JP5217494B2 - 人工媒質、その製造方法およびアンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、媒質に関し、特にメタマテリアルとも呼ばれる人工媒質に関する。また、本発明は、そのような人工媒質の製造方法およびそのような人工媒質を用いたアンテナ装置に関する。

金属等のインクルージョンパターンを、微細なレベルで高精度に配列させることにより、自然には得られない材料特性（実効比誘電率、実効比透磁率等）を発現させた媒質、いわゆる人工媒質は、高周波用アンテナ、超小型通信用の共振器、発信器およびサブ波長用焦点レンズなど、様々な分野での適用が期待されている。

このような人工媒質の典型的な構成の一例を図１に示す。人工媒質１は、図１に示すように、長さＷ、幅Ｄおよび厚さＴを有する。媒質１は、厚さが実質的にｔの誘電体層２を媒質１の長手方向（図のＸ方向）に多数積層させることにより構成される。また、誘電体層２は、導電面４（図のＹＺ平面）に、インクルージョンとしてのスプリットリング３の配列パターンを有する。各スプリットリング３は、図の手前側（Ｙ方向の負側）に分離部６を有する。

次に、このように構成された媒質の特性を図２を参照して説明する。図２は、従来の人工媒質において、実効比透磁率の上昇が生じる原理を示したものである。

前述の人工媒質１に、Ｚ方向に伝播する電磁波５（電界の向きＥは、Ｙ方向、磁界の向きＨは、Ｘ方向）を入射させた場合、低周波数側では、スプリットリング３の外周側と内周側で逆向きの電流が流れる。すなわち、スプリットリング３の外周側では、時計回りに電流の流れ８が生じ、内周側では、反時計回りに電流の流れ９が生じる。従って、この場合、両者の電流によって生じる磁界は、互いに相殺され、全体として実効比透磁率の増大は生じない。しかしながら、周波数が次第に高くなると、ある周波数（共振周波数）では、スプリットリング３に流れる電流が分離部６を飛び越え、分離部６には、変位電流７が生じるようになる。またこれにより、スプリットリング３の外周側および内周側において、それぞれ同じ反時計回り方向に電流の流れ８および９が生じるようになり、スプリットリング３に流れる電流がループ電流となる。このようなループ電流の発生の結果、人工媒質を通る磁束が強まり、人工媒質の実効比透磁率が見かけ上向上する。

以上のような人工媒質の実効比透磁率の周波数に対する変化の影響は、図２の下のグラフのように表される。このグラフにおいて、丸で囲った周波数領域では、前述の原理によって、実効比透磁率の著しい増大が得られることになる。

このような原理を利用した人工媒質については、スプリットリングまたは螺旋コイルのようなインクルージョンの形状および配列パターン等によって、様々な特性を発現させることができるため、これまでに多くの提案が示されている（例えば、特許文献１、２、非特許文献１）。
特開２００６―２４５９８４号公報 特表２００３―５２６４２３号公報 Ｊ．Ｂ．Ｐｅｎｄｒｙ，"Ｍａｇｎｅｔｉｓｍ ｆｒｏｍ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒｓ ａｎｄ Ｅｎｈａｎｃｅｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｐｈｅｎｏｍｅｎａ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｔｈｅｏｒｙ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ，Ｖｏｌ．４７，Ｎｏ．１１ Ｎｏｖ． １９９９年

ところで、従来の人工媒質においては、前述のような実効比透磁率の増大効果を得るためには、インクルージョンの導電面４が電磁波５の入射方向に対して平行に配設されるように、媒質１を形成する必要がある。これは、前述のような電流の流れ方向の周波数依存性を利用して人工媒質の実効比透磁率の向上を発現させるためには、入射される電磁波５の磁界の振幅方向Ｈを横切るように、インクルージョンの導電面４を配置させなければならないからである。電磁波５の磁界方向Ｈと導電面４の間には、このような相対関係が必要であるため、従来の人工媒質では、人工媒質を構成する際に、完成後の人工媒質の長さ方向（図１のＸ方向）に沿って、誘電体層２が積層される。従って、通常の場合、人工媒質の受信面（すなわち、電磁波の入射方向と垂直な面（ＸＹ平面））と、誘電体層２の導電面４の方向が一致することはない。

しかしながら、この場合、誘電体層を積層して、長さＷの人工媒質１を得るためには、極めて多くの枚数分の誘電体層２を積層させる必要がある。例えば、厚さが１ｍｍ程度の誘電体層では、長さＷが１０ｃｍの人工媒質を得るためには、１００枚もの誘電体層を積層させなければならない。従って、人工媒質の製造コストが極めて高くなるという問題が生じる。

また、人工媒質を構成する各誘電体層２には、少なくとも１個のインクルージョンを配置させる必要があるため、人工媒質１の厚さＴ（図１のＺ方向の長さ）は、当然のことながら、このインクルージョンの寸法（通常マイクロ波帯においては、５〜２０ｍｍ程度）以下に薄くすることはできない。従って、従来のような構成では、人工媒質を小型化（特に薄型化）させることは、極めて難しいという問題があった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、安価に製造することが可能であり、かつ小型化の可能な人工媒質、そのような人工媒質の製造方法、およびそのような人工媒質を用いたアンテナ装置を提供することを目的とする。

本発明では、導電性素子が２次元周期配列的に配置された導電面が、厚さ方向に２面以上設置された人工媒質であって、前記厚さ方向と平行に伝播する電磁波が入射された際に、該電磁波により励起される電流が、動作周波数において増大するとともに、前記厚さ方向と平行な面内に電流のループが形成されることを特徴とする人工媒質が提供される。

また、本発明による人工媒質では、各導電面の間には、誘電体層が介在され、各誘電体層を介して導電性素子が厚さ方向に相互に対向する領域に、電流のループが形成されても良い。

また本発明による人工媒質では、各導電面は、相互に分離した複数の導電性素子からなる実質的に同一の配列パターンを有し、各導電性素子は、前記厚さ方向に沿って位置が揃っていても良い。特に、各導電性素子の形状および寸法は、実質的に同一であっても良い。

また本発明による人工媒質では、前記誘電体層の内部には、該誘電体層の厚みの中心部近傍に、相互に平行な複数の第１の直線状導体素子が配置され、
該第１の直線状導体素子は、前記誘電体層の一端から他端に向かって、実質的に直線状に延伸し、
前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記第１の直線状導体素子の少なくとも一つは、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されても良い。

また本発明による人工媒質では、さらに、前記複数の第１の直線状導体素子と同等の深さ位置に、相互に平行な複数の第２の直線状導体素子を有し、
該複数の第２の直線状導体素子は、前記第１の直線状導体素子とは異なる方向に沿って、前記誘電体層の一端から他端まで、実質的に直線状に延伸し、
前記複数の第２の直線状導体素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、少なくとも一部は、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されても良い。

ここで、前記前記第１および第２の直線状導体素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記第１の直線状導体素子と第２の直線状導体素子の交点がいずれかの導電性素子の領域に収まるように配置されも良い。

あるいは、これとは別に、またはこれに加えて、前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
前記導電面と垂直な方向から見た場合、第１の直線状導体素子の少なくとも一つは、一つの列を構成する各導電性素子と重なるように配置され、
および／または前記導電面と垂直な方向から見た場合、第２の直線状導体素子の少なくとも一つは、一つの行を構成する各導電性素子と重なるように配置されても良い。

また、前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列のピッチと実質的に等しいピッチで配置され、
および／または第２の直線状導体素子は、前記導電性素子の行のピッチと実質的に等しいピッチで配置されても良い。

特に、前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記導電性素子は、第１および第２の直線状導体素子の全ての交点に配置され、かつ前記交点を除く位置には配置されていなくても良い。

あるいは、前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列のピッチの実質的に２倍のピッチで配置され、
および／または第２の直線状導体素子は、前記導電性素子の行のピッチの実質的に２倍のピッチで配置されても良い。

また前述のような、前記複数の第１の直線状導体素子と同等の深さ位置に、相互に平行な複数の第２の直線状導体素子を有する人工媒質において、
前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
前記複数の第１の直線状導体素子および第２の直線状導体素子は、実質的に同一の間隔で配置され、
前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列の方向に対して時計回りに４５゜回転した方向に延伸するように配置され、
前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列の方向に対して反時計回りに４５゜回転した方向に延伸するように配置されても良い。

特に、前記導電性素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、第１および第２の直線状導体素子の全ての交点に配置され、かつ前記交点を除く位置には配置されていなくても良い。

なおこれらの人工媒質において、前記複数の導電性素子は、実質的に正方形の形状を有しても良い。

また、前記第１の直線状導体素子および／または第２の直線状導体素子の線幅は、前記導電性素子の同方向における幅よりも狭くても広くても良い。ここで、「導電性素子の同方向における幅」とは、直線状導体素子の線幅の方向と等しい方向で見た、導電性素子の長さを意味することに留意する必要がある。例えば、導電性素子の形状が円の場合、「導電性素子の同方向における幅」は、その直径となる。また、導電性素子の形状が矩形状であって、その長辺が直線状導体素子の線幅の方向と平行となるように配置されている場合、「導電性素子の同方向における幅」は、長辺の長さとなり、その短辺が直線状導体素子の線幅の方向と平行となるように配置されている場合、「導電性素子の同方向における幅」は、短辺の長さとなり、その対角線が直線状導体素子の線幅の方向と平行となるように配置されている場合、「導電性素子の同方向における幅」は、対角線の長さとなる。

また、前記誘電体層は、フッ素樹脂材料で構成されていても良い。

さらに、本発明では、導電性素子が配置された導電面を有する誘電体基板を調製するステップと、
前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップと、
を有する人工媒質を製造する方法であって、
前記誘電体基板を調製するステップは、前記人工媒質に、前記厚さ方向と平行な方向に伝播する電磁波が入射された際に、前記厚さ方向と平行な平面内に電流のループが形成されるように、各誘電体基板に導電性素子を配置するステップを有することを特徴とする人工媒質の製造方法が提供される。

ここで、当該方法では、一つの誘電体基板を介して、前記厚さ方向に相互に対向する導電性素子同士の間に、電流のループが形成されても良い。

また当該方法において、前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップは、導電面に導電性素子が配置された誘電体基板同士の間に、導電性素子を有さない第２の誘電体層を介在させるステップを有しても良い。

さらに、当該方法において、前記誘電体基板を調製するステップは、
前記各誘電体層の厚みの中心部近傍に、直線状導体素子を配置するステップと、
前記誘電体基板を積層した際に、各導電性素子が前記厚さ方向に沿って位置が揃うように、各誘電体基板の導電面に、複数の導電性素子からなる実質的に同一の配列パターンを設置するステップと、
を有し、
前記導電性素子の形状および寸法は、実質的に同一であり、
前記直線状導体素子は、前記誘電体基板の一端から他端に向かって、実質的に直線状に延伸し、
前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記直線状導体素子の少なくとも一部は、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されても良い。

さらに、本発明では、
誘電体層と、該誘電体層の表裏面のそれぞれに設置された単一の導電性素子と、を有し、
各導電性素子は、実質的に同一の寸法および形状を有し、前記誘電体層の厚さ方向に沿って位置が揃っており、
前記厚さ方向と平行に伝播する電磁波が入射された際に、前記誘電体層を介して、前記導電性素子が厚さ方向に相互に対向する領域に、電流のループが形成されることを特徴とする人工媒質が提供される。

さらに、本発明では、絶縁体または誘電体で構成された基板の第１の表面に、導体を有するアンテナ素子が配置されたアンテナ装置であって、
前記基板の第１の表面と対向する第２の表面には、人工媒質が配置され、
前記人工媒質は、前述の人工媒質で構成され、前記基板の第１の表面と垂直な方向から見た場合、前記アンテナ素子の少なくとも一部は、前記人工媒質と重なっていることを特徴とするアンテナ装置が提供される。

ここで、当該アンテナ装置は、さらに、前記人工媒質の前記基板の第２の表面とは反対の側に、配置された金属板を有しても良い。

また当該アンテナ装置において、前記アンテナ素子は、ＲＦＩＤタグを有しても良い。

本発明では、安価に製造することが可能であり、かつ小型化の可能な人工媒質、およびそのような人工媒質の製造方法を提供することができる。また本発明では、そのような人工媒質を用いたアンテナ装置を提供することができる。

以下図面により本発明の形態を説明する。

（第１の態様）
図３には、本発明による人工媒質の一構成例の斜視図を示す。また、図４には、本発明による人工媒質を構成する誘電体層の導電面に設置された導電性素子の拡大図を示す。

本発明による人工媒質１００は、図３に示すように、実質的に、長さＷ（図３のＸ方向の長さ）、幅Ｄ（図３のＹ方向の長さ）および厚さｔ（図３のＺ方向の長さ）を有する誘電体層１２０を、厚さ方向に沿って複数枚積層させることにより構成される。ここで、図３では、説明を明確にするため、人工媒質は、各誘電体層１２０が分離された分解図として示されているが、実際の本発明による媒質では、各誘電体層は、相互に接触した状態で積層されていることに留意する必要がある。人工媒質１００は、長さＷ、幅Ｄおよび厚さＴを有し、人工媒質１００の厚さＴは、実質的に誘電体層１２０の厚さｔ×積層数で定められる。なお、図３の例では、誘電体層１２０の積層数は４であるが、これは一例であって、人工媒質１００を構成する際の誘電体層１２０の積層数は、特に限られない。誘電体層１２０の寸法は、例えば、Ｗ＝１０ｃｍ、Ｄ＝１０ｃｍ、ｔ＝０．２ｍｍである。

誘電体層１２０は、図３において、ＸＹ平面に延伸する導電面１４０を有し、この導電面１４０上には、複数の導電性素子１３０が配列形成されている。例えば、図３の例では、導電性素子１３０は、誘電体層１２０の長さ方向（Ｘ方向）に沿って、５個ずつ配列され、誘電体層１２０の幅方向（Ｙ方向）に沿って、４個ずつ配列され、一つの導電面１４０には、２０個の導電性素子１３０が配置されている。なお、図３の例では、導電性素子１３０は、正方形状であるが、導電性素子１３０は、別の形状、例えば、矩形状、三角形状、多角形状、円状または楕円状であっても良い。

図４に示すように、誘電体層１２０の導電面１４０に形成された正方形状導電性素子１３０は、一辺の長さがＱであり、導電性素子１３０の配置ピッチ（一つの正方形状導電性素子１３０の中心と、隣接する正方形状導電性素子１３０の中心間の距離）は、Ｘ方向、Ｙ方向いずれもＰであり、導電性素子１３０間のギャップは、Ｘ方向、Ｙ方向いずれもＧである。ただしこれらの寸法は、一例であって、配置ピッチおよびギャップは、Ｘ方向、Ｙ方向で異なっていても良い。また、導電性素子１３０の厚さは、特に限られないが、図３の例では、１８〜２０μｍである。また、導電性素子１３０の材質は、電気伝導性を有する限り、特に限られないが、例えば、銅等の金属で構成される。また、このような導電性素子１３０の配列パターンは、既存のエッチング技術等を用いることにより、容易に形成することができる。

ここで実際の人工媒質では、製造の際に、例えば、複数の誘電体層１２０を積層後、積層方向（Ｚ方向）に沿って均一な荷重が加えられ、さらにこの状態で熱処理を行うことにより、各誘電体層１２０が積層方向に接合される。この際に、各誘電体層の導電面１４０に設置されている導電性素子１３０は、隣接する誘電体層１２０の裏面（導電面１４０とは反対側の表面）に埋没される。従って、実際には、一つの誘電体層１２０とそれに隣接する誘電体層の界面には、導電性素子による凹凸は生じないことに留意する必要がある。

次に、前述のように構成された本発明による人工媒質の特徴的性質について説明する。

最初に図２を参照して示したように、従来の人工媒質では、媒質１は、各誘電体層２の導電面４が電磁波の伝播方向ｋに対して平行となるように配置される。このように配置しなければ、共振周波数域において、人工媒質に電流ループが形成されないからである。従って、通常の場合、人工媒質の電磁波の伝播方向に対して垂直な面（以下、「受信面」と称する）と、導電面は一致しない。

これに対して本発明では、人工媒質１００は、入射される電磁波１５０の伝播方向ｋに対して垂直となるように、各誘電体層１２０の導電面１４０が配置されている（図３参照）。従って、電磁波１５０を受信する人工媒質の受信面と導電面１４０とは、一致している。

このような配置の場合、人工媒質１００を構成する誘電体層１２０の導電面１４０自身を受信面として機能させることが可能となるため、前述のような従来の人工媒質１に比べて、誘電体層１２０の積層数を著しく削減することが可能となる。例えば、長さＷ＝１０ｃｍ（厚さＴ＝５ｍｍ）の人工媒質を構成する場合、厚さｔが０．２ｍｍの従来の誘電体層２では、単純計算で誘電体層を５００枚積層させる必要があるが、本発明の構成の場合、同じ厚さｔを有する誘電体層１２０では、２５枚の積層で済むことになる。従って、媒質の製造コストを有意に抑制することが可能となる。また、従来の人工媒質１は、インクルージョンが電流ループを決定しており、プロセス上、インクルージョンの薄肉化は困難であり、さらに性能の劣化を招くため、媒質のロープロファイル化ができなかった。一方、本発明では、電流ループの薄型化と細密充填に適し、性能を劣化させずに、低コストでロープロファイル化が可能となる。さらに、本発明の媒質では、導電面には、単純な形状（例えば矩形状、円形状など）の導電性素子を配列すれば良く、従来のスプリットリングまたは螺旋コイルのような複雑な形状のインクルージョンは不要である。またこのような導電性素子は、従来のエッチング技術や印刷技術等によって容易に形成することができる。従って、本発明では、人工媒質の導電面の構造が簡略化され、製造が容易になるという効果が得られる。

次に、本発明による人工媒質１００において、電磁波１５０を受信する人工媒質の受信面と導電面１４０とを一致させることができる理由を説明する。

図５および図６には、図３に示した本発明による人工媒質１００のＡ−Ａ断面の拡大図を示す。これらの図には、導電性素子１３０の上下それぞれの面の側に生じる電流の向きも示されている。特に図５は、低周波数域において人工媒質の導電性素子に生じる電流方向を示したものであり、また図６は、高周波数域において人工媒質の導電性素子に生じる電流方向を示したものである。なお、両図において、電流を表す矢印は、向きが重要であって、その大きさには、特に意味はないことに留意する必要がある。すなわち、矢印の長さは、任意に設定したものであり、実際の各電流の大きさは、同じであっても異なっていても良い。また、これらの図の例では、本発明による人工媒質１００は、誘電体層１２０をＺ方向に４層積層することにより構成されている。

本発明による人工媒質１００に、上から下（Ｚ方向の負の向き）に伝播する電磁波１５０を入射させた場合、低周波数域では、導電性素子１３０には、図５に示す電流が流れる。すなわち、各導電性素子について見た場合、各導電性素子１３０の上面側の電流の向き１９０ａ、ｂ、ｃと下面側の電流の向き１８０ａ、ｂ、ｃは、等しくなる。従って、この場合、電流のループは形成されず、実効比透磁率の増大は生じない。これに対して高周波数域では、変位電流１７０が発生するため、一つの導電性素子について見た場合、導電性素子１３０のそれぞれの面には、図６に示す方向に電流が流れ、導電性素子１３０の上面側の電流１９０ａ、ｂ、ｃの向きと下面側の電流１８０ａ、ｂ、ｃの向きは、ちょうど反対になる。これを一つの誘電体層１２０で見た場合、上側の（すなわち当該誘電体層の導電面１４０上に配置された）導電性素子１３０の電流１８０ａ、ｂ、ｃの流れと、下側の（すなわち当該誘電体層の下方に隣接する誘電体層の導電面１４０上に配置された）導電性素子１３０の電流１９０ａ、ｂ、ｃの流れと、当該誘電体層内を横断して流れる変位電流１７０ａ、ｂ、ｃの流れとによって、人工媒質１００の電磁波１５０と平行な面内（ＹＺ平面）には、ループ電流Ｉａ、ｂ、ｃが生じるようになる。このような誘電体層１２０の積層方向でのループ電流Ｉａ、ｂ、ｃの発生の結果、磁束が増大し、人工媒質の実効比透磁率は、著しく増大されることになる。

図７には、導電性素子１３０および誘電体層１２０に生じる電流の流れと位相の関係をより詳しく示す。電磁波１５０が誘電体層１２０の導電面１４０に対して垂直な方向から入射されると、誘電体層１２０の厚み部分を介して対向する１組の導電性素子１３０には、外部電界によって励起された電流１８５が互いに逆向きに発生する。またこれと同時に、各導電性素子１３０の端部には、誘電体層の積層方向と平行な方向に、逆向きの変位電流１７０が生じ、電流１８５および変位電流１７０によって、電流ループＩが形成される。この状態を位相０゜とする。次に、位相９０゜では、１組の導電性素子１３０間には、前述の変位電流１７０の位置に、変位電流１７０と同様の方向の電界１７１が発生する。さらに、位相１８０゜では、位相０゜と反対向きに電流１８５が発生する。また、位相２７０゜では、位相９０゜と反対向きに電界１７１が発生する。

ここで重要なことは、電流ループＩによって生じる磁界は、入射される電磁波１５０の磁界の向きＨと同じ方向にあることであり、このため、電流ループＩの形成により、磁界を強めることが可能となる。

ここで、誘電体層の積層数と特性の関係について説明する。誘電体層を３層以上積層することにより、実効比透磁率の周波数特性を制御することができる。基本的には、対向するどの導電性素子により、電流ループが形成されるかによって、実効比透磁率の上昇する周波数が決定される。例えば、積層数が４層であれば、基本モードとして最外層同士の導電性素子により電流ループが形成され、それより高い周波数では、中央側の２層で導電性素子により電流ループが形成される。従って、実効比透磁率のピークを複数形成することができ、マルチバンド化が可能となる。さらに、各層間厚みや導電性素子のサイズを層毎に調整することにより、広帯域化を図ることができる。

このように本発明では、人工媒質を構成する誘電体層の積層方向と平行な面内に、ループ電流を発生させることができる。これは、人工媒質の受信面を電磁波の入射方向に対して垂直に配置させることが可能となることを意味しており、この場合、人工媒質の受信面と誘電体層の導電面とを一致させることが可能となる。従って、従来の人工媒質のように、誘電体層を多数、該誘電体層の厚さ方向に積層させて受信面を構成する必要がなくなり、誘電体層の積層数を著しく削減することが可能となる。

また、図３に示す人工媒質１００では、各導電性素子１３０の縦横のアスペクト比が小さい（すなわち、縦横の幅がほぼ等しい）ため、実効比透磁率の値が入射電磁波１５０の偏波（電界Ｅの方向）による影響を受けにくいという特徴がある。

図８には、人工媒質１００（誘電体層１２０の積層数：３層）において、厚さ方向に平行に伝播する入射電磁波の電界の方向を変化させた際に得られる、周波数と実効比透磁率の関係を示す。なお、電界方向０゜は、図３における電磁波１５０の電界Ｅの方向（すなわちＹ方向）に相当し、電界方向９０゜は、図３におけるＸ方向を意味する。図８において、入射電磁波の電界の方向が０゜〜９０゜の範囲で変化しても、周波数と実効比透磁率の関係はほとんど変化していないことがわかる。この結果から、入射電磁波の電界の方向が実効比透磁率に及ぼす影響は極めて小さく、人工媒質１００では、実効比透磁率の偏波依存性が小さいと言える。

なおこのような効果が得られる理由は、次のように考えられる。図９に示すように、入射する電磁波の電界Ｅのｙ軸となす角をαとし、電界Ｅをｘ成分（Ｅｘ）とｙ成分（Ｅｙ）に分解し、それぞれが導電性素子に作用する現象をベクトル合成する。電界Ｅのｘ成分Ｅｘは、電流Ｉのｘ成分Ｉｘに比例し、このＩｘは、磁界Ｈのｙ成分Ｈｙに比例する。電界、電流のｙ成分ＥｙおよびＩｙと、磁界のｘ成分Ｈｘについても同様である。この関係は、いかなるαにおいても成り立つ。一方、導電性素子のｘ方向の長さとｙ方向の長さは等しいため、これによる磁気共鳴周波数は等しく、磁界のｘおよびｙ成分Ｈｘ、Ｈｙの位相も等しくなる。従って、あらゆる角度αにおいて、合成された磁界Ｈの大きさは変化せず、その方向は、電界Ｅと直交することになる。これにより、入射電磁波の電界の方向が実効比透磁率に及ぼす影響は、極めて小さくなる。

また、このような人工媒質１００では、導電性素子１３０の縦横の幅、Ｘ方向およびＹ方向の配置ピッチ、導電性素子１３０同士間のギャップ等を独立に、自由に組み合わせることができるため、様々な機能を容易に発現させることが可能となる。

（第２の態様）
次に、図１０を用いて、本発明による別の人工媒質の構成例について説明する。図１０は、本発明による別の人工媒質８００を示した図である。図１０（ａ）は、人工媒質８００の上面図、図１０（ｂ）は、Ｂ−Ｂ線での断面図である。

人工媒質８００は、前述の人工媒質１００と同様に、導電面８４０を有する誘電体層８２０を複数枚積層させることにより構成される。また導電面８４０には、前述のような複数の導電性素子８３０が配列形成されている。ただし、人工媒質８００は、さらに各誘電体層８２０の内部に、複数の直線状導体素子８６０を有する点が、前述の人工媒質１００とは異なっている。なお、直線状導体素子８６０は、導電性素子８３０と同一の材料で構成されても良い。

各直線状導体素子８６０は、線幅ｄ１（Ｘ方向の長さ）がほぼ等しく、誘電体層８４０の一端から他端に沿って（図１０では、Ｙ方向に沿って）、直線的に、相互に平行に延伸している。各直線状導体素子８６０は、図１０（ｂ）に示すように、それぞれ、実質的に各誘電体層８２０の厚みの中心部分に設置され、そのＸ方向の位置は、導電性素子８３０の領域と実質的に重なるように配置されている（特に、図１０の例では、各直線状導体素子８６０は、導電性素子８３０の中央部近傍で重なるように配置されている）。また、各直線状導体素子８６０の線幅ｄ１は、導電性素子８３０の幅（Ｘ方向の幅）よりも小さくなっている。ここで、図１０の例では、各直線状導体素子８６０は、一定の距離間隔（ピッチ）で配置されており、さらにそのピッチは、導電性素子８３０のＸ方向の配置ピッチＰとほぼ一致している。ただし、本発明は、このような構成に限られるものではない。例えば、各直線状導体素子８６０は、ランダムな距離間隔で配置されても良い。あるいは各直線状導体素子８６０のピッチは、導電性素子８３０の同方向の配置ピッチＰと異なっていても良い。

このような人工媒質８００においても、入射電磁波１５０を受信する受信面と導電面８４０は一致しており、前述の効果を得ることができる。（ただしこの場合、良好な特性を得るため、直線状導体素子８６０の延伸方向（Ｙ方向）が入射電磁波の電界Ｅの方向と平行となるようにして、直線状導体素子８６０を配置する必要があることに留意する必要がある。）また、このような人工媒質８００では、導電性素子８３０および直線状導体素子８６０の形状、配置等を独立に、自由に組み合わせることができるため、様々な機能を発現させることが可能となる。例えば、人工媒質８００は、後述のように、誘電率と透磁率が同時に負となる周波数領域を有する左手系媒質として使用することができる。

なお、図１０の例では、直線状導体素子８６０は、Ｙ方向に沿って延伸するように配置されているが、本発明は、このような態様に限られるものではない。すなわち、直線状導体素子８６０は、導電面と垂直な方向から見た際に、少なくとも一部に導電性素子と重なる領域を有する限り、いかなる方向に延伸しても良い。

図１１〜図１４には、直線状導体素子を有する別の人工媒質が示されている。

図１１（ａ）、図１１（ｂ）（図１１（ａ）のＣ−Ｃ断面図）に示す人工媒質８０１は、図１０に示した人工媒質８００とほぼ同様に構成されるが、この場合、各誘電体層８２０の内部には、Ｙ方向に沿って誘電体層８２０の一端から他端まで延伸する複数の直線状導体素子８６０Ｙ（図１０の直線状導体素子８６０に相当する）のみならず、Ｘ方向に沿って誘電体層８２０の一端から他端まで延伸する複数の直線状導体素子８６０Ｘが形成されている点が異なっている。なお、直線状導体素子８６０Ｘは、導電性素子８３０と同一の材料で構成されても良い。各直線状導体素子８６０Ｘは、幅ｄ２（Ｙ方向の長さ）がほぼ等しく、直線的に、相互に平行に延伸している。また、各直線状導体素子８６０Ｘは、それぞれ、実質的に各誘電体層８２０の厚みの中心部分に設置され、そのＹ方向の位置は、導電性素子８３０の領域と実質的に重なるように配置されている（図１１の例では、各直線状導体素子８６０Ｘは、導電性素子８３０の中央部近傍と重なるように配置されている）。また、図１１の例では、直線状導体素子８６０ＸのＹ方向のピッチは、一定であり、このピッチは、導電性素子８３０の同方向の配置ピッチＰとほぼ一致している。ただし、各直線状導体素子８６０Ｘは、ランダムな距離間隔で配置されても良い。また各直線状導体素子８６０Ｘのピッチは、導電性素子８３０の同方向の配置ピッチＰと異なっていても良い。

このように構成された人工媒質８０１では、入射電磁波の磁界方向は、直線状導体素子８６０Ｘの延伸方向と平行であっても、直線状導体素子８６０Ｙの延伸方向と平行であっても良い。従って、前述の人工媒質８００に比べて、電磁波１５０の電界および磁界の方向に対する配置の依存性が小さくなり、より適用の自由度が広がる。

図１２に示す人工媒質８０２は、図１１に示した人工媒質８０１とほぼ同様に構成されるが、この場合、直線状導体素子８６０Ｘおよび８６０Ｙのピッチは、それぞれ、人工媒質８０１のＹ方向およびＸ方向の配置ピッチに比べて２倍に広がっている。

また、図１３に示す人工媒質８０３は、図１１に示した人工媒質８０１とほぼ同様に構成されるが、この場合、２種類の直線状導体素子（直線状導体素子８６０Ｖ、８６０Ｗ）は、それぞれ、図のＸ方向およびＹ方向から４５゜だけ回転した方向に延伸している。

また、図１４に示す人工媒質８０３Ａは、図１３に示した人工媒質８０３とほぼ同様に構成される。ただしこの場合、導電性素子８３０は、人工媒質の厚さ方向から見たとき、直線状導体素子８６０Ｖ、８６０Ｗの全ての交点に配置されている。

さらに図には示さないが、導電性素子と直線状導体素子は、この他にも、相互に様々な配置を取り得ることは、当業者には明らかであろう。

ところで、前述のような２方向に延伸する直線状導体素子８６０Ｘ（以下、「第１の直線状導体素子」という）および８６０Ｙ（以下、「第２の直線状導体素子」という）を有する人工媒質において、人工媒質の厚さ方向に平行な方向から見たとき、導電性素子８３０は、直線状導体素子８６０Ｘと直線状導体素子８６０Ｙとの各交点に配置されること（すなわち図１１の人工媒質８０１の構成）が好ましい。以下、その理由を説明する。

例えば、図１５に模式的に示すように、第１の直線状導体素子８６０ＸのピッチをＰ_Ｙとし、第２の直線状導体素子８６０ＹのピッチＰ_Ｘをとしたとき、導電性素子８３０のＸ方向の配置ピッチＰ_ＡおよびＹ方向の配置ピッチＰ_Ｂが、それぞれ、Ｐ_Ａ＝２Ｐ_Ｘ、Ｐ_Ｂ＝２Ｐ_Ｙとなっている場合を考える。ここで、各導電性素子８３０は、人工媒質の厚さ方向に平行な方向から見たとき、第１の直線状導体素子８６０Ｘと第２の直線状導体素子８６０Ｙの交点に配置されている。ただし、この人工媒質８０１Ｗでは、人工媒質の厚さ方向に平行な方向から見たとき、各導電性素子８３０の周囲に、導電性素子が配置されていない直線状導体素子の交点（８箇所）が存在する。すなわち、この人工媒質８０１Ｗでは、人工媒質の厚さ方向に平行な方向から見たとき、各導電性素子８３０は、その周囲が第１および第２の直線状導体素子によって完全に覆われており、導電面８４０に、いわば「枠で囲まれた導電性素子」として配置されているとも見なすことができる。なお、人工媒質８０１Ｗのその他の構成は、前述の人工媒質８０１と同様である。

このように構成された人工媒質８０１Ｗのシミュレーション結果を図１６に示す。また、前述の人工媒質８０１の同様のシミュレーション結果を図１７に示す。シミュレーションには、ＦＩＴ（ＦＩｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）を用いた。また、シミュレーションに使用した人工媒質８０１Ｗおよび８０１の各パラメータ値を表１に示す。なお両人工媒質において、誘電体層８２０の積層数は、１層とした。また各誘電体層８２０の厚さは、０．２ｍｍとし、誘電体層１１１の誘電率は、４．０とし、誘電損は、０．００１とした。また、各導電性素子８３０の寸法は、３ｍｍ×３ｍｍとし、厚さは、１０μｍとした。第１および第２の直線状導体素子８６０Ｘおよび８６０Ｙの幅（ｄ２）は、いずれも２．５ｍｍとし、厚さはいずれも０．２ｍｍとした。

図１６から、人工媒質８０１Ｗにおいては、実効比誘電率（図の実線）が磁気共鳴周波数Ｆｏ'（実効比透磁率の正のピークと負のピークの間の、実効比透磁率が０になる周波数）近傍の周波数（約２３ＧＨｚ）において顕著なピークを示すことがわかる。また、これに付随して、人工媒質８０１Ｗでは、周波数Ｆｏ'より大きな周波数域（より具体的には、周波数約２３〜約２４ＧＨｚの領域）での実効比誘電率の周波数に対する勾配が、実効比透磁率（図の破線）の周波数に対する勾配に比べて大きくなっている。一方、人工媒質８０１の場合は、図１７に示すように、磁気共鳴周波数Ｆｏ以降の周波数域（より具体的には、周波数約２３〜約２４ＧＨｚの領域）において、実効比誘電率（図の実線）の周波数に対する勾配は、実効比透磁率（図の破線）の周波数に対する勾配とほぼ等しくなっている。波動インピーダンスＺを整合させる上で、周波数Ｆｏより大きな周波数域において、実効比誘電率の勾配は、実効比透磁率の周波数に対する勾配にできる限り接近することが好ましい。従って、このような観点からすれば、人工媒質８０１のような実効比誘電率の変化は、人工媒質８０１Ｗに比べて、より好ましい。

なお、図１６に示すような比実効誘電率の大きなピークは、いわゆる「枠で囲まれた導電性素子」を有する人工媒質８０１Ｗにおいて、各パラメータ値（例えば、直線状導体素子の幅ｄ２、ピッチＰ_Ｘ、Ｐ_Ａ等）を変化させた場合においても同様に認められた。

以上のことから、導電性素子は、人工媒質の厚さ方向に平行な方向から見たとき、第１の直線状導体素子８６０Ｘと第２の直線状導体素子８６０Ｙとの各交点に配置されることがより好ましいと言える。

（第３の態様）
以上、導電性素子が２次元周期配列的に配置された導電面を、厚さ方向に２面以上積層することにより構成された人工媒質を例に、本発明を説明した。しかしながら、本発明の人工媒質は、このような構成に限られるものではない。すなわち、各導電面に単一の導電性素子が配置された人工媒質においても、前述の効果を得ることができる。

以下、図１８〜図２０を用いて、そのような構成を有する本発明のさらに別の人工媒質（第３の態様）の一例について詳しく説明する。ここで図１８（ａ）は、本発明の第３の態様の人工媒質９００の上面図であり、図１８（ｂ）は、人工媒質９００のＧ−Ｇ断面図である。また、図１９および図２０は、それぞれ、そのような人工媒質９００を備える第１のアンテナ装置の分解構成図および断面図を概略的に示したものである。

本発明の第３の態様の人工媒質９００は、図１８（ａ）、（ｂ）に示すように、誘電体層９２０の表裏面のそれぞれに、同一の寸法形状の単一の導電性素子９３０ａ、９３０ｂを有する。従って、誘電体層９２０の表裏面が導電面９４０（９４０ａ、９４０ｂ）に相当する。また、導電性素子９３０ａ、９３０ｂは、人工媒質の厚さ方向（Ｚ方向）に沿って、位置が揃っている。なお図において、導電性素子９３０ａ、９３０ｂは、正方形状である。しかしながら、導電性素子の形状は、両方の形状（および寸法）が同一で限り、正方形に限られず、例えば、矩形状、三角形状、多角形状、円状、楕円状であっても良い。

本発明による人工媒質９００では、導電性素子９３０ａ、９３０ｂの大きさを調整することにより、インピーダンスマッチングが可能な周波数を調整することができる。従って、このような構成の人工媒質９００は、例えば、図１９、図２０に示すような第１のアンテナ装置１０００に適用することができる。

第１のアンテナ装置１０００は、アンテナ素子１００２、第１のスペーサ層１０２０、前述の人工媒質９００、第２のスペーサ層１０４０、および金属板１０５０をこの順に積層することにより構成される。アンテナ素子１００２は、図１９の破線で示すように、後述する放射素子１００５の中心部ＡＣが、人工媒質９００の中心と重なるようにして、人工媒質９００の上部に設置される。

アンテナ素子１００２は、アンテナ基板１００６と、この表面に印刷等の方法により設置された導体１００５とを有する。アンテナ基板１００６は、可撓性であることが好ましい。第１のスペーサ層１０２０は、誘電体または絶縁体で構成され、アンテナ素子１００２の導体１００５と人工媒質９００の導電性素子９３０（９３０ａ）とが電気的に接触することを防止するために、アンテナ素子１００２と人工媒質９００の間に配置される。従って、アンテナ素子１００２のアンテナ基板１００６が誘電体または絶縁体で構成される場合、第１のスペーサ層１０２０は、省略しても良い。同様に第２のスペーサ層１０４０は、誘電体または絶縁体で構成され、人工媒質９００の導電性素子９３０（９３０ｂ）と金属板１０５０とが電気的に接触することを防止するために、両者の間に配置される。導体１００５、導電性素子９３０ａ、ｂおよび金属板は、いかなる導電性材料で構成されても良く、例えば、銅またはアルミニウム等の金属で構成される。

図２１には、アンテナ素子１００２の導体１００５の一形状を示す。この図の例では、導体１００５は、放射素子１００５ａと給電線路１００５ｂとで構成されている。ただし、本アンテナ装置において、導体１００５の形状は、これに限られるものではないことは当然である。

一般に、アンテナ装置は、他の金属が近接した状態では、特性が劣化することが知られている。従って、金属板を近傍に備えるアンテナ装置を適正に作動させるためには、比較的厚い誘電体または絶縁体の層（例えば、前述の第１および第２のスペーサ層）を金属板とアンテナ素子の間に介在させる必要がある。しかしながらこのような厚い介在層の設置は、アンテナ装置の小型化、低背化の障害となる。

これに対して、前述のような本発明による人工媒質９００を備える第１のアンテナ装置１０００では、後述のように、金属板がアンテナ素子の近傍に配置されても、適正に作動することが確認されている。これは、アンテナ素子と金属板の間に、本発明による人工媒質を介在させることにより、人工媒質と金属板とが同相反射板として機能するためである。

従って、本発明による人工媒質９００を備える第１のアンテナ装置１０００では、厚い介在層を設ける必要はなく、装置全体の小型化、低背化が可能となるという効果が得られる。

なお、本アンテナ装置は、広帯域アンテナ装置に限られるものではなく、電波を空間に放射する機能を有するものであれば、いかなるアンテナ装置であっても良いことに留意する必要がある。例えば、ダイポールアンテナ、ループアンテナ、メアンダラインを用いた線状アンテナ、スロットアンテナなどから選ぶことができる。また、アンテナ装置１０００および／または人工媒質９００が動作する動作周波数は個別に設定することができるので、前述の構成のアンテナ装置は、例えば、地上デジタル放送、携帯電話、ＲＦＩＤ、ＶＩＣＳ、ＥＴＣ、無線ＬＡＮ、などに用いることができる。

次に、前述のような、各導電面に単一の導電性素子が配置された人工媒質９００の別の適用例について説明する。

図２２および図２３には、それぞれ、前述の人工媒質９００を３つ使用して構成される第２のアンテナ装置の上面図およびこのアンテナ装置のＨ−Ｈ線での断面図を示す。第２のアンテナ装置１１００は、アンテナ素子群１１２０（図２３参照）と、誘電体基板１１５０と、人工媒質群９０１（図２３参照）と、をこの順に積層することにより構成される。

誘電体基板１１５０の上面には、アンテナ素子群１１２０が配置され、誘電体基板１１５０の下面には、人工媒質群９０１が配置される。

アンテナ素子群１１２０は、３つのアンテナ素子１１２０Ａ〜１１２０Ｃを有する。各アンテナ素子１１２０Ａ〜１１２０Ｃは、平面ダイポールアンテナ素子として構成され、給電点１１２５Ａ〜Ｃと、導体１１３０Ａ〜１１３０Ｃとを有する。これらの導体１１３０Ａ〜１１３０Ｃは、誘電体基板１１５０の上面（ＸＹ平面）上に、Ｙ軸に対して反時計回りに４５゜回転した状態で配置される。

人工媒質群９０１は、第１〜第３の人工媒質９００Ａ、９００Ｂおよび９００Ｃを有する。各人工媒質は、誘電体基板１１５０の下面に導電面が形成されるように、Ｘ方向に沿って一列に配置することにより構成される。なお、これらの人工媒質９００Ａ〜９００Ｃは、いずれも前述の人工媒質９００と同様のものであり、一つの誘電体層（９２０Ａ〜９２０Ｃ）の表裏面に、同一の矩形状の導電性素子（９３１Ａ〜９３１Ｃ）を一つだけ配置して構成される。

ここで、第１の人工媒質９００Ａおよび第３の人工媒質９００Ｃは、導電性素子９３１Ａ、９３１Ｃの長手方向が図のＹ方向と平行になるように配置されているのに対して、第２の人工媒質９００Ｂは、導電性素子９３１Ｂの長手方向が図のＸ方向と平行になるように配置されていることに留意する必要がある。

なお前述の各給電点１１２５Ａ〜１１２５Ｃは、上部（Ｚ方向）から見た場合、人工媒質群９０１のそれぞれの人工媒質の導電性素子９３１Ａ〜９３１Ｃの中心に位置するように設けられている。

このように構成されたアンテナ装置１１００（以下、「本発明による第２のアンテナ装置」という）は、人工媒質群９０１を有さない同様のアンテナ装置（以下、「通常のアンテナ装置」と称する）に比べて以下の特徴を有する。

通常のアンテナ装置の場合、各アンテナ素子１１２０Ａ〜１１２０Ｃから得られる電磁波の磁界は、導体１１３０に沿った方向、すなわち、図２２のＹ方向から反時計回りに４５゜傾斜した角度となる。これは、いずれのアンテナ素子においても等しい。この場合、給電点１１２５の間隔ＳＰが接近しすぎると、隣接するアンテナ素子の電磁波がカップリングしてしまうため、間隔ＳＰは、あまり近づけることはできない。従って、通常のアンテナ装置では、小型化することは難しい。

これに対して、本発明による第２のアンテナ装置１１００では、各アンテナ素子から得られる電磁波の磁界方向は、人工媒質群９０１の影響を受ける。特に、中央のアンテナ素子１１２０Ｂでは、第２の人工媒質９００Ｂは、隣接する両人工媒質９００Ａ、９００Ｃに対して導電性素子の方向が９０゜ずれているため、このアンテナ素子１１２０Ｂにより得られる電磁波の磁界方向は、両側のアンテナ素子１１２０Ａ、１１２０Ｃの電磁波の磁界方向に対して、直交する。このため、本発明による第２のアンテナ装置１１００では、給電点の間隔を接近させることができ、すなわち隣接するアンテナ素子同士の間隔を狭めることができる。

従って、本発明による第２のアンテナ装置では、従来のアンテナ装置に比べて、より小型化、集積化することが可能となる。

なお、上記第３の態様では、それぞれが単一の素子を有する２つの導電面からなる人工媒質を例に、本発明の構成を説明した。しかしながら、このような第３の人工媒質において、人工媒質が厚さ方向に沿って導電面を３層以上有しても良いことは、当業者には明らかであろう。

次に、図２４および図２５を用いて、本発明のさらに別のアンテナ装置（第３のアンテナ装置）の一例について詳しく説明する。ここで図２４は、本発明の第３のアンテナ装置１３００の概略的な上面図であり、図２５は、第３のアンテナ装置１３００の概略的なＪ−Ｊ断面図である。なおアンテナ装置１３００を構成する各素子において、前述のアンテナ装置１１００と同様の素子には、同一の参照符号が付されている。

第３のアンテナ装置１３００は、前述の第２のアンテナ装置１１００と同様、前述の人工媒質９００を使用して構成される。ただし、このアンテナ装置１３００では、人工媒質９００が一つだけ使用される。すなわち、第３のアンテナ装置１３００は、アンテナ素子１１２０と、誘電体基板１１５０と、人工媒質９００とをこの順に積層することにより構成される。

アンテナ素子１１２０は、平面ダイポールアンテナ素子として構成され、給電点１１２５と、導体１１３０とを有する。導体１１３０は、誘電体基板１１５０の上面（ＸＹ平面）上に、Ｙ軸に対して反時計回りに４５゜回転した状態で配置される。

人工媒質９００は、前述の第２のアンテナ装置１１００に使用される人工媒質９００と同様のものであり、一つの誘電体層９２０の表裏面に、同一の矩形状の導電性素子９３１を一つずつ配置して構成される。

ここで、前述の給電点１１２５は、上部（Ｚ方向）から見た場合、人工媒質９００の導電性素子９３１の中心に位置するように設けられている。

このように構成された第３のアンテナ装置１３００は、後述のように、人工媒質９００を有さない同様のアンテナ装置に比べて、多共振であり、広帯域で作動するという特徴を有する。

以下、本発明の実施例について説明する。

（実施例１）
以下の手順で本発明の人工媒質を試作し、得られた人工媒質の特性を評価した。

まず、一般的なプリント配線基板材料であるＦＲ４（Ｆｌａｍｅ Ｒｅｔａｒｄａｎｔ Ｇｒａｄｅ−４）と、一般的な多層プリント配線基板プロセスを用いて、一辺が１５０ｍｍの人工媒質の試作を行った。厚みが０．２ｍｍ のコア層の両面に導電性素子を配置し、導体には厚み１８μｍの銅箔を用いた。導電性素子は、１辺Ｑ＝３ｍｍの正方形状であり、面内での導電性素子同士の間隔Ｇは、１ｍｍである。人工媒質の四辺の端部から最近接の導電性素子までの距離ＧＳは、１．５ｍｍとし、縦横それぞれ３７個の導電性素子を設置した。

次に、このように表裏面に導電性素子の配列パターンを形成した２つのコア層を、導電性素子を設置していない、同寸法（すなわち、長さ１５０ｍｍ×幅１５０ｍｍ×厚さ０．２ｍｍ）のプリプレグ層を介在させた状態で積層した。さらに、この積層体に積層方向から均一な押圧（２〜３ＭＰａ程度）を加えた状態で、積層体を１７０℃以上の温度に昇温してプリプレグ層を溶融させることにより、３枚の層を接着させ、人工媒質を製作した。積層体の昇温速度は、１．５〜３．５℃／分程度とし、積層体は、１７０℃以上の温度で少なくとも２０分間保持した。なお、積層体の熱処理は、真空度４．０ｋＰａ以下の真空雰囲気で実施した。

得られた人工媒質３００は、図２６の断面図に模式的に示すように、３層の誘電体層部分３２０ａ〜ｃを含み、これらの誘電体層部分の間および人工媒質３００の両最表面には、導電性素子３３０のパターンが配置された、合わせて４層の導電面を有する構造であった。また、この人工媒質３００の最終的な厚さＴは、０．６３ｍｍであった。これを実施例１に係る人工媒質と称する。

次に、このようにして製作した実施例１に係る人工媒質を用いて、基板の積層方向と平行な方向に進行する電磁波を入射した際に、人工媒質に生じる実効比誘電率および実効比透磁率を測定した。

図２７には、人工媒質の実効比誘電率および実効比透磁率測定用の測定装置の概略構成図を示す。この測定装置４００は、送信用ホーンアンテナ４１０と、受信用ホーンアンテナ４２０と、電波吸収体４３０と、ベクトルネットワークアナライザー４４０とを有する。送信用ホーンアンテナ４１０と、受信用ホーンアンテナ４２０との間には、測定対象である前述のように製作された人工媒質３００が設置される。送信用ホーンアンテナ４１０〜受信用ホーンアンテナ４２０までの測定領域全体は、電波吸収体４３０によって被覆されている。またベクトルネットワークアナライザー４４０は、同軸ケーブル４６０を介して、送信用ホーンアンテナ４１０および受信用ホーンアンテナ４２０に接続されている。本測定では、送信用ホーンアンテナ４１０および受信用ホーンアンテナ４２０には、コニカルホーンアンテナを使用した。送信用ホーンアンテナ４１０から受信用ホーンアンテナ４２０までの距離は、３２０．６ｍｍであり、これらのアンテナ４１０、４２０から人工媒質３００の表面までの距離は、１６０ｍｍとした。

このような測定装置４００を用いて、次のようにして実施例１に係る人工媒質の実効比誘電率および実効比透磁率を求めた。まず、ベクトルネットワークアナライザー４４０を用いて、自由空間法により人工媒質３００のＳパラメータを計測する。次に、得られた結果から、以下の文献（１）〜（３）に記載されている計算アルゴリズムを用いて、実施例１に係る人工媒質３００の実効比誘電率および実効比透磁率を算出した：
（１）Ａ．Ｍ．Ｎｉｃｏｌｓｏｎ，Ｇ．Ｆ．Ｒｏｓｓ，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ Ｉｎｔｒｉｎｓｉｃ Ｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ ｏｆ Ｍａｔｅｒｉａｌｓ ｂｙ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ"，ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ｏｎ ＩＭ． Ｎｏ．４，Ｎｏｖ．，１９７０年
（２）Ｗ．Ｂ．Ｗｅｉｒ，"Ａｕｔｏｍａｔｉｃ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｄｉｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｃｏｎｓｔａｎｔ ａｎｄ Ｐｅｒｍｅａｂｉｌｉｔｙ ａｔ Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｉｅｓ"， Ｐｒｏｃ． ｏｆ ＩＥＥＥ，Ｖｏｌ．６２，Ｊａｎ．，１９７４年
（３）Ｊ．Ｂ．Ｊａｒｖｉｓ，Ｅ．Ｊ．Ｖａｎｚｕｒａ，"Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ ｆｏｒ Ｄｅｔｅｒｍｉｎｉｎｇ Ｃｏｍｐｌｅｘ Ｐｅｒｍｉｔｔｉｖｉｔｙ ｗｉｔｈ ｔｈｅ Ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ／Ｒｅｆｌｅｃｔｉｏｎ Ｍｅｔｈｏｄ"， ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎ ＭＴＴ，ｖｏｌ．３８，Ａｕｇ．，１９９０年。

図２８には、前述の装置４００を用いた測定によって得られた、実施例１に係る人工媒質のＳパラメータ（Ｓ１１）の振幅特性を示す。また、図２９には、実施例１に係る人工媒質のＳパラメータ（Ｓ１１）の位相特性の測定結果を示す。さらに図３０には、これらの結果を用いて、前述の計算アルゴリズムによって算出した、実施例１に係る人工媒質の実効比誘電率（上段）と実効比透磁率（下段）の周波数特性を示す。図３０から、実施例１に係る人工媒質の実効比透磁率は、周波数とともに増加し、２１．９ＧＨｚにおいて極大値 （６．０７）が得られ、２３．６２５ＧＨｚの周波数において、最大値（１１．１６）が得られることがわかる。また、図２８のＳパラメータの振幅特性の結果から、実効比透磁率がピークを示す２１．９ＧＨｚと２３．６２５ＧＨｚの周波数において、人工媒質が整合していることがわかる。

（実施例２）
次に、２層の誘電体層と、導電性素子のパターンが設置された３層（誘電体層の間および人工媒質の表裏の最表面）の導電面とで構成される人工媒質（以下、「実施例２に係る人工媒質」という）を想定し、得られる特性をシミュレーションで予測した。

図３１には、実施例２に係る人工媒質において得られた、実効比誘電率および実効比透磁率のシミュレーション結果を示す。なお、この計算には、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）による３次元電磁界シミュレーションを用いた。また層間の誘電体層は、誘電率を４．２とし、誘電損失を０．００５、０．０１５および０．０２５の３種類として計算を行った。図３１から、誘電損失が０．００５の場合、誘電損失が０．０２５の場合に比べて、周波数約２２．８ＧＨｚにおける実効比透磁率のピーク値が大きくなっていることがわかる。

この結果から、誘電損失の少ない材料を誘電体層として使用することにより、実効比透磁率のピーク値を大きくすることができる。例えば、ロジャース（ＲＯＧＥＲＳ）社のＲＴ／Ｄｕｒｏｉｄ５８８０（誘電率２．２、誘電損失０．０００９）、またはＲＯＧＥＲＳ社のＲＯ３００３（誘電率３．０、誘電損失０．００１３）等のフッ素樹脂系の材料を使用することにより、実効比透磁率のピーク値を大きくすることができると考えられる。

（実施例３）
次に、図３２に示すような導電性素子および直線状導体素子の配置を有する人工媒質（以下、「実施例３に係る人工媒質８０４」という）を想定し、この特性を実施例２と同様のシミュレーションを用いて予測した。なお図３２（ｂ）は、図３２（ａ）のＤ−Ｄ線に沿った断面図である。ここで、実施例３に係る人工媒質８０４は、次のような構成であると仮定した。すなわち、人工媒質８０４は、第１の誘電体層８２０ａと第２の誘電体層８２０ｂとの間に設置された直線状導体素子８６０のパターン、第１の誘電体層８２０ａの下側に配置された導電性素子８３０ａのパターン、ならびに第２の誘電体層８２０ｂの上面に配置された導電性素子８３０ａのパターンで構成されると仮定した。また実施例３に係る人工媒質の各パラメータは、表２のように設定した。なお、誘電体層の比誘電率は、４．０であり、誘電損失は、０．０１である。また、導電性素子および直線状導体素子の導電率は、６．２９×１０^７Ｓ／ｍである。

この表から明らかなように、導電性素子８３０ａ、８３０ｂの一辺の長さＱは、直線状導体素子８６０の幅ｄ１よりも幾分大きくなっている。

図３３〜図３６には、シミュレーションの結果を示す。なお、この媒質に入射される電磁波は、磁界方向が図３２のＸ方向と平行であり、電界方向がＹ方向と平行なものである。図３３には、実施例３に係る人工媒質８０４の実効比誘電率の周波数依存性を示す。この図から、周波数２２ＧＨｚ〜２４ＧＨｚ近傍で、実効比誘電率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。また、図３４には、実施例３に係る人工媒質８０４の実効比透磁率の周波数依存性を示す。この図から、同等の領域（周波数２２〜２４ＧＨｚ近傍）に、実効比透磁率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。さらに、図３５には、実効屈折率の周波数依存特性を示すが、この図から、周波数２２〜２４ＧＨｚ近傍において屈折率が負となっており、いわゆる左手系媒質が得られていることがわかる。また、図３６には、規格化された実効インピーダンス（すなわち、自由空間のインピーダンスに対する媒質のインピーダンスの比）の周波数依存性を示すが、前述の周波数領域において、規格化されたインピーダンスは、ほぼ１前後の値を示している。この結果は、本発明による人工媒質が、左手系媒質として良好な特性を発揮し得ることを示している。

（実施例４）
次に、図３７に示すような導電性素子および直線状導体素子の配置を有する人工媒質（以下、「実施例４に係る人工媒質８０５」という）を想定し、この特性を実施例２と同様のシミュレーションを用いて予測した。なお図３７（ｂ）は、図３７（ａ）のＥ−Ｅ線に沿った断面図である。実施例４に係る人工媒質８０５は、前述の実施例３の人工媒質８０４と同様の構成であると仮定した。ただし、この実施例では、第１の誘電体層８２０ａと第２の誘電体層８２０ｂとの間に、直線状導体素子８６０Ｘおよび８６０Ｙが設置されている点が異なっている。直線状導体素子８６０Ｘは、図のＸ方向に延伸し、直線状導体素子８６０Ｙは、図のＹ方向に延伸している。実施例４に係る人工媒質の各パラメータは、表３のように設定した。なお、誘電体層の比誘電率は、４．０であり、誘電損失は、０．０１である。また、導電性素子および直線状導体素子の導電率は、６．２９×１０^７Ｓ／ｍである。

この表から明らかなように、導電性素子８３０ａ、８３０ｂの一辺の長さＱは、直線状導体素子８６０Ｘ、８６０Ｙの幅ｄ２、ｄ１よりも僅かに大きくなっている。

図３８〜図４１には、シミュレーションの結果を示す。図３８には、実施例４に係る人工媒質８０５の実効比誘電率の周波数依存性を示す。この図から、周波数約２４ＧＨｚ以下の範囲に、実効比誘電率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。また、図３９には、実施例４に係る人工媒質８０５の実効比透磁率の周波数依存性を示す。この図から、周波数２３ＧＨｚ〜２４ＧＨｚの範囲に、実効比透磁率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。さらに、図４０には、実効屈折率の周波数依存特性を示すが、この図から、周波数２２ＧＨｚ〜２４ＧＨｚの範囲において屈折率が負となっており、いわゆる左手系媒質が得られていることがわかる。また、図４１には、規格化された実効インピーダンス（すなわち、自由空間のインピーダンスに対する媒質のインピーダンスの比）の周波数依存性を示すが、２２ＧＨｚ〜２４ＧＨｚの周波数領域において、規格化された実効インピーダンスは、ほぼ１に近い値を示している。この結果は、本発明による人工媒質が、左手系媒質として良好な特性を発揮し得ることを示している。

（実施例５）
次に、図４２に示すような導電性素子および直線状導体素子の配置を有する人工媒質（以下、「実施例５に係る人工媒質８０６」という）を想定し、この特性を実施例２と同様のシミュレーションを用いて予測した。なお図４２（ｂ）は、図４２（ａ）のＦ−Ｆ線に沿った断面図である。実施例５に係る人工媒質８０５は、前述の実施例４の人工媒質８０５と同様の構成であると仮定した。ただし、この実施例では、導電性素子８３０ａ、８３０ｂの一辺の長さＱは、直線状導体素子８６０Ｘ'、８６０Ｙ'の幅ｄ２、ｄ１よりも小さくなっている点が実施例４とは異なっている。実施例５に係る人工媒質の各パラメータは、表４のように設定した。なお、誘電体層の比誘電率は、４．０であり、誘電損失は、０．０１である。また、導電性素子および直線状導体素子の導電率は、６．２９×１０^７Ｓ／ｍである。

図４３〜図４６には、シミュレーションの結果を示す。図４３には、実施例５に係る人工媒質８０６の実効比誘電率の周波数依存性を示す。この図から、周波数約２４ＧＨｚ前後の範囲に、実効比誘電率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。また、図４４には、実施例５に係る人工媒質８０６の実効比透磁率の周波数依存性を示す。この図から、周波数２４ＧＨｚ〜２６ＧＨｚの範囲に、実効比透磁率の実部が負となる領域が出現していることがわかる。さらに、図４５には、実効屈折率の周波数依存特性を示すが、この図から、周波数２３ＧＨｚ〜２５ＧＨｚの範囲において実効屈折率が負となっており、いわゆる左手系媒質が得られていることがわかる。また、図４６には、規格化された実効インピーダンス（すなわち、自由空間のインピーダンスに対する媒質のインピーダンスの比）の周波数依存性を示すが、２４ＧＨｚ前後の周波数領域において、規格化された実効インピーダンスは、ほぼ１に近い値を示している。この結果は、本発明による人工媒質が、左手系媒質として良好な特性を発揮し得ることを示している。

本願において、図３２、図３７、図４２等に示す構成の人工媒質（すなわち、直線状導体素子を有する人工媒質）については、具体的な製作例を示さなかったが、これらの人工媒質も、実施例１と同様の技術、すなわち、一般的なプリント配線基板材料であるＦＲ４と、一般的な多層プリント配線基板プロセスを用いて、容易に製作することができることは当業者には明らかである。この場合、一つの誘電体層の上部に直線状導体素子のパターンを形成した後、その上部を別の誘電体層で被覆するステップが追加される。

（実施例６）
次に、前述の第３の態様による人工媒質を備えるアンテナ装置（図１９〜図２１に示すアンテナ装置）を試作し、その特性を評価した。アンテナ装置は、以下のように製作した。
（人工媒質の製作）
誘電体層９２０の表裏面の各々に、単一の導電性素子９３０（９３０ａ、９３０ｂ）を印刷し、前記表裏面を導電面９４０とする人工媒質９００（図１８参照）を製作した。

誘電体層９３０の寸法形状は、１００ｍｍ×１００ｍｍ（厚さ０．７６２ｍｍ）の正方形とした。また、導電性素子９３０ａ、９３０ｂの寸法形状は、９０ｍｍ×９０ｍｍの正方形とし、これらは、厚み方向に相互に位置が揃うように、誘電体層の表裏面のほぼ中央に配置した。誘電体層９２０には、熱硬化性樹脂（比誘電率３．３８）を使用し、導電性素子９３０a、９３０ｂには、銅を使用した。
（アンテナ装置の製作）
アンテナ素子１００２は、ポリイミド製の可撓性基板１００６（縦２４５ｍｍ×横１１０ｍｍ）上に、銅を導体１００５として印刷することにより製作した。

次に、このアンテナ素子１００２を第１のスペーサ層１０２０（縦２７５ｍｍ×横１３０ｍｍ、厚さ０．７６２ｍｍ）を介して、前述の人工媒質９００の上に積層した。さらに人工媒質９００の下に、第２のスペーサ層１０４０（縦２２０ｍｍ×横２２０ｍｍ、厚さ０．７６２ｍｍ）を介して、金属板１０５０（縦３００ｍｍ×横３００ｍｍ、厚さ３ｍｍ）を配置し、アンテナ装置（実施例６に係るアンテナ装置）を製作した。第１のスペーサ層１０２０、第２のスペーサ層１０４０には、比誘電率が３．３８で、厚さが０．７６２ｍｍの熱硬化性樹脂を使用した。

なお、前述の導体１００５は、図２１に示すような、放射素子１００５ａと、給電線路１００５ｂとを有する形状とした。この場合、放射素子１００５ａへの給電は、給電線路１００５ｂのコプレナーウェーブガイドにより行われる。放射素子１００５ａ（形状は、図２１の放射素子１００５ａ参照）の外形寸法は、縦１４２ｍｍ×横９９ｍｍとした。給電線路１００５ｂのインピーダンスは、５０Ωであった。

（特性評価）
前述のように製作したアンテナ装置の特性を評価した。アンテナ特性は、前述のベクトルネットワークアナライザーを用いて、リターンロス（Ｓ１１特性）を測定することにより実施した。

図４７には、前述のアンテナ素子１００２単独の場合に得られた、Ｓ１１特性を示す。周波数５００ＭＨｚ付近から、Ｓ１１値が−１０ｄＢを下回るようになり、広帯域アンテナとして適正に作動することがわかる。

図４８は、実施例６に係るアンテナ装置の同様の測定結果を示したものである。この結果から、実施例６に係るアンテナ装置では、約８３５ＭＨｚおよび約１０７０ＭＨｚの周波数において、インピーダンスがマッチングしていることがわかる。

（比較例１）
次に、前述の実施例６と同様のアンテナ装置であって、アンテナ素子１００２と金属板１０５０の間に人工媒質９００を含まないアンテナ装置（比較例１）を試作し、同様の測定方法で、このアンテナ装置の特性を評価した。図４９には、比較例１に係るアンテナ装置１０００Ｂの概略断面図を示す。この図において、実施例６のアンテナ装置（すなわち図１９〜図２１）と同様の部材には、同一の参照符号が付されていることに留意する必要がある。

測定結果を図５０に示す。この結果から、本発明による人工媒質９００を有さないアンテナ装置では、インピーダンスがマッチングしていないことがわかる。

図４８と図５０の比較から、本発明による人工媒質９００を備えるアンテナ装置では、金属と近接した状態でも、適正に作動することが示された。

通常、金属板をアンテナ装置の反射板として使用するためには、アンテナ素子と金属板の距離を、アンテナの動作周波数の波長の１／４だけ離す必要がある。従って、アンテナ装置の低背化は難しい。しかしながら、本発明による人工媒質９００を用いることにより、両者間の距離を大幅に短縮することができる。すなわち、本発明による人工媒質９００を備えるアンテナ装置では、アンテナ素子と金属板との間に、厚い誘電体または絶縁体の層を介在させる必要がなくなり、アンテナ装置の小型化、低背化を実現することが可能となる。

（実施例７）
次に、前述の第３の態様による人工媒質を備える別のアンテナ装置２０００について、その特性をシミュレーションにより評価した。

別のアンテナ装置２０００は、図５１（ａ）（ｂ）に示すような構成とした。図５１（ｂ）は、図５１（ａ）のＫ−Ｋ断面の概略図である。（ただし、図５１（ｂ）において、実際にはパターン形成されている放射導体２０２０は、簡略化して示されていることに留意する必要がある。）
図５１に示すように、別のアンテナ装置２０００は、金属板２１５０、前述の人工媒質９００、およびアンテナ素子２０１０をこの順に積層することにより構成される。アンテナ素子２０１０は、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤタグ（Ｏｍｒｏｎ製：Ｗａｖｅインレット）であり、このアンテナ素子２０１０は、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ Ｔｅｒｅｐｈｔｈａ ｌａｔｅ）フィルム２０４０上に放射導体２０２０が印刷形成されたものである。なお、放射導体２０２０上には、ＩＣチップ２０５０が実装されている。アンテナ素子２０１０と人工媒質９００の間、および人工媒質９００と金属板２１５０の間には、両者を電気的に絶縁するため、それぞれ空気層２１６０および２１６１が形成されている。

フィルム２０４０の寸法は、１００ｍｍ（Ｙ方向の長さ）×２０ｍｍ（Ｘ方向の長さ）×厚さ０．０３８ｍｍとした。人工媒質９００は、誘電率が３．３８の誘電体層９２０（縦（Ｙ方向の長さ）５５ｍｍ×横（Ｘ方向の長さ）９０ｍｍ×厚さ１ｍｍ）と、単一の導電性素子（９３０ａ、９３０ｂ）（縦４９．５ｍｍ×横８１ｍｍ×厚さ０．０１ｍｍ）とで構成される。フィルム２０４０は、図に示すように、フィルム２０４０の長手方向が矩形状の人工媒質９００の長手方向と直交するようにして、人工媒質９００の上部に設置した。金属板２１５０は、ＸＹ平面に無限に延在しており、その厚さは０．０１ｍｍと仮定した。また、空気層２１６０および２１６１の厚さは、それぞれ０．４６２ｍｍおよび０．５ｍｍとした。

このような別のアンテナ装置２０００について、アンテナ特性を評価した。アンテナ特性は、ＦＩＴ（ＦＩｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）をベースとした電磁界シミュレータ（Ｍｉｃｒｏｗａｖｅ Ｓｔｕｄｉｏ）を用いて実施した。結果を図５２〜図５４に示す。なお、シミュレーションでは、ＩＣチップ２０５０の実装位置に給電点を設けた。

図５２は、別のアンテナ装置２０００のＳ１１特性を示したものである。また図５３および図５４は、それぞれ、アンテナ装置２０００の入力インピーダンスの実部および虚部を示したものである。なお、図５３、図５４には、図５１に示す配置のＲＦＩＤタグ２０１０を、ＸＹ平面において、図の位置から４５゜および９０゜回転させて配置した場合の結果を同時に示している。

図５２に示すように、アンテナ装置２０００は、９９０ＭＨｚ近傍でＳ１１が−１０ｄＢを下回り、良好な特性を示すことがわかる。また図５４に示すように、アンテナ装置の入力インピーダンスの虚部は、ＲＦＩＤタグ２０１０の回転角度とともに変化することがわかる。これは、ＲＦＩＤタグ２０１０と人工媒質９００の配置関係によって、アンテナ装置の入力インピーダンス（特に虚部の値）が変化することを示している。すなわち両者の配置を制御することにより、アンテナ装置２０００の入力インピーダンスを最適な値に調整することができる。

一般に、ＲＦＩＤタグに金属物を設置した状態で、ＲＦＩＤタグを通信可能にする場合、人工媒質を利用した同相反射板を利用することが有効であると考えられる。しかしながら、そのような装置では、ＲＦＩＤタグの入力インピーダンスがＩＣチップとミスマッチングを起こし、これにより通信性能が低下する場合がある。これに対して、本発明によるアンテナ装置の場合、ＲＦＩＤタグの配置を調整することにより、アンテナ装置のインピーダンスをＲＦＩＤタグの入力インピーダンスに近づけることができるため、本発明のアンテナ装置では、良好な通信特性を得ることができる。

（実施例８）
次に、前述の第３の態様による人工媒質を備える第２のアンテナ装置（図２２〜図２３に示すアンテナ装置）の特性をシミュレーションにより評価した。第２のアンテナ装置は、以下の構成とした。

３つの人工媒質９００Ａ〜９００Ｃは、図１８に示したような構成とした。誘電体層９２０の寸法は、縦２１．７ｍｍ×横１７．３ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。導電性素子の寸法は、横１９．５ｍｍ×縦１５．６ｍｍとした。なお、前述のように、３つの人工媒質９００Ａ〜９００Ｃのうち、中央に配置される人工媒質９００Ｂは、残りの人工媒質９００Ａ、９００Ｃに比べて、導電性素子９３１Ｂの長手方向が９０゜回転された状態となるように、誘電体基板１１５０上に配置した。

誘電体基板１１５０の寸法は、横２１．７ｍｍ×縦１７．３×厚さ１ｍｍとした。誘電体基板の比誘電率は、９とした。

３つのアンテナ素子１１２０Ａ〜Ｃにおいて、各導体１１３０Ａ〜Ｃの外形寸法（全長と線幅）は、３６ｍｍ×２ｍｍとし、厚さは０．０１ｍｍとした。各導体１１３０Ａ〜Ｃは、いずれもＹ軸に対して反時計回りに４５゜回転した状態で配置した。各アンテナ素子間の間隔ＳＰは、３０ｍｍとした。

このように構成されたアンテナ装置を実施例８に係るアンテナ装置と称する。

（特性評価）
前述のように製作した実施例８に係るアンテナ装置の特性をシミュレーションにより評価した。

まず初めに、アンテナ素子単体の特性を確認するため、図５５に示す一つのアンテナ素子１１２０Ｄのリターンロス特性を評価した。なお、図５５（ａ）は、アンテナ素子１１２０Ｄの上面図であり、図５５（ｂ）は、アンテナ素子１１２０Ｄの断面図である。このアンテナ素子１１２０Ｄは、誘電体基板１１５０Ｄの表面に、導体１１３０Ｄと給電点１１２５Ｄを備える。誘電体基板１１５０Ｄの寸法は、横１００ｍｍ×縦５０ｍｍで、比誘電率は９とした。結果を図５６に示す。得られたＳ１１特性から、約２．６ＧＨｚでアンテナ素子が効率的に作動することがわかる。

次に、図２２、図２３に示す構成のアンテナ装置について、解析を行った。結果を図５７に示す。なお、この結果は、中央のアンテナ素子１１２０Ｂにおいて得られたものである。なお、シミュレーション結果において、Ｓ２１特性とＳ３１特性は等しいため、図５７には、Ｓ１１とＳ２１のみを表示した。

以下の式により、整合周波数での放射効率を算出したところ、放射効率ηは、７４．８％となった。

放射効率η＝１−Ｓ１１^２−Ｓ２１^２−Ｓ３１^２
一方、同様の構成を有するものの、人工媒質群９０１を有さないアンテナ装置により得られた結果を図５８に示す。前述の図５７の場合と同様、この結果は、中央のアンテナ素子において得られたものである。この結果から、整合周波数での放射効率ηを算出したところ、ηは６７．９％であった。このことから、人工媒質を有さないアンテナ装置では、中央のアンテナ素子が両側のアンテナ素子の干渉を受け、放射効率が低下するのに対して、人工媒質を有するアンテナ装置では、そのような干渉が生じにくく、高い放射効率が得られることがわかった。

この結果は、本発明による人工媒質を使用することにより、アンテナ素子同士を接近させることが可能となることを示しており、これによりアンテナ装置の小型化、低背化を実現することが可能となる。

（実施例９）
次に、図５９に示す構成を有するアンテナ装置１２００の特性をシミュレーションにより評価した。ここで、アンテナ装置１２００は、前述のアンテナ装置１１００と同様の構成を有する。しかしながら、本アンテナ装置１２００は、３つのアンテナ素子１１２１Ａ〜Ｃの導体１１３１Ａ〜Ｃが、Ｙ方向に平行に延伸している点、および人工媒質９０１の導電性素子がいずれも正方形状である点が、前述のアンテナ装置１１００とは異なっている。

このアンテナ装置１２００の特性を、前述の実施例８の場合と同様のシミュレーションにより解析した結果を図６０に示す。また、図６１には、アンテナ装置１２００において、人工媒質９０１Ａ〜９０１Ｃを除去した場合の特性シミュレーション結果を示す。ここで図６０および図６１は、いずれも中央のアンテナ素子に対して得られた結果である。

両者において、整合周波数での放射効率ηを比較したところ、アンテナ装置１２００の場合は、η＝７１．４％となり、人工媒質を有さないアンテナ装置では、η＝６５．４％となった。このことから、アンテナ装置１２００では、人工媒質の設置により、アンテナ素子同士の干渉が抑制され、放射効率が向上することがわかる。

この結果は、本発明による人工媒質を使用することにより、アンテナ素子同士を接近させることが可能となることを示しており、これによりアンテナ装置の小型化、低背化を実現することが可能となる。

（実施例１０）
次に、図２４および図２５に示す構成を有するアンテナ装置１３００の特性をシミュレーションにより評価した。ここで、アンテナ装置１３００は、以下の構成とした。

人工媒質９００は、図２２および図２３に示したアンテナ装置１１００に使用されているもの（例えば人工媒質９００Ａ）と同様の構成とした。誘電体層９２０の寸法は、縦２１．７ｍｍ×横８．６８ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。導電性素子の寸法は、横１９．５ｍｍ×縦７．８ｍｍとした。

誘電体基板１１５０の寸法は、横４０ｍｍ×縦４０ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。誘電体基板の比誘電率は、９とした。

アンテナ素子１１２０おいて、導体１１３０の外形寸法（全長と線幅）は、３６ｍｍ×２ｍｍとし、厚さは０．０１ｍｍとした。導体１１３０は、Ｙ軸に対して反時計回りに４５゜回転した状態で配置した。

このように構成されたアンテナ装置を実施例１０に係るアンテナ装置と称する。

このアンテナ装置１３００の特性を、前述の実施例８の場合と同様のシミュレーションにより解析した結果を図６２に示す。また、図６３には、アンテナ装置１３００において、人工媒質９００を除去した場合の特性シミュレーション結果を示す。

図６２から、実施例１０に係るアンテナ装置では、２．５ＧＨｚと約４ＧＨｚ〜約６ＧＨｚの２箇所の周波数領域で、整合が得られていることがわかる。一方、人工媒質９００を除去した場合は、図６３から、約２．５ＧＨｚ近傍の周波数でのみ、整合が生じることがわかる。

このように、本発明による人工媒質９００を備える実施例１０に係るアンテナ装置は、多共振の広帯域アンテナとして使用し得ることがわかった。

（実施例１１）
次に、図６４に示す構成を有する、実施例１１に係るアンテナ装置１４００の特性を、同様のシミュレーションにより評価した。ここで、アンテナ装置１４００は、前述のアンテナ装置１３００と同様の構成を有する。しかしながら、本アンテナ装置１４００は、アンテナ素子１１２１の導体１１３１が、Ｙ方向に平行に延伸している点が、前述のアンテナ装置１３００とは異なっている。なお図６４では、人工媒質、給電点、誘電体基板が、図５９にならって、それぞれ、参照符号９０１、１１２６、１１５１で表されていることに留意する必要がある。

人工媒質９０１において、誘電体層９２０の寸法は、縦２１．７ｍｍ×横１３．０２ｍｍ×厚さ１ｍｍとした。また導電性素子の寸法は、横１９．５ｍｍ×縦１１．７ｍｍとした。その他の素子の寸法は、実施例１０の場合と同様である。

実施例１１に係るアンテナ装置１４００の特性をシミュレーションにより解析した結果を図６５に示す。

この図から、周波数約３ＧＨｚと、周波数約４ＧＨｚ〜約６ＧＨｚの２箇所において、整合が得られることわかる。

このように、実施例１１に係るアンテナ装置１４００においても、多共振の広帯域アンテナとして使用し得ることが確認された。

本発明の人工媒質は、例えば、高周波用アンテナ、超小型通信用の共振器、発信器等に利用することができる。

従来の人工媒質の構成の一例を模式的に示した斜視図である。 従来の人工媒質において、実効比透磁率の増大が生じる原理を模式的に示した図である。 本発明による人工媒質の一構成例を示した斜視図である。 図３に示した本発明による人工媒質の導電面の一部を模式的に示した拡大図である。 図３に示した人工媒質のＡ−Ａ断面の拡大図であって、低周波数域で導電性素子に生じる電流の方向を示した図である。 図３に示した人工媒質のＡ−Ａ断面の拡大図であって、高周波数域（共振周波数）で導電性素子に生じる電流の方向を示した図である。 導電性素子に流れる電流の向きと位相の関係を示した図である。 各電界方向における、本発明による人工媒質１００の周波数と実効比透磁率の関係を示した図である。 導電性素子の縦（Ｙ）方向と横（Ｘ）方向における、電界と磁界の関係を示した図である。 本発明による別の人工媒質の構成を概略的に示した図である。 本発明によるさらに別の人工媒質の構成を概略的に示した図である。 本発明によるさらに別の人工媒質の構成を概略的に示した図である。 本発明によるさらに別の人工媒質の構成を概略的に示した図である。 本発明によるさらに別の人工媒質の構成を概略的に示した図である。 いわゆる「枠付き導電性素子」を有する人工媒質８０１Ｗの概略的な構成図である。 図１５に示す人工媒質８０１Ｗの実効比誘電率と実効比透磁率の変化を示したグラフである。 図１１に示す人工媒質８０１の実効比誘電率と実効比透磁率の変化を示したグラフである。 本発明によるさらに別の人工媒質（第３の実施形態）の上面（ａ）および断面（ｂ）を示した図である。 第３の実施形態の人工媒質を備える第１のアンテナ装置の概略的な分解構成図である。 第３の実施形態の人工媒質を備える第１のアンテナ装置の概略的な断面図である。 アンテナ素子の導体の形状の一例を示した図である。 第２のアンテナ装置１１００の上面図である。 図２２に示したアンテナ装置１１００のＨ−Ｈ線での断面図である。 第３のアンテナ装置１３００の上面図である。 図２４に示したアンテナ装置１３００のＪ−Ｊ線での断面図である。 実施例１に係る人工媒質の断面の一部を示した図である。 人工媒質の実効比誘電率および実効比透磁率測定用の測定装置の概略構成図である。 実施例１に係る人工媒質のＳパラメータ振幅特性の測定結果である。 実施例１に係る人工媒質のＳパラメータ位相特性の測定結果である。 実施例１に係る人工媒質の実効比誘電率および実効比透磁率の算出結果である。 実施例２に係る人工媒質の実効比誘電率および実効比透磁率のシミュレーション結果である。 実施例３に係る人工媒質の構成を概略的に示した図である。 実施例３に係る人工媒質の実効比誘電率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例３に係る人工媒質の実効比透磁率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例３に係る人工媒質の実効屈折率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例３に係る人工媒質の規格化された実効インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。 実施例４に係る人工媒質の構成を概略的に示した図である。 実施例４に係る人工媒質の実効比誘電率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例４に係る人工媒質の実効比透磁率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例４に係る人工媒質の実効屈折率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例４に係る人工媒質の規格化された実効インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。 実施例５に係る人工媒質の構成を概略的に示した図である。 実施例５に係る人工媒質の実効比誘電率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例５に係る人工媒質の実効比透磁率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例５に係る人工媒質の実効屈折率の周波数依存性を示すグラフである。 実施例５に係る人工媒質の規格化された実効インピーダンスの周波数依存性を示すグラフである。 アンテナ素子のＳ１１特性の周波数依存性を示すグラフである。 実施例６に係るアンテナ装置のＳ１１特性の周波数依存性を示すグラフである。 比較例１に係るアンテナ装置の概略的な断面図である。 比較例１に係るアンテナ装置のＳ１１特性の周波数依存性を示すグラフである。 本発明による別のアンテナ装置２０００の概略的な構成図である。 本発明による別のアンテナ装置２０００の特性を示すグラフである。 本発明による別のアンテナ装置２０００において、ＲＦＩＤタグの配置方向が入力インピーダンスの実部に及ぼす影響を示したグラフである。 本発明による別のアンテナ装置２０００において、ＲＦＩＤタグの配置方向が入力インピーダンスの虚部に及ぼす影響を示したグラフである。 単一のアンテナ素子の上面図（ａ）および断面図（ｂ）である。 図５５に示した単一のアンテナ素子のＳ１１特性を示すグラフである。 実施例８に係るアンテナ装置１１００の特性を示すグラフである。 実施例８に係るアンテナ装置１１００において、人工媒質を有さない場合の特性を示すグラフである。 実施例９に係るアンテナ装置１２００の上面図である。 実施例９に係るアンテナ装置１２００の特性を示すグラフである。 実施例９に係るアンテナ装置１２００において、人工媒質を有さない場合の特性を示すグラフである。 実施例１０に係るアンテナ装置１３００の特性を示すグラフである。 実施例１０に係るアンテナ装置１３００において、人工媒質を有さない場合の特性を示すグラフである。 実施例１１に係るアンテナ装置１４００の概略的な上面図である。 実施例１１に係るアンテナ装置１４００の特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 従来の人工媒質
２ 誘電体層
３ スプリットリング
４ 導電面
５ 電磁波
６ 分離部
７ 変位電流
８、９ 電流
１００、３００ 人工媒質
１２０ 誘電体層
１３０、３３０ 導電性素子
１４０ 導電面
１７０ 変位電流
１５ 電磁波
１８０、１８５、１９０ 電流
３２０ａ、３２０ｂ、３２０ｃ 誘電体層部分
４００ 測定装置
Ｉ、ＩＩ ループ電流
８００〜８０６ 人工媒質
８２０ 誘電体層
８３０ 導電性素子
８４０ 導電面
８６０ 直線状導体素子
９００ 人工媒質
９０１ 人工媒質群
９００Ａ、Ｂ、Ｃ 人工媒質
９０１ 人工媒質群
９２０ 誘電体層
９３０ａ、ｂ 導電性素子
９３１Ａ、Ｂ、Ｃ 導電性素子
９４０ａ、ｂ 導電面
１０００ 本発明によるアンテナ装置
１００２ アンテナ素子
１００５ 導体
１００５ａ 放射素子
１００５ｂ 給電線路
１００６ アンテナ基板
１０２０ 第１のスペーサ層
１０４０ 第１のスペーサ層
１０５０ 金属板
１１００ 第２のアンテナ装置
１１２０ アンテナ素子群
１１２０Ａ、Ｂ、Ｃ アンテナ素子
１１２１Ａ、Ｂ、Ｃ アンテナ素子
１１２５Ａ、Ｂ、Ｃ 給電点
１１２６Ａ、Ｂ、Ｃ 給電点
１１３０ 導体
１１３１Ａ、Ｂ、Ｃ 導体
１１５０、１１５１ 誘電体基板
２０００ 別のアンテナ装置
２０１０ ＲＦＩＤタグ
２１５０ 金属板。

Claims (21)

1. 導電性素子が２次元周期配列的に配置された導電面が、厚さ方向に２面以上設置された人工媒質であって、
   前記厚さ方向と平行に伝播する電磁波が入射された際に、該電磁波により励起される電流が、動作周波数において増大するとともに、前記厚さ方向と平行な面内に電流のループが形成され、
   各導電面の間には、誘電体層が介在され、かつ、各誘電体層を介して導電性素子が厚さ方向に相互に対向する領域に、電流のループが形成され、
   各導電面は、相互に分離した複数の導電性素子からなる実質的に同一の配列パターンを有し、各導電性素子は、前記厚さ方向に沿って位置が揃っており、かつ、各導電性素子の形状および寸法は実質的に同一であり、
   前記誘電体層の内部には、該誘電体層の厚みの中心部近傍に、相互に平行な複数の第１の直線状導体素子が配置され、
   該第１の直線状導体素子は、前記誘電体層の一端から他端に向かって、実質的に直線状に延伸し、
   前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記第１の直線状導体素子の少なくとも一つは、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されていることを特徴とする人工媒質。
2. 前記複数の第１の直線状導体素子と同等の深さ位置に、相互に平行な複数の第２の直線状導体素子を有し、
   該複数の第２の直線状導体素子は、前記第１の直線状導体素子とは異なる方向に沿って、前記誘電体層の一端から他端まで、実質的に直線状に延伸し、
   前記複数の第２の直線状導体素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、少なくとも一部は、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の人工媒質。
3. 前記第１および第２の直線状導体素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記第１の直線状導体素子と第２の直線状導体素子の交点がいずれかの導電性素子の領域に収まるように配置されることを特徴とする請求項２に記載の人工媒質。
4. 前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
   前記導電面と垂直な方向から見た場合、第１の直線状導体素子の少なくとも一つは、一つの列を構成する各導電性素子と重なるように配置され、
   および／または前記導電面と垂直な方向から見た場合、第２の直線状導体素子の少なくとも一つは、一つの行を構成する各導電性素子と重なるように配置されることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一つに記載の人工媒質。
5. 前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
   前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列のピッチと実質的に等しいピッチで配置され、
   および／または第２の直線状導体素子は、前記導電性素子の行のピッチと実質的に等しいピッチで配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の人工媒質。
6. 前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記導電性素子は、第１および第２の直線状導体素子の全ての交点に配置され、かつ前記交点を除く位置には配置されていないことを特徴とする請求項５に記載の人工媒質。
7. 前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
   前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列のピッチの実質的に２倍のピッチで配置され、
   および／または第２の直線状導体素子は、前記導電性素子の行のピッチの実質的に２倍のピッチで配置されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一つに記載の人工媒質。
8. 前記導電性素子は、前記導電面に行および列に沿って、それぞれ一定のピッチで配列され、
   前記複数の第１の直線状導体素子および第２の直線状導体素子は、実質的に同一の間隔で配置され、
   前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列の方向に対して時計回りに４５゜回転した方向に延伸するように配置され、
   前記第１の直線状導体素子は、前記導電性素子の列の方向に対して反時計回りに４５゜回転した方向に延伸するように配置されることを特徴とする請求項２に記載の人工媒質。
9. 前記導電性素子は、前記導電面と垂直な方向から見た場合、第１および第２の直線状導体素子の全ての交点に配置され、かつ前記交点を除く位置には配置されていないことを特徴とする請求項８に記載の人工媒質。
10. 前記複数の導電性素子は、実質的に正方形の形状を有することを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一つに記載の人工媒質。
11. 前記第１の直線状導体素子および／または第２の直線状導体素子の線幅は、前記導電性素子の同方向における幅よりも狭いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の人工媒質。
12. 前記第１の直線状導体素子および／または第２の直線状導体素子の線幅は、前記導電性素子の同方向における幅よりも広いことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一つに記載の人工媒質。
13. 前記誘電体層は、フッ素樹脂材料で構成されていることを特徴とする請求項１乃至１２のいずれか一つに記載の人工媒質。
14. 導電性素子が配置された導電面を有する誘電体基板を調製するステップと、
    前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップと、
    を有する人工媒質を製造する方法であって、
    前記誘電体基板を調製するステップは、
    前記人工媒質に、前記厚さ方向と平行な方向に伝播する電磁波が入射された際に、前記厚さ方向と平行な平面内に電流のループが形成されるように、各誘電体基板に導電性素子を配置するステップを有し、
    前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップは、導電面に導電性素子が配置された誘電体基板同士の間に、導電性素子を有さない第２の誘電体層を介在させるステップを有することを特徴とする人工媒質の製造方法。
15. 一つの誘電体基板を介して、前記厚さ方向に相互に対向する導電性素子同士の間に、電流のループが形成されることを特徴とする請求項１４に記載の人工媒質の製造方法。
16. 導電性素子が配置された導電面を有する誘電体基板を調製するステップと、
    前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップと、
    を有する人工媒質を製造する方法であって、
    前記誘電体基板を調製するステップは、
    前記人工媒質に、前記厚さ方向と平行な方向に伝播する電磁波が入射された際に、前記厚さ方向と平行な平面内に電流のループが形成されるように、各誘電体基板に導電性素子を配置するステップと、
    前記各誘電体層の厚みの中心部近傍に、直線状導体素子を配置するステップと、
    前記誘電体基板を積層した際に、各導電性素子が前記厚さ方向に沿って位置が揃うように、各誘電体基板の導電面に、複数の導電性素子からなる実質的に同一の配列パターンを設置するステップと、
    を有し、
    前記導電性素子の形状および寸法は、実質的に同一であり、
    前記直線状導体素子は、前記誘電体基板の一端から他端に向かって、実質的に直線状に延伸し、
    前記導電面と垂直な方向から見た場合、前記直線状導体素子の少なくとも一部は、少なくともいずれかの導電性素子と重なるように配置されていることを特徴とする人工媒質の製造方法。
17. 一つの誘電体基板を介して、前記厚さ方向に相互に対向する導電性素子同士の間に、電流のループが形成されることを特徴とする請求項１６に記載の人工媒質の製造方法。
18. 前記誘電体基板を厚さ方向に積層して、人工媒質を構成するステップは、導電面に導電性素子が配置された誘電体基板同士の間に、導電性素子を有さない第２の誘電体層を介在させるステップを有することを特徴とする請求項１６または１７に記載の人工媒質の製造方法。
19. 絶縁体または誘電体で構成された基板の第１の表面に、導体を有するアンテナ素子が配置されたアンテナ装置であって、
    前記基板の第１の表面と対向する第２の表面には、人工媒質が配置され、
    前記人工媒質は、
    誘電体層と、該誘電体層の表裏面のそれぞれに設置された単一の導電性素子とを有し、
    各導電性素子は、実質的に同一の寸法および形状を有し、前記誘電体層の厚さ方向に沿って位置が揃っており、
    前記厚さ方向と平行に伝播する電磁波が入射された際に、前記誘電体層を介して、前記導電性素子が厚さ方向に相互に対向する領域に、電流のループが形成され、
    前記基板の第１の表面と垂直な方向から見た場合、前記アンテナ素子の少なくとも一部は、前記人工媒質と重なっていることを特徴とするアンテナ装置。
20. さらに、前記人工媒質の前記基板の第２の表面とは反対の側に、金属板が配置されていることを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ装置。
21. 前記アンテナ素子は、ＲＦＩＤタグを有することを特徴とする請求項２０に記載のアンテナ装置。

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