電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造
【課題】インピーダンス整合の自由度を広げること。インピーダンス整合対象の周波数帯以外の周波数帯に極力影響を与えないようにすること。使用可能な周波数帯が限定されないようにすること。デバイスの前後に搭載エリアを設けてインピーダンス整合のための回路を伝送線路に割込ませなくても、インピーダンス整合をすること。
【解決手段】電気部品（２１００Ｂ）は、電流を通すための伝送線路（２１５１）と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアル（２１１１Ａ，Ｂ）とを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【解決手段】電気部品（２１００Ｂ）は、電流を通すための伝送線路（２１５１）と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアル（２１１１Ａ，Ｂ）とを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造に関し、特に、デバイスのインピーダンスを整合するのに適した電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、伝送線路に接続されるデバイスのインピーダンスを伝送線路のインピーダンスに整合させるためのインピーダンス整合回路が用いられている。図５０は、コイルおよびコンデンサを用いたインピーダンス整合回路を示す図である。図５０を参照して、このようなインピーダンス整合回路によれば、デバイスのインピーダンスが低い場合に、デバイスをこのインピーダンス整合回路の右側に接続した場合、インピーダンス整合回路の左側から見たインピーダンスを高くすることができる。
【０００３】
また、このようなインピーダンス整合回路として、スタブを用いたものがあった（たとえば、特許文献１参照）。さらに、伝送線路のパターンを屈曲させたり広げたりして等価回路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの値を調整するものがあった（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−６２１０２号公報
【特許文献２】特許第２６５０３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のインピーダンス整合回路においては、コイルおよびコンデンサ、または、スタブなどを用いるので、整合対象のデバイスと同一平面の基板上に搭載エリアを必要であるといった問題があった。
【０００６】
また、コイルおよびコンデンサ、または、スタブは、伝送線路に流す電流の周波数によって、インピーダンスが変動するので、ある周波数に対してインピーダンス整合をとると、その他の周波数に対するインピーダンス値が変わってしまうといった問題があった。
【０００７】
また、コイルおよびコンデンサを組合せてＬＰＦまたはＨＰＦと同様の回路でインピーダンス整合回路を構成した場合、高周波または低周波を通さないことになるので、このインピーダンス整合回路を使用可能な周波数帯が限定されると言った問題があった。
【０００８】
また、キャパシタンスおよびインダクタンスの値が限定されているため、インピーダンス整合の自由度が限定されてしまうといった問題があった。
【０００９】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的の１つは、インピーダンス整合の自由度を広げることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１０】
この発明の他の目的は、インピーダンス整合対象の周波数帯以外の周波数帯に極力影響を与えないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１１】
この発明のさらに他の目的は、使用可能な周波数帯が限定されないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１２】
この発明のさらに他の目的は、デバイスの前後に搭載エリアを設けてインピーダンス整合のための回路を伝送線路に割込ませなくても、インピーダンス整合をすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、この発明のある局面によれば、電気部品は、電流を通すための伝送線路と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【００１４】
好ましくは、メタマテリアルのインピーダンスは、電流の所定波長の成分に対して、一方端側にデバイスが結合される伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される。
【００１５】
好ましくは、メタマテリアルは、第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器と、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、支持部材は、第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第２の共振器の共振による磁界が集中するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１６】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端が第２の共振器の外部に位置するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１７】
さらに好ましくは、支持部材は、共振により第１の共振器および第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１８】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端の伝送線路からの距離が異なるように第１の共振器を固定する。
【００１９】
さらに好ましくは、第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、支持部材は、電流により生じる磁界がＬＣ共振器の共振ループを通過するようにＬＣ共振器の位置を固定する。
【００２０】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の第１の端を、第２の共振器と伝送線路を含む面との間に固定する。
【００２１】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の最外電極と、第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極とを含み、支持部材は、半波長線路の第１の端を第１の最外電極と伝送線路を含む面との間に固定する。
【００２２】
さらに好ましくは、支持部材は、電流により生じる、半波長線路の両端における電位が異なるように第１の共振器を固定する。
【００２３】
さらに好ましくは、支持部材は、第２の共振器が電流により生じる磁界と磁気結合するように第２の共振器の位置を固定する。
【００２４】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の電極と、第１の電極に対向する第２の電極とを備え、支持部材は、第１の電極および第２の電極で形成される共振ループが電流により生じる電界方向と略平行になるように、第１の電極および第２の電極を固定する。
【００２５】
好ましくは、メタマテリアルは、第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器を備え、第２の共振器は、複数の板状電極を含み、板状電極は、複数の第１板状電極と、各第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極とからなり、第２の共振器は、さらに、複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部と、複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部とを含み、複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極および第２の最外電極は、それぞれ、第１板状電極および第２板状電極であり、メタマテリアルは、さらに、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、支持部材は、第１の最外電極が半波長線路の第１の端部に近接し、かつ、第２の最外電極が半波長線路の第２の端部に近接するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００２６】
さらに好ましくは、第１の共振器は、さらに、第１の端部に接続された第１の導電板と、第２の端部に接続された第２の導電板とを含み、支持部材は、第２の共振器の外部であって第１の最外電極と対向する位置に第１の導電板を固定し、第２の共振器の外部であって第２の最外電極と対向する位置に第２の導電板を固定する。
【００２７】
好ましくは、メタマテリアルを複数備える。さらに好ましくは、複数のメタマテリアルは、電流の所定波長の成分に対して所定の誘電率を示す第１の共振器を有するメタマテリアルと、所定波長の成分に対して所定の透磁率を示す第２の共振器を有するメタマテリアルとを含む。
【００２８】
この発明の他の局面によれば、電気部品は、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを備え、メタマテリアルは、基板上の伝送線路と非接触の状態で基板に取付けられたときに伝送線路を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【００２９】
好ましくは、基板に取付けられたときに、メタマテリアルを挟んで伝送線路と反対側に配置されるグランド面をさらに備え、グランド面は、基板に取付けられたときに基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する。
【００３０】
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路基板は、電流を通すための伝送線路と、伝送線路の一方端側と結合されるデバイスと、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置され、メタマテリアルのインピーダンスは、電流の所定波長の成分に対して、伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される。
【００３１】
この発明のさらに他の局面によれば、インピーダンス整合方法は、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを用いて電流を通すための伝送線路の一方端に結合されるデバイスのインピーダンスを整合させる方法であって、メタマテリアルを、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向を定めて配置するステップと、メタマテリアルのインピーダンスを、電流の所定波長の成分に対して、伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定するステップとを含む。
【００３２】
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路の部分構造は、電流を通すための伝送線路と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【発明の効果】
【００３３】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率（負の誘電率も含む）および所定の透磁率（負の透磁率も含む）を示すので、メタマテリアルによって構成される等価回路であるインピーダンス整合回路のキャパシタンスおよびインダクタンスの値とすることが可能な範囲を広げることができる。このため、インピーダンス整合の自由度を広げることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３４】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の第１の共振波長および第２の共振波長の成分以外の成分による電磁界に対しては、ほとんど影響を与えない。このため、インピーダンス整合対象の周波数帯以外の周波数帯に極力影響を与えないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３５】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の第１の共振波長および第２の共振波長の成分以外の成分による電磁界に対しては、ほとんど影響を与えないので、従来のコイルおよびコンデンサを組合せたインピーダンス整合回路のように、ＬＰＦまたはＨＰＦが構成されて、高周波または低周波を通さないといったことがないようにすることができる。このため、使用可能な周波数帯が限定されないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３６】
メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、インピーダンス整合回路の等価回路を構成する。このため、デバイスの前後に搭載エリアを設けてインピーダンス整合のための回路を伝送線路に割込ませなくても、インピーダンス整合をすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【図４】コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。
【図５】コイル型共振器１００を用いた負の誘電率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図６】図５に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図７】図５に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図８】コイル型共振器１００を用いた負の透磁率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図９】図８に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図１０】図８に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図１１】最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。
【図１２】図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１３】図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態に係るメタマテリアルを示す図である。
【図１５】図１４に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１６】図１４に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えた構成を示す図である。
【図１８】第２の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。
【図１９】第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成を示す図である。
【図２０】ユニット６００の斜視図である。
【図２１】ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【図２２】ユニット７００の斜視図である。
【図２３】ユニット７００の側面図である。
【図２４】ユニット８００の斜視図である。
【図２５】ユニット８００の側面図である。
【図２６】ユニット８００の上面図である。
【図２７】ユニット９００の斜視図である。
【図２８】ユニット９００の正面図である。
【図２９】ユニット９００の側面図である。
【図３０】第５の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【図３１】第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【図３２】スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３３】図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。
【図３４】図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。
【図３５】図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３６】図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。
【図３７】図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。
【図３８】インピーダンス整合回路の接続例を示す図である。
【図３９】第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路を示す図である。
【図４０】第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の回路図および等価回路の回路図を示す図である。
【図４１】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４２】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の三面図である。
【図４３】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路のスミスチャートである。
【図４４】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の入力特性を示すグラフである。
【図４５】第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４６】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の取付け方を説明するための図である。
【図４７】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４８】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の三面図である。
【図４９】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の作成方法を説明するための図である。
【図５０】コイルおよびコンデンサを用いたインピーダンス整合回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
［左手系メタマテリアルを実現する上での課題］
近年、メタマテリアル（metamaterial）と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的あるいは光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。なお、μ＜０かつε＞０の領域、またはμ＞０かつε＜０の領域は「エバネッセント解領域」とも称され、μ＜０かつε＜０の領域は「左手系領域」とも称される。
【００３９】
μ＜０かつε＜０である左手系メタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率を同時に実現するため、負の誘電率を持つ素子と、負の透磁率を持つ素子とを周期配置して作られる。
【００４０】
左手系メタマテリアルには、大きく分けて、回路系と共振系とがある。共振系において、負のμを実現する手段としては、例えば、スプリットリング共振器（ＳＲＲ：Split Ring Resonator）がある（例えば、「左手系メタマテリアル」（日経エレクトロニクス１月２日号、日経ＢＰ社、２００６年１月２日、ｐ．７５−８１）参照）。
【００４１】
一方、負のεを実現する手段としては、電磁波の波長に対して十分長い金属細線がある。この金属細線によれば、プラズマ周波数が下がり、負のεが実現される。"Low Frequency Plasmons in thin-wire structures"（J B Pendry他, J. Phys.: Condens. Matter Vol.10 (1998) 4785-4809）には、金属細線のアレイにより負のεを実現できることが記載されている。また、特表２００８−５０７７３３号公報には、周期格子のワイヤが負の誘電率となるとの記述がある。
【００４２】
また、電磁波の波長λの半分の長さの金属細線が、電磁波との共振によって負の誘電率を発生することも知られている。
【００４３】
負のεの実現のために電磁波の波長に対して十分長い金属細線を用いる方法では、メタマテリアルを小型化できない。そこで、電磁波の波長λの半分の長さの金属線を用いることが考えられる。
【００４４】
しかしながら、λ／２長の金属線を負のμを実現するための共振器と組み合わせて左手系メタマテリアルを実現しようとした場合、λ／２長の金属線は、一種の共振器であるので、負のμを実現するための共振器との間で干渉を起こすおそれがある。そして、その結果、金属線と共振器との組み合わせは、負のεおよび負のμを同時に発現しないおそれがある。
【００４５】
上述した課題を解決するための、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現することが可能なメタマテリアルの実施の形態を以下に記載する。
【００４６】
［共振器について］
本発明に係る左手系メタマテリアルは、共振器を組み合わせた共振系のものである。そこで、まず、本発明の左手系メタマテリアルを構成する共振器について説明する。
【００４７】
（多層コンデンサ型共振器）
本実施の形態において用いられる共振器の１つに、複数の電極を含む多層コンデンサ型共振器がある。この共振器には、当該電極間に生じる静電容量（キャパシタンス）を主体とした共振回路が形成される。この共振回路は、共振器の周辺に配置された信号線路に交流電流が流れることで発生する電磁波の特定の周波数成分に感受性をもち、この周波数成分の電磁波を受けて電気的な共振現象を生じ得る。この共振現象によって、負の透磁率が発現する。
【００４８】
ここで、メタマテリアルとしての機能である透磁率の共振を生じさせるためには、各共振器の電流の伝搬方向における長さが、対象とすべき周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、各共振器の電流の伝搬方向における長さは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００４９】
共振器としては、複数の平板電極を絶縁物（誘電体）を積層して形成された積層コンデンサなどを用いることができる。以下では、積層コンデンサを用いて共振器を実現する構成について例示する。この構成によれば、市販されている積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサを用いて、容易に共振器を構成できる。ただし、本発明に係る共振器を構成するための専用に設計された電極部材を用いてもよい。
【００５０】
図１は、コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。図１を参照して、コンデンサ型共振器３００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。なお、外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。このコンデンサ型共振器３００は、所定の周波数成分を含む電流が流れる信号線路２００に近接して配置されることで、当該電流が発生する電磁波の特定の周波数成分（共振周波数）を受けて共振を生じる。また、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００に接する面とは反対側の面には、グランド２２０が配置される。
【００５１】
コンデンサ型共振器３００内での共振によって、コンデンサ型共振器３００に磁束が発生し、負の透磁率が発現する。
【００５２】
なお、コンデンサ型共振器３００が負の透磁率を発現する、すなわちメタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発揮するためには、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００における電流の伝搬方向における長さｌ’が、共振周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、コンデンサ型共振器３００の長さｌは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００５３】
以下では、コンデンサ型共振器３００の一例として、長さｌ’＝１．６ｍｍ、幅Ｗ＝０．８ｍｍ、高さＨ＝１．２ｍｍの８層の内部電極を有する積層コンデンサを用いる場合について例示する。なお、信号線路２００と積層コンデンサとの距離ｈ＝０．２ｍｍ、積層コンデンサとグランドの距離ｈ’＝０．２ｍｍとする。
【００５４】
ここで、λ／４＝長さｌ’＝１．６ｍｍとすると、λ＝６．４ｍｍとなり、これは、空気中では周波数ｆｍａｘ＝４６．８７５ＧＨｚに相当する。従って、このコンデンサ型共振器３００をλ／４以下のピッチで並べると、ギガヘルツ帯においてメタマテリアルとして用いることができる。当然のことながら、適用すべき周波数領域に応じて、共振器の長さｌを適宜設計することができる。
【００５５】
次に、図１および図２を参照して、コンデンサ型共振器３００の構造について説明する。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００５６】
図１を参照して、信号線路２００に電流が流れることによって、信号線路２００を中心とした円周方向に交流の磁界が発生する。すなわち、磁界の磁力線は、信号線路２００を中心とする同心円となる。また、信号線路２００には電流が流れる際に電位が発生するので、信号線路２００とグランド２２０との間には交流の電界が発生する。
【００５７】
図２を参照して、コンデンサ型共振器３００は、各々が比誘電率の高い絶縁物であるスペーサ６を介して互いに対向する第１内部電極４および第２内部電極５をそれぞれ複数含む。複数の第１内部電極４は、第１外部電極２と電気的に接続されており、複数の第２内部電極５は、第２外部電極３と電気的に接続されている。このように、コンデンサ型共振器３００では、平板状の複数の内部電極４，５が積層されており、隣接する第１内部電極４と第２内部電極５との間には、その電極の面積、電極間の距離、スペーサ６の比誘電率などによってその値が定まる静電容量（キャパシタンス）が生じる。
【００５８】
コンデンサ型共振器３００を構成する第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面は、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。それとともに、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面とは異なる面において、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。すなわち、図２に示すように、信号線路２００を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が紙面前後方向に発生している場合において、コンデンサ型共振器３００は、第１内部電極４および第２内部電極５の電極断面長手方向が紙面左右方向と一致し、かつ第１外部電極２および第２外部電極３の電極断面長手方向が紙面上下方向と一致するように配置される。
【００５９】
コンデンサ型共振器３００が図２に示すような位置関係を保って配置されることで、所定の周波数成分に対して図３に示すような共振回路が形成され、この共振回路によって、負の透磁率が発現する。
【００６０】
図３は、共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【００６１】
図３を参照して、その電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３は、その経路長さに応じたコイル（インダクタ）として作用する。
【００６２】
コンデンサ型共振器３００では、第１内部電極のうち最上層の電極４ａと、第１外部電極２と、第１内部電極のうち最下層の電極４ｂとは互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。同様に、第２内部電極のうち最上層の電極５ａと、第２外部電極３と、第２内部電極のうち最下層の電極５ｂとも互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。ここで、電極４ａと電極５ａとの間の静電容量（キャパシタンスＣ１）と、電極４ｂと電極５ｂとの間の静電容量（キャパシタンスＣ２）とを介して、両電流経路は互いに電気的に接続され、キャパシタンスＣ１，Ｃ２と各電極によって生じるインダクタンスＬ１〜Ｌ６とを含む共振回路が形成される。したがって、本実施の形態に従うコンデンサ型共振器３００は、キャパシタンス（Ｃ１＋Ｃ２）と、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）とによって定まる共振周波数をもち、この共振周波数の電磁波が入射することで、透磁率共振が発現する。
【００６３】
なお、コンデンサ型共振器３００では、隣接する内部電極の間の各々で静電容量が発生するが、最上位の静電容量および最下位の静電容量を除いた他の静電容量は、この共振回路の形成への影響は小さい。これは、共振を起こす循環経路の最外層に電流が集中するためである。
【００６４】
図４は、コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。なお、図４に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。ここで、比透磁率とは、真空の透磁率に対する透磁率の比を表す。
【００６５】
図４を参照して、コンデンサ型共振器３００は、その１つの共振周波数として約４．９ＧＨｚをもち、その前後で比透磁率が大きく変動し、負の透磁率が生じることが分かる。
【００６６】
上述の説明では、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置されることで、メタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発現させることができることについて述べた。ここで、「実質的に平行」とは、各電極面が磁界の磁力線と直交する状態を除外する意味であり、各電極面が磁界の磁力線とまったく平行である状態以外にも、磁力線に対して所定角度をもつ状態をも含む。実用上は、コンデンサ型共振器３００で発現する負の透磁率の大きさが適用アプリケーションなどの要求を満足できる値であれば、「実質的に平行」とみなすことができる。
【００６７】
（コイル型共振器）
次に、本実施の形態のメタマテリアルに用いられるもう１つの種類の共振器である、コイル型共振器について説明する。コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するものであったのに対し、コイル型共振器は、中心軸が電界方向に対して平行（磁界に対して直角）になるように配置されたとき、負の誘電率を実現できる。また、中心軸が電界方向に対し直角（磁界方向に対して平行）になるように配置されたコイル型共振器は、負の透磁率を実現できる。
【００６８】
まず、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を図５を参照して説明する。図５は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。
【００６９】
図５を参照して、メタマテリアルは、コイル型共振器１００と外装部１０とを備える。コイル型共振器１００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。コイル型共振器１００は、信号線路２００と、グランド２２０との間に配置されている。グランド２２０は、コイル型共振器１００の信号線路２００に接する面とは反対側の面にある外装部１０の面に配置される。
【００７０】
信号線路２００には、所定の周波数成分を含む電流が流れる。本実施の形態においては、信号線路２００は、ストリップラインであるとする。ただし、信号線路２００は、電流を流す導体の一例であって、導体の形態はこれに限られるものではない。
【００７１】
コイル型共振器１００は、金属線を周回したものである。コイル型共振器１００の全長（金属線の全長）は、信号線路２００を流れる電流の波長の半分程度である。ここでは、信号線路２００を流れる電流の周波数はＧＨｚ帯であり、コイル型共振器１００の長さは、２８ｍｍである。
【００７２】
図５では、コイル型共振器１００として、中心軸１１０を中心に巻かれている、すなわち、ばね形状を有するものを示した。ただし、コイル型共振器１００の形状は、図５に示した、円筒面に沿うように巻かれたものに限られない。例えば、コイル型共振器１００は、四角柱に沿って巻かれたような形状であってもよい。あるいは、コイル型共振器１００は、球面に沿って巻かれたような形状であってもよい。
【００７３】
コイル型共振器１００は、上述のような長さおよび形状を有していればよい。コイル型共振器１００としては、金属線を巻いたコイルなどを利用できる。コイル型共振器１００としては、既成のもの（例えば、既成のコイル）を用いてもよいし、専用に作成したものを用いてもよい。
【００７４】
外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する。外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。ただし、外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する支持部材の一例であり、コイル型共振器１００は、他の部材により固定されていてもよい。
【００７５】
コイル型共振器１００の中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界、より詳しくは、信号線路２００とグランド２２０との間に生じる電界に対して平行である。すなわち、外装部１０は、中心軸１１０が電界に平行になるように、コイル型共振器１００を固定する。言い換えると、コイル型共振器１００は、電界の勾配に沿って、コイルの両端の電位に差があるように、配置される。
【００７６】
図５に示す例では、中心軸１１０を、信号線路２００からグランド２２０に向かう方向にとっている。すなわち、中心軸１１０は、グランド２２０面に直交し、かつ、信号線路２００を貫通する。この配置により、中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界に平行（信号線路２００を流れる電流が作る磁界に垂直）になっている。
【００７７】
信号線路２００に対して、コイル型共振器１００は、信号線路２００を流れる電流が発生する電場の特定の周波数（共振周波数）成分を受けて、共振を生じる。
【００７８】
コイル型共振器１００の電磁的性質を図６および図７に示す。図５に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図６、図７に示す。ここで、比誘電率とは真空の誘電率に対する誘電率の比を表し、比透磁率とは真空の透磁率に対する透磁率の比を表わす。図７に示すように、図５のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の誘電率を示す。一方、比透磁率は、図６に示すように、常に正である。
【００７９】
以上のとおり、波長の１／２の長さのコイル状の金属線によって、負の誘電率が発現することが分かる。このようにコイル状の金属線を用いたメタマテリアルは、直線状の金属線を用いて負の誘電率を実現するメタマテリアルに比べ、小型にできる。
【００８０】
次に、ばね状の金属線を用いて負の透磁率（μ）を持つメタマテリアルを実現する例について説明する。負のμを持つメタマテリアルは、図５に示したコイル型共振器１００と同様の長さおよび形状のコイル型共振器１００を、その中心軸１１０が磁界に平行になるように置くことで実現される。このように配置されたコイル型共振器１００が、負の透磁率を示すことを、図８から図１０を参照して、以下、説明する。
【００８１】
図８は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。図８に示すメタマテリアルは、図６に示すコイル型共振器１００をＹ軸周りに９０度回転して、コイル型共振器１００の中心軸が、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界と平行（信号線路２００を流れる電流が作る電界に垂直）になるように配置したものである。
【００８２】
図８に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図９、図１０に示す。図９に示すように、図８のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の透磁率を示す。一方、図１０に示すように、比誘電率は常に正である。
【００８３】
このように中心軸方向を変えることにより、同じ構造のコイル型共振器１００が、負の誘電率を示す場合も、負の透磁率を示す場合もあることが分かる。なお、中心軸方向が磁界方向および電界方向に対して非直交になるように配置されたコイル型共振器１００は、負の誘電率および透磁率を同時に示す。
【００８４】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係るメタマテリアルとして、コイル型共振器と、コンデンサ型共振器とを並べて配置したものを説明する。
【００８５】
これらの共振器の組み合わせが、左手系メタマテリアルとなる、すなわち、負の透磁率および負の誘電率を同時に発現するためには、各共振器の配置および構造が重要となる。まず、コイル型共振器が負の誘電率を発現し、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するよう、各共振器を配置しなければならない。さらに、共振器同士が不適切な干渉を起こさないように、共振器の構造にも配慮する必要がある。
【００８６】
コイル型共振器が負の誘電率を発現するためには、コイル型共振器を、その軸が電界方向（ｚ方向とする）に平行となるように配置すればよい。一方、コンデンサ型共振器については、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するように、その内部極板が、磁界方向に平行、すなわち、ｚ方向を法線とする平面（ｘ−ｙ平面）に平行となるように配置すればよい。
【００８７】
以上の配置の条件に加えて、コンデンサ型共振器は、最外部の２枚の内部電極が逆相、すなわち、それぞれの内部電極に蓄えられる電荷の符号が逆、という条件を満たすことが好ましい。これは、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とが干渉することを避けるためである。以下、図１１から図１６を参照して、このことについて、さらに詳しく説明する。
【００８８】
図１１は、最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。これらの共振器は、近接して配置されている。ただし、コイル型共振器およびコンデンサ型共振器はお互いに電気的に接触していない。コイル型共振器は、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１１においては、上端に正の電荷（図１１の＋）を、下端に負の電荷（図１１の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００８９】
一方、コンデンサ型共振器の図１１における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって最上面の電極により電気的に直接接続されているので、同符号の電荷を蓄えることになる。図１１では、最上面の電極および最下面の電極が、負の電荷を帯びている場合を示している。
【００９０】
図１１に示した状況では、近接する最下面の電極とコイル型共振器の下端とに蓄えられた負の電荷同士が干渉する。そのため、負の誘電率と負の透磁率とが、同時に発生しない。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とが、一致することがない。
【００９１】
このことを図１２および図１３を用いて具体的に説明する。図１２は、図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。図１３は、図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【００９２】
図１２には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【００９３】
図１３には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、透磁率の共振周波数が変化し、したがって、負の透磁率が生じる周波数が変化する。コンデンサ型共振器の形状を変化させていないのにもかかわらず透磁率の共振周波数が変化するのは、各共振器の端部の電荷の干渉によるものである。
【００９４】
このようにコイル型共振器の形状を変化させると、負の誘電率が生じる帯域と、負の透磁率が生じる帯域との双方が変化する。そのために、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現させることができない。負の誘電率（透磁率）を示す周波数を増加させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も増加してしまう。逆に、負の誘電率（透磁率）を示す周波数を減少させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も減少してしまう。このように、透磁率（誘電率）の共振周波数が、誘電率（透磁率）の共振周波数から離れてしまう現象が生じるので、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現するように共振器を設計することが難しい。
【００９５】
そこで、本実施の形態に係るメタマテリアルにおいては、図１４のように２種類の共振器を配置する。本実施の形態に係るメタマテリアルは、コイル型共振器１００とコンデンサ型共振器３００と外装部１０（図１４には図示せず）とを備える。図１１に示す場合と同様、外装部１０は、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とを、近接する位置に固定する。なお、先の説明と同様、外装部１０のかわりに他の支持部材を用いてもかまわない。
【００９６】
コイル型共振器は、図１１の場合と同様、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１４においても、図１１と同様、上端に正の電荷（図１４の＋）を、下端に負の電荷（図１４の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００９７】
一方、コンデンサ型共振器は、図１１に示すものと異なる。コンデンサ型共振器の図１４における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって電気的に直接接続されておらず、電気容量を介して接続されている。そのため、最上面の電極と最下面の電極とは、逆相になる（逆符号の電荷を蓄える）。図１４では、最上面の電極が負の電荷を、最下面の電極が正の電荷を帯びている場合を示している。
【００９８】
図１４に示した状況では、図１１に示した状況と異なり、近接する最下面（あるいは最上面）の電極とコイル型共振器の下端（あるいは上端）とに蓄えられた電荷の干渉を抑えることができる。したがって、負の誘電率と負の透磁率とを、同時に発生することができる。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とを一致させることができる。
【００９９】
このことを図１５および図１６を参照して説明する。図１５には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【０１００】
図１６には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状を変化させても、透磁率の共振周波数はほぼ変化しない。これは、各共振器の端部の電荷の干渉が抑えられており、コンデンサ型共振器の共振特性が変化しないためである。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発生でき、左手系となる。
【０１０２】
なお、図１４では、１つのコイル型共振器と１つのコンデンサ型共振器とのセットを示したが、メタマテリアルは、このセットを複数備えていてもよい。この場合、例えば、セットを１次元的あるいは２次元的に連続する位置に、支持部材で固定する。
【０１０３】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、負のεをもつ共振器としてコイル型共振器を用いる例を示した。しかしながら、本発明においては、負のεをもつ共振器として、コイル型共振器に限られず、電磁波に共振する略λ／２の長さの線路を含む共振器を用いることができる。
【０１０４】
また、負のεをもつ共振器と負のμを持つ共振器（第１の実施の形態ではコンデンサ型共振器）は、第１の実施の形態で説明したように、必ずしも横に並べる必要はない。
【０１０５】
第２の実施の形態では、負のεをもつ共振器として、λ／２長の線路と線路の両端に接続した２枚の導電板とを含む共振器を用い、負のεを持つ共振器と、負のμをもつコンデンサ型共振器とを共通の空間に組み合わせる構成について説明する。
【０１０６】
第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成の概略を図１７および図１８を用いて説明する。図１８が、第２の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。図１７は、第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えたものである。
【０１０７】
図１７、図１８のいずれにおいても、コンデンサ型共振器の２つの最外電極の外部に、それぞれの最外電極と対向するように、２つの導電板が配置される。また、導電板は、巻かれた線路で接続されている。線路は、その長さが共振波長の略λ／２になるように設計される。
【０１０８】
線路は、巻かれているため、小型のスペースでその長さを確保することができる。ただし、共振波長によっては、あるいは、小型化が必要ない場合には、線路は巻かれていなくてもよい。また、図１７、図１８では、コイル状に巻かれた線路を示したが、小型化は、線路を巻く方法に限られず、線路を屈曲させることにより実現される。例えば、ミアンダ線路などを用いてもよい。
【０１０９】
各導電板は、線路との間の容量を大きくし、共振周波数における負の誘電率の絶対値を大きくする。また、容量による波長短縮効果により、実質的なλ／２の長さを短かくできる。なお、求められる負の誘電率の値によっては、各導電板は設置しなくてもよい。また、設計上の理由等により、線路の一方の端部のみに導電板を接続してもよい。
【０１１０】
図１７と図１８の差異は、図１７では、コンデンサ型共振器の２つの最外電極が直接接続されているのに対し、図１８では、２つの最外電極が直接接続されず、逆相である点にある。図１８に示す本実施の形態に係るメタマテリアルは、第１の実施の形態に係るメタマテリアルと同様、電荷の干渉を抑えられるので、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図１７に示す構造では、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することが困難である。
【０１１１】
図１８で概略を示した本実施の形態に係るメタマテリアルの具体的な構成を図１９に示す。図１９を参照して、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を基板材料内に作りこんだユニット６００を複数備える。このユニットは、多層基板のような技術を使って、１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこんだものである。この構成では、基板材料が支持部材に相当する。
【０１１２】
各ユニット６００は、信号線路２００の直下に、かつ、信号線路２００とグランド２２０との間に配置されている。また、各ユニット６００は、空間的に連続的に配置される。図１９では、４つのユニット６００を、信号線路２００に沿った方向で配置した例を示しているが、ユニット６００の配置はこれに限られるものではない。１次元状に配置された共振器を、同一平面内に並べて、平面状のメタマテリアルを構成することも可能である。さらに、平面状のメタマテリアルを重ねて、立体的なメタマテリアルを構成することも可能である。
【０１１３】
ユニット６００の構造を図２０および図２１を参照して説明する。図２０は、ユニット６００の斜視図である。図２１は、ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【０１１４】
図２０に示すように、ユニット６００は、最上部電極６１０ａと、最下部電極６１０ｂと、第１の内部電極６２２と、第２の内部電極６２４と、第３の内部電極６３２と、第４の内部電極６３４と、線路６４０とを備える。また、図２１に示すように、ユニット６００は、さらに、第１の外部電極６５０と、第２の外部電極６６０とを備える。
【０１１５】
最上部電極６１０ａは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも上に（ｚ座標が大きな位置に）配置される。最下部電極６１０ｂは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも下に（ｚ座標が小さな位置に）配置される。最上部電極６１０ａは、−ｚ方向に伸びた側面部分を有する。最下部電極６１０ｂは、＋ｚ方向に伸びた側面部分を有する。また、最上部電極６１０ａは、信号線路２００の真下に配置される。
【０１１６】
線路６４０は、最上部電極６１０ａの−ｚ方向に伸びた側面部分と、最下部電極６１０ｂの＋ｚ方向に伸びた側面部分とを接続する。線路６４０は、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと、各側面部分とをつなぐことで、負の誘電率を実現するλ／２線路の一部として機能する。
【０１１７】
線路６４０と各側面部分により構成される線路の長さは、共振周波数に応じて設計される。ここでは、λ／２の長さをとるため、線路６４０を、中央層に引いたミアンダ線路としている。ただし、線路６４０の形状はこれに限られるわけではなく、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１１８】
なお、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮するために備えられているものである。共振波長が短縮されるのは、最上部電極６１０ａと信号線路との容量による波長短縮効果による。最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、要求される負の誘電率や共振波長により省略することも可能である。
【０１１９】
第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４は、近接して対向して配置される。また、第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４は、近接して対向して配置される。第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４の対（上部電極対とよぶ）は、最上部電極６１０ａの側に配置される。第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４の対（下部電極対とよぶ）は、最下部電極６１０ｂの側に配置される。各々の内部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１２０】
第１の外部電極６５０は、図２１に示すとおり、第１の内部電極６２２と第３の内部電極６３２とを接続する。第２の外部電極６６０は、図２１に示すとおり、第２の内部電極６２４と第４の内部電極６３４とを接続する。各々の外部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１２１】
上述の線路６４０と最上部電極６１０ａと最下部電極６１０ｂとは、負の誘電率を実現する。第１〜第４の内部電極６２２，６２４，６３２，６３４、ならびに第１の外部電極６５０および第２の外部電極６６０は、上下２枚ずつの電極をもつコンデンサ型共振器を形成し、負の透磁率を実現する。負の誘電率を実現するλ／２線路および負の透磁率を実現するコンデンサ型共振器は、当然ながら、互いに電気的に直接接続されていない。また、λ／２線路およびコンデンサ型共振器は、信号線路２００、グランド２２０に対しても電気的に接続されておらず、浮いた状態となっている。また、各ユニット６００も、お互いに接触していない。
【０１２２】
以上説明したようなユニット６００を空間的に連続に配置することにより、本実施の形態に係るメタマテリアルは、左手系メタマテリアルとして機能する。なお、ユニット６００の配置の仕方は、上述のものに限られない。例えば、平面内に２次元状に配置してもよい。
【０１２３】
本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器をユニット内に作りこむことで作成されるため、工業的な製造が容易である。
【０１２４】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第２の実施の形態におけるコンデンサ型共振器のかわりにスプリットリング型の共振器を用いたメタマテリアルについて説明する。
【０１２５】
第３の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット７００の構造を図２２および図２３に示す。図２２は、ユニット７００の斜視図である。図２３は、ユニット７００の側面図である。
【０１２６】
図２２を参照して、ユニット７００は、最上部電極７１０ａと、最下部電極７１０ｂと、第１の内部電極７２２と、第２の内部電極７２４ａと、第３の内部電極７２４ｂと、第４の内部電極７３０と、線路７４０を備える。図２３を参照して、ユニット７００は、さらに、第１の外部電極７５０および第２の外部電極７６０を備える。
【０１２７】
最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂは、第２の実施の形態に係る最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様の構造をもち、各内部電極よりも外部に配置される。
【０１２８】
線路７４０は、最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂを接続する。線路７４０は、第２の実施の形態の線路６４０と同様、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、本実施の形態では、線路７４０として、水平面内を１周半するヘリカル構造のものを用いている。
【０１２９】
第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂは、同一面内で、離して配置される。第１の外部電極７５０は、第２の内部電極７２４ａと第４の内部電極７３０とを接続する。第２の外部電極７６０は、第３の内部電極７２４ｂと第４の内部電極７３０とを接続する。つまり、第２の内部電極７２４ａ、第１の外部電極７５０、第３の内部電極７２４ｂ、第２の外部電極７６０、第３の内部電極７３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有する。したがって、これらの電極は、負の透磁率を発現する。
【０１３０】
第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂと対向して、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂとは電気的に接触しないように配置される。第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａと第３の内部電極７２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１３１】
［第４の実施の形態］
１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこむメタマテリアルの他の例として、周辺に配置したコイルの中に負の透磁率用の共振器を配置したものを作ることもできる。第４の実施の形態では、そのようなメタマテリアルの一例を示す。
【０１３２】
第４の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット８００の構造を図２４、図２５、図２６を参照しつつ説明する。図２４は、ユニット８００の斜視図である。図２５は、ユニット８００の側面図である。図２６は、ユニット８００の上面図である。
【０１３３】
ユニット８００は、コイル状導体８１０と、第１の電極８２２と、第２の電極８２４と、第３の電極８３２と、第４の電極８３４と、第１のビア８４２と、第２のビア８４４とを備える。
【０１３４】
コイル状導体８１０は、ユニット８００の表面に近い領域を複数（ここに示す例では、８回）周回する。コイル状導体８１０は、第１の電極８２２、第２の電極８２４、第３の電極８３２、第４の電極８３４、第１のビア８４２、第２のビア８４４を囲むように配置される。
【０１３５】
第１の電極８２２および第２の電極８２４は、近接して対向して配置される。また、第１の電極８２２および第２の電極８２４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３６】
第３の電極８３２および第４の電極８３４は、近接して対向して配置される。また、第３の電極８３２および第４の電極８３４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３７】
第１の電極８２２と第２の電極８２４の対は、ユニット８００内の上部に形成される。第３の電極８３２と第４の電極８３４の対は、ユニット８００内の下部に形成される。なお、ここでの上部、下部とは、図２４および図２５に即したものである。
【０１３８】
第１のビア８４２は、第１の電極８２２と第３の電極８３２とを接続する。また、第２のビア８４４は、第２の電極８２４と第４の電極８３４とを接続する。
【０１３９】
以上の構造により、第１〜第４の電極８２２，８２４，８３２，８３４ならびに第１のビア８４２および第２のビア８４４は、コンデンサ型の共振器として機能し、負の透磁率を発現する。
【０１４０】
本実施の形態の構成によれば、第２および第３の実施の形態に比べ、ユニットの大きさを保ちつつ、線路（コイル）の長さを長く取れる。そのため、低い共振周波数を得ることができる。
【０１４１】
［第５の実施の形態］
第３の実施の形態や、第４の実施の形態に係るメタマテリアルを作成するためのユニット（メタマテリアルユニット）では、負の透磁率用の共振器は、内部電極を接続するための外部電極を有していた。これに対し、本実施の形態に係る負の透磁率用の共振器では、内部電極を接続するための導電部が、ビアにより実現される。
【０１４２】
第５の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット９００の構造を図２７から図２９に示す。図２７は、ユニット９００の斜視図である。図２８は、ユニット９００の正面図である。図２９は、ユニット９００の側面図である。
【０１４３】
図２７から図２９を参照して、ユニット９００は、最上部電極９１０ａと、第１のビア９１２ａと、第２のビア９１２ｂと、最下部電極９１０ｂと、第１の内部電極９２２と、第２の内部電極９２４ａと、第３の内部電極９２４ｂと、第４の内部電極９３０と、線路９４０と、第３のビア９５０と、第４のビア９６０とを備える。
【０１４４】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂを接続する。
【０１４５】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂの全長は、共振波長の略１／２の長さである。第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、線路９４０の形状は、図示したミアンダ線路に限られず、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１４６】
最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、図２１に示す最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮する機能を発揮する。ただし、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、省略することも可能である。
【０１４７】
なお、第１のビア９１２ａの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）および第２のビア９１２ｂの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）は、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂの有無にかかわらず、λ／２線路の両端に電荷がたまるように、負の透磁率用の共振器の外部にあることが好ましい。
【０１４８】
第３のビア９５０は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９３０とを接続する。第４のビア９６０は、第３の内部電極９２４ｂと第３の内部電極９３０とを接続する。第２の内部電極９２４ａ、第３のビア９５０、第３の内部電極９２４ｂ、第４のビア９６０、第３の内部電極９３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極９２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１４９】
本実施の形態に係るユニット９００は、外部電極を必要としない。したがって、このユニットは、製造が容易である。外部電極を備えるユニットを作成する場合、通常、外部電極以外の部分を積層形成したあと、外部電極を積層形成した部品に貼り付ける。一方、本実施の形態に係るユニット９００は、積層形成のみで、作成することができる。
【０１５０】
また、ユニット９００は、複数のユニットを並べたメタマテリアルの作成に好適である。外部電極をもつユニット同士が接触してしまうと、一方のユニットの外部電極に流れる電流が、他方のユニットの外部電極にも流れることになり、適切に電磁波の共振が起きなくなる。したがって、ユニット同士を離して配置する、あるいは、外部電極を絶縁体で覆うなどのユニット加工を行なう必要があった。本実施の形態に係るユニット９００は、互いに隣接させて配置できるので、メタマテリアルをさらに小さくできる。また、加工が不要なため、ユニット９００を用いたメタマテリアルの作成は、容易である。
【０１５１】
ユニット９００の作成方法を、図３０を参照して説明しておく。図３０は、第６の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【０１５２】
図３０を参照して、ユニット９００は、複数の層を順次重ねて作成される。図３０には、ユニット９００の主要な構成要素を含む層Ｌ１〜Ｌ６を示している。各層の材料（基板材料）は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。なお、図３０に示しているのは、層Ｌ１〜Ｌ６の一部である。実際には、層Ｌ１〜Ｌ６は、図３０における横方向にさらにのびている。
【０１５３】
層Ｌ１〜Ｌ６には、それぞれ、周期的に配置された複数の（図３０では３×３の）ユニットの構成部品が配置されている。層Ｌ１は、複数の最下部電極９１０ｂを含む。層Ｌ２は、複数の第４の内部電極９３０を含む。層Ｌ３は、複数の線路９４０を含む。層Ｌ４は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの対を複数含む。層Ｌ５は、複数の第１の内部電極９２２を含む。層Ｌ６は、複数の最上部電極９１０ａを含む。
【０１５４】
また、各層のうち、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０に相当する領域には、ビアが形成されている。図３０中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。
【０１５５】
各層を積み重ねて積層体を作った後、積層体を切断して、ユニット９００を作成する。図３０に示す部分からは、９つのユニット９００ができる。なお、積層体を１つ１つのユニット９００にばらすのではなく、いくつかのユニット９００をひとまとまりにして積層体から切り出してもよい。
【０１５６】
なお、本実施の形態では、第３の実施の形態で示したスプリット型共振器の導電部をビアとする構造を示したが、他のタイプの共振器の導電部をビアとすることもできる。例えば、第２の実施の形態で示した多層コンデンサ型共振器の外部電極をビアにしてもよい。
【０１５７】
［第６の実施の形態］
第２、第３、第５の実施の形態に係るメタマテリアルユニットでは、負の誘電率を発現するための線路を、ＬＣ共振器（具体的には、多層コンデンサ型共振器およびスプリット型共振器）の中に形成していた。しかしながら、線路は、必ずしも、ＬＣ共振器の内部になくてもよい。第６の実施の形態では、λ／２線路を、ＬＣ共振器の外部に配置したユニット１０００について説明する。
【０１５８】
第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を図３１に示す。図３１は、第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【０１５９】
図３１を参照して、ユニット１０００は、最上部電極１０１０ａと、第１のビア１０１２と、最下部電極１０１０ｂと、第１の内部電極１０２２と、第２の内部電極１０２４ａと、第３の内部電極１０２４ｂと、第４の内部電極１０３０と、第２のビア１０５０と、第３のビア１０６０とを備える。
【０１６０】
第１のビア１０１２は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂを接続する。第１のビア１０１２の長さは、共振波長の略１／２である。したがって、第１のビア１０１２は、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を発現する。
【０１６１】
なお、本実施の形態では、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂが、直線の第１のビア１０１２で接続されている。しかしながら、図２７に示す構造のように、複数のビアと、水平面内の線路とを組み合わせて、λ／２線路を実現してもよい。ユニットの小型化のためには、この場合の線路は、他の実施の形態で説明したように、ミアンダ線路など屈曲したものであることが好ましい。
【０１６２】
最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂは、第５の実施の形態における最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに共振周波数を短縮する機能を発揮する。
【０１６３】
第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第３の内部電極１０３０、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０２４ｂは、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極１０２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極１０２４ａと第３の内部電極１０２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１６４】
第１の内部電極１０２２、第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０３０は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂに挟まれる空間内に配置される。つまり、本実施の形態に係るユニットでは、負の誘電率を発現する共振器の中に、負の透磁率を発現する共振器が形成されている。
【０１６５】
本実施の形態に係るユニット１０００は、第５の実施の形態に係るユニット９００と同様に、ビアによって、内部電極を接続しているため、容易に作成できる。また、ユニット１０００は、ユニットの表面に電極を有さないため、メタマテリアルの作成に好適である。
【０１６６】
［補足］
メタマテリアルが、ある共振周波数において、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現するための、共振器の位置関係について、まとめておく。ここでは、第５の実施の形態で説明したような、スプリットリング型共振器と、半波長共振器とを組み合わせたメタマテリアル（あるいはメタマテリアルユニット）を例にとって、説明する。
【０１６７】
図３２は、スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。このメタマテリアルは、第５の実施の形態で説明したとおり、負の透磁率と負の誘電率とを同時に発現する。これは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とが重複しないためである。
【０１６８】
電界が集中する領域について図３３を参照して説明する。図３３は、図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。図３３を参照して、半波長共振器１２２０は、第１の最外電極１２２２と、第２の最外電極１２２４と、線路１２２６とを含む。第１の最外電極１２２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１２４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１６９】
図３３には、信号線路２００に電流が流れ、信号線路２００からグランド２２０に向かう電界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、第１の最外電極１２２２には負電荷がたまり、第２の最外電極１２２４には、正電荷がたまる。そして、第１の最外電極１２２２と信号線路２００との間の領域１２３０、ならびに、第２の最外電極１２２４とグランド２２０との間の領域１２４０に大きな電界が発生する。
【０１７０】
つまり、半波長共振により電荷がたまる半波長共振器１２２０の端部と、信号線路２００あるいはグランドとに挟まれる領域が、共振による電界が集中する領域である。なお、ここでは、半波長線路の両端に接続された電極が、半波長共振器１２２０の端部に相当する。しかし、半波長共振器１２２０が電極を含まない場合、半波長線路の両端が半波長共振器１２２０の端部に相当する。
【０１７１】
磁界が集中する領域について図３４を参照して説明する。図３４は、図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。図３４を参照して、スプリットリング型共振器１２１０は、第１の導体１２１２と、第２の導体１２１４とを含む。
【０１７２】
図３４には、信号線路２００に電流が流れ、スプリットリング型共振器１２１０から磁界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、電流とスプリットリング型共振器１２１０がＬＣ共振し、第２の導体１２１４の内部の領域１２５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す、大きな磁界が発生する。発生する磁界は、主に紙面に直交する。
【０１７３】
つまり、ＬＣ共振の生じるループの内部領域が、共振による磁界が集中する領域である。言い換えると、キャパシタンスを形成する電極対と、インダクタンスを形成する導電部とに囲まれた空間が、共振による磁界が集中する領域である。
【０１７４】
図３３と図３４とを比較して、電界が集中する領域（領域１２３０および領域１２４０）と、磁界が集中する領域（領域１２５０）とは互いに離れている。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界は、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響をほぼ及ぼさない。逆もまた同様である。したがって、図３２に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図３２に示す構造をもつメタマテリアルは、誘電率共振により発生する電界が集中する領域とは異なる領域に、透磁率共振により発生する磁界が集中する。
【０１７５】
比較のため、スプリットリング型共振器と、半波長共振器との位置関係を変更したメタマテリアルについて、図３５から図３７を参照して説明する。
【０１７６】
図３５は、図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【０１７７】
図３５に示すメタマテリアルは、スプリットリング型共振器１３１０および半波長共振器１３２０を備える。スプリットリング型の共振器１３１０は、第１の導体１３１２および第２の導体１３１４を含む。半波長共振器１３２０は、全体が、第２の導体１３１４の中に配置されている。
【０１７８】
このメタマテリアルでは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とに重なりがある。そのため、負の透磁率と負の誘電率とを同時に安定に発現することがやや難しくなる。
【０１７９】
電界が集中する領域を図３６に示す。図３６は、図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。図３６を参照して、半波長共振器１３２０は、第１の最外電極１３２２と、第２の最外電極１３２４と、線路１３２６とを含む。第１の最外電極１３２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１３４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１８０】
負の誘電率の発生時には、第１の最外電極１３２２と信号線路２００との間の領域１３３０、ならびに、第２の最外電極１３２４とグランド２２０との間の領域１３４０に大きな電界が発生する。
【０１８１】
磁界が集中する領域について図３７を参照して説明する。図３７は、図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。負の透磁率の発現時には、第２の導体１３１４の内部の領域１３５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す方向の大きな磁界が発生する。
【０１８２】
図３６と図３７とを比較して、電界が集中する領域（領域１３３０および領域１３４０）の一部と、磁界が集中する領域（領域１３５０）の一部とは重複する。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界が、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響を及ぼす。逆もまた同様である。したがって、図３５に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することがやや難しくなる。
【０１８３】
なお、以上の説明は、他の種類の共振器をもつメタマテリアルにもあてはまる。例えば、スプリット型共振器を多層コンデンサ型共振器に替えたメタマテリアルについても、以上の説明はあてはまる。
【０１８４】
ただし、多層コンデンサ型共振器を用いる場合には、第１の実施の形態や第２の実施の形態で説明したように、同極性の電荷が、不干渉であることが好ましい。つまり、同極性の電荷が、互いの発現に影響しない程度に離れて発生するように、共振器が構成されていることが好ましい。具体的には、静電容量を形成する複数の電極のうち、最も外部にある２つの最外電極の極性が逆であることが好ましい。
【０１８５】
［第７の実施の形態］
第１の実施の形態から第６の実施の形態までにおいては、メタマテリアル単体について説明した。第７の実施の形態では、第１の実施の形態から第６の実施の形態までで説明したメタマテリアルを用いた電気部品であるインピーダンス整合回路について説明する。
【０１８６】
図３８は、インピーダンス整合回路２１００の接続例を示す図である。図３８を参照して、デバイス（たとえば、トランジスタ）２２００は、伝送線路と異なるインピーダンスを持つ場合が多い。このため、デバイス２２００の入力側および出力側にインピーダンス整合回路２１００を接続して、伝送線路と整合を取る必要がある。
【０１８７】
インピーダンス整合回路２１００の入力側の端子２１２０Ａ，２１２０Ｂには、伝送線路が接続される。また、インピーダンス整合回路２１００の出力側の端子２１３０Ａ，２１３０Ｂには、デバイス２２００が接続される。
【０１８８】
なお、ここでは、デバイスの入力側にインピーダンス整合回路２１００を接続する場合について説明するが、デバイスの出力側にインピーダンス整合回路を接続する場合も同様である。
【０１８９】
図３９は、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａを示す図である。図３９を参照して、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａは、配線層に設けられた伝送線路２１５０と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面２１６０との間のプリント基板内に、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂを設けることによって構成される。
【０１９０】
なお、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂは、部品内蔵基板技術などを用いてプリント基板内に埋め込むことができる。
【０１９１】
ここで、デバイス間を最短経路の伝送線路で結んでその伝送線路の下にメタマテリアルを設けてインピーダンス整合回路とすることができるため、デバイス間の基板上にインピーダンス整合回路を設ける必要を無くすることができるので、インピーダンス整合回路を設けるための面積の分、基板面積の小型化をすることができる。
【０１９２】
また、伝送線路と非接触の状態でメタマテリアルを設けるだけでよいため、伝送線路をカットしてインピーダンス整合回路を割込ませる必要がない。このため、伝送効率を悪化させないようにすることができる。
【０１９３】
メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂは、伝送線路２１５０の電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【０１９４】
図４０は、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａの回路図および等価回路の回路図を示す図である。図４０（Ａ）は、インピーダンス整合回路２１００Ａの回路図を示す。図４０（Ａ）を参照して、図３８で説明したように、インピーダンス整合回路２１００Ａの入力側の端子２１２０Ａ，２１２０Ｂが伝送線路に接続され、出力側の端子２１３０Ａ，２１３０Ｂがデバイスに接続される。
【０１９５】
図４０（Ｂ）は、インピーダンス整合回路２１００Ａの等価回路の回路図を示す。図４０（Ｂ）を参照して、インピーダンス整合回路２１００Ａは、メタマテリアル２１１０Ａに対応する、コイル２１７０Ａとコンデンサ２１８０Ａとで構成されるインピーダンス整合回路とメタマテリアル２１１０Ｂに対応する、コイル２１７０Ｂとコンデンサ２１８０Ｂとで構成されるインピーダンス整合回路とを組合せたものと等価である。
【０１９６】
ここで、たとえば、背景技術の欄の図５０で説明したインピーダンス整合回路を実現する場合、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ｂが図５０のシリーズのインダクタンスＬとなり、図４０（Ｂ）のコンデンサ２１８０Ａが図５０のシャントのキャパシタンスＣとなり、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ａおよびコンデンサ２１８０Ｂは不要なので小さい値（たとえば、０近辺の値）となるようなメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂが用いられる。この場合は、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂがそれぞれ発現する比誘電率および比透磁率は負の値である必要はない。
【０１９７】
また、図５０で説明したインピーダンス整合回路と異なるもの、たとえば、図５０とコイルとコンデンサが逆の配置のもの、コイルが２個のもの、コンデンサが２個のものなど様々なインピーダンス整合回路がある。
【０１９８】
たとえば、図５０とコイルとコンデンサが逆の配置のものを実現する場合、図４０（Ｂ）のコイル２１７０ＢがシリーズのキャパシタンスＣとなり、図４０（Ｂ）のコンデンサ２１８０ＡがシャントのインダクタンスＬとなり、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ａおよびコンデンサ２１８０Ｂは不要なので小さい値（たとえば、０近辺の値）となるようなメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂが用いられる。この場合は、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂがそれぞれ発現する比誘電率および比透磁率は負の値である必要がある。
【０１９９】
このように、左手系のメタマテリアルは、伝送線路の下に入れることで、シリーズにインダクタンスＬ、シャントにキャパシタンスＣを付加させる機能を有する。したがって、シリーズのインダクタンスＬを負にすれば、シリーズにキャパシタンスＣが入るのと同等になる。また、シャントのキャパシタンスＣを負にすれば、シャントにインダクタンスＬが入るのと同等になる。つまり、左手系のメタマテリアルを用いると、シリーズおよびシャントにインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを自由に入れられるインピーダンス整合回路を実現できる。
【０２００】
また、左手系のメタマテリアルでは、他の既存の材料では不可能な０〜１の比透磁率および比誘電率を与えられるので、極端に小さいインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを用いたインピーダンス整合回路を実現できる。このため、整合の自由度を飛躍的に広げることができる。
【０２０１】
メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂとしては、電流の所定波長の成分に対して、インピーダンス整合回路２１００Ａの一方端側にデバイス２２００が結合される伝送線路２１５０の他方端側から見た特性インピーダンスが整合させたいインピーダンス値に整合するようなものが用いられる。
【０２０２】
図４、図７、図９、図１２、図１３、図１５および図１６で示したように、比誘電率および比透磁率が負になるのは、整合させたい信号の波長が、共振波長より高い一定の範囲に限られる。
【０２０３】
負の誘電率および負の透磁率の両方を発現可能なメタマテリアルにおいては、共振波長は２つある。電界に対する共振は、比誘電率を決める。磁界に対する共振は、比透磁率を決める。
【０２０４】
このことから、電界および磁界の共振周波数（波長）と整合させたい信号の周波数（波長）との組合せでインピーダンス整合回路のインピーダンス値を定める。
【０２０５】
なお、本実施の形態においては、１つのインピーダンス整合回路２１００Ａにおいて、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂを２つ用いることとしたが、これに限定されず、メタマテリアルは、１つであってもよいし、３つ以上の複数であってもよい。
【０２０６】
［第８の実施の形態］
第７の実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００Ａにおけるメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂの種類については、第１の実施の形態から第６の実施の形態までで説明したものなどいずれのメタマテリアルを用いてもよいこととした。第８の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルと同様のものを用いる場合について説明する。
【０２０７】
図４１は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの斜視図である。図４２は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの三面図である。図４２（Ａ）から図４２（Ｃ）は、それぞれ、インピーダンス整合回路２１００Ｂの正面図、側面図および平面図である。
【０２０８】
図４１および図４２を参照して、第７の実施の形態の図３９で説明したインピーダンス整合回路２１００Ａと同様、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂは、配線層に設けられた伝送線路２１５１と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面（不図示）との間のプリント基板内に、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂを設けることによって構成される。
【０２０９】
メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂは、それぞれ、最上部電極２１１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂと、線路２１４０Ａ，Ｂと、第３のビア２１５０Ａ，Ｂと、第４のビア２１６０Ａ，Ｂとを備え、それぞれの機能および構造は、第５の実施の形態のメタマテリアルのユニット９００の、最上部電極９１０ａ、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、最下部電極９１０ｂ、第１の内部電極９２２、第２の内部電極９２４ａ、第３の内部電極９２４ｂ、第４の内部電極９３０、線路９４０、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０と同様である。
【０２１０】
最上部電極２１１０ａＡ，Ｂ、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂ、線路２１４０Ａ，Ｂ、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂ、および、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂの順にそれぞれ電気的に接続される構造は、半波長共振器を構成する。
【０２１１】
第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂ、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂ、第３のビア２１５０Ａ，Ｂ、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂ、第４のビア２１６０Ａ，Ｂ、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂ、および、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂの順でそれぞれ一巡するように構成されるＬＣ共振回路と等価な構造は、ＬＣ共振器を構成する。
【０２１２】
なお、伝送線路２１５１、および、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂは、それぞれ互いに、電気的には接触していない。
【０２１３】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、伝送線路２１５１を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように定められる。
【０２１４】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂによって発現される誘電率および透磁率が伝送線路２１５１に電磁気的な影響を与えるように定められる。
【０２１５】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、半波長共振器の第１のビア２１１２ａＡ，Ｂ、線路２１４０Ａ，Ｂ、および、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂでそれぞれ構成されるλ／２線路の両端それぞれの、伝送線路２１５１からの距離が異なるように定められる。
【０２１６】
メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの方向は、それぞれ、伝送線路２１５１を流れる電流により生じる磁界の磁力線が、ＬＣ共振器と等価なＬＣ共振回路を貫通するように定められる。
【０２１７】
伝送線路２１５１と、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの位置関係は、それぞれ、λ／２線路の前述のメタマテリアル上面の側の端が、ＬＣ共振器のメタマテリアル上面の側の最外電極である第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、伝送線路２１５１が配置されるメタマテリアル上面との間となるように定められる。
【０２１８】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、半波長共振器のλ／２線路の両端における電位が、伝送線路２１５１に流れる電流より生じる電界に基づき、異なる電位となるように定められる。
【０２１９】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、ＬＣ共振器が伝送線路２１５１を流れる電流により生じる磁界と磁気結合するように定められる。
【０２２０】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、ＬＣ共振器の第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂ、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂ、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂ、および、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂで形成されるＬＣ共振回路面が、伝送線路２１５１に流れる電流により生じる電界方向と略平行になるように定められる。
【０２２１】
また、本実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００Ｂが、２つのメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂで構成されることとしたが、共振波長が同じであったり異なったりする複数のメタマテリアルで構成されるようにしてもよい。
【０２２２】
ここで、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂのチップのサイズは、２．４ｍｍ×２．０ｍｍ×１．８ｍｍであり、電極およびビアの間の誘電体の比誘電率は２５である。そして、ミアンダ線路である線路２１４０Ａの全線路長を２．６ｍｍ、線路２１４０Ｂの全線路長を５．６ｍｍとしたときに、２５Ωのデバイスのインピーダンスを伝送線路のインピーダンスの５０Ωに整合する変換特性が得られた。
【０２２３】
このように、ミアンダ線路の全線路長を短くすることにより、シャントのキャパシタンスＣを減らす働きをし、長くすることにより、シャントのキャパシタンスＣを増やす働きをする。
【０２２４】
なお、整合を取るための回路定数としては、ミアンダ線路の全線路長を用いることに限定されず、ＬＣ共振器の共振周波数を用いてもよいし、両方を用いてもよい。
【０２２５】
ＬＣ共振器の共振周波数を変えるためには、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂとのギャップ、および、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂとのギャップを変えたり、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの誘電体の誘電率を変えたりして、ＬＣ共振器のキャパシタンスＣを変える。
【０２２６】
図４３は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂのスミスチャートである。図４３を参照して、２５Ωから５０Ωに整合していることが分かる。
【０２２７】
図４４は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの入力特性を示すグラフである。図４４を参照して、約２．０ＧＨｚから２．１ＧＨｚまでの範囲で、インピーダンス整合回路２１００Ｂの入力側および出力側の反射が−２０ｄＢ以下となっている。このため、インピーダンス整合回路２１００Ｂは、２．０ＧＨｚから２．１ＧＨｚまでの範囲で、インピーダンス整合回路として用いることができることが分かる。
【０２２８】
このように、共振を用いているので、狙いの特定の周波数帯だけで整合を取ることができ、他の周波数帯にはあまり影響を与えないようにすることができる。たとえば、１ＧＨｚおよび５ＧＨｚは、５０Ωで整合させ、２ＧＨｚだけ２５Ωで整合させるといった使い方ができる。
【０２２９】
また、従来のＬＣ回路を用いたインピーダンス整合回路では、インピーダンスが周波数ごとに変わるので、或る周波数で整合させると、その他の周波数でのインピーダンスが変わってしまうため、複数の周波数帯で整合させるためには調整が困難であるといった問題があった。
【０２３０】
本実施の形態におけるインピーダンス整合回路２１００Ｂを用いれば、共振周波数が異なるメタマテリアルを複数含むようにすれば、互いに影響を与えず複数の周波数帯で所望のインピーダンスで容易に整合させることができる。
【０２３１】
［第９の実施の形態］
第８の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルと同様のものを用いる場合について説明した。第９の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第１の実施の形態で説明したように負の透磁率を発現可能な共振器と、負の誘電率を発現可能な共振器とを交互に並べて配置したものを用いる場合について説明する。
【０２３２】
図４５は、第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｃの斜視図である。図４５を参照して、第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｃは、配線層に設けられた伝送線路２１５２と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面（不図示）との間のプリント基板内に、負の透磁率を発現可能な共振器２１１２Ａ〜Ｃと、負の誘電率を発現可能な共振器２１１３Ａ〜Ｃとを交互に設けることによって構成される。
【０２３３】
負の透磁率を発現可能な共振器２１１２Ａ〜Ｃとしては、第１の実施の形態で説明したようなＭＬＣＣ（multi-layer ceramic capacitor、積層セラミックコンデンサ）を用いてもよいし、スプリットリング共振器を用いるようにしてもよい。
【０２３４】
負の誘電率を発現可能な共振器２１１３Ａ〜Ｃとしては、第１の実施の形態で説明したようなヘリカルコイルを用いてもよいし、チップコイルを用いてもよいし、金属細線樹脂を用いてもよい。
【０２３５】
ＭＬＣＣおよびチップコイルは、汎用電気部品であるので、インピーダンス整合回路２１００Ｃの製造コストを削減することができる。
【０２３６】
また、メタマテリアルを構成する素子の数が減るので、設計の自由度が制限されるが、インピーダンス整合回路２１００Ｃの構造を簡単にすることができる。
【０２３７】
［第１０の実施の形態］
第７から第９の実施の形態においては、プリント基板内にメタマテリアルを設けることによってインピーダンス整合回路を構成するようにした。第１０の実施の形態においては、プリント基板の配線層に設けられた伝送線路に後付けで取付けられるインピーダンス整合回路について説明する。
【０２３８】
図４６は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの取付け方を説明するための図である。第１０の実施の形態に係るインピーダンスを整合するための部品であるインピーダンス整合回路２１００Ｄは、図４７および図４８で後述するように、内部にメタマテリアルを２つ含む。また、インピーダンス整合回路２１００Ｄの図４６におけるの手前側の面、上面および向こう側の面には、それぞれ、グランド面２４０１ａ〜ｃが形成される。グランド面２４０１ａ〜ｃは、電気的に接続される。
【０２３９】
図４６を参照して、伝送線路２１５３に隣接したグランド面２１６３Ａ，Ｂが設けられたコプレナ線路の伝送線路２１５３上にインピーダンス整合回路２１００Ｄを載せて、手前側の面および向こう側の面に形成されたグランド面２４０１ａ，ｃが、それぞれ、コプレナ線路のグランド面２１６３Ａ，Ｂと電気的に接続される。
【０２４０】
なお、インピーダンス整合回路２１００Ｄは、コプレナ線路の伝送線路２１５３と電気的に接続されない。
【０２４１】
図４７は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの斜視図である。図４８は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの三面図である。図４８（Ａ）から図４８（Ｃ）は、それぞれ、インピーダンス整合回路２１００Ｄの正面図、側面図および平面図である。
【０２４２】
図４７および図４８を参照して、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄには、内部にメタマテリアル２１１４Ａ，Ｂが設けられ、前述したように、インピーダンス整合回路２１００Ｄの外面のうち手前側の面、上面および向こう側の面にグランド面が形成される。
【０２４３】
メタマテリアル２１１４Ａ，Ｂは、それぞれ、最上部電極２４１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２４１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２４１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２４１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２４２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２４２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２４２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２４３０Ａ，Ｂと、線路２４４０Ａ，Ｂと、第３のビア２４５０Ａ，Ｂと、第４のビア２４６０Ａ，Ｂとを備え、それぞれの機能および構造は、第５の実施の形態のメタマテリアルのユニット９００の、最上部電極９１０ａ、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、最下部電極９１０ｂ、第１の内部電極９２２、第２の内部電極９２４ａ、第３の内部電極９２４ｂ、第４の内部電極９３０、線路９４０、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０、ならびに、第８の実施の形態の最上部電極２１１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂと、線路２１４０Ａ，Ｂと、第３のビア２１５０Ａ，Ｂと、第４のビア２１６０Ａ，Ｂと同様である。
【０２４４】
このように、本実施の形態におけるインピーダンス整合回路２１００Ｄの部品は、基板内に内蔵する必要がないので、実装が容易である。
【０２４５】
また、インピーダンス整合回路２１００Ｄをこのような構造とすることによって、整合回路を介さずに、トランジスタ、ＩＣまたはモジュールなどのデバイスを伝送線路で直接接続して配線し、必要に応じて、後付けで、伝送線路の上に、インピーダンス整合回路２１００Ｄの部品を置くことで、容易にインピーダンス整合を行なうことができる。
【０２４６】
図４９は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの作成方法を説明するための図である。
【０２４７】
図４９を参照して、インピーダンス整合回路２１００Ｄは、複数の層を順次重ねて作成される。図４９には、インピーダンス整合回路２１００Ｄの主要な構成要素を含む層Ｌ１〜Ｌ６を示している。各層の材料（基板材料）は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。
【０２４８】
層Ｌ１〜Ｌ６には、それぞれ、２つのメタマテリアル２１１４Ａ，Ｂの構成部品が配置されている。層Ｌ１は、２つの最下部電極２４１０ｂＡ，Ｂを含む。層Ｌ２は、２つの第４の内部電極２４３０Ａ，Ｂを含む。層Ｌ３は、２つの線路２４４０Ａ，Ｂを含む。層Ｌ４は、第２の内部電極２４２４ａＡ，Ｂと第３の内部電極２４２４ｂＡ，Ｂとの対を２つ含む。層Ｌ５は、２つの第１の内部電極２４２２Ａ，Ｂを含む。層Ｌ６は、２つの最上部電極２４１０ａＡ，Ｂを含む。
【０２４９】
また、各層のうち、第１のビア２４１２ａＡ，Ｂ、第２のビア２４１２ｂＡ，Ｂ、第３のビア２４５０Ａ，Ｂ、および、第４のビア２４６０Ａ，Ｂに相当する領域には、ビアが形成されている。図４９中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。
【０２５０】
各層を積み重ねて積層体を作った後、外径が直方体状になるように絶縁体などで表面を覆って、その直方体の図４９において手前側の面、上面および向こう側の面にグランド面を形成することによって、インピーダンス整合回路２１００Ｄが作成される。
【０２５１】
［変形例］
前述した実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄの電気部品、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを含む電気回路基板、および、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを含む電気回路の部分構造として発明を説明した。
【０２５２】
しかし、これに限定されず、前述した実施の形態で説明したようなインピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを用いてインピーダンスを整合させるインピーダンス整合方法として発明を捉えることができる。
【０２５３】
［その他］
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０２５４】
２ 外部電極、３ 外部電極、４ 内部電極、４ａ 電極、４ｂ 電極、５ 内部電極、５ａ 電極、５ｂ 電極、６ スペーサ、１０ 外装部、１００ コイル型共振器、１１０ 中心軸、２００ 信号線路、２２０ グランド、３００ コンデンサ型共振器、６００ ユニット、６１０ａ 最上部電極、６１０ｂ 最下部電極、６２２，６２４，６３２，６３４ 内部電極、６４０ 線路、６５０，６６０ 外部電極、７００ ユニット、７１０ａ 最上部電極、７１０ｂ 最下部電極、７２２，７２４ａ，７２４ｂ，７３０ 内部電極、７４０ 線路、７５０，７６０ 外部電極、８００ ユニット、８１０ コイル状導体、８２２，８２４，８３２，８３４ 電極、８４２，８４４ ビア、９１０ａ，２１１０ａＡ，Ｂ，２４１０Ａ，Ｂ 最上部電極、９１０ｂ，２１１０ｂＡ，Ｂ，２４１０ｂＡ，Ｂ 最下部電極、９１２ａ，２１１２ａＡ，Ｂ，２４１２ａＡ，Ｂ 第１のビア、９１２ｂ，２１１２ｂＡ，Ｂ，２４１２ｂＡ，Ｂ 第２のビア、９２２，２１２２Ａ，Ｂ，２４２２Ａ，Ｂ 第１の内部電極、９２４ａ，２１２４ａＡ，Ｂ，２４２４ａＡ，Ｂ 第２の内部電極、９２４ｂ，２１２４ｂＡ，Ｂ，２４２４ｂＡ，Ｂ 第３の内部電極、９３０，２１３０Ａ，Ｂ，２４３０Ａ，Ｂ 第４の内部電極、９４０，２１４０Ａ，Ｂ，２４４０Ａ，Ｂ 線路、９５０，２１５０Ａ，Ｂ，２４５０Ａ，Ｂ 第３のビア、９６０，２１６０Ａ，Ｂ，２４６０Ａ，Ｂ 第４のビア、２１００，２１００Ａ〜Ｄ インピーダンス整合回路、２１１０Ａ，Ｂ，２１１１Ａ，Ｂ，２１１４Ａ，Ｂ メタマテリアル、２１１２Ａ〜Ｃ，２１１３Ａ〜Ｃ 共振器、２１２０Ａ，Ｂ，２１３０Ａ，Ｂ 端子、２１５０，２１５１，２１５２，２１５３ 伝送線路、２１６０，２１６３Ａ，Ｂ グランド面、２１７０Ａ，Ｂ コイル、２１８０Ａ，Ｂ コンデンサ、２２００ デバイス、２４０１ａ〜ｃ グランド面。
【技術分野】
【０００１】
この発明は、電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造に関し、特に、デバイスのインピーダンスを整合するのに適した電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、伝送線路に接続されるデバイスのインピーダンスを伝送線路のインピーダンスに整合させるためのインピーダンス整合回路が用いられている。図５０は、コイルおよびコンデンサを用いたインピーダンス整合回路を示す図である。図５０を参照して、このようなインピーダンス整合回路によれば、デバイスのインピーダンスが低い場合に、デバイスをこのインピーダンス整合回路の右側に接続した場合、インピーダンス整合回路の左側から見たインピーダンスを高くすることができる。
【０００３】
また、このようなインピーダンス整合回路として、スタブを用いたものがあった（たとえば、特許文献１参照）。さらに、伝送線路のパターンを屈曲させたり広げたりして等価回路におけるキャパシタンスおよびインダクタンスの値を調整するものがあった（たとえば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平２−６２１０２号公報
【特許文献２】特許第２６５０３１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来のインピーダンス整合回路においては、コイルおよびコンデンサ、または、スタブなどを用いるので、整合対象のデバイスと同一平面の基板上に搭載エリアを必要であるといった問題があった。
【０００６】
また、コイルおよびコンデンサ、または、スタブは、伝送線路に流す電流の周波数によって、インピーダンスが変動するので、ある周波数に対してインピーダンス整合をとると、その他の周波数に対するインピーダンス値が変わってしまうといった問題があった。
【０００７】
また、コイルおよびコンデンサを組合せてＬＰＦまたはＨＰＦと同様の回路でインピーダンス整合回路を構成した場合、高周波または低周波を通さないことになるので、このインピーダンス整合回路を使用可能な周波数帯が限定されると言った問題があった。
【０００８】
また、キャパシタンスおよびインダクタンスの値が限定されているため、インピーダンス整合の自由度が限定されてしまうといった問題があった。
【０００９】
この発明は上述の問題点を解決するためになされたもので、この発明の目的の１つは、インピーダンス整合の自由度を広げることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１０】
この発明の他の目的は、インピーダンス整合対象の周波数帯以外の周波数帯に極力影響を与えないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１１】
この発明のさらに他の目的は、使用可能な周波数帯が限定されないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【００１２】
この発明のさらに他の目的は、デバイスの前後に搭載エリアを設けてインピーダンス整合のための回路を伝送線路に割込ませなくても、インピーダンス整合をすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
上述の目的を達成するために、この発明のある局面によれば、電気部品は、電流を通すための伝送線路と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【００１４】
好ましくは、メタマテリアルのインピーダンスは、電流の所定波長の成分に対して、一方端側にデバイスが結合される伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される。
【００１５】
好ましくは、メタマテリアルは、第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器と、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、支持部材は、第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、第２の共振器の共振による磁界が集中するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１６】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端が第２の共振器の外部に位置するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１７】
さらに好ましくは、支持部材は、共振により第１の共振器および第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００１８】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の両端の伝送線路からの距離が異なるように第１の共振器を固定する。
【００１９】
さらに好ましくは、第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、支持部材は、電流により生じる磁界がＬＣ共振器の共振ループを通過するようにＬＣ共振器の位置を固定する。
【００２０】
さらに好ましくは、支持部材は、半波長線路の第１の端を、第２の共振器と伝送線路を含む面との間に固定する。
【００２１】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の最外電極と、第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極とを含み、支持部材は、半波長線路の第１の端を第１の最外電極と伝送線路を含む面との間に固定する。
【００２２】
さらに好ましくは、支持部材は、電流により生じる、半波長線路の両端における電位が異なるように第１の共振器を固定する。
【００２３】
さらに好ましくは、支持部材は、第２の共振器が電流により生じる磁界と磁気結合するように第２の共振器の位置を固定する。
【００２４】
さらに好ましくは、第２の共振器は、第１の電極と、第１の電極に対向する第２の電極とを備え、支持部材は、第１の電極および第２の電極で形成される共振ループが電流により生じる電界方向と略平行になるように、第１の電極および第２の電極を固定する。
【００２５】
好ましくは、メタマテリアルは、第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、第１の共振器は、第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、メタマテリアルは、さらに、第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器を備え、第２の共振器は、複数の板状電極を含み、板状電極は、複数の第１板状電極と、各第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極とからなり、第２の共振器は、さらに、複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部と、複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部とを含み、複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極および第２の最外電極は、それぞれ、第１板状電極および第２板状電極であり、メタマテリアルは、さらに、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、支持部材は、第１の最外電極が半波長線路の第１の端部に近接し、かつ、第２の最外電極が半波長線路の第２の端部に近接するように、第１の共振器および第２の共振器の位置を固定する。
【００２６】
さらに好ましくは、第１の共振器は、さらに、第１の端部に接続された第１の導電板と、第２の端部に接続された第２の導電板とを含み、支持部材は、第２の共振器の外部であって第１の最外電極と対向する位置に第１の導電板を固定し、第２の共振器の外部であって第２の最外電極と対向する位置に第２の導電板を固定する。
【００２７】
好ましくは、メタマテリアルを複数備える。さらに好ましくは、複数のメタマテリアルは、電流の所定波長の成分に対して所定の誘電率を示す第１の共振器を有するメタマテリアルと、所定波長の成分に対して所定の透磁率を示す第２の共振器を有するメタマテリアルとを含む。
【００２８】
この発明の他の局面によれば、電気部品は、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを備え、メタマテリアルは、基板上の伝送線路と非接触の状態で基板に取付けられたときに伝送線路を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【００２９】
好ましくは、基板に取付けられたときに、メタマテリアルを挟んで伝送線路と反対側に配置されるグランド面をさらに備え、グランド面は、基板に取付けられたときに基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する。
【００３０】
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路基板は、電流を通すための伝送線路と、伝送線路の一方端側と結合されるデバイスと、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置され、メタマテリアルのインピーダンスは、電流の所定波長の成分に対して、伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される。
【００３１】
この発明のさらに他の局面によれば、インピーダンス整合方法は、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを用いて電流を通すための伝送線路の一方端に結合されるデバイスのインピーダンスを整合させる方法であって、メタマテリアルを、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向を定めて配置するステップと、メタマテリアルのインピーダンスを、電流の所定波長の成分に対して、伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定するステップとを含む。
【００３２】
この発明のさらに他の局面によれば、電気回路の部分構造は、電流を通すための伝送線路と、電磁界の第１の共振波長および第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【発明の効果】
【００３３】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率（負の誘電率も含む）および所定の透磁率（負の透磁率も含む）を示すので、メタマテリアルによって構成される等価回路であるインピーダンス整合回路のキャパシタンスおよびインダクタンスの値とすることが可能な範囲を広げることができる。このため、インピーダンス整合の自由度を広げることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３４】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の第１の共振波長および第２の共振波長の成分以外の成分による電磁界に対しては、ほとんど影響を与えない。このため、インピーダンス整合対象の周波数帯以外の周波数帯に極力影響を与えないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３５】
メタマテリアルは、伝送線路の電流の第１の共振波長および第２の共振波長の成分以外の成分による電磁界に対しては、ほとんど影響を与えないので、従来のコイルおよびコンデンサを組合せたインピーダンス整合回路のように、ＬＰＦまたはＨＰＦが構成されて、高周波または低周波を通さないといったことがないようにすることができる。このため、使用可能な周波数帯が限定されないようにすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【００３６】
メタマテリアルは、伝送線路と非接触の状態で、インピーダンス整合回路の等価回路を構成する。このため、デバイスの前後に搭載エリアを設けてインピーダンス整合のための回路を伝送線路に割込ませなくても、インピーダンス整合をすることが可能な電気部品、電気回路基板、インピーダンス整合方法、および、電気回路の部分構造を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。
【図２】図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【図３】共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【図４】コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。
【図５】コイル型共振器１００を用いた負の誘電率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図６】図５に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図７】図５に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図８】コイル型共振器１００を用いた負の透磁率を持つメタマテリアルを示す図である。
【図９】図８に示すメタマテリアルの比透磁率を示す図である。
【図１０】図８に示すメタマテリアルの比誘電率を示す図である。
【図１１】最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。
【図１２】図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１３】図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１４】第１の実施の形態に係るメタマテリアルを示す図である。
【図１５】図１４に示す共振器群の比誘電率を示す図である。
【図１６】図１４に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【図１７】第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えた構成を示す図である。
【図１８】第２の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。
【図１９】第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成を示す図である。
【図２０】ユニット６００の斜視図である。
【図２１】ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【図２２】ユニット７００の斜視図である。
【図２３】ユニット７００の側面図である。
【図２４】ユニット８００の斜視図である。
【図２５】ユニット８００の側面図である。
【図２６】ユニット８００の上面図である。
【図２７】ユニット９００の斜視図である。
【図２８】ユニット９００の正面図である。
【図２９】ユニット９００の側面図である。
【図３０】第５の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【図３１】第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【図３２】スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３３】図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。
【図３４】図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。
【図３５】図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【図３６】図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。
【図３７】図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。
【図３８】インピーダンス整合回路の接続例を示す図である。
【図３９】第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路を示す図である。
【図４０】第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の回路図および等価回路の回路図を示す図である。
【図４１】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４２】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の三面図である。
【図４３】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路のスミスチャートである。
【図４４】第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の入力特性を示すグラフである。
【図４５】第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４６】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の取付け方を説明するための図である。
【図４７】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の斜視図である。
【図４８】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の三面図である。
【図４９】第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路の作成方法を説明するための図である。
【図５０】コイルおよびコンデンサを用いたインピーダンス整合回路を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００３８】
［左手系メタマテリアルを実現する上での課題］
近年、メタマテリアル（metamaterial）と称されるデバイスが注目されている。このメタマテリアルとは、自然界に存在する物質が有さないような電磁気的あるいは光学的な特性をもつ人工物質である。このようなメタマテリアルの代表的な特性として、負の透磁率（μ＜０）、負の誘電率（ε＜０）、あるいは負の屈折率（透磁率および誘電率がいずれも負の場合）が挙げられる。なお、μ＜０かつε＞０の領域、またはμ＞０かつε＜０の領域は「エバネッセント解領域」とも称され、μ＜０かつε＜０の領域は「左手系領域」とも称される。
【００３９】
μ＜０かつε＜０である左手系メタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率を同時に実現するため、負の誘電率を持つ素子と、負の透磁率を持つ素子とを周期配置して作られる。
【００４０】
左手系メタマテリアルには、大きく分けて、回路系と共振系とがある。共振系において、負のμを実現する手段としては、例えば、スプリットリング共振器（ＳＲＲ：Split Ring Resonator）がある（例えば、「左手系メタマテリアル」（日経エレクトロニクス１月２日号、日経ＢＰ社、２００６年１月２日、ｐ．７５−８１）参照）。
【００４１】
一方、負のεを実現する手段としては、電磁波の波長に対して十分長い金属細線がある。この金属細線によれば、プラズマ周波数が下がり、負のεが実現される。"Low Frequency Plasmons in thin-wire structures"（J B Pendry他, J. Phys.: Condens. Matter Vol.10 (1998) 4785-4809）には、金属細線のアレイにより負のεを実現できることが記載されている。また、特表２００８−５０７７３３号公報には、周期格子のワイヤが負の誘電率となるとの記述がある。
【００４２】
また、電磁波の波長λの半分の長さの金属細線が、電磁波との共振によって負の誘電率を発生することも知られている。
【００４３】
負のεの実現のために電磁波の波長に対して十分長い金属細線を用いる方法では、メタマテリアルを小型化できない。そこで、電磁波の波長λの半分の長さの金属線を用いることが考えられる。
【００４４】
しかしながら、λ／２長の金属線を負のμを実現するための共振器と組み合わせて左手系メタマテリアルを実現しようとした場合、λ／２長の金属線は、一種の共振器であるので、負のμを実現するための共振器との間で干渉を起こすおそれがある。そして、その結果、金属線と共振器との組み合わせは、負のεおよび負のμを同時に発現しないおそれがある。
【００４５】
上述した課題を解決するための、負の誘電率および負の透磁率を同時に発現することが可能なメタマテリアルの実施の形態を以下に記載する。
【００４６】
［共振器について］
本発明に係る左手系メタマテリアルは、共振器を組み合わせた共振系のものである。そこで、まず、本発明の左手系メタマテリアルを構成する共振器について説明する。
【００４７】
（多層コンデンサ型共振器）
本実施の形態において用いられる共振器の１つに、複数の電極を含む多層コンデンサ型共振器がある。この共振器には、当該電極間に生じる静電容量（キャパシタンス）を主体とした共振回路が形成される。この共振回路は、共振器の周辺に配置された信号線路に交流電流が流れることで発生する電磁波の特定の周波数成分に感受性をもち、この周波数成分の電磁波を受けて電気的な共振現象を生じ得る。この共振現象によって、負の透磁率が発現する。
【００４８】
ここで、メタマテリアルとしての機能である透磁率の共振を生じさせるためには、各共振器の電流の伝搬方向における長さが、対象とすべき周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、各共振器の電流の伝搬方向における長さは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００４９】
共振器としては、複数の平板電極を絶縁物（誘電体）を積層して形成された積層コンデンサなどを用いることができる。以下では、積層コンデンサを用いて共振器を実現する構成について例示する。この構成によれば、市販されている積層セラミックコンデンサなどの積層コンデンサを用いて、容易に共振器を構成できる。ただし、本発明に係る共振器を構成するための専用に設計された電極部材を用いてもよい。
【００５０】
図１は、コンデンサ型共振器３００の概略の外観図である。図１を参照して、コンデンサ型共振器３００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。なお、外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。このコンデンサ型共振器３００は、所定の周波数成分を含む電流が流れる信号線路２００に近接して配置されることで、当該電流が発生する電磁波の特定の周波数成分（共振周波数）を受けて共振を生じる。また、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００に接する面とは反対側の面には、グランド２２０が配置される。
【００５１】
コンデンサ型共振器３００内での共振によって、コンデンサ型共振器３００に磁束が発生し、負の透磁率が発現する。
【００５２】
なお、コンデンサ型共振器３００が負の透磁率を発現する、すなわちメタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発揮するためには、コンデンサ型共振器３００の信号線路２００における電流の伝搬方向における長さｌ’が、共振周波数における電磁波の波長λに対して、少なくともλ／４より短い必要がある。さらに、コンデンサ型共振器３００の長さｌは、λ／２０以下であることが好ましい。
【００５３】
以下では、コンデンサ型共振器３００の一例として、長さｌ’＝１．６ｍｍ、幅Ｗ＝０．８ｍｍ、高さＨ＝１．２ｍｍの８層の内部電極を有する積層コンデンサを用いる場合について例示する。なお、信号線路２００と積層コンデンサとの距離ｈ＝０．２ｍｍ、積層コンデンサとグランドの距離ｈ’＝０．２ｍｍとする。
【００５４】
ここで、λ／４＝長さｌ’＝１．６ｍｍとすると、λ＝６．４ｍｍとなり、これは、空気中では周波数ｆｍａｘ＝４６．８７５ＧＨｚに相当する。従って、このコンデンサ型共振器３００をλ／４以下のピッチで並べると、ギガヘルツ帯においてメタマテリアルとして用いることができる。当然のことながら、適用すべき周波数領域に応じて、共振器の長さｌを適宜設計することができる。
【００５５】
次に、図１および図２を参照して、コンデンサ型共振器３００の構造について説明する。図２は、図１に示すＩＩ−ＩＩ線断面図である。
【００５６】
図１を参照して、信号線路２００に電流が流れることによって、信号線路２００を中心とした円周方向に交流の磁界が発生する。すなわち、磁界の磁力線は、信号線路２００を中心とする同心円となる。また、信号線路２００には電流が流れる際に電位が発生するので、信号線路２００とグランド２２０との間には交流の電界が発生する。
【００５７】
図２を参照して、コンデンサ型共振器３００は、各々が比誘電率の高い絶縁物であるスペーサ６を介して互いに対向する第１内部電極４および第２内部電極５をそれぞれ複数含む。複数の第１内部電極４は、第１外部電極２と電気的に接続されており、複数の第２内部電極５は、第２外部電極３と電気的に接続されている。このように、コンデンサ型共振器３００では、平板状の複数の内部電極４，５が積層されており、隣接する第１内部電極４と第２内部電極５との間には、その電極の面積、電極間の距離、スペーサ６の比誘電率などによってその値が定まる静電容量（キャパシタンス）が生じる。
【００５８】
コンデンサ型共振器３００を構成する第１内部電極４および第２内部電極５の各電極面は、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。それとともに、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が、第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面とは異なる面において、磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される。すなわち、図２に示すように、信号線路２００を流れる電流によって生じる磁界の磁力線が紙面前後方向に発生している場合において、コンデンサ型共振器３００は、第１内部電極４および第２内部電極５の電極断面長手方向が紙面左右方向と一致し、かつ第１外部電極２および第２外部電極３の電極断面長手方向が紙面上下方向と一致するように配置される。
【００５９】
コンデンサ型共振器３００が図２に示すような位置関係を保って配置されることで、所定の周波数成分に対して図３に示すような共振回路が形成され、この共振回路によって、負の透磁率が発現する。
【００６０】
図３は、共振周波数においてコンデンサ型共振器３００で形成される共振回路を説明するための図である。
【００６１】
図３を参照して、その電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置される第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３は、その経路長さに応じたコイル（インダクタ）として作用する。
【００６２】
コンデンサ型共振器３００では、第１内部電極のうち最上層の電極４ａと、第１外部電極２と、第１内部電極のうち最下層の電極４ｂとは互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。同様に、第２内部電極のうち最上層の電極５ａと、第２外部電極３と、第２内部電極のうち最下層の電極５ｂとも互いに電気的に接続されており、これらを含む電流経路が形成される。ここで、電極４ａと電極５ａとの間の静電容量（キャパシタンスＣ１）と、電極４ｂと電極５ｂとの間の静電容量（キャパシタンスＣ２）とを介して、両電流経路は互いに電気的に接続され、キャパシタンスＣ１，Ｃ２と各電極によって生じるインダクタンスＬ１〜Ｌ６とを含む共振回路が形成される。したがって、本実施の形態に従うコンデンサ型共振器３００は、キャパシタンス（Ｃ１＋Ｃ２）と、インダクタンス（Ｌ１＋Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５＋Ｌ６）とによって定まる共振周波数をもち、この共振周波数の電磁波が入射することで、透磁率共振が発現する。
【００６３】
なお、コンデンサ型共振器３００では、隣接する内部電極の間の各々で静電容量が発生するが、最上位の静電容量および最下位の静電容量を除いた他の静電容量は、この共振回路の形成への影響は小さい。これは、共振を起こす循環経路の最外層に電流が集中するためである。
【００６４】
図４は、コンデンサ型共振器３００で生じる比透磁率の周波数特性の一例を示す図である。なお、図４に示す変化特性は、シミュレーションによって算出されたものである。ここで、比透磁率とは、真空の透磁率に対する透磁率の比を表す。
【００６５】
図４を参照して、コンデンサ型共振器３００は、その１つの共振周波数として約４．９ＧＨｚをもち、その前後で比透磁率が大きく変動し、負の透磁率が生じることが分かる。
【００６６】
上述の説明では、第１内部電極４および第２内部電極５、ならびに第１外部電極２および第２外部電極３の各電極面が磁界の磁力線に対して実質的に平行となるように配置されることで、メタマテリアルとしての機能である負の透磁率を発現させることができることについて述べた。ここで、「実質的に平行」とは、各電極面が磁界の磁力線と直交する状態を除外する意味であり、各電極面が磁界の磁力線とまったく平行である状態以外にも、磁力線に対して所定角度をもつ状態をも含む。実用上は、コンデンサ型共振器３００で発現する負の透磁率の大きさが適用アプリケーションなどの要求を満足できる値であれば、「実質的に平行」とみなすことができる。
【００６７】
（コイル型共振器）
次に、本実施の形態のメタマテリアルに用いられるもう１つの種類の共振器である、コイル型共振器について説明する。コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するものであったのに対し、コイル型共振器は、中心軸が電界方向に対して平行（磁界に対して直角）になるように配置されたとき、負の誘電率を実現できる。また、中心軸が電界方向に対し直角（磁界方向に対して平行）になるように配置されたコイル型共振器は、負の透磁率を実現できる。
【００６８】
まず、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を図５を参照して説明する。図５は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。
【００６９】
図５を参照して、メタマテリアルは、コイル型共振器１００と外装部１０とを備える。コイル型共振器１００は、非磁性体である外装部１０により覆われている。コイル型共振器１００は、信号線路２００と、グランド２２０との間に配置されている。グランド２２０は、コイル型共振器１００の信号線路２００に接する面とは反対側の面にある外装部１０の面に配置される。
【００７０】
信号線路２００には、所定の周波数成分を含む電流が流れる。本実施の形態においては、信号線路２００は、ストリップラインであるとする。ただし、信号線路２００は、電流を流す導体の一例であって、導体の形態はこれに限られるものではない。
【００７１】
コイル型共振器１００は、金属線を周回したものである。コイル型共振器１００の全長（金属線の全長）は、信号線路２００を流れる電流の波長の半分程度である。ここでは、信号線路２００を流れる電流の周波数はＧＨｚ帯であり、コイル型共振器１００の長さは、２８ｍｍである。
【００７２】
図５では、コイル型共振器１００として、中心軸１１０を中心に巻かれている、すなわち、ばね形状を有するものを示した。ただし、コイル型共振器１００の形状は、図５に示した、円筒面に沿うように巻かれたものに限られない。例えば、コイル型共振器１００は、四角柱に沿って巻かれたような形状であってもよい。あるいは、コイル型共振器１００は、球面に沿って巻かれたような形状であってもよい。
【００７３】
コイル型共振器１００は、上述のような長さおよび形状を有していればよい。コイル型共振器１００としては、金属線を巻いたコイルなどを利用できる。コイル型共振器１００としては、既成のもの（例えば、既成のコイル）を用いてもよいし、専用に作成したものを用いてもよい。
【００７４】
外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する。外装部１０としては、テフロン（登録商標）などの樹脂材料が適している。ただし、外装部１０は、コイル型共振器１００の位置を固定する支持部材の一例であり、コイル型共振器１００は、他の部材により固定されていてもよい。
【００７５】
コイル型共振器１００の中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界、より詳しくは、信号線路２００とグランド２２０との間に生じる電界に対して平行である。すなわち、外装部１０は、中心軸１１０が電界に平行になるように、コイル型共振器１００を固定する。言い換えると、コイル型共振器１００は、電界の勾配に沿って、コイルの両端の電位に差があるように、配置される。
【００７６】
図５に示す例では、中心軸１１０を、信号線路２００からグランド２２０に向かう方向にとっている。すなわち、中心軸１１０は、グランド２２０面に直交し、かつ、信号線路２００を貫通する。この配置により、中心軸１１０は、信号線路２００を流れる電流が作る電界に平行（信号線路２００を流れる電流が作る磁界に垂直）になっている。
【００７７】
信号線路２００に対して、コイル型共振器１００は、信号線路２００を流れる電流が発生する電場の特定の周波数（共振周波数）成分を受けて、共振を生じる。
【００７８】
コイル型共振器１００の電磁的性質を図６および図７に示す。図５に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図６、図７に示す。ここで、比誘電率とは真空の誘電率に対する誘電率の比を表し、比透磁率とは真空の透磁率に対する透磁率の比を表わす。図７に示すように、図５のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の誘電率を示す。一方、比透磁率は、図６に示すように、常に正である。
【００７９】
以上のとおり、波長の１／２の長さのコイル状の金属線によって、負の誘電率が発現することが分かる。このようにコイル状の金属線を用いたメタマテリアルは、直線状の金属線を用いて負の誘電率を実現するメタマテリアルに比べ、小型にできる。
【００８０】
次に、ばね状の金属線を用いて負の透磁率（μ）を持つメタマテリアルを実現する例について説明する。負のμを持つメタマテリアルは、図５に示したコイル型共振器１００と同様の長さおよび形状のコイル型共振器１００を、その中心軸１１０が磁界に平行になるように置くことで実現される。このように配置されたコイル型共振器１００が、負の透磁率を示すことを、図８から図１０を参照して、以下、説明する。
【００８１】
図８は、コイル型共振器を用いて負の誘電率を発現するメタマテリアルの構成を説明するための図である。図８に示すメタマテリアルは、図６に示すコイル型共振器１００をＹ軸周りに９０度回転して、コイル型共振器１００の中心軸が、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界と平行（信号線路２００を流れる電流が作る電界に垂直）になるように配置したものである。
【００８２】
図８に示すメタマテリアルが示す比透磁率および比誘電率をそれぞれ図９、図１０に示す。図９に示すように、図８のメタマテリアルは、２．６ＧＨｚ付近で負の透磁率を示す。一方、図１０に示すように、比誘電率は常に正である。
【００８３】
このように中心軸方向を変えることにより、同じ構造のコイル型共振器１００が、負の誘電率を示す場合も、負の透磁率を示す場合もあることが分かる。なお、中心軸方向が磁界方向および電界方向に対して非直交になるように配置されたコイル型共振器１００は、負の誘電率および透磁率を同時に示す。
【００８４】
［第１の実施の形態］
本発明の第１の実施の形態に係るメタマテリアルとして、コイル型共振器と、コンデンサ型共振器とを並べて配置したものを説明する。
【００８５】
これらの共振器の組み合わせが、左手系メタマテリアルとなる、すなわち、負の透磁率および負の誘電率を同時に発現するためには、各共振器の配置および構造が重要となる。まず、コイル型共振器が負の誘電率を発現し、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するよう、各共振器を配置しなければならない。さらに、共振器同士が不適切な干渉を起こさないように、共振器の構造にも配慮する必要がある。
【００８６】
コイル型共振器が負の誘電率を発現するためには、コイル型共振器を、その軸が電界方向（ｚ方向とする）に平行となるように配置すればよい。一方、コンデンサ型共振器については、コンデンサ型共振器が負の透磁率を発現するように、その内部極板が、磁界方向に平行、すなわち、ｚ方向を法線とする平面（ｘ−ｙ平面）に平行となるように配置すればよい。
【００８７】
以上の配置の条件に加えて、コンデンサ型共振器は、最外部の２枚の内部電極が逆相、すなわち、それぞれの内部電極に蓄えられる電荷の符号が逆、という条件を満たすことが好ましい。これは、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とが干渉することを避けるためである。以下、図１１から図１６を参照して、このことについて、さらに詳しく説明する。
【００８８】
図１１は、最外部の内部電極が直接接続されているコンデンサ型共振器とコイル型共振器とを示す図である。これらの共振器は、近接して配置されている。ただし、コイル型共振器およびコンデンサ型共振器はお互いに電気的に接触していない。コイル型共振器は、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１１においては、上端に正の電荷（図１１の＋）を、下端に負の電荷（図１１の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００８９】
一方、コンデンサ型共振器の図１１における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって最上面の電極により電気的に直接接続されているので、同符号の電荷を蓄えることになる。図１１では、最上面の電極および最下面の電極が、負の電荷を帯びている場合を示している。
【００９０】
図１１に示した状況では、近接する最下面の電極とコイル型共振器の下端とに蓄えられた負の電荷同士が干渉する。そのため、負の誘電率と負の透磁率とが、同時に発生しない。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とが、一致することがない。
【００９１】
このことを図１２および図１３を用いて具体的に説明する。図１２は、図１１に示す共振器群の比誘電率を示す図である。図１３は、図１１に示す共振器群の比透磁率を示す図である。
【００９２】
図１２には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【００９３】
図１３には、コイル型共振器の形状（長さなど）を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、透磁率の共振周波数が変化し、したがって、負の透磁率が生じる周波数が変化する。コンデンサ型共振器の形状を変化させていないのにもかかわらず透磁率の共振周波数が変化するのは、各共振器の端部の電荷の干渉によるものである。
【００９４】
このようにコイル型共振器の形状を変化させると、負の誘電率が生じる帯域と、負の透磁率が生じる帯域との双方が変化する。そのために、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現させることができない。負の誘電率（透磁率）を示す周波数を増加させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も増加してしまう。逆に、負の誘電率（透磁率）を示す周波数を減少させていくと、負の透磁率（誘電率）を示す周波数も減少してしまう。このように、透磁率（誘電率）の共振周波数が、誘電率（透磁率）の共振周波数から離れてしまう現象が生じるので、負の誘電率および負の透磁率を同じ周波数で発現するように共振器を設計することが難しい。
【００９５】
そこで、本実施の形態に係るメタマテリアルにおいては、図１４のように２種類の共振器を配置する。本実施の形態に係るメタマテリアルは、コイル型共振器１００とコンデンサ型共振器３００と外装部１０（図１４には図示せず）とを備える。図１１に示す場合と同様、外装部１０は、コンデンサ型共振器とコイル型共振器とを、近接する位置に固定する。なお、先の説明と同様、外装部１０のかわりに他の支持部材を用いてもかまわない。
【００９６】
コイル型共振器は、図１１の場合と同様、電界中に置かれているので、両端に異なる符号の電荷が現れる。図１４においても、図１１と同様、上端に正の電荷（図１４の＋）を、下端に負の電荷（図１４の−）が現れている状況を示している。反共振の周波数では、両端の電荷の符号が反転し、逆向きの電界ベクトルが発生し、負の誘電率が発現する。
【００９７】
一方、コンデンサ型共振器は、図１１に示すものと異なる。コンデンサ型共振器の図１４における最上面の電極と最下面の電極とは、外部電極によって電気的に直接接続されておらず、電気容量を介して接続されている。そのため、最上面の電極と最下面の電極とは、逆相になる（逆符号の電荷を蓄える）。図１４では、最上面の電極が負の電荷を、最下面の電極が正の電荷を帯びている場合を示している。
【００９８】
図１４に示した状況では、図１１に示した状況と異なり、近接する最下面（あるいは最上面）の電極とコイル型共振器の下端（あるいは上端）とに蓄えられた電荷の干渉を抑えることができる。したがって、負の誘電率と負の透磁率とを、同時に発生することができる。すなわち、負の誘電率の反共振周波数と、負の透磁率の反共振周波数とを一致させることができる。
【００９９】
このことを図１５および図１６を参照して説明する。図１５には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比誘電率特性を示している。コイル型共振器の形状変化にしたがい、誘電率の共振周波数が変化し、したがって、負の誘電率が生じる周波数が変化する。
【０１００】
図１６には、コイル型共振器の形状を変化させたときの、共振器群全体の比透磁率特性を示している。コイル型共振器の形状を変化させても、透磁率の共振周波数はほぼ変化しない。これは、各共振器の端部の電荷の干渉が抑えられており、コンデンサ型共振器の共振特性が変化しないためである。
【０１０１】
以上のように、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発生でき、左手系となる。
【０１０２】
なお、図１４では、１つのコイル型共振器と１つのコンデンサ型共振器とのセットを示したが、メタマテリアルは、このセットを複数備えていてもよい。この場合、例えば、セットを１次元的あるいは２次元的に連続する位置に、支持部材で固定する。
【０１０３】
［第２の実施の形態］
第１の実施の形態では、負のεをもつ共振器としてコイル型共振器を用いる例を示した。しかしながら、本発明においては、負のεをもつ共振器として、コイル型共振器に限られず、電磁波に共振する略λ／２の長さの線路を含む共振器を用いることができる。
【０１０４】
また、負のεをもつ共振器と負のμを持つ共振器（第１の実施の形態ではコンデンサ型共振器）は、第１の実施の形態で説明したように、必ずしも横に並べる必要はない。
【０１０５】
第２の実施の形態では、負のεをもつ共振器として、λ／２長の線路と線路の両端に接続した２枚の導電板とを含む共振器を用い、負のεを持つ共振器と、負のμをもつコンデンサ型共振器とを共通の空間に組み合わせる構成について説明する。
【０１０６】
第２の実施の形態に係るメタマテリアルの構成の概略を図１７および図１８を用いて説明する。図１８が、第２の実施の形態のメタマテリアルの概略図である。図１７は、第２の実施の形態のメタマテリアルにおいて、コンデンサ型共振器の構成を変えたものである。
【０１０７】
図１７、図１８のいずれにおいても、コンデンサ型共振器の２つの最外電極の外部に、それぞれの最外電極と対向するように、２つの導電板が配置される。また、導電板は、巻かれた線路で接続されている。線路は、その長さが共振波長の略λ／２になるように設計される。
【０１０８】
線路は、巻かれているため、小型のスペースでその長さを確保することができる。ただし、共振波長によっては、あるいは、小型化が必要ない場合には、線路は巻かれていなくてもよい。また、図１７、図１８では、コイル状に巻かれた線路を示したが、小型化は、線路を巻く方法に限られず、線路を屈曲させることにより実現される。例えば、ミアンダ線路などを用いてもよい。
【０１０９】
各導電板は、線路との間の容量を大きくし、共振周波数における負の誘電率の絶対値を大きくする。また、容量による波長短縮効果により、実質的なλ／２の長さを短かくできる。なお、求められる負の誘電率の値によっては、各導電板は設置しなくてもよい。また、設計上の理由等により、線路の一方の端部のみに導電板を接続してもよい。
【０１１０】
図１７と図１８の差異は、図１７では、コンデンサ型共振器の２つの最外電極が直接接続されているのに対し、図１８では、２つの最外電極が直接接続されず、逆相である点にある。図１８に示す本実施の形態に係るメタマテリアルは、第１の実施の形態に係るメタマテリアルと同様、電荷の干渉を抑えられるので、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図１７に示す構造では、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することが困難である。
【０１１１】
図１８で概略を示した本実施の形態に係るメタマテリアルの具体的な構成を図１９に示す。図１９を参照して、本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を基板材料内に作りこんだユニット６００を複数備える。このユニットは、多層基板のような技術を使って、１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこんだものである。この構成では、基板材料が支持部材に相当する。
【０１１２】
各ユニット６００は、信号線路２００の直下に、かつ、信号線路２００とグランド２２０との間に配置されている。また、各ユニット６００は、空間的に連続的に配置される。図１９では、４つのユニット６００を、信号線路２００に沿った方向で配置した例を示しているが、ユニット６００の配置はこれに限られるものではない。１次元状に配置された共振器を、同一平面内に並べて、平面状のメタマテリアルを構成することも可能である。さらに、平面状のメタマテリアルを重ねて、立体的なメタマテリアルを構成することも可能である。
【０１１３】
ユニット６００の構造を図２０および図２１を参照して説明する。図２０は、ユニット６００の斜視図である。図２１は、ユニット６００をｙ方向から見た側面図である。
【０１１４】
図２０に示すように、ユニット６００は、最上部電極６１０ａと、最下部電極６１０ｂと、第１の内部電極６２２と、第２の内部電極６２４と、第３の内部電極６３２と、第４の内部電極６３４と、線路６４０とを備える。また、図２１に示すように、ユニット６００は、さらに、第１の外部電極６５０と、第２の外部電極６６０とを備える。
【０１１５】
最上部電極６１０ａは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも上に（ｚ座標が大きな位置に）配置される。最下部電極６１０ｂは、第１の内部電極６２２、第２の内部電極６２４、第３の内部電極６３２、第４の内部電極６３４よりも下に（ｚ座標が小さな位置に）配置される。最上部電極６１０ａは、−ｚ方向に伸びた側面部分を有する。最下部電極６１０ｂは、＋ｚ方向に伸びた側面部分を有する。また、最上部電極６１０ａは、信号線路２００の真下に配置される。
【０１１６】
線路６４０は、最上部電極６１０ａの−ｚ方向に伸びた側面部分と、最下部電極６１０ｂの＋ｚ方向に伸びた側面部分とを接続する。線路６４０は、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと、各側面部分とをつなぐことで、負の誘電率を実現するλ／２線路の一部として機能する。
【０１１７】
線路６４０と各側面部分により構成される線路の長さは、共振周波数に応じて設計される。ここでは、λ／２の長さをとるため、線路６４０を、中央層に引いたミアンダ線路としている。ただし、線路６４０の形状はこれに限られるわけではなく、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１１８】
なお、最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮するために備えられているものである。共振波長が短縮されるのは、最上部電極６１０ａと信号線路との容量による波長短縮効果による。最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂは、要求される負の誘電率や共振波長により省略することも可能である。
【０１１９】
第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４は、近接して対向して配置される。また、第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４は、近接して対向して配置される。第１の内部電極６２２および第２の内部電極６２４の対（上部電極対とよぶ）は、最上部電極６１０ａの側に配置される。第３の内部電極６３２および第４の内部電極６３４の対（下部電極対とよぶ）は、最下部電極６１０ｂの側に配置される。各々の内部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１２０】
第１の外部電極６５０は、図２１に示すとおり、第１の内部電極６２２と第３の内部電極６３２とを接続する。第２の外部電極６６０は、図２１に示すとおり、第２の内部電極６２４と第４の内部電極６３４とを接続する。各々の外部電極面は、信号線路２００を流れる電流により生じる磁界方向と平行（電界方向と垂直）に配置される。
【０１２１】
上述の線路６４０と最上部電極６１０ａと最下部電極６１０ｂとは、負の誘電率を実現する。第１〜第４の内部電極６２２，６２４，６３２，６３４、ならびに第１の外部電極６５０および第２の外部電極６６０は、上下２枚ずつの電極をもつコンデンサ型共振器を形成し、負の透磁率を実現する。負の誘電率を実現するλ／２線路および負の透磁率を実現するコンデンサ型共振器は、当然ながら、互いに電気的に直接接続されていない。また、λ／２線路およびコンデンサ型共振器は、信号線路２００、グランド２２０に対しても電気的に接続されておらず、浮いた状態となっている。また、各ユニット６００も、お互いに接触していない。
【０１２２】
以上説明したようなユニット６００を空間的に連続に配置することにより、本実施の形態に係るメタマテリアルは、左手系メタマテリアルとして機能する。なお、ユニット６００の配置の仕方は、上述のものに限られない。例えば、平面内に２次元状に配置してもよい。
【０１２３】
本実施の形態に係るメタマテリアルは、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器をユニット内に作りこむことで作成されるため、工業的な製造が容易である。
【０１２４】
［第３の実施の形態］
第３の実施の形態では、第２の実施の形態におけるコンデンサ型共振器のかわりにスプリットリング型の共振器を用いたメタマテリアルについて説明する。
【０１２５】
第３の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット７００の構造を図２２および図２３に示す。図２２は、ユニット７００の斜視図である。図２３は、ユニット７００の側面図である。
【０１２６】
図２２を参照して、ユニット７００は、最上部電極７１０ａと、最下部電極７１０ｂと、第１の内部電極７２２と、第２の内部電極７２４ａと、第３の内部電極７２４ｂと、第４の内部電極７３０と、線路７４０を備える。図２３を参照して、ユニット７００は、さらに、第１の外部電極７５０および第２の外部電極７６０を備える。
【０１２７】
最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂは、第２の実施の形態に係る最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様の構造をもち、各内部電極よりも外部に配置される。
【０１２８】
線路７４０は、最上部電極７１０ａおよび最下部電極７１０ｂを接続する。線路７４０は、第２の実施の形態の線路６４０と同様、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、本実施の形態では、線路７４０として、水平面内を１周半するヘリカル構造のものを用いている。
【０１２９】
第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂは、同一面内で、離して配置される。第１の外部電極７５０は、第２の内部電極７２４ａと第４の内部電極７３０とを接続する。第２の外部電極７６０は、第３の内部電極７２４ｂと第４の内部電極７３０とを接続する。つまり、第２の内部電極７２４ａ、第１の外部電極７５０、第３の内部電極７２４ｂ、第２の外部電極７６０、第３の内部電極７３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有する。したがって、これらの電極は、負の透磁率を発現する。
【０１３０】
第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂと対向して、第２の内部電極７２４ａおよび第３の内部電極７２４ｂとは電気的に接触しないように配置される。第１の内部電極７２２は、第２の内部電極７２４ａと第３の内部電極７２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１３１】
［第４の実施の形態］
１チップ内に、負の誘電率用の共振器および負の透磁率用の共振器を作りこむメタマテリアルの他の例として、周辺に配置したコイルの中に負の透磁率用の共振器を配置したものを作ることもできる。第４の実施の形態では、そのようなメタマテリアルの一例を示す。
【０１３２】
第４の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット８００の構造を図２４、図２５、図２６を参照しつつ説明する。図２４は、ユニット８００の斜視図である。図２５は、ユニット８００の側面図である。図２６は、ユニット８００の上面図である。
【０１３３】
ユニット８００は、コイル状導体８１０と、第１の電極８２２と、第２の電極８２４と、第３の電極８３２と、第４の電極８３４と、第１のビア８４２と、第２のビア８４４とを備える。
【０１３４】
コイル状導体８１０は、ユニット８００の表面に近い領域を複数（ここに示す例では、８回）周回する。コイル状導体８１０は、第１の電極８２２、第２の電極８２４、第３の電極８３２、第４の電極８３４、第１のビア８４２、第２のビア８４４を囲むように配置される。
【０１３５】
第１の電極８２２および第２の電極８２４は、近接して対向して配置される。また、第１の電極８２２および第２の電極８２４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３６】
第３の電極８３２および第４の電極８３４は、近接して対向して配置される。また、第３の電極８３２および第４の電極８３４は、それぞれの水平面内の位置を互いにずらして配置される。
【０１３７】
第１の電極８２２と第２の電極８２４の対は、ユニット８００内の上部に形成される。第３の電極８３２と第４の電極８３４の対は、ユニット８００内の下部に形成される。なお、ここでの上部、下部とは、図２４および図２５に即したものである。
【０１３８】
第１のビア８４２は、第１の電極８２２と第３の電極８３２とを接続する。また、第２のビア８４４は、第２の電極８２４と第４の電極８３４とを接続する。
【０１３９】
以上の構造により、第１〜第４の電極８２２，８２４，８３２，８３４ならびに第１のビア８４２および第２のビア８４４は、コンデンサ型の共振器として機能し、負の透磁率を発現する。
【０１４０】
本実施の形態の構成によれば、第２および第３の実施の形態に比べ、ユニットの大きさを保ちつつ、線路（コイル）の長さを長く取れる。そのため、低い共振周波数を得ることができる。
【０１４１】
［第５の実施の形態］
第３の実施の形態や、第４の実施の形態に係るメタマテリアルを作成するためのユニット（メタマテリアルユニット）では、負の透磁率用の共振器は、内部電極を接続するための外部電極を有していた。これに対し、本実施の形態に係る負の透磁率用の共振器では、内部電極を接続するための導電部が、ビアにより実現される。
【０１４２】
第５の実施の形態に係るメタマテリアルの１つのユニット９００の構造を図２７から図２９に示す。図２７は、ユニット９００の斜視図である。図２８は、ユニット９００の正面図である。図２９は、ユニット９００の側面図である。
【０１４３】
図２７から図２９を参照して、ユニット９００は、最上部電極９１０ａと、第１のビア９１２ａと、第２のビア９１２ｂと、最下部電極９１０ｂと、第１の内部電極９２２と、第２の内部電極９２４ａと、第３の内部電極９２４ｂと、第４の内部電極９３０と、線路９４０と、第３のビア９５０と、第４のビア９６０とを備える。
【０１４４】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂを接続する。
【０１４５】
第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂの全長は、共振波長の略１／２の長さである。第１のビア９１２ａ、線路９４０および第２のビア９１２ｂは、λ／２線路の一部として機能し、負の誘電率を実現する。なお、線路９４０の形状は、図示したミアンダ線路に限られず、例えば、ヘリカルでもスパイラルでも構わない。
【０１４６】
最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、図２１に示す最上部電極６１０ａおよび最下部電極６１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに、共振波長を短縮する機能を発揮する。ただし、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂは、省略することも可能である。
【０１４７】
なお、第１のビア９１２ａの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）および第２のビア９１２ｂの外部端部（線路９４０に接続されていないほうの端部）は、最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂの有無にかかわらず、λ／２線路の両端に電荷がたまるように、負の透磁率用の共振器の外部にあることが好ましい。
【０１４８】
第３のビア９５０は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９３０とを接続する。第４のビア９６０は、第３の内部電極９２４ｂと第３の内部電極９３０とを接続する。第２の内部電極９２４ａ、第３のビア９５０、第３の内部電極９２４ｂ、第４のビア９６０、第３の内部電極９３０は、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極９２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１４９】
本実施の形態に係るユニット９００は、外部電極を必要としない。したがって、このユニットは、製造が容易である。外部電極を備えるユニットを作成する場合、通常、外部電極以外の部分を積層形成したあと、外部電極を積層形成した部品に貼り付ける。一方、本実施の形態に係るユニット９００は、積層形成のみで、作成することができる。
【０１５０】
また、ユニット９００は、複数のユニットを並べたメタマテリアルの作成に好適である。外部電極をもつユニット同士が接触してしまうと、一方のユニットの外部電極に流れる電流が、他方のユニットの外部電極にも流れることになり、適切に電磁波の共振が起きなくなる。したがって、ユニット同士を離して配置する、あるいは、外部電極を絶縁体で覆うなどのユニット加工を行なう必要があった。本実施の形態に係るユニット９００は、互いに隣接させて配置できるので、メタマテリアルをさらに小さくできる。また、加工が不要なため、ユニット９００を用いたメタマテリアルの作成は、容易である。
【０１５１】
ユニット９００の作成方法を、図３０を参照して説明しておく。図３０は、第６の実施の形態に係るユニット９００の作成方法を説明するための図である。
【０１５２】
図３０を参照して、ユニット９００は、複数の層を順次重ねて作成される。図３０には、ユニット９００の主要な構成要素を含む層Ｌ１〜Ｌ６を示している。各層の材料（基板材料）は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。なお、図３０に示しているのは、層Ｌ１〜Ｌ６の一部である。実際には、層Ｌ１〜Ｌ６は、図３０における横方向にさらにのびている。
【０１５３】
層Ｌ１〜Ｌ６には、それぞれ、周期的に配置された複数の（図３０では３×３の）ユニットの構成部品が配置されている。層Ｌ１は、複数の最下部電極９１０ｂを含む。層Ｌ２は、複数の第４の内部電極９３０を含む。層Ｌ３は、複数の線路９４０を含む。層Ｌ４は、第２の内部電極９２４ａと第３の内部電極９２４ｂとの対を複数含む。層Ｌ５は、複数の第１の内部電極９２２を含む。層Ｌ６は、複数の最上部電極９１０ａを含む。
【０１５４】
また、各層のうち、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０に相当する領域には、ビアが形成されている。図３０中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。
【０１５５】
各層を積み重ねて積層体を作った後、積層体を切断して、ユニット９００を作成する。図３０に示す部分からは、９つのユニット９００ができる。なお、積層体を１つ１つのユニット９００にばらすのではなく、いくつかのユニット９００をひとまとまりにして積層体から切り出してもよい。
【０１５６】
なお、本実施の形態では、第３の実施の形態で示したスプリット型共振器の導電部をビアとする構造を示したが、他のタイプの共振器の導電部をビアとすることもできる。例えば、第２の実施の形態で示した多層コンデンサ型共振器の外部電極をビアにしてもよい。
【０１５７】
［第６の実施の形態］
第２、第３、第５の実施の形態に係るメタマテリアルユニットでは、負の誘電率を発現するための線路を、ＬＣ共振器（具体的には、多層コンデンサ型共振器およびスプリット型共振器）の中に形成していた。しかしながら、線路は、必ずしも、ＬＣ共振器の内部になくてもよい。第６の実施の形態では、λ／２線路を、ＬＣ共振器の外部に配置したユニット１０００について説明する。
【０１５８】
第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を図３１に示す。図３１は、第６の実施の形態に係るユニット１０００の構造を示す図である。
【０１５９】
図３１を参照して、ユニット１０００は、最上部電極１０１０ａと、第１のビア１０１２と、最下部電極１０１０ｂと、第１の内部電極１０２２と、第２の内部電極１０２４ａと、第３の内部電極１０２４ｂと、第４の内部電極１０３０と、第２のビア１０５０と、第３のビア１０６０とを備える。
【０１６０】
第１のビア１０１２は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂを接続する。第１のビア１０１２の長さは、共振波長の略１／２である。したがって、第１のビア１０１２は、共振波長の電磁波に対して負の誘電率を発現する。
【０１６１】
なお、本実施の形態では、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂが、直線の第１のビア１０１２で接続されている。しかしながら、図２７に示す構造のように、複数のビアと、水平面内の線路とを組み合わせて、λ／２線路を実現してもよい。ユニットの小型化のためには、この場合の線路は、他の実施の形態で説明したように、ミアンダ線路など屈曲したものであることが好ましい。
【０１６２】
最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂは、第５の実施の形態における最上部電極９１０ａおよび最下部電極９１０ｂと同様に、負の誘電率の絶対値を大きくするとともに共振周波数を短縮する機能を発揮する。
【０１６３】
第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第３の内部電極１０３０、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０２４ｂは、スプリットリング型の共振器と同様の構造を有し、負の透磁率を発現する共振器として機能する。第１の内部電極１０２２は、第４の実施の形態の第１の内部電極７２２と同様、第２の内部電極１０２４ａと第３の内部電極１０２４ｂとの間の切れ目部分の静電容量を補い、共振周波数を下げる役割を果たす。
【０１６４】
第１の内部電極１０２２、第２の内部電極１０２４ａ、第１のビア１０５０、第３の内部電極１０２４ｂ、第２のビア１０６０、および、第３の内部電極１０３０は、最上部電極１０１０ａおよび最下部電極１０１０ｂに挟まれる空間内に配置される。つまり、本実施の形態に係るユニットでは、負の誘電率を発現する共振器の中に、負の透磁率を発現する共振器が形成されている。
【０１６５】
本実施の形態に係るユニット１０００は、第５の実施の形態に係るユニット９００と同様に、ビアによって、内部電極を接続しているため、容易に作成できる。また、ユニット１０００は、ユニットの表面に電極を有さないため、メタマテリアルの作成に好適である。
【０１６６】
［補足］
メタマテリアルが、ある共振周波数において、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現するための、共振器の位置関係について、まとめておく。ここでは、第５の実施の形態で説明したような、スプリットリング型共振器と、半波長共振器とを組み合わせたメタマテリアル（あるいはメタマテリアルユニット）を例にとって、説明する。
【０１６７】
図３２は、スプリットリング型共振器１２１０および半波長共振器１２２０を組み合わせたメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。このメタマテリアルは、第５の実施の形態で説明したとおり、負の透磁率と負の誘電率とを同時に発現する。これは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とが重複しないためである。
【０１６８】
電界が集中する領域について図３３を参照して説明する。図３３は、図３２に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの、電荷および電界の様子を模式的に示す図である。図３３を参照して、半波長共振器１２２０は、第１の最外電極１２２２と、第２の最外電極１２２４と、線路１２２６とを含む。第１の最外電極１２２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１２４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１６９】
図３３には、信号線路２００に電流が流れ、信号線路２００からグランド２２０に向かう電界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、第１の最外電極１２２２には負電荷がたまり、第２の最外電極１２２４には、正電荷がたまる。そして、第１の最外電極１２２２と信号線路２００との間の領域１２３０、ならびに、第２の最外電極１２２４とグランド２２０との間の領域１２４０に大きな電界が発生する。
【０１７０】
つまり、半波長共振により電荷がたまる半波長共振器１２２０の端部と、信号線路２００あるいはグランドとに挟まれる領域が、共振による電界が集中する領域である。なお、ここでは、半波長線路の両端に接続された電極が、半波長共振器１２２０の端部に相当する。しかし、半波長共振器１２２０が電極を含まない場合、半波長線路の両端が半波長共振器１２２０の端部に相当する。
【０１７１】
磁界が集中する領域について図３４を参照して説明する。図３４は、図３２に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの、磁界の様子を模式的に示す図である。図３４を参照して、スプリットリング型共振器１２１０は、第１の導体１２１２と、第２の導体１２１４とを含む。
【０１７２】
図３４には、信号線路２００に電流が流れ、スプリットリング型共振器１２１０から磁界が発生している状況を示している。共振周波数をもつ電流が流れると、電流とスプリットリング型共振器１２１０がＬＣ共振し、第２の導体１２１４の内部の領域１２５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す、大きな磁界が発生する。発生する磁界は、主に紙面に直交する。
【０１７３】
つまり、ＬＣ共振の生じるループの内部領域が、共振による磁界が集中する領域である。言い換えると、キャパシタンスを形成する電極対と、インダクタンスを形成する導電部とに囲まれた空間が、共振による磁界が集中する領域である。
【０１７４】
図３３と図３４とを比較して、電界が集中する領域（領域１２３０および領域１２４０）と、磁界が集中する領域（領域１２５０）とは互いに離れている。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界は、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響をほぼ及ぼさない。逆もまた同様である。したがって、図３２に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することができる。図３２に示す構造をもつメタマテリアルは、誘電率共振により発生する電界が集中する領域とは異なる領域に、透磁率共振により発生する磁界が集中する。
【０１７５】
比較のため、スプリットリング型共振器と、半波長共振器との位置関係を変更したメタマテリアルについて、図３５から図３７を参照して説明する。
【０１７６】
図３５は、図３４のメタマテリアルとは共振器の配置が異なるメタマテリアルと、信号線路２００と、グランド２２０との位置関係を模式的に示した図である。
【０１７７】
図３５に示すメタマテリアルは、スプリットリング型共振器１３１０および半波長共振器１３２０を備える。スプリットリング型の共振器１３１０は、第１の導体１３１２および第２の導体１３１４を含む。半波長共振器１３２０は、全体が、第２の導体１３１４の中に配置されている。
【０１７８】
このメタマテリアルでは、メタマテリアルが電磁界に共振する際に電界が集中する領域と、磁界が集中する領域とに重なりがある。そのため、負の透磁率と負の誘電率とを同時に安定に発現することがやや難しくなる。
【０１７９】
電界が集中する領域を図３６に示す。図３６は、図３５に示すメタマテリアルが、負の誘電率を示すときの電界の集中する領域を説明するための図である。図３６を参照して、半波長共振器１３２０は、第１の最外電極１３２２と、第２の最外電極１３２４と、線路１３２６とを含む。第１の最外電極１３２２は、信号線路２００側に配置されている。第２の最外電極１３４４は、グランド２２０側に配置されている。
【０１８０】
負の誘電率の発生時には、第１の最外電極１３２２と信号線路２００との間の領域１３３０、ならびに、第２の最外電極１３２４とグランド２２０との間の領域１３４０に大きな電界が発生する。
【０１８１】
磁界が集中する領域について図３７を参照して説明する。図３７は、図３５に示すメタマテリアルが、負の透磁率を示すときの磁界の集中する領域を説明するための図である。負の透磁率の発現時には、第２の導体１３１４の内部の領域１３５０に、信号線路２００を流れる電流により発生する磁界を打ち消す方向の大きな磁界が発生する。
【０１８２】
図３６と図３７とを比較して、電界が集中する領域（領域１３３０および領域１３４０）の一部と、磁界が集中する領域（領域１３５０）の一部とは重複する。そのため、半波長共振器１２２０の共振により発生する電界が、スプリットリング型共振器１２１０の共振に影響を及ぼす。逆もまた同様である。したがって、図３５に示したメタマテリアルは、負の誘電率と負の透磁率とを同時に発現することがやや難しくなる。
【０１８３】
なお、以上の説明は、他の種類の共振器をもつメタマテリアルにもあてはまる。例えば、スプリット型共振器を多層コンデンサ型共振器に替えたメタマテリアルについても、以上の説明はあてはまる。
【０１８４】
ただし、多層コンデンサ型共振器を用いる場合には、第１の実施の形態や第２の実施の形態で説明したように、同極性の電荷が、不干渉であることが好ましい。つまり、同極性の電荷が、互いの発現に影響しない程度に離れて発生するように、共振器が構成されていることが好ましい。具体的には、静電容量を形成する複数の電極のうち、最も外部にある２つの最外電極の極性が逆であることが好ましい。
【０１８５】
［第７の実施の形態］
第１の実施の形態から第６の実施の形態までにおいては、メタマテリアル単体について説明した。第７の実施の形態では、第１の実施の形態から第６の実施の形態までで説明したメタマテリアルを用いた電気部品であるインピーダンス整合回路について説明する。
【０１８６】
図３８は、インピーダンス整合回路２１００の接続例を示す図である。図３８を参照して、デバイス（たとえば、トランジスタ）２２００は、伝送線路と異なるインピーダンスを持つ場合が多い。このため、デバイス２２００の入力側および出力側にインピーダンス整合回路２１００を接続して、伝送線路と整合を取る必要がある。
【０１８７】
インピーダンス整合回路２１００の入力側の端子２１２０Ａ，２１２０Ｂには、伝送線路が接続される。また、インピーダンス整合回路２１００の出力側の端子２１３０Ａ，２１３０Ｂには、デバイス２２００が接続される。
【０１８８】
なお、ここでは、デバイスの入力側にインピーダンス整合回路２１００を接続する場合について説明するが、デバイスの出力側にインピーダンス整合回路を接続する場合も同様である。
【０１８９】
図３９は、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａを示す図である。図３９を参照して、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａは、配線層に設けられた伝送線路２１５０と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面２１６０との間のプリント基板内に、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂを設けることによって構成される。
【０１９０】
なお、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂは、部品内蔵基板技術などを用いてプリント基板内に埋め込むことができる。
【０１９１】
ここで、デバイス間を最短経路の伝送線路で結んでその伝送線路の下にメタマテリアルを設けてインピーダンス整合回路とすることができるため、デバイス間の基板上にインピーダンス整合回路を設ける必要を無くすることができるので、インピーダンス整合回路を設けるための面積の分、基板面積の小型化をすることができる。
【０１９２】
また、伝送線路と非接触の状態でメタマテリアルを設けるだけでよいため、伝送線路をカットしてインピーダンス整合回路を割込ませる必要がない。このため、伝送効率を悪化させないようにすることができる。
【０１９３】
メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂは、伝送線路２１５０の電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される。
【０１９４】
図４０は、第７の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ａの回路図および等価回路の回路図を示す図である。図４０（Ａ）は、インピーダンス整合回路２１００Ａの回路図を示す。図４０（Ａ）を参照して、図３８で説明したように、インピーダンス整合回路２１００Ａの入力側の端子２１２０Ａ，２１２０Ｂが伝送線路に接続され、出力側の端子２１３０Ａ，２１３０Ｂがデバイスに接続される。
【０１９５】
図４０（Ｂ）は、インピーダンス整合回路２１００Ａの等価回路の回路図を示す。図４０（Ｂ）を参照して、インピーダンス整合回路２１００Ａは、メタマテリアル２１１０Ａに対応する、コイル２１７０Ａとコンデンサ２１８０Ａとで構成されるインピーダンス整合回路とメタマテリアル２１１０Ｂに対応する、コイル２１７０Ｂとコンデンサ２１８０Ｂとで構成されるインピーダンス整合回路とを組合せたものと等価である。
【０１９６】
ここで、たとえば、背景技術の欄の図５０で説明したインピーダンス整合回路を実現する場合、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ｂが図５０のシリーズのインダクタンスＬとなり、図４０（Ｂ）のコンデンサ２１８０Ａが図５０のシャントのキャパシタンスＣとなり、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ａおよびコンデンサ２１８０Ｂは不要なので小さい値（たとえば、０近辺の値）となるようなメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂが用いられる。この場合は、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂがそれぞれ発現する比誘電率および比透磁率は負の値である必要はない。
【０１９７】
また、図５０で説明したインピーダンス整合回路と異なるもの、たとえば、図５０とコイルとコンデンサが逆の配置のもの、コイルが２個のもの、コンデンサが２個のものなど様々なインピーダンス整合回路がある。
【０１９８】
たとえば、図５０とコイルとコンデンサが逆の配置のものを実現する場合、図４０（Ｂ）のコイル２１７０ＢがシリーズのキャパシタンスＣとなり、図４０（Ｂ）のコンデンサ２１８０ＡがシャントのインダクタンスＬとなり、図４０（Ｂ）のコイル２１７０Ａおよびコンデンサ２１８０Ｂは不要なので小さい値（たとえば、０近辺の値）となるようなメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂが用いられる。この場合は、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂがそれぞれ発現する比誘電率および比透磁率は負の値である必要がある。
【０１９９】
このように、左手系のメタマテリアルは、伝送線路の下に入れることで、シリーズにインダクタンスＬ、シャントにキャパシタンスＣを付加させる機能を有する。したがって、シリーズのインダクタンスＬを負にすれば、シリーズにキャパシタンスＣが入るのと同等になる。また、シャントのキャパシタンスＣを負にすれば、シャントにインダクタンスＬが入るのと同等になる。つまり、左手系のメタマテリアルを用いると、シリーズおよびシャントにインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを自由に入れられるインピーダンス整合回路を実現できる。
【０２００】
また、左手系のメタマテリアルでは、他の既存の材料では不可能な０〜１の比透磁率および比誘電率を与えられるので、極端に小さいインダクタンスＬおよびキャパシタンスＣを用いたインピーダンス整合回路を実現できる。このため、整合の自由度を飛躍的に広げることができる。
【０２０１】
メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂとしては、電流の所定波長の成分に対して、インピーダンス整合回路２１００Ａの一方端側にデバイス２２００が結合される伝送線路２１５０の他方端側から見た特性インピーダンスが整合させたいインピーダンス値に整合するようなものが用いられる。
【０２０２】
図４、図７、図９、図１２、図１３、図１５および図１６で示したように、比誘電率および比透磁率が負になるのは、整合させたい信号の波長が、共振波長より高い一定の範囲に限られる。
【０２０３】
負の誘電率および負の透磁率の両方を発現可能なメタマテリアルにおいては、共振波長は２つある。電界に対する共振は、比誘電率を決める。磁界に対する共振は、比透磁率を決める。
【０２０４】
このことから、電界および磁界の共振周波数（波長）と整合させたい信号の周波数（波長）との組合せでインピーダンス整合回路のインピーダンス値を定める。
【０２０５】
なお、本実施の形態においては、１つのインピーダンス整合回路２１００Ａにおいて、メタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂを２つ用いることとしたが、これに限定されず、メタマテリアルは、１つであってもよいし、３つ以上の複数であってもよい。
【０２０６】
［第８の実施の形態］
第７の実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００Ａにおけるメタマテリアル２１１０Ａ，２１１０Ｂの種類については、第１の実施の形態から第６の実施の形態までで説明したものなどいずれのメタマテリアルを用いてもよいこととした。第８の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルと同様のものを用いる場合について説明する。
【０２０７】
図４１は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの斜視図である。図４２は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの三面図である。図４２（Ａ）から図４２（Ｃ）は、それぞれ、インピーダンス整合回路２１００Ｂの正面図、側面図および平面図である。
【０２０８】
図４１および図４２を参照して、第７の実施の形態の図３９で説明したインピーダンス整合回路２１００Ａと同様、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂは、配線層に設けられた伝送線路２１５１と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面（不図示）との間のプリント基板内に、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂを設けることによって構成される。
【０２０９】
メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂは、それぞれ、最上部電極２１１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂと、線路２１４０Ａ，Ｂと、第３のビア２１５０Ａ，Ｂと、第４のビア２１６０Ａ，Ｂとを備え、それぞれの機能および構造は、第５の実施の形態のメタマテリアルのユニット９００の、最上部電極９１０ａ、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、最下部電極９１０ｂ、第１の内部電極９２２、第２の内部電極９２４ａ、第３の内部電極９２４ｂ、第４の内部電極９３０、線路９４０、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０と同様である。
【０２１０】
最上部電極２１１０ａＡ，Ｂ、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂ、線路２１４０Ａ，Ｂ、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂ、および、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂの順にそれぞれ電気的に接続される構造は、半波長共振器を構成する。
【０２１１】
第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂ、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂ、第３のビア２１５０Ａ，Ｂ、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂ、第４のビア２１６０Ａ，Ｂ、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂ、および、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂの順でそれぞれ一巡するように構成されるＬＣ共振回路と等価な構造は、ＬＣ共振器を構成する。
【０２１２】
なお、伝送線路２１５１、および、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂは、それぞれ互いに、電気的には接触していない。
【０２１３】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、伝送線路２１５１を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように定められる。
【０２１４】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂによって発現される誘電率および透磁率が伝送線路２１５１に電磁気的な影響を与えるように定められる。
【０２１５】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、半波長共振器の第１のビア２１１２ａＡ，Ｂ、線路２１４０Ａ，Ｂ、および、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂでそれぞれ構成されるλ／２線路の両端それぞれの、伝送線路２１５１からの距離が異なるように定められる。
【０２１６】
メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの方向は、それぞれ、伝送線路２１５１を流れる電流により生じる磁界の磁力線が、ＬＣ共振器と等価なＬＣ共振回路を貫通するように定められる。
【０２１７】
伝送線路２１５１と、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの位置関係は、それぞれ、λ／２線路の前述のメタマテリアル上面の側の端が、ＬＣ共振器のメタマテリアル上面の側の最外電極である第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、伝送線路２１５１が配置されるメタマテリアル上面との間となるように定められる。
【０２１８】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、半波長共振器のλ／２線路の両端における電位が、伝送線路２１５１に流れる電流より生じる電界に基づき、異なる電位となるように定められる。
【０２１９】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、ＬＣ共振器が伝送線路２１５１を流れる電流により生じる磁界と磁気結合するように定められる。
【０２２０】
伝送線路２１５１とメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂとの位置関係は、それぞれ、ＬＣ共振器の第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂ、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂ、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂ、および、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂで形成されるＬＣ共振回路面が、伝送線路２１５１に流れる電流により生じる電界方向と略平行になるように定められる。
【０２２１】
また、本実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００Ｂが、２つのメタマテリアル２１１１Ａ，Ｂで構成されることとしたが、共振波長が同じであったり異なったりする複数のメタマテリアルで構成されるようにしてもよい。
【０２２２】
ここで、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂのチップのサイズは、２．４ｍｍ×２．０ｍｍ×１．８ｍｍであり、電極およびビアの間の誘電体の比誘電率は２５である。そして、ミアンダ線路である線路２１４０Ａの全線路長を２．６ｍｍ、線路２１４０Ｂの全線路長を５．６ｍｍとしたときに、２５Ωのデバイスのインピーダンスを伝送線路のインピーダンスの５０Ωに整合する変換特性が得られた。
【０２２３】
このように、ミアンダ線路の全線路長を短くすることにより、シャントのキャパシタンスＣを減らす働きをし、長くすることにより、シャントのキャパシタンスＣを増やす働きをする。
【０２２４】
なお、整合を取るための回路定数としては、ミアンダ線路の全線路長を用いることに限定されず、ＬＣ共振器の共振周波数を用いてもよいし、両方を用いてもよい。
【０２２５】
ＬＣ共振器の共振周波数を変えるためには、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂとのギャップ、および、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂとのギャップを変えたり、メタマテリアル２１１１Ａ，Ｂの誘電体の誘電率を変えたりして、ＬＣ共振器のキャパシタンスＣを変える。
【０２２６】
図４３は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂのスミスチャートである。図４３を参照して、２５Ωから５０Ωに整合していることが分かる。
【０２２７】
図４４は、第８の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｂの入力特性を示すグラフである。図４４を参照して、約２．０ＧＨｚから２．１ＧＨｚまでの範囲で、インピーダンス整合回路２１００Ｂの入力側および出力側の反射が−２０ｄＢ以下となっている。このため、インピーダンス整合回路２１００Ｂは、２．０ＧＨｚから２．１ＧＨｚまでの範囲で、インピーダンス整合回路として用いることができることが分かる。
【０２２８】
このように、共振を用いているので、狙いの特定の周波数帯だけで整合を取ることができ、他の周波数帯にはあまり影響を与えないようにすることができる。たとえば、１ＧＨｚおよび５ＧＨｚは、５０Ωで整合させ、２ＧＨｚだけ２５Ωで整合させるといった使い方ができる。
【０２２９】
また、従来のＬＣ回路を用いたインピーダンス整合回路では、インピーダンスが周波数ごとに変わるので、或る周波数で整合させると、その他の周波数でのインピーダンスが変わってしまうため、複数の周波数帯で整合させるためには調整が困難であるといった問題があった。
【０２３０】
本実施の形態におけるインピーダンス整合回路２１００Ｂを用いれば、共振周波数が異なるメタマテリアルを複数含むようにすれば、互いに影響を与えず複数の周波数帯で所望のインピーダンスで容易に整合させることができる。
【０２３１】
［第９の実施の形態］
第８の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第５の実施の形態で説明したメタマテリアルと同様のものを用いる場合について説明した。第９の実施の形態においては、インピーダンス整合回路において、第１の実施の形態で説明したように負の透磁率を発現可能な共振器と、負の誘電率を発現可能な共振器とを交互に並べて配置したものを用いる場合について説明する。
【０２３２】
図４５は、第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｃの斜視図である。図４５を参照して、第９の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｃは、配線層に設けられた伝送線路２１５２と、配線層と隣接する層に設けられたグランド面（不図示）との間のプリント基板内に、負の透磁率を発現可能な共振器２１１２Ａ〜Ｃと、負の誘電率を発現可能な共振器２１１３Ａ〜Ｃとを交互に設けることによって構成される。
【０２３３】
負の透磁率を発現可能な共振器２１１２Ａ〜Ｃとしては、第１の実施の形態で説明したようなＭＬＣＣ（multi-layer ceramic capacitor、積層セラミックコンデンサ）を用いてもよいし、スプリットリング共振器を用いるようにしてもよい。
【０２３４】
負の誘電率を発現可能な共振器２１１３Ａ〜Ｃとしては、第１の実施の形態で説明したようなヘリカルコイルを用いてもよいし、チップコイルを用いてもよいし、金属細線樹脂を用いてもよい。
【０２３５】
ＭＬＣＣおよびチップコイルは、汎用電気部品であるので、インピーダンス整合回路２１００Ｃの製造コストを削減することができる。
【０２３６】
また、メタマテリアルを構成する素子の数が減るので、設計の自由度が制限されるが、インピーダンス整合回路２１００Ｃの構造を簡単にすることができる。
【０２３７】
［第１０の実施の形態］
第７から第９の実施の形態においては、プリント基板内にメタマテリアルを設けることによってインピーダンス整合回路を構成するようにした。第１０の実施の形態においては、プリント基板の配線層に設けられた伝送線路に後付けで取付けられるインピーダンス整合回路について説明する。
【０２３８】
図４６は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの取付け方を説明するための図である。第１０の実施の形態に係るインピーダンスを整合するための部品であるインピーダンス整合回路２１００Ｄは、図４７および図４８で後述するように、内部にメタマテリアルを２つ含む。また、インピーダンス整合回路２１００Ｄの図４６におけるの手前側の面、上面および向こう側の面には、それぞれ、グランド面２４０１ａ〜ｃが形成される。グランド面２４０１ａ〜ｃは、電気的に接続される。
【０２３９】
図４６を参照して、伝送線路２１５３に隣接したグランド面２１６３Ａ，Ｂが設けられたコプレナ線路の伝送線路２１５３上にインピーダンス整合回路２１００Ｄを載せて、手前側の面および向こう側の面に形成されたグランド面２４０１ａ，ｃが、それぞれ、コプレナ線路のグランド面２１６３Ａ，Ｂと電気的に接続される。
【０２４０】
なお、インピーダンス整合回路２１００Ｄは、コプレナ線路の伝送線路２１５３と電気的に接続されない。
【０２４１】
図４７は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの斜視図である。図４８は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの三面図である。図４８（Ａ）から図４８（Ｃ）は、それぞれ、インピーダンス整合回路２１００Ｄの正面図、側面図および平面図である。
【０２４２】
図４７および図４８を参照して、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄには、内部にメタマテリアル２１１４Ａ，Ｂが設けられ、前述したように、インピーダンス整合回路２１００Ｄの外面のうち手前側の面、上面および向こう側の面にグランド面が形成される。
【０２４３】
メタマテリアル２１１４Ａ，Ｂは、それぞれ、最上部電極２４１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２４１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２４１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２４１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２４２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２４２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２４２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２４３０Ａ，Ｂと、線路２４４０Ａ，Ｂと、第３のビア２４５０Ａ，Ｂと、第４のビア２４６０Ａ，Ｂとを備え、それぞれの機能および構造は、第５の実施の形態のメタマテリアルのユニット９００の、最上部電極９１０ａ、第１のビア９１２ａ、第２のビア９１２ｂ、最下部電極９１０ｂ、第１の内部電極９２２、第２の内部電極９２４ａ、第３の内部電極９２４ｂ、第４の内部電極９３０、線路９４０、第３のビア９５０、および、第４のビア９６０、ならびに、第８の実施の形態の最上部電極２１１０ａＡ，Ｂと、第１のビア２１１２ａＡ，Ｂと、第２のビア２１１２ｂＡ，Ｂと、最下部電極２１１０ｂＡ，Ｂと、第１の内部電極２１２２Ａ，Ｂと、第２の内部電極２１２４ａＡ，Ｂと、第３の内部電極２１２４ｂＡ，Ｂと、第４の内部電極２１３０Ａ，Ｂと、線路２１４０Ａ，Ｂと、第３のビア２１５０Ａ，Ｂと、第４のビア２１６０Ａ，Ｂと同様である。
【０２４４】
このように、本実施の形態におけるインピーダンス整合回路２１００Ｄの部品は、基板内に内蔵する必要がないので、実装が容易である。
【０２４５】
また、インピーダンス整合回路２１００Ｄをこのような構造とすることによって、整合回路を介さずに、トランジスタ、ＩＣまたはモジュールなどのデバイスを伝送線路で直接接続して配線し、必要に応じて、後付けで、伝送線路の上に、インピーダンス整合回路２１００Ｄの部品を置くことで、容易にインピーダンス整合を行なうことができる。
【０２４６】
図４９は、第１０の実施の形態に係るインピーダンス整合回路２１００Ｄの作成方法を説明するための図である。
【０２４７】
図４９を参照して、インピーダンス整合回路２１００Ｄは、複数の層を順次重ねて作成される。図４９には、インピーダンス整合回路２１００Ｄの主要な構成要素を含む層Ｌ１〜Ｌ６を示している。各層の材料（基板材料）は、樹脂などの絶縁性材料である。いくつかの層の基板材料上には金属部品が形成されている。また、いくつかの層の基板材料には、基板材料を貫通するようにビアが形成されている。
【０２４８】
層Ｌ１〜Ｌ６には、それぞれ、２つのメタマテリアル２１１４Ａ，Ｂの構成部品が配置されている。層Ｌ１は、２つの最下部電極２４１０ｂＡ，Ｂを含む。層Ｌ２は、２つの第４の内部電極２４３０Ａ，Ｂを含む。層Ｌ３は、２つの線路２４４０Ａ，Ｂを含む。層Ｌ４は、第２の内部電極２４２４ａＡ，Ｂと第３の内部電極２４２４ｂＡ，Ｂとの対を２つ含む。層Ｌ５は、２つの第１の内部電極２４２２Ａ，Ｂを含む。層Ｌ６は、２つの最上部電極２４１０ａＡ，Ｂを含む。
【０２４９】
また、各層のうち、第１のビア２４１２ａＡ，Ｂ、第２のビア２４１２ｂＡ，Ｂ、第３のビア２４５０Ａ，Ｂ、および、第４のビア２４６０Ａ，Ｂに相当する領域には、ビアが形成されている。図４９中では、ビアを垂直方向の細線にて示している。
【０２５０】
各層を積み重ねて積層体を作った後、外径が直方体状になるように絶縁体などで表面を覆って、その直方体の図４９において手前側の面、上面および向こう側の面にグランド面を形成することによって、インピーダンス整合回路２１００Ｄが作成される。
【０２５１】
［変形例］
前述した実施の形態においては、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄの電気部品、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを含む電気回路基板、および、インピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを含む電気回路の部分構造として発明を説明した。
【０２５２】
しかし、これに限定されず、前述した実施の形態で説明したようなインピーダンス整合回路２１００，２１００Ａ〜Ｄを用いてインピーダンスを整合させるインピーダンス整合方法として発明を捉えることができる。
【０２５３】
［その他］
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
【符号の説明】
【０２５４】
２ 外部電極、３ 外部電極、４ 内部電極、４ａ 電極、４ｂ 電極、５ 内部電極、５ａ 電極、５ｂ 電極、６ スペーサ、１０ 外装部、１００ コイル型共振器、１１０ 中心軸、２００ 信号線路、２２０ グランド、３００ コンデンサ型共振器、６００ ユニット、６１０ａ 最上部電極、６１０ｂ 最下部電極、６２２，６２４，６３２，６３４ 内部電極、６４０ 線路、６５０，６６０ 外部電極、７００ ユニット、７１０ａ 最上部電極、７１０ｂ 最下部電極、７２２，７２４ａ，７２４ｂ，７３０ 内部電極、７４０ 線路、７５０，７６０ 外部電極、８００ ユニット、８１０ コイル状導体、８２２，８２４，８３２，８３４ 電極、８４２，８４４ ビア、９１０ａ，２１１０ａＡ，Ｂ，２４１０Ａ，Ｂ 最上部電極、９１０ｂ，２１１０ｂＡ，Ｂ，２４１０ｂＡ，Ｂ 最下部電極、９１２ａ，２１１２ａＡ，Ｂ，２４１２ａＡ，Ｂ 第１のビア、９１２ｂ，２１１２ｂＡ，Ｂ，２４１２ｂＡ，Ｂ 第２のビア、９２２，２１２２Ａ，Ｂ，２４２２Ａ，Ｂ 第１の内部電極、９２４ａ，２１２４ａＡ，Ｂ，２４２４ａＡ，Ｂ 第２の内部電極、９２４ｂ，２１２４ｂＡ，Ｂ，２４２４ｂＡ，Ｂ 第３の内部電極、９３０，２１３０Ａ，Ｂ，２４３０Ａ，Ｂ 第４の内部電極、９４０，２１４０Ａ，Ｂ，２４４０Ａ，Ｂ 線路、９５０，２１５０Ａ，Ｂ，２４５０Ａ，Ｂ 第３のビア、９６０，２１６０Ａ，Ｂ，２４６０Ａ，Ｂ 第４のビア、２１００，２１００Ａ〜Ｄ インピーダンス整合回路、２１１０Ａ，Ｂ，２１１１Ａ，Ｂ，２１１４Ａ，Ｂ メタマテリアル、２１１２Ａ〜Ｃ，２１１３Ａ〜Ｃ 共振器、２１２０Ａ，Ｂ，２１３０Ａ，Ｂ 端子、２１５０，２１５１，２１５２，２１５３ 伝送線路、２１６０，２１６３Ａ，Ｂ グランド面、２１７０Ａ，Ｂ コイル、２１８０Ａ，Ｂ コンデンサ、２２００ デバイス、２４０１ａ〜ｃ グランド面。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電流を通すための伝送線路と、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気部品。
【請求項２】
前記メタマテリアルのインピーダンスは、前記電流の前記所定波長の成分に対して、一方端側にデバイスが結合される前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される、請求項１に記載の電気部品。
【請求項３】
前記メタマテリアルは、
前記第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、
前記第１の共振器は、前記第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器と、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、
前記支持部材は、前記第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、前記第２の共振器の共振による磁界が集中するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項１に記載の電気部品。
【請求項４】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端が前記第２の共振器の外部に位置するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項５】
前記支持部材は、共振により前記第１の共振器および前記第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項６】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端の前記伝送線路からの距離が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項７】
前記第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、
前記支持部材は、前記電流により生じる磁界が前記ＬＣ共振器の共振ループを通過するように前記ＬＣ共振器の位置を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項８】
前記支持部材は、前記半波長線路の第１の端を、前記第２の共振器と前記伝送線路を含む面との間に固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項９】
前記第２の共振器は、
第１の最外電極と、
前記第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極とを含み、
前記支持部材は、前記半波長線路の前記第１の端を前記第１の最外電極と前記伝送線路を含む面との間に固定する、請求項８に記載の電気部品。
【請求項１０】
前記支持部材は、前記電流により生じる、前記半波長線路の両端における電位が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１１】
前記支持部材は、前記第２の共振器が前記電流により生じる磁界と磁気結合するように前記第２の共振器の位置を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１２】
前記第２の共振器は、
第１の電極と、
前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、
前記支持部材は、前記第１の電極および前記第２の電極で形成される共振ループが前記電流により生じる電界方向と略平行になるように、前記第１の電極および前記第２の電極を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１３】
前記メタマテリアルは、
前記第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、
前記第１の共振器は、前記第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器を備え、
前記第２の共振器は、
複数の板状電極を含み、
前記板状電極は、複数の第１板状電極と、各前記第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極とからなり、
前記第２の共振器は、さらに、
前記複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部と、
前記複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部とを含み、
前記複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極および第２の最外電極は、それぞれ、前記第１板状電極および前記第２板状電極であり、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、
前記支持部材は、前記第１の最外電極が前記半波長線路の第１の端部に近接し、かつ、前記第２の最外電極が前記半波長線路の第２の端部に近接するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項１に記載の電気部品。
【請求項１４】
前記第１の共振器は、さらに、
前記第１の端部に接続された第１の導電板と、
前記第２の端部に接続された第２の導電板とを含み、
前記支持部材は、前記第２の共振器の外部であって前記第１の最外電極と対向する位置に前記第１の導電板を固定し、前記第２の共振器の外部であって前記第２の最外電極と対向する位置に前記第２の導電板を固定する、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１５】
前記メタマテリアルを複数備える、請求項１に記載の電気部品。
【請求項１６】
複数の前記メタマテリアルは、前記電流の前記所定波長の成分に対して前記所定の誘電率を示す第１の共振器を有するメタマテリアルと、前記所定波長の成分に対して前記所定の透磁率を示す第２の共振器を有するメタマテリアルとを含む、請求項１５に記載の電気部品。
【請求項１７】
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを備え、
前記メタマテリアルは、基板上の伝送線路と非接触の状態で前記基板に取付けられたときに前記伝送線路を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気部品。
【請求項１８】
前記基板に取付けられたときに、前記メタマテリアルを挟んで前記伝送線路と反対側に配置されるグランド面をさらに備え、
前記グランド面は、前記基板に取付けられたときに前記基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する、請求項１７に記載の電気部品。
【請求項１９】
電流を通すための伝送線路と、
前記伝送線路の一方端側と結合されるデバイスと、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置され、
前記メタマテリアルのインピーダンスは、前記電流の前記所定波長の成分に対して、前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される、電気回路基板。
【請求項２０】
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを用いて電流を通すための伝送線路の一方端に結合されるデバイスのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合方法であって、
前記メタマテリアルを、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向を定めて配置するステップと、
前記メタマテリアルのインピーダンスを、前記電流の前記所定波長の成分に対して、前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定するステップとを含む、インピーダンス整合方法。
【請求項２１】
電流を通すための伝送線路と、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気回路の部分構造。
【請求項１】
電流を通すための伝送線路と、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気部品。
【請求項２】
前記メタマテリアルのインピーダンスは、前記電流の前記所定波長の成分に対して、一方端側にデバイスが結合される前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される、請求項１に記載の電気部品。
【請求項３】
前記メタマテリアルは、
前記第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、
前記第１の共振器は、前記第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器と、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材とを備え、
前記支持部材は、前記第１の共振器の共振による電界が集中する領域と異なる領域に、前記第２の共振器の共振による磁界が集中するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項１に記載の電気部品。
【請求項４】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端が前記第２の共振器の外部に位置するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項５】
前記支持部材は、共振により前記第１の共振器および前記第２の共振器に発生する同極性の電荷が、互いに不干渉であるように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項６】
前記支持部材は、前記半波長線路の両端の前記伝送線路からの距離が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求項３に記載の電気部品。
【請求項７】
前記第２の共振器は、ＬＣ共振器であって、
前記支持部材は、前記電流により生じる磁界が前記ＬＣ共振器の共振ループを通過するように前記ＬＣ共振器の位置を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項８】
前記支持部材は、前記半波長線路の第１の端を、前記第２の共振器と前記伝送線路を含む面との間に固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項９】
前記第２の共振器は、
第１の最外電極と、
前記第１の最外電極と極性の異なる第２の最外電極とを含み、
前記支持部材は、前記半波長線路の前記第１の端を前記第１の最外電極と前記伝送線路を含む面との間に固定する、請求項８に記載の電気部品。
【請求項１０】
前記支持部材は、前記電流により生じる、前記半波長線路の両端における電位が異なるように前記第１の共振器を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１１】
前記支持部材は、前記第２の共振器が前記電流により生じる磁界と磁気結合するように前記第２の共振器の位置を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１２】
前記第２の共振器は、
第１の電極と、
前記第１の電極に対向する第２の電極とを備え、
前記支持部材は、前記第１の電極および前記第２の電極で形成される共振ループが前記電流により生じる電界方向と略平行になるように、前記第１の電極および前記第２の電極を固定する、請求項６に記載の電気部品。
【請求項１３】
前記メタマテリアルは、
前記第１の共振波長の電磁波に対して負の誘電率を示す第１の共振器を備え、
前記第１の共振器は、前記第１の共振波長の略１／２の長さの半波長線路を含み、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第２の共振波長の電磁波に対して負の透磁率を示す第２の共振器を備え、
前記第２の共振器は、
複数の板状電極を含み、
前記板状電極は、複数の第１板状電極と、各前記第１板状電極と対向して各々配置された複数の第２板状電極とからなり、
前記第２の共振器は、さらに、
前記複数の第１板状電極を電気的に接続する第１の接続部と、
前記複数の第２板状電極を電気的に接続する第２の接続部とを含み、
前記複数の板状電極のうち最外部に配置された第１の最外電極および第２の最外電極は、それぞれ、前記第１板状電極および前記第２板状電極であり、
前記メタマテリアルは、さらに、
前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する支持部材を備え、
前記支持部材は、前記第１の最外電極が前記半波長線路の第１の端部に近接し、かつ、前記第２の最外電極が前記半波長線路の第２の端部に近接するように、前記第１の共振器および前記第２の共振器の位置を固定する、請求項１に記載の電気部品。
【請求項１４】
前記第１の共振器は、さらに、
前記第１の端部に接続された第１の導電板と、
前記第２の端部に接続された第２の導電板とを含み、
前記支持部材は、前記第２の共振器の外部であって前記第１の最外電極と対向する位置に前記第１の導電板を固定し、前記第２の共振器の外部であって前記第２の最外電極と対向する位置に前記第２の導電板を固定する、請求項１３に記載の電気部品。
【請求項１５】
前記メタマテリアルを複数備える、請求項１に記載の電気部品。
【請求項１６】
複数の前記メタマテリアルは、前記電流の前記所定波長の成分に対して前記所定の誘電率を示す第１の共振器を有するメタマテリアルと、前記所定波長の成分に対して前記所定の透磁率を示す第２の共振器を有するメタマテリアルとを含む、請求項１５に記載の電気部品。
【請求項１７】
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを備え、
前記メタマテリアルは、基板上の伝送線路と非接触の状態で前記基板に取付けられたときに前記伝送線路を流れる電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気部品。
【請求項１８】
前記基板に取付けられたときに、前記メタマテリアルを挟んで前記伝送線路と反対側に配置されるグランド面をさらに備え、
前記グランド面は、前記基板に取付けられたときに前記基板上のグランド線路と電気的に接続させるためのグランド接続部を有する、請求項１７に記載の電気部品。
【請求項１９】
電流を通すための伝送線路と、
前記伝送線路の一方端側と結合されるデバイスと、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置され、
前記メタマテリアルのインピーダンスは、前記電流の前記所定波長の成分に対して、前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定される、電気回路基板。
【請求項２０】
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルを用いて電流を通すための伝送線路の一方端に結合されるデバイスのインピーダンスを整合させるインピーダンス整合方法であって、
前記メタマテリアルを、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向を定めて配置するステップと、
前記メタマテリアルのインピーダンスを、前記電流の前記所定波長の成分に対して、前記伝送線路の他方端側から見た特性インピーダンスが所定のインピーダンス値に整合する値に設定するステップとを含む、インピーダンス整合方法。
【請求項２１】
電流を通すための伝送線路と、
電磁界の第１の共振波長および前記第１の共振波長と同じまたは異なる第２の共振波長の成分に対してそれぞれ負の誘電率および負の透磁率を発現可能なメタマテリアルとを備え、
前記メタマテリアルは、前記伝送線路と非接触の状態で、前記電流の所定波長の成分による電磁界に対して所定のインピーダンス整合回路の等価回路を構成するための所定の誘電率および所定の透磁率を示すように位置および方向が定められて配置される、電気回路の部分構造。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２２】
【図２３】
【図２４】
【図２５】
【図２６】
【図２７】
【図２８】
【図２９】
【図３０】
【図３１】
【図３２】
【図３３】
【図３４】
【図３５】
【図３６】
【図３７】
【図３８】
【図３９】
【図４０】
【図４１】
【図４２】
【図４３】
【図４４】
【図４５】
【図４６】
【図４７】
【図４８】
【図４９】
【図５０】
【公開番号】特開２０１２−１０１５０（Ｐ２０１２−１０１５０Ａ）
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１４４９５５（Ｐ２０１０−１４４９５５）
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月１２日（２０１２．１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年６月２５日（２０１０．６．２５）
【出願人】（０００００６２３１）株式会社村田製作所 (3,635)
【Ｆターム（参考）】
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