JP7265462B2 - 電波透過板および電波透過システム - Google Patents

Description

本発明は、電波透過板および電波透過システムに関する。

従来、特定の構造を有する導体パタ一ンを周期的に配置することによって、電磁波の伝播特性を制御するメタマテリアル（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）技術が知られている。例えば、入射する電磁波の波長よりも小さいサイズの導体パタ一ンを２次元状に周期的に配列することで、入射する電磁波の透過特性および反射特性を制御する技術が知られている（例えば、特許文献１を参照）。

特開２００３－６０４３０号公報

メタマテリアル技術は、例えば、伝播すべき電波を透過させつつ、不要な電波を反射させる周波数選択機能を実現できる。このような技術は、より効率的に電波を送受信できるように、入射する電磁波の透過特性および反射特性だけでなく、電波の伝播方向も制御できるようにすることが期待されている。

そこで、本発明はこれらの点に鑑みてなされたものであり、入射する電磁波を選択的に透過させつつ、出射方向を制御できるようにすることを目的とする。

本発明の第１の態様においては、特定の周波数の電波を透過させる電波透過板であって、第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において周期的に配置されている複数の第１素子と、複数の前記第１素子に対応して、前記第１平面と平行な第２平面上の前記第１方向および前記第２方向に配置されており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第１ユニットセルとを備え、複数の前記第１素子の形状と複数の前記第１ユニットセルの誘電率との少なくとも一方は、前記第１方向において変化するように形成されている、電波透過板を提供する。

複数の前記第１素子は、前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されていてもよい。複数の前記第１ユニットセルは、前記第１方向においてセルのサイズ、形状、および材質の少なくとも１つが異なるように形成されていてもよい。

複数の前記第１ユニットセルは、入力する制御信号に応じて誘電率が可変のデバイスの一部として形成されていてもよい。

複数の前記第１素子は、前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されており、前記第１方向において素子のサイズおよび／または面積が増加または減少するように形成され、当該素子のサイズおよび／または面積の変化に応じて複数の前記第１素子を透過した電波の伝播方向を変更してもよい。

本発明の第２の態様においては、特定の周波数の電波を透過させる電波透過板であって、電波が入力される第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において、周期的に配置されている複数の第１素子と、複数の前記第１素子に対応して、前記第１平面と平行な第２平面上の前記第１方向および前記第２方向に設けられており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第１ユニットセルと、複数の前記第１ユニットセルを透過した電波が入力され、前記第１平面と平行な第３平面上の前記第１方向および前記第２方向において周期的に配置されている複数の第２素子と、複数の前記第２素子に対応して、前記第３平面と平行な第４平面上の前記第１方向および前記第２方向に設けられており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第２ユニットセルとを備え、複数の前記第１素子の形状と、複数の前記第１ユニットセルの誘電率と、複数の前記第２素子の形状と、複数の前記第２ユニットセルの誘電率と、複数の前記第１ユニットセルのそれぞれおよび対応する複数の前記第２素子のそれぞれの間の距離とのうち、少なくとも１つは、前記第１方向において変化するように形成されている、電波透過板を提供する。

複数の前記第１素子は、前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されていてもよい。

本発明の第３の態様においては、第１の態様の前記電波透過板が複数設けられており、複数の前記電波透過板のそれぞれは、特定の距離だけ離れて積み重ねられている、電波透過板。

本発明の第４の態様においては、特定の周波数の第１電波が外部から伝播し、第１空間に通じている電波入力部と、前記電波入力部に設けられている第１から第３の態様のいずれかの態様の前記電波透過板とを備え、前記電波透過板は、前記電波入力部から入力した前記第１電波の伝播方向を、前記第１空間内の特定の領域へと伝播する方向に変更する、電波透過システムを提供する。

本発明の第５の態様においては、特定の周波数の第１電波を発生する第１電波発生装置と、外部の第１空間に通じており、前記第１電波を前記第１空間へと伝播させる電波出力部と、前記電波出力部に設けられている第１から第３の態様のいずれかの態様の前記電波透過板とを備え、前記電波透過板は、前記第１電波発生装置が発生した前記第１電波の伝播方向を、前記第１空間内の特定の領域へと伝播する方向に変更する、電波透過システムを提供する。

本発明によれば、入射する電磁波を選択的に透過させつつ、出射方向を制御できるという効果を奏する。

本実施形態に係る電波透過板１０の第１構成例を示す。 図１に示す第１構成例の電波透過板１０のＡ－Ａ’断面図の一例を示す。 本実施形態に係る電波透過板１０の第２構成例を示す。 本実施形態に係る電波透過板１０の第３構成例を示す。 第３構成例の電波透過板１０の等価回路の一例を示す。 本実施形態に係る電波透過板１０を用いた電波透過システム１００の第１構成例を示す。 本実施形態に係る電波透過板１０を用いた電波透過システム１００の第２構成例を示す。

＜電波透過板１０の第１構成例＞
図１は、本実施形態に係る電波透過板１０の第１構成例を示す。本実施形態において、電磁波の一例として、電波透過板１０に入射する電波について説明するが、本発明の技術的範囲が電波に限定されることはない。図２は、図１に示す第１構成例の電波透過板１０のＡ－Ａ’断面図の一例を示す。図１および図２において、互いに直交する３つの軸をＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸として示す。

電波透過板１０は、特定の周波数の電波を透過させる。特定の周波数は、例えば、予め定められた周波数である。また、電波透過板１０は、特定の周波数以外の周波数の電波を反射または吸収する。例えば、電波透過板１０は、無線通信で用いられている通信帯域の電波を透過させる。また、電波透過板１０は、特定の出射方向へと透過させた電波を出射する。特定の出射方向は、例えば、予め定められた出射方向である。図１および図２は、電波透過板１０がＸＹ平面と略平行に配置されており、電波透過板１０に入射する電波の方向をＺ軸と略平行な方向とした例を示す。電波透過板１０は、第１素子２０と、第１ユニットセル３０と、基板４０とを備える。

複数の第１素子２０は、導電性を有し、第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において周期的に配置されている。図１および図２において、第１平面をＸＹ面と略平行な面、第１方向をＸ軸と略平行な方向、第２方向をＹ軸と略平行な方向とする。複数の第１素子２０は、例えば、略同一の形状を有し、第１方向および第２方向において予め定められた間隔で配置されている。複数の第１素子２０は、一例として、第１方向および第２方向において等間隔に配置されている。

複数の第１素子２０は、第１平面に向けて入力する予め定められた周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されている。第１素子２０の形状は、例えば、反射または吸収させる電波の波長の１／２、１／３、・・・等の長さと同程度の長さの辺、直径等を有する。

第１素子２０の具体的な形状は、例えば、三角形、正方形、長方形、および台形等を含む多角形、円形、楕円形、線状、十字形状等である。また、第１素子２０の形状は、切込み（ノッチ）、開口等を有してもよい。第１素子２０は、金属等で形成されていることが望ましい。第１素子２０の形状および材質は、メタマテリアル技術においてＦＳＳ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｓｅｌｅｃｔｉｖｅ Ｓｈｅｅｔ／Ｓｕｒｆａｃｅ）として既知であるので、ここでは詳細な説明を省略する。複数の第１素子２０は、更に、誘電体材料等の保護膜で覆われていてもよい。

複数の第１ユニットセル３０は、複数の第１素子２０に対応して、第１平面と平行な第２平面上の第１方向および第２方向に配置されている。例えば、それぞれの第１ユニットセル３０の上面に、対応する第１素子２０がそれぞれ形成されている。この場合、複数の第１ユニットセル３０の上面が第１平面として形成されている。そして、一の第１素子２０を透過した電波が、対応する一の第１ユニットセル３０に入力する。なお、複数の第１ユニットセル３０と複数の第１素子２０との間には、誘電体膜等が形成されていてもよい。

複数の第１ユニットセル３０は、特定の誘電率をそれぞれ有し、複数の第１素子２０を透過した電波を透過させる。特定の誘電率は、例えば、予め定められた誘電率である。複数の第１ユニットセル３０の誘電率は、第１方向において変化するように形成されている。複数の第１ユニットセル３０は、第１方向においてセルのサイズ、形状、および材質の少なくとも１つが異なるように形成されている。例えば、複数の第１ユニットセル３０の誘電率は、一定の割合で増加または減少するように形成されている。また、第１ユニットセル３０は、第２方向において誘電率が略一定に形成されている。

隣り合う第１ユニットセル３０は、例えば、別個に形成される。なお、第１ユニットセル３０は、第２方向において誘電率が一定に形成され、第２方向においては一体に形成されていてもよい。また、隣り合う第１ユニットセル３０は、接するように形成されていてもよい。これに代えて、複数の第１ユニットセル３０は、一体に形成されていてもよい。この場合、例えば、複数の第１ユニットセル３０は、第１方向において誘電率が変化する分布を有する誘電体膜として形成される。

基板４０は、複数の第１素子２０および複数の第１ユニットセル３０が設けられている。基板４０は、例えば、上面に複数の第１ユニットセル３０が設けられている。この場合、基板４０の上面が第２平面となる。また、基板４０および複数の第１ユニットセル３０の間には、他の誘電体膜等が形成されていてもよい。例えば、隣接する第１ユニットセル３０の間に隙間が生じている場合、複数の第１ユニットセル３０と基板４０との間に隙間が生じている場合等は、当該隙間の少なくとも一部を埋めるように、他の誘電体膜等が形成されていることが望ましい。

基板４０は、複数の第１ユニットセル３０を透過した電波を透過させる材質で形成されている。基板４０は、一例として、ガラス基板である。なお、複数の第１ユニットセル３０が誘電体膜として形成されている場合、基板４０は省略されてもよい。

以上の本実施形態に係る電波透過板１０は、第１ユニットセル３０のそれぞれの誘電率に応じて、予め定められた出射方向から透過させた電波を出射する。ここで、周波数ｆの電波が物質に入射した場合を考える。物質中の位相速度ｖ_ｐは、真空中の光速度ｃおよび物質の屈折率ｎを用いてｖ_ｐ＝ｆ・λ＝ｃ／ｎと表すことができ、屈折率ｎは、（ε_ｒ・μ_ｒ）^１／２に等しい。なお、ε_ｒは物質の誘電率、μ_ｒは物質の透磁率である。したがって、誘電体媒質中を通過する周波数ｆの電波は、誘電率ε_ｒの増加に伴って位相速度が遅くなり、波長λが短縮される。

図２は、複数の第１ユニットセル３０の誘電率ε_ｒｍが、第１方向において一定の割合で増加するように形成されている例を示す。この場合、複数の第１ユニットセル３０の屈折率も、第１方向において一定の割合で増加することになり、位相速度は減少することになる。したがって、複数の第１ユニットセル３０を透過する電波の位相は、第１方向において第１ユニットセル３０毎に一定の割合で変化することになる。ここで、第１ユニットセル３０毎の電波の位相の変化量をφとする。

例えば、１番目の第１ユニットセル３０を透過する電波の位相の回転量をφ_０とすると、ｍ番目の第１ユニットセル３０を透過する電波の位相の回転量φ_ｍは、次式で示される。
（数１）
φ_ｍ＝φ_０＋（ｍ－１）φ

なお、１つの第１素子２０と１つの第１ユニットセル３０との組み合わせの等価回路は、ＬＣ成分に対応するインピーダンス成分Ｚ_ｐと、誘電率に対応するインピーダンス成分δとの並列回路となるので、電波の入射方向から見たインピーダンスＺは、これらの和Ｚ_ｐ＋δで表現される。例えば、ｍ番目の第１素子２０および第１ユニットセル３０の組のインピーダンスＺ_ｍは次式で示され、当該インピーダンスＺ_ｍによって入射した電波の位相は次式の回転量φ_ｍだけ回転する。
（数２）
Ｚ_ｍ＝Ｚ_ｍｐ＋δ_ｍ
φ_ｍ＝ａｒｇ（Ｚ_ｍ）

このように、複数の第１ユニットセル３０を透過して位相がそれぞれ回転した電波は、異なる第１ユニットセル３０を透過した電波との間の位相差を保ったまま基板４０を透過して出力される。図２の例の場合、電波透過板１０を透過した電波のうち、１番目の第１ユニットセル３０に近い電波ほど位相の進みが速く、１番目の第１ユニットセル３０から離れた電波は離れるほど位相の進みが遅くなる。

このように、電波透過板１０を透過した電波は、複数の第１ユニットセル３０の誘電率の変化に対応して、第１方向において一定の割合の位相差を有する。言い換えると、電波透過板１０を透過した電波は、第１方向における複数の第１ユニットセル３０の誘電率の変化に応じて、等位相面がＸＹ面に対してθだけ傾斜して出力される。これは、電波透過板１０を透過した電波が入力した方向に対してθだけ異なる方向に伝播したことを意味する。図２の例の場合、電波透過板１０を透過した電波は、第１方向側に傾いて出力される。

ここで、電波透過板１０に入力する電波の伝播方向を－Ｚ方向とし、電波透過板１０を透過した電波の伝播方向と－Ｚ方向との角度を出力角θとすると、出力角θは次式で示される。ここで、ｄは、隣り合う第１ユニットセル３０の間の距離である。
（数３）
θ＝ａｓｉｎ（φ／ｄ）

以上のように、本実施形態に係る電波透過板１０は、入力する電波のうち、予め定められた周波数の電波を透過させ、透過させた電波を複数の第１ユニットセル３０の誘電率に基づく方向に出力する。即ち、電波透過板１０は、複数の第１素子２０と複数の第１ユニットセル３０とを用いた簡便な構成で、入射する電波の透過特性および反射特性と電波の伝播方向とを制御できる。

言い換えると、隣接する第１ユニットセル３０の中心間の距離を波長比で表してｐとすると、第１ユニットセル３０毎に入力する電波の位相をφ＝ｐ^２ｓｉｎθ^２だけ遅延させて出力させれば、透過する電波の出力角をθとすることできる。この場合、例えば、ｍ番目の第１ユニットセル３０は、入射した電波を次式の回転量φ_ｍだけ回転するように設計すればよい。
（数４）
φ_ｍ＝ａｒｇ（Ｚ_ｍ）＝（ｍｐ）^２ｓｉｎ^２θ

なお、図１および図２において、電波透過板１０は、第１方向において誘電率を変化させた複数の第１ユニットセル３０を備える例を説明したが、これに限定されることはない。複数の第１ユニットセル３０は、第２方向において誘電率を変化させてもよく、また、第１方向および第２方向の両方において、誘電率を変化させてもよい。

また、図１および図２において、第１ユニットセル３０のそれぞれは、予め定められた誘電率を有する例を説明したが、これに限定されることはない。例えば、複数の第１ユニットセル３０は、入力する制御信号に応じて誘電率が可変のデバイスの一部として形成されていてもよい。例えば、複数の第１ユニットセル３０は、液晶パネルの少なくとも一部である。この場合、液晶パネルの誘電率を調節可能な１つの画素が１つの第１ユニットセル３０として形成されていてもよく、これに代えて、複数の画素が１つの第１ユニットセル３０として形成されていてもよい。

液晶パネルは、例えば、各画素に数Ｖ程度の電圧を印加することにより、画素を透過する電波の位相を調節することができる。そこで、複数の第１ユニットセル３０に対して、第１方向および／または第２方向において誘電率を変化させる制御信号を供給することで、制御信号に応じた方向に電波透過板１０から電波を出力できる。また、制御信号を時間的に切り換えることにより、電波透過板１０が出力する電波の方向を切り換えることもできる。

以上の本実施形態に係る電波透過板１０において、電波が第１平面に対して略垂直に入射する例を説明したが、これに限定されることはない。電波透過板１０には、垂直方向に対して特定の角度θ_ｉｎを有する方向で電波が入射してもよい。この場合、入力する電波の位相は、ユニットセル毎にｐ×ｃｏｓ（θ_ｉｎ）回転することになる。言い換えると、電波透過板１０から垂直方向に対して特定の角度θ_ｏｕｔを有する方向で電波を透過させる場合、ユニットセル毎に位相がｐ×ｃｏｓ（θ_ｏｕｔ）－ｐ×ｃｏｓ（θ_ｉｎ）だけ回転するように、ユニットの誘電率等をそれぞれ設計すればよい。

更に、電波透過板１０から特定の方位角ψ_ｏｕｔおよび／または仰角θ_ｏｕｔを有する方向で電波を透過させてもよい。この場合、Ｘ方向のユニットセル間隔をｐ_Ｘ、Ｙ方向のユニットセル間隔をｐ_Ｙとすると、ユニットセル毎に位相がｐ_Ｘ×ｓｉｎ（θ_ｏｕｔ）×ｃｏｓ（θ_ｏｕｔ）＋ｐ_Ｙ×ｓｉｎ（ψ_ｏｕｔ）×ｓｉｎ（ψ_ｏｕｔ）だけ回転するように、ユニットの誘電率等をそれぞれ設計すればよい。

以上の本実施形態に係る電波透過板１０は、複数の第１ユニットセル３０の誘電率を変化させることで、電波透過板１０が出力する電波の方向を制御する例を説明したが、これに限定されることはない。これに代えて、または、これに加えて、電波透過板１０に設けられている複数の前記第１素子の形状を変化することで、電波透過板１０が出力する電波の方向を制御してもよい。このような電波透過板１０について、次に説明する。

＜電波透過板１０の第２構成例＞
図３は、本実施形態に係る電波透過板１０の第２構成例を示す。第２構成例の電波透過板１０において、図１および図２に示された本実施形態に係る電波透過板１０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第２構成例の電波透過板１０は、第１方向において形状が変化するように形成されている複数の第１素子２０を備える。また、第２構成例の電波透過板１０は、第１構成例の電波透過板１０で説明した複数の第１ユニットセル３０を備える。

図１および図２でも説明したように、複数の第１素子２０は、第１平面に向けて入力する予め定められた周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されている。そして、複数の第１素子２０は、第１方向において素子のサイズおよび／または面積が増加または減少するように形成され、当該素子のサイズおよび／または面積の変化に応じて複数の第１素子２０を透過した電波の伝播方向を変更する。

図３は、複数の第１素子２０のサイズが、第１方向において一定の割合で増加するように設けられている例を示す。これにより、（数２）式の容量成分に対応するインピーダンス成分Ｚ_ｍｐが第１方向において一定の割合で増加するので、全体のインピーダンスＺ_ｍも、図２の誘電率の変化の例と同様に、第１方向において一定の割合で増加する。したがって、図３に示す第２構成例の電波透過板１０は、第１平面に垂直に入力する予め定められた周波数の電波を透過させ、透過させた電波を第１方向側に曲げて出力する。

以上のように、本実施形態に係る電波透過板１０において、複数の第１素子２０の形状または複数の第１ユニットセル３０の誘電率が第１方向において変化するように形成することにより、電波透過板１０に入力する電波の伝播方向を変更して出力することができる。なお、複数の第１素子２０の形状および複数の第１ユニットセル３０の誘電率の両方が、第１平面上の予め定められた方向に対して変化するように形成されていてもよい。

例えば、電波透過板１０において、複数の第１素子２０の形状および複数の第１ユニットセル３０の誘電率が、電波透過板１０の同一方向において変化するように形成される。この場合、例えば、第１素子２０の形状が大きくなる方向と、第１ユニットセル３０の誘電率が大きくなる方向とが同一方向となるように形成されていることが望ましい。これにより、電波透過板１０が電波の伝播方向を変更できる範囲を拡大することができる。

また、電波透過板１０において、複数の第１素子２０の形状の変化の方向と複数の第１ユニットセル３０の誘電率の変化の方向とが、異なる方向に形成されていてもよい。この場合、電波透過板１０は、第１素子２０の形状の変化方向と第１ユニットセル３０の誘電率の変化方向とを合成した方向へと、電波の伝播方向を変更することができ、電波透過板１０の設計自由度を向上させることができる。

以上の本実施形態に係る電波透過板１０において、複数の第１素子２０による層と複数の第１ユニットセル３０による層とが、基板４０上に１層ずつ形成されている例を説明したが、これに限定されることはない。電波透過板１０には、複数の第１素子２０による層と複数の第１ユニットセル３０による層とのうち、少なくとも一方の層が複数層設けられていてもよい。このような電波透過板１０の例について次に説明する。

＜電波透過板１０の第３構成例＞
図４は、本実施形態に係る電波透過板１０の第３構成例を示す。図４は、図２に示した第１構成例の電波透過板１０の断面図に対応する、第３構成例の電波透過板１０の断面図の一例である。第３構成例の電波透過板１０において、図１および図２に示された本実施形態に係る電波透過板１０の動作と略同一のものには同一の符号を付け、説明を省略する。第３構成例の電波透過板１０は、複数の第２素子５０と複数の第２ユニットセル６０とを更に備える。

複数の第１素子２０は、導電性を有し、電波が入力される第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において周期的に配置されている。複数の第１ユニットセル３０は、複数の第１素子２０に対応して、第１平面と平行な第２平面上の第１方向および第２方向に設けられており、予め定められた誘電率をそれぞれ有する。第１素子２０および第１ユニットセル３０については、図１から図３において説明したので、ここでは説明を省略する。

複数の第２素子５０には、複数の第１ユニットセル３０を透過した電波が入力される。複数の第２素子５０は、複数の第１素子２０と同様に、導電性を有し、第１平面と平行な第３平面上の第１方向および第２方向において周期的に配置されている。複数の第２素子５０は、複数の第１素子２０と略同一の材質および形状で形成されている。複数の第２素子５０は、例えば、対応する第１素子２０と略同一の形状に形成されている。この場合、一の第１素子２０を透過した電波が一の第１ユニットセル３０を介して入力する一の第２素子５０を、当該一の第１素子２０に対応する素子とする。

複数の第２ユニットセル６０は、複数の第２素子５０に対応して、第３平面と平行な第４平面上の第１方向および第２方向に設けられており、予め定められた誘電率をそれぞれ有する。複数の第２ユニットセル６０は、複数の第１ユニットセル３０と略同一の材質および形状で形成されている。例えば、それぞれの第２ユニットセル６０の上面に、対応する第２素子５０がそれぞれ形成されている。この場合、複数の第２ユニットセル６０の上面が第３平面として形成されている。そして、一の第２素子５０を透過した電波が対応する一の第２ユニットセル６０に入力する。なお、複数の第２ユニットセル６０と複数の第２素子５０との間には、誘電体膜等が形成されていてもよい。

基板４０は、例えば、上面に複数の第２ユニットセル６０が設けられている。この場合、基板４０の上面が第４平面となる。また、基板４０および複数の第２ユニットセル６０の間には、他の誘電体膜等が形成されていてもよい。

以上の第３構成例の電波透過板１０において、複数の第１素子２０の形状と、複数の第１ユニットセル３０の誘電率と、複数の第２素子５０の形状と、複数の第２ユニットセル６０の誘電率と、複数の第１ユニットセル３０のそれぞれおよび対応する複数の第２素子５０のそれぞれの間の距離とのうち、少なくとも１つは、第１方向において変化するように形成されている。

複数の第１ユニットセル３０の誘電率が第１方向において変化するように複数の第１ユニットセル３０を配置することにより、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できることは、既に図１および図２において説明した。同様に、複数の第２ユニットセル６０の誘電率が第１方向において変化するように複数の第２ユニットセル６０を配置することにより、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できることは言うまでもない。なお、第１ユニットセル３０の誘電率の変化方向と、第２ユニットセル６０の誘電率の変化方向とは、同一方向であってもよく、異なる方向であってもよい。

また、複数の第１素子２０のサイズおよび／または面積が第１方向において変化するように複数の第１素子２０を配置することにより、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できることは、既に図３において説明した。同様に、複数の第２素子５０の誘電率が第１方向において変化するように複数の第２素子５０の誘電率を配置することにより、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できることは言うまでもない。なお、第１素子２０のサイズおよび／または面積の変化方向と、第２素子５０のサイズおよび／または面積の変化方向とは、同一方向であってもよく、異なる方向であってもよい。

複数の第１ユニットセル３０のそれぞれおよび対応する複数の第２素子５０のそれぞれの間の距離が異なると、第１ユニットセル３０と対応する第２素子５０との間の結合インピーダンスが異なる。この場合、結合インピーダンスに対応する結合係数ｋを用いて、第１素子２０と第１ユニットセル３０との組み合わせのインピーダンスと、第２素子５０と第２ユニットセル６０との組み合わせのインピーダンスとを結合させる等価回路を構成できる。このような第３構成例の電波透過板１０の等価回路の一例を図５に示す。

例えば、ｍ番目の第１素子２０および第１ユニットセル３０の組のインピーダンスをＺ_１ｍ、ｍ番目の第２素子５０および第２ユニットセル６０の組のインピーダンスをＺ_２ｍとする。この場合、ｍ番目の第１素子２０、第１ユニットセル３０、第２素子５０、および第２ユニットセル６０の組のインピーダンスＺ_ｍは、次式で示される。また、インピーダンスＺ_ｍによって入射した電波の位相は次式の回転量φ_ｍだけ回転する。
（数５）
Ｚ_ｍ＝Ｚ_１ｍ＋ｋ_ｍＺ_２ｍ
φ_ｍ＝ａｒｇ（Ｚ_ｍ）

したがって、例えば、複数の第１ユニットセル３０のそれぞれおよび対応する複数の第２素子５０のそれぞれの間の距離を変化させて結合係数ｋ_ｍを第１方向において一定の割合で変化させれば、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できる。なお、結合係数ｋ_ｍの値は、第１ユニットセル３０および第２素子５０の間の距離だけでなく、第１ユニットセル３０および第２素子５０のＸＹ面において重なっている面積を変化させても調節できる。このように、複数の第１ユニットセル３０のそれぞれと対応する複数の第２素子５０との配置を変化させることで、電波透過板１０から出力する電波の伝播方向を変更できる。

以上のように、基板４０の積層方向であるＺ方向に、導電性を有する素子および誘電体のユニットセルを積層させることにより、電波透過板１０を透過する電波の伝播方向を変更できる範囲を拡大することができる。また、電波透過板１０の設計自由度を向上させることができる。なお、積層させる素子およびユニットの数は、２つに限定されるものではなく、３以上積層してもよい。

例えば、第ｊ層のｍ番目の第ｊ素子および第ｊユニットセルの組のインピーダンスをＺ_ｊｍとし、第ｊ－１層と第ｊ層との結合係数をｋ_{（ｊ－１）ｍ}とすると、全体のインピーダンスＺ_ｍは、次式で示される。
（数６）
Ｚ_ｍ＝Ｚ_１ｍ＋ｋ_１ｍＺ_２ｍ＋ｋ_２ｍＺ_３ｍ＋・・・＋ｋ_{（ｊ－１）ｍ}Ｚ_ｊｍ＋・・・

なお、電波透過板１０が、複数の素子および複数のユニットセルを積層させる場合、異なる素子および異なるユニットセルをそれぞれ積層させてもよく、これに代えて、少なくとも一部の素子またはユニットセルを略同一に形成してもよい。また、電波透過板１０には、図１から図３に示す複数の第１素子２０および複数の第１ユニットセル３０が複数設けられていてもよい。例えば、個別に作成した電波透過板１０を、複数積み重ねてもよい。この場合、電波透過板１０のそれぞれは、特定の距離だけ離れて積み重ねられてよく、また、第１方向および第２方向の少なくとも一方にずらして積み重ねられていてもよい。特定の距離は、例えば、予め定められた距離である。

以上の本実施形態に係る電波透過板１０は、入力する電波の伝播方向を角度θだけ変更して出力する例を説明したが、これに限定されることはない。電波透過板１０は、入力する電波の伝播方向を複数の角度に変更して出力してもよい。例えば、１番目からｓ番目の第１ユニットセル３０は入力する電波の伝播方向を角度θ_１だけ変更し、ｓ番目からｔ番目の第１ユニットセル３０は入力する電波の伝播方向を角度θ_２だけ変更してもよい。また、複数の第１ユニットセル３０は、入力する電波をそれぞれ異なる方向に変更してもよい。

＜電波透過システム１００の第１構成例＞
図６は、本実施形態に係る電波透過板１０を用いた電波透過システム１００の第１構成例を示す。第１構成例の電波透過システム１００は、外部から伝播する第１電波を、受信すべき受信装置１３０へと簡便に供給する。受信装置１３０は、例えば、携帯端末等である。電波透過システム１００は、一例として、ビル等の建物に設けられている。電波透過システム１００は、電波透過板１０と、電波入力部１１０とを備える。電波透過板１０は、図１から図４で説明した電波透過板１０である。

電波入力部１１０には、予め定められた周波数の第１電波が外部から伝播する。第１電波は、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ（登録商標）、セルラ等の通信信号である。電波入力部１１０は、第１空間１２０に通じている。図６において、第１空間１２０は、ビル内の部屋である例を示す。また、電波入力部１１０は、一例として、窓である。図６は、ビルの部屋の一部の領域に存在している受信装置１３０が窓から伝播するＷｉ－Ｆｉ、セルラ等の通信信号を受信する例を示す。

電波透過板１０は、このような電波入力部１１０に設けられている。電波透過板１０は、例えば、電波入力部１１０である窓のガラス部分の少なくとも一部に貼りつけられている。なお、電波入力部１１０には、伝播方向が異なる複数の電波透過板１０が設けられていてもよい。電波透過板１０は、予め定められた周波数の電波を透過させる周波数選択膜として機能するので、受信すべき第１電波とは異なる周波数の信号の強度レベルを低減させて、電波干渉等が発生することを防止できる。

また、電波透過板１０は、電波入力部１１０から入力した第１電波の伝播方向を、第１空間１２０内の予め定められた領域へと伝播する方向に変更する。電波透過板１０は、例えば、受信装置１３０を保持するユーザの動線を含む領域を予め定められた領域とする。これにより、第１空間１２０内の第１電波の伝播方向とは異なる領域であっても、受信電力が低減することを防止して正常な通信ができるように受信装置１３０を保持または設置することができる。したがって、第１空間１２０内において、受信装置１３０によって通信可能な領域を増加させることできる。

＜電波透過システム１００の第２構成例＞
図７は、本実施形態に係る電波透過板１０を用いた電波透過システム１００の第２構成例を示す。第２構成例の電波透過システム１００は、外部へと伝播する第１電波の伝播方向を簡便に変更して、受信装置１３０へと簡便に第１電波を供給する。第２構成例の電波透過システム１００は、一例として、ビル等の建物に設けられている。第２構成例の電波透過システム１００は、電波透過板１０と、第１電波発生装置１４０と、電波出力部１５０とを備える。電波透過板１０は、図１から図４で説明した電波透過板１０である。

第１電波発生装置１４０は、予め定められた周波数の第１電波を発生する。第１電波発生装置１４０は、例えば、基地局装置および基地局アンテナである。第１電波は、例えば、Ｗｉ－Ｆｉ、セルラ等の通信信号である。第１電波発生装置１４０は、電波出力部１５０に向けて第１電波を出力する。

電波出力部１５０は、外部の第１空間１２０に通じており、第１電波を第１空間１２０へと伝播させる。図７において、第１空間１２０は、ビルの外において第１電波を供給すべき空間である例を示す。また、電波出力部１５０は、一例として、窓である。図７は、ビルの部屋の一部の領域にある第１電波発生装置１４０から電波出力部１５０である窓を介してＷｉ－Ｆｉ、セルラ等の通信信号を伝播させる例を示す。

電波透過板１０は、このような電波出力部１５０に設けられている。電波透過板１０は、例えば、電波出力部１５０である窓のガラス部分に貼りつけられている。なお、電波出力部１５０には、伝播方向が異なる複数の電波透過板１０が設けられていてもよい。電波透過板１０は、予め定められた周波数の電波を透過させる周波数選択膜として機能するので、送信すべき第１電波とは異なる周波数の信号の強度レベルを低減させて、不要な電波が外部に伝播することを防止できる。

また、電波透過板１０は、第１電波発生装置１４０が発生した第１電波の伝播方向を、第１空間１２０内の予め定められた領域へと伝播する方向に変更する。電波透過板１０は、例えば、第１電波発生装置１４０に割り当てられている領域を予め定められた領域とする。また、電波透過板１０は、第１空間１２０内の第１電波の伝播方向とは異なる領域においてカバレッジホールとなっている領域を予め定められた領域としてもよい。

これにより、基地局からの第１電波を受信可能な領域を増加させることできる。また、基地局および基地局アンテナ等を電波出力部１５０の近傍に配置しなくても、第１電波が届かなくなる領域が増加することを防止できる。したがって、基地局および基地局アンテナ等の設置可能な領域を拡大させ、基地局および基地局アンテナ等の設計自由度およびメンテナンス性を向上できる。

以上の本実施形態において、複数の第１素子２０の形状と複数の第１ユニットセル３０の誘電率との少なくとも一方が第１方向において変化するように形成されていることにより、入力する電波の透過方向を制御する電波透過板１０の例を説明した。ここで、電磁波の伝播特性を制御するメタマテリアル（Ｍｅｔａｍａｔｅｒｉａｌ）技術によって形成されるデバイスは、透過特性だけでなく、反射特性も同様に制御することができる。

例えば、入射する電磁波の波長よりも小さいサイズの特定の構造の導体パタ一ンを２次元状に周期的に配列されて形成することにより、入力する電波を反射する反射板として形成することができる。これに代えて、特定の構造を有する誘電体パタ一ンを周期的に配置することによって、入力する電波を反射する反射板として形成することができる。なお、特定の構造は、特定の周波数の電磁波を反射するように形成されている。反射板には、本実施形態において説明した電波透過板１０と同様に、導体パターンおよび／または誘電体パターンが複数層形成されていてもよく、また、パターン層の間には誘電体層、液晶等が挟まれて形成されていてもよい。

このような電波反射板は、例えば、特定の周波数の電波を透過させる電波透過板であって、第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において周期的に配置されている複数の第１素子と、複数の第１素子に対応して、第１平面と平行な第２平面上の第１方向および第２方向に配置されており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第１ユニットセルとを備え、複数の第１素子の形状と複数の第１ユニットセルの誘電率との少なくとも一方は、第１方向において変化するように形成されている。

以上、本発明を実施の形態を用いて説明したが、本発明の技術的範囲は上記実施の形態に記載の範囲には限定されず、その要旨の範囲内で種々の変形及び変更が可能である。例えば、装置の全部又は一部は、任意の単位で機能的又は物理的に分散・統合して構成することができる。また、複数の実施の形態の任意の組み合わせによって生じる新たな実施の形態も、本発明の実施の形態に含まれる。組み合わせによって生じる新たな実施の形態の効果は、もとの実施の形態の効果を併せ持つ。

１０ 電波透過板
２０ 第１素子
３０ 第１ユニットセル
４０ 基板
５０ 第２素子
６０ 第２ユニットセル
１００ 電波透過システム
１１０ 電波入力部
１２０ 第１空間
１３０ 受信装置
１４０ 第１電波発生装置
１５０ 電波出力部

Claims (10)

1. 特定の周波数の電波を透過させる電波透過板であって、
   第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において周期的に配置されている複数の第１素子と、
   複数の前記第１素子に対応する位置に、前記第１平面と平行な第２平面上の前記第１方向および前記第２方向に隙間を介して配置されており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第１ユニットセルと
   を備え、
   複数の前記第１ユニットセルは、複数の前記第１ユニットセルの誘電率が前記第１方向において一定の割合で増加または減少するように配置されていることにより、複数の前記第１素子を介して入力した電波の伝播方向を変化させ、
   複数の前記第１ユニットセルの間の隙間には、前記第１ユニットセルの誘電率とは異なる誘電率の誘電体が形成されている、
   電波透過板。
2. 複数の前記第１素子は、前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されている、請求項１に記載の電波透過板。
3. 複数の前記第１ユニットセルは、前記第１方向においてセルのサイズ、形状、および材質の少なくとも１つが異なるように形成されている、請求項１または２に記載の電波透過板。
4. 複数の前記第１ユニットセルは、入力する制御信号に応じて誘電率が可変のデバイスの一部として形成されている、請求項１または２に記載の電波透過板。
5. 複数の前記第１素子は、
   前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されており、
   前記第１方向において素子のサイズおよび／または面積が増加または減少するように形成され、当該素子のサイズおよび／または面積の変化に応じて複数の前記第１素子を透過した電波の伝播方向を変更する、
   請求項１から４のいずれか一項に記載の電波透過板。
6. 特定の周波数の電波を透過させる電波透過板であって、
   電波が入力される第１平面上の第１方向および第１方向と直交する第２方向において、周期的に配置されている複数の第１素子と、
   複数の前記第１素子に対応する位置に、前記第１平面と平行な第２平面上の前記第１方向および前記第２方向に隙間を介して設けられており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第１ユニットセルと、
   複数の前記第１ユニットセルを透過した電波が入力され、前記第１平面と平行な第３平面上の前記第１方向および前記第２方向において周期的に配置されている複数の第２素子と、
   複数の前記第２素子に対応する位置に、前記第３平面と平行な第４平面上の前記第１方向および前記第２方向に設けられており、特定の誘電率をそれぞれ有する複数の第２ユニットセルと
   を備え、
   複数の前記第１ユニットセルと、複数の前記第２ユニットセルとのうち、少なくとも一方は、ユニットセルの誘電率が前記第１方向において一定の割合で増加または減少するように配置されていることにより、複数の前記第１素子を介して入力した電波の伝播方向を変化させ、
   複数の前記第１ユニットセルの間の隙間には、前記第１ユニットセルの誘電率とは異なる誘電率の誘電体が形成されている、
   電波透過板。
7. 複数の前記第１素子は、前記第１平面に向けて入力する特定の周波数の電波を透過させる周波数選択膜の少なくとも一部として形成されている、請求項６に記載の電波透過板。
8. 請求項１から５のいずれか一項に記載の前記電波透過板が複数設けられており、
   複数の前記電波透過板のそれぞれは、特定の距離だけ離れて積み重ねられている、
   電波透過板。
9. 特定の周波数の第１電波が外部から伝播し、第１空間に通じている電波入力部と、
   前記電波入力部に設けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の前記電波透過板と
   を備え、
   前記電波透過板は、前記電波入力部から入力した前記第１電波の伝播方向を、前記第１空間内の特定の領域へと伝播する方向に変更する、
   電波透過システム。
10. 特定の周波数の第１電波を発生する第１電波発生装置と、
    外部の第１空間に通じており、前記第１電波を前記第１空間へと伝播させる電波出力部と、
    前記電波出力部に設けられている請求項１から８のいずれか一項に記載の前記電波透過板と
    を備え、
    前記電波透過板は、前記第１電波発生装置が発生した前記第１電波の伝播方向を、前記第１空間内の特定の領域へと伝播する方向に変更する、
    電波透過システム。

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