JPWO2010013496A1 - 構造体、プリント基板、アンテナ、伝送線路導波管変換器、アレイアンテナ、電子装置 - Google Patents
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Abstract
Description
このようなEBG構造は、プリント基板やデバイスパッケージ基板に設置すると基板表面に生じる表面波の伝播を抑制する。このため、EBG構造は、例えば、プリント基板に実装されたアンテナ間やデバイス間の電磁干渉を低減するために用いられている。
このEBG構造は、バンドギャップ周波数帯域の付近で入射電磁波を同相で反射する磁気壁としての機能を有している。このため、EBG構造をアンテナ背面に設置することで、放射効率の維持したままアンテナの低背化を実現することができる。
本発明の構造体は、第1導体プレーンと、前記第1導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第2導体プレーンと、前記第1導体プレーンと前記第2導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第1導体接続部と、を備え、前記第2導体プレーンと前記伝送線路と前記第1導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置されている。
ここで、本発明に係る構造体では、伝送線路が最表層に配置されるため、一方の導体プレーンをリターンパスとするマイクロストリップ線路として取り扱うことができる。このマイクロストリップ線路における伝播定数と線路の物理寸法の関係は、さまざまな形で定式化されているため、インピーダンス変換が容易に精度よく計算することができる。
従って、パッチ層と導体プレーン層との間にインダクタンス要素を設ける構造と比べて、構造体の分散関係を高精度かつ容易に設計することができ、例えばバンドギャップ帯域を所望の周波数帯に設定することが可能となる。
前記単位構造が、1次元又は2次元に周期的に配列されている構成であってもよい。
前記伝送線路が前記第2導体接続部に電気的に接続される部分は、前記伝送線路が前記第1導体接続部に電気的に接続される部分と前記伝送線路の延在方向において異なる位置に配置されている構成であってもよい。
前記構造体により反射板が構成される構成であってもよい。
前記構造体により反射板が構成される構成であってもよい。
第1実施形態のEBG構造は、第1導体プレーン(導体プレーン1)と第2導体プレーン(導体パッチ2)の一方の導体プレーンが導体パッチ2であり、他方の導体プレーンが導体プレーン1である構成になっている。すなわち、伝送線路4は、一方の導体プレーン(導体パッチ2)に対して他方の導体プレーン(導体プレーン1)の反対側に配置されている。
図1においては、説明の便宜から第一の誘電体層10及び第二の誘電体層11を透視して導体プレーン1と導体パッチ2とを図示している。図1のI−I線断面においては、正確には短絡ビア6が含まれないが、説明の便宜から図2において短絡ビア6を点線で図示している。
第1実施形態では、最も基本的な格子点として、図1に示すA=(a,0)、B=(0,a)の正方格子の場合を例に説明する。
図3は、図1におけるx軸又はy軸に沿った方向に伝播する電磁波に対する等価回路である。図4は、インピーダンス部のインピーダンスZの虚部及びアドミタンス部のアドミタンスYの虚部をプロットしている。図5は、本実施形態における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。
インピーダンス部17は、隣接する導体パッチ2間に生じるキャパシタンス12と、導体パッチ2がつくるインダクタンス13とからなる。
アドミタンス部18は、導体プレーン1と導体パッチ2とがつくるキャパシタンス14と、導体ビア3がつくるインダクタンス15と、伝送線路4と短絡ビア6がつくるショートスタブ16とで構成される。
この等価回路繰り返し単位20が周期的に少なくとも一つ以上接続されることにより、本実施形態におけるEBG構造の等価回路が形成される。
インピーダンス部17のインピーダンスZと、アドミタンス部18のアドミタンスYは、それぞれ式(1)及び式(2)で与えられる。
図1では、小さい実装面積で伝送線路長dを確保するため、伝送線路4をスパイラル形状とした場合を示している。しかしながらが、伝送線路4を、例えば、図6Aに示すような直線形状や、または図6Bに示すようなミアンダ形状などとするも考えられる。
第1実施形態では、アドミタンス部に、伝送線路4と短絡ビア6からなるショートスタブを用いた構成例を示した。伝送線路長に依存するインピーダンス変換効果を利用して特定周波数帯でバンドギャップを実現するという、本発明の実施形態の本質的な原理に鑑みれば、伝送線路4と短絡ビア6からなるショートスタブに代えて、オープンスタブを用いるような構成を考えることもできる。オープンスタブを用いた場合も、ショートスタブの場合と全く同様に、伝送線路長に依存するインピーダンス変換効果によって、LC並列共振の状態が実現される。このため、伝送線路長を調整することで所望の周波数帯にバンドギャップを生じさせることができる。
アドミタンス部92のアドミタンスYは、下記の式(7)、式(8)で与えられる。
図11は、第3実施形態に係るEBG構造の断面図である。第1実施形態では、伝送線路4の上部に構造がない場合を示したが、図11に示すように、伝送線路4の上部に構造があってもよい。第3実施形態では、第1実施形態の伝送線路4上部に、伝送線路4を覆う誘電体部として第三の誘電体層40を設けている。このように第三の誘電体層40を設けることにより、伝送線路4の実効比誘電率εeffを増加させることができる。式(3)によれば、実効比誘電率が大きいほど伝送線路におけるインピーダンス変換効果も顕著になることから、伝送線路長dを長くすることなくバンドギャップ帯域を低周波化することが可能である。従って、バンドギャップ帯域の低周波化を目的にする場合、第三の誘電体層40として比誘電率の大きな誘電体材料を用いることが好ましい。第2実施形態のEBG構造に第3の誘電体層40を設けることも当然ながら可能である。
図12は、本発明の第4実施形態によるEBG構造の断面図である。図12に示す断面には、正確には短絡ビア6が含まれないが、説明の便宜上、短絡ビア6を点線で図示している。
第4実施形態のEBG構造は、第1導体プレーン(導体プレーン1)と第2導体プレーン(導体パッチ2)の一方の導体プレーンが導体プレーン1であり、他方の導体プレーンが導体パッチ2である構成になっている。すなわち、伝送線路4は、一方の導体プレーン(導体プレーン1)に対して他方の導体プレーン(導体パッチ2)の反対側に配置されている。
伝送線路4は、導体ビア3を介して導体パッチ2と電気的に接続されている。
第一の誘電体層10を貫通して、短絡ビア6が設けられている。伝送線路4は、短絡ビア6を介して導体パッチ2と電気的に接続されている。伝送線路4は、導体プレーン1をリターンパスとするショートスタブとして機能するように構成されている。
第4実施形態のEBG構造において、第3実施形態と同様に、伝送線路4を覆って第三の誘電体層が設けられている構成にしてもよい。
図13は、第5実施形態のEBG構造を示す断面図である。第4実施形態のEBG構造においてショートスタブの代わりにオープンスタブを適用している。図13に示すように第5実施形態のEBG構造には、第4実施形態のEBG構造における伝送線路4に代えてオープン端伝送線路90が設けられており、また短絡ビア6が設けられていない。
第5実施形態のEBG構造において、第3実施形態と同様に、伝送線路4を覆って第三の誘電体層が設けられている構成にしてもよい。
図14Aは、本発明の実施形態のEBG構造を内蔵したプリント基板の一例を示す平面図である。図14Bは、図14AにおけるIII−III線断面図である。図15は、EBG領域の別の配置例を示す平面図である。図14A、および図14Bに示すプリント基板50は少なくとも、グランドプレーン51と、ノイズ源となるデバイス52と、ノイズの影響を受けやすいデバイス53と、それらデバイスの間に配置されるEBG領域54とを備える。図14Bに示すように、ノイズ源となるデバイス52及びノイズの影響を受けやすいデバイス53は、いずれもグランドプレーン51に接続されている。グランドプレーン51とプリント基板50の誘電体部分は、一種の表面波線路を形成している。ノイズ源となるデバイス52から生じたノイズが、表面波線路を伝播してノイズの影響を受けやすいデバイス53に入ることで、誤動作等を引き起こす要因となりうる。第6実施形態のプリント基板では、図14Aのようにノイズ伝播経路を遮断するように、EBG領域54に本発明のEBG構造を配置することで、デバイス間のノイズ伝播を抑制できる。これにより、ノイズの影響を受けやすいデバイス53の誤動作を抑制することが可能となる。
図14Aでは、EBG領域54を帯状に設けた場合を示したが、EBG領域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。例えば、図15のようにノイズの影響を受けやすいデバイス53を囲むようにEBG領域54を設けることも可能である。EBG領域54に配置するEBG構造としては、本発明の実施形態に係るEBG構造のいずれを適用してもよい。
デバイスが例えばアンテナである場合に、アンテナ間における電磁波の伝播経路を遮って本発明の実施形態に係る構造体が設けられていれば、アンテナの不要な結合を抑制することができる。
図16は、本発明の実施形態のEBG構造を反射板として用いたパッチアンテナの一例である。パッチアンテナ60は、反射板としてのEBG構造61、アンテナエレメント62及び給電線63より構成されている。EBG構造のバンドギャップ帯域をパッチアンテナの使用周波数帯にあわせて設計することで、パッチアンテナから反射板表面を伝播して裏面に回りこむ表面波が抑制される。このため、裏面放射が抑制され、アンテナ特性の劣化を避けることが可能となる。
ここではアンテナとしてパッチアンテナと逆L型アンテナの場合を例に説明したが、他のアンテナに関しても全く同様に本発明の実施形態の効果を利用することができることは当然である。EBG構造61としては、本発明の実施形態に係るEBG構造のいずれを適用してもよい。
図18は、本発明の実施形態のEBG構造を反射板として用いた、伝送線路導波管変換器の一例である。伝送線路導波管変換器80は、反射板としてのEBG構造81と、伝送線路82、導波管83から構成されている。EBG構造81のバンドギャップ帯域を、使用する周波数帯にあわせて設計することで、EBG構造81において電磁波が同相反射するために、伝送線路82をEBG構造81の表面に近接して配置することが可能となる。これにより、薄型の伝送線路導波管変換器を実現することが可能となる。
EBG構造81としては、本発明の実施形態に係るEBG構造のいずれを適用してもよい。
以下の実施形態では、本発明の実施形態の構造がCRLH伝送線路として動作する構成について説明する。次に説明する第9実施形態のアンテナは、CRLH伝送線路として動作する本発明の実施形態の構造を利用することにより小型化されたアンテナである。
マイクロストリップライン107は、複数の導体パッチ104のうちの最も端部に位置する導体パッチ104と接触して導通している。マイクロストリップライン107は、x軸方向に延設されており、図示略の無線回路等に電気的に接続される。無線回路等から供給される電気信号は、マイクロストリップライン107を介して導体パッチ104に伝達される。
本発明の実施形態に係るアンテナは、CRLH伝送線路のx軸方向に1/2波長共振が生じることを利用しており、1種の共振器と考えることができる。共振器中の波長と周波数の関係は、共振器内部の媒質の分散関係によって決定される。通常の誘電体において、比誘電率ε、比透磁率μの分散関係は、下記の式(9)で与えられる。
図27は、第10実施形態のアンテナの構成を示す斜視図である。図27には、説明の便宜上、第二の誘電体層103を透視してアンテナの内部構造を図示している。図28は、第10実施形態のアンテナをz軸正方向から見た平面図である。図29は、オープン端伝送線路190を透視してアンテナをz軸正方向から見た平面図である。
図30は、第11実施形態のアンテナの構成を示す断面図である。図30に示す断面においては、正確には短絡ビア108が含まれないが、説明の便宜上、短絡ビア108を点線で図示している。
第11実施形態のアンテナは、第9実施形態と同様に動作する。第10実施形態のアンテナにおいても動作帯域を高精度で容易に制御することができ、またアンテナの薄型化が可能になっている。
図31は、第12実施形態のアンテナの構成を示す断面図である。第12実施形態のアンテナは、第11実施形態のアンテナにおいてショートスタブに代えてオープンスタブを採用している。第12実施形態のアンテナには、第11実施形態のアンテナにおける伝送線路106に代えてオープン端伝送線路190が設けられており、また短絡ビア108が設けられていない。
図23に示したように、第9実施形態におけるCRLH伝送線路の分散関係は、右手系バンドと左手系バンドの間、すなわち3.1GHzから10GHzまでの周波数帯に、バンドギャップBを有している。これは、図3に示した等価回路図において、右手系バンドの下限周波数を規定する直列インピーダンスZの共振周波数と、左手系バンドの上限周波数を規定するアドミタンスYの共振周波数にギャップがあるためである。
第13実施形態のアンテナは、第10実施形態のアンテナに、補助導体プレーンとして補助導体パッチ112を追加している。第13実施形態における構造体は、第1導体プレーン(導体プレーン101)と第2導体プレーン(導体パッチ104)の一方の導体プレーンが導体パッチ104であり、他方の導体プレーンが導体プレーン101である構成になっている。すなわち、オープン端伝送線路190は、一方の導体プレーン(導体パッチ104)に対して他方の導体プレーン(導体プレーン101)の反対側に配置されている。
第13実施形態では、補助導体パッチ112の形状として長方形の場合を示したが、隣接する2つの導体パッチ104の双方と重なることにより電気的な容量を構成すればよく、補助導体パッチ112の形状としては適宜変形可能である。
第13実施形態では補助導電パッチ112をオープン伝送線路190と同一層に設けられた構成を例示した。しかしながら、補助導電パッチ112は、隣接する2つの導体パッチ104の双方と重なることにより電気的な容量を構成すればよく、補助導電パッチ112が伝送線路190と異なる層に設けられた構成であってもよい。また、第1〜第5実施形態に係る構造体において、補助導電パッチ112が設けられた構成にすることも可能である。
図34は、第14実施形態に係るアンテナをz軸正方向から見た平面図である。図35、36は、それぞれ、第14実施形態の変形例に係るアンテナをz軸正方向から見た平面図である。
図37は、第15実施形態のアレイアンテナの構成を模式的に示す平面図である。図37に示すように、第15実施形態のアレイアンテナは、本発明の実施形態に係るアンテナをアレイ要素150として、プリント基板51に複数のアレイ要素150が配列された構成になっている。ここでは、アレイ要素150として第9実施形態で説明したアンテナを採用しており、4つのアレイ要素150が1次元的に配列されている。アレイ要素150は、マイクロストリップライン107により並列に接続されている。
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。
2 導体パッチ(第2導体プレーン)
3 導体ビア(第1導体接続部)
4 伝送線路
5 クリアランス
6 短絡ビア(第2導体接続部)
9 単位構造
10、102 第一の誘電体層
11、103 第二の誘電体層
40 第三の誘電体層(誘電体部)
60 パッチアンテナ(アンテナ)
70 逆L型アンテナ(アンテナ)
80 伝送線路導波管変換器
112 補助導体パッチ(補助導体パッチ)
190 オープン端伝送線路(伝送線路)
Claims (30)
- 第1導体プレーンと、
前記第1導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられた複数の第2導体プレーンと、
前記第1導体プレーンと前記第2導体プレーンの一方の導体プレーンに少なくとも一部が対向して設けられ、前記一方の導体プレーンに対して他方の導体プレーンと反対側に配置された伝送線路と、
前記伝送線路を前記他方の導体プレーンと電気的に接続する第1導体接続部と、を備え、
前記第2導体プレーンと前記伝送線路と前記第1導体接続部とを少なくとも含んだ単位構造が繰り返し配置されている構造体。 - 前記単位構造が、1次元又は2次元に周期的に配列されている請求項1に記載の構造体。
- 前記第1導体プレーンは、繰り返し配置されている複数の前記単位構造で共通になっている請求項1又は2に記載の構造体。
- 前記単位構造が前記単位構造に入射する電磁波の波数又は波長に対する周波数の分散関係にバンドギャップを有しており、前記単位構造を含んで電磁バンドギャップ構造が構成される請求項1〜3のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記第1導体プレーンと前記第2導体プレーンとの間に誘電体層が設けられており、前記第1導体接続部が前記誘電体層を貫通して設けられた導体ビアである請求項1〜4のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記一方の導体プレーンに開口が設けられており、前記導体ビアが前記開口内を通って前記一方の導体プレーンと交差しているとともに前記一方の導体プレーンと非接触になっている請求項5に記載の構造体。
- 前記一方の導体プレーンが、前記伝送線路のリターンパスである請求項1〜6のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記第1導体プレーンにおいて前記第2導体プレーンに対向する面の面方向の寸法が、前記第2導体プレーンにおいて前記第1導体プレーンに対向する面の面方向の寸法と異なる請求項1〜7のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記第2導体プレーンにおいて前記第1導体プレーンと対向する面が、前記第1導体プレーンにおいて前記第2プレーンと対向する面と平行になっている請求項1〜8のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記伝送線路が複数の端部を含んでおり、前記複数の端部の少なくとも1つが前記第1導体接続部と電気的に接続されている請求項1〜9のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記伝送線路が、分岐部と前記分岐部から互いに分岐した枝線路とを含んでおり、前記枝線路の線路長が互いに異なっている請求項1〜10のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記伝送線路は、前記一方の導体プレーンと対向する面に平面的に設けられており、前記伝送線路の平面形状がスパイラル形状になっている請求項1〜11のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記伝送線路は、前記一方の導体プレーンと対向する面に平面的に設けられており、前記伝送線路の平面形状がミアンダ形状になっていることを特徴とする請求項1〜11のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記伝送線路が誘電体部で覆われている請求項1〜13のいずれか一項に記載の構造体。
- 前記一方の導体プレーンと前記伝送線路とを電気的に接続する第2導体接続部を備え、
前記伝送線路が前記第2導体接続部に電気的に接続される部分は、前記伝送線路が前記第1導体接続部に電気的に接続される部分と前記伝送線路の延在方向において異なる位置に配置されている請求項1〜14のいずれか一項に記載の構造体。 - 前記伝送線路が、前記一方の導体プレーンに対して電気的に絶縁されている請求項1〜14のいずれか一項に記載の構造体。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載の構造体を備えるプリント基板。
- 前記構造体により反射板が構成される請求項17に記載のプリント基板。
- 前記プリント基板に複数のデバイスが設けられており、前記デバイスの間における電磁波の伝播経路の少なくとも1つを遮って、前記構造体が設けられている請求項18に記載のプリント基板。
- 前記構造体を構成する前記単位構造の少なくとも1つに電気信号を供給する給電部が設けられている請求項17に記載のプリント基板。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載の構造体を備えるアンテナ。
- 前記構造体により反射板が構成される請求項21に記載のアンテナ。
- 前記構造体を構成する前記単位構造の少なくとも1つに電気信号を供給する給電部が設けられている請求項21に記載のアンテナ。
- 前記第2導体プレーンと異なる平面に設けられ、互いに隣接する2つの前記第2導体プレーンの双方と重なるように配置された補助導体プレーンを少なくとも1つ備える請求項23に記載のアンテナ。
- 前記補助導体プレーンが、前記伝送線路と同一平面に配置されている請求項24に記載のアンテナ。
- 前記給電部が、前記第2導体プレーンと同一平面に設けられているとともに、前記第2導体プレーンの少なくとも1つと電気的に接続されている請求項23〜25のいずれか一項に記載のアンテナ。
- 前記給電部が、前記第1導体プレーンと同一平面に設けられ前記導体ビアのいずれか1つと電気的に接続されたコプレナー線路を含んでいる請求項23〜25のいずれか一項に記載のアンテナ。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載の構造体を反射板として備える伝送線路導波管変換器。
- 請求項21〜27のいずれか一項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アレイアンテナ。
- 請求項1〜16のいずれか一項に記載の構造体、請求項17〜20のいずれか一項に記載のプリント基板、請求項21〜27のいずれか一項に記載のアンテナ、請求項28に記載の伝送線路導波管変換器、及び請求項29に記載のアレイアンテナの少なくとも1つを備える電子装置。
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