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マイクロ波共振器 新技術説明会

国内特許コード P140010342
掲載日 2014年2月25日
出願番号 特願2012-526551
登録番号 特許第5747418号
出願日 平成23年7月28日(2011.7.28)
登録日 平成27年5月22日(2015.5.22)
国際出願番号 JP2011067284
国際公開番号 WO2012014984
国際出願日 平成23年7月28日(2011.7.28)
国際公開日 平成24年2月2日(2012.2.2)
優先権データ
  • 特願2010-168842 (2010.7.28) JP
発明者
  • 上田 哲也
  • 拜田 剛輝
  • 山本 慎太郎
出願人
  • 国立研究開発法人科学技術振興機構
発明の名称 マイクロ波共振器 新技術説明会
発明の概要 反射用インピーダンス素子(151R)は、右手/左手系複合伝送線路(100)のポート(P1)に接続され、所定の動作周波数において、ポート(P1)から反射用インピーダンス素子(151R)を見たインピーダンスが純虚数(jB)となるように動作する。反射用インピーダンス素子(152R)は、右手/左手系複合伝送線路(100)のポート(P2)に接続され、所定の動作周波数において、ポート(P2)から反射用インピーダンス素子(152R)を見たインピーダンスが-jBとなるように動作する。
従来技術、競合技術の概要



メタマテリアル(Meta-material)とは、光を含む電磁波に対して、自然界の物質には無い振る舞いをする人工構造体のことであるが、特に、負の屈折率を持った物質を指して用いられる場合もある。





従来から、メタマテリアルを用いて、右手/左手系複合メタマテリアルにてなるマイクロ波共振器が提案されている。ここで、「右手系」というのは、電磁波の電界ベクトル、磁界ベクトル、波数ベクトルが右手系をなす方向関係を有する電磁波の伝搬状態を指し、電磁波の伝送電力の方向(群速度の向き)と、位相面の流れの向き(位相速度の向き)が同方向となるフォワード波の伝搬状態を指す。この状態は、実効誘電率及び透磁率がともに正の値を持つ媒質及び構造体において可能となる。また、「左手系」というのは、電界ベクトル、磁界ベクトル、波数ベクトルが左手系をなす関係を有する電磁波の伝搬状態を指し、電磁波の伝送電力の方向と、位相面の流れの向きが反対となるバックワード波の伝搬状態を指す。この状態は、実効誘電率及び透磁率がともに負の値を持つ媒質及び構造体において可能となる。





メタマテリアルの構成方法はいくつか提案されているが、代表例として、共振型メタマテリアルと伝送線路(非共振)型メタマテリアルの2つが挙げられる。前者の共振型メタマテリアルは、金属ストリップからなるスプリットリング共振器と細線の組合せに代表されるように、外部電磁界の磁界及び電界成分によって応答する磁気的及び電気的共振器の組合せからなる。この構造は、実効誘電率あるいは透磁率が反共振特性を示すので、共振周波数付近において損失の影響が非常に大きくなる。一方、後者の伝送線路型メタマテリアルは、一般的な電磁波の伝搬形態が伝送線路モデルで記述できることを用いて構造体が構成されており、フォワード波伝搬を許す従来の一次元右手系メタマテリアル構造は、直列枝に誘導性素子が、並列枝(以下、シャント枝ともいう。)に容量性素子が挿入された梯子型構造を取るのに対して、一次元左手系メタマテリアル構造は、実効誘電率及び透磁率の値を負にするために、直列枝に容量性素子が、並列枝に誘導性素子が挿入された構造となる。この伝送線路型メタマテリアルの多くは、実効誘電率及び透磁率において反共振特性を示さないため、上記の共振型に比べて低損失となる特長がある。伝送線路型メタマテリアルにおいては、動作周波数帯域により、右手系メタマテリアル、左手系メタマテリアル、誘電率あるいは透磁率のどちらか一方が負で他方が正となるシングルネガティブメタマテリアル、実効誘電率あるいは透磁率が零のメタマテリアルとして動作することから、右手/左手系複合メタマテリアルと呼ばれる。





右手/左手系複合メタマテリアルの実効誘電率及び透磁率がゼロの値を取る周波数は、一般に異なる。その場合、隣接する誘電率がゼロの周波数と透磁率がゼロとなる周波数の間の帯域は、誘電率あるいは透磁率のどちらか一方のみが負で、他方が正の値を取る。このとき電磁波の伝搬条件を満たさず、禁止帯が形成される。この禁止帯の下側の帯域では、誘電率及び透磁率がともに負であるので左手系メタマテリアルとして、上側の帯域ではともに正の値となり右手系メタマテリアルとして動作する。誘電率と透磁率がゼロとなる周波数が一致する場合、禁止帯(バンド・ギャップ)が形成されず、左手系伝送帯域と右手系伝送帯域が連続的に接続される。このようなメタマテリアルを平衡型右手/左手系複合メタマテリアルといい、そうでないものを非平衡型右手/左手系複合メタマテリアルと呼ぶ。平衡型右手/左手系複合メタマテリアルは、禁止帯を生じないばかりでなく、位相定数が0となる周波数においても、群速度がゼロとならず、効率良い電力伝送が可能という特長を持つ。





零次共振器に関する最初の報告は、特許文献1、2及び非特許文献1によってなされた。これは、複数の単位セルよりなる有限長の右手/左手系複合伝送線路の両端に対して、開放もしくは短絡終端を設置することにより構成される。共振器の特長としては、

(i)線路長に関係なく、単位セルの構造パラメータのみによって決まる共振周波数で共振すること、

(ii)共振時には、共振器内の電磁界分布の振幅及び位相が一様となることが挙げられる。





零次共振器の共振周波数は、右手/左手系複合伝送線路の伝搬特性を与える分散ダイアグラム(動作周波数と伝搬定数(以下、位相定数ともいう。)の関係)において、位相定数がゼロ(実効誘電率がゼロもしくは実効透磁率がゼロ)となる周波数に対応する。





右手/左手系複合伝送線路の両端がともに開放終端であるか、短絡終端であるかのどちらかの場合に、共振周波数が線路長に関係しないような共振条件を得ることができる。両端がともに開放終端である場合、零次共振器を構成する線路の実効誘電率がゼロに対応する周波数において共振する。一方、両端が短絡の場合、実効透磁率がゼロに対応する周波数において共振する。従って、非平衡型右手/左手系複合伝送線路を用いた場合、両端を開放する場合と短絡する場合とで、零次共振器の動作周波数が異なるというのが従来の共振器の設計方法であった。





零次共振器内の電磁界分布は、振幅及び位相が一様となるため、大きな単位セル数からなる右手/左手系複合伝送線路をアンテナに応用することにより、高指向性及び高利得のアンテナを構成することが可能となる。また、零次共振器をアンテナ素子に応用した報告も既にいくつかなされている(例えば、非特許文献2及び3参照。)。





しかしながら、上記の実効誘電率がゼロとなる周波数と、実効透磁率がゼロとなる周波数とが異なる非平衡型右手/左手系複合伝送線路を用いて構成された零次共振器においては、もともと同線路の伝搬特性を表す分散曲線において、位相定数がゼロとなる周波数では、群速度もゼロとなってしまう。このため、共振器を構成する単位セル数が大きくなる(共振器のサイズが大きくなる)と、共振器に沿って信号が伝搬できないため共振動作が得られないという問題があった。実際、これまで提案された非平衡型右手/左手系複合伝送線路を用いた零次共振器の多くは、比較的少ない単位セル数で構成されており、アンテナサイズの大型化の際に不向きである。以上のことから、位相定数が0の場合においても群速度が0でない線路を構成する必要があり、平衡型右手/左手系複合伝送線路を用いる必要がある。





零次共振器のサイズを大きくし、アンテナ素子として用いることにより、指向性アンテナ設計、利得の改善を図る報告が既にある(例えば、非特許文献4、5及び6参照。)。非特許文献4及び5の報告では、いずれもマイクロストリップ線路の直列枝にコンデンサを、並列枝に短絡スタブを誘導性素子として周期的に挿入した右手/左手系複合伝送線路からなる一次元零次共振器を採用している。また、単位セル数の多いアンテナにおける指向性、放射利得の改善については、数値計算結果のみの報告にとどまっている。一方、非特許文献6には、誘電体共振器と平行平板線路との組合せからなる右手/左手系複合メタマテリアル構造により構成された2次元零次共振器を、指向性アンテナ素子として応用することが記載されている。





さらに、アンテナ以外の応用例として、フィルタ、電力分配器、発振器などが挙げられ、報告例もいくつかなされている(例えば、非特許文献7参照。)。

産業上の利用分野



本発明は、電磁波の伝搬を許したり、阻止させたりする機能を有するメタマテリアル(人工構造体装置)に関するものであり、構造体の実効誘電率が正、負、零のいずれかであり、一方で、実効透磁率が正、負、零のいずれかの値を取る右手/左手系複合メタマテリアルにてなるマイクロ波共振器と、当該マイクロ波共振器を用いたアンテナ装置と、当該マイクロ波共振器を用いた帯域通過フィルタ装置及び帯域阻止フィルタ装置とに関する。なお、本明細書において、マイクロ波とは、例えばUHF(Ultra High Frequency)バンドの周波数帯以上のマイクロ波、ミリ波、準ミリ波、テラヘルツ波をいう。

特許請求の範囲 【請求項1】
容量性素子を等価的に含む直列枝の回路と、誘導性素子を等価的に含む並列枝の回路と、少なくとも1つの伝送線路部分とを有する少なくとも1つの単位セルを、第1と第2のポートの間で縦続接続して構成されたマイクロ波伝送線路を備えたマイクロ波共振器であって
上記マイクロ波伝送線路は第1のポートと第2のポートとを有し、
上記マイクロ波共振器は、
上記マイクロ波伝送線路の第1のポートに接続され、所定の動作周波数において、上記第1のポートから第1の反射用インピーダンス回路を見たインピーダンスが第1のインピーダンスとなるように動作する第1の反射用インピーダンス回路と、
上記マイクロ波伝送線路の第2のポートに接続され、上記動作周波数において、上記第2のポートから第2の反射用インピーダンス回路を見たインピーダンスが第2のインピーダンスとなるように動作する第2の反射用インピーダンス回路とを備え、
少なくとも、上記第1のインピーダンスの虚部と上記第2のインピーダンスの虚部とは互いに異符号であり、かつ上記第1のインピーダンスの虚部の大きさと上記第2のインピーダンスの虚部の大きさとは実質的に互いに等しいように構成することにより、直列共振と並列共振が混在した二重共振の状態にある零次共振器であることを特徴とするマイクロ波共振器。

【請求項2】
上記第1のインピーダンスは所定の純虚数であり、
上記第2のインピーダンスは、上記第1のインピーダンスと共役である純虚数であることを特徴とする請求項1記載のマイクロ波共振器。

【請求項3】
上記マイクロ波伝送線路において、上記容量性素子は当該伝送線路を伝搬する電磁波モードの実効透磁率が負であるマイクロ波素子であり、上記誘導性素子は当該伝送線路を伝搬する電磁波モードの実効誘電率が負であるマイクロ波素子であることを特徴とする請求項1又は2記載のマイクロ波共振器。

【請求項4】
上記マイクロ波伝送線路は、
地導体を有する誘電体基板と、
上記誘電体基板上に形成されたマイクロストリップ線路と、
上記マイクロストリップ線路を複数の線路部に分断し、上記分断された複数の線路部のうちの互いに隣接する各線路部を接続する複数のキャパシタと、
上記各線路部をそれぞれ接地導体に接続する複数の誘導性スタブ導体とを備えたことを特徴とする請求項1乃至3のうちのいずれか1つに記載のマイクロ波共振器。

【請求項5】
請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載のマイクロ波共振器を用いたアンテナ装置であって、
上記第1の反射用インピーダンス回路又は上記第2の反射用インピーダンス回路に接続され、上記マイクロ波共振器によって受信されたマイクロ波信号を出力する給電回路をさらに備えたことを特徴とするアンテナ装置。

【請求項6】
上記第1の反射用インピーダンス回路は、上記第1のインピーダンスを変化させる第1のインピーダンス変化手段を備え、
上記第2の反射用インピーダンス回路は、上記第2のインピーダンスを変化させる第2のインピーダンス変化手段を備え、
上記アンテナ装置は、
上記マイクロ波共振器によって受信されるマイクロ波信号の偏波方向を変化させるように、上記第1及び第2のインピーダンス変化手段をそれぞれ制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする請求項5記載のアンテナ装置。

【請求項7】
上記アンテナ装置は、
上記給電回路から出力されたマイクロ波信号の受信電力を検出する受信電力検出手段をさらに備え、
上記制御手段は、上記検出された受信電力に基づいて、上記受信電力が最大になるように上記マイクロ波共振器によって受信されるマイクロ波信号の偏波方向を変化させることを特徴とする請求項6記載のアンテナ装置。

【請求項8】
上記第1及び第2のインピーダンスは離散的に変化することを特徴とする請求項5乃至7のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。

【請求項9】
上記第1及び第2のインピーダンスは連続的に変化することを特徴とする請求項5乃至7のうちのいずれか1つに記載のアンテナ装置。

【請求項10】
上記第1及び第2の反射用インピーダンス回路はそれぞれ、可変容量ダイオード及びインダクタを含むことを特徴とする請求項9記載のアンテナ装置。

【請求項11】
上記第1及び第2の反射用インピーダンス回路のそれぞれは、移相器及び伝送線路を含むことを特徴とする請求項9記載のアンテナ装置。

【請求項12】
請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載のマイクロ波共振器を備えた帯域通過フィルタ装置であって、
上記マイクロ波伝送線路は非平衡型マイクロ波伝送線路であり、
上記第1の反射用インピーダンス回路は、上記第1のインピーダンスを変化させる第1のインピーダンス変化手段を備え、
上記第2の反射用インピーダンス回路は、上記第2のインピーダンスを変化させる第2のインピーダンス変化手段を備え、
上記帯域通過フィルタ装置は、
当該帯域通過フィルタ装置の帯域通過周波数を変化させるように、上記第1及び第2のインピーダンス変化手段をそれぞれ制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする帯域通過フィルタ装置。

【請求項13】
請求項1乃至4のうちのいずれか1つに記載のマイクロ波共振器を備えた帯域阻止フィルタ装置であって、
上記マイクロ波伝送線路は非平衡型マイクロ波伝送線路であり、
上記第1の反射用インピーダンス回路は、上記第1のインピーダンスを変化させる第1のインピーダンス変化手段を備え、
上記第2の反射用インピーダンス回路は、上記第2のインピーダンスを変化させる第2のインピーダンス変化手段を備え、
上記帯域阻止フィルタ装置は、
当該帯域阻止フィルタ装置の帯域阻止周波数を変化させるように、上記第1及び第2のインピーダンス変化手段をそれぞれ制御する制御手段をさらに備えたことを特徴とする帯域阻止フィルタ装置。
産業区分
  • 伝送回路空中線
国際特許分類(IPC)
Fターム
画像

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出願権利状態 登録
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