JPWO2010029770A1 - 構造体、アンテナ、通信装置、及び電子部品 - Google Patents

Abstract

構造体１１０は、第１導体パターン１２１、第２導体パターン１１１、複数の第１開口１０４、及び複数の配線１０６を備えている。第１導体パターン１２１は、例えばシート状である。第２導体パターン１１１は例えばシート状であり、第１導体パターン１２１に少なくとも一部が対向している。複数の第１開口１０４は第１導体パターン１２１に設けられている。配線１０６は、複数の第１開口１０４の中に設けられており、一端が第１導体パターン１２１に接続している。そして第１開口１０４及び配線１０６を含む単位セル１０７が繰り返し配置されている。

Description

本発明は、メタマテリアルとしての特性を有する構造体、アンテナ、通信装置、及び電子部品に関する。

近年、例えば特許文献１〜４に示すように、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が提案されている。例えば、電磁波の波長が大幅に短くなるように制御されたメタマテリアルを使用すると、共振器アンテナの小型化が可能となる。また、ある周波数帯域において電磁波伝播を抑制するメタマテリアル（電磁バンドギャップ（Electromagnetic Band Gap：以下ＥＢＧと記載）構造を使用すると、高周波回路からの不要電磁波伝播による回路間の電磁干渉を防ぐことが可能となる。

例えば特許文献１には、メタマテリアルの一形態である右手/左手複合（Ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ Ｒｉｇｈｔ ａｎｄ Ｌｅｆｔ Ｈａｎｄｅｄ：ＣＲＬＨ）線路を利用した小型アンテナ構造が開示されている。特許文献１で開示されているアンテナにおける復号線路は、導体プレーンと、導体プレーンと平行に配置された導体パッチと、導体プレーンと導体パッチ間を接続する導体ビアとを含む単位セルを周期的に配置することにより構成されている。また特許文献１では、さらに低周波側で左手系媒質として動作させるため、導体プレーンと導体パッチの間の層に、導体エレメントを設けて隣接する導体パッチ間の容量を増加させることが開示されている。また同様の目的のために、導体プレーンの導体ビア接続部付近にスリットを設けてコプレナーラインを形成し、導体プレーンと導体パッチ間のインダクタンスを増加させることが開示されている。

また特許文献２には、いくつかのＥＢＧ構造が開示されている。例えばＦＩＧ．４には、共振ビア型ＥＢＧ構造の断面構造とその単位セル当たりの等価回路が記載されている。またＦＩＧ．１とＦＩＧ．２には誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の上面図が、ＦＩＧ．５には誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の単位セル当たりの等価回路が、それぞれ示されている。

また特許文献３には、誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の１形態であるUniplanar Compact Photonic Bandgap構造（以下、ＵＣ−ＰＢＧ構造と称す）が開示されている。ＵＣ−ＰＢＧ構造は導体２層で構成され、開口のない第１導体プレーンと導体パターンの周期構造をなす導体層から構成される。

また特許文献４には、誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の１形態であるAlternating impedance Electromagnetic Bandgap構造（以下、ＡＩ−ＥＢＧ構造と称す）が開示されている。 ＡＩ−ＥＢＧ構造もＵＣ−ＰＢＧ構造同様に導体２層で構成され、導体パターンの周期構造をなす導体パターン層と開口のない導体プレーン層とからなる。導体パターン層は特許文献４のＦＩＧ．１Ａに示すレイアウトの通り、周期構造をなす正方形の大きな導体パッチと隣接する大きな導体パッチ間を接続する微小な正方形の導体パッチからなるインダクタンス要素から構成されている。インダクタンス要素として機能する微小な導体パッチと各大きな導体パッチとは大きな導体パッチの頂点の箇所で接続されている。

米国特許出願公開第２００７／０１７６８２７号明細書 米国特許出願公開第２００７／００９０３９８号明細書 米国特許第６５１８９３０号明細書 米国特許第７２１５３０１号明細書

しかし、特許文献１に挙げた構造の場合、ビアが必要な構造となるため、ビアが不要な構造に比べ製造コストが高くなる。 また特許文献２に示された共振ビア型ＥＢＧ構造の場合、導体層が最低３層必要で且つビアが必要な構造となるため、導体層２層の構成のＥＢＧ構造に比べ、構造が複雑で製造コストが高くなる。

また特許文献３や特許文献４に示された誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の場合、等価回路の並列共振回路におけるインダクタンス値及び容量値のいずれもあまり大きくできないため、単位セルが大きくなるという課題がある。

本発明の目的は、ビアを必要とせず、導体２層で構成することができ、かつ単位セルを小型化することができる構造体、アンテナ、通信装置、及び電子部品を提供することにある。

本発明によれば、第１導体と、
前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
を備え、
前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている構造体が提供される。

本発明によれば、第１導体と、
前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
前記複数の第１開口の中に前記第１導体から分離して設けられている複数の島状の第３導体と、
前記複数の第３導体に設けられ、前記第３導体を前記第１導体に接続するチップインダクタと、
を備え、
前記第１開口、前記第３導体、及び前記チップインダクタを有する単位セルが繰り返し配列されている構造体が提供される。

本発明によれば、アンテナエレメントと、
前記アンテナエレメントに対向して設けられた反射板と、
を備え、
前記反射板は、
第１導体と、
前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
を備えた構造体であって、前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている構造体を有しているアンテナが提供される。

本発明によれば、電源が供給される電源層と、
グラウンドが供給されるグラウンド層と、
前記電源層及び前記グラウンド層の一方に設けられた第１導体と、
前記電源層及び前記グラウンド層の他方に設けられ、前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
を備え、
前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている電子部品が提供される。

本発明によれば、ビアを必要とせず、導体２層で構成することができ、かつ単位セルを小型化することができる構造体、アンテナ、通信装置、及び電子部品を提供することができる。

（ａ）は、第１の実施形態に係る構造体の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した構造体の斜視図である。 （ａ）は図１に示した構造体に用いられる第１導体パターンが形成されている層の平面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した層の各構成を分解して示した図である。 図１に示した構造体の等価回路図である。 各図は配線の変形例を示す図である。 第３導体パターン及び配線の配置の変形例を示す図である。 （ａ）は、第２の実施形態に係る構造体の断面図であり、（ｂ）は（ａ）に示した構造体の第２導体パターンの平面図であり、（ｃ）は（ａ）に示した構造体の単位セルを上面から透視した平面図であり、図６（ｄ）はこの単位セルの斜視図である。 （ａ）及び（ｂ）は単位セルを上面から透視したときに配線の一部が第２開口に含まれている例を示す平面図である。 配線の代わりにチップインダクタを用いた例を示す図である。 第３の実施形態に係る構造体の斜視図である。 （ａ）は図９に示した構造体の断面図であり、図１０（ｂ）は第１導体パターンが設けられている層の平面図である。 （ａ）は図１０に示した単位セルの等価回路図であり、（ｂ）は図１０に示した単位セルを図１０におけるｘ方向に半周期ａ／２だけずらした場合の単位セルの等価回路図である。 図９に示した構造体及び平行平板導波路の電磁波伝播特性を比較した分散曲線を示す図である。 配線がミアンダを形成するように延伸している例を示す図である。 配線がループを形成するように延伸している例を示す図である。 配線がスパイラルを形成するように延伸している例を示す図である。 配線の形状が互いに異なっている例を示す図である。 単位セルの配列が一次元配列である例を示す図である。 第１開口が長方形である例を示す図である。 第１開口が正六角形である例を示す図である。 配線の一端が正方形の第１開口の角に接続している例を示す図である。 配線の幅が途中で変わっている例を示す図である。 （ａ）は第１開口内に複数の配線が設けられている例を示す図であり、（ｂ）は第１開口内に配線から分岐している分岐配線が設けられている例を示す図である。 第４の実施形態に係る電子部品の断面図である。 回路基板が導体２層により構成されている場合を示す図である。 構造体を具備する構造体の回路基板上の配置例を示す平面図である。 図２５に示した回路基板の断面図である。 図２３に示す回路基板を下側からみたときの平面図である。 構造体が伝送線路のリターンパスとして機能する効果を説明するための図である。 第５の実施形態に係る電子部品の断面図である。 第６の実施形態に係るアンテナの断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、第１の実施形態に係る構造体１１０の断面図であり、図１（ｂ）は図１（ａ）に示した構造体１１０の斜視図である。図２（ａ）は図１に示した構造体１１０に用いられる第１導体パターン１２１が形成されている層の平面図であり、図２（ｂ）は図１（ａ）に示した層の各構成を分解して示した図である。

この構造体１１０は、誘電層（例えば誘電体板）を介して対向している２層の導体層により構成されており、第１導体としての第１導体パターン１２１、第２導体としての第２導体パターン１１１、複数の第１開口１０４、及び複数の配線１０６を備えている。第１導体パターン１２１は、例えばシート状である。第２導体パターン１１１は、例えばシート状であり、第１導体パターン１２１に少なくとも一部（ただしほぼ全体であってもよい）が対向している。複数の第１開口１０４は第１導体パターン１２１に設けられている。配線１０６は、複数の第１開口１０４それぞれの中に設けられており、一端が第１導体パターン１２１に接続している。そして第１開口１０４及び配線１０６を含む単位セル１０７が繰り返し、例えば周期的に配置されている。単位セル１０７が繰り返し配置されることにより、構造体１１０はメタマテリアル、例えばＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）として機能する。

本実施形態に係る構造体１１０の単位セル１０７は、さらに第３導体としての第３導体パターン１０５を有している。第３導体パターン１０５は、第１開口１０４の中に第１導体パターン１２１から分離して設けられている島状のパターンであり、配線１０６の他端１２９が接続している。そして単位セル１０７は、第１開口１０４、配線１０６、及び第３導体パターン１０５、並びに第２導体パターン１１１のうちこれらに対向する領域によって構成されている。

本実施形態において単位セル１０７は、２次元配列を有している。より詳細には、単位セル１０７は、格子定数がａである正方形の格子の格子点それぞれに配置されている。このため複数の第１開口１０４は、中心間距離が互いに同一となっている。これは、後述する図４（ａ）〜図４（ｃ）及び図５（ａ）及び図５（ｂ）に示す例においても同様である。ただし、単位セル１０７は一次元配列であっても良い。複数の単位セル１０７は、互いに同一の構造を有しており、同一の向きに配置されている。本実施形態において、第１開口１０４及び第３導体パターン１０５は正方形であり、中心が互いに重なるように、かつ同一の向きに配置されている。そして配線１０６は、一端１１９が第１開口１０４の一辺の中央に接続しており、この一辺に対して垂直に直線状に延伸している。配線１０６はインダクタンス要素として機能する。

このような構造により、第３導体パターン１０５と第２導体パターン１１１との間に容量Ｃが生じる。また、第３導体パターン１０５と第１導体パターン１２１との間には、平面型のインダクタンス要素としての配線１０６（インダクタンスＬ）が電気的に接続されている。このため、第２導体パターン１１１と第１導体パターン１２１との間に直列共振回路１１８がシャントされた構造となり、回路的には図３に示した構造と等価になる。

構造体１１０においては、必要な導体層数が２層で済み、且つ、ビアを用いないため、構造の簡単化及び薄型化でき、かつ製造コストを抑えることが可能となる。また、構造体１１０においては配線１０６を用いるため、ビアによりインダクタンスを形成する構造体と比べてインダクタンスを大幅に増大することができる。

ここで、ストップバンド（バンドギャップ）の周波数帯はインダクタンスと容量による直列共振周波数によって決まる。直列共振周波数をある特定の値に設定したい場合には、配線１０６を設けることによりインダクタンスが大幅に増加するため、容量を小さく抑えることが可能となる。よって、第３導体パターン１０５の小型化が可能となるため、結果として開口１０４及び単位セル１０７の長さａを小さくすることが可能となり、構造体１１０を小型化することができる。

更に、本実施形態に係る構造体１１０では、直流電流は配線１０６を経由せずに、第１導体パターン１２１を経由する。直流電流が配線１０６を経由しない理由は、配線１０６とつながる第３導体パターン１０５がオープンになっているためである。つまり、第１開口１０４を小さくすると、直流電流の通る第１導体パターン１２１を幅広にすることが可能となり、直流電流に対する抵抗を小さくすることができる。

なお、図２の例では配線１０６を直線状にしているが、配線１０６を、図４（ａ）に示すようにミアンダ形状にしてもよいし、図４（ｂ）に示すようにスパイラル形状にしても良い。更には、図４（ｃ）に示すように配線１０６を折れ線状にしてもよい。

図２には、各第１開口１０４内に１つの第３導体パターン１０５と１つの配線１０６を形成した例を示したが、各第１開口１０４内に２つ以上の第３導体パターン１０５と配線１０６を形成することも可能である。図５（ａ）に示す例は、第１開口１０４内に２つの第３導体パターン１０５と２つの配線１０６を形成した場合の第１導体パターン１２１のレイアウトを示す平面図である。この図において、２組の第３導体パターン１０５及び配線１０６は、線対称となるように第１開口１０４の中に配置されている。第１開口１０４は正方形であり、２つの第３導体パターン１０５は長方形である。第１開口１０４及び第３導体パターン１０５は、辺が互いに平行である。２つの第３導体パターン１０５は、第１開口１０４の中心と第１開口１０４の一辺の中心を結ぶ直線を軸に、互いに線対象に配置されている。そして配線１０６は、一端１１９が第１開口１０４の一辺の中央からこの一辺に対して垂直に直線状に延伸しており、他端１２９が第３導体パターン１０５の長辺の中央に接続している。

また、図５（ｂ）に示す例は、第１開口１０４内に４つの第３導体パターン１０５と４つの配線１０６を形成した場合の第１導体パターン１２１のレイアウトを示す平面図である。この図において、４組の第３導体パターン１０５及び配線１０６は、第１開口１０４の中心を軸に点対称となるように第１開口１０４の中に９０°間隔で配置されている。第１開口１０４は正方形であり、４つの第３導体パターン１０５も正方形である。第１開口１０４及び第３導体パターン１０５は、辺が互いに平行である。４つの第３導体パターン１０５は、第１開口１０４の中心を軸に点対象に配置されている。そして配線１０６は、一端１１９が第１開口１０４の角から第１開口１０４の一辺に対して４５°の向きに直線状に延伸しており、他端１２９が第３導体パターン１０５の角に接続している。

図５（ａ）及び図５（ｂ）に示した構造体１１０において、単位セル１０７当たりの等価回路は図５（ｃ）に示す通り、直列共振回路１１８が複数個並列に接続されたことになる。

ここで、複数の直列共振回路１１８が互いに等しい場合は、図３に示す回路と等価になるため、各第１開口１０４内に１つの第３導体パターン１０５と１つの配線１０６が形成されている場合と同じ特性が得られる。一方、複数個並列に接続された直列共振回路１１８が互いに異なるようにすると、ストップバンドを広帯域化させたり、マルチバンド化させることができる。

なお、図２（ａ）は正方形の第１開口１０４を正方格子状に周期配列する例を示しているが、第１開口１０４のレイアウトは図２（ａ）の正方形に限ることはない。例えば、正六角形の第１開口１０４を正六角形のような多角形にしたりや円形にすることも可能である。また第１開口１０４を三角格子状に配置しても良い。

次に、構造体１１０の製造方法の一例を説明する。まず、シート状の誘電体層の両面に導電膜を形成する。そして一方の導電膜上にマスクパターンを形成し、このマスクパターンをマスクとして導電膜をエッチングする。これにより導電膜が選択的に除去され、第１導体パターン１２１、複数の第１開口１０４、及び複数の配線１０６が一体的に形成される。また他方の導電膜は、そのまま第２導体パターン１１１として使用することができる。

また、構造体１１０は、ガラス基板やシリコン基板等に第１導体パターン１２１、シリコン酸化膜等の誘電体膜、第２導体パターン１１１を薄膜プロセスに用いて順次形成することにより作製することも可能である。或いは、第２導体パターン１１１と第１導体パターン１２１の層が対向する空間には何も設けなくてもよい（空気でもよい）。

（第２の実施形態）
図６（ａ）は第２の実施形態に係る構造体１１０の断面図である。本実施形態に係る構造体１１０は、第２導体パターン１１１に複数の第２開口１１４を有している点を除いて、第１の実施形態に係る構造体１１０と同様の構成である。第２開口１１４は、平面視において複数の配線１０６それぞれと重なっている。第２開口１１４を設けることにより、配線１０６と第２導体パターン１１１の間を鎖交する磁束が増加するため、これによって配線１０６の単位長さ当たりのインダクタンスが増加する。

図６（ｂ）は図６（ａ）に示した構造体１１０の第２導体パターン１１１の平面図である。第２開口１１４は第２導体パターン１１１に周期的に配列されている。第２開口１１４の周期はａであり、単位セル１０７の一辺の長さ及び第１開口１０４の周期と等しい。

図６（ｃ）は図６（ａ）に示した構造体１１０の単位セル１０７を上面から透視した平面図であり、図６（ｄ）はこの単位セル１０７の斜視図である。これらの図において、配線１０６は、平面視において全て第２開口１１４の中に位置している。これにより、配線１０６の単位長さ当たりのインダクタンスを増加させることが可能となる。従って所望のインダクタンス値に設計する上で、配線１０６を小型にすることが可能となるため、配線１０６の占有する面積を減らすことが可能となり、結果として単位セル１０７の小型化が可能となる。

図６（ｃ）は単位セル１０７を上面から透視したときに配線１０６の全てが第２開口１１４に含まれている例を示しているが、配線１０６の一部が平面視において第２開口１１４の中に位置するように設計することも可能である。図７（ａ）及び図７（ｂ）は単位セル１０７を上面から透視したときに配線１０６の一部が第２開口１１４に含まれている例を示す平面図である。このような構造は、第２開口１１４の小型化とインダクタンスの増加を両立させる際に有効である。

なお、第１及び第２の実施形態に示した各例において、図８（ａ）の平面図及び図８（ｂ）の断面図に示すように、配線１０６の代わりにチップインダクタ５００を用いても良い。

（第３の実施形態）
図９は、第３の実施形態に係る構造体１１０の斜視図である。図１０（ａ）は、図９に示した構造体１１０の断面図であり、図１０（ｂ）は第１導体パターン１２１が設けられている層の平面図である。この構造体１１０は、第３導体パターン１０５を有しておらず、配線１０６の他端１２９が開放端になっている点を除いて、第１の実施形態に係る構造体１１０と同様の構成である。そして本実施形態では、配線１０６はオープンスタブとして機能しており、第２導体パターン１１１のうち配線１０６に対向する部分及び配線１０６が、伝送線路１０１、例えばマイクロストリップ線路を形成している。本実施形態に係る構造体１１０の製造方法は、第１の実施形態と同様である。

本図に示す例において、第１開口１０４及び配線１０６、並びに第２導体パターン１１１のうちこれらに対向する領域を含む単位セル１０７が構成されている。図９及び図１０に示す例では、単位セル１０７は、平面視において２次元配列を有している。より詳細には、単位セル１０７は、格子定数がａである正方形の格子の格子点それぞれに配置されている。このため複数の第１開口１０４は、中心間距離が互いに同一となるように配置されている。

複数の単位セル１０７は、互いに同一の構造を有しており、同一の向きに配置されている。本実施形態において、第１開口１０４は正方形である。そして配線１０６は、第１開口１０４の一辺の中央からこの一辺に対して垂直に直線状に延伸している。

図１１（ａ）は、図１０に示した単位セル１０７の等価回路図である。本図に示すように、第１導体パターン１２１と第２導体パターン１１１の間には寄生容量Ｃ_Ｒが形成される。また第１導体パターン１２１にはインダクタンスＬ_Ｒが形成される。本図に示す例では、単位セル１０７で見た場合に第１導体パターン１２１は第１開口１０４によって２等分され、かつ配線１０６が第１開口１０６の中心に配置されているため、インダクタンスＬ_Ｒも配線１０６を中心に２等分されている。

また上記したように、配線１０６はオープンスタブとして機能しており、第２導体パターン１１１のうち配線１０６に対向する部分と配線１０６とが伝送線路１０１、例えばマイクロストリップ線路を形成している。伝送線路１０１の他端は開放端になっている。

図１１（ｂ）は、図１０に示した単位セル１０７を図１０におけるｘ方向に半周期ａ／２だけずらした場合の単位セル１０７の等価回路図である。本図に示す例において、単位セル１０７の取り方が違うため、インダクタンスＬ_Ｒは配線１０６によっては分断されていない。ただし単位セル１０７は複数周期的に配置されているため、単位セル１０７の取り方の違いによって、図９に示した構造体１１０の特性は変化しない。

そして構造体１１０を伝播する電磁波の特性は、インダクタンスＬ_Ｒに基づいた直列インピーダンスＺと、伝送線路１０１及び寄生容量Ｃ_Ｒに基づいたアドミタンスによって決まる。

図１２は、図９に示した構造体１１０及び平行平板導波路の電磁波伝播特性を比較した分散曲線を示す。図１２において、実線は図９に示した構造体１１０において単位セル１０７が無限個周期配列されている場合の分散関係を示している。また破線は図９における第１導体パターン１２１を第１開口１０４及び配線１０６がない導体パターンに置き換えることにより形成される平行平板導波路における分散関係を示している。

破線で示される平行平板導波路の場合、波数と周波数は比例関係にあるため直線で表され、その傾きは以下の（１）式で表される。
ｆ／β＝ｃ／（２π・（εｒ・μｒ）１／２）・・・（１）

一方、図９に示した構造体１１０の場合、周波数が上がるにつれて、破線で示される平行平板導波路に比べ波数が急激に増加し、波数が２π／ａに達すると、それ以上の周波数帯にバンドギャップが現れる。そしてさらに周波数が上がると再びパスパンドが現れる。一番低周波側で現れるパスバンドについてはその位相速度が点線で示される平行平板導波路の位相速度に比べ小さくなっている。

さらに、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示した単位セル１０７の等価回路図において、伝送線路１０１の線路長を長くすることにより、バンドギャップが低周波側にシフトする。一般に、単位セルサイズを小型化するとバンドギャップ帯域は高周波側にシフトするが、伝送線路１０１の線路長を長くすることにより、バンドギャップの下限周波数を変えずに単位セルサイズを小型化することが可能となる。

また、伝送線路１０１の線路長を長くすることにより、バンドギャップが低周波側にシフトするのに伴い、一番低周波側で現れるパスバンドにおける位相速度も小さくなる。この一番低周波側で現れるパスバンドにおいては、同一周波数である場合、平行平板導波路における電磁波の波数よりも図９に示した構造体１１０における電磁波の波数の方が大きくなるという条件が満たされる。このため、平行平板導波路における電磁波の波長よりも図９に示した構造体１１０における電磁波の波長の方が短くなる。つまり、図９に示した構造体１１０を使用することにより、共振器の小型化が可能になる。

ここで、アドミタンスＹは伝送線路１０１の入力アドミタンスと容量Ｃ_Ｌから決まる。伝送線路１０１の入力アドミタンスは、伝送線路１０１の線路長（すなわち配線１０６の長さ）および伝送線路１０１の実効誘電率により決まる。ある周波数における伝送線路１０１の入力アドミタンスは伝送線路１０１の線路長および実効誘電率により、容量性もしくは誘導性となる。通常、伝送線路１０１の実効誘電率は、導波路を構成する誘電体材料により決まってしまう。これに対して伝送線路１０１の線路長には自由度があり、所望の帯域においてアドミタンスＹが誘導性となるように伝送線路１０１の線路長を設計することが可能にある。この場合、図９に示した構造体１１０が、上記した所望の帯域においてバンドギャップを有するように振舞う。

よって図１１（ａ）又は図１１（ｂ）に示した等価回路で記述される構造を実現するためには、各第１開口１０４内の配線１０６の線路長が等しく、また配線１０６の一端１１９と第１導体パターン１２１との接続部が周期的に配置されており、各単位セル１０７の中において一端１１９の位置が同じであれば良い。

なお、伝送線路１０１の線路長、すなわち配線１０６の長さは、配線１０６の延伸形状を適宜変更することにより調節することができる。例えば図１３に示す例では、配線１０６はミアンダを形成するように延伸している。図１４に示す例では、配線１０６は、第１開口１０４の縁に沿ったループを形成するように延伸している。図１５に示す例では、配線１０６はスパイラルを形成するように延伸している。

また図９、図１０、及び図１３〜図１５に示すように、第１開口１０４内の配線１０６の形状、大きさ、向きが全て同じ単位構造の周期配列であれば設計が容易になる。ただし、図１６の変形例で示すように、複数の配線１０６の少なくとも一つは他とは異なっていてもよい。図１６においては、配線１０６の形状は互いに異なっており、そのうち一つは折れ線形状である。ただし配線１０６の長さは互いに等しい。また各単位セル１０７の中において配線１０６の一端１１９の位置が同じになっているため、一端１１９の位置は周期性を保っている。

また図１７の変形例に示すように、単位セル１０７の配列は一次元配列であっても良い。ただしこの場合においても、各単位セル１０７は同じ向きを向いている。

また、第１開口１０４は正方形である必要はなく、他の多角形であってもよい。例えば第１開口１０４は、図１８に示すように長方形であってもよいし、図１９に示すように正六角形であってもよい。図１９に示す例では、配線１０６は第１開口１０４の角から、第１開口１０４の辺に対し６０°の向きに延伸している。

また図２０に示すように、配線１０６の一端１１９は正方形の第１開口１０４の角に接続していても良い。本図に示す例において、配線１０６は第１開口１０４の角から、第１開口１０４の辺に対して４５°の向きに延伸している。

また図２１に示すように、配線１０６は途中で幅が変わっていてもよい。例えば図２１（ａ）に示す例では、配線１０６のち第１導体パターン１２１に接続している一端１１９が、開放端である他端１２９より幅が太い。また図２１（ｂ）に示す例では、一端１１９が他端１２９より幅が狭い。

また図２２（ａ）に示すように、第１開口１０４内に複数の配線１０６を有していても良い。この場合、同一の第１開口１０４内に位置する配線１０６は、互いに長さが異なっているのが好ましい。また図２２（ｂ）に示すように、第１開口１０４内に配線１０６から分岐している分岐配線１０９を有していても良い。この場合において、配線１０６の一端から分岐配線１０９の開放端までの長さと、配線１０６の長さは互いに異なっているのが好ましい。なお、図２２（ａ），（ｂ）のいずれの場合においても、単位セル１０７は同一の構成を有しており、かつ同一の向きを向いているのが好ましい。

なお上記した各例において、複数の第１開口１０４の形状は互いに異なっていても良い。ただし、配線１０６の一端１１９の位置は周期性を有している必要がある。

以上、本実施形態によれば、ビアを必要とせず、導体２層で構成することができ、かつ単位セル１０７を小型化することができる構造体１１０を提供することができる。

また図２２に示すように、第１開口１０４内に長さが異なる複数の配線１０６を設けたり、分岐配線１０９を設けると、単位セル１０７の等価回路は、長さが異なる複数の伝送経路を並列に有することになる。このため、構造体１１０は、各伝送経路の長さに対応する周波数帯にバンドギャップを有することになるため、複数のバンドギャップを有すること（マルチバンド化）ができる。

（第４の実施形態）
図２３は、第４の実施形態に係る電子部品の断面図である。本実施形態に係る電子部品は回路基板２１３であり、電源プレーンが形成されている電源層１１３、及びグラウンドプレーンが形成されているグラウンド層１２２を備えている。そして電源層１１３及びグラウンド層１２２を用いて、第１〜第３の実施形態のいずれかに示した構造体１１０が構成されている。具体的には、電源層１１３及びグラウンド層１２２の一方に第１導体パターン１２１、複数の第１開口１０４、及び複数の配線１０６、並びに必要に応じて第３導体パターン１０５が形成されている。また電源層１１３及びグラウンド層１２２の他方に第２導体パターン１１１が形成されている。本実施形態において構造体１１０は、ノイズフィルタとして、平面視において回路基板２１３の一部の領域に設けられている。これにより、ノイズが回路基板２１３内を伝播することを抑制できる。以下、詳細に説明する。

図２３に示す例では、回路基板２１３は導体４層により構成されている。そしてノイズフィルタとしての構造体１１０は、回路基板２１３内に形成された内側の２導体層で形成されている。構造体１１０を構成する第２導体パターン１１１の上側及び第１導体パターン１２１の下側に、信号層２０３がそれぞれ形成されている。そして第１導体パターン１２１及び第２導体パターン１１１のうちいずれか一方が電源プレーンに接続され、他方がグラウンドプレーンに接続されている。

図２３に示す例においては、構造体１１０の第２導体パターン１１１が上層側に、第１導体パターン１２１が下層側に形成されているが、第２導体パターン１１１を下層側に、第１導体パターン１２１を上層側に形成しても良い。なお、信号層２０３は、第１導体パターン１２１及び第２導体パターン１１１上に配置しているが、第１導体パターン１２１及び第２導体パターン１１１の一方の導体パターンのみの上に設けられていてもよい。

また、図２４の各図に示すように、回路基板２１３が導体２層により構成されている場合であっても、ノイズフィルタとしての構造体１１０を回路基板２１３に内蔵することも可能である。この場合、電源層又はグラウンド層のいずれか一方（例えば電源層）に信号層２０３が形成される。そして図２４（ａ）及び図２４（ｃ）の断面図に示すように、第２導体パターン１１１もしくは第１導体パターン１２１が信号層２０３に含まれるような構成とすれば良い。

図２４（ａ）において、第２導体パターン１１１が下層側に、第１導体パターン１２１が上層側に形成されている。構造体１１０が図中左右に設けられ、その間に信号配線２０２と第２導体パターン１１１により構成されるマイクロストリップ線路２０４が設けられている。図２４（ａ）の例では、信号配線２０２が第１導体パターン１２１と同一層内に設けられているため、第１導体パターン１２１が信号層２０３に含まれる構成となっている。

図２４（ｂ）において、第２導体パターン１１１が上層側に、第２導体プレーン１２２層が下層側に形成されている。構造体１１０が図中左右に設けられ、その間に信号配線２０２と第１導体パターン１２１により構成されるマイクロストリップ線路２０４が設けられている。このように信号配線２０２を第２導体パターン１１１の層内に設けることにより、第２導体パターン１１１が信号層２０３に含まれるような構成となっている。

更に、マイクロストリップ線路以外の伝送線路構造を用いることも可能である。図２４（ｃ）の例では、構造体１１０が左右に設けられ、その間に信号配線２０２と第２導体パターン１１１により構成されるコプレナ導波路２０５が設けられている。図２４（ｃ）の例では信号配線２０２が第２導体パターン１１１の層内に設けられているため、第２導体パターン１１１が信号層２０３に含まれる構成となっている。

図２５は、構造体１１０を具備する構造体１１０の回路基板２１３上の配置例を示す平面図であり、図２６は図２５の断面図である。回路基板２１３上には、ノイズ源となる半導体パッケージ２１５が第１領域に、ノイズの影響を受けやすい半導体パッケージ２２５が第２領域に、それぞれ実装されており、それぞれの半導体パッケージは、図２６に示すように、電源層の電源プレーン２０４及びグランド層のグラウンドプレーン２０６とビアを介して電気的に接続されている。

図２５（ａ）の例では、回路基板２１３内の電源・グランド層間の全領域に電源ノイズ抑制フィルタとしての構造体１１０が配置されている。上述のように構造体１１０を構成する第１導体パターン１２１及び第２導体パターン１１１のうちいずれか一方が電源層に接続され、他方がグランド層に接続されている。構造体１１０は必ずしも回路基板２１３内の電源・グランド層間の全領域に設ける必要はない。

図２５（ｂ）の例では構造体１１０がノイズ源となる半導体パッケージ２１５側とノイズの影響を受けやすい半導体パッケージ２２５の間に帯状に配置されている。図２５（ｃ）の例では構造体１１０がノイズの影響を受けやすい半導体パッケージ２２５を囲むように配置され、図２５（ｄ）の例では構造体１１０がノイズ源となる半導体パッケージ２１５を囲むように配置されている。

図２５（ｂ）乃至図２５（ｄ）の例はいずれも構造体１１０を境にして、電源−グラウンドプレーンが、ノイズ源となる半導体パッケージ２１５側とノイズの影響を受けやすい半導体パッケージ２２５側とに分離されるようなレイアウトとなっている。

このように、構造体１１０をノイズフィルタとして電源・グランド層間の一部又は全部に配置することにより、ノイズ源となる半導体パッケージ２１５から、回路基板２１３の電源・グランド層間を介して電源ノイズが伝播することを抑制できる。そして、ノイズの影響を受けやすい半導体パッケージ２２５の誤動作の抑制及び回路基板２１３からの不要な電磁放射を抑制することが可能となる。

図２７は図２３に示す回路基板２１３を下側からみたときの平面図を示す。下側の信号層２０３に形成される信号配線２０２は、第１導体パターン１２１内の第１開口１０４を避けて延伸している。このようなレイアウトにすることにより、第１導体パターン１２１が信号配線のリターンパスとして機能するため、信号品質の劣化を防ぐことが可能となる。

ここで、構造体１１０が伝送線路のリターンパスとして機能する効果に関して、図２８を用いて説明する。まず、第１開口１０４がない第２導体パターン１１１は、無条件でリターンパスとして機能する。

一方、第１導体パターン１２１のように第１開口１０４が設けられている場合でもリターンパスとして機能する。但し、図２８（ａ）に示すように、第１導体パターン１２１のうち第１開口１０４の相互間に位置する部分が信号配線よりも幅広で、且つ、信号線が通る箇所にスリットがない条件が必要となる。（図２８（ｂ）の状況ではＮＧ）。第１導体パターン１２１をリターンパスとして機能させるためには、第１導体パターン１２１のうち第１開口１０４の相互間に位置する部分が信号配線の幅ｗに対して４倍程度以上は必要とされている。

開口を有する従来型の誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の場合、第１導体パターン１２１側を伝送線路のリターンパスとして機能させるのは非常に困難であると考えられる。これは、従来型の誘導性グリッド型ＥＢＧ構造の場合、インダクタンス要素を形成する導体パターンとして幅狭で長い導体配線を用いることが想定されるためである。つまり、信号線をレイアウトする際に信号線がスリットをまたいでしまうか（図２８（ｂ）の状況）、もしくは図２８（ｂ）に示すように信号配線に対して対になる導体パターンが幅狭になる可能性が高いからである。

それに対して、本実施形態にかかる構造体１１０の場合には、上述のように第１開口１０４を小さくできるため、リターンパスとしての導体幅を確保することにより、信号配線のリターンパスとして機能するようになる。

（第５の実施形態）
図２９は、第５の実施形態に係る電子部品の断面図である。この電子部品は、インターポーザ４１０を有している。本図に示す例においてインターポーザ４１０は導体４層により構成されている。そしてノイズフィルタとしての構造体１１０が、インターポーザ４１０内に形成された内側の２導体層で形成されている。構造体１１０は、平面視においてインターポーザ４１０の全面に形成されているが、少なくとも半導体チップ４２０が搭載される領域、好ましくはさらにその周囲に設けられていれば良い。構造体１１０を構成する第２導体パターン１１１の下側及び第１導体パターン１２１の上側に信号層２０３がそれぞれ形成されている。そして第１導体パターン１２１及び第２導体パターン１１１のうちいずれか一方が電源プレーン４１１として機能し、他方がグラウンドプレーン４１２として機能する。本図に示す例では、第１導体パターン１２１が電源プレーン４１１として機能し、第２導体パターン１１１がグラウンドプレーン４１２として機能する。

本実施形態において、インターポーザ４１０の一面には半導体チップ４２０が実装（例えばフリップチップ実装）されている。そして半導体チップ４２０は、インターポーザ４１０に設けられたビア４１３，４１４を介して電源プレーン４１１及びグラウンドプレーン４１２に接続している。電源プレーン４１１及びグラウンドプレーン４１２は、インターポーザ４１０に設けられたビア４１５，４１６を介して、インターポーザ４１０の他面に設けられたハンダボール４３０に接続している。平面視において、ビア４１３，４１４とビア４１５，４１６の間には構造体１１０の一部が位置している。このため、半導体チップ４２０がノイズ元となる場合、半導体チップ４２０で発生したノイズは、ビア４１３，４１４とビア４１５，４１６の間に位置している構造体１１０によって遮断される。従って、半導体チップ４２０で発生したノイズが電源ノイズとして半導体パッケージ４００の外部に出ることが抑制される。また半導体チップ４２０が電源ノイズによる影響を受けやすい場合、半導体チップ４２０に外部の電源ノイズが伝播することが抑制される。

（第６の実施形態）
図３０は、第６の実施形態に係るアンテナの断面図である。このアンテナは、アンテナエレメント３１０と、アンテナエレメント３１０に対向して設けられた反射板３２０を備える。反射板３２０は、第１〜第３の実施形態のいずれかに示した構造体１１０から構成されている。

本実施形態において構造体１１０は、ＥＢＧ構造体として使用される。そしてアンテナエレメント３１０が通信を行う周波数が、構造体１１０が有するストップバンド（バンドギャップ）に含まれている。図３０に示したアンテナは逆Ｌアンテナである。そしてアンテナエレメント３１０は、第１導体パターン１２１に対向するように配置されている。

この場合、アンテナエレメント３１０から放射される電磁波が、構造体１１０からなる反射板３２０に対して同相反射する。この条件では、アンテナエレメント３１０を構造体１１０の表面に近接して配置したときにアンテナの放射効率が最も高くなる。よって、アンテナエレメント３１０を構造体１１０の第１導体パターン１２１と対向するように配置することで、逆Ｌ型のアンテナ全体の薄型化が可能となる。

なお、このアンテナは、給電線としての同軸ケーブル３３０が、反射板３２０の裏面側に接続されている。詳細には、構造体１１０の第２導体パターン１１１には開口１１２が設けられており、この開口に同軸ケーブル３３０が取り付けられている。同軸ケーブル３３０の内部導体３３２は、開口１１２内を通って反射板３２０内を延伸し、アンテナエレメント３１０に接続している。また同軸ケーブル３３０の外部導体３３４は、第２導体パターン１１１に接続している。

そして同軸ケーブル３３０を通信処理部３４０に接続することにより、通信装置を構成することができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０１ 伝送線路
１０４ 第１開口
１０５ 第３導体パターン
１０６ 配線
１０７ 単位セル
１０９ 分岐配線
１１０ 構造体
１１１ 第２導体パターン
１１２ 開口
１１３ 電源層
１１４ 第２開口
１１８ 直列共振回路
１１９ 一端
１２１ 第１導体パターン
１２２ グラウンド層
１２９ 他端
２０２ 信号配線
２０３ 信号層
２０４ マイクロストリップ線路
２０５ コプレナ導波路
２０６ グラウンドプレーン
２１３ 回路基板
２１５ 半導体パッケージ
２２５ 半導体パッケージ
３１０ アンテナエレメント
３２０ 反射板
３３０ 同軸ケーブル
３３２ 内部導体
３３４ 外部導体
３４０ 通信処理部
４００ 半導体パッケージ
４１０ インターポーザ
４１１ 電源プレーン
４１２ グラウンドプレーン
４１３ ビア
４１４ ビア
４１５ ビア
４１６ ビア
４２０ 半導体チップ
４３０ ハンダボール
５００ チップインダクタ

Claims (32)

1. 第１導体と、
   前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
   前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
   前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
   を備え、
   前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている構造体。
2. 請求項１に記載の構造体において、
   前記配線の他端は開放端である構造体。
3. 請求項２に記載の構造体において、
   前記複数の配線、前記複数の第１開口、及び前記第１導体は、一体的に形成されている構造体。
4. 請求項２又は３に記載の構造体において、
   前記配線と前記第２導体のうち前記配線に対向する部分が伝送線路を形成している構造体。
5. 請求項４に記載の構造体において、
   前記伝送線路はマイクロストリップ線路である構造体。
6. 請求項２〜５のいずれか一つに記載の構造体において、
   前記複数の配線の長さが互いに等しい構造体。
7. 請求項２〜６のいずれか一つに記載の構造体において、
   前記複数の配線は、前記一端が周期的な配列を有している構造体。
8. 請求項２〜７のいずれか一つに記載の構造体において、
   前記複数の単位セルは、前記第１開口内に位置し、前記配線から分岐している分岐配線を備える構造体。
9. 請求項１に記載の構造体において、
   前記複数の単位セルは、前記第１開口の中に前記第１導体から分離して設けられ、前記配線の他端が接続している島状の第３導体を備える構造体。
10. 請求項９に記載の構造体において、
    前記第１導体、前記複数の第１開口、前記複数の配線、及び前記複数の第３導体は一体的に形成されている構造体。
11. 請求項９又は１０に記載の構造体において、
    前記単位セルは、前記第１開口内に複数の前記第３導体を有しており、かつ、前記複数の第３導体毎に前記配線を有している構造体。
12. 請求項９〜１１のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記第２導体に設けられ、平面視において前記複数の配線と重なっている複数の第２開口を備える構造体。
13. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記配線は直線状又は折れ線形状に延伸している構造体。
14. 請求項１〜１２のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記配線はミアンダ、ループ、又はスパイラルを形成するように延伸している構造体。
15. 第１導体と、
    前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
    前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
    前記複数の第１開口の中に前記第１導体から分離して設けられている複数の島状の第３導体と、
    前記複数の第３導体に設けられ、前記第３導体を前記第１導体に接続するチップインダクタと、
    を備え、
    前記第１開口、前記第３導体、及び前記チップインダクタを有する単位セルが繰り返し配列されている構造体。
16. 請求項１〜１５のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記複数の単位セルが２次元配列を有している構造体。
17. 請求項１〜１６のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記複数の単位セルが１次元配列を有している構造体。
18. 請求項１〜１７のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記複数の単位セルは、互いに同じ構造を有しており、かつ同じ向きを向いている構造体。
19. 請求項１〜１８のいずれか一つに記載の構造体において、
    前記複数の開口は、多角形を有している構造体。
20. アンテナエレメントと、
    前記アンテナエレメントに対向して設けられた反射板と、
    を備え、
    前記反射板は、
    第１導体と、
    前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
    前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
    前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
    を備えた構造体であって、前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている構造体を有しているアンテナ。
21. 請求項２０に記載のアンテナにおいて、
    前記構造体はＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造体として使用され、
    前記アンテナが通信を行う周波数は、前記ＥＢＧ構造体が有するバンドギャップに含まれているアンテナ。
22. 請求項２０又は２１に記載のアンテナにおいて、
    前記アンテナは逆Ｌアンテナであり、
    アンテナエレメントは、前記第１導体に対向するように配置されているアンテナ。
23. 請求項２０〜２２のいずれか一つに記載のアンテナと、
    前記アンテナに接続された通信処理手段と、
    を備える通信装置。
24. 電源が供給される電源層と、
    グラウンドが供給されるグラウンド層と、
    前記電源層及び前記グラウンド層の一方に設けられた第１導体と、
    前記電源層及び前記グラウンド層の他方に設けられ、前記第１導体に少なくとも一部が対向している第２導体と、
    前記第１導体に設けられた複数の第１開口と、
    前記複数の第１開口の中に設けられ、一端が前記第１導体に接続している複数の配線と、
    を備え、
    前記第１開口及び前記配線を含む単位セルが繰り返し配列されている電子部品。
25. 請求項２４に記載の電子部品において、
    前記電源層及び前記グラウンド層とは異なる層に形成された信号線をさらに備える電子部品。
26. 請求項２４に記載の電子部品において、
    前記電源層及び前記グラウンド層の少なくとも一方に形成された信号線をさらに備える電子部品。
27. 請求項２４〜２６のいずれか一つに記載の電子部品において、
    前記電子部品は回路基板である電子部品。
28. 請求項２７に記載の電子部品において、
    第１の半導体パッケージが搭載される第１領域と、
    第２の半導体パッケージが搭載される第２領域と、
    を備え、
    前記第１領域と前記第２領域の間に、前記単位セルが繰り返し配置されている第３領域を有している電子部品。
29. 請求項２８に記載の電子部品において、
    さらに前記第１の半導体パッケージ及び前記第２の半導体パッケージを備えている電子部品。
30. 請求項２４〜２６のいずれか一つに記載の電子部品において、
    前記電子部品はインターポーザである電子部品。
31. 請求項３０に記載の電子部品において、
    一面に半導体チップが搭載される第１領域を有しており、
    少なくとも前記第１領域に、前記単位セルが繰り返し配置されている電子部品。
32. 請求項３１に記載の電子部品において、
    さらに前記第１の半導体チップを備えている電子部品。

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