JP5304883B2 - Partial structure of electric parts and electric circuits - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、電気部品、および、電気回路の部分構造に関し、特に、伝送路上を伝搬する電力の一部を別のポートに取出すのに適した電気部品、および、電気回路の部分構造に関する。 The present invention relates to an electric component and a partial structure of an electric circuit, and more particularly to an electric component suitable for taking out a part of electric power propagating on a transmission line to another port and the partial structure of the electric circuit.
従来から、高周波信号の伝送線路上を所定の方向に伝搬する電力の一部を別のポートに取出すための電気部品である方向性結合器が用いられている。 2. Description of the Related Art Conventionally, a directional coupler, which is an electrical component for taking out a part of power propagating on a transmission line of a high-frequency signal in a predetermined direction to another port, has been used.
このような方向性結合器であって中心周波数の波長をλとするものにおいて、λ/4の長さの2本の並行する線路を結合部とするものがあった(たとえば、特開平9−246818号公報(以下「特許文献1」という)参照)。この場合、たとえば、中心周波数が1GHzであれば、比誘電率=1とすると、λ/4=7.5cmとなる。
Among such directional couplers, in which the wavelength of the center frequency is λ, there is one in which two parallel lines having a length of λ / 4 are used as a coupling portion (for example, Japanese Patent Laid-Open No. 9-9 / 1990). No. 246818 (see “
また、線路を直線的に並行させた場合よりも小型化するため、蛇行させた並行する線路が形成された基板を積層させて、λ/4の長さの並行部分を確保するものがあった(たとえば、特開平5−160614号公報(以下「特許文献2」という)参照)。
In addition, in order to reduce the size compared to the case where the lines are linearly parallel, there is a method in which a substrate on which the meandering parallel lines are formed is laminated to secure a parallel portion having a length of λ / 4. (For example, refer to Japanese Patent Laid-Open No. 5-160614 (hereinafter referred to as “
また、より短い並行線路長で強結合を得るために、2本の並行する線路を有する方向性結合器である結合線路形カプラにおいて、HPF(High-Pass Filter)型の左手系伝送線路を用いたものがあった(たとえば、廣田明道、田原志浩、米田尚史、「右手/左手系複合線路を用いた結合線路形フォワードカプラ」(MW2008-28)、電子情報通信学会技術研究報告、社団法人電子情報通信学会、2008年5月、Vol.108、No.63、p.77-82(以下「非特許文献1」という)参照)。
In addition, in order to obtain strong coupling with a shorter parallel line length, an HPF (High-Pass Filter) type left-handed transmission line is used in a coupled line type coupler which is a directional coupler having two parallel lines. (For example, Akimichi Hirota, Shihiro Tahara, Naofumi Yoneda, "Coupled line type forward coupler using a right / left-handed composite line" (MW2008-28), IEICE technical report, incorporated association The Institute of Electronics, Information and Communication Engineers, May 2008, Vol.108, No.63, p.77-82 (hereinafter referred to as “Non-Patent
なお、特開2008−147737号公報(以下「特許文献3」という)には、左手系伝送線路の応用例として、たとえば、段落0036に、強結合バックワードカプラに用いることができる旨が記載されている。
Japanese Patent Laid-Open No. 2008-147737 (hereinafter referred to as “
特許文献1および特許文献2に係る方向性結合器は、基本的にλ/4の長さの結合線路を有するものである。λ/4よりも短くても結合するが、最も強い結合を得るためには、結合線路の長さをλ/4にする必要がある。
The directional couplers according to
しかし、たとえ、結合線路の長さをλ/4にしたとしても、並行線路では線路間の容量結合および磁気結合が強くないことから、電磁気的な結合度を高くすることはできない。たとえば、特許文献1の方向性結合器の結合度は、40dB程度である。
However, even if the length of the coupled line is λ / 4, the parallel coupling cannot increase the degree of electromagnetic coupling because the capacitive coupling and the magnetic coupling between the lines are not strong. For example, the degree of coupling of the directional coupler of
結合度を高くするために、特許文献2のように、並行線路を蛇行させて磁気結合を高くしたり、線路を積層方向に隣接させて容量結合を高くしたりする必要がある。いずれにしても、結合線路の長さをλ/4に近くする必要があり、方向性結合器のサイズが大きくなってしまうという問題が生じる。
In order to increase the degree of coupling, as in
また、方向性結合器のサイズを小型化するために線路幅を細くすると、損失が増えてしまうという問題が生じる。 Further, when the line width is reduced in order to reduce the size of the directional coupler, there arises a problem that loss increases.
結合線路の長さをλ/4にすることによらない強い結合を得るためには、上述した非特許文献1のように左手系伝送線路を用いることが考えられる。しかし、伝送線路型の方向性結合器は、シリーズにコンデンサ、シャントにインダクタを必要とする。そして、小型化するためには、インダクタのピッチを短くしていかなければならない。
In order to obtain strong coupling that does not depend on the length of the coupled line being λ / 4, it is conceivable to use a left-handed transmission line as in
しかし、インダクタのピッチを短くすると、結合によって、シリーズに等価的なインダクタが入ってしまう。このため、そのインダクタが右手系成分となるため、左手系の動作を抑えてしまうといった問題が生じる。 However, if the pitch of the inductor is shortened, an equivalent inductor will be included in the series due to coupling. For this reason, since the inductor becomes a right-handed component, there arises a problem that the operation of the left-handed system is suppressed.
また、単位長さ当たりの自己インダクタンスLおよび静電容量Cを一定にする必要があるので、小型化するほど、L,Cを大きくする必要がある。このため、左手系伝送線路は、小型化が困難な構造である。 Further, since the self-inductance L and the capacitance C per unit length need to be constant, it is necessary to increase L and C as the size is reduced. For this reason, the left-handed transmission line has a structure that is difficult to reduce in size.
左手系メタマテリアルには共振型があるが、大型のものばかりである。このため、ストリップラインに利用できるものがなく、小型の方向性結合器への応用は提案されていなかった。 Left-handed metamaterials have a resonance type, but only large ones. For this reason, there is nothing that can be used for the stripline, and application to a small directional coupler has not been proposed.
この発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的の1つは、小型で強結合を実現することが可能な電気部品、および、電気回路の部分構造を提供することである。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and one of the objects of the present invention is to provide an electric component capable of realizing small size and strong coupling, and a partial structure of an electric circuit. That is.
上述の目的を達成するために、この発明のある局面によれば、電気部品は、第1の電流を通すための第1の伝送線路と、第1の伝送線路と並行する第2の電流を流すための少なくとも1つの第2の伝送線路と、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、第1の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が第2の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。 In order to achieve the above-described object, according to one aspect of the present invention, an electrical component generates a first transmission line for passing a first current and a second current parallel to the first transmission line. At least one second transmission line for flowing, and a metamaterial exhibiting a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability with respect to a resonance wavelength component of the electromagnetic field, wherein the metamaterial is an electromagnetic field generated by the first current By exhibiting a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability with respect to the resonance wavelength component of the second and the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability electromagnetically affect the second transmission line, The position and direction are determined and arranged so that current flows.
好ましくは、メタマテリアルは、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第1の共振器を備え、第1の共振器は、共振波長の略1/2の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第2の共振器と、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、支持部材は、第1の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第2の共振器の共振による磁界が集中するように、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する。 Preferably, the metamaterial includes a first resonator that exhibits a negative dielectric constant with respect to an electromagnetic wave having a resonance wavelength, and the first resonator includes a half-wavelength line having a length that is approximately ½ of the resonance wavelength. The metamaterial further includes a second resonator that exhibits a negative permeability with respect to an electromagnetic wave having a resonance wavelength, and a support member that fixes positions of the first resonator and the second resonator, The support member positions the first resonator and the second resonator so that the magnetic field due to the resonance of the second resonator is concentrated in a region different from the region where the electric field due to the resonance of the first resonator is concentrated. To fix.
好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端が第2の共振器の外部に位置するように、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する。 Preferably, the support member fixes the positions of the first resonator and the second resonator so that both ends of the half-wavelength line are located outside the second resonator.
好ましくは、支持部材は、共振により第1の共振器および第2の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する。 Preferably, the support member has a position of the first resonator and the second resonator so that charges of the same polarity generated in the first resonator and the second resonator due to resonance are non-interfering with each other. To fix.
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端の第1の伝送線路および第2の伝送線路からの距離が異なるように第1の共振器を固定する。 More preferably, the support member fixes the first resonator so that the distances from the first transmission line and the second transmission line at both ends of the half-wavelength line are different.
さらに好ましくは、第2の共振器は、LC共振器であって、支持部材は、第1の電流により生じる磁界がLC共振器の共振ループを通過するようにLC共振器の位置を固定する。 More preferably, the second resonator is an LC resonator, and the support member fixes the position of the LC resonator so that the magnetic field generated by the first current passes through the resonance loop of the LC resonator.
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の第1の端を、第2の共振器と第1の伝送線路および第2の伝送線路を含む面との間に固定する。 More preferably, the support member fixes the first end of the half-wave line between the second resonator and a surface including the first transmission line and the second transmission line.
さらに好ましくは、第2の共振器は、第1の最外電極と、第1の最外電極と極性の異なる第2の最外電極とを含み、支持部材は、半波長線路の第1の端を第1の最外電極と第1の伝送線路および第2の伝送線路を含む面との間に固定する。 More preferably, the second resonator includes a first outermost electrode and a second outermost electrode having a polarity different from that of the first outermost electrode, and the support member includes the first outermost electrode of the half-wavelength line. The end is fixed between the first outermost electrode and the surface including the first transmission line and the second transmission line.
さらに好ましくは、支持部材は、第1の電流により生じる、半波長線路の両端における電位が異なるように第1の共振器を固定する。 More preferably, the support member fixes the first resonator so that potentials at both ends of the half-wavelength line generated by the first current are different.
さらに好ましくは、支持部材は、第2の共振器が第1の電流により生じる磁界と磁気結合するように第2の共振器の位置を固定する。 More preferably, the support member fixes the position of the second resonator so that the second resonator is magnetically coupled to the magnetic field generated by the first current.
さらに好ましくは、第2の共振器は、第1の電極と、第1の電極に対向する第2の電極とを備え、支持部材は、第1の電極および第2の電極で形成される共振ループが第1の電流により生じる電界方向と略平行になるように、第1の電極および第2の電極を固定する。 More preferably, the second resonator includes a first electrode and a second electrode facing the first electrode, and the support member is a resonance formed by the first electrode and the second electrode. The first electrode and the second electrode are fixed so that the loop is substantially parallel to the direction of the electric field generated by the first current.
好ましくは、メタマテリアルは、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第1の共振器を備え、第1の共振器は、共振波長の略1/2の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第2の共振器を備え、第2の共振器は、複数の板状電極を含み、板状電極は、複数の第1板状電極と、各第1板状電極と対向して各々配置された複数の第2板状電極とからなり、第2の共振器は、さらに、複数の第1板状電極を電気的に接続する第1の接続部と、複数の第2板状電極を電気的に接続する第2の接続部とを含み、複数の板状電極のうち最外部に配置された第1の最外電極および第2の最外電極は、それぞれ、第1板状電極および第2板状電極であり、メタマテリアルは、さらに、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する支持部材を備え、支持部材は、第1の最外電極が半波長線路の第1の端部に近接し、かつ、第2の最外電極が半波長線路の第2の端部に近接するように、第1の共振器および第2の共振器の位置を固定する。 Preferably, the metamaterial includes a first resonator that exhibits a negative dielectric constant with respect to an electromagnetic wave having a resonance wavelength, and the first resonator includes a half-wavelength line having a length that is approximately ½ of the resonance wavelength. The metamaterial further includes a second resonator that exhibits a negative permeability with respect to an electromagnetic wave having a resonance wavelength. The second resonator includes a plurality of plate-like electrodes, and the plate-like electrodes include a plurality of plate-like electrodes. Each of the first plate-like electrodes and a plurality of second plate-like electrodes disposed opposite to the first plate-like electrodes, and the second resonator further includes a plurality of first plate-like electrodes. 1st connection part electrically connected, and 2nd connection part which electrically connects a some 2nd plate-like electrode, The 1st arranged on the outermost part among a plurality of plate-like electrodes The outermost electrode and the second outermost electrode are the first plate-like electrode and the second plate-like electrode, respectively, and the metamaterial further includes the first plate-like electrode and the second plate-like electrode. A support member for fixing the position of the resonator and the second resonator, wherein the support member has a first outermost electrode adjacent to the first end of the half-wavelength line, and a second outermost electrode; The positions of the first resonator and the second resonator are fixed so as to be close to the second end of the half-wavelength line.
さらに好ましくは、第1の共振器は、さらに、第1の端部に接続された第1の導電板と、第2の端部に接続された第2の導電板とを含み、支持部材は、第2の共振器の外部であって第1の最外電極と対向する位置に第1の導電板を固定し、第2の共振器の外部であって第2の最外電極と対向する位置に第2の導電板を固定する。 More preferably, the first resonator further includes a first conductive plate connected to the first end, and a second conductive plate connected to the second end, and the support member is The first conductive plate is fixed to a position outside the second resonator and facing the first outermost electrode, and facing the second outermost electrode outside the second resonator. The second conductive plate is fixed at the position.
この発明の他の局面によれば、電気部品は、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルを備え、メタマテリアルは、基板に取付けられたときに基板上の第1の伝送線路を流れる第1の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が基板に取付けられたときに基板上の第2の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第2の伝送線路に第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。 According to another aspect of the present invention, the electrical component includes a metamaterial exhibiting a negative dielectric constant and a negative permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field, and the metamaterial is attached to the substrate. A negative dielectric constant and a negative magnetic permeability are exhibited with respect to the resonant wavelength component of the electromagnetic field by the first current flowing through the first transmission line on the substrate, and the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability are the substrate By being electromagnetically affected by the second transmission line on the substrate when attached to the substrate, the position and the direction are determined and arranged so that the second current flows through the second transmission line.
好ましくは、電気部品は、基板に取付けられたときに、メタマテリアルを挟んで第1の伝送線路および第2の伝送線路を含む面と反対側になるように配置されるグランド面をさらに備え、グランド面は、基板に取付けられたときに基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する。 Preferably, the electrical component further includes a ground plane disposed so as to be opposite to the plane including the first transmission line and the second transmission line with the metamaterial interposed therebetween when attached to the substrate. The ground surface has a ground connection portion for electrically connecting to a ground line on the substrate when attached to the substrate.
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路の部分構造は、第1の電流を通すための第1の伝送線路と、第1の伝送線路と並行する第2の電流を通すための少なくとも1つの第2の伝送線路と、電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、第1の電流による電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が第2の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている。 According to still another aspect of the present invention, the partial structure of the electric circuit includes at least a first transmission line for passing the first current and a second current parallel to the first transmission line. One second transmission line and a metamaterial exhibiting a negative dielectric constant and a negative permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field, and the metamaterial is a resonance wavelength component of the electromagnetic field due to the first current And a negative current permittivity and a negative permeability, and the negative permittivity and the negative permeability affect the second transmission line electromagnetically, so that the second current flows. The position and direction are determined and arranged.
本発明に係る電気部品および電気回路の部分構造に含まれるメタマテリアルは、共振波長において負の誘電率を示す、共振波長の略1/2の長さの線路を有する第1の共振器と、当該共振波長において負の透磁率を示す第2の共振器とを含む。これらの共振器は、第1の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第2の共振器の共振による磁界が集中するように、配置される。 The metamaterial included in the partial structure of the electrical component and the electrical circuit according to the present invention includes a first resonator having a line having a length of approximately ½ of the resonance wavelength and exhibiting a negative dielectric constant at the resonance wavelength; And a second resonator exhibiting negative permeability at the resonance wavelength. These resonators are arranged so that the magnetic field due to the resonance of the second resonator is concentrated in a region different from the region where the electric field due to the resonance of the first resonator is concentrated.
また、本発明のある局面によれば、一方の最外電極が、λ/2長の金属線の一方の端に近接し、他方の最外電極が金属線の他方の端に近接するように配置されたコンデンサ型共振器を、負の透磁率の発現のために用いる。ここで、コンデンサ型共振器としては、2つの最外電極にたまる電荷の符号は逆であるものを用いる。以上の構成により、本発明によれば、λ/2長の金属線を用い、かつ、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現するメタマテリアルを実現できる。このため、小型で強結合を実現することが可能な、左手系メタマテリアルを備えた電気部品、および、電気回路の部分構造を提供することができる。 Further, according to an aspect of the present invention, one outermost electrode is close to one end of a λ / 2 long metal wire, and the other outermost electrode is close to the other end of the metal wire. An arranged capacitor type resonator is used to develop negative magnetic permeability. Here, as the capacitor-type resonator, one having the opposite signs of the charges accumulated in the two outermost electrodes is used. With the above configuration, according to the present invention, it is possible to realize a metamaterial that uses a λ / 2 length metal wire and that simultaneously develops a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability. For this reason, the electrical component provided with the left-handed metamaterial which can implement | achieve small coupling | bonding and strong coupling | bonding, and the partial structure of an electrical circuit can be provided.
[左手系メタマテリアルを実現する上での課題]
近年、メタマテリアル(metamaterial)と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的あるいは光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率(μ<0)、負の誘電率(ε<0)、あるいは負の屈折率(透磁率および誘電率がいずれも負の場合)が挙げられる。なお、μ<0かつε>0の領域、またはμ>0かつε<0の領域は「エバネッセント解領域」とも称され、μ<0かつε<0の領域は「左手系領域」とも称される。[Challenges for realizing left-handed metamaterials]
In recent years, devices called metamaterials have attracted attention. This metamaterial is an artificial material having electromagnetic or optical characteristics that a substance existing in nature does not have. Typical properties of such metamaterials include negative permeability (μ <0), negative dielectric constant (ε <0), or negative refractive index (when both permeability and dielectric constant are negative) Is mentioned. The region of μ <0 and ε> 0, or the region of μ> 0 and ε <0 is also referred to as “evanescent solution region”, and the region of μ <0 and ε <0 is also referred to as “left-handed region”. The
μ<0かつε<0である左手系メタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率を同時に実現するため、負の誘電率を持つ素子と、負の透磁率を持つ素子とを周期配置して作られる。 Left-handed metamaterials with μ <0 and ε <0 have a periodic arrangement of elements with negative permittivity and elements with negative permeability in order to simultaneously realize negative permittivity and negative permeability. Made.
左手系メタマテリアルには、大きく分けて、回路系と共振系とがある。共振系において、負のμを実現する手段としては、例えば、スプリットリング共振器(SRR:Split Ring Resonator)がある(例えば、「左手系メタマテリアル」(日経エレクトロニクス1月2日号、日経BP社、2006年1月2日、p.75−81)参照)。 Left-handed metamaterials are broadly classified into circuit systems and resonant systems. As a means for realizing negative μ in the resonance system, for example, there is a split ring resonator (SRR: Split Ring Resonator) (for example, “left-handed metamaterial” (Nikkei Electronics January 2 issue, Nikkei BP) , January 2, 2006, pages 75-81)).
一方、負のεを実現する手段としては、電磁波の波長に対して十分長い金属細線がある。この金属細線によれば、プラズマ周波数が下がり、負のεが実現される。"Low Frequency Plasmons in thin-wire structures"(J B Pendry他, J. Phys.: Condens. Matter Vol.10(1998)4785-4809)には、金属細線のアレイにより負のεを実現できることが記載されている。また、特表2008−507733号公報には、周期格子のワイヤが負の誘電率となるとの記述がある。 On the other hand, as means for realizing negative ε, there is a fine metal wire that is sufficiently long with respect to the wavelength of electromagnetic waves. According to this thin metal wire, the plasma frequency is lowered and negative ε is realized. "Low Frequency Plasmons in thin-wire structures" (JB Pendry et al., J. Phys .: Condens. Matter Vol. 10 (1998) 4785-4809) describes that negative ε can be realized by an array of fine metal wires. ing. In Japanese translation of PCT publication No. 2008-507733, there is a description that the wire of the periodic grating has a negative dielectric constant.
また、電磁波の波長λの半分の長さの金属細線が、電磁波との共振によって負の誘電率を発生することも知られている。 It is also known that a thin metal wire having a length that is half the wavelength λ of an electromagnetic wave generates a negative dielectric constant due to resonance with the electromagnetic wave.
負のεの実現のために電磁波の波長に対して十分長い金属細線を用いる方法では、メタマテリアルを小型化できない。そこで、電磁波の波長λの半分の長さの金属線を用いることが考えられる。 The metamaterial cannot be miniaturized by a method using a thin metal wire that is sufficiently long with respect to the wavelength of the electromagnetic wave to realize negative ε. Therefore, it is conceivable to use a metal wire having a length that is half the wavelength λ of the electromagnetic wave.
しかしながら、λ/2長の金属線を負のμを実現するための共振器と組み合わせて左手系メタマテリアルを実現しようとした場合、λ/2長の金属線は、一種の共振器であるので、負のμを実現するための共振器との間で干渉を起こすおそれがある。そして、その結果、金属線と共振器との組み合わせは、負のεおよび負のμを同時に発現しないおそれがある。 However, when a left-handed metamaterial is realized by combining a λ / 2 long metal wire with a resonator for realizing negative μ, the λ / 2 long metal wire is a kind of resonator. There is a risk of causing interference with the resonator for realizing negative μ. As a result, the combination of the metal wire and the resonator may not exhibit negative ε and negative μ simultaneously.
上述した課題を解決するための、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現することが可能なメタマテリアルの実施の形態を以下に記載する。 An embodiment of a metamaterial capable of simultaneously expressing a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability for solving the above-described problem will be described below.
[共振器について]
本発明に係る左手系メタマテリアルは、共振器を組み合わせた共振系のものである。そこで、まず、本発明の左手系メタマテリアルを構成する共振器について説明する。[About resonators]
The left-handed metamaterial according to the present invention is a resonant system in which resonators are combined. Therefore, first, a resonator constituting the left-handed metamaterial of the present invention will be described.
(多層コンデンサ型共振器)
本実施の形態において用いられる共振器の1つに、複数の電極を含む多層コンデンサ型共振器がある。この共振器には、当該電極間に生じる静電容量(キャパシタンス)を主体とした共振回路が形成される。この共振回路は、共振器の周辺に配置された信号線路に交流電流が流れることで発生する電磁波の特定の周波数成分に感受性をもち、この周波数成分の電磁波を受けて電気的な共振現象を生じ得る。この共振現象によって、負の透磁率が発現する。(Multilayer capacitor type resonator)
One of the resonators used in the present embodiment is a multilayer capacitor type resonator including a plurality of electrodes. In this resonator, a resonance circuit mainly composed of electrostatic capacitance (capacitance) generated between the electrodes is formed. This resonant circuit is sensitive to a specific frequency component of the electromagnetic wave generated by the alternating current flowing in the signal line arranged around the resonator, and generates an electrical resonance phenomenon by receiving the electromagnetic wave of this frequency component. obtain. Due to this resonance phenomenon, negative magnetic permeability appears.
ここで、メタマテリアルとしての機能である透磁率の共振を生じさせるためには、各共振器の電流の伝搬方向における長さが、対象とすべき周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ/4より短い必要がある。さらに、各共振器の電流の伝搬方向における長さは、λ/20以下であることが好ましい。 Here, in order to generate the resonance of the magnetic permeability, which is a function as a metamaterial, the length of each resonator in the propagation direction of the current is at least λ with respect to the wavelength λ of the electromagnetic wave at the frequency to be targeted. Must be shorter than / 4. Furthermore, the length of each resonator in the current propagation direction is preferably λ / 20 or less.
共振器としては、複数の平板電極を絶縁物(誘電体)を積層して形成された積層コンデンサなどを用いることができる。以下では、積層コンデンサを用いて共振器を実現する構成について例示する。この構成によれば、市販されている積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサを用いて、容易に共振器を構成できる。ただし、本発明に係る共振器を構成するための専用に設計された電極部材を用いてもよい。 As the resonator, a multilayer capacitor formed by laminating a plurality of plate electrodes with an insulator (dielectric) can be used. Below, the structure which implement | achieves a resonator using a multilayer capacitor is illustrated. According to this configuration, the resonator can be easily configured using a multilayer capacitor such as a commercially available multilayer ceramic capacitor. However, you may use the electrode member designed exclusively for comprising the resonator which concerns on this invention.
図1は、コンデンサ型共振器300の概略の外観図である。図1を参照して、コンデンサ型共振器300は、非磁性体である外装部10により覆われている。なお、外装部10としては、テフロン(登録商標)などの樹脂材料が適している。このコンデンサ型共振器300は、所定の周波数成分を含む電流が流れる信号線路200に近接して配置されることで、当該電流が発生する電磁波の特定の周波数成分(共振周波数)を受けて共振を生じる。また、コンデンサ型共振器300の信号線路200に接する面とは反対側の面には、グランド220が配置される。
FIG. 1 is a schematic external view of a capacitor-
コンデンサ型共振器300内での共振によって、コンデンサ型共振器300に磁束が発生し、負の透磁率が発現する。
Resonance in the capacitor-
なお、コンデンサ型共振器300が負の透磁率を発現する、すなわちメタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発揮するためには、コンデンサ型共振器300の信号線路200における電流の伝搬方向における長さl’が、共振周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ/4より短い必要がある。さらに、コンデンサ型共振器300の長さlは、λ/20以下であることが好ましい。
In order for the
以下では、コンデンサ型共振器300の一例として、長さl’=1.6mm、幅W=0.8mm、高さH=1.2mmの8層の内部電極を有する積層コンデンサを用いる場合について例示する。なお、信号線路200と積層コンデンサとの距離h=0.2mm、積層コンデンサとグランドの距離h’=0.2mmとする。
Hereinafter, as an example of the capacitor-
ここで、λ/4=長さl’=1.6mmとすると、λ=6.4mmとなり、これは、空気中では周波数fmax=46.875GHzに相当する。従って、このコンデンサ型共振器300をλ/4以下のピッチで並べると、ギガヘルツ帯においてメタマテリアルとして用いることができる。当然のことながら、適用すべき周波数領域に応じて、共振器の長さlを適宜設計することができる。
Here, if λ / 4 = length l ′ = 1.6 mm, λ = 6.4 mm, which corresponds to a frequency fmax = 46.875 GHz in the air. Therefore, if this
次に、図1および図2を参照して、コンデンサ型共振器300の構造について説明する。図2は、図1に示すII−II線断面図である。
Next, the structure of the capacitor-
図1を参照して、信号線路200に電流が流れることによって、信号線路200を中心とした円周方向に交流の磁界が発生する。すなわち、磁界の磁力線は、信号線路200を中心とする同心円となる。また、信号線路200には電流が流れる際に電位が発生するので、信号線路200とグランド220との間には交流の電界が発生する。
Referring to FIG. 1, when a current flows through
図2を参照して、コンデンサ型共振器300は、各々が比誘電率の高い絶縁物であるスペーサ6を介して互いに対向する第1内部電極4および第2内部電極5をそれぞれ複数含む。複数の第1内部電極4は、第1外部電極2と電気的に接続されており、複数の第2内部電極5は、第2外部電極3と電気的に接続されている。このように、コンデンサ型共振器300では、平板状の複数の内部電極4,5が積層されており、隣接する第1内部電極4と第2内部電極5との間には、その電極の面積、電極間の距離、スペーサ6の比誘電率などによってその値が定まる静電容量(キャパシタンス)が生じる。
Referring to FIG. 2,
コンデンサ型共振器300を構成する第1内部電極4および第2内部電極5の各電極面は、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。それとともに、第1外部電極2および第2外部電極3の各電極面が、第1外部電極2および第2外部電極3の各電極面とは異なる面において、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。すなわち、図2に示すように、信号線路200を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が紙面前後方向に発生している場合において、コンデンサ型共振器300は、第1内部電極4および第2内部電極5の電極断面長手方向が紙面左右方向と一致し、かつ第1外部電極2および第2外部電極3の電極断面長手方向が紙面上下方向と一致するように配置される。
The electrode surfaces of the first
コンデンサ型共振器300が図2に示すような位置関係を保って配置されることで、所定の周波数成分に対して図3に示すような共振回路が形成され、この共振回路によって、負の透磁率が発現する。
By arranging the capacitor-
図3は、共振周波数においてコンデンサ型共振器300で形成される共振回路を説明するための図である。
FIG. 3 is a diagram for explaining a resonance circuit formed by the capacitor-
図3を参照して、その電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される第1内部電極4および第2内部電極5、ならびに第1外部電極2および第2外部電極3は、その経路長さに応じたコイル(インダクタ)として作用する。
Referring to FIG. 3, the first
コンデンサ型共振器300では、第1内部電極のうち最上層の電極4aと、第1外部電極2と、第1内部電極のうち最下層の電極4bとは互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。同様に、第2内部電極のうち最上層の電極5aと、第2外部電極3と、第2内部電極のうち最下層の電極5bとも互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。ここで、電極4aと電極5aとの間の静電容量(キャパシタンスC1)と、電極4bと電極5bとの間の静電容量(キャパシタンスC2)とを介して、両電流経路は互いに電気的に接続され、キャパシタンスC1,C2と各電極によって生じるインダクタンスL1〜L6とを含む共振回路が形成される。したがって、本実施の形態に従うコンデンサ型共振器300は、キャパシタンス(C1+C2)と、インダクタンス(L1+L2+L3+L4+L5+L6)とによって定まる共振周波数をもち、この共振周波数の電磁波が入射することで、透磁率共振が発現する。
In the capacitor-
なお、コンデンサ型共振器300では、隣接する内部電極の間の各々で静電容量が発生するが、最上位の静電容量および最下位の静電容量を除いた他の静電容量は、この共振回路の形成への影響は小さい。これは、共振を起こす循環経路の最外層に電流が集中するためである。
In the capacitor-
図4は、コンデンサ型共振器300で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。なお、図4に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。ここで、比透磁率とは、真空の透磁率に対する透磁率の比を表す。
FIG. 4 is a diagram illustrating an example of frequency characteristics of relative permeability generated in the capacitor-
図4を参照して、コンデンサ型共振器300は、その1つの共振周波数として約4.9GHzをもち、その前後で比透磁率が大きく変動し、負の透磁率が生じることが分かる。
Referring to FIG. 4, it can be seen that the
上述の説明では、第1内部電極4および第2内部電極5、ならびに第1外部電極2および第2外部電極3の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置されることで、メタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発現させることができることについて述べた。ここで、「実質的に平行」とは、各電極面が磁界の磁力線と直交する状態を除外する意味であり、各電極面が磁界の磁力線とまったく平行である状態以外にも、磁力線に対して所定角度をもつ状態をも含む。実用上は、コンデンサ型共振器300で発現する負の透磁率の大きさが適用アプリケーションなどの要求を満足できる値であれば、「実質的に平行」とみなすことができる。
In the above description, the electrode surfaces of the first
(コイル型共振器)
次に、本実施の形態のメタマテリアルに用いられるもう1つの種類の共振器である、コイル型共振器について説明する。コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するものであったのに対し、コイル型共振器は、中心軸が電界方向に対して平行(磁界に対して直角)になるように配置されたとき、負の誘電率を実現できる。また、中心軸が電界方向に対し直角(磁界方向に対して平行)になるように配置されたコイル型共振器は、負の透磁率を実現できる。(Coil type resonator)
Next, a coil type resonator, which is another type of resonator used in the metamaterial of the present embodiment, will be described. Whereas the capacitor type resonator has a negative magnetic permeability, the coil type resonator is arranged so that the central axis is parallel to the electric field direction (perpendicular to the magnetic field). A negative dielectric constant can be realized. In addition, the coiled resonator arranged so that the central axis is perpendicular to the electric field direction (parallel to the magnetic field direction) can achieve negative magnetic permeability.
まず、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を図5を参照して説明する。図5は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。 First, the configuration of a metamaterial that develops a negative dielectric constant using a coil-type resonator will be described with reference to FIG. FIG. 5 is a diagram for explaining a configuration of a metamaterial that develops a negative dielectric constant using a coil-type resonator.
図5を参照して、メタマテリアルは、コイル型共振器100と外装部10とを備える。コイル型共振器100は、非磁性体である外装部10により覆われている。コイル型共振器100は、信号線路200と、グランド220との間に配置されている。グランド220は、コイル型共振器100の信号線路200に接する面とは反対側の面にある外装部10の面に配置される。
Referring to FIG. 5, the metamaterial includes a coiled
信号線路200には、所定の周波数成分を含む電流が流れる。本実施の形態においては、信号線路200は、ストリップラインであるとする。ただし、信号線路200は、電流を流す導体の一例であって、導体の形態はこれに限られるものではない。
A current including a predetermined frequency component flows through the
コイル型共振器100は、金属線を周回したものである。コイル型共振器100の全長(金属線の全長)は、信号線路200を流れる電流の波長の半分程度である。ここでは、信号線路200を流れる電流の周波数はGHz帯であり、コイル型共振器100の長さは、28mmである。
The coil-
図5では、コイル型共振器100として、中心軸110を中心に巻かれている、すなわち、ばね形状を有するものを示した。ただし、コイル型共振器100の形状は、図5に示した、円筒面に沿うように巻かれたものに限られない。例えば、コイル型共振器100は、四角柱に沿って巻かれたような形状であってもよい。あるいは、コイル型共振器100は、球面に沿って巻かれたような形状であってもよい。
In FIG. 5, the
コイル型共振器100は、上述のような長さおよび形状を有していればよい。コイル型共振器100としては、金属線を巻いたコイルなどを利用できる。コイル型共振器100としては、既成のもの(例えば、既成のコイル)を用いてもよいし、専用に作成したものを用いてもよい。
The
外装部10は、コイル型共振器100の位置を固定する。外装部10としては、テフロン(登録商標)などの樹脂材料が適している。ただし、外装部10は、コイル型共振器100の位置を固定する支持部材の一例であり、コイル型共振器100は、他の部材により固定されていてもよい。
The
コイル型共振器100の中心軸110は、信号線路200を流れる電流が作る電界、より詳しくは、信号線路200とグランド220との間に生じる電界に対して平行である。すなわち、外装部10は、中心軸110が電界に平行になるように、コイル型共振器100を固定する。言い換えると、コイル型共振器100は、電界の勾配に沿って、コイルの両端の電位に差があるように、配置される。
The
図5に示す例では、中心軸110を、信号線路200からグランド220に向かう方向にとっている。すなわち、中心軸110は、グランド220面に直交し、かつ、信号線路200を貫通する。この配置により、中心軸110は、信号線路200を流れる電流が作る電界に平行(信号線路200を流れる電流が作る磁界に垂直)になっている。
In the example shown in FIG. 5, the
信号線路200に対して、コイル型共振器100は、信号線路200を流れる電流が発生する電場の特定の周波数(共振周波数)成分を受けて、共振を生じる。
With respect to the
コイル型共振器100の電磁的性質を図6および図7に示す。図5に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図6、図7に示す。ここで、比誘電率とは真空の誘電率に対する誘電率の比を表し、比透磁率とは真空の透磁率に対する透磁率の比を表わす。図7に示すように、図5のメタマテリアルは、2.6GHz付近で負の誘電率を示す。一方、比透磁率は、図6に示すように、常に正である。
The electromagnetic properties of the coiled
以上のとおり、波長の1/2の長さのコイル状の金属線によって、負の誘電率が発現することが分かる。このようにコイル状の金属線を用いたメタマテリアルは、直線状の金属線を用いて負の誘電率を実現するメタマテリアルに比べ、小型にできる。 As described above, it can be seen that a negative dielectric constant is exhibited by the coiled metal wire having a length of ½ of the wavelength. Thus, a metamaterial using a coiled metal wire can be made smaller than a metamaterial that achieves a negative dielectric constant using a straight metal wire.
次に、ばね状の金属線を用いて負の透磁率(μ)を持つメタマテリアルを実現する例について説明する。負のμを持つメタマテリアルは、図5に示したコイル型共振器100と同様の長さおよび形状のコイル型共振器100を、その中心軸110が磁界に平行になるように置くことで実現される。このように配置されたコイル型共振器100が、負の透磁率を示すことを、図8から図10を参照して、以下、説明する。
Next, an example of realizing a metamaterial having a negative magnetic permeability (μ) using a spring-like metal wire will be described. The metamaterial having negative μ is realized by placing the
図8は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。図8に示すメタマテリアルは、図6に示すコイル型共振器100をY軸周りに90度回転して、コイル型共振器100の中心軸が、信号線路200を流れる電流により生じる磁界と平行(信号線路200を流れる電流が作る電界に垂直)になるように配置したものである。
FIG. 8 is a diagram for explaining a configuration of a metamaterial that develops a negative dielectric constant using a coil-type resonator. The metamaterial shown in FIG. 8 rotates the coiled
図8に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図9、図10に示す。図9に示すように、図8のメタマテリアルは、2.6GHz付近で負の透磁率を示す。一方、図10に示すように、比誘電率は常に正である。 The relative permeability and relative permittivity of the metamaterial shown in FIG. 8 are shown in FIGS. 9 and 10, respectively. As shown in FIG. 9, the metamaterial of FIG. 8 exhibits a negative permeability near 2.6 GHz. On the other hand, as shown in FIG. 10, the relative dielectric constant is always positive.
このように中心軸方向を変えることにより、同じ構造のコイル型共振器100が、負の誘電率を示す場合も、負の透磁率を示す場合もあることが分かる。なお、中心軸方向が磁界方向および電界方向に対して非直交になるように配置されたコイル型共振器100は、負の誘電率および透磁率を同時に示す。
By changing the direction of the central axis in this way, it can be seen that the
[第1の実施の形態]
本発明の第1の実施の形態に係るメタマテリアルとして、コイル型共振器と、コンデンサ型共振器とを並べて配置したものを説明する。[First Embodiment]
The metamaterial according to the first embodiment of the present invention will be described in which a coil type resonator and a capacitor type resonator are arranged side by side.
これらの共振器の組み合わせが、左手系メタマテリアルとなる、すなわち、負の透磁率および負の誘電率を同時に発現するためには、各共振器の配置および構造が重要となる。まず、コイル型共振器が負の誘電率を発現し、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するよう、各共振器を配置しなければならない。さらに、共振器同士が不適切な干渉を起こさないように、共振器の構造にも配慮する必要がある。 In order for a combination of these resonators to become a left-handed metamaterial, that is, to simultaneously exhibit a negative magnetic permeability and a negative dielectric constant, the arrangement and structure of each resonator are important. First, each resonator must be arranged so that the coil-type resonator exhibits a negative dielectric constant and the capacitor-type resonator exhibits a negative magnetic permeability. Furthermore, it is necessary to consider the structure of the resonator so that the resonators do not cause inappropriate interference.
コイル型共振器が負の誘電率を発現するためには、コイル型共振器を、その軸が電界方向(z方向とする)に平行となるように配置すればよい。一方、コンデンサ型共振器については、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するように、その内部極板が、磁界方向に平行、すなわち、z方向を法線とする平面(x−y平面)に平行となるように配置すればよい。 In order for the coil type resonator to exhibit a negative dielectric constant, the coil type resonator may be arranged so that its axis is parallel to the electric field direction (the z direction). On the other hand, with respect to the capacitor-type resonator, the inner plate is parallel to the magnetic field direction, that is, a plane (xy plane) normal to the magnetic field direction so that the capacitor-type resonator exhibits a negative magnetic permeability. ) So as to be parallel to each other.
以上の配置の条件に加えて、コンデンサ型共振器は、最外部の2枚の内部電極が逆相、すなわち、それぞれの内部電極に蓄えられる電荷の符号が逆、という条件を満たすことが好ましい。これは、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とが干渉することを避けるためである。以下、図11から図16を参照して、このことについて、さらに詳しく説明する。 In addition to the above arrangement conditions, the capacitor-type resonator preferably satisfies the condition that the outermost two internal electrodes are in reverse phase, that is, the signs of charges stored in the internal electrodes are opposite. This is to avoid interference between the capacitor-type resonator and the coil-type resonator. Hereinafter, this will be described in more detail with reference to FIGS.
図11は、最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。これらの共振器は、近接して配置されている。ただし、コイル型共振器およびコンデンサ型共振器はお互いに電気的に接触していない。コイル型共振器は、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図11においては、上端に正の電荷(図11の+)を、下端に負の電荷(図11の−)が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。 FIG. 11 is a diagram showing a capacitor-type resonator and a coil-type resonator to which the outermost internal electrodes are directly connected. These resonators are arranged close to each other. However, the coil type resonator and the capacitor type resonator are not in electrical contact with each other. Since the coiled resonator is placed in an electric field, different signs of charge appear at both ends. FIG. 11 shows a situation where a positive charge (+ in FIG. 11) appears at the upper end and a negative charge (− in FIG. 11) appears at the lower end. At the anti-resonance frequency, the sign of the charge at both ends is reversed, an electric field vector in the opposite direction is generated, and a negative dielectric constant is expressed.
一方、コンデンサ型共振器の図11における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって最上面の電極により電気的に直接接続されているので、同符号の電荷を蓄えることになる。図11では、最上面の電極および最下面の電極が、負の電荷を帯びている場合を示している。 On the other hand, the uppermost electrode and the lowermost electrode in FIG. 11 of the capacitor-type resonator are electrically connected directly by the uppermost electrode by the external electrode, and therefore store the electric charges having the same sign. FIG. 11 shows a case where the uppermost electrode and the lowermost electrode are negatively charged.
図11に示した状況では、近接する最下面の電極とコイル型共振器の下端とに蓄えられた負の電荷同士が干渉する。そのため、負の誘電率と負の透磁率とが、同時に発生しない。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とが、一致することがない。 In the situation shown in FIG. 11, negative charges stored in the adjacent lowermost electrode and the lower end of the coiled resonator interfere with each other. Therefore, negative dielectric constant and negative magnetic permeability do not occur at the same time. That is, the anti-resonance frequency having a negative dielectric constant and the anti-resonance frequency having a negative magnetic permeability do not match.
このことを図12および図13を用いて具体的に説明する。図12は、図11に示す共振器群の比誘電率を示す図である。図13は、図11に示す共振器群の比透磁率を示す図である。 This will be specifically described with reference to FIGS. FIG. 12 is a diagram showing the relative dielectric constant of the resonator group shown in FIG. FIG. 13 is a diagram showing the relative permeability of the resonator group shown in FIG.
図12には、コイル型共振器の形状(長さなど)を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。 FIG. 12 shows the relative dielectric constant characteristics of the entire resonator group when the shape (length, etc.) of the coil-type resonator is changed. According to the shape change of the coil type resonator, the resonance frequency of the dielectric constant changes, and thus the frequency at which the negative dielectric constant is generated changes.
図13には、コイル型共振器の形状(長さなど)を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、透磁率の共振周波数が変化し、したがって、負の透磁率が生じる周波数が変化する。コンデンサ型共振器の形状を変化させていないのにもかかわらず透磁率の共振周波数が変化するのは、各共振器の端部の電荷の干渉によるものである。 FIG. 13 shows the relative permeability characteristics of the entire resonator group when the shape (length, etc.) of the coil-type resonator is changed. According to the shape change of the coil type resonator, the resonance frequency of the magnetic permeability changes, and therefore the frequency at which the negative magnetic permeability is generated changes. The change in the resonance frequency of the magnetic permeability despite the fact that the shape of the capacitor type resonator is not changed is due to the interference of the charges at the end of each resonator.
このようにコイル型共振器の形状を変化させると、負の誘電率が生じる帯域と、負の透磁率が生じる帯域との双方が変化する。そのために、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現させることができない。負の誘電率(透磁率)を示す周波数を増加させていくと、負の透磁率(誘電率)を示す周波数も増加してしまう。逆に、負の誘電率(透磁率)を示す周波数を減少させていくと、負の透磁率(誘電率)を示す周波数も減少してしまう。このように、透磁率(誘電率)の共振周波数が、誘電率(透磁率)の共振周波数から離れてしまう現象が生じるので、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現するように共振器を設計することが難しい。 When the shape of the coiled resonator is changed in this way, both a band where a negative dielectric constant occurs and a band where a negative permeability occurs change. Therefore, the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability cannot be expressed at the same frequency. When the frequency indicating the negative dielectric constant (permeability) is increased, the frequency indicating the negative magnetic permeability (dielectric constant) also increases. Conversely, if the frequency indicating the negative dielectric constant (permeability) is decreased, the frequency indicating the negative magnetic permeability (dielectric constant) is also decreased. As described above, a phenomenon occurs in which the resonance frequency of the magnetic permeability (dielectric constant) is separated from the resonance frequency of the dielectric constant (permeability), so that the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability are expressed at the same frequency. It is difficult to design a resonator.
そこで、本実施の形態に係るメタマテリアルにおいては、図14のように2種類の共振器を配置する。本実施の形態に係るメタマテリアルは、コイル型共振器100とコンデンサ型共振器300と外装部10(図14には図示せず)とを備える。図11に示す場合と同様、外装部10は、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とを、近接する位置に固定する。なお、先の説明と同様、外装部10のかわりに他の支持部材を用いてもかまわない。
Therefore, in the metamaterial according to the present embodiment, two types of resonators are arranged as shown in FIG. The metamaterial according to the present embodiment includes a coil-
コイル型共振器は、図11の場合と同様、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図14においても、図11と同様、上端に正の電荷(図14の+)を、下端に負の電荷(図14の−)が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。 Since the coil type resonator is placed in an electric field as in the case of FIG. 11, charges having different signs appear at both ends. FIG. 14 also shows a situation where a positive charge (+ in FIG. 14) appears at the upper end and a negative charge (− in FIG. 14) appears at the lower end, as in FIG. At the anti-resonance frequency, the sign of the charge at both ends is reversed, an electric field vector in the opposite direction is generated, and a negative dielectric constant is expressed.
一方、コンデンサ型共振器は、図11に示すものと異なる。コンデンサ型共振器の図14における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって電気的に直接接続されておらず、電気容量を介して接続されている。そのため、最上面の電極と最下面の電極とは、逆相になる(逆符号の電荷を蓄える)。図14では、最上面の電極が負の電荷を、最下面の電極が正の電荷を帯びている場合を示している。 On the other hand, the capacitor type resonator is different from that shown in FIG. The uppermost electrode and the lowermost electrode in FIG. 14 of the capacitor-type resonator are not electrically directly connected by an external electrode, but are connected via an electric capacity. Therefore, the uppermost electrode and the lowermost electrode are in opposite phases (stores charges with opposite signs). FIG. 14 shows a case where the uppermost electrode has a negative charge and the lowermost electrode has a positive charge.
図14に示した状況では、図11に示した状況と異なり、近接する最下面(あるいは最上面)の電極とコイル型共振器の下端(あるいは上端)とに蓄えられた電荷の干渉を抑えることができる。したがって、負の誘電率と負の透磁率とを、同時に発生することができる。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とを一致させることができる。 In the situation shown in FIG. 14, unlike the situation shown in FIG. 11, interference between charges stored in the adjacent lowermost (or uppermost) electrode and the lower end (or upper end) of the coil resonator is suppressed. Can do. Therefore, a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability can be generated simultaneously. That is, the antiresonance frequency having a negative dielectric constant can be matched with the antiresonance frequency having a negative permeability.
このことを図15および図16を参照して説明する。図15には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。 This will be described with reference to FIG. 15 and FIG. FIG. 15 shows the relative dielectric constant characteristics of the entire resonator group when the shape of the coiled resonator is changed. According to the shape change of the coil type resonator, the resonance frequency of the dielectric constant changes, and thus the frequency at which the negative dielectric constant is generated changes.
図16には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状を変化させても、透磁率の共振周波数はほぼ変化しない。これは、各共振器の端部の電荷の干渉が抑えられており、コンデンサ型共振器の共振特性が変化しないためである。 FIG. 16 shows the relative permeability characteristics of the entire resonator group when the shape of the coil-type resonator is changed. Even if the shape of the coil-type resonator is changed, the resonance frequency of the magnetic permeability does not substantially change. This is because charge interference at the end of each resonator is suppressed, and the resonance characteristics of the capacitor-type resonator do not change.
以上のように、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発生でき、左手系となる。 As described above, the metamaterial according to the present embodiment can generate a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability at the same time, and becomes a left-handed system.
なお、図14では、1つのコイル型共振器と1つのコンデンサ型共振器とのセットを示したが、メタマテリアルは、このセットを複数備えていてもよい。この場合、例えば、セットを1次元的あるいは2次元的に連続する位置に、支持部材で固定する。 14 shows a set of one coil type resonator and one capacitor type resonator, the metamaterial may include a plurality of sets. In this case, for example, the set is fixed by a support member at a one-dimensional or two-dimensional continuous position.
[第2の実施の形態]
第1の実施の形態では、負のεをもつ共振器としてコイル型共振器を用いる例を示した。しかしながら、本発明においては、負のεをもつ共振器として、コイル型共振器に限られず、電磁波に共振する略λ/2の長さの線路を含む共振器を用いることができる。[Second Embodiment]
In the first embodiment, an example is shown in which a coil-type resonator is used as a resonator having a negative ε. However, in the present invention, the resonator having a negative ε is not limited to a coil-type resonator, and a resonator including a line having a length of approximately λ / 2 that resonates with an electromagnetic wave can be used.
また、負のεをもつ共振器と負のμを持つ共振器(第1の実施の形態ではコンデンサ型共振器)は、第1の実施の形態で説明したように、必ずしも横に並べる必要はない。 Further, as described in the first embodiment, the resonator having negative ε and the resonator having negative μ (capacitor-type resonator in the first embodiment) are not necessarily arranged side by side. Absent.
第2の実施の形態では、負のεをもつ共振器として、λ/2長の線路と線路の両端に接続した2枚の導電板とを含む共振器を用い、負のεを持つ共振器と、負のμをもつコンデンサ型共振器とを共通の空間に組み合わせる構成について説明する。 In the second embodiment, as a resonator having negative ε, a resonator including a λ / 2 length line and two conductive plates connected to both ends of the line is used, and a resonator having negative ε. And a configuration in which a capacitor-type resonator having a negative μ is combined in a common space.
第2の実施の形態に係るメタマテリアルの構成の概略を図17および図18を用いて説明する。図18が、第2の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。図17は、第2の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えたものである。 An outline of the configuration of the metamaterial according to the second embodiment will be described with reference to FIGS. 17 and 18. FIG. 18 is a schematic diagram of a metamaterial according to the second embodiment. FIG. 17 shows the metamaterial of the second embodiment in which the configuration of the capacitor type resonator is changed.
図17、図18のいずれにおいても、コンデンサ型共振器の2つの最外電極の外部に、それぞれの最外電極と対向するように、2つの導電板が配置される。また、導電板は、巻かれた線路で接続されている。線路は、その長さが共振波長の略λ/2になるように設計される。 In both FIG. 17 and FIG. 18, two conductive plates are arranged outside the two outermost electrodes of the capacitor-type resonator so as to face each outermost electrode. The conductive plates are connected by a wound line. The line is designed so that its length is approximately λ / 2 of the resonance wavelength.
線路は、巻かれているため、小型のスペースでその長さを確保することができる。ただし、共振波長によっては、あるいは、小型化が必要ない場合には、線路は巻かれていなくてもよい。また、図17、図18では、コイル状に巻かれた線路を示したが、小型化は、線路を巻く方法に限られず、線路を屈曲させることにより実現される。例えば、ミアンダ線路などを用いてもよい。 Since the track is wound, its length can be secured in a small space. However, the line may not be wound depending on the resonance wavelength or when downsizing is not necessary. 17 and 18 show the line wound in a coil shape, but downsizing is not limited to the method of winding the line, and can be realized by bending the line. For example, a meander line may be used.
各導電板は、線路との間の容量を大きくし、共振周波数における負の誘電率の絶対値を大きくする。また、容量による波長短縮効果により、実質的なλ/2の長さを短かくできる。なお、求められる負の誘電率の値によっては、各導電板は設置しなくてもよい。また、設計上の理由等により、線路の一方の端部のみに導電板を接続してもよい。 Each conductive plate increases the capacitance between the conductive line and the absolute value of the negative dielectric constant at the resonance frequency. In addition, the substantial length of λ / 2 can be shortened by the wavelength shortening effect due to the capacitance. Depending on the required negative dielectric constant, each conductive plate may not be installed. Further, the conductive plate may be connected to only one end of the line for design reasons.
図17と図18の差異は、図17では、コンデンサ型共振器の2つの最外電極が直接接続されているのに対し、図18では、2つの最外電極が直接接続されず、逆相である点にある。図18に示す本実施の形態に係るメタマテリアルは、第1の実施の形態に係るメタマテリアルと同様、電荷の干渉を抑えられるので、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図17に示す構造では、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することが困難である。 The difference between FIG. 17 and FIG. 18 is that in FIG. 17, the two outermost electrodes of the capacitor-type resonator are directly connected, whereas in FIG. In that point. Since the metamaterial according to the present embodiment shown in FIG. 18 can suppress the interference of electric charges similarly to the metamaterial according to the first embodiment, the negative permittivity and the negative permeability can be expressed simultaneously. Can do. In the structure shown in FIG. 17, it is difficult to simultaneously develop a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability.
図18で概略を示した本実施の形態に係るメタマテリアルの具体的な構成を図19に示す。図19を参照して、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を基板材料内に作りこんだユニット600を複数備える。このユニットは、多層基板のような技術を使って、1チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこんだものである。この構成では、基板材料が支持部材に相当する。
FIG. 19 shows a specific configuration of the metamaterial according to the present embodiment schematically shown in FIG. Referring to FIG. 19, the metamaterial according to the present embodiment includes a plurality of
各ユニット600は、信号線路200の直下に、かつ、信号線路200とグランド220との間に配置されている。また、各ユニット600は、空間的に連続的に配置される。図19では、4つのユニット600を、信号線路200に沿った方向で配置した例を示しているが、ユニット600の配置はこれに限られるものではない。1次元状に配置された共振器を、同一平面内に並べて、平面状のメタマテリアルを構成することも可能である。さらに、平面状のメタマテリアルを重ねて、立体的なメタマテリアルを構成することも可能である。
Each
ユニット600の構造を図20および図21を参照して説明する。図20は、ユニット600の斜視図である。図21は、ユニット600をy方向から見た側面図である。
The structure of the
図20に示すように、ユニット600は、最上部電極610aと、最下部電極610bと、第1の内部電極622と、第2の内部電極624と、第3の内部電極632と、第4の内部電極634と、線路640とを備える。また、図21に示すように、ユニット600は、さらに、第1の外部電極650と、第2の外部電極660とを備える。
As shown in FIG. 20, the
最上部電極610aは、第1の内部電極622、第2の内部電極624、第3の内部電極632、第4の内部電極634よりも上に(z座標が大きな位置に)配置される。最下部電極610bは、第1の内部電極622、第2の内部電極624、第3の内部電極632、第4の内部電極634よりも下に(z座標が小さな位置に)配置される。最上部電極610aは、−z方向に伸びた側面部分を有する。最下部電極610bは、+z方向に伸びた側面部分を有する。また、最上部電極610aは、信号線路200の真下に配置される。
The
線路640は、最上部電極610aの−z方向に伸びた側面部分と、最下部電極610bの+z方向に伸びた側面部分とを接続する。線路640は、最上部電極610aおよび最下部電極610bと、各側面部分とをつなぐことで、負の誘電率を実現するλ/2線路の一部として機能する。
The
線路640と各側面部分により構成される線路の長さは、共振周波数に応じて設計される。ここでは、λ/2の長さをとるため、線路640を、中央層に引いたミアンダ線路としている。ただし、線路640の形状はこれに限られるわけではなく、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
The length of the line constituted by the
なお、最上部電極610aおよび最下部電極610bは、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮するために備えられているものである。共振波長が短縮されるのは、最上部電極610aと信号線路との容量による波長短縮効果による。最上部電極610aおよび最下部電極610bは、要求される負の誘電率や共振波長により省略することも可能である。
The
第1の内部電極622および第2の内部電極624は、近接して対向して配置される。また、第3の内部電極632および第4の内部電極634は、近接して対向して配置される。第1の内部電極622および第2の内部電極624の対(上部電極対とよぶ)は、最上部電極610aの側に配置される。第3の内部電極632および第4の内部電極634の対(下部電極対とよぶ)は、最下部電極610bの側に配置される。各々の内部電極面は、信号線路200を流れる電流により生じる磁界方向と平行(電界方向と垂直)に配置される。
The first
第1の外部電極650は、図21に示すとおり、第1の内部電極622と第3の内部電極632とを接続する。第2の外部電極660は、図21に示すとおり、第2の内部電極624と第4の内部電極634とを接続する。各々の外部電極面は、信号線路200を流れる電流により生じる磁界方向と平行(電界方向と垂直)に配置される。
As shown in FIG. 21, the first
上述の線路640と最上部電極610aと最下部電極610bとは、負の誘電率を実現する。第1〜第4の内部電極622,624,632,634、ならびに第1の外部電極650および第2の外部電極660は、上下2枚ずつの電極をもつコンデンサ型共振器を形成し、負の透磁率を実現する。負の誘電率を実現するλ/2線路および負の透磁率を実現するコンデンサ型共振器は、当然ながら、互いに電気的に直接接続されていない。また、λ/2線路およびコンデンサ型共振器は、信号線路200、グランド220に対しても電気的に接続されておらず、浮いた状態となっている。また、各ユニット600も、お互いに接触していない。
The above-described
以上説明したようなユニット600を空間的に連続に配置することにより、本実施の形態に係るメタマテリアルは、左手系メタマテリアルとして機能する。なお、ユニット600の配置の仕方は、上述のものに限られない。例えば、平面内に2次元状に配置してもよい。
By disposing the
本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器をユニット内に作りこむことで作成されるため、工業的な製造が容易である。 Since the metamaterial according to the present embodiment is created by creating a negative dielectric constant resonator and a negative magnetic permeability resonator in the unit, industrial manufacture is easy.
[第3の実施の形態]
第3の実施の形態では、第2の実施の形態におけるコンデンサ型共振器のかわりにスプリットリング型の共振器を用いたメタマテリアルについて説明する。[Third Embodiment]
In the third embodiment, a metamaterial using a split ring type resonator instead of the capacitor type resonator in the second embodiment will be described.
第3の実施の形態に係るメタマテリアルの1つのユニット700の構造を図22および図23に示す。図22は、ユニット700の斜視図である。図23は、ユニット700の側面図である。
The structure of one
図22を参照して、ユニット700は、最上部電極710aと、最下部電極710bと、第1の内部電極722と、第2の内部電極724aと、第3の内部電極724bと、第4の内部電極730と、線路740を備える。図23を参照して、ユニット700は、さらに、第1の外部電極750および第2の外部電極760を備える。
Referring to FIG. 22,
最上部電極710aおよび最下部電極710bは、第2の実施の形態に係る最上部電極610aおよび最下部電極610bと同様の構造をもち、各内部電極よりも外部に配置される。
The
線路740は、最上部電極710aおよび最下部電極710bを接続する。線路740は、第2の実施の形態の線路640と同様、λ/2線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、本実施の形態では、線路740として、水平面内を1周半するヘリカル構造のものを用いている。
The
第2の内部電極724aおよび第3の内部電極724bは、同一面内で、離して配置される。第1の外部電極750は、第2の内部電極724aと第4の内部電極730とを接続する。第2の外部電極760は、第3の内部電極724bと第4の内部電極730とを接続する。つまり、第2の内部電極724a、第1の外部電極750、第3の内部電極724b、第2の外部電極760、第3の内部電極730は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有する。したがって、これらの電極は、負の透磁率を発現する。
The second
第1の内部電極722は、第2の内部電極724aおよび第3の内部電極724bと対向して、第2の内部電極724aおよび第3の内部電極724bとは電気的に接触しないように配置される。第1の内部電極722は、第2の内部電極724aと第3の内部電極724bとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
The first
[第4の実施の形態]
1チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこむメタマテリアルの他の例として、周辺に配置したコイルの中に負の透磁率用の共振器を配置したものを作ることもできる。第4の実施の形態では、そのようなメタマテリアルの一例を示す。[Fourth Embodiment]
As another example of a metamaterial in which a resonator for a negative dielectric constant and a resonator for a negative magnetic permeability are formed in one chip, a resonator for a negative magnetic permeability is provided in a coil arranged in the periphery. You can also make things that you place. In the fourth embodiment, an example of such a metamaterial is shown.
第4の実施の形態に係るメタマテリアルの1つのユニット800の構造を図24、図25、図26を参照しつつ説明する。図24は、ユニット800の斜視図である。図25は、ユニット800の側面図である。図26は、ユニット800の上面図である。
A structure of one
ユニット800は、コイル状導体810と、第1の電極822と、第2の電極824と、第3の電極832と、第4の電極834と、第1のビア842と、第2のビア844とを備える。
The
コイル状導体810は、ユニット800の表面に近い領域を複数(ここに示す例では、8回)周回する。コイル状導体810は、第1の電極822、第2の電極824、第3の電極832、第4の電極834、第1のビア842、第2のビア844を囲むように配置される。
The
第1の電極822および第2の電極824は、近接して対向して配置される。また、第1の電極822および第2の電極824は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
The
第3の電極832および第4の電極834は、近接して対向して配置される。また、第3の電極832および第4の電極834は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
The
第1の電極822と第2の電極824の対は、ユニット800内の上部に形成される。第3の電極832と第4の電極834の対は、ユニット800内の下部に形成される。なお、ここでの上部、下部とは、図24および図25に即したものである。
The pair of the
第1のビア842は、第1の電極822と第3の電極832とを接続する。また、第2のビア844は、第2の電極824と第4の電極834とを接続する。
The first via 842 connects the
以上の構造により、第1〜第4の電極822,824,832,834ならびに第1のビア842および第2のビア844は、コンデンサ型の共振器として機能し、負の透磁率を発現する。
With the above structure, the first to
本実施の形態の構成によれば、第2および第3の実施の形態に比べ、ユニットの大きさを保ちつつ、線路(コイル)の長さを長く取れる。そのため、低い共振周波数を得ることができる。 According to the configuration of the present embodiment, the length of the line (coil) can be increased while maintaining the size of the unit as compared with the second and third embodiments. Therefore, a low resonance frequency can be obtained.
[第5の実施の形態]
第3の実施の形態や、第4の実施の形態に係るメタマテリアルを作成するためのユニット(メタマテリアルユニット)では、負の透磁率用の共振器は、内部電極を接続するための外部電極を有していた。これに対し、本実施の形態に係る負の透磁率用の共振器では、内部電極を接続するための導電部が、ビアにより実現される。[Fifth Embodiment]
In the unit for creating the metamaterial according to the third embodiment or the fourth embodiment (metamaterial unit), the negative magnetic permeability resonator is an external electrode for connecting the internal electrode. Had. On the other hand, in the negative permeability resonator according to the present embodiment, the conductive portion for connecting the internal electrode is realized by a via.
第5の実施の形態に係るメタマテリアルの1つのユニット900の構造を図27から図29に示す。図27は、ユニット900の斜視図である。図28は、ユニット900の正面図である。図29は、ユニット900の側面図である。
The structure of one
図27から図29を参照して、ユニット900は、最上部電極910aと、第1のビア912aと、第2のビア912bと、最下部電極910bと、第1の内部電極922と、第2の内部電極924aと、第3の内部電極924bと、第4の内部電極930と、線路940と、第3のビア950と、第4のビア960とを備える。
27 to 29, the
第1のビア912a、線路940および第2のビア912bは、最上部電極910aおよび最下部電極910bを接続する。
The first via 912a, the
第1のビア912a、線路940および第2のビア912bの全長は、共振波長の略1/2の長さである。第1のビア912a、線路940および第2のビア912bは、λ/2線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、線路940の形状は、図示したミアンダ線路に限られず、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
The total length of the first via 912a, the
最上部電極910aおよび最下部電極910bは、図21に示す最上部電極610aおよび最下部電極610bと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮する機能を発揮する。ただし、最上部電極910aおよび最下部電極910bは、省略することも可能である。
The
なお、第1のビア912aの外部端部(線路940に接続されていないほうの端部)および第2のビア912bの外部端部(線路940に接続されていないほうの端部)は、最上部電極910aおよび最下部電極910bの有無にかかかわらず、λ/2線路の両端に電荷がたまるように、負の透磁率用の共振器の外部にあることが好ましい。
The outer end of the first via 912a (the end not connected to the line 940) and the outer end of the second via 912b (the end not connected to the line 940) are Regardless of the presence or absence of the
第3のビア950は、第2の内部電極924aと第3の内部電極930とを接続する。第4のビア960は、第3の内部電極924bと第3の内部電極930とを接続する。第2の内部電極924a、第3のビア950、第3の内部電極924b、第4のビア960、第3の内部電極930は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第1の内部電極922は、第4の実施の形態の第1の内部電極722と同様、第2の内部電極924aと第3の内部電極924bとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
The third via 950 connects the second
本実施の形態に係るユニット900は、外部電極を必要としない。したがって、このユニットは、製造が容易である。外部電極を備えるユニットを作成する場合、通常、外部電極以外の部分を積層形成したあと、外部電極を積層形成した部品に貼り付ける。一方、本実施の形態に係るユニット900は、積層形成のみで、作成することができる。
また、ユニット900は、複数のユニットを並べたメタマテリアルの作成に好適である。外部電極をもつユニット同士が接触してしまうと、一方のユニットの外部電極に流れる電流が、他方のユニットの外部電極にも流れることになり、適切に電磁波の共振が起きなくなる。したがって、ユニット同士を離して配置する、あるいは、外部電極を絶縁体で覆うなどのユニット加工を行なう必要があった。本実施の形態に係るユニット900は、互いに隣接させて配置できるので、メタマテリアルをさらに小さくできる。また、加工が不要なため、ユニット900を用いたメタマテリアルの作成は、容易である。
The
ユニット900の作成方法を、図30を参照して説明しておく。図30は、第6の実施の形態に係るユニット900の作成方法を説明するための図である。
A method of creating the
図30を参照して、ユニット900は、複数の層を順次重ねて作成される。図30には、ユニット900の主要な構成要素を含む層L1〜L6を示している。各層の材料(基板材料)は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。なお、図30に示しているのは、層L1〜L6の一部である。実際には、層L1〜L6は、図30における横方向にさらにのびている。
Referring to FIG. 30,
層L1〜L6には、それぞれ、周期的に配置された複数の(図30では3×3の)ユニットの構成部品が配置されている。層L1は、複数の最下部電極910bを含む。層L2は、複数の第4の内部電極930を含む。層L3は、複数の線路940を含む。層L4は、第2の内部電極924aと第3の内部電極924bとの対を複数含む。層L5は、複数の第1の内部電極922を含む。層L6は、複数の最上部電極910aを含む。
In each of the layers L1 to L6, a plurality of (3 × 3 in FIG. 30) unit components arranged periodically are arranged. The layer L1 includes a plurality of
また、各層のうち、第1のビア912a、第2のビア912b、第3のビア950、および、第4のビア960に相当する領域には、ビアが形成されている。図27中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。 In each layer, vias are formed in regions corresponding to the first via 912a, the second via 912b, the third via 950, and the fourth via 960. In FIG. 27, vias are indicated by vertical thin lines.
各層を積み重ねて積層体を作った後、積層体を切断して、ユニット900を作成する。図30に示す部分からは、9つのユニット900ができる。なお、積層体を1つ1つのユニット900にばらすのではなく、いくつかのユニット900をひとまとまりにして積層体から切り出してもよい。
After the layers are stacked to form a stacked body, the stacked body is cut to create a
なお、本実施の形態では、第3の実施の形態で示したスプリット型共振器の導電部をビアとする構造を示したが、他のタイプの共振器の導電部をビアとすることもできる。例えば、第2の実施の形態で示した多層コンデンサ型共振器の外部電極をビアにしてもよい。 In this embodiment, the structure in which the conductive portion of the split resonator shown in the third embodiment is a via is shown, but the conductive portion of another type of resonator can be a via. . For example, the external electrode of the multilayer capacitor type resonator shown in the second embodiment may be a via.
[第6の実施の形態]
第2、第3、第5の実施の形態に係るメタマテリアルユニットでは、負の誘電率を発現するための線路を、LC共振器(具体的には、多層コンデンサ型共振器およびスプリット型共振器)の中に形成していた。しかしながら、線路は、必ずしも、LC共振器の内部になくてもよい。第6の実施の形態では、λ/2線路を、LC共振器の外部に配置したユニット1000について説明する。[Sixth Embodiment]
In the metamaterial unit according to the second, third, and fifth embodiments, a line for expressing a negative dielectric constant is connected to an LC resonator (specifically, a multilayer capacitor type resonator and a split type resonator). ). However, the line does not necessarily have to be inside the LC resonator. In the sixth embodiment, a
第6の実施の形態に係るユニット1000の構造を図31に示す。図31は、第6の実施の形態に係るユニット1000の構造を示す図である。
FIG. 31 shows the structure of a
図31を参照して、ユニット1000は、最上部電極1010aと、第1のビア1012と、最下部電極1010bと、第1の内部電極1022と、第2の内部電極1024aと、第3の内部電極1024bと、第4の内部電極1030と、第2のビア1050と、第3のビア1060とを備える。
Referring to FIG. 31,
第1のビア1012は、最上部電極1010aおよび最下部電極1010bを接続する。第1のビア1012の長さは、共振波長の略1/2である。したがって、第1のビア1012は、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を発現する。
The first via 1012 connects the
なお、本実施の形態では、最上部電極1010aおよび最下部電極1010bが、直線の第1のビア1012で接続されている。しかしながら、図27に示す構造のように、複数のビアと、水平面内の線路とを組み合わせて、λ/2線路を実現してもよい。ユニットの小型化のためには、この場合の線路は、他の実施の形態で説明したように、ミアンダ線路など屈曲したものであることが好ましい。
In the present embodiment, the
最上部電極1010aおよび最下部電極1010bは、第5の実施の形態における最上部電極910aおよび最下部電極910bと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに共振周波数を短縮する機能を発揮する。
The
第2の内部電極1024a、第1のビア1050、第3の内部電極1024b、第3の内部電極1030、第2のビア1060、および、第3の内部電極1024bは、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第1の内部電極1022は、第4の実施の形態の第1の内部電極722と同様、第2の内部電極1024aと第3の内部電極1024bとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
The second
第1の内部電極1022、第2の内部電極1024a、第1のビア1050、第3の内部電極1024b、第2のビア1060、および、第3の内部電極1030は、最上部電極1010aおよび最下部電極1010bに挟まれる空間内に配置される。つまり、本実施の形態に係るユニットでは、負の誘電率を発現する共振器の中に、負の透磁率を発現する共振器が形成されている。
The first
本実施の形態に係るユニット1000は、第5の実施の形態に係るユニット900と同様に、ビアによって、内部電極を接続しているため、容易に作成できる。また、ユニット1000は、ユニットの表面に電極を有さないため、メタマテリアルの作成に好適である。
Similar to the
[補足]
メタマテリアルが、ある共振周波数において、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現するための、共振器の位置関係について、まとめておく。ここでは、第5の実施の形態で説明したような、スプリットリング型共振器と、半波長共振器とを組み合わせたメタマテリアル(あるいはメタマテリアルユニット)を例にとって、説明する。[Supplement]
The positional relationship of the resonators for allowing the metamaterial to simultaneously exhibit a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability at a certain resonance frequency will be summarized. Here, a metamaterial (or metamaterial unit) in which a split ring type resonator and a half-wavelength resonator are combined as described in the fifth embodiment will be described as an example.
図32は、スプリットリング型共振器1210および半波長共振器1220を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路200と、グランド220との位置関係を模式的に示した図である。このメタマテリアルは、第5の実施の形態で説明したとおり、負の透磁率と負の誘電率とを同時に発現する。これは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とが重複しないためである。
FIG. 32 is a diagram schematically showing the positional relationship between a metamaterial that combines the
電界が集中する領域について図33を参照して説明する。図33は、図32に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。図33を参照して、半波長共振器1220は、第1の最外電極1222と、第2の最外電極1224と、線路1226とを含む。第1の最外電極1222は、信号線路200側に配置されている。第2の最外電極1244は、グランド220側に配置されている。
A region where the electric field concentrates will be described with reference to FIG. FIG. 33 is a diagram schematically showing the state of electric charge and electric field when the metamaterial shown in FIG. 32 shows a negative dielectric constant. Referring to FIG. 33, half-
図33には、信号線路200に電流が流れ、信号線路200からグランド220に向かう電界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、第1の最外電極1222には負電荷がたまり、第2の最外電極1224には、正電荷がたまる。そして、第1の最外電極1222と信号線路200との間の領域1230、ならびに、第2の最外電極1224とグランド220との間の領域1240に大きな電界が発生する。
FIG. 33 shows a situation where a current flows through the
つまり、半波長共振により電荷がたまる半波長共振器1220の端部と、信号線路200あるいはグランドとに挟まれる領域が、共振による電界が集中する領域である。なお、ここでは、半波長線路の両端に接続された電極が、半波長共振器1220の端部に相当する。しかし、半波長共振器1220が電極を含まない場合、半波長線路の両端が半波長共振器1220の端部に相当する。
That is, the region sandwiched between the end portion of the half-
磁界が集中する領域について図34を参照して説明する。図34は、図32に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。図34を参照して、スプリットリング型共振器1210は、第1の導体1212と、第2の導体1214とを含む。
The region where the magnetic field is concentrated will be described with reference to FIG. FIG. 34 is a diagram schematically illustrating the state of the magnetic field when the metamaterial illustrated in FIG. 32 exhibits negative magnetic permeability. Referring to FIG. 34, split
図34には、信号線路200に電流が流れ、スプリットリング型共振器1210から磁界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、電流とスプリットリング型共振器1210がLC共振し、第2の導体1214の内部の領域1250に、信号線路200を流れる電流により発生する磁界を打ち消す、大きな磁界が発生する。発生する磁界は、主に紙面に直交する。
FIG. 34 shows a situation where a current flows through the
つまり、LC共振の生じるループの内部領域が、共振による磁界が集中する領域である。言い換えると、キャパシタンスを形成する電極対と、インダクタンスを形成する導電部とに囲まれた空間が、共振による磁界が集中する領域である。 That is, the internal region of the loop where LC resonance occurs is a region where the magnetic field due to resonance concentrates. In other words, the space surrounded by the electrode pair that forms the capacitance and the conductive portion that forms the inductance is the region where the magnetic field due to resonance is concentrated.
図33と図34とを比較して、電界が集中する領域(領域1230および領域1240)と、磁界が集中する領域(領域1250)とは互いに離れている。そのため、半波長共振器1220の共振により発生する電界は、スプリットリング型共振器1210の共振に影響をほぼ及ぼさない。逆もまた同様である。したがって、図32に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図32に示す構造をもつメタマテリアルは、誘電率共振により発生する電界が集中する領域とは異なる領域に、透磁率共振により発生する磁界が集中する。
33 and FIG. 34, the region where the electric field concentrates (
比較のため、スプリットリング型共振器と、半波長共振器との位置関係を変更したメタマテリアルについて、図35から図37を参照して説明する。 For comparison, a metamaterial in which the positional relationship between the split ring resonator and the half-wave resonator is changed will be described with reference to FIGS.
図35は、図34のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路200と、グランド220との位置関係を模式的に示した図である。
FIG. 35 is a diagram schematically showing the positional relationship between a metamaterial having a different resonator arrangement from the metamaterial of FIG. 34, the
図35に示すメタマテリアルは、スプリットリング型共振器1310および半波長共振器1320を備える。スプリットリング型の共振器1310は、第1の導体1312および第2の導体1314を含む。半波長共振器1320は、全体が、第2の導体1314の中に配置されている。
The metamaterial shown in FIG. 35 includes a
このメタマテリアルでは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とに重なりがある。そのため、負の透磁率と負の誘電率とを同時に安定に発現することがやや難しくなる。 In this metamaterial, there is an overlap between a region where the electric field concentrates and a region where the magnetic field concentrates when the metamaterial resonates with the electromagnetic field. For this reason, it is somewhat difficult to stably express negative magnetic permeability and negative dielectric constant at the same time.
電界が集中する領域を図36に示す。図36は、図35に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。図36を参照して、半波長共振器1320は、第1の最外電極1322と、第2の最外電極1324と、線路1326とを含む。第1の最外電極1322は、信号線路200側に配置されている。第2の最外電極1344は、グランド220側に配置されている。
A region where the electric field is concentrated is shown in FIG. FIG. 36 is a diagram for explaining a region where an electric field concentrates when the metamaterial shown in FIG. 35 exhibits a negative dielectric constant. Referring to FIG. 36, half-
負の誘電率の発生時には、第1の最外電極1322と信号線路200との間の領域1330、ならびに、第2の最外電極1324とグランド220との間の領域1340に大きな電界が発生する。
When a negative dielectric constant is generated, a large electric field is generated in a
磁界が集中する領域について図37を参照して説明する。図37は、図35に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。負の透磁率の発現時には、第2の導体1314の内部の領域1350に、信号線路200を流れる電流により発生する磁界を打ち消す方向の大きな磁界が発生する。
The region where the magnetic field is concentrated will be described with reference to FIG. FIG. 37 is a diagram for explaining a region where a magnetic field concentrates when the metamaterial shown in FIG. 35 exhibits negative magnetic permeability. When the negative magnetic permeability is developed, a large magnetic field is generated in the
図36と図37とを比較して、電界が集中する領域(領域1330および領域1340)の一部と、磁界が集中する領域(領域1350)の一部とは重複する。そのため、半波長共振器1220の共振により発生する電界が、スプリットリング型共振器1210の共振に影響を及ぼす。逆もまた同様である。したがって、図35に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することがやや難しくなる。
36 and 37, a part of the region where the electric field concentrates (
なお、以上の説明は、他の種類の共振器をもつメタマテリアルにもあてはまる。例えば、スプリット型共振器を多層コンデンサ型共振器に替えたメタマテリアルについても、以上の説明はあてはまる。 The above description also applies to metamaterials having other types of resonators. For example, the above description also applies to a metamaterial in which a split resonator is replaced with a multilayer capacitor resonator.
ただし、多層コンデンサ型共振器を用いる場合には、第1の実施の形態や第2の実施の形態で説明したように、同極性の電荷が、不干渉であることが好ましい。つまり、同極性の電荷が、互いの発現に影響しない程度に離れて発生するように、共振器が構成されていることが好ましい。具体的には、静電容量を形成する複数の電極のうち、最も外部にある2つの最外電極の極性が逆であることが好ましい。 However, when a multilayer capacitor type resonator is used, it is preferable that charges having the same polarity are non-interfering as described in the first embodiment and the second embodiment. That is, it is preferable that the resonator is configured so that charges of the same polarity are generated so far as not to affect each other's expression. Specifically, it is preferable that the polarity of the outermost two outermost electrodes among the plurality of electrodes forming the electrostatic capacitance is opposite.
[第7の実施の形態]
第1の実施の形態から第6の実施の形態までにおいては、メタマテリアル単体について説明した。第7の実施の形態では、メタマテリアルを用いた電気部品である方向性結合器2100について説明する。[Seventh Embodiment]
In the first embodiment to the sixth embodiment, a single metamaterial has been described. In the seventh embodiment, a
第7の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器2100の構造を図38から図41に示す。図38は、方向性結合器2100の斜視図である。図39は、方向性結合器2100の正面図である。図40は、方向性結合器2100の側面図である。図41は、方向性結合器2100の平面図である。
The structure of the
図38から図41を参照して、方向性結合器2100は、第1の伝送線路2180と、第2の伝送線路2190と、メタマテリアル部分とを含む。第1の伝送線路2180は、第1の伝送線路2180a,b,cが順に電気的に接続されて構成される。第2の伝送線路2190は、第2の伝送線路2190a,b,cが順に電気的に接続されて構成される。
Referring to FIGS. 38 to 41,
第1の伝送線路2180bおよび第2の伝送線路2190bは、方向性結合器2100の基板への取付面に対するメタマテリアル部分を挟んだ反対側の面(メタマテリアル部分に対してz軸正方向の面、本実施の形態においては便宜的に「メタマテリアル上面」という)に、並行するように配置される。
The
第1の伝送線路2180aは、方向性結合器2100を基板へ取付けるときに、方向性結合器2100へ入力電流を入力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してy軸負方向の側面に配置される。
When the
第1の伝送線路2190cは、方向性結合器2100を基板へ取付けるときに、方向性結合器2100から通過電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してy軸正方向の側面に配置される。
When the
これにより、入力電流を入力するための基板上の線路から入力された入力電流は、第1の伝送線路2180a、第1の伝送線路2180b、第1の伝送線路2180cの順に、方向性結合器2100を通過し、通過電流を出力するための基板上の線路へ出力される。
Thereby, the input current input from the line on the substrate for inputting the input current is in the order of the
第2の伝送線路2190aは、方向性結合器2100を基板へ取付けるときに、方向性結合器2100からバックワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してy軸負方向の側面に、第1の伝送線路2180aと並行して配置される。
When the
第2の伝送線路2180cは、方向性結合器2100を基板へ取付けるときに、方向性結合器2100からフォワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分に対してy軸正方向の側面に、第1の伝送線路2180cと並行して配置される。
When the
これにより、バックワード結合の出力電流は、第2の伝送線路2190b、第2の伝送線路2190aの順に、バックワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路へ出力される。フォワード結合の出力電流は、第2の伝送線路2190b、第2の伝送線路2190cの順に、フォワード結合の出力電流を出力するための基板上の線路へ出力される。
Thereby, the output current of the backward coupling is output to the line on the substrate for outputting the output current of the backward coupling in the order of the
メタマテリアル部分は、第5の実施の形態で説明したメタマテリアルのユニット900の構造と基本的に同様である。メタマテリアル部分は、最上部電極2110aと、第1のビア2112aと、第2のビア2112bと、最下部電極2110bと、第1の内部電極2122と、第2の内部電極2124aと、第3の内部電極2124bと、第4の内部電極2130と、線路2140と、第3のビア2150と、第4のビア2160とを備え、それぞれの機能および構造は、第5の実施の形態のメタマテリアルのユニット900の、最上部電極910a、第1のビア912a、第2のビア912b、最下部電極910b、第1の内部電極922、第2の内部電極924a、第3の内部電極924b、第4の内部電極930、線路940、第3のビア950、および、第4のビア960と同様である。
The metamaterial portion is basically the same as the structure of the
最上部電極2110a、第1のビア2112a、線路2140、第2のビア2112b、および、最下部電極2110bの順に電気的に接続される構造は、半波長共振器を構成する。
The structure in which the
第1の内部電極2122、第2の内部電極2124a、第3のビア2150、第4の内部電極2130、第4のビア2160、第3の内部電極2124a、および、第1の内部電極2122の順で一巡するように構成されるLC共振回路と等価な構造は、LC共振器を構成する。
The first
なお、第1の伝送線路2180、第2の伝送線路2190、および、メタマテリアル部分は、それぞれ互いに、電気的には接触していない。 Note that the first transmission line 2180, the second transmission line 2190, and the metamaterial portion are not in electrical contact with each other.
前述のメタマテリアル上面の第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190は、それぞれの伝送線路の外側どうしの間の幅が、半波長共振器の最上部電極2110aに略平行なメタマテリアル上面にz軸負方向から投影したときの最上部電極2110aのx軸方向の幅よりも狭くなるように配置される。
The first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 on the upper surface of the metamaterial described above have a width between the outer sides of the respective transmission lines that is substantially parallel to the
第1の伝送線路2180とメタマテリアル部分との位置関係は、第1の伝送線路2180bを流れる電流による電磁界のメタマテリアルの共振波長と略同じ波長の成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the metamaterial portion is such that the negative dielectric constant and negative with respect to a component having substantially the same wavelength as the resonance wavelength of the metamaterial of the electromagnetic field due to the current flowing through the
第2の伝送線路2190とメタマテリアル部分との位置関係は、メタマテリアル部分によって発現される負の誘電率および負の透磁率が第2の伝送線路2190bに電磁気的な影響を与えるように定められる。
The positional relationship between the second transmission line 2190 and the metamaterial portion is determined such that the negative dielectric constant and the negative magnetic permeability expressed by the metamaterial portion have an electromagnetic influence on the
第1の伝送線路2180とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器の第1のビア2112a、線路2140、および、第2のビア2112bで構成されるλ/2線路の両端それぞれの、第1の伝送線路2180bからの距離が異なるように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the metamaterial portion is such that each of both ends of the λ / 2 line constituted by the first via 2112a, the
第2の伝送線路2190とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器のλ/2線路の両端それぞれの、第2の伝送線路2190bからの距離が異なるように定められる。
The positional relationship between the second transmission line 2190 and the metamaterial portion is determined so that the distances from the
第1の伝送線路2180の方向は、第1の伝送線路2180bを流れる電流により生じる磁界の磁力線が、LC共振器と等価なLC共振回路を貫通するように定められる。
The direction of the first transmission line 2180 is determined so that the magnetic field lines of the magnetic field generated by the current flowing through the
第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190と、メタマテリアル部分の位置関係は、λ/2線路の前述のメタマテリアル上面の側の端が、LC共振器のメタマテリアル上面の側の最外電極である第1の内部電極2122と、第1の伝送線路2180bおよび第2の伝送線路2190bが配置されるメタマテリアル上面との間となるように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 and the metamaterial portion is such that the end of the above-mentioned metamaterial upper surface side of the λ / 2 line is closest to the metamaterial upper surface side of the LC resonator. It is determined to be between the first
第1の伝送線路2180とメタマテリアル部分との位置関係は、半波長共振器のλ/2線路の両端における電位が、第1の伝送線路2180bに流れる電流より生じる電界に基づき、異なる電位となるように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the metamaterial portion is such that the potentials at both ends of the λ / 2 line of the half-wave resonator are different based on the electric field generated by the current flowing through the
第1の伝送線路2180とメタマテリアル部分との位置関係は、LC共振器が第1の伝送線路2180bを流れる電流により生じる磁界と磁気結合するように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the metamaterial portion is determined so that the LC resonator is magnetically coupled to the magnetic field generated by the current flowing through the
第1の伝送線路2180とメタマテリアル部分との位置関係は、LC共振器の第1の内部電極2122、第2の内部電極2124a、第3の内部電極2124b、および、第4の内部電極2130で形成されるLC共振回路面が、第1の伝送線路2180bに流れる電流により生じる電界方向と略平行になるように定められる。
The positional relationship between the first transmission line 2180 and the metamaterial part is the first
本実施の形態においては、第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190は、メタマテリアル上面だけでなく、基板上の線路と電気的に接続可能なように、側面上に基板と接する箇所まで延長される。しかし、これに限定されず、メタマテリアル上面側が取付面である場合は、第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190を側面まで延長する必要はない。 In the present embodiment, the first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 are not only on the upper surface of the metamaterial but also on the side surface so as to be electrically connected to the line on the substrate. Is extended to. However, the present invention is not limited to this, and when the upper surface side of the metamaterial is an attachment surface, it is not necessary to extend the first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 to the side surface.
また、製造方法については、図30で説明した製造方法でメタマテリアル部分を製造した後、第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190をメタマテリアル部分の表面に形成し、さらに、第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190と基板上の線路との接続部分以外を遮蔽するように絶縁体などで表面を覆うことで、製造することができる。 As for the manufacturing method, after the metamaterial part is manufactured by the manufacturing method described with reference to FIG. 30, the first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 are formed on the surface of the metamaterial part. It can be manufactured by covering the surface with an insulator or the like so as to shield the portions other than the connection portion between the transmission line 2180 and the second transmission line 2190 and the line on the substrate.
方向性結合器は、偶モードと奇モードのインピーダンスの差によってバックワード結合をする。通常の方向性結合器の結合線路ではこの差に限界があるため、結合が大きくならない。 The directional coupler performs backward coupling by the difference in impedance between the even mode and the odd mode. Since the difference is limited in the coupling line of a normal directional coupler, coupling does not increase.
しかし、左手系メタマテリアルを用いることによって、インピーダンスが虚数となるため大きな差にすることができるため、小型で強結合の方向性結合器を実現することができる。 However, since the impedance becomes an imaginary number by using the left-handed metamaterial, a large difference can be made, so that a small and strong coupling directional coupler can be realized.
また、左手系を実現するためには、HPF構造の回路型と共振型とがあり、どちらでもインピーダンスを虚数にできるという点では同じなので、強結合の方向性結合器は実現することができる。ただし、共振型の方が小型化しやすいというメリットがあるため、HPF構造の回路型よりも小型の方向性結合器を実現することが可能である。 In order to realize a left-handed system, there are a circuit type and a resonance type with an HPF structure, and both are the same in that the impedance can be made an imaginary number. Therefore, a strong coupling directional coupler can be realized. However, since the resonance type has an advantage that it is easy to downsize, it is possible to realize a directional coupler that is smaller than the circuit type of the HPF structure.
なお、図38から図41までには、第1の伝送線路2180、および、第2の伝送線路2190が、説明の便宜上、外部に露出しているように描かれているが、実際は、基板に取付ける際に基板上の線路と接続される一部分以外は、外部と電気的に絶縁体で遮蔽される。 In FIGS. 38 to 41, the first transmission line 2180 and the second transmission line 2190 are depicted as being exposed to the outside for convenience of explanation. A part other than the part connected to the line on the substrate when attached is shielded electrically from the outside by an insulator.
また、方向性結合器2100を取付ける実装基板の取付面には、グランド線路が設けられることが好ましい。
Moreover, it is preferable that a ground line is provided on the mounting surface of the mounting board to which the
また、本実施の形態においては、第5の実施の形態で説明したメタマテリアルのユニット900と基本的に同様の構造のものをメタマテリアル部分に用いることとして説明した。しかし、これに限定されず、他の実施の形態で説明した他の構造のメタマテリアルを用いてもよい。
In the present embodiment, the
また、本実施の形態においては、メタマテリアル部分を1つのメタマテリアルのユニットで構成されることとしたが、共振波長が同じであったり異なったりする複数のメタマテリアルのユニットで構成されるようにしてもよい。 In this embodiment, the metamaterial portion is composed of one metamaterial unit. However, the metamaterial portion is composed of a plurality of metamaterial units having the same or different resonance wavelengths. May be.
また、本実施の形態においては、第2の伝送線路2190は1本であることとした。しかし、これに限定されず、2本以上であってもよい。 In the present embodiment, the number of second transmission lines 2190 is one. However, it is not limited to this and may be two or more.
また、本実施の形態においては、メタマテリアルを用いた電気部品が、方向性結合器であることとした。しかし、この方向性結合器は、結合が0dBに近くなるため、メタマテリアルを用いた電気部品が、ダイプレクサであることとしてもよい。つまり、ダイプレクサとして用いる場合、第1の伝送線路2180に入った電流のうち、共振波長に対応する周波数成分の電流を第2の伝送線路2190の一方端に出力することができ、残りの周波数成分の電流を第1の伝送線路2180の他端から出力することができる。 In the present embodiment, the electrical component using the metamaterial is a directional coupler. However, in this directional coupler, since the coupling is close to 0 dB, the electrical component using the metamaterial may be a diplexer. That is, when used as a diplexer, a current having a frequency component corresponding to the resonance wavelength among currents entering the first transmission line 2180 can be output to one end of the second transmission line 2190, and the remaining frequency components Can be output from the other end of the first transmission line 2180.
[第8の実施の形態]
第7の実施の形態においては、伝送線路も含むメタマテリアルを用いた方向性結合器2100について説明した。第8の実施の形態においては、伝送線路を含まないメタマテリアルを用いた方向性結合器2200について説明する。[Eighth Embodiment]
In the seventh embodiment, the
第8の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器2200の構造を図42に示す。図42は、方向性結合器2200の斜視図である。
The structure of the
図42を参照して、方向性結合器2200は、メタマテリアル部分と、グランド面2201とを含む。グランド面2201は、グランド面2201a,b,cが順に電気的に接続されて構成される。
Referring to FIG. 42,
本実施の形態の方向性結合器2200のメタマテリアル部分は、第7の実施の形態で説明した方向性結合器2100のメタマテリアル部分と同様であるので、重複する説明は繰返さない。
Since the metamaterial part of
グランド面2201bは、方向性結合器2200の基板2300への取付面に対するメタマテリアル部分を挟んだ反対側の面(本実施の形態においては便宜的に「メタマテリアル上面」という)に形成される。
The
グランド面2201a,cは、方向性結合器2200を基板へ取付けるときに、基板上のグランド線路2301と電気的に接続可能なように、メタマテリアル部分のLC共振器と等価なLC共振回路に平行な側面に配置される。
The ground planes 2201a and 220c are parallel to an LC resonance circuit equivalent to the LC resonator of the metamaterial portion so that when the
方向性結合器2200を取付ける基板2300には、方向性結合器2200のグランド面2201a,cのいずれかを接続可能なようにグランド線路2301が設けられるようにするとともに、第7の実施の形態における方向性結合器2100のメタマテリアル部分と第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190との位置関係と同様の位置関係になるように、本実施の形態の方向性結合器2200のメタマテリアル部分と基板2300上の第1の伝送線路2380および第2の伝送線路2390との位置関係が定まるように、第1の伝送線路2380および第2の伝送線路2390が設けられるようにする必要がある。
The
なお、基板2300の方向性結合器2200の取付部の裏側には、基板上の伝送線路との結合を抑制するために、グランド部を設けないようにすることが好ましい。
In addition, it is preferable not to provide a ground portion on the back side of the attachment portion of the
[第9の実施の形態]
第7および第8の実施の形態においては、電気部品として構成される方向性結合器2100,2200について説明した。第9の実施の形態においては、電気回路の部分構造として構成される方向性結合器部について説明する。[Ninth Embodiment]
In the seventh and eighth embodiments, the
第9の実施の形態に係るメタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板の構造を図43に示す。図43は、複層基板の方向性結合器部の斜視図である。 The structure of the multilayer substrate in which the circuit containing the directional coupler part using the metamaterial which concerns on 9th Embodiment was formed is shown in FIG. FIG. 43 is a perspective view of the directional coupler portion of the multilayer substrate.
図43を参照して、方向性結合器部は、第1の伝送線路2580と、第2の伝送線路2590と、メタマテリアル部分2400とを含む。
Referring to FIG. 43, the directional coupler unit includes a
本実施の形態の方向性結合器部のメタマテリアル部分2400は、第7の実施の形態で説明した方向性結合器2100のメタマテリアル部分と同様であるので、重複する説明は繰返さない。
Since
メタマテリアル部分2400は、複層基板のうちの第1層基板2501の内部に設けられる。第1の伝送線路2580および第2の伝送線路2590は、第1層基板2501の表面に設けられる。第2層基板2502は、第1の伝送線路2580および第2の伝送線路2590を覆うように設けられる。
The
第1の伝送線路2580および第2の伝送線路2590と、メタマテリアル部分2400との位置関係は、第7の実施の形態における第1の伝送線路2180および第2の伝送線路2190と、メタマテリアル部分との位置関係と同様の位置関係になるように設けられる。
The positional relationship between the
本実施の形態の方向性結合器部の特性を測定するために、メタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板を試作した。そのメタマテリアル部分のサイズは、図38から図41までに記載した座標軸を用いて、x軸方向、2.0mm、y軸方向に、2.4mm、z軸方向に、1.8mmである。 In order to measure the characteristics of the directional coupler portion of the present embodiment, a multilayer substrate on which a circuit including a directional coupler portion using a metamaterial was formed was prototyped. The size of the metamaterial portion is 2.4 mm in the x-axis direction, 2.0 mm, y-axis direction, and 1.8 mm in the z-axis direction using the coordinate axes described in FIGS. 38 to 41.
また、メタマテリアル部分の電極、ビアおよび線路以外の部分は、電極、ビアおよび線路を固定するために誘電体で占められており、誘電体の誘電率ε=9である。複層基板のサイズは、5mm四方で、誘電率ε=4である。 Further, the portions other than the electrodes, vias, and lines of the metamaterial portion are occupied by dielectrics to fix the electrodes, vias, and lines, and the dielectric constant ε = 9 of the dielectrics. The size of the multilayer substrate is 5 mm square, and the dielectric constant ε = 4.
なお、測定においては、図45のポート(1)から数GHzの高周波の入力電流を入力し、ポート(2)から通過電流が出力され、ポート(3)からバックワード結合の出力電流が出力され、ポート(4)からフォワード結合の出力電流が出力される。 In measurement, a high frequency input current of several GHz is input from port (1) in FIG. 45, a passing current is output from port (2), and an output current of backward coupling is output from port (3). , A forward-coupled output current is output from the port (4).
図44は、メタマテリアルを用いた方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。図44を参照して、ポート(1)からポート(4)へのフォワード結合が、3GHz付近で、−2dBと強く現れていることが分かる。 FIG. 44 is a graph showing measurement results of the characteristics of the directional coupler unit using the metamaterial. Referring to FIG. 44, it can be seen that the forward coupling from port (1) to port (4) appears strongly at -2 dB around 3 GHz.
図45は、比較測定に用いる複層基板の方向性結合器部の斜視図である。図45を参照して、比較測定に用いるメタマテリアルを用いていない方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板は、図43で説明したメタマテリアルを用いた方向性結合器部を含む回路が形成された複層基板におけるメタマテリアル部分2400を、誘電率ε=9の誘電体のみで構成される誘電体部2600で置換えたものである。
FIG. 45 is a perspective view of a directional coupler portion of a multilayer substrate used for comparative measurement. Referring to FIG. 45, the multilayer substrate on which the circuit including the directional coupler unit not using the metamaterial used for the comparative measurement is formed has the directional coupler unit using the metamaterial described in FIG. The
第1の伝送線路2780、第2の伝送線路2790、第1層基板2701、および、第2層基板2702は、それぞれ、図43で説明した第1の伝送線路2580、第2の伝送線路2590、第1層基板2501、および、第2層基板2502と同様である。
The
図46は、メタマテリアルを用いていない方向性結合器部の特性の測定結果を示すグラフである。図46を参照して、この場合、結合線路の長さが2.4mmであるので、空気中では、λ/4=2.4mmの波長λに対応する周波数12GHzで結合するが、誘電体中であるので、結合は、6GHz付近に現れているが、その減衰量は、−15dB程度と、メタマテリアルを用いた方向性結合器部と比較して低くなっている。 FIG. 46 is a graph showing the measurement results of the characteristics of the directional coupler portion not using the metamaterial. Referring to FIG. 46, in this case, since the length of the coupled line is 2.4 mm, coupling is performed in air at a frequency of 12 GHz corresponding to a wavelength λ of λ / 4 = 2.4 mm. Therefore, the coupling appears in the vicinity of 6 GHz, but the attenuation is about −15 dB, which is lower than that of the directional coupler unit using the metamaterial.
このように、第7の実施の形態から第9の実施の形態までで説明したメタマテリアルを用いた電気部品である方向性結合器は、0dBに近いカプラとなるため、方向性結合器に限らず、別の電気部品であるダイプレクサとして使用することができる。たとえば、図45のポート(1)から入った信号を、3GHzの成分は、ポート(4)に、それ以外の成分は、ポート(2)に分離することができる。 Thus, the directional coupler, which is an electrical component using the metamaterial described in the seventh to ninth embodiments, is a coupler close to 0 dB, and thus is limited to the directional coupler. Instead, it can be used as a diplexer which is another electrical component. For example, in the signal input from the port (1) in FIG. 45, the 3 GHz component can be separated into the port (4), and the other components can be separated into the port (2).
また、複数の周波数成分をそれぞれ分離可能なメタマテリアルを用いたダイプレクサを複数組合せて、たとえば、携帯電話に搭載することによって、通信用の周波数信号とGPS(Global Positioning System)用の周波数信号を分離することに用いることができる。 Also, by combining multiple diplexers using metamaterials that can separate multiple frequency components, for example, by mounting them on a mobile phone, the frequency signal for communication and the frequency signal for GPS (Global Positioning System) are separated. Can be used to
[その他]
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。[Others]
The embodiment disclosed this time should be considered as illustrative in all points and not restrictive. The scope of the present invention is defined by the terms of the claims, rather than the description above, and is intended to include any modifications within the scope and meaning equivalent to the terms of the claims.
2 外部電極、3 外部電極、4 内部電極、4a 電極、4b 電極、5 内部電極、5a 電極、5b 電極、6 スペーサ、10 外装部、100 コイル型共振器、110 中心軸、200 信号線路、220 グランド、300 コンデンサ型共振器、600 ユニット、610a 最上部電極、610b 最下部電極、622,624,632,634 内部電極、640 線路、650,660 外部電極、700 ユニット、710a 最上部電極、710b 最下部電極、722,724a,724b,730 内部電極、740 線路、750,760 外部電極、800 ユニット、810 コイル状導体、822,824,832,834 電極、842,844 ビア、2100,2200 方向性結合器、2110a 最上部電極、2110b 最下部電極、2112a 第1のビア、2112b 第2のビア、2122 第1の内部電極、2124a 第2の内部電極、2124b 第3の内部電極、2130 第4の内部電極、2140 線路、2150 第3のビア、2160 第4のビア、2180,2380,2580,2780 第1の伝送線路、2190,2390,2590,2790 第2の伝送線路、2201 グランド面、2300 基板、2301 グランド線路、2400 メタマテリアル部分、2501,2701 第1層基板、2502,2702 第2層基板、2600 誘電体部。
2 External electrode, 3 External electrode, 4 Internal electrode, 4a electrode, 4b electrode, 5 Internal electrode, 5a electrode, 5b electrode, 6 Spacer, 10 Exterior part, 100 Coil type resonator, 110 Central axis, 200 Signal line, 220 Ground, 300 capacitor type resonator, 600 units, 610a top electrode, 610b bottom electrode, 622, 624, 632, 634 internal electrode, 640 line, 650,660 external electrode, 700 units, 710a top electrode, 710b top Lower electrode, 722, 724a, 724b, 730 Internal electrode, 740 Line, 750, 760 External electrode, 800 units, 810 Coiled conductor, 822, 824, 832, 834 Electrode, 842, 844 Via, 2100, 2200
Claims (16)
前記第1の伝送線路と並行する第2の電流を流すための少なくとも1つの第2の伝送線路(2190b)と、
電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル(2110a,2112a,2140,2112b,2110b,2122,2124a,2150,2130,2160,2124b)とを備え、
前記メタマテリアルは、前記第1の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記第2の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、前記第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気部品(2100)。A first transmission line (2180b) for passing a first current;
At least one second transmission line (2190b) for flowing a second current parallel to the first transmission line;
A metamaterial (2110a, 2112a, 2140, 2112b, 2110b, 2122, 2124a, 2150, 2130, 2160, 2124b) showing a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field,
The metamaterial exhibits a negative permittivity and a negative permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field due to the first current, and the negative permittivity and the negative permeability are the second An electrical component (2100) arranged and positioned so as to cause the second current to flow by electromagnetically affecting the transmission line.
共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第1の共振器(2110a,2112a,2140,2112b,2110b)を備え、
前記第1の共振器は、前記共振波長の略1/2の長さの半波長線路(2110a,2112a,2140,2112b,2110b)を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第2の共振器(2122,2124a,2150,2130,2160,2124b)と、
前記第1の共振器および前記第2の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、
前記支持部材は、前記第1の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、前記第2の共振器の共振による磁界が集中するように、前記第1の共振器および前記第2の共振器の位置を固定する、請求の範囲1に記載の電気部品。The metamaterial is
A first resonator (2110a, 2112a, 2140, 2112b, 2110b) having a negative dielectric constant with respect to an electromagnetic wave having a resonance wavelength;
The first resonator includes a half-wavelength line (2110a, 2112a, 2140, 2112b, 2110b) having a length approximately half of the resonance wavelength,
The metamaterial further comprises:
A second resonator (2122, 2124a, 2150, 2130, 2160, 2124b) exhibiting a negative permeability with respect to the electromagnetic wave having the resonance wavelength;
A support member for fixing positions of the first resonator and the second resonator;
The support member includes the first resonator and the second resonator so that a magnetic field due to resonance of the second resonator is concentrated in a region different from a region where an electric field due to resonance of the first resonator is concentrated. The electrical component according to claim 1, wherein the position of said resonator is fixed.
前記支持部材は、前記第1の電流により生じる磁界が前記LC共振器の共振ループを通過するように前記LC共振器の位置を固定する、請求の範囲5に記載の電気部品。The second resonator is an LC resonator,
The electrical component according to claim 5, wherein the support member fixes a position of the LC resonator so that a magnetic field generated by the first current passes through a resonance loop of the LC resonator.
第1の最外電極(2122)と、
前記第1の最外電極と極性の異なる第2の最外電極(2130)とを含み、
前記支持部材は、前記半波長線路の前記第1の端を前記第1の最外電極と前記第1の伝送線路および前記第2の伝送線路を含む面との間に固定する、請求の範囲7に記載の電気部品。The second resonator is
A first outermost electrode (2122);
A second outermost electrode (2130) having a polarity different from that of the first outermost electrode;
The support member fixes the first end of the half-wavelength line between the first outermost electrode and a surface including the first transmission line and the second transmission line. The electrical component according to 7.
第1の電極(2122)と、
前記第1の電極に対向する第2の電極(2124a,2124b)とを備え、
前記支持部材は、前記第1の電極および前記第2の電極で形成される共振ループが前記第1の電流により生じる電界方向と略平行になるように、前記第1の電極および前記第2の電極を固定する、請求の範囲5に記載の電気部品。The second resonator is
A first electrode (2122);
A second electrode (2124a, 2124b) facing the first electrode,
The support member includes the first electrode and the second electrode so that a resonance loop formed by the first electrode and the second electrode is substantially parallel to a direction of an electric field generated by the first current. The electrical component according to claim 5, wherein the electrode is fixed.
前記共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第1の共振器(610a,640,610b)を備え、
前記第1の共振器は、前記共振波長の略1/2の長さの半波長線路(610a,640,610b)を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第2の共振器(622,624,650,632,634,660)を備え、
前記第2の共振器は、
複数の板状電極(622,624,632,634)を含み、
前記板状電極は、複数の第1板状電極(622,632)と、各前記第1板状電極と対向して各々配置された複数の第2板状電極(624,634)とからなり、
前記第2の共振器は、さらに、
前記複数の第1板状電極を電気的に接続する第1の接続部(650)と、
前記複数の第2板状電極を電気的に接続する第2の接続部(660)とを含み、
前記複数の板状電極のうち最外部に配置された第1の最外電極(622)および第2の最外電極(634)は、それぞれ、前記第1板状電極および前記第2板状電極であり、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第1の共振器および前記第2の共振器の位置を固定する支持部材を備え、
前記支持部材は、前記第1の最外電極が前記半波長線路の第1の端部(610a)に近接し、かつ、前記第2の最外電極が前記半波長線路の第2の端部(610b)に近接するように、前記第1の共振器および前記第2の共振器の位置を固定する、請求の範囲1に記載の電気部品。The metamaterial is
A first resonator (610a, 640, 610b) having a negative dielectric constant with respect to the electromagnetic wave having the resonance wavelength;
The first resonator includes a half-wavelength line (610a, 640, 610b) having a length approximately half of the resonance wavelength.
The metamaterial further comprises:
A second resonator (622, 624, 650, 632, 634, 660) exhibiting a negative permeability with respect to the electromagnetic wave having the resonance wavelength;
The second resonator is
A plurality of plate electrodes (622, 624, 632, 634),
The plate electrode includes a plurality of first plate electrodes (622, 632) and a plurality of second plate electrodes (624, 634) arranged to face the first plate electrodes. ,
The second resonator further includes:
A first connection part (650) for electrically connecting the plurality of first plate electrodes;
A second connection portion (660) for electrically connecting the plurality of second plate electrodes,
The first outermost electrode (622) and the second outermost electrode (634) arranged on the outermost side among the plurality of plate-like electrodes are the first plate-like electrode and the second plate-like electrode, respectively. And
The metamaterial further comprises:
A support member for fixing positions of the first resonator and the second resonator;
In the supporting member, the first outermost electrode is close to the first end (610a) of the half-wave line, and the second outermost electrode is the second end of the half-wave line. The electrical component according to claim 1, wherein positions of the first resonator and the second resonator are fixed so as to be close to (610b).
前記第1の端部に接続された第1の導電板(610a)と、
前記第2の端部に接続された第2の導電板(610b)とを含み、
前記支持部材は、前記第2の共振器の外部であって前記第1の最外電極と対向する位置に前記第1の導電板を固定し、前記第2の共振器の外部であって前記第2の最外電極と対向する位置に前記第2の導電板を固定する、請求の範囲12に記載の電気部品。The first resonator further includes:
A first conductive plate (610a) connected to the first end;
A second conductive plate (610b) connected to the second end,
The support member fixes the first conductive plate at a position outside the second resonator and facing the first outermost electrode, and outside the second resonator, The electrical component according to claim 12, wherein the second conductive plate is fixed at a position facing the second outermost electrode.
前記メタマテリアルは、基板(2300)に取付けられたときに前記基板上の第1の伝送線路(2380)を流れる第1の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記基板に取付けられたときに前記基板上の第2の伝送線路(2390)に電磁気的な影響を与えることによって、前記第2の伝送線路に第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気部品(2200)。A metamaterial (2110a, 2112a, 2140, 2112b, 2110b, 2122, 2124a, 2150, 2130, 2160, 2124b) showing a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field,
The metamaterial has a negative dielectric constant and a negative dielectric constant with respect to the resonant wavelength component of the electromagnetic field due to the first current flowing through the first transmission line (2380) on the substrate when attached to the substrate (2300). And exhibiting an electromagnetic influence on the second transmission line (2390) on the substrate when the negative dielectric constant and the negative permeability are attached to the substrate, An electrical component (2200) arranged and positioned so that a second current flows through the second transmission line.
前記グランド面は、前記基板に取付けられたときに前記基板上のグランド線路(2301)と電気的に接続させるためのグランド接続部(2201a,2201c)を有する、請求の範囲14に記載の電気部品。A ground plane (2201b) disposed so as to be on the opposite side of the plane including the first transmission line and the second transmission line across the metamaterial when attached to the substrate;
The electrical component according to claim 14, wherein the ground plane has ground connection portions (2201a, 2201c) for electrically connecting to a ground line (2301) on the substrate when attached to the substrate. .
前記第1の伝送線路と並行する第2の電流を通すための少なくとも1つの第2の伝送線路(2590)と、
電磁界の共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示すメタマテリアル(2400)とを備え、
前記メタマテリアルは、前記第1の電流による電磁界の前記共振波長成分に対して負の誘電率および負の透磁率を示し、かつ、当該負の誘電率および負の透磁率が前記第2の伝送線路に電磁気的な影響を与えることによって、前記第2の電流が流れるように位置および方向が定められて配置されている、電気回路の部分構造(2501)。A first transmission line (2580) for passing a first current;
At least one second transmission line (2590) for passing a second current parallel to the first transmission line;
A metamaterial (2400) exhibiting a negative dielectric constant and a negative magnetic permeability with respect to a resonance wavelength component of an electromagnetic field,
The metamaterial exhibits a negative permittivity and a negative permeability with respect to the resonance wavelength component of the electromagnetic field due to the first current, and the negative permittivity and the negative permeability are the second A partial structure (2501) of an electric circuit arranged and positioned so that the second current flows by electromagnetically affecting the transmission line.
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