JP2023146436A - Frequency selective plate - Google Patents
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Abstract
Description
本開示は、周波数選択板に関するものである。 TECHNICAL FIELD This disclosure relates to frequency selection plates.
航空機、飛しょう体、艦船などの低RCS(Radar Cross Section)化のため、アンテナ前面に周波数選択板100を配置した技術が必要とされている。これまでの周波数選択板は透過損失が大きく課題となっていた。周波数選択板の透過損失を補うためモジュール数を増やしてアンテナの開口径を大きくし、アンテナの利得を増加させる必要があり、コスト高となっていた。従って、低コストアンテナを実現するためには、低損失な透過特性を有する周波数選択板が必要である。特に、周波数選択板の広角方向の透過特性は、一般的に損失が大きく改善する必要がある。
In order to reduce the RCS (Radar Cross Section) of aircraft, flying objects, ships, etc., a technology in which the
例えば、特許文献には、周波数選択板の構成が記載されている。特許文献に記載の周波数選択板は、スペーサを挟んで表と裏に円形リング状の素子を複数有する誘電体シートを配置している構成である。上記のような周波数選択板は、ある周波数で共振するような円形リング素子を配列することで特定の周波数の電波が反射又は透過するように設計されている。 For example, patent documents describe configurations of frequency selection plates. The frequency selection board described in the patent document has a structure in which a dielectric sheet having a plurality of circular ring-shaped elements is arranged on the front and back sides with a spacer in between. The frequency selection plate as described above is designed to reflect or transmit radio waves of a specific frequency by arranging circular ring elements that resonate at a certain frequency.
特開平6-177639 Japanese Patent Publication No. 6-177639
特許文献に記載されるような周波数選択板は、一般的に正面方向から電波入射時のインピーダンスと整合するように構成が決定される。従って、電波の入射方向が広角方向になると、インピーダンスが変化することから透過特性が劣化する課題がある。 The configuration of a frequency selection plate as described in patent documents is generally determined so as to match the impedance when radio waves are incident from the front direction. Therefore, when the direction of incidence of radio waves becomes a wide-angle direction, there is a problem that the impedance changes and the transmission characteristics deteriorate.
本開示に係る周波数選択板は、第1の誘電体基板と、前記第1の誘電体基板に形成され、第1の周波数の電波を透過し、第2の周波数の電波を反射する導体パターンの形成された複数の周波数選択素子を有した第1、第2の導体層と、前記第1の導体層に積層された第2の誘電体基板と、を備えたものである。 A frequency selection plate according to the present disclosure includes a first dielectric substrate and a conductor pattern formed on the first dielectric substrate that transmits radio waves of a first frequency and reflects radio waves of a second frequency. The device includes first and second conductor layers having a plurality of frequency selection elements formed thereon, and a second dielectric substrate laminated on the first conductor layer.
本開示によれば、第2の誘電体基板が、電波が広角方向から入射された時の整合層として動作するので、広角入射時の透過特性が良好になる。 According to the present disclosure, the second dielectric substrate operates as a matching layer when radio waves are incident from a wide-angle direction, so that the transmission characteristics at the time of wide-angle incidence are improved.
以下、本開示の実施の形態について図面を参照して説明する。各図では、同一又は相当する部分に同一の符号を付している。重複する説明は、適宜簡略化あるいは省略する。なお、以下に説明される実施の形態により本開示が限定されるものではない。 Embodiments of the present disclosure will be described below with reference to the drawings. In each figure, the same or corresponding parts are given the same reference numerals. Duplicate explanations will be simplified or omitted as appropriate. Note that the present disclosure is not limited to the embodiments described below.
実施の形態1.
図1から図5を参照して、本開示の実施の形態1に係る周波数選択板100について説明する。
図1は、周波数選択板100の電波の透過及び反射を示す図である。図2は、実施の形態1に係る周波数選択板100の縦断面図である。図3は、実施の形態1に係る周波数選択板100の構成を示す分解斜視図である。図4は、図2に示す周波数選択板100の素子形状を示す図である。図5は、導体層に作成する素子形状の1例である。図2から図5に示すように、実施の形態1に係る周波数選択板100は、第1の誘電体基板101、第1の導体層102、第2の導体層103、第2の誘電体基板104、第1の素子105、第2の素子106を備える。
A
FIG. 1 is a diagram showing transmission and reflection of radio waves through the
図1に示すように、周波数選択版100は、電波1000aが第1の周波数を持つ場合、第1の周波数の電波1000bのように、周波数選択板100を透過する特性を持ち、電波1000aが第2の周波数を持つ場合、第2の周波数の電波1000cのように、周波数選択板100に対して反射もしくは散乱する特性を持つ。
なお、第1の周波数は第2の周波数に比べて高域の周波数であり、第2の周波数は第1の周波数に比べて低域の周波数であり、低域と高域の周波数差は設計周波数を1としたときの0.4倍から0.7倍の間である。
As shown in FIG. 1, the
Note that the first frequency is a higher frequency than the second frequency, the second frequency is a lower frequency than the first frequency, and the frequency difference between the low and high frequencies is determined by design. It is between 0.4 times and 0.7 times when the frequency is 1.
第1の誘電体基板101は、表面に形成された第1の導体層102と裏面に形成された第2の導体層103を備える。すなわち、第1の導体層102の裏面は第1の誘電体基板101の表面に積層され、第2の導体層103の表面は第1の誘電体基板101の裏面に積層されている。第2の導体層102の裏面側は空間に面している。
誘電体基板101の材料は、所謂プリント基板ではなく、スペーサ、ハニカム基板、ロハセル、発泡剤等の誘電体でもよい。また、本実施の形態1では1層で記載しているが、1層以上で構成されるものや上記スペーサ等を組み合わせた多層構成でもよい。誘電体内を伝搬する波長をλとすると、第1の誘電体基板101は、図2に示すようにdの厚みを有し、事前に設計した第1の周波数の波長λの0.01倍以上0.25倍未満の厚みを有する。
なお、図2において、x軸は、第2の誘電体基板104の表面と平行な軸であり、z軸は、第2の誘電体基板104の表面と空間方向に垂直な軸であり、角度θは、z軸と電波の入射方向のなす角である。
The first
The material of the
Note that in FIG. 2, the x-axis is an axis parallel to the surface of the second
第2の誘電体基板104は、第1の導体層102の表面側に積層される。第2の誘電体基板104は、図1に示すようにdの厚みを有し、第1の導体層102より空間側に配置される。第2の誘電体基板104の厚みdは、事前に設計した第1の周波数の波長λ(誘電体内を伝播する波長)の0.01倍以上0.25倍未満の厚みを有する。
第2の誘電体基板104の材料は、主に誘電体で構成される。本実施の形態1では1層で記載しているが、1層以上で構成されてもよい。
The second
The material of the second
第1の導体層102には、図3に示すように第1の素子105を所定の距離離して複数配置される。第2の導体層103には、第2の素子106を所定の距離離して複数配置される。第2の導体層103と第2の素子106の対応は、図3において、第1の導体層102を第2の導体層103に置き換え、第1の素子105を第2の素子106に置き換えたものと同じである。
本実施の形態1では、第1の導体層102と第2の導体層103を2層記載しているが第1の導体層102又は第2の導体層103の1層でもよい。
第1の素子105、第2の素子106は、第1の周波数の電波を透過し、第2の周波数の電波を反射もしくは散乱する電気特性を有するように素子の寸法、および形状が調整される。
As shown in FIG. 3, a plurality of
In the first embodiment, the
The dimensions and shapes of the
第1の素子105は、1例としてリング形状の素子107を記載している。リング形状の素子105は、所定の溝幅δを有して導体層の剥がれた環状溝部を有した導体パターンにより形成される。環状溝部は誘電体表面が露出しており、環状溝部の内側に直径D2が第1の周波数の波長λの2分の1をなす円形状の導体パッチが形成されている。環状溝部の外径は直径D2に2δを加えた大きさとなっている。第1の素子105は、が、図4に示すような第1の素子形状107であるリング形状以外の導体パターン形状をなしていても良い。例えば、第1の素子105は、第2の素子形状108である円形パッチ形状、第3の素子形状109である誘電体の剥がれた溝が十字形状に交差した十字形状、第4の素子形状110である径の異なる大小2つの環状導体が同心に配置された2重リング形状、第5の素子形状111である誘電体の剥がれた溝が矩形状をなす矩形形状、第6の素子形状112であるメアンダライン形状等の任意の導体パターン形状でよい。
As an example of the
次に、実施の形態1に係る周波数選択板100の動作について説明する。
第2の誘電体基板104の表層側の空間から第2の誘電体基板104を透過する第1の周波数の電波は、第1の誘電体基板101に形成された第1の導体層102、第2の導体層103の複数の周波数選択素子105、106にて共振し、第1の誘電体基板101を透過して、第2の導体層103の裏面側に伝播する。
同様に、第2の導体層103の裏面側の空間から第1の誘電体基板101を透過する第1の周波数の電波は、第1の誘電体基板101に形成された第2の導体層103、第1の導体層102の複数の周波数選択素子106、105にて共振し、第2の誘電体基板104を透過して第2の誘電体基板104の表側の空間に伝播する。
一方、第2の誘電体基板104の表層側の空間から第2の誘電体基板104を透過する第2の周波数の電波は、第1の誘電体基板101、第1の導体層102、第2の導体層103、及び複数の周波数選択素子105、106にて構成される周波数選択板100を透過できず、第2の誘電体104の表面側の空間に反射もしくは散乱する。
Next, the operation of
The radio waves of the first frequency transmitted through the second
Similarly, the radio waves of the first frequency transmitted through the first
On the other hand, the second frequency radio waves transmitted through the second
一般的に、誘電体の層を追加すると損失が増加する。
しかしながら、実施の形態1に係る周波数選択板100は、例えばθ=60°方向からのθ=45°以上の広角入射した状態の空間のインピーダンスと整合するように第2の誘電体基板102の厚み及び電気的な材料定数を決定する。
Generally, adding layers of dielectric increases losses.
However, in the
以上説明した実施の形態1に係る周波数選択板100によれば、第1の誘電体基板101、第1の導体層102、第2の導体層103、第2の誘電体基板104、第1の素子105、第2の素子106を備える構成としている。これにより、第2の誘電体基板が整合層となり、電波の広角入射時の透過特性が改善する。
According to the
実施の形態2.
図6と図7を参照して、本開示の実施の形態2に係る周波数選択板100について説明する。実施の形態1と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態1と異なる構成について説明する。
A
図6は、実施の形態2に係る周波数選択板100の縦断面図である。図7は、実施の形態2に係る周波数選択板100の構成を示す分解斜視図である。図6、図7に示すように実施の形態2に係る周波数選択板100は、実施の形態1の周波数選択板100に第3の誘電体基板201を更に加えた構成である。
FIG. 6 is a longitudinal cross-sectional view of the
次に、実施の形態2に係る周波数選択板100の動作について図6を用いて説明する。
図6において、x軸は、第2の誘電体基板104の表面と平行な軸であり、z軸は、第2の誘電体基板104の表面と空間方向に垂直な軸であり、角度θは、z軸と電波の入射方向のなす角である。
実施の形態2では、第2の誘電体基板104を第1の導体層102に対して空間側に配置し、及び第3の誘電体基板201を第2の導体層103に対して空間側に配置している。一般的に、誘電体の層を追加すると損失が増加する。
しかし、例えばθ=60°方向からのθ=45°以上の広角入射した状態の空間のインピーダンスと整合するように第2の誘電体基板104及び第3の誘電体基板113の厚み及び電気的な材料定数を決定することで電波広角入射時の透過特性が改善する。
Next, the operation of the
In FIG. 6, the x-axis is an axis parallel to the surface of the second
In the second embodiment, the second
However, the thickness of the second
以上説明した実施の形態2に係る周波数選択板100によれば、実施の形態1の周波数選択板100に、第3の誘電体基板201を備える構成としている。これにより、第2の誘電体基板104及び第3の誘電体基板201が整合層となり、電波の広角入射時の透過特性が改善する。
According to the
実施の形態3.
図8と図9を参照して、本開示の実施の形態3に係る周波数選択板100について説明する。実施の形態2と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態2と異なる構成について説明する。
A
図8は実施の形態3に係る周波数選択板100の縦断面図である。図9は実施の形態3に係る周波数選択板100の構成を示す分解斜視図である。図10は実施の形態3に係る周波数選択板100の上面図である。図8から図10に示すように実施の形態3に係る周波数選択板100は、実施の形態2に対して、第1のメタマテリアル301と、第2のメタマテリアル302を更に加えた構成である。
FIG. 8 is a longitudinal cross-sectional view of the
次に、実施の形態3に係る周波数選択板100の構成について説明する。
実施の形態3において、第1のメタマテリアル301及び第2のメタマテリアル302は、図10に示すように、スプリットリング形状であるが、任意の形状でよい。また、第1のメタマテリアル301は、第1のメタマテリアル301は、誘電体基板104に所定の距離離れて複数配置される。
誘電体基板201と第1のメタマテリアル301の対応は、図9において、誘電体基板104を誘電体基板201に置き換え、第1のメタマテリアル301を第2のメタマテリアル302に置き換えたものと同じである。
また、第1のメタマテリアル301及び第2のメタマテリアル302のように基板を挟んで両側に配置しているが片側に配置してもよい。
Next, the configuration of
In the third embodiment, the
The correspondence between the
Further, although the
第1のメタマテリアル301と第2のメタマテリアル302を広角入射した状態のインピーダンスと整合するようにメタマテリアルの寸法や形状等を決定する。
図10の第1のメタマテリアル301は、導体層に環状の一部が欠けた所謂C字形状をなす環状溝部が形成された例を示している。
The dimensions, shape, etc. of the metamaterial are determined so as to match the impedance of the
The
以上説明した実施の形態3に係る周波数選択板100は、実施の形態2に記載した第2の誘電体基板104及び第3の誘電体基板201と同一の役割を第1のメタマテリアル301及び第2のメタマテリアル302を更に加えた構成としている。これにより、実施の形態2で示した第2の誘電体基板104及び第3の誘電体基板201を有する構成より、電波の広角入射時の透過特性を改善することができる。
The
実施の形態4.
図11から図13を参照して、本開示の実施の形態4に係る周波数選択板100について説明する。実施の形態1と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態1と異なる構成について説明する。
A
図11は実施の形態4に係る周波数選択板100の構成である。図12は実施の形態4に係る周波数選択板100の縦断面図である。図13は実施の形態4に係る周波数選択板100の分解斜視図である。図11から図13に示すように実施の形態4に係る周波数選択板100は、実施の形態1に、第4の誘電体基板401、パッチアンテナ402を加えた構成であり、図11のように、パッチアンテナ402を複数使用し、パッチアレーアンテナとしている。
図11において、パッチアンテナ402は第4の誘電体基板401上に形成されている。第4の誘電体基板401は、パッチアンテナ402が第3の誘電体基板201に対向した状態で、第3の誘電体基板201との間に所定の間隙を有して配置された構成例を示している。
また図12は、パッチアンテナ402が第3の誘電体基板201に対向した状態で、第4の誘電体基板401が第3の誘電体基板201に積層された他の態様の構成例を示している。
図13は、図12において、第2の誘電体基板104、第2の導体層102、第1の誘電体基板101、第2の導体層103、第3の誘電体基板201、パッチアンテナ402、及び第4の誘電体基板401の各層が、上から順に積層される積層構造と配置関係を模式的に表現した斜視図である。
FIG. 11 shows the configuration of a
In FIG. 11, a patch antenna 402 is formed on a fourth
Further, FIG. 12 shows a configuration example of another aspect in which the fourth
13 shows, in FIG. 12, a second
次に、実施の形態4に係る周波数選択板100の構成について説明する。実施の形態4において、図13に記載のパッチアンテナ402は矩形状で記載しているが、円形やリング形状等任意の形状でよい。また、パッチアンテナやパッチアレーアンテナに限定しているが、ダイポールアンテナ、ホーンアンテナ、スロットアンテナ等の任意のアンテナでもよい。また、図11に示すように、複数のパッチアンテナ402と第3の誘電体基板201の距離を離しても良いし、図12に示すように、複数のパッチアンテナ402と第3の誘電体基板の距離を離さなくても良い。一般的には、パッチアンテナと周波数選択版は個別に設計されるが、パッチアンテナ402と周波数選択板100を組み合わせて整合設計しても良い。
Next, the configuration of
以上説明した実施の形態4に係る周波数選択板100によれば、実施の形態1に、第4の誘電体基板401、パッチアンテナ402備える構成としている。これにより、実施の形態2で示した第2の誘電体基板104及び第3の誘電体基板201を有する構成より、電波の広角入射時の透過特性を改善することができる。
According to the
実施の形態5.
図14、図15を参照して、本開示の実施の形態5に係る周波数選択板100について説明する。実施の形態4と同じ構成については同じ符号を付してその説明を省略し、実施の形態4と頃なる構成について説明する。
A
図14は実施の形態5に係る周波数選択板100の分解斜視図である。図14及び図15に示すように、実施の形態5に係る周波数選択板100は実施の形態4に、レドーム501を更に加えた構成である。
FIG. 14 is an exploded perspective view of the
次に実施の形態5に係る周波数選択板100の構成について説明する。
実施の形態5におけるレドーム501はパッチアンテナ402や周波数選択板100を保護するものであり、一般的には透過特性を劣化させるものである。レドーム501とパッチアンテナ402と周波数選択板100は一般的に個別で設計されるが、全て組み合わせた状態で整合設計を行っても良い。
レドーム501は第2の誘電体基板104に対向した状態で、第2の誘電体基板104との間に所定の空隙を有して配置される。
また、第4の誘電体基板401は、パッチアンテナ402が第3の誘電体基板201に対向した状態で、第3の誘電体基板201との間に所定の間隙を有して配置された構成例を示している。
なお、パッチアンテナ402が第3の誘電体基板201に対向した状態で、第4の誘電体基板401が第3の誘電体基板201に積層されていても良いことは謂うまでもない。
レドーム501は、誘電体からなる円板形状の前面部の周囲に円筒形状の誘電体の側面部が固定されて形成され、前面部と側面部は一体的に形成されていても良い。
図15は、図14において、レドーム501の前面部と、第2の誘電体基板104、第2の導体層102、第1の誘電体基板101、第2の導体層103、第3の誘電体基板201、パッチアンテナ402、及び第4の誘電体基板401の各層が、レドーム501の前面部側から順に積層される積層構造と配置関係を模式的に表現した斜視図である。
Next, the configuration of
The
The
Further, the fourth
It goes without saying that the fourth
The
15 shows the front side of the
以上説明した実施の形態5に係る周波数選択板100によれば、実施の形態4に対して、レドーム501を更に加えた構成としている。これにより、実施の形態4で示した構成より、電波の広角入射時の透過特性を改善することができる。また、レドーム501と実施の形態4で示した周波数選択板、パッチアンテナ402を一体で設計することで、全体的に電気的な損失が小さいアンテナを実現することができる。
According to the
なお、本開示は上記実施の形態に限定されるものではなく、本開示の範囲内において、実施の形態のそれぞれの自由な組み合わせまたは実施の形態のそれぞれの任意の構成要素の変形もしくは実施の形態のそれぞれにおいて任意の構成要素の省略が可能である。 Note that the present disclosure is not limited to the embodiments described above, and within the scope of the present disclosure, any combination of the embodiments or modifications or variations of any constituent elements of the embodiments may be made. It is possible to omit any component in each of the above.
本開示に係る周波数選択板100は、例えば、周波数選択板100を有するアンテナ装置に利用可能である。
The
1000a 周波数選択板に対して入射する電波
1000b 周波数選択板を透過する電波
1000c 周波数選択板に対して反射する電波
100 周波数選択板
101 第1の誘電体基板
102 第2の導体層
103 第2の導体層
104 第2の誘電体基板
105 第1の素子
106 第2の素子
107 第1の素子形状
108 第2の素子形状
109 第3の素子形状
110 第4の素子形状
111 第5の素子形状
112 第6の素子形状
201 第3の誘電体基板
301 第1のメタマテリアル
302 第2のメタマテリアル
401 第4の誘電体基板
402 パッチアンテナ
501 レドーム
1000a Radio waves incident on the frequency selection board 1000b Radio waves transmitted through the frequency selection board
Claims (14)
前記第1の誘電体基板に形成され、第1の周波数の電波を透過し、第2の周波数の電波を反射する導体パターンの形成された複数の周波数選択素子を有した第1、第2の導体層と、前記第1の導体層に積層された第2の誘電体基板と、
を備えた周波数選択板。 a first dielectric substrate;
First and second frequency selection elements formed on the first dielectric substrate and having a plurality of frequency selection elements each having a conductive pattern that transmits radio waves of a first frequency and reflects radio waves of a second frequency. a conductor layer; a second dielectric substrate laminated on the first conductor layer;
Frequency selection board with.
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JP2022053624A Pending JP2023146436A (en) | 2022-03-29 | 2022-03-29 | Frequency selective plate |
Country Status (1)
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JP (1) | JP2023146436A (en) |
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2022
- 2022-03-29 JP JP2022053624A patent/JP2023146436A/en active Pending
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