JP6169536B2

JP6169536B2 - メタマテリアル能動素子

Info

Publication number: JP6169536B2
Application number: JP2014117364A
Authority: JP
Inventors: 大祐来山; ホジンソン; 信矢板
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2014-06-06
Filing date: 2014-06-06
Publication date: 2017-07-26
Anticipated expiration: 2034-06-06
Also published as: JP2015231184A

Description

本発明は、メタマテリアル能動素子に関するものである。

波長がサブミリのオーダとなるテラヘルツ帯では、出力電力の大きな電子デバイスを製作するのが困難であり、例えば無線通信において十分な信号対雑音比を得るためには利得の大きなアンテナを用いる必要がある。利得の大きなアンテナを用いると、ビーム径が小さくなる傾向があり、通信可能エリアが限られてしまう。この問題を解決する手段として、絞られたビームを走査する技術(ビームステアリング)がある。ビームを走査する主な方法としては、複数のアンタナに、それぞれ位相をずらした信号を給電して、各アンテナから放射される電磁波を合成して波面を制御するフェイズドアレイアンテナ、および可動ミラーを物理的に動かして反射によってビームを走査する方法が挙げられる（図１２、特許文献１、非特許文献１、２）。

特開２００２−８４１２０号公報特開平１０−１４５１２９号公報

A. Natarafan, et. al., "A 77-GHz Phased-Array Transceiver With On-Chip Antennas in Silicon: Transmitter and Local LO-Path Phase Shifting", IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS, VOL. 41, NO. 12, 2006, p. 2807.

しかしながら、フェイズドアレイアンテナは、回路上にて信号の分岐、位相の制御を行うため配線が長くなり、高い周波数においては誘電体基板における誘電損失および導体による導体損失が大きくなるという課題や位相精度の課題がある。また、分配器および移相器でも損失が発生する。一方、物理的にミラーを動かす方法は、機械的な可動部が必要なため装置のサイズが大きくなり、動作速度が遅いという課題がある。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、フェイズドアレイアンテナと可動ミラーのいずれも用いずに電磁波を制御できる技術を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のメタマテリアル能動素子は、基板と、該基板に形成された複数の同一形状の分割リング共振器とを備え、前記各分割リング共振器は、該分割リング共振器への給電のための共通の信号線および共通のグラウンド線に接続され、前記各分割リング共振器は、前記信号線と前記グラウンド線がギャップおよび該ギャップより短いスリットを介して近接するように構成されることを特徴とする。

本発明によれば、フェイズドアレイアンテナと可動ミラーのいずれも用いずに電磁波を制御できる。

本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子１の利用形態を示す図である。図２（ａ）は、メタマテリアル能動素子１の平面図であり、図２（ｂ）は、メタマテリアル能動素子１を構成する分割リング共振器３の平面図である。ギャップ６の位置に空乏層容量８を設けた実施例を示す図である。分割リング共振器３におけるＬＣ共振およびdipole共振の発生箇所を示す図である。共振周波数およびその前後での誘電率および透過損失を示す図である。メタマテリアル能動素子１の動作周波数の設定位置を示す図である。分割リング共振器３についての他の形状例を示す図である。メタマテリアル能動素子１に入射した平面波の方向を変える際の基板表面内における電磁波の位相シフト量の分布を示す図である。メタマテリアル能動素子１に入射した平面波をメタマテリアル能動素子１からの距離Z₀の位置に集めるために、メタマテリアル能動素子１の中心からの距離によって曲げ角（θ(ｘ)）を変化させていることを示す図である。ギャップ６の間隔ｄを左から右へ徐々に長くなるように分布させた一例を示す図である。基板２の表面が、積層されたメタマテリアル能動素子１に入射する電磁波と平行に配置される場合を示す図である。従来における電磁波の制御方法を示すものであり、図１２（ａ）は、フェイズドアレイアンテナの仕組みを示す図であり、図１２（ｂ）は、可動ミラーを物理的に動かして反射によってビームを走査する方法を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子１の利用形態を示す図である。図２（ａ）は、メタマテリアル能動素子１の平面図である。図２（ｂ）は、メタマテリアル能動素子１を構成する分割リング共振器３の平面図である。図２（ａ）において、ｋは電磁波の進行方向を示す軸、Ｈは電磁波の磁界変化の方向を示す軸、Ｅは電磁波の電界変化の方向を示す軸であり、他の図でも同じである。

メタマテリアル能動素子１は、例えば、誘電体基板である基板２と、基板２に形成された複数の同一形状の分割リング共振器３とを備える。分割リング共振器３は密に配置される。基板２としては、基板２による反射や誘電損失を抑えるため、誘電正接および誘電率が小さい材料を用いることが望ましい。

各分割リング共振器３は、分割リング共振器３への給電のための共通の信号線４および共通のグラウンド線５に接続される。信号線４、グラウンド線５は金属パターンであり、これらに接続され、分割リング共振器３を構成するパターンも同じである。各分割リング共振器３は、例えば、メタマテリアル能動素子１を透過する電磁波の周波数における波長以下のサイズである。

また、各分割リング共振器３は、信号線４とグラウンド線５がギャップ６およびギャップ６より短いスリット７を介して近接するように構成される。信号線４とグラウンド線５の間に電圧を印加するので、信号線４とグラウンド線５をギャップ６とスリット７により絶縁する。

例えば、図１に示すように、アンテナ１０から出射される電磁波は、メタマテリアル能動素子１を透過する際、方向が変化し、反対側に出射する。図１では、基板２の表面が、入射する電磁波に対して垂直に配置されている。

例えば、ギャップ６の間隔ｄ、幅Ｗ、パターン厚の１つ以上を制御要素とし、メタマテリアル能動素子１内で制御要素が均一でないように、つまり制御要素を分布させることにより、メタマテリアル能動素子１における電磁波に対して垂直な面内の誘電率分布が所望の誘電率分布になる。

これにより、メタマテリアル能動素子１において電磁波の方向を変えることができる。つまり、ギャップ６の容量を分布させることで、所望の誘電率分布が得られ、これにより、電磁波の方向が変化する。

図３に示すように、ギャップ６を介して対向するパターン間に、半導体材料を用いた空乏層容量８を設け、所望の容量が得られるようにしてもよい。空乏層容量８は、基板２を半導体基板とすることにより得てもよいし、空乏層容量８として、ディスクリート可変容量ダイオードを実装してもよい。なお、容量の可変方法として、液晶材料、強誘電体材料、MEMS技術を用いてもよい。

なお、ギャップ６の容量を分布させるのでなく、各分割リング共振器３の形状を分布させることで、所望の誘電率分布を得てもよい。例えば、分割リング共振器３のインダクタンス成分を、分割リング共振器３のサイズを変えたり、分割リング共振器３をじゃばら形状にしたり、その二つを組み合わせたりし、これにより、所望の誘電率分布を得てもよい。また、スリット７の間隔等を分布させてもよい。また、容量とインダクタンスの組を制御要素とし、これを分布させ、誘電率分布を得てもよい。

また、さらに、信号線４とグラウンド線５の間に電圧を印加し、時間経過とともに電圧を変化させることで、曲げ角度が変化し、すなわち、メタマテリアル能動素子１から出射する電磁波の方向が変化する。つまり、ビーム走査が可能となる。

また、スリット７に高誘電率材料を挟んだり、櫛歯形状にしたり、容量成分を付加してもよい。

さて、例えば、基板２の表面に平行な電界成分をもつ電磁波が、基板２の表面に対して垂直に入射すると、パターン中の非対称性に起因する周回電流が流れる。

例えば、図４に示すように、特定の周波数において、第一次共振（ＬＣ共振）が発生する。また、第一次共振より高い周波数において、第二次共振（dipole共振）が発生する。dipole共振は、金属パターンの電界成分方向に誘起される電気双極子に起因する。

共振周波数は、金属パターンに含まれる形状の電界方向の長さや隣接するパターンとの間隔によって変化する。共振周波数においてメタマテリアル能動素子１の透過損失と誘電率は、それぞれローレンツ型の応答を示し、共振周波数近傍で透過損失が大きく、また誘電率の変化が大きい特性となる(図５)。

この共振周波数近傍の特性を利用して、空間的な誘電率の分布を形成すると、メタマテリアル能動素子１の透過損失が大きくなってしまう。

そこで、第一次共振と第二次共振の二つの共振周波数に見られる二つのローレンツ分布の間の周波数領域の特性を利用する。この領域では、電圧をＡ、Ｂに設定した際、大きな誘電率差を得られる。また、この領域を広くとることで、広い帯域で誘電率差を実現することができる(図６)。この領域は共振周波数から離れているので、透過損失を低減できる。

なお、分割リング共振器３の形状は、周回電流を流すための非対称性パターンが含まれ、かつ、メタマテリアル能動素子１の動作周波数が、第一次共振周波数と第二次共振周波数の間に存在するような形状であれば、図２（ｂ）と異なった形状でも良い(図７)。

なお、スリット７の間隔は、非対称性に起因する周回電流を流すために、ギャップ６の間隔とは異なるようにするのが好ましい。すなわち、本実施の形態では、間隔の短い方をスリットといい、長い方をギャップという。

スリット７の容量が、ギャップ６の容量より大きければ、後者の容量が支配的となる。よって、スリット７の間隔をギャップ６の間隔に比べて小さくし、スリット７に高誘電率材料を挟んだり、スリット７を櫛歯状として容量を大きくしたり、ギャップ６による容量より大きな容量を形成するとよい。

本実施の形態では、分割リング共振器３の容量と、その容量に対する誘電率、つまり電磁波がメタマテリアル能動素子１を透過する時の位相の変化量の対応関係を用いて、例えば、図８、図９のように、空間的な誘電率の分布に起因する位相シフト量の分布を形成すれば、メタマテリアル能動素子１により電磁波の伝搬を制御できる。

図８は、メタマテリアル能動素子１に入射した平面波の方向を変える際の基板表面内における電磁波の位相シフト量の分布を示す図である。

λ、θ、ｘ、φはそれぞれ入射する電磁波の波長、曲げ角度、基板表面内における基板端からの距離、位相変化量である。θとｘの間には、式（１）の関係が成立し、すなわち、式（２）が成立する。

また、図９は、メタマテリアル能動素子１に入射した平面波をメタマテリアル能動素子１からの距離Z₀の位置に集めるために、メタマテリアル能動素子１の中心からの距離によって曲げ角度（θ(ｘ)）を変化させていることを示す図である。θとｘの間には、式（３）の関係が成立し、すなわち、式（４）が成立する。

信号線４とグラウンド線５に対し、メタマテリアル能動素子１が、一次や二次以上の、空間的な誘電率の分布に起因する位相シフト量の分布を呈するように、電圧を印加する。

分割リング共振器３の容量と、分割リング共振器３を透過する際の位相の変化量の対応関係を用いて、例えば図８のように位相分布を形成することで、電磁波の方向を変えることができる。

例えば、図１０に示すように、ギャップ６の間隔ｄを左から右へ徐々に長くなるように分布させることで、電磁波の方向を変えることができる。

また、印加する電圧により、分割リング共振器３の容量を時間経過とともに変化させることにより、メタマテリアル能動素子１の誘電率分布も変化するので、それによりビーム走査を実現できる。

同様に、図９のように、透過時の位相変化量を基板表面内で二次以上になるようにし、さらに、印加する電圧により、ビーム幅を時間経過とともに、変化させることもできる。

また、電圧を印加しない状態で、つまり、初期状態として誘電率分布を形成することができるので、例えば集光特性を示す誘電率分布を初期状態としておくことで、電圧を印加した際は、集光しながらビーム走査することができる。

また、基板２を積層し、つまり、メタマテリアル能動素子１を立体的なものとし、印加電圧を立体的に変化させることで、電磁波の方向やビーム幅を自在に制御できる。

なお、基板２を積層した場合でも、一次の位相分布になるような誘電率分布とすることで電磁波を曲げることができ、さらに二次の位相分布になるような誘電率分布とすることで電磁波のビーム幅を広げたり狭めたりすることができる。

また、図１では、基板２の表面が、メタマテリアル能動素子１に入射する電磁波に対して垂直に配置されるようにしたが、図１１に示すように、基板２の表面が、積層されたメタマテリアル能動素子１に入射する電磁波（白ぬき矢印）と平行に配置されるようにしてもよい。

この場合、誘電率分布でなく、所望の透磁率分布を得ることができ、図１の場合と同様に、電磁波を曲げることができ、また、ビーム幅の変更、走査が可能となる。

１メタマテリアル能動素子
２基板
３分割リング共振器
４信号線
５グラウンド線
６ギャップ
７スリット

Claims

基板と、該基板に形成された複数の同一形状の分割リング共振器とを備え、
前記各分割リング共振器は、該分割リング共振器への給電のための共通の信号線および共通のグラウンド線に接続され、
前記各分割リング共振器は、前記信号線と前記グラウンド線がギャップおよび該ギャップより短いスリットを介して近接するように構成される
ことを特徴とするメタマテリアル能動素子。
前記基板の表面が、前記メタマテリアル能動素子に入射する電磁波に対して垂直に配置されている
ことを特徴とする請求項１記載のメタマテリアル能動素子。
前記分割リング共振器のパターン形状、寸法または特性を分布させることにより前記メタマテリアル能動素子における前記電磁波に対して垂直な面内の誘電率分布が所望の誘電率分布になっている
ことを特徴とする請求項２記載のメタマテリアル能動素子。
前記誘電率分布が、前記メタマテリアル能動素子におけるＬＣ共振の共振周波数よりdipole共振の共振周波数が高くなるような誘電率分布になっている
ことを特徴とする請求項３記載のメタマテリアル能動素子。
前記誘電率分布が、前記電磁波の方向を変えるような誘電率分布になっている
ことを特徴とする請求項３記載のメタマテリアル能動素子。
前記誘電率分布が、前記電磁波のビーム幅を変えるような誘電率分布になっている
ことを特徴とする請求項４記載のメタマテリアル能動素子。
請求項１記載のメタマテリアル能動素子が複数積層された
ことを特徴とする積層メタマテリアル能動素子。
前記基板の表面が、前記積層メタマテリアル能動素子に入射する電磁波と平行に配置されている
ことを特徴とする請求項７記載の積層メタマテリアル能動素子。