JP2010016554A - Ｅｂｇ構造ユニット - Google Patents

Abstract

【課題】ユニット全体の大形化を回避しつつ比較的低周波数で動作可能なＥＢＧ構造ユニットを得る。
【解決手段】導体からなる地板１０と、地板１０に対して所定距離だけ離間して対向配置された複数の導体パッチ１１と、複数の導体パッチ１１と地板１０とを個別に導通させる複数の柱状導体１２と、複数の導体パッチ１１の少なくとも１つに接続された容量形成用導体１３とを備えている。複数の導体パッチ１１が特定周波数の波長よりも短い間隔で配列されることにより、特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するように構成されている。容量形成用導体１３は、導体パッチ１１の表面から地板１０に向かって延長されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、特定周波数帯の電磁波の伝搬を阻止するＥＢＧ（Ｅｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ Ｂａｎｄ−Ｇａｐ）構造に関するものである。

一般に、ＥＢＧ構造ユニットは、金属（導体）パッチを狭い間隔で周期的に配設（誘電体または金属などの物質を特定周波数の波長未満オーダの周期で、２次元または３次元に周期的に配置）した構造を有し、これにより、伝搬を禁止すべき特定周波数の帯域（ＥＢＧ構造の内部または平面上で特定周波数の電磁波の伝搬が阻止されるバンドギャップ：周波数領域）を形成している。

このように、ＥＢＧ構造ユニットは、不要な電磁波の放射を抑圧することが可能なことから、アンテナへの適用が盛んに研究されている。
従来のＥＢＧ構造ユニットにおいて、電気的にＬＣ共振回路として機能する要素の各々は、地板と基板と導体パッチと導体パッチと地板とを導通する導電線とから構成されている（たとえば、特許文献１参照）。

特許文献１に記載のＥＢＧ構造ユニットは、地板の表面から一定の間隔をおいて導体パッチを周期的に２次元配列し、導体パッチと地板とを柱状導体で電気的に接続することにより、隣接する導体パッチ間のギャップにおいて静電容量成分（Ｃ）を形成している。
また、導体パッチ端部→柱状導体→地板→柱状導体→導体パッチ端部からなる電流経路により、インダクタンス成分（Ｌ）を形成している。

このように、静電容量成分（Ｃ）およびインダクタンス成分（Ｌ）からなる単位セルが隣接することにより、ＬＣ並列共振回路が形成され、ＬＣ並列共振回路が金属板（地板）上に多数配列されることになる。この結果、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ことにより、バンドギャップが形成される。

特表２００２−５１０８８６号公報

従来のＥＢＧ構造ユニットでは、比較的低周波数で動作するＥＢＧ構造ユニットを得る場合に、隣接した単位セルが形成する静電容量成分を増加させる手法として、導体パッチ間のギャップ（周期的間隔）を狭く設定する手法があるが、物理的な限界があることから実現が困難になるという課題があった。
また、導体パッチ間にインターデジタルキャパシタやチップコンデンサを電気的に接続するなど、何らかの容量性要素を、導体パッチと同じ平面上に装荷する手法もあるが、別部品としての容量性要素が必要になるので、ユニット全体の大形化を招くという課題があった。

この発明は、上述のような課題を解決するためになされたもので、隣接する単位セルが形成する静電容量成分を増加させるために、導体パッチが配置されている同平面上に静電容量成分の増加要素を設けることのみならず、導体パッチが配置されている同平面に対して垂直に静電容量成分の増加要素を設けることにより、導体パッチが配置されている同平面に静電容量成分の増加要素を設けるのみでは不十分な場合に、静電容量成分の増加を見込めるように構成し、ユニット全体の大形化を回避しつつ比較的低周波数で動作可能なＥＢＧ構造ユニットを得ることを目的とする。

この発明によるＥＢＧ構造ユニットは、導体からなる地板と、地板に対して所定距離だけ離間して対向配置された複数の導体パッチと、複数の導体パッチと地板とを個別に導通させる複数の柱状導体とを備え、導体パッチが特定周波数の波長よりも短い間隔で配列されることにより、特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するように構成されたＥＢＧ構造ユニットにおいて、複数の導体パッチの少なくとも１つに接続された容量形成用導体を備え、容量形成用導体は、導体パッチの表面から地板に向かって延長されているものである。

この発明によれば、大形化することなく、比較的低周波数で動作可能な構成を実現することができる。

実施の形態１．
図１はこの発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造ユニットを示す平面図およびＡ−Ａ断面図であり、地板１０上に、複数の導体パッチ１１を周期的間隔Ｐで平面的に配設した場合を示している。なお、複数の導体パッチ１１は、厳密に周期的間隔Ｐで配設されていなくてもよく、また、後述するように単数であってもよい。

図１において、ＥＢＧ構造ユニットは、導体（たとえば金属）からなる地板１０と、地板１０に対して所定距離だけ離間して対向配置されるとともに、周期的間隔Ｐで配置された複数の導体パッチ１１と、複数の導体パッチ１１と地板１０とを個別に導通させる複数の柱状導体１２と、複数の導体パッチ１１の各々に接続された複数の容量形成用導体１３と、地板１０と複数の導体パッチ１１との間に介在された誘電体基板１４とにより構成されている。

複数の容量形成用導体１３の各々は、複数の導体パッチ１１の各端部に沿って設けられて静電容量成分の増加要素を構成しており、後述するように、隣接相互間でキャパシタを形成している。
また、容量形成用導体１３を添加することにより、導体パッチ１１が大型化することなく実質的に大きく見える効果があり、比較的低周波数で動作可能な構成を実現することができる。
また、地板１０上において、各１つの導体パッチ１１、柱状導体１２および容量形成用導体１３は、単位セル２０を形成している。

各単位セル２０は、地板１０上の対向平面内において、特定周波数の波長よりも短い間隔Ｐで（たとえば、周期的に）配列されている。
このように、地板１０上に、複数の導体パッチ１１および複数の柱状導体１２の各１つからなる単位セル２０を周期的間隔Ｐで配設することにより、特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するＥＢＧ構造ユニットが構成される。

容量形成用導体１３が設けられた導体パッチ１１は、地板１０から一定の間隔を隔てて配置されている。また、複数の容量形成用導体１３の各々は、導体パッチ１１の表面から地板１０に向かって延長されている。
各単位セル２０（各導体パッチ１１）の周期間隔Ｐは、誘電体基板１４内の特定周波数の波長よりも短く設定されている。なお、図１に示すＥＢＧ構造ユニットは、単位セル２０が２次元的に配列されているが、１次元的に配列されていてもよい。また、図１に示すＥＢＧ構造ユニットは、単位セル２０を複数個配列しているが、１個のみの配置でもよい。ただし、複数個配列した方が、電磁波遮断の効果は高い。

次に、図２および図３の回路図を参照しながら、図１に示したこの発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造ユニットの動作について説明する。
図２は図１の構成の等価回路を示し、図３は図１の簡易モデルを示している。
図２および図３において、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図３において、各単位セル２０（図１参照）においては、隣接する各導体パッチ１１に設けられた各容量形成用導体１３の相互間のギャップＧにより、静電容量成分Ｃ（破線枠参照）が形成される。

また、各導体パッチ１１と地板１０とを各柱状導体１２で電気的に接続することにより、図３内の破線矢印で示す電流経路「１つの容量形成用導体１３の端部→容量形成用導体１３と一体の導体パッチ１１→導体パッチ１１に接続された柱状導体１２→地板１０→隣接する柱状導体１２→隣接する柱状導体１２に接続された導体パッチ１１→隣接する導体パッチ１１と一体の容量形成用導体１３の端部」により、インダクタンス成分Ｌが形成される。

すなわち、図２および図３に示すように、各単位セル２０は、隣接する単位セルに対して、静電容量成分Ｃを介して互いに容量的に接続されるとともに、地板１０に対して、インダクタンス成分Ｌを介して誘導的に接続される。

このように、静電容量成分Ｃおよびインダクタンス成分Ｌを形成する単位セル２０が隣接配置されることにより、図２に示すように、静電容量成分Ｃおよびインダクタンス成分ＬからなるＬＣ共振回路３０が構成される。
また、複数のＬＣ共振回路３０が地板１０（金属板）上に多数配列されることにより、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ことになり、バンドギャップが形成される。

以上のように、この発明の実施の形態１に係るＥＢＧ構造ユニット（図１）は、隣接する単位セル２０の各導体パッチ１１の相互間のギャップにより形成される静電容量成分を増加させるために、導体パッチ１１が配置されている同平面に対して垂直方向（地板１０に向かって）に延長された容量形成用導体１３が設けられている。

これにより、導体パッチ１１が配置されている同平面に静電容量成分の増加要素を設けるのみでは不十分な場合に、静電容量成分の増加を実現することができる。
また、このときの静電容量成分の増加は、さらに低周波数で動作するＥＢＧ構造ユニットの実現を可能にするとともに、ＥＢＧ構造ユニットの小形化を可能にする効果がある。
さらに、各容量形成用導体１３を各導体パッチ１１の端部に沿って設けることにより、静電容量成分を効果的に増加させることができる。

実施の形態２．
なお、上記実施の形態１（図１）では、各導体パッチ１１が単一層の場合を示したが、図４にように、複数層（３層）の導体パッチ１１ａ〜１１ｃの場合にも適用可能なことは言うまでもない。
図４はこの発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造ユニットを示す平面図およびＢ−Ｂ断面図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図４において、複数の導体パッチの各々は、地板１０の上面に積層された３層の誘電体基板１４ａ〜１４ｃの各表面上に配設された３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃからなり、３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃは、柱状導体１２を介して地板１０に接続されている。
また、３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃのうち、第２および第３層の導体パッチ１１ｂ、１１ｃには、個別の容量形成用導体１３ｂ、１３ｃが設けられている。

また、単位セル２０は、３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃと、柱状導体１２と、容量形成用導体１３ｂ、１３ｃと、３層の誘電体基板１４ａ〜１４ｃとにより構成されている。
容量形成用導体１３ｂ、１３ｃは、３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃのうちの任意数の導体パッチ１１ｂ、１１ｃに設けられる。したがって、図４に示すように、第１層の導体パッチ１１ａに容量形成用導体が設けられない場合もあり得る。

図４に示すＥＢＧ構造ユニットにおいても、前述（図１参照）と同様に、単位セル２０は、２次元的（または１次元的）に配列され、隣接相互間の周期的間隔Ｐは、誘電体基板１４ａ〜１４ｃ内における所定周波数の波長よりも短く設定されている。

また、複数の容量形成用導体１３ｂ、１３ｃの各々は、３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃの各端部に沿って設けられている。
なお、図４では、垂直方向に積層された３層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃを設けた場合を示しているが、２層または４層以上設けてもよいことは言うまでもない。

次に、図４の構成の等価回路を示す図５の回路図を参照しながら、図４に示したこの発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造ユニットの動作について説明する。
図５において、各単位セル２０（図４参照）は、前述（図２）と同様に、隣接する単位セルに対して、静電容量成分Ｃ１〜Ｃ３を介して互いに容量的に接続されるとともに、地板１０に対して、インダクタンス成分Ｌ１〜Ｌ３を介して誘導的に接続される。

各単位セル２０の隣接相互間の導体パッチ１１ａのギャップと、各導体パッチ１１ｂ、１１ｃに設けられた容量形成用導体１３ｂ、１３ｃの相互間とにより、それぞれ、静電容量成分Ｃ１〜Ｃ３が形成される。
また、柱状導体１２を介して、導体パッチ１１ａ〜１１ｃと地板１０とを電気的に接続することにより、インダクタンス成分Ｌ１〜Ｌ３が形成される。

図５のように、各静電容量成分Ｃ１〜Ｃ３および各インダクタンス成分Ｌ１〜Ｌ３からなる単位セル２０が隣接配置されることにより、ＬＣ共振回路４０が形成される。
また、ＬＣ共振回路４０が地板１０（金属板）上に多数配列されることにより、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ことになり、バンドギャップが形成される。

以上のように、この発明の実施の形態２に係るＥＢＧ構造ユニット（図４）において、複数の導体パッチは、それぞれ、誘電体基板１４ａ〜１４ｃの表面（または内部）に互いに重なり合うように配設された複数層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃからなり、複数の柱状導体１２の各々は、地板１０と複数層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃとを相互に接続している。

また、単位セル２０は、複数層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃと各々の柱状導体１２とからなり、複数の容量形成用導体１３ｂ、１３ｃは、複数層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃの少なくとも１つに設けられている。

このように、複数層の導体パッチ１１ａ〜１１ｃの少なくとも１つに容量形成用導体１３ｂ、１３ｃを設けることにより、前述の実施の形態１と同様に、導体パッチ１１ａ〜１１ｃが配置されている同平面に静電容量成分の増加要素を設けるのみでは不十分な場合に静電容量成分の増加を実現し、さらに低周波数で動作するＥＢＧ構造ユニットを得るとともに、ＥＢＧ構造ユニットの小形化を可能にする効果がある。

また、各容量形成用導体１３ｂ、１３ｃを各導体パッチ１１ａ〜１１ｃの端部に沿って設けることにより、静電容量成分を効果的に増加させることができる。
さらに、ＬＣ共振回路４０は、前述（図２）のＬＣ共振回路３０よりも共振点が多いので、バンドギャップ帯域の広帯域化が見込むことができる。

実施の形態３．
なお、上記実施の形態１、２（図１、図４）では、各導体パッチ１１、１１ａ〜１１ｃに設けられる各容量形成用導体１３、１３ｂ、１３ｃの具体的形状について言及しなかったが、図６のように、各容量形成用導体を複数のヴィアホール１３Ａで構成してもよく、または、図７に示すように、長穴ヴィアホール１３Ｂで構成してもよい。

実施の形態４．
また、上記実施の形態１、２（図１、図４）では、各導体パッチの形状と各容量形成用導体の形状との関係について言及しなかったが、図８のように、各容量形成用導体の形状を方向に応じて異なるように構成してもよい。
図８はこの発明の実施の形態４に係るＥＢＧ構造ユニットを示す平面図ならびにＤ−Ｄ断面図およびＥ−Ｅ断面図であり、前述（図１参照）と同様のものについては、前述と同一符号を付して詳述を省略する。

図８において、各導体パッチ１１の平面形状は正方形であり、辺数が「４（偶数）」の多角形状を有している。
ここで、複数の容量形成用導体のうち、導体パッチ１１（多角形状）の図中横方向に対向する平行２辺の端部に設けられる容量形成用導体１３ｄは、電磁波伝播方向Ｆから見たＤ−Ｄ断面図に示すように、大きさが互いに等しくなるように構成されている。

また、複数の容量形成用導体のうち、導体パッチ１１（多角形状）の図中縦方向に対向する平行２辺の端部に設けられる容量形成用導体１３ｅは、電磁波伝播方向Ｇから見たＥ−Ｅ断面図に示すように、容量形成用導体１３ｄよりも幅が小さいものの、大きさが互いに等しくなるように構成されている。
すなわち、各導体パッチ１１（多角形状）の隣り合う辺に設けられる各容量形成用導体１３ｄ、１３ｅは、大きさが互いに異なるように構成されている。

このように、導体パッチ１１の辺位置に応じて、隣り合う辺に設けられる各容量形成用導体１３ｄ、１３ｅの形状を変えることにより、電磁波の遮断特性の異方性を実現することができる。

たとえば、図８のように、導体パッチ１１の平面形状が正方形の場合、電磁波伝播方向Ｆの遮断特性は、電磁波伝播方向Ｇの遮断特性と異なる。
なぜなら、各容量形成用導体１３ｄ、１３ｅの形状が異なることから、導体パッチ１１の隣接相互間で形成される容量が、電磁波伝播方向Ｆ、Ｇに応じて互いに異なるからである。

図８の場合には、容量形成用導体１３ｄが容量形成用導体１３ｅよりも大きいので、容量形成用導体１３ｄで形成される容量の方が容量形成用導体１３ｅで形成される容量よりも大きくなる。
したがって、電磁波伝播方向Ｆの遮断帯域の方が、電磁波伝播方向Ｇの遮断帯域よりも低くなる。

このように、容量形成用導体１３ｄ、１３ｅの形状を、導体パッチ１１の辺位置に応じて変えることにより、電磁波の遮断特性の異方性を実現することができる。
なお、ここでは図示しないが、導体パッチ１１が、辺数が奇数の多角形状を有する場合であっても、隣り合う辺に設けられる容量形成用導体の大きさを異ならせることにより、同様の作用効果を奏することは言うまでもない。
また、容量形成用導体の設置数は任意であり、上記各実施の形態１〜３に限定されることはなく、必要に応じた数だけ設置することができる。
さらに、導体パッチと柱状導体１２との対により単位セル２０を構成したが、導体パッチのみを考慮しても設計可能なことは言うまでもない。

この発明の実施の形態１によるＥＢＧ構造ユニットを示す平面図および断面図である。 この発明の実施の形態１によるＥＢＧ構造ユニットの等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態１によるＥＢＧ構造ユニットの簡易モデルを示す回路図である。 この発明の実施の形態２によるＥＢＧ構造ユニットを示す平面図および断面図である。 この発明の実施の形態２によるＥＢＧ構造ユニットの等価回路を示す回路図である。 この発明の実施の形態３による単位セルを示す拡大斜視図であり、容量形成用導体を複数のヴィアホールで構成した場合を示している。 この発明の実施の形態３による単位セルを示す拡大斜視図であり、容量形成用導体を長穴ヴィアホールで構成した場合を示している。 この発明の実施の形態４によるＥＢＧ構造ユニットを示す平面図および異方向断面図である。

符号の説明

１０ 地板、１１、１１ａ〜１１ｃ 導体パッチ、１２ 柱状導体、１３、１３ｂ〜１３ｅ 容量形成用導体、１４、１４ａ〜１４ｃ 誘電体基板、Ｐ 周期的間隔、２０ 単位セル、Ｃ、Ｃ１〜Ｃ３ 静電容量成分、Ｌ、Ｌ１〜Ｌ３ インダクタンス成分、３０、４０ ＬＣ共振回路、１３Ａ ヴィアホール、１３Ｂ 長穴ヴィアホール、Ｆ、Ｇ 電磁波伝播方向。

Claims (8)

1. 導体からなる地板と、
   前記地板に対して所定距離だけ離間して対向配置された導体パッチと、
   前記導体パッチと前記地板とを個別に導通させる柱状導体とを備え、特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するように構成されたＥＢＧ構造ユニットにおいて、前記導体パッチに接続された容量形成用導体を備え、前記容量形成用導体は、前記導体パッチの表面から前記地板に向かって延長されていることを特徴とするＥＢＧ構造ユニット。
2. 導体からなる地板と、
   前記地板に対して所定距離だけ離間して対向配置された複数の導体パッチと、
   前記複数の導体パッチと前記地板とを個別に導通させる複数の柱状導体とを備え、
   前記導体パッチが特定周波数の波長よりも短い間隔で配列されることにより、前記特定周波数の電磁波の伝搬を阻止するように構成されたＥＢＧ構造ユニットにおいて、
   前記複数の導体パッチの少なくとも１つに接続された容量形成用導体を備え、
   前記容量形成用導体は、前記導体パッチの表面から前記地板に向かって延長されていることを特徴とするＥＢＧ構造ユニット。
3. 前記地板と前記複数の導体パッチとの間に介在された誘電体基板を備えたことを特徴とする請求項２に記載のＥＢＧ構造ユニット。
4. 前記複数の導体パッチは、それぞれ、前記誘電体基板の表面または内部に互いに重なり合うように配設された複数層の導体パッチからなり、
   前記複数の柱状導体の各々は、前記地板と前記複数層の導体パッチとを相互に接続しており、
   前記導体パッチと前記柱状導体との対により単位セルを構成しており、
   前記容量形成用導体は、前記複数層の導体パッチの少なくとも１つに設けられていることを特徴とする請求項３に記載のＥＢＧ構造ユニット。
5. 前記容量形成用導体は、前記複数の導体パッチまたは前記複数層の導体パッチの各端部に沿って設けられていることを特徴とする請求項２から請求項４までのいずれか１項に記載のＥＢＧ構造ユニット。
6. 前記容量形成用導体は、複数のヴィアホールにより形成されていることを特徴とする請求項２から請求項５までのいずれか１項に記載のＥＢＧ構造ユニット。
7. 前記複数の導体パッチまたは前記複数層の導体パッチの各々は、辺数が偶数の多角形状を有し、
   前記容量形成用導体は、前記辺数に対応した複数の容量形成用導体からなり、
   前記複数の容量形成用導体のうち、前記多角形状の平行する２辺に設けられる各容量形成用導体は、大きさが互いに等しく、
   前記複数の容量形成用導体のうち、前記多角形状の隣り合う辺に設けられる各容量形成用導体は、大きさが互いに異なることを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載のＥＢＧ構造ユニット。
8. 前記複数の導体パッチまたは前記複数層の導体パッチの各々は、辺数が奇数の多角形状を有し、
   前記容量形成用導体は、前記辺数に対応した複数の容量形成用導体からなり、
   前記複数の容量形成用導体のうち、前記多角形状の隣り合う辺に設けられる各容量形成用導体は、大きさが互いに異なることを特徴とする請求項２から請求項６までのいずれか１項に記載のＥＢＧ構造ユニット。

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