(57)【要約】【課題】プラズマを用いて外部より到来する電磁波を吸収もしくは反射する。【解決手段】電波を放射するアンテナ１と、軸方向がアンテナ１の電波放射方向と同一となるように配置され、電流が供給されることで磁界を発生するコイル２と、導線５を介してコイル２と接続され、当該コイル２に電流を供給する電源３と、アンテナ１の電波放射方向に配置され、内部にガス４１が充填された誘電体容器４とを備え、アンテナ１により放射される電波の周波数とコイル２により発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するように当該コイル２の巻き数及び電源３により供給される電流値が設定された。【選択図】図１
2015173143.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波を放射するアンテナと、
軸方向が前記アンテナの電波放射方向と同一となるように配置され、電流が供給されることで磁界を発生するコイルと、
導線を介して前記コイルと接続され、当該コイルに電流を供給する電源と、
前記アンテナの電波放射方向に配置され、内部にガスが充填された誘電体容器とを備え、
前記アンテナにより放射される電波の周波数と前記コイルにより発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するように当該コイルの巻き数及び前記電源により供給される電流値が設定された
ことを特徴とする電磁波遮蔽装置。
【請求項２】
前記導線は、前記アンテナの電波放射方向に対して背面側から前記電源と接続された
ことを特徴とする請求項１記載の電磁波遮蔽装置。
【請求項３】
電波を放射する複数のヘリカルアンテナと、
前記ヘリカルアンテナのコイルの開放端に接続された電極と、
前記電極と前記ヘリカルアンテナの地板との接続を切替える第１スイッチと、
前記ヘリカルアンテナの給電部への電流の供給元を切替える第２スイッチと、
前記第２スイッチにより切替えられて前記給電部に直流電流を供給する直流電源と、
前記第２スイッチにより切替えられて前記給電部に高周波電流を供給する高周波電源と、
前記ヘリカルアンテナの電波放射方向に配置され、内部にガスが充填された誘電体容器とを備え、
前記給電部への電流の供給元として前記高周波電源に切替えられ、かつ前記電極が前記地板に接続されていない前記ヘリカルアンテナにより放射される電波の周波数と、前記給電部への電流の供給元として前記直流電源に切替えられ、かつ前記電極が前記地板に接続された前記ヘリカルアンテナのコイルにより発生される磁界との間に、電子サイクロトロン共振条件が成立するように当該コイルの巻き数及び当該直流電源が供給する電流値が設定され、
前記給電部への電流の供給元として前記高周波電源に切替えられ、前記電極が前記地板に接続されていない前記ヘリカルアンテナと、前記給電部への電流の供給元として前記直流電源に切替えられ、かつ前記電極が前記地板に接続された前記ヘリカルアンテナとが混在された
ことを特徴とする電磁波遮蔽装置。
【請求項４】
前記電極は、前記コイルの内部を通って前記第１スイッチと接続された
ことを特徴とする請求項３記載の電磁波遮蔽装置。
【請求項５】
前記誘電体容器は曲面形状である
ことを特徴とする請求項１から請求項４のうちのいずれか１項記載の電磁波遮蔽装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、プラズマを用いた電磁波遮蔽装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
プラズマは、電子密度によって、外部から到来した電磁波を吸収もしくは反射する性質を備えている。近年、この性質を利用した電磁波遮蔽装置が注目されている（例えば特許文献１，２、非特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１では、２層レドームの内部にプラズマを発生するガスを封入する層を設け、ハニカム形状に沿わせた電極によって、内部にプラズマを発生させている。そして、レドーム内のレーダを使用するときはプラズマを非発生状態にし、使用しないときはプラズマを発生状態にすることによってレーダを遮蔽する。この技術では、プラズマの反射効果（導体的効果）を利用している。
【０００４】
同じくプラズマの導体的効果を利用した特許文献２では、プラズマをアンテナとして利用している。この技術では、反射鏡面を、プラズマを封入した誘電体で構成しており、アンテナ使用時のみプラズマを発生させている。これにより、一次放射器に到来電波が到達しないようにすることができる。
【０００５】
また、非特許文献１には、プラズマの吸収効果を利用した技術が開示されている。この非特許文献１では、散乱体の周囲に、球状のプラズマを設けた場合と設けない場合における、レーダ断面積の差異について検討を行っている。そして、プラズマの吸収効果によって、レーダ断面積を小さくできるという結論が得られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許公開公報ＵＳ２００９／０１０９１１５Ａ１
【特許文献２】米国特許公開公報ＵＳ２００３／０１６０７２４Ａ１
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】Wang Gu, Yuan Lei, Wang Taosheng, Fang Ning, Miao Jungang, Wang Baofa, "RCS calculation of complex targets shielded with plasma based on visual GRECO method", MMAPE 2009, pp. 950-953, year 2009
【非特許文献２】Francis F. Chen著、内田岱二郎訳『プラズマ物理入門』、丸善、１９７７年
【非特許文献３】R. J. Vidmar、“On the use of Atmospheric Pressure Plasmas as Electromagnetic Reflections and Absorbers、” IEEE Trans. Plasma Sci.、Vol. 18、No. 4、1990
【非特許文献４】M. A. Lieberman、A. L. Litchenberg、堀勝（訳）“プラズマ/プロセスの原理 第2版、”丸善出版、year 2010
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、特許文献１に開示された技術では、張り巡らされた電極に到来電磁波が当たることで散乱波を生じる可能性があるという課題がある。
また、特許文献２に開示された技術において、任意の形状にプラズマを発生させることは容易ではないという課題がある。さらに、鏡面精度が要求される反射鏡アンテナの表面に、密度を一定にすることが難しいプラズマを用いることは現実的でないという課題がある。
【０００９】
また、非特許文献１では、プラズマの吸収効果によって、レーダ断面積を小さくできるという結論が得られている。しかしながら、あくまでも計算による結果であり、具体的な装置構成や実験結果は示されていないという課題がある。
【００１０】
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、プラズマを用いて外部より到来する電磁波を吸収もしくは反射することができる電磁波遮蔽装置を提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
この発明に係る電磁波遮蔽装置は、電波を放射するアンテナと、軸方向がアンテナの電波放射方向と同一となるように配置され、電流が供給されることで磁界を発生するコイルと、導線を介してコイルと接続され、当該コイルに電流を供給する電源と、アンテナの電波放射方向に配置され、内部にガスが充填された誘電体容器とを備え、アンテナにより放射される電波の周波数とコイルにより発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するように当該コイルの巻き数及び電源により供給される電流値が設定されたものである。
【００１２】
また、この発明に係る電磁波遮蔽装置は、電波を放射する複数のヘリカルアンテナと、ヘリカルアンテナのコイルの開放端に接続された電極と、電極とヘリカルアンテナの地板との接続を切替える第１スイッチと、ヘリカルアンテナの給電部の接続先を切替える第２スイッチと、給電部に第２スイッチを介して接続され、直流電流を供給する直流電源と、給電部に第２スイッチを介して接続され、高周波電流を供給する高周波電源と、ヘリカルアンテナの電波放射方向に配置され、内部にガスが充填された誘電体容器とを備え、給電部が高周波電源に接続され、かつ電極が地板に接続されていないヘリカルアンテナにより放射される電波の周波数と、給電部が直流電源に接続され、かつ電極が地板に接続されたヘリカルアンテナのコイルにより発生される磁界との間に、電子サイクロトロン共振条件が成立するように当該コイルの巻き数及び当該直流電源が供給する電流値が設定され、給電部が高周波電源に接続され、電極が地板に接続されていないヘリカルアンテナと、給電部が直流電源に接続され、かつ電極が地板に接続されたヘリカルアンテナとが混在されたものである。
【発明の効果】
【００１３】
この発明によれば、上記のように構成したので、プラズマを用いて外部より到来する電磁波を吸収もしくは反射することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】この発明の実施の形態１に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
【図２】この発明の実施の形態１における１素子のアンテナからの供給電力とプラズマ周波数の関係を示す図である。
【図３】この発明の実施の形態１における１素子のコイルへの供給電流とプラズマ周波数の関係を示す図である。
【図４】この発明の実施の形態１における１素子のコイルの計算モデルを示す図であり、（ａ）正面図であり、（ｂ）平面図である。
【図５】図４のコイルから５ｃｍ離れた位置におけるｚ軸方向の磁界強度を示す図である。
【図６】この発明の実施の形態２に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
【図７】この発明の実施の形態３に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
【図８】この発明の実施の形態３におけるヘリカルアンテナの構造を示す構成図である。
【図９】図８に示すヘリカルアンテナにおいて、スイッチをＯＦＦとした場合の右旋円偏波の放射パターンを表す図である。
【図１０】この発明の実施の形態４におけるヘリカルアンテナの構造を示す構成図である。
【図１１】図１０に示すヘリカルアンテナにおいて、スイッチをＯＦＦとした場合の右旋円偏波の放射パターンを表す図である。
【図１２】この発明の実施の形態５に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、この発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。なお図１では、電磁波遮蔽装置の構成を透過図で示している。他の図面についても同様である。
電磁波遮蔽装置は、図１に示すように、アンテナ１、コイル２、電源３及び誘電体容器４から構成されている。
【００１６】
アンテナ１は、電波を放射するものであり、平面上に複数設けられてアレーアンテナを構成する。このアンテナ１としては、パッチアンテナ等の平面アンテナや立体アンテナ等、誘電体容器４の方向に指向性を有するものであればどのようなアンテナでも構わない。
【００１７】
コイル２は、アンテナ１の電波放射方向上面に、自身の軸方向が当該電波放射方向と同一となるように配置され、電流が供給されることで自身の周囲に磁界を発生するものである。
【００１８】
電源３は、導線５を介してコイル２と接続され、当該コイル２に電流を供給するものである。この電源３としては、直流電源か、アンテナ１により放射される電波の周波数（動作周波数）と一致しない周波数の発信器を用いたものを使う。
【００１９】
なお、コイル２の巻き数及び電源３により供給される電流値は、アンテナ１の動作周波数とコイル２により発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するような巻き数及び電流値に設定される。
【００２０】
誘電体容器４は、アンテナ１の電波放射方向上方に配置され、アンテナ１の動作周波数とコイル２により発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立することで、自身の内部にプラズマを発生するものである。この誘電体容器４の内部には、ガス４１が充填されている。この誘電体容器４に用いられる材料としては、ポリカーボネート等の低誘電損失、低誘電率、さらに耐熱性を持った素材が望ましい。また、内部に充填されるガス４１は、第１８族元素（希ガス元素）や窒素、酸素、フッ素が挙げられ、また、これらの分子を含む混合気体でもよい。さらに、プラズマ生成効率を上げるために水銀等が封入されていてもよい。
【００２１】
次に、上記のように構成された電磁波遮蔽装置の動作について説明する。
電磁波遮蔽装置では、アンテナ１により誘電体容器４に直交する方向を向いた電界が発生する。また、電源３をＯＮにしてコイル２に電流を供給すると、当該コイル２は電磁コイルとして機能し、電磁誘導によりコイル２の周囲（コイル２の断面を貫く方向）に磁界が発生する。なお、コイル２の巻き数及び電源３により供給される電流値は、アンテナ１の動作周波数とコイル２により発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するような巻き数及び電流値に設定されている。そして、アンテナ１による電界とコイル２による磁界とが直交するため、誘電体容器４内に存在する自由電子はサイクロトロン運動を行う。
【００２２】
そして、誘電体容器４内の自由電子は、サイクロトロン運動によって、同一方向に同一速度で動き、誘電体容器４内のガス４１の気体分子に衝突し、プラズマを発生する。この際、自由電子が同一方向に同一速度で動くため、全自由電子が別々の方向に動く場合に比べて、高密度なプラズマを発生することができる。この物理現象を電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ：Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）という。このＥＣＲによって高密度なプラズマを発生することで、当該プラズマの電磁波反射もしくは吸収効果によって、到来電波からアンテナ１を遮蔽することができる。したがって、本装置は、電源３のＯＮ／ＯＦＦによって、到来電波の遮蔽／非遮蔽をコントロールできる電磁波遮蔽装置として働く。
【００２３】
ここで、ＥＣＲの発生条件、及び発生したプラズマの特徴を表すプラズマ周波数は、下式（１），（２）で示される（例えば非特許文献２参照）。
2015173143.tif 000003
ここで、ｆはアンテナ１の放射電波の周波数、ｆpはプラズマ周波数、ｅは電子の電荷、ｍは電子の質量、Ｂはコイル２の作る磁束密度、ε0は真空の比誘電率、ｎはプラズマの電子密度を表している。
【００２４】
プラズマ周波数ｆpはプラズマの特徴を表しており、到来電波の周波数がプラズマ周波数ｆpに比べて十分低い場合には当該到来電波はプラズマの表面で反射され、プラズマ周波数と同程度の場合には当該到来電波はプラズマによって吸収される。
【００２５】
また、コイル２の軸中心における磁束密度Ｂと電源３からの供給電流Ｉとの関係は、下式（３）で示される。
2015173143.tif 000004
ここでμ0は真空の透磁率、ｒはコイル２の半径、Ｎは巻き数を表している。
【００２６】
この式（３）を式（１）に代入して変形すると、供給電流は下式（４）で示される。
2015173143.tif 000005
【００２７】
そして、例えば非特許文献３より、プラズマ周波数ｆpと到来電波の周波数ｆが近いときには高い吸収効果が見られることがわかる。例えば、ｆp＝ｆであるとすると、１素子のアンテナ１辺りの放射電力ｓは下式（５）で示される（例えば非特許文献４参照）。
2015173143.tif 000006
ここで、Ｅrは誘電体容器４の中心付近の電界振幅、αは磁界勾配、そしてｎは電子密度を表している。
【００２８】
また、電子密度ｎは式（２）より
2015173143.tif 000007
となる。そして、式（５）に式（６）を代入すると、下式（７）が導かれる。
2015173143.tif 000008
【００２９】
図２に、ｆp＝ｆの場合での誘電体容器４への供給電力の計算例として、Ｅrが０．２ｋＶ／ｍ、磁界勾配が１０ｍ-1程度とした場合での周波数ｆとアンテナ１から供給される供給電力の関係を示す。
図２に示すように、Ｘ帯（８〜１２ＧＨｚ）における１素子のアンテナ１からの供給電力は−４〜−３ｄＢｉ程度であり、通常のパッチアンテナで出力可能である。
さらに、図３にコイル２への供給電流を示す。
図３に示すように、Ｘ帯において１つのコイル２に供給する電流は１Ａ程度である。
【００３０】
また、ＥＣＲが発生するためには、電界と磁界のベクトルが互いに直交している必要がある。この際、コイル２の近くに導体があると、磁界が乱される。実施の形態１の構造において、アンテナ１等の導体が近くにある場合のコイル２の軸方向における磁界強度の分布を検証するため、図４に示す計算モデルにより磁界の計算を行った。なお、図４に示す計算モデルでは、無限周期を仮定している。また、コイル２の直径は５ｍｍで、巻き数は５０巻き、軸方向における全長は７ｍｍとしている。また、コイル２とアンテナ１の地板１１の間は５ｍｍ離れている。
【００３１】
図４に示す計算モデルに対し、コイル２の底面から５ｃｍ離れた位置における軸方向（ｚ軸方向）の磁界強度を図５に示す。
図５に示すように、コイル２の軸を中心として±５ｍｍの範囲では、磁界強度の差異は最大でも３ｄＢ程度となることがわかる。さらに、コイル２を密に配置すれば、軸方向において５ｃｍ程度離れた領域の磁界強度の一様性は高くなる。したがって、本装置では、均一なプラズマを誘電体容器４内に発生させることができる。
【００３２】
以上のように、この実施の形態１によれば、アンテナ１の上に複数のコイル２と、ガス４１を充填した誘電体容器４とを配置し、アンテナ１の動作周波数とコイル２により発生される磁界との間に電子サイクロトロン共振条件が成立するようなコイル２の巻き数と電源３により供給される電流値を調整するように構成したので、プラズマを用いて外部より到来する電磁波を吸収もしくは反射することができる。
【００３３】
実施の形態２．
図６はこの発明の実施の形態２に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。図６に示す実施の形態２に係る電磁波遮蔽装置は、図１に示す実施の形態１に係る電磁波遮蔽装置の導線５を、アンテナ１の電波放射方向に対して背面側から電源３に接続するように変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３４】
導線５がアンテナ１の近くにあると、相互結合効果によって、この導線５にも高周波の電流が生じて不要放射を起こす原因となりうる。そこで、アンテナ１の地板１１に開口部１２を設け、図６に破線で示すように、導線５を開口部１２を通してアンテナ１の背面（電磁波放射方向下面）から電源３に接続する。これにより、上記不要放射を防ぐことができる。
【００３５】
実施の形態３．
図７はこの発明の実施の形態３に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。図７に示す実施の形態３に係る電磁波遮蔽装置は、図１に示す実施の形態１に係る電磁波遮蔽装置のアンテナ１及びコイル２、電源３及び導線５を削除し、ヘリカルアンテナ６、導線（電極）７、スイッチ（第１スイッチ、第２スイッチ）８、直流電源９及び高周波電源１０を追加したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００３６】
ヘリカルアンテナ６は、実施の形態１におけるアンテナ１及びコイル２の機能を共用するものであり、平面上に複数設けられてアレーアンテナを構成する。なお、ヘリカルアンテナ６は、電波放射方向が誘電体容器４の方向となるように、軸モードで設計する。
【００３７】
図７，８に示すように、ヘリカルアンテナ６のコイルの開放端には、導線７が接続されている。また、この導線７とヘリカルアンテナ６の地板６１との接続を切替える機能と、ヘリカルアンテナ６の給電部への電流の供給元を切替える機能とを有するスイッチ８が設けられている。また、図７に示すように、スイッチ８により切替えられて給電部に直流電流を供給する直流電源９と、スイッチ８により切替えられて給電部に高周波電流を供給する高周波電源１０とが設けられている。
【００３８】
そして、ヘリカルアンテナ６は、スイッチ８がＯＮの場合（給電部への電流の供給元として直流電源９に切替えられ、かつ導線７と地板６１が接続されている場合）には、コイルとして機能する。また、スイッチ８がＯＦＦの場合（給電部への電流の供給元として高周波電源１０に切替られ、かつ導線７と地板６１が接続されていない場合）にはアンテナとして機能する。
【００３９】
なお、ヘリカルアンテナ６のコイルの巻き数及び直流電源９により供給される電流値は、ヘリカルアンテナ６がアンテナとして機能した場合に放射される電波の周波数（動作周波数）と、ヘリカルアンテナ６がコイルとして機能した場合に発生される磁界との間に、電子サイクロトロン共振条件が成立するような巻き数及び電流値に設定される。
【００４０】
また、誘電体容器４内にプラズマを発生させる場合には、電磁波遮蔽装置において、アンテナとして機能させるヘリカルアンテナ６と、コイルとして機能させるヘリカルアンテナ６とを混在させる。これにより、直交した電磁界が生じるため、誘電体容器４内にプラズマが発生する。
【００４１】
図９に、スイッチ８がＯＦＦの場合を模擬するため、導線７と地板６１に２ｍｍの間隔を空けて、右旋円偏波の放射パターンを計算した結果を示す。なお図９において、座標系の定義は図８に従う。
図９に示すように、Φ＝０°，９０°の２面において、ヘリカルアンテナ６に導線７のような構造がついてもアンテナとして機能することが確認できる。
【００４２】
以上のように、この実施の形態３によれば、アンテナ１及びコイル２に替えてヘリカルアンテナ６を用いるように構成しても、実施の形態１と同様の効果を得ることができる。
【００４３】
実施の形態４．
図１０はこの発明の実施の形態３におけるヘリカルアンテナ６の構造を示す構成図である。この図１０に示す実施の形態４におけるヘリカルアンテナ６は、図８に示す実施の形態３におけるヘリカルアンテナ６に対し、導線７をヘリカルアンテナ６のコイルの内部に通すように変更したものである。その他の実施の形態４に係る電磁波遮蔽装置の基本構造は、図７に示す実施の形態３に係る電磁波遮蔽装置と同様であり、その説明を省略する。
【００４４】
図１１に、導線７がヘリカルアンテナ６の軸中心を通る場合の右旋円偏波の放射パターンを計算した結果を示す。
実施の形態４におけるヘリカルアンテナ６では、実施の形態３の構造に対して対称性が向上するため、図１１に示すように、Φ＝０°，９０°の２面において、実施の形態３の場合に対して放射パターンが近い形状となることが確認できる。よって、よりアンテナとして制御し易くなる。
【００４５】
実施の形態５．
図１２はこの発明の実施の形態５に係る電磁波遮蔽装置を示す構成図である。この図１２に示す実施の形態５に係る電磁波遮蔽装置は、図６に示す実施の形態２に係る電磁波遮蔽装置の誘電体容器４の形状を曲面形状に変更したものである。その他の構成は同様であり、同一の符号を付してその説明を省略する。
【００４６】
ここで、誘電体容器４が多面体であり、さらに、誘電体容器４の面と到来電波の進行方向が直交する場合を考える。このとき、到来電波の周波数がプラズマ周波数に対して十分小さい場合には、プラズマの反射効果によって到来電波が反射され、レーダ断面積が大きくなってしまう可能性が考えられる。また、アンテナ１から誘電体容器４に当たった電波の不要散乱によって機器が破壊される可能性がある。
そこで、このような現象を避けるために、誘電体容器４の形状を曲面形状にする。これにより、任意の方向から来た電波が到来方向に反射されることを避けることができる。
【００４７】
なお、本願発明はその発明の範囲内において、各実施の形態の自由な組み合わせ、あるいは各実施の形態の任意の構成要素の変形、もしくは各実施の形態において任意の構成要素の省略が可能である。
【符号の説明】
【００４８】
１  アンテナ、２  コイル、３  電源、４  誘電体容器、５  導線、６  ヘリカルアンテナ、７  導線（電極）、８  スイッチ（第１スイッチ、第２スイッチ）、９  直流電源、１０  高周波電源、１１，６１  地板、１２  開口部、４１  ガス。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
2015173143.tif 000015
【図８】
2015173143.tif 000016
【図９】
2015173143.tif 000017
【図１０】
2015173143.tif 000018
【図１１】
2015173143.tif 000019
【図１２】
2015173143.tif 000020