(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
実数部がマイクロ波周波数において負であるεまたはμを有するメタマテリアルから形成されたオブジェクト（１４）、及び
１以上のセンサ（１６、１８）を含む装置であって、
前記１以上のセンサ（１６、１８）が、前記オブジェクト内にまたはこれに隣接して配置され、そしてそこでの電界または磁界の強度を測定するように構成されており、
前記オブジェクトのεまたはμは、外部から印加された均一の電界または磁界が前記オブジェクト（１４）の内部に電界または磁界を生成するようなεまたはμであり、前記生成された電界または磁界の平均強度は、前記外部から印可された対応する電界または磁界の強度よりも強いものであり、そして、
前記１以上のセンサが、前記オブジェクトの線形寸法よりも少なくとも５倍長い波長を有する電界または磁界を測定するよう構成されており、そして、
前記メタマテリアルは該オブジェクトに通信周波数を有する外部放射に共振的に結合させるように選択されることを特徴とする装置。
【請求項２】
マイクロ波受信器（１０）をさらに含み、前記オブジェクト（１４）および１以上のセンサ（１６、１８）は、前記受信器（１０）のアンテナとして機能するように構成されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
【請求項３】
１以上のセンサ（１６、１８）に結合され、マイクロ波周波数における信号を増幅するように構成された増幅器（１２）をさらに含むことを特徴とする請求項２記載の装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナおよびマイクロ波トランシーバに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のアンテナは、しばしば、受信されおよび／または送信される放射(radiation)の波長のオーダーの線形寸法を有する。一例として、典型的な無線送信機は、その長さが送信される波の波長の１／２にほぼ等しいダイポールアンテナを使用する。そのようなアンテナ長は、アンテナの電気的ドライバと放射電界との間の効率的な結合を提供する。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
それにも関わらず、その線形寸法が放射波長のオーダーであるアンテナは、多くの状況において実用的でない。特に、セルラ電話機およびハンドヘルドワイヤレスデバイスは小さい。そのようなデバイスは、制限されたアンテナのためのスペースを提供する。一方、小さなアンテナは、セルラ電話機およびハンドヘルドワイヤレスデバイスにおいてしばしば使用される波長における放射に対して効率的に結合しない。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
様々な実施形態が、通信周波数における外部放射に共振結合（resonantly couple）する。共振結合（resonant coupling）のために、アンテナは、それらの線形寸法が、放射波長の１／２より遙かに小さい場合であっても、放射に対する高い感度を有する。
【０００５】
一側面において、本発明は、１つのオブジェクトおよびそのオブジェクトに隣接してまたはオブジェクト中に配置された１以上のセンサを含む装置である。オブジェクトは、その誘電率（dielectric constant）または透磁率（magnetic permeability）がマイクロ波周波数において負の実部（negative real part）を有する材料からなる。１以上のセンサは、オブジェクトに隣接してまたはその中に配置されており、そこでの電界(electric field）または磁界(magnetic field)の強度を測定する。
【０００６】
別の側面において、本発明は方法である。この方法は、マイクロ波放射を受けることによりオブジェクトを励起する（exciting）ステップと、オブジェクトがマイクロ波放射により励起されたことに応じて、オブジェクト内部またはそれに隣接するフィールドの強度を検出することを含む。オブジェクトは、マイクロ波周波数における負の実部を有する誘電率またはマイクロ波周波数における負の実部を有する透磁率のいずれかを有する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
様々な実施形態は、マイクロ波周波数範囲において、誘電率（ε）と透磁率（μ）の一方又は両方が負である人工材料（manmade metamaterials）から製造されたアンテナを含む。メタマテリアル(metamaterial）は、アンテナに通信周波数を有する外部放射に共振的に結合させるように選択される。共振結合のために、アンテナは、それらの線形寸法が放射の波長より遙かに小さいとしても、放射に対する高い感度を有する。
【０００８】
共振結合は、適切なεまたはμの値を有するようにメタマテリアルを選択することから生じる。メタマテリアルの適切な選択は、共振応答が望まれる周波数範囲およびオブジェクトの形状に依存する。球体アンテナ（spherical antennas）に対してεまたはμは、通信周波数における周波数範囲において、「−２」にほぼ等しい実部を有しなければならない。そのようなεおよびμの値に対して、球体アンテナは、その寸法が放射波長の１／２より遙かに小さい場合であっても、外部放射に対して非常に感度がよい。
【０００９】
図１は、誘電体アンテナ（dielectric antenna）１４に基づくマイクロ波受信機１０を示す。受信機１０は、増幅器モジュール１２および誘電体アンテナ１４を含む。増幅器モジュール１２は、誘電体アンテナ１４の対向する極（opposite poles）に隣接して配置された電極１６，１８間の電圧を測定する。電極１６，１８により測定される電圧は、誘電体アンテナ１４内部のフィールドの強度を表す。これは、この電圧は、アンテナ１４が共振的に応答する同じ周波数範囲において外部フィールドに共振的に応答するからである。例示的な電極１６，１８は、誘電体アンテナ１４内部の電界への混乱が最小の細いまたはワイヤメッシュデバイスである。アンテナ１４の直径は、好ましくは、増幅器モジュール１０が増幅するように構成された波長における放射の波長の０．２倍以下である。
【００１０】
小さなアンテナ１４に対して、標準的静電気理論(electrostatic theory)は、アンテナが外部から与えられた放射に対してどのように応答するかを決定する。アンテナの直径Ｓより遙かに大きく、放射波長の１／４より遙かに小さい距離Ｄにおいて、外部電界Ｅｆａｒは、ほぼ空間的に一定および平行である。放射波長がＤより遙かに大きく、外部電界Ｅｆａｒのみが、放射波長の１／４以上の距離に対して実質的に変化するので、電界Ｅｆａｒは、距離Ｄにおいて一定かつ平行である。
【００１１】
アンテナ１４に対して、静電気理論は、アンテナ１４の内部の電界Ｅｉｎｓｉｄｅの値が、空間的に一定の外部電界Ｅｆａｒ、即ち、Ｄに比べて大きくかつ波長に比べて小さい距離にある電界にどのように依存するかを決定する。アンテナ１４が関連する放射周波数近くで実質的に一定である誘電率εを有する場合、静電気理論は、次式となる。
Ｅｉｎｓｉｄｅ＝（３／［ε＋２］）Ｅｆａｒ
この静電気理論の結果から、ε→−２のとき、Ｅｉｎｓｉｄｅ→∞となることが分かる。したがって、小さな外部電界Ｅｆａｒであっても、アンテナの“ε”が−２に近い場合、電極１６，１８間に大きな電圧を生じる。そのような値のεは、アンテナ１４において共振応答を生じ、外部放射に対し受信機を非常に感度よくする。そして、共振アンテナ１４を生成することは、そのεが所望の通信帯域において適切な値を有するメタマテリアルを構成することを必要とする。
【００１２】
入手可能な材料は、−２に等しい誘電率を有しない。むしろその実部が限定された周波数範囲において−２に近いεを有するように複合材料が製造されうる。適切なメタマテリアルは、マイクロ波レンジにおける適切な周波数、例えば約１ギガヘルツ（ＧＨｚ）から約１００ＧＨｚに対して負のεを有する。
【００１３】
上述の周波数範囲の部分において適切な特性を有する人工メタマテリアルは、この技術分野においてよく知られている。いくつかのそのようなメタマテリアルは、R.A. Shelby 等による"Experimental Verification of a Negative Index of Refraction", Science, vol. 292 (2001) 77に示されている。そのようなメタマテリアルに対する様々な設計は、D.R. Smith 等による"Composite Medium with Simultaneously Negative Permeability and Permeability", Physical Review Letters, vol. 84 (2000) 4184およびR.A. Shelby 等による"Microwave transmission through a two-dimensional, isotropic, left-handed metamaterial", Applied Physics Letters, vol. 78 (2001) 489に示されている。例示的なデザインは、約４．７−５．２ＧＨｚおよび約１０．３−１１．１ＧＨｚの範囲に分ける周波数において一方又は両方が負の値のεとμを有するメタマテリアルを生成する。
【００１４】
二次元および三次元の人工メタマテリアルのオブジェクトに対する様々なデザインは、二次元および三次元の導電性オブジェクトのアレイを含む。様々なオブジェクトの実施形態は、単一および複数のワイヤループ、スプリットリング（split-ring）共振器、導電性ストライプ（conducting strips）およびこれらのオブジェクトの組合せを含む。１つまたは複数のワイヤループからなる例示的なオブジェクトは、既に知られているように、オブジェクトを定義するパラメータに依存する共振周波数を有する。
【００１５】
メタマテリアルの誘電率および透磁率は、そこでのオブジェクトの物理的特性およびオブジェクトのアレイのレイアウトの両方に依存する。ワイヤループオブジェクトに対して、共振周波数は、ワイヤの太さ（thickness）、ループ半径（loop radii）、ループの数（the multiplicity of loops）およびループを形成するワイヤの間隔（spacing）に依存する。例えば、D.R. Smith 等による"Loop-wire medium for investigating plasmons at microwave frequencies", Applied Physics Letters, vol. 75 (1999) 1425を参照のこと。
【００１６】
周波数範囲およびεまたはμを選択した後、メタマテリアルでできたオブジェクトおよびアレイに対する適切なパラメータ値は、当業者により簡単に決定される。例えば、上記で引用した文献を参照のこと。有用なメタマテリアルは、その実部が所望のマイクロ波周波数において一方又は両方が負である誘電率と透磁率を有する。
【００１７】
実際の材料は損失を生じるので、メタマテリアルは、典型的には、ゼロでない虚部（imaginary part）のεまたはμを有する。そのような共振の振る舞いに対して、誘電率または透磁率の虚部は、アンテナの共振応答を壊さないように十分なほど小さく、かつ共振応答に対する適切な幅（breadth）を提供するほど十分に大きくなければならない。典型的には、１つの周波数帯域における共振応答が望ましい。メタマテリアルに損失をもたらすための方法は、当業者に知られている。例えば、上記の文献を参照のこと。
【００１８】
アンテナ１４における共振応答を生成する周波数において、εのゼロでない虚部は、無限応答を、図２中に示されたように、周波数の広がりを持つ有限ピークに外部電界を減少させる。好ましい受信機１０は、所望の通信帯域がアンテナ１４における共振応答を生じさせることを保証するために十分大きな虚部をそのεが有するメタマテリアルを使用する。既知のメタマテリアルは、Ｉｍ［ε（ω）］／Ｒｅ［ε（ω）］＝Δω／ω≧０．０３−０．０５and≦０．１の値を生じる。
【００１９】
図３は、透磁性の（magnetically permeable）球体アンテナ２２に基づく受信機２０を示す。受信機２０は、ピックアップコイル２４、および増幅器モジュール２６も含む。アンテナ２２は、適切なμの磁気メタマテリアルからなる。アンテナ２２において、誘電率εよりむしろ、透磁率μが、外部放射に対する共振応答を生じる。アンテナ２２に対して、静電気理論よりむしろ静磁気理論が、アンテナ内部の磁界Ｂｉｎｓｉｄｅを外部磁界Ｂｆａｒに関連させることができる。外部磁界Ｂｆａｒがアンテナ２２の直径に比べて大きい波長を有する場合、静磁気理論は、次式を意味する。
Ｂｉｎｓｉｄｅ＝（３μ／［μ＋２］）Ｂｆａｒ
μが所望の周波数範囲において“−２”に近い値を有する場合、球体アンテナ２２は、外部から与えられた放射に対する共振応答を生じる。そのような場合において、アンテナ２２は、与えられる外部放射にする対する受信機２２の感度を大幅に増大させる。
【００２０】
透磁性のメタマテリアルはその虚部が内部損失のためにゼロでないμを有する。μの虚部は、アンテナ２２が所望の周波数帯域において共振的に応答することを保証するために十分に大きく設計される。メタマテリアルに損失を導入するための方法は、当業者に知られている。
【００２１】
上述した受信機１０，２０は球体アンテナ１４，２２を使用するが、他の実施形態は異なる形状のアンテナを使用する。例示的なアンテナ形状は、楕円体、円筒および立方体を含む。これらの他の形状に対して、関連するアンテナは、“−２”と異なるεまたはμの実部の値について、外部放射に対して共振応答する。メタマテリアルのパラメータは、アンテナのジオメトリに依存し、適切なマイクロ波帯域においてεとμの一方又は両方の適切な負の値を提供するように選択される。
【００２２】
図４は、図１の受信機１０または図３の受信機２０とのワイヤレスデータまたは音声通信を受信するための方法３０を示す。方法３０は、アンテナ中の電界または磁界の強度を共振的に励起するマイクロ波放射を受信するステップを含む（ステップ３２）。アンテナは、マイクロ波周波数において負の実部を有する誘電率またはマイクロ波周波数において負の実部を有する透磁率のいずれかを有する。例示的なアンテナは、メタマテリアルからなるオブジェクトを含む。励起されることに応答して、アンテナ中のまたはこれに隣接する電界または磁界の強度が測定される（ステップ３４）。フィールド強度は、アンテナ内部にまたはこれに隣接して配置された１以上のセンサにより測定される。方法３０は、所定の周波数範囲において送信される通信のデータまたは音声コンテンツを決定するために、測定されたフィールド強度を使用するステップを含む（ステップ３６）。
【００２３】
本発明は、詳細な説明、図面および特許請求の範囲から当業者に明らかとなる他の実施形態を含むことを意図している。
【００２４】
【発明の効果】
本発明によれば、改良されたアンテナおよびマイクロ波トランシーバを提供することができる。
【００２５】
以上の説明は、本発明の一実施例に関するもので、この技術分野の当業者であれば、本発明の種々の変形例を考え得るが、それらはいずれも本発明の技術的範囲に包含される。尚、特許請求の範囲に記載した参照番号がある場合は、発明の容易な理解のためで、その技術的範囲を制限するよう解釈されるべきではない。
【図面の簡単な説明】
【図１】共振誘電体アンテナを含む受信機を示す図。
【図２】アンテナの対向する極に隣接する２つの電極により測定される例示的な球体誘電体アンテナの応答を示す図。
【図３】共振透磁性アンテナを含む受信機を示す図。
【図４】図１または図３の受信機でワイヤレス通信を受信するための方法を示すフローチャート。
【符号の説明】
１０  マイクロ波受信機
１２  増幅器モジュール
１４  アンテナ
１６，１８  電極
２０  受信機
２２  アンテナ
２４  ピックアップコイル
２６  増幅器モジュール
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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