(57)【要約】【課題】【解決手段】本発明は、比較的大きな範囲の周波数に渡った使用のための周期的な電磁的構造体（２０）に関する。特に、本発明は、アンテナと低反射性構造体とのようなマイクロ波の応用に関する。周期的な電磁的構造体（２０）は、ＬＣ要素（２２）の共振周波数が入射放射線の周波数に従うように、誘電率並びに／もしくは透磁率がそこに入射する放射線の周波数にしたがって変化する、周波数依存性の誘電体（３０）と重ねあわされた導電性の前記ＬＣ要素（２２）のアレイを有していると仮定されている。
2005538629.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数依存性の誘電体（３０；４４；５４；７０）と重ねあわされた、導電性の前記ＬＣ要素（２２；２２ａ，２２ｂ；４２；５２；６８）のアレイを具備し、前記誘電体の誘電率並びに／もしくは透磁率は、前記ＬＣ要素の共振周波数が、入射放射線の周波数に従うように、入射する放射線の周波数にしたがって変化する、周期的な電磁的構造体。
【請求項２】
前記周波数依存性の誘電体は、この誘電体の誘電率と透磁率との積が、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例して変化するような、入射放射線への応答性を有する、請求項１の構造体。
【請求項３】
前記ＬＣ要素は、平坦な導体板（２４）からの突起物（２２；２２ａ，２２ｂ）である、請求項１もしくは２の構造体。
【請求項４】
前記周波数依存性の誘電体は、前記導体板と隣接し、前記突起物は、少なくとも部分的にこの誘電体の中に延びている、請求項３の構造体。
【請求項５】
前記突起物は、一般に画鋲の形をしている、請求項４の構造体。
【請求項６】
前記構造体は、超コンパクトな光バンドギャップ装置（４０）を形成している、請求項２の構造体。
【請求項７】
前記構造体は、２重になったリング形状の共振器（５０）を形成している、請求項２の構造体。
【請求項８】
前記ＬＣ要素は、前記周波数依存性の誘電体の表面（４３；５３）全体に渡って配置されている、請求項６もしくは７の構造体。
【請求項９】
前記構造体は、キラル導体（６８）を有する、請求項２の構造体。
【請求項１０】
前記キラル導体は、らせん状である、請求項９の構造体
【請求項１１】
前記キラル導体は、前記周波数依存性の誘電体（７０）の中に置かれている、請求項９もしくは１０の構造体。
【請求項１２】
前記構造体は、高インピーダンス表面を形成している、前記全ての請求項のいずれか１の構造体。
【請求項１３】
前記周期的な電磁的構造体の表面インピーダンスは、実質的に３７７Ωである、請求項１２の構造体。
【請求項１４】
前記周波数依存性の誘電体は、フェライト材質タイプ４Ｅ１である、前記全ての請求項のいずれか１の構造体。
【請求項１５】
前記全ての請求項のいずれか１による周期的な電磁的構造体を具備するアンテナ。
【請求項１６】
請求項１５によるアンテナを具備する携帯電話のハンドセット。
【請求項１７】
前記構造体のインピーダンスは、実質的に３７７Ωであり、この結果、自由空間のインピーダンスに整合する、請求項１乃至１４のいずれか１の周期的な電磁的構造体を具備するレーダの吸収材材料。
【請求項１８】
図３か、図４か、図５か、図９か、図６乃至図８のいずれか１を参照して実質的に記述された周期的な電磁的構造体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、比較的大きな周波数の範囲での使用のための周期的な電磁的構造体に関する。特に、本発明は、アンテナや低反射率構造体のようなマイクロ波の応用に関する。
【背景技術】
【０００２】
周期的な電磁的構造体は、選択的に電磁放射の伝播か、吸収か、反射かを可能にするために用いられることができるので、特に有用である。周期的な電磁的構造体は、金属もしくは誘電体（もしくはこれらの両方）であることができ、この周期的な電磁的構造体において電磁的な波長よりもずっと小さいスケールで周期的な空間変化を有することができる。これらの構造体は、この構造体を通してもしくはこの構造体にわたって、電磁波の伝播のための通過帯域と阻止帯とを与えている。
【０００３】
多くの周期的な電磁的構造体は、必要とされている振る舞いを与える電気的な共振素子の使用に依存している。これらの周期的な構造体は、入射する電磁シグナルもしくは、印加された交流シグナルが、この構造体の中に共振的な電場と磁場とを励起するように設計されている。このような構造体の中に誘導されることができる共振的な電場と磁場とは、単純な伝導体のシートの中に誘導される場と全く異なる。結果として、放射線のこれらの構造体との相互作用は、導電性の構造体か磁気を基礎にした構造体での相互作用と基本的にことなる。この特性は、以下に詳述されている４つの例の各々に利用されている。
【０００４】
ＩＥＥＥマイクロ波の理論と技術についての議事録１９９９の４７巻２０５９ページから２０７４ページに発表された、ジーベンパイパ等の「禁止された周波数帯のある高インピーダンスの電磁的な表面」は、平坦な導電性のプレートと、このプレートから延びた画鋲のような突起物の２次元のアレイの形態の共振素子とを有する高インピーダンスの表面を明らかにしている。この配置は、この中で図１と図４に示されている配置に対応している。
【０００５】
前記画鋲の各々は、ＬＣ回路の要素として扱われることができる。キャパシタンスは、隣接する画鋲の縁に蓄積する電荷から導かれて、インダクタンスは、電荷の蓄積の間の円状の通路の周りの流れから導かれている。これらの効果の両方は、図２に模式的に示されている。
【０００６】
前記画鋲の全体の効果は、前記構造体は、直流電流を伝導し、この構造体の形状から決定される禁止された周波数帯の中では、交流電流を伝導しないということである。このことは、前記表面は、表面波（入射マイクロ波放射線の場合の表面流）を支持せず、イメージカレントは、同相ということである。
【０００７】
この最後の効果は、標準的な接地平面に対して考えられた時に、重要である。平坦な導体板のような標準的な接地平面は、反射を通して信号強度を増加する方法として、しばしばマイクロ波放射アンテナの後ろに置かれている。しかしながら、標準的な接地平面は、位相のずれたイメージカレントをもっていおり、そのため、前記アンテナから４分の１波長に位置されるのでなければ、入射信号と相殺してしまう傾向がある。これは、空間が手に入れにくい所で、例えば、携帯電話のハンドセットにおいて、常に実行可能というわけではない。
【０００８】
ジーベンパイパによって明らかにされた高インピーダンス表面のような高インピーダンス表面は、有用である。なぜなら、同位相のイメージカレントは、高インピーダンス表面が、放射アンテナの直接後ろに位置されることができることを意味しているからである。さらに、それが、高インピーダンス表面であるということは、それが、表面電流を支持しないというということと、その結果、それが、とても効率的なリフレクタであるということを意味している。
【０００９】
ジーベンパイパにおいて示された前記高インピーダンス表面の配置の変形が、ＩＥＥＥマイクロ波理論と技術についての議事録１９９９の４７巻２１２３ページから２１３０ページに発表されている、コシオリ等による「開口と結合したＵＣ−ＰＢＧ基板上のパッチアンテナ」において明らかにされている。ＵＣ−ＰＢＧは、超コンパクトな光バンドギャップを意味している。これらの構造体は、上述した高インピーダンス表面と同様の原理で動作するが、前記ＵＣ−ＰＢＧ構造体は、製造が比較的容易である。前記ＵＣ−ＰＢＧ構造体は、アースされた誘電体基板の上に薄い伝導体シートをパターン付けすることにより作られた、ＬＣ要素の２次元アレイからなっている。パターンの一例は、図９に示されている。前記パターンは、平行な共振ＬＣ要素として振舞う局所的な誘導的な領域と局所的な静電容量を与える領域とを与えるように設計されている。ＵＣ−ＰＢＧは、マイクロ波回路の接地平面かアンテナのための背面平面としての用途に適している。コシオリは、マイクロ波パッチアンテナにおける応用に言及している。
【００１０】
共振現象に依存した周期的な電磁的構造体の使用の第三の例は、「負の屈折率の」材料である。そのような材料の一例は、フィジカルレビューレターズ２０００年８４巻４１８４ページから４１８７ページに発表されている、スミス等による「透磁率と誘電率が同時に負の複合媒体」において明らかにされている。この場合には、図１０と図１１に示されているもののような２重になったリング形状の共振器の周期的なアレイが、実効的に負の透磁率をもった物質を与えるために用いられている。この２重になったリング形状の共振器は、適当な自己インダクタンスと内部キャパシタンスとをもちように、すなわち、ＬＣ要素となるように、設計された、小さく導電性の構造体である。
【００１１】
共振現象に依存した周期的な電磁的構造体の第四の例は、キラル材料、すなわち、左手系か右手系かのいずれか一方の型で存在することができる旋光性を有するもの、である。そのような構造体の一例は、我々の特許出願ＥＰ−Ａ−０，７５８，８０３に与えられている。そのようなキラル材料は、興味深いマイクロ波特性を示し、低反射率表面と、導波管と、アンテナと、偏光子と、移相子とのための応用を見出すことができる。マイクロ波の応用のために用いられることができる共通のキラル要素は、へリックスである。へリックスの寸法が、へリックスがつめられた構造体のマイクロ波活性をコントロールしている。典型的には、構造体は、図１３に示されているようにへリックスを母型に埋め込んでいくことにより製作されている。キラル要素の他の例は、螺旋コイルと円錐コイルと「平たいキラル」構造体である。平たいキラル構造体は、重ねおき不可能な形状を持たないため、真にキラルではないが、これは、運動が２次元に限定されればキラル要素としてふるまっている。平たいキラル要素は、それがパターン化された薄いフィルムの構造体（すなわち、らせんもしくはかぎ十字）から構成されることができるために、製作の容易さのために有用である。これらのキラル構造体の全てのマイクロ波活性は、キラル要素を平行な共振ＬＣ要素として扱うことを基礎としてモデル化することができる共振特性を示している。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、全ての上述の構造体は、それらが含むＬＣ要素の共振周波数と一致した周波数を有する入射放射線に対してだけうまく働くという不都合がある。高インピーダンス表面の場合には、高い反射率と同位相のイメージカレントとは、狭い共振周波数範囲にわたってしか起こらない。２重になったリングに対して、前記構造体は、共振周波数の狭い範囲に渡って負の透磁率と負の誘電率との望ましい組み合わせを示すにとどまっている。キラル構造体に対して、それは、マイクロ波特性を共振周波数の狭い範囲に渡ってしか伝えていない。各々の場合に、共振周波数は、既知の式
【数１】
2005538629.tif 000003
【００１３】
により決定されている。ここで、ＬＣ要素のインダクタンス（Ｌ）とキャパシタンス（Ｃ）とは、今度は、前記構造体の形状により決定されている。したがって、前記構造体は、それらの狭い作動バンド幅、典型的には数十パーセントのために限られた有用性しかない。
【００１４】
それらの作業バンド幅を増加させるために実行されてきた一つの技術は、バラクタダイオードのような非線形の電圧依存の構成要素を前記構造体に加えることである。バラクタダイオードの使用は、高インピーダンス表面の作動周波数をこのバラクタダイオードにかかるバイアス電圧を変えることにより変えられることを可能にしている。このことは、前記ＬＣ要素の共振周波数を２倍に変えられることを可能にしている。しかしながら、バラクタダイオードの使用の重要な問題は、ＬＣ要素の２次元のアレイが、各々のダイオードにバイアス電圧を供給するために導体の複雑なネットワークを必要とすることである。
【００１５】
したがって、広い範囲の周波数にわたって有利な特性を示す周期的な電磁気的構造体に対する一般的な必要が残っている。例えば、一つの必要は、広い範囲の周波数を単一のアンテナ構造体で放射することを可能にし、したがって単一の台の上で必要とされる別々のアンテナの数を減らす多機能アンテナに対するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
本発明は、前記ＬＣ要素の共振周波数が、入射する放射線の周波数に従うように、誘電率並びに／もしくは透磁率がそこに入射する放射線の周波数にしたがって変化する周波数依存性の誘電体と重ねあわされた導電性のＬＣ要素のアレイを有する周期的な電磁気的構造体にある。
【００１７】
「誘電体」により、我々は、誘電率の変化だけを示す材料に加えて、透磁率の変化だけを示す材料を含むことを意図し、また、透磁率と誘電率の変化の両方を示す材料を含むことも意図している。前記誘電体の誘電率並びに／もしくは透磁率の変化は、前記ＬＣ要素のキャパシタンス並びに／もしくはインダクタンスの変化を引き起こすだろう。これは、今度は、前記構造体の共振周波数の変化を引き起こす。したがって、前記ＬＣ要素の共振周波数は、前記誘電体の特性を変えることにより調整されることができる。誘電体の注意深い選択は、前記ＬＣ要素の共振周波数が入射放射線の周波数に従うことを引き起こす、誘電率並びに／もしくは透磁率の変化を導いている。
【００１８】
周波数に依存する誘電体の使用は、前記周期的な電磁気的構造体が、現存する技術よりもはるかに広い範囲の周波数にわたって共振的な振る舞いを示すことを可能にしている。入射放射線の周波数を前記構造体の共振の周波数に整合することは、典型的にはファクタ１０に渡って達成されることができる。したがって、本発明は、有用なバンド幅を大きく増加させるために、高インピーダンス表面か、ＵＣ−ＰＢＧか、２重になったリング形状の共振器か、キラル物質かにおいて用いられることができる。
【００１９】
本発明の注目すべき態様は、前記周期的な電磁的構造体が、入射放射線によって励起される周波数においてだけ共振的に反応することである。このことは、広い範囲の周波数にわたって反応するように設計されている他の先行技術の構造体と対比されることができる。一般に、大きな範囲の周波数にわたって反応することが必要とされている構造体は、大きなバンド幅を与えるために低い値のＱ値（ｑｕａｌｉｔｙ  ｆａｃｔｏｒ）を有することが必要とされる。アンテナ構造体とマイクロ波回路構成成分に対して、このことは、センサの場合には低い感受性、もしくは送信機と振動子との場合には低いゲインに翻訳されることができる。本発明は、前記周期的な電磁的構造体が、広い範囲の周波数に渡って用いられることを可能にしている。しかしながら、この構造体は、あらゆる入射放射線の周波数で比較的強い共振特性を示している。これは、高められたＱ値に導いている。
【００２０】
好ましくは、適当な周波数依存特性をもった誘電体は、前記構造体の共振周波数が、自動的に入射放射線の周波数と実質的に等しい周波数になるように調整するように、前記構造体に組み入れられている。
【００２１】
随意に、周波数依存性の誘電体は、誘電体の誘電率と透磁率の積が、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例して変化するように、入射放射線への応答性を持っている。このことは、都合がよい。なぜなら、共振周波数ωは、
【数２】
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【００２２】
のように変化するからである。ここで、Ｌは、インダクタンスで、Ｃは、キャパシタンスである。したがって、このキャパシタンスは、このインダクタンスを一定のまま変化することができ、もしくは、このインダクタンスは、このキャパシタンスを一定のまま変化することができ、もしくは、このインダクタンスとこのキャパシタンスとの両方が、変化することができる。インダクタンスとキャパシタンスの両方が変化するところでは、それらの積は、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例したままであることが好ましいが、それらの変化の相対的な比は、変化することができる。
【００２３】
随意に、前記ＬＣ要素は、平坦な導体板からの突起物である。この配置は、要素の間の誘導的で容量性な結合に役立つために、便利である。都合のいいことに、前記周波数依存性の誘電体は、導体板に隣接することができ、前記突起物は、少なくとも部分的に誘電体の中に延長することができる。この配置は、前記ＬＣ要素が、誘電体に囲まれているので、このＬＣ要素の共振周波数が変化されることを確実にする。現在の好ましい実施の形態においては、前記突起物は、一般的に画鋲の形をしている。
【００２４】
前記周期的な電磁的構造体は、随意に超コンパクトな光バンドギャップ装置もしくは２重になったリング形状の共振器を形成することができる。これらの装置の両方において、前記ＬＣ要素が周波数依存性の誘電体の表面に渡って配置されることが便利である。例えば、前記ＬＣ要素は、所望のパターンを得るために、誘電体の上にプリントされることができ、もしくは、適当なマスクなどを通して金属蒸着により形成されることができる。
【００２５】
前記構造体は、１つかそれより多いキラル導体か、平たいキラル導体か、擬キラル導体か、オメガ導体かのグループを有することができる。随意に、前記キラル構造体は、らせん状であることができる。都合のいいことに、キラル導体は、周波数依存性の誘電体の中におかれることができる。らせん状の要素は、我々の特許出願ＥＰ−Ａ−０，７５８，８０３に記述されているように、誘電体の中に共通の方向に置かれることができる。
【００２６】
随意に、前記構造体は、高インピーダンス表面を形成している。前記ＬＣ要素の形状と用いられる誘電体の特性とを通して表面のインピーダンスを最大にすることは、しばしば都合がよい。それによって表面からの最大反射とアンテナ送信機の後ろにリフレクタとして使われた時の最適のパフォーマンスとを保証するためである。しかしながら、この代わりの応用において前記周期的な電磁的構造体の表面インピーダンスを実質的に３７７Ωにし、それによって自由空間のインピーダンスを整合させることは、好ましい。前記構造体は、その時、例えば、吸収が、吸収体の中の散逸機構を通して影響を受けるレーダ吸収材の不可欠な部分として用いられることができる。
【００２７】
随意に、周波数依存性の誘電体は、Ｐｈｉｌｉｐｓのフェライト材質タイプ４Ｅ１である。
【００２８】
本発明は、またここで上述したような周期的な電磁的構造体を有するアンテナの中に存し、そのようなアンテナを有する携帯電話のハンドセットの中に存する。本発明は、また、この構造体の表面インピーダンスが実質的に３７７Ωでそれにより自由空間のインピーダンスを整合している、ここで前に述べた周期的な電磁的構造体を有するレーダの吸収材材料に存する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２９】
本発明が直ちに理解されることができるために、例だけの方法により、参照が、ここで添付した図面になされるだろう。
【００３０】
図３乃至５は、本発明の第１の実施の形態による周期的な電磁的構造体２０を示している。示されている構造体は、ジーベンパイパの論文で明らかにされたものと似た高インピーダンス表面である。したがって、図３乃至５の前記周期的な電磁的構造体２０は、マイクロ波送信機アンテナの直接後ろに位置されることができるリフレクタとしての応用を見出している。
【００３１】
前記周期的な電磁的構造体２０は、平坦な金属のシート２４から延びる金属の画鋲の形の突起物２２の２次元のアレイを有している。前記周期的な電磁的構造体２０の上方表面２６と下方表面２８との間の容積は、電磁的な特性が、入射放射線の周波数に依存する誘電体３０を有している。前記周波数依存性の誘電体３０を含むことは、前記周期的な電磁的構造体２０によって与えられている高インピーダンス表面が、先行技術の作動バンド幅よりも広い作動バンド幅を有する結果となることを意味している。
【００３２】
図３乃至５の前記周期的な電磁的構造体２０は、容量性で誘導性の要素２２のアレイを与えている。このキャパシタンスとインダクタンスの期限はすでに図２を参照して説明されている（実は、本実施の形態に適するためには、図２は、前記誘電体３０を含むことによって変更される必要だけある）。容量性の結合は、隣の画鋲２２の縁の周りでの電荷の蓄積のためであり、前記介在している誘電体３０の誘電率に比例している。誘導性の結合は、蓄積された反対の極性の電荷によって駆動されている、隣り合った画鋲２２の間の電流のループのためであり、この電流のループの中の前記誘電体３０の透磁率に比例している。
【００３３】
特定の位置の前記画鋲２２は、平行に位置されたキャパシタンスとインダクタンスととして考えられることができる共振ＬＣ回路を形成している。平行な共振ＬＣ要素２２は、ひとまとめにされて、ＲＦフィルタとして振舞う周期的な電磁的構造体２０を形成している。平行な共振ＬＣ回路のインピーダンスと、前記周期的な電磁的構造体２０の実効的な表面インピーダンスとは、
【数３】
2005538629.tif 000005
【００３４】
であり、ここでωは、入射放射線の周波数で、ｊは、−１の２乗根である。前記周期的な電磁的構造体２０のインピーダンスは、図６に示されているように、入射放射線の波長とともに変化し、前記ＬＣ回路の共振周波数で最大値をとる。共振周波数ω０は、
【数４】
2005538629.tif 000006
【００３５】
により与えられている。
【００３６】
表面インピーダンスは、共振周波数では、自由空間のインピーダンス（３７７Ω）より非常に高く、共振の両側で自由空間のインピーダンスを通してずっと低い値へ落ちている。この周期的な電磁的構造体２０が与えている高い反射率の有用な特性は、前記ＬＣ回路の共振周波数か、その共振周波数の付近の周波数の入射放射線に対して起こっている。上で述べたように、前記周期的な電磁的構造体２０は、入射放射線を電場においてゼロの位相変化で反射するように、同位相のイメージカレントを有する（それに対して、電気の良導体は、信号をπの位相変化で反射し、もしリフレクタが送信機アンテナから４分の１波長よりも近いところにある場合、破壊的な干渉を通して信号の損失を引き起こす）。
【００３７】
この周期的な電磁的構造体２０の、もしくは、あらゆる他の周期的な電磁的構造体の、有用な作動バンド幅は、自由空間のインピーダンスより大きいインピーダンスの領域の幅として定義されることができる。すなわち、
【数５】
2005538629.tif 000007
【００３８】
先行技術において、ＬとＣとの値（すなわち、前記画鋲２２のインダクタンスとキャパシタンス）は、固定されており、上の式３にしたがって、有用なバンド幅は、比較的狭い範囲に固定されている。
【００３９】
しかしながら、我々は、誘電体３０を含ませることは、その透磁率と誘電率とのために、ＬとＣとを変更するだろうということと、透磁率並びに／もしくは誘電率があらゆる入射放射線の振動数に依存する誘電率が存在するということとを、認めている。インダクタンスＬ（ω）の値は、誘導性のループの中での前記誘電体３０の透磁率に比例している。
【数６】
2005538629.tif 000008
【００４０】
同様に、キャパシタンスＣ（ω）の値は、隣接する画鋲２２にわたる誘電体の誘電率に比例している。
【数７】
2005538629.tif 000009
【００４１】
前記周期的な電磁的構造体２０におけるＬＣ要素２２の共振周波数ω０は、
【数８】
2005538629.tif 000010
【００４２】
により与えられる。
【００４３】
次の形に従って透磁率と誘電体とが入射放射線の周波数ωｉの関数である誘電体３０が選ばれている。
【数９】
2005538629.tif 000011
【００４４】
式６の式５への代入は、
【数１０】
2005538629.tif 000012
【００４５】
を与え、それは、簡約してω０∝ωｉを与える。すなわち、前記周期的な電磁的構造体２０の共振周波数が、あらゆる入射放射線の周波数に比例し、それゆえ、放射線の周波数を追跡している。結果として、前記周期的な電磁的構造体２０は、式７が成立する周波数の範囲に渡って共振的な応答を示す。結果として、この周期的な電磁的構造体２０が作動することができる周波数の範囲は、誘電体の材質の特性により決定されている。周期的な電磁的構造体２０のための作動周波数の絶対値は、ＬとＣとの絶対値に依存し、ＬとＣとは、今度は、前記周期的な電磁的構造体２０の物理的なサイズと幾何学的な配置に依存している。原則として、前記周期的な電磁的構造体２０のために必要とされている応答は、誘電体３０が、式７の特性で利用可能な、あらゆる周波数バンドで、達成されることができる。
【００４６】
前記誘電体３０に対して、いくつかの応答が可能である。式７が、
【数１１】
2005538629.tif 000013
【００４７】
に簡単化されるように、誘電率が定数のままであることができ、式７が、
【数１２】
2005538629.tif 000014
【００４８】
に簡単化されるように、透磁率が定数のままであることができ、もしくは、式７にしたがって透磁率と誘電率との両方が変化している。この実施の形態では、用いられている前記誘電体３０は、フェライト材質タイプ４Ｅ１で、４２０−４３０  Ｌｏｎｄｏｎ  Ｒｏａｄ，Ｃｒｏｙｄｏｎ，Ｓｕｒｒｅｙ  ＣＲ９  ３ＱＲ，ＵＫのＰｈｉｌｉｐｓ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ  ＵＫ  Ｌｔｄから入手できる。この材質は、３００ＭＨｚから２ＧＨｚの周波数範囲に渡って、入射放射線の周波数とともに式
【数１３】
2005538629.tif 000015
【００４９】
にしたがって変化する透磁率を有している。
【００５０】
前記周期的電磁的構造体２０のバンド幅は、式３によって定義され、表面のインピーダンスが、自由空間のインピーダンスを越える領域に対応している。結果として、特定の入射放射線の周波数ωｉに対して、表面のインピーダンスが自由空間のインピーダンスを越える周波数の範囲が、共振周波数ω０の周りにある。結果として、依然として自由空間のインピーダンスよりも大きい表面インピーダンスが結果としてでる、式７の形からのいくつかの変形があることができる。このことは、前記誘電体３０の周波数依存性への必要条件を緩和している。典型的なパラメータは、このように、２００ＭＨｚから１ＧＨｚで作動するように設計されている表面に対して、以下のようになる。
【００５１】
前記誘電体３０は、１ＧＨｚの周波数で１の比透磁率をと、２００ＭＨｚから１ＧＨｚの作動範囲にわたって一定の誘電率とをもつことを仮定されている。前記周期的な電磁的構造体２０は、前記画鋲２２が、１ＧＨｚの共振周波数で６ｎＨのインダクタンスＬ０と４．２１ｐＦのキャパシタンスＣ０を持つように、設計されている。共振周波数における前記周期的な電磁的構造体２０の作動バンド幅は、式３により与えられているように１０％である。
【００５２】
前記誘電体３０は、式８の透磁率の周波数応答を有するので、インダクタンスは５００ＭＨｚの周波数で２４ｎＨだろう。式３は、この周波数で２０％の作動バンド幅を有する。作動周波数が、減少されるので、前記周期的な電磁的構造体２０のバンド幅は、増加している。２００ＭＨｚの周波数において、前記構造体のバンド幅は、５０％である。
【００５３】
式２と式３の使用は、前記周期的な電磁的構造体２０の表面インピーダンスが、３７７Ωより高くとどまる（すなわち、前記構造体が、高インピーダンス表面とみなされる領域）ために許されるインダクタンスの変化の計算を可能にする。１ＧＨｚの周波数で、インダクタンスと比透磁率は、両方±１０％変化することができる。２００ＭＨｚの周波数では、対応する数値は、±５０％である。結果として、前記周期的電磁的構造体２０が、所定の作動バンド幅の中で作動することが、許されている時、式６からのかなりの程度の変化が、可能である。したがって、透磁率と誘電率は、式７によって支配された形式に厳密に固執しなければならないよりもむしろ、単に入射放射線の周波数の変化を追跡することが可能であることができる。
【００５４】
本発明の第２の実施の形態は、図７と図８に示されている。この実施の形態は、図３乃至図５の実施の形態に広く対応しており、その結果対応する参照符号が、対応する部分に用いられている。同様に、繰り返しをさけるため、対応する部分は、詳細に記述されていない。図７と図８からあきらかなように、前記画鋲２２は、もはや同じ高さではなく、この場合、低い画鋲２２ａと高い画鋲２２ｂで２層構造体を形成している。各々の画鋲２２ａ、２２ｂが、同じ層からの隣と、また違う層からの隣とも結合することができるので、この配置は、画鋲２２ａ、２２ｂの間の容量性の結合を増加している。
【００５５】
本発明の第３の実施の形態は、図９に示されている。前の２つの実施の形態と共通して、この第３の実施の形態は、高インピーダンス表面であるが、この場合は、ＵＣ−ＰＢＧ４０の形式においてである。このＵＣ−ＰＢＧ４０は、図９にしめされているように、誘電体基板４４の表面４３の上にプリントされた周期的な金属パターン４２を有し、誘電体基板４４はその反対側に金属の接地平面４６を有している。この誘電体基板４４は、フェライト材質タイプ４Ｅ１でできており、その結果、式８にしたがって入射放射線の周波数と共に変化する透磁率を有する。このため、前記ＵＣ−ＰＢＧ４０は、入射放射線の周波数を追跡する共振周波数を有し、そのため広い作動バンド幅に渡って放射線を強く反射している。
【００５６】
図１０と図１１は、本発明の第４の実施の形態を示している。この実施の形態は、改良された作動バンド幅のある２重になったリング形状の共振器５０に対応している。多くの金属の２重になったリング形状の構造体体５２が、誘電体基板５４の表面５３の上に書かれている。一つの可能なパターンが、図１０と図１１に示されている。前記誘電体基板５４は、フェライト材質タイプ４Ｅ１からできている。
【００５７】
図１２と図１３は、サンドウィッチ構造体６０を有する、本発明の第４の実施の態様をしめしている。上部シリコン層６２と下部シリコン層６４とが、誘電体７０の中に置かれたらせん状の要素６８を有する、中間層６６をはさんでいる。前記らせん状の要素６８は、銅のようなどんな適当な伝導金属からでも作られており、前記誘電体７０は、フェライト材質タイプ４Ｅ１から作られている。前記らせん状の要素６８は、前記誘電体７０の中に置かれているので、このらせん状の要素のＬＣ特性は、前記誘電体７０の誘電率と透磁率とによって変更されている。この誘電体７０の透磁率は、入射放射線の周波数と共に変化している、それゆえ、前記サンドウィッチ構造体６０の共振周波数も入射放射線の周波数と共に変化している。したがって、前記周期的な電磁的構造体２０は、前記らせん状要素６８の共振周波数が入射放射線の周波数を追跡するため、改良された作動バンド幅を有する。
【００５８】
当業者は、ここで上で述べた実施の形態に本発明の範囲からでることなく変更を加えられることを認識するだろう。
【００５９】
例えば、図１２と図１３とは、全ての前記らせん状要素６８が、前記誘電体７０の中に置かれる時に向きがそろえられていることを示している。しかしながら、このらせん状要素６８は、それらが何らかの秩序にしたがうようにか、それらが方向の間でランダムに分布されているようにか、多くの方向を採用することができる。加えて、前記らせん状の要素６８は、上の実施の形態では金属である一方、それらは、誘電体材質かセラミックかプラスチックで作られることができる。
【００６０】
上で記述された実施の形態の各々において、前記誘電体３０；４４；５４；７０は、単一の材質から構成されている、すなわち、Ｐｈｉｌｉｐｓのフェライト材質タイプ４Ｅ１である。この材質は、式７に従う透磁率の応答を示すため、適している。しかしながら、異なる材質の混合物を用いることにより適した周波数と透磁率の、並びに／もしくは、周波数と誘電率の特性を導出することが可能である。このアプローチは、前記周期的な電磁的構造体２０の作動バンド幅をうまく増加させることが明らかになることができる。作動の絶対周波数を調整する一つのアプローチは、誘電体の接合剤の中の磁性粒子の懸濁液からなる材質をもちいることである。この配置では、複合材質の実質的な透磁率が、誘電体中の活性の磁性材質の体積断片によって減少されている。
【００６１】
この代わりに、人工的な磁性もしくは誘電体材質の使用により周波数依存性の誘電率並びに／もしくは透磁率を与えることができる。このような材質は、共通して実効的な透磁率か誘電率の値を示す、小さな導電性の構造体のアレイからなっている。例えば、ＩＥＥＥ  Ｔｒａｎｓ．Ａｕｔ．Ｐｒｏｐｎ．４７，４，１９９９のブリウィットテイラ等か、Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ａｐｐｌｉｅｄ  Ｐｈｙｓｉｃｓ，８２，１９９７，３１９５ページから３１９８ページのジオルコフスキとオザノを見よ。
【００６２】
上で強調されてきた、前記周期的な電磁的構造体２０のための応用は、リフレクタとしての使用である。この応用のために、前記周期的な電磁的構造体２０は、共振で得ることができるのと同じくらい高い表面インピーダンスを有するように設計されている。このことは、最も大きな反射効率を与えるためである（これは、表面電流の生成を通しての入射放射線からのエネルギの損失が最小化されるからである）。しかしながら、第２の特に有用な応用は、前記周期的な電磁的構造体２０のレーダ吸収材質のための使用にある。上述のように、前記周期的な電磁的構造体２０は、共振における表面インピーダンスが、自由空間のインピーダンス（３７７Ω）より大きくなるように一般的に設計されている。しかしながら、前記周期的な電磁的構造体２０が、共振において３７７Ωのインピーダンスを持つように設計されているなら、それは、自由空間に整合され、このようにいかなる入射放射線にたいしても吸収材の重要な構成成分となる。さらに、前記周期的な電磁的構造体２０の共振周波数が、入射放射線の周波数に従うように、周波数依存性の誘電体３０；４４；５４；７０を組み入れることは、広いバンド幅に渡って作動できる低反射性構造体の設計を可能にしている。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】先行技術による、高インピーダンス表面の形式における周期的電磁的構造体の断面図である。
【図２】図１のＬＣ要素の間の容量性と誘導性との結合を与える機構の図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態による周期的な電磁的構造体の斜視図である。
【図４】図３の周期的な電磁的構造体の平面図である。
【図５】図３のＶ−Ｖ線に沿って切断した断面図である。
【図６】図３の周期的な電磁的構造体のインピーダンスの周波数に対するグラフである。
【図７】図５の断面図に対応するが、本発明の第２の実施の形態による周期的な電磁的構造体のための断面図である。
【図８】図７の周期的電磁的構造体の斜視図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態による周期的な電磁的構造体の斜視図である。
【図１０】本発明の第４の実施の形態による周期的な電磁的構造体の斜視図である。
【図１１】図１０の周期的な電磁的構造体の平面図である。
【図１２】本発明の第５の実施の形態による周期的な電磁的構造体の斜視図である。
【図１３】図５のＶＩＩ−ＶＩＩ線に沿って切断した断面図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【手続補正書】
【提出日】平成17年6月8日(2005.6.8)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
周波数依存性の誘電体（３０；４４；５４；７０）と重ねあわされた、導電性のＬＣ要素（２２；２２ａ，２２ｂ；４２；５２；６８）のアレイを具備し、前記誘電体の誘電率並びに／もしくは透磁率は、前記ＬＣ要素の共振周波数が、入射放射線の周波数に従うように、入射する放射線の周波数にしたがって変化する、周期的な電磁的構造体。
【請求項２】
前記周波数依存性の誘電体は、この誘電体の誘電率と透磁率との積が、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例して変化するような、入射放射線への応答性を有する、請求項１の構造体。
【請求項３】
前記周波数依存性の誘電体は、この誘電体の誘電率が、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例して実質的に変化し、また、誘電体の透磁率が、実質的に一定になるような、入射放射線への応答性を有する、請求項１の構造体。
【請求項４】
前記周波数依存性の誘電体は、この誘電体の透磁率が、入射放射線の周波数の２乗の逆数に比例して実質的に変化し、また、誘電体の誘電率が、実質的に一定になるような、入射放射線への応答性を有する、請求項１の構造体。
【請求項５】
前記周波数依存性の誘電体は、フェライト材質タイプ４Ｅ１である、請求項１の構造体。
【請求項６】
前記ＬＣ要素は、平坦な導体板（２４）からの突起物（２２；２２ａ，２２ｂ）である、請求項１ないし５のいずれか１の構造体。
【請求項７】
前記周波数依存性の誘電体は、前記導体板と隣接し、前記突起物は、少なくとも部分的にこの誘電体の中に延びている、請求項６の構造体。
【請求項８】
前記突起物は、一般に画鋲の形をしている、請求項７の構造体。
【請求項９】
前記構造体は、超コンパクトな光バンドギャップ装置（４０）を形成している、請求項２の構造体。
【請求項１０】
前記構造体は、２重になったリング形状の共振器（５０）を形成している、請求項２の構造体。
【請求項１１】
前記ＬＣ要素は、前記周波数依存性の誘電体の表面（４３；５３）全体に渡って配置されている、請求項９もしくは１０の構造体。
【請求項１２】
前記構造体は、キラル導体（６８）を有する、請求項２の構造体。
【請求項１３】
前記キラル導体は、らせん状である、請求項１２の構造体
【請求項１４】
前記キラル導体は、前記周波数依存性の誘電体（７０）の中に置かれている、請求項１２もしくは１３の構造体。
【請求項１５】
構造体は、高インピーダンス表面を形成している、請求項１ないし１４のいずれか１の構造体。
【請求項１６】
前記周期的な電磁的構造体の表面インピーダンスは、実質的に３７７Ωである、請求項１５の構造体。
【請求項１７】
請求項１ないし１６のいずれか１による周期的な電磁的構造体を具備するアンテナ。
【請求項１８】
請求項１７によるアンテナを具備する携帯電話のハンドセット。
【請求項１９】
前記構造体のインピーダンスは、実質的に３７７Ωであり、この結果、自由空間のインピーダンスに整合する、請求項１乃至１６のいずれか１の周期的な電磁的構造体を具備するレーダの吸収材材料。
【国際調査報告】
2005538629.tif 000029
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2005538629.tif 000031