JP2005210016A - Frequency selecting device - Google Patents

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Toru Iwai
通 岩井
Kenichi Hatakeyama
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a frequency selecting device in which frequency selectivity can be easily adjusted and which is excellent in the selection performance. <P>SOLUTION: The frequency selecting device includes a plurality of layers, each of which has a plurality of metal conductors 10 that are regularly arranged in an x-y plane, while the layers are arranged at prescribed intervals in z-axis direction. In a frequency range higher than a resonance frequency determined by the shape and the intervals in the arrangement of the metal conductors 10, the frequency selecting device exhibits negative equivalent dielectric constants, and shows the property of total reflection for the electromagnetic waves. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

この発明は、周波数選択装置に関し、より特定的には、所望の周波数の電磁波のみを選択的に透過または反射させるための構造に関する。   The present invention relates to a frequency selection device, and more particularly to a structure for selectively transmitting or reflecting an electromagnetic wave having a desired frequency.

周波数選択性表面(FSS:Frequency Selective Surface)においては、特定周波数の電磁波を選択的に遮断または吸収する特性を利用して、オフィス内などでの電波環境の整備部材として普及している。   A frequency selective surface (FSS) is widely used as a maintenance member for a radio wave environment in an office or the like by utilizing a characteristic of selectively blocking or absorbing electromagnetic waves of a specific frequency.

図22は、周波数選択性表面の原理を説明するための構成図である。図22に示す構成は、例えば非特許文献1に記載されるように、周波数選択性表面の一例として周知のものである。   FIG. 22 is a configuration diagram for explaining the principle of the frequency selective surface. The configuration shown in FIG. 22 is well known as an example of a frequency selective surface as described in Non-Patent Document 1, for example.

図22を参照して、周波数選択性表面は、高分子やガラスなどの誘電体板110に金属導体100を混合して形成される。金属導体100の形状は、図22のような正方形環状のもの以外に、ストリップ状、十字型などがあり、x−z平面に互いに等しい間隔をもって配列される。図22は、単層のときの構成であるが、多層で構成するときには、このx−z平面の配列を1層として、複数の層が、y軸方向に対して所定の間隔をもって平行に配列される。   Referring to FIG. 22, the frequency selective surface is formed by mixing metal conductor 100 with dielectric plate 110 such as polymer or glass. The shape of the metal conductor 100 includes a strip shape and a cross shape in addition to a square ring shape as shown in FIG. 22, and is arranged at equal intervals on the xz plane. FIG. 22 shows a configuration in the case of a single layer. However, in the case of a multilayer configuration, the xz plane is arranged as one layer, and a plurality of layers are arranged in parallel with a predetermined interval in the y-axis direction. Is done.

この構造において、周波数選択性表面は、個々の金属導体100の形状と金属導体100が配列される間隔とに依存する共振周波数を有する。この共振周波数付近では、図22に示すように、周波数選択性表面全体の透過係数τが0を示す一方、反射係数Γが1を示す。これによって、入射される電磁波のうち共振周波数に該当する電磁波のみが選択的に反射されることになり、周波数選択性表面は、特定周波数の電磁波のみを反射する帯域阻止フィルタとして機能する。   In this structure, the frequency selective surface has a resonant frequency that depends on the shape of the individual metal conductors 100 and the spacing at which the metal conductors 100 are arranged. In the vicinity of this resonance frequency, as shown in FIG. 22, the transmission coefficient τ of the entire frequency selective surface shows 0, while the reflection coefficient Γ shows 1. Thereby, only the electromagnetic waves corresponding to the resonance frequency among the incident electromagnetic waves are selectively reflected, and the frequency selective surface functions as a band rejection filter that reflects only the electromagnetic waves of a specific frequency.

図23は、多層構造からなる周波数選択性表面の等価回路図である。   FIG. 23 is an equivalent circuit diagram of a frequency selective surface having a multilayer structure.

図23を参照して、周波数選択性表面は、図22に示す単層の周波数選択性表面が3層積層された構造を有する。各層の等価回路は、直列結合されたインダクタンスL、キャパシタンスCおよび抵抗素子Rで表わされる。さらに、一方層と他方層とは、間隔dをもって伝送線路上に並列に結合される。なお、この間隔dは、実際には、層間に挿入されるスペーサの厚さに相当する。   Referring to FIG. 23, the frequency selective surface has a structure in which three single-layer frequency selective surfaces shown in FIG. 22 are laminated. The equivalent circuit of each layer is represented by an inductance L, a capacitance C, and a resistance element R coupled in series. Further, the one layer and the other layer are coupled in parallel on the transmission line with a distance d. The distance d actually corresponds to the thickness of the spacer inserted between the layers.

ここで、ある1層に着目すると、インダクタンスL、キャパシタンスCおよび抵抗素子Rは直列共振回路を構成し、共振周波数において当該層のインピーダンスは最小となり、個々の金属導体に流れる電流は最大となる。共振回路の各素子パラメータは、金属導体の形状と配列間隔とによって変化することから、これらの素子パラメータで一義的に求まる共振周波数も、金属導体の形状と配列間隔とによって変動すると言える。   Here, when focusing on a certain layer, the inductance L, the capacitance C, and the resistance element R constitute a series resonance circuit, the impedance of the layer becomes minimum at the resonance frequency, and the current flowing through each metal conductor becomes maximum. Since each element parameter of the resonance circuit changes depending on the shape and arrangement interval of the metal conductors, it can be said that the resonance frequency uniquely determined by these element parameters also varies depending on the shape of the metal conductor and the arrangement interval.

さらに、多層構造では、単層ごとに所定の共振周波数を持つ帯域阻止フィルタを間隔dごとに伝送線路上に並べたものとみなすことができる。したがって、周波数選択性表面全体でのフィルタ特性は、各層の共振周波数と層間の間隔とによって決定されることとなる。言い換えれば、各層の共振周波数と層間の間隔とを調整することによって、所望の周波数選択性を持つ周波数選択性表面を構成することができる。
Ben A. Munk, “Frequency Selective Surfaces,” John Willey & Sons, Inc., pp.1-6, 2000.
Furthermore, in a multilayer structure, it can be considered that the band rejection filter which has a predetermined resonant frequency for every single layer was arranged on the transmission line for every space | interval d. Therefore, the filter characteristics over the entire frequency selective surface will be determined by the resonant frequency of each layer and the spacing between layers. In other words, by adjusting the resonance frequency of each layer and the distance between the layers, a frequency selective surface having a desired frequency selectivity can be formed.
Ben A. Munk, “Frequency Selective Surfaces,” John Willey & Sons, Inc., pp.1-6, 2000.

以上のように、従来の周波数選択性表面において、周波数選択性は、構成する1層ごとの共振周波数と層間の間隔とによって決まる。さらに、1層ごとの共振周波数は、個々の金属導体の形状と配列間隔とによって決定される。したがって、金属導体の形状と配列間隔および層間の間隔を調整すれば、所望の周波数選択性を得ることができる。   As described above, in the conventional frequency selective surface, the frequency selectivity is determined by the resonance frequency of each constituting layer and the distance between the layers. Further, the resonance frequency for each layer is determined by the shape and arrangement interval of the individual metal conductors. Therefore, desired frequency selectivity can be obtained by adjusting the shape and arrangement interval of metal conductors and the interval between layers.

しかしながら、実際には、周波数選択性表面は、プリント基板または樹脂フィルム上にエッチング等で金属導体を形成し、これを発泡材または樹脂等の誘電材料で所定の間隔を保って保持することによって金属導体を空間上に配列する。このため、製造後において、金属導体の形状や配列間隔を変更することは、現実的に不可能であった。   However, in practice, the frequency selective surface is formed by forming a metal conductor by etching or the like on a printed circuit board or a resin film, and holding it at a predetermined interval with a dielectric material such as a foam material or a resin. Arrange the conductors in space. For this reason, it is practically impossible to change the shape and arrangement interval of the metal conductors after the manufacture.

また、製造プロセスのばらつきに起因して出来上がりの形状と設計値との間に誤差が生じ、所望の周波数選択性が得られなかった場合においても、チューニングによって合わせ込むことは時間的にもコスト的にも困難とされてきた。   In addition, even if the desired frequency selectivity cannot be obtained due to an error between the finished shape and the design value due to variations in the manufacturing process, it is time-consuming and costly to adjust the frequency by the tuning. It has also been considered difficult.

それゆえ、この発明は、このような周波数選択性表面の問題点を解決するためになされたものであって、その目的は、周波数選択性を容易に調整することが可能な周波数選択装置を提供することである。   Therefore, the present invention has been made to solve such problems of the frequency selective surface, and an object thereof is to provide a frequency selective device capable of easily adjusting the frequency selectivity. It is to be.

この発明の他の目的は、周波数選択性能に優れた周波数選択装置を提供することである。   Another object of the present invention is to provide a frequency selection device having excellent frequency selection performance.

この発明のある局面によれば、複数の金属導体が平面上に規則的に配列された層を1層として、1層が一定の間隔を保って平行に積層されてなる複数の層を備え、金属導体の共振周波数を含む遮断周波数帯域において、複数の層に入射される電磁波を遮断し、遮断周波数帯域以下の通過周波数帯域において、複数の層に入射される電磁波を透過する。   According to one aspect of the present invention, a layer in which a plurality of metal conductors are regularly arranged on a plane is defined as one layer, and a single layer is provided with a plurality of layers that are stacked in parallel at a constant interval. In the cut-off frequency band including the resonance frequency of the metal conductor, electromagnetic waves incident on the plurality of layers are blocked, and in the pass frequency band equal to or lower than the cut-off frequency band, the electromagnetic waves incident on the plurality of layers are transmitted.

好ましくは、複数の層を巨視的に均質な誘電体と見たときの等価比誘電率は、共振周波数以下の周波数帯域において1以上の値を示し、共振周波数以上の遮断周波数帯域において負の値を示す。   Preferably, the equivalent relative permittivity when a plurality of layers are viewed as a macroscopically homogeneous dielectric exhibits a value of 1 or more in a frequency band below the resonance frequency, and a negative value in a cutoff frequency band above the resonance frequency. Indicates.

好ましくは、複数の層の厚さが、等価比誘電率を持つ誘電体を伝搬する電磁波の波長の2分の1の整数倍となる周波数を含む電磁波を透過する。   Preferably, the plurality of layers transmit electromagnetic waves having a frequency that is an integral multiple of one half of the wavelength of the electromagnetic waves propagating through a dielectric having an equivalent dielectric constant.

好ましくは、複数の層の厚さが、等価比誘電率を持つ誘電体を伝搬する電磁波の波長の5分の1倍以下となる周波数を含む電磁波を透過する。   Preferably, an electromagnetic wave including a frequency at which the thickness of the plurality of layers is not more than one fifth of the wavelength of the electromagnetic wave propagating through a dielectric having an equivalent relative dielectric constant is transmitted.

より好ましくは、複数の層は、複数の金属導体の前後に単独または併せて接合される複数の第1および第2の誘電体の平行板をさらに含む。複数の層の厚さは、複数の第1および第2の誘電体の平行板の厚さの総和となる。   More preferably, the plurality of layers further includes a plurality of first and second dielectric parallel plates that are joined either alone or together before and after the plurality of metal conductors. The thickness of the plurality of layers is the sum of the thicknesses of the plurality of first and second dielectric parallel plates.

この発明の別の局面によれば、複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される周波数選択性表面をさらに備え、通過周波数帯域において、一部の周波数の電磁波を遮断する。   According to another aspect of the present invention, a frequency-selective surface joined to a plurality of layers at a predetermined interval is further provided, and electromagnetic waves of some frequencies are blocked in the pass frequency band.

この発明の別の局面によれば、複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される誘電体の平行板または周波数選択性表面をさらに備え、通過周波数帯域において、特定の周波数の電磁波の反射を相殺する。   According to another aspect of the present invention, a dielectric parallel plate or a frequency-selective surface joined to a plurality of layers at a predetermined interval is further provided, and an electromagnetic wave having a specific frequency in a pass frequency band. To cancel the reflection.

好ましくは、誘電体の平行板は、誘電体板および第2の複数の層のうちのいずれかとする。   Preferably, the dielectric parallel plate is one of the dielectric plate and the second plurality of layers.

この発明の別の局面によれば、複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される周波数選択性表面または第2の複数の層をさらに備え、周波数選択性表面または第2の複数の層は、遮断周波数帯域の上限周波数の1.1倍以下または下限周波数の0.9倍以上の周波数の電磁波を遮断する特性を有する。   According to another aspect of the present invention, the apparatus further includes a frequency selective surface or a second plurality of layers bonded to the plurality of layers at a predetermined interval, and the frequency selective surface or the second plurality of layers is further provided. This layer has a characteristic of blocking electromagnetic waves having a frequency not more than 1.1 times the upper limit frequency of the cutoff frequency band or not less than 0.9 times the lower limit frequency.

この発明のある局面によれば、周波数選択装置に従来の人工誘電体の技術を適用し、共振周波数以上の周波数範囲にまで拡大することにより、共振周波数を含む遮断周波数帯域の電磁波を選択的に遮断するとともに、遮断周波数帯域よりも低い透過周波数帯域の電磁波を低損失で透過させるという周波数選択性を簡易かつ高精度に実現することができる。   According to an aspect of the present invention, by applying a conventional artificial dielectric technology to a frequency selection device and expanding it to a frequency range equal to or higher than the resonance frequency, an electromagnetic wave in a cutoff frequency band including the resonance frequency is selectively selected. In addition to blocking, it is possible to easily and accurately realize frequency selectivity of transmitting an electromagnetic wave in a transmission frequency band lower than the cutoff frequency band with low loss.

さらに、透過周波数において金属導体に誘導される電流が小さいことから、従来の周波数選択性表面よりも損失を抑えることができる。   Furthermore, since the current induced in the metal conductor at the transmission frequency is small, the loss can be suppressed as compared with the conventional frequency selective surface.

この発明の別の局面によれば、周波数選択装置に所定の間隔を持って従来型の周波数選択性表面を接合し、周波数選択性表面の共振周波数と当該間隔とを調整することによって、周波数選択装置の透過周波数の一部を遮断するという周波数選択性を容易に実現することができる。   According to another aspect of the invention, frequency selection is performed by joining a conventional frequency selective surface to the frequency selective device with a predetermined interval and adjusting the resonant frequency of the frequency selective surface and the interval. It is possible to easily realize frequency selectivity that blocks a part of the transmission frequency of the device.

この発明の別の局面によれば、1枚の周波数選択装置に所定の間隔を隔てて周波数選択装置を対向して配置し、その間隔を調整することにより、所望の周波数の反射を小さくすることができる。   According to another aspect of the present invention, the frequency selection devices are arranged opposite to each other with a predetermined interval on one frequency selection device, and the reflection of a desired frequency is reduced by adjusting the interval. Can do.

この発明の別の局面によれば、周波数選択装置に従来型の周波数選択性表面または周波数選択装置を接合し、これらの遮断周波数帯域を周波数選択装置の遮断周波数帯域の近傍となるように調整することにより、周波数選択装置の持つ遮断周波数帯域を広げることができる。   According to another aspect of the present invention, a conventional frequency selective surface or frequency selection device is joined to the frequency selection device, and these cutoff frequency bands are adjusted to be close to the cutoff frequency band of the frequency selection device. Thus, the cut-off frequency band of the frequency selection device can be expanded.

以下、この発明の実施の形態について図面を参照して詳しく説明する。なお、図中同一符号は同一または相当部分を示す。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the drawings, the same reference numerals indicate the same or corresponding parts.

[実施の形態1]
最初に、この発明の実施の形態1に係る周波数選択装置の基本原理について説明する。本発明は、要約すれば、既存の人工誘電体の技術を拡張して適用することによって、これまでの周波数選択性表面の周波数選択性の調整を容易とし、かつ選択性能を向上させるものである。
[Embodiment 1]
First, the basic principle of the frequency selection device according to the first embodiment of the present invention will be described. In summary, the present invention is intended to facilitate the adjustment of the frequency selectivity of the conventional frequency selective surface and improve the selection performance by expanding and applying the existing artificial dielectric technology. .

図1は、既存の人工誘電体の構造を概略的に示す図である。なお、本構造は、人工誘電体の一例として、クラウス著、「空中線」、近代科学社、pp.454−458に記載されているように、周知のものである。   FIG. 1 is a diagram schematically showing the structure of an existing artificial dielectric. In addition, this structure is an example of an artificial dielectric, by Klaus, “Aerial Line”, Modern Science Co., pp. It is well known as described in 454-458.

図1を参照して、人工誘電体200は、通常の非金属の誘電体が、微視的大きさの分子の粒子から構成されるのに対して、巨視的大きさの別々の金属導体10からできている。金属導体10には、球体以外に、ストリップ状や円柱などが含まれる。この金属導体10は、図1に示すように、3次元の格子構造に配列されて、凸レンズを形成する。このような配列は、通常の誘電体物質の結晶格子と類似しており、ただ寸法がはるかに大きいだけである。   Referring to FIG. 1, an artificial dielectric 200 is a conventional non-metallic dielectric composed of microscopic sized molecular particles, whereas a macroscopic sized separate metal conductor 10. Made from. In addition to the sphere, the metal conductor 10 includes a strip shape or a cylinder. As shown in FIG. 1, the metal conductors 10 are arranged in a three-dimensional lattice structure to form a convex lens. Such an arrangement is similar to the crystal lattice of a normal dielectric material, only with much larger dimensions.

金属導体10はそれぞれ、波源からの電磁波を受けると、静電誘導によって分極現象を起こし、電界Eの方向に正と負との電荷が誘導される。これらの電荷の効果は、距離lだけ離れた+qおよび−qとの点電荷によって代表することができる。こうして、各金属導体10は、ダイポール能率qlの電気双極子を構成することになる。すなわち、図1に示す金属導体10の配列は、巨視的にみれば、波長より短い間隔をもって連続的に分布することから、電界Eによって分極する誘電体とみなすことができる。   When each of the metal conductors 10 receives an electromagnetic wave from a wave source, a polarization phenomenon is caused by electrostatic induction, and positive and negative charges are induced in the direction of the electric field E. These charge effects can be represented by point charges with + q and -q separated by a distance l. Thus, each metal conductor 10 constitutes an electric dipole having a dipole efficiency ql. That is, when viewed macroscopically, the arrangement of the metal conductors 10 shown in FIG. 1 is continuously distributed at intervals shorter than the wavelength, and thus can be regarded as a dielectric that is polarized by the electric field E.

ここで、個々の金属導体10については、電界Eに平行方向の大きさlが電磁波の波長の2分の1に等しいときには、金属導体10が共振状態となって大電流が誘起されることが知られている。さらに、金属導体10中の正および負の電荷の移動が電磁波の速度に追いつかないために、位相に遅れが生じる。これらの結果、人工誘電体全体としての等価的な誘電率は、金属導体の大きさlが波長の2分の1近傍では、電磁波の周波数によって大きく変動してしまうこととなる。   Here, for each metal conductor 10, when the magnitude l in the direction parallel to the electric field E is equal to one half of the wavelength of the electromagnetic wave, the metal conductor 10 is in a resonance state and a large current is induced. Are known. Furthermore, since the movement of positive and negative charges in the metal conductor 10 cannot catch up with the speed of the electromagnetic wave, the phase is delayed. As a result, the equivalent dielectric constant of the artificial dielectric as a whole greatly varies depending on the frequency of the electromagnetic wave when the size 1 of the metal conductor is in the vicinity of half the wavelength.

したがって、この共振の影響を避けるためには、金属導体10の大きさlは、使用周波数における波長の2分の1に比べて小さくなければならない。特に、金属導体10の大きさlが波長の4分の1以下であれば、周波数に依らず、誘電率が安定することが既に見出されている。このため、従来の人工誘電体においては、一般的に金属導体の大きさは、波長の4分の1程度以下となるように設計されている。   Therefore, in order to avoid the influence of this resonance, the size l of the metal conductor 10 must be smaller than half the wavelength at the operating frequency. In particular, it has already been found that when the size l of the metal conductor 10 is equal to or less than a quarter of the wavelength, the dielectric constant is stable regardless of the frequency. For this reason, in the conventional artificial dielectric, the size of the metal conductor is generally designed to be about one quarter or less of the wavelength.

また、電磁波の伝搬方向に対して隣り合う金属導体10の間隔sについては、回折の影響を避けるために、1波長よりも短いこととされている。   In addition, the interval s between the adjacent metal conductors 10 in the propagation direction of electromagnetic waves is shorter than one wavelength in order to avoid the influence of diffraction.

このように、従来の人工誘電体は、個々の金属導体で生じうる共振を回避した形状および周波数で使用することによって、全体での等価誘電率を安定的に保とうとするものであった。今回は、これまで避けられていた人工誘電体が共振したときの等価誘電率の変動に着目し、これを周波数選択装置に応用することにより、周波数選択性能を向上させることができた。以下において、周波数選択装置の等価的な比誘電率を求め、これから導き出される周波数選択性について詳細に説明する。   As described above, the conventional artificial dielectric is intended to stably maintain the equivalent dielectric constant as a whole by using a shape and frequency that avoids resonance that may occur in individual metal conductors. This time, focusing on the variation of the equivalent permittivity when the artificial dielectric that had been avoided until now was resonated, and applying this to the frequency selection device, the frequency selection performance could be improved. In the following, the equivalent dielectric constant of the frequency selection device is obtained, and the frequency selectivity derived therefrom will be described in detail.

本発明に従う周波数選択装置を巨視的に誘電体とみたときの等価的な比誘電率の計算には、図2に示す有限長の金属導体を配列したモデルを用いた。図2に示すように、個々の金属導体は、ストリップ形状とし、長さl=15mm、幅w=0.75mmおよび厚さtを無限小とする。金属導体は、x軸方向およびy軸方向にそれぞれ、Δx=2.25mm,Δy=3mmの間隔で規則的に配列される。さらに、x−y平面上の金属導体を1層として、z軸方向に対して5層配列する。このときの各層の間隔Δzは3mmとする。   For the calculation of the equivalent dielectric constant when the frequency selection device according to the present invention is macroscopically regarded as a dielectric, a model in which metal conductors of finite length shown in FIG. 2 are arranged is used. As shown in FIG. 2, each metal conductor has a strip shape, a length l = 15 mm, a width w = 0.75 mm, and a thickness t that is infinitely small. The metal conductors are regularly arranged at intervals of Δx = 2.25 mm and Δy = 3 mm in the x-axis direction and the y-axis direction, respectively. Further, the metal conductors on the xy plane are arranged as one layer, and five layers are arranged in the z-axis direction. At this time, the interval Δz between the layers is 3 mm.

以上の構造からなる周波数選択装置に入射される入射波は、z軸の負方向に進行する平面波であり、y軸方向のみの電界成分をもち、電界強度Eを1V/mとする。   The incident wave incident on the frequency selection device having the above structure is a plane wave traveling in the negative direction of the z-axis, has an electric field component only in the y-axis direction, and has an electric field strength E of 1 V / m.

等価比誘電率の算定には、図2に示すモデルに平面波を入射したときに各金属導体に誘導される電流の放射から周波数選択装置の反射波をまず求め、これらから等価比誘電率を計算する手法を用いた。   The equivalent dielectric constant is calculated by first obtaining the reflected wave of the frequency selection device from the radiation of the current induced in each metal conductor when a plane wave is incident on the model shown in FIG. 2, and calculating the equivalent dielectric constant from these. I used the technique to do.

最初に、金属導体に誘導される電流については、図2に示すように、金属導体の長さlをm個(mは2以上の自然数)の要素に分割し、各要素内においてx軸方向およびy軸方向に流れる2つの面電流をモーメント法により導出する。なお、今回の誘導電流の算出については、畠山、林著、「有限長金属円柱の規則的配列による電磁波の反射・透過の数値解法」、電気情報通信学会論文誌B−II、vol.J81−B−II,No.10,pp.983−989,1998年10月に記載される方法を応用している。当該解法では、金属導体を平面上に配列した単層のモデルを用いるが、今回の計算においては、さらにこのモデルを1層とする複数の層(例えば、5層とする)からなるモデルに拡張して実行した点でのみ異なる。よって、算定方法についての詳細な説明については省略する。   First, with respect to the current induced in the metal conductor, as shown in FIG. 2, the length l of the metal conductor is divided into m elements (m is a natural number of 2 or more), and the x-axis direction in each element Two surface currents flowing in the y-axis direction are derived by the moment method. As for the calculation of the induced current this time, Kashiyama and Hayashi, “Numerical Solution of Electromagnetic Reflection / Transmission by Regular Arrangement of Finite-Length Metal Cylinder”, IEICE Transactions B-II, vol. J81-B-II, no. 10, pp. 983-989, October 1998, is applied. In this solution, a single-layer model with metal conductors arranged on a plane is used. In this calculation, this model is further expanded to a model consisting of a plurality of layers (for example, five layers). The only difference is that it was executed. Therefore, a detailed description of the calculation method is omitted.

図3〜図7は、上記の方法によって算出された誘導電流の周波数特性を、周波数選択装置の各層ごとに示したものである。図3〜図7に示す誘導電流は、第1層〜第5層に配列される金属導体の中央を流れる電流にそれぞれ対応する。   3 to 7 show the frequency characteristics of the induced current calculated by the above method for each layer of the frequency selection device. The induced currents shown in FIGS. 3 to 7 correspond to currents flowing through the centers of the metal conductors arranged in the first to fifth layers, respectively.

図3〜図7から明らかなように、各層の誘導電流は絶対値が互いに異なるものの、いずれの層にも共通して9GHz付近にて最大となる結果を得た。ここで、図2に示す金属導体の長さl=15mmは、周波数9GHzにおける電磁波の波長の約2分の1の長さに相当する。よって、個々の金属導体には、共振によって大電流が誘導されるものと判断できる。   As is clear from FIGS. 3 to 7, although the absolute values of the induced currents of the respective layers are different from each other, a maximum result is obtained in the vicinity of 9 GHz in common to all the layers. Here, the length l = 15 mm of the metal conductor shown in FIG. 2 corresponds to a length of about one half of the wavelength of the electromagnetic wave at a frequency of 9 GHz. Therefore, it can be determined that a large current is induced in each metal conductor by resonance.

図8は、上記の誘導電流から求められた5GHzにおける電界分布のz軸に沿う変化である。ここで、実線は金属導体からの散乱波電界を示し、破線は散乱波電界と入射波とを合成した全電界を示す。   FIG. 8 is a change along the z-axis of the electric field distribution at 5 GHz obtained from the induced current. Here, the solid line indicates the scattered wave electric field from the metal conductor, and the broken line indicates the total electric field obtained by combining the scattered wave electric field and the incident wave.

図8を参照して、z>0の領域(入射側)では、実線は反射波のみを表わし、破線は反射波と入射波との合成によって生じる定在波を表わす。5GHzでは、反射波のレベルが小さいことが分かる。   Referring to FIG. 8, in the region of z> 0 (incident side), the solid line represents only the reflected wave, and the broken line represents the standing wave generated by the combination of the reflected wave and the incident wave. It can be seen that the reflected wave level is small at 5 GHz.

一方、z<0の領域(透過側)では、破線が透過波となる。5GHzでは、透過波の電界強度は1.0V/mとなり、ほぼ透過していることが分かる。   On the other hand, in the region of z <0 (transmission side), the broken line is the transmitted wave. At 5 GHz, the electric field strength of the transmitted wave is 1.0 V / m, and it can be seen that it is almost transmitted.

図9は、9.5GHzにおける電界分布のz軸に沿う変化である。図8の同様に、実線は散乱波電界を示し、破線は全電界を示す。   FIG. 9 shows changes along the z-axis of the electric field distribution at 9.5 GHz. Similarly to FIG. 8, the solid line indicates the scattered wave electric field, and the broken line indicates the total electric field.

図9を参照して、z>0の領域では、反射波の電界強度が1V/mと高く、ほぼ全反射されているとみなすことができる。これに対して、z<0の領域では、破線で示される透過波がほぼ0V/mであり、入射波が透過されないという結果を得た。   Referring to FIG. 9, in the region of z> 0, the electric field intensity of the reflected wave is as high as 1 V / m, and it can be considered that the total reflection is performed. On the other hand, in the region of z <0, the transmitted wave indicated by the broken line is almost 0 V / m, and the incident wave is not transmitted.

なお、図8および図9に見られる、透過波および反射波の場所による周期的な変動については、電界の計算法によって生じる現象であり、以下に示す反射係数においては、この影響を取り除いて計算を行なった。   Note that the periodic fluctuation depending on the location of the transmitted wave and reflected wave seen in FIGS. 8 and 9 is a phenomenon caused by the calculation method of the electric field. The reflection coefficient shown below is calculated by removing this influence. Was done.

次に、得られた電界分布から、周波数選択装置の等価比誘電率を求める。等価比誘電率を求めるにあたっては、周波数選択装置を空間に置かれた誘電体の平行板と仮定したときの複素反射係数Γを伝送線路モデルを用いて計算し、得られた複素反射係数Γに基づいて等価比誘電率εを算出することとする。   Next, an equivalent relative dielectric constant of the frequency selection device is obtained from the obtained electric field distribution. In obtaining the equivalent dielectric constant, the complex reflection coefficient Γ is calculated using the transmission line model when the frequency selection device is assumed to be a parallel plate of a dielectric placed in space, and the obtained complex reflection coefficient Γ is calculated. Based on this, the equivalent dielectric constant ε is calculated.

図10に示す伝送線路モデルにおいて、複素反射係数Γは、入射波と反射波との複素振幅の比で表わされる。図8および9に示す散乱波電界のうち入射側に存在する電界は、この構造による反射波となることから、反射波の振幅と位相とが求められる。入射波は、先の電磁界解析において既知であるため、これらから複素反射係数Γを求めることができる。   In the transmission line model shown in FIG. 10, the complex reflection coefficient Γ is represented by the ratio of the complex amplitude between the incident wave and the reflected wave. Of the scattered wave electric field shown in FIGS. 8 and 9, the electric field present on the incident side is a reflected wave by this structure, and therefore the amplitude and phase of the reflected wave are required. Since the incident wave is known in the previous electromagnetic field analysis, the complex reflection coefficient Γ can be obtained from these.

図11は、以上の計算から導出された図2の周波数選択装置における複素反射係数Γの絶対値の周波数特性である。   FIG. 11 is a frequency characteristic of the absolute value of the complex reflection coefficient Γ in the frequency selection device of FIG. 2 derived from the above calculation.

図11を参照して、複素反射係数Γの絶対値は、9GHzを境として、9GHz以下の周波数帯域において、1以下の値を示す。一方、9GHz以上の周波数帯域においてほぼ1を保持する。なお、1以上の値となるのは、計算上の誤差のためである。さらに、9GHz以下の周波数帯域に着目すると、4.5GHz,7.5GHzおよび8.5GHz付近において、複素反射係数Γの絶対値は離散的に0近くまで減少する。これに対して、9GHz以上の周波数帯域では、複素反射係数Γの絶対値は1に固定され、全反射を示している。   Referring to FIG. 11, the absolute value of complex reflection coefficient Γ is 1 or less in a frequency band of 9 GHz or less with 9 GHz as a boundary. On the other hand, almost 1 is maintained in the frequency band of 9 GHz or higher. Note that the value of 1 or more is due to a calculation error. Further, when focusing on the frequency band of 9 GHz or less, the absolute value of the complex reflection coefficient Γ is discretely reduced to near 0 in the vicinity of 4.5 GHz, 7.5 GHz, and 8.5 GHz. On the other hand, in the frequency band of 9 GHz or more, the absolute value of the complex reflection coefficient Γ is fixed to 1, indicating total reflection.

さらに、得られた複素反射係数Γの周波数特性を用いて、図2に示す周波数選択装置の等価比誘電率を求める。   Further, the equivalent relative dielectric constant of the frequency selection device shown in FIG. 2 is obtained using the frequency characteristic of the obtained complex reflection coefficient Γ.

再び図10の伝送線路モデルを参照して、誘電体板の表面から見た正規化入力インピーダンスZinは、誘電体板の比誘電率をε、厚さをdとし、入射波の自由空間での波長をλとすると、式(1)となる。 Referring to the transmission line model of FIG. 10 again, the normalized input impedance Z in viewed from the surface of the dielectric plate is expressed by the relative permittivity of the dielectric plate ε r , the thickness d, and the free space of the incident wave If the wavelength at λ is λ, Equation (1) is obtained.

Figure 2005210016
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一方、複素反射係数Γと誘電体板の比誘電率εとの間には、正規化入力インピーダンスZinを用いて、次の関係式が成立する。 On the other hand, the following relational expression is established between the complex reflection coefficient Γ and the relative dielectric constant ε r of the dielectric plate using the normalized input impedance Z in .

Figure 2005210016
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したがって、複素反射係数Γから正規化入力インピーダンスZinを求めれば、式(1)からニュートン法によって数値的に比誘電率εを導出することができる。 Therefore, if the normalized input impedance Z in is obtained from the complex reflection coefficient Γ, the relative dielectric constant ε r can be numerically derived from the equation (1) by the Newton method.

図12は、以上の計算によって得られた、図2の周波数選択装置の等価比誘電率ε(実部)の周波数特性である。   FIG. 12 shows the frequency characteristic of the equivalent dielectric constant ε (real part) of the frequency selection device of FIG. 2 obtained by the above calculation.

図12を参照して、等価比誘電率εは、低い周波数帯域では、1以上の一定値を保つ。このような等価比誘電率εの挙動から、本発明に係る周波数選択装置は、低い周波数帯域において、従来の人工誘電体として捉えることができる。すなわち、周波数選択装置は、薄い誘電体の平行板と考えることができる。ここで、平行板の反射を考えると、第1の界面で反射した波と、一度この板に侵入して板の内部で多重反射するときに、第1の界面を通して出てくる波との合成がこの板の反射波となる。平行板の厚さが波長に対して十分に薄い場合は、森田他著、「マイクロ波アンテナ」、オーム社、pp.127−128に記載されているように、2つの反射波が互いに逆位相となって相殺することにより、反射が小さくなる。したがって、今回の周波数選択装置では、低い周波数帯域における複素反射係数Γが低く抑えられている。   Referring to FIG. 12, equivalent dielectric constant ε maintains a constant value of 1 or more in a low frequency band. From such behavior of the equivalent dielectric constant ε, the frequency selection device according to the present invention can be regarded as a conventional artificial dielectric in a low frequency band. That is, the frequency selection device can be considered as a thin dielectric parallel plate. Here, considering the reflection of the parallel plate, the combination of the wave reflected at the first interface and the wave that emerges through the first interface once it enters the plate and undergoes multiple reflection inside the plate. Becomes the reflected wave of this plate. If the thickness of the parallel plate is sufficiently thin relative to the wavelength, see Morita et al., “Microwave Antenna”, Ohm, pp. As described in 127-128, the two reflected waves are out of phase with each other and cancel each other, thereby reducing reflection. Therefore, in this frequency selection device, the complex reflection coefficient Γ in the low frequency band is kept low.

さらに、低い周波数帯域から9GHzに至ると、等価比誘電率εは、正側に急激に増加する。これは、図2に示す個々の金属導体の共振によって、誘導電流が急増したことによる。   Furthermore, when it reaches 9 GHz from a low frequency band, the equivalent relative dielectric constant ε increases rapidly to the positive side. This is because the induced current increased rapidly due to the resonance of the individual metal conductors shown in FIG.

また、等価比誘電率εは、10GHz前後において不連続であり、10GHz以上の周波数帯域においては、負の無限大から増大する。この等価比誘電率εが不連続となる周波数を、この周波数選択装置の共振周波数とする。   Further, the equivalent relative dielectric constant ε is discontinuous around 10 GHz and increases from negative infinity in a frequency band of 10 GHz or more. The frequency at which the equivalent relative dielectric constant ε becomes discontinuous is set as the resonance frequency of the frequency selection device.

このような周波数選択装置の等価比誘電率εが負となるときの現象は、地球の大気上層部に位置する電離層に例えることができる。電離層では、比誘電率εが常に1より小さいことから、屈折率が大気の屈折率1よりも低くなるため、大気と電離層との間の波動伝搬においては、斜入射で全反射現象が生じることになる。さらに、プラズマ周波数を臨界周波数として、周波数が臨界周波数以下となれば、比誘電率εは負となる。この結果、伝搬する平面波の波数k=ω(εεμ1/2が純虚数となり、直入射であってもまったく伝搬できず、電磁波はことごとく全反射される。 Such a phenomenon when the equivalent relative permittivity ε of the frequency selection device becomes negative can be compared to the ionosphere located in the upper atmosphere of the earth. In the ionosphere, since the relative dielectric constant ε is always smaller than 1, the refractive index is lower than the refractive index 1 of the atmosphere. Therefore, in wave propagation between the atmosphere and the ionosphere, total reflection occurs at oblique incidence. become. Furthermore, when the plasma frequency is a critical frequency and the frequency is equal to or lower than the critical frequency, the relative dielectric constant ε becomes negative. As a result, the wave number k = ω (ε 0 εμ 0 ) 1/2 of the propagating plane wave becomes a pure imaginary number, and even if it is normal incidence, it cannot propagate at all, and the electromagnetic wave is totally reflected.

この現象を本周波数選択装置に当てはめると、等価比誘電率εが負となる10GHz以上の周波数範囲では、入射された電磁波は伝搬されずに全反射されると判断できる。   When this phenomenon is applied to the present frequency selection device, it can be determined that the incident electromagnetic wave is totally reflected without being propagated in a frequency range of 10 GHz or more where the equivalent relative dielectric constant ε is negative.

また、共振周波数よりも高い周波数帯域において等価比誘電率εが負となる理由については、以下のように説明できる。共振周波数よりも高い周波数帯域では、金属導体に流れる電流の位相に遅れが生じ、電流、つまり電荷の移動によって生じるダイポールモーメントが入射電界と逆位相になる。このため、巨視的に見たときの誘電体の分極が入射電界と逆方向を向くようになり、等価比誘電率εが負の値をとることになる。   The reason why the equivalent relative dielectric constant ε is negative in a frequency band higher than the resonance frequency can be explained as follows. In a frequency band higher than the resonance frequency, the phase of the current flowing through the metal conductor is delayed, and the dipole moment generated by the movement of the current, that is, the charge, is in phase opposite to the incident electric field. For this reason, when viewed macroscopically, the polarization of the dielectric is directed in the opposite direction to the incident electric field, and the equivalent relative dielectric constant ε takes a negative value.

また、9GHzから10GHzまでの周波数帯域においては、等価比誘電率εが非常に大きくなるために境界面での反射が大きくなり、ほとんど全反射となってしまう。   Further, in the frequency band from 9 GHz to 10 GHz, the equivalent relative dielectric constant ε becomes very large, so that reflection at the boundary surface increases and almost total reflection occurs.

次に、共振周波数以下の低い周波数帯域に着目すると、本周波数選択装置は、前述のように、従来の人工誘電体と同様の挙動を示すとともに、図11の複素反射係数Γの絶対値から明らかなように、4.5GHz,7.5GHzおよび8.5GHzといった特定の周波数において、反射係数が離散的に0近傍に減少する特性を有する。   Next, paying attention to the low frequency band below the resonance frequency, the frequency selection device shows the same behavior as the conventional artificial dielectric as described above, and is apparent from the absolute value of the complex reflection coefficient Γ in FIG. As described above, at specific frequencies such as 4.5 GHz, 7.5 GHz, and 8.5 GHz, the reflection coefficient is discretely reduced to near zero.

ここで、このような特定の周波数において離散的に0近傍となる反射係数の特性について考察する。   Here, the characteristic of the reflection coefficient which is discretely near 0 at such a specific frequency will be considered.

先述の文献(森田他著、「マイクロ波アンテナ」)によれば、誘電体の平行板の反射係数Γは、   According to the above-mentioned document (Morita et al., “Microwave Antenna”), the reflection coefficient Γ of the parallel plate of dielectric is

Figure 2005210016
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Figure 2005210016
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となる。ここで、γは比誘電率εの物質との界面へ平面波が垂直入射するときの反射係数、dは平行板の厚さを表わす。 It becomes. Here, γ is a reflection coefficient when a plane wave is perpendicularly incident on an interface with a substance having a relative dielectric constant ε r , and d is a thickness of the parallel plate.

式(3)にて反射係数Γが0となるのはsinφ=0のときであり、このときのφは0,π,2π・・・となる。さらに、式(4)によれば、φ=0,π,2π・・・のときの平行板の厚さdは、平行板中の波長λ(=λ/ε 1/2)の0.5,1.0,1.5・・・倍に相当する。すなわち、平行板の厚さdが半波長λ/2の整数倍となるときに、誘電体板の反射係数Γが0となり、入射波はすべて透過することになる。なお、波長λは、比誘電率εの誘電体中での波長短縮効果における波長に相当する。 In equation (3), the reflection coefficient Γ is 0 when sin φ = 0, and φ at this time is 0, π, 2π,. Further, according to the equation (4), the thickness d of the parallel plate when φ = 0, π, 2π... Is 0 of the wavelength λ (= λ 0 / ε r 1/2 ) in the parallel plate. .5, 1.0, 1.5... That is, when the thickness d of the parallel plate is an integral multiple of the half wavelength λ / 2, the reflection coefficient Γ of the dielectric plate is 0, and all incident waves are transmitted. The wavelength λ corresponds to the wavelength in the wavelength shortening effect of a dielectric in the dielectric constant epsilon r.

本発明に係る周波数選択装置を巨視的に均質な誘電体板とみたとき、実際の誘電体板と同様に、誘電体板の厚さdが半波長λ/2の整数倍に相当する周波数の電磁波は反射が小さくなり、低損失で透過することが予想される。   When the frequency selection device according to the present invention is viewed as a macroscopically homogeneous dielectric plate, the thickness d of the dielectric plate has a frequency corresponding to an integral multiple of the half wavelength λ / 2, as in an actual dielectric plate. Electromagnetic waves are expected to be transmitted with low loss and low loss.

ここで、従来の人工誘電体では、比誘電率εは次式で表わされ、その変化分は、単位体積中の金属導体の数に比例することが分かる。 Here, in the conventional artificial dielectric, the relative dielectric constant ε r is expressed by the following equation, and it can be seen that the change is proportional to the number of metal conductors in the unit volume.

Figure 2005210016
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ここで、εは金属導体を取り囲む物質の比誘電率、nは金属導体個数の密度、αは係数を表わす。周波数選択装置が一定の層数であれば、金属導体個数の密度は、誘電体板の厚さdに反比例することから、比誘電率εは、式(6)に変換される。 Here, ε m is a relative dielectric constant of a material surrounding the metal conductor, n is a density of the number of metal conductors, and α is a coefficient. If the frequency selection device has a certain number of layers, the density of the number of metal conductors is inversely proportional to the thickness d of the dielectric plate, so that the relative dielectric constant ε r is converted into Equation (6).

Figure 2005210016
Figure 2005210016

一方、比誘電率εによる波長短縮効果は、比誘電率εの平方根に反比例するため、周波数選択装置内部の電磁波の速度vは、 On the other hand, the relative permittivity epsilon r due to the wavelength shortening effect is inversely proportional to the square root of the dielectric constant epsilon r, the electromagnetic wave velocity v of the internal frequency selection device,

Figure 2005210016
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となり、速度vは、誘電体板の厚さdの関数となる。ここで、cは真空中の光速を表わす。一方、前述のように、厚さdが波長のn/2倍のとき、透過波の増大が起こることから、透過周波数と誘電体板の厚さdとの間には以下の関係が成り立つ。   And the speed v is a function of the thickness d of the dielectric plate. Here, c represents the speed of light in vacuum. On the other hand, as described above, when the thickness d is n / 2 times the wavelength, an increase in the transmitted wave occurs. Therefore, the following relationship is established between the transmission frequency and the thickness d of the dielectric plate.

Figure 2005210016
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これにより、周波数選択装置の透過損失の小さい周波数は、本構造の厚さdによって変化することが分かる。言い換えれば、本構造の厚さdを変えることによって、透過周波数の調整をすることができる。このことは、従来の周波数選択性表面において、各層に配列される個々の金属導体の形状および配列間隔と層間の間隔とを変化させて透過周波数を調整していたのに対して、より簡便であり、かつ高精度であることは明らかである。   As a result, it can be seen that the frequency at which the transmission loss of the frequency selection device is small varies depending on the thickness d of this structure. In other words, the transmission frequency can be adjusted by changing the thickness d of this structure. This is simpler than the conventional frequency selective surface in which the transmission frequency is adjusted by changing the shape and arrangement interval of individual metal conductors arranged in each layer and the interval between layers. Obviously, it is highly accurate.

また、今回の電磁界解析による計算では、金属導体の導電率を無限大としているが、実際には有限であるため、この導電率による電気抵抗のために熱が発生し、電磁界エネルギーが熱エネルギーに変換される。これは電磁波から見ると損失に相当する。従来の周波数選択性表面では、金属導体の共振周波数を透過周波数に整合させるものであるため、図3〜7に示したように共振時には金属導体に大電流が誘導されることから、必然的に損失が大きくなってしまう。これに対して、今回の周波数選択装置では、透過周波数に共振周波数を選んでいないため、金属導体に誘導される電流が小さく、透過時の損失を抑えることができる。   In this calculation by electromagnetic field analysis, the electrical conductivity of the metal conductor is infinite, but since it is actually finite, heat is generated due to the electrical resistance due to this electrical conductivity, and the electromagnetic field energy is Converted into energy. This corresponds to a loss when viewed from an electromagnetic wave. In the conventional frequency selective surface, since the resonance frequency of the metal conductor is matched with the transmission frequency, a large current is induced in the metal conductor at the time of resonance as shown in FIGS. Loss will increase. On the other hand, in this frequency selection device, since the resonance frequency is not selected as the transmission frequency, the current induced in the metal conductor is small, and the loss during transmission can be suppressed.

なお、今回の周波数選択装置では、非常に低い周波数帯域、詳細には、本構造の厚さdが、等価比誘電率による波長短縮効果における波長の5分の1以下に相当する周波数において透過する特性が得られた。これは、本構造の厚さdが電磁波の波長に比べて薄くなるため、電磁波がほとんど透過してしまうことによる。   In the frequency selection device of this time, the thickness d of the structure is transmitted in a very low frequency band, specifically, in a frequency corresponding to one fifth or less of the wavelength in the wavelength shortening effect by the equivalent dielectric constant. Characteristics were obtained. This is because the electromagnetic wave is almost transmitted because the thickness d of this structure is thinner than the wavelength of the electromagnetic wave.

図13は、以上の基本原理を実現する周波数選択装置の一例を示す構成図である。   FIG. 13 is a configuration diagram showing an example of a frequency selection device that realizes the above basic principle.

図13を参照して、周波数選択装置は、複数の層が積上げられて形成された多層構造であり、各層は、プリント基板20と、該プリント基板上に配列された金属導体10と、スペーサとしての発泡材30とを備える。   Referring to FIG. 13, the frequency selection device has a multilayer structure formed by stacking a plurality of layers. Each layer includes a printed circuit board 20, metal conductors 10 arranged on the printed circuit board, and spacers. The foam material 30 is provided.

金属導体10は、プリント基板20にエッチング等によって形成される。金属導体10の形状には、図13に示すストリップ状の他に、矩形または円形の環状のもの、十字型のものなどが含まれる。また、スペーサには、発泡材30の他に、ハニカム材などが含まれる。一方層と他方層との接合には、接着剤が用いられる。   The metal conductor 10 is formed on the printed board 20 by etching or the like. In addition to the strip shape shown in FIG. 13, the shape of the metal conductor 10 includes a rectangular or circular ring shape, a cross shape, and the like. The spacer includes a honeycomb material in addition to the foam material 30. An adhesive is used for joining the one layer and the other layer.

以上の多層構造からなる周波数選択装置において、共振周波数は、前述のように、各層の金属導体10の形状と配列間隔とによって決まる。この共振周波数を含む遮断周波数帯域では、電磁波が全反射されるという選択遮断性をもつ。一方、遮断周波数帯域以下の通過周波数帯域においては、本構造全体の厚さが半波長の整数倍に相当する周波数に対して反射を小さくすることができる。本構造全体の厚さは、スペーサである発泡材30の厚さによって調整可能であり、これによって所望の周波数を低損失で透過させることができる。   In the frequency selection device having the multilayer structure described above, the resonance frequency is determined by the shape and arrangement interval of the metal conductors 10 of each layer as described above. In the cut-off frequency band including this resonance frequency, there is a selective cut-off property that electromagnetic waves are totally reflected. On the other hand, in the pass frequency band equal to or lower than the cut-off frequency band, reflection can be reduced with respect to a frequency corresponding to an integral multiple of a half wavelength of the entire structure. The thickness of the entire structure can be adjusted by the thickness of the foam material 30 serving as a spacer, whereby a desired frequency can be transmitted with low loss.

以上のように、この発明の実施の形態1に従えば、周波数選択装置に従来の人工誘電体の技術を適用し、共振周波数以上の周波数範囲にまで拡大することにより、共振周波数を含む遮断周波数帯域の電磁波を選択的に遮断するとともに、遮断周波数帯域よりも低い周波数帯域において、低損失で透過するという周波数選択性を簡易かつ高精度に実現することができる。   As described above, according to the first embodiment of the present invention, the conventional artificial dielectric technology is applied to the frequency selection device, and the cutoff frequency including the resonance frequency is expanded to a frequency range equal to or higher than the resonance frequency. In addition to selectively blocking electromagnetic waves in a band, it is possible to easily and accurately realize frequency selectivity of transmitting with low loss in a frequency band lower than the cutoff frequency band.

さらに、透過周波数において金属導体に誘導される電流が小さいことから、従来の周波数選択性表面よりも損失を抑えることができる。   Furthermore, since the current induced in the metal conductor at the transmission frequency is small, the loss can be suppressed as compared with the conventional frequency selective surface.

[実施の形態2]
実施の形態1では、周波数選択装置の厚さによって透過周波数を調整する構成について提案した。その透過周波数は、周波数選択装置の厚さが半波長の整数倍(=n・λ/2)となる周波数に該当する。
[Embodiment 2]
In the first embodiment, a configuration for adjusting the transmission frequency according to the thickness of the frequency selection device has been proposed. The transmission frequency corresponds to a frequency at which the thickness of the frequency selection device is an integral multiple of a half wavelength (= n · λ / 2).

ここで、周波数選択装置を使用する用途によっては、さらに、これらの通過周波数帯域のうちのある周波数については遮断することが求められる場合がある。   Here, depending on the application in which the frequency selection device is used, it may be required to block a certain frequency in these pass frequency bands.

そこで、本実施の形態では、通過周波数帯域のうちの特定の周波数について遮断するという周波数選択性を有する周波数選択装置について提案する。以下に、具体例として、図11に示す透過周波数のうち、7.5GHzについてのみ遮断となる設計を行なった場合について説明する。   Therefore, in this embodiment, a frequency selection device having a frequency selectivity of blocking a specific frequency in the pass frequency band is proposed. Hereinafter, as a specific example, a case where a design that cuts off only about 7.5 GHz out of the transmission frequencies shown in FIG. 11 will be described.

図14は、この発明の実施の形態2に従う周波数選択装置の模式的な構成図である。   FIG. 14 is a schematic configuration diagram of a frequency selection device according to the second embodiment of the present invention.

図14を参照して、周波数選択装置は、多層構造からなる周波数選択装置40と、スペーサ50を挟んで接合された従来型の周波数選択性表面60とを備える。   Referring to FIG. 14, the frequency selection device includes a frequency selection device 40 having a multilayer structure, and a conventional frequency selective surface 60 bonded with a spacer 50 interposed therebetween.

周波数選択装置40は、実施の形態1で説明したものと同一であり、図13に示すように、プリント基板20上に配列された金属導体10と誘電体板30とを1層として、複数の層が接合されて、厚さdの誘電体板を構成する。   The frequency selection device 40 is the same as that described in the first embodiment. As shown in FIG. 13, a plurality of metal conductors 10 and dielectric plates 30 arranged on the printed circuit board 20 are used as one layer. The layers are joined to form a dielectric plate of thickness d.

従来型の周波数選択性表面60は、単層構造であり、プリント基板60上に正方形環状の金属導体が所定の間隔で配列される。   The conventional frequency selective surface 60 has a single layer structure, and square annular metal conductors are arranged on the printed circuit board 60 at predetermined intervals.

スペーサ50は、発泡材またはハニカム材等や空気層を含み、厚さtとする。   The spacer 50 includes a foam material, a honeycomb material, or the like, and an air layer, and has a thickness t.

図15は、図14に示す周波数選択装置の等価回路図である。   FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of the frequency selection device shown in FIG.

図15を参照して、周波数選択装置40は、比誘電率ε=7.26、厚さd=15mmである。周波数選択装置40と厚さl=5mmのスペーサ50を隔てて、従来型の周波数選択性表面60が結合される。従来型の周波数選択性表面60において、7.5GHzを共振周波数となる設計を行なう。設計には、文献(R.J.Langley and E.A.Parker, “Equivalent circuit model for arrays of square Loop,” Electorn. Lett. Vol.18, No.7 pp.294-296, 1982)に記載される等価回路モデル(LC直列回路)を用いた。以下の計算でパラメータはすべて特性インピーダンスが1Ωとなるように正規化した。本文献に従えば、従来型の周波数選択性表面における金属導体の形状および配列間隔(p=14.178mm,s=0.9906mm,d=12.4714mm,g=2.0066mm)のとき、等価回路モデルの回路定数は、L=0.01065nH,C=0.04261nFが計算される。これらの回路定数から、等価回路モデルのアドミタンスは、Y=−4.9802×10jSとなる(j:虚数単位)。したがって、従来型の周波数選択性表面60のみの縦続行列は、 Referring to FIG. 15, the frequency selection device 40 has a relative dielectric constant ε = 7.26 and a thickness d = 15 mm. A conventional frequency selective surface 60 is coupled across the frequency selector 40 and a spacer 50 having a thickness l = 5 mm. The conventional frequency selective surface 60 is designed to have a resonance frequency of 7.5 GHz. The design includes an equivalent circuit model (LC series) described in the literature (RJLangley and EAParker, “Equivalent circuit model for arrays of square Loop,” Electorn. Lett. Vol.18, No.7 pp.294-296, 1982). Circuit). In the following calculation, all parameters were normalized so that the characteristic impedance was 1Ω. According to this document, the shape and arrangement interval of metal conductors on a conventional frequency selective surface (p = 14.178 mm, s = 0.906 mm, d = 12.4714 mm, g = 2.0066 mm) are equivalent. As the circuit constants of the circuit model, L = 0.01065 nH and C = 0.04261 nF are calculated. From these circuit constants, the admittance of the equivalent circuit model is Y = −4.9802 × 10 8 jS (j: imaginary unit). Thus, the longitudinal continuation line of the conventional frequency selective surface 60 only is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

となる。また、長さlのスペーサ50の縦続行列は、 It becomes. In addition, the longitudinal continuation row of the spacer 50 of length l is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で表わされる。さらに、周波数選択装置40は、比誘電率ε(=7.26)で厚さd(=15mm)の誘電体板とみなすことができるため、その縦続行列は、 It is represented by Furthermore, since the frequency selection device 40 can be regarded as a dielectric plate having a relative dielectric constant ε (= 7.26) and a thickness d (= 15 mm),

Figure 2005210016
Figure 2005210016

となる。縦続行列の各々のパラメータに数値を代入してこれらの積を求めると、 It becomes. Substituting a numerical value for each parameter in the vertical continuation column,

Figure 2005210016
Figure 2005210016

が得られる。透過係数τは、 Is obtained. The transmission coefficient τ is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられることから、式(12)を用いて透過係数τの絶対値は、4.352×10−9となる。以上の計算結果から、図15に示す周波数選択装置は、周波数7.5GHzにおいて遮断となる周波数選択性を持つことが確認された。 Therefore, the absolute value of the transmission coefficient τ is 4.352 × 10 −9 using Equation (12). From the above calculation results, it was confirmed that the frequency selection device shown in FIG. 15 has frequency selectivity that is cut off at a frequency of 7.5 GHz.

以上のように、この発明の実施の形態2によれば、周波数選択装置に所定の間隔を持って従来型の周波数選択性表面を接合し、周波数選択性表面の共振周波数と当該間隔とを調整することによって、周波数選択装置の透過周波数の一部を遮断するという周波数選択性を容易に実現することができる。   As described above, according to the second embodiment of the present invention, the conventional frequency selective surface is joined to the frequency selective device with a predetermined interval, and the resonance frequency of the frequency selective surface and the interval are adjusted. By doing so, it is possible to easily realize the frequency selectivity of blocking a part of the transmission frequency of the frequency selection device.

[実施の形態3]
本実施の形態では、周波数選択性能を向上させる第2の設計例として、図11に示す実施の形態1の周波数選択装置の周波数選択性に、6GHzにおける反射が小さくなるという特性を付加する設計を行なう。
[Embodiment 3]
In the present embodiment, as a second design example for improving the frequency selection performance, a design that adds a characteristic that reflection at 6 GHz is reduced to the frequency selectivity of the frequency selection device of the first embodiment shown in FIG. Do.

図16は、この発明の実施の形態3に従う周波数選択装置の模式的な構造図である。   FIG. 16 is a schematic structural diagram of a frequency selection device according to the third embodiment of the present invention.

図16を参照して、周波数選択装置は、所定の間隔を隔てて対面する2個の周波数選択装置40を備える。   Referring to FIG. 16, the frequency selection device includes two frequency selection devices 40 facing each other at a predetermined interval.

2つの周波数選択装置40の各々は、実施の形態1の図13に示したものと同一である。すなわち、金属導体10が配列されたプリント基板20と該基板上の誘電体板30とを1層として、複数の層が積上げられた構造を有する。以下においては、周波数選択装置40の厚さをそれぞれd1,d2とする。なお、本周波数選択装置単独での6GHzにおける反射係数は、0.634である。   Each of the two frequency selection devices 40 is the same as that shown in FIG. 13 of the first embodiment. That is, the printed circuit board 20 on which the metal conductors 10 are arranged and the dielectric plate 30 on the board are used as one layer, and a plurality of layers are stacked. In the following, the thicknesses of the frequency selection device 40 are d1 and d2, respectively. In addition, the reflection coefficient in 6 GHz with this frequency selection apparatus alone is 0.634.

2つの周波数選択装置の間には、スペーサ50として、厚さsの発泡材またはハニカム材などが配される。スペーサ50の比誘電率はε=1.0とする。   Between the two frequency selection devices, a foam material or honeycomb material having a thickness s is disposed as the spacer 50. The relative dielectric constant of the spacer 50 is ε = 1.0.

図17は、図16に示す周波数選択装置の等価回路図である。6GHzの反射が小さくなるように2個の周波数選択装置40の間隔sを調整した。その結果、間隔s=21mmにおいて、反射係数が0.0883(=−21dB)となり、十分反射が小さいことが示された。詳細な計算について以下に示す。   FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the frequency selection device shown in FIG. The interval s between the two frequency selection devices 40 was adjusted so that the reflection at 6 GHz was reduced. As a result, the reflection coefficient was 0.0883 (= −21 dB) at the interval s = 21 mm, indicating that the reflection was sufficiently small. Detailed calculation is shown below.

周波数選択装置の縦続行列は、   The vertical continuation column of the frequency selector is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられ、間隔21mmの空間の縦続行列は、 The vertical continuation line of the space with a spacing of 21 mm is given by

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられる。図16に示す周波数選択装置を表わす縦続行列は、これらの縦続行列の積から求めることができ、 Given in. The continuation sequence representing the frequency selection device shown in FIG. 16 can be obtained from the product of these continuation sequences,

Figure 2005210016
Figure 2005210016

となる。反射係数Γは、 It becomes. The reflection coefficient Γ is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられることから、本構造における反射係数Γは、周波数6GHzにおいて、絶対値が0.083となり、反射が小さくなることが分かる。 Therefore, it can be seen that the reflection coefficient Γ in this structure has an absolute value of 0.083 at a frequency of 6 GHz, and the reflection becomes small.

[変更例1]
前述の実施の形態は、2枚の周波数選択装置を所定の間隔を隔てて配置することにより、特定の周波数の反射を小さくするものであった。この特定の周波数は、2枚の周波数選択装置の間隔を変えることによって調整される。
[Modification 1]
In the above-described embodiment, the reflection of a specific frequency is reduced by arranging two frequency selection devices at a predetermined interval. This specific frequency is adjusted by changing the interval between the two frequency selection devices.

ここで、このような周波数選択性は、同じ周波数選択装置を2枚使う以外に、いずれか一枚を通常の誘電体板とすることによっても得られることが予想される。   Here, it is expected that such frequency selectivity can be obtained not only by using two identical frequency selection devices but also by using any one of them as a normal dielectric plate.

そこで、図16に示す周波数選択装置の第1の変更例として、その構成の一方を通常の誘電体板とし、上述と同様の周波数選択性(6GHzの反射を小さくする)を実現する設計を行なった。設計には、プリント基板に用いられるガラス繊維強化エポキシ樹脂板(比誘電率ε=4.5)を通常の誘電体板として採用した。計算結果から、厚さ18mmの通常の誘電体板を、間隔12mmを隔てて周波数選択装置に対向して配置したときに、6GHzにおける反射係数が0.056(=−25dB)となり、反射が小さくなることが確認された。   Therefore, as a first modification of the frequency selection device shown in FIG. 16, one of the configurations is a normal dielectric plate, and a design that realizes the same frequency selectivity (reducing 6 GHz reflection) as described above is performed. It was. For the design, a glass fiber reinforced epoxy resin plate (relative dielectric constant ε = 4.5) used for a printed circuit board was adopted as a normal dielectric plate. From the calculation results, when an ordinary dielectric plate having a thickness of 18 mm is disposed facing the frequency selection device with a spacing of 12 mm, the reflection coefficient at 6 GHz is 0.056 (= −25 dB), and the reflection is small. It was confirmed that

詳細には、周波数選択装置の縦続行列は、前述と同様であり、   Specifically, the longitudinal continuation row of the frequency selection device is the same as described above,

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられる。また、間隔12mmの空間の縦続行列は、 Given in. In addition, the vertical continuation line of the space of 12 mm spacing is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられる。さらに、通常の誘電体板の縦続行列は、 Given in. Furthermore, the vertical continuation row of normal dielectric plates is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

となる。これらを用いると周波数選択装置全体の縦続行列は、 It becomes. Using these, the longitudinal continuation line of the entire frequency selection device is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

となる。反射係数Γは、 It becomes. The reflection coefficient Γ is

Figure 2005210016
Figure 2005210016

で与えられることから、式(20)を代入すると、6GHzにおける反射係数Γ=0.056を得る。 Therefore, when the equation (20) is substituted, a reflection coefficient Γ = 0.056 at 6 GHz is obtained.

[変更例2]
さらに、図16に示す周波数選択装置の第2の変更例として、その構成の一方を従来型の周波数選択性表面とし、上述と同様の周波数選択性(6GHzの反射を小さくする)を実現する設計を行なった結果を示す。なお、従来型の周波数選択性表面についてのアドミタンスの計算には、先の実施の形態2で用いた等価回路モデルを使用した。
[Modification 2]
Further, as a second modification of the frequency selection device shown in FIG. 16, one of the configurations is a conventional frequency selective surface, and a design that realizes the same frequency selectivity (reducing 6 GHz reflection) as described above. The result of having performed is shown. Note that the equivalent circuit model used in the second embodiment was used for calculating the admittance for the conventional frequency selective surface.

まず、対向する一方の周波数選択装置の入力インピーダンスZin0は、Zin0=0.243975−0.182336jΩとなる。これを5.1mm離れた位置からみた入力インピーダンスZinおよび入力アドミタンスYinは、それぞれ、Zin=0.28699+0.45064jΩ,Yin=1.0054−1.5787jSとなる。 First, the input impedance Z in 0 of one of the frequency selection devices facing each other is Z in 0 = 0.243975-0.182336 jΩ. The input impedance Zin and the input admittance Yin viewed from a position 5.1 mm away are Zin = 0.28699 + 0.45064 jΩ and Yin = 1.0054-1.5787 jS, respectively.

従来型の周波数選択性表面は、図14に示す周波数選択性表面60と同様であり、6GHzにおける等価回路モデルのアドミタンスYは、Y=1.6009jSとなる(但し、p=23.144mm,s=0.9906mm,d=21.074mm,g=2.0066mmとする)。   The conventional frequency-selective surface is the same as the frequency-selective surface 60 shown in FIG. 14, and the admittance Y of the equivalent circuit model at 6 GHz is Y = 1.60909 jS (where p = 23.144 mm, s = 0.9906 mm, d = 21.074 mm, g = 2.0066 mm).

このため、従来型の周波数選択性表面から見た入力アドミタンスYは、Y=1.0054+0.0222jSとなる。このときの反射係数の絶対値は0.0114(=−38.9dB)であり、十分反射が相殺された状態であるといえる。   For this reason, the input admittance Y seen from the conventional frequency selective surface is Y = 1.0054 + 0.0222 jS. The absolute value of the reflection coefficient at this time is 0.0114 (= −38.9 dB), and it can be said that the reflection is sufficiently offset.

以上のように、この発明の実施の形態3に従えば、1枚の周波数選択装置に所定の間隔を隔てて周波数選択装置を対向して配置し、その間隔を調整することにより、所望の周波数の反射を小さくすることができ、簡易に周波数選択性能を向上させることが可能になる。   As described above, according to the third embodiment of the present invention, a frequency selection device is arranged opposite to each other with a predetermined interval on one frequency selection device, and the desired frequency is adjusted by adjusting the interval. Thus, the frequency selection performance can be easily improved.

なお、対向させる一方を周波数選択装置に限らず、通常の誘電体板もしくは従来型の周波数選択性表面で構成することによっても、同様の効果を得ることができる。   Note that the same effect can be obtained not only by the frequency selection device but also by using a normal dielectric plate or a conventional frequency selective surface.

[実施の形態4]
先の実施の形態では、周波数選択装置は、その共振周波数よりも高い周波数において等価比誘電率が負を示し、電磁波を全反射する周波数選択性を持つことを示した。
[Embodiment 4]
In the previous embodiment, the frequency selective device showed that the equivalent relative permittivity was negative at a frequency higher than the resonance frequency, and had frequency selectivity that totally reflected electromagnetic waves.

ところが、実験上では、共振周波数以上の周波数で高周波になるにつれ、共振の影響が小さくなることによって再び等価比誘電率が正となり、電磁波を透過し始めることが確認された。   However, it has been experimentally confirmed that as the frequency becomes higher than the resonance frequency, the influence of resonance becomes smaller, so that the equivalent relative dielectric constant becomes positive again and begins to transmit electromagnetic waves.

ここで、周波数選択装置の用途によっては、この透過し始める周波数をより高くすること、すなわち、遮断周波数の帯域を広げることが求められる場合がある。   Here, depending on the application of the frequency selection device, it may be required to increase the frequency at which transmission begins, that is, to widen the band of the cutoff frequency.

そこで、本実施の形態では、遮断周波数帯域を広げるための検討を実験的に行ない、新たな周波数選択性を持つ周波数選択装置について提案する。   Therefore, in this embodiment, a study for expanding the cut-off frequency band is conducted experimentally, and a frequency selection device having new frequency selectivity is proposed.

図18は、本実施の形態に用いる周波数選択装置を模式的に示す全体構成図である。図18(a)は、金属導体10の形状を示す図であり、図18(b)は、全体構成図である。   FIG. 18 is an overall configuration diagram schematically showing a frequency selection device used in the present embodiment. FIG. 18A is a diagram showing the shape of the metal conductor 10, and FIG. 18B is an overall configuration diagram.

図18(b)を参照して、周波数選択装置40は、1枚のプリント基板(ガラスエポキシ基板)20上に間隔cを持って配列された複数の金属導体10を1層として、合計4層が、誘電体板(発泡ポリプロピレン板)30を層間に挟んで積み重ねられた構造である。なお、プリント基板20の厚さは1.6mmであり、誘電体板30の厚さは3mmである。   Referring to FIG. 18B, the frequency selection device 40 includes a plurality of metal conductors 10 arranged with a distance c on one printed circuit board (glass epoxy board) 20 as a total of four layers. However, the dielectric plate (foamed polypropylene plate) 30 is stacked between layers. The printed board 20 has a thickness of 1.6 mm, and the dielectric plate 30 has a thickness of 3 mm.

個々の金属導体10の形状は、図18(a)に示すように、正方形環状であり、一辺の長さa=4.741mm、幅b=0.289mmとする。また、金属導体10の配列間隔c=5.927mmとする。   As shown in FIG. 18A, each metal conductor 10 has a square ring shape with a side length a = 4.741 mm and a width b = 0.289 mm. The arrangement interval c of the metal conductors 10 is set to 5.927 mm.

以上の構成からなる周波数選択装置40について、透過係数を実測した結果を図19に示す。   FIG. 19 shows the result of actually measuring the transmission coefficient for the frequency selection device 40 having the above configuration.

図19を参照して、透過係数は、9GHz付近から急激に減少しており、共振周波数の影響を受けていることが分かる。さらに、透過周波数は、9GHz以上の周波数範囲で次第に減少していくものの、16GHz付近で再び急増し、9GHz以下の低周波帯域での特性に近づいていくという結果が得られた。すなわち、本周波数選択装置では、遮断周波数帯域は、9GHzから16GHzまでの周波数範囲であるといえる。   Referring to FIG. 19, it can be seen that the transmission coefficient sharply decreases from around 9 GHz and is affected by the resonance frequency. Furthermore, although the transmission frequency gradually decreased in the frequency range of 9 GHz or higher, it rapidly increased again in the vicinity of 16 GHz and approached the characteristics in the low frequency band of 9 GHz or lower. That is, in this frequency selection device, it can be said that the cut-off frequency band is a frequency range from 9 GHz to 16 GHz.

ここで、図19の周波数特性において、さらに遮断周波数帯域を高周波側に広げることを考える。これには、図18の周波数選択装置に対して、さらに従来型の周波数選択性表面を接合させる検討を行なった。   Here, it is considered that the cut-off frequency band is further expanded to the high frequency side in the frequency characteristics of FIG. For this purpose, a study was made to join a conventional frequency selective surface to the frequency selective device of FIG.

図20は、本実施の形態に従う周波数選択装置の模式的な全体構成図である。   FIG. 20 is a schematic overall configuration diagram of the frequency selection device according to the present embodiment.

図20を参照して、周波数選択装置40の上部には、スペーサ50を介して、従来型の周波数選択性表面60が接合される。スペーサ50には、厚さ3mmの発泡ポリプロピレン板が使用されている。また、従来型の周波数選択性表面60は、図示は省略するが、プリント基板上に図18(a)と同様の正方形環状の金属導体(a=3.533mm,b=0.2275mm)が、配列間隔c=4.426mmを保って配列される。この従来型の周波数選択性表面の単独での透過特性は、透過係数が最小となる周波数が16.64GHzである。   Referring to FIG. 20, a conventional frequency selective surface 60 is bonded to the upper portion of the frequency selection device 40 via a spacer 50. As the spacer 50, a foamed polypropylene plate having a thickness of 3 mm is used. Further, the conventional frequency selective surface 60 is not shown, but a square annular metal conductor (a = 3.533 mm, b = 0.275 mm) similar to FIG. They are arranged with an arrangement interval c = 4.426 mm. The single transmission characteristic of this conventional frequency selective surface has a frequency at which the transmission coefficient is minimized at 16.64 GHz.

図21は、図20に示す周波数選択装置について、透過係数を実測した結果である。   FIG. 21 shows the results of actually measuring the transmission coefficient for the frequency selection device shown in FIG.

図21から明らかなように、本構造において遮断周波数帯域は、9GHzから18GHz付近までに及び、図19に見られた16GHzにおける透過係数の立上りがより高周波側に遷移したことが分かる。   As can be seen from FIG. 21, in this structure, the cut-off frequency band extends from 9 GHz to around 18 GHz, and the rising of the transmission coefficient at 16 GHz seen in FIG.

なお、本実施の形態では、遮断周波数帯域を高周波側に広げるための構造について説明したが、周波数選択装置40の遮断周波数帯域よりも低い周波数を阻止特性の中心周波数とする、従来型の周波数選択性表面60を接合させることによって、遮断周波数帯域を低周波側に広げることも可能である。また、従来型の周波数選択性表面ではなく、遮断周波数の異なる周波数選択装置でもよい。なお、これらの接合される周波数選択性表面または周波数選択装置の遮断周波数は、周波数選択装置40の遮断周波数帯域の上限周波数の1.1倍以下、または下限周波数の0.9倍以上の周波数を遮断する特性を持つことが望ましい。   In this embodiment, the structure for expanding the cutoff frequency band to the high frequency side has been described. However, a conventional frequency selection in which a frequency lower than the cutoff frequency band of the frequency selection device 40 is set as the center frequency of the blocking characteristic is described. It is also possible to extend the cutoff frequency band to the low frequency side by bonding the conductive surface 60. Further, instead of a conventional frequency selective surface, a frequency selection device having a different cutoff frequency may be used. The cut-off frequency of the frequency-selective surface to be joined or the frequency selection device is 1.1 times or less of the upper limit frequency of the cut-off frequency band of the frequency selection device 40 or 0.9 times or more of the lower limit frequency. It is desirable to have a blocking characteristic.

以上のように、実施の形態4によれば、周波数選択装置に従来型の周波数選択性表面または周波数選択装置を接合し、これらの遮断周波数帯域を周波数選択構造の遮断周波数帯域の近傍となるように調整することにより、周波数選択装置の持つ遮断周波数帯域を広げることができる。   As described above, according to the fourth embodiment, the conventional frequency selective surface or the frequency selective device is joined to the frequency selective device so that these cutoff frequency bands are close to the cutoff frequency band of the frequency selective structure. By adjusting to, the cut-off frequency band of the frequency selection device can be expanded.

今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。   The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.

既存の人工誘電体の構造を概略的に示す図である。It is a figure which shows the structure of the existing artificial dielectric material roughly. 周波数選択装置の電磁界解析に用いた有限長金属導体を配列したモデルである。This is a model in which finite-length metal conductors used for electromagnetic field analysis of the frequency selection device are arranged. 第1層に配列される金属導体に誘導される電流の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the electric current induced | guided | derived to the metal conductor arranged in the 1st layer. 第2層に配列される金属導体に誘導される電流の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the electric current induced | guided | derived to the metal conductor arranged in a 2nd layer. 第3層に配列される金属導体に誘導される電流の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the electric current induced | guided | derived to the metal conductor arranged in the 3rd layer. 第4層に配列される金属導体に誘導される電流の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the electric current induced | guided | derived to the metal conductor arranged in the 4th layer. 第5層に配列される金属導体に誘導される電流の周波数特性である。It is a frequency characteristic of the electric current induced | guided | derived to the metal conductor arranged in the 5th layer. 誘導電流から求められた5GHzにおける電界分布のz軸に沿う変化である。It is a change along the z-axis of the electric field distribution at 5 GHz obtained from the induced current. 9.5GHzにおける電界分布のz軸に沿う変化である。It is a change along the z-axis of the electric field distribution at 9.5 GHz. 図2の周波数選択装置の伝送線路モデルである。3 is a transmission line model of the frequency selection device of FIG. 計算から導出された図2の周波数選択装置における複素反射係数Γの絶対値の周波数特性である。It is the frequency characteristic of the absolute value of the complex reflection coefficient (GAMMA) in the frequency selection apparatus of FIG. 2 derived | led-out from calculation. 計算によって得られた図2の周波数選択装置の等価比誘電率ε(実部)の周波数特性である。3 is a frequency characteristic of an equivalent dielectric constant ε (real part) of the frequency selection device of FIG. 2 obtained by calculation. 本実施の形態の基本原理を実現する周波数選択装置の一例を示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows an example of the frequency selection apparatus which implement | achieves the basic principle of this Embodiment. この発明の実施の形態2に従う周波数選択装置の模式的な全体構成図である。It is a typical whole block diagram of the frequency selection apparatus according to Embodiment 2 of this invention. 図14に示す周波数選択装置の等価回路図である。FIG. 15 is an equivalent circuit diagram of the frequency selection device shown in FIG. 14. この発明の実施の形態3に従う周波数選択装置の模式的な全体構造図である。It is a typical whole structure figure of the frequency selection apparatus according to Embodiment 3 of this invention. 図16に示す周波数選択装置の等価回路図である。FIG. 17 is an equivalent circuit diagram of the frequency selection device shown in FIG. 16. 本実施の形態に用いる周波数選択装置を模式的に示す全体構成図である。It is a whole block diagram which shows typically the frequency selection apparatus used for this Embodiment. 図18に示す周波数選択装置40について、透過係数を実測した結果である。It is the result of having measured the transmission coefficient about the frequency selection apparatus 40 shown in FIG. 本実施の形態に従う周波数選択装置の模式的な全体構成図である。It is a typical whole block diagram of the frequency selection apparatus according to this Embodiment. 図20に示す周波数選択装置について、透過係数を実測した結果である。It is the result of having measured the transmission coefficient about the frequency selection apparatus shown in FIG. 周波数選択性表面の原理を説明するための構成図である。It is a block diagram for demonstrating the principle of a frequency selective surface. 多層構造からなる周波数選択性表面の等価回路図である。It is an equivalent circuit diagram of the frequency selective surface which consists of a multilayer structure.

符号の説明Explanation of symbols

10,100 金属導体、20 プリント基板、30,110 誘電体板、40 周波数選択装置、50 スペーサ、60 周波数選択性表面。   10,100 metal conductor, 20 printed circuit board, 30,110 dielectric plate, 40 frequency selection device, 50 spacer, 60 frequency selective surface.

Claims (9)

複数の金属導体が平面上に規則的に配列された層を1層として、前記1層が一定の間隔を保って平行に積層されてなる複数の前記層を備え、
前記金属導体の共振周波数を含む遮断周波数帯域において、前記複数の層に入射される電磁波を遮断し、前記遮断周波数帯域以下の通過周波数帯域において、前記複数の層に入射される電磁波を透過する、周波数選択装置。
A layer in which a plurality of metal conductors are regularly arranged on a plane is defined as one layer, and the one layer includes a plurality of layers stacked in parallel at a constant interval,
In the cut-off frequency band including the resonance frequency of the metal conductor, the electromagnetic wave incident on the plurality of layers is cut off, and in the pass frequency band equal to or lower than the cut-off frequency band, the electromagnetic wave incident on the plurality of layers is transmitted. Frequency selection device.
前記複数の層を巨視的に均質な誘電体と見たときの等価比誘電率は、前記共振周波数以下の周波数帯域において1以上の値を示し、前記共振周波数以上の前記遮断周波数帯域において負の値を示す、請求項1に記載の周波数選択装置。   The equivalent relative permittivity when the plurality of layers are viewed as a macroscopically homogeneous dielectric exhibits a value of 1 or more in the frequency band below the resonance frequency, and is negative in the cutoff frequency band above the resonance frequency. The frequency selection device according to claim 1, which indicates a value. 前記複数の層の厚さが、前記等価比誘電率を持つ誘電体を伝搬する電磁波の波長の2分の1の整数倍となる周波数を含む電磁波を透過する、請求項2に記載の周波数選択装置。   3. The frequency selection according to claim 2, wherein a thickness of the plurality of layers transmits an electromagnetic wave including a frequency that is an integral multiple of a half of a wavelength of the electromagnetic wave propagating through the dielectric having the equivalent relative dielectric constant. apparatus. 前記複数の層の厚さが、前記等価比誘電率を持つ誘電体を伝搬する電磁波の波長の5分の1倍以下となる周波数を含む電磁波を透過する、請求項2または3に記載の周波数選択装置。   4. The frequency according to claim 2, wherein a thickness of the plurality of layers transmits an electromagnetic wave including a frequency that is not more than one fifth of the wavelength of the electromagnetic wave propagating through the dielectric having the equivalent relative dielectric constant. Selection device. 前記複数の層は、
前記複数の金属導体の前後に単独または併せて接合される複数の第1および第2の誘電体の平行板をさらに含み、
前記複数の層の厚さは、前記複数の第1および第2の誘電体の平行板の厚さの総和となる、請求項2から4のいずれかに記載の周波数選択装置。
The plurality of layers are:
A plurality of first and second dielectric parallel plates that are joined either alone or together before and after the plurality of metal conductors;
5. The frequency selection device according to claim 2, wherein a thickness of the plurality of layers is a sum of thicknesses of the plurality of first and second dielectric parallel plates.
前記複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される周波数選択性表面をさらに備え、
前記通過周波数帯域において、一部の周波数の電磁波を遮断する、請求項2に記載の周波数選択装置。
A frequency selective surface bonded to the plurality of layers at a predetermined interval;
The frequency selection device according to claim 2, wherein an electromagnetic wave having a part of the frequency is cut off in the pass frequency band.
前記複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される誘電体の平行板または周波数選択性表面をさらに備え、
前記通過周波数帯域において、特定の周波数の電磁波の反射を相殺する、請求項2に記載の周波数選択装置。
A dielectric parallel plate or a frequency selective surface joined to the plurality of layers at a predetermined interval;
The frequency selection device according to claim 2, wherein reflection of electromagnetic waves having a specific frequency is canceled in the pass frequency band.
前記誘電体の平行板は、誘電体板および第2の前記複数の層のうちのいずれかとする、請求項7に記載の周波数選択装置。   The frequency selecting device according to claim 7, wherein the parallel plate of the dielectric is one of a dielectric plate and the second plurality of layers. 前記複数の層に対して、所定の間隔を隔てて接合される周波数選択性表面または第2の前記複数の層をさらに備え、
前記周波数選択性表面または前記第2の複数の層は、前記遮断周波数帯域の上限周波数の1.1倍以下または下限周波数の0.9倍以上の周波数の電磁波を遮断する特性を有する、請求項2に記載の周波数選択装置。
A frequency selective surface joined to the plurality of layers at a predetermined interval or the second plurality of layers;
The frequency selective surface or the second plurality of layers has a characteristic of blocking electromagnetic waves having a frequency of 1.1 times or less of an upper limit frequency of the cut-off frequency band or 0.9 times or more of a lower limit frequency. The frequency selection device according to 2.
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