TW201505249A - Ｅｂｇ構造 - Google Patents

Abstract

本發明之EBG構造包含有：接地基板；積層在該接地基板的第一介電層；積層在該第一介電層，具有外端及內端的第一導體圖案，且該外端與接地基板作電性連接的第一導體圖案；積層在該第一導體圖案的第二介電層；及積層在該第二介電層，具有中心部及外端的第二導體圖案，且該中心部與第一導體圖案的內端作電性連接的第二導體圖案。

Description

EBG構造 發明領域

本發明是關於EBG(Electromagnetic Band Gap，電磁能隙)構造。

發明背景

在完全導體是有完全導電體(PEC：Perfect Electric Conductor)及完全磁導體(PMC：Perfect Magnetic Conductor)。PEC是若反射波的相位反轉，回波損耗(例如若使用作為天線用的接地面時，因無線頻率與接收電路的頻率的不整合，接收功率會降低)較大。PMC雖然不會有因反射所致之相位的變化，損耗小，但是並不存在於自然界。EBG構造是被定義為：「在特定的頻帶中，對全部的入射角及偏波特性，控制電磁波的傳播的人工媒質」，以特定的頻帶如PMC般進行動作。亦即，EBG構造是抑制或阻止特定頻帶的電磁波的傳播，因此被使用作為例如低姿勢天線用的接地面。

EBG構造的代表是當時為UCLA博士課程的學生的Sievenpiper所提出的蘑菇型(專利文獻1)。此是以預定間 隔以二次元排列複數個頂電極(方形狀的金屬貼片)，該等頂電極透過連通柱(短路接腳)而與接地基板相連接的構造。在由頂電極經由連通柱、接地基板及相鄰連通柱至相鄰頂電極為止的路徑形成電感器。在相鄰頂電極的間隔形成電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。亦即，藉由由電感成分L與電容成分C所成之單位晶格相鄰接，形成LC並聯共振電路。由於複數個頂電極作二次元排列，因此LC並聯共振電路亦作二次元排列。LC並聯共振電路的排列構造是在共振頻率具有高阻抗特性，能隙形成為EBG構造。

蘑菇型EBG構造在之後嘗試各種改良。其一是記載在專利文獻2。此是藉由使溫度等外在環境條件改變，連通柱的長度改變，而電感成分L改變的構造。或者，此是接地基板的面積改變，而電容器成分C改變的構造。藉此，可使形成能隙的頻帶改變。

【先前技術文獻】 【專利文獻】

【專利文獻1】日本特表2002-510886號公報

【專利文獻2】日本特開2008-147763號公報

發明概要

但是，並非侷限於該等蘑菇型EBG構造，以往的EBG構造均在GHz位準的頻帶具有能隙特性。尚未存在實現大幅低頻率化(具體而言為MHz位準甚至KHz位準的頻帶) 者。

本發明之EBG構造是用以實現動作頻率大幅低頻率化者，其特徵為具備有：接地基板；積層在該接地基板的介電層；及積層在該介電層，具有一端及另一端的導體圖案，且該一端與接地基板作電性連接的導體圖案。

此外，本發明之EBG構造之特徵為具備有：接地基板；積層在該接地基板的第一介電層；積層在該第一介電層，具有外端及內端的第一導體圖案，且該外端與前述接地基板作電性連接的第一導體圖案；積層在該第一導體圖案的第二介電層；及積層在該第二介電層，具有中心部及外端的第二導體圖案，且該中心部與第一導體圖案的內端作電性連接的第二導體圖案。

在此，以本發明之EBG構造之一態樣而言，可形成為第一導體圖案是形成為漩渦狀。

此外，以本發明之EBG構造之其他態樣而言，可形成為第二導體圖案包含有：由中心部以放射狀延伸的線狀部；及與該線狀部的各個前端呈交叉且構成外端的邊部。

此時，可形成為邊部是被配置成沿著第一導體圖案的外周而且比第一導體圖案更為外側。

此外，以本發明之EBG構造之其他態樣而言，可形成為複數個第一導體圖案被配置成矩陣狀，相鄰第二導體圖案的邊部彼此相對向且複數個第二導體圖案被配置成矩陣狀。

1‧‧‧EBG構造體

2‧‧‧單位晶格

3‧‧‧接地基板

4‧‧‧第一介電層

5‧‧‧第一導體圖案

6‧‧‧第二介電層

7‧‧‧第二導體圖案

50‧‧‧外端

51‧‧‧內端

52‧‧‧縱片部

53‧‧‧橫片部

54‧‧‧導體銷

70‧‧‧中心部

71‧‧‧外端

72‧‧‧線狀部

73‧‧‧邊部

74‧‧‧導體銷

圖1是本發明之一實施形態之EBG構造體的平面圖。

圖2是同EBG構造體之1晶格的平面圖。

圖3是同EBG構造體之1晶格的分解斜視圖。

圖4A是圖2之A-A線剖面圖。

圖4B是圖2之B-B線剖面圖。

圖5A是同EBG構造體之能隙特性圖。

圖5B是設置頂電極時與未設置時之各自能隙特性圖。

圖6是本發明之其他實施形態之EBG構造體的平面圖。

圖7是本發明之另外實施形態之EBG構造體的平面圖。

圖8是本發明之另外其他實施形態之EBG構造體的平面圖。

用以實施發明之形態

本實施形態之EBG構造是用以實現動作頻率的大幅低頻率化者，其特徵為具備有：接地基板；積層在該接地基板的介電層；及積層在該介電層，具有一端及另一端的導體圖案，且該一端與接地基板作電性連接的導體圖案。

藉由該構成，導體圖案的單位晶格至少二個橫向排列配置時，在由導體圖案的另一端經由一端、接地基板及相鄰導體圖案的一端至相鄰導體圖案的另一端為止的路徑形成電感器。此外，此時，在相鄰導體圖案的間隔形成 電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。或者，導體圖案的單位晶格配置一個時，在由導體圖案的另一端經由一端至接地基板為止的路徑形成電感器。此外，此時，在導體圖案的另一端與接地基板的間隔形成電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。

而且，形成電感的路徑是因導體圖案，不僅與接地基板的主面呈正交的成分，亦有與接地基板的主面呈平行的成分。因此，路徑長變得非常長，電感成分L變得極大。藉此，可實現動作頻率大幅低頻率化。

此外，本實施形態之EBG構造之特徵為具備有：接地基板；積層在該接地基板的第一介電層；積層在該第一介電層，具有外端及內端的第一導體圖案，且該外端與前述接地基板作電性連接的第一導體圖案；積層在該第一導體圖案的第二介電層；及積層在該第二介電層，具有中心部及外端的第二導體圖案，且該中心部與第一導體圖案的內端作電性連接的第二導體圖案。

藉由該構成，第一及第二導體圖案的單位晶格至少二個橫向排列配置時，在由第二導體圖案的外端經由中心部、由第一導體圖案的內端經由外端、接地基板及相鄰第一導體圖案的外端，至相鄰第二導體圖案的外端為止的路徑形成電感器。此外，此時，在相鄰第二導體圖案的外端彼此的間隔形成電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。或者，第一及第二導體圖案的單位晶格配置一個時，在由第二導體圖案的外端經由中心部、由第一導體 圖案的內端經由外端至接地基板為止的路徑形成電感器。此外，此時，在第二導體圖案的外端與接地基板的間隔形成電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。

而且，形成電感的路徑是因第一導體圖案，不僅與接地基板的主面呈正交的成分，亦有與接地基板的主面呈平行的成分。因此，路徑長變得非常長，電感成分L變得極大。藉此，可實現動作頻率大幅低頻率化。

在此，以本實施形態之EBG構造之一態樣而言，可形成為第一導體圖案是形成為漩渦狀。

藉由該構成，可在有限的單位晶格的空間有效地使電感成分L增大。

此外，以本實施形態之EBG構造之其他態樣而言，可形成為第二導體圖案包含有：由中心部以放射狀延伸的線狀部；及與該線狀部的各個前端呈交叉且構成外端的邊部。

藉由該構成，第一及第二導體圖案的單位晶格至少二個橫向排列配置時，且相鄰第二導體圖案的邊部彼此相對向，單位晶格被配置成矩陣狀時，在第二導體圖案之中，形成電容器的外端是藉由邊部而形成為寬幅寬。因此，電容器成分C亦變大。此外，在第二導體圖案之中，區域與第一導體圖案相重疊的部分是形成為寬幅窄的線狀部。因此，可防止形成第一導體圖案的場地的大小因第二導體圖案而變弱。藉由該等，可實現動作頻率的更進一步低頻率化。

此時，可形成為邊部是被配置成沿著第一導體圖案的外周而且比第一導體圖案更為外側。

藉由該構成，邊部對第一導體圖案所形成的場地的影響會消失、或變少，因此可實現動作頻率的更進一步低頻率化。

此外，以本實施形態之EBG構造之其他態樣而言，可形成為複數個第一導體圖案被配置成矩陣狀，相鄰第二導體圖案的前述邊部彼此相對向且複數個第二導體圖案被配置成矩陣狀。

藉由該構成，可達成第一及第二導體圖案的單位晶格至少二個橫向排列配置時之上述各種作用效果。

如以上所示，藉由本實施形態，在路徑上設置導體圖案，路徑長變得非常長，藉此可使電感成分L大幅增大。藉此，可將動作頻率大幅低頻率化。

以下一面參考圖示，一面說明本發明之EBG構造之一實施形態。圖1是EBG構造體1的平面圖。EBG構造1是被配置成圖2所示之單位晶格2為3行×3列之矩陣狀者。其中，所謂3行×3列僅為例示。單位晶格2的數量包含僅有一個時，在所需範圍內，在構成EBG構造體方面作適當選擇，自不待言。

EBG構造體1的單位晶格2如圖2及圖3所示，是接地基板3；積層在該接地基板3的第一介電層4；積層在該第一介電層4，具有外端50及內端51的第一導體圖案5，且該外端50與接地基板3作電性連接的第一導體圖案5；積層在 該第一導體圖案5的第二介電層6；及積層在該第二介電層6，具有中心部70及外端71的第二導體圖案7，且該中心部70與第一導體圖案5的內端51作電性連接的第二導體圖案7的積層構造。

接地基板3是金屬板等導體。接地基板3是與其他單位晶格2的接地基板3作電性連接。較佳為接地基板3是與其他單位晶格2的接地基板3成一體。在本實施形態中，接地基板3是形成為EBG構造體1的大小的金屬板。

第一介電層4是樹脂板等絕緣體，以覆蓋接地基板3的主面的方式作積層。第一介電層4是與其他單位晶格2的第一介電層4成一體。在本實施形態中，第一介電層4是形成為EBG構造體1的大小的樹脂板，亦即形成為與接地基板3相同大小的樹脂板。

第一導體圖案5是由外端50至內端51為長形的金屬帶片等導體。第一導體圖案5是形成為漩渦狀，更詳言之形成為縱片部52與橫片部53交替連續的角形漩渦狀。第一導體圖案5的外端50是如圖2及圖4A所示，與該外端50相連接的導體銷54貫穿第一介電層4而與接地基板3相連接，藉此與接地基板3作電性連接。更詳言之，第一導體圖案5的外端50是導體銷54的一端部被嵌入在形成在第一導體圖案5的外端50的孔，並且導體銷54的另一端部被嵌入在形成在接地基板3的孔，藉此與接地基板3作電性連接。

第二介電層6是如圖2及圖3所示，為樹脂板等絕緣體，以覆蓋第一導體圖案5的方式進行積層。第二介電層 6是與其他單位晶格2的第二介電層6成一體。在本實施形態中，第二介電層6是形成為EBG構造體1的大小的樹脂板，亦即形成為與接地基板3或第一介電層4為相同大小的樹脂板。

第二導體圖案7是由中心部70至外端71呈長形的金屬帶片等導體。第二導體圖案7是形成為放射狀，更詳言之，形成為由中心部70，四個線狀部72以等角度(90度間隔)延伸的十字狀。在各線狀部72的各自前端是形成有與該線狀部72相交叉且構成第二導體圖案7的外端71的邊部73。邊部73是在其中點與線狀部72的前端相交叉。在本實施形態中，邊部73與線狀部72是呈正交。

第二導體圖案7的中心部70是如圖2及圖4B所示，與該中心部70相連接的導體銷74貫穿第二介電層6而與第一導體圖案5的內端51相連接，藉此與第一導體圖案5作電性連接。更詳言之，第二導體圖案7的中心部70是導體銷74的一端部被嵌入在形成在第二導體圖案7的中心部70的孔，並且導體銷74的另一端部被嵌入在形成在第一導體圖案5的內端51的孔，藉此與第一導體圖案7的內端51作電性連接。

此時，第二導體圖案7的各邊部73是沿著第一導體圖案5的外周作配置。更詳言之，沿著第一導體圖案5的最外周的一對縱片部52及最外周的一對橫片部53的各個，配置有第二導體圖案7的邊部73。各邊部73是與最外周的縱片部52及最外周的橫片部53的各個並不相重疊，配置在比 該等更為外側。各邊部73的長度是比最外周的縱片部52及最外周的橫片部53的各個形成為更短。

由以上構成所成之單位晶格2是在平面視下具有正方形狀，9個單位晶格3配置成3行×3列的矩陣狀，藉此構成EBG構造體1。接著，在由第二導體圖案7的邊部73、線狀部72、中心部70、導體銷74、第一導體圖案5的內端51經由外端50、導體銷54、接地基板3及相鄰導體銷54至與相鄰第二導體圖案7所對應的邊部73為止的路徑形成電感器。在相鄰第二導體圖案7的邊部73彼此的間隔形成電容器。該電感器及電容器構成LC並聯共振電路。亦即，藉由由電感成分L與電容成分C所成之單位晶格相鄰接，形成有LC並聯共振電路。由於複數個第二導體圖案7作二次元排列，因此LC並聯共振電路亦作二次元排列。LC並聯共振電路的排列構造是在共振頻率具有高阻抗特性，在EBG構造體1形成有能隙。

而且，形成電感的路徑是藉由第一導體圖案5，不僅與接地基板3的主面呈正交的成分，還具有與接地基板3的主面呈平行的成分。因此，本實施形態之EBG構造體1與習知之蘑菇型EBG構造體相比，路徑長變得非常長，電感成分L變得極大。此外，在第二導體圖案7之中，形成電容器的外端71是(藉由邊部73)形成為寬幅寬。因此，電容器成分C亦變大。此外，在第二導體圖案7之中，區域與第一導體圖案5相重疊的部分是形成為寬幅窄的線狀部72。因此，可防止第一導體圖案5所形成的場地的大小因第二導體 圖案7而變弱的情形。藉由該等，根據本實施形態之EBG構造體1，可實現動作頻率大幅低頻率化。

【實施例】

進行用以確認本實施形態之EBG構造體1的效果的驗證。單位晶格2的大小是設為30mm×30mm。使用1×1晶格、3×3晶格、及5×5晶格的三個EBG構造體1。接著，在各個配置直徑28mm的迴圈天線，且測定增益。

1×1晶格的EBG構造體1的製作方法是如下所示。準備二個在厚度0.8mm的樹脂基板的雙面積層厚度18μm的銅膜的30mm×30mm的積層材料。對一方積層材料的另一方銅膜，適用蝕刻或切削加工等周知方法，形成第一導體圖案5。此外，之後或在形成第一導體圖案5之前，打入導體銷54。接著，另一方積層材料的一方銅膜被去除，該露出的樹脂基板的面覆蓋一方積層材料的另一方銅膜(第一導體圖案5)，另一方積層材料被積層在一方積層材料之上。接著，打入導體銷74。此外，之後或與另一方積層材料的一方銅膜去除的同時或在此之前，對另一方積層材料的另一方銅膜，適用蝕刻或切削加工等周知方法。藉此，形成第二導體圖案7。亦即，在一方積層材料之中，一方銅膜成為接地基板3，樹脂基板成為第一介電層4，經加工的另一方銅膜成為第一導體圖案5。在另一方積層材料之中，樹脂基板成為第二介電層6、經加工的另一方銅膜成為第二導體圖案7。

關於3×3晶格，是使用90mm×90mm的積層材料。 對一方積層材料的另一方銅膜，以形成9個第一導體圖案5的方式施行加工。與此同時，對另一方積層材料的另一方銅膜，以形成9個第二導體圖案7的方式施行加工。該等以外，是與1×1晶格為相同的製作方法。

關於5×5晶格，是使用150mm×150mm的積層材料。對一方積層材料的另一方銅膜，以形成25個第一導體圖案5的方式施行加工。與此同時，對另一方積層材料的另一方銅膜，以形成25個第二導體圖案7的方式施行加工。該等以外，是與1×1晶格為相同的製作方法。

圖5A是表示1×1晶格、3×3晶格、及5×5晶格之三個EBG構造體1的各自共振頻率(動作頻率)的圖表。橫軸為「頻率[MHz]」、縱軸為「S11Magnitude[dB]」。可理解任一者均在91MHz近傍發現動作頻率，在MHz位準的頻帶具有能隙特性。此是如上所述，因藉由第一導體圖案5所致之電感成分L、及藉由第二導體圖案7的邊部73所致之電容器成分C而起者。

本實施形態之EBG構造是如以上所示，惟本發明並非限定於上述實施形態，在本發明所意圖之範圍內，可作適當設計變更。此外，本發明之作用效果亦並非限定於上述實施形態。

亦即，本次所揭示之實施形態應理解所有內容均為例示而非為具限制性者。本發明之範圍是藉由申請專利範圍來顯示，而非為上述說明。此外，本發明之範圍中是意圖包含在與申請專利範圍為均等涵義及範圍內的所有變更。

例如，在上述實施形態中，是在單位晶格2設置第一導體圖案5及第二導體圖案7，惟並非限定於此。由圖5B的圖表(橫軸為「頻率[MHz]」、縱軸為「S21 Magnitude[dB]」)可知，可確認出即使沒有第二導體圖案7，在MHz位準的頻帶具有能隙特性，因此本發明亦包含有不具第二導體圖案7的EBG構造。但是，由圖5B的圖表可知，具有第二導體圖案7者更加改善增益，因此以具有第二導體圖案7為佳。

此外，本發明之EBG構造並非限定於上述實施形態。例如亦可如圖6所示，第二導體圖案7的邊部73變得更長，電容器成分C變得更大。如圖7所示，亦可為第一導體圖案7為圓形漩渦狀者。如圖8所示，亦可為四角形以外的多角形(三角形、五角形、六角形、八角形等，圖8為六角形)。其中，若為多角形，第二導體圖案7的線狀部72及邊部73是成為與其角數相對應者。

此外，在上述實施形態中，是在相鄰第二導體圖案7的邊部的間隔形成電容器，惟並非限定於此。亦可在路徑上設置電容器。

此外，為了獲得更大的電感成分L，亦可隔著介電層而積層複數個第一導體圖案5。此時，以不會互相消除磁界的方式，漩渦的漩捲方向是在積層方向相鄰的第一導體圖案形成為相反。例如，若第一導體圖案5(透過介電層)積層三層時，接地基板3側的第一導體圖案5、及第二導體圖案7側的第一導體圖案5是成為相同漩捲方向，其間的第一導體圖案5是成為相反的漩捲方向。接著，在積層方向相 鄰第一導體圖案的外端50彼此或內端51彼此(透過導體銷)作電性連接。

相鄰第二導體圖案7的邊部73是形成為凸部具有間隔而在寬幅方向形成複數，凸部被配置與對方的邊部的凹部相對向或被配置在凹部內之所謂叉指式(interdigital)構造，藉此可使電容器成分C更加增加。

【產業上可利用性】

本發明是可適用於在MHz位準或KHz位準的頻帶被要求能隙特性之例如無線功率傳送天線用的接地面。

2‧‧‧單位晶格

3‧‧‧接地基板

4‧‧‧第一介電層

5‧‧‧第一導體圖案

6‧‧‧第二介電層

7‧‧‧第二導體圖案

50‧‧‧外端

51‧‧‧內端

52‧‧‧縱片部

53‧‧‧橫片部

70‧‧‧中心部

71‧‧‧外端

72‧‧‧線狀部

73‧‧‧邊部

Claims (7)

1. 一種EBG構造，包含有：接地基板；積層在該接地基板的介電層；及積層在該介電層，具有一端及另一端的導體圖案，且該一端與前述接地基板作電性連接的導體圖案。
2. 一種EBG構造，包含有：接地基板；積層在該接地基板的第一介電層；積層在該第一介電層，具有外端及內端的第一導體圖案，且該外端與前述接地基板作電性連接的第一導體圖案；積層在該第一導體圖案的第二介電層；及積層在該第二介電層，具有中心部及外端的第二導體圖案，且該中心部與前述第一導體圖案的前述內端作電性連接的第二導體圖案。
3. 如請求項2之EBG構造，其中，前述第一導體圖案是形成為漩渦狀。
4. 如請求項2或3之EBG構造，其中，前述第二導體圖案包含有：由前述中心部以放射狀延伸的線狀部；及與該線狀部的各個前端交叉且構成前述外端的邊部。
5. 如請求項4之EBG構造，其中，前述邊部是被配置成沿著前述第一導體圖案的外周而且比前述第一導體圖案 更為外側。
6. 如請求項4之EBG構造，其中，複數個第一導體圖案被配置成矩陣狀，相鄰第二導體圖案的前述邊部彼此相對向且複數個第二導體圖案被配置成矩陣狀。
7. 如請求項5之EBG構造，其中，複數個第一導體圖案被配置成矩陣狀，相鄰第二導體圖案的前述邊部彼此相對向且複數個第二導體圖案被配置成矩陣狀。