JP2018064203A - Active element - Google Patents

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大祐 来山
Daisuke Kitayama
大祐 来山
信 矢板
Makoto Yaita
信 矢板
秀之 野坂
Hideyuki Nosaka
秀之 野坂
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To achieve transmission wave propagation control with only one metamaterial layer.SOLUTION: A split ring resonator 3 includes: a ring portion 4 made of metal and having an annular shape in plan view; a first dividing portion 5 which is a gap provided in the ring portion 4; and a field effect transistor 6 in which a source S is connected to one end of the ring portion 4 divided by the first dividing portion 5 and a drain D is connected to the other end of the ring portion 4 opposed to the one end with the first dividing portion 5 interposed therebetween.SELECTED DRAWING: Figure 2

Description

本発明は、分割リング共振器を用いたメタマテリアル能動素子に関するものである。   The present invention relates to a metamaterial active element using a split ring resonator.

波長がサブミリのオーダとなるミリ波・テラヘルツ波は、その物質に対する透過性や高い分解能からイメージングやレーダー技術への応用が期待されている。イメージングならびにレーダー技術においては、電磁波の伝搬方向を任意の方向に制御したり、任意の点に集光する技術が求められる。電磁波伝搬を制御する技術としてフェーズドアレイアンテナ技術があるが、超高周波帯であるミリ波・テラヘルツ波帯においてはアレイ化されたアンテナへのフィーディングネットワークにおける損失が非常に大きい。例えば、100GHz以上の周波数で4×4の平面アレーアンテナを用いる場合、10dB以上の損失が生じる(非特許文献1参照)。   Millimeter waves and terahertz waves with sub-millimeter wavelengths are expected to be applied to imaging and radar technology due to their transparency and high resolution. In imaging and radar technology, a technique for controlling the propagation direction of electromagnetic waves in an arbitrary direction or condensing light at an arbitrary point is required. There is a phased array antenna technique as a technique for controlling the propagation of electromagnetic waves. However, in the millimeter wave and terahertz wave bands, which are super high frequency bands, the loss in the feeding network to the arrayed antenna is very large. For example, when a 4 × 4 planar array antenna is used at a frequency of 100 GHz or more, a loss of 10 dB or more occurs (see Non-Patent Document 1).

また、集光等の近傍電磁界分布を制御する上で、電磁波の波面形成の分解能が半波長程度では不要な放射成分が大きくなってしまう。そこで、高速かつ低損失に超高周波帯の電磁波の伝搬方向および焦点距離を動的制御する技術として、メタマテリアル技術を空間系にて用いた透過波面制御技術が提案されている(非特許文献2参照)。   Further, in controlling the near electromagnetic field distribution such as condensing, an unnecessary radiation component becomes large if the resolution of wavefront formation of the electromagnetic wave is about half a wavelength. Therefore, a transmission wavefront control technique using a metamaterial technique in a spatial system has been proposed as a technique for dynamically controlling the propagation direction and focal length of an electromagnetic wave in a super-high frequency band at high speed and low loss (Non-patent Document 2). reference).

例えば非特許文献2に開示された技術では、メタマテリアルデバイスの単位セルとして用いられる分割リング共振器を用いて、分割リング共振器の分割部の容量成分を変化させることにより共振周波数をシフトさせ、共振周波数から離れた周波数領域を動作周波数とすることで低損失に透過移相量分布を形成し、メタマテリアルデバイスを透過する電磁波の波面を制御している。   For example, in the technology disclosed in Non-Patent Document 2, using a split ring resonator used as a unit cell of a metamaterial device, the resonant frequency is shifted by changing the capacitance component of the split portion of the split ring resonator, By making the frequency region away from the resonance frequency the operating frequency, a transmission phase shift amount distribution is formed with low loss, and the wavefront of the electromagnetic wave transmitted through the metamaterial device is controlled.

図13(A)〜図13(C)は非特許文献2に開示された電磁波の波面制御の概念を説明する図である。図13(A)〜図13(C)におけるx,y,zは座標軸を表し、Hは磁場の方向、Eは電場の方向、kは波数の方向を表している。メタマテリアルデバイス100は、図13(A)に示すように、誘電体基板101上に分割リング共振器102(単位セル)を周期的にアレイ状に形成したものである。   FIG. 13A to FIG. 13C are diagrams illustrating the concept of wavefront control of electromagnetic waves disclosed in Non-Patent Document 2. 13A to 13C, x, y, and z represent coordinate axes, H represents a magnetic field direction, E represents an electric field direction, and k represents a wave number direction. As shown in FIG. 13A, the metamaterial device 100 is formed by periodically forming split ring resonators 102 (unit cells) in an array on a dielectric substrate 101.

図13(B)に従来の代表的な分割リング共振器102の構造を示す。分割リング共振器102は、金属からなるリング部103と、リング部103に設けられたギャップである分割部104とから構成される。分割部104と平行なy軸方向の電界成分を有する入射電磁波により、分割部104に起電力が励起され周回電流が生じる。この周回電流は、分割部104およびリング部103に由来する容量成分および誘導成分により決定されるLC共振周波数において最大となる。   FIG. 13B shows the structure of a conventional typical split ring resonator 102. The split ring resonator 102 includes a ring part 103 made of metal and a split part 104 that is a gap provided in the ring part 103. An electromotive force is excited in the dividing unit 104 by an incident electromagnetic wave having an electric field component in the y-axis direction parallel to the dividing unit 104, and a circulating current is generated. This circulating current becomes maximum at the LC resonance frequency determined by the capacitive component and the inductive component derived from the dividing unit 104 and the ring unit 103.

分割部104の寸法Wを変化させることにより、共振周波数をシフトさせる場合、分割部104の寸法Wが大きい程、容量成分が小さいため、共振周波数は高くなり、また入射電磁波により励起される起電力は大きくなる。一方で分割部104の寸法Wが小さいと容量成分が大きくなるため、共振周波数が低くなり、また入射電磁波により励起される起電力が小さくなる。   When the resonance frequency is shifted by changing the dimension W of the dividing unit 104, the larger the dimension W of the dividing unit 104 is, the smaller the capacitance component is, so that the resonance frequency becomes higher and the electromotive force excited by the incident electromagnetic wave. Will grow. On the other hand, when the dimension W of the dividing portion 104 is small, the capacitance component is large, so that the resonance frequency is low and the electromotive force excited by the incident electromagnetic wave is small.

つまり、分割部104の容量成分が小さい分割リング共振器ほど、共振周波数が高く、共振のピーク強度(共振強度)が大きく、電磁波の透過率が小さい、という特性になる。したがって、各分割リング共振器102の分割部104の容量成分の設定を変えることにより、例えば図13(C)に示すような透過移相量特性を実現することができる。   That is, the split ring resonator having a smaller capacitive component of the split unit 104 has a higher resonance frequency, a higher resonance peak intensity (resonance strength), and a lower electromagnetic wave transmittance. Therefore, by changing the setting of the capacitance component of the dividing unit 104 of each divided ring resonator 102, for example, a transmission phase shift amount characteristic as shown in FIG. 13C can be realized.

ここで、メタマテリアルデバイス面内の透過移相量分布をφ(x,y)とすると、電磁波の伝搬方向(偏向角)θ[rad]や焦点距離f0[m]は下記の式で表すことができ、偏向角および焦点距離の制御可能範囲は透過移相制御量により決定される。 Here, when the transmission phase shift amount distribution in the metamaterial device plane is φ (x, y), the propagation direction (deflection angle) θ [rad] and the focal length f 0 [m] of the electromagnetic wave are expressed by the following equations. The controllable range of the deflection angle and the focal length is determined by the transmission phase shift control amount.

式(1)、式(2)におけるλは入射電磁波の波長である。仮に2π[rad]の透過位相制御量を実現できれば、メタマテリアルデバイスを透過する電磁波の任意の波面を形成することが可能となる。   In equations (1) and (2), λ is the wavelength of the incident electromagnetic wave. If a transmission phase control amount of 2π [rad] can be realized, it is possible to form an arbitrary wavefront of electromagnetic waves that pass through the metamaterial device.

W.Shin,et al.,“A 108-112 GHz 4×4 Wafer-Scale Phased Array Transmitter with High-Efficiency On-Chip Antennas”,IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS,Vol.48,No.9,pp.2041-2055,2013W. Shin, et al., “A 108-112 GHz 4 × 4 Wafer-Scale Phased Array Transmitter with High-Efficiency On-Chip Antennas”, IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, Vol.48, No.9, pp .2041-2055, 2013 D.Kitayama,et al.,“Laminated metamaterial flat lens at millimeter-wave frequencies”,OPTICS EXPRESS,Vol.23,No.18,pp.23348-23356,2015D. Kitayama, et al., “Laminated metamaterial flat lens at millimeter-wave frequencies”, OPTICS EXPRESS, Vol.23, No.18, pp.23348-23356, 2015

上記のように、透過移相量をメタマテリアルデバイス面内で分布させることで透過波伝搬を制御する手法では、2π[rad]の位相制御量を実現することが望まれる。しかしながら、直接波に対する散乱波の位相変化量は原理的に±π/2[rad]の範囲内となるため、1層のメタマテリアルにより2π[rad]の位相制御量を実現することは困難である。そのため、透過移相量分布の特性により透過波の焦点や伝搬方向(偏向角度)を自在に制御するためには、メタマテリアル層を多層化する必要がある。しかしながら、多層化はコストやサイズ、実装面でデメリットが生じるという課題があるため、メタマテリアル層1層のみで透過波の焦点や伝搬方向(偏向角度)を制御する技術が求められる。   As described above, it is desired to realize a phase control amount of 2π [rad] in the method of controlling transmitted wave propagation by distributing the transmitted phase shift amount in the metamaterial device plane. However, since the phase change amount of the scattered wave with respect to the direct wave is in principle within a range of ± π / 2 [rad], it is difficult to realize a phase control amount of 2π [rad] with one layer of metamaterial. is there. Therefore, in order to freely control the focus and propagation direction (deflection angle) of the transmitted wave according to the characteristics of the transmitted phase shift amount distribution, the metamaterial layer needs to be multilayered. However, since multi-layering has a problem that disadvantages occur in terms of cost, size, and mounting, a technique for controlling the focus and propagation direction (deflection angle) of the transmitted wave with only one metamaterial layer is required.

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、メタマテリアル層1層のみで透過波伝搬制御を実現することができる能動素子を提供することを目的とする。   The present invention has been made to solve the above-described problems, and an object of the present invention is to provide an active element capable of realizing transmitted wave propagation control with only one metamaterial layer.

本発明の能動素子は、金属からなる平面視環状のリング部と、このリング部に設けられたギャップである第1の分割部と、この第1の分割部によって分断された前記リング部の一端にソースが接続され、前記第1の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端にドレインが接続されたトランジスタとを備えることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の1構成例は、さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第2の分割部を備えることを特徴とするものである。
An active element of the present invention includes a ring-shaped ring portion made of metal in a plan view, a first divided portion which is a gap provided in the ring portion, and one end of the ring portion divided by the first divided portion. And a transistor having a drain connected to the other end of the ring portion opposed to the one end with the first divided portion interposed therebetween.
In addition, one configuration example of the active element according to the present embodiment further includes a second divided portion that is another gap provided in the ring portion.

また、本実施の能動素子の1構成例は、前記リング部と前記第1の分割部と前記トランジスタとからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の1構成例は、前記リング部と前記第1の分割部と前記トランジスタと前記第2の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
Further, in one configuration example of the active element of the present embodiment, a structure including the ring portion, the first divided portion, and the transistor is used as a unit cell, and a plurality of the unit cells are arranged in an array. The operation state of the transistor is set for each unit cell so as to have a desired transmission characteristic with respect to an incident electromagnetic wave.
Further, one configuration example of the active element according to the present embodiment has a structure including the ring portion, the first divided portion, the transistor, and the second divided portion as a unit cell, and a plurality of the unit cells are arranged in an array. The operation state of the transistor is set for each unit cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to incident electromagnetic waves.

また、本実施の能動素子は、金属からなる平面視環状のリング部と、このリング部に設けられたギャップである第1の分割部と、この第1の分割部によって分断された前記リング部の一端に第1の電極が接続され、前記第1の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端に第2の電極が接続された可変容量素子とを備えることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の1構成例は、さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第2の分割部を備えることを特徴とするものである。
Further, the active element of the present embodiment includes a ring-shaped ring portion made of metal in a plan view, a first divided portion that is a gap provided in the ring portion, and the ring portion divided by the first divided portion. A variable capacitance element having a first electrode connected to one end of the ring portion and a second electrode connected to the other end of the ring portion facing the one end with the first divided portion interposed therebetween. To do.
In addition, one configuration example of the active element according to the present embodiment further includes a second divided portion that is another gap provided in the ring portion.

また、本実施の能動素子の1構成例は、前記リング部と前記第1の分割部と前記可変容量素子とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の1構成例は、前記リング部と前記第1の分割部と前記可変容量素子と前記第2の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
Further, in one configuration example of the active element of the present embodiment, a plurality of unit cells are arranged in the form of a unit cell having a structure including the ring part, the first division part, and the variable capacitance element, and the unit The cell is characterized in that the capacity of the variable capacitance element is set for each unit cell so as to have a desired transmission characteristic with respect to an incident electromagnetic wave.
Further, one configuration example of the active element according to the present embodiment is a unit cell having a structure including the ring portion, the first division portion, the variable capacitance element, and the second division portion, and the unit cell is arranged in an array. The unit cell is configured such that the capacity of the variable capacitance element is set for each unit cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to incident electromagnetic waves.

本発明によれば、リング部に設けられたギャップである第1の分割部にトランジスタを接続することにより、トランジスタの動作の状態で入射電磁波に対する能動素子の透過率を制御することができ、メタマテリアル層を多層化することなく、メタマテリアル層1層のみで透過波の焦点や伝搬方向(偏向角度)を制御することが可能となる。   According to the present invention, by connecting a transistor to the first divided portion, which is a gap provided in the ring portion, it is possible to control the transmittance of the active element with respect to incident electromagnetic waves in the state of operation of the transistor. It is possible to control the focal point and propagation direction (deflection angle) of the transmitted wave with only one metamaterial layer without making the material layer multi-layered.

また、本発明では、リング部に設けられたギャップである第1の分割部に可変容量素子を接続することにより、可変容量素子の容量の増減で入射電磁波に対する能動素子の透過率を制御することができ、メタマテリアル層1層のみで透過波の焦点や伝搬方向を制御することが可能となる。   In the present invention, the transmittance of the active element with respect to incident electromagnetic waves can be controlled by increasing or decreasing the capacity of the variable capacitance element by connecting the variable capacitance element to the first divided portion that is a gap provided in the ring portion. It is possible to control the focal point and propagation direction of the transmitted wave with only one metamaterial layer.

また、本発明では、リング部に第1の分割部とは別のギャップである第2の分割部を設けることにより、入射電磁波を透過させる場合と入射電磁波を遮断する場合の強度比を大きくすることができ、能動素子の性能を向上させることができる。   Further, in the present invention, by providing the ring portion with the second divided portion that is a gap different from the first divided portion, the intensity ratio between the case of transmitting the incident electromagnetic wave and the case of blocking the incident electromagnetic wave is increased. And the performance of the active device can be improved.

本発明の透過波伝搬制御の概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of the transmitted wave propagation control of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the plane structure of the split ring resonator which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 本発明の第1の実施の形態に係る電界効果トランジスタのON/OFF時の等価回路、ならびに電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗およびソース−ドレイン間寄生容量のゲートサイズ依存性を示す図である。It is a figure which shows the gate size dependence of the equivalent circuit at the time of ON / OFF of the field effect transistor which concerns on the 1st Embodiment of this invention, and the source-drain resistance of the field effect transistor, and the source-drain parasitic capacitance. . 本発明の第1の実施の形態において電界効果トランジスタが理想的なスイッチとして機能する場合、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗が大きい場合、およびソース−ドレイン間抵抗が小さい場合の入射電磁波に対する分割リング共振器の透過率の周波数依存性を示す図である。When the field effect transistor functions as an ideal switch in the first embodiment of the present invention, the field effect transistor is divided into incident electromagnetic waves when the source-drain resistance is large and the source-drain resistance is small. It is a figure which shows the frequency dependence of the transmittance | permeability of a ring resonator. 本発明の第1の実施の形態における電界効果トランジスタのON時の分割リング共振器の透過率とOFF時の分割リング共振器の透過率の望ましい特性について説明する図である。It is a figure explaining the desirable characteristic of the transmittance | permeability of the split ring resonator at the time of ON of the field effect transistor in the 1st Embodiment of this invention, and the transmittance | permeability of the split ring resonator at the time of OFF. 本発明の第2の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the planar structure of the split ring resonator which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 本発明の第2の実施の形態において電界効果トランジスタが理想的なスイッチとして機能する場合、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗が大きい場合、およびソース−ドレイン間抵抗が小さい場合の入射電磁波に対する分割リング共振器の透過率の周波数依存性を示す図である。When the field effect transistor functions as an ideal switch in the second embodiment of the present invention, the field effect transistor is divided into incident electromagnetic waves when the source-drain resistance is large and the source-drain resistance is small. It is a figure which shows the frequency dependence of the transmittance | permeability of a ring resonator. 本発明の第2の実施の形態における電界効果トランジスタのON時の分割リング共振器の透過率とOFF時の分割リング共振器の透過率の望ましい特性について説明する図である。It is a figure explaining the desirable characteristic of the transmittance | permeability of the split ring resonator at the time of ON of the field effect transistor in the 2nd Embodiment of this invention, and the transmittance | permeability of the split ring resonator at the time of OFF. 本発明の第3の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the planar structure of the split ring resonator which concerns on the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第3の実施の形態における可変容量素子の増減時の分割リング共振器の透過率特性について説明する図である。It is a figure explaining the transmittance | permeability characteristic of the split ring resonator at the time of increase / decrease of the variable capacitance element in the 3rd Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図である。It is a figure explaining an example of the planar structure of the split ring resonator which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第4の実施の形態における可変容量素子の増減時の分割リング共振器の透過率特性について説明する図である。It is a figure explaining the transmittance | permeability characteristic of the split ring resonator at the time of increase / decrease in the variable capacitance element in the 4th Embodiment of this invention. 従来の電磁波の波面制御の概念を説明する図である。It is a figure explaining the concept of the wavefront control of the conventional electromagnetic waves.

[発明の原理]
図1(A)、図1(B)は本発明の透過波伝搬制御の概念を説明する図である。図13(A)〜図13(C)と同様に、x,y,zは座標軸を表し、Hは磁場の方向、Eは電場の方向、kは波数の方向を表している。本発明では、メタマテリアル能動素子面内(図1(A)のxy面内)において、透過移相量分布ではなく、透過強度分布により透過波伝搬を制御する。本発明においても、メタマテリアル能動素子1は、誘電体基板2上に分割リング共振器3(単位セル)を周期的にアレイ状に形成した構造を有する。
[Principle of the Invention]
FIG. 1A and FIG. 1B are diagrams for explaining the concept of transmitted wave propagation control of the present invention. 13A to 13C, x, y, and z represent coordinate axes, H represents a magnetic field direction, E represents an electric field direction, and k represents a wave number direction. In the present invention, in the metamaterial active element plane (in the xy plane of FIG. 1A), the transmission wave propagation is controlled not by the transmission phase shift amount distribution but by the transmission intensity distribution. Also in the present invention, the metamaterial active element 1 has a structure in which split ring resonators 3 (unit cells) are periodically formed in an array on a dielectric substrate 2.

本発明では、透過強度分布の形成ならびに制御は、各分割リング共振器3の分割部に電界効果トランジスタを接続し、分割部の抵抗を変化させることで実施する。
分割リング共振器3の構造としては、金属からなるリング部に設けられたギャップである第1の分割部に電界効果トランジスタを接続する構造と、さらに別のギャップである第2の分割部を設ける構造とがある。
In the present invention, the transmission intensity distribution is formed and controlled by connecting a field effect transistor to the divided portion of each divided ring resonator 3 and changing the resistance of the divided portion.
As the structure of the split ring resonator 3, a structure in which a field effect transistor is connected to a first split portion that is a gap provided in a metal ring portion, and a second split portion that is another gap are provided. There is a structure.

誘電体基板2上に形成した分割リング共振器3のうち、入射電磁波を透過させたい領域に配置されている分割リング共振器3の電界効果トランジスタをONとすることにより、例えば図1(B)に示すような透過強度の分布を形成することができる。透過強度分布の形成例としては、例えば焦点までの距離が2nπ(n=0,1,2,・・・・)となるメタマテリアル能動素子面内の領域のみが透過領域となるように電界効果トランジスタをONにする方法、偏向させたい方向に傾いた波面が形成されるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみが透過領域となるように電界効果トランジスタをONにする方法などがある。   In the split ring resonator 3 formed on the dielectric substrate 2, by turning on the field effect transistor of the split ring resonator 3 arranged in a region where it is desired to transmit incident electromagnetic waves, for example, FIG. A transmission intensity distribution as shown in FIG. As an example of forming the transmission intensity distribution, for example, the field effect is such that only the region in the metamaterial active element surface where the distance to the focal point is 2nπ (n = 0, 1, 2,...) Becomes the transmission region. There are a method of turning on a transistor, a method of turning on a field effect transistor so that only a region in a metamaterial active element surface where a wavefront inclined in a direction to be deflected is formed becomes a transmission region.

本発明では、以下のような効果を実現可能なフラット形状の能動素子を、金属パターンの作製により実現できる。
(I)本発明では、メタマテリアル層(分割リング共振器3をアレイ状に配置した層)1層のみで透過波の伝搬方向(偏向角)や焦点距離を動的に制御可能であり、透過移相量の制御量が2πになるようにメタマテリアル層を多層化をする必要がない。
In the present invention, a flat active element capable of realizing the following effects can be realized by producing a metal pattern.
(I) In the present invention, the propagation direction (deflection angle) and focal length of the transmitted wave can be dynamically controlled by only one metamaterial layer (layer in which the split ring resonators 3 are arranged in an array), and the transmission The metamaterial layer does not need to be multi-layered so that the control amount of the phase shift amount is 2π.

(II)本発明では、分割リング共振器3の分割部の抵抗成分を可変とすることにより、分割リング共振器3のLC共振周波数近傍において、入射電磁波に対する透過率を制御することができる。 (II) In the present invention, the transmittance with respect to the incident electromagnetic wave can be controlled near the LC resonance frequency of the split ring resonator 3 by making the resistance component of the split portion of the split ring resonator 3 variable.

(III)分割リング共振器3の第1の分割部において、金属パターンによって形成されるギャップの容量成分に比べて、半導体プロセスにより実現される電界効果トランジスタの寄生容量が大きいと、周回電流を励起するLC共振の強度が弱くなり、透過波の強度比が小さくなってしまう。これに対して、第1の分割部とは別の第2の分割部を設けた構造を導入することにより、電界効果トランジスタの寄生容量が大きくても、周回電流の経路を形成する金属パターンの非対称性が崩れないため、透過波の強度比を大きくすることができる。 (III) In the first divided portion of the split ring resonator 3, if the parasitic capacitance of the field effect transistor realized by the semiconductor process is larger than the capacitance component of the gap formed by the metal pattern, the circulating current is excited. The intensity of LC resonance is weakened, and the intensity ratio of transmitted waves is reduced. On the other hand, by introducing a structure in which a second divided portion different from the first divided portion is introduced, even if the parasitic capacitance of the field effect transistor is large, the metal pattern that forms the path of the circular current is increased. Since the asymmetry is not lost, the transmitted wave intensity ratio can be increased.

(IV)本発明では、メタマテリアル能動素子1を集光レンズとして用いる際に、メタマテリアル層1層のみでレンズの焦点距離を動的に制御することが可能となる。例えば焦点までの距離が2nπとなるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみを透過領域とするように式(3)に従った位置、すなわち、±xn(n=0,1,2,・・・・)に配置された分割リング共振器3の電界効果トランジスタをONとし、他の分割リング共振器3の電界効果トランジスタをOFFとすることで、メタマテリアル能動素子1を集光レンズとして機能させることができ、このときのレンズの焦点距離がf0となる。 (IV) In the present invention, when the metamaterial active element 1 is used as a condenser lens, the focal length of the lens can be dynamically controlled by only one metamaterial layer. For example, the position according to the formula (3) so that only the region in the metamaterial active element surface where the distance to the focal point is 2nπ is set as the transmission region, that is, ± x n (n = 0, 1, 2, ..)) Is turned on and the field effect transistors of the other divided ring resonators 3 are turned off, so that the metamaterial active element 1 is used as a condenser lens. The focal length of the lens at this time is f 0 .

ここで、λは透過波の波長を表す。なお、焦点までの距離が2nπ±π/2となる位置を透過領域としても良い。   Here, λ represents the wavelength of the transmitted wave. A position where the distance to the focal point is 2nπ ± π / 2 may be set as the transmission region.

(V)また、本発明では、メタマテリアル能動素子1を偏向レンズとして用いる際に、メタマテリアル層1層のみで透過波の伝搬方向(偏向角度)を動的に制御することが可能となる。例えば式(4)に従った間隔dで分割リング共振器3の電界効果トランジスタをONにして断続的な配置の透過領域を形成することにより、±θ[rad]の方向に透過波を偏向させることができる。 (V) Further, in the present invention, when the metamaterial active element 1 is used as a deflection lens, it is possible to dynamically control the propagation direction (deflection angle) of the transmitted wave with only one metamaterial layer. For example, by turning on the field effect transistor of the split ring resonator 3 at an interval d according to the equation (4) to form a transmission region having an intermittent arrangement, the transmission wave is deflected in the direction of ± θ [rad]. be able to.

[第1の実施の形態]
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。図2(A)に、本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子の単位セルとなる分割リング共振器3の平面構造の1例を示す。本実施の形態の分割リング共振器3は、金属からなる平面視環状のリング部4と、このリング部4に設けられたギャップである第1の分割部5と、第1の分割部5によって分断されたリング部4の一端にソースSが接続され、第1の分割部5を挟んで前記一端と対向するリング部4の他端にドレインDが接続された電界効果トランジスタ6とから構成される。図1(A)に示したとおり、分割リング共振器3は、誘電体基板2上にアレイ状に複数個形成される。
[First Embodiment]
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 2A shows an example of a planar structure of the split ring resonator 3 that is a unit cell of the metamaterial active element according to the present embodiment. The split ring resonator 3 according to the present embodiment includes a ring-shaped ring portion 4 made of a metal in a plan view, a first split portion 5 that is a gap provided in the ring portion 4, and a first split portion 5. A source S is connected to one end of the divided ring portion 4, and a field effect transistor 6 having a drain D connected to the other end of the ring portion 4 opposite to the one end with the first divided portion 5 interposed therebetween. The As shown in FIG. 1A, a plurality of split ring resonators 3 are formed in an array on the dielectric substrate 2.

なお、図2(A)は分割リング共振器33の構造を模式的に示しているが、誘電体基板2上の金属パターンに電界効果トランジスタ6を接続するように形成する製造プロセスは周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。   2A schematically shows the structure of the split ring resonator 33, but the manufacturing process for forming the field effect transistor 6 to be connected to the metal pattern on the dielectric substrate 2 is a well-known technique. Therefore, detailed description is omitted.

分割リング共振器3が形成されている面に対して垂直に電磁波を入射させると、周回電流Iが励起され、第1の分割部5により形成される容量成分Cおよびリング部4により形成される誘導成分Lにより決定されるLC共振周波数においてLC共振が起こる。この共振は、分割リング共振器3が外部電場面(図1(A)のEk平面に平行な面であり、周回電流Iの経路を2つに分割する図2(B)の破線20で示す面)に対して非対称の構造となっていることに起因しており、第1の分割部5の寸法W1が小さく、つまり容量成分Cが大きくなると、非対称性が崩れてLC共振強度が小さくなる。   When an electromagnetic wave is incident perpendicularly to the surface on which the split ring resonator 3 is formed, the circular current I is excited and formed by the capacitive component C formed by the first split portion 5 and the ring portion 4. LC resonance occurs at the LC resonance frequency determined by the inductive component L. This resonance is indicated by a broken line 20 in FIG. 2B in which the split ring resonator 3 is a surface parallel to the external electric scene (the Ek plane in FIG. 1A) and divides the path of the circulating current I into two. This is because of the asymmetric structure with respect to the surface). When the dimension W1 of the first divided portion 5 is small, that is, when the capacitance component C is large, the asymmetry is lost and the LC resonance intensity is small. .

本実施の形態では、分割リング共振器3の第1の分割部5に電界効果トランジスタ6を設け、第1の分割部5の抵抗成分を制御することによりLC共振の強度を変化させ、透過波強度を制御する。例えば、上記のように第1の分割部5によって分断されたリング部4の一端に電界効果トランジスタ6のソースSを接続し、第1の分割部5を挟んで前記一端と対向するリング部4の他端に電界効果トランジスタ6のドレインDを接続して、電界効果トランジスタ6のゲートGに電圧を印加することでチャネルに反転層が形成され、ソース−ドレイン間の抵抗が減少するため、第1の分割部5が短絡する。   In the present embodiment, a field effect transistor 6 is provided in the first split section 5 of the split ring resonator 3, and the resistance component of the first split section 5 is controlled to change the intensity of the LC resonance, thereby transmitting the transmitted wave. Control strength. For example, the source S of the field effect transistor 6 is connected to one end of the ring portion 4 divided by the first dividing portion 5 as described above, and the ring portion 4 facing the one end with the first dividing portion 5 interposed therebetween. Since the drain D of the field effect transistor 6 is connected to the other end of the transistor and a voltage is applied to the gate G of the field effect transistor 6, an inversion layer is formed in the channel, and the resistance between the source and the drain is reduced. 1 division | segmentation part 5 short-circuits.

図3(A)に電界効果トランジスタ6のON時の等価回路を示し、図3(B)に電界効果トランジスタ6のOFF時の等価回路を示す。第1の分割部5に電界効果トランジスタ6を付加すると、図2(B)に示すように、第1の分割部5の寸法が本来の機械的な寸法W1よりも見かけ上小さくなる。すなわち、電界効果トランジスタ6は、OFF時においては容量CSDとして機能し(図3(A))、ON時においては抵抗RSD_onとして機能する(図3(B))。 FIG. 3A shows an equivalent circuit when the field effect transistor 6 is ON, and FIG. 3B shows an equivalent circuit when the field effect transistor 6 is OFF. When the field effect transistor 6 is added to the first division portion 5, as shown in FIG. 2B, the dimension of the first division portion 5 is apparently smaller than the original mechanical dimension W1. That is, the field effect transistor 6 functions as a capacitor C SD when OFF (FIG. 3A) and functions as a resistor R SD — on when ON (FIG. 3B).

図3(C)に、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間抵抗RSD_onおよびソース−ドレイン間寄生容量CSDのゲートサイズ依存性を示す。図3(C)の横軸は電界効果トランジスタ6のゲート幅、またはゲート長の逆数である。図3(C)に示すように、例えば電界効果トランジスタ6のゲート幅が大きくなるか、もしくはゲート長が短くなると、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onは小さくなり、ソース−ドレイン間寄生容量CSDは大きくなる。つまり、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onとソース−ドレイン間寄生容量CSDはトレードオフの関係にある。ソース−ドレイン間寄生容量CSDが大きい程、周回電流Iの経路の非対称性が崩れ、LC共振の強度が小さくなる。 FIG. 3C shows the gate size dependence of the source-drain resistance R SDon and the source-drain parasitic capacitance C SD of the field effect transistor 6. The horizontal axis of FIG. 3C is the gate width of the field effect transistor 6 or the reciprocal of the gate length. As shown in FIG. 3C, for example, when the gate width of the field effect transistor 6 increases or the gate length decreases, the source-drain resistance R SDon decreases, and the source-drain parasitic capacitance C SD gets bigger. That is, the source-drain resistance R SDon and the source-drain parasitic capacitance C SD are in a trade-off relationship. As the source-drain parasitic capacitance C SD is larger, the asymmetry of the path of the circulating current I is lost and the strength of the LC resonance is reduced.

図4(A)に、電界効果トランジスタ6が理想的なスイッチ(RSD_on=0Ω、CSD=0pF)として機能する場合の入射電磁波に対する分割リング共振器3の透過率(Transmittance)の周波数依存性を示す。図4(A)のTONaは電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率を示し、TOFFaは電界効果トランジスタ6のOFF時の分割リング共振器3の透過率を示している。 FIG. 4A shows the frequency of transmittance of the split ring resonator 3 with respect to incident electromagnetic waves when the field effect transistor 6 functions as an ideal switch (R SD — on = 0Ω, C SD = 0 pF). Indicates dependency. 4A, T ONa indicates the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is ON, and T OFFa indicates the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is OFF. Yes.

電界効果トランジスタ6がONとなり、第1の分割部5が短絡すると、LC共振強度が小さくなるため、入射電磁波の周波数がLC共振周波数fLCまたは共振周波数fLCの近傍である場合に、電界効果トランジスタ6に印加するゲート電圧により、入射電磁波に対する分割リング共振器3の透過率を制御することができる。 When the field effect transistor 6 is turned ON and the first dividing unit 5 is short-circuited, the LC resonance intensity is reduced. Therefore, when the frequency of the incident electromagnetic wave is near the LC resonance frequency f LC or the resonance frequency f LC , the field effect The transmittance of the split ring resonator 3 with respect to incident electromagnetic waves can be controlled by the gate voltage applied to the transistor 6.

一方、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間抵抗RSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率が図4(B)のTONbで示すように透過率の理想値TONaに対して劣化し、ON時の透過損失が大きくなる。また、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ6のOFF時の分割リング共振器3の透過率TOFFbは、透過率の理想値TOFFaよりも大きくなり、入射電磁波に対する遮断特性が若干劣化する。 On the other hand, when the source-drain resistance R SDon of the field effect transistor 6 increases, the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is ON is transmitted as indicated by T ONb in FIG. It deteriorates with respect to the ideal value T ONa of the rate, and the transmission loss when ON is increased. Further, when the source-drain resistance R SDon increases, the transmittance T OFFb of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is OFF becomes larger than the ideal value T OFFa of the transmittance, and the resistance against incident electromagnetic waves is increased. The blocking characteristics are slightly deteriorated.

ここで、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onが小さい電界効果トランジスタ6を用いると、図3(C)で説明したトレードオフの関係から、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間寄生容量CSDが大きくなる。ソース−ドレイン間寄生容量CSDは分割リング共振器3の第1の分割部5における容量成分を大きくするため、電界効果トランジスタ6のOFF時のLC共振強度が小さくなる。すなわち、図4(C)に示すように、電界効果トランジスタ6のOFF時の分割リング共振器3の透過率TOFFcが透過率の理想値TOFFaに対して非常に大きくなり、電界効果トランジスタ6をOFFにしても入射電磁波を遮断することができなくなってしまう。 Here, when the field effect transistor 6 having a small source-drain resistance R SDon is used, the source-drain parasitic capacitance C SD of the field effect transistor 6 is determined from the trade-off relationship described in FIG. growing. Since the source-drain parasitic capacitance CSD increases the capacitance component in the first division section 5 of the split ring resonator 3, the LC resonance intensity when the field effect transistor 6 is OFF is reduced. That is, as shown in FIG. 4C, the transmittance T OFFc of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is OFF becomes very large with respect to the ideal value T OFFa of the transmittance. Even if is turned OFF, the incident electromagnetic wave cannot be blocked.

なお、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間抵抗RSD_onが小さく、ソース−ドレイン間寄生容量CSDが大きい場合、電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率TONcの劣化は、透過率の理想値TONaと比べても僅かである。 The source of the field effect transistor 6 - drain resistance R SD _ on small, source - if drain parasitic capacitance C SD is large, the split ring resonator 3 when ON of the field effect transistor 6 transmittance T ONC of The deterioration is slight even compared with the ideal value T ONa of the transmittance.

図4(A)〜図4(C)の説明から明らかなように、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間寄生容量CSDと電界効果トランジスタ6のON時のソース−ドレイン間抵抗RSD_onのトレードオフ関係の中から、電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率TONとOFF時の分割リング共振器3の透過率TOFFとの比TON/TOFFがLC共振周波数fLCの近傍で大きくなるように、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onの値を選択する必要がある(図5)。ソース−ドレイン間抵抗RSD_onの値は、電界効果トランジスタ6のゲートサイズで調整できることは言うまでもない。 Figure 4 (A) As apparent from the description of to FIG 4 (C), the source of the field effect transistor 6 - drain parasitic capacitance C SD and source during ON of the field effect transistor 6 - drain resistance R SD _ on from among the trade-off relationship, the ratio T ON / T oFF between the transmittance T oFF of split ring resonator 3 when the transmittance T ON and oFF of the split ring resonator 3 when ON of the field effect transistor 6 LC The value of the source-drain resistance R SDon needs to be selected so as to increase in the vicinity of the resonance frequency f LC (FIG. 5). Needless to say, the value of the source-drain resistance R SDon can be adjusted by the gate size of the field effect transistor 6.

以上のように、本実施の形態では、電磁波の透過率を制御可能な分割リング共振器3をアレイ状に配置したメタマテリアル能動素子を用い、焦点までの距離が2nπもしくは2nπ±π/2となるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみを、透過領域とすることで、焦点を動的に制御することができる。また、電磁波の波面が傾くような透過率分布を形成することにより、透過波伝搬方向(偏向角度)を動的に制御することができる。本実施の形態の技術を例えばイメージングやレーダーに適用すれば測定時間の短縮化に繋がる。   As described above, in the present embodiment, the metamaterial active element in which the split ring resonators 3 capable of controlling the transmittance of electromagnetic waves are arranged in an array is used, and the distance to the focal point is 2nπ or 2nπ ± π / 2. Only the region in the metamaterial active element surface as described above is a transmission region, so that the focus can be dynamically controlled. Further, by forming a transmittance distribution such that the wave front of the electromagnetic wave is inclined, the transmitted wave propagation direction (deflection angle) can be dynamically controlled. If the technique of the present embodiment is applied to, for example, imaging or radar, measurement time can be shortened.

実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器3の電界効果トランジスタ6のソースS、ドレインD、ゲートGに印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、電界効果トランジスタ6のON/OFFを分割リング共振器3毎(単位セル毎)に制御すればよい。   When the focus or wavefront is actually controlled, the voltage applied to the source S, drain D, and gate G of the field effect transistor 6 of each split ring resonator 3 of the metamaterial active element is controlled by a control means (not shown). Thus, the ON / OFF of the field effect transistor 6 may be controlled for each split ring resonator 3 (for each unit cell) so as to have a desired transmission characteristic with respect to the incident electromagnetic wave.

[第2の実施の形態]
次に、本発明の第2の実施の形態について説明する。図6(A)に、本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子の単位セルとなる分割リング共振器3の平面構造の1例を示す。本実施の形態の分割リング共振器3は、金属からなる平面視環状のリング部4と、このリング部4に設けられたギャップである第1の分割部5と、第1の分割部5によって分断されたリング部4の一端にソースSが接続され、第1の分割部5を挟んで前記一端と対向するリング部4の他端にドレインDが接続された電界効果トランジスタ6と、リング部4に設けられた別のギャップである第2の分割部7とから構成される。第1の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図6(A)の分割リング共振器3を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
[Second Embodiment]
Next, a second embodiment of the present invention will be described. FIG. 6A shows an example of a planar structure of the split ring resonator 3 that is a unit cell of the metamaterial active element according to the present embodiment. The split ring resonator 3 according to the present embodiment includes a ring-shaped ring portion 4 made of a metal in a plan view, a first split portion 5 that is a gap provided in the ring portion 4, and a first split portion 5. A field effect transistor 6 having a source S connected to one end of the divided ring portion 4 and a drain D connected to the other end of the ring portion 4 facing the one end with the first divided portion 5 in between; 4 and a second dividing section 7 which is another gap provided in the area 4. Similar to the first embodiment, the metamaterial active element is formed by forming a plurality of split ring resonators 3 in FIG. 6A in an array on a dielectric substrate.

本実施の形態は、第1の実施の形態と比較して、より大きな透過率のTON/TOFF比を実現するものである。第1の分割部5に電界効果トランジスタ6を付加すると、第1の実施の形態の図2(B)および本実施の形態の図6(B)に示すように、第1の分割部5の寸法が本来の機械的な寸法W1よりも見かけ上小さくなる。 This embodiment realizes a larger T ON / T OFF ratio than the first embodiment. When the field effect transistor 6 is added to the first dividing unit 5, as shown in FIG. 2B of the first embodiment and FIG. 6B of the present embodiment, the first dividing unit 5 The dimension is apparently smaller than the original mechanical dimension W1.

これに対して、本実施の形態では、第1の分割部5に電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間寄生容量CSDが付加されて、第1の分割部5の寸法が実効的に小さくなったとしても、第2の分割部7の導入により、周回電流Iの経路の非対称性が保たれるため、電界効果トランジスタ6のOFF時のLC共振強度は第1の実施の形態に比べて大きくなる。 On the other hand, in the present embodiment, the source-drain parasitic capacitance C SD of the field effect transistor 6 is added to the first division unit 5, and the size of the first division unit 5 is effectively reduced. Even so, since the asymmetry of the path of the circulating current I is maintained by the introduction of the second dividing section 7, the LC resonance intensity when the field effect transistor 6 is OFF is larger than that of the first embodiment. Become.

本実施の形態の分割リング共振器3の場合、電界効果トランジスタ6がONとなり、第1の分割部5が短絡すると、新たに導入された第2の分割部7によって生じる容量Csで決まるLC共振周波数で共振が起こる。電界効果トランジスタ6がOFFの際はソース−ドレイン間寄生容量CSDと容量CsによりLC共振周波数が決まる。図7(A)に、電界効果トランジスタ6が理想的なスイッチ(RSD_on=0Ω、CSD=0pF)として機能する場合の入射電磁波に対する本実施の形態の分割リング共振器3の透過率の周波数依存性を示す。 In the case of the split ring resonator 3 of the present embodiment, when the field effect transistor 6 is turned on and the first split section 5 is short-circuited, the LC determined by the capacitance C s generated by the newly introduced second split section 7. Resonance occurs at the resonance frequency. When the field effect transistor 6 is OFF, the LC resonance frequency is determined by the source-drain parasitic capacitance C SD and the capacitance C s . FIG. 7A shows the transmittance of the split ring resonator 3 of the present embodiment with respect to incident electromagnetic waves when the field effect transistor 6 functions as an ideal switch (R SD — on = 0Ω, C SD = 0 pF). The frequency dependence of is shown.

図7(A)のTONaは電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率を示し、TOFFaはOFF時の分割リング共振器3の透過率を示している。上記のとおり、OFF時のLC共振周波数fLC1は、1/{(1/Cs)+(1/CSD)}で決まり、ON時のLC共振周波数fLC2は容量Csで決まる。このように、理想的なスイッチを用いた場合には、スイッチのON時とOFF時で異なるLC共振周波数fLC1,fLC2を示し、LC共振周波数fLC1,fLC2の近傍において入射電磁波に対する分割リング共振器3の透過率を制御することができる。 In FIG. 7A, T ONa indicates the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is ON, and T OFFa indicates the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is OFF. As described above, the LC resonance frequency f LC1 when OFF is determined by 1 / {(1 / C s ) + (1 / C SD )}, and the LC resonance frequency f LC2 when ON is determined by the capacitance C s . As described above, when an ideal switch is used, LC resonance frequencies f LC1 and f LC2 that are different depending on whether the switch is ON or OFF are shown, and the incident electromagnetic wave is divided in the vicinity of the LC resonance frequencies f LC1 and f LC2. The transmittance of the ring resonator 3 can be controlled.

一方、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間抵抗RSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率が図7(B)のTONbで示すように透過率の理想値TONaに対して劣化し、透過率変化が小さくなってしまう。なお、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onが大きい場合、電界効果トランジスタ6のOFF時の分割リング共振器3の透過率TOFFbの劣化は、透過率の理想値TOFFaと比べても僅かである。 On the other hand, when the source-drain resistance R SDon of the field effect transistor 6 increases, the transmittance of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is ON is transmitted as indicated by T ONb in FIG. 7B. It deteriorates with respect to the ideal value T ONa of the rate, and the transmittance change becomes small. When the source-drain resistance R SDon is large, the degradation of the transmittance T OFFb of the split ring resonator 3 when the field effect transistor 6 is OFF is slight compared with the ideal value T OFFa of the transmittance. is there.

ここで、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onが小さい電界効果トランジスタ6を用いると、電界効果トランジスタ6のソース−ドレイン間寄生容量CSDが第2の分割部7によって生じる容量Csに対して非常に大きくなり、電界効果トランジスタ6がOFFの状態であってもLC共振周波数が容量Csによって決定されてしまい、OFF時の分割リング共振器3の透過率が図7(C)のTOFFcで示すように透過率の理想値TOFFaに対して劣化し、透過率変化が小さくなってしまう。 Here, when the field-effect transistor 6 having a small source-drain resistance R SDon is used, the source-drain parasitic capacitance C SD of the field-effect transistor 6 is compared with the capacitance C s generated by the second dividing unit 7. Even when the field effect transistor 6 is in an OFF state, the LC resonance frequency is determined by the capacitance C s , and the transmittance of the split ring resonator 3 at the OFF time is T OFFc in FIG. 7C. As shown by, the transmittance deteriorates with respect to the ideal value T OFFa , and the transmittance change becomes small.

図7(A)〜図7(C)の説明から明らかなように、電界効果トランジスタ6のON時のソース−ドレイン間抵抗RSD_onと第2の分割部7により形成される容量Csのトレードオフ関係の中から、電界効果トランジスタ6のON時の分割リング共振器3の透過率TONとOFF時の分割リング共振器3の透過率TOFFとの比TON/TOFFがLC共振周波数fLC1の近傍で大きくなるように、ソース−ドレイン間抵抗RSD_onの値を選択する必要がある(図8)。 Figure 7 (A) As apparent from the description of to FIG 7 (C), the source of the ON time of the field effect transistor 6 - capacitance formed by the drain resistance R SD _ on the second divided portion 7 C s from among the trade-off relationship, the ratio T ON / T oFF between the transmittance T oFF of split ring resonator 3 when the transmittance T ON and oFF of the split ring resonator 3 when ON of the field effect transistor 6 LC The value of the source-drain resistance R SDon needs to be selected so as to increase in the vicinity of the resonance frequency f LC1 (FIG. 8).

こうして、本実施の形態では、第1の実施の形態と比較して、電界効果トランジスタ6のOFF時のLC共振の強度を上げることができ、より大きな透過率のTON/TOFF比を実現することができるので、透過領域(電界効果トランジスタ6がONとなっている分割リング共振器3がある領域)を通過する透過波と透過領域以外の領域から漏れる電磁波との強度比を大きくすることができる。 Thus, in the present embodiment, the intensity of LC resonance when the field effect transistor 6 is OFF can be increased, and a larger T ON / T OFF ratio can be realized as compared with the first embodiment. Therefore, the intensity ratio between the transmitted wave passing through the transmission region (the region where the split ring resonator 3 where the field effect transistor 6 is ON) and the electromagnetic wave leaking from the region other than the transmission region is increased. Can do.

本実施の形態においても、実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器3の電界効果トランジスタ6のソースS、ドレインD、ゲートGに印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、電界効果トランジスタ6のON/OFFを分割リング共振器3毎に制御すればよい。   Also in the present embodiment, when the focus and wavefront are actually controlled, the source S, drain D, and gate of the field effect transistor 6 of each split ring resonator 3 of the metamaterial active element are controlled by a control means (not shown). By controlling the voltage applied to G, ON / OFF of the field effect transistor 6 may be controlled for each split ring resonator 3 so as to have a desired transmission characteristic with respect to incident electromagnetic waves.

なお、本実施の形態において、第1の分割部5によって生じる容量Cと第2の分割部7によって生じる容量Csが異なる場合(例えば第1の分割部5の寸法W1と第2の分割部7の寸法W2が異なる場合)と同じ場合が有り得るが、どちらの場合でもよい。 In the present embodiment, when the capacitance C s generated by the first dividing unit 5 and the capacitance C s generated by the second dividing unit 7 are different (for example, the dimension W1 of the first dividing unit 5 and the second dividing unit). 7 may be the same case), but either case is acceptable.

また、本実施の形態では、入射電磁波の周波数がLC共振周波数fLC1またはLC共振周波数fLC1の近傍である場合について主に説明しているが、このような周波数範囲の電磁波に加えて、周波数がLC共振周波数fLC2またはLC共振周波数fLC2の近傍である電磁波を入射電磁波としてもよい。本実施の形態によれば、LC共振周波数fLC1とfLC2で電磁波に対する透過特性を大きく変えることができるので、周波数の異なる電磁波に対して異なる透過波伝搬制御を行うことができる。 In the present embodiment, the case where the frequency of the incident electromagnetic wave is the LC resonance frequency f LC1 or the vicinity of the LC resonance frequency f LC1 is mainly described. However, in addition to the electromagnetic wave in such a frequency range, the frequency The electromagnetic wave having the LC resonance frequency f LC2 or the vicinity of the LC resonance frequency f LC2 may be used as the incident electromagnetic wave. According to the present embodiment, the transmission characteristics for electromagnetic waves can be greatly changed at the LC resonance frequencies f LC1 and f LC2 , so that different transmission wave propagation control can be performed for electromagnetic waves having different frequencies.

なお、第1、第2の実施の形態では、電界効果トランジスタ6の動作状態をONまたはOFFのいずれかに制御する例で説明しているが、これに限るものではなく、電界効果トランジスタ6の状態が完全なONとOFFの中間領域になるように制御してもよい。   In the first and second embodiments, the example in which the operation state of the field effect transistor 6 is controlled to either ON or OFF is described. However, the present invention is not limited to this. Control may be performed so that the state is a complete intermediate region between ON and OFF.

[第3の実施の形態]
第1の実施の形態では、第1の分割部に設ける素子として電界効果トランジスタを用いたが、これに限るものではなく、可変容量素子を用いてもよい。図9は本実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図であり、図2(A)と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分割リング共振器3は、リング部4と、第1の分割部5と、第1の分割部5によって分断されたリング部4の一端に第1の電極E1が接続され、第1の分割部5を挟んで前記一端と対向するリング部4の他端に第2の電極E2が接続された可変容量素子8とから構成される。第1の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図9の分割リング共振器3を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
[Third Embodiment]
In the first embodiment, the field effect transistor is used as the element provided in the first division section. However, the present invention is not limited to this, and a variable capacitance element may be used. FIG. 9 is a diagram for explaining an example of the planar structure of the split ring resonator according to the present embodiment. The same components as those in FIG. In the split ring resonator 3 of the present embodiment, the first electrode E1 is connected to one end of the ring part 4, the first split part 5, and the ring part 4 divided by the first split part 5, The variable capacitance element 8 includes a second electrode E2 connected to the other end of the ring portion 4 facing the one end with the first division portion 5 interposed therebetween. Similar to the first embodiment, the metamaterial active element is obtained by forming a plurality of split ring resonators 3 of FIG. 9 in an array on a dielectric substrate.

可変容量素子8は、制御端子E3に印加される電圧に応じて、電極E1とE2間の容量が変化する素子である。
したがって、可変容量素子8の容量を増加させると、第1の実施の形態において電界効果トランジスタ6をONにした場合に相当する透過率特性(例えば図10のTUP)を得ることができ、可変容量素子8の容量を減少させると、電界効果トランジスタ6をOFFにした場合に相当する透過率特性(例えば図10のTDOWN)を得ることができる。
The variable capacitance element 8 is an element in which the capacitance between the electrodes E1 and E2 changes according to the voltage applied to the control terminal E3.
Therefore, when the capacitance of the variable capacitance element 8 is increased, transmittance characteristics (for example, T UP in FIG. 10) corresponding to the case where the field effect transistor 6 is turned on in the first embodiment can be obtained. When the capacitance of the capacitive element 8 is decreased, a transmittance characteristic (for example, T DOWN in FIG. 10) corresponding to the case where the field effect transistor 6 is turned off can be obtained.

第1の分割部5によって生じる容量をC、可変容量素子8の増加時の容量をCUP、可変容量素子8の減少時の容量をCDOWNとすると、図10のLC共振周波数fLC1は(C+CDOWN)で決まり、図10のLC共振周波数fLC2は(C+CUP)で決まる。 When the capacitance generated by the first dividing unit 5 is C, the capacitance when the variable capacitance element 8 is increased is C UP , and the capacitance when the variable capacitance element 8 is decreased is C DOWN , the LC resonance frequency f LC1 of FIG. C + C DOWN ), and the LC resonance frequency f LC2 in FIG. 10 is determined by (C + C UP ).

[第4の実施の形態]
第2の実施の形態においても、電界効果トランジスタの代わりに可変容量素子を用いてもよい。図11は本実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の1例を説明する図であり、図6(A)と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分割リング共振器3は、リング部4と、第1の分割部5と、第2の分割部7と、可変容量素子8とから構成される。第1の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図11の分割リング共振器3を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
[Fourth Embodiment]
Also in the second embodiment, a variable capacitance element may be used instead of the field effect transistor. FIG. 11 is a diagram for explaining an example of the planar structure of the split ring resonator according to the present embodiment. The same components as those in FIG. 6A are denoted by the same reference numerals. The split ring resonator 3 according to the present embodiment includes a ring part 4, a first split part 5, a second split part 7, and a variable capacitance element 8. Similar to the first embodiment, the metamaterial active element is obtained by forming a plurality of split ring resonators 3 of FIG. 11 in an array on a dielectric substrate.

可変容量素子8については、第3の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態において可変容量素子8の容量を増加させると、第2の実施の形態において電界効果トランジスタ6をONにした場合に相当する透過率特性(例えば図12のTUP)を得ることができ、可変容量素子8の容量を減少させると、電界効果トランジスタ6をOFFにした場合に相当する透過率特性(例えば図12のTDOWN)を得ることができる。 The variable capacitance element 8 is as described in the third embodiment. When the capacitance of the variable capacitance element 8 is increased in the present embodiment, transmittance characteristics (for example, T UP in FIG. 12) corresponding to the case where the field effect transistor 6 is turned on in the second embodiment can be obtained. If the capacitance of the variable capacitance element 8 is reduced, a transmittance characteristic (for example, T DOWN in FIG. 12) corresponding to the case where the field effect transistor 6 is turned off can be obtained.

第1の分割部5によって生じる容量をC、第2の分割部7によって生じる容量をCs、可変容量素子8の増加時の容量をCUP、可変容量素子8の減少時の容量をCDOWNとすると、図12のLC共振周波数fLC1は1/{(1/Cs)+(1/(C+CDOWN))}で決まり、図12のLC共振周波数fLC2は1/{(1/Cs)+(1/(C+CUP))}で決まる。 The capacitance generated by the first dividing unit 5 is C, the capacitance generated by the second dividing unit 7 is C s , the capacitance when the variable capacitance element 8 is increased, C UP , and the capacitance when the variable capacitance element 8 is decreased is C DOWN. Then, the LC resonance frequency f LC1 in FIG. 12 is determined by 1 / {(1 / C s ) + (1 / (C + C DOWN ))}, and the LC resonance frequency f LC2 in FIG. 12 is 1 / {(1 / C s ) + (1 / (C + C UP ))}.

なお、第3、第4の実施の形態においても、第2の実施の形態と同様に、周波数がLC共振周波数fLC1またはLC共振周波数fLC1の近傍である電磁波に加えて、周波数がLC共振周波数fLC2またはLC共振周波数fLC2の近傍である電磁波を入射電磁波とし、周波数の異なる電磁波に対して異なる透過波伝搬制御を行うようにしてもよい。 In the third and fourth embodiments, as in the second embodiment, in addition to the electromagnetic wave whose frequency is near the LC resonance frequency f LC1 or the LC resonance frequency f LC1 , the frequency is LC resonance. An electromagnetic wave in the vicinity of the frequency f LC2 or the LC resonance frequency f LC2 may be used as an incident electromagnetic wave, and different transmitted wave propagation control may be performed on electromagnetic waves having different frequencies.

第3、第4の実施の形態において、実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器3の可変容量素子8の制御端子E3に印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、可変容量素子8の容量を分割リング共振器3毎に制御すればよい。   In the third and fourth embodiments, when the focus and wavefront are actually controlled, the control terminal E3 of the variable capacitance element 8 of each split ring resonator 3 of the metamaterial active element is controlled by a control means (not shown). By controlling the voltage applied to, the capacitance of the variable capacitance element 8 may be controlled for each split ring resonator 3 so as to have a desired transmission characteristic for incident electromagnetic waves.

第1〜第4の実施の形態において、各分割リング共振器3を構成するリング部4のパターンは全て同一としてもよいし、メタマテリアル能動素子面内でリング部4のパターンを変えてもよい。リング部4のパターンを変えることにより、所望の透過波伝搬制御に適した容量C,Csを設定することが可能となる。 In the first to fourth embodiments, all the patterns of the ring portions 4 constituting each divided ring resonator 3 may be the same, or the pattern of the ring portions 4 may be changed in the metamaterial active element plane. . By changing the pattern of the ring portion 4, the capacitance C which are suitable for the desired transmitted wave propagation control, it is possible to set the C s.

本発明は、分割リング共振器を用いたメタマテリアル素子に適用することができる。   The present invention can be applied to a metamaterial element using a split ring resonator.

1…メタマテリアル能動素子、2…誘電体基板、3…分割リング共振器、4…リング部、5…第1の分割部、6…電界効果トランジスタ、7…第2の分割部、8…可変容量素子。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Metamaterial active element, 2 ... Dielectric substrate, 3 ... Split ring resonator, 4 ... Ring part, 5 ... 1st division part, 6 ... Field effect transistor, 7 ... 2nd division part, 8 ... Variable Capacitance element.

Claims (8)

金属からなる平面視環状のリング部と、
このリング部に設けられたギャップである第1の分割部と、
この第1の分割部によって分断された前記リング部の一端にソースが接続され、前記第1の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端にドレインが接続されたトランジスタとを備えることを特徴とする能動素子。
A ring-shaped ring portion made of metal in plan view,
A first divided portion which is a gap provided in the ring portion;
A transistor having a source connected to one end of the ring portion divided by the first divided portion and a drain connected to the other end of the ring portion facing the one end across the first divided portion. An active element comprising:
請求項1記載の能動素子において、
さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第2の分割部を備えることを特徴とする能動素子。
The active device of claim 1, wherein
Furthermore, the active element characterized by including the 2nd division part which is another gap provided in the said ring part.
請求項1記載の能動素子において、
前記リング部と前記第1の分割部と前記トランジスタとからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
The active device of claim 1, wherein
A structure composed of the ring part, the first divided part, and the transistor is used as a unit cell, and a plurality of unit cells are arranged in an array,
An active element, wherein the operation state of the transistor is set for each unit cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to incident electromagnetic waves.
請求項2記載の能動素子において、
前記リング部と前記第1の分割部と前記トランジスタと前記第2の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
The active device according to claim 2, wherein
A structure composed of the ring part, the first divided part, the transistor, and the second divided part is used as a unit cell, and a plurality of unit cells are arranged in an array,
An active element, wherein the operation state of the transistor is set for each unit cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to incident electromagnetic waves.
金属からなる平面視環状のリング部と、
このリング部に設けられたギャップである第1の分割部と、
この第1の分割部によって分断された前記リング部の一端に第1の電極が接続され、前記第1の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端に第2の電極が接続された可変容量素子とを備えることを特徴とする能動素子。
A ring-shaped ring portion made of metal in plan view,
A first divided portion which is a gap provided in the ring portion;
A first electrode is connected to one end of the ring portion divided by the first divided portion, and a second electrode is connected to the other end of the ring portion facing the one end across the first divided portion. An active element comprising a connected variable capacitance element.
請求項5記載の能動素子において、
さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第2の分割部を備えることを特徴とする能動素子。
The active device according to claim 5, wherein
Furthermore, the active element characterized by including the 2nd division part which is another gap provided in the said ring part.
請求項5記載の能動素子において、
前記リング部と前記第1の分割部と前記可変容量素子とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
The active device according to claim 5, wherein
A structure composed of the ring part, the first divided part and the variable capacitance element is used as a unit cell, and a plurality of unit cells are arranged in an array,
An active element, wherein the unit cell has a capacity of each variable cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to an incident electromagnetic wave.
請求項6記載の能動素子において、
前記リング部と前記第1の分割部と前記可変容量素子と前記第2の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
The active device according to claim 6, wherein
A structure composed of the ring part, the first divided part, the variable capacitance element, and the second divided part is used as a unit cell, and a plurality of the unit cells are arranged in an array,
An active element, wherein the unit cell has a capacity of each variable cell so that the unit cell has a desired transmission characteristic with respect to an incident electromagnetic wave.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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