专利名称：具有伞形结构的装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及具有伞形结构的装置。这种装置不仅能够用于使电波向特定方向反射的反射器，还能够用于收发电波时的天线、或者使特定频率衰减的滤波器等。
背景技术：
在移动通信中，当电波路径上存在建筑物等障碍物时，接收电平会劣化。因此，存在以下技术在与该建筑物同等程度以上的高处设置反射板(反射器)，将反射波发送至电波难以到达的位置。在通过反射板反射电波时，电波在垂直面内的入射角比较小的情况下， 反射板难以使电波朝向期望方向(图1)。因为一般电波的入射角和反射角相等。为了应对该问题，考虑使反射板倾斜成俯看地面。这样，能够增大相对于反射板的入射角及反射角， 能够使到达波朝向期望方向。但是，从安全性的观点出发，不希望在与遮挡电波的建筑物同等程度的高处倾斜于地面侧设置反射板。从这种观点出发，期望如下的反射器即使电波的入射角较小，也能够使反射波朝向期望方向。作为这种反射器，存在周期性地排列半波长左右的元件的结构，但是这种结构非常大型。与此相对，排列多个小于半波长的元件而成的反射阵列近年来备受关注。这种反射阵列的一例是具有伞形结构的反射阵列。使用伞形结构的反射阵列通过调节等效电路中的电感L和电容C来调节谐振频率，由此控制反射相位，控制电波反射的方向。作为调节谐振频率的方法，存在以下方法等 使通孔位置从贴片中心错开的方法(关于该方法，参照非专利文献1。)、改变贴片尺寸的方法(关于该方法，参照非专利文献2。)、以及使用变容二极管来变更电压的方法(关于该方法，参照非专利文献3。)等。# ^lJ i K lF.Y￡mg and Y. Rahmat-Samii, "Polarization dependent electromagnetic band gap (PEDBG) structures :Design and applications, "Microwave Opt. Technol. Lett.，Vol. 41，No. 6，pp. 439-444，June 200非专利文献2K. Chang，J. Ahn，and Y. J. Yoon, "Artificial surface having frequency dependent reflection angle,，，ISAP 2008与巨专禾I」文■3D. Sievenpiper， J. H. Schaffner， H. J. Song, R. Y. Loo， and G. Tangonan,"Two-dimensional beam steering using an electrically tunable impedance surface,，，IEEE Trans. Antennas Propagat. , Vol. 51, No. 10, pp. 2713-2722, Oct. 2003为了实现使用多个元件使电波朝向期望方向的反射阵列，需要排列赋予预定反射相位的元件。理想的是期望对于贴片尺寸那样的任意结构参数的预定范围，反射相位在-η 弧度到+ η弧度的整个范围O η弧度=360度)内变化。但是，还存在以下问题即使使用上述的任意一个方法，所给定的频率中的反射相位的范围都不是很宽的范围。
发明内容
本发明的课题在于提供一种能够用于具有多个伞形结构的装置的结构，S卩，对于贴片尺寸那样的结构参数的规定范围，反射相位的范围较宽的结构。所公开的发明的一个方式是一种具有多个伞形结构的装置，在所述装置中，所述多个伞形结构分别具有接地板；第1贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置；以及第2贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置，该距离与至所述第1贴片的距离不同，所述第2贴片是与至少所述第1贴片电容耦合的无源元件。根据所公开的发明，能够提供一种可用于具有多个伞形结构的装置的结构，即对于贴片尺寸那样的结构参数的规定范围，反射相位的范围较宽的结构。
图1是用于说明现有问题点的图。图2A是示出能够在本实施例中使用的伞形结构的图。图2B是示出更一般的多层伞形结构的图。图2C是多层伞形结构的概念图及等效电路图。图2D是示出层数不同的伞形结构的比较例的图。图3是二维排列伞形结构时的概略俯视图。图4是用于说明图3的各个伞形结构的排列方法的图。图5是针对在χ轴方向排列的伞形结构Ml 丽，示意性示出电波从ζ轴方向到来并被反射的情况的图。图6是伞形结构的等效电路图。图7是示出作为伞形结构使用了现有结构时的贴片尺寸Wy与反射相位的关系的图。图8是示出在本实施例的第1结构中使用的伞形结构的贴片尺寸Wy与反射相位的关系的图。图9是利用了第1结构的反射阵列的部分剖视图。图10是反射阵列中的Ll层、L2层以及L3层的俯视图(H45)。图11是L2层中的A部的详细图(H45)。图12是示出贴片尺寸和反射相位的数值例的图(H45)。图13是示出与伞形结构相关的数值例的图。图14示出作为伞形结构使用了现有结构时的反射阵列、和使用了本实施例的第1 结构时的反射阵列的特性比较例的图。图15是示出与本实施例的第1结构的反射阵列相关的远方辐射场的图。图16是示出本实施例的第1结构的反射阵列的反射波等相位面的图。图17是反射阵列中的Ll层、L2层以及L3层的俯视图(H70)。图18是L2层中的A部的详细图(H70)。
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图19是示出贴片尺寸和反射相位的数值例的图(H70)。图20是示出与第1结构的伞形结构相关的数值例的图。图21是示出与第1结构的伞形结构相关的仿真结果的图。图22是示出与第1结构的伞形结构相关的仿真结果的图。图23是示出与第1结构的伞形结构相关的仿真结果的图。图M是示出可在本实施例的第2结构中使用的伞形结构的图。图25是针对在χ轴方向排列的伞形结构Ml 丽，示意性示出电波沿ζ轴到来并被反射的情况的图。图沈是伞形结构的等效电路图。图27是针对各种贴片高度示出贴片尺寸与反射相位的关系的图。图观是示出使用了本实施例的第2结构的反射阵列的一例的图。图四是示出使用了本实施例的第2结构的反射阵列的另一例的图。图30是示出使用了本实施例的第2结构的反射阵列的又一例的图。图31是示出伞形结构的电容与反射相位的关系的图。图32是示出本实施例的第3结构的概念图。图33是示出第3结构中的贴片的位置关系的图。图34Α是示出贴片尺寸和间隙的另一设定例的图。图34Β是示出贴片的另一排列方法的图。图34C是示出贴片的又一排列方法的图。图34D是示出贴片的再一排列方法的图。图35是垂直控制用的反射阵列的俯视图。图36是利用了第1结构的反射阵列的部分剖视图(V45)。图37是反射阵列中的Ll层、L2层以及L3层的俯视图(V45)。图38是L2层中的A部的详细图(V45)。图39是示出使电波在与ζ轴成45度的方向上反射的反射阵列中的贴片尺寸和间隙的数值例的图。图40是反射阵列中的Ll层、L2层以及L3层的俯视图(V70)。图41是L2层中的A部的详细图(V70)。图42是示出使电波在与ζ轴成70度的方向上反射的反射阵列中的贴片尺寸和间隙的数值例的图。图43是存在4种贴片高度的反射阵列的概略立体图。图44是示出层结构的剖视图。图45Α是示出Ll层至L5层中的导电层位置的图。图45Β是示出使用改良后的第2结构进行垂直控制时的结构的图。图46Α是示出Ll层中的贴片尺寸的图(V45)。图46Β是示出第1结构的变形例的图。图46C是示出第2结构的变形例的图。图46D是示出第3结构的变形例的图。图46Ε是示出使贴片尺寸变化时的变形例的图。
图47是示出阵列内的多个区域的图。
图48是示出组合第1结构和第2结构后的结构的图。
图49A是示出组合第1结构和第3结构后的结构的图。
图49B是示出组合第1结构和第2结构后的结构的图(没有通孔)。
图49C是示出组合第2结构和第3结构后的结构的图(没有通孔)。
图50是示出组合第2结构和第3结构后的结构的图。
图51示出基板厚度为0. Imm时的贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图52示出基板厚度为0. 2mm时的贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图53示出基板厚度为1. 6mm时的贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图54示出基板厚度为2. 4mm时的贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图55是针对各种基板厚度示出贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图56是针对各种基板厚度示出贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图57是示出第3结构的仿真模型的图。
图58示出组合第2结构和第3结构后的反射阵列的俯视图的图(其一)。
图59是示出对于图58的反射阵列中使用的元件的数值例的图(H45)。
图60是示出在χ轴方向排列的各元件的反射相位的图。
图61是示出图58的反射阵列的仿真模型的图。
图62是针对各种基板厚度示出贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图63是示出与图58的反射阵列相关的远方辐射场的图(H45)。
图64是示出图58的反射阵列的反射波等相位面的图(H45)。
图65是示出包含第2结构区域和第3结构区域的反射阵列的层结构的图。
图66是概略示出Ll层和L2层的俯视图。
图67是概略示出L3层、L4层以及L5层的俯视图。
图68是详细示出在Ll层中示出为“A部”的区域的图。
图69是详细示出在Ll层中示出为“A部”及“A'部”的区域的图。
图70是详细示出在L2层中示出为“B部”及“B'部”的区域的图。
图71是详细示出在L3层中示出为“C部”的区域的图。
图72是详细示出在L4层中示出为“D部”的区域的图。
图73是详细示出在L5层中示出为‘ 部”的区域的图。
图74示出组合第2结构和第3结构后的反射阵列的俯视图的图(其二)。
图75是示出对于图74的反射阵列中使用的元件的数值例的图(H45)。
图76是针对各种基板厚度示出贴片尺寸与反射相位的关系的图。
图77是示出与图74的反射阵列相关的远方辐射场的图(H45)。
图78是示出图74的反射阵列的反射波等相位面的图(H45)。
图79是示出包含第2结构区域和第3结构区域的反射阵列的层结构的图。
图80是概略示出Ll层和L2层的俯视图。
图81是概略示出L3层、L4层以及L5层的俯视图。
图82是详细示出在Ll层中示出为“A部”的区域的图。
图83是详细示出在Ll层中示出为“A部”及“A'部”的区域的图。
图84是详细示出在L2层中示出为“B部”及“B’部”的区域的图。
图85是详细示出在L3层中示出为“C部”的区域的图。
图86是详细示出在L4层中示出为“D部”的区域的图。
图87是详细示出在L5层中示出为“E部”的区域的图。
图88是具有存在4种贴片高度的第2结构和允许贴片重叠的第3结构的反射阵列的概略立体图(V45)。
图89是示出层结构的剖视图。
图90是示出Ll层至L5层中的导电层位置的图。
图9l是示出Ll层中的贴片尺寸的图(V45)。
图92是示出与图88的反射阵列相关的远方辐射场的图(V45)。
图93是示出包含改良后的第2结构区域和第3结构区域的反射阵列的层结构的图。
图94A是图93所示的Ll层的俯视图。
图94B是详细示出图94A所示的Ll层的“A部”的图。
图95A是图93所示的L2层的俯视图。
图95B是详细示出图95A所示的L2层的“B部”的图。
图96A是图93所示的L3层的俯视图。
图96B是详细示出图96A所示的L3层的“C部”的图。
图97A是图93所示的L4层的俯视图。
图97B是详细示出图97A所示的L4层的“D部”的图。
图98A是图93所示的L5层的俯视图。
图98B是详细示出图98A所示的L5层的“E部”的图。
图99A是示出用于进行在仿真中使用的垂直控制的结构(贴片相对通孔不对称)的图。
图99B是示出用于进行在仿真中使用的垂直控制的结构(贴片相对通孔对称)的图。
图99(是示出两个结构各自的远方辐射场的仿真结果的图。
图lOOA是示出利用包含第2结构的结构进行垂直控制的结构的图。
图lOOB是示出利用包含第2结构的结构进行水平控制的结构的图。
符号说明
2l接地板；22通孔；23第l贴片；24第2贴片；12l接地板；122通孔；123贴片。
具体实施方式
从以下观点出发，说明本发明。
1．概要
2．第l结构
2．1伞形结构
2．2反射阵列
2. 2. 1反射角45度的反射阵列2. 2. 2反射角70度的反射阵列2. 3第1贴片和第2贴片的相互关系2. 4更一般的多层伞形结构3.第2结构4.第3结构5.变形例5.1贴片排列5. 2垂直控制5. 3利用第1结构的情况(反射角45度)5. 4利用第1结构的情况(反射角70度)5. 5利用第2结构的情况(反射角45度)5. 6基于改良后的第2结构的垂直控制5. 7没有通孔的结构6.制造方法7.组合结构7.1组合方法7. 2第2结构和第3结构的组合7. 3水平控制45度(其一)7. 4水平控制45度(其二)7. 5垂直控制45度7. 5改良后的第2结构和第3结构的组合实施例1<1.概要〉反射阵列的反射相位在谐振频率时为0，可通过等效电路中的电感L和电容C对谐振频率进行调节。由此，给定频率中的反射相位可以通过调节电感L和/或电容C来得以控制。后述实施例的第1结构着眼于电容。第1结构的反射阵列由一个地板(接地板)、排列于该地板上的多个伞形结构、以及排列于该伞形结构上的无源阵列形成。可通过无源阵列的作用，将对伞形结构进行近似的并联谐振模型的电容值变为例如2倍。即，除了由于相邻的伞形结构之间的间隙(第1 贴片彼此的间隙)产生的电容外，还可利用在第2贴片彼此的间隙中产生的电容，增加总电容。可通过改变相邻的第1贴片彼此的间隙和/或相邻的第2贴片彼此的间隙的尺寸来控制电容。由此，通过改变第1及第2贴片的尺寸(即间隙尺寸)，电容的可控制范围变宽，进而可拓宽反射相位的变化范围。后述实施例的第2结构着眼于电感。伞形结构的电感L与从接地板到贴片的距离 (通孔的长度)t近似成比例。由此，接地板与贴片之间的距离不同的伞形结构对于反射相位也进行不同的动作。通过组合接地板与贴片之间的距离t不同的伞形结构，可实现在某个距离或厚度的情况下无法实现的反射相位。后述实施例的第3结构与第1结构同样着眼于电容，但是与第1结构不同的是，并不并联地配置多个贴片。替代并联配置，为了得到更大的电容，允许相邻的伞形结构的贴片不仅在同一平面内空出间隙，而且允许存在于彼此不同的平面(允许隔开距离重叠)。由此，可实现由于制造极限等而无法实现的电容，进而可扩大反射相位的范围。<2.第 1 结构〉《2.1伞形结构》图2A示出可在本实施例中使用的伞形结构。在图2A中示出两个伞形结构。可通过排列多个这种伞形结构的元件，形成反射阵列。但是，本发明不限于反射阵列，还可用于天线或滤波器等其他用途。在图2A中示出接地板21、通孔22、第1贴片23以及第2贴片对。接地板21是对多个伞形结构提供公共电位的导体。图2A中的ΔΧ和Ay等于相邻的伞形结构中的通孔之间的χ轴方向间隔和y轴方向间隔。ΔΧ和Ay表示与一个伞形结构对应的接地板21的尺寸。一般而言，接地板21的大小与排列有多个伞形结构的阵列大致相同。设置通孔22以对接地板21和第1贴片23进行电短接。第1贴片23在χ轴方向的长度为fe，在y轴方向的长度为Wy。第1贴片23相对于接地板21平行地隔开距离t而设置，经由通孔22与接地板21短接。第2贴片M也相对于接地板21平行设置，但是从第1贴片23进一步隔开距离设置。第1贴片23与接地板21电耦合。但是，第2贴片M是不与接地板21电连接的无源元件。左侧的第1贴片23和右侧的第1贴片23电容耦合。同样，左侧的第2贴片M和右侧的第2贴片M也电容耦合。并且，并联配置的第1贴片23和第2贴片M也电容耦合。 如后所述，第2贴片M也可以设置在第1贴片23与接地板21之间。作为一例，第1贴片23从接地板21隔开1. 6mm来设置，在第1贴片23和第2贴片M之间，设置有介电常数为4. 4、厚度为0. 8mm、tan δ为0. 018的电介质层。另外，在图示的例子中，仅示出了第1和第2两个贴片，但是也可以准备3个以上的贴片。例如，还可以准备作为相对于第2贴片M进一步隔开距离的无源元件的第3贴片。图3示出对图2Α所示的伞形结构进行二维排列时的概略俯视图。由此，通过依照一定规则排列多个伞形结构，例如可形成反射阵列。在反射阵列的情况下，电波从与纸面垂直的方向(ζ轴)到来，在xz面内沿相对于ζ轴成角度α的方向反射电波。图4示出用于说明图3的各个伞形结构的配置的图。在右侧示出沿线ρ排列成一列的4个第1贴片23、和与该列相邻而沿线q排列的4个第1贴片23。左侧示出在第1贴片23上方隔开距离设置的第2贴片24。贴片的数量是任意的。在图2A、图3、图4所示的例子中，第1贴片23和第2贴片M具有相同尺寸，但是这在本发明中不是必需的，也可以使用不同的尺寸。但是，从使伞形结构的电容变为大约2倍等的观点出发，期望第1贴片23 和第2贴片M是相同尺寸。在本实施例中，沿着线ρ的伞形结构的第1贴片23、和沿着另一条线q的伞形结构的第1贴片23之间的间隙沿线ρ及q逐渐变化。在图3和图4所示例子的情况下，沿纸面的上下方向(例如图4中的线ρ)排列的某个元件(伞形结构)的反射波、和沿该线与该元件相邻的元件的反射波的相位彼此错开预定量。可通过排列多个具有这种性质的元件，形成反射阵列。
图5示意性示出电波从ζ轴⑴方向朝在χ轴方向排列的伞形结构Ml 丽到来并被反射的情况。反射波相对于入射方向(ζ轴方向)成角度α。当设通孔之间的间隔为Δχ 时，相邻元件的反射波的相位差Δφ和反射角α满足下式。Δ φ = k · Δχ · sinaa = sin-l[(A Δ φ ) / (2 π Δ χ)]其中，k是波数，等于2π/λ。λ是电波的波长。为了构成与波长相比足够大的反射阵列，可以重复排列设定了相邻元件彼此的反射相位差△ Φ的元件，使得N个伞形结构Ml 丽整体的反射相位差N · Δ φ为360度O π弧度)。例如，在N = 20时，Δ φ = 360/20 = 18度。由此，可通过以与相邻元件的反射相位差为18度的方式设计元件，并重复排列这20个元件，实现在角度α的方向上反射电波的反射阵列。图6示出图2A、图3、图4所示的伞形结构的等效电路。如图6左侧所示，由于沿线P排列的伞形结构的第1贴片23、和沿线q排列的伞形结构的第1贴片23之间的间隙， 存在电容C。同样，由于伞形结构的第2贴片M，存在电容C'。并且，由于沿线ρ排列的伞形结构的通孔22、以及沿线q排列的伞形结构的通孔22，存在电感L。由此，相邻的伞形结构的等效电路成为图6右侧所示的电路。S卩，在等效电路中，电感L、电容C和另一个电容 C'并联连接。电容C、电感L、表面阻抗&以及反射系数Γ可以如下表示。
^y 、 C = —-lj^-arc cos h
π
L = μ-t
ja>LZ1 =
.⑴ -⑵ .⑶ ⑷
I-Im1LC
在式(1)中，^表示真空的介电常数，、表示介于第1贴片彼此之间的材料的相对介电常数。Ay表示y轴方向的通孔间隔。Wy表示y轴方向的第1贴片长度。由此， Ay-Wy表示相邻的第1贴片彼此的间隙大小。因此，arccosh函数的自变量表示通孔间隔 Ay与间隙之比。在式O)中，μ表示介于通孔彼此之间的材料的导磁率，t表示第1贴片 23的高度(从接地板21到第1贴片23的距离)。在式(3)中，ω表示角频率，j表示虚数单位。为了简化，设为C' = C，但是这不是必需的。在式⑷中，η表示自由空间阻抗，Φ 表示相位差。图7示出伞形结构的第1贴片的尺寸Wy与反射相位之间的关系。但是，此时的伞形结构与图2Α的结构不同，是没有设置第2贴片M的以往的伞形结构。即，是仅相对于接地板隔开距离t设置了第1贴片的结构。在图7中，分别针对3种距离t，示出了表示第 1贴片的尺寸Wy与反射相位之间的关系的曲线图。tl6表示距离t为1. 6mm时的曲线图。 t24表示距离t为2. 4mm时的曲线图。t32表示距离t为3. 2mm时的曲线图。另外，相邻的通孔彼此的间隔Ay为2. 4mm。在曲线图116的情况下，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为1. 9mm时，反射相位仅从140度缓慢减小到120度，但是当尺寸Wy大于1. 9mm时，反射相位急剧减小，在尺寸 Wy为2. 3mm时，反射相位为0度左右。
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曲线图U4的情况也同样，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为1. 6mm时，反射相位仅从120度缓慢减小到90度，但是当尺寸Wy大于1. 6mm时，反射相位急剧减小，在尺寸Wy为2. 3mm时，反射相位达到-90度左右。在曲线图t32的情况下，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为2. 3mm时，反射相位从100度逐渐减小到-120度。这样，在以往结构的情况下，即使使第1贴片的Wy从0. 5mm变化为2. 3mm，在反射相位的可调节范围为最大的t32的情况下，也只不过是+100度 -120度的最多220度左
右ο图8示出图2A所示的伞形结构的第1贴片的尺寸Wy与反射相位之间的关系。相对于接地板21隔开距离t设置了第1贴片23，还设置了第2贴片对。在图8中，分别针对 3种距离t，示出了表示第1贴片的尺寸Wy与反射相位之间的关系的曲线图。t08表示距离 t为0.8mm时的曲线图。tl6表示距离t为1.6mm时的曲线图。U4表示距离t为2. 4mm时的曲线图。另夕卜，相邻的通孔彼此的间隔Ay为2. 4mm。在曲线图t08的情况下，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为1. 8mm时，反射相位仅从160度稍微减小到150度，但是当尺寸Wy大于1. 8mm时，反射相位急剧减小，在尺寸 Wy为2. 3mm时，反射相位为10度左右。在曲线图tl6的情况下，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为1. 7mm时，反射相位仅从135度缓慢减小到60度，但是当尺寸Wy大于1. 7mm时，反射相位急剧减小，在尺寸 Wy为2. 3mm时，反射相位达到-150度左右。在曲线图t24的情况下，在第1贴片的尺寸Wy从0. 5mm变化为2. 3mm时，反射相位从100度逐渐减小到-150度。这样，在本实施例的第1结构中，在使第1贴片的Wy从0. 5mm变化为2. 3mm的情况下，在反射相位的可调节范围为最大的tl6的情况下，如+135度 -150度那样达到285 度。根据本实施例，如图2A所示，可以除了设置第1贴片23以外还设置第2贴片24，来扩大反射相位的可调节范围。《2.2反射阵列》如参照图5说明的那样，通过以与相邻元件的反射相位差为预定值的方式设计元件，并重复排列这些元件，由此实现在角度α的方向上反射电波的反射阵列。例如，也可以通过排列20个反射相位差各相差18度的元件来形成反射阵列。在形成这种反射阵列的情况下，根据图7或图8那样的贴片尺寸与反射相位之间的相互关系，确定元件尺寸。在按以往结构设计反射阵列的情况下，参照图7的曲线图t32进行设计。例如可知以下情况等反射相位0度的元件的贴片尺寸Wy为1. 9mm,反射相位+18度的元件的贴片尺寸Wy为1. 8mm,反射相位+36度的元件的贴片尺寸Wy为1. 7mm。选择3. 2mm作为第1 贴片的高度t是因为其示出了最宽的反射相位范围。可通过排列以这种方式算出的尺寸的贴片来实现反射阵列。此时，即使使第1贴片Wy从0. 5mm变化为2. 3mm，相位差的最大值也最多为220度。相位差的最大值理想的是360度(=2 π弧度)。其结果，无法在反射阵列中设置所有实现期望相位差的元件，反射阵列的特性与理想特性多少偏离。在利用本实施例的第1结构设计反射阵列的情况下，参照图8的曲线图tl6进行设计。例如可知以下情况等反射相位0度的元件的贴片尺寸Wy为1. 9mm,反射相位+18度的元件的贴片尺寸Wy为1. 75mm，反射相位+36度的元件的贴片尺寸Wy为1. 7mm。选择1. 6mm 作为第1贴片的高度t是因为其示出了最宽的反射相位范围。可以通过排列以这种方式算出的贴片尺寸的贴片来实现反射阵列。此时，在使第1贴片的Wy从0. 5mm变化为2. 3mm的情况下，相位差的最大值达到285度，接近理想的360度( = 2π弧度)。其结果，可在反射阵列中设置更多的实现期望相位差的元件，反射阵列的特性接近理想特性。如后所述，在预定条件下实现在45度的方向上反射的反射阵列时，理想的是需要20个反射相位差各相差 18度的元件。在本实施例的情况下，实际上可制成其中的14个QO个的7成)。与此相对， 在以往结构的情况下，相位差的最大值最多为220度，因此理论上220度+18度N 12.2，所以最大也只能制成12个，在实用上可制成的限于4个左右。《2.2. 1反射角45度的反射阵列》图9示出利用了第1结构的反射阵列的部分剖视图。反射阵列具有Ll层、L2层以及L3层这3个导电层、和各导电层之间的电介质层。作为一例，导电层例如由包含铜的材料构成。此外，电介质层由相对介电常数为4. 4、tan δ为0. 018的材料构成。在Ll层和 L2层之间夹有0.8mm厚的电介质层。在L2层和L3层之间夹有1. 6mm厚的电介质层。Ll 层与图2A中的第2贴片M对应。L2层与图2A中的第1贴片23对应。L3层与接地板21 对应。由此，L2层与L3层之间的贯通孔与通孔22对应。图10概略示出Ll层、L2层以及L3层的俯视图。利用图2A所示的伞形结构形成 1个元件，该元件以矩阵形式配置。在图示例的情况下，沿y轴方向延伸的7列带中的一个包含14X130个元件。元件之间的间隔为2. 4mm。图示的反射阵列设计成相对于入射方向以45度的角度反射电波，相邻元件彼此的反射相位差设计为18度。即，沿y轴方向延伸的一个带(列)被设计为反射相位在χ轴方向的两端变化2 π。理想的是，期望利用20个元件使反射相位变化2 π，但是由于制造上的制约等原因，使用了 14个元件。因此，在χ轴方向的1周期48mm( = 2.4X20)中，存在没有形成元件的区域。可通过重复排列多个这种带或列，实现更大尺寸的反射阵列。另外，在图10和图11中，由于具体尺寸的详细情况不是本发明的本质内容，因此省略。关于可以排列多个带或列来适当调节尺寸这一点，不仅可应用于使电波在水平方向(χ轴方向)上反射的用途，还可应用于后述的使电波在垂直方向上反射的用途。不仅可应用于第1结构，还可应用于后述的第2结构、第3结构，甚至是组合后的结构。图11详细示出在图10的L2层中示出为“A部”的区域(带或列的一部分)。关于1行，在χ轴方向排列有14个元件。A部是L2层的一部分，因此14个矩形逐个与具有 Wx和Wy尺寸的第1贴片23 (图2A)对应。这些排列在χ轴方向上的14个元件分别被设计为与相邻的元件具有预定相位差(18度=360度/20)。图12示出这14个元件的尺寸(贴片尺寸Wy)和反射相位的具体数值例。在图中，“设计相位”表示理想的设计值，“实际相位”表示可实现的实际相位。图13示出与使用 FR4基板制成的伞形结构的元件相关的具体数值例。根据如下的水平控制的观点来确定图 12和图13所示的数值例电场朝向图10的y轴方向，使从ζ轴方向入射的电波相对于偏振面在横向(即图10的χ轴方向)以45度的角度反射。图14示出以往结构的反射阵列和本实施例第1结构的反射阵列(曲线图A、B)的特性比较例(水平控制的远方散射场的比较例)。无论是哪种反射阵列，都被设计为相对于电波的到来方向，在水平-45度的方向上反射电波。此时，设电波的频率为8. 8GHz ( = c/ λ )、相邻元件彼此的反射相位差Δ φ为18度(=360/20)、元件之间的尺寸Δ χ为2. 4mm。 此时，如参照图5说明的那样，反射角α成为
a= a r C S in [ (λ Δ φ) / (2 π Δ χ)]
=a r c s in (λ β. sghz ■ 1 8 度 / (2 π · 2. 4 mm))
=4 5. 2 1度因此，曲线图A和B都在-45度处示出了大的峰值。在_45度以外的方向上反射的电波是多余的反射波。如通过曲线A所示那样，在以往结构的情况下，不仅在-45度，在 0度、+45度、60度等方向也产生较大的反射。此外，从+70度到+150度也观察到比较高电平的反射。与此相对，如曲线图B所示，可知在本实施例的第1结构时，可很好地抑制0度、 +45度、60度、+70度及+150度等处的多余的反射波。图15用极坐标的方式示出与图14的曲线图B(本实施例的情况下的曲线图)相关的远方辐射场。图16示出使用本实施例的第1结构的反射阵列的反射波的等相位面。沿χ轴排列14个元件(第1结构的伞形结构)，电波从ζ轴方向到来，相对于ζ轴在ZX面上在θ ="45度的方向上反射电波。可知等相位面的法线相对于ζ轴朝向-45度的方向，反射波在该方向适当前进。《2.2. 2反射角70度的反射阵列》图10 图16(除图13以外)所示的数值例是根据相对于入射方向在水平45度的方向上反射的观点而选择的。本实施例不限于45度，可以形成在任意方向上反射电波的反射阵列。图17示出相对于入射方向在水平70度的方向反射的反射阵列中的导电层Ll 层 L3层。Ll层、L2层以及L3层的层结构与图9所示的层结构相同。在该例的情况下， 沿y轴方向延伸的9列带中的一个包含11XU8个元件。元件之间的间隔为2. 4mm。相邻元件彼此的反射相位差设计为M度。即，沿y轴方向延伸的一个带(列)被设计为反射相位在χ轴方向的两端变化。理想的是，期望利用15个元件使反射相位变化2 π，但是由于设计上的制约等原因使用了 11个元件。因此，在χ轴方向的1周期36mm( = 2.4X15) 中，存在没有形成元件的区域。可以通过重复排列多个这种带或列，来实现更大尺寸的反射阵列。另外，在图17和图18中，具体尺寸的详细情况不是本发明的本质内容，因此省略。图18详细示出在图17的L2层中示出为“A部”的区域(带或列的一部分)。关于1行，在χ轴方向排列11个元件。11个矩形逐个与具有尺寸fe和Wy的第1贴片23 (图 2A)对应。这些在χ轴方向排列的11个元件分别与相邻的元件具有预定相位差( 度= 360 度/15)。图19示出这11个元件的尺寸(贴片尺寸Wy)和反射相位的具体数值例。在图中， “设计相位”表示理想的设计值，“使用贴片的相位”表示可实现的实际相位。另外，在该设计例中也使用了图13所示的数值(其中，χ轴方向的1个循环长度为36mm。)。
《2.3第1贴片和第2贴片的相互关系》但是，在图2A中，为了简化说明，以第1贴片23、无源元件的第2贴片24的χ方向及y方向的尺寸相同为前提。但是，这种情况在本实施例中不是必需的，第1贴片23的尺寸和无源元件的第2贴片24的尺寸也可以不同。图20结合具体数值例示出了与图2A同样地在第1贴片23上方设置第2贴片的伞形结构。在图20中还示出了如下的表该表示出了在使第1贴片与第2贴片之间的尺寸变化时、以及在使第2贴片的面积变化时，与以往相比能以何种程度扩大反射相位。在表中， 比较了第1贴片与第2贴片之间的间隔为0. 4mm的情况和0. 8mm的情况。此外，比较了第 2贴片和第1贴片为相同尺寸的情况(1倍尺寸)、以及第2贴片缩小为第1贴片的95%的情况(0.95倍尺寸)。如表所示，在设间隔为0.8mm，不缩小第2贴片的情况下(1倍尺寸)， 反射相位的扩大效果最大(+39.3度)。另外，反射相位的扩大效果是相对于作为基准的伞形结构的扩大效果。所谓基准伞形结构，是指没有对贴片进行多层化的以往结构。在图2A中，第2贴片24比第1贴片23更远离接地板21，但是在本实施例中这不是必需的。第2贴片24也可以比第1贴片23更接近接地板21。图21示出了与图2A同样地第2贴片24比第1贴片23更远离接地板21时的结构、和对于该结构的仿真结果。关于第1及第2贴片的位置关系相反的情况，参照图22进行说明。作为图21的仿真结果，分别针对贴片尺寸Wy为1.0mm、1.6mm、2. 3mm的情况，示出了基准伞形结构的反射相位、和本实施例的多层伞形结构的反射相位的比较例。在基准伞形结构的情况下，在贴片尺寸Wy为2. 3mm时，可在大约167. 4度的范围内改变反射相位。与此相对，在本实施例的多层伞形结构的情况下，在贴片尺寸Wy为1. 6mm时，可在大约179. 7度的范围内改变反射相位，可将反射相位的范围扩大大约12. 3度。在图21中，在设用DSPAG 示出的值(贴片的高度或通孔的高度)为3. 2mm、第1贴片与第2贴片之间的距离Dsb-2的值为0. 4mm的情况下，在将无源元件的第2贴片与第1贴片设为相同尺寸时，在隔着间隙相邻的第1贴片彼此之间、和第1贴片与第2贴片之间均确认到增加电容的效果。与此相对， 在将无源元件的第2贴片设为第1贴片的0. 5倍尺寸的情况下，仅在第1贴片与第2贴片之间确认到增加电容的效果。图22示出与图2A不同的第2贴片24比第1贴片23更接近接地板21时的结构、 和对于该结构的仿真结果。在图中，通孔贯通第2贴片，但是不进行电连接，不进行供电。作为仿真结果，分别针对贴片尺寸Wy为1. OmmU. 6mm,2. 3mm的情况，示出了基准伞形结构的反射相位、和本实施例的多层伞形结构的反射相位的比较例。可知在这种结构中，在图示尺寸的情况下，基准伞形结构的反射相位范围比多层伞形结构的情况宽。在图22中，在设示为Ds的值(第1和第2贴片之间的距离)为0. 4mm,设SC (该SC表示第2贴片的面积是第1贴片的面积的多少倍的量)为0. 5的情况下，主要在第1和第2贴片之间确认到增加电容的效果。在设Ds的值为3. 2mm，设SC为1. 0的情况下，主要在隔着间隙相邻的贴片之间确认到增加电容的效果。在设Ds的值为0.4mm，设SC为1.0的情况下，在隔着间隙相邻的第1贴片之间、以及第1和第2贴片之间均确认到增加电容的效果。图23也示出与图2A不同的第2贴片24比第1贴片23更接近接地板21时的结构、和对于该结构的仿真结果。作为仿真结果，分别针对贴片尺寸Wy为1. OmmU. 6mm,2. 3mm 的情况，示出基准伞形结构的反射相位、和本实施例的多层伞形结构的反射相位的比较例。在基准伞形结构的情况下，在贴片尺寸Wy为2. 3mm时，可在大约167. 4度的范围内改变反射相位。与此相对，在本实施例的多层伞形结构的情况下，在贴片尺寸Wy为1.6mm时，可在大约178. 6度的范围内改变反射相位，可将反射相位的范围扩大大约11. 2度。在图23中， 在设示为Ds的值(第1和第2贴片之间的距离)为0. 4mm,设SC (该SC表示第2贴片的面积是第1贴片的面积的多少倍的量)为0. 5的情况下，主要在第1和第2贴片之间确认到增加电容的效果。在设Ds的值为3. 2mm，设SC为1. 0的情况下，主要在隔着间隙相邻的贴片之间确认到增加电容的效果。在设Ds的值为0. 4mm，设SC为1. 0的情况下，在隔着间隙相邻的贴片之间、以及第1和第2贴片之间均确认到增加电容的效果。《2.4更一般的多层伞形结构》图2A等所示的伞形结构只具有第1及第2两个贴片，但是如上所述，这在本实施例中不是必需的。也可以在接地板上方对3个以上的贴片进行多层化。图2B示出在接地板上方使η个贴片1^丄2丄3、. . . Ln进行并联多层化的伞形结构。 最下方的层Ltl与接地板对应。图2Β所示的结构可以替代图2Α所示的伞形结构进行使用。 也可以用作后述的多个结构中的伞形结构。在图示的例子中，各贴片的χ轴方向和y轴方向的尺寸分别统一为fe*Wy，但是这也不是必需的。可以使用适当的任何尺寸。此外，不需要将多层化的贴片之间的间隔仏、、、、...一律统一。为了方便说明，接地板上方的贴片L1 Ln全部具有相同尺寸Wx和Wy，多层化的伞形结构之间的间隔设为彼此相等。由此， 在同一平面内相邻的贴片彼此的间隙在各个层中都相等。图2C示出图2B所示的伞形结构的概略结构(左)及等效电路图(右)。由于在同一平面内彼此隔开间隙相邻的贴片而产生电容。这一点与图2A的结构相同，按照多层化的每个层得到该电容。在图2B的结构的情况下，在L1 Ln的η个平面即η个层中，按照每个层产生电容。因此，等效电路成为图2C右侧所示的电路图。此时，可以将表面阻抗&近似为(joL)/(l-nco2LC)。图2D分别针对伞形结构的贴片数(层数)不同的各种结构，示出对贴片尺寸Wy 和反射相位的关系进行仿真后的结果。在图中，“1-层”示出针对在接地板上方仅存在1 层贴片的以往结构的仿真结果。在以往结构的情况下，可以将表面阻抗&近似为(j L)/ (1-c^LC)。在图中用实线表示根据该表面阻抗^计算反射相位时的曲线图。与此相对， 用圆圈标记绘制不依照这种算式，而用有限元法对在接地板上方仅存在1层贴片的结构进行仿真后的结果。在图中，“2-层”示出针对在接地板上方存在2层贴片的图2A的结构的仿真结果。 如上所述，此时，可以将表面阻抗h近似为(j L)/(l-2 2LC)。在图中用实线表示根据该表面阻抗&计算反射相位时的曲线图。与此相对，用方形标记绘制不依照这种算式，而用有限元法对在接地板上方存在2层贴片的结构进行仿真后的结果。“3-层”示出针对在接地板上方存在3层贴片的图2B的结构的仿真结果。此时， 可以将表面阻抗&近似为(j ω L)/(1-3 ω2LC)。在图中用实线表示根据该表面阻抗h计算反射相位时的曲线图。与此相对，用倒三角形标记绘制不依照这种算式，而用有限元法对在接地板上方存在3层贴片的结构进行仿真后的结果。“4-层”示出针对在接地板上方存在4层贴片的图2B的结构的仿真结果。此时， 可以将表面阻抗&近似为(j ωL)/(1-4ω2LC)。在图中用实线表示根据该表面阻抗h计
16算反射相位时的曲线图。与此相对，用三角形标记绘制不依照这种算式，而用有限元法对在接地板上方存在4层贴片的结构进行仿真后的结果。参照各曲线图，可知基于Zs = (j ω L)/(l-n 2LC)的实线、与利用有限元法的计算结果比较一致。这意味着通过将伞形结构的贴片多层化为η层，电容近似增加η倍。由此，可通过对伞形结构的贴片进行多层化来控制电容。根据图示的例子，在多层化的层数增加的情况下，随着贴片尺寸变大，Zs的计算式和有限元法的仿真结果之间的偏差变大。这表示随着伞形结构的层数增加，将伞形结构整体当作1个集中元件变得不妥当。由此，在层数较多的情况下、以及在贴片尺寸较大的情况下，与Zs的理论式(Zs = (j ωL)/(l-n 2LO)相比，优选根据利用有限元法等的实际仿真结果进行设计。<3.第 2 结构〉上述第1结构通过添加无源元件的贴片对贴片进行多层化，来增加电容C。本实施例的第2结构不着眼于电容C而着眼于电感L。图24示出可在第2结构中使用的伞形结构。在图24中示出接地板121、通孔122、 贴片123。接地板121是对多个伞形结构提供公共电位的导体。ΔΧ和Ay表示相邻的伞形结构中的通孔之间的X轴方向间隔及y轴方向间隔。ΔΧ和Ay表示与一个伞形结构对应的接地板121的尺寸。一般而言，接地板121的大小与排列有多个伞形结构的阵列大致相同。设置通孔122以对接地板121和贴片123进行电短接。贴片123在χ轴方向的长度为Wx，在y轴方向的长度为Wy。贴片123相对于接地板121平行地隔开距离t设置，经由通孔122与接地板121短接。作为一例，贴片123从接地板121隔开1. 6mm设置。图25示意性地示出针对在χ轴方向排列的伞形结构Ml 丽，电波从ζ轴⑴方向到来并被反射的情况。反射波相对于入射方向(ζ轴方向)构成角度α。当设通孔之间的间隔为Δχ时，相邻的伞形结构(元件)的反射波的相位差△ Φ和反射角α满足下式。Δ φ = k · Δχ · sinaa = arcsin [ ( λ Δ φ) / (2 π Δ χ)]其中，k是波数，等于2π/λ。λ是电波的波长。设定相邻元件彼此的相位差Δ φ， 以使N个伞形结构Ml 丽整体的反射相位差N · Δ φ变成360度(2 π弧度)。例如，在 N= 20时，Δ φ = 360/20 = 18度。由此，通过以与相邻元件间的反射相位差为18度的方式设计元件，并排列20个这种元件，实现在角度α的方向上反射电波的反射阵列。图26示出图24所示的伞形结构的等效电路。如图26左侧所示，由于某个伞形结构的贴片123、和在y轴方向相邻的伞形结构的贴片123之间的间隙，存在电容C。并且，由于某个伞形结构的通孔122、以及在y轴方向相邻的伞形结构的通孔122，存在电感L。由此，相邻的伞形结构的等效电路成为图26右侧所示的电路。S卩，在等效电路中，电感L和电容C并联连接。电容C、电感L、表面阻抗Zs以及反射系数Γ可以如下表示。
权利要求
1.一种装置，其具有多个伞形结构，其中，所述多个伞形结构分别具有接地板；第1贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置；以及第2贴片，其相对于所述接地板平行地隔开如下距离而设置，该距离与至所述第1贴片的距离不同，所述第2贴片是至少与所述第1贴片电容耦合的无源元件。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个伞形结构中预定数量的伞形结构沿某条线排列，所述多个伞形结构中另一预定数量的伞形结构沿另一条线排列，沿着所述某条线的伞形结构的第1贴片、与沿着所述另一条线的伞形结构的第1贴片之间的间隙沿所述某条线和另一条线逐渐变化。
3.根据权利要求1所述的装置，其中，沿着某条线排列的预定数量的伞形结构中的、相邻伞形结构的第1贴片彼此之间的间隙沿所述某条线逐渐变化。
4.根据权利要求3所述的装置，其中，从确定所述间隙的相邻的第1贴片内的一方的端到该一方的第1贴片的基准线的距离、与从相邻的另一方的第1贴片的端到该另一方的第1贴片的基准线的距离相等，针对多个伞形结构的基准线之间的距离保持恒定。
5.根据权利要求3所述的装置，其中，沿所述某条线依次排列的第1伞形结构、第2伞形结构和第3伞形结构的第1贴片的尺寸分别彼此相等，所述第1伞形结构的第1贴片的中心与所述第2伞形结构的第1贴片的中心之间的距离不同于所述第2伞形结构的第1贴片的中心与所述第3伞形结构的第1 贴片的中心之间的距离。
6.根据权利要求3所述的装置，其中，针对沿所述某条线排列的多个伞形结构，对沿所述某条线相邻的第1伞形结构的第1 贴片与第2伞形结构的第1贴片之间的间隙进行二等分的中心线、和对沿所述某条线相邻的第2伞形结构的第1贴片与第3伞形结构的第1贴片之间的间隙进行二等分的中心线之间的距离保持恒定。
7.根据权利要求2至6中的任意一项所述的装置，其中，关于沿所述某条线依次排列的第1伞形结构、第2伞形结构和第3伞形结构，分别从所述第1伞形结构和第2伞形结构反射的电波的相位差，与分别从所述第2伞形结构和第3 伞形结构反射的电波的相位差相等。
8.根据权利要求1至6中的任意一项所述的装置，其中，在同一平面内重复排列有多个如下的阵列，该阵列至少包含沿所述某条线排列的所述预定数量的伞形结构。
9.根据权利要求1至6中的任意一项所述的装置，其中，所述装置还具有发挥无源元件的功能的1个以上的、相对于所述接地板、所述第1贴片和所述第2贴片平行地隔开距离而设置的贴片。
10.一种装置，其具有第1组的多个伞形结构和第2组的多个伞形结构，其中，所述第1组的多个伞形结构分别具有 接地板；第1贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置；以及第2贴片，其相对于所述接地板平行地隔开如下距离而设置，该距离与至所述第1贴片的距离不同，所述第2贴片是至少与所述第1贴片电容耦合的无源元件， 所述第2组的多个伞形结构分别具有 接地板；以及贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置，属于所述第2组的某个伞形结构中的接地板与贴片之间的距离不同于属于所述第2组的另一伞形结构中的接地板与贴片之间的距离。
11.根据权利要求10所述的装置，其中，该装置还具有第3组的多个伞形结构，属于所述第3组的相邻的伞形结构双方的贴片在同一平面内相互形成间隙，另一相邻的伞形结构双方的贴片的至少一部分以多层重叠的位置关系分别设置在不同的平面。
12.根据权利要求10或11所述的装置，其中，所述第1组的伞形结构中的构成接地板、第1贴片及第2贴片的3层内的1层、与所述第2组的伞形结构中的构成接地板及贴片的2层内的1层设置在同一平面， 所述3层内的另1层与所述2层内的另1层设置在同一平面。
13.一种装置，其具有第1组的多个伞形结构和第2组的多个伞形结构，其中， 所述第1组的多个伞形结构分别具有接地板；第1贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置；以及第2贴片，其相对于所述接地板平行地隔开如下距离而设置，该距离与至所述第1贴片的距离不同，所述第2贴片是至少与所述第1贴片电容耦合的无源元件， 所述第2组的多个伞形结构分别具有 接地板；以及贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置，属于所述第2组的相邻的伞形结构双方的贴片在同一平面内相互形成间隙，另一相邻的伞形结构双方的贴片的至少一部分以多层重叠的位置关系分别设置在不同的平面。
14.根据权利要求13所述的装置，其中，所述第1组的伞形结构中的构成接地板、第1贴片和第2贴片的3层内的1层、与所述第2组的伞形结构中的构成接地板和设置在所述不同平面的贴片的3层内的1层设置在同一平面，所述第1组的伞形结构中的构成接地板、第1贴片和第2贴片的3层内的另1层、与所述第2组的伞形结构中的构成接地板和设置在所述不同平面的贴片的3层内的另1层设置在同一平面。
全文摘要
具有伞形结构的装置。本发明的课题是提供一种能用于具有多个伞形结构的装置的结构，即对于贴片尺寸的预定范围，反射相位的范围较宽的结构。作为解决手段，使用具有多个伞形结构的装置。多个伞形结构分别具有接地板；以及贴片，其相对于接地板平行地隔开距离而设置，某个伞形结构中的接地板与贴片之间的距离不同于另一伞形结构中的接地板与贴片之间的距离。
文档编号H01P1/20GK102170045SQ20111004588
公开日2011年8月31日 申请日期2011年2月24日 优先权日2010年2月26日
发明者丸山珠美, 古野辰男, 大矢智之, 小田恭弘, 沈纪恽 申请人:株式会社Ntt都科摩