JP2005259776A - 透過型両面電波吸収装置 - Google Patents

Abstract

【課題】両方向からの電波を透過及び吸収させる透過型両面電波吸収装置を提供する。
【解決手段】本装置は誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える左電波吸収体、誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える右電波吸収体および左電波吸収体と右電波吸収体との間に設けた中間層などから構成されている。ここで誘電体層の厚み、比誘電率、インピーダンス層のインピーダンス、中間層の厚み、比誘電率などの最適な関係を選ぶことで両側からの電波吸収が可能となる。また、本構造を多段とすることで電波吸収の効果をさらに向上できるようになる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、両方向からの電波を透過及び吸収させる透過型電波吸収体を備える透過型両面電波吸収装置に関する。

一般に、電波吸収体は、ある厚みを有する層構造で形成してあり、入射電波はこの層構造の中で吸収される。周波数に関して広帯域型と狭帯域型があり、広帯域型は使用する最低周波数の半波長以上の厚みが必要であり厚くなるが、狭帯域型は電気的に１／４波長の厚みがあればよいのでコンパクトな構造である。
更に、狭帯域型電波吸収体には、誘電体層に抵抗損失を与える方法と、金属板から１／４波長の全面に３７７Ωの抵抗被膜を貼り付ける方法がある。

この方法は、図３に示すように、左側の入射波Ｅ1、右側からの入射波Ｅ2に対し、左右の誘電体層の厚みｄ１は波長に比べて充分小さく、前記誘電体層に挟まれている中間層の厚みｄ2は普通、空気層であり、インピーダンスＺs2は約１０Ω、Ｚs1は約３７７Ωに選定してある。
その結果、左側の入射波Ｅ1に対し、反射波Ｅr1が無い条件で構成してあり、入射波Ｅ2に対しては、Ｚs2が低い値に選定されているので、反射膜として作用し、この右誘電体層からの入射波Ｅ2に対しては吸収特性を示さない。

前記した様に、従来の電波吸収体は入射波Ｅ1に対し、反射波と透過波がない構造、即ち、金属板で裏打ちし、透過波を零とする構造である。この金属板が、薄い金属シートであっても、誘電体層との一体形成により製作上の困難さや無透過による特性上の非柔軟性を考慮すると、透過波の存在を許容する電波吸収体の設計法がより実用的であると考えられる。
そして、出願人は、Ｑマッチセクションの原理に基づいて、無反射条件を満たす抵抗被膜付誘電体層の構造を見いだして、誘電体による電波吸収体の設計構造と透過特性等を明らかにした。
又、この単層構造を基に、多段又は多層化によって、よりよい特性の電波吸収体への設計が可能となることも明らかにした。

しかし、この透過型電波吸収体は、片面からの入射波Ｅ1のみを吸収するので、反射面からの入射波はほとんど反射される（厳密には透過量を差し引いた分の反射量）。
そこで、例えば、無線ＬＡＮ用電波吸収体を部屋のパーティションとして用いるには、透過型片面電波吸収体を背中合わせに、２枚設置すればよいが、この考えによる透過型片面電波吸収体は必ずしも最適構造ではない。
そこで、本発明は、両側から入射する入射波に対して、透過波を許容する透過型電波吸収体を備える透過型両面電波吸収装置を提供する。

中村 隆、一川 健、佐藤利三郎著 「透過型電波吸収体 信学論（Ｂ）」

請求項１の発明は、誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える左電波吸収体と、誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える右電波吸収体と、左電波吸収体と右電波吸収体との間に中間層を形成により構成される透過型両面電波吸収装置である。
そして、左電波吸収体の誘電体層の厚さをｄ１、誘電体層の比誘電率をεｒ1、インピーダンス層のインピーダンスをＺｓ、右電波吸収体の誘電体層の厚さをｄ１、誘電体層の比誘電率をεｒ1、インピーダンス層のインピーダンスをＺｓとし、左電波吸収体と右電波吸収体との間に形成の中間層の厚さをｄ2、比誘電率をεｒ2とする。
そして、透過型両面電波吸収装置は、対象電波の波長をλ0、入射側の領域の固有インピーダンスをＺ0としたとき、

の条件を満足するよう構成されている。
又、請求項２の透過型両面電波吸収装置は、多段で構成するものであり、この多段によって、簡便に、電波吸収の向上を図ることができる。

請求項１の発明の透過型両面電波吸収装置は、従来の透過型片面電波吸収体を２枚組み合せたものではなく、（３）式、（４）式を満たす条件で構成することによって、両側からの電波吸収を図ることができる。
又、請求項２の透過型両面電波吸収装置は、多段で構成するものであり、この多段によって、簡便に、電波吸収の向上を図ることができる。

本発明の透過型両面電波吸収装置で用いる透過型電波吸収体の一実施の形態の概略図を図１に示す。本実施の形態の透過型電波吸収体１は、誘電体層１０ａとインピーダンス層２０ａで構成する左電波吸収体１ａと、誘電体層１０ｂとインピーダンス層２０ｂで構成する右電波吸収体１ｂと、左電波吸収体１ａと右電波吸収体１ｂの間の中間層１０ｃ（領域３）とで構成してある。

又、前記誘電体層１０（１０ａ、１０ｂ）は、例えば、ガラス、石こうボード、コンクリート等の誘電体を層状に形成したものである。インピーダンス層２０（２０ａ、２０ｂ）は、例えば、スズ、亜鉛等の金属抵抗体、或は、伝導性合成樹脂等を薄膜状に形成して、誘電体層１０（１０ａ、１０ｂ）に貼着あるいは塗布して形成したものである。尚、前記金属抵抗体の薄膜の厚みが０．１ｍｍ以下で実現でき、理論的にはＺｓ＝１／（σ）で、Ｚｓは薄膜のインピーダンス、σは導電率であり、例えば、Ｚｓ＝５０〜２００Ω、σ＝１０^-6Ω／ｍを採用する。
透過型電波吸収体１は、領域１（例えば、自由空間等）と領域５（例えば、自由空間や壁等）の間に設けられ、左電波吸収体１ａの誘電体層１０ａが電波入射側、インピーダンス層２０ａが第３領域側（中間層）１０ｃに電波透過となるように配置され、一方、右電波吸収体１ｂの誘電体層１０ｂが電波入射側、インピーダンス層２０ｂが第３領域（中間層）１０ｃに電波透過となるように配置される。

ここで、図１に示すようにｘ軸、ｙ軸、ｚ軸で表される３次元座標を定義し、電波の入射方向及び透過型電波吸収体１の厚さ方向をｚ軸方向に、透過型電波吸収体１の電波入射面をｘ−ｙ平面に平行に配置する。
この場合、入射波Ｅｉは、領域１のｚ軸の−∞方向から誘電体層１０ａに入射する。一方、入射波Ｅｉは、領域５のｚ軸の＋∞方向から誘電体層１０ｂに入射する。
又、領域ｉ（ｉ＝１，２，３，４，５）の固有インピーダンスをＺｉとすると、Ｚｉは（１）式により表される。

なお、εｉは領域ｉの誘電率、μｉは領域ｉの透磁率、εｒｉは自由空間に対する領域ｉの比誘電率、μｒｉは自由空間に対する領域ｉの比透磁率、Ｚ0は自由空間の固有インピーダンス（約３７７Ω）である。また、固有インピーダンスは、自由空間を平面波が伝播する時の電界と磁界の比である。
領域１と領域５は自由空間である（Ｚ1＝Ｚ5＝Ｚ0）。又、簡単にするために、領域２の誘電体層１０ａ、及び領域４の誘電体層１０ｂが磁性体でないとすると、［μｒｉ＝μｒ2＝μｒ3＝μｒ4＝１］とおくことができる。

又、誘電体層１０ａの厚さをｄa、誘電体層１０ａの比誘電率をεｒa、電波入射側の領域１の固有インピーダンスをＺ0、誘電体層１０ａ（領域２）の固有インピーダンスをＺｍ1、インピーダンス層２０ａのインピーダンスをＺｓa、又、誘電体層１０ｂの厚さｄb、誘電体層１０ｂの比誘電率をεｒb、電波入射側の領域５の固有インピーダンスをＺ0、誘電体層１０ｂ（領域４）の固有インピーダンスをＺｍ3、インピーダンス層２０ｂのインピーダンスをＺｓb、又、左電波吸収体１ａと右電波吸収体１ｂの間に形成の中間層（領域３）１０ｃの厚さをｄc、インピーダンスをＺｍ2、比誘電率εｒ2とすると、図１は、図２に示す等価回路で表すことができる。尚、この中間層１０ｃは空気層であるが、磁性体で構成してもよい。

図２に示す等価回路おいて、端子１−１より左側は入射側の領域１を表し、端子１−１と端子２−２間は誘電体層１０ａを表し、端子２−２と端子３−３間はインピーダンス層２０ａを表し、端子３−３と端子４−４は領域３の誘電体層を表し、端子４−４と端子５−５間はインピーダンス層２０ｂを表し、端子６−６より右側は透過側の領域５を表している。
尚、ここでは、左電波吸収体１ａと右電波吸収体１ｂが同じ材質であるとすると、インピーダンスＺｍ1＝Ｚｍ3＝Ｚｍi、インピーダンスＺｓa＝Ｚｓb＝Ｚs、厚さｄa＝ｄb=ｄ1、比誘電率εｒa＝εｒb＝εｒ1と表示でき、厚さｄcをｄ2と表す。

図２において、インピーダンスＺｍiは、

で表される。

そして、Ｑマッチングセクションの整合回路設計法を用いれば、（３）（４）式を満足するように構成することにより、図２の端子１−１より左側への電波の反射を防止する（入射側の領域１への反射波Ｅｒをなくす）ことができる。
すなわち、（３）（４）式を満足するように構成することにより、誘電体層１０ａに入射した電波のうち、誘電体層１０ａのインピーダンス層２０ａ側の面で反射した電波は、誘電体層１０ａの表面で反射した電波と相殺される。
また、誘電体層１０ａからインピーダンス層２０ａに透過した電波は、一部がインピーダンス層２０ａで吸収され、残りは領域３に透過することになる。

ここで、λ0は領域１への反射を防止したい電波（対象電波）の自由空間における波長を示し、λｍは対象電波の誘電体層内における波長を示す。
即ち、各誘電体層の比誘電率εｒ1，εｒ2と使用周波数ｆ0（波長λ0）が与えられると、各誘電体層の厚さｄ1、ｄ2と、抵抗被膜の面抵抗Ｚsが、式（３）（４）で与えられ、これらの条件を満たすことによって、誘電体層１０ａ、１０ｂに入射した電波が領域１、又は領域５側へ反射するのを防止するためには、インピーダンス層２０ａ、２０ｂのインピーダンスＺｓを（４）式で定まる値に設定すればよいことがわかる。
ここで、（４）式から、Ｚｓが正であるためには、［εｒ≧Ｚ0／Ｚｍ3］でなければならない。特に、［εｒ＝Ｚ0／Ｚm3］の場合には、［Ｚｓ＝∞］となってインピーダンス層２０ａ、２０ｂの無い電波吸収体となる。

ところで、図２の端子２−２から右側に透過する透過波（誘電体層１０ａを介してインピーダンス層２０ａ、領域３、インピーダンス層２０ｂ及び誘電体層１０ｂを透過する電波）は、端子２−２から右側を見たインピーダンスＺｓ3によって吸収される。
ここで、インピーダンスＺｓ3はインピーダンスＺｓとＺm2、ＺｓとＺm1の組み合わせであるから、領域５への透過波Ｅｔの透過電力係数Ｔｐは（５）式で表される。
なお、２つのインピーダンス層２０ａとインピーダンス層２０ｂで吸収される電力の吸収電力係数Ａｐは、［Ａｐ＝１−Ｔｐ］で表される。

尚、εｒ1²＞＞εｒ2のとき

この結果、内部誘電体層（領域３）の比誘電率εｒ2が小さいほど、透過電力が小さいことが判る。
そこで、種々の誘電体に対して、測定した結果を表１に示す。

この表１より、外部誘電体層（領域２、領域４）の比誘電率εｒ1が大きいほど、層厚が薄くなり、透過電力も少なくなることが判る。例えば、サンプル１〜２に比して、サンプル３〜４は比誘電率εｒ1が大きく、ｄ1／λ0とｄ2／λ0は、小さいことから明らかである。
又、内部誘電体層（領域３）の比誘電率εｒ2を小さくすると、サンプル５〜８から明らかなように、更に、透過電力も少なくなることが判る。

なお、透過型電波吸収体により構成される透過型両面電波吸収装置の厚さや透過電力係数等を任意に設定可能とするために、種々の比誘電率εｒの誘電体層を有する透過型電波吸収体を用意しておくことはコストが高くなる。コストを安くするためには、透過型電波吸収体の種類を少なくすることが好ましい。
少ない種類の透過型電波吸収体によって、透過型両面電波吸収装置の厚さや透過電力係数等を任意に設定可能とするには、例えば、透過型電波吸収体を多段化して透過型両面電波吸収装置を構成する方法が考えられる。

例えば、同じ種類の透過型電波吸収体を複数段重ねる。一般に、透過電力係数がＴｐである透過型電波吸収体をｎ段に重ねた透過型両面電波吸収装置の透過電力係数Ｔｐｎは、（７）式により表される。

すなわち、透過電力係数Ｔｐの透過型電波吸収体をｎ段に重ねた透過型両面電波吸収装置の透過電力係数Ｔｐｎは、透過型電波吸収体の透過電力係数ＴｐのｄＢ表示でｎ倍となる。ただし、透過型両面電波吸収装置の厚さは、透過型電波吸収体の厚さのｎ倍となる。

例えば、比誘電率εｒが［εｒ＝１０］の透過型電波吸収体を２段に重ねて透過型両面電波吸収装置を構成すると、透過型両面電波吸収装置の透過電力係数Ｔｐ２は［Ｔｐ＝０．１×０．１＝０．０１（−２０ｄＢ）］となる。
あるいは、必要最小限の種類の透過型電波吸収体を用意しておき、複数種類の透過型電波吸収体を多段に重ねて透過型両面電波吸収装置を構成することもできる。
透過型両面電波吸収装置を構成する透過型電波吸収体の種類や数等は、適宜変更可能である。

また、透過型電波吸収体を所定段数重ねて透過型両面電波吸収装置を構成する代わりに、誘電体層を所定段数重ねて所定周波数ｆ0の電波の反射を防止することができる透過型両面電波吸収装置を構成することもできる。
例えば、ｎ段に重ねた同じ種類の誘電体層とインピーダンス層により透過型両面電波吸収装置を構成する。あるいは、ｎ段に重ねた複数種類の誘電体層とインピーダンス層により透過型両面電波吸収装置を構成する。インピーダンス層のインピーダンスは、電波が入射側に反射しないように設定される。
透過型両面電波吸収装置を構成する誘電体層の種類や数、インピーダンス層の数等は、適宜変更可能である。

本発明は、実施の形態で説明した構成に限定されることなく、種々の変更、追加、削除が可能である。
例えば、インピーダンス層として抵抗薄膜を用いた場合について説明したが、インピーダンス層は抵抗薄膜に限定されないし、磁性を有しない誘電体層について説明したが、磁性を有する誘電体層を用いることもできる。
誘電体層の損失を考慮しなかったが、誘電体層として損失性誘電体層を用いることもできる。
また、誘電体層の厚さｄを、ｄ＝λ0／［４（εｒ）^1/2］に設定したが、誘電体層の厚さｄはこの値に限定されず種々変更可能である。この場合には、例えば、誘電体の誘電率やインピーダンス層のインピーダンス等を選択することによって入射側への電波の反射を防止する。又、領域２と領域４は同じ物で構成してあるが、異なるもので構成してもよい。
尚、前記における各式は、理論的に導出可能であるので、ここではその誘導式を省略する。

本発明の透過型両面電波吸収装置の一実施の形態を示す図である。 図１の等価回路を示す図である。 従来の電波吸収体を示す図である。

符号の説明

１ 透過型電波吸収体
１０（１０ａ、１０ｂ） 誘電体層
１０ｃ 中間層
２０（２０ａ、２０ｂ） インピーダンス層

Claims (2)

1. 誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える左電波吸収体と、誘電体層と抵抗薄膜のインピーダンス層を備える右電波吸収体と、左電波吸収体と右電波吸収体との間に中間層を形成により構成される透過型電波吸収装置であって、
   左電波吸収体の誘電体層の厚さをｄ１、誘電体層の比誘電率をεｒ1、インピーダンス層のインピーダンスをＺｓ、
   右電波吸収体の誘電体層の厚さをｄ１、誘電体層の比誘電率をεｒ1、インピーダンス層のインピーダンスをＺｓ、
   左電波吸収体と右電波吸収体との間に形成の中間層の厚さをｄ2、誘電体層の比誘電率をεｒ2とし、
   対象電波の波長をλ0、入射側の領域の固有インピーダンスをＺ0としたとき
   

   

   
   

   

   
   
   の条件を満足するよう構成されている透過型電波吸収装置。
2. 左電波吸収体と中間層と右電波吸収体の組合せを複数段で構成することを特徴とする請求項１の透過型電波吸収装置。

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