JP2010028534A

JP2010028534A - 右手・左手系複合線路素子

Info

Publication number: JP2010028534A
Application number: JP2008188633A
Authority: JP
Inventors: Daisuke Iguchi; 大介井口
Original assignee: Fuji Xerox Co Ltd
Current assignee: Fujifilm Business Innovation Corp
Priority date: 2008-07-22
Filing date: 2008-07-22
Publication date: 2010-02-04
Also published as: US8022790B2; US20100019863A1

Abstract

【課題】小型化が図れると共にマイクロ波領域で使用できるようにした右手・左手系複合線路素子を提供する。
【解決手段】ＣＲＬＨ線路素子１は、本体部１０と端子２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂとからなる。本体部１０は、端子２１Ａ，２１Ｂと端子２２Ａ，２２Ｂとの間に複数の誘電体１３Ａ〜１３Ｉが多層に配設され、誘電体１３Ａ〜１３Ｉに隣接させて磁性体１２Ａ〜１２Ｉが配設されている。磁性体１２Ａ〜１２Ｉ及び誘電体１３Ａ〜１３Ｉは、これらに対して交互に介挿された電極１１Ａ〜１１Ｈとの組合せによって、誘電体１３Ａ〜１３Ｉは、入出力の端子間に直列接続された複数のキャパシタと、線路間に並列接続された複数のインダクタとからなる分布定数回路によって、右手・左手系複合線路が構成されている。
【選択図】図２

Description

本発明は、右手・左手系複合線路素子に関する。

通常、電磁波を伝搬する線路は、線路に対して直列のインダクタンス（Ｌ）成分と並列のキャパシタンス（Ｃ）成分が連続する等価回路になる。この等価回路は、電界と磁界と波数ベクトルとがフレミングの右手の法則に従うため、右手系（Right-Handed：ＲＨ）と呼ばれる。これに対して、人工的にＬとＣを逆にした回路、つまり、線路に対して直列のキャパシタンス成分と並列のインダクタンス成分が連続する構成の等価回路は、フレミングの左手の法則に従うことから左手系（Left-Handed：ＬＨ）と呼ばれる。左手系は、右手系とは逆の周波数特性が得られるとされており、このため、例えば、小型アンテナ、アンテナの整合回路等に応用され始めている。

また、誘電率εと透磁率μとが同時に負になる媒質は、メタマテリアル（metamaterials）とも左手系媒質とも呼ばれ、バックワード波（エネルギーの伝播する速度（群速度）と位相速度の符号が逆転している波）特性やレンズ作用等の特異な性質を示し、最近、これらの伝搬や散乱の性質が分かってくるに従い、様々な応用が提案されている。例えば、導電パターンの単位セルで構成された上面基板と、グランド面とが上下に隔てて配置され、グランド面の浮島状導電パターンの一部とグランド面のグランド部分とが接続されることにより並列インダクタンスを形成し、更に、上面基板の導電パターンとグランド面の導電パターンとの間にキャパシタンスを形成した左手系媒質がある（特許文献１参照）。

また、右手系と左手系の両方を含む線路がＣＲＬＨ（Composite Right/Left-Handed:右手／左手系複合）線路であり、このＣＲＬＨ線路の構造は、例えば、非特許文献１に示されており、バックワード伝搬や狭帯域フィルタの特性が得られることも示されている。また、非許文献１には、アンテナ構造におけるバックワード放射の存在も確認されている。

特開２００６−２４５９８４号公報 "ＡＮｏｖｅl ＣｏｍｐｏｓｉｔｅＲｉｇｈｔ-/Ｌｅｆｔ-ＨａｎｄｅｄＣｏｕｐlｅｄ-ＬｉｎｅＤｉｒｅｃｔｉｏｎａｌＣｏｕｐｌｅｒＷｉｔｈＡｒｂｉｔｒａｒｙＣｏｕｐｌｉｎｇＬｅｖｅｌａｎｄＢｒｏａｄＢａｎｄｗｉｄｔｈ"，ＩＥＥＥＴＲＡＮＳＡＣＴＩＯＮＳＯＮＭＩＣＲＯＷＡＶＥＴＨＥＯＲＹＡＮＤＴＥＣＨＮＩＱＵＥＳ，ＶＯＬ．５２，ＮＯ．３，ＭＡＲＣＨ２００４

本発明の目的は、小型化が図れると共にマイクロ波領域で使用できるようにした右手・左手系複合線路素子を提供することにある。

本発明の一態様は、上記目的を達成するため、以下の右手・左手系複合線路素子を提供する。

［１］一対の電極及び前記一対の電極板を接続する接続片を有し、一対の入力端子と一対の出力端子との間に厚み方向へ所定間隔に配設された複数の電極と、前記複数の電極の前記一対の電極板の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の誘電体と、前記複数の誘電体に隣接して配設されると共に前記複数の電極の前記接続片の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の磁性体とを有する右手・左手系複合線路素子。

［２］前記複数の電極は、前記一対の電極が角板状を成し、前記接続片が曲部を有している前記［１］に記載の右手・左手系複合線路素子。

［３］前記複数の誘電体は、それぞれが１つの板状の誘電体又は２分割して前記磁性体の両側に配置された板状の誘電体からなる前記［１］に記載の右手・左手系複合線路素子。

［４］前記複数の磁性体は、それぞれが板状を成し、その中心部に沿って前記接続片が配設されている前記［１］に記載の右手・左手系複合線路素子。

［５］電極板及び前記電極板に接続された接続片を有し、入力端子とグランド層との間に厚み方向へ所定間隔に配設された複数の電極と、前記複数の電極の前記電極板の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の誘電体と、前記複数の誘電体に隣接して配設されると共に前記複数の電極の前記接続片の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の磁性体と、前記各接続片と前記グランド層とを接続する導体とを有する右手・左手系複合線路素子。

請求項１に記載の発明によれば、小型化が図れると共にマイクロ波領域での使用を可能にすることができる。

請求項２に記載の発明によれば、電極は、必要なキャパシタンスを得るために十分な電極面積が得られ、接続片は、必要なインダクタンスを得るために十分な長さの導電部を確保することができる。

請求項３に記載の発明によれば、同一層上に１つのキャパシタ又は、アイソレーションされた２つのキャパシタを形成することができる。

請求項４に記載の発明によれば、インダクタを簡単な構成によって得ることができる。

請求項５に記載の発明によれば、１つの信号線とグランド層からなる左手系線路素子に対応させることができる。

本発明の実施の形態に係る右手・左手系複合線路素子は、一対の電極及び前記一対の電極板を接続する接続片を有し、一対の入力端子と一対の出力端子との間に厚み方向へ所定間隔に配設された複数の電極と、前記複数の電極の前記一対の電極板の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の誘電体と、前記複数の誘電体に隣接して配設されると共に前記複数の電極の前記接続片の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の磁性体とを備える。

右手・左手系複合線路素子は、使用周波数域に応じて誘電体及び磁性体を適宜材料を選択でき、かつ、単位長さ当たりに要求されるキャパシタ、インダクタに応じて形状を決定することができる。

上記構成において、多層に設けられた複数の誘電体は、入力端子から出力端子の間に直列に接続された複数のキャパシタを形成し、かつ、複数の磁性体は、線路間に並列に接続される複数のインダクタを形成し、これによって小型化した右手・左手系複合線路素子が構成される。

［第１の実施の形態］
図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す斜視図、図２は、図１に示すＣＲＬＨ線路素子の断面図を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。

（ＣＲＬＨ線路素子の構成）
図１に示すように、第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子（右手・左手系複合線路素子）１は、左手系等価回路の構成を有する本体部１０と、本体部１０の両面に設けられた端子２１Ａ，２１Ｂ及び端子２２Ａ，２２Ｂとを備え、ワンチップに構成されている。端子２１Ａ，２１Ｂと端子２２Ａ，２２Ｂとの間の空間が信号伝送空間になる。

このＣＲＬＨ線路素子１は、例えば、図示しないスタックドペア線路等の途中に設けられ、端子２１Ａ，２１Ｂを入力端子とし、端子２２Ａ，２２Ｂを出力端子とする。なお、端子２１Ａ，２１Ｂを出力端子とし、端子２２Ａ，２２Ｂを入力端子としてもよい。

本体部１０は、図２（ａ）に示すように、重なる方向に所定間隔で配設された同一形状の複数（本実施の形態では８枚）の電極１１Ａ〜１１Ｈと、電極１１Ａ〜１１Ｈと交互に積層した状態で配設された長板状の複数（本実施の形態では９枚）の磁性体１２Ａ〜１２Ｉと、磁性体１２Ａ〜１２Ｉのそれぞれに隣接させ、かつ、電極１１Ａ〜１１Ｈと交互に端子２１Ａ，２１Ｂと端子２２Ａ，２２Ｂとの間に入るように積層した状態で配設された長板状の複数（本実施の形態では９枚）の誘電体１３Ａ〜１３Ｉと、端子２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂの露出面を除いた両面、磁性体１２Ａ〜１２Ｉ及び誘電体１３Ａ〜１３Ｉの全側面を被覆するように設けられた絶縁性のパッケージ１４とを備えている。

なお、電極１１Ａ〜１１Ｈ、磁性体１２Ａ〜１２Ｉ及び誘電体１３Ａ〜１３Ｉの三者の個数を同じ割合で増減することにより、合成インダクタンス値及び合成キャパシタンス値を変えることができる。

図３は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。但し、図３においては、パッケージの図示を省略している。図３に示すように、電極１１Ａ〜１１Ｈは、バー状の導電体をコ字状にした接続片１１１と、その両端に設けられると共に端子２１Ａ，２１Ｂ及び端子２２Ａ，２２Ｂと重なるように位置決めされた平板状の電極部１１２Ａ，１１２Ｂとを備えて構成されている。

電極１１Ａ〜１１Ｈは、誘電体１３Ａ〜１３Ｉのそれぞれの電極板として機能するものであり、銅等の導電層からなる。なお、電極１１Ａ〜１１Ｈは互いに独立しており、他の電極及び他の部材に対して電気的な接続はされていない。

磁性体１２Ａ〜１２Ｉは、例えば、フェライトの粒子を焼結して得た材料からなる層である。磁性体１２Ａ〜１２Ｉは、その長手方向の中心部に電極１１Ａ〜１１Ｈの各接続片１１１が介在するように配設される。磁性体１２Ａ〜１２Ｉは、それぞれに対向配置された接続片１１１との組合せによって１つのインダクタを形成している。

誘電体１３Ａ〜１３Ｉは、磁性体１２Ａ〜１２Ｉと略同一のサイズを有し、例えば、チタン酸バリウム粒子を焼結して薄板状としたものからなる層である。誘電体１３Ａ〜１３Ｉは、電極１１Ａ〜１１Ｈのそれぞれの電極部（電極板）１１２Ａ，１１２Ｂに重なり、かつ、図２（ｃ）及び図３に示すように、磁性体１２Ａ〜１２Ｉに隣接した状態で同一平面上に配設されている。誘電体１３Ａ〜１３Ｉは、それぞれの両面に配設された電極１１Ａ〜１１Ｈの内の２つとによって１つのキャパシタを形成している。

（ＣＲＬＨ線路素子の分布定数回路）
図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分布定数回路図である。ＣＲＬＨ線路素子１の端子２１Ａと端子２２Ａとの間には、図４中、Ｃ_１１、Ｌ_１１、Ｃ_１２、Ｌ_１２、Ｃ_１３、Ｌ_１３、・・・で示すようにキャパシタとインダクタが交互に接続され、同様に、端子２１Ｂと端子２２Ｂとの間には、図４中、Ｃ_２１、Ｌ_２１、Ｃ_２２、Ｌ_２２、Ｃ_２３、Ｌ_２３、・・・で示すようにキャパシタとインダクタが交互に接続されている。更に、インダクタＬ_１１とインダクタＬ_２１との間には、キャパシタＣ_３１とインダクタＬ_３１とによる並列回路、インダクタＬ_１２とインダクタＬ_２２との間には、キャパシタＣ_３２とインダクタＬ_３２とによる並列回路、・・・が接続されている。

図４において、キャパシタＣ_１１、インダクタＬ_１１、キャパシタＣ_２１、インダクタＬ_２１、キャパシタＣ_３１及びインダクタＬ_３１からなる回路、キャパシタＣ_１２、インダクタＬ_１２、キャパシタＣ_２２、インダクタＬ_２２、キャパシタＣ_３２及びインダクタＬ_３２からなる回路、キャパシタＣ_１３、インダクタＬ_１３、キャパシタＣ_２３、インダクタＬ_２３、キャパシタＣ_３３及びインダクタＬ_３３からなる回路は、共に単位長さ当たりの等価回路を示している。このような等価回路が、端子２１Ａ，２１Ｂから端子２２Ａ，２２Ｂに至るまで、単位長さ毎に生じることによって、分布定数回路が形成される。

上記単位長さ当たりの等価回路のうち、端子２１Ａ，２２Ａ側に最も近い等価回路の１つを例に説明すると、キャパシタＣ_１１、Ｃ_２１及びインダクタＬ_３１からなる回路が左手系に属し、インダクタＬ_１１、Ｌ_２１及びキャパシタＣ_３１からなる回路が右手系に属している。この左手系と右手系の組合せによって、ＣＲＬＨ線路が構成されている。

（解析モデル及び解析結果）
図５は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の解析モデルを示す図、図６は、図５の解析モデルの伝送特性を示す図である。図６において、Ｓ_１１は入力反射係数特性、Ｓ_２１は順方向伝達関数特性であり、Ｓ_１１のレベルが小さいほど、また、Ｓ_２１のレベルが大きいほど良い特性であることを意味している。

図５に示すように、解析モデルは、端子２１Ａ，２２Ａ間及び端子２１Ｂ，２２Ｂ間には、誘電体１３Ａ〜１３Ｉによる合成キャパシタンスＣ_１（Ｆ），Ｃ_２（Ｆ）を有し、端子２１Ａ，２１Ｂ間には、磁性体１２Ａ〜１２ＩによるインダクタＬ_３１〜Ｌ_３３，・・・の合成インダクタンスＬ_１（Ｈ）を有し_、端子２２Ａ，２２Ｂ間には磁性体１２Ａ〜１２ＩによるインダクタＬ_３１〜Ｌ_３３，・・・の合成インダクタンスＬ_２（Ｈ）を有するという構成である。

なお、上記実施の形態では、ＣＲＬＨ線路素子１が８層の電極１１Ａ〜１１Ｈを有するものとしたが、図５の解析モデルは１０層の電極からなるものとし、各電極のサイズを０．１×０．５（ｍｍ）とした。また、１１層からなる誘電体１３のそれぞれの比誘電率は４．０で、インダクタの集中定数は１０ｎＨであるとした。

図５に示した解析モデルを上記の条件により解析したところ、図６に示す結果が得られた。図６に示すように、左手系伝送域の９ＧＨｚ付近にバンドパス特性が現れていることがわかる。

［第２の実施の形態］
図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す断面図、図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。図７は、第１の実施の形態における図２（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図に相当する。また、図８においては、パッケージの図示を省略している。

第２の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子（右手・左手系複合線路素子）２は、第１の実施の形態において、磁性体１２Ａ〜１２ＩをＴ字形にし、そのＩ字形部の両側に２分割した誘電体１３Ａ〜１３Ｉを配設し、電極間をアイソレーションすることにより右手系を抑制できるようにしたもので、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。

［第３の実施の形態］
図９は、本発明の第３の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す断面図、図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。図９は、第１の実施の形態における図２（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図に相当する。また、図１０においては、パッケージの図示を省略している。

第３の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子（右手・左手系複合線路素子）３は、第１の実施の形態において、磁性体１２Ａ〜１２Ｉを小さくし、更に、誘電体１３Ａ〜１３Ｉのそれぞれを２分割し、磁性体１２Ａ〜１２Ｉのそれぞれの両側に上記２分割した誘電体を配設し、第１の実施の形態に比べてキャパシタンスを大きくできるようにしたものであり、その他の構成は第１の実施の形態と同様である。なお、電極１１Ａ〜１１Ｈは、磁性体１２Ａ〜１２Ｉの形状及び配置を第１の実施の形態とは異ならせたことにより、接続片１１１をＺ字形にしている。

［第４の実施の形態］
図１１は、本発明の第４の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分布定数回路図である。本実施の形態は、１つの信号線とグランド層により伝送線路が形成された基板への実装に適したＣＲＬＨ線路素子（右手・左手系複合線路素子）４を提供するものである。このＣＲＬＨ線路素子４は、第１の実施の形態に係る図４において、端子２１Ｂと端子２２Ｂとの間にあるキャパシタＣ_２１，Ｃ_２２，Ｃ_２３，・・・及びインダクタＬ_２１，Ｌ_２２，Ｌ_２３，・・・を除去、即ち、端子２１Ｂと端子２２Ｂとの間のＣとＬを除去し、このラインを１つの導体４０に置き換えた分布定数回路になる。

［他の実施の形態］
なお、本発明は、上記各実施の形態に限定されず、その要旨を変更しない範囲内で種々な変形が可能である。例えば、各実施の形態間の構成要素の組合せは任意に行うことができる。

また、上記各実施の形態においては、誘電体１２Ａ〜１２Ｉと磁性体１２Ａ〜１２Ｉとが同じ厚みであるとしたが、誘電体１２Ａ〜１２Ｉと磁性体１２Ａ〜１２Ｉとが異なる厚みであってもよい。更に、誘電体１２Ａ〜１２Ｉと磁性体１２Ａ〜１２Ｉは、同じ層の位置にあるものを同一平面上に配設したが、異なる高さに配置してもよい。

また、上記実施の形態は、図６に示される様に、バンドパスフィルタの適用例について説明したが、本発明は、バンドパス以外のフィルタ、バックワード放射アンテナ、超低周波のゼロ次共振器等への適用が可能である。

図１は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す斜視図である。図２は、図１に示すＣＲＬＨ線路素子の断面図を示し、（ａ）は図１のＡ−Ａ線の断面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ線の断面図、（ｃ）は（ａ）のＣ−Ｃ線の断面図である。図３は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。図４は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分布定数回路図である。図５は、本発明の第１の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の解析モデルを示す図である。図６は、図５の解析モデルの伝送特性を示す図である。図７は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す断面図である。図８は、本発明の第２の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。図９は、本発明の第３の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子を示す断面図である。図１０は、本発明の第３の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分解斜視図である。図１１は、本発明の第４の実施の形態に係るＣＲＬＨ線路素子の分布定数回路図である。

符号の説明

１，２，３，４線路素子、１０本体部、１１Ａ〜１１Ｈ電極、１２Ａ〜１２Ｉ磁性体、１３Ａ〜１３Ｉ誘電体、１４パッケージ、２１Ａ，２１Ｂ，２２Ａ，２２Ｂ端子、４０導体、１１１接続片、１１２Ａ，１１２Ｂ電極部

Claims

一対の電極及び前記一対の電極板を接続する接続片を有し、一対の入力端子と一対の出力端子との間に厚み方向へ所定間隔に配設された複数の電極と、
前記複数の電極の前記一対の電極板の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の誘電体と、
前記複数の誘電体に隣接して配設されると共に前記複数の電極の前記接続片の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の磁性体とを有する右手・左手系複合線路素子。
前記複数の電極は、前記一対の電極が角板状を成し、前記接続片が曲部を有している請求項１に記載の右手・左手系複合線路素子。
前記複数の誘電体は、それぞれが１つの板状の誘電体又は２分割して前記磁性体の両側に配置された板状の誘電体からなる請求項１に記載の右手・左手系複合線路素子。
前記複数の磁性体は、それぞれが板状を成し、その中心部に沿って前記接続片が配設されている請求項１に記載の右手・左手系複合線路素子。
電極板及び前記電極板に接続された接続片を有し、入力端子とグランド層との間に厚み方向へ所定間隔に配設された複数の電極と、
前記複数の電極の前記電極板の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の誘電体と、
前記複数の誘電体に隣接して配設されると共に前記複数の電極の前記接続片の両面に各１つが介在するようにして多層に配設された複数の磁性体と、
前記各接続片と前記グランド層とを接続する導体とを有する右手・左手系複合線路素子。