コプレーナウェイブガイドの左手系波動伝搬

自然界には存在しない左手系材質を人工的に作出する手立てとして、波長より十分に小さなユニット構造を配列した構造を定義します。この構造体により、有効誘電率や有効透磁率の制御が可能な媒質が得られます。本資料ではSRR（Split Ring Resonators）として知られる概念を用いた事例をご紹介します。概念の詳細は論文[1]を参照してください。論文では、さまざまな概念の解説とともに、特定の周波数帯で測定を行うためのセットアップ方法も説明しています。

この事例ではCST MW STUDIO（CST MWS）を使用して、測定のセットアップのモデリングとシミュレーションを行いました。シミュレーション用の単一SRRモデルを図1に示します。方形ウェイブガイドに配置された金属製スクリーンに円形のアパーチャを開け、そこに単一のSRRを設置した構造です。

シミュレーションモデルにはエッジ結合による SRR を使用しています。 代表的なシミュレーション結果を図2に示します。S21がSRRの共振点でピークを示しています。

左手系構造の設置例 [2] を図3に示します：通常のコプレーナウェイブガイド（CPW）をベースとした構造です。基板の裏面にSRRを対称形に配列します。CPWの接地側線と信号線は各SRRの中心で細いワイヤによって接続されます。

[2]に説明されている集中乗数素子回路モデルの分散は、リングの共振周波数以上で狭帯域の通過域を示します。伝搬定数βは周波数とともに減少するため、位相と群速度は逆行します。したがって負の伝搬が発生し、構造は狭帯域の左手系材質（LHM）のような特性を示します。Sパラメータ応答を図4に示します。また、通過帯域の中心と外における磁界の様子を図5と6にそれぞれ示します。

SRR の電流密度は図 7 で見ることができます。

接続ワイヤが除かれると透磁率は負ではなくなり、通過帯域特性は遮断帯域へと変化します。CST MWSモデルとSパラメータをそれぞれ図8と9に示します。

まとめ

SRRと連結され、信号とグラウンドを結ぶワイヤによって周期的に励起されるCPWの左手系伝搬波が、インダクタに似た特性を示します。負の誘電率と透磁率はリングの共振周波数近傍に限って共に発現することから、信号伝搬は狭帯域に限られます。CST MW STUDIOでシミュレーションを行い、[2]のデータと良く一致する結果を得ました。

参考文献

[1] R.Marques, F. Mesa. J. Martel, F. Medina: ″Comparative Analysis of Edge- and Broadside coupled SRRs for meta material design - Theory and experiments″, IEEE Trans. on Ant. and Prop., Vol.51, No.10, Oct 2003

[2] F. Martin, J. Bonache, F. Falcone, M. Sorolla, R. Marques: ″Split-Ring Resonator-based left-handed coplanar waveguide″, Applied Physics Letters, Vol.83, No.22, 1 Dec 2003