(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電離することで電磁波を反射するプラズマを発生するガスが内部の密閉された空間に充填され、前記空間内の両端に電極が配置され、管軸方向に対して二次元格子状に配置された、複数の中空誘電体棒と、
各々の中空誘電体棒に接続され、前記中空誘電体棒の電極に供給する電流を調整することで、前記中空誘電体棒に充填されているガスを、プラズマが発生する状態又はプラズマが発生しない状態に設定する複数の状態制御部と、
入射する電磁波の放射特性と出射する電磁波の放射特性との関係から、前記複数の中空誘電体棒の中で、前記ガスをプラズマが発生する状態に設定する中空誘電体棒を選択し、選択された前記中空誘電体棒に接続する前記状態制御部へ電流を供給する指示を出す選択部と
を備えることを特徴とする電磁波制御装置。
【請求項２】
前記ガスがプラズマが発生する状態である１以上の前記中空誘電体棒によって、前記入射する電磁波を出射する方向へ反射させる反射面が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁波制御装置。
【請求項３】
前記複数の中空誘電体棒に対し電磁波を放射する一次放射器を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁波制御装置。
【請求項４】
前記ガスがプラズマが発生する状態である１以上の中空誘電体棒により形成される反射面がパラボラ面であり、前記一次放射器は前記パラボラ面の焦点の位置に配置されることを特徴とする請求項３に記載の電磁波制御装置。
【請求項５】
前記一次放射器としてアクティブフェーズドアレーアンテナを用いたことを特徴とする請求項３または請求項４に記載の電磁波制御装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電磁波の放射特性を制御する電磁波制御装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、電波の反射、透過又は吸収を自在にコントロールすることが可能な材料として、プラズマ媒質が注目を浴びている。例えば、以下の特許文献１には、プラズマを用いて、電波の伝搬を制御している電磁波制御装置が開示されている。
特許文献１に開示されている電磁波制御装置は、電波を反射するというプラズマの性質を利用するものである。
この電磁波制御装置では、チャンバ内の天井面に陽極を配置して、チャンバ内の床面に複数の陰極を格子上に配置しており、これらの陰極の組み合わせによって、電波を反射させる仮想的な平面又は曲面を有するプラズマ反射板を任意に形成することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００１−１２７５３３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の電磁波制御装置は以上のように構成されているので、入射された電波の反射方向をコントロールすることができるが、巨大なプラズマ反射板を得る必要がある場合には、巨大なプラズマ反射板よりも大きいチャンバを用意しなければならない。
チャンバのサイズが大きくなると、陽極と陰極との間の距離が長くなるため、反射面である仮想的な平面又は曲面を制御することが困難となる。このため、仮想的な平面を制御するための電磁コイルも大型のものが必要となるため、装置が大規模化してしまう。
また、従来の電磁波制御装置は、平面波（一つの方向にのみ伝わり、進行方向に垂直な面で位相が等しい状態の波）の入射を想定したものであり、アンテナとして動作させ、電波を所望の放射特性で出射することはできない。
この発明は上記のような課題を解決するためになされたものであり、プラズマで形成する反射面の形状を制御することにより、装置のアンテナとしての放射特性を制御することができる電磁波制御装置を得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この発明は、上記のような問題点を解決するためになされたもので、電離することで電磁波を反射するプラズマを発生するガスが内部の密閉された空間に充填され、前記空間内の両端に電極が配置され、管軸方向に対して二次元格子状に配置された、複数の中空誘電体棒と、各々の中空誘電体棒に接続され、前記中空誘電体棒の電極に供給する電流を調整することで、前記中空誘電体棒に充填されているガスを、プラズマが発生する状態又はプラズマが発生しない状態に設定する複数の状態制御部と、入射する電磁波の放射特性と出射する電磁波の放射特性との関係から、前記複数の中空誘電体棒の中で、前記ガスをプラズマが発生する状態に設定する中空誘電体棒を選択し、選択された前記中空誘電体棒に接続する前記状態制御部へ電流を供給する指示を出す選択部とを備えることを特徴とする電磁波制御装置を提供する。
【発明の効果】
【０００６】
この発明によれば、状態制御部が、同一平面上に複数配置されている中空誘電体棒のうち、少なくとも１以上の中空誘電体棒に充填されているガスの状態を適切にプラズマ状態に設定し、一次放射器から放射された電波の放射特性を制御するように構成したので、装置が大規模化や複雑化を招くことなく、アンテナとして所望の放射特性を実現することができる効果がある。また、アンテナとして使用していない間は全ての中空誘電体棒を気体の状態になるように設定することで、装置のレーダ断面積を小さくすることができる。プラズマ周波数より高い周波数では、アンテナとして使用している間でもレーダ断面積を小さくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】この発明の実施の形態１による電磁波制御装置を示す斜視図である。
【図２】実施の形態１による電磁波制御装置の中空誘電体棒１を示す構造図である。
【図３】実施の形態１による電磁波制御装置の中空誘電体棒１（誘電体３を含む場合）を示す構造図である。
【図４】実施の形態１に電磁波制御装置を示す構成図である。
【図５】実施の形態１による電磁波制御装置（中空誘電体棒全てが気体状態）の断面を示す説明図である。
【図６】実施の形態１による電磁波制御装置（中空誘電体棒の一部がプラズマ状態となり、平面を形成した状態）の断面を示す説明図である。
【図７】実施の形態１による電磁波制御装置（中空誘電体棒の一部がプラズマ状態となり、曲面を形成した状態）の断面を示す説明図である。
【図８】この発明の実施の形態２による電磁波制御装置の断面を示す説明図である。
【図９】この発明の実施の形態３による電磁波制御装置の断面を示す説明図である。
【図１０】この発明の実施の形態４による電磁波制御装置の断面を示す説明図である。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１による電磁波制御装置を示す斜視図であり、また、図２及び図３はこの発明の実施の形態１による電磁波制御装置の中空誘電体棒１を示す構造図である。
【０００９】
図１〜３において、中空誘電体棒１は電離することでプラズマを発生するガスが内部の密閉された空間に充填され、その空間内の両端に電極２が配置されている。
【００１０】
図１の例では、１６個の中空誘電体棒１が４×４の縦横格子状に規則正しく配置されているが、これは一例に過ぎず、中空誘電体棒１の数はＮ×Ｍであってもよい。Ｎ、Ｍは１以上の整数である。中空誘電体棒１が密に並べられていれば、中空誘電体棒１の配置の仕方は必ずしも格子状である必要はなく、例えば隣り合う列の中空誘電体棒１が互い違いの位置になっていてもよい。
【００１１】
なお、これらの中空誘電体棒１の管軸方向は、全て同一方向である。図１における中空誘電体棒１の管軸方向は、全て同じｚ軸方向である。
【００１２】
中空誘電体棒１としては、低誘電損失で、かつ、低誘電率であるものが望ましい。また、中空誘電体棒１の空間に充填されるガスとしては、第１８族元素（希ガス元素）を含むものが望ましいが、窒素や酸素等の媒質でもよいし、これらの混合媒質を用いてもよい。また、プラズマの生成度合を調整するために、水銀等の他の媒質を添加するようにしてもよい。  
【００１３】
また、中空誘電体棒１は、図３に示すように、内部に誘電体３などを含んでいてもよい。
【００１４】
電流調整装置５は電源４から中空誘電体棒１の電極２に供給される電流を調整することで、中空誘電体棒１に充填されているガスの状態を、プラズマが発生するプラズマ状態又はプラズマが発生しない気体状態に設定する。なお、電源４及び電流調整装置５から状態制御部が構成されている。
【００１５】
即ち、電流調整装置５は、複数の中空誘電体棒１のうち、少なくとも１以上の中空誘電体棒１に充填されているガスの状態をプラズマ状態に設定して、入射された電波を散乱又は透過させる仮想的な平面又は曲面を形成することで、入射された電波の進行方向を制御する。
【００１６】
一次放射器６は、中空誘電体棒１と離れた位置に配置されており、中空誘電体棒１に向かって電波を放射する指向性を持つアンテナである。例えば、ホーンアンテナやパッチアンテナであってもよく、本実施の形態では、ホーンアンテナを例に説明する。
なお、本実施の形態では、一次放射器６が配置された中空誘電体棒１との位置、一次放射器６から放射される電磁波の向きや範囲などの情報は、計算装置１１が予め判っているものとする。
図４はこの発明の実施の形態１による電磁波制御装置の構成図であり、図４において、図１と同一符号は同一または、相当部分を示す。なお、図４では中空誘電体棒１を、図１のＡ−Ｂ断面で示している。
計算装置１１（選択部）は、一次放射器６の設定情報と出射したい電磁波の放射特性に関する情報から、複数の中空誘電体棒１の中で、プラズマ状態に設定する必要がある中空誘電体棒１を選択する処理を実施する。放射特性として、電磁波が最も強く放射される方向が挙げられる。
【００１７】
図５は全ての中空誘電体棒１のガスが気体状態であるときの図１のＡ−Ｂ断面を示す説明図ある。
また、図６及び図７はプラズマにより任意の平面または曲面を形成するように、一部の中空誘電体棒１のガスがブラズマ状態であるときの図１のＡ−Ｂ断面を示す説明図ある。
図５〜図７において、斜線が施されている中空誘電体棒１のガスはブラズマ状態であり、斜線が施されていない中空誘電体棒１のガスは気体状態である。
また、図６及び図７において、入射波７は、一次放射器６から出射され中空誘電体棒１に入射する電磁波であり、散乱波８はガスがプラズマ状態である中空誘電体棒１により反射した電磁波である。
なお、図５〜図７の例では、２５６個の中空誘電体棒１が１６×１６の格子状に配置されている。
【００１８】
次に動作について説明する。
まず、図４を用いて基本的な動作について説明する。計算装置１１は、一次放射器６から一次放射器６の設定情報を入手する。一次放射器６の設定情報とは、一次放射器６と中空誘電体棒１との相対的な位置関係やお互いが向き合っている方向及び角度等である。
なお、図４では、一次放射器６の設定情報を一次放射器６から入手する構成で説明を行っているが、計算装置１１に予め設定しておいても良いし、計算装置１１に対し、キーボードやマウス等の入力装置や、メモリやハードディスク等の外部記憶装置を介して入力してもよい。同様に、出射したい電磁波の放射特性の情報についても、計算装置１１に予め設定しておいても良いし、計算装置１１に対し、入力装置や外部記憶装置を介して入力してもよい。
次に計算装置１１は、一次放射器６の設定情報と出射したい電磁波の放射特性の情報から、中空誘電体棒１に対する電磁波の入射方向と出射方向のなす角を求め、一次放射器の放射方向に対して反射の法則を満たすように仮想的平面を形成する中空誘電体棒１を選択する。
例えば、図４のように、左から二番目の一列だけの中空誘電体棒１を選択した場合、計算機１１は、選択された中空誘電体棒１に接続している電流調整装置５に対し、電流を供給するよう指示を出す。
【００１９】
次に中空誘電体棒１の動作について説明する。
例えば、格子状に２５６個の中空誘電体棒１が配置されているとき、電流調整装置５が、２５６個の中空誘電体棒１の電極２に供給される電流の値を零にすると、２５６個の中空誘電体棒１に充填されているガスの電離が生じないため、当該ガスからプラズマが発生しない気体状態になる。
【００２０】
したがって、この場合、一次放射器６から放射された電波７を反射させる仮想的な平面又は曲面が形成されない。
【００２１】
図５は全ての中空誘電体棒１のガスが気体状態である例を示しており、仮想的な平面又は曲面が形成されていない。
【００２２】
中空誘電体棒１は、上述したように、誘電損失が十分に小さく、かつ、低誘電率であり、また、仮想的な平面又は曲面が形成されていないため、一次放射器６から放射された電波７は中空誘電体棒１を通過する。
【００２３】
一方、電流調整装置５が、２５６個の中空誘電体棒１のうち、一部の中空誘電体棒１の電極２に供給される電流の値を大きな値にすると、一部の中空誘電体棒１に充填されているガスの電離が生じるため、当該ガスからプラズマが発生するプラズマ状態になる。
【００２４】
図６及び図７は一部の中空誘電体棒１のガスがブラズマ状態である例を示している。図６では、プラズマ状態である中空誘電体棒１が仮想的な平面を形成しており、図７では、プラズマ状態である中空誘電体棒１が仮想的な曲面を形成している。
【００２５】
これにより、一次放射器６から放射された電波７は、プラズマ状態である中空誘電体棒１で形成された平面または任意形状の曲面で反射されるため、電波の放射方向を制御できる。なお、プラズマ状態の中空誘電体棒１により反射された電波８の反射される方向は、反射する位置での接線に対して反射の法則を満たす（反射する位置での接線と垂直な法線と入射する電波のなす角が、反射する位置での接線と垂直な法線と反射する電波のなす角に等しい）。
【００２６】
この結果、アンテナとして所望の放射特性（電波の放射方向=電波を強く放射する方向やサイドローブ）を実現することができる。また、アンテナとして動作させていない間は、すべての中空誘電体棒１を気体状態にしておくことで、アンテナ装置のレーダ断面積（レーダ等から見た入射波と散乱波の比）を、仮想的な平面または曲面が形成されてない場合と比較して小さくなる。アンテナとして動作している間でも、後述するプラズマ角周波数に対応する周波数より高い周波数では、レーダ断面積を小さくすることができる。
【００２７】
上記のように、中空誘電体棒１の電極２に大きな電流が供給され、その電流がガスに伝わると、ガスの状態が気体状態からプラズマ状態に遷移するが、以下、プラズマ状態に遷移する際のプラズマの導電率σについて説明する。
【００２８】
ガスから発生するプラズマは、非磁化、低温、かつ、衝突性のプラズマになる。
【００２９】
非磁化・低温・衝突性のプラズマにおける複素比誘電率εｒチルダ（明細書の文章中では、電子出願の関係上、文字の上に“〜”の記号を付することができないので、εｒチルダのように表記している）は、下記の非特許文献１に開示されているように、以下の式（１）で表される。
0006037086.tif 000002
【００３０】
式（１）において、ωｐはプラズマ角周波数、ωはプラズマに入射された電波の角周波数、νは衝突周波数（自由電子が他の粒子と衝突して消滅する１秒当たりの平均回数）、ｊは虚数単位である。
［非特許文献１］
Ｒ．  Ｊ．  Ｖｉｄｍａｒ、“Ｏｎ  ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｐｌａｓｍａｓ  ａｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｆｌｅｃｔｏｒｓ  ａｎｄ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ、”  ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．  Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉ．、Ｖｏｌ．  １８、Ｎｏ．  ４、１９９０
プラズマ角周波数ωｐは、下記の式（２）に示すように、電子密度ｎｅ、電子の電荷ｅ、電子質量ｍｅ、真空の比誘電率ε０を用いて、表すことができる。
0006037086.tif 000003
【００３１】
また、複素比誘電率εｒチルダは、一般的に、下記の式（３）のように表される。
0006037086.tif 000004
【００３２】
式（３）において、εｒはプラズマの比誘電率、σはプラズマの導電率（ジーメンス毎メートル）である。
【００３３】
式（１）と式（３）を比較すると、プラズマの比誘電率εｒは、下記の式（４）のように求まり、プラズマの導電率σは、下記の式（５）のように求まる。
0006037086.tif 000005
【００３４】
0006037086.tif 000006
【００３５】
式（４）より、プラズマの比誘電率εｒは、入射された電波の角周波数ωや電子密度ｎｅなどから求まる。したがって、電流調整装置５が、中空誘電体棒１の電極２に供給する電流の値を調整することで、ガスから発生するプラズマの電子密度ｎｅを調整すれば、プラズマの比誘電率εｒを制御することができる。
【００３６】
また、式（５）より、プラズマの導電率σは、入射された電波の角周波数ωや電子密度ｎｅなどから求まる。したがって、電流調整装置５が、中空誘電体棒１の電極２に供給する電流の値を調整することで、ガスから発生するプラズマの電子密度ｎｅを調整すれば、プラズマの導電率σを制御することができる。プラズマの導電率σは、入射された電波の角周波数ωに対して、導体とみなせる値となり、例えば、４〜１０の値、好ましくは１０以上の値になる。中空誘電体棒１の空間に充填されるガスにもよるが、一般的には、数百ミリアンペアの電流を流すことによって、伝導率σを１０以上にすることができる。
【００３７】
このように、プラズマの導電率σを制御することで、ガスの状態を気体状態からプラズマ状態に遷移させることができる。また、プラズマの比誘電率εｒを制御することで、プラズマの導体損失を調整して、入射された電波の電磁エネルギーの減少量を適正な量に制御することができる。
【００３８】
以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、選択部により、電流調整装置５が、同一平面上に複数配置されている中空誘電体棒１のうち、少なくとも１以上の中空誘電体棒１に充填されているガスの状態をプラズマ状態に設定することで、一次放射器６から放射された電波７の反射される方向を制御するように構成したので、プラズマ状態の中空誘電体棒１により反射された電波８を所望の方向に向け、アンテナとして動作させることができる。
また、上記のように構成したので、装置の大型化や複雑化を招くことなく、巨大なプラズマ反射板を制御することが可能となる。
実施の形態２．
上記実施の形態１では、プラズマ状態の中空誘電体棒１で平面を形成し、一次放射器６から放射される電波を所望の放射特性を形成させる例について説明した。本実施の形態では、一次放射器６から放射される電波を所望の放射特性へ変換させるだけではなく、所望の利得を得る例について説明する。
図８は、この発明の実施の形態２による電磁波制御装置を示す断面図である。
【００３９】
実施の形態２では、プラズマ状態の中空誘電体棒１で形成される仮想的な曲面がパラボラ面となるよう選択部で制御し、パラボラ面の焦点９に一次放射器６を配置している点が、実施の形態１と異なる。
パラボラ面の場合、その焦点から放射される電波がパラボラ面のどの位置に到達しても、同じ方向に反射され、反射される方向に垂直な面で電波の位相が等しい。よって、この方向に強い電波が放射され、高いアンテナ利得を得ることができる。
選択部は、実施の形態１と同様、一次放射器６の設定情報及び出射したい電磁波の方向や強さの情報からパラボラ面を算出して中空誘電体棒１を選定するが、出射したい電磁波の方向や強さによっては、パラボラ面を形成できない場合がある。
そのような場合、パラボラ面を形成できるよう、一次放射器６の設置位置を変更させても良い。
【００４０】
このように、一次放射器６をパラボラ面の焦点９に配置することで、一次放射器６から放射された電波７は、パラボラ面で反射され、中空誘電体棒１により反射された電波８はすべて同じ方向に向かう。
【００４１】
以上のように、この実施の形態２によれば、選択部によって、プラズマ状態の中空誘電体棒１で形成される仮想的な曲面がパラボラ面となるように制御し、パラボラ面の焦点９に一次放射器６を配置していることで、電波を特定の方向に集中して放射し、高いアンテナ利得を得ることができる。
実施の形態３．
上記実施の形態２では、プラズマ状態の中空誘電体棒１で形成される仮想的な曲面がパラボラ面となるよう選択部で制御し、パラボラ面の焦点９に一次放射器６を配置する例について説明した。本実施の形態では、同じ位置に焦点９をもつ任意のパラボラ面を時間的に切り替えて形成するように中空誘電体棒１を制御する例について説明する。
図９は、この発明の実施の形態３による電磁波制御装置を示す断面図である。
【００４２】
実施の形態３では、同じ位置に焦点９をもつ任意のパラボラ面を形成するように中空誘電体棒１を制御する点が、実施の形態２と異なる。
【００４３】
パラボラ面は、１つの焦点から放射された電波を特定の方向に反射するものであるので、同じ位置を焦点とする任意のパラボラ面を形成すれば、その形状に応じて電波が反射される方向を制御できる。図９では、焦点９がこの位置にあるパラボラ面Ａとパラボラ面Ｂを示している。一次放射器６から放射された電波７は、パラボラ面Ａで反射される場合とパラボラ面Ｂで反射される場合で異なる方向に反射される。よって、例えばレーダに搭載されるアンテナのように強い電波を任意の方向に放射することができる（ビーム走査）。
【００４４】
なお、図９で示されているパラボラ面Ａとパラボラ面Ｂは同時に形成されるものではなく、時間的に切り替えて形成する。選択部がパラボラ面を算出する方法は実施の形態１および２と同じでよい。選択部は、一度算出しておき、予め設定された時間間隔おきに中空誘電体棒１の選択を変更することにより、パラボラ面を切り替えることが可能となる。
【００４５】
以上のように、この実施の形態３によれば、選択部が同じ位置に焦点９をもつ任意のパラボラ面を形成するように中空誘電体棒１を制御することで、電波を複数の任意の方向に放射することができる。
実施の形態４．
上記実施の形態１〜３では、一次放射器６としてホーンアンテナやパッチアンテナなどの指向性を持つアンテナを用いた例について説明した。本実施の形態では、一次放射器６としてアクティブフェーズドアレーアンテナを用いた例について説明する。
図１０は、この発明の実施の形態４による電磁波制御装置を示す断面図である。
【００４６】
実施の形態４では、一次放射器６をアクティブフェーズドアレーアンテナ１０とした点が、実施の形態１〜３と異なる。
【００４７】
アクティブフェーズドアレーアンテナ１０は、アンテナ素子毎、もしくは複数のアンテナ素子で構成するサブアレーアンテナごとに増幅器と移相器を備えており、各々に接続された制御装置が増幅量と移相量を変えることで、アンテナ素子で構成するサブアレーアンテナ毎の振幅及び位相の関係が変わり、任意の方向に電波を放射することができる。
従って、プラズマ状態の中空誘電体棒１で形成する面に対してアクティブフェーズドアレーアンテナ１０で一次放射器の放射特性を適切に制御することで、漏洩電磁波の低減といったアンテナとしての放射特性を改善することができる。
【００４８】
以上のように、この実施の形態４によれば、一次放射器６をアクティブフェーズドアレーアンテナ１０とすることで、所望の電波の放射特性及び放射形状をより細かく制御することができる。
【符号の説明】
【００４９】
１  中空誘電体棒、２  電極、３  誘電体、４  電源（状態制御部）、５  電流調整装置（状態制御部）、６  一次放射器、７  一次放射器６から放射された電磁波、８  プラズマ状態の中空誘電体棒１により反射された電磁波、９  焦点、１０  アクティブフェーズドアレーアンテナ、１１  計算装置（選択部）。
【要約】
電離することで電磁波を反射するプラズマを発生するガスが内部の密閉された空間に充填され、空間内の両端に電極２が配置された、複数の中空誘電体棒１と、各々の中空誘電体棒１に接続され、中空誘電体棒１の電極２に供給する電流を調整することで、中空誘電体棒１に充填されているガスを、プラズマが発生する状態又はプラズマが発生しない状態に設定する複数の状態制御部４と、入射する電磁波の放射特性と出射する電磁波の放射特性との関係から、複数の中空誘電体棒１の中で、ガスをプラズマが発生する状態に設定する中空誘電体棒１を選択し、選択された中空誘電体棒１に接続する状態制御部４へ電流を供給する指示を出す選択部１１とを備えることを特徴とする電磁波制御装置。【図１】
0006037086.tif 000007
【図２】
0006037086.tif 000008
【図３】
0006037086.tif 000009
【図４】
0006037086.tif 000010
【図５】
0006037086.tif 000011
【図６】
0006037086.tif 000012
【図７】
0006037086.tif 000013
【図８】
0006037086.tif 000014
【図９】
0006037086.tif 000015
【図１０】
0006037086.tif 000016