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WO2018146773A1 - 周波数選択板 - Google Patents

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Publication number
WO2018146773A1
WO2018146773A1 PCT/JP2017/004745 JP2017004745W WO2018146773A1 WO 2018146773 A1 WO2018146773 A1 WO 2018146773A1 JP 2017004745 W JP2017004745 W JP 2017004745W WO 2018146773 A1 WO2018146773 A1 WO 2018146773A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
metal plate
notch
contact
frequency selection
dielectric case
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Ceased
Application number
PCT/JP2017/004745
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
真悟 山浦
西岡　泰弘
田中　泰
雄一郎 福間
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Mitsubishi Electric Corp
Original Assignee
Mitsubishi Electric Corp
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Mitsubishi Electric Corp filed Critical Mitsubishi Electric Corp
Priority to PCT/JP2017/004745 priority Critical patent/WO2018146773A1/ja
Priority to JP2018563931A priority patent/JP6486581B2/ja
Publication of WO2018146773A1 publication Critical patent/WO2018146773A1/ja
Anticipated expiration legal-status Critical
Ceased legal-status Critical Current

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Classifications

    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures

Definitions

  • This invention relates to a frequency selection plate for switching the phase of a radio wave passing therethrough.
  • Patent Document 1 discloses a frequency selection plate capable of switching the phase of a passing radio wave by mechanical driving.
  • the frequency selection plate includes a dielectric substrate that can be set to an arbitrary angle, and a drive unit that rotates the dielectric substrate by mechanical driving. Since the apparent relative permittivity of the dielectric that contributes to the incident radio wave changes as the driving unit rotates the dielectric substrate, the phase of the passing radio wave can be switched.
  • the phase of the passing radio wave can be switched.
  • the phase of the passing radio wave is switched by mechanical driving, there is a problem that reliability is lowered when used for a long time.
  • the present invention has been made to solve the above-mentioned problems, and frequency selection that can improve reliability when used for a long period of time, rather than switching the phase of a passing radio wave by mechanical drive.
  • the purpose is to obtain a board.
  • the frequency selection plate includes a first metal plate provided with a first notch for forming a slot in a part of the periphery and a second metal for forming a slot in a part of the periphery.
  • a second metal plate disposed in a non-contact state with the first metal plate such that the second notch faces the first notch, and the first notch
  • a dielectric case that is disposed in a slot formed by the notch and the second notch and contains an ionizing gas therein, one end in contact with the ionizing gas, and the other end of the first metal plate
  • An electrode, and the phase switching unit applies a voltage between the first metal plate and the second metal plate, so that the ionizing gas is applied. It causes a transition to the state of plasma, by varying the voltage, is obtained to switch the radio wave phase passing through the dielectric case.
  • the dielectric case that is disposed in the slot formed by the first notch and the second notch and contains the ionizing gas therein, and one end thereof is in contact with the ionizing gas
  • the first electrode penetrating the dielectric case so that the other end is in contact with the first metal plate
  • the dielectric so that one end is in contact with the ionizing gas and the other end is in contact with the second metal plate
  • a second electrode penetrating the case, and the phase switching unit applies a voltage between the first metal plate and the second metal plate to transition the ionizing gas to a plasma state.
  • it is configured to switch the phase of the radio wave passing through the dielectric case by changing the voltage, so when using it for a long time rather than switching the phase of the radio wave passing through mechanical drive There is an effect that can improve the reliability.
  • FIG. 1A is a plan view showing a frequency selection plate according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the frequency selection plate of FIG. 1A
  • FIG. 1C is BB ′ of the frequency selection plate of FIG. It is sectional drawing.
  • It is a top view which shows the 1st metal plate 1 and the 2nd metal plate 2 of the frequency selection board by Embodiment 1 of this invention.
  • It is a conceptual diagram which shows a plasma characteristic.
  • 4A is a plan view showing a frequency selection plate according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the frequency selection plate of FIG. 4A
  • FIG. 4C is BB ′ of the frequency selection plate of FIG. It is sectional drawing. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 3 of this invention. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 4 of this invention. It is a block diagram which shows the other frequency selection board by Embodiment 4 of this invention.
  • 8A is an explanatory diagram showing the relationship between the operating frequency and the amplitude of S21
  • FIG. 8B is an explanatory diagram showing the relationship between the operating frequency and the phase of S21
  • FIG. 8C shows the relationship between the relative permittivity ⁇ r and the phase of S21. It is explanatory drawing shown.
  • FIG. 9A is an explanatory diagram showing an analysis model for electromagnetic field simulation
  • FIG. 9A is an explanatory diagram showing an analysis model for electromagnetic field simulation
  • FIG. 9B is a cross-sectional view taken along the line A-A 'in the analysis model of FIG. 9A. It is a conceptual diagram which shows a transmit array antenna. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 5 of this invention. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 6 of this invention. It is a block diagram which shows the other frequency selection board by Embodiment 6 of this invention. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 7 of this invention. It is a block diagram which shows the frequency selection board by Embodiment 8 of this invention.
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line A-A ′ of the frequency selection plate in FIG. 15.
  • FIG. 1 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 1A is a plan view showing a frequency selection plate according to Embodiment 1 of the present invention
  • FIG. 1B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the frequency selection plate of FIG. 1A
  • FIG. 1C is BB ′ of the frequency selection plate of FIG. It is sectional drawing.
  • FIG. 2 is a plan view showing the first metal plate 1 and the second metal plate 2 of the frequency selection plate according to Embodiment 1 of the present invention.
  • the first metal plate 1 is a metal plate provided with a first notch 1a for forming a rectangular slot 20 on a part of one side (a part of the periphery).
  • the second metal plate 2 is a metal plate provided with a second notch 2a for forming a rectangular slot 20 on a part of one side (a part of the periphery).
  • the second metal plate 2 is disposed in a non-contact state with the first metal plate 1 so that the second notch 2a faces the first notch 1a.
  • the slit 3 is a gap between the first metal plate 1 and the second metal plate 2. This gap is sufficiently short with respect to the wavelength ⁇ of the operating frequency. For example, the length is ⁇ / 20 or less. Since the slit 3 is provided between the first metal plate 1 and the second metal plate 2, the first metal plate 1 and the second metal plate 2 are separated in a direct current manner.
  • the dielectric case 4 is disposed in a slot 20 formed by the first notch 1a and the second notch 2a so that the outer frame is in contact with the first metal plate 1 and the second metal plate 2.
  • the ionizing gas 5 is contained inside.
  • the dielectric case 4 is used as a discharge tube.
  • the ionizing gas 5 include rare gases such as helium, neon, argon, xenon, and krypton.
  • the ionizing gas 5 is enclosed in the dielectric case 4.
  • the first electrode 6 passes through the dielectric case 4 so that one end is in contact with the ionizing gas 5 and the other end is in contact with the first metal plate 1.
  • the second electrode 7 penetrates the dielectric case 4 so that one end is in contact with the ionizing gas 5 and the other end is in contact with the second metal plate 2.
  • the outer frame of the dielectric case 4 is disposed so as to be in contact with the first metal plate 1 and the second metal plate 2. It is only necessary that the first metal plate 1 and the second metal plate 2 are close to each other, and they are not necessarily in contact with each other.
  • the distance between the outer frame of the dielectric case 4 and the first metal plate 1 and the second metal plate 2 may be ⁇ / 20 or less.
  • the phase switching unit 8 includes a wiring 9 and a plasma excitation power source 10.
  • the phase switching unit 8 applies a voltage between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 to change the ionizing gas 5 to a plasma state, and at the same time, the first metal plate 1 and the first metal plate 1
  • the phase of the radio wave passing through the dielectric case 4 is switched by changing the voltage applied between the two metal plates 2.
  • the wiring 9 has one end connected to the first metal plate 1 and the other end connected to the second metal plate 2.
  • the plasma excitation power supply 10 is provided in the middle of the wiring 9 and is a power supply that applies a voltage between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 and changes the voltage.
  • the dimension of the frequency selection board of this Embodiment 1 is illustrated.
  • the outer dimension (dimension in the xy axis direction) of the first metal plate 1, the slit 3, and the second metal plate 2 is, for example, 0.7 ⁇ 0 ⁇ 0.7 ⁇ 0 .
  • X-axis dimension of the slit 3 is, for example, about 0.017 ⁇ 0.
  • the dimension of the dielectric case 4 in the xy axis direction is, for example, 0.41 ⁇ 0 ⁇ 0.1 ⁇ 0 .
  • Z-axis dimension of the dielectric case 4 is, for example, 0.1 [lambda] 0, the outer frame of the thickness of the dielectric casing 4, considering the manufacturing aspect, for example, 1 mm.
  • lambda 0 is a wavelength corresponding to the operating frequency f 0 of the frequency selective surface.
  • FIG. 3 is a conceptual diagram showing plasma characteristics.
  • FIG. 3 shows the relationship between the frequency f of the incident radio wave and the relative dielectric constant ⁇ r of the plasma as plasma characteristics.
  • the relative permittivity ⁇ r of plasma changes depending on the frequency f of the incident radio wave.
  • e is the free electron charge
  • n e is the electron density
  • epsilon 0 is the vacuum dielectric constant
  • m e is the electron mass.
  • the electron density n e is dependent the type of ionizing gas 5, pressure, etc. to the discharge current. Therefore, for the plasma frequency f p, it depends the type of ionizing gas 5, pressure, etc. to the discharge current.
  • the discharge current is a current that flows when the plasma excitation power supply 10 applies a voltage between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 to generate a discharge in the slot 20.
  • the relative dielectric constant ⁇ r tilde of the non-magnetized plasma which is a non-magnetized plasma, can be represented by, for example, the Drude model disclosed in Non-Patent Document 1, as shown in the following formula (2).
  • the symbol “ ⁇ ” cannot be added on the letter because of the electronic application, so it is expressed as “ ⁇ r tilde”.
  • v m the plasma collision frequency
  • omega is the angular frequency of the radio wave is incident.
  • Plasma collision frequency v m is dependent on the pressure of the ionized gas 5.
  • Non-Patent Document 1 R. J. Vidmar, “On the Use of Atmospheric Pressure Plasmas as Electromagnetic Reflectors and Absorbers,” IEEE Trans. Plasma Sci., Vol18, no.4, pp. 733-741. Aug. 1990.
  • the plasma excitation power supply 10 of the phase switching unit 8 causes the ionizing gas 5 enclosed in the dielectric case 4 to transition to the plasma state. It shall be used in the body area. That is, plasma is used in a frequency band equal to or higher than the plasma frequency fp.
  • the plasma excitation power supply 10 of the phase switching unit 8 discharges by changing the voltage applied between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 when the ionizing gas 5 is in a plasma state. By changing the current, the relative dielectric constant ⁇ r of the plasma is varied between 0 and 1 in the band including the operating frequency f 0 as shown in FIG.
  • the first notch 1a and the second notch 2a are disposed in the slot 20 and the ionizing gas 5 is contained therein.
  • a dielectric case 4 one end in contact with the ionizing gas 5, and the other end in contact with the first metal plate 1.
  • a second electrode 7 penetrating the dielectric case 4 is provided so that the other end is in contact with the gas 5 and the other end is in contact with the second metal plate 2, and the phase switching unit 8 is connected to the first metal plate 1.
  • the phase of the passing radio wave can be switched electrically. As a result, there is an effect that the reliability in the case of long-term use can be improved rather than switching the phase of the passing radio wave by mechanical driving. Further, according to the first embodiment, since the first metal plate 1 and the second metal plate 2 are used as the bias circuit for changing the discharge current, the effect of simplifying the configuration of the bias line is also obtained. can get.
  • the slot 20 formed by the first notch 1a and the second notch 2a is a rectangular slot, but the present invention is not limited to this.
  • It may be a circular type, a bow tie type, a cross dipole type, a tripole type, a circular ring type or a square loop type slot.
  • Embodiment 2 FIG. In the first embodiment, the frequency selection plate in which the slit 3 is provided between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 is shown. A frequency selection plate in which a capacitor 11 is connected between one metal plate 1 and a second metal plate 2 will be described.
  • FIG. 4 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 2 of the present invention.
  • 4A is a plan view showing a frequency selection plate according to Embodiment 2 of the present invention
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line AA ′ of the frequency selection plate of FIG. 4A
  • FIG. 4C is BB ′ of the frequency selection plate of FIG. It is sectional drawing.
  • the capacitor 11 has one end connected to the first metal plate 1 and the other end connected to the second metal plate 2.
  • FIG. 4 shows an example in which two capacitors 11 are connected, it is sufficient that one or more capacitors 11 are connected.
  • the value of the capacitor 11 flows to the second metal plate 2 for a high-frequency current excited by the incident radio wave, for example, to the first metal plate 1, but for the current supplied from the plasma excitation power supply 10, Set to the value to be blocked.
  • the value of the capacitor 11 is set to 20 pF, for example.
  • a method of connecting the capacitor 11 between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 in addition to a method of connecting a lumped constant chip component, the first metal plate 1 and the second metal plate 2 are connected. For example, a method of forming a parallel plate type capacitor by overlapping a part of the above.
  • a capacitor 11 is connected between the first metal plate 1 and the second metal plate 2 in order to suppress unnecessary resonance due to the slit 3.
  • the first metal plate 1 and the second metal plate 2 separated by the slit 3 are electrically connected in high frequency. Thereby, unnecessary resonance by the slit 3 is suppressed. Further, the operating frequency f 0 of the frequency selection plate does not depend on the length of the slit 3 in the x-axis direction.
  • Embodiment 3 FIG. In the third embodiment, an example in which a plurality of cells are arranged one-dimensionally using the frequency selection plate of FIG. 1 or FIG. 4 as one cell will be described.
  • FIG. 5 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 5 shows an example in which the frequency selection plate of FIG. 4 is one cell and four cells are arranged in the x-axis direction. The four cells arranged in the x-axis direction are in close contact with adjacent cells.
  • FIG. 5 shows an example in which four cells are arranged, the number of arranged cells may be two or more, and is not limited to four.
  • the frequency selection plate of FIG. 4 is a single cell.
  • the frequency selection plate of FIG. 1 may be a single cell, and a plurality of cells may be arranged in the x-axis direction. .
  • each of the four cells can switch the phase of the passing radio wave for every two cells.
  • the frequency selection board of this Embodiment 3 can be used as a switch which switches the propagation direction of an electromagnetic wave, for example in a reflect array antenna and a transmit array antenna.
  • Embodiment 4 FIG. In the fourth embodiment, an example in which a plurality of cells are two-dimensionally arranged using the frequency selection plate of FIG. 1 or 4 as one cell will be described.
  • FIG. 6 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the leftmost cell group in the x-axis direction is SG 1
  • the second cell group from the left in the x-axis direction is SG 2
  • the third cell group from the left in the x-axis direction is SG 3
  • the fourth cell group from the left side is referred to as SG 4.
  • the phase switching unit 8 is not provided in all cells but is provided in cell group units. Therefore, one phase switching unit 8 is a phase switching unit common to three cells belonging to the same cell group, and sets the operating frequencies of the three cells to the same operating frequency. In the example of FIG. 6, since four cell groups SG 1 to SG 4 exist, four phase switching units 8 are provided.
  • FIG. 6 shows an example in which four cells are arranged in the x-axis direction and three cells are arranged in the y-axis direction.
  • the number of cells to be arranged is not limited to this. Three cells in the direction and four cells in the y-axis direction may be arranged, or six cells in the x-axis direction and five cells in the y-axis direction. Also good.
  • the frequency selection plate of FIG. 4 is a single cell, but the frequency selection plate of FIG. 1 is a single cell, and a plurality of cells are arranged in the x-axis direction and the y-axis direction. There may be.
  • the phase switching unit 8 since the phase switching unit 8 is provided for each cell group, the phase of the passing radio wave can be switched in units of two cell groups.
  • the frequency selection board of this Embodiment 4 can be used as a switch which switches the propagation direction of an electromagnetic wave, for example in a reflect array antenna and a transmit array antenna.
  • FIG. 7 is a block diagram showing another frequency selection plate according to Embodiment 4 of the present invention.
  • the frequency selective surface of Figure 7, the cell group SG 1, a ground line 12 is provided for connecting the connecting portion between the cell group SG 2 to the ground. Further, the cell group SG 3, ground lines 12 are provided for connecting the connecting portion between the cell group SG 4 to ground.
  • the number of plasma excitation power supplies 10 is three, and the cell group SG 2 and the cell group SG 3 use the same plasma excitation power supply 10 in common.
  • a plasma excitation power supply 10 of the leftmost in the x-axis direction the current supplied to the cell group SG 1 is such that I 1, first in the three cells belonging to the cell group SG 1 of by setting the voltage applied to the metal plate 1, the operating frequency of the three cells belonging to the cell group SG 1 is set to f 1.
  • cell groups SG in the three cells belonging to two second metal plate 2 setting a voltage to be applied, and a voltage applied to the first metal plate 1 in the three cells belonging to the cell group SG 3 to.
  • the operating frequency of the three cells belonging to the three cells and cell groups SG 3 belonging to the cell group SG 2 is in f 2.
  • one rightmost plasma excitation power supply 10 in the x-axis direction so that the current supplied to the cell group SG 4 is I 3, the second metal plate 2 in the three cells belonging to the cell group SG 4 by setting the voltage to be applied, the operating frequency of the three cells belonging to the cell group SG 4 is in f 3.
  • the ground line 12 is provided as shown in FIG. 7 and the two plasma groups commonly use the same plasma excitation power supply 10 if the number of cell groups arranged in the x-axis direction is further increased, two rows of cells
  • the operating frequency can be set for each group.
  • FIG. 8 is an explanatory view showing an analysis result of the electromagnetic field simulation.
  • FIG. 9 is an explanatory diagram showing an analysis model for electromagnetic field simulation.
  • FIG. 9A shows an analysis model of electromagnetic field simulation
  • FIG. 9B shows a cross section taken along line AA ′ of FIG. 9A. Since the slit 3 becomes conductive at a high frequency by the capacitor 11, the slit 3 is omitted in the analysis model of FIG.
  • the first electrode 6, the second electrode 7, and the wiring 9 are also omitted, and an infinite period boundary is applied around one cell in an infinite period state. Analyzing.
  • the analysis model of FIG. 9 shows an analysis model of electromagnetic field simulation
  • FIG. 9B shows a cross section taken along line AA ′ of FIG. 9A. Since the slit 3 becomes conductive at a high frequency by the capacitor 11, the slit 3 is omitted in the analysis model of FIG.
  • the first electrode 6, the second electrode 7, and the wiring 9 are also omitted, and an infinite period boundary is applied around
  • the outer dimension (dimension in the xy axis direction) of the first metal plate 1 and the second metal plate 2 is 0.7 ⁇ 0 ⁇ 0.7 ⁇ 0 .
  • the dimension in the xy axis direction of the dielectric case 4 is 0.41 ⁇ 0 ⁇ 0.1 ⁇ 0
  • the dimension in the z-axis direction of the dielectric case 4 is 0.1 ⁇ 0 .
  • the thickness of the outer frame is 1 mm.
  • the relative dielectric constant of the dielectric case 4 is 3.78.
  • radio waves are passed from the + z-axis direction to the -z-axis direction, and the characteristics of the reflected wave and transmitted wave of one cell are analyzed. Further, since the + z axis direction is defined as Port 1 and the ⁇ z axis direction is defined as Port 2, the reflection characteristic is S11 and the transmission characteristic is S21.
  • quartz that is often used in plasma discharge is used.
  • the polarization direction of the incident radio wave is the x-axis direction. Since the plasma is used in a region where it behaves as a dielectric, the relative dielectric constant ⁇ r of the plasma is changed in the range of 0.1 to 1 in the band including the operating frequency f 0 .
  • FIG. 8A shows the relationship between the operating frequency f 0 and the amplitude of S21
  • FIG. 8B shows the relationship between the operating frequency f 0 and the phase of S21
  • FIG. 8C shows the relationship between the relative permittivity ⁇ r and the phase of S21. Show.
  • the phase [deg] of S21 that is the passing phase changes by about 57 degrees.
  • the phase of S21 is about +32 degrees, and when the relative dielectric constant ⁇ r of the plasma is 1, the phase of S21 is about -25 degrees.
  • the operating frequency f 0 changes as shown in FIG. 8A by changing the phase [deg] of S21 which is the passing phase. Note that, as the operating frequency f 0 changes, the phase [deg] of S21 changes as shown in FIG. 8B.
  • the frequency selection plate of the fourth embodiment if the discharge currents of all the plasma excitation power supplies 10 are the same, it can be operated as a band-pass filter that transmits radio waves incident at the operating frequency. Further, in the frequency selection plate of FIG. 6, if the discharge currents of the respective plasma excitation power sources 10 are made different, the passing phase changes in units of two cell groups. Further, in the frequency selection plate of FIG. 7, if the discharge currents from the respective plasma excitation power sources 10 are made different, the passing phase is changed in units of two cell groups. For this reason, if the frequency selection plate of the fourth embodiment is used for a transmit array antenna, it is possible to refract radio waves.
  • FIG. 10 is a conceptual diagram showing a transmit array antenna.
  • the radio wave can be refracted in an arbitrary direction by adjusting the passage phase of the radio wave in each discharge tube.
  • the frequency selection plate of the fourth embodiment can be used as a switch for switching the propagation direction of radio waves in, for example, a reflect array antenna and a transmit array antenna.
  • Embodiment 5 FIG. In the fourth embodiment, an example is shown in which cells adjacent to each other in the x-axis direction are in close contact, but in this fifth embodiment, cells adjacent in the x-axis direction are connected via a capacitor. An example will be described.
  • FIG. 11 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 5 of the present invention.
  • Capacitor 13 has one end connected to the cell group SG 1, SG 2, SG 3 second metal plate 2 of the cell belonging to (one cell group), the other end cell group SG 2, SG 3, SG 4 It is connected to the first metal plate 1 of the cell belonging to (the other cell group).
  • the value of the capacitor 11 is set to 20 pF, for example.
  • the capacitor 13 that cuts off the current supplied from the plasma excitation power supply 10 since the capacitor 13 that cuts off the current supplied from the plasma excitation power supply 10 is connected, it is affected by the current supplied from the plasma excitation power supply 10 connected to the adjacent cell group.
  • the discharge current can be easily adjusted to a desired discharge current for each cell group.
  • the phase of the passing radio wave in each cell group can be set to a desired phase. This makes it possible to switch the phase of the passing radio wave at fine intervals. In other words, it is possible to switch the passage phase of radio waves incident at fine intervals. For this reason, if the frequency selection plate of the fifth embodiment is used for a transmit array antenna, for example, sharp directivity can be obtained when refracting radio waves.
  • Embodiment 6 FIG.
  • an example is shown in which one end of the wiring 9 of the phase switching unit 8 is connected to the first metal plate 1 and the other end of the wiring 9 is connected to the second metal plate 2.
  • an inductor 14 a is provided between the first metal plate 1 and one end of the wiring 9
  • an inductor 14 b is provided between the second metal plate 2 and the other end of the wiring 9.
  • FIG. 12 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 6 of the present invention.
  • the inductor 14 a has one end connected to the first metal plate 1 and the other end connected to one end of the wiring 9.
  • the inductor 14 b has one end connected to the second metal plate 2 and the other end connected to the other end of the wiring 9.
  • FIG. 13 shows an example in which a plurality of cells are two-dimensionally arranged with the frequency selection plate of FIG. 12 as one cell.
  • the value of the inductor 14a is set to a value at which the high-frequency current excited by the first metal plate 1 by the incident radio wave is blocked, but the current supplied from the plasma excitation power supply 10 flows.
  • the value of the inductor 14b is set to a value that blocks the high-frequency current excited by the second metal plate 2 by the incident radio wave and flows the current supplied from the plasma excitation power source 10.
  • the inductors 14a and 14b are connected. However, it is sufficient that the high-frequency current is interrupted and the current supplied from the plasma excitation power supply 10 can flow. Instead of the inductors 14a and 14b, resistors may be connected.
  • the frequency selection plate of FIG. 1 since the high frequency current excited by the first metal plate 1 and the second metal plate 2 flows through the wiring 9, unnecessary resonance may occur in the wiring 9.
  • the inductors 14a and 14b that cut off the high-frequency current excited by the first metal plate 1 and the second metal plate 2 are connected, the first metal plate 1 and the second metal plate 1 are connected.
  • the high frequency current excited by the metal plate 2 does not flow through the wiring 9. For this reason, unnecessary resonance generated in the wiring 9 can be suppressed.
  • the operating frequency f 0 of the frequency selection plate does not depend on the length of the wiring 9 and how it is turned.
  • the inductor 14a is provided between the first metal plate 1 and one end of the wiring 9, and the second metal plate 2 and the other end of the wiring 9 are connected. Since the inductor 14b is provided between the two, the unnecessary resonance generated in the wiring 9 can be suppressed, and the degree of freedom of the wiring 9 can be increased.
  • Embodiment 7 FIG. In the seventh embodiment, an example in which a plurality of cells arranged two-dimensionally in the z-axis direction, which is the incident direction of radio waves passing through the dielectric case 4, is multilayered will be described.
  • FIG. 14 is a block diagram showing a frequency selection plate according to Embodiment 7 of the present invention.
  • the same reference numerals as those in FIGS. 1 and 13 denote the same or corresponding parts, and the description thereof will be omitted.
  • FIG. 14 shows a cross section when a plurality of cells are multilayered in AA ′ of FIG.
  • FIG. 14 shows an example in which the number of layers is three, but the number of layers is not limited to three.
  • the passing phase changes by the set phase amount each time a radio wave incident from the + z-axis direction passes through the cells of each layer. To do. For this reason, in the frequency selection plate of FIG. 14, it is possible to widen the range of pass phases that can be set as compared with the frequency selection plate having one layer.
  • Embodiment 8 FIG. In this eighth embodiment, an example in which a reflecting plate 15 that reflects radio waves that have passed through a plurality of cells arranged in two dimensions is provided will be described.
  • FIG. 15 is a block diagram showing a frequency selection plate according to an eighth embodiment of the present invention
  • FIG. 16 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of the frequency selection plate of FIG. 15 and FIG. 16, the same reference numerals as those in FIGS.
  • the reflecting plate 15 is arranged in the ⁇ z-axis direction of the plurality of cells arranged two-dimensionally, and reflects the radio wave that has passed through the plurality of cells.
  • the passing phase changes.
  • the radio waves that have passed through the plurality of cells are reflected by the reflecting plate 15.
  • the radio wave reflected by the reflecting plate 15 is again incident on the plurality of cells arranged two-dimensionally, and the passing phase changes when passing through the plurality of cells arranged two-dimensionally.
  • the propagation direction of the reflected radio wave can be refracted, so that it can be used as, for example, a reflectarray antenna.
  • the present invention is suitable for a frequency selection plate that switches the phase of a radio wave that passes therethrough.

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Abstract

第１の切欠き（１ａ）と第２の切欠き（２ａ）とから形成されるスロット（２０）内に配置され、内部に電離性ガス（５）を含んでいる誘電体ケース（４）と、一端が電離性ガス（５）と接し、他端が第１の金属板（１）と接するように、誘電体ケース（４）を貫通している第１の電極（６）と、一端が電離性ガス（５）と接し、他端が第２の金属板（２）と接するように、誘電体ケース（４）を貫通している第２の電極（７）とを設け、位相切替部（８）が、第１の金属板（１）と第２の金属板（２）との間に電圧を印加することで、電離性ガス（５）をプラズマの状態に遷移させるとともに、電圧を可変することで、誘電体ケース（４）内を通過する電波の位相を切り替えるように構成する。

Description

周波数選択板
　この発明は、通過する電波の位相を切り替える周波数選択板に関するものである。
　周波数選択板を通過する電波の位相の切り替えは、機械的な駆動によって行われるものが多い。
　以下の特許文献１には、通過電波の位相を機械的な駆動によって切り替えることが可能な周波数選択板が開示されている。
　この周波数選択板は、任意の角度に設定可能な誘電体基板と、誘電体基板を機械的な駆動によって回転させる駆動部とを備えている。
　駆動部が誘電体基板を回転させることで、入射される電波に寄与する誘電体の見かけ上の比誘電率が変化するため、通過電波の位相を切り替えることができる。
特開２００５－２５２５６５号公報
　従来の周波数選択板は以上のように構成されているので、通過電波の位相を切り替えることができる。しかし、機械的な駆動によって通過電波の位相を切り替えるものであるため、長期的に使用する場合には、信頼性が低下してしまうという課題があった。
　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、機械的な駆動によって通過電波の位相の切り替えを行うよりも、長期的に使用する場合の信頼性を高めることができる周波数選択板を得ることを目的とする。
　この発明に係る周波数選択板は、周囲の一部にスロットを形成するための第１の切欠きが施されている第１の金属板と、周囲の一部にスロットを形成するための第２の切欠きが施されており、第２の切欠きが第１の切欠きと向かい合うように、第１の金属板と非接触の状態で配置されている第２の金属板と、第１の切欠きと第２の切欠きとから形成されるスロット内に配置され、内部に電離性ガスを含んでいる誘電体ケースと、一端が電離性ガスと接し、他端が第１の金属板と接するように、誘電体ケースを貫通している第１の電極と、一端が電離性ガスと接し、他端が第２の金属板と接するように、誘電体ケースを貫通している第２の電極とを設け、位相切替部が、第１の金属板と第２の金属板との間に電圧を印加することで、電離性ガスをプラズマの状態に遷移させるとともに、電圧を可変することで、誘電体ケース内を通過する電波の位相を切り替えるようにしたものである。
　この発明によれば、第１の切欠きと第２の切欠きとから形成されるスロット内に配置され、内部に電離性ガスを含んでいる誘電体ケースと、一端が電離性ガスと接し、他端が第１の金属板と接するように、誘電体ケースを貫通している第１の電極と、一端が電離性ガスと接し、他端が第２の金属板と接するように、誘電体ケースを貫通している第２の電極とを設け、位相切替部が、第１の金属板と第２の金属板との間に電圧を印加することで、電離性ガスをプラズマの状態に遷移させるとともに、電圧を可変することで、誘電体ケース内を通過する電波の位相を切り替えるように構成したので、機械的な駆動によって通過電波の位相の切り替えを行うよりも、長期的に使用する場合の信頼性を高めることができる効果がある。
図１Ａはこの発明の実施の形態１による周波数選択板を示す平面図、図１Ｂは図１Ａの周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図、図１Ｃは図１Ａの周波数選択板におけるＢ－Ｂ’断面図である。 この発明の実施の形態１による周波数選択板の第１の金属板１及び第２の金属板２を示す平面図である。 プラズマ特性を示す概念図である。 図４Ａはこの発明の実施の形態２による周波数選択板を示す平面図、図４Ｂは図４Ａの周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図、図４Ｃは図４Ａの周波数選択板におけるＢ－Ｂ’断面図である。 この発明の実施の形態３による周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態４による他の周波数選択板を示す構成図である。 図８Ａは動作周波数とＳ２１の振幅との関係を示す説明図、図８Ｂは動作周波数とＳ２１の位相との関係を示す説明図、図８Ｃは比誘電率εｒとＳ２１の位相との関係を示す説明図である。 図９Ａは電磁界シミュレーションの解析モデルを示す説明図、図９Ｂは図９Ａの解析モデルにおけるＡ－Ａ’断面図である。 トランスミットアレーアンテナを示す概念図である。 この発明の実施の形態５による周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態６による周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態６による他の周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態７による周波数選択板を示す構成図である。 この発明の実施の形態８による周波数選択板を示す構成図である。 図１５の周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図である。
　以下、この発明をより詳細に説明するために、この発明を実施するための形態について、添付の図面に従って説明する。
実施の形態１．
　図１はこの発明の実施の形態１による周波数選択板を示す構成図である。
　図１Ａはこの発明の実施の形態１による周波数選択板を示す平面図、図１Ｂは図１Ａの周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図、図１Ｃは図１Ａの周波数選択板におけるＢ－Ｂ’断面図である。
　図２はこの発明の実施の形態１による周波数選択板の第１の金属板１及び第２の金属板２を示す平面図である。
　図１及び図２において、第１の金属板１は一辺の一部（周囲の一部）に長方形のスロット２０を形成するための第１の切欠き１ａが施されている金属板である。
　第２の金属板２は一辺の一部（周囲の一部）に長方形のスロット２０を形成するための第２の切欠き２ａが施されている金属板である。
　また、第２の金属板２は第２の切欠き２ａが第１の切欠き１ａと向かい合うように、第１の金属板１と非接触の状態で配置されている。
　スリット３は第１の金属板１と第２の金属板２との間の隙間である。この隙間は、動作周波数の波長λに対して十分短い長さとする。例えば、λ／２０以下の長さとする。
　第１の金属板１と第２の金属板２との間にスリット３が設けられているため、第１の金属板１と第２の金属板２とは、直流的に分離されている。
　誘電体ケース４は第１の切欠き１ａと第２の切欠き２ａとから形成されるスロット２０内に、外枠が第１の金属板１及び第２の金属板２と接するように配置され、内部に電離性ガス５を含んでいる。
　この実施の形態１では、誘電体ケース４は、放電管として用いられる。
　電離性ガス５としては、例えば、希ガスのヘリウム、ネオン、アルゴン、キセノン、クリプトンなどが挙げられ、電離性ガス５は、誘電体ケース４の内部に封入されている。
　第１の電極６は一端が電離性ガス５と接し、他端が第１の金属板１と接するように、誘電体ケース４を貫通している。
　第２の電極７は一端が電離性ガス５と接し、他端が第２の金属板２と接するように、誘電体ケース４を貫通している。
　この実施の形態１では、誘電体ケース４の外枠が第１の金属板１及び第２の金属板２と接するように配置されている例を説明するが、誘電体ケース４の外枠が第１の金属板１及び第２の金属板２と近接していればよく、必ずしも接していなくてもよい。例えば、誘電体ケース４の外枠と第１の金属板１及び第２の金属板２との間隔としては、λ／２０以下であればよい。
　位相切替部８は配線９とプラズマ励起電源１０を備えている。
　位相切替部８は第１の金属板１と第２の金属板２との間に電圧を印加することで、電離性ガス５をプラズマの状態に遷移させるとともに、第１の金属板１と第２の金属板２との間に印加する電圧を可変することで、誘電体ケース４内を通過する電波の位相を切り替える。
　配線９は一端が第１の金属板１と接続され、他端が第２の金属板２と接続されている。
　プラズマ励起電源１０は配線９の途中に設けられ、第１の金属板１と第２の金属板２との間に電圧を印加するとともに、その電圧を可変する電源である。
　この実施の形態１の周波数選択板の寸法を例示する。
　第１の金属板１とスリット３と第２の金属板２とを合わせた外形の寸法（ｘ－ｙ軸方向の寸法）は、例えば、０．７λ０×０．７λ０である。
　スリット３のｘ軸方向の寸法は、例えば、約０．０１７λ０である。
　誘電体ケース４のｘ－ｙ軸方向の寸法は、例えば、０．４１λ０×０．１λ０である。
　誘電体ケース４のｚ軸方向の寸法は、例えば、０．１λ０であり、誘電体ケース４の外枠の厚みは、製造面を考慮して、例えば、１ｍｍである。
　λ０は周波数選択板の動作周波数ｆ０に対応する波長である。
　次に動作について説明する。
　位相切替部８のプラズマ励起電源１０が、第１の金属板１と第２の金属板２との間に高い電圧を印加すると、誘電体ケース４の内部に封入されている電離性ガス５がプラズマの状態に遷移する。
　ここで、図３はプラズマ特性を示す概念図である。
　図３では、プラズマ特性として、入射される電波の周波数ｆとプラズマの比誘電率εｒとの関係を示している。
　プラズマは、図３に示すように、入射される電波の周波数ｆに依存して、比誘電率εｒが変化する。
　プラズマは、以下の式（１）で表されるプラズマ周波数ｆｐよりも低い周波数ｆの電波が入射された場合、導体として振る舞い、プラズマ周波数ｆｐよりも高い周波数ｆの電波が入射された場合、誘電体として振る舞う。
Figure JPOXMLDOC01-appb-I000001
　式（１）において、ｅは自由電子の電荷、ｎｅは電子密度、ε０は真空の比誘電率、ｍｅは電子の質量である。
　電子密度ｎｅは、電離性ガス５の種類、圧力、放電電流などに依存する。このため、プラズマ周波数ｆｐについても、電離性ガス５の種類、圧力、放電電流などに依存する。放電電流は、プラズマ励起電源１０が第１の金属板１と第２の金属板２との間に電圧を印加することで、スロット２０内で放電が生じて流れる電流である。
　この実施の形態１のように、電離性ガス５が誘電体ケース４に封入されている場合、放電電流によって、プラズマ周波数ｆｐを可変することができる。磁化されていないプラズマである非磁化プラズマの比誘電率εｒチルダについては、以下の式（２）に示すように、例えば、非特許文献１に開示されているドルーデモデルによって表すことができる。明細書の文書中では、電子出願の関係上、文字の上に“～”の記号を付することができないので、「εｒチルダ」のように表記している。

Figure JPOXMLDOC01-appb-I000002
　式（２）において、ωｐはプラズマ角周波数（ωｐ＝２πｆｐ）、ｖｍはプラズマ衝突周波数、ωは入射される電波の角周波数である。
　プラズマ衝突周波数ｖｍは電離性ガス５の圧力に依存する。
［非特許文献１］
R. J. Vidmar, “On the Use of Atmospheric Pressure Plasmas as Electromagnetic Reflectors and Absorbers,” IEEE Trans. Plasma Sci., vol18, no.4, pp. 733-741. Aug. 1990.
　位相切替部８のプラズマ励起電源１０は、上記のように、誘電体ケース４の内部に封入されている電離性ガス５をプラズマの状態に遷移させるが、この実施の形態１では、プラズマを誘電体領域で使用するものとする。即ち、プラズマをプラズマ周波数ｆｐ以上の周波数帯で使用するものとする。
　位相切替部８のプラズマ励起電源１０は、電離性ガス５がプラズマの状態であるとき、第１の金属板１と第２の金属板２との間に印加する電圧を可変することで、放電電流を変化させて、図３に示すように、動作周波数ｆ０を含む帯域においてプラズマの比誘電率εｒを０～１の間で可変させる。
　動作周波数ｆ０を含む帯域においてプラズマの比誘電率εｒが０～１の間で変化することで、動作周波数ｆ０を含む帯域において誘電体ケース４内の比誘電率が変わるため、誘電体ケース４内を通過する動作周波数ｆ０を含む帯域内の電波の位相が電気的に切り替わる。即ち、周波数選択板の動作周波数ｆ０の位相が電気的に切り替わる。
　以上で明らかなように、この実施の形態１によれば、第１の切欠き１ａと第２の切欠き２ａとから形成されるスロット２０内に配置され、内部に電離性ガス５を含んでいる誘電体ケース４と、一端が電離性ガス５と接し、他端が第１の金属板１と接するように、誘電体ケース４を貫通している第１の電極６と、一端が電離性ガス５と接し、他端が第２の金属板２と接するように、誘電体ケース４を貫通している第２の電極７とを設け、位相切替部８が、第１の金属板１と第２の金属板２との間に電圧を印加することで、電離性ガス５をプラズマの状態に遷移させるとともに、電圧を可変することで、誘電体ケース４内を通過する電波の位相を切り替えるように構成したので、電気的に通過電波の位相の切り替えを行うことができる。その結果、機械的な駆動によって通過電波の位相の切り替えを行うよりも、長期的に使用する場合の信頼性を高めることができる効果を奏する。
　また、この実施の形態１によれば、放電電流を変化させるバイアス回路として、第１の金属板１及び第２の金属板２を利用しているため、バイアス線の構成を単純化できる効果も得られる。
　この実施の形態１では、第１の切欠き１ａと第２の切欠き２ａとから形成されるスロット２０が、長方形のスロットである例を示しているが、これに限るものではなく、例えば、円形型、ボウタイ型、クロスダイポール型、トリポール型、円形リング型又は正方形ループ型のスロットなどであってもよい。
　また、この実施の形態１では、プラズマを誘電体領域で使用する例を示しているが、導体領域でも、プラズマ周波数ｆｐに近い周波数では、導体としての振る舞いが小さいため、プラズマ周波数ｆｐに近い周波数を使用することも可能である。
実施の形態２．
　上記実施の形態１では、第１の金属板１と第２の金属板２との間にスリット３が設けられている周波数選択板を示しているが、この実施の形態２では、さらに、第１の金属板１と第２の金属板２との間にキャパシタ１１が接続されている周波数選択板を説明する。
　図４はこの発明の実施の形態２による周波数選択板を示す構成図である。
　図４Ａはこの発明の実施の形態２による周波数選択板を示す平面図、図４Ｂは図４Ａの周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図、図４Ｃは図４Ａの周波数選択板におけるＢ－Ｂ’断面図である。図４において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　キャパシタ１１は一端が第１の金属板１と接続され、他端が第２の金属板２と接続されている。
　図４では、２つのキャパシタ１１が接続されている例を示しているが、１つ以上のキャパシタ１１が接続されていればよい。
　キャパシタ１１の値は、入射される電波によって、例えば第１の金属板１に励起された高周波電流については、第２の金属板２に流れるが、プラズマ励起電源１０から供給された電流については、遮断される値に設定される。キャパシタ１１の値は、例えば、２０ｐＦに設定される。
　第１の金属板１と第２の金属板２との間にキャパシタ１１を接続する方法として、集中定数のチップ部品を接続する方法のほか、第１の金属板１と第２の金属板２の一部を重ね合わせることで、平行平板型のキャパシタを構成する方法などが挙げられる。
　次に動作について説明する。
　上記実施の形態１のように、第１の金属板１と第２の金属板２との間にスリット３が設けられている場合、スリット３において、不要な共振が発生することがある。
　この実施の形態２では、スリット３による不要な共振を抑圧するために、第１の金属板１と第２の金属板２との間にキャパシタ１１を接続している。
　キャパシタ１１を接続することで、スリット３で隔てられている第１の金属板１と第２の金属板２とが高周波的に導通される。
　これにより、スリット３による不要な共振が抑圧される。また、周波数選択板の動作周波数ｆ０がスリット３のｘ軸方向の長さに依存しなくなる。
実施の形態３．
　この実施の形態３では、図１又は図４の周波数選択板を１つのセルとして、複数のセルが一次元に配置されている例を説明する。
　図５はこの発明の実施の形態３による周波数選択板を示す構成図である。
　図５では、図４の周波数選択板が１つのセルとして、４個のセルがｘ軸方向に配置されている例を示している。ｘ軸方向に配置されている４個のセルは、隣りのセルと密着している。
　図５では、４個のセルが配置されている例を示しているが、配置されるセルの個数は２個以上であればよく、４個に限るものではない。
　また、図５では、図４の周波数選択板を１つのセルとしているが、図１の周波数選択板を１つのセルとして、複数のセルがｘ軸方向に配置されているものであってもよい。
　この実施の形態３では、４個のセルの各々が、２個のセル毎に通過電波の位相を切り替えることができる。
　このため、この実施の形態３の周波数選択板は、例えば、リフレクトアレーアンテナ及びトランスミットアレーアンテナにおいて、電波の伝搬方向を切り替える切替器として用いることができる。
実施の形態４．
　この実施の形態４では、図１又は図４の周波数選択板を１つのセルとして、複数のセルが二次元に配置されている例を説明する。
　図６はこの発明の実施の形態４による周波数選択板を示す構成図である。
　図６では、図４の周波数選択板が１つのセルとして、ｘ軸方向に４個、ｙ軸方向に３個のセルが配置されている例を示している。
　ｘ軸方向及びｙ軸方向に配置されている１２個（＝４×３個）のセルは、隣りのセルと密着している。
　ここでは、説明の便宜上、ｘ軸方向が同一の３個のセルは、１つのセルグループを構成しており、４つのセルグループが存在しているものとする。
　以下、ｘ軸方向で１番左側のセルグループをＳＧ１、ｘ軸方向で左側から２番目のセルグループをＳＧ２、ｘ軸方向で左側から３番目のセルグループをＳＧ３、ｘ軸方向で左側から４番目のセルグループをＳＧ４と称する。
　位相切替部８については、全てのセルに設けられておらず、セルグループ単位に設けられている。このため、１つの位相切替部８は、同じセルグループに属している３個のセルに共通の位相切替部であり、３個のセルの動作周波数を同じ動作周波数に設定する。
　図６の例では、４つのセルグループＳＧ１～ＳＧ４が存在しているため、４個の位相切替部８が設けられている。
　図６では、ｘ軸方向に４個、ｙ軸方向に３個のセルが配置されている例を示しているが、配置されるセルの個数は、これに限るものではなく、例えば、ｘ軸方向に３個、ｙ軸方向に４個のセルが配置されているものであってもよいし、ｘ軸方向に６個、ｙ軸方向に５個のセルが配置されているものであってもよい。
　また、図６では、図４の周波数選択板を１つのセルとしているが、図１の周波数選択板を１つのセルとして、複数のセルがｘ軸方向とｙ軸方向に配置されているものであってもよい。
　この実施の形態４では、セルグループ毎に、位相切替部８が設けられているので、２列のセルグループ単位に、通過電波の位相を切り替えることができる。
　このため、この実施の形態４の周波数選択板は、例えば、リフレクトアレーアンテナ及びトランスミットアレーアンテナにおいて、電波の伝搬方向を切り替える切替器として用いることができる。
　図７はこの発明の実施の形態４による他の周波数選択板を示す構成図である。
　図７の周波数選択板では、セルグループＳＧ１と、セルグループＳＧ２との接続箇所をグランドに接続するグランド線１２が設けられている。
　また、セルグループＳＧ３と、セルグループＳＧ４との接続箇所をグランドに接続するグランド線１２が設けられている。
　図７の周波数選択板では、プラズマ励起電源１０の個数が３個になっており、セルグループＳＧ２とセルグループＳＧ３は、同じプラズマ励起電源１０を共通に使用している。
　図７の例では、ｘ軸方向で１番左側のプラズマ励起電源１０が、セルグループＳＧ１に供給する電流がＩ１になるように、セルグループＳＧ１に属する３個のセルにおける第１の金属板１に印加する電圧を設定することで、セルグループＳＧ１に属する３個のセルの動作周波数がｆ１になっている。
　また、ｘ軸方向で左側から２番目のプラズマ励起電源１０が、セルグループＳＧ２に供給する電流がＩ２になるように、セルグループＳＧ２に属する３個のセルにおける第２の金属板２に印加する電圧と、セルグループＳＧ３に属する３個のセルにおける第１の金属板１に印加する電圧とを設定する。これにより、セルグループＳＧ２に属する３個のセル及びセルグループＳＧ３に属する３個のセルの動作周波数がｆ２になっている。
　また、ｘ軸方向で１番右側のプラズマ励起電源１０が、セルグループＳＧ４に供給する電流がＩ３になるように、セルグループＳＧ４に属する３個のセルにおける第２の金属板２に印加する電圧を設定することで、セルグループＳＧ４に属する３個のセルの動作周波数がｆ３になっている。
　図７のようにグランド線１２を設けて、２つのセルグループが同じプラズマ励起電源１０を共通に使用する構成では、ｘ軸方向に配置されるセルグループの数を更に増やせば、２列のセルグループ単位に、動作周波数を設定することが可能になる。
　以下、プラズマ励起電源１０が電圧を可変することで、通過電波の位相が切り替わることを電磁界シミュレーションで例示する。
　図８は電磁界シミュレーションの解析結果を示す説明図である。
　図９は電磁界シミュレーションの解析モデルを示す説明図である。図９Ａは電磁界シミュレーションの解析モデルを示し、図９Ｂは図９ＡのＡ－Ａ’断面を示している。
　スリット３は、キャパシタ１１によって、高周波的に導通となるため、図９の解析モデルでは、スリット３を省略している。
　また、図９の解析モデルでは、第１の電極６、第２の電極７及び配線９についても省略しており、１つのセルの周囲には、無限周期境界を適用して、無限周期状態で解析を行っている。
　図９の解析モデルでは、第１の金属板１と第２の金属板２を合わせた外形の寸法（ｘ－ｙ軸方向の寸法）は、０．７λ０×０．７λ０である。
　誘電体ケース４のｘ－ｙ軸方向の寸法は、０．４１λ０×０．１λ０であり、誘電体ケース４のｚ軸方向の寸法は、０．１λ０であり、誘電体ケース４の外枠の厚みは、１ｍｍである。
　また、誘電体ケース４の比誘電率は、３．７８である。
　この電磁界シミュレーションでは、＋ｚ軸方向から－ｚ軸方向に電波を通過させ、１つのセルの反射波と透過波の特性を解析している。
　また、＋ｚ軸方向をＰｏｒｔ１、－ｚ軸方向をＰｏｒｔ２と定義しているため、反射特性はＳ１１、透過特性はＳ２１となる。
　誘電体ケース４の材料として、プラズマ放電でよく使用される石英を用いている。入射される電波の偏波方向はｘ軸方向である。プラズマが誘電体として振る舞う領域で使用するため、動作周波数ｆ０を含む帯域においてプラズマの比誘電率εｒを０．１～１の範囲で変化させている。
　図８Ａは動作周波数ｆ０とＳ２１の振幅との関係を示し、図８Ｂは動作周波数ｆ０とＳ２１の位相との関係を示し、図８Ｃは比誘電率εｒとＳ２１の位相との関係を示している。
　プラズマの比誘電率εｒを０．１～１の範囲で変化させることで、図８Ｃに示すように、通過位相であるＳ２１の位相［ｄｅｇ］が約５７度変化することが分かる。
　プラズマの比誘電率εｒが０．１であるときのＳ２１の位相は約＋３２度であり、プラズマの比誘電率εｒが１であるときのＳ２１の位相は約－２５度である。
　また、通過位相であるＳ２１の位相［ｄｅｇ］が変化することで、図８Ａに示すように、動作周波数ｆ０が変化することが分かる。
　なお、動作周波数ｆ０が変化することで、図８Ｂに示すように、Ｓ２１の位相［ｄｅｇ］が変化する。
　この実施の形態４の周波数選択板の応用例として、全てのプラズマ励起電源１０による放電電流を同一にすれば、動作周波数で入射された電波を透過させるバンドパスフィルタとして動作させることができる。
　また、図６の周波数選択板において、各々のプラズマ励起電源１０による放電電流が異なるようにすれば、２列のセルグループ単位に通過位相が変わる。また、図７の周波数選択板において、各々のプラズマ励起電源１０による放電電流が異なるようにすれば、２列のセルグループ単位に通過位相が変わる。このため、この実施の形態４の周波数選択板は、トランスミットアレーアンテナに用いれば、電波を屈折させることが可能である。
　ここで、図１０はトランスミットアレーアンテナを示す概念図である。
　図１０の例では、各々の放電管における電波の通過位相を調整することで、任意の方向に電波を屈折させることができている。
　電波を屈折させるために、例えば、図６の周波数選択板を使用する際には、グレーティングローブが生じないように、放電管の配置間隔を設定する必要がある。
　以上で明らかなように、この実施の形態４の周波数選択板によれば、例えば、リフレクトアレーアンテナ及びトランスミットアレーアンテナにおいて、電波の伝搬方向を切り替える切替器として用いることができる。
実施の形態５．
　上記実施の形態４では、ｘ軸方向で隣りのセルが密着している例を示しているが、この実施の形態５では、ｘ軸方向で隣りのセル同士がキャパシタを介して接続されている例を説明する。
　図１１はこの発明の実施の形態５による周波数選択板を示す構成図である。図１１において、図１及び図６と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　キャパシタ１３は一端がセルグループＳＧ１，ＳＧ２，ＳＧ３（一方のセルグループ）に属しているセルの第２の金属板２と接続され、他端がセルグループＳＧ２，ＳＧ３，ＳＧ４（他方のセルグループ）に属しているセルの第１の金属板１と接続されている。
　キャパシタ１３の値は、入射される電波によって、例えば、セルグループＳＧ１に属しているセルの第２の金属板２に励起された高周波電流については、セルグループＳＧ２に属しているセルの第１の金属板１に流れるが、セルグループＳＧ１に接続されているプラズマ励起電源１０から供給された電流については、セルグループＳＧ２に流れない値に設定される。キャパシタ１１の値は、例えば、２０ｐＦに設定される。
　キャパシタ１３を接続する方法として、集中定数のチップ部品を接続する方法のほか、隣り合っているセルの金属板同士を一部重ね合わせることで、平行平板型のキャパシタを構成する方法などが挙げられる。
　図６の周波数選択板では、隣り合っているセルグループが密着しているため、例えば、セルグループＳＧ１に接続されているプラズマ励起電源１０から供給された電流が、セルグループＳＧ２に流れる。
　このため、図６の周波数選択板では、セルグループ単位に、通過電波の位相を切り替えることができるが、各々のセルグループにおける通過電波の位相を所望の位相に精度よく設定することが困難である。
　この実施の形態５では、プラズマ励起電源１０から供給された電流を遮断するキャパシタ１３を接続しているので、隣りのセルグループに接続されているプラズマ励起電源１０から供給された電流の影響を受けずに、セルグループ単位に、放電電流を容易に所望の放電電流に調整することができる。このため、各々のセルグループにおける通過電波の位相を所望の位相に設定することができる。
　これにより、細かい間隔で通過電波の位相を切り替えることが可能になる。つまり、細かい間隔で入射される電波の通過位相を切り替えることが可能になる。このため、この実施の形態５の周波数選択板を例えばトランスミットアレーアンテナに用いれば、電波を屈折させる際に鋭い指向性を得ることができる。
実施の形態６．
　上記実施の形態１では、位相切替部８の配線９の一端が第１の金属板１と接続され、配線９の他端が第２の金属板２と接続されている例を示している。この実施の形態６では、第１の金属板１と配線９の一端との間にインダクタ１４ａが設けられ、第２の金属板２と配線９の他端との間にインダクタ１４ｂが設けられている例を説明する。
　図１２はこの発明の実施の形態６による周波数選択板を示す構成図である。図１２において、図１と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　インダクタ１４ａは一端が第１の金属板１と接続され、他端が配線９の一端と接続されている。
　インダクタ１４ｂは一端が第２の金属板２と接続され、他端が配線９の他端と接続されている。
　図１３は図１２の周波数選択板を１つのセルとして、複数のセルが二次元に配置される例を示している。
　インダクタ１４ａの値は、入射される電波によって、第１の金属板１に励起された高周波電流については遮断されるが、プラズマ励起電源１０から供給された電流については流れる値に設定される。
　また、インダクタ１４ｂの値は、入射される電波によって、第２の金属板２に励起された高周波電流については遮断され、プラズマ励起電源１０から供給された電流については流れる値に設定される。
　この実施の形態６では、インダクタ１４ａ，１４ｂを接続している例を示しているが、高周波電流が遮断されて、プラズマ励起電源１０から供給された電流が流れるようにすることができればよく、例えば、インダクタ１４ａ，１４ｂの代わりに、抵抗を接続するようにしてもよい。
　図１の周波数選択板では、第１の金属板１及び第２の金属板２に励起された高周波電流が配線９に流れるため、配線９において、不要な共振が発生することがある。
　この実施の形態６では、第１の金属板１及び第２の金属板２に励起された高周波電流を遮断するインダクタ１４ａ，１４ｂが接続されているため、第１の金属板１及び第２の金属板２に励起された高周波電流が配線９に流れない。このため、配線９で発生する不要な共振を抑圧することができる。
　また、周波数選択板の動作周波数ｆ０が配線９の長さ及び這い回し方に依存しなくなる。
　以上で明らかなように、この実施の形態６によれば、第１の金属板１と配線９の一端との間にインダクタ１４ａが設けられ、第２の金属板２と配線９の他端との間にインダクタ１４ｂが設けられているように構成したので、配線９で発生する不要な共振を抑圧することができるとともに、配線９の這い回し方の自由度を高めることができる効果を奏する。
実施の形態７．
　この実施の形態７では、誘電体ケース４内を通過する電波の入射方向であるｚ軸方向に、二次元に配置されている複数のセルが多層化されている例を説明する。
　図１４はこの発明の実施の形態７による周波数選択板を示す構成図である。図１４において、図１及び図１３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　図１４は、図１３のＡ－Ａ’において、複数のセルが多層化されている場合の断面を表している。
　図１４では、層数が３層である例を示しているが、層数は３層に限るものではない。
　図１４の周波数選択板では、複数のセルが多層化されているため、＋ｚ軸方向から入射された電波が、各層のセルを通過する度に、設定されている位相量だけ、通過位相が変化する。
　このため、図１４の周波数選択板では、層数が１つの周波数選択板と比べて、設定可能な通過位相の範囲を広げることができる。
実施の形態８．
　この実施の形態８では、二次元に配置されている複数のセルを通過した電波を反射する反射板１５を備えている例を説明する。
　図１５はこの発明の実施の形態８による周波数選択板を示す構成図であり、図１６は図１５の周波数選択板におけるＡ－Ａ’断面図である。
　図１５及び図１６において、図１，６，７，１１，１３と同一符号は同一または相当部分を示すので説明を省略する。
　反射板１５は二次元に配置されている複数のセルの－ｚ軸方向に配置されており、複数のセルを通過した電波を反射する。
　＋ｚ軸方向から入射された電波は、二次元に配置されている複数のセルを通過する際、通過位相が変化する。
　複数のセルを通過した電波は、反射板１５によって反射される。
　反射板１５によって反射された電波は、再度、二次元に配置されている複数のセルに入射され、二次元に配置されている複数のセルを通過する際、通過位相が変化する。この通過位相を調整することで、反射される電波の伝搬方向を屈折させることができるため、例えば、リフレクトアレーアンテナとして使用することができる。
　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。
　この発明は、通過する電波の位相を切り替える周波数選択板に適している。
　１　第１の金属板、１ａ　第１の切欠き、２　第２の金属板、２ａ　第２の切欠き、３　スリット、４　誘電体ケース、５　電離性ガス、６　第１の電極、７　第２の電極、８　位相切替部、９　配線、１０　プラズマ励起電源（電源）、１１　キャパシタ、１２　グランド線、１３　キャパシタ、１４ａ，１４ｂ　インダクタ、１５　反射板、２０　スロット。

Claims (9)

  1. 　周囲の一部にスロットを形成するための第１の切欠きが施されている第１の金属板と、
    　周囲の一部にスロットを形成するための第２の切欠きが施されており、前記第２の切欠きが前記第１の切欠きと向かい合うように、前記第１の金属板と非接触の状態で配置されている第２の金属板と、
    　前記第１の切欠きと前記第２の切欠きとから形成されるスロット内に配置され、内部に電離性ガスを含んでいる誘電体ケースと、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第１の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第１の電極と、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第２の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第２の電極と、
    　前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に電圧を印加することで、前記電離性ガスをプラズマの状態に遷移させるとともに、前記電圧を可変することで、前記誘電体ケース内を通過する電波の位相を切り替える位相切替部と
    　を備えた周波数選択板。
  2. 　一端が前記第１の金属板と接続され、他端が前記第２の金属板と接続されているキャパシタを備えていることを特徴とする請求項１記載の周波数選択板。
  3. 　前記位相切替部は、
    　一端が前記第１の金属板と接続され、他端が前記第２の金属板と接続されている配線と、
    　前記配線の途中に設けられ、前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に電圧を印加するとともに、前記電圧を可変する電源とを備えていることを特徴とする請求項１記載の周波数選択板。
  4. 　前記第１の金属板と前記配線の一端との間にインダクタが設けられ、前記第２の金属板と前記配線の他端との間にインダクタが設けられていることを特徴とする請求項３記載の周波数選択板。
  5. 　周囲の一部にスロットを形成するための第１の切欠きが施されている第１の金属板と、
    　周囲の一部にスロットを形成するための第２の切欠きが施されており、前記第２の切欠きが前記第１の切欠きと向かい合うように、前記第１の金属板と非接触の状態で配置されている第２の金属板と、
    　前記第１の切欠きと前記第２の切欠きとから形成されるスロット内に配置され、内部に電離性ガスを含んでいる誘電体ケースと、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第１の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第１の電極と、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第２の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第２の電極と、
    　前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に電圧を印加することで、前記電離性ガスをプラズマの状態に遷移させるとともに、前記電圧を可変することで、前記誘電体ケース内を通過する電波の位相を切り替える位相切替部と
    　を備えたセルが一次元に複数配置されていることを特徴とする周波数選択板。
  6. 　周囲の一部にスロットを形成するための第１の切欠きが施されている第１の金属板と、
    　周囲の一部にスロットを形成するための第２の切欠きが施されており、前記第２の切欠きが前記第１の切欠きと向かい合うように、前記第１の金属板と非接触の状態で配置されている第２の金属板と、
    　前記第１の切欠きと前記第２の切欠きとから形成されるスロット内に配置され、内部に電離性ガスを含んでいる誘電体ケースと、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第１の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第１の電極と、
    　一端が前記電離性ガスと接し、他端が前記第２の金属板と接するように、前記誘電体ケースを貫通している第２の電極と
    　を備えたセルが二次元に複数配置され、
    　二次元に配置されている複数のセルのうち、同じ列に配置されている複数のセルに共通の位相切替部が設けられ、
    　前記位相切替部は、前記同じ列に配置されている複数のセルにおける前記第１の金属板と前記第２の金属板との間に電圧を印加することで、前記電離性ガスをプラズマの状態に遷移させるとともに、前記電圧を可変することで、前記同じ列に配置されている複数のセルにおける前記誘電体ケース内を通過する電波の位相を切り替えることを特徴とする周波数選択板。
  7. 　二次元に配置されている複数のセルのうち、同じ列に配置されている複数のセルを１つのセルグループとし、
    　複数のセルグループのうち、隣り合っているセルグループでは、一方のセルグループに属している複数のセルと、他方のセルグループに属している複数のセルとがキャパシタを介して接続されていることを特徴とする請求項６記載の周波数選択板。
  8. 　二次元に配置されている複数のセルが、前記誘電体ケース内を通過する電波の入射方向に多層化されていることを特徴とする請求項６記載の周波数選択板。
  9. 　二次元に配置されている複数のセルに形成されている前記誘電体ケース内を通過した電波を反射する反射板を備えていることを特徴とする請求項６記載の周波数選択板。
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