特集 ICT 社会の電磁環境を支える電波吸収体•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••
製 品 事 例•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••

アルミナセラミックスを用いた
1 層型誘電性電波吸収体の設計

ウイセラ

Maeda

Yoshitoshi

前田 益利

技術部 開発・技術課〒509-6251 岐阜県瑞浪市日吉町南洞5391-1☎0572-64-2001 e-mail y-maeda@wicera.co.jp

本稿では、ミリ波に対応した当社製品の電波吸はじめに収セラミックスを事例に 1層型誘電性電波吸収体

ミリ波の実用化については、車載レーダーが普及し始めてから久しく、ミリ波という言葉も徐々に浸透してきている。通信機器においても大容量の設計について説明する。

材料系

化 が 必 要 な イ ン フ ラ 設 備 な ど に て 40GHz帯、一般的には電波吸収体はゴムシートやウレタン60GHz帯、80GHz帯での実用化が進んできていなどの母材に炭素、フェライト、金属粉などのフる。また、民生品でも 28GHz帯などを活用する

ィラーを添加して誘電特性や磁気特性をもたせる5Gが話題になっており、今後ミリ波の活用はさことが多い。

らに増えていくと考えられる。その一方でミリ波当社製品の場合は母材にアルミナ、フィラーと帯におけるノイズ対策もより必要になってくるこ

して炭素を添加することにより誘電損失を持たせとから、ミリ波帯向けの電波吸収体の需要増えてた誘電性電波吸収体となる。

くると考えられる。

製造方法
調合

当社では粉体プレス成形によりアルミナセラミ粉砕

ックス製品を製造している。原料を湿式で粉砕・撹拌混合した後、成形しやすいようにスプレードライ造粒にて顆粒状に造粒。その後、プレス成形機にて製品形状に成形して焼成、必要に応じてバレル研磨成形などの後加工を行う。
電波吸収セラミックスの場合、図 1 に示すとお

脱脂
還元焼成

り、通常のアルミナ製品の製造工程に炭素を添加バレルしたスラリーを造粒し、還元状態で焼成すること
プレス成形品例

図1

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電波吸収セラミックス製造工程により、製品に炭素を残留させて誘電損失を得ている。

特集ICT社会の電磁環境を支える電波吸収体

rr

式（1）

tanh

この式により、真空中の特性インピーダンスZ0は 377［Ω］の定数であることから、吸収量に影響するファクターは、波長λ（=周波数）、吸収体厚d

図2・みd、複素比誘電率ε（ε−jεr）、複素比透磁率rr

電波吸収体イメージ・μ（μ−jμr）の 4つとなるが、電波吸収セラミッrr
クスのような誘電性電波吸収体の場合は複素比透磁率が 1となるため、ファクターは 3つとなる。

設計理論

また、この設計方法では、吸収体表面、金属面で薄層型電波吸収体の吸収イメージは図 2 に示す

反射した各々の反射波が打ち消し合う条件に整合

とおり、吸収体表面で反射した電波と吸収体を透する吸収体の設計には適度な厚みが必要であり、過し、背面の金属で反射した電波が半波長ずれる厚ければいいというものではない。

ことにより打ち消し合う効果を利用したものとな複素比誘電率の測定る。
誘電性もしくは磁性の電波吸収体の場合、波源アルミナに炭素を 1.0wt%、1.2wt%、1.5wt%添（ノイズ源）と吸収体の距離が十分に離れたところ加させたサンプルを作製し、図 3 、4に示す導波（2π/λ以上）から垂直に入射したときの吸収量は

管 法（3.94〜5.99GHz）と 自 由 空 間 法（18〜50GHz）

式（1）となり、一般的にはdB換算したものを用いを用いてミリ波帯での複素比誘電率を測定した結る果を図 5 に示す。

。

1）、2）

測定結果としては、炭素の添加量を上げると複ベクトル
ネットワーク
アナライザ
導波管
金属
サンプル

図3

 波管法（3.94〜5.99GHzの複素比導誘電率）

境界面

ベクトルネットワークアナライザ
アクリル板

レンズアンテナ

27cm15cm
サンプル

図4 由空間法（18〜50GHzの複素自比誘電率・電波吸収量）

2019年8月号（Vol.67 No.8）

15cm
サンプルホルダー

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比誘電率

⑥⑤③①⑦④⑧②① 1.0wt%

εr② 1.0wt%

εr③ 1.2wt%

εr④ 1.2wt%

εr⑤ 1.5wt%

εr⑥ 1.5wt%

εr⑦ アルミナのみεr⑧ アルミナのみεr

周波数（GHz）

図58653εrεr

6一次無反射曲線42二次無反射曲線

02468100120εr

図64210複素比誘電率測定結果

2468101214εr

無反射曲線

素比誘電率の実部（εr）、虚部（εr）の両方とも上

図7 吸 収体として活用できるか無反射曲線による確認

昇するが、虚部への影響の方がより大きいことが能なためよく活用されている 60GHzでの吸収体確認できる。また、周波数が高いほど誘電率は下設計を行う。図 5 より 50GHzまでの測定結果からがるが、高周波側になるとほとんど横ばいになっ推定した 60GHzでの複素比誘電率を無反射曲線ている。

上にプロットしたものを図 7 に示す。60GHzでは炭素を 1.0wt%添加したものが一次無反射曲線

電波吸収体の設計に、1.5wt%添加したものが二次無反射曲線に近電波吸収体の吸収量が最大となる（反射率が 0く、吸収体設計に適していることが確認できる。になる）条件は式（1）から式（2）を満足する条件でまた、このグラフからこれ以上εrを上げても無あることが確認できる。

反射曲線から遠ざかるだけであることから、これ以上炭素の量を増やすメリットがないことが分か

tanh式（2）る。
式（1）に 60GHzにおける波長（λ=4.997）と複素

この式でd/λを任意の値に固定すると複素比誘比誘電率の値を代入することにより、図 8 に示電率εr が求まり、d/λを徐々にずらしていくと図

す厚み−吸収量のグラフが描ける。ここで吸収量6 のグラフを描くことができる。このグラフを無が最大となる厚みのものが、その周波数における反射曲線といい、この曲線上に近い複素比誘電率吸収体として最適な厚みとなり、炭素を 1.0wt%の材料が電波吸収体として活用できるものとなる。

添加したものは厚みが 1.18mmの時に、1.5wt%添

一例として、ミリ波帯の中でも無免許で利用可

加したものは 0.39mmの時に吸収ピークがあり、

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1.0wt%1.5wt%

1.5wt%（0.39mm）

吸収量（dB）

吸収量（dB）

特集ICT社会の電磁環境を支える電波吸収体

1.0wt%（1.18mm）

周波数（GHz）

厚み（mm）

図8 各
 材質の 60GHzにおける吸収体厚み−吸収量の関係

図9 各
 材質の最適厚みにおける周波数−吸収量の関係←⑫←⑩①②吸収量（dB）③④←⑤④→③→⑥↑⑨↑⑦②→←⑧⑦⑧⑪↓←①←⑥⑤⑨⑩⑪周波数（GHz）

図 10⑫20〜60GHzでの設計値と実測値の比較

各材質ではこれらの厚みのものが 60GHzにおけした設計値、実線がサンプルを測定した実測値にる電波吸収体の設計となる。

なる。各周波数にてほぼ設計値どおりの吸収特性次に、式（1）にこの最適厚みと複素比誘電率を代入すると、図 9 に示す周波数−吸収量のグラフが描け、その電波吸収体の吸収特性となる。
以上までが、電波吸収体設計の一連の流れとなる。

電波吸収体の実測が得られ、問題なく電波吸収体が作製できていることが確認できる。

100GHz付近での吸収特性確認
図 5 にて高周波側ではほぼ横ばいになっていることから、50GHz以上の高周波の複素比誘電率もある程度推測できる。そのため、炭素添加量

上記の方法で設計した電波吸収体が設計通りの1.0wt%の材質のもので、推測値から設計した厚吸収特性を持っているか確認するため、実際に設み違いのサンプルを数枚作製し、図 11に示す反射計値どおりのサンプルを作製し、自由空間法を用電力法にて100GHz付近での吸収特性を測定した。

いて吸収量を測定したデータを図10に示す 3）。

測定結果を図 12に示す。設計値と測定値を比点線が 20〜60GHzにて複素比誘電率から算出

2019年8月号（Vol.67 No.8）

較すると設計値と誤差はあるものの吸収ピークが57

受信アンテナ

吸収体
スペクトラムアナライザ

32cm
送信アンテナ図 11

シンセナイズドスイーパ

 射電力法反（100GHz付近の電波吸収量）ため、高温に晒されるところや野外、長期使用する場合への信頼性は高い。熱伝導率も高いため放周波数（GHz）

熱が必要な所にも使用しやすい。また、フレキシ
ブルではないため曲面への貼付けは難しいが、立体形状の加工も可能と、用途に応じた棲み分けができるものと考えている。

おわりに厚み（mm）

図 12 炭 素添加量1.0wt%の材質の100GHz付近の設計値と実測値の比較以上が当社製品を事例にした 1層型誘電性電波吸収体の設計の説明となる。電波吸収特性は複素・・比誘電率εr や複素比透磁率μr といった材料定数と密接にかかわっており、材料定数から算出できる。そのため、電波吸収体の設計段階では電波吸あることが確認されたため、本材料系では100GHz収量を測定するよりも、まず材料定数を測定し、付近までは吸収特性が得られており、電波吸収体その材料系で実現できそうな特性を調査することとしての有効に活用できると考えられる。

が重要である。
一方、本設計では「波源（ノイズ源）と吸収体の電波吸収セラミックス（アルミナ−炭素系電波吸収体）の用途距離が十分に離れたところ（2π/λ以上）から垂直に入射した場合」が前提となっており、それ以外誘電性電波吸収体の特徴として、材料の誘電率の条件（ノイズ源が近い、斜めに入射した場合なが高く、使用する周波数が高いほど厚みが薄くなど）では最適な条件が変わるため設計方法も変わる傾向がある。
電波吸収セラミックスは、母材がアる。また、実際に電波吸収体が必要なところは複ルミナであるため、あまり誘電率が高くなく（εr

雑な電波環境となっていることも多く、その場合= 10程度）低周波で吸収特性を出すためには厚みは最適条件の設計が困難なため、実機テストをしが必要となる。例えば、WiFiやBluetoothなどでながら調整を行う必要がある。

一般的に用いられている 2.4GHzでは 8mm以上の厚みが必要となるので、実用性が低くなる。その参考文献

ため、1mm程度で設計できる 20GHz〜100GHzの

1）
橋
 本 修 : 電 波 吸 収 体 のはなし pp.43〜50 日刊工 業 新聞 社
（2001）
2）清 水康敬ほか : 電磁波の吸収と遮蔽 pp.147〜149 日経技術
図書
（1989）
3）寺
 崎光、安住壮紀、前田益利、宇野誠、橋本修 : カーボンブラ
ック含有アルミナの複素比誘電率に基づいた一層型電波吸収体の最適設計 信学ソ大 B-4-36 P339
（2009）

ミリ波帯を中心とした周波数帯域を主な活用範囲と考えている。
セラミックス製のものはゴムシートなどの樹脂製のものと比べると、硬いため加工が難しいという面はあるものの、耐熱性や耐久性に優れている

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