(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
２つの層が積層された積層メタマテリアル基板であって、
前記２つの層の一方の層は、基板に形成された同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、
前記一方の層と異なる他方の層は、前記一方の層に層間距離を隔てて前記基板または別の基板に形成され、前記共振素子と同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、
前記積層メタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率が前記一方の層の共振素子と前記他方の層の共振素子との間で共振するアンチシンメトリックモードでの共振周波数とシンメトリックモードでの共振周波数の２つの共振周波数で極小値を呈するように構成され、
前記積層された全ての層の前記共振素子は、同一形状で且つ同一寸法である
ことを特徴とする積層メタマテリアル基板。
【請求項２】
前記層を３層以上備え、
各層の共振素子との間で生じる１以上のアンチシンメトリックモードと１以上のシンメトリックモードにより得られる共振モードの数と等しい数の共振周波数で極小値を呈するように構成される
ことを特徴とする請求項１記載の積層メタマテリアル基板。
【請求項３】
前記共振素子に、容量素子、インダクタンス素子の少なくとも一方が設けられている
ことを特徴とする請求項１または２記載の積層メタマテリアル基板。
【請求項４】
前記容量素子、前記インダクタンス素子の少なくとも一方が、可変素子であり、パラメータを変えることにより、最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の差である周波数帯域あるいは最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の中間の周波数である中心周波数を変化させる
ことを特徴とする請求項３記載の積層メタマテリアル基板。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、同一形状の共振素子を周期的に配列することにより広い除去帯域を得る帯域除去基板技術に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
メタマテリアルは、波長に対し十分小さい微細な構造単位を周期的に配列し構成される構造体であり、その誘電率および透磁率を微細な構造単位および周期長の設計により変えることができ、完全レンズ、クローキング技術、アンテナ小型化等への応用が期待されている。メタマテリアルを構成する微小構造体の一例として共振素子があり、共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板は、電磁波の透過率を共振周波数で極小化する特徴を有し、その特徴を利用して帯域除去基板に応用することが考えられる（非特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００３】
【非特許文献１】N. R. Han, et. al., Optics Express, “Broadband multi-layer terahertz metamaterials fabrication and characterization on flexible substrates”, vol. 19, pp. 6990-6997, (2011).
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板は、上記のように帯域除去特性を有するが、共振周波数が１点であるので、除去帯域は狭帯域となる。
【０００５】
そこで、非特許文献１では、互いに形状の異なる共振素子を2次元に配列したメタマテリアル基板を積層することにより、除去帯域を広くする方法を提案する。
【０００６】
しかし、この方法では、共振素子の形状種類分のフォトマスクが必要となるため、フォトマスクの製造工程・取り替え工程など、製造コストが増加するという課題を有する。
【０００７】
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、メタマテリアル基板を用いた帯域除去基板に同一形状の共振素子を用いて広い除去帯域を得る技術を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記の課題を解決するために、本発明は、２つの層が積層された積層メタマテリアル基板であって、前記２つの層の一方の層は、基板に形成された同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、前記一方の層と異なる他方の層は、前記一方の層に層間距離を隔てて前記基板または別の基板に形成され、前記共振素子と同一形状の共振素子を基板の縦方向と横方向に規則的に配置し、前記積層メタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率が前記一方の層の共振素子と前記他方の層の共振素子との間で共振するアンチシンメトリックモードでの共振周波数とシンメトリックモードでの共振周波数の２つの共振周波数で極小値を呈するように構成され、前記積層された全ての層の前記共振素子は、同一形状で且つ同一寸法であることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、入射する電磁波の透過率が２つ以上の共振周波数で極小値を呈するので、同一形状の共振素子を用いた場合であっても、広い除去帯域を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本実施の形態に係る積層メタマテリアル基板１の利用形態を示す図である。
【図２】積層メタマテリアル基板１の分解図である。
【図３】積層メタマテリアル基板１を構成する基板１１（１２）の平面図である。
【図４】共振素子２の平面図である。
【図５】共振素子２の簡略化した等価回路の回路図である。
【図６】比較例として１層のみのメタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率の周波数特性を示す図である。
【図７】積層メタマテリアル基板１に入射する電磁波Ｗの透過率の周波数特性を示す図である。
【図８】積層メタマテリアル基板１におけるアンチシンメトリックモード（ω-）とシンメトリックモード（ω+）での周回電流を示す図である。
【図９】層間距離ｔを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。
【図１０】ギャップｇ、リングサイズｒを変化させた場合の２つの共振周波数を示す図である。
【図１１】ギャップｇ、リングサイズｒを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
図１は、本実施の形態に係る積層メタマテリアル基板１の利用形態を示す図である。図２は、積層メタマテリアル基板１の分解図である。図３は、積層メタマテリアル基板１を構成する基板１１（１２）の平面図である。
【００１３】
積層メタマテリアル基板１は、基板１１、１２を備え、各基板１１、１２には、同一形状の共振素子２が2次元に周期的に形成される。
【００１４】
基板１１の共振素子２を層といい、基板１２の共振素子２も同じく層というと、積層メタマテリアル基板１は、２つの層が積層された積層メタマテリアル基板であって、一方の層は、一方の基板１１に形成された同一形状の共振素子２を複数備え、他方の層は、一方の層に層間距離ｔを隔てて別の基板１２に形成され、同一形状の共振素子２を複数備えるものである。
【００１５】
例えば、基板１１における金属パターンのない面（裏面）に対し、基板１２の金属パターンのある面（表面）が接する。この場合、層間距離ｔは、基板厚さに等しく、例えば、１５０μｍである。
【００１６】
積層メタマテリアル基板１は帯域除去基板であり、各層（各基板）はメタマテリアル基板ともいう。
【００１７】
共振素子２は、基板上の金属パターンにより形成されるものであり、基板の縦方向と横方向に規則的に（例えば等間隔で）配置する。金属パターンの材料は、例えば銅であるが、他の材料を用いてもよい。共振素子２は同一形状なので、同じ基板を２枚製作し、これを基板１１、１２とすればよい。よって、基板のフォトマスクを共通化でき、その製造工程などを削減できる。
【００１８】
なお、金属パターンのない面同士（裏面同士）が接するようにしてもよい。または、基板１１の表裏に金属パターンを設け、基板１２を不要としてもよい。
【００１９】
ｋは電磁波Ｗの進行方向を示す軸、Ｈは電磁波Ｗの磁界変化の方向を示す軸、Ｅは電磁波Ｗの電界変化の方向を示す軸であり、他の図でも同じである。
【００２０】
積層メタマテリアル基板１は、入射する電磁波Ｗの全周波数帯域のうちの一部帯域（除去帯域という）だけ透過率を低下させるように構成される。
【００２１】
図４は、共振素子２の平面図である。図５は、共振素子２の等価回路の回路図である。
【００２２】
共振素子２は、例えば、リング状の金属パターンを有し、中央部にギャップｇが形成される。ギャップｇの部分がキャパシタンスＣ、リング状の部分がインダクタンスＬとして機能することで、積層メタマテリアル基板１は、電磁波Ｗと結合する。
【００２３】
ギャップｇが広いとキャパシタンスＣは小さく、共振周波数は高周波数の方向にシフトする。
【００２４】
リング状の部分の１辺の長さであるリングサイズｒが大きいとインダクタンスＬは大きく、共振周波数は低周波数の方向にシフトする。
【００２５】
共振素子２の並び方向とＥ軸方向（電界変化の方向）が平行である場合、共振素子２のパターン中の非対称性に起因して、共振素子２に周回電流が流れ、共振周波数において共振が発生し除去特性を有する。
【００２６】
共振素子２は、上記のように、リング形状であり、ギャップｇが形成され、入射する電磁波Ｗにより周回電流が流れることにより共振が発生する構造であれば、別の形状でもよい。
【００２７】
図６は、比較例として１層のみのメタマテリアル基板に入射する電磁波の透過率の周波数特性を示す図である。
【００２８】
ここでは、ギャップｇを２００μｍ、リングサイズｒを７００μｍ、共振素子２とその基台となる基板部分とを含めた単位構造体のサイズ（以下、単位構造体サイズという）を８００μｍ、金属パターンの厚さを１８μｍとした。基板の比誘電率は２．２とした。共振素子２の並び方向とＥ軸方向（電界変化の方向）は平行であり、基板面とｋ軸方向（電磁波の進行方向）は垂直であることとした。このような条件で、電磁波の透過率をシミュレーションで求めた。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が２．２の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を２．２としている。
【００２９】
この条件で透過率は、約７０ＧＨｚ（共振周波数）で極小値を１つ呈する。つまり、共振が発生する周波数は１つであるため、除去帯域は狭帯域となる。
【００３０】
図７は、積層メタマテリアル基板１に入射する電磁波Ｗの透過率の周波数特性を示す図である。図８は、積層メタマテリアル基板１におけるアンチシンメトリックモード（ω-）とシンメトリックモード（ω+）での周回電流を示す図である。
【００３１】
図７では、実線が積層メタマテリアル基板１のものであり、破線は図６に示した１層のみの場合のものである。
【００３２】
積層メタマテリアル基板１でも、ギャップｇを２００μｍ、リングサイズｒを７００μｍ、単位構造体サイズを８００μｍ、金属パターンの厚さを１８μｍとした。基板の比誘電率は２．２とした。層間距離ｔは、１５０μｍとした。このような条件で、電磁波の透過率をシミュレーションで求めた。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が２．２の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を２．２としている。
【００３３】
この条件で透過率は、アンチシンメトリックモード（ω-）での共振の共振周波数と、シンメトリックモード（ω+）での共振の共振周波数の２周波数で極小値を呈し、両周波数の間の帯域についても二つの共振モードの結合により、低透過率となる。つまり、除去帯域は、１層のみの場合よりも広くなる。
【００３４】
基板１１、１２の共振素子２が相互結合することにより、各共振素子２には、周回電流が流れる。
【００３５】
図８（ａ）に示すように、アンチシンメトリックモード（ω-）では、基板１１の共振素子２を流れる周回電流の向きと基板１２の共振素子２を流れる周回電流の向きが互いに異なる。よって、基板間では、斥力が発生する。
【００３６】
図８（ｂ）に示すように、シンメトリックモード（ω+）では、基板１１の共振素子２を流れる周回電流の向きと基板１２の共振素子２を流れる周回電流の向きが同じである。よって、基板間では、引力が発生する。
【００３７】
斥力と引力の発生により、アンチシンメトリックモード（ω-）とシンメトリックモード（ω+）では、エネルギー差が形成される。図７の共振周波数の違いは、このエネルギー差によるものと考えられる。
【００３８】
図９は、層間距離ｔを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。
【００３９】
図は、層間距離ｔを５０μｍ、２５０μｍ、５００μｍ、１０００μｍとした場合の各透過率と、１層のみの場合の透過率とを示す。ギャップｇは２００μｍ、リングサイズｒは７００μｍ、単位構造体サイズは８００μｍ、金属パターンの厚さは１８μｍとした。基板の比誘電率は２．２とした。なお、計算の簡略化のため、金属パターンは比誘電率が２．２の誘電体基板内部にあるとし、シミュレーション時の解析空間は比誘電率を２．２としている。
【００４０】
層間距離ｔが１０００μｍの場合の透過率は、２つの共振周波数で極小値を呈するが、周波数差が小さい。
【００４１】
しかし、層間距離ｔが単位構造体サイズより短い場合には、層間距離ｔが短くなるに従い、周波数差は広くなる。これは、上記のエネルギー差が大きくなるためである。
【００４２】
図１０は、ギャップｇ、リングサイズｒを変化させた場合の２つの共振周波数を示す図である。
【００４３】
層間距離ｔは、１５０μｍとした。アンチシンメトリックモード（ω-）での共振周波数とシンメトリックモード（ω+）での共振周波数の間隔は、つまり、除去帯域の帯域幅に対応するものであり、これは、リングサイズｒを変化させた場合よりも、ギャップｇを変化させた場合の方が大きく変化する。
【００４４】
一方、アンチシンメトリックモード（ω-）での共振周波数とシンメトリックモード（ω+）での共振周波数の中間点の周波数は、つまり、除去帯域の中心周波数であり、これは、ギャップｇを変化させた場合よりも、リングサイズｒを変化させた場合の方が大きく変化する。
【００４５】
よって、リングサイズｒは、所望の中心周波数（除去帯域の中心の周波数）に応じたものとし、ギャップｇは、所望の除去帯域の広さに応じたものとすればよい。つまり、共振素子２の形状が同じであっても、ギャップｇやリングサイズｒを変えることにより、様々な除去帯域の積層メタマテリアル基板１を得ることができる。
【００４６】
図１１は、ギャップｇ、リングサイズｒを変化させた場合の透過率の周波数特性を示す図である。
【００４７】
層間距離ｔは、１５０μｍで共通であるが、ギャップｇ、リングサイズｒを変えることで、除去帯域の広さや中心周波数の異なる様々な積層メタマテリアル基板１を得ることができる。
【００４８】
（変形例）
上記の実施の形態では、層数を２としたが、層数は３以上でもよい。層数を増やすことで、共振モードの数が増え、共振周波数の数を増やすことができる。これにより、層数が２の場合に比べ、除去帯域を広げることができる。また、除去帯域が重複している帯域においては透過率をより低くすることができる。
【００４９】
また、層数を増やすと、層間距離ｔが複数となるため、複数の層間距離ｔを異なる値となるよう積層構成としても良い。
【００５０】
また、積層メタマテリアル基板の各層の配置を、共振素子が配列されている面内方向に互いにずらして製造しても良い。例えば２層の積層メタマテリアル基板のうち１層を、図１のH方向にずらして積層すると、ずれが大きい程２つの共振モードの周波数差が大きくなる。
【００５１】
また、共振素子２におけるギャップｇの部分に容量素子（部品）を設けることで、ギャップｇの部分が同一形状であっても、ギャップｇの部分のキャパシタンスＣを変えることができる。容量素子のキャパシタンスを可変とすることで、積層メタマテリアル基板１の製造後であっても、ギャップｇの部分のキャパシタンスを変えられるので、製造後であっても、除去帯域を変えることができる。
【００５２】
また、リング状の部分にインダクタンス素子（部品）を設けることで、リングの形状が同一であっても、リング状の部分のインダクタンスＬを変えることができる。インダクタンス素子のインダクタンスを可変とすることで、積層メタマテリアル基板１の製造後であっても、リング状の部分のインダクタンスを変えられるので、製造後であっても、除去帯域を変えることができる。
【００５３】
また、キャパシタンスＣやインダクタンスＬなどのパラメータを変えることにより、最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の差である周波数帯域あるいは最も高い共振周波数と最も低い共振周波数の中間の周波数である中心周波数を変化させることができる。
【符号の説明】
【００５４】
１  積層メタマテリアル基板
２  共振素子
１１、１２  基板（メタマテリアル基板）
ｇ  ギャップ
ｒ  リングサイズ
ｔ  層間距離
Ｗ  電磁波
【図１】
0006379009.tif 000002
【図２】
0006379009.tif 000003
【図３】
0006379009.tif 000004
【図４】
0006379009.tif 000005
【図５】
0006379009.tif 000006
【図６】
0006379009.tif 000007
【図７】
0006379009.tif 000008
【図８】
0006379009.tif 000009
【図９】
0006379009.tif 000010
【図１０】
0006379009.tif 000011
【図１１】
0006379009.tif 000012