特許 6974738 周波数選択板

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6974738

(24)【登録日】2021年11月9日

(45)【発行日】2021年12月1日

(54)【発明の名称】周波数選択板

(51)【国際特許分類】

   H01Q 15/14 20060101AFI20211118BHJP

【ＦＩ】

   H01Q15/14 B

【請求項の数】3

【全頁数】11

(21)【出願番号】特願2018-191608(P2018-191608)

(22)【出願日】2018年10月10日

(65)【公開番号】特開2020-61652(P2020-61652A)

(43)【公開日】2020年4月16日

【審査請求日】2021年1月29日

(73)【特許権者】

【識別番号】000004226

【氏名又は名称】日本電信電話株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100083806

【弁理士】

【氏名又は名称】三好 秀和

(74)【代理人】

【識別番号】100129230

【弁理士】

【氏名又は名称】工藤 理恵

(72)【発明者】

【氏名】鳥海 陽平

(72)【発明者】

【氏名】伊丹 豪

(72)【発明者】

【氏名】加藤 潤

【審査官】 岸田 伸太郎

(56)【参考文献】

【文献】 特開２００５−２５２５６７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０１５９３９６（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｑ １／００−２５／０４

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

同一形状の共振器を、誘電体基板の上に周期的に配列した構造の周波数選択板において、
前記共振器は、ＬＣ直列共振回路を２つ以上並列に接続した等価回路を備え、
前記共振器は、
第１誘電体基板の上に形成された第１導電パターンと、
第２誘電体基板の上に形成された前記第１導電パターンと異なる形状の第２導電パターンと
を備え、
前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板は重ねて配置される
ことを特徴とする周波数選択板。

【請求項2】

同一形状の共振器を、誘電体基板の上に周期的に配列した構造の周波数選択板において、
前記共振器は、ＬＣ直列共振回路を２つ以上並列に接続した等価回路を備え、
前記共振器は、
前記誘電体基板の一方の面上に形成された第１導電パターンと、
前記誘電体基板の他方の面上に形成された前記第１導電パターンと異なる形状の第２導電パターンと
を備えることを特徴とする周波数選択板。

【請求項3】

前記第１導電パターンは十字形状であり、
前記第２導電パターンは、十字の形成を含むものであって、該十字を形成する横パターンと縦パターンは、それぞれの方向に所定の長さ延長され、その所定の長さ延長された先は前記誘電体基板の上の直交する両方向に更に延長され、更に延長されたそれぞれの先端部分は所定の間隔を空けて対向する形状である
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の周波数選択板。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、同一形状の共振器を、誘電体基板の上に周期的に配列した構造の周波数選択板に関する。

【背景技術】

【0002】

周波数選択板（ＦＳＳ：Frequency Selective Surfaces）は、波長と同程度以下の寸法の導体パターンで形成された共振器を周期的に配列することで、入射する電磁波の透過特性／反射特性に周波数依存性を持たせたものである。その動作原理は、共振器が有するインダクタンスとキャパシタンスで表される等価回路の共振現象で説明することができる。

【0003】

例えば、代表的な導体パターン形状であるエルサレムクロス型の周波数選択板は、次式で表される共振周波数をピークとするバンドストップ特性を示す。エルサレムクロス型とは、十字の導電パターンと、該十字の縦の導電パターンと横の導電パターンのそれぞれの両端部が、直交する水平方向の両方向に所定の長さ延長された導電パターンとで形成される型のことである。

【0004】

【数1】

【0005】

その共振周波数の設定方法については、例えば非特許文献１に開示されている。

【先行技術文献】

【非特許文献】

【0006】

【非特許文献1】G. Itami et al.,“ A Novel Design Method for Miniaturizing FSS Based on Theory of Meta-materials”,International Symposium on Antennas and Propagation(ISAP2017),1033, Phuket, Thailand, November 2017.

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0007】

しかしながら、従来の周波数選択板は、予期しない共振を防止するために波長と同程度以下の共振器サイズにする必要があり、得たい周波数特性を実現するのに必要な大きさのインダクタンス及びキャパシタンスを確保することが出来ないという問題がある。

【0008】

エルサレムクロス型の場合、周波数選択板の遮断周波数付近の減衰傾度の傾きを大きくするためには、式（１）の条件を保ったままキャパシタンスを減らし、インダクタンスを増やす。また、リングスロット型の場合は、リング間の隙間を狭くすることでキャパシタンスを増やす。

【0009】

このようにインダクタンスとキャパシタンスを増やすためには、導電パターンの線幅を細く及びパターン間隔を狭くする必要がある。しかし、加工精度等の加工上の制約によって、所望のインダクタンス及びキャパシタンスが得られない場合がある。

【0010】

そのため、従来の周波数選択板は、反射させたい周波数と透過させたい周波数が十分に離れているか、或いは減衰傾度の傾きが急峻でないような用途にしか適用できないという課題がある。つまり、周波数選択の尖鋭度が悪い（Ｑ値が低い）という課題がある。

【0011】

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、導電パターンの線幅を細く又はパターン間隔を狭くすることなく、減衰傾度の傾きが急峻な特性を持つ周波数選択板を提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0012】

本発明の一態様に係る周波数選択板は、同一形状の共振器を、誘電体基板の上に周期的に配列した構造の周波数選択板において、前記共振器は、ＬＣ直列共振回路を２つ以上並列に接続した等価回路を備え、前記共振器は、第１誘電体基板の上に形成された第１導電パターンと、第２誘電体基板の上に形成された前記第１導電パターンと異なる形状の第２導電パターンとを備え、前記第１誘電体基板と前記第２誘電体基板は重ねて配置されることを要旨とする。

【発明の効果】

【0013】

本発明によれば、導電パターンの線幅を細く又はパターン間隔を狭くすることなく、減衰傾度の傾きが急峻な（尖鋭度の高い）特性を持つ周波数選択板を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】２つの反射特性を示す図である。

【図2】本発明の第１実施形態に係る周波数選択板の平面図を模式的に示す図である。

【図3】図２に示す周波数選択板を構成する共振器の平面図を模式的に示す図である。

【図4】図２に示す周波数選択板の等価回路を示す図である。

【図5】図３に示す共振器に２つの共振ルートを模式的に示す図である。

【図6】リングスロット構造の共振器の平面図を模式的に示す図である。

【図7】図２に示す周波数選択板と図６に示す共振器で構成した周波数選択板の反射特性を示す図である。

【図8】本発明の第２実施形態に係る周波数選択板を構成する共振器を模式的に示す斜視図である。

【図9】図８に示す周波数選択板と図６に示す共振器で構成した周波数選択板の反射特性を示す図である。

【図10】本発明の第３実施形態に係る周波数選択板を構成する共振器を模式的に示す斜視図である。

【図11】図１０に示す周波数選択板の透過特性を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0015】

以下、本発明の実施形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。本発明の実施形態を説明する前に、本発明の原理について説明する。

【0016】

（本発明の原理）
従来の周波数選択板は、単一のＬＣ共振によって周波数特性を決めていた。そのため、帯域幅を狭くするためには、インダクタンス又はキャパシタンスを大きくする必要がある。しかし、上記のように得られるインダクタンス及びキャパシタンスの大きさに限界があるため、得たい周波数特性を実現できない場合がある。

【0017】

本発明は、複数のＬＣ共振を用いることで、同程度のインダクタンス及びキャパシタンスで有っても、減衰傾度の傾きが急峻な（尖鋭度の高い）特性を持つ周波数選択板を実現する。

【0018】

図１は、単一のＬＣ並列共振回路の反射特性と、２つのＬＣ直列共振回路が並列接続された共振回路の反射特性を示す図である。図１の横軸は周波数［GHz］、縦軸は反射信号強度〔dB〕である。図１に示す破線は単一のＬＣ並列共振回路の特性、実線は２つのＬＣ直列共振回路が並列接続された共振回路の特性を示す。

【0019】

図１に示すように、２つのＬＣ直列共振回路が並列接続された特性（実線）の通過帯域幅は0.4GHzであり、単一のＬＣ並列共振回路（2.1GHz）よりも狭い。２つのＬＣ直列共振回路が並列接続された特性は、ピーク周波数2.5GHzから±0.6GHzの周波数の反射信号強度は0dB、つまり反射信号強度が1である尖鋭度の高い特性を示す。一方、破線の特性は、ピーク周波数2.5GHzから±0.6GHzの周波数の反射信号強度は−3dB以下であり、半分以上の信号が反射してしまう先鋭度の低い特性である。

【0020】

この理由は、その回路の周波数特性を計算すれば自明である。定性的に述べれば、通過帯域を２つの遮断周波数で挟み込むことで減衰傾度の傾きを大きくできると解釈することもできる。

【0021】

このように、２つのＬＣ直列共振回路が並列接続された等価回路で表せる周波数選択板が作れれば、減衰傾度の傾きを急峻にすることができる。また、等価回路は、３つのＬＣ直列共振回路の並列接続で表せても良い。

【0022】

本発明は、この原理に基づいて、複数のＬＣ直列共振回路が並列接続された等価回路を備えた周波数選択板の構成方法を提案するものである。

【0023】

〔第１実施形態〕
図２は、本発明の第１実施形態に係る周波数選択板の平面図を模式的に示す図である。図２に示す周波数選択板１００は、誘電体基板１０１の上に、漢字の「田」に似た形状の導電パターンで構成された共振器ｋ_１ｘｙが配列されて構成される。図２においてｘ方向を横、ｙ方向を縦と定義する。

【0024】

誘電体基板１０１は、例えば、ガラスエポキシ基板、ポリミイドフィルム基板等で構成される。誘電体基板１０１の材質は、誘電体材料であれば何でも構わない。

【0025】

共振器ｋ_１ｘｙは、例えば、ｘ方向とｙ方向にそれぞれ１０個並べられて周波数選択板１００を構成する。１つの共振器ｋ_１ｘｙの大きさは、共振周波数の波長に対して1/3程度の大きさである。

【0026】

信号は、周波数選択板１００に対して−ｚ方向（裏側）から入力され、ｚ方向（表側）に出力（透過）される。周波数選択板１００に電磁波が入力されると、共振器ｋ_１ｘｙが配列されたｘｙ平面に電界が生じ共振現象による電流が流れる。

【0027】

図３は、一つの共振器ｋ_１ｘｙを拡大した平面図である。図３に示す共振器ｋ_１ｘｙは、誘電体基板１０１の上に十字状の導電パターンを形成したものであって、十字を形成する横パターン１０と縦パターン２０は、それぞれの方向に所定の長さ延長され、その所定の長さ延長された先は誘電体基板の上の直交する両方向に更に延長され、更に延長されたそれぞれの先端部分１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ，…（他の４箇所は省略）は所定の間隔ｄを空けて対向する形状である。

【0028】

つまり、横パターン１０は、縦パターン２０と直交する中心部分からｘ方向に所定の長さ延長された後、その端辺に沿って両方向（±ｙ方向）に延長される。そして、該延長されたそれぞれは、横パターン１０と縦パターン２０を収容する四角形の対角線に沿う先端部分１１ａ，１１ｂを形成する。横パターン１０の−ｘ方向は、上記のｘ方向と同様である。

【0029】

縦パターン２０は、横パターン１０と直交する中心部分からｙ方向に所定の長さ延長された後、その端辺に沿って両方向（±ｘ方向）に延長される。そして、該延長されたそれぞれは、縦パターン２０と横パターン１０と収容する四角形の対角線に沿う先端部分２１ａ，２１ｂを形成する。縦パターン２０の−ｙ方向は、上記のｙ方向と同様である。

【0030】

横パターン１０の先端部分１１ａは、上記の対角線上に間隔ｄを空けて縦パターン２０の先端部分２１ｂと対向する。この両者の先端部分１１ａと２１ｂは、静電容量を形成する。間隔ｄの大きさは、共振器ｋ_１ｘｙの大きさに対して1/10以下程度が好ましい。なお、間隔ｄの大きさは、横パターン１０と縦パターン２０のそれぞれの先端部分で静電容量が形成できればいくつでも構わない。

【0031】

つまり、共振器ｋ_１ｘｙは、横パターン１０と縦パターン２０とが、４つの静電容量で横パターン１０と縦パターン２０とが結合することで、２つの共振電流が流れる共振パスを作ることができる。

【0032】

図４は、図３に示した共振器ｋ_１ｘｙで構成した周波数選択板１００の等価回路を示す図である。図４に示すように、本実施形態に係る周波数選択板１００を構成する共振器ｋ_１ｘｙは、ＬＣ直列共振回路１とＬＣ直列共振回路２を並列に接続した等価回路を備える。図４に示すＺ_０は、空間インピーダンスを表す。空間インピーダンスＺ_０は、真空の誘電率と透磁率から決まるインピーダンスである。

【0033】

図５は、共振器ｋ_１ｘｙに流れる２つの共振電流の流れる共振パスを模式的に示す図である。図５に示すようにルートＡとルートＢの２つの共振パスが形成される。

【0034】

（比較例）
図６は、比較例の周波数選択板５００を構成する共振器ｋ_５ｘｙの平面図を模式的に示す図である。図６に示す共振器ｋ_５ｘｙは、図３に示した共振器ｋ_１ｘｙと対応するものである。共振器ｋ_５ｘｙは、ｘｙ平面上に配列されてリングスロット型の周波数選択板５００（図示せず）を構成する。リングスロット型の周波数選択板５００の等価回路は、１つのＬＣ並列共振回路で表せる（図示せず）。

【0035】

図７は、周波数選択板１００と周波数選択板５００の反射特性を示す図である。図７に示す実線は周波数選択板１００の反射特性であり、破線は周波数選択板５００の反射特性を示す。横軸と縦軸の関係は図１と同じである。

【0036】

周波数選択板５００のリング間の隙間は、極めて狭く形成した例を示す。その間隔は、例えば0.2mmである。

【0037】

本実施形態に係る周波数選択板１００の間隔ｄは、例えば0.5mmである。また、導電パターンの線幅は0.5mm以上である。

【0038】

図７に示すように、本実施形態に係る周波数選択板１００のピーク周波数は3.2GHz、帯域幅は1.2GHzであり、比較例（周波数選択板５００）のそれは3.2Hz、1.2GHzである。

【0039】

このように、本実施形態に係る周波数選択板１００は、間隔ｄが大きくても、リング間の間隔の狭い周波数選択板５００と同等の帯域幅が得られる。

【0040】

以上説明したように、本実施形態に係る周波数選択板１００は、同一形状の共振器ｋ_１ｘｙを、誘電体基板１０１の上に周期的に配列した構造の周波数選択板において、共振器ｋ_１ｘｙは、ＬＣ直列共振回路を２つ以上並列に接続した等価回路を備える。また、共振器ｋ_１ｘｙは、誘電体基板１０１の上に十字状の導電パターンを形成したものであって、十字を形成する横パターン１０と縦パターン２０は、それぞれの方向に所定の長さ延長され、その所定の長さ延長された先は直交する誘電体基板１０１上の両方向に更に延長され、更に延長されたそれぞれの先端部分は所定の間隔ｄを空けて対向する形状である。

【0041】

これにより、導電パターンの線幅を細く又はパターン間隔を狭くすることなく、減衰傾度の傾きが急峻な（尖鋭度の高い）特性を持つ周波数選択板を提供することができる。

【0042】

〔第２実施形態〕
図８は、本発明の第２実施形態に係る周波数選択板２００（図示せず）を構成する共振器ｋ_２ｘｙの外観を模式的に示す斜視図である。

【0043】

共振器ｋ_２ｘｙは、第１誘電体基板３０の表面上に形成された十字状の導電パターン３１と、第２誘電体基板４０の表面上に形成された導電パターン３１と異なる形状の十字状の導電パターン４１とを備え、第１誘電体基板３０と第２誘電体基板４０は重ねて配置される。

【0044】

導電パターン３１は例えばエルサレムスロス型であり、導電パターンは例えばクロス型である。第１誘電体基板３０と第２誘電体基板４０は密着され、導電パターン３１と導電パターン４１とが容量結合する位置に配置されるので有れば、それぞれの基板の厚さは限定されない。また、導電パターン３１，４１の形状も限定されない。

【0045】

図９は、周波数選択板２００と周波数選択板５００の反射特性を示す図である。図９に示す実線は周波数選択板２００の反射特性であり、破線は周波数選択板５００の反射特性を示す。横軸と縦軸の関係は図７と同じである。

【0046】

図９に示すように、本実施形態に係る周波数選択板２００のピーク周波数は3.2GHz、帯域幅は0.5GHzであり、比較例（周波数選択板５００）のそれは3.2Hz、1.2GHzである。なお、周波数選択板２００のピーク周波数における反射信号強度は、約−22dBと十分小さくないが、これは最適化されていない為である。最適化することで、反射信号強度を周波数選択板５００と同程度にすることは可能である。

【0047】

このように誘電体基板を重ねてｚ方向に、２つ以上のＬＣ直列共振回路を備えるようにしても減衰傾度の傾きが急峻な特性を持つ周波数選択板を実現できる。なお、図８は、エルサレムクロス型とクロス型の導電パターンを重ねる例を示したが、この導電パターンの形状に限定されない。

【0048】

例えば、クロス型とリング型（図示せず）の導電パターンを重ねて共振器ｋ_２ｘｙを構成するようにしても良い。つまり、共振器ｋ_２ｘｙは、第１誘電体基板３０の上に形成された第１導電パターン３１と、第２誘電体基板４０の上に形成された第１導電パターン３１と異なる形状の第２導電パターン４１とを備え、第１誘電体基板３０と第２誘電体基板４０は重ねて配置される。これにより、減衰傾度の傾きが急峻な特性を持つ周波数選択板を実現できる。

【0049】

〔第３実施形態〕
図１０は、本発明の第３実施形態に係る周波数選択板３００（図示せず）を構成する共振器ｋ_３ｘｙの外観を模式的に示す斜視図である。

【0050】

共振器ｋ_３ｘｙは、誘電体基板１０１の一方の面上（表面上）に形成された十字を形成する第１導電パターン５１と、誘電体基板１０１の他方の面上（裏面上）に第１導電パターンと異なる形状の第２導電パターン６１を形成したものであって、第２導電パターン６１は、十字の形状を含むものであって、該十字を形成する横パターン１０と縦パターン２０は、それぞれの方向に所定の長さ延長され、その所定の長さ延長された先は誘電体基板１０１の上の直交する両方向に更に延長され、更に延長されたそれぞれの先端部分は所定の間隔ｄを空けて対向する形状である。

【0051】

導電パターン６１は、図３に示した共振器ｋ_１ｘｙと同じ形状である。よって、誘電体基板１０１の裏面上に形成される周波数選択板（図示せず）は、２つのＬＣ直列共振回路が並列に接続された等価回路で表せる。

【0052】

一方、誘電体基板１０１の表面上に形成される周波数選択板（図示せず）は、１つのＬＣ直列共振回路の等価回路で表せる。誘電体基板１０１の表面上に形成される導電パターン５１と、その裏面上に形成される導電パターン６１とは誘電体基板１０１を挟んで静電容量で結合する。

【0053】

したがって、周波数選択板３００の等価回路は、３つのＬＣ直列共振回路を並列に接続したものになる。

【0054】

図１１は、周波数選択板３００の透過特性を示す図である。図１１の横軸は周波数［GHz］、縦軸は透過信号強度〔dB〕である。この例の周波数選択板３００は、2.3GHzと約3GHzの２つのバンドストップ特性を備える。この例では約3GHzのバンドストップ特性は意図したものではない。

【0055】

図１１に示すように、ピーク周波数2.3GHzのバンドストップ特性の帯域幅は0.4GHzと、上記の実施形態よりも減衰傾度の傾きが急峻な特性が得られる。このように、３つのＬＣ直列共振回路を並列に接続した等価回路で表せる周波数選択板３００は、バンドパス特性に挟まれた急峻なバンドストップ特性を実現することができる。

【0056】

以上説明したように本実施形態に係る周波数選択板１００，２００，３００によれば、導電パターンの線幅を細く又はパターン間隔を狭くすることなく、減衰傾度の傾きが急峻な特性を持つ周波数選択板を提供することができる。なお、上記の実施形態の説明において、導電パターンの形状はクロス型、エルサレムクロス型、及びエルサレムクロスの変形型（図３）の例で説明したが、本発明はこれらの例に限定されない。

【0057】

このように、本発明はここでは記載していない様々な実施形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。

【符号の説明】

【0058】

１，２：ＬＣ直列共振回路
１００，２００，３００，５００：周波数選択板
１０：横パターン
２０：縦パターン
１１ａ，１１ｂ，２１ａ，２１ｂ：先端部分
ｄ：間隔
ｋ１ｘｙ，ｋ２ｘｙ，ｋ３ｘｙ，ｋ５ｘｙ：共振器
３０，４０，１０１：誘電体基板
５１，６１：導電パターン

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】