the thickness of dielectric layers with different dielectric constants and the reflection intensity; It is a figure which shows the structure of an Example and a comparative example, and a characteristic. It is a schematic diagram of the reflector of 2nd Embodiment. It is a figure which shows the simulation result which changed the thickness and dielectric constant of a protective layer. It is a figure which shows the usage example of the reflector of embodiment compared with usage of a normal reflector.
  • FIG. 1 is a basic configuration diagram of the reflector 10 of the first embodiment.
  • the reflector 10 has a dielectric layer 11, a conductive layer 13 provided on a first surface 111 of the dielectric layer 11, and a ground layer 12 provided on a second surface 112 opposite to the first surface 111 of the dielectric layer 11.
  • the conductive layer 13 includes a periodic array of multiple conductive patterns 131 and functions as a reflective surface of the reflector 10 .
  • This reflecting surface is a metasurface that reflects an incident wave at an angle (absolute value) different from the angle of incidence.
  • a capacitance is formed between the ground layer 12 and each conductor pattern 131 by the ground layer 12 , and the magnitude of the phase delay can be controlled for each conductor pattern 131 .
  • conductor patterns 131 of different sizes are arranged at a predetermined pitch.
  • the size and pitch of the conductor pattern 131 are set according to desired reflection characteristics.
  • Each of the conductor patterns 131 has a size sufficiently smaller than the wavelength used, and selectively reflects radio waves in the target frequency band.
  • the phase of reflection is controlled by the conductor pattern 131, and the reflected waves are superimposed to form a reflected beam BM in a desired direction.
  • be the wavelength of the incident radio wave
  • d be the pitch of the conductor patterns 131, that is, the distance between the centers of adjacent conductor patterns 131
  • ⁇ 1 and ⁇ 2 be the phases of the radio waves reflected by the two adjacent conductor patterns 131
  • be the angle of reflection.
  • the phase difference ⁇ 1- ⁇ 2 is represented by equation (1).
  • ⁇ 1 ⁇ 2 (2 ⁇ / ⁇ )d ⁇ sin ⁇ +2n ⁇ (1) where n is an integer.
  • ⁇ 1, ⁇ 2, and d should be designed so as to obtain the desired reflection angle ⁇ .
  • the reflection angle ⁇ is set to a desired angle between the normal direction (0°) of the reflecting surface of the reflector 10 and the horizontal direction (90°), excluding 0° and 90°.
  • the values of ⁇ 1 and ⁇ 2 representing the reflection phase can be controlled and changed by design parameters such as the wavelength ⁇ of the incident radio wave, the size (length x width) and pitch of the conductor pattern 131, and the thickness and dielectric constant of the reflector 10.
  • the conductor pattern 131 may be designed by creating a length/phase characteristic graph shown in FIG.
  • the length/phase characteristics of FIG. 2 are obtained by measuring the reflection pattern of radio waves while changing the length L of the conductor pattern while fixing the design parameters other than the length L (mm), and analyzing it using three-dimensional electromagnetic field simulation software.
  • the dielectric constant of the dielectric layer 11 is 2.0 or less. By setting the relative permittivity to 2.0 or less, it is possible to expand the frequency band of radio waves to be reflected in a predetermined direction. Details of the extension of the reflection frequency band will be described later with reference to FIG. 5 and subsequent figures.
  • a dielectric material having a dielectric constant of 2.0 or less a fluorinated resin such as polytetrafluoroethylene, a combination of a fluorinated resin and an inorganic porous aggregate, and other transparent porous resins can be used. Polytetrafluoroethylene, polystyrene, polytetrafluoroethylene, and the like are used as the resin to be combined with the inorganic porous aggregate.
  • the inorganic porous aggregate is produced, for example, by the method described in JP-A-2017-171898.
  • the porosity of the combined body can be controlled to 50% or more by adjusting the material of the porous inorganic fine particles, the aggregation density, and the like.
  • a dielectric constant of 2.0 or less can be achieved by controlling the relative dielectric constant by adjusting the porosity.
  • FIG. 3 shows a design example of the reflector 10 of the first embodiment.
  • FIG. 3A shows the arrangement of conductor patterns 131a to 131g forming the conductive layer 13.
  • FIG. 3B shows the size and phase of each conductor pattern.
  • the conductor patterns 131a to 131g are cross patterns with equal vertical and horizontal lengths.
  • the size of each conductor pattern 131 is indicated by vertical or horizontal lengths L1 to L7.
  • the pitch of the conductor patterns 131a to 131g that is, the center-to-center distance d is set to 1/2 of the working wavelength. Since the wavelength ⁇ of the 28 GHz band is 10.8 mm, the pitch of the conductor patterns 131a-131g is 5.4 mm.
  • a reflection angle of 35° is aimed at by arranging the conductor patterns 131a to 131g.
  • the angle of reflection in this case is the angle of reflection when radio waves are incident perpendicularly to the reflector 10, that is, the angle of reflection with respect to the normal line.
  • the phase difference is 103°.
  • the sizes of the conductor patterns 131a to 131g, that is, the lengths of L1 to L7 are determined so as to obtain this phase difference.
  • the shape of the conductor pattern 131 is not limited to a cross pattern, and circular, elliptical, polygonal, etc. of different sizes may be provided at a predetermined cycle.
  • the size of the conductor pattern 131 is 2 to 5 mm when the 28 GHz band is targeted, but the size of the conductor pattern 131 is appropriately designed according to the frequency band.
  • a radio wave with a frequency determined by the size and period of the conductor pattern 131 is selectively reflected.
  • the frequency band selected by resonance is narrow, but by setting the dielectric constant of the dielectric layer 11 to 2.0 or less, the frequency band selected as described later is expanded to a bandwidth of 4 GHz or more, more preferably 6 GHz or more.
  • the selected frequency bandwidth can vary with the thickness of the dielectric layer 11 of the reflector 10, thus achieving a broadband reflector with a bandwidth per unit thickness (1 mm) of the reflector 10 exceeding 6.5 GHz/mm.
  • FIG. 4 shows the reflection characteristics of the reflector 10 with the design of FIG.
  • the horizontal axis is the angle
  • the vertical axis is the reflection intensity (dB).
  • a main peak is observed in the direction of 35°, confirming that the reflector 10 can control the direction of reflection of radio waves almost as designed.
  • the bandwidth of the 35° main lobe that is, the frequency range where the peak falls by 3 dB is 4 GHz or more, more preferably 6 GHz or more.
  • Oblique reflection characteristics covering a wide frequency band of the reflector 10 are exhibited in a frequency band of 24 GHz to 60 GHz.
  • the frequency band of reflection refers to a frequency range in which the peak intensity of the main lobe of the reflected wave toward the target with respect to the incident wave of the working wavelength is attenuated by 3 dB.
  • FIG. 5 shows the reflection characteristics of a low-permittivity reflector for incident waves of different frequencies.
  • the low dielectric constant reflector is the reflector of the embodiment, and is reflector 10 using dielectric layer 11 having a relative dielectric constant of 2.0 or less.
  • a dielectric layer with a dielectric constant ⁇ of 1.88 is used.
  • FIG. 6 shows reflection characteristics of a high dielectric constant reflector for incident waves of different frequencies.
  • a high-permittivity reflector is a reflector that uses a dielectric layer with a relative permittivity greater than 2.0.
  • reflection spectra at 26 GHz, 28 GHz, and 31 GHz are calculated using the dielectric layer 11 with a dielectric constant ⁇ of 1.88.
  • Reflection intensity on the vertical axis is indicated by a scattering cross section (RCS: Radar Cross Section), which is an index representing reflectivity.
  • RCS Radar Cross Section
  • a plane wave in each frequency band of 26 GHz, 28 GHz, and 31 GHz is incident from the normal direction of the reflector, and the scattering cross section is analyzed for each angle with Dassault Systèmes CST Studio Suite, a general-purpose three-dimensional electromagnetic field simulation software.
  • the reflection spectrum peak appears in the direction of 35° at any of 26 GHz, 28 GHz, and 31 GHz.
  • the peak value is within the range of ⁇ 25 dB ⁇ 2.5 dB, and a stable peak intensity is obtained at a target reflection angle of 35° over at least a 5 GHz band.
  • the main lobe with a reflection angle of 35° is clearly distinguished from the other side lobes, and the incident wave is reflected in the target direction of 35° with good controllability.
  • another peak appears at 0° and -65°.
  • the 0° peak corresponds to loss since it is reflected in the same direction as the incident.
  • the -65° peak is a reflection in the opposite direction of the target at 35°, and depending on the environment in which the reflector is used, it may be a loss or it may be an advantage to deliver radio waves in two directions at once.
  • the dielectric constant ⁇ is changed to 3.62, and other conditions such as the conductor pattern are kept the same as those of the reflector of FIG.
  • Materials with a dielectric constant of 3.62 include polyphenylene ether (PPE) and acrylic resin.
  • PPE polyphenylene ether
  • acrylic resin acrylic resin.
  • FIG. 6 represents the fact that the metasurface using resonance deteriorates the reflection characteristics as the frequency changes.
  • the reflection frequency band can be expanded by lowering the dielectric constant of the dielectric layer 11 used in the reflector 10 to some extent.
  • FIG. 7A shows the reflection range of the low dielectric constant reflector
  • FIG. 7B shows the reflection range of the high dielectric constant reflector.
  • 7A and 7B the horizontal axis is the reflection direction and the vertical axis is the frequency.
  • the model of the reflector used has the same conductor pattern as in FIG. 3A formed on the surface of the dielectric layer.
  • the relative dielectric constant ⁇ of the low dielectric constant reflector in FIG. 7A is set to 1.88
  • the relative dielectric constant ⁇ of the high dielectric constant reflector in FIG. 7B is set to 3.62.
  • a high reflection intensity (more than -30 dB and less than -20 dB) is obtained from 24 GHz to 33 GHz in the 35° direction of the target.
  • the reflection intensity is distributed in the range of ⁇ 10° centering on 35°, and in particular, in the range of 23° or more and 35° or less, the reflection intensity exceeds -30 dB and -20 dB or less over the frequency band of 10 GHz or more.
  • a wide range of reflected frequency characteristics provides high resistance to environmental changes.
  • FIG. 7B when the dielectric constant is 3.62, a high reflection intensity (more than -30 dB and less than -20 dB) is obtained from 21 GHz to 28.5 GHz in the direction of 35° of the target.
  • the practical frequency band of the reflector in FIG. 7B is in the range of 24 GHz to 28.5 GHz.
  • a reflector having a frequency band of 6 GHz or more in the frequency band of 24 GHz or more and 60 GHz or less is desirable.
  • FIG. 8 shows the relationship between thickness and bandwidth for dielectric layers with different dielectric constants.
  • FIG. 9 shows the relationship between the thickness of dielectric layers with different dielectric constants and the reflection intensity.
  • the thickness of the dielectric layer 11 is changed to 0.30 mm, 0.50 mm and 0.75 mm.
  • the conductor pattern 131 formed on the first surface 111 of the dielectric layer 11 is the same as in FIG. 3A.
  • the pattern configuration of the conductors is the same, but the dielectric constant ⁇ of the dielectric layer 11 is made different.
  • a plane wave of 28 GHz is incident from the normal direction of the reflector and the bandwidth of the reflected wave is analyzed.
  • the bandwidth of the reflected wave is the frequency bandwidth attenuated 3 dB from the peak value of the main lobe of the reflection, as described above.
  • the thickness of the dielectric layer 11 When the thickness of the dielectric layer 11 is the same, the lower the dielectric constant ⁇ , the wider the reflection bandwidth. Conversely, a material with a low dielectric constant allows the reflector to be made thinner while achieving the same bandwidth.
  • a bandwidth of over 6.5 GHz is achieved with a reflector with ⁇ of 1.88, whereas a reflector with ⁇ of 3.62 can only cover a bandwidth of 4.5 GHz.
  • the reflection frequency bandwidth exceeds 6 GHz in the frequency band from 24 GHz to 30 GHz.
  • a bandwidth of 6 GHz might be achievable by increasing the thickness of the dielectric layer 11 with ⁇ of 3.62 to around 1.2 m.
  • the reflector becomes thicker and less flexible, limiting its range of application.
  • is 1.88
  • a bandwidth of 6.5 GHz is realized with a thickness of the dielectric layer 11 of 0.75 mm, and a sheet-like flexible reflector is realized.
  • a sheet-like reflector is easy to handle and can be applied to a desired location like wallpaper. It is a great advantage that a thin and flexible dielectric layer 11 can achieve a wide band.
  • the peak intensity of the reflected wave is calculated by changing the thickness of the dielectric layer 11 to 0.25 mm, 0.30 mm, 0.50 mm, and 0.80 mm.
  • the dielectric constant ⁇ is 1.88
  • a peak intensity exceeding ⁇ 24 dB can be obtained by setting the thickness of the dielectric layer 11 to 0.30 mm or more.
  • is 3.62
  • the same level of peak intensity cannot be obtained unless the thickness of the dielectric layer 11 is 0.5 mm.
  • the low dielectric constant reflector of the embodiment is also advantageous from the viewpoint of thinning and weight reduction of the device.
  • FIG. 10 shows the configurations and characteristics of an example and a comparative example.
  • Structural parameters are the type, thickness, dielectric constant, and porosity of the base material that constitutes the dielectric layer 11 . Vary the values of these parameters.
  • the frequency band of the reflected wave and the bandwidth per unit thickness are shown.
  • the conductor pattern 131 is the conductor patterns 131a-131g of FIG.
  • Incident wave wavelength 10.7 mm (frequency 28 GHz)
  • Incident wave frequency change range 20 GHz to 35 GHz
  • Incident angle of incident wave with respect to the normal direction of the reflector 0 degrees
  • First desired reflection angle ⁇ of the reflection spectrum with respect to the normal direction of the reflector 35 degrees
  • Example 1 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • a fluorine porous substrate is a combination of a fluororesin and an inorganic porous aggregate.
  • Polytetrafluoroethylene is used as the fluorinated resin.
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.75 mm, a porosity of 33.2%, and a dielectric constant of 1.88.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 1 is 6.6 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 8.8 GHz/mm.
  • Example 2 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.75 mm, a porosity of 67.7%, and a dielectric constant of 1.50.
  • the dielectric layer 11 is designed to have a different porosity and relative permittivity by changing the aggregation density of the porous inorganic fine particles used in the fluorine porous substrate.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 2 is 7.1 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 9.5 GHz/mm.
  • Example 3 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.50 mm, a porosity of 33.0%, and a dielectric constant of 1.88.
  • the dielectric layer 11 is designed to have a different porosity and relative permittivity by changing the aggregation density of the porous inorganic fine particles used in the fluorine porous substrate. Also, the dielectric layer 11 is made thinner than in the first and second embodiments.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 3 is 4.55 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 9.1 GHz/mm.
  • Example 4 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 1.00 mm, a porosity of 33.0%, and a dielectric constant of 1.88.
  • the thickness of the dielectric layer 11 is made thicker than in the first and second embodiments.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 4 is 6.5 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 6.5 GHz/mm.
  • Example 5 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.75 mm, a porosity of 22.5%, and a dielectric constant of 2.00.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 5 is 5.5 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 7.3 GHz/mm.
  • Example 6 a fluorine porous substrate is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.3 mm, a porosity of 33.0%, and a dielectric constant of 1.88.
  • the thickness of the dielectric layer 11 is made thinner than that of the fifth embodiment.
  • the frequency band of reflection obtained in Example 6 is 4.1 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 13.7 GHz.
  • Comparative Example 1 PPE is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • the PPE substrate has a thickness of 0.75 mm, a porosity of 0.0%, and a dielectric constant of 3.62.
  • the frequency band of reflection obtained in Comparative Example 1 is 4.5 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 6.0 GHz/mm.
  • the frequency band of reflection is narrower due to the higher dielectric constant.
  • Comparative Example 2 a glass epoxy base material is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.75 mm, a porosity of 0.0%, and a dielectric constant of 5.00.
  • the dielectric constant is higher than that of Comparative Example 1.
  • the frequency band of reflection obtained in Comparative Example 2 is 3.7 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 4.9 GHz/mm.
  • Comparative Example 3 PPE is used as the base material of the dielectric layer 11 .
  • This dielectric substrate has a thickness of 0.50 mm, a porosity of 0.0%, and a dielectric constant of 3.62.
  • the frequency band of reflection obtained in Comparative Example 3 is 3.0 GHz, and the band per unit thickness (1 mm) is 6.0 GHz.
  • the same PPE base material as in Comparative Example 1 is used, the reduced thickness of the base material further narrows the reflection frequency band.
  • broadband reflection characteristics exceeding 6.5 GHz per unit thickness, preferably exceeding 7.0 GHz, and more preferably exceeding 8.0 GHz are obtained when the dielectric constant of the dielectric layer 11 is 2.0 or less.
  • the dielectric layer is thin and has a dielectric constant of 1.88 or less, a frequency band of 8.8 GHz or more is realized per unit thickness.
  • a dielectric constant of 2.0 or less can be realized with a porosity of about 20% for the dielectric layer 11 .
  • the thickness of the dielectric layer 11 can be appropriately designed according to the application.
  • dielectric layer 11 may have a thickness of 0.3 mm or more and 1.0 mm or less. By setting the thickness of the dielectric layer 11 to 0.3 mm or more, the reflector 10 with high robustness can be obtained. Further, if the thickness of the dielectric layer 11 is 1.0 mm or less, it is advantageous for weight reduction in the design of a large reflector having a side of about 1 m, and is excellent in workability and construction cost. In addition, when the thickness is 0.3 mm, 1.0 mm, etc., it includes an allowable manufacturing error.
  • FIG. 11 is a schematic diagram of the reflector 20 of the second embodiment.
  • the main part of the reflector 20 is the same as that of the reflector 10 of the first embodiment, and a dielectric layer 21 having a dielectric constant of 2.0 or less is used.
  • a conductive layer 23 including a predetermined conductive pattern 231 is formed on the first surface 211 of the dielectric layer 21 , and the ground layer 22 is provided on the second surface 212 .
  • the conductor pattern 231 is designed such that the reflection direction of the main lobe with respect to the incident wave of the 28 GHz band is inclined by a predetermined angle from the normal direction. An example of the pattern is shown in FIG. 3A.
  • a protective layer 24 is provided to cover the conductive layer 23 .
  • An adhesive layer 26 is provided on the ground layer 22 side.
  • the adhesive layer 26 allows the reflector 20 to be attached to a desired position such as a wall surface or a ceiling.
  • the protective layer 24 is transparent to incident waves between 24 GHz and 30 GHz. Transparent to an incident wave means having a transmittance of 60% or more, preferably 70% or more, more preferably 80% or more, and even more preferably 90% or more to an incident wave.
  • Protective layer 24 may be transparent to visible light.
  • the protective layer 24 protects the conductor pattern 231 of the reflector 20 from deterioration and damage due to external factors, and obtains excellent durability.
  • the conductor pattern 231 of the reflector 20 is subject to oxidative deterioration over time, such as contact with oxygen and moisture in the atmosphere.
  • the protective layer 24 preferably has a thickness of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less and a dielectric constant of 2.0 or less.
  • simulation was performed under the following conditions, and the reflection angle deviation (%) and the reflection intensity loss (%) of the examples and comparative examples were obtained from the far radiation field, intensity, and angle of the reflection spectrum for the incident wave.
  • ⁇ Wavelength of incident wave 10.7 mm (frequency 28 GHz) ⁇ Frequency change range of incident wave: 20GHz-35GHz Incident angle of incident wave with respect to the normal direction of the reflector: 0 degree First desired reflection angle ⁇ of the reflection spectrum with respect to the normal direction of the reflector: -43 degrees
  • Five cross patterns of different sizes are used as the shape of the conductor pattern, and the reflection angle and reflection intensity are calculated by changing the thickness and dielectric constant of the protective layer 24 covering the conductor pattern.
  • FIG. 12 shows the results of the simulation.
  • “Ref” in the leftmost column of FIG. 12 indicates a reference configuration in which the protective layer 24 is not provided.
  • the protective layer 24 has a thickness of 0.0 mm and a dielectric constant of 1.0.
  • the unit of reflection intensity for the reference configuration is (dB).
  • “Reflection angle deviation” indicates the rate of change (%) from the reflection angle of the reference configuration
  • “Reflection intensity loss” indicates the rate (%) of decrease from the reflection intensity of the reference configuration.
  • Reflection angle shift and reflection intensity loss were evaluated as follows. ⁇ Reflection angle deviation is 10% or less: A ⁇ Reflection angle deviation exceeds 10%: B ⁇ Reflection intensity loss is 5% or less: S ⁇ Reflection intensity loss is 10% or less: A ⁇ Reflection intensity loss exceeds 10%: B ⁇ Comprehensive evaluation Pass: Evaluation of both reflection angle deviation and reflection intensity loss is "A" Failed: Either the reflection angle deviation or reflection intensity loss evaluation is "B"
  • Examples 7 to 10 passed. Moreover, in Examples 7 to 9, the reflection intensity loss was small, and more favorable results were obtained.
  • the relative dielectric constant Dk is high, the reflection angle shift and reflection intensity loss are large, and the relative dielectric constant Dk is preferably 2.0 or less.
  • the dielectric constant is 1.5 or less, the reflection intensity loss is 5% or less, which is more preferable (“S” evaluation in FIG. 12). If the thickness of the protective layer 24 is large, the deviation of the reflection angle and the loss of the reflection intensity are large.
  • FIG. 13 shows a usage example of the reflector 20 of the embodiment in comparison with usage of a normal reflector.
  • (A) of FIG. 13 shows a mode of use of the reflector 10 or 20 of the embodiment.
  • the thin and flexible embodiment reflectors 10 or 20 can be installed along L-shaped corridors, streets, corridors, and the like.
  • the reflector of the embodiment has a metasurface including a periodic array of a plurality of conductor patterns 131, and reflects incident waves in directions other than specular reflection. As shown in FIG. 12, when radio waves are vertically incident on the reflector 10 or 20 installed on the wall surface of the corner, the incident radio waves are reflected at oblique angles other than the vertical and horizontal directions of the reflector. As a result, radio waves can be sent to smartphones, electronic devices, lighting devices, and the like located in area A.
  • a normal reflector RFL with a specular reflection surface reflects vertically incident radio waves in the direction of incidence. Therefore, the reflector RFL must be installed at an oblique angle with respect to the incident radio wave. When placed in a corner as shown in FIG. 13B, the space cannot be effectively utilized. On the other hand, the reflector 10 or 20 of the embodiment can reduce the dead zone of radio waves without taking up space and spoiling the appearance.
  • the reflector of the embodiment can extend the frequency band of reflection and improve resistance to the environment by using a dielectric layer with a low dielectric constant.
  • the thickness of the reflector can be reduced, and the range of application can be expanded.
  • the surface of the adhesive layer 26 may be protected with a protective film, and the protective film may be peeled off at the time of use and applied to a desired location.
  • the reflectors of the embodiments may be used in combination with small cells or repeaters. In this case, the dead zone can be further reduced without increasing the number of devices such as small cells and repeaters and without taking up space for installing reflectors.
  • (Section 1) a dielectric layer; a conductive layer provided on the first surface of the dielectric layer and comprising a periodic array of a plurality of conductive patterns; a ground layer provided on a second surface opposite to the first surface; has the conductive layer reflects an incident wave at an angle different in magnitude from the angle of incidence;
  • the dielectric layer has a dielectric constant of 2.0 or less.
  • reflector. the conductive layer forms a reflective surface of the reflector; Item 2.
  • the reflector according to Item 1 wherein an adhesive layer is provided on the side opposite to the reflecting surface.
  • the reflector according to Item 1 or 2 having: (Section 4) a protective layer covering the conductive layer; 4.
  • the protective layer has a thickness of 0.1 mm or more and 1.0 mm or less and a dielectric constant of 2.0 or less.
  • the reflector according to Item 4 (Item 6)
  • the dielectric layer has a thickness of 0.3 mm or more and 1.0 m or less.
  • Item 6. A reflector according to any one of Items 1 to 5.
  • (Section 7) The size of the conductor pattern is 2 mm or more and 5 mm or less.
  • Item 7. A reflector according to any one of Items 1 to 6.
  • the bandwidth of reflected frequencies per unit thickness of the reflector is greater than 6.5 GHz/mm;
  • Item 8 A reflector according to any one of Items 1 to 7.
  • the dielectric layer is formed of a combination of a fluorinated resin and an inorganic porous aggregate, and the porosity of the dielectric layer is 20% or more.
  • Item 9 A reflector according to any one of Items 1 to 8.

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Abstract

広い周波数帯域の反射特性を有するリフレクタを提供する。リフレクタは、誘電体層と、前記誘電体層の第1表面に設けられ複数の導体パターンの周期的な配列を含む導電層と、前記第1表面と反対側の第2表面に設けられたグランド層と、を有し、前記導電層は入射波を入射角と異なる大きさの角度で反射し、前記誘電体層の比誘電率は2.0以下である。

Description

リフレクタ
 本発明はリフレクタに関し、特に、メタサーフェイスを有するリフレクタに関する。
 マイクロ波、ミリ波、テラヘルツ波といった高い周波数の電波を無線通信に用いると、高速で大容量の通信が可能になる。その一方、1GHzから10THzといった高周波の電波は直進性が強く、送信アンテナと受信アンテナの間の障害物の存在により、電波が届かずに通信不能になるという欠点がある。高周波を用いた移動体通信の通信環境や通信エリアを改善するために、リフレクタが用いられる。通常のリフレクタは、入射角と反射角が等しい鏡面反射面を持つため、反射範囲に限界がある。通信範囲を拡張するために、入射波を所望の方向に反射させるメタサーフェイスを有するメタリフレクタが活発に開発されている。
 「メタサーフェイス」は、入射電磁波の透過特性や反射特性を制御する人工表面を意味する。半波長程度の金属パターンを周期的に並べ、反射特性を制御して、入射波を所望の方向へ反射させる。基板上の分割された領域にアレイ素子を形成し、領域ごとに、アレイ素子を構成する複数のパッチ間の間隙を異ならせたリフレクトアレイが提案されている(たとえば、特許文献1参照)。
特許第5177708号公報
 メタサーフェイスを有するリフレクタアレイは共振現象を利用しているため、所望の方向に反射できる周波数帯域が狭い。反射帯域が狭いと、使用環境の変化により反射ピークがシフトし、狙った周波数で必要な反射特性が得られない場合がある。5G規格では、多くの国で24GHz以上の周波数帯が用いられ、日本では、28GHz帯で27~29.5GHzがカバーされる。欧州、米国、中国等でも、それぞれ使用される周波数帯に、1GHzから3.5GHz程度の帯域幅が含まれる。メタリフレクタは、24GHzから30GHzをカバーする広い周波数帯域の反射特性を持つことが望ましい。
 一つの側面において、本発明は、広い周波数帯域の反射特性を有するリフレクタを提供することを目的とする。
 一実施形態では、リフレクタは、誘電体層と、前記誘電体層の第1表面に設けられ複数の導体パターンの周期的な配列を含む導電層と、前記第1表面と反対側の第2表面に設けられたグランド層と、を有し、
 前記導電層は入射波を入射角と異なる角度で反射し、
 前記誘電体層の比誘電率は2.0以下である。
 上記構成により、広い周波数帯域の反射特性を有するリフレクタが実現される。
第1実施形態のリフレクタの基本構成を示す図である。 導体パターンの設計方法の一例を示す図である。 第1実施形態のリフレクタの設計例を示す図である。 図3の設計によるリフレクタの反射特性を示す図である。 異なる周波数での低誘電率リフレクタの反射特性を示す図である。 異なる周波数での高誘電率リフレクタの反射特性を示す図である。 低誘電率リフレクタの周波数に対する反射範囲を示す図である。 高誘電率リフレクタの周波数に対する反射範囲を示す図である。 異なる誘電率の誘電体層の厚さと反射帯域幅の関係を示す図である。 異なる誘電率の誘電体層の厚さと反射強度の関係を示す図である。 実施例と比較例の構成、及び特性を示す図である。 第2実施形態のリフレクタの模式図である。 保護層の厚さと誘電率を変えたシミュレーション結果を示す図である。 実施形態のリフレクタの使用例を通常のリフレクタの使用と比較して示す図である。
 図1は、第1実施形態のリフレクタ10の基本構成図である。リフレクタ10は、誘電体層11と、誘電体層11の第1表面111に設けられた導電層13と、誘電体層11の第1表面111と反対側の第2表面112に設けられたグランド層12とを有する。導電層13は、複数の導体パターン131の周期的な配列を含み、リフレクタ10の反射面として機能する。この反射面は、入射波を入射角と異なる大きさの角度(絶対値)で反射するメタサーフェイスである。グランド層12により、グランド層12と各導体パターン131の間にキャパシタンスが形成され、導体パターン131ごとに位相遅れの大きさを制御することができる。
 導電層13では、異なるサイズの導体パターン131が、所定のピッチで配列されている。導体パターン131のサイズとピッチは、求める反射特性に応じて設定されている。導体パターン131のそれぞれは、使用波長よりも十分に小さいサイズをもち、目的とする周波数帯の電波を選択的に反射する。導体パターン131で反射の位相を制御し、反射波を重ね合わせて所望の方向に反射ビームBMを形成する。
 入射電波の波長をλ、導体パターン131のピッチ、すなわち隣接する導体パターン131の中心間の距離をd、隣接する2つの導体パターン131で反射された電波の位相をそれぞれδ1とδ2、反射角をθとする。位相差δ1-δ2は、(1)式で表される。
   δ1-δ2=(2π/λ)d・sinθ+2nπ      (1)
ここでnは整数である。
 リフレクタ10で所望の方向に電波を反射させるためには、求める反射角θが得られるように、δ1、δ2、及びdを設計すればよい。反射角θは、リフレクタ10の反射面の法線方向(0°)と水平方向(90°)の間で、0°と90°を除く所望の角度に設定される。反射位相を表すδ1とδ2の値は、入射電波の波長λ、導体パターン131のサイズ(長さ×幅)及びピッチ、リフレクタ10の厚み及び比誘電率といった設計パラメータによって制御、変更が可能である。例えば、所望の位相差が得られる導体パターン131の長さLを設計する場合は、図2に示す長さ/位相特性のグラフを作製して導体パターン131を設計してもよい。図2の長さ/位相特性は、長さL(mm)以外の設計パラメータを固定した状態で、導体パターンの長さLを変えながら電波の反射パターンを測定し、3次元電磁界シミュレーションソフトウェアを用いて解析することで得られる。長さ以外の設計パラメータとして、たとえば誘電体層11の比誘電率εをε=1.88に固定している。
 誘電体層11の比誘電率は、2.0以下である。比誘電率を2.0以下とすることで、所定の方向に反射させる電波の周波数帯域を拡張することができる。反射の周波数帯域の拡張の詳細については、図5以降を参照して後述する。比誘電率が2.0以下の誘電体材料として、ポリテトラフルオロエチレン等のフッ化樹脂、フッ化樹脂と無機多孔性凝集体との結合体、その他の透明な多孔性樹脂などを用いることができる。無機多孔性凝集体と結合される樹脂として、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリテトラフルオロエチレン等が用いられる。
 無機多孔性凝集体は、たとえば特開2017-171898号公報に記載される方法で作製される。多孔性無機微粒子の材料、凝集密度等を調整することで、結合体の空孔率を50%以上に制御することができる。空孔率を調整して比誘電率を制御することで、2.0以下の誘電率を実現することができる。
 図3は、第1実施形態のリフレクタ10の設計例を示す。図3の(A)は、導電層13を構成する導体パターン131a~131gの配置を示す。図3の(B)は、各導体パターンのサイズと位相を示す。導体パターン131a~131gは、縦と横の長さが等しいクロスパターンである。各導体パターン131のサイズを、縦または横の長さL1~L7で示す。導体パターン131a~131gのピッチ、すなわち中心間距離dは、使用波長の1/2に設定されている。28GHz帯の波長λは10.8mmであるから、導体パターン131a~131gのピッチは5.4mmである。
 導体パターン131a~131gの配列により、反射角度35°を狙う。この場合の反射角度は、リフレクタ10に対して垂直に電波が入射したときの反射角度、すなわち法線に対する反射角である。上記の(1)式に基づいて、θが35°のときの位相差である「δ1-δ2」を求めると、位相差は103°である。この位相差が得られるように、導体パターン131a~131gのサイズ、すなわちL1~L7の長さを決める。
 導体パターン131の形状はクロスパターンに限られず、異なるサイズの円形、楕円形、多角形などが所定の周期で設けられていてもよい。導体パターン131のサイズは、28GHz帯をターゲットとする場合、2~5mmであるが、周波数帯に応じて、導体パターン131のサイズは適宜設計される。導体パターン131のサイズと周期で決まる周波数の電波が、選択的に反射される。一般に、共振により選択される周波数帯域は狭いが、誘電体層11の比誘電率を2.0以下に設定することで、後述するように選択される周波数帯域を、4GHz以上、より好ましくは6GHz以上の帯域幅に拡張する。選択される周波数帯域幅は、リフレクタ10の誘電体層11の厚さによって変わり得るので、リフレクタ10の単位厚さ(1mm)当たりの帯域幅として、6.5GHz/mmを超える広帯域リフレクタを実現する。
 図4は、図3の設計によるリフレクタ10の反射特性を示す。横軸は角度、縦軸は反射強度(dB)である。35°の方向にメインピークが観察され、リフレクタ10は、ほぼ設計通りに電波の反射方向を制御できていることが確認される。また、35°のメインローブの帯域幅、すなわちピークから3dB低下する周波数範囲は4GHz以上、より好ましくは6GHz以上である。リフレクタ10の広い周波数帯域幅をカバーする斜め方向への反射特性は、24GHz~60GHzの周波数帯で発現する。
 <誘電率の低減による反射周波数帯の拡張>
 リフレクタ10の誘電体層11に比誘電率の低い材料を用いることで、反射の周波数帯域を拡張することができる。反射の周波数帯域とは、使用波長の入射波に対するターゲット方向への反射波のメインンローブのピーク強度から3dB減衰する周波数範囲をいう。
 図5は、異なる周波数の入射波に対する、低誘電率リフレクタの反射特性を示す。低誘電率リフレクタは実施形態のリフレクタであり、比誘電率が2.0以下の誘電体層11を用いたリフレクタ10である。この例では、比誘電率εが1.88の誘電体層を用いている。図6に、比較として、異なる周波数の入射波に対する高誘電率リフレクタの反射特性を示す。高誘電率リフレクタは、比誘電率が2.0を超える誘電体層を用いたリフレクタである。
 図5で、比誘電率εが1.88の誘電体層11を用いて、26GHz、28GHz、及び31GHzの反射スペクトルを計算する。縦軸の反射強度は、反射能力を表す指標である散乱断面積(RCS:Rader Cross Section)で示されている。リフレクタの法線方向から、26GHz、28GHz、及び31GHzの各周波数帯の平面波を入射し、汎用の3次元電磁界シミュレーションソフトウェアであるダッソー・システムズ社 CST Studio Suiteで、角度ごとに散乱断面積を解析する。
 ε=1.88のときは、26GHz、28GHz、31GHzのいずれにおいても、35°の方向に反射スペクトルのピークが現れる。いずれの周波数帯においても、ピーク値は-25dB±2.5dBの範囲内にあり、少なくとも5GHzの帯域にわたって、ターゲットの反射角度35°で安定したピーク強度が得られる。
 特に、28GHzと31GHzでは、反射角度35°のメインローブが、他のサイドローブから明確に区別され、入射波が、狙った35°の方向に、制御性良く反射されていることがわかる。26GHzでは、35°のピーク以外に、0°と-65°に別のピークが現れる。0°のピークは、入射と同じ方向への反射であるから、損失に当たる。-65°のピークは、ターゲットの35°と逆の方向への反射であり、リフレクタが用いられる環境によって、損失になる場合もあるし、一度に2つの方向に電波を届けるメリットになる場合もある。
 図6の比較例では、比誘電率εを3.62に変更し、導体パターン等のその他の条件を図5のリフレクタと同じに維持する。比誘電率が3.62の材料として、ポリフェニレンエーテル(PPE)、アクリル樹脂などがある。比誘電率3.62では、28GHzと31GHzで、ターゲットの35°の方向に反射ピークが現れるが、31GHzのメインローブのスペクトル形状が劣化している。26GHzでは、狙った35°の方向に反射が得られていない。
 図6の構成は、共振を利用するメタサーフェイスでは周波数が変わると反射特性が劣化するという事実を、そのまま表している。図5に示す実施形態の低誘電率リフレクタを用いることで、周波数特性を大きく改善される。図5、及び図6に基づくと、リフレクタ10に用いる誘電体層11の誘電率をある程度下げることで、反射の周波数帯域を拡張できることがわかる。
 図7Aは低誘電率リフレクタの反射範囲を示し、図7Bは高誘電率リフレクタの反射範囲を示す。図7Aと図7Bで、横軸は反射方向、縦軸は周波数である。用いたリフレクタのモデルは、誘電体層の表面に図3の(A)と同じ導体パターンを形成したものである。図7Aの低誘電率リフレクタの比誘電率εは1.88、図7Bの高誘電率リフレクタの比誘電率εは3.62に設定されている。
 図7Aでは、ターゲットの35°の方向で、24GHzから33GHzにわたって高い反射強度(-30dBを超え-20dB以下)が得られている。この反射強度は、35°を中心として、±10°の範囲に分布し、特に、23°以上35°以下の範囲では、10GHz以上の周波数帯域にわたって、-30dBを超え-20dB以下の反射強度が得られている。広範囲の反射周波数特性により、環境の変化に対する高い耐性が実現される。
 図7Bで、比誘電率が3.62のときは、ターゲットの35°の方向で、21GHzから28.5GHzにわたって高い反射強度(-30dBを超え-20dB以下)が得られている。しかし、実際に各国で運用される周波数帯を考えると、図7Bのリフレクタの実用的な周波数帯域は24GHzから28.5GHzの範囲である。各国で使用される周波数帯域とピークシフトの可能性を考慮すると、24GHz以上60GHz以下の周波数帯で、6GHz以上の周波数帯域幅をもつリフレクタが望ましい。
 図7Aと図7Bから、リフレクタの誘電体層11の誘電率が低いほうが、周波数に対する反射範囲(角度範囲)が広く、かつ、実用的な反射の周波数帯域が広いことが確認できる。
 <誘電体層の厚さ>
 図8と図9を参照して、誘電体層11の厚さについて検討する。図8は、異なる誘電率の誘電体層の厚さと帯域幅の関係を示す。図9は、異なる誘電率の誘電体層の厚さと反射強度の関係を示す。図8において、誘電体層11の厚さを0.30mm、0.50mm、0.75mmと変える。誘電体層11の第1表面111に形成される導体パターン131は、図3の(A)と同じである。導体のパターン構成は同じであるが、誘電体層11の比誘電率εを異ならせる。28GHzの平面波をリフレクタの法線方向から入射して、反射波の帯域幅を解析する。反射波の帯域幅は、上述したように、反射のメインローブのピーク値から3dB減衰する周波数帯域幅である。
 誘電体層11の厚さが同じ場合、比誘電率εが低いほうが、反射の帯域幅が広い。逆に言うと、同じ帯域幅を実現するときに、低誘電率の材料のほうが、リフレクタを薄く形成することができる。図8の例では、誘電体層11の厚さが0.75mmのとき、εが1.88のリフレクタで6.5GHzを超える帯域幅が達成されるが、εが3.62のリフレクタでは、4.5GHzの帯域幅しかカバーできない。
 上述したように、各国で用いられる周波数帯とピークシフトを考えると、24GHz以上30GHz以下の周波数帯で、反射の周波数帯域幅が6GHzを超えていることが望ましい。図8のデータ点を補間すると、εが3.62の誘電体層11の厚さを1.2m程度に増やすことで、6GHzの帯域幅が実現し得るかもしれない。しかし、その場合、リフレクタが厚くなり、フレキシビリティが低下して、適用範囲が限られる。
 これに対し、εが1.88のときは、誘電体層11が0.75mmの厚さで6.5GHzの帯域幅が実現され、シート状のフレキシブルなリフレクタが実現される。シート状のリフレクタは扱いやすく、壁紙のように所望の場所に貼付することが可能である。薄くてフレキシブルな誘電体層11で広帯域化を実現できることは、大きな利点である。
 図9において、誘電体層11の厚さを0.25mm、0.30mm、0.50mm、0.80mmと変えて、反射波のピーク強度を計算する。比誘電率εが1.88のときに、誘電体層11の厚さを0.30mm以上とすることで、-24dBを超えるピーク強度が得られる。εが3.62のときは、誘電体層11の厚さを0.5mmにしなければ、同程度のピーク強度を得ることができない。
 図9の結果から、実施形態の低誘電率のリフレクタは、デバイスの薄化、軽量化の観点からも有利である。
 図10は、実施例と比較例の構成と、その特性を示す。構成上のパラメータは、誘電体層11を構成する基材の種類、厚さ、比誘電率、及び、空孔率である。これらのパラメータの値を種々に変える。リフレクタの特性として、反射波の周波数帯域と、単位厚さ当たりの帯域幅を示す。実施例と比較例を通じて、導体パターン131は図3の(A)の導体パターン131a~131gであり、誘電体層11の種類とパラメータを変える。
 以下の条件でシミュレーションを行い、入射波に対する反射スペクトルの遠方放射界、強度、角度から実施例および比較例の周波数帯域を求めた。
 入射波の波長:10.7mm(周波数28GHz)
 入射波の周波数変化域:20GHzから35GHz
 リフレクタの法線方向に対する、入射波の入射角度:0度
 リフレクタの法線方向に対する、反射スペクトルの第1の所望反射角θ:35度
 導体パターンの数:7個(直列配置)
 導体パターンのピッチ:5.4mm(0.5λ)
 実施例1では、誘電体層11の基材として、フッ素多孔基板を用いる。フッ素多孔基板とは、フッ化樹脂と無機多孔性凝集体との結合体である。フッ化樹脂としてポリテトラフルオロエチレンを用いる。この誘電体基材の厚さは0.75mm、空孔率は33.2%、比誘電率は1.88である。実施例1で得られる反射の周波数帯域は6.6GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は8.8GHz/mmである。
 実施例2では、誘電体層11の基材としてフッ素多孔基板を用いる。この誘電体基材の厚さは0.75mm、空孔率は67.7%、比誘電率は1.50である。フッ素多孔基板に用いる多孔性無機微粒子の凝集密多を変えることで、誘電体層11を異なる空孔率と比誘電率に設計している。実施例2で得られる反射の周波数帯域は7.1GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は9.5GHz/mmである。
 実施例3では、誘電体層11の基材として、フッ素多孔基板を用いる。この誘電体基材の厚さは0.50mm、空孔率は33.0%、比誘電率は1.88である。フッ素多孔基板に用いる多孔性無機微粒子の凝集密多を変えることで、誘電体層11を異なる空孔率と比誘電率に設計している。また、誘電体層11を実施例1、2よりも薄くしている。実施例3で得られる反射の周波数帯域は4.55GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は9.1GHz/mmである。
 実施例4では、誘電体層11の基材としてフッ素多孔基板を用いる。この誘電体基材の厚さは1.00mm、空孔率は33.0%、比誘電率は1.88である。誘電体層11の厚さを、実施例1、2よりも厚くしている。実施例4で得られる反射の周波数帯域は、6.5GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は6.5GHz/mmである。
 実施例5では、誘電体層11の基材としてフッ素多孔基板を用いる。この誘電体基材の厚さは0.75mm、空孔率は22.5%であり、比誘電率は2.00である。フッ素多孔基板に用いる多孔性無機微粒子の凝集密多を制御して、異なる空孔率と比誘電率に設計している。実施例5で得られる反射の周波数帯域は5.5GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は7.3GHz/mmである。
 実施例6では、誘電体層11の基材としてフッ素多孔基板を用いる。この誘電体基材の厚さは0.3mm、空孔率は33.0%であり、比誘電率は1.88である。実施例5よりも誘電体層11の厚さを薄くする。実施例6で得られる反射の周波数帯域は4.1GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は13.7GHzである。
 <比較例1>
 比較例1では、誘電体層11の基材としてPPEを用いる。PPE基材の厚さは0.75mm、空孔率は0.0%、比誘電率は3.62である。比較例1で得られる反射の周波数帯域は4.5GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は6.0GHz/mmである。実施例1~2、及び5と比較すると、同じ厚さの基材を用いているが、比誘電率が高いため、反射の周波数帯域が狭くなっている。
 <比較例2>
 比較例2では、誘電体層11の基材として、ガラスエポキシ基材を用いる。この誘電体基材の厚さは0.75mm、空孔率は0.0%であり、比誘電率は5.00である。比較例1よりも比誘電率がさらに高くなっている。比較例2で得られる反射の周波数帯域は、3.7GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は4.9GHz/mmである。
 <比較例3>
 比較例3では、誘電体層11の基材としてPPEを用いる。この誘電体基材の厚さは0.50mm、空孔率は0.0%、比誘電率は3.62である。比較例3で得られる反射の周波数帯域は3.0GHz、単位厚さ(1mm)あたりの帯域は6.0GHzである。比較例1と同じPPE基材を用いているが、基材の厚さを薄くしたことで、反射の周波数帯域がさらに狭くなっている。
 図10の結果から、誘電体層11の比誘電率が2.0以下のときに、単位厚さ当たり6.5GHzを超える、好ましくは7.0GHzを超える、より好ましくは8.0GHzを超える広帯域の反射特性が得られることがわかる。誘電体層の厚さが薄く、比誘電率が1.88以下のときは、単位厚さ当たり8.8GHz以上の周波数帯域が実現される。実施例5と6で、無機多孔質凝集体と組み合わせるフッ化樹脂に比誘電率の低い材料を用いることで、誘電体層11の空孔率20%程度で、比誘電率2.0以下を実現できる。誘電体層11の厚さは、用途に応じて適宜、設計することができる。リフレクタ10をフレキシブルな態様で使用する場合は、誘電体層11の厚みを0.3mm以上、1.0mm以下にしてもよい。誘電体層11の厚みを0.3mm以上とすることで、ロバスト性の高いリフレクタ10を得ることができる。また、誘電体層11の厚みが1.0mm以下であれば、1辺が1m程度の大型リフレクタの設計において軽量化に有利であり、施工性や施工コストに優れる。なお、厚みが0.3mm、1.0mm等というときは、許容可能な製造誤差を含むものとする。
 図11は、第2実施形態のリフレクタ20の模式図である。リフレクタ20の主要部は第1実施形態のリフレクタ10を同じであり、比誘電率が2.0以下の誘電体層21を用いている。誘電体層21の第1表面211に、所定の導体パターン231を含む導電層23が形成され、第2表面212にグランド層22が設けられる。導体パターン231は、28GHz帯の入射波に対する主ローブの反射方向が、法線方向から所定角度傾くように設計されており、一例として図3の(A)に示すパターンである。
 導電層23を覆って、保護層24が設けられる。グランド層22の側に、粘着層26が設けられている。粘着層26により、リフレクタ20は壁面、天井など、所望の位置に貼付することができる。保護層24は、24GHz~30GHzの入射波に対して透明である。入射波に対して透明とは、入射波に対して60%以上、好ましくは70%以上、より好ましくは80%以上、さらに好ましくは90%以上の透過率を有することをいう。保護層24は、可視光に対して透明であってもよい。保護層24を設けることで、リフレクタ20を屋外の掲示ボードや建物の壁面に貼付して用いることができる。リフレクタ20を貼付したボードを、所望の位置に吊るして用いてもよい。
 保護層24により、リフレクタ20の導体パターン231は、外的要因による劣化や損傷から保護され、優れた耐久性を得る。リフレクタ20の導体パターン231は、大気中の酸素や水分との接触など経年による酸化劣化があるが、特に屋外で使用する場合は耐候性の観点から保護層24の形成が好ましい。屋内であっても、結露等が生じやすい設置環境であれば、同様に反故層24の形成が好ましい。保護層24は、厚さが0.1mm以上、1.0mm以下かつ比誘電率が2.0以下であることが好ましい。保護層24をこのように構成することで、高い耐久性と、24GHz~30GHzの入射波に対する高い透明性を両立したリフレクタ20を得ることができる。
 粘着層26を除く図11の構成のモデルを用いて、以下の条件でシミュレーションを行い、入射波に対する反射スペクトルの遠方放射界、強度、角度から実施例および比較例の反射角度ずれ(%)及び反射強度損失(%)を求めた。
・入射波の波長:10.7mm(周波数28GHz)
・入射波の周波数変化域:20GHz-35GHz
・リフレクタの法線方向に対する、入射波の入射角度:0度
・リフレクタの法線方向に対する、反射スペクトルの第1の所望反射角θ:-43度
・導体パターンの数:5個(直列配置)
・導体パターンのピッチ:5.4mm(0.5λ)
・保護層24の比誘電率:1.0(Ref)、1.5、2.0、3.0、5.0
・保護層24の厚さ:0.0mm(Ref)、0.2mm、0.5mm、1.0mm
導体パターンの形状として、サイズの異なる5つの十字パターンを用い、導体パターンを覆う保護層24の厚さと比誘電率を変えて、反射角度と反射強度を計算する。
 図12は、シミュレーションの結果を示す。図12の最も左欄の「Ref」は、保護層24を設けていない基準構成を示す。基準構成では、空気層が導体パターンを覆っているので保護層24の厚さを0.0mm、比誘電率を1.0とおいている。基準構成の反射強度の単位は(dB)である。「反射角度ずれ」は、基準構成の反射角度からの変化率(%)、「反射強度損失」は、基準構成の反射強度からの低下割合(%)を示す。入射波に対する主ローブのピーク角度およびピーク強度について、基準構成(Ref)と、実施例7~実施例10、及び比較例4~比較例11とを比較し、反射角度ずれ(単位:%)と反射強度損失(単位:%)を求めた。反射角度ずれと反射強度損失について、下記の通り評価した。
・反射角度ずれが10%以下:A
・反射角度ずれが10%超過:B
・反射強度損失が5%以下:S
・反射強度損失が10%以下:A
・反射強度損失が10%超過:B
・総合評価
  合格:反射角度ずれと反射強度損失の評価がいずれも「A」
  不合格:反射角度ずれと反射強度損失の評価のいずれかが「B」
 図12に示す通り、実施例7~実施例10は合格であった。また、実施例7~実施例9は反射強度損失が小さく、より好ましい結果が得られた。図12から、比誘電率Dkが高いと反射角度ずれと反射強度損失が大きく、比誘電率Dkは2.0以下であることが望ましい。比誘電率が1.5以下のときは、反射強度の損失が5%以下になり、より好ましい(図12で「S」評価)。保護層24の厚みが厚いと反射角度ずれと反射強度損失が大きく、保護層24の厚さは0.1mm以上1.0mm以下にすることが望ましい。
 図13は、実施形態のリフレクタ20の使用例を、通常のリフレクタの使用と比較して示す。図13の(A)は実施形態のリフレクタ10または20の使用態様を示す。薄くてフレキシブルな実施形態のリフレクタ10または20は、L字に屈曲した通路、通り、廊下等に沿って設置することができる。
 実施形態のリフレクタは、複数の導体パターン131の周期配列を含むメタサーフェイスを有し、入射波を鏡面反射以外の方向に反射させる。図12のように、コーナー部の壁面に設置されたリフレクタ10または20に電波が垂直入射する場合、入射電波は、リフレクタの垂直方向と水平方向を除く斜めの角度に反射される。これにより、領域Aに位置するスマートフォンや電子機器、照明機器等に電波を送ることができる。
 図13の(B)のように、鏡面反射面をもつ通常のリフレクタRFLでは、垂直入射する電波を入射方向に反射する。そのため、リフレクタRFLを入射電波に対して斜めの角度に設置しなければならない。図13の(B)のように、コーナーに置く場合、スペースを有効活用することができない。これに対し、実施形態のリフレクタ10または20は、場所を取らず、外観を損ねずに、電波の不感地帯を低減することができる。
 以上述べたように、実施形態のリフレクタは、低い比誘電率の誘電体層を用いることにより、反射の周波数帯域を拡張し、環境に対する耐性を向上することができる。また、同じ反射周波数特性のときに、リフレクタの厚さを低減することができ、適用の範囲を広げることができる。リフレクタを壁紙状に形成する場合は、粘着層26の表面を保護フィルムで保護して、使用時に保護フィルムをはがして所望の場所に貼付してもよい。実施形態のリフレクタを、スモールセルや中継機(リピータ)と組み合わせて用いてもよい。この場合、スモールセルやリピータ等の機器の数を増大させず、かつリフレクタ設置の場所をとらずに、不感地帯をさらに低減することができる。
 以上の開示は、以下の態様をとり得る。
(項1)
 誘電体層と、
 前記誘電体層の第1表面に設けられ、複数の導体パターンの周期的な配列を含む導電層と、
 前記第1表面と反対側の第2表面に設けられたグランド層と、
を有し、
 前記導電層は入射波を入射角と異なる大きさの角度で反射し、
 前記誘電体層の比誘電率は2.0以下である、
リフレクタ。
(項2)
 前記導電層は前記リフレクタの反射面を形成し、
 前記反射面と反対側に粘着層が設けられている
項1に記載のリフレクタ。
(項3)
 前記グランド層の前記誘電体層と反対側の面に設けられた粘着層、
を有する項1または2に記載のリフレクタ。
(項4)
 前記導電層を覆う保護層、
をさらに有する項1から3のいずれかに記載のリフレクタ。
(項5)
 前記保護層は、厚さが0.1mm以上、1.0mm以下であり、比誘電率が2.0以下である、
項4に記載のリフレクタ
(項6)
 前記誘電体層の厚さは0.3mm以上、1.0m以下である、
項1から5のいずれかに記載のリフレクタ。
(項7)
 前記導体パターンのサイズは、2mm以上、5mm以下である。
項1から6のいずれかに記載のリフレクタ。
(項8)
 前記リフレクタの単位厚さ当たりの反射周波数の帯域幅は、6.5GHz/mmを超える、
項1から7のいずれかに記載のリフレクタ。
(項9)
 前記誘電体層は、フッ化樹脂と無機多孔性凝集体との結合体で形成され、前記誘電体層の空孔率は20%以上である、
項1から8のいずれかに記載のリフレクタ。
 本出願は、2022年1月19日に出願された日本国特許出願第2022-006361号に基づいてその優先権を主張するものであり、この日本国特許出願の全内容を含む。
10、20 リフレクタ
11、21 誘電体層
111、211 第1表面
112、212 第2表面
12、22 グランド層
13、23 導電層
131、231 導体パターン
24 保護層
26 粘着層

Claims (9)

  1.  誘電体層と、
     前記誘電体層の第1表面に設けられ、複数の導体パターンの周期的な配列を含む導電層と、
     前記第1表面と反対側の第2表面に設けられたグランド層と、
    を有し、
     前記導電層は入射波を入射角と異なる大きさの角度で反射し、
     前記誘電体層の比誘電率は2.0以下である、
    リフレクタ。
  2.  前記導電層は前記リフレクタの反射面を形成し、
     前記反射面と反対側に粘着層が設けられている
    請求項1に記載のリフレクタ。
  3.  前記グランド層の前記誘電体層と反対側の面に設けられた粘着層、
    を有する請求項1に記載のリフレクタ。
  4.  前記導電層を覆う保護層、
    をさらに有する請求項1に記載のリフレクタ。
  5.  前記保護層は、厚さが0.1mm以上、1.0mm以下であり、比誘電率が2.0以下である、
    請求項4に記載のリフレクタ。
  6.  前記誘電体層の厚さは0.3mm以上、1.0m以下である、
    請求項1に記載のリフレクタ。
  7.  前記導体パターンのサイズは、2mm以上、5mm以下である。
    請求項1に記載のリフレクタ。
  8.  前記リフレクタの単位厚さ当たりの反射周波数の帯域幅は、6.5GHz/mmを超える、
    請求項1に記載のリフレクタ。
  9.  前記誘電体層は、フッ化樹脂と無機多孔性凝集体との結合体で形成され、前記誘電体層の空孔率は20%以上である、
    請求項1から8のいずれか1項に記載のリフレクタ。
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