JP2011193151A - 高周波結合器並びに通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】結合用電極のサイズを大きくして広範囲に電界信号を放射することによって、横方向の通信可能範囲を広くする。
【解決手段】長さが２分の１波長のスタブからなる共振部１１５の先端はグランドに短絡される。結合用電極１１２は、ほぼ中心の位置にて支持部１１３で共振部１１５上に支持されるととともに、結合用電極１１２の先端部分の短絡部１１４において接地状態にある。結合用電極１１２内で２分の１波長の共振状態を得ることができ、電界信号の放射方向に同じ符号の電荷のみが分布することから、通信可能範囲が横方向に２倍に広がる。
【選択図】 図１１

Description

本発明は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送を行なう高周波結合器並びに通信装置に係り、特に、電界結合を利用した微弱ＵＷＢ通信において横方向に通信可能範囲を確保する高周波結合器並びに通信装置に関する。

非接触通信は、認証情報や電子マネーその他の価値情報のメディアとして広く利用されている。また、最近では、非接触通信システムのさらなるアプリケーションとして、動画像や音楽などのダウンロードやストリーミングといった大容量データ伝送を挙げることができる。大容量データ伝送も、単一のユーザー操作で済み、且つ、従来の認証・課金処理と同じアクセス時間の感覚で完結することが好ましく、それゆえ通信レートの高速化が必須となる。

一般的なＲＦＩＤ規格は、１３．５６ＭＨｚ帯を使い、電磁誘導を主原理とする近接型（０〜１０ｃｍ以下：Ｐｒｏｘｉｍｉｔｙ）の非接触双方向通信であり、その通信レートは１０６ｋｂｐｓ〜４２４ｋｂｐｓ程度に過ぎない。これに対し、高速通信に適用可能な近接無線転送技術として、微弱なＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）信号を用いたＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ（例えば、特許文献１、非特許文献１を参照のこと）を挙げることができる。この近接無線転送技術（ＴｒａｎｓｆｅｒＪｅｔ）は、基本的に、電界結合作用を利用して信号を伝送する方式であり、その通信装置の高周波結合器は、高周波信号の処理を行なう通信回路部と、グランドに対しある程度の高さで離間して配置された結合用電極と、結合用電極に高周波信号を効率的に供給する共振部で構成される。

微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送は、２〜３ｃｍ程度の通信距離であり、偏波を持たず、高さ方向にも横方向にもほぼ同程度の広さしかなく、ほぼ半球ドーム状の通信可能範囲となる。このため、データ転送を行なう通信装置同士で、互いの結合用電極を適切に対向させ、十分な電界結合を作用させる必要がある。

近接無線転送機能を小型に製作すれば、組み込み用途にも適し、例えばパーソナル・コンピューターや携帯電話機などの各種情報機器に搭載することができる。ところが、高周波結合器の結合用電極を小型化すると、とりわけ横方向の通信可能範囲を縮小してしまうという問題がある。例えば情報機器の筐体表面に、高周波結合器が埋め込まれた部位を示す、ターゲット・ポイントのマークを付しておけば、ユーザーはターゲット・ポイントを目指して位置合わせすればよい。しかしながら、横方向の通信可能範囲が狭いと、機器同士を近接させた際にターゲット・ポイントが陰に隠れ、中心位置から横方向にずれてタッチしてしまうことがある。

近接無線転送機能の実用上の使い勝手を上げるには、横方向の通信可能範囲を広げることが必要である。ところが、単純に高周波結合器の結合用電極のサイズを大きくすると、結合用電極の表面上に定在波が立つ。そして、この定在波の振幅が逆向きとなる部分では異なる符号の電荷が分布することとなり、隣り合う異符号電荷同士で互いの電界を打ち消し合ってしまうため、電界強度の強い場所と弱い場所が生じる。電界強度の弱い場所は、通信相手の結合用電極を接近させても、良好な電界結合作用を得ることは困難な不感点（ヌル点）となる。

高周波結合器は、基本的に、正面方向にのみ電界信号を放射し、側面方向への放射はない。このため、高周波結合器を組み込んだ通信機の正面同士を向かい合わせなければ、安定した通信を確保できず、利便性が良くない。

特許第４３４５８４９号公報

ｗｗｗ．ｔｒａｎｓｆｅｒｊｅｔ．ｏｒｇ／ｅｎ／ｉｎｄｅｘ．ｈｔｍｌ（平成２２年３月２日現在）

本発明の目的は、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送を行なうことができる、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、微弱ＵＷＢを利用した偏波のない近接無線転送において横方向に十分な通信可能範囲を確保することができる、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することにある。

本願は、上記課題を参酌してなされたものであり、請求項１に記載の発明は、
グランドと、
前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
前記伝送路を介して前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、
前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する支持部と、
前記結合用電極の先端部分を前記グランドに短絡する短絡部と、
を具備し、
前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成し、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記高周波信号を伝送する高周波結合器である。

本願の請求項２に記載の発明によれば、請求項１に記載の高周波結合器の結合用電極は、前記支持部の根元から前記短絡部を介して前記グランドに短絡する先端部分まで前記波長の２分の１のサイズを持つ。

また、本願の請求項３に記載の発明によれば、請求項１に記載の高周波結合器の結合用電極は、正面方向を電界信号の放射方向とする第１の放射面として機能し、他方の短絡部は、側面方向を電界信号の放射方向とする第２の放射面として機能する。

また、本願の請求項４に記載の発明は、
データを伝送する高周波信号の処理を行なう通信回路部と、
前記通信回路部に接続される高周波信号の伝送路と、
前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
前記伝送路を介して前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、
前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する支持部と、
前記結合用電極の先端部分を前記グランドに短絡する短絡部と、
を具備し、
前記結合用電極は、前記支持部の根元から前記短絡部を介して前記グランドに短絡する先端部分まで前記波長の２分の１のサイズを持ち、
前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成し、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記高周波信号を伝送する通信装置である。

本発明によれば、高周波の広帯域を用いる微弱ＵＷＢ通信方式により近接距離で大容量データ伝送を行なうことができる、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することができる。

本発明によれば、微弱ＵＷＢを利用した偏波のない近接無線転送において横方向に十分な通信可能範囲を確保することができる、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することができる。

本発明によれば、結合用電極のサイズを大きくして広範囲に電界信号を放射することによって、とりわけ横方向の通信可能範囲を広くすることができる、優れた高周波結合器並びに通信装置を提供することができる。

本発明によれば、主に結合用電極の中心位置から横方向に通信可能範囲を広げることができるので、例えば高周波結合器を組み込んだ情報機器同士を対向させるときに、ユーザーは位置合わせのためのターゲット・ポイントのマーク同士を厳密に近接させなくても、安定して通信を行なうことができる。

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。

図１は、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示した図である。 図２は、送信機１０及び受信機２０のそれぞれに配置される高周波結合器の基本構成を示した図である。 図３は、図２に示した高周波結合器の一実装例を示した図である。 図４は、微小ダイポールによる電界を表した図である。 図５は、図４に示した電界を結合用電極上にマッピングした図である。 図６は、容量装荷型アンテナの構成例を示した図である。 図７は、共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示した図である。 図８は、図７に示した高周波結合器において、スタブ７３上に定在波が発生している様子を示した図である。 図９は、グランド基板９１上に結合用電極９２を実装して構成される高周波結合器９０において、結合用電極に高周波信号が入力されたときに結合用電極に電荷が貯まっている様子を示した図である。 図１０Ａは、結合用電極のサイズ４分の１波長を説明するための図である。 図１０Ｂは、結合用電極のサイズ４分の１波長を説明するための図である。 図１０Ｃは、結合用電極のサイズ４分の１波長を説明するための図である。 図１１は、結合用電極の先端部分をグランドに短絡する高周波結合器の構成例を示した図である。 図１２は、図１１に示した高周波結合器の断面図である。 図１３は、高周波結合器の変形例を示した図である。 図１４は、図１１に示した高周波結合器同士を正面方向に対向させたときの結合強度を測定した結果を示した図である。 図１５は、図１１に示した高周波結合器１１０と同様のスタブからなる共振部１５５上に、４分の１波長のサイズを持つ結合用電極１５２を備えた高周波結合器１５０を示した図である。 図１６は、図１１に示した高周波結合器１１０と同様のスタブからなる共振部１６５上に、ほぼ２分の１波長サイズを持つが先端部を短絡させない結合用電極１６２を備えた高周波結合器１６０を示した図である。 図１７は、図１１に示した高周波結合器１１０の結合用電極１１２の第１の放射面及び第２の放射面からそれぞれ電界が放射される様子を示した図である。 図１８は、図１１に示した高周波結合器１１０を実装した無線通信端末の正面方向にターゲット・ポイントを近接させた様子を示した図である。 図１９は、図１１に示した高周波結合器１１０を実装した無線通信端末の側面方向にターゲット・ポイントを近接させた様子を示した図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図１には、電界結合作用を利用した微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムの構成を模式的に示している。同図において、送信機１０及び受信機２０がそれぞれ持つ送受信に用いられる結合用電極１４及び２４は、例えば３ｃｍ程度（若しくは使用周波数帯の２分の１波長程度）だけ離間して対向して配置され、電界結合が可能である。送信機側の送信回路部１１は、上位アプリケーションから送信要求が生じると、送信データに基づいてＵＷＢ信号などの高周波送信信号を生成し、送信用電極１４から受信用電極２４へ電界信号として伝搬する。そして、受信機２０側の受信回路部２１は、受信した高周波の電界信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。

近接無線転送においてＵＷＢを使用すると、１００Ｍｂｐｓ程度の超高速データ伝送を実現することができる。また、近接無線転送では、後述するように放射電界ではなく静電界若しくは誘導電界の結合作用を利用する。その電界強度は距離の３乗若しくは２乗に反比例することから、無線設備から３メートルの距離での電界強度が所定レベル以下に抑制することで、近接無線転送システムは、無線局の免許が不要となる微弱無線とすることが可能であり、安価に構成することができる。また、近接無線転送では、電界結合方式によりデータ通信を行なうので、周辺に存在する反射物からの反射波が小さいため干渉の影響が少ない、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない、といった利点がある。

一方、無線通信では、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が大きくなる。ＵＷＢ信号のように高周波数の広帯域信号を利用した近接無線転送では、３ｃｍ程度の通信距離は約２分の１波長に相当する。すなわち、通信距離は近接といえども無視することはできない長さであり、伝搬損を十分低く抑える必要がある。とりわけ、高周波回路では、低周波回路に比べると特性インピーダンスの問題はより深刻であり、送受信機の電極間の結合点においてインピーダンス不整合による影響は顕在化する。

例えば、図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信回路部１１と送信用電極１４を結ぶ高周波電界信号の伝送路が例えば５０Ωのインピーダンス整合がとられた同軸線路であったとしても、送信用電極１４と受信用電極２４間の結合部におけるインピーダンスが不整合であると、電界信号は反射して伝搬損を生じることから、通信効率が低下する。

そこで、図２に示すように、送信機１０及び受信機２０のそれぞれに配置される高周波結合器を、平板状の電極１４、２４と、直列インダクタ１２、２２、並びに、並列インダクタ１３、２３からなる共振部を高周波信号伝送路に接続して構成している。ここで言う高周波信号伝送路とは、同軸ケーブル、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などで構成することができる。このような高周波結合器を向かい合わせて配置すると、準静電界が支配的な極近距離では結合部分がバンドパス・フィルタのように動作して、高周波信号を伝達することができる。また、誘導電界が支配的な、波長に対して無視できない距離であっても、結合用電極とグランドにそれぞれたまる電荷並びに鏡像電荷によって形成される微小ダイポール（後述）から発生する誘導電界を介して２つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。

ここで、送信機１０と受信機２０の電極間すなわち結合部分において、単にインピーダンス・マッチングを取り、反射波を抑えることだけを目的とするのであれば、各結合器を平板状の電極１４、２４と直列インダクタ１２、２２を高周波信号伝送路上に直列接続するという簡素な構造であっても、結合部分におけるインピーダンスが連続的となるように設計することは可能である。しかしながら、結合部分の前後における特性インピーダンスに変化はないので電流の大きさも変わらない。これに対し、並列インダクタ１３、２３を設けることによって、より大きな電荷を結合用電極１４に送り込み、結合用電極１４、２４間で強い電界結合作用を生じさせることができる。また、結合用電極１４の表面の近傍に大きな電界を誘起したとき、発生した電界は進行方向（微小ダイポールの方向：後述）に振動する縦波の電界信号として、結合用電極１４の表面から伝搬する。この電界の波により、結合用電極１４、２４間の距離（位相長さ）が比較的大きな場合であっても電界信号を伝搬することが可能になる。

以上を要約すると、微弱ＵＷＢ通信方式による近接無線転送システムでは、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。

（１）グランドに対向して高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間した位置に電界で結合するための結合用電極があること。
（２）より強い電界で結合させるための共振部があること。
（３）通信に使用する周波数帯において、結合用電極を向かい合わせに置いたときにインピーダンス・マッチングが取れるように、直列・並列インダクタ、及び、結合用電極によるコンデンサの定数、あるいはスタブの長さが設定されていること。

図１に示した近接無線転送システムにおいて、送信機１０及び受信機２０の各結合用電極１４及び２４が適当な距離を隔てて対向すると、２つの高周波結合器は、所望の高周波数帯の電界信号を通過するバンドパス・フィルタとして動作するとともに、単体の高周波結合器としては電流を増幅するインピーダンス変換回路として作用して、結合用電極には振幅の大きな電流が流入する。他方、高周波結合器が自由空間に単独で置かれるとき、高周波結合器の入力インピーダンスは高周波信号伝送路の特性インピーダンスと一致しないので、高周波信号伝送路に入った信号は高周波結合器内で反射され、外部に放射されないことから、近隣の他の通信システムへの影響はない。すなわち、送信機側では、通信相手が存在しないときには、旧来のアンテナのように電波を垂れ流すことはなく、通信相手が近づいたときのみインピーダンス整合がとれることによって高周波の電界信号の伝達が行なわれる。

図３には、図２に示した高周波結合器の一実装例を示している。送信機１０及び受信機２０側のいずれの高周波結合器も同様に構成することができる。同図において、結合用電極１４は誘電体からなるスペーサー１５の上面に配設され、プリント基板１７上の高周波信号伝送路とはこのスペーサー１５内を貫挿するスルーホール１６を通して電気的に接続されている。同図では、スペーサー１５は略円柱状で、結合用電極１４は略円形あるが、特定の形状に限定されるものではない。

例えば、所望の高さを持つ誘電体にスルーホール１６を形成した後、スルーホール１６中に導体を充填させるとともに、この誘電体の上端面に結合用電極１４となるべき導体パターンを、例えば鍍金技術により蒸着する。また、プリント基板１７上には、高周波伝送線路となる配線パターンが形成されている。そして、プリント基板１７上にこのスペーサー１５をリフロー半田などにより実装することによって、高周波結合器を製作することができる。プリント基板１７の回路実装面（若しくはグランド１８）から結合用電極１４までの高さ、すなわちスルーホール１６の長さ（位相長さ）を使用波長に応じて適当に調整することで、スルーホール１６がインダクタンスを持ち、図２に示した直列インダクタ１２と代用することができる。また、高周波信号伝送路はチップ状の並列インダクタ１３を介してグランド１８に接続されている。

ここで、送信機１０側の結合用電極１４において発生する電磁界について考察してみる。

図１並びに図２に示すように、結合用電極１４は、高周波信号の伝送路の一端に接続され、送信回路部１１から出力される高周波信号が流れ込んで、電荷を蓄える。このとき、直列インダクタ１２及び並列インダクタ１３からなる共振部の共振作用によって、伝送路を介して結合用電極１４に流れ込む電流は増幅され、より大きな電荷が蓄えられる。

また、結合用電極１４に対向するように、高周波信号の波長に対して無視し得る高さ（位相長さ）だけ離間して、グランド１８が配置されている。そして、上述のように結合用電極１４に電荷が蓄えられると、グランド１８には鏡像電荷が蓄えられる。平面導体の外部に点電荷Ｑを置くと、平面導体内には（表面電荷分布を置き換えた仮想的な）鏡像電荷−Ｑが配置されるが、このことは、例えば溝口正著「電磁気学」（裳華房、第５４頁乃至第５７頁）にも記載されているように、当業界で周知である。

上述のように点電荷Ｑ及び鏡像電荷−Ｑが蓄えられた結果、結合用電極１４に蓄えられた電荷の中心とグランド１８に蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールが形成される。厳密に言うと、電荷Ｑと鏡像電荷−Ｑは体積を持ち、微小ダイポールが電荷の中心と鏡像電荷の中心を結ぶように形成される。ここで言う「微小ダイポール」は、「電気ダイポールの電荷間の距離が非常に短いもの」を指す。例えば虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」（コロナ社、１６頁〜１８頁）にも、「微小ダイポール」が記載されている。そして、微小ダイポールによって、電界の横波成分Ｅ_θ、電界の縦波成分Ｅ_R、微小ダイポール回りの磁界Ｈ_φが発生する。

図４には、微小ダイポールによる電界を表している。また、図５には、この電界を結合用電極上にマッピングした様子を示している。図示のように、電界の横波成分Ｅ_θは伝搬方向と垂直な方向に振動し、電界の縦波成分Ｅ_Rは伝搬方向と平行な向きに振動する。また、微小ダイポール回りには磁界Ｈ_φが発生する。下式（１）〜（３）は微小ダイポールによって生成される電磁界を表している。同式中、距離Ｒの３乗に反比例する成分は静電磁界、距離Ｒの２乗に反比例する成分は誘導電磁界、距離Ｒに反比例する成分は放射電磁界である。

図１に示した近接無線転送システムにおいて、周辺システムへの妨害波を抑制するには、放射電界の成分を含む横波Ｅ_θを抑制しながら、放射電界の成分を含まない縦波Ｅ_Rを利用することが好ましいと考えられる。何故ならば、上式（１）、（２）から分かるように、電界の横波成分Ｅ_θは距離に反比例する（すなわち、距離減衰の小さい）放射電界を含むのに対して、縦波成分Ｅ_Rは放射電界を含まないからである。

まず、電界の横波成分Ｅ_θを生じないようにするには、高周波結合器がアンテナとして動作しないようにする必要がある。図２に示した高周波結合器は、一見すると、アンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナと構造が類似する。したがって、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして動作しないようにする必要がある。図６には、容量装荷型アンテナの構成例を示しているが、同図中で矢印Ａ方向に主に電界の縦波成分Ｅ_Rが発生するとともに、矢印Ｂ₁、Ｂ₂方向には電界の横波成分Ｅ_θが発生する。

図３に示した結合用電極の構成例では、誘電体１５とスルーホール１６は、結合用電極１４とグランド１８との結合を回避する役割と、直列インダクタ１２を形成する役割を兼ね備えている。プリント基板１７の回路実装面から電極１４まで十分な高さをとって直列インダクタ１２を構成することによって、グランド１８と電極１４との電界結合を回避して、受信機側の高周波結合器との電界結合作用を確保する。但し、誘電体１５の高さが大きい、すなわちプリント基板１７の回路実装面から電極１４までの距離が使用波長に対して無視できない長さになると、高周波結合器が容量装荷型アンテナとして作用してしまい、図６中の矢印Ｂ₁、Ｂ₂方向で示したような横波成分Ｅ_θが発生する。よって、誘電体１５の高さは、電極１４とグランド１８との結合を回避して高周波結合器としての特性を得るとともに、インピーダンス・マッチング回路として作用するために必要な直列インダクタ１２を構成するために十分な長さとし、直列インダクタ１２に流れる電流による不要電波Ｅ_θの放射が大きくならない程度に短いことが条件となる。

他方、上式（２）から、縦波Ｅ_R成分は微小ダイポールの方向となす角θ＝０度で極大となることが分かる。したがって、電界の縦波Ｅ_Rを効率的に利用して非接触通信を行なうには、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して通信相手側の高周波結合器を配置して、高周波の電界信号を伝送することが好ましい。

また、直列インダクタ１２と並列インダクタ１３からなる共振部によって、結合用電極１４に流れ込む高周波信号の電流をより大きくすることができる。この結果、結合用電極１４に蓄積される電荷とグランド側の鏡像電荷によって形成される微小ダイポールのモーメントを大きくすることができ、微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となる伝搬方向に向かって、縦波Ｅ_Rからなる高周波の電界信号を効率的に放出することができる。

図２に示した高周波結合器では、インピーダンス整合部は並列インダクタ及び直列インダクタの定数Ｌ₁、Ｌ₂により動作周波数ｆ₀が決定される。ところが、高周波回路では集中定数回路は分布定数回路よりも帯域が狭いことが知られており、また周波数が高いときインダクタの定数は小さくなるので、定数のばらつきによって共振周波数がずれるという問題がある。これに対し、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路から分布定数回路に代えて高周波結合器を構成することで、広帯域化を実現するという解決方法が考えられる。

図７には、インピーダンス整合部や共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示している。図示の例では、下面にグランド導体７２が形成されるとともに、上面に印刷パターンが形成されたプリント基板上７１に、高周波結合器が配設されている。高周波結合器のインピーダンス整合部並びに共振部として、並列インダクタと直列インダクタの代わりに、分布定数回路として作用するマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路すなわちスタブ７３が形成され、信号線パターン７４を介して送受信回路モジュール７５と結線している。スタブ７３は、先端においてプリント基板７１を貫挿するスルーホール７６を介して下面のグランド７２に接続してショートされる。また、スタブ７３の中央付近において、細い金属線からなる１本の端子７７を介して結合用電極７８に接続される。

なお、電子工学の技術分野で言う「スタブ（ｓｔｕｂ）」は、一端を接続、他端を未接続又はグランド接続した電線の総称であり、調整、測定、インピーダンス整合、フィルタなどの用途で回路の途中に設けられる。

ここで、信号線を介して送受信回路から入力された信号は、スタブ７３の先端部で反射し、スタブ７３内には定在波が立つことになる。スタブ７３の位相長さは高周波信号の２分の１波長（位相にして、１８０度）程度とし、信号線７４とスタブ７３はプリント基板７１上のマイクロストリップ線路、コプレーナ線路などで形成される。図８に示すように、スタブ７３の位相長さが２分の１波長で先端がショートしているときには、スタブ７３内に発生する定在波の電圧振幅はスタブ７３の先端で０となり、スタブ７３の中央、すなわちスタブ７３の先端から４分の１波長（９０度）のところで最大となる。定在波の電圧振幅が最大となるスタブ７３の中央付近に結合用電極７８を１本の端子７７で接続することで、伝搬効率の良い高周波結合器を作ることができる。

図７中に示すスタブ７３は、プリント基板７１上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路であり、その直流抵抗が小さいことから、高周波信号でも損失が少なく、高周波結合器間の伝搬損を小さくすることができる。また、分布定数回路を構成するスタブ７３のサイズは高周波信号の２分の１波長程度と大きいことから、製造時の公差による寸法の誤差は全体の位相長さに比較すると微量であり、特性のバラツキが生じにくい。

続いて、微弱ＵＷＢを利用した近接無線転送において、通信可能範囲を広くする方法について考察する。

近接無線転送機能を情報機器への組み込み用途で適用する場合、ユーザーは、機器の筐体に付された位置合わせのためのターゲット・ポイントのマークを目視することができず、中心位置から横方向にずれてタッチしてしまうことがある。このため、近接無線転送機能の実用上の使い勝手を上げるには、横方向の通信可能範囲を広げることが必要である

図９には、グランド基板９１上に結合用電極９２を実装して構成される高周波結合器９０において、結合用電極に高周波信号が入力されたときに結合用電極に電荷が貯まっている様子を示している。図示のように、結合用電極９２に貯まる電荷の量は、正弦波で変動する。ＵＷＢのように波長が短いＧＨｚクラスの高周波帯域では、結合用電極のサイズが波長に比べて無視できない大きさになる。このため、結合用電極９２上で定在波のような電荷の分布が生じる。また、同図では、結合用基板９２から発生する電界を点線で示している。

図９に示した例では、結合用電極９２のサイズは、グランド基板９１（共振部）に接続された支持部９３の根元から先端までの長さが４分の１波長になるように設計されている。また、結合用電極９２の先端はオープン状態である。オープン状態は、電流の定在波の固定端に相当し、先端部分に貯まる電荷の振幅が最大となる腹に相当する。結合用電極９２に高周波信号が入力されると、電流の定在波が立つ。この場合、結合用電極９２上で、各部分に貯まる電荷の符号は常に同じになる。また、グランド基板９１には、各部分に貯まった電荷に応じた、逆符号となる鏡像電荷が貯まる。

ここで、結合用電極のサイズ４分の１波長について説明する。図６を参照しながら既に説明したように、高周波結合器において結合用電極をグランド基板上で支持する構造は、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナと類似する。図１０Ａに示すような、グランドに対して垂直に長さが４分の１波長の金属線を立てたものは、４分の１波長型のモノポール・アンテナと呼ばれる。金属線に高周波信号が入力され、電流の定在波が立ったとき、金属線の先端は、電流の定在波の固定端となり、電流振幅が０である。他方、金属線の根元の給電点は、電流振幅が最大になる。したがって、図１０Ａに示すような電流分布が現れる。

さて、当業界で周知のように、金属線の長さを短くして先端に金属板を取り付けると、４分の１波長の共振状態を保ったまま、アンテナの高さを低くすることができる。これは、金属板がコンデンサの一方の電極のように電荷を貯めることができるためである。図１０Ｂには、低背化した容量装荷型アンテナの構造を示している。同図にはアンテナに発生する電流分布を併せて示すが、短くした金属線の先端の位置に相当する金属板での電流振幅が０にならずに、あたかもその先まで金属線が延びているような電流分布が現れる。

容量装荷型アンテナは、モノポール・アンテナを低背化することができるが、あくまでアンテナの放射エレメントとして有効に動作している、言い換えれば電界の横波成分Ｅ_θを生成するのは、金属線の部分である。アンテナを低背化する、すなわち金属線の長さを短くすると、アンテナとしての放射効率が低くなることが知られている。これ対し、高周波結合器の場合は、むしろ電界の横波成分Ｅ_θ、すなわち電波の放射が少ないほうが望ましい。そこで、図１０Ｃに示すように、金属線の長さを波長に比べて非常に短く設計するが、金属線の先端の金属板と併せて４分の１波長の共振状態になるようなサイズにしておくことで、より強い縦波成分Ｅ_Rの電界信号を放射する高周波結合器を作ることができる。

いずれにせよ、結合用電極の先端をオープン状態にすると、共振部に接続された根元から先端までの長さが４分の１波長になることに相違はない。これは、高周波結合器の通信可能範囲が、横方向には４分の１の波長程度までしか広がらないことを意味する。

これに対し、本発明者は、結合用電極の先端部分をグランドに短絡する高周波結合器の構成を提案する。

図１１には、この高周波結合器１１０の構成を模式的に示している。図示の例では、共振部１１５は、長さが２分の１波長のスタブであり、先端部分でスルーホール１１８を介してグランド１１６に短絡している。そして、このスタブの中央にて、支持部１１３が結合用電極１１２を支持している。結合用電極１１２は、ほぼ中心の位置にて支持部１１３で共振部１１５上に支持されるとともに、結合用電極１１２の先端部分の短絡部１１４において接地状態にある。

ここで、短絡部１１４の接地状態は、電流の定在波の自由端に相当し、電荷の振幅はゼロになる。この場合、共振部１１５に接続された支持部１１３の根元から、グランド１１６に短絡される先端部分１１４までのサイズは、２分の１波長で共振状態を得ることができる。マイクロストリップ線路からなる信号線１１７を介して高周波信号が入力されると、結合用電極１１２には電流の定在波が立つ。

図１２には、図１１に示した高周波結合器１１０のＡ−Ｂ断面図を、溜まっている電荷の分布とともに示している。また、同図では、結合用基板９２から発生する電界を点線で示している。マイクロストリップ線路からなる信号線を介して高周波信号が入力されると、電流の定在波が立つ。電流の振幅が最大の腹になる位置で電荷の振幅がゼロになるため、図示のように、支持部１１３の根元、及び、結合用電極１１２の先端部分の短絡部１１４においてともに電荷の振幅がゼロとなるとともに、２分の１波長の共振状態を得ることができる。図９に示した高周波結合器９０と比較すると、結合用電極１１２のサイズは２倍となり、横方向へ電荷の分布が広がる。これは、高周波結合器１１０の結合用電極１１２が持つ通信可能範囲が横方向に２倍に広がることを意味する。

図１１に示した構成例では、結合用電極１１２をなす金属板の両端を曲げ加工して、短絡部１１４が形設される。結合用電極１１２において２分の１波長の共振状態が得られると、結合用電極１１２の正面だけでなく、側面を向く短絡部１１４でも、同じ符号の電荷のみが分布することになる。このような場合、結合用電極１１２は、正面方向を電界信号の放射方向とする第１の放射面として機能する一方、短絡部１１４は、側面方向を電界信号の放射方向とする第２の放射面として機能することができる。結合用電極のサイズを大きくすることに加え、第２の放射面の作用により、結合用電極１１２が持つ通信可能範囲が横方向にさらに広がることを期待できる。図１７には、結合用電極１１２の第１の放射面及び第２の放射面からそれぞれ電界が放射される様子を示している。

高周波結合器１１０を無線通信端末内に実装するとき、同端末の筐体正面の内側付近に結合用電極１１２の第１の放射面を、筐体側面の内側付近に結合用電極１１２の第２の放射面を、それぞれ配設すれば、無線通信端末の正面方向と側面方向の複数方向から電界信号を放射することができる。

このような場合、図１８に示すように、無線通信端末の正面方向にターゲット・ポイントを近接させたときだけでなく、図１９に示すように、側面方向にターゲット・ポイントを近接させたときにも、通信を行なうことができる。したがって、無線通信端末の筐体のデザインの自由度が広がるとともに、近接無線転送システムを利用するユーザーの使い勝手を向上することができる。

１つの高周波結合器１１０で正面と側面の２方向で通信が可能な無線通信端末を実現することができる。例えば、小型の無線通信端末がノートＰＣに内蔵された高周波結合器との間で通信を行なう場合、ノートＰＣのパームレストなどに配設されたターゲット・ポイント上に無線通信端末を載せることで通信が可能である。また、無線通信端末が大型で、ノートＰＣに載せることができなければ、横に置いて通信を行なうことができる。

なお、本発明の要旨は、図１１に示したような、結合用電極１１２及び短絡部１１４が金属板を曲げ加工して構成されたものに限定されない。例えば、図１３に示すように、結合用電極１３２の先端部分を、ワイヤーからなる短絡部１３４で短絡するものであってもよい。

図１４には、図１１に示した高周波結合器同士を正面方向に対向させたときの結合強度を測定した結果を示している。但し、図１１中の線分ＡＢを含み第１の放射面と垂直な面内で、互いの結合用電極１１２を横方向に移動させながら、結合強度を測定していった。

また、比較として、図１１に示した高周波結合器１１０と同様のスタブからなる共振部１５５上に、４分の１波長のサイズを持つ結合用電極１５２を備えた高周波結合器１５０（図１５を参照のこと）、並びに、図１１に示した高周波結合器１１０と同様のスタブからなる共振部１６５上に、ほぼ２分の１波長サイズを持つが先端部を短絡させない結合用電極１６２を備えた高周波結合器１６０（図１６を参照のこと）の各々について、同様に結合強度を測定した結果を、併せて図１４に示している。

図１１に示した高周波結合器１１０と、図１５に示した高周波結合器１５０の測定結果を比較すると、高周波結合器１１０では、２倍の大きさの結合用電極１１２内に電荷が分散することから、真正面（横方向距離＝０ｍｍ）、すなわちピーク位置での結合強度は弱くなるものの、横方向距離が大きくなったときの結合強度の減衰が緩やかである。したがって、横方向のずれに対して通信距離が広くなっていることが分かる。

また、図１１に示した高周波結合器１１０と、図１６に示した高周波結合器１６０の測定結果を比較すると、後者の結合用電極は格段に低いものとなった。これは、結合用電極１６２は先端部分をグランドに短絡していないことから、２分の１波長の共振状態が得られず、結合用電極１６２の麺内に異なる符号の電荷が分布し、互いの電界を打ち消し合ってしまうためである。

図１１に示した高周波結合器１１０と、図１６に示した高周波結合器１６０の測定結果の比較から、高周波結合器１１０の通信可能範囲が横方向に拡がっているのは、単に結合用電極１１２のサイズを２倍にしたからではなく、その先端部分をグランドに短絡して２分の１波長の共振状態を得ることにより、電界信号の放射方向に同じ符号の電荷のみが分布しているためであることが分かる。

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳細に説明してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。

本明細書では、ＵＷＢ信号を電界結合によりケーブルレスでデータ伝送する通信システムに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、ＵＷＢ通信方式以外の高周波信号を使用する通信システムや、比較的低い周波数信号を用いて電界結合、あるいはその他の電気磁気的作用によりデータ伝送を行なう通信システムに対しても、同様に本発明を適用することができる。

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。

１０…送信機、
１１…送信回路部
１２、２２…直列インダクタ
１３、２３…並列インダクタ
１４…送信用電極
１５…誘電体（スペーサー）
１６…スルーホール
１７…プリント基板
１８…グランド
２０…受信機
２１…受信回路部
２４…受信用電極
７１…プリント基板
７２…グランド導体
７３…スタブ
７４…信号線パターン
７５…送受信回路モジュール
７６…スルーホール
７７…端子
７８…結合用電極
９０、１１０、１５０、１６０…高周波結合器
９１、１１１、１５１、１６１…グランド基板
９２、１１２、１３２、１５２、１６２…結合用電極
１１３…支持部
１１４、１３４…短絡部
１１５…共振部
１１６…グランド
１１７…信号線
１１８…スルーホール

Claims (4)

1. グランドと、
   前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
   前記伝送路を介して前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、
   前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する支持部と、
   前記結合用電極の先端部分を前記グランドに短絡する短絡部と、
   を具備し、
   前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成し、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記高周波信号を伝送する高周波結合器。
2. 前記結合用電極は、前記支持部の根元から前記短絡部を介して前記グランドに短絡する先端部分まで前記波長の２分の１のサイズを持つ、
   請求項１に記載の高周波結合器。
3. 前記結合用電極は、正面方向を電界信号の放射方向とする第１の放射面として機能し、前記短絡部は、側面方向を電界信号の放射方向とする第２の放射面として機能する、
   請求項１に記載の高周波結合器。
4. データを伝送する高周波信号の処理を行なう通信回路部と、
   前記通信回路部に接続される高周波信号の伝送路と、
   前記グランドに対向して前記高周波信号の波長に対して無視し得る高さだけ離間するように支持される結合用電極と、
   前記伝送路を介して前記結合用電極に流れ込む電流を大きくするための共振部と、
   前記結合用電極のほぼ中央の位置にて前記共振部に接続する支持部と、
   前記結合用電極の先端部分を前記グランドに短絡する短絡部と、
   を具備し、
   前記結合用電極は、前記支持部の根元から前記短絡部を介して前記グランドに短絡する先端部分まで前記波長の２分の１のサイズを持ち、
   前記結合用電極に蓄えられた前記電荷の中心と前記グランドに蓄えられた鏡像電荷の中心を結ぶ線分からなる微小ダイポールを形成し、前記微小ダイポールの方向となす角θがほぼ０度となるように対向して配置された通信相手側の高周波結合器に向けて前記高周波信号を伝送する通信装置。