JP7774299B2 - Metatwin and metasurface plates - Google Patents
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特許法第３０条第２項適用 ▲１▼掲載年月日 ２０２１年１２月２３日 ▲２▼掲載アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／９６６１３８２Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. 1. Publication date: December 23, 2021. 2. Publication address: https://ieeexplorer.ieee.org/document/9661382
特許法第３０条第２項適用 ▲１▼掲載年月日 ２０２１年１２月２３日 ▲２▼掲載アドレス ｈｔｔｐｓ：／／ｉｅｅｅｘｐｌｏｒｅ．ｉｅｅｅ．ｏｒｇ／ｄｏｃｕｍｅｎｔ／９６６１３８２Article 30, Paragraph 2 of the Patent Act applies. 1. Publication date: December 23, 2021. 2. Publication address: https://ieeexplorer.ieee.org/document/9661382
この発明は、透過位相の大きな位相変化量を得られるメタツイン、および、放射源の前方に配置して所望の方向に透過波を偏向できるメタサーフェス板に関する。 This invention relates to a metatwin that can obtain a large phase change in the transmitted phase, and a metasurface plate that can be placed in front of a radiation source to deflect the transmitted wave in a desired direction.
メタサーフェスの特性を利用した新しい機能を有する電磁波通信機器が国内外で開発されつつある。メタサーフェスは、自然界には存在しない反射特性をもつ人工表面（超表面）のことであり、入射された電磁波の位相を制御できる特徴を有している。動作波長に比べて小さな金属素子を平面板上に周期的にならべると、通常とは異なる電磁界現象が現れる。このような平面板は、通常、金属板からなる接地板によって裏打ちされている。この接地板のついた人工表面板は反射型のメタサーフェス板とよばれる。
これに対し、接地板をもたない人工表面薄板は透過型のメタサーフェス板とよばれる。従来の透過型のメタサーフェス板をアンテナの前方に配置すると、透過波の放射パターンをフォーミング可能なことが明らかになっている。
Electromagnetic communication devices with new functions that utilize the properties of metasurfaces are being developed both in Japan and overseas. Metasurfaces are artificial surfaces (hypersurfaces) with reflective properties that do not exist in nature, and have the ability to control the phase of incident electromagnetic waves. When metal elements that are small compared to the operating wavelength are periodically arranged on a planar plate, unusual electromagnetic field phenomena appear. Such a planar plate is usually backed by a metal ground plane. An artificial surface plate with this ground plane attached is called a reflective metasurface plate.
In contrast, an artificial surface plate without a ground plane is called a transmission-type metasurface plate. It has been shown that placing a conventional transmission-type metasurface plate in front of an antenna can shape the radiation pattern of the transmitted wave.
従来の透過型のメタサーフェス板１１０を使用する構成を図２８に示す。図２８に示すように、メタサーフェス板１１０をパッチアンテナ１３０の前方（ｚ方向）に配置することで、パッチアンテナ１３０からの入射波はメタサーフェス板１１０を透過して、所定の放射パターンの透過波となる。パッチアンテナ１３０は矩形状の導体とされ、厚みの薄い直方体状の誘電体板からなるアンテナ基板１３１の上面に形成されている。アンテナ基板１３１は矩形状のグランド板１４０の上面に配置されており、グランド板１４０は、パッチアンテナ１３０のグランドプレーンとして機能する。なお、パッチアンテナ１３０とメタサーフェス板１１０との間隔は使用周波数ｆの自由空間波長をλとすると、約１／２λとされている。 Figure 28 shows a configuration using a conventional transmission-type metasurface plate 110. As shown in Figure 28, by placing the metasurface plate 110 in front of the patch antenna 130 (in the z direction), the incident wave from the patch antenna 130 passes through the metasurface plate 110 and becomes a transmitted wave with a predetermined radiation pattern. The patch antenna 130 is a rectangular conductor and is formed on the upper surface of an antenna substrate 131, which is a thin, rectangular parallelepiped dielectric plate. The antenna substrate 131 is placed on the upper surface of a rectangular ground plate 140, which functions as a ground plane for the patch antenna 130. The distance between the patch antenna 130 and the metasurface plate 110 is approximately 1/2λ, where λ is the free space wavelength of the operating frequency f.
図２９にメタサーフェス板１１０の詳細構成が示されている。メタサーフェス板１１０は、金属製のループ素子１１２が、誘電体基板１２０の一表面のｘ方向及びｙ方向に周期的に複数形成されて構成されている。１つのループ素子１１２が誘電体基板１２０に形成されている領域が単位素子１１１を構成している。単位素子１１１を構成するループ素子１１２の形状は正方形の形状とされ、ループ素子１１２の一辺の長さがＳｔとされ、線幅がＷｔとされている。誘電体基板１２０の一表面に形成された複数のループ素子１１２の全ては一辺の長さＳｔと線幅Ｗｔとが同じ寸法とされて、同形状とされている。 Figure 29 shows the detailed configuration of the metasurface plate 110. The metasurface plate 110 is configured by forming multiple metal loop elements 112 periodically in the x and y directions on one surface of the dielectric substrate 120. The area where one loop element 112 is formed on the dielectric substrate 120 constitutes a unit element 111. The loop element 112 that constitutes the unit element 111 is square in shape, with the length of one side of the loop element 112 being St and the line width being Wt. All of the multiple loop elements 112 formed on one surface of the dielectric substrate 120 have the same side length St and line width Wt, and are the same shape.
ここで、一辺Ｓｔの長さが固定され、線幅Ｗｔのみが異なるループ素子１１２を周期配列したメタサーフェス板１１０を解析すると、ループ素子１１２の線幅Ｗｔを狭くするにつれて、ループ素子１１２を備える単位素子１１１の透過位相が遅れていくことが分かった。この事実を元に、メタサーフェス板１１０の透過波を１方向または２方向や４方向へ向けた放射パターンとすることができる。
透過波を所望の１方向に向ける放射パターンとすることができる従来のメタサーフェス板１１０－１の構成を図３０に示す。図３０に示すメタサーフェス板１１０－１は、誘電体基板１２０の一表面に金属製のループ素子１１２ａが、ｘ方向及びｙ方向に周期的に複数形成されて構成されている。そして、正方形の形状のループ素子１１２ａの一辺の長さＳｔの長さは固定されて、線幅Ｗａをｘ方向へ向かって次第に太くなるよう形成されている。ｙ方向においては、隣接するループ素子１１２ａの一辺の長さＳｔの長さおよび線幅Ｗａの線幅は固定されて形成されている。この場合、１つのループ素子１１２ａが誘電体基板１２０に形成されている領域が単位素子１１１ａを構成している。
Here, when analyzing a metasurface plate 110 in which loop elements 112 with a fixed length of one side St and only different line widths Wt are periodically arranged, it was found that the transmission phase of the unit element 111 including the loop elements 112 becomes delayed as the line width Wt of the loop elements 112 becomes narrower. Based on this fact, it is possible to make the transmitted waves of the metasurface plate 110 into a radiation pattern directed in one, two, or four directions.
Figure 30 shows the configuration of a conventional metasurface plate 110-1 that can create a radiation pattern that directs transmitted waves in a desired direction. The metasurface plate 110-1 shown in Figure 30 is configured by forming multiple metal loop elements 112a periodically in the x and y directions on one surface of a dielectric substrate 120. The length St of one side of each square-shaped loop element 112a is fixed, and the line width Wa is formed so that it gradually becomes wider in the x direction. In the y direction, the length St of one side of adjacent loop elements 112a and the line width Wa are fixed. In this case, the area where one loop element 112a is formed on the dielectric substrate 120 constitutes a unit element 111a.
図２８において、メタサーフェス板１１０に替えて図３０に示すメタサーフェス板１１０－１とした際に、メタサーフェス板１１０－１における透過波の放射パターンを図３１に示す。この場合、パッチアンテナ１３０とメタサーフェス板１１０－１との間隔は使用周波数の自由空間波長をλとすると、約１／２λとされている。そして、ループ素子１１２ａの線幅Ｗａが細くなるほど、ループ素子１１２ａを備える単位素子１１１ａの透過移相が遅れることから、メタサーフェス板１１０－１の透過波の透過移相は－ｘ方向に行くにつれて遅れていくようになる。すなわち、メタサーフェス板１１０－１における透過波は－ｘ方向に偏向される。図３１に示す放射パターンを参照すると、メタサーフェス板１１０－１における透過波は－ｘ方向に約－３０°偏向された放射パターンとされ、約３０°の偏向角θが得られている。この場合、透過波の振幅はほぼ減衰することなく、メタサーフェス板１１０－１を透過する。 When the metasurface plate 110 in FIG. 28 is replaced with the metasurface plate 110-1 shown in FIG. 30, the radiation pattern of the transmitted wave through the metasurface plate 110-1 is shown in FIG. 31. In this case, the distance between the patch antenna 130 and the metasurface plate 110-1 is approximately 1/2λ, where λ is the free space wavelength of the operating frequency. Furthermore, the narrower the line width Wa of the loop element 112a, the more delayed the transmission phase shift of the unit element 111a equipped with the loop element 112a. Therefore, the transmission phase shift of the transmitted wave through the metasurface plate 110-1 becomes increasingly delayed in the -x direction. In other words, the transmitted wave through the metasurface plate 110-1 is deflected in the -x direction. Referring to the radiation pattern shown in FIG. 31, the transmitted wave through the metasurface plate 110-1 is deflected approximately -30° in the -x direction, resulting in a deflection angle θ of approximately 30°. In this case, the amplitude of the transmitted wave passes through the metasurface plate 110-1 with almost no attenuation.
ここで、図２８に破線で示すように、従来のメタサーフェス板１１０を電磁波の進行方向に所定間隔でｚ方向に２枚あるいは３枚重ねて配置することができる。２枚目と３枚目のメタサーフェス板１１０ｂ、１１０ｃの構成はメタサーフェス板１１０と同じ構成とされている。例えば、図２８に示す３枚積層したメタサーフェス板１１０，１１０ｂ，１１０ｃを図３０に示す構成のメタサーフェス板１１０－１とした際の透過波の放射パターンを図３２に示す。この場合、使用周波数の自由空間波長をλとすると、パッチアンテナ１３０と１段目のメタサーフェス板１１０との間隔は約１／２λとされ、３枚のメタサーフェス板１１０－１の相互の間隔は約１／４λとされている。この場合、３枚積層したメタサーフェス板１１０－１における透過波は－ｘ方向にさらに偏向される。図３２に示す放射パターンを参照すると、３枚積層したメタサーフェス板１１０－１における透過波は－ｘ方向に約－６０°偏向された放射パターンとされ、約６０°の偏向角θが得られるようになる。また、透過波の振幅はほぼ減衰することなく、３枚積層したメタサーフェス板１１０－１を透過する。
なお、メタサーフェス板１１０，１１０ｂの２枚を積層した場合は、図示しないが約５０°の偏向角θが得られるようになる。
Here, as shown by the dashed lines in Figure 28, two or three conventional metasurface plates 110 can be stacked in the z direction at a predetermined interval in the direction of electromagnetic wave propagation. The second and third metasurface plates 110b and 110c have the same configuration as the metasurface plate 110. For example, Figure 32 shows the radiation pattern of the transmitted wave when the three stacked metasurface plates 110, 110b, and 110c shown in Figure 28 are used as the metasurface plate 110-1 configured as shown in Figure 30. In this case, if the free-space wavelength of the operating frequency is λ, the spacing between the patch antenna 130 and the first metasurface plate 110 is approximately 1/2λ, and the spacing between the three metasurface plates 110-1 is approximately 1/4λ. In this case, the transmitted wave through the three stacked metasurface plates 110-1 is further deflected in the -x direction. 32, the radiation pattern of the transmitted wave in the three-layered metasurface plate 110-1 is deflected by approximately -60° in the -x direction, resulting in a deflection angle θ of approximately 60°. Furthermore, the amplitude of the transmitted wave passes through the three-layered metasurface plate 110-1 with almost no attenuation.
In addition, when two metasurface plates 110 and 110b are stacked, a deflection angle θ of approximately 50° can be obtained, although this is not shown.
次に、従来のメタサーフェス板１１０において、透過波を２方向に向けた放射パターンとすることができる他の構成を図３３に示す。図３３に示す他の構成のメタサーフェス板１１０－２は、誘電体基板１２０の一表面に金属製のループ素子１１２ｂからなる単位素子１１１ｂが、ｘ方向及びｙ方向に周期的に複数形成されて構成されている。そして、正方形の形状のループ素子１１２ｂの一辺の長さＳｔの長さは固定されて、線幅Ｗｂをｘ方向の中央から±ｘ方向へ向かって次第に細くなるよう形成されている。ｙ方向においては、隣接するループ素子１１２ｂの一辺の長さＳｔの長さおよび線幅Ｗｂの線幅は固定されて形成されている。この場合、１つのループ素子１１２ｂが誘電体基板１２０に形成されている領域が単位素子１１１ｂを構成している。 Next, Figure 33 shows another configuration of a conventional metasurface plate 110 that can produce a radiation pattern of transmitted waves in two directions. The metasurface plate 110-2 of this configuration shown in Figure 33 is configured by periodically arranging multiple unit elements 111b, each consisting of a metal loop element 112b, in the x and y directions on one surface of a dielectric substrate 120. The length St of one side of each square-shaped loop element 112b is fixed, and the line width Wb is formed to gradually narrow from the center in the x direction toward the ±x directions. In the y direction, the length St of one side of adjacent loop elements 112b and the line width Wb are fixed. In this case, the area where one loop element 112b is formed on the dielectric substrate 120 constitutes a unit element 111b.
図２８に示すメタサーフェス板１１０を図３３に示す他の構成のメタサーフェス板１１０－２とした際に、メタサーフェス板１１０－２における透過波の放射パターンを図３４に示す。この場合、使用周波数の自由空間波長をλとすると、パッチアンテナ１３０とメタサーフェス板１１０－２との間隔は約１／２λとされる。そして、ループ素子１１２ｂの線幅Ｗｂが細くなるほど、ループ素子１１２ｂを備える単位素子１１１ｂの透過移相が遅れることから、メタサーフェス板１１０－２の透過波の透過移相は＋ｘ方向及び－ｘ方向に行くにつれて遅れていくようになる。すなわち、メタサーフェス板１１０－２における透過波は＋ｘ方向および－ｘ方向に偏向されて２方向に向けた放射パターンが得られる。図３４に示す放射パターンを参照すると、メタサーフェス板１１０－２における透過波は±ｘ方向に約±４５度偏向された２方向に向けた放射パターンとされ、約４５度の偏向角θが得られている。
なお、図２８に示す３枚積層したメタサーフェス板１１０，１１０ｂ，１１０ｃを図３３に示す他の構成のメタサーフェス板１１０－２とすることができる。２枚あるいは３枚積層したメタサーフェス板１１０－２における透過波の２方向に向けた放射パターンは、偏向角θが大きくなる。
When the metasurface board 110 shown in FIG. 28 is replaced with the metasurface board 110-2 of another configuration shown in FIG. 33, the radiation pattern of the transmitted wave through the metasurface board 110-2 is shown in FIG. 34. In this case, if the free-space wavelength of the operating frequency is λ, the distance between the patch antenna 130 and the metasurface board 110-2 is approximately 1/2λ. The narrower the line width Wb of the loop element 112b, the more delayed the transmission phase shift of the unit element 111b including the loop element 112b. Therefore, the transmission phase shift of the transmitted wave through the metasurface board 110-2 becomes increasingly delayed in the +x and -x directions. In other words, the transmitted wave through the metasurface board 110-2 is deflected in the +x and -x directions, resulting in a radiation pattern in two directions. Referring to the radiation pattern shown in FIG. 34, the transmitted wave through the metasurface board 110-2 is deflected approximately ±45 degrees in the ±x directions, resulting in a radiation pattern in two directions. A deflection angle θ of approximately 45 degrees is obtained.
The three-layered metasurface plates 110, 110b, and 110c shown in Fig. 28 can be replaced with the metasurface plate 110-2 of another configuration shown in Fig. 33. The radiation pattern of the transmitted waves in two directions in the metasurface plate 110-2 of two or three layers stacked has a large deflection angle θ.
次に、従来のメタサーフェス板１１０において、透過波を４方向に向けた放射パターンとすることができるさらに他の構成を図３５に示す。図３５に示すさらに他のメタサーフェス板１１０－３は、誘電体基板１２０の一表面に金属製のループ素子１１２ｃからなる単位素子１１１ｃが、ｘ方向及びｙ方向に周期的に複数形成されて構成されている。そして、正方形の形状のループ素子１１２ｃの一辺の長さＳｔの長さは固定されて、線幅Ｗｃが誘電体基板１２０の中心から±ｘ方向へ向かって次第に細くなると共に、線幅Ｗｃを誘電体基板１２０の中心から±ｙ方向へ向かって次第に細くなるよう形成されている。この場合、１つのループ素子１１２ｃが誘電体基板１２０に形成されている領域が単位素子１１１ｃを構成している。 Next, Figure 35 shows another configuration of a conventional metasurface plate 110 that can produce a radiation pattern of transmitted waves in four directions. The metasurface plate 110-3 shown in Figure 35 is configured by forming a plurality of unit elements 111c, each consisting of a metal loop element 112c, periodically in the x and y directions on one surface of a dielectric substrate 120. The length St of one side of each square-shaped loop element 112c is fixed, and the line width Wc gradually narrows from the center of the dielectric substrate 120 toward the ±x directions, while the line width Wc gradually narrows from the center of the dielectric substrate 120 toward the ±y directions. In this case, the area where one loop element 112c is formed on the dielectric substrate 120 constitutes the unit element 111c.
図２８に示すメタサーフェス板１１０を図３５に示すさらに他の構成のメタサーフェス板１１０－３とする。この場合、使用周波数の自由空間波長をλとすると、パッチアンテナ１３０とメタサーフェス板１１０－３との間隔は約１／２λとされる。そして、ループ素子１１２ｃの線幅Ｗｃが細くなるほど、ループ素子１１２ｃを備える単位素子１１１ｃの透過移相が遅れることから、メタサーフェス板１１０－３の透過波の透過移相は中心から±ｘ方向及び±ｙ方向に行くにつれて遅れていくようになる。すなわち、メタサーフェス板１１０－２における透過波は±ｘ方向および±ｙ方向に偏向されて４方向に向けた放射パターンが得られる。
なお、図２８に示す３枚積層したメタサーフェス板１１０，１１０ｂ，１１０ｃを図３５に示すさらに他の構成のメタサーフェス板１１０－３とすることができる。２枚あるいは３枚積層したメタサーフェス板１１０－３における透過波の４方向に向けた放射パターンは、偏向角θが大きくなる。
The metasurface plate 110 shown in Figure 28 is replaced with a metasurface plate 110-3 having another configuration shown in Figure 35. In this case, if the free space wavelength of the operating frequency is λ, the distance between the patch antenna 130 and the metasurface plate 110-3 is approximately 1/2λ. The narrower the line width Wc of the loop element 112c, the more delayed the transmission phase shift of the unit element 111c including the loop element 112c. Therefore, the transmission phase shift of the transmitted wave of the metasurface plate 110-3 becomes increasingly delayed as it moves from the center in the ±x and ±y directions. In other words, the transmitted wave in the metasurface plate 110-2 is deflected in the ±x and ±y directions, resulting in a radiation pattern in four directions.
The three-layered metasurface plates 110, 110b, and 110c shown in Fig. 28 can be replaced with a metasurface plate 110-3 having yet another configuration as shown in Fig. 35. The radiation pattern of the transmitted waves in the four directions of the metasurface plate 110-3 having two or three layers stacked has a large deflection angle θ.
ビル妨害等による通信劣化を避けるために電磁波の放射ビームを特定方向に偏向して放射する必要が生じている。非特許文献１－４に開示された従来のメタサーフェス板は、透過波を特定方向に偏向することができる。非特許文献１，２を参照すると、１枚のメタサーフェス板では、約３０度までの偏向角とすることができる。さらに、偏向角を大きくするためには、もう１枚あるいは２枚のメタサーフェス板を１枚目のメタサーフェス板の上に追加することが、非特許文献１，３，４に示されている。２枚積層されたメタサーフェス板とすると約５０度の偏向角を得ることができ、３枚積層されたメタサーフェス板を用いると偏向角を約６０度にすることが可能である。
このように、従来のメタサーフェス板は、３０度以上の偏向角を実現するために、２枚以上のメタサーフェス板を用いていた。このことは、大きな偏向角が必要となる場合は、使用するメタサーフェス板の枚数を増加させる必要があることから、メタサーフェス板の全体の体積の増加および製造コストの増加を招いてしまうという問題点があった。
To avoid communication degradation due to building interference and other factors, it has become necessary to deflect and radiate electromagnetic wave radiation beams in a specific direction. Conventional metasurface plates disclosed in Non-Patent Documents 1-4 can deflect transmitted waves in a specific direction. Non-Patent Documents 1 and 2 show that a single metasurface plate can achieve a deflection angle of up to approximately 30 degrees. Furthermore, Non-Patent Documents 1, 3, and 4 show that adding one or two metasurface plates on top of the first one can increase the deflection angle. A two-layer stacked metasurface plate can achieve a deflection angle of approximately 50 degrees, and a three-layer stacked metasurface plate can achieve a deflection angle of approximately 60 degrees.
As described above, conventional metasurface plates use two or more metasurface plates to achieve a deflection angle of 30 degrees or more. This means that when a larger deflection angle is required, the number of metasurface plates used must be increased, which increases the overall volume of the metasurface plate and increases manufacturing costs.
そこで、本発明は、透過位相の大きな位相変化量を得ることができるメタツインを提供することを目的としている。また、本発明は、全体の体積および製造コストを増加させることなく小さな偏向角から６０度以上の大きな偏向角までを実現できるメタサーフェス板を提供することを目的としている。 The present invention therefore aims to provide a metatwin that can obtain a large phase change in the transmission phase. It also aims to provide a metasurface plate that can achieve deflection angles ranging from small to large deflection angles of 60 degrees or more without increasing the overall volume or manufacturing costs.
上記目的を達成するために、本発明のメタツインは、所定の形状の基本導体パターンを半截して第１導体パターンと第２導体パターンとを形成し、該第１導体パターンの面と該第２導体パターンの面とを平行を維持して当該面に垂直な方向に所定間隔だけ離隔することで、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとが所定間隔離隔して配置されていることを最も主要な特徴としている。 To achieve the above objective, the MetaTwin of the present invention has the most significant feature of being arranged at a predetermined distance apart by cutting a basic conductor pattern of a predetermined shape in half to form a first conductor pattern and a second conductor pattern, and by maintaining the planes of the first conductor pattern and the second conductor pattern parallel to each other and separating them by a predetermined distance in a direction perpendicular to the planes.
また、本発明のメタツインにおいて、前記基本導体パターンは、所定幅の線状で構成された形状とされて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは所定幅の線状からなる形状とされていてもよい。
さらに、本発明のメタツインにおいて、前記第１導体パターンは、誘電体基板の一面上に形成可能とされ、前記第２導体パターンは、前記誘電体基板の前記一面に対面する他面上に形成可能とされ、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、前記誘電体基板の中心点に対して点対称に配置されている。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、ｘ－ｙ平面に配置された前記基本導体パターンを半截して形成され、同形状とされている前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、ｘ方向のｘ方向部位とｙ方向のｙ方向部位とから構成されている。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて、少なくとも１つの前記ｘ方向の同じパートの長さが設定可能とされ、同形状とされている前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおける前記同じパートの先端同士が前記所定間隔を隔てて重なるまたは重ならない構成とされている。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記同じパートの長さに応じた透過位相とされている。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記基本導体パターンが所定幅の外側ループと内側ループとからなる２重ループの形状とされていてもよい。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて、前記外側ループの中央部と前記内側ループの中央部との間を接続する所定幅の接続片がそれぞれ形成されている。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記接続片で接続された前記外側ループおよび前記内側ループと前記接続片とのｘ方向の中央が切り欠かれていてもよい。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記外側ループと前記内側ループとが、同心で配置された矩形ループとされていてもよい。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記外側ループが矩形ループとされ、前記内側ループが同心で配置されると共に約４５度回転した形状の矩形ループとされていてもよい。
さらにまた、本発明のメタツインにおいて、前記第１導体パターンおよび前記第２導体パターンがＴ字状の形状とされていてもよい。
In addition, in the metatwin of the present invention, the basic conductor pattern may be shaped as a line having a predetermined width, and the first conductor pattern and the second conductor pattern may be shaped as a line having a predetermined width.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the first conductor pattern can be formed on one surface of a dielectric substrate, and the second conductor pattern can be formed on the other surface of the dielectric substrate facing the one surface, and the first conductor pattern and the second conductor pattern are arranged point-symmetrically with respect to the center point of the dielectric substrate.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the first conductor pattern and the second conductor pattern are formed by cutting half of the basic conductor pattern arranged in the x-y plane, and the first conductor pattern and the second conductor pattern, which have the same shape, are composed of an x-direction portion in the x-direction and a y-direction portion in the y-direction.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the length of at least one identical part in the x-direction in the first conductor pattern and the second conductor pattern can be set, and the tips of the identical part in the first conductor pattern and the second conductor pattern, which have the same shape, may or may not overlap with each other at the specified interval.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the transmission phase is set according to the length of the same part.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the basic conductor pattern may have a double loop shape consisting of an outer loop and an inner loop of a predetermined width.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, a connecting piece of a predetermined width is formed in each of the first conductor pattern and the second conductor pattern, connecting between the center of the outer loop and the center of the inner loop.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the centers of the outer loop and the inner loop connected by the connecting piece and the connecting piece in the x direction may be cut out.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the outer loop and the inner loop may be rectangular loops arranged concentrically.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the outer loop may be a rectangular loop, and the inner loop may be a rectangular loop that is concentrically arranged and rotated by approximately 45 degrees.
Furthermore, in the metatwin of the present invention, the first conductor pattern and the second conductor pattern may be T-shaped.
上記目的を達成するために、本発明のメタサーフェス板は、第２誘電体基板と、前記第２誘電体基板のｘ方向およびｙ方向に周期配列して多数形成されている請求項１ないし１２のいずれかに記載のメタツインとを備え、前記メタツインにおける前記第１導体パターンが、前記第２誘電体基板の上面に周期配列されて形成され、前記メタツインにおける前記第２導体パターンが、前記第２誘電体基板の下面に周期配列されて前記第１導体パターンに対応するよう形成されていることを最も主要な特徴としている。
本発明のメタサーフェス板において、前記第２誘電体基板のｘ方向およびｙ方向に周期配列して多数形成された前記メタツインにおいて、前記各メタツインの透過位相が所定の透過位相とされて、所定の透過位相の分布が形成されている。
また、本発明のメタサーフェス板において、前記各メタツインにおける透過位相が所定の方向に向かって次第に遅れていく透過位相の分布とされて、前記第２誘電体基板の一面から入射された入射波が、所定の方向に偏向された透過波として放射されている。
さらに、本発明のメタサーフェス板において、局所的な波源から放射されて前記第２誘電体基板の一面からの入射波の位相が、前記波源と前記第２誘電体基板の入射位置との間隔に応じた位相とされており、前記メタツインの各々における透過位相が前記間隔に応じて設定されている。
さらにまた、本発明のメタサーフェス板において、前記第２誘電体基板の面上に、前記各メタツインにおける透過位相を調整する電子素子が装着されて、前記電子素子により透過波の偏向角やパターンを調節するようにしてもよい。
In order to achieve the above-mentioned object, the metasurface plate of the present invention comprises a second dielectric substrate and a plurality of metatwins as described in any one of claims 1 to 12, which are formed in a periodic arrangement in the x and y directions of the second dielectric substrate, and its most important feature is that the first conductor pattern in the metatwin is formed in a periodic arrangement on the upper surface of the second dielectric substrate, and the second conductor pattern in the metatwin is formed in a periodic arrangement on the lower surface of the second dielectric substrate so as to correspond to the first conductor pattern.
In the metasurface plate of the present invention, the metatwins are formed in large numbers and periodically arranged in the x and y directions of the second dielectric substrate, and the transmission phase of each metatwin is set to a predetermined transmission phase, thereby forming a distribution of predetermined transmission phases.
In addition, in the metasurface plate of the present invention, the transmission phase in each metatwin is distributed so that it gradually delays in a predetermined direction, and an incident wave incident from one surface of the second dielectric substrate is radiated as a transmission wave deflected in a predetermined direction.
Furthermore, in the metasurface plate of the present invention, the phase of the wave radiated from a local wave source and incident on one surface of the second dielectric substrate is set to a phase that corresponds to the distance between the wave source and the incident position on the second dielectric substrate, and the transmission phase in each of the metatwins is set according to the distance.
Furthermore, in the metasurface plate of the present invention, an electronic element that adjusts the transmission phase in each metatwin may be mounted on the surface of the second dielectric substrate, and the deflection angle and pattern of the transmitted wave may be adjusted by the electronic element.
本発明のメタツインは、所定の形状の基本導体パターンを半截して形成した第１導体パターンと第２導体パターンとを、離隔して配置するように構成している。この本発明のメタツインは、透過位相の大きな位相変化量を得ることができる。また、本発明のメタサーフェス板は、本発明にかかるメタツインを用いることにより、透過波を放射する偏向の角度を小さな角度から６０度以上の大きな角度まで１枚で実現することができるようになる。そして、本発明のメタサーフェス板は１枚で必要な角度の偏向を行えることから、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。 The metatwin of the present invention is configured to arrange a first conductor pattern and a second conductor pattern, each formed by cutting half of a basic conductor pattern of a predetermined shape, at a distance from each other. This metatwin of the present invention is capable of obtaining a large phase change in the transmitted phase. Furthermore, by using the metatwin of the present invention, the metasurface plate of the present invention can achieve a deflection angle for radiating transmitted waves ranging from a small angle to a large angle of 60 degrees or more with a single plate. Furthermore, because the metasurface plate of the present invention can deflect the transmitted wave to the required angle with a single plate, the overall volume can be reduced and manufacturing costs can be kept low.
＜第１実施例のメタツインを備える第１実施例の単位素子＞
本発明の第１実施例のメタツインＭ１を備える第１実施例の単位素子１の構成を図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図１（ａ）は第１実施例の単位素子１の構成を示す斜視図、図１（ｂ）は第１実施例の単位素子１の構成を示す上面図、図１（ｃ）は第１実施例の単位素子１の構成を示す側面図である。また、本発明の第１実施例のメタツインＭ１の構成を説明する図を図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）に斜視図で示す。
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第１実施例の単位素子１は、誘電体基板１０と、誘電体基板１０の上面および下面に形成された第１実施例のメタツインＭ１とから構成されている。第１実施例のメタツインＭ１は、誘電体基板１０の上面に形成された第１導体パターン１１および誘電体基板１０の下面に形成された第２導体パターン１２とから構成されている。
<Unit element of the first embodiment having the metatwin of the first embodiment>
The configuration of a unit element 1 of a first embodiment of the present invention, which includes a metatwin M1, is shown in Figures 1(a), (b), and (c). Figure 1(a) is a perspective view showing the configuration of a unit element 1 of the first embodiment, Figure 1(b) is a top view showing the configuration of a unit element 1 of the first embodiment, and Figure 1(c) is a side view showing the configuration of a unit element 1 of the first embodiment. Also, Figures 2(a), (b), (c), and (d) are perspective views illustrating the configuration of a metatwin M1 of the first embodiment of the present invention.
1(a), (b), and (c), the unit element 1 of the first embodiment is composed of a dielectric substrate 10 and the metatwin M1 of the first embodiment formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10. The metatwin M1 of the first embodiment is composed of a first conductor pattern 11 formed on the upper surface of the dielectric substrate 10 and a second conductor pattern 12 formed on the lower surface of the dielectric substrate 10.
そこで、第１実施例のメタツインＭ１について図２（ａ）（ｂ）（ｃ）（ｄ）を参照して説明する。図２（ａ）（ｂ）（ｃ）にはメタツインＭ１を構成する過程が示されている。メタツインＭ１の基本導体パターンは図２（ａ）に示す二重ループ素子Ｌｐ１とされている。二重ループ素子Ｌｐ１は、所定幅の線状の正方形状とされた外側ループＬＰｏｕｔと、同心に配置された所定幅の線状の正方形状とされた内側ループＬＰｉｎとから構成され、外側ループｏｕｔと内側ループＬＰｉｎとのｘ方向で対向する２辺における中央部同士が接続されている。基本導体パターンとされる二重ループ素子Ｌｐ１を、図２（ｂ）に示すようにｙ方向の中心線ＣＬｙで半截して、線対称の同形状の第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とに分離する。そして、第１導体パターン１１を上に配置すると共に第２導体パターン１２を下に配置して両者の面を平行を維持して面に垂直な方向に所定間隔だけ離隔する。この場合、第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とをｚ方向において所定間隔Ｗｂだけ離隔して配置する。これにより、離隔して配置された第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とで形成される空間の中心に対して第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とが点対称の形状とされたメタツインＭ１’が形成される。ここで、図２（ｃ）に示すように第１導体パターン１１の半截された先端を－ｘ方向に延伸して第１導体パターン１１を形成すると共に、第２導体パターン１２の半截された先端をｘ方向に同じ長さだけ延伸して第２導体パターン１２を形成する。これにより、同形状とされていると共に、ｚ方向から透視して先端同士が重なった第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とからなるメタツインＭ１が形成される。そして、図２（ｄ）に示すように厚さがＷｂとされた誘電体基板１０を用意すると、メタツインＭ１を容易に作成することができる。すなわち、誘電体基板１０の中心に対して第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とが点対称の形状となるように、誘電体基板１０の上面に第１導体パターン１１を形成し、下面に破線で示す第２導体パターン１２を形成する。これにより、誘電体基板１０の上面および下面に第１実施例のメタツインＭ１が形成された図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第１実施例の単位素子１を得ることができる。 The metatwin M1 of the first embodiment will now be described with reference to FIGS. 2( a), 2(b), 2(c), and 2(d). FIGS. 2(a), 2(b), and 2(c) show the process of constructing the metatwin M1. The basic conductor pattern of the metatwin M1 is the double loop element Lp1 shown in FIG. 2(a). The double loop element Lp1 is composed of an outer loop LPout having a linear square shape of a predetermined width and an inner loop LPin having a linear square shape of a predetermined width that are concentrically arranged. The centers of the two opposing sides of the outer loop LPout and the inner loop LPin in the x direction are connected to each other. The double loop element Lp1, which serves as the basic conductor pattern, is cut in half along the center line CLy in the y direction as shown in FIG. 2(b), separating it into a first conductor pattern 11 and a second conductor pattern 12 that are identically shaped and line-symmetric. The first conductor pattern 11 is then placed on top and the second conductor pattern 12 is placed below, with the planes of the two patterns maintained parallel to each other and separated by a predetermined distance in the direction perpendicular to the planes. In this case, the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 are arranged at a predetermined distance Wb in the z direction. This results in a metatwin M1' in which the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 are point-symmetric with respect to the center of the space formed by the spaced-apart first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12. Here, as shown in FIG. 2( c), the half-truncated tip of the first conductor pattern 11 is extended in the −x direction to form the first conductor pattern 11, and the half-truncated tip of the second conductor pattern 12 is extended in the x direction by the same length to form the second conductor pattern 12. This results in a metatwin M1 consisting of the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 that have the same shape and whose tips overlap when viewed from the z direction. Then, by preparing a dielectric substrate 10 with a thickness Wb as shown in FIG. 2( d), the metatwin M1 can be easily produced. That is, the first conductor pattern 11 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 10, and the second conductor pattern 12, indicated by the dashed line, is formed on the lower surface, so that the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 are point-symmetric with respect to the center of the dielectric substrate 10. This makes it possible to obtain the unit element 1 of the first embodiment shown in Figures 1(a), (b), and (c), in which the metatwin M1 of the first embodiment is formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10.
図１（ａ）（ｂ）（ｃ）に戻り誘電体基板１０の上面および下面に形成されたメタツインＭ１を構成する第１導体パターン１１と破線で示す第２導体パターン１２とは、二重のコ字状とされ誘電体基板１０の中心Ｏに対して点対称の形状とされ、ｚ方向から透視すると基本導体パターンとされる正方形状の二重ループ素子ＬＰ１が形成されている。第１導体パターン１１は、ｘ方向の５つのパートとｙ方向の２つのパートとから構成されている。ｘ方向の５つのパートは、図１（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート１１－ｘ－１およびパート１１－ｘ－３と、内側ループを構成するパート１１－ｘ－２およびパート１１－ｘ－４と、外側ループと内側ループとの中央部同士を接続するパート１１－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１（ａ）に示すようにパート１１－ｙ－１およびパート１１－ｙ－２とで構成される。また、破線で示す第２導体パターン１２も、ｘ方向の５つのパートとｙ方向の２つのパートから構成されている。ｘ方向の５つのパートは、図１（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート１２－ｘ－１およびパート１２－ｘ－３と、内側ループを構成するパート１２－ｘ－２およびパート１２－ｘ－４と、外側ループと内側ループとを接続するパート１２－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１（ａ）に示すようにパート１２－ｙ－１およびパート１２－ｙ－２とで構成される。 Returning to Figures 1(a), (b), and (c), the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12, shown by dashed lines, which constitute the metatwin M1 formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10, are formed in a double U-shape and are point-symmetrical with respect to the center O of the dielectric substrate 10, forming a square-shaped double loop element LP1, which serves as the basic conductor pattern when viewed from the z direction. The first conductor pattern 11 is composed of five parts in the x direction and two parts in the y direction. The five parts in the x direction are composed of parts 11-x-1 and 11-x-3 which constitute the outer loop, parts 11-x-2 and 11-x-4 which constitute the inner loop, and part 11-x-5 which connects the centers of the outer and inner loops, as shown in Figure 1(b). The two parts in the y direction are composed of parts 11-y-1 and 11-y-2, as shown in Figure 1(a). The second conductor pattern 12, indicated by dashed lines, is also composed of five parts in the x direction and two parts in the y direction. As shown in FIG. 1(b), the five parts in the x direction are composed of parts 12-x-1 and 12-x-3 that form the outer loop, parts 12-x-2 and 12-x-4 that form the inner loop, and part 12-x-5 that connects the outer loop and inner loop, while the two parts in the y direction are composed of parts 12-y-1 and 12-y-2 as shown in FIG. 1(a).
第１実施例のメタツインＭ１の寸法が図１（ｂ）に示されている。第１導体パターン１１の横幅は長さＬｓとされ、外側ループを構成するパート１１－ｘ－１およびパート１１－ｘ－３の先端からパート１１－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、内側ループを構成するパート１１－ｘ－２およびパート１１－ｘ－４の先端からパート１１－ｙ－２の中央までは長さＬｉｎとされ、パート１１－ｘ－１とパート１１－ｙ－１とパート１１－ｘ－３とで構成されるコ字状の外側ループと、パート１１－ｘ－２とパート１１－ｙ－２とパート１１－ｘ－４とで構成されるコ字状の内側ループとは間隔ｇで配置され、第１導体パターン１１における外側ループと内側ループとは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。第２導体パターン１２の各部の寸法は、第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とが同形状であることから、同じ寸法とされている。すなわち、パート１２－ｘ－１およびパート１２－ｘ－３の先端からパート１２－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、パート１２－ｘ－２およびパート１２－ｘ－４の先端からパート１２－ｙ－２の中央までは長さＬｉｎとされ、パート１２－ｘ－１とパート１２－ｙ－１とパート１２－ｘ－３とで構成されるコ字状の外側ループと、パート１２－ｘ－２とパート１２－ｙ－２とパート１２－ｘ－４とで構成されるコ字状の内側ループとは間隔ｇで配置され、第２導体パターン１２における外側ループと内側ループとは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。
また、第１実施例の単位素子１を構成する誘電体基板１０の厚さは図１（ｃ）に示すように厚さＷｂで比誘電率εｓとされ、第１導体パターン１１と第２導体パターン１２とは厚さＷｂで離隔されていると共に、誘電体基板１０の中心点Ｏに対して点対称に配置されて、ｚ方向から透視すると正方形状の二重ループ素子ＬＰ１を形成している。
The dimensions of the metatwin M1 of the first embodiment are shown in Figure 1(b). The width of the first conductor pattern 11 is length Ls, the length from the tips of parts 11-x-1 and 11-x-3 constituting the outer loop to the center of part 11-y-1 is length Lout, and the length from the tips of parts 11-x-2 and 11-x-4 constituting the inner loop to the center of part 11-y-2 is length Lin. The U-shaped outer loop formed by parts 11-x-1, 11-y-1, and 11-x-3 and the U-shaped inner loop formed by parts 11-x-2, 11-y-2, and 11-x-4 are spaced apart by a gap g, and the outer loop and inner loop in the first conductor pattern 11 are linear conductor patterns with a width W. The dimensions of each portion of the second conductor pattern 12 are the same because the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 have the same shape. That is, the length from the tips of parts 12-x-1 and 12-x-3 to the center of part 12-y-1 is Lout, and the length from the tips of parts 12-x-2 and 12-x-4 to the center of part 12-y-2 is Lin, and the U-shaped outer loop formed by parts 12-x-1, 12-y-1, and 12-x-3 and the U-shaped inner loop formed by parts 12-x-2, 12-y-2, and 12-x-4 are arranged with a gap g between them, and the outer loop and inner loop in the second conductor pattern 12 are linear conductor patterns with a width W.
Furthermore, the thickness of the dielectric substrate 10 constituting the unit element 1 of the first embodiment is Wb and has a relative dielectric constant εs, as shown in Figure 1(c), and the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 are spaced apart by a thickness Wb and are arranged point-symmetrically with respect to the center point O of the dielectric substrate 10, forming a square-shaped double loop element LP1 when viewed from the z direction.
ここで、寸法の具体的な一例を挙げると、第１導体パターン１１および第２導体パターン１２において、長さＬｓの物理長は約８ｍｍ、長さＬｏｕｔの物理長は約９．４ｍｍ、とされ、間隔ｇの物理長は約０．４ｍｍ、幅Ｗの物理長は約０．４ｍｍとされ、長さＬｉｎは後述する設定された長さとされる。誘電体基板１０の厚さＷｂの物理長は約３．２ｍｍとされ、比誘電率εｓは約２．６とされる。比誘電率εｓが約２．６の誘電体基板１０は、例えばテフロン（登録商標）製とされ、比誘電率εｓが約２．６の場合は波長短縮率が約０．６２となる。上記した各部の物理長の寸法を使用周波数が１１．５ＧＨｚの自由空間波長をλ（≒２６．０８７ｍｍ）とした電気長で表すと、第１導体パターン１１および第２導体パターン１２において、長さＬｓの電気長は約０．３０７λ、誘電体基板１０の厚さＷｂの電気長は約０．１２３λ、長さＬｏｕｔの電気長は約０．３６０λとされ、間隔ｇの電気長は約０．０１５λ、幅Ｗの電気長は約０．０１５λとされる。 To give a specific example of dimensions, for the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12, the physical length of the length Ls is approximately 8 mm, the physical length of the length Lout is approximately 9.4 mm, the physical length of the gap g is approximately 0.4 mm, the physical length of the width W is approximately 0.4 mm, and the length Lin is a set length described below. The physical length of the thickness Wb of the dielectric substrate 10 is approximately 3.2 mm, and the relative dielectric constant εs is approximately 2.6. A dielectric substrate 10 with a relative dielectric constant εs of approximately 2.6 is made of Teflon (registered trademark), for example, and when the relative dielectric constant εs is approximately 2.6, the wavelength shortening rate is approximately 0.62. If the physical length dimensions of each of the above parts are expressed as electrical length, with the free space wavelength at an operating frequency of 11.5 GHz being λ (≈26.087 mm), then in the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12, the electrical length of the length Ls is approximately 0.307λ, the electrical length of the thickness Wb of the dielectric substrate 10 is approximately 0.123λ, the electrical length of the length Lout is approximately 0.360λ, the electrical length of the gap g is approximately 0.015λ, and the electrical length of the width W is approximately 0.015λ.
第１導体パターン１１および第２導体パターン１２は、誘電体基板１０の面上に金属インクを塗布したり、金属を蒸着して所定の厚さになるよう成膜し、所望の形状になるようエッチング加工することにより形成されている。ただし、第１導体パターン１１および第２導体パターン１２の形成方法は、上記形成方法に限定されるものではなく、他の形成方法を採用してもよい。第１導体パターン１１および第２導体パターン１２を形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。また、誘電体基板１０は、マイクロ波帯での吸収がない素材を用いるのが好適であり、その素材としては、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。ただし、テフロン（登録商標）に限るものではなく、マイクロ波帯での吸収がない他の素材を用いてもよい。 The first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 are formed by applying metal ink to the surface of the dielectric substrate 10 or by depositing metal to a predetermined thickness and then etching it into the desired shape. However, the method for forming the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12 is not limited to the above method, and other methods may be used. Metals with good conductivity, such as gold, silver, copper, and aluminum, are used as the metallic material for forming the first conductor pattern 11 and the second conductor pattern 12. Furthermore, it is preferable to use a material that does not absorb waves in the microwave band for the dielectric substrate 10, such as Teflon (registered trademark). However, this is not limited to Teflon (registered trademark), and other materials that do not absorb waves in the microwave band may also be used.
上記説明した第１実施例のメタツインＭ１においては、例えば長さＬｏｕｔの長さを固定にして長さＬｉｎを所定の長さに設定できるようにしている。長さＬｉｎを所定の長さに設定した第１実施例のメタツインＭ１においては、長さＬｉｎの設定された長さが長い場合の透過位相が、長さＬｉｎの設定された長さが短い場合の透過位相より遅れることが分かった。
ここで、本発明の第１実施例のメタツインＭ１において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過波の振幅特性を図３に示す。図３においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０．０ｍｍから９．６ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の絶対値［ｄＢ］で表された透過波の振幅が示されている。図３を参照すると、長さＬｉｎが０．０ｍｍに設定された時の透過波の振幅は約－１ｄＢとなり、長さＬｉｎが０．０ｍｍから約１．６ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約１．６ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが１．６ｍｍに設定された場合の第１実施例のメタツインＭ１の形状を図４（ａ）に示す。長さＬｉｎが１．６ｍｍを超えて設定されると、透過波の振幅は下降していき約２．２ｍｍに設定された時の振幅は約－２ｄＢとなり、長さＬｉｎが約２．２ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は上昇していき長さＬｉｎが約２．６ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが約２．６ｍｍを超えて設定されていくと徐々に透過波の振幅が下降していくが、長さＬｉｎが約５．８ｍｍに設定された時の振幅が約－１．４ｄＢの谷となり、その後は長さＬｉｎが長くなるに従い徐々に透過波の振幅は上昇していく。長さＬｉｎが４．８ｍｍに設定された場合の第１実施例のメタツインＭ１の形状を図４（ｂ）に示し、長さＬｉｎが８．０ｍｍに設定された場合の第１実施例のメタツインＭ１の形状を図４（ｃ）に示す。透過波の振幅は長さＬｉｎが約８．８ｍｍに設定された時にほぼ０．０ｄＢとなり、長さＬｉｎの設定された長さが９．６ｍｍになるに従い振幅が減少して長さＬｉｎが９．６ｍｍに設定された時の振幅は約－３．１ｄＢとなる。このように、第１実施例のメタツインＭ１では、長さＬｉｎが０．０ｍｍから９．６ｍｍまでの長さに設定されても入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。なお、図４（ａ）（ｂ）（ｃ）は、第１実施例のメタツインＭ１をｚ方向から透視した図とされている。
In the metatwin M1 of the first embodiment described above, for example, the length Lout is fixed and the length Lin can be set to a predetermined length. In the metatwin M1 of the first embodiment in which the length Lin is set to a predetermined length, it was found that the transmission phase when the set length Lin is long lags behind the transmission phase when the set length Lin is short.
Here, in the MetaTwin M1 of the first embodiment of the present invention, the amplitude characteristics of the transmitted wave versus the set length Lin when the dimensions of each part are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz are shown in Figure 3. In Figure 3, the horizontal axis shows the length Lin set to 0.0 mm to 9.6 mm, and the vertical axis shows the amplitude of the transmitted wave expressed as the absolute value [dB] of the S-parameter S21. Referring to Figure 3, when the length Lin is set to 0.0 mm, the amplitude of the transmitted wave is approximately -1 dB. As the length Lin is increased from 0.0 mm to approximately 1.6 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, reaching approximately -0.1 dB when the length Lin is set to approximately 1.6 mm. Figure 4(a) shows the shape of the MetaTwin M1 of the first embodiment when the length Lin is set to 1.6 mm. When the length Lin is set to exceed 1.6 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, reaching approximately -2 dB when set to approximately 2.2 mm. As the length Lin exceeds approximately 2.2 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, reaching approximately -0.1 dB when the length Lin is set to approximately 2.6 mm. As the length Lin is set to exceed approximately 2.6 mm, the amplitude of the transmitted wave gradually decreases, reaching a valley of approximately -1.4 dB when the length Lin is set to approximately 5.8 mm, and then gradually increasing as the length Lin increases. The shape of the MetaTwin M1 of the first embodiment when the length Lin is set to 4.8 mm is shown in Figure 4(b), and the shape of the MetaTwin M1 of the first embodiment when the length Lin is set to 8.0 mm is shown in Figure 4(c). The amplitude of the transmitted wave is approximately 0.0 dB when the length Lin is set to approximately 8.8 mm, and decreases as the length Lin is set to 9.6 mm, reaching approximately -3.1 dB when the length Lin is set to 9.6 mm. Thus, the MetaTwin M1 of the first embodiment is able to transmit almost all of the incident power even when the length Lin is set to a length between 0.0 mm and 9.6 mm. Note that Figures 4(a), (b), and (c) are views of the MetaTwin M1 of the first embodiment viewed from the z direction.
次に、本発明の第１実施例のメタツインＭ１において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過位相特性を図５に示す。図５においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０．０ｍｍから９．６ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の位相［ｄｅｇ（＝度）］で表された透過位相が示されている。長さＬｉｎに１．６ｍｍ、４．８ｍｍ、８．０ｍｍが設定された場合の第１実施例のメタツインＭ１の形状が図４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示されている。図５を参照すると、長さＬｉｎが０．０ｍｍに設定された時の透過位相は約－４５度であり、長さＬｉｎに設定された長さが１．６ｍｍまで長くなるに従い透過位相は遅れていき、長さＬｉｎが１．６ｍｍに設定された時の透過位相は約－１００度となる。長さＬｉｎに設定された長さが１．６ｍｍを超えていくに従い、透過位相は急激に遅れるようになって、長さＬｉｎが約３ｍｍに設定された時に約－３３０度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが３ｍｍを超えていくと透過位相は徐々にさらに遅れて行くようになり、長さＬｉｎが約８ｍｍに設定された時に約－４００度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが８ｍｍを超えて９．６ｍｍまで長くなるに従い透過位相はさらに遅れていき、長さＬｉｎが９．６ｍｍに設定された時に約－４７５度の透過位相となる。このように、第１実施例のメタツインＭ１では、長さＬｉｎに設定された長さが０．０ｍｍで約－４５度、９．６ｍｍで約－４７５度の透過位相となるから、長さＬｉｎに設定された長さを０．０ｍｍから９．６ｍｍまで長くしていくと３６０度を超える約４３０度（＝－４５度－（－４７５度）＝４３０度）の透過位相の位相変化量を得ることができる。そして、この場合において上記したように入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。 Next, Figure 5 shows the transmission phase characteristics for the set length Lin of the MetaTwin M1 of the first embodiment of the present invention when the dimensions of each component are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 5, the horizontal axis shows the length Lin from 0.0 mm to 9.6 mm, and the vertical axis shows the transmission phase expressed in degrees (deg) of the S-parameter S21. Figures 4(a), (b), and (c) show the shapes of the MetaTwin M1 of the first embodiment when the length Lin is set to 1.6 mm, 4.8 mm, and 8.0 mm. Referring to Figure 5, when the length Lin is set to 0.0 mm, the transmission phase is approximately -45 degrees. As the length Lin increases to 1.6 mm, the transmission phase delays, and when the length Lin is set to 1.6 mm, the transmission phase is approximately -100 degrees. As the length Lin exceeds 1.6 mm, the transmission phase rapidly delays, resulting in a transmission phase of approximately -330 degrees when the length Lin is set to approximately 3 mm. As the length Lin exceeds 3 mm, the transmission phase gradually delays further, resulting in a transmission phase of approximately -400 degrees when the length Lin is set to approximately 8 mm. As the length Lin exceeds 8 mm and increases to 9.6 mm, the transmission phase delays further, resulting in a transmission phase of approximately -475 degrees when the length Lin is set to 9.6 mm. Thus, in the MetaTwin M1 of the first embodiment, the transmission phase is approximately -45 degrees when the length Lin is set to 0.0 mm and approximately -475 degrees when the length Lin is set to 9.6 mm. Therefore, increasing the length Lin from 0.0 mm to 9.6 mm can achieve a phase change in the transmission phase of approximately 430 degrees (= -45 degrees - (-475 degrees) = 430 degrees), which exceeds 360 degrees. In this case, as described above, most of the incident power can be transmitted.
＜第１実施例のメタサーフェス板＞
本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１の構成を示す平面図を図６に示す。図６では、一部の構成を拡大して示している。
本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１は透過型のメタサーフェス板とされており、図６に示すように、高さ方向の断面が正方形状とされた誘電体基板１０－１と、誘電体基板１０－１の上面および下面に周期配列して形成された多数の第１実施例のメタツインＭ１とから構成されている。第１実施例のメタツインＭ１は、ｘ方向とｙ方向に同数ずつ配列されている。ただし、図６には誘電体基板１０－１の上面に周期配列して形成された多数の第１実施例のメタツインＭ１における第１導体パターン１１しか示されていないが、一部拡大図に示すように誘電体基板１０－１の上面に形成された第１導体パターン１１および誘電体基板１０－１の下面に形成された第２導体パターン１２とから第１実施例のメタツインＭ１が構成されている。一部拡大図では、誘電体基板１０－１と、誘電体基板１０－１の上面および下面に形成された第１導体パターン１１および前記第２導体パターン１２からなる第１実施例のメタツインＭ１とを備える単位素子１が示されている。すなわち、第１実施例のメタサーフェス板１－１は、一部拡大図に示す単位素子１をｘ方向およびｙ方向に周期的に配列した構成となり、単位素子１は第１実施例のメタサーフェス板１－１を構成する構成単位とされている。
<Metasurface plate of the first embodiment>
A plan view showing the configuration of the metasurface board 1-1 according to the first embodiment of the present invention is shown in Fig. 6. In Fig. 6, a part of the configuration is shown enlarged.
The metasurface plate 1-1 of the first embodiment of the present invention is a transmission-type metasurface plate, and as shown in FIG. 6, it is composed of a dielectric substrate 10-1 having a square cross section in the height direction and a number of metatwins M1 of the first embodiment formed in a periodic array on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10-1. The metatwins M1 of the first embodiment are arranged in equal numbers in the x and y directions. Note that while FIG. 6 only shows the first conductor patterns 11 in the many metatwins M1 of the first embodiment formed in a periodic array on the upper surface of the dielectric substrate 10-1, as shown in the partially enlarged view, the metatwin M1 of the first embodiment is composed of the first conductor patterns 11 formed on the upper surface of the dielectric substrate 10-1 and the second conductor patterns 12 formed on the lower surface of the dielectric substrate 10-1. The partially enlarged view shows a unit element 1 including the dielectric substrate 10-1 and the metatwin M1 of the first embodiment, which is composed of the first conductor patterns 11 and the second conductor patterns 12 formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10-1. In other words, the metasurface plate 1-1 of the first embodiment is configured by periodically arranging unit elements 1, shown in the partially enlarged view, in the x and y directions, and the unit elements 1 are used as constituent units that make up the metasurface plate 1-1 of the first embodiment.
図６に示す第１実施例のメタサーフェス板１－１では、一例として誘電体基板１０－１に周期配列して形成されている第１実施例のメタツインＭ１における長さＬｏｕｔの長さは固定され、長さＬｉｎがｘ方向に行くに従い短くなるように設定されており、ｙ方向における長さＬｉｎの長さは固定の長さとされている。図６に示されている第１導体パターン１１の形状に見られるように図６における最上段の列の第１実施例のメタツインＭ１における長さＬｉｎが最も長くされ、ｘ方向である下段の列に向かうに従って長さＬｉｎが短くされている。これにより、最上段の列の第１実施例のメタツインＭ１における透過位相は最も遅れ、最下段の列の第１実施例のメタツインＭ１における透過位相は最も進み、最下段の列から最上段の列に向かって第１実施例のメタツインＭ１における透過位相は徐々に遅れていく透過位相分布とされている。この透過位相分布の作用により、第１実施例のメタサーフェス板１－１における透過波は－ｘ方向に偏向されるようになる。なお、誘電体基板１０－１のｘ方向の物理的な縦寸法とｙ方向の物理的な横寸法とは同じ長さＬ１ａとされ、その一例を挙げると長さＬ１ａの物理的寸法は約１１０ｍｍとされる。 In the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in FIG. 6, as an example, the length Lout of the metatwin M1 of the first embodiment, which is formed in a periodic array on the dielectric substrate 10-1, is fixed, and the length Lin is set to decrease in the x direction, while the length Lin in the y direction is fixed. As can be seen from the shape of the first conductor pattern 11 shown in FIG. 6, the length Lin of the metatwin M1 of the first embodiment in the top row in FIG. 6 is the longest, and the length Lin decreases toward the lower rows in the x direction. This results in a transmission phase distribution in which the transmission phase of the metatwin M1 of the first embodiment in the top row is the most delayed, the transmission phase of the metatwin M1 of the first embodiment in the bottom row is the most advanced, and the transmission phase of the metatwin M1 of the first embodiment gradually delays from the bottom row to the top row. Due to the effect of this transmission phase distribution, the transmitted wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment is deflected in the -x direction. The physical vertical dimension of the dielectric substrate 10-1 in the x direction and the physical horizontal dimension in the y direction are the same length L1a; for example, the physical dimension of length L1a is approximately 110 mm.
本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１における平面波の屈折の様子を図７に示す。図７において、平面波は第１実施例のメタサーフェス板１－１の一面から入射する。入射した平面波は、第１実施例のメタサーフェス板１－１に形成されている各メタツインＭ１を透過していくが、透過波は各メタツインＭ１の作用を受けた透過位相とされる。第１実施例の各メタツインＭ１では透過位相の程度は上述したように、最下段の列から最上段の列に向かって透過位相は徐々に遅れていくようにされている。この透過位相分布に基づいて、第１実施例のメタサーフェス板１－１から放射される透過波は－ｘ方向に角度θ２だけ屈折されて偏向して放射されるようになる。角度θ２は、誘電体基板１０－１の上面および下面に周期配列して形成された第１実施例の各メタツインＭ１における長さＬｉｎをそれぞれ所定の長さに設定することにより、偏向させる所望の角度θ２が得られるようになる。所望の角度θ２は、一般的には３０度ないし６０度とされるが、６０度を超えて偏向させる角度に設定することができる。このように、第１実施例のメタサーフェス板１－１では６０度を超える偏向を行うことができる。 Figure 7 shows the refraction of a plane wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment of the present invention. In Figure 7, a plane wave is incident on one surface of the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The incident plane wave passes through each metatwin M1 formed on the metasurface plate 1-1 of the first embodiment, and the transmitted wave has a transmission phase affected by each metatwin M1. As described above, the degree of transmission phase in each metatwin M1 of the first embodiment is gradually delayed from the bottom row to the top row. Based on this transmission phase distribution, the transmitted wave emitted from the metasurface plate 1-1 of the first embodiment is refracted and deflected by an angle θ2 in the -x direction before being emitted. The desired deflection angle θ2 can be obtained by setting the length Lin of each metatwin M1 of the first embodiment, which is formed in a periodic array on the top and bottom surfaces of the dielectric substrate 10-1, to a predetermined length. The desired angle θ2 is generally between 30 and 60 degrees, but can be set to an angle that deflects beyond 60 degrees. In this way, the metasurface plate 1-1 of the first embodiment can deflect beyond 60 degrees.
本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１における平面波の屈折の様子を電界分布で図８に示す。使用周波数ｆは１１．５ＧＨｚとされている。図８を参照すると、平面波は第１実施例のメタサーフェス板１－１に０度の角度θ１で入射する。そして、メタサーフェス板１－１から放射される透過波は屈折して放射されており、その角度θ２は約６５度となっている。
このように、本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１では、１枚のメタサーフェス板１－１を用いるだけで６０度を超える偏向の角度を得ることができるようになり、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。なお、平面波は第１実施例のメタサーフェス板１－１の下面から入射されても上面から入射されても、同様に偏向された透過波が放射されるようになる。すなわち、第１実施例のメタサーフェス板１－１は可逆性があることから、送信する際に所望の方向に放射できると共に、所望の方向からの受信を行うことができるメタサーフェス板として用いることができる。
The refraction of a plane wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment of the present invention is shown in the form of an electric field distribution in Figure 8. The operating frequency f is 11.5 GHz. Referring to Figure 8, the plane wave is incident on the metasurface plate 1-1 of the first embodiment at an angle θ1 of 0 degrees. The transmitted wave emitted from the metasurface plate 1-1 is refracted and emitted at an angle θ2 of approximately 65 degrees.
Thus, in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment of the present invention, a deflection angle of more than 60 degrees can be obtained by using only one metasurface plate 1-1, thereby reducing the overall volume and lowering manufacturing costs. Furthermore, whether a plane wave is incident on the bottom or top surface of the metasurface plate 1-1 of the first embodiment, a similarly deflected transmitted wave is emitted. In other words, because the metasurface plate 1-1 of the first embodiment is reversible, it can be used as a metasurface plate that can radiate in the desired direction when transmitting and receive from the desired direction.
＜第１実施例のメタサーフェス板の変形例＞
次に、本発明の第１実施例のメタサーフェス板１－１の変形例とされる第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の構成を、一部を拡大して示す平面図を図９に示す。
本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２は透過型のメタサーフェス板とされており、図９に示すように、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２は、第１実施例のメタサーフェス板１－１とほぼ同様の構成とされている。第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２は、高さ方向の断面が正方形状とされた誘電体基板１０－２と、誘電体基板１０－２の上面および下面に周期配列して形成された多数の第１実施例のメタツインＭ１とから構成されている。ただし、多数の第１実施例のメタツインＭ１の各メタツインＭ１における長さＬｉｎの長さの設定の分布が、第１実施例のメタサーフェス板１－１とは異なっている。第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２は、入射波を放射する波源が局所的な波源とされている場合に、透過波を所定の方向に偏向することができるようにされている。このことを、図１０を参照して説明する。図１０では第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２と金属製のグランド板Ｇとが間隔ｄで離隔されて平行に中心軸をほぼ合わせて配置されている。グランド板Ｇの上面の中央にはアンテナ基板ＢＰ上に形成されたパッチアンテナＡＮが中央に配置されている。すると、パッチアンテナＡＮと第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の下面との距離は、当該メタサーフェス板１－２の中央において最も短くなり、中央から周辺に向かうに従って長くなることが分かる。そして、パッチアンテナＡＮから放射されて、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の下面から入射する入射波の位相は、当該メタサーフェス板１－２とパッチアンテナＡＮとの距離に応じた位相となる。すなわち、当該メタサーフェス板１－２の中央に入射する入射波の位相に対して、当該メタサーフェス板１－２の周辺に入射する入射波の位相は、中央から周辺に向かうに従って遅れていくようになる。このように、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の下面に入射する入射波の位相が平面波と異なるように分布されても、当該メタサーフェス板１－２の透過波が所定の方向に偏向されるように、当該メタサーフェス板１－２における第１実施例のメタツインＭ１の各々における透過位相がパッチアンテナＡＮとの距離に応じた位相に応じて設定されている。ここでは、パッチアンテナＡＮのように局所的な放射源からなる波源を局所的な波源ということにする。なお、誘電体基板１０－２のｘ方向の物理的な縦寸法とｙ方向の物理的な横寸法とは同じ長さＬ１ａとされ、その一例を挙げると物理的な長さＬ１ａは約１１０ｍｍとされる。そして、グランド板Ｇの寸法は誘電体基板１０－２の寸法と同様の寸法とされ、使用周波数ｆの自由空間波長をλとすると、間隔ｄは、約０．２５λ、約０．５λ、約０．７５λと、約０．２５λの整数倍とすることができる。ただし、間隔ｄはこれらの間隔に限られることはなく、他の間隔としてもよい。
<Modification of the metasurface plate of the first embodiment>
Next, Figure 9 shows an enlarged plan view of a portion of the configuration of a metasurface board 1-2, which is a modified example of the metasurface board 1-1 of the first embodiment of the present invention.
The metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention is a transmission-type metasurface plate. As shown in FIG. 9, the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment has a configuration substantially similar to that of the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is composed of a dielectric substrate 10-2 having a square cross section in the height direction and a number of metatwins M1 of the first embodiment formed in a periodic array on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 10-2. However, the distribution of the length settings of the length Lin of each of the many metatwins M1 of the first embodiment differs from that of the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is designed to deflect the transmitted wave in a predetermined direction when the wave source radiating the incident wave is a localized wave source. This will be explained with reference to FIG. 10. In FIG. 10, the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment and a metal ground plate G are arranged parallel to each other, spaced apart by a distance d, with their central axes approximately aligned. A patch antenna AN formed on an antenna substrate BP is placed in the center of the upper surface of the ground plate G. It can be seen that the distance between the patch antenna AN and the bottom surface of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is shortest at the center of the metasurface plate 1-2 and increases from the center toward the periphery. The phase of the incident wave radiated from the patch antenna AN and incident on the bottom surface of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment corresponds to the distance between the metasurface plate 1-2 and the patch antenna AN. In other words, the phase of the incident wave incident on the periphery of the metasurface plate 1-2 lags behind the phase of the incident wave incident on the center of the metasurface plate 1-2 as it moves from the center toward the periphery. In this way, even if the phase of the incident wave incident on the lower surface of the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment is distributed differently from that of a plane wave, the transmission wave of the metasurface plate 1-2 is deflected in a predetermined direction by setting the transmission phase of each metatwin M1 of the first embodiment in the metasurface plate 1-2 according to the phase corresponding to the distance from the patch antenna AN. Here, a wave source consisting of a local radiation source, such as the patch antenna AN, is referred to as a local wave source. The physical vertical dimension in the x-direction and the physical horizontal dimension in the y-direction of the dielectric substrate 10-2 are the same length L1a. For example, the physical length L1a is approximately 110 mm. The dimensions of the ground plate G are the same as those of the dielectric substrate 10-2. If the free-space wavelength of the operating frequency f is λ, the spacing d can be approximately 0.25λ, approximately 0.5λ, approximately 0.75λ, or an integer multiple of approximately 0.25λ. However, the spacing d is not limited to these spacings and may be other spacings.
上述した図１０は、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における波源が局所的な波源であるパッチアンテナＡＮの場合の屈折の様子を示す図である。重複する説明は省くが図１０に示すように、パッチアンテナＡＮからの放射波は第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の一面から入射する。パッチアンテナＡＮからの放射波は、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２に形成されている各メタツインＭ１を透過していくが、透過波は各メタツインＭ１の作用を受けた透過位相とされる。この場合、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の下面に入射する放射波の位相が平面波と異なるように分布されていても、当該メタサーフェス板１－２の透過波が所定の方向に偏向される透過位相分布になるように、各メタツインＭ１の透過位相が設定されている。これにより、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２から放射される透過波はｘ方向に所定の角度だけ屈折されて偏向されるようになる。角度は、誘電体基板１０－２の上面および下面に周期配列して形成された多数の第１実施例のメタツインＭ１における長さＬｉｎを所定の長さに設定することにより、所望の角度が得られるようになる。所望の角度は、一般的には３０度ないし６０度とされるが、６０度を超える角度に設定することができる。このように、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２においても６０度を超える偏向を行うことができる。 The above-mentioned Figure 10 illustrates the refraction behavior when the wave source in the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention is a patch antenna AN, which is a localized wave source. While redundant explanations will be omitted, as shown in Figure 10, the radiated wave from the patch antenna AN is incident on one side of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment. The radiated wave from the patch antenna AN passes through each metatwin M1 formed on the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment, and the transmitted wave has a transmission phase affected by each metatwin M1. In this case, even if the phase of the radiated wave incident on the bottom surface of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is distributed differently from that of a plane wave, the transmission phase of each metatwin M1 is set so that the transmitted wave from the metasurface plate 1-2 has a transmission phase distribution that deflects it in a predetermined direction. As a result, the transmitted wave radiated from the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is refracted and deflected by a predetermined angle in the x direction. The desired angle can be obtained by setting the length Lin of the numerous metatwins M1 of the first embodiment, which are periodically arranged on the top and bottom surfaces of the dielectric substrate 10-2, to a predetermined length. The desired angle is generally between 30 and 60 degrees, but can also be set to an angle greater than 60 degrees. In this way, deflection greater than 60 degrees can also be achieved with the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment.
次に、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における波源がパッチアンテナＡＮとされた場合の屈折の様子を電界分布で図１１に示す。使用周波数ｆは１１．５ＧＨｚとされている。図１１を参照すると、パッチアンテナＡＮから放射状に放射される入射波が第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の一面に入射する。そして、変形例のメタサーフェス板１－２から放射される透過波は屈折して放射されており、偏向された角度θ２は約６５度となっている。
このように、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２においても、１枚の変形例のメタサーフェス板１－２を用いるだけで６０度を超える偏向の角度を得ることができるようになり、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。なお、放射状の入射波は第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２の下面から入射されても上面から入射されても、同様に偏向された透過波が放射されるようになる。すなわち、第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２も可逆性があることから、送信する際に所望の方向に放射できると共に、所望の方向からの受信を行うことができるメタサーフェス板として用いることができる。
Next, Figure 11 shows the electric field distribution of refraction when the wave source in the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention is a patch antenna AN. The operating frequency f is 11.5 GHz. Referring to Figure 11, the incident wave radiated radially from the patch antenna AN is incident on one surface of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment. The transmitted wave radiated from the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is refracted and radiated, with a deflection angle θ2 of approximately 65 degrees.
Thus, even with the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention, a deflection angle of more than 60 degrees can be obtained by using only one metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment, thereby reducing the overall volume and manufacturing costs. Furthermore, whether a radial incident wave is incident from the bottom or top surface of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment, a similarly deflected transmitted wave is emitted. In other words, since the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment is also reversible, it can be used as a metasurface plate that can radiate in the desired direction when transmitting and receive from the desired direction.
次に、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を１枚だけ用いた場合に使用周波数ｆを１１．１ＧＨｚとした際の放射パターンを図１２に示す。図１２に示すように、変形例のメタサーフェス板１－２の透過波は約６５度に偏向された角度に集束されたビームとして放射されている。この場合の透過波の振幅は約－２ｄＢのわずかな減衰を受けた振幅となる。また、－１０ｄＢ以下に減衰された振幅のビームが約３０度から－９０度の方向に放射されている。
また、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を１枚だけ用いた場合に使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の放射パターンを図１３に示す。図１３に示すように、変形例のメタサーフェス板１－２の透過波は約６５度に偏向された角度に集束されたビームとして放射されている。この場合の透過波の振幅はほぼ０ｄＢの減衰を受けない振幅とされる。また、－１５ｄＢ以下に減衰された振幅のビームが約５度の方向および約－６０°の方向に放射されている。
さらに、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を１枚だけ用いた場合に使用周波数ｆを１１．９ＧＨｚとした際の放射パターンを図１４に示す。図１４に示すように、変形例のメタサーフェス板１－２の透過波は約６５度に偏向された角度に集束されたビームとして放射されている。この場合の透過波の振幅は約－２ｄＢのわずかな減衰を受けた振幅となる。また、－１０ｄＢ以下に減衰された振幅のビームが約－１０度から－４５度の方向に放射されている。
図１２ないし図１４に示す放射パターンは設計周波数Ｆを１１．５ＧＨｚとして、各メタツインＭ１における長さＬｉｎの長さを設定しているため、使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の放射パターンが最も良好となる。ただし、使用周波数ｆを１１．１ＧＨｚ～１１．９ＧＨｚとしても十分に実用的な放射パターンを得ることができる。
Next, Figure 12 shows the radiation pattern when using only one metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention at an operating frequency f of 11.1 GHz. As shown in Figure 12, the transmitted wave from the modified metasurface plate 1-2 is emitted as a beam focused at an angle of approximately 65 degrees. In this case, the amplitude of the transmitted wave is slightly attenuated by approximately -2 dB. In addition, a beam with an amplitude attenuated to less than -10 dB is emitted in the direction from approximately 30 degrees to -90 degrees.
Figure 13 shows the radiation pattern when using only one metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention at a frequency f of 11.5 GHz. As shown in Figure 13, the transmitted wave from the modified metasurface plate 1-2 is emitted as a beam focused at an angle of approximately 65 degrees. The amplitude of the transmitted wave in this case is an amplitude that is not attenuated by approximately 0 dB. In addition, beams with amplitudes attenuated to -15 dB or less are emitted in directions of approximately 5 degrees and approximately -60 degrees.
Furthermore, Figure 14 shows the radiation pattern when using only one metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment of the present invention at an operating frequency f of 11.9 GHz. As shown in Figure 14, the transmitted wave from the modified metasurface plate 1-2 is emitted as a beam focused at an angle of approximately 65 degrees. In this case, the amplitude of the transmitted wave is slightly attenuated by approximately -2 dB. In addition, a beam with an amplitude attenuated to less than -10 dB is emitted in the direction from approximately -10 degrees to -45 degrees.
12 to 14, the length Lin of each MetaTwin M1 is set with a design frequency F of 11.5 GHz, so the radiation patterns are best when the operating frequency f is 11.5 GHz. However, a sufficiently practical radiation pattern can also be obtained when the operating frequency f is 11.1 GHz to 11.9 GHz.
次に、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を用いた時と、メタサーフェス板を用いない時を対比して最大放射方向における利得の周波数特性を図１５に示す。図１５において、横軸は１０．５ＧＨｚ～１２．５ＧＨｚの周波数を示し、縦軸は最大放射方向における利得（Gain(θ=θmax)[dBi]）を示している。図１５では第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を用いた時の最大放射方向における利得をＧａｉｎＡで表し、メタサーフェス板を用いない時の最大放射方向における利得をＧａｉｎＢで表している。図１５を参照すると、変形例のメタサーフェス板１－２を用いたＧａｉｎＡでは、１０．５ＧＨｚ～１２．５ＧＨｚの周波数範囲において、約９ｄＢｉ以上の最大放射方向における利得が得られ、１１．３ＧＨｚ～１１．８ＧＨｚの周波数範囲において、約１６ｄＢｉの最大放射方向における大きな利得が得られている。これに対して、メタサーフェス板を用いない時のＧａｉｎＢでは、１０．５ＧＨｚ～１２．５ＧＨｚの周波数範囲における最大放射方向における最大の利得でも約６．５ｄＢｉの利得しか得られていない。このように、本発明の第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２を用いると、最大放射方向において大きな利得を得ることができる。 Next, Figure 15 shows the frequency characteristics of gain in the maximum radiation direction when using metasurface plate 1-2, a modified example of the first embodiment of the present invention, compared with when not using a metasurface plate. In Figure 15, the horizontal axis represents frequency from 10.5 GHz to 12.5 GHz, and the vertical axis represents gain in the maximum radiation direction (Gain(θ=θmax) [dBi]). In Figure 15, Gain A represents the gain in the maximum radiation direction when using metasurface plate 1-2, a modified example of the first embodiment, and Gain B represents the gain in the maximum radiation direction when not using a metasurface plate. Referring to Figure 15, with Gain A using metasurface plate 1-2, a gain of approximately 9 dBi or more in the maximum radiation direction is obtained in the frequency range of 10.5 GHz to 12.5 GHz, and a large gain of approximately 16 dBi in the maximum radiation direction is obtained in the frequency range of 11.3 GHz to 11.8 GHz. In contrast, when Gain B is used without using a metasurface plate, the maximum gain in the maximum radiation direction in the frequency range of 10.5 GHz to 12.5 GHz is only approximately 6.5 dBi. As such, by using metasurface plate 1-2, a modified example of the first embodiment of the present invention, a large gain can be obtained in the maximum radiation direction.
＜第２実施例のメタツインを備える第２実施例の単位素子＞
本発明の第２実施例のメタツインＭ２を備える第２実施例の単位素子２の構成を図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図１６（ａ）は第２実施例の単位素子２の構成を示す斜視図、図１６（ｂ）は第２実施例の単位素子２の構成を示す上面図、図１６（ｃ）は第２実施例の単位素子２の構成を示す側面図である。また、本発明の第２実施例のメタツインＭ２の構成を説明する図を図１７に斜視図で示す。
図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第２実施例の単位素子２は、誘電体基板２０と、誘電体基板２０の上面および下面に形成された第２実施例のメタツインＭ２とから構成されている。第２実施例のメタツインＭ２は、誘電体基板２０の上面に形成された第１導体パターン２１および誘電体基板２０の下面に形成された第２導体パターン２２とから構成されている。第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とは同形状とされると共に、図１６（ｃ）に示す誘電体基板２０の中心Ｏに対して点対称の形状とされている。また、第１導体パターン２１は線対称の形状の第１導体パターン２１ａと第１導体パターン２１ｂとの２つの導体パターンから構成され、第２導体パターン２２は線対称の形状の第２導体パターン２２ａと第２導体パターン２２ｂとの２つの導体パターンから構成されている。
<Unit element of second embodiment having metatwin of second embodiment>
The configuration of a unit element 2 of a second embodiment of the present invention, which includes a metatwin M2, is shown in Figures 16(a), (b), and (c). Figure 16(a) is a perspective view showing the configuration of a unit element 2 of the second embodiment, Figure 16(b) is a top view showing the configuration of a unit element 2 of the second embodiment, and Figure 16(c) is a side view showing the configuration of a unit element 2 of the second embodiment. Also, Figure 17 is a perspective view illustrating the configuration of a metatwin M2 of the second embodiment of the present invention.
As shown in Figures 16(a), 16(b), and 16(c), the unit element 2 of the second embodiment is composed of a dielectric substrate 20 and the metatwin M2 of the second embodiment formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 20. The metatwin M2 of the second embodiment is composed of a first conductor pattern 21 formed on the upper surface of the dielectric substrate 20 and a second conductor pattern 22 formed on the lower surface of the dielectric substrate 20. The first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 have the same shape and are shaped point-symmetrically with respect to the center O of the dielectric substrate 20 shown in Figure 16(c). The first conductor pattern 21 is composed of two conductor patterns, first conductor pattern 21a and first conductor pattern 21b, which are shaped in line symmetry, and the second conductor pattern 22 is composed of two conductor patterns, second conductor pattern 22a and second conductor pattern 22b, which are shaped in line symmetry.
第２実施例のメタツインＭ２について図１７を参照して説明する。図１７には第２実施例のメタツインＭ２の構成が示されており、第１導体パターン２１ａ，２１ｂからなる導体パターン２１が上に配置され、第１導体パターン２１と点対称かつ同形状の第２導体パターン２２ａ，２２ｂからなる導体パターン２２が下に配置されて両者は所定間隔Ｗｂ２だけｚ方向に離隔されて配置されている。これにより、離隔して配置された第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とで形成される空間の中心に対して第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とが点対称の形状とされたメタツインＭ２が形成されている。第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とをｚ方向から透視すると、所定幅の線状の正方形状とされた外側ループと、同心に配置された所定幅の線状の正方形状とされた内側ループとから構成された基本導体パターンとされる二重ループ素子が形成されている。第２実施例のメタツインＭ２を構成する過程は、前述した第１実施例のメタツインＭ１を構成する過程と同様とされている。メタツインＭ２を構成する二重ループ素子においては、外側ループと内側ループとのｘ方向で対向する２辺における中央部同士を接続する接続片の中央に溝が設けられて切断されている。基本導体パターンとされた二重ループ素子を、ｙ方向の中心線で半截して、線対称かつ同形状の第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とに分離する。これにより、第１導体パターン２１は線対称の形状の第１導体パターン２１ａと第１導体パターン２１ｂとから構成され、第２導体パターン２２は線対称の形状の第２導体パターン２２ａと第２導体パターン２２ｂとから構成される。 The metatwin M2 of the second embodiment will be described with reference to FIG. 17. FIG. 17 shows the configuration of the metatwin M2 of the second embodiment, with a conductor pattern 21 consisting of first conductor patterns 21a and 21b arranged on top, and a conductor pattern 22 consisting of second conductor patterns 22a and 22b that are point-symmetrical to and have the same shape as the first conductor pattern 21 arranged on the bottom, separated by a predetermined distance Wb2 in the z direction. This forms a metatwin M2 in which the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 are point-symmetrical with respect to the center of the space formed by the spaced-apart first conductor pattern 21 and second conductor pattern 22. When viewed from the z direction, the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 form a double-loop element with a basic conductor pattern consisting of an outer loop that is a linear square of a predetermined width and an inner loop that is concentrically arranged and also has a linear square of a predetermined width. The process of constructing the metatwin M2 of the second embodiment is similar to the process of constructing the metatwin M1 of the first embodiment described above. In the double loop element that constitutes the metatwin M2, a groove is provided in the center of the connecting piece that connects the central portions of two opposing sides of the outer and inner loops in the x direction, and the connecting piece is cut. The double loop element, which is the basic conductor pattern, is cut in half along the center line in the y direction to separate it into first conductor pattern 21 and second conductor pattern 22, which are line-symmetric and have the same shape. As a result, first conductor pattern 21 is composed of first conductor pattern 21a and first conductor pattern 21b, which are line-symmetric, and second conductor pattern 22 is composed of second conductor pattern 22a and second conductor pattern 22b, which are line-symmetric.
そして、第１導体パターン２１を上に配置すると共に第２導体パターン２２を下に配置して両者の面を平行を維持して面に垂直な方向であるｚ方向に所定間隔Ｗｂ２だけ離隔して配置する。これにより、離隔して配置された第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とで形成される空間の中心に対して第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とが点対称の形状とされた第２実施例のメタツインＭ２が形成される。ここで、第１導体パターン２１の半截された先端を－ｘ方向に延伸して第１導体パターン２１を形成することができると共に、第２導体パターン２２の半截された先端をｘ方向に同じ長さだけ延伸して第２導体パターン２２を形成することができる。このように延伸すると、同形状とされていると共に、ｚ方向から透視して先端同士が重なった第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とからなる第２実施例のメタツインＭ２が形成される。
上記説明した第２実施例のメタツインＭ２を誘電体基板２０の上面および下面に形成することにより、第２実施例の単位素子２が構成されている。すなわち、厚さがＷｂ２とされた誘電体基板２０を用意して、誘電体基板２０の中心Ｏに対して第１導体パターン２１ａと第１導体パターン２１ｂとからなる第１導体パターン２１と、第２導体パターン２２ａと第２導体パターン２２ｂとからなる第２導体パターン２２とが点対称の形状となるように、誘電体基板２０の上面に第１導体パターン２１を形成し、下面に第２導体パターン２２を形成する。これにより、誘電体基板２０の上面および下面に第２実施例のメタツインＭ２が形成された図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第２実施例の単位素子２を得ることができる。
Then, the first conductor pattern 21 is placed on top and the second conductor pattern 22 is placed on the bottom, with their surfaces maintained parallel and separated by a predetermined distance Wb2 in the z direction, which is the direction perpendicular to the surfaces. This results in a metatwin M2 of the second embodiment, in which the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 are point-symmetric with respect to the center of the space formed by the spaced-apart first conductor pattern 21 and second conductor pattern 22. The first conductor pattern 21 can be formed by extending the half-truncated tip of the first conductor pattern 21 in the −x direction, and the second conductor pattern 22 can be formed by extending the half-truncated tip of the second conductor pattern 22 by the same length in the x direction. By extending them in this manner, the metatwin M2 of the second embodiment is formed, consisting of the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 that have the same shape and whose tips overlap when viewed from the z direction.
The unit element 2 of the second embodiment is constructed by forming the metatwin M2 of the second embodiment described above on the upper and lower surfaces of a dielectric substrate 20. That is, a dielectric substrate 20 having a thickness Wb2 is prepared, and the first conductor pattern 21, consisting of the first conductor pattern 21a and the first conductor pattern 21b, and the second conductor pattern 22, consisting of the second conductor pattern 22a and the second conductor pattern 22b, are formed on the upper surface and the lower surface, respectively, of the dielectric substrate 20 such that they are point-symmetric with respect to the center O of the dielectric substrate 20. In this way, the unit element 2 of the second embodiment shown in Figures 16(a), 16(b), and 16(c) can be obtained, in which the metatwin M2 of the second embodiment is formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 20.
図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に戻り誘電体基板２０の上面および下面に形成されたメタツインＭ２を構成する第１導体パターン２１と破線で示す第２導体パターン２２とは、二重のコ字状とされ誘電体基板２０の中心Ｏに対して点対称の形状とされ、ｚ方向から透視すると基本導体パターンとされる正方形状の二重ループ素子を形成している。第１導体パターン２１は、線対称の形状の第１導体パターン２１ａと第１導体パターン２１ｂとから構成され、第１導体パターン２１ａおよび第１導体パターン２１ｂは、それぞれｘ方向の３つのパートとｙ方向の２つのパートとから構成されている。第１導体パターン２１ａにおけるｘ方向の３つのパートは、図１６（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート２１ａ－ｘ－１と、内側ループを構成するパート２１ａ－ｘ－２と、外側ループと内側ループとを接続するパート２１ａ－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１６（ａ）に示すようにパート２１ａ－ｙ－１およびパート２１ａ－ｙ－２とで構成される。また、第１導体パターン２１ｂにおけるｘ方向の３つのパートは、図１６（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート２１ｂ－ｘ－１と、内側ループを構成するパート２１ｂ－ｘ－２と、外側ループと内側ループとを接続するパート２１ｂ－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１６（ａ）に示すようにパート２１ｂ－ｙ－１およびパート２１ｂ－ｙ－２とで構成される。 16(a), (b), and (c), the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 shown by the dashed lines that constitute the metatwin M2 formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 20 are double U-shaped and point-symmetric with respect to the center O of the dielectric substrate 20, forming a square-shaped double loop element that is the basic conductor pattern when viewed from the z direction. The first conductor pattern 21 is composed of the first conductor pattern 21a and the first conductor pattern 21b that are symmetric with respect to the axis, and the first conductor pattern 21a and the first conductor pattern 21b each consist of three parts in the x direction and two parts in the y direction. As shown in FIG. 16(b), the three x-direction parts of first conductor pattern 21a are composed of part 21a-x-1 that forms the outer loop, part 21a-x-2 that forms the inner loop, and part 21a-x-5 that connects the outer loop and the inner loop, while the two y-direction parts are composed of part 21a-y-1 and part 21a-y-2 as shown in FIG. 16(a). Furthermore, the three x-direction parts of first conductor pattern 21b are composed of part 21b-x-1 that forms the outer loop, part 21b-x-2 that forms the inner loop, and part 21b-x-5 that connects the outer loop and the inner loop, while the two y-direction parts are composed of part 21b-y-1 and part 21b-y-2 as shown in FIG. 16(a).
さらに、破線で示す第２導体パターン２２は、線対称の形状の第２導体パターン２２ａと第２導体パターン２２ｂとから構成され、第２導体パターン２２ａおよび第２導体パターン２２ｂは、それぞれｘ方向の３つのパートとｙ方向の２つのパートとから構成されている。第２導体パターン２２ａにおけるｘ方向の３つのパートは、図１６（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート２２ａ－ｘ－１と、内側ループを構成するパート２２ａ－ｘ－２と、外側ループと内側ループとを接続するパート２２ａ－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１６（ａ）に示すようにパート２２ａ－ｙ－１およびパート２２ａ－ｙ－２とで構成される。さらにまた、第２導体パターン２２ｂにおけるｘ方向の３つのパートは、図１６（ｂ）に示すように外側ループを構成するパート２２ｂ－ｘ－１と、内側ループを構成するパート２２ｂ－ｘ－２と、外側ループと内側ループとを接続するパート２２ｂ－ｘ－５で構成され、ｙ方向の２つのパートは、図１６（ａ）に示すようにパート２２ｂ－ｙ－１およびパート２２ｂ－ｙ－２とで構成される。 Furthermore, the second conductor pattern 22, indicated by dashed lines, is composed of second conductor patterns 22a and 22b, which are symmetrical about an axis, and second conductor patterns 22a and 22b each consist of three parts in the x direction and two parts in the y direction. As shown in Figure 16(b), the three parts in the x direction of second conductor pattern 22a consist of part 22a-x-1, which constitutes the outer loop, part 22a-x-2, which constitutes the inner loop, and part 22a-x-5, which connects the outer loop and inner loop, while the two parts in the y direction consist of part 22a-y-1 and part 22a-y-2, which are shown in Figure 16(a). Furthermore, the three parts in the x direction of the second conductor pattern 22b are composed of part 22b-x-1 that forms the outer loop, part 22b-x-2 that forms the inner loop, and part 22b-x-5 that connects the outer loop and inner loop, as shown in FIG. 16(b), and the two parts in the y direction are composed of part 22b-y-1 and part 22b-y-2, as shown in FIG. 16(a).
第２実施例のメタツインＭ２の各部の寸法は、第１実施例のメタツインＭ１と同様とされている。なお、第１導体パターン２１および導体パターン２２の横幅は長さＬｓ２とされ、第１導体パターン２１において、外側ループを構成するパート２１ａ－ｘ－１およびパート２１ｂ－ｘ－３の先端から第１導体パターン２１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、内側ループを構成するパート２１ａ－ｘ－２およびパート２１ｂ－ｘ－４の先端から第１導体パターン２１の中央までは長さＬｉｎとされている。また、第２導体パターン２２において、外側ループを構成するパート２２ａ－ｘ－１およびパート２２ｂ－ｘ－３の先端から第２導体パターン２２の中央までは長さＬｏｕｔとされ、内側ループを構成するパート２２ａ－ｘ－２およびパート２２ｂ－ｘ－４の先端から第２導体パターン２２の中央までは長さＬｉｎとされている。
また、第２実施例の単位素子２を構成する誘電体基板２０の厚さは図１６（ｃ）に示すように厚さＷｂ２で比誘電率εｓとされ、第１導体パターン２１と第２導体パターン２２とは厚さＷｂ２で離隔されていると共に、誘電体基板２０の中心点Ｏに対して点対称に配置されて、ｚ方向から透視すると正方形状の二重ループ素子が形成されている。
The dimensions of each part of the metatwin M2 of the second embodiment are the same as those of the metatwin M1 of the first embodiment. The width of the first conductor pattern 21 and the conductor pattern 22 is length Ls2, and in the first conductor pattern 21, the length from the tips of the parts 21a-x-1 and 21b-x-3 that form the outer loop to the center of the first conductor pattern 21 is length Lout, and the length from the tips of the parts 21a-x-2 and 21b-x-4 that form the inner loop to the center of the first conductor pattern 21 is length Lin. In addition, in the second conductor pattern 22, the length from the tips of the parts 22a-x-1 and 22b-x-3 that form the outer loop to the center of the second conductor pattern 22 is length Lout, and the length from the tips of the parts 22a-x-2 and 22b-x-4 that form the inner loop to the center of the second conductor pattern 22 is length Lin.
Furthermore, the thickness of the dielectric substrate 20 constituting the unit element 2 of the second embodiment is Wb2 and has a relative dielectric constant εs, as shown in FIG. 16(c), and the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 are spaced apart by the thickness Wb2 and are arranged point-symmetrically with respect to the center point O of the dielectric substrate 20, forming a square-shaped double loop element when viewed from the z direction.
ここで、第２実施例の単位素子２における各部の寸法の一例を使用周波数を１１．５ＧＨｚの自由空間波長をλ（≒２６．０８７ｍｍ）とした電気長で表すと、第１導体パターン２１および第２導体パターン２２において、長さＬｓ２の電気長は約０．３０７λ、長さＬｏｕｔの電気長は約０．３６０λとされ、間隔ｇの電気長は約０．０１５λ、幅Ｗの電気長は約０．０１５λとされる。なお、長さＬｉｎは後述する設定された長さとされる。また、誘電体基板２０の厚さＷｂ２の電気長は約０．１２３λとされる。なお、誘電体基板２０は、例えばテフロン（登録商標）製とされ、比誘電率εｓは約２．６とされている。比誘電率εｓに応じて波長が短縮され、比誘電率εｓが２．６の場合は、約０．６２の波長短縮率となる。 Here, an example of the dimensions of each part of the unit element 2 of the second embodiment is expressed in terms of electrical length, with the free space wavelength at an operating frequency of 11.5 GHz being λ (≈26.087 mm). In the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22, the electrical length of length Ls2 is approximately 0.307λ, the electrical length of length Lout is approximately 0.360λ, the electrical length of spacing g is approximately 0.015λ, and the electrical length of width W is approximately 0.015λ. Note that length Lin is a set length, as described below. Furthermore, the electrical length of thickness Wb2 of the dielectric substrate 20 is approximately 0.123λ. Note that the dielectric substrate 20 is made of, for example, Teflon (registered trademark), and has a relative dielectric constant εs of approximately 2.6. The wavelength is shortened according to the relative dielectric constant εs; when the relative dielectric constant εs is 2.6, the wavelength shortening rate is approximately 0.62.
第１導体パターン２１および第２導体パターン２２は、誘電体基板２０の面上に金属インクを塗布したり、金属を蒸着して所定の厚さになるよう成膜し、所望の形状になるようエッチング加工することにより形成されている。ただし、第１導体パターン２１および第２導体パターン２２の形成方法は、上記形成方法に限定されるものではなく、他の形成方法を採用してもよい。第１導体パターン２１および第２導体パターン２２を形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。また、誘電体基板２０は、マイクロ波帯での吸収がない素材を用いるのが好適であり、その素材としては、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。ただし、テフロン（登録商標）に限るものではなく、マイクロ波帯での吸収がない他の素材を用いてもよい。 The first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 are formed by applying metal ink to the surface of the dielectric substrate 20 or by depositing metal to a predetermined thickness and then etching it into the desired shape. However, the method for forming the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22 is not limited to the above method, and other methods may be used. Metals with good conductivity, such as gold, silver, copper, and aluminum, are used as the metallic material for forming the first conductor pattern 21 and the second conductor pattern 22. Furthermore, it is preferable to use a material that does not absorb waves in the microwave band for the dielectric substrate 20, such as Teflon (registered trademark). However, this is not limited to Teflon (registered trademark), and other materials that do not absorb waves in the microwave band may also be used.
上記説明した第２実施例のメタツインＭ２においては、例えば長さＬｏｕｔの長さを固定にして長さＬｉｎを所定の長さに設定できるようにしている。長さＬｉｎを所定の長さに設定した第２実施例のメタツインＭ２においても、長さＬｉｎの設定された長さが長い場合の透過位相が、長さＬｉｎの設定された長さが短い場合の透過位相より遅れることが分かった。
ここで、本発明の第２実施例のメタツインＭ２において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過波の振幅特性を図１８に示す。図１８においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０．０ｍｍから９．６ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の絶対値［ｄＢ］で表された透過波の振幅が示されている。図１８を参照すると、長さＬｉｎが約０．４ｍｍに設定された時の透過波の振幅は約－０．９ｄＢとなり、長さＬｉｎが約１．７ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約１．７ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが１．７ｍｍを超えて設定されると、透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約２．４ｍｍに設定された時の振幅は約－２．１ｄＢとなり、長さＬｉｎが約２．４ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は上昇していき長さＬｉｎが約３．０ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが約３．０ｍｍを超えて設定されていくと徐々に透過波の振幅が下降していくが、長さＬｉｎが約５．１ｍｍに設定された時の振幅が約－１．２ｄＢの谷となり、その後は設定された長さが長くなるに従い徐々に透過波の振幅は上昇していく。透過波の振幅は長さＬｉｎが約８．３ｍｍに設定された時にほぼ０．０ｄＢとなり、長さＬｉｎの設定された長さが約９．０ｍｍになるに従い振幅が下降して長さＬｉｎが約９．０ｍｍに設定された時の振幅は約－２．８ｄＢとなる。このように、第２実施例のメタツインＭ２では、長さＬｉｎが０．４ｍｍから９．０ｍｍまでの長さに設定されても入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。
In the metatwin M2 of the second embodiment described above, for example, the length Lout is fixed and the length Lin can be set to a predetermined length. Even in the metatwin M2 of the second embodiment in which the length Lin is set to a predetermined length, it was found that the transmission phase when the set length Lin is long lags behind the transmission phase when the set length Lin is short.
Here, Figure 18 shows the amplitude characteristics of the transmitted wave versus the set length Lin for the MetaTwin M2 of the second embodiment of the present invention, when the dimensions of each part are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 18, the horizontal axis shows the length Lin from 0.0 mm to 9.6 mm, and the vertical axis shows the amplitude of the transmitted wave expressed as the absolute value [dB] of the S-parameter S21. Referring to Figure 18, when the length Lin is set to approximately 0.4 mm, the amplitude of the transmitted wave is approximately -0.9 dB. As the length Lin is increased to approximately 1.7 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, reaching approximately -0.1 dB when the length Lin is set to approximately 1.7 mm. When the length Lin is set to greater than 1.7 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 2.4 mm, the amplitude is approximately -2.1 dB. As the length Lin exceeds approximately 2.4 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 3.0 mm, the amplitude is approximately -0.1 dB. As the length Lin is set to greater than approximately 3.0 mm, the amplitude of the transmitted wave gradually decreases, but when the length Lin is set to approximately 5.1 mm, the amplitude reaches a valley of approximately -1.2 dB, and thereafter, as the set length increases, the amplitude of the transmitted wave gradually increases. When the length Lin is set to approximately 8.3 mm, the amplitude is approximately 0.0 dB, and as the length Lin is set to approximately 9.0 mm, the amplitude decreases, and when the length Lin is set to approximately 9.0 mm, the amplitude is approximately -2.8 dB. In this way, in the MetaTwin M2 of the second embodiment, even if the length Lin is set to a value between 0.4 mm and 9.0 mm, it is possible to transmit almost all of the incident power.
次に、本発明の第２実施例のメタツインＭ２において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過位相特性を図１９に示す。図１９においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０．０ｍｍから９．６ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の位相［ｄｅｇ（＝度）］で表された透過位相が示されている。図１９を参照すると、長さＬｉｎが約０．４ｍｍに設定された時の透過位相は約－５０度であり、長さＬｉｎに設定された長さが約１．６ｍｍまで長くなるに従い透過位相は遅れていき、長さＬｉｎが約１．６ｍｍに設定された時の透過位相はほぼ－９０度となる。長さＬｉｎに設定された長さが１．６ｍｍを超えていくに従い、透過位相は急激に遅れるようになって、長さＬｉｎが約３ｍｍに設定された時に約－３１０度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが３ｍｍを超えていくと透過位相は徐々にさらに遅れて行くようになり、長さＬｉｎが約８ｍｍに設定された時に約－４０５度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが８ｍｍを超えて約９．０ｍｍまで長くなるに従い透過位相はさらに遅れていき、長さＬｉｎが約９．０ｍｍに設定された時に－４６５度の透過位相となる。このように、第２実施例のメタツインＭ２では、長さＬｉｎに設定された長さが約０．４ｍｍで約－５０度、約９．０ｍｍで約－４６５度の透過位相となるから、長さＬｉｎに設定された長さを約０．４ｍｍから約９．０ｍｍまで長くしていくと３６０度を超える約４１５度（＝－５０度－（－４６５度）＝４１５度）の透過位相の位相変化量を得ることができる。そして、この場合において上記したように入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。 Next, Figure 19 shows the transmission phase characteristics for the set length Lin of the MetaTwin M2 according to the second embodiment of the present invention, when the dimensions of each component are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 19, the horizontal axis represents the length Lin, from 0.0 mm to 9.6 mm, and the vertical axis represents the transmission phase, expressed in degrees (deg) of the S-parameter S21. Referring to Figure 19, when the length Lin is set to approximately 0.4 mm, the transmission phase is approximately -50 degrees. As the length Lin increases to approximately 1.6 mm, the transmission phase gradually lags, reaching approximately -90 degrees when the length Lin is set to approximately 1.6 mm. As the length Lin exceeds 1.6 mm, the transmission phase rapidly lags, reaching a transmission phase of approximately -310 degrees when the length Lin is set to approximately 3 mm. As the length Lin exceeds 3 mm, the transmission phase gradually becomes more delayed, resulting in a transmission phase of approximately -405 degrees when the length Lin is set to approximately 8 mm. As the length Lin exceeds 8 mm and increases to approximately 9.0 mm, the transmission phase becomes even more delayed, resulting in a transmission phase of -465 degrees when the length Lin is set to approximately 9.0 mm. Thus, in the MetaTwin M2 of the second embodiment, the transmission phase is approximately -50 degrees when the length Lin is set to approximately 0.4 mm and approximately -465 degrees when the length Lin is set to approximately 9.0 mm. Therefore, increasing the length Lin from approximately 0.4 mm to approximately 9.0 mm results in a phase change in the transmission phase of approximately 415 degrees (= -50 degrees - (-465 degrees) = 415 degrees), exceeding 360 degrees. In this case, as described above, almost all of the incident power can be transmitted.
＜第２実施例のメタサーフェス板＞
本発明の第２実施例のメタツインＭ２を、第１実施例のメタツインＭ１と同様にメタサーフェス板に適用することができる。第２実施例のメタツインＭ２を適用したメタサーフェス板を第２実施例のメタサーフェス板という。本発明の第２実施例のメタサーフェス板は透過型のメタサーフェス板とされている。本発明の第２実施例のメタツインＭ２を、高さ方向の断面が正方形状とされた誘電体基板１０と同様の誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成すると、図示しない第２実施例のメタサーフェス板を構成することができる。このように構成された第２実施例のメタサーフェス板は、第１実施例のメタサーフェス板１－１における第１実施例のメタツインＭ１を第２実施例のメタツインＭ２に置き換えた構成とされる。すなわち、第２実施例のメタサーフェス板は、誘電体基板と、誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成された多数の第２実施例のメタツインＭ２とから構成されている。この場合、第２実施例のメタツインＭ２は、第１実施例のメタサーフェス板１－１と同様に誘電体基板のｘ方向とｙ方向に同数ずつ配列されて誘電体基板に形成されている。なお、第２実施例のメタサーフェス板は、図１６（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第２実施例の単位素子２をｘ方向およびｙ方向に周期的に配列した構成となり、単位素子２は第２実施例のメタサーフェス板を構成する構成単位とされている。
また、第２実施例のメタサーフェス板における誘電体基板は正方形状とされ、一辺の長さの一例を挙げると約１１０ｍｍの物理的な寸法とされる。
<Metasurface plate of the second embodiment>
The metatwin M2 of the second embodiment of the present invention can be applied to a metasurface plate in the same manner as the metatwin M1 of the first embodiment. A metasurface plate to which the metatwin M2 of the second embodiment is applied is referred to as the metasurface plate of the second embodiment. The metasurface plate of the second embodiment of the present invention is a transmission-type metasurface plate. The metatwin M2 of the second embodiment of the present invention can be periodically arranged on the upper and lower surfaces of a dielectric substrate similar to the dielectric substrate 10, which has a square cross section in the height direction, to form the metasurface plate of the second embodiment (not shown). The metasurface plate of the second embodiment configured in this manner is configured by replacing the metatwin M1 of the first embodiment in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment with the metatwin M2 of the second embodiment. That is, the metasurface plate of the second embodiment is composed of a dielectric substrate and a large number of metatwins M2 of the second embodiment periodically arranged on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate. In this case, the metatwins M2 of the second embodiment are formed on the dielectric substrate in equal numbers in the x and y directions of the dielectric substrate, as in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The metasurface plate of the second embodiment is configured by periodically arranging the unit elements 2 of the second embodiment shown in Figures 16(a), (b), and (c) in the x and y directions, and the unit elements 2 are used as the constituent units that make up the metasurface plate of the second embodiment.
In addition, the dielectric substrate in the metasurface plate of the second embodiment is square, with a physical dimension of approximately 110 mm, for example, the length of one side.
第２実施例のメタサーフェス板においては、多数の第２実施例のメタツインＭ２の各メタツインＭ２における長さＬｉｎの長さが所定の長さに設定されている。長さＬｉｎの長さが、平面波の入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過位相は徐々に遅れていく透過位相分布とされて、図７および図８に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における平面波の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。また、長さＬｉｎの長さが、局所的な波源からの入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過波が所定の方向に偏向される透過位相分布とされて、図１０および図１１に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における局所的な波源の場合の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。この際に第２実施例のメタサーフェス板を１枚だけ用いた場合の放射パターンは、図１２、図１３および図１４に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における放射パターンとほぼ同様となる。このように、第２実施例のメタサーフェス板では、１枚の第２実施例のメタサーフェス板を用いるだけで３０度ないし６０度を超える所望の偏向の角度を得ることができるようになり、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。
また、本発明の第２実施例のメタサーフェス板２を用いた時と、メタサーフェス板を用いない時を対比して最大放射方向における利得の周波数特性は、図１５に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における最大放射方向における利得の周波数特性とほぼ同様となり、本発明の第２実施例のメタサーフェス板を用いると、最大放射方向において大きな利得を得ることができる。
In the metasurface plate of the second embodiment, the length L in each of the multiple metatwins M2 of the second embodiment is set to a predetermined length. When the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident plane wave, the transmission phase is gradually delayed, resulting in a transmission phase distribution in which the transmitted wave can be deflected in a predetermined direction, for example, 65 degrees, similar to the refraction of a plane wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 7 and 8. Furthermore, when the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident wave from a local wave source, the transmission phase distribution is such that the transmitted wave is deflected in a predetermined direction, for example, 65 degrees, similar to the refraction in the case of a local wave source in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 10 and 11. In this case, the radiation pattern when only one metasurface plate of the second embodiment is used is approximately the same as the radiation pattern of the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment shown in Figures 12, 13, and 14. In this way, with the metasurface plate of the second embodiment, it is possible to obtain the desired deflection angle of 30 degrees or more than 60 degrees by using just one metasurface plate of the second embodiment, thereby reducing the overall volume and lowering manufacturing costs.
Furthermore, when comparing the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction when the metasurface plate 2 of the second embodiment of the present invention is used with the frequency characteristics when no metasurface plate is used, the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction are almost the same as the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction for the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment shown in Figure 15, and when the metasurface plate of the second embodiment of the present invention is used, a large gain can be obtained in the maximum radiation direction.
＜第３実施例のメタツインを備える第３実施例の単位素子＞
本発明の第３実施例のメタツインＭ３を備える第３実施例の単位素子３の構成を図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図２０（ａ）は第３実施例の単位素子３の構成を示す斜視図、図２０（ｂ）は第３実施例の単位素子３の構成を示す上面図、図２０（ｃ）は第３実施例の単位素子３の構成を示す側面図である。また、本発明の第３実施例のメタツインＭ３の構成を説明する図を図２１に斜視図で示す。
図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第３実施例の単位素子３は、誘電体基板３０と、誘電体基板３０の上面および下面に形成された第３実施例のメタツインＭ３とから構成されている。第３実施例のメタツインＭ３は、誘電体基板３０の上面に形成された第１導体パターン３１および誘電体基板３０の下面に形成された第２導体パターン３２とから構成されている。第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とは同形状とされると共に、図２０（ｃ）に示す誘電体基板３０の中心Ｏに対して点対称の形状とされている。
<Unit element of the third embodiment having the metatwin of the third embodiment>
The configuration of a unit element 3 of the third embodiment, which includes a metatwin M3 of the third embodiment of the present invention, is shown in Figures 20(a), (b), and (c). Figure 20(a) is a perspective view showing the configuration of a unit element 3 of the third embodiment, Figure 20(b) is a top view showing the configuration of a unit element 3 of the third embodiment, and Figure 20(c) is a side view showing the configuration of a unit element 3 of the third embodiment. Also, Figure 21 is a perspective view illustrating the configuration of a metatwin M3 of the third embodiment of the present invention.
20(a), (b), and (c), the unit element 3 of the third embodiment is composed of a dielectric substrate 30 and the metatwin M3 of the third embodiment formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 30. The metatwin M3 of the third embodiment is composed of a first conductor pattern 31 formed on the upper surface of the dielectric substrate 30 and a second conductor pattern 32 formed on the lower surface of the dielectric substrate 30. The first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 have the same shape and are shaped point-symmetrically with respect to the center O of the dielectric substrate 30 shown in FIG. 20(c).
第３実施例のメタツインＭ３について図２１を参照して説明する。図２１には第３実施例のメタツインＭ３の構成が示されており、第１導体パターン３１が上に配置され、第１導体パターン３１と点対称かつ同形状の第２導体パターン３２が下に配置されて両者は所定間隔Ｗｂ３だけｚ方向に離隔されて配置されている。これにより、離隔して配置された第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とで形成される空間の中心に対して第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とが点対称の形状とされたメタツインＭ３が形成されている。第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とは所定幅の線状のＴ字状の形状とされている。
上記した第３実施例のメタツインＭ３を誘電体基板３０の上面および下面に形成することにより、第３実施例の単位素子３が構成されている。すなわち、厚さがＷｂ３とされた誘電体基板３０を用意して、誘電体基板３０の中心に対して第１導体パターン３１と、第２導体パターン３２とが点対称の形状となるように、誘電体基板３０の上面に第１導体パターン３１を形成し、下面に第２導体パターン３２を形成する。これにより、誘電体基板３０の上面および下面に第３実施例のメタツインＭ３が形成された図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第３実施例の単位素子３を得ることができる。
The metatwin M3 of the third embodiment will be described with reference to Fig. 21. Fig. 21 shows the configuration of the metatwin M3 of the third embodiment, in which a first conductor pattern 31 is disposed on top, and a second conductor pattern 32 that is point-symmetrical to and has the same shape as the first conductor pattern 31 is disposed below, with the two patterns spaced apart in the z direction by a predetermined distance Wb3. This forms the metatwin M3 in which the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 are shaped point-symmetrical with respect to the center of the space formed by the spaced-apart first conductor pattern 31 and second conductor pattern 32. The first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 are shaped like a linear T with a predetermined width.
The unit element 3 of the third embodiment is constructed by forming the metatwin M3 of the third embodiment described above on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 30. That is, a dielectric substrate 30 having a thickness of Wb3 is prepared, and the first conductor pattern 31 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 30, and the second conductor pattern 32 is formed on the lower surface, so that the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 are point-symmetric with respect to the center of the dielectric substrate 30. In this way, the unit element 3 of the third embodiment shown in Figures 20(a), (b), and (c) can be obtained, in which the metatwin M3 of the third embodiment is formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 30.
図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に戻り誘電体基板３０の上面および下面に形成されたメタツインＭ３を構成する第１導体パターン３１と破線で示す第２導体パターン３２とは、Ｔ字状とされ誘電体基板３０の中心Ｏに対して点対称の形状とされている。第１導体パターン３１は、ｘ方向の３つのパートとｙ方向の１つのパートとから構成されている。第１導体パターン３１におけるｘ方向の３つのパートは、図２０（ｂ）に示すように両外側に位置するパート３１－ｘ－１およびパート３１－ｘ－３と、中央に位置するパート３１－ｘ－２とで構成され、ｙ方向の１つのパートは、図２０（ａ）に示すようにパート３１－ｙ－１で構成される。また、破線で示す第２導体パターン３２は、ｘ方向の３つのパートとｙ方向の１つのパートとから構成されている。第２導体パターン３２におけるｘ方向の３つのパートは、図２０（ｂ）に示すように両外側に位置するパート３２－ｘ－１およびパート３２－ｘ－３と、中央に位置するパート３２－ｘ－２とで構成され、ｙ方向の１つのパートは、図２０（ａ）に示すようにパート３２－ｙ－１で構成される。 Returning to Figures 20(a), (b), and (c), the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 shown by dashed lines, which constitute the metatwin M3 formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 30, are T-shaped and point-symmetrical with respect to the center O of the dielectric substrate 30. The first conductor pattern 31 is composed of three parts in the x-direction and one part in the y-direction. The three parts in the x-direction of the first conductor pattern 31 are composed of parts 31-x-1 and 31-x-3 located on both outer sides and part 31-x-2 located in the center, as shown in Figure 20(b), and the one part in the y-direction is composed of part 31-y-1, as shown in Figure 20(a). The second conductor pattern 32 shown by dashed lines is composed of three parts in the x-direction and one part in the y-direction. The three parts of the second conductor pattern 32 in the x direction are composed of part 32-x-1 and part 32-x-3 located on both outer sides and part 32-x-2 located in the center, as shown in FIG. 20(b), and the one part in the y direction is composed of part 32-y-1, as shown in FIG. 20(a).
なお、第３実施例の単位素子３において、ｚ方向から誘電体基板３０を透視すると第１導体パターン３１のパート３１－ｘ－２と第２導体パターン３２のパート３２－ｘ－２との先端同士が重なっている。また、ｚ方向から誘電体基板３０を透視すると第１導体パターン３１のパート３１－ｘ－１およびパート３１－ｘ－３とパート３１－ｙ－１、第２導体パターン３２のパート３２－ｘ－１およびパート３２－ｘ－３とパート３２－ｙ－１とが、所定幅の線状の正方形状とされたループ素子上に位置するようになる。すなわち、第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とにおけるｙ方向の長さＬｓ３と、第１導体パターン３１のパート３１－ｙ－１の外縁から第２導体パターン３２のパート３２－ｙ－１外縁までの長さは長さＬｓ３と等しくなる。
ここで、補足説明すると、上述したようにｚ方向から透視した際に誘電体基板３０に形成されている透視した導体パターンが基本導体パターンとされて、基本導体パターンを、ｙ方向の中心線で半截して、線対称かつ同形状の第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とに分離する。第１導体パターン３１を上に配置すると共に第２導体パターン３２を下に配置して両者の面を平行を維持して面に垂直な方向であるｚ方向に所定間隔Ｗｂ３だけ離隔して配置する。これにより、第３実施例のメタツインＭ３が構成されるということができる。なお、メタツインＭ３においては、第１導体パターン３１のパート３１－ｘ－２の先端と第２導体パターン３２のパート３２－ｘ－２の先端とがｘ方向に延伸されている。
In the unit element 3 of the third embodiment, when viewed through the dielectric substrate 30 from the z direction, the tips of part 31-x-2 of the first conductor pattern 31 and part 32-x-2 of the second conductor pattern 32 overlap. When viewed through the dielectric substrate 30 from the z direction, part 31-x-1, part 31-x-3, and part 31-y-1 of the first conductor pattern 31 and part 32-x-1, part 32-x-3, and part 32-y-1 of the second conductor pattern 32 are positioned on a linear, square-shaped loop element of a predetermined width. That is, the length Ls3 in the y direction of the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 is equal to the length Ls3 from the outer edge of part 31-y-1 of the first conductor pattern 31 to the outer edge of part 32-y-1 of the second conductor pattern 32.
To provide a supplementary explanation, as described above, the conductor pattern formed on the dielectric substrate 30 when viewed from the z direction is defined as the basic conductor pattern, and the basic conductor pattern is then cut in half along a center line in the y direction to separate the basic conductor pattern into the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32, which are line-symmetric and identical in shape. The first conductor pattern 31 is placed on top and the second conductor pattern 32 is placed on the bottom, with their surfaces maintained parallel and separated by a predetermined distance Wb3 in the z direction, which is the direction perpendicular to the surfaces. This constitutes the metatwin M3 of the third embodiment. In the metatwin M3, the tip of the part 31-x-2 of the first conductor pattern 31 and the tip of the part 32-x-2 of the second conductor pattern 32 extend in the x direction.
第３実施例のメタツインＭ３の各部の寸法が図２０（ｂ）に示されている。第１導体パターン３１の横幅は長さＬｓ３とされ、パート３１－ｘ－１およびパート３１－ｘ－３の先端からパート３１－ｙ－１の中央までは長さＬｉｎとされ、パート３１－ｘ－２の先端からパート３１－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、第１導体パターン３１における各パートは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。第２導体パターン３２の各部の寸法は、第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とが同形状であることから、同じ寸法とされている。すなわち、パート３２－ｘ－１およびパート３２－ｘ－３の先端からパート３２－ｙ－１の中央までは長さＬｉｎとされ、パート３２－ｘ－２の先端からパート３２－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、第２導体パターン３２における各パートは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。
また、第３実施例の単位素子３を構成する誘電体基板３０の厚さは図２０（ｃ）に示すように厚さＷｂ３で比誘電率εｓとされ、第１導体パターン３１と第２導体パターン３２とは厚さＷｂ３で離隔されていると共に、誘電体基板３０の中心点Ｏに対して点対称に配置されている。
The dimensions of each part of the metatwin M3 of the third embodiment are shown in Figure 20(b). The width of the first conductor pattern 31 is length Ls3, the length from the tips of part 31-x-1 and part 31-x-3 to the center of part 31-y-1 is length Lin, and the length from the tip of part 31-x-2 to the center of part 31-y-1 is length Lout, with each part of the first conductor pattern 31 being a linear conductor pattern with a width W. The dimensions of each part of the second conductor pattern 32 are the same because the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 have the same shape. That is, the length from the tips of part 32-x-1 and part 32-x-3 to the center of part 32-y-1 is length Lin, and the length from the tip of part 32-x-2 to the center of part 32-y-1 is length Lout, with each part of the second conductor pattern 32 being a linear conductor pattern with a width W.
Furthermore, the thickness of the dielectric substrate 30 constituting the unit element 3 of the third embodiment is Wb3 and the relative dielectric constant is εs, as shown in FIG. 20( c), and the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 are spaced apart by the thickness Wb3 and are arranged point-symmetrically with respect to the center point O of the dielectric substrate 30.
ここで、第３実施例の単位素子３における各部の寸法の一例を使用周波数を１１．５ＧＨｚの自由空間波長をλ（≒２６．０８７ｍｍ）とした電気長で表すと、第１導体パターン３１および第２導体パターン３２において、長さＬｓ３の電気長は約０．３０７λ、長さＬｏｕｔの電気長は約０．２１５λとされ、幅Ｗの電気長は約０．０１５λとされる。なお、長さＬｉｎは設定された長さとされる。また、誘電体基板３０の厚さＷｂ３の電気長は約０．１２３λとされる。なお、誘電体基板３０は、例えばテフロン（登録商標）製とされ、比誘電率εｓは約２．６とされ、比誘電率εｓが２．６の場合は、約０．６２の波長短縮率となる。 Here, an example of the dimensions of each part of the unit element 3 of the third embodiment is expressed in terms of electrical length, with the free space wavelength at an operating frequency of 11.5 GHz being λ (≈26.087 mm). In the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32, the electrical length of length Ls3 is approximately 0.307λ, the electrical length of length Lout is approximately 0.215λ, and the electrical length of width W is approximately 0.015λ. Note that length Lin is a set length. Furthermore, the electrical length of thickness Wb3 of dielectric substrate 30 is approximately 0.123λ. Note that the dielectric substrate 30 is made of, for example, Teflon (registered trademark), and has a relative dielectric constant εs of approximately 2.6. When the relative dielectric constant εs is 2.6, the wavelength shortening factor is approximately 0.62.
第１導体パターン３１および第２導体パターン３２は、誘電体基板３０の面上に金属インクを塗布したり、金属を蒸着して所定の厚さになるよう成膜し、所望の形状になるようエッチング加工することにより形成されている。ただし、第１導体パターン３１および第２導体パターン３２の形成方法は、上記形成方法に限定されるものではなく、他の形成方法を採用してもよい。第１導体パターン３１および第２導体パターン３２を形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。また、誘電体基板３０は、マイクロ波帯での吸収がない素材を用いるのが好適であり、その素材としては、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。ただし、テフロン（登録商標）に限るものではなく、マイクロ波帯での吸収がない他の素材を用いてもよい。 The first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 are formed by applying metal ink to the surface of the dielectric substrate 30 or by depositing metal to a predetermined thickness and then etching it into the desired shape. However, the method for forming the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32 is not limited to the above method, and other methods may be used. Metals with good conductivity, such as gold, silver, copper, and aluminum, are used as the metallic material for forming the first conductor pattern 31 and the second conductor pattern 32. Furthermore, it is preferable to use a material that does not absorb microwaves in the microwave band for the dielectric substrate 30, such as Teflon (registered trademark). However, this is not limited to Teflon (registered trademark), and other materials that do not absorb microwaves in the microwave band may also be used.
上記説明した第３実施例のメタツインＭ３においては、例えば長さＬｏｕｔの長さを固定にして長さＬｉｎを所定の長さに設定できるようにしている。長さＬｉｎを所定の長さに設定した第３実施例のメタツインＭ３においては、長さＬｉｎの設定された長さが長い場合の透過位相が、長さＬｉｎの設定された長さが短い場合の透過位相より遅れることが分かった。
ここで、本発明の第３実施例のメタツインＭ３において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過波の振幅特性を図２２に示す。図２２においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０ｍｍから１２ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の絶対値［ｄＢ］で表された透過波の振幅が示されている。図２２を参照すると、長さＬｉｎが約０．４ｍｍに設定された時の透過波の振幅は約－１．１ｄＢとなり、長さＬｉｎが約２．３ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約２．３ｍｍに設定された時の振幅は約－１．５ｄＢとなる。長さＬｉｎが約２．３ｍｍを超えて設定されると、透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約４．２ｍｍに設定された時の振幅は約－０．２ｄＢとなり、長さＬｉｎが約４．２ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は下降していき長さＬｉｎが約５．０ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－１．０ｄＢとなる。長さＬｉｎが約５．０ｍｍを超えて設定されていくと透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約５．６ｍｍに設定された時の振幅は約－０．１ｄＢとなる。さらに、長さＬｉｎが約７．６ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約７．６ｍｍに設定された時の振幅は約－１．４ｄＢとなり、長さＬｉｎが約７．６ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は上昇していき長さＬｉｎが約１０．８ｍｍに設定された時の振幅はほぼ－０．０ｄＢとなる。その後は設定された長さＬｉｎが長くなるに従い透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約１１．６ｍｍに設定された時に透過波の振幅は約－１．９ｄＢとなる。このように、第３実施例のメタツインＭ３では、長さＬｉｎが約０．４ｍｍから約１１．６ｍｍまでの長さに設定されても入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。
In the metatwin M3 of the third embodiment described above, for example, the length Lout is fixed and the length Lin can be set to a predetermined length. In the metatwin M3 of the third embodiment in which the length Lin is set to a predetermined length, it was found that the transmission phase when the set length Lin is long lags behind the transmission phase when the set length Lin is short.
Here, Figure 22 shows the amplitude characteristics of the transmitted wave versus the set length Lin for the MetaTwin M3 of the third embodiment of the present invention, when the dimensions of each part are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 22, the horizontal axis shows the length Lin from 0 mm to 12 mm as set for the length Lin, and the vertical axis shows the amplitude of the transmitted wave expressed as the absolute value [dB] of the S-parameter S21. Referring to Figure 22, when the length Lin is set to approximately 0.4 mm, the amplitude of the transmitted wave is approximately -1.1 dB. As the length Lin is increased to approximately 2.3 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 2.3 mm, the amplitude is approximately -1.5 dB. When the length Lin is set to exceed approximately 2.3 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 4.2 mm, the amplitude is approximately -0.2 dB. As the length Lin exceeds approximately 4.2 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 5.0 mm, the amplitude is approximately -1.0 dB. As the length Lin is set to exceed approximately 5.0 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 5.6 mm, the amplitude is approximately -0.1 dB. Furthermore, as the length Lin is set to be longer, up to approximately 7.6 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 7.6 mm, the amplitude is approximately -1.4 dB. As the length Lin exceeds approximately 7.6 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 10.8 mm, the amplitude is approximately -0.0 dB. Thereafter, as the set length Lin becomes longer, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 11.6 mm, the amplitude of the transmitted wave becomes approximately -1.9 dB. Thus, with the MetaTwin M3 of the third embodiment, even when the length Lin is set to a length from approximately 0.4 mm to approximately 11.6 mm, it is possible to transmit almost all of the incident power.
次に、本発明の第３実施例のメタツインＭ３において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過位相特性を図２３に示す。図２３においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０ｍｍから１２ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の位相［ｄｅｇ（＝度）］で表された透過位相が示されている。図２３を参照すると、長さＬｉｎが約０．４ｍｍに設定された時の透過位相は約０度となり、長さＬｉｎに設定された長さが約３．５ｍｍまで長くなるに従い透過位相は遅れていき、長さＬｉｎが約３．５ｍｍに設定された時の透過位相は約－６０度となる。長さＬｉｎに設定された長さが３．５ｍｍを超えていくに従い、透過位相は急激に遅れるようになって、長さＬｉｎが約５．８ｍｍに設定された時に約－３００度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが約５．８ｍｍを超えていくと透過位相は徐々にさらに遅れて行くようになり、長さＬｉｎが約９．５ｍｍに設定された時に約－３９０度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが９．５ｍｍを超えて約１１．６ｍｍまで長くなるに従い透過位相はさらに遅れていき、長さＬｉｎが約１１．６ｍｍに設定された時に－４６０度の透過位相となる。このように、第３実施例のメタツインＭ３では、長さＬｉｎに設定された長さが約０．４ｍｍで約０度、約１１．６ｍｍで約－４６０度の透過位相となるから、長さＬｉｎに設定された長さを約０．４ｍｍから約１１．６ｍｍまで長くしていくと３６０度を超える約４６０度（＝０度－（－４６０度）＝４６０度）の透過位相の位相変化量を得ることができる。そして、この場合において上記したように入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。 Next, Figure 23 shows the transmission phase characteristics for the set length Lin of the MetaTwin M3, a third embodiment of the present invention, when the dimensions of each component are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 23, the horizontal axis represents the length Lin, from 0 mm to 12 mm, and the vertical axis represents the transmission phase, expressed in degrees (deg) of the S-parameter S21. Referring to Figure 23, when the length Lin is set to approximately 0.4 mm, the transmission phase is approximately 0 degrees. As the length Lin increases to approximately 3.5 mm, the transmission phase delays, reaching approximately -60 degrees when the length Lin is set to approximately 3.5 mm. As the length Lin exceeds 3.5 mm, the transmission phase delays rapidly, reaching approximately -300 degrees when the length Lin is set to approximately 5.8 mm. As the length Lin exceeds approximately 5.8 mm, the transmission phase gradually lags further, resulting in a transmission phase of approximately -390 degrees when the length Lin is set to approximately 9.5 mm. As the length Lin exceeds 9.5 mm and increases to approximately 11.6 mm, the transmission phase lags further, resulting in a transmission phase of -460 degrees when the length Lin is set to approximately 11.6 mm. Thus, in the MetaTwin M3 of the third embodiment, the transmission phase is approximately 0 degrees when the length Lin is set to approximately 0.4 mm and approximately -460 degrees when the length Lin is set to approximately 11.6 mm. Therefore, increasing the length Lin from approximately 0.4 mm to approximately 11.6 mm achieves a phase change in the transmission phase of approximately 460 degrees (= 0 degrees - (-460 degrees) = 460 degrees), exceeding 360 degrees. In this case, as described above, almost all of the incident power can be transmitted.
＜第３実施例のメタサーフェス板＞
本発明の第３実施例のメタツインＭ３を、第１実施例のメタツインＭ１と同様にメタサーフェス板に適用することができる。第３実施例のメタツインＭ３を適用したメタサーフェス板を第３実施例のメタサーフェス板という。本発明の第３実施例のメタサーフェス板は透過型のメタサーフェス板とされている。本発明の第３実施例のメタツインＭ３を、高さ方向の断面が正方形状とされた誘電体基板１０と同様の誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成すると、図示しない第３実施例のメタサーフェス板を構成することができる。このように構成された第３実施例のメタサーフェス板は、第１実施例のメタサーフェス板１－１における第１実施例のメタツインＭ１を第３実施例のメタツインＭ３に置き換えた構成とされる。すなわち、第３実施例のメタサーフェス板は、誘電体基板と、誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成された多数の第３実施例のメタツインＭ３とから構成されている。この場合、第３実施例のメタツインＭ３は、第１実施例のメタサーフェス板１－１と同様に誘電体基板のｘ方向とｙ方向に同数ずつ配列されて誘電体基板に形成されている。なお、第３実施例のメタサーフェス板は、図２０（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第３実施例の単位素子３をｘ方向およびｙ方向に周期的に配列した構成となり、単位素子３は第３実施例のメタサーフェス板を構成する構成単位とされている。
また、第３実施例のメタサーフェス板における誘電体基板は正方形状とされ、一辺の長さの一例を挙げると約１１０ｍｍの物理的な寸法とされる。
<Metasurface plate of the third embodiment>
The metatwin M3 of the third embodiment of the present invention can be applied to a metasurface plate in the same manner as the metatwin M1 of the first embodiment. A metasurface plate using the metatwin M3 of the third embodiment is referred to as the metasurface plate of the third embodiment. The metasurface plate of the third embodiment of the present invention is a transmission-type metasurface plate. The metatwin M3 of the third embodiment of the present invention can be periodically arranged on the upper and lower surfaces of a dielectric substrate similar to the dielectric substrate 10, which has a square cross section in the height direction, to form a metasurface plate of the third embodiment (not shown). The metasurface plate of the third embodiment configured in this manner is configured by replacing the metatwin M1 of the first embodiment in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment with the metatwin M3 of the third embodiment. That is, the metasurface plate of the third embodiment is composed of a dielectric substrate and a large number of metatwins M3 of the third embodiment periodically arranged on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate. In this case, the metatwins M3 of the third embodiment are formed on the dielectric substrate in equal numbers in the x and y directions of the dielectric substrate, as in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The metasurface plate of the third embodiment is configured by periodically arranging the unit elements 3 of the third embodiment shown in Figures 20(a), (b), and (c) in the x and y directions, and the unit elements 3 are used as the constituent units that make up the metasurface plate of the third embodiment.
In addition, the dielectric substrate in the metasurface plate of the third embodiment is square, with a physical dimension of approximately 110 mm, for example, the length of one side.
第３実施例のメタサーフェス板においては、多数の第３実施例のメタツインＭ３の各メタツインＭ３における長さＬｉｎの長さが所定の長さに設定されている。長さＬｉｎの長さが、平面波の入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過位相は徐々に遅れていく透過位相分布とされて、図７および図８に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における平面波の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。また、長さＬｉｎの長さが、局所的な波源からの入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過波が所定の方向に偏向される透過位相分布とされて、図１０および図１１に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における局所的な波源の場合の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。この際に第３実施例のメタサーフェス板を１枚だけ用いた場合の放射パターンは、図１２、図１３および図１４に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における放射パターンとほぼ同様となる。このように、第３実施例のメタサーフェス板では、１枚の第３実施例のメタサーフェス板を用いるだけで０度ないし６０度を超える所望の偏向の角度を得ることができるようになり、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。
また、本発明の第３実施例のメタサーフェス板を用いた時と、メタサーフェス板を用いない時を対比して最大放射方向における利得の周波数特性は、図１５に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における最大放射方向における利得の周波数特性とほぼ同様となり、本発明の第３実施例のメタサーフェス板を用いると、最大放射方向において大きな利得を得ることができる。
In the metasurface plate of the third embodiment, the length L in each of the multiple metatwins M3 of the third embodiment is set to a predetermined length. When the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident plane wave, the transmission phase is gradually delayed, resulting in a transmission phase distribution in which the transmitted wave can be deflected in a predetermined direction, for example, by 65 degrees, similar to the refraction of a plane wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 7 and 8. Furthermore, when the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident wave from a local wave source, the transmission phase distribution is such that the transmitted wave is deflected in a predetermined direction, for example, by 65 degrees, similar to the refraction in the case of a local wave source in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 10 and 11. In this case, the radiation pattern when only one metasurface plate of the third embodiment is used is substantially similar to the radiation pattern of the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment shown in Figures 12, 13, and 14. In this way, with the metasurface plate of the third embodiment, it is possible to obtain the desired deflection angle of 0 degrees or more than 60 degrees by simply using one metasurface plate of the third embodiment, thereby reducing the overall volume and lowering manufacturing costs.
Furthermore, when comparing the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction when the metasurface plate of the third embodiment of the present invention is used with when no metasurface plate is used, the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction are almost the same as the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction for the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment shown in Figure 15, and when the metasurface plate of the third embodiment of the present invention is used, a large gain can be obtained in the maximum radiation direction.
＜第４実施例のメタツインを備える第４実施例の単位素子＞
本発明の第４実施例のメタツインＭ４を備える第４実施例の単位素子４の構成を図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す。図２４（ａ）は第４実施例の単位素子４の構成を示す斜視図、図２４（ｂ）は第４実施例の単位素子４の構成を示す上面図、図２４（ｃ）は第４実施例の単位素子４の構成を示す側面図である。また、本発明の第４実施例のメタツインＭ４の構成を説明する図を図２５に斜視図で示す。
図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示すように、第４実施例の単位素子４は、誘電体基板４０と、誘電体基板４０の上面および下面に形成された第４実施例のメタツインＭ４とから構成されている。第４実施例のメタツインＭ４は、誘電体基板４０の上面に形成された第１導体パターン４１および誘電体基板４０の下面に形成された第２導体パターン４２とから構成されている。第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とは同形状とされると共に、図２４（ｃ）に示す誘電体基板４０の中心Ｏに対して点対称の形状とされている。
<Unit element of the fourth embodiment having the metatwin of the fourth embodiment>
The configuration of a unit element 4 of the fourth embodiment, which includes a metatwin M4 of the fourth embodiment of the present invention, is shown in Figures 24(a), (b), and (c). Figure 24(a) is a perspective view showing the configuration of a unit element 4 of the fourth embodiment, Figure 24(b) is a top view showing the configuration of a unit element 4 of the fourth embodiment, and Figure 24(c) is a side view showing the configuration of a unit element 4 of the fourth embodiment. Also, Figure 25 is a perspective view illustrating the configuration of a metatwin M4 of the fourth embodiment of the present invention.
24(a), (b), and (c), the unit element 4 of the fourth embodiment is composed of a dielectric substrate 40 and the metatwin M4 of the fourth embodiment formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 40. The metatwin M4 of the fourth embodiment is composed of a first conductor pattern 41 formed on the upper surface of the dielectric substrate 40 and a second conductor pattern 42 formed on the lower surface of the dielectric substrate 40. The first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 have the same shape and are shaped point-symmetrically with respect to the center O of the dielectric substrate 40 shown in FIG.
第４実施例のメタツインＭ４について図２５を参照して説明する。図２５には第４実施例のメタツインＭ４の構成が示されており、第１導体パターン４１が上に配置され、第１導体パターン４１と点対称かつ同形状の第２導体パターン４２が下に配置されて両者は所定間隔Ｗｂ４だけｚ方向に離隔されて配置されている。これにより、離隔して配置された第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とで形成される空間の中心に対して第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とが点対称の形状とされたメタツインＭ４が形成されている。 The metatwin M4 of the fourth embodiment will be described with reference to Figure 25. Figure 25 shows the configuration of the metatwin M4 of the fourth embodiment, in which a first conductor pattern 41 is arranged on top, and a second conductor pattern 42 that is point-symmetrical to and has the same shape as the first conductor pattern 41 is arranged on the bottom, with the two patterns spaced apart in the z direction by a predetermined distance Wb4. This forms a metatwin M4 in which the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 are shaped to be point-symmetrical with respect to the center of the space formed by the spaced-apart first conductor pattern 41 and second conductor pattern 42.
第４実施例のメタツインＭ４をｚ方向から透視すると、第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とにより、図２４（ｂ）に示すように所定幅の線状の正方形状とされた外側ループと所定幅の線状の約４５度回転された正方形状とされた内側ループとが同心とされて構成された二重ループ素子が形成されている。この二重ループ素子が基本導体パターンとされる。メタツインＭ４の基本導体パターンを構成する二重ループ素子においては、内側ループのｘ方向の対角と外側ループの中央部とがそれぞれ接続片で接続されている。基本導体パターンとされる二重ループ素子を、ｙ方向の中心線で半截して、線対称かつ同形状の第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とに分離して、第１導体パターン４１を上に配置すると共に第２導体パターン４２を下に配置して両者の面を平行を維持して面に垂直な方向であるｚ方向に所定間隔Ｗｂ４だけ離隔して配置する。これにより、第４実施例のメタツインＭ４が構成される。
上記のように構成された第４実施例のメタツインＭ４を誘電体基板４０の上面および下面に形成することにより、第４実施例の単位素子４が構成されている。すなわち、厚さがＷｂ４とされた誘電体基板４０を用意して、誘電体基板４０の中心に対して第１導体パターン４１と、第２導体パターン４２とが点対称の形状となるように、誘電体基板４０の上面に第１導体パターン４１を形成し、下面に第２導体パターン４２を形成する。これにより、誘電体基板４０の上面および下面に第４実施例のメタツインＭ４が形成された図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第４実施例の単位素子４を得ることができる。
When the metatwin M4 of the fourth embodiment is viewed from the z direction, the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 form a double loop element, as shown in FIG. 24( b), in which a linear, square-shaped outer loop of a predetermined width and a linear, square-shaped inner loop of a predetermined width rotated approximately 45 degrees are concentrically arranged. This double loop element is the basic conductor pattern. In the double loop element constituting the basic conductor pattern of the metatwin M4, the diagonal corners in the x direction of the inner loop and the center of the outer loop are connected by connecting pieces. The double loop element constituting the basic conductor pattern is cut in half along the center line in the y direction to separate the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42, which are line-symmetric and have the same shape. The first conductor pattern 41 is placed on top and the second conductor pattern 42 is placed below, with their surfaces maintained parallel and separated by a predetermined distance Wb4 in the z direction, which is the direction perpendicular to the surfaces. This forms the metatwin M4 of the fourth embodiment.
The unit element 4 of the fourth embodiment is constructed by forming the metatwin M4 of the fourth embodiment configured as described above on the upper and lower surfaces of a dielectric substrate 40. That is, a dielectric substrate 40 having a thickness of Wb4 is prepared, and the first conductor pattern 41 is formed on the upper surface of the dielectric substrate 40, and the second conductor pattern 42 is formed on the lower surface, so that the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 are point-symmetric with respect to the center of the dielectric substrate 40. In this way, the unit element 4 of the fourth embodiment shown in Figures 24(a), (b), and (c) can be obtained, in which the metatwin M4 of the fourth embodiment is formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 40.
図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に戻り誘電体基板４０の上面および下面に形成されたメタツインＭ４を構成する第１導体パターン４１と破線で示す第２導体パターン４２とは、コ字状の導体パターンの内側にＹ字状の導体パターンが配置された同形状とされ誘電体基板４０の中心Ｏに対して点対称に配置されている。第１導体パターン４１は、ｘ方向の３つのパートとｙ方向および傾斜したｙ方向の３つのパートとから構成されている。第１導体パターン４１におけるｘ方向の３つのパートは、図２４（ｂ）に示すように両外側に位置するパート４１－ｘ－１およびパート４１－ｘ－３と、中央に位置してＹ字状の導体パターンと接続するパート４１－ｘ－２とで構成され、ｙ方向および傾斜したｙ方向の３つのパートは、図２４（ａ）に示すようにパート４１－ｙ－１とＹ字状導体パターンを形成するパート４１－ｙ－２およびパート４１－ｙ－３とで構成される。また、破線で示す第２導体パターン４２は、ｘ方向の３つのパートとｙ方向および傾斜したｙ方向の３つのパートとから構成されている。第２導体パターン４２におけるｘ方向の３つのパートは、図２４（ｂ）に示すように両外側に位置するパート４２－ｘ－１およびパート４２－ｘ－３と、中央に位置してＹ字状の導体パターンと接続するパート４２－ｘ－２とで構成され、ｙ方向および傾斜したｙ方向の３つのパートは、図２４（ａ）に示すようにパート４２－ｙ－１とＹ字状導体パターンを形成するパート４２－ｙ－２およびパート４２－ｙ－３とで構成される。 Returning to Figures 24(a), (b), and (c), the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42, indicated by dashed lines, which constitute the metatwin M4 formed on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate 40, have the same shape, with a Y-shaped conductor pattern arranged inside the U-shaped conductor pattern, and are arranged point-symmetrically with respect to the center O of the dielectric substrate 40. The first conductor pattern 41 is composed of three parts in the x-direction and three parts in the y-direction and tilted y-direction. As shown in Figure 24(b), the three parts in the x-direction of the first conductor pattern 41 are composed of parts 41-x-1 and 41-x-3 located on both outer sides and part 41-x-2 located in the center and connecting to the Y-shaped conductor pattern, while the three parts in the y-direction and tilted y-direction are composed of part 41-y-1 and parts 41-y-2 and 41-y-3 which form the Y-shaped conductor pattern, as shown in Figure 24(a). Additionally, the second conductor pattern 42, indicated by dashed lines, is composed of three parts in the x direction and three parts in the y direction and tilted y direction. As shown in FIG. 24(b), the three parts in the x direction of the second conductor pattern 42 are composed of part 42-x-1 and part 42-x-3 located on both outer sides and part 42-x-2 located in the center and connecting to the Y-shaped conductor pattern, while the three parts in the y direction and tilted y direction are composed of part 42-y-1 and part 42-y-2 and part 42-y-3 that form the Y-shaped conductor pattern, as shown in FIG. 24(a).
なお、第４実施例の単位素子４において、ｚ方向から誘電体基板４０を透視すると図２４（ｂ）に示すように第１導体パターン４１のパート４１－ｘ－１およびパート４１－ｘ－３と第２導体パターン４２のパート４２－ｘ－１およびパート４２－ｘ－３との先端同士と、第１導体パターン４１のパート４１－ｙ－２およびパート４１－ｙ－３と第２導体パターン４２のパート４２－ｙ－２およびパート４２－ｙ－３との先端同士が重なっている。また、ｚ方向から誘電体基板４０を透視すると図２４（ｂ）に示すように第１導体パターン４１のパート４１－ｘ－１およびパート４１－ｘ－３とパート４１－ｙ－１と、第２導体パターン４２のパート４２－ｘ－１およびパート４２－ｘ－３とパート４２－ｙ－１とで、所定幅の線状の正方形状とされた外側ループを形成するようになる。これにより、第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とにおけるｙ方向の長さＬｓ４と、第１導体パターン４１のパート４１－ｙ－１の外縁から第２導体パターン４２のパート４２－ｙ－１外縁までの長さは長さＬｓ４と等しくなる。さらに、ｚ方向から誘電体基板４０を透視すると図２４（ｂ）に示すように第１導体パターン４１のパート４１－ｙ－２およびパート４１－ｙ－３と、第２導体パターン４２のパート４２－ｙ－２およびパート４２－ｙ－３とパート４２－ｙ－１とで、所定幅の線状の約４５度回転された正方形状とされた内側ループを形成するようになる。 In the unit element 4 of the fourth embodiment, when viewed through the dielectric substrate 40 from the z direction, the tips of parts 41-x-1 and 41-x-3 of the first conductor pattern 41 and parts 42-x-1 and 42-x-3 of the second conductor pattern 42 overlap, as well as the tips of parts 41-y-2 and 41-y-3 of the first conductor pattern 41 and parts 42-y-2 and 42-y-3 of the second conductor pattern 42, as shown in Figure 24(b). When viewed through the dielectric substrate 40 from the z direction, parts 41-x-1, 41-x-3, and 41-y-1 of the first conductor pattern 41 and parts 42-x-1, 42-x-3, and 42-y-1 of the second conductor pattern 42 form a linear square-shaped outer loop of a predetermined width, as shown in Figure 24(b). As a result, the length Ls4 in the y direction of the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 is equal to the length Ls4 from the outer edge of part 41-y-1 of the first conductor pattern 41 to the outer edge of part 42-y-1 of the second conductor pattern 42. Furthermore, when the dielectric substrate 40 is viewed from the z direction, as shown in FIG. 24(b), parts 41-y-2 and 41-y-3 of the first conductor pattern 41 and parts 42-y-2, 42-y-3, and 42-y-1 of the second conductor pattern 42 form a linear inner loop of a predetermined width that is rotated approximately 45 degrees in the shape of a square.
第４実施例のメタツインＭ４の各部の寸法が図２４（ｂ）に示されている。第１導体パターン４１の横幅は長さＬｓ４とされ、パート４１－ｘ－１およびパート４１－ｘ－３の先端からパート４１－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、パート４１－ｙ－２およびパート４１－ｙ－３の先端からパート４１－ｙ－１の中央までは長さＬｉｎとされ、第１導体パターン４１における各パートは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。第２導体パターン４２の各部の寸法は、第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とが同形状であることから、同じ寸法とされている。すなわち、パート４２－ｘ－１およびパート４２－ｘ－３の先端からパート４２－ｙ－１の中央までは長さＬｏｕｔとされ、パート４２－ｙ－２およびパート４２－ｙ－３の先端からパート４２－ｙ－１の中央までは長さＬｉｎとされ、第２導体パターン４２における各パートは幅Ｗの線状の導体パターンとされている。
また、第４実施例の単位素子４を構成する誘電体基板４０の厚さは図２４（ｃ）に示すように厚さＷｂ４で比誘電率εｓとされ、第１導体パターン４１と第２導体パターン４２とは厚さＷｂ４で離隔されていると共に、誘電体基板４０の中心点Ｏに対して点対称に配置されている。
24(b) shows the dimensions of each part of the metatwin M4 of the fourth embodiment. The width of the first conductor pattern 41 is length Ls4, the length from the tips of parts 41-x-1 and 41-x-3 to the center of part 41-y-1 is length Lout, and the length from the tips of parts 41-y-2 and 41-y-3 to the center of part 41-y-1 is length Lin, and each part of the first conductor pattern 41 is a linear conductor pattern with a width W. The dimensions of each part of the second conductor pattern 42 are the same because the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 have the same shape. That is, the length from the tips of parts 42-x-1 and 42-x-3 to the center of part 42-y-1 is Lout, and the length from the tips of parts 42-y-2 and 42-y-3 to the center of part 42-y-1 is Lin, and each part in the second conductor pattern 42 is a linear conductor pattern of width W.
Furthermore, the thickness of the dielectric substrate 40 constituting the unit element 4 of the fourth embodiment is Wb4 and has a relative dielectric constant εs, as shown in FIG. 24( c), and the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 are spaced apart by the thickness Wb4 and are arranged point-symmetrically with respect to the center point O of the dielectric substrate 40.
ここで、第４実施例の単位素子４における各部の寸法の一例を使用周波数を１１．５ＧＨｚの自由空間波長をλ（≒２６．０８７ｍｍ）とした電気長で表すと、第１導体パターン４１および第２導体パターン４２において、長さＬｓ４の電気長は約０．３０７λ、長さＬｏｕｔの電気長は約０．３６０λとされ、幅Ｗの電気長は約０．０１５λとされる。なお、長さＬｉｎは設定された長さとされる。また、誘電体基板４０の厚さＷｂ４の電気長は約０．１２３λとされる。なお、誘電体基板４０は、例えばテフロン（登録商標）製とされ、比誘電率εｓは約２．６とされ、比誘電率εｓが２．６の場合は、約０．６２の波長短縮率となる。 Here, an example of the dimensions of each part of the unit element 4 of the fourth embodiment is expressed in terms of electrical length, with the free space wavelength at an operating frequency of 11.5 GHz being λ (≈26.087 mm). In the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42, the electrical length of length Ls4 is approximately 0.307λ, the electrical length of length Lout is approximately 0.360λ, and the electrical length of width W is approximately 0.015λ. Note that length Lin is a set length. Furthermore, the electrical length of thickness Wb4 of the dielectric substrate 40 is approximately 0.123λ. Note that the dielectric substrate 40 is made of, for example, Teflon (registered trademark), and has a relative dielectric constant εs of approximately 2.6. When the relative dielectric constant εs is 2.6, the wavelength shortening factor is approximately 0.62.
第１導体パターン４１および第２導体パターン４２は、誘電体基板４０の面上に金属インクを塗布したり、金属を蒸着して所定の厚さになるよう成膜し、所望の形状になるようエッチング加工することにより形成されている。ただし、第１導体パターン４１および第２導体パターン４２の形成方法は、上記形成方法に限定されるものではなく、他の形成方法を採用してもよい。第１導体パターン４１および第２導体パターン４２を形成する金属材料としては、金、銀、銅、アルミニウム等の良好な導電率を示す金属が用いられる。また、誘電体基板４０は、マイクロ波帯での吸収がない素材を用いるのが好適であり、その素材としては、例えばテフロン（登録商標）が用いられる。ただし、テフロン（登録商標）に限るものではなく、マイクロ波帯での吸収がない他の素材を用いてもよい。 The first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 are formed by applying metal ink to the surface of the dielectric substrate 40 or by depositing metal to a predetermined thickness and then etching it into the desired shape. However, the method for forming the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42 is not limited to the above method, and other methods may be used. Metals with good conductivity, such as gold, silver, copper, and aluminum, are used as the metallic material for forming the first conductor pattern 41 and the second conductor pattern 42. Furthermore, it is preferable to use a material that does not absorb microwaves in the microwave band for the dielectric substrate 40, such as Teflon (registered trademark). However, this is not limited to Teflon (registered trademark), and other materials that do not absorb microwaves in the microwave band may also be used.
上記説明した第４実施例のメタツインＭ４においては、例えば長さＬｏｕｔの長さを固定にして長さＬｉｎを所定の長さに設定できるようにしている。長さＬｉｎを所定の長さに設定した第４実施例のメタツインＭ４においては、長さＬｉｎの設定された長さが長い場合の透過位相が、長さＬｉｎの設定された長さが短い場合の透過位相より遅れることが分かった。
ここで、本発明の第４実施例のメタツインＭ４において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過波の振幅特性を図２６に示す。図２６においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０ｍｍから９ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の絶対値［ｄＢ］で表された透過波の振幅が示されている。図２６を参照すると、長さＬｉｎが約０．０ｍｍに設定された時の透過波の振幅は約－１．１ｄＢとなり、長さＬｉｎが約１．３ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約１．３ｍｍに設定された時の振幅は約－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが約１．３ｍｍを超えて設定されると、透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約１．６ｍｍに設定された時の振幅は約－０．７ｄＢとなり、長さＬｉｎが約１．６ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は上昇していき長さＬｉｎが約１．９ｍｍに設定された時の振幅は約－０．１ｄＢとなる。長さＬｉｎが約１．９ｍｍを超えて設定されていくと透過波の振幅は下降していき、長さＬｉｎが約３．０ｍｍないし約４．４ｍｍまでに設定された時の振幅は約－１．３ｄＢとなる。さらに、長さＬｉｎが約７．９ｍｍまで長く設定されるに従い透過波の振幅は上昇していき、長さＬｉｎが約７．９ｍｍに設定された時の振幅はほぼ０．０ｄＢとなり、長さＬｉｎが約７．９ｍｍを超えるに従い透過波の振幅は下降していき長さＬｉｎが約８．５ｍｍに設定された時の振幅は約－１．０ｄＢとなる。このように、第４実施例のメタツインＭ４では、長さＬｉｎが約０．０ｍｍから約８．５ｍｍまでの長さに設定されても入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。
In the metatwin M4 of the fourth embodiment described above, for example, the length Lout is fixed and the length Lin can be set to a predetermined length. In the metatwin M4 of the fourth embodiment in which the length Lin is set to a predetermined length, it was found that the transmission phase when the set length Lin is long lags behind the transmission phase when the set length Lin is short.
Here, Figure 26 shows the amplitude characteristics of the transmitted wave versus the set length Lin for the MetaTwin M4 of the fourth embodiment of the present invention, when the dimensions of each part are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 26, the horizontal axis shows the length Lin from 0 mm to 9 mm as set for the length Lin, and the vertical axis shows the amplitude of the transmitted wave expressed as the absolute value [dB] of the S-parameter S21. Referring to Figure 26, when the length Lin is set to approximately 0.0 mm, the amplitude of the transmitted wave is approximately -1.1 dB. As the length Lin is increased to approximately 1.3 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 1.3 mm, the amplitude is approximately -0.1 dB. When the length Lin is set to exceed approximately 1.3 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 1.6 mm, the amplitude is approximately -0.7 dB. As the length Lin exceeds approximately 1.6 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 1.9 mm, the amplitude is approximately -0.1 dB. As the length Lin is set to exceed approximately 1.9 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 3.0 mm to approximately 4.4 mm, the amplitude is approximately -1.3 dB. Furthermore, as the length Lin is set to be longer, up to approximately 7.9 mm, the amplitude of the transmitted wave increases, and when the length Lin is set to approximately 7.9 mm, the amplitude is approximately 0.0 dB. As the length Lin exceeds approximately 7.9 mm, the amplitude of the transmitted wave decreases, and when the length Lin is set to approximately 8.5 mm, the amplitude is approximately -1.0 dB. In this way, in the MetaTwin M4 of the fourth embodiment, even if the length Lin is set to a length from about 0.0 mm to about 8.5 mm, it is possible to transmit almost all of the incident power.
次に、本発明の第４実施例のメタツインＭ４において、各部の寸法を上記一例で上げた寸法として使用周波数ｆを１１．５ＧＨｚとした際の設定された長さＬｉｎに対する透過位相特性を図２７に示す。図２７においては、長さＬｉｎに設定される長さとして０ｍｍから９ｍｍが横軸に示され、縦軸にはＳパラメータのＳ２１の位相［ｄｅｇ（＝度）］で表された透過位相が示されている。図２７を参照すると、長さＬｉｎが約０．０ｍｍに設定された時の透過位相は約１７５度となり、長さＬｉｎに設定された長さが約１．０ｍｍまで長くなるに従い透過位相は遅れていき、長さＬｉｎが約１．０ｍｍに設定された時の透過位相は約１５０度となる。長さＬｉｎに設定された長さが１．０ｍｍを超えていくに従い、透過位相は急激に遅れるようになって、長さＬｉｎが約２．２ｍｍに設定された時に約－１０５度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが約２．２ｍｍを超えていくと透過位相は徐々にさらに遅れて行くようになり、長さＬｉｎが約６．５ｍｍに設定された時に約－１７０度の透過位相となる。長さＬｉｎに設定された長さが６．５ｍｍを超えて約８．５ｍｍまで長くなるに従い透過位相はさらに遅れていき、長さＬｉｎが約８．５ｍｍに設定された時に－２２５度の透過位相となる。このように、第４実施例のメタツインＭ４では、長さＬｉｎに設定された長さが約０．０ｍｍで約１７５度、約８．５ｍｍで約－２２５度の透過位相となるから、長さＬｉｎに設定された長さを約０．０ｍｍから約８．５ｍｍまで長くしていくと３６０度を超える約４００度（＝１７５度－（－２２５度）＝４００度）の透過位相の位相変化量を得ることができる。そして、この場合において上記したように入射された電力をほとんど透過させることができるようになる。 Next, Figure 27 shows the transmission phase characteristics for the set length Lin of the MetaTwin M4, a fourth embodiment of the present invention, when the dimensions of each component are the same as those in the example above and the operating frequency f is 11.5 GHz. In Figure 27, the horizontal axis represents the length Lin, from 0 mm to 9 mm, and the vertical axis represents the transmission phase, expressed in degrees (deg) of the S-parameter S21. Referring to Figure 27, when the length Lin is set to approximately 0.0 mm, the transmission phase is approximately 175 degrees. As the length Lin increases to approximately 1.0 mm, the transmission phase gradually lags, and when the length Lin is set to approximately 1.0 mm, the transmission phase is approximately 150 degrees. As the length Lin exceeds 1.0 mm, the transmission phase rapidly lags, resulting in a transmission phase of approximately -105 degrees when the length Lin is set to approximately 2.2 mm. As the length Lin exceeds approximately 2.2 mm, the transmission phase gradually lags further, resulting in a transmission phase of approximately -170 degrees when the length Lin is set to approximately 6.5 mm. As the length Lin exceeds 6.5 mm and increases to approximately 8.5 mm, the transmission phase lags further, resulting in a transmission phase of -225 degrees when the length Lin is set to approximately 8.5 mm. Thus, in the MetaTwin M4 of the fourth embodiment, the transmission phase is approximately 175 degrees when the length Lin is set to approximately 0.0 mm and approximately -225 degrees when the length Lin is set to approximately 8.5 mm. Therefore, increasing the length Lin from approximately 0.0 mm to approximately 8.5 mm produces a phase change in the transmission phase of approximately 400 degrees (= 175 degrees - (-225 degrees) = 400 degrees), exceeding 360 degrees. In this case, as described above, almost all of the incident power can be transmitted.
＜第４実施例のメタサーフェス板＞
本発明の第４実施例のメタツインＭ４を、第１実施例のメタツインＭ１と同様にメタサーフェス板に適用することができる。第４実施例のメタツインＭ４を適用したメタサーフェス板を第４実施例のメタサーフェス板という。本発明の第４実施例のメタサーフェス板は透過型のメタサーフェス板とされている。本発明の第４実施例のメタツインＭ４を、高さ方向の断面が正方形状とされた誘電体基板１０と同様の誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成すると、図示しない第４実施例のメタサーフェス板を構成することができる。このように構成された第４実施例のメタサーフェス板は、第１実施例のメタサーフェス板１－１における第１実施例のメタツインＭ１を第４実施例のメタツインＭ４に置き換えた構成とされる。すなわち、第４実施例のメタサーフェス板は、誘電体基板と、誘電体基板の上面および下面に周期配列して形成された多数の第４実施例のメタツインＭ４とから構成されている。この場合、第４実施例のメタツインＭ４は、第１実施例のメタサーフェス板１－１と同様に誘電体基板のｘ方向とｙ方向に同数ずつ配列されて誘電体基板に形成されている。なお、第４実施例のメタサーフェス板は、図２４（ａ）（ｂ）（ｃ）に示す第４実施例の単位素子４をｘ方向およびｙ方向に周期的に配列した構成となり、単位素子４は第４実施例のメタサーフェス板を構成する構成単位とされている。
また、第４実施例のメタサーフェス板における誘電体基板は正方形状とされ、一辺の長さの一例を挙げると約１１０ｍｍの物理的な寸法とされる。
<Metasurface plate of the fourth embodiment>
The metatwin M4 of the fourth embodiment of the present invention can be applied to a metasurface plate in the same manner as the metatwin M1 of the first embodiment. A metasurface plate to which the metatwin M4 of the fourth embodiment is applied is referred to as the metasurface plate of the fourth embodiment. The metasurface plate of the fourth embodiment of the present invention is a transmission-type metasurface plate. The metatwin M4 of the fourth embodiment of the present invention can be periodically arranged on the upper and lower surfaces of a dielectric substrate similar to the dielectric substrate 10, which has a square cross section in the height direction, to form the metasurface plate of the fourth embodiment (not shown). The metasurface plate of the fourth embodiment configured in this manner is configured by replacing the metatwin M1 of the first embodiment in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment with the metatwin M4 of the fourth embodiment. That is, the metasurface plate of the fourth embodiment is composed of a dielectric substrate and a large number of metatwins M4 of the fourth embodiment periodically arranged on the upper and lower surfaces of the dielectric substrate. In this case, the metatwins M4 of the fourth embodiment are formed on the dielectric substrate in equal numbers in the x and y directions of the dielectric substrate, as in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment. The metasurface plate of the fourth embodiment is configured by periodically arranging the unit elements 4 of the fourth embodiment shown in Figures 24(a), (b), and (c) in the x and y directions, and the unit elements 4 are used as the constituent units that make up the metasurface plate of the fourth embodiment.
In addition, the dielectric substrate in the metasurface plate of the fourth embodiment is square, with a physical dimension of approximately 110 mm, for example, the length of one side.
第４実施例のメタサーフェス板においては、多数の第４実施例のメタツインＭ４の各メタツインＭ４における長さＬｉｎの長さが所定の長さに設定されている。長さＬｉｎの長さが、平面波の入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過位相は徐々に遅れていく透過位相分布とされて、図７および図８に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における平面波の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。また、長さＬｉｎの長さが、局所的な波源からの入射波に対応するよう所定の長さに設定されている場合は、透過波が所定の方向に偏向される透過位相分布とされて、図１０および図１１に示されている第１実施例のメタサーフェス板１－１における局所的な波源の場合の屈折の様子と同様に、透過波を所定の方向に、例えば６５度偏向することができるようになる。この際に第４実施例のメタサーフェス板を１枚だけ用いた場合の放射パターンは、図１２、図１３および図１４に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における放射パターンとほぼ同様となる。このように、第４実施例のメタサーフェス板では、１枚の第４実施例のメタサーフェス板を用いるだけで０度ないし６０度を超える所望の偏向の角度を得ることができるようになり、全体の体積を減少できると共に、製造コストを低廉とすることができる。
また、本発明の第４実施例のメタサーフェス板を用いた時と、メタサーフェス板を用いない時を対比して最大放射方向における利得の周波数特性は、図１５に示す第１実施例の変形例のメタサーフェス板１－２における最大放射方向における利得の周波数特性とほぼ同様となり、本発明の第４実施例のメタサーフェス板を用いると、最大放射方向において大きな利得を得ることができる。
In the metasurface plate of the fourth embodiment, the length L in each of the multiple metatwins M4 of the fourth embodiment is set to a predetermined length. When the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident plane wave, the transmission phase is gradually delayed, resulting in a transmission phase distribution in which the transmitted wave can be deflected in a predetermined direction, for example, by 65 degrees, similar to the refraction of a plane wave in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 7 and 8. Furthermore, when the length L is set to a predetermined length corresponding to an incident wave from a local wave source, the transmission phase distribution is such that the transmitted wave is deflected in a predetermined direction, for example, by 65 degrees, similar to the refraction in the case of a local wave source in the metasurface plate 1-1 of the first embodiment shown in Figures 10 and 11. In this case, the radiation pattern when only one metasurface plate of the fourth embodiment is used is approximately the same as the radiation pattern of the metasurface plate 1-2 of the modified first embodiment shown in Figures 12, 13, and 14. In this way, with the metasurface plate of the fourth embodiment, it is possible to obtain the desired deflection angle of 0 degrees or more than 60 degrees by simply using one metasurface plate of the fourth embodiment, thereby reducing the overall volume and lowering manufacturing costs.
Furthermore, when comparing the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction when the metasurface plate of the fourth embodiment of the present invention is used with when no metasurface plate is used, the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction are almost the same as the frequency characteristics of the gain in the maximum radiation direction for the metasurface plate 1-2 of the modified example of the first embodiment shown in Figure 15, and when the metasurface plate of the fourth embodiment of the present invention is used, a large gain can be obtained in the maximum radiation direction.
以上説明した本発明の実施例のメタツインにおいては、寸法の一例を挙げたが実施例のメタツインにおける各部の寸法は上記した一例に限るものではなく、一例に挙げた寸法の１／２倍ないし２倍の寸法とされても、前述した作用効果と同様の作用効果を得ることができる。また、本発明の実施例のメタツインにおいては、長さＬｏｕｔを固定の長さにして長さＬｉｎを設定した長さとしたが、これに限ることはなく、長さＬｏｕｔを設定した長さとしてもよい。この場合、本発明の実施例のメタツインにおいて、長さＬｏｕｔを設定した長さとすると、実施例のメタツインの透過位相を長さＬｏｕｔの長さに応じた透過位相となる。そこで、本発明の実施例のメタツインにおいて、長さＬｏｕｔを設定した長さとして、長さＬｉｎを固定の長さとする変形例、長さＬｏｕｔおよび長さＬｉｎを設定した長さとする変形例としてもよい。この変形例においても、前述した本発明の実施例のメタツインが奏することのできる作用効果と同様の透過位相の大きな位相変化量を得ることができる。なお、長さＬｉｎまたは長さＬｏｕｔの設定された長さによっては、第１導体パターンと第２導体パターンとの少なくとも１つの先端同士が重なるメタツインとされたり、先端同士が重ならないメタツインとされる。
また、以上説明した本発明の実施例のメタツインにおいては、ループの形状を正方形状としたが、これに限ることはなく長方形、多角形、円形、楕円形等の形状としてもよい。
In the metatwin of the embodiment of the present invention described above, one example of dimensions has been given. However, the dimensions of each part of the metatwin of the embodiment are not limited to the above example. Even if the dimensions are set to half or twice the dimensions given in the example, the same effects as those described above can be obtained. Furthermore, in the metatwin of the embodiment of the present invention, the length Lout is fixed and the length Lin is a set length. However, this is not limited to this, and the length Lout may be a set length. In this case, if the length Lout is a set length in the metatwin of the embodiment of the present invention, the transmission phase of the metatwin of the embodiment will be a transmission phase corresponding to the length Lout. Therefore, the metatwin of the embodiment of the present invention may be modified such that the length Lout is a set length and the length Lin is a fixed length, or such that the lengths Lout and Lin are set lengths. Even in this modification, a large phase change in the transmission phase can be obtained, similar to the effects that can be achieved by the metatwin of the embodiment of the present invention described above. Depending on the length Lin or length Lout set, the first conductor pattern and the second conductor pattern may be metatwins in which at least one tip of each pattern overlaps, or in which the tips do not overlap.
Furthermore, in the metatwin of the embodiment of the present invention described above, the shape of the loop is square, but this is not limited to this and the shape may be rectangular, polygonal, circular, elliptical, or the like.
以上説明した本発明の実施例のメタサーフェス板における縦寸法および横寸法は、一例を挙げたが上記した一例の寸法に限るものではなく、放射波のパターンとして所望のパターンが得られれば、どのような寸法であってもよい。また、本発明の実施例のメタサーフェス板においては、誘電体基板の形状を正方形状としたが、これに限ることはなく長方形、多角形、円形、楕円形等の形状としてもよい。
また、以上説明した本発明の実施例のメタサーフェス板において、メタサーフェス板に形成された本発明の実施例の各メタツインにおける透過位相を調整する電子素子、例えばバリキャップなどをメタサーフェス板の面上に装着するようにしてもよい。このように、各メタツインの透過位相を調整する電子素子を本発明の実施例のメタサーフェス板に装着すると、透過波の偏向角やパターンを調節することができるようになる。
さらに、以上説明した本発明の実施例のメタサーフェス板をパッチアンテナのような局所的な波源が設けられたグランド板上に載置する場合において、グランド板と実施例のメタサーフェス板との間隔ｄを、使用周波数ｆの自由空間波長をλとすると約０．２５λの整数倍の間隔とすることができる。ただし、間隔ｄはこれらの間隔に限られることはなく、他の間隔としてもよい。
さらにまた、以上説明した本発明の実施例のメタサーフェス板では、透過波を所定の１方向に偏向して放射するようにしたが、透過波を２方向あるいは４方向に偏向して放射することもできる。透過波を２方向、例えばｘ方向と－ｘ方向とに偏向して放射する場合は、図３３に示す場合と同様にｙ方向の中心線からｘ方向、および、ｙ方向の中心線から－ｘ方向に向かって各メタツインの透過位相が次第に遅れる透過位相分布とすることにより、図３４に示す場合と同様の透過波がｘ方向と－ｘ方向との２方向に放射される放射パターンを得ることができる。また、透過波を４方向、例えば±ｘ方向と±ｙ方向とに偏向して放射する場合は、図３５に示す場合と同様に中心から±ｘ方向、および、中心から±ｙ方向にそれぞれ向かって各メタツインの透過位相が次第に遅れる透過位相分布とすることにより、透過波が±ｘ方向と±ｙ方向との４方向に放射される放射パターンを得ることができる。
さらにまた、本発明の実施例のメタサーフェス板においては、入射波は実施例のメタサーフェス板の下面から入射されても上面から入射されても、同様に偏向された透過波が放射されるようになる。すなわち、本発明の実施例のメタサーフェス板は可逆性があることから、送信する際に所望の方向に放射できると共に、所望の方向からの受信を行うことができるメタサーフェス板として用いることができる。
The vertical and horizontal dimensions of the metasurface plate of the embodiment of the present invention described above are not limited to the above-mentioned example dimensions, and any dimensions may be used as long as the desired pattern of the radiation wave is obtained. Also, in the metasurface plate of the embodiment of the present invention, the shape of the dielectric substrate is square, but this is not limited to this and it may be rectangular, polygonal, circular, elliptical, or other shapes.
In addition, in the metasurface plate of the embodiment of the present invention described above, an electronic element, such as a varicap, that adjusts the transmission phase of each metatwin of the embodiment of the present invention formed on the metasurface plate may be attached to the surface of the metasurface plate. In this way, by attaching an electronic element that adjusts the transmission phase of each metatwin to the metasurface plate of the embodiment of the present invention, it becomes possible to adjust the deflection angle and pattern of the transmitted wave.
Furthermore, when the metasurface plate according to the embodiment of the present invention described above is placed on a ground plate provided with a local wave source such as a patch antenna, the distance d between the ground plate and the metasurface plate according to the embodiment can be an integer multiple of approximately 0.25λ, where λ is the free space wavelength of the operating frequency f. However, the distance d is not limited to these distances and can be other distances.
Furthermore, in the metasurface plates of the embodiments of the present invention described above, the transmitted waves are deflected and radiated in one predetermined direction. However, the transmitted waves can also be deflected and radiated in two or four directions. When the transmitted waves are deflected and radiated in two directions, for example, the x direction and the -x direction, a transmission phase distribution in which the transmission phase of each metatwin gradually delays from the center line of the y direction toward the x direction and from the center line of the y direction toward the -x direction, as in the case shown in Figure 33, can be used to obtain a radiation pattern in which the transmitted waves are radiated in two directions, the x direction and the -x direction, as in the case shown in Figure 34. Furthermore, when the transmitted waves are deflected and radiated in four directions, for example, the ±x direction and the ±y direction, a transmission phase distribution in which the transmission phase of each metatwin gradually delays from the center toward the ±x direction and from the center toward the ±y direction, as in the case shown in Figure 35, can be used to obtain a radiation pattern in which the transmitted waves are radiated in four directions, the ±x direction and the ±y direction.
Furthermore, in the metasurface plate of the embodiment of the present invention, whether the incident wave is incident from the bottom surface or the top surface of the metasurface plate of the embodiment, the same polarized transmitted wave is radiated. In other words, since the metasurface plate of the embodiment of the present invention is reversible, it can be used as a metasurface plate that can radiate in a desired direction when transmitting and can receive from a desired direction.
１，２，３，４ 単位素子、１－１，１－２ メタサーフェス板、１０ 誘電体基板、１１ 第１導体パターン、１２ 第２導体パターン、２０ 誘電体基板、２１ 第１導体パターン、２１ａ，２１ｂ 第１導体パターン、２２ 第２導体パターン、２２ａ，２２ｂ 第２導体パターン、３０ 誘電体基板、３１ 第１導体パターン、３２ 第２導体パターン、４０ 誘電体基板、４１ 第１導体パターン、４２ 第２導体パターン、１１０，１１０ｂ，１１０ｃ メタサーフェス板、１１１，１１１ａ，１１１ｂ，１１１ｃ 単位素子、１１２，１１２ａ，１１２ｂ，１１２ｃ ループ素子、１２０ 誘電体基板、１３０ パッチアンテナ、１３１ アンテナ基板、１４０ グランド板、ＡＮ パッチアンテナ、ＢＰ アンテナ基板、Ｇ グランド板、ＬＰ１ 二重ループ素子、ＬＰｉｎ 内側ループ、ＬＰｏｕｔ 外側ループ、Ｍ１，Ｍ２，Ｍ３，Ｍ４ メタツイン 1, 2, 3, 4 Unit element, 1-1, 1-2 Metasurface plate, 10 Dielectric substrate, 11 First conductor pattern, 12 Second conductor pattern, 20 Dielectric substrate, 21 First conductor pattern, 21a, 21b First conductor pattern, 22 Second conductor pattern, 22a, 22b Second conductor pattern, 30 Dielectric substrate, 31 First conductor pattern, 32 Second conductor pattern, 40 Dielectric substrate, 41 First conductor pattern, 42 Second conductor pattern, 110, 110b, 110c Metasurface plate, 111, 111a, 111b, 111c Unit element, 112, 112a, 112b, 112c Loop element, 120 Dielectric substrate, 130 Patch antenna, 131 Antenna substrate, 140 Ground plate, AN Patch antenna, BP Antenna substrate, G Ground plate, LP1 Double loop element, LPin Inner loop, LPout outer loop, M1, M2, M3, M4 meta twin
Claims (9)
所定幅の線状で構成された矩形の外側ループと、該外側ループと同心に配置された所定幅の線状で構成された矩形の内側ループとで二重ループの基本導体パターンを構成し、該基本導体パターンを半截した線対称の二重のコ字状とされている第１導体パターンと第２導体パターンとから構成されたメタツインとを備え、
前記メタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、半截された前記外側ループで構成された第１のコ字状のパートと、半截された前記内側ループで構成された第２のコ字状のパートとから構成され、
前記誘電体基板の一方の面上に前記第１導体パターンが形成されていると共に、前記誘電体基板の他方の面上に前記第１導体パターンと同形状の前記第２導体パターンが、前記第１導体パターンと点対称に形成されて、二重のコ字状とされている前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとの先端同士が対向しており、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、互いの面の平行を維持しつつ当該面に垂直な方向に所定間隔だけ離隔して前記誘電体基板の一方の面上および他方の面上にそれぞれ形成され、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて、垂直な方向から透視して前記第１のコ字状のパートの先端同士が重なると共に、前記第２のコ字状のパートの長さが設定可能とされ、あるいは、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて垂直な方向から透視して前記第２のコ字状のパートの先端同士が重なると共に、前記第１のコ字状のパートの長さが設定可能とされていることを特徴とする単位素子。 a dielectric substrate;
a double-loop basic conductor pattern is formed by a rectangular outer loop formed by lines of a predetermined width and a rectangular inner loop formed by lines of a predetermined width concentrically arranged with the outer loop, and a metatwin is provided which is formed by a first conductor pattern and a second conductor pattern which are formed by cutting half of the basic conductor pattern and have an axisymmetric double U-shape,
In the metatwin, the first conductor pattern and the second conductor pattern are each composed of a first U-shaped part formed by the outer loop that is half cut off, and a second U-shaped part formed by the inner loop that is half cut off,
the first conductor pattern is formed on one surface of the dielectric substrate, and the second conductor pattern, which has the same shape as the first conductor pattern, is formed point-symmetrically with the first conductor pattern on the other surface of the dielectric substrate, and tips of the first and second conductor patterns, which are double U-shaped, face each other;
the first conductor pattern and the second conductor pattern are formed on one surface and the other surface of the dielectric substrate, respectively, spaced apart by a predetermined distance in a direction perpendicular to the surfaces while maintaining their parallelism;
A unit element characterized in that, in the first conductor pattern and the second conductor pattern, tips of the first U-shaped parts overlap when viewed from a vertical direction, and the length of the second U-shaped part is settable, or, in the first conductor pattern and the second conductor pattern, tips of the second U-shaped parts overlap when viewed from a vertical direction, and the length of the first U-shaped part is settable.
所定幅の線状で構成された横方向の１つのパートおよび縦方向の３つのパートで構成されているＴ字状の形状とされた第１導体パターンと、該第１導体パターンと同形状で点対称に配置されている第２導体パターンとから構成されたメタツインとを備え、
前記メタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、前記縦方向の３つのパートが、前記横方向の１つのパートの両外側と中央とに位置し、
前記誘電体基板の一方の面上に前記第１導体パターンが形成されていると共に、前記誘電体基板の他方の面上に前記第１導体パターンと同形状の前記第２導体パターンが、前記第１導体パターンと点対称に形成されて、Ｔ字状の前記第１導体パターンとＴ字状の前記第２導体パターンとの先端同士が対向しており、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、互いの面の平行を維持しつつ当該面に垂直な方向に所定間隔だけ離隔して前記誘電体基板の一方の面上および他方の面上にそれぞれ形成され、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて、垂直な方向から透視して前記横方向の１つのパートの中央に位置する縦方向のパートの先端同士が重なると共に、前記横方向の１つのパートの両外側に位置する縦方向の２つのパートの長さが設定可能とされていることを特徴とする単位素子。 a dielectric substrate;
a metatwin including a first conductor pattern having a T-shape made up of one horizontal part and three vertical parts each made up of a line of a predetermined width, and a second conductor pattern having the same shape as the first conductor pattern and arranged point-symmetrically;
In the metatwin, the first conductor pattern and the second conductor pattern have three vertical parts located on both sides and in the center of one horizontal part,
the first conductor pattern is formed on one surface of the dielectric substrate, and the second conductor pattern having the same shape as the first conductor pattern is formed on the other surface of the dielectric substrate in point symmetry with the first conductor pattern, with tips of the T-shaped first conductor pattern and the T-shaped second conductor pattern facing each other;
the first conductor pattern and the second conductor pattern are formed on one surface and the other surface of the dielectric substrate, respectively, spaced apart by a predetermined distance in a direction perpendicular to the surfaces while maintaining their parallelism;
A unit element characterized in that, in the first conductor pattern and the second conductor pattern, the tips of the vertical parts located in the center of one of the horizontal parts overlap when viewed from a vertical direction, and the lengths of the two vertical parts located on both sides of one of the horizontal parts can be set.
所定幅の線状で構成された矩形の外側ループと、該外側ループと同心に配置されると共に前記外側ループに対して約４５度回転した形状に所定幅の線状で構成された矩形の内側ループとで二重ループの基本導体パターンを構成し、該基本導体パターンを半截した線対称の二重ループとされている第１導体パターンと第２導体パターンとから構成されたメタツインとを備え、
前記メタツインにおいて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、半截された前記外側ループで構成されたコ字状のパートと、半截された前記内側ループで構成されたＹ字状のパートと、前記コ字状のパートの中央部と前記Ｙ字状のパートの中央部とを接続する接続片とから構成され、
前記誘電体基板の一方の面上に前記第１導体パターンが形成されていると共に、前記誘電体基板の他方の面上に前記第１導体パターンと同形状の前記第２導体パターンが、前記第１導体パターンと点対称に形成されて、前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおける前記コ字状のパートと前記Ｙ字状のパートとの先端同士が対向しており、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとは、互いの面の平行を維持しつつ当該面に垂直な方向に所定間隔だけ離隔して前記誘電体基板の一方の面上および他方の面上にそれぞれ形成され、
前記第１導体パターンと前記第２導体パターンとにおいて、垂直な方向から透視して前記コ字状のパートの先端同士が重なると共に、前記Ｙ字状のパートの長さが設定可能とされていることを特徴とする単位素子。 a dielectric substrate;
a double-loop basic conductor pattern consisting of a rectangular outer loop formed of a line shape of a predetermined width and a rectangular inner loop formed of a line shape of a predetermined width that is arranged concentrically with the outer loop and rotated approximately 45 degrees with respect to the outer loop; and a metatwin consisting of a first conductor pattern and a second conductor pattern that are line-symmetric double loops formed by half-cutting the basic conductor pattern;
In the metatwin, the first conductor pattern and the second conductor pattern are each composed of a U-shaped part formed by half-cutting the outer loop, a Y-shaped part formed by half-cutting the inner loop, and a connecting piece connecting a center of the U-shaped part to a center of the Y-shaped part,
the first conductor pattern is formed on one surface of the dielectric substrate, and the second conductor pattern having the same shape as the first conductor pattern is formed on the other surface of the dielectric substrate in point symmetry with the first conductor pattern, and tips of the U-shaped part and the Y-shaped part of the first conductor pattern and the second conductor pattern face each other,
the first conductor pattern and the second conductor pattern are formed on one surface and the other surface of the dielectric substrate, respectively, spaced apart by a predetermined distance in a direction perpendicular to the surfaces while maintaining their parallelism;
A unit element characterized in that, in the first conductor pattern and the second conductor pattern, the tips of the U-shaped parts overlap when viewed from a vertical direction, and the length of the Y-shaped part is settable.
該第２誘電体基板のｘ方向およびｙ方向に周期配列されて形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載の単位素子が備えるメタツインとを備え、
前記メタツインにおける前記第１導体パターンは、前記第２誘電体基板の上面に周期配列されて形成され、
前記メタツインにおける前記第２導体パターンは、前記第２誘電体基板の下面に周期配列されて前記第１導体パターンに対応するよう形成され、
請求項１ないし５のいずれかに記載の単位素子が備える誘電体基板は、前記第２誘電体基板に置き換えられていることを特徴とするメタサーフェス板。 a second dielectric substrate;
a metatwin formed in the unit element according to any one of claims 1 to 5 and periodically arranged in the x direction and the y direction of the second dielectric substrate;
the first conductor patterns in the metatwin are periodically arranged on the upper surface of the second dielectric substrate,
the second conductor patterns in the metatwin are periodically arranged on the lower surface of the second dielectric substrate and are formed to correspond to the first conductor patterns ;
A metasurface plate characterized in that the dielectric substrate provided in the unit element described in any one of claims 1 to 5 is replaced with the second dielectric substrate .
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