(57)【要約】【課題】メタマテリアル層１層のみで透過波伝搬制御を実現する。【解決手段】分割リング共振器３は、金属からなる平面視環状のリング部４と、リング部４に設けられたギャップである第１の分割部５と、第１の分割部５によって分断されたリング部４の一端にソースＳが接続され、第１の分割部５を挟んで前記一端と対向するリング部４の他端にドレインＤが接続された電界効果トランジスタ６とから構成される。【選択図】  図２
2018064203.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属からなる平面視環状のリング部と、
このリング部に設けられたギャップである第１の分割部と、
この第１の分割部によって分断された前記リング部の一端にソースが接続され、前記第１の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端にドレインが接続されたトランジスタとを備えることを特徴とする能動素子。
【請求項２】
請求項１記載の能動素子において、
さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第２の分割部を備えることを特徴とする能動素子。
【請求項３】
請求項１記載の能動素子において、
前記リング部と前記第１の分割部と前記トランジスタとからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
【請求項４】
請求項２記載の能動素子において、
前記リング部と前記第１の分割部と前記トランジスタと前記第２の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
【請求項５】
金属からなる平面視環状のリング部と、
このリング部に設けられたギャップである第１の分割部と、
この第１の分割部によって分断された前記リング部の一端に第１の電極が接続され、前記第１の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端に第２の電極が接続された可変容量素子とを備えることを特徴とする能動素子。
【請求項６】
請求項５記載の能動素子において、
さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第２の分割部を備えることを特徴とする能動素子。
【請求項７】
請求項５記載の能動素子において、
前記リング部と前記第１の分割部と前記可変容量素子とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
【請求項８】
請求項６記載の能動素子において、
前記リング部と前記第１の分割部と前記可変容量素子と前記第２の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、
前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とする能動素子。
【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メタマテリアル能動素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
波長がサブミリのオーダとなるミリ波・テラヘルツ波は、その物質に対する透過性や高い分解能からイメージングやレーダー技術への応用が期待されている。イメージングならびにレーダー技術においては、電磁波の伝搬方向を任意の方向に制御したり、任意の点に集光する技術が求められる。電磁波伝搬を制御する技術としてフェーズドアレイアンテナ技術があるが、超高周波帯であるミリ波・テラヘルツ波帯においてはアレイ化されたアンテナへのフィーディングネットワークにおける損失が非常に大きい。例えば、１００ＧＨｚ以上の周波数で４×４の平面アレーアンテナを用いる場合、１０ｄＢ以上の損失が生じる（非特許文献１参照）。
【０００３】
また、集光等の近傍電磁界分布を制御する上で、電磁波の波面形成の分解能が半波長程度では不要な放射成分が大きくなってしまう。そこで、高速かつ低損失に超高周波帯の電磁波の伝搬方向および焦点距離を動的制御する技術として、メタマテリアル技術を空間系にて用いた透過波面制御技術が提案されている（非特許文献２参照）。
【０００４】
例えば非特許文献２に開示された技術では、メタマテリアルデバイスの単位セルとして用いられる分割リング共振器を用いて、分割リング共振器の分割部の容量成分を変化させることにより共振周波数をシフトさせ、共振周波数から離れた周波数領域を動作周波数とすることで低損失に透過移相量分布を形成し、メタマテリアルデバイスを透過する電磁波の波面を制御している。
【０００５】
図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）は非特許文献２に開示された電磁波の波面制御の概念を説明する図である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）におけるｘ，ｙ，ｚは座標軸を表し、Ｈは磁場の方向、Ｅは電場の方向、ｋは波数の方向を表している。メタマテリアルデバイス１００は、図１３（Ａ）に示すように、誘電体基板１０１上に分割リング共振器１０２（単位セル）を周期的にアレイ状に形成したものである。
【０００６】
図１３（Ｂ）に従来の代表的な分割リング共振器１０２の構造を示す。分割リング共振器１０２は、金属からなるリング部１０３と、リング部１０３に設けられたギャップである分割部１０４とから構成される。分割部１０４と平行なｙ軸方向の電界成分を有する入射電磁波により、分割部１０４に起電力が励起され周回電流が生じる。この周回電流は、分割部１０４およびリング部１０３に由来する容量成分および誘導成分により決定されるＬＣ共振周波数において最大となる。
【０００７】
分割部１０４の寸法Ｗを変化させることにより、共振周波数をシフトさせる場合、分割部１０４の寸法Ｗが大きい程、容量成分が小さいため、共振周波数は高くなり、また入射電磁波により励起される起電力は大きくなる。一方で分割部１０４の寸法Ｗが小さいと容量成分が大きくなるため、共振周波数が低くなり、また入射電磁波により励起される起電力が小さくなる。
【０００８】
つまり、分割部１０４の容量成分が小さい分割リング共振器ほど、共振周波数が高く、共振のピーク強度（共振強度）が大きく、電磁波の透過率が小さい、という特性になる。したがって、各分割リング共振器１０２の分割部１０４の容量成分の設定を変えることにより、例えば図１３（Ｃ）に示すような透過移相量特性を実現することができる。
【０００９】
ここで、メタマテリアルデバイス面内の透過移相量分布をφ（ｘ，ｙ）とすると、電磁波の伝搬方向（偏向角）θ［ｒａｄ］や焦点距離ｆ0［ｍ］は下記の式で表すことができ、偏向角および焦点距離の制御可能範囲は透過移相制御量により決定される。
【００１０】
【数１】
2018064203.tif 000003
【００１１】
式（１）、式（２）におけるλは入射電磁波の波長である。仮に２π［ｒａｄ］の透過位相制御量を実現できれば、メタマテリアルデバイスを透過する電磁波の任意の波面を形成することが可能となる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】W.Shin，et al.，“A 108-112 GHz 4×4 Wafer-Scale Phased Array Transmitter with High-Efficiency On-Chip Antennas”，IEEE JOURNAL OF SOLID-STATE CIRCUITS，Vol.48，No.9，pp.2041-2055，2013
【非特許文献２】D.Kitayama，et al.，“Laminated metamaterial flat lens at millimeter-wave frequencies”，OPTICS EXPRESS，Vol.23，No.18，pp.23348-23356，2015
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、透過移相量をメタマテリアルデバイス面内で分布させることで透過波伝搬を制御する手法では、２π［ｒａｄ］の位相制御量を実現することが望まれる。しかしながら、直接波に対する散乱波の位相変化量は原理的に±π／２［ｒａｄ］の範囲内となるため、１層のメタマテリアルにより２π［ｒａｄ］の位相制御量を実現することは困難である。そのため、透過移相量分布の特性により透過波の焦点や伝搬方向（偏向角度）を自在に制御するためには、メタマテリアル層を多層化する必要がある。しかしながら、多層化はコストやサイズ、実装面でデメリットが生じるという課題があるため、メタマテリアル層１層のみで透過波の焦点や伝搬方向（偏向角度）を制御する技術が求められる。
【００１４】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、メタマテリアル層１層のみで透過波伝搬制御を実現することができる能動素子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】
【００１５】
本発明の能動素子は、金属からなる平面視環状のリング部と、このリング部に設けられたギャップである第１の分割部と、この第１の分割部によって分断された前記リング部の一端にソースが接続され、前記第１の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端にドレインが接続されたトランジスタとを備えることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の１構成例は、さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第２の分割部を備えることを特徴とするものである。
【００１６】
また、本実施の能動素子の１構成例は、前記リング部と前記第１の分割部と前記トランジスタとからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の１構成例は、前記リング部と前記第１の分割部と前記トランジスタと前記第２の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記トランジスタの動作の状態が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
【００１７】
また、本実施の能動素子は、金属からなる平面視環状のリング部と、このリング部に設けられたギャップである第１の分割部と、この第１の分割部によって分断された前記リング部の一端に第１の電極が接続され、前記第１の分割部を挟んで前記一端と対向する前記リング部の他端に第２の電極が接続された可変容量素子とを備えることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の１構成例は、さらに、前記リング部に設けられた別のギャップである第２の分割部を備えることを特徴とするものである。
【００１８】
また、本実施の能動素子の１構成例は、前記リング部と前記第１の分割部と前記可変容量素子とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
また、本実施の能動素子の１構成例は、前記リング部と前記第１の分割部と前記可変容量素子と前記第２の分割部とからなる構造を単位セルとして、この単位セルをアレイ状に複数配置し、前記単位セルは、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、前記可変容量素子の容量が単位セル毎に設定されることを特徴とするものである。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、リング部に設けられたギャップである第１の分割部にトランジスタを接続することにより、トランジスタの動作の状態で入射電磁波に対する能動素子の透過率を制御することができ、メタマテリアル層を多層化することなく、メタマテリアル層１層のみで透過波の焦点や伝搬方向（偏向角度）を制御することが可能となる。
【００２０】
また、本発明では、リング部に設けられたギャップである第１の分割部に可変容量素子を接続することにより、可変容量素子の容量の増減で入射電磁波に対する能動素子の透過率を制御することができ、メタマテリアル層１層のみで透過波の焦点や伝搬方向を制御することが可能となる。
【００２１】
また、本発明では、リング部に第１の分割部とは別のギャップである第２の分割部を設けることにより、入射電磁波を透過させる場合と入射電磁波を遮断する場合の強度比を大きくすることができ、能動素子の性能を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】本発明の透過波伝搬制御の概念を説明する図である。
【図２】本発明の第１の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図である。
【図３】本発明の第１の実施の形態に係る電界効果トランジスタのＯＮ／ＯＦＦ時の等価回路、ならびに電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗およびソース−ドレイン間寄生容量のゲートサイズ依存性を示す図である。
【図４】本発明の第１の実施の形態において電界効果トランジスタが理想的なスイッチとして機能する場合、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗が大きい場合、およびソース−ドレイン間抵抗が小さい場合の入射電磁波に対する分割リング共振器の透過率の周波数依存性を示す図である。
【図５】本発明の第１の実施の形態における電界効果トランジスタのＯＮ時の分割リング共振器の透過率とＯＦＦ時の分割リング共振器の透過率の望ましい特性について説明する図である。
【図６】本発明の第２の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図である。
【図７】本発明の第２の実施の形態において電界効果トランジスタが理想的なスイッチとして機能する場合、電界効果トランジスタのソース−ドレイン間抵抗が大きい場合、およびソース−ドレイン間抵抗が小さい場合の入射電磁波に対する分割リング共振器の透過率の周波数依存性を示す図である。
【図８】本発明の第２の実施の形態における電界効果トランジスタのＯＮ時の分割リング共振器の透過率とＯＦＦ時の分割リング共振器の透過率の望ましい特性について説明する図である。
【図９】本発明の第３の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図である。
【図１０】本発明の第３の実施の形態における可変容量素子の増減時の分割リング共振器の透過率特性について説明する図である。
【図１１】本発明の第４の実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図である。
【図１２】本発明の第４の実施の形態における可変容量素子の増減時の分割リング共振器の透過率特性について説明する図である。
【図１３】従来の電磁波の波面制御の概念を説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
［発明の原理］
図１（Ａ）、図１（Ｂ）は本発明の透過波伝搬制御の概念を説明する図である。図１３（Ａ）〜図１３（Ｃ）と同様に、ｘ，ｙ，ｚは座標軸を表し、Ｈは磁場の方向、Ｅは電場の方向、ｋは波数の方向を表している。本発明では、メタマテリアル能動素子面内（図１（Ａ）のｘｙ面内）において、透過移相量分布ではなく、透過強度分布により透過波伝搬を制御する。本発明においても、メタマテリアル能動素子１は、誘電体基板２上に分割リング共振器３（単位セル）を周期的にアレイ状に形成した構造を有する。
【００２４】
本発明では、透過強度分布の形成ならびに制御は、各分割リング共振器３の分割部に電界効果トランジスタを接続し、分割部の抵抗を変化させることで実施する。
分割リング共振器３の構造としては、金属からなるリング部に設けられたギャップである第１の分割部に電界効果トランジスタを接続する構造と、さらに別のギャップである第２の分割部を設ける構造とがある。
【００２５】
誘電体基板２上に形成した分割リング共振器３のうち、入射電磁波を透過させたい領域に配置されている分割リング共振器３の電界効果トランジスタをＯＮとすることにより、例えば図１（Ｂ）に示すような透過強度の分布を形成することができる。透過強度分布の形成例としては、例えば焦点までの距離が２ｎπ（ｎ＝０，１，２，・・・・）となるメタマテリアル能動素子面内の領域のみが透過領域となるように電界効果トランジスタをＯＮにする方法、偏向させたい方向に傾いた波面が形成されるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみが透過領域となるように電界効果トランジスタをＯＮにする方法などがある。
【００２６】
本発明では、以下のような効果を実現可能なフラット形状の能動素子を、金属パターンの作製により実現できる。
（I）本発明では、メタマテリアル層（分割リング共振器３をアレイ状に配置した層）１層のみで透過波の伝搬方向（偏向角）や焦点距離を動的に制御可能であり、透過移相量の制御量が２πになるようにメタマテリアル層を多層化をする必要がない。
【００２７】
（II）本発明では、分割リング共振器３の分割部の抵抗成分を可変とすることにより、分割リング共振器３のＬＣ共振周波数近傍において、入射電磁波に対する透過率を制御することができる。
【００２８】
（III）分割リング共振器３の第１の分割部において、金属パターンによって形成されるギャップの容量成分に比べて、半導体プロセスにより実現される電界効果トランジスタの寄生容量が大きいと、周回電流を励起するＬＣ共振の強度が弱くなり、透過波の強度比が小さくなってしまう。これに対して、第１の分割部とは別の第２の分割部を設けた構造を導入することにより、電界効果トランジスタの寄生容量が大きくても、周回電流の経路を形成する金属パターンの非対称性が崩れないため、透過波の強度比を大きくすることができる。
【００２９】
（IV）本発明では、メタマテリアル能動素子１を集光レンズとして用いる際に、メタマテリアル層１層のみでレンズの焦点距離を動的に制御することが可能となる。例えば焦点までの距離が２ｎπとなるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみを透過領域とするように式（３）に従った位置、すなわち、±ｘn（ｎ＝０，１，２，・・・・）に配置された分割リング共振器３の電界効果トランジスタをＯＮとし、他の分割リング共振器３の電界効果トランジスタをＯＦＦとすることで、メタマテリアル能動素子１を集光レンズとして機能させることができ、このときのレンズの焦点距離がｆ0となる。
【００３０】
【数２】
2018064203.tif 000004
【００３１】
ここで、λは透過波の波長を表す。なお、焦点までの距離が２ｎπ±π／２となる位置を透過領域としても良い。
【００３２】
（V）また、本発明では、メタマテリアル能動素子１を偏向レンズとして用いる際に、メタマテリアル層１層のみで透過波の伝搬方向（偏向角度）を動的に制御することが可能となる。例えば式（４）に従った間隔ｄで分割リング共振器３の電界効果トランジスタをＯＮにして断続的な配置の透過領域を形成することにより、±θ［ｒａｄ］の方向に透過波を偏向させることができる。
【００３３】
【数３】
2018064203.tif 000005
【００３４】
［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図２（Ａ）に、本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子の単位セルとなる分割リング共振器３の平面構造の１例を示す。本実施の形態の分割リング共振器３は、金属からなる平面視環状のリング部４と、このリング部４に設けられたギャップである第１の分割部５と、第１の分割部５によって分断されたリング部４の一端にソースＳが接続され、第１の分割部５を挟んで前記一端と対向するリング部４の他端にドレインＤが接続された電界効果トランジスタ６とから構成される。図１（Ａ）に示したとおり、分割リング共振器３は、誘電体基板２上にアレイ状に複数個形成される。
【００３５】
なお、図２（Ａ）は分割リング共振器３３の構造を模式的に示しているが、誘電体基板２上の金属パターンに電界効果トランジスタ６を接続するように形成する製造プロセスは周知の技術であるので、詳細な説明は省略する。
【００３６】
分割リング共振器３が形成されている面に対して垂直に電磁波を入射させると、周回電流Ｉが励起され、第１の分割部５により形成される容量成分Ｃおよびリング部４により形成される誘導成分Ｌにより決定されるＬＣ共振周波数においてＬＣ共振が起こる。この共振は、分割リング共振器３が外部電場面（図１（Ａ）のＥｋ平面に平行な面であり、周回電流Ｉの経路を２つに分割する図２（Ｂ）の破線２０で示す面）に対して非対称の構造となっていることに起因しており、第１の分割部５の寸法Ｗ１が小さく、つまり容量成分Ｃが大きくなると、非対称性が崩れてＬＣ共振強度が小さくなる。
【００３７】
本実施の形態では、分割リング共振器３の第１の分割部５に電界効果トランジスタ６を設け、第１の分割部５の抵抗成分を制御することによりＬＣ共振の強度を変化させ、透過波強度を制御する。例えば、上記のように第１の分割部５によって分断されたリング部４の一端に電界効果トランジスタ６のソースＳを接続し、第１の分割部５を挟んで前記一端と対向するリング部４の他端に電界効果トランジスタ６のドレインＤを接続して、電界効果トランジスタ６のゲートＧに電圧を印加することでチャネルに反転層が形成され、ソース−ドレイン間の抵抗が減少するため、第１の分割部５が短絡する。
【００３８】
図３（Ａ）に電界効果トランジスタ６のＯＮ時の等価回路を示し、図３（Ｂ）に電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時の等価回路を示す。第１の分割部５に電界効果トランジスタ６を付加すると、図２（Ｂ）に示すように、第１の分割部５の寸法が本来の機械的な寸法Ｗ１よりも見かけ上小さくなる。すなわち、電界効果トランジスタ６は、ＯＦＦ時においては容量ＣSDとして機能し（図３（Ａ））、ＯＮ時においては抵抗ＲSD_onとして機能する（図３（Ｂ））。
【００３９】
図３（Ｃ）に、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onおよびソース−ドレイン間寄生容量ＣSDのゲートサイズ依存性を示す。図３（Ｃ）の横軸は電界効果トランジスタ６のゲート幅、またはゲート長の逆数である。図３（Ｃ）に示すように、例えば電界効果トランジスタ６のゲート幅が大きくなるか、もしくはゲート長が短くなると、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onは小さくなり、ソース−ドレイン間寄生容量ＣSDは大きくなる。つまり、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onとソース−ドレイン間寄生容量ＣSDはトレードオフの関係にある。ソース−ドレイン間寄生容量ＣSDが大きい程、周回電流Ｉの経路の非対称性が崩れ、ＬＣ共振の強度が小さくなる。
【００４０】
図４（Ａ）に、電界効果トランジスタ６が理想的なスイッチ（ＲSD_on＝０Ω、ＣSD＝０ｐＦ）として機能する場合の入射電磁波に対する分割リング共振器３の透過率（Transmittance）の周波数依存性を示す。図４（Ａ）のＴONaは電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率を示し、ＴOFFaは電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率を示している。
【００４１】
電界効果トランジスタ６がＯＮとなり、第１の分割部５が短絡すると、ＬＣ共振強度が小さくなるため、入射電磁波の周波数がＬＣ共振周波数ｆLCまたは共振周波数ｆLCの近傍である場合に、電界効果トランジスタ６に印加するゲート電圧により、入射電磁波に対する分割リング共振器３の透過率を制御することができる。
【００４２】
一方、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率が図４（Ｂ）のＴONbで示すように透過率の理想値ＴONaに対して劣化し、ＯＮ時の透過損失が大きくなる。また、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率ＴOFFbは、透過率の理想値ＴOFFaよりも大きくなり、入射電磁波に対する遮断特性が若干劣化する。
【００４３】
ここで、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが小さい電界効果トランジスタ６を用いると、図３（Ｃ）で説明したトレードオフの関係から、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間寄生容量ＣSDが大きくなる。ソース−ドレイン間寄生容量ＣSDは分割リング共振器３の第１の分割部５における容量成分を大きくするため、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時のＬＣ共振強度が小さくなる。すなわち、図４（Ｃ）に示すように、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率ＴOFFcが透過率の理想値ＴOFFaに対して非常に大きくなり、電界効果トランジスタ６をＯＦＦにしても入射電磁波を遮断することができなくなってしまう。
【００４４】
なお、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが小さく、ソース−ドレイン間寄生容量ＣSDが大きい場合、電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率ＴONcの劣化は、透過率の理想値ＴONaと比べても僅かである。
【００４５】
図４（Ａ）〜図４（Ｃ）の説明から明らかなように、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間寄生容量ＣSDと電界効果トランジスタ６のＯＮ時のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onのトレードオフ関係の中から、電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率ＴONとＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率ＴOFFとの比ＴON／ＴOFFがＬＣ共振周波数ｆLCの近傍で大きくなるように、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onの値を選択する必要がある（図５）。ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onの値は、電界効果トランジスタ６のゲートサイズで調整できることは言うまでもない。
【００４６】
以上のように、本実施の形態では、電磁波の透過率を制御可能な分割リング共振器３をアレイ状に配置したメタマテリアル能動素子を用い、焦点までの距離が２ｎπもしくは２ｎπ±π／２となるようなメタマテリアル能動素子面内の領域のみを、透過領域とすることで、焦点を動的に制御することができる。また、電磁波の波面が傾くような透過率分布を形成することにより、透過波伝搬方向（偏向角度）を動的に制御することができる。本実施の形態の技術を例えばイメージングやレーダーに適用すれば測定時間の短縮化に繋がる。
【００４７】
実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器３の電界効果トランジスタ６のソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧに印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、電界効果トランジスタ６のＯＮ／ＯＦＦを分割リング共振器３毎（単位セル毎）に制御すればよい。
【００４８】
［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。図６（Ａ）に、本実施の形態に係るメタマテリアル能動素子の単位セルとなる分割リング共振器３の平面構造の１例を示す。本実施の形態の分割リング共振器３は、金属からなる平面視環状のリング部４と、このリング部４に設けられたギャップである第１の分割部５と、第１の分割部５によって分断されたリング部４の一端にソースＳが接続され、第１の分割部５を挟んで前記一端と対向するリング部４の他端にドレインＤが接続された電界効果トランジスタ６と、リング部４に設けられた別のギャップである第２の分割部７とから構成される。第１の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図６（Ａ）の分割リング共振器３を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
【００４９】
本実施の形態は、第１の実施の形態と比較して、より大きな透過率のＴON／ＴOFF比を実現するものである。第１の分割部５に電界効果トランジスタ６を付加すると、第１の実施の形態の図２（Ｂ）および本実施の形態の図６（Ｂ）に示すように、第１の分割部５の寸法が本来の機械的な寸法Ｗ１よりも見かけ上小さくなる。
【００５０】
これに対して、本実施の形態では、第１の分割部５に電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間寄生容量ＣSDが付加されて、第１の分割部５の寸法が実効的に小さくなったとしても、第２の分割部７の導入により、周回電流Ｉの経路の非対称性が保たれるため、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時のＬＣ共振強度は第１の実施の形態に比べて大きくなる。
【００５１】
本実施の形態の分割リング共振器３の場合、電界効果トランジスタ６がＯＮとなり、第１の分割部５が短絡すると、新たに導入された第２の分割部７によって生じる容量Ｃsで決まるＬＣ共振周波数で共振が起こる。電界効果トランジスタ６がＯＦＦの際はソース−ドレイン間寄生容量ＣSDと容量ＣsによりＬＣ共振周波数が決まる。図７（Ａ）に、電界効果トランジスタ６が理想的なスイッチ（ＲSD_on＝０Ω、ＣSD＝０ｐＦ）として機能する場合の入射電磁波に対する本実施の形態の分割リング共振器３の透過率の周波数依存性を示す。
【００５２】
図７（Ａ）のＴONaは電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率を示し、ＴOFFaはＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率を示している。上記のとおり、ＯＦＦ時のＬＣ共振周波数ｆLC1は、１／｛（１／Ｃs）＋（１／ＣSD）｝で決まり、ＯＮ時のＬＣ共振周波数ｆLC2は容量Ｃsで決まる。このように、理想的なスイッチを用いた場合には、スイッチのＯＮ時とＯＦＦ時で異なるＬＣ共振周波数ｆLC1，ｆLC2を示し、ＬＣ共振周波数ｆLC1，ｆLC2の近傍において入射電磁波に対する分割リング共振器３の透過率を制御することができる。
【００５３】
一方、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが大きくなると、電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率が図７（Ｂ）のＴONbで示すように透過率の理想値ＴONaに対して劣化し、透過率変化が小さくなってしまう。なお、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが大きい場合、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率ＴOFFbの劣化は、透過率の理想値ＴOFFaと比べても僅かである。
【００５４】
ここで、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onが小さい電界効果トランジスタ６を用いると、電界効果トランジスタ６のソース−ドレイン間寄生容量ＣSDが第２の分割部７によって生じる容量Ｃsに対して非常に大きくなり、電界効果トランジスタ６がＯＦＦの状態であってもＬＣ共振周波数が容量Ｃsによって決定されてしまい、ＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率が図７（Ｃ）のＴOFFcで示すように透過率の理想値ＴOFFaに対して劣化し、透過率変化が小さくなってしまう。
【００５５】
図７（Ａ）〜図７（Ｃ）の説明から明らかなように、電界効果トランジスタ６のＯＮ時のソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onと第２の分割部７により形成される容量Ｃsのトレードオフ関係の中から、電界効果トランジスタ６のＯＮ時の分割リング共振器３の透過率ＴONとＯＦＦ時の分割リング共振器３の透過率ＴOFFとの比ＴON／ＴOFFがＬＣ共振周波数ｆLC1の近傍で大きくなるように、ソース−ドレイン間抵抗ＲSD_onの値を選択する必要がある（図８）。
【００５６】
こうして、本実施の形態では、第１の実施の形態と比較して、電界効果トランジスタ６のＯＦＦ時のＬＣ共振の強度を上げることができ、より大きな透過率のＴON／ＴOFF比を実現することができるので、透過領域（電界効果トランジスタ６がＯＮとなっている分割リング共振器３がある領域）を通過する透過波と透過領域以外の領域から漏れる電磁波との強度比を大きくすることができる。
【００５７】
本実施の形態においても、実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器３の電界効果トランジスタ６のソースＳ、ドレインＤ、ゲートＧに印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、電界効果トランジスタ６のＯＮ／ＯＦＦを分割リング共振器３毎に制御すればよい。
【００５８】
なお、本実施の形態において、第１の分割部５によって生じる容量Ｃと第２の分割部７によって生じる容量Ｃsが異なる場合（例えば第１の分割部５の寸法Ｗ１と第２の分割部７の寸法Ｗ２が異なる場合）と同じ場合が有り得るが、どちらの場合でもよい。
【００５９】
また、本実施の形態では、入射電磁波の周波数がＬＣ共振周波数ｆLC1またはＬＣ共振周波数ｆLC1の近傍である場合について主に説明しているが、このような周波数範囲の電磁波に加えて、周波数がＬＣ共振周波数ｆLC2またはＬＣ共振周波数ｆLC2の近傍である電磁波を入射電磁波としてもよい。本実施の形態によれば、ＬＣ共振周波数ｆLC1とｆLC2で電磁波に対する透過特性を大きく変えることができるので、周波数の異なる電磁波に対して異なる透過波伝搬制御を行うことができる。
【００６０】
なお、第１、第２の実施の形態では、電界効果トランジスタ６の動作状態をＯＮまたはＯＦＦのいずれかに制御する例で説明しているが、これに限るものではなく、電界効果トランジスタ６の状態が完全なＯＮとＯＦＦの中間領域になるように制御してもよい。
【００６１】
［第３の実施の形態］
第１の実施の形態では、第１の分割部に設ける素子として電界効果トランジスタを用いたが、これに限るものではなく、可変容量素子を用いてもよい。図９は本実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図であり、図２（Ａ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分割リング共振器３は、リング部４と、第１の分割部５と、第１の分割部５によって分断されたリング部４の一端に第１の電極Ｅ１が接続され、第１の分割部５を挟んで前記一端と対向するリング部４の他端に第２の電極Ｅ２が接続された可変容量素子８とから構成される。第１の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図９の分割リング共振器３を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
【００６２】
可変容量素子８は、制御端子Ｅ３に印加される電圧に応じて、電極Ｅ１とＥ２間の容量が変化する素子である。
したがって、可変容量素子８の容量を増加させると、第１の実施の形態において電界効果トランジスタ６をＯＮにした場合に相当する透過率特性（例えば図１０のＴUP）を得ることができ、可変容量素子８の容量を減少させると、電界効果トランジスタ６をＯＦＦにした場合に相当する透過率特性（例えば図１０のＴDOWN）を得ることができる。
【００６３】
第１の分割部５によって生じる容量をＣ、可変容量素子８の増加時の容量をＣUP、可変容量素子８の減少時の容量をＣDOWNとすると、図１０のＬＣ共振周波数ｆLC1は（Ｃ＋ＣDOWN）で決まり、図１０のＬＣ共振周波数ｆLC2は（Ｃ＋ＣUP）で決まる。
【００６４】
［第４の実施の形態］
第２の実施の形態においても、電界効果トランジスタの代わりに可変容量素子を用いてもよい。図１１は本実施の形態に係る分割リング共振器の平面構造の１例を説明する図であり、図６（Ａ）と同一の構成には同一の符号を付してある。本実施の形態の分割リング共振器３は、リング部４と、第１の分割部５と、第２の分割部７と、可変容量素子８とから構成される。第１の実施の形態と同様に、メタマテリアル能動素子は、図１１の分割リング共振器３を誘電体基板上にアレイ状に複数個形成したものとなる。
【００６５】
可変容量素子８については、第３の実施の形態で説明したとおりである。本実施の形態において可変容量素子８の容量を増加させると、第２の実施の形態において電界効果トランジスタ６をＯＮにした場合に相当する透過率特性（例えば図１２のＴUP）を得ることができ、可変容量素子８の容量を減少させると、電界効果トランジスタ６をＯＦＦにした場合に相当する透過率特性（例えば図１２のＴDOWN）を得ることができる。
【００６６】
第１の分割部５によって生じる容量をＣ、第２の分割部７によって生じる容量をＣs、可変容量素子８の増加時の容量をＣUP、可変容量素子８の減少時の容量をＣDOWNとすると、図１２のＬＣ共振周波数ｆLC1は１／｛（１／Ｃs）＋（１／（Ｃ＋ＣDOWN））｝で決まり、図１２のＬＣ共振周波数ｆLC2は１／｛（１／Ｃs）＋（１／（Ｃ＋ＣUP））｝で決まる。
【００６７】
なお、第３、第４の実施の形態においても、第２の実施の形態と同様に、周波数がＬＣ共振周波数ｆLC1またはＬＣ共振周波数ｆLC1の近傍である電磁波に加えて、周波数がＬＣ共振周波数ｆLC2またはＬＣ共振周波数ｆLC2の近傍である電磁波を入射電磁波とし、周波数の異なる電磁波に対して異なる透過波伝搬制御を行うようにしてもよい。
【００６８】
第３、第４の実施の形態において、実際に焦点や波面の制御を行う場合には、図示しない制御手段によって、メタマテリアル能動素子の各分割リング共振器３の可変容量素子８の制御端子Ｅ３に印加する電圧を制御することにより、入射電磁波に対する所望の透過特性を有するように、可変容量素子８の容量を分割リング共振器３毎に制御すればよい。
【００６９】
第１〜第４の実施の形態において、各分割リング共振器３を構成するリング部４のパターンは全て同一としてもよいし、メタマテリアル能動素子面内でリング部４のパターンを変えてもよい。リング部４のパターンを変えることにより、所望の透過波伝搬制御に適した容量Ｃ，Ｃsを設定することが可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明は、分割リング共振器を用いたメタマテリアル素子に適用することができる。
【符号の説明】
【００７１】
１…メタマテリアル能動素子、２…誘電体基板、３…分割リング共振器、４…リング部、５…第１の分割部、６…電界効果トランジスタ、７…第２の分割部、８…可変容量素子。
【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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