(57)【要約】  本発明の通信装置（１）は、電磁波を放射する電波放射源（１０）と、電波放射源（１０）の放射電波強度の小さくなる方向に配置された位相制御板（１１）と、位相制御板（１１）と略平行に置かれた偏波制御板（１２）と、を有する。位相制御板（１１）は、位相制御板（１１）上の第１の代表点からの距離に応じて透過する電磁波の位相が異なる。偏波制御板（１２）は、偏波制御板（１２）上の第２の代表点と偏波制御板（１２）の縁とを結ぶ代表線と、第２の代表点と偏波制御板（１２）上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角度に応じて、基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる。
2018096740.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電磁波を放射する電波放射源と、
前記電波放射源に近接して配置された位相制御板と、
前記位相制御板と略平行に置かれた偏波制御板と、を有し、
前記位相制御板は、前記位相制御板上の第１の代表点からの距離に応じて透過する電磁波の位相が異なり、
前記偏波制御板は、前記偏波制御板上の第２の代表点と前記偏波制御板の縁とを結ぶ代表線と、前記第２の代表点と前記偏波制御板上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角度に応じて、前記基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる通信装置。
【請求項２】
請求項１に記載の通信装置において、
前記位相制御板は、前記第１の代表点から前記位相制御板の縁に向かって、前記位相制御板の入射面と出射面の間の位相の遅れ量を減少させていく通信装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、前記代表線と前記基準線とのなす角度がθの線上にある前記基準点において、角度がθ／２方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ／２＋９０度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが１８０度異なっている通信装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、前記代表線と前記基準線とのなす角度がθの位置にある前記基準点において、角度がθ＋４５度方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ＋１３５度方向の直線偏波をの電磁波に対して与える位相遅れ量とが９０度異なっている通信装置。
【請求項５】
請求項１から４のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記位相制御板は、金属を含んで構成された複数種類の単位構造を２次元に並べて構成され、透過する電磁波の位相を同じ量だけずらす単位構造群が、前記第１の代表点の周りを囲んでいる通信装置。
【請求項６】
請求項１から５のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、金属を含んで構成された複数種類の単位構造を２次元に並べて構成され、透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群が、前記第２の代表点から放射状に配列されている通信装置。
【請求項７】
請求項１から６のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記位相制御板と前記偏波制御板は、ひとつの制御板である通信装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記位相制御板及び前記偏波制御板は、複数の金属パターン層で構成される通信装置。
【請求項９】
請求項８に記載の通信装置において、
前記金属パターン層は、メタサーフェスである通信装置。
【請求項１０】
請求項１から９のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源の動作周波数での波長をλとして、
前記電波放射源から距離１０λ以内の位置に位相制御板が置かれている通信装置。
【請求項１１】
請求項１から１０のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源は、放射電力に対して１／１０以上のパワーを前記位相制御板に供給する通信装置。
【請求項１２】
請求項１から１１のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源と、前記位相制御板との距離がＬ１であり、
前記電波放射源は、前記位相制御板の前記第１の代表点からＬ１／２離れた位置まで、パワーを供給できる通信装置。
【請求項１３】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略平行な平面に等方的な指向性を有する通信装置。
【請求項１４】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略垂直に配置されたダイポールアンテナであることを特徴とする通信装置。
【請求項１５】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略垂直に配置された線状導体と、前記線状導体と近接して前記位相制御板とは反対側に前記位相制御板と略平行に配置された導体板と、により構成されることを特徴とする通信装置。
【請求項１６】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の通信装置において、
開口に向けて径が徐々に大きくなるカップ形状の金属部材をさらに有し、
前記位相制御板は、前記開口に位置することを特徴とする通信装置。
【請求項１７】
請求項１から１２のいずれか１項に記載の通信装置において、
前記電波放射源は、ループアンテナである通信装置。
【請求項１８】
請求項５に記載の通信装置において、
透過する電磁波の位相を同じ量だけずらす単位構造群の中の単位構造間におけるずらす位相の量の差は、４５度以下である通信装置。
【請求項１９】
請求項６に記載の通信装置において、
透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群の中の単位構造間におけるずらす２軸間の位相遅れの差が、４５度以下である通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波放射源（例：ホーンアンテナ）とレンズ（例：誘電体レンズ）とを組み合わせて、高指向性を実現した通信装置（例：ミリ波アンテナ）が提案されている。当該通信装置では、高指向性を実現するためには、レンズの実効開口面積を大きくする必要がある。通常、この電波放射源と誘電体レンズを用いる構成では、電波放射源としてホーンアンテナが用いられる。ホーンアンテナでは、実効開口面積を大きくするには、電波放射源とレンズ間の距離を長くとらなければいけない。また、誘電体レンズ自身もそれなりの厚みを有する。結果として、全体の厚みが厚くなり、通信装置が大型化するという問題があった。【０００３】
上記問題を解決する技術として、特許文献１には、誘電体レンズを有するアンテナ装置が開示されている。当該誘電体レンズは、誘電体レンズが光軸を回転中心とする回転対称体をなし、１次放射器側とは反対側の面である表面が表面方向に膨らむ複数の同心円形状の表面側屈折面と、隣接する表面側屈折面同士の間をつなぐ段差面とからなる。当該段差面は、焦点から１次放射器に面する裏面の任意の位置に入射してレンズ内部を進む主光線に対して±２０度の範囲内の角度をなし、表面側屈折面を通る主光線の裏面における位置にゾーニングによる複数の同心円形状の曲面を設けている。こうした形状を用いることにより、実効開口面分布を変えることなくゾーニングを可能とし、レンズ部分の薄型化を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４０７９１７１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１に記載の技術によれば、レンズ部を薄型化できるが、電波放射源とレンズ間距離は削減できない。また、レンズの加工精度が上がり、コスト増加を招く等の問題を引き起こす。【０００６】
本発明は、通信装置の薄型化を実現することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によれば、
電磁波を放射する電波放射源と、
前記電波放射源に近接して配置された位相制御板と、
前記位相制御板と略平行に置かれた偏波制御板と、を有し、
前記位相制御板は、前記位相制御板上の第１の代表点からの距離に応じて透過する電磁波の位相が異なり、
前記偏波制御板は、前記偏波制御板上の第２の代表点と前記偏波制御板の縁とを結ぶ代表線と、前記第２の代表点と前記偏波制御板上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角度に応じて、前記基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる通信装置が提供される。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、通信装置の薄型化が実現される。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１０】
【図１】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【図２】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図３】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図４】単位構造の並べ方の一例を説明するための図である。
【図５】単位構造の並べ方の一例を説明するための図である。
【図６】単位構造の並べ方の一例を説明するための図である。
【図７】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図８】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図９】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１０】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１１】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１２】金属パターンの一例で実現される等価回路図である。
【図１３】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１４】金属パターンの一例で実現される等価回路図である。
【図１５】金属パターンの一例で実現される等価回路図である。
【図１６】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１７】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図１８】単位構造の一例を説明するための図である。
【図１９】単位構造の一例を説明するための図である。
【図２０】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図２１】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図２２】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図２３】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図２４】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図２５】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図２６】金属パターンの一例を説明するための図である。
【図２７】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【図２８】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図２９】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【図３０】本実施形態の通信装置の機能を説明するための図である。
【図３１】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【図３２】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【図３３】単位構造の並べ方の一例を説明するための図である。
【図３４】単位構造の一例を説明するための図である。
【図３５】本実施形態の通信装置の全体模式図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１に、本実施形態の通信装置１の模式図を示す。通信装置１は、例えばアンテナ装置（例：ミリ波アンテナ）である。図示するように、通信装置１は、電波放射源１０と、制御板（互いに略平行におかれた位相制御板１１及び偏波制御板１２）と、を有する。図中、矢印Ａで電磁波の進行方向を示している。本実施形態の、電波放射源１０は、位相制御板１１と略平行な平面（ｘｙ平面）において等方的（無指向性）であり高い指向性を持つ。電波放射源１０の持つこの指向性の特徴により、電波放射源１０より放射された電波は、ｚ方向の距離を必要とせず、大きく広がることができる。そのため、電波放射源１０は近接した位相制御板１１に対し、広い範囲にパワーを供給できる。
【００１２】
位相制御板１１は電波放射源１０の電波放射強度が無指向性となる面と略平行に、電波放射源１０に近接して配置される。このとき、近接とは、電波放射源１０の動作周波数における電磁波の波長をλとしたとき、１０λ以内、より望ましくは、８λもしくは５λ以内である。
【００１３】
位相制御板１１は、電波放射源１０との距離Ｌ１に対し、径がＬ１／２以上、より望ましくはＬ１以上となっている。そして、電波放射源１０は、位相制御板１１の第１の代表点（第１の代表点の定義は後述する）からＬ１／２離れた位置まで、パワーを供給できる指向性特徴を備える。
【００１４】
ここで、「パワーを供給できる」とは、電波放射源１０の放射電力に対して、たとえば１／１０以上のパワーを位相制御板１１に供給できていることを言う。仮に、電波放射源１０として、通常用いられるようなｚ方向に電波を放射するアンテナを用いた場合、電波放射源１０と位相制御板１１を近づけると、位相制御板の中心付近にしかパワーが当たらず、実効開口面積が小さくなってしまい高指向性のビームを形成することができない。本実施形態の電波放射源１０は、ｘｙ面内において、等方的かつ強い指向性を有するため、電波はｘｙ面内方向、つまり位相制御板１１の面内方向に広がるため、電波放射源１０と位相制御板１１が近接しておかれた場合にも、位相制御板１１の広い範囲にパワーを供給することができる。この特徴により、通信装置１の薄型化が達成される。高指向性のビームを形成するために、電波放射源１０から放射された電磁波のうち位相制御板１１に入射した電磁波の位相を、位相制御板１１により揃える。位相制御板１１により、図中上方向（ｚ軸正方向）に進行する高指向性のビームを形成する。さらに、位相制御板１１に入射する電磁波の偏波状態は場所により異なるため、偏波状態をそろえる必要がある、この役割は偏波制御板１２により達成される。位相制御板１１により位相が揃えられた電磁波のうち偏波制御板１２に入射した電磁波の偏波状態は、偏波制御板１２により、揃えられる。
【００１５】
電磁波の偏波面は電磁波の進行方向に直交するため、ｘｙ平面（位相制御板１１と略平行な平面）において等方的な指向性を持つ電波放射源１０は、ｘｙ面内において電場もしくは磁場がｚ軸を中心軸として放射状に分布するような電磁波を放射することとなる。図２、図３にｘｙ平面内において等方的な指向性を持つアンテナの一例として、ダイポールアンテナの電場の様態を示す。例えば、電波放射源１０として、位相制御板１１に対して（延伸方向が）略垂直に配置されたダイポールアンテナを用いることができる。ダイポールアンテナの電場Ｅはダイポールアンテナを含むｙｚ面内において、図２のように分布し、その中で、たとえばＡ−Ａ´断面を抜き出すと電場Ｅは図３のように分布している。つまり、電場Ｅは放射状に分布していることがわかる。このままの偏波状態では、位相制御板１１で電磁波の位相をそろえてｚ軸正方向へ進む高指向性のビームを形成したとしても、ビームの中心（ダイポールアンテナの直上）軸上では、動径方向に向いた電場ベクトルが重なりあうため、干渉の結果、ビームの中心に電場強度分布の穴が生じてしまう。そのため、本実施形態つまりは薄型で、高指向性のアンテナを提供するには、電磁波の偏波をそろえることが望ましく、偏波制御板１２によりこの機能は達成される。つまり、電波放射源１０から放射された電磁波の放射状の偏波は、位相制御板１１を透過することで位相が揃えられ、偏波制御板１２を透過することにより、単一の偏波に揃えられることになる。
【００１６】
以下、位相を揃える位相制御板１１の実現方法の例、偏波を揃える偏波制御板１２の実現方法の例について説明する。
【００１７】
まず、位相を揃える方法について説明する。電波放射源１０から最も近い位相制御板１１上の点を第１の代表点とする。電波放射源１０からの第１の代表点に到達した電波は、最も短い光路長で、第１の位相制御板１１に到達している。電波放射源１０から位相制御板１１に到達する電波は、地点により異なる長さの光路長をたどり到達するため、位相制御板１１は当該第１の代表点からの距離に応じて異なる位相遅れを与えるように形成される。第１の代表点は、位相制御板１１の表面の中心付近とするのが好ましい。
【００１８】
位相制御板１１は、例えば、位相制御板１１上の第１の代表点からの距離に応じて異なる位相遅れを与える単位構造を配列することにより構成することができる。「第１の代表点」は、位相制御板１１の表面（電波放射源１０と対向する面）上の点である。「第１の代表点からの距離」は、上記表面上における第１の代表点からの距離である。具体的には、位相制御板１１は、第１の代表点から位相制御板の縁に向かって小さい位相の遅れ量を与えるように構成される。上記記載は、位相範囲を３６０度の範囲に限定しないと想定して記載している。位相遅れ量とは、位相制御板１１の入射面（電波放射源１０と対向する面）と出射面（電波放射源１０と対向する面と逆の面）との間の位相差のことを言う。当該機能は、例えば、互いに性能が異なる複数種類の単位構造を所定の順で配列することで実現される。以下、説明する。
【００１９】
上記機能を実現する位相制御板１１は、透過する電磁波に対して同じ位相遅れを与える単位構造群が、第１の代表点の周りを囲んでいる。そして、透過する電磁波に対して互いに異なる位相遅れ量を与える複数種類の単位構造群各々が、第１の代表点の周りを囲んでいる。なお、「同じ量」とは完全に一致するもの及び誤差（例：加工誤差、エッチング誤差等に起因する位相遅れ量のばらつき）を含む概念である。透過する電磁波の位相を同じ量だけずらす単位構造群の中の単位構造間におけるずらす位相の量の差は、例えば４５度以下、より望ましくは３０度もしくは１５度以下である。
【００２０】
位相制御板１１と、電波放射源１０の等方的指向性を持つ面が略平行の場合、透過する電磁波に対して同じ位相遅れを与える単位構造群が、第１の代表点を中心として円状に並んでいる。そして、透過する電磁波に対して互いに異なる位相遅れを与える複数種類の単位構造群が、第１の代表点を中心として同心円状に並んでいる。
【００２１】
例えば、図４、図５及び図６に示すように並べられた複数の単位構造２０各々に対して基準点を定め（例：単位構造２０の中心）、各単位構造２０に対して基準点と第１の位相制御板１１の第１の代表点Ｃとの距離Ｎを算出する。そして、Ｎの値に応じて、複数の単位構造をグループ化する。例えば、ｎ０≦Ｎ≦ｎ１、ｎ１＜Ｎ≦ｎ２、ｎ２＜Ｎ≦ｎ３・・・の複数の数値条件各々を満たす単位構造２０を同じグループとしてもよい。そして、同じグループの複数の単位構造２０の構成及び特性を同じものとする。これにより、上記円状及び同心円状の並びを実現できる。
【００２２】
なお、ｎ０≦Ｎ≦ｎ１、ｎ１＜Ｎ≦ｎ２、ｎ２＜Ｎ≦ｎ３・・・と、Ｎの値が大きくなるにつれて、位相制御板１１に入射する電波の位相に対して、位相制御板１１を透過する電波の位相の遅れ量を減少させるように各グループの単位構造の特性を決定することができる。このとき、位相の遅れ量を第１の基準値からスタートし、Ｎの値が大きくなるにつれて位相の遅れ量を所定量ずつ小さくしていく。
【００２３】
位相制御板１１は、たとえば、メタサーフェス（メタマテリアルの概念を用いて構成された人工的なシート状物質）であり、１または複数の層で構成された金属パターン層を備える。位相制御板１１が複数の層で構成される場合、複数の層各々が金属パターンを有する。なお、金属パターン以外の部分は、例えば誘電体が存在する。
【００２４】
金属パターン層が有する金属パターンは、金属を含んで構成された複数種類の単位構造を、一定の規則を持って又はランダムに２次元に並べた構造となっている。単位構造の大きさは、電磁波の波長に比べて十分に小さい。このため、単位構造の集合は、電磁的な連続媒質として機能する。金属パターンの構造により透磁率及び誘電率を制御することで、屈折率（位相速度）及びインピーダンスを独立して制御できる。真空のインピーダンス値と位相制御板のインピーダンス値を整合させながら（つまりは、無反射条件を保ちながら）、位相定数を制御することにより、位相制御板中で遅れる位相シフト量を制御することができ、電波放射源１０から放射され位相制御板１１に入射した電磁波の位相を位相制御板１１内で揃えることができる。
【００２５】
なお、本実施形態の位相制御板１１は、誘電体レンズで実現してもよい。
【００２６】
次に偏波を揃える方法について説明する。すなわち偏波を揃える偏波制御板１２の実現方法の例について説明する。電波放射源１０から電波放射源１０の等方的な指向性を持つ面に対して垂直方向に、電波放射源１０の電波放射点から引いた垂線と、偏波制御板１２の交差する点を第２の代表点とし、第２の代表点から偏波制御板１２の縁に向かって引いた線を代表線とする。この様子を図２１に示す。偏波制御板１２は、偏波制御板１２上のある地点（基準点）を点Ｆとしたとき、点Ｆと第２の代表点とを結ぶ線（基準線）が、代表線となす角度（図２１中の角度θ）に応じて、異なる偏波状態制御を与えるように形成される。第２の代表点は、偏波制御板１２の表面の中心付近とするのが望ましい。
【００２７】
偏波制御板１２は、たとえば、偏波制御板１２上の第２の代表点から偏波制御板１２面内において異なる偏波状態制御を与える単位構造を所定の順で配列することにより実現できる。電磁波の偏波を制御するには、直交する２つの偏波成分の位相遅れ量の差を制御することができればよい。
【００２８】
偏波制御板１２は、例えば、偏波制御板１２上の代表線からの角度に応じて異なる位相遅れを与える単位構造を配列することにより構成することができる。「代表線」は、偏波制御板１２の表面（電波放射源１０と対向する面）上の線である。「代表線からの角度」は、上記表面上における代表線と、点Ｆ及び第２の代表点を結ぶ線（基準線）とがなす角度である。具体的には、放射状の偏波状態を一方向にそろった直線偏波状態に変換する際には、偏波制御板１２は、代表線からの角度θに対して、角度θ／２方向に与える位相遅れ量と、角度（θ／２＋９０）度方向に与える位相遅れ量とが、１８０度（π／２）異なっているような特性を有する単位構造が配列されることにより構成される（図２２参照）。位相遅れ量とは、偏波制御板１２の入射面（電波放射源１０と対向する面）と出射面（電波放射源１０と対向する面と逆の面）との間の位相差のことを言う。また、放射状の偏波状態を同一の円偏波へ変換する際には、偏波制御板１２は、代表線からの角度θに対して、角度（θ＋４５）度方向に与える位相遅れ量と、角度（θ＋１３５）度方向に与える位相遅れ量とが、９０度（π／４）もしくは−９０度（−π／４）異なっているような特性を有する単位構造が配列することにより構成される。当該機能は、互いに性能が異なる複数種類の単位構造を所定の順で配列することで実現される。以下、説明する。
【００２９】
上記機能を実現する偏波制御板１２は、透過する電磁波に対して偏波状態を制御する単位構造群が、第２の代表点の周りを囲んでいる。そして、透過する電磁波に対して互いに異なる偏波状態制御を与える複数種類の単位構造群各々が、第２の代表点の周りを囲んでいる。なお、「同じ偏波状態制御」とは完全に一致するもの及び誤差（例：加工誤差、エッチング誤差等に起因する偏波状態制御量のばらつき）を含む概念である。偏波状態の制御は、上記したとおり、偏波制御板１２と略平行な平面内で直交する２軸の位相制御量が異なることによりなされる。２軸の位相制御量の差がばらつくことによって、偏波状態制御量にばらつきが生じる。なお、透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群の中の単位構造間におけるずらす２軸間の位相遅れの差は、例えば４５度以下、より望ましくは３０度もしくは１５度以下である。
【００３０】
偏波制御板１２と、電波放射源１０の等方的指向性を持つ面が略平行の場合、透過する電磁波に対して同じ偏波状態制御を与える単位構造群が、第２の代表点から、偏波制御板１２の縁方向に引いた直線状に並んでいる。そして、透過する電磁波に対して互いに異なる偏波状態制御を与える複数種類の単位構造群が、第２の代表を中心として放射状に並んでいる。なお、透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群の中の単位構造間におけるずらす２軸間の位相遅れの差は、例えば４５度以下、より望ましくは３０度もしくは１５度以下である。
【００３１】
例えば、図３３に示すように並べられた複数の単位構造３０各々に対して基準点を定め（例：単位構造３０の中心）、各単位構造３０に対して、基準点と第２の代表点Ｄとを結ぶ直線（基準線）と、偏波制御板１２の代表線Ｅとのなす角θを算出する。ここでなす角θとは、例えば、基準線と代表線Ｅのなす角度のうち、基準線から時計周りと反対方向にはかった角度のことである。そして、θの値に応じて、複数の単位構造をグループ化する。例えば、ｍ０≦θ≦ｍ１、ｍ１＜θ≦ｍ２、ｍ２＜θ≦ｍ３・・・の複数の数値条件各々を満たす単位構造３０を同じグループとしてもよい。そして、同じグループの複数の単位構造３０の構成及び特性を同じものとする。これにより、上記放射状の並びを実現できる。
【００３２】
なお、ｍ０≦θ≦ｍ１、ｍ１＜θ≦ｍ２、ｍ２＜θ≦ｍ３・・・と、θの値に応じて、偏波制御板１２の単位構造の速軸（単位構造の異なる位相遅れを与える直交する２軸のうち、位相の遅れ量が小さいほうの軸）の方向を決定することができる。このとき、偏波制御板１２を通過後の偏波状態を直線偏波に揃える際には、速軸の方向を、θに対して、θ／２とする。このとき遅軸の方向（単位構造の異なる位相遅れを与える直交する２軸のうち、位相の遅れ量が大きいほうの軸）は、θ／２＋９０度であり、速軸と遅軸の間の位相遅れ量の差は、１８０度である。偏波制御板１２を通過後の偏波状態を円偏波に揃える際には、速軸の方向をθにたいして、（θ＋４５）度とする。このとき、遅軸の方向は、θ＋１３５度であり、速軸と遅軸の間の位相遅れ量の差は、９０度である。上記の２軸は、直交していることが望ましいが、必ずしも直交している必要はなく、ある程度の誤差を含む概念である。たとえば、速軸と遅軸がなす角度が９０度±４５度以内、より望ましくは９０度±３０度以内もしくは９０度±１５度以内であればよい。
【００３３】
偏波制御板１２は、たとえば、メタサーフェス（メタマテリアルの概念を用いて構成された人工的なシート状物質）であり、１または複数の層で構成された金属パターン層を備える。偏波制御板１２が複数の層で構成される場合、複数の層各々が金属パターンを有する。なお、金属パターン以外の部分は、例えば誘電体が存在する。
【００３４】
ここで、位相制御板１１及び偏波制御板１２を実現するメタサーフェスの一例を説明する。なお、以下で示す例示はあくまで一例であり、これに限定されない。
【００３５】
まず、図７を参照し、透磁率を制御する金属パターン層の構造の一例を説明する。図７は、いわゆるスプリットリング共振器の構造を示す図である。透磁率を制御する金属パターン層は、２つの層で構成された金属パターン層で構成される。図中のｘｙ面に金属パターン層が延在している。図中のｚ方向が、２つの層の積層方向である。下側の層には、線状又は板状の金属が形成される。上側の層には、互いに分離した２つの線状又は板状の金属が形成される。そして、上側の２つの金属各々は、例えばビアを介して下側の層の同じ金属に接続される。図示するように、下側の１つの金属と、上側の２つの金属と、２本のビアとは、ｘ方向から観察すると一部が開口した環状の金属（スプリットリング）となるように、互いに接続される。図７では、このようなスプリットリング構造がｙ方向に並んでいる様子が示されている。スプリットリング構造は、ｘ方向に並んでいてもよい。
【００３６】
当該構造においてｘ方向に成分を持った磁場Ｂinがかかると、スプリットリングに沿って、環状の電流Ｊindが流れる。スプリットリングは、直列ＬＣ共振器の回路モデルで記述される。環状の金属の太さ・広さおよび周方向の長さを調整することで、直列ＬＣ共振器を構成するインダクタンスＬを調整できる。また、環状の金属の開口部分（図１２中の波線で囲まれた部分）の幅や、金属の線幅等を調整することで、キャパシタンスＣを調整できる。このＬ及びＣを調整することで、電流Ｊindを調整できる。そして、電流Ｊindを調整することで、これにより生じる磁場を調整できる。つまり、透磁率の制御が可能となる。一方、ｙ方向に成分を持った磁場Ｂinがかかっても、スプリットリングに電流は流れず透磁率は制御されない。つまり、磁場の向きに応じて透磁率の制御が行われるため、偏波依存性を持って透磁率の制御ができる。そのため、図７に示す構造は、位相を制御する位相制御板１１だけでなく、偏波を制御する偏波制御板１２を構成する構造としても用いられることができる。
【００３７】
図８を参照し、透磁率を制御する金属パターン層の構造の他の一例を説明する。透磁率を制御する金属パターン層は、２枚の金属パターン層を互いに異なる層に対向して配置して構成される。図中のｘｙ面に平行な面に２枚の金属パターン層が延在している。金属パターン層は、インピーダンス（アドミタンス）を制御するために金属パターンを備えている。２つの金属パターン層の間に、２つの金属パターン層に平行な成分を持った磁場Ｂinがかかると、２つの金属パターン層には、互いに逆向きの電流Ｊindが流れる。磁場Binにより、誘起される電流は、必ず対向して流れるため、等価的に環状電流とみなせ、磁場を誘起することができる。２つの金属パターン層のアドミタンス値を調整することで、電流Ｊindを調整できる。そして、電流Ｊindを調整することで、これにより生じる磁場を調整できる。つまり、透磁率を制御できる。金属パターン層のアドミタンスの調整は、金属パターン層の金属パターンより形成されるインダクタンスＬやキャパシタンスＣを調整することで実現できる。
【００３８】
このときに、アドミタンスＹ１が偏波依存性（面内における方向依存性）を持っていれば、図８に示す金属パターン層は、偏波制御板１２を構成する構造として用いることができる。たとえば、図８のｘ方向に磁場Ｂinが印加されたときには、金属パターン層上に、磁場と直交する方向（ｙ方向）に電流がながれ、透磁率の制御がなされる。図８のy方向に磁場Ｂinが印加されたときには、金属パターン層上に磁場と直交する方向、ｘ方向に電流がながれ、透磁率の制御がなされる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して、異なるアドミタンス値を持つように、金属パターンを調整することによって、偏波依存性を持たせて透磁率を制御することができる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して、異なるアドミタンス値を持たせることは、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで実現できる。そのため、二枚のアドミタンス値が制御された金属パターン層を、偏波制御板１２を構成する方向依存性を持って透磁率を制御する構造として用いることができる。
【００３９】
次に、図９を参照し、誘電率を制御する金属パターン層の構造の一例を説明する。誘電率を制御する金属パターン層は、１枚の金属パターン層で構成される。図中のｘｙ面に金属パターン層が延在している。金属パターン層は、インピーダンス（アドミタンス）を制御するために金属パターンを備えている。図９に示すような向きの電場Ｅinにより、金属パターン層のアドミタンス調整面の２点間に電位差が誘起する。この電位差により流れる電流Ｊindを、金属パターン層のアドミタンス値を調整することで調整し、これにより生じる電場を調整できる。つまり、誘電率が制御できる。
【００４０】
このときに、アドミタンスＹ１が、偏波依存性を持っていれば、偏波制御板１２の構成構造として用いることができる。たとえば、図９のｙ方向に電場Ｅinが印加されたときには、上記したように、金属パターン層上に、電場と平行な方向（ｙ方向）に電流がながれ、誘電率の制御がなされる。図９のｘ方向に電場Ｅinが印加されたときには、金属パターン層上に電場と平行な方向、ｘ方向に電流がながれ、誘電率の制御がなされる。y方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して、異なるアドミタンス値を持つように、金属パターンを調整することによって、偏波依存性を持たせて誘電率を制御することができる。ｙ方向に流れる電流とｘ方向に流れる電流に対して、異なるアドミタンス値を持たせることは、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで実現できる。そのため、一枚のアドミタンス値が制御された金属パターン層を、偏波制御板１２を構成する方向依存性を持って誘電率を制御する構造として用いることができる。
【００４１】
上記より、２層の金属パターン層により、透磁率が制御され、１層の金属パターン層により、誘電率が制御されることがわかる。また、金属パターン層の金属パターンをｘ方向、ｙ方向とで異なるパターンとすることで、偏波依存性を持って透磁率、誘電率を制御できることがわかる。インピーダンス、位相定数は、誘電率、透磁率を用いて、下記式（１）及び（２）で与えられる。これより、誘電率、透磁率を制御することにより、真空のインピーダンス値と位相制御板のインピーダンス値を整合させながら（つまりは、無反射条件を保ちながら）、位相定数を制御することにより、位相制御板中で遅れる位相シフト量を制御することができる。更に、上記したように、これらの制御された誘電率(εeff)、透磁率（μeff）は、金属パターン層の面内における方向によって、異なる値を持つことができる。そのため、偏波を制御することができる。
【００４２】
【数１】
2018096740.tif 000003
【００４３】
【数２】
2018096740.tif 000004
【００４４】
ここで、アドミタンスを制御する金属パターンの一例を説明する。図１０に、金属パターンの一例を示す。図示するように、１つの金属パターン層に複数の単位構造各々に対応する金属パターンが設けられている。当該単位構造の金属パターンは、ｘ軸方向に伸びるインダクタンスＬ及びｙ軸方向に伸びるインダクタンスＬの組み合わせとみなすことができる。複数の単位構造は、各々の単位構造を構成する金属の線の幅等が互いに異なっている。このように、地点ごとに異なる金属パターンを形成することにより、地点ごとに異なるアドミタンスを実現することが可能となる。
【００４５】
ここで、アドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。アドミタンス値をキャパシタンスからインダクタンスへと広い範囲にわたって制御するには、共振回路の利用が考えられ、図１１に示すのは、直列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図１１（１）に示す金属パターンは、ｘ軸と同一の方向に配置された直線状の金属（単位構造）を複数並べて構成される。当該直線状の金属は、その両端の線幅が、他の部分よりも広くなっており、ｘ軸方向に隣り合うパターンとの間にキャパシタンスを形成する。なお、必ずしも両端が広くなっている必要はなく、隣り合うパターンとの間に必要なキャパシタンス値が確保できれば、直線状部と同一の太さや、直線状部よりも細くなっていてもよい。
【００４６】
図１１（２）は、ｘ軸と同一の方向および垂直な方向各々に一辺を備える四角の環状の金属（単位構造）を複数並べた金属パターンの構成を示す図である。図１１（３）は、電場Ｅと同一の方向および垂直な方向各々に一辺を備える四角の島状の金属（単位構造）を複数並べた金属パターンの構成を示す図である。図１１（４）は、電場Ｅと同一の方向および垂直な方向に一辺を備える十字形状の金属（単位構造）を複数並べた金属パターンの構成を示す図である。
【００４７】
なお、図１１（２）乃至（４）の金属パターンは、電場Ｅの向きが図中ｘｙ面内の任意の方向になった場合も同様に作用する構成となっている。このときの２次元的な等価回路は図１２のように示される。
【００４８】
ここで、アドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図１３に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図１３（１）は、図１１（１）に示す金属パターンにおける複数の直線状の金属の各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ金属パターンの構成を示す図である。図１３（２）は、図１１（２）に示す金属パターンにおける複数の四角の環状の金属の各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ金属パターンの構成を示す図である。図１３（３）は、図１１（３）に示す金属パターンにおける複数の四角の島状の金属の各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ金属パターンの構成を示す図である。図１３（４）は、図１１（４）に示す金属パターンにおける複数の十字形状の金属の各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ金属パターンの構成を示す図である。図１３（１）乃至（４）において、図１１（１）乃至（４）に示した内部金属を囲む複数の環状の金属は、隣り合う環状の金属と一辺を共有している。
【００４９】
図１３（１）乃至（４）に示される金属パターンは、環状の金属により形成されるインダクタンスＬと、環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣ、環状の金属の内部にある金属パターンにより形成されるインダクタンスＬ、環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣがこの順に図中縦方向に直列に繋がった直列共振器部分と、により並列共振回路として振舞う。このうち、Ｃ、Ｌ、Ｃが直列につながった直列共振器部分は、直列共振器の共振周波数までは、キャパシタとして動作する。このため、図１３（１）乃至（４）はいずれも、図１４に示す等価回路に帰着する。すなわち、図１３（１）乃至（４）の金属パターンは、いずれも図１４に示す関係の等価回路、つまりは並列共振回路を実現している。
【００５０】
なお、図１３（２）乃至（４）の金属パターンは、電場Ｅの向きが図中ｘｙ面内の任意の方向になった場合も同様に作用する構成となっている。このときの２次元的な等価回路は図１５のように示される。
【００５１】
図１１及び図１３に示された金属パターンは、同じ形状の単位構造を複数並べて構成されているが、金属線の長さ、金属線の太さ、金属線間の間隔、金属部分の面積等が互いに異なる複数種類の単位構造を並べることができる。
【００５２】
上記金属パターン層を設計する際に、キャパシタ部は、例えばインターデジタルキャパシタ等としてＣを大きくできる。また、インダクタ部は、例えばミアンダインダクタ、スパイラルインダクト等としてＬを大きくできる。図１６に、図１１（４）及び図１３（４）における十字形状の金属の変形例を示す。図１７に、図１１（４）における十字形金属の変形例を示す。図１６では、直線状の金属パターンが、ミアンダ形状となることにより、Ｌが大きくなる効果が、図１７では、対向する金属パターンがインターデジタル状になることにより、Ｃが大きくなる効果が期待できる。
【００５３】
次に、単位構造の例を図１８及び図１９を用いて説明する。図１８および図１９の単位構造は、上述のような金属パターンを有する層を複数積層して形成される。図では、３つの層を積層して形成される単位構造の一例を示している。すなわち、３つの積層された金属パターンの組み合わせにより、単位構造が形成される。なお、３層構造はあくまで一例であり、金属パターン層は４層以上で構成されてもよい。また、空気とのインピーダンス整合によるロスが増加する懸念はあるが、金属パターン層は、１層もしくは２層で構成されていてもよい。金属パターン層の単位構造は、図１８および図１９に示されるように、複数種類の金属パターンで構成されてもよい。
【００５４】
図１８は、並列共振器タイプの単位構造２０の一例を示す。図１８（１）の単位構造２０は、第１の層の金属パターン２１と、第２の層の金属パターン２２と、第３の層の金属パターン２３とにより構成されている。第１の層の金属パターン２１は、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。外周金属と内部金属とは絶縁している。第２の層の金属パターン２２は、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。十字形状を形成する２本の直線金属の各先端の線幅は広がっている。また、外周金属と内部金属とは絶縁している。第３の層の金属パターン２３は、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。外周金属と内部金属とは絶縁している。第１の層の金属パターン２１乃至第３の層の金属パターン２３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。
【００５５】
図１８（２）の単位構造２０も、第１の層の金属パターン２１と、第２の層の金属パターン２２と、第３の層の金属パターン２３とにより構成されている。第１の層の金属パターン２１は、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。外周金属と内部金属とは絶縁している。第２の層の金属パターン２２は、外周を囲う外周金属を含む。第３の層の金属パターン２３は、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。外周金属と内部金属とは絶縁している。第１の層の金属パターン２１乃至第３の層の金属パターン２３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。
【００５６】
図１９は、直列共振器タイプの単位構造２０の一例である。図１９（１）の単位構造２０は、第１の層の金属パターン２１と、第２の層の金属パターン２２と、第３の層の金属パターン２３とにより構成されている。第１の層の金属パターン２１は、十字形状の金属を含み、十字形状を形成する２本の直線金属の各先端の線幅が広がっている。第２の層の金属パターン２２は、四角形状の環状の金属を含む。第３の層の金属パターン２３は、十字形状の金属を含み、十字形状を形成する２本の直線金属の各先端の線幅が広がっている。第１の層の金属パターン２１乃至第３の層の金属パターン２３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。
【００５７】
図１９（２）の単位構造２０も、第１の層の金属パターン２１と、第２の層の金属パターン２２と、第３の層の金属パターン２３とにより構成されている。第１の層の金属パターン２１、第２の層の金属パターン２２、及び、第３の層の金属パターン２３いずれも、四角形状の環状の金属を含む。第１の層の金属パターン２１乃至第３の層の金属パターン２３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。
【００５８】
次に、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの一例を説明する。アドミタンス値をキャパシタンスからインダクタンスへと広い範囲にわたって制御するには、共振回路の利用が考えられ、図２３に示すのは、直列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図示する金属パターンは、ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属で十字形状を形成した構造を複数並べた金属パターンを示す図である。ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属各々は、インダクタンスＬを形成する。また、ｘ軸方向に伸びる金属およびｙ軸方向に伸びる金属各々は、両端の線幅が他の部分よりも広くなっており、ｘ軸方向及びｙ軸方向に隣り合うパターンとの間にキャパシタンスＣを形成する。これにより、ｘ軸方向の直列共振器及びｙ軸方向の直列共振器が形成される。
【００５９】
なお、ｘ軸方向の直列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値と、ｙ軸方向の直列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値とは互いに異なるようなパターンとなっている。このため、ｘ軸方向のアドミタンス値とｙ軸方向のアドミタンス値とは互いに異なる。
【００６０】
ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図２４に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図２４は、図２３に示す十字形状の構造各々を、ｘ軸及びｙ軸と同一の方向に一辺を備える環状の金属で囲んだ金属パターンの構成を示す図である。複数の環状の金属は、隣り合う環状の金属と一辺を共有している。
【００６１】
図２４に示される金属パターンは、環状の金属により形成されるインダクタンスＬと、環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣ、環状の金属の内部にある金属パターンにより形成されるインダクタンスＬ、環状の金属と環状金属の内部にある金属パターンが隣接して形成されるキャパシタンスＣがこの順に直列に繋がった直列共振器部分と、により並列共振回路として振舞う。このうち、Ｃ、Ｌ、Ｃが直列につながった直列共振器部分は、直列共振器の共振周波数までは、キャパシタとして動作する。このような並列共振回路が、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して形成される。
【００６２】
なお、ｘ軸方向の並列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値と、ｙ軸方向の並列共振器を構成するインダクタンスＬ及びキャパシタンスＣの値とは互いに異なるようなパターンとなっている。このため、ｘ軸方向のアドミタンス値とｙ軸方向のアドミタンス値とは互いに異なる。そのため、偏波制御板１２を構成する方向依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンとして用いられることができる。ｘ軸方向とｙ軸方向の位相遅れ量の差が、１８０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、図２４に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが０度、１８０度の位置に配置されることが想定される。ｘ軸方向とｙ軸方向の位相遅れ量の差が、９０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、以下で説明する図２５に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが４５度、１３５度、２２５度、３１５度の位置に配置されることが想定される。
【００６３】
ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図２５に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図２５の金属パターンは、環状金属の内部に位置する十字形状の金属の向きが異なる点で、図２４の金属パターンと異なる。その他の構成は同様である。
【００６４】
図２４では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ軸方向及びｙ軸方向に伸びていたが、図２５では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ´軸方向及びｙ´軸方向に伸びている。ｘ´軸方向及びｙ´軸方向は、各々、ｘ軸方向及びｙ軸方向をｚ軸周りに４５度回転した方向である。このため、図２４では、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成されたが、図２５では、ｘ´軸方向及びｙ´軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成される。そのため、ｘ´軸方向とｙ´軸方向に異なる位相遅れ量を生じる金属パターンとして用いることができる。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が、１８０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、図２５に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが９０度、２７０度の位置に配置されることが想定される。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が、９０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、図２５に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが０度、９０度、１８０度、２７０度の位置に配置されることが想定される。
【００６５】
ここで、偏波依存性を持ってアドミタンスを制御する金属パターンの他の例を説明する。図２６に示すのは、並列共振回路を実現する金属パターンの一例である。図２６の金属パターンは、環状金属の内部に位置する十字形状の金属の向きが異なる点で、図２４の金属パターンと異なる。その他の構成は同様である。
【００６６】
図２４では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ軸方向及びｙ軸方向に伸びていたが、図２６では、十字形状の金属の２本の線は、各々ｘ´軸方向及びｙ´軸方向に伸びている。ｘ´軸方向及びｙ´軸方向は、各々、ｘ軸方向及びｙ軸方向をｚ軸周りに２２．５度回転した方向である。このため、図２４では、ｘ軸方向及びｙ軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成されたが、図２６では、ｘ´軸方向及びｙ´軸方向各々の向きに対応して並列共振回路が形成される。そのため、ｘ´軸方向とｙ´軸方向に異なる位相遅れ量を生じる金属パターンとして用いることができる。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が、１８０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を一方向にそろった直線偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、図２６に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが４５度、１３５度の位置に配置されることが想定される。ｘ´軸方向とｙ´軸方向の位相遅れ量の差が、９０度のときには、偏波制御板１２に入射前の放射状の直線偏波を円偏波へと変換する偏波制御板を構成する構造として用いることができ、図２５に示す金属パターンを含む単位構造は、例えば、その基準点と第２の代表点とを結ぶ線（基準線）と上述した代表線とのなす角度θが６７．５度、１５７．５度、２４７．５度、３３７．５度の位置に配置されることが想定される。
【００６７】
なお、図２３乃至図２６に示された金属パターンは、同じ形状の単位構造を複数並べて構成されているが、金属線の長さ、金属線の太さ、金属線間の間隔、金属部分の面積等が互いに異なる複数種類の単位構造を並べることができる。
【００６８】
上記金属パターン層を設計する際に、キャパシタ部は、例えばインターデジタルキャパシタ等としてＣを大きくできる。また、インダクタ部は、例えばミアンダインダクタ、スパイラルインダクト等としてＬを大きくできる。
【００６９】
次に、単位構造の例を、図３４を用いて説明する。図３４の単位構造は、上述のような金属パターンを有する層を複数積層して形成される。図では、３つの層を積層して形成される単位構造の一例を示している。すなわち、３つの積層された金属パターンの組み合わせにより、単位構造が形成される。なお、３層構造はあくまで一例であり、金属パターン層は４層以上で構成されてもよい。また、空気とのインピーダンス整合によるロスが増加する懸念はあるが、金属パターン層は、１層もしくは２層で構成されていてもよい。金属パターン層の単位構造は、図３４に示されるように、複数種類の金属パターンで構成されてもよい。
【００７０】
図３４は、並列共振器タイプの単位構造３０の一例を示す。当該単位構造３０は、第１の層の金属パターン３１と、第２の層の金属パターン３２と、第３の層の金属パターン３３とにより構成されている。第１の層の金属パターン３１乃至第３の層の金属パターン３３は、いずれも、外周を囲う外周金属と、その中に位置する十字形状の内部金属とを含む。十字形状を形成する２本の直線金属の各先端の線幅は広がっている。また、外周金属と内部金属とは絶縁している。第１の層の金属パターン３１及び第３の層の金属パターン３３における十字形状の内部金属は、ｘ軸方向に伸びる線状の金属よりもｙ軸方向に伸びる線状の金属の方が長い。これに対し、第２の層の金属パターン３２における十字形状の内部金属は、ｙ軸方向に伸びる線状の金属よりもｘ軸方向に伸びる線状の金属の方が長い。また、第１の層の金属パターン３１及び第３の層の金属パターン３３の外周金属よりも、第２の層の金属パターン３２の外周金属の方が幅広である。第１の層の金属パターン３１乃至第３の層の金属パターン３３は、互いに絶縁している。金属パターンが存在しない箇所は、例えば誘電体で埋められている。
【００７１】
以上説明した本実施形態の通信装置１によれば、ｘｙ面内に等方的な指向性を持った電波放射源１０を採用することができる。かかる場合、電波放射源１０から短い距離に置かれた制御板に対して制御板の広い範囲に電磁波のパワーを供給することができ、高指向性のビームが形成できる。つまり、高指向性のビームを形成する通信装置１を薄型構成で実現できる。
【００７２】
また、金属パターン層を含む制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）を用いて、電磁波の位相を揃えるとともに、放射状の偏波を透過後に単一の偏波にする本実施形態の通信装置１によれば、ホーンアンテナと誘電体レンズを用いる場合に比べて、通信装置１の薄型化が実現される。
【００７３】
なお、上記説明では、位相制御板１１が偏波制御板１２よりも電波放射源１０側に位置する例、すなわち、電波放射源１０、位相制御板１１及び偏波制御板１２がこの順に並ぶ例を説明した。変形例として、偏波制御板１２が位相制御板１１よりも電波放射源１０側に位置してもよい。すなわち、電波放射源１０、偏波制御板１２及び位相制御板１１がこの順に並んでもよい。当該前提は、以下の実施形態においても同様である。かかる場合も、同様の作用効果を実現できる。
【００７４】
また、上記説明では、位相制御板１１及び偏波制御板１２各々を別々の金属パターン層で実現する例を説明したが、位相制御板１１及び偏波制御板１２を同じ金属パターン層で実現してもよい。すなわち、位相制御板１１と偏波制御板１２は、ひとつの制御板であってもよい。これが可能であることは、偏波制御の原理が、方向依存性を持った位相制御に基づいており、基本原理は位相制御板を実現する原理と同様であることから理解できる。このように位相制御板１１および偏波制御板１２が同一の金属パターン層で実現される際には、通信装置１の模式図は、図３５のようにあらわされる。当該前提は、以下のすべての実施形態において同様である。
【００７５】
また、位相制御板１１及び偏波制御板１２各々を別々の金属パターン層で実現する例を示す図において、位相制御板１１及び偏波制御板１２が離れているが、これらは一体となってもよい。当該前提は、以下の実施形態においても同様である。かかる場合も、同様の作用効果を実現できる。
【００７６】
また、上記説明では、電波放射源１０として、直線状のダイポールアンテナを例として説明したが、変形例として、ボウタイダイポールや、メタマテリアルの概念を利用したダイポールアンテナなど、他の形状も考えられる。当該前提は、以下の実施形態においても同様である。第２の実施形態を例にとると、モノポールアンテナの線状の導体をボウタイ形状に変形した構成や、メタマテリアルの概念を利用し、線状の導体をきのこ形状に変形した形状など、他の形状も考えられる。かかる場合も同様の作用効果を実現できる。
【００７７】
＜第２の実施形態＞
図２７に、本実施形態の通信装置１の模式図を示す。本実施形態の通信装置１は、電波放射源１０としてモノポールアンテナ（線状導体）を採用し、線状の導体１４を挟んで制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）と反対側に金属部材（導体板）１３を配置している。線状の導体１４と金属部材１３があわせて電波放射源１０となる。線状の導体１４は、制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）と略垂直に配置される。金属部材１３は、線状の導体１４に近接し、位相制御板と略平行に配置される。金属部材１３は、電波放射源１０から放射された電磁波が制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）と反対側に向かうのを遮る遮蔽部材としても機能する。金属部材１３の平面形状、大きさ等は設計的事項である。
【００７８】
図２８は図２に相当する図であり、本実施形態の電波放射源１０（モノポールアンテナ）の電場の様態を示す。電波放射源１０の電場Ｅは図２８のように分布し、たとえば、Ａ−Ａ´断面を抜き出すと、電場Ｅは図３のように分布している。つまり、電場Ｅは放射状に分布していることがわかる。電場、磁場の態様は、電波放射源１０（モノポールアンテナ）の鏡像面（金属部材１３）より図中上側（ｚ軸正方向）では、ダイポールアンテナと似た指向性を持つ。このため、第１の実施形態の通信装置１のダイポールアンテナ（電波放射源１０）をモノポールアンテナ（電波放射源１０）に置き代えても、第１の実施形態と同様の作用効果を実現できる。本実施形態の通信装置１によれば、さらに、鏡像面（金属部材１３）より図中下側（制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）が存在しない側）への電磁波放射を抑えられるため、より多くのパワーを制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）に導入できる。
【００７９】
＜第３の実施形態＞
図２９に、本実施形態の通信装置１の模式図を示す。本実施形態の通信装置１は、電波放射源１０としてモノポールアンテナを採用している。線状の導体１４を挟んで制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）と反対側に金属部材１３を配置している。線状の導体１４と金属部材１３があわせて電波放射源１０となる。
【００８０】
本実施形態では、金属部材１３の形状が、径が徐々に大きくなるカップ形状であり、その内部に線状の導体１４が位置する。そして、カップ形状の開口部分に、開口を塞ぐように制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）が位置する。なお、制御板は必ずしも上記開口を完全にふさぐ必要はなく、制御板と金属部材１３は離れていてもよい。金属部材１３は、電波放射源１０から放射された電磁波を開口部分、すなわち制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）の方向に導く。金属部材１３の平面形状、大きさ等は設計的事項である。
【００８１】
図３０は図２に相当する図であり、本実施形態の電波放射源１０（モノポールアンテナ）の電場の様態を示す。電波放射源１０の電場は図３０のように分布し、たとえば、Ａ−Ａ´断面を抜き出すと図３のように分布している。つまりは放射状に分布していることがわかる。電場、磁場の態様は、電波放射源１０（モノポールアンテナ）の金属部材１３より図中上側では、ダイポールアンテナと似た指向性を持つ。このため、第１の実施形態の通信装置１のダイポールアンテナ（電波放射源１０）を本実施形態のモノポールアンテナ（電波放射源１０）に置き代えても、第１の実施形態と同様の作用効果を実現できる。本実施形態の通信装置１によれば、金属部材１３より図中下側（制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）が存在しない側）への電磁波放射を抑えられるため、より多くのパワーを制御板（位相制御板１１及び偏波制御板１２）に導入できる。
【００８２】
図３１に、本実施形態の通信装置１の実現例を示す。破線部で囲まれた箇所が、給電部として機能する。給電部１５は金属部材１３と接続され、給電部１６は線状の導体１４と接続されている。
【００８３】
＜第４の実施形態＞
図３２に、本実施形態の通信装置１の模式図を示す。本実施形態の通信装置１は、電波放射源１０として微小ループアンテナを採用する。微小ループアンテナを用いた場合の電場、磁場の態様を図２０に示す。これは、ダイポールアンテナの電場、磁場の態様（図２及び図３参照）の磁場−電場を入れ替えた様態となり、ダイポールアンテナと似た指向性を持つ。図２０（１）及び（２）に示すように、ループアンテナは線状の金属でループを形成したアンテナである。ループアンテナに図示するような電流が流れると、図示するように磁場が生じる。磁場は、線状の金属（ループアンテナ）の周囲を囲むように形成される。つまり、本実施形態では電波放射源１０の磁場Ｈは図２０のように分布しており、たとえば、Ａ−Ａ´断面を抜き出すと、磁場Ｈは、図３の電場Ｅを磁場Ｈに置き換えたように分布している。つまり、磁場Ｈは放射状に分布していることがわかる。電場、磁場の様態は、ダイポールの電場、磁場の様態の磁場と電場とを入れ替えた様態となり、ダイポールと似た指向性を持つ。このため、第１の実施形態の通信装置１のダイポールアンテナ（電波放射源１０）を微小ループアンテナ（電波放射源１０）に置き代えても、第１の実施形態と同様の作用効果を実現できる。本実施形態の場合、電波放射源１０自身の厚みが薄い（ｚ方向の長さが短い）ため、薄型化に有利である。
【００８４】
以下、参考形態の例を付記する。
１．  電磁波を放射する電波放射源と、
前記電波放射源に近接して配置された位相制御板と、
前記位相制御板と略平行に置かれた偏波制御板と、を有し、
前記位相制御板は、前記位相制御板上の第１の代表点からの距離に応じて透過する電磁波の位相が異なり、
前記偏波制御板は、前記偏波制御板上の第２の代表点と前記偏波制御板の縁とを結ぶ代表線と、前記第２の代表点と前記偏波制御板上の基準点とを結ぶ基準線とのなす角度に応じて、前記基準点において透過する電磁波に対して与える偏波状態変化が異なる通信装置。
２．  １に記載の通信装置において、
前記位相制御板は、前記第１の代表点から前記位相制御板の縁に向かって、前記位相制御板の入射面と出射面の間の位相の遅れ量を減少させていく通信装置。
３．  １又は２に記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、前記代表線と前記基準線とのなす角度がθの線上にある前記基準点において、角度がθ／２方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ／２＋９０度方向の直線偏波を持つ電磁波に対して与える位相遅れ量とが１８０度異なっている通信装置。
４．  １又は２に記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、前記代表線と前記基準線とのなす角度がθの位置にある前記基準点において、角度がθ＋４５度方向の直線偏波の電磁波に対して与える位相遅れ量と、角度がθ＋１３５度方向の直線偏波をの電磁波に対して与える位相遅れ量とが９０度異なっている通信装置。
５．  １から４のいずれかに記載の通信装置において、
前記位相制御板は、金属を含んで構成された複数種類の単位構造を２次元に並べて構成され、透過する電磁波の位相を同じ量だけずらす単位構造群が、前記第１の代表点の周りを囲んでいる通信装置。
６．  １から５のいずれかに記載の通信装置において、
前記偏波制御板は、金属を含んで構成された複数種類の単位構造を２次元に並べて構成され、透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群が、前記第２の代表点から放射状に配列されている通信装置。
７．  １から６のいずれかに記載の通信装置において、
前記位相制御板と前記偏波制御板は、ひとつの制御板である通信装置。
８．  １から７のいずれかに記載の通信装置において、
前記位相制御板及び前記偏波制御板は、複数の金属パターン層で構成される通信装置。
９．  ８に記載の通信装置において、
前記金属パターン層は、メタサーフェスである通信装置。
１０．  １から９のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源の動作周波数での波長をλとして、
前記電波放射源から距離１０λ以内の位置に位相制御板が置かれている通信装置。
１１．  １から１０のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源は、放射電力に対して１／１０以上のパワーを前記位相制御板に供給する通信装置。
１２．  １から１１のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源と、前記位相制御板との距離がＬ１であり、
前記電波放射源は、前記位相制御板の前記第１の代表点からＬ１／２離れた位置まで、パワーを供給できる通信装置。
１３．  １から１２のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略平行な平面に等方的な指向性を有する通信装置。
１４．  １から１２のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略垂直に配置されたダイポールアンテナであることを特徴とする通信装置。
１５．  １から１２のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源は、前記位相制御板と略垂直に配置された線状導体と、前記線状導体と近接して前記位相制御板とは反対側に前記位相制御板と略平行に配置された導体板と、により構成されることを特徴とする通信装置。
１６．  １から１２のいずれかに記載の通信装置において、
開口に向けて径が徐々に大きくなるカップ形状の金属部材をさらに有し、
前記位相制御板は、前記開口に位置することを特徴とする通信装置。
１７．  １から１２のいずれかに記載の通信装置において、
前記電波放射源は、ループアンテナである通信装置。
１８．  ５に記載の通信装置において、
透過する電磁波の位相を同じ量だけずらす単位構造群の中の単位構造間におけるずらす位相の量の差は、４５度以下である通信装置。
１９．  ６に記載の通信装置において、
透過する電磁波に同じ偏波状態変化を与える単位構造群の中の単位構造間におけるずらす２軸間の位相遅れの差が、４５度以下である通信装置。
【００８５】
この出願は、２０１６年１１月２５日に出願された日本出願特願２０１６−２２８６８０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【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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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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【図３５】
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【国際調査報告】
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