JP2006203147A - Radio wave absorption material and wave absorber - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は電波を吸収する素材および電波吸収体に関する。 The present invention relates to a material that absorbs radio waves and a radio wave absorber.
電波吸収体の構成法は各種知られており、たとえば厚みdの電波的な損失のない誘電体よりなる誘電体層の片面に金属板を装着し、該誘電体層のもう一方の側面に面抵抗が377[Ω]の導電シートを電波吸収素材として装着する構成法は1/4波長形吸収体としてよく知られている(例えば非特許文献1)。
上記の1/4波長形吸収体は構成が簡単であるという利点がある一方、反射係数が小さくなる周波数帯域が狭いという欠点を有している。本発明の目的は、広い周波数帯域で反射係数が小さくなる1/4波長形電波吸収体を構成するための電波吸収素材、およびこれを用いた電波吸収体を提供することにある。 While the above-described ¼ wavelength absorber has an advantage that the configuration is simple, it has a disadvantage that the frequency band in which the reflection coefficient is small is narrow. An object of the present invention is to provide a radio wave absorber for forming a ¼ wavelength type radio wave absorber having a small reflection coefficient in a wide frequency band, and a radio wave absorber using the same.
電波吸収素材Aは、図1に示すように直線状導体1を誘電体シート2の片側面に規則的に配列した導体配列シートと該誘電体シート2のもう一方の面に面抵抗が400[Ω]〜4000[Ω]の導電シート3を図2に示すように積層した構成、または直線状導体1を誘電体シート2の内部に規則的に配列してなる導体配列シートと面抵抗が400[Ω]〜4000[Ω]の導電シート3とを図3に示すように積層した構成、または該導電体配列シートを合成面抵抗が400[Ω]〜4000[Ω]である2枚の導電シート3−1と3−2との間に挟み込んだ図4の構成のいずれかであり、図5に示すように該電波吸収素材Aを1/4波長層Bに積層し、該1/4波長層Bのもう一方の面に金属板Cを装着した構成の電波吸収体とする。上記直線状導体とはアスペクト比(長さ/太さ)が10以上の実質的に直線と見なせる形状の導体を指す。 As shown in FIG. 1, the radio wave absorbing material A has a conductor arrangement sheet in which
直線状導体1は誘電体シートの表面、あるいは内部にランダムに分散してもよい。あるいは誘電体シート2の表面、または内部に配列する直線状導体1は十字形導体、または4角形や円形の導体で置き換えてもよい。 The
本発明の効果を以下に図を用いて説明する。 The effects of the present invention will be described below with reference to the drawings.
図2の構成の電波吸収素材Aを伝送線路として見たときの等価回路は以下のようになる。入射波電波の電界は図1に示すように直線状導体1に平行であるとする。導体配列シートはその厚みが自由空間波長に比べて十分薄いので伝送線路的には集中定数のアドミッタンスYAで表せる。同様の理由で導電シート3も集中定数の抵抗RSで表せる。電波吸収素材Aは導体配列シートと導電シート3を積層したものであるから、該電波吸収素材Aの特性を集中定数YTで表すと、YTはYAとRSの並列回路であり、
YAの周波数特性は以下のようになる。導体配列シートに電波を入射すると、直線状導体1の長さLが波長のおよそ1/2になる周波数f0で共鳴現象が生じ、直線状導体1を配列した導体配列シートを均質媒質として見たときの比誘電率εA(=εA’−jεA”)は図6に示すように共鳴的な分散特性を示すことが知られている(たとえば特許文献2)。
においてλ0は自由空間波長、dAは導体配列シートの厚みである。Y0は自由空間の特性アドミッタンスであり、Y0=1/377[S]である。Λ 0 is the free space wavelength and d A is the thickness of the conductor array sheet. Y 0 is a characteristic admittance of free space, and Y 0 = 1/377 [S].
なお、導電シート3の比誘電率εS(=εS’−jεS”)はεS’<<εS”である。導電シートの導電率σSは、導電シートの厚みをdSとするとσS=1/(RSdS)であり、またεS”とσSとは角周波数(2π×周波数)をωとすると、εS“=σS/(ωε0)の関係式があるので、
すなわち、本発明による電波吸収素材はその特性を誘電率としてみるとき、図6に示されるように周波数に対して単調に減少する特性のεS”と周波数f0で共鳴する特性のεAとを兼ね備えた特性を持つ特徴がある。That is, when the radio wave absorbing material according to the present invention is viewed as a dielectric constant, the characteristic ε S ″ that monotonically decreases with respect to the frequency and the characteristic ε A that resonates at the frequency f 0 , as shown in FIG. There is a feature with the characteristics that combine.
本発明による電波吸収素材が電波吸収特性に与える効果を規格化アドミッタンスチャートを用いて説明する。図5に示す電波吸収体の構成における等価回路を図7に示す。電波吸収素材Aを表すアドミッタンスYTは1/4波長層Bの入力アドミッタンスYBに並列に接続され、電波吸収素材Aの表面から見た入力インピーダンスYinはYin=YT+YBである。The effect of the radio wave absorption material according to the present invention on the radio wave absorption characteristics will be described using a standardized admittance chart. An equivalent circuit in the configuration of the radio wave absorber shown in FIG. 5 is shown in FIG. The admittance Y T representing the radio wave absorption material A is connected in parallel to the input admittance Y B of the quarter wavelength layer B, and the input impedance Y in viewed from the surface of the radio wave absorption material A is Y in = Y T + Y B .
図8の規格化アドミッタンスチャートにおいて、イは周波数がf1からf2における規格化したYBの特性である。1/4波長層Bは電波的損失がない誘電体よりなる層であるから、規格化したYBは該チャートの外周にあり、周波数f0にて1/4波長層Bの厚みが丁度1/4波長になるとするとf0におけるYBは0である。In normalized admittance chart of FIG. 8, b is the characteristic of Y B whose frequency is normalized in f 2 from f 1. Since the quarter-wave layer B is a layer made of a dielectric material with no radio wave loss, the standardized Y B is on the outer periphery of the chart, and the thickness of the quarter-wave layer B is exactly 1 at the frequency f 0 . If it becomes / 4 wavelength, Y B at f 0 is zero.
まず、従来の電波吸収体の構成である導電シートのみを1/4波長層Bに装着した場合について説明する。ロは面抵抗RSがRS=377[Ω]である導電シートを1/4波長層Bに装着したときの規格化したYinの特性である。YinはYB+1/RSで与えられ、f0においてはYB=0であるからYin=1/377[S]、すなわちYin=Y0となる。Yinと反射係数Γの関係は、
本発明による電波吸収素材Aはその等価回路が The electromagnetic wave absorbing material A according to the present invention has an equivalent circuit.
のYTで表される。Represented by the Y T.
、,
式からわかるように、YTの実数部はRe(YA)+1/RSで与えられる。Re(YA)>0であるからYin=Y0とするには(1/RS)<Y0、すなわちRS>(1/Y0)=377[Ω]としなければならない。As can be seen from the equation, the real part of Y T is given by Re (Y A ) + 1 / R S. Since Re (Y A )> 0, in order to set Y in = Y 0 , (1 / R S ) <Y 0 , that is, R S > (1 / Y 0 ) = 377 [Ω] must be satisfied.
上記範囲にあるRSの導電シート3のみを1/4波長層Bに積層した場合の入力アドミッタンスYinを規格化アドミッタンスチャートに示すと、たとえば図8のハのようになる。ハで示される特性に導体配列シートの効果であるYAを付加した場合、すなわち本発明による電波吸収素材Aを1/4波長層Bに積層した場合は図8のニに示すようになる。When the input admittance Y in when only the
本発明による電波吸収素材を用いると入力アドミッタンスはf0付近で規格化アドミッタンスチャートの中心、すなわちΓ=0の点を取り巻くように変化し、Γが小さい値になる周波数範囲が広くなる。この特性は、図6に示されるεAの周波数変化によってYAが持つ周波数特性により生じたものである。図8のニに示す特性を反射係数Γに変換した値を図9のニに示す。ΓがΓ0以下となる周波数範囲であるロの特性のWRとニの特性のWAでは明らかにWR<WAである。When the radio wave absorbing material according to the present invention is used, the input admittance changes so as to surround the center of the normalized admittance chart, that is, the point where Γ = 0 near f 0 , and the frequency range where Γ becomes a small value is widened. This characteristic is caused by the frequency characteristic of Y A due to the frequency change of ε A shown in FIG. The values obtained by converting the characteristics shown in FIG. 8D into the reflection coefficient Γ are shown in FIG. Obviously the gamma is W of W R and two properties of b characteristic is a frequency range of gamma 0 or less A is W R <W A.
導体配列シートの等価的誘電率の虚数部εA”は実験によれば直線状導体1の配列密度を変えることで10〜1000程度の範囲に設定することが可能である。仮にεA”=100とし、かつdA=0.1mmとするとThe imaginary part ε A ″ of the equivalent dielectric constant of the conductor array sheet can be set in the range of about 10 to 1000 by changing the array density of the
式より5GHZではYAの実数部はおよそY0となる。したがってf0においてΓ=0を得るためだけであればRS=∞[Ω]でも設計可能であるが実験的な検討を重ねた結果、RSは400[Ω]<RS<4000[Ω]であるとΓが小さい周波数範囲を広くできるという望ましい結果が得られるということがわかった。The real part of 5GH Z in Y A from equation is approximately Y 0. Therefore, R S = ∞ [Ω] can be designed only to obtain Γ = 0 at f 0 , but as a result of repeated experimental studies, R S is 400 [Ω] <R S <4000 [Ω. ], It has been found that a desirable result can be obtained that a frequency range in which Γ is small can be widened.
以上、図2の構成の電波吸収素材を例にとって広帯域な電波吸収特性を持つ1/4波長形電波吸収体が構成できることを説明したが、図3に示すように直線状導体1を誘電体シート2の内部に配列した構造の導体配列シートにおいても直線状導体の共鳴現象による等価的比誘電率は図6に示されるεAと同等であるので、図3の構成の電波吸収素材を用いても同様の効果が得られる。As described above, it has been explained that a ¼ wavelength type wave absorber having a broadband wave absorption characteristic can be formed by taking the wave absorbing material having the configuration of FIG. 2 as an example. However, as shown in FIG. 2 is equivalent to ε A shown in FIG. 6 because the equivalent dielectric constant due to the resonance phenomenon of the linear conductor is also equivalent to the ε A shown in FIG. The same effect can be obtained.
図4に示すように導体配列シートを2枚の導電シート3−1と3−2との間に挟みこんだ構成では、伝送線路的には該導電シート3−1と3−2が並列に接続される等価回路になるので、該導電シート3−1と3−2の各々の面抵抗をRS1、RS2とするときの合成面抵抗は1/(1/RS1+1/RS2)である。したがって合成面抵抗が400[Ω]<1/(1/RS1+1/RS2)<4000[Ω]の範囲にあれば図4に示す2枚の導電シートは図2の構成の導電シート3と同様の効果が得られる。As shown in FIG. 4, in the configuration in which the conductor arrangement sheet is sandwiched between the two conductive sheets 3-1 and 3-2, the conductive sheets 3-1 and 3-2 are arranged in parallel in the transmission line. Since it becomes an equivalent circuit to be connected, the combined sheet resistance is 1 / (1 / R S1 + 1 / R S2 ) when the sheet resistances of the conductive sheets 3-1 and 3-2 are R S1 and R S2. It is. Therefore, if the composite surface resistance is in the range of 400 [Ω] <1 / (1 / R S1 + 1 / R S2 ) <4000 [Ω], the two conductive sheets shown in FIG. The same effect can be obtained.
直線状導体1を誘電体シート2の表面に配列してなる導体配列シートは直線状導体1の共鳴周波数をf0に合わせなければならない。直線状導体1の共鳴周波数はその長さLが自由空間波長のほぼ1/2になる周波数として見積もることができるが、厳密には直線状導体の長さLだけでなく、直線状導体の周囲の媒質である誘電体シート2の厚みと比誘電率、および導電シートの面抵抗と厚みによって変化する。直線状導体1の共鳴周波数をf0に合わせるためには、Lは実験的に定める。
これまでの説明で述べた導体配列シートはいずれも直線状導体1を配列したものであり、入射波電波の電界は図2に示すように直線状導体1に平行であるとした。実際の応用を考えた場合、入射波電波の電界は直線状導体1に平行であるとは限らない。入射波電波の電界の方向によらずに本発明の効果を得るには、たとえば図10に示すように2本の直線状導体が直交するようにした十字形形状の導体を配列して導体配列シートを構成する手法、あるいは図11に示すように直線状導体がランダムな方向を向くように配列して導体配列シートを構成する手法があり、いずれも図1に示した導体配列シートと同様の共鳴現象が生じるので本発明の電波吸収素材を構成することができる。 All of the conductor arrangement sheets described in the above description are obtained by arranging the
さらに、共鳴現象を生じる導体の形状は線状に限られず、たとえば4角形、円形の導体を配列しても、辺の長さや直径などで定まる或る特定の周波数で共鳴現象が生じることが知られている。したがって、本発明の電波吸収素材に用いる導体の形状は線状、十字形に限られず、たとえば4角形、円形の箔状導体などを配列してもよい。 Furthermore, the shape of the conductor that causes the resonance phenomenon is not limited to a linear shape. For example, even if a rectangular or circular conductor is arranged, it is known that the resonance phenomenon occurs at a specific frequency determined by the length or diameter of the side. It has been. Therefore, the shape of the conductor used for the radio wave absorbing material of the present invention is not limited to a linear shape or a cross shape, and for example, a rectangular or circular foil conductor may be arranged.
誘電体シート2に配列する導体の材質は実質的に電気的良導体であればよく、各種の金属、あるいは各種金属をメッキした繊維状材料、あるいはカーボン繊維、あるいは金属粉やカーボン粉を主成分とする導電塗料などを用いることができる。 The material of the conductor arranged in the
以上の説明では、1/4波長層Bは電波的損失の無い誘電体を用いて構成したが、多少の損失がある誘電体であっても本発明の1/4波長層Bとして用いることは可能である。電波的な損失のある誘電体を1/4波長層Bとして用いたとき、その入力インピーダンスYBは、図6に示すアドミッタンスチャートの外周にあるイとは異なりアドミッタンスチャートの内部にある。電波的な損失が大きいほどYBの実数部の値であるRe(YB)が大きくなる。本発明による電波吸収素材の導電シート3の面抵抗の最大値は4000[Ω]であり、規格化アドミッタンスの実数部に換算するとおよそ0.1である。さらに、導体配列シートのεA”によるアドミッタンスYAの実数部はεA”=10、f0=5GHzとするとおよそ0.1であり、Γ=0の条件であるYin/Y0=1とするには、Re(YB)=1−0.1−0.1=0.8である。したがって、Re(YB/Y0)<0.8である1/4波長層であれば用いることができる。In the above description, the quarter wavelength layer B is configured by using a dielectric material having no radio loss. However, even a dielectric material having some loss may be used as the quarter wavelength layer B of the present invention. Is possible. When a dielectric having radio loss is used as the ¼ wavelength layer B, the input impedance Y B is inside the admittance chart, unlike the a on the outer periphery of the admittance chart shown in FIG. Re (Y B ), which is the value of the real part of Y B , increases as the radio loss increases. The maximum value of the sheet resistance of the electromagnetic wave absorbing
電気的導電性のよい金属よりなる十字形導体をポリエチレン等の誘電体シートに配列して導体配列シートとし、カーボン粉を主成分とする導電塗料を誘電体シートに塗装して面抵抗が400[Ω]から4000[Ω]の導電シート3とし、該導体配列シートと該導電シート3を積層して電波吸収素材Aを構成する。 A cross-shaped conductor made of a metal having good electrical conductivity is arranged on a dielectric sheet such as polyethylene to form a conductor arrangement sheet, and a conductive paint mainly composed of carbon powder is applied to the dielectric sheet to provide a sheet resistance of 400 [ The
発泡樹脂等の電波的な損失の小さい誘電体の層を1/4波長層Bとして用い、該1/4波長層Bの片側の面に金属板を設け、もう一方の面に上記の電波吸収素材を設けて1/4波長形吸収体を構成する。 A dielectric layer such as foamed resin having a low radio wave loss is used as the quarter-wave layer B, a metal plate is provided on one side of the quarter-wave layer B, and the above-described radio wave absorption is provided on the other side. A quarter wavelength absorber is formed by providing a material.
銀をメッキした太さ110μmの繊維状導体を長さ12mmに切断した直線状導体を厚み120μmのポリエチレンフィルムに規則的に配列して導体配列シートとした。繊維状導体の横方向の配列間隔は20mm、繊維状導体軸方向の配列間隔は35mmとした。さらに厚み0.2mmのポリエチレンフィルムにカーボンを主成分とする導電塗料を塗装し、面抵抗が698[Ω]の導電シートを制作した。上記導体配列シートと上記導電シートを積層し、電波吸収素材とした。 A linear conductor obtained by cutting a fibrous conductor having a thickness of 110 μm plated with silver into a length of 12 mm was regularly arranged on a polyethylene film having a thickness of 120 μm to obtain a conductor arrangement sheet. The arrangement interval in the horizontal direction of the fibrous conductor was 20 mm, and the arrangement interval in the fibrous conductor axial direction was 35 mm. Further, a conductive paint mainly composed of carbon was applied to a polyethylene film having a thickness of 0.2 mm to produce a conductive sheet having a surface resistance of 698 [Ω]. The conductor array sheet and the conductive sheet were laminated to obtain a radio wave absorbing material.
厚み7mmの発泡樹脂を1/4波長層として用い、その片面に上記電波吸収素材を装着し、もう一方の面に金属板を装着して、1/4波長形吸収体を構成した。 A quarter-wave absorber was constructed by using a foamed resin having a thickness of 7 mm as a quarter-wave layer, mounting the above-described radio wave absorbing material on one side, and mounting a metal plate on the other side.
図12に電波吸収素材表面から見た入力アドミッタンスYinの測定値を規格化した値であるYin/Y0を▲黒四角▼の記号で示す。測定周波数は4GHzから12GHzとした。Yin/Y0は図8のニと同様にチャート中心で取り巻くように変化することがわかる。図13は図12に示した特性を反射係数Γに換算して示したものである。ただし、dBの単位で表してある。f0は8GHzであり、図9に示したニの特性と同様に2つの周波数で反射係数が小さくなる特性を有し、たとえば−10dB以下の反射係数になる周波数帯を見ると5GHzから12GHz以上の周波数帯に渡って実現されており、広帯域で良好な電波吸収性能が得られた。In FIG. 12, Y in / Y 0 that is a value obtained by standardizing the measured value of the input admittance Y in viewed from the surface of the radio wave absorbing material is indicated by the symbol “black square”. The measurement frequency was 4 GHz to 12 GHz. It can be seen that Y in / Y 0 changes so as to surround the center of the chart as in FIG. FIG. 13 shows the characteristics shown in FIG. 12 in terms of the reflection coefficient Γ. However, it is expressed in units of dB. f 0 is 8 GHz, and has the characteristic that the reflection coefficient becomes small at two frequencies in the same manner as the characteristics shown in FIG. 9. For example, when looking at the frequency band where the reflection coefficient is -10 dB or less, 5 GHz to 12 GHz or more. It was realized over a wide frequency band, and good radio wave absorption performance was obtained in a wide band.
1: 直線状導体
2: 誘電体シート
3: 導電シート
A: 電波吸収素材
B: 1/4波長層
C: 金属板
イ: 1/4波長層の規格化入力アドミッタンス
ロ: 1/4波長層に導電シートを装着したときの規格化入力アドミッタンス
ロ‘ 1/4波長層に導電シートを装着したときの反射係数
ハ: 1/4波長層に導電シートを装着したときの規格化入力アドミッタンス
ニ: 1/4波長層に本発明の電波吸収素材を装着したときの規格化入力アドミッタンス
ニ‘:1/4波長層に本発明の電波吸収素材を装着したときの反射係数1: Linear conductor 2: Dielectric sheet 3: Conductive sheet A: Electromagnetic wave absorbing material B: 1/4 wavelength layer C: Metal plate A: 1/4 wavelength layer normalized input admittance slot: 1/4 wavelength layer Normalized input admittance slot when a conductive sheet is attached Reflection coefficient when a conductive sheet is attached to a quarter wavelength layer C: Normalized input admittance when a conductive sheet is attached to a quarter wavelength layer: 1 / 4 standardized input admittance when the wave absorbing material of the present invention is mounted on the ¼ wavelength layer: reflection coefficient when the wave absorbing material of the present invention is mounted on the ¼ wavelength layer
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