WO2023105612A1 - メタマテリアルおよびアンテナ - Google Patents

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WO2023105612A1
WO2023105612A1 PCT/JP2021/044862 JP2021044862W WO2023105612A1 WO 2023105612 A1 WO2023105612 A1 WO 2023105612A1 JP 2021044862 W JP2021044862 W JP 2021044862W WO 2023105612 A1 WO2023105612 A1 WO 2023105612A1
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WO
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films
metamaterial
film
stress relaxation
stress
Prior art date
Application number
PCT/JP2021/044862
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
洋平 伊藤
剛士 塩出
Original Assignee
三菱電機株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
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Priority to JP2023565716A priority patent/JPWO2023105612A1/ja
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00—Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/42—Housings not intimately mechanically associated with radiating elements, e.g. radome
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q15/00—Devices for reflection, refraction, diffraction or polarisation of waves radiated from an antenna, e.g. quasi-optical devices
    • H01Q15/14—Reflecting surfaces; Equivalent structures

Definitions

  • the present disclosure relates to metamaterials and antennas comprising metamaterials.
  • Metamaterials with adjustable electromagnetic properties are expected to be applied to various technologies such as optical camouflage, radar avoidance, and small antennas.
  • An example of a metamaterial is disclosed in US Pat.
  • the metamaterial film disclosed in Patent Document 1 includes a resin film that transmits electromagnetic waves with a specific wavelength, specifically, electromagnetic waves with a wavelength of 400 nm or more and 2000 nm or less, and a resin film provided with , and a plurality of microresonators that resonate with electromagnetic waves of specific wavelengths.
  • the force applied to the microresonator provided in the resin film increases, and the microresonator may deform. Desired electromagnetic properties cannot be obtained if the microresonator is deformed. Therefore, it is difficult to attach a laminate of metamaterial films to a curved surface.
  • the present disclosure has been made in view of the circumstances described above, and aims to provide a metamaterial that can be attached to a curved surface and an antenna that includes the metamaterial.
  • the metamaterial according to the present disclosure includes a plurality of films, a plurality of microresonators, and a stress relaxation material.
  • the plurality of films transmit target electromagnetic waves, which are electromagnetic waves whose frequencies are included in the target frequency range, and are arranged with their main surfaces facing each other.
  • a plurality of microresonators are formed of a conductive member, are provided on the film, and resonate with the target electromagnetic wave.
  • the stress relieving material is provided between the films adjacent to each other, transmits the target electromagnetic wave, and has an elastic modulus lower than that of the film.
  • a metamaterial according to the present disclosure includes a stress relaxation material provided between adjacent films and having a lower elastic modulus than the films.
  • the stress relief material deforms. Therefore, compared to the case where only films are laminated, the stress generated in the film when bending the metamaterial is suppressed from being transmitted between the films, and the force applied to the microresonator provided in the film is reduced. be done. As a result, it becomes possible to attach the metamaterial to a curved surface.
  • FIG. Cross-sectional view of the metamaterial according to Embodiment 1 is a perspective view of an antenna according to Embodiment 1 Sectional view of the antenna according to Embodiment 1 Cross-sectional view of a comparative metamaterial Cross-sectional view of the metamaterial according to Embodiment 1
  • Cross-sectional view of metamaterial according to Embodiment 2 Cross-sectional view of metamaterial according to Embodiment 2
  • the metamaterial 1 according to Embodiment 1 will be described by taking a metamaterial structure used to expand the scanning range of an antenna as an example.
  • Metamaterial 1 according to Embodiment 1 shown in FIGS. 1 and 2 transmits target electromagnetic waves, which are electromagnetic waves whose wavelengths are included in the target wavelength range, and a plurality of films 11 and 12 arranged with their main surfaces facing each other. , 13, and a plurality of microresonators 31 provided in each of the films 11, 12, 13.
  • the metamaterial 1 further comprises a stress relieving material 21 provided between the films 11 and 12 adjacent to each other and a stress relieving material 22 provided between the films 12 and 13 adjacent to each other.
  • the films 11, 12, 13 and the stress relieving members 21, 22 have a plate-like shape when no external force is applied.
  • the arrangement direction of the plurality of films 11, 12, 13 is defined as the Z axis
  • the X axis is set as an axis that is included in a plane parallel to the side surface of the film 11 and orthogonal to the Z axis.
  • the Y-axis is set as the orthogonal axis.
  • the films 11, 12, and 13 are arranged in the Z-axis direction with their main surfaces facing each other. Specifically, in the state of FIG. 2, each of the films 11, 12, 13 has two main surfaces perpendicular to the Z-axis direction.
  • the main surface of the film 11 on the negative Z-axis direction faces the main surface of the film 12 on the positive Z-axis direction, and the main surface of the film 12 on the negative Z-axis direction and the main surface of the film 13 on the positive Z-axis direction face each other. are opposed to each other, the films 11, 12, 13 are arranged. Stress relieving materials 21, 22 are provided between the films 11, 12, 13 arranged as described above.
  • the films 11, 12, and 13 transmit target electromagnetic waves, for example, electromagnetic waves in the gigahertz range, specifically millimeter wave band electromagnetic waves with wavelengths of 1 mm or more and 10 mm or less.
  • the films 11, 12, 13 are made of resin such as polyimide, polyolefin, cyclic polyolefin, polymethyl methacrylate, polyester resin, alicyclic epoxy, fluorine resin, thermoplastic elastomer, or the like.
  • the films 11, 12, 13 are made of resin as described above and are bendable.
  • a plurality of microresonators 31 are arranged two-dimensionally on the surface of each of the films 11, 12, 13, or arranged inside the films 11, 12, 13 two-dimensionally or three-dimensionally.
  • the plurality of microresonators 31 are arranged on the surface of the film layer forming the film 11, and another film layer forming the film 11 is placed thereon.
  • the film layers may be laminated and adhered to each other by thermocompression bonding.
  • Each microresonator 31 is made of a conductive member and resonates with the target electromagnetic wave.
  • the conductive member for example, a metal, an alloy, a conductive metal oxide, a polymer semiconductor, or the like is used.
  • the microresonator 31 has a shape that generates an induced current by resonance when the target electromagnetic wave is incident.
  • a split-ring resonator having a partial annular shape is used as the microresonator 31 .
  • the desired electromagnetic properties of the metamaterial 1, specifically, desired permittivity and magnetic permeability can be achieved.
  • desired permittivity and magnetic permeability can be achieved.
  • the refractive index of the metamaterial 1 can be set to a negative value.
  • the thicknesses of the films 11, 12, and 13 in the Z-axis direction and the thicknesses of the stress relaxation materials 21 and 22 in the Z-axis direction when no external force is applied are the metamaterial It may be adjusted according to the desired electromagnetic properties of 1.
  • the stress relaxation materials 21, 22 are provided between the adjacent films 11, 12, 13 and transmit the target electromagnetic wave.
  • the stress relaxation member 21 is provided between the films 11 and 12 and contacts the films 11 and 12 .
  • the stress relieving material 22 is provided between the films 12 and 13 and contacts the films 12 and 13 .
  • Abutment includes direct abutment and indirect abutment via another member.
  • the stress relieving members 21 and 22 may be formed of a material that allows transmission of electromagnetic waves including the target electromagnetic waves.
  • the stress relieving materials 21, 22 have a lower elastic modulus than the films 11, 12, 13. Therefore, when the stress generated in the films 11, 12, 13 is transmitted when the metamaterial 1 is bent, the stress relaxation members 21, 22 are deformed. The deformation of the stress relieving members 21 and 22 suppresses transmission of stress generated during bending between the films 11 , 12 and 13 .
  • the stress relaxation materials 21 and 22 are members that adhere or adhere to the films 11, 12 and 13, such as acrylic adhesives, silicone adhesives, urethane adhesives, rubber adhesives, silicone adhesives, acrylic adhesives, and adhesives. It is preferably formed with an adhesive or the like. As a result, the stress relaxation material 21 can be attached to the films 11 and 12, the stress relaxation material 22 can be attached to the films 12 and 13, and each component of the metamaterial 1, specifically the films 11, 12, 13 and Mutual displacement of the stress relaxation members 21 and 22 is suppressed.
  • the film 13, the stress relaxation material 22, the film 12, the stress relaxation material 21, and the film 11 are laminated in order.
  • the metamaterial 1 By applying force to the metamaterial 1 in the state shown in FIG. 2 to bend the metamaterial 1 as shown in FIG. 3, the metamaterial 1 can be attached to a curved surface. Specifically, with the metamaterial 1 shown in FIG. By applying a force in the direction, a metamaterial 1 curved around the bending line L1 as shown in FIG. 3 is obtained.
  • one main surface of the film 11, specifically, the main surface of the film 11 on the Z-axis positive direction side forms a convex surface 11a protruding in the Z-axis direction.
  • the other main surface of the film 11, specifically, the main surface of the film 11 on the Z-axis negative direction side forms a concave surface 11b that is located on the opposite side of the convex surface 11a and that is depressed in the Z-axis direction.
  • the main surface of the film 11 on the Z-axis negative direction side is the surface of the film 11 facing the film 12 .
  • one main surface of the film 12 specifically, the main surface of the film 12 on the Z-axis positive direction side, forms a convex surface 12a protruding in the Z-axis direction.
  • the main surface of the film 12 on the Z-axis positive direction side is the surface of the film 12 facing the film 11 .
  • the other main surface of the film 12, more specifically, the main surface of the film 12 on the Z-axis negative direction side is located on the opposite side of the convex surface 12a and forms a concave surface 12b recessed in the Z-axis direction.
  • the main surface of the film 12 on the Z-axis negative direction side is the surface of the film 12 facing the film 13 .
  • the main surface of the film 13 on the Z-axis positive direction side is the surface of the film 13 facing the film 12 .
  • the other principal surface of the film 13, specifically, the principal surface of the film 13 on the Z-axis negative direction side, is located on the opposite side of the convex surface 13a and forms a concave surface 13b recessed in the Z-axis direction.
  • the desired electromagnetic properties of the metamaterial 1 can be realized.
  • the electromagnetic wave entering the metamaterial 1 from the film 13 can be refracted in a direction away from the central axis AX1 indicating the center of the metamaterial 1 in the X-axis direction and output from the film 11 .
  • the metamaterial 1 having the above configuration can be used for various purposes.
  • metamaterial 1 may be used in antenna 100, as shown in FIGS.
  • the antenna 100 includes a plurality of antenna elements 41 for transmitting or receiving electromagnetic waves, a substrate 42 on which the plurality of antenna elements 41 are formed, a radome 43 covering the radiation surface of the plurality of antenna elements 41, and attached to the radome 43.
  • the metamaterial 1 is attached to the surface of the radome 43 opposite to the surface facing the antenna element 41 .
  • the metamaterial 1 can be curved as shown in FIG. 3, it can be attached to the curved radome 43 as shown in FIGS.
  • a method of attaching the metamaterial 1 to the radome 43 for example, heat sealing is used. Specifically, the film 13 included in the metamaterial 1 is heated and melted, adhered to the radome 43 , and cooled to adhere the film 13 to the radome 43 . As a result, metamaterial 1 is attached to radome 43 .
  • the electromagnetic waves transmitted from the multiple antenna elements 41 can be refracted.
  • the antenna 100 shown in FIG. It is possible to widen the width in the axial direction. As a result, the scanning range of the antenna 100 can be widened.
  • FIG. 6 shows a metamaterial 9 without a stress relaxation material.
  • the metamaterial 9 is formed of the same members and is provided on each of a plurality of films 91, 92, 93, 94, and 95 arranged in contact with each other, and the films 91, 92, 93, 94, and 95 (not shown). and a plurality of microresonators.
  • the film 91 has a convex surface 91a protruding in the Z-axis direction and a concave surface 91b located on the opposite side of the convex surface 91a and recessed in the Z-axis direction.
  • the film 92 has a convex surface 92a projecting in the Z-axis direction and a concave surface 92b located on the opposite side of the convex surface 92a and recessed in the Z-axis direction.
  • the film 93 has a convex surface 93a projecting in the Z-axis direction and a concave surface 93b located on the opposite side of the convex surface 93a and recessed in the Z-axis direction.
  • the film 94 has a convex surface 94a projecting in the Z-axis direction and a concave surface 94b located on the opposite side of the convex surface 94a and recessed in the Z-axis direction.
  • the film 95 has a convex surface 95a projecting in the Z-axis direction and a concave surface 95b located on the opposite side of the convex surface 95a and recessed in the Z-axis direction.
  • Concave surfaces 91b, 92b, 93b and 94b abut convex surfaces 92a, 93a, 94a and 95a, respectively.
  • a film that is a greater distance from the bend line L2, such as film 91 has a greater distance around bend line L2 than a film that is a shorter distance from bend line L2, such as film 95. is stretched more in the circumferential direction of the As a result, in the curved metamaterial 9, the shapes of the films 91-95 are different from each other. In other words, the curvatures of the convex surfaces 91a, 92a, 93a, 94a, 95a are different from each other. Similarly, the curvatures of the concave surfaces 91b, 92b, 93b, 94b, 95b are different from each other.
  • the curvature radius R91 of the convex surface 91a is larger than the curvature radius R93 of the convex surface 93a. As the radius of curvature increases, the tensile stress at the time of bending increases.
  • the curvature radius R93 of the convex surface 93a is larger than the curvature radius R95 of the convex surface 95a.
  • the curvature radius R95 of the convex surface 95a is smaller than the curvature radius R93 of the convex surface 93a.
  • the metamaterial 9 since the difference in stress generated in each of the films 91 to 95 is large, in the metamaterial 9, some microresonators may receive a larger force than other microresonators. Therefore, it is necessary to bend the metamaterial 9 within an allowable range of force applied to the microresonator. Therefore, when the metamaterial 9 is used for an antenna, the shape of the radome to which the metamaterial 9 is attached may be limited.
  • the thickness of the stress relaxation material 21 in the direction sandwiched between the films 11 and 12 varies depending on the position on the stress relaxation material 21 .
  • the thickness d1 of the stress relaxation material 21 at the ends in the X-axis direction is smaller than the thickness d2 of the stress relaxation material 21 at the center in the X-axis direction.
  • the thickness of the stress relaxation material 22 in the direction sandwiched between the films 12 and 13 when the metamaterial 1 is bent varies depending on the position on the stress relaxation material 22 .
  • the stress relaxation materials 21 and 22 are deformed by receiving force from the films 11, 12 and 13, so that the difference in shape of the films 11, 12 and 13 is small compared to the case of the metamaterial 9. .
  • the center of the arc corresponding to the convex surface 11a is point C11
  • the center of the arc corresponding to the convex surface 12a is point C12
  • the center of the arc corresponding to the convex surface 13a is point C13.
  • the points C11, C12, and C13 are positioned side by side with an interval in the Z-axis direction.
  • the difference between the radius of curvature R11 of the convex surface 11a, the radius of curvature R12 of the convex surface 12a, and the radius of curvature R13 of the convex surface 13a is sufficiently small compared to the case of the metamaterial 9.
  • the tensile stresses generated in the curved films 11, 12, and 13 can be considered to be the same.
  • the radii of curvature of the concave surfaces 11b, 12b, 13b can be considered the same, the compressive stress generated in the curved films 11, 12, 13 can be considered the same.
  • the metamaterial 1 according to Embodiment 1 includes the stress relieving members 21 and 22, thereby suppressing the difference in degree of deformation of the films 11, 12 and 13 during bending, and It suppresses application of excessive force to the microresonator 31 provided in 13 . Since the application of excessive force to the microresonator 31 during bending is suppressed, there are few restrictions on deformation of the metamaterial 1, and the metamaterial 1 can be attached to a curved surface.
  • the configuration of the metamaterial 1 is not limited to the above example.
  • a metamaterial 2 having spacers for adjusting the spacing of the films 11-13 in the arrangement direction will be described in a second embodiment, focusing on the difference from the metamaterial 1 according to the first embodiment.
  • the metamaterial 2 shown in FIGS. 8 and 9 includes stress relaxation members 21a and 21b provided between the films 11 and 12 adjacent to each other, and stress relaxation members 22a and 22b provided between the films 12 and 13 adjacent to each other. , a spacer 51 provided between the stress relaxation members 21a and 21b, and a spacer 52 provided between the stress relaxation members 22a and 22b. By providing the spacers 51, 52, the spacing between the films 11, 12, 13 can be adjusted to obtain the desired electromagnetic properties of the metamaterial 2.
  • the stress relaxation member 21 a contacts the film 11 and the spacer 51
  • the stress relaxation member 21 b contacts the film 12 and the spacer 51
  • the stress relaxation member 22 a contacts the film 12 and the spacer 52
  • the stress relaxation member 22 b contacts the film 13 and the spacer 52 .
  • the stress relaxation members 21a, 21b, 22a, and 22b are made of the same members as the stress relaxation members 21 and 22 included in the metamaterial 1 according to the first embodiment. Therefore, the stress relaxation materials 21a, 21b, 22a, 22b have a lower elastic modulus than the films 11, 12, 13, and the stress generated in the films 11, 12, 13 when bending the metamaterial 2 is transmitted. and transform. The deformation of the stress relieving members 21a, 21b, 22a, 22b suppresses transmission of stress during bending between the films 11, 12, 13. FIG.
  • the spacers 51, 52 transmit the target electromagnetic wave and have a higher elastic modulus than the stress relaxation members 21a, 21b, 22a, 22b.
  • the spacers 51 and 52 are made of the same material as the films 11, 12 and 13. In this case, the spacers 51,52 are deformed in the same manner as the films 11,12,13.
  • a spacer 51 provided between the stress relaxation members 21a and 21b contacts the stress relaxation members 21a and 21b.
  • a spacer 52 provided between the stress relaxation members 22a and 22b contacts the stress relaxation members 22a and 22b.
  • the thickness of the spacers 51 and 52 is determined according to the electromagnetic properties required for the metamaterial 2. By adjusting the thickness of the spacers 51 and 52 , it is possible to adjust the intervals between the microresonators 31 provided in the films 11 , 12 and 13 respectively and change the electromagnetic properties of the metamaterial 2 .
  • the films 11, 12, 13, the stress relaxation members 21a, 21b, 22a, 22b, and the spacers 51, 52 have flat plate shapes as shown in FIG. Film 13, stress relaxation material 22b, spacer 52, stress relaxation material 22a, film 12, stress relaxation material 21b, spacer 51, stress relaxation material 21a, and film 11 are laminated in this order.
  • the metamaterial 2 according to Embodiment 2 includes the spacers 51 and 52 to adjust the intervals between the films 11, 12, and 13 and obtain the desired electromagnetic properties of the metamaterial 2. .
  • a plurality of spacers may be provided between two films adjacent to each other, specifically between films 11 and 12 and between films 12 and 13 .
  • the metamaterial 3 further includes stress relaxation members 22a, 22b, and 22c provided between the films 12 and 13, a spacer 52a provided between the stress relaxation members 22a and 22b, and a spacer 52a provided between the stress relaxation members 22b and 22c. and a spacer 52b.
  • the stress relaxation members 21a, 21b, 21c, 22a, 22b, and 22c are made of the same members as the stress relaxation members 21 and 22 included in the metamaterial 1 according to the first embodiment.
  • the spacers 51a, 51b, 52a, 52b are made of the same members as the spacers 51, 52 included in the metamaterial 2 according to the second embodiment.
  • FIG. 11 shows a metamaterial 4 with spacers 51, 52 of non-uniform thickness.
  • the thickness of the spacer 51 included in the metamaterial 4 in the direction sandwiched between the stress relaxation members 21 a and 21 b varies depending on the position on the spacer 51 .
  • the thickness d3 of the spacer 51 at the center in the X-axis direction is greater than the thickness d4 of the spacer 51 at the end in the X-axis direction.
  • the thickness of the spacer 52 in the direction sandwiched between the stress relaxation members 22 a and 22 b varies depending on the position on the spacer 52 .
  • the area of the main surface of the spacer 51 in contact with the stress relaxation material 21a may be smaller than the area of the main surface of the stress relaxation material 21a.
  • the area of the main surface of the spacer 51 contacting the stress relaxation material 21b may be smaller than the area of the main surface of the stress relaxation material 21b.
  • the area of the main surface of the spacer 52 that contacts the stress relaxation material 22a may be smaller than the area of the main surface of the stress relaxation material 22a.
  • the area of the main surface of the spacer 52 contacting the stress relaxation material 22b may be smaller than the area of the main surface of the stress relaxation material 22b.
  • the stress relaxation members 21a and 21b come into contact with the ends in the X-axis direction, thereby relieving stress.
  • the relaxation members 22a and 22b are in contact with each other. Thereby, the thickness of the metamaterial 4 can be reduced at the ends in the X-axis direction.
  • the thicknesses of the spacers 51 and 52 are not uniform, it is possible to set the curvatures of the films 11, 12 and 13 to different values. For example, by making the curvature of the film 11 smaller than that of the films 12 and 13, the electromagnetic wave entering the metamaterial 4 from the film 13 is refracted away from the central axis AX1 indicating the center of the metamaterial 4 in the X-axis direction. , exiting the film 11 . As a result, when metamaterial 4 is used in antenna 100 as shown in FIGS. It can be refracted in a direction away from the user to expand the scanning range.
  • FIG. 12 shows a metamaterial 5 having a stress relief material 21a with a non-uniform thickness.
  • the metamaterial 5 includes films 11 , 12 , 13 , stress relieving members 21 a , 21 b , 21 c provided between the films 11 , 12 , and a stress relieving member 22 provided between the films 12 , 13 .
  • the metamaterial 5 further includes a spacer 51a provided between the stress relaxation members 21a and 21b and a spacer 51b provided between the stress relaxation members 21b and 21c.
  • the thickness of the stress relaxation material 21a in the direction sandwiched between the films 11 and 12 in a state where the stress relaxation material 21a is not deformed by receiving force from the film 11 with which the stress relaxation material 21a abuts differs depending on the position on the stress relaxation material 21a.
  • the thickness of the stress relaxation material 21a at the center in the X-axis direction is larger than the thickness of the stress relaxation material 21a at the ends in the X-axis direction.
  • the width of the spacer 51a in the X-axis direction is shorter than the width of the spacer 51b in the X-axis direction.
  • the area of the main surface of the spacer 51a in contact with the stress relaxation material 21a is smaller than the area of the main surface of the stress relaxation material 21a.
  • the area of the principal surface of the spacer 51a that contacts the stress relaxation member 21b is smaller than the area of the principal surface of the stress relaxation member 21b.
  • the area of the principal surface of the spacer 51b that contacts the stress relaxation member 21b is smaller than the area of the principal surface of the stress relaxation member 21b.
  • the area of the principal surface of the spacer 51b in contact with the stress relaxation member 21c is smaller than the area of the principal surface of the stress relaxation member 21c.
  • a force is applied to the metamaterial 5 shown in FIG. 12 from the upper side of the film 11 in the Z-axis direction toward the Z-axis negative direction, so that the film 11 is aligned with the stress relaxation member 21a, and furthermore, the stress relaxation member 21b is applied. abut on.
  • a metamaterial 5 is obtained in which the film 11 is curved and the films 12 and 13 are flat.
  • the film 11 can be curved and the films 12 and 13 can be formed into a flat plate shape by forming the stress relaxation material 21a into a shape having a non-uniform thickness.
  • Antenna 101 comprises a radome 44 having a plane.
  • a metamaterial 5 is attached to the radome 44 .
  • the electromagnetic wave output from the antenna element 41 can be refracted in a direction away from the central axis AX3, thereby expanding the scanning direction.
  • FIG. 15 shows a metamaterial 6 with an attachment agent that adheres or adheres the film and the stress relief material.
  • the metamaterial 6 includes, in addition to the configuration of the metamaterial 1, mounting agents 61, 62, 63, 64 formed of adhesives or adhesives.
  • the mounting agents 61, 62, 63, and 64 are made of, for example, an acrylic adhesive, a silicone adhesive, a urethane adhesive, a rubber adhesive, a silicone adhesive, an acrylic adhesive, or the like.
  • the mounting agents 61, 62, 63, 64 may be made of the same member, or at least one of the mounting agents 61, 62, 63, 64 may be made of different members.
  • the attachment agent 61 abuts on the film 11 and the stress relaxation material 21 to adhere or stick the film 11 and the stress relaxation material 21 together.
  • the attachment agent 62 abuts on the film 12 and the stress relieving material 21 to adhere or stick the film 12 and the stress relieving material 21 together.
  • the attachment agent 63 abuts on the film 12 and the stress relieving material 22 to adhere or stick the film 12 and the stress relieving material 22 together.
  • the attachment agent 64 abuts on the film 13 and the stress relieving member 22 to adhere or stick the film 13 and the stress relieving member 22 together.
  • the stress relaxation material 21 can be attached to the films 11, 12, and the stress relaxation material 22 can be attached to the films 12, 13.
  • each component of the metamaterial 6, specifically, the films 11, 12, 13 and the stress relaxation materials 21, 22 are prevented from being displaced from each other.
  • the films 11, 12, 13 and the stress relaxation materials 21, 22 may be adhered to each other by heat fusion.
  • the deformation method of the films 11, 12, 13 is not limited to the above example, and the films 11, 12, 13 can be deformed by any method according to the shape of the position where the metamaterial 1-6 is attached.
  • the convex surface 11a and the concave surface 11b of the deformed film 11, the convex surface 12a and the concave surface 12b of the deformed film 12, and the convex surface 13a and the concave surface 13b of the deformed film 13 have a shape that is part of a spherical surface.
  • the metamaterial 1 deformed as described above may have In this case, by attaching the metamaterial 1 deformed as described above to the radome 43, it is possible to increase the width of the radiation range of the antenna 100 in the X-axis direction and the width in the Y-axis direction, thereby expanding the scanning range. Become.
  • the position where the metamaterial 1 is attached to the radome 43 is not limited to the above examples.
  • the metamaterial 1 may be attached to the surface of the radome 43 facing the antenna element 41 .
  • the same is true for metamaterials 2-4 and 6.
  • the members that make up the metamaterials 1-6 may have plasticity.
  • the stress relaxation members 21 and 22 may be made of a member having plasticity.
  • the shape of the microresonator 31 is not limited to the above example, and may be any resonator that resonates with the target electromagnetic wave.
  • the shape of the microresonator 31 may be arc-shaped, U-shaped, V-shaped, L-shaped, grid-shaped, spiral-shaped, circular, or the like.
  • the target electromagnetic waves are not limited to electromagnetic waves in the gigahertz range.
  • the target electromagnetic wave may be an electromagnetic wave in the terahertz region, for example, an electromagnetic wave with a wavelength of 300 micrometers or more and 3 millimeters or less.

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Abstract

メタマテリアル（１）は、互いの主面が向き合って配列される複数のフィルム（１１，１２，１３）と、フィルム（１１，１２，１３）に設けられる複数の微細共振器（３１）と、互いに隣接するフィルム（１１，１２，１３）の間に設けられる応力緩和材（２１，２２）と、を備える。フィルム（１１，１２，１３）は、波長が対象波長範囲に含まれる電磁波である対象電磁波を透過させる。微細共振器（３１）は、対象電磁波と共振する。応力緩和材（２１，２２）は、対象電磁波を透過させ、フィルム（１１，１２，１３）より低い弾性率を有する。

Description

メタマテリアルおよびアンテナ
　本開示は、メタマテリアルおよびメタマテリアルを備えるアンテナに関する。
　電磁的性質、例えば、誘電率、透磁率等が調節可能なメタマテリアルは、様々な技術、例えば、光学迷彩、レーダー回避、小型アンテナ等への応用が期待されている。メタマテリアルの一例が特許文献１に開示されている。特許文献１に開示されるメタマテリアルフィルムは、特定の波長の電磁波、具体的には、波長が４００ナノメートル以上、かつ、２０００ナノメートル以下の電磁波を透過する樹脂フィルムと、樹脂フィルムに設けられ、特定の波長の電磁波と共振する複数の微細共振器と、を備える。
特開２０１７－１７５２０１号公報
　特許文献１に開示されるメタマテリアルフィルムを積層したものを、例えば部分円筒の形状に湾曲させた場合、外周面の曲率は、内周面の曲率より大きくなる。この結果、メタマテリアルフィルムにおいて、外周面に最も大きな引張応力が生じ、内周面に最も大きな圧縮応力が生じる。
　引張応力または圧縮応力が大きくなると、樹脂フィルムに設けられている微細共振器に加わる力が大きくなり、微細共振器が変形してしまうことがある。微細共振器が変形してしまうと、所望の電磁的性質が得られない。このため、メタマテリアルフィルムを積層したものを曲面に取り付けることが困難である。
　本開示は上述の事情に鑑みてなされたものであり、曲面に取り付け可能なメタマテリアルおよびメタマテリアルを備えるアンテナを提供することを目的とする。
　上記目的を達成するため、本開示に係るメタマテリアルは、複数のフィルムと、複数の微細共振器と、応力緩和材と、を備える。複数のフィルムは、周波数が対象周波数範囲に含まれる電磁波である対象電磁波を透過させ、互いの主面が向き合って配列される。複数の微細共振器は、導電性部材で形成され、フィルムに設けられ、対象電磁波と共振する。応力緩和材は、互いに隣接するフィルムの間に設けられ、対象電磁波を透過させ、フィルムより低い弾性率を有する。
　本開示に係るメタマテリアルは、互いに隣接するフィルムの間に設けられ、フィルムより低い弾性率を有する応力緩和材を備える。メタマテリアルを湾曲させる際にフィルムに生じる応力が応力緩和材に伝達されると、応力緩和材は変形する。このため、フィルムのみが積層されている場合と比べて、メタマテリアルを湾曲させる際にフィルムに生じる応力がフィルム間で伝達されることが抑制され、フィルムに設けられる微細共振器に加わる力が低減される。この結果、メタマテリアルを曲面に取り付けることが可能となる。
実施の形態１に係るメタマテリアルの分解斜視図 実施の形態１に係るメタマテリアルの断面図 実施の形態１に係るメタマテリアルの断面図 実施の形態１に係るアンテナの斜視図 実施の形態１に係るアンテナの断面図 比較例であるメタマテリアルの断面図 実施の形態１に係るメタマテリアルの断面図 実施の形態２に係るメタマテリアルの断面図 実施の形態２に係るメタマテリアルの断面図 実施の形態に係るメタマテリアルの第１変形例の断面図 実施の形態に係るメタマテリアルの第２変形例の断面図 実施の形態に係るメタマテリアルの第３変形例の断面図 実施の形態に係るメタマテリアルの第３変形例の断面図 実施の形態に係るアンテナの変形例の断面図 実施の形態に係るメタマテリアルの第４変形例の断面図
　以下、本開示の実施の形態に係るメタマテリアルおよびアンテナについて図面を参照して詳細に説明する。なお図中、同一または同等の部分には同一の符号を付す。
　（実施の形態１）
　アンテナの走査範囲を拡大するために用いられるメタマテリアル構造体を例にして、実施の形態１に係るメタマテリアル１について説明する。図１および図２に示す実施の形態１に係るメタマテリアル１は波長が対象波長範囲に含まれる電磁波である対象電磁波を透過させ、互いの主面が向き合って配列される複数のフィルム１１，１２，１３と、フィルム１１，１２，１３のそれぞれに設けられる複数の微細共振器３１と、を備える。メタマテリアル１はさらに、互いに隣接するフィルム１１，１２の間に設けられる応力緩和材２１と、互いに隣接するフィルム１２，１３の間に設けられる応力緩和材２２と、を備える。
　図２に示すように、実施の形態１では、フィルム１１，１２，１３および応力緩和材２１，２２は、外部から力が加えられていない状態で平板状の形状を有する。複数のフィルム１１，１２，１３の配列方向をＺ軸とし、フィルム１１の側面に平行な面に含まれ、Ｚ軸に直交する軸として、Ｘ軸を設定し、Ｘ軸およびＺ軸のそれぞれに直交する軸としてＹ軸を設定する。
　フィルム１１，１２，１３は、互いの主面が向き合ってＺ軸方向に配列される。詳細には、図２の状態で、フィルム１１，１２，１３はそれぞれ、Ｚ軸方向に直交する２つの主面を有する。フィルム１１のＺ軸負方向側の主面とフィルム１２のＺ軸正方向側の主面が対向し、フィルム１２のＺ軸負方向側の主面とフィルム１３のＺ軸正方向側の主面が対向する状態で、フィルム１１，１２，１３が配列される。上述のように配列されたフィルム１１，１２，１３の間に、応力緩和材２１，２２が設けられる。
　フィルム１１，１２，１３は、対象電磁波、例えば、ギガヘルツ領域の電磁波、具体的には、波長が１ミリメートル以上、かつ、１０ミリメートル以下のミリ波帯の電磁波を透過させる。フィルム１１，１２，１３は、樹脂、例えば、ポリイミド、ポリオレフィン、環状ポリオレフィン、ポリメチルメタクリレート、ポリエステル樹脂、脂環式エポキシ、フッ素樹脂、熱可塑性エラストマー等で形成される。フィルム１１，１２，１３は、上述のように樹脂で形成され、湾曲可能である。
　複数の微細共振器３１は、フィルム１１，１２，１３のそれぞれの表面上に二次元方向に配列され、あるいは、フィルム１１，１２，１３の内部に二次元方向または三次元方向に配列される。例えば、フィルム１１の内部に複数の微細共振器３１を設ける場合、フィルム１１を構成するフィルム層の表面上に複数の微細共振器３１を並べ、その上にフィルム１１を構成する他のフィルム層を積層し、熱圧着によってフィルム層同士を接着させればよい。
　各微細共振器３１は、導電性部材で形成され、対象電磁波と共振する。導電性部材として、例えば、金属、合金、導電性を有する金属酸化物、高分子半導体等が用いられる。微細共振器３１は、対象電磁波が入射したときに共振によって誘導電流を生じさせる形状を有する。実施の形態１では、微細共振器３１として、部分円環の形状を有するスプリットリング型共振器が用いられる。
　複数の微細共振器３１がフィルム１１，１２，１３に設けられることで、メタマテリアル１の所望の電磁的性質、具体的には、所望の誘電率および透磁率を実現することができる。例えば、メタマテリアル１の誘電率および透磁率のそれぞれを負の値とすることで、メタマテリアル１の屈折率を負の値とすることが可能となる。図２に示すように外部から力が加えられていない状態でのフィルム１１，１２，１３のそれぞれのＺ軸方向における厚さおよび応力緩和材２１，２２のＺ軸方向における厚さは、メタマテリアル１の所望の電磁的性質に応じて調節されればよい。
　応力緩和材２１，２２は、隣接するフィルム１１，１２，１３の間に設けられ、対象電磁波を透過させる。詳細には、応力緩和材２１は、フィルム１１，１２の間に設けられ、フィルム１１，１２に当接する。応力緩和材２２は、フィルム１２，１３の間に設けられ、フィルム１２，１３に当接する。当接とは、直接的に当接する場合と、他の部材を介して間接的に当接する場合とを含むものとする。応力緩和材２１，２２は、対象電磁波を含む電磁波を透過させる部材で形成されればよい。
　応力緩和材２１，２２は、フィルム１１，１２，１３より低い弾性率を有する。このため、メタマテリアル１を湾曲させる際にフィルム１１，１２，１３で生じる応力が伝達されると、応力緩和材２１，２２は変形する。応力緩和材２１，２２が変形することで、湾曲時に生じる応力がフィルム１１，１２，１３の間で伝達されることが抑制される。
　応力緩和材２１，２２は、フィルム１１，１２，１３に接着または粘着する部材、例えば、アクリル系粘着剤、シリコン系粘着剤、ウレタン系粘着剤、ゴム系粘着剤、シリコン系接着剤、アクリル系接着剤等で形成されることが好ましい。これにより、応力緩和材２１をフィルム１１，１２に取り付け、応力緩和材２２をフィルム１２，１３に取り付けることができ、メタマテリアル１の各構成要素、具体的には、フィルム１１，１２，１３および応力緩和材２１，２２の互いの位置ずれが抑制される。
　図２に示すように、フィルム１３、応力緩和材２２、フィルム１２、応力緩和材２１，およびフィルム１１が順に積層される。
　図２の状態のメタマテリアル１に力を加えて、図３に示すようにメタマテリアル１を湾曲させることで、メタマテリアル１を曲面に取り付けることが可能となる。詳細には、図２に示すメタマテリアル１について、Ｘ軸方向の端部を固定した状態で、メタマテリアル１のＸ軸方向の中心において、Ｙ軸に平行な曲げ線Ｌ１に沿ってＺ軸正方向に力を加えることで、図３に示すように曲げ線Ｌ１の周りに湾曲したメタマテリアル１が得られる。
　湾曲したメタマテリアル１において、フィルム１１の一方の主面、具体的には、フィルム１１のＺ軸正方向側の主面は、Ｚ軸方向に突出する凸面１１ａを形成する。フィルム１１の他方の主面、具体的には、フィルム１１のＺ軸負方向側の主面は、凸面１１ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面１１ｂを形成する。フィルム１１のＺ軸負方向側の主面は、フィルム１１のフィルム１２に向く面である。
　同様に、フィルム１２の一方の主面、具体的には、フィルム１２のＺ軸正方向側の主面は、Ｚ軸方向に突出する凸面１２ａを形成する。フィルム１２のＺ軸正方向側の主面は、フィルム１２のフィルム１１に向く面である。フィルム１２の他方の主面、具体的には、フィルム１２のＺ軸負方向側の主面は、凸面１２ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面１２ｂを形成する。フィルム１２のＺ軸負方向側の主面は、フィルム１２のフィルム１３に向く面である。
　同様に、フィルム１３の一方の主面、具体的には、フィルム１３のＺ軸正方向側の主面は、Ｚ軸方向に突出する凸面１３ａを形成する。フィルム１３のＺ軸正方向側の主面は、フィルム１３のフィルム１２に向く面である。フィルム１３の他方の主面、具体的には、フィルム１３のＺ軸負方向側の主面は、凸面１３ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面１３ｂを形成する。
　上述のように湾曲したフィルム１１，１２，１３のそれぞれに複数の微細共振器３１が設けられていることで、メタマテリアル１の所望の電磁的性質を実現することができる。例えば、フィルム１３からメタマテリアル１に入った電磁波を、メタマテリアル１のＸ軸方向の中心を示す中心軸ＡＸ１から離れる方向に屈折させ、フィルム１１から出力させることが可能となる。
　上記構成を有するメタマテリアル１は、種々の用途に用いることができる。一例として、図４および図５に示すように、メタマテリアル１は、アンテナ１００に用いられてもよい。アンテナ１００は、電磁波の送信または受信を行う複数のアンテナ素子４１と、複数のアンテナ素子４１が形成される基板４２と、複数のアンテナ素子４１の放射面を覆うレドーム４３と、レドーム４３に取り付けられるメタマテリアル１と、を備える。図４において、レドーム４３の一部およびメタマテリアル１の一部の記載が省略されている。例えば、レドーム４３のアンテナ素子４１を向く面と反対の面にメタマテリアル１が取り付けられる。
　メタマテリアル１は、図３に示すように湾曲させることが可能であるため、図４および図５に示すように湾曲したレドーム４３に取り付けることが可能である。レドーム４３にメタマテリアル１を取り付ける方法として、例えば、熱融着が用いられる。詳細には、メタマテリアル１が備えるフィルム１３を加熱して溶融させ、レドーム４３に接着させ、冷却することで、フィルム１３がレドーム４３に接着する。この結果、メタマテリアル１が、レドーム４３に取り付けられる。
　レドーム４３にメタマテリアル１を取り付けることで、複数のアンテナ素子４１から送信される電磁波を屈折させることができる。例えば、図５に示すアンテナ１００において、メタマテリアル１によって、各アンテナ素子４１から送信される電磁波をＸ軸方向の中心を示す中心軸ＡＸ２から離れる方向に屈折させて、アンテナ１００の放射範囲のＸ軸方向の幅を広げることが可能となる。この結果、アンテナ１００の走査範囲を広げることが可能となる。
　湾曲したメタマテリアル１において微細共振器３１に過大な力が加わることを抑制するための構造について以下に説明する。比較例として、応力緩和材を備えないメタマテリアル９を図６に示す。メタマテリアル９は、互いに同じ部材で形成され、当接して並べられている複数のフィルム９１，９２，９３，９４，９５と、フィルム９１，９２，９３，９４，９５のそれぞれに設けられる図示しない複数の微細共振器と、を備える。
　平板形状のフィルム９１－９５を当接させ、図示しない接着剤または粘着剤によって互いに固定し、メタマテリアル１と同様に力を加えて湾曲させると、図６に示すように、曲げ線Ｌ２の周りに湾曲したメタマテリアル９が得られる。
　湾曲したメタマテリアル９において、フィルム９１は、Ｚ軸方向に突出する凸面９１ａと、凸面９１ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面９１ｂと、を有する。同様に、フィルム９２は、Ｚ軸方向に突出する凸面９２ａと、凸面９２ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面９２ｂと、を有する。同様に、フィルム９３は、Ｚ軸方向に突出する凸面９３ａと、凸面９３ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面９３ｂと、を有する。同様に、フィルム９４は、Ｚ軸方向に突出する凸面９４ａと、凸面９４ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面９４ｂと、を有する。同様に、フィルム９５は、Ｚ軸方向に突出する凸面９５ａと、凸面９５ａの反対側に位置し、Ｚ軸方向に窪む凹面９５ｂと、を有する。凹面９１ｂ，９２ｂ，９３ｂ，９４ｂはそれぞれ、凸面９２ａ，９３ａ，９４ａ，９５ａに当接する。
　フィルム９１－９５を互いに固定してから湾曲させると、曲げ線Ｌ２からの距離が長いフィルム、例えばフィルム９１は、曲げ線Ｌ２からの距離が短いフィルム、例えばフィルム９５と比べて、曲げ線Ｌ２周りの周方向により大きく引き延ばされる。この結果、湾曲したメタマテリアル９において、フィルム９１－９５の形状は互いに異なる。換言すれば、凸面９１ａ，９２ａ，９３ａ，９４ａ，９５ａの曲率は、互いに異なる。同様に、凹面９１ｂ，９２ｂ，９３ｂ，９４ｂ，９５ｂの曲率は、互いに異なる。
　図６に示すように、ＸＺ平面に平行な断面において、凸面９１ａに相当する円弧の中心、凸面９３ａに相当する円弧の中心、および、凸面９５ａに相当する円弧の中心は、点Ｃ９１で一致するとみなせる。このため、凸面９１ａの曲率半径Ｒ９１は、凸面９３ａの曲率半径Ｒ９３より大きい。曲率半径が大きくなると湾曲時の引張応力が大きくなるため、湾曲したフィルム９１には、フィルム９３よりも大きい引張応力が生じる。
　凸面９３ａの曲率半径Ｒ９３は、凸面９５ａの曲率半径Ｒ９５より大きい。換言すれば、凸面９５ａの曲率半径Ｒ９５は、凸面９３ａの曲率半径Ｒ９３より小さい。曲率半径が小さくなると湾曲時の圧縮応力が大きくなるため、湾曲したフィルム９５には、フィルム９３よりも大きい圧縮応力が生じる。
　上述のように、フィルム９１－９５のそれぞれに生じる応力の差が大きくなるため、メタマテリアル９において、一部の微細共振器は、他の微細共振器と比べて大きい力が加わることがある。このため、微細共振器に加わる力が許容範囲となる範囲で、メタマテリアル９を湾曲させる必要がある。したがって、メタマテリアル９をアンテナに用いる場合、メタマテリアル９が取り付けられるレドームの形状に制限が生じることがある。
　一方、図７に示すメタマテリアル１において、湾曲時にフィルム１１，１２，１３で生じる応力が応力緩和材２１，２２に伝達されると、フィルム１１，１２，１３より弾性率の低い応力緩和材２１，２２は、フィルム１１，１２，１３と比べて大きく変形する。
　詳細には、湾曲したメタマテリアル１において、応力緩和材２１のフィルム１１，１２に挟まれる方向における厚さは、応力緩和材２１における位置によって異なる。例えば、Ｘ軸方向端部における応力緩和材２１の厚さｄ１は、Ｘ軸方向中心における応力緩和材２１の厚さｄ２より小さい。同様に、メタマテリアル１を湾曲した際の、応力緩和材２２のフィルム１２，１３に挟まれる方向における厚さは、応力緩和材２２における位置によって異なる。
　上述のように、応力緩和材２１，２２が、フィルム１１，１２，１３から力を受けて変形することで、フィルム１１，１２，１３の形状の違いは、メタマテリアル９の場合と比べて小さい。
　ＸＺ平面に平行な断面において、凸面１１ａに相当する円弧の中心を点Ｃ１１とし、凸面１２ａに相当する円弧の中心を点Ｃ１２とし、凸面１３ａに相当する円弧の中心を点Ｃ１３とする。点Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３は、Ｚ軸方向に間隔を空けて並んで位置する。凸面１１ａの曲率半径Ｒ１１、凸面１２ａの曲率半径Ｒ１２、および凸面１３ａの曲率半径Ｒ１３の差は、メタマテリアル９の場合と比べて十分に小さい。
　例えば、凸面１１ａの曲率半径Ｒ１１、凸面１２ａの曲率半径Ｒ１２、および凸面１３ａの曲率半径Ｒ１３が同じであるとみなせる場合、湾曲したフィルム１１，１２，１３に生じる引張応力は同じであるとみなせる。同様に、凹面１１ｂ，１２ｂ，１３ｂの曲率半径が同じであるとみなせる場合、湾曲したフィルム１１，１２，１３に生じる圧縮応力は同じであるとみなせる。
　上述のように、メタマテリアル９と比べて、フィルム１１－１３のそれぞれに生じる湾曲時の応力の差が小さくなるため、湾曲時に微細共振器３１に過大な力が加えられることが抑制される。メタマテリアル１をアンテナ１００に用いる場合には、メタマテリアル９と比べて、レドーム４３の形状の制限が緩和される。
　以上説明した通り、実施の形態１に係るメタマテリアル１は応力緩和材２１，２２を備えることで、湾曲時のフィルム１１，１２，１３の変形の程度の差を抑制し、フィルム１１，１２，１３に設けられる微細共振器３１に過大な力が加わることを抑制する。湾曲時に微細共振器３１に過大な力が加わることが抑制されるため、メタマテリアル１の変形の制限が少なく、メタマテリアル１を曲面に取り付けることが可能となる。
　（実施の形態２）
　メタマテリアル１の構成は上述の例に限られない。フィルム１１－１３の配列方向の間隔を調節するためにスペーサを備えるメタマテリアル２について、実施の形態１に係るメタマテリアル１との差異を中心に、実施の形態２で説明する。
　図８および図９に示すメタマテリアル２は、互いに隣接するフィルム１１，１２の間に設けられる応力緩和材２１ａ，２１ｂと、互いに隣接するフィルム１２，１３の間に設けられる応力緩和材２２ａ，２２ｂと、応力緩和材２１ａ，２１ｂの間に設けられるスペーサ５１と、応力緩和材２２ａ，２２ｂの間に設けられるスペーサ５２と、を備える。スペーサ５１，５２を設けることで、フィルム１１，１２，１３の間隔を調節し、メタマテリアル２の所望の電磁的性質を得ることができる。
　応力緩和材２１ａは、フィルム１１とスペーサ５１に当接し、応力緩和材２１ｂはフィルム１２とスペーサ５１に当接する。応力緩和材２２ａは、フィルム１２とスペーサ５２に当接し、応力緩和材２２ｂはフィルム１３とスペーサ５２に当接する。
　応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂは、実施の形態１に係るメタマテリアル１が備える応力緩和材２１，２２と同じ部材で形成される。このため、応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂは、フィルム１１，１２，１３より低い弾性率を有し、メタマテリアル２を湾曲させる際にフィルム１１，１２，１３で生じる応力が伝達されると変形する。応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂが変形することで、フィルム１１，１２，１３の間で湾曲時の応力が伝達されることが抑制される。
　スペーサ５１，５２は、対象電磁波を透過させ、応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂより高い弾性率を有する。例えば、スペーサ５１，５２は、フィルム１１，１２，１３と同じ部材で形成される。この場合、スペーサ５１，５２は、フィルム１１，１２，１３と同様に変形する。応力緩和材２１ａ，２１ｂの間に設けられるスペーサ５１は、応力緩和材２１ａ，２１ｂに当接する。応力緩和材２２ａ，２２ｂの間に設けられるスペーサ５２は、応力緩和材２２ａ，２２ｂに当接する。
　スペーサ５１，５２の厚さは、メタマテリアル２に求められる電磁的性質に応じて定められる。スペーサ５１，５２の厚さによって、フィルム１１，１２，１３のそれぞれに設けられる微細共振器３１の間隔を調節し、メタマテリアル２の電磁的性質を変化させることが可能となる。
　外部から力が加えられていない場合は、図８に示すように、フィルム１１，１２，１３、応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂ、およびスペーサ５１，５２は、平板形状を有する。フィルム１３、応力緩和材２２ｂ、スペーサ５２、応力緩和材２２ａ、フィルム１２、応力緩和材２１ｂ、スペーサ５１、応力緩和材２１ａ、およびフィルム１１が順に積層される。
　図８の状態のメタマテリアル２に実施の形態１と同様の方法で力を加えることで、図９に示すように湾曲したメタマテリアル２が得られる。これにより、メタマテリアル２を曲面に取り付けることが可能となる。
　以上説明した通り、実施の形態２に係るメタマテリアル２はスペーサ５１，５２を備えることで、フィルム１１，１２，１３の間隔を調節し、メタマテリアル２の所望の電磁的性質を得ることができる。
　本開示は、上述の実施の形態の例に限られない。例えば、メタマテリアル２において、互いに隣接する２つのフィルムの間、具体的には、フィルム１１，１２の間およびフィルム１２，１３の間には複数のスペーサが設けられてもよい。
　図１０に示すメタマテリアル３は、フィルム１１，１２の間に設けられる応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、応力緩和材２１ａ，２１ｂの間に設けられるスペーサ５１ａと、応力緩和材２１ｂ，２１ｃの間に設けられるスペーサ５１ｂと、を備える。メタマテリアル３はさらに、フィルム１２，１３の間に設けられる応力緩和材２２ａ，２２ｂ，２２ｃと、応力緩和材２２ａ，２２ｂの間に設けられるスペーサ５２ａと、応力緩和材２２ｂ，２２ｃの間に設けられるスペーサ５２ｂと、を備える。
　応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃは、実施の形態１に係るメタマテリアル１が備える応力緩和材２１，２２と同じ部材で形成される。スペーサ５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂは、実施の形態２に係るメタマテリアル２が備えるスペーサ５１，５２と同じ部材で形成される。
　フィルム１１，１２の間に複数のスペーサ５１ａ，５１ｂを設け、フィルム１２，１３の間に複数のスペーサ５２ａ，５２ｂを設けることで、フィルム１１，１２，１３の間隔を広げ、所望の値に調節することが可能となる。
　スペーサの形状は、上述の例に限られない。一例として、厚さが一様でないスペーサ５１，５２を備えるメタマテリアル４を図１１に示す。メタマテリアル４が備えるスペーサ５１の応力緩和材２１ａ，２１ｂに挟まれる方向の厚さは、スペーサ５１における位置によって異なる。詳細には、Ｘ軸方向の中心においてスペーサ５１の厚さｄ３は、Ｘ軸方向の端部におけるスペーサ５１の厚さｄ４より大きい。同様に、スペーサ５２の応力緩和材２２ａ，２２ｂに挟まれる方向の厚さは、スペーサ５２における位置によって異なる。
　図１１に示すように、応力緩和材２１ａに当接するスペーサ５１の主面の面積は、応力緩和材２１ａの主面の面積より小さくてもよい。同様に、応力緩和材２１ｂに当接するスペーサ５１の主面の面積は、応力緩和材２１ｂの主面の面積より小さくてもよい。応力緩和材２２ａに当接するスペーサ５２の主面の面積は、応力緩和材２２ａの主面の面積より小さくてもよい。同様に、応力緩和材２２ｂに当接するスペーサ５２の主面の面積は、応力緩和材２２ｂの主面の面積より小さくてもよい。スペーサ５１，５２の主面の面積を応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂの主面の面積より小さくすることで、Ｘ軸方向の端部においては応力緩和材２１ａ，２１ｂが当接し、応力緩和材２２ａ，２２ｂが当接する。これにより、Ｘ軸方向の端部においてメタマテリアル４の厚さを小さくすることができる。
　スペーサ５１，５２の厚さが一様でないことで、フィルム１１，１２，１３の曲率を異なる値とすることが可能となる。例えば、フィルム１１の曲率をフィルム１２，１３よりも小さくすることで、フィルム１３からメタマテリアル４に入った電磁波は、メタマテリアル４のＸ軸方向の中心を示す中心軸ＡＸ１から離れる方向に屈折し、フィルム１１から出る。この結果、メタマテリアル４が、図４および図５に示すようにアンテナ１００に用いられた場合に、アンテナ素子４１が出力する電磁波を、メタマテリアル１の場合と比べて、中心軸ＡＸ２から、より離れる方向に屈折させ、走査範囲を拡大することが可能となる。
　応力緩和材の形状は、上述の例に限られない。一例として、厚さが一様でない応力緩和材２１ａを備えるメタマテリアル５を図１２に示す。メタマテリアル５は、フィルム１１，１２，１３と、フィルム１１，１２の間に設けられる応力緩和材２１ａ，２１ｂ，２１ｃと、フィルム１２，１３の間に設けられる応力緩和材２２と、を備える。メタマテリアル５はさらに、応力緩和材２１ａ，２１ｂの間に設けられるスペーサ５１ａと、応力緩和材２１ｂ，２１ｃの間に設けられるスペーサ５１ｂと、を備える。
　応力緩和材２１ａが当接するフィルム１１から力を受けて変形していない状態で、フィルム１１，１２に挟まれる方向における応力緩和材２１ａの厚さは、応力緩和材２１ａにおける位置によって異なる。例えば、Ｘ軸方向中心における応力緩和材２１ａの厚さは、Ｘ軸方向端部における応力緩和材２１ａの厚さより大きい。
　スペーサ５１ａのＸ軸方向の幅は、スペーサ５１ｂのＸ軸方向の幅より短い。応力緩和材２１ａに当接するスペーサ５１ａの主面の面積は、応力緩和材２１ａの主面の面積より小さい。応力緩和材２１ｂに当接するスペーサ５１ａの主面の面積は、応力緩和材２１ｂの主面の面積より小さい。応力緩和材２１ｂに当接するスペーサ５１ｂの主面の面積は、応力緩和材２１ｂの主面の面積より小さい。応力緩和材２１ｃに当接するスペーサ５１ｂの主面の面積は、応力緩和材２１ｃの主面の面積より小さい。
　図１２に示すメタマテリアル５に対して、フィルム１１のＺ軸方向上側からＺ軸負方向に向かって力を加えることで、フィルム１１を、応力緩和材２１ａに沿わせ、さらに、応力緩和材２１ｂに当接させる。この結果、図１３に示すように、フィルム１１が湾曲し、フィルム１２，１３が平板状の形状を有するメタマテリアル５が得られる。応力緩和材２１ａを厚さが一様でない形状とすることで、フィルム１１を湾曲させ、フィルム１２，１３を平板形状とすることができる。
　上述の構成を有するメタマテリアル５は、図１４に示すアンテナ１０１に用いられる。アンテナ１０１は、平面を有するレドーム４４を備える。レドーム４４にメタマテリアル５が取り付けられる。この結果、アンテナ素子４１から出力される電磁波を、中心軸ＡＸ３から離れる方向に屈折させて、走査方向を拡大することが可能となる。
　フィルムと応力緩和材とを取り付ける方法は、上述の例に限られない。一例として、フィルムと応力緩和材とを接着または粘着させる取付剤を備えるメタマテリアル６を図１５に示す。メタマテリアル６は、メタマテリアル１の構成に加えて、接着剤または粘着剤で形成される取付剤６１，６２，６３，６４を備える。
　取付剤６１，６２，６３，６４は、例えば、アクリル系粘着剤、シリコン系粘着剤、ウレタン系粘着剤、ゴム系粘着剤、シリコン系接着剤、アクリル系接着剤等で形成される。取付剤６１，６２，６３，６４は、互いに同じ部材で形成されてもよいし、取付剤６１，６２，６３，６４の少なくともいずれかが、異なる部材で形成されてもよい。
　取付剤６１は、フィルム１１と応力緩和材２１とに当接し、フィルム１１と応力緩和材２１とを接着または粘着させる。取付剤６２は、フィルム１２と応力緩和材２１とに当接し、フィルム１２と応力緩和材２１とを接着または粘着させる。取付剤６３は、フィルム１２と応力緩和材２２とに当接し、フィルム１２と応力緩和材２２とを接着または粘着させる。取付剤６４は、フィルム１３と応力緩和材２２とに当接し、フィルム１３と応力緩和材２２とを接着または粘着させる。
　上述のようにメタマテリアル６が取付剤６１，６２，６３，６４を備えることで、応力緩和材２１をフィルム１１，１２に取り付け、応力緩和材２２をフィルム１２，１３に取り付けることができる。この結果、メタマテリアル６の各構成要素、具体的には、フィルム１１，１２，１３および応力緩和材２１，２２の互いの位置ずれが抑制される。
　他の一例として、熱融着によって、フィルム１１，１２，１３および応力緩和材２１，２２を互いに接着させてもよい。
　フィルム１１，１２，１３の変形方法は、上述の例に限られず、メタマテリアル１－６を取り付ける位置の形状に応じて、フィルム１１，１２，１３を任意の方法で変形させることができる。一例として、変形されたフィルム１１が有する凸面１１ａと凹面１１ｂ、変形されたフィルム１２が有する凸面１２ａと凹面１２ｂ、変形されたフィルム１３が有する凸面１３ａと凹面１３ｂは、球面の一部となる形状を有してもよい。この場合、上述のように変形されたメタマテリアル１をレドーム４３に取り付けることで、アンテナ１００の放射範囲のＸ軸方向の幅およびＹ軸方向の幅を広げ、走査範囲を拡大することが可能となる。
　メタマテリアル１をレドーム４３に取り付ける位置は、上述の例に限られない。一例として、メタマテリアル１は、レドーム４３のアンテナ素子４１を向く面に取り付けられてもよい。メタマテリアル２－４，６についても同様である。
　メタマテリアル１－６を構成する部材は可塑性を有してもよい。一例として、メタマテリアル１において、応力緩和材２１，２２は可塑性を有する部材で形成されてもよい。
　微細共振器３１の形状は、上述の例に限られず、対象電磁波と共振する任意の共振器である。例えば、微細共振器３１の形状は、円弧形状、Ｕ字形状、Ｖ字形状、Ｌ字形状、格子形状、螺旋形状、円形等でもよい。
　対象電磁波は、ギガヘルツ領域の電磁波に限られない。一例として、対象電磁波は、テラヘルツ領域の電磁波、例えば、波長が３００マイクロメートル以上、かつ、３ミリメートル以下の電磁波でもよい。
　本開示は、本開示の広義の精神と範囲を逸脱することなく、様々な実施の形態及び変形が可能とされるものである。また、上述した実施の形態は、この開示を説明するためのものであり、本開示の範囲を限定するものではない。すなわち、本開示の範囲は、実施の形態ではなく、特許請求の範囲によって示される。そして、特許請求の範囲内及びそれと同等の開示の意義の範囲内で施される様々な変形が、この開示の範囲内とみなされる。
　１，２，３，４，５，６，９　メタマテリアル、１１，１２，１３，９１，９２，９３，９４，９５　フィルム、１１ａ，１２ａ，１３ａ，９１ａ，９２ａ，９３ａ，９４ａ，９５ａ　凸面、１１ｂ，１２ｂ，１３ｂ，９１ｂ，９２ｂ，９３ｂ，９４ｂ，９５ｂ　凹面、２１，２２，２１ａ，２１ｂ，２１ｃ，２２ａ，２２ｂ，２２ｃ　応力緩和材、３１　微細共振器、４１　アンテナ素子、４２　基板、４３，４４　レドーム、５１，５２，５１ａ，５１ｂ，５２ａ，５２ｂ　スペーサ、６１，６２，６３，６４　取付剤、１００，１０１　アンテナ、ＡＸ１，ＡＸ２，ＡＸ３　中心軸、Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３，Ｃ９１　点、ｄ１，ｄ２，ｄ３，ｄ４　厚さ、Ｌ１，Ｌ２　曲げ線、Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ９１，Ｒ９３，Ｒ９５　曲率半径。

Claims (12)

  1. 　波長が対象波長範囲に含まれる電磁波である対象電磁波を透過させ、互いの主面が向き合って配列される複数のフィルムと、
    　導電性部材で形成され、前記フィルムに設けられ、前記対象電磁波と共振する複数の微細共振器と、
    　互いに隣接する前記フィルムの間に設けられ、前記対象電磁波を透過させ、前記フィルムより低い弾性率を有する応力緩和材と、
    　を備えるメタマテリアル。
  2. 　前記フィルムの一方の主面は、前記複数のフィルムの配列方向に突出する凸面を形成し、前記フィルムの他方の主面は、前記凸面の反対側に位置し、前記配列方向に窪む凹面を形成し、
    　前記複数のフィルムの内、少なくとも一部の前記フィルムの前記凸面の曲率は、互いに同じである、
    　請求項１に記載のメタマテリアル。
  3. 　前記フィルムの一方の主面は、前記複数のフィルムの配列方向に突出する凸面を形成し、前記フィルムの他方の主面は、前記凸面の反対側に位置し、前記配列方向に窪む凹面を形成し、
    　前記複数のフィルムの内、少なくとも一部の前記フィルムの前記凹面の曲率は、互いに同じである、
    　請求項１または２に記載のメタマテリアル。
  4. 　当接する前記フィルムから力を受けて変形していない状態で前記フィルムに挟まれる方向における前記応力緩和材の厚さは、前記応力緩和材における位置によって異なる、
    　請求項１から３のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  5. 　前記応力緩和材は、該応力緩和材を挟んで互いに隣接する前記フィルムのそれぞれに当接する、
    　請求項１から４のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  6. 　互いに隣接する前記フィルムの間に、複数の前記応力緩和材が設けられ、
    　前記複数の応力緩和材の間に設けられ、前記対象電磁波を透過させ、前記応力緩和材より高い弾性率を有するスペーサをさらに備える、
    　請求項１から５のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  7. 　前記応力緩和材に挟まれる方向における前記スペーサの厚さは、前記スペーサにおける位置によって異なる、
    　請求項６に記載のメタマテリアル。
  8. 　前記スペーサの前記応力緩和材に向く主面の面積は、前記スペーサの前記主面が当接する前記応力緩和材の主面の面積より小さい、
    　請求項６または７のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  9. 　前記スペーサは、前記フィルムと同じ材質で形成される、
    　請求項６から８のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  10. 　前記応力緩和材は、前記フィルムに接着または粘着する部材で形成される、
    　請求項１から９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  11. 　前記応力緩和材を前記フィルムに接着または粘着させる取付剤をさらに備える、
    　請求項１から９のいずれか１項に記載のメタマテリアル。
  12. 　電磁波の送信または受信を行う複数のアンテナ素子と、
    　前記複数のアンテナ素子の放射面を覆うレドームと、
    　前記レドームに設けられる請求項１から１１のいずれか１項に記載のメタマテリアルと、
    　を備えるアンテナ。
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JP2020184719A (ja) * 2019-05-09 2020-11-12 パナソニック株式会社 平面アンテナ

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