JP2003526977A - 高周波磁束のためのガイド - Google Patents

高周波磁束のためのガイド

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JP2003526977A
JP2003526977A JP2001566218A JP2001566218A JP2003526977A JP 2003526977 A JP2003526977 A JP 2003526977A JP 2001566218 A JP2001566218 A JP 2001566218A JP 2001566218 A JP2001566218 A JP 2001566218A JP 2003526977 A JP2003526977 A JP 2003526977A
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JP2001566218A
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イアン ロバート ヤング
マイケル チャールズ キーオウ ウィルトシャー
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マルコニ オプティカル コンポーネンツ リミテッド
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    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01RMEASURING ELECTRIC VARIABLES; MEASURING MAGNETIC VARIABLES
    • G01R33/00Arrangements or instruments for measuring magnetic variables
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    • HELECTRICITY
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    • H01PWAVEGUIDES; RESONATORS, LINES, OR OTHER DEVICES OF THE WAVEGUIDE TYPE
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    • H01P3/12Hollow waveguides

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Abstract

(57)【要約】 特定の透磁率を示すために特定レンジの高周波周波数に調整されうる微細構造材料が提案されている。典型的な材料は、非伝導性の基層上において伝導材料による例えば螺旋又はロール等の容量性素子のアレイにより形成される。これらの材料は、調整の目標となる特定の周波数帯域に有効なガイドとして用いられうる。一例として、ロール(2a〜2c)は、ダクト(1、2、3)に沿って磁束をガイドする一方、ロール(4a、5a)は、ダクト(4、5)に沿って磁束をガイドする。よって、磁束は、ダクト(2)に沿って上方向にガイドされ、ダクト(4及び5)によってガイドされ、ダクト(1、3)に沿って下方向にガイドされうる(これと逆も可である)。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【技術分野】
本発明は、高周波磁束のためのガイドに関する。
【0002】
【背景技術】
磁束ガイド(flux guiding)又は磁束集中(flux concentration)は、従来、
フェライト磁心を用いて実行されている。フェライトは、周波数分離性(freque
ncy selective)を有しておらず、このことは、例えばアンテナ(radio aerial
)などの場合には利点となることもあるが、無線電信の中間周波数段階のような
場合には不都合となることもある。
【0003】 微細構造材料(microstructured materials)が提案されており(IEEE Transa
ctions on Microwave Theory and Techniques, 1999, 47, 2075-2084, J.B.Pend
ry, A.J.Holden, D.J.Robbins, W.J.Stewart, 国際特許出願WO00/41270号)、こ
の微細構造材料では、透磁率は、磁場の振動周波数、すなわち、高周波周波数に
依存する。
【0004】 このような材料は、容量性素子のアレイを備えた、磁気的性質を有する構造を
具備する。このアレイは、所定の周波数帯域内に存在する入射電磁放射に応じて
所定の透磁率を示す。各素子は、低抵抗の伝導パスを有し、各素子は、この所定
の周波数帯域内に存在する電磁放射の磁気的成分が、上記パスの周りで流れかつ
関連する素子を通って流れる電流を誘導するようになっている。また、素子のサ
イズ及びこれらの間におかれた間隔は、上記入射電磁放射に応じて所定の透磁率
が得られるように選択される。各容量性素子の少なくとも1つの寸法は、好まし
くは、電磁放射の波長より小さい。容量性素子は、螺旋のように巻かれた伝導性
シートの形態となりうるし、又は、各部分が電気的に相互に絶縁しかつ螺旋状と
なった複数の積み重なった平面部分の形態となりうる。これら材料についてのさ
らに好ましい特徴が、国際特許出願WO00/41270号において開示されるとともにク
レームに記載されている。なお、これらそれぞれの内容は、引用することにより
本明細書に含められる。
【0005】 典型的には、これらの材料は、容量性素子のアレイから構成され、これら素子
のうち少なくとも1つの素子の寸法は、所望の透磁率が現れる波長よりも非常に
小さい。これらの材料においては、構造のインダクタンスと容量性素子との間の
共振相互作用によって、電磁エネルギは、容量性構造内の磁場と電場との間で共
有されることになる。
【0006】
【発明の開示】
本発明は、容量性素子のアレイを備えた、高周波磁束のためのガイドであって
、前記アレイは、所定の周波数帯域内に存在する入射電磁放射に応じて所定の透
磁率を示し、各容量性素子は、低抵抗の伝導パスを含み、各容量性素子は、前記
所定の周波数帯域内に存在する電磁放射の磁気的成分が、前記パスの周りで流れ
かつ前記関連する素子を通って流れる電流を誘導するようになっており、前記素
子の間隔は、前記所定の周波数帯域内の前記放射の波長より小さく、前記素子の
サイズ及び該素子の間におかれた間隔は、前記所定の周波数帯域における電磁放
射に応じて自由空間(free space)の透磁率よりも大きな透磁率を与えるように
、選択されるガイドを提供する。
【0007】 このような磁束ガイドは、該ガイドの調整の目標となる周波数においてのみ増
加した透磁率を有し、安定した磁場では非磁気的(non-magnetic)である。
【0008】 上記所定の周波数帯域は、3MHzから30MHzまで広がるHF帯域内にあ
るのが効果的である。上記所定の周波数は、好ましくは、ほぼ10MHzからほ
ぼ23MHzまで広がるレンジ内にある。
【0009】 上記ガイドは、第1の細長い(elongate)領域を含み、また、このガイドは、
端が上記第1の細長い領域の端に接するように設けられた第2の細長い領域であ
って、上記第1の細長い領域に対して角度をなして例えば90°をなして傾斜し
た第2の細長い領域をも含む。
【0010】 上記素子の上記間隔は、上記所定の周波数帯域内の前記放射の波長の1/2未
満であり、好ましくは上記波長の1/5である。上記素子の間隔を上記所定の周
波数帯域内の前記放射の波長の1/10未満又は1/100未満にすることによ
り、さらなる効果が得られる。
【0011】 ダクト(duct)の透磁率は、2を超え、3を超えうる。透磁率が5を超えれば
、様々な効果が得られる。
【0012】 本発明は、高周波磁束のためのガイドをデザインする方法であって、アレイに
設けられる容量性素子の寸法を選択する工程を具備し、前記アレイは、所定の周
波数帯域内に存在する入射電磁放射に応じて所定の透磁率を示し、該アレイにお
いて、容量性素子電流は、無線周波数電磁放射により誘導されることができ、さ
らに、前記容量性素子の間におかれる間隔を前記所定の周波数帯域内の前記放射
の波長より小さくするように選択する工程であって、前記所定の周波数帯域内の
前記電磁放射に応じて遮蔽材に対して大気の透磁率より大きな透磁率を与えるた
めに、前記素子のサイズ及び前記間隔を選択する工程と、を具備する方法をも提
供する。
【0013】
【発明を実施するための最良の形態】
高周波磁束のためのガイド、及び、かかるガイドのデザイン方法について、例
として添付図面を参照して、詳細に説明する。
【0014】 図2に示す磁束ガイドは、5つの部分であってすべての部分が微細構造材料に
より作製された5つの部分を含む。図2から明らかなように、部分1、2及び3
は、鉛直に設けられ、また、鉛直方向に延びるロールのアレイを有する。部分1
、2及び3の上端は、傾斜が付けられており、これらに対応して傾斜が付けられ
た部分4、5に接続されている。部品1から5のすべては、上記IEEE論文及
び国際特許出願WO00/41270に記載されているような、接近させて間隔
がおかれた容量性素子を形成するロールのアレイを有する微細構造材料により形
成される。
【0015】 上記IEEE論文に記載されているように、電磁放射の磁気ベクトルは、ロー
ルの長さ方向に沿って導かれ(ガイドされ)、これらロールは、図2から明らか
なように、部品1から3においては鉛直に設けられ、部品4及び5においては水
平に設けられている。少しのロールのみしか、例えば部品1a、1b、4a、5
a、2a、2b、2c及び3a、3bにおいて示されていない。
【0016】 したがって、磁束ガイドは、電磁放射であって、その磁気ベクトルが領域2に
入り軸方向に上方向に領域2を通り、この後に水平に領域4及び4を通り、この
後に下方向に領域1及び3を通る(これと逆も可である)電磁放射、を導くのに
適している。
【0017】 長細い領域1−3及び4、5を直角に設ける必要はない。アプリケーションに
応じて、その他の傾斜を付けることが可能である。例えば、曲がったガイドは、
複数のまっすぐな部分であって、各部分が端と端とを接して結びつきかつ隣り合
う部分に対して傾斜した複数の部分、により形成されうる。
【0018】 磁束ガイドは、本発明者の継続中の英国特許出願第0005351.2に記載
されているような磁気共鳴像装置において用いられるが、他の多くのアプリケー
ション、例えば、無線電信の中間周波数(IF)段階のためのアプリケーション
をも有する。
【0019】 無線電信又は通信受信機のIF段階は、単一の周波数帯域で動作するようにデ
ザインされる。すなわち、チューニング(tuning)は、IF段階の上流で実行さ
れ、信号はヘテロダインミキシングによりダウンコンバートされて、コンディシ
ョニング(conditioning)のための固定周波数信号(fixed frequency signal)
が得られる。1つの周波数の場合には、誘導子(inductor)又は相互誘導子(mu
tual inductor)のためのコア(core)として微細構造材料を用いることは効果
的であろうから、これらの構成要素は、デザイン周波数以外の周波数(すなわち
ノイズ)に対して敏感でない。
【0020】 テレビのアンテナは広帯域であることが必要とされるので、上記材料は、テレ
ビのアンテナに使用するには適していないが、信号は、局部発振器を用いたミキ
シングの後に、範囲が明確に定まった単一の周波数で現れるので、上記材料は、
ミキシング後の段階において用いられうる。
【0021】 同一の理由により、上記材料は、通信システム、特に、〜2.5GHz及び〜
5GHzのように周波数帯域が比較的に狭い通信システムにおいて、選択性(se
lectivity)を付与するために用いられうる。
【0022】 (例) ロール材料の一例として、この材料は、シリンダ要素(cylindrical elements
)を含み、各要素は「スイスロール(Swiss Roll)」である。これらシリンダ要
素は、直径8mmの非磁性的コア[non-magnetic core](ガラス強化ブラスチッ
ク(GRP)ロッド)に巻かれた、37巻き数のフィルムにより形成される。 このフィルムは、プロフィルム(Profilm)として知られた専売材料(proprieta
ry material)であり、このプロフィルムは、約10nmのアルミニウムをコー
ティングしたマイラーベース(Mylar base)と、にかわ層(glue layer)とを含
み、全体としてほぼ50μmの厚さを有する。アルミニウム層のシート抵抗は、
約2.7Ω/平方である。シリンダの外径は、11.4mmであり、その材料は、
六方最密構造に集めること(すなわち、できるだけ密に詰め込むこと)ができる
。この構成によれば、21.3MHzでμ=3の最大透磁率が得られ、その他の
周波数かつ安定した静場で大気と同一の透磁率が得られる。
【0023】 別の例として、別のフィルムが、超伝導磁石システムで用いられるいわゆる「
超断熱(Superinsulation)」により得られる。これは、50nmまでの厚さの
アルミニウムでコーティングされた、6.4μmの厚さのマイヤーフィルムであ
る。このような層のシート抵抗は、0.5Ω/平方である。この材料が直径6m
mのマンドレルに18.7回巻かれると、外径は6.4mmになり、最大透磁率は
、21.3MHzでμ=4.9になり、その他の周波数かつ静場で大気の透磁率と
なる。
【0024】 さらにマイヤー中間層を含めることにより、さらに大きな透磁率を実現するこ
とができる。中間層が50μm厚さであれば、層全体の厚さは56.4μmであ
るので、6mmのマンドレルに58.62の巻き回数を用いれば、12.6mmの
直径で、透磁率μ=19.2が得られる。
【0025】 さらに伝導性の高いフィルムを用いることにより、さらに大きな透磁率を実現
することができる。上記例では、より厚いアルミニウムフィルムを用いるか、又
は、異なる金属(銀のような)を用いるか、のいずれかにより、シート抵抗が0
.1Ω/平方にまで低減されれば、透磁率は、76.7にまで増加するであろう。
【0026】 実現可能な透磁率は、周波数に依存する。すなわち、周波数が低ければ低いほ
ど、透磁率は大きくなり、逆に、周波数が高ければ高いほど、透磁率は小さくな
る。直径6mmのマンドレルに巻かれ、0.5Ω/平方のシート抵抗を有する5
6.4μm厚さの層という上記例を用いると、113の巻き回数により、10.6
MHzで外径18.8mm及び透磁率23.8が得られる。一方、14.5の巻き
数(外径7.6mmで)により、μ=11が得られる。金属の厚さを増加させて
シート抵抗を低減させることにより、実現可能な透磁率が増加するということが
明らかである。再度言及するに、透磁率は、その他の周波数かつ静場での大気の
透磁率である。
【0027】 システムをガイド(guiding)及び遮蔽するためのデザイン手順は、同様の手
法に従う。第1ステップは、対象とする周波数を定めることである。次に、ガイ
ドに関して、透磁率の実数部がその周波数において最大となるように材料をデザ
インする必要がある。損失を低減することが特に重要である場合には、透磁率の
実数部の最大値が対象となる周波数のわずかに上に位置するように、材料をデザ
インすることができる。なぜならば、虚数部(これは損失を上昇させてしまう)
は、この周波数範囲では実数部より速く低下するからである。
【0028】 遮蔽に関して、2つの実行可能な手法がある。対象となる周波数が、透磁率の
実数部の最小値(すなわち最大の負の値)に一致するか、又は、該最小値よりわ
ずかに高い位置にあるように、材料を作製することができる。これに代えて、透
磁率の虚数部のピークが対象となる周波数にあるように、材料を作製することが
できる。実用的な観点からみると、前者の手法が好ましいが、後者の手法によれ
ば、さらにわずかに良好な性能が得られる。
【0029】 ω0及びγを次のように表現すると、
【数1】 透磁率μを次のように記述することができる。
【数2】 ここで、Fは充填率(filling factor)であり、rは、「スイスロール」の有
限厚さ(finite thickness)を考慮に入れた、マンドレルの有効半径であり、そ
の他のパラメータについては、もとの特許に記載されている通りである。
【0030】 透磁率の実数部の極値は、最大値及び最小値については、以下に示すωmax
びωminにおいてそれぞれ存在する。
【数3】
【0031】 材料のパラメータd及びσ、フィルムの誘電率ε、及び、有効半径とコア(co
re)のサイズとの関係が与えられれば、材料において必要とされる巻き回数Nに
ついて上記方程式を解くことは簡単なことである。例えば、上述した第1の場合
における材料パラメータを用いれば、ガイド(guiding)のための材料を最適化
するためには、N=32.5ひいては周波数として23.4MHzを必要とする。
上述したような銀をコーティングしたフィルムを用いることにより、さらに良好
な結果が得られるであろう。すなわち、透磁率の実数部のピークを21.3MH
zで発生させるためには、上述した58.62の巻き回数ではなく58.47の巻
き回数が必要となり、6mmというフィルムの全長(〜1680mm)における
相違が必要となる。
【0032】 「スイスロール」の代替物として、国際特許出願WO 00/41270又は
英国特許出願第0005356.1に記載された、平坦な伝導素子(planar cond
ucting elements)の柱(column)を用いることができる。これら出願の内容は
、引用により本明細書に含められる。
【0033】 本発明は、ジアテルミー(diathermy)及び高周波ハイパーサーミア(hyperth
ermia)にも適用可能なものである。
【図面の簡単な説明】
【図1】 図1は、ガイドの透磁率の実数部及び虚数部の周波数に関する変化を示すグラ
フである。
【図2】 図2は、磁束ガイドの断面図である。
【図3】 図3は、ガイドの平面図である。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (81)指定国 EP(AT,BE,CH,CY, DE,DK,ES,FI,FR,GB,GR,IE,I T,LU,MC,NL,PT,SE,TR),OA(BF ,BJ,CF,CG,CI,CM,GA,GN,GW, ML,MR,NE,SN,TD,TG),AP(GH,G M,KE,LS,MW,MZ,SD,SL,SZ,TZ ,UG,ZW),EA(AM,AZ,BY,KG,KZ, MD,RU,TJ,TM),AE,AG,AL,AM, AT,AU,AZ,BA,BB,BG,BR,BY,B Z,CA,CH,CN,CR,CU,CZ,DE,DK ,DM,DZ,EE,ES,FI,GD,GE,GH, GM,HR,HU,ID,IL,IN,IS,JP,K E,KG,KP,KR,KZ,LC,LK,LR,LS ,LT,LU,LV,MA,MD,MG,MK,MN, MW,MX,MZ,NO,NZ,PL,PT,RO,R U,SD,SE,SG,SI,SK,SL,TJ,TM ,TR,TT,TZ,UA,UG,US,UZ,VN, YU,ZA,ZW (72)発明者 ウィルトシャー マイケル チャールズ キーオウ イギリス バッキンガムシャー エイチピ ー11 1イービー ハイ ウィカム ザ ブラッケンズ 3 【要約の続き】

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 容量性素子のアレイを備えた、高周波磁束のためのガイドで
    あって、 前記アレイは、所定の周波数帯域内に存在する入射電磁放射に応じて所定の透
    磁率を示し、 各容量性素子は、低抵抗の伝導パスを含み、各容量性素子は、前記所定の周波
    数帯域内に存在する電磁放射の磁気的成分が、前記パスの周りで流れかつ前記関
    連する素子を通って流れる電流を誘導するようになっており、 前記素子の間隔は、前記所定の周波数帯域内の前記放射の波長より小さく、 前記素子のサイズ及び該素子の間におかれた間隔は、前記所定の周波数帯域に
    おける電磁放射に応じて自由空間の透磁率よりも大きな透磁率を与えるように、
    選択される、ことを特徴とするガイド。
  2. 【請求項2】 前記所定の周波数帯域は、3MHzから30MHzにまで広
    がるHF帯域内にある請求項1に記載のガイド。
  3. 【請求項3】 前記所定の周波数帯域は、ほぼ10MHzからほぼ23MH
    zまで広がるレンジ内にある請求項2に記載のガイド。
  4. 【請求項4】 請求項1から請求項3のいずれかに記載のガイドであって、
    前記所定の周波数帯域の一部において負の透磁率を示すガイド。
  5. 【請求項5】 第1の細長い領域を含む請求項1から請求項4のいずれかに
    記載のガイド。
  6. 【請求項6】 端が前記第1の細長い領域の端に接するように設けられた第
    2の細長い領域であって、前記第1の細長い領域に対して角度をなして傾斜した
    第2の細長い領域を含む、請求項5に記載のガイド。
  7. 【請求項7】 前記容量性素子は、伝導材料のロールであり、 該ロールの軸は、前記各細長い領域に関して長さ方向に延びる、請求項5又は
    請求項6に記載のガイド。
  8. 【請求項8】 前記容量性素子は、前記各細長い領域に関して長さ方向に延
    びる柱となるように設けられた平坦なリング又は螺旋である請求項5又は請求項
    6に記載のガイド。
  9. 【請求項9】 前記素子の前記間隔は、前記所定の周波数帯域内の前記放射
    の波長の1/2未満である請求項1から請求項8のいずれかに記載のガイド。
  10. 【請求項10】 前記素子の前記間隔は、前記所定の周波数帯域内の前記放
    射の波長の1/5未満である請求項1から請求項8のいずれかに記載のガイド。
  11. 【請求項11】 前記素子の前記間隔は、前記所定の周波数帯域内の前記放
    射の波長の1/10未満である請求項1から請求項8のいずれかに記載のガイド
  12. 【請求項12】 高周波磁束のためのガイドをデザインする方法であって、 アレイに設けられる容量性素子の寸法を選択する工程を具備し、 前記アレイは、所定の周波数帯域内に存在する入射電磁放射に応じて所定の透
    磁率を示し、該アレイにおいて、容量性素子電流は、無線周波数電磁放射により
    誘導されることができ、 さらに、前記容量性素子の間におかれる間隔を前記所定の周波数帯域内の前記
    放射の波長より小さくするように選択する工程であって、前記所定の周波数帯域
    内の前記電磁放射に応じて遮蔽材に対して大気の透磁率より大きな透磁率を与え
    るために、前記素子のサイズ及び前記間隔を選択する工程と、 を具備することを特徴とする方法。
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