JP2020092451A

JP2020092451A - 電磁波伝送ケーブル

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Publication number: JP2020092451A
Application number: JP2020029594A
Authority: JP
Inventors: 康雄細田; Yasuo Hosoda; 知幸宮本; Tomoyuki Miyamoto; 一智小幡; Kazutomo Obata; 富樫　孝宏; Takahiro Togashi; 孝宏富樫; 田切　孝夫; Takao Tagiri; 孝夫田切
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2016-11-30
Filing date: 2020-02-25
Publication date: 2020-06-11
Also published as: US20190296416A1; JPWO2018100908A1; JP6667666B2; WO2018100908A1; EP3534194A1; US11018403B2; EP3534194A4

Abstract

【課題】製造コストをかけず、波長依存性の無い伝送ケーブルを提供する。【解決手段】電磁波を伝送する伝送ケーブル１００であって、電磁波の伝送路である中空導波管１０と、中空導波管の外側表面を被覆する発泡樹脂材２０と、を有する。中空導波管は、筒状に形成された中空の誘電体層から構成されている。発泡樹脂材は、中空導波管の長手方向の所定長さに亘って設けられ、中空導波管の外周を囲むように誘電体層の表面を被覆している。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波伝送ケーブルに関する。

樹脂等の誘電体で作られた中空導波管は、同軸ケーブル等の金属ケーブルや金属導波管に比べると軽量で且つフレキシブル性が高く、さらに伝送ロスも少なく伝送効率が良いため、主にミリ波（３０〜３００ＧＨｚ）からＴＨｚ帯（０．１〜１００ＴＨｚ）の電磁波を伝送するケーブルとして有効である。

しかしながら、中空導波管を単層の誘電体チューブで構成すると、周辺の大気に対して閉じ込め効果があるが、金属や別の誘電体、特に人体等が導波管の外壁に触れると、閉じ込め効果が阻害されて、電磁波が抜け出て散乱してしまう。

そこで、２種類の誘電体を何層も重ねたブラッグミラーを導波管の外周部に構築することにより、電磁波を閉じ込めて伝送する伝送路が考えられた（例えば、特許文献１）。

米国特許出願公開第２００９／００９７８０９号公報

上記した従来技術では、ブラッグミラーを構成するために、異なる材料を何層も重ねなければならない。そのため、工数が多くなり、製造コストがかかるという問題があった。また、伝送する波長によって各層の厚さを設計しなければならず、波長依存性があるという問題があった。

本発明が解決しようとする課題としては、中空導波管に他の物体が接触している場合に電磁波の閉じ込め効果が阻害されるという問題が一例として挙げられる。

請求項１に記載の発明は、電磁波を伝送する伝送ケーブルであって、誘電体からなる導波管と、前記中空導波管の長手方向に沿って設けられ、前記導波管を被覆する発泡樹脂材と、を有することを特徴とする。

本発明の電磁波伝送ケーブルを模式的に示す図である。本発明の電磁波伝送ケーブルの長手方向の断面図である。本発明の電磁波伝送ケーブルの変形例を示す長手方向の断面図である。本発明の電磁波伝送ケーブルの変形例を模式的に示す図である。本発明の電磁波伝送ケーブルの変形例を示す長手方向の断面図である。本発明の電磁波伝送ケーブルの変形例を示す長手方向の断面図である。実施例２の電磁波伝送ケーブルを模式的に示す図である。実施例２の電磁波伝送ケーブルの長手方向の断面図である。外部被覆の有無と伝送損失との関係の例を示す図である。外部被覆の有無と有効屈折率との関係を示す図である。

以下、本発明の実施例について、図面を参照して説明する。なお、以下の説明及び添付図面においては、実質的に同一又は等価な部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本実施例の電磁波伝送ケーブル１００の構成を模式的に示す図である。電磁波伝送ケーブル１００は、導波路が筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管１０と、中空導波管１０の外側表面を被覆する発泡樹脂材２０とを備える。中空導波管１０の誘電体層と中空部分は、電磁波ＥＷを伝送する導波路となっている。

図２は、電磁波伝送ケーブル１００の長手方向に沿った断面図である。中空導波管１０は、誘電体層１１及び中空領域１２から構成されている。

誘電体層１１は、中心軸ＣＡを中心として中空領域１２を囲むように筒状に形成されている。すなわち、誘電体層１１は、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の形状を有する。例えば、図１では中心軸ＣＡに垂直な方向における誘電体層１１の断面の外縁が円形である場合を示しているが、長円形、楕円形、矩形等の形状であっても良い。また、誘電体層１１は、例えばフッ素樹脂であるＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）から構成されている。従って、誘電体層１１は約１．５の屈折率を有する。

中空領域１２は、中空導波管１０の内径（すなわち、誘電体層１１からなる誘電体チューブの内径）に沿って、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の形状に設けられている。但し、誘電体導波路は所望の性能が得られるのであれば、必ずしも回転対称形状である必要は無く、例えば、図１では中心軸ＣＡに垂直な方向における中空領域１２の断面（すなわち、導波路の断面）が円形である場合を示しているが、長円形、楕円形、矩形等の形状であっても良い。

中空導波管１０を流れる電磁波ＥＷの波長と最適なチューブ形状には密接な関係が存在する。例えば、中空導波管１０の内径は、伝送損失の少ないＨＥ１１モードへの固定を強めるため、波長より小さく設定することが望ましい。また、一方、中空領域１２が減少すると、電磁波の閉じ込め効果が弱くなってしまうため、中空導波管１０の内径は半波長よりも長く設定することが望ましい。従って、本実施例における中空導波管１０の内径は、半波長以上且つ波長以下となるように設定されている。

また、中空導波管１０の外径は、波長相当（波長×屈折率）よりも大きいことが望ましい。一方、ＨＥ１１モードでの伝送を主とするためには、中空導波管の外径はあまり大きくないことが望ましく、具体的には波長相当の倍以下であることが望ましい。従って、本実施例における中空導波管１０の外径は、波長相当以上且つ波長相当の倍以下となるように設定されている。

中空導波管１０の誘電体層１１の厚みは、伝送損失の少ないＨＥ１１モードへの固定を強めるため、波長より小さく設定することが望ましい。しかし、誘電体層１１が薄すぎると導波路に必要な強度が得られないため、誘電体層１１の厚みは、波長の１/１０より厚く設定することが望ましい。従って、本実施例における誘電体層１１の厚みは、波長の１/１０相当以上且つ波長以下となるように設定されている。

発泡樹脂材２０は、中空導波管１０の長手方向（すなわち、導波路方向）に延在し、中空導波管１０の中心軸ＣＡを中心として中空導波管１０の外周を囲むように誘電体層１１の外側表面（すなわち、中空領域１２とは反対側の表面）を被覆している。また、発泡樹脂材２０は、最も単純な形状としては中空導波管１０の中心軸ＣＡを中心とした回転対称の断面形状を有する。但し、所望の性能が得られるのであれば、形状は任意である。例えば、図１では中心軸ＣＡに垂直な方向における発泡樹脂材２０の断面の外縁が円形である場合を示しているが、長円、楕円、矩形等であっても良い。また、発泡樹脂材２０の断面の外縁は、誘電体層１１の断面の外縁と同様の形状であっても良く、異なる形状であっても良い。

発泡樹脂材２０は、例えば発泡ポリスチレンから構成されている。発泡ポリスチレンは、屈折率１．６のポリスチレンと、屈折率１の空気とが微細に入り組んだ構造をしており、誘電体であるポリスチレンと空気との微細な反射界面が大量に存在している。例えば、梱包材として使われていた発泡率が低い発泡ポリスチレンのバルク状態での平均屈折率（バルク材料が単一物質の均質媒体であると仮定した場合の屈折率）を測定すると、０．１〜０．５ＴＨｚでの平均屈折率は約１．１であった。この結果から、発泡ポリスチレン中には空気が大量に混在していることが確認できる。

このように、発泡樹脂材２０には大量の空気が含まれており、中空導波管１０の表面に接触しているポリスチレンの割合は非常に少ない。従って、金属や人体等が発泡樹脂材２０の外側表面（すなわち中空導波管１０と接する表面とは反対側の表面）に接触するような場合においても、電磁波の漏れ出しを大きく減らすことができる。

なお、発泡樹脂材２０の厚さがあまり薄いと、電磁波の閉じ込め効果が減少する。例えば、導波周波数３００ＧＨｚ、外径０．９ｍｍ、内径０．５ｍｍのＰＴＦＥで構成された中空導波管を用いて行った実験では、発泡樹脂材２０の厚さが１ｍｍ未満の場合には十分な効果が得られなかった。従って、発泡樹脂材２０の厚さ（被覆部分の厚さ）は、伝送する電磁波の波長相当の厚さ（波長×平均屈折率）以上が望ましい。また、厚すぎると扱いづらくなるため、発泡樹脂材２０の厚さ５０ｍｍ以下、好ましくは１０ｍｍ以下に設定されていることが望ましい。

以上のように、本実施例の電磁波伝送ケーブル１００では、中空導波管１０の表面が発泡樹脂材２０により被覆されている。発泡樹脂材２０は空気を大量に含んでおり、平均屈折率が中空導波管１０の誘電体層１１の屈折率よりも小さい。

この構成によれば、金属や人体等の他の物体が接触するような場合であっても、中空導波管１０における電磁波の閉じ込め効果を維持することが可能となる。

なお、本発明の実施形態は、上記実施例で示したものに限られない。例えば、上記実施例では、発泡樹脂材２０が発泡ポリスチレンから構成されている例について説明した。しかし、発泡樹脂材２０の材料はこれに限られず、発泡ポリウレタン、発泡ポリオレフィン、発泡ポリオレフィン（発泡ポリエチレン、発泡ポリプロピレン）、発泡ポリテトラフルオロエチレン（ＰＴＦＥ）等から構成されていても良い。

なお、中空導波管１０の外径が波長相当（波長×屈折率）よりも細い場合には、導波管の外周部を伝わる成分が発生するため、被覆している発泡樹脂が大気よりも減衰率が高いと悪影響となる可能性がある。この点、発泡樹脂材２０の材料がポリスチレン（ＰＳ）、ポリエチレン（ＰＥ）、及びフッ素樹脂（ＰＴＦＥ）である場合には、発泡時の平均減衰率が０．１ｃｍ^-1以下であるため、問題は小さい。

また、上記実施例では、発泡樹脂材２０が発泡ポリスチレンから構成され、０．１〜０．５ＴＨｚでの平均屈折率は約１．１である場合を例として説明した。しかし、発泡樹脂材２０の平均屈折率はこれに限られない。屈折率が低いことにより電磁波の閉じ込め効果が生じるため、発泡樹脂材２０の発泡率は高いことが望ましいが、発泡率が高すぎると軟らかくなりすぎて扱いづらくなる。このため、発泡樹脂材２０は、バルク状態での伝送周波数帯における平均屈折率が１．４を下回る程度まで発泡していることが望ましい。

また、上記実施例とは異なり、発泡樹脂材２０の材料として発泡フッ素樹脂（ポリテトラフルオロエチレン）（ＰＴＦＥ）のフォームを用いることにより、中空導波管１０の誘電体層１１と発泡樹脂材２０とを同種材料とすることができる。すなわち、同じ材料の発泡率の違いにより中空導波管１０及び発泡樹脂材２０を構成することが可能となる。

また、発泡樹脂材２０の表面に立体構造を設けても良い。例えば、図３（ａ）に示すように誘電体層１１に接触する内側表面とは反対側の外側表面に凸形状の構造を設けることにより、電磁波伝送ケーブル１００を曲げやすくすることができる。また、図３（ｂ）に示すように誘電体層に接触する内側表面に凸形状の構造を設けることにより、電磁波の閉じ込め効果を強化することができる。また、発泡樹脂材２０の表面に設ける立体構造の形状は、切り欠き形状やその他の凹凸形状であっても良い。

また、電磁波伝送ケーブル１００を保護し、つぶれることを防止するため、図３（ｃ）に示すように、中空導波管１０及び発泡樹脂材２０の長手方向に沿って、発泡樹脂材２０の外側表面を被覆する外部被膜３０を設けても良い。

また、図４に示すように、中空導波管１０の全体を発泡樹脂材２０により被覆するのではなく、導波管同士を接続するためのコネクタ部や、導波管を所定の高さに保持するための支持部等、他の部材と接触する可能性のある部分だけを発泡樹脂材２０により被覆する構成としても良い。すなわち、発泡樹脂材２０は中空導波管の長手方向の所定の長さ（距離）に亘って設けられていれば良く、複数箇所に設けられていても良い。

また、図５に示すように、発泡樹脂材２０の発泡率を誘電体層１１と接触する接触面に近い領域（すなわち、内側）と接触面から遠い領域（すなわち、外側）とで段階的に変化させても良い。例えば、誘電体層１１との接触面に近い内側領域では発泡率を上げて屈折率を小さくすることにより電磁波の閉じ込め効果を高め、誘電体層１１との接触面から遠い外側領域では発泡率を下げることによりケーブルの剛性を高めることができる。これは、例えば発泡樹脂材２０の誘電体導波路１０との接触面に近い領域から遠い領域までを複数のエリアに分け、接触面に近いエリアから遠いエリアに向かうにつれて各エリアの発泡率を段階的に小さくすることにより実現することができる。

また、図６（ａ）及び（ｂ）に示すように、導波管同士を接続するためのコネクタ部において、発泡樹脂材２０をコネクタ４０として利用することも可能である。例えば、発泡樹脂材２０の変形しやすい性質を利用して、図６（ａ）のように一対の保持部材４１Ａ及び４１Ｂの内側にテーパー状の空洞ができるように発泡樹脂材２０を設ける。これにより、図６（ｂ）のように中空導波管１０をコネクタ４０に挿入し、中空導波管を保持することができる。従って、保持部材４１Ａ及び４１Ｂの接触により電磁波の閉じ込め効果が阻害されることを防止しつつ、ケーブルの位置決めを簡便且つ確実に行うことができる。

また、本実施例の電磁波伝送ケーブル１００は、誘電体層１１をＰＴＦＥに延伸加工を施したｅ−ＰＴＦＥ（エキスパンデッドポリテトラフルオロエチレン）から構成することもできる。ｅ−ＰＴＦＥは、例えばＰＴＦＥ材料を少なくとも一方向に延伸して連続気孔性（連続した多数の気孔を有する構造）を持たせた後、高温で焼結固定（焼成によって固定）することにより得られる。本実施例で用いられる延伸気孔性樹脂（ｅ−ＰＴＦＥ）は、延伸方向に特徴的な微小結節と微細繊維構造を有するため、電磁波の伝送損失を上げることなく、低い平均屈折率媒体として機能することが出来る。

延伸気孔性樹脂の気孔率（樹脂中の多孔部分の割合）は３０〜９０％の間で用途に応じて選択できるが、本実施例のように外部を発泡樹脂材２０で被覆するためには、発泡樹脂材２０との屈折率差が必要となる。電磁波の伝送損失を抑えるためには、最低でも０．０１程度の屈折率差が必要であり、そこから求められる望ましい気孔率は７０％以下となる。従って、本実施例の誘電体層１１における延伸気孔性樹脂の気孔率の最適な範囲は３０〜７０％となる。

図７は、本実施例の電磁波伝送ケーブル２００の構成を模式的に示す図である。電磁波伝送ケーブル２００は、導波路が筒状に形成された中空の誘電体層からなる中空導波管１０と、中空導波管１０の外側表面を被覆する発泡樹脂材２０と、発泡樹脂材２０の外側表面を被覆する金属膜５０と、を備える。

図８は、電磁波伝送ケーブル２００の長手方向に沿った断面図である。中空導波管１０は、誘電体層１１及び中空領域１２から構成されている。

誘電体層１１は、例えばＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）やＰＴＦＥを延伸して連続気孔性を持たせ、焼成により固定化したｅ−ＰＴＦＥ（エキスパンデッドポリテトラフルオロエチレン）、ＰＥ（ポリエチレン）等、屈折率や複素屈折率の低い樹脂材料から構成されている。また、伝送損失を低下させるためには、チューブ（すなわち、誘電体層１１）の厚さは小さい（薄い）方が良い。

発泡樹脂材２０は、中空導波管１０の外周を囲むように配置されている。発泡樹脂材２０は、中空導波管１０の誘電体層１１を構成する誘電体よりも屈折率が低い必要があり、屈折率が１に近いほど良い。

発泡樹脂材２０は、例えば中空の形状を有する発泡樹脂の内部に中空導波管１０を挿入する方法や、発泡樹脂を中空導波管１０の周囲に巻き付ける方法等により、中空導波管１０の外周面に形成されている。

金属膜５０は、中空導波管１０及び発泡樹脂材２０と同様、中心軸ＣＡを中心とした回転対称の形状を有する。金属膜５０は、中空導波管１０及び発泡樹脂材２０の長手方向に延在し、中心軸ＣＡを中心として発泡樹脂材２０の外周を囲むように、中空導波管１０を被覆する発泡樹脂材２０の外側表面をさらに被覆している。但し、金属膜５０は所望の性能が得られるのであれば、任意の形状でよく、図７では中心軸ＣＡに垂直な方向における金属膜５０の断面の外縁が円形である場合を示しているが、長円、楕円、矩形等であっても良い。また、金属膜５０の断面の外縁は、中空導波管１０や発泡樹脂材２０の断面の外縁と同様の形状であっても良く、異なる形状であっても良い。すなわち、金属膜５０は発泡樹脂材２０を覆うような形状を有していれば良い。

金属膜５０は、例えば金、銀、銅等の比較的導電率の高い金属から構成されている。また、金属膜５０の厚さは、１μｍ程度以上であれば良い。金属膜５０は、例えば発泡樹脂材２０の表面に直接金属膜を成膜する方法や、予め誘電体シート表面に金属膜を成膜した金属膜付きシートを作製し、金属面が発泡樹脂材２０の側を向くように巻き付ける方法等により作製されている。

また、金属膜５０の外周部分は、誘電体等からなる保護膜（図示せず）により被覆されている。この保護膜は保護の機能のみを有し、電磁波伝送には寄与しない。例えば、金属膜付きシートを発泡樹脂材２０に巻き付ける方法で金属膜５０を作製した場合には、誘電体シートを剥離せずにそのまま保護膜として用いることができる。

このように、本実施例の電磁波伝送ケーブル２００では、中空導波管１０を被覆する発泡樹脂材２０の外側表面をさらに被覆するように金属膜５０が形成されている。この金属膜５０の効果について、図９及び図１０を参照して説明する。

図９は、外部被覆の有無に応じた、ｅ−ＰＴＦＥからなる誘電体層１１（誘電体チューブ）の厚さと伝送損失との関係を示すグラフである。

中空導波管のみからなり、外部被覆を有しない場合、図９に破線で示すように、誘電体層の厚さが小さくなる（誘電体チューブが薄くなる）にしたがって、伝送損失が低減する。

中空導波管の誘電体層の外側表面を発泡倍率が約３０倍の発泡ポリスチレン樹脂で被覆した場合、図９に一点鎖線で示すように、誘電体層（誘電体チューブ）の厚さがある程度以上の範囲（図１０では、約０．２ｍｍ〜０．７ｍｍ）では、外部被覆を有しない場合と比べて伝送損失が低減し、且つ誘電体層の厚さが小さくなるにしたがって伝送損失が低減する。しかし、誘電体層の厚さがある値（０．２ｍｍ）よりも小さくなると、伝送が出来なくなる程度まで伝送損失が悪化する（図９では、測定不能として示す）。

これに対し、中空導波管を被覆する発泡樹脂の外側表面をさらに金属膜で被覆した場合、図９に実線で示すように、誘電体層の厚さに比例して伝送損失が低減し、誘電体層の厚さがある値（０．２ｍｍ）よりも小さい範囲においても、伝送損失の悪化が生じない。

図１０は、外部被覆の有無に応じた、誘電体層の厚さと有効屈折率との関係を示すグラフである。有効屈折率は、電磁波伝送に寄与する媒質の平均屈折率を示すものであり、電磁波の伝送状態を特徴づけるパラメータである。

中空導波管の誘電体層の外側表面を発泡樹脂で被覆した場合、図１０に一点鎖線で示すように、誘電体層の厚さが小さくなる（誘電体チューブが薄くなる）にしたがって、有効屈折率が発泡樹脂の屈折率（１．０１６）（発泡倍率が約３０倍の発泡ポリスチレンの場合）に漸近する。これは、誘電体層の厚さが小さくなるにしたがって、電磁波の伝播媒質が誘電体から発泡樹脂に変化していることを示している。発泡樹脂を伝播媒質とする伝送は、電磁波の閉じ込めが不安定であり、最終的に伝送ができなくなってしまう。

これに対し、金属膜で発泡樹脂の外側表面を被覆した場合には、図１０に実線で示すように、有効屈折率は発泡樹脂の屈折率に漸近せず、誘電体層の厚さが小さくなるにしたがって有効屈折率も小さくなる。これは、電磁波の伝播媒質が発泡樹脂に変化せず、電磁波が誘電体層（誘電体チューブ）を導波路として安定して伝送されることを示している。

このように、本実施例の電磁波伝送ケーブル２００では、中空導波管１０の外部被覆を発泡樹脂材２０及び金属膜５０の２重構造とすることにより、発泡樹脂のみで被覆した場合に生じる伝送損失の低下を抑制することができる。すなわち、中空導波管の誘電体層を発泡樹脂のみで被覆すると、誘電体導波路と発泡樹脂の物性値によって決まる伝送損失の下限値を下回る（例えば、有効屈折率が発泡樹脂の屈折率を下回る）と電磁波の伝送ができなくなる。しかし、本実施例のように発泡樹脂（発泡樹脂材２０）を金属膜でさらに被覆することにより、その下限値（発泡樹脂のみで被覆した場合における伝送損失の下限値）以下の伝送損失を実現することができる。

また、本実施例の電磁波伝送ケーブル２００では、金属膜５０が外部からの電磁波（ノイズ）に対するシールドとして機能する。従って、中空導波管１０が外部から遮蔽されるため、安定した電磁波の伝送が可能となる。

また、発泡樹脂のみで中空導波管を被覆する場合と比べて、被覆部分全体の厚みを薄くすることができるため、小型化が可能となる。

なお、金属膜５０は、必ずしも発泡樹脂材２０の外側表面全体を被覆していなくても良い。例えば、金属膜５０は、電磁波ＥＷの波長以下の間隔であれば、パターニングされて部分的に発泡樹脂材２０の外側表面を被覆するものであっても良い。金属膜のパターニングは、例えば金属細線を巻き付ける方法や、網組シールドのように網をかぶせる方法により構成されていても良い。また、金属膜のパターニングは、成膜時にマスクを用いてワイヤーグリッドやメタマテリアル構造を作り込むことにより構成されていても良い。

また、誘電体導波路１０と金属膜５０の構造と材質を調整することにより、必要な発泡樹脂材２０の厚みを薄くすることができる。

また、金属膜５０が金、銀、銅等の金属から構成されている場合を例として説明したが、アルミや合金により構成されていても良い。金属膜５０を構成する金属は導電率が高いものが望ましいが、導電率が低くても伝送特性を向上させる効果はあるため、ある程度の導電率があればどのような金属でも用いることができる。

また、発泡樹脂材２０を被覆する外部被膜として、金属膜５０の代わりに誘電体膜を用いても良い。例えば、屈折率が１．４程度以上の誘電体膜であれば、界面での屈折率差を十分に確保することができる。

また、本実施例の電磁波伝送ケーブルは、例えば自動車等の車用情報ハーネスの代わりとなる車内用の大容量高速情報通信用のケーブルや、大容量通信が必要なデータセンターや動画伝送用等のケーブルとして用いることが可能である。

１０中空導波管
１１誘電体層
１２中空領域
２０発泡樹脂材
３０外部被膜
４０コネクタ
５０金属膜
４１Ａ，Ｂ保持部材
１００，２００電磁波伝送ケーブル

Claims

電磁波を伝送する伝送ケーブルであって、
誘電体からなる導波管と、
前記導波管の長手方向に沿って設けられ、前記導波管を被覆する発泡樹脂材と、
を有することを特徴とする電磁波伝送ケーブル。