JP2006253929A

JP2006253929A - Ｅｂｇマテリアル

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Publication number: JP2006253929A
Application number: JP2005065871A
Authority: JP
Inventors: Kouji Ihata; 光詞井幡; Koichiro Misu; 幸一郎三須; Tomonori Kimura; 友則木村
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2005-03-09
Filing date: 2005-03-09
Publication date: 2006-09-21

Abstract

【課題】バンドギャップの広帯域化を図るとともに小型化を実現するＥＢＧマテリアルを得る。
【解決手段】表面上に複数のインダクタンス要素４が形成された第一の基板１と、第一の基板１の裏面側に配置された誘電体と、誘電体を挟んで第一の基板１と反対側に配置される導体板とを有する第二の基板２と、隣接する各端部が互いに等間隔となるように、複数のインダクタンス要素４の上部に配置されている同一形状の複数の金属小板３と、複数のインダクタンス要素４および複数の金属小板３をそれぞれ一対ごとに導体板と電気的に接続する複数の連結体５とを備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナ装置に用いられ、特定の周波数帯の電磁波の伝搬を阻止するバンドギャップを備えたＥＢＧマテリアルに関する。

モノポールアンテナの地板の大きさが有限の場合、地板表面に流れる電流が地板端部で回折し、その回折波の影響により、地板裏面への放射が生ずる。そして、この放射により、アンテナ利得の低下及び指向性の乱れが生ずるという問題がある。このような問題を解消するために、フォトニックバンドギャップ（ＰＢＧ）マテリアル、または、エレクトロマグネティックバンドギャップ（ＥＢＧ）マテリアルの一形態である高インピーダンスグランド板を用いたアンテナ装置がある（例えば、特許文献１参照）。

ここで、ＰＢＧまたはＥＢＧは、誘電体または金属等を二次元または三次元で周期的に配置した構造をとることにより、その内部または平面上で特定周波数帯の電磁波の伝搬が禁止されるバンドギャップを形成する構造となる。

特許文献１に記載のアンテナ装置は、等間隔に二次元配列された正六角形の金属小板と、第一の基板である金属板がスルーホールで導通されて、特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するバンドギャップを有する第二の基板を形成する。これにより、第一の基板の中心部に設置されたモノポールアンテナが励振する特定周波数の電磁波の裏面反射を抑圧するものである。

従来の高インピーダンスグランド板は、誘電体層の表面に六角形の金属小板を周期的に二次元配置し、誘電体層の裏面の金属板と金属棒であるスルーホールで結線することにより、隣接する六角形の金属小板間のギャップがキャパシタンス成分を形成する。さらに、六角形の金属小板の端部→スルーホール→金属板→スルーホール→金属小板端部の電流経路により、インダクタンス成分を形成するようにしたものである。

これらキャパシタンス成分およびインダクタンス成分からなるユニットが隣接することにより、ＬＣ並列共振回路が形成される。このＬＣ並列共振回路が金属板上に多数形成されたものがＬＣ共振周波数において高いインピーダンス特性を有する。

高インピーダンスグランド板は、ＥＢＧマテリアルの一種と考えることができる。ＥＢＧマテリアルとは、誘電体や金属など異なる２種類の物質を波長オーダの周期で二次元または三次元に規則正しく並べた構造をとることにより、その内部または平面状で特定周波数の電磁波の伝搬（すなわち表面電流の伝搬）が禁止される周波数領域（バンドギャップ）が形成される構造である。そして、バンドギャップは、マイクロ波帯の電流から光波まで、それぞれ特有の構造によって形成される。

特開２００３−３０４１１３号公報（第１頁、図１）

しかしながら、従来技術には次のような課題がある。従来の高インピーダンスグランド板は、ＬＣ並列共振を利用しており、共振周波数の設定は、インダクタンス成分を形成するスルーホールの長さ、およびコンダクタンス成分を形成する金属小板間の距離に依存する。また、インダクタンス成分を増大させることにより、バンドギャップを広くすることができるが、このインダクタンス成分を増大させるに当たっては、スルーホールを長くすることで対応しており、これに伴い高インピーダンスグランド板のサイズが大きくなるという課題がある。

本発明は上述のような課題を解決するためになされたもので、バンドギャップの広帯域化を図るとともに小型化を実現するＥＢＧマテリアルを得ることを目的とするものである。

本発明におけるＥＢＧマテリアルは、表面上に複数のインダクタンス要素が形成された第一の基板と、第一の基板の裏面側に配置された誘電体と、誘電体を挟んで第一の基板と反対側に配置される導体板とを有する第二の基板と、隣接する各端部が互いに等間隔となるように、複数のインダクタンス要素の上部に配置されている同一形状の複数の金属小板と、複数のインダクタンス要素および複数の金属小板をそれぞれ一対ごとに導体板と電気的に接続する複数の連結体とを備えたものである。

本発明によれば、電流経路内にインダクタンス要素あるいはチップインダクタを有することにより、ＥＢＧ構造を大きくすることなくインダクタンスを増大させることが可能となり、バンドギャップの広帯域化を図るとともに小型化を実現するＥＢＧマテリアルを得ることができる。

以下、本発明のＥＢＧマテリアルの好適な実施の形態につき図面を用いて説明する。
本発明は、ＥＢＧ構造を大きくすることなく、インダクタンス成分を増大させることにより、バンドギャップの広帯域化とＥＢＧ構造の小型化の両立を図ることのできるＥＢＧマテリアルを得ることを特徴とするものである。

実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの断面図である。また、図２は、本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの上面図である。さらに、図３は、本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの電気的な機能の説明図であり、図２の点線で示す領域の断面図を示したものである。なお、各図中、同一符号は、同一または相当部分を示す。

ＥＢＧマテリアルは、第一の基板１、第二の基板２、金属小板３、インダクタンス要素４、およびスルーホール５で構成される。第一の基板１は、表面上にインダクタンス要素４が形成されている。一方、第二の基板２は、誘電体の表面上に形成された導体板である。

金属小板３は、正方形等の多角形、または円形等をしており、金属小板３の端部と、隣接する金属小板３の端部との間隙が各々等しくなるように、２次元周期配列されている。第一の基板１は、連結体であるスルーホール５を介して、電気的に第二の基板２の導体板および金属小板３に接続されている。

ここで、実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの動作原理について図２および図３を用いて説明する。実施の形態１におけるＥＢＧ構造は、ｘ軸方向にのみ電界を有する電磁波を入力した場合に、図２の点線で示す領域において、図３に示すように、金属小板３間のキャパシタンス成分Ｃを形成する。

また、図３に示すように、金属小板３の端部→スルーホール５→第一の基板１→スルーホール５→第二の基板２→スルーホール５→第一の基板１→スルーホール５→金属小板３の端部の電流経路がインダクタンス成分Ｌを形成する。そして、各セルは、これらのキャパシタンス成分Ｃとインダクタンス成分Ｌとからなるため、ＬＣ並列共振回路と考えることができる。

このようなＬＣ並列共振回路が多数形成されたものが、ＬＣ共振周波数において高いインピーダンス特性を有するようになる。よって、共振周波数において、インピーダンスが高くなるバンドギャップを形成する。バンドギャップは、電磁波の表面伝搬を抑制し、バンドギャップの範囲外の周波数帯では、金属板としてふるまう。

実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルは、共振周波数において、次の二つの特徴を有する。
１）ＥＢＧマテリアルに入射した電磁波は、同相で反射される（通常の金属板では、逆相で反射される）。
２）ＥＢＧマテリアルには、共振周波数およびその近傍の周波数成分を有する表面電流が流れない。

また、ＬＣ共振周波数は、その構造および寸法により定まる。インダクタンス成分Ｌを調整するためには、金属小板３の端部から隣接する金属小板３の端部までの電流経路を変化させればよい。本発明の実施の形態１では、第一の基板１の表面上にインダクタンス要素４が形成されており、インダクタンス要素４を調整するだけで、所望のインダクタンス成分Ｌを容易に得ることができる。

さらに、バンドギャップを広帯域化するためには、インダクタンス成分Ｌを増大することで実現できる。インダクタンス成分Ｌを増大させるためには、電流経路を長くすればよい。しかし、従来の構造では、電流経路を長くするためには、スルーホールの長さを長くしなくてはならず、素子の高さが大きくなってしまう問題がある。

これに対して、本実施の形態１のＥＢＧマテリアルは、電流経路内にインダクタンス要素４を有しており、所望のＬＣ共振周波数あるいは所望の広帯域なバンドギャップとなるように、インダクタンス成分Ｌを容易に調整することができる。この結果、スルーホール５の長さを変更する必要がなく、素子が大きくなることを抑制できる。

以上のように、実施の形態１によれば、所望のインダクタンス成分を有するインダクタンス要素を第一の基板上に形成して、インダクタンス成分を増大させることにより、スルーホールを長くすることなくバンドギャップを広帯域化することができ、素子の高さを大きくする必要がないＥＢＧマテリアルを得ることができる。この結果、バンドギャップの広帯域化を図るとともに素子の小形化を実現することができる。

なお、本発明の実施の形態１では、金属小板３を方形としているが（図２参照）、正六角形等の多角形または円形の金属小板３を用いても同様の効果を得ることができる。また、金属小板３と第一の基板１と第二の基板２とは、それぞれ連結体としてスルーホール５で接続されているが、これに限るものではなく、それぞれが電気的に接続されていれば、同様の効果を得ることができる。また、図では示していないが、金属小板３と第一の基板１の間を誘電体で満たしても同様の効果を得ることができる。

実施の形態２．
本実施の形態２では、インダクタンス要素４の具体例として、弾性表面波（ＳＡＷ: Surface Acoustic Wave）共振器６（以下、ＳＡＷ共振器６と呼ぶ）を用いる場合について説明する。図４は、本発明の実施の形態２におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。実施の形態１の構成図である図１と比較すると、図４は、インダクタンス要素４として、ＳＡＷ共振器６を備えている。ＥＢＧマテリアルの動作原理については、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

次に、インダクタンス要素４として用いるＳＡＷ共振器６について、図面を参照しながら説明する。図５は、本発明の実施の形態２におけるインダクタンス要素４に相当するＳＡＷ共振器６の構成を示す図である。図５におけるＳＡＷ共振器６は、グレーティング反射器７、すだれ状電極変換器８、および圧電体基板９で構成される。なお、図５におけるＳＡＷ共振器６は、一端子共振器を示している。

ＳＡＷ共振器６は、圧電体基板９上のグレーティング反射器７とすだれ状電極変換器８（ＩＤＴ：Interdigital Transducer、以下、ＩＤＴ８と呼ぶ）から構成されている。グレーティング反射器７を２個適当な間隔を隔てて配置すると、両グレーティング反射器７間には共振空洞が形成され、空洞内にＳＡＷの定在波が立つ。この定在波と強く結合するように、空洞内に電気音響変換用のＩＤＴ８を配置すると、圧電振動子が実現できる。

ＳＡＷ共振器６を構成するグレーティング反射器７は、反射係数の小さな反射エレメントを半波長周期で配列し、Ｂｒａｇｇ周波数で大きな反射係数を得るものである。反射エレメントとしては、例えば、Ａｌ薄膜のような導体ストリップを用いる。圧電体基板９として、例えば、ＬｉＮｂｏ_３のような圧電体を用いた場合には、電気機械結合係数が大きいため、電気的摂動効果によって、大きな反射係数が得られる。

ＩＤＴ８とグレーティング反射器７との間隔、およびＩＤＴ８の電極対数を適当な値に選ぶと、グレーティング反射器７のストップバンド周波数内で励振されたＳＡＷは、２個のグレーティング反射器７間で多重反射して定在波を形成する。このような共振が生ずる条件は、下式（１）で与えられる。
２（Ｌ_ｐ１＋Ｌ_ｐ２＋Ｌ±λ／４）＝ｍλ （１）
ここで、Ｌ_ｐ１、Ｌ_ｐ２は、等価反射面までの距離、ｍは整数、λはＳＡＷの波長である。

図６は、本発明の実施の形態２におけるＳＡＷ共振器６の等価回路を示す図である。ＳＡＷ共振器６の電気的等価回路は、ＬＣＲの直列回路とこれに並列接続されたＩＤＴ８の静電容量Ｃ_ｉとによって表すことができる。

図７は、本発明の実施の形態２におけるＳＡＷ共振器６のアドミタンス特性を模式的に示す図である。一般的に、図７に示すように、ＳＡＷ共振器６は、周波数によって、誘導性または容量性を示す。すなわち、ある周波数よりも低い周波数においては誘電性を示し、或る周波数よりも高い周波数においては容量性を示している。

本実施の形態２において、ＳＡＷ共振器６は、バンドギャップの周波数範囲でＳＡＷ共振器６が誘導性を示すように構成され、第一の基板１の表面上に形成されることで、バンドギャップの周波数範囲で、インダクタンス要素として用いることができる。

以上のように、実施の形態２によれば、インダクタンス要素として、ＳＡＷ共振器を用いることで、インダクタンス成分を容易に調整できる。さらに、ＳＡＷ共振器は、圧電基板上に形成され、インダクタンス成分を容易に増大させることができ、素子の高さを大きくすることなく、バンドギャップの広帯域化を図ることができる。この結果、素子の小形化が実現できる。

なお、第一の基板１を、ＬｉＮｂｏ_３基板として説明したが、これに限るものではなく、ＬｉＴａｏ_３基板や水晶基板等の圧電性を示す基板を用い、表面上にＳＡＷ共振器を形成しても、同様の効果を得ることができる。また、圧電体基板の代わりに誘電体基板を用いてもよい。また、ＳＡＷ共振器６として、一端子対共振器について説明したが、二端子対共振器としても、同様の効果を得ることができる。

実施の形態３．
本実施の形態２では、インダクタンス要素４の具体例として、バルク弾性波（ＢＡＷ: Bulk Acoustic Wave）共振器１０（以下、ＢＡＷ共振器１０と呼ぶ）を用いる場合について説明する。図８は、本発明の実施の形態３におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。実施の形態１の構成図である図１と比較すると、図８は、インダクタンス要素４として、ＢＡＷ共振器１０を備えている。ＥＢＧマテリアルの動作原理については、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

次に、インダクタンス要素４として用いるＢＡＷ共振器１０について、図９を参照しながら説明する。図９は、本発明の実施の形態３におけるインダクタンス要素４に相当するＢＡＷ共振器１０の構成を示す図である。図９におけるＢＡＷ共振器１０は、Ｓｉなどの半導体基板１１、下部電極１２、ＡｌＮ、Ｚｎｏ等の圧電薄膜１３、および上部電極１４で構成される。図９に示すように、ＢＡＷ共振器１０は、Ｓｉなどの基板の上に薄い圧電膜と電極膜を形成して、共振器とするものである。

ＢＡＷ共振器１０は、バルク波振動を用いた共振器であり、厚み縦振動を利用するものが多い。ＢＡＷ共振器１０は、基板上に形成されるため、基板に束縛されない自由な振動を得る必要がある。これには、次の２通りの方法がある。一つは、基板を共振器の下部のみエッチングすることで空気との境界を得る方法であり、もう一つは、共振器の下部に音響多層膜を形成してバルク波のブラッグ反射を利用して共振を得るものである。ここでは、図９に示したエッチングを利用したＢＡＷ共振器１０について説明するが、ブラッグ反射を利用したＢＡＷ共振器１０を利用した場合も、同様の効果を得ることができる。

図１０は、本発明の実施の形態３におけるＢＡＷ共振器１０の等価回路を示す図である。ＢＡＷ共振器１０の電気的等価回路は、実施の形態２におけるＳＡＷ共振器６の場合と同様に、ＬＣＲの直列回路とこれに並列接続された共振器の静電容量Ｃ_０とによって表すことができる。また、共振周波数は、圧電薄膜１３の厚さによって決定される。

図１１は、本発明の実施の形態３におけるＢＡＷ共振器１０のアドミタンス特性を模式的に示す図である。一般的に、図１１に示すように、ＢＡＷ共振器１０は、周波数によって、誘導性または容量性を示す。すなわち、ある周波数よりも低い周波数においては誘電性を示し、ある周波数よりも高い周波数においては容量性を示している。

本発明の実施の形態３において、ＢＡＷ共振器１０は、バンドギャップの周波数範囲でＢＡＷ共振器１０が誘導性を示すように構成され、第一の基板１の表面上に形成されることで、バンドギャップの周波数範囲で、インダクタンス要素として用いることができる。

以上のように、実施の形態３によれば、インダクタンス要素として、ＢＡＷ共振器を用いることで、インダクタンス成分を容易に調整できる。さらに、ＢＡＷ共振器は、半導体基板上に形成され、インダクタンス成分を容易に増大させることができ、素子の高さを大きくすることなく、バンドギャップの広帯域化を図ることができる。この結果、素子の小形化が実現できる。

なお、第一の基板１を、Ｓｉ基板として説明したが、これに限るものではなく、ＢＡＷ共振器として動作する基板であれば、同様の効果を得ることができる。

実施の形態４．
本実施の形態４では、インダクタンス要素４の具体例として、メアンダライン１５を用いる場合について説明する。図１２は、本発明の実施の形態４におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。実施の形態１の構成図である図１と比較すると、図１２は、インダクタンス要素４として、メアンダライン１５を備えている。ＥＢＧマテリアルの動作原理については、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

以上のように、実施の形態４によれば、インダクタンス要素として、メアンダラインを用いることで、インダクタンス成分を容易に調整できる。さらに、メアンダラインは、誘電体基板または圧電体基板上に形成され、インダクタンス成分を容易に増大させることができ、素子の高さを大きくすることなく、バンドギャップの広帯域化を図ることができる。この結果、素子の小形化が実現できる。

実施の形態５．
本実施の形態５では、インダクタンス要素４の具体例として、スパイラルインダクタ１６を用いる場合について説明する。図１３は、本発明の実施の形態５におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。実施の形態１の構成図である図１と比較すると、図１３は、インダクタンス要素４として、スパイラルインダクタ１６を備えている。ＥＢＧマテリアルの動作原理については、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

以上のように、実施の形態５によれば、インダクタンス要素として、スパイラルインダクタを用いることで、インダクタンス成分を容易に調整できる。さらに、スパイラルインダクタは、誘電体基板または圧電体基板上に形成され、インダクタンス成分を容易に増大させることができ、素子の高さを大きくすることなく、バンドギャップの広帯域化を図ることができる。この結果、素子の小形化が実現できる。

実施の形態６．
本実施の形態６では、第二の基板２と金属小板３とが、チップインダクタ１７を用いて電気的に接続されている。図１４は、本発明の実施の形態６におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。ＥＢＧマテリアルの動作原理については、実施の形態１と同様であり、説明は省略する。

実施の形態１〜５と比較すると、本実施の形態６におけるＥＢＧマテリアルは、第一の基板１、スルーホール５、インダクタンス要素４の代わりにチップインダクタ１７を備えており、より簡単な構造により、同様の効果を実現している。

以上のように、実施の形態６によれば、チップインダクタは、一般に小形で高いＱを得ることができる。したがって、チップインダクタを用いることで、低損失な特性が得られ、素子の小形化が実現できるＥＢＧマテリアルを得ることができる。

本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの断面図である。本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの上面図である。本発明の実施の形態１におけるＥＢＧマテリアルの電気的な機能の説明図である。本発明の実施の形態２におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。本発明の実施の形態２におけるインダクタンス要素に相当するＳＡＷ共振器の構成を示す図である。本発明の実施の形態２におけるＳＡＷ共振器の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態２におけるＳＡＷ共振器のアドミタンス特性を模式的に示す図である。本発明の実施の形態３におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。本発明の実施の形態３におけるインダクタンス要素に相当するＢＡＷ共振器の構成を示す図である。本発明の実施の形態３におけるＢＡＷ共振器の等価回路を示す図である。本発明の実施の形態３におけるＢＡＷ共振器のアドミタンス特性を模式的に示す図である。本発明の実施の形態４におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。本発明の実施の形態５におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。本発明の実施の形態６におけるＥＢＧマテリアルを示す図である。

符号の説明

１第一の基板、２第二の基板、３金属小板、４インダクタンス要素、５スルーホール（連結体）、６ＳＡＷ共振器、７グレーティング反射器、８すだれ状電極変換器、９圧電体基板、１０ＢＡＷ共振器、１１半導体基板、１２下部電極、１３圧電薄膜、１４上部電極、１５メアンダライン、１６スパイラルインダクタ、１７チップインダクタ。

Claims

表面上に複数のインダクタンス要素が形成された第一の基板と、
前記第一の基板の裏面側に配置された誘電体と、前記誘電体を挟んで前記第一の基板と反対側に配置される導体板とを有する第二の基板と、
隣接する各端部が互いに等間隔となるように、前記複数のインダクタンス要素の上部に配置されている同一形状の複数の金属小板と、
前記複数のインダクタンス要素および前記複数の金属小板をそれぞれ一対ごとに前記導体板と電気的に接続する複数の連結体と
を備えたことを特徴とするＥＢＧマテリアル。
請求項１に記載のＥＢＧマテリアルにおいて、
前記第一の基板に形成された前記インダクタンス要素は、ＳＡＷ共振器であることを特徴とするＥＢＧマテリアル。
請求項１に記載のＥＢＧマテリアルにおいて、
前記第一の基板に形成された前記インダクタンス要素は、ＢＡＷ共振器であることを特徴とするＥＢＧマテリアル。
請求項１に記載のＥＢＧマテリアルにおいて、
前記第一の基板に形成された前記インダクタンス要素は、メアンダラインであることを特徴とするＥＢＧマテリアル。
請求項１に記載のＥＢＧマテリアルにおいて、
前記第一の基板に形成された前記インダクタンス要素は、スパイラルインダクタであることを特徴とするＥＢＧマテリアル。
誘電体の裏面上に導体板が形成された基板と、
隣接する各端部が互いに等間隔となるように、前記誘電体の表面上に配置されている同一形状の複数の金属小板と、
前記導体板と前記複数の金属小板とをそれぞれ電気的に接続する複数のチップインダクタと
を備えたことを特徴とするＥＢＧマテリアル。