JP2019050514A

JP2019050514A - 構造体

Info

Publication number: JP2019050514A
Application number: JP2017174113A
Authority: JP
Inventors: 忠寛佐々木; Tadahiro Sasaki; 誠桧垣; Makoto Higaki
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2017-09-11
Filing date: 2017-09-11
Publication date: 2019-03-28

Abstract

【課題】本発明の一実施形態は、構造体の周波数特性を設計値に近づけることを目的とする。【解決手段】本発明の一態様としての構造体は、誘電体基板と、導体基板と、導体板と、スルーホールビアと、導体面と、導体片と、を備える。誘電体基板は、第１面と、第１面とは反対側の第２面と、第１面と交差する第３面と、を有する。導体基板は、第１面において、誘電体基板と接する。導体板は、第２面上において、互いに隙間を設けて配置されている。スルーホールビアは、導体板それぞれごとに設けられており、誘電体基板を貫通して、導体板の１つと導体基板とを接続する。導体面は、第３面と対向し、かつ導体基板に接続されている。導体片は、複数の導体板のうちの第３面側の端に配置された第１導体板と、導体面との間に配置され、かつ導体面に接続されている。【選択図】図１

Description

本発明の実施形態は、構造体に関する。

特定の周波数帯域の電磁波を遮断する電磁バンドギャップ（ＥＢＧ：ＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＢａｎｄＧａｐ）構造を有する構造体を用いて、電磁波によるノイズを抑えることが知られている。ＥＢＧ構造は、隙間（ギャップ）を空けて格子状に配置された複数の導体板（パッチ）などから形成される。これらのパッチのサイズ、パッチ同士間の隙間のサイズなどにより、遮断される周波数帯域、遮断量といったＥＢＧ構造体が有する周波数特性が定まる。

しかし、実際には、計算上の遮断量を得ることは難しく、単純にパッチの配置数を増やしても、所望の周波数特性を得ることができない。

特開２００９−２１８９６６号公報

本発明の一実施形態は、構造体の周波数特性を設計値に近づけることを目的とする。

本発明の一態様としての構造体は、誘電体基板と、導体基板と、導体板と、スルーホールビアと、導体面と、導体片と、を備える。誘電体基板は、第１面と、第１面とは反対側の第２面と、第１面と交差する第３面と、を有する。導体基板は、第１面において、誘電体基板と接する。導体板は、第２面上において、互いに隙間を設けて配置されている。スルーホールビアは、導体板それぞれごとに設けられており、誘電体基板を貫通して、導体板の１つと導体基板とを接続する。導体面は、第３面と対向し、かつ導体基板に接続されている。導体片は、複数の導体板のうちの第３面側の端に配置された第１導体板と、導体面との間に配置され、かつ導体面に接続されている。

本発明の一実施形態に係る構造体を説明する斜視図。本発明の一実施形態に係る構造体を説明する上面透視図。本発明の一実施形態ではない構造体の周波数特性を示す図。本発明の一実施形態に係る構造体のＥＢＧ構造を説明する図。本発明の一実施形態に係る構造体の周波数特性の変化の結果を示す図。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態について説明する。

（本発明の一実施形態）
図１は、本発明の一実施形態に係る構造体を説明する斜視図である。本発明の一実施形態に係る構造体は、誘電体基板１と、導体基板２と、複数の導体板（パッチ）３と、複数のスルーホールビア４と、筐体５と、導体片６と、を備える。なお、誘電体基板１は、説明の便宜上、外枠が点線の透明な直方体にて示されている。

誘電体基板１は、ある面にて導体基板２と接している。本説明では、導体基板２と接する面を基準面（第１面）と記載する。また、誘電体基板１は、基準面とは反対側の面にて、複数のパッチ３と接する。本説明では、パッチ３と接する面をパッチ面（第２面）と記載する。図１では、図１の座標軸のＺ軸の正の方向を上とすると、誘電体基板１の上面がパッチ面であり、下面が基準面である。

なお、誘電体基板１が有する誘電率は、特に限られるものではなく、構造体の所望の特性などに基づいて定められればよい。

導体基板２は、電位の基準として用いられる。導体基板２とグランドとが接続され、導体基板２の電位がグランド電位とされてもよい。

パッチ３は、図１に示すように、互いに隙間を設けて、パッチ面上に格子状に配置される。当該隙間にキャパシタンス成分が生じる。また、パッチ３と導体基板２との間にもキャパシタンス成分が生じる。また、パッチ３自体にはインダクタンス成分が生じる。

スルーホールビア４は、それぞれ１つのパッチ３と対応しており、誘電体基板１を貫通して、パッチ３と導体基板２とを接続する。これにより、スルーホールビア４には、インダクタンス成分が生じる。なお、本説明では、１つのパッチ３とそれに付随するスルーホールビア４との組み合わせをユニットと記載する。

上記のインダクタンス成分およびキャパシタンス成分により、特定の周波数帯域の電磁波が遮断される。つまり、図１に示された構造はＥＢＧ構造と言え、本実施形態の構造体は、ＥＢＧ構造を有するＥＢＧ構造体と言える。なお、本実施形態のＥＢＧ構造は、マッシュルーム構造と称される。

なお、図１に示された範囲の外にも誘電体基板１、導体基板２および筐体５が広がっており、パッチ３およびスルーホールビア４がさらに存在してもよい。例えば、図１の座標軸のＸ方向にｍ（ｍは２以上の整数）個のパッチ３が、Ｙ方向にｎ（ｎは２以上の整数）個のパッチ３が配置され、ｍ×ｎの行列状に配置されてもよい。

図２は、本発明の一実施形態に係る構造体を説明する上面透視図である。なお、誘電体基板１は省略されている。図２の例では、５×４行列の場合が示されている。図１に示された構造体の一部分は、このｍ×ｎ行列の３×２行列の部分にあたる。

筐体５は、図２に示すように、中空であり、筐体５の内壁５１は誘電体基板１の側面（第３面）を取り囲む。なお、誘電体基板１の側面は、基準面およびパッチ面と交差する面である。ゆえに、筐体５の内壁５１は、誘電体基板１の側面に対向している。

筐体５の内壁５１の少なくとも一部は、導電性を有し、導体基板２に接続されているものとする。例えば、筐体５が１つ以上の導体により構成されてもよいし、内壁５１が金属に覆われていてもよい。内壁５１の導電性の部分は、導体面と言える。ゆえに、筐体５は、誘電体基板１の側面と対向し、かつ導体基板２に接続された導体面を有すると言える。

なお、図２では、筐体５は、四角柱の形状であるが、円筒状であってもよい。つまり、導体面は湾曲していてもよい。

図２の点線で示された枠７１は、複数のパッチ３のうちの端に配置されたパッチ３（第１導体板）の内壁５１と対向する縁を繋ぎ合わすことにより形成される。当該枠７１と内壁５１との間の領域、言い換えると、当該枠７１の外側かつ筐体５の内側の領域をバッファエリア７２と記載する。

なお、誘電体基板１は、枠７１よりも外側に食み出していてもよい。また、誘電体基板１の端が内壁５１と接触していてもよい。

導体片６はバッファエリア７２に配置される。また、導体片６は内壁５１の導電性の部分に接続されている。これにより、導体片６は、格子状に配置された複数のパッチ３のうち端に配置されたパッチ３と容量性結合する。これにより、本実施形態の構造体の周波数特性は、導体片６がないＥＢＧ構造の周波数特性と異なる。

ＥＢＧ構造体は、不要な周波数帯域の電磁波を遮断する用途として用いられる。例えば、パワーアンプの筐体内にＥＢＧ構造体を設置することにより、パワーアンプの回路から発振されたノイズを抑えることができる。以降、ＥＢＧ構造により遮断される周波数帯域を遮断帯域と記載する。

遮断帯域などのＥＢＧ構造体の周波数特性は、パッチ３のサイズ、パッチ３同士間の隙間のサイズ、ユニットの個数などによって定まる。例えば、行列配置するユニットの数を増加させることにより、遮断量を大きくする、あるいは、ユニットの配列間隔を調整することにより、遮断帯域を変化させるといったことが考えられる。

しかし、理論上の設計値に基づいてＥＢＧ構造体を製造しても、実際のＥＢＧ構造体の遮断量は、設計値よりも低くなる。図３は、本発明の一実施形態ではない構造体の周波数特性を示す図である。導体片６を備えていないＥＢＧ構造体による周波数特性が示されている。設計値が点線にて、実測値が実線にて示されている。図３より分かるように、設計上の遮断帯域において、設計上の遮断量が得られていないことが分かる。

通常、ＥＢＧ構造体の周波数特性は、パッチ３が必ず他のパッチ３の間に介在するという仮定に基づき、計算が行われる。しかし、実際には、端に配置され、他のパッチ３の間に介在しないパッチ３が存在する。そのため、図３のように、設計上の遮断帯域において、設計上の遮断量が得られない事態となる。

しかし、本実施形態の構造体では、端に配置されたパッチ３も、導体片６と容量性結合を行う。そのため、設計上の遮断量に近づける事が可能となる。

図４は、本発明の一実施形態に係る構造体のＥＢＧ構造を説明する図である。なお、符号の添え字のアルファベットは同じ符号の各個体の区別のために付されている。

前述の通り、パッチ３およびスルーホールビア４にはインダクタンス成分が生じる。また、隣接するパッチ３同士間の隙間、および、パッチ３と導体基板２との間には、キャパシタンス成分が生じる。これらのインダクタンス成分およびキャパシタンス成分による等価回路が図４に示されている。図４に示されるように、当該等価回路は、右手系線路および左手系線路が組み合わされた右手／左手系複合線路となる。右手／左手系複合線路の分散特性により、遮断帯域が定まる。

図４の記号Ｌはインダクタンス成分を示し、記号Ｃはキャパシタンス成分を示す。また、添え字Ｒは右手系線路の成分であることを、添え字Ｌは左手系線路の成分であることを示す。パッチ３に生じるインダクタンス成分は、右手系線路のインダクタンス成分であるため、Ｌ_Ｒと示されている。パッチ３と導体基板２との間に生じるキャパシタンス成分は、右手系線路のキャパシタンス成分であるため、Ｃ_Ｒと示されている。スルーホールビア４のインダクタンス成分は、左手系線路のインダクタンス成分であるため、Ｌ_Ｌと示されている。隣接するパッチ３同士間の隙間に生じるキャパシタンス成分は、左手系線路のキャパシタンス成分であるため、Ｃ_Ｌと示されている。パッチ３のサイズ、パッチ３間の隙間のサイズ、およびスルーホールビア４のサイズが統一されている場合、各成分の値は同じである。

また、本実施形態のような導体片６が配置された場合は、導体面がある側の端に配置されたパッチ３Ａと導体片６との間にキャパシタンス成分が生じる。また、導体片６自体には、インダクタンス成分が生じる。また、導体片６と導体基板２との間にキャパシタンス成分が生じる。つまり、図４の点線の枠内にて示されるような、右手系線路のインダクタンス成分Ｌ’_Ｒ、右手系線路のキャパシタンス成分Ｃ’_Ｒ、左手系線路のキャパシタンス成分Ｃ’_Ｌが生じる。こうして、導体片６と、端に配置されたパッチ３Ａとが容量性結合することにより、複数のパッチ３および導体片６による右手／左手系複合伝送路が形成される。これにより、端に配置されたパッチ３Ａは、右手／左手系複合線路の終端ではなくなる。

一方、導体片６がないと、図４の点線の枠で囲まれた部分の右手／左手系複合線路がないため、端に配置されたパッチ３Ａは右手／左手系複合線路の終端となり、パッチ３が必ず他のパッチ３の間に介在すると仮定して算出された設計値よりも、遮断量が減少する。

導体片６の形状、位置、サイズは調整可能であるが、導体片６と、端に配置されたパッチ３Ａと、に基づく右手／左手系複合伝送路のＱ値が、隣接するパッチ３同士に基づく右手／左手系複合伝送路のＱ値と一致することが好ましい。

図５は、本発明の一実施形態に係る構造体の周波数特性の変化の結果を示す図である。本実施形態に係る構造体における遮断量のグラフ８１と、導体片６を除いた構造体の遮断量のグラフ９１と、が実線で示されている。また、本実施形態に係る構造体の反射量（反射した電磁波の量）のグラフ８２と、導体片６を除いた構造体の反射量のグラフ９２と、が点線で示されている。

図５によると、周波数帯域１０．２５付近において、両構造体の反射量はほぼ同じにも関わらず、本実施形態の構造体の遮断量が１０ｄＢ程度増加していることが分かる。このように、本実施形態のような配置の導体片６を設けることにより、実測値を設計値に近づけることができる。

以上のように、本実施形態の構造体は、誘電体基板と、導体基板と、導体板と、スルーホールビアと、導体面と、導体片と、を備えている。そして、誘電体基板は、基準面と、基準面とは反対側のパッチ面と、基準面と交差する面と、を有している。本実施形態の構造体によれば、導体基板は基準面において誘電体基板と接しており、導体板はパッチ面上において隙間を設けて格子状に配置されている。スルーホールビアは、導体板それぞれごとに設けられており、誘電体基板を貫通して、導体板の１つと導体基板とを接続している。導体面は、基準面と交差する面と対向しており、かつ導体基板に接続されている。導体片は、複数の導体板のうち、導体面がある側の端に配置された第１導体板と、導体面との間に配置されており、かつ導体面に接続されている。このような配置により、端に配置されたパッチ３と、導体片６とが容量性結合する。これにより、構造体の周波数特性を設計値に近づけることができる。

本実施形態の構造体の設置先は特に限られるものではない。通信装置、アンテナ、回路などの電磁波を放出するまたは受け取る機器の近くに、本実施形態の構造体を設置することにより、不要な周波数帯域の電磁波を防ぐことができる。例えば、デジタル回路、アナログ回路、デジタル・アナログ混在回路、ＲＦ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙ）回路、またはアンテナ回路などを搭載する基板を覆う筐体などに、本実施形態の構造体が設けられてもよい。あるいは、超伝導システム、ＳＯＣ（ＳｙａｔｅｍｏｎＣｈｉｐ）、擬似ＳＯＣを内蔵した装置内に、本実施形態の構造体が設けられてもよい。

また、本実施形態の構造体は、いくつかの構造体を組み合わせて、構成されていてもよい。例えば、マッシュルーム構造のＥＢＧ構造体と、少なくとも一部が導電面である内壁５１を有する筒状の筐体５と、導体片６が表面の縁に設置された蓋と、を組み合わせて、本実施形態の構造体を製造してもよい。当該ＥＢＧ構造体の導体基板２上に、ＥＢＧ構造が内壁５１に囲まれるように筐体５をかぶせる。そして、導体片６が存在する面がＥＢＧ構造を向くようにして、導体片６が導電面と接するように筐体５の上に蓋をかぶせる。蓋をかぶせた状態において、導体片６の端部が、マッシュルーム構造の端に配置されたパッチ３と筐体５の内縁との間に存在していれば、導体片６の端部がバッファエリア７２に存在することになり、本実施形態の構造体と同じ配置となる。

上記に、本発明の一実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１誘電体基板
２導体基板
３、３Ａ、３Ｂ、３Ｃ導体板（パッチ）
４スルーホールビア
５筐体
５１内壁
６導体片
７１枠
７２バッファエリア
８１、９１遮断量のグラフ
８２、９２反射量のグラフ

Claims

第１面と、前記第１面とは反対側の第２面と、前記第１面と交差する第３面と、を有する誘電体基板と、
前記第１面において、前記誘電体基板と接する導体基板と、
前記第２面上において、互いに隙間を設けて配置された複数の導体板と、
前記誘電体基板を貫通して、前記複数の導体板の１つと前記導体基板とを接続する、前記複数の導体板それぞれごとに設けられた複数のスルーホールビアと、
前記第３面と対向し、かつ前記導体基板に接続された導体面と、
前記複数の導体板のうちの前記導体面がある側の端に配置された第１導体板と、前記導体面との間に配置され、かつ前記導体面に接続された導体片と、
を備える構造体。
前記導体片と、前記第１導体板と、が容量性結合することにより、前記複数の導体板および前記導体片による右手／左手系複合伝送路が形成される
請求項１に記載の構造体。
前記導体片と、前記第１導体板と、に基づく右手／左手系複合伝送路のＱ値が、前記複数の導体板の隣接する導体板同士に基づく右手／左手系複合伝送路のＱ値と一致する
請求項２に記載の構造体。
前記前記導体面が、前記誘電体基板を取り囲む、中空の筐体の内壁の少なくとも一部である
請求項１ないし３のいずれか一項に記載の構造体。