JP5326649B2 - アンテナ、アレイアンテナ、プリント基板、及びそれを用いた電子装置 - Google Patents
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Description
しかしながら、上記したEBG構造では十分なキャパシタンスやインダクタンスを確保するため、導体パッチの面積を大きくしたり、導体ビアを長くしたりする必要があり、小型化が困難という課題があった。
なお、本発明におけるプリント配線板は、電子部品が実装されていない状態のプリント基板、及び電子部品が実装された状態のパッケージ基板の双方を含む概念とする。
なお、下記の実施の形態では、基板厚さ方向(図1における縦方向)を「厚さ方向」とする。
まず、本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態の構成について、図1、図2に基いて説明する。
図1は本実施の形態のEBG構造の断面図を示す。図2は本実施の形態の平面図である。図1は図2に示すA−A´間の断面図である。
図3は、図2におけるx軸またはy軸に沿った方向の等価回路である。図4は、並列シャント部のアドミタンスの虚部をプロットしたものである。図5は、本実施の形態におけるEBG構造中を伝播する電磁波の挿入損失の計算結果である。
したがって、上述した第1の実施の形態では、図2に示すように、伝送線路4が周囲のクリアランス9等と干渉しないようにx軸、y軸と一定の角度をなすように配置した場合を示したが、クリアランス9等との干渉がなければ、当然軸と平行に配置してもよい。具体的に説明すると、上述した第1の実施の形態では、図2に示すように伝送線路4が直線形状の場合を示したが、本発明は、例えば、図7(a)に示すようなスパイラル形状や、図7(b)に示すようなミアンダ形状としてもよい。この場合、小さい実装面積で伝送線路長dを確保することが可能となる。
また、図2では単位構造3を周期的に配置する格子として、正方格子の例を示したが、格子形状は必ずしも正方格子に限らない。たとえば、三角格子や1次元周期配列でも、同様の効果を得ることができる。
なお、ここでは、導体ビア5と伝送線路4の接続部にパッド8を設けた構造を示しているが、これは製造上の都合によるものであり、パッド8のない構造であっても本発明の本質的な効果に何ら影響を与えるものではない。
次に、本発明に係る導波路構造の第2の実施の形態の構成について、図9に基いて説明する。
図9は本実施の形態のEBG構造の断面図である。
なお、本実施の形態のEBG構造は、上述した第1の実施の形態のEBG構造の変形例であり、上述した第1の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
この伝送線路104は、第1の実施の形態における伝送線路4と同様に、その一端がオープン端となっており、オープンスタブとして機能する。伝送線路104の他端は、同一平面にあるパッド8に接続されており、パッド8と前記第1の導体プレーン1は導体ビア105を介して電気的に接続されている。また、上述した第1の実施の形態と同様に、前記伝送線路104、パッド8、および導体ビア105がシャント部として機能し、前記シャント部と第2の導体プレーン2に設けられたクリアランス9とが単位構造3となる。本実施の形態における単位構造3の配置および伝送線路104の配置・形状は、上述した第1の実施の形態と同様である。
なお、上述した第2の実施の形態では、図9に示すように、導体ビア105が貫通ビアの場合を示したが、パッド8と第1の導体プレーン1とが電気的に接続されていれば、必ずしも貫通ビアである必要はない。例えば、図10に示すように、非貫通ビアの導体ビア105´が設けられていても本発明の効果に何ら影響を与えない。図10に示すEBG構造の場合は、第2の導体プレーン2にクリアランス9を設ける必要がないため、クリアランス9の部分から外部への電磁波放射を無くすことができる。
次に、本発明の第2の実施の形態の変形例のEBG構造に関して説明する。図28は本第2の実施の形態の変形例のEBG構造の断面図である。
本第2の実施の形態の変形例は第2の実施の形態のEBG構造を元として、図28に示すように第2の導体プレーン2の上部に第3の誘電体層220を設け、さらにその上部にオープン端の第2の伝送線路204Bが備えられる。導体ビア105の上端はパッド8を介して表層に設けられた第2の伝送線路204Bの端部と接続されている。前記第2の伝送線路204Bの他方の端部はオープン端となっている。第2の導体プレーン2には、導体ビア105に対応した位置にクリアランス9が設けられており、前記第2の導体プレーン2と導体ビア105は電気的に接続されていない。本第2の実施の形態の変形例の構造では、前記伝送線路104と、前記第2の伝送線路204Bがそれぞれ独立したオープンスタブとして機能する。特に前記伝送線路104と前記第2の伝送線路204Bの線路長が異なるように設計すれば各々の伝送線路におけるインピーダンス変換周期が異なるため、複数のバンドギャップ帯域を別々に設計することができ、自由度の高い帯域設計が可能となる。また、伝送線路104及び第2の伝送線路204Bの配置および形状は、他の実施の形態と同様に、さまざまなパターンが考えられる。たとえばスパイラル形状やミアンダ形状としてもよい。
次に、本発明に係る導波路構造の第3の実施の形態の構成について、図11に基いて説明する。
図11は本実施の形態のEBG構造の断面図である。
なお、本実施の形態のEBG構造は、上述した第2の実施の形態のEBG構造の変形例であり、上述した第2の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
また、上述した第3の実施の形態では、図11に示すように、第1、第2の導体ビア205A,205Bとして非貫通ビアを用いた場合を示したが、貫通ビアを用いることも当然可能である。例えば、図12に示すように、第2の導体ビア205Bとして貫通ビアの第2の導体ビア205B´を設けることも可能である。図12に示すEBG構造では、第1の導体プレーン1の、第2の導体ビア205B´に対応した位置に、クリアランス9を設けて、前記第1の導体プレーン1と第2の導体ビア2との電気的な接続を避けている。
また、同様に第1の導体ビア205Aに貫通ビアを用いることも可能である。
次に、本発明に係る導波路構造の第4の実施の形態の構成について、図13に基いて説明する。
図13は本実施の形態のEBG構造の断面図である。
なお、本実施の形態のEBG構造は、上述した第1の実施の形態のEBG構造の変形例であり、上述した第1の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
図14に示すように、本実施の形態の等価回路繰り返し単位310は、直列インピーダンス部311と並列シャント部312とで構成される。直列インピーダンス部311は、第1の実施の形態と同様に前記第1、第2の導体プレーン1,2がつくるインダクタンス313からなる。並列シャント部312は、前記第1、第2の導体プレーン1,2がつくるキャパシタンス314と、前記導体ビア305のつくるインダクタンス315と、第1、第2の伝送線路304A,304Bと、からなる。本実施の形態の並列シャント部312は、第1の実施の形態の並列シャント部12にさらに、第2の伝送線路304Bによるオープンスタブが直列に接続された回路となる。本実施の形態の場合も、第1の実施の形態の場合と全く同様に、並列シャント部312のアドミタンスが負となる周波数帯域にバンドギャップが生じる。
次に、本発明に係る導波路構造の第5の実施の形態の構成について、図17に基いて説明する。
図17は本実施の形態のEBG構造の断面図であり、図18は本実施の形態のEBG構造の平面図である。図17は図18に示すB−B´間の断面図である。
なお、本実施の形態のEBG構造は、上述した第4の実施の形態のEBG構造の変形例であり、上述した第4の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
裏層誘電体層320の厚さ方向の他方側(下面)には、第1の伝送線路304Aが配設されており、表層の第2の誘電体層7の厚さ方向の一方側(上面)には、第2の伝送線路304Bが配設されている。
具体的に説明すると、図19に示すように、図15に示すEBG構造を元として、第2の導体プレーン2をリターンパスとする第2の伝送線路104Bの端部が、第1の導体ビア105Aを介して第1の導体プレーン1に電気的に接続されているとともに、第1の導体プレーン1をリターンパスとする第1の伝送線路104Aの端部が、第2の導体ビア105Bを介して第2の導体プレーン2に電気的に接続されている。
さらに、第1、第2の伝送線路のうちの何れか一方を第1、第2の導体プレーン1,2の間の領域の内側に配設するとともに他方を前記領域の外側に配設した非対称構造において、第2の伝送線路の端部を第1の導体ビアを介して第1の導体プレーン1に電気的に接続するとともに、第1の伝送線路の端部を第2の導体ビアを介して第2の導体プレーン2に電気的に接続した構成であってもよい。
また、必ずしも第1、第2の伝送線路304A,304Bの形状をそろえる必要はなく、例えば、一方は直線形状、他方はスパイラル形状といった組み合わせも考えられる。
また、ここでは正方格子の場合を例に説明したが、当然一般の格子に対しても同様の構造を実現できる。
図21は本実施の形態におけるプリント配線板の平面図であり、図22は図21に示すC−C´間の断面図である。
また、図21では、EBG領域55を帯状に設けた場合を示したが、EBG領域55はノイズ伝播経路を遮断できればどのような配置でもよい。たとえば図23に示すように、ノイズの影響を受けやすいデバイス54を囲むようにEBG領域55を設けることも可能である。
また、ここでは本発明のEBG構造をプリント基板50に搭載した場合を示したが、本発明の対象は必ずしもプリント基板50に限らない。たとえば、デバイスのパッケージ基板などに本発明のEBG構造を設けることも考えられる。
図24は本実施の形態におけるプリント配線板の平面図である。
なお、上述した第1の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。
詳しく説明すると、図24に示すように、プリント基板50は、上述した第1の実施の形態と同様、少なくともグランドプレーン51と、電源プレーン52と、ノイズ源となるデバイス53と、ノイズの影響を受けやすいデバイス54とを備える。本実施の形態は、ノイズ伝播経路を遮断するように設けられたEBG領域55に、第1のEBG構造56および第2のEBG構造57を配置してデイバス53,54間のノイズ伝播を抑制する。第1のEBG構造56と第2のEBG構造B57とが、ノイズ伝播方向に並べて配置されている。第1のEBG構造56と第2のEBG構造57とはそれぞれオープンスタブの伝送線路長dが異なっており、バンドギャップ周波数帯も異なる。このため、第1のEBG構造56と第2のEBG構造57とのバンドギャップ帯がずれるように伝送線路長dを設計することにより、単一のEBG構造では実現できない非常に広帯域なバンドギャップを、EBG領域55全体で実現することが可能となる。
また、図26に示すように、第1のEBG構造156と第2のEBG構造157とが格子状(市松模様状)に配置されていてもよい。
いずれの配置でもEBG領域55全体として、広いバンドギャップ帯域を実現することが可能である。
その他に、第1のEBG構造と第2のEBG構造とが混合して配置されていれば、他の配置を採用してもよい。また、さらに広いバンドギャップ帯域が必要な場合は、バンドギャップ帯域をずらしたEBG構造をさらに混合して配置すればよい。
誘電体などの媒質を伝播する電磁波の波数(もしくは波長)と周波数の関係は、媒質の分散関係と呼ばれる。近年、導体パターンや導体構造を周期的に配列させることで、構造中を伝播する電磁波の分散関係を人工的に制御するメタマテリアル技術が提案され、さまざまな分野で工学的応用が検討されている。
特許文献Aで開示されているアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された導体パッチと、前記導体プレーンと前期導体パッチ間を接続する導体ビアとを含む単位セル構造を周期的に配置したCRLH線路構造をとり、前記CRLH線路の左手系周波数領域における線路長共振を利用している。通常の媒質(右手系媒質)では周波数が低いほど電磁波の波長が長くなるため、アンテナの構造が大型になる問題があったが、左手系媒質では周波数が低いほど電磁波の波長が短くなるためアンテナの小型化を実現することができる。
[特許文献A]米国特許出願公開第2007/0176827A1号明細書
しかしながら、上記特許文献Aのように周期構造によって実現される左手系媒質は、必ずカットオフ周波数が存在し、カットオフ周波数以下の周波数帯ではアンテナとして動作しない。このため、左手系媒質を利用する特許文献Aの構造では低周波化に限界があるという問題点がある。したがって従来の技術では低周波で動作する小型アンテナを実現することが困難であった。
本発明におけるアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された、すくなくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体パッチの上部または下部の平面すなわち前記導体パッチと対向する平面に配設され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。
本発明におけるアンテナは、前記給電部から高周波信号を入力し、前記導体パッチと前記導体プレーン間を励振することでパッチアンテナとして動作する。パッチアンテナは、導体パッチの寸法が1/2波長となる周波数で、導体パッチに共振が生じることを利用して電磁波を放射する。このとき、波長と周波数の関係は導体パッチと導体プレーン間の媒質の分散関係で与えられるため、通常のアンテナでは媒質となる誘電体を決定すればアンテナのサイズも一意に決定されてしまう。
本発明によれば、小型化および低周波化が可能な平面アンテナを提供することができる。
[構造]
本発明に係るアンテナの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。
次に、本発明の第2の実施の形態に関して説明する。図47は本第2の実施の形態のアンテナをz軸正方向から見た平面図である。図48は伝送線路1006を取り除いてz軸正方向から見た場合の平面図である。図49は導体プレーン1001を示した平面図である。図50は図47〜図49の線分A−A´における断面図である。図51は図47〜図49の線分B−B´における断面図である。
Claims (17)
- 導体プレーンと、
前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、
前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、
前記導体パッチの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、
を含み、
前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項1に記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路が、前記導体プレーンと前記導体パッチで挟まれた平面に設けられたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項1に記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路が、前記導体パッチに対して、前記導体プレーンと反対側の平面に設けられ、
前記導体パッチの、前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられており、
前記導体パッチと前記導体ビアが電気的に接触しないように構成されたことを特徴とするアンテナ。 - 導体プレーンと、
前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、
前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、
前記導体プレーンの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体パッチを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、
を含み、
前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項4に記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路が、前記導体プレーンと前記導体パッチで挟まれた平面に設けられた
ことを特徴とするアンテナ。 - 請求項4に記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路が、前記導体プレーンに対して、前記導体パッチと反対側の平面に設けられ、
前記導体プレーンの、前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられており、
前記導体プレーンと前記導体ビアが電気的に接触しないように構成されたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から6のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記シャント部が前記導体パッチ領域に、1次元または2次元に周期的に配列されたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から7のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記導体パッチが前記導体プレーンよりも小さく、前記導体パッチの全体が前記導体プレーンと重なるように配置されたことを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から8のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記伝送線路に、互いに長さが異なる複数の伝送線路又は伝送線路の分岐線が含まれていることを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から9のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記給電部が、
一端が前記導体パッチに接続され、他端が前記導体プレーンに設けられた給電部クリアランスを抜けて前記導体プレーン裏面側の信号入力手段に接続された給電ビアで構成されることを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から9のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記給電部が、
前記導体パッチと同一平面に設けられ、前記導体パッチの外縁部に接続するマイクロストリップラインで構成されることを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から9のいずれかに記載のアンテナにおいて、
前記給電部が、
前記導体プレーンに設けられたコプレナーラインと、前記コプレナーラインの端部と前記導体パッチを接続する給電ビアで構成されることを特徴とするアンテナ。 - 請求項1から12のいずれかに記載のアンテナをアレイ要素として、複数のアレイ要素を同一平面に配置して構成されることを特徴とするアレイアンテナ。
- 導体プレーンと、
前記導体プレーンよりも小さく、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、
前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、
前記導体パッチの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、
を含み、
前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とするプリント基板。 - 導体プレーンと、
前記導体プレーンよりも小さく、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、
前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、
前記導体プレーンの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体パッチを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、
を含み、
前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とするプリント基板。 - 請求項14または15のいずれかに記載のプリント基板において、
前記導体パッチが前記導体プレーンよりも小さく、前記導体パッチの全体が前記導体プレーンと重なるように配置されたことを特徴とするプリント基板。 - 請求項1から16のいずれかに記載の構造を少なくともひとつ備えることを特徴とする電子装置。
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