JP6783723B2 - 受動素子 - Google Patents

Description

本発明は、分割リング共振器を用いたメタマテリアル受動素子に関するものである。

ミリ波／テラヘルツ波は、その物質に対する透過性や高い分解能からイメージングやレーダー技術への応用が期待されている。しかし、その高い周波数ゆえに、回路内での伝搬損失が大きく、ミリ波／テラヘルツ波帯の信号を低損失に取り扱う技術が求められる。例えば非特許文献１では、１００ＧＨｚ以上の周波数で４×４の平面アレーアンテナを用いる場合、１０ｄＢ以上の損失が生じている。

材料の屈折率を設計し、空間系にて低損失に超高周波信号を制御可能なメタマテリアル技術は、超高周波帯空間系デバイスを実現する技術として期待されている。例えば非特許文献２では、分割リング共振器をメタマテリアルデバイスの単位セルとして用い、分割リング共振器のギャップの寸法を変化させることにより共振周波数をシフトさせている。この共振周波数のシフトにより、共振周波数から離れた、低損失な透過特性を示す動作周波数領域における透過移相量分布を変化させ、メタマテリアルデバイスを透過する電磁波の伝搬を制御している。

図１４に従来の代表的な分割リング共振器の構造を示す。分割リング共振器は、金属からなる導体部１００と、導体部１００に設けられたギャップ１０１とから構成される。ギャップ１０１と平行なｙ軸方向の電界成分Ｅ_inを有する入射電磁波により、ギャップ１０１に起電力が励起され周回電流ｉが生じる。この周回電流ｉは、ギャップ１０１と導体部１００とに由来する容量成分および誘導成分により決定されるＬＣ共振周波数において最大となる。

ギャップ１０１の寸法Ｇを変化させることにより、共振周波数をシフトさせる場合、寸法Ｇが大きい程、容量成分が小さいため、共振周波数は高くなる。一方で寸法Ｇが小さいと容量成分が大きくなるため、共振周波数も低くなる。
以上のように分割リング共振器のギャップ１０１の寸法Ｇを変化させ、分割リング共振器の共振周波数をシフトさせることにより、共振周波数近傍における透過位相量変化を実現し、共振周波数より高い損失の少ない周波数領域にて二次元の透過位相量分布を形成している。

上記のような分割リング共振器を単位セルとするメタマテリアルデバイスを利用すれば、電磁波の集光レンズ／偏向レンズを実現することができる。しかしながら、高利得の電磁波ビームを形成する場合、電磁波の波長に対してメタマテリアルデバイスの大きな開口面積が必要となり、電磁波の任意の伝搬方向、ビーム幅、あるいは焦点距離を実現するのに必要な透過位相変化量が大きくなるため、メタマテリアルデバイスに２πの透過位相変化量が求められる。

原理的に、散乱波の位相変化量は散乱体の共振周波数近傍において最大π［ｒａｄ］であるため、散乱を受けずに透過する直接波と散乱波との足し合わせとして観測される透過波の位相変化量はπ［ｒａｄ］よりも小さくなる。そのため、２π［ｒａｄ］の透過位相量設計幅を実現するためにはメタマテリアルデバイスを、ある間隔で多層化しなければならないため、メタマテリアルデバイスのサイズが大きくなってしまうという問題点があった。

W.Shin，et al.，"A 108-112 GHz 4×4 Wafer-Scale Phased Array Transmitter with High-Efficiency On-Chip Antennas"，proc.of IEEE RFIC，pp.199-202，2012 D.Kitayama，et.al.，"Laminated metamaterial flat lens at millimeter-wave frequencies"，OPTICS EXPRESS，Vol.23，No.18，pp.23348-23356，2015

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、従来よりも透過波の位相変化量を大きくすることができる受動素子を提供することを目的とする。

本発明の受動素子は、環状の金属からなる第１の導体部と、この第１の導体部によって囲まれた空間内に、前記第１の導体部の少なくとも１点と繋がるように形成された金属からなる第２の導体部とを備え、前記第２の導体部は、この第２の導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の受動素子は、環状の金属からなる第１の導体部と、この第１の導体部によって囲まれた空間内に、前記第１の導体部の２点間を接続するように形成された金属からなる第２の導体部とを備え、前記第１の導体部は、前記第２の導体部を間に挟んで互いに向かい合う位置に設けられた２つのギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の受動素子の１構成例は、前記入射電磁波によって前記第１、第２の導体部に励起される周回電流の経路が、前記第１の導体部の中心を含む面であり、かつ前記入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように前記第１、第２の導体部が形成されることを特徴とするものである。

また、本発明の受動素子は、環状の金属からなる導体部を備え、前記導体部は、この導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とするものである。
また、本発明の受動素子の１構成例は、前記入射電磁波によって前記導体部に励起される周回電流の経路が、前記導体部の中心を含む面であり、かつ前記入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように前記導体部が形成されることを特徴とするものである。

また、本発明の受動素子の１構成例は、前記第１の導体部と前記第２の導体部と前記ギャップとを各々含む複数の単位セルを備え、前記複数の単位セルは、アレイ状に配置され、前記複数の単位セルの各々は、前記ギャップの寸法および前記第１の導体部の寸法が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の受動素子の１構成例は、前記導体部と前記ギャップとを各々含む複数の単位セルを備え、前記複数の単位セルは、アレイ状に配置され、前記複数の単位セルの各々は、前記ギャップの寸法および前記導体部の寸法が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本発明の受動素子の１構成例は、鏡映対称の関係にある前記単位セルが混在して配置されることを特徴とするものである。

本発明によれば、環状の金属からなる第１の導体部と、第１の導体部によって囲まれた空間内に、第１の導体部の少なくとも１点と繋がるように形成された金属からなる第２の導体部とを設け、第２の導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成することにより、受動素子の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計することができ、従来の分割リング共振器に比べて位相設計幅を大きくすることができる。

また、本発明では、環状の金属からなる第１の導体部と、第１の導体部によって囲まれた空間内に、第１の導体部の２点間を接続するように形成された金属からなる第２の導体部とを設け、第２の導体部を間に挟んで互いに向かい合う位置に設けられた２つのギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成することにより、受動素子の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計することができ、従来の分割リング共振器に比べて位相設計幅を大きくすることができる。

また、本発明では、入射電磁波によって第１、第２の導体部に励起される周回電流の経路が、第１の導体部の中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように第１、第２の導体部を形成することにより、周回電流を流すために必要な条件を満たすことができる。

また、本発明では、環状の金属からなる導体部を設け、導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成することにより、受動素子の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計することができ、従来の分割リング共振器に比べて位相設計幅を大きくすることができる。

また、本発明では、入射電磁波によって導体部に励起される周回電流の経路が、導体部の中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように導体部を形成することにより、周回電流を流すために必要な条件を満たすことができる。

また、本発明では、第１の導体部と第２の導体部とギャップとを各々含む複数の単位セルをアレイ状に配置する。本発明では、同一形状の単位セルをアレイ状に配置すれば、入射電磁波の偏波を回転させることができる。また、本発明では、ギャップの寸法の違い、または第１の導体部の寸法の違いにより共振周波数が異なる単位セルをアレイ状に配置すれば、これらの単位セルが形成されている面に垂直な軸に対して散乱波の伝搬方向を傾けることができ、入射電磁波の伝搬方向を偏光する機能を実現することができる。あるいは、単位セルが形成されている面から離れた位置に散乱波が集光するレンズ機能を実現することができる。

また、本発明では、導体部とギャップとを各々含む複数の単位セルをアレイ状に配置する。本発明では、同一形状の単位セルをアレイ状に配置すれば、入射電磁波の偏波を回転させることができる。また、本発明では、ギャップの寸法の違い、または導体部の寸法の違いにより共振周波数が異なる単位セルをアレイ状に配置すれば、入射電磁波の伝搬方向を偏光する機能を実現したり、単位セルが形成されている面から離れた位置に散乱波が集光するレンズ機能を実現したりすることができる。

また、本発明では、鏡映対称の関係にある単位セルを混在させて配置することにより、受動素子の共振周波数近傍で２π［ｒａｄ］の位相設計幅を実現することができる。

図１は、本発明の第１の実施例に係る分割リング共振器の構造を示す平面図である。 図２は、本発明の第１の実施例に係る分割リング共振器の散乱波の強度および位相の特性を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る分割リング共振器の別の構造を示す平面図である。 図４は、図１、図３の分割リング共振器を並べて配置したメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図５は、図４のメタマテリアル受動素子の散乱波の強度および位相の特性を示す図である。 図６は、本発明の第２の実施例に係る分割リング共振器の構造を示す平面図である。 図７は、本発明の第２の実施例に係る分割リング共振器の別の構造を示す平面図である。 図８は、本発明の第２の実施例に係る分割リング共振器の別の構造を示す平面図である。 図９は、本発明の第３の実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図１０は、本発明の第４の実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図１１は、本発明の第５の実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図１２は、本発明の第６の実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図１３は、本発明の第７の実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。 図１４は、従来の分割リング共振器の構造を示す平面図である。

［発明の原理］
（I）本発明のメタマテリアル受動素子の単位セルとなる分割リング共振器は、環状の金属からなる第１の導体部によって囲まれた空間内に、第１の導体部の少なくとも１点と繋がるように形成された金属からなる第２の導体部を備える。第２の導体部は、この第２の導体部に設けられたギャップより再放射される散乱波（電磁波）が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されていることを特徴とする。

（II）あるいは、本発明のメタマテリアル受動素子の単位セルとなる分割リング共振器は、環状の金属からなる導体部を備える。導体部は、この導体部に設けられたギャップより再放射される散乱波（電磁波）が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されていることを特徴とする。

（III）具体的な例としては、上記の（Ｉ）、(II)の分割リング共振器は、ギャップより再放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と直交する電界成分を有するように第１、第２の導体部が形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、入射電磁波の電界方向成分と異なる電界方向成分を有する散乱波が生じるため、偏光板等により散乱波成分を抽出できる。散乱波成分のみを抽出できると、本発明の受動素子の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計できる。また、入射電磁波と異なる電界方向成分を有する散乱波が透過波と足し合わされることにより、楕円偏波や円偏波を形成することが可能になる。また、偏向板を組み合わせることで入射電磁波と異なる電界方向成分の直線偏波を形成することもできる。直線偏波成分は、本発明の受動素子の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計できる。

［第１の実施例］
従来の分割リング共振器は、図１４に示したように、導体部１００とギャップ１０１とから構成されており、ギャップ１０１より再放射される散乱波が、分割リング共振器に対して垂直に入射する電磁波の電界成分Ｅ_inと平行な方向の電界成分Ｅ_sを有する構造が形成されていた。周回電流ｉが誘起されるＬＣ共振モードが励起されると、ギャップ１０１に電気双極子が形成され、主にギャップ１０１より再放射される散乱波と、散乱されずに透過した入射電磁波とが足し合わされて透過波として観測される。

散乱されずに透過した入射電磁波と散乱波の電界成分方向が一致しているため、入射電磁波と散乱波とを分離することはできず、観測される透過波の位相変化は、散乱波の位相変化よりも小さくなってしまう。図１４に示した分割リング共振器の共振周波数近傍における散乱波の位相変化量はπ［ｒａｄ］である。しかしながら、例えば非特許文献２では、散乱されずに透過した入射電磁波と散乱波との足し合わせである透過波の位相変化設計幅はπ／３［ｒａｄ］となり、散乱波の位相変化よりも小さくなっている。

これに対して、本実施例では、上記の発明の原理で説明した構造を採用することにより、分割リング共振器の共振周波数近傍において透過波の位相変化量をπ［ｒａｄ］にすることができる。

図１は本実施例に係る分割リング共振器の構造を示す平面図である。本実施例の分割リング共振器１０ａは、環状の金属からなる導体部１と、導体部１によって囲まれた空間内に、導体部１の複数点（ここでは左右の２点）と繋がるように形成された金属からなる導体部２ａと、導体部２ａに設けられたギャップ３ａとから構成される。本発明では、導体部１，２ａとギャップ３ａとを含む面（図１の紙面）と垂直な方向から電磁波が入射する。図１におけるｘ，ｙ，ｚは座標軸を表し、Ｈは入射電磁波の磁界成分の方向、Ｅ_inは入射電磁波の電界成分の方向、ｋは波数の方向、Ｅ_sはギャップ３ａより再放射される散乱波（電磁波）の電界成分の方向を表している。

本実施例では、導体部１，２ａとギャップ３ａとを含む面（図１の紙面）内で導体部２ａをクランク状に曲げた形状とすることにより、ギャップ３ａより再放射される散乱波が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交する電界成分Ｅ_sを有するようにしている。さらに、本実施例では、導体部１，２ａとギャップ３ａとを含む面に対して垂直に入射する電磁波によって導体部１，２ａに励起される周回電流ｉの経路が、導体部１の中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面（図１の直線Ｌを含むｘｚ平面）に対して非対称となっている。これにより、入射電磁波に応じた周回電流ｉが図１のように流れ、ＬＣ共振モードが励起され、ギャップ３ａに電気双極子が誘起される。

本実施例における散乱特性の概念図を図２に示す。図２の２０は本実施例の分割リング共振器１０ａの散乱波の強度を示し、２１は散乱波の位相を示している。このように、散乱波は、分割リング共振器１０ａの共振周波数近傍においてπ［ｒａｄ］の位相変化を生じる。

本実施例では、電気双極子が放射する散乱波の電界成分Ｅ_sの方向が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交しているため、例えば偏光板や偏波依存性の大きなアンテナ等を用いることで散乱波のみを抽出することができる。したがって、分割リング共振器１０ａの共振周波数近傍における散乱波の位相変化量（０〜π［ｒａｄ］）の範囲で透過位相を設計することができ、従来の分割リング共振器に比べて位相設計幅を大きくすることができる。

図３は本実施例に係る分割リング共振器の別の構造を示す平面図であり、同一の構成には同一の符号を付してある。分割リング共振器１０ｂは、導体部１と、導体部１によって囲まれた空間内に、導体部１の複数点（ここでは左右の２点）と繋がるように形成された金属からなる導体部２ｂと、導体部２ｂに設けられたギャップ３ｂとから構成される。本構成においても図３のように周回電流ｉを流すために、周回電流ｉの経路が、導体部１の中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面（図３の直線Ｌを含むｘｚ平面）に対して非対称となるようにする必要がある。

分割リング共振器１０ｂでは、導体部１，２ｂとギャップ３ｂとを含む面（図３の紙面）内で導体部２ｂをクランク状に曲げた形状としているが、図１に示した分割リング共振器１０ａに対して導体部２ｂが曲がる方向を逆方向にしている。つまり、分割リング共振器１０ａと分割リング共振器１０ｂとは鏡映対称の関係にある。

このように導体部２ｂが曲がる方向が逆方向になると、ギャップ３ｂに形成される電気双極子の極性が図１に対して反転するため、ギャップ３ｂより再放射される散乱波の位相は図１のギャップ３ａより再放射される散乱波の位相に対してπ［ｒａｄ］ずれる。そのため、図１に示した分割リング共振器１０ａと図３に示す分割リング共振器１０ｂの両方を用いることで、分割リング共振器１０ａ，１０ｂの共振周波数近傍で２π［ｒａｄ］の位相設計幅を実現することができる。

図４に示すように分割リング共振器１０ａ，１０ｂを並べて配置したメタマテリアル受動素子の散乱特性の概念図を図５に示す。図５の５０は分割リング共振器１０ａ，１０ｂの散乱波の強度を示し、５１は分割リング共振器１０ａの散乱波の位相を示し、５２は分割リング共振器１０ｂの散乱波の位相を示している。分割リング共振器１０ａ，１０ｂのそれぞれの散乱波は、分割リング共振器１０ａ，１０ｂの共振周波数近傍においてπ［ｒａｄ］の位相変化を生じる。

図４の例では、分割リング共振器１０ａ，１０ｂのギャップ３ａ，３ｂに誘起される電気双極子が放射する散乱波の電界成分Ｅ_sの方向が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交しているため、散乱波のみを抽出することができる。したがって、分割リング共振器１０ａ，１０ｂの共振周波数近傍における散乱波の位相変化を利用することで最大で２π［ｒａｄ］の透過位相変化量を実現することができ、従来構造に対して大きな位相設計幅をメタマテリアル一層のみで実現することができる。

［第２の実施例］
次に、本発明の第２の実施例について説明する。本実施例は、分割リング共振器の別の例を示すものである。図６（Ａ）〜図６（Ｆ）、図７（Ａ）〜図７（Ｆ）、図８（Ａ）〜図８（Ｆ）は本実施例に係る分割リング共振器の構造を示す平面図であり、図１、図３と同一の構成には同一の符号を付してある。

図６（Ａ）に示す分割リング共振器１０ｃは、金属からなる導体部１，２ｃと、導体部２ｃを分断するように設けられたギャップ３ｃとから構成される。分割リング共振器１０ｃは、分割リング共振器１０ａと同様の平面形状を有するものであるが、分割リング共振器１０ａの導体部２ａの幅がギャップ３ａの部分で広くなっているのに対し、分割リング共振器１０ｃでは、幅が一定の導体部２ｃの部分にギャップ３ｃが形成されている。

図６（Ｂ）に示す分割リング共振器１０ｄは、金属からなる導体部１，２ｄと、導体部２ｄを分断するように設けられたギャップ３ｄとから構成される。分割リング共振器１０ｄは、分割リング共振器１０ｂと同様の平面形状を有するものであるが、分割リング共振器１０ｂの導体部２ｂの幅がギャップ３ｂの部分で広くなっているのに対し、分割リング共振器１０ｄでは、幅が一定の導体部２ｄの部分にギャップ３ｄが形成されている。分割リング共振器１０ｃと分割リング共振器１０ｄとは鏡映対称の関係にある。

図６（Ｃ）に示す分割リング共振器１０ｅは、導体部１と、導体部１によって囲まれた空間内に、それぞれ導体部１の１点と繋がるように形成された金属からなる２つの導体部２ｅと、２つの導体部２ｅの間に設けられたギャップ３ｅとから構成される。分割リング共振器１０ａ〜１０ｄでは、それぞれ１つの導体部２ａ〜２ｄを分断するようにギャップ３ａ〜３ｄが形成されていた。

これに対して、分割リング共振器１０ｅでは、入射電磁波の電界成分Ｅ_inと直交する方向の距離が一定値だけ離れた形で、導体部１の内側から入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向に沿って互いに逆向きに延伸する２つの導体部２ｅを設け、この２つの導体部２ｅの対向する部分の間をギャップ３ｅとしている。２つの導体部２ｅの距離がギャップ３ｅの寸法となる。このような構造により、分割リング共振器１０ｅにおいても、ギャップ３ｅより再放射される散乱波が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交する電界成分Ｅ_sを有し、また入射電磁波によって導体部１，２ｅに励起される周回電流ｉの経路が、導体部１の中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面（図６（Ｃ）の直線Ｌを含むｘｚ平面）に対して非対称となっている。

図６（Ｄ）に示す分割リング共振器１０ｆは、導体部１と、導体部１によって囲まれた空間内に、それぞれ導体部１の１点と繋がるように形成された金属からなる２つの導体部２ｆと、２つの導体部２ｆの間に設けられたギャップ３ｆとから構成される。分割リング共振器１０ｆでは、２つの導体部２ｆの延伸する向きが分割リング共振器１０ｅの導体部２ｅと逆になっている。これにより、分割リング共振器１０ｅと分割リング共振器１０ｆとは鏡映対称の関係にある。

図６（Ｅ）に示す分割リング共振器１０ｇは、環状の金属からなる導体部１ｇと、導体部１ｇによって囲まれた空間内に導体部１ｇの２点間を接続するように形成された金属からなる導体部２ｇと、導体部１ｇを分断するように設けられた２つのギャップ３ｇとから構成される。分割リング共振器１０ａ〜１０ｆでは、導体部２ａ〜２ｆにギャップ３ａ〜３ｆが設けられていた。

これに対して、分割リング共振器１０ｇでは、導体部１ｇに２つのギャップ３ｇを形成している。具体的には、導体部１ｇを２つに分断し、分断した導体部１ｇに対向する部分が２箇所できるように、入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向および電界成分Ｅ_inと直交する方向に位置をずらして、この２つの導体部１ｇの対向する部分の間をギャップ３ｇとしている。このような構造により、分割リング共振器１０ｇにおいても、ギャップ３ｇより再放射される散乱波が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交する電界成分Ｅ_sを有し、また入射電磁波によって導体部１ｇ，２ｇに励起される周回電流ｉの経路が、導体部１ｇの中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面（図６（Ｅ）の直線Ｌを含むｘｚ平面）に対して非対称となっている。

図６（Ｆ）に示す分割リング共振器１０ｈは、環状の金属からなる導体部１ｈと、導体部１ｈによって囲まれた空間内に導体部１ｈの２点間を接続するように形成された金属からなる導体部２ｈと、導体部１ｈを分断するように設けられた２つのギャップ３ｈとから構成される。分割リング共振器１０ｈでは、分割リング共振器１０ｇと鏡映対称の関係になるように、分断された２つの導体部１ｈのずらし方を分割リング共振器１０ｇの導体部１ｇと逆にしている。

図７（Ａ）に示す分割リング共振器１０ｉは、金属からなる導体部１ｉ，２ｉと、導体部２ｉを分断するように設けられたギャップ３ｉとから構成される。分割リング共振器１０ｉは、分割リング共振器１０ｃの角環状の導体部１の代わりに、円環状の導体部１ｉを設けたものである。

図７（Ｂ）に示す分割リング共振器１０ｊは、金属からなる導体部１ｊ，２ｊと、導体部２ｊを分断するように設けられたギャップ３ｊとから構成される。分割リング共振器１０ｊは、分割リング共振器１０ｄの導体部１の代わりに、円環状の導体部１ｉを設けたものである。分割リング共振器１０ｉと分割リング共振器１０ｊとは鏡映対称の関係にある。

図７（Ｃ）に示す分割リング共振器１０ｋは、導体部１ｉと、導体部１ｉによって囲まれた空間内に、それぞれ導体部１ｉの１点と繋がるように形成された金属からなる２つの導体部２ｋと、２つの導体部２ｋの間に設けられたギャップ３ｋとから構成される。分割リング共振器１０ｋは、分割リング共振器１０ｅの導体部１の代わりに、円環状の導体部１ｉを設けたものである。

図７（Ｄ）に示す分割リング共振器１０ｌは、導体部１ｉと、導体部１ｉによって囲まれた空間内に、それぞれ導体部１ｉの１点と繋がるように形成された金属からなる２つの導体部２ｌと、２つの導体部２ｌの間に設けられたギャップ３ｌとから構成される。分割リング共振器１０ｌは、分割リング共振器１０ｆの導体部１の代わりに、円環状の導体部１ｉを設けたものである。分割リング共振器１０ｋと分割リング共振器１０ｌとは鏡映対称の関係にある。

図７（Ｅ）に示す分割リング共振器１０ｍは、円環状の金属からなる導体部１ｍと、導体部１ｍによって囲まれた空間内に導体部１ｍの２点間を接続するように形成された金属からなる導体部２ｍと、導体部１ｍを分断するように設けられた２つのギャップ３ｍとから構成される。分割リング共振器１０ｍは、分割リング共振器１０ｇの導体部１ｇの代わりに、円環状の導体部１ｍを設けたものである。

図７（Ｆ）に示す分割リング共振器１０ｎは、円環状の金属からなる導体部１ｎと、導体部１ｎによって囲まれた空間内に導体部１ｎの２点間を接続するように形成された金属からなる導体部２ｎと、導体部１ｎを分断するように設けられた２つのギャップ３ｎとから構成される。分割リング共振器１０ｎでは、分割リング共振器１０ｍと鏡映対称の関係になるように、分断された２つの導体部１ｎのずらし方を分割リング共振器１０ｍの導体部１ｍと逆にしている。

図８（Ａ）に示す分割リング共振器１０ｏは、金属からなる導体部１，２ｏと、導体部２ｏを分断するように設けられたギャップ３ｏとから構成される。分割リング共振器１０ｏの導体部２ｏは、分割リング共振器１０ｃの導体部２ｃの角を丸めたものに相当する。

図８（Ｂ）に示す分割リング共振器１０ｐは、金属からなる導体部１，２ｐと、導体部２ｐを分断するように設けられたギャップ３ｐとから構成される。分割リング共振器１０ｐの導体部２ｐは、分割リング共振器１０ｄの導体部２ｄの角を丸めたものに相当する。分割リング共振器１０ｏと分割リング共振器１０ｐとは鏡映対称の関係にある。

図８（Ｃ）に示す分割リング共振器１０ｑは、環状の金属からなる導体部１ｑと、導体部１ｑに設けられたギャップ３ｑとから構成される。分割リング共振器１０ｑでは、導体部１ｑに分断部を１箇所形成し、この分断部に対向する部分ができるように、入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向および電界成分Ｅ_inと直交する方向に位置をずらして、この対向する部分の間をギャップ３ｑとしている。このような構造により、分割リング共振器１０ｑにおいても、ギャップ３ｑより再放射される散乱波が入射電磁波の電界成分Ｅ_inの方向と直交する電界成分Ｅ_sを有し、また入射電磁波によって導体部１ｑに励起される周回電流ｉの経路が、導体部１ｑの中心を含む面であり、かつ入射電磁波の電界面と平行な面（図８（Ｃ）の直線Ｌを含むｘｚ平面）に対して非対称となっている。

図８（Ｄ）に示す分割リング共振器１０ｒは、環状の金属からなる導体部１ｒと、導体部１ｒに設けられたギャップ３ｒとから構成される。分割リング共振器１０ｒでは、分割リング共振器１０ｑと鏡映対称の関係になるように、分断された導体部１ｒのずらし方を分割リング共振器１０ｑの導体部１ｑと逆にしている。

図８（Ｅ）に示す分割リング共振器１０ｓは、金属からなる導体部１ｉ，２ｓと、導体部２ｓを分断するように設けられたギャップ３ｓとから構成される。分割リング共振器１０ｓの導体部２ｓは、分割リング共振器１０ｉの導体部２ｉの角を丸めたものに相当する。

図８（Ｆ）に示す分割リング共振器１０ｔは、金属からなる導体部１ｉ，２ｔと、導体部２ｔを分断するように設けられたギャップ３ｔとから構成される。分割リング共振器１０ｔの導体部２ｔは、分割リング共振器１０ｊの導体部２ｊの角を丸めたものに相当する。分割リング共振器１０ｓと分割リング共振器１０ｔとは鏡映対称の関係にある。

［第３の実施例］
次に、本発明の第３の実施例について説明する。図９は本実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。本実施例のメタマテリアル受動素子は、誘電体基板４上に、鏡映対称の関係にある分割リング共振器１０ａ，１０ｂ（単位セル）をアレイ状に形成したものである。これにより、本実施例では、分割リング共振器１０ａ，１０ｂの共振周波数近傍で２π［ｒａｄ］の位相設計幅を実現することができ、従来構造に対して大きな位相設計幅をメタマテリアル一層のみで実現することができる。本実施例では、鏡映対称の関係にあるものであれば、分割リング共振器１０ａ〜１０ｔのいずれを用いてもよい。

［第４の実施例］
次に、本発明の第４の実施例について説明する。図１０は本実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。本実施例のメタマテリアル受動素子は、誘電体基板４上に、同一形状の分割リング共振器１０ａ（単位セル）をアレイ状に形成したものである。これにより、本実施例では、入射波の偏波を回転させることができる。本実施例では、分割リング共振器１０ａ〜１０ｔのいずれを用いてもよい。

［第５の実施例］
次に、本発明の第５の実施例について説明する。図１１は本実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。本実施例のメタマテリアル受動素子は、誘電体基板４上に、入射電磁波の電界成分Ｅ_inと直交する方向のギャップ３ａ−１，３ａ−２の寸法Ｇが異なる分割リング共振器１０ａ−１，１０ａ−２（単位セル）をアレイ状に形成したものである。

本実施例では、容量成分に該当するギャップ３ａ−１，３ａ−２の寸法の違いにより共振周波数が異なる分割リング共振器１０ａ−１，１０ａ−２を配置することで、散乱波位相分布を形成することができる。例えばギャップ３ａ−１，３ａ−２より再放射される散乱波の位相を式（１）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面に垂直な軸に対して散乱波の伝搬方向がθ［ｒａｄ］傾く。

ここで、ｘおよびｙはメタマテリアル受動素子が形成されている面の座標、Φ（ｘ，ｙ）は（ｘ，ｙ）における散乱波位相、λは入射電磁波の波長、θは偏向角である。このように、散乱波の位相が式（１）になるように、ギャップの寸法が異なる分割リング共振器をアレイ状に形成することにより、入射電磁波の伝搬方向を偏光する機能を実現することができる。

また、散乱波の位相を式（２）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面から距離ｆ₀に散乱波が集光するレンズ機能を実現することができる。

なお、本実施例では、ギャップの寸法が異なるものであれば、分割リング共振器１０ａ〜１０ｔのいずれを用いてもよい。

［第６の実施例］
次に、本発明の第６の実施例について説明する。図１２は本実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。本実施例のメタマテリアル受動素子は、誘電体基板４上に、環状の導体部１−３，１−４の寸法が異なる分割リング共振器１０ａ−３，１０ａ−４（単位セル）をアレイ状に形成したものである。

誘導成分に該当する導体部１−３，１−４の寸法の違いにより共振周波数が異なる分割リング共振器１０ａ−３，１０ａ−４を配置することで、散乱波位相分布を形成することができる。例えばギャップ３ａより再放射される散乱波の位相を式（１）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面に垂直な軸に対して散乱波の伝搬方向がθ［ｒａｄ］傾くので、入射電磁波の伝搬方向を偏光する機能を実現することができる。

また、散乱波の位相を式（２）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面から距離ｆ₀に散乱波が集光するレンズ機能を実現することができる。本実施例では、環状の導体部の寸法が異なるものであれば、分割リング共振器１０ａ〜１０ｔのいずれを用いてもよい。

［第７の実施例］
次に、本発明の第７の実施例について説明する。図１３は本実施例に係るメタマテリアル受動素子の構造を示す平面図である。本実施例のメタマテリアル受動素子は、誘電体基板４上に、入射電磁波の電界成分Ｅ_inと直交する方向のギャップ３ａ−５〜３ａ−８の寸法Ｇおよび環状の導体部１−５〜１−８の寸法が異なる分割リング共振器１０ａ−５〜１０ａ−８を、アレイ状に形成したものである。

本実施例では、容量成分に該当するギャップ３ａ−５〜３ａ−８の寸法の違いおよび誘導成分に該当する導体部１−５〜１−８の寸法の違いにより共振周波数が異なる分割リング共振器１０ａ−５〜１０ａ−８を配置することで、散乱波位相分布を形成することができる。例えばギャップ３ａ−５〜３ａ−８より再放射される散乱波の位相を式（１）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面に垂直な軸に対して散乱波の伝搬方向がθ［ｒａｄ］傾くので、入射電磁波の伝搬方向を偏光する機能を実現することができる。

また、散乱波の位相を式（２）に従う位相分布とすると、本実施例のメタマテリアル受動素子が形成されている面から距離ｆ₀に散乱波が集光するレンズ機能を実現することができる。本実施例では、ギャップの寸法および環状の導体部の寸法が異なるものであれば、分割リング共振器１０ａ〜１０ｔのいずれを用いてもよい。

第５〜第７の実施例において、ギャップの寸法および環状の導体部の寸法は単位セル（分割リング共振器）毎に設定すればよい。
また、第５〜第７の実施例では、ギャップの寸法および環状の導体部の寸法のうち少なくとも一方が異なる同種の単位セル（分割リング共振器）をアレイ状に形成したが、鏡映対称の関係にある単位セルを混在させて配置してもよい。鏡映対称の関係にある単位セルを混在させて配置することにより、ギャップより再放射される散乱波の位相変化量を２πの範囲で設計することができる。

本発明は、分割リング共振器を用いたメタマテリアル受動素子に適用することができる。

１，１ｇ，１ｈ，１ｉ，１ｍ，１ｎ，１ｑ，１ｒ，２ａ〜２ｐ，２ｓ，２ｔ…導体部、３ａ〜３ｔ…ギャップ、４…誘電体基板、１０ａ〜１０ｔ…分割リング共振器。

Claims (8)

1. 環状の金属からなる第１の導体部と、
   この第１の導体部によって囲まれた空間内に、前記第１の導体部の少なくとも１点と繋がるように形成された金属からなる第２の導体部とを備え、
   前記第２の導体部は、この第２の導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とする受動素子。
2. 環状の金属からなる第１の導体部と、
   この第１の導体部によって囲まれた空間内に、前記第１の導体部の２点間を接続するように形成された金属からなる第２の導体部とを備え、
   前記第１の導体部は、前記第２の導体部を間に挟んで互いに向かい合う位置に設けられた２つのギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とする受動素子。
3. 請求項１また２記載の受動素子において、
   前記入射電磁波によって前記第１、第２の導体部に励起される周回電流の経路が、前記第１の導体部の中心を含む面であり、かつ前記入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように前記第１、第２の導体部が形成されることを特徴とする受動素子。
4. 環状の金属からなる導体部を備え、
   前記導体部は、この導体部に設けられたギャップより放射される散乱波が入射電磁波の電界成分方向と異なる方向の電界成分を有するように形成されることを特徴とする受動素子。
5. 請求項４記載の受動素子において、
   前記入射電磁波によって前記導体部に励起される周回電流の経路が、前記導体部の中心を含む面であり、かつ前記入射電磁波の電界面と平行な面に対して非対称となるように前記導体部が形成されることを特徴とする受動素子。
6. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載の受動素子において、
   前記第１の導体部と前記第２の導体部と前記ギャップとを各々含む複数の単位セルを備え、
   前記複数の単位セルは、アレイ状に配置され、
   前記複数の単位セルの各々は、前記ギャップの寸法および前記第１の導体部の寸法が単位セル毎に設定されることを特徴とする受動素子。
7. 請求項４または５記載の受動素子において、
   前記導体部と前記ギャップとを各々含む複数の単位セルを備え、
   前記複数の単位セルは、アレイ状に配置され、
   前記複数の単位セルの各々は、前記ギャップの寸法および前記導体部の寸法が単位セル毎に設定されることを特徴とする受動素子。
8. 請求項６または７記載の受動素子において、
   鏡映対称の関係にある前記単位セルが混在して配置されることを特徴とする受動素子。