平面結構ebg的製作方法

2023-04-26 12:12:36 1

專利名稱：平面結構ebg的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用平面結構的EBG抑制傳播的技術，尤其涉及在難以確保充裕的空間的情況下，在較小空間內能夠得到高效的抑制電波傳播效果的平面結構EBG。
背景技術：
最近，正在進行利用EBG (Electromagnetic Band Gap :電磁帶隙)結構抑制對象電波傳播的研究開發，其中該EBG結構中，周期性配置了小於對象波長的指定結構。例如，可以利用EBG結構抑制天線中的無用放射，或抑制電波的傳播(參照專利文獻I)。
EBG是將半導體工學的能帶理論適用於微波或毫米波等電磁波領域的，例如以金屬材料形成小於作為對象的電磁波波長的周期結構。由於以金屬材料形成小於作為對象的電磁波波長的周期結構的EBG結構，微波或毫米波根據其頻率有時無法存在於該結構中，有時存在於該結構中。因此，可以利用EBG結構可以抑制電波傳播，或者使電波通過，從而將EBG結構用於天線等中抑制無用反射或抑制傳播。作為導體圖案配置在基板上的EBG有專利文獻I中公開的採用通孔的結構(下面稱為3D結構)和平面結構等兩種，本申請涉及平面結構的EBG。先行技術文獻專利文獻專利文獻I :日本特開2008-283381號公報平面結構的EBG中不需要設置3D結構中需要使用的通孔，因此，與3D結構的EBG相比，從成本或製造方法方面具有優點。相反，與3D結構的EBG相比，平面結構的EBG的每個EBG元件的尺寸較大，周期性排列相同形狀的EBG元件時需要較大空間。利用EBG結構抑制傳播時，重複指定數量的相同的EBG元件列才能獲得期望的抑制特性，因此優選重複排列充分數量的列。但是，在實際實現產業化時，需要在有限的空間內配置各種部件。因此，有時無法確保用於形成獲得期望的功能所需要的EBG的周期結構的充分空間。這樣，用於周期排列的空間不足時，周期結構的重複數量少，導致抑制傳播特性下降。另外，在周期排列為原則的EBG結構中，有時作為未使用狀態的空間剩下不足一個平面結構的EBG元件的空間。如上所述，目前，在EBG結構中，不足一個元件尺寸的半截的剩餘空間作為無法利用的空間，在EBG結構中被認為是無法利用的死角。

發明內容
鑑於上述問題，本發明的目的在於提供一種平面EBG結構，在配置EBG的空間狹窄，且不得不減少EBG元件的重複配置列數量(周期結構)的設計環境下能夠更加有效地提高抑制電波傳播效果。
鑑於上述現有技術問題，在本發明通過將周期結構排列的EBG元件形成為在一個元件的中途切斷的形狀，解決上述問題。根據本發明第一方面的平面EBG結構是排列多個平面EBG元件的平面EBG結構，其特徵在於，至少任意一個端部列的平面EBG元件列在指定位置被切斷。根據該方面，在基板上周期排列平面EBG元件的空間不夠充分，且剩下小於一個平面EBG元件分的空間時，從中途切斷平面EBG元件，將平面EBG元件列的形狀形成為能夠配置在端部列的空間內的形狀後排列平面EBG，從而與減少一個平面EBG元件列時相比，能夠提高抑制電波傳播效果。根據本發明的第二方面的平面EBG結構，其特徵在於，所述平面EBG結構將所述切斷的形狀的平面EBG元件列的EBG導體連接於地面。根據該方面，能夠進一步提高抑制傳播效果。
根據本發明的第三方面的平面EBG結構，其特徵在於，在至少任意一個端部列，所述平面EBG元件具有留下該平面EBG元件的寬度的3/4以上而被切斷的形狀。與將平面EBG元件寬度切下超過1/4時相比，無需進行任何其他處理，也可以獲得較高的抑制電波傳
播效果。根據本發明的第四方面的平面EBG結構，其特徵在於，在至少任意一個端部列，所述平面EBG元件具有留下該平面EBG元件的寬度的少於1/4而被切斷的形狀，並且被切斷的形狀的各平面EBG元件連接於地面。 根據該方面，通過將切斷的端部列的平面EBG元件連接於地面，即使將平面EBG元件切下元件寬度的大於1/4，與減少一個重複周期排列時相比，也能夠獲得更高的抑制電波傳播效果。根據本發明的第五方面的平面EBG結構，其特徵在於，平面EBG結構將所述被切斷的形狀的平面EBG元件列的各平面EBG元件通過通孔連接於地面。通過通孔，不會佔有空間，可以確切地將各平面EBG元件落到地面。根據本發明第一方面的天線包括天線元件以及以從兩側夾住所述天線元件的方式排列的平面EBG結構，其特徵在於，所述平面EBG結構的至少一個具有所述第一 第五方面中的任一平面EBG結構。通過採用根據本發明的平面EBG結構，能夠抑制無用放射以及表面電波的傳播，能夠提供具有期望的放射特性，且可配置在較小空間內的天線。發明的效果根據本發明，能夠使端部列的EBG元件列的寬度在一個元件寬度以下，因此，在基板的安裝空間較少難以充分周期排列的情況下，當出現少於一個元件寬度的空間時，有效地利用該剩餘空間，提高抑制電波傳播效果。


圖I是示出了根據本發明的使用平面EBG結構的端部列的EBG元件例子的立體圖。圖2是根據本發明一實施方式的平面EBG結構(n=2. 83)的平面圖。圖3是示出切下端部列的平面EBG元件的一部分時的平面EBG結構體(n=l. 831=3)的抑制電波傳播效果模擬結果的圖表。圖4是基於圖3圖表的測量結果，繪出各重複排列數n=l. 5^n=3的電場強度的最小值、規定頻率中的電場強度的圖表。圖5 (a)是根據本發明的另一實施方式的平面圖，(b)、(c)是示出其特性的數據。圖6是根據本發明另一實施方式的平面EBG結構的平面圖。圖7是將根據本發明的平面EBG結構用於天線的例子的立體圖。(a)是整體立體圖，(b)是部分放大圖。圖8是一般的平面EBG元件例子立體圖。圖9是重複排列數n=ll和n=3的現有平面EBG結構例子的平面圖。
圖10是示出按照圖9的重複周期排列的平面EBG結構中，重複排列數(η)為n=2、3、5、11時的模擬抑制傳播效果的結果的圖表。圖11是示出平面EBG結構中平面EBG元件的重複排列數與其電場強度的最小值、規定頻率的電場強度的圖表。圖12是示出空間不足以重複排列平面EBG列3列，不得不排列2列的情況的平面圖和、比較示出排列2列時和3列時的抑制電波傳播效果之差的圖表。
具體實施例方式下面，參照附圖詳細說明本發明的優選實施方式。首先，圖9示出了用於現有的以重複周期配置的平面EBG結構的平面EBG元件，在圖9，作為現有的平面EBG結構的例子，示出了縱向排列圖8所示的平面EBG元件的元件列按照重複周期排列了 11列的例子和排列3列的例子。這樣，現有的平面EBG結構中，重複排列有相同形狀的平面EBG元件。利用模擬結構來說明EBG結構帶來的抑制電波傳播效果。圖10是示出了各重複排列數(η)的頻率與抑制電波傳播效果的關係的圖表。圖表示出了電場強度越低，抑制電波傳播效果越高。在圖9所示的平面EBG結構，示出了將重複排列數為η時，具有η=2、3、5、11的重複周期結構時的各頻率的電場強度(抑制電波傳播效果)，橫軸表示頻率，縱軸表示電場強度。示出構成例。EBG結構的規定頻率fQ=25. 4GHz，波長λ 0=約11. 8mm,基板厚度為約O. 08 λ 0，EBG元件尺寸為約1/4 λ 0，EBG導體圖案尺寸為約O. 23 λ 0。重複排列數η=2、3、5、11，根據重複排列數的不同，基板的寬度也不同。基板的介電常數為4. 4。針對該平面EBG結構體，從側面入射激勵TM模式傳播的平面波，從基板端朝橫向進入約O. 38 λ ^，觀察了 EBG導體圖案上面約O. 09 λ ^的定點上的電場強度。如圖10所示，根據重複排列數(η)不同，電場強度的峰值也不同。當重複周期η=11時，約25. 4GHz處電場強度為下限峰值(抑制電波傳播效果最大)，將其作為規定頻率。可以根據平面EBG元件的形狀或尺寸等控制規定頻率，對於這一點，在本發明中不會成為問題。重複周期n=5時也顯示出了與n=ll時大致相同的變化。但是，當重複周期n=2、3時，分別在約23. SGHz和約24. SGHz周圍的電場強度是下限峰值(抑制電波傳播效果最大)。從該圖表可以得知，重複排列數η越多，越是能夠獲得穩定的抑制電波傳播效果，在η=5以上是能夠獲得大致相同特性的抑制電波傳播效果。在這裡，減少重複排列數時抑制電波傳播效果變小(電場強度的下限峰值變高)這一點成為問題。S卩，根據圖10所示的圖表，重複排列數n=2、3時，電場強度的最大下限峰值分別為-4. 8dB、-3dB,與重複排列數n=5時相比，抑制電波傳播效果大幅下降。圖11以圖10所示數據為基礎，示出了重複排列數η的平面EBG結構的電場強度的最小值(下限峰值)和規定頻率fo=25. 4GHz的電場強度的值。例如，如圖10所示，在圖11中繪出對重複排列數n=5時的電場強度的最小值(下限峰值)-7dB (頻率為約25. 3GHz)和規定頻率25. 4Ghz的電場強度約-6. 8dB。該下限峰值和規定頻率的電場強度幾乎不會變化。相對於此，根據重複排列數越少下限峰值頻率越低的現象，例如如圖10所示，重複排列數n=3時，電場強度的最小值為約-4. 9dB (頻率為約24. 8Ghz),而在規定頻率&=25. 4Ghz，電場強度為約-3dB。如圖11所示，兩者背離較遠。從抑制電波傳播的觀點看，優選電場強度儘量低。並且，在合併頻率等實際設計中優選兩者不要背離很多。
從圖11可知，當重複排列數n=ll和n=5時，電場強度的最小值較低,最小值和規定頻率的電場強度幾乎沒有變化，但是當n=3、n=2時，電場強度的最小值變高，最小值與規定頻率的電場強度背離。即，重複排列數η小於等於5時，抑制電波傳播效果明顯惡化。圖12的左側圖是模擬性示出了實際安裝平面EBG結構時的配置空間例子的示意圖。在實際安裝時，基板的尺寸受到限制，EBG結構的安裝空間也受到限制。因此，很多時候無法保證可配置期望數量的EBG元件列的空間。並且，要在較少空間內配置最大限度數量的EBG元件列時，很多時候會產生不足一個元件寬度的半截的剩餘空間。在圖12示出了重複排列數3 (η=3)時剩餘空間53不夠，只能將平面EBG元件列排列2列(η=2)的情景。這時，剩餘空間53成為了 EBG結構上的死角(Dead Space)。圖12的右側圖表示出了重複排列數η為η=2和η=3時的電場強度。從該圖表得知，η=2和η=3時，最小值和規定頻率時的抑制電波傳播效果大不相同。因此，要求有效利用該剩餘空間53。為了獲得能夠有效利用剩餘空間的平面EBG結構而進行研究的結果發現在中途切斷端部列的EBG元件時，根據切斷位置、切斷端的條件，能夠獲得與單純設置相同結構的列時相比更加出色的抑制電波傳播效果。參照圖f圖4進行詳細說明。在本發明，為了在成為死角的剩餘空間53排列有效的EBG元件，作為端部的EBG元件，將在中途切斷一般的EBG元件的形狀的EBG元件列配置在剩餘空間53中。圖I示出了在中途切斷的形狀的EBG元件11，圖2示出了根據本發明一實施方式的平面EBG結構10，在端部列排列了中途切斷的形狀的平面EBG元件11。如圖I所示，平面EBG元件11為將EBG導體12從中途切斷的結構。在圖2，一般的平面EBG元件50排列有2列，圖I所示的平面EBG元件11配置成虛線所示的15狀作為端部列，設置有合計3列的平面EBG元件列。成為電介質的基板14 (參照圖I)的下面設有地20。另外，這裡示出的只是例子，平面結構的EBG元件形狀、排列方法並不限定於圖I或圖2。圖3示出了改變成為端部列的平面EBG元件11的寬度時的特性，是示出了對應各切斷位置的抑制電波傳播效果與頻率的關係的圖表。計算條件如下基板厚度為n=3排列程度時重複排列數為n=2或n=3，除了改變端部列的平面EBG元件11的寬度之外，測量條件與圖10相同。圖例的數字表示重複排列數，少數點以下表示端數列的寬度。即，I. 83表示重複排列數n=2，端部列的平面EBG元件11的寬度為一般的平面EBG元件50的O. 83倍。並且，2. 67表示重複排列數n=3，端部列的平面EBG元件11的寬度為一般的平面EBG元件50的O. 67倍。從而，可以得知重複排列數n=2或3時改變端部列的平面EBG元件11的寬度時的特性變化。圖4是基於圖3製成的圖表，與圖11相同，示出了對應於各切斷位置的抑制電波傳播效果的下限峰值(最小值)與規定頻率fo中的電場強度。從圖4可知，在列數為2的EBG結構和列數為3的EBG結構，n=2. 83時的抑制電波傳播效果比n=3時的抑制電波傳播效果出色，n=l. 83時的抑制電波傳播效果比n=2時的抑制電波傳播效果出色。另外，還可以知道n=2. 671=2時，抑制電波傳播效果並未上升。
綜合上述內容可以判斷出大概如下通過將端部的EBG元件的寬度為EBG元件的約3/4以上小於1，在抑制電波傳播效果為峰值時以及規定頻率上的電場強度，其抑制電波傳播效果均高於列數為2或列數為3時。切下小於平面EBG元件寬度的1/4時(留下3/4以上)有效果，並且，與將重複周期η恰好設定為3相比，設定為η=2. 83時的抑制電波傳播效果更加顯著。從而，在重複排列的數並不多的平面EBG結構中，對於平面EBG元件，優選使端部列的EBG元件的寬度為一個EBG元件的寬度的3/Γ小於I倍。下面，從技術角度說明上述背景。一般情況下，平面結構的EBG可以獲得形成在EBG元件之間的L成分、C成分帶來的並聯諧振、高阻抗化結果以及抑制傳播效果。本發明明確了端部列EBG元件的端部對抑制傳播起到一定作用，而不是EBG元件之間的L成分、C成分。EBG元件包括除了元件之間以外位於與地面之間的C成分，進行諧振。端部列EBG元件的端部在周圍沒有EBG元件的開放區域時僅在與地面之間存在C成分，包括端部的諧振條件與EBG元件之間的諧振不同。通過將合併頻率等條件加在一起，可以獲得較強的諧振以及出色的抑制傳播效果。在本發明中示出了將端部列元件的尺寸縮小到比EBG元件小一定程度時較為有效。另外，將端部列EBG元件的端部落到地面短路時，能夠得到與EBG元件之間的並聯諧振不同的效果。由於與地面短路，形成電氣牆壁，可以獲得部分鏡像效果。這時，EBG元件的中央附近的短路並不影響EBG元件之間形成的並聯諧振結構。並且，從電路解釋角度看，端部的短路能夠給予與上述的開放區域完全相反的條件。在開放條件下特性惡化的區域，通過給予短路條件，在整個區域可以獲得最佳的抑制電波特性。下面對根據端部列EBG元件尺寸，是選擇開放還是選擇短路的條件例子進行說明。圖5 (a)是根據本發明的另一實施方式的平面圖。在該實施方式中，在端部列的平面EBG元件的切斷面側設置將EBG導體連接於地面20的接地面17。圖5 (b)、(c)是除了連接地面之外，以與圖3和圖4相同條件獲得的數據。但是，圖5 (c)繪出有GND連接時和沒有GND連接時的最小值。沒有GND連接時的數據採用圖4所示的最小值。從圖5 (C)可知，即使將端部列的平面EBG元件切斷成大於1/4時，通過將EBG導體11進行GND連接，與n=2 (未設置切斷的端部列)時相比，EBG元件的抑制電波傳播效果出色。因此，將端部列的EBG元件切斷為大於1/4時，優選將端部列的EBG導體11落到GND20。將端部列的EBG導體11落到GND 20，則如圖6所示，還可以設置從EBG導體11穿透電介質(基板)14連接於GND 20的通孔21。圖7示出了利用根據本發明的EBG元件的天線例子。圖7 (a)是天線40的整體結構(外觀)立體圖，圖7 (b)是其部分放大圖。天線40上設有多個天線元件41，天線的兩側插有多個平面EBG結構。右端部列的平面EBG元件被切斷，通過通孔21，EBG元件11的EBG導體連接於GND。在圖7所示例子中，在電介質14的下面通過GND設有電介質16以及隔離罩19。另外，左端部列也相同。
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如上所述，沒有浪費端部列的空間，排列平面EBG 50、11，從而能夠提供具有期望的放射特性且可配置在較小空間內的天線。附圖標記10根據本發明的平面EBG結構11本發明的用於端部列的平面EBG元件12 EBG 導體14電介質(基板)17接地線19隔離罩20 GND (地面)21 通孔40 天線41天線元件50平面EBG元件51 EBG 導體53剩餘空間
權利要求
1.一種排列多個平面EBG元件的平面EBG結構，其特徵在於 至少任意一個端部列的平面EBG元件列在指定位置被切斷。
2.根據權利要求I所述的平面EBG結構，其特徵在於， 所述平面EBG結構將所述切斷的形狀的平面EBG元件列的EBG導體連接於地面。
3.根據權利要求I所述的平面EBG結構，其特徵在於， 在至少任意一個端部列，所述平面EBG元件具有留下該平面EBG元件的寬度的3/4倍以上而被切斷的形狀。
4.根據權利要求2所述的平面EBG結構，其特徵在於， 在至少任意一個端部列，所述平面EBG元件具有留下該平面EBG元件的寬度的少於3/4而被切斷的形狀，並且被切斷的形狀的各平面EBG元件連接於地面。
5.根據權利要求4所述的平面EBG結構，其特徵在於， 所述端部列的平面EBG元件通過通孔連接於地面。
6.一種天線，其包括天線元件以及以從兩側夾住所述天線元件的方式排列的平面EBG結構，所述天線的其特徵在於， 所述平面EBG結構的端部列的至少一個具有所述權利要求I至5中任一所述的平面EBG結構。
全文摘要
本發明提供一種利用不足一個平面EBG元件分的剩餘空間，能夠確保高效率的抑制電波傳播效果的平面EBG結構。將作為平面EBG結構的任意一個端部列設置的EBG元件形成為在小於EBG元件的寬度的位置被切斷的結構，從而能夠提高較少排列數量中的平面EBG結構的抑制電波傳播效果。尤其是，將端部列EBG元件形成為3/4以上小於1，能夠以簡單的結構獲得較高的抑制電波傳播效果。
文檔編號H01Q15/14GK102834974SQ201180017228
公開日2012年12月19日 申請日期2011年4月19日 優先權日2010年4月28日
發明者井上大輔 申請人:古河電氣工業株式會社, 古河As株式會社