(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導体と、
前記第１導体に少なくとも一部が対向して設けられた第２導体と、
前記第１導体と前記第２導体との間に配置され、前記第１導体又は前記第２導体のいずれか一方と導体接続部を介して電気的に接続されているとともに他方の導体に対向して設けられ、開放端を有する伝送線路と、を含み、
前記第２導体と前記伝送線路と前記導体接続部とを少なくとも含んで構成される単位構造を少なくとも一つ含むことを特徴とする構造体。
【請求項２】
前記単位構造が繰り返し配置されていること特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第１導体は、繰り返し配置されている複数の前記単位構造で共通になっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体。
【請求項４】
前記第１導体において前記第２導体に対向する面の面方向の寸法が、前記第２導体において前記第１導体に対向する面の面方向の寸法と異なることを特徴とする請求項１〜３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項５】
前記他方の導体が前記伝送線路のリターンパスであることを特徴とする請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項６】
前記第２導体において前記第１導体と対向する面が、前記第１導体において前記第２導体と対向する面と平行になっていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項７】
前記第１導体又は前記第２導体の前記一方の導体と前記伝送線路との間に配置された誘電体層を含み、
前記導体接続部が前記誘電体層を貫通して設けられた導体ビアであることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項８】
前記一方の導体と前記伝送線路との間に配置された誘電体層と、前記他方の導体と前記伝送線路との間に配置された第２の誘電体層を含み、
前記他方の導体に開口が設けられており、
前記導体接続部が、前記誘電体層と前記第２の誘電体層とを貫通して設けられた導体ビアであるとともに、一部が前記開口内に配置されており前記他方の導体と非接触になっていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項９】
前記単位構造が、前記第１導体と平行な平面上に１次元的に又は２次元的に周期的に配置されていることを特徴とする請求項１〜８のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１０】
前記伝送線路は、前記他方の導体と対向する面に平面的に設けられており、該伝送線路の平面形状がスパイラル形状になっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１１】
前記伝送線路は、前記他方の導体プレーンと対向する面に平面的に設けられており、該伝送線路の平面形状がミアンダ形状になっていることを特徴とする請求項１〜９のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１２】
前記伝送線路が複数の端部を含んでおり、前記複数の端部の少なくとも１つが前記導体接続部と電気的に接続されていることを特徴とする請求項１〜１１のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１３】
前記伝送線路が、分岐部と該分岐部から互いに分岐した枝線路とを含んでおり、前記枝線路の線路長が互いに異なっていることを特徴とする請求項１〜１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１４】
前記単位構造は、該単位構造に入射する電磁波の波数又は波長に対する周波数の分散関係にバンドギャップを有しており、該単位構造により電磁バンドギャップ構造の一部が構成されることを特徴とする請求項１〜１３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の構造体を備えることを特徴とするプリント基板。
【請求項１６】
前記構造体により反射板が構成されることを特徴とする請求項１５に記載のプリント基板。
【請求項１７】
前記プリント基板に複数のデバイスが設けられており、前記デバイスの間における電磁波の伝播経路の少なくとも１つを遮って、前記構造体が設けられていることを特徴とする請求項１６に記載のプリント基板。
【請求項１８】
前記構造体を構成する前記単位構造の少なくとも１つに電気信号を供給する給電部が設けられていることを特徴とする請求項１５に記載のプリント基板。
【請求項１９】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の構造体を備えることを特徴とするアンテナ。
【請求項２０】
前記構造体により反射板が構成されることを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２１】
前記単位構造の少なくとも１つに電気信号を供給する給電部が設けられていることを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ。
【請求項２２】
前記単位構造は複数繰り返し配置されており、
前記第２導体と異なる平面に設けられ、互いに隣接する２つの前記第２導体の双方と重なるように配置された補助導体を少なくとも１つ備えることを特徴とする請求項２０に記載のアンテナ。
【請求項２３】
前記補助導体が、前記伝送線路と同一平面に配置されていることを特徴とする請求項２２に記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記給電部が、前記他方の導体と同一平面に設けられているとともに、前記他方の導体の少なくとも１つと電気的に接続されていることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記給電部が、前記一方の導体と同一平面に設けられ前記導体接続部のいずれか１つに接続するコプレナー線路を含んでいることを特徴とする請求項２１〜２３のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項２６】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の構造体を反射板として備えることを特徴とする伝送線路導波管変換器。
【請求項２７】
請求項２０〜２５のいずれか一項に記載のアンテナをアレイ要素として、複数のアレイ要素を同一平面に配置して構成されることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２８】
請求項１〜１４のいずれか一項に記載の構造体、請求項１５〜１８のいずれか一項に記載のプリント基板、請求項１９〜２５のいずれか一項に記載のアンテナ、請求項２６に記載の伝送線路導波管変換器、及び請求項２７に記載のアレイアンテナの少なくとも１つを備えることを特徴とする電子装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、構造体、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器、アレイアンテナ、電子装置に関する。特に、右手左手系複合媒質を含んで構成され、電磁波に対する分散関係が制御された構造体、及びこの構造体を含んだ、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器、アレイアンテナ、電子装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、構造体を媒体として伝播する電磁波の分散関係を人工的に制御するメタマテリアル技術が提案され、さまざまな分野で工学的応用が検討されている。分散関係とは、伝播する電磁波の波数（もしくは波長）と周波数との関係のことである。導体パターンや導体構造が周期的に配列された構造体において、各種要素の寸法や配置、物性等を適切に設定することにより、分散関係を制御することが可能である。【０００３】
メタマテリアルの１つとして、右手左手系複合（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｒｉｇｈｔ  ａｎｄ  Ｌｅｆｔ  Ｈａｎｄｅｄ；ＣＲＬＨと略記する）媒質であるＣＲＬＨ伝送線路が知られている。ＣＲＬＨ伝送線路は、入射する電磁は周波数によって右手系媒質、左手系媒質、電磁バンドギャップ構造（以下、ＥＢＧ構造と略記する）としての性質を示すことが知られている。一般的なＣＲＬＨ伝送線路は、単位構造が１次元に又は２次元に周期的に配置された構成になっている。単位構造の１種であるマッシュルーム型構造は、誘電体層表面の導体パッチと誘電体層裏面の導体プレーンとが、誘電体層を貫通する導体ビア等により電気的に接続された構造になっている。【０００４】
ところで、特定の周波数帯の電磁波の伝播が抑制されるような分散関係を持つ構造は、ＥＢＧ構造と呼ばれる。プリント基板やデバイスパッケージ基板等の基板にＥＢＧ構造を設置すると、基板表面に生じる電磁波の伝播を抑制することができ、例えば基板に実装されたアンテナ間やデバイス間の電磁干渉を低減することができる。ＥＢＧ構造は、バンドギャップの付近で、入射電磁波を同相で反射する磁気壁として機能することが知られている。この特性を利用して、ＥＢＧ構造をアンテナ背面に設置すると、放射効率を落とすことなく、アンテナの低背化を実現することができる。【０００５】
ＣＲＬＨ伝送線路において、隣接する導体パッチ間に形成されるキャパシタンス成分は、導体ビアから形成されるインダクタンス成分とＬＣ並列共振回路を構成する。ＣＲＬＨ伝送線路は、共振周波数近傍にバンドギャップを有するので、ＥＢＧ構造として利用可能である。このバンドギャップを低周波化するには、インダクタンス成分を増加させるとよい。しかしながら、インダクタンス成分を増加させるために導体ビアを長くすると、構造が厚型化してしまう。【０００６】
このような不都合を解決可能な技術として、例えば特許文献１、２に開示されている技術が挙げられる。特許文献１では、導体パッチ層と導体プレーン層の間に、スパイラルインダクタなどの平面的なインダクタンス要素を配置した中間層を設けている。インダクタンス要素は、パッチ層や導体プレーンと導体ビアで接続されている。平面的なインダクタンス要素を設けることにより、ＥＢＧ構造を厚型化することなく、インダクタンス成分を増加させることができる。【０００７】
特許文献２のアンテナは、ＣＲＬＨ伝送線路が左手系媒体として動作する周波数帯における線路長共振を利用したものである。通常の媒質（右手系媒質）では、周波数が低くなるほど電磁波の波長が長くなるため、アンテナの構造が大型になる。左手系媒質では周波数が低くなるほど電磁波の波長が短くなるため、ＣＲＬＨ伝送線路を左手系媒質として利用することによりアンテナを小型化することができる。特許文献２では、導体プレーンと導体ビアとの接続部付近に、スリットが設けられてコプレナー線路が形成されている。コプレナー線路を設けることにより、アンテナを厚型化することなく、インダクタンス成分を増加させることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００６-２５３９２９号公報
【特許文献２】米国特許出願公開第２００７／０１７６８２７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
特許文献１、２の技術にあっては、厚型化を招くことなくインダクタンス成分を増加させることができるが、以下のような問題点がある。
特許文献１の構造では、インダクタンス要素を導体パッチ層に接続する第１導体ビアと、インダクタンス要素を導体プレーン層に接続する第２導体ビアの２つの導体ビアを単位構造ごとに設ける必要がある。したがって、構造が複雑になり、製造に要する工数が増えること等により製造効率の低下や製造コストの増大を招いてしまう。
特許文献２の構造では、不要な電磁波が、コプレナー線路を形成するために設けた導体プレーンのスリットから漏れて、導体プレーンの外側に放射されてしまう。【００１０】
本発明は、前記事情に鑑み成されたものであって、薄型化及び低周波化を低コストで実現することが可能であり、しかも構造裏面への不要放射を低減することが可能な構造体を提供することを目的の１つとする。また、この構造体を含んだ、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器、アレイアンテナ及び電子装置を提供することを目的の１つとする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は前記目的を達成するために、以下のような構成を採用している。
本発明の構造体は、第１導体と、前記第１導体に少なくとも一部が対向して設けられた第２導体と、前記第１導体と前記第２導体との間に配置され、前記第１導体又は前記第２導体のいずれか一方の導体プレーンと導体接続部を介して電気的に接続されているとともに他方の導体に対向して設けられ、開放端を有する伝送線路と、を含み、前記第２導体と前記伝送線路と前記導体接続部とを少なくとも含んで構成される単位構造を少なくとも一つ含むこと特徴とする。【００１２】
本発明のプリント基板は、前記の本発明に係る構造体を備えることを特徴とする。【００１３】
本発明のアンテナは、前記の本発明に係る構造体を備えることを特徴とする。【００１４】
本発明の伝送線路導波管変換器は、前記の本発明に係る構造体を反射板として備えることを特徴とする。【００１５】
本発明のアレイアンテナは、前記の本発明に係るアンテナをアレイ要素として、複数のアレイ要素を同一平面に配置して構成されることを特徴とする。【００１６】
本発明の電子装置は、前記の本発明に係る構造体、前記の本発明に係るプリント基板、前記の本発明に係るアンテナ、前記の本発明に係る伝送線路導波管変換器、前記の本発明に係るアレイアンテナの少なくとも１つを備えることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１７】
本発明にあっては、導体接続部の大型化を招くことなく構造体の動作帯域を容易に制御することができるので、構造体を薄型化することができる。動作帯域を制御する観点でコプスレナー線路を設ける必要性が低くなるので、コプスレナー線路に起因する電磁波の漏れを低減することができる。単位構造あたりの導体接続部の数を減らすことができるので、低コストの構造体にすることができる。
以上のように、本発明の構造体は、薄型化及び低周波化を低コストで実現することが可能であり、しかも構造裏面への不要放射を低減することが可能なものになっている。本発明の構造体は、機器雑音抑制に寄与し、電子装置の誤動作低減等に有益である。本発明のアンテナは、マイクロ波・ミリ波帯域の電磁波を送受信する無線通信機器等の小型化に有益である。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
上述した目的、およびその他の目的、特徴および利点は、以下に述べる好適な実施の形態、およびそれに付随する以下の図面によってさらに明らかになる。【００１９】
【図１】第１実施形態に係る構造体を示す平面図である。
【図２】第１実施形態に係る構造体を示す平面図である。
【図３】第１実施形態に係る構造体を示す断面図である。
【図４】第１実施形態に係る構造体の等価回路図である。
【図５】本発明に係るＣＲＬＨ伝送線路の分散関係の一例を示すグラフである。
【図６】第１実施形態の変形例に係る構造体を示す断面図である。
【図７】第１実施形態の変形例に係る構造体を示す断面図である。
【図８】第１実施形態の変形例に係る構造体を示す平面図である。
【図９】第１実施形態の変形例に係る構造体を示す平面図である。
【図１０】第２実施形態に係るプリント基板を示す平面図である。
【図１１】第２実施形態に係るプリント基板示す断面図である。
【図１２】第２実施形態の変形例に係るプリント基板を示す平面図である。
【図１３（ａ）】第３実施形態に係るアンテナを示す断面図である。
【図１３（ｂ）】図１３（ａ）に示したアンテナの平面図である。
【図１４（ａ）】第３実施形態に変形例に係るアンテナを示す断面図である。
【図１４（ｂ）】図１４（ａ）に示したアンテナの平面図である。
【図１５】第４実施形態に係る伝送線路導波管変換器を示す断面図である。
【図１６】第５実施形態に係るアンテナを示す斜視図である。
【図１７】第５実施形態に係るアンテナを示す平面図である。
【図１８】第５実施形態に係るアンテナを示す平面図である。
【図１９】第５実施形態に係るアンテナを示す断面図である。
【図２０】第５実施形態に係るアンテナにおけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係を示す図である。
【図２１】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す断面図である。
【図２２】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す断面図である。
【図２３】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す平面図である。
【図２４】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す平面図である。
【図２５】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す斜視図である。
【図２６】バランス条件を満たすＣＲＬＨ伝送線路の分散関係の一例を示す図である。
【図２７】第６実施形態に係るアンテナを示す斜視図である。
【図２８】第６実施形態に係るアンテナを示す断面図である。
【図２９】第７実施形態に係るアンテナを示す平面図である。
【図３０】第７実施形態の変形例に係るアンテナを示す平面図である。
【図３１】第７実施形態の変形例に係るアンテナを示す平面図である。
【図３２】第８実施形態に係るアンテナを示す平面図である。
【図３３】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す斜視面図である。
【図３４】第５実施形態の変形例に係るアンテナを示す斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、図面を参照しつつ本発明の実施形態を説明する。図面中の構造については、特徴的な部分を分かりやすく示すために、寸法や縮尺を実際の構造と異ならせていることがある。また、構成要素間の位置関係等について、ｘｙｚ座標系に基づいて説明することがある。このｘｙｚ座標系は、第１導体プレーンの面方向において互いに直交する２方向をｘ軸方向、ｙ軸方向としており、第１導体プレーンの法線方向をｚ軸方向としている。実施形態において同様の構成要素については、同じ符号を付して図示し、その詳細な説明を省略することがある。
【００２１】
以下に示す構造体は、メタマテリアルの１つである左手系右手系複合媒質（ＣＲＬＨ伝送線路）を含むものである。本発明にあってはＣＲＬＨ伝送線路の分散関係が高精度に制御されており、本発明の構造体は、右手系媒質やＥＢＧ構造、左手系媒質として動作されることが可能になっている。
【００２２】
具体的には、以下に示す構造体は、第１導体と、第１導体に少なくとも一部が対向して設けられた第２導体と、第１導体と第２導体との間に配置され、第１導体又は第２導体のいずれか一方の導体プレーンと導体接続部を介して電気的に接続されているとともに他方の導体に対向して設けられ、開放端を有する伝送線路と、を含み、第２導体と伝送線路と導体接続部とを少なくとも含んで構成される単位構造を少なくとも一つ含む。
【００２３】
以上のような構造体において、第２導体と伝送線路と導体接続部を含んでオープンスタブが構成され、オープンスタブを含んだＣＲＬＨ伝送線路が構成される。伝送線路が第２導体に対向する面方向に設けられることにより、伝送線路の線路長を調整することが容易になっている。したがって、導体接続部のインダクタンス成分を増加させなくとも、ＣＲＬＨ伝送線路のアドミタンスを容易に調整することができる。よって、導体接続部の長さ、すなわち一方の導体と伝送線路との間の距離を長くする必要性が低くなり、構造体を薄型化することが可能になる。
また、ＣＲＬＨ伝送線路のアドミタンスを増加させる観点で、コプレナー線路を設ける必要性が低くなり、コプレナー線路を形成するためのスリットを一方の導体に形成する必要性が低くなる。したがって、スリットの数を減らすことやスリットをなくすことができ、不要な電磁波がスリットを通って一方の導体の外側に放射されることを格段に低減することができる。
また、オープンスタブによりＣＲＬＨ伝送線路が構成されているので、ショートスタブにより構成されるＣＲＬＨ伝送線路と比較して、単位構造あたりの導体接続部の数を減らすことができる。したがって、導体接続部の形成に要する工数やコストを低減することができる、低コストの構造体にすることができる。
【００２４】
［第１実施形態］
図１は、第１実施形態に係る構造体をｚ軸正方向から見た平面図である。図２は、図１の導体パッチ４（図２で２点鎖線で示す）を透視して、構造体をｚ軸正方向から見た平面図である。図３は、図１及び図２のＡ−Ａ'線断面図である。
【００２５】
図３に示すように、第１実施形態の構造体であるＣＲＬＨ伝送線路は、第１導体である導体プレーン１、誘電体層である下部誘電体２、第２の誘電体層である上部誘電体３、第２導電である導体パッチ４、導体接続部である導体ビア５、及び伝送線路６を含んでいる。導体プレーン１、導体パッチ４は、いずれも板状のものである。第１実施形態の構造体は、導体プレーン１を最下層として、導体プレーン１から上層に向かって下部誘電体２、伝送線路６、上部誘電体３、及び導体パッチ４がこの順に積層された構造になっている。導体ビア５は、下部誘電体２を貫通している。伝送線路６は、導体ビア５を介して導体プレーン１と電気的に接続されている。
【００２６】
図１、図２に示すように、第１実施形態の構造体は、単位構造が導体プレーン１上に２次元的に繰返し、例えば周期的に配置された構造になっている。なお、単位構造が１次元的に繰り返し配置された構造にしてもよい。単位構造は、導体パッチ４を含む部分である。単位構造は、１つの導体パッチ４と導体プレーン１とに挟まれる部分に配置された、導体ビア５及び伝送線路６を含んでいる。ここでは複数の単位構造で導体プレーン１が共通になっている。導体プレーン１としては、導体パッチ４の列ごと、又は行ごとに設けられていてもよい。また、複数の導体パッチ４のうちの２以上が一体に設けられていてもよい。なお、図３における符号ａは、単位構造の１つが含まれる領域の幅を示し、符号ｂは導体ビア５の径、符号ｇは導体パッチ４の間隔、符号ｈは上部誘電体３の厚み、符号ｗは伝送線路６の線幅、符号ｔは下部誘電体２の厚みをそれぞれ示している。
【００２７】
本実施形態の導体パッチ４は、平面形状が略正方形のものである。導体パッチ４は、ｘ軸方向の寸法及びｙ軸方向の寸法が導体プレーン１よりも小さくなっている。導体パッチ４の面方向は、導体プレーン１の面方向と略平行になっている。複数の導体パッチ４は、導体プレーン１と対向する平面上において繰返し、例えば周期的に配置されている。ここでは、複数の導体パッチ４が、ｘ軸方向及びｙ軸方向に等間隔で周期的に配置されており、２次元的に配列されている。複数の導体パッチ４において互いに隣接する２つの導体パッチ４の間に、間隔ｇに応じた電気容量が構成される。
【００２８】
複数の導体パッチ４の各々と導体プレーン１との間に、伝送線路６が配置されている。伝送線路６と導体パッチ４との間に上部誘電体３が配置されている。本実施形態の伝送線路６は、導体パッチ４と対向する面内に平面的に設けられており、平面形状が渦巻形状（スパイラル形状）のものである。伝送線路６の一方の端部は、渦巻形状の中心部に配置されており、導体ビア５と接触して導通している。伝送線路６の他方の端部は、渦巻形状の外周部に配置されており、開放端（オープン端）になっている。すなわち、第１実施形態の構造体にあっては、第１導体プレーン（導体プレーン１）と第２導体プレーン（導体パッチ２）のいずれか一方の導体プレーンとして、第１導体プレーン（導体プレーン１）が選択されている。このように伝送線路６は、他方の導体プレーンである導体パッチ４をリターンパスとするオープンスタブとして機能するように構成されている。
【００２９】
そして本実施形態に係る構造体は、単位構造が繰り返し、例えば周期的に配置されていることになる。単位構造は、導体プレーン１、導体パッチ４、導体ビア５、及び伝送線路６により構成されている。単位構造が繰り返し配置されることにより、構造体はメタマテリアルとして機能する。
【００３０】
ここで「繰り返し」単位構造を配置する場合、互いに隣り合う単位構造において、同一のビアの間隔（中心間距離）が、想定している電磁波の波長λの１／２以内となるようにするのが好ましい。また「繰り返し」には、いずれかの単位構造において構成の一部が欠落している場合も含まれる。また単位構造が２次元配列を有している場合には、「繰り返し」には単位構造が部分的に欠落している場合も含まれる。また「周期的」には、一部の単位構造において構成要素の一部がずれている場合や、一部の単位構造そのものの配置がずれている場合も含まれる。すなわち厳密な意味での周期性が崩れた場合においても、単位構造が繰り返し配置されている場合には、メタマテリアルとしての特性を得ることができるため、「周期性」にはある程度の欠陥が許容される。なおこれらの欠陥が生じる要因としては、単位構造の間に配線やビアを通す場合、既存の配線レイアウトにメタマテリアル構造を追加する場合において既存のビアやパターンによって単位構造が配置できない場合、製造誤差、及び既存のビアやパターンを単位構造の一部として用いる場合などが考えられる。
【００３１】
次に、第１実施形態の構造体の特性と、基本的な動作原理について説明する。第１実施形態の構造体は、繰返し、例えば周期的に配列された複数の単位構造が互いに容量結合しており、２次元のＣＲＬＨ伝送線路として動作する。分散関係にバンドギャップを有するように単位構造を構成する各種要素の寸法や位置、物性に関するパラメータを設定することにより、バンドギャップに対応する電磁波がＣＲＬＨ伝送線路を伝播しなくなる。このようなＣＲＬＨ伝送線路は、ＥＢＧ構造として機能する。例えば、ＥＢＧ構造を基板表面に設けると、所定の周波数帯の電磁波が基板表面を伝播しなくなり、基板を含んだデバイスにおいて電磁波の干渉を抑制することができる。
【００３２】
図４は、第１実施形態の構造体に係るＣＲＬＨ伝送線路の単位構造について、ｘ軸方向又はｙ軸方向に伝播する電磁波に対する動作に対応した等価回路図として表現した図である。図４のＣＲは、導体プレーン１と導体パッチ４からなる平行平板のキャパシタンスであり、ＬＲは導体パッチ４のインダクタンスである。ＣＬは隣接する２つの導体パッチ４間のキャパシタンスであり、ＬＬは導体ビア５のインダクタンスを表す。オープンスタブは、伝送線路６により構成されている。
【００３３】
ＣＲＬＨ伝送線路の直列インピーダンスＺは、ＣＬとＬＲとからなっており、角周波数をω（＝２πｆ)として、下記の式（１）で表される。ＣＲＬＨ伝送線路のアドミタンスＹはＣＲ、ＬＬ、及びオープンスタブからなっており、下記の式（２）で表される。式（２）におけるＺＳｔｕｂは、オープンスタブの入力インピーダンスであり、下記の式（３）で表される。式（３）における、ｃ０は真空中の光速、Ｚ０は伝送線路６（図４ではオープンスタブ）の特性インピーダンス、ｄは伝送線路６の線路長、εｅｆｆは伝送線路６の実効比誘電率である。
【００３４】
【数１】
0005533860.tif 000002
【００３５】
【数２】
0005533860.tif 000003
【００３６】
【数３】
0005533860.tif 000004
【００３７】
ＣＲＬＨ伝送線路は、式（１）で表される直列インピーダンスＺの虚部が、式（２）、式（３）で表されるアドミタンスＹの虚部と異符号となる周波数帯で、バンドギャップを生じる。したがって、式（１）〜（３）中のパラメータを適切に設計することにより、バンドギャップを所望の周波数帯に設定することができる。
【００３８】
次に、ＣＲＬＨ伝送線路の分散関係について説明する。分散関係は、ＣＲＬＨ伝送線路を伝播する電磁波の波数（もしくは波長）に対する周波数の関係のことである。図４の単位構造の等価回路に周期境界条件を適用することで、ＣＲＬＨ伝送線路の分散関係を求めることができる。
【００３９】
図５は、本発明に係るＣＲＬＨ伝送線路の分散関係の一例を示すグラフである。図５のグラフに用いたデータは、図３に示した各種パラメータとして、ａ＝３．５ｍｍ、ｇ＝５０μｍ、ｔ＝８００μｍ、ｈ＝１００μｍ、ｗ＝１５０μｍ、b＝２５０μｍとし、線路長をｄ＝９ｍｍ、下部誘電体２および上部誘電体３の比誘電率をε＝４．１８８、比透磁率μ＝１としたものである。図５のグラフにおいて、横軸は波数を表し、縦軸は周波数を表す。
【００４０】
図５に示すように第１実施形態におけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係は、４．６ＧＨｚから６．０ＧＨｚまでの周波数帯で右肩下がりの曲線となっている。したがって、ＣＲＬＨ伝送線路は、この周波数帯で左手系媒質として動作する。また、分散関係は、９．２ＧＨｚから１０．７ＧＨｚまでの周波数帯で右肩上がりの曲線となっている。したがって、ＣＲＬＨ伝送線路は、この周波数帯で右手系媒質として動作する。また、右手系媒質として動作する周波数帯（右手系バンドと称する）と、左手系媒質として動作する周波数帯（左手系バンドと称する）との間の６．０ＧＨｚから９．２ＧＨｚまでの周波数帯が、バンドギャップになっている。
【００４１】
オープンスタブの線路長ｄは伝送線路６の形状や寸法により定まるので、第１実施形態のように伝送線路６を平面的に設けると、オープンスタブの線路長ｄとして選択可能な数値範囲が格段に広くなる。オープンスタブの線路長ｄの設計自由度が高いため、構造体の分散関係を容易に制御することができ、例えばバンドギャップを所望の周波数帯に設定することが容易になる。
【００４２】
第１実施形態の構造体にあっては、線路長ｄを長くするほどバンドギャップが低周波化される。線路長ｄを長くすることが容易であるので、バンドギャップを容易に低周波化することができる。したがって、バンドギャップを低周波化する観点で導体ビア５のインダクタンスを増加させる必要性が低くなり、導体ビア５の長さ（下部誘電体２の厚みｔ）を長くする必要性が低くなる。よって、下部誘電体２の厚みｔを低減することが可能になり、構造体の薄型化が可能となる。
【００４３】
また、オープンスタブを採用しており、導体プレーン１と導体パッチ４との片方のみが伝送線路６に接続されている。したがって、導電プレート１、導体パッチ４がいずれも伝送線路６に接続される構成と比較して、単位構造あたりの導体ビアの数を減らすことができ、端的には単位構造あたりの導体ビアの数を１つにすることができる。これにより、導体ビアの形成工程を簡略化することができ、低コストの構造体にすることができる。
【００４４】
また、オープンスタブによってアドミタンスＹを制御することができ、線路長ｄを調整することによりアドミタンスＹを容易に制御することができる。したがって、コプレナー線路を設けることによりアドミタンスＹを制御する必要性が低くなり、コプレナー線路を形成するためのスリットを設ける必要性が低くなる。よって、スリットの数を減らすことやスリットをなくすことができ、不要な電磁波がスリットを通って導体プレーン１の外側に放射されることが格段に低減される。
【００４５】
なお、第１実施形態では、導体ビア５が上部誘電体３を貫通していない構成を例示したが、伝送線路６と導体プレーン１が電気的に接続されるように導体ビア５が設けられていればよく、導体ビア５の態様については適宜変形が可能である。例えば、図６に示すように、導体ビア５が上部誘電体３を貫通している構成を採用してもよく、この構成によっても本発明の効果を得ることができる。導体ビア５が上部誘電体３を貫通する貫通ビアである場合には、導体ビア５と導体パッチ４とを電気的に絶縁するために、導体パッチ４における導体ビア５の周囲に導体ビア５の径よりも大口径の開口を形成して、クリアランス８を設けるとよい。
【００４６】
貫通ビアを採用する場合には、以下のようにして構造体を製造するとよい。まず、導体ビア５以外の積層体を形成した後、公知の加工方法、例えばエッチング等により導体パッチ４に開口を形成する。次いで、上部誘電体３、伝送線路６、下部誘電体２を貫通して導体プレーン１に通じる貫通口を、公知の加工方法、例えばドリル加工等により形成する。貫通孔の口径は、導体パッチ４の開口よりも小径にする。そして、貫通孔内に導体を埋め込むことにより、導体からなる導体ビア５を形成する。このようにすれば、構成要素を積層する工程が終了した後に導体ビア５を形成するので、積層する工程を中断して導体ビア５を形成する手法と比較して、構造体を低コストで効率よく製造することができる。
【００４７】
第１実施形態では伝送線路６が導体ビア５を介して導体プレーン１に接続される構成を例示したが、図７に示すように伝送線路６が導体ビア５を介して導体パッチ４と接続される構成であってもよい。この構成は、第１導体プレーン（導体プレーン１）と第２導体プレーン（導体パッチ４）のいずれか一方の導体プレーンとして、導体パッチ４を選択した構成である。伝送線路６が、他方の導体プレーンである導体プレーン１をリターンパスとするオープンスタブとして機能し、この構造体も第１実施形態と同様に動作する。
【００４８】
また、伝送線路６は、第１導体プレーン又は第２導体プレーンのいずれか一方の導体プレーンと電気的に接続されているとともに、他方の導体プレーンと対向していればよく、その形状や寸法については適宜変形することができる。以下、伝送線路６の形状等に関する変形例を説明する。
【００４９】
第１実施形態では、伝送線路６の形状をスパイラル形状とした構成を例示したが、例えば図８に示すように伝送線路６の形状を略直線形状とした構成であってもよい。図８に示す伝送線路６は、一方の端部が導体パッチ４の略中央部と平面的に重なり、他方の端部が導体パッチ４の角部の１つと平面的に重なっている。伝送線路６は、一方の端部において導体ビア５と電気的に接続されている。伝送線路６の形状としては、スパイラル形状や直線形状の他にミアンダ形状等であってもよい。また、伝送線路６の配置や形状が、複数の単位構造において異なっていてもよい。例えば、スパイラル形状の伝送線路６が配置された単位構造と、直線形状の伝送線路６が配置された単位構造とが混在した構成にしてもよい。
【００５０】
第１実施形態では、伝送経路６の一端が開放端になっており、他端が導体ビア５と接続されている構成を例示したが、伝送経路６において導体ビア５と接続を図る部分は端部以外であってもよい。例えば、図９に示すように伝送線路６が、導体ビア５との接続部を分岐部として、分岐部から互いに分岐した枝線路６ａ、６ｂを含んでいる構成にしてもよい。ここでは、枝線路６ａ、６ｂはいずれも分岐部と連続しており、長さが互いに異なっている。このような構成の伝送経路は、枝線路６ａ、６ｂが、接続部を起点として分岐した枝線路とみることができる。また、枝線路６ａ、６ｂからなる伝送線路において起点と終点との間の接続部において電気的な接続が図られているとみることもできる。このような整構造体にあっては、枝線路６ａ、６ｂのインピーダンス変換周期が異なるため、分散関係の設計自由度が格段に高くなる。さらに、枝線路６ａ、６ｂの一部を基点とする枝線路が設けられていてもよいし、枝線路６ａ、６ｂが互いに異なる方向に延在していてもよい。枝線路の平面形状は、直線形状、折れ線形状、曲線形状、これらを組み合わせた形状等から適宜可能である。
【００５１】
第１実施形態では、導体パッチ４が正方形である構成を例示したが、導体パッチ４が正方形以外の形状であってもよい。また、単位構造が正方格子状に周期的に配列されている構成を例示したが、互いに隣接する導体パッチ４間が容量結合していればよく、単位構造の配列が三角格子状の配列や１次元周期配列であってもよい。導体パッチ４の形状や配置として第１実施形態と異なる態様を採用した場合であっても、隣接する導体パッチ４間が容量結合していれば、本発明の効果を得ることができる。
【００５２】
第１実施形態では、構造体がＥＢＧ構造として動作する場合について説明したが、構造体を左手系媒質として動作させることも可能である。
【００５３】
次に説明する第２〜第４実施形態では、本発明に係る構造体を含んだ、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器について説明する。第２〜第４実施形態では構造体が、主としてＥＢＧ構造として動作するようになっている。
また、後に説明する第５〜第８実施形態では、構造体を含んだアンテナについて説明する。第５〜第８実施形態では、構造体が主として左手系媒質として動作するようになっている。
【００５４】
［第２実施形態］
次に本発明の第２実施形態に係るプリント基板について説明する。図１０は、第２実施形態のプリント基板２０の概略構成を示す平面である。図１１は、図１０のＡ２−Ａ２'線断面図である。図１０、図１１に示すようにプリント基板２０は、グランドプレーン２１と、デバイス２２、２３と、デバイス２２、２３の間に配置されたＥＢＧ構造２４とを備える。プリント基板２０は、デバイス２２、２３が設けられた表層からグランドプレーン２１に至る厚み部分が誘電体により構成されている。デバイス２２はノイズ源となるデバイスであり、デバイス２３はノイズの影響を受けやすいデバイスである。
【００５５】
図１１に示すように、デバイス２２、２３は、いずれもグランドプレーン２１に接続されている。プリント基板２０の誘電体部分とグランドプレーン２１は、一種の表面波線路を形成している。デバイス２２にて生じたノイズが、表面波線路を伝播してデバイス２３に入射することで、デバイス２３に誤動作等を引き起こす要因となりうる。第２実施形態のプリント基板２０では、デバイス２２、２３間においてノイズの伝播経路となりうる表面波線路を遮って、ＥＢＧ構造２４が配置されている。
【００５６】
ここでは、デバイス２２からデバイス２３に向かう方向と交わる方向において、プリント基板２０の一端から他端まで連続して帯状のＥＢＧ構造２４が配置されている。ＥＢＧ構造２４は、本発明の構造体により構成されており、第１実施形態にて説明したように分散関係にバンドギャップを含んでいる。バンドギャップは、デバイス２２にて生じるノイズの周波数帯を含んだ周波数帯に設定されている。
【００５７】
このような構成のプリント基板２０にあっては、デバイス２２にて生じたノイズがＥＢＧ構造２４により遮断される。したがって、ノイズがデバイス２３に到達することが格段に低減され、デバイス２３の誤動作を抑制することができる。ＥＢＧ構造２４は本発明を適用したものであるので、プリント基板２０を薄型にすることができる。また、ＥＢＧ構造２４のバンドギャップを低コストで低周波化することができるので、幅広い周波数帯のノイズに対応可能であり、また低コストのプリント基板２０にすることができる。
【００５８】
なお、第２実施形態では、帯状のＥＢＧ構造２４設けた構成を例示したが、ＥＢＧ構造２４がノイズの伝播経路を遮断するように配置されていればよく、ＥＢＧ構造２４の平面形状や配置については適宜変形可能である。例えば、図１２に示すように、ノイズの影響を受けやすいデバイス２３を囲むようにＥＢＧ構造２４を設けてもよい。
【００５９】
また、第２実施形態ではＥＢＧ構造をプリント基板に搭載した構成を例示したが、プリント基板以外の電子部品にＥＢＧ構造を搭載した場合にも、本発明の効果を得ることができる。例えば、デバイスのパッケージ基板等に本発明に係るＥＢＧ構造を設けることや、シリコンをはじめとする半導体デバイスに微細配線プロセスを用いてＥＢＧ構造を設けることも当然可能である。
また、ここではデバイス間のノイズ伝播抑制を例に説明したが、例えば近接して設置されたアンテナ間の不要な結合を抑制する場合にも、デバイスの場合と全く同様に、本発明に係るＥＢＧ構造を用いることができる。
【００６０】
［第３実施形態］
次に、本発明の第３実施形態に係るアンテナについて説明する。図１３（ａ）は、本発明に係るＥＢＧ構造を反射板として用いたパッチアンテナの一例を示す断面図であり、（ｂ）はパッチアンテナの平面図である。図１３に示すようにパッチアンテナ３０は、ＥＢＧ構造３１、アンテナエレメント３２、及び同軸給電線路３３より構成されている。
【００６１】
パッチアンテナ３０は、概略板状の基板を主体として構成されている。アンテナエレメント３２は、概略板状のものであり、基板の一方の面に当接して設けられている。同軸給電線路３３は、基板の他方の面に設けられているとともに、基板を貫通してアンテナエレメント３２と電気的に接続されている。ＥＢＧ構造３１はアンテナエレメント３２を環状に囲む周囲、又はこの周囲の一部に配置される。ＥＢＧ構造３１のバンドギャップは、パッチアンテナ３０の使用周波数帯に対応させて設計されている。
【００６２】
このような構成のパッチアンテナ３０において、アンテナエレメント３２にて発生した表面波は、基板の一方の面を伝播してＥＢＧ構造３１により遮断される。したがって、表面波が基板の他方の面に伝播することが防止され、表面波が他方の面から放射されなくなるので、アンテナ特性の劣化を避けることができる。
【００６３】
なお、バッチアンテナの他のアンテナ、例えば逆Ｌ型アンテナ等に本発明の構造体を適用することも可能である。図１４（ａ）は、本発明に係るＥＢＧ構造を反射板として用いた逆Ｌ型アンテナ３５の一例を示す断面図であり、（ｂ）はパッチアンテナの平面図である。
【００６４】
図１４に示すように逆Ｌ型アンテナ３５は、ＥＢＧ構造３６、アンテナエレメント３７、及び同軸給電線路３８を備えている。逆Ｌ型アンテナ３５概略板状の基板を主体として構成されている。アンテナエレメント３７は、基板の一方の面からこの面の法線方向に突出し、基板から離れた位置で折れ曲がり基板の面方向に延在している。同軸給電線路３８は、基板の他方の面に設けられているとともに、基板を貫通してアンテナエレメント３７と電気的に接続されている。
【００６５】
ＥＢＧ構造３６は、一方の面から法線方向に突出する部分のアンテナエレメント３７を環状に囲む周囲、又はこの周囲の一部に配置される。ＥＢＧ構造３６は、基板の面方向に延在する部分のアンテナエレメント３７と他方の面の法線方向において重なる領域からこの領域の外側まで張り出して配置されている。ＥＢＧ構造３６は、アンテナエレメント３７の反射板として機能するようになっている。
【００６６】
このような構成の逆Ｌ型アンテナ３５にあっては、パッチアンテナ３０と同様に他方の面からの放射が抑制される。また、ＥＢＧ構造３６が反射板として機能し、ＥＢＧ構造３６で電磁波が同相反射ので、アンテナエレメント３７をＥＢＧ構造３６の表面に近接して配置することが可能となる。これにより、従来と比べて大幅に薄型の逆Ｌ型アンテナ３５を実現することが可能となる。なお、ここではアンテナとしてパッチアンテナ３０と逆Ｌ型アンテナ３５を例示して説明したが、他の態様のアンテナに本発明の構造体を適用することもでき、これにより本発明の効果を得ることができる。
【００６７】
［第４実施形態］
次に、本発明の第４実施形態に係る伝送線路導波管変換器について説明する。図１５は、本発明に係るＥＢＧ構造を反射板として用いた伝送線路導波管変換器の一例を示す断面図である。図１４に示すように伝送線路導波管変換器４０は、反射板としてのＥＢＧ構造４１、伝送線路４２、及び導波管４３を備えている。ＥＢＧ構造４１のバンドギャップは、伝送する電磁波の周波数帯に対応させて設計されている。
【００６８】
このような構成の伝送線路導波管変換器４０にあっては、ＥＢＧ構造４１で電磁波が同相反射するので、伝送線路４２をＥＢＧ構造４１の表面に近接して配置することが可能となる。これにより、薄型の伝送線路導波管変換器４０を実現することが可能となる。
【００６９】
［第５実施形態］
次に、本発明に係る第５実施形態のアンテナについて説明する。本実施形態のアンテナは、本発明に係る構造体を含んでおり、構造体が左手系媒質として動作するようになっている。
【００７０】
図１６は、本発明の第５実施形態に係るアンテナの概略構成を示す斜視図である。図１６には、説明の便宜上アンテナの一部を透視して内部構造を図示している。図１７は、第５実施形態のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図１８は、導体パッチ４を透視して第５実施形態のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図１９は、図１７及び図１８の線分Ａ３−Ａ３'線断面図である。
【００７１】
図１９に示すように第５実施形態のアンテナは、第１導体プレーンである導体プレーン１、下部誘電体２、上部誘電体３、第２導電プレーンである導体パッチ４、導体ビア５、伝送線路６、給電部であるマイクロストリップライン７を含んでいる。導体プレーン１、導体パッチ４は、いずれも板状のものである。第５実施形態における構造体は、導体プレーン１を最下層として、導体プレーン１から上層に向かって下部誘電体２、伝送線路６、上部誘電体３、導体パッチ４がこの順に積層された構造になっている。マイクロストリップライン７は、導体パッチ４と同一の平面すなわち、上部誘電体３上に設けられており、導体パッチ４の１つと電気的に接続されている。導体ビア５は、下部誘電体２を貫通している。伝送線路６は、導体ビア５を介して導体プレーン１と電気的に接続されている。
【００７２】
図１７、図１８に示すように、第５実施形態のアンテナは、単位構造が導体プレーン１上に１次元的に周期的に配置された構造になっている。単位構造は、導体パッチ４を含む部分である。単位構造は、１つの導体パッチ４と導体プレーン１とに挟まれる部分に配置された、導体ビア５及び伝送線路６を含んでいる。なお、図１７に示す符号ｓは、導体パッチ４において隣接する導体パッチ４と向かい合う辺（ここでは長辺）の寸法を示している。また、図１９における符号ａは、単位構造の１つが含まれる領域の幅を示し、符号ｂは導体ビア５の径、符号ｇは導体パッチ４の間隔、符号ｈは上部誘電体３の厚み、符号ｗは伝送線路６の幅、符号ｔは下部誘電体２の厚みをそれぞれ示している。
【００７３】
本実施形態の導体パッチ４は、平面形状が略長方形のものである。導体パッチ４は、ｘ軸方向の寸法及びｙ軸方向の寸法が導体プレーン１よりも小さくなっている。導体パッチ４の面方向は、導体プレーン１の面方向と略平行になっている。複数の導体パッチ４は、導体プレーン１と対向する平面上において周期的に配置されている。ここでは、複数の導体パッチ４が、導体パッチ４の短辺方向であるｘ軸方向において等間隔で周期的に配置されており、１次元的に配列されている。複数の導体パッチ４において互いに隣接する２つの導体パッチ４の間に、間隔ｇに応じた電気容量が構成される。
【００７４】
マイクロストリップライン７は、複数の導体パッチ４のうちの最も端に位置する導体パッチ４と電気的に接続されている。マイクロストリップライン７は、導体パッチ４からｘ軸負方向に延設されており、図示略の無線回路と電気的に接続されている。無線回路から供給される電気信号が、マイクロストリップライン７を介して導体パッチ４に入力されるようになっている。
【００７５】
複数の導体パッチ４の各々と導体プレーン１との間に、導体パッチ４をリターンパスとする伝送線路６が配置されている。伝送線路６と導体パッチ４との間に上部誘電体３が配置されている。本実施形態の伝送線路６は、平面形状が渦巻形状のものである。伝送線路６の一方の端部は、渦巻形状の中心部に配置されており、導体ビア５と接触して導通している。伝送線路６の他方の端部は、渦巻形状の外周部に配置されており、開放端になっている。すなわち、第５実施形態における構造体にあっては、第１導体プレーン（導体プレーン１）と第２導体プレーン（導体パッチ２）のいずれか一方の導体プレーンとして、第１導体プレーン（導体プレーン１）が選択されている。このように伝送線路６は、他方の導体プレーンである導体パッチ４をリターンパスとするオープンスタブとして機能するように構成されている。
【００７６】
次に、第５実施形態のアンテナの特性と、基本的な動作原理について説明する。第５実施形態のアンテナにおいて、周期的に配列された複数の単位構造は、互いに容量結合しており、１次元のＣＲＬＨ伝送線路として動作する。単位構造のうち少なくとも一つを電気的に励振すると、ＣＲＬＨ伝送線路に線路長共振が生じて電磁波が放射される。ここでは、マイクロストリップライン７を介して伝達される電気信号により、マイクロストリップライン７と接続された単位構造が電気的に励振するようになっている。なお、ここではＣＲＬＨ伝送線路の端部に給電する構成を例示しているが、アンテナと給電部とのインピーダンス整合をとるために、ＣＲＬＨ伝送線路の端部以外の導体パッチに給電する構成にしてもよい。
【００７７】
第５実施形態のアンテナは、ＣＲＬＨ伝送線路のｘ軸方向に１／２波長共振が生じることを利用したものであり、１種の共振器と考えることができる。共振器中の波長と周波数の関係は、共振器内部の媒質の分散関係によって決定される。通常の誘電体において、比誘電率ε、比透磁率μの分散関係は、下記の式（４）で与えられる。
【００７８】
【数４】
0005533860.tif 000005
【００７９】
式（４）において、ｃ０は真空中の光速、ω（＝２πｆ）は角周波数、ｋ（＝２π／λ）は波数を表す。式（４）より、通常の誘電体は、角周波数を小さくすると波長が大きく整なる右手系媒質として振舞うことがわかる。本実施形態のアンテナは、単位構造が周期的に配列されていることにより、ＣＲＬＨ伝送線路として動作する。アンテナから放射させる電磁波の周波数帯において、ＣＲＬＨ伝送線路が左手系媒質として動作するように、分散関係が設定されている。ＣＲＬＨ伝送線路が左手系媒質として動作するので、周波数が低いほど電磁波の波長を短くすることが可能であり、アンテナの大幅な小型化を実現することができる。
【００８０】
ＣＲＬＨ伝送線路が左手系媒質として動作するには、図４のアドミタンスＹが所望の周波数帯で誘導性（アドミタンスＹの虚部が負）である必要がある。したがって、アンテナの動作帯域を低周波化するには、アドミタンスＹが誘導性になる周波数帯を低周波化すればよい。式（２）、式（３）より、アドミタンスＹはオープンスタブの線路長ｄの関数であり、線路長ｄを大きくすることで、アドミタンスＹが誘導性になる周波数帯を低周波化できる。図４に示した単位構造の等価回路に周期境界条件を適用することで、アンテナにおけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係を求めることができる。
【００８１】
図２０は、分散関係の一例を示すグラフである。図２０のグラフに用いたデータは、図１７、図１９に示した各種パラメータとして、ｓ＝１２ｍｍ、ａ＝３．５ｍｍ、ｇ＝５０μｍ、ｔ＝８００μｍ、ｈ＝１００μｍ、ｗ＝１５０μｍ、b＝２５０μｍとし、線路長をｄ＝８ｍｍ、下部誘電体２および上部誘電体３の比誘電率をε＝４．１８８、比透磁率μ＝１としたものである。図２０のグラフにおいて、横軸は波数を表し、縦軸は周波数を表す。
【００８２】
図２０に示すように、第５実施形態におけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係は、４．２から４．９ＧＨｚまでの周波数帯で右肩下がりの曲線となっている。したがって、ＣＲＬＨ伝送線路は、この周波数帯で左手系媒質として動作する。また、分散関係は、９．３ＧＨｚから１１．７ＧＨｚまでの周波数帯で右肩上がりの曲線となっている。したがって、ＣＲＬＨ伝送線路は、この周波数帯で右手系媒質として動作する。一般に、線路長Ｌの共振器に１／２波長の共振が生じる条件はｎを整数として、以下の式（５）で与えられる。
【００８３】
【数５】
0005533860.tif 000006
【００８４】
ＣＲＬＨ伝送線路を構成する単位構造の個数をＮとした場合、ＣＲＬＨ伝送線路全体の線路長Ｌは、Ｌ＝Ｎ×ａで与えられる。線路長Ｌを式（５）に代入すれば、ＣＲＬＨ伝送線路における共振条件として、下記の式（６）が得られる。
【００８５】
【数６】
0005533860.tif 000007
【００８６】
図２０のグラフ中の縦線は、図１６のアンテナ構造に対応してＮ＝４、ａ＝３．５ｍｍとした場合に共振条件を満たす波数を表す。したがって、図２０の縦線と分散関係の交点が１／２波長共振周波数を与える。図２０に示す周波数帯において、右手系バンドにｎ＝０，１，２，３に相当する共振点が存在し、左手系バンドにｎ＝０，−１，−２，−３に相当する共振点が存在する。
【００８７】
図２０のグラフにおいて、原点を通る直線は、下部誘電体２および上部誘電体３からなる誘電体基板の分散関係である。この誘電体基板の分散関係は、式（５）に下部誘電体２および上部誘電体３の比誘電率をε＝４．１８８、比透磁率μ＝１を代入することにより得られる。誘電体基板の分散関係よりも低周波数帯では、ＣＲＬＨ伝送線路を伝播する電磁波の波長が、誘電体基板内よりも短縮される。したがって、本実施形態のＣＲＬＨ伝送線路にあっては、左手系バンドのｎ＝０，−１，−２，−３に相当する共振点を利用することで、誘電体基板を用いた通常のパッチアンテナより小型のアンテナを実現することができる。
【００８８】
また、誘電体基板の分散関係よりも高周波帯に含まれる共振点では、ＣＲＬＨ伝送線路を伝播する電磁波の波長が誘電体基板内よりも伸長される。したがって、例えばアンテナを大型化することにより、放射効率を高めることも可能である。
【００８９】
本実施形態のアンテナにおけるＣＲＬＨ伝送線路のアドミタンスＹは、式（２）、式（３）により求まる。したがって、式（２）、式（３）に含まれるパラメータを適切に設計することにより、左手系バンドを所望の周波数帯に設計することができる。
【００９０】
本発明に係る構造体にあってはオープンスタブの線路長ｄの設計自由度が高いため、本実施形態のアンテナの動作帯域を容易に制御することができ、またアンテナの薄型化が可能になっている。また、オープンスタブを採用しているので、単位構造あたりの導体ビアの数を減らすことができ、低コストのアンテナにすることができる。
【００９１】
また、オープンスタブによってアドミタンスＹを制御することができ、コプレナー線路を設けることによりアドミタンスＹを制御する必要性が低くなる。したがって、コプレナー線路を形成するためのスリットを設ける必要性が低くなり、不要な電磁波がスリットを通って導体プレーン１の外側に放射されることが格段に低減される。
【００９２】
なお、第５実施形態では、導体ビア５が上部誘電体３を貫通していない構成を例示したが、伝送線路６と導体プレーン１が電気的に接続されるように導体ビア５が設けられていればよく、導体ビア５の態様については適宜変形が可能である。例えば、図２１に示すように、導体ビア５が上部誘電体３を貫通している構成を採用してもよい。このような構成においても本発明の効果を得ることができる。導体ビア５が上部誘電体３を貫通する貫通ビアである場合には、導体ビア５と導体パッチ４とを電気的に絶縁するために、導体パッチ４における導体ビア５の周囲に開口を形成して、クリアランス８を設けるとよい。
【００９３】
第５実施形態では伝送線路６が導体ビア５を介して導体プレーン１に接続される構成を例示したが、図２２に示すように、伝送線路６が導体ビア５を介して導体パッチ４と接続される構成であってもよい。この構成は、第１導体プレーン（導体プレーン１）と第２導体プレーン（導体パッチ４）のいずれか一方の導体プレーンとして、導体パッチ４を選択した構成である。伝送線路６が、他方の導体プレーンである導体プレーン１をリターンパスとするオープンスタブとして機能し、この構成のアンテナも第５実施形態と同様に動作する。
【００９４】
第５実施形態では、伝送線路６の形状をスパイラル形状とした構成を例示したが、例えば図２３に示すように伝送線路の形状が略直線形状であってもよい。図２３に示す伝送線路６は、一方の端部が導体パッチ４の略中央部と平面的に重なり、他方の端部が導体パッチ４の長辺方向の端部の１つと平面的に重なっている。伝送線路６は、一方の端部において導体ビア５と電気的に接続されている。伝送線路６の形状としては、スパイラル形状や直線形状の他にミアンダ形状等であってもよい。また、伝送線路６の配置や形状が、複数の単位構造において異なっていてもよい。例えば、スパイラル形状の伝送線路が配置された単位構造と、直線形状の伝送線路が配置された単位構造とが混在した構成にしてもよい。
【００９５】
第５実施形態では、伝送経路６の一端が開放端になっており、他端が導体ビア５と接続されている構成を例示したが、伝送経路６において導体ビア５と接続を図る部分は端部以外であってもよい。例えば、図２４に示すように伝送線路６が、導体ビア５との接続部を分岐部として、分岐部から互いに分岐した枝線路６ａ、６ｂを含んでいる構成にしてもよい。ここでは、枝線路６ａ、６ｂはいずれも分岐部と連続しており、長さが互いに異なっている。このような構成の伝送経路は、枝線路６ａ、６ｂが、接続部を起点として分岐した枝線路とみることができる。また、枝線路６ａ、６ｂからなる伝送線路において起点と終点との間の接続部において電気的な接続が図られているとみることもできる。このような構造体にあっては、枝線路６ａ、６ｂのインピーダンス変換周期が異なるため、分散関係の設計自由度が格段に高くなる。さらに、枝線路６ａ、６ｂの一部を基点とする枝線路が設けられていてもよいし、枝線路６ａ、６ｂが互いに異なる方向に延在していてもよい。枝線路の平面形状は、直線形状、折れ線形状、曲線形状、これらを組み合わせた形状等から適宜可能である。
【００９６】
第５実施形態では、導体パッチ４が長方形である構成を例示したが、隣接する導体パッチ４間が容量結合していればよく、導体パッチ４が正方形等の形状であっても本発明の効果を得ることができる。
【００９７】
第５実施形態では、給電部としてマイクロストリップラインを用いる場合を示したが、マイクロストリップライン以外の給電部を用いることもできる。例えば、図２５に示すように、導体プレーン１にスリットを設けてコプレナー線路１１を形成して、コプレナー線路１１を給電部としてＣＲＬＨ伝送線路に給電する構成を採用してもよい。
【００９８】
コプレナー線路１１は、ＣＲＬＨ伝送線路の端に位置する単位構造の導体ビア５に接続されている。図示略の無線回路からの電気信号が、コプレナー線路１１を介してＣＲＬＨ伝送線路に供給される。このような構成のアンテナにあっては、導体プレーン１にスリットを設ける必要があるため、アンテナにおいてコプレナー線路１１が設けられている裏面から外側へ電磁波が漏れ出してしまう。しかしながら、単位構造の少なくとも１つに対してコプレナー線路１１を設ければよく、コプレナー線路１１の数を減らすことができるので、裏面側への電磁波の放射を最小限度にすることができる。図２５には、ＣＲＬＨ伝送線路の端部に給電する構成を図示したが、アンテナと給電部とのインピーダンス整合をとるために、ＣＲＬＨ伝送線路の端部以外に給電する構成にしてもよい。また、導体パッチ４が他方の導体プレーンである場合に、導体パッチ４にコプレナー線路を設けることも可能である。例えば、導体パッチ４の長辺方向に延在するコプレナー線路を設けると、アドミタンスＹに含まれるインダクタンスを増加させることが容易になる。
【００９９】
また図３３に示すように、本実施形態において給電部としてのマイクロストリップライン７は、外側に位置する単位構造の導体パッチ４に容量結合することにより、アンテナに給電を行ってもよい。
【０１００】
この場合、図３４に示すように、マイクロストリップライン７と容量結合している導体パッチ４と、マイクロストリップライン７の双方に重なる位置に補助導体パッチ１０を設けてもよい。補助導体パッチ１０は、マイクロストリップライン７及び導体パッチ４と箱となるそうにも受けられている。補助導体パッチ１０とマイクロストリップライン７の間には第１の容量が形成され、補助パッチ１０と導体パッチ４の間には第２の容量が形成される。すなわち補助導体パッチ１０を設けることにより、第１の容量と第２の容量を直列に接続した容量が、マイクロストリップライン７と導体パッチ４の間に形成される容量に対して並列に設けられることになる。このため、補助導体パッチ１０の大きさやレイアウトを変えることにより、マイクロストリップライン７のインピーダンスをアンテナに容易に整合させることができる。
【０１０１】
なお図２５に示すコプレナー線路１１も、外側に位置する単位構造に容量結合することにより、アンテナに給電を行ってもよい。
【０１０２】
本発明のアンテナは、プリント基板やデバイスパッケージ基板の製造に用いられる一般的なプロセスにより、容易に製造することが可能である。また、半導体技術に用いられる微細配線プロセス等を用いて、例えばシリコンをはじめとする半導体デバイスに本発明のアンテナを設けることも可能である。
【０１０３】
［第６実施形態］
次に、本発明の第６実施形態に係るアンテナについて説明する。図２０に示したように、第５実施形態におけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係は、右手系バンドと左手系バンドの間、すなわち４．９ＧＨｚから９．３ＧＨｚまでの周波数帯に、バンドギャップを有している。これは、図４に示した等価回路図において、右手系バンドの下限周波数を規定する直列インピーダンスＺの共振周波数と、左手系バンドの上限周波数を規定するアドミタンスＹの共振周波数にギャップがあるためである。
【０１０４】
ＣＲＬＨ伝送線路の分散関係にバンドギャップが存在する場合に、ＣＲＬＨ伝送線路のブロッホインピーダンスは、急峻な周波数依存性を持つことが知られている。そのため、バンドギャップを有する場合には、給電線路との広帯域なインピーダンス整合をとることが困難である。このような理由により、アンテナの一部として動作させるＣＲＬＨ伝送線路については、アドミタンスＹと直列インピーダンスＺの共振周波数を一致させてバンドギャップを消失させる条件（バランス条件と称する）を満たすように設計することが好ましい。
【０１０５】
図２６は、バランス条件を満たすように設計されたＣＲＬＨ伝送線路の分散関係の一例を示すグラフである。図２６に示すように、バランス条件を満たすように設計すると、バンドギャップが消失して右手系バンドと左手系バンドが接続される。バランス条件を満たすには、隣接する２つの導体パッチ４間の容量であるＣＬを大きくして、直列インピーダンスＺの共振周波数を低周波化するとよい。
【０１０６】
図２７は本発明の第６実施形態に係るアンテナを示す斜視図である。図２８は、図２７のＡ４−Ａ４'線断面図である。図２７、図２８に示すように、第６実施形態のアンテナは、第５実施形態のアンテナに補助導体パッチ９を追加したものである。補助導体パッチ９は、下部誘電体２と上部誘電体３に挟まれた層、すなわち伝送線路６と同一層に設けられている。補助導体パッチ９は、隣接する２つの導体パッチ４の双方と、Ｚ軸方向において重なるように配置されている。補助導体パッチ９は、平面形状が長方形のものであり、その長辺方向が導体パッチ４の長辺方向と一致している。
【０１０７】
第６実施形態のアンテナにあっては、隣接する２つの導体パッチ４間の直接的な容量結合に、補助導体パッチ９を介した容量結合が並列に接続される。したがって、２つの導体パッチ４間の容量であるＣＬを容易に増加させることができ、バランス条件を満たすＣＲＬＨ伝送線路を容易に設計することができる。
【０１０８】
なお、第６実施形態では、補助導体パッチ９の形状として長方形の場合を示したが、隣接する２つの導体パッチ４の双方と重なることにより電気的な容量を構成するものであればよく、補助導体パッチ９の形状としては適宜変形可能である。
また、第６実施形態では補助導電パッチ９を伝送線路６と同一層に設けられた構成を例示したが、隣接する２つの導体パッチ４の双方と重なることにより電気的な容量を構成するものであればよく、補助導電パッチ９が伝送線路６と異なる層に設けられた構成であってもよい。また、第１〜第４実施形態に係る構造体において、補助導電パッチ９が設けられた構成にすることも可能である。
【０１０９】
［第７実施形態］
次に、本発明の第７実施形態に係るアンテナについて説明する。図２９は、第７実施形態のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図３０、図３１は、それぞれ、本発明の第７実施形態の変形例のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。
第７実施形態のアンテナは、単位構造が２次元的に周期配列されている点で、第５、第６実施形態のアンテナと異なる。ここでは、導体パッチ４の形状が正方形であり、単位構造がｘ軸方向に３つ、ｙ軸方向に４つ配列されている。第７実施形態のアンテナは、ｘ軸方向とｙ軸方向に線路長Ｌの異なるＣＲＬＨ伝送線路が形成されているため、ｘ軸方向とｙ軸方向とで１／２波長共振が生じる周波数が異なる。これにより、第７実施形態のアンテナは、デュアルバンドアンテナまたはマルチバンドアンテナとして機能するようになっている。
【０１１０】
なお、図３０に示すように、第７実施形態のアンテナに、第６実施形態で説明した補助導体パッチ９を設けた構成にしてもよい。図３０に示すアンテナには、ｘ軸方向において隣接する２つの導体パッチ４の間と、ｙ軸方向において隣接する２つの導体パッチ４の間とに、それぞれ補助導体パッチ９が設けられている。このような構成のアンテナにあっては、隣接する導体パッチ４間の容量を容易に増加させることができ、ＣＲＬＨ線路のバランス条件を満たしたデュアルバンドアンテナまたはマルチバンドアンテナを容易に実現することが可能である。
【０１１１】
また、ｘ軸方向において隣接する導体パッチ４の間と、ｙ軸方向において隣接する導体パッチ４の間の一方のみに補助導体パッチ９が設けられた構成にしてもよい。図３１に示すアンテナにおいて、単位構造がｘ軸方向に３つ、ｙ軸方向に３つ配列されている。ｙ軸方向において隣接する２つの導体パッチ４の間に、補助導体パッチ９が設けられている。この構成のアンテナにあっては、補助導体パッチ９がｙ軸方向にのみ設けられているので、ＣＲＬＨ伝送線路の分散関係が、ｘ軸方向とｙ軸方向とで異方性を示す。すなわち、ｘ軸方向とｙ軸方向とで対称的に単位構造が配列されているが、ｘ軸方向とｙ軸方向で１／２波長共振が生じる周波数が異なる。これにより、図３１に示したアンテナは、デュアルバンドアンテナまたはマルチバンドアンテナとして使用することができる。
【０１１２】
なお、図３１にはｙ軸方向のみに補助導体パッチ９を設ける構成を例示したが、当然ながら、ｘ軸方向のみに補助導体パッチ９を設ける構成にしてもよい。また、分散関係がｘ軸方向とｙ軸方向で異方性を有するように、例えばｘ軸方向とｙ軸方向で補助導体パッチ９の大きさを異ならせた構成にしてもよい。図２９、図３０では給電部としてマイクロストリップライン７を用いた場合を示したが、図２５に示したコプレナー線路１１やその他の給電部を用いることもできる。
【０１１３】
［第８実施形態］
次に、本発明の第８実施形態に係るアレイアンテナについて説明する。図３２は、第８実施形態のアレイアンテナの構成を模式的に示す平面図である。図３２に示すように、第８実施形態のアレイアンテナは、本発明に係るアンテナをアレイ要素５０として、プリント基板５１に複数のアレイ要素５０が配列された構成になっている。ここでは、アレイ要素５０として第５実施形態で説明したアンテナを採用しており、４つのアレイ要素５０が１次元的に配列されている。アレイ要素５０は、マイクロストリップライン７により並列に接続されている。
【０１１４】
第８実施形態のアレイアンテナにあっては、指向性がビーム状となり、ビーム方向のアンテナ利得を増大させることができる。なお、アレイ要素５０として本発明の他の実施形態のアンテナを用いることも当然可能である。また、アレイ要素５０の数を増やすことでさらにビームを鋭くし、ビーム方向の利得を増大することができる。
【０１１５】
なお上記した各実施形態に示した構造体、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器、及びアレイアンテナは、電子装置の一部として用いられる。
【０１１６】
この出願は、２００９年４月３０日に出願された日本特許出願特願２００９−１１１４３８を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３（ａ）】
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【図１３（ｂ）】
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【図１４（ａ）】
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【図１４（ｂ）】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図３３】
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【図３４】
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