JP5327214B2 - 人工媒質 - Google Patents

Description

本発明は、人工媒質に関し、特に、左手系人工媒質に関する。

実効比誘電率と実効比透磁率がともに負となる人工媒質、いわゆる「左手系媒質」は、負の屈折率を有する自然界には存在しない物質であり、通常の物質、いわゆる「右手系媒質」に対して、波動の性質が逆転する特異な現象を示す。例えば逆転する現象とは、スネルの法則における屈折角の符号（負の屈折率）、波数ベクトルの方向（後進波、backward wave）、ドップラー効果、などである。またこの概念の拡張として、実効比誘電率と実効比透磁率がともにゼロになる、整合ゼロ屈折率媒質も高い注目を集めている。そこで、様々な分野において、この左手系媒質の特性を利用して、各種装置および機器等を高度化することが検討されている。例えば、光学分野では人工媒質を用いてレンズ等について回折限界を超える高解像化、マイクロ波・ミリ波の分野では人工媒質を用いてアンテナの小型化や高性能化などが検討されている。

左手系人工媒質を構成する手法は大きく分けて2種類に分類できることが知られている。ひとつは伝送線路を用いたものであり、たとえば、非特許文献１を例示できる。

この手法は、すでに確立された伝送線路理論、およびその理論で実現される右手系線路を質的に拡張し、離散的なインダクターとキャパシターを線路内に挿入することで左手系線路を実現するものである。この手法は、本質的に広帯域性を示すことが大きな特徴である。この手法は、フィルターのような回路素子や、伝送線路に接続されることが前提のアンテナに対して適用するものであり、空間を伝搬する電磁波に対して作用する。そのため、この手法は、たとえばレンズなどに伝送線路型左手系媒質を適用することは極めて難しい。

これに対して、空間を伝搬する電磁波に対して作用できる左手系媒質として非特許文献２を例示できる。

この左手系媒質は、スプリットリング共振器と導体ストリップを組み合わせた構造を有する。そのため、この左手系媒質は、電磁波の伝搬方向に対して、スプリットリング共振器の導体面を並行に形成しなければならないという原理的な制約がある。その結果、この左手系媒質は、製造プロセスが極めて複雑になるというデメリットがある。

上記のデメリットを解消でき、空間の電磁波に作用できる左手系媒質の構成として、非特許文献３を例示できる。この手法は、誘電体の表裏面のそれぞれに、ネット状の導体からなる同一のパターンを配置することにより、左手系媒質を実現している。

Ｃ．Ｃａｌｏｚ Ａｎｄ Ｔ. Ｉｔｏｈ，"Ｎｏｖｅｌ ｍｉｃｒｏｗａｖｅ ｄｅｖｉｃｅｓ ａｎｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｒａｎｓｍｉｓｓｉｏｎ ｌｉｎｅ ａｐｐｒｏａｃｈ ｏｆ ｍｅｔａ−ｍａｔｅｒｉａｌｓ" ＩＥＥＥ−ＭＴＴ Ｉｎｔ‘ｌ Ｓｙｍｐ．， ｖｏｌ．１ ｐｐ．１９５−１９８，Ｊｕｎｅ ２００３ Ｒ．Ａ．Ｓｈｅｌｂｙ，Ｄ．Ｒ．Ｓｍｉｔｈ，Ｓ．Ｓｃｈｕｌｔｚ，"Ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ Ｖｅｒｉｆｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ａ Ｎｅｇａｔｉｖｅ Ｉｎｄｅｘ ｏｆ Ｒｅｆｒａｃｔｉｏｎ" Ｓｃｉｅｎｃｅ ２９２， ｐｐ．７７−７９ ２００１ Ｇｕｎｎａｒ Ｄｏｌｌｉｎｇ，Ｃｈｒｉｓｔｉａｎ Ｅｎｋｒｉｃｈ，Ｍａｒｔｉｎ Ｗｅｇｎｅｒ，Ｃｏｓｔａｓ Ｍ．Ｓｏｕｋｏｕｌｉｓ，Ｓｔｅｆａｎ Ｌｉｎｄｅｎ，ＯＰＴＩＣＳ ＬＥＴＴＥＲＳ，Ｖｏｌ．３１，Ｎｏ．１２，２００６年

しかしながら、前述の非特許文献３に記載の人工媒質は、光の帯域での使用を想定して提案されたものであり、マイクロ波またはミリ波の分野において使用することは難しい。なぜならば、非特許文献３に記載の人工媒質は、左手系媒質が得られる周波数領域が狭く、さらに偏波依存性を有するからである。すなわち、この人工媒質を、例えばマイクロ波またはミリ波の分野に適用した場合、入射電磁波の電界の方向によって、実効比誘電率および実効比透磁率は、大きく変化してしまう可能性がある。そのような偏波依存性を有する人工媒質では、適用先が著しく制限され、人工媒質を様々な用途に適用することは難しい。そのため、従来の人工媒質は、マイクロ波またはミリ波の分野に適用されないという問題点があった。

本発明は、このような問題に鑑みなされたものであり、広い周波数域にわたって左手系媒質としての特性が得られるとともに、偏波依存性の少ない人工媒質を提供することを目的とする。

本発明は、誘電体層と、この誘電体層を介して互いに対向する第１および第２の導電性パターンとを備え、前記誘電体層の厚さ方向に伝播する電磁波が入射された際に、この電磁波により励起される電流を所定の動作周波数において増大させ、かつ前記厚さ方向と平行な面内に電流ループを形成する人工媒質において、前記第１および第２の導電性パターンは、導電性素子と、第１の方向に延在する複数の第１のグリッドラインと、第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の第２のグリッドラインとを有し、前記導電性素子は、前記第１および第２のグリッドラインが交差する部位に配設されていることを特徴とする人工媒質を提供する。

本発明では、広い周波数域にわたって左手系媒質としての特性が得られ、偏波依存性の少ない人工媒質を提供することが可能となる。
本発明の人工媒質は、例えば、高周波用レンズアンテナ、アンテナ用レドーム、アンテナ用スーパーストレート、超小型通信用の共振器、発信器等に利用することができる。

本発明の第１の人工媒質の上面図である。 図１の人工媒質のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 従来の人工媒質の上面図である。 図３の人工媒質のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。 従来の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性を示したグラフである。 従来の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性を示したグラフである。 本発明の第１の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性を示したグラフである。 本発明の第１の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性を示したグラフである。 図５に示したシミュレーションにおいて、偏波を９０゜回転させたときの、従来の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性を示したグラフである。 図６に示したシミュレーションにおいて、偏波を９０゜回転させたときの、従来の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性を示したグラフである。 図７に示したシミュレーションにおいて、偏波を９０゜回転させたときの、本発明の第１の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性を示したグラフである。 図８に示したシミュレーションにおいて、偏波を９０゜回転させたときの、本発明の第１の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性を示したグラフである。 本発明の第２の人工媒質の上面図である。 図１３の人工媒質のＣ−Ｃ線に沿った断面図である。 本発明の第２の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性を示したグラフである。 本発明の第２の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性を示したグラフである。 第１の人工媒質において、タイルの寸法が変化したときの実効比誘電率の周波数特性を示したグラフである。 第２の人工媒質において、タイルの寸法が変化したときの実効比誘電率の周波数特性を示したグラフである。 本発明の別の人工媒質１８０の概略的な上面拡大図である。 図１９に示す人工媒質１８０の実効比誘電率と実効比透磁率の周波数変化を、図１に示す人工媒質１００の結果と合わせて示したグラフである。 人工媒質の特性測定用の測定装置の概略構成図である。 本発明の第２の人工媒質における実効比誘電率および実効比透磁率の周波数特性（実測値）を示したグラフである。 本発明の第２の人工媒質におけるＳパラメータの周波数特性（実測値）を示したグラフである。

以下図面により本発明の形態を説明する。

（第１の人工媒質）
図１には、本発明による第１の人工媒質の上面図を示す。また、図２には、図１に示した第１の人工媒質のＡ−Ａ線に沿った断面図を示す。

図１および２に示すように、本発明による第１の人工媒質１００は、表面１１２と裏面１１４とを有する誘電体層１１１を備える。誘電体層１１１の表面１１２と裏面１１４には、導電性のグリットライン１１０と導電性のタイル１４０とが形成されている。ここで、導電性のグリットライン１１０と導電性のタイル１４０とで構成される模様を繰り返しパターン１０５とする。各面に構成された繰り返しパターン１０５は、誘電体層１１１の厚さ方向から見て、実質的に同一のものである。また、各面に構成された繰り返しパターン１０５は、誘電体層１１１の厚さ方向と平行な方向（図２のＺ方向）から見た場合、実質的に一致するように、表面１１２および裏面１１４に配置される。つまり、各面に構成された繰り返しパターン１０５は、誘電体層１１１を挟んで、対称となるように形成されている。

ここで、「グリッドライン」とは、誘電体層の表面（または裏面）に配置された、幅が実質的に等しい線状の導電体を意味する。「タイル」とは、２本の「グリッドライン」の交点に配置された、「グリッドライン」以外の導電体を意味する。本願において、「タイル」は、特に、導電性素子とも称される。ここで、複数のグリットラインの交点に配置されるとは、タイルがグリットラインの交点上に配置されるという意味ではなく、タイルの下にはグリットラインは存在していない。つまり、誘電体層１１１の厚さ方向から見て、グリットラインとタイルは、仮想の同一平面を構成する。

グリッドライン１１０は、実質的に第１の方向（図のＸ方向）に延伸する複数の第１のグリッドライン１１０Ｘと、実質的に第２の方向（図のＹ方向）に延伸する複数の第２のグリッドライン１１０Ｙとを有する。また、タイル１４０は、第１のグリッドライン１１０Ｘと第２のグリッドライン１１０Ｙの各交点に配置されている。

図１において、各第１のグリッドライン１１０Ｘは、ピッチＰ_Ｘで等間隔に配置されている。同様に、各第２のグリッドライン１１０Ｙは、ピッチＰ_Ｙで等間隔に配置されている。ここで、Ｐ_ｘ＝Ｐ_Ｙである。第１のグリッドライン１１０Ｘおよび第２のグリッドライン１１０Ｙの幅は、それぞれ、Ｗ_ＸおよびＷ_Ｙであり、図１の例では、Ｗ_Ｘ＝Ｗ_Ｙである。

ここで、図１では、第１のグリットライン１１０Ｘと第２のグリットライン１１０Ｙとは直交している。しかしながら、本発明において、第１および第２のグリッドライン１１０Ｘ、１１０Ｙは、必ずしも直交している必要はない。また、第１および第２のグリッドライン１１０Ｘ、１１０Ｙのそれぞれは、必ずしも等間隔に配置される必要はない。また、第１および第２のグリッドライン１１０Ｘ、１１０Ｙのそれぞれが等間隔に配置される場合であっても、ピッチＰ_ＸとＰ_Ｙは、異なっていても良い。また、複数の第１のグリッドライン１１０Ｘの幅Ｗ_Ｘは、すべて同じ幅Ｗ_Ｘである必要はなく、すべて異なっていてもよく、一部分のみ異なる若しくは同じ構成でも良い。同様に、第２のグリッドライン１１０Ｙの幅Ｗ_Ｙについても同じことが言える。さらに、グリッドラインの幅Ｗ_ＸとＷ_Ｙは、異なっていても良い。

また、図においてタイル１４０は、正方形状であり、Ｘ方向の幅Ｄ_ＸとＹ方向の幅Ｄ_Ｙは、等しい。タイル１４０は、誘電体層１１１の表面１１２及び裏面１１４上に配置される。タイル１４０の正方形の各辺は、第１のグリッドライン１１０Ｘまたは第２のグリッドライン１１０Ｙのいずれかの延伸方向と実質的に平行である。また、タイル１４０は、その重心と第１のグリッドライン１１０Ｘと第２のグリッドライン１１０Ｙの交点とが重なるように配置される。

なお、タイル１４０は、必ずしも、第１のグリッドライン１１０Ｘと第２のグリッドライン１１０Ｙとの全ての交点に配置される必要はない。ただし、以降に示すように、タイル１４０は、第１のグリッドライン１１０Ｘと第２のグリッドライン１１０Ｙとの全ての交点に配置されることがより好ましい。またタイル１４０の形状は、正方形に限られるものではなく、長方形など、様々な形態を使用することができる。

次に、このように構成された本発明による第１の人工媒質１００の特性を、前述の非特許文献３に記載の人工媒質（以下、「従来の人工媒質」と称する）の特性と比較して説明する。

まず、従来の人工媒質の構成について説明する。図３および図４は、従来の人工媒質の構成を示す。図３は、従来の人工媒質の上面図である。図４は、図３のＢ−Ｂ線に沿った断面図である。

従来の人工媒質１５０は、表面１６２および裏面１６４を有する誘電体層１６１を備える。従来の人工媒質１５０の表面１６２及び裏面１６４には、複数のグリッドラインがマトリクス状に形成されている。ここで、マトリクス状の模様を繰り返しパターン１５５とする。なお、従来の人工媒質１５０は、本発明のような「タイル」を有さない。

パターン１５５は、図３のＸ方向に延伸する複数のグリッドライン１６０Ｘ（第１のグリッドライン）と、Ｙ方向に延伸する複数のグリッドライン１６０Ｙ（第２のグリッドライン）とを有する。第１のグリッドライン１６０Ｘは、ピッチＰ_Ｘで等間隔に配置されている。同様に、第２のグリッドライン１６０Ｙは、ピッチＰ_Ｙで等間隔に配置されている。ここで、Ｐ_ｘ＝Ｐ_Ｙである。なお第１のグリッドライン１６０Ｘの幅Ｗ_Ｘは、第２のグリッドライン１６０Ｙの幅Ｗ_Ｙよりも狭くなっている。

ここで、誘電体層１６１のパターン１５５は、厚さ方向から見て、同一の形状となっている（図４参照）。ここで、誘電体層１６１において、第１のグリッドラインおよび第２のグリッドラインのいずれも設置されていない部分には、開口１５７が設けられている。

次に、従来の人工媒質１５０と、本発明による第１の人工媒質１００の特性の差異を、シミュレーション結果に基づいて説明する。なお、シミュレーションは、ＦＩＴ（Ｆｉｎｉｔｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ Ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ）法（有限積分法）により実施した。

シミュレーションに使用した人工媒質１００および人工媒質１５０を構成する各素子の寸法等のパラメータを、まとめて表１に示す。表１において、ｓは、誘電体層１１１、１６１の厚さであり、ｔは、各グリッドライン（およびタイル）の厚さである。また、誘電体層１１１、１６１の比透磁率は、１．０とし、比誘電率は、３．４とした。

図５〜図８には、第１の人工媒質１００および従来の人工媒質１５０における、周波数特性のシミュレーション結果の一例を示す。図５は、従来の人工媒質の実効比誘電率と実効比透磁率の周波数依存性を示したグラフである。図６は、従来の人工媒質のＳ１１パラメータとＳ２１パラメータの周波数依存性を示したグラフである。一方、図７は、本発明による人工媒質１００の実効比誘電率と実効比透磁率の周波数依存性を示したグラフである。図８は、本発明による人工媒質１００のＳ１１パラメータとＳ２１パラメータの周波数依存性を示したグラフである。

図５に示すように、従来の人工媒質１５０は、約２５ＧＨｚ〜約２６ＧＨｚの周波数域において、実効比誘電率と実効比透磁率がともに負となっている。よって、従来の人工媒質１５０は、約２５ＧＨｚ〜約２６ＧＨｚの周波数領域に、左手系媒質が得られていることがわかる。

一方、本発明による人工媒質１００では、図７に示すように、約２３．５ＧＨｚの周波数において、磁気共鳴周波数Ｆｏ（実効比透磁率の正のピークと負のピークの間の、実効比透磁率が０になる周波数）が得られ、約２６ＧＨｚの周波数にプラズマ周波数Ｆｐ（実効比誘電率が０になる周波数）が得られている。本発明の人工媒質１００は、約２３．５ＧＨｚ〜約２６ＧＨｚの周波数領域において、実効比誘電率と実効比透磁率がともに負となっている。よって、本発明の人工媒質１００は、約２３．５ＧＨｚ〜約２６ＧＨｚの周波数領域に、左手系媒質が得られていることがわかる。

ここで、図６に示すように、従来の人工媒質１５０では、良好な透過特性が得られる領域（Ｓ２１特性が−１ｄＢ以上）は、周波数が約２５ＧＨｚの位置に限られていることがわかる。そのため、従来の人工媒質１５０は、左手系媒質としての特性の得られる周波数領域が著しく限定される。すなわち、従来の人工媒質は、２５ＧＨｚ以外の周波数領域では、損失が大きくなり、マイクロ波またはミリ波の分野の人工媒質として適性に使用することはできない。

これに対して、本発明の人工媒質１００では、図８に示すように、約２４ＧＨｚ〜約２８ＧＨｚの周波数領域において、Ｓ２１特性がほぼ０（ゼロ）ｄＢになっている。従って、本発明の人工媒質１００では、従来の人工媒質１５０に比べ、極めて広い周波数領域にわたって透過損失の少ない良好な特性を得ることができる。さらに、図７に示すように、本発明の人工媒質１００は、２６ＧＨｚにおいて、実効比透磁率と実効比誘電率がともにゼロとなる。よって、本発明の人工媒質１００は、２６ＧＨｚにおいて、整合ゼロ屈折率媒質が達成されていることがわかる。

このように、本発明の人工媒質と従来の人工媒質の間には、透過損失の少ない良好な左手系媒質が得られる周波数の帯域幅に有意な差異が認められる。さらに、本発明の人工媒質は、従来の人工媒質に比べて、偏波依存性が小さいという特徴を有する。以下、この差異について説明する。

図９および図１０は、従来の人工媒質１５０の入射波の偏波を９０゜回転させた場合のシミュレーション結果を示す。先の図５および図６の結果は、図３に示すように、入射電磁波の電界方向ＥがＸ軸方向と平行な場合に得られたものである。これに対して、図９および図１０の結果は、入射電磁波の電界方向ＥがＹ軸方向と平行な場合に相当する。

図９および図１０から、従来の人工媒質１５０は、入射電磁波の偏波が９０゜変化すると、有効な特性が全く得られなくなることがわかる。

図１１および図１２は、本発明の人工媒質１００の入射偏波を９０゜回転させた場合のシミュレーション結果を示す。これらの図と前述の図７および図８の比較から、本発明の人工媒質１００では、特性が偏波の方向にほとんど依存しないことがわかる。すなわち、本発明の人工媒質は、偏波方向依存性がほとんどなく、いかなる偏波に対して左手系媒質としての特性を発揮することがわかる。

以上のシミュレーション結果から明らかなように、本発明の人工媒質では、従来の人工媒質に比べて、広い周波数域にわたって左手系媒質としての特性を有し、かつ偏波依存性の少ない人工媒質を提供することが可能となる。

（第２の人工媒質）
次に、本発明による第２の人工媒質について説明する。図１３は、本発明による第２の人工媒質の上面図を示す。図１４は、図１３に示した第２の人工媒質のＣ−Ｃ線に沿った断面図を示す。

第２の人工媒質２００は、基本的に前述の第１の人工媒質１００と同様に構成される。本発明による第２の人工媒質２００は、表面２１２と裏面２１４とを有する誘電体層２１１を備える。誘電体層２１１の表面２１２と裏面２１４には、導電性のグリットライン２１０と導電性のタイル２４０とが形成されている。ここで、導電性のグリットライン２１０と導電性のタイル２４０とで構成される模様を繰り返しパターン２０５とする。各面に構成された繰り返しパターン２０５は、誘電体層２１１の厚さ方向から見て、実質的に同一のものである。また、各面に構成された繰り返しパターン２０５は、誘電体層２１１の厚さ方向と平行な方向（図１４のＺ方向）から見た場合、実質的に一致するように、表面２１２および裏面２１４に配置される。つまり、各面に構成された繰り返しパターン２０５は、誘電体層２１１を挟んで、対称となるように形成されている。

しかしながら、第２の人工媒質２００では、グリッドライン２１０に対する導電性のタイル２４０の配向が、第１の人工媒質１００とは異なっている。図１３に示すように、第２の人工媒質２００の正方形状のタイル２４０は、第１の人工媒質１００のタイル１４０に対して、４５゜回転させた状態で、誘電体層の表面２１２（および裏面２１４）に配置されている。従って、タイル２４０の各辺が、第１のグリッドライン２１０Ｘ（または第２のグリッドライン２１０Ｙ）の延伸方向となす最小角度は、４５゜である。ここで、「最小角度」とは、２つの直線がなす角度のうち、小さい方の角度を意味する。

図１５および図１６は、前述のシミュレーション法により、第２の人工媒質２００の特性を計算した結果である。図１５は、人工媒質２００の実効比誘電率と実効比透磁率の周波数依存性を示したグラフである。図１６は、人工媒質２００のＳ１１とＳ２１パラメータの周波数依存性を示したグラフである。

なお、シミュレーションには、表２に示すパラメータを使用した。表２において、ｓは、誘電体層の厚さであり、ｔは、各グリッドライン（およびタイル）の厚さである。また、誘電体層２１１の比透磁率は、１．０とし、比誘電率は、３．４とした。

図１５および図１６の結果から、第２の人工媒質２００においても、約２３ＧＨｚから２６ＧＨｚの広い周波数域において、左手系媒質が得られていることがわかる。特に、図１６に示すように、第２の人工媒質２００の場合、プラズマ周波数Ｆｐ（約２６．５ＧＨｚ）を中心とする広い周波数域にわたって、Ｓ２１がほぼ０（ゼロ）ｄＢとなっている。よって、第２の人工媒質２００は、第１の人工媒質を超える極めて良好な特性が得られていることがわかる。

第２の人工媒質２００において、このような良好な特性が得られるのは、以下の理由によるものである。

一般に、波動インピーダンスＺは、Ｚ＝√（μ₀μ_r/ε₀ε_r）で表される。ここで、μ₀は真空の透磁率であり、μ_rは比透磁率であり、ε₀は真空の誘電率であり、ε_rは比誘電率である。ここで、一般に、比透磁率は、磁気共鳴周波数Ｆｏよりも高い周波数での負の値から、磁気プラズマ周波数（比透磁率が０となる周波数）よりも高い周波数域で１に収束するまで、周波数に対して徐々に増加するように変化する。従って、波動インピーダンスＺを自由空間の波動インピーダンスに整合させるためには、この実効比透磁率の周波数に対する勾配にできる限り接近するように、実効比誘電率の周波数を変化させることが好ましい。

一方、図７と図１５の比較からも明らかなように、第２の人工媒質２００におけるプラズマ周波数Ｆｐ近傍での実効比誘電率の周波数に対する勾配は、第１の人工媒質１００における勾配に比べて、実効比透磁率の周波数に対する勾配に、より近接している。そのため、第２の人工媒質２００は、より広い周波数領域にわたって良好なインピーダンス整合を得ることができる。よって、第２の人工媒質２００は、第１の人工媒質に比べてより良好な特性を得ることが可能となる。

また、第２の人工媒質２００は、以下のように設計上の観点からも有意な特性を有する。

図１７は、前述のシミュレーション法を用いて得られたタイルの寸法Ｄ_ＸおよびＤ_Ｙを３．０ｍｍから３．６ｍｍまで変化させたときに、人工媒質１００の実効比誘電率の変化を示すグラフである。また、図１８は、前述のシミュレーション法を用いて得られたタイルの寸法Ｄ_１およびＤ_２を３．０ｍｍから３．６ｍｍまで変化させたときに、人工媒質２００の実効比誘電率の変化を示す。

両図の比較から、第２の人工媒質２００では、第１の人工媒質１００に比べて、タイル形状の変化が実効比誘電率に及ぼす影響が小さいことがわかる。これについては、次のように考えられる。

第１の人工媒質１００の場合、隣接する２つのタイル１４０において、対向する辺は、平行になっている。従って、この場合、タイル１４０の端部に集中する電荷により、隣接する２つのタイル間には、大きな静電容量が生じる。このため、第１の人工媒質１００では、タイル間の電界が大きくなる傾向にある。これに対して、第２の人工媒質２００の場合は、隣接する２つのタイル２４０において、対向する辺同士は、平行になっていない。このため、タイル２４０の端部に電荷が蓄積されにくく、隣接する２つのタイル間の静電容量も小さくなる。両人工媒質のこのような違いにより、前述のような形状依存性の差異が現れたものと予想される。

なお、図１３では、各タイル２４０は、正方形状である。しかしながら、本発明の第２の人工媒質２００の各タイルは、隣接するタイルの対向する辺が互いに平行になっていなければ、いかなる形状であっても良い。また、タイルの輪郭を構成する辺は、直線に限られず、曲線であっても良い。

このように、第２の人工媒質２００は、第１の人工媒質１００に比べて、プラズマ周波数Ｆｐを中心とする広い周波数領域において、より一層高い整合を得ることができる。その上、第２の人工媒質２００は、タイルの寸法因子の影響が小さく、設計の自由度をより広げることが可能になる。

なお、前述の第１の人工媒質の場合と同様、入射偏波を９０゜回転させてシミュレーションを行ったところ、第２の人工媒質においても、有意な偏波依存性は認められなかった。
ここで、本発明の人工媒質において、各グリッドラインには、少なくとも一つの導電性タイルが設けられいることが好ましい。

以下、その理由を説明する。

例えば、図１９の人工媒質１８０を考える。この人工媒質１８０の第１のグリッドライン１１０ＸのピッチＰ_Ｘと第２のグリッドライン１１０ＹのピッチＰ_Ｙは、等しい。この人工媒質１８０の導電性のタイル１４０は、Ｘ方向の配置ピッチＰ_ＡとＹ方向の配置ピッチＰ_Ｂを有する。そして、各ピッチは、それぞれ、Ｐ_Ａ＝２Ｐ_Ｘ、Ｐ_Ｂ＝２Ｐ_Ｙという関係を有する。この人工媒質１８０の導電性のタイル１４０は、その周囲が第１および第２のグリッドラインによって完全に囲まれている。つまり、この人工媒質１８０の導電性のタイル１４０は、誘電体層の両面に、いわば「枠付きのタイル」として配置されているとも見なすことができる。言い換えると、図１９の人工媒質１８０は、導電性タイルが全く設けられていないグリッドラインがある。なお、人工媒質１８０のその他の構成は、前述の人工媒質１００と同様である。

このように構成された人工媒質１８０のシミュレーション結果を、前述の人工媒質１００の結果と合わせて図２０に示す。シミュレーションには、前述のＦＩＴ法を用いた。また、シミュレーションに使用した人工媒質１００および１８０の各パラメータ値を表３に示す。人工媒質の誘電体層１１１の厚さは、０．６ｍｍとし、誘電体層１１１の誘電率は、４．２５とし、誘電損は、０．００６とした。また、繰り返しパターン１０５の厚さ（片面）は、１８μｍとした。

図２０に示されるように、人工媒質１８０においては、実効比誘電率（図の細い実線）が磁気共鳴周波数Ｆｏ'近傍の周波数（約２０ＧＨｚ）において顕著なピークを示すことがわかる。また、これに付随して、人工媒質１８０では、周波数Ｆｏ'より大きな周波数域（より具体的には、周波数約２１〜約２５ＧＨｚの領域）での実効比誘電率の周波数に対する勾配が、実効比透磁率（図の細い破線）の周波数に対する勾配に比べて大きくなっている。一方、第１の人工媒質１００の場合は、同図に示すように、磁気共鳴周波数Ｆｏ以降の周波数域において、実効比誘電率（図の太い実線）の周波数に対する勾配は、実効比透磁率（図の太い破線）の周波数に対する勾配とほぼ等しくなっている。前述の理由により、波動インピーダンスＺを整合させる上で、周波数Ｆｏより大きな周波数域において、実効比誘電率の勾配は、実効比透磁率の周波数に対する勾配にできる限り接近することが好ましい。

従って、このような観点からすれば、人工媒質１００の実効比誘電率の変化は、人工媒質１８０に比べてより好ましい。

なお、図２０に示すような比実効誘電率の大きなピークは、いわゆる「枠付きのタイル」を有するパターンが配置された人工媒質において、各パラメータ値（例えば、グリッドラインの幅Ｗ_Ｘおよび／またはＷ_Ｙ等）を変化させた場合においても同様に認められた。

以上のことから第１のグリッドラインと第２のグリッドラインの交点は、導電性のタイル上のみに配置されることが好ましいと言える。

以上のことから、本発明の人工媒質において、各グリッドラインには、少なくとも一つの導電性タイルが設けられていることが好ましい。

ここで、上述した人工媒質の製造方法については、実際の製造プロセスを考慮した場合、プレーナープロセス、すなわち、特徴的なパターンを有する平面を積層させる方法により形成できることが好ましい

前述の第２の人工媒質２００を実際に試作し、その特性を評価した。人工媒質は、以下の手順で作製した。

印刷プロセスおよびエッチングプロセスにより、ＢＴ樹脂製の誘電体基板（三菱瓦斯化学）の表裏面に、図１３に示すようなグリッドラインとタイルからなる導電性パターンを形成した。導電性パターンは、銅で形成した。各素子の寸法等は、前述の表２の第２の人工媒質２００の欄に示した通りである。なお、誘電体層の比透磁率は、１．０で、比誘電率は、３．４であった。

人工媒質の特性評価は、以下に記載する方法により行った。

図２１には、人工媒質の特性測定用の測定装置の概略構成図を示す。この測定装置４００は、送信用ホーンアンテナ４１０と、受信用ホーンアンテナ４２０と、電波吸収体４３０と、ベクトルネットワークアナライザー４４０とを有する。送信用ホーンアンテナ４１０と、受信用ホーンアンテナ４２０との間には、測定対象である前述のように製作された人工媒質３００が設置される。送信用ホーンアンテナ４１０〜受信用ホーンアンテナ４２０までの測定領域全体は、電波吸収体４３０によって被覆されている。またベクトルネットワークアナライザー４４０は、同軸ケーブル４６０を介して、送信用ホーンアンテナ４１０および受信用ホーンアンテナ４２０に接続されている。本測定では、送信用ホーンアンテナ４１０および受信用ホーンアンテナ４２０には、コニカルホーンアンテナを使用した。送信用ホーンアンテナ４１０から受信用ホーンアンテナ４２０までの距離は、３２０．６ｍｍであり、これらのアンテナ４１０、４２０から人工媒質４０５の表面までの距離は、１６０ｍｍとした。

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

得られた結果を図２２および図２３に示す。図２２は、実効比誘電率（図２２（ａ））および実効比透磁率（図２２（ｂ））の周波数特性を示したグラフである。また、図２３は、Ｓ１１パラメータ（図２３（ａ））およびＳ２１パラメータ（図２３（ｂ））の周波数特性を示したグラフである。なお、図２２および図２３には、比較のため、前述のシミュレーションによる計算結果（図１５および図１６の結果）を破線で示している。

この図から、実際に試作した人工媒質においても、シミュレーションによる計算結果と同様の特性が得られていることがわかる。すなわち、本発明による人工媒質では、広い周波数域にわたって、損失の少ない特性が得られることが確認された。

本発明を詳細にまた特定の実施態様を参照して説明したが、本発明の精神と範囲を逸脱することなく様々な変更や修正を加えることができることは当業者にとって明らかである。本出願は、２００８年２月２６日出願の日本特許出願（特願２００８−０４５０７０）に基づくものであり、その内容はここに参照として取り込まれる。

Claims (11)

1. 表面と裏面とを有する誘電体層と、
   前記誘電体層の前記表面と前記裏面の各々に形成され、第１の方向に延在する複数の第１のグリッドライン及び前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在する複数の第２のグリッドラインと、
   前記誘電体層の前記表面と前記裏面の各々に形成され、前記第１のグリッドラインと前記第２のグリッドラインとが交差する領域に位置する導電性素子とを備え、
   前記誘電体層の厚さ方向に伝播する電磁波が入射された際に、この電磁波により励起される電流を所定の動作周波数において増大させ、かつ前記厚さ方向と平行な面内に電流ループを形成する人工媒質。
2. 前記第１のグリッドラインと前記第２のグリッドラインは、直交していることを特徴とする請求項１に記載の人工媒質。
3. 前記複数の第１のグリッドラインおよび／または前記複数の第２のグリッドラインは、同一のピッチで配置されていることを特徴とする請求項１に記載の人工媒質。
4. 前記複数の第１のグリッドラインは、同一のピッチで配置されており、前記複数の第２のグリッドラインは、前記複数の第１のグリッドラインと等しいピッチで配置されており、
   前記導電性素子は、前記第１および第２のグリッドラインが交差する部位の全てに配設されかつ前記交差する部位を除く位置には配設されていないことを特徴とする請求項３に記載の人工媒質。
5. 各導電性素子の形状および寸法は、実質的に同一であることを特徴とする請求項１に記載の人工媒質。
6. 前記導電性素子は、矩形状または正方形状であることを特徴とする請求項５に記載の人工媒質。
7. 前記導電性素子は、正方形状であり、前記導電性素子の各辺の延伸方向は、前記第１および第２の方向とは異なることを特徴とする請求項６に記載の人工媒質。
8. 前記第１および第２のグリッドラインの幅は、実質的に等しく、
   前記正方形状の導電性素子の一辺の長さは、前記第１および第２のグリッドラインの幅よりも広いことを特徴とする請求項７に記載の人工媒質。
9. 前記第１のグリッドラインと前記第２のグリッドラインは、直交しており、
   前記導電性素子の各辺の方向が前記第１の方向となす最小角度は、４５゜であることを特徴とする請求項７に記載の人工媒質。
10. 前記誘電体層が、厚さ方向に複数積層されて構成されることを特徴とする請求項１に記載の人工媒質。
11. 表面と裏面とを有する誘電体層と、
    前記誘電体層の前記表面に形成され、互いに離散して配置される複数の第１の導電性素子と、
    前記誘電体層の前記表面に形成され、第１の方向に延在し、前記複数の第１の導電性素子を接続する第１のグリッドラインと、
    前記誘電体層の前記表面に形成され、前記第１の方向とは異なる第２の方向に延在し、前記複数の第１の導電性素子を接続する第２のグリッドラインと、
    前記誘電体層を基準として前記表面に形成された前記複数の第１の導電性素子と対称となるように前記裏面に形成され、互いに離散して配置される複数の第２の導電性素子と、
    前記誘電体層を基準として前記表面に形成された前記第１のグリッドラインと対称となるように前記裏面に形成され、前記第１の方向に延在し、前記複数の第２の導電性素子を接続する第３のグリッドラインと、
    前記誘電体層を基準として前記表面に形成された前記第２のグリッドラインと対称となるように前記裏面に形成され、前記第２の方向に延在し、前記複数の第２の導電性素子を接続する第４のグリッドラインとを備え、
    前記誘電体層の厚さ方向に伝播する電磁波が入射された際に、この電磁波により励起される電流を所定の動作周波数において増大させ、かつ前記厚さ方向と平行な面内に電流ループを形成する人工媒質。

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