JP2015231070A

JP2015231070A - 電波吸収体

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Publication number: JP2015231070A
Application number: JP2014115102A
Authority: JP
Inventors: ファーハンマハムド; Farhan Mahmood; 陽平鳥海; Yohei Chokai; 雄一郎奥川; Yuichiro Okugawa; 高谷　和宏; Kazuhiro Takatani; 和宏高谷
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-03
Filing date: 2014-06-03
Publication date: 2015-12-21
Anticipated expiration: 2034-06-03
Also published as: JP6178756B2

Abstract

【課題】従来の電波吸収帯よりも薄い構造で、任意の周波数において電波を吸収する電波吸収体を提供すること。【解決手段】特定の周波数の電磁波を吸収する特殊構造をそれぞれ形成した複数のセルをアレイ状に配列した特殊構造ユニット１と、前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の周波数を感知する周波数感知ユニット３と、前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の入射角度を感知する角度感知ユニット２と、前記特殊構造の印加電圧に応じた電磁波吸収特性を記録した記録部を有する電圧制御部と、を備え、前記電圧制御部は、前記記録部に記録された電磁波吸収特性に基づいて、前記周波数感知ユニット３で感知した周波数と前記角度感知ユニット２で感知した入射角度とに応じた所定の電圧を前記特殊構造に印加するように設定することを特徴とする電波吸収体である。【選択図】図３

Description

本発明は電磁波を減衰させる電波吸収体に関する。

数多くの電磁波発生源が我々の周囲を取り巻き、通信デバイスの小型化、高速化、薄肉化と相まって、不要電磁波の放射とそれによる誤動作の危険性は格段に高まっている。不要な電磁波の放射（Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）を抑制したり、不要電磁波の放射を受けても誤動作し難くしたりする（Ｉｍｍｕｎｉｔｙ）手段として、電磁波シールド技術と、電波吸収体技術が知られている。

精密機器やノイズ源を含む通信機器は、機械室内に設置されているラックに複数搭載されている。ラック内の精密機器をノイズ源から放射される不要電磁波から守る場合は、不要電磁波源をシールド技術で囲むことで不要電磁波が守る対象とする精密機器へ到達することを抑止している。

特開2010-263592号公報

"ＥＭＣ（電磁シールド）"、［online］、東京計器アビエーション製品紹介、インターネット＜URL：（http://www.tokyo-keiki.co.jp/tka/j/products/emc/＞ "電波吸収体" 、［online］、ＴＤＫ製品カタログ、インターネット＜URL：http://www.tdk.co.jp/tjfx01/j9e_bdj_003.pdf＞ Y.Kotsuka, K.Murano, M.Amano, and S.Sugiyama, 「Novel Right-handed Metamaterial Based on the Concept of "Autonomous Control System of Living Cells" and Its Absorber Applications」

ところが導体板等の電磁波を反射させる原理のシールド技術では、不要電磁波の強度は減衰しないため、開口部から回り込み守る対象とする精密機器に到達してしまう可能性があった。開口部からの回り込み対策としては、電波吸収帯技術を用いることで、不要電磁波の強度を減衰させることができるので、開口部から漏れる不要電磁波の強度を減衰させることが可能である。

しかしながら、電波吸収帯技術により不要電磁波を強度減衰する手法は、以下の理由によりその適用範囲は制限されている。一般的な電波吸収体としてはフェライト電波吸収体とカーボン抵抗損失体の二つがある。フェライト電波吸収体は重量が重く、価格も高く、広帯域のものがない。一方でカーボン抵抗損失体は、電波を吸収する面の確保のために四角錐（ピラミッド）型の構造となっているために分厚く、狭い場所に使用しにくい。また、可燃性のものが多く、取付け工事に稼動時間を要することとなる。

本発明は上記従来の問題に鑑みてなされたものであり、本発明の課題は、従来の電波吸収帯よりも薄い構造で、任意の周波数において電波を吸収する電波吸収体を提供することである。

上記の課題を解決するために、実施形態に記載された発明は、特定の周波数の電磁波を吸収する特殊構造をそれぞれ形成した複数のセルをアレイ状に配列した特殊構造ユニットと、前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の周波数を感知する周波数感知ユニットと、前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の入射角度を感知する角度感知ユニットと、前記特殊構造の印加電圧に応じた電磁波吸収特性を記録した記録部を有する電圧制御部と、を備え、前記電圧制御部は、前記記録部に記録された電磁波吸収特性に基づいて、前記周波数感知ユニットで感知した周波数と前記角度感知ユニットで感知した入射角度とに応じた所定の電圧を前記特殊構造に印加するように設定することを特徴とする電波吸収体である。

特殊構造が電磁波を減衰する様子を示す図である。電波吸収体の適用例を示す図である。本実施形態の電波吸収体の構成例を示す図である。特殊構造ユニットの構成例を示す図である。角度感知ユニットの構成例を示す図である。周波数感知ユニットの構成例を示す図である。特殊構造における電磁波吸収の入射角度依存性を示す図である。特殊構造における電磁波吸収の電圧依存性を示す図である。各周波数における電磁波の入射角ごとの電圧特性を示す図である。電磁波の入射角度によらず電磁波の減衰量を一定に保てることを説明する図である。電波吸収体における処理フローを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

本実施形態の電波吸収体は、特定の周波数の電磁波を吸収する特殊構造を備えており、この特殊構造により、特定の周波数の電磁波だけを減衰させそれ以外の周波数の電磁波は透過する。特殊構造としては、例えばメタマテリアル（非特許文献３、特許文献１参照）を用いることができる。

さらに、電波吸収体は、減衰させる周波数成分を選択可能とする構成を備えている。特殊構造は、印加する電圧を変化させることや電磁波の入射角度が変化することによって、吸収する電磁波の周波数が変化する。すなわち、図１に示すように、特殊構造１１に入射する角度に応じて印加する電圧を変化させれば、特定の周波数の電磁波がどのような入射角度で入射しても一様に吸収することができる。本実施形態の電波吸収体では、吸収しようとする特定の周波数の特殊構造への入射角度を感知する手段と、感知した特定の周波数の電磁波の入射角度に応じて特殊構造に印加する電圧を変化させる手段と、特定の周波数の電磁波を吸収する特殊構造により、所望の周波数の電磁波を一様に吸収して選択した周波数成分を減衰させている。すなわち本実施形態の電波吸収体は、１）電磁波の周波数を感知する機能と、２）電磁波の入射角度を感知する機能と、３）複数の特殊構造に対し印加する電圧を別々に制御する機能とを実現する手段を備えている。この構成により、様々な角度から入射し様々な周波数成分をもつ不要電磁波を減衰させることを可能とさせる。

図２は、本実施形態の電波吸収体の適用例である。本実施形態の電波吸収体は、例えば図２に示すように、機械室内に設置されているラック１００内でノイズ源からの電磁波を吸収するために用いることができる。例えば図１に示すように、ラック１００に載置されている、ノイズ源１０４を有するマザーボード１０３を搭載したハードディスク１０２と、壊れやすい精密機器１０１との間に電波吸収体１０を設ける。電波吸収体１０により、ノイズ源からの電磁波を吸収して、ノイズ源からの電磁波が精密機器１０１に到達しないようにすることができる。かかる電波吸収体の構成について以下に説明する。

図３は、本実施形態の電波吸収体の構成例を示す図である。電波吸収体１０は、特殊構造ユニット１と、角度感知ユニット２と、周波数感知ユニット３とが積層され、さらにこれらの各ユニット１、２、３に接続された電圧制御部４とが設けられて構成されている。電源電圧５は電圧制御部４を介して特殊構造ユニット１に接続されている。これらの各ユニット１、２、３および電圧制御部４は、プリント回路基板にパターンとして作ることができるので、従来の電波吸収体よりも薄く作製することができる。

特殊構造ユニット１は、図４に示すように、特殊構造が形成されたアレイ状の単位セル１１と、これらの単位セル１１に電流を供給する給電線１２と、給電線１２を電圧制御部４および電源電圧５と接続するための接続電極１３とを有して構成されている。

角度感知ユニット２は、図５に示すように、アレイ状の単位セルに形成された電磁波を検知する電磁波検知部２１と、これらの電磁波検知部２１で検知された検知信号を取り出す信号線２２と、信号線２２からの検知信号に基づいて電波の入射角度を算出する入射角度算出部２３とを有して構成されている。

周波数感知ユニット３は、角度感知ユニット２とほぼ同様の構成であり、図６に示すように、電磁波検知部３１と、信号線３２と、信号線３２からの検知信号に基づいて電波の周波数を算出する周波数算出部３３とを有して構成されている。これら全ユニット１、２、３は特殊構造の各単位セル１１に対応するセル１１、２１、３１毎に制御される。

角度感知ユニット２では、複数の電磁波検知部２１において検知した検知信号に基づいて、入射角度算出部２３が電磁波の位相差を算出し電磁波の到来方向を特定して入射角度を算出することにより感知する。角度感知ユニット２は、感知した電磁波の入射角度を電圧制御部４に送る。入射角度算出部２３では、位相差を算出するために三か所の電磁波検知部２１において検知した検知信号を用いる。最低二か所での検知信号が得られれば位相差を算出することができるが、電磁波の入射角（θ、φ）が二か所を結ぶ直線と垂直に入射した場合は位相差を感知して角度を割り出すことができない。それゆえ、三か所の電磁波検知部２１において検知した検知信号に基づいて位相差を算出することとしている。

周波数感知ユニット３では、複数の電磁波検知部３１において検知した検知信号に基づいて、周波数算出部３３が、受信した電磁波の電圧値をフーリエ変換し、そのピークとなる周波数値を電磁波の周波数として特定することにより感知する。周波数感知ユニット３は、感知した電磁波の周波数を電圧制御部４に送る。

電圧制御部４は、電磁波の各入射角度における特殊構造の減衰量の電圧特性を周波数毎に覚えさせた記憶部を有し、角度感知ユニット２で感知した電磁波の入射角度と周波数感知ユニット３で感知した電磁波の周波数とに応じた印加電圧を設定する。特定の周波数の電磁波についてはどの入射角度からの電磁波も特殊構造ユニット１において吸収するように特殊構造が形成された複数の単位セル１１に印加する印加電圧を調整する。これらの構成により、各セル１１、２１、３１毎に角度と周波数とを自動的に感知し電圧を制御するといった、不要電磁波に自律的に対応する電波吸収体が構成できる。

ここで印加電圧を調整する手法に関連して、特殊構造が吸収する電磁波について入射角度と周波数と印加電圧との関係について説明する。図７は特殊構造における電磁波吸収の入射角度依存性を示す図であり、図８は特殊構造における電磁波吸収の電圧依存性を示す図である。図９は、各周波数における電磁波の入射角ごとの電圧特性を示す図である。

特殊構造は、印加される電圧が同じ場合、図７に示すように、入射角度が（θ０、π／２）のときは周波数Ｆ０の電磁波を吸収し、入射角度が（θ１、π／２）のときは周波数Ｆ１の電磁波を吸収し、入射角度が（θ２、π／２）のときは周波数Ｆ２の電磁波を吸収する。すなわち特殊構造が吸収する電磁波の周波数は入射角度に応じて変化する。

特殊構造は、入射する入射角度が同じ場合、図８に示すように、印加電圧がＶ０のときは周波数Ｆ−２の電磁波を吸収し、印加電圧がＶ１のときは周波数Ｆ−１の電磁波を吸収し、印加電圧がＶ２のときは周波数Ｆ０の電磁波を吸収する。すなわち特殊構造が吸収する電磁波の周波数は、特殊構造に印加する電圧によっても変化する。

所定の周波数の電磁波が所定の入射角度で特殊構造に入射した場合には、印加する電圧を変化させると図９に示すように印加電圧に応じた量の電磁波を吸収して電磁波を減衰するので、印加電圧を特定の範囲の値に設定すれば所定の減衰値（例えば−２０ｄｂ）以下に電磁波を減衰させることができる。

したがって、図９に示すような周波数ｆｉ＝ｆ０，ｆ１，ｆ２，．．．，ｆｎ［Ｈｚ］成分における入射角（θ、φ）を変化させた場合の電圧特性を電圧制御部４内の記憶部に記録させておけば、セルごとの電磁波の入射角度と対象周波数とを取得してこの電圧特性に従って対象周波数において設計した減衰値（例えば、−２０ｄＢ）となるような電圧を全ての特殊構造セルに印加することができる。すなわち、電波吸収体は、図１０（ａ）、（ｂ）に示すように電磁波の入射角度が変化しても各セルに印加する電圧を調整することで電磁波の減衰量を一定に保つことができる。この構成により、対象周波数においてはどの角度からの電波も遮断することができる。また不要電磁波源の位置が変更されても即座に設定電圧を変更し対応することが可能となる。

次に、電波吸収体の動作について説明する。図１１は電波吸収体における処理フローを示す図である。図１１に示すように、電波吸収体は、まず周波数感知ユニット３において周波数カウンタにより最もレベルの高い周波数成分を検出し（Ｓ１）、角度感知ユニット２において電磁波を３箇所の電磁波検知部２１で検出し（Ｓ２）、位相差を算出して電波到来方向を検知する（Ｓ３）。電圧制御部４は、受信角度ピーク周波数における最適な印加電圧値をメモリより検出し（Ｓ４）、検出した電圧値を電源ユニットに送ると入射する電磁波を吸収するよう調整された電圧が印加される（Ｓ５）。この処理により、不要電磁波に自律的に対応する電波吸収体が構成できる。さらに電波吸収体は、Ｓ１からＳ５の処理を逐次繰り返すことにより、不要電磁波源の位置が変更されても即座に設定電圧を変更し対応することが可能となる。

本実施形態の電波吸収体によれば、任意の周波数において電波を吸収し精密機器の誤動作を防止することができる。本実施形態の電波吸収体はプリント回路基板にパターンとして作ることができるため、従来のフェライト電波吸収体やカーボン抵抗損失体と比べて非常に薄く作製することができる。

１特殊構造ユニット
１１単位セル
１２給電線
１３接続電極
２角度感知ユニット
２１電磁波検知部
２２信号線
２３入射角度算出部
３周波数感知ユニット
３１電磁波検知部
３２信号線
３３周波数算出部
４電圧制御部
５電源電圧
１０電波吸収体
１００ラック
１０１精密機器
１０２ハードディスク
１０３マザーボード
１０４ノイズ源

Claims

特定の周波数の電磁波を吸収する特殊構造をそれぞれ形成した複数のセルをアレイ状に配列した特殊構造ユニットと、
前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の周波数を感知する周波数感知ユニットと、
前記特殊構造を形成した各セルに入射する電磁波の入射角度を感知する角度感知ユニットと、
前記特殊構造の印加電圧に応じた電磁波吸収特性を記録した記録部を有する電圧制御部と、を備え、
前記電圧制御部は、前記記録部に記録された電磁波吸収特性に基づいて、前記周波数感知ユニットで感知した周波数と前記角度感知ユニットで感知した入射角度とに応じた所定の電圧を前記特殊構造に印加するように設定することを特徴とする電波吸収体。
前記特殊構造はメタマテリアルであることを特徴とする請求項１に記載の電波吸収体。