JP2020009829A - 電波吸収構造 - Google Patents

Abstract

【課題】複数の周波数について高効率の電波吸収特性を有し、また、比較的簡易に、薄型に製造することができる電波吸収構造を提供する。【解決手段】外部から電波が入射するように表面に設けられ、個々の共振周波数を有する複数のパッチ導体を所定の周期パターンで配列した共振層１１と、前記共振層１１で共振した電波を多重反射させる誘電体層１２と、前記誘電体層１２から入射した電波を該誘電体層１２側へ反射する反射導体層１３を備えたことを特徴とする。【選択図】図１

Description

本発明は、反射導体層と誘電体層と共振層から構成される薄型電波吸収体において、多周波数の吸収特性を有する電波吸収構造に関するものである。

例えば、無線ＬＡＮやＥＴＣレーンに生じる電波干渉や不要輻射について、ＥＭＣサイト特性などを改善する場合、いくつかの特定周波数の電波を抑制するために電波吸収体が用いられている。
この電波吸収体は、壁面や床面などに設置されることが多く、十分な強度を有し、薄型、軽量に構成することが求められている。
一般的なＧＨｚ帯の電波吸収体は、例えば、発砲ポリプロピレンに導電体材料を含侵させ、これを用いてピラミッド状の突起を形成し、当該複数のピラミッド状突起を縦横に並べて立体構造とすることにより、高い電波吸収特性を有するように構成されている。
このような電波吸収体は、広い帯域において良好な周波数特性が得られる反面、厚み（突起の高さ）が相当な大きさになるため、使用する用途（設置場所など）が限定されてしまうことがある。
そこで、次のように薄型に構成することが可能な電波吸収体が提案されている。

例えば、導体層、誘電体層、導体で形成されたパターン層を積層して電波吸収体を構成し、このパターン層に四辺形状のループスロットを複数配置して、反射減衰能力を確保しながら薄型化、軽量化を可能にしたものがある（例えば、特許文献１参照）。
上記のパターン層は、複数のパッチパターンが形成されており、各パッチパターンにはループスロットが設けられている。
この電波吸収体は、ループスロットが単一のパッチパターンを２つのパターンに離間し、２つの周波数について電波を吸収するように構成されている。

また、例えば、電波を反射する導体箔と、電波を減衰させる電波吸収材と、導体箔と電波吸収材の間に樹脂を充填させた中間層によって構成された電波吸収体がある（例えば、特許文献２参照）。
この電波吸収体は、中間層内に電波を反射する中間膜をマトリクス状に配置し、詳しくは、マトリクス状に配置された第１の中間膜の中央部の孔に第２の中間膜を形成して、多数帯域の電磁波を吸収することができるように構成されている。

また、例えば、反射層、スペーサ層、抵抗膜またはプラスチック等を順に積層させ、抵抗膜またはプラスチックフィルム等の外面に、多数の導電性パッチを、周期的に配列した導電パターン層を重ね合わせた電波吸収体がある（例えば、特許文献３参照）。
この電波吸収体は、所定の大きさの導電性パッチを適当なピッチで格子状に配設することにより、整合周波数や反射減衰量を変化させている。

特開２００７−７３６６２号公報 特開２００７−８７９７７号公報 特開２００９−７６８０２号公報

特許文献１の電波吸収体は、前述のように１つのパッチパターンにループスリットを設けて２つのパターンを形成させているので、これら２つのパターンに大きな相互影響が生じ、２つの周波数に対して各々有効な吸収特性を取得することが難しい。
また、特許文献２の電波吸収体は、全体の厚さが電波吸収特性に依存するため、ある厚さよりも薄く形成することが困難になり、また、中間層にマトリクス状の中間膜を備えているため、中間膜を形成させる製造技術が必要になり、製造コスト等を抑制することが難しくなる。
また、特許文献３の電波吸収体は、複数の周波数について吸収特性を備えるこができず、導電性パッチとなる金属箔等を、抵抗膜層やプラスチックフィルム等に接着あるいは貼り付ける工程が必須になり、高い製造技術などが必要になるという問題点があった。

本発明は、上記のような問題点に鑑みなされたもので、複数の周波数について高効率の電波吸収特性を有し、また、比較的簡易に、薄型に製造することができる電波吸収構造を提供することを目的とする。

本発明に係る電波吸収構造は、外部から電波が入射するように表面に設けられ、個々の共振周波数を有する複数のパッチ導体を所定の周期パターンで配列した共振層と、前記共振層で共振した電波を多重反射させる誘電体層と、前記誘電体層から入射した電波を該誘電体層側へ反射する反射導体層と、を備えたことを特徴とする。

また、前記共振層は、基本の周波数に共振する基本パッチ導体と、第二の周波数に共振する第二パッチ導体と、第三の周波数に共振する第三パッチ導体と、を有することを特徴とする。

また、前記共振層は、基本の周波数に共振する円形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する円形状の第二パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する円形状の第三パッチ導体と、を有することを特徴とする。

また、前記共振層は、基本の周波数に共振する四角形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する四角形状の第二パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する四角形状の第三パッチ導体と、を有することを特徴とする。

また、前記共振層は、基本の周波数に共振する多角形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する多角形状の第二パッチ導体と、前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する多角形状の第三パッチ導体と、を有することを特徴とする。

また、前記反射導体層、前記誘電体層、および、前記共振層を一体に積層して平板状に形成したことを特徴とする。

また、前記誘電体層および前記共振層を一体に積層して平板状に形成したことを特徴とする。

本発明によれば、所望の複数周波数について電波吸収特性を良好にするとともに、高い製造技術や設備を要することなく、電波吸収体の表面加工のみによって製造することができ、設計変更や特性の調整が容易にできるとともに製造コストを抑制することが可能になる。

本発明の実施例による電波吸収構造を備えた吸収構造体の断面図である。 図１の吸収構造体の表面を正面視した場合を示す説明図である。 図２の共振層に形成したパッチを示す説明図である。 本実施例による吸収構造体の吸収特性を計測する実験装置の概略構成図である。 図４の実験装置によって測定された吸収特性を示す説明図である。 ＳＶＳＷＲ（Site Voltage Standing Wave Ratio）法による特性測定を行う実験装置の概略構成図である。 図６の実験装置を用いたＳＶＳＷＲ法による測定結果を示す説明図である。 図４の実験装置に用いる吸収構造体の構成を示す説明図である。 図６の実験装置に用いる吸収構造体の構成を示す説明図である。

以下、この発明の実施の一形態を説明する。
本発明に係る電波吸収構造は、電波を反射する反射導体層と、電波を多重反射させる誘電体層と、個々の共振周波数を有する複数のパッチ導体を周期的に配列した共振層とを積層構成したものである。

誘電体層を一定の厚みに形成したとき、共振層に形成するパッチ導体の形状ならびに配列により周波数特性（電波吸収特性）が決定する。そのため、薄型に構成したうえで任意の複数の周波数に対して電波吸収特性を備えることが可能になる。
上記の構成では、共振層のみによって複数の周波数に対する吸収特性を備えるため、各周波数に適した大きさ（面積）のパッチ導体を周期的に配列することが必要になるが、各周波数において十分な吸収特性を得るためには、共振層の表面全体において各周波数に対応するパッチ導体の占有率が一定以上となるように配置構成することが必要になる。

そこで、本発明に係る電波吸収構造は、第一の周波数（基本の共振周波数）の吸収特性を確保しながら、第二の周波数（第二の共振周波数）ならびに第三の周波数（第三の共振周波数）に対応する各パッチ導体の占有率を十分に確保するため、第一の周波数に対応するパッチ導体形状に欠け部を設け、この部分に第二ならびに第三の周波数に各々対応する各パッチ導体を配置している。
上記のように構成することにより、上記の各パッチ導体を上記各周波数の電波で共振させ、当該共振周波数の電波を誘電体層に引き込み、熱に変換することにより、電波吸収作用が得られ、また、２［ｍｍ］以下の薄型形状に形成することが可能になる。

（実施例）
図１は、本発明の実施例による電波吸収構造を備えた吸収構造体１の断面図である。図示した吸収構造体１は、例えば、銅箔等の薄膜導電体からなる共振層１１、ガラスエポキシ材等からなり、所定の一定厚さに形成された誘電体層１２、銅等の導電体からなる反射導体層１３を積層させている。
この吸収構造体１は、一定の厚さを有するように形成されており、当該吸収構造体１の表面となる共振層１１のみを加工し、後述する各パッチ導体を形成させている。
上記の反射導体層１３、誘電体層１２、共振層１１を一体に積層して薄型の平板状に形成して吸収構造体１を構成してもよい。
また、上記の誘電体層１２と共振層１１を一体に積層して薄型の平板状に形成し、これが反射導体層１３に積層されている（反射導体となる部材に接している）ように構成してもよい。

図２は、図１の吸収構造体１の表面を正面視した場合を示す説明図である。図２（ａ）は、吸収構造体１の表面（共振層１１）の概ね全体を示し、図２（ｂ）は、共振層１１の表面の一部を拡大表示したものである。
共振層１１は、前述の銅箔等に切削などの加工が施され、例えば真円状のパッチが複数形成されており、径が異なる、パッチＡ２１（基本パッチ導体）、パッチＢ２２（第二パッチ導体）、パッチＣ２３（第三パッチ導体）が各々複数個設けられ、これらのパッチ導体が周期的に配列されている。なお、パッチＡ２１は、後述するように所定部分（４か所）が欠けた形状をしている。

パッチＡ２１は、第一の共振周波数（基本の共振周波数）において共振するインピーダンスを有するように形成され、パッチＢ２２は、第二の共振周波数において共振するインピーダンスを有するように形成され、パッチＣ２３は、第三の共振周波数において共振するインピーダンスを有するように形成されている。

吸収する周波数帯域を増加させるため、共振周波数が異なるパッチ、即ち、インピーダンスの異なるパッチを複数配設する場合には、これらのパッチを単純に並べただけでは、各共振周波数のパッチの占有率（パッチＡ２１、パッチＢ２２、パッチＣ２３の各占有率）が大きく異なる状態になり、電波吸収特性に偏りが生じる。
このような吸収特性の偏りを防ぐため、吸収構造体１は、例えば、最も径の大きな（共振周波数の低い）パッチＡ２１に、後述する欠け部３０を設け、この部分にパッチＢ２２またはパッチＣ２３を各々配置し、所定の周期パターンに則ってこれらのパッチを配列している。

図３は、図２の共振層に形成したパッチを示す説明図である。
図２（ｂ）に示したなかで最も大きな径のパッチＡ２１は、真円から所定部分を欠削した形状をしており、例えば図中破線で示した欠け部３０を、パッチＡ２１の中心点から４方向（図中、上下左右の各方向）に離れた各位置（４か所）に設けている。
ここで例示する欠け部３０は、共振層１１の表面において、導電体のパッチＡ２１を、例えば、当該パッチＡ２１よりも径の小さい半円もしくは円弧状に欠削して形成されている。この欠け部３０には、真円状の導電体からなるパッチＢ２２またはパッチＣ２３が形成されている。

欠け部３０は、パッチＡ２１の縁側部分が欠けたように形成されている。具体的には、例えば（パッチＢ２２やパッチＣ２３が存在しない状態を仮想した場合）真円の一部形状のように形成されており、即ち、パッチＡ２１を円周側から例えば円弧状（もしくは略半円状）に欠削した形状をしている。
また、パッチＢ２２やパッチＣ２３は、例えば、真円状の欠け部３０の中心点と当該パッチＢ２２またはパッチＣ２３の中心点が重なるように配置されている。

ここで、図３に示したように、パッチＡ２１の最も径が大きくなる部分の長さ（真円状とした場合の直径）をａ、欠け部３０の直径（真円状とした場合）をｂ、パッチＣ２３の直径をｃとすると、ａ＞ｂ＞ｃとなる。
換言すると、欠け部３０は、パッチＡ２１に隣接するパッチＢ２２またはパッチＣ２３の円周（導電体の縁周）に沿って設けられた絶縁部分（導電体の欠削部分）である。
なお、パッチＡ２１の欠け部３０が設けられた縁周部分と、この縁周部分に対向するパッチＣ２３（またはパッチＢ２２）の縁周部分との間は等間隔になっている。

このように円形状の各パッチを形成させる場合には、初めに、各パッチを配列する周期パターンを、共振層１１表面における各パッチの占有率等が概ね均等になるように考慮しながら定める。
次に、吸収目標の周波数（基本の共振周波数）を定め、この基本の共振周波数に対応するパッチＡ２１の径を設定し、例えば、パッチＡ２１の円中心から、配列のパターン周期／２の距離となる位置を原点（円中心）として仮想円を設定し、この仮想円とパッチＡ２１が重なる部分を、当該パッチＡ２１から欠削して欠け部３０を形成する。この欠け部３０を単一のパッチＡ２１について四方（４か所）に設ける。
ここで、上記の仮想円の径、即ち、欠け部３０は、パッチＡ２１が基本共振周波数における電波吸収の目標値を上回る吸収特性を有するように設定する。

パッチＢ２２は、第二の共振周波数において共振し、当該周波数の電波を吸収する径を有して形成され、パッチＣ２３は第三の共振周波数において共振し、当該周波数の電波を吸収する径を有して形成されている。
これらパッチＢ２２、パッチＣ２３は、各々の円中心が、前述の仮想円の中心点と重なるように配置される。即ち、パッチＢ２２やパッチＣ２３は、欠け部３０の基準点となる位置（仮想円の中心点）に合わせて配列されている。

ここで説明したパッチＡ２１、パッチＢ２２、パッチＣ２３は、円形状に形成されているが、例えば、これらのパッチ形状を四角形または多角形とし、前述のように所定の各共振周波数において共振するインピーダンスを備える形状（大きさ等）に形成してもよい。
なお、四角形または多角形に形成した場合においても、パッチＡ２１についは、所定大きさの四角形または多角形の四方に欠け部３０を設けた形状に形成される。この場合においても、例えば、仮想の四角形または仮想の多角形を設定し、前述の円形状の場合と同様に位置設定を行って欠け部３０を設ける。この場合の欠け部３０は、四角形または多角形に形成されたパッチＢ２２、パッチＣ２３に対応させた形状に形成される。

図４は、本実施例による吸収構造体１の吸収特性を計測する実験装置の概略構成図である。図示した実験装置は、各周波数の電波を吸収構造体１へ放射し、これに反射した電波強度を測定するように構成されている。
この実験装置は、被験対象となる吸収構造体１の背後に設置される基準金属板２、吸収構造体１および基準金属板２を背後側から支える発泡樹脂材３、吸収構造体１の表面へ向かって電波を放射し、吸収構造体１表面に反射した反射波を受信するアンテナ５を備えている。

また、アンテナ５から放射されて、吸収構造体１の背後側へ到達する電波を吸収するピラミッド型電波吸収体４を備えている。またさらに、アンテナ５から所定の電波を放射させ、また、アンテナ５が受信した反射波を測定するネットワークアナライザ６を備えている。
この実験装置は、平坦な基準大地面７に設置され、例えば、アンテナ５から１［ｍ］離れた位置に吸収構造体１を設置し、吸収構造体１の表面に向かって各周波数の電波を照射し、このときの反射波を測定するように構成されている。

図８は、図４の実験装置に用いる吸収構造体の構成を示す説明図である。
ここで、図４の実験装置に設置される吸収構造体１は、例えば、図８に示したように構成されたもので、誘電体層１２をガラスエポキシ材によって形成し、共振層１１および反射導体層１３を銅材によって形成させている。
また、この吸収構造体１は、例えば、両面基板の片層を加工し、酸化を防ぐために両面の導体部分に半田メッキを施している。

図５は、図４の実験装置によって測定された吸収特性を示す説明図である。
この図は、吸収構造体１へ放射した電波強度に対する反射波の強度を縦軸に示し、吸収構造体１へ放射した電波の周波数を横軸に示している。
ここで反射特性を測定した吸収構造体１は、パッチＡ２１により２．３［ＧＨｚ］、パッチＢ２２により３．２［ＧＨｚ］、パッチＣ２３により５．０［ＧＨｚ］の電波吸収を行うように構成したものである。

図５の反射特性は、上記の吸収構造体１を、図４の実験装置に設置し、この吸収構造体１からの反射波を測定した値と、吸収構造体１に替えて全反射構造物（金属板）を同じ位置に設置し、この全反射構造物からの反射波を測定した値との比を示すものである。
図５に示した測定結果から、吸収構造体１からの反射波は、概ね、２．３［ＧＨｚ］、３．２［ＧＨｚ］、５．０［ＧＨｚ］において特性曲線にピークが生じており、これらの周波数において反射波の電波強度が弱くなっていることがわかる。即ち、パッチＡ２１、パッチＢ２２、パッチＣ２３の各々が、上記の各周波数の電波を有効に吸収していることが確認できる。

図６は、ＳＶＳＷＲ（Site Voltage Standing Wave Ratio）法による特性測定を行う実験装置の概略構成図である。この実験装置は、例えば１０ｍ法電波暗室内の基準大地面７上に測定系が設置され、防壁などにより当該電波暗室と隔てられた測定室内にネットワークアナライザ６を設置している。
ネットワークアナライザ６は、上記の１０ｍ法電波暗室内に設置された送信アンテナ５ａと受信アンテナ５ｂに接続されている。

詳しくは、送信アンテナ５ａから所定の周波数帯の電波を所定強度で放射（送信）させ、また、受信アンテナ５ｂが受信した電波を測定し、例えば、所定様式の数値データとして記録するように接続構成されている。
なお、受信アンテナ５ｂは、電波暗室側において、受信した電波信号を増幅するプリアンプ８に接続され、当該プリアンプ８を介してネットワークアナライザ６に接続されている。

送信アンテナ５ａと受信アンテナ５ｂは、例えば、基準大地面７から１［ｍ］の高さに設置され、また、４［ｍ］離間されて相互に対向することができるように設置されている。
送信アンテナ５ａと受信アンテナ５ｂとの間には、吸収構造体１とピラミッド型電波吸収体４が設置されている。
吸収構造体１は、受信アンテナ５ｂから２．４［ｍ］離間された位置（送信アンテナ５ａから１［ｍ］離間された位置）において、共振層１１を表面に現して基準大地面７に敷設されている。

図９は、図６の実験装置に用いる吸収構造体の構成を示す説明図である。
ここで、図６の実験装置は、例えば、図９に示したように構成された吸収構造体１を、具体的には、３００×３００［ｍｍ］のものを４枚敷設している。
ピラミッド型電波吸収体４は、吸収構造体１の受信アンテナ５ｂ側端部に隣接させて基準大地面７に敷設されており、例えば、吸収構造体１に隣接する位置から受信アンテナ５ｂへ向かって、当該受信アンテナ５ｂから０．６［ｍ］離間した位置まで敷設されている。
即ち、吸収構造体１が送信アンテナ５ａ側に配置され、ピラミッド型電波吸収体４が受信アンテナ５ｂ側に配置されており、これらは基準大地面７の表面に載置されている。
なお、ピラミッド型電波吸収体４は、ピラミッド形状の頂点部分が、例えば０．３［ｍ］の高さを有している。

図７は、図６の実験装置を用いたＳＶＳＷＲ法による測定結果を示す説明図である。この図は、送信アンテナ５ａから水平偏波を放射し、受信アンテナ５ｂから送信アンテナ５ａへ向かって３［ｍ］の位置に設定したtest VolumeのCenterにおいて、直接波と間接波（入射波と反射波）の干渉を測定した結果を示したものである。図中、横軸は、当該干渉によって生じる定在波の周波数、縦軸は、受信アンテナ５ｂを用いて測定した値から求めた定在波比（定在波の強弱の比）を示している。
図７において、破線で示した特性曲線は、吸収構造体１を敷設せずに測定した場合のもので、実線で示した特性曲線は、図６に示したように吸収構造体１を敷設して測定した場合のものである。
なお、図７に示した「規格限度値」は、例えばＥＭＣ規格（CISPR16-1-4:2010）に定められた規格限度値である。

例えば、前述の１０ｍ法電波暗室に、一般的に用いられる電波吸収体を３列敷設し、ＳＶＳＷＲ法による測定（吸収構造体１を敷設せずに測定）を行うと、図７に示したように２．２７［ＧＨｚ］、２．５９［ＧＨｚ］、３．７６［ＧＨｚ］の３つの周波数で規格限度値前後の値が得られる。
上記の３つの周波数について、本発明の吸収構造体１の各パッチを対応させて設計し、図６の実験装置に当該吸収構造体１を敷設すると、図７の特性曲線から反射による間接波の干渉を減少させていることがわかる。

以上のように本実施例によれば、共振層１１の表面に形成する各パッチの形状、もしくは大きさを変化させる（調整する）ことで所望の電波吸収特性が得られるため、ここで例示した３つよりも数の少ない周波数に対して吸収特性を有するように構成することも可能である。
また、共振層１１に各パッチを形成することにより、任意の電波吸収特性が得られるため、吸収構造体１を容易に製造することができる。
また、薄型に構成することが可能であり、例えば、全体の厚さを２［ｍｍ］以下に構成することも可能である。

１吸収構造体
２基準金属板
３発泡樹脂材
４ピラミッド型電波吸収体
５アンテナ
５ａ送信アンテナ
５ｂ受信アンテナ
６ネットワークアナライザ
７基準大地面
８プリアンプ
１１共振層
１２誘電体層
１３反射導体層
２１パッチＡ
２２パッチＢ
２３パッチＣ
３０欠け部

Claims (7)

1. 外部から電波が入射するように表面に設けられ、個々の共振周波数を有する複数のパッチ導体を所定の周期パターンで配列した共振層と、
   前記共振層で共振した電波を多重反射させる誘電体層と、
   前記誘電体層から入射した電波を該誘電体層側へ反射する反射導体層と、
   を備えたことを特徴とする電波吸収構造。
2. 前記共振層は、
   基本の周波数に共振する基本パッチ導体と、
   第二の周波数に共振する第二パッチ導体と、
   第三の周波数に共振する第三パッチ導体と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電波吸収構造。
3. 前記共振層は、
   基本の周波数に共振する円形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する円形状の第二パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する円形状の第三パッチ導体と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電波吸収構造。
4. 前記共振層は、
   基本の周波数に共振する四角形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する四角形状の第二パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する四角形状の第三パッチ導体と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電波吸収構造。
5. 前記共振層は、
   基本の周波数に共振する多角形の所定部分が欠けた形状の基本パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第二の周波数に共振する多角形状の第二パッチ導体と、
   前記基本パッチ導体の欠けた所定部分に配置された第三の周波数に共振する多角形状の第三パッチ導体と、
   を有することを特徴とする請求項１に記載の電波吸収構造。
6. 前記反射導体層、前記誘電体層、および、前記共振層を一体に積層して平板状に形成した、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電波吸収構造。
7. 前記誘電体層および前記共振層を一体に積層して平板状に形成した、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電波吸収構造。

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