JP4926099B2

JP4926099B2 - 電磁波反射面

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Publication number: JP4926099B2
Application number: JP2008067965A
Authority: JP
Inventors: 光詞井幡; 幸一郎三須; 崇 ▲柳▼; 英征大橋
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2008-03-17
Filing date: 2008-03-17
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2028-03-17
Also published as: JP2009225159A

Description

この発明は、複数の周波数帯において反射位相が０°となる磁気壁を形成する電磁波反射面に関するものである。

複数の周波数帯域において、反射位相が０°となる磁気壁を形成する電磁波反射面として、多重周波数帯域における電磁インピーダンスが大きいテクスチャ化表面が知られている（例えば、特許文献１参照）。このテクスチャ化表面は、複数の周波数帯域において反射位相が０°の高インピーダンス表面を形成するものであり、接地平面と、接地平面から一定の距離を隔てて配置された第一のアレイ中に配置された複数の導体プレートであって、接地平面と第一アレイとの間の距離が無線周波数ビームの波長より短く、上記第一のアレイが第一の格子定数を有する複数の導電プレートと、第一のアレイの格子定数より大きい格子定数を有する第二のアレイを形成する、上記複数の導電プレートと関連した複数の導電エレメントを備えている。

特表２００４−５１４３６４号公報

しかしながら、従来の電磁波反射面は、複数の周波数帯で反射位相が０°となる磁気壁を得るために多層構造を利用しており、構造が複雑になり、製造コストが増大するという問題点があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、その目的は、導体パッチ間にインダクタンス素子、キャパシタンス素子を交互に装荷した簡単な単層構造で、複数の周波数帯において反射位相が０°となる磁気壁を形成することができる電磁波反射面を得るものである。

この発明に係る電磁波反射面は、基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔で配列され、各々が少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチと、隣接する導体パッチ間に装荷され、特定の周波数範囲で誘導性を示すインダクタンス素子と、隣接する導体パッチ間に装荷され、特定の周波数範囲で容量性を示すキャパシタンス素子とを設け、前記インダクタンス素子及び前記キャパシタンス素子が交互に装荷されているものである。

この発明に係る電磁波反射面は、導体パッチ間にインダクタンス素子、キャパシタンス素子を交互に装荷した簡単な単層構造で、複数の周波数帯において反射位相が０°となる磁気壁を形成することができるという効果を奏する。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面について図１から図３までを参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面の構成を示す図である。同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線での断面図である。なお、以降では、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

図１において、この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面は、地板（導体）１と、基板２と、導体パッチ３と、特定の周波数範囲で誘導性を示すインダクタンス素子４と、特定の周波数範囲で容量性を示すキャパシタンス素子５とが設けられている。

基板２は誘電体等から構成され、この基板２の第一の面上には、地板１が形成されている。また、基板２をはさんで地板１と対向する基板２の第二の面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔で、一次元的、または二次元的に配列されている。さらに、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間にはインダクタンス素子４、キャパシタンス素子５が交互に装荷されている。

つぎに、この実施の形態１に係る電磁波反射面の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態１に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分が生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分が生じる。これらの電磁波反射面の構造により形成されるキャパシタンス成分とインダクタンス成分が、隣接する導体パッチ３間に交互に装荷されたインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５と組み合わさることにより、複数のＬＣ共振回路が形成されるため、複数の共振を得ることができる。各ＬＣ共振回路は、各共振周波数において高インピーダンス特性を示すため、複数の導体パッチ３が配列された面が高インピーダンス面となる。この高インピーダンス面に電磁波が入射した場合、その反射位相は０°となる磁気壁として動作する。したがって、複数の周波数において磁気壁として動作することとなる。

この実施の形態１に係る電磁波反射面では、隣接する導体パッチ３間にインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷され、単層構造で、複数の周波数帯域において磁気壁動作を得ることができる。一方、従来の電磁波反射面では、複数の周波数帯域において磁気壁動作を得るために、多層構造としているため、実施の形態１に係る電磁波反射面の方が、構造が簡単になり、製造も容易となる。また、従来の電磁波反射面では、磁気壁動作帯域が構造からのみ決定されるが、実施の形態１では、導体パッチ３のサイズや隣接する導体パッチ３間の距離等の構造からだけでなく、インダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５の素子値を変えることにより、磁気壁動作帯域を変更することができるため、容易に所望の周波数帯域で磁気壁動作を得ることが可能となる。

ここで、計算例を用いて、実施の形態１による電磁波反射面について説明する。図２は、計算に用いた電磁波反射面の単位セル構造を示す図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

計算では、図２に示す電磁波反射面の単位セル構造において、導体パッチ３を２．９ｍｍ×２．９ｍｍ、隣接する導体パッチ間の距離を０．２ｍｍとし、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２とした。また、隣接する導体パッチ３間に装荷されたインダクタンス素子４およびキャパシタンス素子５の素子値は、それぞれ０．５ｎＨ、４ｐＦとした。

図３は、図２に示す単位セル構造を無限周期配列し、図２中のｘ方向に電界成分を有する平面波が垂直入射した場合の反射位相特性を計算した結果を示す図である。図３に示すように、約２ＧＨｚと約１５ＧＨｚの２つの周波数において、反射位相が０°となっており、２つの周波数帯域で磁気壁動作を示している。

この実施の形態１では、誘電体等の基板２の第一の面上に地板１が形成され、基板２をはさんで地板１と対向する基板２の第二の面上に、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔で、一次元的、または二次元的に配列され、さらに、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間にはインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷された構成について説明したが、それに限るものではなく、上記構成において、複数の導体パッチ３がビアホール等の導体を介して地板１に接続された構成としても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面について図４から図７までを参照しながら説明する。図４は、この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面の構成を示す図である。同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線での断面図である。

図４において、この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面は、地板１と、基板２と、導体パッチ３と、特定の周波数範囲で誘導性を示すインダクタンス素子４（４ａ、４ｂ）と、特定の周波数範囲で容量性を示すキャパシタンス素子５（５ａ、５ｂ）とが設けられている。

複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間に装荷されたインダクタンス素子４、キャパシタンス素子５の素子値は、水平方向（図中のｘ方向）と垂直方向（図中のｙ方向）、すなわちインダクタンス素子４ａと４ｂ、およびキャパシタンス素子５ａと５ｂで異なるように設定されている。

つぎに、この実施の形態２に係る電磁波反射面の動作について図面を参照しながら説明する。

この実施の形態２に係る電磁波反射面に電磁波が入射した場合、隣接する導体パッチ３間でキャパシタンス成分が生じる。また、導体パッチ３上に流れる電流により、インダクタンス成分が生じる。これらの電磁波反射面の構造により形成されるキャパシタンス成分とインダクタンス成分が隣接する導体パッチ３間に交互に装荷されたインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５と組み合わさることにより、ＬＣ共振回路が形成されるため、複数の共振を得ることになる。各ＬＣ共振回路は、共振周波数において高インピーダンス特性を示し、これにより反射位相が０°となる磁気壁として動作する。

この実施の形態２に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間にインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷されており、さらに、インダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５の素子値はｘ方向とｙ方向で異なるように設定されている。したがって、入射する電磁波が有する電界成分の方向により、導体パッチ３間に装荷されたインダクタンス素子４およびキャパシタンス素子５の寄与の仕方が異なるため、上記共振周波数が異なるようになる。

例えば、図４で示した面に電磁波が入射するとし、電磁波が図４中のｘ方向に電界成分を有しているとすると、磁気壁動作に寄与するのは、インダクタンス素子４ａおよびキャパシタンス素子５ａとなる。

一方、図４で示した単位セル構造を無限周期に配列した面に入射する電磁波が、図４中のｙ方向に電界成分を有している場合、磁気壁動作に寄与するのは、インダクタンス素子４ｂおよびキャパシタンス素子５ｂとなる。

したがって、この実施の形態２のように、ｘ方向とｙ方向で装荷するインダクタンス素子４およびキャパシタンス素子５の素子値を異なるように設定することで、入射波の電界成分の方向によって、磁気壁動作帯域を異なるようにすることができる。

ここで、計算例を用いて、実施の形態２に係る電磁波反射面について説明する。図５は、計算に用いた電磁波反射面の単位セル構造を示す図であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

計算では、図５に示す電磁波反射面の単位セル構造において、導体パッチ３を２．９ｍｍ×２．９ｍｍ、隣接する導体パッチ３間の距離を０．２ｍｍとし、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２とした。また、隣接する導体パッチ３間に装荷されたインダクタンス素子４およびキャパシタンス素子５の素子値は、図中のｘ方向のインダクタンス素子４ａおよびキャパシタンス素子５ａをそれぞれ０．５ｎＨ、２ｐＦとし、ｙ方向のインダクタンス素子４ｂおよびキャパシタンス素子５ｂをそれぞれ１ｎＨ、４ｐＦとした。

図６及び図７は、図５に示す単位セル構造を無限周期配列した面に電磁波が垂直入射した場合の反射特性を計算した結果であり、図６は入射波がｘ方向に電界成分を有する場合の結果であり、図７は入射波がｙ方向に電界成分を有する場合の結果である。図６に示すように、約３ＧＨｚと約１５ＧＨｚにおいて、反射位相が０°となっており、２つの周波数帯域で磁気壁動作を示しているのに対して、図７に示すように、約２ＧＨｚと約１３ＧＨｚにおいて、反射位相が０°となっており、２つの周波数帯域で磁気壁動作を示している。このように、実施の形態２に係る電磁波反射面では、入射波の有する電界成分の方向により、磁気壁動作帯域を変えることが可能となる。

この実施の形態２では、誘電体等の基板２の第一の面上に地板１が形成され、基板２をはさんで地板１と対向する基板２の第二の面上に、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔で、一次元的、または二次元的に配列され、さらに、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間にはインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷され、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間に装荷されたインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５の素子値は、ｘ方向とｙ方向で異なるように設定された構成について説明したが、これに限るものではなく、前記構成において、複数の導体パッチ３をビアホール等の導体を介して地板１に接続した構成としても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係る電磁波反射面について図８から図１６までを参照しながら説明する。図８は、この発明の実施の形態３に係る電磁波反射面の構成を示す図である。同図（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’線での断面図である。

図８において、この発明の実施の形態３に係る電磁波反射面は、地板１と、基板２と、導体パッチ３と、特定の周波数範囲で誘導性を示すインダクタンス素子４と、特定の周波数範囲で容量性を示すキャパシタンス素子５とが設けられている。

基板２は誘電体等から構成され、この基板２の第一の面上には、地板１が形成されている。また、基板２をはさんで地板１と対向する基板２の第二の面上には、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔で、一次元的、または二次元的に配列されている。さらに、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間には少なくとも２個以上のインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷されている。

この実施の形態３に係る電磁波反射面の基本的な動作については、上記の実施の形態１および実施の形態２と同様であるので、ここでは省略し、異なる部分を以下に説明していく。この実施の形態３に係る電磁波反射面は、隣接する導体パッチ３間に少なくとも２個以上のインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷されているため、導体パッチ３上を流れる電流が流れやすくなり、磁気壁動作帯域が広帯域化する効果を得ることができる。

この実施の形態３に係る電磁波反射面の磁気壁動作帯域広帯域化について、計算例を用いて説明する。図９及び図１０は、導体パッチ３間に装荷したインダクタンス素子４の個数と磁気壁動作帯域の関係を求めるための電磁波反射面の単位セル構造を示す図である。図９は、導体パッチ３間にインダクタンス素子を１個装荷した場合の単位セル構造であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。また、図１０は、導体パッチ３間にインダクタンス素子を２個装荷した場合の単位セル構造であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図１１は、図９の単位セル構造において、導体パッチ３を６ｍｍ×３ｍｍ、隣接する導体パッチ３間の距離を０．２ｍｍ、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２、インダクタンス素子４の素子値を０．１ｎＨ、キャパシタンス素子５の素子値を５．４ｐＦとしたものを無限周期に配列した面に図中のｘ方向に電界成分を有する平面波が入射した場合の反射位相特性である。図１１のように、２．１９ＧＨｚで反射位相が０°となり、この周波数の近傍で磁気壁として動作している。反射位相が±９０°となる周波数帯域を磁気壁動作帯域とすると、磁気壁動作帯域幅は０．０５１ＧＨｚであり、次の式１で定義される磁気壁動作帯域比帯域幅は２．３３％となる。

（磁気壁動作比帯域幅）＝（磁気壁動作帯域幅）／（反射位相が０°となる周波数）
（式１）

図１２は、図１０の単位セル構造において、導体パッチ３を６ｍｍ×３ｍｍ、隣接する導体パッチ３間の距離を０．２ｍｍ、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２、２個のインダクタンス素子４の素子値をそれぞれ０．２ｎＨ、キャパシタンス素子５の素子値を５．４ｐＦとしたものを無限周期配列した面に電界成分を図中のｘ方向に有する平面波が入射した場合の反射位相特性である。図１２のように、２．３７ＧＨｚで反射位相が０°となり、この周波数の近傍で磁気壁動作している。反射位相が±９０°となる周波数帯域を磁気壁動作帯域とすると、磁気壁動作帯域幅は０．０６６ＧＨｚであり、上記の式１で定義される磁気壁動作帯域比帯域幅は２．７９％となる。

上述のように、導体パッチ３間に装荷するインダクタンス素子４の個数を増やすことで、磁気壁動作帯域が広帯域化する効果を得ることができる。

図１３及び図１４は、導体パッチ３間に装荷したキャパシタンス素子５の個数と磁気壁動作帯域の関係を求めるための電磁波反射面の単位セル構造である。図１３は、導体パッチ３間にキャパシタンス素子５を１個装荷した場合の単位セル構造であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。また、図１４は、導体パッチ３間にキャパシタンス素子５を２個装荷した場合の単位セル構造であり、同図（ａ）は平面図、（ｂ）は側面図である。

図１５は、図１３の単位セル構造において、導体パッチ３を６ｍｍ×６ｍｍ、隣接する導体パッチ３間の距離を０．２ｍｍ、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２、キャパシタンス素子５の素子値を８ｐＦとしたものを無限周期に配列した面に電界成分を図中のｘ方向に有する平面波が入射した場合の反射位相特性である。図１５のように、２．１４ＧＨｚで反射位相が０°となり、この周波数の近傍で磁気壁として動作している。反射位相が±９０°となる周波数帯域を磁気壁動作帯域とすると、磁気壁動作帯域幅は０．０５７ＧＨｚであり、式１で定義される磁気壁動作帯域比帯域幅は２．６６％となる。

図１６は、図１４の単位セル構造において、導体パッチ３を６ｍｍ×６ｍｍ、隣接する導体パッチ３間の距離を０．２ｍｍ、基板２の厚さを０．８ｍｍ、基板２の誘電率を４．２、２個のキャパシタンス素子５の素子値をそれぞれ４ｐＦとしたものを無限周期配列した面に電界成分をｘ方向に有する平面波が入射した場合の反射位相特性である。図１６のように、２．３１ＧＨｚで反射位相が０°となり、この周波数の近傍で磁気壁動作している。反射位相が±９０°となる周波数帯域を磁気壁動作帯域とすると、磁気壁動作帯域幅は０．０８６ＧＨｚであり、式１で定義される磁気壁動作帯域比帯域幅は３．７３％となる。

上述のように、導体パッチ３間に装荷するキャパシタンス素子５の個数を増やすことで、磁気壁動作帯域が広帯域化する効果を得ることができる。

以上のように、この実施の形態３に係る電磁波反射面では、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間には少なくとも２個以上のインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５を交互に装荷することにより、複数の磁気壁動作帯域を広帯域化することができる。

この実施の形態３では、誘電体等の基板２の第一の面上に地板１が形成され、基板２をはさんで地板１と対向する基板２の第二の面上に、少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチ３が所定の間隔で、一次元的、または二次元的に配列され、さらに、複数の導体パッチ３の隣接する導体パッチ間には少なくとも２個以上のインダクタンス素子４またはキャパシタンス素子５が交互に装荷された構成について説明したが、これに限るものではなく、前記構成において、複数の導体パッチ３をビアホール等の導体を介して地板１に接続した構成としても、同様の効果を得ることができる。

なお、以上の実施の形態では、電磁波反射面を構成する導体パッチの形状を矩形とした場合を例示して説明したが、導体パッチの形状は矩形に限らず正六角形、正八角形、楕円などにしてもよい。

また、以上の実施の形態では、２つの周波数帯域での磁気壁動作を例示して説明したが、電磁波反射面を構成する複数の導体パッチ３や隣接する導体パッチ３間の距離、基板２の厚さ、基板２の誘電率などの構造、インダクタンス素子４の素子値、キャパシタンス素子５の素子値の設定により複数の周波数帯域で磁気壁動作させることも可能である。

この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面の構成を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面の計算に用いた単位セル構造を示す図である。この発明の実施の形態１に係る電磁波反射面の計算した反射位相特性を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面の構成を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面の計算に用いた単位セル構造を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面の計算した反射位相特性（入射波がｘ方向に電界成分を有する場合）を示す図である。この発明の実施の形態２に係る電磁波反射面の計算した反射位相特性（入射波がｙ方向に電界成分を有する場合）を示す図である。この発明の実施の形態３に係る電磁波反射面の構成を示す図である。導体パッチ間にインダクタンス素子を１個装荷した場合の単位セル構造を示す図である。導体パッチ間にインダクタンス素子を２個装荷した場合の単位セル構造を示す図である。図９の単位セル構造における反射位相特性を示す図である。図１０の単位セル構造における反射位相特性を示す図である。導体パッチ間にキャパシタンス素子を１個装荷した場合の単位セル構造を示す図である。導体パッチ間にキャパシタンス素子を２個装荷した場合の単位セル構造を示す図である。図１３の単位セル構造における反射位相特性を示す図である。図１４の単位セル構造における反射位相特性を示す図である。

符号の説明

１地板、２基板、３導体パッチ、４インダクタンス素子、４ａインダクタンス素子、４ｂインダクタンス素子、５キャパシタンス素子、５ａキャパシタンス素子、５ｂキャパシタンス素子。

Claims

基板と、
前記基板の第一の面に形成された導体と、
前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔で配列され、各々が少なくとも動作周波数において１波長以下の寸法を有する複数の導体パッチと、
隣接する導体パッチ間に装荷され、特定の周波数範囲で誘導性を示すインダクタンス素子と、
隣接する導体パッチ間に装荷され、特定の周波数範囲で容量性を示すキャパシタンス素子とを備え、
前記インダクタンス素子及び前記キャパシタンス素子が交互に装荷されている
ことを特徴とする電磁波反射面。
前記導体パッチに対して水平方向に装荷されるインダクタンス素子の素子値と前記導体パッチに対して垂直方向に装荷されるインダクタンス素子の素子値が異なり、かつ
前記導体パッチに対して水平方向に装荷されるキャパシタンス素子の素子値と前記導体パッチに対して垂直方向に装荷されるキャパシタンス素子の素子値が異なる
ことを特徴とする請求項１記載の電磁波反射面。
前記インダクタンス素子は、隣接する導体パッチ間に少なくとも２個以上装荷され、かつ
前記キャパシタンス素子は、隣接する導体パッチ間に少なくとも２個以上装荷される
ことを特徴とする請求項１又は２記載の電磁波反射面。