(57)【要約】【課題】導波管のような１次元の電磁波伝播媒質として機能し、媒質の等価的な誘電率と透磁率の両者が同時に負となる左手系メタマテリアルであり、左手系媒質としての特性に優れ、構造も簡素で製造コストを低減させることのできる１次元左手系メタマテリアルを提供する。【解決手段】導体からなる管状の管体１０と、前記管体の中空部に配置された導体からなる複数の単位構造体１１とを有する１次元左手系メタマテリアルであって、前記単位構造体は、前記管体の中心軸方向に垂直な断面において、前記中空部の断面積よりも小さい断面積を有する中央体と、前記中央体を前記管体の内面に接続する接続体とを備えたものであり、前記単位構造体は、前記管体の中空部に中心軸方向に互いに間隙を持って配置されている。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導体からなる管状の管体（１０，１０ｂ）と、
前記管体（１０，１０ｂ）の中空部に配置された導体からなる複数の単位構造体（１１，１１ａ，１１ｂ）とを有する１次元左手系メタマテリアルであって、
前記単位構造体（１１，１１ａ，１１ｂ）は、
前記管体（１０，１０ｂ）の中心軸方向に垂直な断面において、前記中空部の断面積よりも小さい断面積を有する中央体（１２，１２ｂ）と、
前記中央体（１２，１２ｂ）を前記管体（１０，１０ｂ）の内面に接続する接続体（１３，１３ａ，１３ｂ）とを備えたものであり、
前記単位構造体（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記管体（１０，１０ｂ）の中空部に中心軸方向に互いに間隙を持って配置されているものである１次元左手系メタマテリアル。
【請求項２】
請求項１に記載した１次元左手系メタマテリアルであって、
前記単位構造体（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記管体（１０，１０ｂ）の中空部に中心軸方向に規則的に配置されているものである１次元左手系メタマテリアル。
【請求項３】
請求項２に記載した１次元左手系メタマテリアルであって、
前記単位構造体（１１，１１ａ，１１ｂ）は、前記管体（１０，１０ｂ）の中空部に中心軸方向に周期的に配置されているものである１次元左手系メタマテリアル。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した１次元左手系メタマテリアルであって、
前記中央体（１２，１２ｂ）は、その中心軸が前記管体（１０，１０ｂ）の中心軸と一致するように配置されているものである１次元左手系メタマテリアル。
【請求項５】
請求項１〜４のいずれか１項に記載した１次元左手系メタマテリアルであって、
前記管体（１０）は、中心軸方向に垂直な平面による断面形状が長方形であり、
前記中央体（１２）は、前記管体（１０）の中心軸方向に垂直な平面による断面形状が長方形である１次元左手系メタマテリアル。
【請求項６】
請求項１〜４のいずれか１項に記載した１次元左手系メタマテリアルであって、
前記管体（１０ｂ）は、中心軸方向に垂直な平面による断面形状が円形であり、
前記中央体（１２ｂ）は、前記管体（１０ｂ）の中心軸方向に垂直な平面による断面形状が円形である１次元左手系メタマテリアル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は電磁波を伝播させるための人工的な媒質（メタマテリアル）に関し、詳しくは、導波管のような１次元の電磁波伝播媒質として機能し、媒質の等価的な誘電率と透磁率の両者が負となる１次元左手系メタマテリアルに関するものである。
【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】
中でも、等価的な誘電率εと透磁率μとが同時に負となるメタマテリアルは、その電界と磁界と波数ベクトルが左手系をなすことから「左手系媒質（ＬＨＭ：Left-Handed Materials）」と名付けられた。この左手系媒質を本明細書においては左手系メタマテリアルと呼ぶ。これに対して、等価的な誘電率εと透磁率μとが同時に正となる通常の媒質は「右手系媒質（ＲＨＭ：Right-Handed Materials）」と呼ばれる。これら誘電率ε、透磁率μと媒質との関係領域は、図１に示すように、誘電率εの正負および透磁率μの正負に応じた第１象限〜第４象限の媒質に分類できる。右手系媒質は第１象限の媒質であり、左手系媒質は第３象限の媒質である。
【０００４】
特に、左手系メタマテリアルは、波の群速度（エネルギーの伝播する速度）と位相速度（位相の進む速度）の符号が逆転している波（バックワード波と呼ばれる）の存在や、また、非伝播領域で指数関数的に減衰する波であるエバネセント波の増幅、等の特異な性質を持つものである。そして、左手系メタマテリアルによるバックワード波を伝送する線路を人工的に構成することができる。このことは、下記の非特許文献１、非特許文献２にも記載されているように公知である。
【０００５】
この左手系媒質構成の概念に基づき、金属パターンからなる単位セルを周期的に並べてバックワード波を伝播させる線路が提案されている。これまで、その伝送特性が理論的に取り扱われ、この線路が左手系伝送帯域を持つこと、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域との間にバンドギャップが生じること、そのバンドギャップ幅は単位セル中のリアクタンスによりコントロールすることができること等が理論的に明らかになっている。これらに関しては、下記の非特許文献３に記載されている。
【０００６】
【非特許文献１】D. R. Smith, W. J. Padilla, D. C.Vier, S. C. Nemat-Nasser, and S. Schultz, “Composite medium with simultaneouslynegative permeability and permittivity,” Phys. Rev. Lett., vol. 84, no. 18,pp.4184-4187, May 2000
【非特許文献２】C. Caloz, and T. Itoh,“Application of the transmission line theory of left-handed (LH) materials tothe realization of a microstrip LH line”, IEEE-APS Int'l Symp. Digest, vol. 2,pp. 412-415, June 2002
【非特許文献３】Atsushi Sanada, Chritophe Calozand Tatsuo Itoh,“Characteristics of the Composite Right/Left-HandedTransmission Lines,” IEEE Microwave and Wireless Component Letters, Vol.14,No.2, pp. 68-70, February 2004
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
左手系メタマテリアルは、その構成上から共振型と非共振型に大別できる。最初に作成された左手系メタマテリアルは共振型である。共振型の左手系メタマテリアルは、人工誘電体の誘電率および人工磁性体の透磁率が、共振周波数の近傍でともに負になる領域を使用するものである。このため、左手系媒質として機能する周波数帯域幅が狭いという欠点がある。さらに、共振周波数の近傍周波数を使用するため損失が大きくなるという欠点がある。
【０００８】
これに対して、非共振型の左手系メタマテリアルは、通常の媒質における伝送線路の分布定数インダクタンス（Ｌ）、分布定数キャパシタンス（Ｃ）を逆に配置した伝送線路の特性に基づいている。このような分布定数ＬＣを逆転させた伝送線路においては、前述のバックワード波が伝送され、左手系メタマテリアルとしての性質を持つのである。非共振型の左手系メタマテリアルは、共振型と比較すると、左手系媒質として機能する周波数帯域幅が広く、損失が小さくなるという特徴がある。
【０００９】
非共振型の左手系メタマテリアルとしては、集中定数ＬＣ素子（チップインダクタ、チップコンデンサ等）を使用した伝送回路や、伝送路に周期的な構造を配置した分布定数型の媒質があった。しかし、集中定数ＬＣ素子を使用したものは動作周波数に上限（素子の自己共振周波数以下でのみ動作可能）があるという問題点があり、数ＧＨｚ以上で動作する左手系メタマテリアルは実現困難であった。また、集中定数ＬＣ素子を多数使用するため製作が困難であり、製造コストも高くなる。分布定数型の媒質は、主に誘電体基板上に構成された平面回路型構造のものが研究されている。しかし、遮蔽されていない平面回路中の電磁波に対してではなく、導波管などのような遮蔽され放射のない導波路中を伝播する電磁波に対する非共振型の左手系媒質はこれまで実現されていない。
【００１０】
そこで、本発明は、導波管のような遮蔽され放射のない１次元の電磁波伝播媒質として機能し、媒質の等価的な誘電率と透磁率の両者が同時に負となる左手系メタマテリアルであり、左手系媒質としての特性に優れ、構造も簡素で製造コストを低減させることのできる１次元左手系メタマテリアル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１次元左手系メタマテリアルは、導体からなる管状の管体と、前記管体の中空部に配置された導体からなる複数の単位構造体とを有する１次元左手系メタマテリアルであって、前記単位構造体は、前記管体の中心軸方向に垂直な断面において、前記中空部の断面積よりも小さい断面積を有する中央体と、前記中央体を前記管体の内面に接続する接続体とを備えたものであり、前記単位構造体は、前記管体の中空部に中心軸方向に互いに間隙を持って配置されているものである。
【００１２】
また、上記の１次元左手系メタマテリアルにおいて、前記単位構造体は、前記管体の中空部に中心軸方向に規則的に配置されているものであることが好ましい。
【００１３】
また、上記の１次元左手系メタマテリアルにおいて、前記単位構造体は、前記管体の中空部に中心軸方向に周期的に配置されているものであることが好ましい。
【００１４】
また、上記の１次元左手系メタマテリアルにおいて、前記中央体は、その中心軸が前記管体の中心軸と一致するように配置されているものであることが好ましい。
【００１５】
また、上記の１次元左手系メタマテリアルにおいて、前記管体は、中心軸方向に垂直な平面による断面形状が長方形のものとすることができ、前記中央体は、前記管体の中心軸方向に垂直な平面による断面形状が長方形のものとすることができる。
【００１６】
また、上記の１次元左手系メタマテリアルにおいて、前記管体は、中心軸方向に垂直な平面による断面形状が円形のものとすることができ、前記中央体は、前記管体の中心軸方向に垂直な平面による断面形状が円形のものとすることができる。
【発明の効果】
【００１７】
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。
【００１８】
導波管中に単位構造体を配列した簡素な構成であり、低損失かつ動作周波数が広帯域となって、左手系媒質としての特性に優れている。また、構造も簡素で製造コストを低下させることができる。さらに、隣接する単位構造体が面で近接しているので、単位構造体同士の間のキャパシタンスを大きくでき、動作周波数を低下させることができる。換言すれば、電磁波の波長と比較した単位構造体の寸法を小さくでき、左手系メタマテリアルをより均一媒質に近付けることができる。
【００１９】
導波管としての管体は矩形導波管や円形導波管などの任意の形状のものが使用でき、本発明の左手系メタマテリアルを利用した応用機器を通常の導波管に接続することも容易である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
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は、本発明の第１の形態のメタマテリアル１の構成を示す斜視図である。導体（典型的には金属）からなる管体１０内の中空部に、単位構造体１１が直線（ここではｚ軸方向の直線）上に規則的（ここでは周期的）に配置されている。ただし、この図では管体１０の内部を示すために、管体１０を二点鎖線で仮想的に表している。管体１０は、内部の中空部に電磁波を伝播させる導波管として機能する。管体１０の中心軸方向をｚ軸とする直交座標系の座標軸を示している。
【００２１】
管体１０と単位構造体１１との配置は、図３および図４に詳しく示されている。図３は管体１０の中心軸に垂直な平面（ｘｙ平面）で切った断面図を示すものであり、図４は管体１０の中心軸に平行な平面（ｙｚ平面）で切った断面図を示すものである。単位構造体１１は中央体１２と接続体１３とから成っている。中央体１２は隣接する単位構造体１１との間に静電容量（キャパシタンス）を形成するものであり、ｘｙ平面における中央体１２の断面積は管体１０の中空部の断面積よりも小さい。
【００２２】
図示のように、中央体１２の寸法を、幅Ｗ（ｘ軸方向の長さ）、高さＨ（ｙ軸方向の長さ）、奥行Ｌ（ｚ軸方向の長さ）で表す。管体１０の中空部の寸法を幅ａ、高さｂとすれば、Ｗ＜ａ，Ｈ＜ｂである。接続体１３は、中央体１２を管体１０の内面に電気的に接続するものであり、中央体１２の上下２個所に設けられている。この接続体１３が中央体１２と管体１０との間にインダクタンスを形成する。接続体１３の幅は中央体１２の幅と等しくなっている。接続体１３の奥行ｔは中央体１２の奥行Ｌよりもかなり小さく形成されている。
【００２３】
中央体１２は管体１０の中心軸上に配置されており、メタマテリアル１は上下対称かつ左右対称の構造とされている。すなわち、中央体１２のｚ軸方向の中心軸は管体１０の中心軸と一致している。また、中心軸方向の配列に関しては、隣接する単位構造体１１が互いに間隙を有し接触しないように配置されている。単位構造体１１は互いに等間隔となるように周期的に配置されており、隣接する単位構造体１１の間隔（ピッチ）を寸法ｃとすれば、Ｌ＜ｃであり、隣接する単位構造体１１間の間隙の寸法ｇは、ｇ＝ｃ−Ｌとなる。
【００２４】
以上のようなメタマテリアル１は、隣接する単位構造体１１の中央体１２の間にキャパシタンスを持ち、かつ、中央体１２と管体１０との間に接続体１３によるインダクタンスを持つため、非共振型の左手系メタマテリアルとなるのである。したがって、共振型のものと比べて本質的に低損失かつ広帯域な左手系特性を有することができる。
【００２５】
このようなメタマテリアル１の各部の寸法の実例を示すと、管体１０中空部の寸法を幅ａ：２２．９ｍｍ、高さｂ：１０．２ｍｍとし、中央体１２の寸法を幅Ｗ：１２．０ｍｍ、高さＨ：５．０ｍｍ、奥行Ｌ：９．５ｍｍとし、接続体１３の奥行ｔ：１．０ｍｍとする。また、単位構造体１１のピッチは間隔ｃ：１０．０ｍｍとする。すなわち、単位構造体１１間の間隙ｇは、間隙ｇ：０．５ｍｍとなる。
【００２６】
このような寸法・配置のメタマテリアル１は、４．５ＧＨｚ付近で左手系媒質の特性を示す。なお、この寸法例は一例であり、他の任意の寸法とすることができる。メタマテリアルの寸法・配置を変更すれば、左手系媒質の特性を示す周波数も変化する。
【００２７】
図５に、上記の寸法・配置によるメタマテリアル１の分散特性を示す。これは図２の単位構造体１１においてｚ軸方向に周期境界条件を与えて計算した有限要素法による電磁界シミュレーション結果である。図５のグラフの横軸はｚ軸方向の波数すなわち伝搬定数βを表すが、横軸目盛は伝搬定数βを（π／ｃ）で規格化した値として表している。ただし、πは円周率、ｃは単位構造体１１の間隔（ピッチ）である。図５のグラフの縦軸は周波数ｆである。
【００２８】
図５の分散特性を示す曲線の接線の傾きが負である領域は、この領域でメタマテリアル１が左手系媒質の特性となっていることを示すものである。図５から、メタマテリアル１が左手系特性を示す周波数帯域幅Δｆは０．２７２ＧＨｚとなっている。
【００２９】
このように、単位構造体１１を、中央体１２と接続体１３とによって構成したので、単位構造体１１同士が平面と平面で隣接し、隣接する単位構造体１１間の静電容量を大きくすることができる。そのため、左手系媒質として動作する周波数を低下させることができる。換言すると、電磁波の波長と比較した単位構造体１１の寸法を小さくでき、左手系メタマテリアルをより均一媒質に近付けることができる。
【００３０】
図６は、本発明の第２の形態のメタマテリアル１ａの構成を示す平面図である。ただし、管体１０および単位構造体１１ａは、１ピッチ分のみを表示している。メタマテリアル１ａは、第１の形態のメタマテリアル１とほぼ同様の構成であるが、単位構造体１１ａの接続体１３ａの幅を中央体１２の幅より小さくしている点が異なっている。接続体１３ａの幅を小さくするほど、すなわち、接続体１３ａのｘｚ平面での断面積を小さくするほど、接続体１３ａによって生じるインダクタンスが大きくなる。そして、メタマテリアルの動作周波数を低下させることができる。換言すれば、電磁波の波長と比較した単位構造体の寸法を小さくでき、メタマテリアルをより均一媒質に近付けることができる。
【００３１】
なお、本発明の第１および第２の形態においては、接続体１３，１３ａのｘｚ平面での断面形状を長方形としているが、これに限定されることなく任意の断面形状とすることもできる。例えば、任意の多角形や円形などでもよい。また、第１および第２の形態においては、中央体１２のｙ軸方向の中心軸と接続体１３，１３ａのｙ軸方向の中心軸とが同一直線上にあるように配置されているが、これも必須の条件ではない。接続体１３，１３ａは、任意の位置で中央体１２と管体１０とを接続するものでよい。上下の接続体のｙ軸方向の中心軸も互いに異なる位置であってもよい。さらに、第１および第２の形態においては、中央体１２のｘｙ平面での断面形状を管体１０と同様の長方形としているが、他の形状（例えば、任意の多角形や円形など）とすることもできる。
【００３２】
図７は、本発明の第３の形態のメタマテリアル１ｂの構成を示す斜視図である。第１および第２の形態においては、管体１０が長方形断面であり矩形導波管を構成するものであったが、この第３の形態では管体１０ｂが円形断面の円形導波管を構成している。単位構造体１１ｂは、ｘｙ平面での断面形状が円形の中央体１２ｂと、中央体１２ｂを管体１０ｂと接続する上下の接続体１３ｂとからなっている。中央体１２ｂの中心軸は管体１０ｂの中心軸と一致している。また、中心軸方向の配列に関しては、隣接する単位構造体１１ｂが互いに間隙を有し接触しないように配置されている。
【００３３】
メタマテリアル１ｂでは、接続体１３ｂのｘｚ平面での断面形状を円形としている。ただし、前述のように、接続体のｘｚ平面での断面形状は円形に限らず、任意の断面形状とすることができる。上下の接続体１３ｂは、その中心軸が中央体１２ｂの中心軸と交差する位置に設けられている。しかし、接続体１３ｂの位置はこれに限定されるものではない。また、中央体１２ｂのｘｙ平面での断面形状を円形としているが、他の形状（例えば、任意の多角形など）とすることもできる。
【００３４】
以上のメタマテリアル１，１ａ，１ｂにおいて、単位構造体１１，１１ａ，１１ｂは管体の中心軸方向に等間隔で周期的に配置されていることが望ましい。しかし、単位構造体の位置が厳密に正確な周期性を持っていなくとも、左手系メタマテリアルとしての特性を示し、ある程度の範囲での位置ずれは許容される。すなわち、単位構造体の位置は、完全に等間隔で周期的な配置ばかりでなく、単位構造体同士が接触しない範囲での周期的位置からのずれを含んでいてもよい。また、単位構造体の間隔を所定の数式や規則に従って変化させるような規則的な配置としてもよい。ここで、規則的な配置とは周期的な配置を含むものである。
【００３５】
また、メタマテリアル１，１ａ，１ｂにおいて、導波管としての管体は、断面形状が長方形や円形以外の任意の形状のものを使用することができる。このため、本発明の左手系メタマテリアルを利用した応用機器を通常の導波管に接続することも容易である。
【００３６】
以上のような、１次元左手系メタマテリアルの応用例としては、バックワード波を利用した位相器や全方向放射漏波アンテナ、分散性を利用したビームスキャンアンテナ、デュアルバンド回路、プレディストータ、パルス成形回路など、その他、強結合バックワードカプラ、零次共振器、デュアルバンド共振器等、数多くの種類の応用機器がある。
【産業上の利用可能性】
【００３７】
本発明の１次元左手系メタマテリアルは、低損失かつ動作周波数が広帯域であり、広範囲の産業分野で利用できる。すなわち、本発明の１次元左手系メタマテリアルを利用して新規な機能を有するアンテナ、位相器、共振器、結合器などの種々の応用機器を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】誘電率ε、透磁率μの正負領域と媒質との関係を示す図である。
【図２】本発明の第１の形態のメタマテリアル１の構成を示す斜視図である。
【図３】管体１０、単位構造体１１の構成を示すｘｙ平面での断面図である。
【図４】管体１０、単位構造体１１の構成を示すｙｚ平面での断面図である。
【図５】メタマテリアル１の分散特性を示すグラフである。
【図６】本発明の第２の形態のメタマテリアル１ａの構成を示す斜視図である。
【図７】本発明の第３の形態のメタマテリアル１ｂの構成を示す斜視図である。
【符号の説明】
【００３９】
１，１ａ，１ｂ  メタマテリアル
１０，１０ｂ  管体
１１，１１ａ，１１ｂ  単位構造体
１２，１２ｂ  中央体
１３，１３ａ，１３ｂ  接続体
【図１】
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【図２】
2008147737.tif 000004
【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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