JP4798448B2 - 電波シャッター - Google Patents

Description

本発明は、目的とする周波数の電波を透過する状態と、遮蔽する状態とに相互変換可能であり、所定周波数の電波に対するシャッターとして機能する電波シャッターであり、所定周波数の電波を吸収・反射あるいは透過させる既存の技術とは全く異なる新規な技術に関するものである。

従来、電波反射によるゴーストを抑制するために、特定周波数の電波を吸収する電波吸収体がある（例えば、特許文献１を参照）。また、特定周波数帯の電波を透過させつつ他の周波数帯の電波を遮蔽するレドームもある（例えば、特許文献２を参照）。

特開２００５−７９２４７号公報 特開２００６−２５８４４９号公報

しかしながら、前記特許文献１や特許文献２に記載された発明では、目的とする周波数の電波を吸収する状態か、透過させる状態かに固定されており、その時々に応じて状態を変更できるものではない。

本発明は、目的とする周波数の電波を透過する状態と、遮蔽する状態とに相互変換可能な電波シャッターの提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、目的とする電波の周波数λのほぼ１／４の長さに形成した電線を、到来電波の透過時に約４６０Ωのリアクタンス値を呈する第１可変リアクタと、到来電波の透過時に無限大と看做し得るリアクタンス値を呈する第２可変リアクタを交互に用いて直列に接続した状態可変線路と成し、該状態可変線路をλ／４よりも短い間隔でほぼ平行に複数配列してシャッター体を構成し、前記シャッター体における各状態変換線路の第１，第２可変リアクタが備える可変容量ダイオードに逆バイアスを印加可能なバイアス印加手段を設け、前記第１，第２可変リアクタの可変容量ダイオードに逆バイアスを印加しないことで電波透過状態に、第１，第２可変リアクタの可変容量ダイオードに逆バイアスを印加することで状態変換線路に平行な直線偏波を遮蔽する電波遮蔽状態に、相互変換可能としたことを特徴とする。

また、請求項２に係る発明は、前記請求項１に記載の電波シャッターにおいて、前記第１可変リアクタおよび第２可変リアクタの可変容量ダイオードに、到来電波による高周波信号に対して可変容量ダイオードを安定動作させるに十分な値の高抵抗を並列接続するようにしたことを特徴とする。

また、請求項３に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の電波シャッターにおいて、前記シャッター体の各状態変換線路に直交する帯状導体を約λ／４の長さの電線として、相互に隣接する状態変換線路で共有するようにしたことを特徴とする。

また、請求項４に係る発明は、前記請求項１又は請求項２に記載の電波シャッターにおいて、前記状態変換線路における第１可変リアクタの可変容量ダイオードと第２可変リアクタの可変容量ダイオードは、順方向の向きが互いに逆方向となるように接続し、前記バイアス印加手段は、第１可変容量ダイオードと第２可変容量ダイオードが接続される電線を介して各可変容量ダイオードへ並列に逆バイアスを印加するようにしたことを特徴とする。

請求項１に係る電波シャッターによれば、到来電波の透過時に約４６０Ωのリアクタンス値を呈する第１可変リアクタを中心としてλ／４の電線を両側に接続することで、ダイポールアンテナと同様に到来電波の透過時に流れる電流の積分量がゼロとなって電気的透明条件が成立し、到来電波の透過時に無限大と看做し得るリアクタンス値を呈する第２可変リアクタを介して接続される導線間は開放と看做すことができるので、逆バイアス印加手段により逆バイアスを印加しなければ、状態変換線路の線路方向に平行な直線偏波をシャッター体へ透過させることができる。一方、逆バイアス印加手段により逆バイアスを印加すると、第１可変リアクタおよび第２可変リアクタの可変容量ダイオードの静電容量が最小となって、第１，第２可変リアクタのリアクタンス値が零に近づき、第１，第２可変リアクタを介して各電線が導通可能に接続されたと看做すことができるので、逆バイアス印加手段により逆バイアスを印加すれば、状態変換線路に平行な直線偏波をシャッター体で遮蔽できる。従って、逆バイアス印加手段による逆バイアスの印加制御によって、電波の透過状態と遮蔽状態を相互に変換することが可能となる。

また、請求項２に係る電波シャッターによれば、前記第１可変リアクタおよび第２可変リアクタの可変容量ダイオードに、到来電波による高周波信号に対して可変容量ダイオードを安定動作させるに十分な値の高抵抗を並列接続するようにしたので、各状態変換線路において直列接続される各可変容量ダイオードの特性のばらつきなどに起因して、逆バイアス印加手段による逆バイアスが適切に印加されずに不安定な動作となることを効果的に回避できる。

また、請求項３に係る電波シャッターによれば、前記シャッター体の各状態変換線路に直交する帯状導体を約λ／４の長さの電線として、相互に隣接する状態変換線路で共有するようにしたので、シャッター体に設ける状態変換線路毎に電線を個別に形成する必要がない。

また、請求項４に係る電波シャッターによれば、前記状態変換線路における第１可変リアクタの可変容量ダイオードと第２可変リアクタの可変容量ダイオードは、順方向の向きが互いに逆方向となるように接続し、前記バイアス印加手段は、第１可変容量ダイオードと第２可変容量ダイオードが接続される電線を介して各可変容量ダイオードへ並列に逆バイアスを印加するようにしたので、状態変換線路において直列接続される可変容量ダイオードの数にかかわらず、一つの可変容量ダイオードを動作させるのに必要な電圧の印加制御で状態変換が可能となる。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係る電波シャッターに最適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。

図１は、第１実施形態に係る電波シャッター１の概略構成を示すもので、目的とする周波数λである電波の伝搬路中に配置するシャッター体２と、該シャッター体２へ直流電圧を印加する直流電源３と、該直流電源３のＯＮ／ＯＦＦを制御するスイッチ４と、上記シャッター体２をアースに接続する接地部５を備える。

本実施形態に係る電波シャッター１におけるシャッター体２は、状態変換線路２１をλ／４よりも短い間隔でほぼ平行に複数配列して略四角形状のシートに構成したものである。また、各状態変換線路２１は、約λ／４の長さに形成した電線２２を、到来電波の透過時に約４６０Ωのリアクタンス値を呈する第１可変リアクタ２３と、到来電波の透過時に無限大と看做し得る（理想的には、無限大Ω）リアクタンス値を呈する第２可変リアクタ２４を交互に用いて直列に接続したものである。より正確には、第１可変リアクタ２３を中心として、一方の電線２２の端部までがλ／４、他方の電線２２の端部までがλ／４であるが、第１可変リアクタ２３は波長λに対して無視できる程度に小さく構成できるので、各電線２２の長さをλ／４と考えて構わない。

状態可変線路２１における第１，第２可変リアクタ２３，２４は、何れも可変容量ダイオードを備える構成で、その可変容量ダイオードに逆バイアスが印加されるように、高電位となる直流電源３側から低電位となる接地部５側に対して逆方向（低電位側から高電位側に向って順方向となるよう）に接続する。そして、一つの可変容量ダイオードに印加するバイアス電圧をα〔Ｖ〕とすると、状態可変線路２１に直接接続した可変容量ダイオードの総数が９個である本実施形態においては、９α〔Ｖ〕の電圧印加が可能な直流電源３を用いる必要がある。

また、並列接続される各状態可変線路２２…の高電位側は、高抵抗Ｒ１を介して接続し、各状態可変線路２２…の低電位側は、高抵抗Ｒ２を介して接続することにより、状態変換線路２１の間に高周波（ＲＦ）電流が流れることを阻止する。このように、本実施形態に係る電波シャッター１においては、状態変換線路２１に直交する方向にＲＦ電流が流れることはないので、状態変換線路２１に直交する偏波は常にシャッター体２を透過することとなる。なお、高抵抗Ｒ１，Ｒ２に代えて高リアクタンスのインダクタを接続しても良い。

上記のように構成した電波シャッター１において、直流電源３から逆バイアスを印加しないときにはシャッター体２が電波透過状態となり、直流電源３から逆バイアスを印加するとシャッター体２が電波遮蔽状態となる原理を、図２に基づいて説明する。ここでは、説明を簡易化するために、一つの状態可変線路にのみ着目する。

図２に示す状態可変線路２１は、第１電線２２ａと第２電線２２ｂを第１可変リアクタ２３により接続し、第２電線２２ｂと第３電線２２ｃを第２可変リアクタ２４により接続し、第３電線２２ｃと第４電線２２ｄを第１可変リアクタ２３により接続したものである。第１可変リアクタ２３は、容量リアクタンスＸ_C1の第１可変容量ダイオード２３１と誘導リアクタンスＸ_L1の第１インダクタ２３２から構成したもので、第２可変リアクタ２４は、容量リアクタンスＸ_C2の第２可変容量ダイオード２４１と誘導リアクタンスＸ_L2の第２インダクタ２４２から構成したものである。

そして、第１可変容量ダイオード２３１の静電容量Ｃ_X1は第２可変容量ダイオード２４１の静電容量Ｃ_X2よりも大きくなるように設定する。その容量リアクタンスＸ_C1，Ｘ_C2は負の値（Ｘ_C＝−１／（ω・Ｃ_X）＜０）であるから、第１可変容量ダイオード２３１に逆バイアスを印加していない時の容量リアクタンスＸ_C1maxは第１可変容量ダイオード２３１に逆バイアスを印加した時の容量リアクタンスＸ_C1minよりも大きく、第２可変容量ダイオード２４１に逆バイアスを印加していない時の容量リアクタンスＸ_C2maxは第２可変容量ダイオード２４１に逆バイアスを印加した時の容量リアクタンスＸ_C2minよりも大きい。

先ず、図２（ａ）に示す電波透過状態においては、スイッチ４が開いて直流電源３から逆バイアスが印加されないので、到来電波の透過時に約４６０Ωのリアクタンス値（Ｘ_L1＋Ｘ_C1max）を呈する第１可変リアクタ２３を中心としてλ／４の第１電線２２ａと第２電線２２ｂを両側に接続した部位では、ダイポールアンテナと同様に到来電波の透過時に流れる電流の積分量がゼロとなって電気的透明条件が成立する。同様に、第１可変リアクタ２３を中心として第３電線２２ｃと第４電線２２ｄを両側に接続した部位でも電気的透明条件が成立する。また、到来電波の透過時に無限大と看做し得る（理想的には∞Ω）リアクタンス値（Ｘ_L2＋Ｘ_C2max）を呈する第２可変リアクタ２４を介して接続される導線間は開放と看做すことができ、第２電線２２ｂと第３電線２２ｃとの間に電流は流れない。すなわち、状態変換線路２２は、到来電波によって局所的に電流は流れるものの、その積分量は零であるため、電波の透過を阻害せず、電波透過状態を実現できるのである。

一方、図２（ｂ）に示す電波遮蔽状態においては、スイッチ４が閉じて直流電源３から逆バイアスが印加されることで、第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１の容量リアクタンスＸ_C1min，Ｘ_C2minは共に最小となり、第１可変リアクタ２３のリアクタンス値（Ｘ_L1＋Ｘ_C1min）および第２可変リアクタ２４のリアクタンス値（Ｘ_L2＋Ｘ_C2min）がほぼ零となるように設定しておくことで、第１電線２２ａ〜第４電線２２ｄが短絡された状態となる。すなわち、状態変換線路２２は、到来電波によって電流が流れるため、電波は透過できず、電波遮蔽状態を実現できるのである。

以上のように、直流電源３とスイッチ４と接地部５から構成する逆バイアス印加手段によるシャッター体２における各状態変換線路２１への逆バイアス印加制御によって、シャッター体２を電波透過状態と電波遮蔽状態に相互変換させることが可能となる。しかも、シャッター体２を電波遮蔽状態に変換させるためには、逆バイアス印加手段により各可変容量ダイオードへ逆バイアスを印加するだけで良く、直流給電による電流は流れないので、電波シャッター１の動作による消費電力を低く抑えられるという利点もある。

なお、逆バイアスを印加していないときの第２可変リアクタ２４のリアクタンス値（Ｘ_L2＋Ｘ_C2max）を、到来電波に対して∞Ωとすることは理想条件であり、第２可変リアクタ２４に接続された２つの電線２２，２２の間に電流が流れないと看做すことができる程度に高い値のリアクタンス値を設定できれば良い。

また、第１，第２可変リアクタ２３，２４の第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１は、素子特性のばらつきに起因して、直流電源３からの逆バイアスが適切に印加されずに不安定な動作となる可能性があるので、図３に示すように、第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１と並列に高抵抗２３３，２４３を接続することで、第１，第２可変リアクタ２３，２４の動作を安定化させ、状態変換線路２１が電波透過状態から電波遮蔽状態へ安定して変換できるようにしても良い。

加えて、上述した電波シャッター１におけるシャッター体１は、平板な板状として示したが、電波の到来方向に対して各電線２２の長さがλ／４に保持されていれば、彎曲させた曲面形状、あるいは両側縁を連続させた周面形状としても構わない。更に、電波シャッター１は、状態変換線路２１の配設方向に応じて、対応可能な直線偏波の向きが制限されるが、２枚の電波シャッター１を、状態変換線路２１の配設方向が互いに直交するように組み合わせて用いれば、全偏波を制御することが出来る。

上述した第１実施形態に係る電波シャッター１においては、各状態変換線路２１毎に電線２１を形成したが、状態変換線路２１は平行に配置するものであることから、図４に示す第２実施形態に係る電波シャッター１′のように、シャッター体２′における状態変換線路２１′の配設方向に直交させて配置した複数の帯状導体２５を第１可変リアクタ２３と第２可変リアクタ２４を交互に用いて接続する構成としても良い。

この第２実施形態に係る電波シャッター１′においては、各帯状導体２５の幅を約λ／４（より正確には、第１可変リアクタ２３を中心として、一方の帯状導体２５の端部までがλ／４、他方の帯状導体２５の端部までがλ／４）に設定することで、実質的に上述した第１実施形態における約λ／４の電線を相互に隣接する状態変換線路２１で共有する形態となる。すなわち、シャッター体２′の構成によれば、状態変換線路２１′毎にλ／４の電線を個別に設ける必要が無い。

更に、第２実施形態に係る電波シャッター１′においては、帯状導体２５を用いることで、各状態変換線路２１′に直交する方向にＲＦ電流が規制されないため、状態変換線路２１′に直交する偏波は常にシャッター体２′に遮蔽されることとなる。よって、本実施形態に係る電波シャッター１′では、逆バイアスを印加していない電波透過状態のとき、状態変換線路２１′に平行な直線偏波のみがシャッター体２′を透過でき、逆バイアスを印加して電波遮蔽状態に変換すると、全ての偏波を遮蔽することとなるので、上述した第１実施形態に係る電波シャッター１とは異なる用途で利用することができる。

上述した第１，第２実施形態に係る電波シャッター１，１′においては、第１，第２可変リアクタ２３，２４を直列接続した各状態変換線路２１，２１′へ逆バイアスを印加する構成としたので、第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１の接続数が増えれば、それだけ直流電源３による印加電圧を高くしなければならない。そこで、各状態変換線路における第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１の接続数に関わらず、一つの可変容量ダイオードを動作させるに足る逆バイアスの印加で、状態変換線路を電波遮蔽状態へ変換させることができる第３実施形態に係る電波シャッター１″を図５に基づいて説明する。

電波シャッター１″のシャッター体２″においては、各状態変換線路２１″における第１可変リアクタ２３の第１可変容量ダイオード２３１と第２可変リアクタ２４の第２可変容量ダイオード２４１は、順方向の向きが互いに逆方向となるように各電線２２と接続し、直流電源３からの接続線を分岐させた分岐給電線２６…と、接地部５に接続される接地誘導線２７…を各電線２２…へ交互に接続することで、第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１へ並列に逆バイアスを印加するようにした。図５に示すように、１０本の電線２２を５つの第１可変リアクタ２３と４つの第２可変リアクタ２４で接続した構成の状態可変線路２１″においては、５本の分岐球電線２６と５本の接地誘導線２７を用いれば、直流電源３から全ての第１，第２可変容量ダイオード２３１，２４１へ逆バイアスを並列に印加する構成を実現できる。

以上、本発明に係る電波シャッターを幾つかの実施形態に基づき説明したが、本発明は、これらの実施形態のみに限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全ての電波シャッターを権利範囲として包摂するものである。

また、本発明に係る電波シャッターの作製方法についても、特に限定されるものではないが、例えば、プリント技術により、導体構造を誘電体表面に構成することが可能であり、精度の高い導体配置と、高い量産性が期待できる。なお、導体構造をプリントする誘電体の誘電率などにより、等価的な波長が変わるため、電波を透過（電気的透明）状態にする電線２２の長さλ／４や、リアクタンス値４６０Ωが変化する点に留意する必要がある。

また、本発明に係る電波シャッターは、透過状態・遮蔽状態の変更制御対象とする電波の周波数・偏波・時間を選択して電波の出入りを制御したい用途であれば、如何様なものにでも適用可能である。例えば、外来電波を受けて動作するＩＣカード等のスキミング対策として、カードを電波シャッターにて保護し、カード所持者の意図しないときはカードへの外来電波を遮断し、カード所持者の発意により電波シャッターを開いたときだけ当該カードを利用可能となるような使い方が想定される。或いは、劇場や会議室などの空間を電波シャッターのシャッター体で覆っておくことにより、携帯電話による通話可能状態と通話強制遮断状態を任意の時間で切換制御するような利用法も考えられる。

第１実施形態に係る電波シャッターの概略構成図である。 電波シャッターの原理説明図である。 第１可変リアクタ又は第２可変リアクタの他の構成例を示す構成図である。 第２実施形態に係る電波シャッターの概略構成図である。 第３実施形態に係る電波シャッターの概略構成図である。

符号の説明

１ 電波シャッター
２ シャッター体
２１ 状態変換線路
２２ 電線
２３ 第１可変リアクタ
２３１ 第１可変容量ダイオード
２３２ 第１インダクタ
２４ 第２可変リアクタ
２４１ 第２可変容量ダイオード
２３２ 第２インダクタ
３ 直流電源
４ スイッチ
５ 接地部

Claims (4)

1. 目的とする電波の周波数λのほぼ１／４の長さに形成した電線を、到来電波の透過時に約４６０Ωのリアクタンス値を呈する第１可変リアクタと、到来電波の透過時に無限大と看做し得るリアクタンス値を呈する第２可変リアクタを交互に用いて直列に接続した状態可変線路と成し、該状態可変線路をλ／４よりも短い間隔でほぼ平行に複数配列してシャッター体を構成し、
   前記シャッター体における各状態変換線路の第１，第２可変リアクタが備える可変容量ダイオードに逆バイアスを印加可能なバイアス印加手段を設け、
   前記第１，第２可変リアクタの可変容量ダイオードに逆バイアスを印加しないことで電波透過状態に、第１，第２可変リアクタの可変容量ダイオードに逆バイアスを印加することで状態変換線路に平行な直線偏波を遮蔽する電波遮蔽状態に、相互変換可能としたことを特徴とする電波シャッター。
2. 前記第１可変リアクタおよび第２可変リアクタの可変容量ダイオードに、到来電波による高周波信号に対して可変容量ダイオードを安定動作させるに十分な値の高抵抗を並列接続するようにしたことを特徴とする請求項１に記載の電波シャッター。
3. 前記シャッター体の各状態変換線路に直交する帯状導体を約λ／４の長さの電線として、相互に隣接する状態変換線路で共有するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電波シャッター。
4. 前記状態変換線路における第１可変リアクタの可変容量ダイオードと第２可変リアクタの可変容量ダイオードは、順方向の向きが互いに逆方向となるように接続し、
   前記バイアス印加手段は、第１可変容量ダイオードと第２可変容量ダイオードが接続される電線を介して各可変容量ダイオードへ並列に逆バイアスを印加するようにしたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の電波シャッター。

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