知財求人 - 知財ポータルサイト「IP Force」
(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】6950830
(24)【登録日】2021年9月28日
(45)【発行日】2021年10月13日
(54)【発明の名称】位相制御装置、アンテナシステム及び電磁波の位相制御方法
(51)【国際特許分類】
H01Q 15/10 20060101AFI20210930BHJP
【ＦＩ】
H01Q15/10
【請求項の数】8
【全頁数】17
(21)【出願番号】特願2020-534635(P2020-534635)
(86)(22)【出願日】2017年12月25日
(65)【公表番号】特表2021-511700(P2021-511700A)
(43)【公表日】2021年5月6日
(86)【国際出願番号】JP2017046377
(87)【国際公開番号】WO2019130382
(87)【国際公開日】20190704
【審査請求日】2020年6月19日
(73)【特許権者】
【識別番号】000004237
【氏名又は名称】日本電気株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100103894
【弁理士】
【氏名又は名称】家入 健
(72)【発明者】
【氏名】ウー ミンチー
【審査官】
赤穂 美香
(56)【参考文献】
【文献】
米国特許出願公開第２０１５／０３６４８２８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１５／０３０３５８４（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特開２０１６−１５８０４２（ＪＰ，Ａ）
【文献】
国際公開第２０１５／１２８６５７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
国際公開第２０１４／１５８１０７（ＷＯ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２０１４／０２００４５８（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許第６１４４５１２（ＵＳ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｈ０１Ｑ １５／１０
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
３次元ユニットの２次元アレイを有し、
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
位相制御装置。
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
位相制御装置。
【請求項2】
前記３次元ユニットのそれぞれは、前記２次元アレイの主面に垂直な方向で前記金属層と交互に積層された少なくとも１つの誘電体層をさらに備え、
前記金属層及び前記誘電体層は、前記２次元アレイの主面に隙間無く稠密に配列できるように、同じ外形及び同じ寸法を有するものとして構成される、
請求項１に記載の位相制御装置。
前記金属層及び前記誘電体層は、前記２次元アレイの主面に隙間無く稠密に配列できるように、同じ外形及び同じ寸法を有するものとして構成される、
請求項１に記載の位相制御装置。
【請求項3】
前記複数の基本構造は、異なる位相シフトレンジをカバーするように、又は、位相シフトレンジが部分的に互いに重複するように構成される、
請求項１又は２に記載の位相制御装置。
請求項１又は２に記載の位相制御装置。
【請求項4】
一方の基本構造は位相シフトレンジの全域の一部をカバーするように構成され、他方の基本構造は位相シフトレンジの全域をカバーするように構成される、
請求項３に記載の位相制御装置。
請求項３に記載の位相制御装置。
【請求項5】
前記２次元アレイの中心と前記３次元ユニットとの間の距離が増えるにつれて、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相の遅延量が増加又は減少する、
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位相制御装置。
請求項１乃至４のいずれか一項に記載の位相制御装置。
【請求項6】
前記電磁波の位相がシフトされた後に前記２次元アレイから放射される前記電磁波の送信方向は、前記２次元アレイの主面に垂直な方向と同じ方向又は前記２次元アレイの主面に垂直な方向に対して傾いた方向である、
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位相制御装置。
請求項１乃至５のいずれか一項に記載の位相制御装置。
【請求項7】
電磁波を放射するアンテナと、
３次元ユニットの２次元アレイを有する位相制御装置と、を備え、
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
アンテナシステム。
３次元ユニットの２次元アレイを有する位相制御装置と、を備え、
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
アンテナシステム。
【請求項8】
位相制御装置に電磁波を放射し、
前記位相制御装置は、３次元ユニットの２次元アレイを有し、
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
電磁波の位相制御方法。
前記位相制御装置は、３次元ユニットの２次元アレイを有し、
前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、
前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、
前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、
前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっている、
電磁波の位相制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、位相制御装置、アンテナシステム及び電磁波の位相制御方法に関する。
【背景技術】
【0002】
一般的な位相制御装置の１つが特許文献１に開示されている。この装置は、電磁放射を結合するメタサーフェイス（ｍｅｔａｓｕｒｆａｃｅ）を有する。本構造は、基板コンポーネントと、基板コンポーネントによって支持される複数の素子と、を有する。基板コンポーネントは、電磁波の波長以下の厚みを有する。各素子は、電磁波の波長以下の寸法を有する。少なくとも２つの素子は、同一ではない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0003】
【特許文献1】国際公開第２０１５／１２８６５７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
特許文献１に開示された装置は、共鳴状態に作用する構造に含まれる素子を有しており、大電流が生じて帯域が狭くなってしまう。その結果、開示された装置は比較的高いロスを有している。
【0005】
本発明は、上記の事情に鑑みて成されたものであり、広帯域において高効率で電磁波の位相を好適に制御することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0006】
本発明の一態様である位相制御装置は、３次元ユニットの２次元アレイを有し、前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっているものである。
【0007】
本発明の一態様であるアンテナシステムは、電磁波を放射するアンテナと、３次元ユニットの２次元アレイを有する位相制御装置と、を有し、前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっているものである。
【0008】
本発明の一態様である電磁波の位相制御方法は、位相制御装置に電磁波を放射し、前記位相制御装置は、３次元ユニットの２次元アレイを有し、前記２次元アレイは、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせ、前記３次元ユニットのそれぞれは、複数の基本構造うちの１つを有し、前記基本構造は、互いに離隔して積層された複数の金属層を有し、前記複数の基本構造の前記金属層の枚数は、互いに異なっているものである。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、広帯域において高効率で電磁波の位相を好適に制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【0010】
【図1】実施の形態１にかかる位相制御装置を示す図である。
【図2】実施の形態１にかかる位相制御装置の平面図である。
【図3】位相制御装置の一部を示す図である。
【図4】６枚の金属層を有する立方体ユニットの例を示す図である。
【図5】２枚の金属層及び１枚の誘電体層を有する構成による等価透磁率の制御の例を示す図である。
【図6】１枚の金属層を有する構成についての等価誘電率の制御の例を示す図である。
【図7】交互に積層されたｎ枚の金属層と（ｎ−１）枚の誘電体層とを有する立方体ユニットの例を示す図である。
【図9】立方体ユニットに含まれる１枚に金属層の例を示す図である。
【図10】金属フレーム及び金属スクエアの組み合わせの等価回路を示す図である。
【図11】４枚の金属層が積層された立方体ユニットの基本構造の第１の例を示す図である。
【図12】６枚の金属層が積層された立方体ユニットの基本構造の第２の例を示す図である。
【図14】異なる枚数の金属層を有する立方体ユニットの組み合わせを示す図である。
【図15】立方体ユニットの基本構造の第３の例を示す図である。
【図16】立方体ユニットの基本構造の第４の例を示す図である。
【図17】立方体ユニットの基本構造の第５の例を示す図である。
【図19】立方体ユニットの基本構造の第６の例を示す図である。
【図20】立方体ユニットの基本構造の第７の例を示す図である。
【図21】立方体ユニットの基本構造の第８の例を示す図である。
【図23】立方体ユニットの他の配列を示す図である。
【図24】六角柱を有する位相制御装置の構成を示す図である。
【図25】四角柱を有する位相制御装置の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【0011】
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。各図面においては、同一要素には同一の符号が付されており、必要に応じて重複説明は省略される。
【0012】
実施の形態１実施の形態１にかかる位相制御装置について説明する。図１に、実施の形態１にかかる位相制御装置１００を示す。図２に、実施の形態１にかかる位相制御装置１００の平面図を示す。位相制御装置１００は、ディスク状の形状を有する。位相制御装置１００の主面は、図１及び２におけるＸ−Ｙ平面である。図１では、位相制御装置１００の中心軸は線ＣＡで表されている。図２では、中心軸ＣＡ上に位置している、位相制御装置１００のＸ−Ｙ平面での中心点をＣＰと表示している。
【0013】
位相制御装置１００は、アンテナ１０１から放射される電磁波が位相制御装置１００を通過する間に、電磁波の位相を制御するものとして構成される。図１及び２に示す様に、位相制御装置１００の一方の面がアンテナ１０１に対向している。位相制御装置１００及びアンテナ１０１は、アンテナシステムを構成している。この場合、電磁波の送信方向は、Ｚ軸方向である。
【0014】
アンテナ１０１は指向性アンテナではなく、アンテナ１０１は電磁波を等方的に放射する。アンテナ１０１として、ホーンアンテナ、ダイポールアンテナ及びパッチアンテナのような各種のアンテナを用いることができる。よって、位相制御装置１００のアンテナ１０１に対向している面に電磁波が到達したとき、位相制御装置１００の面上における電磁波の位相は一様ではない。図１では、電磁波の位相が同じである平面及び曲面は、線ＰＬで表示されている。図１に示す様に、位相制御装置１００のアンテナ１０１に対向している面上では、中心点ＣＰから遠ざかるほど、電磁波の位相が遅れる。
【0015】
よって、本実施の形態では、位相制御装置１００は、電磁波の位相を制御して、送信方向に垂直な位相平面を有する電磁波を放射する。換言すれば、位相平面は、Ｚ軸方向に垂直なＸ−Ｙ平面となる。
【0016】
図３に、図２において符号１０で示される位相制御装置１００の一部を示す。位相制御装置１００は、複数の３次元ユニットを有する。この場合、位相制御装置１００は、複数の立方体ユニット１を有する。立方体ユニット１は、Ｘ−Ｙ平面においてマトリックス状に配列される。換言すれば、立方体ユニット１は、立方体ユニットの２次元アレイを構成するように配列される。図３では、位相制御装置１００の部分１０は、８×８＝６４個の立方体ユニットのアレイとして表示されている。
【0017】
なお、３次元ユニットの形状は立方体に限られるものではない。３次元ユニットが隙間なく稠密に配列できるならば、３次元ユニットの形状として、直方体や六角柱などの他の形状を採用することができる。
【0018】
図３に示す様に、Ｘ−Ｙ平面上における各立方体ユニットの中心の基準点をＲＰで示している。なお、簡略化のため、図３では１つの立方体ユニットの基準点ＲＰのみを表示している。この場合、上述したように、中心点ＣＰから（図２に示す）基準点ＲＰまでの距離Ｌが増えるにつれて、アンテナ１０１から立方体ユニットに到達する電磁波の位相が遅れる。よって、位相制御装置１００のアンテナ１００に対向していない面から放射される電磁波の位相が一様になるように、位相制御装置１００は、中心点ＣＰから基準点ＲＰまでの距離Ｌが増えるにつれて、立方体ユニットでの位相遅延量が減少するように構成される。
【0019】
したがって、位相制御装置１００は、凸レンズのようにアンテナから放射された電磁波を収束させる。
【0020】
立方体ユニットの寸法は、電磁波の波長よりも小さい。よって、立方体ユニット１のアレイは、電磁的連続媒体として機能する。立方体ユニットの構成に応じて等価透磁率及び等価誘電率を制御することで、屈折率及びインピーダンスを独立して制御することができる。
【0021】
立方体ユニット１の基本構造について説明する。立方体ユニット１のそれぞれは、位相制御装置１００の面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に積層された複数の金属層を有する。図４に、６枚の金属層Ｍを有する立方体ユニット１の例を示す。図４では、金属層Ｍは、正方形である。隣接する２つの金属層Ｍは、誘電体層で絶縁されている。簡略化のため、適宜、図４及び以下の図では、誘電体層は表示されていない。すなわち、金属層Ｍと誘電体層とは、Ｚ軸方向に交互に積層されている。図４に示す立方体ユニット１は、交互に積層された６枚の金属層Ｍと５枚の誘電体層を有している。ここで、金属層と誘電体層とは、Ｘ−Ｙ平面において、同じ外形及び寸法を有している。
【0022】
金属層の形状は、正方形に限られるものではない。長方形や円形などの他の形状を適用してもよい。また、金属層の枚数及び誘電体層の枚数は図４の例に限られない。金属層の枚数は任意の複数枚としてもよいし、誘電体層の数は金属層の数に対応した任意の枚数としてもよい。
【0023】
金属層及び誘電体層は、例えば、化学気相堆積法（ｃｈｅｍｉｃａｌ ｖａｐｏｒ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）を含む真空蒸着、めっき、スピンコーティングなどの各種の作製方法によって形成することができる。
【0024】
続いて、立方体ユニットの等価透磁率の制御について説明する。図５に、２枚の金属層及び１枚の誘電体層を有する構成による等価透磁率の制御の例を示す。２枚の金属層Ｍ１及びＭ２は、Ｚ軸方向に並んで配置され、誘電体層は金属層Ｍ１及びＭ２の間に挿入されている。金属層Ｍ１及びＭ２と平行な成分を有する電場Ｂが本構成に印加されると、金属層Ｍ１及びＭ２では電場Ｂの方向と反対の方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊは、金属層のアドミタンスを調整することで決定できる。金属層のアドミタンスは、金属層の形状で決定される。よって、金属層の形状を適切に設計することで、電流Ｊによって誘導される磁場を制御して、等価透磁率を制御することができる。
【0025】
次いで、立方体ユニットの等価誘電率の制御について説明する。図６に、１枚の金属層を有する構成についての等価誘電率の制御の例を示す。金属層Ｍに平行な成分を有する電場が印加されると、２つの辺Ｅ１と辺Ｅ２との間で電位差が生じる。電位差によって生じる電流Ｊは、金属層のアドミタンスを調整することで決定できる。よって、金属層の形状を適切に設計することで、電流Ｊによって生じる電場を調整して、等価誘電率を制御することができる。
【0026】
上述したように、金属層の形状を適切に設計することで、等価透磁率及び等価誘電率を制御することが可能である。この場合、インピーダンスＺ及び位相定数βは、それぞれ以下の式（１）及び式（２）で表される。【数1】
【数2】
【0027】
これにより、等価透磁率及び等価誘電率を制御することで、立方体ユニットを通過する電磁波について任意の位相シフトを実現することが可能となる。また、例えば大気などの外部環境と同じインピーダンスを有するように立方体ユニットを設計することで、理論的には反射波を防止することができる。
【0028】
図７は、積層されたｎ枚の金属層Ｍ１〜Ｍｎと（ｎ−１）枚の誘電体層とを有する立方体ユニットの例を示す。なお、ｎは、２以上の整数である。図８に、図７に示す構成の等価回路を示す。図８では、Ｙｊはｊ番目の金属層のアドミタンスを示し、βｋはｋ番目の誘電体層Ｄｋの位相定数を示し、ｈは誘電体層の厚さを示している。なお、ｊはｎ以下の整数であり、ｋはｎ−１以下の整数である。金属層及び誘電体層のＡＢＣＤ行列は、図８の等価回路を用いて計算することが可能である。ｎ枚の金属層を含む立方体ユニットのＡＢＣＤ行列は、計算によってＳパラメータに変換することができる。よって、本構成における透過率と透過係数の位相とを導出することができる。これらの式によれば、金属パターンによって決定される各金属層について所望のアドミタンスを計算することができる。
【0029】
次に、金属層の他の形状について説明する。図９に、立方体ユニットに含まれる１枚の金属層の例を示す。図９に示すように、金属層は金属フレームＭＦ及び金属スクエアＭＳを含んでいる。金属フレームＭＦは、金属層の形状の外周に沿った金属のクローズドループとして構成されている。金属スクエアＭＳは、金属フレームＭＦに囲まれる領域に配置され、金属フレームＭＦとは絶縁されている。なお、立方体ユニット２に設けられた複数の金属層の金属フレームＭＦの幅及び金属スクエアＭＳの寸法は、異なっていてもよいし、同じであってもよい。本構成では、金属フレームＭＦ及び金属スクエアＭＳの組み合わせを、インダクタＬ及びキャパシタＣの組み合わせと見なすことができる。
【0030】
ここで、隣接する２つの立方体ユニットに含まれる金属パターンが同じ面に形成される場合には、これらの金属パターンは境界を跨いで連続的に形成されてもよい。
【0031】
図１０に、金属フレーム及び金属スクエアの組み合わせの等価回路を示す。Ｘ軸方向の電場Ｂが生じ、Ｙ軸方向に沿って電場Ｅが生じる場合、環状形状の金属部分はインダクタと等価となり、互いに離隔された金属部分の間の間隙はキャパシタと等価となる。故に、金属フレームＭＦ及び金属スクエアＭＳの設計により、インダクタンス及びキャパシタンスを調整することができる。
【0032】
立方体ユニットの基本構造の例について説明する。図１１に、４枚の金属層が積層された立方体ユニット２の基本構造の第１の例を示す。この例では、金属層は、図９に示す金属層と同じ外形を有している。
【0033】
次に、立方体ユニットの基本構造の他の例について説明する。図１２に、６枚の金属層が積層された立方体ユニット３の基本構造の第２の例を示す。この例では、金属層は、図９に示す金属層と同じ外形を有している。
【0034】
図１１及び１２に示す立方体ユニット２及び３による位相シフトについて説明する。図１３に、図１１及び１２に示す立方体ユニットのシミュレーション結果を示す。このシミュレーションでは、金属スクエアＭＳの寸法に応じて位相シフトのレンジを調整可能である。図１３に示す様に、図１１に示す金属層を適切に設計することで、高効率の位相シフトを実現できることが理解できる（図１３の４ＰＭＵｓを参照）。
【0035】
図８より、金属層の数が少ない立方体ユニットでは各金属層について必要なアドミタンス値の自由度も少なくなるため、カバーが困難な位相シフトレンジが存在することが容易に理解できる。等価アドミタンスは、等価回路での強い共振によって実現される。その結果、金属層での大電流による大きなロスが生じ、又は、特定の位相シフトレンジにおいて帯域が狭くなる。
【0036】
したがって、図１３に示す様に、４枚の金属層を有する立方体ユニット２は、０〜３６０°の位相シフトレンジの全域をカバーすることができない。これに対し、６枚の金属層を有する立方体ユニット３は、立方体ユニット２と比べて低効率ながらも位相シフトレンジの全域をカバーすることができる。
【0037】
なお、立方体ユニットは、２枚又は３枚の金属層を有する分離された複数のキューブユニットと見なすこともできる。この場合、分離されたキューブユニット間に挿入された誘電体層は、適宜、追加誘電体層と見なされる。これにより、３枚の金属層を有する分離されたキューブユニットと追加誘電体層とを積層することで立方体ユニット３を形成することができる。図１２に示す構成では、３枚の金属層を有するキューブユニットの一方には０〜１８０°の位相シフトレンジの半分だけをカバーすることが求められ、３枚の金属層を有する分離されたキューブユニットの他方には１８０〜３６０°の位相シフトレンジの半分だけをカバーすることが求められている。本構成によれば、４枚の金属層を有する立方体ユニット２の狭い位相シフトレンジ及び狭い帯域を解決することができる。よって、位相シフトレンジの全域をカバーするために、立方体ユニット３は図１２のように設計される。
【0038】
６枚の金属層を有する立方体ユニット３は３枚の金属層を有する２つのキューブユニットと等価であるので、４枚の金属層を有する立方体ユニット２の場合と比べて、高いロスは避けられない。よって、本実施の形態では、高効率及び広帯域を両立するため、異なる枚数の金属層を有する立方体ユニットを組み合わせて位相シフト装置１００を構成している。
【0039】
図１４に、位相制御装置１００における、異なる枚数の金属層を有する立方体ユニットの組み合わせを示す。図１４に示す様に、高効率で位相シフトレンジの全域の半分だけをカバーできる、４枚の金属層を有する立方体ユニット２と、低効率で位相シフトレンジの全域をカバーできる、６枚の金属層を有する立方体ユニット３と、を組み合わせている。これにより、本構成では、立方体ユニット２は、メインの位相シフトレンジ（図１３の右側のレンジ）に対応して位相シフト要求を満たすことができ、立方体ユニット３は、メインの位相シフトレンジ及び他の位相シフトレンジ（図１３の左側のレンジ）を含む位相シフトレンジの全領域に対応することができる。
【0040】
以上、本構成によれば、異なる位相シフトレンジをカバーする３次元ユニットを組み合わせて、具体的には異なる数の金属層を有する立方体ユニットを組み合わせて、換言すれば異なる基本構成を有する立方体ユニットを組み合わせて、高効率な任意の位相シフトを実現可能な位相制御装置を実現することができる。
【0041】
なお、図１を参照して説明した位相制御は、例示に過ぎない。位相制御装置は、中心点ＣＰから基準点ＲＰまでの距離Ｌが増えるにつれて、立方体ユニットの位相遅延量が増えるように構成されてもよい。この場合、３次元ユニットである立方体ユニットを適切に設計することで、電磁波の用途に応じて、位相制御装置は、凹レンズのように電磁波を拡散するように構成されてもよい。
【0042】
また、アンテナから放射されて位相制御装置に到達する電磁波の送信方向は、位相制御装置の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に限られない。アンテナから放射されて位相制御装置に到達する電磁波の送信方向は、位相制御装置の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾いていてもよい。さらに、位相制御装置から放射される電磁波の送信方向は、位相制御装置の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に限られない。３次元ユニットである立方体ユニットを適切に設計することにより、位相制御装置から放射される電磁波の送信方向を、位相制御装置の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾いていてもよい。
【0043】
実施の形態２実施の形態２では、３次元ユニットの基本構造の例について説明する。本実施の形態の例では、９個の立方体ユニットの金属層が図に表示され、立方体ユニットの間の境界は破線で表示されている。
【0044】
図１５に、立方体ユニットの基本構造の第３の例を示す。この例では、Ｘ軸方向に延在する一方の金属線とＹ軸方向に延在する他方の金属線とが基準点ＲＰで互いに交差している十字型金属４Ａが立方体ユニット４に設けられている。また、４つの金属片が十字型金属線の端部のそれぞれに、金属線と直交する方向に延在するように設けられている。
【0045】
図１６に、立方体ユニットの基本構造の第４の例を示す。この例では、方形環状金属５Ａが立方体ユニット５の金属層に設けられている。
【0046】
図１７に、立方体ユニットの基本構造の第５の例を示す。この例では、島型金属６Ａが立方体ユニット６の金属層に設けられている。
【0047】
第３〜第５の例では、例えば、Ｘ軸が電場Ｅの方向である。第３〜第５の例の金属層は、電場の方向がＸ−Ｙ平面内においていかなる方向であったとしても、同様に動作するように構成することができることは、言うまでもない。
【0048】
図１８に、図１５〜１７に示した金属層の２次元等価回路を示す。図１８に示す様に、２次元等価回路は、インダクタＬ１及びキャパシタＣ１のペア４つで表現できる。１つのペアにおいては、インダクタＬ１の一端がキャパシタＣ１の一端と接続される。４つのペアのインダクタＬ１の他端は互いに接続されている。
【0049】
また、３次元ユニットの基本構成の他の例について説明する。以下で説明する金属層は、並列共振回路を構成する。
【0053】
第６〜第８の例では、金属層の金属フレームＭＦは接続され、かつ１つの層に集約されている。例えば、Ｘ軸が電場Ｅの方向である。図１９〜２１に示した金属層は、電場Ｅの方向がＸ−Ｙ平面内においていかなる方向であったとしても、同様に動作するように構成することができることは、言うまでもない。
【0055】
この等価回路は、図１８に示した等価回路にインダクタＬ２を追加した構成を有する。インダクタＬ２は、金属フレームＭＦによって形成されている。この回路では、２つのインダクタＬ２が２つのキャパシタＣ１の他端の間に挿入されている。これにより、この等価回路は、図１８に示した等価回路に、８つのインダクタＬ２を追加した構成を有している。
【0056】
以上の通り、第３〜第８の金属層は、インダクタ及びキャパシタを有する等価回路によって表すことが可能である。よって、実施の形態１と同様に、３次元ユニットの等価透磁率及び等価誘電率を調整することが可能である。
【0057】
その結果、本構成によれば、異なる位相シフトレンジをカバーする３次元ユニットを組み合わせることで、高効率な任意の位相シフトを可能とする位相制御装置を実現できる。
【0058】
実施の形態３実施の形態３では、３次元ユニットの他の配列について説明する。
【0059】
図２３に、立方体ユニットの他の配列を示す。図２３では、位相制御装置２００は、Ｙ軸方向に隙間無く稠密に配列されている複数の列２１を有する。列２１は、Ｘ軸方向に隙間無く稠密に配列されている複数の立方体ユニット２０を有する。隣接する２つの列２１は、立方体ユニット２０の幅の半分だけＸ軸方向にシフトされている。３次元ユニットである立方体ユニット２０は隙間無く稠密に配列されているので、位相制御装置２００は、実施の形態１にかかる位相制御装置１００と同様に、電磁波の位相を制御することができる。
【0060】
複数の立方体ユニットは、列を構成するためにＹ軸方向に隙間無く稠密に配列されてもよく、列はＸ軸方向に稠密に配列されてもよい。
【0061】
他の構成について説明する。図２４に、六角柱３０を有する位相制御装置３００の構成を示す。本構成では、六角柱３０が３次元ユニットの基本構造である。六角柱３０は、複数の金属層と、金属層間に挿入される誘電体層を有する。図２４に示す様に、六角柱３０は、いわゆるハニカム構造を構成するように、隙間無く稠密に配列されている。六角柱３０は隙間無く稠密に配列されているので、位相制御装置３００は、実施の形態１にかかる位相制御装置１００と同様に、電磁波の位相を制御することができる。
【0062】
更なる構成について説明する。図２５に、四角柱４０を有する位相制御装置４００の構成を示す。本構成では、四角柱４０が３次元ユニットの基本構造である。四角柱４０は、複数の金属層と、金属層間に挿入される誘電体層を有する。図２５に示す様に、四角柱４０は、隙間無く稠密に配列されている。四角柱４０は隙間無く稠密に配列されているので、位相制御装置４００は、実施の形態１にかかる位相制御装置１００と同様に、電磁波の位相を制御することができる。
【0063】
以上、本実施の形態にかかる３次元ユニットは、隙間無く稠密に配列されている。よって、実施の形態１と同様に、３次元ユニットの等価透磁率及び等価誘電率を調整することが可能である。
【0064】
その結果、本構成によれば、異なる位相シフトレンジをカバーする３次元ユニットを組み合わせることで、高効率な任意の位相シフトを可能とする位相制御装置を実現できる。
【0065】
その他の実施の形態なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。例えば、位相制御装置において配列された３次元ユニットの形状は、１つに限られない。３次元ユニットを隙間無く稠密に配列して位相制御を実現できるならば、上述した六角柱や四角柱、立方体及び直方体などの様々な形状を組み合わせて３次元ユニットにアレイを構成してもよい。
【0066】
金属層は、任意の金属によって形成してもよく、誘電体層は任意の誘電体によって形成してもよい。
【0067】
上述の実施の形態では、２つの基本構造が組み合わされている。しかし、これは例示に過ぎない。したがって、３以上の構造を組み合わせて３次元ユニットを構成してもよい。
【0068】
上述の実施の形態では、位相制御装置はディスク形状の装置として構成されている、しかし、位相制御装置の形状はこれに限られない。例えば、位相制御装置は、ディスク形状の装置ではなく、板状形状の装置として構成されてもよい。
【0069】
以上、実施の形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記によって限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【符号の説明】
【0070】
Ｃ、Ｃ１ キャパシタＣＡ 中心軸
ＣＰ 中心点
ＲＰ 基準点
Ｄ１〜ＤＮ−１ 誘電体層
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
Ｍ、Ｍ１〜ＭＮ 金属層
ＭＦ 金属フレーム
ＭＳ 金属スクエア
１〜９、２０ 立方体ユニット
４Ａ 十字型金属
５Ａ 環状金属
６Ａ 島型金属
２１ 列
３０ 六角柱
４０ 四角柱
１００、２００、３００、４００ 位相制御装置
１０１ アンテナ