メタマテリアル技術を応用した
EBG構造の検討
上谷八木
近年、電磁波工学の分野でメタマテリアルに関する研究が注目されていて、このメタマテリアル技術を用いた

純
貴弘

城田中澤健一哲夫③特性は、プリント基板の高い製造精度によるため、ばらつきが極めて小さい。

EBG（Electromagnetic Band Gap）
構造によるノイズ抑④実測値とシミュレーション値との整合性が高く、設計制や干渉制御などへの応用が考えられている。ここで注段階での特性の把握が容易であり、試作回数の削減が目すべきことはEBG構造が従来のプリント基板の材料とできる。

製造技術を用いて製作が可能であり、様々な応用が期待できることである。
当社では、これまでにプリント基板によるEBG構造の有効性の検証として2GHz近辺での阻止帯域を持つ小型ビ
1）

アレスEBG構造の試作、評価を進めてきた 。

EBG構造の特徴と課題（1）EBG構造の特徴
EBG構造とは、特定の周波数帯において電磁波伝搬が本報告では、開発を進めている小型ビアレスEBG構造抑制される特性（阻止帯域）を持つメタマテリアルの一つについて、その設計手法および試作評価結果について紹である。導体や誘電体などで構成される単位セルを、1個介する。

または複数個を周期的に配列させて形成する。
プリント基板では周期的なパターンを形成することでEBG構造が得られ、その電気的特性は、基板材料およびメタマテリアルとはパターン形状によって決まる。

メタマテリアルとは、自然界に通常存在しない特異な特定の周波数帯の電磁波を抑制する特徴をもつEBG構特性を持つ人工物、あるいは合成物質の構造と定義され造を利用し、アンテナの相互結合抑制や回路ブロック間2）ている 。特に、波長に比べて小さい材料個片を単位粒子の干渉抑制、あるいは特定の周波数帯域のノイズ抑制なとして、これを並べて構成し、電気的特性を持たせた構どの活用が考えられる。

造体を電磁メタマテリアルと言う。このような構造を形成することで、透磁率や誘電率を自在に制御することが（2）一般的なEBG構造可能となる。一例として、透磁率と誘電率が同時に負と①マッシュルームEBG構造なる負屈折率媒質が挙げられる。負屈折率媒質中での電マッシュルームEBG構造は、リファレンス層にビアを磁波は群速度の方向に対し位相速度の方向が逆となる性介した金属パッチを周期的に配置し構成される（図1（a））。

質を持つ。近年、このような特異性を応用した様々なメこの構造による伝送特性の例を図1（c）に示す。このよう

3）

タマテリアルが提案されている 。に構成されたマッシュルームEBG構造は右手/左手系複合線路として知られており、右手系と左手系の周波数帯の間が阻止帯域となる4）。

プリント基板でのメタマテリアル
これまでに様々なメタマテリアルが検討されているが、マッシュルームEBG構造は、金属パッチを配置する層平板構造をとるメタマテリアルの多くがプリント基板でを追加し、接続するIVH（Interstitial Via Hole）などのの実現が可能である。プリント基板でメタマテリアルをビアを設ける必要があるため、製造コストが増加する。

実現することにより、以下のようなメリットが挙げられる。

一方、リファレンス層自体は既存のままで、マッシュ①従来の材料、製造プロセスで製作可能であり、設計やルーム構造を適用箇所に追加する構造であるため、大電評価といった環境もそのまま活用ができる。
②厚みが実質ゼロである。

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流が必要となるアプリケーションでは有効であると考える。

金属パッチビア

金属パッチ

ブリッジライン層のパターニングだけで形成が可能である。
（2）EBG構造の課題
EBG構造の特性は、基板材料およびパターン形状によって決定される。そのため、周期構造をなす単位セルのサリファレンス層基材（a）
マッシュルームEBG構造

リファレンス層基材（b）
ビアレスEBG構造

イズが阻止帯域の周波数に大きく影響する。図2に阻止帯域が現れる周波数帯と単位セルサイズの関係の例を示す。
例えば、一般的な電子機器でのノイズ抑制への応用を考（単位セルサイズ：12mm×12mm、FR-4）
0

サイズが大きくなる。そして、電子機器へ組み込みやすい小さなサイズでは阻止帯域の周波数帯が高くなるとい-20
S21 [dB]

えると、ターゲットとする低い周波数帯では単位セルのうトレードオフの関係となっていることがわかる。この-40ように、一般的な電子機器で使用するためには単位セル-60-80

EBG構造なし（実測）の小型化が必要となるが、単純な小型化は難しいことが

EBG構造なし（シミュレーション）

わかる。

マッシュルーム構造（実測）マッシュルーム構造（シミュレーション）-1000246Freq. [GHz]8マッシュルームEBG構造

140-20Freq.[GHz]（単位セルサイズ：12mm×12mm、FR-4）

小さなサイズでは12（c）
マッシュルームEBG構造の伝送特性例

S21 [dB]

ビアレスEBG構造

10周波数が高い

108低い周波数へ適応すると6サイズが大きくなる

4ターゲット領域

2-400-600

EBG構造なし（実測）1015Size[mm]EBG構造なし（シミュレーション）-805ビアレス構造（実測）図2 阻止帯域と単位セルサイズ

ビアレス構造（シミュレーション）-1000246Freq. [GHz]810（d）
ビアレスEBG構造の伝送特性例

EBG構造の小型化検討
今回、既存の製造プロセスを活用し、安価で設計自由度の高いビアレスEBG構造についての検討を行った。ター

図1 EBG構造ゲットとする周波数帯は、身近となっている無線LAN等で使われる2.4GHzとした。一般的に、この周波数帯に対②ビアレスEBG構造応した受動部品は高価であるため、これらの部品の採用

ビアレスEBG構造は、リファレンス層と対向する層にはコスト増となる。しかし、これらの電子部品の機能を、金属パッチとそれを接続するブリッジラインからなる単パターンのみで構成されるビアレスEBG構造が適用でき位セルを周期的に配置した構成となる（図1（b））
。

ればコスト削減につながる。そこで、この帯域近辺で阻このように構成されたビアレスEBG構造は、インダクタとキャパシタの並列回路を周期的に配置した構造と見る止帯域を持つような小型のEBG構造を得るための検討を行った。

ことができ、その共振に起因する阻止帯域を持つ（図1（d））。また、対向する層との間に形成される容量成分と併せて考えると、右手/左手系線路の阻止帯域を併せ持つことも可能である。
ビアレスEBG構造は、新たな層やビアが不要で、適用（1）等価回路
ビアレスEBG構造の等価回路を図3（次ページ）に示す。
ビアレスEBG構造は金属パッチ部のL1 と金属パッチとリファレンス間のC1をブリッジラインのL1とセル間のキャOKIテクニカルレビュー
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設計したパターン例を図5（a）に、伝送特性を図5（b）に示す。一般的な従来構造で2GHz近辺での阻止帯域を実現するためには10mm×10mm以上の単位セルサイズが必要となる例が多い。今回のようにブリッジラインを適切に設計することによって5mm×5mm程度の単位セルサイズ
L2
L1C1で2GHz以下の阻止帯域を実現することが可能となった。

C2

図3 ビアレスEBG構造の等価回路

パシタンスC2で接続した回路と表すことができる。
単位セル(5mm×5mm)を2×2個配置

このうち、L2とC2によるLC共振回路の共振周波数は(a)パターン例0
実測-20つこととなる。よって、低い周波数帯での阻止帯域を得るためには、L2およびC2を大きくする必要がある。
（2）小型ビアレスEBG構造の設計

S21[dB]となる。この共振により伝搬が抑制され、阻止帯域を持シュミレーション-40-60-80

セルサイズを小さくする必要があるため、セル間のキャパシタンスを大きく取ることは難しい。よって、低周波-1000領域で必要な阻止帯域を得るために、ブリッジラインのインダクタンスを大きくするようなパターンを設計する

24Freq.[GHz]68(b)伝送特性必要がある。つまり、ラインを極力細く長くすることが小型低周波化に有効である。そこで、ライン幅を細くし、

図5 小型ビアレスEBG構造の設計事例

ブリッジラインをセル内で引き回して延長させ、インダクタンスを大きくすることで、小型ビアレスEBG構造の（3）1列配置小型ビアレスEBG構造の設計実現を目指した。ブリッジラインは、図4の矢印で示すよ

これまで検討してきたビアレスEBG構造を実際に電子うに、①任意の場所での折り曲げ、②ミアンダ形状、③機器に組み込むことを想定すると、さらに小型なものをスパイラル形状で延長させた。単位セルサイズを5mm×要求される可能性がある。ここではWi-Fiなど2.4GHz帯5mmとし、①〜③の形状にて設計した小型ビアレスEBGの電子機器への組み込みを目的とし、ビアレスEBG構造

構造にて、2GHz以下からの阻止帯域をシミュレーションのさらなる小型化を検討した。

および実測にて確認した。

そのために、単位セルの配置を2次元配置から1列配置とした（図6）。1列配置とすることにより、隣り合う単位セルを接続するためのブリッジラインの一部が不要になる。
このブリッジラインをなくし、残りのブリッジラインの引き回しを工夫することにより、さらなる小型化が期待できる。

①折り曲げ

②ミアンダ

③スパイラル

図4 ブリッジラインの設計手法

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具体的には図7に示すように、サイズ5.1mm×2.4mmの単位セルを5個配置し、阻止帯域の中心周波数が2.4GHz

伝送路

EBG構造をプリント基板で実現し、さらなる小型化の可能性を示した。このようなEBG構造はプリント基板の従来の製造プロセスが活用できる。その結果、特定の受動素子で構成される電子回路の機能をプリント基板のスタブパターンで実現することが可能となり、様々なアプリケーションへの展開が期待される。

(a)2次元配置◆◆(b)1列配置■参考文献
図6 単位セルの配置となるような設計としたところ、2.4GHz付近で約1GHzの阻止帯域幅を持つことをシミュレーションにより確認した。これまで検討してきたビアレスEBG構造に対して、阻止帯域の幅は狭まったが単位セルサイズで約半分、全体で40%の小型化を実現した。また、設計においては単位セルを形成するパターンの最適化により阻止帯域を制御することが可能である。

単位セル(5mm×5mm)
2×2個配置全体で約40%の小型化
単位セル(5.1mm×2.4mm)
1×5個配置（a）単位セルの配置イメージ

1）上谷純 他,：メタマテリアル技術を応用したEBG構造の検討−
ビアレスEBG構造による電源系ノイズ抑制−，MES2011，2C11，2011年
2）真田篤志：メタマテリアルとは何か，2006年電子情報通信学会総合大会，BT-1-1,2006年 など
3）C.Caloz,T.Itoh： Metamaterials for High - Frequency
Electronics , PROCEEDINGS OF THE IEEE VOL. 93
NO.10, 2005 など
4）D.sievenpiper,et al.,： High-Impedance Electromagnetic
Surfaces with a Forbidden Frequency Band , IEEE
TRANSACTIONS ON MICROWAVE THEORY ANDTECHNIQUES VOL.47 issue 11, 1999

●筆者紹介
上谷 純：Jun Kamiya. 沖プリンテッドサーキット株式会社 技術本部 商品開発部 基礎技術開発チーム
城田健一：Kenichi Shirota. 沖プリンテッドサーキット株式会
社 技術本部 商品開発部 基礎技術開発チーム チームリーダ
八木貴弘：Takahiro Yagi. 沖プリンテッドサーキット株式会社
技術本部 商品開発部 基礎技術開発チーム チームリーダ
中澤哲夫：Tetsuo Nakazawa. 沖プリンテッドサーキット株式会
社 技術本部 担当部長

0S21 [dB]-20-401×5配置
2×2配置-60-80-100
012345Freq. [GHz]（b）伝送特性例
図7 1列配置小型ビアレスEBG構造の設計事例

まとめ

今回、メタマテリアル技術の応用として、小型ビアレス

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