JP6859652B2 - 高周波通信装置及び高周波通信装置用電磁波吸収体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波吸収体に関し、さらに詳しくは、高周波通信装置等に設けられ、電磁波を吸収するシート状の電磁波吸収体およびその製造方法に関する。

入力された信号を処理して出力する処理回路を備えた高周波通信装置において、処理される信号に対する外部の電磁波の影響や、高周波通信装置内部から外部への電磁波の漏出を避けるために、金属製の筐体に処理回路を収容することが一般的である。この場合、筐体内で電磁波が伝搬、共振されることで、入力信号と出力信号の間でカップリング（電磁界結合）が起こるのが問題となる。筐体の壁面を構成する金属材料は、このようなカップリングを促進するものとなる。特に、通信周波数の高周波化に伴い、この問題は顕著になっている。

高周波通信装置において、入力信号と出力信号の間等、回路中における信号間のカップリングを低減する手段として、筐体の内面にシート状の電磁波吸収体を設けることが知られている。その種の電磁波吸収体の例として、樹脂材料等よりなるマトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させたものを挙げることができる。例えば、特許文献１においては、金属製のケースに増幅素子を収容し、この増幅素子の入力側および出力側にリードが接続された高周波増幅器において、ケースの両側壁、天井および両端壁の少なくともひとつの内側に電磁波吸収体を配置して、入力側と出力側との電磁気的なカップリングを防止することが記載されている。特許文献１では、電磁波吸収体の例として、軟磁性金属であるＦｅ−７Ｃｒ−９Ａｌの粉末を塩素化ポリエチレンゴムの中に１５〜４５容積％の量で混合し、混合物を厚さ０．５〜１．５ｍｍのシートに圧延したものが挙げられている。

特開２００２−１６４６８７号公報

従来、通信装置に用いられる電磁波吸収体において、電磁波吸収体による電磁波の吸収エネルギー（下記式（３）参照）を大きくすることを指針として、その設計がなされてきた。吸収エネルギーは、電磁波吸収体を構成する材料自体によって定まる量であり、特許文献１に記載されているもののように、マトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させた材料を用いる場合には、粒子およびマトリクスの成分組成、粒子の粒径や形状、含有量（充填率）等に依存する。

しかし、本発明者らの知見によると、吸収エネルギーの大きい材料を用いて電磁波吸収体を構成したとしても、電磁波吸収体の厚さ等によっては、高周波通信装置における電磁波の減衰に有効に利用できない場合がある。つまり、電磁波吸収体の吸収エネルギーは、電磁波の減衰に用いる電磁波吸収体の設計において、必ずしも良い指標とならない。

本発明が解決しようとする課題は、高周波通信装置において、電磁波の減衰に高い効果を発揮することができる電磁波吸収体、およびそのような電磁波吸収体を設計して製造することができる製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明にかかる電磁波吸収体は、非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させたシート状の電磁波吸収体において、前記電磁波吸収体は、α≧１／５を満たすものである。ここで、αは、以下の式（１）で表されるパラメータである。
α＝Ａｄ（εμ）^０．５／（μ”＋ε”μ／ε） （１）
式（１）において、ｄは前記電磁波吸収体の厚さ、ε，ε”，μ，μ”はそれぞれ前記電磁波吸収体の誘電率、誘電率の損失項、透磁率、透磁率の損失項であり、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］である。

ここで、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／５≦α≦ｍ＋４／５を満たすとよい。この場合に、ｍ＝０とすることができる。

また、前記電磁波吸収体の厚さｄが、１μｍ以上、２０ｍｍ以下であるとよい。

また、前記電磁波吸収体における前記軟磁性材料よりなる粒子の含有量が３０体積％以上であるとよい。

前記電磁波吸収体は、周波数が１ＧＨｚ以上、１００ＧＨｚ以下の電磁波の減衰に用いられるとよい。

本発明にかかる電磁波吸収体の製造方法は、非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させたシート状の電磁波吸収体において、前記電磁波吸収体が、α≧１／２−Δを満たすように、前記電磁波吸収体を設計するものである。
ここで、αは、以下の式（１）で表されるパラメータである。
α＝Ａｄ（εμ）^０．５／（μ”＋ε”μ／ε） （１）
式（１）において、ｄは前記電磁波吸収体の厚さ、ε，ε”，μ，μ”はそれぞれ前記電磁波吸収体の誘電率、誘電率の損失項、透磁率、透磁率の損失項である。ＡおよびΔは所望される電磁波減衰率に応じて定められる定数である。

ここで、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／２−Δ≦α≦ｍ＋１／２＋Δを満たすようにするとよい。この場合に、ｍ＝０とすることができる。

また、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］であり、Δ＝３／１０であるとよい。

上記発明にかかる電磁波吸収体は、式（１）に基づいて算出されるαが、α≧１／５を満足する。式（１）およびα≧１／５の式は、電磁波吸収体による電磁波の吸収エネルギーに加え、電磁波吸収体の表面で反射した電磁波と電磁波吸収体内部に入射して反射した電磁波との間の干渉を考慮して導出されたものである。よって、電磁波吸収体の厚さや適用周波数に応じて変化する干渉条件まで取り込んだうえで、電磁波に対して高い減衰効率を示す電磁波吸収体を得ることができる。

ここで、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／５≦α≦ｍ＋４／５を満たすようにすれば、電磁波吸収体の内部に入射した電磁波が１波長以内の位相差で電磁波吸収体の表面で反射した電磁波と干渉する場合だけでなく、１波長を超える位相差で干渉する場合まで考慮して、また、電磁波の波長に対して電磁波吸収体が薄い場合と厚い場合の両方において生じうる干渉の影響を考慮して、電磁波吸収体の厚さや適用周波数が規定されることになる。よって、１波長を超える位相での干渉が起こりやすい条件においても、電磁波に対して高い減衰効率を示す電磁波吸収体を得やすい。

この場合に、ｍ＝０であれば、電磁波吸収体の内部に入射した電磁波が１波長以内の位相差で電磁波吸収体の表面で反射した電磁波と干渉する場合について、電磁波吸収体が薄い場合と厚い場合の両方で起こり得る干渉の影響が考慮された電磁波吸収体が得られる。よって、小さい厚みで高い電磁波吸収効率を示す電磁波吸収体を得ることができる。

また、電磁波吸収体の厚さｄが、１μｍ以上、２０ｍｍ以下である場合には、電磁波吸収体によって十分な電磁波減衰効果を得ることができるとともに、電磁波吸収体をシート体として高周波通信装置の筐体等に設置しやすい。

また、電磁波吸収体における軟磁性材料よりなる粒子の含有量が３０体積％以上である場合には、高い電磁波減衰効率を得やすい。

電磁波吸収体が、周波数が１ＧＨｚ以上、１００ＧＨｚ以下の電磁波の減衰に用いられる場合には、上記式（１）に基づいて算出されるαに対して設定されるα≧１／５あるいはｍ＋１／５≦α≦ｍ＋４／５との範囲と、電磁波減衰効率の高さがよく対応する。また、種々の高周波通信装置において、電磁波吸収体を好適に用いることができる。

上記発明にかかる電磁波吸収体の製造方法においては、式（１）を用いて算出されるαを基準として、α≧１／２−Δとの式を満たすように材料、厚さ等の設計を行うことで、所望される電磁波減衰率を有する電磁波吸収体を得ることができる。式（１）およびα≧１／２−Δとの式は、電磁波吸収体の吸収エネルギーに加え、電磁波吸収体における干渉を考慮して導出されたものである。よって、電磁波吸収体の厚さや適用周波数に応じて変化する干渉条件まで取り込んだうえで、電磁波に対して高い減衰効率を示す電磁波吸収体を設計することができる。また、電磁波の波長に対して電磁波吸収体が薄い場合と厚い場合の両方において生じうる干渉の影響を考慮して、電磁波吸収体を設計することができる。

ここで、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／２−Δ≦α≦ｍ＋１／２＋Δを満たすようにすれば、１波長を超える位相での干渉が起こりやすい条件においても、電磁波に対して高い減衰効率を示す電磁波吸収体を設計することができる。

この場合に、ｍ＝０とすれば、小さい厚みで高い電磁波吸収効率を示す電磁波吸収体を設計することができる。

ここで、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］であり、Δ＝３／１０である場合には、特に、電磁波に対して高い減衰効率を示す電磁波吸収体を得ることができる。

本発明の一実施形態にかかる電磁波吸収体を備えた高周波通信装置の一例を示す断面図である。 電磁波吸収体における電磁波の吸収減衰を説明する概念図である。 電磁波吸収体における電磁波の干渉を説明する概念図である。 電磁波透過率Ｓ_２１の測定法を示す図である。 電磁波吸収体の電磁波透過率Ｓ_２１と厚さｄおよびαパラメータの関係を示す概念図である。 電磁波吸収体の電磁波透過率Ｓ_２１と厚さｄの関係の実測例である。

以下、本発明の一実施形態にかかる電磁波吸収体およびその製造方法について、図面を参照しながら説明する。

［電磁波吸収体を備えた高周波通信装置］
本発明の一実施形態にかかる電磁波吸収体は、例えば、高周波通信装置において、金属製の筐体内に設けて使用することができる。筐体内を伝搬する電磁波を減衰させることで、電気信号間のカップリングや、筐体内における電磁波の共振を抑制することができる。まず、そのような電磁波吸収体を備えた高周波通信装置１について、簡単に説明する。

高周波通信装置１は、図１に概略を示すような構成を有している。高周波通信装置１は、略直方体形の箱状の筐体１０と、筐体１０の内部に収容された処理回路１１を有している。筐体１０は、金属材料よりなっている。処理回路１１は、誘電体よりなるプリント回路基板（ＰＣＢ）１２上に形成されている。処理回路１１には、高周波信号を入力する入力部１１ａと、高周波信号を出力する出力部１１ｂが、それぞれマイクロストリップ線路として設けられている。処理回路１１においては、入力部１１ａから入力された電気信号に対して所定の処理を加えて、出力部１１ｂから出力することができるように、実装面１１ｓに、トランジスタ、ＩＣ等の素子１１ｃが実装され、各素子１１ｃの間がマイクロストリップ線路よりなる素子間線路１１ｄで所定のパターンに接続されている。入力部１１ａと出力部１１ｂを結ぶ方向は、筐体１０の長手方向軸に略一致している。筐体１０の天井面１０ａの内側には、プリント回路基板１２に対向して、シート状の電磁波吸収体１５が貼り付けられている。電磁波吸収体１５の詳細については後述するが、非金属材料よりなるマトリクス中に、軟磁性材料よりなる粒子（軟磁性粒子）を分散させたものよりなっている。

電磁波吸収体１５は、マイクロストリップ線路１１ａ，１１ｂ，１１ｄで起こり得る信号のカップリングを低減することができる（デカップリング）。電磁波吸収体１５が筐体１０の天井面１０ａに貼り付けられていなければ、天井面１０ａをはじめとして、筐体１０の内壁面に金属が露出されていることで、このようなカップリングの影響が大きくなり、処理回路１１における信号処理に深刻な影響を与える可能性がある。しかし、電磁波吸収体１５を貼り付けることで、このようなカップリングを低く抑えることができる。その結果、処理回路１１の信頼性を高めることができる。電磁波吸収体１５は、天井面１０ａに限らず、筐体１０の任意の内側面に設けることができる。例えば、筐体１０の長手方向に沿った側方面に電磁波吸収体１５を設ける場合を挙げることができる。電磁波吸収体１５は、主に、シート面に略平行に伝搬する電磁波を吸収減衰する役割を果たす。

高周波通信装置１が搭載される機器の種類とその通信周波数としては、以下のようなものを挙げることができる。つまり、パソコン（１ＧＨｚ）、携帯電話（５ＧＨｚ、１０ＧＨｚ）、自動車用レーダー（２４ＧＨｚ、７７ＧＨｚ）などである。

［電磁波吸収体］
次に、上記で高周波通信装置１に設けられる本発明の一実施形態にかかる電磁波吸収体１５について、詳細に説明する。上記のように、電磁波吸収体１５は、非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性粒子が分散されたシート体として形成されている。

本発明の一実施形態にかかる電磁波吸収体１５においては、以下の式（１）のように、αパラメータが規定される。

そして、αパラメータが、式（２）の条件を満たす。

なお、式（１）において、ｄは電磁波吸収体１５の厚さ、ε，ε”，μ，μ”はそれぞれ電磁波吸収体１５の誘電率、誘電率の損失項、透磁率、透磁率の損失項である。また、Ａは定数であり、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］である。

αパラメータは、上記式（２）を満たす範囲の中で、下の式（２’）を満たすように定めてもよい。

ここで、ｍは０以上の整数である（ｍ＝０，１，２，…）。

さらに、式（２’）において、ｍ＝０に限定し、式（２”）のように、αを規定することもできる。

電磁波吸収体１５において、上記式（２）（あるいは式（２’）または式（２”）；以下においても、特記しないかぎり同様）の条件を満たすように選定できるパラメータとしては、以下のようなものを挙げることができる。
・軟磁性粒子の種類（成分組成、粒径、粒子形状等）
・マトリクス材料の種類
・軟磁性粒子の含有量（充填率）
・厚さｄ
・適用周波数ｆ

ここで、式（１）のαパラメータおよび（２）の条件式の導出について説明する。αパラメータは、電磁波吸収体１５による電磁波の吸収エネルギーと、電磁波吸収体１５における電磁波の干渉とを考慮することで、導出されるものである。

（電磁波吸収体による電磁波の吸収エネルギー）
図２に、独立した電磁波吸収体１５に電磁波が入射した際の挙動を模式的に示す。入射波Ｗ１の成分の一部は、電磁波吸収体１５の表面で反射され、反射波となる。残りの成分Ｗ２は、電磁波吸収体１５の内部に進入する。電磁波吸収体１５の内部に進入した電磁波の成分の一部は、吸収体１５の裏側の面から出射し、透過波Ｗ３となる。残りの成分Ｗ４は、電磁波吸収体１５の内部で、反射を受ける。この成分Ｗ４が（多重）反射を受けて電磁波吸収体１５の膜内を進む間に、電磁波吸収体１５を構成する材料によって、エネルギーを吸収され、エネルギーが減衰する（吸収減衰）。

電磁波吸収体１５において、内部での吸収減衰を大きくすることで、電磁波吸収体１５の内部に入射した電磁波Ｗ２を、電磁波吸収体１５の外部に出さないようにすることができる。つまり、電磁波吸収体１５による電磁波の吸収エネルギーを大きくすることで、電磁波吸収体１５の電磁波減衰率を高めることができる。

物質による電磁波の吸収について、吸収エネルギーＰは、式（３）で表される。

第１項は磁気損失、第２項は誘電損失、第３項は抵抗損失を表している。

ここで、式（３）および以降の式において各符号の表すパラメータは以下のとおりである。
・Ｐ［Ｗ／ｍ^３］：吸収エネルギー
・μ_０［Ｈ／ｍ］：真空の透磁率
・μ _ｒ ：比透磁率
・μ _ｒ ”：比透磁率の損失項
・ε_０［Ａ／ｍ］：真空の誘電率
・ε _ｒ ：比誘電率
・ε _ｒ ”：比誘電率の損失項
・ρ［Ωｍ］：抵抗率
・Ｈ［Ａ／ｍ］：磁界強度
・Ｅ［Ｖ／ｍ］：電界強度
・ｆ［Ｈｚ］：周波数
なお、電磁波吸収体１５の複素透磁率μ［Ｈ／ｍ］および複素誘電率ε［Ａ／ｍ］は、以下のように表される。

金属製の筐体１０を長手方向に伝搬する電磁波は、平面波であるとみなすことができる。平面波においては、インピーダンスＺ［Ω］が、式（５）のように表される。

式（５）より、電界強度Ｅと磁界強度Ｈの関係は以下のようになる。

すると、式（３）を式（７）のように整理することができる。

式（７）において、抵抗損失の寄与が小さい場合には、第３項を無視することができる。電磁波の周波数ｆがＧＨｚ帯にある場合に、この種の非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性粒子が分散された電磁波吸収体１５において、抵抗率ρ（単位：Ωｍ）は、周波数（単位：Ｈｚ）に比べて３桁程度小さくなる。例えば、Ｆｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉの組成を有する軟磁性粒子をエポキシ樹脂よりなるマトリクスに５０体積％の含有量で分散させてなる厚さ０．５ｍｍのシートにおいて、ｆ＝２．４×１０^１０［Ｈｚ］の時に、ρ＝１０^７［Ωｍ］となるのが観測されている。すると、式（７）において、第２項に比べて第３項が非常に小さくなり、第３項を無視することができる。すると、式（７）を式（８）のように近似することができる。

式（８）において比透磁率および比誘電率の損失項μ_ｒ”，ε_ｒ”を大きくすることで、吸収エネルギーＰを大きくすることができる。しかし、次に説明するように、電磁波吸収体１５による電磁波の減衰は、吸収エネルギーＰだけでなく、電磁波吸収体１５における電磁波の干渉にも影響される。よって、両者の寄与を統合して考える必要がある。

（電磁波吸収体における電磁波の干渉）
上記の説明では、電磁波吸収体１５の内部に入射した電磁波の吸収減衰のみを考慮していた。しかし、実際には、筐体１０の内壁面に貼り付けられた電磁波吸収体１５において、電磁波が干渉を起こすはずである。

図３において、電磁波吸収体１５が、筐体１０の内壁面等、金属板Ｍの上に貼り付けられている状態を考える。空気側から入射角θで入射波Ｗ５が電磁波吸収体１５に入射するとする。入射波の成分の一部は、空気と電磁波吸収体１５の界面で反射する（Ｗ６）。一方、入射波の残りの成分は、電磁波吸収体１５の内部を進む（Ｗ７）。そして、電磁波吸収体１５と金属板Ｍの界面で反射し、電磁波吸収体１５と空気の界面から空気側に脱出する（Ｗ８）。ここで、空気側の界面で反射した反射波Ｗ６と金属板Ｍ側の界面で反射した反射波Ｗ８は、それらの光路差により、相互に干渉し合う。

干渉の条件は、以下の式（９）によって表すことができる。

ここで、ｄは電磁波吸収体１５の厚さ、λは電磁波の波長、ｃは光速である。

電磁波吸収体１５の表面近傍を筐体１０の長手方向に伝搬する電磁波は、準ＴＥＭモードとみなすことができる。準ＴＥＭモードの電磁波は、進行方向（筐体１０の長手方向）に電界および磁界の成分を有し、電磁波吸収体１５の内部に進入する。電磁波吸収体１５の内部に進入した電磁波成分の電磁波吸収体１５内部での挙動を考慮するために、式（９）において、θ＝０°とする。すると、式（９）は以下の式（１０）のようになる。

ここで、ｍを０以上の整数（ｍ＝０，１，２，…）として、α＝ｍのとき、２つの反射波Ｗ６、Ｗ８の位相が重なり、反射波Ｗ６、Ｗ８が相互に強め合う。一方、α＝ｍ＋１／２のとき、反射波Ｗ６とＷ８で位相が半波長分ずれることになり、逆位相となるので、反射波Ｗ６、Ｗ８は相互に打ち消し合う。

つまり、α＝ｍまたはそれに近い条件では、電磁波吸収体１５は、電磁波を効果的に減衰させることができない。一方、α＝ｍ＋１／２またはそれに近い条件では、電磁波吸収体１５は、反射波の打ち消し合いの効果により、電磁波を効果的に減衰させることができる。

式（１０）を変形すると、

となる。

（吸収エネルギーの効果と干渉の効果の統合）
以上のように、電磁波吸収体１５による電磁波の減衰には、吸収エネルギーＰの効果だけでなく、干渉の効果が影響する。そこで、両者の効果を統合して考慮する必要がある。

電磁波の干渉条件から導かれる式（１１）を、吸収エネルギーＰから導かれる式（８）に代入すると、以下の式（１２）のようになる。

式（１２）を整理すると、式（１３）のようになる。

ここで、

なので、

となる。

ここで、

とおく。そして、式（４−１）および式（４−２）も利用して式（１５）を整理すると、冒頭で挙げた式（１）が得られる。

上記のように、電磁波の吸収エネルギーＰは、電磁波吸収体１５の材料構成によって定まる定数であるので、Ａも定数となる。

電磁波吸収体１５における電磁波の干渉の項で説明したように、α＝ｍ＋１／２の時に、反射波の打ち消し合いにより、電磁波の減衰率を最も大きくすることができる。つまり、式（１）において、α＝ｍ＋１／２となるように、誘電率ε、誘電率の損失項ε”、透磁率μ、透磁率μ”を与える電磁波吸収体１５の構成材料と、試料の厚さｄとを選定すればよい。

ここで、α＝ｍ＋１／２を中心として、α＝ｍおよびα＝ｍ＋１に近づくほど、電磁波の減衰率は低くなるが、必ずしも最も減衰率が高くなるα＝ｍ＋１／２の場合に限られず、ある程度それよりも減衰率が低くなっても、高周波通信装置１等における電磁波吸収体１５の実用上は許容される場合が多い。そこで、α＝ｍ＋１／２を中心としながら、所望される電磁波減衰率の程度に応じて、±Δの許容範囲を設け、その範囲の中で、上記ε、ε”、μ、μ”、ｄの各パラメータを選定することができる（ただし、Δ＜１／２）。つまり、

を満たすように、上記各パラメータを選定すればよい。Δ＝３／１０とすれば、冒頭に挙げた式（２’）が得られる。

このようにすれば、電磁波吸収体１５の材料構成および厚さｄにある程度広い許容範囲をもたせながら、電磁波に対して高い減衰率を示す電磁波吸収体１５とすることができる。

式（１７’）において、ｍの値は、反射波Ｗ６と反射波Ｗ８の間の位相差の整数成分を表している。ｍ＝０の場合には、２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の間の位相差は１波長以内である。つまり、電磁波Ｗ７は、１波長以内の位相で電磁波吸収体１５の中を進んで、反射波Ｗ８として、空気側の界面で反射した反射波Ｗ６と干渉する。一方、ｍ≧１の場合には、２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の間の位相差は１波長以上となる。つまり、電磁波Ｗ７は、１以上の位相で電磁波吸収体１５の中を進んで、反射波Ｗ８として、空気側の界面で反射した反射波Ｗ６と干渉する。電磁波吸収体１５の厚さが大きくなると、ｍの値が大きくなる。

ここで、式（１７’）を導出するに際し、反射波Ｗ６と反射波Ｗ８の干渉において、反射波Ｗ６と反射波Ｗ８が同等に寄与するとみなしている（式（９）参照）。しかし、実際には、電磁波Ｗ７が電磁波吸収体１５中を進む間の吸収が大きければ、最終的に反射波Ｗ８として電磁波吸収体１５の表面から脱出する反射波Ｗ８の振幅が小さくなる。すると、反射波Ｗ６との干渉における反射波Ｗ８の寄与が小さくなり、干渉波（２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の合成波）における反射波Ｗ８の寄与を無視することができるようになる。このような状況は、電磁波の波長に対して、電磁波吸収体１５の中を電磁波Ｗ７の進む距離が長いほど起こりやすい。つまり、式（１７’）において、αの値が大きくなるほど、電磁波吸収体１５における吸収の効果が大きくなり、反射波Ｗ６との干渉を考えるまでもなく、高い減衰率を示す電磁波吸収体１５が得られることになる。

この観点から、上記式（１７’）のように、αパラメータの下限値と上限値の両方を定め、しかも、電磁波吸収体１５中を波長に対して長距離にわたって進んだ反射波Ｗ８の干渉に相当するｍが大きい領域まで考慮しなくても、ある程度大きな減衰率を示す電磁波吸収体１５を簡便に設計し、製造することができる。２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の干渉の効果を取り込んでαパラメータの下限値さえ定めておけば、それよりαパラメータが大きい領域、つまり、電磁波吸収体１５の厚さｄが大きく、および／または電磁波の周波数ｆが大きい領域では、ある程度大きな電磁波減衰率を達成することができる。具体的には、ｍ＝０の場合について、下限値のみ規定して、αパラメータを設定すればよい。つまり、下の式（１７）のように、αパラメータを設定することができる。

さらにΔ＝３／１０とすれば、式（２）が得られる。

ここで、電磁波吸収体１５の厚さを大きくするほどαが大きくなり、余裕をもって式（１７）を満たすことになるが、電磁波吸収体１５の製造に要する材料コストを削減する観点、あるいは省スペース化の観点から、電磁波吸収体１５を極力薄くすることを求められることも多い。その場合に、αパラメータに上限を設けておくことが好ましい。そこで、式（１７’）において、ｍ＝０に限定すると、αパラメータの条件は、

となる。さらにΔ＝３／１０とすれば、式（２”）が得られる。

式（１７”）において、ｍ＝０に限定していることにより、極力薄く電磁波吸収体１５を設計することができる。上記のように、ｍ＝０の場合には、電磁波吸収体１５の内部を進んだ反射波Ｗ８の干渉への寄与が比較的大きくなるが、下限値１／２−Δを設定しておくことで、電磁波吸収体１５が薄すぎることによる干渉の影響、つまり２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の間の位相差がゼロに近い領域での干渉の影響によって減衰率が不十分になることを回避できる。一方、上限値１／２＋Δを設定しておくことで、電磁波吸収体が厚すぎることによる干渉の影響、つまり２つの反射波Ｗ６，Ｗ８の間の位相差が１波長分に近い領域での干渉の影響によって減衰率が不十分になることを回避できる。

式（１７），（１７’），（１７”）（または式（２），（２’），（２”））のいずれを用いてαパラメータを規定するかは、所望する電磁波吸収体１５の厚さｄや電磁波の周波数ｆの値の範囲、電磁波吸収体１５の構成材料等の条件に応じて選択すればよい。例えば、想定している電磁波吸収体１５の構成材料が電磁波吸収能力に乏しく、電磁波吸収体の表面で反射した反射波Ｗ６と内部で反射した反射波Ｗ８との間の位相差が１波長以上であっても両者の干渉の影響が大きくなる場合や、減衰率の大きい電磁波吸収体１５を厳密に設計することが求められる場合には、式（１７’）（または式（２’））を用いればよい。位相差が１波長以上での干渉の影響がそれほど問題にならず、また、電磁波吸収体の設計および製造を簡便に済ませたい場合には、式（１７）（または式（２））を用いればよい。薄い電磁波吸収体１５に特化して設計する場合には、式（１７”）（または式（２”））を用いればよい。

Ａの値は、所望される電磁波減衰率に応じて定めることができる。電磁波減衰率は、例えば、図４に示すように、高周波通信装置１の金属製筐体１０のモデルとなる方形の導波管２０を用いて実測することができる。導波管２０の内壁面の１つに、所定の厚さを有する電磁吸収体１５を貼り付ける。そして、トランスデューサ（不図示）を用いて、導波管２０に、高周波数の電磁波を発生させる。そして、ネットワークアナライザを用いて、所定の周波数成分について、透過率Ｓ_２１を計測する。導波管２０への電磁波の入力電圧をＶ_１、透過した電磁波の出力電圧をＶ_２とすると、電磁波の透過率Ｓ_２１は、式（１８）のように表される。そして、−Ｓ_２１が電磁波減衰率となる。

このようにして実測した電磁波減衰率が、所望される高い値となるように、Ａの値を定めればよい。つまり、所望される電磁波減衰率が実測により得られた電磁波吸収体１５を構成する材料に対して、体積あたりの吸収エネルギーＰを上記のような導波管２０を用いた方法で計測する。そして、式（１６）に、磁場強度Ｈとともに代入して、Ａの値を算出すればよい。例えば、Ｆｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉ（Ｆｅ−１３％Ｃｒ−１％Ｓｉ：以下同様）の成分組成を有する粒径８μｍの軟磁性粒子を５０％の含有量でアクリルゴムよりなるマトリクス中に分散させた電磁波吸収体１５において、吸収エネルギーＰを実測すると、磁場強度Ｈ＝１Ａ／ｍとした場合に、Ｐ＝４×１０^４Ｗ／ｍ^３となる。この実測結果に基づいて算出されるＡの値は、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］となる。後の実施例に示すように、この材料構成を有する電磁波吸収体１５は、非常に高い電磁波減衰率を示すものであり、Ａの値を定める基準試料として使用することで、式（１）を利用して、高い電磁波減衰率を有する種々の電磁波吸収体１５を高確度に設計することができる。

後の実施例でも確認されるように、電磁波吸収体１５の厚さを変化させながら、上記のように、電磁波の透過率Ｓ_２１を計測すると、透過率Ｓ_２１は、厚さｄに対して、図５に示すようなＶ字形の依存性を示す。ここで、式（１）において、同じ材料を用いており、ε、ε”、μ、μ”の各パラメータが一定である場合に、αの値と電磁波吸収体１５の厚さｄは比例する。つまり、図５の横軸が、αに比例する。

Ｖ字の谷（極小点）が、電磁波が干渉による打ち消し合いで最も弱められるα＝ｍ＋１／２に相当する。この時の電磁波吸収体１５の厚さｄ、電磁波吸収体１５の材料によって定まるε、ε”、μ、μ”の各値とともに、式（１）にα＝ｍ＋１／２を代入することで、Ａの値を求めることができる。図５の場合には、ｍ＝０である。

さらに、実際の高周波通信装置１において許容される透過率Ｓ_２１の上限値をＳ_０とする。そして、図５に示すように、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］である場合に、Ｓ_２１≦Ｓ_０の領域に対応して、αの許容範囲Δを定めればよい。後の実施例において示すように、Δ＝３／１０とすれば、電磁波の伝搬距離１００ｍｍあたりの透過率で、Ｓ_２１≦−１５［ｄＢ］となる良好な電磁波減衰率を示す電磁波吸収体１５を得ることができる。

電磁波吸収体１５の１００ｍｍあたりの透過率がＳ_２１≦−１５［ｄＢ］であれば、高周波通信装置１において、十分なカップリング抑制機能を得ることができる。さらに好ましくは、Ｓ_２１≦−２０［ｄＢ］であればよい。

上記のように、電磁波吸収体１５の厚さｄは、式（１）に基づいて算出したαが式（１７）（あるいは式（１７’）または式（１７”）；以下においても、特記しないかぎり同様）を満たすように選択すればよいが、薄すぎると、十分に電磁波を吸収減衰させることができない。よって、１μｍ以上であることが好ましい。一方、厚すぎても、シート体として取扱いにくくなる。また、高周波通信装置１の筐体１０内等に設ける際に、大きな空間が必要となってしまう。よって、電磁波吸収体１５の厚さは、２０ｍｍ以下であることが好ましい。

ε、ε”、μ、μ”の各値は、周波数依存性を有するが、上記式（１）に基づいてαを算出するに際し、適用周波数に応じたε、ε”、μ、μ”の値を代入することで、周波数によらず、αを算出し、式（１７）の判定に用いることができる。しかし、周波数の範囲を、１ＧＨｚ≦ｆ≦１００ＧＨｚとしておくことで、式（１）に基づくαの算出および式（１７）に基づくその判定の結果と、実際に得られる電磁波吸収体１５の電磁波減衰率の高さとが、よく対応する。また、上記周波数範囲内で電磁波吸収体１５を使用することができれば、上記で列挙したパソコン、携帯電話、自動車用レーダー等、種々の機器に搭載される高周波通信装置に好適に利用することができる。

以上のように、電磁波吸収体１５において、吸収エネルギーを指標とした吸収減衰の効果と、電磁波の干渉の効果を統合して導出されるαパラメータを用いて、電磁波吸収体１５を設計することで、電磁波減衰の効果に優れた電磁波吸収体１５を高確度に得ることができる。所望の電磁波減衰率が達成されるように、ＡおよびΔの値をあらかじめ規定しておけば、個別の電磁波吸収体１５において、電磁波減衰率や透過率の計測を行わなくても、式（１）および式（１７）（または式（２））を用いて、電磁波吸収体１５の構成材料や厚さを選択することで、指定した適用周波数において高い電磁波減衰効率を達成することができる電磁波吸収体１５を設計することができる。

（電磁波吸収体を構成する材料）
電磁波吸収体１５に分散される粒子を構成する軟磁性材料の成分組成は、特に指定されるものではない。軟磁性材料は、代表的には金属よりなる。好適な軟磁性材料として、センダスト、Ｆｅ、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｎｉ系合金（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｃｏ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ａｌ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金、フェライト系ステンレス合金、オーステナイト系ステンレス合金、Ｎｉ基合金、Ｃｏ基合金、Ｎｉ−Ｃｒ系合金、フェライトを挙げることができる。それらの材料を用い、溶湯噴霧法等によって、粒子を形成すればよい。上記のうち、Ｆｅ−Ｓｉ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ系合金、Ｆｅ−Ｃｒ−Ｓｉ系合金が、高周波の電磁波に対して特に良好な減衰特性を示す。

電磁波吸収体１５を構成するマトリクスは、非金属材料よりなる。具体的なマトリクス材料の種類は、特に限定されるものではないが、誘電体、特に、樹脂（プラスチック材料）、ゴム、エラストマー等、有機高分子よりなるものを好適に用いることができる。具体的には、塩素化ポリエチレン、アクリルゴム、シリコンゴム、ＥＰＤＭ（エチレン・プロピレン・ジエンゴム）、エチレン・プロピレンゴム、ポリフェニレンサルファイド、エポキシ樹脂、液晶ポリマー等を、好ましい材料として挙げることができる。

上記のような軟磁性粒子をマトリクス材料と混合し、分散させることで、電磁波吸収体１５を得ることができる。例えば、スラリー状にしたマトリクス用の有機高分子材料と軟磁性粒子を、所定の混合比で撹拌混合脱泡機等を用いて混合してから、型枠等を用いて所望の形状に成形すればよい。そして、乾燥等によって樹脂材料を固化させればよい。

電磁波吸収体１５における軟磁性粒子の含有量（充填率）を３０体積％以上とすることにより、軟磁性粒子によって発揮される電磁波の吸収減衰の効果を利用しやすい。好ましくは、５０体積％以上であるとよい。一方、軟磁性粒子の含有量を高くしすぎると、高周波領域での透磁率が下がり、吸収エネルギーを効果的に高めることが難しくなる。充填率は、６０体積％以下であることが好ましい。

以下、実施例を用いて本発明をより具体的に説明する。以下、実施例５，７，８は、それぞれ、参考例５，７，８と読み替えるものとする。

（電磁波吸収体の作製）
まず、溶湯噴霧法により、以下個別に示す各種成分組成と粒径を有する軟磁性粒子を作製した。そして、得られた軟磁性材料よりなる粒子を、所定の含有量となるように、可塑性アクリル樹脂またはシリコーン樹脂に添加し、撹拌混合脱泡機を用いてスラリー混合した。得られた混合スラリーを型枠に流し込んで、シート状とした。そして、乾燥、型抜き、厚み調整を行い、評価対象とする電磁波吸収体試料を得た。

（電磁波透過率の評価）
上記で得られた各種電磁波吸収体試料について、電磁波の透過率を、図４に基づいて上記で説明したように、導波管を用いて計測した。評価には、評価対象の周波数に応じて、ＪＩＳ ＷＲＪ−２２で規定される方形導波管を用いた。この導波管２０の内壁面に、上記で得られた電磁吸収体試料を貼り付けた。

トランスデューサ（不図示）を用いて、導波管にマイクロ波を発生させた。そして、ネットワークアナライザを用いて、評価対象の周波数の成分について、透過率Ｓ_２１（長手方向に透過する割合）を、長手方向１００ｍｍあたりの値として計測した。なお、今回の評価に用いた導波管において、高次のモードでは、ポインティングベクトルエネルギー（搬送エネルギー）が小さいので、エネルギーをほとんど伝搬しない。図４中に示したように、ドミナントにＴＥ１０モードが発生し、伝搬される。

（電磁波吸収体の厚さに対する透過率の挙動の確認）
図５において模式的に示したような電磁波吸収体の厚さと透過率の関係が実際に得られるかどうかを確認した。まず、軟磁性粒子としてＦｅ−１３Ｃｒ−１Ｓｉよりなるものを用い、マトリクス材料としてアクリル樹脂を用いて、電磁波吸収体試料を作製した。軟磁性粒子の粒径は、９．１μｍと６．６μｍの２とおりとし、軟磁性粒子の含有量は、５０体積％とした。厚さの異なる電磁波吸収体試料を複数作成した。そして、上記のように、導波管を用い、評価対象の周波数を２４ＧＨｚに設定して、１００ｍｍあたりの透過率Ｓ_２１を計測した。

図６に、電磁波吸収体試料の厚さ（シート厚さ）と計測された透過率Ｓ_２１の関係を示す。これによると、図５に示したのと同様に、厚さに対する透過率Ｓ_２１の依存性は、谷を有する形状となっている。このことから、電磁波吸収体による吸収エネルギーの効果と電磁波の干渉の効果を統合した上記のモデルによって、電磁波吸収体による電磁波の減衰を評価する方法の妥当性が確認される。また、軟磁性粒子の粒径は、透過率Ｓ_２１にほとんど影響を与えないことが分かる。

（αパラメータによる電磁波吸収体の評価）
表１に、電磁波吸収体試料の構成材料、軟磁性粒子の含有量、厚さ、適用周波数を様々に異ならせた場合について、式（１）に基づいて算出したαの値と、実測された透過率Ｓ_２１の値を示す。なお、式（１）においては、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］とした。αの算出には、ネットワークアナライザを用いた透過率Ｓ_２１の周波数応答の計測結果に基づいて得られたε’、ε”、μ’、μ”の値を用いており、それらも表１に併せて示す。なお、表１では、αの値を表示する際に、含まれる最大の整数ｍの寄与を差し引いた値であるα’を、分母５００の分数として表示している（０＜α’＜１、α＝ｍ＋α’）。

表１の結果によると、マトリクス樹脂の種類、軟磁性粒子の成分組成および粒径、含有量、厚さ、適用周波数の各パラメータを変化させた際に、αパラメータがα≧１／５となっている各実施例においては、おおむね、−１５ｄＢ／１００ｍｍ以下の透過率Ｓ_２１（１５ｄＢ／１００ｍｍ以上の減衰率）が得られており、電磁波吸収体による十分な電磁波の減衰が達成されている。これに対し、電磁波吸収体の厚さｄが小さいことにより、αパラメータがα＜１／５となっている各比較例においては、透過率Ｓ_２１が−７ｄＢ／１００ｍｍ以上の大きな値となっており、電磁波吸収体による電磁波の減衰が十分でない。なかでも、電磁波吸収体の厚さｄが極めて小さい比較例２において、αパラメータが０と近似できる水準にまで小さくなっており、それに対応して、透過率Ｓ_２１が特に大きくなっている。これらより、αパラメータが、電磁波吸収体による電磁波減衰を評価するよい指標となっていること、さらに、α≧１／５との基準の適用により、減衰特性に優れた電磁波吸収体を得られることが分かる。

さらに、実施例１〜４，６，９，１０においては、α’が、１／５≦α’≦４／５の範囲に入っている、つまり、αが、ｍ＋１／５≦α≦ｍ＋４／５の範囲に入っているのに対し、実施例５，７，８では、α’（α）がその範囲を外れている。そのことに対応して、実施例１〜４，６，９，１０において、特に透過率Ｓ_２１が小さくなっている。

以上、本発明の実施形態について詳細に説明したが、本発明は上記実施形態および実施例に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の改変が可能である。

１ 高周波通信装置
１５ 電磁波吸収体
２０ 導波管

Claims (10)

1. 金属材料よりなる筐体と、
   前記筐体に収容され、高周波信号を入力する入力部と、前記高周波信号を出力する出力部とをマイクロストリップ線路として備えた処理回路と、を有する高周波通信装置において、
   前記筐体の内側の面のうち、前記処理回路に対向する天井面と、前記入力部と前記出力部を結ぶ方向に沿った側方面と、から選択される少なくとも１つの面に、
   非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させたシート状の電磁波吸収体が設けられ、
   前記電磁波吸収体は、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／５≦α≦ｍ＋４／５を満たし、前記入力部と前記出力部を結ぶ方向に、シート面に略平行に伝搬する、１ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下の範囲内の適用周波数の電磁波を吸収減衰することで、前記マイクロストリップ線路における信号のカップリングを低減することを特徴とする高周波通信装置。
   ここで、αは以下の式（１）で表されるパラメータである。
   α＝Ａｄ（εμ）^０．５／（μ”＋ε”μ／ε） （１）
   式（１）において、ｄは前記電磁波吸収体の厚さ、ε，ε”，μ，μ”はそれぞれ前記適用周波数における前記電磁波吸収体の誘電率、誘電率の損失項、透磁率、透磁率の損失項であり、Ａ＝８×１０^４／π［Ω／ｍ］である。
2. ｍ＝０であることを特徴とする請求項１に記載の高周波通信装置。
3. 前記電磁波吸収体の厚さｄが、１μｍ以上、２０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波通信装置。
4. 前記電磁波吸収体における前記軟磁性材料よりなる粒子の含有量が３０体積％以上であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の高周波通信装置。
5. 前記電磁波吸収体における前記軟磁性材料よりなる粒子の含有量が５０体積％以上であることを特徴とする請求項１から４のいずれか１項に記載の高周波通信装置。
6. 前記適用周波数は、２０ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の高周波通信装置。
7. 金属材料よりなる筐体と、
   前記筐体に収容され、高周波信号を入力する入力部と、前記高周波信号を出力する出力部とをマイクロストリップ線路として備えた処理回路と、を有する高周波通信装置において、
   前記筐体の内側の面のうち、前記処理回路に対向する天井面と、前記入力部と前記出力部を結ぶ方向に沿った側方面と、から選択される少なくとも１つの面に設けられ、
   前記入力部と前記出力部を結ぶ方向に、シート面に略平行に伝搬する、１ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下の範囲内の適用周波数の電磁波を吸収減衰することで、前記マイクロストリップ線路における信号のカップリングを低減する、非金属材料よりなるマトリクス中に軟磁性材料よりなる粒子を分散させたシート状の電磁波吸収体を製造するに際し、
   前記電磁波吸収体が、ｍを０以上の整数として、ｍ＋１／２−Δ≦α≦ｍ＋１／２＋Δを満たすように、前記電磁波吸収体を設計することを特徴とする高周波通信装置用電磁波吸収体の製造方法。
   ここで、αは、以下の式（１）で表されるパラメータである。
   α＝Ａｄ（εμ）^０．５／（μ”＋ε”μ／ε） （１）
   式（１）において、ｄは前記電磁波吸収体の厚さ、ε，ε”，μ，μ”はそれぞれ前記適用周波数における前記電磁波吸収体の誘電率、誘電率の損失項、透磁率、透磁率の損失項である。Ａ＝８×１０ ^４ ／π［Ω／ｍ］であり、Δ＝３／１０である。
8. ｍ＝０とすることを特徴とする請求項７に記載の高周波通信装置用電磁波吸収体の製造方法。
9. 前記電磁波吸収体における前記軟磁性材料よりなる粒子の含有量が５０体積％以上であることを特徴とする請求項７または８に記載の高周波通信装置用電磁波吸収体の製造方法。
10. 前記適用周波数は、２０ＧＨｚ以上１００ＧＨｚ以下であることを特徴とする請求項７から９のいずれか１項に記載の高周波通信装置用電磁波吸収体の製造方法。

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