JP2010233025A

JP2010233025A - 電磁波反射面

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Publication number: JP2010233025A
Application number: JP2009079331A
Authority: JP
Inventors: Kouji Ihata; 光詞井幡; 崇 ▲柳▼; Takashi Yanagi; Hidetoshi Chiba; 英利千葉
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2009-03-27
Filing date: 2009-03-27
Publication date: 2010-10-14
Anticipated expiration: 2029-03-27
Also published as: JP5178601B2

Abstract

【課題】反射位相が０°となる磁気壁動作周波数帯が変化する電磁波反射面を得る。
【解決手段】基板１と、基板の第一の面上に形成された地板２と、基板の第一の面に対向する第二の面上に形成された複数の導体パッチ３とを備え、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有するように複数の導体パッチを所定の間隔で配列した構造を備えた電磁波反射面であって、複数の導体パッチと地板との間を電気的に短絡状態または開放状態に切り換え可能な複数の短絡開放手段４と、複数の短絡開放手段を短絡状態または開放状態に切り換え制御する制御部５とをさらに備える
【選択図】図１

Description

本発明は、反射位相が０°となる磁気壁を形成する周波数帯が変化する電磁波反射面に関する。

特定の周波数において、反射位相が０°となる磁気壁を形成する電磁波反射面として、高インピーダンス面がある（例えば、非特許文献１参照）。この高インピーダンス面は、誘電体の表面に多角形（例えば、六角形）の金属小板を周期的に配置し、誘電体の裏面に形成された金属板との間を、誘電体を貫通する導電材で形成されたスルーホールにより電気的に接続した構造となっている。

この構造においては、インダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃが連続的に接続された回路の特性を示す。このため、特定周波数においてインダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃの共振が発生し、特定の周波数において表面のインピーダンスが高くなる現象が発生する。この結果、特定の周波数近傍において、反射位相が０°となる磁気壁が形成される。

"High-Impedance Electromagnetic Surfaces with a Forbidden Frequency Band," Dan Sievenpiper, Lijun Zhang, Romulo F。 Jimenez Broas, Nicholas G。 Alexopolous, and Eli Yablonovitch, IEEE Transactions on Microwave Theory and Techniques, Vol。 47, No。11, November 1999

しかしながら、従来技術には、以下のような課題がある。
従来の電磁波反射面は、反射位相が０°となる磁気壁が生じる周波数は、一点であるため、複数の周波数帯で動作する通信機器等に対応することができない。このような通信機器に対応できる複数の周波数帯で磁気壁動作する電磁反射面が求められている。

本発明は、前記のような課題を解決するためになされたものであり、反射位相が０°となる磁気壁動作周波数帯が変化する電磁波反射面を得ることを目的とする。

本発明に係る電磁波反射面は、基板と、基板の第一の面上に形成された地板と、基板の第一の面に対向する第二の面上に形成された複数の導体パッチとを備え、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有するように複数の導体パッチを所定の間隔で配列した構造を備えた電磁波反射面であって、複数の導体パッチと地板との間を電気的に短絡状態または開放状態に切り換え可能な複数の短絡開放手段と、複数の短絡開放手段を短絡状態または開放状態に切り換え制御する制御部とをさらに備えるものである。

本発明に係る電磁波反射面によれば、複数の導体パッチと地板との間を電気的に短絡状態または開放状態に切り換え可能な複数の短絡開放手段を設け、短絡／開放状態を切り換え制御することにより、反射位相が０°となる磁気壁動作周波数帯が変化する電磁波反射面を得ることができる。

本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面で、電流の経路が変化する例を示す説明図である。本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面で、電流の経路が変化する例を示す説明図である。本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す図である。本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。

以下、本発明の電磁波反射面の好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図であり、図１（ａ）は、上面図であり、図１（ｂ）は、図１（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。同様に、図２は、本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面を示す図であり、図２（ａ）は、上面図であり、図２（ｂ）は、図２（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示す。

本実施の形態１に係る電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、スロット４、およびスロット状態制御部５とを備えて構成されている。基板１は、誘電体等であり、基板１の第一の面上には、地板２が形成されている。また、基板１をはさんで地板２と対向する基板１の第二の面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が、所定の間隔を有して、一次元的、または二次元的に配列されている。

さらに、複数の導体パッチ３には、少なくとも１つ以上のスロット４が設けてある。そして、スロット４は、スイッチやバラクタダイオード等（図示せず）を介してスロット状態制御部５に接続されており、スロット状態制御部５により、電気的に開放または短絡される。なお、図１は、スロット４が電気的に開放された場合を示しており、図２は、スロット４が電気的に短絡された場合を示している。

次に、本実施の形態１に係る電磁波反射面の動作について説明する。本実施の形態１に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分Ｃが生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分Ｌが生じる。

これらキャパシタンス成分Ｃおよびインダクタンス成分Ｌからなるユニットにより、ＬＣ共振回路が形成される。金属板上に多数形成されたＬＣ共振回路が、共振周波数において高いインピーダンス特性を有すことにより、共振周波数近傍において反射位相が０°となる磁気壁が形成される。ここで、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ_０は、次式（１）で決定することができる。

本実施の形態１に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３に少なくとも１つ以上のスロット４が設けられている。さらに、スロット４は、スイッチやバラクタダイオード等が設けており、スロット状態制御部５により電気的に開放または短絡される。なお、スロット４が電気的に開放された場合には、スロット４が存在しているため、電流は、スロット４を迂回するように流れる。

一方、スロット４が電気的に短絡された場合には、スロット４が存在しない場合と等価であるため、電流は、スロット４を流れる。従って、スロット４の電気的状態により、導体パッチ３上に流れる電流の経路が変化することとなる。

図３、図４は、本発明の実施の形態１に係る電磁波反射面で、電流の経路が変化する例を示す説明図であり、導体パッチ３上の電流の様子を、計算結果として示している。より具体的には、図３は、導体パッチ３上にスロット４を設けない場合の電流の様子を示しており、図４は、導体パッチ３にスロット４を設けた場合の電流の様子を示している。図３および図４に示すように、導体パッチ３上にスロット４を設けることにより、導体パッチ３上を流れる電流の経路長が変化する。

導体パッチ３上を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌは、その経路長により変化する。すなわち、図３と図４とでは、導体パッチ３上を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌが異なる。従って、隣接する導体パッチ３間で生じるキャパシタンス成分Ｃと、導体パッチ３上を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌとで形成されるＬＣ共振回路の共振周波数が異なる。この結果、反射位相が０°となる磁気壁動作が生じる周波数が変化することとなる。

以上のように、実施の形態１によれば、導体パッチ上に設けたスロットの電気的状態を変化させることにより、磁気壁動作周波数を変化させることができる電磁波反射面を得ることができる。

なお、上述した実施の形態１では、導体パッチ３上に設けた複数のスロット４の状態を、全て同じとなるように変更したが、本発明はこれに限定されるものではない。複数のスロット４の状態を個別に変更することにより、磁気壁を形成する周波数帯を２周波数帯以上にすることも可能である。

実施の形態２．
先の実施の形態１では、導体パッチ３上に複数のスロット４を設けた電磁波反射面について説明した。これに対して、本実施の形態２では、スロット４の代わりにショートピン６を備えた構成の電磁波反射面について説明する。

図５は、本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図であり、図５（ａ）は、上面図であり、図５（ｂ）は、図５（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。同様に、図６は、本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面を示す図であり、図６（ａ）は、上面図であり、図６（ｂ）は、図６（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示す。

本実施の形態２に係る電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、ショートピン６、およびショートピン状態制御部７とを備えて構成されている。基板１は、誘電体等であり、基板１の第一の面上には、地板２が形成されている。また、基板１をはさんで地板２と対向する基板１の第二の面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が、所定の間隔を有して、一次元的、または二次元的に配列されている。

さらに、基板１中には、少なくとも１つ以上のショートピン６が設けられており、地板２および複数の導体パッチ３に接続されている。ショートピン６は、ショートピン状態制御部７により、複数の導体パッチ３と電気的に開放または短絡される。なお、図５は、ショートピン６が複数の導体パッチ３と電気的に開放された場合を示しており、図６は、ショートピン６が複数の導体パッチ３と電気的に短絡された場合を示している。ショートピン６の電気的な状態は、ショートピン状態制御部７により制御される。

次に、本実施の形態２に係る電磁波反射面の動作について説明する。本実施の形態２に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分Ｃが生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分Ｌが生じる。

これらキャパシタンス成分Ｃおよびインダクタンス成分Ｌからなるユニットにより、ＬＣ共振回路が形成される。金属板上に多数形成されたＬＣ共振回路が、共振周波数において高いインピーダンス特性を有すことにより、共振周波数近傍において反射位相が０°となる磁気壁が形成される。ここで、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ_０は、先の実施の形態１と同様に、上式（１）で決定することができる。

本実施の形態２に係る電磁波反射面では、基板１中に少なくとも１つ以上のショートピン６が設けられており、地板２および複数の導体パッチ３に接続されている。ショートピン６は、ショートピン状態制御部７により、導体パッチ３と電気的に開放または短絡された状態となる。

なお、ショートピン６と導体パッチ３が電気的に短絡された場合には、地板２と導体パッチ３が電気的に接続された状態となり、ショートピン６が開放された場合には、導体パッチ３のみが存在する状態となる。従って、ショートピン６の電気的状態により、導体パッチ３に流れる電流の経路が変化することとなる。

図７、図８は、本発明の実施の形態２に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。より具体的には、図７は、ショートピン６が導体パッチ３と電気的に短絡された場合の電流経路８ａを示しており、図８は、ショートピン６が導体パッチ３と電気的に開放された場合の電流経路８ｂを示している。

図７に示すように、ショートピン６が導体パッチ３と電気的に短絡された場合には、電磁波反射面を流れる電流経路８ａは、導体パッチ３→ショートピン６→地板２→ショートピン６→導体パッチ３となる。一方、図８に示すように、ショートピン６が導体パッチ３と電気的に開放された場合には、電磁波反射面を流れる電流経路８ｂは、導体パッチ３上のみとなる。従って、ショートピン６の状態により、電流の経路が変化することとなる。

電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌは、その経路長により変化する。すなわち、図７と図８とでは、電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌが異なる。従って、隣接する導体パッチ３間で生じるキャパシタンス成分Ｃと、電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌとで形成されるＬＣ共振回路の共振周波数が異なる。この結果、反射位相が０°となる磁気壁動作が生じる周波数が変化することとなる。

以上のように、実施の形態２によれば、基板中に設けたショートピンの電気的状態を変化させることにより、磁気壁動作周波数を変化させることができる電磁波反射面を得ることができる。

なお、上述した実施の形態２では、基板１中に設けた複数のショートピン６の状態を、全て同じとなるように変更したが、本発明はこれに限定されるものではない。複数のショートピン６の状態を個別に変更することにより、磁気壁を形成する周波数帯を２周波数帯以上とすることも可能である。

実施の形態３．
先の実施の形態１では、導体パッチ３上に複数のスロット４を設けた電磁波反射面について説明し、先の実施の形態２では、ショートピン６を備えた構成の電磁波反射面について説明した。これに対して、本実施の形態３では、先の実施の形態２の構成に加えて、導体パッチ３間にさらに小導体９を備えた構成の電磁波反射面について説明する。

図９は、本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す図であり、図９（ａ）は、上面図であり、図９（ｂ）は、図９（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。同様に、図１０は、本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面を示す図であり、図１０（ａ）は、上面図であり、図１０（ｂ）は、図１０（ａ）中のＡ−Ａ'での断面図である。なお、各図中、同一符号は、同一又は相当部分を示す。

本実施の形態３に係る電磁波反射面は、基板１、地板２、導体パッチ３、ショートピン６、ショートピン状態制御部７、および小導体９とから構成されている。基板１は、誘電体等であり、基板１の第一の面上には、地板２が形成されている。また、基板１をはさんで地板２と対向する基板１の第二の面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が、所定の間隔を有して、一次元的、または二次元的に配列されている。

また、複数の導体パッチ３間には、複数の小導体９が配置されており、さらに、基板１中には、少なくとも１つ以上のショートピン６が設けられており、地板２および複数の小導体９に接続されている。ショートピン６は、ショートピン状態制御部７により、複数の小導体９と電気的に開放または短絡される。なお、図９は、ショートピン６が複数の小導体９と電気的に開放された場合を示しており、図１０は、ショートピン６が複数の小導体９と電気的に短絡された場合を示している。ショートピン６の電気的な状態は、先の実施の形態２と同様に、ショートピン状態制御部７により制御される。

次に、本実施の形態３に係る電磁波反射面の動作について説明する。本実施の形態３に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３と小導体９との間でキャパシタンス成分Ｃが生じる。また、導体パッチ３上および小導体９上に流れる電流により、インダクタンス成分Ｌが生じる。

これらキャパシタンス成分Ｃおよびインダクタンス成分Ｌからなるユニットにより、ＬＣ共振回路が形成される。金属板上に多数形成されたＬＣ共振回路が、共振周波数において高いインピーダンス特性を有すことにより、共振周波数近傍において反射位相が０°となる磁気壁が形成される。ここで、ＬＣ共振回路の共振周波数ｆ_０は、先の実施の形態１、２と同様に、上式（１）で決定することができる。

本実施の形態３に係る電磁波反射面では、基板１中に少なくとも１つ以上のショートピン６が設けられており、地板２および複数の小導体９に接続されている。ショートピン６は、ショートピン状態制御部７により、小導体９と電気的に開放または短絡された状態となる。

なお、ショートピン６と小導体９が電気的に短絡された場合には、地板２と小導体９が電気的に接続された状態となり、ショートピン６が小導体９と開放された場合には、小導体９のみが存在する状態となる。従って、ショートピン６の電気的状態により、導体パッチ３および小導体９に流れる電流の経路が変化することとなる。

図１１、図１２は、本発明の実施の形態３に係る電磁波反射面に流れる電流の電流経路を模式的に示した図である。より具体的には、図１１は、ショートピン６が小導体９と電気的に短絡された場合の電流経路８ａを示しており、図１２は、ショートピン６が小導体９と電気的に開放された場合の電流経路８ｂを示している。

図１１に示すように、ショートピン６が小導体９と電気的に短絡された場合には、電磁波反射面を流れる電流経路８ａは、小導体９→ショートピン６→地板２→ショートピン６→小導体９→導体パッチ３となる。一方、図１２に示すように、ショートピン６が小導体９と電気的に開放された場合には、電磁波反射面を流れる電流経路８ｂは、導体パッチ３上および小導体９上のみとなる。従って、ショートピン６の状態により、電流の経路が変化することとなる。

電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌは、その経路長により変化する。すなわち、図１１と図１２とでは、電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌが異なる。従って、隣接する導体パッチ３間で生じるキャパシタンス成分Ｃと、電磁波反射面を流れる電流により生じるインダクタンス成分Ｌとで形成されるＬＣ共振回路の共振周波数が異なる。この結果、反射位相が０°となる磁気壁動作が生じる周波数が変化することとなる。

以上のように、実施の形態３によれば、基板中に設けたショートピンと小導体の電気的状態を変化させることにより、磁気壁動作周波数を変化させることができる電磁波反射面を得ることができる。

なお、上述した実施の形態３では、基板１中に設けた複数のショートピン６の状態を全て同じとなるように変更したが、本発明はこれに限定されるものではない。複数のショートピン６の状態を個別に変更することにより、磁気壁を形成する周波数帯を２周波数帯以上とすることも可能である。

１基板、２地板、３導体パッチ、４スロット（短絡開放手段）、５スロット状態制御部（制御部）、６ショートピン（短絡開放手段）、７ショートピン状態制御部（制御部）、８電流経路、９小導体。

Claims

基板と、前記基板の第一の面上に形成された地板と、前記基板の前記第一の面に対向する第二の面上に形成された複数の導体パッチとを備え、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有するように前記複数の導体パッチを所定の間隔で配列した構造を備えた電磁波反射面であって、
前記複数の導体パッチと前記地板との間を電気的に短絡状態または開放状態に切り換え可能な複数の短絡開放手段と、
前記複数の短絡開放手段を前記短絡状態または前記開放状態に切り換え制御する制御部と
をさらに備えたことを特徴とする電磁波反射面。
請求項１に記載の電磁波反射面において、
前記制御部は、前記複数の短絡開放手段のそれぞれの短絡状態または開放状態を個別に制御する
ことを特徴とする電磁波反射面。
請求項１または２に記載の電磁波反射面において、
前記複数の短絡開放手段は、前記複数の導体パッチ上に少なくとも１つ以上設けられたスロットで構成され、
前記制御部は、前記スロットを電気的に短絡状態または開放状態とするように制御する
ことを特徴とする電磁波反射面。
請求項１または２に記載の電磁波反射面において、
前記複数の短絡開放手段は、前記複数の導体パッチと前記地板との間に少なくとも１つ以上設けられたショートピンで構成され、
前記制御部は、前記ショートピンを電気的に短絡状態または開放状態とするように制御する
ことを特徴とする電磁波反射面。
請求項１または２に記載の電磁波反射面において、
前記複数の導体パッチは、導体パッチ間に配置された複数の小導体をさらに備え、
前記複数の短絡開放手段は、前記複数の小導体と前記地板との間に少なくとも１つ以上設けられたショートピンで構成され、
前記制御部は、前記ショートピンを電気的に短絡状態または開放状態とするように制御する
ことを特徴とする電磁波反射面。