(57)【要約】【課題】  誘電体基板の厚さを実用の範囲の厚さとできるようにする。【解決手段】  誘電体基板１０の表面に、所定長ｌの細長い矩形状の単位ストリップ１１ａが、間隔ｇを空けて長軸方向に並べられて配列された表面金属ストリップ１１が形成され、誘電体基板１０の裏面に、表面金属ストリップ１１と同じ構成の裏面金属ストリップ１２が、表面金属ストリップ１１に重なると共に単位ストリップの約１／２の長さだけずらせて形成されている。誘電体基板１０の厚さｈが約５０μｍ、単位ストリップの長さｌが設計周波数帯域においてほぼ共振する長さとされている。【選択図】  図３
2016143921.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定長ｌの細長い矩形状の単位ストリップが、間隔ｇを空けて長軸方向に並べられて配列された第１金属ストリップが、誘電体基板の一面に所定間隔で互いにほぼ平行に複数本配設されている第１金属ストリップ群と、
前記第１金属ストリップと同じ構成の第２金属ストリップが、前記誘電体基板の他面に、前記第１金属ストリップに重なると共に前記単位ストリップの約１／２の長さだけずらせて複数本配設されている第２金属ストリップ群とを備え、
前記誘電体基板の厚さｈが約５０μｍ、前記単位ストリップの長さｌが設計周波数帯域においてほぼ共振する長さ、前記第１金属ストリップ間の間隔ｐが約２１０μｍとされて、テラヘルツ波帯の周波数において、負の誘電率および負の透磁率を呈することを特徴とするシート型メタマテリアル。
【請求項２】
前記単位ストリップが間隔ｇが約１０μｍ〜約１００μｍ、前記単位ストリップの長さｌが約９０μｍ〜約３６０μｍ、前記単位ストリップの幅ｗが約３２μｍとされて、約０．３ＴＨｚ〜約０．９ＴＨｚにおいて、負の誘電率および負の透磁率を呈することを特徴とする請求項１に記載のシート型メタマテリアル。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、金属ストリップを誘電体基板の両面に装荷したメタマテリアルとして機能するシート型メタマテリアルに関する。
【背景技術】
【０００２】
誘電率・透磁率がともに負の媒質に光が入射すると、負の屈折が起こることがベセラゴにより示され、透磁率および誘電率が負になる人工的な構造が提案された。この透磁率および誘電率が負になる人工的な構造は、原子より十分大きく光波長のスケールより小さい構造物の集合体からなり、メタマテリアルといわれている。負屈折媒質であるメタマテリアルを用いると、平面構造とされた完全レンズを作成することができる。完全レンズでは、回折限界を超えた微細なものまで観察することが可能であり、近接場（エバネッセント波）まで忠実に再現することができる。
【０００３】
メタマテリアルは、最近注目されているテラヘルツ電磁波用のレンズに適用することができる。テラヘルツ電磁波は、周波数が０．１〜１０ＴＨｚ（波長が３０μｍ〜３０００μｍ）の電磁波とされており、波長が遠赤外〜ミリ波領域とほぼ一致し、「光」と「ミリ波」に挟まれた周波数領域に存在している。このため、テラヘルツ電磁波は、光と同様に高い空間分解能でものを見分ける能力と、ミリ波と同様の物質を透過する能力を併せ持っている。テラヘルツ波帯はこれまで未開拓電磁波であったが、この周波数帯の電磁波の特徴を生かした時間領域分光、イメージング及びトモグラフィーによる材料のキャラクタリゼーションへの応用などが検討されてきている。テラヘルツ電磁波の発生は、物質透過性と直進性を兼ね備えるためＸ線に替わる安全かつ革新的なイメージングや、数100Gbps級の超高速無線通信を可能とすることができる。
【０００４】
特に、テラヘルツイメージングは、Ｘ線に代わる安全、安心かつ高精度な可視化技術の１つとして大きな魅力を有している。回折限界を突破した近接場によるテラヘルツナノイメージングや、１．４ＴＨｚで分解能４００ｎｍ（１波長／５４０）が得られることが報告されている。また、共鳴トンネルダイオードを用いた０．３ＴＨｚでのイメージングも報告されている。メタマテリアルは負の屈折率ｎ＝−１に設計することができ、エバネッセント成分となる近接場光を離れた場所で復元し、回折限界を超えた平板完全レンズを実現できる可能性がある。
【０００５】
従来、図６３（ａ）に示す平板型人工媒質１００が提案されている。この平板型人工媒質１００は、多数の単位セル１０１を縦横に周期的に並べて配置することにより、平板型に構成されている。単位セル１０１は、図６３（ｂ）の一部拡大図に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた誘電体基板１１０の表面に細長い矩形の表面金属ストリップ１１１がｘ方向に形成され、裏面に細長い矩形の裏面金属ストリップ１１２が表面金属ストリップ１１１に重なるように形成されている。この平板型人工媒質１００にｘ方向に偏波した平面波を入射させたとき誘電体基板１１０における両面に形成された表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２との間に磁束が鎖交して周回する電流が流れ、磁性体粒子として働くようになる。特に、表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２の共振周波数以上では等価透磁率が負を呈するようになる。また、電界Ｅに対しては分極が起こり誘電体粒子として働くようになる。特に、ある周波数ではｘ方向に並んだ粒子間で共振が起こり，この周波数以下で大きな正の等価誘電率を呈する。これらの二つの共振周波数の間ではシングルネガティブ領域ができるようになり、入射波は減衰するようになる。表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２の寸法や位置を選び二つの共振周波数を調整することである範囲の阻止周波数帯域を得ることができる。例えば、単位セル１０１において、誘電体基板１１０の比誘電率εｒを１０．２とした際に、単位セル１０１の横幅ａを１５．２ｍｍ，高さｂを１２．７ｍｍ，厚さｃを１．６ｍｍとし、表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２との長さｈを１２．１ｍｍ，幅ｗを０．６ｍｍの寸法とすると、約４．５ＧＨｚ〜約５．５ＧＨｚの阻止周波数帯域を得ることができる。
【０００６】
また、図６４（ａ）に示す左手系媒質２００が提案されている。この左手系媒質２００は、多数の単位セル２０１を縦横に周期的に並べて配置することにより、平板状に構成されている。単位セル２０１は、図６４（ｂ）の一部拡大図に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた誘電体基板２１０の表面に細長い矩形の表面金属ストリップ２１１がｘ方向に形成され、裏面に細長い矩形の裏面金属ストリップ２１２が表面金属ストリップ２１１に重なるように形成されている。なお、裏面金属ストリップ２１２はｘ方向に１／２単位セルだけずらして形成されている。この左手系媒質２００にｘ方向に偏波された平面波を入射させると、鎖交する磁界により誘電体基板２１０の表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２との間に逆方向に電流が流れ磁性体粒子として働くようになる。特に、表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２の共振周波数以上では等価透磁率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。また、電界Ｅにより表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２上で分極が起こり、誘電体粒子としても働くようになる。特に、表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２の共振周波数以上では等価誘電率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。図６３（ａ）に示す平板型人工媒質１００では、表面金属ストリップ１１１と裏面金属ストリップ１１２とが完全に重なった構造とされていることから、磁性を示す共振の周波数よりも誘電性を示す共振の周波数の方が高くなる。これに対して、図６４（ａ）に示す左手系媒質２００では、表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２との重なりが短く、磁性の共振周波数が上がるようになる。また、表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２では、上下方向に配置された金属ストリップ間の容量だけでなく、誘電体基板２１０を介して対面する金属ストリップとの間の容量が増えるため、誘電性の共振周波数が下がるようになる。これによって、誘電性の共振周波数よりも磁性の共振周波数が高くなり、誘電率が負となる帯域内で磁性の共振が起こるようになる。このため、誘電率および透磁率が共に負となる所定範囲の周波数領域が得られるようになる。
【０００７】
図６４（ａ）に示す左手系媒質２００において、誘電体基板２１０の比誘電率εｒを２．１７，誘電損ｔａｎδを０．０００８５とした際に、単位セル２０１の横幅ａを１２．８ｍｍ，高さｂを２１．５ｍｍ，厚さｃを３．１７５ｍｍとし、表面金属ストリップ２１１と裏面金属ストリップ２１２との長さｈを２１ｍｍ，間隔ｇを０．５ｍｍ，幅ｗを３ｍｍの寸法とすると、約５．１ＧＨｚ〜約５．５ＧＨｚの通過周波数帯域を得ることができる。また、高さｂを２４ｍｍ、間隔ｇを３ｍｍに変更すると約６．０ＧＨｚ〜約６．７ＧＨｚの通過周波数帯域を得ることができる。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００８】
【非特許文献１】２０１１年電子情報通信学会総合大会  エレクトロニクス講演論文集１  Ｃ−２−７６  大山陽平外３名著  「向かい合った金属パターンで構成される平板型人工媒質のＴＭ波に対する阻止特性」
【非特許文献２】２０１２年電子情報通信学会総合大会  エレクトロニクス講演論文集１  Ｃ−２−８４  吉田武礼外３名著  「表裏面の金属ストリップを互い違いに配置した左手系媒質」
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
従来の左手系媒質２００はシート型のメタマテリアルであり、その適用周波数は数ＧＨｚのマイクロ波帯である。このシート型メタマテリアルの適用周波数をテラヘルツ波帯（０．１〜１０ＴＨｚ）とするには、原理的には適用周波数に対応してスケールダウンすれば良い。例えば、適用周波数を０．４ＴＨｚとする場合は、上記した各寸法を約１／６０とする規格化を行うことになる。しかしながら、誘電体基板の厚さが実用の範囲の厚さよりきわめて薄くなってしまい、実現することが困難になるという問題点があった。
本発明は、従来は実現されていなかった誘電体基板の厚さを実用の範囲の厚さとすることができるシート型メタマテリアルを提供することを目的としている。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的を達成するために、請求項１にかかる発明は、所定長ｌの細長い矩形状の単位ストリップが、間隔ｇを空けて長軸方向に並べられて配列された第１金属ストリップが、誘電体基板の一面に所定間隔で互いにほぼ平行に複数本配設されている第１金属ストリップ群と、前記第１金属ストリップと同じ構成の第２金属ストリップが、前記誘電体基板の他面に、前記第１金属ストリップに重なると共に前記単位ストリップの約１／２の長さだけずらせて複数本配設されている第２金属ストリップ群とを備え、前記誘電体基板の厚さｈが約５０μｍ、前記単位ストリップの長さｌが設計周波数帯域においてほぼ共振する長さ、前記第１金属ストリップ間の間隔ｐが約２１０μｍとされて、テラヘルツ波帯の周波数において、負の誘電率および負の透磁率を呈することを最も主要な特徴としている。
また、請求項２にかかる発明は、請求項１にかかる発明において、前記単位ストリップが間隔ｇが約１０μｍ〜約１００μｍ、前記単位ストリップの長さｌが約９０μｍ〜約３６０μｍ、前記単位ストリップの幅ｗが約３２μｍとされて、約０．３ＴＨｚ〜約０．９ＴＨｚにおいて、負の誘電率および負の透磁率を呈することを主要な特徴としている。
【発明の効果】
【００１１】
請求項１，２にかかる発明によれば、従来は実現されていなかった誘電体基板の厚さを実用の範囲の厚さとすることができるシート型メタマテリアルを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの構成を示す平面図、一部の構成を拡大して示す平面図である。
【図２】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの構成を示す斜視図である。
【図３】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの単位セルの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の実施例のシート型メタマテリアルの単位セルの構成を示す側面図、寸法の一例を示す図表である。
【図５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第１の周波数における屈折率の等高線図である。
【図６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第１の周波数における透過電力の等高線図である。
【図７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図１０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図１１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図１２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを５００μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図１３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第２の周波数における屈折率の等高線図である。
【図１４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第２の周波数における透過電力の等高線図である。
【図１５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図１６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図１７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図１８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図１９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図２０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１００μｍ、長さｌを３６０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図２１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第３の周波数における屈折率の等高線図である。
【図２２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第３の周波数における透過電力の等高線図である。
【図２３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図２４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図２５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図２６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図２７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図２８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを７０μｍ、長さｌを２６０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図２９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第４の周波数における屈折率の等高線図である。
【図３０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第４の周波数における透過電力の等高線図である。
【図３１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図３２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図３３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図３４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図３５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図３６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを８０μｍ、長さｌを２１０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図３７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第５の周波数における屈折率の等高線図である。
【図３８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第５の周波数における透過電力の等高線図である。
【図３９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図４０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図４１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図４２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図４３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図４４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを９０μｍ、長さｌを１８０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図４５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第６の周波数における屈折率の等高線図である。
【図４６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第６の周波数における透過電力の等高線図である。
【図４７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図４８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図４９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図５０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図５１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図５２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを４０μｍ、長さｌを１４０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図５３】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第７の周波数における屈折率の等高線図である。
【図５４】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける、間隔ｇと長さｌのパラメータに対する第７の周波数における透過電力の等高線図である。
【図５５】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時の屈折率の周波数特性を示す図である。
【図５６】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時のインピーダンスの周波数特性を示す図である。
【図５７】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時の比誘電率の周波数特性を示す図である。
【図５８】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時の比透磁率の周波数特性を示す図である。
【図５９】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時の透過電力の周波数特性を示す図である。
【図６０】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおいて、間隔ｇを１０μｍ、長さｌを９０μｍとした時の反射電力の周波数特性を示す図である。
【図６１】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおけるＦＯＭの周波数特性を示す図である。
【図６２】本発明にかかるシート型メタマテリアルの単位セルにおける屈折率の実部と虚部の周波数特性を示す図である。
【図６３】従来の平板型人工媒質の構成を示す斜視図、一部を拡大して示す斜視図である。
【図６４】従来の左手系媒質の構成を示す斜視図、一部を拡大して示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の実施例のシート型メタマテリアル１の構成を示す平面図を図１（ａ）に、その一部の構成を拡大して示す平面図を図１（ｂ）に、本発明の実施例のシート型メタマテリアル１の構成を示す斜視図を図２に、本発明の実施例のシート型メタマテリアル１の１周期分の構成である単位セルの詳細を示す斜視図を図３に、その側面図を図４（ａ）に、その寸法の一例を図４（ｂ）に示す。
これらの図に示す本発明の実施例にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において動作する。このシート型メタマテリアル１は、図１（ａ）（ｂ）および図２に示すようにｘ−ｙ平面に置かれた矩形の誘電体基板１０の表面に細長い矩形の表面金属ストリップ１１が互いに平行にｙ方向に多数本形成され、裏面に細長い矩形の裏面金属ストリップ１２が表面金属ストリップ１１にそれぞれ重なるように多数本形成されている。この場合、裏面金属ストリップ１２は、表面金属ストリップ１１に対して長軸方向（ｙ方向）に、約１／２だけずらして形成されている。
【００１４】
表面金属ストリップ１１は、細長い矩形状の長さｌの単位ストリップ１１ａを間隔ｇを空けて、その中心軸上に多数本並べて配設されて形成されている。この表面金属ストリップ１１を互いにほぼ平行になるように、誘電体基板１０の表面に複数本形成することにより第１金属ストリップ群が構成されている。裏面金属ストリップ１２は、表面金属ストリップ１１と同様の構成とされ、細長い矩形状の長さｌの単位ストリップ１２ａを間隔ｇを空けて、その中心軸上に多数本並べて配設されて形成されている。この裏面金属ストリップ１２を互いにほぼ平行になると共に、それぞれが表面金属ストリップ１１に対して長さｌの約１／２だけずれて重なるように、誘電体基板１０の裏面に複数本形成することにより第２金属ストリップ群が構成されている。誘電体基板１０は、例えばシクロオレフィンポリマーフィルムとされ、その比誘電率は約２．３４、ｔａｎδは約０．００１６の低損失とされる。誘電体基板１０は、他の低損失の誘電体フィルムとしても良い。
【００１５】
上記した構成の本発明にかかるシート型メタマテリアル１は、図１（ａ）、図２に示す単位セルＡを縦横に多数配列した構造と等価となる。そこで、単位セルＡの構成を図３，４（ａ）に示す。これらの図に示すように単位セルＡは、幅がｐで長さｌより間隔ｇだけ長い長さに単位化された厚さｈの矩形の誘電体基板１０を有し、誘電体基板１０の表面に、約ｌ／２の長さに分割した２つの単位ストリップ１１ａが間隔ｇを空けて形成された表面金属ストリップ１１と、単位ストリップ１１ａに対して長さｌの約１／２だけずれて重なるように形成された、長さｌの単位ストリップ１２ａからなる裏面金属ストリップ１２とを備えている。単位ストリップ１１ａ，１２ａは、誘電体基板１０上に厚さｔで形成した金属膜を、エッチング加工すること等により形成されている。
【００１６】
この単位セルＡをｘ−ｙ平面に配置して、ｙ方向に表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２とを配設し、その周囲を図３に示すように周期境界壁１５で囲み、ｙ方向に偏波されたテラヘルツ波帯の入射波Ｉｎを入射させる。入射波Ｉｎは、その電界成分Ｅがｙ方向となり、その磁界成分Ｈがｘ方向となって、進行方向ｋはｚ方向となる。すると、鎖交する磁界により誘電体基板１０の表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２との間に逆方向に電流が流れ磁性体粒子として働くようになる。特に、表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２の長さｌに基づく共振周波数以上では等価透磁率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。また、ｙ方向の電界Ｅにより表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２上で分極が起こり、誘電体粒子としても働くようになる。特に、表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２の長さｌに基づく共振周波数以上では等価誘電率が負を呈する周波数帯域が生じるようになる。この場合、図３に示す単位セルＡでは、表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２とが長さｌの約１／２だけずらされて重なりが短くされていることから、磁性の共振周波数が上がるようになる。また、表面金属ストリップ１１と裏面金属ストリップ１２では、上下方向に配置された単位ストリップ１１ａ，１２ａ間の容量だけでなく、誘電体基板１０を介して互いに対面する単位ストリップ１１ａ，１２ａとの間の容量が増えるため、誘電性の共振周波数が下がるようになる。これによって、誘電性の共振周波数よりも磁性の共振周波数が高くなり、誘電率が負となる帯域内で磁性の共振が起こるようになる。このため、本発明のシート型メタマテリアル１においては、誘電率および透磁率が共に負となる所定範囲の周波数領域が得られるようになる。単位ストリップ１１ａ，１２ａを形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等を用いることができる。
【００１７】
単位セルＡの寸法の一例を図４（ａ）に示す。この場合、フレキシブルなシクロオレフィンポリマーフィルムとされた誘電体基板１０の屈折率ｎcopは、０．５ＴＨｚにおいて約１．５３＋ｊ０．００１２となっている。単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの幅ｗは約３２μｍ、単位セルＡにおける誘電体基板１０の幅ｐは約２１０μｍ、誘電体基板１０の厚さｈは約５０μｍ、単位ストリップ１１ａ，１２ａの厚さｔは約０．５μｍとすることができる。なお、本発明にかかるシート型メタマテリアル１においては、単位セルＡの各部の寸法を調整することにより、誘電体基板１０の厚さｈを約５０μｍという、実用の範囲の厚さとすることができるようになった。
【００１８】
本発明にかかるシート型メタマテリアル１において、上記寸法とした単位セルＡの屈折率および関連するパラメータの解析結果を図５ないし図６０に示す。なお、解析においては単位ストリップ１１ａ，１２ａは完全導体で構成されているものとしている。
図５は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを４０μｍ〜１４０μｍとし、周波数ｆを０．３ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が４６０μｍ〜５６０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図５を参照すると、上記の全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約８０μｍでｌが約５００μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−８．２２が得られていることがわかる。
図６は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図５と同範囲とし、周波数ｆを０．３ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図６を参照すると、傾きが約４５°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約８０μｍでｌが約５００μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９８．９％の良好な値が得られていることがわかる。
【００１９】
図７は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図７を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．１ＴＨｚにおいて約＋５．１とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．２２５ＴＨｚの時に最大（約＋１３）となるが、約０．２６ＴＨｚで反転して約−１２の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．３６ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．３ＴＨｚにおいて約−８．６８を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．２４ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．２６ＴＨｚにおいて最大（約＋５）となるが、その後は下降して約０．３ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．２６ＴＨｚ〜約０．３６ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００２０】
図８は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図８を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．１ＴＨｚにおいて約＋０．１とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．２２５ＴＨｚの時に０となり、約０．３ＴＨｚで急激に上昇して約＋８となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していき約０．３６ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．３ＴＨｚにおいて約＋１．４２を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．２２５ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．３ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−４）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約８０μｍ、ｌを約５００μｍとすると、約０．３ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００２１】
図９は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図９参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．１ＴＨｚにおいて約＋３０とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．２２ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−５０）となり、その後は０に向かって急激に変化して約０．３ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に大きくなる小さなピークを示し、その後は０に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．３ＴＨｚにおいて約−６．１２を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．２２ＴＨｚまではほぼ０であり、０．２２ＴＨｚにおいて正方向に急上昇するが、約０．２６ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−６０）となるが、その後は急激に変化して約０．３ＴＨｚにおいてほぼ０となる。
【００２２】
図１０は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図１０を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．１ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．２２ＴＨｚの時に０になるが、その後やや上昇し約０．３ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−１５）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．３５ＴＨｚで０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．３ＴＨｚにおいて約−１２．３を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．２２ＴＨｚまではほぼ０であり、０．２２ＴＨｚにおいて正方向に急上昇するが、約０．２６ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−６０）となるが、その後は急激に変化して約０．３ＴＨｚにおいてほぼ０となる。
【００２３】
図１１は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図１１を参照すると、透過電力Ｔｐは０．１ＴＨｚにおいて約３０％とされ、周波数の上昇に伴い低下していき約０．２５ＴＨｚにおいて最小の約２％まで低下する。その後、周波数が上昇すると増加していき約０．２７５ＴＨｚから急激に増大して約０．３ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９８％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に低下していき約０．３３ＴＨｚにおいて約１８％まで低下するが、その後は緩やかに上昇する。透過電力Ｔｐは、０．３ＴＨｚにおいて約９７．４％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．３ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００２４】
また、図１２は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約５００μｍとした際の、０．１ＴＨｚ〜０．４ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図１２を参照すると、反射電力Ｒｐは０．１ＴＨｚにおいて約７０％とされ、周波数の上昇に伴い増加していき約０．２５ＴＨｚにおいて最大の約９８％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると低下していき約０．２７５ＴＨｚから急激に減少して約０．３ＴＨｚにおいて最小のピーク（約１．５４％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に上昇していき約０．３３ＴＨｚにおいて約８２％まで増加するが、その後は緩やかに下降する。反射電力Ｒｐは、０．３ＴＨｚにおいて約１．５４％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００２５】
図１３は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを３０μｍ〜１３０μｍとし、周波数ｆを０．４ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が３１０μｍ〜４１０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図１３を参照すると、上記の全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−５．４３が得られていることがわかる。
図１４は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図１３と同範囲とし、周波数ｆを０．４ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図１４を参照すると、傾きが約３５°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９９．３％の良好な値が得られていることがわかる。
【００２６】
図１５は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図１５を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．２ＴＨｚにおいて約＋４．８とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．３ＴＨｚの時に最大（約＋１０）となるが、約０．３５ＴＨｚで反転して約−８の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．４７ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．４ＴＨｚにおいて約−５．８１を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．３ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．３５ＴＨｚにおいて最大（約＋４）となるが、その後は下降して約０．４ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．３５ＴＨｚ〜約０．４７ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００２７】
図１６は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図１６を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．２ＴＨｚにおいて約＋０．１とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．３ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．４ＴＨｚで急激に上昇して約＋４．５となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していき約０．４７ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．４ＴＨｚにおいて約＋１．２２を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．３ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．４ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−２．５）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約１００μｍ、ｌを約３６０μｍとすると、約０．４ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００２８】
図１７は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図１７を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．２ＴＨｚにおいて約＋２２とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．３ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−２８）となり、その後は０に向かって変化して約０．３９ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に変化して小さなピークを示し、その後は０に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．４ＴＨｚにおいて約−４．７７を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．３ＴＨｚまではほぼ０であり、０．３ＴＨｚにおいて正方向に急上昇して+４０を超えるが、約０．３６ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−２５）となる。その後は急激に変化して約０．４ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００２９】
図１８は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図１８を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．２ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．３ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．４ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−２０）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．４５ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．４ＴＨｚにおいて約−７．０７を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．３ＴＨｚまではほぼ０であり、０．３ＴＨｚを超えると緩やかに負方向に変化するが、約０．３６ＴＨｚにおいて正方向に反転し、約０．４ＴＨｚにおいて急上昇して約+１９となるが、約０．４ＴＨｚを超えると急激に負に反転してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００３０】
図１９は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図１９を参照すると、透過電力Ｔｐは０．２ＴＨｚにおいて約２２％とされ、周波数の上昇に伴い低下していき約０．３６ＴＨｚにおいて最小の約２％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に増加していき約０．４ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９７．８％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に低下していき約０．４５ＴＨｚにおいて約４０％まで低下するが、その後は緩やかに上昇する。透過電力Ｔｐは、０．４ＴＨｚにおいて約９７．８％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．４ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００３１】
また、図２０は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍとした際の、０．２ＴＨｚ〜０．５ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図２０を参照すると、反射電力Ｒｐは０．２ＴＨｚにおいて約７８％とされ、周波数の上昇に伴い増加していき約０．３６ＴＨｚにおいて最大の約９８％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に減少して約０．４ＴＨｚにおいて最小のピーク（約１．４４％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に上昇していき約０．４５ＴＨｚにおいて約６０％まで増加するが、その後は緩やかに下降する。反射電力Ｒｐは、０．４ＴＨｚにおいて約１．４４％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００３２】
図２１は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを５０μｍ〜１５０μｍとし、周波数ｆを０．５ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が２５０μｍ〜３５０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図２１を参照すると、上記のほぼ全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−４．１３が得られていることがわかる。
図２２は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図２１と同範囲とし、周波数ｆを０．５ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図２１を参照すると、傾きが約２５°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９８．８％の良好な値が得られていることがわかる。
【００３３】
図２３は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図２３を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．３ＴＨｚにおいて約＋３．５とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．４ＴＨｚの時に最大（約＋７．５）となるが、約０．４４ＴＨｚで反転して約−７の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．５８ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．５ＴＨｚにおいて約−４．２０を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．４ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．４５ＴＨｚにおいて最大（約＋２．５）となるが、その後は下降して約０．４９ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．４４ＴＨｚ〜約０．５８ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００３４】
図２４は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図２４を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．３ＴＨｚにおいて約＋０．２とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．４ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．４９ＴＨｚで急激に上昇して約＋６．５となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していき約０．５８ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．５ＴＨｚにおいて約＋０．９３９を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．４ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．４９ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−３）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約７０μｍ、ｌを約２６０μｍとすると、約０．４９ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００３５】
図２５は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図２５を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．３ＴＨｚにおいて約＋１５とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．４ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−１２）となり、その後は０に向かって変化して約０．４９ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に変化して小さなピークを示し、その後は０に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．５ＴＨｚにおいて約−４．４８を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．４ＴＨｚまではほぼ０であり、０．４ＴＨｚにおいて正方向に急上昇して+４０を超えるが、約０．４８ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−２２）となる。その後は急激に変化して約０．４９ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００３６】
図２６は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図２６を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．３ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．４ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．４９ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−２０）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．５８ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．５ＴＨｚにおいて約−３．９５を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．４ＴＨｚまではほぼ０であり、０．４ＴＨｚを超えると緩やかに負方向に変化するが、約０．４４ＴＨｚにおいて正方向に反転し、約０．４９ＴＨｚにおいて急上昇して約+１８となるが、約０．４９ＴＨｚを超えると急激に負に反転してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００３７】
図２７は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図２７を参照すると、透過電力Ｔｐは０．３ＴＨｚにおいて約２３％とされ、周波数の上昇に伴い低下していき約０．４３ＴＨｚにおいて最小の約１１％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に増加していき約０．５ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９９．２％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に低下していき約０．５５ＴＨｚにおいて約５２％まで低下するが、その後は緩やかに上昇する。透過電力Ｔｐは、０．５ＴＨｚにおいて約９９．２％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．４９ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００３８】
また、図２８は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約７０μｍでｌが約２６０μｍとした際の、０．３ＴＨｚ〜０．６ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図２８を参照すると、反射電力Ｒｐは０．３ＴＨｚにおいて約７７％とされ、周波数の上昇に伴い増加していき約０．４３ＴＨｚにおいて最大の約８９％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に減少して約０．５ＴＨｚにおいて最小のピーク（約０．２５１％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に上昇していき約０．５５ＴＨｚにおいて約４８％まで増加するが、その後は緩やかに下降する。反射電力Ｒｐは、０．５ＴＨｚにおいて約０．２５１％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００３９】
図２９は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを１０μｍ〜１１０μｍとし、周波数ｆを０．６ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が１７０μｍ〜２７０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図２９を参照すると、長さｌが約２５０μｍ以下のほぼ全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−２．８８が得られていることがわかる。
図３０は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図２９と同範囲とし、周波数ｆを０．６ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図３０を参照すると、傾きが約３０°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９９．６％の良好な値が得られていることがわかる。
【００４０】
図３１は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図３１を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．４ＴＨｚにおいて約＋３．５とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．４８ＴＨｚの時に最大（約＋６）となるが、約０．５４ＴＨｚで反転して約−５の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．６８ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．６ＴＨｚにおいて約−２．９３を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．４８ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．５４ＴＨｚにおいて最大（約＋２．５）となるが、その後は下降して約０．５９ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．５４ＴＨｚ〜約０．６８ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００４１】
図３２は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図３２を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．４ＴＨｚにおいて約＋０．２とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．４８ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．５９ＴＨｚで急激に上昇して約＋４．２となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していき約０．６８ＴＨｚにおいてほぼ０となる。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．６ＴＨｚにおいて約＋１．０４を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．４８ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．５９ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−５）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約８０μｍ、ｌを約２１０μｍとすると、約０．５９ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００４２】
図３３は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図３３を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．４ＴＨｚにおいて約＋１２とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．４８ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−１０）となり、その後は０に向かって変化して約０．５９ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に変化して小さなピークを示し、その後は０に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．６ＴＨｚにおいて約−２．８１を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．４８ＴＨｚまではほぼ０であり、０．４８ＴＨｚにおいて正方向に急上昇して+４０を超えるが、約０．５４ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−１２）となる。その後は急激に変化して約０．５９ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００４３】
図３４は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図３４を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．４ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．４８ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．５９ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−２０）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．６８ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．６ＴＨｚにおいて約−３．０６を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．４８ＴＨｚまではほぼ０であり、０．４８ＴＨｚを超えると緩やかに負方向に変化するが、約０．５３ＴＨｚにおいて正方向に反転し、約０．５９ＴＨｚにおいて急上昇して約+２０となるが、約０．５９ＴＨｚを超えると急激に負に反転してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００４４】
図３５は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図３５を参照すると、透過電力Ｔｐは０．４ＴＨｚにおいて約２９％とされ、周波数の上昇に伴い低下していき約０．５２ＴＨｚにおいて最小の約１３％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に増加していき約０．６ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９９．４％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に低下していき約０．６４ＴＨｚにおいて約８６％まで低下するが、その後は緩やかに上昇する。透過電力Ｔｐは、０．６ＴＨｚにおいて約９９．４％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．５９ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００４５】
また、図３６は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約８０μｍでｌが約２１０μｍとした際の、０．４ＴＨｚ〜０．７ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図３６を参照すると、反射電力Ｒｐは０．４ＴＨｚにおいて約７１％とされ、周波数の上昇に伴い増加していき約０．５２ＴＨｚにおいて最大の約８７％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に減少して約０．６ＴＨｚにおいて最小のピーク（約０．１６１％）となる。その後周波数の上昇に伴い急激に上昇していき約０．６４ＴＨｚにおいて約１４％まで増加するが、その後は緩やかに下降する。反射電力Ｒｐは、０．６ＴＨｚにおいて約０．１６１％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００４６】
図３７は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを１０μｍ〜１１０μｍとし、周波数ｆを０．７ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が１２０μｍ〜２２０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図３７を参照すると、長さｌが約２００μｍ以下のほぼ全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−１．２１が得られていることがわかる。
図３８は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図３７と同範囲とし、周波数ｆを０．７ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図３８を参照すると、傾きが約４０°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９９．７％の良好な値が得られていることがわかる。
【００４７】
図３９は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図３９を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．５ＴＨｚにおいて約＋３．６とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．５５ＴＨｚの時に最大（約＋５）となるが、約０．６１ＴＨｚで反転して約−５の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．７５ＴＨｚにおいてほぼ０となり、その後は緩やかに正方向に増加していく。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．７ＴＨｚにおいて約−１．２４を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．５５ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．６２ＴＨｚにおいて最大（約＋２．３）となるが、その後は下降して約０．６６ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．６１ＴＨｚ〜約０．７５ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００４８】
図４０は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図４０を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．５ＴＨｚにおいて約＋０．２とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．５５ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．６６ＴＨｚで急激に上昇して約＋６．０となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していくが約０．７５ＴＨｚにおいて再びピークになる。約０．７５ＴＨｚを超えると急激に低下してほぼ０となり、その後は緩やかに上昇する。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．７ＴＨｚにおいて約＋１．０５を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．５５ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．６６ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−８）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約９０μｍ、ｌを約１８０μｍとすると、約０．６６ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００４９】
図４１は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図４１を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．５ＴＨｚにおいて約＋１３とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．５５ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−７）となり、その後は０に向かって変化して約０．６６ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に変化して小さなピークを示し、その後は０に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．７ＴＨｚにおいて約−１．１８を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．５５ＴＨｚまではほぼ０であり、０．５５ＴＨｚにおいて正方向に急上昇して+４０を超えるが、約０．６１ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−８）となる。その後は急激に変化して約０．６６ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００５０】
図４２は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図４２を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．５ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．５５ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．６６ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−２０）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．７５ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．７ＴＨｚにおいて約−１．３０を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．５５ＴＨｚまではほぼ０であり、０．５５ＴＨｚを超えると緩やかに負方向に変化するが、約０．６１ＴＨｚにおいて正方向に反転し、約０．６６ＴＨｚにおいて急上昇して約+２０となるが、約０．６６ＴＨｚを超えると急激に負に反転してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００５１】
図４３は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図４３を参照すると、透過電力Ｔｐは０．５ＴＨｚにおいて約２９％とされ、周波数の上昇に伴い低下していき約０．６２ＴＨｚにおいて最小の約１３％まで低下する。その後、周波数が上昇すると急激に増加していき約０．７ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９９．６％）となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに低下する。透過電力Ｔｐは、０．７ＴＨｚにおいて約９９．６％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．６６ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００５２】
また、図４４は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約９０μｍでｌが約１８０μｍとした際の、０．５ＴＨｚ〜０．８ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図４４を参照すると、反射電力Ｒｐは０．５ＴＨｚにおいて約７１％とされ、周波数の上昇に伴い増加していき約０．６２ＴＨｚにおいて最大の約８７％まで上昇する。その後、周波数が上昇すると急激に減少して約０．７ＴＨｚにおいて最小のピーク（約０．１３１％）となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに上昇する。反射電力Ｒｐは、０．７ＴＨｚにおいて約０．１３１％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００５３】
図４５は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを１０μｍ〜１１０μｍとし、周波数ｆを０．８ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が１００μｍ〜２００μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図４５を参照すると、長さｌが約１６０μｍ以下のほぼ全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−０．９７７が得られていることがわかる。
図４６は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図４５と同範囲とし、周波数ｆを０．８ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図４６を参照すると、傾きが約３０°の中央部の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９９．７％の良好な値が得られていることがわかる。
【００５４】
図４７は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図４７を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．６ＴＨｚにおいて約＋３．１とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．６７ＴＨｚの時に最大（約＋４．５）となるが、約０．７１ＴＨｚで反転して約−４の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．８３ＴＨｚにおいてほぼ０となり、その後は緩やかに正方向に増加していく。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．８ＴＨｚにおいて約−０．９７２を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．６２ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い増加して約０．７ＴＨｚにおいて最大（約＋１．５）となるが、その後は下降して約０．７３ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．７１ＴＨｚ〜約０．８３ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００５５】
図４８は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図４８を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．６ＴＨｚにおいて約＋０．２とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．６７ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．７３ＴＨｚで急激に上昇して約＋８．０となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していくが約０．８３ＴＨｚにおいて再びピークになる。約０．８３ＴＨｚを超えると急激に低下してほぼ０となり、その後は緩やかに上昇する。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．７ＴＨｚにおいて約＋１．０５を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．６２ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．７３ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−４．５）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約４０μｍ、ｌを約１４０μｍとすると、約０．７３ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００５６】
図４９は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図４９を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．６ＴＨｚにおいて約＋９とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．６２ＴＨｚの時に負に反転して負の最大ピーク（約−３）となり、その後は０に向かって変化して約０．７３ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い負方向に変化して小さなピークを示し、その後は０を超えて正方向に向かって緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．８ＴＨｚにおいて約−０．９９０を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．６２ＴＨｚまではほぼ０であり、０．６２ＴＨｚにおいて正方向に急上昇して+２０を超えるが、約０．７１ＴＨｚにおいて急激に負に反転して負の最大ピーク（約−６）となる。その後は急激に変化して約０．７３ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００５７】
図５０は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図５０を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．６ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．６２ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．７３ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−２０）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約０．８６ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．８ＴＨｚにおいて約−０．９５４を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．６２ＴＨｚまではほぼ０であり、０．６２ＴＨｚを超えると緩やかに負方向に変化するが、約０．７１ＴＨｚにおいて正方向に反転し、約０．７３ＴＨｚにおいて急上昇して約+２０となるが、約０．７３ＴＨｚを超えると急激に負に反転してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００５８】
図５１は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図５１を参照すると、透過電力Ｔｐは０．６ＴＨｚにおいて約４２％とされ、周波数が上昇してもほぼ維持され約０．６２ＴＨｚを超えると急激に増加していき約０．８ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９９．７％）となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに低下する。透過電力Ｔｐは、０．８ＴＨｚにおいて約９９．７％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．７３ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００５９】
また、図５２は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約４０μｍでｌが約１４０μｍとした際の、０．６ＴＨｚ〜０．９ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図５２を参照すると、反射電力Ｒｐは０．６ＴＨｚにおいて約５６％とされ、周波数が上昇してもほぼ維持され約０．６２ＴＨｚを超えると急激に減少して約０．８ＴＨｚにおいて最小のピーク（約０．０１８％）となる。その後周波数の上昇に伴い緩やかに上昇する。反射電力Ｒｐは、０．８ＴＨｚにおいて約０．０１８％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００６０】
図５３は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔（Gap）ｇを１０μｍ〜１１０μｍとし、周波数ｆを０．９ＴＨｚとした際の単位ストリップ１１ａ，１２ａの長さｌ（Length of cut wire ）が５０μｍ〜１５０μｍの範囲における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）の等高線図である。図５３を参照すると、長さｌが約１１０μｍ以下のほぼ全範囲において負の屈折率ｎが得られており、ｇが約１０μｍでｌが約９０μｍの×マークにおける屈折率の実部Ｒｅ（ｎ）として約−１．３４が得られていることがわかる。
図５４は、単位セルＡにおいて、単位ストリップ１１ａ，１２ａの間隔ｇと長さｌを図５３と同範囲とし、周波数ｆを０．９ＴＨｚとした際の透過電力Ｔｐの等高線図である。図５４を参照すると、長さｌが７０μｍ以下の範囲や間隔ｇが２０μｍ以下の範囲において良好な透過電力特性が得られており、ｇが約１０μｍでｌが約９０μｍの×マークにおける透過電力Ｔｐとして約９６．１％の良好な値が得られていることがわかる。
【００６１】
図５５は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの周波数特性である。図５５を参照すると、屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）は０．７ＴＨｚにおいて約＋２．５とされ周波数の上昇に伴い増加して約０．８１ＴＨｚの時に最大（約＋３．０５）となるが、約０．８ＴＨｚで反転して約−３．７の負となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって変化していき約０．９２ＴＨｚにおいてほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。実部Ｒｅ（ｎ）は、０．９ＴＨｚにおいて約−２．９３を呈するようになる。また、屈折率ｎの虚部Ｉｍ（ｎ）は０．８ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴いわずかに増加して約０．８２Ｈｚにおいて最大（約＋０．５）となるが、その後は下降して約０．８４ＴＨｚにおいてほぼ０となる。このように、単位セルＡは０．８ＴＨｚ〜約０．９２ＴＨｚにおいて負の屈折率ｎとなることがわかる。
【００６２】
図５６は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における相対インピーダンス（Relative Impedance）Ｚｒの周波数特性である。図５６を参照すると、相対インピーダンスＺｒの実部Ｒｅ（Ｚｒ）は０．７ＴＨｚにおいて約＋０．２とされ周波数の上昇に伴い緩やかに下降して約０．８ＴＨｚの時にほぼ０となり、約０．８４ＴＨｚで急激に上昇して約＋４５となる。そして、周波数の上昇に伴い０に向かって急峻に変化していくが約０．９２ＴＨｚにおいて再びピークになる。約０．９２ＴＨｚを超えると急激に低下してほぼ０となり、その後は緩やかに上昇する。実部Ｒｅ（Ｚｒ）は、０．７ＴＨｚにおいて約＋１．０５を呈するようになる。また、相対インピーダンスＺｒの虚部Ｉｍ（Ｚｒ）は０．８ＴＨｚまではほぼ０であり、周波数が上昇するに伴い負の方向に増加して約０．８４ＴＨｚにおいて急激に負方向に増大して最大（約−４．５）となるが、その後は急激に変化してほぼ０となる。このように、単位セルＡはｇを約１０μｍ、ｌを約９０μｍとすると、約０．８４ＴＨｚにおいて共振特性を示すことがわかる。
【００６３】
図５７は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における相対比誘電率（Relative Permittivity）εｒの周波数特性である。図５７を参照すると、相対比誘電率εｒの実部Ｒｅ（εｒ）は０．７ＴＨｚにおいて約＋５とされ周波数の上昇に伴い急速に上昇していくが、約０．８１ＴＨｚの時に負に反転してほぼ０となり、その後負方向に変化していき約０．８５ＴＨｚにおいて負の最大ピーク（約−２）となり、その後は０に向かって変化して約０．９２ＴＨｚでほぼ０となる。そして、周波数の上昇に伴い正方向に緩やかに変化していく。実部Ｒｅ（εｒ）は、０．９ＴＨｚにおいて約−０．８８７を呈するようになる。また、相対比誘電率εｒの虚部Ｉｍ（εｒ）は０．８１ＴＨｚまではほぼ０であり、０．８１ＴＨｚにおいて負方向に急降下して−２０を超える。約０．８１ＴＨｚを超えると急激に０に向かって変化していき、約０．８３ＴＨｚにおいてほぼ０となり、以降はほぼ０が維持される。
【００６４】
図５８は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における相対比透磁率（Relative permeability）μｒの周波数特性である。図５８を参照すると、相対比透磁率μの実部Ｒｅ（μｒ）は０．７ＴＨｚにおいて約＋１とされて約０．８１ＴＨｚの時にほぼ０になるが、その後やや上昇し約０．８３ＴＨｚにおいて負に反転して負のピーク（約−１７）となる。そして、周波数の上昇に伴い急激に０に向かい、約１．０ＴＨｚでほぼ０になる。実部Ｒｅ（μｒ）は、０．９ＴＨｚにおいて約−１．６４を呈するようになる。また、相対比透磁率μの虚部Ｉｍ（μｒ）は０．８１ＴＨｚまではほぼ０であり、０．８１ＴＨｚを超えると正方向に急上昇して、約０．８３ＴＨｚにおいて正のピーク（約＋２０）となる。約０．８３ＴＨｚを超えると急激に負に減少してほぼ０となり、その後はほぼ０が維持される。
【００６５】
図５９は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における透過電力Ｔｐの周波数特性である。図５９を参照すると、透過電力Ｔｐは０．７ＴＨｚにおいて約６４％とされ、周波数が上昇するに伴い緩やかに上昇し、約０．８７ＴＨｚにおいて最大のピーク（約９９％）となる。その後周波数の上昇に伴い急速に低下する。透過電力Ｔｐは、０．９ＴＨｚにおいて約９２．０％を呈するようになる。
このように、相対比誘電率εｒと相対比透磁率μｒは約０．８３ＴＨｚ近辺において共に負を呈することから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１はテラヘルツ波帯において負の屈折率ｎを呈すると共に、透過電力特性が良好になることが分かる。
【００６６】
また、図６０は、単位ストリップ１１ａ，１２ａのｇが約１０μｍでｌが約９０μｍとした際の、０．７ＴＨｚ〜１．０ＴＨｚの周波数帯域における反射電力Ｒｐの周波数特性である。図６０を参照すると、反射電力Ｒｐは０．７ＴＨｚにおいて約３６％とされ、周波数が上昇するに伴い緩やかに下降し約０．８３ＴＨｚにおいて最小のピーク（約１％）となる。その後周波数の上昇に伴い急速に上昇する。反射電力Ｒｐは、０．９ＴＨｚにおいて約７．６％を呈するようになる。このように、反射電力Ｒｐは透過電力Ｔｐのほぼ逆特性となる。
【００６７】
図６１（ａ）は、本発明にかかるシート型メタマテリアル１における単位セルＡの性能指数であるＦＯＭ（Figure of Merit）の周波数特性を示す図である。図６１では、０．４１ＴＨｚ〜０．４７ＴＨｚの周波数帯域におけるＦＯＭの周波数特性を示しており、約０．４１９ＴＨｚにおいて約１７．５のきわめて良好なＦＯＭが得られていることが分かる。この場合の、単位セルＡは図４（ｂ）に示す寸法とされていると共に、設計周波数が０．４ＴＨｚとされた時の単位ストリップ１１ａ，１２ａ（ｇが約１００μｍでｌが約３６０μｍ）とされている。現在知られているテラヘルツ波帯のメタマテリアルが示すＦＯＭ値は１ないし１１であることから、本発明にかかるシート型メタマテリアル１のＦＯＭ値は、従来のＦＯＭ値を凌駕していることが分かる。なお、ＦＯＭは図６１（ｂ）で示す式で算出される。式においてＲｅ（ｎ）は屈折率ｎの実部、Ｉｍ（ｎ）は屈折率ｎの虚部である。
【００６８】
図６２は、０．４１ＴＨｚ〜０．４７ＴＨｚの周波数帯域における屈折率ｎの実部Ｒｅ（ｎ）と虚部Ｉｍ（ｎ）の周波数特性を示しており、実部Ｒｅ（ｎ）は０．４１ＴＨｚにおいて約−６．８とされ、周波数の上昇に伴い０に向かっていき、０．４７ＴＨｚにおいては約−０．５となる。また、虚部Ｉｍ（ｎ）は０．４１ＴＨｚにおいて約１．４とされ、周波数の上昇に伴い急激に０に向かうが、約０．４１５ＴＨｚを超えると緩やかに上昇するようになり、０．４７ＴＨｚにおいては約０．６となる。図６２に示す実部Ｒｅ（ｎ）と虚部Ｉｍ（ｎ）を用いて図６１（ｂ）で算出した結果が図６１（ａ）に示されている。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
以上説明した解析では、有限要素法電磁界シミュレータANSYS社HFSS Ver.14.1.1を用いることができる。なお、上記した解析結果に示されているように、単位ストリップの長さｌは設計周波数帯域においてほぼ共振する長さとされている。
本発明にかかるシート型メタマテリアルにおいては、誘電体基板は低損失であれば良くシクロオレフィンポリマーフィルムに限られるものではない。また、単位ストリップを形成する金属材は、金、銀、銅、アルミニウムに限られるものではないが、抵抗損の少ない金属材が好適とされる。
また、図６４に示す従来のマイクロ波帯の左手系媒質を単純にスケールダウンすると、機械的に強度が十分な厚さの誘電体基板とすることができないが、本発明にかかるシート型メタマテリアルにおける誘電体基板では、機械的に強度が十分な厚さの誘電体基板を採用することができる。
【符号の説明】
【００７０】
１  シート型メタマテリアル
１０  誘電体基板
１１  表面金属ストリップ
１１ａ  単位ストリップ
１２  裏面金属ストリップ
１２ａ  単位ストリップ
１５  周期境界壁
Ａ  単位セル
１００  平板型人工媒質
１０１  単位セル
１１０  誘電体基板
１１１  表面金属ストリップ
１１２  裏面金属ストリップ
２００  左手系媒質
２０１  単位セル
２１０  誘電体基板
２１１  表面金属ストリップ
２１２  裏面金属ストリップ
【図１】
2016143921.tif 000003
【図２】
2016143921.tif 000004
【図３】
2016143921.tif 000005
【図４】
2016143921.tif 000006
【図５】
2016143921.tif 000007
【図６】
2016143921.tif 000008
【図７】
2016143921.tif 000009
【図８】
2016143921.tif 000010
【図９】
2016143921.tif 000011
【図１０】
2016143921.tif 000012
【図１１】
2016143921.tif 000013
【図１２】
2016143921.tif 000014
【図１３】
2016143921.tif 000015
【図１４】
2016143921.tif 000016
【図１５】
2016143921.tif 000017
【図１６】
2016143921.tif 000018
【図１７】
2016143921.tif 000019
【図１８】
2016143921.tif 000020
【図１９】
2016143921.tif 000021
【図２０】
2016143921.tif 000022
【図２１】
2016143921.tif 000023
【図２２】
2016143921.tif 000024
【図２３】
2016143921.tif 000025
【図２４】
2016143921.tif 000026
【図２５】
2016143921.tif 000027
【図２６】
2016143921.tif 000028
【図２７】
2016143921.tif 000029
【図２８】
2016143921.tif 000030
【図２９】
2016143921.tif 000031
【図３０】
2016143921.tif 000032
【図３１】
2016143921.tif 000033
【図３２】
2016143921.tif 000034
【図３３】
2016143921.tif 000035
【図３４】
2016143921.tif 000036
【図３５】
2016143921.tif 000037
【図３６】
2016143921.tif 000038
【図３７】
2016143921.tif 000039
【図３８】
2016143921.tif 000040
【図３９】
2016143921.tif 000041
【図４０】
2016143921.tif 000042
【図４１】
2016143921.tif 000043
【図４２】
2016143921.tif 000044
【図４３】
2016143921.tif 000045
【図４４】
2016143921.tif 000046
【図４５】
2016143921.tif 000047
【図４６】
2016143921.tif 000048
【図４７】
2016143921.tif 000049
【図４８】
2016143921.tif 000050
【図４９】
2016143921.tif 000051
【図５０】
2016143921.tif 000052
【図５１】
2016143921.tif 000053
【図５２】
2016143921.tif 000054
【図５３】
2016143921.tif 000055
【図５４】
2016143921.tif 000056
【図５５】
2016143921.tif 000057
【図５６】
2016143921.tif 000058
【図５７】
2016143921.tif 000059
【図５８】
2016143921.tif 000060
【図５９】
2016143921.tif 000061
【図６０】
2016143921.tif 000062
【図６１】
2016143921.tif 000063
【図６２】
2016143921.tif 000064
【図６３】
2016143921.tif 000065
【図６４】
2016143921.tif 000066