(57)【要約】  中継装置は、金属製の位相シフト要素が交互に置かれた周期配列を備え、配列は、少なくとも１つの軸内において周期的であり、誘電体基材の第１の表面上に形成されており、誘電体基材の反対側の表面が、その上に形成された接地面を有し、それぞれの位相シフト要素は、マイクロ波周波数範囲において、０°〜３６０°の位相シフトを提供する。この中継装置は、マイクロ波ネットワーク内で利用することができる。
2020509687.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属製の位相シフト要素が交互に置かれた周期配列を備え、前記配列は、少なくとも１つの軸において周期的であり、誘電体基材の第１の表面上に形成されており、前記誘電体基材の反対側の表面が、その上に形成された接地面を有し、それぞれの位相シフト要素は、マイクロ波周波数範囲において、０°〜３６０°の位相シフトを提供する、中継装置。
【請求項２】
第１の位相シフト要素が第１の２次元幾何学構造を含み、第２の位相シフト要素が第２の２次元幾何学構造を含み、前記第１及び第２の２次元幾何学構造は、それぞれ同様の形状を有し、前記第１の２次元幾何学構造は、前記第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する、請求項１に記載の中継装置。
【請求項３】
前記周期配列は、少なくとも１つの軸において繰り返す３つの位相シフト要素の配列を備え、前記３つの位相シフト要素は、第１の２次元幾何学構造を有する第１の位相シフト要素と、第２の２次元幾何学構造を有する第２の位相シフト要素と、第３の２次元幾何学構造を有する第３の位相シフト要素とを含み、前記第１、第２、及び第３の２次元幾何学構造は、それぞれ同様の形状を有し、前記第１の２次元幾何学構造は、前記第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有し、前記第３の２次元幾何学構造は、前記第１の２次元幾何学構造及び前記第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する、請求項１に記載の中継装置。
【請求項４】
前記周期配列は、少なくともＰ個の位相シフト要素を備え、それぞれの位相シフト要素は、類似の形状及び異なるサイズを有し、繰り返しのパターンで提供され、Ｐは２より大きい整数である、請求項１に記載の中継装置。
【請求項５】
前記接地面は金属材料を含み、前記位相シフト要素はそれぞれ、２次元幾何学構造を有する金属パッチを含む、請求項１〜４のいずれかに記載の中継装置。
【請求項６】
前記第１及び第２の２次元幾何学構造は、それぞれ、中央領域に配置されたプラス形状を有する金属製円環を含む、請求項２に記載の中継装置。
【請求項７】
前記第１及び第２の２次元幾何学的構造は、それぞれ三角形を含む、請求項２に記載の中継装置。
【請求項８】
前記誘電体基材は、伸縮性材料を含む多層構造を含む、請求項１に記載の中継装置。
【請求項９】
前記伸縮性材料は、導電性織物を含む、請求項８に記載の中継装置。
【請求項１０】
前記位相シフト要素の配列の上に配置された隠蔽層を更に備える、請求項１に記載の中継装置。
【請求項１１】
前記位相シフト要素及び接地面は、透明導電体上に形成されており、前記誘電体基材は、透明誘電体材料を含む、請求項１に記載の中継装置。
【請求項１２】
請求項２に記載の中継装置を１つ以上含む、マイクロ波ネットワーク。
【請求項１３】
請求項３に記載の中継装置を１つ以上含む、マイクロ波ネットワーク。
【請求項１４】
前記１つ以上の中継装置は、セルラーネットワークのアクセス部分内に配置されている、請求項１２に記載のマイクロ波ネットワーク。
【請求項１５】
前記１つ以上の中継装置は、セルラーネットワークのバックホール部分内に配置されている、請求項１２に記載のマイクロ波ネットワーク。
【請求項１６】
少なくとも１つ以上の中継装置が、建物の外壁に平面取り付けされている、請求項１２に記載のマイクロ波ネットワーク。
【請求項１７】
ビーム又はマイクロ波放射の方向を変更するための中継装置を形成する方法であって、
前記中継装置の複数の動作パラメータの値を選択することであって、前記動作パラメータは、動作周波数、入力角度（θｉ，фｉ）、出力角度（θｏ，фｏ）、及びサイズＮ＊ｄｘ×ｍ＊ｄｙを含むことと、
寸法ｄｘ及びｄｙを有する位相シフト要素を提供することであって、ｄｘ及びｄｙは、動作周波数の波長の半分以下であり、前記位相シフト要素は、前記位相シフト要素の幾何学的パラメータが変化したときに０〜２π以上の反射位相シフトを更に提供することと、
Ｎ×Ｍ個の位相シフト要素の配列を基材上に配置して前記中継装置を形成することであって、前記配列内の所定の位置でそれぞれの前記位相シフト要素によって提供される位相シフトは、前記配列がマイクロ波放射のビームを入力角度（θｉ，фｉ）から出力角度（θｏ，фｏ）に再配向するように選択されることと、を含む、方法。
【請求項１８】
各中継装置は、金属材料を含む接地面を含み、各位相シフト要素は、２次元幾何学形状を有する金属製パッチを含む、請求項１７に記載の方法。
【請求項１９】
前記２次元幾何学形状は、中央領域に配置されたプラス形状を有する金属製円環を含む、請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
位相シフト要素は、第１の２次元幾何学形状と、前記第１の２次元幾何学形状とは異なる第２の２次元幾何学形状とを含む、請求項１９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、マイクロ波ネットワーク内で利用することのできる、位相シフト要素の周期配列を備える受動中継装置に関する。
【技術分野】
【０００２】
［関連技術］
現代のセルラーネットワークは、マクロセルと呼ばれる、無線信号カバレッジの地理的領域を含む。マクロセル内では、基地局が、セルラー加入者が基幹回線網に接続できるようにし、また、他のユーザと通信したり、遠隔サーバ上の情報にアクセスできるようにする。スマートフォン及びポータブルコンピュータが入手しやすく、価格が低いために、無線ネットワーク上のモバイルデータトラフィックの量は次の数年間にわたって増加し続けると予測される。モバイルデータトラフィックの増加を後押ししているのは、単純な旧来の音声通信に加えて、動画コンテンツサイト、ゲーム、及びデータなどの帯域集約型の高解像度動画アプリケーション及びサービスである。
【０００３】
データ、特に動画が無線チャネルを介して転送される際、受信される動画の品質は、無線チャネル帯域、セル内の雑音及び干渉、基地局とモバイル装置の間の距離、並びにモバイル装置の速度に依存する。これらの障害のうちの１つ又は多くが無線チャネルに影響を及ぼすと、１つ以上の問題が生じ得る（例えば、動画品質が低下し、動画がフリーズし、加入者がアクセスしようとするインターネットページのロードに失敗し、ネットワークが遅くなる）。こうした様々な問題が、加入者の不満及び流出につながる。
【０００４】
これらの問題を回避するために、セルラーサービスプロバイダは、スモールセルを配備する。スモールセルは、マクロセルよりも物理的面積が小さい。多くのスモールセルは、マイクロセル内に存在してもよい。スモールセルは、現在及び将来の無線ネットワーク世代で配備され、無線カバレッジを局地化し、通信容量及びサービス品質を向上させ得る。スモールセルを使用して、基地局信号が弱い場所で無線ネットワーク品質を向上させることができる。
【０００５】
スモールセルは、路上の街灯柱、建物の屋上、電柱、又は建物の壁に設置してもよい。スモールセルは、基幹回線網への接続性を確立する手段を必要とする。この接続性は、スモールセルバックホールと呼ばれる。スモールセルバックホールは、いくつかの有線又は無線アクセス技術を使用する。有線アクセス技術は、ＤＳＬ若しくはＤＯＣＳＩＳなどの銅線ベース、又はＦＴＴＣ（fiber to the curb）若しくはＦＴＴＮ（fiber to the node）などの光ファイバベースであってもよい。
【０００６】
スモールセルのバックホールに光ファイバ又は銅線を利用できない場合、無線バックホールを使用することができる。無線バックホールは、６ＧＨｚ未満（サブ６ＧＨｚ）の周波数帯内又は６ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数範囲のマイクロ波帯内に配備することができる。スモールセルバックホールに利用可能なサブ６ＧＨｚ帯の帯域は狭く、１Ｇｂｐｓ超のスモールセルバックホールデータ転送速度が不可能になることがある。
【０００７】
例えば、５Ｇのバックホールには１Ｇｂｐｓ超の高いデータ転送速度が必要とされるため、より高い、６ＧＨｚ〜１００ＧＨｚの周波数領域の周波数の電波の使用がスモールセルのバックホール及び無線アクセスについて確認されており、以下、この電波をマイクロ波又はミリ波、すなわちｍｍＷａｖｅと称する。例えば、６０ＧＨｚ付近の周波数帯は、５ＧＨｚ超のアンライセンス周波数帯をワールドワイドに提供し、１Ｇｂｐｓ超の無線アクセスデータ転送速度をサポートできる。７０／８０ＧＨｚの周波数帯、いわゆるＥ−Ｂａｎｄもまた、１０ＧＨｚのライトライセンス周波数帯を提供し、１Ｇｂｐｓ超の無線アクセスデータ転送速度をサポートできる。
【０００８】
無線通信リンク設計においては、送信アンテナと受信アンテナとの間の距離及び信号の周波数と共に、受信信号強度が減少することが理解される。この物理的現象は、自由空間伝搬損失と呼ばれる。比較のために、他の全ての条件が同じならば、６０ＧＨｚのリンクは、６ＧＨｚのリンクの１００分の１の受信信号強度を有する。このため、マイクロ波リンクは、ビーム幅が１度又は２度未満のコリメートされたナロービームを生成して自由空間伝搬損失を補償するために、４０ｄＢｉ超の利得を有する高利得アンテナを必要とする。これらのタイプのリンクは、見通し内（ＬＯＳ）マイクロ波リンクと呼ばれる。これらのリンクは、良好な信号強度を確保するために、送信アンテナと受信アンテナの慎重な整合を必要とする。
【０００９】
上述のように、スモールセルは基幹回線網への接続性を必要とする。接続性は、光ファイバ又は銅ケーブルを介して確立することができる。しかし、場合によっては、特定の場所では光ファイバが入手できないことがあり、また、光ファイバをスモールセル位置に引くために溝を掘ることが都市の条例によって禁じられていることもある。マイクロ波バックホールは、１Ｇｂｐｓのデータ転送速度に対応する、より広い帯域を提供するため、魅力的である。しかし、それでも、スモールセルバックホールアンテナと遠隔基地局アンテナとの間に、はっきりとした見通しが得られないことがある。この状況は、スモールセルアンテナとマクロサイトアンテナとの間の見通し内に高層ビルなどの障害物のある密集した市街地にスモールセルが設置される場合に生じることがある。
【００１０】
したがって、障害物を回避し、スモールセルとマクロサイトの間のマイクロ波バックホール接続性を確立するために、狭いマイクロ波ビームの方向を変化させる手段を提供する必要性が存在する。
【００１１】
上述のように、モバイル装置によって消費され、また生成される無線データは、予想可能な将来にわたり急速に増加し続ける。セルラーネットワークの次世代は５Ｇとして知られ、高解像度のコンテンツをストリーミングするものなどの新しく出現するモバイルブロードバンドアプリケーションにおいて、モバイル装置に数Ｇｂｐｓのデータ転送速度を与えると期待されている。モノのインターネット（ＩｏＴ）と呼ばれる、これらの新しい無線ネットワークに接続される装置の数もまた、桁違いの規模で増加すると期待される。
【００１２】
ミリ波（ｍｍＷａｖｅ）、すなわち６ＧＨｚ超〜１００ＧＨｚの周波数は、数Ｇｂｐｓのデータ転送速度を達成するためにこれらのより高い周波数で利用可能なより高い帯域を使用できることから、こうした５Ｇネットワークの成功要因と考えられている。高いデータ転送速度を得るための他の成功要因には、高密度のスモールセル、及び、よりｂｐｓ／Ｈｚの高い新しい変調技術がある。しかし、残念ながら、周波数が高くなると、伝搬経路損失の増加、（例えば建物妨害物、樹木、及びその他の障害物に起因する）高いシャドウイング経路損失、並びに、酸素及び水による高い吸収によって悪影響を受ける。加えて、新しい変調技術では、高いｂｐｓ／Ｈｚを得るために、高い信号対雑音比（ＳＮＲ）が必要になる。こうした障害の結果として、ネットワークのアクセス部分、すなわちモバイル装置とセルラー基地局の間の接続におけるｍｍＷａｖｅリンクは見通し内（ＬＯＳ）リンクを使用する必要があり、このリンクでは、高利得の指向性の高いアンテナが、集束したビームをモバイルユーザに直接提供する。このＬＯＳ接続を使用して、ｍｍＷａｖｅ周波数での経路損失及び信号劣化の増加が補償される。ＬＯＳリンクは更に、リンクのＳＮＲを向上させて、高いｂｐｓ／Ｈｚを得る。
【００１３】
しかし、密集した都市環境では、セルラー屋上サイトが位置する屋上アクセスポイントと路上のモバイルユーザの間の経路が別の建物又は他の障害物によって遮断されて、屋上アンテナとモバイルユーザの間に直線的な見通しが存在しなくなることがある。こうした条件下では、ｍｍＷａｖｅリンクのデータ転送速度は著しく低下する。したがってセルラーアクセス基地局とモバイルユーザの間のリンクを、ＬＯＳのようなリンクが確立される様式で強化する必要性が存在する。
【発明の概要】
【００１４】
本発明の一実施形態によれば、中継装置が、金属製の位相シフト要素が交互に置かれた周期配列を備え、配列は、少なくとも１つの軸において周期的であり、誘電体基材の第１の表面上に形成されており、誘電体基材の反対側の表面が、その上に形成された接地面を有し、それぞれの位相シフト要素は、マイクロ波周波数範囲において、０°〜３６０°（２π）の位相シフトを提供する。
【００１５】
別の態様では、第１の位相シフト要素が第１の２次元幾何学構造を含み、第２の位相シフト要素が第２の２次元幾何学構造を含み、第１及び第２の２次元幾何学構造は、それぞれ同様の形状を有し、第１の２次元幾何学構造は、第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する。
【００１６】
更に別の態様では、周期配列は、少なくとも１つの軸において繰り返す３つの位相シフト要素の配列を備え、３つの位相シフト要素は、第１の２次元幾何学構造を有する第１の位相シフト要素と、第２の２次元幾何学構造を有する第２の位相シフト要素と、第３の２次元幾何学構造を有する第３の位相シフト要素とを含み、第１、第２、及び第３の２次元幾何学構造は、それぞれ同様の形状を有し、第１の２次元幾何学構造は、第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有し、第３の２次元幾何学構造は、第１の２次元幾何学構造及び第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する。
【００１７】
更に別の態様では、周期配列は、少なくともＰ個の位相シフト要素を備え、それぞれの位相シフト要素は、類似の形状及び異なるサイズを有し、繰り返しのパターンで提供され、Ｐは２より大きい整数である。
【００１８】
本発明の別の実施形態によれば、マイクロ波ネットワークは、上述の中継装置を１つ以上含む。
【００１９】
本発明の更に別の実施形態によれば、ビーム又はマイクロ波放射の方向を変更するための受動中継装置を形成する方法が、中継装置の複数の動作パラメータの値を選択することを含み、動作パラメータは、中継装置の動作周波数、入力角度（θｉ，фｉ）、出力角度（θｏ，фｏ）、及び中継装置のサイズＮ＊ｄｘ×Ｍ＊ｄｙを含む。ｄｘ及びｄｙの寸法を有する位相シフト要素が提供され、ここでｄｘ及びｄｙは、動作周波数の波長の半分以下であり、位相シフト要素は更に、位相シフト要素の幾何学的パラメータが変化したときに０〜２π以上の間で変動する反射位相シフトを提供する。配列が形成され、Ｎ×Ｍ個の位相シフト要素の配列が基材上に配置され中継装置を形成し、ここで、配列内の所定の位置でそれぞれの位相シフト要素によって提供される位相シフトは、配列がマイクロ波放射のビームを入力角度（θｉ，фｉ）から出力角度（θｏ，фｏ）に再配向するように選択される。
【００２０】
本発明の上記の概要は、本発明の例示的実施形態の各々又はあらゆる実施態様を記載しようと意図するものではない。以下の図面及び発明を実施するための形態は、これらの実施形態をより具体的に例示する。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
本発明は添付図面を参照して更に説明される。
【図１Ａ】本発明の実施形態による装置の斜視図である。
【図１Ｂ】本発明の一実施形態による例示的な位相シフト要素の拡大図である。
【図１Ｃ】本発明の実施形態による中継装置の概略側面図である。
【図１Ｄ】本発明の一実施形態による別の例示的な位相シフト要素の拡大図である。
【図２Ａ】各位相シフト要素を点によって表した、（ｘ，ｙ）平面における位相シフト要素の基本表現の図である。
【図２Ｂ】入射面にある再配向されたビームの簡略図である。
【図３Ａ】例示的な２次元位相シフト構造の反射位相応答を示すグラフである。
【図３Ｂ】代替的な２次元位相シフト構造の反射位相応答を示すグラフである。
【図４Ａ】７３度の入射角に対する、例示的な２元配列の反射パターンを示すグラフである。
【図４Ｂ】条件βｏ＝πについての、例示的な２元配列の様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示すグラフである。
【図５】本発明の別の実施形態による中継装置の概略図である。
【図６】１８度の入射角に対する例示的な２元配列の反射パターンを示すグラフである。
【図７】配列要素がｘ軸とｙ軸の両方で周期性を有し、β＿０１＝π／３かつβ＿１０＝π／２の場合の、２次元受動中継器配列の位相格子の一例を示す図である。
【図８】２π／３の漸増位相シフトを有する第１のタイプの３元配列の様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示すグラフである。
【図９】２π／３の漸増位相シフトを有する代替タイプの３元配列の様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示すグラフである。
【図１０Ａ】モバイルユーザ、スモールセル、及び中継装置を含み、スモールセルを屋上のアンテナ／セルサイトに接続する無線バックホールネットワークの概略図である。
【図１０Ｂ】複数の二次ビームの使用を示す、スモールセルを含まない無線バックホールネットワークの一部の概略図である。
【図１１】例示的な入射ビーム及び中継装置によって再配向された幾つかの異なる角度のビームの概略図である。
【図１２Ａ】本発明の別の実施形態による伸縮性中継装置の概略側面図である。
【図１２Ｂ】本発明の別の実施形態による伸縮性中継装置の概略側面図である。
【図１３】本発明の別の実施形態による隠蔽層を有する中継装置の概略側面図である。
【００２２】
本発明は様々な変更及び代替形態が可能であるが、本発明の詳細を、例として図面で示すとともに詳細に説明する。しかしながら、その意図は、記載された特定の実施形態に本発明を限定することにはないことを理解するべきである。むしろ逆に、添付の「特許請求の範囲」において記載される発明の範囲を逸脱することなく、あらゆる変更、均等物、及び代替物が含まれることを意図している。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下の発明を実施するための形態では、本明細書の一部を構成する添付の図面を参照し、本発明を実施することができる特定の実施形態を例として示す。その際、「上」、「下」、「前」、「後」、「前縁」、「前方」、「後縁」などの方向に関する用語は、説明する図面の方向を基準として用いられている。本発明の各実施形態の構成要素は多数の様々な方向で位置決めされ得るため、方向に関する用語は、説明の目的で用いられており、限定するものではない。他の実施形態を利用することもでき、また、構造的又は論理的な変更が、本発明の範囲から逸脱することなくなされ得ることを理解されたい。
【００２４】
本明細書に記載の一実施形態は、スモールセルをシングルホップ又はマルチホップでマクロサイトに接続することのできる受動中継装置又は装置ネットワークに向けられている。加えて、入射ビームの方向を変化させる受動デバイスを開発する方法が開示される。更に、本記載は、新しいセルラーネットワーク計画技法の配備及び配備アーキテクチャを定め、具体的には、基地局アクセスポイントとモバイルユーザの間にＬＯＳが存在しない（ＮＬＯＳ：見通し外）状況において、受動中継装置がネットワーク内に賢明に設置され、カバレッジ及び容量を提供する。
【００２５】
図１Ａ〜１Ｃは、本発明の第１の実施形態である中継装置１００を示す。中継装置１００は、位相シフト要素１２１及び１２２が交互に置かれた周期配列を備え、配列は、ｘ軸などの少なくとも１つの軸において周期的である。この実施形態では、中継装置１００は、位相シフト要素が交互に置かれた２次元配列を備え、位相シフト要素は、配列の各行に沿ってｘ軸方向に交互に置かれている。これらの２つの位相シフト要素は、第１の要素によって放射される電界の反射位相が、第２の位相シフト要素によって放射される電界の位相とは位相を異にするように（例えば、この場合は、１８０度又はπラジアンの位相シフト）選択することができる。
【００２６】
中継装置１００の一実施形態はマイクロ波通信で利用されるように設計されているが、中継装置の周波数範囲は、大気中で電磁放射が発生することのできる、どのような周波数であってもよい。したがって、この中継装置の様々な実施形態は、無線波（その一部がマイクロ波である）を含む周波数で動作するように設計することができるが、可視光周波数及びいくつかの赤外線周波数もまた含む。
【００２７】
この場合、各位相シフト要素は、ここでは第１の２次元構造１２１及び第２の２次元構造１２２である、２次元幾何学構造を含んでおり、そのそれぞれが、ｘ次元及びｙ次元などの少なくとも２つの次元で、ほぼ同様の特徴を有する。位相シフト要素は、誘電体基材１３０の第１の表面１３１上に配置された金属から形成される。誘電体基材１３０は、可撓性フィルム又は剛性基材から形成することができる。更に、第１及び第２の２次元幾何学構造はそれぞれ、同じ又は少なくともほぼ同様の形状（この実施形態では、円環の中央に形成されたプラス記号）を有するが、サイズが異なる。図１Ａに示すように、第１の２次元幾何学構造１２１は、第２の２次元幾何学構造１２２とは異なる（より小さい）サイズを有する。この一対の構造は、中継装置１００のサイズに応じて、ｘ軸に沿って、ある回数（Ｎ）だけ繰り返す。小さい方の位相シフト要素１２１は、基準位相、すなわち０°を提供し、大きい方の位相シフト要素１２２は、１８０°の位相シフトを提供する。
【００２８】
この例では、２次元幾何学構造１２１、１２２のそれぞれは、半径ｒを有する円環１２２ａの中央領域に配置された、構造１２２ｂなどの「十字」形又は「プラス記号」形の構造を含む（図１Ｂに、２次元構造１２２の詳細を示す）。本明細書で更に説明されるように、円環部分１２２ａの半径ｒは、位相シフト要素によって変化させられる反射位相を調節するために使用するパラメータである。
【００２９】
当然ながら、代替的な実施形態では、図１Ｄに示される三角形状１２６などの他の２次元形状を使用することができる。この代替例では、三角形の辺はそれぞれ、同一の長さｌを有する。長さｌは、前述のように、要素によって反射された電界の位相シフトの変化を引き起こすように変更される。周期配列は、基準位相、すなわち０°を提供するための小さな位相シフト要素及び、１８０°の位相シフトを提供するための大きな位相シフト要素から作製することができる。
【００３０】
図１Ｃに示すように、金属製の位相シフト要素が誘電体（絶縁性）基材１３０の第１の表面１３１上に形成される。誘電体基材１３０の反対側の表面１３２は、その上に形成された接地面１４０を有する。接地面１４０は、好適な金属から形成することができる。誘電体層１３０は、０．２５ｍｍ〜１．２５ｍｍの厚さを有することができる。接地面１４０並びに位相シフト要素１２１及び１２２は、５マイクロメートル〜３５マイクロメートルの厚さを有することができる。本説明を考慮すれば当業者には理解されるように、位相シフト要素は、従来のフォトリソグラフィ、化学エッチング、及び／又は積層プロセスを使用して、基材上に形成することができる。
【００３１】
一例示的実現では、ソースアンテナが中継装置から大きく離れて、おそらく約５０ｍ〜約１５０ｍの距離に位置する（すなわち、中継装置が送信アンテナの遠方界内にある）状況で、中継装置１００を使用することができる。加えて、本明細書に記載の中継装置は、ソースアンテナが高い利得を有する状況、すなわち、ソースアンテナがナロービーム（ビーム幅２°未満）を放射する状況で使用することができる。これらの前提により、中継装置に入射する波は平面波と考えることができ、平面波とは、定位相の表面が通常のデカルト３次元空間の平面である波である。そうであるから、中継装置１００は、マイクロ波信号のほぼ非鏡面の反射を提供する受動平面波中継装置として動作することができる。
【００３２】
加えて、一実施形態によれば、繰り返される装置１００は受動装置として使用されるように設計され、動作中に電力を使用する必要はない。ただし、代替的な実施形態では、特性の調節が可能な位相シフト要素を作製するために、中継装置は整調可能な誘電材料を含むことができる。この代替的な態様では、バッテリ又は他の電源を中継装置に結合することもでき、それにより、電力（例えば、バッテリ電圧）の変化を使用して、中継装置の応答を変更することもできる。
【００３３】
別の代替的な態様では、装置を窓の上に置くこともできるように、可視光に対してほぼ透明な材料で中継装置を形成することができる。位相シフト要素及び接地場所は、細い金属メッシュ導体又はインジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの透明な導電酸化物などの好適な透明導電体から形成することもできる。位相シフト要素と接地面の間の誘電材料は、ＰＥＴ、ポリカーボネート、又はポリメチルメタクリレートのような透明な誘電材料から作製することができ、透明構造の全体を、例えば光学的に透明な接着剤で窓に接着することができる。
【００３４】
別の代替的な態様では、中継装置は、ゴム系材料などの伸縮性誘電体基材上に形成することができる。伸縮性とは、材料を、その長さ及び／又は幅を、例えば３０％、１０％、５％、又は１％だけ変化させるように伸張させることが可能であることを示す。例えば、図１２Ａは、誘電体（絶縁性）基材６３０の第１の表面６３１上に形成された金属製の位相シフト要素６２０を有する中継装置６００を示す。この態様では、誘電体基材６３０は、ＰＥＴ材料などの材料から形成されたより剛性のある基材層６３５に接着層６３４を介して貼付された伸縮性誘電材料６３３を含む多層構造を備える。使用中、伸縮性誘電体は、反射ビームの出力角度を変更するように調節することができる。このようにして、伸縮性誘電材料６３３上に貼付された金属材料から位相シフト要素を形成することができる。伸縮性の層６３３は、より剛性のある基材層６３５に貼付する前に、所望の長さ及び／又は幅まで延伸することができる。接地面６４０を、第２の接着剤層６３６を介して基材６３０の反対側の表面に接着することができる。接地面６４０は、好適な金属から形成することができる。誘電体層６３０は、０．２５ｍｍ〜１．２５ｍｍの厚さを有することができる。接地面６４０及び位相シフト要素６２０は、５マイクロメートル〜３５マイクロメートルの厚さを有することができる。
【００３５】
図１２Ｂに示すような更なる代替的な態様では、位相シフト要素６２０を有する中継装置６００’を、ゴム系材料などの伸縮性誘電体基材６３３上に、二次的な、より剛性のある基材層を必要とすることなく形成することができる。接地面６４０’を、例えば、接着剤又は積層によって、伸縮性基材６３３の反対側の表面上に形成することができる。この代替的な態様では、位相シフト要素と接地層の両方を、伸縮性のある導電性の布又は織物材料から形成することができる。例示的な伸縮性布材料には、銀コーティング織物（例えば、デンマークのＳｔａｔｅｘ社から入手可能なＭｅｄＴｅｘ  １３０）が含まれる。中継装置６００’は、建物の壁、柱、又は他の好適な構造などの取付構造に取り付けることのできる外部フレーム上に置くことができる。
【００３６】
任意選択として、更なる代替的態様では、本明細書に記載の中継装置は、装置を見たときの審美性や外観を向上させるために、隠蔽層を更に含むことができる。例えば、図１３は、上述の中継装置１００などの中継装置の外側表面上に配置された隠蔽層７３５を有する中継装置７００を示す。隠蔽層は、散逸性が低く、誘電定数の低い非導電性材料を含むことができる。隠蔽層７３５は、ＰＥＴ積層体又は他のポリエステルフィルム（３Ｍ  Ｃｏｍｐａｎｙから入手可能な、３Ｍ  １０８０  Ｗｒａｐ  Ｆｉｌｍ又は３Ｍ  Ｃｏｎｃｅａｌ  Ｆｉｌｍ）などの材料を含むことができる。隠蔽層は、入射及び反射マイクロ波ビームの強度を実質的に低下させることなく、中継装置がより良好に周囲になじむようにすることができる。
【００３７】
基本的な動作では、中継装置１００は、入射波によって照射される。この波は、位相シフト要素上に電流を誘導する。各位相シフト要素は、設計された位相シフトを伴う二次波を再放射する。位相シフト要素のそれぞれから発する二次波は干渉して、所定の方向に建設的干渉を創り出す波面位相操作の特性に基づき、その中継器に設計された方向を指す一次ビームを作成する。
【００３８】
この設計により、マイクロ波ネットワーク内で中継装置１００を利用することができ、通信のためのアクセス及びバックホール用途に向けてマイクロ波信号の非鏡面反射を提供することができる。例えば、中継装置１００は、鏡面反射角とは異なる角度でマイクロ波放射を反射する装置を提供することができる（換言すれば、中継装置が非鏡面反射体である）。更に、中継装置１００は、スモールセルバックホールの設置中又は構築中に、反射ビームの方向を所望の角度に調整する能力を有することが望ましい用途に利用することができる。加えて、中継装置１００は、顧客によって与えられる再配向角度が得られるように、製造後に中継装置をカスタマイズする能力を有することが望ましい用途にも利用することができる。本明細書で説明するように、中継装置１００は、どのような数の特定の用途のためにもマイクロ波通信を可能にするように設計することができる。
【００３９】
例えば上述したように無線産業では、スモールセルは、将来の５Ｇネットワークの重要な成功要因技術と考えられている。マクロセルのカバレッジを補うためにスモールセルが使用され、毎秒１ギガビットを超えるデータ転送速度の無線容量が可能になる。バックホール方法として光ファイバアクセスが許容されているが、スモールセルのかなりの部分で、スモールセルバックホールアンテナとマクロサイト基地局アクセスノードの間の無線ＬＯＳ（見通し内）接続が必要になる。多くの他の事例では、スモールセルバックホールアンテナとアクセスノードの間の見通し間に障害物が存在する。本明細書で提供される中継装置ソリューションでは、スモールセルとアクセスノードの間に見通しが存在しないときに、マイクロ波バックホールを可能にすることができる。
【００４０】
従来の金属製ミラーもまた、見通しが遮られるときに使用される。こうした金属製ミラーの中継装置はナロービームを再配向して、スモールセルに無線バックホールを確立することができる。マイクロ波のリレー／中継器として使用されるこれらの金属製ミラーの欠点は、入射角が反射角と等しいことである。したがって、従来のマイクロ波受動中継器は、入射角が反射角と異なる必要がある状況にはあまり適していない。
【００４１】
再び図１Ｂを参照すると、一例では、２次元構造１２２は、ｄｘ＝２．５ｍｍ及びｄｙ＝２．５ｍｍ、すなわち６０ＧＨｚの動作周波数における半波長の寸法を有する正方形を含むことができる。約１００μｍの幅を有する金属製トレースが、誘電体基材１３０の最上層１３１上に印刷されている。金属製トレースは、約５マイクロメートル〜約３５マイクロメートルの厚さを有することができる。誘電体基材は、Ｒｏｇｅｒｓ  Ｃｏｒｐｏｒａｔｉｏｎから市販されている、ＲＯ３００３又はＲＯ５３５０などの、誘電定数が約３である材料を含むことができる。底部（反対側）層１４０は、中実の金属製接地面を備える。位相シフトの変化は、円環１２２ａの内径であるサイズパラメータｒを変化させることによって達成される。この例では、円環１２２ａと十字１２２ｂの間の距離は、約５０μｍ〜約１２５μｍである。
【００４２】
図３Ａは、例示的な２次元構造１２２の反射位相応答を示し、図３Ｂは、代替的な２次元構造１２６の反射位相応答を示す。中継装置１００の設計における１つの観点は、位相シフト要素のサイズ特性が変化すると、位相シフト要素の反射位相応答が０から最小の２πまで変化することである。この要件が満たされるとき、所定の動作周波数についてビーム入射を第１の入射角から再配向して、所定の第２の反射角度で出射する受動中継器を組み立てることができる。留意すべきもう１つの特性は、位相応答が周波数で変化し、その結果、入力周波数が所定の動作周波数と異なるときに、再配向された反射角がいくらかドリフトすることである。また、損失正接が０．００３であるＲ０３００３などの低損失誘電体基材を使用する場合は、誘電損失は無視できることにも留意されたい。
【００４３】
図１Ａに示すように、中継装置１００は、（ｘ，ｙ）平面内の位相シフト要素１２１、１２２の２次元配列として表すことができる。図２Ａは、各位相シフト要素を点によって表すことのできる、更に基礎的な表現を示す。この座標系の原点は、１として示された第１の位相シフト要素である。この配列は、Ｎ本の行とＭ本の列を有し、合計でＮ×Ｍ個の位相シフト要素を有する。位相シフト要素は、ｘ方向に長さの単位でｄｘ、ｙ方向に長さの単位でｄｙだけ互いに離れている。指数ｎｍを有する位相シフト要素は、座標（ｎ．ｄｘ，ｍ．ｄｙ）を有する。この空間における入射の方向又は角度は、図２Ａに示すとおりに定められる一対の角度（θ，φ）である。
【００４４】
以下の説明において、記号λは、中継装置に入射する波の波長を表す。波長は、光の速度を中継装置の波入射の周波数で除算したものにより得られることが知られている。方向（θ，ф）に沿って伝搬する平面波は、波ベクトルｋと、波の電界を記述するベクトルＥ０とによって特徴付けることができ、ｋは、次の式によって与えられる。
【数１】
2020509687.tif 000003
ここで、ｘ、ｙ、及びｚは、デカルト座標の軸ベクトルである。次いで、位置ｒにおける、この波の電界は、次の式によって得られる。
【数２】
2020509687.tif 000004
ここで、ｊは複素数の虚数である。
【００４５】
中継装置に入射する平面波の入射の方向又は角度は（θｉ，фｉ）によって示され、反射波の方向は（θｏ，фｏ）である。中継装置に入射する電界は、Ｅｉｎｃとして得られ、座標（ｎ．ｄｘ，ｍ．ｄｙ）の位置ｒｎｍにある位相シフト要素ｎｍに入射する電界は、次の式によって与えられる。
【数３】
2020509687.tif 000005
この入射電界は位相シフト要素によって反射され、この反射の際、位相シフト要素は、位相シフトβｎｍの変化と振幅の変化の両方を電界に加える。位相シフト要素がその上に形成される誘電体材料は損失が低いので、この要素は、電界の反射振幅の変化を無視できるように設計することができる。したがって、座標（ｎ．ｄｘ，ｍ．ｄｙ）の位置ｒｎｍにある位相シフト要素によって反射された電界Ｅｒｅｆは、位相シフト項βｎｍを含むようにＥＱ．３を修正することによって得られる。
【数４】
2020509687.tif 000006
【００４６】
ＥＱ．４は、反射直後の中継装置の表面上の電界を定める。この分析のための簡略化として、位相シフト要素が位置する点を除いて、中継装置表面の全ての他の点では電界が０であるとする。
【００４７】
中継装置から遠く離れたところで方向（θｏ，фｏ）に波ベクトルｋを有する電界を決定することができる。フェーズドアレイ理論では、方向（θｏ，Δｏ）に放射される電界は、位相シフト要素の位置の差を考慮するために適用された位相項を有する、位相シフト要素からの電界の合計であることが知られている。
【００４８】
方向（θｏ，фｏ）に沿った電界はＥ（θｏ，фｏ）として示され、次の式によって与えられる。
【数５】
2020509687.tif 000007
ＥＱ．１とＥＱ．４をＥＱ．５に代入すると、次のようになる。
【数６】
2020509687.tif 000008
方向（θｏ，фｏ）の電界を最大化する条件は、ＥＱ．６における指数の引数が０又は２πの整数倍であることである。したがって、（ｎ．ｄｘ，ｍ．ｄｙ）にある位相シフト要素ｎｍにおいて必要な位相は、次の式のとおりである。
【数７】
2020509687.tif 000009
【００４９】
位相シフトβｎｍが与えられれば、それに見合う円環半径を、図３の反射位相シフト曲線を使用することによって決定することができる。したがって、入射平面波の方向を方向（θｉ，фｉ）から方向（θｏ，фｏ）へ変化させる中継装置の配列を組み立てることができる。最後に、二次ローブを最小化するために、ｄｘとｄｙはどちらも、対象となる周波数での波長の半分未満であることができる。
【００５０】
図１Ａを再び参照すると、ｘ方向に沿って２ステップごとに同じ要素が繰り返されており、すなわち、配列はｘ方向に沿って周期２で周期的である。図１Ａを再び参照すると、ｙ方向に沿って同じ要素が繰り返されており、すなわち、配列はｙ方向に沿って周期１で周期的である。本発明者らは、この配列を、（２，１）周期配列、又は次数（２，１）の周期配列と呼び、ここで第１の数「２」はｘ方向に沿った配列の周期性であり、第２の数「１」は第２のｙ方向に沿った周期性である。
【００５１】
次数（ｐ，ｑ）の周期配列は、位相シフト要素の平面的な配列であり、ｐはｘ方向に沿う周期性、ｑはｙ方向に沿った周期性であり、ｐとｑは自然数（正の整数）である。Ｘ方向に沿った位相漸増分、又は位相変化、又は位相ステップは２π／ｐであり、ｙ方向に沿った位相漸増分、又は位相変化、又は位相ステップは２π／ｑである。
【００５２】
更なる説明として、これらの例について、また単純化のために、再配向されたビームが図２Ｂに示すように入射面にある事例に限定することができ、よって、一般化された２次元の事例に限定することができる。この例での入射面２５０は、中継器装置２６０（本明細書では、「受動中継器」、「反射器」、「周期的反射器」、「マイクロ波中継器」、「中継器配列」、及び「周期配列」という用語は、「中継器装置」と互換的に使用される）への入射波ベクトル２５２及び法線２５３から形成される平面である。反射ビーム２５４が入射面内にあるとき、入射及び再配向の方向は、（θｏ，фｏ）＝（θｏ，１８０）及び（θｉ，фｉ）＝（θｉ，０）として与えられる。この場合、配列の要素はｘ方向にわたって変化し、ｙ方向に沿っては同一のままである。図１Ａの中継装置は次数（２，１）の周期配列であり、第１の位相シフト要素から第２の隣接する位相シフト要素へのｘ方向に沿った位相漸増分、又は位相変化、又は位相ステップは、β０＝２π／２＝πラジアンであり、ｙ方向に沿っては、位相シフトは２π又は０ラジアンである。（ｐ，１）の配列では、１つの要素から次の要素へのｘ方向に沿った位相変化は、β０＝２π／ｐであり、ＥＱ．７から次のようになる。
【数８】
2020509687.tif 000010
ここで、ｄｘ＝ｄｙ＝ｄである。
【００５３】
ＥＱ．８でβ０を２π／ｐで置換すると、次のとおりになる。
【数９】
2020509687.tif 000011
【００５４】
（２，１）の周期配列（図１Ａに示すものなど）はβ０＝πを有し、配列は、２つの要素ごとに繰り返す（図１Ａに示される配列を、本明細書では２元周期配列とも称する）。
【００５５】
別の実施形態では、図５は３元配列を示し、ここではβ０＝２π／３で、配列は、ｘ方向に沿って３要素ごとに繰り返される。４次配列ではβ０＝π／４であり、ｘ方向に沿って４要素ごとに配列が繰り返される。β０＝２π／５の場合は、配列は５要素ごとに繰り返される。
【００５６】
Ｅｑ．８を再び参照すると、動作周波数の波長と共にβ０動作周波数の波長と共にβ０及びｄが選択されれば、ＥＱ．８を満たす入力角度と出力角度のペアが多数存在する。したがって、入力角度と出力角度の多くのペアに単一の受動中継器を使用することができる。
【００５７】
再び図１Ａを参照すると、中継装置１００は、交互に置かれた２つの位相シフト要素の２元配列を備える。これらの２つの位相シフト要素は、第１の要素によって放射される電界の反射位相が、第２の位相シフト要素によって放射される電界の位相と位相を異にするように（πラジアンの位相シフト）選択される。この２元中継装置では、位相シフト要素間の所定の距離ｄについて、２元中継装置が合成する入力角度と出力角度の族が存在する。再びＥＱ８．１を参照すると、この２元配列について、入力角度θｉと出力角度θｏは、以下の式を満たす。
【数１０】
2020509687.tif 000012
【００５８】
この特徴が図４Ｂに示されており、この図は、ある２元配列について、様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示す。例えば、要素間隔ｄが２．５ｍｍに等しく、中継器デバイス配列への入力角又は入射角が４０°である場合には、反射角又は出力角度は、２．５ｍｍの曲線上で２１°として見つかる。
【００５９】
図５は、本発明の別の実施形態である、中継装置３００を示す。中継装置３００は、位相シフト要素の周期配列を備え、ｘ軸などの少なくとも１つの軸内で周期的である。この実施形態では、中継装置３００は、３つの異なる位相シフト要素３２１、３２２、３２３の３元配列を備え、３つの位相シフト要素が配列の各行に沿ってｘ軸方向に繰り返される。個々の位相シフト要素はそれぞれが２次元構造を備え、そのそれぞれが、ｘ次元及びｙ次元などの少なくとも２つの次元で実質的な特徴を有する。位相シフト要素は、図１Ｃに示す構造と同様の誘電体基材３３０の第１の表面上に配置された金属から形成され、接地面が基材３３０を裏打ちする。更に、３つの異なる２次元幾何学構造はそれぞれ、同じ又は少なくともほぼ同様の形状（この実施形態では、円環の中央に形成されたプラス記号）を有するが、サイズが異なる。図５に示すように、第１の２次元幾何学構造３２１は第２の２次元幾何学構造３２２とは異なる（より小さい）サイズを有し、第２の２次元幾何学構造３２２は第３の２次元幾何学構造３２３とは異なる（より大きい）サイズを有し、第３の２次元幾何学構造３２３は、それ自体が第１の２次元幾何学構造３２１よりも大きい。この例示的な３元配列構造では、動作周波数は６０ＧＨｚであることができ、位相シフト要素３２１、３２２、３２３が、０．３１５ｍｍ、０．６８５ｍｍ、及び０．６４５ｍｍのそれぞれの円環半径を有する。
【００６０】
一実施形態では、これらの３つの位相シフト要素は、第１の要素が０の反射位相シフトを提供し、第２の要素が２π／３の位相シフト（すなわち、βｏ＝２π／３）をもたらし、第３の要素が４π／３をもたらすように選択される。３元中継装置の別の実施形態では、第１の要素は、０の公称位相シフトを提供することができ、第２の要素は、４π／３の位相シフト（すなわち、βｏ＝２π／３）をもたらし、第３の要素は、２π／３の位相シフトをもたらす。３元中継装置において、上述の２元中継装置と同じく、位相シフト要素間の所定の距離ｄについて、３元中継装置が合成する入力角度と出力角度の族が存在する。上記の代替的な３元中継器について、この属性を図８及び図９に示す。
【００６１】
例えば、図８は、２π／３の漸増位相シフトを有する第１のタイプの３元配列について、様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示す。この例では、入力角度が５０度で、要素間の距離がｄ＝１．５ｍｍであれば、この３元配列の出力角度は２０度となる。別の例では、図９は、４π／３の漸増位相シフトを有する、代替的なタイプの３元配列について、様々な要素間隔に対する角度の軌跡を示す。この代替例では、入力角度が７０度で、要素間距離がｄ＝２．３ｍｍであれば、出力角度は３０度となる。
【００６２】
より高次の配列を使用する１つの利点は、中継装置の次数が増加するにつれて、出力角度が周波数の変化と共に変動しにくくなることである。周波数ｆの平面波（波長λ＝ｃ／ｆ、ここで、ｃは光の速度）と入射角θｉの平面波から出力角度θｏを生成するように設計された、ｐ次の受動配列を検討する。ＥＱ．８．１は、中継装置のパラメータ間の関係を与える。ＥＱ．８．１の導関数をとると、その結果、次式によって、出力角度Δθｏの変化は周波数の変化率（Δｆ／ｆ）に関連する。
【数１１】
2020509687.tif 000013
ＥＱ．１０は、中継器の次数が高いほど、周波数の変化率に対する出力角度の変動が小さくなることを示す。
【００６３】
図１１は、本明細書で使用される角度の慣例を示す概略断面図である。中継装置５００の平面に対する法線５０２を使用して、基準角度、すなわち角度０が定められる。基準角度の左への角度は負の角度であり、基準角度の右への角度は正の角度である。図１１は、角度θｉで配列平面５００に入射するビームを示す。中継装置は、それぞれの角度θｏ１及びθｏ２を有する２つの出力ビーム５９２及び５９３を作成し、角度の慣例によれば、θｏ１は負の角度であり、θｏ２は正の角度である。
【００６４】
図４Ａは、例示的な２元配列の反射パターンのシミュレーションを示すグラフである。このシミュレーションでは、ｄｘ＝ｄｙ＝２．５ｍｍで、６０ＧＨｚの平面波が４０度の角度で２元配列に入射する。再配向されたビームは、図４Ａのピークのうちの１つにおいて、−２１度の出力角度で発生する。鏡面反射成分、すなわち図４Ａの他方のピークは、期待されるとおりに、４０度の出力角度で発生する。−２１度での再配向成分が鏡面成分と少なくとも同じ強度であることに留意されたい。その結果、この中継装置は、少なくとも５０％の再配向効率を有する。再配向中継装置の効率は、非鏡面性の所望の方向に再配向されたエネルギーの割合であり、ｄｘ及びｄｙを２．５ｍｍより小さくすることによって更に改善することができる。
【００６５】
図６は、位相ステップが２π／３度すなわち１２０度であるタイプの例示的な３元配列の反射パターンのシミュレーションを示す。このシミュレーションでは、ｄｘ＝ｄｙ＝２．５ｍｍで、６０ＧＨｚの平面波が３０度の角度で３元配列に入射する。所望の再配向されたビームが、図６のピークのうちの１つにおいて、−１０度の出力角度で発生する。この３元配列はまた、−５４度の角度でも信号をもたらす。この第２の信号は、二次フロケモードと呼ばれる。フロケモードは、周期的な電磁構造から出現する平面波である。配列設計の分野では、ｄｘ及びｄｙを２．５ｍｍ未満、すなわち設計周波数での半分の波長にすることによって、フロケモードを最小化できることが知られている。鏡面反射成分は著しく抑制されており、所望の信号よりも１０ｄＢより小さい。その結果、この３元マイクロ波配列中継器の有する再配向効率は、主にフロケモードによって劣化する。再配向中継器の効率は、非鏡面性の所望の方向に再配向されるエネルギーの割合であり、フロケモードを最小化することによって更に改善することができる。これはｄｘ及びｄｙを２．５ｍｍ未満となるように選択することによって達成されることが、当技術分野において知られている。
【００６６】
上述の２元及び３元の配列の実施形態では、位相シフト要素の配列は、単一の次元に沿って（例えば、ｘ軸に沿って）交互に置かれる。本発明の別の実施形態では、受動配列は、２つの次元において交互に置かれることができる。一般化された２次元中継装置配列を、前述したものと同じ手法に従って設計することができる。配列は、ｘ軸に沿って漸増位相シフトβ１０を有し、更に、ｙ軸に沿って漸増位相シフトβ０１を有する。更に、ｘ軸及びｙ軸に沿ったそれぞれの周期性は、２π／β１０及び２π／β０１である。
【００６７】
ＥＱ．７を再び参照すると、以下が明らかである。
【数１２】
2020509687.tif 000014
方向（θｉ，фｉ）の入射電界からの、方向（θｏ，фｏ）の出射電界を最大化するための条件は、位置ｎｍの要素において、必要とされる位相シフトが次の式で与えられることである。
【数１３】
2020509687.tif 000015
【００６８】
β０１及びβ１０、ｄｘ、ｄｙ、並びにλが選択されれば、ＥＱ．９を満たす入力角度（θｉ，фｉ）と出力角度（θｏ，фｏ）のペアが多数存在する。したがって、入力角度と出力角度のペアとして使用するように、図４Ｂの複数の曲線と同様の複数の表面を、単一の受動中継器配列から得ることができる。
【００６９】
一例として、２次元受動中継器配列について、β１０＝π／２かつβ０１＝π／３の場合を考える。この２次元配列について、配列の位相格子、すなわち各位相シフト要素における位相シフトの２次元分布を図７に示す。この配列は、図７に示すように、ｘ軸に沿って周期性４を有し、ｙ軸に沿って周期性６を有する。この例は、（４，６）の周期配列である。位相シフトが知られれば、上述したように、位相シフト曲線から配列要素を組み立てることができる。
【００７０】
上述の中継装置は、通信ネットワーク内で利用することができる。例えば、図１０Ａは典型的な都市環境に配備された例示的なネットワーク４０１を示し、屋上アンテナ４７０が、建物４８０ａ上に位置する屋上セルサイト（又は基地局）として配備されている。加えて、複数のスモールセル４７５ａ〜４７５ｃがこの街区に配備されて、複数のモバイルユーザ４９０に適切なカバレッジを提供している。この街区の全域にカバレッジを提供するための助けとなるように、一連の中継装置４００ａ〜４００ｄがこの街区の様々な建物に設置されている。中継装置４００ａ〜４００ｄは、上述の中継装置１００、６００、６００’、７００と同様の様式で構築することができる。加えて、上述の中継装置構造では、建物の外面に対して特定の角度で中継装置を保持及び傾斜させる追加の機械的構造を必要とせずに、中継装置を建物（例えば、建物４８０ａ、４８０ｂ、及び４８０ｄ）の外壁に平面取り付けすることが可能である。それゆえ、建物の美観を維持することができる。
【００７１】
上述のように、この中継装置は、入射角とは異なる角度でビーム反射を提供するように設計することができる。それゆえ、このことにより、狭い領域の中に中継装置及びスモールセルを配置する際に、より高い柔軟性が得られる。例えば、図１０Ａに示すように、建物４８０ｅに配置されたスモールセル４７５ａは、建物４８０ｄの側面に配置された中継装置４００ａを介して、屋上アンテナ４７０からシングルホップＮＬＯＳバックホール信号４４１を受信することができる。別の例では、建物４８０ｃに配置されたスモールセル４７５ｂ（このスモールセルは、他の方法では屋上アンテナ４７０からアクセスできない）は、異なる建物４８０ｄ、４８０ａ、及び４８０ｂの側面にそれぞれ配置された中継装置４００ｂ〜４００ｄを介して、屋上アンテナ４７０からマルチホップバックホールＮＬＯＳ信号４４３を受信することができる。このようにして、複数のモバイルユーザ４９０が、多くの異なる場所で強いネットワーク信号を受信することができる。
【００７２】
図１０Ｂに概略的に示す別の例示的なネットワーク実装では、ネットワーク４０１’は、複数の二次反射ビーム４４１ａ、４４１ｂを提供するように（上述のように）設計することのできる中継装置４００ａなどの１つ以上の中継装置を含み、それによって、狭い領域の中でネットワークカバレッジを増加させる。図１０Ｂから分かるように、このｍｍＷａｖｅネットワーク内の中継装置は、ネットワークの少なくともこの部分におけるスモールセルの必要性を完全になくすように配備することができる。
【００７３】
屋上基地局アンテナ４７０は、このアンテナが視野内の特定の方向に選択的にビームを配向することができるように、ビームフォーミング及びビームステアリングの能力を含むことができる。基地局アンテナ４７０は、動作ソフトウェア内に、視野内の中継装置の位置情報、並びにこれらの中継装置の反射特性（入力及び出力の角度並びに動作周波数）を更に含むことができる。ネットワークコミッショニングの計画及び配備段階の間、中継装置を、基地局のサービス対象の領域に包括的なカバレッジを提供するように、建物上の場所に選択的に配置することができる。
【００７４】
サービスを要求するモバイル装置は、７００ＭＨｚ〜３ＧＨｚなどの従来の低周波数のセルラー周波数を使用して基地局アンテナにサービスを要求することによって、それを行ってもよい。このサービス要求の中で、モバイル装置／ユーザは、基地局アンテナ４７０に、その基地局アンテナ４７０のサービス対象の領域内のモバイル装置の位置を通知することができる。モバイルユーザの位置情報は現在、モバイル装置に内蔵されたＧＰＳ受信機から幅広く入手可能である。モバイルユーザが帯域集約的な伝送サービスを要求している場合には、基地局アンテナは、広範な帯域が利用可能なｍｍＷａｖｅ周波数を使用してモバイルユーザにサービスを提供する選択を行うことができる。
【００７５】
モバイルユーザの位置を認知すれば、基地局アンテナは、どの中継装置がモバイルユーザの直接の視野内にあるか判断することができる。図１０Ｂの例では、基地局アンテナ４７０は、帯域集約的なサービスを要求しているモバイルユーザの直接の視野内に中継装置４００ａがあると判断する。次いで、基地局アンテナは、４００ａにｍｍＷａｖｅビームを向ける。中継器４００ａは、このビームを反射ビーム４４１ｂ及び４４１ａに分割して、モバイルユーザに高帯域サービスを提供する。本明細書に記載のこの技法により、モバイルユーザに近い路上にスモールセルを配備する必要性をなくすことができ、更なるユーザエクスペリエンスを向上させることができ、更にネットワークの配備コストを低減させることができる。
【００７６】
よって、本記載は、動作環境に応じて、１つ以上、又は一連の特別に調整された受動中継器デバイスを作成する能力を、ネットワーク設計者に提供する。具体的には、マイクロ波放射のビームの方向を変更するための受動中継装置を形成する方法は、中継装置の複数の動作パラメータの値を選択することを含む。上述のように、動作パラメータは、動作の周波数、入力角度（θｉ，фｉ）、出力角度（θｏ，фｏ）、及び中継装置のサイズＮ＊ｄｘ×ｍ＊ｄｙを含むことができる。交互に置かれた位相シフト要素の周期配列を設計することができ、ここで位相シフト要素は寸法ｄｘ及びｄｙを有することができ、ｄｘ及びｄｙは、動作周波数の波長の半分以下である。位相シフト要素は更に、位相シフト要素の幾何学的パラメータが変化したときに０〜２π以上の間で変動する反射位相シフトを提供する。中継装置は、基材上にＮ×Ｍ個の位相シフト要素の配列を置くことによって形成することができ、配列内の所定の位置にあるそれぞれの位相シフト要素によって提供される位相シフトは、配列がマイクロ波放射のビームを入力角度（θｉ，фｉ）から出力角度（θｏ，фｏ）に再配向するように選択される。
【００７７】
実施形態
様々な実施形態が提供される。
【００７８】
実施形態１Ａは、金属製の位相シフト要素が交互に置かれた周期配列を備え、配列が、少なくとも１つの軸において周期的であり、誘電体基材の第１の表面上に形成されており、誘電体基材の反対側の表面が、その上に形成された接地面を有し、それぞれの位相シフト要素が、マイクロ波周波数範囲において、０°〜３６０°の位相シフトを提供する、中継装置である。
【００７９】
実施形態２Ａは、第１の位相シフト要素が第１の２次元幾何学構造を含み、第２の位相シフト要素が第２の２次元幾何学構造を含み、第１及び第２の２次元幾何学構造が、それぞれ同様の形状を有し、第１の２次元幾何学構造が第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する、実施形態１Ａの中継装置である。
【００８０】
実施形態３Ａは、周期配列が、少なくとも１つの軸において繰り返す３つの位相シフト要素の配列を備え、３つの位相シフト要素が、第１の２次元幾何学構造を有する第１の位相シフト要素と、第２の２次元幾何学構造を有する第２の位相シフト要素と、第３の２次元幾何学構造を有する第３の位相シフト要素とを含み、第１、第２、及び第３の２次元幾何学構造が、それぞれ同様の形状を有し、第１の２次元幾何学構造が、第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有し、第３の２次元幾何学構造が、第１の２次元幾何学構造及び第２の２次元幾何学構造とは異なるサイズを有する、実施形態１Ａの中継装置である。
【００８１】
実施形態４Ａは、周期配列が、少なくともＰ個の位相シフト要素を備え、それぞれの位相シフト要素が、類似の形状及び異なるサイズを有し、繰り返しのパターンで提供され、Ｐが２より大きい整数である、実施形態１Ａの中継装置である。
【００８２】
実施形態５Ａは、接地面が金属材料を含み、位相シフト要素がそれぞれ、２次元幾何学構造を有する金属パッチを含む、実施形態１Ａ〜４Ａのいずれかの中継装置である。
【００８３】
実施形態６Ａは、第１及び第２の２次元幾何学構造が、それぞれ、中央領域に配置されたプラス形状を有する金属製円環を含む、実施形態２Ａの中継装置である。
【００８４】
実施形態７Ａは、第１及び第２の２次元幾何学的構造がそれぞれ三角形を含む、実施形態２Ａの中継装置である。
【００８５】
実施形態８Ａは、誘電体基材が伸縮性材料を含む、実施形態１Ａの中継装置である。
【００８６】
実施形態９Ａは、誘電体基材が、伸縮性材料を含む多層構造を含む、実施形態８Ａの中継装置である。
【００８７】
実施形態１０Ａは、伸縮性材料が導電性織物を含む、実施形態８Ａの中継装置である。
【００８８】
実施形態１１Ａは、位相シフト要素の配列の上に配置された隠蔽層を更に備える、実施形態１Ａの中継装置である。
【００８９】
実施形態１２Ａは、位相シフト要素及び接地面が透明導電体から形成され、誘電体基材が透明材料から形成される、実施形態１Ａの中継装置である。
【００９０】
実施形態１Ｂは、実施形態２Ａの中継装置を１つ以上含む、マイクロ波ネットワークである。
【００９１】
実施形態２Ｂは、実施形態３Ａの中継装置を１つ以上含む、マイクロ波ネットワークである。
【００９２】
実施形態３Ｂは、１つ以上の中継装置が、セルラーネットワークのアクセス部分内に配置されている、実施形態１Ｂのマイクロ波ネットワークである。
【００９３】
実施形態４Ｂは、１つ以上の中継装置が、セルラーネットワークのバックホール部分内に配置されている、実施形態１Ｂのマイクロ波ネットワークである。
【００９４】
実施形態５Ｂは、少なくとも１つ以上の中継装置が建物の外壁に平面取り付けされている、実施形態１Ｂのマイクロ波ネットワークである。
【００９５】
実施形態１Ｃは、ビーム又はマイクロ波放射の方向を変更するための中継装置を形成する方法であって、前記中継装置の複数の動作パラメータの値を選択することであって、前記動作パラメータが、動作の周波数、入力角度（θｉ，фｉ）、出力角度（θｏ，фｏ）、及びサイズＮ＊ｄｘ×ｍ＊ｄｙを含むことと、寸法ｄｘ及びｄｙを有する位相シフト要素を提供することであって、ｄｘ及びｄｙが、動作周波数の波長の半分以下であり、前記位相シフト要素が、前記位相シフト要素の幾何学的パラメータが変化したときに０〜２π以上の反射位相シフトを更に提供することと、Ｎ×Ｍ個の位相シフト要素の配列を基材上に置いて前記中継装置を形成することであって、前記配列内の所定の位置でそれぞれの前記位相シフト要素によって提供される位相シフトが、前記配列がマイクロ波放射のビームを入力角度（θｉ，фｉ）から出力角度（θｏ，фｏ）に再配向するように選択されることと、を含む方法である。
【００９６】
実施形態２Ｃは、各中継装置が金属材料を含む接地面を含み、各位相シフト要素が２次元幾何学形状を有する金属パッチを含む、実施形態１Ｃの方法である。
【００９７】
実施形態３Ｃは、２次元幾何学形状が、２次元幾何学形状が、中央領域に配置されたプラス形を有する金属製円環を含む、実施形態２Ｃの方法である。
【００９８】
実施形態４Ｃは、位相シフト要素が、第１の２次元幾何学形状と、第１の２次元幾何学形状とは異なる第２の２次元幾何学形状とを含む、実施形態３Ｃの方法である。
【００９９】
本明細書を踏まえれば、本発明が対象とする当業者には、様々な変形例、等価なプロセス、並びに本発明が適用可能であり得る多数の構造が容易に明らかとなるであろう。
【図１Ａ】
2020509687.tif 000016
【図１Ｂ】
2020509687.tif 000017
【図１Ｃ】
2020509687.tif 000018
【図１Ｄ】
2020509687.tif 000019
【図２Ａ】
2020509687.tif 000020
【図２Ｂ】
2020509687.tif 000021
【図３Ａ】
2020509687.tif 000022
【図３Ｂ】
2020509687.tif 000023
【図４Ａ】
2020509687.tif 000024
【図４Ｂ】
2020509687.tif 000025
【図５】
2020509687.tif 000026
【図６】
2020509687.tif 000027
【図７】
2020509687.tif 000028
【図８】
2020509687.tif 000029
【図９】
2020509687.tif 000030
【図１０Ａ】
2020509687.tif 000031
【図１０Ｂ】
2020509687.tif 000032
【図１１】
2020509687.tif 000033
【図１２Ａ】
2020509687.tif 000034
【図１２Ｂ】
2020509687.tif 000035
【図１３】
2020509687.tif 000036
【国際調査報告】
2020509687.tif 000037
2020509687.tif 000038