高周波線路の 表皮効果抑制・低損失化技術 ～負の透磁率利用～ 長野工業高等専門学校 電子制御工学科 講師 中山 英俊 1 従来技術とその問題点 表皮効果が線路の損失を高める原因となる。 表皮効果を抑制するために、リッツ線や伝送線 路のスリットを設けて抑制する従来技術がある。 これらは、表皮効果による渦電流経路を抑制 するが、根本的な誘導起電力は抑制できない。 表皮効果は、磁束変化で生じる誘導起電力が 原因であり、根本的原因である磁束を抑制する ことが、最も効果的である。 2 先行技術とその問題点 先行技術は、負の透磁率を利用することにより、 磁束そのものを抑制することができる。 しかしながら、正／負の透磁率材料の厚さｔを、 透磁率の大きさ|μ|のみで決定しているため、 (隣接する層の「ｔ×|μ|」を互いに等しくする技術) 磁束の抑制効果が不十分である。 数十層の多層分割では効果が得られるが、 製造の容易さ、低コストの面で問題がある。 3 新技術の特徴／他の技術との比較 • 従来技術の問題解決：根本的原因となる磁束 の抑制を、負の透磁率利用により実現する。 • 先行技術の問題解決：磁束抑制が不十分な 点を改善し、隣接する層の磁束を完全に相殺 できるため、効果が高い。 • 先行技術では考慮していない線路内部の 磁束密度分布を考慮し、抵抗率の違いも反映 して設計するため、効果が高い。 • 少積層数でも高効果。製造コスト低減に優位。 4 発明の概要：負の透磁率による表皮効果の抑制 印可電界E 電流密度J 印可電界E 電流密度J J=σE 印可電界E 電流密度J J=σE J=σE 中心からの 距離r[m] 中心からの 距離r[m] 中心からの 距離r[m] 断面構造図 ■正の透磁率材料 ■負の透磁率材料 磁界H 磁界H 磁界H 透磁率μ 透磁率μ 透磁率μ (b)負の透磁率材料を用いて、積層すると、 正と負の透磁率により、 隣接する磁束が正と負の磁束となり、 局所的に磁束が相殺され、 誘導起電力が減少し、表皮効果が抑制される。 磁束密度B B=μH 磁束密度B B=μH 磁束密度B B=μH 誘導起電力e φ=BS e=dφ/dt 誘導起電力e φ=BS e=dφ/dt 誘導起電力e φ=BS e=dφ/dt 合成電界E’ 電流密度J’ E’=E+e J’=σE’ （a）通常の表皮効果 合成電界E’ 電流密度J’ E’=E+e J’=σE’ 合成電界E’ 電流密度J’ (a)通常は、発生する磁束を打ち消すように、 誘導起電力が生じ、表皮効果が発生する。 E’=E+e J’=σE’ （b）先行技術の抑制方法 （c）本発明の抑制方法 ただし、磁束密度に位置分布があるため、 膜厚を均一にすると、 磁束密度×面積＝磁束が隣接する層で、 ゼロにならない。 (c)磁束密度分布に応じて、積層厚さを変え、 隣接する層同士の磁束を同じにすることで、 磁束の相殺効果を高める。 これにより、誘導起電力が抑制され、 表皮効果がより小さくなる。 5 発明の実施の形態 （線路断面形状） 断面構造図 ■正の透磁率材料 ■負の透磁率材料 6 同軸線路における 表皮効果抑制の確認 この断面に表示 同軸線路モデル ・直径10μmの中心線路 ・外径23μmが絶縁層 ・最外層がGND導体 7 7 表皮効果抑制の一例 （周波数3GHz の電流密度分布） 電流密度[A/m2]をコンター図で表示（全て同スケール） (C2)本発明の 2層モデル (A)従来モデル (A)では、表皮効果により、表面に電流が偏る。 (C2)では、若干改善される。 (C12)では、大幅に表皮効果が抑制される。 ・赤より内側が中心線路 ・外側の青い部分が絶縁層 (C4)本発明の 4層モデル (C12)本発明の 12層モデル 8 高周波用磁性材料の 透磁率の周波数特性 複素比透磁率 µr = µr' - j µr'' 1000 ：Hk = 8 kA/m A ：Hk = 28 kA/m ：µr' ：µr'' 500 Hk 大 B A µr' μrA μrB0 B µr'' -500 0.1 1 周波数 f (GHz) frA frB10 高周波領域で透磁率が負の値を示す。 高周波磁界に対して磁気モーメントの応答が遅れるため、 見かけ上、負の透磁率特性を示す。 9 想定される用途 • 線路の抵抗を低減する低損失技術であり、 グリーンイノベーションの要素技術となる • 高周波電子部品(インダクタ、キャパシタ、フィルタ、 整合器、アンテナ…)に適用し、情報通信機器(携 帯電話・スマホ、モバイル端末、大型通信施設…）等 への広範な応用が期待できる。 • 本原理を応用した磁界センサや応力センサの 可能性があり、チューナブルなデバイス・フィ ルタも実現可能性がある。 10 本発明の適用例 本発明の伝送線路 伝送線路フィルタ チップ 素子 本発明の伝送線路 本発明の伝送線路を用いた 高周波部品 接続線路 インダクタ など プリント配線基板 図 高周波回路基板への適用例 引き出し配線 接続線路 引き出し配線 半導体形成層（Tr.など） 半導体チップ基板 図 半導体チップ上の配線への適用例 本発明の伝送線路及び伝送線路を利用した高周波部品、 或いは、それらを搭載した基板・モジュールなどを組み合わせることにより、 様々な高周波装置（携帯電話・ＰＣなど）が製造される。 11 実用化に向けた課題 • 現在、円形断面の同心円状線路については、 本技術の優位性が明らかであるが、他の 断面形状の効果が検討不十分である。 • 薄膜積層による矩形断面線路について、その 最適設計技術を更に検証する必要がある。 • 現在、矩形断面線路を試作中であり、実験 データで本技術の効果を実証する予定である。 • 線路単体だけでなく、具体的なデバイスへの 適用が実用化に向けた課題である。 12 企業への期待 • 本発明のライセンスをベースに実用化を期待。 まずは、矩形断面薄膜積層線路で実現。 • 高周波回路・デバイス・機器を開発する企業と の共同研究を希望。磁性薄膜製膜プロセスを 導入することにより、実現可能。 • グリーンイノベーション分野での展開を検討中 で、新たな低損失技術を検討中の企業には、 本技術の導入が有効と思われる。 13 本技術に関する知的財産権 • 発明の名称： 伝送線路及び配線基板、並びに、これらを用いた高周波装置 • 出願番号 ：特願2012-083350、PCT/JP2013/59755 • 出願人 ：独立行政法人国立高等専門学校機構 • 発明者 ：中山英俊、佐藤敏郎、曽根原誠、吉原拓実 14 研究略歴 • 専門分野：高周波磁気応用 • 関係する研究テーマ： – 高周波磁性薄膜を利用した伝送線路デバイスの研究開発（2000年-現在） – 左手系マイクロ波デバイスの研究（2008年-現在） • • • • • • 2008年3月-2008年9月 2008年10月-2009年3月 2010年10月-2011年3月 2011年7月-2012年3月 2012年7月-2013年3月 2012年10月-2013年9月 米国UCLAにて在外研究員 JSTシーズ発掘試験事業に採択 JST・A-STEP・FSステージ探索タイプ事業に採択 JST・知財ハイウェイ事業に採択 JST・知財ハイウェイ事業に採択 JST・復興促進プログラム(A-STEP) 事業に採択 15 お問い合わせ先 長野工業高等専門学校 研究協力・産学連携係 ＴＥＬ ０２６－２９５－７１３４ ＦＡＸ ０２６－２９５－４３５６ e-mail [email protected] 16
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