JP2015179699A - 電子回路 - Google Patents

Abstract

【課題】 遮断周波数を調節可能な小型の電磁バンドギャップ構造を実現すること。【解決手段】 電子回路は、複数の導体板を含む第１の導体とグランド導体とを含んで形成された電磁バンドギャップ構造を有する基板であって、第１の面において複数の導体板が配置され、グランド導体の少なくとも一部が第２の面に配置された基板と、基板の第２の面から見て複数の導体板の後方に離して配置されると共にグランド導体に接続され、その複数の導体板の少なくとも一部と電磁的に結合する第２の導体と、を有する。【選択図】 図３

Description

本発明は電磁バンドギャップ構造を有する電子回路に関する。

近年、アンテナやマイクロ波回路等の電磁波の領域において、メタマテリアルを用いることが検討されている。メタマテリアルとは、広義では自然界に存在しない人工的な媒質を意味し、誘電率と透磁率が同時に負である左手系材料、いずれか一方だけが負である材料、同時に正である右手系材料に分類される。中でも、誘電率と透磁率のいずれか一方だけが負である材料は、電磁波の伝搬を禁止する電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｂａｎｄ Ｇａｐ）と呼ばれる性質を持つことが知られている。

ここで、ＥＢＧを持つ材料は、単位素子の材質や形状、配列を操作することにより、自然界に存在する材料により実現できることが知られている。以下では、このような単位素子によってＥＢＧを持つ周期構造をＥＢＧ構造と呼ぶ。このようなＥＢＧ構造は、電子回路内において、ある特定の周波数帯域、例えば、電子部品が実装された基板からの不要な輻射の原因となる電磁波ノイズを遮断する帯域阻止フィルタとして利用可能である。

特開２００８−２８８７７０号公報 特開２０１１−０３５３６７号公報

一般的に、ＥＢＧ構造は基板内や基板上に形成されるため、遮断周波数の変更は容易でない。また、単位素子の大きさと遮断周波数はトレードオフとなることが知られており、遮断周波数を低く設計する場合には、単位素子が大きくなる。

特許文献１には、ＥＢＧ構造の小型化と遮断周波数の低周波数化を両立する技術が記載されている。特許文献１に記載の技術では、ＥＢＧ構造が、複数のチップインダクタまたはチップコンデンサを用いて小型化される。しかしながら、このような構成では、パッチ構造の数だけ電子部品が必要となるため、製造コストが増加してしまう課題があった。また、電子部品が理想的な特性ではなく周波数特性を持つため、所望の遮断周波数を得ることが難しいという課題もあった。

本発明は上記課題に鑑みなされたものであり、遮断周波数を調節可能な小型の電磁バンドギャップ構造を実現することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明による電子回路は、複数の導体板を含む第１の導体とグランド導体とを含んで形成された電磁バンドギャップ構造を有する基板であって、１つの面において前記複数の導体板が配置された前記基板と、前記基板の前記１つの面の反対の面から見て前記複数の導体板の後方に離して配置されると共にグランド導体に接続され、当該複数の導体板の少なくとも一部と電磁的に結合する第２の導体と、を有する。

本発明によれば、遮断周波数を調節可能な小型の電磁バンドギャップ構造を実現することができる。

実施形態に係るＥＢＧ構造を有する基板の第１の構成例の断面図。 ＥＢＧ構造を有する基板の第１の構成例の単位素子の等価回路図。 実施形態に係るＥＢＧ構造の等価回路図。 実施形態に係るＥＢＧ構造を有する基板の第２の構成例の断面図。 ＥＢＧ構造を有する基板の変形された第２の構成例の断面図。 実施形態に係るＥＢＧ構造を有する基板の第３の構成例の断面図。 片面基板を用いたＥＢＧ構造を持つ基板の断面図 ＥＢＧ構造を有する基板の正面図及び断面図。 ＥＢＧ構造の単位素子の等価回路図。 ＥＢＧ構造を有する基板の断面図及びその等価回路。 ＥＢＧ構造を有する基板の断面図及びその等価回路。

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。なお、各図では、各領域の塗りつぶしのパターンによってその材料の性質を区別している。また、繰り返し構造を持つものは図中番号を省略している場合があるが、その構造は繰り返される単位の、他の箇所の構造と同様であるものとする。

本実施形態に係る電磁バンドギャップ構造について説明するのに先立って、まず、一般的な電磁バンドギャップ構造について説明する。図８に一般的に知られている電磁バンドギャップ構造（ＥＢＧ構造）を有する両面基板の正面図及び断面図を示す。この基板は例えば誘電体基板であり、図８は、その基板の１つの面（表面）に、複数の導体板（導体パッチ）１０１が、その反対の面（裏面）にはグランド導体１０２が配置されている様子を示している。なお、このＥＢＧ構造は、電子回路の一部として電子機器に組み込まれ、例えば、不要な電磁波の輻射を防ぐ機能を果たす。複数の導体板１０１は互いに一定の間隔を空けて配置され、誘電体１０３を貫通する層間ビア１０４によって、グランド導体１０２に各々接地している。

図９に、図８のＥＢＧ構造の等価回路を示す。図８のＥＢＧ構造は、図９のように、コンデンサとインダクタの直列回路と並列回路の組み合わせとして表現できる。このＥＢＧ構造が持つ遮断周波数帯域は、直列回路の共振周波数ｆ_seと、並列回路の共振周波数ｆ_shとの間となる。なお、これらの共振周波数は、それぞれ、

のように表される。なお、図９に示すように、Ｃ_s及びＬ_sは直列回路の、Ｃ_p及びＬ_pは並列回路の、それぞれ容量とインダクタンスの大きさを示す。

本実施形態では、このようなＥＢＧ構造を有する基板に、さらなる導体を付加し、遮断周波数を変化させる。したがって、複数の導体板１０１の大きさを変化させずに遮断周波数を調節することができ、ＥＢＧ構造の大きさを小さく抑えることができ、その結果、電子回路の大きさをも小型化することができる。以下、いくつかの構成例について説明する。

（構成例１）
図１に、本実施形態におけるＥＢＧ構造を有する基板の第１の構成例の断面図を示す。基板の第１の面に配置された導体１０７は、層間ビア１０４によってグランド導体１０２に接続している。また、付加導体１０６が基板の上方（グランド導体１０２が配置された面から複数の導体板１０１が配置された面に向かって、複数の導体板１０１の後方）に、複数の導体板１０１から離して配置される。そして、付加導体１０６の端部が直角に折れ曲がりスルーホール１０５を通ってグランド導体１０２へ接地されている。なお、付加導体１０６と、複数の導体板１０１の少なくとも一部は、電磁的に結合する。

この時、ＥＢＧ構造を形成する単位素子は、複数の導体板１０１のうちの１つがグランド導体１０２及び付加導体１０６によって挟まれている図中の点線で囲った部分と考えることができる。このときの、この単位素子の等価回路を図２に示す。図２に示すように、本構成例における単位素子の等価回路は、図９で示した回路構成に、キャパシタ成分Ｃ_p2が接続された構成となる。なお、キャパシタ成分Ｃ_p2は、複数の導体板１０１のうちの１つと付加導体１０６との間の電磁的な結合により得られる。

Ｃ_p2の値は、付加導体１０６を配置した時の、複数の導体板１０１との間の距離や付加導体１０６の材質によって変化する。図３は、このような変化を考慮して単位素子の等価回路を一般化した場合の図である。図３から分かるように、Ｃ_vは並列成分となるため、Ｃ_vを変化させることにより並列回路の共振周波数ｆ_shを変更することができる。すなわち、並列回路のＣ_vを大きくすることで、単位素子を構成する導体板１０１を大きくすることなく、ＥＢＧ構造の遮断周波数を低くすることが可能となる。なお、付加導体１０６は、基板にあらかじめ実装されている必要はなく、両面基板に配置されたＥＢＧ構造の遮断周波数を変更したい場合に追加実装できるように、着脱可能に構成されてもよい。

（構成例２）
図４は、本実施形態におけるＥＢＧ構造を有する基板の第２の構成例の断面図を示す。基板の構成及び参照番号が同じ素子については構成例１と同様であるため、詳細な説明については省略する。

本構成例では、構成例１と異なり、付加導体４０１が基板に接続され、電子部品４０２が基板の第１の面上（導体１０７上）に実装されている。付加導体４０１は、構成例１の場合のような遮断周波数を変化させる機能に加えて、基板や電子部品４０２から生じる電磁波ノイズの放射を防止するシールドケースとしても機能する。このため、付加導体４０１は、例えば、洋白などの金属が用いられ、電子部品４０２が実装されている面上に、電子部品４０２を覆うように形成される。さらに、付加導体４０１は、導体端で直角に折れ曲がりスルーホール１０５を通ってグランド導体１０２へ接地される。なお、この時、付加導体４０１は大部分の電子部品を覆うシールドケースとして機能するため、なるべく基板端で接地することが望ましい。折り曲げられた付加導体４０１の接地できない部分は、例えば、基板上で再度直角に折れ曲がり、複数の導体板１０１を覆うように形成される。

この時、ＥＢＧを持つ単位素子は、複数の導体板１０１のうちの１つが、グランド導体１０２及び付加導体４０１によって挟まれている図中の点線で囲った部分と考えることができる。本構成例における単位素子の等価回路は、実施形態１と同じく図３となり、Ｃ_vは、複数の導体板１０１のうちの１つと付加導体４０１との電磁的な結合により形成されるキャパシタ成分となる。このため、付加導体４０１を折り曲げた部分の形状や高さ、材質を変えることで、容易に遮断周波数ｆ_shを変更できる。

なお、本構成例では、付加導体４０１と基板構成とが組み合わさってＥＢＧ構造を持つことから、電磁波は基板だけではなく付加導体４０１にも伝播できない。その結果、基板が基板自身や電子部品４０２から生じる電磁波ノイズの放射を防止するだけではなく、付加導体４０１が共振することでシールドケース自身が二次放射源となることを防ぐことができるようになる。

なお、図４では、ＥＢＧ構造と電子部品４０２との中間に付加導体４０１が挟まるような構成について説明したが、本構成例は、このような構成に限られない。図５に、シールドケースとして機能する付加導体４０１を用いる場合の電子回路の別の構成例を示す。図５の例では、付加導体４０１の折り曲げ回数が増えるものの、このような構成により、付加導体４０１の接地面積を大きくとることができ、さらに、付加導体４０１が変形しにくくなる。

なお、本構成例では、付加導体４０１を折り曲げることでＥＢＧ構造を形成したが、基板に実装されたシールドケースに着脱可能な付加導体を接続することで、同様にＥＢＧ構造の遮断周波数を変更することができる。

なお、上述の構成例１及び２では、付加導体１０６又は４０１は、必ずしもスルーホール１０５を通る必要はなく、何らかの方法でグランド導体に設置されればよい。例えば、付加導体１０６又は４０１は、層間ビア１０４またはスルーホール１０５でグランド導体１０２に接続された基板表面の導体１０７に接地してもよい。

なお、付加導体１０６又は４０１は、例えば、複数の導体板１０１を覆うような並行平板形状の導体板として形成されることにより、複数の導体板１０１との電磁的な結合を安定的に得ることができる。なお、付加導体１０６又は４０１は、複数の導体板１０１の全てを覆う必要はなく、複数の導体板１０１の少なくとも一部を覆うように構成されてもよい。なお、付加導体１０６又は４０１が複数の導体板１０１を覆う面積又は導体板の個数を調整することにより、遮断周波数を調節することができる。

なお、付加導体１０６又は４０１を導体板として形成することにより、折り曲げによる接地面積を大きくすることができる。このため、このような形状とすることにより、安定したグランドを実現することができる。

ただし、付加導体１０６又は４０１の形状や材質は限定されず、例えば、絶縁シート付き金属フィルムでもよい。

（構成例３）
図６は、本実施形態におけるＥＢＧ構造を有する基板の第３の構成例の断面図を示す。基板の構成及び参照番号が同じ素子については構成例１及び２と同様であるため、詳細な説明については省略する。

構成例１及び２と異なり、基板が支持部材である導体６０１に、導体６０２によって固定されている。導体６０２は例えばネジであり、誘電体１０３にネジ穴６０３が、支持部材の導体６０１にネジ穴６０４が設けられている。なお、これらの部材（導体）は、基板を支持する目的で使用される部材であればその種類は限定されない。

通常、基板を支持部材にネジで取り付ける場合には、基板を固定することの他に、熱を支持部材側へ逃がす効果が期待される。この時、ＥＢＧを有する単位素子は、複数の導体板１０１のうちの１つが、グランド導体１０２及び支持部材の導体６０１によって挟まれている図中の点線で囲った部分と考えることができる。

本構成例における単位素子の等価回路は、構成例１及び２と同じく図３となり、Ｃ_vは、複数の導体板１０１のうちの１つと支持部材の導体６０１との間の電磁的な結合により形成されるキャパシタ成分である。このため、支持部材の導体６０１と複数の導体板１０１との距離（位置関係）を変えることにより、遮断周波数を変更できる。この結果、基板自身や電子部品（不図示）から生じる電磁波ノイズの放射を基板が防止するだけでなく、支持部材からの電磁波ノイズの放射を防止でき、更に基板によって発生する熱を支持部材に逃がすことができる。

なお、構成例１〜３では両面基板を用いた場合の例を説明したが、複数層を有する基板構成にも同様の構成を適用することができる。その場合には、層間を接続する複数のビアや、層上の線路、複数層に形成された導体と合わせてＥＢＧ構造が形成される。

また本実施形態に係るＥＢＧ構造は、図８で示した基板構成以外の基板構成に対して付加導体を付加することにより形成することができる。図８と異なる基板構成について、図１０と図１１にそれぞれの基板構成と等価回路を示す。図１０においては、グランド導体１０２が配置される第２の面から見て、複数の導体板１０１が配置される第１の面の後方に、さらに導体１００１が配置される第３の面を有する。そして、第２の面と第３の面との間に誘電体が充てんされている。図１１は、層間ビア１０４がない代わりに、導体１１０１によって複数の導体板１０１同士が接続されている。図１０に示した基板構成も図１１に示した基板構成も、図８に示した基板構成とは異なるため、その等価回路は、図９に示した等価回路と異なるものの、ＥＢＧ構造を持つことが知られている。このような形式のＥＢＧ構造を有する基板に対しても、付加導体（支持部材の導体）を用いて、この付加導体をＥＢＧ構造の導体板と電磁的に結合させることにより、遮断周波数を制御することが可能となる。

（構成例４）
図７は、本実施形態におけるＥＢＧ構造を有する基板の第４の構成例の断面図を示す。基板の構成及び参照番号が同じ素子については構成例１〜３と同様であるため、詳細な説明については省略する。構成例１〜３の基板とは異なり、本構成例の基板は片面基板であり、導体が形成される層と誘電体層とからなるため、グランド導体１０２、層間ビア１０４及びスルーホール１０５を有さない。

本構成例では、基板の第１の面（表面）には、複数の導体板１０１と導体１０７（グランド導体）及び導体１１０１が配置され、複数の導体板１０１は、互いに、導体１１０１により接続されており、基板構成は図１１と同様である。また、付加導体１０６が片面基板の上方に配置され、導体端が直角に折れ曲がり導体１０７へ接地されている。

この時、ＥＢＧを持つ単位素子は、複数の導体板１０１のうちの１つと付加導体１０６によって挟まれている図中の点線で囲った部分となる。したがって、構成例１〜３と同様に、図３が本構成例の単位素子の等価回路となる。本構成例では、付加導体１０６を実装して初めてＥＢＧ構造が形成される点が他の構成例と異なるが、このような構成により、片面基板においてもＥＢＧ構造の遮断周波数を変更できる。

なお、構成例１〜４では両面基板及び片面基板を用いたが、プリント基板であればよく、材質は限定されない。なお複数の導体板１０１の形状は、図８では方形の場合を示したが、他の多角形や円形形状であってもよい。また、複数の導体板１０１は、必ずしも等間隔に並べる必要はなく、また複数の導体板１０１の大きさも一定でなくてもよい。例えば、用途に応じて遮断周波数における減衰量は決定されるため、その減衰量を達成するために、ＥＢＧを持つ単位素子の配列は適宜変更されてもよい。さらに、付加導体１０６又は４０１、導体６０１の形状は限定されず、複数の導体板１０１との間で電磁的に結合し、キャパシタ成分が形成される構成であればどのような形状であってもよい。

Claims (10)

1. 複数の導体板を含む第１の導体とグランド導体とを含んで形成された電磁バンドギャップ構造を有する基板であって、第１の面において前記複数の導体板が配置され、前記グランド導体の少なくとも一部が第２の面に配置された前記基板と、
   前記基板の前記第２の面から見て前記複数の導体板の後方に離して配置されると共に前記グランド導体に接続され、当該複数の導体板の少なくとも一部と電磁的に結合する第２の導体と、
   を有することを特徴とする電子回路。
2. 前記電磁バンドギャップ構造は、前記第２の面にグランド導体が形成され、前記複数の導体板が前記グランド導体と前記基板の前記第１の面と前記第２の面との間を貫通する導体により接続される形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子回路。
3. 前記電磁バンドギャップ構造は、前記複数の導体板が前記第１の面において互いに接続される形状を有する、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電子回路。
4. 前記第２の導体は、さらに、前記第１の面に配置される他の電子部品を覆うように形成され、当該他の電子部品のシールドケースとして機能する、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子回路。
5. 前記第２の導体は、前記第１の面に配置される他の電子部品を覆うシールドケースに接続される、
   ことを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の電子回路。
6. 前記基板は誘電体基板である、
   ことを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載の電子回路。
7. 前記第２の導体と前記複数の導体板との位置関係を変更するように調節する構成をさらに有する、
   ことを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載の電子回路。
8. 前記第２の導体は前記基板に対して着脱可能に構成される、
   ことを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載の電子回路。
9. 前記第２の導体は、平板形状を有し、前記複数の導体板の少なくとも一部を覆うように配置される、
   ことを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載の電子回路。
10. 第１の面において第１の導体を含んで構成される基板と、
    前記第１の導体と離して配置され、当該第１の導体と電磁的に結合すると共に前記第１の面に形成されるグランド導体に接続され、前記基板と共に電磁バンドギャップ構造を形成する第２の導体と、
    を有することを特徴とする電子回路。

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