JP2015142367A - メタマテリアル - Google Patents

Abstract

【課題】回路基板の周辺に構成可能で、かつ小型なメタマテリアル構造を提供する
【解決手段】メタマテリアルは、平面状の導体板に、少なくとも１つの素子が配置されることによって構成される。メタマテリアルを構成する素子は、導体板を含む２次元平面上において、導体板から所定距離離れて配置される第一の導体部と、導体板と第一の導体部とを接続するように配置される第二の導体部とを有する。

【選択図】 図５

Description

本発明は、プリント回路基板にパターンで形成されるメタマテリアル構造に関する。

近年、メタマテリアルという技術の研究が注目されている。メタマテリアルの技術を用いると、自然界には存在しない、今まで実現できなかった性質を持つ材料を構成することが可能となる。このメタマテリアルの技術を応用して、電磁バンドギャップ（electromagnetic bandgap structure）構造（以下、EBG構造と呼ぶ）、磁気壁と同様の効果を持つ構造、アンテナ素子、アンテナ特性（放射パターン等）を改善するため構造、RFデバイス等々が検討されている。

たとえば、電子部品および回路間の電磁干渉を防ぐ方法として、EBG構造が提案されている（例えば特許文献１）。また、EBG構造の特性を利用してアンテナ間の相互干渉抑制し、かつ磁気壁としても機能させることで、アンテナの薄型化・小形化を図る技術について開示されている（例えば特許文献２）。また、メタマテリアル構造を用いたアンテナに関しても提案されている（例えば特許文献３）。また、アンテナによりグランド板上に誘導される表面電流を減少させる方法も提案されている（例えば特許文献４）。また、特許文献４のような構成に、容量形成用導体を備えた構成も提案されている（例えば特許文献５）。

特開２０１１−０４０７０３号公報 特開２０１２−６５３７１号公報 特表２０１０−５０２１３１号公報 特表２００２−５１０８８６号公報 特開２０１０−１６５５４号公報

従来は、グランド板の面に対して垂直方向にメタマテリアルのセルを構成する方法が提案されており、さらにそのセルを小型化する技術に関しても提案されている。また、回路基板のグランド板の周辺にEBG構造を構成する方法に関しても提案されている。しかしながら、従来技術では充分な小型化が実現できないという課題があった。

本発明は上記課題に鑑み、回路基板のグランド板の周辺に構成可能な構造であり、かつ小型なメタマテリアルの構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明によるメタマテリアルは、以下の構成を有する。すなわち、平面状の導体板に、少なくとも１つの素子が配置されることによって構成されるメタマテリアルであって、前記素子は、前記導体板を含む２次元平面上において、前記導体板から所定距離離れて配置される第一の導体部と、前記導体板と前記第一の導体部とを接続するように配置される第二の導体部と、を有する。

本発明によれば、回路基板の周辺に構成可能で、かつ小型なメタマテリアル構造を提供することができる。

従来技術のメタマテリアルの構造を表した図。 メタマテリアルの伝送線路の等価回路。 メタマテリアルの伝送線路の分散特性を表した図。 無線通信機能を持つ回路基板に搭載される２つの逆Lアンテナを表す図。 第１実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第２実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第３実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第４実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第５実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第６実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図。 第７実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図（その１）。 第７実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図（その２）。

［第１実施形態］
以下、図面を示しながら本発明における第１実施形態の説明を行う。大半の物質中の電磁波の伝搬は、Eを電場、Hを磁場、kを波数ベクトルとすると、E,H,kが右手の法則に従うという特徴がある。波数ベクトル、すなわち位相の進む向きは、ポインティングベクトル（poynting vector）の方向と同じである。このような物質を右手系(RH)の物質とよぶ。多くの自然界に存在する材料はRH物質である。

一方、メタマテリアルは、人工構造である。メタマテリアルの構造における各セルのサイズを電磁波の波長よりもかなり小さい寸法で設計した場合、メタマテリアルは、電磁エネルギーに対し均質媒質のように振る舞う可能性がある。メタマテリアルは、波数ベクトル、すなわち位相の進む向きがポインティングベクトルの方向と反対であり、E,H,kは左手の法則に従う。このような物質を左手系(LH)メタマテリアルとよぶ。通常、左手系(LH)メタマテリアルのみを構成することは難しく、多くのメタマテリアルはLHメタマテリアルとRH物質の混合物となる。これを右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルとよぶ。このようなメタマテリアルの技術を用いると、自然界には存在しない、今まで実現できなかった性質を持つ材料を構成することが可能となる。メタマテリアルを用いて適切に設計することにより、EBG構造、磁気壁と同様の効果を持つ構造、アンテナ素子、アンテナ特性（放射パターン等）を改善するため構造、RFデバイス等々として動作させることが可能である。

図１は、従来技術のメタマテリアルの構造を表した図である。図１に示すようなマテリアルの構造を、以下、マッシュルーム構造と呼ぶ。また、図２（a）は、右手系(RH)物質の伝送線路の等価回路であり、図２(b)は、左手系(LH)メタマテリアルの伝送線路の等価回路であり、図３（c）は、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルの伝送線路の等価回路である。図１のようなメタマテリアルの構造は、図２(c)に示すような右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルの伝送線路の等価回路として表すことができる。

右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルには、右手系と左手系の両方のモードが平衡する平衡モードと、両方のモードが平衡しない不平衡モードが存在する。このことを図３を用いて説明する。図３は、メタマテリアルの伝送線路の分散特性を表した図である。図３において、横軸は位相定数βであり、縦軸は角周波数ωである。

図３の点線の分散特性に注目すると、後述するωseと、ωshの間にはβが存在せず電波が伝搬できないバンドギャップが存在することがわかる。このバンドギャップは、不平衡モードで生じる現象の一つである。なお、ωseとωshは、後述する条件によっては大小関係が入れ替わる。ωseとωshを一致させ（一致させた周波数をω0とする）、平衡条件を満たせば、バンドギャップの領域はなくなり、平衡モードとなる。平衡モードの場合は、図３の実線のような分散特性を示し、いわゆる０次モードの状態となる。平衡モードでは、β=0となる角周波数ω0において位相変化が無い、波長が無限大の状態を実現できることとなる。

図３のωseとωshは、図２（c）の等価回路中のLR、CL、LL、CRを用いると以下のように表すことができる。

上記２つの式から、ωseはLRとCLにより決定され、ωshはLLとCRにより決定されることが分かる。

次に、図１に示すメタマテリアルが右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルである場合に、各セルの構成要素が、図２(c)の等価回路のどの素子に対応するかについて説明する。図１のマッシュルーム構造において、隣接するパッチ導体１０１の間に生じる容量成分が、図２(c)のCLとして主に寄与する。また、図１の各パッチ導体１０１のパッチ導体長が、図２(c)のLRとして主に寄与する。また、図１のパッチ導体１０１とグランド導体１０３との間に生じる容量成分が、図２(c)のCRとして主に寄与する。また、図１のパッチ導体１０１とグランド導体１０３を接続する接続導体１０２が、図２(c)のLLとして主に寄与する。

このように、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルにおいても、メタマテリアルを構成する各セルのサイズ（パッチの大きさ、接続導体径、接続導体長）、セル間の間隔等を適切に設計することにより、ωseおよびωshを所望の値にすることが可能となる。すなわち、右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルにおいて適切に設計を行なうことにより、図３の角周波数ωse、ωsh、あるいはω0を制御することができる。これにより、平衡モードあるいは不平衡モードの特性を持つ右手/左手系複合(CRLH)メタマテリアルを実現することが可能となる。

次に、上述したメタマテリアルの特性を、図４のような無線通信機能を持つ平面状の回路基板に応用する場合について考える。図４は、MIMO無線通信機能を持つ回路基板の概略図である。４０１、４０２は、基本的なアンテナである逆Lアンテナを表す図である。なお、図４中のグランド導体４０３には、無線通信機能を実現するための電子部品、電気回路等が構成されている。図４に示すように、回路基板には、回路基板の導体部を一部取り除いた部分にアンテナ素子を実装することが多く行なわれる。

ここで、グランド導体４０３の周囲にメタマテリアルを応用したEBG構造を実装することで、基板エッジから放射される放射ノイズを低減することが可能となる。しかしながら、図４の破線内に設けるEBG構造が、例えば図１に示したマッシュルーム構造であるとすると、図４の破線内にマッシュルーム構造が有するグランド導体板を構成する必要がある。しかし、アンテナの近傍にグランド導体板が近接すると、アンテナの特性が劣化することが知られている。すなわち、図４の破線内のように、逆Lアンテナ素子の近傍にグランドを伴うマッシュルーム構造を配置すると、グランド導体板が接近することになり、逆Lアンテナのアンテナ特性を劣化させることになる。

したがって、図４の破線内に実装するようなEBG構造としては、図１のようなマッシュルーム構造はアンテナの特性を劣化させるため、適さない。そこで、本実施形態では、図４の破線内にグランド導体を新たに設ける必要のない、回路基板のグランド導体を利用して構成できるEBG構造を提案する。

図５は、本実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図である。図５におけるメタマテリアルを構成する各セルは、グランド導体５０３を含む２次元平面上においてグランド導体５０３から所定距離離れて構成される直線形状の第一の導体部５０１と、第一の導体部５０１とグランド導体５０３を接続する第二の導体部５０２から成る。図５のように、第一の導体部５０１は、グランド導体５０３が有する辺と略平行に構成することが可能である。図１と比較すると、図５の構成は、図１に示したEBG構造における各セルの構造の断面と同様の形状をしていることがわかる。すなわち、図１のパッチ導体１０１は図５の第一の導体部５０１、図１の接続導体１０２は図５の第二の導体部５０２、図１のグランド導体１０３は図５のグランド導体５０３と対応させることができる。図５ではこのような形状とすることにより、図１と同様の効果をもたらすことができ、メタマテリアルが示す多くの機能を実現することが可能とある。

また、図５に示すメタマテリアルの構造においては、回路基板のグランド導体をメタマテリアルのグランド導体として構成していることが分かる。すなわち、図４の破線部にEBG構造を構成する場合、新たにグランド導体を構成する必要が無く、メタマテリアルを構成するスペースの省スペース化が図れることがわかる。また、逆Lアンテナのアンテナ特性を劣化させることなく、図４の破線部にEBG構造を実現できるということが分かる。

また、図１のようなメタマテリアルの構造においては、パッチ導体１０１とグランド導体１０３を、接続導体１０２で接続する構成になっているため、図１の構造を実現するには２つの層が必要である。この２つの層をたとえば回路基板上に実現することになれば、接続導体をビアで形成する必要が生じ、コストがかかってしまう。しかし、本実施形態である図５に示すメタマテリアルの構造においては、１つの層の上にメタマテリアルを構成できており、上述のビア等は必要が無い。

また、図１の構造を回路基板上で実現する際には、パッチ導体１０１とグランド導体１０３の距離は基板厚によって制限されてしまう。しかし、図５のように、グランド導体５０３と第一の導体部５０１を同一平面上に構成することで、グランド導体５０３と第一の導体部５０１との距離が制御しやすく、第一の導体部５０１とグランド導体５０３の間に生じる容量を制御しやすい。すなわち、図１と比較して図５に示すメタマテリアルの構造の方が、図２の等価回路で示すCRの値を制御しやすい。

このように、図４の破線部にメタマテリアルの構造を実装する場合、図５に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、従来技術である図１のようなマッシュルーム構造と比較して、大きな優位性がある。すなわち、メタマテリアルの構造実現のために必要なスペース、コスト、アンテナ特性を劣化させないという観点、及び、図２に示した等価回路上のCRの値を制御しやすいという観点から大きな優位性がある。以上より、図５のようなメタマテリアルを用いて上述の特徴を持ったEBG構造を設計し、図４の破線内に配置することにより、基板エッジから放射される放射ノイズを低減することができる。

なお、以上では、基板エッジから放射される放射ノイズを低減することが可能なEBG構造について述べたが、図５のメタマテリアルの適用範囲はEBG構造のみに限定されるものではない。EBG構造はメタマテリアルが示す特性のひとつであり、メタマテリアルの構造において設計を適切に行なうことによって、EBG構造以外の機能を実現することが可能である。

例えば、電子部品および回路間の電磁干渉を防ぐためのEBG構造を設計することも可能である。また、メタマテリアルはアンテナとして動作させることも可能である。例えば、図３を用いて説明した０次モードを利用してアンテナを構成する場合、角周波数ωseとωshを一致させてω0とし、ω0の各周波数でアンテナを設計したり、あるいは位相定数が負となる領域でアンテナを設計することが可能である。これにより、設計によっては従来よりも小型なアンテナを実現することができる。このように、図５に示すメタマテリアルを適切に設計してアンテナとすることで、図４の逆Lアンテナ４０１、４０２に替えて、無線通信機能を持つ回路基板に実装することができる。

［第２実施形態］
第１実施形態では、図５のような構成をもつメタマテリアルについて述べた。本実施形態では、図５のメタマテリアルにおいて、図２の等価回路上のCLの容量成分を大きくとることが可能な構造を提案する。本実施形態によれば、さらにメタマテリアルの構造の小型化を実現することが可能であり、設計自由度を向上することが可能である。

第１実施形態で述べたように、図１のパッチ導体１０１は図５の第一の導体部５０１、図１の接続導体１０２は図５の第二の導体部５０２、図１のグランド導体１０３は図５のグランド導体５０３と対応させることができる。すなわち、図５の形状においても、図１と同様の効果をもたらすことができ、メタマテリアルが示す多くの機能を実現することが可能である。しかし、図１のパッチ導体１０１と、図５の第一の導体部５０１を比較すると、図１のパッチ導体１０１は平面で構成されているのに対し、図５の第一の導体部５０１は回路基板上に形成される線状のパターンで構成されていることが分かる。

ここで、図５に示したメタマテリアルのそれぞれの構成での、図２における等価回路の素子CLの成分について考える。CLは、図１においては主に隣接するセルのパッチ間で形成される容量成分を示し、図５においては隣接するセルの第一の導体部間で形成される容量成分を示す。このような容量成分は、容量成分が形成される二つの導体のそれぞれの面積、及び二つの導体間距離によって求められる。すなわち、導体の面積が広ければ広いほど大きな容量成分を蓄えることができ、また二つの導体間距離が短ければ短いほど大きな容量成分を蓄えることができる。図１のパッチ導体１０１と、図５の第一の導体部５０１を比較すると、図５の第一の導体部５０１の方が、導体の面積が小さい。そのため、図５の隣接するセルの第一の導体部５０１間で形成される容量成分の方が、図１の隣接するセルのパッチ導体１０１の間で形成される容量成分よりも小さくなる。上述のように、容量成分CLはωseを決める要素となるため、容量成分CLを大きくとれないということは、メタマテリアル構造を小型化する上で弊害となる。また、メタマテリアル構造を設計する上での、設計自由度も下げてしまう。

そこで、本実施形態では、メタマテリアルを構成するセル間の容量成分をさらに増やすことが可能である構成について提案する。図６は、本実施形態によるメタマテリアルの構造を表す図である。図５と比較すると、図６のメタマテリアルの構造では、第一の導体部６０１の両端に、グランド板方向に延びる直線形状の第三の導体部６０４が新たに形成されている。図６のように、第三の導体部６０４は、グランド導体６０３が有する辺に対して略垂直に構成することが可能である。図５と比較して、図６のメタマテリアルの構造は、メタマテリアルを構成する隣接するセル間の容量成分をさらに増やすことが可能となる。また、図５と比較して、図６のメタマテリアルの構造では、メタマテリアル構造の小型化が図られ、また、設計自由度を向上させることが可能となる。なお、第三の導体部６０４は、図２の等価回路上の容量成分CLのみならず、他の回路素子の定数にも影響を与える。

このように、図６に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

［第３実施形態］
第２実施形態では、図６のような構成をもつメタマテリアルについて述べた。本実施形態では、図６のメタマテリアルにおいて、図２の等価回路上のCRの容量成分を大きくとることが可能な構造を提案する。本実施形態によれば、さらにメタマテリアルの構造の小型化を実現することが可能であり、設計自由度を向上することが可能である。

第１実施形態で述べたように、図１のパッチ導体１０１は図５の第一の導体部５０１、図１の接続導体１０２は図５の第二の導体部５０２、図１のグランド導体１０３は図５のグランド導体５０３と対応させることができる。すなわち、図５の形状においても、図１と同様の効果をもたらすことができ、メタマテリアルが示す多くの機能を実現することが可能である。しかし、図１のパッチ導体１０１と、図５の第一の導体部５０１を比較すると、図１のパッチ部は平面で構成されているのに対し、図５の第一の導体部５０１は回路基板上に形成される線状のパターンで構成されていることが分かる。

ここで、図５に示したメタマテリアルのそれぞれの構成での、図２における等価回路の素子CRの成分について考える。CRは、図１においては主にパッチ導体１０１とグランド導体１０３間で形成される容量成分を示し、図５においては主に第一の導体部５０１とグランド導体５０３間で形成される容量成分を示す。第２実施形態において述べたように、このような容量成分は、容量成分が形成される二つの導体のそれぞれの面積、及び二つの導体間距離によって求められる。すなわち、導体の面積が広ければ広いほど大きな容量成分を蓄えることができ、また二つの導体間距離が短ければ短いほど大きな容量成分を蓄えることができる。図１のパッチ導体１０１と、図５の第一の導体部５０１を比較すると、図５の第一の導体部５０１の方がグランド導体に対向する面積が小さい。そのため、図５の第一の導体部５０１とグランド導体５０３で形成される容量成分の方が、図１のパッチ導体１０１とグランド導体１０３で形成される容量成分よりも小さくなる。上述のように、容量成分CRはωshを決める要素となるため、容量成分CRを大きくとれないということは、メタマテリアル構造を小型化する上で弊害となる。また、メタマテリアル構造を設計する上での、設計自由度も下げてしまう。

そこで、本実施形態では、メタマテリアルを構成するセルとグランド導体間の容量成分をさらに増やすことが可能である構成について提案する。図７は、本実施形態によるメタマテリアルの構造を表す図である。図６と比較すると、図７のメタマテリアルの構造では、第三の導体部７０４の端部に、グランド導体７０３の辺に対して平行に伸びる直線形状の第四の導体部７０５が新たに形成されている。図７のように、第四の導体部７０５は、グランド導体７０３が有する辺と略平行に構成することが可能である。図６と比較して、図７のメタマテリアルの構造は、メタマテリアルを構成するセルと、グランド導体との間の容量成分をさらに増やすことが可能となる。また、図５と比較して、図６のメタマテリアルの構造では、メタマテリアル構造の小型化が図られ、また、設計自由度を向上させることが可能となる。なお、第四の導体部７０５は、図２の等価回路上の容量成分CRのみならず、他の回路素子の定数にも影響を与える。

また、第四の導体部７０５の端部には、さらに導体部を追加して形成してもよい。追加して形成する導体部の形状の例としては、直線形状、メアンダ形状（蛇行形状）、スパイラル形状等が挙げられる。これにより、メタマテリアルを構成するセルと、隣接するセル間の容量成分をさらに増やすことが可能となる。また、メタマテリアルを構成するセルと、グランド導体との間の容量成分をさらに増やすことが可能となる。

このように、図７に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

［第４実施形態］
第２実施形態ではメタマテリアルを構成するセル間の容量成分をさらに増やすことが可能な構成について述べ、第３実施形態ではメタマテリアルを構成する素子とグランド導体間の容量成分をさらに増やすことが可能な構成について述べた。本実施形態では、図５に示すメタマテリアルにおいて、図２の等価回路上のLLの誘導成分を大きくとることが可能な構造を提案する。本実施形態によれば、さらにメタマテリアルの構造の小型化を実現することが可能であり、設計自由度を向上することが可能である。

第１実施形態で述べたように、図１のパッチ導体１０１は図５の第一の導体部５０１、図１の接続導体１０２は図４の第二の導体部５０２、図１のグランド導体１０３は図５のグランド導体５０３と対応させることができる。すなわち、図５の形状においても、図１と同様の効果をもたらすことができ、メタマテリアルが示す多くの機能を実現することが可能である。図１の接続導体１０２と図５の第二の導体部５０２とを比較すると、接続導体１０２は柱状の導体で形成されているのに対し、第二の導体部５０２は回路基板上に形成される線状のパターンで構成されていることが分かる。

ここで、図５に示したメタマテリアルのそれぞれの構成での、図２における等価回路の素子LLの成分について考える。LLは、図１においては主に接続導体で形成される誘導成分を示し、図５においては主に第二の導体部で形成される誘導成分を示す。このような誘導成分は、誘導成分が形成される導体の長さが大きければ大きいほど大きな誘導成分を得ることができ、導体の断面の面積が小さければ小さいほど大きな誘導成分を得ることができる。上述のように、誘導成分LLはωseを決める要素となるため、誘導成分LLを大きくとれるということは、メタマテリアル構造の小型化を図り、また設計自由度を向上する上で重要である。

そこで、本実施形態では、メタマテリアルを構成する図２の等価回路上の並列の誘導成分（LL）をさらに増やすことが可能である構成について提案する。図８は、本実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図である。図５と比較すると、図８のメタマテリアルの構造では、図５の第二の導体部５０２に対応する第二の導体部８０２がメアンダ形状（蛇行形状）になっている。すなわち、導体部分の長さを長くできることにより、誘導成分を増やすことができる。よって、第二の導体部５０２が図５のように直線である場合よりも、図８の第二の導体部８０２のようにメアンダ形状にすることによって、誘導成分を増加させることが可能となり、メタマテリアル構造の小型化を図り、また設計自由度を向上することが可能となる。

このように、図８に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

［第５実施形態］
第４実施形態では第二の導体部の誘導成分をさらに増やすことが可能な構成について述べた。本実施形態では、第４実施形態の図８よりもさらに第二の導体部の誘導成分を増やすことが可能な構成について述べる。上述のように、誘導成分LLはωseを決める要素となるため、誘導成分LLを大きくとれるということは、メタマテリアル構造の小型化を図り、また設計自由度を向上する上で重要である。第４実施形態において述べたように、誘導成分は、誘導成分が形成される導体の長さが大きければ大きいほど大きな誘導成分を得ることができ、導体の断面の面積が小さければ小さいほど大きな誘導成分を得ることができる。一方、誘導成分は、コイルのようにスパイラル状に形成することにより、より多くの誘導成分を得ることが知られている。

そこで、本実施形態ではさらに多くの誘導成分を得るための構成を提案する。図９は、本実施形態によるメタマテリアルの構造を表した図である。図５の第二の導体部５０２に対応する第二の導体部９０２をスパイラル状にすることによって、より大きな誘導成分を得ることが可能な構成となる。この場合、第二の導体部９０２はスパイラル形状であるため、図９に示すように第二の導体部９０２は、一部他の層を経由する必要がある。第二の導体部９０２は、第一の導体部９０１が形成されている面においてグランド導体９０３に接続されてもよいし、グランド導体９０３が複数の層に構成されている場合には、それらの層においてグランド導体９０３に接続されてもよい。

ここで、図２の等価回路のLLに関して、図１に示す従来のメタマテリアルの構造と、図９に示す本実施形態によるメタマテリアルの構造におけるセルの構成の違いによる影響について述べる。上述のように導体の断面の面積が小さければ小さいほど大きな誘導成分を得ることができる。図１のような従来のメタマテリアルの構造においては、パッチ導体１０１とグランド導体１０３を、接続導体１０２で接続する構成になっているため、図１の構造を実現するには２つの層が必要である。この２つの層をたとえば回路基板上に実現することになれば、接続導体を基板の層間を貫通するビアで形成する必要が生じる。しかし、現在の製造技術ではこのビア径は基板上に形成されるパターン幅よりも比較的大きくなってしまう。

つまり、図１のような従来のメタマテリアルの構造においては、ビアを必要とするために、図２の等価回路LLに相当する導体の断面の面積が大きくなってしまう。しかし、本実施形態では図９のように構成することによって、図２の等価回路LLに相当する導体の断面の面積を小さく製造することが可能である。つまり、本実施形態では、図１の従来技術と同じ長さを持つ接続導体を用いる場合であっても、より大きな誘導成分をもつLLを構成することが可能となる。以上より、より大きな誘導成分をもつLLを構成することが可能となることにより、メタマテリアル構造の小型化が図られ、また設計自由度を向上させることが可能となる。なお、第４実施形態で述べたメアンダ形状（蛇行形状）の第二の導体部８０２においても、上述の効果を得ることが可能である。

このように、図９に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

［第６実施形態］
第２乃至第５実施形態では、第１実施形態と比較して、さらに図２の等価回路上の主にCL、LL、CRを増加させるメタマテリアルの構成について述べた。本実施形態では、第２乃至第５実施形態を組み合わせた場合について述べる。上述の実施形態において述べたメタマテリアルの構成を組み合わせて利用することにより、大きな効果を発揮することができる。

図１０は、組み合わせの一例として、第２、第３、第５実施形態の構成を組み合わせて構成した図である。このように上述の複数の実施形態の構成を組み合わせて利用することにより、図２の等価回路上の各素子の定数を大きくとることが可能となる。そして、このことはメタマテリアル構造の小型化につながり、また設計自由度を向上することが可能となる。また、図１０では、回路基板上に形成されるパターンの線幅が均一であるが、図１１のようにパターンの線幅が不均一でも問題ない。上述したように、導体の面積が広ければ広いほど大きな容量成分を蓄えることができるので、パターンの線幅が広い方が大きな容量成分を蓄えることが可能となる。また、導体の断面の面積が小さければ小さいほど大きな誘導成分を得ることができるので、パターンの線幅が狭い方が大きな誘導成分を得ることが可能となる。メタマテリアルを設計する上で、調整できるパラメータが多いと特性を制御しやすく、設計しやすいが、パターンの線幅もこの特性を調整するためのパラメータとなり得る。回路基板上のパターンは、線幅およびパターンの位置等々で微細に調整することが可能であり、従来の図１のような構成よりも設計を行ないやすいという利点がある。また、上述したように、メタマテリアルの特性は、図２に示した等価回路のCL、LL、CR、LRを、基板上のパターンで実現することで得られる。メタマテリアルを構成する各導体部の形状は、図２の等価回路を実現するパターン形状であればどのような形状でもよく、図中の形状に限られるものではない。

このように、図１０、１１に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１乃至第５実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

［第７実施形態］
本実施形態では、第１乃至第６実施形態において述べたメタマテリアルの、セルの並べ方について述べる。第１乃至第６実施形態において説明したメタマテリアルでは、図５から図１１に示すように各セルを回路基板の同一平面上に複数並べて構成している。しかし、これは図１２に示すように、基板回路のグランド導体の面（例えば側面）に垂直方向に複数並べて構成されてもよい。図１２のように構成することで、たとえば隣接するセル間の対向する面積が増加することが可能であるため、図２の等価回路上のCLを大きくすることが可能である。また、回路基板上面から見たメタマテリアルのセルの占有面積は同一だが、セル数を増加させることも可能となる。なお、セルの並べ方は当然、回路基板の同一平面上に複数並べて構成し、かつ基板回路のグランド導体の面の垂直方向に複数並べて構成されてもよい。

このように、図１２に示す本実施形態のメタマテリアルの構造は、第１乃至第６実施形態において述べた効果が得られるに加え、上述のような効果も得られる。なお、第１実施形態において述べたように、本実施形態の適用範囲を広げることも可能である。

Claims (14)

1. 平面状の導体板に、少なくとも１つの素子が配置されることによって構成されるメタマテリアルであって、
   前記素子は、
   前記導体板を含む２次元平面上において、前記導体板から所定距離離れて配置される第一の導体部と、
   前記導体板と前記第一の導体部とを接続するように配置される第二の導体部と、を有することを特徴とするメタマテリアル。
2. 前記素子において、
   前記第一の導体部は、前記導体板が有する直線形状の辺と略平行に配置され、
   前記第二の導体部は、前記導体板が有する直線形状の辺に対して略垂直に配置されることを特徴とする請求項１に記載のメタマテリアル。
3. 前記素子において、
   前記第一の導体部は直線形状であり、
   前記導体板の前記直線形状の辺と前記第一の導体部は略平行であることを特徴とする請求項１または２に記載のメタマテリアル。
4. 前記素子において、
   前記第一の導体部の端部に接続するように配置され、前記導体板が有する直線形状の辺に対して略垂直であり、該直線形状の辺に向かって伸びる直線形状である第三の導体部を更に有することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
5. 前記素子において、
   前記第三の導体部の端部に接続するように配置され、前記導体板が有する直線形状の辺に略平行であり、前記第二の導体部に向かって伸びる直線形状である第四の導体部を更に有することを特徴とする請求項４に記載のメタマテリアル。
6. 前記素子において、
   前記第二の導体部はメアンダ形状であることを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
7. 前記素子において、
   前記第二の導体部はスパイラル形状であることを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
8. 前記素子において、
   前記第一の導体部と前記第二の導体部との線幅は同一であることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
9. 前記素子において、
   前記第一の導体部と前記第二の導体部との線幅は異なることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
10. 前記素子が前記導体板が有する直線形状の辺に沿って複数並べて構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
11. 前記素子が前記導体板の側面に沿って、該導体板を含む２次元平面に対して垂直方向に複数並べて構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
12. 前記導体板は複数の辺を有し、
    前記素子が前記導体板が有する前記複数の辺にそれぞれに沿って複数並べて構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
13. 前記導体板は複数の辺を有し、
    前記素子が前記導体板が有する前記複数の辺それぞれの側面に沿って、該導体板を含む２次元平面に対して垂直方向に複数並べて構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
14. アンテナ、EBG構造、または磁気壁の特性を有する請求項１乃至１３のいずれか１項に記載のメタマテリアル。

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