JP6379009B2 - Laminated metamaterial substrate - Google Patents
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Description
本発明は、同一形状の共振素子を周期的に配列することにより広い除去帯域を得る帯域除去基板技術に関するものである。 The present invention relates to a band elimination substrate technique for obtaining a wide elimination band by periodically arranging resonant elements having the same shape.
メタマテリアルは、波長に対し十分小さい微細な構造単位を周期的に配列し構成される構造体であり、その誘電率および透磁率を微細な構造単位および周期長の設計により変えることができ、完全レンズ、クローキング技術、アンテナ小型化等への応用が期待されている。メタマテリアルを構成する微小構造体の一例として共振素子があり、共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板は、電磁波の透過率を共振周波数で極小化する特徴を有し、その特徴を利用して帯域除去基板に応用することが考えられる(非特許文献1を参照)。 A metamaterial is a structure that is formed by periodically arranging fine structural units that are sufficiently small with respect to the wavelength. Its dielectric constant and permeability can be changed by designing the fine structural units and the periodic length. Applications to lenses, cloaking technology, antenna miniaturization, etc. are expected. An example of a microstructure that makes up a metamaterial is a resonant element, and a metamaterial substrate with two-dimensionally arranged resonant elements has the characteristic of minimizing the transmittance of electromagnetic waves at the resonant frequency. Therefore, it can be applied to a band elimination substrate (see Non-Patent Document 1).
共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板は、上記のように帯域除去特性を有するが、共振周波数が1点であるので、除去帯域は狭帯域となる。 A metamaterial substrate in which resonant elements are two-dimensionally arranged has band elimination characteristics as described above. However, since the resonance frequency is one point, the elimination band is narrow.
そこで、非特許文献1では、互いに形状の異なる共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板を積層することにより、除去帯域を広くする方法を提案する。 Therefore, Non-Patent Document 1 proposes a method of widening the removal band by laminating metamaterial substrates in which resonant elements having different shapes are two-dimensionally arranged.
しかし、この方法では、共振素子の形状種類分のフォトマスクが必要となるため、フォトマスクの製造工程・取り替え工程など、製造コストが増加するという課題を有する。 However, since this method requires a photomask corresponding to the shape type of the resonant element, there is a problem that the manufacturing cost increases, such as a photomask manufacturing process and a replacement process.
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、メタマテリアル基板を用いた帯域除去基板に同一形状の共振素子を用いて広い除去帯域を得る技術を提供することにある。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a technique for obtaining a wide removal band by using a resonance element having the same shape as a band removal substrate using a metamaterial substrate. There is.
上記の課題を解決するために、本発明は、2つの層が積層された積層メタマテリアル基板であって、前記2つの層の一方の層は、基板に形成された同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、前記一方の層と異なる他方の層は、前記一方の層に層間距離を隔てて前記基板または別の基板に形成され、前記共振素子と同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、前記積層メタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率が前記一方の層の共振素子と前記他方の層の共振素子との間で共振するアンチシンメトリックモードでの共振周波数とシンメトリックモードでの共振周波数の2つの共振周波数で極小値を呈するように構成され、前記積層された全ての層の前記共振素子は、同一形状で且つ同一寸法であることを特徴とする。
In order to solve the above-described problems, the present invention provides a laminated metamaterial substrate in which two layers are laminated, and one of the two layers is a substrate having a resonance element having the same shape formed on the substrate. The other layer different from the one layer is formed on the substrate or another substrate with an interlayer distance between the one layer and the same shape as the resonance element. Are regularly arranged in the vertical direction and the horizontal direction of the substrate, and the transmittance of electromagnetic waves incident on the laminated metamaterial substrate is between the resonant element of the one layer and the resonant element of the other layer. The resonance elements of all the stacked layers are configured to have a minimum value at two resonance frequencies, a resonance frequency in a resonating antisymmetric mode and a resonance frequency in a symmetric mode. Have the same dimensions And wherein the door.
本発明によれば、入射する電磁波の透過率が2つ以上の共振周波数で極小値を呈するので、同一形状の共振素子を用いた場合であっても、広い除去帯域を得ることができる。 According to the present invention, since the transmittance of the incident electromagnetic wave exhibits a minimum value at two or more resonance frequencies, a wide removal band can be obtained even when the resonance elements having the same shape are used.
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
図1は、本実施の形態に係る積層メタマテリアル基板1の利用形態を示す図である。図2は、積層メタマテリアル基板1の分解図である。図3は、積層メタマテリアル基板1を構成する基板11(12)の平面図である。 FIG. 1 is a diagram showing a usage pattern of the laminated metamaterial substrate 1 according to the present embodiment. FIG. 2 is an exploded view of the laminated metamaterial substrate 1. FIG. 3 is a plan view of the substrate 11 (12) constituting the laminated metamaterial substrate 1.
積層メタマテリアル基板1は、基板11、12を備え、各基板11、12には、同一形状の共振素子2が2次元に周期的に形成される。
The laminated metamaterial substrate 1 includes
基板11の共振素子2を層といい、基板12の共振素子2も同じく層というと、積層メタマテリアル基板1は、2つの層が積層された積層メタマテリアル基板であって、一方の層は、一方の基板11に形成された同一形状の共振素子2を複数備え、他方の層は、一方の層に層間距離tを隔てて別の基板12に形成され、同一形状の共振素子2を複数備えるものである。
When the
例えば、基板11における金属パターンのない面(裏面)に対し、基板12の金属パターンのある面(表面)が接する。この場合、層間距離tは、基板厚さに等しく、例えば、150μmである。
For example, the surface (front surface) having the metal pattern of the
積層メタマテリアル基板1は帯域除去基板であり、各層(各基板)はメタマテリアル基板ともいう。 The laminated metamaterial substrate 1 is a band removal substrate, and each layer (each substrate) is also referred to as a metamaterial substrate.
共振素子2は、基板上の金属パターンにより形成されるものであり、基板の縦方向と横方向に規則的に(例えば等間隔で)配置する。金属パターンの材料は、例えば銅であるが、他の材料を用いてもよい。共振素子2は同一形状なので、同じ基板を2枚製作し、これを基板11、12とすればよい。よって、基板のフォトマスクを共通化でき、その製造工程などを削減できる。
The
なお、金属パターンのない面同士(裏面同士)が接するようにしてもよい。または、基板11の表裏に金属パターンを設け、基板12を不要としてもよい。
In addition, you may make it the surfaces (back surfaces) without a metal pattern contact. Alternatively, a metal pattern may be provided on the front and back of the
kは電磁波Wの進行方向を示す軸、Hは電磁波Wの磁界変化の方向を示す軸、Eは電磁波Wの電界変化の方向を示す軸であり、他の図でも同じである。 k is an axis indicating the traveling direction of the electromagnetic wave W, H is an axis indicating the direction of the magnetic field change of the electromagnetic wave W, E is an axis indicating the direction of the electric field change of the electromagnetic wave W, and the same applies to other drawings.
積層メタマテリアル基板1は、入射する電磁波Wの全周波数帯域のうちの一部帯域(除去帯域という)だけ透過率を低下させるように構成される。 The laminated metamaterial substrate 1 is configured to reduce the transmittance only in a partial band (referred to as a removal band) of the entire frequency band of the incident electromagnetic wave W.
図4は、共振素子2の平面図である。図5は、共振素子2の等価回路の回路図である。
FIG. 4 is a plan view of the
共振素子2は、例えば、リング状の金属パターンを有し、中央部にギャップgが形成される。ギャップgの部分がキャパシタンスC、リング状の部分がインダクタンスLとして機能することで、積層メタマテリアル基板1は、電磁波Wと結合する。
The
ギャップgが広いとキャパシタンスCは小さく、共振周波数は高周波数の方向にシフトする。 When the gap g is wide, the capacitance C is small, and the resonance frequency shifts in the direction of high frequency.
リング状の部分の1辺の長さであるリングサイズrが大きいとインダクタンスLは大きく、共振周波数は低周波数の方向にシフトする。 If the ring size r, which is the length of one side of the ring-shaped portion, is large, the inductance L is large and the resonance frequency is shifted in the direction of low frequency.
共振素子2の並び方向とE軸方向(電界変化の方向)が平行である場合、共振素子2のパターン中の非対称性に起因して、共振素子2に周回電流が流れ、共振周波数において共振が発生し除去特性を有する。
When the arrangement direction of the
共振素子2は、上記のように、リング形状であり、ギャップgが形成され、入射する電磁波Wにより周回電流が流れることにより共振が発生する構造であれば、別の形状でもよい。
As described above, the
図6は、比較例として1層のみのメタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率の周波数特性を示す図である。 FIG. 6 is a diagram illustrating frequency characteristics of the transmittance of electromagnetic waves incident on a metamaterial substrate having only one layer as a comparative example.
ここでは、ギャップgを200μm、リングサイズrを700μm、共振素子2とその基台となる基板部分とを含めた単位構造体のサイズ(以下、単位構造体サイズという)を800μm、金属パターンの厚さを18μmとした。基板の比誘電率は2.2とした。共振素子2の並び方向とE軸方向(電界変化の方向)は平行であり、基板面とk軸方向(電磁波の進行方向)は垂直であることとした。このような条件で、電磁波の透過率をシミュレーションで求めた。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が2.2の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を2.2としている。
Here, the gap g is 200 μm, the ring size r is 700 μm, the size of the unit structure including the
この条件で透過率は、約70GHz(共振周波数)で極小値を1つ呈する。つまり、共振が発生する周波数は1つであるため、除去帯域は狭帯域となる。 Under this condition, the transmittance exhibits one minimum value at about 70 GHz (resonance frequency). That is, since the frequency at which resonance occurs is one, the removal band is a narrow band.
図7は、積層メタマテリアル基板1に入射する電磁波Wの透過率の周波数特性を示す図である。図8は、積層メタマテリアル基板1におけるアンチシンメトリックモード(ω-)とシンメトリックモード(ω+)での周回電流を示す図である。 FIG. 7 is a diagram illustrating the frequency characteristics of the transmittance of the electromagnetic wave W incident on the laminated metamaterial substrate 1. FIG. 8 is a diagram illustrating the circulating currents in the antisymmetric mode (ω − ) and the symmetric mode (ω + ) in the laminated metamaterial substrate 1.
図7では、実線が積層メタマテリアル基板1のものであり、破線は図6に示した1層のみの場合のものである。 In FIG. 7, the solid line is for the laminated metamaterial substrate 1, and the broken line is for only one layer shown in FIG.
積層メタマテリアル基板1でも、ギャップgを200μm、リングサイズrを700μm、単位構造体サイズを800μm、金属パターンの厚さを18μmとした。基板の比誘電率は2.2とした。層間距離tは、150μmとした。このような条件で、電磁波の透過率をシミュレーションで求めた。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が2.2の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を2.2としている。 Also in the laminated metamaterial substrate 1, the gap g was 200 μm, the ring size r was 700 μm, the unit structure size was 800 μm, and the thickness of the metal pattern was 18 μm. The relative dielectric constant of the substrate was 2.2. The interlayer distance t was 150 μm. Under such conditions, the transmittance of electromagnetic waves was obtained by simulation. For simplification of calculation, it is assumed that the metal pattern is inside the dielectric substrate having a relative dielectric constant of 2.2, and the analysis space at the time of simulation has a relative dielectric constant of 2.2.
この条件で透過率は、アンチシンメトリックモード(ω-)での共振の共振周波数と、シンメトリックモード(ω+)での共振の共振周波数の2周波数で極小値を呈し、両周波数の間の帯域についても二つの共振モードの結合により、低透過率となる。つまり、除去帯域は、1層のみの場合よりも広くなる。 Under this condition, the transmittance exhibits a minimum value at two frequencies, the resonance frequency of resonance in the antisymmetric mode (ω − ) and the resonance frequency of resonance in the symmetric mode (ω + ). The band also has a low transmittance due to the coupling of the two resonance modes. In other words, the removal band is wider than in the case of only one layer.
基板11、12の共振素子2が相互結合することにより、各共振素子2には、周回電流が流れる。
When the
図8(a)に示すように、アンチシンメトリックモード(ω-)では、基板11の共振素子2を流れる周回電流の向きと基板12の共振素子2を流れる周回電流の向きが互いに異なる。よって、基板間では、斥力が発生する。
As shown in FIG. 8A, in the antisymmetric mode (ω − ), the direction of the circulating current flowing through the
図8(b)に示すように、シンメトリックモード(ω+)では、基板11の共振素子2を流れる周回電流の向きと基板12の共振素子2を流れる周回電流の向きが同じである。よって、基板間では、引力が発生する。
As shown in FIG. 8B, in the symmetric mode (ω + ), the direction of the circulating current flowing through the
斥力と引力の発生により、アンチシンメトリックモード(ω-)とシンメトリックモード(ω+)では、エネルギー差が形成される。図7の共振周波数の違いは、このエネルギー差によるものと考えられる。 Due to the generation of repulsive force and attractive force, an energy difference is formed between the antisymmetric mode (ω − ) and the symmetric mode (ω + ). The difference in resonance frequency in FIG. 7 is considered to be due to this energy difference.
図9は、層間距離tを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。 FIG. 9 is a diagram showing the frequency characteristics of transmittance when the interlayer distance t is changed.
図は、層間距離tを50μm、250μm、500μm、1000μmとした場合の各透過率と、1層のみの場合の透過率とを示す。ギャップgは200μm、リングサイズrは700μm、単位構造体サイズは800μm、金属パターンの厚さは18μmとした。基板の比誘電率は2.2とした。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が2.2の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を2.2としている。 The figure shows each transmittance when the interlayer distance t is 50 μm, 250 μm, 500 μm, and 1000 μm, and the transmittance when there is only one layer. The gap g was 200 μm, the ring size r was 700 μm, the unit structure size was 800 μm, and the thickness of the metal pattern was 18 μm. The relative dielectric constant of the substrate was 2.2. For simplification of calculation, it is assumed that the metal pattern is inside the dielectric substrate having a relative dielectric constant of 2.2, and the analysis space at the time of simulation has a relative dielectric constant of 2.2.
層間距離tが1000μmの場合の透過率は、2つの共振周波数で極小値を呈するが、周波数差が小さい。 The transmittance when the interlayer distance t is 1000 μm exhibits a minimum value at two resonance frequencies, but the frequency difference is small.
しかし、層間距離tが単位構造体サイズより短い場合には、層間距離tが短くなるに従い、周波数差は広くなる。これは、上記のエネルギー差が大きくなるためである。 However, when the interlayer distance t is shorter than the unit structure size, the frequency difference becomes wider as the interlayer distance t becomes shorter. This is because the energy difference is increased.
図10は、ギャップg、リングサイズrを変化させた場合の2つの共振周波数を示す図である。 FIG. 10 is a diagram showing two resonance frequencies when the gap g and the ring size r are changed.
層間距離tは、150μmとした。アンチシンメトリックモード(ω-)での共振周波数とシンメトリックモード(ω+)での共振周波数の間隔は、つまり、除去帯域の帯域幅に対応するものであり、これは、リングサイズrを変化させた場合よりも、ギャップgを変化させた場合の方が大きく変化する。 The interlayer distance t was 150 μm. The spacing between the resonant frequency in the antisymmetric mode (ω − ) and the resonant frequency in the symmetric mode (ω + ) corresponds to the bandwidth of the rejection band, which changes the ring size r. The change is greater when the gap g is changed than when the gap is changed.
一方、アンチシンメトリックモード(ω-)での共振周波数とシンメトリックモード(ω+)での共振周波数の中間点の周波数は、つまり、除去帯域の中心周波数であり、これは、ギャップgを変化させた場合よりも、リングサイズrを変化させた場合の方が大きく変化する。 On the other hand, the frequency at the midpoint between the resonance frequency in the antisymmetric mode (ω − ) and the resonance frequency in the symmetric mode (ω + ), that is, the center frequency of the removal band, which changes the gap g When the ring size r is changed, the change is greater than when the ring size is changed.
よって、リングサイズrは、所望の中心周波数(除去帯域の中心の周波数)に応じたものとし、ギャップgは、所望の除去帯域の広さに応じたものとすればよい。つまり、共振素子2の形状が同じであっても、ギャップgやリングサイズrを変えることにより、様々な除去帯域の積層メタマテリアル基板1を得ることができる。
Therefore, the ring size r may be set according to a desired center frequency (frequency at the center of the removal band), and the gap g may be set according to the width of the desired removal band. That is, even if the shape of the
図11は、ギャップg、リングサイズrを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。 FIG. 11 is a diagram showing the frequency characteristics of transmittance when the gap g and the ring size r are changed.
層間距離tは、150μmで共通であるが、ギャップg、リングサイズrを変えることで、除去帯域の広さや中心周波数の異なる様々な積層メタマテリアル基板1を得ることができる。 The interlayer distance t is common at 150 μm, but by changing the gap g and the ring size r, various stacked metamaterial substrates 1 having different removal bands and different center frequencies can be obtained.
(変形例)
上記の実施の形態では、層数を2としたが、層数は3以上でもよい。層数を増やすことで、共振モードの数が増え、共振周波数の数を増やすことができる。これにより、層数が2の場合に比べ、除去帯域を広げることができる。また、除去帯域が重複している帯域においては透過率をより低くすることができる。
(Modification)
In the above embodiment, the number of layers is two, but the number of layers may be three or more. By increasing the number of layers, the number of resonance modes increases and the number of resonance frequencies can be increased. Thereby, a removal zone | band can be expanded compared with the case where the number of layers is two. Further, the transmittance can be further lowered in the band where the removal band is overlapped.
また、層数を増やすと、層間距離tが複数となるため、複数の層間距離tを異なる値となるよう積層構成としても良い。 Further, when the number of layers is increased, the interlayer distance t becomes a plurality, so that a plurality of interlayer distances t may have different values.
また、積層メタマテリアル基板の各層の配置を、共振素子が配列されている面内方向に互いにずらして製造しても良い。例えば2層の積層メタマテリアル基板のうち1層を、図1のH方向にずらして積層すると、ずれが大きい程2つの共振モードの周波数差が大きくなる。 Further, the arrangement of the layers of the laminated metamaterial substrate may be manufactured by shifting each other in the in-plane direction in which the resonant elements are arranged. For example, when one of the two layers of the laminated metamaterial substrate is laminated while being shifted in the H direction in FIG. 1, the frequency difference between the two resonance modes increases as the deviation increases.
また、共振素子2におけるギャップgの部分に容量素子(部品)を設けることで、ギャップgの部分が同一形状であっても、ギャップgの部分のキャパシタンスCを変えることができる。容量素子のキャパシタンスを可変とすることで、積層メタマテリアル基板1の製造後であっても、ギャップgの部分のキャパシタンスを変えられるので、製造後であっても、除去帯域を変えることができる。
Further, by providing a capacitive element (component) in the gap g portion of the
また、リング状の部分にインダクタンス素子(部品)を設けることで、リングの形状が同一であっても、リング状の部分のインダクタンスLを変えることができる。インダクタンス素子のインダクタンスを可変とすることで、積層メタマテリアル基板1の製造後であっても、リング状の部分のインダクタンスを変えられるので、製造後であっても、除去帯域を変えることができる。 Further, by providing an inductance element (component) in the ring-shaped part, the inductance L of the ring-shaped part can be changed even if the ring shape is the same. By making the inductance of the inductance element variable, the inductance of the ring-shaped portion can be changed even after the laminated metamaterial substrate 1 is manufactured, so that the removal band can be changed even after the manufacture.
また、キャパシタンスCやインダクタンスLなどのパラメータを変えることにより、最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の差である周波数帯域あるいは最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の中間の周波数である中心周波数を変化させることができる。 Also, by changing parameters such as capacitance C and inductance L, the frequency band that is the difference between the highest resonance frequency and the lowest resonance frequency or the center frequency that is the intermediate frequency between the highest resonance frequency and the lowest resonance frequency is changed. Can be made.
1 積層メタマテリアル基板
2 共振素子
11、12 基板(メタマテリアル基板)
g ギャップ
r リングサイズ
t 層間距離
W 電磁波
1 Laminated
g Gap r Ring size t Interlayer distance W Electromagnetic wave
Claims (4)
前記2つの層の一方の層は、基板に形成された同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、
前記一方の層と異なる他方の層は、前記一方の層に層間距離を隔てて前記基板または別の基板に形成され、前記共振素子と同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、
前記積層メタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率が前記一方の層の共振素子と前記他方の層の共振素子との間で共振するアンチシンメトリックモードでの共振周波数とシンメトリックモードでの共振周波数の2つの共振周波数で極小値を呈するように構成され、
前記積層された全ての層の前記共振素子は、同一形状で且つ同一寸法である
ことを特徴とする積層メタマテリアル基板。 A laminated metamaterial substrate in which two layers are laminated,
In one of the two layers, the same-shaped resonant elements formed on the substrate are regularly arranged in the vertical and horizontal directions of the substrate,
The other layer, which is different from the one layer, is formed on the substrate or another substrate with an interlayer distance between the one layer, and a resonant element having the same shape as the resonant element is arranged in the vertical and horizontal directions of the substrate. Placed
The resonance frequency in the antisymmetric mode and the resonance frequency in the symmetric mode in which the transmittance of the electromagnetic wave incident on the laminated metamaterial substrate resonates between the resonance element of the one layer and the resonance element of the other layer. Are configured to exhibit local minimum values at two resonance frequencies of
The laminated metamaterial substrate, wherein the resonant elements of all the laminated layers have the same shape and the same dimensions.
各層の共振素子との間で生じる1以上のアンチシンメトリックモードと1以上のシンメトリックモードにより得られる共振モードの数と等しい数の共振周波数で極小値を呈するように構成される
ことを特徴とする請求項1記載の積層メタマテリアル基板。 Comprising three or more layers,
It is configured to exhibit a minimum value at a number of resonance frequencies equal to the number of resonance modes obtained by one or more antisymmetric modes and one or more symmetrical modes generated between the resonance elements of each layer. The laminated metamaterial substrate according to claim 1.
ことを特徴とする請求項1または2記載の積層メタマテリアル基板。 The laminated metamaterial substrate according to claim 1, wherein at least one of a capacitive element and an inductance element is provided in the resonant element.
ことを特徴とする請求項3記載の積層メタマテリアル基板。 At least one of the capacitive element and the inductance element is a variable element, and by changing a parameter, a frequency band that is a difference between the highest resonance frequency and the lowest resonance frequency or an intermediate between the highest resonance frequency and the lowest resonance frequency. 4. The laminated metamaterial substrate according to claim 3, wherein a center frequency that is a frequency of the frequency is changed.
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