(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１導体プレーンと、
前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、
前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、
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つが前記第１導体接続部と電気的に接続されている構造体。
【請求項２】
第１導体プレーンと、
前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、
前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、
前記伝送線路が、分岐部と前記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構造体。
【請求項３】
第１導体プレーンと、
前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、
前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、
前記伝送線路は、前記一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、前記伝送線路の平面形状がスパイラル形状になっている構造体。
【請求項４】
第１導体プレーンと、
前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、
前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、
前記伝送線路は、前記一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、前記伝送線路の平面形状がミアンダ形状になっている構造体。
【請求項５】
第１導体プレーンと、
前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、
前記一方の導体プレーンと前記伝送線路とを電気的に接続する第２導体接続部とを備え、
前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部と前記第２導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、
前記伝送線路が前記第２導体接続部に電気的に接続される部分は、前記伝送線路が前記第１導体接続部に電気的に接続される部分と前記伝送線路の延在方向において異なる位置に配置されている構造体。
【請求項６】
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つが前記第１導体接続部と電気的に接続されている請求項２〜５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項７】
前記伝送線路が、分岐部と前記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請求項１，３〜５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項８】
前記伝送線路は、前記一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、前記伝送線路の平面形状がスパイラル形状になっている請求項１，２，４，５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項９】
前記伝送線路は、前記一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、前記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１〜３，５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１０】
前記一方の導体プレーンと前記伝送線路とを電気的に接続する第２導体接続部を備え、
前記伝送線路が前記第２導体接続部に電気的に接続される部分は、前記伝送線路が前記第１導体接続部に電気的に接続される部分と前記伝送線路の延在方向において異なる位置に配置されている請求項１〜４のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１１】
前記単位構造が、１次元又は２次元に周期的に配列されている請求項１〜１０のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１２】
前記第１導体プレーンは、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請求項１〜１１のいずれか１項に記載の構造体。
【請求項１３】
前記単位構造が前記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、前記単位構造を含んで電磁バンドギャップ構造が構成される請求項１〜１２のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１４】
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンとの間に誘電体層が設けられており、前記第１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請求項１〜１３のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１５】
前記一方の導体プレーンに開口が設けられており、前記導体ビアが前記開口内を通って前記一方の導体プレーンと交差しているとともに前記一方の導体プレーンと非接触になっている請求項１４に記載の構造体。
【請求項１６】
前記一方の導体プレーンが、前記伝送線路のリターンパスである請求項１〜１５のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１７】
前記第２導体プレーンにおいて前記第１導体プレーンと対向する面が、前記第１導体プレーンにおいて前記第２プレーンと対向する面と平行になっている請求項１〜１６のいずれか一項に記載の構造体。
【請求項１８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の構造体を備えるプリント基板。
【請求項１９】
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請求項１８に記載のプリント基板。
【請求項２０】
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請求項１８に記載のプリント基板。
【請求項２１】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の構造体を備えるアンテナ。
【請求項２２】
前記構造体により反射板が構成される請求項２１に記載のアンテナ。
【請求項２３】
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請求項２１に記載のアンテナ。
【請求項２４】
前記第２導体プレーン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導体プレーンの双方と重なるように配置された補助導体プレーンを少なくとも１つ備える請求項２３に記載のアンテナ。
【請求項２５】
前記補助導体プレーンが、前記伝送線路と同一平面に配置されている請求項２４に記載のアンテナ。
【請求項２６】
前記給電部が、前記第２導体プレーンと同一平面に設けられているとともに、前記第２導体プレーンの少なくとも１つと電気的に接続されている請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項２７】
前記給電部が、前記第１導体プレーンと同一平面に設けられ前記導体ビアのいずれか１つと電気的に接続されたコプレナー線路を含んでいる請求項２３〜２５のいずれか一項に記載のアンテナ。
【請求項２８】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の構造体を反射板として備える伝送線路導波管変換器。
【請求項２９】
請求項２１〜２７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アレイアンテナ。
【請求項３０】
請求項１〜１７のいずれか一項に記載の構造体、請求項１８〜２０のいずれか一項に記載のプリント基板、請求項２１〜２７のいずれか一項に記載のアンテナ、請求項２８に記載の伝送線路導波管変換器、及び請求項２９に記載のアレイアンテナの少なくとも１つを備える電子装置。
【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】
電磁波の分散関係を人工的に制御するために、誘電率の異なる物質や導体パッチ等を周期的に配列させた構造が知られている。このような構造のうち、特定周波数帯において電磁波の伝播が禁止されるバンドギャップを有する分散関係を持つ構造は、電磁バンドギャップ（以下、「ＥＢＧ」という。）構造と呼ばれている。
このようなＥＢＧ構造は、プリント基板やデバイスパッケージ基板に設置すると基板表面に生じる表面波の伝播を抑制する。このため、ＥＢＧ構造は、例えば、プリント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ために用いられている。
このＥＢＧ構造は、バンドギャップ周波数帯域の付近で入射電磁波を同相で反射する磁気壁としての機能を有している。このため、ＥＢＧ構造をアンテナ背面に設置することで、放射効率の維持したままアンテナの低背化を実現することができる。【０００３】
一般に、ＥＢＧ構造はプリント基板等の誘電体層の表面に正方形導体パッチを周期的に二次元配置させ、各パッチと誘電体層裏面の導体プレーンとの間をスルーホールビア等で電気的に接続させた構造を有している。ＥＢＧ構造において、各パッチ間に形成されるキャパシタンス成分とビアから形成されるインダクタンス成分とがＬＣ並列共振回路として機能することにより共振周波数近傍でバンドギャップが生じるようになっている。【０００４】
ＥＢＧ構造のバンドギャップ帯域を低周波帯域に対応させるためには、インダクタンス成分を増加させればよい。インダクタンス成分を増加させる方法としてはスルーホールビアを長くする方法を採ることが通常である。このため、低周波帯域に対応させるためにはＥＢＧ構造の厚さが大きくなってしまうという問題があった。【０００５】
下記特許文献１では、このような問題を解決するＥＢＧ構造を開示している。特許文献１中の第１２図に示されるＥＢＧ構造は、パッチ層と導体プレーン層との間にスパイラルインダクタ等のインダクタンス要素を配置した中間層を有し、このパッチとインダクタンス要素と導体プレーンとをビアで接続している。このような構造により、ＥＢＧ構造を大きくすることなく、インダクタンス成分を増加させてバンドギャップ帯域を低周波帯域に対応させている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６-２５３９２９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、従来の技術では、パッチ層と導体プレーン層との間隔が小さくなるにつれ、インダクタンス要素とパッチ層及び導体プレーンとの結合が強くなってインダクタンス要素の周波数特性が変化してしまう。このため、バンドギャップ周波数帯域の予測が困難になるという問題がある。【０００８】
本発明の実施形態は、このような事情を考慮してなされ、その目的は、比較的に薄型で、かつ、バンドギャップ周波数帯域が容易に設計可能な構造体、及びこの構造体を備えた、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、電子装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を採用している。
本発明の第一態様に係る構造体は、第１導体プレーンと、前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、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つが前記第１導体接続部と電気的に接続されている。
本発明の第二態様に係る構造体は、第１導体プレーンと、前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、前記伝送線路が、分岐部と前記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。
本発明の第三態様に係る構造体は、第１導体プレーンと、前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、前記伝送線路は、前記一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、前記伝送線路の平面形状がスパイラル形状になっている。
本発明の第四態様に係る構造体は、第１導体プレーンと、前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、を備え、前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、前記伝送線路は、前記一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、前記伝送線路の平面形状がミアンダ形状になっている。
本発明の第五態様に係る構造体は、第１導体プレーンと、前記第１導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第２導体プレーンと、前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第１導体接続部と、前記一方の導体プレーンと前記伝送線路とを電気的に接続する第２導体接続部とを備え、前記第２導体プレーンと前記伝送線路と前記第１導体接続部と前記第２導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置され、前記伝送線路が前記第２導体接続部に電気的に接続される部分は、前記伝送線路が前記第１導体接続部に電気的に接続される部分と前記伝送線路の延在方向において異なる位置に配置されている。
【００１０】
本発明に係る構造体において、伝送線路を含んでショートスタブ又はオープンスタブが構成される。ショートスタブ又はオープンスタブは、スタブ長に依存するインピーダンス変換効果によって、特定周波数帯でＬＣ並列共振状態を実現できる。よって、スタブ長を調整することで構造体の分散関係を調整することができる。
ここで、本発明に係る構造体では、伝送線路が最表層に配置されるため、一方の導体プレーンをリターンパスとするマイクロストリップ線路として取り扱うことができる。このマイクロストリップ線路における伝播定数と線路の物理寸法の関係は、さまざまな形で定式化されているため、インピーダンス変換が容易に精度よく計算することができる。
従って、パッチ層と導体プレーン層との間にインダクタンス要素を設ける構造と比べて、構造体の分散関係を高精度かつ容易に設計することができ、例えばバンドギャップ帯域を所望の周波数帯に設定することが可能となる。【００１１】
本発明の実施態様に係る構造体は、代表的に以下のような構成をとりうる。
前記単位構造が、１次元又は２次元に周期的に配列されている構成であってもよい。【００１２】
前記第１導体プレーンは、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構成であってもよい。【００１３】
前記単位構造が前記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、前記単位構造を含んで電磁バンドギャップ構造が構成される構成であってもよい。【００１４】
前記第１導体プレーンと前記第２導体プレーンとの間に誘電体層が設けられており、前記第１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構成であってもよい。【００１５】
前記一方の導体プレーンに開口が設けられており、前記導体ビアが前記開口内を通って前記一方の導体プレーンと交差しているとともに前記一方の導体プレーンと非接触になっている構成であってもよい。【００１６】
前記一方の導体プレーンが、前記伝送線路のリターンパスである構成であってもよい。【００１７】
前記第１導体プレーンにおいて前記第２導体プレーンに対向する面の面方向の寸法が、前記第２導体プレーンにおいて前記第１導体プレーンに対向する面の面方向の寸法と異なる構成であってもよい。【００１８】
前記第２導体プレーンにおいて前記第１導体プレーンと対向する面が、前記第１導体プレーンにおいて前記第２プレーンと対向する面と平行になっている構成であってもよい。【００２３】
前記伝送線路が誘電体部で覆われている構成であってもよい。【００２５】
前記伝送線路が、前記一方の導体プレーンに対して電気的に絶縁されている構成であってもよい。【００２６】
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。【００２７】
本発明の実施態様に係るプリント基板は、代表的に以下のような構成をとりうる。
前記構造体により反射板が構成される構成であってもよい。【００２８】
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構成であってもよい。【００２９】
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構成であってもよい。【００３０】
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。【００３１】
本発明の実施態様に係るアンテナは、代表的に以下のような構成をとりうる。
前記構造体により反射板が構成される構成であってもよい。【００３２】
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構成であってもよい。【００３３】
前記第２導体プレーン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導体プレーンの双方と重なるように配置された補助導体プレーンを少なくとも１つ備える構成であってもよい。【００３４】
前記補助導体プレーンが、前記伝送線路と同一平面に配置されている構成であってもよい。【００３５】
前記給電部が、前記第２導体プレーンと同一平面に設けられているとともに、前記第２導体プレーンの少なくとも１つと電気的に接続されている構成であってもよい。【００３６】
前記給電部が、前記第１導体プレーンと同一平面に設けられ前記導体ビアのいずれか１つと電気的に接続されたコプレナー線路を含んでいる構成であってもよい。【００３７】
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備える。【００３８】
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備える。【００３９】
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。
【発明の効果】
【００４０】
本発明によれば、構造体の分散関係を高精度かつ容易に設計することができ、また構造を厚くすることなくバンドギャップ帯域を低周波化することがでる。
【図面の簡単な説明】
【００４１】
【図１】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の平面図である。
【図２】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の断面図であって、図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。
【図３】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の電気的な説明図であって、ＥＢＧ構造の等価回路図である。
【図４】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造を説明するためのプロット図である。
【図５】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造を説明するための計算結果を示した図である。
【図６Ａ】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の変形例の平面図である。
【図６Ｂ】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の変形例の平面図である。
【図７】本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の変形例の平面図である。
【図８】本発明の第２実施形態に係るＥＢＧ構造の平面図である。
【図９】本発明の第２実施形態に係るＥＢＧ構造の断面図であって、図８におけるII−II線の断面図である。
【図１０】ｘ軸方向あるいはｙ軸方向に伝播する電磁波に対する等価回路図である。
【図１１】本発明の第３実施形態のＥＢＧ構造の断面図ある。
【図１２】本発明の第４実施形態のＥＢＧ構造の断面図ある。
【図１３】本発明の第５実施形態のＥＢＧ構造の断面図ある。
【図１４Ａ】本発明の第６実施形態のプリント基板を示す平面図である。
【図１４Ｂ】図１４ＡにおけるIII−III線断面図である。
【図１５】本発明の第６実施形態のプリント基板の変形例の平面図である。
【図１６】本発明の第７実施形態のパッチアンテナの断面図である。
【図１７】本発明の第４実施形態の変形例を示す図であって、逆Ｌ型アンテナを示す断面図である。
【図１８】本発明の第５実施形態の伝送線路導波管変換器の断面図である。
【図１９】本発明の第９実施形態のアンテナの斜視図である。
【図２０】第９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２１】図２０において伝送線路を透視した平面図である。
【図２２】図２０、図２１におけるIV−IV線断面である。
【図２３】第９実施形態のアンテナにおける分散関係の一例を示すグラフである。
【図２４】本発明の第９実施形態のアンテナの変形例の平面図である。
【図２５】本発明の第９実施形態のアンテナの変形例の平面図である。
【図２６】本発明の第９実施形態のアンテナの変形例の斜視図である。
【図２７】本発明の第１０実施形態のアンテナの斜視図である。
【図２８】本発明の第１０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２９】図２８においてオープン端伝送線路を透視した平面図である。
【図３０】本発明の第１１実施形態のアンテナの断面図である。
【図３１】本発明の第１２実施形態のアンテナの断面図である。
【図３２】本発明の第１３実施形態のアンテナの斜視図である。
【図３３】本発明の第１３実施形態のアンテナの断面図である。
【図３４】本発明の第１４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３５】本発明の第１４実施形態の変形例のアンテナの平面図である。
【図３６】本発明の第１４実施形態の変形例のアンテナの平面図である。
【図３７】本発明の第１５実施形態のアレイアンテナの平面模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００４２】
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態の構造体は、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。本発明の実施形態にあってはＣＲＬＨ伝送線路の分散関係が高精度に制御されており、本発明の実施形態の構造体は、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。以下の第１〜第８実施形態は、主としてＥＢＧ構造として動作する構造体に関する。第９〜第１５実施形態は、主として左手系媒質として動作する構造体に関する。
【００４３】
図１は、本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造の平面図である。図２は、図１におけるＩ−Ｉ線断面図である。図２に示すように、本発明の第１実施形態に係るＥＢＧ構造は、第一の誘電体層１０と、第１導体プレーンとしての導体プレーン１と、複数の第２導体プレーンとしての導体パッチ２と、第二の誘電体層１１と、伝送線路４と、第１導体接続部としての導体ビア３と、第２導体接続部としての短絡ビア６とを備えている。導体プレーン１は、第一の誘電体層１０の下面に配置されている。導体パッチ２は、正方形形状を有し、第一の誘電体層１０の上面に配置されている。第二の誘電体層１１は、導体パッチ２の上部に配置されている。伝送線路４は、スパイラル形状を有し、第二の誘電体層１１の上部に各導体パッチ２に対応して配置され、導体パッチ２をリターンパスとする。導体ビア３は、伝送線路４の中央側に位置する一端と導体プレーン１とを接続する。短絡ビア６は、伝送線路４の外方側の他端と導体パッチ２とを接続する。
第１実施形態のＥＢＧ構造は、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）の一方の導体プレーンが導体パッチ２であり、他方の導体プレーンが導体プレーン１である構成になっている。すなわち、伝送線路４は、一方の導体プレーン（導体パッチ２）に対して他方の導体プレーン（導体プレーン１）の反対側に配置されている。
図１においては、説明の便宜から第一の誘電体層１０及び第二の誘電体層１１を透視して導体プレーン１と導体パッチ２とを図示している。図１のＩ−Ｉ線断面においては、正確には短絡ビア６が含まれないが、説明の便宜から図２において短絡ビア６を点線で図示している。
【００４４】
第一の誘電体層１０及び第二の誘電体層１１は、薄板形状を有し、上面と下面とが平行である。すなわち、導体プレーン１と導体パッチ２とは、第一の誘電体層１０を介して互いに平行に配置されている。
【００４５】
導体ビア３は、第一の誘電体層１０の下面から第二の誘電体層１１の上面まで設けられ、これら二つの面と直交する方向に延在している。導体ビア３は、導体プレーン１と伝送線路４とを接続している。この導体ビア３は、導体パッチ２と非接触とされている。具体的には、導体パッチ２における導体ビア３に対応する位置に開口が形成されており、クリアランス５が設けられている。導体パッチ２の開口は導体ビア３の外径よりも大口径になっており、導体パッチ２と導体ビア３とを電気的に非接続としている。
【００４６】
伝送線路４は、中央側に位置する一端が導体ビア３によって導体プレーン１と接続されており、外方側の他端が短絡ビア６によって導体パッチ２に接続されている。この伝送線路４は、導体ビア３側から見て、短絡ビア６によって短絡されたショートスタブとして機能するように構成されている。
【００４７】
短絡ビア６は、第二の誘電体層１１の上面から下面まで設けられ、これら二つの面と直交する方向に延在している。短絡ビア６は、導体パッチ２と伝送線路４の外方側の他端とを接続している。
【００４８】
本発明の実施形態に係るＥＢＧ構造は、図１及び図２に示すように、クリアランス５が設けられた導体パッチ２と、伝送線路４と、短絡ビア６及び導体ビア３とを有する単位構造９を周期的に配置させた構造を有する。導体パッチ２には、クリアランス５が設けられている。伝送線路４は、導体パッチ２に対応して配置されている。短絡ビア６及び導体ビア３は、伝送線路４の両端部に接続されている。単位構造９は、独立なベクトルＡ＝（Ａ１，Ａ２）及びＢ＝（Ｂ１，Ｂ２）で定義される、ｘｙ平面上の格子点に少なくともひとつ以上、周期的に配置されている。
第１実施形態では、最も基本的な格子点として、図１に示すＡ＝（ａ，０）、Ｂ＝（０，ａ）の正方格子の場合を例に説明する。
【００４９】
次に、本実施形態におけるＥＢＧ構造の基本的な動作原理を説明する。
図３は、図１におけるｘ軸又はｙ軸に沿った方向に伝播する電磁波に対する等価回路である。図４は、インピーダンス部のインピーダンスＺの虚部及びアドミタンス部のアドミタンスＹの虚部をプロットしている。図５は、本実施形態におけるＥＢＧ構造中を伝播する電磁波の挿入損失の計算結果である。
【００５０】
図３に示すように、本実施形態における等価回路繰り返し単位２０は、インピーダンス部１７とアドミタンス部１８とで構成される。
インピーダンス部１７は、隣接する導体パッチ２間に生じるキャパシタンス１２と、導体パッチ２がつくるインダクタンス１３とからなる。
アドミタンス部１８は、導体プレーン１と導体パッチ２とがつくるキャパシタンス１４と、導体ビア３がつくるインダクタンス１５と、伝送線路４と短絡ビア６がつくるショートスタブ１６とで構成される。
この等価回路繰り返し単位２０が周期的に少なくとも一つ以上接続されることにより、本実施形態におけるＥＢＧ構造の等価回路が形成される。
【００５１】
本発明の実施形態に係るＥＢＧ構造では、インピーダンス部１７のインピーダンスＺの虚部と、アドミタンス部１８のアドミタンスＹの虚部が異符合となる周波数領域で電磁バンドギャップを生じる。
インピーダンス部１７のインピーダンスＺと、アドミタンス部１８のアドミタンスＹは、それぞれ式（１）及び式（２）で与えられる。
【００５２】
【数１】
0005522042.tif 000002
【００５３】
【数２】
0005522042.tif 000003
【００５４】
ここで、ωは角周波数、ＣＬは隣接する導体パッチ２間に生じるキャパシタンス、ＬＲはひとつの導体パッチ２がつくるインダクタンス、ＣＲは導体パッチ２と導体プレーン１間に生じるキャパシタンス、Ｌｖｉａは導体ビア３がつくるインダクタンスを表す。式（２）のＺｉｎは、導体ビア３側から見たショートスタブ１６の入力インピーダンスであり、次の式（３）で表される。
【００５５】
【数３】
0005522042.tif 000004
【００５６】
式（３）におけるＺ０は伝送線路４の特性インピーダンス、ｄは伝送線路４のスタブ長（伝送線路長）である。ε０、μ０はそれぞれ真空の誘電率と透磁率を表し、εｅｆｆは伝送線路４の実効比誘電率を表す。伝送線路４の構造は、マイクロストリップ線路と考えることができ、その特性インピーダンス及び実効誘電率がさまざまな形で定式化されている。例えば、特性インピーダンスに関しては式（４）、式（５）のような式を利用することができる。式（５）は配線幅の補正式である。実効誘電率に関しては、例えば、式（６）のような近似式を利用することができる。
【００５７】
【数４】
0005522042.tif 000005
【００５８】
【数５】
0005522042.tif 000006
【００５９】
【数６】
0005522042.tif 000007
【００６０】
ここで、εｓｕｂは第二の誘電体層１１の比誘電率、ｈは第二の誘電体層１１の厚さ、ｗは伝送線路４の配線幅、ｔは伝送線路４の導体厚さである。本発明の実施形態のＥＢＧ構造では、よく知られたこれらの式を利用できるため、アドミタンスＹを精度よく、かつ、容易に設計することが可能となる。
【００６１】
図４の実線３０及び実線３１は、式（１）及び式（２）から計算される、インピーダンスＺの虚部Ｉｍ（Ｚ）及びアドミタンスＹの虚部Ｉｍ（Ｙ）の周波数依存性を示す。計算にあたり使用したパラメータは、ＣＬ＝０.１７ｐＦ、ＣＲ＝０.７８ｐＦ、Ｌｖｉａ＝０.１９ｎＨ、ＬＲ＝０.５０ｎＨ、ｄ＝０.７ｍｍ、εｓｕｂ＝４.１８８、ｈ＝６０μｍ、ｗ＝１５０μｍ、ｔ＝１５μｍである。図４をみれば、周波数帯域３２でＩｍ（Ｚ）及びＩｍ（Ｙ）が異符号となることから、この周波数帯域付近にバンドギャップが生じることが予想される。実際には、図３の等価回路繰り返し単位２０に対して周期境界条件を課すことで、構造の周期性を考慮したバンドギャップ帯域を計算する必要がある。
【００６２】
図５は、格子間隔をａ＝３ｍｍとしたとき、第１実施形態のＥＢＧ構造中を距離７×ａだけ伝播する電磁波の挿入損失（Ｓ２１）を計算した結果である。点線３３は、図４の計算と同一のパラメータを使用した等価回路繰り返し単位２０に周期境界条件を課して計算した結果を表す。実線３４は、三次元電磁界解析による数値計算の結果を表す。電磁界解析モデルの構造寸法は、回路パラメータが図４で使用した値とほぼ同一になるように決定した。具体的な寸法は、格子間隔ａ＝３ｍｍ、第一の誘電体層１０の厚さｔ＝４００μｍ、第二の誘電体層１１の厚さｈ＝６０μｍ、正方形状の導体パッチ２の一辺の長さｐ＝２.９ｍｍ、導体ビアの径ｂ＝３００μｍ、伝送線路長ｄ＝０.７ｍｍである。
【００６３】
図５の電磁界解析結果３４を見れば、バンドギャップの低域側の端部は、電磁界解析結果と等価回路計算間でよく一致している。一方、図５の電磁界解析結果３４において、バンドギャップの高域側の端部は不明瞭になっており、等価回路計算結果３３のような鋭い端部を示していない。これは、本構造がバンドギャップ帯域より高域で、空間に放射する電磁波が無視できなくなるためであり、本来のバンドギャップ端部は等価回路計算に近いと考えられる。
【００６４】
図５の挿入損失計算結果におけるバンドギャップ周波数帯は、図４で示した周波数帯３２ともほぼ一致する。このことから、本発明の実施形態のＥＢＧ構造のバンドギャップ周波数帯はインピーダンスＺの虚部Ｉｍ（Ｚ）及びアドミタンスＹの虚部Ｉｍ（Ｙ）の周波数特性でおおよそ説明出来ることがわかる。本発明の実施形態のＥＢＧ構造は、アドミタンスＹを精度よく求めることができるため、バンドギャップ周波数帯を精度よく、かつ、容易に設計することが可能である。また、伝送線路長ｄを長くすることにより、バンドギャップ帯域を低周波化することが可能である。このため、従来構造のように、ビア部のインダクタンスを稼ぐために構造を厚くする必要がなく、薄型化が可能となる。
【００６５】
伝送線路４は一端が導体ビア３に接続され、他端が短絡ビア６に接続されていれば、どのような配置・形状でも本発明の実施形態の本質的な効果に何ら影響も与えない。
図１では、小さい実装面積で伝送線路長ｄを確保するため、伝送線路４をスパイラル形状とした場合を示している。しかしながらが、伝送線路４を、例えば、図６Ａに示すような直線形状や、または図６Ｂに示すようなミアンダ形状などとするも考えられる。
【００６６】
図１では導体パッチ２の中央部に導体ビア３及びクリアランス５を設けた場合を示している。しかしながら、導体ビア３及びクリアランス５を導体パッチ２の他の場所に設けた場合も、本発明の実施形態の本質的な効果には何ら影響を与えない。例えば、図７に示すように、導体ビア３及びクリアランス５を導体パッチ２の隅に設けた場合は、伝送線路４を直線形状としても伝送線路長ｄを確保することができる。
【００６７】
図１では単位構造を周期的に配置する格子として、Ａ＝（ａ，０）、Ｂ＝（０，ａ）の正方格子の例を示した。しかしながら、格子形状は必ずしも正方格子に限らない。格子形状が、例えば、三角格子や一次元周期配列でも、同様の効果を得ることができる。
【００６８】
図１では導体パッチ２の形状として正方形形状の場合を示している。しかしながら、隣接する導体パッチ２間に所望のキャパシタンスが生じる形状であれば、導体パッチ２の形状は、正三角形や正六角形等、他の形状でも本発明の実施形態の本質的な効果に影響を与えない。
【００６９】
ここでは本発明の実施形態の構造をＥＢＧとしての機能に着目して説明した。図４を見れば、バンドギャップ帯域の低域側及び高域側で、Ｉｍ（Ｚ）とＩｍ（Ｙ）の双方が負となっていることから、本発明の実施形態のＥＢＧ構造はこの周波数領域において左手系媒質として動作する。従って、本発明の実施形態の構造を二次元に配置することで左手系共振器や左手系アンテナとして利用することや、一次元に配置することで左手系伝送線路として利用することも当然可能である。この場合においても、本発明の実施形態の構造によって構造厚さを大きくすることなくアドミタンスを制御することが可能となるため、薄型の左手系媒質を実現することが可能となる。
【００７０】
次に、本発明の第２実施形態に係るＥＢＧ構造について説明する。
第１実施形態では、アドミタンス部に、伝送線路４と短絡ビア６からなるショートスタブを用いた構成例を示した。伝送線路長に依存するインピーダンス変換効果を利用して特定周波数帯でバンドギャップを実現するという、本発明の実施形態の本質的な原理に鑑みれば、伝送線路４と短絡ビア６からなるショートスタブに代えて、オープンスタブを用いるような構成を考えることもできる。オープンスタブを用いた場合も、ショートスタブの場合と全く同様に、伝送線路長に依存するインピーダンス変換効果によって、ＬＣ並列共振の状態が実現される。このため、伝送線路長を調整することで所望の周波数帯にバンドギャップを生じさせることができる。
【００７１】
図８は、第２実施形態のＥＢＧ構造に係る平面図である。図９は、図８におけるII−II線の断面図である。図８では、説明の便宜のために、第一の誘電体層１０及び第二の誘電体層１１を透視して導体プレーン１と導体パッチ２とを図示している。第２実施形態のＥＢＧ構造は、第１実施形態のＥＢＧ構造においてショートスタブの代わりにオープンスタブを適用している。
【００７２】
図８に示すように、第２実施形態のＥＢＧ構造には、伝送線路４に代えてオープン端伝送線路９０が設けられており、また短絡ビア６が設けられていない。オープン端伝送線路９０は、平面形状がスパイラル形状になっている。平面形状がスパイラル形状であれば、直線形状である場合と比較して、オープン端伝送線路９０の実装面積に対する伝送線路長ｄの比率が高くなる。
【００７３】
オープン端伝送線路９０は、スパイラル形状の中央部が導体ビア３と接触して導通しており、導体ビア３を介して導体プレーン１と接続されている。スパイラル形状の外周部における端部は、オープン端になっている。オープン端伝送線路９０は、導体パッチ２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。第２実施形態のＥＢＧ構造は、ショートスタブをオープンスタブに変更した点を除けば、第１実施形態のＥＢＧ構造と同様である。
【００７４】
図１０は、ｘ軸方向あるいはｙ軸方向に伝播する電磁波に対する等価回路図である。図１０に示すように、第２実施形態のＥＢＧ構造の等価回路は、図３に示した等価回路図と比較すると、伝送線路４と短絡ビア６がつくるショートスタブ１６に代えてオープン端伝送線路９０を含んで構成されるオープンスタブ９１が接続された回路構成となっている。
アドミタンス部９２のアドミタンスＹは、下記の式（７）、式（８）で与えられる。
【００７５】
【数７】
0005522042.tif 000008
【００７６】
【数８】
0005522042.tif 000009
【００７７】
式（８）において、Ｚ０はオープン端伝送線路９０の特性インピーダンス、ｄはオープン端伝送線路９０の伝送線路長である。ε０は真空の誘電率、μ０は透磁率を表し、εｅｆｆはオープン端伝送線路９０の実効比誘電率を表す。オープン端伝送線路９０は、第１実施形態と同様に、マイクロストリップ線路と考えることができる。したがって、オープン端伝送線路９０の特性インピーダンスに関しては、式（４）、式（５）等を利用して求めることができる。実効誘電率に関しては、例えば式（６）のような近似式を利用することにより求めることができる。バンドギャップが生じる原理については、第１実施形態と同様であるので、説明を省略する。
【００７８】
このように、オープンスタブを用いた構成においても、ショートスタブを用いた構成と同様に、よく知られた式を利用してＥＢＧ構造の特性を求めることができる。したがって、第１実施形態と同様の理由により、バンドギャップ帯域を精度よくかつ容易に設計することができ、また伝送線路長ｄを長くすることによりＥＢＧ構造の薄型化が可能となる。
【００７９】
オープン端伝送線路９０は、導体ビア３に接続されているとともにオープン端を有していればよく、その配置や形状については適宜変形可能である。第２実施形態では、オープン端伝送線路９０の平面形状がスパイラル形状である構成を例示したが、第１実施形態で説明したように、例えばオープン端伝送線路９０の平面形状が直線形状である構成やミアンダ形状である構成を採用してもよい。
【００８０】
第２実施形態では、導体パッチ２の中央部に導体ビア３及びクリアランス５を設けた構成を例示したが、導体ビア３及びクリアランス５の導体パッチ２に対する相対位置については、適宜変形可能である。例えば、第１実施形態において図７に示したように導体ビア３及びクリアランス５を導体パッチ２の隅に設けると、オープン端伝送線路９０の平面形状が直線形状である場合にも伝送線路長ｄを確保することができる。このように、導体ビア３及びクリアランス５の導体パッチ２に対する相対位置を変更した場合であっても、本発明の実施形態の効果を得ることができる。
【００８１】
第２実施形態では、単位構造を周期的に配置する格子として、Ａ＝（ａ，０）、Ｂ＝（０，ａ）の正方格子を例示した。しかしながら、格子形状は、例えば三角格子や一次元周期配列であってもよい。導体パッチ２の平面形状として正方形を例示したが、平面形状が正三角形や正六角形等の正方形以外の形状であってもよい。導体パッチ２の配置や平面形状を変更した場合であっても、隣接する導体パッチ２間に所望のキャパシタンスが生じるようになっていれば、本発明の実施形態の効果を得ることができる。
【００８２】
次に、本発明の第３実施形態に係るＥＢＧ構造について説明する。
図１１は、第３実施形態に係るＥＢＧ構造の断面図である。第１実施形態では、伝送線路４の上部に構造がない場合を示したが、図１１に示すように、伝送線路４の上部に構造があってもよい。第３実施形態では、第１実施形態の伝送線路４上部に、伝送線路４を覆う誘電体部として第三の誘電体層４０を設けている。このように第三の誘電体層４０を設けることにより、伝送線路４の実効比誘電率εｅｆｆを増加させることができる。式（３）によれば、実効比誘電率が大きいほど伝送線路におけるインピーダンス変換効果も顕著になることから、伝送線路長ｄを長くすることなくバンドギャップ帯域を低周波化することが可能である。従って、バンドギャップ帯域の低周波化を目的にする場合、第三の誘電体層４０として比誘電率の大きな誘電体材料を用いることが好ましい。第２実施形態のＥＢＧ構造に第３の誘電体層４０を設けることも当然ながら可能である。
【００８３】
次に、本発明の第４実施形態に係るＥＢＧ構造について説明する。
図１２は、本発明の第４実施形態によるＥＢＧ構造の断面図である。図１２に示す断面には、正確には短絡ビア６が含まれないが、説明の便宜上、短絡ビア６を点線で図示している。
第４実施形態のＥＢＧ構造は、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）の一方の導体プレーンが導体プレーン１であり、他方の導体プレーンが導体パッチ２である構成になっている。すなわち、伝送線路４は、一方の導体プレーン（導体プレーン１）に対して他方の導体プレーン（導体パッチ２）の反対側に配置されている。
【００８４】
図１２に示すように第４実施形態のＥＢＧ構造は、第一の誘電体層１０と、第一の誘電体層１０の一方の面に配置された第二の誘電体層１１を含んでいる。第一の誘電体層１０と第二の誘電体層１１とに挟まれる層に、導体プレーン１が配置されている。第二の誘電体層１１において、導体プレーン１と当接する面の反対面に当接して、複数の導体パッチ２が配置されている。第一の誘電体層１０において、導体プレーン１と当接する面の反対面に当接して伝送線路４が配置されている。
【００８５】
第一の誘電体層１０と、導体プレーン１と、第二の誘電体層１１とを貫通して導体ビア３が設けられている。導体プレーン１において導体ビア３と交差する部分には、導体ビア３の外径よりも大口径の開口が設けられており、クリアランス９５が構成されている。導体ビア３は、開口内に配置されており、導体プレーン１と接触しないようになっている。
伝送線路４は、導体ビア３を介して導体パッチ２と電気的に接続されている。
第一の誘電体層１０を貫通して、短絡ビア６が設けられている。伝送線路４は、短絡ビア６を介して導体パッチ２と電気的に接続されている。伝送線路４は、導体プレーン１をリターンパスとするショートスタブとして機能するように構成されている。
【００８６】
以上のような構成のＥＢＧ構造の等価回路は、図３に示した等価回路と同一であり、第１実施形態のＥＢＧ構造と同様に動作する。第４実施形態のＥＢＧ構造にあっては、第１実施形態で説明した理由により、バンドギャップ帯域を精度よくかつ容易に設計することができ、また伝送線路長ｄを長くすることによりＥＢＧ構造の薄型化が可能となる。
第４実施形態のＥＢＧ構造において、第３実施形態と同様に、伝送線路４を覆って第三の誘電体層が設けられている構成にしてもよい。
【００８７】
次に、本発明の第５実施形態に係るＥＢＧ構造について説明する。
図１３は、第５実施形態のＥＢＧ構造を示す断面図である。第４実施形態のＥＢＧ構造においてショートスタブの代わりにオープンスタブを適用している。図１３に示すように第５実施形態のＥＢＧ構造には、第４実施形態のＥＢＧ構造における伝送線路４に代えてオープン端伝送線路９０が設けられており、また短絡ビア６が設けられていない。
【００８８】
オープン端伝送線路９０は、スパイラル形状の中央部が導体ビア３と接触して導通しており、導体ビア３を介して導体パッチ２と接続されている。オープン端伝送線路９０においてスパイラル形状の外周部における端部は、オープン端になっている。オープン端伝送線路９０は、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するように構成されている。第５実施形態のＥＢＧ構造は、ショートスタブをオープンスタブに変更した点を除けば、第４実施形態のＥＢＧ構造と同様である。
【００８９】
第５実施形態のＥＢＧ構造の等価回路は、図１０に示した等価回路と同一であり、第２実施形態のＥＢＧ構造と同様に動作する。第５実施形態のＥＢＧ構造にあっては、第２実施形態と同様の理由により、バンドギャップ帯域を精度よくかつ容易に設計することができ、また伝送線路長ｄを長くすることによりＥＢＧ構造の薄型化が可能となる。
第５実施形態のＥＢＧ構造において、第３実施形態と同様に、伝送線路４を覆って第三の誘電体層が設けられている構成にしてもよい。
【００９０】
次に、本発明の第６実施形態に係るプリント基板について説明する。
図１４Ａは、本発明の実施形態のＥＢＧ構造を内蔵したプリント基板の一例を示す平面図である。図１４Ｂは、図１４ＡにおけるIII−III線断面図である。図１５は、ＥＢＧ領域の別の配置例を示す平面図である。図１４Ａ、および図１４Ｂに示すプリント基板５０は少なくとも、グランドプレーン５１と、ノイズ源となるデバイス５２と、ノイズの影響を受けやすいデバイス５３と、それらデバイスの間に配置されるＥＢＧ領域５４とを備える。図１４Ｂに示すように、ノイズ源となるデバイス５２及びノイズの影響を受けやすいデバイス５３は、いずれもグランドプレーン５１に接続されている。グランドプレーン５１とプリント基板５０の誘電体部分は、一種の表面波線路を形成している。ノイズ源となるデバイス５２から生じたノイズが、表面波線路を伝播してノイズの影響を受けやすいデバイス５３に入ることで、誤動作等を引き起こす要因となりうる。第６実施形態のプリント基板では、図１４Ａのようにノイズ伝播経路を遮断するように、ＥＢＧ領域５４に本発明のＥＢＧ構造を配置することで、デバイス間のノイズ伝播を抑制できる。これにより、ノイズの影響を受けやすいデバイス５３の誤動作を抑制することが可能となる。
図１４Ａでは、ＥＢＧ領域５４を帯状に設けた場合を示したが、ＥＢＧ領域はノイズ伝播経路を遮断できればどのような配置でもよい。例えば、図１５のようにノイズの影響を受けやすいデバイス５３を囲むようにＥＢＧ領域５４を設けることも可能である。ＥＢＧ領域５４に配置するＥＢＧ構造としては、本発明の実施形態に係るＥＢＧ構造のいずれを適用してもよい。
【００９１】
ここでは本発明の実施形態のＥＢＧ構造をプリント基板に搭載した場合を示したが、本発明の実施形態の対象は必ずしもプリント基板に限らない。例えば、デバイスのパッケージ基板などに本発明の実施形態のＥＢＧ構造を設けることも考えられる。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本発明の実施形態のＥＢＧ構造を設けることも当然可能である。
デバイスが例えばアンテナである場合に、アンテナ間における電磁波の伝播経路を遮って本発明の実施形態に係る構造体が設けられていれば、アンテナの不要な結合を抑制することができる。
【００９２】
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１６は、本発明の実施形態のＥＢＧ構造を反射板として用いたパッチアンテナの一例である。パッチアンテナ６０は、反射板としてのＥＢＧ構造６１、アンテナエレメント６２及び給電線６３より構成されている。ＥＢＧ構造のバンドギャップ帯域をパッチアンテナの使用周波数帯にあわせて設計することで、パッチアンテナから反射板表面を伝播して裏面に回りこむ表面波が抑制される。このため、裏面放射が抑制され、アンテナ特性の劣化を避けることが可能となる。
【００９３】
図１７に示すように、本発明の実施形態のＥＢＧ構造を反射板として用いた、逆Ｌ型アンテナ７０を考えることもできる。図１７に示す逆Ｌ型アンテナ７０では、パッチアンテナの場合と同様に裏面放射が抑制されることに加えて、ＥＢＧ構造６１において電磁波が同相反射するために、アンテナエレメント６２をＥＢＧ構造６１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、薄型の逆Ｌ型アンテナを実現することが可能となる。
ここではアンテナとしてパッチアンテナと逆Ｌ型アンテナの場合を例に説明したが、他のアンテナに関しても全く同様に本発明の実施形態の効果を利用することができることは当然である。ＥＢＧ構造６１としては、本発明の実施形態に係るＥＢＧ構造のいずれを適用してもよい。
【００９４】
次に、本発明の第８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１８は、本発明の実施形態の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である。伝送線路導波管変換器８０は、反射板としてのＥＢＧ構造８１と、伝送線路８２、導波管８３から構成されている。ＥＢＧ構造８１のバンドギャップ帯域を、使用する周波数帯にあわせて設計することで、ＥＢＧ構造８１において電磁波が同相反射するために、伝送線路８２をＥＢＧ構造８１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を実現することが可能となる。
ＥＢＧ構造８１としては、本発明の実施形態に係るＥＢＧ構造のいずれを適用してもよい。
【００９５】
第１〜第８実施形態では、本発明の実施形態の構造のＥＢＧとしての動作に着目して説明したが、第１実施形態で説明したように、本発明の実施形態の構造は動作周波数によってＥＢＧや左手系媒質としても動作する。また、図４を見れば、Ｉｍ（Ｚ）とＩｍ（Ｙ）の双方が正となる周波数帯が存在し、この周波数においては右手系媒質として動作することがわかる。本発明の実施形態の構造のように、動作周波数によって右手系媒質としても左手系媒質としても機能する構造を、右手／左手複合（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ  Ｒｉｇｈｔ  ａｎｄ  Ｌｅｆｔ  Ｈａｎｄｅｄ；ＣＲＬＨと略記する）伝送線路と呼ぶ場合がある。
【００９６】
このＣＲＬＨ伝送線路の左手系周波数領域における線路長共振を利用してアンテナを小型化する技術が提案されている。通常の媒質（右手系媒質）では周波数が低い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問題があった。しかしながら、左手系媒質では周波数が低いほど電磁波の波長が短くなるためアンテナの小型化を実現することができる。
以下の実施形態では、本発明の実施形態の構造がＣＲＬＨ伝送線路として動作する構成について説明する。次に説明する第９実施形態のアンテナは、ＣＲＬＨ伝送線路として動作する本発明の実施形態の構造を利用することにより小型化されたアンテナである。
【００９７】
図１９は、本発明の第９実施形態に係るアンテナを示す斜視図である。図１９では、説明の便宜上、構成要素の一部を透視して内部構造を図示している。図２０は、第９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２１は、伝送線路１０６を透視して第９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２２は、図２０および図２１の線分IV−IVにおける断面図である。図２０および図２１のIV−IV線断面においては、正確には短絡ビア１０８が含まれないが、説明の便宜上、図２２には短絡ビア１０８を点線で図示している。
【００９８】
図２２に示すように第９実施形態のアンテナは、本発明の実施形態に係る構造体を含んでいる。第９実施形態における構造体は、第１導体プレーン（導体プレーン１０１）と第２導体プレーン（導体パッチ１０４）の一方の導体プレーンが導体パッチ１０４であり、他方の導体プレーンが導体プレーン１０１である構成になっている。すなわち、伝送線路１０６は、一方の導体プレーン（導体パッチ１０４）に対して他方の導体プレーン（導体プレーン１０１）の反対側に配置されている。
【００９９】
第９実施形態のアンテナは、第一の誘電体層１０２と、第一の誘電体層１０２の一方の面に配置された第二の誘電体層１０３を含んでいる。第一の誘電体層１０２と第二の誘電体層１０３とに挟まれる層に、複数の導体パッチ１０４が配置されている。複数の導体パッチ１０４は、平面形状が略長方形になっており、ｘ軸方向に並んで一次元的に配列されている。複数の導体パッチ１０４と同一層に、給電部を構成するマイクロストリップライン１０７が配置されている。
マイクロストリップライン１０７は、複数の導体パッチ１０４のうちの最も端部に位置する導体パッチ１０４と接触して導通している。マイクロストリップライン１０７は、ｘ軸方向に延設されており、図示略の無線回路等に電気的に接続される。無線回路等から供給される電気信号は、マイクロストリップライン１０７を介して導体パッチ１０４に伝達される。
【０１００】
第二の誘電体層１０３において、導体パッチ１０４と当接する面の反対面に当接して伝送線路１０６が配置されている。第一の誘電体層１０２において、導体パッチ１０４と当接する面の反対面に当接して導体プレーン１０１が配置されている。
【０１０１】
第一の誘電体層１０２と、導体パッチ１０４と、第二の誘電体層１０３とを貫通して導体ビア１０５が設けられている。導体パッチ１０４において導体ビア１０５と交差する部分には、導体ビア１０５の外径よりも大口径の開口が設けられており、クリアランス１０９が構成されている。導体ビア１０５は、クリアランス１０９における開口内に配置されており、導体パッチ１０４と接触しないようになっている。伝送線路１０６は、導体ビア１０５を介して導体プレーン１０１と電気的に接続されている。
【０１０２】
第二の誘電体層１０３を貫通して、短絡ビア１０８が設けられている。伝送線路１０６は、短絡ビア１０８を介して導体パッチ１０４と電気的に接続されている。伝送線路１０６および短絡ビア１０８は、導体パッチ１０４をリターンパスとするショートスタブとして機能するように構成されている。
【０１０３】
第９実施形態のアンテナは、図２２において符号ａで示される範囲に対応する単位構造が周期的に配置された周期構造を含んでいる。単位構造は、クリアランス１０９が設けられた導体パッチ１０４、導体ビア１０５、短絡ビア１０８、及び伝送線路１０６を含んでいる。ここでは、単位構造が導体プレーン１０１上に一次元的に配列されているが、単位構造が導体プレーン１０１上に二次元的に配列された構成にしてもよい。周期構造において、導体パッチ１０４は隣接する導体パッチ１０４との間に電気容量を持つように、間隔ｇをもって配置されている。
【０１０４】
第９実施形態のアンテナは、互いに容量結合している複数の単位構造が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１０７を介して供給される電気信号により、マイクロストリップライン１０７と接続された単位構造が励振して、電磁波が放射されるようになっている。
【０１０５】
ここでは、本発明の実施形態に係る構造体を利用したアンテナの構成例として、ｘ方向の寸法がａである単位構造を、ｘ方向に４つ配列した場合について説明する。第９実施形態では、図１９〜図２２に示すとおり、マイクロストリップライン１０７が、給電部としてＣＲＬＨ伝送線路の端部の導体パッチ１０４に接続されている。図示略の無線回路から供給される電気信号をマイクロストリップライン１０７に入力することで、ＣＲＬＨ伝送線路を励振することができる。ここでは周期配列において最も端に位置する単位構造の導体パッチ１０４に給電する構成を例示した。しかしながら、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、周期配列の端以外に位置する単位構造の導体パッチ１０４に給電する構成を考えることもできる。
【０１０６】
次に本発明の実施形態に係るアンテナの基本的な動作原理を説明する。
本発明の実施形態に係るアンテナは、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ており、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（９）で与えられる。
【０１０７】
【数９】
0005522042.tif 000010
【０１０８】
式（９）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なる右手系媒質として振舞うことがわかる。本発明の実施形態に係るアンテナは、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。
【０１０９】
第９実施形態のアンテナの単位構造の等価回路は、図３に示した第１実施形態のＥＢＧ構造における等価回路と同一である。図３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、第９実施形態のアンテナにおけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係を求めることができる。次に、本発明の実施形態に係るアンテナの特性の一例について説明する。
【０１１０】
図２３は、第９実施形態のアンテナにおける分散関係の一例を示すグラフである。図２３のグラフに用いたデータは、図２１、図２２に示した各種パラメータとして、ｓ＝１０ｍｍ、ａ＝３．５ｍｍ、ｇ＝５０μｍ、ｔ＝８００μｍ、ｈ＝１００μｍ、ｗ＝３００μｍ、b＝２５０μｍとしている。また、伝送線路長をｄ＝４ｍｍ、第一の誘電体層１０２および第二の誘電体層１０３の比誘電率をε＝４．１８８、比透磁率μ＝１としている。図２３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。
【０１１１】
図２３に示すように、第９実施形態におけるＣＲＬＨ伝送線路の分散関係は、１．９ＧＨｚから３．１ＧＨｚまでの周波数帯で右肩下がりの曲線Ｌ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、１０ＧＨｚ以上の周波数帯で右肩上がりの曲線Ｒ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。図２３に示すように、右手系バンドと左手系バンドの間、すなわち３．１ＧＨｚから１０ＧＨｚまでの周波数帯に、バンドギャップＢを有している。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（１０）で与えられる。
【０１１２】
【数１０】
0005522042.tif 000011
【０１１３】
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（１０）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（１１）が得られる。
【０１１４】
【数１１】
0005522042.tif 000012
【０１１５】
図２３のグラフ中の縦線は、図１９のアンテナ構造に対応してＮ＝４、ａ＝３．５ｍｍとした場合に、式（１１）に示した共振条件を満たす波数を表す。したがって、図２３のグラフにおける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２３に示す周波数帯に、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。
【０１１６】
図２３のグラフにおいて、原点を通る直線Ｓは、第一の誘電体層１０２及び第二の誘電体層１０３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）に第一の誘電体層１０２および第二の誘電体層１０３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。
【０１１７】
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。
【０１１８】
ＣＲＬＨ伝送線路では、Ｉｍ（Ｚ）とＩｍ（Ｙ）の双方が負となる周波数帯において左手系媒質として動作する。本発明の実施形態に係るアンテナにおける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。
【０１１９】
第１実施形態で説明したように、本発明の実施形態に係る構造体にあっては、分散関係を高精度で容易に設計することができ、またスタブの伝送線路長ｄの設計自由度が高いので、本発明の実施形態に係るアンテナの動作帯域を高精度で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。
【０１２０】
第９実施形態では、短絡ビア１０８が第一の誘電体層１０２を貫通していない構成を例示した。しかしながら、伝送線路１０６と導体パッチ１０４が電気的に接続されるように短絡ビア１０８が設けられていればよく、短絡ビア１０８の態様については適宜変形が可能である。例えば、短絡ビア１０８が第一の誘電体層１０２を貫通している構成を採用してもよく、このような構成においても本発明の実施形態の効果を得ることができる。短絡ビア１０８が第一の誘電体層１０２を貫通する貫通ビアである場合には、短絡ビア１０８と導体プレーン１０１とを電気的に絶縁する。例えば、導体プレーン１０１における短絡ビア１０８の周囲に、短絡ビア１０８の外径よりも大口径の開口を形成しておき、導体プレーン１０１が短絡ビア１０８と接触しないようにするとよい。貫通ビアを採用することで、各種要素の積層が終了した後に、積層体を一括してドリル等で加工して短絡ビア１０８を形成することができ、構造効率を高めることや製造コストを低減することができる。
【０１２１】
第９実施形態では、伝送線路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２４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２４に示す伝送線路１０６は、一方の端部が導体パッチ１０４の略中央部と平面的に重なり、他方の端部が導体パッチ１０４の長辺方向の片方の端部と平面的に重なっている。伝送線路１０６は、一方の端部において導体ビア１０５と電気的に接続されており、他方の端部において短絡ビア１０８と電気的に接続されている。伝送線路１０６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１０６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。
【０１２２】
第９実施形態では、伝送経路１０６の端部が、それぞれ、導体ビア１０５、短絡ビア１０８と接続されている構成を例示した。しかしながら、伝送経路１０６において導体ビア１０５、短絡ビア１０８と接続を図る部分は端部以外であってもよい。例えば、図２５に示すように伝送線路が、導体ビア１０５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１０６ａ、１０６ｂを含んでいる構成にしてもよい。枝線路１０６ａ、１０６ｂはいずれも接続部と連続しており、長さが互いに異なっている。ここでは、導体ビア１０５との接続部を起点として、枝線路１０６ａ、１０６ｂの終点にそれぞれ短絡ビア１０８ａ、１０８ｂが電気的に接続されている。
【０１２３】
このような構成の伝送経路は、枝線路１０６ａ、１０６ｂが、接続部を起点として分岐した枝線路とみることもできる。また、枝線路１０６ａ、１０６ｂ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。このようなアンテナにあっては、枝線路１０６ａ、１０６ｂ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。また、枝線路１０６ａ、１０６ｂの一部を起点とする枝線路がさらに設けられていてもよいし、枝線路１０６ａ、１０６ｂが直線形状、折れ線形状、曲線形状、これらを組み合わせた形状になっていてもよい。
【０１２４】
第９実施形態では、導体パッチ１０４が長方形である構成を例示したが、隣接する導体パッチ１０４間が容量結合していればよく、導体パッチ１０４が正方形等の形状であっても本発明の実施形態の効果を得ることができる。
【０１２５】
第９実施形態では、給電部としてマイクロストリップライン１０７を用いる場合を示したが、マイクロストリップライン１０７以外の給電部を用いることもできる。例えば、図２６に示すように、導体プレーン１０１にスリットを設けてコプレナー線路１１１を形成して、コプレナー線路１１１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。
【０１２６】
コプレナー線路１１１は、ＣＲＬＨ伝送線路の端に位置する単位構造の導体ビア１０５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１１１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１０１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１１１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１１１を設ければよく、コプレナー線路１１１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２６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の単位構造に給電する構成にしてもよい。
【０１２７】
本発明の実施形態のアンテナは、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。
【０１２８】
次に、本発明の第１０実施形態に係るアンテナについて説明する。
図２７は、第１０実施形態のアンテナの構成を示す斜視図である。図２７には、説明の便宜上、第二の誘電体層１０３を透視してアンテナの内部構造を図示している。図２８は、第１０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２９は、オープン端伝送線路１９０を透視してアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。
【０１２９】
第１０実施形態のアンテナは、第９実施形態のアンテナにおいてショートスタブに代えてオープンスタブを採用している。第１０実施形態のアンテナには、第９実施形態のアンテナにおける伝送線路１０６に代えてオープン端伝送線路１９０が設けられており、また短絡ビア１０８が設けられていない。
【０１３０】
オープン端伝送線路１９０は、スパイラル形状の中央部が導体ビア１０５と接触して導通しており、導体ビア１０５を介して導体プレーン１０１と接続されている。オープン端伝送線路１９０においてスパイラル形状の外周部における端部は、オープン端になっている。オープン端伝送線路１９０は、導体パッチ１０４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。第１０実施形態のＥＢＧ構造は、ショートスタブをオープンスタブに変更した点を除けば、第９実施形態のＥＢＧ構造と同様である。
【０１３１】
第１０実施形態のアンテナにおける単位構造の等価回路は、図１０に示した第２実施形態のＥＢＧ構造における等価回路図と同一である。また、アンテナとしての動作原理は、第９実施形態と同様である。第１０実施形態のアンテナにおいても動作帯域を高精度で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。
【０１３２】
次に、本発明の第１１実施形態に係るアンテナについて説明する。
図３０は、第１１実施形態のアンテナの構成を示す断面図である。図３０に示す断面においては、正確には短絡ビア１０８が含まれないが、説明の便宜上、短絡ビア１０８を点線で図示している。
【０１３３】
第１１実施形態のアンテナが第１０実施形態と異なる点は、構造体における第１導体プレーン（導体プレーン１０１）と第２導体プレーン（導体パッチ１０４）の一方の導体プレーンが導体プレーン１０１であり、他方の導体プレーンが導体パッチ１０４である点である。すなわち、伝送線路１０６は、一方の導体プレーン（導体プレーン１０１）に対して他方の導体プレーン（導体パッチ１０４）の反対側に配置されている。
【０１３４】
図３０に示すように第１１実施形態のアンテナは、第一の誘電体層１０２と、第一の誘電体層１０２の一方の面に配置された第二の誘電体層１０３を含んでいる。第一の誘電体層１０２と第二の誘電体層１０３とに挟まれる層に、導体プレーン１０１が配置されている。第二の誘電体層１０３において、導体プレーン１０１と当接する面の反対面に当接して、複数の導体パッチ１０４が配置されている。第一の誘電体層１０２において、導体プレーン１０１と当接する面の反対面に当接して伝送線路１０６が配置されている。
【０１３５】
第一の誘電体層１０２と、導体プレーン１０１と、第二の誘電体層１０３とを貫通して導体ビア１０５が設けられている。導体プレーン１０１において導体ビア１０５と交差する部分には、導体ビア１０５の外径よりも大口径の開口が設けられており、クリアランス１１０が構成されている。導体ビア１０５は、開口内に配置されており、導体プレーン１０１と接触しないようになっている。伝送線路１０６は、導体ビア１０５を介して導体パッチ１０４と電気的に接続されている。
【０１３６】
第一の誘電体層１０２を貫通して、短絡ビア１０８が設けられている。伝送線路１０６は、短絡ビア１０８を介して導体パッチ１０４と電気的に接続されている。伝送線路１０６は、導体プレーン１０１をリターンパスとするショートスタブとして機能するように構成されている。導体パッチ１０４と同一層に、給電部を構成するマイクロストリップライン１０７が配置されている。
【０１３７】
第１１実施形態のアンテナは、図３０において符号ａで示される範囲に対応する単位構造が周期的に配置された周期構造を含んでいる。単位構造は、導体パッチ１０４、導体ビア１０５、短絡ビア１０８、及び伝送線路１０６を含んでいる。周期構造において、導体パッチ１０４は隣接する導体パッチ１０４との間に電気容量を持つように、間隔ｇをもって配置されている。
第１１実施形態のアンテナは、第９実施形態と同様に動作する。第１０実施形態のアンテナにおいても動作帯域を高精度で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。
【０１３８】
次に、本発明の第１２実施形態に係るアンテナについて説明する。
図３１は、第１２実施形態のアンテナの構成を示す断面図である。第１２実施形態のアンテナは、第１１実施形態のアンテナにおいてショートスタブに代えてオープンスタブを採用している。第１２実施形態のアンテナには、第１１実施形態のアンテナにおける伝送線路１０６に代えてオープン端伝送線路１９０が設けられており、また短絡ビア１０８が設けられていない。
【０１３９】
オープン端伝送線路１９０は、スパイラル形状の中央部が導体ビア１０５と接触して導通しており、導体ビア１０５を介して導体プレーン１０１と接続されている。オープン端伝送線路１９０においてスパイラル形状の外周部における端部は、オープン端になっている。オープン端伝送線路１９０は、導体パッチ１０４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。第１２実施形態のＥＢＧ構造は、ショートスタブをオープンスタブに変更した点を除けば、第１実施形態のＥＢＧ構造と同様である。
【０１４０】
第１２実施形態のアンテナにおける単位構造の等価回路は、図１０に示した第２実施形態のＥＢＧ構造における等価回路と同一である。また、アンテナとしての動作原理は、第９実施形態と同様である。第１２実施形態のアンテナにおいても動作帯域を高精度で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。
【０１４１】
次に、本発明の第１３実施形態に係るアンテナについて説明する。
図２３に示したように、第９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３．１ＧＨｚから１０ＧＨｚまでの周波数帯に、バンドギャップＢを有している。これは、図３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。
【０１４２】
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。
【０１４３】
図３２は、第１３実施形態のアンテナを示す斜視図である。図３３は、図３２のアンテナの導体ビア１０５を含むｘｚ平面における断面図である。
第１３実施形態のアンテナは、第１０実施形態のアンテナに、補助導体プレーンとして補助導体パッチ１１２を追加している。第１３実施形態における構造体は、第１導体プレーン（導体プレーン１０１）と第２導体プレーン（導体パッチ１０４）の一方の導体プレーンが導体パッチ１０４であり、他方の導体プレーンが導体プレーン１０１である構成になっている。すなわち、オープン端伝送線路１９０は、一方の導体プレーン（導体パッチ１０４）に対して他方の導体プレーン（導体プレーン１０１）の反対側に配置されている。
【０１４４】
補助導体パッチ１１２は、オープン端伝送線路１９０と同一層に設けられている。補助導体パッチ１１２は、隣接する２つの導体パッチ１０４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１１２は、平面形状が長方形であり、その長辺方向が導体パッチ１０４の長辺方向と一致している。
【０１４５】
第１３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１０４間の直接的な容量結合に、補助導体パッチ１１２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１０４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。
【０１４６】
第１３実施形態のアンテナにおいてオープンスタブに代えてショートスタブを採用することも可能である。
第１３実施形態では、補助導体パッチ１１２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１０４の双方と重なることにより電気的な容量を構成すればよく、補助導体パッチ１１２の形状としては適宜変形可能である。
第１３実施形態では補助導電パッチ１１２をオープン伝送線路１９０と同一層に設けられた構成を例示した。しかしながら、補助導電パッチ１１２は、隣接する２つの導体パッチ１０４の双方と重なることにより電気的な容量を構成すればよく、補助導電パッチ１１２が伝送線路１９０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５実施形態に係る構造体において、補助導電パッチ１１２が設けられた構成にすることも可能である。
【０１４７】
次に、本発明の第１４実施形態に係るアンテナについて説明する。
図３４は、第１４実施形態に係るアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図３５、３６は、それぞれ、第１４実施形態の変形例に係るアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。
【０１４８】
第１４実施形態のアンテナが、第９〜第１３実施形態のアンテナと異なる点は、単位構造が二次元的に配列されている点である。ここでは、導体パッチ１０４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１４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１４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。
【０１４９】
図３５に示すように、第１４実施形態のアンテナに、第１３実施形態で説明した補助導体パッチ１１２を設けた構成にしてもよい。図３５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１０４の間と、ｙ軸方向において隣接する２つの導体パッチ１０４の間とに、それぞれ補助導体パッチ１１２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１０４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。
【０１５０】
ｘ軸方向において隣接する導体パッチ１０４の間と、ｙ軸方向において隣接する導体パッチ１０４の間の一方のみに補助導体パッチ１１２が設けられた構成にしてもよい。図３６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１０４の間に、補助導体パッチ１１２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１１２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３６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。
【０１５１】
図３６にはｙ軸方向のみに補助導体パッチ１１２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１１２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１１２の大きさを異ならせた構成にしてもよい。第１４実施形態では、給電部としてマイクロストリップライン１０７を用いた場合を示したが、図２５に示したコプレナー線路１１１やその他の給電部を用いることもできる。
【０１５２】
次に、本発明の第１５実施形態に係るアレイアンテナについて説明する。
図３７は、第１５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３７に示すように、第１５実施形態のアレイアンテナは、本発明の実施形態に係るアンテナをアレイ要素１５０として、プリント基板５１に複数のアレイ要素１５０が配列された構成になっている。ここでは、アレイ要素１５０として第９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１５０が１次元的に配列されている。アレイ要素１５０は、マイクロストリップライン１０７により並列に接続されている。
【０１５３】
第１５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。アレイ要素１５０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１５０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。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
【０１５４】
この出願は、２００８年８月１日に出願された日本出願特願２００８−１９９６２４号、および２００９年４月３０日に出願された日本出願特願２００９−１１１４３９号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。
【産業上の利用可能性】
【０１５５】
本発明の実施形態は、構造体、及びこの構造体を備えた、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、電子装置に適用することができる。この構造体、及びこの構造体を備えた、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、電子装置によれば、構造の薄型化が可能であり、かつ、バンドギャップ周波数帯域を容易に設計できる。
【符号の説明】
【０１５６】
１      導体プレーン（第１導体プレーン）
２      導体パッチ（第２導体プレーン）
３      導体ビア（第１導体接続部）
４      伝送線路
５      クリアランス
６      短絡ビア（第２導体接続部）
９      単位構造
１０、１０２  第一の誘電体層
１１、１０３  第二の誘電体層
４０    第三の誘電体層（誘電体部）
６０    パッチアンテナ（アンテナ）
７０    逆Ｌ型アンテナ（アンテナ）
８０    伝送線路導波管変換器
１１２  補助導体パッチ（補助導体パッチ）
１９０  オープン端伝送線路（伝送線路）
【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６Ａ】
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【図６Ｂ】
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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】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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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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【図３５】
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【図３６】
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【図３７】
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