(57)【要約】【課題】ＳＡＷフィルタでは、多数の櫛型電極のパターンを微細加工によって形成して周波数特性を設計する必要があり、マスク作成と実際のフィルタ特性の試作工程が必要であって、新規開発にまたフィルタ特性を多様に変化させる度に、時間とコストがかかる。ディジタルフィルタは、現在の半導体技術による演算装置（ＣＰＵ）の構成および速度では、ＧＨｚ帯でディジタルフィルタを実現するためにはきわめて大規模かつ複雑な信号処理回路が必要となりコストがかかる欠点がある。【解決手段】本発明のフィルタは、反射板の表面に、特定の周波数の電磁波だけを減衰させそれ以外の周波数の電磁波を反射する特殊構造を形成する。この特殊構造は、特殊構造要素が少なくとも電磁波の進行方向に周期的に構成されている。特殊構造要素に印加する電圧を制御することによって、減衰させる電磁波の周波数および減衰量を変化させることができる。特殊構造要素を有する２つの反射板（特殊構造板）が対向して配置される。【選択図】図１
2015226091.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波の入射口と、
電磁波の出射口と、
前記入射口から前記出射口へ電磁波が進行する方向に概ね沿って、対向して配置された２つの反射板であって、前記２つの反射板による面を含む概ね直方体の内部を持つ中空構造を形成し、前記２つの反射板の各々の面上には、各々が特定の周波数の電磁波のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、制御電圧を印加する電極を有し、少なくとも前記電磁波の進行方向において周期的に配置された複数の特殊構造要素が構成されている、２つの反射板と
制御部による制御にしたがって、前記複数の特殊構造要素の各々に前記制御電圧を印加する複数の電圧制御ユニットと
を備え、
前記中空構造内において、前記２つの反射板上の前記複数の特殊構造要素の内のいくつかにおいて、複数回の反射を順次繰り返すことによって、前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性を重畳した特性でフィルタリングされた電磁波を前記出射口から出力することを特徴とするフィルタ。
【請求項２】
前記複数の電圧制御ユニットから、少なくとも２以上の異なる制御電圧を、対応する特殊構造要素に印加することによって、少なくとも２以上の異なる減衰周波数を持つ前記フィルタ特性が重畳された特性を実現することを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項３】
前記入射口へ入射する電磁波の入射角度を調整する手段をさらに備え、前記入射角の変更によって前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性の前記減衰させる周波数または減衰量の少なくとも一方を変化させることを特徴とする請求項１に記載のフィルタ。
【請求項４】
前記入射角度を調整する手段は、
前記入射口近傍に配置され、入射電磁波を最初に反射する可動式反射板であって、前記最初に反射した電磁波が前記入射口を経て、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成された、可動式反射板、または、
前記入射口近傍に配置され、所定の入射角度で電磁波を前記入射口に入射して、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成されたアンテナ
のいずれかであることを特徴とする請求項３に記載のフィルタ。
【請求項５】
前記中空構造内を複数回反射して進む電磁波の経路を含み、前記２つの反射板に対して垂直な面を見たときに、前記２つの反射板は、平行な状態から所定の角度αだけオフセットを持って配置され、前記反射を繰り返すごとに、前記複数の特殊構造要素における反射角度が変化するように構成されていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載のフィルタ。
【請求項６】
前記複数の特殊構造要素は、特定の周波数の電磁波に対して減衰を与えるような電気的または磁気的効果を生じさせるメタマテリアルであることを特徴とする請求項１乃至５いずれかに記載のフィルタ。
【請求項７】
電磁波の入射口と、
電磁波の出射口と、
前記入射口から前記出射口へ電磁波が進行する方向に概ね沿って、対向して配置された２つの反射板であって、前記２つの反射板による面を含む概ね直方体の内部を持つ中空構造を形成し、前記２つの反射板の各々の面上には、各々が特定の周波数の電磁波のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、制御電圧を印加する電極を有し、少なくとも前記電磁波の進行方向において周期的に配置された複数の特殊構造要素が構成されている、２つの反射板と
制御部による制御にしたがって、前記複数の特殊構造要素の各々に前記制御電圧を印加する複数の電圧制御ユニットと
を備え、
前記中空構造内において、前記２つの反射板上の前記複数の特殊構造要素の内のいくつかにおいて、複数回の反射を繰り返すことによって、前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性を重畳した特性でフィルタリングされた電磁波を前記出射口から出力し、
前記複数の電圧制御ユニットから、少なくとも２以上の異なる制御電圧を、対応する特殊構造要素に印加することによって、少なくとも２以上の異なる減衰周波数を持つ前記フィルタ特性が重畳された特性が実現され、
前記複数の特殊構造要素は、特定の周波数の電磁波に対して減衰を与えるような電気的または磁気的効果を生じさせるメタマテリアルであること
を特徴とするフィルタ。
【発明の詳細な説明】
【背景技術】
【０００１】
本発明は、特定の帯域の電磁波を減衰させ、または通過させる無線周波数フィルタに関する。
【０００２】
無線通信においてはアンテナから入力された無線信号から必要な帯域内の信号のみを受電回路（受信回路）に入れ、また、送電回路（送信回路）から不要な帯域の放射を防止すために、無線周波数（ＲＦ：Radio Frequency）フィルタが必須である。ＲＦフィルタには様々な形態のものがあり、例えば、誘電体フィルタ、積層フィルタ、表面弾性波（ＳＡＷ：surface acoustic wave）フィルタなどが用途に応じ広く利用されている。近年では低コストで任意の特性を持つフィルタを実現するディジタルフィルタの研究も進んでいる（非特許文献１）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】オンライン・ハンドブック「ディジタルフィルタ」ＵＲＬ： http://www.sice.jp/handbook/%E3%83%87%E3%82%A3%E3%82%B8%E3%82%BF%E3%83%AB%E3%83%95%E3%82%A3%E3%83%AB%E3%82%BF
【非特許文献２】Novel Right-handed Metamaterial Based on the Concept of “Autonomous Control System of Living Cells” and Its Absorber Applications (Youji Kotsuka, Kimitoshi Murano, Mitsuhiro Amano, and Shinichiro Sugiyama)
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
周波数資源の有効活用をするために、ＲＦフィルタには急峻なスカート特性が求められている。ＧＨｚ帯以上の高周波においては、ＳＡＷフィルタが急峻なスカートを持つため無線装置などへの利用が進んでいる。しかしながら、ＳＡＷフィルタでは、多数の櫛型電極のパターンを微細加工によって形成して周波数特性を設計する必要があり、マスク作成と実際のフィルタ特性の試作工程が必要であって、新規開発にはコストがかかるという欠点がある。したがって、フィルタ特性を変化させる度に、時間およびコストがかかる。ディジタルフィルタは、理論上急峻なスカート特性を実現することが可能であって、ソフトウェア上のパラメータを変更することによって任意のフィルタ特性を低コストに実現できる。しかしながら、現在の半導体技術による演算装置（ＣＰＵ）の構成および速度では、ＧＨｚ帯でディジタルフィルタを実現するためにはきわめて大規模かつ複雑な信号処理回路が必要となり、コストがかかるという欠点がある。
【０００５】
本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、ＧＨｚ帯以上の高周波領域において、フィルタリングの対象となる周波数帯域を柔軟に可変できる適応型のフィルタを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、電磁波の入射口と、電磁波の出射口と、前記入射口から前記出射口へ電磁波が進行する方向に概ね沿って、対向して配置された２つの反射板であって、前記２つの反射板による面を含む概ね直方体の内部を持つ中空構造を形成し、前記２つの反射板の各々の面上には、各々が特定の周波数の電磁波のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、制御電圧を印加する電極を有し、少なくとも前記電磁波の進行方向において周期的に配置された複数の特殊構造要素が構成されている、２つの反射板と制御部による制御にしたがって、前記複数の特殊構造要素の各々に前記制御電圧を印加する複数の電圧制御ユニットとを備え、前記中空構造内において、前記２つの反射板上の前記複数の特殊構造要素の内のいくつかにおいて、複数回の反射を順次繰り返すことによって、前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性を重畳した特性でフィルタリングされた電磁波を前記出射口から出力することを特徴とするフィルタである。
【０００７】
請求項２に記載の発明は、請求項１のフィルタであって、前記複数の電圧制御ユニットから、少なくとも２以上の異なる制御電圧を、対応する特殊構造要素に印加することによって、少なくとも２以上の異なる減衰周波数を持つ前記フィルタ特性が重畳された特性を実現することを特徴とする。
【０００８】
請求項３に記載の発明は、請求項１のフィルタであって、前記入射口へ入射する電磁波の入射角度を調整する手段をさらに備え、前記入射角の変更によって前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性の前記減衰させる周波数または減衰量の少なくとも一方を変化させることを特徴とする。
【０００９】
請求項４に記載の発明は、請求項３のフィルタであって、前記入射角度を調整する手段は、前記入射口近傍に配置され、入射電磁波を最初に反射する可動式反射板であって、前記最初に反射した電磁波が前記入射口を経て、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成された、可動式反射板、または、前記入射口近傍に配置され、所定の入射角度で電磁波を前記入射口に入射して、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成されたアンテナのいずれかであることを特徴とする。
【００１０】
請求項５に記載の発明は、請求項１乃至４いずれかのフィルタであって、前記中空構造内を複数回反射して進む電磁波の経路を含み、前記２つの反射板に対して垂直な面を見たときに、前記２つの反射板は、平行な状態から所定の角度αだけオフセットを持って配置され、前記反射を繰り返すごとに、前記複数の特殊構造要素における反射角度が変化するように構成されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項６に記載の発明は、請求項１乃至５いずれかのフィルタであって、前記複数の特殊構造要素は、特定の周波数の電磁波に対して減衰を与えるような電気的または磁気的効果を生じさせるメタマテリアルであることを特徴とする。
【００１２】
請求項７に記載の発明は、電磁波の入射口と、電磁波の出射口と、前記入射口から前記出射口へ電磁波が進行する方向に概ね沿って、対向して配置された２つの反射板であって、前記２つの反射板による面を含む概ね直方体の内部を持つ中空構造を形成し、前記２つの反射板の各々の面上には、各々が特定の周波数の電磁波のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、制御電圧を印加する電極を有し、少なくとも前記電磁波の進行方向において周期的に配置された複数の特殊構造要素が構成されている、２つの反射板と制御部による制御にしたがって、前記複数の特殊構造要素の各々に前記制御電圧を印加する複数の電圧制御ユニットとを備え、前記中空構造内において、前記２つの反射板上の前記複数の特殊構造要素の内のいくつかにおいて、複数回の反射を繰り返すことによって、前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性を重畳した特性でフィルタリングされた電磁波を前記出射口から出力し、前記複数の電圧制御ユニットから、少なくとも２以上の異なる制御電圧を、対応する特殊構造要素に印加することによって、少なくとも２以上の異なる減衰周波数を持つ前記フィルタ特性が重畳された特性が実現され、前記複数の特殊構造要素は、特定の周波数の電磁波に対して減衰を与えるような電気的または磁気的効果を生じさせるメタマテリアルであることを特徴とするフィルタである。
【発明の効果】
【００１３】
以上説明したように、本発明のフィルタにより、ＧＨｚ帯以上の高周波領域において、フィルタリングの対象となる周波数帯域を柔軟に可変できる適応型のフィルタを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明のフィルタの外観構造を示す概念図である。
【図２】図２は、本発明のフィルタの中空構造内側の特殊構造板および制御部の構造を概念的に示した図である。
【図３】図３は、ある角度で特殊構造要素に入射した電磁波に対する電磁波減衰特性を示す図である。
【図４】図４は、本発明のフィルタの中空構造内における反射の様子を説明する図である。
【図５】図５は、本発明のフィルタの第２の実施形態の外観を示す概念図である。
【図６】図６は、本発明のフィルタの第２の実施形態における、中空構造内での電磁波反射の様子を説明する図である。
【図７】図７は、本発明のフィルタで利用した特殊構造要素の入射角に対する反射特性の一例を示す図である。
【図８】図８は、本発明のフィルタの中空構造に対する電磁波の入出力の形態例を示した概念図である。
【図９】図９は、第２の実施形態を変形した本発明の第３の実施形態の構成例を示す概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明は、電波反射板を利用した新たなフィルタの構成およびフィルタリング方法を提案する。本発明のフィルタは、反射板の表面に、特定の周波数の電磁波だけを減衰させ、それ以外の周波数の電磁波を反射する特殊構造を形成している。この特殊構造は、特殊構造要素が少なくとも電磁波の進行方向に周期的に配置されて構成されている。さらに、その特殊構造要素に印加する電圧を制御することによって、減衰させる電磁波の周波数および減衰量を変化させることができる。この特殊構造要素を有する２つの反射板（特殊構造板）が対向して配置される。
【００１６】
本発明のフィルタは、入射口から対向する２つの反射板の中空空間内へある角度で進入してきた電磁波が、２つの反射板の間で複数回交互に反射した後に、出射口へと抜ける構造を持つ。２つの反射板（特殊構造板）上の特殊構造要素上の各反射点における減衰特性を制御して、複数の減衰特性を重ね合わせることによって、多様な特性を持つ所望のフィルタ特性を得ることができる。
【００１７】
本発明により、ＧＨｚ帯以上の高周波領域において、フィルタリングの対象となる周波数帯域を柔軟に可変できる適応型のフィルタを提供することができる。特殊構造による特定の周波数に対する反射時の減衰特性に基づいた帯域阻止（除去）フィルタ（ＢＥＦ）だけでなく、複数の減衰特性の重ね合わせを制御することで、急峻なスカート特性を持つ帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）も実現できる。周波数資源の有効活用が可能となる。帯域阻止特性を実現することができるため、例えば無線通信装置のイメージ周波数の除去における減衰量を大きくとることも可能である。中間周波数（ＩＦ：Intermediate Frequency）を柔軟に選択することが可能であって、無線装置の周波数設計を柔軟に行うことができ、コストダウンや消費電力の削減も期待できる。以下、本発明のフィルタの構成および動作について詳細に説明する。
【００１８】
第１の実施形態： 
図１は、本発明のフィルタの外観構造を示す概念図である。フィルタ１は、内壁が電磁波を反射する導体でできた概ね直方体の筒型の中空構造を持つ。中空構造は、入力電磁波８の入射口６と、中空内部をｚ軸方向に進行する間にフィルタリングを受けた後の電磁波９が出射する出射口７とを持つ。入射口６および出射口７は、開口部であってその形状は対象とする周波数帯の電磁波が支障なく入出力される限り、その形状には制限はない。
【００１９】
フィルタの本体の直方体の中空構造において、図１のｙｚ面に平行な２つの壁２ａ、２ｂの内側であって、対向する２枚の導体板の表面に特殊構造が周期的に配置されている構造を持つ。制御部３が、ｙｚ面の２つの反射板２ａ、２ｂに直交するｘｚ面に平行な中空構造の下面側または上面側にある。入射口６から入射した電磁波８は、本発明のフィルタの２つの壁２ａ、２ｂ内側の反射板で複数回反射した後、出射口７から出射する。制御部３は、制御線５によって制御装置４につながれており、制御装置４は制御部３と通信を行うことで、特殊構造に印加する直流電圧を、特殊構造の電磁波進行方向（ｚ軸方向）の位置ごとに、別なものに設定することができる。尚、制御装置４および制御部３の間は、有線でなく無線によって接続することも可能である。また、制御装置４と制御部３とが別個のものでなく、一体となった構成も可能である。
【００２０】
図２は、本発明のフィルタの中空構造内側の特殊構造板および制御部の構造を概念的に示した図である。図２の手前側が、フィルタの中空構造の壁２内部側に相当し、図２の奥側はフィルタの壁２の外側に相当する。壁２のベースは導体１０であり、導体１０の中空構造側には特殊構造板１１が備えられている。壁２は、ベースが導体１０であるため、壁２に入射する電磁波は、基本的に入射角度に応じて全反射する。特殊構造板１１の表面には、周期的に特殊構造要素１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ、・・１５ｃ、１５ｄが構成されている。周期構造は、特殊構造が少なくとも電磁波の進行方向であるｚ軸方向に周期的に構成される。したがって、図２の縦方向（ｙ軸）方向については必ずしも複数の特殊構造要素を備えている必要はなく、単一の特殊構造要素であっても良い。この特殊構造要素によって、後述するように壁２は特定の周波数のみを減衰させる特性を持つ。
【００２１】
各々の特殊構造要素には、例えばその周囲に電極構造１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを備えている。ここで、電極構造は特１つの殊構造要素の周囲を囲むように描かれているが、これは、電極形状が切れ目のない閉じた矩形の形状であることを意味してはおらず、周辺部に電極が在ることを概念的に示していることに留意されたい。電極構造１２ａ〜１２ｄは、１つの特殊構造要素に対して所定の電圧を印可し得る機能を、概念的に示している。したがって、電極の具体的な形状を、図２のように限定するものではない。
【００２２】
中空構造を形成する壁２の下方には制御部があり、電磁波の進行方向（ｚ軸方向）に沿って、複数の電圧制御ユニット１７ａ〜１７ｄが個々の特殊構造要素の列に対応して備えられている。１つの電圧制御ユニット１７ａからは、電磁波の進行方向に垂直に（ｙ軸方向）の直列に接続された特殊構造要素１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａに対して直流電圧が印可される。後述するが、特殊構造要素は、その領域に対して電圧を印加することによってフィルタ特性を可変することが可能である。図２のように、１つの電圧制御ユニット１７ａから複数の特殊構造要素１２ａ、１３ａ、１４ａ、１５ａに対して、電圧を印加する接続方法は一例であって、図２の接続方法だけには限定されない。すなわち、図２のように、縦方向（ｙ軸方向）に特殊構造要素の各電極が直列に接続されて、電圧制御ユニットからの電圧が各特殊構造要素に分圧される形式でも良いし、個々の特殊構造要素に対して並列に直接電圧が印加される形式でも良い。尚、電圧制御ユニット１７ａ〜１７ｄは制御線１８によって制御されている。特殊構造要素は、制御線１９によっても制御される。これらの制御線１８、１９は概念的な制御線を示しており、様々な接続形態で、図１の制御装置４または制御部の制御を受ける。
【００２３】
複数の電圧制御ユニットは、制御装置４からの指示に従って、特殊構造要素に直流電圧を印加するよう構成されている。そして、各々の電圧制御ユニットは、電磁波の進行方向（ｚ軸方向）において異なる特殊構造要素に異なる電圧を印加する様に制御装置によって制御される。
【００２４】
本発明のフィルタにおいて、特殊構造基板１１は、電子部品を周期的に配列して、特定の周波数の電磁波に対して減衰を与えるような特殊な電気的または磁気的効果を生じさせるものであり、メタマテリアルと呼ばれる構造を用いることで実現可能である（引用文献２）。メタマテリアルは、一般に、光を含む電磁波に対して、自然界の物質には無い振る舞いをする人工物質としても説明されている。引用文献２は、その一例を示しており、例えば、ポリカーボネート基板に上に概ね正方形に構成された電極の途中にダイオードを挿入した構造を持つ特殊構造要素が格子状に配置された構成を持つ。本発明では、このような特殊構造要素を少なくとも電磁波の進行方向に周期的に構成した特殊構造基板を用いて、周波数選択特性を持つものであれば、電極の形状、特殊構造要素の形状、基板の材料などは一切限定されない。以下では、様々な実施形態とともに、様々な適用型のフィルタ特性を実現するフィルタの構成に着目して、フィルタの構成方法を提案する。
【００２５】
一般にメタマテリアルと呼ばれている構造は、現在もさまざまな新しい形態のものが提案されている段階である。したがって、特殊構造要素の形状は、図２のような概ね正方形のものである必要は無く、長方形や多角形、円形状のものであり得る。電圧を印加する電極の形状も何ら限定されない。また、特殊構造基板１１は、導体１０に接して基板材料が充填された基板でも良いし、導体１０との間に空間を置いて、何らかの構造物により支持された薄い基板１１であっても良い。したがって、図２に示した特殊構造基板の構成は、電磁波の進行方向（ｚ軸方向）における周期性を持つ構造と、個々の特殊構造要素へ電圧を印加する機能を、概念的に示している点に留意されたい。次に、本発明のフィルタにおけるフィルタリング動作について説明する。
【００２６】
図３は、特殊構造要素にある角度で入射した電磁波に対する電磁波減衰特性を示す図である。縦軸に特殊構造要素上において反射した場合に生じる減衰量を、横軸に周波数を示しており、特殊構造要素への印加電圧をパラメータとしている。特殊構造要素に電圧制御ユニットから電圧Ｖ０、Ｖ１、・・Ｖ４を印加すると、最も減衰する周波数のピーク位置が変化する。従って、電圧制御ユニットが特殊構造要素に印加する電圧を変更させると、電磁波進行方向（ｚ軸方向）において、その特殊構造要素が存在している位置における電磁波の減衰特性（減衰量および周波数）が変化する。
【００２７】
図１を再び参照すると、制御装置４は、入射口８から入射した電磁波８が本発明のフィルタの中空構造の内部で反射する各位置における特殊構造要素に印加する電圧を、それぞれ全て別々に制御することができる。これによって、入射した電磁波８が中空構造の内部を反射をしながら通過して、出射口７から出射するまでに減衰させる周波数と減衰量を任意に調整することができる。
【００２８】
したがって、本発明は、電磁波の入射口と、電磁波の出射口と、前記入射口から前記出射口へ電磁波が進行する方向に概ね沿って、対向して配置された２つの反射板であって、前記２つの反射板による面を含む概ね直方体の内部を持つ中空構造を形成し、前記２つの反射板の各々の面上には、各々が特定の周波数の電磁波のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、制御電圧を印加する電極を有し、少なくとも前記電磁波の進行方向において周期的に配置された複数の特殊構造要素が構成されている、２つの反射板と制御部による制御にしたがって、前記複数の特殊構造要素の各々に前記制御電圧を印加する複数の電圧制御ユニットとを備え、前記中空構造内において、前記２つの反射板上の前記複数の特殊構造要素の内のいくつかにおいて、複数回の反射を順次繰り返すことによって、前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性を重畳した特性でフィルタリングされた電磁波を前記出射口から出力することを特徴とするフィルタとして構成される。
【００２９】
図４は、本発明のフィルタの中空構造内における反射の様子を説明する図である。図１の本発明のフィルタを上部から見た図となっており、２つの壁２ａ、２ｂの内側には、電磁波の進行方向（ｚ軸方向）に、周期的に多数の特殊構造要素１２ａが並んでいる。本発明のフィルタでは、図４に示すように、電磁波の進行方向（ｚ軸方向）のａ地点、ｂ点、ｃ点、ｄ点、ｅ点に位置する各特殊構造要素に印加する電圧を、それぞれ別個の周波数を減衰させるように設定できる。すなわち、ａ点の特殊構造要素にはｆ２を減衰させる設定電圧を、ｂ点の特殊構造要素にはｆ３を減衰させる設定電圧を、ｃ点の特殊構造要素にはｆ４を減衰させる設定電圧を、ｄ点の特殊構造要素にはｆ５を減衰させる設定電圧を、ｅ点の特殊構造要素にはｆ６を減衰させる設定電圧をそれぞれ設定する。各点における帯域減衰フィルタ（ＢＥＦ）特性が重畳されて、単一の特殊構造要素によって実現できる帯域減衰フィルタ特性より広い帯域に対して、減衰特性が得られる。
【００３０】
図４の構成において、入射口からｆ１、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６の周波数成分を含む電磁波が入力された時、中空構造内のａ地点、ｂ点、ｃ点、ｄ点、ｅ点の各反射点において、ｆ２、ｆ３、ｆ４、ｆ５、ｆ６の周波数成分がそれぞれ減衰され、図１の出射口７からは概ね周波数ｆ１成分のみを含む電磁波が出射する。図４に示した構成例では、中空構造内において５回の反射を経る構造例を提示したが、反射回数を増やすことによって、任意の帯域幅の周波数減衰特性を実現することが可能となる。
【００３１】
前述のように、図３および図４のようなフィルタリング動作をする特殊構造要素は、例えばメタマテリアルと呼ばれている構造によって実現することができる。例えば非特許文献２によれば、導体板の表面にメタマテリアル構造を周期的に形成することで特定の周波数の電磁波だけを減衰させ、それ以外の周波数の電磁波は反射する反射板を作成することができる。またメタマテリアルに印加する電圧を制御することによって、減衰させる電磁波の周波数および減衰量を変化させることが可能となる。したがって、図４に示した例のように、すべての減衰周波数を別個のものにしても良いし、一部の周波数を２回以上使用しても良い。また、減衰周波数の間隔は任意に設定可能であり、さらに非等間隔に減衰周波数を設定しても良い。
【００３２】
したがって、特殊構造要素への印加電圧を調整することによって、実現するフィルタ特性に合わせて、個々の特殊構造要素に対する減衰周波数および、反射点の数を任意に選択が可能である点に注目されたい。本発明のフィルタは、このようにフィルタ特性を任意に柔軟に設定可能な点で、他のフィルタ部品にはない優れた特徴を持っていることに注目されたい。後述するが、入射口および出射口は図１のような開口形状でも良いし、中空構造内に向けて特定の方向へ電磁波を入射させるアンテナでも良い。以上、特殊構造要素および多重反射を利用した適応型フィルタの基本動作を説明したが、次に、適用型フィルタの別の実施形態を説明する。
【００３３】
第２の実施形態： 
上述の第１の実施形態の構造では、電圧制御ユニットからの印加電圧を変化させることによって、１つの特殊構造要素において減衰させる周波数をシフトしていた。減衰させる周波数帯は特殊構造の構造設計にも依存するため、基本的には大きく減衰周波数を変化させることはできない。本実施形態では、特殊構造要素への印加電圧ではなくて、特殊構造要素への電磁波の入射角度によって、減衰周波数を変えるフィルタ構成を説明する。
【００３４】
図５は、本発明のフィルタの第２の実施形態の外観構造を示す概念図である。図１に示した第１の実施形態のフィルタと基本構成は同じであるが、入射口側に可動式の反射板３１が備えられている点で相違している。入射電磁波８は、中空構造内に進入する前に、まず、反射板３１にあたって反射する。
【００３５】
図６は、本発明のフィルタの第２の実施形態における、中空構造内での電磁波反射の様子を説明する図である。入射口にθ０の傾斜角度３２ａを付けた可動式３１の反射板が取り付けられている。入射する電磁波８は最初に可動式反射板３１で、反射を受けた後、フィルタの内部に進入する。可動式反射板３１の角度θ０を変更することによって、フィルタ内に入射した電磁波が、電磁波進行方向（ｚ軸方向）における特殊構造要素上の各位置で反射する際の反射角を変更することができる。例えば、図６の（ａ）は、可動式反射板３１の角度をθ０とした場合に、中空構造内の特殊構造要素上の各点では、反射面の法線に対する入射角が２θ０で反射を繰り返すことになる。図６の（ｂ）は、可動式反射板３１をθ０とは異なる角度θ１とした場合に、中空構造内の特殊構造要素上の各点では、反射面の法線に対する入射角が２θ１で反射を繰り返すことを示している。図６の（ａ）および（ｂ）から明らかなように、可動式反射板３１の角度を変化させることで、特殊構造要素上への電磁波の入射角を制御できる。
【００３６】
図７は、本発明のフィルタで利用される特殊構造要素の電磁波の反射（減衰）特性を、可動式反射板への入射角をパラメータにして示した図である。横軸には周波数を、縦軸には減衰量をとり、可動式反射板３１の設定角度をθ０、θ１、θ２、θ３と変えた時の各減衰特性を同時に１つのグラフに示している。したがって、図６の（ａ）の可動式反射板３１の角度θ０とした場合には、θ０と表示した周波数のみで減衰が得られる。一方、図６の（ｂ）の可動式反射板３１の角度θ１とした場合には、θ１と表示した周波数のみで減衰が得られる。このように、特殊構造における１回の反射によって得られるフィルタ特性においては、特殊構造要素の法線に対する縦入射角の変化に伴って、減衰する周波数のピークがシフトする。
【００３７】
このような構造は例えば、上述のメタマテリアルを用いることで実現可能である。本実施形態の特殊構造要素への入射角度による制御では、一般的に図３で示した電圧制御ユニットからの印加電圧に対する減衰周波数の変化量と比べて、より大きな周波数変化（シフト）を得られる。従って、可動式反射板の傾斜角度の設定によって中空構造内への入射角を変化させることによって、第１の実施形態のフィルタにおいて適用可能となるフィルタリング対象の周波数帯をより大きく変化させることができる。
【００３８】
尚、図５および図６では可動型の反射板３１を入射口付近に取り付けることによって中空構造内への電磁波の入射角度を制御しているが、指向性アンテナの放射角を制御する等、他の方法によって入射角度を調整する手段を実現しても良い。したがって、本発明のフィルタでは、入射口へ入射する電磁波の入射角度を調整する手段をさらに備え、前記入射角の変更によって前記複数の特殊構造要素による前記フィルタ特性の前記減衰させる周波数または減衰量の少なくとも一方を変化させることができる。また、前記入射角度を調整する手段は、前記入射口近傍に配置され、入射電磁波を最初に反射する可動式反射板であって、前記最初に反射した電磁波が前記入射口を経て、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成された、可動式反射板、または、前記入射口近傍に配置され、所定の入射角度で電磁波を前記入射口に入射して、前記複数の特殊構造要素で前記複数回の反射を繰り返すように構成されたアンテナのいずれかとすることができる。
【００３９】
図８は、本発明のフィルタの中空構造に対する電磁波の入出力の形態例を示した概念図である。いずれも、本発明のフィルタを図１のｙ軸方向を上から下へ見た図を示している。図８の（ａ）は、入射電磁波８が図１の入射口６から中空構造内に進入し、出射口７から出射して、アンテナ８０を有する無線機８５に入力する構成を示す。図８の（ｂ）は、入射電磁波８が受信アンテナ８１によって受信され伝送ライン８６を経由して、送信アンテナ８２によって、一定の角度で、フィルタ１の中空構造内に進入する例を示している。フィルタ１の中空構造を経て所定のフィルタリング特性を受けた後で、無線装置８５のアンテナ８０によって受信される。このように、本発明のフィルタに入射電磁波を導く方法および出力する方法には、様々な形態が利用可能であって、入射口および出射口のみの場合、反射板によって入射角度を制御する場合、アンテナを使って中空構造へまたは中空構造から入出力する場合、アンテナを使って角度を制御する場合、ならびに、これらを組み合わせる場合など、多様な方法を適用可能である。
【００４０】
図８の（ｂ）の構成のように、本発明のフィルタは、アンテナを併用することで、フィルタの設置方法自体に柔軟性を獲得できる。無線基地局などにおいては、アンテナによってフィルタの設置性を向上させることができる。例えば、本発明のフィルタ部と無線装置を建物の中に置いて、アンテナのみを屋上の塔の上に設置するような形態が考えられる。本発明のフィルタは、対向して配置された、電磁波の進行方向における特殊構造要素の周期構造を用いて、内部反射の繰り返すように電磁波の経路を設定し、同一または異なる減衰特性を組み合わせて様々なフィルタ特性を実現可能であり、利用する周波数帯域に制限はない。
【００４１】
また、上述の個々の特殊構造要素によるフィルタ特性は、基本的に帯域除去フィルタ特性を持っているが、これを複数組み合わせることによって、帯域通過フィルタなども構成可能である。電圧制御ユニットからの印加電圧および中空構造への入射角のいずれかを制御して、または両方を制御してこれらを組み合わせることで、多様なフィルタ特性を実現できる。
【００４２】
第３の実施形態： 
第２の実施形態の構造では、可動式反射板の傾斜角度を制御することでフィルタの適用可能となる周波数帯を大きく変化させ（粗調整）、変化させた先の周波数帯において特殊構造要素への印加電圧を制御して（微調整）任意のフィルタ特性を実現していた。しかしながら、中空構造の内部へ入射する電磁波の、特殊構造要素上での反射角は一定であるため、狭帯域のフィルタしか実現できない。
【００４３】
図９は、第２の実施形態を変形した本発明の第３の実施形態の構成例を示す概念図である。本実施形態では、対向する２つの特殊構造板２ａ、２ｂを平行面から角度αだけオフセットをつけた構造とする。中空構造で最初の反射点における入射角をθ０、２つの特殊構造板同士の角度を図９のようにαとする。１回目の反射角はθ０、２回目の反射角はθ１＝θ０＋α、３回目の反射角θ２＝θ０＋２α、ｎ回目の反射角θｎ＝θ０＋（ｎ−１）αとなる。これによりフィルタ全体としてはθ０付近での減衰から、θ０＋（ｎ−１）α付近での減衰が合成された、広帯域のフィルタを設計することが可能となる。
【００４４】
したがって、本実施形態のフィルタは、中空構造内を複数回反射して進む電磁波の経路を含み、前記２つの反射板に対して垂直な面を見たときに、前記２つの反射板は、平行な状態から所定の角度αだけオフセットを持って配置され、前記反射を繰り返すごとに、前記複数の特殊構造要素における反射角度が変化するように構成されていることになる。
【００４５】
反射を生じさせる２つの特殊構造板同士の平行な状態からのオフセット角度αをごく小さくすれば、各反射点での減衰特性が近接して並び、広い減衰帯域幅を持つ１つの減衰特性を実現できる。また、２つの特殊構造板同士のオフセット角度αを大きくすれば、減衰帯域が多数並んだ広帯域の櫛型の減衰特性を実現することもできる。所望のフィルタリング特性に応じて、オフセット角度αを選択できる。対向する２つの特殊構造板の角度を可変できる構造とすれば、帯域幅や、減衰域の数および配置間隔を柔軟に変更できる適応型のフィルタが構成できる。
【００４６】
上述の本発明の各実施形態を組み合わせることによって、多様な適応型フィルタを構成できる。フィルタの中空構造への入射角によってフィルタのターゲットとする帯域を選択可能となり（実施形態２）、特殊構造板同士の間の角度αでフィルタの帯域幅を選択が可能となり（実施形態３）、フィルタの特殊構造要素へ印加する電圧を制御することによって任意の周波数で減衰特性を実現できる（実施形態１）。すなわち、広い帯域において帯域幅と減衰特性を可変できる適応型のフィルタを実現することが可能となる。
【００４７】
既に述べたように、本発明のフィルタにおいて中空構造の内部に対向して配置される特殊構造板は、少なくとも電磁波の進行方向について周期的な繰り返し構造を持つ特殊構造要素から構成されている。特殊構造要素は、特定の周波数のみを減衰させるフィルタ特性を持っており、この個々の特殊構造要素のフィルタ特性を様々に変化させて、組み合わせることで多様なフィルタ特性を柔軟に構成できる。特殊構造要素は、現在一般にメタマテリアルと呼ばれているものを利用できる。しかし、特殊構造要素として、特定の周波数のみを減衰させるフィルタ特性を持っていれば、本発明のフィルタを構成できることは言うまでもない。したがって、いわゆるメタマテリアルの様々な形態を利用できる。また、メタマテリアルと同等の材料や構造を利用できることは言うまでもない。
【００４８】
本発明のフィルタは、無線装置とは独立した単体として構成し、無線装置と組み合わせて利用することができる。また、無線装置の内部に構成することもできる。無線装置に搭載する部品としても構成可能である。また、本発明のフィルタは、中空構造を基本としているため比較的堅固な構造物としても構成とすることができる。フィルタ作成のために微細加工などは不要であり、半導体プロセスを利用するＳＡＷフィルタなどとくらべて製造コストを安くできる可能性がある。製造設備も半導体装置のような高価で特別なものは不要である。
【００４９】
本発明により、ＧＨｚ帯以上の高周波領域において、フィルタリングの対象となる周波数帯域を柔軟に可変できる適応型のフィルタを提供することができる。特殊構造による特定の周波数に対する反射時の減衰特性に基づいた帯域阻止（除去）フィルタ（ＢＥＦ）だけでなく、複数の減衰特性の重ね合わせを制御することで、急峻なスカート特性を持つ帯域通過フィルタ（ＢＰＦ）も実現できる。周波数資源の有効活用が可能となる。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明は、一般的に無線通信システムに利用することができる。
【符号の説明】
【００５１】
１、３０  フィルタ
２、２ａ、２ｂ  壁
３  制御装置
４  制御部
５  制御線
６  入射口
７  出射口
８  入射電磁波
９  出射電磁波
１０  導体板
１１  特殊構造板
１２ａ〜１２ｄ、１３ａ〜１３ｄ、１４ａ〜１５ｄ、１４ａ〜１４ｄ、１５ａ〜１５ｄ  特殊構造要素
１６ａ〜１６ｄ  電極構造
１７ａ〜１７ｄ  電圧制御ユニット
１８、１９  制御線
３１  電波反射板
８０、８１、８２、８３  アンテナ
８５  無線装置
【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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