JP2021532667A - 波吸収メタマテリアル - Google Patents
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Abstract
本発明は、周期的に配列されている複数のメタマテリアルセルを備え、前記メタマテリアルセルが、第１平面内に設けられている第１ループと、第２平面内に設けられており、前記第１ループと直交するように、前記第１平面が前記第２平面と垂直である第２ループとを備える波吸収メタマテリアルを開示している。本発明の上記技術的解決手段は、広帯域波吸収を保証する前提で、広い角度範囲内の波吸収を実現することができる。【選択図】図１
Description
本発明は、メタマテリアル技術分野に関し、具体的には、波吸収メタマテリアルに関する。
現代通信技術の継続的な発展に伴い、電磁スペクトル資源は日増しに不足している。それと同時に、氾濫している電磁波は、人間の生存を危うくする第４の公害、即ち電磁汚染をも形成している。電磁的両立及び電磁波公害の抑制を実現するために、波吸収材料の使用が効果的な手段である。波吸収材を用いて特定の周波数帯域の電磁波を吸収することにより、外部電磁波が無線機の正常な動作を妨害することを防止可能であるとともに、自由空間に存在する電磁波を低減可能である。
現在、よく知られている広帯域化波吸収材料構造は、複数層の２次元構造が縦続接続されることにより、広帯域の波吸収を実現している。このような構造は広帯域の波吸収を実現することができるが、その構造が複雑であるとともに、多層構造間のインピーダンス整合が困難であるため、入射角が変化するとその波吸収効果が大きく変化してしまう。また、複数層の２次元構造の重畳を採用しているため、この構造の波透過能力が悪く、極めて狭い周波数帯域でしか波高透過を実現できない。
本発明は、関連技術における前記問題点に鑑み、広帯域の波吸収を保証する前提で、広い角度範囲内の波吸収を実現することができる波吸収メタマテリアルを提供する。
本発明の技術的手段は、以下のように達成される。
本発明の一態様によれば、周期的に配列されている複数のメタマテリアルセルを備える波吸収メタマテリアルを提供し、メタマテリアルセルは、
第１平面内に設けられている第１ループと、
第２平面内に設けられており、第１ループと直交するように、第１平面が第２平面と垂直である第２ループとを備える。
第１平面内に設けられている第１ループと、
第２平面内に設けられており、第１ループと直交するように、第１平面が第２平面と垂直である第２ループとを備える。
本発明の実施例によれば、メタマテリアルセルは、互いに垂直である第１誘電体板及び第２誘電体板をさらに備え、第１ループ及び第２ループが第１誘電体板及び第２誘電体板にそれぞれ設けられている。
本発明の実施例によれば、第１ループと第２ループとのそれぞれは、互いに離間して開口が対向している２つの金属半ループと、各抵抗の両端が２つの金属半ループの同一側に位置して対向する２つの端部にそれぞれ接続される２つの抵抗と、を備える。
本発明の実施例によれば、各抵抗の両端と対応する金属半ループの端部との間に金属延長部がさらに設けられている。
本発明の実施例によれば、第１ループにおける一方の抵抗が第２ループにおける対向する２つの金属半ループ間に位置するとともに、第１ループにおける他方の抵抗が第２ループにおける対向する２つの金属半ループの外部に位置する。
本発明の実施例によれば、第１ループと第２ループとのそれぞれにおいて、２つの抵抗の抵抗値が異なる。
本発明の実施例によれば、第１ループの２つの金属半ループの寸法が、第２ループの２つの金属半ループの寸法と同じである。
本発明の実施例によれば、隣接する第１誘電体板と隣接する第２誘電体板との間に電解質が充填されている。
本発明の実施例によれば、波吸収メタマテリアルはさらに、第１平面と垂直であって第２平面と垂直である金属バックシートを備え、複数のメタマテリアルセルが金属バックシートの一側面に周期的に配列されている。
本発明の実施例によれば、波吸収メタマテリアルはさらに、複数のメタマテリアルセルが一側面に周期的に配列されているスキンを備える。
本発明の上記技術的解決手段は、３次元構造のメタマテリアルをベースとし、構造がシンプルで明瞭であり、インピーダンス整合が実現しやすく、第１ループ及び第２ループのパラメータ及び位置を合理的に調整することにより、広帯域の波吸収を保証する前提で、広い角度範囲内の波吸収を実現することができる。
以下、本発明の実施例又は従来技術における技術的手段をより明確に説明するために、実施例において使用する必要がある図面を簡単に紹介し、以下に説明する図面は、本発明の幾つかの実施例に過ぎず、当業者にとっては創造的努力なしにこれらの図面から他の図面を導き出すこともできることは明らかである。
図１は本発明の実施例に係る波吸収メタマテリアルの直交ループを示す図である。
図２は本発明の実施例に係る波吸収メタマテリアルを示す図である。
図３は本発明の実施例に係る波吸収メタマテリアルの１ループを示す図である。
図４Ａは本発明の実施例に係る波吸収メタマテリアルの誘電体板の正面概略図、図４Ｂは本発明の実施例に係る波吸収メタマテリアルの誘電体板の側面概略図である。
図５は本発明の具体的な実施例に係る波吸収メタマテリアルの平行偏波吸収曲線を示す図である。
図６は本発明の具体的な実施例に係る波吸収メタマテリアルの平行偏波反射曲線を示す図である。
図７は本発明の具体的な実施例に係る波吸収メタマテリアルの垂直偏波吸収曲線を示す図である。
図８は本発明の具体的な実施例に係る波吸収メタマテリアルの垂直偏波反射曲線を示す図である。
以下、本発明の実施例における図面を参照しながら、本発明の実施例における技術的手段を明確かつ完全に説明するが、説明した実施例は本発明の実施例のすべてではなく、単に実施例の一部であることは明らかである。本発明の実施例に基づいて、当業者が取得したすべての他の実施例は、いずれも本発明の保護範囲に属している。
なお、示される方位又は位置関係は、図面に基づいて示される方位又は位置関係である。これらの用語は、本発明の説明を容易にするため、及び説明を簡略化するためのものに過ぎず、言及される装置又は要素が特定の方位を有し、特定の方位で構成及び動作しなければならないと指示又は暗示するためではなく、したがって、本発明を限定するものとして理解されるべきではない。また、「第一」、「第二」によって限定されている特徴は、１つ又は複数の当該特徴を含むことを明示又は暗示することができる。本発明の説明において、別途説明がない限り、「複数」とは２つ以上を意味する。
図１及び図２に示すように、本発明は、周期的に配列されている複数のメタマテリアルセル１００を備え、メタマテリアルセル１００が、第１平面内に設けられている第１ループ１０と、第２平面内に設けられている第２ループ２０とを備える波吸収メタマテリアルを提供する。第１ループ１０と第２ループ２０とが互いに直交するように、第１平面が第２平面と垂直である。
なお、図１において、第１平面はＸＹ平面であり、第２平面はＹＺ平面である。さらに、図１及び図２には、１つのメタマテリアルセル１００のみが示されているが、これは、本発明の波吸収メタマテリアルが１つのメタマテリアルセルのみを備えることを示すものではなく、メタマテリアルセルの具体的な数が具体的な応用シナリオに応じて決定されてもよい。
本発明の上記技術的解決手段は、３次元構造のメタマテリアルをベースとし、構造がシンプルで明瞭であり、インピーダンス整合が実現しやすく、第１ループ１０及び第２ループ２０のパラメータ及び位置を合理的に調整することにより、広帯域の波吸収を保証する前提で、広い角度範囲内の波吸収を実現することができる。
図１に示すように、第１ループ１０は、２つの金属半ループ１２、１４及び２つの抵抗１６、１８を備え、２つの金属半ループ１２、１４が互いに離間して開口が対向している。抵抗１６、１８が、開口が対向している２つの金属半ループ１２、１４に接続され、具体的には、抵抗１６の両端が２つの金属半ループ１２、１４の同一側に位置して対向している２つの端部にそれぞれ接続され、抵抗１８の両端が２つの金属半ループ１２、１４の他側に位置して対向している２つの端部にそれぞれ接続され、２つの金属半ループ１２、１４を合わせて運動場のレーストラック形状に形成し、即ち２本の平行線の同一側の先端が半円形にそれぞれ結んでおり、各金属半ループ（１２又は１４）がそれぞれ１つの半円形及び２本の平行線の半分を備える。
同様に、第２ループ２０は、２つの金属半ループ２２、２４及び２つの抵抗２６、２８を備え、２つの金属半ループ２２、２４が互いに離間して開口が対向している。抵抗２６、２８が、開口が対向している２つの金属半ループ２２、２４に接続され、具体的には、抵抗２６の両端が２つの金属半ループ２２、２４の同一側に位置して対向している２つの端部にそれぞれ接続され、抵抗２８の両端が２つの金属半ループ２２、２４の他側に位置して対向している２つの端部にそれぞれ接続され、２つの金属半ループ２２、２４を合わせて運動場のレーストラック形状に形成し、即ち２本の平行線の同一側の先端が半円形にそれぞれ結んでおり、各金属半ループ（２２又は２４）がそれぞれ１つの半円形及び２本の平行線の半分を備える。
このように、２つの抵抗を用いて同一平面内の２つの金属半ループを直列に接続することにより、第１ループ及び第２ループをそれぞれ形成する。かつ、互いに直交している第１ループ１０及び第２ループ２０により、本発明の波吸収メタマテリアルに、両偏波でも優れた波吸収性能を持たせることができる。
また、このような３次元構造を用いるため、電磁波の入射方向Ｄｉｎ（図２に示すように）における金属デューティ比が低くなり、インピーダンス整合がより容易に実現される。
引き続き図１を参照すると、第１ループ１０において、抵抗１６、１８の両端と対応する金属半ループ１２、１４の端部との間には、２組の平行線を構成するための金属延長部１５がさらに設けられている。第２ループ２０において、抵抗２６、２８の両端と対応する金属半ループ２２、２４の端部との間には、２組の平行線を構成するための金属延長部２５がさらに設けられている。
第１ループ１０における一方の抵抗１６が第２ループ２０における対向する２つの金属半ループ２２、２４間に位置するとともに、第１ループ１０における他方の抵抗１８が第２ループ２０における対向する２つの金属半ループ２２、２４の外部に位置する。即ち、第１ループ１０における抵抗１６が、金属半ループ２２、２４及び２つの抵抗２６、２８が直列接続されてなる第２ループ２０の内部に位置し、第１ループ１０における抵抗１８が第２ループの外部に位置し、このような設計により同様にインピーダンス整合が容易に実現される。
本実施例において、第１ループ１０の２つの金属半ループ１２、１４の寸法が、第２ループ２０の２つの金属半ループ２２、２４の寸法と同じである。
一実施例において、第１ループ１０において、２つの抵抗１６、１８の抵抗値が異なってもよい。第２ループ２０において、２つの抵抗２６、２８の抵抗値が異なってもよい。一実施例において、第１ループ１０において、２つの抵抗１６、１８の抵抗値が同じであってもよい。一実施例において、第２ループ２０において、２つの抵抗２６、２８の抵抗値が同じであってもよい。
他の実施例において、第１ループ１０における一方の抵抗１６が第２ループ２０における対向する２つの金属半ループ２２、２４間に位置するとともに、第１ループ１０における他方の抵抗１８が第２ループ２０における対向する２つの金属半ループ２２、２４の間に位置する。即ち、第１ループ１０における抵抗１６が、金属半ループ２２、２４及び２つの抵抗２６、２８が直列接続されてなる第２ループ２０の内部に位置し、第１ループ１０における抵抗１８も第２ループ２０の内部に位置し、そして、第１ループ１０が第１ループ１０と第２ループ２０との互いに直交する直交線を回転軸として反時計回りに９０度回転して第２ループと重なり、このような設計により同様にインピーダンス整合が実現できる。
図２に示すように、それぞれのメタマテリアルセル１００は、互いに垂直である第１誘電体板１１及び第２誘電体板２１をさらに備え、第１ループ１０及び第２ループ２０が第１誘電体板１１及び第２誘電体板２１にそれぞれ設けられている。第１ループ１０及び第２ループ２０における金属半ループ１２、１４、２２、２４の半径、及び第１誘電体板１１、第２誘電体板２１の入射方向Ｄｉｎにおける厚さ（即ち図４Ｂにおける厚さＤ２）を調整することにより吸収される帯域を調整することができ、これにより本発明の波吸収メタマテリアルが単に特定の周波数帯域に対応するのではなく、パラメータの設定により吸収帯域を調整することができる。
隣接する第１誘電体板１１と隣接する第２誘電体板２１との間に電解質が充填されてもよい。第１ループ１０及び第２ループ２０が異なる誘電体板に搭載されるため、複数のメタマテリアルセル１００が周期的に配列された後、隣接する第１誘電体板１１と隣接する第２誘電体板２１との間に大きな空隙が生じ、これらの空隙に誘電率が低い（例えば、誘電率が４未満）電解質で充填されてもよい。
引き続き図２を参照すると、本発明に係る波吸収メタマテリアルは、前記第１平面と垂直であって第２平面と垂直である金属バックシート２００をさらに備え、つまり、金属バックシート２００が第１誘電体板１１及び第２誘電体板２１と垂直である。複数のメタマテリアルセル１００が金属バックシート２００の一側面に周期的に配列されている。金属バックシート２００は銅、銀、金などの金属のいずれかを用いてもよい。
幾つかの実施例において、本発明に係る波吸収メタマテリアルはさらに、複数のメタマテリアルセル１００が一側面に周期的に配列されているスキン（図示せず）を備えてもよい。例えば、スキンが金属バックシート２００と対向して設けられてもよく、複数のメタマテリアルセル１００がスキンの金属バックシート２００に近い側面に周期的に配列され、即ち複数のメタマテリアルセル１００がスキンと金属バックシート２００との間に位置する。周期的に配列されている複数のメタマテリアルセル１００の一側にスキンを添加して保護することにより、広帯域で波を吸収するとともに低周波数でも高い波透過率を有することを保証することができる。
さらに図１及び図２に示すように、一実施例において、金属半ループは、厚さが２０μｍである銅ループであってもよく、第１、第２誘電体板の誘電率がいずれも３.１であり、損失正接が０.６％である。一実施例において、金属半ループが金、銀などの金属のいずれかを用いてもよい。
図３、図４Ａ及び図４Ｂに示すように、一具体的な実施例において、第１ループ１０、第２ループ２０における各金属半ループの寸法が同じであり、具体的には、金属半ループの内径Φ１＝２.６ｍｍであり、金属半ループの幅Ｄ１＝０.６ｍｍであり、同一平面内（即ち同一ループ内）の両金属半ループと金属延長部との距離Ｌ１＝２ｍｍであり、金属延長部の長さＬ２＝０.９ｍｍである。第１誘電体板１１、第２誘電体板２１の長さはいずれもＬ３＝８ｍｍであり、厚さはいずれもＤ２＝０.８ｍｍであり、幅はいずれもＨ１＝７ｍｍである。第１ループ１０、第２ループ２０における一方の抵抗（例えば抵抗１６、２６）の抵抗値はＲ１＝５００Ωであり、他方の抵抗（例えば抵抗１８、２８）の抵抗値はＲ２＝１５０Ωである。
図５〜図８は、図３、図４Ａ及び図４Ｂに示す実施例のシミュレーション結果を示している。シミュレーション結果から分かるように、図５及び図６に示すように、ＴＥ偏波では、０〜６０°範囲内Ｘ帯域（８ＧＨｚ〜１２ＧＨｚ）からＫｕ帯域（１２ＧＨｚ〜１８ＧＨｚ）までは、ほぼ吸収率が７０以上達し、Ｋｕ帯域が９０％以上達している。
図７及び図８に示すように、ＴＭ偏波では、Ｘ−Ｋｕ帯域吸収率は０〜４０°の範囲でほぼ７０％以上達し、Ｋｕ帯域０〜６０°の範囲でほぼ７０％以上の吸収率に達している。なお、本実施例は１つの例示に過ぎず、金属半ループの寸法、誘電体板の厚さや幅、抵抗の抵抗値などのパラメータを調整することにより、波吸収範囲を自由に調整することができ、このような波吸収範囲は現在常用の電磁波周波数帯域をカバーすることができる。
本発明に係る波吸収メタマテリアルは、レドームに適用することができ、レドームにより保護されるアンテナが動作周波数帯域内に性能が基本的に影響を受けずに帯域外電磁波がレドームに入らないことを保証することができる。本発明に係る波吸収メタマテリアルは、通信分野にも適用でき、アンテナアレイの単一アレイを実現するために独立チャネルなどの機能を使用する新たな手段を提供することができる。
以上の説明は、本発明の好ましい実施例に過ぎず、本発明を限定するためのものではなく、本発明の精神及び原則内で行われるあらゆる修正、同等置換及び改良などは、いずれも本発明の保護範囲内に含まれるべきである。
Claims (10)
- 周期的に配列されている複数のメタマテリアルセルを備え、前記メタマテリアルセルは、
第１平面内に設けられている第１ループと、
第２平面内に設けられており、前記第１ループと直交するように、前記第１平面が前記第２平面と垂直である第２ループとを備える、波吸収メタマテリアル。 - 前記メタマテリアルセルは、互いに垂直である第１誘電体板及び第２誘電体板をさらに備え、前記第１ループ及び前記第２ループが前記第１誘電体板及び前記第２誘電体板にそれぞれ設けられている、請求項１に記載の波吸収メタマテリアル。
- 前記第１ループと前記第２ループとのそれぞれは、
互いに離間して開口が対向している２つの金属半ループと、
各抵抗の両端が前記２つの金属半ループの同一側に位置して対向する２つの端部にそれぞれ接続される２つの抵抗と、を備える、請求項１に記載の波吸収メタマテリアル。 - 各抵抗の両端と対応する金属半ループの端部との間に金属延長部がさらに設けられている、請求項３に記載の波吸収メタマテリアル。
- 第１ループにおける一方の抵抗が第２ループにおける対向する２つの金属半ループ間に位置するとともに、第１ループにおける他方の抵抗が第２ループにおける対向する２つの金属半ループの外部に位置する、請求項３に記載の波吸収メタマテリアル。
- 前記第１ループと前記第２ループとのそれぞれにおいて、前記２つの抵抗の抵抗値が異なる、請求項３に記載の波吸収メタマテリアル。
- 前記第１ループの２つの金属半ループの寸法が、前記第２ループの２つの金属半ループの寸法と同じである、請求項３に記載の波吸収メタマテリアル。
- 隣接する第１誘電体板と隣接する第２誘電体板との間に電解質が充填されている、請求項２に記載の波吸収メタマテリアル。
- 前記波吸収メタマテリアルはさらに、
前記第１平面と垂直であって前記第２平面と垂直である金属バックシートを備え、
前記複数のメタマテリアルセルが前記金属バックシートの一側面に周期的に配列されている、請求項１に記載の波吸収メタマテリアル。 - 前記波吸収メタマテリアルはさらに、
前記複数のメタマテリアルセルが一側面に周期的に配列されているスキンを備える、請求項１に記載の波吸収メタマテリアル。
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