CN115461930A - 波动控制介质、波动控制元件、波动控制装置、以及制造波动控制介质的方法 - Google Patents

波动控制介质、波动控制元件、波动控制装置、以及制造波动控制介质的方法 Download PDF

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CN115461930A CN202180030946.0A CN202180030946A CN115461930A CN 115461930 A CN115461930 A CN 115461930A CN 202180030946 A CN202180030946 A CN 202180030946A CN 115461930 A CN115461930 A CN 115461930A
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梅津畅彦
山田笃
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Abstract

本发明提供能够控制波动、同时实现超材料等的尺寸减小和带宽增加的波动控制介质。波动控制介质(10)通过组合至少两个以螺旋结构形成的三维微结构体的线圈(11)和线圈(12)来形成，并具有电容器和电感器的功能，所述三维微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中任一种或从这些材料的多种组合中选择的材料。线圈(11)和线圈(12)在相互面对的线圈(11)的侧面和线圈(12)的侧面之间形成电容器，并且通过由具有螺旋结构的线圈(11)和线圈(12)形成三维多共鸣结构来形成电感器。

Description

波动控制介质、波动控制元件、波动控制装置、以及制造波动 控制介质的方法
技术领域
本技术涉及使用波动控制介质等的技术，更具体地说，涉及使用人工结构体控制波动的技术。
背景技术
传统上，已经提出了使用具有诸如负的折射率等特性的超材料对包括无线电波、光波和声波的各种波进行反射、屏蔽、吸收、相位调制等。这里，超材料是指产生无法由自然界中存在的物质展现的功能的人工结构体。超材料被设计为通过按照与波长相比足够短的间隔对例如金属、介电材料、磁性材料、半导体或超导体等单元微结构体进行排列，使其展示无法以自然方式产生的特性。由此产生的超材料可以通过控制介电常数和磁导率来控制电磁波等的波动。
作为超材料的单元结构体的波动控制介质通常具有约1/10波长的尺寸，并通过使其形成具有约几个单元结构体的阵列结构来展现功能。当处理诸如微波或者在可视听范围内的声波等具有长波长的波时，超材料的结构也会根据波长而扩大，并且需要大的占地面积。当这种波动由小型电子设备处理时，这成为问题。
此外，由于超材料的工作原理是基于由于波动和结构之间的相互作用而产生的共振现象，因此超材料的响应强度在共振频率以外的频率处迅速减小，并且超材料仅提供窄带的响应。在同时处理宽带频率的情况下，这成为问题。
因此，鉴于上述问题，为了实现超材料的实用化，希望同时实现超材料的尺寸减小和带宽增加。
作为尺寸减小的解决方案，例如，专利文献1提出了一种超材料，其包括：多个第一共振器，每个第一共振器相对于预定波长产生负的介电常数，并且具有内部空间；多个第二共振器，每个第二共振器产生相对于所述预定波长的负的磁导率；以及用于固定所述第一共振器和所述第二共振器的位置的支撑构件，其中所述支撑构件将每个所述第二谐共振器固定在所述多个第一共振器的内部，并且固定所述多个第一共振器以使得所述多个第一振振器在空间上连续。
此外，作为带宽增加的解决方案，例如，专利文献2提出了一种超材料装置，其设有包括条形电介质的网格结构，以代替包括条形导体的网格结构。
引文列表
专利文献
专利文献1：国际公开第2010/026907号
专利文献2：日本专利申请公开号2017-152959
发明内容
发明要解决的问题
然而，专利文献1和专利文献2中描述的技术没有提出同时满足超材料的尺寸减小和带宽增加的解决方案，因此，希望进一步开发作为同时满足这些要求的超材料的单元结构体的波动控制介质。
有鉴于此，本技术的主要目的是提供一种波动控制介质，其能够控制波动，同时实现超材料等的尺寸减小和带宽增加。
问题的解决方案
本技术提供了一种波动控制介质，其包括组合的至少两个三维微结构体，每个三维微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料，所述波动控制介质具有电容器和电感器的功能。
此外，每个三维微结构体可以被形成为螺旋结构。每个三维微结构体可以被形成为多层结构。所述至少两个三维微结构体可以被形成为其中所述至少两个三维微结构体彼此卷绕、同时彼此面对而不相互接触的连续结构。每个三维微结构体可以被形成为圆锥形状。三维微结构体中的至少一个可以被形成为线形状、板形状和球体形状中的任何一种。
此外，本技术提供了一种波动控制元件，其中波动控制介质以阵列结构集成，或者多个波动控制介质分散布置。本技术还可以提供包括波动控制介质的波动控制元件，其中纵向方向上的距离小于波动波长的1/10，并且响应的分数带宽为30％或更多。
此外，本技术提供了一种波动控制装置，包括超材料，所述超材料包括波动控制介质。本技术还提供了一种波动控制装置，包括电磁波吸收和/或屏蔽构件，所述电磁波吸收和/或屏蔽构件包括超材料。此外，本技术提供了一种波动控制装置，包括传感器，所述传感器包括电磁波吸收和/或屏蔽构件。
此外，本技术提供了一种波动控制装置，包括电磁波导，所述电磁波导包括波动控制介质。此外，本技术提供了一种波动控制装置，包括运算元件，所述运算元件包括电磁波导。此外，本技术提供了一种使用波动控制介质执行发送/接收或者光接收/光发射的波动控制装置。
此外，本技术提供了一种用于制造波动控制介质的方法，所述方法包括通过利用有机物的自组装的分子模板，将微结构体形成三维结构，所述微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料。
发明效果
本技术可以提供一种波动控制介质，其能够控制波动，同时实现超材料等的尺寸减小和带宽增加。应当注意，上述效果不一定是限制性的，并且可以与上述效果一同提供或代替上述效果提供在本说明书中描述的任何效果或可以从本说明书获得的其他效果。
附图说明
图1是示出根据本技术第一实施方式的波动控制介质的三维微结构体的配置示例的透视图。
图2是示出根据本技术第一实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图3是示出根据本技术第一实施方式的修改示例的波动控制介质的配置示例的透视图。
图4是示出根据本技术第二实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图5是示出根据本技术第二实施方式的波动控制介质的配置示例的横截面图。
图6是示出根据本技术第三实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图7是示出根据本技术第四实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图8是示出根据本技术第五实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图9是示出根据本技术第五实施方式的修改示例的波动控制介质的配置示例的透视图。
图10是示出根据本技术第五实施方式的波动控制介质的另一修改示例的配置示例的透视图。
图11是示出根据本技术第六实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图12是示出根据本技术第六实施方式的波动控制介质的修改示例的配置示例的透视图。
图13是示出根据本技术第七实施方式的波动控制介质的配置示例的透视图。
图14是示出根据本技术第八实施方式的电磁波吸收构件的配置示例的横截面图。
图15是示出根据本技术第八实施方式的电磁波吸收构件的配置示例的透视图。
图16是示出根据本技术第九实施方式的波导的配置示例的横截面图。
图17是示出根据本技术第九实施方式的波导的修改示例的配置示例的横截面图。
图18是说明具有根据本技术的波动控制介质的超材料的分数带宽的图。
具体实施方式
下文将参考附图描述用于实施本技术的优选方式。下面描述的实施方式示出了本技术的代表性实施方式的示例，并且可以组合任何实施方式。此外，本技术的范围并非由这些实施方式狭义地解释。注意，将按以下顺序进行描述。
1.第一实施方式(多线圈型)
(1)超材料概述
(2)波动控制介质10的配置示例(多线圈型1)
(3)制造波动控制介质10的方法的示例
(4)修改示例(多线圈型2)
2.第二实施方式(同轴电缆型)
3.第三实施方式(双螺旋型)
4.第四实施方式(圆锥型)
5.第五实施方式(与线结构的组合)
(1)多个结构体的组合
(2)波动控制介质50的配置示例
(3)波动控制介质50的修改示例1
(4)波动控制介质50的修改示例2
6.第六实施方式(与板结构的组合)
(1)波动控制介质80的配置示例
(2)波动控制介质80的修改示例
7.第七实施方式(与球体结构的组合)
8.第八实施方式(电磁波吸收构件)
9.第九实施方式(电磁波导)
(1)电磁波导120的配置示例
(2)电磁波导120的修改示例
10.分数带宽
11.其他应用
1.第一实施方式(多线圈型)
(1)超材料概述
首先，将描述超材料的概述，所述超材料具有波动控制介质，所述波动控制介质是用于控制诸如电磁波或声波等的介质的单元结构体。
超材料例如通过在介电材料中排列单元结构体来构成，每个单元结构体具有与电磁波的波长相比足够小的尺寸，并且内部具有共振器。注意，超材料的单元结构体(共振器)之间的间隔被设置为所使用的电磁波的波长的约1/10或更少，或者约1/5或更少。
由于上述配置，可以人为地控制超材料的介电常数ε和/或磁导率μ，并且可以人为地控制超材料的折射率n(＝±[ε·μ]1/2)。具体而言，可以通过适当地调整单元结构体的例如形状、尺寸等以同时实现负的介电常数和负的磁导率，将超材料设置为相对于具有期望波长的电磁波展现负的折射率。
同时，超材料的共振(操作)频率ω由在根据LC电路理论将超材料描述为电路的情况下的电感L和电容C确定，并且电感L和容量C越大，共振频率越低。也就是说，当提供具有大的电感L和电容C的高密度结构时，即使尺寸很小的超材料也可以对具有长波长(＝低频率)的波起到作用。
有鉴于此，为了实现上述超材料的实用化，本实施方式将描述作为能够同时实现超材料的尺寸减小和带宽增加的超材料的单元结构体的波动控制介质的配置及其制造方法的示例。
(2)波动控制介质10的配置示例(多线圈型1)
首先，将参考图1描述根据本技术第一实施方式的波动控制介质10的三维微结构体的配置示例(多线圈型1)。图1是示出根据本实施方式的多线圈型1的波动控制介质10的三维微结构体的配置示例的透视图。根据本实施方式的波动控制介质10是超材料的单元结构体，并且可以控制诸如电磁波或声波等的波动。
如图1所示，波动控制介质10包括线圈11和线圈12，线圈11和线圈12的每一个是以螺旋结构形成的三维微结构体。波动控制介质10具有细线双螺旋结构，其中线圈12与线圈11的外侧面对且平行于线圈11卷绕。波动控制介质10不限于具有双线圈结构，并且可以具有包括三个或更多线圈的多线圈结构。在应用具有三个或更多线圈的多线圈结构的情况下，各线圈不限于以相互平行的方式彼此面对，并且只要它们彼此不直接接触，可以位于任何位置。
线圈11和线圈12可以使用细铜线或者包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料的类似物来形成。线圈11和线圈12的材料不一定相同，并且可以彼此不同。此外，线圈11和线圈12在相互面对的线圈11的侧面和线圈12的侧面之间形成电容器，并且通过由具有螺旋结构的线圈11和线圈12形成三维多共鸣结构来形成电感器。
接下来，将参考图2描述根据本实施方式的波动控制介质10的配置示例。图2A是示出根据本实施方式的多线圈型1的波动控制介质10的配置示例的透视图。图2B是示出波动控制介质10的配置示例的侧视图，图2C是示出波动控制介质10配置示例的平面图。
如图2A所示，波动控制介质10包括形成为平行卷绕的双螺旋结构的线圈11和线圈12，以及形成为基板或长方体、并且经由匹配元件13连接到线圈11和线圈12的基座部分14。匹配元件13布置在基座部分14的与线圈11和线圈12面对的整个表面上。
可用于匹配元件13的元件的示例包括铜板、树脂、用作电阻的损耗型电阻元件、以及用作电容器和电感器的电路型元件，等等。此外，可用于基座部分14的材料的示例包括树脂或介电材料。
如图2B所示，线圈11和线圈12的整体高度L1优选为入射波动波长的1/100到1/2，线圈11与线圈12之间的在相对于基座部分14的表面的水平方向上的宽度S1优选为入射波动波长的1/1000到1/10。波动控制介质10具有如下结构：其中，线圈11和线圈12中的每一个具有等效于电抗的功能、以及由于宽度S1的间隔而等效于电容器的功能。
此外，如图2C所示，线圈11和线圈12的一圈的直径D1优选为入射波动波长的1/100到1/2，并且线圈11和线圈12中的每一个的细线的宽度d1优选为入射波动波长的1/1000到1/100。
根据本实施方式的波动控制介质10通过应用包括相对的多根导体细线的三维多线圈结构来作为超材料的单元微结构体，提供了一种同时实现尺寸减小和带宽增加的解决方案。
众所周知，具有三维线圈结构的超材料，与具有等于该超材料的线圈长度的波长的波、以及具有等于其常数分之一的波长的较短波发生共振，并表现出其中多个共振峰宽范围结合的宽带特性。此外，超材料结构的尺寸与波长之间的关系取决于当将超材料结构视为等效电路时的电感和电容，并且超材料具有的电感和电容越大，该超材料就可以变得越小。
波动控制介质10使三维线圈结构多重化以增加电感，并且通过在细线之间形成电容器来增加电容。因此，根据波动控制介质10，可以实现通过细密结构减小尺寸且通过三维多共鸣结构而具有宽带特性的超材料。此外，通过波动控制介质10中包括的匹配元件13，波动控制介质10可以缓和整体的阻抗值的变化，并且能够吸收基座部分14内的反射波。因此，波动控制介质10可以吸收和控制波动。
此外，根据波动控制介质10，可以大大减小使用波动控制介质10的波动控制元件(天线、透镜、扬声器等)的尺寸。此外，根据波动控制介质10，能够实现天然材料无法实现的完全屏蔽、吸收、整流、滤波等新功能。此外，除了电磁波之外，波动控制介质10还可以在诸如光波和声波等广泛的领域中展现上述效果。具体而言，波动控制介质10可以在具有长波长和宽带的领域中展现效果。
(3)用于制造波动控制介质10的方法的示例
接下来，将描述根据本实施方式的用于制造波动控制介质10的方法的示例。
作为示例，可以通过分子模板方法(molecular template method)制造波动控制介质10。这里，分子模板方法是指使用从有机物(人造/生物聚合物、纳米粒子、液晶分子等)获得的微细且复杂的结构体作为模板，形成包括金属、介电材料、磁性材料、半导体、超导体等中的任何一种、或者从这些材料的多种组合中选择的材料的微结构体的方法。作为分子模板方法，主要已知下述的两种方法。
第一种方法是对有机物的结构体执行电镀等涂覆的方法。第二种方法是使用预先引入了金属或氧化物等前体的有机物形成结构体、且通过对该结构体执行烧成、氧化还原等以将所述前体转化为金属、氧化物等的方法。
在本实施方式中，通过使用有机物制成的三维螺旋结构作为模板，对其应用电解镀或无电解镀，来制作形成为具有金属螺旋结构的线圈11和线圈12的波动控制介质10。在波动控制介质10的制造过程中，可以通过利用有机物的自组装(self-assembly)，以三维细密结构形成线圈11和线圈12。根据本实施方式的制造方法，可以容易地制造难以通过常规方法制造的具有复杂且微细的三维微结构体的波动控制介质10。
注意，可以通过在对诸如介电材料等的基板上制成的金属膜进行蚀刻之后、使用金属图案由于应力而产生的偏转来形成三维螺旋结构的方法，来制造波动控制介质10。
(4)修改示例(多线圈型2)
接下来，将参考图3描述根据本实施方式的修改示例的波动控制介质15的配置示例。图3A是示出根据本实施方式的修改示例的多线圈型2的波动控制介质15的配置示例的透视图。图3B是示出波动控制介质15的配置示例的侧视图，图3C是示出波动控制介质15配置示例的平面图。与根据本实施方式的波动控制介质10类似，波动控制介质15是超材料的单元结构体。
如图3A所示，波动控制介质15包括以其中线圈16和线圈17彼此端部存在位移且垂直重叠的双螺旋结构形成的线圈16和线圈17，以及形成为基板或长方体、且经由匹配元件18连接到线圈16和线圈17的基座部分19。匹配元件18布置在基座部分19的与线圈16和线圈17面对的整个表面上。
如图3B所示，线圈16和线圈17的整体高度L2优选为入射波动波长的1/100到1/2，并且线圈16和线圈17之间的在相对于基座部分19的表面的垂直方向上的宽度S2优选为入射波动波长的1/1000到1/10。波动控制介质15具有如下结构：其中，线圈16和线圈17中的每一个具有等效于电抗的功能、以及由于宽度S2的间隔而具有等效于电容器的功能。
此外，如图3C所示，线圈16和线圈17的一圈的直径D2优选为入射波动波长的1/100到1/2，线圈16与线圈17中的每一个的细线的宽度d2优选为入射波动波长的1/1000到1/100。此外，线圈16的端部和线圈17的端部在螺旋方向(圆周方向)上的位移在以一圈的中心角θ表示时，优选为1°到90°。
线圈16和线圈17的材料不一定相同，并且可以彼此不同。此外，线圈16和线圈17在相互面对的线圈16的下表面和线圈17的上表面之间形成电容器，并且通过由线圈17的螺旋结构形成三维多共鸣结构，来形成电感器。
波动控制介质15使三维线圈结构多重化，以增加电感，并且通过在细线之间形成电容器，来增加电容。因此，根据波动控制介质15，可以实现具有通过细密结构减小尺寸且通过三维多共鸣结构而具有更宽频带的特性的超材料。此外，与波动控制介质10类似，波动控制介质15可以通过具有匹配元件18，来吸收和控制波动。
2.第二实施方式(同轴电缆型)
接下来，将参考图4和图5描述根据本技术第二实施方式的波动控制介质20的配置示例。图4A是示出根据本实施方式的同轴电缆型的波动控制介质20的配置示例的透视图。
图4B是示出波动控制介质20的配置示例的侧视图，并且图4C是示出波动控制介质20的配置示例的平面图。图5是示出了波动控制介质20的三维结构体的配置示例的横截面图。与第一实施方式类似，根据本实施方式的波动控制介质20是超材料的单元结构体。
如图4A所示，波动控制介质20包括以螺旋结构形成的线圈22，以及形成为基板或长方体、且经由匹配元件23连接到线圈22的基座部分24。线圈22具有内部空间，在该内部空间中布置有线圈21，在线圈21和线圈22之间设置有间隙或树脂。匹配元件23布置在基座部分24的与线圈22面对的的整个表面上。
如图4B所示，线圈22的整体高度L3优选为入射波动波长的1/100到1/2，并且线圈21和线圈22之间的间隙G或树脂的宽度S3优选为入射波动波长的1/1000到1/10。波动控制介质20具有如下结构：其中，线圈21和线圈22中的每一个具有等效于电抗的功能、以及由于宽度S3的间隔而具有等效于电容器的功能。
此外，如图4C所示，线圈21和线圈22的一圈直径D3优选为入射波动波长的1/100到1/2，并且线圈21和22中的每一个的细线的宽度d3优选地为入射波动波长的1/1000到1/100。
如图5所示，波动控制介质20的三维结构体以同轴电缆型形成。波动控制介质20例如以具有如下形状的双层结构(多层结构)形成：其中，作为如根据第一实施方式的波动控制介质10那样以螺旋结构形成的三维微结构体的线圈21的外侧面由线圈22的内侧面覆盖，两者之间间隔了微细的间隙G或树脂。波动控制介质20整体上具有单线圈结构，但是具有由线圈22、和内藏于线圈22中的线圈21形成的两个三维微结构体。注意，波动控制介质20不限于具有双层结构，并且可以具有三层或更多层的多层结构。此外，波动控制介质20不限于整体上的单线圈结构，并且可以具有包括两个或更多线圈结构的多线圈结构。
线圈21和线圈22由细线构成。线圈21和线圈22在相互面对的线圈21的外侧面和线圈22的内侧面之间形成电容器，并且通过由具有螺旋结构的线圈21和线圈22形成三维多共鸣结构来形成电感器。
波动控制介质20通过使三维线圈结构多层化，来增加电感，并且通过在细线的线圈21的外侧面和细线的线圈22的内侧面之间形成电容器，来增加电容。因此，根据波动控制介质20，与第一实施方式类似，可以实现通过细密结构减小尺寸且通过三维多共鸣结构而具有宽带特性的超材料。
3.第三实施方式(双螺旋型)
接下来，将参考图6描述根据本技术第三实施方式的波动控制介质30的配置示例。图6是示出根据本实施方式的双螺旋型的波动控制介质30的配置示例的透视图。与第一实施方式类似，根据本实施方式的波动控制介质30也是超材料的单元结构体。
如图6所示，波动控制介质30以双螺旋型形成。在这里，双螺旋是指其中两个线圈彼此卷绕、同时彼此面对而不相互接触的连续结构。波动控制介质30包括均为三维微结构体的线圈31和线圈32，并且形成其中线圈31和32彼此卷绕、同时彼此面对而不相互接触的连续的三维结构。注意，波动控制介质30不限于具有包括双线圈的双螺旋，并且可以具有包括三个或更多线圈的多线圈结构的螺旋。
线圈31和线圈32由细线形成。线圈31和线圈32在相互面对的线圈31的侧面和线圈22的侧面之间形成电容器，并且通过由连续的三维结构的线圈31和线圈32形成三维多共鸣结构，来形成电感器。
波动控制介质30通过使三维线圈结构多重化，来增加电感，并且通过在细线的线圈31的侧面和细线的线圈22的侧面之间形成电容器，来增加电容。因此，根据波动控制介质30，与第一实施方式类似，可以实现通过细密结构减小尺寸且通过三维多共鸣结构而具有宽带特性的超材料。
4.第四实施方式(圆锥型)
接下来，将参考图7描述根据本技术第四实施方式的波动控制介质40的配置示例。图7是示出根据本实施方式的圆锥型的波动控制介质40的配置示例的透视图。与第一实施方式类似，根据本实施方式的波动控制介质40也是超材料的单元结构体。
如图7所示，波动控制介质40整体上具有相对于图7的纸面向下方扩张的圆锥形状。波动控制介质40包括均为三维微结构体的线圈41和线圈42，并且形成为细线双螺旋结构，其中线圈42与线圈41的外侧面对且平行于线圈41卷绕。注意，波动控制介质40不限于具有双线圈结构，并且可以具有包括三个或更多线圈的多线圈结构。此外，波动控制介质40可以整体上是相对于图7的纸面向下方缩窄的圆锥型。
线圈41和线圈42由细线形成。线圈41和线圈42在相互面对的线圈41的侧面和线圈42的侧面之间形成电容器，并且通过由具有圆锥形状的螺旋结构的线圈41和42形成三维多共鸣结构，来形成电感器。
波动控制介质40通过使三维线圈结构多重化，来增加电感，并且通过在细线的线圈41的侧面和细线的线圈42的侧面之间形成电容器，来增加电容。因此，根据波动控制介质40，与第一实施方式类似，可以实现通过细密结构减小尺寸且通过三维多共鸣结构而具有宽带特性的超材料。
5.第五实施方式(与线结构的组合)
(1)多个结构体的组合
在本技术的第五实施方式中，将描述使用多个结构体的组合来设计波动控制介质的示例。组合多个结构体的目的例如是为了获得例如各个结构体分别对于构成电磁波的电场和磁场起作用的结构。也就是说，组合多个结构体以通过每个结构来分担功能。
这里，对于电场起作用意味着控制相对介电常数εr，对于磁场起作用意味着控制相对磁导率μr。因此，根据本实施方式的波动控制介质可以通过组合多个结构体，高自由度地将相对介电常数和相对磁导率控制到期望值。
(2)波动控制介质50的配置示例
接下来，将参考图8描述根据本技术第五实施方式的波动控制介质50的配置示例。图8是示出根据本实施方式的波动控制介质50的配置示例的透视图。波动控制介质50与根据第一实施方式的波动控制介质10的不同之处在于，线结构与双线圈结构组合。波动控制介质50的其他配置类似于波动控制介质10的配置。
如图8所示，波动控制介质50包括线圈11和线圈12，线圈11和线圈12的每一个是以螺旋结构形成的三维微结构体。波动控制介质50具有细线双螺旋结构，其中线圈12与线圈11的外侧面对且平行于线圈11卷绕。此外，波动控制介质50具有在线圈11内侧的螺旋结构的中心轴位置处在中心轴延伸的方向上延伸的棒状且细线的线51。线51以微细的间隔与线圈11分开布置。
波动控制介质50不限于具有双线圈结构，并且可以仅具有单个线圈、或者是具有三个或更多线圈的多线圈结构。在应用具有三个或更多线圈的多线圈结构的情况下，各线圈不限于以相互平行的方式彼此面对，并且只要它们彼此不直接接触，可以位于任何位置。
类似于线圈11和线圈12，线51由细线形成，细线包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从这些材料的多种组合中选择的材料。此外，线51的材料不一定与线圈11和线圈12的材料相同，并且线51、线圈11和线圈12的材料可以彼此不同。此外，线51的数量不限于仅使用一根线51，并且可以使用两根或更多根线51。注意，线51不限于包括在线圈11和线圈12内，并且可以邻近或靠近线圈11和线圈12。
在波动控制介质50中，假设所施加的无线电波的电场方向与线51延伸的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向正交。在这种情况下，线51对于磁场起作用，线圈11和线圈12对于电场起作用。也就是说，沿线51振荡的电子对于磁场起作用。此外，线圈11和线圈12对于电场起作用。
如上所述，对于磁场起作用意味着控制相对磁导率μr，而对于电场起作用意味着控制相关介电常数εr。因此，波动控制介质50可以通过组合多个结构体，高自由度地将相对磁导率和相对介电常数控制到期望值。
根据本实施方式的波动控制介质50，可以提供类似于根据第一实施方式的波动控制介质10的效果，而且在仅通过线圈11和线圈12的螺旋结构难以获得期望物理特性的情况下，还能够通过组合线51的结构体来分担功能，以精细地调整相对磁导率和/或相对介电常数。此外，波动控制介质50还用作线51和线圈11之间的电容器，因此与波动控制介质10相比能够增加电容。
(3)波动控制介质50的修改示例1
接下来，将参考图9描述波动控制介质50的修改示例1。图9是示出根据波动控制介质50的修改示例1的波动控制介质60的配置示例的透视图。波动控制介质60与波动控制介质50的不同之处在于，线位于线圈的外部，并在与线圈的中心轴正交的方向上延伸。波动控制介质60的其他配置类似于波动控制介质50的配置。
如图9所示，波动控制介质60包括在线圈11和线圈12的外侧在与线圈11和线圈12的螺旋结构的中心轴正交的方向上延伸的棒状且细线的线61。线61以微细间隔与线圈12分开布置。
在波动控制介质60中，假设所施加的无线电波的电场方向与线61延伸的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向一致。在这种情况下，线61对于电场起作用，线圈11和线圈12对于磁场起作用。也就是说，沿线61振荡的电子对于电场起作用。此外，当通过电子沿线圈11和线圈12的振荡而产生环状电流时，通过电磁感应原理，在线圈11和线圈12中央的中心轴位置感应磁力，结果，线圈11和线圈12对于磁场起作用。
如上所述，对于电场起作用意味着控制相对介电常数εr，对于磁场起作用意味着控制相对磁导率μr。因此，波动控制介质60可以通过组合多个结构体，高自由度地将相对介电常数和相对磁导率控制到期望值。
根据本修改示例的波动控制介质60，类似于波动控制介质50，在仅通过线圈11和线圈12的螺旋结构难以获得期望的物理特性的情况下，能够通过组合线61的结构体来分担功能，以精细地调整相对介电常数和/或相对磁导率。
(4)波动控制介质50的修改示例2
接下来，将参考图10描述波动控制介质50的修改示例2。图10是示出根据波动控制介质50的修改示例2的波动控制介质70的配置示例的透视图。波动控制介质70与波动控制介质50的不同之处在于，线位于线圈的外部。波动控制介质70的其他配置类似于波动控制介质50的配置。
如图10所示，波动控制介质70包括在线圈11和线圈12的外侧在与线圈11和线圈12的螺旋结构的中心轴平行的方向上延伸的棒状且细线的线71。线71以微细的间隔与线圈12分开布置。
在波动控制介质70中，假设所施加的无线电波的电场方向与线71延伸的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向正交。在这种情况下，线71对于磁场起作用，线圈11和线圈12对于电场起作用。也就是说，沿线71振荡的电子对于磁场起作用。此外，线圈11和线圈12对于电场起作用。
根据本修改示例的波动控制介质70可以提供类似于波动控制介质50的效果。
6.第六实施方式(与板结构的组合)
(1)波动控制介质80的配置示例
接下来，将参考图11描述根据本技术第六实施方式的波动控制介质80的配置示例。图11是示出根据本实施方式的波动控制介质80的配置示例的透视图。波动控制介质80与根据第一实施方式的波动控制介质10的不同之处在于，板结构与双线圈结构组合。波动控制介质80的其他配置类似于波动控制介质10的配置。
如图11所示，类似于波动控制介质10，波动控制介质80包括线圈11和线圈12。此外，波动控制介质80包括在线圈11和线圈12的外侧在与线圈11和线圈12的螺旋结构的中心轴平行的方向上延伸的薄板状的板81。板81以微细间隔与线圈12分开布置。
与线圈11和线圈12类似，板81由细线形成，细线包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从这些材料的多种组合中选择的材料。此外，板81的材料不一定与线圈11和线圈12的材料相同，并且板81、线圈11和线圈12的材料可以彼此不同。此外，板81的数量不限于仅使用单个板81，并且可以使用两个或多个板81。注意，板81也可以设置在线圈11内侧的螺旋结构的中心轴位置处，在中心轴延伸的方向上与线圈11分开。在这种情况下，由于波动控制介质80用作板81和线圈11之间的电容器，因此与波动控制介质10相比，能够增加电容。
在波动控制介质80中，假设所施加的无线电波的电场方向与板81延伸的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向正交。在这种情况下，板81对于磁场起作用，线圈11和线圈12对于电场起作用。也就是说，沿板81振荡的电子对于磁场起作用。此外，线圈11和线圈12对于电场起作用。
如上所述，对于磁场起作用意味着控制相对磁导率μr，对于电场起作用意味着控制相关介电常数εr。因此，波动控制介质80可以通过组合多个结构体，高自由度地将相对磁导率和相对介电常数控制到期望值。
根据本实施方式的波动控制介质80可以提供类似于根据第一实施方式的波动控制介质10的效果，并且在仅通过线圈11和线圈12的螺旋结构难以获得期望物理特性的情况下，还能够通过组合板81的结构体来分担功能，以精细地调整相对磁导率和/或相对介电常数。
(2)波动控制介质80的修改示例
接下来，将参考图12描述波动控制介质80的修改示例。图12是示出作为波动控制介质80的修改示例的波动控制介质90的配置示例的透视图。波动控制介质90与波动控制介质80的不同之处在于，板在与线圈的中心轴正交的方向上延伸。波动控制介质90的其他配置类似于波动控制介质90的配置。
如图12所示，波动控制介质90包括在线圈11和线圈12的外侧在与线圈11和线圈12的螺旋结构的中心轴正交的方向上延伸的板状且细线的板91。板91以微细的间隔与线圈12分开布置。
在波动控制介质90中，假设所施加的无线电波的电场方向与板91延伸的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向一致。在这种情况下，板91对于电场起作用，线圈11和线圈12对于磁场起作用。也就是说，沿板91振荡的电子对于电场起作用。此外，当通过电子沿线圈11和线圈12的振荡而产生环状电流时，通过电磁感应原理，在线圈11和线圈12中心的中心轴位置感应磁力，结果，线圈11和线圈12对于磁场起作用。
如上所述，对于电场起作用意味着控制相对介电常数εr，对于磁场起作用意味着控制相对磁导率μr。因此，波动控制介质90可以通过组合多个结构体，高自由度地将相对介电常数和相对磁导率控制到期望值。
根据本修改示例的波动控制介质90，类似于波动控制介质80，在仅通过线圈11和线圈12的螺旋结构难以获得期望的物理特性的情况下，能够通过组合板81的结构体来分担功能，以精细地调整相对介电常数和/或相对磁导率。
7.第七实施方式(与球体结构的组合)
接下来，将参考图13描述根据本技术第七实施方式的波动控制介质100的配置示例。图13是示出根据本实施方式的波动控制介质100的配置示例的透视图。波动控制介质100与根据第一实施方式的波动控制介质10的不同之处在于，球体结构与双线圈结构组合。波动控制介质100的其他配置类似于波动控制介质10的配置。
如图13所示，类似于波动控制介质10，波动控制介质100包括线圈11和线圈12，线圈11和线圈12的每一个都是三维微结构体。此外，波动控制介质100具有在线圈11内侧的螺旋结构的中心轴位置处在中心轴延伸的方向上排列的多个球体101。每个球体101以微细的间隔与线圈11分开布置。
类似于线圈11和线圈12，每个球体101由金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从这些材料的多种组合中选择的材料形成。此外，球体101的材料不一定与线圈11和线圈12的材料相同，球体101、线圈11和线圈12的材料可以彼此不同。此外，球体101的数量不受限制，可以提供任意数量的球体101。注意，球体101也可以布置在线圈11和线圈12的外侧。
在波动控制介质100中，假设所施加的无线电波的电场方向与球体101排列的电子振荡方向一致，并且所施加的无线电波的磁场方向与由线圈11和线圈12内流动的环状电流所电磁感应的磁力方向正交。在这种情况下，球体101对于磁场起作用，线圈11和线圈12对于电场起作用。也就是说，沿球体101振荡的电子对于磁场起作用。此外，线圈11和线圈12对于电场起作用。
根据本实施方式的波动控制介质100可以提供类似于根据第一实施方式的波动控制介质10的效果，并且在仅通过线圈11和线圈12的螺旋结构难以获得期望物理特性的情况下，还能够通过组合球体101的结构体来分担功能，以精细地调整相对磁导率和/或相对介电常数。此外，波动控制介质100还用作球体101和线圈11之间的电容器，因此与波动控制介质10相比能够增加电容。
8.第八实施方式(电磁波吸收构件)
接下来，将参考图14和图15描述根据本技术第八实施方式的电磁波吸收构件110的配置示例。图14是示出根据本实施方式的电磁波吸收构件110的配置示例的垂直于延伸方向的横截面图。
如图14所示，电磁波吸收构件(电磁波吸收片)110具有垂直于延伸方向的横截面在水平方向上扩展的矩形形状。电磁波吸收构件110在下部包括支撑体111，在支撑体111的上部包括波动控制介质112。支撑体111由金属、介电材料或树脂形成。
波动控制介质112是具有波动控制元件的树脂的超材料，在所述波动控制元件中，上述波动控制介质10至100的任何三维结构体以阵列结构集成，或者多个三维结构体分散布置。
作为示例，图15示出了波动控制介质10的三维结构体在树脂内分散布置的结构。图15A是示出从倾斜方向观看的电磁波吸收构件110的配置示例的透视图。图15A是示出从横截面方向观看的电磁波吸收构件110的配置示例的透视图。
如图15A和15B所示，在电磁波吸收构件110中，多个波动控制介质10的三维结构体作为粒子在波动控制介质112的树脂内随机分散布置。
电磁波吸收构件110可以通过控制在由其中布置有波动控制介质10的三维结构体的波动控制介质112吸收电磁波的方向上的折射率，来吸收所照射的电磁波。电磁波吸收构件110还可以用作电磁波屏蔽构件，其通过控制在由波动控制介质112屏蔽电磁波的方向上的折射率，来屏蔽所照射的电磁波。此外，电磁波吸收构件110可以应用于ETC或雷达等的传感器。
9.第九实施方式(电磁波导)
(1)电磁波导120的配置示例
接下来，将参考图16描述根据本技术第九实施方式的电磁波导120的配置示例。图16是示出根据本实施方式的电磁波导120的配置示例的垂直于延伸方向的横截面图。
如图16所示，电磁波导120具有垂直于延伸方向的横截面在水平方向上扩展的矩形形状。电磁波导120在下部包括支撑体121，在支撑体121的上部包括二氧化硅(SiO2)或介电介质122。支撑体121由硅(Si)、金属、介电材料或树脂形成。
在与介质122中央部分的支撑体121的接触位置处，提供具有横截面在水平方向上扩展的矩形形状的波导管123。波导管123由具有波动控制元件的树脂的超材料形成，在所述波动控制元件中，上述波动控制介质10至100的任何三维结构体以阵列结构集成，或者多个三维结构体分散布置。注意，电磁波导120和波导管123的形状不限于本实施方式中的形状，并且可以具有圆柱形状等。
通过上述配置，电磁波导120可以控制引导到波导管123的电磁波的折射率。此外，电磁波导120可以包括在运算元件中。
(2)电磁波导120的修改示例
接下来，将参考图17描述电磁波导120的配置示例。图17是示出作为电磁波导120的修改示例的电磁波导130的配置示例的垂直于延伸方向的横截面图。电磁波导130与电磁波导120的不同之处在于，电磁波导130在波导管内形成有除波动控制介质之外的材料的层。电磁波导130的整体形状类似于电磁波导120的整体形状。
如图17所示，电磁波导130具有垂直于延伸方向的横截面在水平方向上扩展的矩形形状。电磁波导130在下部包括支撑体131，在支撑体131的上部包括二氧化硅(SiO2)或介电介质132。支撑体131由金属、介电材料或树脂形成。
在与介质132中央部分的支撑体131的接触位置处，提供具有横截面在水平方向上扩展的矩形形状的波导管133。波导管133由具有波动控制元件的树脂的超材料形成，在所述波动控制元件中，上述波动控制介质10至100的任何三维结构体以阵列结构集成，或者多个三维结构体分散布置。此外，在与波导管133中央部分的支撑体131的接触位置处形成具有与波导管133相同形状的硅(Si)或树脂的介质层134。
通过上述配置，电磁波导130可以控制引导到波导管133的电磁波的折射率。
10.分数带宽(Fractional bandwidth)
接下来，将参考图18描述具有根据本技术的上述实施方式的波动控制介质的超材料的分数带宽。图18是示出具有根据上述实施方式的波动控制介质的超材料的分数带宽的示例的图。
在图18的图中，纵轴表示频率f，横轴表示频带B。图18中的曲线K表示具有根据上述实施方式的波动控制介质的超材料的带宽B和频率f之间的关系。
从曲线K，获得上述超材料的分数带宽。这里，带宽是指峰值频率的2-1/2的频率的带间距离，而分数带宽是指通过将带宽除以作为中心频率的峰值频率而获得的值。
在曲线K中，在频带Bc处获得峰值频率fc，在频带B1和B2处获得峰值频率的2-1/2的频率f1。因此，在曲线K中，带宽为B2-B1，分数带宽为(B2-B1)/fc。
综上所述，根据上述实施方式的波动控制介质，在该波动控制介质的纵向方向上的距离小于波动波长的1/10、且响应的分数带宽为30％或更大时是最佳的。因此，上述实施方式可以提供包括根据上述实施方式的波动控制介质的波动控制元件，其中纵向方向上的距离小于波动波长的1/10、且响应的分数带宽为30％或更多。注意，在所述波动控制元件中，上述波动控制介质可以以阵列结构集成，或者可以多个波动控制介质分散布置。
11.其他应用
接下来，将描述具有根据本技术上述实施方式的波动控制介质的超材料的应用。
具有根据上述实施方式的波动控制介质的超材料，除了上述应用之外，还可以应用于执行发送/接收或者光接收/光发射的波动控制装置、小型天线、低剖面天线、频率选择滤波器、人造磁性导体、电带隙部件、抗噪声部件、隔离器、无线电波透镜、雷达部件、光学透镜、光学薄膜、太赫兹光学元件、无线电波及光学伪装/隐身部件、散热部件、热屏蔽部件、蓄热部件、用于电磁波调制/解调、波长转换等的非线性器件、扬声器等。
需要注意的是，本技术还可以具有以下配置。
(1)
一种波动控制介质，包括组合的至少两个三维微结构体，每个所述三维微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料，所述波动控制介质具有电容器和电感器的功能。
(2)
根据(1)所述的波动控制介质，其中每个所述三维微结构体被形成为螺旋结构。
(3)
根据(1)或(2)所述的波动控制介质，其中每个所述三维微结构体被形成为多层结构。
(4)
根据(1)所述的波动控制介质，其中，所述至少两个三维微结构体被形成为其中所述至少两个三维微结构体彼此卷绕、同时彼此面对而不相互接触的连续结构。
(5)
根据(1)至(3)中任一项所述的波动控制介质，其中每个三维微结构体被形成为圆锥形状。
(6)
根据(1)至(5)中任一项所述的波动控制介质，其中所述三维微结构体中的至少一个被形成为线形状、板形状和球体形状中的任何一种。
(7)
一种波动控制元件，包括根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质，其中所述波动控制介质以阵列结构集成。
(8)
一种波动控制元件，包括多个根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质，其中所述波动控制介质分散布置。
(9)
一种波动控制元件，包括根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质，其中纵向方向上的距离小于波动波长的1/10，并且响应的分数带宽为30％或更多。
(10)
一种波动控制装置，包括超材料，所述超材料包括根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质。
(11)
一种波动控制装置，包括电磁波吸收和/或屏蔽构件，所述电磁波吸收和/或屏蔽构件包括根据(10)所述的超材料。
(12)
一种波动控制装置，包括传感器，所述传感器包括根据(11)所述的电磁波吸收和/或屏蔽构件。
(13)
一种波动控制装置，包括电磁波导，所述电磁波导包括根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质。
(14)
一种波动控制装置，包括运算元件，所述运算元件包括根据(13)所述的电磁波导。
(15)
一种波动控制装置，所述波动控制装置使用根据(1)至(6)中任一项所述的波动控制介质执行发送/接收或光接收/光发射。
(16)
一种用于制造波动控制介质的方法，所述方法包括通过利用有机物的自组装的分子模板，将微结构体形成为三维结构，所述微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料。
参考符号列表
10、15、20、30、40、50、60、70、80、90、100 波动控制介质
11、12、16、17、21、22、31、32、41、42 线圈(三维结构体)
13、18、23 匹配元件
14、19、24 基座部分
51、61、71 线
81、91 板
101 球体
110 电磁波吸收构件
111、121、131 支撑体
112 波动控制介质
120、130 电磁波导
122、132 介质
123、133 波导管
134 介质层

Claims (16)

1.一种波动控制介质，包括组合的至少两个三维微结构体，每个所述三维微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料，所述波动控制介质具有电容器和电感器的功能。
2.根据权利要求1所述的波动控制介质，其中每个所述三维微结构体被形成为螺旋结构。
3.根据权利要求1所述的波动控制介质，其中每个所述三维微结构体被形成为多层结构。
4.根据权利要求1所述的波动控制介质，其中，所述至少两个三维微结构体被形成为其中所述至少两个三维微结构体彼此卷绕、同时彼此面对而不相互接触的连续结构。
5.根据权利要求1所述的波动控制介质，其中每个三维微结构体被形成为圆锥形状。
6.根据权利要求1所述的波动控制介质，其中所述三维微结构体中的至少一个被形成为线形状、板形状和球体形状中的任何一种。
7.一种波动控制元件，包括根据权利要求1所述的波动控制介质，其中所述波动控制介质以阵列结构集成。
8.一种波动控制元件，包括多个根据权利要求1所述的波动控制介质，其中所述波动控制介质分散布置。
9.一种波动控制元件，包括根据权利要求1所述的波动控制介质，其中纵向方向上的距离小于波动波长的1/10，并且响应的分数带宽为30％或更多。
10.一种波动控制装置，包括超材料，所述超材料包括根据权利要求1所述的波动控制介质。
11.一种波动控制装置，包括电磁波吸收和/或屏蔽构件，所述电磁波吸收和/或屏蔽构件包括根据权利要求10所述的超材料。
12.一种波动控制装置，包括传感器，所述传感器包括根据权利要求11所述的电磁波吸收和/或屏蔽构件。
13.一种波动控制装置，包括电磁波导，所述电磁波导包括根据权利要求1所述的波动控制介质。
14.一种波动控制装置，包括运算元件，所述运算元件包括根据权利要求13所述的电磁波导。
15.一种波动控制装置，所述波动控制装置使用根据权利要求1所述的波动控制介质执行发送/接收或光接收/光发射。
16.一种用于制造波动控制介质的方法，所述方法包括通过利用有机物的自组装的分子模板，将微结构体形成为三维结构，所述微结构体包括金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体中的任何一种、或者从金属、介电材料、磁性材料、半导体和超导体的多种组合中选择的材料。
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