JP2023139824A - 電磁波伝達シートおよび電磁波伝達シートの接続構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易に電磁波を放射させることが可能な電磁波伝達シートを実現すること。【解決手段】電磁波伝達シートは、誘電体からなる誘電体層１と、誘電体層１の一方の面に設けられた導電体層２と、誘電体層１の他方の面に設けられたメッシュ状の導電体からなるメッシュ層３と、によって構成されている。導電体層２は、誘電体層１の一方の面に全面的に設けられている。導電体層２のうち、電磁波を外部に放射させる領域には、スロットアンテナ４が設けられている。スロットアンテナ４は、導電体層２の一部に所定の平面パターンの貫通孔を設けることで、電磁波を送受信するアンテナとして機能させたものである。【選択図】図１

Description

本発明は、電磁波を２次元的に伝搬させる電磁波伝達シートに関するものである。

有線による１次元的な通信や、電磁波の空間伝搬による３次元的な通信に替わる通信として、電磁波伝達シートによる２次元的な通信が知られている。電磁波伝達シートは、特許文献１のように、誘電体からなるシートの一方の面に全面的に導電体からなる導電体層を設け、他方の面にメッシュ状の導電体からなるメッシュ層を設けた構造である。

特許文献１には、電磁波伝達シートとの電磁波の入出力を行うための電磁波インターフェイスが記載されている。電磁波インターフェイスは、複数の給電点を有した方形のパッチアンテナを備えることが記載されている。この電磁波インターフェイスをメッシュ層上に置くことで、電磁波の入出力を行う。

特許文献２には、放射器を電磁波伝達シート上に配置することで電磁波の入出力を行うことが記載されている。放射器は、誘電体層と導電体層の積層であり、誘電体層が電磁波伝達シートに接するように配置することが記載されている。

また、電磁波伝達シートを車載通信などに利用する場合、大きな電磁波伝達シートを製造することは困難であるため、複数の電磁波伝達シートを接続する必要がある。そこで特許文献３には、２枚の電磁波伝達シートの端部を、一対の導電体板で裏表から挟むように包み込むことで電磁波伝達シート同士を接続することが記載されている。

特開２０１１－１９３６０４号公報 特開２０１４－１０７７５５号公報 特開２０１０－５６９５２号公報

特許文献１、２では、電磁波インターフェイスや放射器を別途用意して電磁波伝達シートからの電磁波の出力を行っており、構造の複雑化、高コスト化を招くことになる。また、電磁波伝達シートのメッシュ層からの電磁波放射は弱く、電磁波伝達シートから離れると電界強度が急激に低下するため、電磁波インターフェイスや放射器と電磁波伝達シートに隙間が生じると、その透過損失が急激に増大するという問題がある。

また、特許文献３の電磁波伝達シートの接続方法では、別途導電体板が必要となり、やはり構造の複雑化、高コスト化を招くことになる。さらに、接続する２枚の電磁波伝達シートの高さを揃える必要があるため、適用が限定的である。たとえば、高さの異なる２枚の電磁波伝達シートの接続には適用できなかった。

そこで本発明の目的は、簡易に電磁波を放射させることが可能な電磁波伝達シートを実現することである。

本発明は、誘電体からなる誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に全面に設けられ、導電体からなる導電体層と、前記誘電体層の他方の面に設けられ、メッシュ状の導電体からなるメッシュ層と、を有した電磁波伝達シートであって、前記導電体層または前記メッシュ層に、スロットアンテナが設けられている、ことを特徴とする電磁波伝達シートである。

また、本発明は、上記本発明の電磁波伝達シート同士が接続された電磁波伝達シートの接続構造体であって、一方の前記電磁波伝達シートの前記スロットアンテナと、他方の前記電磁波伝達シートの前記スロットアンテナとが対向するように配置されている、ことを特徴とする電磁波伝達シートの接続構造体である。

本発明において、スロットアンテナは、導電体層に設けられていてもよい。メッシュ層に設ける場合よりもアンテナとしての機能を十分に発揮させることができる。

本発明において、スロットアンテナは平面パターンがクロススロットであってもよい。クロススロットとすることで、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の伝搬モードによらず、効率的に電磁波の送受信が可能となる。

本発明において、スロットアンテナは平面パターンが単スロットであり、その長辺方向が電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向と直交するようにしてもよい。これにより効率的に電磁波の送受信が可能となる。

本発明の電磁波伝達シートの接続構造体において、一方の電磁波伝達シートの所定領域において導電体層とメッシュ層を入れ替えることにより、一方の電磁波伝達シートの面と他方の電磁波伝達シートの面を導電体層に揃えてもよい。

本発明によれば、電磁波伝達シートからの電磁波放射を簡易に行うことができる。また、電磁波伝達シート同士の接続も容易に行うことができる。

第１実施形態の電磁波伝達シートの構成を示した図。 第１実施形態の電磁波伝達シートの平面図。 スロットアンテナ４の平面パターンの変形例を示した図。 スロットアンテナ４の平面パターンの変形例を示した図。 スロットアンテナ４の平面パターンの変形例を示した図。 電磁波伝達シート同士を接続した構造を示した図。 電磁波伝達シート同士を接続した構造を示した図。 第２実施形態の電磁波伝達シートの平面図。 パッチアンテナのポート位置を示した図。 スロットアンテナ４間の距離Ｓ（ｍｍ）と透過損失（ｄＢ）の関係を示したグラフ。 スロットアンテナ４の平面パターンをクロススロット、単スロットとした場合のそれぞれの透過損失を示したグラフ。 導電体層２とメッシュ層３を入れ替えた例を示した図。

以下、本発明の実施形態について図を参照に説明する。

（第１実施形態）
図１は、第１実施形態の電磁波伝達シートの構成を示した図である。図１のように、第１実施形態の電磁波伝達シートは、誘電体からなる誘電体層１と、誘電体層１の一方の面に設けられた導電体層２と、誘電体層１の他方の面に設けられたメッシュ状の導電体からなるメッシュ層３と、によって構成されている。この電磁波伝達シートでは、誘電体層１内部とメッシュ層３表面に電磁波を伝搬させることができ、高速な通信が可能である。

誘電体層１は、誘電体からなるシート状の構造体である。低損失な任意の誘電体材料でよく、たとえば樹脂、ゴムなどである。好ましくは比誘電率（電磁波伝達シートにおいて伝搬させる電磁波の周波数における値）が１～５の材料である。電磁波伝達シートの配置の自由度の点から、繰り返し折り曲げ可能な材料を用いるとよい。誘電体層１は、誘電体材料自体をシート状に成型したものであってもよいし、布や不織布のように誘電体からなる繊維をシート状に加工したものであってもよい。誘電体層１の厚さは、たとえば０．５～１０ｍｍである。

メッシュ層３は、誘電体層１の他方の面に設けられている。また、メッシュ層３は、メッシュ状の導電体からなる。メッシュ層３の材料は、導電体であれば任意の材料でよく、導電体層２と同一材料でもよい。メッシュの目の形状は正方形、ひし形、正六角形などである。メッシュの線幅は、たとえば０．１～２ｍｍ、メッシュの周期は、たとえば２～２０ｍｍである。また、メッシュ層３の厚さは、たとえば０．５～１００μｍである。メッシュ層３のメッシュは、線状の導電体を編み込むことで構成してもよいし、孔を開けることによって構成してもよい。また、メッシュの目は誘電体によって埋められていてもよい。

導電体層２は、誘電体層１の一方の面に全面に設けられている。導電体層２は、グランド導体として機能するものである。導電体層２の材料は、導電体であれば任意の材料でよく、たとえばＣｕ、Ａｌ、Ａｇ、Ａｕ、ステンレス、などである。導電体層２のシート抵抗は、１Ω／□以下が好ましい。効率的に電磁波を伝搬するためである。導電体層２の厚さは、たとえば０．５～１００μｍである。

導電体層２のうち、電磁波を外部に放射させる領域には、スロットアンテナ４が設けられている。スロットアンテナ４は、導電体層２の一部に所定の平面パターンの貫通孔を設けることで、電磁波を送受信するアンテナとして機能させたものである。スロットアンテナ４を設ける位置は、電磁波を放射させたい任意の位置でよい。スロットアンテナ４からの電磁波の放射方向は、電磁波伝達シートの面に垂直方向となる。

図２は、電磁波伝達シートの端部を導電体層２側から見た平面図である。図２のように、電磁波伝達シートの端部には、複数のスロットアンテナ４が一列に等間隔に配列して設けられている。複数のスロットアンテナ４の配列方向は、電磁波伝達シートの幅方向（電磁波の伝搬方向に垂直な方向）である。隣接するスロットアンテナ４の間隔は、互いに干渉しない範囲であれば任意である。スロットアンテナ４の平面パターンは、クロススロット（十字型）である。クロススロットは、２つの長方形を十字型に組み合わせたパターンであり、長方形の長さはたとえば実効波長（電磁波伝達シートを伝搬中の電磁波の波長）の１／２である。クロススロットの２つの長方形の長辺方向は、それぞれ電磁波伝達シートの幅方向とそれに垂直な方向に平行である。２つの長方形はそれぞれの中心でクロスさせてもよいし、中心からずらしてクロスさせてもよい。クロススロットとすることで、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の伝搬モードによらず安定して電磁波の送受信が可能となる。そのため、クロススロットは電磁波伝達シートによる双方向通信に好適である。

もちろん、スロットアンテナ４の平面パターンはクロススロットに限らない。アンテナとして機能し電磁波の送受信が可能なパターンであれば、任意の平面パターンとしてよい。

たとえば、図３（ａ）のように単スロット（長方形のパターン）としてもよい。長方形の長辺の長さは、たとえば実効波長の１／２である。この場合、長方形の長辺の方向と、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向とを直交させることで、効率的にスロットアンテナ４を介して電磁波の送受信を行うことができる。長方形の長辺の方向と、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向とが平行である場合は、効率的に電磁波の送受信ができない。単スロットは、電磁波伝達シートによる一方向通信に好適である。

また、たとえば、図３（ｂ）のように、テーパースロット（ボウタイ型）としてもよい。テーパースロットは、２つの三角形を頂点が重なるように向い合せたパターンであり、線路の中央から離れるほど線路の幅が広がるようなパターンである。テーパースロットとすることで、広帯域化を図ることができる。

スロットアンテナ４では、その平面パターンについて相似形を保ったまま拡大縮小してサイズを変えることで共振周波数を変えることができる。そこで、サイズの異なる相似形の平面パターンを複数用いることで、複数の周波数帯で送受信できるようにしてもよい。図４は、サイズの異なるクロススロットの平面パターンを交互に一列に配置した例である。たとえば、サイズの大きい方（スロットアンテナ４Ａ）は２．４ＧＨｚ帯、サイズの小さい方（スロットアンテナ４Ｂ）は５．２ＧＨｚ帯の送受信が可能とすることで、無線ＬＡＮと同様の周波数帯での通信が可能となる。

異なる平面パターンを組み合わせて用いてもよい。たとえば、図５のように、長辺方向が互いに直交する単スロットを交互に並べて配置してもよい。クロススロットの場合と同様に、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の伝搬モードによらず安定して電磁波の送受信が可能となる。

また、スロットアンテナ４は複数である必要はないが、効率的に電磁波の送受信を行う点から複数設けることが好ましい。隣接するスロットアンテナ４間の距離は等間隔でなくともよい。また、第１実施形態では複数のスロットアンテナ４を一列に配置しているが、２列以上に配置してもよい。２列以上に配列する場合、たとえば正方格子状であってもよいし、正三角格子状の配列でもよい。

スロットアンテナ４による電磁波の送受信は、電磁波伝達シート同士の接続に利用することができる。その場合、図６に示すように、一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４と他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４とが対向するように、２枚の電磁波伝達シートをオーバーラップさせて配置すればよい。通常、電磁波伝達シートの端部で接続するので、スロットアンテナ４は電磁波伝達シートの端部に設ける。このように２枚の電磁波伝達シートを配置することで、一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４から放射された電磁波を、他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４で受信することができる。よって、一方の電磁波伝達シートを伝搬する電磁波を、他方の電磁波伝達シートに伝搬させることができる。

上記のようにして電磁波伝達シート同士を接続する場合、一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４の平面パターンと、他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４の平面パターンは異なっていてもよいが、同一パターンとすることが好ましい。効率的に電磁波の送受信を行うためである。また、一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４と、他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４の間隔は、なるべく小さいことが好ましく、たとえば実効波長の１／５以下が好ましい。一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４と、他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４とが接していてもよい。

電磁波伝達シート同士の接続において、一方のスロットアンテナ４の平面パターンと他方のスロットアンテナ４の平面パターンとが平面視において一致するように対向させることが好ましいが、ずれていたとしても電磁波の送受信が可能な範囲であれば許容される。

一方のスロットアンテナ４と他方のスロットアンテナ４との間隔を固定したり、スロットアンテナ４の相互の位置ずれが生じないようにしてもよい。たとえば、接着剤やスペーサなどで固定してもよい。その場合、接着剤やスペーサは誘電体でも導電体でもよい。

第１実施形態の電磁波伝達シートでは、メッシュ層３上にアンテナを配置することで電磁波伝達シートへの電磁波の入力、あるいは電磁波伝達シートからの電磁波の出力を行うことができる。アンテナは、たとえば矩形、円などの平面パターンのパッチアンテナである。

導電体層２とメッシュ層３は、所定の領域で相互に入れ替えてもよい（図１２参照）。入れ替える場合、導電体層２の長さＬ（電磁波の伝搬方向）が実効波長の０．６倍以上となるようにするとよい。電磁波伝達シートの伝搬特性に大きな影響を与えることなく入れ替えが可能となる。第１実施形態による電磁波伝達シートの接続では、導電体層２に設けられたスロットアンテナ４を対向させるため、一方の電磁波伝達シートの面は導電体層２側、他方の電磁波伝達シートの面はメッシュ層３側となる。そこで、導電体層２とメッシュ層３を途中で入れ替えれば、双方の電磁波伝達シートの面を導電体層２側（またはメッシュ層３側）に揃えることができる。また、一方の電磁波伝達シートのメッシュ層３のうちスロットアンテナ４を設ける領域を導電体層２に置き換え、その導電体層２にスロットアンテナ４を設けて、双方の面を揃えてもよい（図７参照）。

誘電体からなり、導電体層２やメッシュ層３を覆う保護層を設けてもよい。この場合、誘電体層１と同一材料としてもよい。

以上、第１実施形態の電磁波伝達シートでは、導電体層２にスロットアンテナ４を設けることで簡便かつ効率的に電磁波を放射させることができる。また、一方のスロットアンテナ４と他方のスロットアンテナ４とが対向するように２枚の電磁波伝達シートを重ね合わせるだけで、電磁波伝達シート同士を電気的に接続することができる。また、この接続方法は、構造の異なる電磁波伝達シートの接続も可能である。たとえば、厚さの異なる電磁波伝達シートの接続も可能である。

（第２実施形態）
第１実施形態では、スロットアンテナ４を導電体層２に設けていたが、図８に示すようにメッシュ層３に設けてもよい。この場合、導電体層２に設けたスロットアンテナ４とメッシュ層３に設けたスロットアンテナ４とを対向させて２枚の電磁波伝達シートを接続してもよし、メッシュ層３に設けたスロットアンテナ４同士を対向させて２枚の電磁波伝達シートを接続してもよい。ただし、メッシュ層３にスロットアンテナ４を設けると、導電体層２にスロットアンテナ４を設ける場合に比べてアンテナとしての機能が弱くなり、放射される電磁波の強度が弱くなる。そのため、一方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４と他方の電磁波伝達シートのスロットアンテナ４との間隔を十分に近づけるとよい。メッシュ層３に設けたスロットアンテナ４同士を対向させる場合には、その間隔はたとえば自由空間波長の１／１０以下とするとよい。

上述のように、メッシュ層３にスロットアンテナ４を設けると、アンテナとしての機能が弱まる。そこで、スロットアンテナ４を設ける領域において導電体層２とメッシュ層３とを入れ替え、導電体層２にスロットアンテナ４を設けるようにしてもよい。あるいは、入れ替えずに単にベタ一面の導電体層２に置き換え（つまりこの場合は誘電体層１の両面が導体層２になる）、その導電体層２にスロットアンテナ４を設けてもよい。

次に、本実施形態に関する各種実験結果について説明する。

以下のような条件で、接続された２枚の電磁波伝達シートの透過損失をシミュレーションした。入出力する電磁波の周波数は２．４～２．５ＧＨｚとした。

１枚の電磁波伝達シートの長さを４００ｍｍ、幅を３００ｍｍとし、端部が６０ｍｍオーバーラップするように２枚の電磁波伝達シートを配置した。以下、電磁波伝達シートの長さ方向をｘ軸方向、幅方向をｙ軸方向、電磁波伝達シートの面に垂直方向をｚ軸方向とする。

２枚の電磁波伝達シートをオーバーラップさせた領域に、５つのスロットアンテナ４をｙ軸方向に等間隔に一列に配列させた。そして、一方の電磁波伝達シートの各スロットアンテナ４と、他方の電磁波伝達シートの各スロットアンテナ４とを、ｚ軸方向に距離Ｓ隔てて対向させた。メッシュ層３のメッシュの線幅は１ｍｍ、周期は６ｍｍとした。誘電体層１は比誘電率１．９とし、厚さは１ｍｍとした。導電体層２およびメッシュ層３の材料はＡｌとし、厚さは０．１ｍｍとした。

スロットアンテナ４の平面パターンはクロススロットとした。クロススロットを構成する２つの長方形の長さは４７ｍｍ、幅は５ｍｍとし、２つの長方形のそれぞれの中心で重ねたパターンとした。また、隣接するクロススロットの中心間の距離は５４ｍｍとした。また、クロススロットの２つの長方形の長辺はそれぞれｘ軸方向とｙ軸方向に揃えた。

電磁波伝達シートへの電磁波の入出力は、正方形のパッチアンテナを電磁波伝達シートのメッシュ層３上に配置して行った。パッチアンテナはオーバーラップさせている側とは反対側の端部中央にそれぞれ配置した。パッチアンテナの正方形の各辺はｘ軸方向、ｙ軸方向に揃えて配置した。パッチアンテナには２つのポートを設けた。以下、電磁波入力側のパッチアンテナのポートをポート１、２とし、電磁波出力側のポートをポート３、４とする。図９のように、ポート１はパッチアンテナの中心からｘ軸方向であってオーバーラップ側とは反対方向に所定距離ずらして配置し、ポート２はパッチアンテナの中心からｙ軸負方向に所定距離ずらして配置した。また、ポート３はパッチアンテナの中心からｘ軸方向であってオーバーラップ側とは反対方向に所定距離ずらして配置し、ポート４はパッチアンテナの中心からｙ軸正方向に所定距離ずらして配置した。この場合、ポート１から電磁波伝達シートに電磁波を入力すると、電界がｙ軸方向の伝搬モードとなり、ポート３から効率的に電波を出力させることができる。一方、ポート２から電磁波伝達シートに電磁波を入力すると、電界がｘ軸方向の伝搬モードとなり、ポート４から効率的に電波を出力させることができる。

図１０は、スロットアンテナ４間の距離Ｓ（ｍｍ）と透過損失（ｄＢ）の関係を示したグラフである。透過損失は、接続のない１枚の電磁波伝達シートとした場合の透過係数との差である。また、透過係数は２．４ＧＨｚから２．５ＧＨｚの間での平均とした。Ｓ３１は、ポート１から電磁波を入力しポート３から電磁波を出力する場合の透過損失、Ｓ４２は、ポート２から電磁波を入力しポート４から電磁波を出力する場合の透過損失である。

図１０のように、Ｓ３１は距離Ｓが１２ｍｍ以下、Ｓ４２は距離Ｓが１８ｍｍ以下で１０ｄＢ以下となった。よって、距離Ｓを十分に小さくすれば、透過損失を１０ｄＢ以下に抑えることができ、電磁波伝達シート同士を損失少なく接続できることがわかった。距離Ｓは、たとえば自由空間波長の１／１０以下とすればよいことが推察される。

図１１は、距離Ｓを６ｍｍとし、スロットアンテナ４の平面パターンをクロススロット、単スロットとした場合のそれぞれの透過損失を示したグラフであり、図１１（ａ）はＳ３１、（ｂ）はＳ４２である。単スロットは、その長辺方向がｘ軸方向とｙ軸方向の２種類とした。

図１１のように、クロススロットの場合はＳ３１、Ｓ４２のいずれも低かった。したがって、クロススロットの場合はパッチアンテナのポート位置によらず低損失であることがわかった。つまり、電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向によらず、低損失であることがわかった。

一方、ｘ軸方向の単スロットの場合、Ｓ４２は低かったがＳ３１は高かった。また、ｙ軸方向の単スロットの場合、Ｓ３１は低かったがＳ４２は高かった。このように、単スロットの場合、パッチアンテナのポート位置に応じて単スロットの長辺方向を変えることで、損失を低減できることがわかった。具体的には、パッチアンテナのポート位置を変えることによって電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向を単スロットの長辺方向と直交させることで、損失を低減できることがわかった。

本発明の電磁波伝達シートは、２次元的な通信の媒体として利用でき、たとえば車載の通信に利用できる。

１：誘電体層
２：導電体層
３：メッシュ層
４：スロットアンテナ

Claims (6)

1. 誘電体からなる誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に全面に設けられ、導電体からなる導電体層と、前記誘電体層の他方の面に設けられ、メッシュ状の導電体からなるメッシュ層と、を有した電磁波伝達シートであって、
   前記導電体層または前記メッシュ層に、スロットアンテナが設けられている、
   ことを特徴とする電磁波伝達シート。
2. 前記スロットアンテナは、前記導電体層に設けられている、ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波伝達シート。
3. 前記スロットアンテナは、平面パターンがクロススロットである、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波伝達シート。
4. 前記スロットアンテナは、平面パターンが単スロットであり、その長辺方向が電磁波伝達シートを伝搬する電磁波の電界方向と直交する、ことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波伝達シート。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電磁波伝達シート同士が接続された電磁波伝達シートの接続構造体であって、
   一方の前記電磁波伝達シートの前記スロットアンテナと、他方の前記電磁波伝達シートの前記スロットアンテナとが対向するように配置されている、
   ことを特徴とする電磁波伝達シートの接続構造体。
6. 一方の前記電磁波伝達シートの所定領域において前記導電体層とメッシュ層を入れ替えることにより、一方の前記電磁波伝達シートの面と他方の前記電磁波伝達シートの面を前記導電体層に揃えた、ことを特徴とする請求項５に記載の電磁波伝達シートの接続構造体。