特許 6715532 電磁波変換プレート

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6715532

(24)【登録日】2020年6月11日

(45)【発行日】2020年7月1日

(54)【発明の名称】電磁波変換プレート

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/02 20060101AFI20200622BHJP

【ＦＩ】

   H01Q15/02

【請求項の数】6

【全頁数】18

(21)【出願番号】特願2017-33867(P2017-33867)

(22)【出願日】2017年2月24日

(65)【公開番号】特開2018-139390(P2018-139390A)

(43)【公開日】2018年9月6日

【審査請求日】2018年12月20日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(73)【特許権者】

【識別番号】304020177

【氏名又は名称】国立大学法人山口大学

(74)【代理人】

【識別番号】110001634

【氏名又は名称】特許業務法人 志賀国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】宗 秀哉

(72)【発明者】

【氏名】安藤 篤也

(72)【発明者】

【氏名】真田 篤志

【審査官】 福田 正悟

(56)【参考文献】

【文献】 国際公開第２０１３／１６８３７７（ＷＯ，Ａ１）

【文献】 特開２０１６−１０５５８３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−０３４５８４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１７−００５５７８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１４７７６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１３／０２７８４８１（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特表２０１４−５２３１６３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２０１６／０１４１７４８（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 米国特許出願公開第２０１４／０２０３９８７（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ １５／０２

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

透過する電磁波の放射方向を変換する電磁波変換プレートにおいて、
それぞれ前記電磁波の物質内波長より十分薄い非導電性物質の基板を有する複数の単位セルが、一平面上に前記基板の側面同士が接するように配置され、
前記単位セルの少なくとも一つは、
前記基板のおもて面を端から端まで横切り、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記物質内波長である正方形より小さな断面を有し、導電性物質で構成され、線状構造を有するワイヤと、
前記ワイヤの切れ目に存在し、極板に垂直に前記ワイヤが結合されたコンデンサと、
前記ワイヤを含む前記基板のおもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、
を有し、
前記電磁波は、前記基板のおもて面に向かって略垂直に入射される、電磁波変換プレート。

【請求項2】

透過する電磁波の放射方向を変換する電磁波変換プレートにおいて、
それぞれ前記電磁波の物質内波長より十分薄い非導電性物質の基板を有する複数の単位セルが、一平面上に前記基板の側面同士が接するように配置され、
前記単位セルの少なくとも一つは、
前記基板のおもて面を端から端まで横切り、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記物質内波長である正方形より小さな断面を有し、導電性物質で構成され、線状構造を有する第一のワイヤと、
前記基板の裏面を端から端まで横切り、前記基板のおもて面に垂直で前記第一のワイヤを含む面内に第一のワイヤと平行に存在し、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記物質内波長である正方形より小さな断面を有し、導電性物質で構成され、線状構造を有する第二のワイヤと、
前記第一のワイヤの切れ目に存在して、極板に垂直に前記第一のワイヤが結合された第一のコンデンサと、
前記第二のワイヤの切れ目に存在して、極板に垂直に前記第二のワイヤが結合された第二のコンデンサと、
前記第一のワイヤを含む前記基板のおもて面に垂直な面に含まれ、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、
を有し、
前記電磁波は、前記基板のおもて面に向かって略垂直に入射される、電磁波変換プレート。

【請求項3】

透過する電磁波の放射方向を変換する電磁波変換プレートにおいて、
それぞれ前記電磁波の物質内波長より十分薄い非導電性物質の基板を有する複数の単位セルが、一平面上に前記基板の側面同士が接するように配置され、
前記単位セルの少なくとも一つは、
前記基板のおもて面に存在するコンデンサと、
前記コンデンサの極板と前記基板のおもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、
を有し、
前記電磁波は、前記基板のおもて面に向かって略垂直に入射される、電磁波変換プレート。

【請求項4】

透過する電磁波の放射方向を変換する電磁波変換プレートにおいて、
それぞれ前記電磁波の物質内波長より十分薄い非導電性物質の基板を有する複数の単位セルが、一平面上に前記基板の側面同士が接するように配置され、
前記単位セルの少なくとも一つは、
前記基板のおもて面に存在するコンデンサと、
前記コンデンサの極板と前記基板のおもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、
その長手方向が前記基板のおもて面を端から端まで横切り、その幅が前記スプリットリング共振器のリングの断面に外接する長方形の最長の辺よりも広い、金属帯構造と、
を有し、
前記コンデンサと前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、
前記スプリットリング共振器と前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、
前記電磁波は、前記基板のおもて面に向かって略垂直に入射される、電磁波変換プレート。

【請求項5】

透過する電磁波の放射方向を変換する電磁波変換プレートにおいて、
それぞれ前記電磁波の物質内波長より十分薄い非導電性物質の基板を有する複数の単位セルが、一平面上に前記基板の側面同士が接するように配置され、
前記単位セルの少なくとも一つは、
極板の一方が前記基板のおもて面に存在し、他方が前記基板の裏面に存在するコンデンサと、
前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とし、前記基板をおもて面から裏面へと貫く導電性物質の線によって前記基板の極板同士を結合するスプリットリング共振器と、
その長手方向が前記基板のおもて面を端から端まで横切り、その長手方向が前記コンデンサの極板の長軸方向に平行に存在し、その幅が前記スプリットリング共振器のリングの断面に外接する長方形の最長の辺よりも広い、金属帯構造と、
を有し、
前記コンデンサと前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、
前記スプリットリング共振器と前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、
前記電磁波は、前記基板のおもて面に向かって略垂直に入射される、電磁波変換プレート。

【請求項6】

前記単位セルの少なくとも一つは、
前記基板のおもて面を端から端まで横切り、導電性物質で形成され、線状構造を有する金属帯構造と、
外周に接することなく前記基板の裏面に存在し、長手方向が前記金属帯構造に平行に存在し、その幅が、前記金属帯構造よりも狭い金属パッチ構造と、
を有する、請求項１から５のいずれか一項に記載の電磁波変換プレート。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、電磁波変換プレートに関する。

【背景技術】

【0002】

従来、無線伝送を行う際に伝送効率を向上させる方法として、信号対雑音電力比を大きくする方法が用いられてきた。信号対雑音電力比を大きくさせる方法の一つとして、特定方向にアンテナの指向性を形成することでアンテナ利得を増大させる方法がある。特定の方向にアンテナの指向性を形成する方法として、リフレクタアンテナの利用や、アレーアンテナの利用が検討されている。しかしながら、リフレクタアンテナ又はアレーアンテナで、鋭い指向性の形成や、任意の方向への指向性の形成をするには、装置の大型化、給電回路の複雑化、または構造の複雑化の問題がある。

【0003】

構造又は給電回路の簡略化のため、アンテナ素子の開口にサブ波長構造を持つメタサーフェスを配置し、任意の方向への指向性を形成するアンテナ構造が提案されている。メタサーフェスは、波長に比べて小さい金属のパッチやスロットなどの構造体を単位セルとして、単位セルを周期的に配列する構造を持つ。メタサーフェスに入射した電磁波は、この構造との相互作用を介して、任意の方向への指向性の形成などの電磁波変換をすることができる。電磁波変換プレートは、メタサーフェスを用いて入射電磁波を変換するプレートのことである。

【0004】

これまでに、電界と相互作用する構造体と磁界と相互作用する構造体とが、プレート状の基盤のおもて面と裏面にそれぞれ平行に周期的に配置された構造（以下「単位電磁波プレート」という。）と、その単位セル構造が提案されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0005】

【非特許文献1】小路将希、松本隆、真田篤志、宗秀哉、安藤篤也、杉山隆利、“ニアフィールドプレートによる２次元サブ波長フォーカシングについて”２０１５年電子情報通信学会総合大会、Ｃ−２−４５、２０１５年３月

【非特許文献2】Carl Pfeiffer and Anthony Grbic, “Metamaterial Huygens’Surfaces: Tailoring Wave Fronts with Reflectionless Sheets”Physical Review Letters 110 197401 (2013)

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、電磁波の電界成分と磁界成分とは直交していることから、上記の技術で電磁波変換を行うには、単位電磁波プレートに対して垂直な方向に単位電磁波プレートをいくつも並べる必要があり、電磁場変換プレートが厚くなる問題があった。

【0007】

上記事情に鑑み、本発明は、電磁波変換プレートの厚みが増大することを抑制できる技術を提供することを目的としている。

【課題を解決するための手段】

【0008】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、前記基板のおもて面を端から端まで横切り、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記電磁波の物質内波長である正方形より小さな断面を有し、導電性物質で形成され、線状構造を有するワイヤと、前記ワイヤの切れ目に存在し、極板に垂直に前記ワイヤが結合されたコンデンサと、前記ワイヤを含む前記基板おもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、を有する、電磁波変換プレートである。

【0009】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、前記基板のおもて面を端から端まで横切り、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記電磁波の物質内波長である正方形より小さな断面を有し、導電性物質で構成され、線状構造を有する第一のワイヤと、前記基板の裏面を端から端まで横切り、前記基板のおもて面に垂直で前記第一のワイヤを含む面内に第一のワイヤと平行に存在し、長さ方向の一部に切れ目を有し、１辺の長さが前記物質内波長の正方形より小さな断面を有し、導電性物質で構成され、線状構造を有する第二のワイヤと、前記第一のワイヤの切れ目に存在して、極板に垂直に前記第一のワイヤが結合された第一のコンデンサと、前記第二のワイヤの切れ目に存在して、極板に垂直に前記第二のワイヤが結合された第二のコンデンサと、スプリットリング共振器において、前記第一のワイヤを含む前記基板おもて面に垂直な面に含まれ、前記第一のコンデンサ及び前記第二のコンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、を有する、電磁波変換プレートである。

【0010】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、前記基板のおもて面に存在するコンデンサと、前記コンデンサの極板と前記基板おもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、を有する、電磁波変換プレートである。

【0011】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、前記基板のおもて面に存在するコンデンサと、前記コンデンサの極板と前記基板おもて面に垂直な面に含まれ、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とするスプリットリング共振器と、その長手方向が前記基板おもて面を端から端まで横切り、その幅が前記スプリットリング共振器のリングの断面に外接する長方形の最長の辺よりも広い、金属帯構造と、を有し、前記コンデンサと前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、前記スプリットリング共振器と前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在する、電磁波変換プレートである。

【0012】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、極板の一方が前記基板のおもて面に存在し、他方が前記基板の裏面に存在するコンデンサと、前記コンデンサをスプリットリング共振器の切れ目とし、前記基板をおもて面から裏面へと貫く導電性物質の線によって前記基板の極板同士を結合するスプリットリング共振器と、その長手方向が前記基板おもて面を端から端まで横切り、その長手方向が前記コンデンサの極板の長軸方向に平行に存在し、その幅が前記スプリットリング共振器のリングの断面に外接する長方形の最長の辺よりも広い、金属帯構造と、を有し、前記コンデンサと前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在し、前記スプリットリング共振器と前記金属帯構造が、空間的に互いに独立に存在する、電磁波変換プレートである。

【0013】

本発明の一態様は、複数の単位セルが、基板側面同士が接して存在し、前記単位セルの少なくとも一つは、電磁波が入射する面のうち最も広い平面をおもて面とする非導電性物質の基板と、前記基板のおもて面を端から端まで横切り、導電性物質で形成され、線状構造を有する金属帯構造と、外周に接することなく前記基板裏面に存在し、長手方向が前記金属帯構造に平行に存在し、その幅が、前記金属帯構造よりも狭い金属パッチ構造と、を有する、電磁波変換プレートである。

【発明の効果】

【0014】

本発明により、電磁波変換プレートの厚みが増大することを抑制できる技術を提供することが可能となる。

【図面の簡単な説明】

【0015】

【図1】電磁波変換プレート１の構成例を示す図。

【図2】単位構造１１の構成例を示す図。

【図3】タイプ１の単位セル１００Ａの鳥瞰図。

【図4】タイプ１の単位セル１００Ａの側面図。

【図5】タイプ１の単位セル１００Ａの側面図。

【図6】タイプ２の単位セル１００Ｂの鳥瞰図。

【図7】タイプ２の単位セル１００Ｂの側面図。

【図8】タイプ２の単位セル１００Ｂの側面図。

【図9】タイプ３の単位セル１００Ｃの鳥瞰図。

【図10】タイプ３の単位セル１００Ｃの側面図。

【図11】タイプ３の単位セル１００Ｃの側面図。

【図12】タイプ４の単位セル１００Ｄの鳥瞰図。

【図13】タイプ４の単位セル１００Ｄの側面図。

【図14】タイプ４の単位セル１００Ｄの側面図。

【図15】タイプ５の単位セル１００Ｅの鳥瞰図。

【図16】タイプ５の単位セル１００Ｅの側面図。

【図17】タイプ５の単位セル１００Ｅの側面図。

【図18】タイプ６の単位セル１００Ｆの鳥瞰図。

【図19】タイプ６の単位セル１００Ｆの側面図。

【図20】タイプ６の単位セル１００Ｆの側面図。

【図21】電磁波変換プレートの設計に用いる変数Ｚ_ｓｅとＹ_ｓｈの、電磁波プレートに配置した単位セルごとの数値の具体例。

【図22】シミュレーションで使用する解析空間の具体例を示す図。

【図23】シミュレーションで使用する構造パラメータの数値の具体例を示す図。

【図24】本願発明の電磁波変換プレートが電磁波を変換する様を示すシミュレーション結果の具体例の図。

【図25】電磁波変換プレートによる指向性の変化を示すシミュレーション結果の図。

【発明を実施するための形態】

【0016】

以下、図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。図１は、本発明の第１の実施形態による電磁波変換プレート１の構成例を示す図である。
図１においては、第１の実施形態による電磁波変換プレート１のおもて面を示す平面視の図であり、電磁波変換プレート１の表面パターンの構成例が示されている。図１において、点線で囲まれた部分を単位構造１１としてｘ軸方向及びｚ軸方向に周期的に並べることで本実施形態の電磁波変換プレート１が構成される。単位構造１１は、図１において太線で囲まれた部分が表す単位セル１００を配置することで構成される。単位セル１００の形状は、正方形である。

【0017】

図２は、単位構造１１の具体例を表す。図中太線で囲まれた部分が単位セル１００を表す。図２で表される単位構造は、単位セルを７つ１次元的に配列している。

【0018】

単位セル１００は、タイプ１の単位セル１００Ａ、タイプ２の単位セル１００Ｂ、タイプ３の単位セル１００Ｃ、タイプ４の単位セル１００Ｄ、タイプ５の単位セル１００Ｅ又はタイプ６の単位セル１００Ｆのいずれか一つである。

【0019】

図３は、タイプ１の単位セル１００Ａの鳥瞰図である。ｘｙｚ座標は図３に示すように定められている。図４は、タイプ１の単位セル１００Ａの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図５は、電磁波プレートのタイプ１の単位セル１００Ａの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0020】

タイプ１の単位セル１００Ａは、Ａ基板１１１と、Ａコンデンサ１１２と、Ａ結合線１１３と、Ａ導体柱１１４とＡ非結合線１１５とを有する。Ａ結合線１１３はワイヤの一例である。

【0021】

Ａ基板１１１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0022】

Ａコンデンサ１１２は、Ａ基板１１１のおもて面に形成される。Ａコンデンサ１１２は、極板が導体で形成される。

【0023】

Ａ結合線１１３は、Ａ基板１１１のおもて面に導体物質で形成される直線状の細線である。Ａ結合線１１３は、途中に切れ目をもち、Ａ基板１１１のおもて面を通って、Ａ基板１１１のおもて面の端から端まで横切るように形成される。Ａ結合線１１３の切れ目には、Ａコンデンサ１１２が挿入される。Ａ結合線１１３とＡコンデンサ１１２とは電気的に接続している。Ａ結合線１１３は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0024】

Ａ導体柱１１４は、Ａ基板１１１を貫通するように導体物質で形成される。Ａ導体柱１１４は、Ａ結合線１１３上に端面を有する。Ａ導体柱１１４は、Ａ結合線１１３の長手方向の中心を通りＡ基板１１１のおもて面に垂直な軸、を中心軸として対称な位置に二つ形成される。また、Ａ導体柱１１４は、Ａ結合線１１３を介してＡコンデンサ１１２とも電気的に接続している。Ａ導体柱１１４は、外接する四角形の一辺がＡ結合線１１３の幅程度の断面を有する。

【0025】

Ａ非結合線１１５は、Ａ基板１１１の裏面に導体物質で形成される直線状の細線である。Ａ非結合線１１５は、Ａ基板１１１の裏面を通り、２つのＡ導体柱１１４を裏面で結合するように形成される。Ａ非結合線１１５は、Ａ結合線１１３と平行に形成される。ただし、Ａ非結合線１１５は、Ａ結合線１１３と異なり、Ａ基板１１１の裏面の端に到達することはない。Ａ非結合線１１５は、Ａ導体柱１１４と電気的に接続している。Ａ非結合線１１５は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0026】

Ａ非結合線１１５とＡコンデンサ１１２とは、Ａ導体柱１１４とＡ結合線１１３とを介して電気的に接続している。そのため、Ａ非結合線１１５と、Ａ導体柱１１４と、Ａ結合線１１３の一部と、Ａコンデンサ１１２とは、Ａ結合線１１３を含みＡ基板１１１のおもて面に垂直な面内に、電気的に接続されている環状構造を形成する。したがって、単位セル１００Ａは、スプリットリング共振器を有する。

【0027】

導電性物質を用いて形成された直線状の細線が、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する場合で、さらに、その細線に入射する入射電磁波の電界成分が細線に平行である場合、細線に電流が流れ、電気双極子モーメントを生成する。したがって、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する細線は、電気双極子モーメントを生成することで、電界と結合する構造である。

【0028】

スプリットリング共振器は、導電性物質を用いて形成される。スプリットリング共振器は、導電性のリングの途中に切れ目を有する。スプリットリング共振器は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。スプリットリング共振器は、その環状構造の張る面の大きさが、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さい。スプリットリング共振器のリングを、入射電磁波の磁界が貫くとき電磁誘導がおこり、起電力が生じる。この起電力によってリングに周回電流が流れ、磁気双極子モーメントを生成する。したがって、スプリットリング共振器は磁気双極子モーメントを生成することで、磁界と相互作用する構造である。

【0029】

タイプ１の単位セル１００Ａは、直線状の細線とスプリットリング共振器とを有するため、電気双極子モーメントと磁気双極子モーメントを有する構造である。

【0030】

図６は、タイプ２の単位セル１００Ｂの鳥瞰図である。ｘｙｚ座標は図６に示すように定められている。図７は、タイプ２の単位セル１００Ｂの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図８は、電磁波プレートのタイプ２の単位セル１００Ｂの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0031】

タイプ２の単位セル１００Ｂは、Ｂ基板１２１と、第１のＢコンデンサ１２２と、第１のＢ結合線１２３と、Ｂ導体柱１２４と、第２のＢコンデンサ１２５と、第２のＢ結合線１２６とを有する。第１のＢ結合線１２３は、第一のワイヤの一例であり、第２のＢ結合線１２６は、第二のワイヤの一例である。

【0032】

Ｂ基板１２１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0033】

第１のＢコンデンサ１２２は、Ｂ基板１２１のおもて面に形成される。第１のＢコンデンサ１２２は、極板が導体で形成される。

【0034】

第１のＢ結合線１２３は、Ｂ基板１２１のおもて面に導体物質で形成される直線状の細線である。第１のＢ結合線１２３は、途中に切れ目をもち、Ｂ基板１２１のおもて面を通って、Ｂ基板１２１のおもて面の端から端まで横切るように形成される。第１のＢ結合線１２３の切れ目には、前述の第１のＢコンデンサ１２２が挿入される。第１のＢ結合線１２３と第１のＢコンデンサ１２２とは電気的に接続している。第１のＢ結合線１２３は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0035】

Ｂ導体柱１２４は、Ｂ基板１２１を貫通するように導体物質で形成される。Ｂ導体柱１２４は、Ｂ結合線１２３上に端面を有する。Ｂ導体柱１２４は二つ存在し、第１のＢ結合線１２３の長手方向の中心を通りＢ基板１２１のおもて面に垂直な軸、を中心軸として対称な位置に二つ形成される。Ｂ導体柱１２４は、第１のＢ結合線１２３と電気的に接続している。また、Ｂ導体柱１２４は、第１のＢ結合線１２３を介して第１のＢコンデンサ１２２とも電気的に接続している。Ｂ導体柱１２４は、外接する四角形の一辺がＢ結合線１２３の幅程度の断面を有する。

【0036】

第２のＢコンデンサ１２５は、Ｂ基板１２１の裏面に形成される。第２のＢコンデンサ１２５は、極板が導体で形成される。

【0037】

第２のＢ結合線１２３は、Ｂ基板１２１のおもて面に導体物質で形成される直線状の細線である。第２のＢ結合線１２６は、途中に切れ目をもち、Ｂ基板１２１の裏面を、Ｂ基板１２１の裏面の端から端まで横切るように形成される。第２のＢ結合線１２６の切れ目には、前述の第２のＢコンデンサ１２５が挿入される。第２のＢ結合線１２６と第２のＢコンデンサ１２５とは電気的に接続している。第２のＢ結合線１２６は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0038】

タイプ２の単位セル１００Ｂは、第１のＢコンデンサ１２２と、第１のＢ結合線１２３の一部と、Ｂ導体柱１２４と、第２のＢコンデンサ１２５と、第２のＢ結合線１２６の一部とが電気的に接続された環状構造を形成するため、スプリットリング共振器を有する。そのため、タイプ２の単位セル１００Ｂは、磁気双極子モーメントを有する。

【0039】

タイプ２の単位セル１００Ｂは、Ｂ基板１２３のおもて面と裏面とに、導体物質で形成された直線状の細線を有するため、二つの電気双極子モーメントを有する。

【0040】

図９は、タイプ３の単位セル１００Ｃの鳥瞰図である。ｘｙｚ座標は図９に示すように定められている。図１０は、タイプ３の単位セル１００Ｃの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図１１は、電磁波プレートのタイプ３の単位セル１００Ｃの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0041】

タイプ３の単位セル１００Ｃは、Ｃ基板１３１と、Ｃコンデンサ１３２と、第１のＣ非結合線１３３と、Ｃ導体柱１３４と、第２のＣ非結合線１３５とを有する。

【0042】

Ｃ基板１３１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0043】

Ｃコンデンサ１３２は、Ｃ基板１３１のおもて面に形成される。Ｃコンデンサ１３２は、極板が導体で形成される。

【0044】

第１のＣ非結合線１３３は、Ｃ基板１３１のおもて面に導体物質で形成される直線状の細線である。第１のＣ細線１３３は、途中に切れ目をもち、切れ目には、前述のＣコンデンサ１３２が挿入される。第１のＣ非結合線１３３とＣコンデンサ１３２とは電気的に接続している。第１のＣ非結合線１３３は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。第１のＣ非結合線１３３は、Ｃ基板１３１のおもて面の端に到達することはない。

【0045】

Ｃ導体柱１３４は、Ｃ基板１３１を貫通するように導体物質で形成される。Ｃ導体柱１３４は、Ｃ非結合線１３３上に端面を有する。Ｃ導体柱１３４は、第１のＣ結合線１３３の長手方向の中心を通りＣ基板１３１のおもて面に垂直な軸、を中心軸として対称な位置に二つ形成される。Ｃ導体柱１３４は、第１のＣ非結合線１３３と電気的に接続している。また、Ｃ導体柱１３４は、第１のＣ非結合線１３３を介してＣコンデンサ１３２とも電気的に接続している。Ｃ導体柱１３４は、外接する四角形の一辺が第１のＣ結合線１３３の幅程度の断面を有する。

【0046】

第２のＣ非結合線１３５は、Ｃ基板１３１の裏面に導体物質で形成される直線状の細線である。第２のＣ非結合線１３５は、Ｃ基板１３１の裏面を通り、２つのＣ導体柱１３４を裏面で結合するように形成される。第２のＣ非結合線１３５は、第１のＣ非結合線１３３と平行に形成される。第２のＣ非結合線１３５は、Ｃ基板１３１の裏面の端に到達することはない。第２のＣ非結合線１３５は、Ｃ導体柱１３４と電気的に接続している。第２のＣ非結合線１３５は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0047】

タイプ３の単位セル１００Ｃは、Ｃコンデンサ１３２と、第１のＣ非結合線１３３と、Ｃ導体柱１３４と、第２のＣ非結合線１３５とが電気的に接続された環状構造を形成するため、スプリットリング共振器を有する。そのため、タイプ３の単位セル１００Ｃは、磁気双極子モーメントを有する。

【0048】

図１２は、タイプ４の単位セル１００Ｄの鳥瞰図である。ｘｙｚ座標は図１２に示すように定められている。図１３は、タイプ４の単位セル１００Ｄの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図１４は、電磁波プレートのタイプ４の単位セル１００Ｄの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0049】

タイプ４の単位セル１００Ｄは、Ｄ基板１４１と、Ｄコンデンサ１４２と、第１のＤ非結合線１４３と、Ｄ導体柱１４４と、第２のＤ非結合線１４５と、Ｄ結合帯１４６とを有する。Ｄ結合帯１４６は、金属帯構造の一例である。

【0050】

Ｄ基板１４１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0051】

Ｄコンデンサ１４２は、Ｄ基板１４１のおもて面に形成される。Ｄコンデンサ１４２は、極板が導体で形成される。

【0052】

第１のＤ非結合線１４３は、Ｄ基板１４１のおもて面に導体物質で形成される直線状の細線である。第１のＤ非結合線１４３は、途中に切れ目をもち、切れ目には、前述のＤコンデンサ１４２が挿入される。第１のＤ非結合線１４３とＤコンデンサ１４２とは電気的に接続している。第１のＤ非結合線１４３は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。第１のＤ非結合線１４３は、Ｄ基板１４１のおもて面の端に到達することはない。

【0053】

Ｄ導体柱１４４は、Ｄ基板１４１を貫通するように導体物質で形成される。Ｄ導体柱１４４は、Ｄ非結合線１４３上に端面を有する。Ｄ導体柱１４４は、第１のＤ非結合線１４３の長手方向の中心を通りＤ基板１４１のおもて面に垂直な軸、を中心軸として対称な位置に二つ形成される。Ｄ導体柱１４４は、第１のＤ非結合線１４３と電気的に接続している。また、Ｄ導体柱１４４は、第１のＤ非結合線１４３を介してＤコンデンサ１４２とも電気的に接続している。Ｄ導体柱１４４は、外接する四角形の一辺がＤ非結合線１４３の幅程度の断面を有する。

【0054】

第２のＤ非結合線１４５は、Ｄ基板１４１の裏面に導体物質で形成される直線状の細線である。第２のＤ非結合線１４５は、第１のＤ非結合線１４３と互いにねじれの位置ではなく平行である。第２のＤ非結合線１４５は、Ｄ基板１４１の裏面の端に到達することはない。第２のＤ非結合線１４５は、２つのＤ導体柱１４４を裏面で結合するように形成される。第２のＤ非結合線１４５は、Ｄ導体柱１４４と電気的に接続している。第２のＤ非結合線１４５は、１辺の長さが物質内波長である正方形よりも小さな断面を有する。

【0055】

タイプ４の単位セル１００Ｄは、Ｄコンデンサ１４２と、第１のＤ非結合線１４３と、Ｄ導体柱１４４と、第２のＤ非結合線１４５とが電気的に接続された環状構造を形成するため、スプリットリング共振器を有する。そのため、タイプ４の単位セル１００Ｄは、磁気双極子モーメントを有する。

【0056】

Ｄ結合帯１４６は、Ｄ基板１４１のおもて面に導体物質で形成される直線状の構造である。Ｄ結合帯１４６は、Ｄ基板１４１のおもて面を、端から端まで横切るように形成される。Ｄ結合帯１４６は、Ｄ単位セル１００Ｄに形成される前述の環状構造とは、空間的に独立して存在する。Ｄ結合帯１４６の幅は、Ｄ非結合線１４３の細線の幅よりも広い。Ｄ結合帯１４６の長手方向は、Ｄ非結合線１４３の長手方向と平行である。

【0057】

図１５は、タイプ５の単位セル１００Ｅのおもて面を示す平面視の図である。ｘｙｚ座標は図１５に示すように定められている。図１６は、タイプ５の単位セル１００Ｅの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図１７は、電磁波プレートのタイプ５の単位セル１００Ｅの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0058】

タイプ５の単位セル１００Ｅは、Ｅ基板１５１と、第１のＥ極板１５２と、Ｅ導体柱１５３と、第２のＥ極板１５４と、Ｅ結合帯１５５とを有する電磁波変換プレートの単位セルである。Ｅ結合帯１５５は、金属帯構造の一例である。

【0059】

Ｅ基板１５１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0060】

第１のＥ極板１５２は、金属などの導電性媒質で形成される板である。第１のＥ導体極板１５２は、Ｅ基板１５１のおもて面に存在する。

【0061】

Ｅ導体柱１５３は、Ｅ基板１５１を貫通するように導体物質で形成される。Ｅ導体柱１５３の端面は、第１のＥ極板１５２と、第１のＥ極板１５２の長手方向の端で接している。Ｅ導体柱１５３は、Ｅ基板１５１に垂直な軸に沿って形成される。Ｅ導体柱１５３は、外接する四角形の一辺がＥ極板１５２の幅より小さな断面を有する。

【0062】

第２のＥ極板１５４は、金属などの導電性媒質で形成される板である。第２のＥ極板１５４は、Ｅ基板１５１の裏面に存在する。第２のＥ極板１５４の面内の中心点は、第１のＥ極板１５２の面内の中心点を通り、Ｅ基板１５１に垂直な軸が、Ｅ基板１５１の裏面と交わる点にある。第１のＥ極板１５２と第２のＥ極板１５４とは長手方向を同じにする。

【0063】

第１のＥ極板１５２と第２のＥ極板１５４とは、Ｅ導体柱１５３によって接続されており、電気的に接続された環状構造を形成するため、タイプ５の単位セル１００Ｅは、スプリットリング共振器を有する。

【0064】

Ｅ結合帯１５５は、Ｅ基板１５１のおもて面に位置する。Ｅ結合帯１５５は、Ｅ単位セル１００Ｅに形成される前述の環状構造とは、空間的に独立して存在する。

【0065】

前述のＥ単位セル１００Ｅに形成される前述の環状構造と、Ｅ結合帯構造１５５とは、Ｅ基板１５１のおもて面内におけるお互いの構造中心が、Ｅ基板１５１のおもて面の中心軸をはさんで互いに対称な位置に存在する。

【0066】

図１８は、タイプ６の単位セル１００Ｆの鳥瞰図である。ｘｙｚ座標は図１８に示すように定められている。図１９は、タイプ６の単位セル１００Ｆの側面をｘ軸方向から見た側面図である。図２０は、電磁波プレートのタイプ６の単位セル１００Ｆの側面をｚ軸方向から見た側面図である。

【0067】

タイプ６の単位セル１００Ｆは、Ｆ基板１６１と、Ｆ結合帯構造１６２とＦ非結合帯１６３とを有する。Ｆ結合帯構造１６２は、金属帯構造の一例であり、Ｆ非結合帯１６３は、金属パッチ構造の一例である。

【0068】

Ｆ基板１６１は、誘電体などの非導電性媒質で形成される基板である。

【0069】

Ｆ結合帯１６２は、Ｆ基板１６１のおもて面に位置する。Ｆ結合帯１６２は、基板のおもて面を端から端まで横切るように形成される。

【0070】

Ｆ非結合帯１６３は、Ｆ基板１６１の裏面に導体物質で形成される直線状の細線である。Ｆ非結合帯１６３は、前述のＦ結合帯１６２の長手方向に平行に形成される。Ｆ非結合帯１６３の幅は、Ｆ結合帯１６２の幅より狭い。

【0071】

以下に示す、Ｚ_ｓｅとＹ_ｓｈとを用いて、電磁波プレートの設計を行う。

【0072】

式（１）は、Ｙ_ｓｈを表す式である。

【0073】

【数1】

【0074】

式（２）は、Ｚ_ｓｅを表す式である。

【0075】

【数2】

【0076】

ここで、Ｚ_ｅは、
「入射電界Ｅ１に対して、これに比例する電気ダイポールモーメントｐeを境界に流れる電流とみなした場合に、入射電界E１とこの電流の電流密度Ｊｓ＝ｎ＾×［Ｈ２−Ｈ１］（ｎ＾はｎの上に＾がついていることを示す）の比で定義されるインピーダンス」
と定義される物理量である。

【0077】

また、Ｚ_ｍは、
「入射磁界H1に対して、これに比例する磁気ダイポールモーメントｐｍを境界に流れる磁流とみなした場合に、入射磁界H１とこの磁流の電流密度の比で定義されるインピーダンス」
と定義される物理量である。
なお、Ｈ２は、透過磁界を表す。

【0078】

電磁波プレートの設計は、前述のタイプ１からタイプ６の各単位セルに対して、構造パラメータの変化に対するＺ_ｓｅとＹ_ｓｈとの値を求めることで行われる。

【0079】

設計の具体例として、前述の構造パラメータに依存する前述のＺ_ｓｅ及びＹ_ｓｈの計算結果を示す。図３に示されているタイプ１単位セル１００Ａの構造パラメータｄｖを２．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させ、図３に示されているタイプ１単位セル１００Ａの構造パラメータｗｔを１．３ｍｍから１．５ｍｍまで変化させると、Ｚ_ｓｅは−０．２４１ｍｍから―０．１３５ｍｍまで変化することが計算される。前述のｄｖを２．５ｍｍから３．５ｍｍまで変化させ、ｗｔを１．３ｍｍから１．５ｍｍまで変化させると、Ｙ_ｓｈは―０．０５２ｍｍから―０．０３０５ｍｍまで変化することが計算される。尚、この計算において、タイプ１単位セルの基板１１１の比誘電率は３．０に設定され、誘電体損は０に設定され、基板の厚さは１．５２４ｍｍに設定された。さらに、タイプ１単位セルの基板１１１のおもて面と裏面とは１辺１４ｍｍの正方形に設定され、計算が行われた。また、計算は電磁波の周波数は５．８ＧＨｚとして計算が行われた。

【0080】

単位セルに対するＺ_ｓｅとＹ_ｓｈと値の算出は、タイプ１単位セル１００Ａについてだけ行われるものではなく、その他のタイプ２からタイプ６までの単位セルについても行われる。

【0081】

図２１は、単位セルに対するＺ_ｓｅ及びＹ_ｓｈの値の算出を用いて、単位セルを並べた場合に、電磁波プレートのＺ_ｓｅ及びＹ_ｓｈがどのような空間変化を示すかを表した具体例である。計算時の各種条件は、前述の具体例と同じであり、計算時の条件は、基板の比誘電率が３．０、誘電体損が０、基板の厚さが１．５２４ｍｍであった。さらに、タイプ１単位セルの基板１１１のおもて面と裏面とは１辺１４ｍｍの正方形が設定され、計算が行われた。また、電磁波の周波数を５．８ＧＨｚとして、計算は行われた。

【0082】

図２１は、単位セルを１次元的に並べた電磁波プレートに対するＺ_ｓｅ及びＹ_ｓｈの空間変化を表している。横軸のＮｏｄｅは、電磁波プレートの片側から順番に単位セルに対してつけた番号であり、横軸が空間座標を表す。

【0083】

図２１に示されているＮｏｄｅ＝８のセルからＮｏｄｅ＝１４までの単位セルを、図２が具体的に表している。また、図２は、図２１に示されているＮｏｄｅ＝８の単位セルからＮｏｄｅ＝１４の単位セルまでが、いかに配置されているかを表している。図２の各単位セルの上に記載された数値がＮｏｄｅを表す。Ｎｏｄｅ＝８の単位セルは、タイプ１の単位セル１００Ａである。Ｎｏｄｅ＝９からＮｏｄｅ＝９からＮｏｄｅ＝１１までの単位セルは、タイプ６の単位セル１００Ｆである。Ｎｏｄｅ＝１２からＮｏｄｅ＝１４までの単位セルは、タイプ４の単位セル１００Ｄである。
図２に示されているＮｏｄｅ＝８からＮｏｄｅ＝１４までの単位セルのみで構成される具体的な単位構造を、以下「Ｔ１６４単位電磁波プレート」という。

【0084】

図２２は、前述のＴ１６４単位電磁波プレートを一次元方向に二つ並べた構造をもちいて、電磁波解析を行う際の解析空間を表している。図２２は、ｘ軸方向の長さが１９６ｍｍであり、ｙ軸方向の長さが４００ｍｍであり、ｚ軸方向の長さが１４ｍｍの解析空間を示している。シミュレーションではｘ軸方向及びｚ軸方向に周期境界条件を用いている。図２２は、前述の解析空間の中央に、Ｔ１６４電磁波プレートをｘ軸方向に２枚とｚ軸方向に１４枚とを並べた電磁波プレート（以下「計算用電磁波プレート」という。）が設置されていることを表している。図２２は、前述の電磁波プレートのおもて面に向かって平面波を入射する様を表している。

【0085】

図２３は、図２２に示された解析空間を用いたシミュレーションで使用された、各単位セル構造の構造パラメータの値を示している。図２３では、タイプ１の単位セル１００Ａは、構造パラメータとしてｄ_ｖとｗ_ｔを使用し、その値が、ｄ_ｖ＝３．０６８８ｍｍとｗ_ｔ＝３．３２６４ｍｍであったことを示す。タイプ６の単位セル１００Ｆは、図１８に記されている構造パラメータのｌとｗ６_ｔとを使用し、単位セルごとに異なる値が与えられている。例えば、セル番号が９の単位セルでは、ｌ＝１２．１７４８ｍｍとｗ６_ｔ＝３．３２６４ｍｍとであり、セル番号が１０の単位セルでは、ｌ＝１３．０ｍｍとｗ６_ｔ＝５．０ｍｍとである。タイプ４の単位セル１００Ｄは、図１２に記されている構造パラメータのｗ４_ｂとｗ４_ｔとを使用し、単位セルごとに異なる値が与えられている。例えば、セル番号が１３の単位セルでは、ｗ４_ｂ＝４．２０３７ｍｍとｗ４_ｔ＝３．３８２４ｍｍとであり、セル番号が１４の単位セルでは、ｗ４_ｂ＝４．２ｍｍとｗ４_ｔ＝３．６０ｍｍとである。
各単位セルの表面及び裏面に形成される導体物質の厚さは、波長よりも十分に薄い厚さである。

【0086】

図２４は、図２２で表される解析空間を用いたシミュレーションによって算出された、前述の計算時電磁波プレートに入射した電磁波の強度分布を示している。計算では、基板の比誘電率は３．０、誘電体損は０、基板の厚さは１．５２４ｍｍであった。また、電磁波の周波数を５．８ＧＨｚとして、計算は行われた。また、計算では入射電磁波の入射方向は０ｄｅｇに設定され、反射方向は３０ｄｅｇに設定された。
前述の計算用電磁波プレートを用いることで、透過電磁波の指向性を図中左方向に２５度変化させることが可能であるとわかった。

【0087】

このことより、本願発明の電磁波変換プレートは、単位セルのおもて面に垂直な方向には基板を並べることなく、透過電磁波の指向性を２５°変化させる電磁波変換が可能であることがわかる。すなわち、本願発明の電磁波プレートは電磁波プレート一層で、電磁波変換が可能であるといえる。

【0088】

図２５は、周波数を５．５５ＧＨｚにして上記シミュレーション行った結果の、透過電磁波の水平面の放射パターンを示す。図中赤い線が、本願発明の電磁波プレートを使用した場合であり、図中黒の線が、電磁波プレートがない場合の参考用データである。半値ビーム幅はほとんど変わらないまま、電磁波の放射方向のピークが―２１度方向に変化したことがわかる。

【0089】

＜変形例＞
電磁波変換プレート１は、複数の偏光方向に対応可能なように、複数の回転角度をもった単位セルから構成されてもよい。
例えば、前述のＴ１６４電磁波プレートのすべての単位セルを、ｙ軸を軸として９０°回転させた電磁波プレートを、前述のＴ１６４電磁波プレートと接合させて使用してもよい。この場合、電磁波プレートは、図２に示されている電磁波プレートが動作する入射電磁波の偏光とは直交する偏光をもつ入射電磁波によっても、動作する。

【0090】

以上説明した少なくとも一つの実施形態によれば、前述のタイプ１の単位セル１、タイプ２の単位セル２、タイプ３の単位セル３、タイプ４の単位セル４、タイプ５の単位セル５又はタイプ６の単位セル６の少なくともいずれか一つを持つ電磁波プレートを作製することにより、電磁波プレートのプレート面に垂直な方向に上記単位セルを重ねる必要のない薄い電磁波プレートを作製することが可能となる。

【0091】

また、プレート面に垂直な方向に重ねる必要がないために、電磁波プレート作成のためのリソグラフィの工程を減らすことができる。

【0092】

以上、この発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、この発明の要旨を逸脱しない範囲の設計等も含まれる。したがって、本発明の範囲は、特許請求の範囲及びその均等範囲によってのみ規定されるものである。

【符号の説明】

【0093】

１…電磁波変換プレート， １１…単位構造， １００…単位セル， １００Ａ…タイプ１単位セル， １００Ｂ…タイプ２単位セル， １００Ｃ…タイプ３単位セル， １００Ｄ…タイプ４単位セル， １００Ｅ…タイプ５単位セル， １００Ｆ…タイプ６単位セル

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】

【図20】

【図21】

【図22】

【図23】

【図24】

【図25】