JP6868895B2

JP6868895B2 - 人工誘電体及び人工誘電体共振器

Info

Publication number: JP6868895B2
Application number: JP2017029511A
Authority: JP
Inventors: 石崎　俊雄; 俊雄石崎
Original assignee: Ryukoku University
Current assignee: Ryukoku University
Priority date: 2017-02-20
Filing date: 2017-02-20
Publication date: 2021-05-12
Anticipated expiration: 2037-02-20
Also published as: JP2018137557A

Description

本発明は、人工誘電体及び人工誘電体共振器に関する。

スマートフォン等の携帯通信機の基地局などで用いられる高周波フィルタは、高性能化又は小型化のために、高い誘電率の誘電体を用いた誘電体共振器を有する場合が少なくない。誘電体共振器は、誘電体を特定の大きさと形状にすることにより、それらと誘電率によって定まる所望の周波数で共振させることができる。

誘電体共振器としては、人工誘電体を用いたもの（人工誘電体共振器）が提案されている。人工誘電体は、多数の導体の集合から成るものである。この人工誘電体は、電界を印加したとき導体において電荷が移動して（分極電流が流れて）分極することで誘電体として振る舞い、その電荷の多さと移動距離の大きさにより、導体の大きさや形状に応じて高い等価的な誘電率を得ることが出来る。その結果、人工誘電体共振器は、小型化が実現できる。なお、人工誘電体は、各導体の保持のため、何らかの母材中にそれらが配置される。母材は、低い誘電体損（ｔａｎδ）のものが用いられる。

例えば、特許文献１には、複数個の導体片（金属ストリップ）を長手方向に配列した第１系列のもの及び第２系列のものを有し、第１系列の導体片と第２系列の導体片とは互いに間隙を跨ぐように厚さ方向に近接して配置されている人工誘電体とそれを用いた人工誘電体共振器が開示されている。

また、非特許文献１には、導体片の長手方向の中央部分の幅を狭めてダンベル形状とした人工誘電体とそれを用いた人工誘電体共振器が開示されている。人工誘電体は、一般に、磁界に反応して流れる誘導電流より損失が生じることになる。ダンベル形状の人工誘電体は、導体片の面積を狭め隣接する導体片間の距離を長くすることで磁界への導体片の影響を小さくし、それにより磁界の集中を抑制できる。そうすることによって誘導電流の最大値を下げ、それにより、誘導電流による損失を低減させることが可能である。その結果、人工誘電体共振器のＱ値を高くすることも可能である。

特開２０１３−１６８７５２号公報

粟井郁雄、"右手系メタ物質の開発と応用"、ＭＷＥ２００５ワークショップダイジェスト、２００５年１１月、ＷＳ０１−０３

特許文献１に開示の人工誘電体は、第１系列の導体片と第２系列の導体片の間に大きな容量値が生じて多量の電荷が引き寄せられるので、高い（人工誘電体の中においても高い）誘電率を得ることができる。しかし、人工誘電体共振器は、Ｑ値の向上など性能の向上が常に求められており、特許文献１のような人工誘電体においても、高い誘電率とともに、損失の低減が求められている。

そこで、本願発明者は、誘導電流による損失を低減させるために、特許文献１に開示の人工誘電体の導体片に非特許文献１に開示のダンベル形状を適用することを検討した。しかし、ダンベル形状の導体片はその平面（表面及び裏面）に垂直な又は垂直に近い磁界に対しては導体片の影響を小さくできるものの、平行な又は平行に近い磁界に対しては、第１系列の導体片と第２系列の導体片の間の距離を長くせざるを得ない。しかし、そうすると、第１系列の導体片と第２系列の導体片の間の容量も減少してしまい、等価的な誘電率が減少することになる。

本発明は、係る事由に鑑みてなされたものであり、その目的は、高い誘電率であり、かつ、損失の低減が可能な構造の人工誘電体及び人工誘電体共振器を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１に記載の人工誘電体は、平面上に形成された細長い線路導体と、該線路導体の少なくとも一方の端部において厚さ方向に配置された容量電極導体と、前記線路導体と前記容量電極導体とを接続する接続導体と、を有する単位セルを複数個含み、前記単位セルの前記容量電極導体は、他の前記単位セルの前記容量電極導体又は前記線路導体と厚さ方向に対向するように配置されていることを特徴とする。

請求項２に記載の人工誘電体共振器は、請求項１に記載の人工誘電体を含む人工誘電体共振器において、共振モードにおいて磁界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルは、前記線路導体の幅が前記容量電極導体の幅より狭く、電界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルは、前記磁界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルよりも前記線路導体の幅が広いことを特徴とする。

本発明の人工誘電体及び人工誘電体共振器によれば、高い誘電率であり、かつ、損失の低減が可能な構造とすることが可能になる。

本発明の実施形態に係る人工誘電体の単位セルを示すもので、（ａ）が正面図、（ｂ）が右側面図、（ｃ）が背面図、（ｄ）がＡ−Ａ線で切断した断面図である。同上の人工誘電体の複数の単位セルの位置関係を示す右側面図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の一例を示す正面図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器であって図３に示したものの中で一列を成す複数の単位セルを示す右側面図であり、（ａ）は例えば右端の一列のもの、（ｂ）は例えば右端から２番目の一列のものである。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の図３に示す例との比較のための人工誘電体共振器を示す正面図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の図３に示す例との比較のための人工誘電体共振器を示すものであって、（ａ）が単位セルの正面図、（ｂ）が複数の単位セルの位置関係を示す右側面図、（ｃ）が図５に示したものの中で例えば右端の一列を成す複数の単位セルを示す右側面図であり、（ｄ）が図５に示したものの中で例えば右端から２番目の一列を成す複数の単位セルを示す右側面図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の磁界の様子を示す図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の他の例を示す正面図である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の図８に示す例との比較のための比較例である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の図８に示す例との比較のための別の比較例である。同上の人工誘電体の人工誘電体共振器の図８、図９、図１０に示す例における無負荷Ｑ値の特性を示すグラフである。同上の人工誘電体の単位セルの他の変形例を示すもので、（ａ）が背面図、（ｂ）が右側面図、（ｃ）が複数の単位セルの位置関係を示す右側面図である。

以下、本発明の実施形態を、図面を参照しながら説明する。本発明の実施形態に係る人工誘電体１は、単位セル２を複数個含むものである。単位セル２は、図１（ａ）、（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）に示すように、線路導体３と容量電極導体４と接続導体５とを有する。

線路導体３は、平面上に形成された細長いものである。一般には、線路導体３は、薄板状の金属ストリップであり、そのアスペクト比が大きい（長手方向に長い）ものである。線路導体３の金属ストリップは、通常、多層構造の母材６（例えば、樹脂多層基板やＬＴＣＣ（低温同時焼成セラミック）基板などの積層基板）（図１（ａ）〜（ｄ）では図示せず）中の一つの金属層（例えば、銅の層）の１個のパターンとして形成される。

線路導体３の幅ｗ２は、後述する容量電極導体４の幅ｗ１よりも狭くしている。後述する接続導体５との接続等のために、線路導体３の両端部近傍の幅を少し広くすることも可能である。

容量電極導体４は、線路導体３の両端部（図１（ａ）〜（ｄ）においては上端部と下端部）において厚さ方向（図１（ｂ）においては左右方向）の両側に配置されている。つまり、単位セル２は、計４個の容量電極導体４を有している。

また、容量電極導体４は、図２に示すように、他の単位セル２の容量電極導体４と厚さ方向に対向するように配置され得る。それにより、容量電極導体４は、他の単位セル２の容量電極導体４との間に、容量電極導体４のサイズ及びそれらの間の距離に応じて、大きな容量値を生じさせることができる。容量電極導体４は、通常、薄板状の金属ストリップである。容量電極導体４の金属ストリップは、母材６中の線路導体３の金属ストリップの金属層とは異なる層の金属層（例えば、銅の層）の１個のパターンとして形成される。なお、容量電極導体４は、少なくとも１個が他の単位セル２の容量電極導体４と対向しており、人工誘電体１における単位セル２の位置によっては、４個の容量電極導体４の全てについて他の単位セル２の容量電極導体４に対向しているものも有るし、１個だけが他の単位セル２の容量電極導体４に対向しているものも有り得る(後述する図４（ａ）、（ｂ）参照)。

接続導体５は、線路導体３と容量電極導体４とを接続する導体である。接続導体５は、通常、多層構造の母材６において所定径のビアホールを容量電極導体４の中心部から線路導体３の間に形成しておき、導体（例えば、銅などの金属）を埋め込むことによって、容量電極導体４の形成前の工程又はその形成と同じ工程で形成される。

以上説明した構成の単位セル２は、様々な配列が可能であり、それにより様々な特性の人工誘電体１を形成することが可能である。例えば、図３及び図４（ａ）、（ｂ）に示すように配列することが可能である。図３及び図４（ａ）、（ｂ）に示す人工誘電体１は、２０列であり、それぞれの列において、単位セル２の容量電極導体４が他の単位セル２の容量電極導体４と、図２に示したように厚さ方向に対向するようにして、一列に配列している。各一列において厚さ方向に６個の単位セル２が、容量電極導体４の位置において、重なっている。なお、図３及び図４（ａ）、（ｂ）においては、人工誘電体１の両端部に配置される単位セル２は、線路導体３の途中で切れた形状であり、上側のものを符号２’、下側のものを符号２’’で示している。

人工誘電体１は、印加された電界によって単位セル２の中の電荷が移動し、線路導体３の一方の端部に配置された容量電極導体４に正の電荷又は負の電荷、線路導体３の他方の端部に配置された容量電極導体４に負の電荷又は正の電荷が集まる。この状態が、単位セル２が分極を起こした状態であり、これら集まった正の電荷と負の電荷は、単位セル２内で電気双極子を構成する。電気双極子における電荷の量と分極距離とを乗じて得られる双極子モーメントが大きいほど、高い誘電率を得ることが出来る。単位セル２の容量電極導体４は、他の単位セル２の容量電極導体４との間に大きな容量値を生じさせることができるので、多くの電荷が集まり、双極子モーメントが大きくなり、高い（人工誘電体の中においても高い）誘電率が得られる。

人工誘電体１は、それが形成されていない母材６の部材を含めて、人工誘電体共振器７を形成することができる。

図３のように直線状に単位セル２を配列した人工誘電体１は、その直線の方向に印加された電界に対して高い誘電率を示す。それにより、図３に示す人工誘電体共振器７は、電磁界の電界成分が単位セル２を配列した直線方向のモードで共振するようにすると、高い誘電率での共振モードとすることができる。なお、環状など他の形状に単位セル２を配列した人工誘電体１（及び人工誘電体共振器７）の場合でも、同様にして高い誘電率での共振モードとすることができる。

上記の単位セル２を配列した人工誘電体１は、以下に説明するように、損失を低減することができる。

人工誘電体１は、単位セル２の線路導体３と他の単位セル２の線路導体３との間の厚さ方向の距離を大きくすることができる（図２及び図４（ａ）、（ｂ）参照）。そうすると、単位セル２の線路導体３と他の単位セル２の線路導体３との間は水平方向又は水平方向に近い磁界が通り易くなり、単位セル２の影響による磁界の集中が抑制される。また、線路導体３の幅ｗ２が狭いのでその平面（表面及び裏面）に垂直な又は垂直に近い磁界に対しても単位セル２の影響による磁界の集中が抑制される。このように磁界の集中が抑制されることにより、磁界に反応して流れる誘導電流の最大値が下がり、誘導電流による損失を低減させることができる。その結果、人工誘電体共振器７のＱ値を高くすることができる。

また、下記の表１は、人工誘電体共振器７と図５で示す比較のための人工誘電体共振器１０について、シミュレーションを行った結果の共振周波数、誘電体損（ｔａｎδ）を０．００１にしたときの無負荷Ｑの値及び共振周波数の平方根で割って規格化した無負荷Ｑの値、誘電体損を０にしたときの無負荷Ｑの値及び規格化した無負荷Ｑの値、を示すものである。人工誘電体共振器１０は、図６（ａ）で示す単位セル９を図６（ｂ）、（ｃ）、（ｄ）で示すようにして複数個配列した人工誘電体８により形成されている。単位セル９は、薄板状の金属ストリップである。人工誘電体共振器１０は、特許文献１に開示されたものとは、直線状、環状の違いを除いて、同様の構造である。なお、図５においては、人工誘電体８の両端部に配置される単位セル９は途中で切れた形状であり、上側のものを符号９’、下側のものを符号９’’で示している。

表１より、人工誘電体共振器７の無負荷Ｑの値（及び規格化した無負荷Ｑの値）は、人工誘電体共振器１０のものより明らかに高く、しかも、誘電体損を０とした時にその差が広がっている。このことより、単位セル２を複数個配列した人工誘電体１により形成された人工誘電体共振器７では、磁界に反応して流れる誘導電流による損失が低減されていることが確認できる。

なお、シミュレーションの条件は、単位セル２の長さｈｈが５.８ｍｍ、容量電極導体４の長さｈ１と幅ｗ１がともに０．８ｍｍ、線路導体３の幅ｗ２が０．３ｍｍ、各金属層（線路導体３など）の厚さｔが１８μｍ、線路導体３と容量電極導体４の間の距離ｄ１が１２７μｍ、接続導体５の直径が０．２ｍｍである（図１参照）。単位セル２の容量電極導体４と他の単位セル２の容量電極導体４の間の距離ｄ２が１２７μｍである（図２参照）。単位セル２の１列と隣接する１列との平面上の距離ｓｓが０．２ｍｍ、母材６の長さＨと幅Ｗがそれぞれ２０ｍｍ、３０ｍｍである（図３参照）。母材６の比誘電率が２．１９である。また、比較の人工誘電体共振器１０の人工誘電体８の単位セル９の長さｈｈが２.３ｍｍであり、その他については、人工誘電体共振器７と同じ符号のものは上記と同じ値である。

次に、人工誘電体共振器における人工誘電体１での損失の更なる低減について説明する。

図３のように直線状に単位セル２を配列した人工誘電体１を用いた人工誘電体共振器７は、詳細には、共振モードがＴＭモードであり、単位セル２の配列方向に沿う電界を周回するように磁界が存在する（図７参照）。また、人工誘電体１の中央付近に電界が集中する。従って、単位セル２の平面（表面又は裏面）における垂直な磁界成分は人工誘電体１の縁部に近づくほど増加する傾向になり、磁界の方向は斜めになる。なお、図７は、人工誘電体１において単位セル２の配列方向に垂直な断面で、線路導体３のみが存在する部分を切断した右半分における磁界の様子をシミュレーションによって示した図である。ただし、ここでは、磁界の様子の傾向が分かり易いように、線路導体３の幅ｗ２が容量電極導体の幅ｗ１と等しくなるように拡げて０．８ｍｍとしたもの（後述する単位セル２Ａと同様なもの）を用いており、単位セル２の配列が８列のもの（従って図示は４列）を用いている。図７中の直線の線分は、各単位セル２の線路導体３を示している。また、矢印の大きさは、磁界の大きさを示している。

図８に示す人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１は、その縁部近傍領域１ａ（詳細には、両側の縁部近傍の５列）に図１に示した形状の単位セル２を用いている。一方、人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の中央部近傍領域１ｂ（詳細には、中央部近傍の１０列）では、単位セル２を変形して線路導体３の幅ｗ２を広げて容量電極導体４の幅ｗ１と等しくした単位セル２Ａを用いている。なお、人工誘電体共振器７Ａ（及び後述する７Ｂ、７Ｃ）における単位セル２又は単位セル２Ａの線路導体３は、図３で示したものよりも長くしている。また、図８（及び図９、図１０）においては、人工誘電体１の両端部に配置される単位セル２（又は２Ａ）は、線路導体３の途中で切れた形状であり、上側のものを符号２’（又は２Ａ’）、下側のものを符号２’’（又は２Ａ’’）で示している。

人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の縁部近傍領域１ａは、共振モードにおいて磁界のエネルギーが大きい（電界のエネルギーと比べて大きい）領域である。ここでは、上述した人工誘電体共振器７と同様にして、磁界の集中を抑制することにより、磁界に反応して流れる誘導電流の最大値（詳細には、最も縁部の線路導体３に流れる周回電流の値）を下げ、誘導電流による損失を低減させることができる。

人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の中央部近傍領域１ｂは、共振モードにおいて電界のエネルギーが大きい（磁界のエネルギーと比べて大きい）領域である。従って、中央部近傍領域１ｂでは、縁部近傍領域７Ａａに比べて、周回電流による損失は大きくはない。その一方、線路導体３の幅が狭いほど、誘電体として振る舞う上での電荷の移動に伴う分極電流による損失が大きくなる。線路導体３の幅が広いほど等価的な抵抗値が下がって損失が減少するので、人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の中央部近傍領域１ｂの単位セル２Ａは、縁部近傍領域１ａの単位セル２よりも線路導体３の幅を広くしている。

図９に示す人工誘電体共振器７Ｂは、人工誘電体共振器７Ａとの比較のために、図８に示した人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の縁部近傍領域１ａの単位セル２を全て単位セル２Ａに置き換えたものである。図１０に示す人工誘電体共振器７Ｂは、同じく比較のために、図８に示した人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１の中央部近傍領域１ｂの単位セル２Ａを全て単位セル２に置き換えたものである。

図１１は、上記の人工誘電体共振器７Ｂから人工誘電体共振器７Ａへ、人工誘電体共振器７Ａから人工誘電体共振器７Ｃへ、段階的に単位セル２Ａと単位セル２を置き換えていったときの規格化した無負荷Ｑの値のシミュレーションによる特性グラフである。縦軸は、規格化された無負荷Ｑの値であり、横軸は、０が人工誘電体共振器７Ｂのときであり、０．５が人工誘電体共振器７Ａのときであり、１が人工誘電体共振器７Ｃときである。図１１より、人工誘電体共振器７Ａは、人工誘電体１の損失が最も低減されていることが分かる。人工誘電体共振器７Ａの人工誘電体１における単位セル２又は単位セル２Ａの具体的な寸法や数などは、人工誘電体共振器７Ａが用いられる条件に合わせて、適宜最適化を行うのが好ましい。また、人工誘電体共振器７Ｂ又は人工誘電体共振器７Ｃも、適宜最適化を行い、その特性が求められる基準内であれば、使用可能である。

なお、シミュレーションの条件は、上述した人工誘電体共振器７についての場合と多くは同じであるが、単位セル２（及び２Ａ）の長さｈｈが１０．８ｍｍ、単位セル２の線路導体３の幅ｗ２が０．４ｍｍである。

以上、本発明の実施形態に係る人工誘電体について説明したが、本発明は、上述の実施形態に記載したものに限られることなく、特許請求の範囲に記載する事項の範囲内でのさまざまな設計変更が可能である。例えば、母材６の中の金属層の数を少なくするなどの理由により、単位セル２を変形して、図１２に示すように、容量電極導体４が線路導体３の一方の端部のみにおいて厚さ方向に片側のみに配置されるようにすることも可能である。この場合、各層間の距離は一定になり、また、容量電極導体４は、他の単位セル２の線路導体３と厚さ方向に対向することになる。その他、容量電極導体４の数は種々に変更可能である。

１人工誘電体
２、２Ａ単位セル
３線路導体
４容量電極導体
５接続導体
６母材
７、７Ａ、７Ｂ、７Ｃ人工誘電体共振器

Claims

平面上に形成された細長い線路導体と、
該線路導体の少なくとも一方の端部において厚さ方向に配置された容量電極導体と、
前記線路導体と前記容量電極導体とを接続する接続導体と、
を有する単位セルを複数個含み、
前記単位セルの前記容量電極導体は、他の前記単位セルの前記容量電極導体又は前記線路導体と厚さ方向に対向するように配置されていることを特徴とする人工誘電体。
請求項１に記載の人工誘電体を含む人工誘電体共振器において、
共振モードにおいて磁界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルは、前記線路導体の幅が前記容量電極導体の幅より狭く、電界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルは、前記磁界のエネルギーが大きい領域の前記単位セルよりも前記線路導体の幅が広いことを特徴とする人工誘電体共振器。