〈一般研究課題〉 無線通信における電磁界干渉低減のための超広帯域電波吸収体の開発
助 成 研 究 者

名古屋工業大学

若土弘樹

無線通信における電磁界干渉低減のための超広帯域電波吸収体の開発
若土 弘樹（名古屋工業大学）

Development of ultra-wideband radio-frequency absorbers for
mitigating electromagnetic interference in wireless communications
Hiroki Wakatsuchi(Nagoya Institute of Technology)

Abstract：
Wave absorbers play an important role to mitigate interference issues raised by electromagnetic
waves generated from wireless communications devices such as mobile phones, WiFi routers,
Bluetooth devices, etc, since they are more widely used in our daily life or even in public thanbefore. Recently, researchers developed a new type of absorber called metasurface absorber, which
has a markedly reduced design thickness and thus successfully extended the applicability ofabsorbers for a wider range of situations. However, a common issue seen in these new absorbers isthat they have a tradeoff between their thicknesses and operating bandwidths, i.e. the thinner it is,
the more the achievable bandwidth is limited, which has been theoretically demonstrated as well.
For this reason this study aimed at broadening the bandwidth of a metasurface absorber, while
maintaining the thickness, by introducing non-Foster circuits, which allows us to realise a negative
capacitance and negative inductance. These negative components cancel out the frequency
dependence of the intrinsic impedance of the metasurface so that the input impedance is matchedwith free space, leading to accepting a wide range of incoming waves to effectively dissipate. Thisis numerically demonstrated in this study and is due to be tested experimentally as a future work.

－ 93 －

１．背景

１．背景

 携帯電話、無線
LAN などの無線通信機器は我々の生活に携帯電話、無線LANなどの無線通信機器は我々の生活におおいて必要不可欠な役割を果たしている。ここで通信機器いて必要不可欠な役割を果たしている。ここで通信機器の通の通信環境を良好に保つため、各機器から発振される電波信環境を良好に保つため、各機器から発振される電波信号を信号を適切に遮断・吸収し、干渉を抑えることは極めて重適切に遮断・吸収し、干渉を抑えることは極めて重要となる要となる（図１参照）。とりわけ、近年のスマートフォンなど新たな無線通信機器に対する急速な需要の高まりと研（図１参照）。とりわけ、近年のスマートフォンなど新たな無究開発により、このような電磁界干渉問題は一層重要性が線通信機器に対する急速な需要の高まりと研究開発により、
図１．
無線通信機器間における電磁界
図１．無線通信機器間におけ高まっている。この問題に対する一般的な解決策として、干渉問題。壁面からの不要散乱
このような電磁界干渉問題は一層重要性が高まっている。こる電磁界干渉問題．壁面からこれまで電波吸収体を壁面に配置することで不要な散乱波波を低減し、良好な通信環境をの問題に対する一般的な解決策として、これまで電波吸収体 の不要散乱波を低減し、良好保つことは重要。
（反射波）のエネルギーを吸収し、他の電子機器への影響な通信環境を保つことは重を壁面に配置することで不要な散乱波（反射波）のエネルギーを低減してきた[1]。しかしながら、従来型電波吸収体は広要．
い周波数帯域に渡って不要電波を吸収できる一方、物理的を吸収し、他の電子機器への影響を低減してきた [1]。しかしに大きな寸法（厚み）を必要とするため応用用途が限定的ながら、従来型電波吸収体は広い周波数帯域に渡って不要電となっていた。
波を吸収できる一方、物理的に大きな寸法（厚み）を必要とす これに対して、近年開発されたメタサーフェスと呼ばれるため応用用途が限定的となっていた。
る金属の周期構造を用いることで、電波吸収体を入射波のこれに対して、近年開発されたメタサーフェスと呼ばれる波長に対して極めて薄い厚みで設計できるようになった
金属の周期構造を用いることで、電波吸収体を入射波の波長（図２左上）[2-4]。なお、ここでメタサーフェス電波吸収体は共振現象を用いており、インダクタンス成分
L とキャに対して極めて薄い厚みで設計できるようになった（図２左
パシタンス成分 C によって構成される等価回路によって近上）[2-4]。なお、ここでメタサーフェス電波吸収体は共振現似的に表すことができる（図２右上）。しかしながら、こ象を用いており、インダクタンス成分Lとキャパシタンス成れら L、C 成分は周波数に対して強い依存性を持っているこ
分Cによって構成される等価回路によって近似的に表すこととから（図２左下）、広帯域に渡って自由空間中とのインができる（図２右上）。しかしながら、これらL、C成分は周波ピーダンス整合を取ることができず（すなわち入射波を吸収体内部へと取り込むことができず）、結果として従来型数に対して強い依存性を持っていることから（図２左下）、広 図２．（左上）メタサーフェス電波吸収体による入射電波の吸収と（右電波吸収体と比べて、メタサーフェス電波吸収体は狭帯域
左上 メタサーフェス帯域に渡って自由空間中とのインピーダンス整合を取ること 図２．
上）その等価回路（ただし抵抗成特性となる傾向にあった。このため、これまでのメタサー電波吸収体による入射電波の分Rは省略）。
（左下)等価回路はができず（すなわち入射波を吸収体内部へと取り込むことがで周波数に大きく依存（吸収特性も吸収と右上 その等価回路
フェス電波吸収体は一部の電波信号の吸収にのみ焦点を当強く影響）。
（右下）
ノン・フォスきず）、結果として従来型電波吸収体と比べて、メタサーフェ（ただし抵抗成分5は省略）．てて開発されてきた。
ター回路で得られる負のインダ等価回路は周波数に大ス電波吸収体は狭帯域特性となる傾向にあった。このため、 左下クタンス・キャパシタンスはメタ そこで本研究ではこの狭帯域特性の問題を解決し、超広サーフェスの周波数特性（左下）
きく依存（吸収特性も強く影帯域に渡って不要電波を吸収可能なメタサーフェス電波吸
これまでのメタサーフェス電波吸収体は一部の電波信号の吸を相殺可能。
響）．（右下）ノン・フォスタ
収体を開発することを目指した。具体的なアプローチとし収にのみ焦点を当てて開発されてきた。
ー回路で得られる負のインダては、図２右下に示すような負のインダクタンス（－L）、クタンス・キャパシタンスはそこで本研究ではこの狭帯域特性の問題を解決し、超広帯域に渡って不要電波を吸収可能なメタ負のキャパシタンス（－C）を実現可能なノン・フォスター
メタサーフェスの周波数特性サーフェス電波吸収体を開発することを目指した。具体的なアプローチとしては、図２右下に示す
回路[5]をメタサーフェスに統合する。これにより、メタサ（左下）を相殺可能．
ような負のインダクタンス（－L）、負のキャパシタンス（－C）を実現可能なノン・フォスター回路[5]ーフェス固有のインダクタンス成分
L、キャパシタンス成分C を相殺することができ、超広帯域に渡ってインピーダンスをメタサーフェスに統合する。これにより、メタサーフェス固有のインダクタンス成分L、キャパ整合を取ることができる。その結果、様々な周波数の電波をメタサーフェス内に取り込み、そシタンス成分Cを相殺することができ、超広帯域に渡ってインピーダンス整合を取ることができのエネルギーを効率的に吸収できるようになる。
る。その結果、様々な周波数の電波をメタサーフェス内に取り込み、そのエネルギーを効率的に吸収できるようになる。
３．結果
超広帯域メタサーフェス電波吸収体の開発にあたり、まず理論的に吸収特性を評価した。ここで－ 94 －

３．結果
３．結果
 超広帯域メタサーフェス電波吸収体の開発にあたり、
 超広帯域メタサーフェス電波吸収体の開発にあたり、まず理論的に吸収特性を評価した。ここではノンフォスまず理論的に吸収特性を評価した。ここではノンフォス
ター回路を除いたメタサーフェスの構造（形状）から、はノンフォスター回路を除いたメタサーフェスの構造
ター回路を除いたメタサーフェスの構造（形状）から、等価回路理論によって得られた近似的なキャパシタンス（形状）から、等価回路理論によって得られた近似的な３．結果
等価回路理論によって得られた近似的なキャパシタンス
C0 を導出した[6]：CキャパシタンスC0 を導出した[6]：0 を導出した[6]： 超広帯域メタサーフェス電波吸収体の開発にあたり、𝐷𝐷1
まず理論的に吸収特性を評価した。ここではノンフォス
𝐶𝐶0 = ε0 (ε𝑟𝑟 + 1) ln [𝐷𝐷 𝜋𝜋𝜋𝜋 1]
𝐶𝐶0 = ε0 (ε𝑟𝑟 𝜋𝜋+ 1) sinln([ ) 𝜋𝜋𝜋𝜋 ]ター回路を除いたメタサーフェスの構造（形状）から、
𝜋𝜋 2𝐷𝐷sin ( )図３．超広帯域メタサーフェス電波
2𝐷𝐷
等価回路理論によって得られた近似的なキャパシタンス
図３．超広帯域メタサーフェス電波
ここで、ε0、εr、D、w はそれぞれ真空吸収体の等価回路モデル
C0 を導出した[6]：はそれぞれ真空ここで、ε吸収体の等価回路モデル
0、εr、D、w
ここで、ε0、εr、D、wはそれぞれ真空の誘電率、メの誘電率、メタサーフェスの基板の誘の誘電率、メタサーフェスの基板の誘タサーフェスの基板の誘電率、メタサーフェスの周期電率、メタサーフェスの周期性、パッ𝐷𝐷
1電率、メタサーフェスの周期性、パッ𝐶𝐶=ε0 (ε𝑟𝑟 + 1) ln [0チ間のギャップ長さを表す。インダク吸収率
𝜋𝜋𝜋𝜋 ]性、パッチ間のギャップ長さを表す。インダクタンス𝜋𝜋
図３．超広帯域メタサーフェス電波吸収体の等価回
sin ( )
チ間のギャップ長さを表す。インダク
吸収率
2𝐷𝐷路モデル
タンスL0Lは一般的な伝送線理論の式
図３．超広帯域メタサーフェス電波0 は一般的な伝送線理論の式
タンス L0 は一般的な伝送線理論の式
ここで、ε0、εr、D、w はそれぞれ真空吸収体の等価回路モデル
𝐿𝐿0 = 𝑍𝑍0 tan(𝑘𝑘ℎ)
𝐿𝐿0 = 𝑍𝑍0 tan(𝑘𝑘ℎ)の誘電率、メタサーフェスの基板の誘より導出した。ここで、Z0、k、h
Z0 、k、hはそより導出した。ここで、
電率、メタサーフェスの周期性、パッ/>+@
Z0 、k、hはそより導出した。ここで、れぞれ真空のインピーダンス、波数、/>+@
はそれ
ぞれ
真空のイン
ピーダン
チ間のギャップ長さを表す。インダク
吸収率
れぞれ真空のインピーダンス、波数、基板厚みを表す。これら等価回路パラス、波数、基板厚みを表す。これ
タンス L基板厚みを表す。これら等価回路パラは一般的な伝送線理論の式0メータは図３にあるように並列に接続
メータは図３にあるように並列に接続
ら等価回路パラメータは図３にあすることで、近似的にメタサーフェス
𝐿𝐿0 = 𝑍𝑍0 tan(𝑘𝑘ℎ)することで、近似的にメタサーフェスのインピーダ ンスを 表 すことが できるように並列に接続することで、Z0 、k、hはそより導出した。ここで、のインピーダ ンスを表 すことが できる。ここにノン・フォスター回路によ近似的にメタサーフ ェ ス の イ ン />+@
れぞれ真空のインピーダンス、波数、る。ここにノン・フォスター回路によって得られる負のキャパシタンス-C、基板厚みを表す。これら等価回路パラって得られる負のキャパシタンス-C、ピーダンスを表すことができる。
負のインダクタンス-L、抵抗Rを並列に周波数>+]@
メータは図３にあるように並列に接続
負のインダクタンス-L、抵抗Rを並列に周波数>+]@
こ こ に ノ ン・フ ォ ス タ ー 回 路 に接続した。さらにメタサーフェスの寸することで、近似的にメタサーフェス
図４．等価回路モデルによる吸収特性の推定接続した。さらにメタサーフェスの寸法や回路パラメータを調整しながら吸図４．等価回路モデルによる吸収特性の推定
よって得られる負のキャパシタンのインピーダ ンスを 表 すことが でき法や回路パラメータを調整しながら吸収特性を評価したところ、図４のようる。ここにノン・フォスター回路によス-C、負のインダクタンス-L、抵吸収率
収特性を評価したところ、図４のように非常に広帯域に渡って強い吸収特性
吸収率って得られる負のキャパシタンス-C、に非常に広帯域に渡って強い吸収特性抗Rを並列に接続した。さらにメが実現された。なお、このような超広負のインダクタンス-L、抵抗Rを並列にが実現された。なお、このような超広周波数>+]@
帯域吸収特性は数値解析においても確
タサーフェスの寸法や回路パラ接続した。さらにメタサーフェスの寸帯域吸収特性は数値解析においても確
図４．等価回路モデルによる吸収特性の推定認された（図５参照、ただし等価回路
図４．等価回路モデルによる吸収特性の推定
メータを調整しながら吸収特性を法や回路パラメータを調整しながら吸認された（図５参照、ただし等価回路モデルでは省略したパラメータも加味収特性を評価したところ、図４のようモデルでは省略したパラメータも加味評価したところ、図４のように非されるため僅かに狭帯域特性となって吸収率に非常に広帯域に渡って強い吸収特性されるため僅かに狭帯域特性となって常に広帯域に渡って強い吸収特性いる）。
が実現された。なお、このような超広いる）。
 次に現実的に実現可能なノンフォス
帯域吸収特性は数値解析においても確が実現された。なお、このような次に現実的に実現可能なノンフォス
ター回路の設計及び数値解析による検認された（図５参照、ただし等価回路
超広帯域吸収特性は数値解析におター回路の設計及び数値解析による検証を行った。現実的なノンフォスター
周波数>*+]@
モデルでは省略したパラメータも加味証を行った。現実的なノンフォスターいても確認された（図５参照、た回路はトランジスタなど増幅素子から
周波数>*+]@
されるため僅かに狭帯域特性となって回路はトランジスタなど増幅素子から
図５．数値解析による吸収特性（理想的な&、/：周構成される。ただし、ここで加えられだし等価回路モデルでは省略したいる）。
図５．数値解析による吸収特性（理想的な&、/：周構成される。ただし、ここで加えられる直流バイアスによって過剰増幅へと波数特性なし）
パラメータも加味されるため僅か
 次に現実的に実現可能なノンフォス
る直流バイアスによって過剰増幅へと波数特性なし）
ター回路の設計及び数値解析による検に狭帯域特性となっている）。
証を行った。現実的なノンフォスター周波数>*+]@
次に現実的に実現可能なノン回路はトランジスタなど増幅素子から
図５．数値解析による吸収特性（理想的な-C、-L：周波数特性なし）
フォスター回路の設計及び数値解
図５．数値解析による吸収特性（理想的な&、/：周構成される。ただし、ここで加えられる直流バイアスによって過剰増幅へと波数特性なし）
析による検証を行った。現実的なノンフォスター回路はトランジスタなど増幅素子から構成される。ただし、ここで加えられる直流バイアスによって過剰増幅へとつながり、結果として不安定な回路になってしまう可能性がある。
本研究では図６にあるように２つのバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（BJT）を用いてノ－ 95 －

ンフォスター回路を構成した。ここで、安定性の検証を行うためにBJTのコレクタにおける電圧の時間領域応答を図７にプロットした。ここから確認できるように、コレクタにおける電圧は5.6 V付近においてほぼ一定で過剰増幅（励振）していないことが分かる。なお、この回路の散乱パラメーつながり、結果として不安定な回路になってしまう可能性がある。本研究では図６にあるように２つのバイポーラ・ジャンクション・トランジスタ（BJT）を用いてノンフォスター回路を確認した。そこで、このノンフォスター回路をメタサーフェスへと接続したところ図９にあるよう構成した。ここで、安定性の検証を行うためにBJTのコレクタにおける電圧の時間領域応答を図７にプロットした。ここから確認できるように、コレクタにおける電圧は5.6 V付近においてに非常に広帯域で強力な吸収特性を設計することができた。なお、先の図５の吸収特性からは若干ほぼ一定で過剰増幅（励振）していないことが分かる。なお、この回路の散乱パラメータから狭域特性となっているものの、これは周波数特性を持つ現実的な回路素子によってノンフォスターキャパシタンス成分を算出した所、図８のように負のキャパシタンスが得られていることも確回路を構成したためと考えられる。ただし、ここで特筆すべき点としてメタサーフェスの設計厚み認した。そこで、このノンフォスター回路をメタサーフェスへと接続したところ図９にあるよ
うに非常に広帯域で強力な吸収特性を設計することができた。なお、先の図５の吸収特性からは10mm程度であり、周波数100 MHzにおける波長3 mに対して300分の1となる極めて薄い設計厚は若干狭域特性となっているものの、これは周波数特性を持つ現実的な回路素子によってノンみとなることが挙げられる。しかしながら、この吸収体は広帯域で強い吸収特性を示していることフォスター回路を構成したためと考えられる。ただし、ここで特筆すべき点としてメタサーフから、既存の大きな設計厚みを必要とする電波吸収体の代わりに今後幅広く応用されることが期待
ェスの設計厚みは10 mm程度であり、周波数100 MHzにおける波長3 mに対して300分の1となるされる。
極めて薄い設計厚みとなることが挙げられる。しかしながら、この吸収体は広帯域で強い吸収特性を示していることから、既存の大きな設計厚みを必要とする電波吸収体の代わりに今後幅広く応用されることが期待される。
タからキャパシタンス成分を算出した所、図８のように負のキャパシタンスが得られていることも

図６．設計された負のキャパシタンスを示すノ
図６．設計された負のキャパシタン
ンフォスター回路。灰色で示された部分にキャパシタを挿入することで上部からスを示すノンフォスター回路．灰色の入力インピーダンスでは負のキャパシで示された部分にキャパシタを挿入タンスを実現。

することで上部からの入力インピー
ダンスでは負のキャパシタンスを実現．

電圧>9@

キャパシタンス>)@

時間>NVHF@

周波数>0+]@

図７．コレクタ電圧の時間領域応答

図７．コレクタ電圧の時間領域応答

図８．散乱特性から算出されたキャパシタンス値

図８．散乱特性から算出されたキャパシタンス値

－ 96 －

吸収率

図９．数値解析による吸収特性（現実的な& 、/ ：周波数特性あり）
図９．
数値解析による吸収特性（現実的な-C、．
-L：周波数特性あり）。図６のノンフォスター
図６のノンフォスター回路を使用．
回路を使用。

周波数>0+]@
４．結論

４．結論

本研究では広帯域に渡って電磁界干渉問題を低減可能な超広帯域電波吸収体の開発を行った。特 本研究では広帯域に渡って電磁界干渉問題を低減可能な超広帯域電波吸収体の開発を行っに本研究では理論解析および数値解析シミュレーションに基づいて検証を行った。その結果、薄型た。特に本研究では理論解析および数値解析シミュレーションに基づいて検証を行った。その電波吸収体として知られるメタサーフェスに、負のキャパシタンス、負のインダクタンスを実現可
結果、薄型電波吸収体として知られるメタサーフェスに、負のキャパシタンス、負のインダク能なノンフォスター回路を導入することで極めて広帯域な吸収特性を実現することに成功した（設タンスを実現可能なノンフォスター回路を導入することで極めて広帯域な吸収特性を実現することに成功した（設計厚みは動作周波数の波長の300 分の 1 程度）。本研究によって設計され
計厚みは動作周波数の波長の300分の1程度）。本研究によって設計された電波吸収体は今後実験にた電波吸収体は今後実験によって検証され、その実現可能性について明らかにされる予定であよって検証され、その実現可能性について明らかにされる予定である。
る。
５．参考文献1．E. Knott, Radar cross section measurements, SciTech Publishing, 2006.
５．参考文献2．N. I. Landy, S. Sajuyigbe, J.J. Mock, D R. Smith, and W.J. Padilla, Perfect metamaterial

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I. Landy,Phys.
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Rev. Lett., 100,207402,C.2008.
3．
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S. Greedy,Christopoulos, and J. Paul, Customised broadband metamaterial
3. H.
Wakatsuchi, S. Greedy, C. Christopoulos, and J. Paul, Customised broadband metamaterial
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absorbers for arbitrary polarization, Opt. Express, 18, 21, 22187-22198, 2010.
. Wakatsuchi, S. Kim, J.J. Rushton, and D.F. Sievenpiper, Waveform-dependent absorbing
4. 4．
H.HWakatsuchi,S. Kim, J.J. Rushton, and D.F. Sievenpiper, Waveform-dependent absorbing
Phys.
metasurfaces,metasurfaces, Phys. Rev.
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negative-impedance
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Proc.
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6．O . Luukkonen, F. Costa, C.R. Simovski, A. Monorchio, and S.A. Tretyakov, A thinabsorber for wide incidence angles and both polarizations, IEEE Trans. Antennas Propag., 57, 10,electromagnetic
3119-3125,
2009absorber for wide incidence angles and both polarizations, IEEE Trans. Antennas
Propag., 57, 10, 3119-3125, 2009

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