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。非专禾U 文献 1F. Yang and Y. Rahmat-Sami i , "Polarization dependente1ectromagnetic band gap (PEDBG) structures De s i gn and applications,，，Microwave Opt. Technol. Lett. , Vol. 41, No. 6, pp. 439-444, June 200非专禾Ij文献 2K.Chang，J.Ahn，and Y. J.Yoon，‘‘Artificial surface havingfrequency 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 impedancesurface," 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；以及贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置，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。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⑴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)。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。0074]图48是示出组合第1结构和第2结构后的结构的图。0075]图49A是示出组合第1结构和第3结构后的结构的图。0076]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)。0077]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)。0078]图50是示出组合第2结构和第3结构后的结构的图。0079]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。0080]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。0081]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。0082]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。0083]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。0084]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。0085]图57是示出第3结构的仿真模型的图。0086]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)。0087]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)。0088]图60是示出在χ轴方向排列的各元件的反射相位的图。0089]图61是示出图58的反射阵列的仿真模型的图。0090]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。0091]图63是示出与图58的反射阵列相关的远方辐射场的图(H45)。0092]图64是示出图58的反射阵列的反射波等相位面的图(H45)。0093]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。0094]图66是概略示出Ll层和L2层的俯视图。0095]图67是概略示出L3层、L4层以及L5层的俯视图。0096]图68是详细示出在Ll层中示出为“A部”的区域的图。0097]图69是详细示出在Ll层中示出为“A部”及“A'部”的区域的图。0098]图70是详细示出在L2层中示出为“B部”及“B'部”的区域的图。0099]图71是详细示出在L3层中示出为“C部”的区域的图。0100]图72是详细示出在L4层中示出为“D部”的区域的图。0101]图73是详细示出在L5层中示出为‘ 部”的区域的图。0102]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)。0103]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)。0104]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。0105]图77是示出与图74的反射阵列相关的远方辐射场的图(H45)。0106]图78是示出图74的反射阵列的反射波等相位面的图(H45)。0107]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。0108]图80是概略示出Ll层和L2层的俯视图。0109]图81是概略示出L3层、L4层以及L5层的俯视图。0110]图82是详细示出在Ll层中示出为“A部”的区域的图。0111]图83是详细示出在Ll层中示出为“A部”及“A'部”的区域的图。0112]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‘ 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91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99C是示出两个结构各自的远方辐射场的仿真结果的图。图100A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100B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21 接地板；22 通孔；23 第1贴片；24 第2贴片；121 接地板；122 通孔；123 贴片。
具体实施例方式从以下观点出发，说明本发明。1.概要2.第1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
9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。
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；以及贴片，其相对于所述接地板平行地隔开距离而设置，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。
2.根据权利要求1所述的装置，其中，所述多个伞形结构中的预定数量的伞形结构沿某条线排列，所述多个伞形结构中的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贴片、与沿着所述另一条线的伞形结构的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伞形结构各自的贴片的尺寸分别彼此相等，所述第1伞形结构的贴片中心与第2伞形结构的贴片中心之间的距离不同于所述第2伞形结构的贴片中心与第3伞形结构的贴片中心之间的距离。
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、相对于所述接地板和所述贴片平行地隔开距离而设置的贴片。
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，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。
文档编号H01Q15/14GK102195139SQ201110045420
公开日2011年9月21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