電磁ノイズ抑制構造に関する研究
製品･機能評価課 宮田直幸 佐々木克浩*1
1. 緒言
Power plane (or Ground plane)
Spiral open stub

電子機器は電磁ノイズを発生し、それによる誤動作が問題となることから、EMC（Electromagnetic Compatibility）に関する国際規格 CISPR では許容される放射エミッショ(b)ン等の限度値が規定されており、電子機器を製造・販売すiるためにはそれらの規格値を満たすことが重要となっている。
特に多層基板における電源／グラウンド層間の端部から漏れる電磁ノイズは PI（Power Integrity）や SI（Signali�1

Ground plane (or Power plane)

(a)

x(c)

Fig. 1 EBG structures using spiral open stubs

Integrity）の観点からも問題となっているが、高周波のた(a) Cross sectional view. (b)(c) Top view of a spiral

め寄生インダクタンスが問題となり、デカップリングコ

open stub of (b) fixed-width type and (c) club-shaped

ンデンサを使った対策が難しい。

type. (Black : PEC, Other color : dielectric substrate)

この問題に対し、メタマテリアルの一種である EBG（Electromagnetic Bandgap）構造を利用した方法が提案されている 1)2)3)。これは、導体に周期的な構造を持たせることで電磁波のバンド分散にギャップが開き、ギャップ内の周波数では伝播できなくなることを利用したものである。
本研究では、前年度までに検討した渦巻き状オープンスタブ 3)で一定幅のタイプと先端の幅が広いタイプについて実験を行い、数値計算結果と比較した。Fig.1(a)にその構造の断面、Fig.1(b)(c)に渦巻き状の部分をそれぞれ示す。

EBG structures shown in Fig. 1
3. 結果

2.1 計算手法
具体的な計算手法として、前年度同様 FDTD 法 4)を用いた。境界条件には吸収境界条件ではなく、Bloch の定理による境界条件を課し、時間波形を FFT することでバンド分散を得ることができる。
2.2 実験手法
3)

論文 に倣い、プローブを当てるためのパッドを、1、3、6、9 セルを間に挟むように設けた 20×20 セルの評価基板を作製し（Fig. 2）、Rohde & Schwarz 社製のベクトルネットワークアナライザ ZVA24 で通過特性 S21 を測定した。正方形セルの一辺 2.1mm、マイクロストリップ側基板厚 0.06mm、層導体間 0.66mm、導体厚 0.018mm、ビアの直径 0.25mm、線幅 0.1mm、線間ギャップ 0.1mm、幅が広い部分の幅 0.2.mm、誘電体（Fig. 1, 2 のグレー部分）の比誘電率 4.5 とした。

3.1 計算結果
Fig. 3 に FDTD 法による結果を示す。一定幅のタイプでは 1.9GHz～3.3GHz と 5.66GHz～6.91GHz に、先端の幅が広いタイプでは 2.05GHz～3.85GHz と 7.15GHz～8.68GHzにバンドギャップができていることがわかる。
𝜋𝜋/𝑎𝑎�

Wave number kx (rad/m)

2. 手法

*1 現

Fig. 2 An example of fabricated sample boards withFrequency (GHz)
Fig. 3 Dispersion diagram of EBG structures

生活工学研究所
富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.34 (2020)25

1st bandgap

ンスが整合するように設計されているわけではないので、2nd bandgap

反射やパッド以外の部分への散乱の影響も受けているということである。つまり、EBG 構造による効果を単独で|S21| (dB)取り出して評価することは難しい。実際、ここでは示さな
いが EBG 構造の渦巻き状オープンスタブだけを評価基板から取り除いたものにおいても、EBG 構造のある評価
基板よりも S21 が低下している周波数もあった。バンドギ
ャップ外の周波数において、パッド間のセル数の増加に対して非単調に変化しているのは、そのことの一つの現Frequency (GHz)れとも考えられる。同時に、それにもかかわらずバンドギ(a)ャップ内の周波数でパッド間のセル数の増加とともに単1st bandgap

2nd bandgap

調に低下しているということは、そのような複雑な要因を上回って電磁ノイズの伝播が抑制されていることを示|S21| (dB)していると考えられる。
4. 結言
既存の EBG 構造とその変形について実験による評価を行ったところ、数値計算結果による予測と良好な一致を示した。S21 の低下から、本構造により多層基板端部かFrequency (GHz)ら放射される電磁ノイズ（放射エミッション）が低減され(b)るという有用性が確認できたとともに、数値計算によるFig. 4 Measured transmission coefficient (S21).
(a) Fixed-width type. (b) Club-shaped type

事前のバンドギャップの見積もりの有効性を確認できた。
参考文献
1) R. Abhari et al., Microwave Theory and Techniques, IEEETransactions on., Vol. 51, No. 6, pp. 1629-1639 (2003)

3.2 実験結果と考察
Fig. 4 (a)(b)にそれぞれ一定幅タイプと先端の幅が広いタイプの結果を示す。数値計算で得られたバンドギャップの上端と下端の位置を破線で示した。どちらのタイプもバンドギャップの位置で、パッド間のセル数が増加するにつれて S21 が単調に低下していることがわかる。ここ2) T. L. Wu et al., Microwave Theory and Techniques, IEEETransactions on., Vol. 53, No. 9, pp. 2935-2942 (2005)
3) H. Toyao et al., IEIEC TRANSACTIONS on Communications, Vol. E93-B, No. 7, pp. 1754-1759 (2010)4) A. Taflove and S. C. Hagness ： Computational electro-で注意すべきことは、電源／グラウンド層はインピーダ

dynamics, ARTECH HOUSE (2005)

キーワード：EMC、電磁波、EBG

Development of Metamaterial Structures for Suppression of Electromagnetic Noise
Product and Function Evaluation Section; Naoyuki MIYATA and Katsuhiro SASAKIOpen stub electromagnetic bandgap (EBG) structures formed on power/ground plane of multilayer printed circuit boards(PCBs) were studied. Two types of sample boards, the fixed-width type and the club-shaped type, were fabricated, and theirtransmission coefficients S21 were measured using network analyzer. For both types the magnitude of S21 were significantly
suppressed in the bandgap frequency range estimated by using FDTD simulation.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.34 (2020)