特開 2023-44387 電磁波フィルタ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2023044387

(43)【公開日】2023-03-30

(54)【発明の名称】電磁波フィルタ

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/14 20060101AFI20230323BHJP

【ＦＩ】

H01Q15/14 B

【審査請求】未請求

【請求項の数】4

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2021152401

(22)【出願日】2021-09-17

(71)【出願人】

【識別番号】310010575

【氏名又は名称】地方独立行政法人北海道立総合研究機構

(74)【代理人】

【識別番号】100110766

【弁理士】

【氏名又は名称】佐川 慎悟

(74)【代理人】

【識別番号】100165515

【弁理士】

【氏名又は名称】太田 清子

(74)【代理人】

【識別番号】100169340

【弁理士】

【氏名又は名称】川野 陽輔

(74)【代理人】

【識別番号】100195682

【弁理士】

【氏名又は名称】江部 陽子

(74)【代理人】

【識別番号】100206623

【弁理士】

【氏名又は名称】大窪 智行

(72)【発明者】

【氏名】斎藤 隆之

(72)【発明者】

【氏名】宮▲崎▼ 俊之

(72)【発明者】

【氏名】米田 鈴枝

(72)【発明者】

【氏名】本間 稔規

【テーマコード（参考）】

5J020

【Ｆターム（参考）】

5J020AA06

5J020CA05

5J020DA06

(57)【要約】

【課題】 特定の方向に振動する電磁波を様々な振動方向で入射させたときのフィルタリング性能を安定させることのできる、電磁波フィルタを提供する。
【解決手段】 基材２に複数個の分割リング共振器３を近接配置して構成される電磁波フィルタ１であって、分割リング共振器３は、第１カット部４１が形成されたリング状の第１分割リング４と、第１分割リング４より外周が小さくその内側に同心かつ同じ面内に配置され、第１カット部４１とは反対位置に第２カット部５１が形成されたリング状の第２分割リング５とから構成されており、各々の分割リング共振器３は、第１カット部４１の開口位置が中心角３６０度を所定の角度間隔で等分した３以上の方向のうちいずれかの方向に向けられるとともに、各方向が、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる頻度で表れるように配置されている。
【選択図】 図１

【特許請求の範囲】

【請求項1】

基材に複数個の分割リング共振器を近接配置して構成される電磁波フィルタであって、
前記分割リング共振器は、第１カット部が形成されたリング状の第１分割リングと、前記第１分割リングより外周が小さくその内側に同心かつ同じ面内に配置され、前記第１カット部とは反対位置に第２カット部が形成されたリング状の第２分割リングとから構成されており、
各々の前記分割リング共振器は、前記第１カット部の開口位置が中心角３６０度を所定の角度間隔で等分した３以上の方向のうちいずれかの方向に向けられるとともに、各方向が、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる頻度で表れるように配置されている、前記電磁波フィルタ。

【請求項2】

前記第１カット部の開口位置が同一方向に向けられた複数個の前記分割リング共振器を一方向に連続して隣接配置する場合、両端に配置された前記分割リング共振器の中心間距離がフィルタリングの対象となる電磁波の波長を超えない範囲の配列個数とする、請求項１に記載の電磁波フィルタ。

【請求項3】

前記分割リング共振器による基本行列が、４行４列の１６個の前記分割リング共振器で構成されているとともに、前記第１カット部の開口位置を第１方向、前記第１方向に対し時計回りに９０度回転させた第２方向、前記第２方向に対し時計回りに９０度回転させた第３方向および前記第３方向に対し時計回りに９０度回転させた第４方向とした前記分割リング共振器が各行各列に１個ずつ表れるように配置されており、
前記基本行列を複数配置することで構成されている、請求項１に記載の電磁波フィルタ。

【請求項4】

前記分割リング共振器による基本行列が、２行２列の４個の前記分割リング共振器で構成されているとともに、前記第１カット部の開口位置を第１方向、前記第１方向に対し時計回りに９０度回転させた第２方向、前記第２方向に対し時計回りに９０度回転させた第３方向および前記第３方向に対し時計回りに９０度回転させた第４方向とした前記分割リング共振器を、前記第１方向および前記第３方向を開口位置とする前記分割リング共振器と、前記第２方向および前記第４方向を開口位置とする前記分割リング共振器とがそれぞれ２行２列の対角位置に表れるように配置されており、
前記基本行列を複数配置することで構成されている、請求項１に記載の電磁波フィルタ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、分割リング共振器を用いた電磁波フィルタに関するものである。

【背景技術】

【0002】

電磁波は、通信技術やレーダー技術など様々な分野で利用されている。例えば、第５世代移動通信システムでは、２８ＧＨｚ帯の電磁波を用いて通信が行われている。一方、通信技術分野では、急増し続ける通信トラフィックへの対応が課題となっており、これまでに一定の方向に振動する電磁波（偏波）を利用して高速化を実現する新たな技術などが提案されている。

【0003】

また、自然環境においては、様々な電磁波が飛び交っており、不要な電磁波との干渉により、通信精度等が低下するという問題がある。そこで、このような不要な電磁波を除去するための電磁波フィルタが必要となっている。

【0004】

ところで、メタマテリアル（Metamaterials）は、電磁波（光）の波長よりも細かな構造体を利用して、自然界の物質にはない電磁気学（光学）的な特性を操作した物質であり、レンズなどの光学的な分野で応用されている。例えば、特開２０１４－１６０９４７号公報では、メタマテリアルが、入射した電磁波や光に対し負の屈折をさせることを利用した平面状のレンズが提案されている（特許文献１）。この特許文献１に記載の発明では、第１カット部が形成されたリング状の第１分割リングと、前記第１分割リングより外径が小さくその内側に同心かつ同じ面内に配置され、前記第１カット部とは反対位置に第２カット部が形成されたリング状の第２分割リングとから構成された分割リング共振器を、平行平板内に前記第１カット部の開口位置を同じ方向に向けて配置した構造からなるメタマテリアルが用いられている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１４－１６０９４７号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

発明者等は、このようなメタマテリアルによる電磁気学的な特性に着目し、電磁波フィルタに応用することを発案し、鋭意研究を進めていたところ、特許文献１に記載の発明のように分割リング共振器を規則的にかつ第１カット部の開口位置を同じ方向に向けて並べた従来のメタマテリアル構造では、入射する電磁波の振動方向（進行方向を中心として入射側から見たときに電場が振動している方向）の変化にともない、透過および反射する電磁波の周波数が変化することを見いだした。

【0007】

つまり、従来のメタマテリアル構造を用いた電磁波フィルタをスマートフォンなどの移動体通信機器に使用した場合、前記電磁波フィルタに入射する電磁波の振動方向が移動体通信機器の動きに伴い変化するため、フィルタリング性能が安定しないという問題がある。

【0008】

本発明は、以上のような問題点を解決するためになされたものであって、特定の方向に振動する電磁波を様々な振動方向で入射させたときのフィルタリング性能を安定させることのできる、電磁波フィルタ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】

【0009】

本発明に係る電磁波フィルタは、特定の方向に振動する電磁波を様々な振動方向で入射させたときのフィルタリング性能を安定させるという課題を解決するために、基材に複数個の分割リング共振器を近接配置して構成される電磁波フィルタであって、前記分割リング共振器は、第１カット部が形成されたリング状の第１分割リングと、前記第１分割リングより外周が小さくその内側に同心かつ同じ面内に配置され、前記第１カット部とは反対位置に第２カット部が形成されたリング状の第２分割リングとから構成されており、各々の前記分割リング共振器は、前記第１カット部の開口位置が中心角３６０度を所定の角度間隔で等分した３以上の方向のうちいずれかの方向に向けられるとともに、各方向が、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる頻度で表れるように配置されている。

【0010】

また、本発明の一態様として、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質がより確実に得られるように配置するという課題を解決するために、前記第１カット部の開口位置が同一方向に向けられた複数個の前記分割リング共振器を一方向に連続して隣接配置する場合、両端に配置された前記分割リング共振器の中心間距離がフィルタリングの対象となる電磁波の波長を超えない範囲の配列個数とするようにしてもよい。

【0011】

さらに、本発明の一態様として、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質がより確実に得られるように配置するという課題を解決するために、前記分割リング共振器による基本行列が、４行４列の１６個の前記分割リング共振器で構成されているとともに、前記第１カット部の開口位置を第１方向、前記第１方向に対し時計回りに９０度回転させた第２方向、前記第２方向に対し時計回りに９０度回転させた第３方向および前記第３方向に対し時計回りに９０度回転させた第４方向とした前記分割リング共振器が各行各列に１個ずつ表れるように配置されており、前記基本行列を複数配置することで構成されていてもよい。

【0012】

また、本発明の一態様として、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質がより確実に得られるように配置するという課題を解決するために、前記分割リング共振器による基本行列が、２行２列の４個の前記分割リング共振器で構成されているとともに、前記第１カット部の開口位置を第１方向、前記第１方向に対し時計回りに９０度回転させた第２方向、前記第２方向に対し時計回りに９０度回転させた第３方向および前記第３方向に対し時計回りに９０度回転させた第４方向とした前記分割リング共振器を、前記第１方向および前記第３方向を開口位置とする前記分割リング共振器と、前記第２方向および前記第４方向を開口位置とする前記分割リング共振器とがそれぞれ２行２列の対角位置に表れるように配置されており、前記基本行列を複数配置することで構成されていてもよい。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、特定の方向に振動する電磁波を様々な振動方向で入射させたときのフィルタリング性能を安定させることができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明に係る電磁波フィルタの第一実施形態を示す斜視図である。

【図2】本第一実施形態における分割リング共振器を示す模式図である。

【図3】分割リング共振の他の実施形態を示す模式図である。

【図4】本第一実施形態の電磁波フィルタおよび基本行列を示す模式図である。

【図5】第二実施形態の電磁波フィルタおよび基本行列を示す模式図である。

【図6】第三実施形態の電磁波フィルタおよび基本行列を示す模式図である。

【図7】本第三実施形態における中心間距離と隣接配置について説明するための模式図である。

【図8】本第三実施形態におけるフィルタリング対象となる電磁波の波長と一方向に連続して隣接配置できる同一方向に向けられた分割リング共振器の個数との関係を示す模式図である。

【図9】実験で用いた分割リング共振器の寸法比を示す模式図である。

【図10】本実験で作製した電磁波フィルタの比較配列の各基本行列を示す模式図である。

【図11】本実験で作製した電磁波フィルタの本発明に係る配列の各基本行列を示す模式図である。

【図12】本実験で用いた実験装置を示す写真である。

【図13】本実験の比較配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図14】本実験の比較配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．０ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図15】本実験の比較配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図16】本実験の本発明に係る配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図17】本実験の本発明に係る配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．０ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図18】本実験の本発明に係る配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図19】本実験の本発明に係る配列２に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図20】本実験の本発明に係る配列２に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図21】本実験の本発明に係る配列３に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図22】本実験の本発明に係る配列４に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図23】本実験の本発明に係る配列５に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図24】本実験の比較配列３に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅１．７５ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【図25】銀ナノインク－めっき法により作製した、本実験の比較配列１に基づく電磁波フィルタにおいて、分割リング共振器の外周幅２．０ｍｍとした場合の透過率を示すグラフである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明に係る電磁波フィルタの第一実施形態について図面を用いて説明する。

【0016】

本第一実施形態の電磁波フィルタ１は、図１に示すように、基材２と、この基材２に配置される複数個の分割リング共振器３とを有する。以下、各構成について詳細に説明する。

【0017】

基材２は、複数個の分割リング共振器３を配置するものであり、電磁波を透過させることのできる非金属素材により構成される。本第一実施形態における基材２は、樹脂素材からなり、矩形のシート状または板状に形成されている。

【0018】

なお、基材２の形状や厚さは特に限定されるものではなく、用途等に応じて適宜選択してもよい。

【0019】

分割リング共振器３は、対象となる電磁波の波長より細かな構造からなる金属微細構造であって、メタマテリアル分野で用いられる最も小さな構造となる単位要素の一つである。本第一実施形態における分割リング共振器３は、通過および反射する電磁波のピーク周波数を制御するために用いられる。この分割リング共振器３は、スプリットリング共振器（Split Ring Resonator：SRR）とも呼ばれる。

【0020】

本実施形態における対象となる電磁波は、約３０ＧＨｚ（ギガヘルツ）から約３００ＧＨｚの周波数帯からなるミリ波であり、波長は１から１０ｍｍ程度である。ミリ波は、直進性が非常に強く、雨や霧、雪といった耐環境性に優れ、情報伝送容量が大きい特徴から、次世代の高速通信技術や自動車の衝突軽減システムおよび自動運転システムの電磁波レーダーなどに用いられている。なお、本発明の対象となる電磁波は、ミリ波に限定されるものではなく、ミリ波より短波長の周波数帯や長波長の周波数帯の電磁波であってもよい。

【0021】

この分割リング共振器３の周波数特性は、スケーリング則に従って寸法に反比例する。例えば第１分割リング４の外周を基準とした分割リング共振器３の寸法をＳとしたときに、周波数ｆ_Ｓの共振特性が見られたとき、分割リング共振器３の寸法がＳより大きなＬとなった場合の共振特性をｆ_Ｌとすると、以下の式１の関係が成り立つ。
［式１］
ｆ_Ｌ＝（Ｓ／Ｌ）ｆ_Ｓ
つまり、本第一実施形態における電磁波フィルタ１は、分割リング共振器３の周波数特性がスケーリング則に沿う式１を用いることで、透過および反射させる電磁波の周波数（フィルタリング性能）を設定することができる。

【0022】

本第一実施形態における分割リング共振器３は、図２に示すように、外側の第１分割リング４と、内側の第２分割リング５とから構成される。

【0023】

第１分割リング４は、略正方形のリング状に形成されており、一つの辺の中央位置には開口された第１カット部４１が形成されている。

【0024】

第２分割リング５は、第１分割リング４と同様に、略正方形のリング状に形成されており、その外周は第１分割リング４より小さく形成されている。また、第２分割リング５は、前記第１分割リング４の内側に同心かつ同じ面内に配置される。さらに、第２分割リング５には、第１カット部４１とは反対位置にある辺の中央位置に第２カット部５１が形成されている。前記同心とは、第１分割リング４の中心位置と第２分割リング５の中心位置とが完全に一致する場合に限定されるものではなく、分割リング共振器３の周波数特性にほぼ変化のない範囲における位置のずれを許容するものである。

【0025】

なお、第１分割リング４および第２分割リング５の形状は、略正方形のリング状に限定されるものではなく、適宜選択することができる。例えば、図３（ａ）に示すように、円形リング状であってもよく、図３（ｂ）～（ｅ）に示すように、六角形状および三角形状など種々の多角形リング状であってもよい。また、多角形状からなる第１分割リング４および第２分割リング５における第１カット部４１および第２カット部５１が開口される位置は、辺の中央位置に限定されるものではなく、図３（ｃ）～（ｅ）に示すように、多角形状の角部など、必要とされる共振特性や精度、製造コスト等に応じて適宜選択することができる。

【0026】

本第一実施形態の電磁波フィルタ１は、図１および図４に示すように、複数個の分割リング共振器３を基材２上または基材２内部の同一面において互いに近接配置させることにより構成される。ここで近接配置とは、フィルタリングする電磁波が意図せず通過するような隙間が形成されない程度に距離を近づけて配置したことをいい、第１分割リング４を構成する線の太さを基準とすると太さの５倍以下にすることが好ましく、本第１実施形態では前記太さと同程度の距離に他の分割リング共振器３が並ぶように配置されている。

【0027】

また、各々の分割リング共振器４は、前記第１カット部４１の開口位置が中心角３６０度を所定の角度間隔で等分した３以上の方向のうちいずれかの方向に向けられて配置される。本第一実施形態における分割リング共振器３は、図４に示すように、中心角３６０度を９０度の角度間隔で４等分しており、各々の方向を第１方向、この第１方向に対し時計回りに９０度回転させた第２方向、この第２方向に対し時計回りに９０度回転させた第３方向およびこの第３方向に対し時計回りに９０度回転させた第４方向とし、第１方向に向けられた分割リング共振器３を第１方向分割リング共振器３１、第２方向に向けられた分割リング共振器３を第２方向分割リング共振器３２、第３方向に向けられた分割リング共振器３を第３方向分割リング共振器３３および第４方向に向けられた分割リング共振器３を第４方向分割リング共振器３４とした。

【0028】

また、各々の分割リング共振器３は、第１カット部４１の各方向が、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる頻度で表れるように配置されている。ここで等方的な性質とは、電磁波フィルタ１に入射する電磁波の振動方向（進行方向を中心として入射側から見たときに電場が振動している方向）を変化させたときに、透過または反射させる電磁波の特性に変化のない状態が得られる性質のことをいう。

【0029】

本第一実施形態では、等方的な性質が得られる頻度として、各方向に向けられた分割リング共振器３の表れる頻度が同一になるようにした。ここで頻度とは、電磁波フィルタ１の全体または一部の所定の面積（例えば、後述する基本行列６が配置可能な面積）に配置される複数個の分割リング共振器３において、各方向に向けられた分割リング共振器３のそれぞれの個数のことをいう。また、同一の頻度は、所定の面積内において各方向に向けられた分割リング共振器３の個数が完全に一致する場合に限定されるものではなく、等方的な性質を得られる程度の個数差を許容するものである。

【0030】

本第一実施形態では、各方向に向けられた分割リング共振器３が同一頻度で表れるような基本行列６を規定して、この基本行列６を複数配置することで電磁波フィルタ１を構成している。

【0031】

本第一実施形態における基本行列６は、４行４列の１６個の前記分割リング共振器３で構成されているとともに、前記第１カット部４１の開口位置を第１方向、第２方向、第３方向および第４方向とした分割リング共振器３１，３２，３３，３４が各行各列に１個ずつ表れるように配置されている。具体的には、基本行列６は、第１方向分割リング共振器３１、第２方向分割リング共振器３２、第３方向分割リング共振器３３および第４方向分割リング共振器３４がそれぞれ４個ずつの同一頻度で表れるように配置されている。

【0032】

そして、電磁波フィルタ１は、当該基本行列６を複数配置することで構成されている。このとき、各基本行列６は、分割リング共振器３同士の配置と同様に、縦横に近接配置さながら行列をなすように整列させている。このように縦横に整列させることで、本第一実施形態における各分割リング共振器３の配置は、どこの４行４列を抜き出したとしても、第１方向分割リング共振器３１、第２方向分割リング共振器３２、第３方向分割リング共振器３３および第４方向分割リング共振器３４がそれぞれ４個ずつの同一頻度で表れることになり、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる。

【0033】

また、本発明の第二実施形態として、分割リング共振器３による基本行列６が、図５に示すように、２行２列の４個の前記分割リング共振器３で構成されているとともに、第１カット部４１の開口位置を第１方向、第２方向、第３方向および第４方向とした分割リング共振器３を、第１方向および第３方向を開口位置とする分割リング共振器３１、３３と、第２方向および第４方向を開口位置とする分割リング共振器３２，３４とがそれぞれ２行２列の対角位置に表れるように配置されていてもよい。このとき基本行列６では、第１方向分割リング共振器３１、第２方向分割リング共振器３２、第３方向分割リング共振器３３および第４方向分割リング共振器３４がそれぞれ１個ずつの同一頻度で表れるように配置されている。

【0034】

そして、電磁波フィルタ１は、当該基本行列６を縦横に近接配置させながら行列をなすように整列させることで、各分割リング共振器３の配置は、どこの２行２列を抜き出しても、第１方向分割リング共振器３１、第２方向分割リング共振器３２、第３方向分割リング共振器３３および第４方向分割リング共振器３４がそれぞれ１個ずつの同一頻度で表れることになり、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる。

【0035】

なお、複数の基本行列６の配置方法は、行列をなすように整列したものに限定されるものではなく、所定の電磁波の透過および反射する性能に影響のない範囲においてずれや隙間ができるように並べてもよい。また、各基本行列６を異なる方向に向けて配置してもよい。

【0036】

また、本発明の第三実施形態として、図６に示すように、各方向に向けられた分割リング共振器３が同一頻度で表れる構成であり、かつ第１カット部４１の開口位置が同一方向に向けられた複数個の前記分割リング共振器３を一方向に連続して隣接配置する場合、両端に配置された前記分割リング共振器３の中心間距離がフィルタリングの対象となる電磁波の波長を超えない範囲の配列個数とすることを条件にランダムに配置してもよい。

【0037】

ここで中心間距離とは、図７に示すように、分割リング共振器３の中心と分割リング共振器３の中心とを結ぶ距離のことである。また、隣接配置とは、隣り合わせとなる互いの中心間距離が最も近くなるような配置であり、ＡとＢの配置、ＡとＣの配置、ＣとＤの配置およびＢとＤの配置は隣接配置に相当する。一方、ＡとＤの配置およびＢとＣの配置のように斜めの配置は中心間距離が最も近くならず隣接配置には相当しない。

【0038】

よって、本第三実施形態では、図８（１）および（２）に示すように、中心間距離が波長を超えない範囲であれば、第１カット部４１の開口位置が同一方向に向けられた分割リング共振器３を一方向に連続して隣接配置することができる。

【0039】

そして、本第三実施形態における電磁波フィルタ１は、図６に示すように、分割リング共振器３が同一頻度で表れるとともに、同一方向に向けられた分割リング共振器３を一方向に連続して隣接配置する個数を、電磁波の波長を超えない２個までとしており、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られる。

【0040】

また、電磁波フィルタ１は、プリント基板の製造などに用いられる紫外線を用いたフォトレジスト法を用いて製造される。簡単に説明すると、分割リング共振器３を構成する模様（パターン）が印刷されたマスクと、紫外線感光剤の塗布された銅などの金属薄膜を有する樹脂シートを用意し、当該樹脂シートに前記マスクを重ね合わせ、紫外線を露光した後、現像（露光部の剥離）を行うとともに、エッチング（剥離部の銅の溶解）を行う。最後に、不要な前記紫外線感光剤を除去・洗浄する。これにより、残った樹脂が基材２となり、前記基材２の上に金属の分割リング共振器３が形成される。

【0041】

なお、電磁波フィルタ１の製造方法は、フォトレジスト法に限定されるものではなく、ナノインプリント（ホットエンボス）法やインクジェット法、レーザー照射による方法などから適宜選択することができる。

【0042】

以上のような各実施形態の電磁波フィルタ１によれば、以下の作用・効果を奏することができる。
１．入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質を備えることができ、移動体通信機器のように機器の向く方向が入射する電磁波の振動方向に対して変化するような環境下であっても、電磁波のフィルタリング性能を安定させることができる。
２．分割リング共振器３を規則的な方向に向けて配置することにより、設計および製作を容易に行うことができる。

【0043】

次に、本発明に係る電磁波フィルタと、比較対象となる電磁波フィルタを作成し、等方性および電磁波のフィルタリングに関する実験を行った。

【0044】

＜実験に用いた電磁波フィルタについて＞
本実験に用いた電磁波フィルタの製造方法や素材について説明する。本実験では、フォトレジスト法により電磁波フィルタを作成した。

【0045】

基材および分割リング共振器を構成するための素材として、厚さ１００μｍのポリイミドに対し、ポジ型紫外線感光剤が塗布された厚さ３５μｍの純銅箔を貼って形成されたサンハヤト製クイックポジ感光基板ＮＺ－Ｇ３３Ｋを使用した。現像液とエッチング液には、サンハヤト製のＮＺ－Ｇ３３Ｋ専用品を用いた。

【0046】

また、マスクは、透明なＰＥＴフィルムに、市販のインクジェットプリンタにより黒インクで分割リング共振器を形成する模様（パターン）を印刷することで形成した。

【0047】

本実験で用いた分割リング共振器は、図９に示すように、正方形状の第１分割リングおよび正方形状の第２分割リングにより形成した。これら第１分割リングおよび第２分割リングの寸法比は次のとおりである。

【0048】

まず、第１分割リングは、リングを構成する線の太さを１としたとき、外周の縦幅および横幅の比率は１０である。第１カット部は、四辺のうち１つの辺の中央に線の太さに対して比率２の幅で形成されている。

【0049】

第２分割リングの線の太さは、第１分割リングの線の太さと同じ太さ（比率１）である。第２分割リング外周の縦幅および横幅は線の太さに対して比率６である。そして、第２分割リングの中心は、第１分割リングと同心位置に配置されている。これにより、第２分割リングと第１分割リングとの間には比率１の隙間が形成される。

【0050】

また、第２カット部は、第１カット部と反対位置にある辺の中央に線の太さに対して比率１の幅で形成されている。

【0051】

本実験では、上記比率を保った相似形で、かつ実寸法が異なる複数種の分割リング共振器を用いた。具体的には、分割リング共振器の外周幅（第１分割リングの辺の長さ）が１．５ｍｍ、１．７５ｍｍ、２．０ｍｍ、２．５ｍｍの分割リング共振器を用いた。

【0052】

なお、分割リング共振器の上記形状および上記各比率は設計上のものであり、実際の電磁波フィルタは製造上の誤差を含む。

【0053】

本実験において、分割リング共振器による模様（パターン）を構成する基本行列は以下のように４行４列の１６個の分割リング共振器で構成される。なお、各基本行列からなる電磁波フィルタにおいて、各分割リング共振器同士は、第１分割リングの線の太さ１に対して比率１の間隔を有するように配置されている。
（１）比較配列１
比較配列１は、図１０（ａ）に示すように、第１カット部の開口位置が全て同じ方向（上方向）に向けられた分割リング共振器を行方向および列方向にそれぞれ整列配置してなる。
（２）比較配列２
比較配列２は、図１０（ｂ）に示すように、第１カット部の開口位置が全て同じ方向（上方向）に向けられた分割リング共振器を、行毎に１／２個分、横方向にずらして配置している。つまり、１行目を横方向に整列させる。これに対して、２行目は横方向に整列させるとともに、前記１行目に対して横方向に１／２個分ずらして配置する。３行目は、前記１行目および前記２行目と同様に横方向に整列させるとともに、２行目に対して横方向に１／２個分ずらして配置する。このように各行毎に横方向に１／２個分ずらした配置を繰り返す。
（３）比較配列３
比較配列３は、図１０（ｃ）に示すように、各分割リング共振器は第１カット部の開口位置を、１行目は全て上向きにし、２行目は全て下向きにし、３行目は全て右向きにし、４行目は全て左向きにしたものである。つまり、本基本行列において、第１カット部の開口位置は上方向、下方向、右方向および左方向に同一頻度で表れるように配置されている。一方、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続して４個隣接配置されている。
（４）本発明に係る配列１
本発明に係る配列１は、図１１（ａ）に示すように、上述の第一実施形態の基本行列と同様であり、上方向、下方向、右方向および左方向に向けられた分割リング共振器が各行各列に１個ずつ表れるように配置されている。
（５）本発明に係る配列２
本発明に係る配列２は、図１１（ｂ）に示すように、上述の第二実施形態の基本行列を正方形状に４つ並べた配置である。
（６）本発明に係る配列３
本発明に係る配列３は、図１１（ｃ）に示すように、上述の第三実施形態の基本行列と同様であり、各方向に向けられた分割リング共振器がランダムであるが同一頻度で表れるとともに、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続する個数が２個とされている。
（７）本発明に係る配列４
本発明に係る配列４は、図１１（ｄ）に示すように、上述の第三実施形態の基本行列に基づく他の配置であり、各方向に向けられた分割リング共振器がランダムであるが同一頻度で表れるとともに、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続する個数が２個とされている。
（８）本発明に係る配列５
本発明に係る配列４は、図１１（ｅ）に示すように、上述の第三実施形態の基本行列に基づく他の配置であり、上方向に向けられた分割リング共振器を正方形状に４つ配置したものと、右方向に向けられた分割リング共振器を正方形状に４つ配置したものと、下方向に向けられた分割リング共振器を正方形状に４つ配置したものと、左方向に向けられた分割リング共振器を正方形状に４つ配置したものを、正方形状に配列したものである。よって、この配列は、各方向に向けられた分割リング共振器が規則的に同一頻度で表れるとともに、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続する個数が２個とされている。

【0054】

電磁波フィルタは、縦６０ｍｍ×横６０ｍｍからなる略正方形のシート状基板の上に、上記（１）～（８）の各基本配列からなる分割リング共振器群を複数配置するように形成した。

【0055】

実験は、作製した各電磁波フィルタについて、高周波ネットワークアナライザによりミリ波W-band領域の透過性を評価した。実験装置は、図１２に示すように．電磁波を送信するホーン状の送信アンテナと、電磁波を受信するホーン状の受信アンテナとを６０ｍｍの間隔で配置したものからなる。各アンテナ付近には、ノイズとなる多重反射を乱反射させSN比を向上させるため、しわを寄せたアルミ箔を置いた。

【0056】

各電磁波フィルタは、送信アンテナと受信アンテナとの略中間位置に置いて、入射する電磁波が垂直に入射するように配置した。そして、送信アンテナからは、電場が垂直で磁場が水平に振動する縦偏波を照射し、受信機に入射する電場振幅の減衰（dB）を測定した。また、電磁波フィルタの等方的な性質を検証するため、電磁波の振動方向は固定し、当該電磁波の入射角度を垂直に保ちながら電磁波フィルタを同一面内で回転させて測定した。そして、送信アンテナと受信アンテナとの間に何も配置せずに計測した電場振幅を透過率１として、計測した電場振幅より各電磁波フィルタの透過率を算出した。

【0057】

＜比較配列１および比較配列２の等方性について＞
比較配列１に基づく電磁波フィルタについて、分割リング共振器の外周幅（第１分割リングの辺の長さ）を１．５ｍｍとした場合の電場振幅の測定および透過率の算出を行った。電磁波フィルタは、等方性を確認するため、第１カット部を上方向に向けて配置した“縦配置”と、横方向（水平方向）に向けて配置した“横配置”の両方で測定した。

【0058】

測定結果に基づく透過率のグラフを図１３に示す。グラフの横軸は電磁波の周波数、縦軸は各周波数に対する電磁波フィルタの透過率である。

【0059】

図１３のグラフに示すように、縦配置したときの電磁波フィルタの各周波数に対する透過率と、横配置したときの電磁波フィルタの各周波数に対する透過率は大きく異なる。

【0060】

また、図示しないが、比較配列２に基づく電磁波フィルタでも同様に、縦配置したときと横配置したときとでは、各周波数に対する電磁波フィルタの透過率が大きく異なることが確認された。

【0061】

よって、比較配列１および比較配列２のように、第１カット部が同一方向に向けられた分割リング共振器を複数配置した構成からなる電磁波フィルタでは、列毎または行毎のずれがあったとしても、入射側から見て時計方向または反時計方向に回転させたときの透過または反射させる電磁波の特性が大きく変化しており、等方的な性質は得られないことがわかった。

【0062】

＜スケーリング則に沿うフィルタリング性能設定について＞
比較配列１に基づく電磁波フィルタについて分割リング共振器の外周幅を２．０ｍｍおよび２．５ｍｍとした場合についても電場振幅の測定および透過率の算出を行った。測定結果に基づく透過率のグラフを図１４および図１５に示す。ちなみに、図１４および図１５に示すように、縦配置したときの電磁波フィルタの各周波数に対する透過率と、横配置したときの電磁波フィルタの各周波数に対する透過率とが大きく異なることは、図１３に示す分割リング共振器の外周幅を１．５ｍｍとした結果と同じである。

【0063】

まず、分割リング共振器の外周幅を２．０ｍｍとした電磁波フィルタを横配置した場合、図１４に示すように、９４ＧＨｚおよび１０５ＧＨｚ付近に急峻な吸収特性（吸収ピーク）が見て取れる。また、９７．５ＧＨｚ付近に透過特性（透過ピーク）が見て取れる。

【0064】

これに対し、分割リング共振器の外周幅を２．５ｍｍとした電磁波フィルタを横配置した場合は、図１５に示すように、８４ＧＨｚ付近の吸収特性（吸収ピーク）と、７８ＧＨｚ付近に透過特性（透過ピーク）が見て取れる。

【0065】

ここで、式１について、分割リング共振器の外周幅２．０ｍｍをＳ、電磁波フィルタにおける吸収ピークの周波数１０５ＧＨｚをｆ_Ｓとした場合、分割リング共振器の外周幅２．５ｍｍをＬとしたときの吸収ピークの周波数ｆ_Ｌは、１０５×２．０／２．５＝８４ＧＨｚとなり、図１４で示した実験結果の吸収ピークの周波数と一致する。

【0066】

同様に、分割リング共振器の外周幅２．０ｍｍの透過ピークの周波数９７．５ＧＨｚに基づき、外周幅２．５ｍｍとしたときの透過ピークの周波数を計算すると、９７．５×２．０／２．５＝７８ＧＨｚとなり、図１５で示した実験結果の透過ピークの周波数と一致する。

【0067】

以上より、式１に基づき分割リング共振器の寸法を設定することで、透過および反射させる電磁波の周波数（フィルタリング性能）を設定することができることが確認できた。

【0068】

＜本発明に係る配列１～５の等方性について＞
本発明に係る配列１に基づく電磁波フィルタについて、分割リング共振器の外周幅を１．７５ｍｍとした場合の電場振幅の測定および透過率の算出を行った。このとき、等方性を確認するため、電磁波フィルタの任意の一辺が略水平に配置される状態を“０度配置”とし、この０度配置における電場振幅の測定および透過率の算出を行うとともに、当該０度配置を基準として、入射側から見て時計回りに４５度回転させた“４５度配置”、９０度回転させた“９０度配置”および１３５度回転させた“１３５度配置”における電場振幅の測定および透過率の算出も行った。

【0069】

測定結果に基づく透過率のグラフを図１６に示す。図１６に示すように、０度配置、４５度配置、９０度配置および１３５度配置においては、各周波数の透過率に大きなずれはなく、８９ＧＨｚ付近に透過率０．９程度の透過ピークが見て取れる。よって、当該電磁波フィルタは、８９ＧＨｚ付近を透過するバンドパスフィルタとしてみることができる。

【0070】

また、本発明に係る配列１に基づく電磁波フィルタについて、分割リング共振器の外周幅を２．０ｍｍおよび２．５ｍｍとした場合についても電場振幅の測定および透過率の算出を行った。測定は、０度配置と９０度配置で行った。

【0071】

測定結果に基づく透過率のグラフを図１７および図１８に示す。これら図１７および図１８に示すように、０度配置および９０度配置における測定結果の透過率に大きなずれはない。よって、本発明に係る配列１は、入射する電磁波の振動方向に対して等方的な性質が得られることが確認できた。

【0072】

また、外周幅を１．７５ｍｍの測定結果における８９ＧＨｚ付近の透過ピークを、式１を用いて外周幅２．０ｍｍとしたときの透過ピークの周波数を計算すると、８９×１．７５／２．０＝約７８ＧＨｚとなり、図１７に示すように、実験結果の透過ピークの周波数と一致する。よって、本発明に係る配列１でも、スケーリング則が成り立つことが確認できた。

【0073】

次に、本発明に係る配列２に基づく電磁波フィルタについて、分割リング共振器の外周幅を１．７５ｍｍおよび２．５ｍｍとした場合の電場振幅の測定および透過率の算出を行った。図１９および図２０に示すように、本発明に係る配列１と同様、０度配置、４５度配置、９０度配置および１３５度配置において、各周波数の透過率に大きなずれはなかった。

【0074】

また、本発明に係る配列３～５に基づく電磁波フィルタについて、それぞれ分割リング共振器の外周幅を１．７５ｍｍとした場合の電場振幅の測定および透過率の算出を行った。図２１～図２３に示すように、本発明に係る配列３～５についても、０度配置、４５度配置、９０度配置および１３５度配置において、各周波数の大きなずれはなかった。

【0075】

一方、比較配列３に基づく電磁波フィルタについて、分割リング共振器の外周幅を１．７５ｍｍとした場合の電場振幅の測定および透過率の算出を行った。

【0076】

図２４に示すように、周波数８０ＧＨｚ付近では、０度配置、４５度配置、９０度配置および１３５度配置において透過率に大きなずれはなかった。一方、周波数８２ＧＨｚ～９３ＧＨｚの範囲において４５度配置と１３５度配置の透過率を比較すると、４５度配置の方が透過率が高く、周波数８８ＧＨｚ付近で最大で０．４５程度の差があった。これらのことから、比較配列３に基づく電磁波フィルタでは、フィルタリング性能が安定していないと考えられる。

【0077】

この点について考察すると、比較配列３は、本発明に係る配列１～５と同様に、第１カット部の開口位置は上方向、下方向、右方向および左方向に同一頻度で表れるように配置されている。

【0078】

一方、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続して４個隣接配置されている。これに対し、本発明に係る配列１および２では、同一方向に向けられた分割リング共振器が一方向に連続して隣接配置されたものはない。また、本発明に係る配列３～５では２個まである。

【0079】

ここで同一方向に向けられた分割リング共振器群を一つの構造と捉えた場合、比較配列３は、分割リング共振器４個の寸法の構造を有する。これに対し、本発明に係る配列３～５では分割リング共振器２個の寸法の構造を有する。

【0080】

次に、メタマテリアルは、電磁波の波長よりも細かな構造体を利用するものである。この点、周波数の範囲は７５ＧＨｚ～１１０ＧＨｚであり、電磁波の伝播速度を約３０万ｋｍ／ｓとした場合の波長の範囲は約２．７ｍｍ～約４ｍｍである。

【0081】

分割リング共振器の外周幅を１．７５ｍｍとした場合、本発明に係る配列３～５では、２個の分割リング共振器による両端の中心間距離は１．７５ｍｍであり、今回の実験における対象となる電磁波の波長範囲約２．７ｍｍ～約４ｍｍに対して十分に小さな構造体といえる。これに対し、比較配列３では、４個の割リング共振器による両端の中心間距離は５．２５ｍｍであり、上記波長範囲を超えている。

【0082】

以上より、第１カット部の開口位置を各方向に同一頻度で表れるように配置するとき、同一方向に向けられた複数個の前記分割リング共振器を一方向に連続して隣接配置する場合には、両端に配置された前記分割リング共振器の中心間距離がフィルタリングの対象となる電磁波の波長を超えない範囲の配列個数とすることで、電磁波の波長に対して十分に小さな構造体と見なすことができ、入射する電磁波の振動方向に変化が伴うような環境下においてフィルタリング性能を安定させることができると推察される。

【0083】

＜電磁波フィルタの作製方法について＞
比較配列１に基づく電磁波フィルタを、銀ナノインク－めっき法でも作製し、電場振幅の測定および透過率の算出を行った。本実験では、厚さ５０μｍのＰＥＴフィルムに、インクジェット印刷で銀ナノインクを印刷し、乾燥させることで銀を主成分とする金属薄膜を形成したものに、無電解銅めっきを行うことで、厚さ約３μｍの銅の分割リング共振器を形成した。分割リング共振器の外周幅を２．０ｍｍとした場合の測定結果に基づく透過率のグラフを図２５に示す。フォトレジスト法により作製した、同じ配列および分割リング共振器の外周幅の測定結果に基づく透過率を示す図１４と比較すると、同等の透過率が測定されており、製造方法の違いによる特性の変化は見られなかった。

【0084】

なお、本発明に係る電磁波フィルタは、前述した実施形態に限定されるものではなく、適宜変更することができる。例えば、フィルタリングの対象となる周波数はミリ波W-band領域に限定されるものではなく、波長に対して十分に小さな構造を作り出せる範囲の周波数範囲に適用することができる。また、前記電磁波フィルタを通信機器の筐体の一部または全部として用いてもよい。さらに、前記電磁波フィルタを自動車の衝突軽減システムや自動運転システムのレーダー受信部として用いる場合、エンブレムの形状に形成し、通常のエンブレム機能も兼ねて自動車のフロントおよびリヤに設置してもよい。また、前記電磁波フィルタをレーダーシステムのレドームの一部または全部として用いてもよい。

【符号の説明】

【0085】

１ 電磁波フィルタ
２ 基材
３ 分割リング共振器
４ 第１分割リング
５ 第２分割リング
６ 基本行列
３１ 第１方向分割リング共振器
３２ 第２方向分割リング共振器
３３ 第３方向分割リング共振器
３４ 第４方向分割リング共振器
４１ 第１カット部
５１ 第２カット部

【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】