JP2015198433A - Ｅｂｇ構造体 - Google Patents

Abstract

【課題】従来よりも小型な構造で電磁波の遮断を実現する。
【解決手段】EBG構造体であって、第１の導体と、第１の導体と少なくとも一部が対向する第２の導体と、第１の導体と第２の導体とを電気的に接続する連結導体とを備え、連結導体は、単位構造として周期的に配列される。
【選択図】 図１

Description

本発明は、特定の周波数帯域において電磁波の伝搬を阻止する電磁バンドギャップ（EBG: Electromagnetic Band Gap）構造体に関する。

近年、特定の周波数帯域において電磁波の伝搬を阻止するEBG技術について研究されている。特許文献１は、一般的なEBG構造として、一定のギャップ間隔でパッチ導体を同一平面にアレイ状に配置し、パッチ導体と平行したグランド導体にパッチ導体から導通ビアを接続したマッシュルーム型構造を開示している。

また、特許文献２は、パッチ導体間に一定のギャップとパッチ導体を導通させるブリッジから成る構造であるビアレス型EBG構造を開示している。さらに、特許文献３は、平行平板間にオープンスタブを挿入した構造を開示している。

特表2002-510886号公報 特開2008-131509号公報 特開2010-010183号公報

しかしながら、特許文献１及び特許文献２に示すような、従来のマッシュルーム型やビアレス型のEBG構造は１つのセルが大きく小型の電子機器への内蔵には適していないという課題がある。また、特許文献３に示すような、オープンスタブを使用したEBG構造はマッシュルーム型よりは小型化が可能であるが、ショートスタブより長いスタブ長が必要であり、十分な小型化は実現できていない。

さらに、従来のショートスタブ型のEBG構造はスタブが導体板の外側にあるため、外部金属が近接した場合に特性変動が大きく、ショートスタブ側が実装されている側の導体をグランド基板として使用することが困難である。

上記の課題に鑑み、本発明は、従来よりも小型な構造で電磁波の遮断を実現することを目的とする。

上記の目的を達成する本発明に係るEBG構造体は、
第１の導体と、
前記第１の導体と少なくとも一部が対向する第２の導体と、
前記第１の導体と前記第２の導体とを電気的に接続する連結導体とを備え、
前記連結導体は、単位構造として周期的に配列される
ことを特徴とする。

本発明によれば、従来よりも小型な構造で電磁波の遮断を実現することができる。

第１実施形態に係るEBG構造体の構成例を示す図。 第１実施形態に係るEBG構造体のA-A'断面図。 第１実施形態に係る単位セルの等価回路図。 第１実施形態に係る単位セル合成アドミタンスの周波数特性図。 第１実施形態に係る単位セル分散特性図。 第１実施形態に係るEBG構造体のA-A'断面図（変形例１）。 第１実施形態に係るEBG構造体のA-A'断面図（変形例２）。 第２実施形態に係るEBG構造体の構成例を示す図。 第２実施形態に係るEBG構造体のA-A'断面図。

以下、添付の図面を参照しながら、本発明の実施の形態について詳述する。

（第１実施形態）
まず図１及び図２を参照して、第１実施形態に係るEBG構造体について説明する。図１は本実施形態に係るEBG構造体の断面図である。また、図２は図１のA-A'面におけるEBG構造体の平面図である。なお、各図において同一符号は同一または相当箇所を表す。

図１及び図２に示すように、本実施形態に係るEBG構造体は、第１の導体１と当該第１の導体１と少なくとも一部が対向する第２の導体２とを含む複数の導体と、第１のビア３と、導体片４と、第２のビア５と、第１の導体１及び第２の導体２の間を充填する誘電体６とを備えている。

第１のビア３は第１の導体１と電気的に接触し、第２のビア５は第２の導体２と電気的に接触する。また、図２に示すように、導体片４は、第１のビア３及び第２のビア５と電気的に接触する。第１のビア３（第１の連結導体）、導体片４及び第２のビア５（第２の連結導体）が、第１の導体１と第２の導体２とを電気的に接続する連結導体として機能する。

これら第１の導体１、第２の導体２に加えて、第１のビア３、導体片４、第２のビア５、及び誘電体６を含む単位セル７（単位構造）が二次元に規則的・周期的に配列されてEBG構造体が構成されている。

ここで、図３は、図１及び図２中の点線枠で示す単位セル７の等価回路図の一例を示す。

単位セル７の等価回路は、第１の導体１による直列のインダクタンス３１、第１の導体１と第２の導体２との容量結合による並列のキャパシタンス３２、第１のビア３及び第２のビア５によるインダクタンス３３と導体片４のリアクタンス３４との直列接続が並列に挿入された回路で表せる。なお、導体片４はショートスタブとして機能するため、リアクタンス３４は導体片４の長さと周波数により容量性および誘導性を示す。

図４は、導体片４の長さが５ｍｍの場合の並列素子（キャパシタンス３２、インダクタンス３３、リアクタンス３４）の合成アドミタンス周波数特性を示す。およそ６ＧＨｚ以下の周波数領域において合成アドミタンスは誘導性を示し、６ＧＨｚ以上の周波数領域において合成アドミタンスは容量性を示すことがわかる。

次に、図５を参照して、本実施形態に係るEBG構造体の分散特性について説明する。実線５０、点線５１、破線５２が図３における等価回路図による計算値であり、それぞれ導体片長が３ｍｍ、５ｍｍ、１５ｍｍの場合の計算結果である。また、三角形、菱形、円は電磁界解析による計算結果であり、それぞれ導体片長が３ｍｍ、５ｍｍ、１５ｍｍの場合の結果である。回路計算および解析に用いたパラメータは、単位セル長１．２ｍｍ、第１のビア３の高さ０．０４ｍｍ、第２のビア５の高さ０．４ｍｍ、第１のビア３および第２のビア５の直径０．２５ｍｍ、導体片４長さ３ｍｍ、５ｍｍ、１５ｍｍ、誘電体６の誘電率を４．４とした。回路計算結果および解析計算結果における結果はほぼ一致している。

図５に示すように、導体片４の長さが３ｍｍの場合、およそ８．５ＧＨｚ以下の周波数帯域で位相定数が０のEBG領域となる。また、導体片４の長さが５ｍｍの場合、およそ６ＧＨｚ以下、１５ｍｍの場合、およそ２．２ＧＨｚ以下、４．８〜６．６ＧＨｚ、９．２〜１１ＧＨｚにそれぞれEBG領域が現れる。

EBG領域は合成アドミタンスが誘導性を示す帯域である。合成アドミタンスが誘導性から容量性に切替わる並列共振周波数で、EBG領域から伝搬領域に切替わる。なお、第１のビア３が第２の導体２と非接触状態（絶縁状態）となるように、第２の導体２にクリアランスを設ければ、第１のビアが第２の導体２まで延伸しても構わない。

同様に、第２のビア５が第１の導体１と非接触状態（絶縁状態）となるように第１の導体１にクリアランスを設ければ、第２のビア５が第１の導体１まで延伸しても構わない。また、導体片４の構成は図２のような渦巻形状に限らず、図６のように蛇行形状や図７のように直線形状であってもよい。また、これらの形状の単位セルを適宜組み合わせてEBG構造を構成してもよい。

以上説明したように、本実施形態によれば、従来よりも小型な構造で電磁波の遮断を実現することが可能となる。さらにEBG構造体の両表面が導体により構成できるため、基板を筐体に実装する場合、ネジと直接導通をとることが可能になり、基板からノイズや熱を逃がしやすくなる効果も奏する。また、両表面が導体により構成できるため、他の導体が本構造に近接した場合でも、特性変動を小さく抑えることができる。

（第２実施形態）
次に、図８及び図９を参照して、第２実施形態に係るEBG構造体について説明する。図８は本実施形態に係るEBG構造体の断面図である。また、図９は図８のA-A'面におけるEBG構造体の平面図である。なお、各図において同一符号は同一または相当箇所を表す。

図８及び図９に示すように、本実施形態に係るEBG構造体は、第１の導体１と、第２の導体２と、導体１と同一面に構成されている導体片４と、ビア５と、第１の導体１及び第２の導体２の間を充填する誘電体６とを備えている。

第１のビア３は第１の導体１と電気的に接触し、第２のビア５は第２の導体２と電気的に接触する。また、図２に示すように、導体片４は、第１のビア３及び第２のビア５と電気的に接触する。これら第１の導体１、第２の導体２、第１のビア３、導体片４、第２のビア５、及び誘電体６を含む単位セル７が二次元に規則的に配列されてEBG構造体が構成されている。

導体片４の一端は第１の導体１と接続部８で電気的に接触する。導体片４の他端はビア５と電気的に接触する。導体片４の両端以外はクリアランス９により導体１と離間する。また、ビア５はクリアランス９により導体１と離間し、導体２と電気的に接触する。これらの各要素により構成される単位セル７が二次元に規則的に配列されてEBG構造体が構成される。単位セル７の等価回路および分散特性は第１実施形態と同様のため説明を省略する。第１実施形態と同様に導体片４の長さを変えることで、EBG領域の調整が可能である。

なお、本実施形態では、導体片４が第１の導体１と同一面に構成されているが、第２の導体２と同一面内に設けてもよい。さらに、図示、説明はしないが、導体片４を第１の導体１と第２の導体２の両導体面内に第１の導体片、第２の導体片として構成してもよい。

例えば、第１のビア３（第１の連結導体）、第１の導体片、第２のビア５（第２の連結導体）、第２の導体片を、第１の導体１と第２の導体２とを電気的に接続する連結導体としてもよい。

その場合、第１のビア３（第１の連結導体）は、第１の導体１と電気的に接続し且つ第２の導体２まで延伸し、第２のビア５（第２の連結導体）は、第２の導体２と電気的に接続し且つ第１の導体１まで延伸してもよい。さらに、第１の導体片を第１の導体１の面内に設け、その一端を第１の導体１と電気的に接続し、他端を第１のビア３（第１の連結導体）と電気的に接続する。一方、第２の導体片を第２の導体２の面内に設け、一端を第２の導体２と電気的に接続し、他端を第２のビア５（第２の連結導体）と電気的に接続する。

また、図９の例では、導体片４は渦巻形状であるが、形状はこれに限らず、蛇行形状や直線形状であってもよい。さらに、ビア5のみの長さで所望のEBG領域の周波数帯が得られるのであれば、導体片４は不要である。すなわち、導体1と導体２の両導体面をビア５で接続する形状が単位セルとなってもよい。また、これらの形状の単位セルを適宜組み合わせてEBG構造を構成してもよい。

また、本発明に係るEBG構造体は上述した各構成要素の一部が含まれないように構成してもよく、さらに他の構成要素を含んで構成されてもよい。本発明に係るEBG構造体は、回路基板のグランドや電流を阻止すべき箇所に適用することで不要な電磁波を遮断することが可能である。

（その他の実施形態）
また、本発明は、以下の処理を実行することによっても実現される。即ち、上述した実施形態の機能を実現するソフトウェア（プログラム）を、ネットワーク又は各種記憶媒体を介してシステム或いは装置に供給し、そのシステム或いは装置のコンピュータ（またはＣＰＵやＭＰＵ等）がプログラムを読み出して実行する処理である。

１：第１の導体１、２：第２の導体、３：第１のビア（第１の連結導体）、４：導体片４、５：第２のビア（第２の連結導体）、６：誘電体

Claims (8)

1. EBG構造体であって、
   第１の導体と、
   前記第１の導体と少なくとも一部が対向する第２の導体と、
   前記第１の導体と前記第２の導体とを電気的に接続する連結導体とを備え、
   前記連結導体は、単位構造として周期的に配列される
   ことを特徴とするEBG構造体。
2. 前記連結導体は、第１の連結導体と第２の連結導体とを含む複数の連結導体と、導体片とを含み、
   前記第１の連結導体は前記第１の導体と電気的に接続し、
   前記第２の連結導体は前記第２の導体と電気的に接続し、
   前記導体片は、前記第１の導体と前記第２の導体との間で、前記第１の連結導体と前記第２の連結導体とを電気的に接続する
   ことを特徴とする請求項１に記載のEBG構造体。
3. 前記第１の連結導体は、前記第２の導体まで延伸し且つ当該第２の導体とは絶縁されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のEBG構造体。
4. 前記第２の連結導体は、前記第１の導体まで延伸し且つ当該第１の導体とは絶縁されていることを特徴とする請求項１乃至３の何れか１項に記載のEBG構造体。
5. 前記導体片は、渦巻形状、蛇行形状または直線形状を有することを特徴とする請求項２に記載のEBG構造体。
6. 前記連結導体は、前記第１の導体と電気的に接続し且つ前記第２の導体まで延伸しており、
   前記第２の導体の面内に設けられ、一端が前記第２の導体と電気的に接続し、他端が前記連結導体と電気的に接続する導体片をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載のEBG構造体。
7. 前記連結導体は、第１の連結導体と第２の連結導体とを含む複数の連結導体と、第１の導体片及び第２の導体片とを含む複数の導体片とを含み、
   前記第１の連結導体は、前記第１の導体と電気的に接続し且つ前記第２の導体まで延伸しており、
   前記第２の連結導体は、前記第２の導体と電気的に接続し且つ前記第１の導体まで延伸しており、
   前記第１の導体片は、前記第１の導体面内に設けられ、一端が前記第１の導体と電気的に接続し、他端が前記第１の連結導体と電気的に接続しており、
   前記第２の導体片は、前記第２の導体面内に設けられ、一端が前記第２の導体と電気的に接続し、他端が前記第２の連結導体と電気的に接続することを特徴とする請求項１に記載のEBG構造体。
8. 前記第１の導体と前記第２の導体との間が誘電体で満たされることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のEBG構造体。

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