解説

5G の電波吸収体・遮へい材・透過材
兵庫県立大学山本 真一郎 Yamamoto Shinichiro
大学院工学研究科電子情報工学専攻 准教授〒 671-2280 兵庫県姫路市書写 2167 ☎ 079-267-4111

背景する材料のことであり、一般的に反射係数が 0.1以下あるいは-20 dB以下である整合条件 1）を満たすように設計する。また、遮へい材は、透過波をWi-Fiを利用するスマートフォンやタブレット極力小さくする材料であり、透過波成分が小さけなどの情報通信機器類がわれわれの身の回りの生れば小さいほど電磁遮へい性能に優れる。透過材

活空間において急速に普及してきている。その一は、特定周波数帯の電磁波のみを全透過（透過係方で、それらの機器から発生する本来の利用を目数が 0 dB）し、それ以外の周波数帯の電磁波は反的としない不要電磁波が原因となって生じる機器射するような空間フィルターのことを指すことと間の電磁干渉問題などが無視できなくなってきてする。

いる。これら不要電磁波を制御し、電磁環境を改

本研究では、電波吸収体・遮へい材・透過材を善 す る 対 策 法 と し て、 従 来 か らEMC
（Electro

構成する材料として、通常の自然界には存在しなmagnetic Compatibility：電磁両立性）対策材料

い人工的に作製された材料である人工材料（金属である電波吸収体や電磁遮へい材が種々の場面に線や金属パターンなどを 2次元あるいは 3次元において使用されている。

周期配列した構造のことで、それらの電波的特性

近年では、5Gを利用することにより高速大容が自然界に存在する通常の導電材や誘電体、磁性量通信や高信頼低遅延通信が可能となり、各機器体とは大きく異なる性質を持つものを指す）を導類で使用される周波数もミリ波帯を含む高周波数入することにより、新たな付加価値を取り入れた帯まで移行してきている。また、電磁波の有効利EMC対策材料の研究開発を行っている。

用は通信分野だけでなく、医療分野やそのほかの本書では、筆者が提案している人工材料の一例分野に拡大することが見込まれている。このようについて述べた後、それら人工材料を用いた 5Gに、さまざまな情報通信技術の開発・普及拡大にを含む周波数帯における電波吸収体・遮へい材・伴い、電波吸収体・電磁遮へい材（本書では遮へ透過材の最新設計事例、および反射・透過特性測い材と呼ぶ）のさらなる改良はもちろんのこと、定例について詳しく解説する。

新しい用途として所望の周波数帯の反射波・透過波を同時に制御する今までにはない新しいEMC対策材料（本書では透過材と呼ぶ）の開発も要求されている。

本研究で用いる人工材料と比誘電率特性
本研究で用いる人工材料の概要図を図 1 に示

電波吸収体は、入射波を熱エネルギーに変換すす。図 1（a）は有限長金属線を十字型に配列したることにより吸収材料からの反射波を極力小さくパターンを等間隔で周期配列したシートであり、

20

特集

長方形金属パターン

比誘電率εr

金属線

WPT・５G における電波環境改善技術の最前線(a)十字型金属線配列材(b)長方形金属パターン
周期配列材

正方形金属パターン

図2(c)正方形金属パターン
周期配列材

図19080706050403020100-10-20-30-40εr

εrεrεr3456789 10

周波数[GHz]11 12 13長方形金属パターン周期配列シート（L =14mm、W =2 mm、S x =30 mm、S y =36 mm）の比
誘電率特性

ンの形状や電波吸収体を構成する誘電体などの材(d) 金属格子

料定数を調整することにより任意に制御でき、金本研究で用いる人工材料の一例

属パターンの周期配列構造による比誘電率の共鳴分散特性を利用することで、共鳴周波数付近にお図 1（b）、（c）はおのおの長方形、正方形の金属ける電磁波反射を抑制できる。

パターンを周期配列したシート、図 1（d）は金属

本書では、図 1（b）に示す長方形金属パターン格子を示している。本研究では、そのほかさまざ

周期配列シートと誘電体を用いる電波吸収体設計

まな構造の人工材料を提案しているが、本書では事例とその電波吸収特性評価結果について述べ

比較的構造が簡易な図 1 の人工材料を用いる電る。金属パターン周期配列シートの等価比誘電率

波吸収体・遮へい材・透過材について述べることには、Lorentz型の共鳴分散特性が現れることがとする。

知られている 3）。ここではまず、長方形金属パタ

筆者のこれまでの研究において、
図 1（a）～（c）ーン周期配列シートの等価比誘電率について述べの人工材料の比誘電率は共鳴形の分散特性 2）、3）をる。金属パターンの材料として長方形の金属（銅示し、図 1（d）の金属格子の比誘電率は負の値4）箔）を用意し、それらを周期的に 2次元配列したを示すことを実験的に確認している。これらの人構造 8）を用いる。この金属パターンを空間的に保工材料を用いることにより、広帯域整合型電波吸持 す る た め、 金 属 パ タ ー ン 配 列 の 両 側 をPET

収体 3）、周波数選択性型の電磁遮へい材 5）、空間（Polyethylene Terephthalate）フ ィ ル ム（厚 み 0.1

帯域通過フィルター（バンドパスフィルター）6）、mm、比誘電率3.2）で挟んだ構造としている。

7）

空間高域通過フィルター（ハイパスフィルター）本研究室所有の自由空間透過係数測定装置 9）を等の応用材料が設計可能である。図 1 に示す人

用い、長方形金属パターン周期配列シート単体の工材料の比誘電率特性を利用した周波数選択性電透過係数を測定し、その測定結果を用いて伝送線波吸収体・遮へい材の設計事例について次章以降

路理論 10）により、比誘電率を算出した結果を図 2で詳しく述べる。に示す。シートの構造パラメーター（図 3 を参照：
L、Wは金属パターン長さ及び幅、Sx、Sy は金属

長方形金属パターン周期配列構造を利用する電波吸収体

パ タ ー ン 配 列 間 隔 と す る）は、L=14 mm、W=2mm、Sx=30 mm、Sy=36 mmと し た。 こ の 結 果

金属パターンを周期配列した材料は、自然界により、比誘電率は共鳴周波数 8 GHzを中心としては存在しない電磁気特性を実現することが可能な共鳴型の分散特性を示していることが確認でき人工材料である。この電磁気特性は、金属パターる。共鳴周波数以上で比誘電率実部εr’は負とな

2023年冬号（Vol.71 No.1）

21

長方形金属パターン周期配列シート

13GHz j

誘電体金属板LW

E

Sx=38mm

3GHz

Sx
H

Sx=40mm

Sx=42mmSy

Sx=36mm-1

長方形金属パターン

1

構造パラメーター

L=14mm
W=2mm
Sy=36mm

図3 長 方形金属パターン周期配列シートと誘電体を用いる電波吸収体の構成例-j(a)反射係数チャート0値となるLorentz型特有の周波数特性を示すこと-5がわかる。本シートの共鳴周波数は金属パターン-10

寸法に主に依存し、比誘電率の大きさは金属線配-15列間隔、すなわち金属パターン密度に依存する 。
8）

これらの構造パラメーターを調整することにより、共鳴周波数あるいは共鳴の鋭さを任意に制御できる。
上記の長方形金属パターン周期配列シートを用いる本電波吸収体の構造を図 3 に示す。金属板上に誘電体（厚みd、比誘電率εr）と金属パターン周期配列シートを積層させた構造となっている。
本電波吸収体では、主に金属パターン長さLの方反射係数 [dB]り、比誘電率虚部εr’’ は共鳴周波数において最大

Sx=42mm

Sx=36mm

Sx=40mm-20

Sx=38mm-25

構造パラメーター

L=14mm
W=2mm
Sy=36mm-30-353456789

周波数 [GHz]

10 11 12 13( b)電波吸収特性

図4 長 方形金属パターン周期配列シートと誘電体を用いる電波吸収体の反射特性測定結果

向に電界が平行に印加された場合、金属パターン電波吸収体の構成としては通常、裏面に金属板表面に流れる電流と反対向きの電流が裏側金属板を用い、金属板からの反射波と吸収材料からの反表面に誘起される。これにより、吸収体厚み方向射波の比をとり、それを反射係数として評価値にに微小電流ループが形成され、それを貫くように磁界が発生する。この磁気応答により比誘電率に用いる。シートの構造パラメーターをL=14 mm、W=2 mm、Sy=36 mmに固定し、金属パターン配加えて、比透磁率にも共鳴分散特性が現れるとい

列間隔Sx を変化させた 4種類の長方形金属パター

うことが報告されているン周期配列シート作製し、誘電体である発泡材。

8）、11）

金属パターン周期配列シートの比誘電率共鳴分（d=2 mm）上に積層させた電波吸収体を設計し散特性と、上述した電流作用による比透磁率の共た。それらの反射係数を本研究室所有のマイクロ鳴分散特性を利用することで、ある特定周波数に波帯用アーチ型反射係数測定装置 12）を用いて測定おいて、εr ≃ μr（反射係数Γ ≃ 0）が実現できる 。

した結果を図 4（a）の反射係数チャートに示す。

また、従来型電波吸収体のように母材にフェライ

本研究では、マイクロ波帯に対応した電波吸収体

ト混合ゴムシートのような損失材を用いずに低損を 設 計 す る た め、 測 定 周 波 数 範 囲 は 3 GHz~138）

失材を用いる（金属パターンと金属板の抵抗成分GHzとしている。この結果より、Sx が大きくなによる損失で入射電力を消費する）電波吸収体のる（金属パターン密度が小さくなる）につれ、比誘設計が可能となる。これにより、従来電波吸収体

電率共鳴分散特性の効果による反射特性周回円のに比べて薄型かつ軽量な電波吸収体の設計が可能大きさが小さくなることが確認できる。Sx が 38となる。

mm、40 mmの場合に反射特性はチャート中心付

22