(57)【要約】【課題】  金属を使用しないメタマテリアルによって不可視包囲体を構成し、共振周波数近傍における金属損失をなくして低損失の不可視包囲体を提供する。【解決手段】  メタマテリアルからなり、内部に空洞部を備えた円筒状の包囲体１であって、前記メタマテリアルは、板状の誘電体ディスク共振器をその平坦面の法線方向が前記包囲体の円筒の半径方向を向くように多数配置したものであり、さらに、前記メタマテリアルは、前記誘電体ディスク共振器の厚さを前記包囲体の円筒の半径に応じて変更して、前記メタマテリアルの半径方向の実効比透磁率が、前記包囲体の最内周で０となり、最外周で１より小さい所定値となるように、前記包囲体の円筒の半径に応じて順次増加する値としたものである。そして、前記空洞部に存在する物体および前記包囲体自体を特定の周波数範囲の電磁波に対してほぼ不可視とする。【選択図】図１０
2010161533.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタマテリアルからなり、内部に空洞部を備えた円筒状の包囲体（１）であって、
前記メタマテリアルは、板状の誘電体ディスク共振器（２）をその平坦面の法線方向が前記包囲体（１）の円筒の半径方向を向くように多数配置したものであり、
さらに、前記メタマテリアルは、前記誘電体ディスク共振器（２）の厚さを前記包囲体（１）の円筒の半径に応じて変更して、前記メタマテリアルの半径方向の実効比透磁率が、前記包囲体（１）の最内周で０となり、最外周で１より小さい所定値となるように、前記包囲体（１）の円筒の半径に応じて順次増加する値としたものであり、
前記空洞部に存在する物体および前記包囲体（１）自体を特定の周波数範囲の電磁波に対してほぼ不可視とする不可視包囲体。
【請求項２】
請求項１に記載した不可視包囲体であって、
前記誘電体ディスク共振器（２）は、直径に比べて厚さが小さい円柱形状のものである不可視包囲体。
【請求項３】
請求項２に記載した不可視包囲体であって、
前記誘電体ディスク共振器（２）は、誘電体の比誘電率が２０以上のものである不可視包囲体。
【請求項４】
請求項２，３のいずれか１項に記載した不可視包囲体であって、
前記誘電体ディスク共振器（２）は、円柱形状の厚さｈと直径Ｄとの比ｈ／Ｄが０．５より小さいものである不可視包囲体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は特定の周波数の電磁波に対して、物体を不可視あるいはほぼ不可視にするための包囲体に関する。詳しくは、メタマテリアルによって包囲体を構成し、その包囲体によって包囲された物体は特定の周波数の電磁波に対してほぼ不可視となるような不可視包囲体に関する。なお、ここで言う不可視とは、包囲体および物体を通過後の電磁波の伝播状態が、物体が存在していない場合と全く同一となることである。
【背景技術】
【０００２】
金属、誘電体、磁性体、超伝導体などの小片（単位構造体）を、波長に対して十分短い間隔（波長の１０分の１程度以下）で並べることで自然にはない性質を持った媒質を人工的に構成することができる。この媒質を自然にある媒質のカテゴリに比べてより大きいカテゴリに属する媒質と言う意味でメタマテリアル（metamaterials）と呼んでいる。メタマテリアルの性質は、単位構造体の形状、材質およびそれらの配置により様々に変化する。
【０００３】
このようなメタマテリアルによる人工磁性体として、下記の特許文献１に記載されたような技術が公知である。特許文献１には、従来技術としてスプリットリング共振器を用いた人工磁性体が記載されており、また、誘電体を挟んで対向する導体片対を配列して構成した人工磁性体が記載されている。
【０００４】
そして、このようなメタマテリアルを利用すると、任意の物体を包囲する包囲体によって包囲体およびその物体を不可視とすることが可能である。このような包囲体は、クローク媒質などとも呼ばれ、被せたものが見えなくなるという、いわゆる透明マントの機能を実現するものである。
【０００５】
なお、ここで言う不可視とは、包囲体および物体を通過後の電磁波の伝播状態が、包囲体および物体が存在していない場合と全く同一となることである。このような不可視の状態では、包囲体および物体を通過した電磁波が、それらが存在しない場合と全く同一の状態で伝搬するため、その電磁波によってそれらが存在するか否かを検出することはできない。すなわち、包囲体および物体は全く見えない。
【０００６】
この明細書では、このような不可視の状態あるいは不可視に近いほぼ不可視の状態を作り出すことのできる包囲体を不可視包囲体と呼ぶことにする。このような不可視包囲体をメタマテリアルからなる人工磁性体によって構成することは、下記の非特許文献１などに記載されているように公知である。非特許文献１には、非磁性金属のスプリットリング共振器を円筒状に多数配列した包囲体が、特定の周波数の電磁波に対してほぼ不可視の状態を作り出すことが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２８０１０号公報
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】D.Schurig,J.J.Mock,B.J.Justice,S.A.Cummer,J.B.Pendry,A.F.Starr,D.R.Smith,“Metamaterialelectromagnetic cloak at microwave frequencies”,Science Express,ManuscriptNumber 113362,2006
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
非特許文献１に記載された不可視包囲体は、金属のスプリットリング共振器を利用した人工磁性体によって構成されている。そして、不可視特性を示す周波数は、スプリットリング共振器の共振周波数の近傍である。このため、金属による損失が共振周波数の近傍において大きく現れてしまい、不可視包囲体の損失も大きくなってしまうという問題点があった。不可視包囲体の損失が大きくなると、それだけ不可視特性も損なわれてしまうことになる。
【００１０】
そこで、本発明は、金属を使用しないメタマテリアルによって不可視包囲体を構成し、共振周波数近傍における金属損失をなくして低損失の不可視包囲体を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の不可視包囲体は、メタマテリアルからなり、内部に空洞部を備えた円筒状の包囲体であって、前記メタマテリアルは、板状の誘電体ディスク共振器をその平坦面の法線方向が前記包囲体の円筒の半径方向を向くように多数配置したものであり、さらに、前記メタマテリアルは、前記誘電体ディスク共振器の厚さを前記包囲体の円筒の半径に応じて変更して、前記メタマテリアルの半径方向の実効比透磁率が、前記包囲体の最内周で０となり、最外周で１より小さい所定値となるように、前記包囲体の円筒の半径に応じて順次増加する値としたものである。そして、前記空洞部に存在する物体および前記包囲体自体を特定の周波数範囲の電磁波に対してほぼ不可視とする。
【００１２】
また、上記の不可視包囲体において、前記誘電体ディスク共振器は、直径に比べて厚さが小さい円柱形状のものとすることができる。
【００１３】
また、上記の不可視包囲体において、前記誘電体ディスク共振器は、誘電体の比誘電率が２０以上のものであることが好ましい。
【００１４】
また、上記の不可視包囲体において、前記誘電体ディスク共振器は、円柱形状の厚さｈと直径Ｄとの比ｈ／Ｄが０．５より小さいものであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１５】
本発明は、以上のように構成されているので、以下のような効果を奏する。
【００１６】
不可視包囲体が、誘電体ディスク共振器を使用し、金属を使用していないので、共振周波数の近傍における金属損失がなく、損失を大幅に減少できる。これにより、低損失の不可視包囲体を実現することができ、不可視特性を向上させることができる。また、多数の誘電体ディスク共振器の厚さを不可視包囲体の内周から外周にわたって順次変更することにより、不可視包囲体に必要な透磁率の分布曲線を容易に実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】図１は、不可視包囲体１の構成を示す斜視図である。
【図２】図２は、不可視包囲体１に必要な誘電率と透磁率の値を示す図である。
【図３】図３は、誘電体ディスク共振器２の構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、ＴＥ０１δモードの共鳴電磁界を模式的に示す図である。
【図５】図５は、人工磁性体における誘電体ディスク共振器の配列を示す図である。
【図６】図６は、人工磁性体の散乱行列のパラメータ値の周波数特性を示すグラフである。
【図７】図７は、人工磁性体の実効透磁率および実効誘電率の周波数特性を示すグラフである。
【図８】図８は、人工磁性体の周波数ｆ０と、誘電体ディスク共振器の厚さｈとの関係を示すグラフである。
【図９】図９は、人工磁性体の実効誘電率および実効透磁率と、誘電体ディスク共振器の厚さｈとの関係を示すグラフである。
【図１０】図１０は、不可視包囲体の構成例を示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
まず、本発明の理論的根拠について説明する。円筒座標系（ｒ，θ，ｚ）において、０≦ｒ≦ｂなる領域をａ≦ｒ´≦ｂなる環状の領域（ｒ´，θ´，ｚ´）に変換するには、次の数１による座標変換を行えばよい。
【数１】
2010161533.tif 000003
【００１９】
この座標変換により、誘電率テンソルおよび透磁率テンソルの各要素は以下の数２のようになる。
【数２】
2010161533.tif 000004
【００２０】
上記の数２で表される媒質による環状領域は完全な不可視特性を有する。しかし、数２で表される媒質は、誘電率テンソルおよび透磁率テンソルの要素の中のｒに依存して変化する要素の数が多いため、それらの要素の値を実現するのが難しくなる。いま、簡単のため入射波の電界の偏波の方向はｚ方向とする。このとき、波の伝搬にはεｚ、μｒおよびμθだけが関係する。いま次の数３で表される分散性を持つ媒質を考える。
【００２１】
【数３】
2010161533.tif 000005
【００２２】
数３の媒質は、数２の媒質と同じ分散特性を持つ。ただし、この数３の媒質への入射波は完全には無反射とはならず反射波を生じる。このことは、若干の反射を許せば、半径方向の透磁率テンソル成分μｒのみの制御で媒質に不可視特性を持たせることが可能であることを示している。すなわち、数３の媒質は、透磁率テンソル成分μｒのみを制御して、透過波の軌道を数２の媒質と同じにすることができる。
【００２３】
図１に、環状領域の媒質としての不可視包囲体１を示す。不可視包囲体１は、内径２ａと外径２ｂを有する円筒体であり、内部に空洞部が有り、中心軸方向には無限に存在している。不可視包囲体１の中心軸をｚ軸とし、半径方向をｒ軸とすると、ａ≦ｒ≦ｂの範囲に不可視包囲体１を構成する媒質が存在している。ｒ＜ａの領域は空洞部である。不可視包囲体１が完全な不可視特性を有していれば、ｒ＜ａの空洞部に存在する物体を完全に隠して不可視とすることができる。
【００２４】
実例として、ａ：ｂ＝１：３の場合の不可視包囲体１に必要な誘電率と透磁率を数３から計算した。図２が数３から求めた誘電率と透磁率の理論値である。図２の横軸はｒ／ａの値であり、縦軸は比誘電率および比透磁率で表している。誘電率εｚと透磁率μθの値は、不可視包囲体１内部の位置によらず一定の値である。透磁率μｒの値はａ≦ｒ≦ｂの範囲で０〜約０．４５に変化している。
【００２５】
数３から、不可視包囲体１の最内周（ｒ＝ａ）ではμｒ＝０、最外周（ｒ＝３ａ）ではμｒ＝４／９となることが分かる。このように透磁率μｒの値は、最内周では０、最外周では１より小さい所定値となる。なお、最外周でのμｒの値は、数３においてｒ＝ｂとした場合の値であり、内径と外径との比によって定まるものである。
【００２６】
そして、図２に示すような各誘電率・透磁率テンソル成分の値を設定できれば、不可視包囲体１に不可視特性を与えることができる。ただし、図２の値は数３に基づいて求めたものであり、包囲体の境界面で若干の反射が生じるため、完全に不可視とはならない準不可視状態となる。
【００２７】
ここで、メタマテリアルを構成するための共振器として、図３に示すような誘電体ディスク共振器２を考える。この誘電体ディスク共振器２は直径Ｄと厚さｈを持つ円板形状に形成された誘電体からなる。誘電体の比誘電率εｄは十分に大きく、円周外周部では磁気壁となる境界条件が仮定できるものとする。具体的には、誘電体の比誘電率は２０以上が好ましい。この誘電体ディスク共振器２の厚さｈと直径Ｄの比（アスペクト比）ｈ／Ｄが小さい形状ではＴＥ０１δモードが最低次の共振モードとなる。
【００２８】
図４はＴＥ０１δモードの共鳴電磁界の様子を模式的に示すものである。図４（ａ）は誘電体ディスク共振器２の円板の中心軸方向（平坦面の法線方向）から見た図であり、図４（ｂ）は中心軸を含む断面を示す図である。誘電体ディスク共振器２の内外で、電界Ｅと磁界Ｈが図示のように分布する。ＴＥ０１δモードで共鳴する誘電体ディスク共振器は、円板の平坦面の法線方向に磁気モーメントを持つ。よって、誘電体ディスク共振器の方向を揃えて多数配置すると、磁気異方性を有する人工磁性体を構成することができる。
【００２９】
このような人工磁性体は、共鳴周波数をプラズマ周波数とする分散を持ち、損失が小さい場合にはこの共鳴周波数付近で円板の平坦面に垂直な方向の実効透磁率が０から１までの値をとるような異方性を有する。また、共鳴周波数も円板の形状（直径Ｄと厚さｈ）によって制御できる。このため、この人工磁性体は、共鳴周波数の近傍で任意の値の実効透磁率を持つように設計することができる。
【００３０】
図５に誘電体ディスク共振器２を配列した人工磁性体の構成を示す。図５（ａ）に示すように、単体の誘電体ディスク共振器２は円板の平坦面を含む平面内で配列ピッチｐで２次元的に配列されている。その円板が配列された平面が、図５（ｂ）に示すように、円板の厚さ方向に積層ピッチｇで積層され、３次元的に配列されている。この図５のような人工磁性体について、数値シミュレーションによりその特性を求めた。
【００３１】
数値シミュレーションは、有限要素法による電磁界シミュレーションを行うコンピュータ・ソフトウェアによって計算したものであり、計算での数値条件は次の通りである。誘電体ディスク共振器２は、直径Ｄ＝１０．０ｍｍ、誘電体の比誘電率εｄ＝９３、誘電正接ｔａｎδ＝１．７×１０-４とした。ただし、誘電正接は誘電体の損失の度合いを示す特性値である。その誘電体ディスク共振器２が、配列ピッチｐ＝１５．０ｍｍ、積層ピッチｇ＝１０．０ｍｍで無限に周期的に配列されているものとした。
【００３２】
まず、誘電体ディスク共振器２を３次元的に配列した人工磁性体に平面波の電磁波を入射した際の散乱行列を求め、その散乱行列のパラメータ値から人工磁性体の実効透磁率と実効誘電率を計算した。その一例として、誘電体ディスク共振器２の厚さｈ＝３．３ｍｍとし、その他の誘電体ディスク共振器２の寸法、材料特性、配列寸法などは前述の通りとした場合の、計算結果を図６および図７に示す。
【００３３】
図６は、散乱行列のパラメータである反射係数Ｓ１１と透過係数Ｓ２１の周波数特性を示すグラフである。反射係数Ｓ１１は破線で示し、透過係数Ｓ２１は実線で示している。図７の横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は散乱パラメータ（Ｓ１１、Ｓ２１）の大きさ［ｄＢ］である。さらに、それらのパラメータから計算した実効透磁率μｒと実効誘電率εｒを図７に示す。実効透磁率μｒは破線で示し、実効誘電率εｒは実線で示している。図７の横軸は周波数［ＧＨｚ］であり、縦軸は比誘電率および比透磁率で表している。
【００３４】
図６の散乱パラメータには様々な周波数においてピークが見えるが、このままでは共振器との結合が大きいため誘電体ディスク共振器のＴＥ０１δモードの共鳴周波数は判断できない。しかし、図７の実効透磁率の周波数特性からこの人工磁性体の磁気共鳴周波数は３．４４ＧＨｚであることが分かる。また、図７よりｆ０＝３．７８ＧＨｚにおいて実効透磁率が０となり、さらにその高域側の領域において実効透磁率が１よりも小さくなる領域が存在することが分かる。この人工磁性体のこの０＜μｒ＜１となる領域において、不可視包囲体が実現可能であることが分かる。
【００３５】
なお、この領域より上の周波数において実効透磁率および実効誘電率は複雑な変化を呈するが、これは誘電体ディスク共振器の高次のスプリアス共振によるものである。このように実効透磁率および実効誘電率が複雑に変化する周波数領域においては、実効誘電率および実効透磁率の制御が難しくなり、磁性材料としての利用も実際には困難である。
【００３６】
次に、人工磁性体の実効透磁率が０となる周波数ｆ０が厚さｈによってどのように変化するかを計算した。図８がその計算結果を示すグラフである。図８に示されているように、厚さｈが大きくなるとともに、周波数ｆ０が低下している。周波数ｆ０は共鳴周波数とほぼ連動しており、ｈ＜５ｍｍの範囲で変化の割合が大きい。
【００３７】
すなわち、誘電体ディスク共振器２の厚さｈと直径Ｄの比（アスペクト比）ｈ／Ｄ＜０．５の範囲で、共鳴周波数（周波数ｆ０）が大きく変化する。このように、誘電体ディスク共振器２の厚さｈを変化させて共鳴周波数（周波数ｆ０）を制御することにより、人工磁性体の実効透磁率と実効誘電率を制御することが可能である。また、実効透磁率と実効誘電率の制御範囲を広くするには、誘電体ディスク共振器２のアスペクト比：ｈ／Ｄが０．５より小さい範囲が好ましい。
【００３８】
次に、誘電体ディスク共振器による人工磁性体の不可視包囲体としての利用可能性を検証するために、ある一定の周波数において誘電体ディスク共振器の厚さｈに対する実効誘電率および実効透磁率の値の変化を調べた。
【００３９】
一例として、周波数を３．８８ＧＨｚに選ぶ。この場合、ｈ＝３．０ｍｍの時に実効透磁率が０となる。この周波数において厚さｈを変化させた場合の人工磁性体の実効誘電率および実効透磁率の変化を前述の電磁界シミュレーションにより算出した。その計算結果を図９に示す。図９の横軸は誘電体ディスク共振器の厚さｈ［ｍｍ］であり、縦軸は比透磁率および比誘電率で表している。
【００４０】
なお、図７および図９におけるμｒおよびεｒは実効透磁率と実効誘電率を表しており、数２、数３および図２におけるμｒおよびεｒとは意味が異なる。しかし、実効透磁率μｒは透磁率テンソルのμｒ成分に相当し、実効誘電率εｒは誘電率テンソルのεｚ成分に相当する。
【００４１】
図９より、厚さｈを３．０〜５．０ｍｍの範囲（アスペクト比ｈ／Ｄ：０．３〜０．５の範囲）で変化させた場合、実効透磁率は０から０．４５以上まで変化させることが可能であることが分かる。これらの実効透磁率の値は、図２に示した不可視包囲体の実現に必要な値の範囲を十分にカバーしている。また、この時の実効誘電率はほぼ２．２５で一定であり、これも図２のεｚの値をほぼ満足している。以上のことにより、人工磁性体を構成する誘電体ディスク共振器の厚さｈを変化させることで不可視包囲体として利用できることがわかる。
【００４２】
図１０は、不可視包囲体１の構成例を示す斜視図である。図１０における多数の小円板体は全て誘電体ディスク共振器である。多数の誘電体ディスク共振器を、不可視包囲体１の半径方向に中心軸が向くように配置して、数３で示された異方性を有する不可視包囲体１を構成することができる。なお、誘電体ディスク共振器の厚さは、不可視包囲体１の半径方向の透磁率が図２のような曲線と一致するように、外周側に行くほど厚くなるようにする。
【００４３】
以上のような不可視包囲体１は、誘電体ディスク共振器を使用しており、金属を使用していないので共振周波数の近傍における金属損失がなく、損失を大幅に減少できる。これにより、低損失の不可視包囲体を実現することができ、それだけ不可視特性を向上させることができる。また、多数の誘電体ディスク共振器の中心軸を不可視包囲体１の半径方向に向けて配置し、その誘電体ディスク共振器の厚さを不可視包囲体の内周から外周にわたって順次変更することにより、不可視包囲体に必要な透磁率の分布曲線を容易に実現することができる。
【００４４】
なお、ここでは誘電体ディスク共振器２を円板状のものとしたが、形状は必ずしも円板に限定されるものではない。図４に示すのと同様の共鳴モード（等価的な磁気モーメントを持つような共鳴モード）を持つ形状であればよい。例えば、四角板などの多角形板状でも、図４に示すのと同様の共鳴モードを有する。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明の不可視包囲体は、誘電体ディスク共振器を使用しており、金属を使用していないので共振周波数の近傍における金属損失がなく、低損失かつ高性能の不可視包囲体を実現することができる。このような不可視包囲体によって建築物などを覆うことにより、電波障害を防止することなども可能となる。
【符号の説明】
【００４６】
１  不可視包囲体
２  誘電体ディスク共振器
【図１】
2010161533.tif 000006
【図２】
2010161533.tif 000007
【図３】
2010161533.tif 000008
【図４】
2010161533.tif 000009
【図５】
2010161533.tif 000010
【図６】
2010161533.tif 000011
【図７】
2010161533.tif 000012
【図８】
2010161533.tif 000013
【図９】
2010161533.tif 000014
【図１０】
2010161533.tif 000015
【手続補正書】
【提出日】平成22年4月12日(2010.4.12)
【手続補正１】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００３３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００３３】
図６は、散乱行列のパラメータである反射係数Ｓ11と透過係数Ｓ21の周波数特性を示すグラフである。反射係数Ｓ11は破線で示し、透過係数Ｓ21は実線で示している。図６の横軸は周波数［ＧＨｚ］、縦軸は散乱パラメータ（Ｓ11、Ｓ21）の大きさ［ｄＢ］である。さらに、それらのパラメータから計算した実効透磁率μｒと実効誘電率εｒを図７に示す。実効透磁率μｒは実線で示し、実効誘電率εｒは破線で示している。図７の横軸は周波数［ＧＨｚ］であり、縦軸は比誘電率および比透磁率で表している。