WO2024095459A1 - 電波レンズ - Google Patents

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WO2024095459A1
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radio wave
dielectric layer
unit cell
wave lens
control signal
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大祐 来山
アダム パンダー
宏行 高橋
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日本電信電話株式会社
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    • 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
    • H01Q15/02—Refracting or diffracting devices, e.g. lens, prism
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q19/00—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic
    • H01Q19/06—Combinations of primary active antenna elements and units with secondary devices, e.g. with quasi-optical devices, for giving the antenna a desired directional characteristic using refracting or diffracting devices, e.g. lens

Definitions

  • the present invention relates to a radio wave lens that controls the transmission intensity distribution or reflection intensity distribution of radio waves.
  • the millimeter wave and terahertz wave bands used in the fifth generation mobile communication system (5G) and sixth generation mobile communication system (6G) have a high degree of directionality and poor deflection. As a result, they are significantly affected by obstructions, and communication quality deteriorates significantly in areas outside the line of sight of the base station. This deterioration in communication quality also becomes a problem when an outdoor base station is used to create an indoor coverage area through a building's windows.
  • Figure 21 shows how radio waves from a base station 103 are reflected by an outdoor metasurface pattern 100 and guided to a mobile terminal 104a, and how radio waves are reflected by a metasurface pattern 100 attached to a window glass 105 and guided to an indoor mobile terminal 104b.
  • Non-Patent Document 1 a film with a metal metasurface pattern 100 as shown in FIG. 22 is attached to a window glass, and a distribution of radio wave transmission and reflection is formed on the window glass surface, thereby realizing a desired planar transmission intensity distribution 101 (binary distribution of 1 (transmission) and 0 (reflection)).
  • a binary transmission phase distribution 102 of 0 and ⁇ [rad] is formed by the metasurface pattern 100, thereby realizing a radio wave lens function.
  • Non-Patent Document 2 uses liquid crystal as a functional material and combines it with metasurface technology to achieve dynamic control of the transmission intensity of radio waves.
  • Non-Patent Document 2 uses a structure in which a liquid crystal layer is sandwiched between two metasurface resonators, and the transmission intensity of radio waves in the 400 GHz band is controlled by controlling the hybrid resonance mode between the layers by changing the dielectric constant of the liquid crystal layer.
  • the thickness of the liquid crystal layer is approximately 50 ⁇ m, which is much thicker than the thickness of the liquid crystal layer in optical displays (around 4 ⁇ m).
  • the purpose of the present invention is to dynamically control the transmission or reflection intensity distribution of radio waves in the millimeter wave and terahertz wave bands using a dielectric layer made of a functional material with a thickness equivalent to that of the liquid crystal used in optical displays.
  • the radio wave lens of the present invention comprises a plurality of unit cells arranged two-dimensionally on a surface of a substrate that intersects with the incident radio wave, and each unit cell comprises a first dielectric layer whose dielectric constant can be controlled from the outside, second and third dielectric layers formed so as to sandwich the first dielectric layer therebetween, a first conductor layer formed on the surface of the second dielectric layer facing the first dielectric layer so as to contact the first dielectric layer, and a second conductor layer formed on the surface of the third dielectric layer facing the first dielectric layer so as to contact the first dielectric layer.
  • the unit cell of the radio wave lens by making the unit cell of the radio wave lens a laminated structure of the first, second, and third dielectric layers and the first and second conductor layers, it is possible to realize a large change in the resonant frequency of the resonator even with a change in the dielectric constant of the thin first dielectric layer, and it is possible to control the transmission intensity distribution or reflection intensity distribution of the radio wave, and to guide the radio wave in the desired direction.
  • FIG. 1A and 1B are cross-sectional views illustrating a method for forming a capacitive component in a structure in which a functional material is sandwiched between two dielectric substrates.
  • 2A-2B are diagrams illustrating the effect of changes in the dielectric constant of a functional material on the resonance characteristics of a resonator.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a unit cell of a radio wave lens according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 4 is a plan view of a unit cell of a radio wave lens according to a first embodiment of the present invention.
  • FIG. 5 is a plan view showing a pattern of a conductor layer of a unit cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 6 is a plan view showing a pattern of a conductor layer of a unit cell according to the first embodiment of the present invention.
  • FIG. 7 is a plan view of a unit cell of a radio wave lens according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 8 is a plan view showing a pattern of a conductor layer of a unit cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 9 is a plan view showing a pattern of a conductor layer of a unit cell according to a second embodiment of the present invention.
  • FIG. 10 is a plan view of a radio wave lens according to a third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method for determining the state of a unit cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 11 is a diagram for explaining a method for determining the state of a unit cell according to the third embodiment of the present invention.
  • FIG. 12 is a diagram for explaining a method for determining the state of a unit cell according to the fourth embodiment of the present invention.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a unit cell according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 14 is a plan view of a unit cell according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 15 is a plan view showing the patterns of the conductor layers and the control signal lines of a unit cell according to a fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 16 is a plan view showing the patterns of the conductor layers and the control signal lines of a unit cell according to the fifth embodiment of the present invention.
  • FIG. 17 is a perspective view showing a model of the unit cell 1a used in the electromagnetic field analysis simulation.
  • FIG. 18 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of a unit cell when there is no control signal line.
  • FIG. 19 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of a unit cell when a control signal line made of copper is formed.
  • FIG. 20 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of a unit cell when a control signal line made of ITO is formed.
  • FIG. 21 is a diagram for explaining an example of the use of a technique for guiding radio waves in a desired direction.
  • FIG. 22 is a diagram for explaining a conventional electromagnetic wave lens of a transmission intensity distribution type and a conventional electromagnetic wave lens of a transmission phase distribution type.
  • the present invention proposes a structure in which a liquid crystal layer is sandwiched between two metasurface resonators, but in which a liquid crystal layer is sandwiched between the capacitance component forming portion of a single resonator structure, which makes it possible to realize a large change in resonance characteristics even with a change in the dielectric constant of a thin liquid crystal layer.
  • the metasurface structure is constructed from two types of conductive materials, and the control signal lines are formed from a material with a higher resistance than the area where the RF (Radio Frequency) signal is desired to flow. This makes it possible to efficiently control the surface transmission intensity distribution of radio waves, even if a control signal line is formed that has a component parallel to the electric field direction.
  • RF Radio Frequency
  • FIG. 1A is a cross-sectional view of a structure in which metal layers 203, 204 are formed on one substrate 201 of two dielectric substrates 201, 202 sandwiching a dielectric layer 200 made of a functional material.
  • Figure 1B is a cross-sectional view of a structure in which metal layers 205, 206 are formed on each of the two dielectric substrates 201, 202.
  • the resonant frequency f r of the resonator is given by equation (2).
  • the capacitance component C formed between the metal layers 205 and 206 is a capacitance Cv formed via the dielectric layer 200, and the resonance frequency f r is expressed by the formula (3).
  • the resonance frequency f r is expressed by the formula (3).
  • FIG. 3 is a cross-sectional view of a unit cell of the radio wave lens of this embodiment
  • FIG. 4 is a plan view of the unit cell.
  • FIG. 4 shows a perspective view of the top surface of the unit cell.
  • the unit cell 1a is a resonator whose resonant frequency changes depending on the capacitance component, and is composed of a dielectric layer 2 made of a functional material such as liquid crystal, two dielectric layers 3 and 4 made of, for example, glass formed to sandwich the dielectric layer 2, a conductor layer 5 made of metal formed on the surface of the dielectric layer 3 facing the dielectric layer 2 so as to contact the dielectric layer 2, and a conductor layer 6 made of metal formed on the surface of the dielectric layer 4 facing the dielectric layer 2 so as to contact the dielectric layer 2.
  • FIG. 5 is a plan view showing the pattern of conductor layer 5
  • FIG. 6 is a plan view showing the pattern of conductor layer 6.
  • a metasurface pattern is formed by conductor layers 5 and 6.
  • the capacitive component of the resonator is formed in the overlapping portion (part 7 in FIG. 4) where the pattern of conductor layer 5 and the pattern of conductor layer 6 face each other with the dielectric layer 2 sandwiched therebetween.
  • the unit cell 1a has a four-fold rotational symmetry structure with respect to the axis of rotation (S in FIG. 4) perpendicular to the layered structure in FIG. 3. This allows it to function as a radio wave lens regardless of the polarization of the incoming radio waves.
  • FIG. 7 is a plan view of a unit cell 1b of this embodiment. As in FIG. 4, FIG. 7 shows the upper surface of the unit cell 1b in a see-through manner.
  • FIG. 8 is a plan view showing the pattern of the conductor layer 5
  • FIG. 9 is a plan view showing the pattern of the conductor layer 6. Since the stacked structure of the unit cell 1b is the same as that of the unit cell 1a, the same reference numerals as those of the unit cell 1a are assigned to the components of the unit cell 1b.
  • the metasurface pattern of this embodiment can provide the same effect as that of the first embodiment.
  • an orientation layer may be inserted at least either between the dielectric layer 2 and the conductor layer 5, or between the dielectric layer 2 and the conductor layer 6.
  • Fig. 11 is a diagram for explaining a method for determining the state of each unit cell 1a of the radio wave lens 10.
  • the total number of unit cells 1a constituting the radio wave lens 10 is N (N is an integer of 2 or more)
  • the source of the incoming wave incident on the radio wave lens 10 is P1
  • the receiving point to which energy is desired to be induced via the radio wave lens 10 is P2
  • the position of the n-th unit cell 1a is pn (n is an integer from 1 to N)
  • the distance from P1 to an arbitrary reference point on the substrate 11 the center point of the substrate 11 in the example of Fig.
  • the phase difference Gn of the radio wave caused by the optical path length difference for each unit cell at the receiving point P2 is expressed by the following equation.
  • G n 2 ⁇ ((d 1n ⁇ D 1 )+(d 2n ⁇ D 2 ))/ ⁇ (4)
  • the phase difference Gn refers to the phase difference of the radio wave that reaches the reception point P2 through the n-th unit cell 1a relative to the wave source P1 .
  • ⁇ is the wavelength of the arriving wave.
  • the n-th unit cell 1a located on the substrate 11 at a position where the remainder when the phase difference Gn is divided by 2 ⁇ is equal to or greater than 0 and less than ⁇ may be in a transmissive state with respect to the incoming wave
  • the n-th unit cell 1a located at a position where the remainder is equal to or greater than 0 and less than ⁇ may be in a reflective state with respect to the incoming wave.
  • the n-th unit cell 1a located at a position where the remainder is equal to or greater than 0 and less than ⁇ may be in a reflective state
  • the n-th unit cell 1a located at a position where the remainder is equal to or greater than ⁇ and less than 2 ⁇ may be in a transmissive state.
  • the distance D1 is calculated to be sufficiently longer than the size of the radio wave lens 10
  • the distance D2 is calculated to be sufficiently longer than the size of the radio wave lens 10, it is possible to realize the function of deflecting the transmitted wave in the direction of the receiving point P2 .
  • the reception point P2 is set on the opposite side of the wave source P1 across the radio wave lens 10. In this embodiment, as shown in Fig. 12, the reception point P2 is set on the same side as the wave source P1 . If the transmission state or reflection state of each unit cell 1a is determined in the same manner as in the third embodiment, the reflected wave by the radio wave lens 10 can be guided to the reception point P2 .
  • unit cells 1a are arranged on the substrate, but unit cells 1b may also be arranged.
  • FIG. 13 is a cross-sectional view of a structure in which control signal lines 8 and 9 are arranged in unit cell 1a described in the first to fourth embodiments
  • FIG. 14 is a plan view of a structure in which control signal lines 8 and 9 are arranged in unit cell 1a.
  • FIG. 15 is a plan view showing the pattern of conductor layer 5 and control signal line 8
  • FIG. 16 is a plan view showing the pattern of conductor layer 6 and control signal line 9.
  • Control signal lines 8, 9 made of a conductor such as metal or ITO (Indium Tin Oxide) are formed in the dielectric layers 3, 4 and connected to the conductor layers 5, 6. By applying a voltage between the conductor layers 5, 6 via the control signal lines 8, 9, a voltage is applied to the dielectric layer 2 in the area where a capacitive component is formed between the conductor layers 5, 6. This makes it possible to change the dielectric constant of the dielectric layer 2 by the voltage.
  • Control signal lines 8, 9 can also be arranged in a similar manner in the case of unit cell 1b.
  • control signal lines 8, 9 that apply voltage to each unit cell 1a, 1b in a matrix. If the control signal lines 8, 9 are formed in a matrix, the control signal lines having a component parallel to the electric field component of the incoming wave will inhibit the coupling of the unit cells 1a, 1b with the incoming wave, making it impossible to form the intended transmission intensity distribution.
  • control signal lines 8 and 9 are made of a conductive material with a higher resistance than the material of the conductor layers 5 and 6 that make up the unit cells 1a and 1b.
  • the high-frequency radio waves that arrive at the radio lens mainly couple with the unit cells 1a and 1b, which are made of a low-resistance material, and do not couple with the high-resistance control signal lines 8 and 9. This makes it possible to arbitrarily control the planar transmission intensity distribution of the radio waves using the control signal lines 8 and 9.
  • Figure 17 is a perspective view showing a model of unit cell 1a used in the electromagnetic field analysis simulation.
  • non-alkali glass was used as the material for dielectric layers 3 and 4
  • copper was used as the material for conductor layers 5 and 6
  • copper or ITO was used as the material for control signal lines 8 and 9.
  • the sheet resistance of the control signal lines 8 and 9 made of ITO is 10 ⁇ or more.
  • liquid crystal with a relative dielectric constant that changes with applied voltage in the range of 2.5 to 3.5 was used for dielectric layer 2.
  • Fig. 18 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of the unit cell 1a when the control signal lines 8 and 9 are not provided
  • Fig. 19 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of the unit cell 1a when the control signal lines 8 and 9 made of copper are provided
  • Fig. 20 is a diagram showing the transmitted wave intensity characteristics of the unit cell 1a when the control signal lines 8 and 9 made of ITO are provided.
  • the vertical axis of Figs. 18 to 20 indicates the transmitted wave intensity (S21).
  • 300 indicates the characteristics when the relative dielectric constant ⁇ r of the dielectric layer 2 is 2.5
  • 301 indicates the characteristics when the relative dielectric constant ⁇ r is 3.5.
  • the radio wave lens of the present invention comprises a plurality of unit cells arranged two-dimensionally on a surface of a substrate that intersects with the incident radio wave, and each unit cell comprises a first dielectric layer whose dielectric constant can be controlled from the outside, second and third dielectric layers formed to sandwich the first dielectric layer, a first conductor layer formed on the surface of the second dielectric layer facing the first dielectric layer so as to contact the first dielectric layer, and a second conductor layer formed on the surface of the third dielectric layer facing the first dielectric layer so as to contact the first dielectric layer.
  • each unit cell further includes a first control signal line formed in the second dielectric layer and connected to the first conductor layer, and a second control signal line formed in the third dielectric layer and connected to the second conductor layer.
  • the first and second control signal lines are made of a conductive material with a higher resistance than the material of the first and second conductor layers.
  • the first dielectric layer is made of liquid crystal
  • the second and third dielectric layers are made of alkali-free glass
  • the first and second conductor layers are made of copper
  • the first and second control signal lines are made of ITO.
  • the unit cell has a shape that is rotationally symmetrical about a rotation axis perpendicular to the laminated structure of the first, second, and third dielectric layers and the first and second conductor layers.
  • the present invention can be applied to technology that controls the transmission intensity distribution or reflection intensity distribution of radio waves.

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Abstract

電波レンズは、入射する電波と交差する基板の面上に２次元に配置された複数の単位セル（１ａ）を備える。各単位セル（１ａ）は、誘電率を外部から制御可能な誘電体層（２）と、誘電体層（２）を間に挟むように形成された誘電体層（３，４）と、誘電体層（２）と接するように誘電体層（３）の誘電体層（２）側の面に形成された導体層（５）と、誘電体層（２）と接するように誘電体層（４）の誘電体層（２）側の面に形成された導体層（６）とを備える。

Description

電波レンズ
　本発明は、電波の透過強度分布または反射強度分布を制御する電波レンズに関するものである。
　第５世代移動通信システム（５Ｇ）や第６世代移動通信システム（６Ｇ）で利用されるミリ波帯、テラヘルツ波帯の電波は、直進性が高く、電波の回り込みが弱い。そのため、遮蔽物の影響を大きく受けることとなり、基地局からの見通し外エリアにおいて通信品質が著しく劣化する。この通信品質の劣化は、屋外の基地局によって建物の窓を通して屋内をエリア化する際にも問題となる。
　そこで、近年、到来波の面的な散乱特性分布を設計可能なメタサーフェス技術により、レンズ機能を有したフィルム等を窓ガラスに貼り付けることで電波を所望の方向に誘導する技術が注目されている（例えば、特許文献１、非特許文献１参照）。図２１は、基地局１０３からの電波を屋外のメタサーフェスパターン１００によって反射して携帯端末１０４ａに誘導する様子、および窓ガラス１０５に貼り付けたメタサーフェスパターン１００によって電波を反射して屋内の携帯端末１０４ｂに誘導する様子を示している。
　非特許文献１においては、図２２に示す金属のメタサーフェスパターン１００を形成したフィルムを窓ガラスに貼り付けて、電波の透過と反射の分布を窓ガラス面に形成することにより、所望の面的な透過強度分布１０１（１（透過）と０（反射）のバイナリー分布）を実現している。また、特許文献１においては、より高効率なレンズ機能の実現のために、メタサーフェスパターン１００により０とπ［ｒａｄ］のバイナリー透過位相分布１０２を形成し、電波レンズ機能を実現している。
　さらに、時々刻々と変化する携帯端末の位置を追従するように電波を誘導するために、電波の透過強度分布または位相分布を動的に制御することも検討されている。例えば非特許文献２に開示された技術では、機能性材料として液晶を用いて、メタサーフェス技術と組み合わせることにより電波の透過強度の動的な制御を実現している。
　しかしながら、光学ディスプレイ向けに主に用いられている液晶材料を、光に対して波長の長いミリ波帯またはテラヘルツ波帯で用いる場合、必要となる液晶の厚さが厚くなってしまうという課題があった。例えば非特許文献２に開示された技術では、２層のメタサーフェス共振器によって液晶層を挟む構造を用いており、液晶層の誘電率変化によって層間の混成共振モードを制御することで４００ＧＨｚ帯の電波の透過強度を制御している。この場合の液晶層の厚みは、約５０μｍであり、光学ディスプレイの液晶層の厚み（４μｍ前後）に比べて非常に厚くなっている。
　液晶層が厚くなると、駆動電圧が高くなる、応答速度が遅くなる、既存の光学ディスプレイの製造工程との互換性が無くなる、等の問題が生じる。
　さらに、到来波の伝搬方向を任意に制御するためには、２次元の面的な強度分布の制御が必要となる。この制御を実現するためには、縦横のマトリクス制御信号線が必要となるが、到来波の電界方向と並行な成分を有する制御信号線がメタサーフェス共振器と到来波の結合を阻害してしまうため、大きな損失の原因となる。
特開２０１９－４１１３８号公報
　本発明は、ミリ波帯、テラヘルツ波帯において、光学ディスプレイで使用される液晶と同等の厚さの機能性材料からなる誘電体層により、電波の透過強度分布または反射強度分布を動的に制御することを目的とする。
　本発明の電波レンズは、入射する電波と交差する基板の面上に２次元に配置された複数の単位セルを備え、各単位セルは、誘電率を外部から制御可能な第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を間に挟むように形成された第２、第３の誘電体層と、前記第１の誘電体層と接するように前記第２の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第１の導体層と、前記第１の誘電体層と接するように前記第３の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第２の導体層とを備えることを特徴とするものである。
　本発明によれば、電波レンズの単位セルを第１、第２、第３の誘電体層と第１、第２の導体層の積層構造とすることにより、薄い第１の誘電体層の誘電率変化であっても共振器の共振周波数の大きな変化を実現することができ、電波の透過強度分布または反射強度分布を制御することができ、電波を所望の方向に誘導することができる。
図１Ａ－図１Ｂは、機能性材料を２枚の誘電体基板で挟んだ構造に容量成分を形成する方法を説明する断面図である。 図２Ａ－図２Ｂは、共振器の共振特性に対する機能性材料の誘電率変化の影響を示す図である。 図３は、本発明の第１の実施例に係る電波レンズの単位セルの断面図である。 図４は、本発明の第１の実施例に係る電波レンズの単位セルの平面図である。 図５は、本発明の第１の実施例に係る単位セルの導体層のパターンを示す平面図である。 図６は、本発明の第１の実施例に係る単位セルの導体層のパターンを示す平面図である。 図７は、本発明の第２の実施例に係る電波レンズの単位セルの平面図である。 図８は、本発明の第２の実施例に係る単位セルの導体層のパターンを示す平面図である。 図９は、本発明の第２の実施例に係る単位セルの導体層のパターンを示す平面図である。 図１０は、本発明の第３の実施例に係る電波レンズの平面図である。 図１１は、本発明の第３の実施例に係る単位セルの状態決定方法を説明する図である。 図１２は、本発明の第４の実施例に係る単位セルの状態決定方法を説明する図である。 図１３は、本発明の第５の実施例に係る単位セルの断面図である。 図１４は、本発明の第５の実施例に係る単位セルの平面図である。 図１５は、本発明の第５の実施例に係る単位セルの導体層と制御信号線のパターンを示す平面図である。 図１６は、本発明の第５の実施例に係る単位セルの導体層と制御信号線のパターンを示す平面図である。 図１７は、電磁界解析シミュレーションで用いた単位セル１ａのモデルを示す斜視図である。 図１８は、制御信号線が無い場合の単位セルの透過波強度特性を示す図である。 図１９は、銅からなる制御信号線を形成した場合の単位セルの透過波強度特性を示す図である。 図２０は、ＩＴＯからなる制御信号線を形成した場合の単位セルの透過波強度特性を示す図である。 図２１は、電波を所望の方向に誘導する技術の利用例を説明する図である。 図２２は、従来の透過強度分布型の電波レンズと透過位相分布型の電波レンズについて説明する図である。
［発明の原理］
　本発明は、２層のメタサーフェス共振器により液晶層を挟む構造ではなく、単一の共振器構造における容量成分形成部において液晶層を挟む構造を提案する。これにより、薄い液晶層の誘電率変化でも大きな共振特性の変化を実現することができる。
　また、メタサーフェス構造を２種の導電材料により構成し、ＲＦ（Radio Frequency）信号が流れてほしい部分に比べて高抵抗な材料により制御信号線を形成する。これにより、電界方向と平行な成分を有する制御信号線を形成したとしても、電波の面的な透過強度分布を効率良く制御することができる。
［第１の実施例］
　２次元の周期構造であるメタサーフェスを構成する単位セルとして、金属の共振器を利用することを考える。共振器の構造により誘導成分Ｌ、容量成分Ｃが形成される。本発明では、外部から誘電率を制御可能な機能性材料の誘電率変化によって容量成分Ｃを変化させる。容量成分Ｃの変化によって共振器の共振周波数ｆｒを制御することができ、メタサーフェスに到来する電波の散乱特性を制御することができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
　容量成分Ｃを形成する方法としては、機能性材料を挟む２枚の誘電体基板のうち一方の基板に形成した金属間に形成する方法と、２枚の誘電体基板にそれぞれ形成した金属間に形成する方法とが考えられる。図１Ａは機能性材料からなる誘電体層２００を挟む２枚の誘電体基板２０１，２０２のうち一方の基板２０１に金属層２０３，２０４を形成した構造の断面図である。図１Ｂは２枚の誘電体基板２０１，２０２のそれぞれに金属層２０５，２０６を形成した構造の断面図である。
　図１Ａの構造の場合、金属層２０３，２０４間に形成される容量成分Ｃは、誘電率が変化しない誘電体基板２０１，２０２を介して形成される容量ＣＨ＝ＣＨ１＋ＣＨ２と、誘電率が変化する誘電体層２００を介して形成される容量Ｃｖとが並列に接続された値となる。この場合、共振器の共振周波数ｆｒは式（２）のようになる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
　式（２）によると、容量Ｃｖの変化による共振周波数ｆｒの変化が容量ＣＨにより阻害されることが分かる。このため、図２Ａに示すように誘電体層２００の誘電率がεｖ１からεｖ２に変化したとしても、共振器の共振特性に大きな変化が現れない。
　一方、図１Ｂの構造の場合、金属層２０５，２０６間に形成される容量成分Ｃは、誘電体層２００を介して形成される容量Ｃｖとなり、共振周波数ｆｒは式（３）のようになる。図１Ｂの構造の場合、図２Ｂに示すように誘電体層２００の誘電率がεｖ１からεｖ２に変化すると、共振器の共振特性が大きく変化する。したがって、誘電体層２００が薄くても、共振周波数ｆｒの大きな変化を得ることができる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　図３は本実施例の電波レンズの単位セルの断面図、図４は単位セルの平面図である。図４は単位セルの上面を透視して記載している。容量成分によって共振周波数が変化する共振器である単位セル１ａは、例えば液晶等の機能性材料からなる誘電体層２と、誘電体層２を挟むように形成された例えばガラスからなる２つの誘電体層３，４と、誘電体層２と接するように誘電体層３の誘電体層２側の面に形成された金属からなる導体層５と、誘電体層２と接するように誘電体層４の誘電体層２側の面に形成された金属からなる導体層６とから構成される。
　図５は導体層５のパターンを示す平面図、図６は導体層６のパターンを示す平面図である。本実施例では、導体層５，６によってメタサーフェスパターンを構成する。誘電体層２を間に挟んで導体層５のパターンと導体層６のパターンとが対向するオーバーラップ部（図４の７の部分）に、共振器の容量成分が形成される。単位セル１ａは、図３の積層構造に垂直な回転軸（図４のＳ）に関して４回回転対称構造となっている。これにより、到来する電波の偏波に依らずに電波レンズとして動作させることができる。
　メタサーフェスパターンが形成された面（図４の紙面）と交差する方向から電波（到来波）が入射したとき、単位セル１ａの共振周波数近傍の周波数の到来波は単位セル１ａを透過せずに反射される。一方、共振周波数以外の周波数領域の到来波は、単位セル１ａを透過する。単位セル１ａの位置によって、誘電体層２の誘電率を変化させる、つまり単位セル１ａの共振周波数を変化させることにより、共振周波数近傍における透過波の強度分布および反射波の強度分布を変化させることができる。誘電体層２の誘電率を変化させるには制御信号線が必要となるが、制御信号線については後述する。
［第２の実施例］
　本実施例は、第１の実施例と異なるメタサーフェスパターンの例を示すものである。図７は本実施例の単位セル１ｂの平面図である。図４と同様に、図７は単位セル１ｂの上面を透視して記載している。図８は導体層５のパターンを示す平面図、図９は導体層６のパターンを示す平面図である。単位セル１ｂの積層構造は単位セル１ａと同様なので、単位セル１ｂの各構成要素に単位セル１ａと同じ符号を付してある。本実施例のようなメタサーフェスパターンにより、第１の実施例と同様の効果を得ることができる。
　なお、第１、第２の実施例において、誘電体層２と導体層５との間、および誘電体層２と導体層６との間のうち少なくとも一方に配向層を挿入してもよい。
［第３の実施例］
　第１、第２の実施例では、電波レンズの単位セルの構造について説明したが、図１０に示すように単位セル１ａを例えばガラス等の誘電体からなる基板１１上に２次元に配置することにより、電波レンズ１０を実現することができる。基板１１が誘電体層３または誘電体層４のどちらかとなる。
　図１１は電波レンズ１０の各単位セル１ａの状態決定方法を説明する図である。電波レンズ１０を構成する単位セル１ａの全体の個数をＮ（Ｎは２以上の整数）、電波レンズ１０に入射する到来波の波源をＰ１、電波レンズ１０を介してエネルギーを誘導したい受信点をＰ２、ｎ番目の単位セル１ａの位置をｐｎ（ｎは１からＮの整数）とし、Ｐ１から基板１１の任意の基準点（図１１の例では基板１１の中心点）までの距離をＤ１、Ｐ２から基準点までの距離をＤ２、Ｐ１からｐｎまでの距離をｄ１ｎ、Ｐ２からｐｎまでの距離をｄ２ｎとする。受信点Ｐ２における単位セル毎の光路長差に起因する電波の位相差Ｇｎは、次式のようになる。
　Ｇｎ＝２π（（ｄ１ｎ－Ｄ１）＋（ｄ２ｎ－Ｄ２））／λ　　　　・・・（４）
　ここで、位相差Ｇｎとは、波源Ｐ１に対して、ｎ番目の単位セル１ａを介して受信点Ｐ２に到達する電波の位相差のことを言う。λは到来波の波長である。各単位セル１ａの透過状態または反射状態を制御することにより、電波レンズ１０を透過した電波を受信点Ｐ２に誘導することができる。
　例えば位相差Ｇｎを２πで割った余りが０以上π未満となる基板１１上の位置にあるｎ番目の単位セル１ａを到来波に対して透過状態とし、余りがπ以上２π未満となる位置にあるｎ番目の単位セル１ａを到来波に対して反射状態とすればよい。反対に、余りが０以上π未満となる位置にあるｎ番目の単位セル１ａを反射状態、余りがπ以上２π未満となる位置にあるｎ番目の単位セル１ａを透過状態としてもよい。
　また、距離Ｄ１が電波レンズ１０のサイズに比べて十分に長くなるように計算した場合、波現Ｐ１の方向から到来する平面波を想定した単位セル１ａの透過状態または反射状態を決定することができる。また、距離Ｄ２が電波レンズ１０のサイズに比べて十分に長くなるように計算した場合、受信点Ｐ２の方向に透過波を偏向させる機能を実現することができる。
［第４の実施例］
　第３の実施例では、受信点Ｐ２を電波レンズ１０を挟んで波現Ｐ１と反対側に設定している。本実施例では、図１２に示すように、波現Ｐ１と同じ側に受信点Ｐ２を設定する。第３の実施例と同様の方法で各単位セル１ａの透過状態または反射状態を決定すると、電波レンズ１０による反射波を受信点Ｐ２に誘導することができる。
　第３、第４の実施例では、基板上に単位セル１ａを配置する例を示しているが、単位セル１ｂを配置してもよい。
［第５の実施例］
　第１～第４の実施例において単位セル１ａ，１ｂの容量成分を変化させて状態を変化させるために、誘電体層２の誘電率を変化させるには、容量成分が形成されている領域に電圧を印加する必要がある。
　図１３は第１～第４の実施例で説明した単位セル１ａに制御信号線８，９を配置した構造の断面図、図１４は単位セル１ａに制御信号線８，９を配置した構造の平面図である。図１５は導体層５と制御信号線８のパターンを示す平面図、図１６は導体層６と制御信号線９のパターンを示す平面図である。
　金属またはＩＴＯ（Indium Tin Oxide）等の導体からなる制御信号線８，９は、誘電体層３，４中に形成され、導体層５，６と接続される。制御信号線８，９を介して導体層５，６間に電圧を印加することにより、導体層５，６間の容量成分が形成される領域の誘電体層２に電圧を印加する。これにより、誘電体層２の誘電率を電圧によって変化させることができる。単位セル１ｂの場合も同様に制御信号線８，９を配置することが可能である。
　図１０に示したように単位セル１ａ，１ｂを２次元に配置した電波レンズ１０によって電波の面的な透過強度分布または反射強度分布を任意に制御するためには、各単位セル１ａ，１ｂに電圧を印加する制御信号線８，９をマトリクス状に形成する必要がある。制御信号線８，９をマトリクス状に形成すると、到来波の電界成分と平行した成分を有する制御信号線が単位セル１ａ，１ｂと到来波の結合を阻害してしまうため、意図した透過強度分布を形成することができなくなる。
　そこで、本実施例では、制御信号線８，９を、単位セル１ａ，１ｂを構成する導体層５，６の材料よりも高抵抗な導電性材料で形成する。これにより、電波レンズに到来する高い周波数の電波は、低抵抗な材料で形成された単位セル１ａ，１ｂと主に結合し、高抵抗な制御信号線８，９とは結合しないため、電波の面的な透過強度分布を制御信号線８，９を用いて任意に制御することが可能となる。
　本実施例の効果を、電磁界解析にて確認した結果を以下に示す。図１７は、電磁界解析シミュレーションで用いた単位セル１ａのモデルを示す斜視図である。ここでは、誘電体層３，４の材料として無アルカリガラスを用い、導体層５，６の材料として銅を用い、制御信号線８，９の材料として銅またはＩＴＯを用いた。ＩＴＯからなる制御信号線８，９のシート抵抗は１０Ω・□以上である。また、誘電体層２として、印加電圧による比誘電率の変化幅が２．５～３．５の液晶を用いた。
　図１８は制御信号線８，９が無い場合の単位セル１ａの透過波強度特性を示す図、図１９は銅からなる制御信号線８，９を形成した場合の単位セル１ａの透過波強度特性を示す図、図２０はＩＴＯからなる制御信号線８，９を形成した場合の単位セル１ａの透過波強度特性を示す図である。図１８～図２０の縦軸は透過波の強度（Ｓ２１）を示している。図１８～図２０の３００は誘電体層２の比誘電率εｒが２．５の場合の特性を示し、３０１は比誘電率εｒが３．５の場合の特性を示している。
　図１８は、制御信号線８，９が無い場合の特性なので、比誘電率εｒが異なる誘電体層２を使用すれば、透過波強度特性が変わることを意味している。一方、制御信号線８，９を導体層５，６と同じ銅で形成した場合には、制御信号線８，９に印加する電圧によって誘電体層２の比誘電率εｒを変化させても透過波強度特性が大きく変化せず、制御性が悪いことが分かる。これに対して、高抵抗のＩＴＯを材料として制御信号線８，９を形成した場合には、誘電体層２の比誘電率εｒの変化によって透過波強度特性が大きく変化している。したがって、本実施例によれば、制御信号線８，９をマトリクス状に形成した場合でも、制御信号線８，９に印加する電圧によって透過波強度を制御できることが分かる。
　上記の実施例の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載されうるが、以下には限られない。
　（付記１）本発明の電波レンズは、入射する電波と交差する基板の面上に２次元に配置された複数の単位セルを備え、各単位セルは、誘電率を外部から制御可能な第１の誘電体層と、前記第１の誘電体層を間に挟むように形成された第２、第３の誘電体層と、前記第１の誘電体層と接するように前記第２の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第１の導体層と、前記第１の誘電体層と接するように前記第３の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第２の導体層とを備える。
　（付記２）付記１記載の電波レンズにおいて、各単位セルは、前記第２の誘電体層中に形成され、前記第１の導体層と接続される第１の制御信号線と、前記第３の誘電体層中に形成され、前記第２の導体層と接続される第２の制御信号線とをさらに備える。
　（付記３）付記２記載の電波レンズは、電波レンズを透過した電波または電波レンズで反射された電波が到達する受信点における単位セル毎の光路長差に起因する電波の位相差に基づいて、入射する電波に対する各単位セルの透過状態または反射状態が前記第１、第２の制御信号線に印加される電圧によって設定されている。
　（付記４）付記３記載の電波レンズにおいて、電波レンズを構成する前記単位セルの個数をＮ（Ｎは２以上の整数）、電波レンズに入射する電波の波源から前記基板の基準点までの距離をＤ１、前記受信点から前記基準点までの距離をＤ２、前記波源からｎ番目（ｎは１からＮの整数）の前記単位セルまでの距離をｄ１ｎ、前記受信点からｎ番目の前記単位セルまでの距離をｄ２ｎ、電波レンズに入射する電波の波長をλ、ｎ番目の前記単位セルを透過して前記受信点に到達した電波またはｎ番目の前記単位セルで反射されて前記受信点に到達した電波の位相差をＧｎ＝２π（（ｄ１ｎ－Ｄ１）＋（ｄ２ｎ－Ｄ２））／λとしたとき、前記位相差Ｇｎを２πで割った余りが０以上π未満となる位置にあるｎ番目の前記単位セルが、入射する電波に対して透過状態と反射状態のうちいずれか一方の第１の状態に設定され、前記余りがπ以上２π未満となる位置にあるｎ番目の前記単位セルが、入射する電波に対して透過状態と反射状態のうち前記第１の状態と異なる第２の状態に設定されている。
　（付記５）付記２乃至４のいずれか１項に記載の電波レンズにおいて、前記第１、第２の制御信号線は、前記第１、第２の導体層の材料よりも高抵抗な導電性材料からなる。
　（付記６）付記５記載の電波レンズにおいて、前記第１の誘電体層は液晶からなり、前記第２、第３の誘電体層は無アルカリガラスからなり、前記第１、第２の導体層は銅からなり、前記第１、第２の制御信号線はＩＴＯからなる。
　（付記７）付記１記載の電波レンズにおいて、前記第１、第２の導体層は、前記第１の誘電体層を間に挟んで対向する部分を有する。
　（付記８）付記１記載の電波レンズにおいて、前記単位セルは、前記第１、第２、第３の誘電体層と前記第１、第２の導体層との積層構造に垂直な回転軸に関して回転対称な形状である。
　本発明は、電波の透過強度分布または反射強度分布を制御する技術に適用することができる。
　１ａ，１ｂ…単位セル、２，３，４…誘電体層、５，６…導体層、８，９…制御信号線、１０…電波レンズ、１１…基板。

Claims (8)

  1. 　入射する電波と交差する基板の面上に２次元に配置された複数の単位セルを備え、
    　各単位セルは、
    　誘電率を外部から制御可能な第１の誘電体層と、
    　前記第１の誘電体層を間に挟むように形成された第２、第３の誘電体層と、
    　前記第１の誘電体層と接するように前記第２の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第１の導体層と、
    　前記第１の誘電体層と接するように前記第３の誘電体層の第１の誘電体層側の面に形成された第２の導体層とを備えることを特徴とする電波レンズ。
  2. 　請求項１記載の電波レンズにおいて、
    　各単位セルは、
    　前記第２の誘電体層中に形成され、前記第１の導体層と接続される第１の制御信号線と、
    　前記第３の誘電体層中に形成され、前記第２の導体層と接続される第２の制御信号線とをさらに備えることを特徴とする電波レンズ。
  3. 　請求項２記載の電波レンズにおいて、
    　電波レンズを透過した電波または電波レンズで反射された電波が到達する受信点における単位セル毎の光路長差に起因する電波の位相差に基づいて、入射する電波に対する各単位セルの透過状態または反射状態が前記第１、第２の制御信号線に印加される電圧によって設定されていることを特徴とする電波レンズ。
  4. 　請求項３記載の電波レンズにおいて、
    　電波レンズを構成する前記単位セルの個数をＮ（Ｎは２以上の整数）、電波レンズに入射する電波の波源から前記基板の基準点までの距離をＤ１、前記受信点から前記基準点までの距離をＤ２、前記波源からｎ番目（ｎは１からＮの整数）の前記単位セルまでの距離をｄ１ｎ、前記受信点からｎ番目の前記単位セルまでの距離をｄ２ｎ、電波レンズに入射する電波の波長をλ、ｎ番目の前記単位セルを透過して前記受信点に到達した電波またはｎ番目の前記単位セルで反射されて前記受信点に到達した電波の位相差をＧｎ＝２π（（ｄ１ｎ－Ｄ１）＋（ｄ２ｎ－Ｄ２））／λとしたとき、前記位相差Ｇｎを２πで割った余りが０以上π未満となる位置にあるｎ番目の前記単位セルが、入射する電波に対して透過状態と反射状態のうちいずれか一方の第１の状態に設定され、前記余りがπ以上２π未満となる位置にあるｎ番目の前記単位セルが、入射する電波に対して透過状態と反射状態のうち前記第１の状態と異なる第２の状態に設定されていることを特徴とする電波レンズ。
  5. 　請求項２乃至４のいずれか１項に記載の電波レンズにおいて、
    　前記第１、第２の制御信号線は、前記第１、第２の導体層の材料よりも高抵抗な導電性材料からなることを特徴とする電波レンズ。
  6. 　請求項５記載の電波レンズにおいて、
    　前記第１の誘電体層は液晶からなり、
    　前記第２、第３の誘電体層は無アルカリガラスからなり、
    　前記第１、第２の導体層は銅からなり、
    　前記第１、第２の制御信号線はＩＴＯからなることを特徴とする電波レンズ。
  7. 　請求項１記載の電波レンズにおいて、
    　前記第１、第２の導体層は、前記第１の誘電体層を間に挟んで対向する部分を有することを特徴とする電波レンズ。
  8. 　請求項１記載の電波レンズにおいて、
    　前記単位セルは、前記第１、第２、第３の誘電体層と前記第１、第２の導体層との積層構造に垂直な回転軸に関して回転対称な形状であることを特徴とする電波レンズ。
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