JP7176117B2 - 建物部品の無線周波数信号透過率を改善するための誘電体構造及びその設置方法 - Google Patents

Description

本発明は、誘電体構造及びその設置方法に関する。その誘電体構造が誘電性建物部品と結合させた場合、誘電性建物部品における特定の周波数スペクトルの無線周波数信号の透過率を増加させる。

高速情報伝送に対する市場の需要に応えて、通信業界は信号伝送に高周波電磁波を徐々に採用している。使用する周波数帯域が高周波スペクトルになるにつれて、通信伝送に対する建築材料と建物部品の影響がさらに重要になる。多くの建築材料の中で、ガラス、セメント、木材、セラミック、プラスチックなどの誘電材料は、このカテゴリに含まれる。一部の誘電材料は誘電損失パラメータが低いため、通過する電磁波の誘電損失は極めて低い一方、特定の電磁スペクトルでは、材料自体の誘電率と外界の誘電率の不一致によって反射損失が発生する。空気中にあるコーティングなしのガラスを例に取ると、一般的なガラスは高周波通信の環境下において２～４ｄＢの反射損失が生じる。言い換えれば、伝送中において電磁波のエネルギーの５０％が、ガラスの遮蔽効果によって反射損失に変換されることを意味する。

建築材料または建物部品による信号減衰の問題を解決するために、いくつかの研究がなされ、それらは、内部アンテナ、リード付き内部および外部アンテナ、誘電体アンテナ、周期的導電性構造などを含むいくつかの解決手段に分類することができる。内部アンテナ、リード付き内部および外部アンテナなどの手段は、車両の通信や建築環境で広く使用されている。このような手段は、アンテナを介して信号を受信し、システム設定に従って受信信号を増幅または非増幅の処理を行った後、リードまたはアンテナを介して送信する。具体的な例は、特許文献１～４である。誘電体アンテナの場合では、誘電体の表面がアンテナ基板として使用され、パターン化された導電層によって送信アンテナと受信アンテナを構成する。その例としては、特許文献５が挙げられる。周期的金属構造の場合では、誘電体上に周期的金属構造を作製し、構造全体が特定の波長の電磁波を選択的に透過するように金属構造のサイズを調整する。したがって、このような周期的金属構造も周波数選択性表面と称され、その例としては、特許文献６～１０である。しかし、上記すべての解決手段は、いずれも電磁信号またはフィルターを送受信するための導電性構造を必要とする。

米国特許第６，６６１，３８６号明細書 米国特許第７，０９１，９１５号明細書 米国特許第８，００９，１０７号明細書 欧州特許第１３４３２２１号明細書 中国特許第１０４６８５５７８号明細書 特開２００４－０５３４６６号公報 特開２０１１－２５４４８２号公報 米国特許第４，１２５，８４１号明細書 米国特許第６，７３０，３８９号明細書 米国特許出願公開第２０１８／０１５９２４１号明細書

上記の先行技術の問題を考慮して、本発明の目的は、既存の通信技術に存在する問題を解決し、既存の誘電体で作られた建物部品の電磁波透過率を改善することができる装置並びにその設置方法を提供することである。本発明はパターン化された導電層を作成する必要がなく、電源と信号の接点を必要としないため、製造が簡単で、コストが低く、設置が容易という利点がある。

本発明の一実施例では、無線周波数信号の透過率を改善するために建物部品に適用される誘電体構造を提供し、その誘電体構造は、少なくとも１つの誘電材料層を含む構造体と、構造体を結合物と結合させるために設置された位置決め部とを含み、構造体に含まれる誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間にあり、位置決め部によって構造体と結合物を結合させた複合構造は、動作周波数ｆ_０の無線周波数信号を通過させると共に反射損失を減少させ、無線周波数信号が通過する誘電体構造の表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径は、動作周波数ｆ_０に対応する動作波長λ_０の８分の１以上である。

好ましくは、位置決め部はさらに誘電材料層を含み、その誘電率の値は１～１０，０００の間にある。

好ましくは、位置決め部は構造体と結合物の間に位置する。

好ましくは、誘電体構造はギャップ空間をさらに含む。

好ましくは、ギャップ空間は構造体と結合物の間に位置する。

好ましくは、ギャップ空間は構造体の内部に設けられ、結合物と接触しないようにする。

本発明のもう一つの実施例では、誘電体構造の設置方法を提供し、その誘電体構造は無線周波数信号の透過率を改善するために建物部品に適用され、その設置方法は、位置決め部によって構造体と結合物を結合させることを含み、構造体は少なくとも１つの誘電材料層によって構成され、位置決め部における無線周波数信号通過可能な領域は誘電材料層によって構成され、アドミタンス補償技術に基づいて、構造体と位置決め部の誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間にあり、位置決め部によって構造体と結合物を結合させた複合構造は、動作周波数ｆ_０の無線周波数信号を通過させると共に反射損失を減少し、無線周波数信号が通過する誘電体構造の表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径は、動作周波数ｆ_０に対応する動作波長λ_０の８分の１以上である。

好ましくは、その方法は誘電体構造内にギャップ空間をさらに設けることを含む。

本発明の概念に従って提案された誘電体構造およびその設置方法は、少なくとも以下の利点を有する。（１）誘電材料で作ることができ、単純な構造とプロセスを有するので、大量生産や製造に有利である。（２）外部電源と信号を導入する必要はなく、取り付け並びに使用が簡便である。（３）電源なしで操作できるため、電力と操作コストを節約できる。（４）誘電体構造は信号放射源ではなく、電磁波放射による生物学的安全性に関する懸念がない。

図１は、先行技術に従って作成されたアドミタンス図である。 図２Ａは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図２Ｂは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図２Ｃは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図２Ｄは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図３Ａは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図３Ｂは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図３Ｃは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図３Ｄは、本発明の実施例による誘電体構造の断面図である。 図４は、本発明の実施例による誘電体構造と結合物が結合した状態を示す概略図である。 図５Ａは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスを透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。 図５Ｂは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスを透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。 図６Ａは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した本発明の一実施例による誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。 図６Ｂは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した本発明の一実施例による誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。 図７Ａは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した本発明の一実施例による誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。 図７Ｂは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した本発明の一実施例による誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。

本発明の技術的特徴、内容および利点、ならびに達成できる効果をさらに説明するために、本発明を添付図面と組み合わせて、以下の実施形態の形で詳細に説明する。それらは、例示および補助的な目的のためであり、必ずしも本発明の実際の実施における比率および正確な構成とは限らない。したがって、本発明の特許請求の範囲は、図面の比率および位置関係に解釈または限定されるべきではない。

図１は、先行技術に従って作成されたアドミタンス図である。例として、ε_ｒ＝１（位置１０２で示される）の環境に配置されたε_ｓ＝ε_ｒ＝６（位置１０１で示される）の結合物では、結合物の厚さが０からｔ_ｓに徐々に増加するにつれて、アドミタンス値α_ｓは位置１０２から時計回りに位置１０３に移動する。次に、誘電率ε_１＝ε_ｒ＝６の第一誘電材料で構成される構造体を上記の結合物と結合して複合構造を形成する。その装置の厚さが０からｔ_１に徐々に増加するにつれて、前記複合構造のアドミタンス値α_ｓ＋α_１は図示された位置１０３から、実数軸の位相厚さ（２＊ｎ－１）＊π／２位置１０４を通過した後、実数軸の位相厚さｎ＊π位置１０５と交差する。故に位相厚さｎ＊πに対応するｔ_１がその装置の最適な厚さとなり、当該複合構造に対する特定の電磁スペクトルの透過率が改善される。そのうち、前述した２つの数式のｎ値はゼロを除いた正の整数である。多層構造または位置決め部が誘電体であり、かつ無線周波数信号が通過可能な領域に配置された場合、その補償分析方法は上記の方法と同じである。さらに、実際の応用状態下での帯域幅と製造プロセスの考慮すると、±２５％以内が許容可能な厚さ変動範囲と見なされる。

図１に示すアドミタンス補償技術に基づいて装置の厚さを決定する。次に、図２Ａ～図２Ｄを参照し、図２Ａ～図２Ｄは、それぞれ本発明の異なる実施例による誘電体構造の例を断面図で示す。

そのうち、図２Ａの誘電体構造２００Ａは少なくとも１つの第一誘電材料層２０１で構成された構造体と、位置決め部２２０を含む。位置決め部２２０によって構造体と結合物２５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造２００Ａと結合物２５０が結合した複合構造における第一誘電材料層２０１の誘電率の値は１～１０，０００の間である。無線周波数信号が通過する誘電体構造２００Ａの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

本発明のもう一つの実施例では、図２Ｂの誘電体構造２００Ｂは少なくとも１つの第一誘電材料層２０１で構成された構造体と、第二誘電材料層で構成された位置決め部２２０を含む。位置決め部２２０によって構造体と結合物２５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造２００Ｂと結合物２５０が結合した複合構造おける第一誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間であり、第二誘電材料層の誘電率の値が１～１０，０００の間であり、無線周波数信号が通過する誘電体構造２００Ｂの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。誘電体構造２００Ｂは、位置決め部材２２０が構造体と結合物２５０との間に設置されている点で、誘電体構造２００Ａとは異なる。

本発明のもう一つの実施例では、図２Ｃの誘電体構造２００Ｃは少なくとも１つの第一誘電材料層２０１と第二誘電材料層２０２で構成された構造体と、位置決め部２２０を含む。位置決め部２２０によって構造体と結合物２５０を結合する。第二誘電材料層２０２は、第一誘電材料層２０１を部分的に覆うことができる。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造２００Ｃと結合物２５０が結合した複合構造における第一誘電材料層２０１および第二誘電材料層２０２の誘電率の値は共に１～１０，０００の間である。無線周波数信号が通過する誘電体構造２００Ｃの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

本発明のもう一つの実施例では、図２Ｄの誘電体構造２００Ｄは少なくとも１つの第一誘電材料層２０１と第二誘電材料層２０２で構成された構造体と、第三誘電材料層で構成された位置決め部２２０を含む。位置決め部２２０によって構造体と結合物２５０を結合する。第二誘電材料層は、第一誘電材料層を部分的に覆うことができる。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造２００Ｄと結合物２５０が結合した複合構造における第一誘電材料層２０１、第二誘電材料層２０２および第三誘電材料層の誘電率の値は共に１～１０，０００の間である。無線周波数信号が通過する誘電体構造２００Ｄの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

続いて図３Ａ～図３Ｄを参照し、図３Ａ～図３Ｄは、それぞれ本発明の実施例による誘電体構造の例を断面図で示す。図２Ａ～図２Ｄとの違いは、図３Ａ～図３Ｄに示す実施例の誘電体構造はギャップ空間を含む。

そのうち、図３Ａの誘電体構造３００Ａは少なくとも１つの第一誘電材料層３０１で構成された構造体と、ギャップ空間３２０と、位置決め部３３０を含む。位置決め部３３０によって構造体と結合物３５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造３００Ａと結合物３５０が結合した複合構造における第一誘電材料層３０１の誘電率の値は１～１０，０００の間であり、無線周波数信号が通過する誘電体構造３００Ａの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

本発明のもう一つの実施例では、図３Ｂの誘電体構造３００Ｂは少なくとも１つの第一誘電材料層３０１で構成された構造体と、ギャップ空間３２０と、位置決め部３３０を含む。位置決め部３３０によって構造体と結合物３５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造３００Ｂと結合物３５０が結合した複合構造における第一誘電材料層３０１の誘電率の値は１～１０，０００の間であり、無線周波数信号が通過する誘電体構造３００Ｂの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

本発明のもう一つの実施例では、図３Ｃの誘電体構造３００Ｃは少なくとも１つの第一誘電材料層３０１で構成された構造体と、ギャップ空間３２０と、第二誘電材料層で構成された位置決め部３３０を含む。位置決め部３３０は誘電率の値が１～１０，０００の間にある第二誘電材料であり得ると共に、構造体と結合物３５０の間の少なくとも一部のギャップを充填することによって、構造体と結合物３５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造３００Ｃと結合物３５０が結合した複合構造における第一誘電材料層３０１の誘電率の値は１～１０，０００の間であり、無線周波数信号が通過する誘電体構造３００Ｃの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

本発明のもう一つの実施例では、図３Ｄの誘電体構造３００Ｄは少なくとも１つの第一誘電材料層３０１で構成された構造体と、ギャップ空間３２０と、第二誘電材料で構成された位置決め部３３０を含む。位置決め部３３０は誘電率の値が１～１０，０００の間にある第二誘電材料であり得ると共に、構造体と結合物３５０の間の少なくとも一部のギャップを充填することによって、構造体と結合物３５０を結合する。動作周波数がｆ_０かつ対応する波長がλ_０の無線周波数信号送信の状態において、誘電体構造３００Ｄと結合物３５０が結合した複合構造における第一誘電材料層３０１の誘電率の値は１～１０，０００の間であり、無線周波数信号が通過する誘電体構造３００Ｄの表面が結合物表面に投影する面の最小等価直径はλ_０／８以上である。

図４は、本発明の実施例による結合物４０１が、位置決め部４０２によって誘電体構造４０３と結合した状態を示す概略図である。上記の結合物４０１は、ガラス、セメント、木材、セラミック、プラスチック、および他の誘電材料の建物部品でもよいが、本発明はこれらに限定されず、結合物は、その無線周波数信号の透過率を向上させる必要のある任意の部品を指す。

また、誘電率は動作周波数によって変化するため、具体的な材料種類は、動作周波数スペクトル内の結合物の誘電率の値に応じて調整する必要がある。以下は、使用できる代表的な材料であるが、これらの材料に限定されない。これらの材料には、低誘電率材料：ＰＴＦＥ、ＰＥ、ＰＣ、ＰＶＣ、アクリル、ＰＵ、エポキシ、シリコンなど、中誘電率材料：石英、ガラス、アルミナ結晶およびそのセラミック、窒化アルミニウム結晶およびそのセラミック、マグネシウム酸化物結晶およびそのセラミック、炭化ケイ素結晶およびそのセラミック、ジルコニア結晶およびそのセラミックなど、高誘電率材料：酸化チタン結晶およびそのセラミック、チタン酸バリウムポリマー複合材料など、を含む。

図５Ａおよび図５Ｂを参照し、それらは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスを透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。図示されたように、３．７５ＧＨｚの動作周波数での反射率は－２．９２５ｄＢであり透過率は反射により－３．０９８ｄＢ減少する。

図６Ａおよび図６Ｂを参照し、それらは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した図２Ａに示す誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。そのうち、誘電体構造の厚さは８．３３ｍｍであり、かつ誘電率は６である。シミュレーションにより、３．７５ＧＨｚの動作周波数での反射率は－９７．４４ｄＢに減少し、透過率は－７．８２９ｅ－１０ｄＢである結果が得られた。この結果は、透過率が大幅に改善されたことを示している。

図７Ａおよび図７Ｂを参照し、それらは、３ＧＨｚ～５ＧＨｚの電磁波が厚さ８ｍｍかつ誘電率６のガラスおよびその上に結合した図３Ａに示す誘電体構造を透過したときの反射率と透過率を示す曲線グラフである。そのうち、誘電体構造の厚さは６ｍｍであり、かつ誘電率は６であり、ギャップ空間の厚さは２．１ｍｍであると共に、ギャップ空間内は空気である。シミュレーションにより、３．７５ＧＨｚの動作周波数での反射率は－２４．０４ｄＢであり、透過率は－０．０１７１６ｄＢである結果が得られた。この結果は、透過率が大幅に改善されたことを示している。

誘電材料で構成された構造物のアドミタンスを動作周波数スペクトルで解析することができる。本発明に開示する誘電体構造と建物部品を結合して作成された複合構造体は、アドミタンス値を調整できるため、動作周波数スペクトルがこの複合構造体における信号の透過性を向上することができる。

上記の説明は単なる例示であり、限定的なものではない。本発明の趣旨および範囲から逸脱しない同等の修正または変更は、添付の特許請求の範囲に含まれるべきである。

１０１、１０２、１０３、１０４、１０５ 位置
２００Ａ、２００Ｂ、２００Ｃ、２００Ｄ、３００Ａ、３００Ｂ、３００Ｃ、３００Ｄ 誘電体構造
２０１、２０２、３０１ 誘電材料層
２２０、３３０、４０２ 位置決め部
２５０、３５０、４０１ 結合物
３２０ ギャップ空間
４０３ 構造体

Claims (8)

1. 無線周波数信号の透過率を改善するために建物部品に適用される誘電体構造であって、
   前記誘電体構造は、
   少なくとも１つの誘電材料層を含む構造体と、
   前記構造体を結合物と結合させるために設置された位置決め部と、
   を含み、
   前記構造体に含まれる前記誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間にあり、前記位置決め部によって前記構造体と前記結合物を結合させられた複合構造は動作周波数を有し、無線周波数信号が通過する前記誘電体構造の表面が前記結合物表面に投影する面の最小等価直径は、前記動作周波数に対応する動作波長の８分の１以上であることを特徴とする、誘電体構造。
2. 前記位置決め部はさらに誘電材料層を含み、前記位置決め部の前記誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間にあることを特徴とする、請求項１に記載の誘電体構造。
3. 前記位置決め部は、前記構造体と前記結合物の間に位置することを特徴とする、請求項２に記載の誘電体構造。
4. ギャップ空間をさらに含むことを特徴とする、請求項２または３に記載の誘電体構造。
5. 前記ギャップ空間は、前記構造体と前記結合物の間に位置することを特徴とする、請求項４に記載の誘電体構造。
6. 前記ギャップ空間は前記構造体の内部に設けられ、前記結合物と接触しないことを特徴とする、請求項４に記載の誘電体構造。
7. 無線周波数信号の透過率を高めるために建物部品に適用される誘電体構造の設置方法であって、
   その設置方法は、位置決め部によって構造体と結合物を結合させることを含み、
   前記構造体は少なくとも１つの誘電材料層によって構成され、前記位置決め部は無線周波数信号通過可能な領域に設置された誘電材料層によって構成され、アドミタンス補償技術に基づいて、前記構造体と前記位置決め部の前記誘電材料層の誘電率の値は１～１０，０００の間にあり、前記位置決め部によって前記構造体と前記結合物を結合させられた複合構造は動作周波数を有し、無線周波数信号が通過する前記誘電体構造の表面が前記結合物表面に投影する面の最小等価直径は、前記動作周波数に対応する動作波長の８分の１以上であることを特徴とする、誘電体構造の設置方法。
8. 前記誘電体構造内にギャップ空間をさらに設けることを特徴とする、請求項７に記載の誘電体構造の設置方法。

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