JP5697056B2

JP5697056B2 - 平面構造ｅｂｇ

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Publication number: JP5697056B2
Application number: JP2012512787A
Authority: JP
Inventors: 井上　大輔; 大輔井上
Original assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Current assignee: THE FURUKAW ELECTRIC CO., LTD.; Furukawa Automotive Systems Inc
Priority date: 2010-04-28
Filing date: 2011-04-19
Publication date: 2015-04-08
Anticipated expiration: 2031-04-19
Also published as: CN102834974A; WO2011136081A1; EP2565986A1; JPWO2011136081A1; EP2565986A4; US20130050044A1

Description

本発明は、平面構造のＥＢＧを用いた伝搬抑制に関するものであり、特に潤沢なスペースの確保が難しい場合に小さいスペースにおいて、より効率的な電波伝搬抑制効果を得るための平面構造ＥＢＧに関する。

最近、対象波長より小さい所定の構造を周期的に配置したＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造を用いて、対象電波の伝搬を制御する研究開発が進められている。
たとえばＥＢＧ構造を用いて、アンテナにおける不要放射を抑制することや、電波の伝搬抑制が可能である（特許文献１参照）。
ＥＢＧとは、半導体工学のエネルギ・バンド理論をマイクロ波やミリ波といった電磁波領域に適用したもので、対象とする電磁波の波長よりも小さい周期構造を、例えば金属材料で形成したものである。
マイクロ波やミリ波は、対象とされる電磁波の波長よりも小さい周期構造を金属材料で形成したＥＢＧ構造により、周波数に応じてその構造の中に存在できなくなったり、存在できたりする。したがって、ＥＢＧ構造を用いて、電波を伝搬抑制したり透過させたりすることができ、ＥＢＧ構造をアンテナ等に利用することにより、不要放射の抑制や伝搬抑制が可能となる。
基板上に導体パターンとして配置されるＥＢＧには、特許文献１に見られるようなスルーホールを用いた構造（以下、３Ｄ構造）と平面構造の２つのタイプがあり、本願発明は平面構造のＥＢＧに関するものである。

特開２００８―２８３３８１号公報

平面構造のＥＢＧでは３Ｄ構造で使用されるようなスルーホールが必要とされないため、３Ｄ構造のＥＢＧに比べてコストや製法等の面においてメリットがある。その反面、平面構造のＥＢＧは３Ｄ構造のＥＢＧに比べて、ＥＢＧ素子１個当たりの大きさが大きく、同じ形状のＥＢＧ素子を周期的に配列するには比較的大きなスペースを必要とするというデメリットがある。

ＥＢＧ構造による伝搬抑制では、同じＥＢＧ素子列を所定数繰り返すことにより所望の抑制特性を得ることが可能となるため、十分な列数を繰り返し配列することが望ましい。
しかし、実際の製品化に当たっては、限られたスペースに種々の部品を配置する必要がある。そのため、所望の機能を得るために必要なＥＢＧの周期構造を形成するのに必要な十分なスペースを確保することが難しい場合も多い。このように周期配列のためのスペースが不足した場合には、周期構造の繰り返し数が少ないため伝搬抑制特性を低下せざるを得ない場合もある。

一方、周期配列を原則とするＥＢＧ構造では、平面構造のＥＢＧ素子の１個分には満たない空間が、未使用状態のスペースとして残されている場合もある。このように、従来は、ＥＢＧ構造においては一素子分の大きさに満たないこの中途半端な残余スペースは、従来では利用不能スペースとして、ＥＢＧ構造には活用できないデッドスペースと考えられていた。

本願発明は、以上のような状況に鑑みてなされたもので、ＥＢＧを配置するスペースが狭く、ＥＢＧ素子の繰り返し配置列数（周期構造）を比較的少なくせざるを得ない設計環境下において、より効率的に電波伝搬抑制効果を高めることのできる平面ＥＢＧ構造を提供することを目的とする。

本発明はこれらの従来技術の課題に鑑みなされたもので、周期構造配列のＥＢＧ素子を、一素子の途中で切断した形状とすることにより、上記課題を解決するものである。

本発明の第１の態様に係る平面ＥＢＧ構造は、複数の平面ＥＢＧ素子を配列した平面ＥＢＧ構造であって、少なくともいずれか一方の端列の平面ＥＢＧ素子列が、所定の位置で切断されていることを特徴とする平面ＥＢＧ構造。
この態様によると、基板上に平面ＥＢＧ素子を周期配列するスペースが十分で無く、かつ平面ＥＢＧ素子１個分よりも小さいスペースが余っている場合に、平面ＥＢＧ素子列の形状を平面ＥＢＧ素子を途中から切断し、端列のスペースに配置可能な形状とした平面ＥＢＧ素子を配列することにより、平面ＥＢＧ素子列を一個少なくするよりも電波の伝搬抑制効率を向上させることが可能となる。

本発明の第２の態様に係る平面ＥＢＧ構造は、前記平面ＥＢＧ構造は、前記切断した形状の平面ＥＢＧ素子列のＥＢＧ導体をグランドに接続したことを特徴とする。この態様により、伝搬抑制効果をより向上させることが可能となる。

本発明の第３の態様にかかる平面ＥＢＧ構造は、少なくともいずれか一方の端列において、前記平面ＥＢＧ素子が、該平面ＥＢＧ素子の幅の３／４以上を残して切断された形状を備えることを特徴とする。
平面ＥＢＧ素子幅を１／４より大きく切り落とした場合に比べて、何らの追加処理を必要とすることなく、高い電波伝搬抑制効率を得ることできる。

本発明の第４の態様に係る平面ＥＢＧ構造は、少なくともいずれか一方の端列において、前記平面ＥＢＧ素子が、該平面ＥＢＧ素子の幅の１／４未満残して中途切断された形状を備え、該切断された形状の各平面ＥＢＧ素子がグランドに接続されていることを特徴とする。
この態様によると、切断した端列の平面ＥＢＧ素子をグランドに接続することにより、平面ＥＢＧ素子を素子幅の１／４より大きく切り落としても、繰り返し周期配列を１個減らすよりも高い電波伝搬抑制効果を得ることができる。

本発明の第５の態様に係る前記端列の平面ＥＢＧ素子は、平面ＥＢＧ構造は、前記切断した形状の平面ＥＢＧ素子列の各平面ＥＢＧ素子を、スルーホールを介してグランドに接続することを特徴とする。スルーホールにより、場所をとらずに確実に各平面ＥＢＧ素子をグランドに落とすことができる。

本発明の第１の態様に係るアンテナは、アンテナ素子と、前記アンテナ素子を両側から挟むように配列された平面ＥＢＧ構造とを備えるアンテナであって、前記平面ＥＢＧ構造の少なくとも一方は、上記第１乃至第５の態様のいずれか１つの平面ＥＢＧ構造を備えることを特徴とする。
本発明にかかる平面ＥＢＧ構造を用いることにより、不要放射の抑制及び表面波を伝搬抑制することができ、所望の放射特性を有しかつ小さいスペースに配置可能なアンテナを提供することができる。

本発明によれば、端列のＥＢＧ素子列を１素子幅以下とすることが可能となるので、基板の実装スペースが少なく十分な周期配列が困難な場合に、１素子の幅よりも少ない空きスペースがある場合に、その空きスペースを有効に活用して電波伝搬抑制効率を高めることが可能となる。

本発明にかかる平面ＥＢＧ構造の端列に使用するＥＢＧ素子の一例を示す斜視図である。本発明の一実施形態にかかる平面ＥＢＧ構造（ｎ＝２．８３）を示す平面図である。端列の平面ＥＢＧ素子の一部を切り取った場合の平面ＥＢＧ構造体（ｎ＝１．８３〜ｎ＝３）の電波伝搬抑制効果をシミュレーションした結果を示すグラフである。図３のグラフに示す測定結果に基づき、各繰り返し配列数ｎ＝１．５〜３ごとの電界強度の最小値、規定周波数における電界強度をプロットしたグラフである。（ａ）は、本発明の他の実施形態を示す平面図であり、（ｂ）、（ｃ）は、その特性を示すデータである。本発明のさらに他の実施形態に係る平面ＥＢＧ構造を示す平面図である。本発明に係る平面ＥＢＧ構造をアンテナに適用した例を示す斜視図である。（ａ）は全体構造を示す斜視図であり、（ｂ）はその一部拡大図である。一般的な平面ＥＢＧ素子の一例を示す斜視図である。繰り返し配列数ｎ＝１１及びｎ＝３の従来の平面ＥＢＧ構造の一例を示す平面図である。図９に示すような繰り返し周期で配列された平面ＥＢＧ構造において、繰り返し配列数（ｎ）をｎ＝２，３，５，１１と代えて、伝搬抑制効率をシミュレーションした結果を示すグラフである。平面ＥＢＧ構造における平面ＥＢＧ素子の繰り返し配列数と、その電界強度の最小値、規定周波数における電界強度を示すグラフである。平面ＥＢＧ列を繰り返し配列するスペースが３列分には足りないために２列の配列とせざるを得ない状況をイメージとして示す平面図と、２列配列の場合と３列配列の場合の電波伝搬抑制効果の差を比較して示すグラフである。

以下、図面を参照して、本発明の好ましい実施形態を詳細に説明する。
まず、図９に従来の繰り返し周期で配列される平面ＥＢＧ構造に使用される平面ＥＢＧ素子を示し、図９に、従来の平面ＥＢＧ構造の例として、図８の平面ＥＢＧ素子を縦に並べた素子列が繰り返し周期で１１列配列されている場合と、３列配列されている場合を示す。このように、従来の平面ＥＢＧ構造では、すべて同じ形状一の平面ＥＢＧ素子が、繰り返し配列されている。

ＥＢＧ構造による電波伝搬抑制効果についてシミュレーション結果を用いて説明する。
図１０は、繰り返し配列数（ｎ）ごとの周波数と電波伝搬抑制効果の関係を示すグラフである。グラフは、電界強度が低くなるほど電波伝搬抑制効果が高いことを示している。図９に示すような平面ＥＢＧ構造において、繰り返し配列数をｎとしたとき、ｎ＝２、３、５、１１の繰り返し周期構造を有する場合の周波数ごとの電界強度（電波伝搬抑制効果）を示すもので、横軸に周波数を示し、縦軸は電界強度を示している。

構成例を示す。ＥＢＧ構造は規定周波数ｆ₀＝２５．４ＧＨｚ、波長λ₀＝約１１．８ｍｍとし、基板の厚み約０．０８λ₀、ＥＢＧ素子サイズ約１／４λ₀、ＥＢＧ導体パターンサイズ約０．２３λ₀である。繰り返し配列数は、ｎ＝２、３、５、１１、基板の幅は繰り返し配列数により異なる。基板誘電率は４．４である。
この平面ＥＢＧ構造体に対して、ＴＭモード伝搬を励起する平面波を側面より入射し、基板端から横方向に約０．３８λ₀進み、ＥＢＧ導体パターンの上約０．０９λ₀の定点での電界強度を観測した。

図１０から分かるように、繰り返し配列数（ｎ）の数により、電界強度のピーク値が異なっている。繰り返し周期ｎ＝１１のときには、約２５．４ＧＨｚで電界強度が下限のピーク（電波伝搬抑制効果が最大）を示しており、規定周波数とする。規定周波数は、平面ＥＢＧ素子の形状や大きさ等により制御可能であり、これについては本発明では特に問題としていない。
繰り返し周期ｎ＝５でもｎ＝１１とほぼ同様の変化を示している。しかし、繰り返し周期ｎ＝２、３では、それぞれ約２３．８ＧＨｚ、及び約２４．８ＧＨｚ近辺で電界強度は下限のピーク（電波伝搬抑制効果が最大）を示している。

このグラフから、繰り返し配列数ｎが多いほど、安定した電波伝搬抑制効果があり、ｎ＝５以上では同じような特性の電波伝搬抑制効果が得られることがわかる。ここでは、繰り返し配列数が少なくなることにより、電波伝搬抑制効果が小さくなることが（電界強度の下限ピーク値が高くなる）問題となる。
すなわち、図１０のグラフによると、繰り返し配列数ｎ＝２，３では電界強度の最大下限ピーク値がそれぞれ−４．８ｄＢ，−３ｄＢとなり、繰り返し配列数ｎ＝５の場合と比較して電波伝搬抑制効果が大幅にダウンすることがわかる。

図１１は、図１０のデータを基にして作成されたもので、繰り返し配列数ｎの平面ＥＢＧ構造の電界強度の最小値（下限ピーク値）と、規定周波数ｆ₀＝２５．４ＧＨｚの電界強度の値を示している。例えば、図１０からわかるように、繰り返し配列数ｎ＝５のときの電界強度の最小値（下限ピーク値）−７ｄＢ（周波数約２５．３ＧＨｚ）、規定周波数２５．４ＧＨｚの電界強度約−６．８ｄＢが図１１においてプロットされている。この下限ピーク値と規定周波数の電界強度はほとんど変わらない。

これに対して、繰り返し配列数が少なくなるほど下限ピーク周波数が低下する現象により、例えば図１０からわかるように、繰り返し配列数ｎ＝３では、電界強度の最小値が約−４．９ｄＢ（周波数約２４．８ＧＨｚ）に対して、規定周波数ｆ₀＝２５．４ＧＨｚでは電界強度が約−３ｄＢである。図１１でプロットされているとおり、両者は大きく乖離している。電波伝搬抑制の観点からは、電界強度はできるだけ低いことが好ましい。また、周波数の合わせこみ等の実設計においては両者があまり乖離しない方が好ましい。

図１１から、繰り返し配列数ｎ＝１１及びｎ＝５では、電界強度の最小値が低く、最小値と規定周波数の電界強度がほとんど変わらないが、ｎ＝３、ｎ＝２では、電界強度の最小値が高くなり、最小値と規定周波数の電界強度も乖離していることがわかる。すなわち、繰り返し配列数ｎがｎ＝５以下になると、電波伝搬抑制効果の劣化が顕著であることがわかる。

図１２の左の図は、現実に平面ＥＢＧ構造を実装する場合の配置スペースの例をイメージ的に表した図である。現実の実装においては、基板の大きさには制限があり、ＥＢＧ構造の実装スペースにも制限がある。したがって、所望の数のＥＢＧ素子列を配置できるスペースが不足することが多い。また、少ないスペースで最大限の数のＥＢＧ素子の列を配列しようとした場合に、１個の素子幅に満たない中途半端な残余のスペースが生じることも多い。図１２では、繰り返し配列数３（ｎ＝３）にするには残余スペース５３が足りず、平面ＥＢＧ素子列を２列しか配列できない（ｎ＝２）ことを示している。この場合、残余スペース５３は、ＥＢＧ構造上はデッドスペースとなっていた。

図１２の右側に示すグラフは、繰り返し配列数ｎが、ｎ＝２の場合とｎ＝３の場合の電界強度を示している。このグラフからわかるように、ｎ＝２の場合とｎ＝３の場合では、最小値も規定周波数の場合も電波伝搬抑制効果が大きく異なることがわかる。そのため、この残余スペース５３を有効に活用することが求められる。
本願発明は、この残余空間を有効に活用できる平面ＥＢＧ構造を得るべく検討した結果、端部列のＥＢＧ素子を途中で切断した場合に、切断位置、切断端の条件に応じて、単純に同じ構造の列を設けるよりもより優れた電波伝搬抑制効果を得ることができることを見出したものである。

図１乃至図４を用いてより詳細に説明する。
本願発明は、デッドスペースとなる残余スペース５３に、有効なＥＢＧ素子を配列するため、端列のＥＢＧ素子として、通常のＥＢＧ素子を途中で切断した形状のＥＢＧ素子列を残余スペース５３に配置した。図１は、途中で切断した形状のＥＢＧ素子１１を示し、図２は、本発明の一実施形態に係る平面ＥＢＧ構造１０を示し、端列に途中で切断した形状の平面ＥＢＧ素子１１を並べたものである。

図１に示すように、平面ＥＢＧ素子１１は、ＥＢＧ導体１２を途中から切断した構造となっている。図２では、通常の平面ＥＢＧ素子５０が２列設けられ、図１に示すような平面ＥＢＧ素子１１が破線で示す１５のように端列として配置され、計３列の平面ＥＢＧ素子列が設けられている。誘電体となる基板１４（図１参照）の下側にはグランド２０が設けられている。
なお、ここで示すのは例であり、平面構造のＥＢＧ素子形状、配列の仕方は図1や図２に限られるものではない。

図３は、端列となる平面ＥＢＧ素子１１の幅を変化させた場合の特性を示し、各切断位置に応じた電波伝搬抑制効果と周波数の関係を示すグラフである。
計算条件は、基板の幅ｎ＝３配列程度において繰り返し配列数ｎ＝２または３として、端列の平面ＥＢＧ素子１１の幅を変化させたこと以外は、図１０の測定条件と同じである。凡例の数字は繰り返し配列数を表し、少数点以下は端数列の幅を表している。すなわち、１．８３は、繰り返し配列数ｎ＝２で、端列の平面ＥＢＧ素子１１の幅は通常の平面ＥＢＧ素子５０の０．８３倍であることを表している。また、２．６７は、繰り返し配列数ｎ＝３で、端列の平面ＥＢＧ素子１１の幅は通常の平面ＥＢＧ素子５０の０．６７倍であることを示している。これにより、繰り返し配列数ｎ＝２または３の場合における端列の平面ＥＢＧ素子１１の幅が変化したときの特性変化を知ることができる。

図４は、図３に基づいて作成されたグラフであり、図１１と同じように、各切断位置に応じた電波伝搬抑制効果の下限ピーク値（最小値）と規定周波数ｆ０における電界強度を示す図である。
これによると、列数２と列数３のＥＢＧ構造の場合に、ｎ＝２．８３のときに、ｎ＝３よりも電波伝搬抑制効果が良く、ｎ＝１．８３のときもｎ＝２よりも電波伝搬抑制効果が高いことがわかる。一方ｎ＝２．６７〜ｎ＝２では、電波伝搬抑制効果が上がらないこともわかる。

以上を総合的に判断すると、概ね、端部のＥＢＧ素子をＥＢＧ素子の略３／４以上、１未満の幅とすることにより、電波伝搬抑制効果のピーク時及び規定周波数のいずれの電界強度においても、列数２または列数３のときよりも電界抑制効果が高いことが判明した。
平面ＥＢＧ素子の幅の１／４未満切り取った（３／４以上残す）場合に効果があり、繰り返し周期ｎをちょうど３とするよりも、むしろｎ＝２．８３とする方が電波伝搬抑制効果が顕著である。
したがって、繰り返し配列の数を多くとれない平面ＥＢＧ構造においては、平面ＥＢＧ素子においては、端部列におけるＥＢＧ素子の幅を１個のＥＢＧ素子の幅の３／４〜１倍未満とする構造が望ましい。

以上の背景を以下技術的に説明する。一般的に平面構造のＥＢＧはＥＢＧ素子間で形成されるＬ成分・Ｃ成分による並列共振、高インピダンス化の結果、伝搬抑制効果が得られるとされている。一方本発明はＥＢＧ素子間のＬ成分・Ｃ成分ではなく、端列ＥＢＧ素子の端部が伝搬抑制に寄与していることを明らかにしたものである。ＥＢＧ素子は素子間だけでなく、グランドとの間に存在するＣ成分も含めて共振している。端列ＥＢＧ素子の端部は、周囲にＥＢＧ素子がない開放境界時、グランドとの間のみにＣ成分が存在し、端部を含む共振はＥＢＧ素子間との共振と条件が異なる。周波数をあわせる等、条件を合わせることで、強い共振、効果的な伝搬抑制効果が得られる。本発明においては、端列素子の大きさをＥＢＧ素子よりある程度小さくすることが、有効であることを示している。

一方、端列ＥＢＧ素子の端部を、グランドに落とす短絡とした場合、ＥＢＧ素子間における並列共振とは別の効果を付与することができる。グランドとの短絡により、電気壁が形成され一部鏡像効果が得られると考えられる。その際ＥＢＧ素子の中央近辺での短絡はＥＢＧ素子間で形成される並列共振の構成に影響を与えない。さらに端部の短絡は、回路解釈上、前述の開放境界と真逆の条件を与えることができる。開放条件で特性が劣化する領域において、短絡条件を与えることで、全領域で最適な電波抑制特性を得ることも可能である。端列ＥＢＧ素子サイズによって、開放か短絡のうちどちらが好適であるか、以下にその条件の例をしめす。

図５（ａ）は、本発明の他の実施形態を示す平面図である。この実施形態では、端列の平面ＥＢＧ素子の切断面側に、ＥＢＧ導体１１をグランド２０に接続するグランド接続面１７を設けている。図５（ｂ）、（ｃ）は、グランド接続以外は、図３及び図４と同じ条件で取得したデータである。但し、図５（ｃ）は、ＧＮＤ接続がある場合とＧＮＤ接続が無い場合の最小値のみをプロットした値である。ＧＮＤ接続が無い場合のデータは、図４に示す最小値を使用した。

図５（ｃ）から分かるように、端列の平面ＥＢＧ素子を１／４より大きく切断した場合であっても、ＥＢＧ導体１１をＧＮＤ接続することにより、ｎ＝２（切断した端列を設けない）の状態よりもＥＢＧ素子電波伝搬抑制効果があることがわかる。したがって、端列のＥＢＧ素子を１／４より大きく切断する場合には、端列のＥＢＧ導体１２をＧＮＤ２０に落とすことが望ましい。
端列のＥＢＧ導体１１をＧＮＤ２０に落とす構成としては、図６に示すように、ＥＢＧ導体１１から誘電体（基板）１４を突き抜けてＧＮＤ２０に接続するようなスルーホール２１を設ける構成とすることもできる。

図７に本発明に係るＥＢＧ構造を用いたアンテナの例を示す。図７（ａ）はアンテナ４０の全体構造（外観）を示す斜視図であり、図７（ｂ）はその一部拡大図である。アンテナ４０には、複数のアンテナ素子４１が設けられており、アンテナの両サイドは複数の平面ＥＢＧ構造で挟まれている。右端列は、平面ＥＢＧ素子列が切断され、スルーホール２１を介してＥＢＧ素子１１のＥＢＧ導体がＧＮＤに接続されている。図７中の例では、誘電体１４の下にＧＮＤを介し誘電体１６及びシールドケース１９が設けられている。また左端列も同様である。
このように、端列のスペースを無駄にすることなく平面ＥＢＧ素子５０、１１を配列することにより、所望の放射特性を有しかつ小さいスペースに配置可能なアンテナを提供することが可能となる。

１０本願発明に係る平面ＥＢＧ構造
１１本願発明の端列に使用する平面ＥＢＧ素子
１２ＥＢＧ導体
１４誘電体（基板）
１７グランド接続ライン
１９シールドケース
２０ＧＮＤ（グランド）
２１スルーホール
４０アンテナ
４１アンテナ素子
５０平面ＥＢＧ素子
５１ＥＢＧ導体
５３残余スペース

Claims

複数の平面ＥＢＧ素子を配列した平面ＥＢＧ構造であって、
少なくともいずれか一方の端列の平面ＥＢＧ素子列が所定の位置で切断されており、
少なくともいずれか一方の端列において、前記平面ＥＢＧ素子は、該平面ＥＢＧ素子の幅の３／４倍以上を残して切断された形状を備える
ことを特徴とする平面ＥＢＧ構造。
前記平面ＥＢＧ構造は、前記切断した形状の平面ＥＢＧ素子列のＥＢＧ導体をグランドに接続したことを特徴とする請求項１に記載の平面ＥＢＧ構造。
アンテナ素子と、前記アンテナ素子を両側から挟むように配列された平面ＥＢＧ構造とを備えるアンテナであって、
前記平面ＥＢＧ構造の端列の少なくとも一方は、請求項１または２に記載の平面ＥＢＧ構造を備えることを特徴とするアンテナ。