(57)【要約】【課題】外部磁界を必要とせずに、マイクロ波等の電磁波に対してフェライトのジャイロ磁気特性とほぼ等価な特性を発生することのできる人工磁性体を提供する。また、その人工磁性体を使用したデバイスなどの応用を提供する。【解決手段】人工磁性体は、間隙を設けたリング状の導体パターン２と、前記導体パターン２の間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子３とを有するものである。前記一方向伝達素子３は具体的には増幅率を調整可能な電界効果トランジスタである。外部磁界が不要であるため、非可逆デバイスの小型軽量化が可能であり、動作周波数を容易に増大させることができる。また、希少な希土類元素に依存することなく、広範囲の多様な応用が可能となる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
間隙を設けたリング状の導体パターン（２）と、
前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）とを有する人工磁性体。
【請求項２】
請求項１に記載した人工磁性体であって、
前記導体パターン（２）を含む平面と平行に配置された平面状の裏面導体（２１）を有する人工磁性体。
【請求項３】
請求項１に記載した人工磁性体であって、
２つの前記導体パターン（２）が並行して配置され、それぞれの前記導体パターン（２）を含む平面は互いに平行となっている人工磁性体。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した人工磁性体であって、
前記一方向伝達素子（３）は増幅率を調整可能な増幅素子である人工磁性体。
【請求項５】
請求項４に記載した人工磁性体であって、
前記一方向伝達素子（３）は電界効果トランジスタである人工磁性体。
【請求項６】
絶縁体からなる平板状の基板（１０）と、
前記基板（１０）の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターン（２）と、
前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）と、
前記基板（１０）の表面側に配置された伝送線路（８５）と、
前記基板（１０）の裏面側に配置された平面状の裏面導体（２１）と、
前記伝送線路に信号を入力するための入力ポート（８１〜８４）と、
前記伝送線路から信号を出力するための出力ポート（８１〜８４）とを有する人工磁性体デバイス。
【請求項７】
絶縁体からなる平板状の基板（１０）と、
前記基板（１０）の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターン（２）と、
前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）と、
前記基板（１０）の裏面側に配置された平面状の裏面導体（２１）と、
前記基板（１０）の表面側に電磁波を入射するための入力ポート（８１，８２）と、
前記基板（１０）によって反射された電磁波を出力する出力ポート（８１，８２）とを有する人工磁性体デバイス。
【請求項８】
絶縁体からなる平板状の基板（１０）と、
前記基板（１０）の表面側および裏面側に互いに並行して配置され、間隙を有するリング状の一対の導体パターン（２）と、
それぞれの前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を同じ回転方向となる一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）と、
前記基板（１０）の表面側または裏面側から電磁波を入射するための入力ポート（８１，８２）と、
前記基板（１０）を透過した電磁波を出力する出力ポート（８１，８２）とを有する人工磁性体デバイス。
【請求項９】
請求項６〜８のいずれか１項に記載した人工磁性体デバイスであって、
前記一方向伝達素子（３）は増幅率を調整可能な増幅素子である人工磁性体デバイス。
【請求項１０】
請求項９に記載した人工磁性体デバイスであって、
前記一方向伝達素子（３）は電界効果トランジスタである人工磁性体デバイス。
【請求項１１】
絶縁体からなる平板状の基板（１０）と、
前記基板（１０）の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターン（２）と、
前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）と、
前記基板（１０）の裏面側に配置された平面状の裏面導体（２１）とを有し、
前記基板（１０）の表面側によって電磁波を反射するようにした人工磁性反射壁。
【請求項１２】
請求項１１に記載した人工磁性反射壁であって、
前記一方向伝達素子（３）は増幅率を調整可能な増幅素子である人工磁性反射壁。
【請求項１３】
請求項１２に記載した人工磁性反射壁であって、
前記一方向伝達素子（３）は電界効果トランジスタである人工磁性反射壁。
【請求項１４】
絶縁体からなる平板状の基板（１０）と、
前記基板（１０）の表面側および裏面側に互いに並行して配置され、間隙を有するリング状の一対の導体パターン（２）と、
それぞれの前記導体パターン（２）の間隙に挿入され、信号を同じ回転方向となる一方向のみに伝達する一方向伝達素子（３）とを有し、
電磁波が前記基板（１０）を透過するようにした人工磁性透過体。
【請求項１５】
請求項１４に記載した人工磁性透過体であって、
前記一方向伝達素子（３）は増幅率を調整可能な増幅素子である人工磁性透過体。
【請求項１６】
請求項１５に記載した人工磁性透過体であって、
前記一方向伝達素子（３）は電界効果トランジスタである人工磁性透過体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はマイクロ波等の電磁波に対して、フェライトのジャイロ磁気特性とほぼ等価な特性を示す人工磁性体に関し、さらに詳しくは、外部磁界を必要とせずにジャイロ磁気特性とほぼ等価な非可逆特性を発生することのできる人工磁性体に関するものである。また、その人工磁性体を使用したデバイスなどの応用に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波等の周波数領域におけるデバイスには可逆回路素子と非可逆回路素子とがある。可逆回路素子は可逆定理が成立する回路素子であり、その散乱行列は対称行列となる。非可逆回路素子は可逆定理の成立しない回路素子であり、その散乱行列は対称行列とはならない。非可逆デバイスとしてはアイソレータやサーキュレータが挙げられ、このような非可逆デバイスがマイクロ波・ミリ波システムの安定化、高機能化のために広く用いられている。
【０００３】
これらの非可逆デバイスの非可逆性の実現のためには、現状ではフェライト等の磁性体が使用されている。フェライトに外部磁界を印加すると、フェライトの磁性の根源である電子スピンの磁気モーメントが歳差運動を行うようになる。この磁気モーメントの歳差運動に起因するのがフェライトのジャイロ磁気特性であり、非可逆デバイスの非可逆性はこのジャイロ磁気特性に基づくものである。
【０００４】
一方、メタマテリアルと呼ばれる人工媒質の研究においては、スプリットリング共振器が広く用いられてきた。メタマテリアルとは、金属、誘電体などの小片を波長に対して十分短い間隔で配置して作成した人工的な媒質であり、自然界にはない性質を持った媒質を実現することができる。
【０００５】
特許文献１には、従来技術としてスプリットリング共振器を用いた人工磁性体が記載されており、また、誘電体を挟んで対向する導体片対を配列して構成した人工磁性体が記載されている。また、特許文献２には、スプリットリング共振器を用いたバンドパスフィルタが記載されている。
【０００６】
このようなスプリットリング共振器は負の透磁率という特異な性質を実現するものではあるが、非可逆性を実現するものではない。すなわち、スプリットリング共振器を使用しても可逆デバイスしか作ることはできず、非可逆デバイスは作成できない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−２８０１０号公報
【特許文献２】特開２００７−３０６５６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
フェライトを使用した非可逆デバイスは、フェライトとともにフェライトに印加する外部直流磁界を発生するための永久磁石を必要とする。この外部磁界の必要性が、フェライトデバイスの応用範囲の拡大を妨げてきた。まず、外部磁界を発生するための永久磁石が、デバイスの小型化を制限するものである。また、デバイスの動作周波数に比例した外部磁界が必要となるため、動作周波数を高くするためにはそれだけ強力な磁石が必要となり、デバイスの小型化のためには大きな制限事項となっていた。デバイスをさらなる高周波（ミリ波、テラヘルツ波）に適用するに際しても、この外部磁界の増大が障壁となっていた。
【０００９】
外部磁界の必要性そのものが応用を妨げることもある。例えば、フェライトの非可逆性を利用した反射壁を建物の外壁などに貼り付け、電磁波に対して特殊な反射特性を実現するような場合、フェライトに外部磁界を印加するための永久磁石が外側に存在しては、フェライトの反射特性を有効に利用することが困難である。このため、このような反射壁としての応用が妨げられる。
【００１０】
また、フェライトや永久磁石には、希土類元素が必要とされる。この希土類元素は地球上の埋蔵量が非常に少なく、産出地もごく少数の特定の国、地域に偏っている。このため、このように希少な希土類元素に依存しないための代替技術が求められていた。
【００１１】
そこで、本発明は、外部磁界を必要とせずに、マイクロ波等の電磁波に対してフェライトのジャイロ磁気特性とほぼ等価な特性を発生することのできる人工磁性体を提供することを目的とする。また、そのような人工磁性体を使用したデバイスなどの応用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】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明の人工磁性体は、間隙を設けたリング状の導体パターンと、前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子とを有するものである。
【００１３】
また、上記の人工磁性体は、前記導体パターンを含む平面と平行に配置された平面状の裏面導体を有するものとすることができる。
【００１４】
また、上記の人工磁性体は、並行して配置された２つの前記導体パターンを有するものとすることができる。そして、それぞれの前記導体パターンを含む平面は互いに平行となっている。
【００１５】
また、上記の人工磁性体において、前記一方向伝達素子は増幅率を調整可能な増幅素子であることが好ましい。
【００１６】
また、上記の人工磁性体において、前記一方向伝達素子は電界効果トランジスタであることが好ましい。
【００１７】
また、本発明の人工磁性体デバイスは、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターンと、前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子と、前記基板の表面側に配置された伝送線路と、前記基板の裏面側に配置された平面状の裏面導体と、前記伝送線路に信号を入力するための入力ポートと、前記伝送線路から信号を出力するための出力ポートとを有するものである。
【００１８】
また、本発明の人工磁性体デバイスは、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターンと、前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子と、前記基板の裏面側に配置された平面状の裏面導体と、前記基板の表面側に電磁波を入射するための入力ポートと、前記基板によって反射された電磁波を出力する出力ポートとを有するものである。
【００１９】
また、本発明の人工磁性体デバイスは、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板の表面側および裏面側に互いに並行して配置され、間隙を有するリング状の一対の導体パターンと、それぞれの前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を同じ回転方向となる一方向のみに伝達する一方向伝達素子と、前記基板の表面側または裏面側から電磁波を入射するための入力ポートと、前記基板を透過した電磁波を出力する出力ポートとを有するものである。
【００２０】
また、上記の人工磁性体デバイスにおいて、前記一方向伝達素子は増幅率を調整可能な増幅素子であることが好ましい。
【００２１】
また、上記の人工磁性体デバイスにおいて、前記一方向伝達素子は電界効果トランジスタであることが好ましい。
【００２２】
また、本発明の人工磁性反射壁は、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板の表面側に配置され、間隙を有するリング状の導体パターンと、前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子と、前記基板の裏面側に配置された平面状の裏面導体とを有し、前記基板の表面側によって電磁波を反射するようにしたものである。
【００２３】
また、上記の人工磁性反射壁において、前記一方向伝達素子は増幅率を調整可能な増幅素子であることが好ましい。
【００２４】
また、上記の人工磁性反射壁において、前記一方向伝達素子は電界効果トランジスタであることが好ましい。
【００２５】
また、本発明の人工磁性透過体は、絶縁体からなる平板状の基板と、前記基板の表面側および裏面側に互いに並行して配置され、間隙を有するリング状の一対の導体パターンと、それぞれの前記導体パターンの間隙に挿入され、信号を同じ回転方向となる一方向のみに伝達する一方向伝達素子とを有し、電磁波が前記基板を透過するようにしたものである。
【００２６】
また、上記の人工磁性透過体において、前記一方向伝達素子は増幅率を調整可能な増幅素子であることが好ましい。
【００２７】
また、上記の人工磁性透過体において、前記一方向伝達素子は電界効果トランジスタであることが好ましい。
【発明の効果】
【００２８】
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。
【００２９】
本発明の人工磁性体は、フェライトや永久磁石を使用することなく、非可逆特性を実現することができる。また、人工磁性体を利用した非可逆デバイスは、外部磁界が不要であるため小型軽量化が可能となる。さらに、動作周波数を上げるために強力な外部磁界を発生する必要がないため、動作周波数を容易に増大させることができる。
【００３０】
また、本発明の人工磁性体は、フェライトや永久磁石に欠かせない希土類元素も必要としない。このため、この人工磁性体は、希少な希土類元素に依存することなく、広範囲の多様な応用が可能となる。また、外部磁界を発生するための永久磁石等が不要であるため、広い面積の反射壁や透過体としての応用にも適している。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】図１は、本発明の人工磁性体を構成するジャイロ共振器１を示す図である。
【図２】図２は、ジャイロ共振器１の間隙部周辺の等価回路を示す回路図である。
【図３】図３は、ジャイロ共振器１の全体構成を示す斜視図である。
【図４】図４は、他の形態のジャイロ共振器１２の全体構成を示す斜視図である。
【図５】図５は、評価用デバイス６の構成を示す図である。
【図６】図６は、評価用デバイス６の非可逆性を示す測定グラフである。
【図７】図７は、人工磁性体の数値計算モデルの構成を示す斜視図である。
【図８】図８は、人工磁性体の数値計算モデルの構成を示す正面図である。
【図９】図９は、人工磁性体の数値計算モデルの構成を示す平面図である。
【図１０】図１０は、人工磁性体における電界の偏りを示すグラフである。
【図１１】図１１は、人工磁性体を利用したサーキュレータ７の構成例を示す図である。
【図１２】図１２は、サーキュレータ７の特性を示す測定グラフである。
【図１３】図１３は、サーキュレータ７の特性を示す測定グラフである。
【図１４】図１４は、サーキュレータ７の特性を示す測定グラフである。
【図１５】図１５は、人工磁性体による透過体の構成を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の人工磁性体の種々の応用例を示す図である。
【図１７】図１７は、従来のスプリットリング共振器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３２】
本発明は非可逆回路素子等を実現するための非可逆性を有する人工磁性体を提供するものである。まず、従来の人工磁性体等を構成するためのスプリットリング共振器について説明する。スプリットリング共振器はメタマテリアルと呼ばれる人工媒質に広く用いられている。メタマテリアルとは、金属、誘電体などの小片を波長に対して十分短い間隔で配置して作成した人工的な媒質であり、自然界にはない性質を持った媒質を実現することができる。例えば、スプリットリング共振器を利用したメタマテリアルとして、負の透磁率を持つ人工磁性体を構成することもできる。
【００３３】
図１７はスプリットリング共振器９の構成を示す図である。円周の一部に間隙を有するリング状の導体パターン９１，９２が２重のリングとして配置されている。これらの導体パターン９１，９２にはそれぞれ矢印で示すように右回りの電磁波と左回りの電磁波が伝搬でき、これらの両方向の電磁波が重なり合い共振して定在波となる。その共振点の近傍で負の透磁率などの特異な特性を示すのである。
【００３４】
このようなスプリットリング共振器は、負の透磁率という特異な性質を実現するものではあるが、非可逆性を実現するものではない。すなわち、スプリットリング共振器を使用しても可逆デバイスしか作ることはできず、非可逆デバイスは作成できない。
【００３５】
これに対して、フェライトを使用すれば非可逆デバイスが実現できるが、その非可逆性の根源は前述のようにフェライトのジャイロ磁気特性である。すなわち、外部磁界を印加したフェライトでは電子スピンの磁気モーメントの歳差運動が一方向のみに回転しているが、そのことが非可逆性を生み出しているものと考えられる。
【００３６】
そこで、フェライトにおける上記の事実を考慮して、フェライトのジャイロ磁気特性と同等の特性を実現するために、図１に示すようなジャイロ共振器１を開発した。図１に基づいてジャイロ共振器１の構成について説明する。絶縁体である基板１０の表面側（上面側）に、円周の一部に間隙を有するリング状（Ｃ字状）の導体パターン２が形成されている。基板１０の裏面側（下面側）は裏面導体２１（図３参照）として全面が導体に覆われている。ここで、導体としては典型的には金属が使用されるが、導電性を有する他の任意の物質も使用可能である。
【００３７】
導体パターン２の間隙の部分には電界効果トランジスタ（ＦＥＴ）３が配置されている。導体パターン２の一端が電界効果トランジスタ３のドレイン端子に接続されており、導体パターン２の他端がコンデンサ４を介して電界効果トランジスタ３のゲート端子に接続されている。電界効果トランジスタ３のソース端子は、基板１０に設けられた孔を通して下面の裏面導体２１に接続されている。なお、図示の電界効果トランジスタ３ではソース端子が２本設けられているが、これらは２本とも裏面導体２１に接続されている。また、電界効果トランジスタ３のドレイン端子には、蛇行パターン５を介して電源としての直流電圧ＶDDが供給される。
【００３８】
このジャイロ共振器１において、電界効果トランジスタ３は信号を一方向のみに伝達する一方向伝達素子として機能する。電界効果トランジスタ３の機能により、電磁波は図の矢印の向きには伝搬するが、逆方向には伝搬できない。したがって、ジャイロ共振器１に生じる共振は定在波ではなく進行波による共振となる。
【００３９】
図２は、ジャイロ共振器１における導体パターン２の間隙部周辺の等価回路を示す回路図である。電界効果トランジスタ３のドレイン端子に導体パターン２の一端が接続され、電界効果トランジスタ３のゲート端子にはコンデンサ４を介して導体パターン２の他端が接続されている。導体パターン２には矢印に示すような進行波が伝搬する。電界効果トランジスタ３のソース端子は接地され、ドレイン端子は蛇行パターン５を介して直流電圧ＶDDに接続される。蛇行パターン５は図示のようにインダクタンスＬと抵抗Ｒの直列回路として表すことができる。
【００４０】
蛇行パターン５は以下のように構成される。蛇行パターン５の線幅を細くすることにより伝送線路の特性インピーダンスを意図的に大きくし、導体パターン２による伝送線路の特性インピーダンスと不整合を起こさせる。蛇行パターン５の長さを長くして大きなインダクタンス値を持たせるようにする。このような蛇行パターン５により、導体パターン２において共振する周波数では、電磁波はほとんど蛇行パターン５側に伝達されなくなる。したがって、ジャイロ共振器１に対して電源回路が与える影響が小さくなる。
【００４１】
図１に示すジャイロ共振器１の実例を挙げると、導体パターン２の線幅：２．０ｍｍ、蛇行パターン５の線幅：０．３ｍｍ、コンデンサ４の静電容量：１ｐＦ、電界効果トランジスタ３の型番：ＮＥ３２１０Ｓ０１（ルネサスエレクトロニクス株式会社の製品名）である。導体パターン２の円周長は、動作周波数におけるこの伝送線路での半波長に相当する長さとする。すなわち、動作周波数においては、電磁波が導体パターン２を１周して位相が１８０度ずれ、さらに電界効果トランジスタ３によって位相が１８０度ずれるため、このジャイロ共振器１で進行波共振が生じることになる。例えば、導体パターン２の線幅中心線が直径９．３ｍｍの円をなすとき、ジャイロ共振器は６．７ＧＨｚで共振する。
【００４２】
電界効果トランジスタ３の増幅率はジャイロ共振器１が発振しない範囲とする必要がある。電界効果トランジスタ３の増幅率をＡとし、導体パターン２を１周したときの電磁波の減衰率をＢとすると、これらの積ＡＢの値によってジャイロ共振器１の動作は以下のようになる。ジャイロ共振器１は、ＡＢ＞１では発振し、ＡＢ＝１では無損失の共振器として、ＡＢ＜１では損失のある共振器として振る舞う。すなわち、ＡＢ≦１となるように電界効果トランジスタ３の増幅率Ａを調整する必要がある。特に、ＡＢ＝１となるように調整すれば、ジャイロ共振器１は無損失の理想的なフェライトと同等の特性を示すようになる。
【００４３】
電界効果トランジスタ３の増幅率は、電源としての直流電圧ＶDDの電圧値を調整することにより容易に調整できる。前述の型番：ＮＥ３２１０Ｓ０１の電界効果トランジスタを使用する場合、通常使用の場合に比べて増幅率を大幅に小さくする必要があるため、直流電圧ＶDDも定格値（４Ｖ）に比べて極めて小さな値で使用する。本発明ではＮＥ３２１０Ｓ０１を直流電圧ＶDDがほぼ０．２Ｖ以下の範囲で使用している。
【００４４】
図３は、ジャイロ共振器１の全体構成を示す斜視図である。絶縁体である基板１０の表面側に、円周の一部に間隙を有するリング状（Ｃ字状）の導体パターン２が形成されている。基板１０の裏面側は全面が裏面導体２１に覆われている。ただし、一方向伝達素子としての電界効果トランジスタ３等の回路は省略して表している。電磁波は図の矢印の向きには伝搬するが、逆方向には伝搬できない。したがって、ジャイロ共振器１に生じる共振は定在波ではなく進行波による共振となる。
【００４５】
ジャイロ共振器としては、図３に示すような裏面導体２１を有するものだけでなく、図４に示すような形態のジャイロ共振器１２も可能である。図４は、ジャイロ共振器１２の全体構成を示す斜視図である。絶縁体である基板１０の表面側に、円周の一部に間隙を有するリング状（Ｃ字状）の導体パターン２が形成されている。基板１０の裏面側にも同様の導体パターン２が形成されている。一方向伝達素子としての電界効果トランジスタ３等の回路は省略して表しているが、ジャイロ共振器１２においても図１に示す回路がそれぞれの導体パターン２の間隙部に設けられている。
【００４６】
絶縁体である基板１０の表面側と裏面側のそれぞれの導体パターン２には、図示のように同じ回転方向に電磁波が伝搬するように一方向伝達素子が設けられている。電磁波は図の矢印の向きに伝搬する。このジャイロ共振器１２に生じる共振も定在波ではなく進行波による共振となる。
【００４７】
図４のジャイロ共振器１２は、図３のジャイロ共振器１における導体パターン２の裏面導体２１に対する鏡像を考えたものと同等である。すなわち、ジャイロ共振器１２の導体パターン２の寸法がジャイロ共振器１と同一であって、表裏の導体パターン２間の距離（基板１０の厚さ）がジャイロ共振器１における導体パターン２と裏面導体２１と間の距離の２倍であれば、ジャイロ共振器１，１２の電磁界は同等のものとなり、したがって進行波共振の周波数も同一になる。
【００４８】
このように、ジャイロ共振器１２における電磁界は、ジャイロ共振器１における電磁界と同等である。しかし、ジャイロ共振器１は裏面導体２１があるために、電磁波をジャイロ共振器１の厚さ方向に透過させることができない。これに対して、ジャイロ共振器１２では、電磁波をジャイロ共振器１２の厚さ方向に透過させることができる。したがって、透過型のデバイスや透過体としての応用にはジャイロ共振器１２が適している。そして、ジャイロ共振器１は、伝送線路型のデバイス、反射型のデバイスおよび反射体としての応用に適している。これらのジャイロ共振器１，１２は、後に詳しく説明するように、フェライトのジャイロ磁気特性と同等の非可逆特性を示すものである。
【００４９】
前述のように、図３に示すジャイロ共振器１と、図４に示すジャイロ共振器１２の電磁界は同等である。これらのジャイロ共振器１，１２に発生する進行波共振の電磁界を解析すると、これらの電磁界において一方向に回転する磁気モーメントが発生していることが明らかとなった。ジャイロ共振器１，１２におけるこの磁気モーメントの回転は、フェライトにおける磁気モーメントの回転と類似する現象である。この磁気モーメントの回転により、ジャイロ共振器１，１２がフェライトのジャイロ磁気特性と同等の非可逆特性を示すものと考えられる。
【００５０】
次に、ジャイロ共振器１の非可逆性を検証するために、ジャイロ共振器１を使用した評価用デバイス６を試作した。図５が、評価用デバイス６の構成を示す図である。評価用デバイス６は、絶縁体（誘電体）である基板の上面に、図１および図３に示したようなジャイロ共振器１を８個配置している。基板の下面は裏面導体として全面が導体に覆われている。全てのジャイロ共振器１の電界効果トランジスタには同一の直流電圧ＶDDが供給され、その直流電圧ＶDDは調整可能となっている。これらのジャイロ共振器１は全て同じ方向の進行波共振を生じるように配置されている。図５では、全ての導体パターン２上で右回りの進行波共振を生じる。
【００５１】
これら全てのジャイロ共振器１の導体パターン２に近接するようにマイクロストリップ線路を構成する線路パターン６３が直線状に形成されている。線路パターン６３の線幅は導体パターン２と同じく２．０ｍｍである。導体パターン２と線路パターン６３とは接触しておらず、それらの間の最小距離は０．１ｍｍとなっている。線路パターン６３による伝送線路に電磁波を入出力するための第１ポート６１および第２ポート６２が、線路パターン６３の左右両端に設けられている。また、線路パターン６３の中央部下側にはビア等による短絡部６４が設けられており、この短絡部６４によって線路パターン６３の片側が接地導体と短絡されている。
【００５２】
フェライトを使用しない通常の誘電体基板によるマイクロストリップ線路では、伝送波の電磁界は伝送方向にかかわらず線路幅両端の強度が中央部より大きくなり、電磁界強度は伝送方向に対して左右対称である。ところが、外部磁界の印加されたフェライト基板によるマイクロストリップ線路では、伝送波の電磁界は伝送方向に対して片側に偏る。例えば、伝送方向に対して左側の強度が大きくなり右側の強度は０に近くなる。
【００５３】
評価用デバイス６におけるジャイロ共振器１がフェライトと同様に非可逆性を有するならば、線路パターン６３を伝搬する伝送波の電磁界も伝送方向に対して片側に偏るものと考えられる。伝送波の電磁界が伝送方向に対して片側に偏っていると、第１ポート６１から第２ポート６２に伝送される場合と、第２ポート６２から第１ポート６１に伝送される場合とで透過量が異なるはずである。これは短絡部６４が線路パターン６３の片側のみに設けられているからである。
【００５４】
図６は、評価用デバイス６の非可逆性を示す測定グラフである。評価用デバイス６の動作条件は、直流電圧ＶDD：０．１５Ｖとした。測定グラフの縦軸は透過係数Ｓ21，Ｓ12［ｄＢ］であり、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。透過係数Ｓ21は第１ポート６１から第２ポート６２への透過量を表し、透過係数Ｓ12は第２ポート６２から第１ポート６１への透過量を表している。透過係数Ｓ21の測定値が太線グラフであり、透過係数Ｓ12の測定値が細線グラフである。このように周波数：６．７〜６．８ＧＨｚの範囲で、伝送方向によって伝送波の透過量が異なっている。すなわち評価用デバイス６は非可逆性デバイスとして動作しており、ジャイロ共振器１からなる人工磁性体は非可逆性を示すことが分かる。
【００５５】
なお、評価用デバイス６を直流電圧ＶDD：０Ｖとすると、ジャイロ共振器１は動作せず、透過係数Ｓ21，Ｓ12に有意な相違は生じなかった。評価用デバイス６を直流電圧ＶDD：０．２２Ｖとすると、評価用デバイス６の動作が極めて不安定になった。これはジャイロ共振器１が発振してしまったものと考えられる。
【００５６】
また、評価用デバイス６と同じ構成で、短絡部６４のみを無くした比較用デバイスを作成して図６と同様の測定を行った。その結果、透過係数Ｓ21，Ｓ12には有意な相違が生じなかった。したがって、図６に見られる非可逆性は、短絡部６４によって現れていることになる。すなわち、この事実は線路パターン６３を伝搬する伝送波の電磁界が片側に偏っていることの証拠となるものである。
【００５７】
次に、本発明の人工磁性体の特性を数値計算により確認した。人工磁性体の数値計算モデルは図７から図９に示すようなものである。図７は人工磁性体の数値計算モデルの構成を示す斜視図であり、図８は数値計算モデルの正面図であり、図９は数値計算モデルの平面図である。座標軸の方向は図７に示すようにとられており、座標軸の原点は数値計算モデルの右下角部とされている。すなわち、座標軸の原点は図８、図９に示す位置となる。図７の座標軸表示は座標軸の方向のみを示している。
【００５８】
人工磁性体の数値計算モデルは、ｘ方向の寸法ａ、ｙ方向の寸法ｂ、ｚ方向の寸法２ｃの直方体である。直方体の下半分（０＜ｚ≦ｃの領域）は絶縁体（誘電体）の基板とされている。リング状の導体パターンは中間平面（ｚ＝ｃの平面）に２個配置されており、これらがそれぞれジャイロ共振器を構成している。直方体の上半分（ｃ＜ｚ＜２ｃの領域）は真空である。直方体の上面（ｚ＝２ｃの平面）および下面（ｚ＝０の平面）は境界条件として完全導体（電気壁）が設定されている。直方体の左側面（ｙ＝ｂの平面）と右側面（ｙ＝０の平面）は境界条件として完全磁性体（磁気壁）が設定されている。
【００５９】
直方体の前面（ｘ＝０の平面）は電磁波の入出力を行う第１ポートＰ１とされ、直方体の後面（ｘ＝ａの平面）は電磁波の入出力を行う第２ポートＰ２とされている。このような人工磁性体の数値計算モデルにおいて、第１ポートＰ１から第２ポートＰ２に向けて進行する電磁波を励振した場合と、第２ポートＰ２から第１ポートＰ１に向けて進行する電磁波を励振した場合について、電界の強度分布を数値計算により求めた。図８に示すように、励振する電磁波は電界がｚ方向を向くものである。なお、数値計算は、有限要素法による電磁界シミュレーションを行うコンピュータ・ソフトウェアによって計算したものである。
【００６０】
図１０は、人工磁性体におけるｚ方向の電界Ｅz の強度分布を示すグラフである。この電界Ｅz の強度は、直方体の奥行き方向の中間面（ｘ＝ａ／２の平面）において計算したものである。グラフの横軸はｙ軸の座標値を示しており、縦軸は電界Ｅz の強度を示している。グラフの太線は第１ポートＰ１から第２ポートＰ２に伝搬する電磁波の電界Ｅz の強度分布であり、細線は第２ポートＰ２から第１ポートＰ１に伝搬する電磁波の電界Ｅz の強度分布である。このように、電磁波の電界が片側に偏ることが示されている。そして、電磁波の伝搬方向によって偏る方向が逆になっているのが分かる。すなわち、この人工磁性体は非可逆特性を示している。
【００６１】
以上のように、本発明のジャイロ共振器１，１２がフェライトと同様に非可逆性を示すことが分かった。すなわち、本発明のジャイロ共振器１，１２は、フェライトの代替物となる人工磁性体として使用することができる。したがって、フェライトを使用した非可逆デバイスのほとんどは、本発明の人工磁性体を使用して実現することができる。
【００６２】
図１１は、人工磁性体を利用したサーキュレータ７の構成例を示す図である。このサーキュレータ７は、絶縁体である誘電体基板の上面に形成されており、裏面側は接地導体となっている。サーキュレータ７には入出力ポートとして、第１ポート７１、第２ポート７２、第３ポート７３が設けられており、それぞれのポートから中央導体に向かって伝送線路が設けられている。また、それぞれの伝送線路に近接して合計６個のジャイロ共振器１が設けられている。このサーキュレータ７を適切な直流電圧ＶDDにて動作させることにより、非可逆デバイスであるサーキュレータとして動作することが確認できた。
【００６３】
図１２から図１４は、サーキュレータ７の特性を示す測定グラフである。図１２の測定グラフの縦軸は透過係数Ｓ12，Ｓ21［ｄＢ］であり、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。透過係数Ｓ21は第１ポート７１から第２ポート７２への透過量を表し、透過係数Ｓ12は第２ポート７２から第１ポート７１への透過量を表している。透過係数Ｓ21の測定値が太線グラフであり、透過係数Ｓ12の測定値が細線グラフである。
【００６４】
図１３の測定グラフの縦軸は透過係数Ｓ23，Ｓ32［ｄＢ］であり、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。透過係数Ｓ32は第２ポート７２から第３ポート７３への透過量を表し、透過係数Ｓ23は第３ポート７３から第２ポート７２への透過量を表している。透過係数Ｓ32の測定値が太線グラフであり、透過係数Ｓ23の測定値が細線グラフである。
【００６５】
図１４の測定グラフの縦軸は透過係数Ｓ13，Ｓ31［ｄＢ］であり、横軸は周波数［ＧＨｚ］である。透過係数Ｓ13は第３ポート７３から第１ポート７１への透過量を表し、透過係数Ｓ31は第１ポート７１から第３ポート７３への透過量を表している。透過係数Ｓ13の測定値が太線グラフであり、透過係数Ｓ31の測定値が細線グラフである。図１２から図１４に示したように、周波数：７．０〜８．０ＧＨｚの範囲で、伝送方向によって伝送波の透過量が異なっている。サーキュレータ７が非可逆デバイスの特性を示していることが分かる。
【００６６】
次に、図４に示したジャイロ共振器１２を透過体として構成した例を説明する。図１５は、透過体として構成した人工磁性体１１を示す図である。絶縁体である基板の表裏両面に導体パターンが形成されて、それぞれがジャイロ共振器を構成している。このように基板に複数のジャイロ共振器が均一に配置されて人工磁性体１１を構成している。この人工磁性体１１は厚さ方向に電磁波を透過させることができるため、透過型のデバイスとしての応用や透過体としての応用が可能である。
【００６７】
なお、この構成の人工磁性体に電磁波を透過させた場合の、電磁界を数値計算により求めた。この数値計算は、有限要素法による電磁界シミュレーションを行うコンピュータ・ソフトウェアによって計算した。その結果、電磁波が人工磁性体を透過したときに電磁波の偏波方向が回転する現象が確認された。これはいわゆるファラデー回転であり、外部磁界が印加されたフェライトなどで生じる現象と同じである。これによっても、ジャイロ共振器１２および人工磁性体１１がフェライトと同様の非可逆特性を示すことが分かる。
【００６８】
以上の結果により、誘電体基板上に形成されたジャイロ共振器１が人工磁性体として機能し、外部磁界が印加されたフェライトの代替物として使用できることが確認された。ジャイロ共振器１を配置した人工磁性体は、フェライトと異なり外部磁界が不要である。したがって、外部磁界を発生するための永久磁石なども不要となりデバイスの小型軽量化が可能となる。さらに、動作周波数を上げるために強力な外部磁界を発生する必要がないため、動作周波数を容易に増大させることができる。また、本発明の人工磁性体は、フェライトや永久磁石に欠かせない希土類元素も必要としない。このため本発明の人工磁性体は、希少な希土類元素に依存するフェライトの代替技術としても有望である。
【００６９】
次に、本発明の人工磁性体の応用例について説明する。図１６は、本発明の人工磁性体の種々の応用例を示す図である。図１６（ａ）は、人工磁性体を使用した伝送線路型デバイスの構成を示す図である。図１６（ａ）での人工磁性体１１は、絶縁体（誘電体）の基板上にジャイロ共振器１を適宜に配置したものである。伝送線路型デバイスには電磁波を入出力するための入出力ポート８１〜８４が設けられており、それぞれの入出力ポート８１〜８４には人工磁性体１１に形成された伝送線路網８５が接続されている。このようにして非可逆性を有する任意のデバイスが構成される。なお、それぞれの入出力ポート８１〜８４は４個に限らず任意の個数とすることができる。
【００７０】
図１６（ｂ）は、人工磁性体１１を使用した透過型デバイスの構成を示す図である。ここでの人工磁性体１１は、絶縁体（誘電体）の基板上にジャイロ共振器１２を適宜に配置したものであり、例えば、図１５に示したようなものである。透過型デバイスの入出力ポート８１から供給された電磁波は人工磁性体１１を透過して入出力ポート８２に伝送される。この透過型デバイスも人工磁性体１１の非可逆性により非可逆デバイスとなる。
【００７１】
図１６（ｃ）は、人工磁性体１１を使用した反射型デバイスの構成を示す図である。ここでの人工磁性体１１は、絶縁体（誘電体）の基板上にジャイロ共振器１を適宜に配置したものである。反射型デバイスの入出力ポート８１から供給された電磁波は人工磁性体１１で反射して入出力ポート８２に伝送される。この反射型デバイスも人工磁性体１１の非可逆性により非可逆デバイスとなる。
【００７２】
図１６（ｄ）は、人工磁性体１１を反射壁として使用する場合を示す図である。ここでの人工磁性体１１は、絶縁体（誘電体）の基板上にジャイロ共振器１を適宜に配置したものである。人工磁性体１１の反射壁は、建造物の外壁や航空機等の表面に使用することが考えられる。人工磁性体１１の特性により、入射電磁波の偏波面を不可逆的に回転させたりすることができる。本発明の人工磁性体１１は、フェライトと異なって外部磁界を発生するための永久磁石等が不要であるため、広い面積の反射壁としての応用にも適している。
【００７３】
図１６（ｅ）は、人工磁性体１１を透過体として使用する場合を示す図である。ここでの人工磁性体１１は、絶縁体（誘電体）の基板上にジャイロ共振器１２を適宜に配置したものであり、例えば、図１５に示したようなものである。人工磁性体１１の透過体は、建造物の窓ガラスや航空機等の透明窓に使用することが考えられる。人工磁性体１１の特性により、透過電磁波に特殊な効果を与えることができる。本発明の人工磁性体１１は、フェライトと異なって外部磁界を発生するための永久磁石等が不要であるため、広い面積の透過体としての応用にも適している。
【００７４】
以上のように、本発明の人工磁性体では、フェライトや永久磁石を使用することなく、非可逆特性を実現することができる。本発明の人工磁性体を利用した非可逆デバイスは、外部磁界が不要であるため小型軽量化が可能となる。さらに、動作周波数を上げるために強力な外部磁界を発生する必要がないため、動作周波数を容易に増大させることができる。
【００７５】
また、本発明の人工磁性体は、フェライトや永久磁石に欠かせない希土類元素も必要としない。このため本発明の人工磁性体は、希少な希土類元素に依存することなく、広範囲の多様な応用が可能である。また、外部磁界を発生するための永久磁石等が不要であるため、広い面積の反射壁や透過体としての応用にも適している。
【００７６】
なお、以上の実施の形態においては、人工磁性体を構成するジャイロ共振器を１つのリング状導体パターンから作っているが、スプリットリング共振器と同様に２重のリング状導体パターンとしてもよい。その場合、それぞれのリング状導体パターンに電界効果トランジスタ等が設けられる。また、以上の実施の形態においては、一方向伝達素子として電界効果トランジスタを使用しているが、電界効果トランジスタだけでなく他の増幅素子も使用できる。この場合、増幅素子は増幅率を調整可能なものであることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００７７】
本発明の人工磁性体により、フェライトや永久磁石を使用することなく、非可逆特性を実現することができる。本発明の人工磁性体を利用した非可逆デバイスは、外部磁界が不要であるため小型軽量化が可能となり、動作周波数を容易に増大させることができる。また、本発明の人工磁性体は、希少な希土類元素に依存することなく、広範囲の多様な応用が可能である。
【符号の説明】
【００７８】
１  ジャイロ共振器
２  導体パターン
３  電界効果トランジスタ
４  コンデンサ
５  蛇行パターン
６  評価用デバイス
７  サーキュレータ
９  スプリットリング共振器
１０  基板
１１  人工磁性体
１２  ジャイロ共振器
２１  裏面導体
６１  第１ポート
６２  第２ポート
６３  線路パターン
６４  短絡部
７１  第１ポート
７２  第２ポート
７３  第３ポート
８１〜８４  入出力ポート
８５  伝送線路網
９１，９２  導体パターン
【図１】
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【図２】
2012146945.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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【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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