JP2004012850A

JP2004012850A - Three-dimensional periodic structure, method for manufacturing the same, high-frequency element, and high-frequency system

Info

Publication number: JP2004012850A
Application number: JP2002166836A
Authority: JP
Inventors: Satohide Kirihara; 桐原　聡秀; Yoshio Miyamoto; 宮本　欽生; Jun Hattori; 服部　準; Hiroshi Tokuji; 徳寺　博
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2002-06-07
Filing date: 2002-06-07
Publication date: 2004-01-15

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To constitute a three-dimensional periodic structure which is applicable to a function element of a small size even in a frequency band lower than an optical frequency, such as, for example, a microwave band, and a method for manufacturing the same, a high-frequency element, and a high-frequency system. <P>SOLUTION: The three-dimensional periodic structure 101 comprises a three-dimensional periodic structural section 100 in which two substances varying in dielectric constants are distributed with periodicity in three-dimensional axial directions and an object 3 of prescribed dimensions, such as a dielectric substance, which is embedded into the structural section 100 and is different from the two substances constituting the three-dimensional periodic structural section. Such structure is arranged within, for example, a waveguide 4. A transmission line or the like having a filter function is constituted by such a structure. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、電子部品の一部などに用いることのできる３次元周期構造体、その製造方法、高周波素子、および高周波装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
固体結晶中において、原子核により構成される周期的なポテンシャル分布は、格子定数に見合う波長の電子波に対して干渉作用を示す。すなわち、電子波の波長が結晶のポテンシャル周期に非常に近い場合には、３次元的な回折作用（ブラッグ回折）により反射が起こる。この現象により特定のエネルギ領域に含まれる電子はその通過を禁止される。これが半導体デバイスなどに利用される電子バンドギャップの形成である。
【０００３】
同様に、屈折率もしくは誘電率が周期的に変化する３次元構造は、電磁波に対する干渉作用を示し、特定周波数領域の電磁波を遮断する。この場合、禁止帯はフォトニックバンドギャップと呼ばれ、上記３次元構造体はフォトニック結晶と呼ばれる。
【０００４】
フォトニック結晶のこのような作用を利用して、例えば所定周波数帯域の電磁波の透過を遮断するカットオフフィルタとして用いたり、上記周期的な構造中に周期を乱す不均一部分を導入して、その部分に光や電磁波が閉じ込める導波路や共振器として用いたりすることが考えられている。また、光の超低閾値レーザーや電磁波の高指向性アンテナ等への応用も考えられている。
【０００５】
一般にフォトニック結晶中において、電磁波のブラッグ回折が起こるときには、二種類の定在波が形成される。図１８はその二種類の定在波を示している。定在波Ａは、波の振動が低誘電率領域で高いエネルギを有し、定在波Ｂは、波の振動が高誘電率領域で高いエネルギを有する。この２つの異なるモードにスプリットした定在波間のエネルギを有する波は結晶中に存在できないので、バンドギャップが生じる。バンドギャップを広げたいのであれば、２つの定常波のエネルギ差を広げてやればよい。そのためには、２つの媒質で誘電率のコントラストを強くするか、高誘電率媒質の体積比を大きくすることが効果的である。
【０００６】
このフォトニック結晶には１次元、２次元、３次元の構造体があるが、完全なフォトニックバンドギャプを得るためには３次元構造が必要である。
【０００７】
３次元構造を得るものとして、▲１▼特開平１０−３３５７５８号「３次元周期構造体及びその作製方法並びに膜の製造方法」、▲２▼特開２０００−１５８５４２「構造物、多層構造物、その製造方法及びその装置」、▲３▼特開２０００−２５８６４５「３次元周期構造体及び２次元周期構造体並びにそれらの作製方法」が開示されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
これらの３次元周期構造体は、そのフォトバンドギャップを利用した種々のデバイスに応用されることを念頭に発明されたものであるが、例えばマイクロ波帯におけるフィルタなどの機能素子への具体的な応用については示されていない。
【０００９】
また、これらの３次元周期構造体は光周波には適するが、それらの構造のままマイクロ波帯に適用しようとすると、全体に大型化してまう。
【００１０】
この発明の目的は、例えばマイクロ波帯などの、光周波より低い周波数帯域での機能素子への応用が可能な３次元周期構造体とその製造方法、高周波素子および高周波装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
この発明の３次元周期構造体は、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占めるようにし、その３次元空間内に前記２つの物質とは異なる物質からなる所定寸法の物体を埋設したことを特徴としている。
【００１２】
また、この発明の３次元周期構造体は、前記２つの物質の一方をダイヤモンド結晶型格子構造の空気孔とし、これらの空気孔のうち複数の空気孔内に前記２つの物質とは異なる物質の物体を配置したことを特徴としている。
【００１３】
また、この発明の３次元周期構造体は、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占めるようにし、その３次元空間内に前記２つの物質のうち一方の物質で満たす所定寸法の空間を設けたことを特徴としている。
【００１４】
また、この発明の３次元周期構造体は、前記３次元の軸のうち所定方向の軸に沿って周期を変化させたことを特徴としている。
【００１５】
この発明の伝送路は、前記いずれかの３次元周期構造体を導波路内に配置したことを特徴としている。
【００１６】
また、この発明の伝送路は、前記いずれかに記載の３次元周期構造体を伝送路の一部である基板の一方の面または両方の面に配置したことを特徴としている。
【００１７】
また、この発明の伝送路は、前記基板に導電体膜による伝送線路を構成したことを特徴としている。
【００１８】
また、この発明の伝送路は、前記基板を、内部にコンデンサ、インダクタ、層間接続導体などの回路素子を備えた多層構造としたことを特徴としている。
【００１９】
この発明のフィルタは、前記伝送路を信号伝送路の一部に設け、その高周波素子の透過特性を利用する。
【００２０】
この発明のアイソレータは、前記伝送路を信号伝送路の一部に備える。
【００２１】
この発明のカプラは、前記伝送路を信号伝送路の一部に備える。
【００２２】
この発明のアンテナは、前記伝送路を信号伝送路の一部に備える。
【００２３】
この発明の高周波装置は、前記フィルタ、アイソレータ、カプラ、またはアンテナのいずれかを備える。
【００２４】
この発明の３次元周期構造体の製造方法は、形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、前記３次元周期構造体の２つの物質のうち一方の物質の分布による構造体を形成するとともに、光造形法の途中で、前記２つの物質とは異なる物質からなる所定寸法の物体を配置する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
第１の実施形態に係る３次元周期構造体、その製造方法および伝送路の構成を図１、図２、図１５〜図１７を参照して説明する。
図１は伝送路の破断斜視図である。図２はその断面図である。ここで、４は導波管であり、その内部の空間に３次元周期構造体１０１を配置している。図２において１は３次元周期構造部１００のうちの一方の物質である誘電体、２は他方の物質である空気孔である。この誘電体１および空気孔２の３次元周期構造によって３次元周期構造部１００を構成している。また３で示す部分は導波管４の信号伝送方向に沿って延びる断面矩形の誘電体である。この３次元周期構造部１００と誘電体３とによって３次元周期構造体１０１を構成している。
【００２６】
３次元周期構造部１００は、フォトニック結晶として作用する。フォトニック結晶が十分な電磁波の反射機能を発揮するためには、あらゆる結晶方向に対して幅の広いバンドギャップを形成する必要がある。理想的な結晶構造は３次元ダイヤモンド構造である。ダイヤモンド構造は、単位格子に８個の格子点を含み、そのうち４個ずつがそれぞれ独立の面心立方格子を作り、一方の格子が他方を立体対角線に沿ってその長さの１／４だけ平行に移動した位置を占めるものである。
【００２７】
ダイヤモンド構造のフォトニック結晶は、球状の誘電体をダイヤモンド構造の格子点に配置した結晶や、誘電体柱の組み合わせでダイヤモンド構造の原子結合を模した結晶である。
【００２８】
図１に示した３次元周期構造部１００は、樹脂中にダイヤモンド型格子構造の空気孔を周期性をもって分布させたものである。このような構造を反転ダイヤモンド構造と称することができる。ここで格子部分を円柱状とし、その円柱部分の直径と長さの比率を２：３（アスペクト比１．５）、格子定数を１０ｍｍとしている。
【００２９】
図１５は、図１の（Ａ）に示した３次元周期構造体１０１を製造する装置を示している。ここで、１５は紫外線で硬化するエポキシ系の光硬化性樹脂１８を満たす容器である。１６は容器１５の内部で上下方向に移動するエレベータテーブル、１９はエレベータテーブル１６の上部に造形したオブジェクトである。１７はオブジェクト１９の上面に光硬化性樹脂１８を所定膜厚だけ塗布するためのスキージである。
【００３０】
また、１０はレーザーダイオード、１１はレーザーダイオード１０からのレーザー光を波長変換して紫外光を発生させる調波発生素子（ＬＢＯ）、１２は波長選択素子としての音響光学素子（ＡＯＭ）、１３は走査ミラー、１４はｆθレンズである。これらによって光学系を構成している。
【００３１】
このような光造形装置を用いたフォトニック結晶の製造手順は次のとおりである。
まず、エレベータテーブル１６を光硬化性樹脂１８の液面から所定深さまで降下させ、スキージ１７を液面に沿った方向に移動させることによって、エレベータテーブル１６の表面に厚さ約１００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。その状態で上記光学系によって波長３５５ｎｍの紫外線レーザーをスポット径５０μｍのビームとして出力１１０ｍＷでその液面に照射する。このとき走査ミラー１３を制御しつつレーザーダイオード１０を変調することによって、光硬化性樹脂１８を硬化させるべき位置にレーザー光を照射し、その他の領域に照射しないように制御する。
【００３２】
上記レーザービームの照射された光硬化性樹脂１８の液面は、その重合反応により直径１２０μｍの球状硬化相が形成される。この時、レーザービームを速度９０ｍ／ｓで走査すると、厚さ１５０μｍの硬化相が形成される。
このようにレーザービームをラスタースキャンすることによって一層目の断面パターンに相当するオブジェクト１９を形成する。
【００３３】
次に、エレベーターテーブル１６を約２００μｍ降下させ、スキージ１７の移動によって、オブジェクト１９の表面に厚さ約２００μｍの光硬化性樹脂膜を形成する。
【００３４】
その後、一層目と同様にしてレーザービームの走査および変調を行うことによって二層目の断面パターンを一層目の上に形成する。この時、上下の層は重合硬化により接合される。三層目以降は二層目と同様である。この処理を繰り返すことによってオブジェクト１９を造形する。
【００３５】
図１６は、多数の層を形成した各段階でのオブジェクトの形状を透視斜視図として示している。但しここでは、図示を容易にするため、レーザービームが照射されずに硬化しなかった部分すなわち空気孔部分のパターンを示している。（Ａ）は、ダイヤモンド構造の結晶軸〈１１１〉方向に略１ユニット分だけ造形した状態を示している。また（Ｂ）は、これを約４ユニット分造形した状態を示している。（Ｃ）は、更にこれを所定ユニット分繰り返して造形した状態を示している。
【００３６】
図１５に示した装置で、光硬化性樹脂１８の液面に対して所定の断面パターンで光硬化性樹脂１８を硬化させるために、ＣＡＤ／ＣＡＭプロセスを用いる。すなわち、図１６に示したようなパターンは、３次元データを扱うＣＡＤで予め設計し、その３次元構造のデータを一旦ＳＴＬ（Ｓｔｅｒｅｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ）データに変換し、これをスライスソフトウェアによって、所定位置における２次元断面データの集合へ変換する。最後に、この２次元断面データからレーザービームをラスタースキャンさせる際にレーザーダイオードを変調するためのデータを作成する。このようにして用意したデータを基に、レーザービームの走査とともにレーザーダイオードの変調を行う。
【００３７】
図１７は、上述の光造形装置を用いて３次元周期構造体１０１を製造する手順を示している。まず、（Ａ）に示すように所定高さまで３次元周期構造部１００を光造形し、その後、（Ｂ）に示すように溝ｄが生じるように３次元周期構造部１００を光造形する。その後、（Ｃ）に示すように予め成形した誘電体３を溝ｄ部分に挿入する。続いて、誘電体３の上部にも３次元周期構造部１００を形成して、（Ｄ）に示すように、３次元周期構造部１００内に誘電体３を埋設した３次元周期構造体１０１を得る。
【００３８】
以上のようにして製造した３次元周期構造体１０１を導波管４内に配置することにより、その伝送路は、３次元周期構造部１００のフォトニックバンドギャップによる所定周波数が大きく減衰する透過特性を示すことになる。
【００３９】
一方、導波管４の中央部に存在する誘電体３に所定伝送モードの電磁界が集中し、伝送路全体が誘電体線路として作用する。
【００４０】
この誘電体線路の通過域を、伝送すべき信号周波数帯域に一致させ、同時に３次元周期構造部１００による減衰域を、遮断すべき周波数帯域に一致させる。このことによって、伝送すべき周波数帯域の信号成分のみを伝送するフィルタ機能を備えた伝送路として用いることができる。
【００４１】
次に、第２の実施形態に係る伝送路の構成を図３を参照して説明する。
図３は、伝送路の断面図である。ここで、１は誘電体、２は空気孔であり、この誘電体１と空気孔２とが３次元周期構造をなしている。また３′は、空気孔２となるべき複数の部分のうち所定部分に埋設した誘電体（誘電体片）である。この誘電体１、空気孔２および誘電体３’による３次元周期構造体１０１を導波管４の内部に配置している。
【００４２】
この３次元周期構造体１０１は、図１５に示したものと同様の光造形装置を用い、誘電体１および空気孔２部分を光造形する工程と、空気孔２内に、その空気孔にはまり込む大きさの誘電体３’を落とし込む工程とを繰り返すことによって製造する。
【００４３】
このように３次元周期構造体の格子中に誘電体１とは異なる物質からなる誘電体３’を分布させたことにより、誘電体３’の分布に応じて、３次元周期構造体１０１内において異なった周波数帯の通過・遮断特性を持たせることができる。
【００４４】
なお、誘電体３’の表面に予め導電体膜を形成しておいてもよい。また、誘電体材料の代わりに金属などの導電体材料からなる物体を分布させるようにしてもよい。このことにより、その分布によりやはり伝送路としての透過特性を定めることができる。
【００４５】
次に、第３の実施形態に係る伝送路について図４、図５を参照して説明する。
図４は伝送路の断面図である。ここで５は基板であり、その上下に３次元周期構造部１００を配置している。基板５の誘電率は、３次元周期構造部１００を構成する２つの物質のいずれの誘電率より高い。この基板５と３次元周期構造部１００とからなる３次元周期構造体を導波管４内に設けている。
【００４６】
図４において、３次元周期構造部１００は第１・第２の実施形態で示した３次元周期構造部１００と同様の構造からなる。基板５は誘電体セラミック基板または樹脂基板である。３次元周期構造部１００はこの基板５の上下に独立して配置するか、連続した１つの３次元周期構造部内に基板５を埋設する形態で構成してもよい。
【００４７】
図５は、上記基板５を備えた場合と備えない場合とについて、伝送路の透過特性を示している。このように３次元周期構造部１００より実効誘電率の高い基板５を配置したことにより、遮断周波数帯域が全体に低域側にシフトし、且つ減衰量が大きくなる。これは、基板の誘電率により伝送路の遮断周波数が低域に移ったことや、基板の形状・寸法による遮断条件の変化によるものである。
【００４８】
次に、第４の実施形態に係る伝送路の構成を図６を参照して説明する。
（Ａ），（Ｂ）はいずれも伝送路の断面図である。基本的には図４に示したものと同様に、基板５の上下に３次元周期構造部１００ａ，１００ｂを配置して、この基板５と３次元周期構造部１００ａ，１００ｂからなる３次元周期構造体を導波管４の内部に配置している。
【００４９】
図６の（Ａ）に示す例では、一方の３次元周期構造部１００ａに、信号伝送方向に延びる空隙７を設けている。また（Ｂ）に示す例では、３次元周期構造部１００ａと１００ｂとで、３次元周期の所定の軸方向の周期を異ならせている。このようにして、導波路内の場所毎に異なった周波数帯の遮断特性を持たせることができ、一様な３次元周期構造体を設けた場合に比べて、導波路全体での電気的特性を種々に定めることができる。
【００５０】
なお、３次元周期構造部１００の構造としては、所定の軸に沿って周期が順次変化した周期傾斜構造としてもよい。
【００５１】
次に、第５の実施形態に係る伝送路の構成を図７〜図９を参照して説明する。
図７は、伝送路の信号伝送方向に垂直な面で切断した、信号伝送方向に所定長さを有する、部分斜視図である。図７において、５は伝送路の主要部を構成する基板である。この基板５の主要部の上下に３次元周期構造体１０１を配置している。すなわち、３次元周期構造体１０１で基板５を挟み込むようにしている。
【００５２】
図８は、図７に示した状態から上下の３次元周期構造体１０１を取り除いた状態での斜視図である。基板５の上下面には、信号伝送方向に延びる電極６を形成している。この基板５と、その表面に形成した電極６とによってストリップライン、スロットライン、コプレナーラインなどの各種伝送線路を構成する。また、基板５の周囲にシールドを設けてサスペンデッドラインを構成してもよい。
【００５３】
図９は、他の構造からなる基板の分解斜視図である。図８に示した例では、単層（単板）の誘電体基板に電極６を形成することによって伝送線路を構成したが、この図９に示す例では、５ａ〜５ｅで示す５層からなる多層構造基板である。５ａにはコイルパターン、５ｂにはキャパシタパターン、５ｃにはシールドパターン、５ｄにはトリミングパターンの電極をそれぞれ形成している。また、いわゆるＬＴＣＣ技術を用いて、基板の断面または内部には層間接続用導体を形成している。このように、内部にコンデンサ、インダクタ、層間接続導体などの回路素子を備えた多層構造の基板を用いてもよい。このことにより、基板が持つ複数の電気的性能と、３次元周期構造体１０１が持つ遮断特性とを同時に発現させることができる。
【００５４】
次に、第６の実施形態に係るフィルタの構成を図１０を参照して説明する。　（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はその縦断面図である。ここで、２１は角筒状のキャビティであり、その２つの開口部をパネル２２ａ，２２ｂで被っている。パネル２２ａ，２２ｂには、それぞれ同軸コネクタ２３ａ，２３ｂおよびそれらの中心導体に接続した結合ループ２４ａ，２４ｂを設けている。キャビティ２１の内部には、３次元周期構造体１０１を配置している。この３次元周期構造体１０１は、第１〜第５の各実施形態で示したいずれかの３次元周期構造体である。基本的にキャビティ２１内は空洞共振器として作用するが、３次元周期構造体１０１の存在により、フォトバンドギャップに相当する周波数が減衰する。スプリアスモードの共振周波数を、その減衰周波数に合わせることによって、このフィルタは、空洞共振器の基本周波数帯域を通過させ、減衰域のうち所定の周波数帯域をより大きく減衰させる、帯域通過フィルタとして作用する。
【００５５】
次に、第７の実施形態に係るアイソレータの構成を図１１を参照して説明する。
図１１は、信号伝送方向に垂直な面での断面図である。このアイソレータは、矩形導波管４の内部に、管軸に対して非対称の位置にフェライト板２５を挿入し、フェライト２５の周囲の空間に３次元周期構造部１００を配置したものである。フェライト板２５には、外部から直流磁界Ｈｄｃを印加する。ＴＥ１０モードの矩形導波管内では、互いに９０°位相の異なる振動磁界Ｈｘ，Ｈｚが存在し、任意の一点において、その合成回転磁界はｙ−ｚ平面で楕円編波している。この偏波の回転方向は、管軸を含むｙ−ｚ平面の両側で反対となっている。また、正のｚ方向へ進む波と負のｚ方向へ進む波についても互いに反対となっている。したがって、直流磁界Ｈｄｃを適当に選ぶことにより、ｚ軸の正方向に伝搬する波が正の回転磁界を生じて共鳴吸収により減衰し、負の方向に進む波が減衰しない。これによりアイソレータとして作用する。その際、３次元周期構造部１００の存在により、導波管４内を伝搬する不要周波数帯域が減衰するので、このアイソレータは、フィルタ機能を持ったアイソレータとして用いることができる。
【００５６】
なお、フェライト２５の左右の３次元周期構造部１００は別体で構成してもよいが、３次元周期構造部１００内にフェライト２５を埋設するようにして両者を一体化し、その全体を３次元周期構造体として構成してもよい。
【００５７】
次に、第８の実施形態に係るカプラの構成を図１２を参照して説明する。
このカプラは、２つの伝送路を並べるとともに、その管壁に、両方の伝送路内の波を結合させるための結合要素を設けたものである。この例では結合要素として孔ｈａ，ｈｂを管内波長の１／４波長分隔てて設けている。この構造により、ポート＃１からポート＃２の方向へ伝送される信号はポート＃４方向へ同相で加わり出力されるが、ポート＃３方向へは逆相で加わるため打ち消され出力されない。
【００５８】
この２つの伝送路は第１〜第５の実施形態で示したいずれかの構造からなる。したがって、このカプラは、伝送すべき周波数帯域のみ伝送し、不要な周波数帯域を遮断するフィルタ機能を備えたカプラとして作用する。
【００５９】
次に、第９の実施形態に係るアンテナの構成を図１３を基に説明する。
図１３は、スロットアンテナの部分斜視図である。ここで４は導波管であり、その内部に、第１〜第５の実施形態で示した３次元周期構造体１０１を配置している。導波管４の一方の側部には複数のスロットｓを設けている。これらの複数のスロットｓは同相で励振され、導波管４に対して横方向に最大放射を得る。導波管４を伝送する信号は、３次元周期構造体１０１の存在により、その不要な周波数帯域が減衰されるので、スプリアスの少ないアンテナ特性が得られる。
【００６０】
次に第１０の実施形態に係るレーダの構成を図１４を基に説明する。
図１４において、３１は発振器、３２はその発振信号を増幅する増幅器、３３は増幅器３２への戻り信号を阻止するアイソレータ、３４は送信信号の一部をローカル信号として取り出すカプラである。３６はアンテナ、３７はミキサである。３５は送信信号をアンテナ３６へ出力し、アンテナ３６からの受信信号をミキサ３７側へ出力するサーキュレータである。ミキサ３７は受信信号とローカル信号とをミキシングして、そのビート信号を生成する。フィルタ３８はそのビート信号のうち、必要な周波数成分を取り出して、受信中間周波信号ＩＦとして出力する。
【００６１】
上記アイソレータ３３として、図１１に示した構造のアイソレータを用い、上記カプラ３４として、図１２に示した構造のカプラを用い、上記アンテナ３６として、図１３に示した構造のアンテナを用いる。また、各伝送路部分には、図１〜図９のいずれかに示した伝送路を用いる。
【００６２】
このようにして、フィルタ機能を備えた高周波素子を用いることにより、小型、高感度、低スプリアス特性を備えたレーダを構成する。
【００６３】
【発明の効果】
この発明によれば、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占めるようにし、その３次元空間内に前記２つの物質とは異なる物質からなる所定寸法の物体を埋設したので、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布しただけの３次元周期構造体に比べて、光周波より低い例えばマイクロ波帯に適用しても、全体に大型化せず、光周波より低い周波数帯域での機能素子への応用が可能な３次元周期構造体が得られる。
【００６４】
また、この発明によれば、前記２つの物質の一方をダイヤモンド結晶型格子構造の空気孔とし、これらの空気孔のうち複数の空気孔内に前記２つの物質とは異なる物質の物体を配置したことにより、当該物体の位置決め配置が容易となる。
【００６５】
また、この発明によれば、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占めるようにし、その３次元空間内に前記２つの物質のうち一方の物質で満たす所定寸法の空間を設けたことにより、誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布しただけの３次元周期構造体に比べて、光周波より低い例えばマイクロ波帯に適用しても、全体に大型化せず、光周波より低い周波数帯域での機能素子への応用が可能な３次元周期構造体が得られる。
【００６６】
また、この発明によれば、前記３次元の軸のうち所定方向の軸に沿って周期を変化させたことにより、周期が一定の場合に比べて設計パラメータの数が増して、より機能性の高い３次元周期構造体が得られる。
【００６７】
この発明によれば、前記いずれかの３次元周期構造体を導波路内に配置したことにより、例えばマイクロ波帯の信号に対してフィルタ作用をもった伝送路が構成できる。
【００６８】
また、この発明によれば、前記いずれかに記載の３次元周期構造体を伝送路の一部である基板の一方の面または両方の面に配置したことにより、例えばマイクロ波帯の信号に対してフィルタ作用をもった伝送路が構成できる。
【００６９】
また、この発明によれば、前記基板に導電体膜による伝送線路を構成したことにより、その導電体膜と基板による伝送路としての特性と前記３次元周期構造体による電気的特性とを併せ持った特性の伝送路が得られる。
【００７０】
また、この発明によれば、前記基板を、内部にコンデンサ、インダクタ、層間接続導体などの回路素子を備えた多層構造としたことにより、基板に構成した回路の電気的特性を備えた多機能な伝送路が得られる。
【００７１】
この発明によれば、前記伝送路を信号伝送路の一部に備えたことにより、その伝送路の透過特性を備えたフィルタが得られる。
【００７２】
この発明によれば、前記伝送路を信号伝送路の一部に備えたことにより、フィルタ特性を備えたアイソレータが得られる。
【００７３】
この発明によれば、前記伝送路を信号伝送路の一部に備えたことにより、フィルタ特性を備えたカプラが得られる。
【００７４】
この発明によれば、前記伝送路を信号伝送路の一部に備えたことにより、フィルタ特性を備えたアンテナが得られる。
【００７５】
この発明によれば、前記フィルタ、アイソレータ、カプラ、またはアンテナのいずれかを備えた、機能性の高い高周波装置が得られる。
【００７６】
この発明によれば、形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、前記３次元周期構造体の２つの物質のうち一方の物質の分布による構造体を形成するとともに、光造形法の途中で、前記２つの物質とは異なる物質からなる所定寸法の物体を配置するようにしたので、３次元周期構造体を容易に製造できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】第１の実施形態に係る伝送路の部分斜視図
【図２】同伝送路の断面図
【図３】第２の実施形態に係る伝送路の断面図
【図４】第３の実施形態に係る伝送路の断面図
【図５】同伝送線路の透過特性を示す図
【図６】第４の実施形態に係る伝送路の断面図
【図７】第５の実施形態に係る伝送路の部分斜視図
【図８】同伝送路に用いる基板の部分斜視図
【図９】別の基板の構成を示す分解斜視図
【図１０】第６の実施形態に係るフィルタの斜視図および断面図
【図１１】第７の実施形態に係るアイソレータの断面図
【図１２】第８の実施形態に係るカプラの概略断面図
【図１３】第９の実施形態に係るアンテナの部分斜視図
【図１４】第１０の実施形態に係るレーダの構成を示すブロック図
【図１５】光造形装置の構成を示す図
【図１６】同光造形装置によるオブジェクトの造形途中の状態を示す図
【図１７】光造形法による３次元周期構造体の製造工程を示す図
【図１８】誘電率の異なる物質が周期性をもって分布している時の２つの定在波を示す図
【符号の説明】
１−誘電体
２−空気孔
３，３′−誘電体
４−導波管
５−基板
６−電極
７−空隙
１０−レーザダイオード
１１−調波発生素子（ＬＢＯ）
１２−音響光学素子（ＡＯＭ）
１３−走査ミラー
１４−ｆθレンズ
１５−容器
１６−エレベータテーブル
１７−スキージ
１８−光硬化性樹脂
１９−オブジェクト
２１−キャビティ
２２−パネル
２３−同軸コネクタ
２４−結合ループ
２５−フェライト
１００−３次元周期構造部
１０１−３次元周期構造体
ｄ−溝[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional periodic structure that can be used as a part of an electronic component, a method for manufacturing the same, a high-frequency element, and a high-frequency device.
[0002]
[Prior art]
In a solid crystal, a periodic potential distribution constituted by nuclei exhibits an interference effect on an electron wave having a wavelength corresponding to a lattice constant. That is, when the wavelength of the electron wave is very close to the potential period of the crystal, reflection occurs due to three-dimensional diffraction (Bragg diffraction). Due to this phenomenon, electrons contained in a specific energy region are prohibited from passing therethrough. This is the formation of an electronic band gap used for semiconductor devices and the like.
[0003]
Similarly, a three-dimensional structure in which the refractive index or the dielectric constant changes periodically exhibits an interference effect on electromagnetic waves, and blocks electromagnetic waves in a specific frequency region. In this case, the forbidden band is called a photonic band gap, and the three-dimensional structure is called a photonic crystal.
[0004]
Utilizing such an action of the photonic crystal, for example, it is used as a cutoff filter that blocks transmission of electromagnetic waves in a predetermined frequency band, or introduces a non-uniform portion that disturbs the period into the periodic structure, and It has been considered to be used as a waveguide or a resonator in which light or an electromagnetic wave is confined in a portion. Further, application to an ultra-low threshold laser of light, a highly directional antenna of electromagnetic waves, and the like is also considered.
[0005]
Generally, when Bragg diffraction of an electromagnetic wave occurs in a photonic crystal, two types of standing waves are formed. FIG. 18 shows the two types of standing waves. The standing wave A has high energy in the region where the vibration of the wave has a low dielectric constant, and the standing wave B has high energy in the region where the vibration of the wave has a high dielectric constant. A wave having energy between the standing waves split into the two different modes cannot exist in the crystal, thus creating a band gap. If it is desired to widen the band gap, the energy difference between the two standing waves may be widened. For that purpose, it is effective to increase the contrast of the dielectric constant between the two media or to increase the volume ratio of the medium having a high dielectric constant.
[0006]
This photonic crystal has a one-dimensional, two-dimensional, or three-dimensional structure, but a three-dimensional structure is necessary to obtain a complete photonic band gap.
[0007]
As a method for obtaining a three-dimensional structure, (1) Japanese Patent Application Laid-Open No. H10-335758, "A three-dimensional periodic structure, a method for manufacturing the same, and a method for manufacturing a film"; And (3) Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-258645 "3D periodic structure and 2D periodic structure and methods for producing them".
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
These three-dimensional periodic structures have been invented with a view to being applied to various devices utilizing the photo band gap, but specific examples of functional elements such as filters in the microwave band are used. No application is shown.
[0009]
Further, these three-dimensional periodic structures are suitable for optical frequencies, but if they are applied to the microwave band as they are, their size will be increased as a whole.
[0010]
An object of the present invention is to provide a three-dimensional periodic structure that can be applied to a functional element in a frequency band lower than an optical frequency, such as a microwave band, a manufacturing method thereof, a high-frequency element, and a high-frequency device. .
[0011]
[Means for Solving the Problems]
In the three-dimensional periodic structure of the present invention, two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction, and occupy a three-dimensional space having a predetermined external dimension. It is characterized in that an object of a predetermined size made of a substance different from the two substances is embedded.
[0012]
Further, in the three-dimensional periodic structure according to the present invention, one of the two substances is an air hole having a diamond crystal lattice structure, and a plurality of air holes among the plurality of air holes are formed of a material different from the two substances. It is characterized in that an object is arranged.
[0013]
Further, the three-dimensional periodic structure of the present invention is arranged such that two substances having different dielectric constants are distributed with periodicity in a three-dimensional axial direction and occupy a three-dimensional space having a predetermined outer dimension. A space of a predetermined size filled with one of the two substances is provided.
[0014]
Further, the three-dimensional periodic structure of the present invention is characterized in that the period is changed along an axis in a predetermined direction among the three-dimensional axes.
[0015]
The transmission line according to the present invention is characterized in that any one of the three-dimensional periodic structures is arranged in a waveguide.
[0016]
Further, a transmission line according to the present invention is characterized in that the three-dimensional periodic structure described in any one of the above is arranged on one or both surfaces of a substrate which is a part of the transmission line.
[0017]
Further, a transmission line according to the present invention is characterized in that a transmission line made of a conductive film is formed on the substrate.
[0018]
Further, the transmission line of the present invention is characterized in that the substrate has a multilayer structure including circuit elements such as capacitors, inductors, and interlayer connection conductors inside.
[0019]
In the filter of the present invention, the transmission path is provided in a part of the signal transmission path, and the transmission characteristic of the high-frequency element is used.
[0020]
An isolator according to the present invention includes the transmission path in a part of a signal transmission path.
[0021]
In the coupler of the present invention, the transmission path is provided in a part of a signal transmission path.
[0022]
An antenna according to the present invention includes the transmission path in a part of a signal transmission path.
[0023]
A high-frequency device according to the present invention includes any one of the filter, the isolator, the coupler, and the antenna.
[0024]
The method of manufacturing a three-dimensional periodic structure according to the present invention is a method of manufacturing a three-dimensional periodic structure, wherein the light irradiation of a cross-sectional pattern to be formed is repeated for each layer with respect to a photocurable resin. A structure is formed by the distribution of one of the substances, and an object having a predetermined size made of a substance different from the two substances is arranged during the stereolithography.
[0025]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
A three-dimensional periodic structure, a method for manufacturing the same, and a configuration of a transmission line according to the first embodiment will be described with reference to FIGS. 1, 2, and 15 to 17.
FIG. 1 is a cutaway perspective view of a transmission line. FIG. 2 is a sectional view thereof. Here, reference numeral 4 denotes a waveguide, and a three-dimensional periodic structure 101 is arranged in a space inside the waveguide. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a dielectric which is one substance of the three-dimensional periodic structure 100, and 2 denotes an air hole which is the other substance. The three-dimensional periodic structure of the dielectric 1 and the air holes 2 constitutes a three-dimensional periodic structure part 100. The portion indicated by 3 is a dielectric having a rectangular cross section extending along the signal transmission direction of the waveguide 4. The three-dimensional periodic structure 100 and the dielectric 3 constitute a three-dimensional periodic structure 101.
[0026]
The three-dimensional periodic structure 100 functions as a photonic crystal. In order for the photonic crystal to exhibit a sufficient electromagnetic wave reflection function, it is necessary to form a wide band gap in all crystal directions. The ideal crystal structure is a three-dimensional diamond structure. The diamond structure has eight lattice points in the unit cell, four of which form independent face-centered cubic lattices, one of which is parallel to the other along a solid diagonal by 1/4 of its length. Occupies the position moved to.
[0027]
A photonic crystal having a diamond structure is a crystal in which a spherical dielectric is arranged at a lattice point of the diamond structure, or a crystal that simulates atomic bonds of the diamond structure by a combination of dielectric columns.
[0028]
The three-dimensional periodic structure portion 100 shown in FIG. 1 is one in which air holes having a diamond-type lattice structure are periodically distributed in a resin. Such a structure can be called an inverted diamond structure. Here, the lattice portion is cylindrical, the ratio of the diameter to the length of the cylindrical portion is 2: 3 (aspect ratio 1.5), and the lattice constant is 10 mm.
[0029]
FIG. 15 shows an apparatus for manufacturing the three-dimensional periodic structure 101 shown in FIG. Here, reference numeral 15 denotes a container that fills an epoxy photocurable resin 18 that is cured by ultraviolet rays. Reference numeral 16 denotes an elevator table that moves up and down inside the container 15, and 19 denotes an object formed on an upper portion of the elevator table 16. Reference numeral 17 denotes a squeegee for applying the photocurable resin 18 to the upper surface of the object 19 by a predetermined thickness.
[0030]
Reference numeral 10 denotes a laser diode, 11 denotes a harmonic generation element (LBO) for converting the wavelength of the laser light from the laser diode 10 to generate ultraviolet light, 12 denotes an acousto-optic element (AOM) as a wavelength selection element, and 13 denotes The scanning mirror 14 is an fθ lens. These constitute an optical system.
[0031]
The procedure for manufacturing a photonic crystal using such an optical shaping apparatus is as follows.
First, the elevator table 16 is lowered from the liquid surface of the photo-curable resin 18 to a predetermined depth, and the squeegee 17 is moved in a direction along the liquid surface. A resin film is formed. In this state, the liquid surface is irradiated with an ultraviolet laser having a wavelength of 355 nm as a beam having a spot diameter of 50 μm at an output of 110 mW by the above optical system. At this time, by modulating the laser diode 10 while controlling the scanning mirror 13, the laser beam is irradiated to a position where the photo-curable resin 18 is to be cured, and control is performed so as not to irradiate other regions.
[0032]
On the liquid surface of the photocurable resin 18 irradiated with the laser beam, a spherical cured phase having a diameter of 120 μm is formed by the polymerization reaction. At this time, when the laser beam is scanned at a speed of 90 m / s, a cured phase having a thickness of 150 μm is formed.
Thus, the object 19 corresponding to the first-layer cross-sectional pattern is formed by raster-scanning the laser beam.
[0033]
Next, the elevator table 16 is lowered by about 200 μm, and the squeegee 17 is moved to form a photocurable resin film having a thickness of about 200 μm on the surface of the object 19.
[0034]
After that, by scanning and modulating the laser beam in the same manner as in the first layer, a sectional pattern of the second layer is formed on the first layer. At this time, the upper and lower layers are joined by polymerization curing. The third and subsequent layers are the same as the second layer. The object 19 is formed by repeating this process.
[0035]
FIG. 16 is a perspective view showing the shape of the object at each stage when a large number of layers are formed. However, here, for ease of illustration, a pattern of a portion which is not cured without being irradiated with a laser beam, that is, an air hole portion is shown. (A) shows a state where only one unit is formed in the crystal axis <111> direction of the diamond structure. (B) shows a state in which this is molded into about 4 units. (C) shows a state where the above process is repeated for a predetermined unit to form a model.
[0036]
In the apparatus shown in FIG. 15, a CAD / CAM process is used to cure the photocurable resin 18 in a predetermined sectional pattern with respect to the liquid surface of the photocurable resin 18. That is, the pattern as shown in FIG. 16 is designed in advance by CAD that handles three-dimensional data, and the data of the three-dimensional structure is temporarily converted into STL (Stereolithography) data, and this is converted into two-dimensional data at a predetermined position by slice software. Convert to a set of two-dimensional section data. Finally, data for modulating the laser diode when raster-scanning the laser beam is created from the two-dimensional cross-sectional data. Based on the data thus prepared, the laser diode is scanned and the laser diode is modulated.
[0037]
FIG. 17 shows a procedure for manufacturing the three-dimensional periodic structure 101 using the above-described optical shaping apparatus. First, as shown in (A), the three-dimensional periodic structure part 100 is optically formed to a predetermined height, and thereafter, as shown in (B), the three-dimensional periodic structure part 100 is optically formed so that a groove d is formed. Thereafter, as shown in (C), the dielectric 3 preformed is inserted into the groove d. Subsequently, the three-dimensional periodic structure 100 is formed also on the upper part of the dielectric 3, and the three-dimensional periodic structure 101 in which the dielectric 3 is embedded in the three-dimensional periodic structure 100 is formed as shown in FIG. obtain.
[0038]
By disposing the three-dimensional periodic structure 101 manufactured as described above in the waveguide 4, the transmission path has a transmission characteristic in which a predetermined frequency due to the photonic band gap of the three-dimensional periodic structure 100 is greatly attenuated. Will be shown.
[0039]
On the other hand, the electromagnetic field of the predetermined transmission mode concentrates on the dielectric 3 existing at the center of the waveguide 4, and the entire transmission line acts as a dielectric line.
[0040]
The pass band of the dielectric line is matched with the signal frequency band to be transmitted, and at the same time, the attenuation band by the three-dimensional periodic structure unit 100 is matched with the frequency band to be cut off. Thus, it can be used as a transmission line having a filter function of transmitting only a signal component of a frequency band to be transmitted.
[0041]
Next, a configuration of a transmission line according to the second embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 3 is a sectional view of the transmission line. Here, 1 is a dielectric, 2 is an air hole, and the dielectric 1 and the air hole 2 form a three-dimensional periodic structure. Reference numeral 3 'denotes a dielectric (dielectric piece) buried in a predetermined portion of the plurality of portions to be the air holes 2. The three-dimensional periodic structure 101 including the dielectric 1, the air hole 2, and the dielectric 3 'is arranged inside the waveguide 4.
[0042]
This three-dimensional periodic structure 101 uses a stereolithography apparatus similar to that shown in FIG. 15 to stereolithographically form the dielectric 1 and the air hole 2 portion, and fits inside the air hole 2 into the air hole. It is manufactured by repeating the step of dropping the dielectric 3 ′ of the size to be dropped.
[0043]
As described above, since the dielectrics 3 'made of a material different from the dielectric 1 are distributed in the lattice of the three-dimensional periodic structure, the three-dimensional periodic structure 101 has Pass / cut characteristics of different frequency bands can be provided.
[0044]
Note that a conductor film may be formed in advance on the surface of the dielectric 3 '. In addition, an object made of a conductive material such as a metal may be distributed instead of the dielectric material. As a result, the transmission characteristic of the transmission path can be determined by the distribution.
[0045]
Next, a transmission path according to the third embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 4 is a sectional view of the transmission line. Here, reference numeral 5 denotes a substrate on which the three-dimensional periodic structure 100 is arranged. The dielectric constant of the substrate 5 is higher than the dielectric constant of either of the two substances constituting the three-dimensional periodic structure 100. A three-dimensional periodic structure including the substrate 5 and the three-dimensional periodic structure 100 is provided in the waveguide 4.
[0046]
In FIG. 4, the three-dimensional periodic structure unit 100 has the same structure as the three-dimensional periodic structure unit 100 shown in the first and second embodiments. The substrate 5 is a dielectric ceramic substrate or a resin substrate. The three-dimensional periodic structure unit 100 may be arranged independently above and below the substrate 5 or may be configured such that the substrate 5 is embedded in one continuous three-dimensional periodic structure unit.
[0047]
FIG. 5 shows transmission characteristics of the transmission line when the substrate 5 is provided and when it is not provided. By arranging the substrate 5 having an effective dielectric constant higher than the three-dimensional periodic structure portion 100, the cutoff frequency band is shifted to a lower frequency side as a whole, and the attenuation is increased. This is due to the fact that the cutoff frequency of the transmission line has shifted to a lower frequency due to the dielectric constant of the substrate, or a change in the cutoff condition due to the shape and size of the substrate.
[0048]
Next, a configuration of a transmission line according to a fourth embodiment will be described with reference to FIG.
(A) and (B) are cross-sectional views of the transmission line. Basically, three-dimensional periodic structures 100a and 100b are arranged above and below a substrate 5 in the same manner as shown in FIG. 4, and a three-dimensional periodic structure composed of the substrate 5 and the three-dimensional periodic structures 100a and 100b. The body is located inside the waveguide 4.
[0049]
In the example shown in FIG. 6A, a gap 7 extending in the signal transmission direction is provided in one of the three-dimensional periodic structures 100a. In the example shown in (B), the three-dimensional periodic structures 100a and 100b have different three-dimensional periods in the predetermined axial direction. In this manner, different frequency band cutoff characteristics can be provided for each location in the waveguide, and the electrical characteristics of the entire waveguide can be reduced as compared with the case where a uniform three-dimensional periodic structure is provided. Can be variously determined.
[0050]
Note that the structure of the three-dimensional periodic structure unit 100 may be a periodic tilt structure in which the period changes sequentially along a predetermined axis.
[0051]
Next, a configuration of a transmission line according to a fifth embodiment will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a partial perspective view of a transmission line cut along a plane perpendicular to the signal transmission direction and having a predetermined length in the signal transmission direction. In FIG. 7, reference numeral 5 denotes a substrate constituting a main part of the transmission line. The three-dimensional periodic structure 101 is arranged above and below the main part of the substrate 5. That is, the substrate 5 is sandwiched between the three-dimensional periodic structures 101.
[0052]
FIG. 8 is a perspective view in a state where upper and lower three-dimensional periodic structures 101 are removed from the state shown in FIG. On the upper and lower surfaces of the substrate 5, electrodes 6 extending in the signal transmission direction are formed. The substrate 5 and the electrodes 6 formed on its surface constitute various transmission lines such as a strip line, a slot line, and a coplanar line. Further, a suspended line may be formed by providing a shield around the substrate 5.
[0053]
FIG. 9 is an exploded perspective view of a substrate having another structure. In the example shown in FIG. 8, the transmission line is formed by forming the electrode 6 on a single-layer (single-plate) dielectric substrate. However, in the example shown in FIG. 9, the transmission line is composed of five layers indicated by 5a to 5e. This is a multilayer substrate. 5a has a coil pattern, 5b has a capacitor pattern, 5c has a shield pattern, and 5d has a trimming pattern. In addition, a conductor for interlayer connection is formed in a cross section or inside of the substrate by using what is called LTCC technology. As described above, a multi-layer substrate provided with circuit elements such as capacitors, inductors, and interlayer connection conductors inside may be used. Thereby, a plurality of electrical performances of the substrate and a cutoff characteristic of the three-dimensional periodic structure 101 can be simultaneously exhibited.
[0054]
Next, a configuration of a filter according to a sixth embodiment will be described with reference to FIG. (A) is a perspective view and (B) is a longitudinal sectional view thereof. Here, reference numeral 21 denotes a rectangular cylindrical cavity whose two openings are covered by panels 22a and 22b. The panels 22a and 22b are provided with coaxial connectors 23a and 23b and coupling loops 24a and 24b connected to their center conductors, respectively. A three-dimensional periodic structure 101 is disposed inside the cavity 21. The three-dimensional periodic structure 101 is any one of the three-dimensional periodic structures described in the first to fifth embodiments. Basically, the inside of the cavity 21 acts as a cavity resonator, but the presence of the three-dimensional periodic structure 101 attenuates the frequency corresponding to the photo band gap. By matching the resonance frequency of the spurious mode to its attenuation frequency, this filter acts as a band-pass filter that passes the fundamental frequency band of the cavity resonator and attenuates a predetermined frequency band out of the attenuation band more. .
[0055]
Next, a configuration of an isolator according to a seventh embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 11 is a cross-sectional view in a plane perpendicular to the signal transmission direction. In this isolator, a ferrite plate 25 is inserted into a rectangular waveguide 4 at an asymmetric position with respect to a tube axis, and a three-dimensional periodic structure 100 is arranged in a space around the ferrite 25. A DC magnetic field Hdc is externally applied to the ferrite plate 25. In the TE10 mode rectangular waveguide, there are oscillating magnetic fields Hx and Hz having phases different from each other by 90 °, and at any one point, the combined rotating magnetic field has an elliptical knitted wave in the yz plane. The direction of rotation of this polarization is opposite on both sides of the yz plane including the tube axis. The waves traveling in the positive z direction and the waves traveling in the negative z direction are also opposite to each other. Therefore, by appropriately selecting the DC magnetic field Hdc, a wave propagating in the positive direction of the z-axis generates a positive rotating magnetic field and is attenuated by resonance absorption, and a wave traveling in the negative direction is not attenuated. This acts as an isolator. At this time, since the unnecessary frequency band propagating in the waveguide 4 is attenuated by the presence of the three-dimensional periodic structure 100, this isolator can be used as an isolator having a filter function.
[0056]
The right and left three-dimensional periodic structure portions 100 of the ferrite 25 may be formed separately, but the ferrite 25 is embedded in the three-dimensional periodic structure portion 100 to integrate them, and the whole is three-dimensionally structured. It may be configured as a periodic structure.
[0057]
Next, a configuration of a coupler according to an eighth embodiment will be described with reference to FIG.
In this coupler, two transmission lines are arranged, and a coupling element for coupling the waves in both transmission lines is provided on the tube wall. In this example, holes ha and hb are provided as coupling elements at a distance of 1/4 wavelength of the guide wavelength. With this structure, a signal transmitted in the direction from port # 1 to port # 2 is added and output in the same phase toward port # 4, but is canceled and not output because it is added in the opposite phase toward port # 3.
[0058]
These two transmission lines have any of the structures shown in the first to fifth embodiments. Therefore, this coupler functions as a coupler having a filter function of transmitting only a frequency band to be transmitted and cutting off an unnecessary frequency band.
[0059]
Next, the configuration of the antenna according to the ninth embodiment will be described with reference to FIG.
FIG. 13 is a partial perspective view of the slot antenna. Here, reference numeral 4 denotes a waveguide, in which the three-dimensional periodic structure 101 shown in the first to fifth embodiments is arranged. A plurality of slots s are provided on one side of the waveguide 4. These slots s are excited in phase to obtain maximum radiation transverse to the waveguide 4. The unnecessary frequency band of the signal transmitted through the waveguide 4 is attenuated by the presence of the three-dimensional periodic structure 101, so that antenna characteristics with less spurious can be obtained.
[0060]
Next, the configuration of a radar according to a tenth embodiment will be described with reference to FIG.
In FIG. 14, 31 is an oscillator, 32 is an amplifier for amplifying the oscillation signal, 33 is an isolator for blocking a return signal to the amplifier 32, and 34 is a coupler for extracting a part of the transmission signal as a local signal. 36 is an antenna, and 37 is a mixer. A circulator 35 outputs a transmission signal to the antenna 36 and outputs a reception signal from the antenna 36 to the mixer 37 side. Mixer 37 mixes the received signal and the local signal to generate a beat signal. The filter 38 extracts a necessary frequency component from the beat signal and outputs it as a reception intermediate frequency signal IF.
[0061]
An isolator having the structure shown in FIG. 11 is used as the isolator 33, a coupler having a structure shown in FIG. 12 is used as the coupler 34, and an antenna having a structure shown in FIG. The transmission path shown in FIG. 1 to FIG. 9 is used for each transmission path.
[0062]
In this manner, by using a high-frequency element having a filter function, a radar having a small size, high sensitivity, and low spurious characteristics is configured.
[0063]
【The invention's effect】
According to the present invention, two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction, and occupy a three-dimensional space having a predetermined external dimension. Embedded in an object of a predetermined size made of different materials, compared with a three-dimensional periodic structure in which two materials having different dielectric constants are distributed periodically in a three-dimensional axial direction, have a lower optical frequency, for example, a microscopic structure. Even when applied to a waveband, a three-dimensional periodic structure that can be applied to a functional element in a frequency band lower than the optical frequency without increasing the size as a whole is obtained.
[0064]
According to the invention, one of the two substances is an air hole having a diamond crystal lattice structure, and an object of a substance different from the two substances is arranged in a plurality of air holes among these air holes. This facilitates the positioning of the object.
[0065]
According to the present invention, two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction, and occupy a three-dimensional space having a predetermined outer dimension. By providing a space of a predetermined size to be filled with one of the substances, compared to a three-dimensional periodic structure in which two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction, the optical frequency is higher. Even when applied to a lower band, for example, a microwave band, a three-dimensional periodic structure that can be applied to a functional element in a frequency band lower than the optical frequency without increasing the overall size can be obtained.
[0066]
Further, according to the present invention, by changing the period along the axis in the predetermined direction among the three-dimensional axes, the number of design parameters is increased as compared with the case where the period is constant, and more functionality is achieved. A high three-dimensional periodic structure is obtained.
[0067]
According to the present invention, by arranging any one of the three-dimensional periodic structures in the waveguide, for example, a transmission line having a filter function for a signal in a microwave band can be configured.
[0068]
Further, according to the present invention, by arranging the three-dimensional periodic structure according to any one of the above on one or both surfaces of a substrate which is a part of a transmission line, for example, for a signal in a microwave band. Thus, a transmission line having a filter function can be configured.
[0069]
Further, according to the present invention, since the transmission line is formed by the conductive film on the substrate, the characteristics as a transmission line formed by the conductive film and the substrate and the electrical characteristics by the three-dimensional periodic structure are combined. A transmission path having characteristics can be obtained.
[0070]
Further, according to the present invention, the substrate has a multilayer structure including circuit elements such as capacitors, inductors, and interlayer connection conductors therein, thereby providing a multifunctional device having electric characteristics of a circuit formed on the substrate. A transmission path is obtained.
[0071]
According to the present invention, since the transmission path is provided in a part of the signal transmission path, a filter having transmission characteristics of the transmission path can be obtained.
[0072]
According to the present invention, since the transmission path is provided in a part of the signal transmission path, an isolator having a filter characteristic can be obtained.
[0073]
According to the present invention, by providing the transmission path in a part of the signal transmission path, a coupler having a filter characteristic can be obtained.
[0074]
According to the present invention, since the transmission path is provided in a part of the signal transmission path, an antenna having filter characteristics can be obtained.
[0075]
According to the present invention, a high-functional high-frequency device including any one of the filter, the isolator, the coupler, and the antenna can be obtained.
[0076]
According to the present invention, the structure based on the distribution of one of the two substances of the three-dimensional periodic structure is obtained by a stereolithography method in which light irradiation of a cross-sectional pattern to be formed is repeated for each layer on the photocurable resin. Since a body is formed and an object having a predetermined size made of a substance different from the two substances is arranged in the course of the stereolithography, a three-dimensional periodic structure can be easily manufactured.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a partial perspective view of a transmission line according to a first embodiment.
FIG. 2 is a sectional view of the transmission line.
FIG. 3 is a cross-sectional view of a transmission line according to a second embodiment.
FIG. 4 is a sectional view of a transmission line according to a third embodiment.
FIG. 5 is a diagram showing transmission characteristics of the transmission line.
FIG. 6 is a sectional view of a transmission line according to a fourth embodiment.
FIG. 7 is a partial perspective view of a transmission line according to a fifth embodiment.
FIG. 8 is a partial perspective view of a substrate used for the transmission line.
FIG. 9 is an exploded perspective view showing the configuration of another substrate.
FIG. 10 is a perspective view and a cross-sectional view of a filter according to a sixth embodiment.
FIG. 11 is a sectional view of an isolator according to a seventh embodiment.
FIG. 12 is a schematic sectional view of a coupler according to an eighth embodiment.
FIG. 13 is a partial perspective view of an antenna according to a ninth embodiment.
FIG. 14 is a block diagram illustrating a configuration of a radar according to a tenth embodiment.
FIG. 15 is a diagram showing a configuration of an optical shaping apparatus.
FIG. 16 is a view showing a state in which the object is being formed by the optical forming apparatus;
FIG. 17 is a diagram showing a manufacturing process of a three-dimensional periodic structure by a stereolithography method.
FIG. 18 is a diagram showing two standing waves when substances having different dielectric constants are distributed with periodicity.
[Explanation of symbols]
1- Dielectric
2- air hole
3,3'-dielectric
4-waveguide
5-substrate
6-electrode
7-void
10-Laser diode
11-harmonic generation element (LBO)
12-Acoustic-optic element (AOM)
13-scanning mirror
14-fθ lens
15-container
16-elevator table
17-Squeegee
18-Photocurable resin
19-Object
21-cavity
22-panel
23-coaxial connector
24--joining loop
25-ferrite
100-3D periodic structure
101-3D periodic structure
d-groove

Claims

誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占める３次元周期構造体であって、
前記３次元空間内に前記２つの物質とは異なる物質からなる所定寸法の物体を埋設したことを特徴とする３次元周期構造体。A three-dimensional periodic structure in which two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction and occupy a three-dimensional space having a predetermined outer dimension;
A three-dimensional periodic structure, wherein an object having a predetermined size made of a substance different from the two substances is embedded in the three-dimensional space.

前記２つの物質の一方は、ダイヤモンド結晶型格子構造の空気孔であり、これらの空気孔のうち複数の空気孔内に前記２つの物質とは異なる物質の物体を配置したことを特徴とする請求項１に記載の３次元周期構造体。One of the two substances is an air hole having a diamond crystal lattice structure, and an object made of a substance different from the two substances is arranged in a plurality of air holes among the air holes. Item 3. The three-dimensional periodic structure according to item 1.

誘電率の異なる２つの物質が３次元の軸方向に周期性をもって分布するとともに、所定外形寸法の３次元空間を占める３次元周期構造体であって、
前記３次元空間内に前記２つの物質のうち一方の物質で満たす所定寸法の空間を設けたことを特徴とする３次元周期構造体。A three-dimensional periodic structure in which two substances having different dielectric constants are periodically distributed in a three-dimensional axial direction and occupy a three-dimensional space having a predetermined outer dimension;
3. A three-dimensional periodic structure, wherein a space of a predetermined size filled with one of the two substances is provided in the three-dimensional space.

前記３次元周期構造体は、前記３次元の軸のうち所定方向の軸に沿って周期が変化している請求項１、２または３に記載の３次元周期構造体。4. The three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the three-dimensional periodic structure changes a period along an axis in a predetermined direction among the three-dimensional axes. 5.

請求項１〜４のいずれかに記載の３次元周期構造体を導波路内に配置してなる伝送路。A transmission line comprising the three-dimensional periodic structure according to claim 1 arranged in a waveguide.

請求項１〜４のいずれかに記載の３次元周期構造体を、伝送路の一部である基板の一方の面または両方の面に配置した伝送路。A transmission line in which the three-dimensional periodic structure according to claim 1 is arranged on one or both surfaces of a substrate that is a part of the transmission line.

前記基板に導電体膜による伝送線路を構成した請求項６に記載の伝送路。7. The transmission line according to claim 6, wherein a transmission line made of a conductive film is formed on the substrate.

前記基板を、内部にコンデンサ、インダクタ、層間接続体などの回路素子を備えた多層構造とした請求項７に記載の伝送路。The transmission line according to claim 7, wherein the substrate has a multilayer structure including a circuit element such as a capacitor, an inductor, and an interlayer connector inside.

請求項５〜８のいずれかに記載の伝送路子を一部に備え、該伝送路の透過特性を利用したフィルタ。A filter that partially includes the transmission path element according to claim 5 and that uses transmission characteristics of the transmission path.

請求項５〜８のいずれかに記載の伝送路を一部に備えたアイソレータ。An isolator partially provided with the transmission line according to claim 5.

請求項５〜８のいずれかに記載の伝送路を一部に備えたカプラ。A coupler partially provided with the transmission line according to claim 5.

請求項５〜８のいずれかに記載の伝送路を一部に備えたアンテナ。An antenna partially provided with the transmission path according to claim 5.

請求項９に記載のフィルタ、請求項１０に記載のアイソレータ、請求項１１に記載のカプラ、または請求項１２に記載のアンテナのいずれかを備えた高周波装置。A high-frequency device comprising: the filter according to claim 9, the isolator according to claim 10, the coupler according to claim 11, or the antenna according to claim 12.

形成すべき断面パターンの光照射を光硬化性樹脂に対して層毎に繰り返す光造形法により、請求項１または２に記載の３次元周期構造体の２つの物質のうち一方の物質の分布による構造体を形成するとともに、該光造形法の途中で、請求項１または２に記載の物体を配置することにより請求項１または２に記載の３次元周期構造体を製造する３次元周期構造体の製造方法。3. The three-dimensional periodic structure according to claim 1, wherein the light irradiation of a cross-sectional pattern to be formed is repeated for each layer on the photocurable resin by a stereolithography method. A three-dimensional periodic structure for manufacturing the three-dimensional periodic structure according to claim 1 or 2 by forming a structure and arranging the object according to claim 1 or 2 during the stereolithography. Manufacturing method.