JP4648041B2 - 制御可能な屈折特性を備えた媒質 - Google Patents

Description

本発明は屈折性のメタマテリアル、およびそのような材料を使用する装置と方法に関する。

負の屈折率を有する媒質はメタマテリアルと称される。誘電定数ε、および透磁率μの両方が特定の周波数で負の実数部分を有するとき、屈折率は負の記号を有する。負の屈折率は、特定の周波数の電磁放射を、メタマテリアルと正の屈折率を備えた媒質の間の界面で異常に屈折させる。異常屈折においては、入射および屈折の光線が入射平面で界面の垂線の同じ側に横たわる。

メタマテリアルは、空間的に規則的な回路素子のアレイから人工的に構築されてきた。いくつかのそのようなメタマテリアルは図１〜４に例示されるようにスプリットリング共振器とワイヤ・ストリップの規則的なアレイを含む。

図１は厚板１２を有する１つのメタマテリアルの一部分を示している。厚板１２は方形のガラス繊維板１４の二次元（２Ｄ）立方格子によって形成される。

図２は厚板の２Ｄ立方格子の単位セルを示している。単位セルは２枚のガラス繊維板１４を有する。ガラス繊維板１４の寸法は厚さ０．２５ミリメートル（ｍｍ）、長さ１０ｍｍ、幅５ｍｍである。

図３は単位セルの１枚のガラス繊維板１４を示している。ガラス繊維板１４は板１４の裏側の中心軸上のワイヤ・ストリップ１６および板１４の表側の同じ中心軸に沿った３つのスプリットリング共振器（ＳＲＲ）１８を有する。ワイヤ・ストリップ１６は銅の０．０３ｍｍの厚さの層で形成される。ワイヤ・ストリップのその他の寸法は長さ１０ｍｍ、幅０．２５ｍｍである。

図４はガラス繊維板１４の１つのＳＲＲ１８を示している。ＳＲＲ１８は０．０３ｍｍの厚さの銅の層で形成された２つの同心のスプリットリング２０、２２を有する。スプリットリング２０、２２を特徴付ける寸法はａ、ｃ、ｄ、ｇ、およびｗで示され、ｃ＝０．２５ｍｍ、ｄ＝０．３０ｍｍ、ｇ＝０．４６ｍｍ、およびｗ＝２．６２ｍｍを満たす。
図１〜４の例のメタマテリアルでは、ＳＲＲ１８の規則的なアレイがμに関して負の実数部分を作り出し、ワイヤ・ストリップ１６の規則的なアレイがεに関して負の実数部分を作り出す。

制御可能な屈折特性を有する媒質、及びそのような媒質を使用する装置及び方法に対する要求がある。

様々な実施形態が、メタマテリアルと通常の屈折状態の間で変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）することが可能な媒質による電磁放射の屈折を与える。ここで、選択された周波数の放射が、屈折率の実数部分が正であるかのように媒質中を伝搬するのであれば、その媒質は通常の屈折状態にある。通常の屈折媒質は、伝搬する放射に対して小さな減衰量を与え得る。

一実施形態は、アレイ内の回路素子に遠隔制御装置を接続させるために回路素子と制御ラインの３Ｄアレイを有する装置を提供する。各々の回路素子は、制御ラインの１つから受信される制御信号の変化に応答して１つの回路状態から別の回路状態に変化するように構成される。この３Ｄアレイは、その領域の回路素子が回路状態の一方のセットにあるときに、選択された周波数でメタマテリアルの挙動を示し、その領域の回路素子が回路状態の他方のセットにあるときに、通常の屈折媒質の挙動を示すような領域を有する。

別の実施形態は無線送信もしくは無線受信のためのシステムを提供する。このシステムは無線送信器と無線受信器のうちの一方、および送信器から送信される電磁放射ビームと受信器によって受信される電磁放射ビームの一方を妨害するように配置された屈折媒質を有する。無線送信器と無線受信器のうちの一方は無線通信周波数を有する。この屈折媒質は第１と第２の状態の間で変化可能な３Ｄ領域を有する。第１の状態では、この３Ｄ領域はその無線通信周波数でメタマテリアルである。第２の状態では、この３Ｄ領域はその無線通信周波数で通常の屈折媒質である。この屈折媒質は、３Ｄ領域が第１の状態にあるときに第１の方向と送信器および受信器の一方の間で妨害されるビームの一方を進路制御するように構成される。この屈折媒質は、３Ｄ領域が第２の状態にあるときに異なる第２の方向と送信器および受信器の一方の間で妨害されるビームの一方を進路制御するように構成される。

別の実施形態は無線送信または無線受信の方法を提供する。この方法は無線通信のための第１の送信もしくは受信の方向を選択する工程、光学的もしくは電気的制御信号を３Ｄ媒質に送信する工程、およびその後、選択された第１の方向と無線送信器および無線受信器の一方の間で電磁放射のビームを進路制御する工程を含む。制御信号は３Ｄ媒質の領域を、或る周波数での通常の屈折状態から同じ周波数でのメタマテリアルに変化させる。放射は同じ周波数を有する。進路制御工程はこの領域と通常の屈折媒質の間の界面でビームを屈折させる工程を含む。

ここで、添付の図面と詳細な説明を参照しながら様々な実施形態がさらに充分に述べられる。しかしながら、本発明は様々な形で実施することが可能であり、ここに述べられる実施形態に限定されない。
図中および文中で、類似した参照番号は機能的に類似した特徴に関連する。

図５Ａは、可変かつ制御可能な屈折特性を提供する装置３０を示している。装置３０は屈折構造体３２、制御装置３４、および制御装置３４を屈折構造体３２に接続する制御ライン３６を有する。屈折構造体３２は、選択された波長範囲の中で制御可能な屈折特性を有する三次元（３Ｄ）媒質である。屈折構造体３２の個々の３Ｄの部分領域は選択された波長範囲の中の電磁放射に関してメタマテリアルまたは通常の屈折媒質のどちらかの挙動を示すことが可能である。これら３Ｄ領域の屈折状態は制御ライン３６を経由して３Ｄ媒質に供給される電圧または光学的制御信号によって可逆的に制御される。制御装置３４は制御ライン３６に加える制御信号を変えることによって３Ｄ領域間の屈折特性を変化させる。

屈折構造体３２に関する２つの例となる屈折構造が図５Ｂと５Ｃに示されている。

図５Ｂは、屈折構造体３２の楔形領域３８Ａがメタマテリアルの挙動を示し、残りの領域３９Ａが通常の屈折媒質の挙動を示す構造を示している。この状態で、屈折構造体３２は入射放射線Ｉ屈折させることで屈折放射線Ｒを作り出す。メタマテリアル３８Ａと通常の屈折媒質３９Ａの間の界面で、入射および屈折放射線Ｉ、Ｒは入射平面にあり、屈折界面に対する垂線ベクトルＮの同じ側にある。

図５Ｃは、屈折構造体３２の凹部形状領域３８Ｂがメタマテリアルの挙動を示し、残りの領域３９Ｂが通常の屈折媒質の挙動を示す第２の構造を示している。この状態で、屈折構造体３２は入射放射線Ｉ屈折させることで屈折放射線Ｒを作り出す。この状態では、屈折した放射線Ｒは焦点に向かって集束する。

図５Ａ、５Ｂ、および５Ｃの屈折構造体３２用の均質な媒質の例となる構造が図６〜１０、および１１Ａ〜１１Ｂに例示されている。この構造はスプリットリング共振器（ＳＲＲ）とワイヤ・ストリップの空間的に規則的な３Ｄアレイを有する。この３Ｄアレイの規則的な格子はその中で屈折させられる電磁放射の波長と比較して小さい格子寸法を有するので、この構造は３Ｄ媒質の挙動を示す。例となる電磁放射は、例えばマイクロ波、ミリ波、またはサブミリ波を含むことが可能である。

図６を参照すると、屈折構造体３２は同じ平板状厚板４２の規則的な積層を有する。積層の平板状厚板４２は、積層方向ｚに沿って屈折構造体３２が空間的に均一になるように整列させられる。

図７を参照すると、各々の厚板４２は同一で誘電性の基板４４の空間的に規則的なアレイおよび制御ライン３６の層を有する。誘電性基板４４は２Ｄ格子、例えば約５ｍｍの格子長さを備えた立方格子を形成する。例となる誘電性基板４４は０．２５ｍｍの厚さのガラス繊維で作製され、約１０ｍｍの高さおよび約５ｍｍの幅である。制御ライン３６は誘電性基板４４上のスイッチまたはバラクタ・ダイオード（図示せず）といった制御装置に接続する。制御ライン３６は光ファイバまたは電線のいずれかである。制御ライン３６がワイヤであれば、それらは、屈折構造体３２内に伝搬する平面の電磁放射に与える影響を最少限にするように配置されることが好ましい。例えば、前記放射との干渉を低減するためにワイヤはそのような放射の伝搬方向に実質的に平行に走ることが可能である。

図８を参照すると、立方格子の単位セル４５は２枚の誘電性基板４４を有する。各々の誘電性基板４４がワイヤ・ストリップ４８と３つのスプリットリング共振器（ＳＲＲ）５０を有する。ワイヤ・ストリップ４８は基板裏側の中心軸上にある。ＳＲＲ５０は均一に広がり、基板表側の同じ中心軸上に中心を置く。ワイヤ・ストリップ４８とＳＲＲ５０は回路素子であって、その回路状態は２または３端子の電子式制御装置４６の状態に応じて決まる。

例となる電子式制御装置４６は制御可能なスイッチおよびバラクタ・ダイオードである。スイッチ・タイプの制御装置４６では、スイッチは２つの状態、すなわち開状態と閉状態を有する。バラクタ・ダイオード・タイプの制御装置４６では、バラクタ・ダイオードは２つ以上の異なるキャパシタンス状態を有する。異なるキャパシタンス状態はバラクタ・ダイオードを横切る異なったバイアス電圧によって作り出される。これら異なったバイアス電圧は異なる大きさの逆バイアス電圧、あるいは逆バイアス電圧と順方向バイアス電圧であることが可能である。

図９を参照すると、電子式制御装置４６の状態、すなわちスイッチに関すると開または閉は、光学的もしくは電圧の制御信号の形によって決定される。制御信号は制御ライン３６、例えば光ファイバまたはワイヤの端部を介して電子式制御装置４６に印加される。

図１０を参照すると、各々のワイヤ・ストリップ４８は１つまたは複数の容量性ギャップ５４によって分けられた金属導通区分５２の配列を有する。例となる導通区分５２は約０．０３ｍｍの厚さおよび約０．２５ｍｍの幅を有する銅の層である。導通区分５２の配列の全長は誘電性基板４４の高さとほぼ同じである。各々の容量性ギャップ５４の反対側にある導通区分５２は電子式制御装置４６、すなわちスイッチまたはバラクタ・ダイオードを介して接続される。１つの電子式制御装置４６は各々のギャップ５４の上に重なる。電子式制御装置４６が切り換えられるとき、もしもスイッチが閉にされると配列の導通区分５２は、同じ全長、幅、厚さの連続した金属長片のそれらとその電気的特性が類似している回路素子を形成する。同様に、スイッチが開にされると配列の導通区分５２は、低キャパシタンスのギャップ５４によって結合された一連の短片の導体のそれらとその電気的特性が類似している回路素子を形成する。同様に、制御装置４６がバラクタ・ダイオードであると、配列の導通区分５２はその電気的特性がバラクタ・ダイオードのキャパシタンスの状態に応じて変わる回路素子を形成する。

図１１Ａを参照すると、図８〜９のＳＲＲ５０に関する１つの形５０Ａは２つの同心の金属のスプリットリング５６と制御装置４６によって形成された回路素子である。例となるスプリットリング５６は０．０３ｍｍの厚さの銅の層で作製され、様々なリング状の形状を有することが可能である。例となるＳＲＲ５０Ａはｃ＝０．２５ｍｍ、ｄ＝０．３０ｍｍ、ｇ＝０．４６ｍｍ、およびｗ＝２．６２ｍｍを満たす特徴寸法を有することが可能である。ＳＲＲ５０Ａでは、電子式制御装置４６はＳＲＲ５０Ａの内側と外側のスプリットリングの間でブリッジを形成する。バラクタ・ダイオード・タイプの制御装置４６に関すると、同心の金属のスプリットリング５６はそのキャパシタンスがバラクタ・ダイオードのキャパシタンスの状態に応じて決まる回路素子を形成する。同様に、スイッチ・タイプの制御装置４６に関すると、同心の金属のスプリットリング５６はスイッチが閉にされると極めて低いキャパシタンスを備えた回路素子、およびスイッチが開にされると中程度のキャパシタンスを備えたキャパシタを形成する。概して述べると金属のスプリットリング５６間のキャパシタンスが減少すると、ＳＲＲ５０Ａの磁気共鳴周波数ω_ｍ０は増すので、電子式制御装置４６のキャパシタンスが増大すると磁気共鳴周波数ω_ｍ０は低下する。

図１１Ｂを参照すると、図８〜９のＳＲＲ５０に関する別の選択肢の形５０Ｂは２つの同心の金属のスプリットリング５６’と１つまたは複数のスイッチ・タイプの制御装置４６によって形成された回路素子である。例となる金属のスプリットリング５６’は図１１Ａの金属のスプリットリング５６と同じ組成および寸法を有する。１つまたは複数の制御装置４６は、内側および／または外側の金属のスプリットリング５６’の端部を隔てるギャップｇをブリッジする。スイッチ・タイプの装置４６に関すると、同心の金属のリング５６’はスイッチが閉にされると閉回路素子を形成する。そのような閉素子は、そのような制御スイッチが開であるときに存在する開回路素子よりもはるかに高い磁気共鳴周波数ω_ｍ０を有する。

図１２Ａ、１２Ｂ、および１２Ｃは図９〜１０、１１Ａ、および１１Ｂの電子式制御装置４６の様々なスイッチ・タイプの実施形態４６Ａ、４６Ｂ、４６Ｃを示している。

図１２Ａを参照すると、光感受性の電子式スイッチ・タイプの制御装置４６Ａは半導体のチャネル６０を有し、それが導体６２、すなわち図１０の導通区分５２あるいは図１１Ａもしくは１１Ｂの金属のスプリットリング５６、５６’の部分の間のギャップをブリッジする。光感受性のスイッチ４６Ａは制御ライン３６、すなわち光ファイバの端部から供給される光に応答して閉じる。光ファイバから入る光は半導体チャネル６０内のキャリアを励起し、チャネルの導電度を増大させ、それによって制御スイッチ４６Ａを閉じる。制御光が不在のとき、半導体チャネル６０は高抵抗であり、導体６２間でスイッチを開にする。

図１２Ｂを参照すると、電子式スイッチ・タイプの制御装置４６Ｂは電界効果型トランジスタ（ＦＥＴ）であって、それが導体６２、すなわち図１０の導通区分５２あるいは図１１Ａもしくは１１Ｂの金属のスプリットリング５６、５６’の部分の間のギャップをブリッジする。ＦＥＴ６４はゲート電極６６、誘電体層６８、半導体チャネル６０、および導体６２によって形成されるソースとドレイン電極を有する。制御ライン３６、すなわちワイヤがゲート電圧を印加し、それがスイッチ４６Ｂを開閉させる。

図１２Ｃを参照すると、エレクトロメカニカル・スイッチ・タイプの制御装置４６Ｃはマイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）装置７０および導体６２、すなわち図１０の導通区分５２あるいは図１１Ａもしくは１１Ｂの金属のスプリットリング５６、５６’の部分を有する。ＭＥＭＳ装置７０は屈曲可能なアーム７２、および可動性アーム７２の表面上に配置された導電性細長片７４を有する。制御ライン３６、すなわちワイヤが電圧を印加し、それが可動性アーム７２の位置を、例えばＭＥＭＳ装置７０の帯電キャパシタ平板と基板４４の帯電キャパシタ平板の間のクーロン力によって制御する。そのようなＭＥＭＳ装置７０の製造法は当業者によく知られている。印加された電圧は、導電性細長片７４が移動して導体６２と接触するようにアーム７２を屈曲させる。この機械的運動が電子式スイッチ・タイプの制御装置４６Ｃを閉じる。キャパシタを放電させることは、導電性細長片７４が移動して導体６２との接触が外れ、それによってスイッチ・タイプの制御装置４６Ｃを開くようにアーム７２の屈曲を解除させる。

図５Ａおよび６〜１０を参照すると、制御装置３４は屈折構造体３２の選択された３Ｄ領域がメタマテリアル状態にあるかまたは通常の屈折状態にあるかを制御する。両方のタイプの状態で、εおよびμの実数部分は選択された周波数ωで同じ正負記号を有し、それにより、周波数ωの電磁放射は実モーメント（ｒｅａｌ ｍｏｍｅｎｔｕｍ）を伴って３Ｄ領域を通って伝搬するであろう。εとμの実数部分は両方の状態で同じ正負記号を有するので、選択された３Ｄ領域を２つの屈折状態の間で変換（ｔｒａｎｓｆｏｒｍ）する工程はεとμの両方の実数部分の正負記号を変える工程を必要とする。そのような変換を行なうために、制御装置３４は変換する選択３Ｄ領域のＳＲＲ５０とワイヤ・ストリップ４８の回路状態を同時に変える。選択３Ｄ領域では、ＳＲＲ５０の回路状態がμの実数部分の正負記号を決定し、ワイヤ・ストリップ４８の回路状態がεの実数部分の正負記号を決定する。ワイヤ・ストリップ４８とＳＲＲ５０の両方の回路状態は内部の電子式制御装置４６の状態によって決まる。

ワイヤ・ストリップ４８のアレイは電子プラズマ周波数ω_ｅｐと電子共鳴周波数ω_ｅ０の間で負の実数部分を備えたεを生じさせ、その他の周波数で正の実数部分を備えたεを生じさせる。共鳴周波数ω_ｅ０はワイヤ・ストリップ４８内の１つまたは複数の制御装置４６の状態に応じて決まる。もしも制御装置４６がバラクタ・ダイオードであれば、共鳴周波数ω_ｅ０はバラクタ・ダイオードが高いキャパシタンス状態にあるときよりもバラクタ・ダイオードが低いキャパシタンス状態にあるときにはるかに低くなるであろう。特に、ワイヤ・ストリップ４８の区分５２間の高いキャパシタンスはω_ｅ０の値を上昇させる。同様に、もしも制御装置４６がスイッチであれば、共鳴周波数ω_ｅ０はスイッチが開状態にあるときよりもスイッチが閉状態にあるときにやはりはるかに低くなるであろう。

同様に、ＳＲＲ５０の３Ｄアレイは磁気プラズマ周波数ω_ｍｐと磁気共鳴周波数ω_ｍ０の間で負の実数部分を備えたμを生じさせ、その他の周波数で正の実数部分を備えたμを生じさせる。共鳴周波数ω_ｍ０はＳＲＲ５０内の電子式制御装置４６の状態に応じて決まる。図１１Ａの実施形態では、ＳＲＲ５０は電子式制御装置４６が低い方のキャパシタンス状態にあるときに低い方の共鳴周波数ω_ｍ０を有する。バラクタ・ダイオード・タイプの制御装置４６に関すると、バラクタ・ダイオードのキャパシタンスを下げる制御電圧を印加することがそのような状態を作り出す。スイッチ・タイプの制御装置４６に関すると、スイッチを閉にすることがそのような低いキャパシタンス状態を作り出す。図１１Ｂの実施形態では、スプリットリング５６’のギャップを閉じると、通常ではＳＲＲ５０のω_ｍ０を上昇させる。したがって、スイッチ・タイプの制御装置４６ではスイッチを閉じることがＳＲＲ５０Ｂのω_ｍ０を上昇させる。

図１３は共鳴周波数ω_ｍ０とω_ｅ０の移動がどのようにして３Ｄ領域の屈折状態を変化させるかを例示している。メタマテリアルの状態では、選択される周波数ωは間隔［ω_ｅ０、ω_ｅｐ］と間隔［ω_ｍ０、ω_ｍｐ］の両方の内側に置かれる。例となる図６〜１１Ｂの実施形態およびスイッチ・タイプの制御装置４６に関すると、ワイヤ・ストリップ４８の制御スイッチ４６を閉じ、かつＳＲＲ５０の制御スイッチ４６を開くことは、選択されたワイヤ・ストリップ４８、スプリットリング５０、および３Ｄ格子の寸法に関してωが［ω_ｅ０、ω_ｅｐ］と［ω_ｍ０、ω_ｍｐ］の内側に置かれる原因となる。例となる実施形態は、９および１２ギガヘルツ（ＧＨｚ）の間の周波数でそのようなメタマテリアル状態を作り出す範囲で設計される。通常の屈折状態では、同じ選択される周波数ωは間隔［ω_ｅ０、ω_ｅｐ］と間隔［ω_ｍ０、ω_ｍｐ］両方の外側に置かれる。図６〜１１Ｂの実施形態およびスイッチ・タイプの制御装置４６に関すると、ワイヤ・ストリップ４８の制御スイッチ４６を開き、かつＳＲＲ５０の制御スイッチ４６を閉じることは、選択された周波数ωが［ω_ｅ０、ω_ｅｐ］と［ω_ｍ０、ω_ｍｐ］の外側にある原因となる。これは、ギャップ５４のキャパシタンスによって生じるω_ｅ０のシフトおよび短絡されたリング５６の低キャパシタンスもしくは金属のリング５６’の閉鎖のいずれかによって生じるω_ｍ０のシフトに起因する結果である。

他の実施形態では、プラズマ周波数ω_ｅｐとω_ｍｐの移動が屈折構造体３２の３Ｄ領域の屈折状態もまた変換することが可能である。図１３のように、選択される周波数ωは３Ｄ領域がメタマテリアルであるときに間隔［ω_ｅ０、ω_ｅｐ］と［ω_ｍ０、ω_ｍｐ］の内側に置かれ、３Ｄ領域が通常の屈折媒質であるときにこれらの間隔の外側に置かれる。ω_ｅｐとω_ｍｐのシフトによる２つの間隔の境界の移動は、通常、回路素子によって形成される３Ｄアレイの格子長の有効な増大を必要とする可能性がある。

装置３０の制御可能な屈折特性は無線送信器と無線受信器の両方で受動的なビームの進路制御のために有用である。ビームの進路制御は携帯電話ネットワークの無線タワーの送信方向および受信方向の進路制御を可能にする。

図１４は受動的なビーム進路制御装置、例えば図５Ａおよび５Ｂの装置３０を備えた例の無線送信システム１００を示している。無線送信システム１００は垂直の送信タワー１０２、電気的無線送信ドライバ１０４、送信アンテナ１０６、制御可能な屈折構造体３２、および制御装置３４を有する。送信タワー１０２は送信アンテナ１０６、すなわち無線送信器および屈折構造体３２を地面１０８の上の一定の高さおよび一定の相対位置に保持する。送信アンテナ１０６は空間的に規則的な一次元もしくは二次元のアレイを形成する。動作時では、電気的ドライバ１０４がケーブル１１０上に変調された電気的搬送波を発生させ、この信号が選択された無線送信周波数で送信アンテナ１０６を同相でドライブする。変調された電気的搬送波は、空間的アレイが外見的に平面状の位相面を備えた出力ビームを、例えば約２ＧＨｚのマイクロ波搬送波周波数で作り出すように送信アンテナをドライブする。屈折構造体３２は送信アンテナ１０６のアレイから出る外見的に平面状の位相面を備えた出力ビームを途中で捕捉する。制御装置３４は屈折構造体３２の楔形領域３８Ａの屈折状態を制御するためにライン３６上に制御信号を生じさせる。楔形領域３８Ａはドライバ１０４の選択された無線送信周波数で通常の屈折状態またはメタマテリアル状態にあることが可能である。

無線送信システム１００では、屈折構造体３２は送信アンテナ１０６のアレイによって作り出される電磁放射ビームの受動的かつ再構成可能な進路制御を提供する。進路制御はビームが様々な選択されたターゲット方向、例えば方向ＡまたはＢに向け直されることが可能となるように再構成可能である。選択可能なターゲット方向は、例えば１つの垂直平面内にあるか、または１つの水平の平面内にあることが可能である。ビームのターゲット方向を例えばＡからＢに変えるために、屈折構造体３２の楔形領域３８Ａの状態が通常の屈折状態とメタマテリアル状態の間で変換される。送信は、内部のワイヤ・ストリップ４８とＳＲＲ５０の電子式制御装置４６を再構成する工程を含む。一方の状態では、屈折構造体３２はメタマテリアル媒質３８Ａとそれに隣接する通常の屈折媒質、例えば空気および／または通常の屈折領域３９Ａの間の１つまたは複数の界面で電磁ビームを大幅に屈折させる。

等しい入射角を前提条件とすると、メタマテリアルと通常の屈折媒質の間の界面は２つの通常の屈折媒質の間の界面よりも強く入射ビームを偏向させるであろう。その理由のために、屈折構造体３２はメタマテリアルを付帯せずに同じ量のビーム偏向を提供する従来式の受動的屈折構造体よりも通常では一層薄くてもよく、かつ少ないスペースしか必要としないであろう。この事実およびビーム方向の制御性は屈折構造体３２を組み入れる無線送信器および受信器に、通常の屈折媒質（図示せず）に基づく従来式の無線送信器および受信器を上回る大きな利点を提供する。

例の無線送信システム１００では、送信アンテナ１０６のアレイは、平面状で同相の波面を有し、水平方向であり、かつ屈折構造体３２の第１の表面１１２上に直角に入射するビームを作り出す。メタマテリアル状態では、例の屈折構造体３２は−［（１＋√２）／（１−√２）］^１／２から−［（１−√２）／（１＋√２）］^１／２の屈折率を有し、かつ選択された送信周波数で約−１の屈折率を有することが好ましい。屈折率のそのような値は電磁放射の入射ビームの前面１１２での後方反射を下げることによってパワー損失を減少させる。

携帯電話ネットワークの基地局への応用では、屈折構造体３２は途中で捕捉した電磁ビームを水平方向から地面１０８に下方向で０から８度で偏向させることが可能である。電磁放射のビームの制御可能な進路制御は携帯電話ネットワークの隣り合うセル内の信号の汚濁を減少させるために使用されることが可能である。

他の実施形態は再構成可能な屈折構造体３２に基づいた無線受信器システムを提供する。そのようなシステムのレイアウトは以下の置き換えを伴って図１４の無線送信システム１００のそれと同様であることが可能である。電気的無線送信ドライバ１０４が電気的受信器で置き換えられ、送信アンテナ１０６が受信アンテナ、すなわち無線受信器で置き換えられる。動作時では、電気的受信器１０４はケーブル１１０上の変調された電気的搬送波を受信する。変調された搬送波はアレイの受信器アンテナ１０６に捕捉された電磁放射のビームによって作り出される。屈折構造体３２は受信された無線通信ビームのビームを途中で捕捉し、選択された受信方向、例えば方向ＡもしくはＢからアンテナ１０６のアレイにビームを進路制御する。その理由のために、異なる方向、例えば方向ＡもしくはＢから入るビームが受信アレイのアンテナ１０６によって選択的に捕捉され得るように、屈折構造体３２は今度もやはり電磁放射ビームの受動的かつ再構成可能な進路制御を提供する。

図１５は無線送信器もしくは受信器、例えば図１４の送信器１００を操作する例の方法１２０を示している。方法１２０は、無線通信に関する第１の送信もしくは受信の方向、例えば携帯電話ネットワークの選択されたセルの方向を選択する工程（工程１２２）を含む。方法１２０は、光学的もしくは電気的制御信号を３Ｄ媒質に送信することでその仲の３Ｄ領域を選択された周波数での通常の屈折状態からメタマテリアル状態に変換する工程（工程１２４）を含む。この変換工程は、例えば、スイッチ・タイプの制御装置４６のスイッチを開き、かつ／または閉じることによって、あるいはバラクタ・ダイオード・タイプの制御装置４６のバラクタ・ダイオードのキャパシタンスを変えることによって３Ｄ領域のワイヤ・ストリップ４８およびＳＲＲ５０の電子式制御装置４６の状態を変える工程を含む。方法１２０は選択された第１の方向と無線送信器および無線受信器のうちの一方の間で電磁放射のビームを進路制御する工程（工程１２６）を含む。進路制御される放射は選択された周波数を有する。進路制御工程は変換された３Ｄ領域と通常の屈折媒質の間の界面で電磁放射のビームを屈折させる工程を含む。

例の方法１２０は無線送信もしくは無線受信のための第２の方向を選択する工程（工程１２８）を含む。第２と第１の選択された方向は異なる。方法１２０は３Ｄ媒質に送信される制御信号を変えることで前記３Ｄ領域を再変換して選択された周波数で通常の屈折状態となるように戻す工程（工程１３０）を含む。方法１２０は、その後に、選択された第２の方向と無線送信器もしくは無線受信器の間で電磁放射ビームの第２のビームを進路制御する工程（工程１３２）を含む。電磁放射ビームの第２のビームは、今度もやはり選択された周波数を有する。第２のビームの進路制御は再構成された３Ｄ領域を通して第２のビームを通過させる工程を含む。

本出願の明細書、図面、および特許請求項を考慮に入れると、本発明の他の実施形態は当業者にとって明らかであろう。

従来のメタマテリアルの一部分の斜視図である。 図１のメタマテリアルの１つの単位セルの斜視図である。 図２の１つの回路基板を上から見た断面図である。 図２〜３の１つのスプリットリング共振器（ＳＲＲ）の正面図である。 制御可能な屈折特性を備えた屈折媒質を有する装置を示す図である。 図５Ａの屈折媒質の構成を例示する図であって、楔形の領域はメタマテリアルの挙動を示す、図である。 図５Ａの屈折媒質の構成を例示する図であって、凹部形状の領域はメタマテリアルの挙動を示す、図である。 図５Ａの屈折媒質の一実施形態の断面図である。 図６に示された積層構造の厚板の斜視図である。 図７の規則的な２Ｄ格子の単位セルの斜視図である。 図８の回路基板の上から見た断面図である。 図８〜９の制御可能なワイヤ・ストリップの正面図である。 図８〜９の制御可能なＳＲＲの一実施形態の正面図である。 図８〜９の制御可能なＳＲＲの別の選択肢の実施形態の正面図である。 図９、１０、１１Ａ、および１１Ｂの１つの電子式制御装置の光励起式スイッチ・タイプの実施形態を示す断面図である。 図９、１０、１１Ａ、および１１Ｂの１つの電子式制御装置の電子式スイッチ・タイプの実施形態を示す断面図である。 図９、１０、１１Ａ、および１１Ｂの１つの電子式制御装置のマイクロ・エレクトロメカニカル式スイッチ・タイプの実施形態を示す断面図である。 例の媒質の電気的および磁気的特性がメタマテリアル状態と通常の屈折状態の間でどのように変化するかを示す図である。 制御可能な屈折媒質に基づいた無線送信器の断面図である。 図１４の送信器のような無線送信器または受信器を操作するための方法の実施形態を例示するフローチャートの図である。

Claims (10)

1. 回路素子の３Ｄアレイと、
   遠隔制御装置を前記３Ｄアレイ内の前記回路素子に結合させるための複数の制御ライン
   を含む装置であって、
   各々の回路素子が、前記制御ラインの１つから受信される制御信号の変化に応答して一方の回路状態から他方の回路状態に変わるように構成され、
   前記３Ｄアレイの３Ｄ領域が、前記３Ｄ領域の前記回路素子が前記一方の回路状態にあるときに、或る周波数でメタマテリアルの挙動を示し、前記３Ｄ領域の前記回路素子が前記他方の回路状態にあるときに同じ前記周波数で通常の屈折媒質の挙動を示す装置。
   
2. 前記回路素子がスプリットリング共振器とワイヤ・ストリップを有し、
   前記アレイの前記回路素子の一部が、同じ前記回路素子の導電性部分を接続するスイッチまたはバラクタ・ダイオードを有する、請求項１に記載の装置。
   
3. 個々の前記回路素子の一部がスイッチまたはバラクタ・ダイオードを有し、前記スイッチまたはバラクタ・ダイオードが、該スイッチまたはバラクタ・ダイオードを有する前記回路素子を前記２つの回路状態の間で変換することが可能であり、
   前記スイッチまたはバラクタ・ダイオードが、前記個々の回路素子を前記遠隔制御装置に結合する前記制御ラインから受信される制御信号に応答する、請求項１に記載の装置。
   
4. 無線送信または無線受信のためのシステムであって、
   無線通信周波数を有する、無線送信器および無線受信器のうちの一方と、
   前記送信器から送信される電磁放射のビームおよび前記受信器によって受信される電磁放射ビームのうちの一方を途中で捕捉するように配置される屈折媒質を含み、
   前記屈折媒質が、第１と第２の状態の間で変わることが可能な３Ｄ領域を有し、前記３Ｄ領域が、前記第１の状態にあるときに前記無線通信周波数でメタマテリアルであり、前記第２の状態にあるときに前記無線通信周波数で通常の屈折媒質であり、
   前記屈折媒質が、前記３Ｄ領域が前記第１の状態にあるときに第１の方向と無線送信器および無線受信器のうちの一方の間で途中で捕捉される前記ビームの一方を進路制御するように構成され、前記３Ｄ領域が前記第２の状態にあるときに異なる第２の方向と送信器および受信器のうちの一方の間で途中で捕捉される前記ビームの一方を進路制御するように構成されるシステム。
   
5. 送信器および受信器のうちの一方および屈折媒質を地面から上の或る垂直距離に支持するタワーをさらに有する、請求項４に記載のシステム。
   
6. 制御装置と、
   前記制御装置を前記屈折媒質に結合させる複数のラインをさらに含み、
   前記制御装置が、前記３Ｄ領域を前記第１と第２の状態の間で変換するために光学的もしくは電気的制御信号を前記ラインに送信するように構成される、請求項４に記載のシステム。
   
7. 無線送信または無線受信のための方法であって、
   無線通信のための第１の送信または受信の方向を選択する工程と、
   ３Ｄ媒質領域を、選択された周波数での通常の屈折状態から前記周波数でのメタマテリアル状態に変換するために光学的もしくは電気的制御信号を送信する工程と、
   その後、前記選択された第１の方向と無線送信器および無線受信器のうちの一方の間で電磁放射のビームを進路制御する工程を含み、前記放射が前記選択された周波数を有し、前記進路制御工程が前記領域と通常の屈折媒質の間の界面で前記ビームを屈折させる工程を含む方法。
   
8. 無線送信もしくは受信のための第２の方向を選択し、前記第２と第１の方向が異なる工程と、
   前記領域を前記選択された周波数での前記通常の屈折状態に再変換して戻すために、送信される制御信号を変化させる工程と、
   その後、前記選択された第２の方向と無線送信器および無線受信器のうちの一方の間で電磁放射のビームの第２のビームを進路制御する工程をさらに含み、電磁放射の前記第２のビームが前記選択された周波数を有し、第２のビームを進路制御する前記工程が前記３Ｄ媒質を通して前記第２のビームを通過させる工程を含む、請求項７に記載の方法。
   
9. 前記３Ｄ媒質が回路素子の規則的な３Ｄアレイを有し、制御信号を送信する前記工程が前記領域に配置されたスイッチまたはバラクタ・ダイオードの状態を変化させる、請求項８に記載の方法。
   
10. 前記３Ｄ屈折媒質の前記領域が楔形である、請求項９に記載の方法。

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