JP2015534760A

JP2015534760A - 電磁吸収体

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Publication number: JP2015534760A
Application number: JP2015532419A
Authority: JP
Inventors: ドルストラックアンドレ; セリエールアレクサンドル
Original assignee: ウニヴェルシテ・パリ−シュド; センターナショナルデラルシェルシュサイエンティフィック; ウニヴェルシテパリウェストナンテールラデファンス
Priority date: 2012-09-20
Filing date: 2013-09-20
Publication date: 2015-12-03
Also published as: FR2995734B1; EP2898568A1; WO2014044786A1; FR2995734A1; US9761953B2; EP2898568B1; US20150229031A1

Abstract

【課題】製造および使用がより簡単であり、かつ、特性を損なうことなく、適合した面上で使用可能な電磁吸収体を提供する。【解決手段】本発明は、電磁吸収体（１）に関する。電磁吸収体（１）は、金属接地板（２）と、前記金属接地板上に配置されている絶縁誘電基板（３）と、前記絶縁誘電基板上に配置されている１組の金属共振要素（４）であって、共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の寸法を適合させることによって調整され、前記１組の共振要素は、寸法が異なる共振要素を含み、異なる電磁共振周波数を近接させることによって、所定の電磁吸収バンドを生成することができるようになっている１組の金属共振要素とを備えている。複数の金属共振要素によって形成される基本パターンは、周期的に置き換えることができる。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁吸収体に関する。

特許文献１には、半導体基板上に配置されている１組の金属要素を備えている電磁吸収体が記載されている。電気指令を用いて、半導体基板の導電率を調節することによって、吸収体の電磁吸収バンドを調整することができる。

特許文献１に記載の電磁吸収体の１つの欠点は、電気指令を用いる必要があるため、その製造および使用が複雑であることである。

米国特許出願公開第２０１１／０１７５６７２号

従って、製造および使用がより簡単で、かつ、特性を損なうことなく、適合した面上で使用可能な電磁吸収体が必要とされている。本発明は、このような状況に対処することを目的としている。

これを目的として、本発明は、
−金属接地板と、
−前記金属接地板上に配置されている絶縁誘電基板と、
−前記絶縁誘電基板上に配置されている１組の金属共振要素であって、共振要素の電磁共振周波数は、この共振要素の寸法を適合させることによって調整され、前記１組の共振要素は、寸法が異なる共振要素を含み、異なる電磁共振周波数を近接させることによって、所定の電磁吸収バンドを生成することができるようになっている１組の金属共振要素とを備えていることを特徴とする電磁吸収体を提供するものである。

このように、本発明による電磁吸収体によれば、必要な電磁吸収バンドを受動的に得ることができる。従って、この電磁吸収体は、実現が簡単である。

本発明の実施形態においては、寸法が異なるいくつかの共振要素を含んでいる基本パターンは、前記絶縁誘電基板上において、周期的に繰り返されている。

共振要素は、例えば、正方形、長方形、多角形または円形でもよい。

前記絶縁誘電基板の厚さは、前記与えられた電磁吸収バンドの電磁共振周波数および／または所望の吸収レベルによって決めることができる。

正方形の共振要素の電磁共振周波数は、この共振要素の１辺の長さを、下式のように、定めることによって、調整することができる：

ここで、
ｆ_ｒは、前記共振要素の０次電磁共振周波数、
ｃ_０は、真空中の光の速度、
μ_ｒは、前記誘電基板の比透磁率、
ε_ｒは、前記誘電基板の比誘電率、
Ｌ’は、前記共振要素の１辺の長さを示す。

円形の共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の半径を、下式のように、適合させることによって、調整することができる：

ここで、
ｆ^（０）は、前記共振要素の０次電磁共振周波数、
ａは、前記共振要素の半径、
ｃ_０は、真空中の光の速度、
ｚ_０＝１．８４１は、第１種ベッセル関数Ｊ_１（ｚ）の第１の最大値、
μ_ｒは、前記誘電基板の比透磁率、
ε_ｒは、前記誘電基板の比誘電率、
μ＝μ_ｒμ_０
ε＝ε_ｒε_０
μ_０＝４π．１０^−７Ｈ／ｍ
ε_０＝８．８５４１８７×１０^−１２Ｆ／ｍである。

前記電磁吸収体は、さらに、積層した数層の吸収層を備え、各吸収層は、１組の金属共振要素を含んでいてもよい。

本発明は、また、電磁吸収体を製造する方法であって、
−金属接地板上に、絶縁誘電基板を配置する工程と、
−前記絶縁誘電基板上に、１組の金属共振要素を配置する工程であって、共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の寸法を適合させることによって調整され、前記１組の共振要素は、寸法が異なる共振要素を含み、異なる電磁共振周波数を近接させることによって、所定の電磁吸収バンドを生成することができるようになっている工程とを含むことを特徴とする方法を提供するものである。

また、本発明の上記以外の特徴と利点は、以下の説明を読むことにより、明瞭になると思う。なお以下の説明は、単なる例示であって、添付図面を参照して行うものである。

本発明の一実施形態による電磁吸収体の斜視図である。図１の電磁吸収体の一部の斜視図である。図２の電磁吸収体の一部の断面図である。入射電磁波の周波数に応じて、図２および図３の電磁吸収体の一部に入射する電磁波の反射係数を示すグラフである。図１の電磁吸収体の基本パターンの拡大図である。入射電磁波の周波数の関数として、図１の電磁吸収体に入射する電磁波の反射係数を示すグラフである。電磁吸収体が、積層した数層の吸収層を備える、他の実施形態による電磁吸収体の断面図である。本発明の一実施形態による電磁吸収体の製造方法における工程を示すフロー図である。

図１は、本発明の一実施形態による電磁吸収体１を示す。ここで、電磁吸収体１は、平坦な形状を有する。変形例として、電磁吸収体１は、湾曲形を有し、任意の曲率のシステムに組み込めるようになっていてもよい。

直交基準フレーム（０，Ｘ，Ｙ，Ｚ）を定めるが、そのＸ軸およびＹ軸は、電磁吸収体１の平面内にあり、Ｚ軸は、吸収体１の平面に対して垂直である。

図２および図３は、それぞれ、電磁吸収体１の一部を示す斜視図および断面図である。

電磁吸収体１は、金属接地板２を備えている。

また電磁吸収体１は、接地板２上に配置されている絶縁誘電基板３を備えている。基板３は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材（ＦＲ４エポキシ）からなっている。

電磁吸収体１は、また、誘電基板３上に配置されている１組の金属共振要素４を備えている。共振要素４は、例えば、銅からなっている。各共振要素４は、任意の形状、例えば、多角形または円形でもよい。

図１に示す電磁吸収体１は、正方形の共振要素４と、長方形の共振要素４とを備えている。図２および図３に示す電磁吸収体１の一部は、１つの正方形の共振要素４を含んでいる。

共振要素４の共振周波数は、特に、共振要素４の寸法および誘電基板３の厚さに依存している。吸収レベルは、特に、誘電基板３の厚さおよび１組の共振要素４の周期性に依存している。

例えば、正方形の共振要素４の場合、共振要素４の電磁共振周波数は、共振要素４の１辺の長さＬ’を、下式のように、定めることによって、調整することができる：

ここで、
ｆ_ｒは、共振要素４の０次電磁共振周波数、
ｃ_０は、真空中の光の速度、
μ_ｒは、誘電基板の比透磁率、
ε_ｒは、誘電基板３の比誘電率、
Ｌ’は、共振要素４の１辺の長さを示す。

上式によって、電磁共振周波数を数％以内に調整することができる。

共振要素４の電磁共振周波数は、長さＬ’が共振要素４の１辺の長さの近似であることを考慮し、かつ、共振要素４の１辺の長さＬを、下式のように、適合させることによって、より精密に調整することができる：

上式により、下式が得られる。：

ここで、
Ｗは、共振要素４の幅を示し（すなわち、正方形の共振要素の場合、Ｗ＝Ｌ’）、
ｈは、誘電基板３の厚さを示し、
ε_ｒｅｆｆは、下式の通りである。

図４は、入射電磁波の周波数の関数として、正方形の共振要素４の無限アレイに入射する電磁波の反射係数の計算結果を表す曲線を示す。

ここで、各共振要素４は、１辺が７ｍｍの正方形である。従って、アレイは、周期的であり、Ｘ−Ｙ平面方向の周期が８ｍｍの１組の同じ共振要素４によって形成されている。基板３は、厚さ０．３ｍｍのＦＲ４エポキシ基板である。Ｚ方向に伝播する入射電磁波は、考慮されている。

図４において、電磁吸収体１の一部は、１００％未満の反射であるので、およそ９．４５ＧＨｚの周波数の吸収であり、これは、共振要素４の共振周波数に相当することが認められる。吸収は、共振要素４の共振周波数で、共振要素４のプラズモン共鳴効果によって行われる。

円形の共振要素４の場合、電磁共振周波数は、該共振要素４の半径を、下式のように適合させることによって、調整することができる：

ここで、
ｆ^（０）は、共振要素の０次電磁共振周波数を示し、
ａは、共振要素４の半径、
ｃ_０は、真空中の光の速度、
ｚ_０＝１．８４１であって、第１種ベッセル関数Ｊ_１（ｚ）の第１の最大値を示し、
μ_ｒは、誘電基板の比透磁率を示し、
ε_ｒは、誘電基板の比誘電率を示し、
μ＝μ_ｒμ_０
ε＝ε_ｒε_０
μ_０＝４π．１０^−７Ｈ／ｍ
ε_０＝８．８５４１８７×１０^−１２Ｆ／ｍである。

図１に示すように、吸収体１の１組の共振要素４は、寸法および／または形状が異なる共振要素４を含んでいる。このように、種々の共振要素４の電磁共振周波数を近接させることによって、１つ以上の電磁吸収バンドを得ることができる。

寸法および／または形状が異なるいくつかの共振要素４を、基板３上に配置することによって、１つ以上の所定の電磁吸収バンドを含んでいる基本パターンＭＥを形成することができる。

図５は、図１の基本パターンＭＥを拡大して示す。この基本パターンＭＥは、１辺の長さがＬ_ａの正方形の共振要素４ａを４つ、縦Ｌ_ｂ×横Ｉ_ｂの長方形の共振要素４ｂを４つ、１辺の長さがＬ_ｃの正方形の共振要素４ｃを４つ、縦Ｌ_ｄ×横Ｉ_ｄの長方形の共振要素４ｄを４つ、１辺の長さがＬ_ｅの正方形の共振要素４ｅを４つ、縦Ｌ_ｆ×横Ｉ_ｆの長方形の共振要素４ｆを４つ、１辺の長さがＬ_ｇの正方形の中心共振要素４ｇを１つ含んでいる。

基本パターンＭＥは、絶縁誘電基板３の全面にわたって、または、絶縁誘電基板３の表面の一部において、周期的に繰り返すことができる。周期的な繰り返し回数は、吸収を行いたい面によって決まる。

図６は、入射電磁波の周波数の関数として、図１の電磁吸収体１に入射する電磁波の反射係数を示すグラフである。

曲線Ｃｓは、シミュレーションによって得られ、曲線Ｃｍは、測定によって得られたものである。−１０ｄＢに固定されている最小吸収閾値は、考慮されている。従って、図６において、第１の吸収バンドは、およそ７ＧＨｚの周波数であり、第２の吸収バンドは、１２．５〜１４．３ＧＨｚの周波数範囲であることが認められる。

上記の受動メタマテリアルを有する電磁吸収体１は、軽量、薄型で、適合性があるという利点がある。そのため、大きな周波数帯域、および広範囲な入射角にわたって、偏光に依存しない同じ作用が得られる。

電磁吸収体１は、また、それを較正する波長λと比較して、厚さが非常に薄い。従って、およその厚さがλ／４５の簡単な構造の吸収バンドを実現することができる。例えば、２．２４ｃｍの波長の場合、吸収体１の厚さは、約０．５ｍｍである。

厚さが非常に小さいので、波長よりも小さい厚さの同じ層の積層体を用いて、吸収を大きくすることができる。すなわち、吸収体１は、さらに、積層した数層の吸収層を備え、各吸収層は、１組の金属共振要素４を含んでいる。

図７は、積層した４層の吸収層を備えている吸収体１の実施形態の一例を示す。ここで、電磁吸収体１は、第１の絶縁誘電基板３_１が配置されている接地板２を備えている。第１の組の金属共振要素４_１は、第１の誘電基板３_１上に配置されている。第２の誘電基板３_２は、第１の組の共振要素４_１上に配置されている。第２の組の金属共振要素４_２は、第２の誘電基板３_２上に配置されている。第３の誘電基板３_３は、第２の組の共振要素４_２上に配置されている。第３の組の金属共振要素４_３は、第３の誘電基板３_３上に配置されている。第４の誘電基板３_４は、第３の組の共振要素４_３上に配置されている。第４の組の金属共振要素４_４は、第４の誘電基板３_４上に配置されている。

吸収層の積層数は、必要な吸収によって決まるが、これに限定されない。

さらに、吸収体１の厚さが小さいので、曲率半径が小さい回転面上に、適合する吸収体１を形成することができる。

電磁吸収体１は、主に、電磁適合性の分野で利用することができる。

図８は、本発明の一実施形態による電磁吸収体１の製造方法の工程を説明している。

ステップＳ１で、金属接地板２上に、絶縁誘電基板３を配置する。基板３は、例えば、ガラス繊維強化エポキシ樹脂複合材（ＦＲ４エポキシ）である。

ステップＳ２で、絶縁誘電基板３上に、１組の金属共振要素４を配置する。上記のように、１つ以上の必要な電磁吸収バンドに応じて、共振要素４の寸法を適合させる。

本発明の方法によると、特に、吸収体の製造が簡単となるので、製造コストが低減される。

本発明は、当然、上記例示の実施形態に限定されるものではなく、他の変形例にも及ぶものである。

１電磁吸収体
２金属接地板
３絶縁誘電基板３
３_１第１の誘電基板
３_２第２の誘電基板
３_３第３の誘電基板
３_４第４の誘電基板
４金属共振要素
４_１第１の組の金属共振要素
４_２第２の組の金属共振要素
４_３第３の組の金属共振要素
４_４第４の組の金属共振要素
４ａ〜４ｇ共振要素

Claims

電磁吸収体（１）であって、
−金属接地板（２）と、
−前記金属接地板上に配置されている絶縁誘電基板（３）と、
−前記絶縁誘電基板上に配置されている１組の金属共振要素（４）であって、共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の寸法を適合させることによって調整され、前記１組の共振要素は、寸法が異なる共振要素を含み、異なる電磁共振周波数を近接させることによって、所定の電磁吸収バンドを生成することができるようになっている１組の金属共振要素とを備えていることを特徴とする電磁吸収体。
寸法が異なるいくつかの共振要素を含んでいる基本パターンは、前記絶縁誘電基板上において、周期的に繰り返されていることを特徴とする、請求項１に記載の電磁吸収体。
共振要素は、正方形、長方形、多角形または円形であることを特徴とする、請求項１または２に記載の電磁吸収体。
前記絶縁誘電基板は、前記所定の電磁吸収バンドの電磁共振周波数および／または所望の吸収レベルによって決まる厚さを有することを特徴とする、請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁吸収体。
正方形の共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の１辺の長さを、下式のように、適合させることによって、調整される：

ここで、
ｆ_ｒは、前記共振要素の０次電磁共振周波数を示し、
ｃ_０は、真空中の光の速度を示し、
μ_ｒは、前記誘電基板の比透磁率を示し、
ε_ｒは、前記誘電基板の誘電率を示し、
Ｌ’は、前記共振要素の１辺の長さを示す、
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁吸収体。
円形の共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の半径を、下式のように、適合させることによって、調整することができる：

ここで、
ｆ^（０）は、前記共振要素の０次電磁共振周波数を示し、
ａは、前記共振要素の半径を示し、
ｃ_０は、真空中の光の速度を示し、
ｚ_０＝１．８４１は、第１種ベッセル関数Ｊ_１（ｚ）の第１の最大値を示し、
μ_ｒは、前記誘電基板の比透磁率を示し、
ε_ｒは、前記誘電基板の誘電率を示し、
μ＝μ_ｒμ_０
ε＝ε_ｒε_０
μ_０＝４π．１０^−７Ｈ／ｍ
ε_０＝８．８５４１８７×１０^−１２Ｆ／ｍである、
ことを特徴とする、請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁吸収体。
積層した数層の吸収層を備え、各吸収層は、１組の金属共振要素（４）を含むことを特徴とする、請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁吸収体。
電磁吸収体を製造する方法であって、
−金属接地板上に、絶縁誘電基板を配置する工程と、
−前記絶縁誘電基板上に、１組の金属共振要素を配置する工程であって、共振要素の電磁共振周波数は、該共振要素の寸法を適合させることによって調整され、前記１組の共振要素は、寸法が異なる共振要素を含み、異なる電磁共振周波数を近接させることによって、所定の電磁吸収バンドを生成することができるようになっている工程とを含むことを特徴とする方法。