(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電率が１．５以下の平面状部材と、前記平面状部材の前面に略等間隔でマトリクス状に配設されて入射波を反射すると共に該反射波の位相を遅延する複数の位相遅延素子と、前記平面状部材の裏面の全面に設けられる平面状導体板とを具備し、前記平面状部材の中心付近に位相遅延効果の最も大きい位相遅延素子を配設し、外側に向かうに従って順次位相遅延効果の小さい位相遅延素子を配設し、前記平面状部材の前面から所定距離の位置に前記位相遅延素子による反射波を点状もしくは線状に収束させる平面状反射板であって、
前記複数の位相遅延素子は、導体薄片を用いて形成された、各辺の長さがλ／２〜λ／８（λは収束させようとする電磁波の波長）の範囲で同一に設定された正方形のパッチ素子であり、前記複数の位相遅延素子の少なくとも一部は、該パッチ素子の中央部に開口穴を有し、大きい位相遅延効果の位相遅延素子ほど、該開口穴を大きく設定したことを特徴とする平面状反射板。
【請求項２】
前記平面状部材は、発泡スチロール又は木材製であり、前記複数の位相遅延素子と平面状導体板との間を所定の間隔に保持し、
前記複数の位相遅延素子の隣接する辺の間隔は０．０５〜０．１λであり、前記開口穴は四角形とすることを特徴とする請求項１記載の平面状反射板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば放送波受信システムや無線通信システム等において、閉空間へ入射した電磁波を反射し閉空間内の所望位置に収束させる平面状反射板に関する。
【背景技術】
【０００２】
ビル内や一般家庭の室内等において、テレビ放送例えば地上デジタル放送を室内アンテナにより直接受信する場合、所定レベル以上の受信電界強度が必要であるが、十分な受信電界強度が得られない場合、従来では室内に室内再送信装置を設置して受信電界強度を高めることが行われている（例えば、特許文献１参照。）。上記室内再送信装置は、受信アンテナによりテレビ放送波を受信し、所定の信号レベルまで増幅した後、再送信アンテナから再送信することにより、室内において所望の受信電界強度が得られるようにしている。
【０００３】
上記のように室内再送信装置を設置することで室内の受信電界強度を高めることができるが、室内再送信装置は非常に高価であり、且つ設置場所が必要である。
【０００４】
このため室内再送信装置に比較して簡易な方法により、室内の受信電界強度を高めることが要望されている。この簡易な方法として、例えば室内の壁面等を利用して反射板を設置し、室内に入射したテレビ放送波を反射板により反射して所望の位置に収束させ、その収束点における電界強度を改善することが考えられる。
【０００５】
反射板を使用して反射面から所定の距離に反射波を収束させ、電界集中点（焦点）を形成するには、パラボラアンテナのように反射面を放物線状に湾曲させる必要があり、従来使用されている平面状反射板では反射面から所定の距離に反射波を収束させることができない。
【０００６】
図６は平面状導体板１１の前面に垂直に平面波（電磁波）１２を入射した場合における反射波１３の状態を示している。平面状導体板１１の前面に垂直に平面波１２を入射した場合、反射係数が略１と見なしてよい上記平面状導体板１１に対し幾何光学におけるホイヘンス・フレネルの原理などを考慮すれば、平面状導体板１１上の全ての点で発生する反射波１３の合成波は平面状の同位相の波、すなわち平面波となる。従って、特定の点に電界の集中は生じない。
【０００７】
一方、図７に示すように反射面を湾曲させ、特にその湾曲を放物面状にした放物面状導体板１１Ａの前面に垂直に平面波１２を入射した場合、放物面状導体板１１Ａ上の全ての点で発生する反射波１３は同位相（周知のように入射波に対し反射波は１８０度位相がずれて反射する）であるが、その位置がずれているために反射波１３の等位相面１４も放物面状導体板１１Ａに対応して放物面状に湾曲する。この結果、当該放物面の焦点位置の焦点１５に電界が集中する。上記周知の幾何光学の原理を利用し、平行に入射する電波を広い面積の反射鏡により反射させ、該反射した電波を前記放物面の焦点に集中させて高いアンテナ利得を得るようにしたものが周知のパラボラアンテナである。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−１２８７２０号公報
【特許文献２】特開２０１０−６２６８９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】D.Sievenpiper et al,”High-Impedance Electro-magnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band,”IEEE Trans,Microwave Theory Tech.,vol.47,pp.2059-2074,1999
【非特許文献２】K.Chang et al,”High-Impedance Surface with Nonindentical Lattices,”iWAT2008,pp.422-425,2008
【非特許文献３】井幡  他「非周期配列 High-Impedance Surface による反射方向制御の検討」信学技報,IEICE  Technical Report A P2010-2(2010-04)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
一般家庭等において例えば地上デジタル放送を室内アンテナにより直接受信する場合、受信信号は所定値以上のＣＮ比の信号品質が必要である。そのためには受信電波について十分な受信電界強度が得られる必要がある。この目的のために考えられる方法として、室内の所望位置に上記パラボラアンテナの焦点のような電界収束領域が形成されるような放物面状に形成した反射板を設置し、その電界収束領域に室内アンテナを配置することで上記した所定の受信電波の品質を確保することが考えられる。
【００１１】
しかし、一般家庭等において、室内の壁面を利用して反射板を設置する場合、壁面は通常平な面となっているので、放物面状に形成した反射板を設置することは困難であると共に無駄な設置空間を生じるので現実的でない。
【００１２】
本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、閉空間に入射する電磁波を反射して所望位置に収束させ、その収束点における電界強度を高めることができる平面状反射板を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明に係る平面上反射板は、誘電率が１．５以下の平面状部材と、前記平面状部材の前面に略等間隔でマトリクス状に配設されて入射波を反射すると共に該反射波の位相を遅延する複数の位相遅延素子と、前記平面状部材の裏面の全面に設けられる平面状導体板とを具備し、前記平面状部材の中心付近に位相遅延効果の最も大きい位相遅延素子を配設し、外側に向かうに従って順次位相遅延効果の小さい位相遅延素子を配設し、前記平面状部材の前面から所定距離の位置に前記位相遅延素子による反射波を点状もしくは線状に収束させる平面状反射板であって、前記複数の位相遅延素子は、導体薄片を用いて形成された、各辺の長さがλ／２〜λ／８（λは収束させようとする電磁波の波長）の範囲で同一に設定された正方形のパッチ素子であり、前記複数の位相遅延素子の少なくとも一部は、該パッチ素子の中央部に開口穴を有し、大きい位相遅延効果の位相遅延素子ほど、該開口穴を大きく設定したことを特徴とする。
また、前記平面状部材は、発泡スチロール又は木材製であり、前記複数の位相遅延素子と平面状導体板との間を所定の間隔に保持し、前記複数の位相遅延素子の隣接する辺の間隔は０．０５〜０．１λに設定され、前記開口穴は四角形に形成すると、より好適である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明によれば、平面状導体板に入射する電磁波を反射して希望する受信点に収束させ、その収束域における電界強度を高め、受信電波の受信品質を改善することができる。従って、例えば室内に直接入射する電磁波を本発明の平面状反射板で反射して希望する受信点に収束させ、室内での無線環境を改善することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明の実施例１に係る平面状反射板の基本構成を示す側断面図である。
【図２】同実施例１における位相遅延素子として使用されるパッチ素子構造体の斜視図である。
【図３】同実施例１におけるパッチ素子構造体のリアクタンス推移を示す図である。
【図４】同実施例１に係る平面状反射板の具体的な構成例を示し、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。
【図５】本発明の実施例２に係る平面状反射板の構成例を示す正面図である。
【図６】平面状導体板に平面波（電磁波）を入射した場合の反射波の状態を示す図である。
【図７】放物面状導体板に平面波（電磁波）を入射した場合の反射波の状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
【実施例１】
【００１７】
図１は本発明の実施例１に係る平面状反射板の基本構成を示す側断面図である。図１において、２１は平面状部材で、例えば、誘電率が空気に近い１．５以下程度である木材や発泡スチロールなどを用いて平板状に構成したものである。上記平面状部材２１の前面には、複数の位相遅延素子２２が等間隔（中心間隔）で配設される。上記位相遅延素子２２は、入射波２３を反射すると共にその反射波２４の位相を遅延する。なお、上記先行技術文献の非特許文献１〜３には、入射波に対して反射板上の共振素子（本発明の説明における位相遅延素子に相当）の配置による反射波の位相遅延の効果、位相遅延量の設定に関し詳細に記載されているので、上記反射波２４の位相の遅延に関する原理的な理解は、上記文献の記載を参照してもらいたい。
【００１８】
上記平面状部材２１の前面に垂直に平面波（電磁波）が入射されると、その入射波２３がそれぞれ位相遅延素子２２で反射されて反射波２４となる。このとき反射波２４の位相変位量は位相遅延素子２２によって決定される。
【００１９】
上記位相遅延素子２２としては、例えば入射波２３の中心付近には他の位置での反射より反射波位相を遅らせる素子Ｚｃを配設し、その周囲には素子Ｚｃより位相遅延効果の低い素子Ｚｂを配設し、その外縁には位相遅延効果が更に低い素子Ｚａを配設する。すなわち、平面状部材２１の中心部に位相遅延素子２２として位相遅延効果が一番大きい素子Ｚｃを配置し、その外側に行くに従って順次位相遅延効果が小さくなるように素子Ｚｂ、Ｚａを順次一定の間隔で略同心円状となるように配置する。
【００２０】
具体的には、入射波２３の周波数に対し、Ｚｃとして高い容量性リアクタンスを有する素子を選び、順次Ｚｂ、Ｚａとして容量性リアクタンスの小さくなる素子を選択する。
【００２１】
上記のように平面状部材２１の前面に複数の位相遅延素子２２を配設することにより、平面状部材２１に入射した入射波２３は反射時に位相遅延効果が異なった値となり、平面状部材２１の前面が物理的には平面状であっても、すなわち、位相遅延素子２２が平面状に配設されていても反射波２４の等位相面２５を湾曲させることができる。この場合、上記したように平面状部材２１の中心部に位相遅延素子２２として位相遅延効果が一番大きい素子Ｚｃを配置し、その外側に行くに従って順次位相遅延効果が小さくなるように素子Ｚｂ、Ｚａを順次一定の間隔で同心円状に配置することにより、平面状部材２１の反射面から有限な距離に反射波の電磁波の収束する領域である収束域２６を発生させることができる。上記平面状部材２１と収束域２６との間の距離は、位相遅延素子２２の値によって設定することが可能である。
【００２２】
上記のように構成された平面状反射板を家屋の壁面を利用して設置し、上記平面状反射板から例えば２〜３ｍの位置に収束域２６が生じるように位相遅延素子２２の位相遅延効果の値を設定して収束域２６の位置に室内アンテナを設置することにより、例えば地上デジタル放送の直接受信が困難であった室内においても、室内に入射したＴＶ放送波を収束させて信号レベルを高め、所用のＣＮ比の信号品質を確保して直接受信を可能とすることができる。上記室内アンテナは、収束域２６の位置に正確に配置しなくても、収束域２６の近傍であれば、平面状反射板からの収束された反射波２４を受信することができる。例えば平面状部材２１と収束域２６を結ぶ方向であれば収束域２６を中心として約λ／８の範囲、平面状部材２１と平行する方向であれば収束域２６を中心として約λ／４の範囲に室内アンテナを設置して平面状反射板からの収束された反射波２４を受信することができる。なお、上記平面状反射板はＴＶ放送波の到来方向に対向している壁面を利用して設置し、室内アンテナは室内に設置されているテレビ受像機に接続する。
【００２３】
上記平面状部材２１に配設されて入射波２３を反射すると共に反射波位相を遅延する位相遅延素子２２としては、例えば図２に示すパッチ素子構造体３０が使用される。パッチ素子構造体３０は、平面状導体板（アース板）３１と例えば方形状導体板を用いたパッチ素子３２を所定の間隔を保って対向配置した構成となっている。上記パッチ素子３２は、例えば一辺の長さＬが約λ／２〜λ／８に設定され、平面状導体板３１との間隔ｄは２ｃｍ程度に設定される。また、平面状導体板３１の一辺の長さは、パッチ素子３２よりも十分に大きい値に設定される。なお、上記λは収束させようとする電磁波の波長を示している。
【００２４】
上記パッチ素子構造体３０は、並列共振特性を有しており、図３は上記パッチ素子構造体のリアクタンス推移を示したもので、横軸に周波数（ｆ）をとり、縦軸にリアクタンスＸをとって示した。図３から上記パッチ素子構造体は励振周波数によって誘導性リアクタンス素子として働く場合と容量性リアクタンスとして働く場合があることが分かる。
【００２５】
上記パッチ素子構造体３０は、図３に示すように共振点ｆo以下の周波数領域においては誘導性リアクタンス素子として働き、共振点ｆo以上の周波数領域においては容量性リアクタンス素子として働くので、パッチ素子３２の一辺の長さＬを約λ／２〜λ／８の範囲で設定することにより、誘導性リアクタンス素子あるいは容量性リアクタンス素子として動作させることができる。
【００２６】
図１に示した平面状反射板において、入射波２３の周波数を固定した場合、上記パッチ素子構造体３０の特性を利用すれば、パッチ素子構造体の共振周波数から外れた小さいサイズのパッチ素子３２を利用して容量性リアクタンス素子の実現が可能であり、パッチ素子３２のサイズ（面積）を可変設定することにより容量性リアクタンスの値を制御できる。この場合、パッチ素子３２の厚みは一様でも、素子サイズ（面積）の値を制御するだけで容量性リアクタンスの値が変化するので、図４に示すように平面状部材２１上にサイズ（面積）の異なる複数のパッチ素子３２を平面状に一定の間隔（中心間隔）で配設した平面状反射板を使用して電界を点状または線状に収束させることが可能になる。
【００２７】
図４は本発明の実施例１に係る平面状反射板の具体的な構成例を示したもので、（ａ）は正面図、（ｂ）は側面図である。なお、図４は１枚の平面状部材２１上に複数のパッチ素子３２をマトリクス状に配設した場合の例を示している。
【００２８】
上記平面状部材２１は、厚さＴが約２ｃｍの発泡スチロールを方形状（横長）に形成したもので、例えば横幅Ｗは約１８０〜１９０ｃｍ、高さＨは約１３５〜１４０ｃｍに設定される。上記平面状部材２１の前面には複数のパッチ素子３２が導体箔片等を用いて例えば６行８列に配設され、平面状部材２１の裏面には平面状導体板３１Ａが全面に設けられる。この平面状導体板３１Ａは、例えば導体箔片等を用いて形成され、図２に示した各パッチ素子構造体３０の平面状導体板３１として作用する。すなわち、平面状部材２１に複数のパッチ素子構造体３０を６行８列に配設した構成となっている。
【００２９】
上記パッチ素子３２は、縦及び横の長さＬａが同一寸法の方形状に形成され、一定の間隔Ｇで配設される。また、各パッチ素子３２には、中央部に例えば４角形の開口穴３３が設けられる。この場合、各行に配設された８個のパッチ素子３２は、中央に位置する素子面積が一番小さくなるように開口穴３３を大きい値（穴寸法ｈ３）に設定し、両側方向に行くに従って素子面積が大きくなるように開口穴３３を順次小さい値（穴寸法ｈ２）、（穴寸法ｈ１）に設定する。そして、各行の両側に位置するパッチ素子３２は、開口穴３３を設けず、素子面積が一番大きくなるように設定している。上記開口穴３３の寸法ｈ１、ｈ２、ｈ３は、縦及び横方向の長さを示している。
【００３０】
すなわち、各行のパッチ素子３２は、例えば中央部の素子の位相遅延効果が一番大きくなるように容量性リアクタンスの値を大きく設定し、両側方向に行くに従って位相遅延効果が小さくなるように容量性リアクタンスの値を順次小さく設定する。例えば各パッチ素子３２の縦及び横の長さＬａ、間隔Ｇ、開口穴３３の寸法ｈ１、ｈ２、ｈ３を次のように設定する。
【００３１】
Ｌａ：約０．３λ〜０．５λ
Ｇ  ：約０．０５λ〜０．１λ
ｈ１：約０．０５λ
ｈ２：約０．１２λ
ｈ３：約０．１５λ
各パッチ素子３２及び開口穴３３を上記の寸法に設定することにより、パッチ素子３２を容量性リアクタンスとして動作させることができる。
【００３２】
上記のように構成した平面状反射板を使用することにより、平面状部材２１から約２ｍの前方に反射波を線状（縦方向）に収束させ、その収束域における電界強度を数ｄＢ改善することができる。
【００３３】
例えば平面状部材２１として縦横の寸法が２．７ｍ×２．７ｍ、厚さＴが２ｃｍの発泡スチロールを使用し、この平面状部材２１の前面に配設されるパッチ素子３２の縦横の長さＬａ、間隔Ｇ、及び開口穴３３の寸法ｈ１、ｈ２、ｈ３を上記の値に設定した場合、パッチ素子３２によって反射される反射波を約２ｍの前方に線状（縦方向）に収束させ、その収束域における電界強度を３〜５ｄＢ程度改善することができる。
【実施例２】
【００３４】
次に本発明の実施例２に係る平面状反射板について説明する。
【００３５】
図５は本発明の実施例２に係る平面状反射板の構成例を示す正面図である。この実施例２に係る平面状反射板は、１枚の平面状部材２１上に複数のパッチ素子３２を８行８列に配設した場合の例を示している。
【００３６】
平面状部材２１の前面には複数のパッチ素子３２が８行８列に配設され、平面状部材２１の裏面には平面状導体板３１Ａが全面に設けられる。上記パッチ素子３２は、縦及び横の長さＬａが同一寸法の方形状に形成され、一定の間隔Ｇで配設される。
【００３７】
また、各パッチ素子３２には、中央部に例えば４角形の開口穴３３が設けられる。この場合、平面状部材２１の中央に配置される１個ないし複数個例えば４個のパッチ素子３２は、素子面積が一番小さくなるように開口穴３３を大きい値（穴寸法ｈ３）に設定し、外側方向に行くに従って素子面積が大きくなるように開口穴３３を順次小さい値（穴寸法ｈ２）、（穴寸法ｈ１）に設定する。すなわち、中央に位置する４個のパッチ素子３２の外側には穴寸法ｈ２の開口穴３３を有する１２個のパッチ素子３２を配設し、更にその外側には穴寸法ｈ１の開口穴３３を有する２０個のパッチ素子３２を配設する。そして、最外側に位置するパッチ素子３２は、開口穴３３を設けず、素子面積が一番大きくなるように設定する。
【００３８】
上記のように平面状部材２１の中央部に位相遅延効果が最も大きいパッチ素子３２を配設し、外側方向に行くに従って順次位相遅延効果が小さくなるように開口穴寸法の小さいパッチ素子３２を略同心円状に配設する。上記各パッチ素子３２の縦及び横の長さＬａ、間隔Ｇ、開口穴３３の寸法ｈ１、ｈ２、ｈ３の数値は、上記実施例１の場合と同様にして設定される。
【００３９】
上記実施例２に示した素子配設の平面状反射板を使用することにより、平面状部材２１から約２ｍの前方に反射波を点状に収束させることができる。
【００４０】
上記実施例１、２によれば、平面状反射板を使用して反射面から有限な距離例えば約２〜３ｍの位置に反射波を点状もしくは線状に収束させることができる。従って、上記平面状反射板を家屋の壁面部分に設置し、点状もしくは線状の収束域位置に室内アンテナを配置することにより、この室内アンテナの受信電界強度を数ｄＢ改善することができる。このため受信電界強度が十分得られず、地上デジタル放送の直接受信が困難であった室内においても、室内アンテナの受信信号レベルを高め、所用のＣＮ比の信号品質を確保して直接受信を可能とすることができる。
【００４１】
なお、上記実施例１、２では、パッチ素子３２の中央部に開口穴３３を設け、この開口穴３３の大きさにより素子面積を変えて各パッチ素子３２のリアクタンス即ち位相遅延効果を可変設定するようにしたが、開口穴３３を設けずに各パッチ素子３２の縦及び横の長さにより素子面積を変えて所定の位相遅延効果が得られるようにしてもよい。
【００４２】
また、上記実施例１、２では、パッチ素子３２を方形状に形成した場合について示したが、その他、例えば多角形や円形等、任意の形状に形成することが可能である。この場合、各パッチ素子３２は、中心間隔が一定となるように配設する。
【００４３】
また、上記実施例１、２では、パッチ素子３２に４角形の開口穴３３を設けた場合について示したが、開口穴３３の形状は４角形に限らず任意の形状に形成することが可能である。
【００４４】
また、上記実施例１、２では、位相遅延素子としてパッチ素子３２を用いた場合について示したが、その他の素子を用いてもよい。例えば平面状部材２１の前面に複数の反射素子（反射電極）をパッチ素子３２と同様に配置し、各反射素子にインダクタンス素子やキャパシタンス素子を接続して所定の位相遅延効果が得られるようにしてもよい。
【００４５】
また、本発明は、上記実施の形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。
【符号の説明】
【００４６】
２１…平面状部材、２２…位相遅延素子、２３…入射波、２４…反射波、２５…等位相面、２６…収束域、３０…パッチ素子構造体、３１、３１Ａ…平面状導体板、３２…パッチ素子、３３…パッチ素子の開口穴。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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