JP6958748B2 - 位相制御装置、アンテナシステム及び位相制御方法 - Google Patents

Description

本開示は、位相制御装置、アンテナシステム及び位相制御方法に関する。

特許文献１には、一般的な位相制御装置の一つが開示されている。その装置は、電磁放射を結合するためのメタ表面を有する構造を備える。その構造は、基板部品と、当該基板部品によって支持される複数の素子と、を有する。基板部品は、電磁放射の波長以下の厚さを有する。各素子は、電磁放射の波長以下の寸法を有する。少なくとも２つの素子は、同一ではない。素子の構成は、特許文献２に開示されている。各素子は、個別に設計され、異なる屈折率を示している。電磁放射用の屈折率分布型レンズの一例は、複数の素子を備える。素子は、屈折率分布型レンズ内の位置において様々に配置されている。屈折率は、等価の誘電体レンズの仕様と、動作周波数帯域と、によって算出される。

国際公開第２０１５／１２８６５７号 米国特許第８，８０３，７３８号明細書

特許文献１及び特許文献２に開示された装置は、その構造内に周波数に敏感な素子を持つ。その結果、装置の周波数特性が当該装置の動作周波数帯域によって変化してしまう。

本開示は、上記のような課題に鑑みてなされたものであって、対象とする動作周波数帯域において電磁波の位相を有利に制御することを目的とする。

一実施の形態によれば、位相制御装置は、３次元ユニットの２次元アレイを備え、且つ、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせるように構成された位相制御装置であって、２個の最近接する前記３次元ユニットは、前記位相制御装置の位相中心から前記ユニットまでの距離の差が基準周波数の波長となるように構成され、前記基準周波数は、動作周波数帯域の中心周波数よりも高く、且つ、前記動作周波数帯域の最高周波数以下である。

また、一実施の形態によれば、アンテナシステムは、電磁波を放射するように構成されたアンテナと、上述の位相制御装置と、を備える。

また、一実施の形態によれば、電磁波の位相をシフトさせる方法は、アンテナによって電磁波を放射するステップと、上述の位相制御装置によって、前記電磁波の位相をシフトさせるステップと、を備える。

上述の一実施形態によれば、対象とする動作周波数帯域において電磁波の位相を効率よく有利に制御することができる。

図１は、実施の形態１にかかるアンテナシステム１を示す。 図２は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０の平面図である。 図３は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０の部分１１を示す。 図４は、実施の形態１にかかる、位相遅延量の異なる２つの最近接する立方体ユニット１０２，１０３の構成を示す。 図５は、実施の形態１にかかる、６個の金属層Ｍを備えた立方体ユニット１０１の一例を示す。 図６は、実施の形態１にかかる、２個の金属層Ｍ１，Ｍ２及び１個の誘電体層を備えた構成を用いた等価透磁率の制御の一例を示す。 図７は、実施の形態１にかかる、単体の金属層Ｍを備えた構成を用いた等価誘電率の制御の一例を示す。 図８は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０１の一例を示す。 図９は、実施の形態１にかかる、図８に示す立方体ユニット１０１の等価回路を示す。 図１０は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０４に設けられた１個の金属層の例を示す。 図１１は、実施の形態１にかかる金属フレームＭＦと金属スクエアＭＳとの組み合わせの等価回路を示す。 図１２は、実施の形態１にかかる、６個の金属層が積層された立方体ユニット１０４の基本構造の一例を示す。 図１３は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０４のシミュレーション結果を示す。 図１４は、実施の形態１にかかる周波数に対する位相シフト誤差損失の概略図である。 図１５も、実施の形態１にかかる周波数に対する位相シフト誤差損失の概略図である。 図１６は、実施の形態１にかかる、スロット放射線源と位相制御装置１０とを組み合わせたアンテナシステム１のシミュレーション結果を示す。 図１７は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第１の例を示す。 図１８は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第２の例を示す。 図１９は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第３の例を示す。 図２０は、実施の形態２にかかる、図１７〜図１９に示される金属層の２次元等価回路を示す。 図２１は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第４の例を示す。 図２２は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第５の例を示す。 図２３は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第６の例を示す。 図２４は、実施の形態２にかかる、図２１〜図２３に示される金属層の２次元等価回路を示す。 図２５は、実施の形態３にかかる立方体ユニット１０１の別の配置を示す。 図２６は、実施の形態３にかかる、六角柱１１１を備えた位相制御装置３０の構成を示す。 図２７は、実施の形態３にかかる、三角柱１１２を備えた位相制御装置４０の構成を示す。 図２８は、実施の形態４にかかる能動位相制御装置５０を通過する入力電磁波を示す概略図である。 図２９は、実施の形態４にかかる３次元ユニットの多層のうちの一層における能動３次元ユニット１５１の基本構造の一例を示す。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、図中、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は適宜省略する。

＜実施の形態１＞
実施の形態１にかかる位相制御装置について説明する。図１は、実施の形態１にかかるアンテナシステム１を示す。図２は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０の平面図である。
アンテナシステム１は、位相制御装置１０とアンテナ１５とを備える。位相制御装置１０は、円盤状の形状を有する。位相制御装置１０の主面は、図１及び図２におけるＸ−Ｙ平面である。図１において、位相制御装置１０の中心軸を線ＣＡで表し、図２において、中心軸ＣＡ上に位置するＸ−Ｙ平面における位相制御装置１０の中心点をＣＰで表す。

位相制御装置１０は、アンテナ１５から放射される電磁波が位相制御装置１０を通過する際の位相を制御するように構成されている。図１及び図２に示すように、位相制御装置１０の一方の表面がアンテナ１５に対向している。この場合、電磁波の透過方向はＺ軸方向である。

アンテナ１５が指向性アンテナでない場合、アンテナ１５は電磁波を等方的に放射する。アンテナ１５としては、ホーンアンテナ、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ等の各種アンテナを用いることができる。そのため、位相制御装置１０の表面に電磁波が到達したとき、位相制御装置１０のこの表面では電磁波の位相が均一ではない。図１では、電磁波の位相が等しい丸みを帯びた平面を線ＰＬで表している。図１に示すように、位相制御装置１０のアンテナ１５に対向する表面では、中心点ＣＰから離れるほど電磁波の位相が遅れる。

従って、本実施形態では、位相制御装置１０は、送信方向に垂直な位相面を有する電磁波を放射するために、電磁波の位相を制御する。換言すれば、その位相平面は、Ｚ軸方向に垂直なＸ−Ｙ平面である。

図３は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０の部分１１を示す。位相制御装置１０の部分１１は、図２において符号１１によって示されている。位相制御装置１０は、複数の３次元ユニットを含む。この場合、３次元ユニットは立方体ユニット１０１である。立方体ユニット１０１は、Ｘ−Ｙ平面にマトリクス状に配置されている。即ち、立方体ユニット１０１は、立方体ユニット１０１の２次元配列を構成するように配置されている。図３において、位相制御装置１０の部分１１は、８×８＝６４個の立方体ユニット１０１のアレイとして示されている。

なお、３次元ユニットの形状は立方体に限定されない。３次元ユニットを隙間なく密に配置することができるのであれば、３次元ユニットの形状として、直方体や六角柱などの他の形状を採用することができる。

図３に示すように、Ｘ−Ｙ平面における各立方体ユニット１０１の中心に位置する基準点がＲＰで示されている。なお、図３では、簡略化のため、一つの立方体ユニット１０１のみの基準点ＲＰが示されている。この場合、上述したように、中心点ＣＰから基準点ＲＰまでの距離Ｌ（図２に示す）が大きくなると、アンテナ１５から立方体ユニット１０１に到達する電磁波の位相が遅くなる。したがって、位相制御装置１０は、当該位相制御装置１０のアンテナ１５と対向しない表面から放射される電磁波の位相を均一にするため、中心点ＣＰから基準点ＲＰまでの距離Ｌが大きくなるほど、立方体ユニット１０１の位相遅延量が小さくなるように構成されている。

それにより、位相制御装置１０は、アンテナ１５から放射された電磁波を凸レンズのように集中させることができる。

立方体ユニット１０１のサイズは、電磁波の波長よりも小さい。そのため、立方体ユニット１０１のアレイは、電磁連続媒体として機能する。立方体ユニット１０１の構成に応じて等価透磁率および等価誘電率を制御することにより、屈折率およびインピーダンスを個別に制御することができる。

図４は、実施の形態１にかかる位相遅延量の異なる２つの最近接する立方体ユニット１０２，１０３の構成を示す。なお、位相制御装置１０の他の立方体ユニットについては、簡略化のため示されていない。ここで、図４に示される位相中心は、設計された位相制御装置１０の特性である。位相制御装置１０の位相中心は、光学レンズの焦点距離と考えることができる。立方体ユニット１０２の位置は、位相制御装置１０のどこにあってもよく、立方体ユニット１０２と立方体ユニット１０３との間の距離ｄは、次式（１）、（２）で表される。

ここで、ｈは、位相制御装置１０の位相中心と位相制御装置面との間の垂直距離を示す。

は電磁波の基準波長を示し、ｆ_ｋは基準周波数、ｃは光速を示す。位相制御装置１０の全ての立方体ユニット１０１は、この原理に従う。

アンテナ１５も、その位相中心を特性として有する。アンテナ１５の場合、位相中心は電磁波放射が球状に外側に広がる点であり、電磁波の位相は球上の任意の点で等しい。位相制御装置１０とアンテナ１５とをアンテナシステム１として組み合わせた場合、それらの位置構成は、両者の位相中心の位置が重なるという規則に従う。

立方体ユニット１０１の基本構成について説明する。各立方体ユニット１０１は、互いに分離された積層金属層と、金属層の間に積層された少なくとも一つの誘電体層と、を有する少なくとも一つの基本構造を備える。
図５は、実施の形態１にかかる、６個の金属層Ｍを備えた立方体ユニット１０１の一例を示す。
図５において、６個の金属層Ｍが、位相制御装置１０の表面（Ｘ−Ｙ平面）に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に積層されている。金属層Ｍは正方形である。隣接する２つの金属層Ｍは、少なくとも１個の誘電体層によって絶縁される。簡略化のために、誘電体層は、図５およびそれ以降の図面には適宜示されていない。つまり、金属層Ｍと誘電体層とは、Ｚ軸方向に交互に積層されている。したがって、図５に示す立方体ユニット１０１は、交互に積層された６個の金属層Ｍ及び５個の誘電体層を備える。ここで、金属層Ｍと誘電体層とは、Ｘ−Ｙ平面において外形及び寸法が同一である。

なお、金属層の形状は正方形に限定されない。長方形や円形などの他の形状を採用することもできる。また、金属層の数および誘電体層の数は、図５の例に限定されない。即ち、金属層の数は任意の数であってもよく、誘電体層の数は金属層の数に応じた数であってもよい。

金属層は、任意の金属によって形成されてもよく、誘電体層は、任意の誘電体材料によって形成されてもよい。金属層及び誘電体層は、例えば、化学気相成長法、メッキ法、スピンコート法等の真空蒸着法のような種々の製造方法により形成することができる。

次に、立方体ユニット１０１の等価透磁率の制御について説明する。
図６は、実施の形態１にかかる、２個の金属層Ｍ１，Ｍ２と１個の誘電体層とを備えた構成を用いた等価透磁率の制御の一例を示す。
２個の金属層Ｍ１，Ｍ２がＺ軸方向に平行に配置され、金属層Ｍ１，Ｍ２の間に誘電体層が介在する。本構成において、金属層Ｍ１，Ｍ２に平行な成分を有する磁場Ｂを印加すると、金属層Ｍ１，Ｍ２には、磁場Ｂとは逆方向に電流Ｊが流れる。電流Ｊは、金属層Ｍのアドミッタンスを調整することによって決定される。金属層Ｍのアドミッタンスは、金属層Ｍの形状によって決定される。したがって、金属層Ｍの形状を適切に設計することにより、電流Ｊにより誘起される磁場Ｂを制御し、等価透磁率を制御することができる。

次に、立方体ユニット１０１の等価誘電率の制御について説明する。
図７は、実施の形態１にかかる単体の金属層Ｍを備えた構成を用いた等価誘電率の制御の一例を示す。
金属層Ｍに平行な成分を有する電界Ｅが印加されると、２つのエッジＥ１，Ｅ２間に電位差が生じる。この電位差により発生する電流Ｊは、金属層Ｍのアドミタンスを調整することにより決定することができる。そのため、金属層Ｍの形状を適切に調整することにより、電流Ｊによって生成される電界Ｅを調整し、等価誘電率を制御することができる。

このように、金属層Ｍを適切に設計することにより、等価透磁率及び等価誘電率を制御することができる。この場合、インピーダンスＺと位相定数

は、それぞれ以下の式（３）、（４）で表される。

ここで、

は等価浸透率を示し、

は等価誘電率を示し、

は電磁波の角周波数を示す。

このように、等価誘電率および等価透磁率を制御することにより、立方体ユニット１０１を通過する電磁波の任意の位相シフトを実現することができる。また、立方体ユニット１０１を外部環境、例えば空気、と同じインピーダンスを持つように設計することで、理論的には電力の反射をなくすことができる。

図８は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０１の一例を示す。立方体ユニット１０１は、ｎ個の金属層Ｍ１〜Ｍｎと、ｎ−１個の誘電体層とが交互に積層されたものであり、ｎは２以上の整数である。
図９は、実施の形態１にかかる、図８に示される立方体ユニット１０１の等価回路を示す。図９において、Ｙ_ｊは、ｊ番目の金属層のアドミタンスであり、

はｋ番目の誘電体層Ｄｋの位相定数であり、ｈは誘電体層の厚さであり、ｊはｎ以下の整数、ｋはｎ−１以下の整数である。金属層及び誘電体層のＡＢＣＤ行列は、図９に示す等価回路を用いて計算することができる。

は、誘電体層の波動インピーダンスであり、

は、空気などの外部環境としての波動インピーダンスである。

これにより、ｎ層の金属層を備えた立方体ユニットのＡＢＣＤ行列が計算され、Ｓパラメータに変換することができる。

それにより、本構成の透過率および透過係数の位相を求めることができる。これらの式に基づいて、金属パターンによって決まる各金属層の所望のアドミッタンスを計算することができる。

次に、金属層のその他の形状について詳細に説明する。
図１０は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０４に設けられた１個の金属層の例を示す。
図１０に示されるように、金属層は、金属フレームＭＦと金属スクエアＭＳとを備える。金属フレームＭＦは、金属層の形状の外周に沿った金属閉ループとして構成されている。金属スクエアＭＳは、金属フレームＭＦによって囲まれた領域に、金属フレームＭＦと絶縁するように配置されている。ここで、立方体ユニット１０４内に配置される金属層のそれぞれの金属フレームＭＦの幅及び金属スクエアＭＳの大きさは、互いに異なっていても良いし、同じであっても良い。この構成において、金属フレームＭＦと金属スクエアＭＳとの組み合わせは、インダクタＬとキャパシタＣとの組み合わせとみなすことができる。

なお、隣接する２個の立方体ユニット１０４に含まれる金属パターンが同一平面上に形成されている場合には、その金属パターンは、境界を越えて連続的に形成されていてもよい。

図１１は、実施の形態１にかかる金属フレームＭＦと金属スクエアＭＳとの組み合わせの等価回路を示す。
Ｘ軸方向に磁界Ｂが発生し、Ｙ軸方向に電界Ｅが発生した場合、リング状の金属部はインダクタに相当し、離間した金属部間の隙間はキャパシタに相当する。従って、金属フレームＭＦと金属スクエアＭＳを設計することにより、インダクタンス及びキャパシタンスを調整することができる。

立方体ユニット１０４の基本構造の一例を説明する。
図１２は、本実施の形態に係る立方体ユニット１０４の基本構造の一例を示す図であり、６個の金属層が、積層され、且つ、それらの金属層の間に積層された５個の誘電体層によって互いに分離されている。この例では、金属層が、図１０に示される金属層と同じ外形を有する。

図１２に示す立方体ユニット１０４による位相シフトについて説明する。
図１３は、実施の形態１にかかる立方体ユニット１０４のシミュレーション結果を示す。
このシミュレーションでは、金属スクエアＭＳの大きさ及び金属フレームＭＦの大きさに応じて位相シフト範囲を調整可能である。図１３に示すように、６個の立方体ユニットが設計され、−１８０°から１８０°までの全位相シフト範囲が高効率で実現されている。換言すると、基本構造は、位相シフト範囲の全てを包含するように構成されている。図１３に示すように、実施の形態１における動作周波数帯域は、ｆ_ｌからｆ_ｈまでに設定されている。

さらに、動作周波数帯域における位相制御装置１０の効率を式（７）を用いてモデル化する。

ここで、Ｌ_Ａｌｌは、電磁波が位相制御装置１０を透過する際の全体的な電力損失を示し、Ｌ_ＣＵは、立方体ユニット１０４の損失を示し、Ｌ_ＤＬは、誘電体材料の損失、Ｌ_ＰＤは、位相シフト誤差損失、即ち、位相制御装置１０上の位置において必要とされる位相シフト値と、立方体ユニット１０４により提供された位相シフト値と、の差に起因する損失を示す。

立方体ユニット１０４の構成は、基準周波数ｆ_ｋで設計されているので、基準周波数ｆ_ｋでのみ位相シフト誤差がないことは容易に理解できる。
図１４は、実施の形態１にかかる周波数に対する位相シフト誤差損失の概略図である。
図１４に示すように、位相シフト誤差損失は、基準周波数ｆ_ｋからの周波数差に比例する。

図１５も、実施の形態１にかかる周波数に対する位相シフト誤差損失の概略図である。
基準周波数ｆ_ｋは、動作周波数帯域の中心周波数ｆ_ｃより高く、動作周波数帯域の最高周波数ｆ_ｈ以下である。即ち、位相制御装置１０の立方体ユニット１０４の構成は、式（１）（２）において、動作周波数帯の中心周波数ｆ_ｃを基準周波数ｆ_ｋとして用いて算出した距離よりも、２個の最近接の立方体ユニット間の距離が短いという規則に従う。同じ位相シフトカバレッジを有する２個の最近接する立方体ユニットは、位相制御装置１０の位相中心から各ユニットまでの距離の差が基準周波数ｆ_ｋの波長となるように構成されている。立方体ユニット１０４の損失は、動作周波数帯域で均一になるように設計され、且つ、誘電体材料は、より高い周波数でより高い損失を有する傾向があるので、位相制御装置１０の立方体ユニット１０４の構成は、位相シフト誤差を利用して、誘電体材料および立方体ユニット１０４によって引き起こされる不均一な損失をバランスさせることができる。従って、位相制御装置１０の説明された構成は、動作周波数帯域で必要な平面利得周波数応答を達成することができる。

図１６は、実施の形態１にかかる、スロット放射線源と位相制御装置１０とを組み合わせたアンテナシステム１のシミュレーション結果を示す。
なお、動作周波数帯域はｆ_ｌ〜ｆ_ｈである。同じ立方体ユニットパターンだが異なる立方体ユニット構成規則を持つ２つの位相制御装置が設計されている。一つは中心周波数ｆ_ｃを基準周波数ｆ_ｋとして用いており、これは以前の研究において一般的な構成構造である。他方は、上述したように、最も高い周波数ｆ_ｈを基準周波数ｆ_ｋとして用いている。上述の構成は、期待される利得周波数応答、即ち、動作周波数帯域の中心近くで最高の利得を達成することが理解され得る。

上述したように、本構成によれば、位相シフト範囲のカバレッジが異なる３次元ユニットを組み合わせることにより、特に、動作周波数帯域の中心周波数ｆ_ｃよりも高く且つ最高周波数ｆ_ｈ以下の基準周波数ｆ_ｋを有する立方体ユニットを配置することにより、換言すれば、位相シフト範囲のカバレッジが同じ２個の最近接する立方体ユニット間の距離が短い立方体ユニットを組み合わせることにより、動作周波数帯域の中心で最高のゲインを得ることができる位相制御装置を実現することができる。

なお、図１を参照して説明した位相制御装置１０は一例に過ぎない。位相制御装置は、中心点ＣＰから基準点ＲＰまでの距離Ｌが大きいほど立方体ユニット１０１の位相遅延量が大きくなるように構成してもよい。この場合、位相制御装置１０は、３次元ユニットである立方体ユニット１０１を適切に設計することにより、電磁波の用途に応じて、凹レンズのように電磁波を拡散させるようにしてもよい。

また、アンテナ１５から出射されて位相制御装置１０に到達する電磁波の伝搬方向は、位相制御装置１０の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に限定されない。アンテナ１５から出射されて位相制御装置１０に到達する電磁波の伝搬方向は、位相制御装置１０の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜させてもよい。
さらに、位相制御装置１０から出射される電磁波の伝搬方向は、位相制御装置１０の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に限定されない。位相制御装置１０から出射される電磁波の伝搬方向は、３次元ユニットとしての立方体ユニット１０１を適切に設計することにより、位相制御装置１０の表面（Ｘ−Ｙ平面）に垂直な方向（Ｚ軸方向）に対して傾斜させてもよい。

＜実施の形態２＞
実施の形態２では、３次元ユニットの基本構造のいくつかの例を説明する。本実施形態の例では、９個の立方体ユニットの金属層が図示されており、立方体ユニット間の境界が破線で示されている。

図１７は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第１の例を示す。
この例では、Ｘ軸方向に沿って延びる一方の金属線とＹ軸方向に沿って延びる他方の金属線とが基準点ＲＰにおいて互いに交差する十字状の金属Ｍ１１が立方体ユニット１０５内に配置されている。また、交差する金属線の端部には、それらの線と直交する方向に延びるように４つの金属チップがそれぞれ配置されている。

図１８は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第２の例を示す。この例では、正方形のリング状の金属Ｍ１２が立方体ユニット１０５の金属層に配置されている。

図１９は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第３の例を示す。この例では、島状の金属Ｍ１３が立方体ユニット１０５の金属層に配置されている。

第１〜第３の例では、例えばＸ軸が電界Ｅの方向である。なお、第１〜第３の例の金属層は、電界Ｅの方向がＸ−Ｙ平面内の任意の方向であっても、同様に動作するように構成することができる。

図２０は、実施の形態２にかかる、図１７〜図１９に示される金属層の２次元等価回路を示す。
図２０に示すように、２次元等価回路は、４組のインダクタＬ１及びキャパシタＣ１で表すことができる。各組において、インダクタＬ１の一端は、キャパシタＣ１の一端に接続されている。４組のインダクタＬ１の他端は、互いに接続されている。

さらに、３次元ユニットの基本構造の他の例について説明する。以下に説明する金属層は、並列共振回路を構成するように構成されている。

図２１は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第４の例を示す。この例では、立方体ユニット１０５において、図１７に示す十字状の金属Ｍ１１が正方形のリング状の金属である金属フレームＭＦによって囲まれている。

図２２は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第５の例を示す。この例では、立方体ユニット１０５において、図１８に示す正方形のリング状の金属Ｍ１２が正方形のリング状の金属である金属フレームＭＦによって囲まれている。

図２３は、実施の形態２にかかる立方体ユニット１０５の基本構造の第６の例を示す。この例では、立方体ユニット１０５において、図１９に示す島状の金属Ｍ１３が正方形のリング状の金属である金属フレームＭＦによって囲まれている。

第４〜第６の例では、金属層の金属フレームＭＦが１つの金属部として接続され一体化されている。例えば、Ｘ軸は、電界Ｅの方向である。なお、図２１〜図２３に示される金属層は、電界Ｅの方向がＸ−Ｙ平面内の任意の方向であっても、同様に動作するように構成することができる。

図２４は、実施の形態２にかかる、図２１〜図２３に示される金属層の２次元等価回路を示す。図２１〜図２３に示される金属層は、並列共振回路として機能する。

等価回路は、図２０に示す等価回路にインダクタＬ２を付加した構成となっている。インダクタＬ２は、金属フレームＭＦによって形成されている。この回路では、２つのキャパシタＣ１の他端間に２つのインダクタＬ２が挿入されている。したがって、この等価回路は、図２０に示す等価回路に８個のインダクタＬ２が付加された回路として表される。

上述のように、第１〜第６の例の金属層は、インダクタＬとキャパシタＣとを用いた等価回路で表すことができる。そのため、実施の形態１の場合と同様に、３次元ユニットの等価誘電率及び等価透磁率を調整することができる。

その結果、本構成によれば、位相シフト範囲のカバレッジが異なる３次元ユニットを組み合わせることにより、高効率で任意の位相シフトを実現できる位相制御装置を実現することができる。

＜実施の形態３＞
実施の形態３では、他の３次元ユニットの構成について説明する。

図２５は、実施の形態３にかかる立方体ユニット１０１の別の配置を示す。
図２５において、位相制御装置２０は、Ｙ軸方向に隙間なく密に配置された複数の行２１を備える。行２１は、Ｘ軸方向に隙間なく密に配置された複数の立方体ユニット１０１を備える。隣り合う２つの行２１は、立方体ユニット１０１の幅の半分だけＸ軸方向にずれている。３次元ユニットである立方体ユニット１０１は、隙間なく密に配置されているので、位相制御装置２０は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０と同様に、電磁波の位相を制御することができる。

なお、複数の立方体ユニット１０１をＹ軸方向に間隔をあけずに密に配置して行を構成し、当該行をＸ軸方向に密に配置してもよい。

他の構成について説明する。
図２６は、実施の形態３にかかる、六角柱１１１を備えた位相制御装置３０の構成を示す。
この構成では、六角柱１１１が、３次元ユニットの基本構造である。六角柱１１１は、複数の金属層と、それらの間に介在する誘電体層と、を備える。図２６に示すように、六角柱１１１は隙間なく密に配置され、いわゆるハニカム構造を構成している。六角柱１１１は隙間なく密に配置されているので、位相制御装置３０は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０と同様に、電磁波の位相を制御することができる。

さらなる構成について説明する。
図２７は、実施の形態３にかかる、三角柱１１２を備えた位相制御装置４０の構成を示す。
この構成では、三角柱１１２が、３次元ユニットの基本構造である。三角柱１１２は、複数の金属層と、それらの間に介在する誘電体層と、を備える。図２７に示すように、複数の三角柱１１２は、隙間なく密に配置されている。三角柱１１２は隙間なく密に配置されているので、位相制御装置４０は、実施の形態１にかかる位相制御装置１０と同様に、電磁波の位相を制御することができる。

上述のように、本実施の形態にかかる３次元ユニットは、隙間なく密に配置することができる。したがって、実施の形態１と同様に、３次元ユニットの等価誘電率および等価透磁率を調整することができる。

その結果、本構成によれば、位相シフト範囲のカバレッジが異なる３次元ユニットを組み合わせることにより、動作周波数帯域において高効率で任意の位相シフトを実現できる位相制御装置を実現することができる。

＜実施の形態４＞
実施の形態４では、能動位相制御装置を備えたアンテナシステムについて説明する。
図２８は、実施の形態４にかかる能動位相制御装置５０を通過する入力電磁波を示す概略図である。
制御回路５５は、能動位相制御装置５０内のバイアス装置（不図示）に制御信号を供給することにより、能動位相制御装置５０の所望の特性をチューニング又は選択することが可能である。

図２８に示す能動位相制御装置５０は、複数の３次元ユニットを備える。この場合、３次元ユニットは能動立方体ユニット１５１である。能動立方体ユニット１５１は、バイアス装置を備えた同じ基本構造を有する。バイアス装置は、別々に電子回路５５に接続される。各バイアス装置の出力バイアス電圧は、電子回路５５により与えられる電子制御信号を用いて個別に制御される。一定範囲の制御信号を送ることにより、能動立方体ユニット１５１の等価透磁率及び誘電率を制御することができる。したがって、能動位相制御装置５０内の各能動立方体ユニット１５１は、適切なバイアス電圧が与えられたときに、高効率で全位相シフト範囲を包含することができる。また、等価透磁率と等価誘電率を制御することにより、屈折率とインピーダンスを独立に制御できる。屈折率、透磁率及び誘電率は、能動立方体ユニット１５１の調整可能な特性である。動作周波数帯域は、最高周波数点、中心周波数点、低周波数点、ピーク利得周波数点、及び、電力半値帯域幅を含む複数の特性を有し、複数の特性のうちの少なくとも１つは、調整可能な特性を用いて変更される。

図２９は、実施の形態４にかかる３次元ユニットの多層のうちの一層における能動３次元ユニット１５１の基本構造の一例を示す。
バラクタダイオード１５５は、２次元アレイのパッチ金属ＭＰと金属フレームＭＦとの間に実装される。パッチＭＰはビアを介してバイアス線に接続され、金属フレームＭＦは接地面として機能するので、各３次元ユニット１５１のバラクタダイオード１５５は、バイアス線に印加される制御信号によって独立に制御することができる。その結果、等価透磁率及び等価誘電率を制御することができ、高効率で任意の位相シフトを電磁波に加えることができる。

なお、能動３次元ユニットの基本構造は、図２９に示すものに限定されず、液晶やＭＥＭＳ等の他の構成要素も能動３次元ユニットの基本構造として考えられる。

本実施形態では、２つの動作モードを有する能動位相制御装置５０について説明する。２つの異なる動作中心周波数が選択される。

電子制御信号を用いて調整可能な第１動作周波数帯域を有する第１動作モードでは、基準周波数ｆ_ｋは、第１動作中心周波数に等しい。これは、全ての能動立方体ユニット１５１が、位相中心から任意の２個の能動立方体ユニット１５１までの距離の差が第１動作中心周波数の波長である場合、当該２個の能動立方体ユニット１５１が同じ位相シフト値を有するように構成されることを意味する。換言すると、制御信号は、位相中心から任意の２個の能動立方体ユニット１５１までの距離の差が第１動作中心周波数の波長である場合、当該２個の能動立方体ユニット１５１が同一の電子制御信号（同じ出力バイアス電圧）を受信するように、第１動作モードとして構成される。その結果、アンテナシステム１は、ピーク利得が第１動作中心周波数になるような利得周波数応答を実現することができる。

第１動作周波数帯域よりも高く、かつ電子制御信号を用いて調整可能な第２動作周波数帯域を有する第２動作モードでは、基準周波数ｆ_ｋは、第２動作中心周波数に等しい。これは、全ての能動立方体ユニット１５１が、位相中心から任意の２個の能動立方体ユニット１５１までの距離の差が第２動作中心周波数の波長である場合、当該２個の能動立方体ユニット１５１が同じ位相シフト値を有するように構成されることを意味する。換言すると、制御信号は、位相中心から任意の２個の能動立方体ユニット１５１までの距離の差が第２動作中心周波数の波長である場合、当該２個の能動立方体ユニット１５１が同一の出力バイアス電圧を受けるように、第２動作モードとして構成される。その結果、アンテナシステム１は、ピーク利得が第２動作中心周波数にあるような利得周波数応答を実現することができる。

上述した２つの制御信号の動作モードを適用することにより、アンテナシステム１の利得周波数応答を動的に制御することができる。なお、アンテナ装置の動作モードの数は２つに限定されない。

＜その他の実施形態＞
なお、本開示は上記実施形態に限定されるものではなく、本開示の要旨を逸脱しない範囲で適宜変更することができる。例えば、位相制御装置に配置される３次元ユニットの形状は、１つの形状に限定されない。３次元ユニットを隙間なく密に配置することができ、所望の位相制御が可能であれば、上述した六角柱や三角柱、立方体、直方体等の各種形状を組み合わせて３次元ユニットのアレイを構成することができる。

以上説明した実施の形態において、位相制御装置は、ディスク形状の装置として構成されている。しかし、位相制御装置の形状はこれに限定されない。例えば、位相制御装置は、ディスク形状の装置以外の基板形状の装置として構成されてもよい。

本開示は、例示的な実施形態を参照して上述したが、本開示は、上記例示的な実施形態に限定されない。本発明の構成および詳細は、本開示の範囲内で当業者が理解できる様々な方法で修正することができる。

１ アンテナシステム
１０、２０、３０、４０ 位相制御装置
１５ アンテナ
５０ 能動位相制御装置
５５ 制御回路
１０１〜１０５ 立方体ユニット
１５１ 能動立方体ユニット
１５５ バラクタダイオード
Ｃ、Ｃ１ キャパシタ
ＣＡ 中心軸
ＣＰ 中心点
Ｄ１〜ＤＮ−１ 誘電体層
Ｌ、Ｌ１、Ｌ２ インダクタ
Ｍ、Ｍ１〜ＭＮ 金属層
Ｍ１１ 十字状の金属
Ｍ１２ リング状の金属
Ｍ１３ 島状の金属
ＭＦ 金属フレーム
ＭＰ パッチ金属
ＭＳ 金属スクエア
ＲＰ 基準点

Claims (10)

1. ３次元ユニットの２次元アレイを備え、且つ、前記３次元ユニットを通過する電磁波の位相をシフトさせるように構成された位相制御装置であって、
   ２個の最近接する前記３次元ユニットは、前記位相制御装置の位相中心から前記２個の最近接する３次元ユニットまでの距離の差が基準周波数の波長となるように構成され、
   前記基準周波数は、動作周波数帯域の中心周波数よりも高く、且つ、前記動作周波数帯域の最高周波数以下である、
   位相制御装置。
2. 各３次元ユニットは、少なくとも一つの基本構造を備え、
   各基本構造は、
   積層された金属層と、
   前記金属層の間に積層され、前記金属層を互いに分離させる少なくとも一つの誘電体層と、
   を備え、
   前記金属層及び前記誘電体層は、隙間無く２次元アレイ状に密に配置されるように、同じ外形及び同じ寸法を有するように構成されている、
   請求項１に記載の位相制御装置。
3. 前記基本構造は、前記位相のシフト範囲の全てを包含するように構成されている、
   請求項２に記載の位相制御装置。
4. 前記３次元ユニットを通過する前記電磁波の前記位相の遅延量は、前記２次元アレイの中心から前記３次元ユニットまでの距離が大きくなるほど、増加又は減少する、
   請求項１〜３の何れか一項に記載の位相制御装置。
5. 前記位相制御装置は、能動位相制御装置であって、
   各前記３次元ユニットは、能動３次元ユニットであって、
   前記能動３次元ユニットは、調整可能な特性を有し、
   前記動作周波数帯域は、最高周波数点、中心周波数点、低周波数点、ピーク利得周波数点、及び、電力半値帯域幅を含む複数の特性を有し、
   前記複数の特性のうち少なくとも１つは、前記能動３次元ユニットの前記調整可能な特性を用いて変更可能である、
   請求項１〜４の何れか一項に記載の位相制御装置。
6. 前記能動３次元ユニットに電子制御信号を供給するように動作可能な電子回路をさらに備え、
   前記能動３次元ユニットは、前記電子制御信号によって独立に制御され、
   前記電子制御信号は、前記２次元アレイの位相中心から２個の能動３次元ユニットまでの距離の差が前記基準周波数の波長である場合、前記２個の能動３次元ユニットが同じ信号を受信するように構成されている、
   請求項５に記載の位相制御装置。
7. 前記調整可能な特性は、屈折率である、
   請求項５又は６に記載の位相制御装置。
8. 前記調整可能な特性は、透磁率及び誘電率である、
   請求項５又は６に記載の位相制御装置。
9. 電磁波を放射するように構成されたアンテナと、
   請求項１〜８の何れか一項に記載の前記位相制御装置と、
   を備えた、アンテナシステム。
10. アンテナによって、電磁波を放射するステップと、
    請求項１〜８の何れか一項に記載の位相制御装置によって、前記電磁波の位相をシフトさせるステップと、
    を備えた、位相制御方法。

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