JP2020072429A - 電磁波クローキング構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】電磁波クローキング構造体の小型化および広帯域化を図る。【解決手段】電磁波クローキング構造体１０は、電磁波から対象物２０を隠蔽する。電磁波を所定の方向に導くように異方性物質パラメータが設定された積層セラミックコンデンサ１４が対象物２０の周囲に複数配置されている。積層セラミックコンデンサ１４は、メタマテリアルとして機能し、電磁波クローキング構造体１０の各点における異方性物質パラメータは、電磁波クローキング構造体１０内を通過する電磁波が対象物２０を迂回し、かつ電磁波クローキング構造体１０通過後の電磁波の軌道が電磁波クローキング構造体１０通過前の電磁波の軌道の延長線上となるように設定されている。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波から対象物を隠蔽するための電磁波クローキング構造体に関する。

従来、到来する電磁波に対して物体を隠蔽（クローキング）しながら、あたかも存在しないように透過させる電磁波クローキング構造体が提案されている（下記特許文献１、非特許文献１参照）。電磁波クローキング構造体は、例えばアンテナ分野において遮蔽体となる支柱等に適用する等の利用が期待される。
例えば、下記特許文献１は、隠蔽するボリュームを構築する方法として、隠蔽可能なボリュームの周囲に、複数の隠蔽するボリューム要素を構築することを含んでいる。各隠蔽するボリューム要素は、隠蔽可能なボリュームの周囲に伝播波を導くように定めた物質パラメータを有している。隠蔽可能なボリューム空間を隠蔽するボリューム空間にマッピングする座標変換を識別し、前記隠蔽可能なボリューム空間での空間的に分布した物質パラメータ値に、対応する変換を適用する。

特許第５５１０９４６号公報

D. Schurig, J. J. Mock, B. J. Justice, S. A. Cummer, J. B. Pendry, A. F. Starr, D. R. Smith, "Metamaterial Electromagnetic Cloak at Microwave Frequency, SCIENCE," Vol. 314, 10 Nov. 2006

上述した従来技術では、図１４に示すようなスプリットリング共振器（ＳＲＲ：Ｓｐｌｉｔ Ｒｉｎｇ Ｒｅｓｏｎａｔｏｒ）と導線ワイヤとを用いてメタマテリアル構造を実現している。しかしながら、従来技術の構造では小型化が困難であり、またクローキングに有効な帯域が狭く、現実的には有効な解決策とはなっていないという課題がある。
本発明は、このような事情に鑑みなされたものであり、その目的は、電磁波クローキング構造体の小型化および広帯域化を図ることにある。

上述の目的を達成するため、請求項１の発明にかかる電磁波クローキング構造体は、電磁波から対象物を隠蔽するための電磁波クローキング構造体であって、前記電磁波を所定の方向に導くように構成された積層セラミックコンデンサが前記対象物の周囲に複数配置されており、前記積層セラミックコンデンサは、メタマテリアルとして機能し、前記電磁波クローキング構造体の各点における異方性物質パラメータは、前記電磁波クローキング構造体内を通過する電磁波が前記対象物を迂回し、かつ前記電磁波クローキング構造体通過後の電磁波の軌道が前記電磁波クローキング構造体通過前の電磁波の軌道の延長線上となるように設定されている、ことを特徴とする。

本発明によれば、積層セラミックコンデンサを用いて電磁波クローキング構造体の各点における異方性物質パラメータを所望の値とする。このため、従来技術と比較して、単位セル構造のサイズを小さくすることができ、対象物が狭小な場合でも装荷可能とすることができる。また、積層セラミックコンデンサは、汎用部品であることから、安価かつ容易に入手することができ、人的コストや金銭的コストを低減することができる。
また、積層セラミックコンデンサを用いた単位セル構造は、電磁波クローキング構造体に適用可能な異方性物質パラメータを示す周波数帯が広いので、電磁波クローキング構造体の各点における異方性物質パラメータを設計するに際しての自由度を向上させる上で有利である。
また、単位セル構造の異方性物質パラメータは、積層セラミックコンデンサの内部構造（電極寸法等）の変更のみならず、積層セラミックコンデンサの配列間隔を変更することによっても変更可能なので、内部構造の異なる複数種類の積層セラミックコンデンサを用意する必要がなく、コスト面で有利である。

実施の形態にかかる電磁波クローキング構造体１０の構成を示す図である。 電磁波クローキング構造体１０の他の構成を示す図である。 単位セル構造１６の構成を示す図である。 積層セラミックコンデンサ１４の構造を示す図である。 積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の長さｌを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。 積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の電極間隔ｇを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。 単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。 図７に示した特性グラフのうち、実効透磁率が正）となる範囲を拡大したものである。 電磁波クローキング構造体１０の他の構成を示す図である。 単位セル構造１６の構成を示す図である。 単位セル構造１６の構成を示す図である。 電磁波クローキング構造体１０の他の構成を示す図である。 電磁波クローキング構造体１０の他の構成を示す図である。 従来技術にかかる単位セル構造１６０の構成を示す図である。 従来技術にかかる単位セル構造１６０でパラメータｒおよびｓを変化させた場合の実効透磁率特性を示す。

以下に添付図面を参照して、本発明にかかる電磁波クローキング構造体の好適な実施の形態を詳細に説明する。
図１は、実施の形態にかかる電磁波クローキング構造体１０の構成を示す図である。
以下、図１、図２、図９、図１２、図１３のように、電磁波クローキング構造体１０の全体を示す図では、（ｒ，θ，ｚ）からなる円筒座標系でグローバル座標系を表記する。また、図３や図４のように、単位セル構造１６の構成や積層セラミックコンデンサ１４の構造を示す図では、（ｘ，ｙ，ｚ）からなる直交座標系でローカル（局所）座標系を表記する。
電磁波クローキング構造体１０は、電磁波から対象物２０を隠蔽するために設けられており、電磁波クローキング構造体１０内を通過する電磁波を所定の方向に導くように構成された積層セラミックコンデンサ（ＭＬＣＣ：ｍｕｌｔｉ−ｌａｙｅｒ ｃｅｒａｍｉｃ ｃａｐａｃｉｔｏｒ）１４が対象物２０の周囲に複数配置されている。

積層セラミックコンデンサ１４は、メタマテリアルとして機能し、電磁波クローキング構造体１０の各点（例えば後述する単位セル構造１６）における異方性物質パラメータは、電磁波クローキング構造体１０内を通過する電磁波が対象物２０を迂回し、かつ電磁波クローキング構造体１０通過後の電磁波の軌道が電磁波クローキング構造体１０通過前の電磁波の軌道の延長線上となるように設定されている。

異方性物質パラメータは、屈折率、誘電率および透磁率のうち少なくとも１つを含んでいる。本実施の形態では、特に透磁率について検討する。
電磁波クローキング構造体１０の各点における異方性物質パラメータは、それぞれの積層セラミックコンデンサ１４の容量、内部電極寸法、電極間寸法および積層セラミックコンデンサ１４の配列密度のうち少なくとも１つを変更することにより、傾斜的な分布となるよう構成されている。

本実施の形態では、電磁波クローキング構造体１０は、誘電体基板１２と、複数の積層セラミックコンデンサ１４とを含んで構成されている。
より詳細には、対象物２０は円形（より詳細には円筒形）であり、電磁波クローキング構造体１０は、対象物２０の中心Ｏに対して回転対称に配置された誘電体基板１２と、誘電体基板１２上に配列された複数の積層セラミックコンデンサ１４と、を含んで構成されている。

図１の例では、誘電体基板１２は、円筒形の対象物２０と同心円状の環状形状を呈しており、同形の複数の誘電体基板１２が対象物２０の軸心方向（ｚ方向）に間隔を置いて複数配置されている。各誘電体基板１２上には、複数の積層セラミックコンデンサ１４が周方向（θ方向）および半径方向（ｒ方向）にそれぞれ略等間隔で、対象物２０と同心円状に配置されている。
詳細は後述するが、積層セラミックコンデンサ１４の配置は、図１に示すような等間隔に限らず、例えば図９のように領域ごとに異なる配列密度であってもよい。

また、図２の例では、誘電体基板１２は長方形を呈しており、円筒形の対象物２０の中心Ｏを起点として放射状に配置されている。より詳細には、誘電体基板１２は短辺が対象物２０の軸心方向（ｚ方向）、長辺が半径方向（ｒ方向）に沿うように配置され、周方向（θ方向）に間隔を置いて複数配置されている。各誘電体基板１２上には、複数の積層セラミックコンデンサ１４が軸心方向（ｚ方向）および半径方向（ｒ方向）にそれぞれ略等間隔でマス目状に配置されている。

このように、電磁波クローキング構造体１０は、誘電体基板１２と、その表面に周期的に配列された積層セラミックコンデンサ１４とによって構成されている。言い換えると、電磁波クローキング構造体１０は、積層セラミックコンデンサ１４とその周囲の誘電体基板１２とによって構成される単位セル構造１６の集合となっている。

図３は、単位セル構造１６の構成を示す図、図４は積層セラミックコンデンサ１４の構造を示す図である。
まず、積層セラミックコンデンサ１４の構造について説明する。
図４に示すように、積層セラミックコンデンサ１４は、内部電極１４０４と誘電体１４０６とが交互に積層された本体部１４０２と、外部電極１４０８とを備える。
積層セラミックコンデンサ１４の外形寸法を長さＬｃ、幅Ｗｃ、高さＨｃとすると、本実施の形態では、長さＬｃ＝１ｍｍ、幅Ｗｃ＝０．５ｍｍ、高さＨｃ＝０．５ｍｍとした。また、積層セラミックコンデンサ１４の長さ方向をｘ軸方向、幅方向をｙ軸方向、高さ方向をｚ軸方向とする。
内部電極１４０４は、ｘ軸方向に沿った長さ（長辺）ｌおよびｙ軸方向に沿った幅（短辺）ｗを有する矩形状を呈している。本実施の形態では、内部電極１４０４を２枚１組とし、高さ方向に間隔を置いて２組配置した。２枚１組の内部電極１４０４は、電極間隔ｇで配置され、平行平板コンデンサを形成している。
外部電極１４０８は、幅方向および高さ方向に沿った面（ｙ−ｚ平面）に沿って平面状に形成され、一方が正極、他方が負極となっている。正極側の外部電極１４０８は正極側の内部電極１４０４と接続し、負極側の外部電極１４０８は負極側の内部電極１４０４と接続している。
内部電極１４０４および外部電極１４０８は、それぞれ銅で形成した。
本体部１４０２を構成する誘電体１４０６の比誘電率εｍとする。実施の形態では、誘電体１４０６の比誘電率εｍ＝２５とした。

積層セラミックコンデンサ１４に電磁波を供給すると、内部電極１４０４間を磁束が貫くことにより、電流が生じる。ある周波数において電流がループ状に周回し、スプリットリング共振器と似た等価回路となる。この周波数の低域側で実効透磁率が負となる。したがって、図４の積層セラミックコンデンサ１４は、電界成分がｚ軸方向、磁界成分がｙ軸方向の偏波の入射波に対して動作する。
積層セラミックコンデンサ１４を用いるメリットとして、単位セルが小さいので狭小な対象にも装荷可能な点が挙げられる。また、汎用部品であることから、入手が容易かつ安価である点が挙げられる。

つぎに、単位セル構造１６について説明する。
単位セル構造１６は、誘電体基板１２上に１つの積層セラミックコンデンサ１４を配置したものである。より詳細には、複数の積層セラミックコンデンサ１４を配置した誘電体基板１２を、隣り合う積層セラミックコンデンサ１４の位置の中点でｘ軸方向およびｙ軸方向にそれぞれ沿って分割したものである。
すなわち、単位セル構造１６の長さａは、積層セラミックコンデンサ１４の長さ方向（ｘ軸方向）の配列間隔、幅ｂは積層セラミックコンデンサ１４の幅方向（ｙ軸方向）の配列間隔と等しい。
また、単位セル構造１６の高さｃは、誘電体基板１２の厚さｄと積層セラミックコンデンサ１４の高さＨｃとの和以上となる。本実施の形態では、誘電体基板１２の厚さｄを０．５８５ｍｍ、単位セル構造１６の高さｃを５／３ｍｍ（≒１．６７ｍｍ）とした。また、誘電体基板１２の比誘電率εｂ＝３．７とした。

単位セル構造１６を組み立てる際には、図１０に示すように誘電体基板１２上にランドパターン１８をプリントし、通常のコンデンサ実装機で積層セラミックコンデンサ１４を実装する。このように形成した単位セル構造１６をスペーサを介して積層することで、任意の形状の電磁波クローキング構造体１０を容易に組み立てることができる。

上述した図１および図２のような実装方法は、ｚ方向の偏波に対するクローキング構造として動作する。
また、ｙ方向の偏波に対して動作するためには、図１１に示すように積層された単位セル構造１６を、ｚ方向に平行に配置すれば良い。具体的には、図１１に示す単位セル構造１６を、図１２または図１３のように配置することで、ｙ方向の偏波に対するクローキング構造として動作する。

つぎに、積層セラミックコンデンサ１４および単位セル構造１６の各部寸法を変化させた場合の特性変化について説明する。
図３に示す単位セル構造１６において、入射電界をｚ成分とし、±ｘ方向にポートを設定したときのＳパラメータから、実効誘電率および実効透磁率を求めることができる。

図５は、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の長さｌを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。
より詳細には、図５は、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂ（すなわち積層セラミックコンデンサ１４のｘ軸方向およびｙ軸方向の配列間隔（周期長））＝１．５ｍｍ、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の電極間隔ｇ＝０．０５ｍｍを固定し、内部電極１４０４の長さｌを０．７ｍｍから０．８ｍｍまで０．０５ｍｍ刻みで変化させた場合の実効透磁率特性を示す。
実効透磁率の共振周波数は、ｌ＝０．７ｍｍで約９．１ＧＨｚ、ｌ＝０．７５ｍｍで約８．３ＧＨｚ、ｌ＝０．８ｍｍで約７．７ＧＨｚとなっており、内部電極１４０４の長さｌを長くすると、共振周波数が低域にシフトすることが分かる。

図６は、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の電極間隔ｇを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。
より詳細には、図６は、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂ＝１．５ｍｍ、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の長さｌ＝０．８ｍｍを固定し、内部電極１４０４の電極間隔ｇを０．０３ｍｍから０．０５ｍｍまで０．０１ｍｍ刻みで変化させた場合の実効透磁率特性を示す。
実効透磁率の共振周波数は、ｇ＝０．０５ｍｍで約７．７ＧＨｚ、ｇ＝０．０４ｍｍで約６．９ＧＨｚ、ｇ＝０．０３ｍｍで約６．０ＧＨｚとなっており、電極間隔ｇを小さくすると、共振周波数が低域にシフトすることが分かる。

図１４は、従来技術にかかる単位セル構造１６０の構成を示す図である。
従来技術にかかる単位セル構造１６０は、回路ボード１６４上にスプリットリング共振器（ＳＲＲ）１６２が配置されている。上記非特許文献１に示されているように、図１４の構造では、パラメータｒおよびｓにより共振周波数を調整することができる。
図１５に、従来技術にかかる単位セル構造１６０でパラメータｒおよびｓを変化させた場合の実効透磁率特性を示す。
なお、図１４に示すように、単位セル構造１６０の長さ（ｘ軸方向）は１０／３ｍｍ、幅（ｙ軸方向）は１０／πｍｍ、高さ（ｚ軸方向）は１０／３ｍｍとした。
ｒ＝０．２６０、ｓ＝１．６５４の場合、実効透磁率の共振周波数は約７．８ＧＨｚ、ｒ＝０．２４５、ｓ＝１．７１８の場合、実効透磁率の共振周波数は約７．６ＧＨｚ、ｒ＝０．２０８、ｓ＝１．８２５の場合、実効透磁率の共振周波数は約７．５ＧＨｚとなっている。すなわち、共振周波数は７．５ＧＨｚから７．８ＧＨｚ付近になることがわかる。
これは、図５および図６に示した本発明にかかる単位セル構造１６の特性のうち、ａ，ｂ＝１．５ｍｍ、ｌ＝０．８ｍｍ、ｇ＝０．０５ｍｍの場合の共振周波数約７．７ＧＨｚを含んでいる。

ここで、本発明にかかる単位セル構造１６の体積（セルサイズ）と、従来技術にかかる単位セル構造１６０の体積とを比較すると、本発明にかかる単位セル構造１６の体積は約３．７５ｍｍ^３（１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×１．６７ｍｍ）、従来技術にかかる単位セル構造１６０の体積は約３５．４ｍｍ^３（（１０／３）ｍｍ×（１０／π）ｍｍ×（１０／３）ｍｍ）である。
よって、本発明にかかる単位セル構造１６の体積は、従来技術にかかる単位セル構造１６０の体積の約１１％に小型化されている。

また、電磁波クローキング構造体１０に適用される実効透磁率は、０以上１未満の範囲である。
図５および図６に示す本発明にかかる単位セル構造１６の特性では、広範囲の周波数帯に渡って実効透磁率０以上１未満となっているのに対して、図１７に示す従来技術にかかる単位セル構造１６０の特性では、実効透磁率０以上１未満となっているのはごく限られた周波数帯である。
このように、本発明にかかる単位セル構造１６は、有効な実効透磁率（０以上１未満）を得られる周波数帯を広帯域化することができる。

つぎに、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを変化させた場合について検討する。
図７は、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを変化させた場合の特性変化を示すグラフである。
より詳細には、図７は、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の長さｌ＝０．８ｍｍ、電極間隔ｇ＝０．０５ｍｍを固定し、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを、１．１ｍｍから１．５ｍｍまで０．２ｍｍ刻みで変化させた場合の実効透磁率特性を示す。
実効透磁率の共振周波数は、ａ，ｂ＝１．５ｍｍで約７．７ＧＨｚ、ａ，ｂ＝１．３ｍｍで約７．６ＧＨｚ、ａ，ｂ＝１．１ｍｍで約７．５ＧＨｚとなっており、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを短くすると、共振周波数が低域にシフトすることが分かる。また、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを短くすることで、実効透磁率が負となる帯域が広帯域化できることが分かる。

図８は、図７に示した特性グラフのうち、実効透磁率が正（０以上１未満）となる範囲を拡大したものである。
ある周波数を基準とすると、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂを変化させることにより、実効透磁率の値を細かく調整できることが分かる。
ここで、電磁波クローキング構造体１０において、クローキングに必要な実効透磁率の値は、対象物に近い（内側）ほど０に近く、対象物から遠くなる（外側）になるにつれて大きな値（１に近い値）となる。
図５、図６で示したように、積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の長さｌや電極間隔ｇを調整することで、所望の実効透磁率を得ることも可能である。しかし、この方法では、内部構造が異なる複数種類の積層セラミックコンデンサ１４を用意する必要がある。
一方、図７および図８から、単位セル構造１６の長さａおよび幅ｂ、すなわち積層セラミックコンデンサ１４の周期長（配列間隔）を調整することでも、所望の実効透磁率を得ることができる。よって、例えば図９に示すように、積層セラミックコンデンサ１４の配置密度を内側ほど高密度にすれば、１種類の積層セラミックコンデンサ１４でクローキングを実現することができる。

このように、電磁波クローキング構造体１０の各点（単位セル構造１６）における異方性物質パラメータは、それぞれの積層セラミックコンデンサ１４の内部電極１４０４の寸法（長さｌ）、内部電極１４０４間の寸法（電極間隔ｇ）および積層セラミックコンデンサ１４の配列間隔（配列密度）のうち少なくとも１つを変更することにより傾斜的に分布している。
なお、本実施の形態では、異方性物質パラメータとして透磁率を例にして説明したが、誘電率および屈折率についても同様に、積層セラミックコンデンサ１４の各部の寸法や配列間隔を変更することにより任意の分布を得ることができる。また、積層セラミックコンデンサ１４の容量は、積層セラミックコンデンサ１４の各部の寸法に基づいて決まるため、積層セラミックコンデンサ１４の容量を基準として、電磁波クローキング構造体１０の各点（単位セル構造１６）における異方性物質パラメータを求めることもできる。

以上説明したように、実施の形態にかかる電磁波クローキング構造体１０によれば、積層セラミックコンデンサ１４を用いて電磁波クローキング構造体１０の各点における異方性物質パラメータを所望の値とする。このため、従来技術と比較して、単位セル構造１６のサイズを小さくすることができ、対象物２０が狭小な場合でも装荷可能とすることができる。
また、積層セラミックコンデンサ１４は、汎用部品であることから、安価かつ容易に入手することができ、人的コストや金銭的コストを低減することができる。
また、積層セラミックコンデンサ１４を用いた単位セル構造１６は、電磁波クローキング構造体１０に適用可能な異方性物質パラメータを示す周波数帯が広いので、電磁波クローキング構造体１０の各点における異方性物質パラメータを設計するに際しての自由度を向上させる上で有利である。
また、単位セル構造１６の異方性物質パラメータは、積層セラミックコンデンサ１４の内部構造（電極寸法等）の変更のみならず、積層セラミックコンデンサ１４の配列間隔を変更することによっても変更可能なので、内部構造の異なる複数種類の積層セラミックコンデンサ１４を用意する必要がなく、コスト面で有利である。

１０ 電磁波クローキング構造体
１２ 誘電体基板
１４ 積層セラミックコンデンサ
１４０２ 本体部
１４０４ 内部電極
１４０６ 誘電体
１４０８ 外部電極
１６ 単位セル構造
１８ ランドパターン
２０ 対象物

Claims (4)

1. 電磁波から対象物を隠蔽するための電磁波クローキング構造体であって、
   前記電磁波を所定の方向に導くように構成された積層セラミックコンデンサが前記対象物の周囲に複数配置されており、
   前記積層セラミックコンデンサは、メタマテリアルとして機能し、
   前記電磁波クローキング構造体の各点における異方性物質パラメータは、前記電磁波クローキング構造体内を通過する電磁波が前記対象物を迂回し、かつ前記電磁波クローキング構造体通過後の電磁波の軌道が前記電磁波クローキング構造体通過前の電磁波の軌道の延長線上となるように設定されている、
   ことを特徴とする電磁波クローキング構造体。
2. 前記異方性物質パラメータは、屈折率、誘電率および透磁率のうち少なくとも１つを含む、
   ことを特徴とする請求項１記載の電磁波クローキング構造体。
3. 前記電磁波クローキング構造体の各点における異方性物質パラメータは、それぞれの前記積層セラミックコンデンサの容量、内部電極寸法、内部電極間寸法および前記積層セラミックコンデンサの配列間隔のうち少なくとも１つを変更することにより傾斜的に分布している、
   ことを特徴とする請求項１または２記載の電磁波クローキング構造体。
4. 前記対象物は円形であり、
   前記電磁波クローキング構造体は、
   前記対象物の中心に対して回転対称に配置された誘電体基板と、
   前記誘電体基板上に配列された複数の前記積層セラミックコンデンサと、を含んで構成されている、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項記載の電磁波クローキング構造体。

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