第5章 Frequency Selective Surfaceを利用した 電磁波吸収体の設計
5.3 結果および考察
5.3.3 広帯域に動作するパターン吸収体の設計
ここでは吸収中心周波数f0を高周波数域側にシフトさせる方法を検討する。ま ずパターン導体の寸法Lを小さくすると共振周波数が高くなる。同様に，L，W， dtotの各サイズを組み合わせて小さくすることにより，数GHz帯よりもかなり高 い周波数にて動作するパターン吸収体のf0を設計することが可能となった。しか し，周波数を高くすると，磁性材料にはSnoekの法則[5] が働くため，例えば10 GHz帯などの高い周波数域においては所望の複素比透磁率を有する磁性ポリマ ー層を調製することが困難となる。そのため吸収帯域幅は若干小さくなるが，
ポリマー層としては高周波数帯でも特性を維持する誘電損失を有する誘電性材 料のみを用いることとした。
パターン形状#1を用いてdtot = 2.0-2.5 mmとして，そして実際に作製した誘電性 ポリマー層はεr* = 6.34－j0.66の複素比誘電率の値であったのでこれを用いたと
ころ，2.45 GHz付近のリターンロスRLが-20 dB以下の吸収が得ることができた条
件のL，W，dtotは，それぞれ20.0 mm，2.0 mm，2.0 mmであった。この場合のf0
値は約2.60 GHzであり，2.45 GHzよりも高くなった。L = 20.0 mm，W = 2.0 mm， ε* = 6.34 - j0.66のdtotの関数として得られたf0とRLの値をFig. 5.6に示す。f0を2.45 GHzに調整するには，dtotは約2.5 mmでなければなかった。この場合，電磁波吸
収量はdtot = 2 mmより小さくなるが，RLはなお-20 dBより低い値を保っており，
電磁波吸収としては20 dBを超えていた。したがって，スケールダウンの開始条 件は，L = 20.0 mm，W = 2.0 mm，dtot = 2.5 mm，εr* = 6.34 - j0.66に決定した。
Fig. 5.7(a) は，L，W，dtotの値を指定された条件で，スケーリング比Srでサイ ズ変更したときのスケーリング比の逆数1/Srとf0との関係を示している。f0 は1/Sr
に線形に比例していた。各Srに対するRLの周波数依存性をFig. 5.6(b)に示す。こ の場合，電磁波吸収量はSrの減少とともに減少した。その電磁波吸収量を増加さ せるための残りの調整可能なパラメータはεr*であった。このシミュレーション の結果，εr”を変更させてもf0が変化せず，且つインピーダンスzsを独立に変更さ せることが可能であることが判明した。Fig. 5.7(a) に各Srの最大吸収量を求める ための誘電損失εr”の最適値を求めた。それに応じたRLの周波数依存性をFig.
5.8(b) に示す。調整後のεr”の最適値もまた1/Srに比例していた。例えばSr = 1/20 の場合，f0 = 49.2 GHz，L = 1 mm，W = 0.1 mm，dtot = 0.125 mmで，εr”を20倍とす ることでRLは-23.6 dBとなった。ただし，εr’を変化させずにεr”だけを増加させる ことは，計算では可能であっても現実的ではない。設計の方向性は示されたと しても，εr’とεr”は配合に応じて連動して動くため，実際の誘電性ポリマー層の 設計にてはさらなる実験的検討が必要である。そして50 GHz付近で動作するパ
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Fig. 5.5 Values of (a) f0 and (b) RL as a function of dtot for L = 20.0 mm, W = 2.0 mm, and ε* = 6.34 ‒ j0.66.
3.0
2.5
2.0
1.5 f0 [GHz]
5 4
3 2
1 0
dtot [mm]
(a)
-50 -40 -30 -20 -10 0
RL [dB]
5 4
3 2
1 0
dtot [mm]
(b)
Fig. 5.6 (a) Relation between f0 and the inverse of the scaling ratio 1/Sr, (b) Frequency dependence of RL after scaling down by Sr.
50 40 30 20 10 0 f0 [GHz]
20 15
10 5
0
1/Sr
(a)
-25 -20 -15 -10 -5 0
RL [dB]
60 50 40 30 20 10 0
Frequency [GHz]
Scaling ratio Sr :
1 1/2 1/4 1/5 1/8 1/10 1/20
(b)
Fig. 5.7 (a) Relation between εr″ after adjustment and the inverse of the scaling 1/Sr, (b) Frequency dependence of RL for each Sr after adjustment of εr″.
15
10
5
0
r"20 15
10 5
0
1/Sr
(a)
-25 -20 -15 -10 -5 0
RL [dB]
60 50 40 30 20 10 0
Frequency [GHz]
Scaling ratio Sr :
*1 *1/2 *1/4 *1/5 *1/8 *1/10 *1/20
(b)
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ターン吸収体を作製するための加工技術としてはリソグラフィ工程などを用い てもよく，またポリマー層も塗工プロセスのRoll to Rollの製法が可能な厚さとな っており，高速且つ高精度な製法を選択することが可能となる。各Srに対する電 磁波吸収特性はTable 5.2に示されている。
Table 5.3 Parameters and absorbing characteristics after scaling.
Scaling ratio Sr 1 1/2 1/4 1/5 1/8 1/10 1/20
L [mm] 20.0 10.0 5.0 4.0 2.5 2.0 1.0
W [mm] 2.0 1.0 0.5 0.4 0.25 0.2 0.1
dtot [mm] 2.5 1.25 0.625 0.5 0.3125 0.25 0.125
f0 [GHz] 2.47 4.94 9.86 12.34 19.66 24.69 49.20
εr″ after adjustment 0.66 1.32 2.64 3.30 5.28 6.60 13.20
RL [dB] ‒22.4 ‒22.0 ‒22.4 ‒22.8 ‒22.9 ‒23.2 ‒23.6
zsr at f0 1.163 1.175 1.164 1.154 1.155 1.146 1.142
zsi at f0 0.012 0.013 ‒0.015 ‒0.005 0.001 ‒0.027 ‒0.010
Δf / f0 0.01 0.014 0.014 0.016 0.015 0.016 0.016
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