JP2005252565A

JP2005252565A - 周波数選択板

Info

Publication number: JP2005252565A
Application number: JP2004059041A
Authority: JP
Inventors: Masato Tadokoro; 眞人田所
Original assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Current assignee: Yokohama Rubber Co Ltd
Priority date: 2004-03-03
Filing date: 2004-03-03
Publication date: 2005-09-15

Abstract

【課題】周波数選択板の特性（周波数選択性）を能動的に変化させること。
【解決手段】特定の周波数の電波を反射又は透過させる例えばクロスダイポール型の素子パターンが設けられた周波数選択板主体１と、この周波数選択板主体１に複数に分割して積層された電波透過性を有する分割積層板（第１〜第８の分割誘電体）２ａ〜２ｈと、これら各分割積層板２ａ〜２ｈを周波数選択板主体１上で回転させる積層板可変機構（誘電体可変機構）３とを備えること。ここで、その積層板可変機構３は、各分割積層板２ａ〜２ｈが所望の周波数選択性に応じた傾斜角となるよう制御装置４により動作が制御される。
【選択図】図２

Description

本発明は、特定の周波数の電波を反射又は透過する周波数選択板（ＦＳＳ：ＦｒｅｑｕｅｎｃｙＳｅｌｅｃｔｉｖｅＳｕｒｆａｃｅ）に係り、特に、その周波数選択板の特性（電波透過性や反射特性等の周波数選択性）を能動的に変化させ得る周波数選択板に関する。

近年、例えば防衛関連技術において戦闘機や戦艦等の存在を他から確認されないようにする「ステルス化技術」の必要性が叫ばれており、かかるステルス化技術の一つとして周波数選択板が用いられている。

ここで、この周波数選択板は、ある一定の導体（導体パッチ又は導体スロット）の素子パターンを一定の周期で複数配列したＮ×Ｍ（Ｎ，Ｍ＝１，２，３，…）のセルからなる周期構造膜であり、特定の周波数の電波のみを反射又は透過させる特性（周波数選択性）を備えている。

例えば、導体パッチで構成したパッチ型構造の周波数選択板は、特定の周波数の電波のみを反射するバンドストップフィルタとして作用し、導体スロットで構成したスロット型構造の周波数選択板は特定の周波数の電波のみを透過するバンドパスフィルタとして作用する。

これが為、所望の周波数選択性を備えた周波数選択板が組み込まれることによって、例えば、レドームやレーダ断面積（ＲＣＳ：ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ）低減用電磁窓等の物体（周波数選択板組込物体）のステルス化を有効に達成し得る。

ここで、一般に、周波数選択板は、ダイポール型，クロスダイポール型，トリポール型，円形リング型又は正方形ループ型等のある一定の単純形状からなる導体パッチ又は導体スロットの素子パターンが複数配列された導電パターンを備えている。

特開２０００−６８６７５号公報特開２０００−６８６７７号公報特開２００１−５３４８４号公報特開２００３−２９８３０８号公報

ここで、周波数選択板の特性（周波数選択性）を適宜変化させることができれば、使用される環境や要求に応じた周波数選択性を一枚の周波数選択板で実現し得る。

しかしながら、上記従来の周波数選択板は、設計、製造時に設定された特性（周波数選択性）を能動的に変化させることができず、複数の周波数に対応させる為には特性の異なる複数枚の周波数選択板を用意したり、一枚の周波数選択板に複数の特性を持たせたりしなければならなかった。また、かかる従来の対応を採ったとしても、何れにせよ予め固定された特性であるが為に、臨機応変に様々な使用環境等に対応することはできない。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、周波数選択板の特性（周波数選択性）を能動的に変化させ得る周波数選択板を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、特定の周波数の電波を反射又は透過させる素子パターンが設けられた周波数選択板主体に複数に分割された電波透過性を有する分割積層板を積層し、これら各分割積層板を周波数選択板主体上で回転させる積層板可変機構を設けている。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の周波数選択板において、前記各分割積層板が所望の周波数選択性に応じた傾斜角となるように前記積層板可変機構の動作を制御する制御装置を設けている。

本発明に係る周波数選択板によれば、周波数選択板の特性（周波数選択性）を適宜使用環境等に応じて能動的に変化させることができる。

以下に、本発明に係る周波数選択板の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る周波数選択板の実施例１を図１〜図５に基づいて説明する。

図１の符号１０は本実施例１の周波数選択板を示す。この周波数選択板１０は、図１及び図２に示す如く、例えば銅線等の金属線からなる複数のクロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された周波数選択板主体１と、この周波数選択板主体１の一方の面全体に分割して積層された複数の電波透過性を有する分割積層板２ａ〜２ｈとを備えている。

これら各分割積層板２ａ〜２ｈは、例えばプラスチック等の高分子材料、ＦＲＰ等の炭素強化繊維材料やガラス等の無機質材料等からなる誘電体（誘電率ε_slab）であり、その幅Ｗ_slab，長さＬ_slab及び厚さｔ_slabが略同等に成形されている。以下、これら各分割積層板２ａ〜２ｈを、「第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈ」という。

また、本実施例１の周波数選択板１０には、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを夫々回転させる積層板可変機構（以下、「誘電体可変機構」という。）３が設けられている。

この誘電体可変機構３は、例えば電動モータを駆動源とし、その駆動力が歯車や回転軸、カム等の駆動力伝達機構を介して伝達されることにより夫々の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転させるものである。尚、この誘電体可変機構３の駆動源は上記の電動モータに限定するものではなく、また、その駆動力の伝達機構についても何れの態様のものを用いてもよい。

例えば、本実施例１の誘電体可変機構３は、図３の上図に示す状態から、中図に示す状態、下図に示す状態へと、また、その逆方向へと第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを周波数選択板主体１の上で回転させる。

このように第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈが回転して周波数選択板主体１との間に傾斜角θを有することになると、周波数選択板主体１上に空気層（誘電率ε_air＝１）が介在することとなり、その回転角度（換言すれば、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの傾斜角θ）に応じて誘電体層における見かけの誘電率が変化する。

ここで、図３に示す３つの状態における周波数選択板１０の等価誘電率構造モデルＭ１〜Ｍ３について図４−１から図４−３に夫々示し、その夫々についての誘電体層における見かけの誘電率ε_apparentと見かけの厚さｔ_apparentを説明する。

見かけの誘電率ε_apparentは、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈに係る誘電率と空気層に係る誘電率との和たる下記の式１で表される。

ε_apparent＝（Ｖ_slab／Ｖ_all）×ε_slab＋（Ｖ_air／Ｖ_all）×ε_air…式１

ここで、Ｖ_allは誘電体層の全体積、Ｖ_slabは誘電体層に占める第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの総体積、Ｖ_airは誘電体層に占める空気層の総体積を示す。

図４−１（図３の上図）に示す状態の周波数選択板１０においては、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈが周波数選択板主体１上に敷き詰められており、空気層が存在しない。これが為、「Ｖ_slab＝Ｖ_all」、「Ｖ_air＝０」となり、これらを上記式１に代入した下記の式２となる。
ε_apparent＝ε_slab …式２

かかる場合、見かけの厚さｔ_apparentは「ｔ_apparent＝ｔ_slab」である。

また、図４−２（図３の中図）に示す状態の周波数選択板１０においては、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈが傾斜角θを有し、空気層が存在する。かかる場合、「Ｖ_all＝８Ｗ_slab×（Ｗ_slab×ｓｉｎθ）」、「Ｖ_slab＝Ｗ_slab×８ｔ_slab」、「Ｖ_air＝Ｖ_all−Ｖ_slab＝８Ｗ_slab×（Ｗ_slab×ｓｉｎθ−ｔ_slab）」となり、これらを上記式１に代入することで、誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentは、下記の式３で表される。

ε_apparent＝（ｔ_slab／Ｗ_slabｓｉｎθ）×ε_slab
＋｛１−（ｔ_slab／Ｗ_slabｓｉｎθ）｝×ε_air …式３

ここで、かかる場合の見かけの厚さｔ_apparentは、下記の式４で表される。

ｔ_apparent＝Ｗ_slab×ｓｉｎθ …式４

また、図４−３（図３の下図）に示す状態の周波数選択板１０においては、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈが傾斜角θ（＝９０°）を有し、空気層が存在する。これが為、かかる場合の誘電体層における見かけの誘電率ε_apparent及び見かけの厚さｔ_apparentは、「θ＝９０°」を上記式３及び式４に代入することで、下記の式５及び式６の如く得ることができる。

ε_apparent＝（ｔ_slab／Ｗ_slab）×ε_slab
＋｛１−（ｔ_slab／Ｗ_slab）｝×ε_air …式５
ｔ_apparent＝Ｗ_slab …式６

上述した式３からも明らかなように、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転して傾斜角θを変化させることで、誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentを変化させることが可能となり、周波数選択板１０の特性（周波数選択性）を変化させることができる。

そこで、本実施例１にあっては、所望の特性（周波数選択性）に対応させた傾斜角θへと第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転させる為に、上記誘電体可変機構３の動作を制御する図１及び図２に示す制御装置４が設けられている。

この制御装置４は、誘電体可変機構３に対して駆動のＯＮ／ＯＦＦ制御や回転方向の正逆転制御等を行うことで、誘電体可変機構３による第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの回転動作を制御し、その第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを所望の特性（周波数選択性）に対応する傾斜角θへと能動的に変化させることができる。

ここで、上述した本実施例１の周波数選択板１０を製作し、その特性（周波数選択性）について検証した。

ここでは、セル寸法１５．１ｍｍ×１５．１ｍｍの上記クロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された周波数選択板主体１（１０ＧＨｚで共振となるよう設定）と、この周波数選択板主体１に傾斜角θ又は幅Ｗ_slabを変えた第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈ（誘電率ε_slab＝１０、厚さｔ_slab＝１ｍｍ）を設けた複数のタイプの周波数選択板１０（タイプＡ〜タイプＣ）とを比較して、夫々についての共振周波数を見てみた。

上記タイプＡの周波数選択板１０は、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの幅をＷ_slab＝１０ｍｍとし、図４−１（図３の上図）に示す状態に積層したものである。このタイプＡの周波数選択板１０における誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentは、上記式２から「ε_apparent＝１０」となる。

また、上記タイプＢの周波数選択板１０は、タイプＡの周波数選択板１０における第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを傾斜角θ＝９０°まで回転させたものである｛図４−３（図３の下図）に示す状態｝。このタイプＢの周波数選択板１０における誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentは、上記式５から「ε_apparent＝１．９」となる。

また、上記タイプＣの周波数選択板１０は、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの幅をＷ_slab＝２０ｍｍとして、傾斜角θ＝９０°まで回転させたものである｛図４−３（図３の下図）に示す状態｝。このタイプＢの周波数選択板１０における誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentは、上記式５から「ε_apparent＝１．４５」となる。

これらの検証結果を図５に示す。この検証結果によれば、タイプＡの周波数選択板１０は、周波数選択板主体１のみの場合と比して共振周波数を５ＧＨｚまで低減させることができる。尚、理論的には、誘電体層の厚さによって最大ε^-1/2まで共振周波数を低減させる、例えばこのタイプＡの場合は約１／３程度まで低減させることが可能である。

また、タイプＢの周波数選択板１０は、周波数選択板主体１のみの場合と比して共振周波数を８．３ＧＨｚまで低減させることができる。

これらから、Ｗ_slab＝１０ｍｍ、厚さｔ_slab＝１ｍｍの第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転させることによって、周波数選択板１０の共振周波数を５〜８．３ＧＨｚの範囲内で任意に変化させ得ることが判る。

また、図５の検証結果によれば、タイプＣの周波数選択板１０は、周波数選択板主体１のみの場合と比して共振周波数を９ＧＨｚまで低減させることができる。このことから、Ｗ_slab＝２０ｍｍ、厚さｔ_slab＝１ｍｍの第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転させることによって、周波数選択板１０の共振周波数を５〜９ＧＨｚの範囲内で任意に変化させ得ることが判る。

尚、理論的には、周波数選択板主体１の共振周波数の設定値をｆ_oとすると、「ｆ_o／ε^-1/2〜ｆ_o」の範囲内で周波数選択板１０の共振周波数を変化させることができる。

以上示した如く、本実施例１によれば、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを回転させることによって周波数選択板１０の共振周波数を能動的に変化させることができるので、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させることが可能となる。

そして、これにより、ステルス用途におけるステルス性能の向上や通信／放送空中線のマルチバンド化を図ることが可能となる。

例えば、ステルス用途においては、周波数を自由に変えられるレーダと組み合わせて適用しているレーダ周波数に合わせて周波数選択板１０を具備する窓の特性（周波数選択性）を変えることができる。かかる場合、本実施例１の制御装置４をレーダ等の送受信系と連動して動作するが如く構成する。

その一例として、制御装置４は、レーダ等の送受信系が相手方の電波の周波数シフトを検知し、その周波数のシフト量の情報を送受信系から受け取ると、そのシフト量に応じた第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの可変動作を誘電体可変機構３に行わせる。このようにしてレーダとの連動を図ることにより、有効なステルス性能を得ることができる。

また他の例として、周波数選択板１０を有する窓やレーダ等の送受信機が具備された航空機において自機の周波数変更に連動させることも可能である。即ち、その送受信機が周波数ｆ１で動作しているものと仮定すると、窓は、周波数選択板１０の第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの状態によって周波数ｆ１の電波を透過させる透過窓となっている。かかる状態において、自機の制御機能や操縦者の操作により送受信機の周波数がｆ２へと変更された場合、その送受信機から周波数のシフト量の情報を受け取った制御装置４は、そのシフト量に応じて第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの可変動作を誘電体可変機構３に行わせる。これにより、周波数ｆ２の電波を透過させる透過窓へと特性が変更される。

また、同じくステルス用途に用いられるエンクローズドマスト等は予め脅威となる周波数を想定した上で設計、製造を行うが、このエンクローズドマスト等に本発明に係る周波数選択板１０を適用することによって、想定外の周波数にも対応することが可能になる。ここで、エンクローズドマストとは、周波数選択板等を使用した角錘台等の低ＲＣＳ（ＲａｄａｒＣｒｏｓｓＳｅｃｔｉｏｎ、レーダ断面積）形状のレドームのことを云う。

また、通信／放送空中線においては、従来、周波数毎にフィールドを分け、且つ周波数選択板を有するサブリフレクタを経由して主フレクタを共有する手法が多く採用されているが、時間分割可能な場合には、サブリフレクタに本発明に係る周波数選択板１０を適用することによって、広帯域フィールドを使用しながらマルチバンド化を図ることが可能となる。

次に、本発明に係る周波数選択板の実施例２を図６に基づいて説明する。

本実施例２の周波数選択板２０は、前述した実施例１の周波数選択板１０と同様に、複数のクロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された周波数選択板主体１と、この周波数選択板主体１に積層された第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈとで構成され、これら第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを夫々回転させる誘電体可変機構３（図示略）及び当該誘電体可変機構３の動作を制御する制御装置４（図示略）を備えている。

ここで、本実施例２は、誘電体可変機構３及び制御装置４が第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを異なる傾斜角θに回転させる点において実施例１の周波数選択板１０とは異なる。

例えば、図６に示す如く、第１及び第２及び第７及び第８の分割誘電体２ａ，２ｂ，２ｇ，２ｈを傾斜角θ₁まで回転させ、第３〜第６の分割誘電体２ｃ〜２ｆを傾斜角θ₂まで回転させるが如く、部分的に回転角度を変える。また、第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈを夫々異なる傾斜角θに回転させる等の動作制御を誘電体可変機構３及び制御装置４が行う。

このように、本実施例２の如く第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの傾斜角θを異ならせた場合、その傾斜角θの相違部分間における誘電体層の見かけの誘電率ε_apparentを変えることができるので、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させつつ、部分的に所望の特性（周波数選択性）の帯域を作り出すことが可能になる。

また、本実施例２の傾斜角θの位相制御と実施例１の同一位相制御と組み合わせることによって、より広範囲な特性（周波数選択性）の周波数選択板を得ることも可能となる。

次に、本発明に係る周波数選択板の実施例３を図７に基づいて説明する。

本実施例３の周波数選択板３０は、図７に示す如く、複数のクロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された周波数選択板主体１と、この周波数選択板主体１に積層された第１〜第６の分割誘電体２ａ〜２ｆとで構成され、これら第１〜第６の分割誘電体２ａ〜２ｆを夫々回転させる誘電体可変機構３（図示略）及び当該誘電体可変機構３の動作を制御する制御装置４（図示略）を備えている。

ここで、本実施例２にあっては、第１及び第２及び第５及び第６の分割誘電体２ａ，２ｂ，２ｅ，２ｆと第３及び第４の分割誘電体２ｃ，２ｄとで幅Ｗ_slabを変えている。

かかる場合、誘電体可変機構３及び制御装置４は、図７に示す如く、同一の回転角度で第１〜第６の分割誘電体２ａ〜２ｆを回転させてもよく、前述した実施例２のように位相を変えて回転させてもよい。

このような本実施例３の周波数選択板３０にあっても、前述した実施例２と同様に、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させつつ、部分的に所望の特性（周波数選択性）の帯域を作り出すことができる。

尚、上記各実施例１〜３においては素子パターンとしてクロスダイポール型の周波数選択板主体１を例示したが、その素子パターンとしては、図８に示す如きダイポール型，円形リング型，円形，矩形リング型，矩形やエルサレムクロス型等の他の形状のものであってもよく、また、パッチ型であってもスロット型であってもよい。

ここで、上記各実施例１〜３においては略同一方向の軸上で分割誘電体を回転させているので、偏波特性や入射角特性について異方性が生じる場合もある。これが為、周波数選択板主体１に格子状や放射状に分割された複数の分割誘電体を積層し、これら各分割誘電体の回転方向が多様な方向（例えば格子状の分割誘電体にあっては図１における紙面の上下及び左右方向）になるよう構成してもよい。

以上のように、本発明に係る周波数選択板は、その特性（周波数選択性）に幅を持たせるのに有用であり、特に、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させるのに適している。

本発明に係る周波数選択板の実施例１の構成を上面から見た上面概念図である。図１に示す周波数選択板を側面から見た側面概念図である。実施例１の周波数選択板における第１〜第８の分割誘電体の回転動作を例示した図である。実施例１の周波数選択板における第１〜第８の分割誘電体の一形態と、その等価誘電率構造モデルを示す図である。図４−１の周波数選択板において第１〜第８の分割誘電体を回転させた状態の一形態と、その等価誘電率構造モデルを示す図である。図４−１の周波数選択板において第１〜第８の分割誘電体を回転させた状態の他の形態と、その等価誘電率構造モデルを示す図である。周波数選択板主体と、この周波数選択板主体を具備する実施例１の周波数選択板とについての共振周波数の検証結果を示すグラフである。本発明に係る周波数選択板の実施例２の構成を側面から見た側面概念図である。本発明に係る周波数選択板の実施例３の構成を側面から見た側面概念図である。本発明に係る周波数選択板に適用し得る素子パターンの他の例を示す図である。

符号の説明

１周波数選択板主体
２ａ〜２ｈ第１〜第８の分割誘電体（分割積層板）
３誘電体可変機構（積層板可変機構）
４制御装置
１０，２０，３０周波数選択板

Claims

特定の周波数の電波を反射又は透過させる素子パターンが設けられた周波数選択板主体と、該周波数選択板主体に複数に分割して積層された電波透過性を有する分割積層板と、該各分割積層板を前記周波数選択板主体上で回転させる積層板可変機構とを備えたことを特徴とする周波数選択板。
前記各分割積層板が所望の周波数選択性に応じた傾斜角となるように前記積層板可変機構の動作を制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の周波数選択板。