JP5969816B2

JP5969816B2 - 構造部材及び通信装置

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Publication number: JP5969816B2
Application number: JP2012113759A
Authority: JP
Inventors: 勝雄斉藤
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Filing date: 2012-05-17
Publication date: 2016-08-17
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Also published as: JP2013243429A; US20130307642A1; US9258884B2

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：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄＧａｐ）構造に関するものである。より詳しくは、ＥＢＧ構造の部材を用いて無線通信装置のアンテナ放射利得を低下させずに無線通信装置から放射される不要輻射ノイズを低減する部材及び装置を提供するものである。

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。

従来のＥＢＧ技術を適用しない不要輻射対策としては、機器から不要な電磁波成分を出さないために、不要な電磁波が出ている電気部品、もしくは伝送路に電磁波を吸収する電波吸収体を貼付するものがある。また、機器の高周波回路部分と周辺の導電性部材が高周波的に結合している場合は、部材のメカ的な寸法が特定の周波数に対して共振状態にある。そのため、その共振を抑え込むために高周波的に他の導電部材と導通させることによって特定周波数での共振状態を抑える等の対策を施していた。

図９及び図１０を用いて機器から放射する不要輻射成分を抑える従来例について説明する。

図９は無線通信装置の内部構造の概略を示す図で、６００は無線通信装置、６０１は無線通信装置６００内部に収容されている誘電体基板、６０２は誘電体基板６０１に実装されているアンテナ（アンテナ素子もしくはアンテナのパターン）を示している。６０３は誘電体基板６０１のＧＮＤ部、６０４は高周波部（発振器、増幅器等を含むモジュール）で無線信号の送受信を行うものである。６０５は誘電体基板６０１を取付固定するための導電性取付板金、６０６は取付ネジ、６０７は無線通信装置６００の構成部材の一部となる導電性筺体であり、例えば、導電性カバーで構成されている。

６０８はアンテナ６０２から放射される電波の強さを円の大きさで模擬的に示したものである。また、図中の矢印は誘電体基板６０１から放射される不要輻射の強さを矢印の長さで模擬的に示したものである。

図９の構成において、無線通信装置６００から放射される不要輻射成分は大きな値を示しており、アンテナ６０２から放射され電波の強さも十分な利得を持っているものである。例えば、アンテナ利得は−１０ｄＢＤ程度の利得を持つものとする。

図１０は図９の構成において不要輻射成分を低減する対策を施した構成である。

尚、図中、７００〜７０８で示す符号は、図９の６００〜６０８で示す符号の部材と同一のものであるため、その詳細については省略する。

図９と異なる構成として、導電性取付板金７０５と導電性カバー７０７の間に、導電性部材７０９を配置して導電性取付板金７０５と導電性カバー７０７を導通させている。導電性取付板金７０５と導電性カバー７０７を導通させることによって、誘電体基板７０１のＧＮＤ部７０３に励起される不要輻射に寄与する電磁波の電流成分を、無線通信装置７００を構成する導電性カバー７０７に流し込む電流路を構成する。

このような構成にすることで、ＧＮＤ部７０３に励起される不要輻射に寄与する電磁波の電流成分の一部が導電性カバー７０７に流れる。そして、不要輻射の電流成分が無線通信装置７００の動作基本周波数の高調波で周波数が高い程、導電性カバー７０７の表面全体を流れて消費することで、無線通信装置７００から放射する量を低減させている。

しかしながら、上記のような構成によって、アンテナ７０２から放射する電波の強さ（アンテナ利得）は逆に低下してしまい、例えば、−１５ｄＢＤ程度になってしまう。

本来、誘電体基板７０１にアンテナ７０２を実装する場合、ＧＮＤ部７０３の長手方向の寸法は動作中心周波数の波長λに対してλ／４程度が望ましく、λ／４以下もしくはλ／４以上でもアンテナ利得は変わってしまう。

不要輻射を低減するために、導電性取付板金７０５と導電性カバー７０７を導通させる構成にすることは、アンテナ７０２からみた誘電体基板７０１のＧＮＤ部７０３と導電性カバー７０７が高周波的に結合してしまう。それによって、アンテナ７０２の最適な実装条件が確保できなくなってしまう。

ＥＢＧ構造部材を適用して、装置内部に収容されている高周波回路から発生する電磁波が他の機器に影響を与えないように高周波回路から発生する電磁波を抑制する技術がある。

例えば、装置内部に収容されている高周波回路から発生する電磁波の内部空間に収容する導電性材料の壁面に励起される不要輻射電流成分の電流路にＥＢＧ構造部材を配置することで不要輻射に寄与している電流を抑制する技術（特許文献１）がある。

この特許文献１では、装置内部の高周波回路から発生する特定の周波数の電磁波成分の電流路を見極め、その電流路にＥＢＧ構造部材を配置することで導電性の筺体全体から放射される特定周波数の不要輻射成分を抑制している。つまり、特許文献１の構成は、無線通信装置のようなアンテナの放射利得に関連付けて機器の不要輻射低減を行う構成とは異なるものである。

特開２０１１−１８７７６号公報

無線通信装置に搭載される無線基板に対するＥＭＩ対策としては、無線基板に実装されている高周波回路及び回路基板ＧＮＤから輻射される不要輻射成分を低減させるために、無線基板ＧＮＤと筺体の導電部材を導通させる方法がある。しかしながら、同時に無線基板に実装されているアンテナ素子のＧＮＤとして動作している回路基板ＧＮＤと導電部材を導通させることになるので、アンテナ素子と導電部材が高周波結合してしまい放射利得が低下するという不都合がある。

また、ＥＢＧ構造を適用した特許文献１においては、不要輻射を、筺体内部での共振状態を抑圧することで低減するものであるが、同時にアンテナを含む無線通信装置でのアンテナ利得に関連付けた不要輻射対策には適用できないという不都合がある。

本発明は上記の課題を解決するためになされたものであり、高調波ノイズを低減しつつ放射利得を低下させない構造体を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するための本発明による構造部材は以下の構成を備える。即ち、本発明の一側面に係る構造部材は、
高周波回路を実装する誘電体基板を内蔵する導電性筺体を有する通信装置に実装可能な構造部材であって、
前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板に発生する動作周波数の高調波電流成分を通過させる通過部材であって、一端が前記誘電体基板のＧＮＤ部に接続され、他端が前記導電性筺体に接続された通過部材と、
前記動作周波数の所定の電流成分を抑制するＥＢＧ構造の抑制部材とを有し、
前記構造部材は、前記誘電体基板と前記導電性筺体との間に設けられ、前記抑制部材は、前記通過部材を流れる高調波電流成分の電流路に沿って配置される。

以上説明したように、本発明によれば、高調波ノイズを低減しつつ放射利得を低下させない構造体を提供できる。

実施形態１の多面体ＥＢＧ構造部材の構成図である。実施形態１のＥＢＧ構造基材の構成図である。実施形態１のＥＢＧ構造の等価回路を示す図である。実施形態１の多面体ＥＢＧ構造部材の適用例を示す図である。実施形態２のＥＢＧ構造基材の構成図である。実施形態２の多面体ＥＢＧ構造部材の構成図である。実施形態１の多面体ＥＢＧ構造部材の変形例を示す図である。実施形態２の多面体ＥＢＧ構造部材の変形例を示す図である。従来の無線通信装置の不要輻射対策前とアンテナ利得の関連の説明図である。従来の無線通信装置の不要輻射対策後とアンテナ利得の関連の説明図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて詳細に説明する。

＜実施形態１＞
図１は本発明の実施形態１の多面体ＥＢＧ構造部材の構成図である。

１００は本発明の特徴である多面体ＥＢＧ構造部材である。１０１はＥＢＧ構造を形成する誘電体基材、１０２は誘電体基材１０１上の表面に形成された角型のパッチ導体、１０３はインピーダンスが十分低い材料で形成される多面体構造の導電性部材である。ここで、インピーダンスが十分低いとは、例えば、インピーダンスの平均値が所定値を下回るようなインピーダンス（低インピーダンス）を意味する。

多面体ＥＢＧ構造部材１００は、ＥＢＧ構造を形成する誘電体基材１０１を多面体構造の導電性部材１０３の上面１０４と底面１０５を除く４つの側面１０６〜１０９に配置する構成となっている。多面体ＥＢＧ構造部材１００の各側面１０６〜１０９に配置されるＥＢＧ構造を形成する誘電体基材１０１は同一の誘電体基材であり、多面体構造の導電性部材１０３に接着する等、高周波的に接続される。

図２に誘電体基材１０１上に形成されるＥＢＧ構造の例を示し、その動作を説明する。図中、２００はＥＢＧ構造の斜視図で、２０１はその裏面図を示している。

ＥＢＧ構造は、信号導体であるパッチ導体２０２と、そのパッチ導体１０２と導通する導通導体である導通ビア２０３、裏面のグランド導体２０４、容量性部材または容量特性を有する誘電体基材である誘電体２０５から構成される。誘電体２０５ではなく空気である構成でもよい。導通ビア２０３は、誘電体２０５を貫通し、パッチ導体２０２と裏面のグランド導体２０４を導通するように構成される。図２に示されるように、パッチ導体１０２は複数個あり、各パッチ導体２０２に対して導通ビア２０３が構成されている。ここで、導通ビア２０３は、信号導体であるパッチ導体２０２の信号導体面に対して略垂直に構成されている。

パッチ導体２０２間のギャップによる直列容量性リアクタンス、パッチ導体２０２の長さによる直列誘導性リアクタンス、パッチ導体２０２とグランド導体２０４間のギャップによる並列容量性リアクタンス、導通ビア２０３による並列誘導性リアクタンスにより左手右手複合線路ＣＲＬＨが形成される。このように、誘電体基材１０１は、ＥＢＧ構造を有する素子列を複数配置している。

図３に図２の単体セルにおける等価回路３００を示す。セルが２次元に配列されているため、等価回路も本来は２次元であるが、簡単のため、１次元で表す。直列誘導性リアクタンス３０１がパッチ導体２０２を示し、直列容量性リアクタンス３０２が隣接するパッチ導体２０２間のギャップを示している。並列誘導性リアクタンス３０３がパッチ導体２０２とグランド導体２０４間を導通する導通ビア２０３を示し、信号線とグランド３０５間に並列に接続された容量性リアクタンス３０４がパッチ導体２０２とグランド導体２０４間のギャップを示している。等価回路３００におけるグランド３０５がグランド導体２０４を示している。

直列素子の共振周波数と並列素子の共振周波数間の周波数帯域は、位相定数が０になり電磁波を透過しない帯域（ＥＢＧ：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄＧａｐ）となる。所望（特定）の周波数帯域が得られるように直列共振周波数と並列共振周波数を調整するためにパラメータを設計する。図２に示すＥＢＧ構造２００は、パッチ導体２０２及び導通ビア２０３とグランド導体２０４により構成され、パッチ間隔、ビア径・ビア長さ等のパラメータを設計することで所望の周波数帯域で電磁波を遮断させることが可能となる。

図４に本発明の多面体ＥＢＧ構造部材を無線通信装置に適用して不要輻射の低減を行う例を示す。

図中、８００〜８０７で示す符号は図１０の７００〜７０７で示す符号の部材と同一のものであるため、その詳細については省略する。

８０９は、本発明の特徴である多面体ＥＢＧ構造部材（図１の多面体ＥＢＧ構造部材１００に対応）である。この多面体ＥＢＧ構造部材８０９を、導電性取付板金８０５と、無線通信装置の導電性筺体である導電性カバー８０７との間に配置する。これにより、図１に示す多面体構造の導電性部材１０３の上面１０４と図４に示す導電性取付板金８０５とを導通させるとともに、図１に示す多面体構造の導電性部材１０３の底面１０５と図４に示す導電性カバー８０７とを導通させる。

このように、無線通信装置８００は、アンテナ（アンテナ素子）８０２と高周波回路である高周波部８０４を実装する誘電体基板８０１と、誘電体基板８０１を内蔵する導電性筺体を有する。

以上説明したように、実施形態１によれば、導電性取付板金８０５と導電性カバー８０７を多面体ＥＢＧ構造部材８０９を用いて導通させる。これにより、誘電体基板８０１のＧＮＤ部８０３に励起される不要輻射に寄与する電磁波の電流成分を、無線通信装置８００を構成する導電性カバー８０７へ流す電流路を構成することができる。

つまり、高周波部８０４の動作時に、誘電体基板８０１のＧＮＤ部８０３に励起（発生）される不要輻射に寄与する電磁波の電流成分の一部が導電性カバー８０７に流れる。つまり、無線通信装置８００の動作基本周波数の高調波電流成分が導電性カバー８０７の表面全体を流れて消費させることで、不要輻射の電流成分が無線通信装置８００から放射する量を低減させる。

多面体ＥＢＧ構造部材８０９を導電性取付板金８０５と導電性カバー８０７を高周波接続させる。これによって、多面体ＥＢＧ構造部材８０９の導電性部材１０３を介して、無線通信装置の動作基本周波数の高調波電流成分はアンテナ実装基板のＧＮＤ部８０３から筺体の導電部材に流れることで高調波電流成分は低下する。つまり、導電性部材１０３は、高調波電流成分を通過させる高調波通過部材として機能する。

また、動作基本周波数の基本波電流成分は、多面体ＥＢＧ構造部材８０９のＥＢＧ構造を有する誘電体基材１０１によって電流成分が抑制される。つまり、誘電体基材１０１は、動作基本周波数の基本波電流成分を抑制する基本波抑制部材として機能する。

そして、高調波通過部材である導電性部材１０３を流れる高調波電流成分の電流路に平行して、基本波抑制部材である誘電体基材１０１を配置する。

これによって、アンテナ実装基板のＧＮＤ部８０３と筺体の導電性カバー８０７との間の結合が抑制され、アンテナ実装基板の放射利得低下が抑制される。

＜実施形態２＞
実施形態１の図２では、誘電体基材１０１上に形成されるＥＢＧ構造の例を示しているが、誘電体基板上に限らず薄いフィルム上に、表層パターン型の導体パッチを用いてＥＢＧ構造を形成するようにしても良い。

図５に表層パターン型のＥＢＧ構成４００を示す。

図中、パッチ導体４０１、導通導体４０２、グランド導体４０３、誘電体部４０４から構成される。図２と同様に導通導体４０２はパッチ導体４０１とグランド導体４０３間を導通している。図５の等価回路は図３と同様になる。このように、同一平面上に、パッチ導体４０１、導通導体４０２、グランド導体４０３及び誘電体部４０４が構成される。

直列誘導性リアクタンス３０１がパッチ導体４０１を示し、直列容量性リアクタンス３０２が隣接パッチ導体４０１間のギャップと等価である。また、並列誘導性リアクタンス３０３は導通導体４０２を示し、並列容量性リアクタンスがパッチ導体４０１とグランド導体４０３とのギャップを示している。等価回路３００のグランド３０５がグランド導体４０３を示している。

パッチ導体４０１の大きさ、形状、パッチ導体４０１間のギャップ、パッチ導体４０１とグランド導体４０３の間隔、導通導体４０２の大きさ、形状等のパラメータを変更することで、直列共振周波数、並列共振周波数を変更して、所望の電磁波遮断帯域を得ることができる。

図６に表層パターン型のＥＢＧ構成を用いた多面体ＥＢＧ構造部材の構成を示す。

図６は本発明の実施形態２で、５００は本発明の特徴である多面体ＥＢＧ構造部材を示している。

図中、５０１はＥＢＧ構造を薄いフィルム等の導体パターンで形成する誘電体基材、５０２は誘電体基材５０１上の表面に形成された角型のパッチ導体、５０３はインピーダンスが十分低い導電性材料で形成される多面体構造の導電性部材である。

多面体ＥＢＧ構造部材５００は、ＥＢＧ構造を形成する誘電体基材５０１を多面体構造の導電性部材５０３の上面５０４と底面５０５を除く４つの側面５０６〜５０９に配置する構成となっている。多面体ＥＢＧ構造部材５００の各側面５０６〜５０９に配置されるＥＢＧ構造を形成する誘電体基材５０１は同一の誘電体基材であり、多面体構造の導電性部材５０３に接着する等、高周波的に接続される。

以上説明したように、実施形態２によれば、実施形態１で説明した効果に加えて、薄いフィルム上に、表層パターン型の導体パッチを用いてＥＢＧ構造を形成することで、ＥＢＧ構造の形状の設計自由度を向上させ、サイズを抑制することができる。

＜変形例＞
図７及び図８に本発明の多面体導電性部材の変形例を示す。

図７は図１に示す多面体構造の導電性部材１０３の変形例であり、この導電性部材１０３の上面１０４と底面１０５に空洞を設けたもので図７において上面９０４、底面９０５は空洞で有ることを示している。

多面体ＥＢＧ構造部材９００は図１に示すＥＢＧ構造を形成する誘電体基材１０１を多面体構造の導電性部材９０３の上面９０４と底面９０５を除く４つの側面９０６〜９０９に配置する構成となっている。多面体ＥＢＧ構造部材９００の各側面９０６〜９０９に配置されるＥＢＧ構造を形成する誘電体基材は図１と同一の誘電体基材１０１であり、多面体構造の導電性部材９０３に接着する等、高周波的に接続される。

図８は図６に示す多面体構造の導電性部材５０３の変形例で図６に示す多面体構造の導電性部材５０３をコの字型に変形したものである。図８では、多面体ＥＢＧ構造部材１０００は図６に示すＥＢＧ構造を形成する誘電体基材５０１を図８の多面体構造の導電性部材１００３の前面１００４と側面１００５及び後面１００６の３つの面に配置する構成となっている。

多面体ＥＢＧ構造部材１０００の各面１００４〜１００６に配置されるＥＢＧ構造を形成する誘電体基材は図６と同一の誘電体基材５０１であり、図８に示す多面体構造の導電性部材１００３に接着する等、高周波的に接続される。

Claims

高周波回路を実装する誘電体基板を内蔵する導電性筺体を有する通信装置に実装可能な構造部材であって、
前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板に発生する動作周波数の高調波電流成分を通過させる通過部材であって、一端が前記誘電体基板のＧＮＤ部に接続され、他端が前記導電性筺体に接続された通過部材と、
前記動作周波数の所定の電流成分を抑制するＥＢＧ構造の抑制部材と、
を有し、
前記構造部材は、前記誘電体基板と前記導電性筺体との間に設けられ、
前記抑制部材は、前記通過部材を流れる高調波電流成分の電流路に沿って配置される
ことを特徴とする構造部材。
前記構造部材は、前記誘電体基板のＧＮＤ部と前記導電性筺体との間に設けられることを特徴とする請求項１に記載の構造部材。
前記通過部材は、前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板のＧＮＤ部に発生する動作周波数の高調波電流成分を通過させることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造部材。
前記通過部材は、前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板のＧＮＤ部に発生する動作基本周波数の高調波電流成分を通過させることを特徴とする請求項１又は２に記載の構造部材。
前記通過部材は、多面体構成を有することを特徴とする請求項１乃至４の何れか１項に記載の構造部材。
前記抑制部材は、前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板のＧＮＤ部に発生する動作基本周波数の基本波電流成分を抑制することを特徴とする請求項１乃至５の何れか１項に記載の構造部材。
前記通過部材は、低インピーダンスの導電性部材を含み、複数の平面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至６の何れか１項に記載の構造部材。
前記抑制部材は、ＥＢＧ構造を有する素子列を複数配置した誘電体基材を含み、前記通過部材の複数の平面の少なくとも１つの平面に配置される
ことを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載の構造部材。
前記抑制部材は、複数の信号導体と、前記複数の信号導体と各々導通する複数の導通導体と、前記誘電体基材とを含む
ことを特徴とする請求項８に記載の構造部材。
前記複数の導通導体のうちの少なくとも１つは、前記複数の信号導体の信号導体面に対して略垂直に構成される
ことを特徴とする請求項９に記載の構造部材。
前記複数の信号導体と前記複数の導通導体は、同一平面に構成される
ことを特徴とする請求項９に記載の構造部材。
高周波回路を実装する誘電体基板を有する通信装置であって、
導電性筺体と、
構造部材とを有し、
前記構造部材は、
前記高周波回路の動作時に前記誘電体基板に発生する動作周波数の高調波電流成分を通過させる通過部材であって、一端が前記誘電体基板のＧＮＤ部に接続され、他端が前記導電性筺体に接続された通過部材と、
前記動作周波数の所定の電流成分を抑制するＥＢＧ構造の抑制部材と、
を有し、
前記構造部材は、前記誘電体基板と前記通信装置の導電性筺体との間に設けられ、
前記抑制部材は、前記通過部材を流れる高調波電流成分の電流路に沿って配置される
ことを特徴とする通信装置。