(57)【要約】【課題】動作周波数を大幅に低周波数化することができるＥＢＧ構造を提供する。【解決手段】本発明に係るＥＢＧ構造は、グランド基板と、該グランド基板に積層された第一の誘電層と、該第一の誘電層に積層され、外端及び内端を有する第一の導体パターンであって、該外端がグランド基板に電気的に接続された第一の導体パターンと、該第一の導体パターンに積層された第二の誘電層と、該第二の誘電層に積層され、中心部及び外端を有する第二の導体パターンであって、該中心部が第一の導体パターンの内端に電気的に接続された第二の導体パターンとを備える。【選択図】図３
2014233053.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
グランド基板と、
該グランド基板に積層された誘電層と、
該誘電層に積層され、一端及び他端を有する導体パターンであって、該一端が前記グランド基板に電気的に接続された導体パターンとを備える
ＥＢＧ構造。
【請求項２】
グランド基板と、
該グランド基板に積層された第一の誘電層と、
該第一の誘電層に積層され、外端及び内端を有する第一の導体パターンであって、該外端が前記グランド基板に電気的に接続された第一の導体パターンと、
該第一の導体パターンに積層された第二の誘電層と、
該第二の誘電層に積層され、中心部及び外端を有する第二の導体パターンであって、該中心部が前記第一の導体パターンの前記内端に電気的に接続された第二の導体パターンとを備える
ＥＢＧ構造。
【請求項３】
前記第一の導体パターンは、渦巻き状に形成されている
請求項２に記載のＥＢＧ構造。
【請求項４】
前記第二の導体パターンは、前記中心部から放射状に延びる線状部と、該線状部のそれぞれ先端に交差し、前記外端を構成する辺部とを備える
請求項２又は請求項３に記載のＥＢＧ構造。
【請求項５】
前記辺部は、前記第一の導体パターンの外周に沿って且つ前記第一の導体パターンよりも外側に配置されている
請求項４に記載のＥＢＧ構造。
【請求項６】
複数の第一の導体パターンがマトリクス状に配置され、隣り合う第二の導体パターンの前記辺部同士が対向するようにして複数の第二の導体パターンがマトリクス状に配置されている
請求項４又は請求項５に記載のＥＢＧ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
完全導体には、電気的完全導体（ＰＥＣ：Perfect Electric Conductor）と磁気的完全導体（ＰＭＣ：Perfect Magnetic Conductor）とがある。ＰＥＣは、反射波の位相が反転し、リターンロス（例えばアンテナ用の接地面として使用した場合に、無線周波数と受信回路の周波数との不整合により受信電力が低下すること）が大きい。ＰＭＣは、反射による位相の変化がなく、ロスが小さいが、自然界には存在しない。ＥＢＧ構造は、「特定の周波数帯において全ての入射角及び偏波特性に対して電磁波の伝搬を制御する人工媒質」と定義され、特定の周波数帯でＰＭＣのように振舞う、すなわち、特定の周波数帯の電磁波の伝搬を抑制ないし阻止することから、例えば低姿勢アンテナ用の接地面として使用される。
【０００３】
ＥＢＧ構造の代表格は、当時ＵＣＬＡの博士課程の学生であったSievenpiperが提案したマッシュルーム型である（特許文献１）。これは、複数のトップ電極（方形状の金属パッチ）が所定間隔で二次元的に配列され、これらのトップ電極がビア（短絡ピン）によってグランド基板に接続された構造である。トップ電極からビア、グランド基板及び隣のビアを経由して隣のトップ電極までの経路にインダクタが形成され、隣り合うトップ電極の間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成する。つまり、インダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃとからなる単位セルが隣接することにより、ＬＣ並列共振回路が形成される。複数のトップ電極が二次元配列されていることから、ＬＣ並列共振回路も二次元配列されている。ＬＣ並列共振回路の配列構造は、共振周波数において高インピーダンス特性を有し、バンドギャップがＥＢＧ構造に形成される。
【０００４】
マッシュルーム型ＥＢＧ構造は、その後、様々な改良が試みられている。その一つは、特許文献２に記載されている。これは、温度等の外的環境条件を変化させることにより、ビアの長さが変化してインダクタンス成分Ｌが変化する、あるいは、グランド基板の面積が変化してキャパシタ成分Ｃが変化する構造である。これにより、バンドギャップを形成する周波数帯を変化させることができるとされている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特表２００２−５１０８８６号公報
【特許文献２】特開２００８−１４７７６３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、これらマッシュルーム型ＥＢＧ構造に限らず、従前のＥＢＧ構造は、いずれもＧＨｚレベルでの周波数帯にバンドギャップ特性を有するものであり、大幅な低周波数化（具体的には、ＭＨｚレベルさらにはＫＨｚレベルでの周波数帯）を実現したものはまだ存在していない。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明に係るＥＢＧ構造は、動作周波数の大幅な低周波数化を実現するためのものであり、グランド基板と、該グランド基板に積層された誘電層と、該誘電層に積層され、一端及び他端を有する導体パターンであって、該一端がグランド基板に電気的に接続された導体パターンとを備えることを特徴とする。
【０００８】
かかる構成によれば、導体パターンの単位セルが少なくとも二つ横並びに配置される場合、導体パターンの他端から一端、グランド基板及び隣の導体パターンの一端を経由して隣の導体パターンの他端までの経路にインダクタが形成され、隣り合う導体パターンの間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成する。あるいは、導体パターンの単位セルが一つ配置される場合、導体パターンの他端から一端を経由してグランド基板までの経路にインダクタが形成され、導体パターンの他端とグランド基板との間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成する。
【０００９】
しかも、インダクタンスを形成する経路は、導体パターンにより、グランド基板の主面と直交する成分だけでなく、グランド基板の主面と平行な成分を有している。そのため、経路長が非常に長くなり、インダクタンス成分Ｌが極めて大きくなっている。これにより、動作周波数の大幅な低周波数化を実現することができる。
【００１０】
また、本発明に係るＥＢＧ構造は、グランド基板と、該グランド基板に積層された第一の誘電層と、該第一の誘電層に積層され、外端及び内端を有する第一の導体パターンであって、該外端が前記グランド基板に電気的に接続された第一の導体パターンと、該第一の導体パターンに積層された第二の誘電層と、該第二の誘電層に積層され、中心部及び外端を有する第二の導体パターンであって、該中心部が第一の導体パターンの内端に電気的に接続された第二の導体パターンとを備えることを特徴とする。
【００１１】
かかる構成によれば、第一及び第二の導体パターンの単位セルが少なくとも二つ横並びに配置される場合、第二の導体パターンの外端から中心部、第一の導体パターンの内端から外端、グランド基板及び隣の第一の導体パターンの外端を経由して隣の第二の導体パターンの外端までの経路にインダクタが形成され、隣り合う第二の導体パターンの外端同士の間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成する。あるいは、第一及び第二の導体パターンの単位セルが一つ配置される場合、第二の導体パターンの外端から中心部、第一の導体パターンの内端から外端を経由してグランド基板までの経路にインダクタが形成され、第二の導体パターンの外端とグランド基板との間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成する。
【００１２】
しかも、インダクタンスを形成する経路は、第一の導体パターンにより、グランド基板の主面と直交する成分だけでなく、グランド基板の主面と平行な成分を有している。そのため、経路長が非常に長くなり、インダクタンス成分Ｌが極めて大きくなっている。これにより、動作周波数の大幅な低周波数化を実現することができる。
【００１３】
ここで、本発明に係るＥＢＧ構造の一態様として、第一の導体パターンは、渦巻き状に形成されているようにすることができる。
【００１４】
かかる構成によれば、限られた単位セルのスペースで効果的にインダクタンス成分Ｌを増大させることができる。
【００１５】
また、本発明に係るＥＢＧ構造の他態様として、第二の導体パターンは、中心部から放射状に延びる線状部と、該線状部のそれぞれ先端に交差し、外端を構成する辺部とを備えるようにすることができる。
【００１６】
かかる構成によれば、第一及び第二の導体パターンの単位セルが少なくとも二つ横並びに配置される場合であって、隣り合う第二の導体パターンの辺部同士が対向するようにして単位セルがマトリクス状に配置される場合、第二の導体パターンのうち、キャパシタを形成する外端は、辺部によって幅広となっている。そのため、キャパシタ成分Ｃも大きくなっている。さらに、第二の導体パターンのうち、第一の導体パターンと領域が重なる部分は、幅狭の線状部となっている。そのため、第一の導体パターンが形成する地場の大きさが第二の導体パターンによって弱められるのを防止することができる。これらによって、動作周波数のさらなる低周波数化を実現することができる。
【００１７】
この場合、辺部は、第一の導体パターンの外周に沿って且つ第一の導体パターンよりも外側に配置されているようにすることができる。
【００１８】
かかる構成によれば、第一の導体パターンが形成する地場に対する辺部の影響が無くなるか、少なくなるため、動作周波数のさらなる低周波数化を実現することができる。
【００１９】
また、本発明に係るＥＢＧ構造の別の態様として、複数の第一の導体パターンがマトリクス状に配置され、隣り合う第二の導体パターンの辺部同士が対向するようにして複数の第二の導体パターンがマトリクス状に配置されているようにすることができる。
【００２０】
かかる構成によれば、第一及び第二の導体パターンの単位セルが少なくとも二つ横並びに配置される場合の上述した各種の作用効果を奏することができる。
【発明の効果】
【００２１】
以上の如く、本発明によれば、経路上に導体パターンが設けられ、経路長が非常に長くなることにより、インダクタンス成分Ｌを大幅に増大させることができ、これにより、動作周波数を大幅に低周波数化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、本発明の一実施形態に係るＥＢＧ構造体の平面図である。
【図２】図２は、同ＥＢＧ構造体の１セルの平面図である。
【図３】図３は、同ＥＢＧ構造体の１セルの分解斜視図である。
【図４】図４（ａ）は、図２のＡ−Ａ線断面図であり、図４（ｂ）は、図２のＢ−Ｂ線断面図である。
【図５】図５（ａ）は、同ＥＢＧ構造体のバンドギャップ特性図であり、図５（ｂ）は、トップ電極が設けられる場合と設けられない場合とのそれぞれバンドギャップ特性図である。
【図６】図６は、本発明の他実施形態に係るＥＢＧ構造体の平面図である。
【図７】図７は、本発明の別の実施形態に係るＥＢＧ構造体の平面図である。
【図８】図８は、本発明のさらに別の実施形態に係るＥＢＧ構造体の平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
以下、本発明に係るＥＢＧ構造の一実施形態について図面を参酌しつつ説明する。図１は、ＥＢＧ構造体１の平面図である。ＥＢＧ構造１は、図２に示す単位セル２が３行×３列のマトリクス状に配置されたものである。なお、３行×３列というのは、あくまでも例示である。単位セル２の数は、一つだけの場合を含め、必要とされる範囲においてＥＢＧ構造体を構成する上で適宜選択されるのは言うまでもない。
【００２４】
ＥＢＧ構造体１の単位セル２は、図２及び図３に示すように、グランド基板３と、該グランド基板３に積層された第一の誘電層４と、該第一の誘電層４に積層され、外端５０及び内端５１を有する第一の導体パターン５であって、該外端５０がグランド基板３に電気的に接続された第一の導体パターン５と、該第一の導体パターン５に積層された第二の誘電層６と、該第二の誘電層６に積層され、中心部７０及び外端７１を有する第二の導体パターン７であって、該中心部７０が第一の導体パターン５の内端５１に電気的に接続された第二の導体パターン７との積層構造である。
【００２５】
グランド基板３は、金属板等の導体である。グランド基板３は、他の単位セル２のグランド基板３と電気的に接続されている。好ましくは、グランド基板３は、他の単位セル２のグランド基板３と一体である。本実施形態では、グランド基板３は、ＥＢＧ構造体１の大きさに形成された金属板である。
【００２６】
第一の誘電層４は、樹脂板等の絶縁体であり、グランド基板３の主面を覆うように積層されている。第一の誘電層４は、他の単位セル２の第一の誘電層４と一体である。本実施形態では、第一の誘電層４は、ＥＢＧ構造体１の大きさに形成された樹脂板、すなわち、グランド基板３と同じ大きさに形成された樹脂板である。
【００２７】
第一の導体パターン５は、外端５０から内端５１にかけて長尺な金属帯片等の導体である。第一の導体パターン５は、渦巻き状、より詳しくは、縦片部５２と横片部５３とが交互に連続する角形の渦巻き状に形成されている。第一の導体パターン５の外端５０は、図２及び図４（ａ）に示すように、該外端５０に接続された導体ピン５４が第一の誘電層４を貫通してグラインド基板３に接続されることで、グランド基板３に電気的に接続されている。より詳しくは、第一の導体パターン５の外端５０は、導体ピン５４の一端部が第一の導体パターン５の外端５０に形成された孔に嵌入されるとともに、導体ピン５４の他端部がグランド基板３に形成された孔に嵌入されることで、グランド基板３に電気的に接続されている。
【００２８】
第二の誘電層６は、図２及び図３に示すように、樹脂板等の絶縁体であり、第一の導体パターン５を覆うように積層されている。第二の誘電層６は、他の単位セル２の第二の誘電層６と一体である。本実施形態では、第二の誘電層６は、ＥＢＧ構造体１の大きさに形成された樹脂板、すなわち、グランド基板３や第一の誘電層４と同じ大きさに形成された樹脂板である。
【００２９】
第二の導体パターン７は、中心部７０から外端７１にかけて長尺な金属帯片等の導体である。第二の導体パターン７は、放射状、より詳しくは、中心部７０から四つの線状部７２が等角度（９０度間隔）で延びる十字状に形成されている。各線状部７２のそれぞれ先端には、該線状部７２と交差し、第二の導体パターン７の外端７１を構成する辺部７３が形成されている。辺部７３は、その中点にて線状部７２の先端と交差するようになっている。本実施形態では、辺部７３と線状部７２とは直交している。
【００３０】
第二の導体パターン７の中心部７０は、図２及び図４（ｂ）に示すように、該中心部７０に接続された導体ピン７４が第二の誘電層６を貫通して第一の導体パターン５の内端５１に接続されることで、第一の導体パターン５に電気的に接続されている。より詳しくは、第二の導体パターン７の中心部７０は、導体ピン７４の一端部が第二の導体パターン７の中心部７０に形成された孔に嵌入されるとともに、導体ピン７４の他端部が第一の導体パターン５の内端５１に形成された孔に嵌入されることで、第一の導体パターン７の内端５１に電気的に接続されている。
【００３１】
このとき、第二の導体パターン７の各辺部７３は、第一の導体パターン５の外周に沿って配置されている。より詳しくは、第一の導体パターン５の最外周の一対の縦片部５２及び最外周の一対の横片部５３のそれぞれに沿って第二の導体パターン７の辺部７３が配置されている。各辺部７３は、最外周の縦片部５２及び最外周の横片部５３のそれぞれとは重ならず、これらよりも外側に配置されている。各片部７３の長さは、最外周の縦片部５２及び最外周の横片部５３のそれぞれよりも短く形成されている。
【００３２】
以上の構成からなる単位セル２は、平面視にて正方形状を有し、９つの単位セル３が３行×３列のマトリクス状に配置されることで、ＥＢＧ構造体１が構成されている。そして、第二の導体パターン７の辺部７３、線状部７２、中心部７０、導体ピン７４、第一の導体パターン５の内端５１から外端５０、導体ピン５４、グランド基板３及び隣の導体ピン５４を経由して隣の第二の導体パターン７の対応する辺部７３までの経路にインダクタが形成され、隣り合う第二の導体パターン７の辺部７３同士の間隔にキャパシタが形成され、このインダクタ及びキャパシタがＬＣ並列共振回路を構成している。つまり、インダクタンス成分Ｌとキャパシタンス成分Ｃとからなる単位セルが隣接することにより、ＬＣ並列共振回路が形成されている。複数の第二の導体パターン７が二次元配列されていることから、ＬＣ並列共振回路も二次元配列されている。ＬＣ並列共振回路の配列構造は、共振周波数において高インピーダンス特性を有し、バンドギャップがＥＢＧ構造体１に形成されている。
【００３３】
しかも、インダクタンスを形成する経路は、第一の導体パターン５により、グランド基板３の主面と直交する成分だけでなく、グランド基板３の主面と平行な成分を有している。そのため、本実施形態に係るＥＢＧ構造体１は、従来のマッシュルーム型ＥＢＧ構造体に比べ、経路長が非常に長くなり、インダクタンス成分Ｌが極めて大きくなっている。また、第二の導体パターン７のうち、キャパシタを形成する外端７１は、（辺部７３によって）幅広となっている。そのため、キャパシタ成分Ｃも大きくなっている。さらに、第二の導体パターン７のうち、第一の導体パターン５と領域が重なる部分は、幅狭の線状部７２となっている。そのため、第一の導体パターン５が形成する地場の大きさが第二の導体パターン７によって弱められるのを防止することができる。これらにより、本実施形態に係るＥＢＧ構造体１によれば、動作周波数の大幅な低周波数化を実現することができる。
【実施例】
【００３４】
本実施形態に係るＥＢＧ構造体１の効果を確認するための検証を行った。単位セル２の大きさは３０ｍｍ×３０ｍｍとする。１×１セルと、３×３セルと、５×５セルの三つのＥＢＧ構造体１が用いられた。そして、それぞれに直径２８ｍｍのループアンテナを配置し、利得を測定した。
【００３５】
１×１セルのＥＢＧ構造体１の作製方法は次のとおりである。厚さ０．８ｍｍの樹脂基板の両面に厚さ１８μｍの銅膜が積層された３０ｍｍ×３０ｍｍの積層材料が二つ用意される。一方の積層材料の他方の銅膜に対し、エッチンクや切削加工といった公知の方法が適用され、第一の導体パターン５が形成される。また、その後あるいは第一の導体パターン５の形成に先立ち、導体ピン５４が打ち込まれる。次に、他方の積層材料の一方の銅膜が除去され、この露出した樹脂基板の面が一方の積層材料の他方の銅膜（第一の導体パターン５）を覆うようにして、他方の積層材料が一方の積層材料の上に積層される。そして、導体ピン７４が打ち込まれる。また、その後あるいは他方の積層材料の一方の銅膜の除去と同時か又はこれに先立ち、他方の積層材料の他方の銅膜に対し、エッチンクや切削加工といった公知の方法が適用され、第二の導体パターン７が形成される。すなわち、一方の積層材料のうち、一方の銅膜がグランド基板３、樹脂基板が第一の誘電層４、加工された他方の銅膜が第一の導体パターン５となり、他方の積層材料のうち、樹脂基板が第二の誘電層６、加工された他方の銅膜が第二の導体パターン７となる。
【００３６】
３×３セルについては、９０ｍｍ×９０ｍｍの積層材料が用いられ、一方の積層材料の他方の銅膜に対し、９個の第一の導体パターン５が形成されるよう加工が施されるとともに、他方の積層材料の他方の銅膜に対し、９個の第二の導体パターン７が形成されるよう加工が施される点以外は、１×１セルと同じ作製方法である。
【００３７】
５×５セルについては、１５０ｍｍ×１５０ｍｍの積層材料が用いられ、一方の積層材料の他方の銅膜に対し、２５個の第一の導体パターン５が形成されるよう加工が施されるとともに、他方の積層材料の他方の銅膜に対し、２５個の第二の導体パターン７が形成されるよう加工が施される点以外は、１×１セルと同じ作製方法である。
【００３８】
図５（ａ）は、１×１セルと、３×３セルと、５×５セルの三つのＥＢＧ構造体１のそれぞれ共振周波数（動作周波数）を表すグラフである。横軸は「周波数［MHz］」、縦軸は「S11 Magnitude［dB］」である。いずれも９１ＭＨｚ近傍に動作周波数が認められ、ＭＨｚレベルでの周波数帯にバンドギャップ特性があることが理解できる。これは、上述したとおり、第一の導体パターン５によるインダクタンス成分Ｌと、第二の導体パターン７の辺部７３によるキャパシタ成分Ｃとに起因するものである。
【００３９】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。
【００４０】
例えば、上記実施形態では、単位セル２に、第一の導体パターン５及び第二の導体パターン７が設けられたが、これに限定されるものではない。図５（ｂ）のグラフ（横軸は「周波数［MHz］」、縦軸は「S21 Magnitude［dB］」）からわかるように、第二の導体パターン７が無くても、ＭＨｚレベルでの周波数帯にバンドギャップ特性があることが確認できたため、本発明は、第二の導体パターン７が無いＥＢＧ構造も含んでいる。ただし、図５（ｂ）のグラフからわかるように、第二の導体パターン７がある方がより利得が改善されているので、第二の導体パターン７がある方が好ましい。
【００４１】
また、本発明に係るＥＢＧ構造は、上記実施形態に限定されず、例えば、図６に示すように、第二の導体パターン７の辺部７３がより長くなり、キャパシタ成分Ｃがさらに大きくなるものや、図７に示すように、第一の導体パターン７が円形の渦巻き状のもの、図８に示すように、四角形以外の多角形（三角形、五角形、六角形、八角形等、図８は六角形）であってもよい。なお、多角形の場合、第二の導体パターン７の線状部７２及び辺部７３は、その角数に対応したものとなる。
【００４２】
また、上記実施形態では、隣り合う第二の導体パターン７の辺部の間隔にキャパシタが形成されるようになっているが、これに限定されるものではない。経路上にコンデンサが設けられるようにしてもよい。
【００４３】
また、より大きなインダクタンス成分Ｌを得るために、誘電層を介して第一の導体パターン５が複数積層されるようにしてもよい。この場合、互いに磁界を打ち消し合わないよう、渦巻きの巻き方向は、積層方向で隣り合う第一の導体パターンで逆になっているようにする。例えば、第一の導体パターン５が（誘電層を介して）三層積層される場合、グランド基板３側の第一の導体パターン５と、第二の導体パターン７側の第一の導体パターン５とは、同じ巻き方向となり、その間の第一の導体パターン５は、逆の巻き方向となる。そして、積層方向で隣り合う第一の導体パターンの外端５０同士あるいは内端５１同士が（導体ピンを介して）電気的に接続されるようにする。
【００４４】
隣り合う第二の導体パターン７の辺部７３は、凸部が間隔を有して幅方向に複数形成され、凸部が相手の辺部の凹部に対向ないし凹部内に配置される、いわゆるインターデジタル構造とすることで、さらにキャパシタ成分Ｃを増加させることができる。
【産業上の利用可能性】
【００４５】
本発明は、ＭＨｚレベルやＫＨｚレベルでの周波数帯にバンドギャップ特性が要求される、例えば無線電力伝送のアンテナ用の接地面に適用され得る。
【符号の説明】
【００４６】
１…ＥＢＧ構造体、２…単位セル、３…グランド基板、４…第一の誘電層、５…第一の導体パターン、５０…外端、５１…内端、５２…縦片部、５３…横片部、５４…導体ピン、６…第二の誘電層、７…第二の導体パターン、７０…中心部、７１…外端、７２…線状部、７３…辺部、７４…導体ピン
【図１】
2014233053.tif 000003
【図２】
2014233053.tif 000004
【図３】
2014233053.tif 000005
【図４】
2014233053.tif 000006
【図５】
2014233053.tif 000007
【図６】
2014233053.tif 000008
【図７】
2014233053.tif 000009
【図８】
2014233053.tif 000010