JP4142599B2 - 周波数選択板 - Google Patents

Description

本発明は、特定の周波数の電波を反射又は透過する周波数選択板（ＦＳＳ：Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｕｒｆａｃｅ）に係り、特に、その周波数選択板の特性（電波透過性や反射特性等の周波数選択性）を能動的に変化させ得る周波数選択板に関する。

近年、例えば防衛関連技術において戦闘機や戦艦等の存在を他から確認されないようにする「ステルス化技術」の必要性が叫ばれており、かかるステルス化技術の一つとして周波数選択板が用いられている。

ここで、この周波数選択板は、ある一定の導体（導体パッチ又は導体スロット）の素子パターンを一定の周期で複数配列したＮ×Ｍ（Ｎ，Ｍ＝１，２，３，…）のセルからなる周期構造膜であり、特定の周波数の電波のみを反射又は透過させる特性（周波数選択性）を備えている。

例えば、導体パッチで構成したパッチ型構造の周波数選択板は、特定の周波数の電波のみを反射するバンドストップフィルタとして作用し、導体スロットで構成したスロット型構造の周波数選択板は特定の周波数の電波のみを透過するバンドパスフィルタとして作用する。

これが為、所望の周波数選択性を備えた周波数選択板が組み込まれることによって、例えば、レドームやレーダ断面積（ＲＣＳ：Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ）低減用電磁窓等の物体（周波数選択板組込物体）のステルス化を有効に達成し得る。

ここで、一般に、周波数選択板は、ダイポール型，クロスダイポール型，トリポール型，円形リング型又は正方形ループ型等のある一定の単純形状からなる導体パッチ又は導体スロットの素子パターンが複数配列された導電パターンを備えている。

特開２０００−６８６７５号公報 特開２０００−６８６７７号公報 特開２００１−５３４８４号公報 特開２００３−２９８３０８号公報

ここで、周波数選択板の特性（周波数選択性）を適宜変化させることができれば、使用される環境や要求に応じた周波数選択性を一枚の周波数選択板で実現し得る。

しかしながら、上記従来の周波数選択板は、設計、製造時に設定された特性（周波数選択性）を能動的に変化させることができず、複数の周波数に対応させる為には特性の異なる複数枚の周波数選択板を用意したり、一枚の周波数選択板に複数の特性を持たせたりしなければならなかった。また、かかる従来の対応を採ったとしても、何れにせよ予め固定された特性であるが為に、臨機応変に様々な使用環境等に対応することはできない。

そこで、本発明は、かかる従来例の有する不都合を改善し、周波数選択板の特性（周波数選択性）を能動的に変化させ得る周波数選択板を提供することを、その目的とする。

上記目的を達成する為、請求項１記載の発明では、特定の周波数の電波を反射又は透過させる複数の同一の素子パターンが設けられた面を対向させ且つ間隔を設けて配置した複数枚の周波数選択板主体と、その夫々の周波数選択板主体の間に配置した電波透過性を有する誘電体層と、各周波数選択板主体の内の少なくとも一枚を当該周波数選択板主体の面方向で且つ対角線方向にスライドさせつつ他の周波数選択板主体に対して離間又は接近させる周波数選択板主体可変機構とを備えている。そして、この請求項１記載の発明において、周波数選択板主体には各素子パターンが縦方向及び横方向に同一のピッチで配置され、周波数選択板主体可変機構は、周波数選択板主体における相互に隣接する各素子パターンにより形成された間隙部分に当該周波数選択板主体とは別の周波数選択板主体の素子パターンを重ねるよう前記スライドをさせていく。

また、上記目的を達成する為、請求項２記載の発明では、上記請求項１記載の周波数選択板において、前記各周波数選択板主体間における素子パターンの位置関係が所望の周波数選択性に応じた位置関係となるように前記周波数選択板主体可変機構の動作を制御する制御装置を設けている。

本発明に係る周波数選択板によれば、周波数選択板の特性（周波数選択性）を適宜使用環境等に応じて能動的に変化させることができる。

以下に、本発明に係る周波数選択板の実施例を図面に基づいて詳細に説明する。尚、この実施例によりこの発明が限定されるものではない。

本発明に係る周波数選択板の実施例１を図１から図６に基づいて説明する。

図１の符号１０は本実施例１の周波数選択板を示す。この周波数選択板１０は、図１及び図２に示す如く、例えば銅線等の金属線からなる複数のクロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された二枚の周波数選択板主体（第一及び第二の周波数選択板主体）１，２を所定の間隔を設け且つ対向させて配置したものである。ここで、これら第一及び第二の周波数選択板主体１，２の間には気体層（誘電体層）３が形成される。

即ち、この周波数選択板１０は、第一周波数選択板主体１からなる一層目と、気体層３からなる二層目と、第二周波数選択板主体２からなる三層目とを有する三層構造のものである。

ここで、第一及び第二の周波数選択板主体１，２が夫々有する各素子パターンは、同一の形状と大きさのものが同一のピッチで配置されている。これが為、第一周波数選択板主体１の各素子パターンと第二周波数選択板主体２の各素子パターンとは、図１に示す如く重なり合って見える。

また、本実施例１の気体層３を構成する気体としては、電波透過性を有するものであることが好ましく、ここでは空気（誘電率ε_air＝１）を例示する。これが為、本実施例１においては、この気体層３を「空気層３」という。

また、本実施例１の周波数選択板１０には、第一及び第二の周波数選択板主体１，２の内の少なくとも一方をスライドさせる、若しくはスライドさせつつ空気層３から離間又は接近させる周波数選択板主体可変機構４が設けられている。

この周波数選択板主体可変機構４は、例えば電動モータを駆動源とし、その駆動力が歯車や回転軸、カム等の駆動力伝達機構を介して伝達されることにより、第一及び第二の周波数選択板主体１，２の内の少なくとも一方を移動させるものである。尚、この周波数選択板主体可変機構４の駆動源は上記の電動モータに限定するものではなく、また、その駆動力の伝達機構についても何れの態様のものを用いてもよい。

例えば、この周波数選択板主体可変機構４は、図３−１及び図４に示す如く第二周波数選択板主体２を対角線方向にスライドさせる、又は図３−２及び図４に示す如く第二周波数選択板主体２を対角線方向にスライドさせつつ空気層３から離間させる。

即ち、本実施例１の周波数選択板１０は、周波数選択板主体可変機構４により、図１に示す如く同一位置に配置されている第一周波数選択板主体１と第二周波数選択板主体２の夫々の素子パターンを、例えば図４に示す如くずらす、又は、ずれている第一及び第二の周波数選択板主体１，２の素子パターンを図１に示す如く重なり合わせることで、その特性（周波数選択性）を変化させ得るものである。

ここで、第二周波数選択板主体２を図３−２に示す如く移動させると、空気層３の厚さが増加するので、図３−１に示す如く平行移動させた場合と比して周波数選択板１０の特性（周波数選択性）を更に変化させることができる。

本実施例１にあっては、所望の特性（周波数選択性）となるよう上記周波数選択板主体可変機構４の動作を制御する図１及び図２に示す制御装置５が設けられている。

この制御装置５は、周波数選択板主体可変機構４に対して駆動のＯＮ／ＯＦＦ制御や移動方向の制御等を行うことで、周波数選択板主体可変機構４による第一周波数選択板主体１の素子パターンと第二周波数選択板主体２の素子パターンのずれ量を制御し、周波数選択板１０の特性（周波数選択性）を所望のものに能動的に変化させることができる。

ここで、上述した本実施例１の周波数選択板１０を製作し、素子パターンのずれ量（換言すれば第一周波数選択板主体１と第二周波数選択板主体２との間の相対移動量）による特性（周波数選択性）の変化について検証した。

先ず、図５に示す如く、セル寸法１５．１ｍｍ×１５．１ｍｍの上記クロスダイポール型の素子パターンが格子状に配置された第一周波数選択板主体１（１０ＧＨｚで共振となるよう設定）と、第一及び第二の周波数選択板主体１，２における夫々の素子パターンが重なり合って見えるタイプＡの周波数選択板１０と、第一周波数選択板主体１と第二周波数選択板主体２とを相対的にずらしたタイプＢの周波数選択板１０とを比較して、夫々についての５％反射帯域幅と低周波側及び高周波側の帯域分離性能とを見てみた。これらタイプＡ，Ｂの周波数選択板１０においては、空気層３の厚さを５ｍｍのまま不変とする。

ここで、５％反射帯域幅とは、電力反射率が５％以下である帯域幅のことをいう。また、低周波側及び高周波側の帯域分離性能は、９０％電力透過率と１０％電力透過率の勾配から得た値を見ている。

その検証結果を図６に示す。この検証結果によれば、タイプＡの周波数選択板１０は、第一周波数選択板主体１のみの場合と比して５％反射帯域幅が５％拡大し、また、低周波側及び高周波側の帯域分離性能についても夫々３２％，１２％改善している。

即ち、このことは、同一の形状と大きさの素子パターンが同一のピッチで配置された複数枚の周波数選択板主体をその夫々の素子パターンが重なり合って見えるように多層化することによって、５％反射帯域幅の拡大と低周波側及び高周波側の帯域分離性能の改善とが可能になることを表している。

また、タイプＢの周波数選択板１０についても同様に、第一周波数選択板主体１のみの場合と比して５％反射帯域幅が１８％拡大し、低周波側及び高周波側の帯域分離性能が夫々３４％，１０％改善している。ここで、このタイプＢの周波数選択板１０とタイプＡとを比較すると、５％反射帯域幅が１３％拡大し、低周波側及び高周波側の帯域分離性能は略同等であることが判る。

このことから、多層化された複数枚の周波数選択板主体をその面方向にスライドさせて、各周波数選択板主体における素子パターンを相対的にずらす又は重なり合わせることによって、５％反射帯域幅を拡大又は縮小し得ることが判る。

以上示した如く、本実施例１の周波数選択板１０によれば、第１及び第２の周波数選択板主体１，２を多層化することによって帯域分離性能の改善が図れ、更に、その多層化した周波数選択板主体１，２における素子パターンを相対的にずらす又は重なり合わせることによって、５％反射帯域幅の拡大又は縮小が可能となる。即ち、この周波数選択板１０は、周波数選択板主体可変機構４の動作により、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させることができる。

このようなことから、本実施例１の周波数選択板１０は、ステルス用途におけるステルス性能の向上や通信／放送空中線のマルチバンド化が可能になる。

例えば、ステルス用途においては、周波数を自由に変えられるレーダと組み合わせて適用しているレーダ周波数に合わせて周波数選択板１０を具備する窓の特性（周波数選択性）を変えることができる。かかる場合、本実施例１の制御装置４をレーダ等の送受信系と連動して動作するが如く構成する。

その一例として、制御装置４は、レーダ等の送受信系が相手方の電波の周波数シフトを検知し、その周波数のシフト量の情報を送受信系から受け取ると、そのシフト量に応じた第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの可変動作を誘電体可変機構３に行わせる。このようにしてレーダとの連動を図ることにより、有効なステルス性能を得ることができる。

また他の例として、周波数選択板１０を有する窓やレーダ等の送受信機が具備された航空機において自機の周波数変更に連動させることも可能である。即ち、その送受信機が周波数ｆ１で動作しているものと仮定すると、窓は、周波数選択板１０の第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの状態によって周波数ｆ１の電波を透過させる透過窓となっている。かかる状態において、自機の制御機能や操縦者の操作により送受信機の周波数がｆ２へと変更された場合、その送受信機から周波数のシフト量の情報を受け取った制御装置４は、そのシフト量に応じて第１〜第８の分割誘電体２ａ〜２ｈの可変動作を誘電体可変機構３に行わせる。これにより、周波数ｆ２の電波を透過させる透過窓へと特性が変更される。

また、同じくステルス用途に用いられるエンクローズドマスト等は予め脅威となる周波数を想定した上で設計、製造を行うが、このエンクローズドマスト等に本発明に係る周波数選択板１０を適用することによって、想定外の周波数にも対応することが可能になる。ここで、エンクローズドマストとは、周波数選択板等を使用した角錘台等の低ＲＣＳ（Ｒａｄａｒ Ｃｒｏｓｓ Ｓｅｃｔｉｏｎ、レーダ断面積）形状のレドームのことを云う。

また、通信／放送空中線においては、従来、周波数毎にフィールドを分け、且つ周波数選択板を有するサブリフレクタを経由して主フレクタを共有する手法が多く採用されているが、時間分割可能な場合には、サブリフレクタに本発明に係る周波数選択板１０を適用することによって、広帯域フィールドを使用しながらマルチバンド化を図ることが可能となる。

尚、本実施例１の周波数選択板１０においては第一及び第二の周波数選択板主体１，２の間に空気層３が介在しているが、この周波数選択板１０をアルゴンや窒素等の他の気体が封入された空間内に配設して、他の気体からなる気体層３を形成してもよい。ここで、空気や酸素，アルゴン等の気体の誘電率ε_gは一般にε_g＝１であるので、かかる周波数選択板１０についても上述した場合と同様の特性（周波数選択性）を得ることができる。

次に、本発明に係る周波数選択板の実施例２を図７−１から図１０に基づいて説明する。

本実施例２の周波数選択板２０は、前述した実施例１の周波数選択板１０における気体層３を図７−１や図７−２の上図に示す如く固体の誘電体層１３に変更したものであり、実施例１と同様に、周波数選択板主体可変機構４（図示略）及び制御装置５（図示略）を備えている。

その誘電体層１３としては、例えばプラスチックやＰＴＦＥ等の高分子材料、ＦＲＰやＧＦＲＰ等の炭素強化繊維材料やガラス等の無機質材料等からなる電波透過性を有する誘電材料が考えられ、第一及び第二の周波数選択板主体１，２と略同等の大きさに成形される。

また、本実施例２にあっても、周波数選択板主体可変機構４及び制御装置５は、実施例１と同様に第一及び第二の周波数選択板主体１，２を相対的に移動させる。例えば、図７−１及び図４に示す如く第二周波数選択板主体２を対角線方向にスライドさせる、又は図７−２及び図４に示す如く第二周波数選択板主体２を対角線方向にスライドさせつつ誘電体層１３から離間させる。

ここで、第二周波数選択板主体２を図７−２に示す如く移動させると、第二周波数選択板主体２と誘電体層１３との間に空気層が介在することとなり、その誘電体層１３及び空気層からなる新たな誘電体層における見かけの誘電率が変化する。これが為、かかる場合には、図７−１に示す如く平行移動させた場合と比して周波数選択板２０の特性（周波数選択性）を更に変化させることができる。

本実施例２にあっては、その周波数選択板２０を製作し、図１の様に第一及び第二の周波数選択板主体１，２における夫々の素子パターンが重なり合って見える図８に示すモデルＡの状態と、この状態から周波数選択板主体可変機構４及び制御装置５により第二周波数選択板主体２を徐々にスライドさせたモデルＢ〜Ｅまでの各位置における状態とにおいて、実施例１と同様に５％反射帯域幅と低周波側及び高周波側の帯域分離性能を見てみた。

先ず、厚さ２ｍｍのＰＴＦＥからなる板を誘電体層１３に適用した場合の結果を図９に示す。この図９からも明らかなように、モデルＡ〜Ｅにおいて低周波側及び高周波側の帯域分離性能は殆ど変化が無いが、モデルＥの状態に近づくにつれて，換言すれば第一及び第二の周波数選択板主体１，２における夫々の素子パターンのずれ量が大きくなるにつれて、５％反射帯域幅が拡大していることが判る。

また、厚さ２ｍｍのＧＦＲＰからなる板を誘電体層１３に適用した場合についても同様に、図１０に示す如く、帯域分離性能に変化は見られないが、５％反射帯域幅は素子パターンのずれ量に応じて拡大していることが判る。

このように固体の誘電体層１３が介在していても、前述した実施例１と同様に、周波数選択板２０の特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させることができる。

尚、上記各実施例１，２においては二枚の周波数選択板主体１，２を有する三層構造の周波数選択板１０，２０を例示したが、三枚以上の周波数選択板主体と、これらの間の複数の誘電体層とを有する多層構造にしてもよい。

また、上記各実施例１，２においては素子パターンとしてクロスダイポール型の周波数選択板主体１を例示したが、その素子パターンとしては、図１１に示す如きダイポール型，円形リング型，円形，矩形リング型，矩形やエルサレムクロス型等の他の形状のものであってもよく、また、パッチ型であってもスロット型であってもよい。

以上のように、本発明に係る周波数選択板は、その特性（周波数選択性）に幅を持たせるのに有用であり、特に、その特性（周波数選択性）の帯域幅を能動的に変化させるのに適している。

本発明に係る周波数選択板の実施例１の構成を上面から見た上面概念図である。 図１に示す周波数選択板を側面から見た側面概念図である。 実施例１の周波数選択板における周波数選択板主体の移動動作の一例を側面から見た図である。 実施例１の周波数選択板における周波数選択板主体の移動動作の他の例を側面から見た図である。 実施例１の周波数選択板における周波数選択板主体の移動動作の一例を上面から見た図である。 実施例１における５％反射帯域幅と低周波側及び高周波側の帯域分離性能を検証する為の実験に用いた周波数選択板を説明する図である。 図５における周波数選択板についての検証結果を示す図である。 実施例２の周波数選択板における周波数選択板主体の移動動作の一例を側面から見た図である。 実施例２の周波数選択板における周波数選択板主体の移動動作の他の例を側面から見た図である。 実施例２における５％反射帯域幅と低周波側及び高周波側の帯域分離性能を検証する為の実験に用いた周波数選択板を説明する図である。 図８における周波数選択板についての検証結果を示す図であって、その周波数選択板の誘電体層にＰＴＦＥを適用した場合の図である。 図８における周波数選択板についての検証結果を示す図であって、その周波数選択板の誘電体層にＧＦＲＰを適用した場合の図である。 本発明に係る周波数選択板に適用し得る素子パターンの他の例を示す図である。

符号の説明

１ 第一周波数選択板主体
２ 第二周波数選択板主体
３ 気体層
４ 周波数選択板主体可変機構
５ 制御装置
１０，２０ 周波数選択板
１３ 誘電体層

Claims (2)

1. 特定の周波数の電波を反射又は透過させる複数の同一の素子パターンが設けられた面を対向させ且つ間隔を設けて配置した複数枚の周波数選択板主体と、該夫々の周波数選択板主体の間に配置した電波透過性を有する誘電体層と、前記各周波数選択板主体の内の少なくとも一枚を当該周波数選択板主体の面方向で且つ対角線方向にスライドさせつつ他の周波数選択板主体に対して離間又は接近させる周波数選択板主体可変機構とを備え、
   前記周波数選択板主体は、前記各素子パターンを縦方向及び横方向に同一のピッチで配置し、
   前記周波数選択板主体可変機構は、前記周波数選択板主体における相互に隣接する各素子パターンにより形成された間隙部分に当該周波数選択板主体とは別の周波数選択板主体の素子パターンを重ねるよう前記スライドをさせていくことを特徴とする周波数選択板。
2. 前記各周波数選択板主体間における素子パターンの位置関係が所望の周波数選択性に応じた位置関係となるように前記周波数選択板主体可変機構の動作を制御する制御装置を設けたことを特徴とする請求項１記載の周波数選択板。

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