JP2007329422A

JP2007329422A - 電磁界感応機能性材料

Info

Publication number: JP2007329422A
Application number: JP2006161527A
Authority: JP
Inventors: Yoji Kozuka; 洋司小塚
Original assignee: Tokai University
Current assignee: Tokai University
Priority date: 2006-06-09
Filing date: 2006-06-09
Publication date: 2007-12-20
Anticipated expiration: 2026-06-09
Also published as: JP4761246B2

Abstract

【課題】電磁界感応機能性材料を構成する単位セルの回路素子へバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス回路の配線を簡単にする。
【解決手段】電磁界変化に感応する多数の単位セル（２０）と、単位セルに組み込まれたＰＩＮダイオード（１４）と、ＰＩＮダイオードにバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス回路を有する電磁界感応機能性材料において、バイアス回路は、一対のバイアス母線（２２ａ、２２ｂ）と、バイアス母線に略直交する直線上に位置する単位セルにバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス供給線（２４）とからなる。バイアス供給線は、バイアス母線に略直交するものであって、各バイアス母線と該バイアス母線に隣接する単位セルとを接続する導線と、互いに隣接する単位セルどうしを接続する導線からなる。さらに、バイアス母線と略平行な直線上に位置する単位セル間はコンデンサ（２６）で接続される。
【選択図】図２

Description

本発明は、入射電磁波に対する電磁気的諸性質を制御できるようにした電磁界感応機能性材料に関する。

近年、高層ビルが多くなったため、ビルによる電波の反射により、放送受信や通信に支障が出るようになってきた。このため、電波を反射しない電波吸収体の必要性が増してきた。このような電波吸収体には、フェライト、カーボングラファイト、強誘電体などが用いられる。また、高周波回路素子であるフィルタやサーキュレータなどを構成する材料としても、異方性を付与したフェライトなどが用いられる。

しかし、フェライト電波吸収体を例にとれば、誘電率や透磁率といった電磁気的諸性質が製造時に決まってしまい、後日これらの諸性質を変えることは不可能であった。しかも、従来の材料は、その諸性質が周波数に依存しているため、電波吸収体として、使用周波数が制限され、設計の自由度が少ないという問題があった。

このため、本発明者は、後記特許文献１で、電磁気的諸性質を制御できる電磁界感応機能性材料を提案している。図６に、この電磁界感応機能性材料の一例を示す。この電磁界感応機能性材料は、２端子の回路素子４から成る立方体構造の単位セル１からなる。２端子の回路素子４としては、ダイオード、光感受性素子、熱感受性素子、磁気感受性素子、感圧素子等、２端子素子で何らかの制御信号により導通状態が簡単に変化するものであればよい。回路素子４の動作の制御はバイアス電圧を変えることにより行う。回路素子４は、バイアス電圧を変えることにより、インピーダンスを多様に変化させることができる。

単位セル１は、立方体をしているから、各辺は当該辺に平行な入射電磁波の電界変化に感応する電界感応回路となり、各面を一周する四辺は各面を貫く入射磁界変化に感応する磁界感応回路となる。各辺に設置した回路素子４のバイアス電圧を変えることにより、電界感応回路又は磁界感応回路の合成インピーダンスが変わり、その共振状態を制御したり、回路素子４の抵抗による損失を制御したりすることができる。このような単位セル１を結晶格子の如く上下左右前後規則正しく集合させて電磁界感応機能性材料を構成する。ここで、回路素子４のバイアス電圧を制御することにより、電磁界感応機能性材料の透磁率や誘電率や電磁波の反射率、吸収率、透過率、減衰率等の電磁気的諸性質やそれらの周波数特性を随時簡単に変更できる。この電磁界感応機能性材料は、電波吸収体等に使用することが好適である。

特開２００５−３４７３９３号公報

ところで、前記特許文献１に開示された電磁界感応機能性材料の電磁気的諸性質を変化させるにはバイアス電圧を制御するのであるが、単位セル１が多数になると、各単位セル１の回路素子４へバイアス電圧を供給するためのバイアス回路は、配線が多くて複雑になるという問題があった。

本発明は、前記問題点に鑑みてなされたものであって、電磁界感応機能性材料を構成する単位セルの回路素子へバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス回路の配線を簡単にすることを課題とする。

上記の課題を解決するために、請求項１に係る発明は、電磁界変化に感応する多数の単位セルと、該単位セルに組み込まれた回路素子と、該回路素子にバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス回路を有する電磁界感応機能性材料において、前記バイアス回路は、前記電磁界感応機能性材料の両側に配置された一対のバイアス母線と、前記バイアス母線に略直交する直線上に位置する単位セルにバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス供給線とからなり、前記バイアス供給線は、前記バイアス母線に略直交するものであって、各バイアス母線と該バイアス母線に隣接する単位セルとを接続する導線と、互いに隣接する単位セルどうしを接続する導線であることを特徴とする。

請求項２に係る発明は、請求項１に係る発明において、前記バイアス母線と略平行な直線上に位置する単位セル間をコンデンサで接続したことを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、２本のバイアス母線とバイアス母線に略直交するバイアス供給線からなるバイアス回路で、全ての回路素子に等しいバイアス電圧を供給することができ、配線が極めて簡単である。しかも、バイアス母線とバイアス供給線とが略直交しているから、バイアス母線に略平行な電界を有する電波に関しては、単位セルの回路素子へ供給しているバイアス電圧を変えても、バイアス供給線が電界に感応しないので、整合中心周波数や電波吸収への影響がほとんど変わらないという利点がある。

請求項２に係る発明によれば、さらに、バイアス母線と略平行な直線上に位置する単位セル間をコンデンサで接続したので、高周波に対しては、単位セルは、バイアス母線と略平行な方向に関しては導線で擬似配線されていることになって、バイアス供給線と同様に電界に感応する。したがって、垂直偏波と水平偏波に対する電波吸収等に関して略同じ諸特性を有することになる。しかも、直流に対しては、コンデンサが絶縁するから、全ての回路素子に等しいバイアス電圧を供給することができ、配線も極めて簡単である。

以下、図面に基づいて、本発明を実施例について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１実施例である2次元的構成の電磁界感応機能性材料を説明する図である。図１の（Ａ）は、この電磁界感応機能性材料５０にバイアス電圧を供給する配線を示す。この電磁界感応機能性材料５０は、基板１０上に正方形の導体回路１２をプリントし、導体回路１２の各辺中央に回路素子としてＰＩＮダイオード１４を挿入して、単位セル２０を構成している。さらに、この基板１０の背面に発砲スチロール等の厚さｄのスペーサ１６配置し、スペーサ１６の背面に導体板１８を配置している。導体回路１２の導体幅ａ、導体回路１２の１辺の長さｂ、導体回路１２どうしの間隔ｃ、基板１０の厚さｔは、図１の表５２に示したとおりである。

この電磁界感応機能性材料５０の一側には、バイアス電圧を供給するために＋電位の鉛直なバイアス母線２２ａが配置され、その他側には−電位の鉛直なバイアス母線２２ｂが配置される。各母線２２ａ、２２ｂと各母線に隣接する単位セル２０とは水平なバイアス供給線（導線）２４で接続される。さらに、同じ水平面上に位置する各単位セル２０は、互いに水平なバイアス供給線（導線）２４で接続される。ここで、各バイアス供給線２４は、各単位セル２０毎に２つのＰＩＮダイオード１４へバイアス電流が等しく分かれて流れるように配線する。このため、単位セル２０とバイアス供給線２４の接続位置が、交互にＰＩＮダイオード１４の上下に変化している。

本実施例によれば、鉛直な２本のバイアス母線２２ａ、２２ｂと水平なバイアス供給線２４からなるバイアス回路で、全てのＰＩＮダイオード１４に等しいバイアス電圧を供給することができ、配線が極めて簡単である。また、電界Ｅが垂直で磁界Ｈが水平な垂直偏波５４に関しては、単位セル２０の水平な辺上のＰＩＮダイオード１４のバイアス電圧を変えて導通状態を変化させても、水平なバイアス供給線２４が電界Ｅに感応しないので、整合中心周波数や電波吸収への影響がほとんど変わらない利点がある。さらに、単位セル２０を２次元的に構成したから、電磁界感応機能性材料５０を薄くでき、単位セル２０内の配線も簡単になって製造も容易である。

なお、本実施例では、バイアス母線２２ａ、２２ｂを鉛直にして、バイアス供給線２４を水平にしたが、逆に、バイアス母線２２ａ、２２ｂを水平にして、バイアス供給線２４を鉛直にしてもよい。要するに、バイアス母線２２ａ、２２ｂとバイアス供給線２４が略直交していて、バイアス供給線２４が電界に感応しないようにすればよい。また、ＰＩＮダイオード１４の代わりに、他の適当な２端子素子が使用できることも当然である。

ところで、前記第１実施例では、水平偏波の場合には水平なバイアス供給線２４が電界に感応するので、垂直偏波に対する場合と同じ特性を示さない。そこで、図２に、垂直偏波５４にも水平偏波５６にも同様な特性を有するようにした第２実施例を示す。本実施例では、バイアス母線２２ａ、２２ｂと平行な直線上、すなわち同一鉛直線上に位置する単位セル２０間どうしを１．０ｐＦ程度の小容量のコンデンサ２６で接続する。これ以外は、前記第１実施例と同じである。

コンデンサ２６の共振周波数は４．２ＧＨｚ程度であるから、この周波数の周辺ではコンデンサ２６のインピーダンスは略０となる。つまり、高周波に対しては、単位セル２０は、バイアス母線２２ａ、２２ｂと平行な方向すなわち鉛直方向に関しては導線で擬似配線２８されていることになるから、垂直偏波５４と水平偏波５６に対して電波吸収等に関して略同じ諸特性を有することになる。しかも、直流に対しては、コンデンサ２６が絶縁するから、前記第１実施例と同じく、全てのＰＩＮダイオード１４に等しいバイアス電圧を供給することができ、配線も極めて簡単になる。なお、擬似配線２８に誘起される電流は、各単位セル２０毎に２つのＰＩＮダイオード１４へ等しく分かれて流れるように配線する。このため、単位セル２０とコンデンサ２６の接続位置が、交互にＰＩＮダイオード１４の左右に変化している。

本実施例の効果の測定結果を図３に示す。図３の（Ａ）は、垂直偏波５４に対する反射率をバイアス電圧を変えながら測定した結果である。図３の（Ｂ）は、水平偏波５６に対する反射率をバイアス電圧を変えながら測定した結果である。これらから、良好な電波吸収性を有することが分かる。

次に、図４に、３次元的構成の電磁界感応機能性材料５０にバイアス電圧を供給する配線を示す。本実施例では、前後一対の導体回路１２の４頂点間を互いに導線３０で接続して、奥行きｂ_２の６面体の単位セル２０を構成する。これ以外は、導体回路１２の１辺の長さｂ₁が変わらないことと、上下に位置する単位セル２０間を１．０ｐＦ程度のコンデンサ２６で接続されることを含めて、前記第２実施例と同じである。

本実施例の効果を図５に示す。図５の（Ａ）は、垂直偏波５４に対する反射率をバイアス電圧を変えながら測定した結果である。図５の（Ｂ）は、水平偏波５６に対する反射率をバイアス電圧を変えながら測定した結果である。本実施例も第２実施例と同様に電波吸収性を有することが分かる。
なお、以上の実施例では、バイアス回路によりバイアス電圧を印加するものとしたが、バイアス電流を供給する回路方式とすることも可能である。

本発明の第１実施例の電磁界感応機能性材料を説明する図である。本発明の第２実施例の電磁界感応機能性材料を説明する図である。第２実施例の電磁界感応機能性材料の効果を示す図である。本発明の第３実施例の電磁界感応機能性材料を説明する図である。第３実施例の電磁界感応機能性材料の効果を説明する図である。従来の電磁界感応機能性材料を説明する図である。

符号の説明

１２導体回路
１４ＰＩＮダイオード（回路素子）
２０単位セル
２２ａ、２２ｂバイアス母線（バイアス回路）
２４バイアス供給線（バイアス回路）
２６コンデンサ

Claims

電磁界変化に感応する多数の単位セルと、該単位セルに組み込まれた回路素子と、該回路素子にバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス回路を有する電磁界感応機能性材料において、
前記バイアス回路は、前記電磁界感応機能性材料の両側に配置された一対のバイアス母線と、前記バイアス母線に略直交する直線上に位置する単位セルにバイアス電圧又はバイアス電流を供給するバイアス供給線とからなり、
前記バイアス供給線は、前記バイアス母線に略直交するものであって、各バイアス母線と該バイアス母線に隣接する単位セルとを接続する導線と、互いに隣接する単位セルどうしを接続する導線であることを特徴とする電磁界感応機能性材料。
前記バイアス母線と略平行な直線上に位置する単位セル間をコンデンサで接続したことを特徴とする請求項１に記載の電磁界感応機能性材料。