以下図面により本発明の形態を説明する� ��

 (第1の人工媒質)
 図1には、本発明による第1の人工媒質の上� �図を示す。また、図2には、図1に示した第1� �人工媒質のA-A線に沿った断面図を示す。

 図1および2に示すように、本発明による� �1の人工媒質100は、表面112と裏面114とを有す� ��誘電体層111を備える。誘電体層111の表面112� ��裏面114には、導電性のグリットライン110と� ��電性のタイル140とが形成されている。ここ� ��、導電性のグリットライン110と導電性のタ� ��ル140とで構成される模様を繰り返しパター� ��105とする。各面に構成された繰り返しパタ� ��ン105は、誘電体層111の厚さ方向から見て、� ��質的に同一のものである。また、各面に構� ��された繰り返しパターン105は、誘電体層111� ��厚さ方向と平行な方向(図2のZ方向)から見た 場合、実質的に一致するように、表面112およ び裏面114に配置される。つまり、各面に構成 された繰り返しパターン105は、誘電体層111を 挟んで、対称となるように形成されている。

 ここで、「グリッドライン」とは、誘電� ��層の表面(または裏面)に配置された、幅が� �質的に等しい線状の導電体を意味する。「� �イル」とは、2本の「グリッドライン」の交� ��に配置された、「グリッドライン」以外の� ��電体を意味する。本願において、「タイル� ��は、特に、導電性素子とも称される。ここ� ��、複数のグリットラインの交点に配置され� ��とは、タイルがグリットラインの交点上に� ��置されるという意味ではなく、タイルの下� ��はグリットラインは存在していない。つま� ��、誘電体層111の厚さ方向から見て、グリッ� ��ラインとタイルは、仮想の同一平面を構成� ��る。

 グリッドライン110は、実質的に第1の方向 (図のX方向)に延伸する複数の第1のグリッド� �イン110Xと、実質的に第2の方向(図のY方向)に 延伸する複数の第2のグリッドライン110Yとを� ��する。また、タイル140は、第1のグリッドラ イン110Xと第2のグリッドライン110Yの各交点に 配置されている。

 図1において、各第1のグリッドライン110Xは� ��ピッチP _X で等間隔に配置されている。同様に、各第2� �グリッドライン110Yは、ピッチP _Y で等間隔に配置されている。ここで、P _x =P _Y である。第1のグリッドライン110Xおよび第2の グリッドライン110Yの幅は、それぞれ、W _X およびW _Y であり、図1の例では、W _X =W _Y である。

 ここで、図1では、第1のグリットライン110X� ��第2のグリットライン110Yとは直交している� �しかしながら、本発明において、第1および� ��2のグリッドライン110X、110Yは、必ずしも直� ��している必要はない。また、第1および第2� �グリッドライン110X、110Yのそれぞれは、必ず しも等間隔に配置される必要はない。また、 第1および第2のグリッドライン110X、110Yのそ� �ぞれが等間隔に配置される場合であっても� �ピッチP _X とP _Y は、異なっていても良い。また、複数の第1� �グリッドライン110Xの幅W _X は、すべて同じ幅W _X である必要はなく、すべて異なっていてもよ く、一部分のみ異なる若しくは同じ構成でも 良い。同様に、第2のグリッドライン110Yの幅W _Y についても同じことが言える。さらに、グリ ッドラインの幅W _X とW _Y は、異なっていても良い。

 また、図においてタイル140は、正方形状で� ��り、X方向の幅D _X とY方向の幅D _Y は、等しい。タイル140は、誘電体層111の表面 112及び裏面114上に配置される。タイル140の正 方形の各辺は、第1のグリッドライン110Xまた� ��第2のグリッドライン110Yのいずれかの延伸� �向と実質的に平行である。また、タイル140� �、その重心と第1のグリッドライン110Xと第2� �グリッドライン110Yの交点とが重なるように� ��置される。

 なお、タイル140は、必ずしも、第1のグリ ッドライン110Xと第2のグリッドライン110Yとの 全ての交点に配置される必要はない。ただし 、以降に示すように、タイル140は、第1のグ� �ッドライン110Xと第2のグリッドライン110Yと� �全ての交点に配置されることがより好まし� �。またタイル140の形状は、正方形に限られ� �ものではなく、長方形など、様々な形態を� �用することができる。

 次に、このように構成された本発明によ� ��第1の人工媒質100の特性を、前述の非特許文 献3に記載の人工媒質(以下、「従来の人工媒� ��」と称する)の特性と比較して説明する。

 まず、従来の人工媒質の構成について説� ��する。図3および図4は、従来の人工媒質の� �成を示す。図3は、従来の人工媒質の上面図� ��ある。図4は、図3のB-B線に沿った断面図で� �る。

 従来の人工媒質150は、表面162および裏面1 64を有する誘電体層161を備える。従来の人工� ��質150の表面162及び裏面164には、複数のグリ� ��ドラインがマトリクス状に形成されている� ��ここで、マトリクス状の模様を繰り返しパ� ��ーン155とする。なお、従来の人工媒質150は� ��本発明のような「タイル」を有さない。

 パターン155は、図3のX方向に延伸する複数� �グリッドライン160X(第1のグリッドライン)と� ��Y方向に延伸する複数のグリッドライン160Y(� ��2のグリッドライン)とを有する。第1のグリ� ��ドライン160Xは、ピッチP _X で等間隔に配置されている。同様に、第2の� �リッドライン160Yは、ピッチP _Y で等間隔に配置されている。ここで、P _x =P _Y である。なお第1のグリッドライン160Xの幅W _X は、第2のグリッドライン160Yの幅W _Y よりも狭くなっている。

 ここで、誘電体層161のパターン155は、厚� ��方向から見て、同一の形状となっている(図 4参照)。ここで、誘電体層161において、第1の グリッドラインおよび第2のグリッドライン� �いずれも設置されていない部分には、開口15 7が設けられている。

 次に、従来の人工媒質150と、本発明によ� ��第1の人工媒質100の特性の差異を、シミュレ ーション結果に基づいて説明する。なお、シ ミュレーションは、FIT(Finite Integration Techniqu e)法(有限積分法)により実施した。

 シミュレーションに使用した人工媒質100� ��よび人工媒質150を構成する各素子の寸法等� ��パラメータを、まとめて表1に示す。表1に� �いて、sは、誘電体層111、161の厚さであり、t は、各グリッドライン(およびタイル)の厚さ� ��ある。また、誘電体層111、161の比透磁率は� ��1.0とし、比誘電率は、3.4とした。

 図5~図8には、第1の人工媒質100および従来 の人工媒質150における、周波数特性のシミュ レーション結果の一例を示す。図5は、従来� �人工媒質の実効比誘電率と実効比透磁率の� �波数依存性を示したグラフである。図6は、� ��来の人工媒質のS11パラメータとS21パラメー� ��の周波数依存性を示したグラフである。一� ��、図7は、本発明による人工媒質100の実効比 誘電率と実効比透磁率の周波数依存性を示し たグラフである。図8は、本発明による人工� �質100のS11パラメータとS21パラメータの周波� �依存性を示したグラフである。

 図5に示すように、従来の人工媒質150は、 約25GHz~約26GHzの周波数域において、実効比誘� ��率と実効比透磁率がともに負となっている� ��よって、従来の人工媒質150は、約25GHz~約26GH zの周波数領域に、左手系媒質が得られてい� �ことがわかる。

 一方、本発明による人工媒質100では、図7 に示すように、約23.5GHzの周波数において、� �気共鳴周波数Fo(実効比透磁率の正のピーク� �負のピークの間の、実効比透磁率が0になる� ��波数)が得られ、約26GHzの周波数にプラズマ� ��波数Fp(実効比誘電率が0になる周波数)が得� �れている。本発明の人工媒質100は、約23.5GHz~ 約26GHzの周波数領域において、実効比誘電率� ��実効比透磁率がともに負となっている。よ� ��て、本発明の人工媒質100は、約23.5GHz~約26GHz の周波数領域に、左手系媒質が得られている ことがわかる。

 ここで、図6に示すように、従来の人工媒 質150では、良好な透過特性が得られる領域(S2 1特性が-1dB以上)は、周波数が約25GHzの位置に� ��られていることがわかる。そのため、従来� ��人工媒質150は、左手系媒質としての特性の� ��られる周波数領域が著しく限定される。す� ��わち、従来の人工媒質は、25GHz以外の周波� �領域では、損失が大きくなり、マイクロ波� �たはミリ波の分野の人工媒質として適性に� �用することはできない。

 これに対して、本発明の人工媒質100では� ��図8に示すように、約24GHz~約28GHzの周波数領� ��において、S21特性がほぼ0(ゼロ)dBになって� �る。従って、本発明の人工媒質100では、従� �の人工媒質150に比べ、極めて広い周波数領� �にわたって透過損失の少ない良好な特性を� �ることができる。さらに、図7に示すように� ��本発明の人工媒質100は、26GHzにおいて、実� �比透磁率と実効比誘電率がともにゼロとな� �。よって、本発明の人工媒質100は、26GHzにお いて、整合ゼロ屈折率媒質が達成されている ことがわかる。

 このように、本発明の人工媒質と従来の� ��工媒質の間には、透過損失の少ない良好な� ��手系媒質が得られる周波数の帯域幅に有意� ��差異が認められる。さらに、本発明の人工� ��質は、従来の人工媒質に比べて、偏波依存� ��が小さいという特徴を有する。以下、この� ��異について説明する。

 図9および図10は、従来の人工媒質150の入� ��波の偏波を90゜回転させた場合のシミュレ� �ション結果を示す。先の図5および図6の結果 は、図3に示すように、入射電磁波の電界方� �EがX軸方向と平行な場合に得られたものであ る。これに対して、図9および図10の結果は、 入射電磁波の電界方向EがY軸方向と平行な場� ��に相当する。

 図9および図10から、従来の人工媒質150は� ��入射電磁波の偏波が90゜変化すると、有効� �特性が全く得られなくなることがわかる。

 図11および図12は、本発明の人工媒質100の 入射偏波を90゜回転させた場合のシミュレー� ��ョン結果を示す。これらの図と前述の図7お よび図8の比較から、本発明の人工媒質100で� �、特性が偏波の方向にほとんど依存しない� �とがわかる。すなわち、本発明の人工媒質� �、偏波方向依存性がほとんどなく、いかな� �偏波に対して左手系媒質としての特性を発� �することがわかる。

 以上のシミュレーション結果から明らか� ��ように、本発明の人工媒質では、従来の人� ��媒質に比べて、広い周波数域にわたって左� ��系媒質としての特性を有し、かつ偏波依存� ��の少ない人工媒質を提供することが可能と� ��る。

 (第2の人工媒質)
 次に、本発明による第2の人工媒質について 説明する。図13は、本発明による第2の人工媒 質の上面図を示す。図14は、図13に示した第2� ��人工媒質のC-C線に沿った断面図を示す。

 第2の人工媒質200は、基本的に前述の第1� �人工媒質100と同様に構成される。本発明に� �る第2の人工媒質200は、表面212と裏面214とを� ��する誘電体層211を備える。誘電体層211の表� ��212と裏面214には、導電性のグリットライン2 10と導電性のタイル240とが形成されている。� ��こで、導電性のグリットライン210と導電性� ��タイル240とで構成される模様を繰り返しパ� ��ーン205とする。各面に構成された繰り返し� ��ターン205は、誘電体層211の厚さ方向から見� ��、実質的に同一のものである。また、各面� ��構成された繰り返しパターン205は、誘電体� ��211の厚さ方向と平行な方向(図14のZ方向)か� �見た場合、実質的に一致するように、表面21 2および裏面214に配置される。つまり、各面� �構成された繰り返しパターン205は、誘電体� �211を挟んで、対称となるように形成されて� �る。

 しかしながら、第2の人工媒質200では、グ リッドライン210に対する導電性のタイル240の 配向が、第1の人工媒質100とは異なっている� �図13に示すように、第2の人工媒質200の正方� �状のタイル240は、第1の人工媒質100のタイル1 40に対して、45゜回転させた状態で、誘電体� �の表面212(および裏面214)に配置されている。 従って、タイル240の各辺が、第1のグリッド� �イン210X(または第2のグリッドライン210Y)の延 伸方向となす最小角度は、45゜である。ここ� ��、「最小角度」とは、2つの直線がなす角度 のうち、小さい方の角度を意味する。

 図15および図16は、前述のシミュレーショ ン法により、第2の人工媒質200の特性を計算� �た結果である。図15は、人工媒質200の実効比 誘電率と実効比透磁率の周波数依存性を示し たグラフである。図16は、人工媒質200のS11とS 21パラメータの周波数依存性を示したグラフ� ��ある。

 なお、シミュレーションには、表2に示す パラメータを使用した。表2において、sは、� ��電体層の厚さであり、tは、各グリッドライ ン(およびタイル)の厚さである。また、誘電� ��層211の比透磁率は、1.0とし、比誘電率は、3 .4とした。

 図15および図16の結果から、第2の人工媒� �200においても、約23GHzから26GHzの広い周波数� ��において、左手系媒質が得られていること� ��わかる。特に、図16に示すように、第2の人� ��媒質200の場合、プラズマ周波数Fp(約26.5GHz)� �中心とする広い周波数域にわたって、S21が� �ぼ0(ゼロ)dBとなっている。よって、第2の人� �媒質200は、第1の人工媒質を超える極めて良� ��な特性が得られていることがわかる。

 第2の人工媒質200において、このような良 好な特性が得られるのは、以下の理由による ものである。

 一般に、波動インピーダンスZは、Z=√(μ ₀ μ _r /ε ₀ ε _r )で表される。ここで、μ ₀ は真空の透磁率であり、μ _r は比透磁率であり、ε ₀ は真空の誘電率であり、ε _r は比誘電率である。ここで、一般に、比透磁 率は、磁気共鳴周波数Foよりも高い周波数で� ��負の値から、磁気プラズマ周波数(比透磁率 が0となる周波数)よりも高い周波数域で1に収 束するまで、周波数に対して徐々に増加する ように変化する。従って、波動インピーダン スZを自由空間の波動インピーダンスに整合� �せるためには、この実効比透磁率の周波数� �対する勾配にできる限り接近するように、� �効比誘電率の周波数を変化させることが好� �しい。

 一方、図7と図15の比較からも明らかなよ� ��に、第2の人工媒質200におけるプラズマ周波 数Fp近傍での実効比誘電率の周波数に対する� ��配は、第1の人工媒質100における勾配に比べ て、実効比透磁率の周波数に対する勾配に、 より近接している。そのため、第2の人工媒� �200は、より広い周波数領域にわたって良好� �インピーダンス整合を得ることができる。� �って、第2の人工媒質200は、第1の人工媒質に 比べてより良好な特性を得ることが可能とな る。

 また、第2の人工媒質200は、以下のように 設計上の観点からも有意な特性を有する。

 図17は、前述のシミュレーション法を用い� �得られたタイルの寸法D _X およびD _Y を3.0mmから3.6mmまで変化させたときに、人工� �質100の実効比誘電率の変化を示すグラフで� �る。また、図18は、前述のシミュレーション 法を用いて得られたタイルの寸法D ₁ およびD ₂ を3.0mmから3.6mmまで変化させたときに、人工� �質200の実効比誘電率の変化を示す。

 両図の比較から、第2の人工媒質200では、 第1の人工媒質100に比べて、タイル形状の変� �が実効比誘電率に及ぼす影響が小さいこと� �わかる。これについては、次のように考え� �れる。

 第1の人工媒質100の場合、隣接する2つの� �イル140において、対向する辺は、平行にな� �ている。従って、この場合、タイル140の端� �に集中する電荷により、隣接する2つのタイ� ��間には、大きな静電容量が生じる。このた� ��、第1の人工媒質100では、タイル間の電界が 大きくなる傾向にある。これに対して、第2� �人工媒質200の場合は、隣接する2つのタイル2 40において、対向する辺同士は、平行になっ� ��いない。このため、タイル240の端部に電荷� ��蓄積されにくく、隣接する2つのタイル間の 静電容量も小さくなる。両人工媒質のこのよ うな違いにより、前述のような形状依存性の 差異が現れたものと予想される。

 なお、図13では、各タイル240は、正方形� �である。しかしながら、本発明の第2の人工� ��質200の各タイルは、隣接するタイルの対向� ��る辺が互いに平行になっていなければ、い� ��なる形状であっても良い。また、タイルの� ��郭を構成する辺は、直線に限られず、曲線� ��あっても良い。

 このように、第2の人工媒質200は、第1の� �工媒質100に比べて、プラズマ周波数Fpを中心 とする広い周波数領域において、より一層高 い整合を得ることができる。その上、第2の� �工媒質200は、タイルの寸法因子の影響が小� �く、設計の自由度をより広げることが可能� �なる。

 なお、前述の第1の人工媒質の場合と同様、 入射偏波を90゜回転させてシミュレーション� ��行ったところ、第2の人工媒質においても、 有意な偏波依存性は認められなかった。
 ここで、本発明の人工媒質において、各グ� ��ッドラインには、少なくとも一つの導電性� ��イルが設けられいることが好ましい。

 以下、その理由を説明する。

 例えば、図19の人工媒質180を考える。この� �工媒質180の第1のグリッドライン110Xのピッチ P _X と第2のグリッドライン110YのピッチP _Y は、等しい。この人工媒質180の導電性のタイ ル140は、X方向の配置ピッチP _A とY方向の配置ピッチP _B を有する。そして、各ピッチは、それぞれ、 P _A =2P _X 、P _B =2P _Y という関係を有する。この人工媒質180の導電 性のタイル140は、その周囲が第1および第2の� ��リッドラインによって完全に囲まれている� ��つまり、この人工媒質180の導電性のタイル1 40は、誘電体層の両面に、いわば「枠付きの� ��イル」として配置されているとも見なすこ� ��ができる。言い換えると、図19の人工媒質18 0は、導電性タイルが全く設けられていない� �リッドラインがある。なお、人工媒質180の� �の他の構成は、前述の人工媒質100と同様で� �る。

 このように構成された人工媒質180のシミ� ��レーション結果を、前述の人工媒質100の結� ��と合わせて図20に示す。シミュレーション� �は、前述のFIT法を用いた。また、シミュレ� �ションに使用した人工媒質100および180の各� �ラメータ値を表3に示す。人工媒質の誘電体� ��111の厚さは、0.6mmとし、誘電体層111の誘電� �は、4.25とし、誘電損は、0.006とした。また� �繰り返しパターン105の厚さ(片面)は、18μmと� ��た。

 図20に示されるように、人工媒質180にお� �ては、実効比誘電率(図の細い実線)が磁気共 鳴周波数Fo'近傍の周波数(約20GHz)において顕� �なピークを示すことがわかる。また、これ� �付随して、人工媒質180では、周波数Fo'より� �きな周波数域(より具体的には、周波数約21~� ��25GHzの領域)での実効比誘電率の周波数に対� ��る勾配が、実効比透磁率(図の細い破線)の� �波数に対する勾配に比べて大きくなってい� �。一方、第1の人工媒質100の場合は、同図に� ��すように、磁気共鳴周波数Fo以降の周波数� �において、実効比誘電率(図の太い実線)の周 波数に対する勾配は、実効比透磁率(図の太� �破線)の周波数に対する勾配とほぼ等しくな� ��ている。前述の理由により、波動インピー� ��ンスZを整合させる上で、周波数Foより大き� ��周波数域において、実効比誘電率の勾配は� ��実効比透磁率の周波数に対する勾配にでき� ��限り接近することが好ましい。

 従って、このような観点からすれば、人� ��媒質100の実効比誘電率の変化は、人工媒質1 80に比べてより好ましい。

 なお、図20に示すような比実効誘電率の大� �なピークは、いわゆる「枠付きのタイル」� �有するパターンが配置された人工媒質にお� �て、各パラメータ値(例えば、グリッドライ� ��の幅W _X および/またはW _Y 等)を変化させた場合においても同様に認め� �れた。

 以上のことから第1のグリッドラインと第 2のグリッドラインの交点は、導電性のタイ� �上のみに配置されることが好ましいと言え� �。

 以上のことから、本発明の人工媒質にお� ��て、各グリッドラインには、少なくとも一� ��の導電性タイルが設けられていることが好� ��しい。

 ここで、上述した人工媒質の製造方法に� ��いては、実際の製造プロセスを考慮した場� ��、プレーナープロセス、すなわち、特徴的� ��パターンを有する平面を積層させる方法に� ��り形成できることが好ましい

 前述の第2の人工媒質200を実際に試作し、 その特性を評価した。人工媒質は、以下の手 順で作製した。

 印刷プロセスおよびエッチングプロセス� ��より、BT樹脂製の誘電体基板(三菱瓦斯化学) の表裏面に、図13に示すようなグリッドライ� ��とタイルからなる導電性パターンを形成し� ��。導電性パターンは、銅で形成した。各素� ��の寸法等は、前述の表2の第2の人工媒質200� �欄に示した通りである。なお、誘電体層の� �透磁率は、1.0で、比誘電率は、3.4であった� �

 人工媒質の特性評価は、以下に記載する� ��法により行った。

 図21には、人工媒質の特性測定用の測定� �置の概略構成図を示す。この測定装置400は� �送信用ホーンアンテナ410と、受信用ホーン� �ンテナ420と、電波吸収体430と、ベクトルネ� �トワークアナライザー440とを有する。送信� �ホーンアンテナ410と、受信用ホーンアンテ� �420との間には、測定対象である前述のよう� �製作された人工媒質300が設置される。送信� �ホーンアンテナ410~受信用ホーンアンテナ420� ��での測定領域全体は、電波吸収体430によっ� ��被覆されている。またベクトルネットワー� ��アナライザー440は、同軸ケーブル460を介し� ��、送信用ホーンアンテナ410および受信用ホ� ��ンアンテナ420に接続されている。本測定で� ��、送信用ホーンアンテナ410および受信用ホ� ��ンアンテナ420には、コニカルホーンアンテ� ��を使用した。送信用ホーンアンテナ410から� ��信用ホーンアンテナ420までの距離は、320.6mm であり、これらのアンテナ410、420から人工媒 質405の表面までの距離は、160mmとした。

 このような測定装置400を用いて、次のよう� ��して人工媒質の比誘電率および比透磁率を� ��めた。まず、ベクトルネットワークアナラ� ��ザー440を用いて、自由空間法により人工媒� ��300のSパラメータを計測する。次に、得られ た結果から、以下の文献(1)~(3)に記載されて� �る計算アルゴリズムを用いて、人工媒質300� �比誘電率および比透磁率を算出した:
(1)A.M.Nicolson,G.F.Ross,"Measurement of the Intrinsic P roperties of Materials by Time Domain Techniques",IEEE  Transaction on IM. No.4,Nov.,1970年
(2)W.B.Weir,"Automatic Measurement of Complex Dielectric  Constant and Permeability at Microwave Frequencies",� �Proc. of IEEE,Vol.62,Jan.,1974年
(3)J.B.Jarvis,E.J.Vanzura,"Improved Technique for Determi ning Complex Permittivity with the Transmission/Reflect ion Method", IEEE Transaction MTT,vol.38,Aug.,1990年。

 得られた結果を図22および図23に示す。図 22は、実効比誘電率(図22(a))および実効比透磁 率(図22(b))の周波数特性を示したグラフであ� �。また、図23は、S11パラメータ(図23(a))およ� �S21パラメータ(図23(b))の周波数特性を示した� ��ラフである。なお、図22および図23には、比 較のため、前述のシミュレーションによる計 算結果(図15および図16の結果)を破線で示して いる。

 この図から、実際に試作した人工媒質に� ��いても、シミュレーションによる計算結果� ��同様の特性が得られていることがわかる。� ��なわち、本発明による人工媒質では、広い� ��波数域にわたって、損失の少ない特性が得� ��れることが確認された。

 本発明を詳細にまた特定の実施態様を参� ��して説明したが、本発明の精神と範囲を逸� ��することなく様々な変更や修正を加えるこ� ��ができることは当業者にとって明らかであ� ��。本出願は、2008年2月26日出願の日本特許出 願(特願2008-045070)に基づくものであり、その� �容はここに参照として取り込まれる。