JP6911932B2 - 偏波制御板 - Google Patents

Description

本発明は、電磁波の偏波を制御する偏波制御板に関する。

本発明に関連する技術が特許文献１及び２に開示されている。

特許文献１は、２枚の金属板とそれらの間に位置する誘電体共振器とを含む単位セルを複数配置した構造体により、放射波の偏波特性を調整することを開示している。

特許文献２は、誘電体層と、不連続に分割された２個以上の導体セルを有する導体層と、信号線路と、電気的結合素子とから構成された高周波基板が開示されている。

特開２０１４−４１１００号公報 特開２００６−２４５９１７号公報

本発明者は、金属パターンを有するアドミタンスシートで構成された偏波制御板は、所定の偏波回転量で構造全体が共振状態に近づき、流れる電流が大きくなってロスが大きくなる等の不都合が発生することを見出した。本発明は、当該不都合を軽減することを課題とする。

本発明では、
それぞれが複数の平面単位セルを含むｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートが重なっており、
前記平面単位セルは、前記平面単位セルが延在する面と平行なｘ方向のアドミタンスと、前記ｘ方向と直交し、かつ、前記面に平行なｙ方向のアドミタンスが互いに異なり、
ａ層（１≦ａ≦ｎ）のアドミタンスシートに含まれる第１の平面単位セルのアドミタンスと、ｂ層（１≦ｂ≦ｎかつｂ≠ａ）のアドミタンスシートに含まれていて前記第１の平面単位セルと重なる第２の平面単位セルのアドミタンスと、は互いに異なる偏波制御板が提供される。

本発明によれば、所定の偏波回転量で構造全体が共振状態に近づき、流れる電流が大きくなってロスが大きくなる不都合が改善される。

上述した目的、および、その他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、および、それに付随する以下の図面によって、さらに明らかになる。

本実施形態の偏波制御板の構造の一例を説明するための図である。 透磁率を制御する構造の一例を説明するための図である。 透磁率を制御する構造の一例を説明するための図である。 誘電率を制御する構造の一例を説明するための図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 アドミタンスシートが有する金属パターンの一例を示す図である。 平面単位セルを積層した積層体の一例を説明するための図である。 位相制御板の当回路図の一例を示す図である。 位相制御板の当回路図の一例を示す図である。 ３次元単位セルの並べ方の一例を説明するための図である。 ３次元単位セルの並べ方の一例を説明するための図である。 ３次元単位セルの並べ方の一例を説明するための図である。 ３層構造のシミュレーション結果を示す図である。 ３層構造のシミュレーション結果を示す図である。 ３層構造のシミュレーション結果を示す図である。 ６層構造のシミュレーション結果を示す図である。 ６層構造のシミュレーション結果を示す図である。 ６層構造のシミュレーション結果を示す図である。

本実施形態の位相制御板は、それぞれが複数の平面単位セルを含むｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートが重なって構成される。２層のアドミタンスシート間には誘電体層が存在する。すなわち、位相制御板は、ｎ層のアドミタンスシートと、（ｎ−１）層の誘電体層とを含み、アドミタンスシートと誘電体層とを交互に積層した構造となっている。

図１に、６層のアドミタンスシート１０−１乃至１０−６が開示されている。例えば、本実施形態の位相制御板は、６層のアドミタンスシート１０−１乃至１０−６と、５層の誘電体層とを交互に積層した構造となっている。なお、本実施形態の位相制御板は、５層のアドミタンスシートと４層の誘電体層とを交互に積層した構造であってもよいし、４層のアドミタンスシートと３層の誘電体層とを交互に積層した構造であってもよいし、その他であってもよい。また、図示するアドミタンスシートは平面形状が四角形となっているが、円形などその他の形状であってもよい。

各アドミタンスシートは、金属パターンを有する。金属パターンは、金属を含んで構成された複数種類の平面単位セルを、一定の規則を持ってまたはランダムに２次元に並べた構造となっている。なお、アドミタンスシートの金属以外の部分は、例えば誘電体が存在する。平面単位セルの大きさは、電磁波の波長に比べて十分に小さい。このため、平面単位セルの集合は、電磁的な連続媒質として機能する。金属パターンの構造により透磁率及び誘電率を制御することで、屈折率（位相速度）及びインピーダンスを独立して制御できる。また、真空のインピーダンス値と偏波制御板のインピーダンス値を整合させながら（つまりは、無反射条件を保ちながら）、位相定数を制御することにより、偏波制御板中で遅れる位相シフト量を制御することができ、偏波制御板に入射した電磁波の位相を偏波制御板内で揃えることができる。

ここで、偏波制御板が備える構造の一例を説明する。

まず、図２を参照し、透磁率を制御する構造の一例を説明する。図２は、いわゆるスプリットリング共振器の構造を示す図である。透磁率を制御する構造は、２つの金属層で構成される。図中のｘｙ面に金属層が延在している。そして、図中のｚ方向が、２つの金属層の積層方向である。金属層１は第１のアドミタンスシートに対応し、金属層２は第２のアドミタンスシートに対応する。金属層２には、線状又は板状の金属が形成される。金属層１には、互いに分離した２つの線状又は板状の金属が形成される。そして、金属層１の２つの金属各々は、例えばビアを介して金属層２の同じ金属に接続される。図示するように、金属層２の金属と、金属層１の２つの金属と、２本のビアとは、ｘ方向から観察すると一部が開口した環状の金属（スプリットリング）となるように、互いに接続される。図２では、このようなスプリットリング構造がｙ方向に並んでいる様子が示されている。スプリットリング構造は、ｘ方向に並んでいてもよい。

当該構造においてｘ方向に成分を持った磁場Ｂinがかかると、スプリットリングに沿って、環状の電流Ｊindが流れる。スプリットリングは、直列ＬＣ共振器の回路モデルで記述される。環状の金属の太さ・広さおよび周方向の長さを調整することで、直列ＬＣ共振器を構成するインダクタンスＬを調整できる。また、環状の金属の開口部分（図２中の波線で囲まれた部分）の幅や、金属の線幅等を調整することで、キャパシタンスＣを調整できる。このＬ及びＣを調整することで、電流Ｊindを調整できる。そして、電流Ｊindを調整することで、これにより生じる磁場を調整できる。つまり、透磁率の制御が可能となる。一方、ｙ方向に成分を持った磁場Ｂinがかかっても、スプリットリングに電流は流れず透磁率は制御されない。つまり、磁場の向きに応じて透磁率の制御が行われるため、偏波依存性を持って透磁率の制御ができる。そのため、図２に示す構造は、位相制御のみならず、偏波制御も可能となる。

図３を参照し、透磁率を制御する構造の他の一例を説明する。透磁率を制御する構造は、２枚の金属パターン層を互いに異なる層に対向して配置して構成される。図中のｘｙ面に平行な面に２枚の金属パターン層が延在している。１枚の金属パターン層が第１のアドミタンスシートに対応し、他の１枚の金属パターン層が第２のアドミタンスシートに対応する。金属パターン層は、インピーダンス（アドミタンス）を制御するために金属パターンを備えている。２つの金属パターン層の間に、２つの金属パターン層に平行な成分を持った磁場Ｂinがかかると、２つの金属パターン層には、互いに逆向きの電流Ｊindが流れる。磁場Binにより誘起される電流は、必ず対向して流れるため、等価的に環状電流とみなせ、磁場を誘起することができる。２つの金属パターン層のアドミタンスを調整することで、電流Ｊindを調整できる。そして、電流Ｊindを調整することで、これにより生じる磁場を調整できる。つまり、透磁率を制御できる。金属パターン層のアドミタンスの調整は、金属パターン層の金属パターンより形成されるインダクタンスＬやキャパシタンスＣを調整することで実現できる。

なお、金属パターン層のアドミタンスＹ１は偏波依存性（面内における方向依存性）を持つ。例えば、図３のｘ方向に磁場Ｂinが印加されたときには、金属パターン層上に、磁場と直交する方向（ｙ方向）に電流がながれ、透磁率の制御がなされる。図３のy方向に磁場Ｂinが印加されたときには、金属パターン層上に磁場と直交する方向、ｘ方向に電流がながれ、透磁率の制御がなされる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して異なるアドミタンスを持つように金属パターンを調整することによって、偏波依存性を持たせて透磁率を制御することができる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して異なるアドミタンスを持たせることは、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで実現できる。そのため、アドミタンスが制御された２枚の金属パターン層を、方向依存性を持って透磁率を制御する構造として用いることができる。

次に、図４を参照し、誘電率を制御する構造の一例を説明する。誘電率を制御する構造は、１枚の金属パターン層で構成される。図中のｘｙ面に金属パターン層が延在している。当該金属パターン層が、アドミタンスシートに対応する。金属パターン層は、インピーダンス（アドミタンス）を制御するために金属パターンを備えている。図４に示すような向きの電場Ｅinにより、金属パターン層のアドミタンス調整面の２点間に電位差が誘起する。この電位差により流れる電流Ｊindを、金属パターン層のアドミタンスを調整することで調整し、これにより生じる電場を調整できる。つまり、誘電率が制御できる。

なお、金属パターン層のアドミタンスＹ１は偏波依存性（面内における方向依存性）を持っている。例えば、図４のｙ方向に電場Ｅinが印加されたときには、上記したように、金属パターン層上に、電場と平行な方向（ｙ方向）に電流がながれ、誘電率の制御がなされる。図４のｘ方向に電場Ｅinが印加されたときには、金属パターン層上に電場と平行な方向、ｘ方向に電流がながれ、誘電率の制御がなされる。y方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して異なるアドミタンスを持つように金属パターンを調整することによって、偏波依存性を持たせて誘電率を制御することができる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して異なるアドミタンスを持たせることは、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで実現できる。そのため、アドミタンスが制御された１枚の金属パターン層を、方向依存性を持って透磁率を制御する構造として用いることができる。

上記より、２層の金属パターン層により透磁率が制御され、１層の金属パターン層により誘電率が制御されることがわかる。また、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで、偏波依存性を持って透磁率、誘電率を制御できることがわかる。インピーダンス、位相定数は、誘電率、透磁率を用いて、下記式（１）及び（２）で与えられる。これより、誘電率、透磁率を制御することにより、真空のインピーダンスと位相制御板のインピーダンスを整合させながら（つまりは、無反射条件を保ちながら）、位相定数を制御することにより、偏波制御板中で遅れる位相シフト量を制御することができる。更に、上記したように、これらの制御された誘電率（εeff）、透磁率（μeff）は、金属パターン層の面内における方向によって、異なる値を持つことができる。そのため、偏波を制御することができる。

次に、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの一例を説明する。アドミタンスをキャパシタンスからインダクタンスへと広い範囲にわたって制御するには、共振回路の利用が考えられ、図５に示すのは直列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図示する金属パターンは、ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属で十字形状を形成した平面単位セルを複数並べた金属パターンを示す図である。ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属各々は、インダクタンスＬを形成する。また、ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属各々は、両端の線幅が他の部分よりも広くなっており、ｘ軸方向及びｙ軸方向に隣り合うパターンとの間にキャパシタンスＣを形成する。これにより、ｘ軸方向の直列共振器及びｙ軸方向の直列共振器が形成される。

なお、ｘ軸方向の直列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値と、ｙ軸方向の直列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値とは互いに異なるようなパターンとなっている。このため、ｘ軸方向のアドミタンスとｙ軸方向のアドミタンスとは互いに異なる。すなわち、本実施形態の平面単位セルは、平面単位セルが延在する面（図５の場合、紙面に平行な面）に平行なｘ方向のアドミタンスと、当該ｘ方向と直交し、かつ、平面単位セルが延在する面に平行なｙ方向のアドミタンスが互いに異なる。

ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図６に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図６は、図５に示す十字形状の構造各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ平面単位セルを複数並べた金属パターンを示す図である。複数の環状の金属は、隣り合う環状の金属と一辺を共有している。

図６に示される金属パターンは、「環状の金属により形成されるインダクタンスＬ」と、「環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣ、環状の金属の内部にある金属パターンにより形成されるインダクタンスＬ、環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣがこの順に直列に繋がった直列共振器部分」と、により並列共振回路として振舞う。このうち、Ｃ、Ｌ、Ｃが直列につながった直列共振器部分は、直列共振器の共振周波数までは、キャパシタとして動作する。このような並列共振回路が、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して形成される。

なお、ｘ軸方向の並列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値と、ｙ軸方向の並列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値とは互いに異なるようなパターンとなっている。このため、ｘ軸方向のアドミタンスとｙ軸方向のアドミタンスとは互いに異なる。そのため、方向依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンとして用いられることができる。

ｘ軸方向とｙ軸方向の位相遅れ量の差が１８０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。また、ｘ軸方向とｙ軸方向の位相遅れ量の差が９０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。

ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図７に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図７の金属パターンは、環状金属の内部に位置する十字形状の金属の向きが異なる点で、図６の金属パターンと異なる。その他の構成は同様である。

図６では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ軸方向及びｙ軸方向に伸びていたが、図７では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ´軸方向及びｙ´軸方向に伸びている。ｘ´軸方向及びｙ´軸方向は、各々、ｘ軸方向及びｙ軸方向をｚ軸周りに４５度回転した方向である。このため、図６では、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成されたが、図７では、ｘ´軸方向及びｙ´軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成される。そのため、ｘ´軸方向とｙ´軸方向に異なる位相遅れ量を生じる金属パターンとして用いることができる。

ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が１８０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が９０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。

ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図８に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図８の金属パターンは、環状金属の内部に位置する十字形状の金属の向きが異なる点で、図６の金属パターンと異なる。その他の構成は同様である。

図６では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ軸方向及びｙ軸方向に伸びていたが、図８では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ´軸方向及びｙ´軸方向に伸びている。ｘ´軸方向及びｙ´軸方向は、各々、ｘ軸方向及びｙ軸方向をｚ軸周りに２２．５度回転した方向である。このため、図６では、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成されたが、図８では、ｘ´軸方向及びｙ´軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成される。そのため、ｘ´軸方向とｙ´軸方向に異なる位相遅れ量を生じる金属パターンとして用いることができる。

ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が１８０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が９０度のときには、例えば入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板として用いることができる。

なお、図５乃至図８に示された金属パターンは、同じ形状の平面単位セルを複数並べて構成されているが、金属線の長さ、金属線の太さ、金属線間の間隔、金属部分の面積等が互いに異なる複数種類の平面単位セルを並べることができる。

金属パターンを設計する際に、キャパシタ部は、例えばインターデジタルキャパシタ等としてＣを大きくできる。また、インダクタ部は、例えばミアンダインダクタ、スパイラルインダクト等としてＬを大きくできる。図９及び図１０に一例を示す。図９では、直線状の金属パターンがミアンダ形状となることにより、Ｌが大きくなる効果が期待できる。図１０では、対向する金属パターンがインターデジタル状になることにより、Ｃが大きくなる効果が期待できる。

次に、上述のような金属パターンを有するアドミタンスシートの積層方法の一例を説明する。本実施形態の偏波制御板は、上述した金属パターンを有するアドミタンスシートをｎ層（ｎ≧４）重ねて構成される。

図１１は、３層のアドミタンスシートを積層した例であり、各層の平面単位セル３１乃至３３を積層した積層体３０を示している。本実施形態では、例えば図示するような３層のアドミタンスシートを繰り返し積層することで、６層以上のアドミタンスシートを含む偏波制御板を実現することができる。図示するように、複数のアドミタンスシートは、平面単位セル３１乃至３３が互いに重なり合うように積層される。図示するように各アドミタンスシートの平面単位セル３１乃至３３が完全に重なり合うのが好ましいが、ずれが生じていてもよい。

図１１は、並列共振器タイプの積層体３０の一例を示す。当該積層体３０は、第１の平面単位セル３１と、第２の平面単位セル３２と、第３の平面単位セルとにより構成されている。第１の平面単位セル３１乃至第３の平面単位セル３３は、いずれも、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。十字形状を形成する２本の直線金属の各先端の線幅は広がっている。また、外周金属と内部金属とは絶縁している。第１の平面単位セル３１及び第３の平面単位セル３３における十字形状の内部金属は、ｘ軸方向に伸びる線状の金属よりもｙ軸方向に伸びる線状の金属の方が長い。これに対し、第２の平面単位セル３２における十字形状の内部金属は、ｙ軸方向に伸びる線状の金属よりもｘ軸方向に伸びる線状の金属の方が長い。また、第１の平面単位セル３１及び第３の平面単位セル３３の外周金属よりも、第２の平面単位セル３２の外周金属の方が幅広である。第１の平面単位セル３１乃至第３の平面単位セル３３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。

なお、ｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートは、以下の条件を満たすように積層される、

まず、ｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートの内のａ層（１≦ａ≦ｎ）のアドミタンスシートに含まれる第１の平面単位セルのアドミタンスと、ｂ層（１≦ｂ≦ｎかつｂ≠ａ）のアドミタンスシートに含まれていて第１の平面単位セルと重なる第２の平面単位セルのアドミタンスと、は互いに異なる。すなわち、互いに重なりあう複数の平面単位セルにより構成された３次元単位セルの中に、互いにアドミタンスが異なる平面単位セルが存在する。

また、本実施形態の偏波制御板は、互いに重なりあう複数の平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有する。３次元単位セルは、ｎ層（ｎ≧４）の平面単位セルを積層して構成される。そして、偏波制御板が有する複数の３次元単位セルの中の少なくとも１つにおいて、「同じ３次元単位セルに含まれる複数の平面単位セルのアドミタンスを比較したとき、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）のアドミタンスと第（ｎ−ｃ＋１）層目のアドミタンスの差は基準値未満」を満たす。すなわち、同じ３次元単位セルに含まれる複数の平面単位セルのアドミタンスは、真ん中の平面単位セルを挟んで対称になっている。

この場合、少なくとも１つの３次元単位セルは、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）の平面単位セルの金属パターンと第（ｎ−ｃ＋１）層目の平面単位セルの金属パターンは同じであってもよい。ここでの同じ金属パターンは、金属の形状、線幅、線の長さ等が同等であり、アドミタンスの差が基準値未満となっていることを意味する。

このような対称構造とすることで、設計を簡易化できる。

また、６層のアドミタンスシート及び５層の誘電体層を積層した偏波制御板の等価回路図は、図１２のように示される。なお、ｎ層のアドミタンスシート及び（ｎ−１）層の誘電体層を積層した偏波制御板の等価回路図は、図１３のように示される。

Ｙはアドミタンスであり、βは誘電体層中の位相定数であり、ｔは誘電体層の厚さである。等価回路図より、各アドミタンスシート及び各誘電体層のＡＢＣＤ行列が書き下せ、当該ＡＢＣＤ行列より、位相制御板のＺ行列（Ｚ_１１、Ｚ_１２、Ｚ_２１、Ｚ_２２）も書き下せる。

当該Ｚ行列と、偏波制御板の規格化インピーダンス（Ｚ_Ｓ、Ｚ_Ｌ）を用いて、式（３）に示す散乱係数式Ｇが示される。

Ｚ_Ｓは、偏波制御板に対する電磁波の入射角と偏波制御板が位置する空間の空間インピーダンス（例：空気のインピーダンス）とより求められる規格化インピーダンスである。Ｚ_Ｌは、偏波制御板に対する電磁波の出射角と上記空間インピーダンスとにより求められる規格化インピーダンスである。

入射波、出射波がＴＥ（transverse electric wave）波の時、Ｚ_Ｓ、Ｚ_Ｌは式（４）及び（５）のように示される。

また、入射波、出射波がＴＭ（transverse magnetic wave）波の時、Ｚ_Ｓ、Ｚ_Ｌは式（６）及び（７）のように示される。

η_０は偏波制御板が位置する空間の空間インピーダンスである。θ_ｉは偏波制御板に対する電磁波の入射角である。θ_ｔは偏波制御板に対する電磁波の出射角である。

本実施形態では、上記散乱係数式Ｇの非対角成分が０．８以上となるように、ｎ層のアドミタンスシートのアドミタンスが与えられる。当該条件を満たす構造とすることで、高い誘電率が得られる。

次に、互いに重なりあう複数の平面単位セルにより構成された複数の３次元単位セルの平面方向の並び方について説明する。当該並び方を最適化することで、電磁波の所望の偏波制御が実現される。

まず、図１４に示すように、偏波制御板１上の代表点から偏波制御板１の縁に向かって引いた任意の線を代表線とする。偏波制御板１は、透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える複数の３次元単位セル（３次元単位セル群）が、代表点から偏波制御板１の縁に向かって直線状に並んでいる。そして、互いに異なる偏波状態変化を与える複数の３次元単位セル群各々の直線が、代表点から偏波制御板１の縁に向かって放射状に配列されている。なお、偏波制御板１上のある地点Ｆ（基準点）と代表点とを結ぶ線（基準線）が代表線となす角（図１４中の角度θ）に応じて、地点Ｆ（基準点）において透過する偏波状態が異なる。すなわち、各地点における偏波状態は、各地点を通る基準線と代表線とのなす角に応じて定まる。なお、代表点は、偏波制御板１の表面の中心付近とするのが望ましい。

偏波制御板１は、たとえば、偏波制御板１上の代表点から偏波制御板１面内において異なる偏波状態変化を与える３次元単位セルを所定の順で配列することにより実現できる。電磁波の偏波を制御するには、直交する２つの偏波成分の位相遅れ量の差を制御することができればよい。

偏波制御板１は、例えば、代表点から偏波制御板１の縁に向かう線上に、当該線と代表線とのなす角θ（回転角度）に応じて定められた所定の位相遅れを与える３次元単位セルを配列することにより構成することができる。

具体的には、放射状の偏波状態を一方向にそろった直線偏波状態に変換する際には、図１５に示すように、代表線とのなす角θとなる線上に、角度θ／２方向に与える位相遅れ量と、角度（θ／２＋９０）度方向に与える位相遅れ量とが、１８０度（π／２）異なる特性を有する３次元単位セルを配列することができる。位相遅れ量とは、偏波制御板１の入射面と出射面との間の位相差のことを言う。

また、放射状の偏波状態を同一の円偏波へ変換する際には、代表線とのなす角θとなる線上に、角度（θ＋４５）度方向に与える位相遅れ量と、角度（θ＋１３５）度方向に与える位相遅れ量とが、９０度（π／４）もしくは−９０度（−π／４）異なる特性を有する３次元単位セルが配列することができる。当該機能は、互いに性能が異なる複数種類の３次元単位セルを所定の順で配列することで実現される。以下、説明する。

例えば、図１６に示すように並べられた複数の３次元単位セル１１各々に対して基準点を定め（例：３次元単位セル１１の中心）、各３次元単位セル１１に対して、基準点と代表点Ｄとを結ぶ直線（基準線）と、偏波制御板１の代表線Ｅとのなす角θを算出する。ここでなす角θとは、例えば、基準線と代表線Ｅのなす角のうち、基準線から時計周りと反対方向にはかった角度のことである。そして、θの値に応じて、複数の３次元単位セルをグループ化する。例えば、ｍ０≦θ≦ｍ１、ｍ１＜θ≦ｍ２、ｍ２＜θ≦ｍ３・・・の複数の数値条件各々を満たす３次元単位セル１１を同じグループとしてもよい。そして、同じグループの複数の３次元単位セル１１の構成及び特性（偏波状態変化）を同じものとする。これにより、上記放射状の並びを実現できる。なお、「同じ偏波状態変化」とは完全に一致するもの及び誤差（例：加工誤差、エッチング誤差等に起因する偏波状態制御量のばらつき）を含む概念である。

なお、ｍ０≦θ≦ｍ１、ｍ１＜θ≦ｍ２、ｍ２＜θ≦ｍ３・・・と、θの値に応じて、偏波制御板１の３次元単位セルの速軸（３次元単位セルの異なる位相遅れを与える直交する２軸のうち、位相の遅れ量が小さいほうの軸）の方向を決定することができる。このとき、偏波制御板１を通過後の偏波状態を直線偏波に揃える際には、速軸の方向を、θに対して、θ／２とする。このとき遅軸の方向（３次元単位セルの異なる位相遅れを与える直交する２軸のうち、位相の遅れ量が大きいほうの軸）は、θ／２＋９０度であり、速軸と遅軸の間の位相遅れ量の差は１８０度である。偏波制御板１を通過後の偏波状態を円偏波に揃える際には、速軸の方向をθに対して、（θ＋４５）度とする。このとき、遅軸の方向は、θ＋１３５度であり、速軸と遅軸の間の位相遅れ量の差は９０度である。上記の２軸は、直交していることが望ましいが、必ずしも直交している必要はなく、ある程度の誤差を含む概念である。たとえば、速軸と遅軸がなす角が９０度±４５度以内、より望ましくは９０度±３０度以内もしくは９０度±１５度以内であればよい。

ここで、本実施形態の偏波制御板の作用効果を説明する。複数のアドミタンスシートを積層して構成された偏波制御板は、所定の条件を満たすと構造全体が共振状態に近づく。結果、流れる電流が大きくなりロスが大きくなるほか、帯域が狭くなる等の不都合が発生する。本発明者は、３層のアドミタンスシートと２層の誘電体層を有し、これらを交互に積層した構造において、０〜３６０度の広い範囲の偏波回転制御（位相遅れ制御）を行う構成とした場合、特定の偏波回転量で上記共振状態が生じやすくなることを見出した。

本実施形態の偏波制御板は、当該問題を、６層のアドミタンスシートと５層の誘電体層を有し、これらを交互に積層した構造とすることで解決する。当該積層構造の内の３層のアドミタンスシートと２層の誘電体層とで０〜１８０度の偏波回転制御を行い、他の３層のアドミタンスシートと２層の誘電体層とで１８０度〜３６０度の偏波回転制御を行う。３層のアドミタンスシートと２層の誘電体層とを有する構造でカバーする範囲を狭くすることで、共振状態が生じる不都合を回避している。そして、３層のアドミタンスシートと２層の誘電体層とを有する構造を積層することで、０〜３６０度の広い範囲の偏波回転制御を実現している。

ここで、図１７乃至図２２を用いて、３層構造と６層構造の特性の違いを示す。図１７乃至図１９は、３層のアドミタンスシートを積層した３層構造の特性を示す。図１７は、３層構造の下面と上面の間のａｒｇ（Ｇ２１）のデータ（シミュレーション結果）を示す。横軸は透過させる電磁波の周波数［ＧＨｚ］を示す。図では、周波数幅１０ＧＨｚのデータを示している。ラインごとに、構造パラメータ（各面のシートアドミタンス）が異なる。４５度刻み程度で３６０度（−１８０度から１８０度）をカバーしている。

図１７より、Ｗの枠で示す箇所において、急峻な周波数応答が存在する。すなわち、急峻な周波数応答をしている３次元単位セルの存在が確認できる。

急峻な周波数応答をしている２つの３次元単位セルの通過パワー特性（構造の下面と上面の間のａｒｇ（Ｇ２１）を図１８及び図１９に示す。図より、帯域が非常に狭く、実用上必要な特性が出ないことが分かる。また、図中、Ｐで必要帯域の一例を示すが、必要帯域Ｑの端ではインピーダンスマッチング特性が劣化し、通過効率が大きく低下していることが分かる。

図２０乃至図２２は、６層のアドミタンスシートを積層した６層構造の特性を示す。図２０は、６層構造の下面と上面の間のａｒｇ（Ｇ２１）のデータ（シミュレーション結果）を示す。当該６層構造は、４５度刻み程度で１８０度（−１８０度から０度）をカバーしている３層構造と、４５度刻み程度で１８０度（０度から１８０度）をカバーしている３層構造とを積層した構造である。図２０より、３層構造の場合と異なり、急峻な周波数応答が存在しない。すなわち、急峻な周波数応答をしている３次元単位セルが存在しない。

３層構造で急峻な周波数応答をしていた２つの３次元単位セルに対応する３次元単位セルの通過パワー特性（構造の下面と上面の間のａｒｇ（Ｇ２１）を図２１及び図２２に示す。図より、必要帯域Ｑの全域においてなだらかな周波数特性をもち、通過効率が高いことが分かる。また、インピーダンスマッチングも十分取れていることが分かる。

なお、ここでは、３層構造に１８０度の範囲をカバーさせ、２つの３層構造を積層した６層構造で３６０度の範囲をカバーする例を示したが、３層構造にカバーさせる範囲をさらに小さくし、さらに多くの３層構造を積層して３６０度の範囲をカバーしてもよい。例えば、３層構造に１２０度の範囲をカバーさせ、３つの３層構造を積層して３６０度の範囲をカバーしてもよい。しかし、積層数が多くなるほど位相制御板の厚さが厚くなり、デバイスの薄膜化の妨げとなる。６層構造は、上述の通り十分な特性を得られつつ、デバイスの薄膜化にも寄与する。

ところで、同じアドミタンスＹ_０の２層のアドミタンスシートを十分に近い距離で積層した偏波制御板の場合、２層のアドミタンスシートをアドミタンスＹ_０の１層のアドミタンスシートに置き代えても、同等の性能を実現できることが知られている。このため、上述した対称構造（Ｙ_１／Ｙ_２／Ｙ_３／Ｙ_３／Ｙ_２／Ｙ_１）となっている６層構造の真ん中の２層を１層に置き代えた構造（Ｙ_１／Ｙ_２／Ｙ_３／Ｙ_２／Ｙ_１）においても、同等の性能を実現できる。

すなわち、５層のアドミタンスシートと４層の誘電体層を有し、アドミタンスシートと誘電体層を交互に積層した偏波制御板は、上述した６層のアドミタンスシートと５層の誘電体層を有し、アドミタンスシートと誘電体層を交互に積層した偏波制御板と同等の性能を実現できる。それ以上の積層構造においても同様である。

また、本実施形態では、２層のアドミタンスシートと１層の誘電体層を積層した２層構造において１８０度の範囲をカバーし、２つの２層構造を積層した４層構造において３６０度の範囲をカバーしてもよい。この場合も、６層構造の場合と同様の作用効果を得られる。

以下、参考形態の例を付記する。
１． それぞれが複数の平面単位セルを含むｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートが重なっており、
前記平面単位セルは、前記平面単位セルが延在する面と平行なｘ方向のアドミタンスと、前記ｘ方向と直交し、かつ、前記面に平行なｙ方向のアドミタンスが互いに異なり、
ａ層（１≦ａ≦ｎ）のアドミタンスシートに含まれる第１の平面単位セルのアドミタンスと、ｂ層（１≦ｂ≦ｎかつｂ≠ａ）のアドミタンスシートに含まれていて前記第１の平面単位セルと重なる第２の平面単位セルのアドミタンスと、は互いに異なる偏波制御板。
２． １に記載の偏波制御板において、
互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
少なくとも１つの前記３次元単位セルは、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）の前記平面単位セルのアドミタンスと第（ｎ−ｃ＋１）層目の前記平面単位セルのアドミタンスの差が基準値未満である偏波制御板。
３． １または２に記載の偏波制御板において、
互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
少なくとも１つの前記３次元単位セルは、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）の前記平面単位セルの金属パターンと第（ｎ−ｃ＋１）層目の前記平面単位セルの金属パターンは同じである偏波制御板。
４． １から３のいずれかに記載の偏波制御板において
互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える前記３次元単位セル群が直線状に並び、互いに異なる偏波状態変化を与える複数の前記３次元単位セル群各々の直線が放射状に配列されている偏波制御板。
５． １から４のいずれかに記載の偏波制御板において、
前記偏波制御板上の代表点と前記偏波制御板の縁とを結ぶ代表線と、前記代表点と前記偏波制御板上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角に応じて、前記基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる偏波制御板。
６． ５に記載の偏波制御板において、
前記代表線と前記基準線とのなす角がθの線上にある前記基準点において、角度がθ／２方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ／２＋９０度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが１８０度異なっている偏波制御板。
７． ５に記載の偏波制御板において、
前記代表線と前記基準線とのなす角がθの位置にある前記基準点において、角度がθ＋４５度方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ＋１３５度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが９０度異なっている偏波制御板。
８． １から７のいずれかに記載の偏波制御板において、
前記ｎ層のアドミタンスシート及び前記アドミタンスシート間に位置する（ｎ−１）層の誘電体層からなる等価回路図より得られる下記散乱係数式Ｇの非対角成分が０．８以上となるように、前記ｎ層のアドミタンスシートのアドミタンスが与えられている偏波制御板。

（なお、Ｚ_Ｓは前記偏波制御板に対する電磁波の入射角と前記偏波制御板が位置する空間の空間インピーダンスとより求められる規格化インピーダンスであり、Ｚ_Ｌは前記偏波制御板に対する電磁波の出射角と前記空間インピーダンスとにより求められる規格化インピーダンスであり、Ｚ_１１乃至Ｚ_２２は前記ｎ層のアドミタンスシート各々のＡＢＣＤ行列及び前記（ｎ−１）層の誘電体層各々のＡＢＣＤ行列より求められるＺ行列の成分である。）

Claims (8)

1. それぞれが複数の平面単位セルを含むｎ層（ｎ≧４）のアドミタンスシートが重なっており、
   前記平面単位セルは、前記平面単位セルが延在する面と平行なｘ方向のアドミタンスと、前記ｘ方向と直交し、かつ、前記面に平行なｙ方向のアドミタンスが互いに異なり、
   ａ層（１≦ａ≦ｎ）のアドミタンスシートに含まれる第１の平面単位セルのアドミタンスと、ｂ層（１≦ｂ≦ｎかつｂ≠ａ）のアドミタンスシートに含まれていて前記第１の平面単位セルと重なる第２の平面単位セルのアドミタンスと、は互いに異なる偏波制御板。
2. 請求項１に記載の偏波制御板において、
   互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
   少なくとも１つの前記３次元単位セルは、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）の前記平面単位セルのアドミタンスと第（ｎ−ｃ＋１）層目の前記平面単位セルのアドミタンスの差が基準値未満である偏波制御板。
3. 請求項１または２に記載の偏波制御板において、
   互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
   少なくとも１つの前記３次元単位セルは、第ｃ層目（１≦ｃ≦ｎ）の前記平面単位セルの金属パターンと第（ｎ−ｃ＋１）層目の前記平面単位セルの金属パターンは同じである偏波制御板。
4. 請求項１から３のいずれか１項に記載の偏波制御板において
   互いに重なりあう複数の前記平面単位セルにより構成された３次元単位セルを複数有し、
   透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える前記３次元単位セル群が直線状に並び、互いに異なる偏波状態変化を与える複数の前記３次元単位セル群各々の直線が放射状に配列されている偏波制御板。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の偏波制御板において、
   前記偏波制御板上の代表点と前記偏波制御板の縁とを結ぶ代表線と、前記代表点と前記偏波制御板上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角に応じて、前記基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる偏波制御板。
6. 請求項５に記載の偏波制御板において、
   前記代表線と前記基準線とのなす角がθの線上にある前記基準点において、角度がθ／２方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ／２＋９０度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが１８０度異なっている偏波制御板。
7. 請求項５に記載の偏波制御板において、
   前記代表線と前記基準線とのなす角がθの位置にある前記基準点において、角度がθ＋４５度方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ＋１３５度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが９０度異なっている偏波制御板。
8. 請求項１から７のいずれか１項に記載の偏波制御板において、
   前記ｎ層のアドミタンスシート及び前記アドミタンスシート間に位置する（ｎ−１）層の誘電体層からなる等価回路図より得られる下記散乱係数式Ｇの非対角成分が０．８以上となるように、前記ｎ層のアドミタンスシートのアドミタンスが与えられている偏波制御板。
   

   

   （なお、Ｚ_Ｓは前記偏波制御板に対する電磁波の入射角と前記偏波制御板が位置する空間の空間インピーダンスとより求められる規格化インピーダンスであり、Ｚ_Ｌは前記偏波制御板に対する電磁波の出射角と前記空間インピーダンスとにより求められる規格化インピーダンスであり、Ｚ_１１乃至Ｚ_２２は前記ｎ層のアドミタンスシート各々のＡＢＣＤ行列及び前記（ｎ−１）層の誘電体層各々のＡＢＣＤ行列より求められるＺ行列の成分である。）

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