JP5660168B2 - 導波路構造、プリント配線板、及びそれを用いた電子装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロ波、ミリ波の導波路構造、及びそれを備えるプリント配線板、アンテナ及びプリント基板並びにそれを用いた電子装置に関し、特に電磁波伝播を抑制するエレクトロマグネティックバンドギャップ（ＥＢＧ）構造、及びそれを備えるプリント配線板、アンテナ、アレイアンテナ及びプリント基板並びにそれを用いた電子装置に関する。

近年、導体パッチ等を周期的に配列させることで、電磁波の周波数分散を人工的に制御する方法が提案されている。このような構造のうち、周波数分散にバンドギャップを有するように構成された構造は、ＥＢＧ構造と呼ばれ、プリント基板やデバイスパッケージ基板における不要ノイズの伝播を抑制するフィルタとしての応用が期待されている。

従来、平行平板間を伝播するノイズの抑制を目的としたＥＢＧ構造として、例えば特許文献１に記載されている構造が知られている。このＥＢＧ構造は、平行平板間の第３層に設けられ、平行平板の一方の導体プレーンとの間でキャパシタンスを持つように構成された導体パッチと、前記導体パッチと平行平板の他方の導体プレーンとを接続する導体ビアと、からなるシャント部（あるいはアドミタンス部などと呼んでもよい。）を有し、このシャント部が平行平板に沿って１次元又は２次元に周期的に配置されている。このＥＢＧ構造によれば、シャント部がインダクタンス性となる周波数帯にバンドギャップが出現するため、シャント部のＬＣ直列共振周波数を制御することによってバンドギャップ帯域を設計することができる。
しかしながら、上記したＥＢＧ構造では十分なキャパシタンスやインダクタンスを確保するため、導体パッチの面積を大きくしたり、導体ビアを長くしたりする必要があり、小型化が困難という課題があった。

そこで、従来、例えば特許文献２に記載されているように、チップキャパシタを表面実装して、導体プレーンと導体パッチの間に並列に接続する構造が提案されている。この構造によれば、導体パッチの面積を大きくすることなくキャパシタンスを増加させている。

米国特許出願公開第２００５／０１９５０５１Ａ１号明細書 米国特許出願公開第２００５／０２０５２９２Ａ１号明細書

しかしながら、上記した特許文献２のようにチップキャパシタを使用する場合、部品点
数が増えるため、製造コストが増加する問題点がある。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、小型化可能なＥＢＧ構造（導波路構造）を、チップ部品を用いることなく低コストに実現し提供すること、およびそれを用いたプリント基板やパッケージ基板（プリント配線板）やアンテナ及びそれを用いた電子装置を提供することを目的とする。

本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、少なくとも、互いの一部が対向するように配設された第１、第２の導体プレーンと単位構造とを備えている。単位構造は、前記第１の導体プレーン及び前記第２の導体プレーンと異なる層で、前記第２の導体プレーンと対向する平面に配設され、該第２の導体プレーンをリターンパスとし、一端がオープン端となっている複数の伝送線路と、該複数の伝送線路の他端と前記第１の導体プレーンとを電気的に接続する導体ビアと、を有する。この単位構造は、複数配列されている。

このように、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、従来キャパシタンス成分とインダクタンス成分で構成されていたシャント部に、オープンスタブ（オープン端）を有する点が特徴的である。オープンスタブはスタブ長に依存するインピーダンス変換効果によって、特定周波数帯でインダクタンス性となるため、スタブ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。バンドギャップの低周波化にはスタブ長を長くする必要があるが、必ずしも面積を必要としないため、従来技術に比べて実装面積を大幅に削減することができる。また本発明のＥＢＧ構造では、チップ部品を使用しないため、製造工程・コストを低減することが可能となる。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路が、前記第２の導体プレーンに対して、前記第１の導体プレーンの反対側に設けられ、前記第２の導体プレーンの前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられていることで、前記第２の導体プレーンと前記導体ビアとが電気的に切り離されていることが好ましい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路が誘電体層によって覆われていることが好ましい。

また、本発明に係る導波路構造は、前記伝送線路が、前記第１の導体プレーンと前記第２の導体プレーンとで挟まれた領域の内側に設けられていることが好ましい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、単位構造が、前記第１の導体プレーンと前記２の導体プレーンとの間で、前記第２の導体プレーンと対向する平面に配設された第１の伝送線路と、前記第２の導体プレーンに対して前記第１の導体プレーンの反対側で前記第２の導体プレーンと対向する平面に設けられ、一端がオープン端となっている第２の伝送線路と、前記第１の伝送線路の一端と前記第１の導体プレーンとを電気的に接続する第１の導体ビアと、前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の他端とを電気的に接続する第２の導体ビアと、を有しており、この単位構造が１次元又は２次元に周期的に配列されており、前記第２の導体プレーンの前記第２の導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられていることで、前記第２の導体プレーンと前記第２の導体ビアとが電気的に切り離されている構成であってもよい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、単位構造が、前記第１の導体プレーン及び前記第２の導体プレーンと異なる層で、前記第１の導体プレーンと対向する平面に配設され、一端がオープン端となっている第１の伝送線路と、前記第１の導体プレーン及び前記第２の導体プレーンと異なる層で、前記第２の導体プレーンと対向する平面に配設され、該第２の導体プレーンをリターンパスとし、一端がオープン端となっている第２の伝送線路と、前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の他端とを電気的に接続する導体ビアと、を有しており、この単位構造が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。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記第１の伝送線路及び前記第２の伝送線路のうちの少なくとも一方が、前記第１の導体プレーンと前記第２の導体プレーンとで挟まれた領域の外側に配設され、前記第１の導体プレーン及び前記第２の導体プレーンのうちの少なくとも一方の前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられていることで、前記第１の導体プレーンと前記導体ビア、及び前記第２の導体プレーンと前記導体ビアとが電気的に切り離されていることが好ましい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、単位構造が、前記第１の導体プレーンと前記２の導体プレーンとの間で前記第２の導体プレーンと対向する平面に配設された第１の伝送線路と、前記第２の導体プレーンに対して前記第１の導体プレーンの反対側で前記第２の導体プレーンと対向する平面に設けられ、一端がオープン端となっている第２の伝送線路と、前記第１の導体プレーンと前記第１の伝送線路との間で前記第１の導体プレーンと対向する平面に配設された第３の伝送線路と、前記第１の導体プレーンに対して前記第２の導体プレーンの反対側で前記第１の導体プレーンと対向する平面に設けられ、一端がオープン端となっている第４の伝送線路と、前記第１の伝送線路の一端と前記第３の伝送線路の一端とを電気的に接続する第１の導体ビアと、前記第１の伝送線路の他端と前記第２の伝送線路の他端とを電気的に接続する第２の導体ビアと、前記第３の伝送線路の他端と前記第４の伝送線路の他端とを電気的に接続する第３の導体ビアと、を有しており、この単位構造が１次元又は２次元に周期的に配列されており、前記第１の導体プレーンの前記第３の導体ビアに対応する位置にクリアランスが設けられるとともに、前記第２の導体プレーンの前記第２の導体ビアに対応する位置にクリアランスが設けられることで、前記第１の導体プレーンと前記第３の導体ビアとが電気的に切り離されているとともに、前記第２の導体プレーンと前記第２の導体ビアとが電気的に切り離されている構成であってもよい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路のうち少なくとも１つが直線形状であり、隣接する前記導体ビアを結ぶ線分と前記伝送線路とが一定の角度を持って配設されることが好ましい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路のうち少なくとも１つがスパイラル形状であってもよい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路のうち少なくとも１つがミアンダ形状であってもよい。

また、本発明に係る導波路構造又はプリント基板は、前記伝送線路に、互いに長さが異なる複数の伝送線路又は伝送線路の分岐線が含まれていてもよい。

また、本発明に係るプリント配線板は、上記した何れかの構成の導波路構造を備えることを特徴としている。
なお、本発明におけるプリント配線板は、電子部品が実装されていない状態のプリント基板、及び電子部品が実装された状態のパッケージ基板の双方を含む概念とする。

また、本発明に係るプリント配線板は、前記オープン端の伝送線路長が異なる複数の導波路構造が備えられ、該複数の導波路構造のバンドギャップ帯にずれが生じていることが好ましい。

また、本発明に係るアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体パッチの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記伝送線路が、前記導体プレーンと前記導体パッチで挟まれた平面に設けられたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記伝送線路が、前記導体パッチに対して、前記導体プレーンと反対側の平面に設けられ、前記導体パッチの、前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられており、前記導体パッチと前記導体ビアが電気的に接触しないように構成されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体プレーンの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体パッチを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記伝送線路が、前記導体プレーンと前記導体パッチで挟まれた平面に設けられたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記伝送線路が、前記導体プレーンに対して、前記導体パッチと反対側の平面に設けられ、前記導体プレーンの、前記導体ビアに対応した位置にクリアランスが設けられており、前記導体プレーンと前記導体ビアが電気的に接触しないように構成されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、１次元または２次元に周期的に配列されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記導体パッチが前記導体プレーンよりも小さく、前記導体パッチの全体が前記導体プレーンと重なるように配置されたことを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記伝送線路に、互いに長さが異なる複数の伝送線路又は伝送線路の分岐線が含まれていることを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記給電部が、一端が前記導体パッチに接続され、他端が前記導体プレーンに設けられた給電部クリアランスを抜けて前記導体プレーン裏面側の信号入力手段に接続された給電ビアで構成されることを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記給電部が、前記導体パッチと同一平面に設けられ、前記導体パッチの外縁部に接続するマイクロストリップラインで構成されることを特徴とする。

また、本発明に係るアンテナは、前記給電部が、前記導体プレーンに設けられたコプレナーラインと、前記コプレナーラインの端部と前記導体パッチを接続する給電ビアで構成されることを特徴とする。

また、本発明に係るアレイアンテナは、上記本発明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ことを特徴とする。

また、本発明に係るプリント基板は、導体プレーンと、前記導体プレーンよりも小さく、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体パッチの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。

また、本発明に係るプリント基板は、導体プレーンと、前記導体プレーンよりも小さく、前記導体プレーンと平行に配置された、少なくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体プレーンの上部または下部の平面に配置され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体パッチを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。

また、本発明に係るプリント基板は、前記導体パッチが前記導体プレーンよりも小さく、前記導体パッチの全体が前記導体プレーンと重なるように配置されたことを特徴とする。

また、本発明に係る電子装置は、上記の本発明が特徴とする構造を少なくともひとつ備えることを特徴とする。

本発明によれば、小型化が可能であり、さらに製造コストを低減することが可能である導波路構造、およびそれを用いたプリント配線板、及びそれを用いた電子装置を提供することができる。

本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の平面図である。 本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態を説明するための等価回路図である。 本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態を説明するためのプロット図である。 本発明に係る導波路構造の第1の実施の形態を説明するための計算結果の図である。 本発明に係る導波路構造の第１の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第１の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の平面図である。 本発明に係る導波路構造の第１の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の平面図である。 本発明に係る導波路構造の第２の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第２の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第３の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第３の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第４の実施の形態を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第４の実施の形態を説明するための等価回路図である。 本発明に係る導波路構造の第４の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第４の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第５の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第５の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の平面図である。 本発明に係る導波路構造の第５の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係る導波路構造の第５の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の平面図である。 本発明に係るプリント配線板の第１の実施の形態を説明するためのプリント基板の平面図である。 本発明に係るプリント配線板の第１の実施の形態を説明するためのプリント基板の断面図である。 本発明に係るプリント配線板の第１の実施の形態の変形例を説明するためのプリント基板の平面図である。 本発明に係るプリント配線板の第１の実施の形態を説明するためのプリント基板の平面図である。 本発明に係るプリント配線板の第２の実施の形態の変形例を説明するためのプリント基板の平面図である。 本発明に係るプリント配線板の第２の実施の形態の変形例を説明するためのプリント基板の平面図である。 本発明に係る導波路構造の第１の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の部分平面図である。 本発明に係る導波路構造の第２の実施の形態の変形例を説明するためのＥＢＧ構造の断面図である。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の斜視図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の他の平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のさらに他の平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の図３０〜図３２の線分Ａ−Ａ′における断面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の図３０〜図３２の線分Ｂ−Ｂ′における断面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のメタマテリアル構造の等価回路図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のメタマテリアル構造の分散関係を示す図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のＳパラメータの電磁界解析結果を示す図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の放射指向性の電磁界解析結果を示す図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の放射指向性の電磁界解析結果を示す他の図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の別の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のさらに別の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態のさらに別の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の伝送線路１００６を直線形状とした場合の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の伝送線路１００６を枝分かれさせた場合の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の導体パッチ１００４を長方形とした場合の構成例を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の貫通ビアを採用した場合の図３０〜図３２の線分Ａ−Ａ′における断面図。 本発明に係るアンテナの第２の実施の形態の平面図。 本発明に係るアンテナの第２の実施の形態の他の平面図。 本発明に係るアンテナの第２の実施の形態の他の平面図。 本発明に係るアンテナの第２の実施の形態の断面図。 本発明に係るアンテナの第２の実施の形態の給電ビア１００７を含む平面における断面図。 本発明に係るアンテナの第３の実施の形態の断面図。 本発明に係るアンテナの第４の実施の形態の断面図。 本発明に係るアンテナの第５の実施の形態の断面図。 本発明に係るアンテナの第６の実施の形態の構成例を表す斜視図。 本発明に係るアンテナの第６の実施の形態の別の構成例を表す斜視図。 本発明に係るアンテナの第７の実施の形態の給電部構造を表す平面図。 本発明に係るアンテナの第８の実施の形態の構成の平面図。

以下、本発明に係る導波路構造およびプリント配線板の実施の形態について、図面に基いて説明する。
なお、下記の実施の形態では、基板厚さ方向（図１における縦方向）を「厚さ方向」とする。

［第１の実施の形態］
まず、本発明に係る導波路構造の第１の実施の形態の構成について、図１、図２に基いて説明する。
図１は本実施の形態のＥＢＧ構造の断面図を示す。図２は本実施の形態の平面図である。図１は図２に示すＡ−Ａ´間の断面図である。

本実施の形態のＥＢＧ構造（導波路構造）は、平行平板型導波路構造であり、図１に示すように、厚さ方向に間隔をあけて平行に配設された第１、第２の導体プレーン１，２と、後述する単位構造３と、を備えている。単位構造３は、第１の導体プレーン１及び第２の導体プレーン２と異なる層に配設された伝送線路４と、その伝送線路４の他端と第１の導体プレーン１とを電気的に接続する導体ビア５と、を有している。

詳しく説明すると、ＥＢＧ構造には、第１の誘電体層６と、第１の誘電体層６の厚さ方向の一方側（上側）に積層された第２の誘電体層７と、が備えられており、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）に第１の導体プレーン１が配設されており、第１の誘電体層６と第２の誘電体層７との間に第２の導体プレーン２が配設されている。また、導体ビア５は、厚さ方向に延設されており、第２の導体プレーン２の一方側（上面）から第１の導体プレーン１の他方側（下面）にかけて延設されている。また、第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）に伝送線路４が配設されている。つまり、伝送線路４は、第２の導体プレーン２に対して第１の導体プレーン１の厚さ方向の反対側に配設されている。

伝送線路４は、第２の導体プレーン２と対向する平面に配設されて、第２の導体プレーン２をリターンパスとする伝送線路であり、一端（図１における右側の端部）がオープン端となっており、伝送線路４がオープンスタブとして機能するように構成されている。伝送線路４の他端（図１における左側の端部）には、同一平面上に形成されたパッド８が電気的に接続されており、このパッド８と第１の導体プレーン１とは、厚さ方向に延設された導体ビア５を介して電気的に接続されている。第２の導体プレーン２には、導体ビア５に対応する位置にクリアランス９が設けられており、このクリアランス９によって導体ビア５と第２の導体プレーン２とが電気的に切り離されて電気的に接触していない状態となっている。

上記したＥＢＧ構造では、前記した伝送線路４、パッド８及び導体ビア５がシャント部として機能し、このシャント部と前記したクリアランス９を有する単位構造を、独立なベクトルＡ＝（Ａ１， Ａ２)、およびＢ＝（Ｂ１，Ｂ２）、で定義される、ｘｙ平面上の格子点に少なくともひとつ以上を周期的に配置させた構造をとる。本実施の形態では、最も基本的な格子点として、図２に示すＡ＝（ａ，０)、Ｂ＝（０，ａ）の正方格子の場合を例に説明する。本実施の形態では、伝送線路４がＡ＝（ａ，０)、Ｂ＝（０，ａ）と一定の角度をなしており、周囲のクリアランス９等と干渉することなく、伝送線路の長さｄを長くとることが可能である。なお厳密には、図２の点線Ａ−Ａ´で定義される断面内には伝送線路４が含まれないが、Ａ−Ａ´間における断面図、図１では説明の便宜から伝送線路４を点線で図示した。また、図２は説明の便宜から第２の誘電体層７を透視して、第２の導体プレーン２を図示した。

次に上記したＥＢＧ構造の基本的な動作原理を説明する。
図３は、図２におけるｘ軸またはｙ軸に沿った方向の等価回路である。図４は、並列シャント部のアドミタンスの虚部をプロットしたものである。図５は、本実施の形態における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。

図３に示すように、本実施の形態の等価回路繰り返し単位１０は、直列インピーダンス部１１と並列シャント部１２とで構成される。直列インピーダンス部１１は、前記第１、第２の導体プレーン１，２がつくるインダクタンス１３からなる。並列シャント部１２は、前記第１、第２の導体プレーン１，２がつくるキャパシタンス１４と、前記導体ビア５のつくるインダクタンス１５と、伝送線路４とからなる。この等価回路繰り返し単位１０が周期的に少なくとも１つ以上接続されることにより、本実施の形態のＥＢＧ構造の等価回路が形成される。

本実施の形態のＥＢＧ構造では、前記並列シャント部１２がインダクタンス性を示す周波数帯にバンドギャップが生じる。並列シャント部１２のアドミタンスは次式（１）で表される。

パッド側から見た伝送線路４の入力インピーダンスは、次式（２）で表される。

図４には、前記式（１）および式（２）から計算されるアドミタンスの虚部の周波数依存性１６が示されている。計算にあたり使用したパラメータは、キャパシタンス１４が0.73pF、インダクタンス１５が0.22nH、伝送線路４の特性インピーダンスが20.25Ω、伝送線路４の線路長dが7.5ｍｍ、伝送線路４の実効比誘電率が 3.47である。伝送線路４はオープン端のため、伝送線路４の終端抵抗は無限大とした。アドミタンスは伝送線路４におけるインピーダンス変換効果により、キャパシタンス性（ Im(Y) > 0 ）とインダクタンス性( Im(Y) < 0 )が周期的に入れ替わる。図４の周波数帯域１７がIm(Y) が負になり、インダクタンス性を示す周波数帯である。したがって、この周波数帯域１７でバンドギャップが生じることが予想される。

本実施の形態のＥＢＧ構造では前記の等価回路繰り返し単位１０に対応した物理構造を、一定の格子間隔aで定義されるｘｙ平面の格子点上に周期的に配置させる。このため厳密には、図３の等価回路繰り返し単位１０に対して周期境界条件を課すことで、構造の周期性を考慮したバンドギャップ帯域を計算する必要がある。図５は、格子間隔をａ＝3ｍｍとしたとき、本実施の形態のＥＢＧ構造中を距離7×aだけ伝播する電磁波の挿入損失（S21）を計算した結果である。図５に示す点線１８は、等価回路繰り返し単位１０に周期境界条件を課して計算した結果を表す。回路パラメータは図４の計算と同一である。図５に示す実線１９は、３次元電磁界解析による数値計算の結果を表す。電磁界解析モデルの構造寸法は、第１の誘電体層６の厚さt＝400μｍ、第２の誘電体層７の厚さh＝60μｍ、導体ビア５の幅ｂ＝300μｍ、伝送線路４の線路長d ＝7.5ｍｍとした。図５をみれば等価回路計算のバンドギャップ帯域は、電磁界解析結果とほぼ一致している。

図５の厳密な計算によるバンドギャップ周波数帯は、図４で示した周波数帯域１７ともほぼ一致する。このことから、本実施の形態のＥＢＧ構造のバンドギャップ周波数帯はアドミタンスの周波数特性でおおよそ説明出来ることがわかる。並列シャント部１２のアドミタンスは上記した式（１）、式（２）で決定されることから、これらの式中のパラメータを適切に設計することによってバンドギャップ帯域を所望の周波数帯にもってくることができる。特に伝送線路長ｄは設計自由度が高いため、伝送線路長ｄを変化させることにより、容易にバンドギャップ帯域を制御することが可能である。バンドギャップ帯域を低周波化するには伝送線路長ｄを長くする必要があるが、必ずしも面積は必要としないため、本実施の形態のＥＢＧ構造を採用することによって実装面積を削減することが可能である。また、本実施の形態のＥＢＧ構造はチップ部品を必要としないため、従来技術と比べて製造コストを低減することができる。

なお、上述した第１の実施の形態では、図１に示すように、伝送線路４の上部に構造がない場合を示したが、本発明は、伝送線路４の上部に構造があってもよい。例えば、図６に示すように、伝送線路４の上部に、更なる誘電体層（第３の誘電体層２０）を設けている。この第３の誘電体層２０を設けることにより、伝送線路４の実効比誘電率を増加させることができる。式（２）によれば、伝送線路４の実効比誘電率が大きいほど伝送線路４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。したがって、バンドギャップ帯域の低周波化を目的にする場合、更なる誘電体層２０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。ただし、バンドギャップ帯域の低周波化を目的とせず、更に上部に層を積層していく場合は、どのような誘電体材料を用いてもよい。

また、伝送線路４は一端がオープン端になっており、他端がパッド８に接続されていれば、どのような配置・形状でも本発明の本質的な効果に何ら影響を与えるものではない。
したがって、上述した第１の実施の形態では、図２に示すように、伝送線路４が周囲のクリアランス９等と干渉しないようにｘ軸、ｙ軸と一定の角度をなすように配置した場合を示したが、クリアランス９等との干渉がなければ、当然軸と平行に配置してもよい。具体的に説明すると、上述した第１の実施の形態では、図２に示すように伝送線路４が直線形状の場合を示したが、本発明は、例えば、図７（ａ）に示すようなスパイラル形状や、図７（ｂ）に示すようなミアンダ形状としてもよい。この場合、小さい実装面積で伝送線路長dを確保することが可能となる。

また、図２７に示すように、パッド８に長さの異なる２つのオープン端伝送線路４Ａおよび４Ｂが接続された構成を考えることもできる。図２７の場合は前記伝送線路４Ａ、４Ｂのインピーダンス変換周期が異なるため、複数のバンドギャップ帯域を別々に設計することができ、自由度の高い帯域設計が可能となる。なお、伝送線路４Ｂは必ずしもパッド８に直接接続する必要はなく、たとえば伝送線路４Ａの途中から伝送線路４Ｂが枝分かれして分岐線を形成するような構成も当然考えることができる。

また、伝送線路４は、必ずしも、図２のようにすべての単位構造３で、配置・形状をそろえる必要はない。例えば、図８に示すように、表面に実装された部品Ｘを避けるように配線することで、高密度な実装が可能となる。
また、図２では単位構造３を周期的に配置する格子として、正方格子の例を示したが、格子形状は必ずしも正方格子に限らない。たとえば、三角格子や１次元周期配列でも、同様の効果を得ることができる。
なお、ここでは、導体ビア５と伝送線路４の接続部にパッド８を設けた構造を示しているが、これは製造上の都合によるものであり、パッド８のない構造であっても本発明の本質的な効果に何ら影響を与えるものではない。

［第２の実施の形態］
次に、本発明に係る導波路構造の第２の実施の形態の構成について、図９に基いて説明する。
図９は本実施の形態のＥＢＧ構造の断面図である。
なお、本実施の形態のＥＢＧ構造は、上述した第１の実施の形態のＥＢＧ構造の変形例であり、上述した第１の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のＥＢＧ構造は、図９に示すように、伝送線路１０４が、第１の導体プレーン１と第２の導体プレーン２とで挟まれた領域の内側に設けられている。詳しく説明すると、本実施の形態のＥＢＧ構造は、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）に第１の導体プレーン１が配設され、第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）に第２の導体プレーン２が配設されている。第１の誘電体層６と第２の誘電体層７に挟まれた中間層には、第２の導体プレーン２と対向する平面に配設されて、第２の導体プレーン２をリターンパスとする伝送線路１０４が配置されている。
この伝送線路１０４は、第１の実施の形態における伝送線路４と同様に、その一端がオープン端となっており、オープンスタブとして機能する。伝送線路１０４の他端は、同一平面にあるパッド８に接続されており、パッド８と前記第１の導体プレーン１は導体ビア１０５を介して電気的に接続されている。また、上述した第１の実施の形態と同様に、前記伝送線路１０４、パッド８、および導体ビア１０５がシャント部として機能し、前記シャント部と第２の導体プレーン２に設けられたクリアランス９とが単位構造３となる。本実施の形態における単位構造３の配置および伝送線路１０４の配置・形状は、上述した第１の実施の形態と同様である。

本実施の形態のＥＢＧ構造では、伝送線路１０４が２つの導体プレーン１，２によって遮蔽されるため、伝送線路１０４から外部への不要な電磁波放射を低減することができる。
なお、上述した第２の実施の形態では、図９に示すように、導体ビア１０５が貫通ビアの場合を示したが、パッド８と第１の導体プレーン１とが電気的に接続されていれば、必ずしも貫通ビアである必要はない。例えば、図１０に示すように、非貫通ビアの導体ビア１０５´が設けられていても本発明の効果に何ら影響を与えない。図１０に示すＥＢＧ構造の場合は、第２の導体プレーン２にクリアランス９を設ける必要がないため、クリアランス９の部分から外部への電磁波放射を無くすことができる。

［第２の実施の形態の変形例］
次に、本発明の第２の実施の形態の変形例のＥＢＧ構造に関して説明する。図２８は本第２の実施の形態の変形例のＥＢＧ構造の断面図である。
本第２の実施の形態の変形例は第２の実施の形態のＥＢＧ構造を元として、図２８に示すように第２の導体プレーン２の上部に第３の誘電体層２２０を設け、さらにその上部にオープン端の第２の伝送線路２０４Ｂが備えられる。導体ビア１０５の上端はパッド８を介して表層に設けられた第２の伝送線路２０４Ｂの端部と接続されている。前記第２の伝送線路２０４Ｂの他方の端部はオープン端となっている。第２の導体プレーン２には、導体ビア１０５に対応した位置にクリアランス９が設けられており、前記第２の導体プレーン２と導体ビア１０５は電気的に接続されていない。本第２の実施の形態の変形例の構造では、前記伝送線路１０４と、前記第２の伝送線路２０４Ｂがそれぞれ独立したオープンスタブとして機能する。特に前記伝送線路１０４と前記第２の伝送線路２０４Ｂの線路長が異なるように設計すれば各々の伝送線路におけるインピーダンス変換周期が異なるため、複数のバンドギャップ帯域を別々に設計することができ、自由度の高い帯域設計が可能となる。また、伝送線路１０４及び第２の伝送線路２０４Ｂの配置および形状は、他の実施の形態と同様に、さまざまなパターンが考えられる。たとえばスパイラル形状やミアンダ形状としてもよい。

［第３の実施の形態］
次に、本発明に係る導波路構造の第３の実施の形態の構成について、図１１に基いて説明する。
図１１は本実施の形態のＥＢＧ構造の断面図である。
なお、本実施の形態のＥＢＧ構造は、上述した第２の実施の形態のＥＢＧ構造の変形例であり、上述した第２の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のＥＢＧ構造は、図１１に示すように、第１の導体プレーン１と第２の導体プレーン２との間に配設された第１の伝送線路２０４Ａと、第２の導体プレーン２に対して第１の導体プレーン１の反対側に配設された第２の伝送線路２０４Ｂと、第１の伝送線路２０４Ａの一端（図１１における左側の端部）と第１の導体プレーン１とを電気的に接続する第１の導体ビア２０５Ａと、第１の伝送線路２０４Ａの他端（図１１における右側の端部）と第２の伝送線路２０４Ｂの他端とを電気的に接続する第２の導体ビア２０５Ｂと、を有する単位構造２０３を備えている。

詳しく説明すると、本実施の形態は、上述した第２の実施の形態と同様に、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）に第１の導体プレーン１が配設され、第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）に第２の導体プレーン２が配設されている。また、第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）には、第２の導体プレーン２を覆う第３の誘電体層（表層誘電体層２２０）が積層されている。また、上述した第２の実施の形態における伝送線路１０４の位置（第１の誘電体層６と第２の誘電体層７との間）に第１の伝送線路２０４Ａが配設されており、前記した表層誘電体層２２０の厚さ方向の一方側（上面）に、一端がオープン端の第２の伝送線路２０４Ｂが配設されている。第１の伝送線路２０４Ａは、第２の導体プレーン２と対向する平面に配設されて、第２の導体プレーン２をリターンパスとする伝送線路であり、第１の伝送線路２０４Ａの両端には、同一平面状に形成されたパッド８Ａ，８Ｂがそれぞれ電気的に接続されている。また、第２の伝送線路２０４Ｂは、第２の導体プレーン２と対向する平面に配設されて、第２の導体プレーン２をリターンパスとする伝送線路であり、第２の伝送線路２０４Ｂの一端は、オープン端となっており、第２の伝送線路２０４Ｂがオープンスタブとして機能するように構成されている。また、第２の伝送線路２０４Ｂの他端は、同一平面状に形成されたパッド８が電気的に接続されている。

第１の伝送線路２０４Ａの一端に設けられたパッド８Ａと第１の導体プレーン１とは、厚さ方向に延設された第１の導体ビア２０５Ａを介して電気的に接続されている。また、第１の伝送線路２０４Ａの他端に設けられたパッド８Ｂと第２の伝送線路２０４Ｂの他端に設けられたパッド８とは、厚さ方向に延設された第２の導体ビア２０５Ｂを介して電気的に接続されている。第２の導体プレーン２には、第２の導体ビア２０５Ｂに対応する位置にクリアランス９が設けられており、このクリアランス９によって第２の導体ビア２０５Ｂと第２の導体プレーン２とが電気的に切り離されて電気的に接触していない状態となっている。

本実施の形態のＥＢＧ構造では、中間層の第１の伝送線路２０４Ａと、表層の第２の伝送線路２０４Ｂとがひとつのオープンスタブとして機能するため、小さい実装面積で十分な伝送線路長dを確保することが可能となる。

なお、第１の伝送線路２０４Ａ及び第２の伝送線路２０４Ｂの配置および形状は、第１、第２の実施の形態と同様に、さまざまなパターンが考えられる。たとえばスパイラル形状やミアンダ形状としてもよい。これにより、より小さい面積で実装可能なＥＢＧ構造を提供することができる。
また、上述した第３の実施の形態では、図１１に示すように、第１、第２の導体ビア２０５Ａ，２０５Ｂとして非貫通ビアを用いた場合を示したが、貫通ビアを用いることも当然可能である。例えば、図１２に示すように、第２の導体ビア２０５Ｂとして貫通ビアの第２の導体ビア２０５Ｂ´を設けることも可能である。図１２に示すＥＢＧ構造では、第１の導体プレーン１の、第２の導体ビア２０５Ｂ´に対応した位置に、クリアランス９を設けて、前記第１の導体プレーン１と第２の導体ビア２との電気的な接続を避けている。
また、同様に第１の導体ビア２０５Ａに貫通ビアを用いることも可能である。

［第４の実施の形態］
次に、本発明に係る導波路構造の第４の実施の形態の構成について、図１３に基いて説明する。
図１３は本実施の形態のＥＢＧ構造の断面図である。
なお、本実施の形態のＥＢＧ構造は、上述した第１の実施の形態のＥＢＧ構造の変形例であり、上述した第１の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。

上述した第１乃至第３の実施の形態のＥＢＧ構造では、平行平板型導波路を構成する第１、第２の導体プレーン１，２のうち、第２の導体プレーン２側にのみ伝送線路４，１０４，２０４Ａ，２０４Ｂが設けられており、これらの伝送線路４，１０４，２０４Ａ，２０４Ｂは第２の導体プレーン２と対向する平面に配設されて、第２の導体プレーン２をリターンパスとする構成となっているが、本実施の形態では、第１、第２の導体プレーン１，２にそれぞれ伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂが設けられている。すなわち、本実施の形態のＥＢＧ構造は、第１の実施の形態のＥＢＧ構造を上下方向に鏡面対称にした構成となっており、図１３に示すように、第１、第２の導体プレーン１，２と異なる層で第１の導体プレーン１と対向する平面に配設され、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第１の伝送線路３０４Ａと、第１、第２の導体プレーン１，２と異なる層で第２の導体プレーン２と対向する平面に配設され、第２の導体プレーン２をリターンパスとする第２の伝送線路３０４Ｂと、第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂの端部同士を電気的に接続する導体ビア３０５と、を有する単位構造３０３を備えている。

詳しく説明すると、本実施の形態は、上述した第１の実施の形態と同様に、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）に第１の導体プレーン１が配設され、第１の誘電体層６と第２の誘電体層７との間に第２の導体プレーン２が配設されている。また、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）には、第１の導体プレーン１を覆う第３の誘電体層（裏層誘電体層３２０）が積層されている。裏層誘電体層３２０の厚さ方向の他方側（下面）には、第１の伝送線路３０４Ａが配設されており、表層の第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）には、第２の伝送線路３０４Ｂが配設されている。つまり、第１の伝送線路３０４Ａ及び第２の伝送線路３０４Ｂが、第１の導体プレーン１と第２の導体プレーン２とで挟まれた領域の外側にそれぞれ配設されている。

前記した第１の伝送線路３０４Ａの一端（図１３における右側の端部）及び第２の伝送線路３０４Ｂの一端は、それぞれオープン端となっており、第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂがそれぞれオープンスタブとして機能するように構成されている。一方、１の伝送線路３０４Ａの他端（図１３における左側の端部）及び第２の伝送線路３０４Ｂの他端には、同一平面状に形成されたパッド８がそれぞれ電気的に接続されている。伝送線路３０４Ａ側のパッド８と第２の伝送線路３０４Ｂ側のパッド８とは、厚さ方向に延設された導体ビア３０５を介して電気的に接続されている。第１、第２の導体プレーン１，２には、導体ビア３０５に対応する位置にクリアランス９がそれぞれ設けられており、これらのクリアランス９によって導体ビア３０５と第１、第２の導体プレーン１，２とが電気的に切り離されて電気的に接触していない状態となっている。

図１４は本実施の形態のＥＢＧ構造の等価回路である。
図１４に示すように、本実施の形態の等価回路繰り返し単位３１０は、直列インピーダンス部３１１と並列シャント部３１２とで構成される。直列インピーダンス部３１１は、第１の実施の形態と同様に前記第１、第２の導体プレーン１，２がつくるインダクタンス３１３からなる。並列シャント部３１２は、前記第１、第２の導体プレーン１，２がつくるキャパシタンス３１４と、前記導体ビア３０５のつくるインダクタンス３１５と、第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂと、からなる。本実施の形態の並列シャント部３１２は、第１の実施の形態の並列シャント部１２にさらに、第２の伝送線路３０４Ｂによるオープンスタブが直列に接続された回路となる。本実施の形態の場合も、第１の実施の形態の場合と全く同様に、並列シャント部３１２のアドミタンスが負となる周波数帯域にバンドギャップが生じる。

なお、上述した第４の実施の形態のＥＢＧ構造は、第１の実施の形態のＥＢＧ構造を上下方向に鏡面対称にした構成となっているが、上述した第２、第３の実施の形態のＥＢＧ構造を上下方向に鏡面対称にした構成とすることも可能である。

具体的に説明すると、図１５に示すように、第２の実施の形態のＥＢＧ構造を元として、第１の導体プレーン１と第１の誘電体層６との間に第３の誘電体層１２０を介在させ、この第３の誘電体層１２０と第１の誘電体層６との間に、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第１の伝送線路１０４Ａが配設されており、第１の誘電体層６と第２の誘電体層７との間に、第２の導体プレーン２をリターンパスとする第２の伝送線路１０４Ｂが配設されている。これら第１、第２の伝送線路１０４Ａ，１０４Ｂは、一端はそれぞれオープン端となっており、他端にはパッド８がそれぞれ電気的に接続されており、第１、第２の伝送線路１０４Ａ，１０４Ｂのパッド８同士は非貫通ビアの導体ビア１０５´を介して電気的に接続されている。

また、図１６に示すように、第３の実施の形態のＥＢＧ構造を元として、第１の導体プレーン１と第１の誘電体層６との間に第３の誘電体層３２０Ａを介在させ、第３の誘電体層３２０Ａの厚さ方向の他方側（下面）には、第１の導体プレーン１を覆う裏層誘電体層３２０Ｂが積層されている。そして、第１の導体プレーン１と第１の伝送線路２０４Ａとの間、具体的には、第１の誘電体層６と第３の誘電体層３２０Ａとの間に、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第３の伝送線路２０４Ｃが配設されている。また、第１の導体プレーン１に対して第２の導体プレーン２の反対側、具体的には、裏層誘電体層３２０Ｂ”の厚さ方向の他方側（下面）に、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第４の伝送線路２０４Ｄが配設されている。第３の伝送線路２０４Ｃの両端には、同一平面状に形成されたパッド８Ａ，８Ｂがそれぞれ電気的に接続されている。第４の伝送線路２０４Ｄの一端は、オープン端となっており、第２の伝送線路２０４Ｂの他端は、同一平面状に形成されたパッド８が電気的に接続されている。

第１の伝送線路２０４Ａの一端に設けられたパッド８Ａと第３の伝送線路２０４Ｃの一端に設けられたパッド８Ａとは、厚さ方向に延設された第１の導体ビア２０５Ａを介して電気的に接続されている。また、第３の伝送線路２０４Ｃの他端に設けられたパッド８Ｂと第４の伝送線路２０４Ｄの他端に設けられたパッド８とは、厚さ方向に延設された第３の導体ビア２０５Ｃを介して電気的に接続されている。第１の導体プレーン１には、第３の導体ビア２０５Ｃに対応する位置にクリアランス９が設けられており、このクリアランス９によって第３の導体ビア２０５Ｃと第１の導体プレーン１とが電気的に切り離されて電気的に接触していない状態となっている。

なお、図１３、図１５、図１６に示すように、上下方向に鏡面対称なＥＢＧ構造について説明したが、必ずしも対称構造である必要はない。例えば、第１の伝送線路３０４Ａが直線形状であり、第２の伝送線路３０４Ｂがスパイラル形状というように、両者が全く異なる形状となる構造も考えられる。またさらに、前記第２の誘電体層７と裏層誘電体層３２０の厚さが異なる構造も考えられる。この場合は、第１の伝送線路３０４Ａの実効比誘電率と、第２の伝送線路３０４Ｂの実効比誘電率とが異なる値となる点に注意が必要である。

［第５の実施の形態］
次に、本発明に係る導波路構造の第５の実施の形態の構成について、図１７に基いて説明する。
図１７は本実施の形態のＥＢＧ構造の断面図であり、図１８は本実施の形態のＥＢＧ構造の平面図である。図１７は図１８に示すＢ−Ｂ´間の断面図である。
なお、本実施の形態のＥＢＧ構造は、上述した第４の実施の形態のＥＢＧ構造の変形例であり、上述した第４の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態のＥＢＧ構造は、図１３に示す上述した第４の実施の形態のＥＢＧ構造では、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第１の伝送線路３０４Ａの端部と、第２の導体プレーン２をリターンパスとする第２の伝送線路３０４Ｂの端部と、が導体ビア３０５を介して電気的に接続されているが、第５の実施の形態では、図１７に示すように、第２の導体プレーン２をリターンパスとする第２の伝送線路３０４Ｂの端部が第１の導体ビア４０５Ａを介して第１の導体プレーン１に電気的に接続されているとともに、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第１の伝送線路３０４Ａの端部が第２の導体ビア４０５Ｂを介して第２の導体プレーン２に電気的に接続されている。つまり、本実施の形態における単位構造４０３は、第１の導体プレーン１と第２の伝送線路３０４Ｂの端部とを電気的に接続する第１の導体ビア４０５Ａと、第２の導体プレーン２と第１の伝送線路３０４Ａの端部とを電気的に接続する第２の導体ビア４０５Ｂと、を有している。

詳しく説明すると、本実施の形態は、上述した第４の実施の形態と同様に、第１の誘電体層６の厚さ方向の他方側（下面）に裏層誘電体層３２０が積層され、第１の誘電体層６と裏層誘電体層３２０との間に第１の導体プレーン１が配設され、第１の誘電体層６と第２の誘電体層７との間に第２の導体プレーン２が配設されている。
裏層誘電体層３２０の厚さ方向の他方側（下面）には、第１の伝送線路３０４Ａが配設されており、表層の第２の誘電体層７の厚さ方向の一方側（上面）には、第２の伝送線路３０４Ｂが配設されている。

第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂの他端（図１７における左側の端部）にはパッド８がそれぞれ電気的に接続されているが、第１の伝送線路３０４Ａのパッド８と第２の伝送線路３０４Ｂのパッド８とは、平面視において互いにずれた位置（重ならない位置）に配設されている。そして、第１の導体プレーン１と第２の伝送線路３０４Ｂのパッド８とは第１の導体ビア４０５Ａを介して電気的に接続されているとともに、第２の導体プレーン２と第１の伝送線路３０４Ａのパッド８とは第２の導体ビア４０５Ｂを介して電気的に接続されている。つまり、第１の伝送線路３０４Ａとパッド８と第２の導体ビア４０５Ｂとからなる第１のシャント部と、第２の伝送線路３０４Ｂとパッド８と第１の導体ビア４０５Ａとからなる第２のシャント部と、が備えられており、この第２のシャント部は、図１８に示すように平面視において、第１のシャント部をxy平面上でＡ／２＋Ｂ／２＝（ａ／２，ａ／２）だけ平行移動させ、さらに、上下方向に反転させた位置に配設されている。

本実施の形態のＥＢＧ構造によれば、図１８の平面図に示すとおり、より高密度にシャント部を配置することが可能となり、ＥＢＧ構造の実装面積を低減することが可能となる。

なお、上述した第５の実施の形態のＥＢＧ構造は、図１３に示すＥＢＧ構造を変形させた構成となっているが、図１５に示すＥＢＧ構造を同様に変形させることも可能である。
具体的に説明すると、図１９に示すように、図１５に示すＥＢＧ構造を元として、第２の導体プレーン２をリターンパスとする第２の伝送線路１０４Ｂの端部が、第１の導体ビア１０５Ａを介して第１の導体プレーン１に電気的に接続されているとともに、第１の導体プレーン１をリターンパスとする第１の伝送線路１０４Ａの端部が、第２の導体ビア１０５Ｂを介して第２の導体プレーン２に電気的に接続されている。
さらに、第１、第２の伝送線路のうちの何れか一方を第１、第２の導体プレーン１，２の間の領域の内側に配設するとともに他方を前記領域の外側に配設した非対称構造において、第２の伝送線路の端部を第１の導体ビアを介して第１の導体プレーン１に電気的に接続するとともに、第１の伝送線路の端部を第２の導体ビアを介して第２の導体プレーン２に電気的に接続した構成であってもよい。

また、図１８に示すように、本実施の形態では、第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂが直線形状の場合を示したが、他の実施の形態同様、どのような形状でもよい。例えば、図２０に示すようにスパイラル形状としてもよい。
また、必ずしも第１、第２の伝送線路３０４Ａ，３０４Ｂの形状をそろえる必要はなく、例えば、一方は直線形状、他方はスパイラル形状といった組み合わせも考えられる。
また、ここでは正方格子の場合を例に説明したが、当然一般の格子に対しても同様の構造を実現できる。

次に、本発明に係るプリント配線板の第１の実施の形態について、図２１、図２２に基いて説明する。
図２１は本実施の形態におけるプリント配線板の平面図であり、図２２は図２１に示すＣ−Ｃ´間の断面図である。

本実施の形態におけるプリント配線板は、上記したＥＢＧ構造を内蔵したプリント基板５０である。詳しく説明すると、図２１、図２２に示すように、プリント基板５０は、少なくとも、グランドプレーン５１と、電源プレーン５２と、ノイズ源となるデバイス５３と、ノイズの影響を受けやすいデバイス５４と、それらデバイス５３，５４の間に配置されるＥＢＧ領域５５とを備える。図２２に示すように、ノイズ源となるデバイス５３およびノイズの影響を受けやすいデバイス５４は、いずれも前記グランドプレーン５１と前記電源プレーン５２に接続されている。また、グランドプレーン５１と電源プレーン５２は平行平板型導波路を形成している。通常のプリント基板ではノイズ源となるデバイス５３から生じたノイズが、前記平行平板型導波路を伝播して、ノイズの影響を受けやすいデバイス５４に入ることで、誤動作等を引き起こす。本実施の形態のプリント基板５０では、図２１に示すように、ノイズ伝播経路を遮断するように、ＥＢＧ領域５５に本発明のＥＢＧ構造を配置することで、デバイス５３，５４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５４の誤動作を抑制することが可能となる。

なお、図２２では第１の実施の形態のＥＢＧ構造を用いた例を示したが、当然、本発明の他の実施の形態のＥＢＧ構造を用いることもできる。
また、図２１では、ＥＢＧ領域５５を帯状に設けた場合を示したが、ＥＢＧ領域５５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。たとえば図２３に示すように、ノイズの影響を受けやすいデバイス５４を囲むようにＥＢＧ領域５５を設けることも可能である。
また、ここでは本発明のＥＢＧ構造をプリント基板５０に搭載した場合を示したが、本発明の対象は必ずしもプリント基板５０に限らない。たとえば、デバイスのパッケージ基板などに本発明のＥＢＧ構造を設けることも考えられる。

次に、本発明に係るプリント配線板の第２の実施の形態について、図２４に基いて説明する。
図２４は本実施の形態におけるプリント配線板の平面図である。
なお、上述した第１の実施の形態と同様の構成については同様の符号を付して説明を省略する。

本実施の形態におけるプリント基板５０は、オープン端の伝送線路長ｄが異なる複数の導波路構造が備えられ、これら複数の導波路構造のバンドギャップ帯にずれが生じている。
詳しく説明すると、図２４に示すように、プリント基板５０は、上述した第１の実施の形態と同様、少なくともグランドプレーン５１と、電源プレーン５２と、ノイズ源となるデバイス５３と、ノイズの影響を受けやすいデバイス５４とを備える。本実施の形態は、ノイズ伝播経路を遮断するように設けられたＥＢＧ領域５５に、第１のＥＢＧ構造５６および第２のＥＢＧ構造５７を配置してデイバス５３，５４間のノイズ伝播を抑制する。第１のＥＢＧ構造５６と第２のＥＢＧ構造Ｂ５７とが、ノイズ伝播方向に並べて配置されている。第１のＥＢＧ構造５６と第２のＥＢＧ構造５７とはそれぞれオープンスタブの伝送線路長dが異なっており、バンドギャップ周波数帯も異なる。このため、第１のＥＢＧ構造５６と第２のＥＢＧ構造５７とのバンドギャップ帯がずれるように伝送線路長dを設計することにより、単一のＥＢＧ構造では実現できない非常に広帯域なバンドギャップを、ＥＢＧ領域５５全体で実現することが可能となる。

なお、図２５に示すように、第１のＥＢＧ構造１５６と第２のＥＢＧ構造１５７とがノイズ伝播方向に対して交互に配置された縞状に配置されていてもよい。
また、図２６に示すように、第１のＥＢＧ構造１５６と第２のＥＢＧ構造１５７とが格子状（市松模様状）に配置されていてもよい。
いずれの配置でもＥＢＧ領域５５全体として、広いバンドギャップ帯域を実現することが可能である。
その他に、第１のＥＢＧ構造と第２のＥＢＧ構造とが混合して配置されていれば、他の配置を採用してもよい。また、さらに広いバンドギャップ帯域が必要な場合は、バンドギャップ帯域をずらしたＥＢＧ構造をさらに混合して配置すればよい。

その他、本発明の主旨を逸脱しない範囲で、上記した実施の形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した変形例を適宜組み合わせてもよい。

次に、本発明を小型平面アンテナに適用した場合の実施の形態について説明する。まず、本発明に係るアンテナの実施の形態の説明に先立ち、アンテナの技術分野に本発明を適用する場合の背景技術、課題、発明の特徴等について説明する。

すなわち、本発明をアンテナに適用する場合、本発明の技術分野は、マイクロ波・ミリ波の平面アンテナに関し、特にメタマテリアル技術を用いて小型化および低周波化を可能にしたアンテナ構造に関するものとなる。また、本発明は、マイクロ波・ミリ波帯域の電磁波を送受信する無線通信機器の小型化に有益である。

次に、本発明をアンテナに適用する場合における背景技術について説明する。

［背景技術］
誘電体などの媒質を伝播する電磁波の波数（もしくは波長）と周波数の関係は、媒質の分散関係と呼ばれる。近年、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技術が提案され、さまざまな分野で工学的応用が検討されている。

このメタマテリアルを利用してアンテナを小型化する技術が提案されている。たとえば特許文献Ａでは動作周波数によって右手系、左手系の性質を示す右手/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Ａで開示されているアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された導体パッチと、前記導体プレーンと前期導体パッチ間を接続する導体ビアとを含む単位セル構造を周期的に配置したＣＲＬＨ線路構造をとり、前記ＣＲＬＨ線路の左手系周波数領域における線路長共振を利用している。通常の媒質（右手系媒質）では周波数が低いほど電磁波の波長が長くなるため、アンテナの構造が大型になる問題があったが、左手系媒質では周波数が低いほど電磁波の波長が短くなるためアンテナの小型化を実現することができる。

特許文献Ａではさらに、左手系媒質として動作する周波数帯を低周波化するため、前記導体プレーン層と前記導体パッチ層の間の層に、導体エレメントを設けて隣接する前記導体パッチ間のキャパシタンスを増加させている。また同様の目的のため前記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、前記導体プレーンと前記導体パッチ間のインダクタンスを増加させている。
［特許文献Ａ］米国特許出願公開第２００７／０１７６８２７Ａ１号明細書

次に、本発明をアンテナに適用する場合における課題について説明する。

［発明が解決しようとする課題］
しかしながら、上記特許文献Ａのように周期構造によって実現される左手系媒質は、必ずカットオフ周波数が存在し、カットオフ周波数以下の周波数帯ではアンテナとして動作しない。このため、左手系媒質を利用する特許文献Ａの構造では低周波化に限界があるという問題点がある。したがって従来の技術では低周波で動作する小型アンテナを実現することが困難であった。

本発明はかかる課題を解決するためになされたものであり、メタマテリアルをもちいた小型化および低周波化が容易な平面アンテナを提供することを目的とする。

次に、本発明をアンテナに適用する場合における発明の特徴、作用及び効果について説明する。

［発明の特徴］
本発明におけるアンテナは、導体プレーンと、前記導体プレーンと平行に配置された、すくなくともひとつの導体パッチと、前記導体プレーンと前記導体パッチ間に高周波信号を入力する給電部と、前記導体パッチの上部または下部の平面すなわち前記導体パッチと対向する平面に配設され、一端がオープン端である伝送線路と、前記伝送線路のオープン端でない側の端部と前記導体プレーンを電気的に接続する導体ビアとで構成されるシャント部と、を含み、前記シャント部が前記導体パッチ領域に、一つまたは複数配列されたことを特徴とする。

［作用］
本発明におけるアンテナは、前記給電部から高周波信号を入力し、前記導体パッチと前記導体プレーン間を励振することでパッチアンテナとして動作する。パッチアンテナは、導体パッチの寸法が１／２波長となる周波数で、導体パッチに共振が生じることを利用して電磁波を放射する。このとき、波長と周波数の関係は導体パッチと導体プレーン間の媒質の分散関係で与えられるため、通常のアンテナでは媒質となる誘電体を決定すればアンテナのサイズも一意に決定されてしまう。

本発明のアンテナでは前記シャント部が周期的に配列されることで媒質の実効的な分散関係を制御することが可能となるため、通常の誘電体と比べて波長が短くなるように分散関係を設計することでアンテナのサイズを大幅に小型化することができる。また、本発明の周期構造は右手系媒質として動作し、カットオフ周波数が存在しないように構成可能であるため、カットオフ周波数が存在する特許文献Ａのアンテナと比べて低周波化が容易に可能となる。

［発明の効果］
本発明によれば、小型化および低周波化が可能な平面アンテナを提供することができる。

以下、本発明を実施するための形態について説明する。
［構造］
本発明に係るアンテナの実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

図２９は本発明に係るアンテナの第１の実施の形態の斜視図である。図３０は本第１の実施の形態のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図３１は導体パッチ１００４を透視してｚ軸正方向から見た場合の平面図である。図３２は導体プレーン１００１を示した平面図である。図３３は図３０〜図３１の線分Ａ−Ａ´における断面図である。図３４は図３０〜図３１の線分Ｂ−Ｂ´における断面図である。

本第１の実施の形態のアンテナは、図３３に示すように、導体プレーン１００１と、その上部に積層された第１の誘電体層１００２と、第１の誘電体層１００２の上部に積層された第２の誘電体層１００３と、さらに第２の誘電体層１００３の上部に積層された導体パッチ１００４とを含む。この導体パッチ１００４は、導体プレーン１００１と平行に配置されている（以下、同様）。図３０に示すように、前記導体パッチ１００４は前記導体プレーン１００１よりも面積が小さく、全体が前記導体プレーン１００１と重なるように配置される。

また、前記第１の誘電体層１００２と第２の誘電体層１００３に挟まれた層には、前記導体パッチ１００４と対向する平面に配設され、前記導体パッチ１００４をリターンパスとする伝送線路１００６が配置されている。図３１および図３３に示すように、前記伝送線路１００６は、その一方の端部を導体ビア１００５を介して前記導体プレーン１００１と電気的に接続し、他方の端部をオープン端とすることで、オープンスタブとして機能するように構成されている。

本第１の実施の形態では、前記の伝送線路１００６および導体ビア１００５がシャント部として機能する。本発明のアンテナは、前記シャント部を前記導体パッチ１００４の領域に複数配置した構造をとる。本第１の実施の形態では、最も基本的な構成として格子間隔ａの正方格子に配置した場合について説明する。図２９は前記シャント部を４×４に配列した場合の本第１の実施の形態のアンテナである。

本発明のアンテナは、前記導体パッチ１００４と前記導体プレーン１００１間が電気的に励振されることでパッチアンテナとして動作する。本第１の実施の形態では、図３２および図３４に示すとおり、前記導体パッチ１００４と前記導体プレーン１００１間に信号を入力する給電部として、給電ビア１００７を有する。この給電ビア１００７から高周波信号が入力される。前記給電ビア１００７の一端は前記導体パッチ１００４と接続されており、他方の端部は導体プレーン１００１に設けられた給電部クリアランス１００８で導体プレーン１００１と電気的に絶縁されている。前記給電ビア１００７の端部と前記給電部クリアランス１００８が信号の入力ポートとなっており、たとえば導体プレーン１００１の裏面から同軸コネクタなどの信号入力手段を接続することで、無線回路からの信号をアンテナに入力することができる。信号入力手段としては、同軸コネクタのほかに、前記導体プレーン１００１の裏面側に形成したマイクロストリップラインやストリップラインなどの給電線が考えられる。

また、一般に導体パッチ１００４の外縁部は高インピーダンスとなるため、給電系とインピーダンス整合することが難しい。本第１の実施の形態では、シャント部と干渉しない範囲で前記給電ビア１００７の位置を自由に設計できるため、導体パッチ１００４の給電系のインピーダンスと整合する位置に前記給電ビア１００７を配置することができる。なお、図２９および図３０〜図３１では説明の便宜上、前記第１の誘電体層１００２および第２の誘電体層１００３を透視して内部構造を図示した。

次に本発明のアンテナ小型化の基本的な原理を説明する。

本発明のアンテナは通常のパッチアンテナと同様に、導体パッチのｘ軸方向に１／２波長共振が生じることを利用した一種の共振器と考えることができる。一般に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。比誘電率ε、比透磁率μの通常の誘電体の分散関係は（１１）式で与えられる。ただしcは真空中の光速を表す。（１１）式から角周波数ω(=2πf)と波数k (=2π/λ)は比例関係にあることがわかる。

一方、本発明のアンテナは、前記シャント部を導体パッチ領域に周期的に配列させることで右手系のメタマテリアルとして動作し、導体パッチ領域の実効的な分散関係を制御することができる。

図３５に、図２９のアンテナの導体プレーン１００１と導体パッチ１００４で挟まれた空間を、ｘ軸方向に伝播する電磁波に対する等価回路を示す。図３５の点線で囲まれた部分が、一辺aの正方形単位構造の等価回路である。図３５のCPPW、LPPWはそれぞれ、導体
プレーン１００１と導体パッチ１００４からなる並行平板の単位構造あたりのキャパシタンスとインダクタンスである。Lviaは前記導体ビア１００５のインダクタンスを表す。また、オープンスタブは前記伝送線路１００６に対応している。

本発明のアンテナにおけるメタマテリアル構造は、（１２）式に示すCPPW、LviaおよびオープンスタブからなるアドミタンスＹが、容量性（Im(Y) > 0）となる周波数帯で右手系媒質として動作し、誘導性（Im(Y) < 0）となる周波数帯で電磁バンドギャップとして動作する。ただしZinはオープンスタブの入力インピーダンスであり、式（１３）で表さ
れる。式（１３）におけるZ0は伝送線路１００６（図３５におけるオープンスタブ）の特性インピーダンス、dは伝送線路１００６の線路長、εeffは伝送線路１００６の実効比誘電率である。

周期構造中の分散関係は、図３５の単位構造の等価回路に周期境界条件を適用することで求めることができる。例として図２９のアンテナの構造寸法をa=3mm、t=800μm、h=60μm、w=100μm、b=300μm、d=5.4mmとし、第１の誘電体１００２および第２の誘電体１００３の比誘電率をε=4.188、比透磁率μ=1 とした場合の分散関係を図３６に示す。図３６の横軸は波数、縦軸は周波数を表す。図３６を見れば、本発明の構造の分散関係は原点を通っており、低周波側にカットオフを持たないことがわかる。また低周波側から順に第１バンド、第１バンドギャップ、第２バンド、第２バンドギャップというように、バンドとバンドギャップが交互に生じることがわかる。これは、オープンスタブにおけるインピーダンス変換効果により、アドミタンスYの容量性（ Im(Y) > 0 ）、誘導性( Im(Y) < 0)が周期的に入れ替わるためである。

一般に、長さLの線路長の共振器で１／２波長共振が生じる条件はnを整数として（１４）式で与えられる。

本発明のアンテナ構造でシャント部の配列をＮ×Ｎ（Ｎは整数）とした場合、導体パッチ１００４のｘ軸方向の長さＬはＬ＝Ｎ×ａで与えられるため、（１４）式に代入すれば本発明のアンテナ構造における共振条件（１５）式を得る。

図３６のグラフ中の縦線は、図２９のアンテナ構造に対応してN=4、a=3mmとした場合に共振条件を満たす波数を表す。したがって、図３６の縦線と分散関係の交点が１／２波長共振周波数を与える。図３６をみればn=0, 1, 2, 3 に相当する共振点が、第１バンド、第２バンドそれぞれに存在することがわかる。通常パッチアンテナなどの共振器アンテナではn=1の第１共振を利用する場合が多い。本発明のアンテナでは第１共振がそれぞれのバンドごとに生じるため、本発明のアンテナをマルチバンドアンテナとして用いることが可能である。

一方、図３６の原点を通る直線は、媒質が比誘電率ε=4.188の誘電体のみの場合の分散関係である。図２９の構造からシャント部を取り除いた通常のパッチアンテナの共振周波数は、この誘電体分散関係と図３６の縦線との交点で与えられる。図３６をみれば、通常のパッチアンテナでは第１共振が６ＧＨｚ付近で起こるのに対して、本発明のアンテナでは第１バンドの第１共振が３ＧＨｚ付近で起こることがわかる。これは本発明のアンテナのメタマテリアル構造によって、電磁波の波長が、誘電体中の波長の約１／２に短縮されていることを示している。このことから、図２９に示すアンテナは通常のパッチアンテナに比べて１／２のサイズに小型化されていると考えることができる。

メタマテリアル構造中の波長短縮効果は、図３６の誘電体分散関係の直線より下側にあるすべての共振点で生じるため、たとえば第１バンドの第２共振や第３共振、第２バンドの第３共振を利用してもまったく同様に小型のアンテナを実現することができる。

逆に、誘電体分散関係の直線より上側にある共振点では、誘電体中よりも波長が長くなるため、アンテナを大型化して放射効率を高めることが可能である。図３７は図２９に示したアンテナ構造に対して３次元電磁界解析を行った結果である。図３７の横軸は周波数、縦軸は給電部入力ポートから見たＳパラメータ（S11）である。図３７を見れば、図３６の分散関係と比較的よく対応する周波数でディップが生じており、ほぼ計算どおりの周波数でアンテナとして動作することがわかる。

図２９に示したアンテナの、第１バンドの第１共振周波数である3.42GHzにおける放射指向性の電磁界解析結果を図３８に、第２バンドの第１共振周波数である8.86GHzにおける放射指向性の電磁界解析結果を図３９にそれぞれ示す。図３８〜図３９の動径方向はアンテナの利得（dBi）を表しており、点線と実線はそれぞれｘｚ平面の放射指向性とｙｚ平面の放射指向性を表す。図３８〜図３９から、本発明のアンテナが、通常のパッチアンテナと同様にｚ軸正方向に良好な放射特性を有することがわかる。

本発明のアンテナにおけるメタマテリアル構造のアドミタンスＹは、式（１２）、式（１３）で決定されることから、これらの式中のパラメータを適切に設計することによって共振周波数を所望の動作帯域にもってくることができる。特に伝送線路長dは設計自由度が高いため、伝送線路長dを変化させることにより、容易にアンテナの動作帯域を制御することが可能である。

また、本発明のアンテナにおけるメタマテリアル構造は、すべてのバンドが傾き正の右手系分散曲線となる。特に第１バンドは原点を通る右肩上がりの曲線となるため、第１バンドギャップより低周波側にカットオフが存在しない。これは、必ず低周波側にカットオフが生じてしまう特許文献Ａの左手系メタマテリアルの場合と比べて明らかに低周波化が容易である。

図２９ではシャント部の配列として４×４の場合を示したが、本発明のアンテナではｘ軸方向に生じる１／２波長共振を利用するため、必ずしもｘ軸方向とｙ軸方向で対称な配列である必要はない。たとえば図４０に示すような４×２の配列や、図４１に示すような４×１の配列を採用することも可能である。この場合、媒質の分散が非等方性となり、ｙ軸方向に不要な共振が生じなくなるため、対称構造の場合と比べてより安定した動作を実現することができる。

また図４２に示すように前記導体パッチ１００４の領域にシャント部を１つだけ配置するような構成も考えることができる。本発明のアンテナ構造では、前記伝送線路１００６における導体損失や、周囲の誘電体における誘電損失が無視できない。図４０、図４１、図４２に示すような配置を採用した場合、シャント部の個数が減ることによって前記の導体損失および誘電損失を低減することができる。これにより、アンテナの放射効率を向上させることが可能となる。

伝送線路１００６は一端が導体ビア１００５に接続され、他端がオープン端になっていれば、どのような形状でも本発明の本質的な効果に何ら影響を与えるものではない。図２９では伝送線路１００６の形状をスパイラル形状とした例を示したが、たとえば図４３のように伝送線路１００６の形状として直線形状を採用することもできる。伝送線路１００６の形状としてはその他にミアンダ形状なども考えることができる。

また、伝送線路１００６は、必ずしも、すべての単位構造で、配置・形状をそろえる必要はない。たとえば一部分にスパイラル形状の伝送線路を配置し、他の部分には直線形状の伝送線路を配置するような構成も当然考えることができる。

また、図４４に示すように、前記伝送線路１００６が、長さの異なる２つのオープン端伝送線路１００６Ａおよび１００６Ｂに枝分かれして分岐線を形成するような構成を考えることもできる。伝送線路が１本の場合、第１バンドもしくは第１バンドギャップの周波数帯が所望の帯域となるように伝送線路長を決定すると、式（１２）、（１３）に基づいて第２バンド以降の周波数帯は自動的に決定されてしまうのに対して、図４４の場合は前記伝送線路１００６Ａ、１００６Ｂのインピーダンス変換周期が異なるため、第１バンドと第２バンドの帯域を別々に設計することができ、自由度の高い帯域設計が可能となる。
なお、伝送線路１００６Ａおよび１００６Ｂの枝分かれ部は必ずしも導体ビア１００５の直近である必要はなく、たとえば伝送線路１００６Ａの途中から１００６Ｂが枝分かれするような構成も当然考えることができる。

また、本実施の形態では導体パッチ１００４が正方形の場合を示して説明したが、導体パッチ１００４が他の形状でも本発明の本質的な効果に何ら影響を与えるものではない。
たとえば図４５に示すように導体パッチ１００４を長方形とする構成も考えられる。

また、図３３では、導体ビア１００５が非貫通ビアの場合を示したが、伝送線路１００６と導体プレーン１００１が電気的に接続されれば、必ずしも非貫通ビアである必要はない。たとえば図４６のように導体ビア１００５として貫通ビアを用いても本発明の効果に何ら影響を与えない。貫通ビアを用いる場合は、導体ビア１００５と導体パッチ１００４とを電気的に絶縁するため、導体パッチ１００４の導体ビア１００５に対応する位置にクリアランス１０１０を設ける必要がある。貫通ビアを採用することで、基板の積層工程後に一括してドリルで導体ビア１００５を加工することができるため、製造コストを低減することができる。

［本発明に係るアンテナの他の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態に関して説明する。図４７は本第２の実施の形態のアンテナをｚ軸正方向から見た平面図である。図４８は伝送線路１００６を取り除いてｚ軸正方向から見た場合の平面図である。図４９は導体プレーン１００１を示した平面図である。図５０は図４７〜図４９の線分Ａ−Ａ´における断面図である。図５１は図４７〜図４９の線分Ｂ−Ｂ´における断面図である。

本第２の実施の形態のアンテナは、第１の実施の形態の層構成を変更したものである。
図５０に示すように、導体プレーン１００１と、その上部に積層された第１の誘電体層１００２と、第１の誘電体層１００２の上部に積層された第２の誘電体層１００３を含み、前記第１の誘電体層１００２と前記第２の誘電体層１００３に挟まれた層に金属からなる導体パッチ１００４が配置される。また、前記第２の誘電体層１００３の上部には、前記導体パッチ１００４と対向する平面に配設されて、前記導体パッチ１００４をリターンパスとする伝送線路１００６が配置されている。図４７および図５０に示すように、前記伝送線路１００６は、その一方の端部を導体ビア１００５を介して前記導体プレーン１００１と電気的に接続し、他方の端部をオープン端とすることで、オープンスタブとして機能するように構成されている。図４８および図５０に示すように、前記導体パッチ１００４の前記導体ビア１００５に対応する位置にはクリアランス１００９が設けられており、導体パッチ１００４と導体ビア１００５は電気的に絶縁されている。本第２の実施の形態では、前記伝送線路１００６、導体ビア１００５、およびクリアランス１００９がシャント部として機能する。本第２の実施の形態のシャント部の配置および伝送線路の形状は、第１の実施の形態と同様である。また、本第２の実施の形態においても給電部として給電ビア１００７を有する。図４９および図５１に示すとおり、前記給電ビア１００７の一端は前記導体パッチ１００４と接続されており、他方の端部は導体プレーン１００１に設けられた給電部クリアランス１００８で導体プレーン１００１と電気的に絶縁されている。前記給電ビア１００７の端部と前記給電クリアランス１００８が信号の入力ポートとなる。

本第２の実施の形態のアンテナとしての動作原理は第１の実施の形態と全く同様である。本発明のアンテナ構造では、前記伝送線路１００６の周囲の誘電体における誘電損失が無視できないが、本第２の実施の形態では、前記伝送線路１００６の周囲が空気となるため、第１の実施の形態の構造に比べて誘電損失を低減することができる。これにより、アンテナの放射効率を向上させることが可能となる。

次に、本発明に係るアンテナの第３の実施の形態に関して説明する。図５２は本発明に係るアンテナの第３の実施の形態のアンテナを導体ビア１００５を含むｘｚ平面で切断した場合の断面図である。

本第３の実施の形態は第１の実施の形態を元として、伝送線路１００６の一端が導体ビア１００５によって導体パッチ１００４と接続されるように変更した、図５２に示す構造をとる。本第３の実施の形態では、伝送線路１００６が前記導体プレーン１００１と対向する平面に配設されて、導体プレーン１００１をリターンパスとするオープンスタブとして機能する。本第３の実施の形態の等価回路は図３５に示したものと同一であるため、アンテナとしての動作原理は第１の実施の形態と全く同様である。層構成、シャント部の配置、伝送線路１００６の形状、給電部の構造に関しては第１の実施の形態と同様である。
また、図５２では、導体ビア１００５が非貫通ビアの場合を示したが、第１の実施の形態の場合と同様、貫通ビアを用いてもよい。

次に、本発明に係るアンテナの第４の実施の形態に関して説明する。図５３は本発明に係るアンテナの第４の実施の形態のアンテナを導体ビア１００５を含むｘｚ平面で切断した場合の断面図である。

本第４の実施の形態のアンテナは、図５３に示すように、導体プレーン１００１と、導体プレーン１００１の下部に積層された第１の誘電体層１００２と、導体プレーン１００１の上部に積層された第２の誘電体層１００３を含む。前記第１の誘電体層１００２の下部には、前記導体プレーン１００１と対向する平面に配設されて、前記導体プレーン１００１をリターンパスとする伝送線路１００６が配置される。また前記第２の誘電体層１００３の上部には金属からなる導体パッチ１００４が配置される。前記伝送線路１００６は、その一方の端部を導体ビア１００５を介して前記導体パッチ１００４と電気的に接続し、他方の端部をオープン端とすることで、オープンスタブとして機能するように構成されている。前記導体プレーン１００１の前記導体ビア１００５に対応する位置にはクリアランス１０１１が設けられており、導体プレーン１００１と導体ビア１００５は電気的に絶縁されている。本第４の実施の形態では、前記伝送線路１００６、導体ビア１００５、およびクリアランス１０１１がシャント部として機能する。本第４の実施の形態のシャント部の配置、伝送線路１００６の形状、給電部の構造は第１の実施の形態と同様である。

本第４の実施の形態のアンテナとしての動作原理は第１の実施の形態と全く同様である。本発明のアンテナ構造では、前記伝送線路１００６の周囲の誘電体における誘電損失が無視できないが、本第４の実施の形態では、前記伝送線路１００６の周囲が空気となるため、第１の実施の形態の構造に比べて誘電損失を低減することができる。これにより、アンテナの放射効率を向上させることが可能となる。

次に、本発明に係るアンテナの第５の実施の形態に関して説明する。図５４は本発明に係るアンテナの第５の実施の形態のアンテナを導体ビア１００５を含むｘｚ平面で切断した場合の断面図である。

本第５の実施の形態のアンテナは図５４に示すように、導体プレーン１００１と、その上部に順番に積層された第１の誘電体層１００２と、第２の誘電体層１００３、第３の誘電体層１０１５を含み、前記第２の誘電体層１００３と前記第３の誘電体層１０１５に挟まれた層に金属からなる導体パッチ１００４が配置される。また、前記第１の誘電体層１００２と前記第２の誘電体層１００３に挟まれた層に 前記導体パッチ１００４と対向する平面に配設されて、前記導体パッチ１００４をリターンパスとする第１の伝送線路１００６Ａが配置されている。さらに前記第３の誘電体層１０１５の上部には同じく前記導体パッチ１００４をリターンパスとし、第１の伝送線路１００６Ａと長さの異なる、第２の伝送線路１００６Ｂが配置されている。前記伝送線路１００６Ａおよび１００６Ｂは、その一方の端部を導体ビア１００５を介して前記導体プレーン１００１と電気的に接続し、他方の端部をオープン端とすることで、オープンスタブとして機能するように構成されている。図５４に示すように、前記導体パッチ１００４の前記導体ビア１００５に対応する位置にはクリアランス１００９が設けられており、導体パッチ１００４と導体ビア１００５は電気的に絶縁されている。本第５の実施の形態では、前記伝送線路１００６Ａ、１００６Ｂ、導体ビア１００５、およびクリアランス１００９がシャント部として機能する。
本第５の実施の形態のシャント部の配置、伝送線路の形状、給電部の構造は第１の実施の形態と同様である。本第５の実施の形態のアンテナとしての動作原理は第１の実施の形態と全く同様である。

伝送線路が１つの場合、第１バンドもしくは第１バンドギャップの周波数帯が所望の帯域となるように伝送線路長を決定すると、式（１２）、（１３）に基づいて第２バンド以降の周波数帯は自動的に決定されてしまうのに対して、本第５の実施の形態では前記伝送線路１００６Ａ、１００６Ｂのインピーダンス変換周期が異なるため、第１バンドと第２バンドの帯域を別々に設計することができ、自由度の高い帯域設計が可能となる。

次に、本発明に係るアンテナの第６の実施の形態に関して説明する。図５５および図５６は本発明に係るアンテナの第６の実施の形態のアンテナの斜視図である。第１の実施の形態では、給電ビア１００７を導体パッチ１００４への給電部とし、給電ビア１００７の他端と導体プレーン１００１に設けられた給電部クリアランス１００８とを信号の入力ポートとする構成を示した。この構成における給電方法としては、裏面から同軸コネクタを直接接続する方法や、導体プレーン１００１の裏面側に形成したマイクロストリップラインやストリップラインなどの給電線を入力ポートに接続する方法が考えられる。しかし同軸コネクタを用いる場合は構造が大型化してしまい、本発明の目的であるアンテナの小型化を実現する上で不適な場合がある。また裏面に給電線を設ける方法では層数が増加し、構造が複雑化する欠点がある。

本第６の実施の形態は図５５に示すとおり、第１の実施の形態のアンテナ構造を基本とし、給電部を導体パッチ１００４と同一平面に形成したマイクロストリップライン１０２０に変更した構造をとる。前記マイクロストリップライン１０２０は前記導体パッチ１００４の外縁部に接続されており、無線回路からの信号をアンテナへ入力する。しかし、導体パッチ１００４の外縁部は一般に高インピーダンスとなるため、給電系とインピーダンス整合することが難しい。このような場合には図５６に示すように通常のパッチアンテナと同様に導体パッチ１００４に長方形切り欠け部１０２１を設けることで、導体パッチ１００４の給電系のインピーダンスと整合する外縁部に前記マイクロストリップライン１０２０を接続することができる。本第６の実施の形態のアンテナ構造によって、小型でありかつ簡易な構造で給電することが可能である。

次に、本発明に係るアンテナの第７の実施の形態に関して説明する。図５７は本発明に係るアンテナの第７の実施の形態のアンテナの導体プレーン１００１の平面図である。本第７の実施の形態は、第１の実施の形態のアンテナ構造を基本とし、給電部を給電ビア１００７および導体プレーン１００１に設けられたコプレナーライン１０２２に変更した構造をとる。前記コプレナーライン１０２２は前記給電ビア１００７の端部に接続されており、無線回路からの信号をアンテナへ入力する。本第７の実施の形態のアンテナ構造によって、小型でありかつ簡易な構造で給電することが可能である。

次に、本発明に係るアンテナの第８の実施の形態に関して説明する。図５８は本発明に係るアンテナの第８の実施の形態の構成を説明する平面図である。本第８の実施の形態は、図５８に示すように本発明のアンテナをアレイ要素１０３０として、プリント基板１０３１に複数のアレイ要素１０３０を並べて構成したアレイアンテナである。アレイアンテナを構成することで指向性がビーム状となり、ビーム方向のアンテナ利得を増大させることができる。図５８はアレイアンテナの一例として、第６の実施の形態のアンテナをアレイ要素１０３０として、アレイ要素を４つ並べてマイクロストリップライン１０２０で並列に給電する構成を示した。アレイ要素１０３０として本発明の他の実施の形態のアンテナを用いることも当然可能である。アレイ要素１０３０の数を増やすことでさらにビームを鋭くし、ビーム方向の利得を増大することができる。

以上のように、本発明のアンテナではオープンスタブおよび導体ビアからなるシャント部が周期的に配列されることで媒質の実効的な分散関係を制御することが可能となるため、通常の誘電体と比べて波長が短くなるように分散関係を設計することでアンテナのサイズを大幅に小型化することができる。また、本発明の周期構造は右手系媒質として動作し、カットオフ周波数が存在しないように構成可能であるため、低周波化が容易に可能となる。

なお、本発明の実施の形態は、上記のものに限られず、各実施の形態の構成を組み合わせたものとしたり、各実施形態における各要素の個数を増やしたりあるいは減らしたりすることが可能である。また、各実施形態の構成を有するプリント基板や各実施形態の構成やそれを用いたプリント基板あるいは各実施形態のアンテナにおける構造を少なくともひとつ備える電子装置を、本発明の一態様としてとらえることも可能である。

１…第１の導体プレーン、２…第２の導体プレーン、３…単位構造、４…伝送線路、５…導体ビア、１００１…導体プレーン、１００２…第１の誘電体層、１００３…第２の誘電体層、１００４…導体パッチ、１００５…導体ビア、１００６…伝送線路、１００７…給電ビア、１００８…給電部クリアランス、１０２０…マイクロストリップライン、１０２１…長方形切り欠け部、１０２２… コプレナーライン、１０３０…アレイ要素

Claims (9)

1. 少なくとも、
   互いの一部が対向するように配設された第１、第２の導体プレーンと、
   前記第１の導体プレーン及び前記第２の導体プレーンと異なる層で、前記第２の導体プレーンと対向する平面に配設され、一端がオープン端となっている、複数の伝送線路、および、前記複数の伝送線路のそれぞれの他端と前記第１の導体プレーンとを電気的に接続する導体ビア、を有する単位構造と、
   を備え、
   該単位構造が複数配列されていることを特徴とする導波路構造。
2. 請求項１に記載の導波路構造において、
   前記複数の伝送線路のうち少なくとも２つが、同一の平面に配置されていることを特徴とする導波路構造。
3. 請求項２に記載の導波路構造において、
   前記同一の平面が、前記第２の導体プレーンに対して、前記第１の導体プレーンの反対側に設けられていることを特徴とする導波路構造。
4. 請求項２に記載の構造において、
   前記同一の平面が、前記第１と第２の導体プレーンとで挟まれた領域の内側に設けられていることを特徴とする導波路構造。
5. 請求項１に記載の導波路構造において、
   前記複数の伝送線路のうち少なくとも１つが、第２の導体プレーンに対して、前記第１の導体プレーンの反対側に設けられており、少なくとも他の１つが、前記第１と第２の導体プレーンとで挟まれた領域の内側に設けられていることを特徴とする導波路構造。
6. 請求項１から５の何れか一項に記載に記載の導波路構造において、
   前記複数の伝送線路と前記第１の導体プレーンとの間隔より、前記複数の伝送線路と前記第第２の導体プレーンとの間隔の方が小さいことを特徴とする導波路構造。
7. 請求項１から６の何れか一項に記載に記載の導波路構造において、
   前記複数の伝送線路のうち少なくとも２つの長さが、互いに異なっていることを特徴とする導波路構造。
8. 請求項１から７のいずれか一項に記載の導波路構造を備えることを特徴とするプリント配線板。
9. 請求項１から７のいずれか一項に記載の導波路構造を備えることを特徴とする電子装置。

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