WO2013114678A1 - 絶縁回路及び通信機器 - Google Patents

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望月　聡
竹内　誠
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    • H05K2201/09727—Varying width along a single conductor; Conductors or pads having different widths

Definitions

  • the present invention relates to an insulation circuit and a communication device.
  • This application claims priority based on Japanese Patent Application No. 2012-021201 filed on February 2, 2012, the contents of which are incorporated herein by reference.
  • DCS Distributed Control System
  • Most field devices measuring instruments such as pressure transmitters and operation devices
  • Wireless field devices that perform the above are also realized.
  • the electrical circuit (electronic circuit) provided inside the device is designed not to be an ignition source of the combustible gas not only in a normal state but also in an expected accident.
  • the explosion-proof standard it is necessary to have a pressure- and explosion-proof structure so that even if an explosion occurs inside the device, the flame caused by the explosion does not ignite the external combustible gas.
  • Patent Document 1 discloses a low-cost antenna device that can be attached to a fully enclosed container having an explosion-proof structure used in hazardous locations.
  • this antenna apparatus in order to satisfy the intrinsically safe explosion-proof standard, two blocking capacitors are connected in series via a printed pattern on one surface of a printed circuit board housed in a housing, and are mounted on the other surface. Two blocking capacitors are mounted connected in series via a printed pattern.
  • the ground in the device is separated into a signal ground and a frame ground, and these are galvanically isolated in order to prevent failure of the electronic circuit while meeting the intrinsic safety explosion-proof standards described above. Need to be done.
  • the main methods of DC-insulating the signal ground and the frame ground are a method using a chip capacitor and a method using a high-frequency balun. That is, by providing a chip capacitor or a high frequency balun between the signal ground and the frame ground or between the signal lines, the signal ground and the frame ground are galvanically isolated.
  • the present invention provides an insulation circuit and a communication device that can improve noise resistance while satisfying intrinsic safety explosion-proof standards without using discrete elements such as chip capacitors.
  • the insulating circuit is formed on the first layer of the substrate and receives a high frequency signal, and is formed on the first layer side by side with the first pattern, and outputs the high frequency signal received by the first pattern.
  • a second pattern a third pattern formed on a second layer different from the first layer of the substrate so as to overlap each of the first and second patterns in plan view, and connected to a signal ground;
  • a fourth pattern that is formed on the second layer so as to overlap each of the first and second patterns when viewed, and is connected to a frame ground.
  • the third pattern has a first slit extending in a direction in which the first and second patterns extend between a portion overlapping the first pattern in plan view and a portion overlapping the second pattern in plan view.
  • a slit may be formed.
  • the third pattern has at least one first opening formed along at least one side of a portion overlapping the second pattern in plan view, and the fourth pattern has the first pattern in plan view. You may have at least 1 2nd opening part formed along at least one side of the part which overlaps with a pattern.
  • the insulating circuit is formed in the first layer so as to overlap the third pattern in plan view, one end of which is connected to the first pattern, and the other end is connected to the third pattern through a first via.
  • a fifth pattern to be connected is formed on the first layer so as to overlap the fourth pattern in plan view, one end of which is connected to the second pattern, and the other end is connected to the second pattern via a second via. And a sixth pattern connected to the four patterns.
  • the third pattern and the fourth pattern may be separated from each other by a distance defined in at least an intrinsically safe explosion-proof standard in the second layer.
  • the substrate may be a double-sided substrate in which a pattern is formed on the first layer that is the front surface and the second layer that is the back surface.
  • the substrate may be a multilayer substrate in which one or more layers in which a pattern is formed are provided between the front surface and the back surface.
  • a substrate having a predetermined thickness may be interposed between the first and second patterns and the third and fourth patterns.
  • the first pattern and the second pattern may be linear and may include a plurality of pads for matching impedance. One end of each of the first pattern and the second pattern may have a predetermined characteristic impedance, and the other end may be an open end.
  • the first opening is formed along both sides of a portion where the second pattern and the third pattern overlap, and the second opening is a portion where the first pattern and the fourth pattern overlap. It may be formed along both sides.
  • the first opening may be formed along one side of a portion where the second pattern and the third pattern overlap.
  • the second opening may be formed along one side of a portion where the first pattern and the fourth pattern overlap.
  • a communication device that performs at least one of transmission and reception of a high-frequency signal, formed on a first layer of a substrate, and formed on the first layer side by side with the first pattern for receiving the high-frequency signal and the first pattern.
  • the second pattern for outputting the high-frequency signal received by the first pattern is formed on a second layer different from the first layer of the substrate so as to overlap each of the first and second patterns in a plan view.
  • a third pattern connected to the signal ground, and formed in the second layer side by side in the third pattern so as to overlap each of the first and second patterns in plan view, and connected to the frame ground.
  • the third pattern has a first slit extending in a direction in which the first and second patterns extend between a portion overlapping the first pattern in plan view and a portion overlapping the second pattern in plan view.
  • a second pattern extending in a direction in which the first and second patterns extend between a portion overlapping the first pattern in plan view and a portion overlapping the second pattern in plan view.
  • a slit may be formed.
  • the third pattern has at least one first opening formed along at least one side of a portion overlapping the second pattern in plan view
  • the fourth pattern has the first pattern in plan view. You may have at least 1 2nd opening part formed along at least one side of the part which overlaps with a pattern.
  • the insulating circuit is formed in the first layer so as to overlap the third pattern in plan view, one end of which is connected to the first pattern, and the other end is connected to the third pattern through a first via.
  • a fifth pattern to be connected is formed on the first layer so as to overlap the fourth pattern in plan view, one end of which is connected to the second pattern, and the other end is connected to the second pattern via a second via.
  • a sixth pattern connected to the four patterns.
  • the third pattern and the fourth pattern may be separated from each other by a distance defined in at least an intrinsically safe explosion-proof standard in the second layer.
  • the first pattern to which the high-frequency signal is input and the second pattern from which the high-frequency signal is output are formed side by side on the first layer of the substrate, and the third pattern and the frame connected to the signal ground
  • the fourth pattern connected to the ground is formed side by side in the second layer so as to overlap each of the first and second patterns in plan view.
  • FIG. 1 is a plan perspective view showing a configuration of an insulating circuit according to an embodiment of the present invention.
  • an insulating circuit 1 according to an embodiment of the present invention includes four patterns 11 to 14 (a first pattern 11, a second pattern 12, and the like) formed on a substrate (not shown) having at least two layers.
  • the third pattern 13 and the fourth pattern 14) and two auxiliary patterns 15 and 16 are included.
  • the insulating circuit 1 transmits a required high-frequency signal while DC-insulating the signal ground SG and the frame ground FG (both not shown in FIG. 1, see FIG. 2).
  • the substrate on which the patterns 11 to 14 and the auxiliary patterns 15 and 16 are formed has patterns on the front surface (first layer) and the back surface (second layer).
  • the substrate on which the patterns 11 to 14 and the auxiliary patterns 15 and 16 are formed is not limited to a double-sided substrate, and one or more layers in which a pattern is formed are provided between the front surface and the back surface.
  • a multilayer substrate may be used.
  • this substrate for example, a glass epoxy substrate, a ceramic substrate, a Teflon (registered trademark) substrate, or the like can be used.
  • the patterns 11 and 12 and the auxiliary patterns 15 and 16 are formed on the surface of the substrate using a metal having a small electrical resistance such as copper (Cu) or aluminum (Al).
  • the patterns 13 and 14 are formed on the back surface of the substrate using the same metal as the patterns 11 and 12 and the auxiliary patterns 15 and 16.
  • FIG. 1 shows a state in which the patterns 11 and 12 and the auxiliary patterns 15 and 16 and the patterns 13 and 14 are overlapped in a plan view, but actually the patterns 11 and 12 and the auxiliary patterns 15 and 16 and the pattern are overlapped.
  • a substrate having a predetermined thickness is interposed between 13 and 14.
  • a direction along the direction in which the patterns 11 and 12 extend is referred to as a longitudinal direction D1
  • a direction that intersects the longitudinal direction D1 and is parallel to the surface of the substrate is referred to as an intersecting direction D2.
  • the pattern 11 is a linear pattern extending in the longitudinal direction D1, and a high frequency signal to be transmitted is input.
  • a plurality of pads (hereinafter referred to as impedance matching pads) 11a to 11g for matching impedance are formed in the pattern 11, and a high-frequency signal to be transmitted is input to one end T1 of the pattern 11.
  • impedance matching pads 11a formed closest to one end T1 of the pattern 11 and the impedance matching pad 11g formed on the other end T2 of the pattern 11 are more than the other impedance matching pads 11b to 11f. Largely formed.
  • the pattern 11 is designed so that one end T1 thereof has a predetermined characteristic impedance (for example, 50 ⁇ ) and the other end T2 is an open end. That is, the pattern 11 is designed so that a high-frequency signal input from one end T1 is easily radiated from the other end T2.
  • the number and size of the impedance matching pads 11a to 11g formed on the pattern 11 can be arbitrarily set according to the required power transmission efficiency.
  • the pattern 12 is a linear pattern extending in the longitudinal direction D1 formed side by side in the pattern 11 at a predetermined interval in the intersecting direction D2, and a high-frequency signal input to the pattern 11 is output. Similar to the pattern 11, the pattern 12 is formed with a plurality of impedance matching pads 12a to 12f for matching impedance, and a high-frequency signal is output from one end T4 thereof. In the example shown in FIG. 1, these impedance matching pads 12a to 12f are formed to have substantially the same size.
  • the pattern 12 is designed so that one end T4 thereof has the characteristic impedance described above and the other end T3 is an open end.
  • the number and size of the impedance matching pads 12a to 12f formed on the pattern 12 are arbitrarily set according to the required power transmission efficiency, similarly to the impedance matching pads 11a to 11g formed on the pattern 11. Is possible.
  • the pattern 13 is a substantially rectangular pattern formed so as to overlap each of the patterns 11 and 12 in plan view, and is connected to the signal ground SG described above.
  • the pattern 13 is formed with slits (hereinafter referred to as impedance matching slits) 13a and a plurality of opening patterns 13b (openings) for adjusting transmission characteristics within and outside the band of the high-frequency signal to be transmitted.
  • the impedance matching slit 13a is a rectangular slit extending in the longitudinal direction D1, and at the right end of the pattern 13 in the drawing, a portion where the patterns 11, 13 overlap in a plan view and a portion where the patterns 12, 13 overlap in a plan view. Is formed between.
  • the opening pattern 13b is an opening having a substantially rectangular shape in plan view, and a plurality of opening patterns 13b are formed along both sides of the portion where the patterns 12 and 13 overlap.
  • the shape and size of the impedance matching slit 13a and the opening pattern 13b and the number of the opening patterns 13b can be arbitrarily set according to the required transmission characteristics.
  • the opening pattern 13b is not necessarily formed along both sides of the portion where the patterns 12 and 13 overlap, and may be formed only along one side.
  • the pattern 14 is a substantially rectangular pattern formed side by side in the pattern 13 so as to overlap each of the patterns 11 and 12 in plan view, and is connected to the frame ground FG described above. Similar to the pattern 13, the pattern 14 is formed with an impedance matching slit 14 a and a plurality of opening patterns 14 b (openings) for adjusting the transmission characteristics of the high-frequency signal to be transmitted within and outside the band.
  • the impedance matching slit 14a is a rectangular slit extending in the longitudinal direction D1, and at the left end of the pattern 14 in the drawing, a portion where the patterns 11, 14 overlap in a plan view and a portion where the patterns 12, 14 overlap in a plan view. Is formed between.
  • the opening pattern 14b is an opening having a substantially rectangular shape in plan view, and a plurality of opening patterns 14b are formed along both sides of the portion where the patterns 11 and 14 overlap.
  • the shape and size of the impedance matching slit 14a and the opening pattern 14b, and the number of the opening patterns 14b can be arbitrarily set according to required transmission characteristics.
  • the opening pattern 14b is not necessarily formed along both sides of the portion where the patterns 11 and 14 overlap, and may be formed only along one side.
  • the portions where the patterns 11 and 12 and the patterns 13 and 14 overlap in a plan view have the same structure as the microstrip line, and thus the patterns 11 and 12 formed on the surface of the substrate and the back surface of the substrate.
  • the formed patterns 13 and 14 are electromagnetically coupled through the substrate.
  • the length in the longitudinal direction D1 of the portion where the patterns 11 and 14 overlap is set to a length which strengthens the electromagnetic coupling of the patterns 11 and 14, and the length in the longitudinal direction D1 of the portion where the patterns 12 and 13 overlap is the pattern
  • the length is set to strengthen the electromagnetic couplings 12 and 13.
  • the pattern 13 connected to the signal ground SG and the pattern 14 connected to the frame ground FG are separated by at least a distance L1 (for example, 0.5 mm or more) defined by the intrinsically safe explosion-proof standard.
  • the auxiliary pattern 15 is formed on the surface of the substrate so as to overlap the pattern 13 in plan view. One end thereof is connected to the pattern 11 and the other end is connected to the pattern 13 through the via V1.
  • the auxiliary pattern 15 forms a short stub with respect to the pattern 11 and is provided to adjust transmission characteristics outside the band of the high-frequency signal to be transmitted.
  • the auxiliary pattern 16 is formed on the surface of the substrate so as to overlap the pattern 14 in plan view. One end thereof is connected to the pattern 12, and the other end is connected to the pattern 14 via the via V2.
  • the auxiliary pattern 16 forms a short stub with respect to the pattern 12, and is provided to adjust the transmission characteristics outside the band of the high-frequency signal to be transmitted.
  • FIG. 2 is a circuit diagram showing an equivalent circuit of the insulating circuit shown in FIG.
  • a signal line SL to which a high-frequency signal is supplied is connected to one end T1 of the pattern 11
  • a signal ground SG is connected to one end T6 of the pattern 13 opposite to the one end T1 of the pattern 11.
  • a frame ground FG is connected to one end T7 of the pattern 14 that faces the one end T4 of the pattern 12 that outputs a high-frequency signal.
  • the resistance components of the pattern 11 are represented by R 1 and R 2 , and the inductance components are represented by L 1 and L 2 .
  • the resistance component of the pattern 12 is represented by R 5 and R 6 , and the inductance component is represented by L 5 and L 6 .
  • the resistance component of the pattern 13 is represented by R 3 and R 4 , and the inductance component is represented by L 3 and L 4 .
  • the resistance component of the pattern 14 is represented by R 7 and R 8 , and the inductance component is represented by L 7 and L 8 .
  • the pattern 15 is represented as an inductance component L in the pattern 16 is represented as an inductance component L out.
  • the capacitive component between the patterns 11 and 13 is represented by C 1 and C 2
  • the capacitive component between the patterns 11 and 14 is represented by C 3 and C 4
  • the capacitive component between the patterns 12 and 13 is represented by C 5 and C 6
  • the capacitive component between the patterns 12 and 14 is represented by C 7 and C 8 .
  • FIG. 3 is a plan view schematically showing a magnetic field distribution formed in the insulating circuit according to the embodiment of the present invention.
  • the magnetic field distribution generated in the patterns 11 and 12 and the auxiliary patterns 15 and 16 formed on the surface of the substrate is represented by white arrows, and the patterns 13 and 14 formed on the back surface of the substrate.
  • a leftward magnetic field distribution along the longitudinal direction D1 is generated in the pattern 11 as shown in FIG. Propagates through the pattern 11 to the left and sequentially passes through the impedance matching pads 11a to 11g.
  • the high-frequency signal input to one end T1 of the pattern 11 reaches the pattern 13 through the pattern 15 and the via V1 in order, propagates in the pattern 13 in the right direction along the longitudinal direction D1, and immediately below the one end T1 of the pattern 11. Return as a return.
  • the pattern 11 is formed so as to overlap with the patterns 13 and 14 in plan view, and is electromagnetically coupled to each of the patterns 13 and 14, so that a part of the high-frequency signal that propagates the pattern 11 to the left propagates to the pattern 13. The rest propagates to the pattern 14.
  • the high-frequency signal propagated to the pattern 13 propagates in the pattern 13 in the right direction along the longitudinal direction D1 and returns as a return immediately below one end T1 of the pattern 11.
  • the high-frequency signal propagated to the pattern 14 propagates through the pattern 14 so as to avoid the impedance matching slit 14a through the gap of the opening pattern 14b formed in the pattern 14, and the portion where the pattern 12 overlaps in plan view and It reaches just below one end T4 of the pattern 12.
  • the pattern 14 is formed so as to overlap with the pattern 12 in plan view and is electromagnetically coupled to the pattern 12, so that the high-frequency signal that reaches the portion where the pattern 12 overlaps in plan view propagates to the pattern 12.
  • the high-frequency signal propagated to the pattern 12 propagates the pattern 12 to the right along the longitudinal direction D1 and sequentially passes through the impedance matching pads 12a to 12f.
  • the pattern 12 is formed so as to overlap the pattern 13 in a plan view and is electromagnetically coupled to the pattern 13, so that a high-frequency signal propagating rightward through the pattern 12 propagates to the pattern 13.
  • the high-frequency signal propagated to the pattern 13 propagates through the pattern 13 so as to avoid the impedance matching slit 13a through the gap of the opening pattern 13b formed in the pattern 13, and reaches just below one end T1 of the pattern 11.
  • a high frequency signal input from one end T1 of the pattern 11 is output from one end T4 of the pattern 12.
  • FIGS. 4A to 4C are diagrams showing reflection / transmission characteristics of an insulating circuit according to an embodiment of the present invention.
  • 4A is a diagram showing the pass characteristic
  • FIG. 4B is a diagram showing the reflection characteristic on the input side
  • FIG. 4C is a diagram showing the reflection characteristic on the output side.
  • a curve with a symbol T11 indicates an actual measurement value of the pass characteristic of the insulating circuit 1
  • a curve with a symbol T12 indicates a simulation result of the pass characteristic of the insulating circuit 1.
  • the curves with the symbols R11 and R21 indicate the actual measurement values of the reflection characteristics of the insulation circuit 1
  • the curves with the symbols R12 and R22 are the simulation results of the reflection characteristics of the insulation circuit 1. Is shown.
  • the curves T11 and T12, the curves R11 and R12, and the curves R21 and R22 shown in FIGS. 4A to 4C show the following characteristics. That is, the curves T11 and T12 indicate the frequency characteristics of the scattering parameter (S parameter) S21 when the insulating circuit 1 is viewed as a four-terminal circuit. Curves R11 and R12 show the frequency characteristics of the scattering parameter S11, and curves R21 and R22 show the frequency characteristics of the scattering parameter S22.
  • FIGS. 4A to 4C first, it can be seen that the measured values of the transmission characteristics and reflection characteristics of the insulation circuit 1 are almost in agreement with the simulation results of the transmission characteristics and reflection characteristics of the insulation circuit 1, respectively.
  • FIG. 4A it can be seen that good pass characteristics are obtained over a frequency band of about 1 to 5 GHz. In particular, in the vicinity of 2.5 GHz, it can be seen that most of the input high-frequency signal passes through the insulating circuit 1. Further, referring to FIGS. 4B and 4C, in the vicinity of 2.5 GHz and 3.7 GHz. It can be seen that the amount of reflection is minimal. As described above, from the results shown in FIGS.
  • the insulating circuit 1 almost reflects a high-frequency signal having a frequency near 2.5 GHz even if the signal ground SG and the frame ground FG are galvanically insulated. It turns out that it is the characteristic which transmits without doing.
  • the pattern 11 to which the high-frequency signal is input and the pattern 12 to which the high-frequency signal is output are formed on the substrate surface.
  • a pattern 13 connected to the signal ground SG and a pattern 14 connected to the frame ground FG are formed on the back surface of the substrate so as to overlap.
  • the signal ground SG and the frame ground FG can be galvanically isolated without using a discrete element such as a chip capacitor. Thereby, noise resistance performance can be improved while satisfying intrinsically safe explosion-proof standards.
  • the insulating circuit 1 shown in FIG. 1 does not need to use a discrete element such as a chip capacitor. For this reason, it is difficult to achieve high-density mounting due to a large mounting integration ratio (occupation area). If the board thickness is large, the wiring pattern becomes thick and loss due to copper loss increases. There is no possibility of various problems such as a lack of appropriate selection of elements), no suitable parts that are both guaranteed withstand voltage, high frequency characteristics and high withstand voltage at the same time, and high cost of the parts. .
  • FIG. 5 is a plan view showing an example in which the insulation circuit according to the embodiment of the present invention is modularized.
  • the insulation module IM shown in FIG. 5 is connected to the substrate SB having the patterns 11 and 12 formed on the front surface and the patterns 13 and 14 formed on the back surface, the input terminal TM1 connected to the pattern 11, and the pattern 12.
  • the input terminal TM1 is attached to the right end portion of the substrate SB, and the output terminal TM2 is attached to the left end portion of the substrate SB.
  • the insulation module IM described above can be used as a high-frequency component.
  • the insulation module IM can be used to be inserted in a portion that requires DC insulation in a high-frequency circuit.
  • the isolation circuit 1 is not limited by the frequency band, frequency characteristics, group delay characteristics, size, shape, substrate type, substrate layer configuration, etc.
  • the LTC1 LTCC (Low It can also be realized as a multilayer chip using temperature (Co-fired ceramics) or ceramics.
  • the insulating module IM may be formed by covering the substrate SB with a cover (not shown).
  • FIG. 6 is a diagram showing a main configuration of a communication device according to an embodiment of the present invention.
  • the communication device 20 according to an embodiment of the present invention includes a casing 21, a power supply unit 22, a communication board 23, and a remote antenna 24, and other devices (not shown) from the remote antenna 24.
  • the remote antenna 24 receives a high frequency signal transmitted from another device, thereby communicating with the other device.
  • the communication device 20 shown in FIG. 6 is a field device (wireless communication device) capable of wireless communication in conformity with ISA100.11a which is a wireless communication standard for industrial automation established by, for example, the International Society for Measurement and Control (ISA). Field equipment).
  • the communication device 20 may be a device that can only transmit a high-frequency signal, or may be a device that can only receive a high-frequency signal.
  • the housing 21 is a hollow box member made of a highly rigid metal such as highly rigid aluminum, and is a frame ground FG when grounded.
  • the housing 21 has a sealed structure so as to accommodate the power supply unit 22 and the communication board 23 therein and meet the explosion-proof standard.
  • the casing 21 is provided with a flameproof connector 21a to which an antenna such as a remote antenna 24 is connected.
  • the power supply unit 22 generates a power supply (for example, a DC power supply) IP required inside the communication device 20 using a power supply supplied from the external power supply PS.
  • the communication board 23 is a printed board on which a high-frequency signal to be transmitted is output toward the remote antenna 24 and a high-frequency signal received by the remote antenna 24 is input.
  • the communication board 23 is provided with a connector C11 to which a connector C12 connected to the flameproof connector 21a of the housing 21 is attached. Note that the communication board 23 is supplied with the power supply IP generated by the power supply unit 22.
  • FIG. 7 is a plan view schematically showing a communication board provided in a communication device according to an embodiment of the present invention.
  • the communication board 23 is provided with a signal processing circuit 31 in addition to the insulating circuit 1 and the connector C11 described above.
  • a ground pattern P1 connected to the signal ground SG and a ground pattern P2 connected to the frame ground FG are formed on the back surface of the communication board 23, and the insulating circuit 1 is formed by the ground patterns P1 and P2.
  • Patterns 13 and 14 (see FIG. 1) provided on the surface are formed.
  • the signal processing circuit 31 is a circuit that processes input / output high-frequency signals. Specifically, a high-frequency signal output toward the remote antenna 24 is generated, and the high-frequency signal received by the remote antenna 24 is detected and demodulated.
  • the insulation circuit 1 is connected to the signal processing circuit 31 by a coaxial cable 32, and insulates the signal ground SG and the frame ground FG in a DC manner. Note that the reflection / transmission characteristics of the insulating circuit 1 are designed according to the frequency used for communication in the communication device 20.
  • the remote antenna 24 is attached to the pole PL, and is connected to the explosion-proof connector 21a of the housing 21 via the coaxial cable CB.
  • an arrester (lightning arrester) AR is attached between the coaxial cable CB and the flameproof connector 21 a of the housing 21.
  • the arrester AR is not necessarily required, it is desirable to attach the arrester AR as shown in FIG. 6 because it is possible to prevent the communication board 23 and the like from being destroyed by an abnormal overvoltage such as a lightning surge.
  • the signal ground SG and the frame ground FG are galvanically isolated by the insulating circuit 1 provided on the communication board 23. For this reason, even in a situation where noise is likely to be superimposed on a high-frequency signal transmitted via the coaxial cable CB to which the remote antenna 24 is connected, the noise resistance performance can be improved.
  • the communication device of the present invention is not limited to a device capable of wireless communication, and can perform wired communication. It may be a device. That is, the present invention can also be applied to a device that performs at least one of transmission and reception of a high-frequency signal by wire.
  • the present invention can be widely applied to insulation circuits and communication devices, and can improve noise resistance while satisfying intrinsically safe explosion-proof standards without using discrete elements such as chip capacitors.

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Abstract

　基板の第１層に形成され、高周波信号を受信する第１パターンと、前記第１パターンに並べて前記第１層に形成され、前記第１パターンが受信した前記高周波信号を出力する第２パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記基板の前記第１層とは異なる第２層に形成され、シグナルグランドに接続される第３パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成され、フレームグランドに接続される第４パターンと、を備える、絶縁回路。

Description

絶縁回路及び通信機器
　本発明は、絶縁回路及び通信機器に関する。
　本願は、２０１２年２月２日に出願された日本国特許出願第２０１２－０２１２０１号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
　従来から、プラントや工場等において、高度な自動操業を実現すべく、分散制御システム（ＤＣＳ：Distributed Control System）が構築されている。この分散制御システムを構成するフィールド機器と呼ばれる現場機器（圧力伝送器等の測定器、操作器）は、有線の通信バスを介して通信を行うものが殆どであったが、近年においては無線通信を行う無線フィールド機器も実現されている。
　このような無線フィールド機器は、可燃性のガスが用いられる場所のような危険場所に設置されることがあるため、本質安全防爆規格を満たしている必要がある。具体的には、正常な状態だけでなく、予想される事故時にも、機器の内部に設けられた電気回路（電子回路）が可燃性ガスの点火源にならないように設計されている。この他に、耐圧防爆規格を満たすために、機器内部で爆発が生じてもその爆発による火炎が外部の可燃性ガスに点火しないような耐圧防爆構造にされている必要がある。
　以下の特許文献１は、危険場所で使用される耐圧防爆構造を有する全閉容器に取り付けることができる低コストのアンテナ装置を開示している。このアンテナ装置では、本質安全防爆規格を満たすために、ハウジングに収納されるプリント基板の一方の面に２個の阻止コンデンサがプリントパターンを介して直列接続されて実装されており、他方の面に２個の阻止コンデンサがプリントパターンを介して直列接続されて実装されている。
特開２０１０－１４７７２８号公報
　上述した無線フィールド機器が設置されるプラント等の現場においては、電磁的なノイズを発生するモータ等の機器も多く設置される。このため、無線フィールド機器においては、ノイズ対策が極めて重要になる。特に、無線フィールド機器から離れた位置に設置されるリモートアンテナが用いられている場合には、リモートアンテナと無線フィールド機器とを接続する接続ケーブルを介して伝送される信号にノイズが重畳する可能性が高いため、外来ノイズの影響が大きくなると考えられる。
　無線フィールド機器内においてシグナルグランドとフレームグランドとが共通している場合、外来ノイズが無線フィールド機器内に侵入することによって、フィールド機器に設けられた電子回路が故障する可能性がある。このため、無線フィールド機器では、前述した本質安全防爆規格を満たしつつ、電子回路の故障を防止するために、機器内のグランドをシグナルグランドとフレームグランドとに分離して、これらを直流的に絶縁する必要が生ずる。
　上記のシグナルグランドとフレームグランドとを直流的に絶縁する主な方法としては、チップコンデンサを用いる方法と、高周波用バランを用いる方法とがある。つまり、シグナルグランドとフレームグランドとの間又は信号ライン間に、チップコンデンサや高周波用バランを設けることによって、シグナルグランドとフレームグランドとを直流的に絶縁する。
　しかしながら、以上の方法はチップコンデンサやバランというディスクリート素子によって直流的な絶縁を実現しているため、基板の表層で絶縁しなければならないという制約がある。このような制約があると、実装の集積率（実装の専有面積）が大きく高密度実装が実現困難である、基板の板厚が厚いと配線パターンが太くなって銅損による損失が増大する、使用する部品（ディスクリート素子）の選択自由度が余りない、必要な絶縁耐圧や高周波特性及び高耐圧の両方が同時に保証された適当な部品が無い、部品のコストが高くなる、等の種々の問題が生ずる。
　本発明は、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる絶縁回路及び通信機器を提供する。
　絶縁回路は、基板の第１層に形成され、高周波信号を受信する第１パターンと、前記第１パターンに並べて前記第１層に形成され、前記第１パターンが受信した前記高周波信号を出力する第２パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記基板の前記第１層とは異なる第２層に形成され、シグナルグランドに接続される第３パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成され、フレームグランドに接続される第４パターンと、を備えてもよい。
　前記第３パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第１のスリットが形成され、前記第４パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第２のスリットが形成されていてもよい。
　前記第３パターンは、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第１の開口部を有し、前記第４パターンは、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第２の開口部を有してもよい。
　前記絶縁回路は、平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第１パターンに接続され、その他端が第１のビアを介して前記第３パターンに接続される第５パターンと、平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第２パターンに接続され、その他端が第２のビアを介して前記第４パターンに接続される第６パターンと、を更に備えてもよい。
　前記第３パターン及び前記第４パターンは、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間していてもよい。
　前記基板は、表面である前記第１層と、裏面である前記第２層とにパターンが形成される両面基板であってもよい。
　前記基板は、表面と裏面との間にパターンが形成されている層が１つ以上設けられている多層基板であってもよい。
　前記第１，第２パターンと、前記第３，第４パターンとの間には、所定の厚みを有する基板が介在していてもよい。
　前記第１パターンおよび前記第２パターンは、直線状であり、インピーダンスを整合させるための複数のパッドを備えてもよい。
　前記第１パターンおよび前記第２パターンは、その一端が予め規定された特性インピーダンスを有し、その他端がオープン端であってもよい。
　前記第１の開口部は、前記第２パターンと前記第３パターンが重なる部分の両方側に沿って形成され、前記第２の開口部は、前記第１パターンと前記第４パターンが重なる部分の両方側に沿って形成されていてもよい。
　前記第１の開口部は、前記第２パターンと前記第３パターンが重なる部分の一方側に沿って形成されていてもよい。
　前記第２の開口部は、前記第１パターンと前記第４パターンが重なる部分の一方側に沿って形成されていてもよい。
　高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う通信機器であって、基板の第１層に形成され、前記高周波信号を受信する第１パターンと、前記第１パターンに並べて前記第１層に形成され、前記第１パターンが受信した前記高周波信号を出力する第２パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記基板の前記第１層とは異なる第２層に形成され、シグナルグランドに接続される第３パターンと、平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成され、フレームグランドに接続される第４パターンと、を備える、絶縁回路を備え、前記高周波信号が伝送される信号線が前記第１，２パターンに接続され、前記シグナルグランドと前記フレームグランドとを直流的に絶縁してもよい。
　前記第３パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第１のスリットが形成され、前記第４パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第２のスリットが形成されていてもよい。
　前記第３パターンは、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第１の開口部を有し、前記第４パターンは、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第２の開口部を有してもよい。
　前記絶縁回路は、平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第１パターンに接続され、その他端が第１のビアを介して前記第３パターンに接続される第５パターンと、平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第２パターンに接続され、その他端が第２のビアを介して前記第４パターンに接続される第６パターンと、を更に備えてもよい。
　前記第３パターン及び前記第４パターンは、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間していてもよい。
　本発明によれば、高周波信号が入力される第１パターンと高周波信号が出力される第２パターンとが基板の第１層に並べて形成されており、シグナルグランドに接続された第３パターンとフレームグランドに接続された第４パターンとが平面視で第１，第２パターンの各々と重なるように第２層に並べて形成されている。これにより、シグナルグランドとフレームグランドとが直流的に絶縁されるため、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる。
本発明の一実施形態による絶縁回路の構成を示す平面透視図である。 図１に示す絶縁回路の等価回路を示す回路図である。 本発明の一実施形態による絶縁回路に形成される磁界分布を模式的に示す平面図である。 本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図である。 本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図である。 本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図である。 本発明の一実施形態による絶縁回路をモジュール化した例を示す平面図である。 本発明の一実施形態による通信機器の要部構成を示す図である。 本発明の一実施形態による通信機器に設けられる通信基板を模式的に示す平面図である。
　以下、図面を参照して本発明の一実施形態による絶縁回路及び通信機器について詳細に説明する。
　（絶縁回路）
　図１は、本発明の一実施形態による絶縁回路の構成を示す平面透視図である。図１に示す通り、本発明の一実施形態の絶縁回路１は、少なくとも２つの層を有する基板（図示省略）に形成された４つのパターン１１～１４（第１パターン１１、第２パターン１２、第３パターン１３及び第４パターン１４）と、２つの補助パターン１５及び１６（第５パターン１５及び第６パターン１６）とを含む。この構成により、絶縁回路１は、シグナルグランドＳＧ及びフレームグランドＦＧ（何れも図１では図示省略、図２参照）を直流的に絶縁しつつ、所要の高周波信号を伝送する。
　尚、以下では、説明を簡単にするために、パターン１１～１４及び補助パターン１５，１６が形成される基板は、表面（第１層）と裏面（第２層）とにパターンが形成される両面基板であるとする。尚、これらパターン１１～１４及び補助パターン１５，１６が形成される基板は、両面基板に限定される訳ではなく、表面と裏面との間にパターンが形成されている層が１つ以上設けられている多層基板であっても良い。この基板としては、例えばガラスエポキシ基板、セラミックス基板、テフロン（登録商標）基板等を用いることができる。
　パターン１１，１２及び補助パターン１５，１６は、例えば銅（Ｃｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の電気的抵抗が小さな金属を用いて基板の表面に形成される。これに対し、パターン１３，１４は、パターン１１，１２及び補助パターン１５，１６と同様の金属を用いて基板の裏面に形成される。図１では、平面視でパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６とパターン１３，１４とが重ね合った状態を図示しているが、実際にはパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６とパターン１３，１４との間には所定の厚みを有する基板が介在している。尚、以下では、パターン１１，１２が延びる方向に沿う方向を長手方向Ｄ１といい、この長手方向Ｄ１に交差して基板の表面に平行な方向を交差方向Ｄ２という。
　パターン１１は、長手方向Ｄ１に延びる直線状のパターンであって、伝送すべき高周波信号が入力される。パターン１１には、インピーダンスを整合させるための複数のパッド（以下、インピーダンスマッチングパッドという）１１ａ～１１ｇが形成されており、パターン１１の一端Ｔ１に伝送すべき高周波信号が入力される。図１に示す例では、パターン１１の一端Ｔ１に最近接して形成されたインピーダンスマッチングパッド１１ａ及びパターン１１の他端Ｔ２に形成されたインピーダンスマッチングパッド１１ｇが、他のインピーダンスマッチングパッド１１ｂ～１１ｆよりも大きく形成されている。
　パターン１１は、その一端Ｔ１が予め規定された特性インピーダンス（例えば、５０Ω）を有し、その他端Ｔ２がオープン端となるように設計されている。つまり、パターン１１は、一端Ｔ１から入力される高周波信号が他端Ｔ２から放射されやすいように設計されている。尚、パターン１１に形成されるインピーダンスマッチングパッド１１ａ～１１ｇの数や大きさは、必要とされる電力伝送効率に応じて任意に設定することが可能である。
　パターン１２は、交差方向Ｄ２に所定の間隔をもってパターン１１に並べて形成された長手方向Ｄ１に延びる直線状のパターンであって、パターン１１に入力された高周波信号が出力される。パターン１２には、パターン１１と同様に、インピーダンスを整合させるための複数のインピーダンスマッチングパッド１２ａ～１２ｆが形成されており、その一端Ｔ４から高周波信号が出力される。図１に示す例では、これらインピーダンスマッチングパッド１２ａ～１２ｆが、ほぼ同じ大きさに形成されている。
　パターン１２は、パターン１１と同様に、その一端Ｔ４が上述した特性インピーダンスを有し、その他端Ｔ３がオープン端となるように設計されている。尚、パターン１２に形成されるインピーダンスマッチングパッド１２ａ～１２ｆの数や大きさは、パターン１１に形成されるインピーダンスマッチングパッド１１ａ～１１ｇと同様に、必要とされる電力伝送効率に応じて任意に設定することが可能である。
　パターン１３は、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるように形成された略矩形形状のパターンであり、上述したシグナルグランドＳＧに接続される。パターン１３には、伝送すべき高周波信号の帯域内及び帯域外における伝送特性を調整するためのスリット（以下、インピーダンスマッチングスリットという）１３ａ及び複数の開口パターン１３ｂ（開口部）が形成されている。
　インピーダンスマッチングスリット１３ａは、長手方向Ｄ１に延びる矩形形状のスリットであり、パターン１３の図中の右端部において、平面視でパターン１１，１３が重なる部分と平面視でパターン１２，１３が重なる部分との間に形成されている。また、開口パターン１３ｂは、平面視形状が略矩形形状の開口であり、パターン１２，１３が重なる部分の両方側に沿って複数形成されている。尚、インピーダンスマッチングスリット１３ａ及び開口パターン１３ｂの形状及び大きさ、並びに開口パターン１３ｂの数は必要とされる伝送特性に応じて任意に設定可能である。また、開口パターン１３ｂは、パターン１２，１３が重なる部分の両方側に沿って形成されている必要は必ずしもなく、一方側に沿ってのみ形成されていても良い。
　パターン１４は、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるようにパターン１３に並べて形成された略矩形形状のパターンであり、上述したフレームグランドＦＧに接続される。パターン１４には、パターン１３と同様に、伝送すべき高周波信号の帯域内及び帯域外における伝送特性を調整するためのインピーダンスマッチングスリット１４ａ及び複数の開口パターン１４ｂ（開口部）が形成されている。
　インピーダンスマッチングスリット１４ａは、長手方向Ｄ１に延びる矩形形状のスリットであり、パターン１４の図中の左端部において、平面視でパターン１１，１４が重なる部分と平面視でパターン１２，１４が重なる部分との間に形成されている。また、開口パターン１４ｂは、平面視形状が略矩形形状の開口であり、パターン１１，１４が重なる部分の両方側に沿って複数形成されている。尚、インピーダンスマッチングスリット１４ａ及び開口パターン１４ｂの形状及び大きさ、並びに開口パターン１４ｂの数は必要とされる伝送特性に応じて任意に設定可能である。また、開口パターン１４ｂは、パターン１１，１４が重なる部分の両方側に沿って形成されている必要は必ずしもなく、一方側に沿ってのみ形成されていても良い。
　ここで、平面視でパターン１１，１２とパターン１３，１４とが重なっている部分は、マイクロストリップラインと同様の構造であるため、基板の表面に形成されたパターン１１，１２と基板の裏面に形成されたパターン１３，１４とは、基板を介して電磁的に結合する。パターン１１，１４が重なる部分の長手方向Ｄ１における長さは、パターン１１，１４の電磁的結合を強め合う長さに設定され、パターン１２，１３が重なる部分の長手方向Ｄ１における長さは、パターン１２，１３の電磁的結合を強め合う長さに設定される。また、シグナルグランドＳＧに接続されるパターン１３及びフレームグランドＦＧに接続されるパターン１４は、少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離Ｌ１（例えば、０．５ｍｍ以上）だけ離間している。
　補助パターン１５は、平面視でパターン１３と重なるように基板の表面に形成されている。その一端がパターン１１に接続され、その他端がビアＶ１を介してパターン１３に接続されている。補助パターン１５は、パターン１１に対するショートスタブをなしており、伝送すべき高周波信号の帯域外における伝送特性を調整するために設けられる。
　補助パターン１６は、平面視でパターン１４と重なるように基板の表面に形成されている。その一端がパターン１２に接続され、その他端がビアＶ２を介してパターン１４に接続されている。補助パターン１６は、パターン１２に対するショートスタブをなしており、伝送すべき高周波信号の帯域外における伝送特性を調整するために設けられる。
　図２は、図１に示す絶縁回路の等価回路を示す回路図である。図２に示す通り、パターン１１の一端Ｔ１には、高周波信号が供給される信号線ＳＬが接続されており、パターン１１の一端Ｔ１に対向するパターン１３の一端Ｔ６にはシグナルグランドＳＧが接続されている。また、高周波信号が出力されるパターン１２の一端Ｔ４に対向するパターン１４の一端Ｔ７にはフレームグランドＦＧが接続されている。
　図２において、パターン１１の抵抗成分はＲ１，Ｒ２で表されており、インダクタンス成分はＬ１，Ｌ２で表されている。パターン１２の抵抗成分はＲ５，Ｒ６で表されており、インダクタンス成分はＬ５，Ｌ６で表されている。また、パターン１３の抵抗成分はＲ３，Ｒ４で表されており、インダクタンス成分はＬ３，Ｌ４で表されている。パターン１４の抵抗成分はＲ７，Ｒ８で表されており、インダクタンス成分はＬ７，Ｌ８で表されている。
　図２において、パターン１５はインダクタンス成分Ｌｉｎとして表されており、パターン１６はインダクタンス成分Ｌｏｕｔとして表されている。また、図２において、パターン１１，１３間の容量成分はＣ１，Ｃ２で表されており、パターン１１，１４間の容量成分はＣ３，Ｃ４で表されている。パターン１２，１３間の容量成分はＣ５，Ｃ６で表されており、パターン１２，１４間の容量成分はＣ７，Ｃ８で表されている。
　次に、上記構成における絶縁回路１の動作について説明する。図３は、本発明の一実施形態による絶縁回路に形成される磁界分布を模式的に示す平面図である。尚、図３では、基板の表面に形成されているパターン１１，１２及び補助パターン１５，１６に生ずる磁界分布を白抜きの矢印で表しており、基板の裏面に形成されているパターン１３，１４に生ずる磁界分布を通常の矢印で図示している。
　図２に示す信号線ＳＬから高周波信号が絶縁回路１のパターン１１の一端Ｔ１に入力されると、図３に示す通り、パターン１１には長手方向Ｄ１に沿う左向きの磁界分布が生じ、高周波信号はパターン１１を左向きに伝播してインピーダンスマッチングパッド１１ａ～１１ｇを順に通過する。また、パターン１１の一端Ｔ１に入力された高周波信号は、パターン１５及びビアＶ１を順に介してパターン１３に至り、長手方向Ｄ１に沿う右向きにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下にリターンとして戻る。
　パターン１１は、平面視でパターン１３，１４と重なるように形成されておりパターン１３，１４の各々と電磁的に結合するため、パターン１１を左向きに伝播する高周波信号の一部がパターン１３に伝播し、残りがパターン１４に伝播する。パターン１３に伝播した高周波信号は、長手方向Ｄ１に沿う右向きにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下にリターンとして戻る。
　これに対し、パターン１４に伝播した高周波信号は、パターン１４に形成された開口パターン１４ｂの隙間を介してインピーダンスマッチングスリット１４ａを避けるようにパターン１４を伝播し、平面視でパターン１２が重なる部分及びパターン１２の一端Ｔ４の直下に至る。パターン１４は、平面視でパターン１２と重なるように形成されておりパターン１２と電磁的に結合するため、平面視でパターン１２が重なる部分に至った高周波信号はパターン１２に伝播する。
　パターン１２に伝播した高周波信号は、パターン１２を長手方向Ｄ１に沿う右向きに伝播してインピーダンスマッチングパッド１２ａ～１２ｆを順に通過する。パターン１２は、平面視でパターン１３と重なるように形成されておりパターン１３と電磁的に結合するため、パターン１２を右向きに伝播する高周波信号はパターン１３に伝播する。パターン１３に伝播した高周波信号は、パターン１３に形成された開口パターン１３ｂの隙間を介してインピーダンスマッチングスリット１３ａを避けるようにパターン１３を伝播してパターン１１の一端Ｔ１の直下に至る。以上の動作が行われることによって、パターン１１の一端Ｔ１から入力した高周波信号がパターン１２の一端Ｔ４から出力される。
　図４Ａ～図４Ｃは、本発明の一実施形態による絶縁回路の反射・通過特性を示す図である。図４Ａは通過特性を示す図であり、図４Ｂは入力側における反射特性を示す図であり、図４Ｃは出力側における反射特性を示す図である。図４Ａにおいて、符号Ｔ１１を付した曲線は絶縁回路１の通過特性の実測値を示しており、符号Ｔ１２を付した曲線は絶縁回路１の通過特性のシミュレーション結果を示している。また、図４Ｂ，図４Ｃにおいて、符号Ｒ１１，Ｒ２１を付した曲線は絶縁回路１の反射特性の実測値を示しており、符号Ｒ１２，Ｒ２２を付した曲線は絶縁回路１の反射特性のシミュレーション結果を示している。
　尚、正確には、図４Ａ～図４Ｃに示す曲線Ｔ１１，Ｔ１２、曲線Ｒ１１，Ｒ１２、及び曲線Ｒ２１，Ｒ２２は、以下の特性を示している。つまり、曲線Ｔ１１，Ｔ１２は、絶縁回路１を四端子回路としてみた場合の散乱パラメータ（Ｓパラメータ）Ｓ２１の周波数特性を示している。また、曲線Ｒ１１，Ｒ１２は散乱パラメータＳ１１の周波数特性を示しており、曲線Ｒ２１，Ｒ２２は散乱パラメータＳ２２の周波数特性を示している。
　図４Ａ～図４Ｃを参照すると、まず絶縁回路１の通過特性及び反射特性の実測値は、絶縁回路１の通過特性及び反射特性のシミュレーション結果とそれぞれほぼ一致していることが分かる。次に、図４Ａを参照すると、１～５ＧＨｚ程度の周波数帯域に亘って良好な通過特性が得られていることが分かる。特に、２．５ＧＨｚ付近においては、入力される高周波信号の殆どが絶縁回路１を通過していることが分かる、また、図４Ｂ，図４Ｃを参照すると、２．５ＧＨｚ付近と３．７ＧＨｚ付近において反射量が極小となることが分かる。このように、図４Ａ～図４Ｃに示す結果から、絶縁回路１は、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとが直流的に絶縁されていても、２．５ＧＨｚ付近の周波数を有する高周波信号を殆ど反射することなく伝送する特性であることが分かる。
　以上説明したように、図１に示す絶縁回路１では、高周波信号が入力されるパターン１１と高周波信号が出力されるパターン１２とを基板表面に形成し、平面視でパターン１１，１２の各々と重なるように、シグナルグランドＳＧに接続されるパターン１３とフレームグランドＦＧに接続されるパターン１４とを基板裏面に形成している。このため、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁することができる。これにより、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる。
　このように、図１に示す絶縁回路１は、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いる必要が無い。このため、実装の集積率（実装の専有面積）が大きく高密度実装が実現困難である、基板の板厚が厚いと配線パターンが太くなって銅損による損失が増大する、使用する部品（ディスクリート素子）の選択自由度が余りない、必要な絶縁耐圧や高周波特性及び高耐圧の両方が同時に保証された適当な部品が無い、部品のコストが高くなる、等の種々の問題が生ずることもない。
　以上説明した絶縁回路１は、基板上に他の電気回路又は電子回路と共に形成することが可能であり、また、図５に示す通り、絶縁機能を有する単体の絶縁モジュールとして実現することも可能である。図５は、本発明の一実施形態による絶縁回路をモジュール化した例を示す平面図である。図５に示す絶縁モジュールＩＭは、表面にパターン１１，１２が形成されるとともに裏面にパターン１３，１４が形成された基板ＳＢと、パターン１１に接続された入力端子ＴＭ１と、パターン１２に接続された出力端子ＴＭ２とを備える。尚、入力端子ＴＭ１は、基板ＳＢの右端部に取り付けられており、出力端子ＴＭ２は、基板ＳＢの左端部に取り付けられている。
　以上の絶縁モジュールＩＭは、高周波部品として用いることができ、例えば高周波回路において直流的な絶縁が必要な部分に介挿するといった使い方が可能になる。また、絶縁回路１は、周波数帯域、周波数特性、群遅延特性、大きさ、形、基板の種類、基板の層構成等の制限を受けないため、その機能を集積すること以外に、ＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics：低温同時焼成セラミックス）やセラミックス等を用いて積層チップとして実現することも可能である。また、図５において、基板ＳＢをカバー（図示しない）で覆ったものを絶縁モジュールＩＭとしてもよい。
　（通信機器）
　図６は、本発明の一実施形態による通信機器の要部構成を示す図である。図６に示す通り、本発明の一実施形態の通信機器２０は、筐体２１、電源部２２、通信基板２３、及びリモートアンテナ２４を備えており、リモートアンテナ２４から他の機器（図示省略）に向けて高周波信号を送信するとともに、他の機器から送信されてきた高周波信号をリモートアンテナ２４で受信することにより、他の機器との間で通信を行う。
　図６に示す通信機器２０は、例えば国際計測制御学会（ＩＳＡ：International Society of Automation）で策定されたインダストリアル・オートメーション用無線通信規格であるＩＳＡ１００．１１ａに準拠した無線通信が可能なフィールド機器（無線フィールド機器）である。尚、通信機器２０は、高周波信号の送信のみが可能な機器であっても良く、高周波信号の受信のみが可能な機器であっても良い。
　筐体２１は、例えば高剛性アルミニウム等の剛性の高い金属によって形成された中空の箱部材であり、接地されることによりフレームグランドＦＧとされている。この筐体２１は、その内部に電源部２２及び通信基板２３を収容し、耐圧防爆規格を満たすべく密閉構造とされている。また、筐体２１には、リモートアンテナ２４等のアンテナが接続される耐圧防爆コネクタ２１ａが設けられている。電源部２２は、外部電源ＰＳから供給される電源を用いて通信機器２０の内部で必要となる電源（例えば、直流電源）ＩＰを生成する。
　通信基板２３は、送信すべき高周波信号をリモートアンテナ２４に向けて出力するとともに、リモートアンテナ２４で受信された高周波信号が入力されるプリント基板である。この通信基板２３には、筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａに接続されているコネクタＣ１２が取り付けられるコネクタＣ１１が設けられている。尚、通信基板２３には、電源部２２で生成された電源ＩＰが供給されている。
　図７は、本発明の一実施形態による通信機器に設けられる通信基板を模式的に示す平面図である。図７に示す通り、通信基板２３には、上述した絶縁回路１及び上記のコネクタＣ１１に加えて信号処理回路３１が設けられている。尚、この通信基板２３の裏面には、シグナルグランドＳＧに接続されるグランドパターンＰ１と、フレームグランドＦＧに接続されるグランドパターンＰ２とが形成されており、これらグランドパターンＰ１，Ｐ２によって絶縁回路１に設けられたパターン１３，１４（図１参照）が形成されている。
　信号処理回路３１は、入出力される高周波信号の処理を行う回路である。具体的には、リモートアンテナ２４に向けて出力する高周波信号を生成し、リモートアンテナ２４で受信された高周波信号の検波や復調等を行う。絶縁回路１は、同軸ケーブル３２によって信号処理回路３１に接続されており、シグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁する。尚、絶縁回路１の反射・通過特性は、通信機器２０で通信に用いられる周波数に合わせて設計されている。
　リモートアンテナ２４は、ポールＰＬに取り付けられており、同軸ケーブルＣＢを介して筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａに接続される。尚、図６に示す例では、同軸ケーブルＣＢと筐体２１の耐圧防爆コネクタ２１ａとの間にアレスタ（避雷器）ＡＲが取り付けられている。アレスタＡＲは必ずしも必要はないが、雷サージのような異常な過電圧による通信基板２３等の破壊を防止することができるため、図６に示す通り、アレスタＡＲを取り付けることが望ましい。
　このように、本発明の一実施形態の通信機器２０は、通信基板２３に設けられた絶縁回路１によってシグナルグランドＳＧとフレームグランドＦＧとを直流的に絶縁している。このため、リモートアンテナ２４が接続される同軸ケーブルＣＢを介して伝送される高周波信号にノイズが重畳しやすい状況であっても、耐ノイズ性能を向上させることができる。
　尚、以上では、通信機器２０の一例として、無線通信が可能な無線フィールド機器を挙げたが、本発明の通信機器は、無線通信が可能な機器に限られる訳ではなく、有線通信が可能な機器であってもよい。つまり、本発明は、高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を有線によって行う機器にも適用可能である。
　本発明は、絶縁回路及び通信機器に広く適用でき、チップコンデンサ等のディスクリート素子を用いることなく、本質安全防爆規格を満たしつつ耐ノイズ性能を向上させることができる。
　１　絶縁回路
　１１　パターン（第１パターン）
　１１ａ～１１ｇ　インピーダンスマッチングパッド
　１２　パターン（第２パターン）
　１２ａ～１２ｆ　インピーダンスマッチングパッド
　１３　パターン（第３パターン）
　１３ａ　インピーダンスマッチングスリット（第１のスリット）
　１３ｂ　開口パターン（第１の開口部）
　１４　パターン（第４パターン）
　１４ａ　インピーダンスマッチングスリット（第２のスリット）
　１４ｂ　開口パターン（第２の開口部）
　１５　補助パターン（第５パターン）
　１６　補助パターン（第６パターン）
　２０　通信機器
　２１　筐体
　２１ａ　耐圧防爆コネクタ
　２２　電源部
　２３　通信基板
　２４　リモートアンテナ
　３１　信号処理回路
　３２　同軸ケーブル
　ＡＲ　アレスタ（避雷器）
　Ｃ１，Ｃ２　パターン１１，１３間の容量成分
　Ｃ３，Ｃ４　パターン１１，１４間の容量成分
　Ｃ５，Ｃ６　パターン１２，１３間の容量成分
　Ｃ７，Ｃ８　パターン１２，１４間の容量成分
　Ｃ１１，Ｃ１２　コネクタ
　Ｄ１　長手方向
　Ｄ２　交差方向
　ＦＧ　フレームグランド
　ＩＭ　絶縁モジュール
　ＩＰ　電源
　Ｌ１　本質安全防爆規格で定められた距離
　Ｌ１，Ｌ２　パターン１１のインダクタンス成分
　Ｌ３，Ｌ４　パターン１３のインダクタンス成分
　Ｌ５，Ｌ６　パターン１２のインダクタンス成分
　Ｌ７，Ｌ８　パターン１４のインダクタンス成分
　Ｌｉｎ　インダクタンス成分（パターン１５）
　Ｌｏｕｔ　インダクタンス成分（パターン１６）
　Ｐ１，Ｐ２　グランドパターン
　ＰＬ　ポール
　ＰＳ　外部電源
　Ｒ１，Ｒ２　パターン１１の抵抗成分
　Ｒ３，Ｒ４　パターン１３の抵抗成分
　Ｒ５，Ｒ６　パターン１２の抵抗成分
　Ｒ７，Ｒ８　パターン１４の抵抗成分
　Ｒ１１，Ｒ２１　絶縁回路１の反射特性の実測値を示す曲線
　Ｒ１２，Ｒ２２　絶縁回路１の反射特性のシミュレーション結果を示す曲線
　ＳＢ　基板
　ＳＧ　シグナルグランド
　ＳＬ　信号線
　Ｔ１　パターン１１の一端
　Ｔ２　パターン１１の他端
　Ｔ３　パターン１２の他端
　Ｔ４　パターン１２の一端
　Ｔ６　パターン１３の一端
　Ｔ７　パターン１４の一端
　Ｔ１１　絶縁回路１の通過特性の実測値を示す曲線
　Ｔ１２　絶縁回路１の通過特性のシミュレーション結果を示す曲線
　ＴＭ１　入力端子
　ＴＭ２　出力端子
　Ｖ１　第１のビア
　Ｖ２　第２のビア
 

Claims (18)

  1. 　基板の第１層に形成され、高周波信号を受信する第１パターンと、
    　前記第１パターンに並べて前記第１層に形成され、前記第１パターンが受信した前記高周波信号を出力する第２パターンと、
    　平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記基板の前記第１層とは異なる第２層に形成され、シグナルグランドに接続される第３パターンと、
    　平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成され、フレームグランドに接続される第４パターンと、
    　を備える、絶縁回路。
  2. 　前記第３パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第１のスリットが形成され、
    　前記第４パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第２のスリットが形成されている、
    　請求項１記載の絶縁回路。
  3. 　前記第３パターンは、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第１の開口部を有し、
    　前記第４パターンは、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第２の開口部を有する、
    　請求項１記載の絶縁回路。
  4. 　平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第１パターンに接続され、その他端が第１のビアを介して前記第３パターンに接続される第５パターンと、
    　平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第２パターンに接続され、その他端が第２のビアを介して前記第４パターンに接続される第６パターンと、
    　を更に備える、請求項１記載の絶縁回路。
  5. 　前記第３パターン及び前記第４パターンは、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間している、請求項１記載の絶縁回路。
  6. 　前記基板は、表面である前記第１層と、裏面である前記第２層とにパターンが形成される両面基板である、請求項１記載の絶縁回路。
  7. 　前記基板は、表面と裏面との間にパターンが形成されている層が１つ以上設けられている多層基板である、請求項１記載の絶縁回路。
  8. 　前記第１，第２パターンと、前記第３，第４パターンとの間には、所定の厚みを有する基板が介在している、請求項１記載の絶縁回路。
  9. 　前記第１パターンおよび前記第２パターンは、直線状であり、インピーダンスを整合させるための複数のパッドを備える、請求項１記載の絶縁回路。
  10. 　前記第１パターンおよび前記第２パターンは、その一端が予め規定された特性インピーダンスを有し、その他端がオープン端である、請求項１記載の絶縁回路。
  11. 　前記第１の開口部は、前記第２パターンと前記第３パターンが重なる部分の両方側に沿って形成され、
    　前記第２の開口部は、前記第１パターンと前記第４パターンが重なる部分の両方側に沿って形成されている、
    　請求項３記載の絶縁回路。
  12. 　前記第１の開口部は、前記第２パターンと前記第３パターンが重なる部分の一方側に沿って形成されている、
    　請求項３記載の絶縁回路。
  13. 　前記第２の開口部は、前記第１パターンと前記第４パターンが重なる部分の一方側に沿って形成されている、
    　請求項３記載の絶縁回路。
  14. 　高周波信号の送信及び受信の少なくとも一方を行う通信機器であって、
    　基板の第１層に形成され、前記高周波信号を受信する第１パターンと、
    　前記第１パターンに並べて前記第１層に形成され、前記第１パターンが受信した前記高周波信号を出力する第２パターンと、
    　平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記基板の前記第１層とは異なる第２層に形成され、シグナルグランドに接続される第３パターンと、
    　平面視で前記第１，第２パターンの各々と重なるように前記第３パターンに並べて前記第２層に形成され、フレームグランドに接続される第４パターンと、
    　を備える、絶縁回路を備え、
    　前記高周波信号が伝送される信号線が前記第１，２パターンに接続され、前記シグナルグランドと前記フレームグランドとを直流的に絶縁する、通信機器。
  15. 　前記第３パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第１のスリットが形成され、
    　前記第４パターンには、平面視で前記第１パターンと重なる部分と平面視で前記第２パターンと重なる部分との間に、前記第１，第２パターンが延びる方向に延びる第２のスリットが形成されている、
    　請求項１４記載の通信機器。
  16. 　前記第３パターンは、平面視で前記第２パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第１の開口部を有し、
    　前記第４パターンは、平面視で前記第１パターンと重なる部分の少なくとも一方側に沿って形成された少なくとも１つの第２の開口部を有する、
    　請求項１４記載の通信機器。
  17. 　前記絶縁回路は、
    　平面視で前記第３パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第１パターンに接続され、その他端が第１のビアを介して前記第３パターンに接続される第５パターンと、
    　平面視で前記第４パターンと重なるように前記第１層に形成され、その一端が前記第２パターンに接続され、その他端が第２のビアを介して前記第４パターンに接続される第６パターンと、
    　を更に備える、請求項１４記載の通信機器。
  18. 　前記第３パターン及び前記第４パターンは、前記第２層内で少なくとも本質安全防爆規格で定められた距離だけ離間している、請求項１４記載の通信機器。
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