JP2008147763A - Ｅｂｇ構造 - Google Patents

Abstract

【課題】温度変化等の外的環境条件を変化させることによりバンドギャップを形成する周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得る。
【解決手段】基板１と、基板１の第一の面に形成された導体２と、基板１の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターン３と、導体２と導体パターン３とを電気的に接続するスルーホール４とから構成されて、基板１として、厚み方向（Ｙ軸方向）と面に平行な方向（Ｘ軸方向）とで、温度変化による長さの変化量（熱膨張率）が異なる基板を用いて、温度変化を付与することによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができる。
【選択図】図１

Description

この発明はＥＧＢ構造に関し、特に、特定の周波数帯にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造に関するものである。

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、エレクトロマグネティックバンドギャップ（ＥＢＧ）構造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、ＥＢＧ構造は、誘電体または金属等の物質を波長オーダ以下の周期で一次元、二次元または三次元に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、すなわち、表面電流の伝搬が禁止されるバンドギャップと呼ばれる周波数領域を形成する構造である。バンドギャップは、マイクロ波帯の電波から光波まで、それぞれ特有の構造によって形成される。

特許文献１に記載のアンテナ装置は、特定周波数帯の電磁波が伝搬する第一の基板と、第一の基板の周辺に設けられ、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とから構成されている。第二の基板を構成する等間隔に二次元配列された正六角形の金属小板と、第一の基板を構成する金属板とが、スルーホールを介して電気的に接続されている。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。

このように、従来のＥＢＧ構造は、誘電体の表面に六角形の金属小板を周期的に二次元配置し、誘電体の裏面の金属板と金属棒であるスルーホールで電気的に接続することにより、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Ｃを形成する。さらに、六角形の金属小板端部→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Ｌ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Ｃおよびインダクタンス成分Ｌ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共振周波数において高いインピーダンス特性を有することにより、バンドギャップを形成する。

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問題点がある。ＥＢＧ構造は、キャパシタンス成分とインダクタンス成分による並列共振を利用しており、バンドギャップを形成する周波数である共振周波数はＥＢＧの構造により決まってしまい、バンドギャップを形成する周波数を変化させることはできないという問題点があった。

この発明は、かかる問題点を解決するためになされたものであり、温度変化等の外的環境条件を変化させることによりバンドギャップを形成する周波数を変化させることが可能なＥＢＧ構造を得ることを目的とする。

この発明は、基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、前記ＥＢＧ構造を構成する各単位セルがＬＣ並列共振回路を構成しており、前記基板に付与する外的環境条件を変化させることにより、前記ＬＣ並列共振回路のインダクタンス成分およびキャパシタンス成分の少なくともいずれか一方の値が変化することを特徴とするＥＢＧ構造である。

この発明は、基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、前記ＥＢＧ構造を構成する各単位セルがＬＣ並列共振回路を構成しており、前記基板に付与する外的環境条件を変化させることにより、前記ＬＣ並列共振回路のインダクタンス成分およびキャパシタンス成分の少なくともいずれか一方の値が変化することを特徴とするＥＢＧ構造であるので、温度変化等の外的環境条件を変化させることによりバンドギャップを形成する周波数を変化させることができる。

実施の形態１．
この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造について図面を参照しながら説明する。図１は、この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造を示す断面図であり、図２は上面図である。さらに、図３および図４は、この発明の実施の形態１におけるＥＢＧ構造の電気的な機能を説明する図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

これらの図に示されるように、この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造は、基板１、導体２、導体パターン３、スルーホール４から構成されている。基板１は誘電体等の基板であり、基板１の第一の面上（下側面）には、金属板等から構成される導体２が形成されている。また、基板１をはさんで導体２と対向する基板１の第二の面上（上側面）には、金属小板等からなる導体パターン３が所定の間隔を有して縦横に複数個配列されている。また、第一の面から第二の面にかけて、基板１を貫通するスルーホール４が形成されている。スルーホール４は、図２に示すように、各導体パターン３の略々中心に形成されている。導体パターン３は、各々、スルーホール４を介して、導体２に電気的に接続されている。なお、基板１は、温度変化による膨張の長さの変化量が、方向によって異なる基板から構成されている。すなわち、基板１は、厚み方向（図１中のＹ方向）と面に平行な方向（図１中のＸ方向）とで、温度変化による膨張率が異なる。なお、図１〜図４では、導体パターン３を正方形として示しているが、これに限るものではなく、多角形や円形等、任意の形状としてもよい。

次に、本発明の実施の形態１におけるＥＢＧ構造の動作について図を用いて説明する。実施の形態１によるＥＢＧ構造では、Ｘ軸方向にのみ電界を有する電磁波を入力した場合、図１の点線で示す単位セル領域（Ｘ軸方向において２つの導体パターンを含む領域）では、図３のように隣接する導体パターン３間でキャパシタンス成分Ｃを形成する。また、１つの導体パターン３の端部→スルーホール４→導体２→（隣の）スルーホール４→隣接する他の導体パターン３の端部という経路に電流が流れ、インダクタンス成分Ｌを形成する。従って、各単位セルは、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からなるため、図４のようなＬＣ並列共振回路と考えることができる。このＬＣ並列共振回路が、基板１に多数個形成され、全体として、ＬＣ並列共振回路の共振周波数において、高インピーダンス特性を示すようになる。よって、当該共振周波数においてインピーダンスが高くなり、バンドギャップを形成する。なお、バンドギャップでは、電磁波の表面伝搬が抑圧され、バンドギャップの範囲外の周波数帯では、金属板として振舞う。

実施の形態１に係るＥＢＧ構造は、前記共振周波数において、
１）ＥＢＧ構造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構造では、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は流れない。すなわち、共振周波数およびその近傍の周波数では、電磁波の伝搬を抑圧する。
という、二つの特徴を有する。

ここで、隣接する導体パターン３間で生じるキャパシタンス成分Ｃの素子値の算出方法について、図を参照して説明する。図５は、隣接する導体パターン３間で生じるキャパシタンス成分Ｃの素子値の算出方法を説明する図である。

導体パターン３のＸ軸方向の幅をｗ、隣接する導体パターン３間の間隔をｇ、２つの導体パターン３間の電圧をＶ、一方の導体パターン３の端部から隣接する他方の導体パターン３の反対側の端部までの距離をａとし、距離ａが間隔ｇに比べ十分大きいとすると、等角写像の理論から電束関数ψは下記の式（１）で近似される。

式（１）の電束関数ψは、２つの導体パターン３間に蓄えられる電荷量ｑに等しいことから、電荷量ｑは下記の式（２）で表すことができる。

導体パターン３の幅をｗ、導体パターン３の上面の誘電率をε_１、導体パターン３の下面の誘電率をε_２とすると、隣接する導体パターン３間に生じるキャパシタンス成分Ｃは、下記の式（３）となる。

ここで、図５から明らかなように、ｇ＝ａ−２ｗという関係があるので、したがって、キャパシタンス成分Ｃは、隣接する導体パターン３間の間隔ｇに依存しており、隣接する導体パターン３間の間隔ｇが小さくなった場合、キャパシタンス成分Ｃは大きくなり、隣接する導体パターン３間の間隔ｇが大きくなった場合、キャパシタンス成分Ｃは小さくなる。

つぎに、１つの導体パターン３の端部→スルーホール４→導体２→スルーホール４→隣接する他の導体パターン３の反対側の端部という経路に電流が流れることにより生じるインダクタンス成分Ｌの素子値の算出方法について、図を参照して説明する。図６は、インダクタンス成分Ｌの素子値の算出方法を説明する図である。インダクタンス成分Ｌは、縦ｔ、横ｌの断面を有する長さｗのソレノイドを流れる電流を仮定することにより求めることができる。

図６の場合、磁界Ｈは下記の式（４）である。

インダクタンスに蓄えられるエネルギーは、磁界Ｈに蓄えられるエネルギーに等しくなる。よって、下記の式（５）となる。

したがって、インダクタンス成分Ｌは下記の式（６）となる。

ここで式（６）のｔは、図１のスルーホール４の長さとみなすことができる。よって、インダクタンス成分Ｌはスルーホール４の長さに依存しており、スルーホール４の長さが大きくなった場合、インダクタンス成分Ｌは大きくなり、スルーホール４の長さが小さくなった場合、インダクタンス成分Ｌは小さくなる。

また、図４に示したＬＣ並列共振回路の共振周波数ｆ_０は下記の式（７）となる。この共振周波数ｆ_０において入力インピーダンスが無限大となり、ＥＢＧ構造によるバンドギャップが形成される。

したがって、インダクタンス成分Ｌ、または、キャパシタンス成分Ｃが変化することにより、バンドギャップが形成される周波数は変化する。

実施の形態１に係るＥＢＧ構造において、基板１は、厚み方向（Ｙ方向）と面に平行な方向（Ｘ方向）で、温度変化による長さの変化量が異なるので、温度変化を与えることにより、主として基板１の厚み方向（Ｙ方向）の長さ、あるいは、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する。

基板１が温度変化に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する場合について図を用いて説明する。図７は、温度変化ΔＴが与えられた場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図７（ａ）は温度変化を与える前、図７（ｂ）は温度変化を与えた後のＥＢＧ構造を示す図である。

基板１が温度変化に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する場合、基板１の変化にともないスルーホール４の長さが変化する。基板１の厚み方向（Ｙ方向）の変化量をΔｔとすると、スルーホール４の長さはｔ＋Δｔとなる。したがって、上記の式（６）により、インダクタンス成分Ｌの素子値が変化する。温度変化が与えられる前のインダクタンス成分の素子値をＬ、インダクタンス成分の素子値の変化量をΔＬとし、温度変化を与えた後のインダクタンス成分をＬ＋ΔＬとすると、上記の式（７）により、ＬＣ並列共振回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、温度変化を与える前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｔ＞０の場合、すなわち、厚み方向（Ｙ方向）の変化量が増えた場合、インダクタンス成分の素子値の変化量をΔＬは、ΔＬ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。一方、Δｔ＜０の場合、ΔＬ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。

ここで、基板１が温度変化に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化するのは、基板１が有する線膨張係数によるものである。一般に固体は固有の線膨張係数を持っており、温度変化に対して伸縮する。基板１の線膨張係数をαとし、基準となる温度における基板１の厚み方向（Ｙ方向）の長さをｔ_０とすると、基準となる温度からΔＴ℃変化した温度における基板１の厚み方向（Ｙ方向）の長さの変化量Δｔは下記の式（８）のように表すことができる。

図７に示すＥＢＧ構造における温度変化とインダクタンス成分の素子値との関係について、具体的な事例として、計算例を用いて説明する。基準温度において、基板１は比誘電率３．９を有し、厚み方向（Ｙ方向）の長さを０．４ｍｍとし、導体パターン３は正方形であり、一辺を２．０ｍｍ、厚み方向（Ｙ方向）の長さは非常に小さいとし、隣接する導体パターン間の間隔は０．２ｍｍとする。基準温度におけるインダクタンス成分の素子値は、式（６）よりＬ＝０．５０２７（ｎＨ）と算出することができる。基準温度から温度が変化した場合のインダクタンス成分の素子値を式（６）、式（８）を用いて算出する。図８は温度変化とインダクタンス成分の素子値との関係を示す計算例である。計算では、基板１の線膨張係数αは５０ｐｐｍとしている。基準温度から温度が５０℃変化すると、インダクタンスは約０．２５％増大する。

次に、線膨張係数とインダクタンス成分の素子値との関係について計算例を用いて説明する。図９は線膨張係数とインダクタンスの素子値との関係を示す計算例である。計算では、温度変化を５０℃としている。線膨張係数が増大するにしたがって、インダクタンス成分の素子値が増大する。線膨張係数が１００ｐｐｍの場合、前記基準となるインダクタンス成分の素子値と比較してインダクタンスは約０．５％増大する。

次に、温度変化と共振周波数、すなわち実施の形態１に係るＥＢＧ構造のバンドギャップが形成される周波数の関係について計算例を用いて説明する。図１０は、温度変化と共振周波数の関係を示す計算例である。計算では、インダクタンス成分の素子値のみが変化するとしている。温度変化が大きくなるに従い、共振周波数が低周波数側へシフトしていく。温度変化が５０℃の場合、基準となる温度と比較し、共振周波数は約０．１２％低周波数側へシフトしている。

上述のように、基板１として、温度変化に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、温度変化を与えることによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、基板１が温度変化を与えることにより主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化するようにするには、パッケージなどに封入する際、基板１に平行な方向（Ｘ方向）の長さを変化させないように機械的に拘束し、厚み方向（Ｙ方向）は拘束せず、パッケージ内に固定すればよい。

または、基板１として線膨張係数が異方性を持ち、厚み方向（Ｙ方向）の線膨張係数が、面に平行な方向（Ｘ方向）の線膨張係数より大きな基板を選択してもよい。

または、基板１が基板内に複数の繊維を有し、前記複数の繊維を厚み方向（Ｙ方向）に対して平行に配列し、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化するようにしてもよい。

一方、基板１が温度変化に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合について図を用いて説明する。図１１は温度変化ΔＴが与えられた場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図１１（ａ）は温度変化を与える前、図１１（ｂ）は温度変化を与えた後のＥＢＧ構造を示す図である。

基板１が温度変化に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合、基板１の変化に伴い、隣接する導体パターン３間の間隔ｇが変化する（導体パターン３が設けられている領域はほとんど変化しないこととする）。基板１の面に平行な方向（Ｘ方向）の隣接する導体パターン３間の間隔ｇの変化量をΔｇとすると、隣接する導体パターン３間の間隔はｇ＋Δｇとなり、一方の導体パターン３の端部から他方の導体パターン３の端部までの距離はａ＋Δｇとなる。よって、上記の式（３）により、キャパシタンス成分の素子値が変化する。温度変化を与える前のキャパシタンス成分の素子値をＣ、キャパシタンス成分の素子値の変化量をΔＣとし、温度変化を与えた後のキャパシタンス成分をＣ＋ΔＣとすると、上記の式（７）により、ＬＣ並列共振回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、温度変化を与える前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｇ＞０の場合、すなわち、隣接する導体パターン３間の間隔が長くなった場合、キャパシタンス成分の素子値の変化量ΔＣは、ΔＣ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。一方、Δｇ＜０の場合、ΔＣ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。

ここで、基板１が温度変化に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化するのは、基板１が有する線膨張係数によるものである。線膨張係数と面に平行（Ｘ方向）な方向の長さの変化量は、上述した線膨張係数と厚み方向（Ｙ方向）の長さの変化量の関係と同様であるので、ここでは省略する。

図１１のＥＢＧ構造における温度変化とキャパシタンス成分の素子値との関係について、計算例を用いて説明する。基準温度において、基板１は比誘電率３．９を有し、厚み方向（Ｙ方向）の長さを０．４ｍｍとし、導体パターン３は正方形であり、一辺を２．０ｍｍ、厚み方向（Ｙ方向）の長さは非常に小さいとし、隣接する導体パターン間の間隔は０．２ｍｍとする。基準温度におけるキャパシタンス成分の素子値は、式（３）よりＣ＝０．０８５３（ｐＦ）と算出することができる。基準温度から温度が変化した場合のキャパシタンス成分の素子値を式（３）および式（８）を用いて算出する。図１２は温度変化とキャパシタンスの素子値との関係を示す計算例である。計算では、基板１の線膨張係数を５０ｐｐｍとしている。基準温度から温度が５０℃変化すると、キャパシタンスは約０．１％減少する。

次に、線膨張係数とキャパシタンス成分の素子値との関係について、計算例を用いて説明する。図１３は線膨張係数とキャパシタンス成分の素子値との関係を示す計算例である。計算では、温度変化を５０℃としている。線膨張係数が増大するにしたがって、キャパシタンス成分の素子値が減少する。線膨張係数が１００ｐｐｍの場合、前記基準となるキャパシタンス成分の素子値と比較してキャパシタンス成分の素子値は約０．１５％減少する。

次に、温度変化と共振周波数、すなわち、実施の形態１に係るＥＢＧ構造のバンドギャップが形成される周波数の関係について計算例を用いて説明する。図１４は、温度変化と共振周波数の関係を示す計算例である。計算では、キャパシタンス成分の素子値のみが変化するとした。温度変化が大きくなるに従い、共振周波数が高周波数側へシフトしていく。温度変化が５０℃の場合、基準となる温度と比較し、共振周波数は約０．０３７％低周波数側へシフトしている。

上述のように、基板１に温度変化に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、温度変化を与えることによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得ることができる。

基板１が温度変化を与えることにより主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化するようにするには、本発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造をパッケージなどに封入する際、基板１に厚み方向（Ｙ方向）の長さを変化させないように機械的に拘束し、面に平行な方向（Ｘ方向）は拘束せず、パッケージ内に固定すればよい。

または、基板１として線膨張係数が異方性を持ち、面に平行な方向（Ｘ方向）の線膨張係数が、厚み方向（Ｙ方向）の線膨張係数より大きな基板を選択してもよい。

または、基板１が基板内に複数の繊維を有し、前記複数の繊維を面に平行な方向（Ｘ方向）に対して平行に配列し、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化するようにしてもよい。

なお、基板１が温度変化に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合に関して、図１１に示すスルーホール４を有したＥＢＧ構造を用いて説明したが、これに限るものではなく、スルーホール４の変わりに、メアンダライン、スタブあるいはチップインダクタなど、インダクタンス要素を導体パターンと同一面上に形成し、導体パターン３に接続した構造を用いても同じ効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態１によれば、基板１と、基板１の第一の面に設けられた導体２と、第一の面に対向する基板１の第二の面に所定の間隔を有して並列された複数の導体パターン３と、基板１を貫通して設けられ、導体２と導体パターン３とを電気的に接続するスルーホール４とを備えたＥＢＧ構造において、基板１として、厚み方向と第一および第二の面に平行な方向とで、温度変化による長さの変化量が異なる基板を用いるようにしたので、外的環境条件として温度変化を与えることにより、バンドギャップを形成する周波数を所望の値に自由に変化させることができるため、本実施の形態１に係るＥＢＧ構造は、高性能で、かつ、利便性および汎用性に優れている。

実施の形態２．
この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造について図面を参照しながら説明する。図１５は、この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造を示す断面図であり、図１６は上面図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造は、基板５、導体２、導体パターン３、スルーホール４から構成されている。本実施の形態２は、基本的に実施の形態１と同様の構成であるが、本実施の形態においては、実施の形態１の基板１の代わりに、基板５が設けられている。基板５は圧電性を有する基板であり、前記基板５の第一の面上（下側面）には、導体２が形成されている。また、基板５をはさんで導体２と対向する基板５の第二の面上（上側面）には、導体パターン３が所定の間隔を有して複数個配列されている。導体パターン３は各々スルーホール４を介して導体２に電気的に接続されている。基板５は、圧電性を有し、印加電圧による長さの変化量が厚み方向（図１５中のＹ方向）と面に平行な方向（図１５中のＸ方向）で異なる基板である。なお、図では導体パターン３を正方形として示しているが、これに限るものではなく多角形、円形等としてもよい。

この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造の動作、隣接する導体パターン３間で生じるキャパシタンス成分の素子値の算出方法、および、１つの導体パターン３の端部→スルーホール４→導体２→（隣の）スルーホール４→隣接する他の導体パターン３の端部という経路に電流が流れることにより生じるインダクタンス成分Ｌの素子値の算出方法については、実施の形態１と同様なので、ここでは省略する。

ここで、圧電性を有する基板５について図を用いて説明する。ある種の結晶に歪を与えると電気的な応答を示す。このような性質を圧電性あるいは圧電効果という。一方、この結晶に電圧を加えると歪が生じる。これを逆圧電効果というが、一般に、「圧電性」あるいは「圧電効果」という文言は、逆圧電効果を含めて総称している。圧電効果の原因は、外部から加えた電界が分極に作用することにより応力を生じさせるためである。

図１７は圧電効果を説明する図である。図１７（ａ）のように、圧電性を有する基板５に電圧を印加すると、基板５には歪が生じ、厚み方向（Ｙ方向）の長さが大きくなる。一方、図１７（ｂ）のように、図１７（ａ）とは逆極性の電圧を印加すると、基板５は、厚み方向（Ｙ方向）の長さが小さくなる。

図１７では、厚み方向（Ｙ方向）の長さの変化について示したが、電圧の印加方向を面に平行な方向（Ｘ方向）とすることにより、基板５は面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する。

なお、圧電性を有する基板として、水晶、ニオブ酸リチウム、タンタル酸リチウム、ＰＺＴ、チタン酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、三フッ化エチレン共重合体などがある。

本実施の形態２に係るＥＢＧ構造において、基板５は、圧電性を有し、厚み方向（Ｙ方向）と面に平行な方向（Ｘ方向）で、印加電圧による長さの変化量が異なり、電圧を印加することにより、主として基板５の厚み方向（Ｙ方向）の長さ、あるいは、主として平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する。

基板５が印加電圧に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さを変化させる場合について図を用いて説明する。図１８は電圧が印加された場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図１８（ａ）は電圧が印加される前、図１８（ｂ）は電圧が印加された後のＥＢＧ構造を示す図である。図１８（ｂ）において、電圧は基板５の厚み方向（Ｙ方向）に印加されている。

基板５が印加電圧に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する場合、基板５の変化にともない、スルーホール４の長さが変化する。基板１の厚み方向（Ｙ方向）の変化量をΔｔとすると、スルーホール４の長さはｔ＋Δｔとなる。したがって、上記式（６）により、インダクタンス成分の素子値が変化する。電圧を印加する前のインダクタンス成分の素子値をＬとし、インダクタンス成分の素子値の変化量をΔＬとし、電圧を印加した後のインダクタンス成分をＬ＋ΔＬとすると、上記式（７）により、ＬＣ並列共振回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、電圧を印加する前と後で、異なる周波数でバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｔ＞０の場合、ΔＬ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。一方、Δｔ＜０の場合、ΔＬ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。

上述のように、基板５として、印加電圧に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、電圧を印加することによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得ることができる。

一方、基板５が印加電圧に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合について図を用いて説明する。図１９は電圧が印加された場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図１９（ａ）は電圧が印加される前、図１９（ｂ）は電圧が印加された後のＥＢＧ構造を示す図である。

基板５が印加電圧に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合、基板５の変化にともない、隣接する導体パターン３間の間隔が変化する。基板５の面に平行な方向（Ｘ方向）の隣接する導体パターン３間の間隔の変化量をΔｇとすると、隣接する導体パターン３間の間隔はｇ＋Δｇとなり、一方の導体パターン３の端部から他方の導体パターン３の端部までの距離はａ＋Δｇとなる。よって、式（３）により、キャパシタンス成分の素子値が変化する。電圧が印加される前のキャパシタンス成分の素子値をＣ、キャパシタンス成分の素子値の変化量をΔＣとし、電圧が印加された後のキャパシタンス成分をＣ＋ΔＣとすると、式（７）により、ＬＣ回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、電圧が印加される前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｇ＞０の場合、ΔＣ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。一方、Δｔ＜０の場合、ΔＣ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。

上述のように、基板５として、印加電圧に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、電圧を印加することによって、バンドギャップを生じる周波数が変化するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、基板５が印加電圧に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合に関して、図１９に示すスルーホール４を有したＥＢＧ構造を用いて説明したが、これに限るものではなく、スルーホール４の変わりに、メアンダライン、スタブあるいはチップインダクタなどのインダクタンス要素を導体パターンと同一面上に形成し、導体パターン３に接続した構造を用いても同じ効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態２によれば、基板５と、基板５の第一の面に設けられた導体２と、第一の面に対向する基板５の第二の面に所定の間隔を有して並列された複数の導体パターン３と、基板５を貫通して設けられ、導体２と導体パターン３とを電気的に接続するスルーホール４とを備えたＥＢＧ構造において、基板５として、厚み方向と第一および第二の面に平行な方向とで、印加電圧による長さの変化量が異なる基板を用いるようにしたので、外的環境条件として印加電圧を付与させることにより、バンドギャップを形成する周波数を変化させることができるため、高性能で、かつ、利便性および汎用性に優れている。

実施の形態３．
この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造について図面を参照しながら説明する。図２０は、この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造を示す断面図であり、図２１は上面図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造は、基板６、導体２、導体パターン３、スルーホール４から構成されている。本実施の形態２は、基本的に実施の形態１と同様の構成であるが、本実施の形態においては、実施の形態１の基板１の代わりに、基板６が設けられている。基板６の第一の面上には、導体２が形成されている。また、基板６をはさんで導体２と対向する基板６の第二の面上には、導体パターン３が所定の間隔を有して複数個配列されている。導体パターン３は各々スルーホール４を介して導体２に電気的に接続されている。基板６は、機械的に加えられた外力による長さの変化量が厚み方向（図２０中のＹ方向）と面に平行な方向（図２０中のＸ方向）で異なる基板である。なお、図では導体パターン３を正方形として示しているが、これに限るものではなく多角形、円形等としてもよい。

この発明の実施の形態３におけるＥＢＧ構造の動作、隣接する導体パターン３間で生じるキャパシタンス成分の素子値の算出方法、および、１つの導体パターン３の端部→スルーホール４→導体２→（隣の）スルーホール４→隣接する他の導体パターン３の端部という経路に電流が流れることにより生じるインダクタンス成分Ｌの素子値の算出方法については、実施の形態１と同様なので、ここでは省略する。

実施の形態３に係るＥＢＧ構造において、基板６は、厚み方向（Ｙ方向）と面に平行な方向（Ｘ方向）で、機械的に加えられた外力による長さの変化量が異なり、外力を加えることにより主として基板６の厚み方向（Ｙ方向）の長さ、あるいは、主として平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する。

基板６が外力に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さを変化させる場合について図を用いて説明する。図２２は外力が加えられた場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図２２（ａ）は外力が加えられる前、図２２（ｂ）は外力が加えられた後のＥＢＧ構造を示す図である。図２２（ｂ）において、外力は基板６の厚み方向（Ｙ方向）に加えられている。

基板６が外力に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する場合、基板６の変化にともないスルーホール４の長さが変化する。基板６の厚み方向（Ｙ方向）の変化量をΔｔとすると、スルーホール４の長さはｔ＋Δｔとなる。したがって、式（６）により、インダクタンス成分の素子値が変化する。外力が加えられる前のインダクタンス成分の素子値をＬ、インダクタンス成分の素子値の変化量をΔＬとし、外力が加えられた後のインダクタンス成分の素子値をＬ＋ΔＬとすると、式（７）により、ＬＣ回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、外力を加える前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｔ＞０の場合、ΔＬ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。一方、Δｔ＜０の場合、ΔＬ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。

上述のように、基板６として、外力に対して、主として厚み方向（Ｙ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、外力を加えることによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得ることができる。

一方、基板６が外力に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合について図を用いて説明する。図２３は外力が加えられた場合のＥＢＧ構造を説明する図であり、図２３（ａ）は外力が加えられる前、図２３（ｂ）は外力が加えられた後のＥＢＧ構造を示す図である。

基板６が外力に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合、基板６の変化にともない、隣接する導体パターン３間の間隔が変化する。基板６の面に平行な方向（Ｘ方向）の隣接する導体パターン３間における変化量をΔｇとすると、隣接する導体パターン３間の間隔はｇ＋Δｇとなり、一方の導体パターン３の端部から他方の導体パターン３の端部までの距離はａ＋Δｇとなる。よって、式（３）により、キャパシタンス成分の素子値が変化する。外力が加えられる前のキャパシタンス成分の素子値をＣ、キャパシタンス成分の素子値の変化量をΔＣとし、外力が加えられた後のキャパシタンス成分の素子値をＣ＋ΔＣとすると、式（７）により、ＬＣ回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が変化する。よって、外力が加えられる前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δｇ＞０の場合、ΔＣ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。一方、Δｔ＜０の場合、ΔＣ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。

上述のように、基板６として、外力に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する基板を用いることにより、外力が加えられることによって、バンドギャップが生じる周波数を変化させることができるＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、基板６が外力に対して、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化する場合に関して、図２３に示すスルーホール４を有したＥＢＧ構造を用いて説明したが、これに限るものではなく、スルーホール４の変わりに、メアンダライン、スタブあるいはチップインダクタなどのインダクタンス要素を導体パターンと同一面上に形成し、導体パターン３に接続した構造を用いても同じ効果を得ることができる。

なお、基板６が外力により主として厚み方向（Ｙ方向）の長さ、あるいは、主として面に平行な方向（Ｘ方向）の長さが変化するような例として、例えば、スライド式携帯電話に実施の形態３に係るＥＢＧ構造を適用し、筐体をスライドさせることにより、基板６に外力が機械的に加わるようにすればよい。

または、二つ折り形携帯電話に実施の形態３に係るＥＢＧ構造を適用し、筐体を開くことにより、基板６に外力が機械的に加わるようにすればよい。

以上のように、本実施の形態３によれば、基板６と、基板６の第一の面に設けられた導体２と、第一の面に対向する基板６の第二の面に所定の間隔を有して並列された複数の導体パターン３と、基板６を貫通して設けられ、導体２と導体パターン３とを電気的に接続するスルーホール４とを備えたＥＢＧ構造において、基板６として、厚み方向と第一および第二の面に平行な方向とで、外力による長さの変化量が異なる基板を用いるようにしたので、外的環境条件として外力を与えることにより、バンドギャップを形成する周波数を変化させることができるため、高性能で、かつ、利便性および汎用性に優れている。

実施の形態４．
この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造について図面を参照しながら説明する。図２４は、この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造を示す断面図であり、図２５は上面図である。なお、各図中、同一符号は同一又は相当部分を示す。

この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造は、基板７、導体２、導体パターン３、スルーホール４から構成されている。本実施の形態４は、基本的に実施の形態１と同様の構成であるが、本実施の形態においては、実施の形態１の基板１の代わりに、基板７が設けられている。基板７の第一の面上には、導体２が形成されている。また、基板７をはさんで導体２と対向する基板７の第二の面上には、導体パターン３が所定の間隔を有して複数個配列されている。導体パターン３は各々スルーホール４を介して導体２に電気的に接続されている。基板７は、少なくとも一部に液晶８を有している。なお、図では導体パターン３を正方形として示しているが、これに限るものではなく多角形、円形等としてもよい。

この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造の動作、隣接する導体パターン３間で生じるキャパシタンス成分の素子値の算出方法、および、１つの導体パターン３の端部→スルーホール４→導体２→（隣の）スルーホール４→隣接する他の導体パターン３の端部の経路に電流が流れることにより生じるインダクタンス成分Ｌの素子値の算出方法については、実施の形態１と同様なので、ここでは省略する。

実施の形態４に係るＥＢＧ構造において、基板７は、少なくとも一部に液晶８を有しており、印加電圧に対して、基板７のもつ誘電率が変化する。電圧を印加する前の基板７の誘電率をε_２、電圧を印加した後の誘電率の変化量をΔεとすると、電圧を印加したあとの基板７の誘電率はε_２＋Δεとなる。したがって、式（３）により隣接する導体パターン３間のキャパシタンス成分の素子値が変化する。

さらに、電圧を印加する前のキャパシタンス成分の素子値をＣ、キャパシタンス成分の素子値の変化量をΔＣとし、電圧を印加した後のキャパシタンス成分の素子値をＣ＋ΔＣとすると、式（７）により、ＬＣ並列共振回路の共振周波数、すなわちＥＢＧ構造が形成するバンドギャップの周波数が電圧を印加する前と後で変化する。よって、電圧を印加する前と後で、異なる周波数にバンドギャップを形成するＥＢＧ構造を得ることができる。

なお、Δε＞０の場合、ΔＣ＞０となり、共振周波数は低周波数側へシフトする。一方、Δε＜０の場合、ΔＣ＜０となり、共振周波数は高周波数側へシフトする。

基板７への電圧の印加方法として、図２６のように基板７の厚み方向（Ｙ方向）に電圧を印加すればよい。

また、基板７への電圧の印加方法として、図２７のように基板７の面に平行な方向（Ｘ方向）に電圧を印加してもよい。

なお、実施の形態４に係るＥＢＧ構造では、図２４に示すようにスルーホール４を有したＥＢＧ構造を用いて説明したが、これに限るものではなく、スルーホール４の変わりに、メアンダライン、スタブあるいはチップインダクタなどのインダクタンス要素を導体パターンと同一面上に形成した構造を用いても同じ効果を得ることができる。

以上のように、本実施の形態４によれば、基板７と、基板７の第一の面に設けられた導体２と、第一の面に対向する基板７の第二の面に所定の間隔を有して並列された複数の導体パターン３と、基板７を貫通して設けられ、導体２と導体パターン３とを電気的に接続するスルーホール４とを備えたＥＢＧ構造において、基板７として、一部に液晶８を有した基板を用いて、電圧印加によって誘電率が変化するようにしたので、外的環境条件として電圧印加することにより、バンドギャップを形成する周波数を変化させることができるため、高性能で、かつ、利便性および汎用性に優れている。

上述した本発明のＥＢＧ構造の好ましい適用例は、衛星通信機器、移動体通信機器、無線通信機器、高周波通信機器、あるいは、前記の基地局等に用いられる回路要素であって、回路基板、共振器、発振器、方向性結合器、分岐路、フィルタ、デュプレクサ、またはそれらの複合回路等である。本発明のＥＢＧ構造は、外的環境条件を変化させることにより、異なる周波数にバンドギャップを形成することができるので、これらの高周波デバイスに本発明のＥＢＧ構造を適用した場合には、十分な利得が得られるとともに、性能および利便性を向上させることができる。

この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造を示す上面図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造の電気的な機能を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造の電気的な機能を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造におけるキャパシタンス成分の素子値の算出方法を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造におけるインダクタンス成分の素子値の算出方法を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化を与えた場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化とインダクタンス成分の素子値との関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における線膨張係数とインダクタンスの素子値との関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化と共振周波数の関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化を与えた場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化とキャパシタンス成分の素子値との関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における線膨張係数とキャパシタンス成分の素子値との関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造における温度変化と共振周波数の関係を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造を示す上面図である。 この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造の圧電効果を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造における電圧印加した場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造における電圧印加した場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造を示す上面図である。 この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造における電圧印加した場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態３に係るＥＢＧ構造における電圧印加した場合の変化を説明する説明図である。 この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造を示す断面図である。 この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造を示す上面図である。 この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造における電圧印加方法を示した説明図である。 この発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造における電圧印加方法を示した説明図である。

符号の説明

１，５，６，７ 基板、２ 導体、３ 導体パターン、４ スルーホール、８ 液晶。

Claims (11)

1. 基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、
   前記ＥＢＧ構造を構成する各単位セルがＬＣ並列共振回路を構成しており、
   前記基板に付与する外的環境条件を変化させることにより、前記ＬＣ並列共振回路のインダクタンス成分およびキャパシタンス成分の少なくともいずれか一方の値が変化する
   ことを特徴とするＥＢＧ構造。
2. 基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、
   前記基板に、厚み方向と面に平行な方向とで、温度変化による長さの変化量が異なる基板を用いたことを特徴とするＥＢＧ構造。
3. 前記基板に、温度変化に対して、主として厚み方向の長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項２に記載のＥＢＧ構造。
4. 前記基板に、温度変化に対して、主として面に平行な方向の長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項２に記載のＥＢＧ構造。
5. 基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、
   前記基板に、少なくとも一部に圧電性を有し、厚み方向と面に平行な方向とで、印加電圧による長さの変化量が異なる基板を用いたことを特徴とするＥＢＧ構造。
6. 前記基板に、印加電圧に対して、主として厚み方向の長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項５に記載のＥＢＧ構造。
7. 前記基板に、印加電圧に対して、主として面に平行な方向の長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項５に記載のＥＢＧ構造。
8. 基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、
   前記基板に、厚み方向と面に平行な方向で、外力による長さの変化量が異なる基板を用いたことを特徴とするＥＢＧ構造。
9. 前記基板に、外力に対して、主として厚み方向の長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項８に記載のＥＢＧ構造。
10. 前記基板に、外力に対して、主として面に平行な長さが変化する基板を用いたことを特徴とする請求項８に記載のＥＢＧ構造。
11. 基板と、前記基板の第一の面に形成された導体と、前記基板の第二の面に形成され、所定の間隔を有して配列された複数の導体パターンとからなるＥＢＧ構造において、
    前記基板は、少なくとも一部に液晶を有していることを特徴とするＥＢＧ構造。

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