(57)【要約】【課題】簡素な構成で良好な電磁波遮蔽性を有する電磁波遮蔽装置を得る。【解決手段】アンテナ６の電波放射方向と同一方向に内部がガス２を封入した誘電体容器１を設置する。誘電体容器１の電波放射方向に対して直交する面をコイル３によって覆う。コイル３へは、オンオフを行うスイッチ手段を介して電源供給する。また、アンテナ６の放射する電波の周波数が、コイル３が形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一であるようにする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体容器とアンテナとを備え、
前記誘電体容器は、前記アンテナの電波放射方向と同一方向に設置され、かつ、内部にガスが封入されると共に、前記電波放射方向に対して直交する面がコイルによって覆われ、
前記コイルは、オンオフを行うスイッチ手段を介して電源供給され、かつ、前記アンテナの放射する電波の周波数が、前記コイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一であることを特徴とする電磁波遮蔽装置。
【請求項２】
前記誘電体製容器は多面体形状であり、当該多面体の各面の法線方向と前記アンテナの電波放射方向とが異なる方向である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】
前記誘電体製容器は曲面形状である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４】
前記誘電体製容器は曲面と多面体との混合形状であり、前記多面体の各面の法線方向と前記アンテナの電波放射方向とが異なる方向である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５】
前記アンテナから放射される電波の周波数は可変であり、かつ、当該可変の周波数に対して、前記コイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値が同一である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６】
前記コイルの巻数を複数の種類から選択するコイル巻数選択手段を設け、当該コイル巻数選択手段を介して前記電源供給を行うことを特徴とする請求項１から請求項５のうちのいずれか１項記載の電磁波遮蔽装置。
【請求項７】
前記コイルは中空に形成され、かつ、当該中空部に液体を流通させることにより前記コイルの冷却を行うコイル冷却手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項６のうちのいずれか１項記載の電磁波遮蔽装置。
【請求項８】
前記誘電体容器に封入された前記ガスの密度を調整するガス密度調整手段を備えたことを特徴とする請求項１から請求項７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】
本発明は、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】
近年、電磁波の反射、透過および吸収をコントロールできる物質としてプラズマが注目されており、様々な研究／開発が行われている。このような技術としては、例えば、特許文献１、２や非特許文献１に示されたようなものがあった。
【０００３】
特許文献１には、プラズマを用いたレドームの構成について開示されている。ここで開示されているレドームは周波数選択性を持っており、この特性を実現している２層周波数選択板にハニカム形状のプラズマ封入層を設け、張り巡らせた電極によって、各封入層に電力を与えることで、層内にプラズマを発生させる。このプラズマによって、本来周波数選択板の透過帯域となっている周波数帯の電波を反射させ、レドーム内のアンテナを完全に隠ぺいする。封入層をハニカム形状にしている理由としては、均一なプラズマをレドーム全体に発生させる必要があるためであることが予想される。
【０００４】
特許文献２には、外部から供給される電力によって、危機が破壊されないように、ある一定の値以上の電力が与えられた場合はプラズマ層によって電力を吸収する装置の概念的な構成が開示されている。
【０００５】
非特許文献１では、円錐形上の導体の周りに球状のプラズマで出来た外殻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開示されており、また、ある特定の帯域の電磁波をプラズマによって遮断することが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】米国特許出願公開第２００９／０１０９１１５号明細書
【特許文献２】米国特許第７２２３９５９号明細書
【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
【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に記載されたような技術では、レドームを実現する場合に電極を張り巡らせなければならず、装置が複雑化する問題があった。
また、特許文献２では、装置の概念的な構成は開示されているものの、装置の具体的な実現方法に関しては開示されておらず、例えば、電力感知のための熱センサなどを数多く配置すると、特許文献１の電極に関わる問題と同様に装置構成が複雑化する問題があった。
さらに、非特許文献１においても、プラズマ層によって電力を吸収する装置に関する具体的な構成については示されていないという問題があった。
このような点から、装置構成の複雑化を避け、構成の簡素化と電磁波の良好な遮蔽性を実現することのできる電磁波遮蔽装置が要望されていた。
【０００９】
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、簡素な構成で良好な電磁波遮蔽を行うことのできる電磁波遮蔽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】
【００１０】
この発明に係る電磁波遮蔽装置は、誘電体容器とアンテナとを備え、誘電体容器は、アンテナの電波放射方向と同一方向に設置され、かつ、内部にガスが封入されると共に、電波放射方向に対して直交する面がコイルによって覆われ、コイルは、オンオフを行うスイッチ手段を介して電源供給され、かつ、アンテナの放射する電波の周波数が、コイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一であるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１１】
この発明の電磁波遮蔽装置は、アンテナの電波放射方向と同一方向に内部がガスを封入した誘電体容器を設置し、アンテナの放射する電波の周波数が、誘電体容器に巻かれたコイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一であるようにしたので、簡素な構成で良好な電磁波遮蔽性を有する電磁波遮蔽装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】この発明の実施の形態１によ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の電磁波遮蔽装置におけるコイルとプラズマ周波数の関係を示す説明図である。
【図３】この発明の実施の形態１の電磁波遮蔽装置におけるアンテナの放射電力密度とプラズマ周波数との関係を示す説明図である。
【図４】この発明の実施の形態１の電磁波遮蔽装置におけるコイル中の磁界分布例を示す説明図である。
【図５】この発明の実施の形態２による電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
【図６】この発明の実施の形態５によ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６によ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】
【００１３】
実施の形態１．
図１は、この発明の実施の形態１による電磁波遮蔽装置を示す構成図である。
図１に示す電磁波遮蔽装置は、誘電体容器１、ガス２、コイル３、電源スイッチ４、電源５、アンテナ６を備えている。
アンテナ６の電波放射方向に中空の誘電体容器１が配置されている。誘電体容器１の内部にはガス２が封入されている。誘電体容器１に用いられる材料は、ポリエチレン、ポリエチレンテレフタラート、ポリカーボネート、ポリテトラフルオロチレン等の、低誘電損失かつ低誘電率のものが望ましい。封入されるガス２は、第１８族元素（希ガス元素）や窒素、酸素、フッ素、さらに、これらの分子を含む混合気体でも良い。
【００１４】
誘電体容器１の、アンテナ６の電波放射方向とならない面（電波放射方向に対して直交する面）には、コイル３が巻かれている。さらに、コイル３の端部は、電源スイッチ４を介してＤＣ電源である電源５に接続される。電源スイッチ４がオンになるとき、ガス２はプラズマ状態となり、外部より到来する電波は吸収される。この原理を以下に示す。
【００１５】
電源スイッチ４がオンになり、コイル３が電磁コイルとして動作する時、電磁誘導によってコイル３の内側には、コイルの断面を貫く方向に磁界が発生する。アンテナ６の電波放射方向と磁界が略同一方向の時、放射電波の電界と磁界が直交するため、誘電体容器１の内部の自由電子は、サイクロトロン運動を行う。電子はサイクロトロン運動によって、同じ方向に動き、ガス２の気体分子に衝突するため、高密度なプラズマが発生する。これを電子サイクロトロン共振（Ｅｌｅｃｔｒｉｃ  Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ、ＥＣＲ）という。ＥＣＲが起こる条件、および発生するプラズマの特徴は、例えば、「Ｆｒａｎｃｉｓ  Ｆ．Ｃｈｅｎ著、内田岱二郎訳『プラズマ物理入門』、丸善、１９７７年」に記載の以下の式で示される。
【００１６】
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ここで、ｆはアンテナ６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３の作る磁束密度、ε0は真空の比誘電率、そして、ｎはプラズマの電子密度を表す。ｆpによって、プラズマの特徴が変化する。
コイル３の軸中心における磁束密度Ｂは、コイルの半径ｒ、巻数Ｎ、そして供給する電流Ｉに依存し、以下の式で表される。
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ここでμ0は真空の透磁率である。式（３）を式（１）に代入して変形すると、電源５が供給すべき電流値が、以下の式より求められる。
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【００１７】
周波数１〜１２ＧＨｚにおける電流Ｉを図２に示す。コイル３の半径は０．２５ｍ、巻数は２５回としている。本結果より、実施の形態１の構造をＣ帯（５ＧＨｚ近傍）で用いる場合、Ｉは２．８６ｋＡ程度、Ｘ帯（１０ＧＨｚ近傍）で用いる場合、Ｉは５．７２ｋＡ程度であることがわかる。
【００１８】
次に、プラズマを生成するために必要な放射電波の電力を求める。放射、および到来電波を吸収するプラズマ周波数がｆpであるとする。例えば、「Ｒ．Ｊ．Ｖｉｄｍａｒ、“Ｏｎ  ｔｈｅ  ｕｓｅ  ｏｆ  Ａｔｍｏｓｐｈｅｒｉｃ  Ｐｒｅｓｓｕｒｅ  Ｐｌａｓｍａｓ  ａｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ  Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎｓ  ａｎｄ  Ａｂｓｏｒｂｅｒｓ、”ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ｐｌａｓｍａ  Ｓｃｉ．、Ｖｏｌ．１８、Ｎｏ．４、１９９０」に記載されているように、周波数ｆの電波の吸収効果が高くみられるのは、ｆpがｆに近いときである。ここで、ｆp＝ｆであるとすると、プラズマ状態の電子密度は、式（２）より
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となる。また、ＥＣＲ状態において、プラズマを発生させるために必要な電力ｓは、例えば「Ｍ．Ａ．Ｌｉｅｂｅｒｍａｎ、Ａ．Ｊ．Ｌｉｔｃｈｅｎｂｅｒｇ、“プラズマ／プロセスの原理  第２版、”丸善出版、２０１０年１月２０日発行」に記載の、以下の式で表される。
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ここで、Ｅrは誘電体容器１中心付近の電界振幅、αは磁界勾配である。式（６）に式（５）を代入すると、以下の式が導かれる。
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【００１９】
ＥＣＲ状態における典型的な値として、Ｅrが０．２ｋＶ／ｍ、磁界勾配が１０ｍ-1程度とした場合の周波数ｆとアンテナ６から供給される電力密度の関係を図３に示す。Ｃ帯における電力密度は３．５ｋＷ／ｍ2程度、Ｘ帯は７ｋＷ／ｍ2程度であり、既存のレーダで出力可能であることがわかる。
【００２０】
前述のように、ＥＣＲが起こるためには、電界と磁界のベクトルが直交している必要がある。コイル３単独であれば、磁界はコイル３の動径、回転方向に対して直交する方向に発生するが、近くに導体がある場合は、磁界が乱される。また、均一なプラズマを発生するためには、コイル３中の磁界分布が均一になっている必要がある。これらの検証結果を図４に示す。図４はアンテナ６を模擬した平板からΔＬ離れた位置に設置されたコイル３の磁界の計算例である。コイル３のサイズは半径０．２５ｍで、巻数は２５巻き、平板はコイル３に内接する最大サイズとして、一辺０．３５ｍとした。
【００２１】
図４（ａ）および図４（ｂ）は、ΔＬ＝０．２５ｍにおける、コイル３のｚ軸方向の中心におけるｘ−ｙ面の磁界分布と、ｘ＝０におけるｙ−ｚ面の磁界分布とをそれぞれ表している。本結果はアンテナ６が０．２５ｍ程度離れた位置にあれば、コイル３内部の磁界に大きな影響を与えないことを示している。図４（ｃ）は、ΔＬは０．０１ｍ、０．１ｍ、０．２５ｍの３通りとした場合の、コイル３のｚ軸方向の中心におけるｙ方向の磁界分布を表している。Ｐｏｓｉｔｉｏｎ＝０ｍの位置がコイル３の中心、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ＝±０．２５ｍの位置がコイル３となる。本図より、０．１ｍ程度コイルと平板を離せば、中心から±０．２ｍの範囲において、磁界強度はほぼ均一になることがわかる。
さらに、図４（ｄ）に、図４（ｂ）における磁界のベクトルを示す。コイル３中の磁界がコイル３の動径、回転方向に直交していることがわかる。本結果より、コイル３から０．２５ｍ前後、アンテナ６を離せば磁界は均一となり、動径、回転方向に直交した方向を向き、アンテナ６によって電力を与えれば、プラズマが発生することがわかる。
【００２２】
本実施の形態の電磁波遮蔽装置は、電源スイッチ４をオフにしている場合にはプラズマが発生しないため、アンテナ６を本来の目的として使い、オンの場合にはプラズマを発生させてアンテナ６を隠ぺいするといった使い方が可能となる。また、均一なプラズマを発生させるために、アンテナ６の前面に電極を張り巡らせる必要がないため、本来の目的となるアンテナ６を用いた通信等に大きな影響を与えないという大きな利点がある。
【００２３】
なお、上記例では、アンテナ６の電波放射方向と誘電体容器１とが同一方向としたが、アンテナ６からの電磁波を遮蔽することができる範囲の方向であれば、完全に同一方向でなくてもよい。また、アンテナ６の放射する電波の各周波数が、コイル３が形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一になるとしたが、この場合もアンテナ６からの電磁波を遮蔽することができる範囲の値であれば、完全に同一値でなくてもよい。
【００２４】
以上説明したように、実施の形態１の電磁波遮蔽装置によれば、誘電体容器とアンテナとを備え、誘電体容器は、アンテナの電波放射方向と同一方向に設置され、かつ、内部にガスが封入されると共に、電波放射方向に対して直交する面がコイルによって覆われ、コイルは、オンオフを行うスイッチ手段を介して電源供給され、かつ、アンテナの放射する電波の周波数が、コイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値と同一であるようにしたので、簡素な構成で良好な電磁波遮蔽性を有する電磁波遮蔽装置を実現することができる。
【００２５】
実施の形態２．
図５は実施の形態２の電磁波遮蔽装置を示す概略構成図である。
図示の電磁波遮蔽装置は、実施の形態１と同様に、アンテナ６の前方に、ガス２を封入した誘電体容器１ａを配置し、アンテナ６の電波放射方向と直交する方向にコイル３が巻かれている構造を示している。実施の形態１の構成では、アンテナ６の放射電波が誘電体容器１で反射して、戻ってくる可能性がある。数ｋＷ／ｍ2の放射電波が戻ってきた場合、アンテナ６を破壊してしまう可能性がある。そこで、実施の形態２では、誘電体容器１ａを傾斜のついた多面体とし、入射波８と、反射波９が別々の方向になるようにする。すなわち、多面体の各面の法線方向と、アンテナ６の電波放射方向とが異なる方向となるようにする。なお、図５中、７は磁界ベクトルを示している。
【００２６】
このような構造にすることで、入射波８の大部分は透過波１０としてプラズマで吸収され、残りは誘電体容器１ａで反射されるが、アンテナ６には戻ってこないようにすることができる。また、外部より到来する電波に関しても同様に、誘電体容器１ａに傾斜をつけることで、到来電波の方向に誘電体部で電波が反射しないようにすることができる。
【００２７】
以上説明したように、実施の形態２の電磁波遮蔽装置によれば、誘電体製容器は多面体形状であり、多面体の各面の法線方向とアンテナの電波放射方向とが異なる方向であるようにしたので、アンテナからの放射電波が誘電体容器で反射して戻ってくるのを防止することができ、アンテナの破壊といった事態の発生を未然に防止することができる。
【００２８】
実施の形態３．
実施の形態３は、実施の形態２で多面体形状とした誘電体容器１ａを曲面形状としたものである。曲面形状にすることで、実施の形態２の場合と同様に、入射波８の誘電体容器で反射される成分をアンテナ６に戻ってこないようにすることができる。
【００２９】
実施の形態４．
実施の形態４は、実施の形態２または実施の形態３で、多面体形状または曲面形状とした誘電体容器を曲面形状と多面体形状の混合形状としたものである。このような構造にすることで、実施の形態２の場合と同様に、入射波８の誘電体容器で反射される成分をアンテナ６に戻ってこないようにすることができる。
【００３０】
実施の形態５．
図６は実施の形態５の電磁波遮蔽装置を示す概略構成図である。
図示の電磁波遮蔽装置は、図１で示した実施の形態１の構成に対して新たに電流計算装置１１が接続されている。これ以外の構成は実施の形態１と同様であるため、対応する部分に同一符号を付してその説明を省略する。
【００３１】
通常、通信等によって使うアンテナ６は周波数が１帯域だけとは限らない。アンテナ６が多周波切り替え式であった場合に、電流値が一定ではある周波数においてはＥＣＲ条件が満たされるが、他の周波数においては当該条件が満たされないということになる。そこで、実施の形態５の電磁波遮蔽装置では、多周波切り替え式のアンテナ６が、どの周波数帯を使用しているかを読み取り、その周波数に応じてコイルに与える電流を計算し、その情報を電源５に送る装置として電流計算装置１１を設ける。この装置を設けることで、電磁波遮蔽装置を複数の周波数帯に対応させることができる。
【００３２】
以上説明したように、実施の形態５の電磁波遮蔽装置によれば、アンテナから放射される電波の周波数は可変であり、かつ、可変の周波数に対して、コイルが形成する磁界と電子の電荷の積を電子質量で除算した値が同一であるようにしたので、アンテナが多周波切り替え式であっても実施の形態１と同様の効果を有することができる。
【００３３】
実施の形態６．
図７は実施の形態６の電磁波遮蔽装置の概略構成図である。
図７は、図１に示す電磁波遮蔽装置の電源スイッチ４の切り替えチャンネルを複数個としている。切り替えチャンネルはコイル３の端部以外に、コイル３の途中にも接続される。例えば、２０巻きのコイル３に対して、５巻き間隔で４つのチャンネルが接続されているとすると、電磁コイルとして、コイル３が動作した際の巻数はそれぞれ、２０、１５、１０、５巻きとなる。すなわち、複数の切り替えチャンネルによって、コイル巻数選択手段が構成され、いずれかのチャンネルに電源スイッチ４を接続することで電源５からコイル３への電源供給が行われるよう構成されている。
【００３４】
式（３）より、コイル３の磁界はコイル３の巻数に依存し、巻数が半分になれば、動径方向中心部の磁束密度も半分になる。放射電波の周波数が切り替わった場合においても、ＥＣＲの条件となる式（１）を満たすためには、コイル３に与える電流値、半径、そして巻数のどれかを変えなければならない。この内、本実施の形態による電源スイッチ４の切り替えチャンネル方式を用いた方法であれば、チャンネルを切り替えて、巻数を調整することで、磁界強度を調整することが可能であり、ＥＣＲ条件を満たすことができる。
【００３５】
以上説明したように、実施の形態６の電磁波遮蔽装置によれば、コイルの巻数を複数の種類から選択するコイル巻数選択手段を設け、コイル巻数選択手段を介して電源供給を行うようにしたので、アンテナが多周波切り替え式であっても実施の形態１と同様の効果を有することができる。
【００３６】
実施の形態７．
実施の形態７の電磁波遮蔽装置は実施の形態１〜６に示した電磁波遮蔽装置において、コイル３を中空とし、この中空部に冷却水を通してコイル３を冷却する冷却手段を設けたものである。その他の構成は実施の形態１〜６のいずれかと同様である。
【００３７】
実施の形態１〜６に示す構造の場合、電磁コイルを用いてＥＣＲ条件を満たす磁界を発生させるために数ＫＡの電流を必要とする。大電流が流れると、熱損失が大きくなってしまう。この問題を解決するためにコイル３に冷却手段を設けて冷却を行う。冷却を行うことで、熱損失を減らし、効率的にコイル３に電流を供給することができる。
【００３８】
なお、冷却手段としては冷却水を用いる水冷装置の他、他の液体を用いる液冷装置であってもよい。
【００３９】
以上説明したように、実施の形態７の電磁波遮蔽装置によれば、コイルは中空に形成され、かつ、中空部に液体を流通させることによりコイルの冷却を行うコイル冷却手段を備えたので、熱損失を減らし、効率的にコイルに電流を供給することができる。
【００４０】
実施の形態８．
実施の形態８の電磁波遮蔽装置は、実施の形態１〜７に示した電磁波遮蔽装置において、更に、誘電体容器１（１ａ）に封入されたガス２の密度を調整するガス密度調整手段を備えたものである。このガス密度調整手段は、ガス２を封入したボンベとガス密度の調整装置によって構成されている。ボンベはガス密度調整装置を介して、誘電体容器１（１ａ）の中空部に接続されており、ガス密度調整装置を操作することにより、誘電体容器１（１ａ）内部のガス密度を調整することができる。ガス密度を調整することで、内部の電子密度を可変にすることができるため、アンテナ６の周波数を切り替えても、最も吸収効果の高いプラズマ周波数を実現することができる。
【００４１】
以上説明したように、実施の形態８の電磁波遮蔽装置によれば、誘電体容器に封入されたガスの密度を調整するガス密度調整手段を備えたので、アンテナが多周波切り替え式であっても実施の形態１と同様の効果を有することができる。
【００４２】
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】
【００４３】
１，１ａ  誘電体容器、２  ガス、３  コイル、４  電源スイッチ、５  電源、６  アンテナ、７  磁界ベクトル、８  入射波、９  反射波、１０  透過波、１１  電流計算装置。
【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】
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