JP2017011369A - 構造体及びアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】特定の周波数の入射される電磁波を同相で反射する、又は、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する小型の導体の構造体を提供すること。【解決手段】互いに平行な複数の平面に形成される導体を含む構造体において、第１の面状導体、第２の面状導体、及び第１の面状導体と第２の面状導体とを接続する第１の導体を含む第１の単位が第１の平面にアレイ状に配置され、第３の面状導体、第４の面状導体、及び第３の面状導体と第４の面状導体とを接続する第２の導体を含む第２の単位が、第１の平面と異なる第２の平面にアレイ状に配置され、第１の単位と第２の単位とは接続されておらず、第１の単位は、複数の平面の垂直方向から見て、第１の単位に含まれる第１の面状導体が、第２の単位の１つの第３の面状導体と重なるように配置されると共に、第２の面状導体が第２の単位のその１つの第４の面状導体と重ならないように配置される。【選択図】 図１

Description

本発明は、特定の周波数の電磁波に作用する導体の構造体、及び、アンテナに関する。

近年、特定の周波数で入射された電磁波（入射波）を同相で反射する構造体、または、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する構造体が検討されている。これは、磁気壁（Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｗａｌｌ）または完全磁性体（Ｐｅｒｆｅｃｔ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）と同様の働きをし、人工磁性体（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ）又はＡＭＣと呼ばれることもある。このような構造体は、例えばアンテナ装置を小型化するのに用いられうる。

特許文献１には、特定の周波数において高いインピーダンス特性を有する人工磁気壁の構造として、グランド層と導体とからなるトップ層の間に浮遊キャパシタ層を設けた単位セルを有する構造体を含む、アンテナ装置が記載されている。また、特許文献２には、特定周波数帯の電磁波の伝搬を阻止するバンドギャップ面を有する基板上に、バンドギャップ面に沿って、特定の周波数帯に属する作動周波数帯の円偏波を送受信する進行波型のアンテナを配置したアンテナ装置が記載されている。

特開２００９−２１８９７１号公報 特開２００９−１００４４５号公報

一般に、電子機器は小形化されることが要求されるため、電子機器の電気回路基板も小形化されることが要求される。また、その結果、電気回路基板に実装される部品、回路パターン等も小型化されることが要求されうる。したがって、上述のような、特定の周波数の入射された電磁波（入射波）を同相で反射する構造体、又は、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する構造体も、小型化されることが要求される。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、特定の周波数の入射される電磁波を同相で反射する、又は、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する小型の導体の構造体を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による構造体は、互いに平行な複数の平面に形成される導体を含み、所定の周波数の電磁波を同相で反射する構造体であって、第１の面状導体、第２の面状導体、及び前記第１の面状導体と前記第２の面状導体とを接続する第１の導体を含む第１の単位が、前記複数の平面のうちの第１の平面にアレイ状に配置され、第３の面状導体、第４の面状導体、及び前記第３の面状導体と前記第４の面状導体とを接続する第２の導体を含む第２の単位が、前記複数の平面のうちの前記第１の平面とは異なる第２の平面にアレイ状に配置され、前記第１の単位と前記第２の単位とは接続されておらず、前記第１の単位は、前記複数の平面の垂直方向から見て、当該第１の単位に含まれる前記第１の面状導体が、前記第２の単位の１つの前記第３の面状導体と重なるように配置されると共に、前記第２の面状導体が前記第２の単位の当該１つの前記第４の面状導体と重ならないように配置される、ことを特徴とする。

本発明によれば、特定の周波数の入射される電磁波を同相で反射する、又は、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する小型の導体の構造体を提供することができる。

構成例１に係るＡＭＣの単位セルの構成例を示す図。 図１の単位セルを周期的に並べたＡＭＣの構成例を示す図。 図１及び図２のＡＭＣにおいて、入射波がＹ軸方向にのみ電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 構成例１に係るＡＭＣの単位セルの別の構成例を示す図。 図４のＡＭＣにおいて、入射波がＹ軸方向にのみ電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 構成例２に係るＡＭＣの単位セルの構成例を示す図。 図６の単位セルを周期的に並べたＡＭＣの構成例を示す図。 図６及び図７のＡＭＣにおいて、入射波がＹ軸方向にのみ電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 構成例３に係るＡＭＣの単位セルの構成例を示す図。 図９の単位セルを周期的に並べたＡＭＣの構成例を示す図。 図９のＡＭＣにおいて、入射波がＹ軸方向にのみ電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 図１のＡＭＣにおいて、面状導体の辺の長さａ及びｂを変化させた時の、入射波がＸ軸方向とＹ軸方向に電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 構成例４に係るＡＭＣの単位セルの構成例を示す図。 図１３の単位セルを周期的に並べたＡＭＣの構成例を示す図。 図１３のＡＭＣにおいて、面状導体の辺の長さｅ及びｆを変化させた時の、入射波がＹ軸方向にのみ電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 図１４のＡＭＣの上層にアンテナ導体を配置したアンテナ構造を示す図。 図１３のＡＭＣの面状導体の辺の長さｅ及びｆを変化させた時の、図１６のアンテナ構造における放射効率を示す図。 図２のＡＭＣの上層にアンテナを配置した時の図 図１のＡＭＣにおいて、面状導体の辺の長さｃ及びｄを変化させた時の、入射波がＹ軸方向のみに電界成分をもつ場合の入射波と反射波の位相差の特性を示す図。 図１８のＡＭＣ付きアンテナにおいて、ＡＭＣの面状導体の辺の長さｃ及びｄを変化させた時の放射効率を示す図。

以下、添付図面を参照して本発明の実施の形態を詳細に説明する。

電子機器の小型化の要求に伴って、アンテナが内蔵されることが想定されうる。このとき、アンテナの近傍には、電子機器の筺体、電気回路基板、その他電子機器を構成する部品が存在し、それらによってアンテナの特性が劣化しうる。例えば、アンテナから使用周波数の波長に比べて非常に短い距離に金属部材が存在する場合、アンテナから放射される電磁波と、金属部材で反射してアンテナに戻る電磁波は、金属部材の反射面において逆相で重なる。このため、アンテナから放射される電磁波は打ち消されて、アンテナの特性が劣化する。このようなアンテナの特性劣化を防ぐには、例えばアンテナと金属部材の距離を、少なくとも使用周波数の電気長の１／４の長さだけ確保し、アンテナにおける入射波と反射波の位相を同相とすることが可能である。しかしながら、アンテナと金属部材の距離を、少なくとも使用周波数の電気長の１／４の長さだけ離すのは、電子機器の大きさの制約の観点から容易ではない。

これに対して、まず、入射された電磁波（入射波）の特定の周波数成分を同相で反射する構造体、または、特定の周波数帯域の電磁波に対して高いインピーダンス特性を有する構造体を用いることができる。なお、以下では、このような構造体のことを、人工磁性体（Ａｒｔｉｆｉｃｉａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ Ｃｏｎｄｕｃｔｏｒ、ＡＭＣ）と呼ぶ。

このようなＡＭＣに入射する特定の周波数の入射波の位相は、ＡＭＣにおいて反射される反射波の位相と、ＡＭＣの反射面において同相となる。このため、ＡＭＣとアンテナ導体とを含むアンテナ装置において、アンテナ導体の近傍にＡＭＣが存在しても、アンテナ導体から放射される電磁波が打ち消され、アンテナ特性が劣化するようなことがなくなる。したがって、アンテナ導体の近傍にＡＭＣを配置することにより、アンテナ特性を劣化させることなく、アンテナ装置を電子機器内にコンパクトに内蔵することが可能となる。ここで、上述の「アンテナ導体の近傍」とは、アンテナ導体からの距離が、使用周波数の波長に比べて非常に短い範囲を指す。

ここで、ＡＭＣ自体のサイズが大きいと、結果として電子機器のサイズも大きくなってしまう。したがって、ＡＭＣ自体のサイズを小型化することが要求される。本実施形態では、このような要求に応じて、いくつかの小型のＡＭＣを例示する。そして、その後に、そのようなＡＭＣとアンテナ導体とを有するアンテナについて説明する。なお、ＡＭＣは、アンテナ以外の装置にも、所定の周波数の入射波を同相で反射又は遮断することが要求される電子回路内に含められることができる。なお、以下の構成例では、無線ＬＡＮ（ＩＥＥＥ８０２．１１ｂ／ｇ／ｎ）で使用する周波数帯域である２．４−２．５ＧＨｚで動作するＡＭＣの構造について検討する。ＡＭＣは、一般的な４層のプリント基板上に構成されうる。しかしながらこれに限られず、互いに平行な複数の平面において導体が配置されることによってＡＭＣが実現されうる。

（ＡＭＣの構成）
＜構成例１＞
図１に、ＡＭＣの構成例１における単位セルを示す。また、図２は、図１の単位セルを周期的に（アレイ状に）並べたＡＭＣの構成例を示す。図２のようなＡＭＣの構成により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより特定の周波数の入射波を同相反射することができる。

本構成例に係るＡＭＣの単位セルは、図１に示すように、第１の平面の面状導体１０１〜１０４並びに線状導体１０５〜１０７、及び第１の平面に平行な第２の平面の面状導体１０８〜１１１並びに線状導体１１２〜１１４を含んで構成される。また、ＡＭＣの単位セルは、一例において、第１の平面及び第２の平面に平行な第３の平面に配置されるグランド導体１１５及び各平面間の誘電体１１６を含む。各導体は、例えば、０．８ｍｍの厚さのプリント基板の誘電体中に形成される。

単位セルでは、プリント基板の第１の平面において、第１の面状導体１０２及び第２の面状導体１０３が配置され、第１の面状導体１０２及び第２の面状導体１０３は、線状導体１０５によって接続されて、第１の単位が形成される。また、プリント基板の第２の平面において、第３の面状導体１０９及び第４の面状導体１１１が配置され、第３の面状導体１０９及び第４の面状導体１１１は、線状導体１１３によって接続されて、第２の単位が形成される。第１の単位は、第１の平面においてアレイ状に配置され、第２の単位は第２の平面においてアレイ状に配置される。なお、第１の単位は第２の単位とは接続されない。また、面状導体１０１、１０４、１０８、１１０は、それぞれ第１の面状導体、第２の面状導体、第３の面状導体、第４の面状導体の一例である。

ここで、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、１つの第１の単位における第１の面状導体は第２の単位の所定の１つにおける第３の面状導体と重なり、その第１の単位における第２の面状導体はその所定の１つの第２の単位の第４の面状導体とは重ならない。一方で、その第１の単位における第２の面状導体は、その所定の１つの第２の単位とは異なる別の第２の単位の第４の面状導体と重なる。このようにして、第１の単位は、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、２つの第２の単位のそれぞれの一部（一方の第３の面状導体と他方の第４の面状導体）と重なるように配置される。また、図１の例では、第１の単位の線状導体部分が、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、面状導体の部分では重ならない第２の単位の線状導体部分と交差するように、第１の単位と第２の単位とが配置される。

図２のように、単位セルが周期的に配列された構造体に、特定の周波数の電磁波が入射すると、構造体におけるインダクタンス成分とキャパシタンス成分による共振現象が発生し、特定の周波数において入射波を同相で反射し、高いインピーダンス特性を示す。すなわち、ＡＭＣは、ＡＭＣとして動作させる特定の周波数で共振する構造体を構成することで実現される。図１の単位セルの場合、第１の平面の面状導体１０１と面状導体１０４とにおけるキャパシタ成分が大きくなるように、これらの面状導体と垂直方向から見て重なるように、第２の平面に、互いに線状導体で接続される面状導体１０９及び１１１が配置される。さらに、第２の平面の面状導体１０８と面状導体１１０とにおけるキャパシタンス成分が大きくなるように、これらの面状導体と垂直方向から見て重なるように、第１の平面に互いに線状導体で接続される面状導体１０２及び１０３が配置される。そして、ＡＭＣ構造のキャパシタンス成分を大きくすることで、小型の単位セルを実現することができる。なお、図１の単位セルは、２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作するように設計すると、Ｘ軸方向の長さが５．５ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが５．５ｍｍとなり、十分に小さいと言える。

なお、図１の単位セルにおいて、第１の単位の線状導体部分は、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、面状導体の部分では重ならない第２の単位の線状導体部分と交差しないように第１の単位と第２の単位とが配置されてもよい。また、図１の単位セルでは、第１の面状導体、第２の面状導体、第３の面状導体、及び第４の面状導体は、いずれも矩形形状を有するが、これに限られない。例えば、各面状導体は、円形形状を有していてもよい。さらに、図１の単位セルでは、第１の面状導体は、その矩形形状の１つの角において、第２の面状導体の矩形形状のその１つの角に対応する角の対角と線状導体によって接続されているがこれに限られない。同様に、図１の単位セルでは、第３の面状導体は、その矩形形状の１つの角において、第４の面状導体の矩形形状のその１つの角に対応する角の対角と線状導体によって接続されているがこれに限られない。例えば、第１の面状導体および第２の面状導体、第３の面状導体および第４の面状導体は、その矩形形状の一辺の任意の点において線状導体によって接続されてもよい。

次に、図１及び図２のＺ軸方向から、Ｙ軸方向にのみ電界成分をもつ電磁波を入射した場合のＡＭＣの反射特性について説明する。図３は、図１に示した単位セルが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に無限に周期的に配列されたＡＭＣによる電磁波の位相回転量の特性を示している。すなわち、図３は、Ｚ軸方向から入射した電磁波の基板表面における位相と、ＡＭＣで反射された反射波の基板表面における位相の、位相差の特性を示している。なお、位相差が１８０°又は−１８０°である場合は、入射波と反射波の位相は逆相となる。

図３から、図１及び図２のＺ軸方向から入射する電磁波が、Ｙ軸方向にのみ電界成分をもつ場合、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となることが分かる。位相差が０°であることは、ＡＭＣで電磁波が同相で反射していることを意味する。また、無線ＬＡＮで使用する周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚ帯においては、入射波と反射波の位相差が約１２０°〜−１２０°となっていることが分かる。

次にキャパシタ成分をより大きくしたＡＭＣについて説明する。この場合の単位セルの構造を図４に示す。図４の構成では、第１の平面に配置される面状導体４０１〜４０４並びに線状導体４０５〜４０７、第２の平面に配置される面状導体４０８〜４１１並びに線状導体４１２〜４１４、グランド導体４１５、及び誘電体４１６を含む。各導体は、例えば、０．８ｍｍの厚さのプリント基板の誘電体中に形成されている。

本構成例では、キャパシタ成分をより大きくするために、第１の平面に配置される面状導体４０１〜４０４と第２の平面に配置される面状導体４０８〜４１１とが、重なる面積を大きくしている。すなわち、第１の単位は、他の第１の単位と接続されない範囲で面状導体の大きさを拡大し、また、第２の単位は、他の第２の単位と接続されない範囲で面状導体の大きさを拡大する。なお、本構成例では、第１の単位が隣接する他の第１の単位と接続されない範囲で略最大の大きさを有するように、面状導体の大きさが定められている。

このとき、例えば、第１の面状導体４０２の面積は第３の面状導体４０８の面積と略同一であるか、第２の面状導体４０３の面積は第４の面状導体４１０の面積と略同一であるか、の少なくともいずれかでありうる。すなわち、互いに重なる面状導体の面積の少なくともいずれかが略同一であるように、第１の単位と第２の単位とが構成されうる。なお、この面状導体が重なる面積によってキャパシタ成分の大きさを調整することができるため、ＡＭＣのとるべきサイズに応じて、面状導体が重なる面積を調整することによって、同相で反射させる電磁波の周波数を調整することができる。ここで、図４に示した単位セルは、２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作するよう設計すると、Ｘ軸方向の長さが４．６ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが４．６ｍｍとなり、ＡＭＣの単位セルをさらに小型化することができている。

図５に、図４に示した単位セルが、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向に無限に周期的に配列されたＡＭＣによる電磁波の位相回転量の特性を示す。図５から、図４のＺ軸方向から入射する電磁波が、Ｙ軸方向にのみ電界成分をもつ場合、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となることが分かる。また、無線ＬＡＮで使用する周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚ帯においては、入射波と反射波の位相差が約１２０°〜−１２０°となっていることが分かる。なお、図１及び図４の構成では、第１の平面がプリント基板の表層であるような構成について示しているが、第１の平面はプリント基板の内層であってもよい。

＜構成例２＞
構成例１では、ＡＭＣのキャパシタ成分が大きくなるように、第１の平面の面状導体と第２の平面の面状導体とが、それらの平面の垂直方向から見て重なるように、複数の面状導体を含む導体構造の単位をアレイ状に配置した。そして、このときに、面状導体が重なる面積を大きくすることによって、キャパシタ成分を大きくし、ＡＭＣの構造を小型化可能であることについて説明した。これに対して、本構成例では、インダクタンス成分を大きくする単位セルの構造について説明する。

本構成例のＡＭＣの単位セルを図６に示す。また、図７は、図６の単位セルを周期的に（アレイ状に）並べたＡＭＣの構成例を示す。図７のようなＡＭＣの構成により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより特定の周波数の入射波を同相反射することができる。

本構成例に係るＡＭＣの単位セルは、図６に示すように、第１の平面に配置される面状導体６０１〜６０４並びに線状導体６０５〜６０７、及び第２の平面に配置される面状導体６０８〜６１１並びに線状導体６１２〜６１４を含んで構成される。また、ＡＭＣの単位セルは、一例において、第３の平面に配置されるグランド導体６１５及び各平面間の誘電体６１６を含む。各導体は、例えば、０．８ｍｍの厚さのプリント基板の誘電体中に形成される。

本構成例では、線状導体６０５をメアンダ状にすることにより、第１の導体の線長を確保し、ＡＭＣのインダクタンス成分を大きくしている。これにより、図６に示した単位セルは、２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作するように設計すると、Ｘ軸方向の長さが５．１ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが５．１ｍｍとなり、図１のＡＭＣの単位セルよりも小型化することができている。なお、このときの、図１の面状導体１０１〜１０４及び面状導体１０８〜１１１の面積と、図６の面状導体６０１〜６０４及び面状導体６０８〜６１１の面積は同一であり、図１のＡＭＣと図６のＡＭＣのキャパシタンス成分はほぼ同一である。

図８に、図６に示した単位セルがＸ軸方向及びＹ軸方向に無限に周期的に配列された、図７のようなＡＭＣによる、電磁波の位相回転量の特性を示す。図８から、図６及び図７のＺ軸方向から入射する電磁波が、Ｙ軸方向にのみ電界成分をもつ場合、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となることが分かる。また、無線ＬＡＮで使用する周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚ帯においては、入射波と反射波の位相差が約１３０°〜−１３０°となっていることが分かる。なお、図６の構成では、第１の平面がプリント基板の表層であるような構成について示しているが、第１の平面はプリント基板の内層であってもよい。

なお、図６の構成では、第１の平面において、線状導体６０５のみをメアンダ状としているが、他の線状導体６０６及び６０７をメアンダ状にしても同様の効果を得ることができる。また、図６の例では、第１の平面における線状導体の形状をメアンダ状としたが、第２の平面における導体６１３を、第１の平面における線状導体の代わりに又はそれに追加して、メアンダ状としてもよい。なお、図６の例では、線状導体６０５が、メアンダ状となるように構成されているが、スパイラル状又はヘリカル状となるように構成されてもよく、この場合でも同様の効果を得ることができる。また、線状導体６０６〜６０７及び線状導体６１２〜６１４も、スパイラル状又はヘリカル状となるように構成されてもよい。

また、面状導体および線状導体の構成について、構成例１において説明した変形例と同様の変形が可能である。すなわち、図６の単位セルにおいて、第１の単位の線状導体部分（例えば６０５）は、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、面状導体の部分で重ならない第２の単位の線状導体部分（例えば６１３）と交差しないように構成されてもよい。また、図６の単位セルでは、各面状導体（６０１〜６０４及び６０８〜６１１）はいずれも矩形形状を有するが、これに限られない。例えば、各面状導体は、円形形状を有していてもよい。さらに、図６の単位セルでは、例えば、面状導体６０２は、その矩形形状の１つの角において、面状導体６０３の矩形形状のその１つの角に対応する角の対角と、線状導体６０５によって接続されているがこれに限られない。同様に、図６の単位セルでは、面状導体６０８は、その矩形形状の１つの角において、面状導体６１０の矩形形状のその１つの角に対応する角の対角と、線状導体６１３によって接続されているがこれに限られない。例えば、面状導体６０２および面状導体６０３、面状導体６０８および面状導体６１０は、それぞれ、その矩形形状の一辺の任意の点において線状導体によって接続されてもよい。また、第１及び第２の平面の垂直方向から見て重なる面状導体の面積は略同一となるように、また面状導体の面積をできるだけ大きくするように、各導体が配置及び構成されてもよい。

＜構成例３＞
構成例１及び構成例２では、第１の平面と第２の平面のそれぞれにおいて、同一平面上の２つの面状導体を線状導体で接続したものを１つの単位として、その１つの単位をアレイ状に繰り返して配置する構造について説明した。本構成例では、第１の平面に配置された第１の面状導体と、第２の平面に配置された第２の面状導体とが、導体ビアを含む線状導体によって接続されて第１の単位を構成する。また、第２の平面に配置された第３の面状導体と、第１の平面に配置された第４の面状導体とが、導体ビアを含む線状導体によって接続されて第２の単位を構成する。ここで、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、第１の単位に含まれる第１の面状導体および第２の面状導体は、それぞれ、ある第２の単位に含まれる第３の面状導体、及び、別の第２の単位に含まれる第４の面状導体と、重なる位置に配置される。すなわち、第１の単位は、面状導体の位置において、２つの第２の単位と重なるように配置される。また、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、第２の単位に含まれる第３の面状導体および第４の面状導体は、それぞれ、ある第１の単位に含まれる第１の面状導体、及び、別の第１の単位に含まれる第２の面状導体と、重なる位置に配置される。すなわち、第２の単位は、面状導体の位置において、２つの第１の単位と重なるように配置される。

図９に、本構成例に係るＡＭＣの単位セルを示す。また、図１０は、図９の単位セルを周期的に（アレイ状に）繰り返し並べたＡＭＣの構成例を示す。図１０のようなＡＭＣの構成により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより特定の周波数の入射波を同相反射することができる。

本構成例に係るＡＭＣの単位セルは、図９に示すように、第１の平面に配置される面状導体９０１〜９０４並びに線状導体９０５〜導体９０７、第２の平面に配置される面状導体９０８〜９１１並びに線状導体９１２〜導体９１４を含んで構成される。また、ＡＭＣの単位セルは、異なる平面に配置された面状導体を接続するための導体ビア９１５〜９１８を含む。より詳細には、面状導体９０１と面状導体９１１とが、線状導体９１３及び導体ビア９１５によって接続される。また、面状導体９０２と面状導体９１０とが、線状導体９０６と導体ビア９１６とによって接続される。さらに、面状導体９０４は、導体ビア９１７及び線状導体９１２によって、また、面状導体９０８は、導体ビア９１８及び線状導体９０７によって、他の単位セルの面状導体と接続される。同様に、面状導体９０３は線状導体９０５及び不図示の導体ビアによって、また、面状導体９０９は、線状導体９１４及び不図示の導体ビアによって、他の単位セルの面状導体と接続される。また、ＡＭＣの単位セルは、一例において、第３の平面に形成されるグランド導体９１９及び各平面間の誘電体９２０を含む。各導体は、例えば、０．８ｍｍの厚さのプリント基板の誘電体中に形成される。なお、図９の単位セルは、２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作するように設計すると、Ｘ軸方向の長さが４．５ｍｍ、Ｙ軸方向の長さが４．５ｍｍとなり、十分に小さいと言える。

図１１に、図９に示した単位セルがＸ軸方向及びＹ軸方向に無限に周期的に配列された、図１０のようなＡＭＣによる、電磁波の位相回転量の特性を示す。図１１から、図９及び図１０のＺ軸方向から入射する電磁波が、Ｙ軸方向にのみ電界成分をもつ場合、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となることが分かる。また、無線ＬＡＮで使用する周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚ帯においては、射波と反射波の位相差が約１２０°〜−１２０°となっていることが分かる。

なお、面状導体および線状導体の構成について、構成例１及び２において説明した変形例と同様の変形が可能である。すなわち、例えば、面状導体の形状は矩形形状に限られず、また、線状導体は、その少なくとも一部において、メアンダ状、スパイラル状、ヘリカル状の形状を有してもよい。なお、構成例１〜３では、無線ＬＡＮで使用する周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作するように導体構造を設計しているが、ＡＭＣとして動作させるべき電磁波の周波数帯に合わせて設計が可能である。例えば、構成例１で示したように、面状導体の重なる面積を調整することによって、又は、構成例２で示したように、線状導体の少なくとも一部をメアンダ状等の形状とすることで、ＡＭＣとして動作させるべき電磁波の周波数帯を調整可能である。

ここで、上述のＡＭＣの各構成例では、入射する電磁波が一方向のみ電界成分をもつ場合に、２．４−２．５ＧＨｚにおいてＡＭＣとして動作する導体構造について説明した。ここでは、入射する電磁波が二方向の電界成分をもつ場合に、一方の偏波に対しては上述の説明と同様の動作周波数帯を有しながら、他方の偏波に対して動作周波数帯を調整可能なＡＭＣの設計方法を述べる。

図１に示した単位セルが、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に無限に周期的に配列されたＡＭＣによる、電磁波の位相回転量を図１２（Ａ）に示す。ここで、図１に示した面状導体１０１〜１０４のＸ軸方向（図１のａ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｂ）はともに１．８５ｍｍである。図１２（Ａ）の（１）は、図１のＺ軸方向から入射する電磁波がＹ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。図１２（Ａ）の（２）は、図１のＺ軸方向から入射する電磁波がＸ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約７ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。すなわち、図１２（Ａ）の結果から、図１のＡＭＣ構造は、共にＺ軸方向から入射する電磁波であっても、その偏波によって、特性が異なることが分かる。

続いて、図１における面状導体１０１〜１０４の面積を変化させずに、それぞれの導体のＸ軸方向（図１のａ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｂ）を変化させた場合の結果を図１２（Ｂ）及び図１２（Ｃ）に示す。図１２（Ｂ）は、ａ及びｂの長さが、それぞれ１．７１ｍｍ及び２ｍｍである時の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、図１２（Ｃ）は、ａ及びｂの長さが、それぞれ２ｍｍ及び１．７１ｍｍである時の、同特性を示している。

図１２（Ｂ）の（１）は、図１のＺ軸方向から入射する電磁波がＹ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。図１２（Ｂ）の（２）は、Ｚ軸方向から入射する電磁波がＸ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約６．８ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。図１２（Ｃ）の（１）は、図１のＺ軸方向から入射する電磁波がＹ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約２．４５ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。図１２（Ｃ）の（２）は、Ｚ軸方向から入射する電磁波がＸ軸方向に電界成分をもつ場合の、入射波と反射波の位相差の特性を示しており、約６．５ＧＨｚで位相差が０°となっていることが分かる。

以上のように、図１２Ａ〜Ｃから、面状導体１０１〜１０４の面積を変えずに導体のＸ軸方向の辺の長さ（図１のａ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｂ）を変化させることで、ＡＭＣとしての動作の特性を変更することができる。すなわち、面状導体１０１〜１０４の面積を一定とすることによって、一方の偏波に対しての動作周波数帯を変化させることなく、辺の長さを変更することによって、その一方の偏波に直交する他方の偏波に対しての動作周波数帯を変化させることができる。なお、面状導体１０１〜１０４の面積の大きさに応じて、第１の方向の偏波に対する動作周波数帯を調整し、面状導体１０１〜１０４の辺の長さに応じて、第１の方向に直交する第２の方向の偏波に対する動作周波数帯を調整することができる。

これにより、単位セルのセルサイズを変化させることなく、面状導体１０１〜１０４におけるＸ軸方向（図１のａ）の辺の長さとＹ軸方向の辺の長さ（図１のｂ）を変化させ、一方向の偏波に対してのみ、設計周波数を調節できる効果を得ることができる。したがって、デュアルバンドＡＭＣの設計が、面状導体の形状の変更によって容易に可能となる。

＜構成例４＞
構成例１〜３では、２つの面状導体が線状導体などにより接続される場合の例について説明した。本構成例では、面状導体が接続されずにアレイ状に配置されるＡＭＣ構造について説明する。

図１３に、本構成例に係るＡＭＣの単位セルを示す。また、図１４は、図１３の単位セルを周期的に（アレイ状に）繰り返し並べたＡＭＣの構成例を示す。図１４のようなＡＭＣの構成により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより特定の周波数の入射波を同相反射することができる。

本構成例に係るＡＭＣの単位セルは、第１の平面に形成される面状導体１３０１及び第２の平面に形成される面状導体１３０２〜１３０５を含んで構成される。なお、第１の平面に形成される面状導体と第２の平面に形成される面状導体とは互いに接続されず、また、各平面に複数配置された面状導体も、互いに接続されない。また、ＡＭＣの単位セルは、その一例において、第３の平面に配置されるグランド導体１３０６及び各平面間の誘電体１３０７を含む。各導体は、例えば、プリント基板の誘電体中に形成される。なお、面状導体１３０２〜１３０５は、図１３ではその一部のみが表されているが、実際には、図１４に示すように、第１及び第２の平面の垂直方向から見て、面状導体１３０１以外の第１の平面の面状導体とも重なるような大きさを有し得る。なお、第１の平面に形成される面状導体１３０１は、４つの面状導体１３０２〜１３０５と重なるように配置されているが、必ずしも４つの面状導体と重ならなければならないわけではない。すなわち、第１の平面の面状導体は、第２の平面に形成される少なくとも１つの面状導体と重なるような位置に形成されれば足りる。図１３の構造においても、構成例１で示したように、第１の平面または第２の平面に形成される面状導体の面積の大きさを変化させることで、面状導体間のキャパシタ成分の大きさを調整し、ＡＭＣとして動作する周波数を設計することができる。

図１５に、図１３に示した単位セルを、Ｘ軸方向及びＹ軸方向に無限に周期的に配列された、図１４のようなＡＭＣによる、電磁波の位相回転量の特性を示す。図１５では、面状導体１３０２〜１３０５が、面状導体１３０１と重なる部分のＸ軸方向の辺の長さ（図１３のｅ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１３のｆ）を４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍとした場合の特性を、それぞれ１５０１、１５０２、１５０３によって示している。図１５から、面状導体１３０２〜１３０５と面状導体１３０１とが重なる部分の面積を大きくすることで、ＡＭＣとして動作する周波数が低域に移動することが分かる。

（ＡＭＣを含むアンテナ）
続いて、ＡＭＣとアンテナ導体とを含むアンテナについて説明する。図１６に、一例として、図１４のＡＭＣの上層にアンテナ導体を配置した場合のアンテナの構造の例を示す。図１６に示すように、アンテナは、ＡＭＣ１６０１、アンテナ導体１６０２、導体ビア１６０３〜１６０４、グランド導体１６０５、誘電体１６０６、及び給電点１６０７を有する。アンテナ導体１６０２は、導体ビア１６０３を介して給電点１６０７と接続し、また、導体ビア１６０４を介してグランド導体１６０５と接続している。またＡＭＣ及びアンテナ導体はプリント基板に構成されている。なお、アンテナ導体１６０２は、ＡＭＣにおける各導体が形成される平面及びグランド導体が配置される平面と異なる平面に配置される。

図１６の構成において、アンテナとＡＭＣはともに導体で構成されるため、アンテナとＡＭＣを近接して配置すると、アンテナとＡＭＣの間に強い電磁結合または磁気的結合が発生する。これにより、アンテナ及びＡＭＣの周波数特性がずれることが想定される。このとき、グランド導体１６０５と接続するアンテナ導体１６０２の周波数特性のずれは、ＡＭＣの周波数特性のずれと比べ小さくなる。このため、アンテナ導体のエレメント長を変化させずに、ＡＭＣの動作周波数を調整することで、ＡＭＣ付きアンテナが所定の周波数で十分な放射特性を得ることが可能となる。

図１７に、図１６の構成のＡＭＣ付きアンテナの放射効率を示す。図１７では、図１３の面状導体１３０２〜１３０５のＸ軸方向（図１３のｅ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１３のｆ）を４ｍｍ、５ｍｍ、６ｍｍと変化させた時のＡＭＣ付きアンテナの放射効率を、それぞれ１７０１、１７０２、１７０３によって示している。図１７から、面状導体１３０１と重なる面状導体１３０２〜１３０５の部分の面積を大きくすることで、放射効率が最も高くなる周波数が低域に変化していることが分かる。すなわち、ＡＭＣとしての動作周波数を調整し、最適値を選択することで、ＡＭＣとアンテナ導体とを含むアンテナが所望の周波数で所望の特性を得ることが可能となる。

また、図１５の１５０１に示したように、面状導体１３０１と重なる面状導体１３０２〜１３０５の部分のＸ軸方向（図１３のｅ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１３のｆ）が４ｍｍの時、図１３の構造体は、周波数帯２．４−２．５ＧＨｚでＡＭＣとして動作する。すなわち、図１３の構造体は、このとき、周波数帯２．４−２．５ＧＨｚにおいて、入射波と反射波との位相差が約１２０°〜−１２０°となっている。しかし、図１７の１７０１に示したように、この場合のＡＭＣ付きアンテナの最大放射効率が得られる周波数は２．９５ＧＨｚとなり、２．４−２．５ＧＨｚからずれている。

一方、図１５の１５０３に示すように、面状導体１３０１と重なる面状導体１３０２〜１３０５のＸ軸方向及びＹ軸方向の辺の長さ（図１３のｅ及びｆ）が６ｍｍの時、図１３の構造体は、周波数帯２．４−２．５ＧＨｚより低域でＡＭＣとして動作する。すなわち、図１３の構造体は、このとき、位相回転量が約１２０°〜−１２０°の範囲となっている。しかし、図１７の１７０３に示したように、この場合のＡＭＣ付きアンテナの最大放射効率が得られる周波数は２．４５ＧＨｚとなり、無線ＬＡＮで使用する周波数帯２．４−２．５ＧＨｚと合致する。このように、ＡＭＣ付きアンテナの最大放射効率が得られる周波数を無線ＬＡＮで使用する周波数帯２．４−２．５ＧＨｚに設計する場合、ＡＭＣは、その動作周波数、すなわち、同相で反射する電磁波の周波数がそれよりも低域となるように構成される。

なお、上述の構成例１〜３で説明したＡＭＣの上層にアンテナ導体を配置しても、同様である。すなわち、ＡＭＣ付きアンテナの最大放射効率が得られる周波数は、図１、図４、図６又は図９のＡＭＣの面状導体のサイズ等を調整することによって、調整可能である。さらに、最大放射効率が得られる周波数帯が２．４−２．５ＧＨｚとなるようにアンテナを設計する場合、併せて使用されるＡＭＣは、動作周波数がそれよりも低域であるように設計される。

一例として、図２のＡＭＣ構造の上層にアンテナ導体を配置した時のＡＭＣ付きアンテナの設計に関して説明する。本実施形態の別のＡＭＣ付きアンテナを図１８に示す。図１８のアンテナは、ＡＭＣ１８０１、アンテナ導体１８０２、導体ビア１８０３〜１８０４、グランド導体１８０５、誘電体１８０６、給電点１８０７を有する。アンテナ導体１８０２は、導体ビア１８０３を通じて給電点１８０７と接続し、また、導体ビア１８０４を通じてグランド導体１８０５と接続している。またＡＭＣ及びアンテナ導体は、プリント基板に構成されている。

図１９に、図１のＡＭＣの単位セルをＸ軸方向及びＹ軸方向に無限に周期的に配列された、図２のようなＡＭＣの入射波と反射波との位相差の特性を示す。図１９では、第２の面に形成される面状導体１０８〜１１１のＸ軸方向の辺の長さ（図１のｃ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｄ）とを２．９ｍｍ、３．９ｍｍ、４．９ｍｍと変化させた場合の特性を、それぞれ１９０１、１９０２、１９０３として示している。図１９から、面状導体１０８〜１１１のサイズを大きくすることで、ＡＭＣとして動作する周波数が低域に移動することが分かる。

図２０に、図１８のＡＭＣ付きアンテナの放射効率を示した。図２０では、ＡＭＣの面状導体１０８〜１１１のＸ軸方向の辺の長さ（図１のｃ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｄ）を２．９ｍｍ、３．９ｍｍ、４．９ｍｍと変化させた時のアンテナの放射効率を、それぞれ２００１、２００２、２００３として示している。図２０から、ＡＭＣの面状導体１０８〜１１１のサイズを大きくすることで、最大放射効率が得られる周波数が低域にシフトしていることが分かる。すなわち、ＡＭＣの動作周波数を調整することにより、ＡＭＣ付きアンテナが所望の特性を得ることが可能となる。

ここで、最大放射効率が得られる周波数帯が２．４−２．５ＧＨｚとなるのは、ＡＭＣの面状導体１０８〜１１１のＸ軸方向の辺の長さ（図１のｃ）とＹ軸方向の辺の長さ（図１のｄ）が４．９ｍｍの時である。このときのＡＭＣは、図１９の１９０３に示すように、周波数帯２．４−２．５ＧＨｚよりも低域の動作周波数を有する。しかし、図２０の２００３に示すように、この場合のアンテナの最大放射効率が得られる周波数は２．４５ＧＨｚとなっており、無線ＬＡＮで使用する周波数帯２．４−２．５ＧＨｚと合致する。このように、ＡＭＣ付きアンテナは、アンテナの所望の動作周波数帯よりも、低域な周波数を動作周波数とするＡＭＣを含むように設計されることにより、その所望の周波数帯において最大放射効率を得ることができる。

なお、ここでは、図１及び図１３のＡＭＣのグランド導体に最も近い層の面状導体のサイズを変更して、ＡＭＣ付きアンテナを設計したが、サイズが変更されるのは、最も近い層の導体でなくてもよい。なお、ここでは、図１及び図１３のＡＭＣの上層にアンテナを配置した際の設計手法に関して説明したが、ＡＭＣとして、図４、図５、又は図９の単位セルを用いることもできる。なお、図１６及び図１８のアンテナ導体１６０２及び１８０２は、一端が給電点に接続され、もう一端がグランド導体に接続されているが、グランド導体に接続されずに一端が開放端のアンテナ導体であってもよい。

なお、ここでは、ＡＭＣ付きアンテナを無線ＬＡＮの周波数帯である２．４−２．５ＧＨｚにおいて最大放射効率が得られるように設計した場合について説明したが、２．４−２．５ＧＨｚと異なる所望の周波数帯に合わせて設計することができる。なお、上述の各例では、ＡＭＣ及びアンテナ導体を誘電体基板内に形成する構成で実現したが、誘電体基板でなくてもよい。例えば、セラミック等の高誘電体部材内においてこれらが形成されてもよい。

１０１〜１０４：第１の平面に配置される面状導体、１０５〜１０７：第１の平面に配置される２つの面状導体を接続する導体、１０８〜１１１：第２の平面に配置される面状導体、１１２〜１１４：第２の平面に配置される２つの面状導体を接続する導体、１１５：グランド導体、１１６：誘電体

Claims (18)

1. 互いに平行な複数の平面に形成される導体を含み、所定の周波数の電磁波を同相で反射する構造体であって
   第１の面状導体、第２の面状導体、及び前記第１の面状導体と前記第２の面状導体とを接続する第１の導体を含む第１の単位が、前記複数の平面のうちの第１の平面にアレイ状に配置され、
   第３の面状導体、第４の面状導体、及び前記第３の面状導体と前記第４の面状導体とを接続する第２の導体を含む第２の単位が、前記複数の平面のうちの前記第１の平面と異なる第２の平面にアレイ状に配置され、
   前記第１の単位と前記第２の単位とは接続されておらず、
   前記第１の単位は、前記複数の平面の垂直方向から見て、当該第１の単位に含まれる前記第１の面状導体が、前記第２の単位の１つの前記第３の面状導体と重なるように配置されると共に、前記第２の面状導体が前記第２の単位の当該１つの前記第４の面状導体と重ならないように配置される、
   ことを特徴とする構造体。
2. 互いに平行な複数の平面に形成される導体を含み、所定の周波数の電磁波を同相で反射する構造体であって
   前記複数の平面のうちの第１の平面に配置される第１の面状導体、前記複数の平面のうちの前記第１の平面と異なる第２の平面に配置される第２の面状導体、及び前記第１の面状導体と前記第２の面状導体とを接続する第１の導体とを含む第１の単位が、アレイ状に配置され、
   前記第２の平面に配置される第３の面状導体、前記第１の平面に配置される第４の面状導体、及び前記第３の面状導体と前記第４の面状導体とを接続する第２の導体を含む第２の単位が、アレイ状に配置され、
   前記第１の単位と前記第２の単位とは接続されておらず、
   前記第１の単位は、前記複数の平面の垂直方向から見て、当該第１の単位に含まれる前記第１の面状導体が、前記第２の単位の１つの前記第３の面状導体と重なるように配置されると共に、前記第２の面状導体が前記第２の単位の当該１つの前記第４の面状導体と重ならないように配置される、
   ことを特徴とする構造体。
3. 前記第１の面状導体の面積が、当該第１の面状導体と前記垂直方向から見て重なる前記第３の面状導体の面積と略同一である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の構造体。
4. 前記第１の単位は、前記複数の平面の垂直方向から見て、当該第１の単位に含まれる前記第１の面状導体が、前記第２の単位の１つの前記第３の面状導体と重なるように配置されると共に、前記第２の面状導体が前記第２の単位の当該１つと異なる別の前記第２の単位における前記第４の面状導体と重なるように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の構造体。
5. 前記第２の面状導体の面積が、当該第２の面状導体と前記垂直方向から見て重なる前記第４の面状導体の面積と略同一である、
   ことを特徴とする請求項４に記載の構造体。
6. 前記第１の導体および前記第２の導体は線状の導体であり、
   複数の前記第２の単位のうち、前記第１の単位に含まれる前記第１の面状導体および前記第２の面状導体が前記垂直方向から見て前記第３の面状導体および前記第４の面状導体のいずれとも重ならない前記第２の単位に含まれる前記第２の導体と、当該第１の単位に含まれる前記第１の導体とが、前記垂直方向から見て交差するように、前記第１の単位および前記第２の単位が配置される、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の構造体。
7. 前記第１の面状導体、前記第２の面状導体、前記第３の面状導体、および前記第４の面状導体は、矩形形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の構造体。
8. 前記第１の面状導体の前記矩形形状の１つの角と、前記第２の面状導体の当該１つの角に対応する角の対角とが、前記第１の導体によって接続され、
   前記第３の面状導体の前記矩形形状の１つの角と、前記第４の面状導体の当該１つの角に対応する角の対角とが、前記第２の導体によって接続される、
   ことを特徴とする請求項７に記載の構造体。
9. 前記第１の単位に含まれる前記第１の面状導体と前記第２の面状導体との少なくともいずれかの面積は、入射される電磁波のうち、前記複数の平面に平行な第１の方向における偏波に対して、同相で反射させる電磁波の周波数に応じた大きさを有し、
   前記矩形形状の辺の長さが、入射される電磁波のうち、前記複数の平面に平行な第１の方向に直交する第２の方向における偏波に対して、同相で反射させる電磁波の周波数に応じた長さを有する、
   ことを特徴とする請求項７又は８に記載の構造体。
10. 前記第１の導体と前記第２の導体の少なくともいずれかの、少なくとも一部が、メアンダ状である、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の構造体。
11. 前記第１の導体と前記第２の導体の少なくともいずれかの、少なくとも一部が、スパイラル状である、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の構造体。
12. 前記第１の導体と前記第２の導体の少なくともいずれかの、少なくとも一部が、ヘリカル状である、
    ことを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載の構造体。
13. 互いに平行な複数の平面に形成される導体を含み、所定の周波数の電磁波を同相で反射する構造体であって
    前記複数の平面のうち第１の平面にアレイ状に配置される第１の面状導体と、前記複数の平面のうち第２の平面にアレイ状に配置される第２の面状導体と、を含み、
    前記第１の面状導体は、前記第２の面状導体および他の前記第１の面状導体と接続されず、
    前記第２の面状導体は、前記第１の面状導体および他の前記第２の面状導体と接続されず、
    前記第１の面状導体は、前記複数の平面の垂直方向から見て、少なくとも１つの前記第２の面状導体の一部と重なるように配置される、
    ことを特徴とする構造体。
14. 前記第１の平面および前記第２の平面と異なる第３の平面にグランド導体が配置される、
    ことを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載の構造体。
15. アンテナ導体と、請求項１から１４のいずれか１項に記載の構造体とを有する、
    ことを特徴とするアンテナ。
16. 前記構造体は、前記アンテナの最大放射効率が得られる周波数より低域な周波数の電磁波を同相で反射する、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ。
17. 前記アンテナ導体は、前記構造体に含まれる導体が形成される平面と異なる平面に配置される、
    ことを特徴とする請求項１５又は１６に記載のアンテナ。
18. 前記アンテナ導体は、その一端において導体ビアを介して給電点に接続される、
    ことを特徴とする請求項１５から１７のいずれか１項に記載のアンテナ。

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