JP2517849B2 - 円筒電波吸収体 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 （産業上の利用分野） 本発明は、円筒形状に装着する円筒電波吸収体に関す
るものである。

（発明の概要） 本発明は、円筒形状に装着するための円筒電波吸収体
であって、損失材料としてエポキシ樹脂とカーボン粒子
を繊維に混入したものを用いて円筒に形成し、その損失
材料の材料定数を前記円筒に対する無反射曲線より決定
することにより、大きな電波吸収量が得られるようにし
たものである。

（従来の技術） 近年、レーダの偽像防止、電波障害の除去等の目的で
各種の平板タイプの薄形電波吸収体が開発され、大きな
効果を奏している。

（発明が解決しようとする課題） ところで、従来の平板タイプの薄形電波吸収体の利用
時においては、一般的に平坦な場所に装着して使用する
ばかりでなく、曲率を持った複雑な形状として、例え
ば、船舶のマスト等に装着し、その電波吸収効果を高め
る必要もある。しかし、一般の前記平板タイプの電波吸
収体を曲率形状に装着すると電波吸収効果が著しく低下
する欠点があった。

本発明は、上記の点に鑑み、前記曲率を持った複雑形
状の中でも特に構造的に単純でかつその利用範囲の大き
い円筒に装着するために最適な円筒電波吸収体を提供す
ることを目的とする。

（課題を解決するための手段） 上記目的を達成するために、本発明の円筒電波吸収体
は、エポキシ樹脂とカーボン粒子とを繊維に混入し円筒
に形成した損失材料からなり、該損失材料の材料定数を
前記円筒に対する無反射曲線より決定している。すなわ
ち、電波吸収量が理論的に無限となる前記円筒に対する
無反射曲線上の値の近傍に前記損失材料の複素比誘電率
及び厚みを設定している。

（作用） 本発明の円筒電波吸収体を設計する場合、以下に示す
解析法を用いて求めた円筒に対する無反射曲線を用いて
行う。

すなわち、第１図に示すように、無限に長い半径ａの
金属円筒に厚さｄで、その材料定数がε_ｒ（複素比誘電
率）及びμ_ｒ（複素比透磁率）の損失材料が装着されて
いる構成を考える。なお、損失材料の外周面の半径は
ｂ、円筒中心に対する観察点の位置を円筒座標（ρ，
φ）で表す。

以下、この図に示すように−ｘ方向に進行する水平偏
波の平面波（電界は紙面に垂直なＺ方向）について、こ
の円筒からの散乱を検討する。このため、損失材料の内
部及び自由空間において、Ｚ方向の入射電界E^I _Z、散乱
電界E^S _Z及び損失材料内部の電界E^M _Zを次のように仮定す
る。

E^I _Z＝E^I _O exp（jk_OX） （ｂ≦ρ） …（1a） 但し、 ここで、a_m、a_m′及びb_mは任意の振幅係数、E^I _Oは入
射電界の振幅係数、k_Oは定数である。またJ_m、N_m及びH_m
⁽²⁾はそれぞれｍ次のベッセル関数、ノイマン関数及び
２種のハンケル関数である。そして、前記電界成分をマ
クスウエルの方程式に代入し磁界成分を導入して、ρ＝
ａ、ρ＝ｂでの境界条件を適用すると、金属円筒単体及
び損失材料を装着した円筒について、次式のように振幅
係数b_mを求めることができる。

・損失材料を装着した円筒 但し、 α_ｍ＝N_m（ka）J_m（kb）−J_m（ka）N_m（kb） β_ｍ＝N_m（ka）J_m′（kb）−J_m（ka）N_m′（kb） J_m′:J_mの１回微分 N_m′:N_mの１回微分 H_m ⁽²⁾′:H_m ⁽²⁾の１回微分 ・金属円筒単体 これらより求めた振幅係数b_mを（1b）式に代入し、そ
の比を計算することにより、金属円筒からの散乱波に対
して、損失材料を装着した円筒からの散乱波がどのよう
に変化するかを観察することができる。そこで、計算に
おいては、入射方向と散乱方向が同一の場合（φ＝０
゜）を考え、さらにここでは、その相対的な反射量に注
目しているので金属円筒及び損失材料装着円筒の場合に
ついてそれぞれ計算したb_mを用いて次式で評価し、その
比をとっている。

（但し、n:解析に用いる円筒波のモード数により決まる
自然数） なお、この解析法は、電界がｙ方向の場合（垂直偏
波）についても同様に適用できる。

上記したように、金属円筒に損失材料を装着した場合
の吸収量は計算できるので、この解析法にニュートン法
を用いて円筒からの反射波が全くなくなる複素比誘電率
ε_ｒとd/λ（λ：電波の波長）の関係を円筒の直径Ｄを
1cm〜8cmまで変化させて計算した。第２図（ａ）は水平
偏波の場合、同図（ｂ）は垂直偏波の場合であり、d/λ
及びＤをパラメータとして反射波が無反射となる条件を
満たす曲線をε_ｒの複素平面上に描いたものである。す
なわち、この曲線は無反射曲線とよばれ、円筒タイプの
電波吸収体を設計する場合、この図から得られるε_ｒと
d/λを求めることにより容易に最適な設計ができる。

すなわち、この曲線を用いて円筒電波吸収体を設計す
る場合には、次のような手順で行う。

（１） 電波吸収体を装着する円筒の直径を決定する
（後述の実施例では、直径Ｄ＝1cmの場合を例示す
る。）。

（２） その直径に対する無反射曲線（吸収量が理論的
に無限になる曲線）を本解析法により計算する。

（３） この曲線上に存在する複素比誘電率ε_ｒを有す
る損失材料を探索する。

（４） この曲線とε_ｒの値が交わる点からd/λ値を求
め、任意の整合周波数に対して吸収体の厚みを決定す
る。

（実施例） 以下、本発明に係る円筒電波吸収体の実施例を図面に
従って説明する。

前述のようにして、円筒電波吸収体を実現するため
に、まず最初に損失材料を探索した。すなわち、ここで
は材料の一例として、ガラス繊維の一種であるケブラー
繊維に、カーボン粒子を混入したエポキシ樹脂を含浸さ
せたプリプレーグを製作し、これを積層して高温高圧釜
によりオートクレーブ形成し（温度117℃、圧力1.6kg/m
²）、平板を製作した。このときの製造諸元を以下の表
１にまとめて示す。

そして、このような条件で、カーボン粒子の含有量
（phr:parts per hundred parts）のみを変化させ、多
種類の平板を製作し、これからε_ｒ測定用の試験片を３
個切り出し、周波数9.41GHzにおいて方形導波管定在波
法でε_ｒの変化を測定した。この場合、phrを3,5,10及
び15と変化させ、そのε_ｒ値の変化を観察した。この結
果を第３図に示す。なお、この図において、○印がε_ｒ
の測定結果であり、カーボン粒子のphrの変化に対して
破線のように変化するのが観察された。この結果、phr
値が10と15の間で補間すると約11〜12程度において、d/
λ＝0.115でＤ＝1cmのときの無反射曲線にほぼ交差する
ことが実験的に観察できた。

そこで、ここではphrを11と仮定し、さらに試料を厚
みを3.7mmとして円筒電波吸収体を設計した。この理由
は、ε_ｒの測定周波数が約9.4GHzであるため、この厚み
で設計すると電波吸収体の整合周波数が9.4GHzとなり、
ε_ｒの分散特性の影響が少ないと考えたためである。

上記結果に鑑み、エポキシ樹脂とカーボン粒子（phr
＝11）とをケブラー繊維に混入し厚み3.7mm、内径1cmの
円筒形状に形成した損失材料からなる円筒電波吸収体を
作成すれば、直径1cmの円筒体又は円柱体被装着物の外
周に装着したときの電波吸収量を増大せしめることが可
能となる。

第４図に本発明の円筒電波吸収体の製作工程の一例を
示す。同図（Ａ）は樹脂混合工程、（Ｂ）はプリプレー
グ製作工程、（Ｃ）はプリプレーグ切断工程、（Ｄ）は
オートクレーブ工程、（Ｅ）は得られた円筒電波吸収体
を示すものである。

これらの各工程での製作諸元は前述したとおりであ
り、ガラス繊維の一種であるケブラー繊維の織物と、カ
ーボン粒子を混入したエポキシ樹脂を用いている。ま
ず、樹脂混合工程（Ａ）でエポキシ樹脂とカーボン粒子
は容器10に所定の割合で混入され、攪拌器11によって均
一に混合される。この混合樹脂は次のプリプレーグ製作
工程（Ｂ）に送られ、パラフィンシート17上に供給され
る。この混合樹脂が付着したパラフィンシート17とケブ
ラー繊維の織物15はコーター16により重ね合わされる。
そして、パラフィンシート上の混合樹脂がケブラー繊維
に含浸される。パラフィンシート17と混合樹脂を含有し
たケブラー繊維とが重なったプリプレーグは、直径1cm
の金属円筒20により巻き取られ所定の厚さに巻回積層さ
れ円筒形状になる。工程（Ｃ）において、繊維に混合樹
脂を含浸させ巻回した円筒状のプリプレーグ30を所定の
長さ（50cm）に切断し、オートクレーブ工程（Ｄ）に送
る。オートクレーブ工程（Ｄ）では、該円筒状プリプレ
ーグ30を高温高圧釜でオートクレーブ形成（温度177
℃、圧力1.6kg/m²）することにより硬化させる。この
際、パラフィンシートは溶融して蒸発する。そして、得
られた円筒電波吸収体40を研摩することによりその厚み
をコントロールする。

また、ここで円筒試料を製作する場合、同時に類似の
方法で平板も製作し、これから前述したようにε_ｒ測定
用の試験片を３個切り出しε_ｒを測定した。この結果を
前記第３図に□印で示した。これから、ε_ｒの平均値及
び標準偏差は、 ε_ｒ＝（6.26±0.07）−（1.83±0.05）ｊ であり、phr＝11においては、わずかに無反射曲線より
上部にε_ｒ値が存在することが確認された。

さらに、製作した50cm長の円筒電波吸収体について、
各部（６箇所）の吸収体自体の厚みを測定し、その平均
値及び標準偏差を計算した。この結果、厚みｄは ｄ＝3.5±0.1mm であり、オートクレーブ形成する際にケブラー繊維等が
縮小したため、設計値の3.7mmより0.2mm程小さく製作さ
れた。

測定は、上記金属円筒単体及び吸収体装着金属円筒を
発泡スチロールの取付台の上に垂直及び水平に置き、こ
れらの試料から反射量をショート・パルス法により測定
した。なお、本測定は、電波暗室内において、測定スパ
ン約14m、送信出力約1Wで行った。そして、これらの両
方の反射量の比を計算し、これをデシベルで表し吸収量
を求めた。この結果を第５図に示す。

この第５図において、実線及び破線は、ここで製作し
た試料におけるε_ｒ値の測定値を用いて理論計算した曲
線であり、吸収体の厚みがそれぞれ3.4,3.5及び3.6mmの
場合である。また、○及び△印は測定値であり、それぞ
れ水平偏波及び垂直偏波に対応している。

この結果、水平偏波において、周波数が約9.5GHzで吸
収量は最大23dB程度得られていることを確認した。ま
た、この場合垂直偏波においては、ほとんど吸収されて
おらず最大でも2dB程度であることがわかった。さら
に、この結果を理論値と比較してみるとｄ＝3.5mmの曲
線と良好な一致がみられることが確かめられた。

なお、ここでは直径1cmの円筒に対する電波吸収体が
実現できたが、前述した種々の径の円筒に対する無反射
曲線を用いれば各種の直径及び偏波に対する円筒電波吸
収体を得ることができる。

（発明の効果） 以上説明したように、本発明の円筒電波吸収体によれ
ば、円筒状に形成することにより、円筒形状の被装着物
に装着することが可能になり、しかも被装着物の円筒形
状に対する無反射曲線上の値の近傍値に損失材料の材料
定数を定めたことによって平板タイプの電波吸収体を曲
げて用いる場合よりもはるかに大きな電波吸収量が得ら
れる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る円筒電波吸収体の解析構成図、第
２図は平板及び種々の直径の円筒について計算した無反
射曲線であって（ａ）は水平偏波の場合、（ｂ）は垂直
偏波の場合を示すグラフ、第３図は直径1cmの円筒に対
する詳細な無反射曲線及び複素比誘電率の測定結果を示
すグラフ、第４図は本発明の製作工程を示す説明図、第
５図は吸収量の測定結果を示すグラフである。 10……容器、11……攪拌器、15……ケブラー繊維の織
物、16……コーター、17……パラフィンシート、20……
金属円筒、30……円筒状プリプレーグ、40……円筒電波
吸収体。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】エポキシ樹脂とカーボン粒子とを繊維に混
   入し円筒形状に巻回、形成した損失材料からなる円筒電
   波吸収体であって、電波吸収量が理論的に無限となる前
   記円筒に対する無反射曲線上の値の近傍に前記損失材料
   の複素比誘電率及び厚みを設定することを特徴とする円
   筒電波吸収体。