(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
メタ物質からなり、入射した電磁波が表面で共振して表面電流が発生する受信アンテナ部と、
前記受信アンテナ部の後方に設置され、角度変換されたメタ物質からなり、受信アンテナ部から伝達された電磁波が共振した後、偏光方向に放射される送出アンテナ部と、
前記受信アンテナ部と送出アンテナ部を連結して前記受信アンテナ部から発生した表面電流を送出アンテナ部に伝達する伝導性物質のコネクティング部と、を含み、
前記受信アンテナ部は、平面状の第１パネル部材と、
前記第１パネル部材に一方向に沿って延長され、メタ物質からなる第１スロットが形成されており、
前記送出アンテナ部は、平面状の第２パネル部材と、
前記第２パネル部材に前記第１スロットと交差する方向に沿って延長され、メタ物質からなる第２スロットが形成されており、
前記第２スロットは、変換される電磁波の変換角度に対応するように前記第１スロットと所定の角度をなすように延長されることを特徴とする、メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置。
【請求項２】
前記コネクティング部は、金からなる表面層を含んでおり、
前記コネクティング部が前記受信アンテナ部と送出アンテナ部に連結される連結位置には、それぞれコネクティング部に対応するホールが形成されていることを特徴とする、請求項１に記載のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置。
【請求項３】
前記受信アンテナ部と送出アンテナ部との間に充填物が充填され、
前記充填物はシクロオレフィンポリマー（Ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）であることを特徴とする、請求項１に記載のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置。
【請求項４】
前記受信アンテナ部と送出アンテナ部の離隔距離は１５〜１７μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置に関し、より詳しくは、受信アンテナ部と送出アンテナ部がメタ物質を用いて形成され、入射する非偏光または偏光された電磁波を角度変換された偏光方向に出射するメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
多くの無線周波数アンテナ部が直線偏光された電磁放射線を主に生成する。受信アンテナ部のような装置が直線偏光された電磁放射線を受信するように位置した場合、強いシグナルを受信するために伝送された電磁放射線と関連した前記受信アンテナ部の方向性が重要である。
【０００３】
今まで使用されていた大部分の偏光変換装置は、ｗａｖｅｇｕｉｄｅまたはｇｒａｔｉｎｇの形態で構成された。近来の論文ではｈｅｌｉｘ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ、ｍｅｔａ−ｓｕｒｆａｃｅとｂａｃｋ ｇｒｏｕｎｄ ｐｌａｎｅ合成体、二重層の対称性を有するパターン構造であった。
【０００４】
最近メタ物質に関する研究が進むにつれて活用領域が拡張されているが、メタ物質は自然界には存在しない物質として、物質の電磁気的特性が物質構造によって決定される人為的に設計された物質に対する通称である。
【０００５】
自然界の物質は原子や分子からなるが、メタ物質は外部から入射する電磁波の波長より小さい大きさを有する単位である人工メタ原子構造体からなる。最近、このようなメタ物質は、電磁波や光波に対する物質の物理的な特性を人為的に調節できるという点で全世界の研究者から注目を浴びている。種々のメタ物質の中で代表的によく知られている特性の一つは、負の透磁率を有することであり、負の透磁率特性は、負の屈折率、平板レンズ、電磁波吸収などの多様な分野に応用される。
【０００６】
メタ物質の特性上、電磁波の偏光変換のための装置に適用したときに、大きな効率が得られると判断されるが、従来にはメタ物質を用いた電磁波の偏光変換装置がなかった。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明は、上述した問題点を解決するために創案されたものであって、メタ物質を用いて効率的に非偏光または偏光された電磁波を所望の角度に変換された偏光方向に出射することができるメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置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】
【０００８】
本発明の係るメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置は、メタ物質からなり、入射した電磁波が表面で共振して表面電流が発生する受信アンテナ部と、前記受信アンテナ部の後方に設置され、角度変換されたメタ物質からなり、受信アンテナ部から伝達された電磁波が共振した後、偏光方向に放射される送出アンテナ部と、前記受信アンテナ部と送出アンテナ部を連結して前記受信アンテナ部から発生した表面電流を送出アンテナ部に伝達する伝導性物質のコネクティング部と、を含む。
【０００９】
前記受信アンテナ部は、平面上の第１パネル部材と、前記第１パネル部材に一方向に沿って延長され、メタ物質からなる第１スロットが形成されており、前記送出アンテナ部は、平面上の第２パネル部材と、前記第２パネル部材に前記第１スロットと交差する方向に沿って延長され、メタ物質からなる第２スロットが形成されており、前記第２スロットは、変換される電磁波の変換角度に対応するように前記第１スロットと所定の角度をなすように延長されることが好ましい。
【００１０】
前記コネクティング部は、金からなる表面層を含んでおり、前記コネクティング部が前記受信アンテナ部と送出アンテナ部に連結される連結位置には、それぞれコネクティング部に対応するホールが形成されていることが好ましい。
【００１１】
前記受信アンテナ部と送出アンテナ部との間に充填物が充填され、前記充填物はシクロオレフィンポリマー（Ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）であることが好ましい。
【００１２】
前記受信アンテナ部と送出アンテナ部の離隔距離は１５〜１７μｍであることが好ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置は、メタ物質を用いて電磁波を変換された偏光方向に出射することができ、変換効率が高い利点がある。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明に係るメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置の一実施例を示した斜視図である。
【図２】図１のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置の分離斜視図である。
【図３】図１のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置の正面図である。
【図４】図１のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置の側面図である。
【図５】メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置で受信アンテナ部と送出アンテナ部との間の離隔距離に応じた偏光変換比率の測定結果を示したグラフである。
【図６】受信アンテナ部と送出アンテナ部との間の離隔距離に応じた変換結果を示したグラフである。
【図７】本発明のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置を利用した偏光変換のシミュレーション結果を示したグラフである。
【図８】メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置によるシミュレーション結果と実際偏光変換測定値を比較するためのグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、添付した図面を参照して本発明の実施例に係るメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置について詳しく説明する。本発明は、多様な変更を加えることができ、種々の形態を有することができるところ、特定実施例を図面に例示して本文に詳しく説明しようとする。しかし、これは本発明を特定の開示形態に対して限定しようとするものではなく、本発明の思想及び技術範囲に含まれる全ての変更、均等物ないし代替物を含むものと解されるべきである。各図面を説明しながら類似する参照符号を類似する構成要素に対して使用した。添付された図面において、構造物の寸法は本発明の明確性を期するために実際より拡大して図示した。
【００１６】
第１、第２などの用語は、多用な構成要素を説明するために用いることができるが、前記構成要素は前記用語によって限定されてはならない。前記用語は一つの構成要素を他の構成要素から区別する目的のみで用いられる。例えば、本発明の権利範囲を逸脱しない範囲で、第１構成要素は第２構成要素と命名することができ、同様に第２構成要素も第１構成要素と命名することができる。
【００１７】
本出願で用いた用語は、単に特定実施例を説明するために用いられたもので、本発明の限定しようとする意図ではない。単数の表現は、文脈上明白に異なることを意味しない限り、複数の表現を含む。本出願で、「含む」または「有する」などの用語は、明細書上に記載された特徴、数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものが存在することを指定しようとするものであり、一つまたはそれ以上の他の特徴や数字、段階、動作、構成要素、部品、またはこれらを組み合わせたものの存在または付加可能性を予め排除しないものと理解されるべきである。
【００１８】
別途定義されない限り、技術的または科学的な用語を含んでここで用いられる全ての用語は、本発明が属する技術分野で通常の知識を有した者によって一般的に理解されるものと同じ意味を有している。一般的に用いられる辞書に定義されているような用語は、関連技術の文脈上有する意味と一致する意味を有すると解釈されるべきであり、本出願で明白に定義しない限り、理想的または過度に形式的な意味で解釈されない。
【００１９】
図１〜図４には本発明に係るメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置１０の一実施例が示されている。
【００２０】
図面を参照すれば、メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置１０は、受信アンテナ部２０と、送出アンテナ部３０、コネクティング部４０、及び受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の空間に充填される充填物５０を含む。
【００２１】
受信アンテナ部２０は、正方形のパネル形状の第１パネル部材２１と、第１パネル部材２１に形成されている第１スロット２２を含む。
【００２２】
前記第１スロット２２は、第１パネル部材２１の中央に左右方向に沿って延長されるように形成されており、メタ物質からなっている。
【００２３】
第１パネル部材２１には、二つのホール２３が形成されており、前記ホール２３は正面からみると、左側上部と右側下部に対角線方向に離隔するように形成されている。
【００２４】
前記送出アンテナ部３０は、受信アンテナ部２０の後方に形成されている。
【００２５】
送出アンテナ部３０は、第１パネル部材２１に対応する第２パネル部材３１を備え、第２パネル部材３１に第２スロット３２が形成されている。
【００２６】
前記第２スロット３２もメタ物質で形成されており、第２スロット３２の方向は前記第１スロット２２と交差する方向である。即ち、前記第１スロット２２は、第１パネルの中央に左右方向に沿って延長されているのに対し、第２スロット３２は、中央に上下に延長されるように形成されている。このように、第２スロット３２が第１スロット２２に比べて所定角度交差する方向に延長されているので、電磁波は送出アンテナ部３０から角度変換された状態で送出される。
【００２７】
送出アンテナ部３０の第２パネル部材３１にも前記第１パネル部材２１に形成されたものと同じ位置に二つのホール３３が対角線方向に離隔するように形成されている。
【００２８】
前記コネクティング部４０は、受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０を相互連結する。
【００２９】
前記第１パネル部材２１と第２パネル部材３１のホール２３、３３が形成された部分に両端部が連結されるようにコネクティング部４０が形成されており、前記コネクティング部４０は、ホール２３、３３に対応する形状と大きさの管体で形成され、表面には金（Ａｕ）からなる表面層が形成されている。
【００３０】
したがって、受信アンテナ部２０で電磁波が受信されると、前記第１スロット２２のメタ物質の表面で共振が行われ、共振によって表面電流が発生する。
【００３１】
発生した表面電流は、コネクティング部４０の表面層に沿って送出アンテナ部３０に流れ、送出アンテナ部３０の第２スロット３２のメタ物質の表面で共振することになる。
【００３２】
図３には第１パネル部材２１の正面図が示されているが、図面を参照すれば、本実施例は前記第１パネル部材２１が正方形のパネル形態で形成されるので、横（ａ）と縦（ｂ）の長さが等しく、本実施例の場合、ａとｂは１３４μｍである。
【００３３】
第１スロット２２は、左右長さ（ｃ）が１１７μｍであり、幅（ｄ）は１５μｍに形成される。
【００３４】
ホール２３は、横（ｅ）と縦（ｆ）の長さが各３９μｍの正方形状に形成される。
【００３５】
第２パネル部材３１も第１パネル部材２１と同じ大きさに形成され、第２スロット３２が上下に延長されるように形成されている点のみ異なる。
【００３６】
さらに、図４に示されているように、受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の離隔距離は１６μｍである。
【００３７】
受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の離隔距離に応じて偏光変換効率が異なるので、受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０の離隔距離は１６μｍとなることが重要である。
【００３８】
図５には受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の距離に応じた電磁波の変換効率を観察するための実験結果グラフが示されている。
【００３９】
実線が本実施例のように受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の離隔距離が１６μｍの場合であり、一点鎖線は離隔距離が５μｍ、二点鎖線は離隔距離が８０μｍの場合である。
【００４０】
離隔距離が５μｍの場合には偏光変換効率が急激が減少し、離隔距離が８０μｍの場合には１６μｍの場合に比べて偏光変換効率が徐々に減少するが、Ｑ−ｆａｃｔｏｒが減少し、変換装置の内部ではｆａｂｒｙ−ｐｅｒｏｔ共振などによって所望しないｐｅａｋが観測された。
【００４１】
したがって、受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間の離隔距離は１５〜１７μｍであることが好ましい。
【００４２】
さらに、受信アンテナ部２０と送出アンテナ部３０との間には充填物５０が充填される。
【００４３】
前記充填物５０は、誘電率が低い物質が好ましい。
【００４４】
図６には充填物５０の種類に応じた電磁波の変換効率を測定した実験データが示されている。
【００４５】
本グラフにおいて実線は、充填物５０としてシクロオレフィンポリマー（Ｃｙｃｌｏ ｏｌｅｆｉｎ ｐｏｌｙｍｅｒ）であるＺｅｏｎｏｒが使用された場合の実験結果であり、点線は、充填物５０としてガリウムヒ素（ＧａＡｓ）が使用された場合の実験結果である。
【００４６】
ゼオノア（Ｚｅｏｎｏｒ）は誘電率が２．３３である物質であり、ガリウムヒ素は誘電率が１７である。
【００４７】
実験結果グラフから分かるように、誘電率が低いほど変換効率が良好であり、現在まで知られている物質のうち、テラヘルツ帯域で最も低い誘電率特性を有するシクロオレフィンポリマーであるＺｅｏｎｏｒが充填物５０として最も好ましいことが確認できる。
【００４８】
以上で説明した本発明に係るメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置１０の偏光変換効率を観察するためにシミュレーションを測定した結果、図７のようなグラフが得られた。
【００４９】
シミュレーション結果をみると、Ｙ軸方向に入射したＥ−ｆｉｅｌｄが透過した後、Ｘ軸方向に偏光されることが確認できる。このシミュレーションでは共振点を１ＴＨｚに設計しており、Ｘ軸方向とＹ軸方向で透過度はそれぞれ０．８８及び０．０１である。
【００５０】
図８は、シミュレーション結果と実際本発明のメタ物質を用いた電磁波偏光変換装置１０の変換効率を比較するための実験データを比較するグラフである。
【００５１】
実際実験はＴＰＳ−３０００で行っており、該当装備はＹ軸方向にＥ−ｆｉｅｌｄを放射し、Ｙ軸方向にＥ−ｆｉｅｌｄを測定するので、二つの偏光変換装置を利用して測定を実施した。
【００５２】
１ＴＨｚ地点でシミュレーション値と測定値の透過度がそれぞれ０．６６、０．３１を示したが、これは偏光変換装置のｉｎｓｅｒｔｉｏｎ ｌｏｓｓが２度乗じられたもので、一つの偏光変換装置ではシミュレーション値と測定値の透過度がそれぞれ０．８１、０．５６を示すと予想される。
【００５３】
このように実際試製品を利用して電磁波の偏光変換実験を実施した結果、シミュレーションと一致してはいないが、シミュレーションのように１ＴＨｚ帯域で電磁波の偏光変換効率が高かった。
【００５４】
提示された実施例に対する説明は、任意の本発明の技術分野で通常の知識を有する者が本発明を利用したり、または実施できるように提供される。このような実施例に対する多様な変更は、本発明の技術分野で通常の知識を有する者に明白であり、ここに定義された一般的な原理は本発明の範囲を逸脱することなく、他の実施例に適用可能である。したがって、本発明はここに提示された実施例に限定されるものではなく、ここに提示された原理及び新規な特徴と一貫する最も広い範囲で解釈されるべきである。
【符号の説明】
【００５５】
１０：メタ物質を用いた電磁波偏光変換装置
２０：受信アンテナ部
２１：第１パネル部材
２２：第１スロット
２３：ホール
３０：送出アンテナ部
３１：第２パネル部材
３２：第２スロット
３３：ホール
４０：コネクティング部
５０：充填物
【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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