アンテナ装置、及び、通信装置
【課題】良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能にしつつ、小型と低背化との両方に有利な構造を有するアンテナ装置を提供する。
【解決手段】 所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体基板１１に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極１７を備え、結合用電極１７は、通信波長の１／２の長さからなり、誘電体基板に形成されたライン１２と、ライン１２のライン中央部１２ａと誘電体基板１１の面方向に対向するとともにライン１２に電気的に接続されたグランド１３とを有し、ライン中央部１２ａとグランド１３とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合する。
【解決手段】 所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体基板１１に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極１７を備え、結合用電極１７は、通信波長の１／２の長さからなり、誘電体基板に形成されたライン１２と、ライン１２のライン中央部１２ａと誘電体基板１１の面方向に対向するとともにライン１２に電気的に接続されたグランド１３とを有し、ライン中央部１２ａとグランド１３とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや小型携帯端末等の電子機器間で、音楽、画像等のデータを、ケーブルやメディアを介さずに無線伝送にて行うシステムが開発されている。このような無線伝送システムには、数ｃｍの近距離で最大５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送が可能なものがある。このような高速転送可能な伝送システムの中で、TransferJet（登録商標）は、通信距離が短いが盗聴される可能性が低く、伝送速度が速いという利点がある。
【０００３】
TransferJet（登録商標）では、超近距離を隔てて対応する高周波結合器の電磁界結合によりなしえるもので、その信号品質が高周波結合器の性能に依存する。例えば、特許文献１に記載された高周波結合器は、図１６に示すように、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える。また、特許文献１に記載された高周波結合器では、プリント基板２０１上に、送受信回路２０５も形成している。また、特許文献１には、プリント基板２０１上に送受信回路２０５が形成されていない変形例として、図１７に示すような、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える構成が記載されている。
【０００４】
しかしながら、図１６のように、特許文献１に記載された高周波結合器では、良好な通信を行うため、板状の結合用電極２０８の面積を大きくする必要があった。これは通信波長に依存した一定の長さが必要であるためと、結合強度を強くするためには結合用電極２０８を大きくしなければならないからである。また、金属線２０７は結合用電極２０８とスタブ２０３を所定の位置で接続する必要があるため、作製時に位置合わせ精度が要求される等、プロセス上の問題も生じる。
【０００５】
これらの問題を解決すべく、非特許文献１には、アンテナ装置の端面に対して、垂直な方向に電磁界結合する構造（以下、端部放射型と呼ぶ）のアンテナ装置が公表されている。ここで、図１８（Ａ）に示すように、三次元直交座標系をＸＹＺとして、非特許文献１より公表されたアンテナ装置３００の端面をＸＹ平面とする。この図１８（Ａ）では、ＸＹＺ軸で規定される外寸がそれぞれ、２５［ｍｍ］、０．１〜０．３［ｍｍ］、１０［ｍｍ］とする。この場合、アンテナ装置３００は、図１８（Ｂ）に示すように、誘電体基板３１１の面ＸＺ上に構成されたグランド３１３と、グランド３１３から一定の間隔をあけて形成されたライン３１２と、ライン３１２の略中央にあって、グランド３１３との間に電力を供給する給電部３１４とから構成される。ライン３１２は、通信波長の約半波長の長さに設計すると、ライン３１２の両端が、給電部３１４から１／４波長の長さのオープンスタブとなり、ライン３１２の両端を中心に強い電界放射が起こる。これにより、アンテナ装置３００は、ライン３１２と、誘電体基板３１１の面ＸＹと面対称の位置に配置された電極との間で、強い電磁界結合を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３１１８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】日立電線ニュースリリース２０１０．９．１７、日立電線株式会社、２０１０．１０．５、ＣＥＡＴＥＣ展示会、http://www.hitachi-cable.co.jp/products/news/20100917.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した非特許文献１に記載されたアンテナ装置３００では、図１８（Ｂ）に示したように、ライン３１２の長さを通信波長の略半波長に設計する必要があるため、ライン３１２の方向に一定の長さ、図１８（Ａ）に示す例では、Ｘ軸方向で規定される中心位置から１２．５［ｍｍ］の長さ、全体では２５［ｍｍ］の長さが必要となり、薄型化が可能であるが、面ＸＺの小型化、特に、ライン３１２が配線される方向での短縮化が困難で、このため適用できる用途が制約されるという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能にしつつ、小型化と低背化との両方に有利な構造を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置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】
【００１０】
上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極を備え、結合用電極は、通信波長の１／２の長さからなり誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、第１の配線と誘電体基板の面方向に対向するとともに第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、第１の配線の中央部と導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る通信装置は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行う通信装置において、誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、結合用電極と電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、結合用電極は、通信波長の１／２の長さからなり誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、第１の配線と誘電体基板の面方向に対向するとともに第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、第１の配線の中央部と導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、誘電体基板の一方の面に、第１の配線と導体とが形成されているので、機械的強度を実現することができる。
【００１３】
また、本発明は、通信波長の１／２の長さからなる第１の配線の中央部と、第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向する導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、誘電体基板の面方向で規定される縦横比の調整の自由度が高く、アンテナ装置の小型化と低背化とを両立しながら、良好な通信特性を実現することができる。
【００１４】
したがって、本発明は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能にしつつ、アンテナ装置自体の小型化と低背化との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれる通信システムの構成を示す図である。
【図２】本発明が適用されたアンテナ装置である第１の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図５】第１の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図６】本発明が適用されたアンテナ装置である第２の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図８】第２の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図９】第２の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図１０】本発明が適用されたアンテナ装置である第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１１】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図１２】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図１３】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図１４】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の磁界ベクトル分布の解析結果を示す図である。
【図１５】本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれた電子機器の具体例について説明するための図である。
【図１６】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１７】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１８】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００１７】
＜通信システム＞
本発明が適用されたアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う装置であって、例えば図１に示すような、５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を可能とする通信システム１００に組み込まれて使用されるものである。
【００１８】
通信システム１００は、２つのデータ通信を行う通信装置１０１、１０５から構成される。ここで、通信装置１０１は、結合用電極１０３を有する高周波結合器１０２と、送受信回路部１０４とを備える。また、通信装置１０５は、結合用電極１０７を有する高周波結合器１０６と、送受信回路部１０８とを備える。
【００１９】
図１に示すように通信装置１０１、１０５のそれぞれが備える高周波結合器１０２、１０６を向かい合わせて配置すると、２つの結合用電極１０３、１０７が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパスフィルタのように動作することによって、２つの高周波結合器１０２、１０６の間で、例えば５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を実現するための４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を効率よく伝達することができる。
【００２０】
ここで、高周波結合器１０２、１０６がそれぞれ持つ送受信用の結合用電極１０３、１０７は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。
【００２１】
通信システム１００において、例えば、高周波結合器１０２に接続された送受信回路部１０４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高周波送信信号を生成し、結合用電極１０３から結合用電極１０７へ信号を伝搬する。そして、受信側の高周波結合器１０６に接続された送受信回路部１０８は、受信した高周波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。
【００２２】
なお、本発明が適用されるアンテナ装置は、上述した４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達するものに限定されず、他の周波数帯の信号伝達にも適用可能であるが、以下の具体例では、４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達対象として説明する。
【００２３】
＜第１の実施形態＞
このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図２に示すような第１の実施形態に係る高周波結合器１０について説明する。
【００２４】
図２では、後述するライン１２、グランド１３の接続状態をわかりやすくするために保護フィルム１５を透過させて示している。
【００２５】
図２に示すように、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の一方の面にグランド１３と、その外周に一定距離を隔ててループ状のライン１２が形成された構造となっている。
【００２６】
ライン１２は、結合用電極１７として機能し、その一端がグランド１３と対峙して、上述した送受信回路部１０４との接続部となる給電部１４となり、ライン１２の他端は、グランド１３と電気的に接続される。また、結合用電極１７として機能するライン１２は、その配線長が、通信波長の略半分の長さに調整されている。
【００２７】
このような構成からなる高周波結合器１０は、次の評価から明らかなように、結合用電極１７として機能するライン１２のうち、給電部１４から通信波長の１／４離れた位置、すなわち、ライン１２の中央部であるライン中央部１２ａで信号レベルが高い状態となる。これにより、ライン中央部１２ａでは、グランド１３の形成面に対し略対称的な電界分布となる。これにより、結合用電極１７では、図２に示す誘電体基板１１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部１２ａと、グランド１３とを結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の端面１１ａと面対称となるように配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００２８】
このような構成からなる高周波結合器１０は、次のような製造工程によって製造される。まず、誘電体基板１１の片面に導電部材として例えば銅箔を貼り付けた片面銅箔基板のうち、銅箔面の一部をエッチング処理により取り除き、図２に示すようなグランド１３と、グランド１３の外側に一定間隔を隔てたライン１２を形成する。本実施形態において、誘電体基板１１では、その面方向の小面積化を図る観点から、グランド１３の外周を囲むようにライン１２を引き回している。この形成時において、ライン１２の一方の端部１２ｂは、グランド１３と接続した状態としておく。続いて、保護フィルム１５を、給電部１４を省いた銅箔面に貼り付けることで、高周波結合器１０は完成する。なお、保護フィルム１５は、銅箔面を保護するためのもので、レジスト等でも代用でき必要に応じて設置すればよい。
【００２９】
以上のようにして製造される高周波結合器１０では、結合用電極１７として機能するライン１２の他方の端部１２ｃとグランド１３との間が給電部１４として機能し、この給電部１４が送受信回路部１０４との接続部となる。
【００３０】
なお、給電部１４は、その形状を、送受信回路部１０４との接続方式、例えば同軸ケーブル、フレキシブルプリント基板ＦＰＣとのＡＣＦ（異方性導電フィルム）、あるいは、ＡＣＰ(異方性導電ペースト)を用いた接続の用途に応じて調整することが好ましい。
【００３１】
上記の製造工程により、高周波結合器１０は、一枚の片面銅箔基板を処理することで作製可能であり、複雑なパターンの位置合わせやスルーホールによる面間接続等の処理が不要で、簡易なプロセスにて作製することができる。
【００３２】
このように、高周波結合器１０は、一枚の誘電体基板１１の片面の銅箔をエッチング処理することで完成できるので、機械的強度に優れる。加えて、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の面方向に電界が分布するようにして放射するため、例えば、誘電体基板の厚み方向に電界が分布するようにして放射する高周波結合器に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、全体の低背化を実現することができる。
【００３３】
また、高周波結合器１０では、誘電体基板１１の材料として、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等や、更にそれらを多孔質化した材料を用いることができる。
【００３４】
また、上述した製造工程において、高周波結合器１０では、銅箔を貼り付けた片面基板を用いてエッチング処理により結合用電極１７としてライン１２を形成したが、誘電体基板１１の面にメッキ、真空蒸着法等により、マスキングした状態で直接形成する、あるいは形成後にエッチングするなどのパターニング処理を施して形成するようにしても良いし、導電性塗料を用いた印刷法により形成しても良い。
【００３５】
また、結合用電極１７として機能するライン１２、及びグランド１３の材料としては、銅の他に、アルミニウム、金、銀等の良導体を用いることができるが、特にこれら材料に限らず導電率の高い導電体であればいずれも使用することができる。
【００３６】
また、結合用電極１７は、ライン１２をループ形状で形成しているので、誘電体基板１１の面スペースを有効に活用することができ、高周波結合器１０自体の小面積化を図ることができる。
【００３７】
このような結合用電極１７を備える高周波結合器１０は、上記のような誘電体基板１１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００３８】
次に、第１の実施形態に係る高周波結合器１０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器１０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板１１の材料には、誘電率が４．３のガラスエポキシ基板を、また、結合用電極１７の導電体の材質には厚み４０μｍの銅を設定した。また、高周波結合器１０の大きさは、１５ｍｍ×１０．２ｍｍとし、誘電体基板１１、保護フィルム１５の厚みはそれぞれ、０．３ｍｍ、０．０５ｍｍとした。
【００３９】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器１０の信号入出力端となる給電部１４を入力ポートとして、一対の高周波結合器のポート間の結合強度Ｓ２１を算出した。
【００４０】
図３は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図３に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図３に示すように、ライン中央部１２ａと、グランド１３とを結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極１７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００４１】
また、高周波結合器１０での電界の発生状態を評価するために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器１０近傍の電界ベクトル分布も調べた。
【００４２】
図４は、高周波結合器１０の４ＧＨｚでの電界分布を解析したもので、高周波結合器１０の誘電体基板１１における結合用電極１７の形成面上の電界分布を示している。この結果から明らかなように、結合用電極１７の中心部、つまり図４のライン中央部１２ａから外側に向かって円弧上に電界が分布しており、基準高周波結合器１５０と良好な結合状態になっていることがわかる。
【００４３】
これは、結合用電極１７を構成するライン１２の長さが通信波長の略半分で、このライン１２の一端がグランド１３と接続された構成、いわゆるショートスタブとなっているので、通信波長の１／４の部分に相当するライン中央部１２ａで電界が最大となるからである。このように、高周波結合器１０では、結合用電極１７の中央部を中心に強い電界を発生することを解析にて確認することができた。
【００４４】
図５は、高周波結合器１０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４〜６ＧＨｚの帯域で−２1．６〜−２０．６ｄＢと、強い結合強度と平坦な周波数特性を有している。例えば、TransferJet（登録商標）では、５６０ＭＨｚの帯域幅が必要で、一般に高周波結合器のばらつきや回路基板とのインピーダンス整合の具合により、中心周波数がずれるが、高周波結合器１０では、必要帯域幅よりも十分に広い帯域幅を有しているので、これらのばらつきの影響を受けず良好な通信が行える。また対向距離１００ｍｍの非通信距離では、４〜５ＧＨｚ−４２ｄＢ以下の通信遮断性が得られている。
【００４５】
以上のように、第１の実施形態に係る高周波結合器１０では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器１０では、ライン１２とグランド１３とが同一の誘電体基板１１の平面状に形成されているので、機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器１０では、通信波長の１／２の長さからなるライン１２のライン中央部１２ａと、ライン中央部１２ａと誘電体基板１１の面方向に対向するグランド１３とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、所望とする通信特性を実現するためのサイズ調整、すなわち、誘電体基板１１の面方向で規定される縦横比の調整の自由度が高く、装置全体の小型化と低背化とを両立しながら、良好な通信特性を実現することができる。
【００４６】
＜第２の実施形態＞
次に、このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図６に示すような第２の実施形態に係る高周波結合器２０について説明する。
【００４７】
図６では、後述するコイル２６の巻回状態をわかりやすくするために、誘電体基板２１を透過させて示している。
【００４８】
高周波結合器２０は、誘電体基板２１と、それぞれ通信波長と略１／２同等の長さを有するコイル２６ａ、２６ｂが電気的に接続されたコイル２６からなるもので、コイル２６の両端には、送受信回路部１０４との接続のための接続端子２８が形成されている。コイル２６は、各コイル２６ａ、２６ｂのライン中央部２６ａ１、２６ｂ１、すなわちコイル２６の一方の端部から通信波長の１／４、３／４離れた位置で信号レベルが極性が互いに反転した状態で高くなることによって、結合用電極２７として機能する。これにより、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１では、略対称的な電界分布となる。
【００４９】
このような構成からなる結合用電極２７では、図２に示す誘電体基板２１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器２０は、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線上に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００５０】
また、結合用電極２７は、誘電体基板２１のスペースを有効に活用することができ、高周波結合器２０自体の小面積化を図ることができる。
【００５１】
また、このような結合用電極２７を備える高周波結合器２０は、上記のような誘電体基板２１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００５２】
このような構成からなる高周波結合器２０の具体的な構造について、次のような作製プロセスの一例を挙げながら説明する。
【００５３】
まず、誘電体基板２１の上面２１ａ、下面２１ｂに銅、アルミニウム等の導電性金属からなる複数の上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂを形成する。この形成時において、上面ライン２３ａの一端が下面ライン２３ｂの一端と、更にこの上面ライン２３ａの別の一端が、トロイダル方向に隣接する下面ライン２３ｂと誘電体基板２１を挟んで、順次重なるようにしておくと同時に、完成時にコイル２６全体がトロイダル形状となるような配置としておく。
【００５４】
なお、複数の上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂを形成する処理については、誘電体基板２１の両面にメッキ、蒸着等の処理により形成しても良いし、両面銅箔張りされた誘電体基板２１を用いてエッチング処理して形成しても良い。
【００５５】
次に、上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが形成された誘電体基板２１において、上面ライン２３ａと下面ライン２３ｂとが互いに重畳した位置にドリル、レーザー等により複数のスルーホール２４を形成する。これらスルーホール２４を金属メッキ処理あるいは導電ペースト等で埋めることで、誘電体基板２１の両面に形成された全ての上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが、スルーホール２４を介して電気的に接続され、トロイダル形状のコイル２６が完成する。
【００５６】
コイル２６の両端は、送受信回路部１０４との接続のための接続端子２８となり、インピーダンス整合に応じて調整された所定の形状で作製することが好ましい。
【００５７】
誘電体基板２１の材料としては、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、テフロン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。特に、誘電体基板２１の材料としては、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００５８】
次に、第２の実施形態に係る高周波結合器２０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器２０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板２１の材料には誘電率が４．３のガラスエポキシ基板を、また、結合用電極２７として機能するコイル２６の材質には厚み４０μｍの銅を設定した。また、高周波結合器２０の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとし、厚みを１ｍｍとした。
【００５９】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器２０の信号入出力端となる接続端子２８、２８の両端間を電力の入出力ポートとしている。
【００６０】
図７は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図７に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図７に示すように、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極２７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００６１】
このように、高周波結合器２０の中心軸は、コイル２６ａの接続端子２８を基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の１／４波長に相当する長さの位置と、もう一方のコイル２６ｂの接続端子２８を基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の３／４波長に相当する長さの位置とを、誘電体基板２１の半分の厚みの面に投影させた位置で面内方向に貫く方向である。
【００６２】
また、高周波結合器２０での電界の発生状態をみるために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器２０近傍の電界分布も調べた。
【００６３】
図８は、高周波結合器２０の共振周波数である４．５ＧＨｚでの電界分布の解析結果を示すもので、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結んだ中心軸方向に電界の強いところが２箇所でき、あたかも電気双極子のように振舞うことで、対向する高周波結合器１５０と電磁界結合していることがわかる。
【００６４】
図９は、高周波結合器２０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では、４．５ＧＨｚ付近で−１８ｄＢと良好な結合強度を有し、また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−４０ｄＢ以下の通信遮断性を有している。
【００６５】
以上のように、第２の実施形態に係る高周波結合器２０では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器２０では、結合用電極２７として機能するコイル２６が誘電体基板２１内に形成されているので、例えば耐衝撃性などといった機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器２０では、通信波長の１／２の長さからなるコイル２６ａのライン中央部２６ａ１と、通信波長の１／２の長さからなるコイル２６ｂのライン中央部２６ｂ１とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、例えば、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、装置全体の小型化と低背化とを両立することができる。
【００６６】
＜第２の実施形態の変形例＞
次に、このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図１０に示すような第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器３０について説明する。
【００６７】
図１０では、後述するコイル３６の巻回状態をわかりやすくするために、誘電体基板３１を透過させて示している。
【００６８】
高周波結合器３０は、誘電体基板３１と、それぞれ通信波長の略１／２の長さを有するコイル３６ａ、３６ｂが電気的に接続されたコイル３６からなるもので、コイル３６の両端には、送受信回路部１０４との接続のための接続端子３８が形成されている。ここで、接続端子３８は、コイル３６ａの端部に当たる端子３８ａと、コイル３６ｂの端部に当たる端子３８ｂとから構成されている。
【００６９】
コイル３６は、各コイル３６ａ、３６ｂのライン中央部３６ａ１、３６ｂ１、すなわちコイル３６の一方の端部から通信波長の１／４、３／４離れた位置で信号レベルが極性が互いに反転した状態で高くなることによって、結合用電極３７として機能する。これにより、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１では、略対称的な電界分布となる。
【００７０】
また、コイル３６は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１において、それぞれ、巻回方向が反転する巻回方向反転箇所となっている。例えば図１０に示すように、本変形例において、コイル３６は、その巻回方向が、端子３８ａから中央部３６ａ１までが時計方向回り、中央部３６ａ１から中央部３６ｂ１までが反時計方向回り、中央部３６ｂ１から端子３８ｂまでが時計方向回りとなるような構造となっている。換言すれば、コイル３６の巻回方向は、０〜１／４通信波長に相当する距離まで時計方向回り、１／４〜３／４通信波長に相当する距離まで反時計方向回り、３／４〜１通信波長に相当する距離まで時計方向回りとなっている。
【００７１】
このような構成からなる結合用電極３７では、図１０に示す誘電体基板３１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器３０は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線上に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００７２】
また、結合用電極３７は、誘電体基板３１のスペースを有効に活用することができ、高周波結合器３０自体の小面積化を図ることができる。
【００７３】
また、このような結合用電極３７を備える高周波結合器３０は、上記のような誘電体基板３１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００７４】
このような構成からなる高周波結合器３０の具体的な構造について、次のような作製プロセスの一例を挙げながら説明する。
【００７５】
まず、誘電体基板３１の上面３１ａ、下面３１ｂに銅、アルミニウム等の導電性金属からなる複数の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂを形成する。この形成時において、上面ライン３３ａの一端が下面ライン３３ｂの一端と、更にこの上面ライン３３ａの別の一端が、トロイダル方向に隣接する下面ライン３３ｂと誘電体基板３１を挟んで、順次重なるようにしておくと同時に、完成時にコイル３６全体がトロイダル形状となるような配置としておく。
【００７６】
具体的に、接続端子３８の一方の端部、例えば端部３８ａを基準として、１／４通信波長、３／４通信波長にそれぞれ相当するライン中央部３６ａ１、３６ｂ１でコイル３６の巻回方向が反転するように、上面ライン３３ａと下面ライン３３ｂとをそれぞれ配置しておく。
【００７７】
次に、上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂが形成された誘電体基板３１において、上面ライン３３ａと下面ライン３３ｂとが互いに重畳した位置にドリル、レーザー等により複数のスルーホール３４を形成する。これらスルーホール３４を金属メッキ処理あるいは導電ペースト等で埋めることで、誘電体基板３１の両面に形成された全ての上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂが、スルーホール３４を介して電気的に接続され、トロイダル形状のコイル３６が完成する。
【００７８】
このようにして完成したコイル３６は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１で巻回方向が反転しており、０〜１／４通信波長に相当する距離まで時計方向回り、１／４〜３／４通信波長に相当する距離まで反時計方向回り、３／４〜１通信波長に相当する距離まで時計方向回りのコイル構造となる。
【００７９】
コイル３６の両端は、送受信回路部１０４との接続のための接続端子３８となり、インピーダンス整合に応じて調整された所定の形状で作製することが好ましい。
【００８０】
複数の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂを形成する処理については、誘電体基板３１の両面にメッキ、蒸着等の処理により形成しても良いし、両面銅箔張りされた誘電体基板３１を用いてエッチング処理して形成しても良い。
【００８１】
誘電体基板３１の材料としては、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、テフロン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。特に、誘電体基板３１の材料としては、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００８２】
なお、図１０では、誘電体基板３１の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂと、誘電体基板３１を貫通するスルーホール３４によりコイル３６を形成して高周波結合器３０を完成させたが、この例に限らず、例えば剛性を有するワイヤを加工することによりコイル３６を形成し樹脂材料によって成型して高周波結合器３０を完成させても良い。
【００８３】
次に、第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器３０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器３０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板３１は、プリント基板で多用されるガラスエポキシ基板ＦＲ４（Flame Retardant Type 4）を、また、結合用電極３７として機能するコイル３６の材質は銅を設定した。また、高周波結合器３０の大きさは１０．４ｍｍ×１０．４ｍｍとし、厚みを１ｍｍとした。
【００８４】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器３０の信号入出力端となる接続端子３８の両端子３８ａ、３８ｂ間を電力の入出力ポートとしている。
【００８５】
図１１は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図１１に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図１１に示すように、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極３７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００８６】
このように、高周波結合器３０の中心軸は、接続端子３８の端子３８ａを基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の１／４波長に相当する長さの位置と、端子３８ａを基準とした略３／４の長さの位置、すなわち通信周波数の３／４波長に相当する長さの位置とを、誘電体基板３１の半分の厚みの面に投影させた位置で面内方向に貫く方向である。
【００８７】
また、高周波結合器３０での電界の発生状態をみるために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器３０近傍の電界分布、及び磁界ベクトルも調べた。
【００８８】
図１２は、高周波結合器３０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４．５ＧＨｚ付近で−１８ｄＢと良好な結合強度を有し、また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−４０ｄＢ以下の通信遮断性を有している。
【００８９】
図１３は、高周波結合器３０の共振周波数である４．４８ＧＨｚでの電界分布の解析結果を示すもので、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結んだ中心軸方向に電界の強いところが２箇所でき、あたかも電気双極子のように振舞うことで、対向する高周波結合器１５０と電磁界結合していることがわかる。
【００９０】
この図１３から明らかなように、電界の強くなる位置は、接続端子３８の端子３８ａからコイル３６の略１／４の長さの位置、すなわち、１／４通信波長に相当する長さの位置と、もう一方の端子３８ｂからコイル３６の略１／４の長さの位置とで、これらの位置を面内方向に貫いて強い電磁界結合を得ることができる。
【００９１】
以上のように、変形例に係る高周波結合器３０は、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器３０では、結合用電極３７として機能するコイル３６が誘電体基板３１内に形成されているので、例えば耐衝撃性などといった機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器３０では、通信波長の１／２の長さからなるコイル３６ａのライン中央部３６ａ１と、通信波長の１／２の長さからなるコイル３６ｂのライン中央部３６ｂ１とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、例えば、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、装置全体の小型化と低背化とを両立することができる。
【００９２】
さらに、図１４に示す解析結果から明らかなように、高周波結合器３０は、コイル３６の実効的なインダクタンスを向上させることができ、結果として、高周波結合器３０自体の結合効率を改善することができる。
【００９３】
図１４は、高周波結合器３０の共振周波数である４．４８ＧＨｚでの磁界ベクトル分布の解析結果を示すもので、誘電体基板３１の厚み方向中央の基板に平行な面内、すなわち、コイル３６の中心軸で基板と水平な断面での磁界ベクトル分布を示している。
【００９４】
この図１４では、コイル３６内部を貫く磁界が同方向となることを示している。高周波結合器３０は、位相の関係から半波長で高周波電流の極性が変わるという特性を考慮して、全長が一通信波長に相当するコイル３６の巻回方向を、１／４通信波長、３／４通信波長の長さにそれぞれ相当する中央部３６ａ１、３６ｂ１で反転させることで、コイル３６内部を貫く磁界が同方向となるようにすることができる。
【００９５】
このようにして、高周波結合器３０は、コイル内部において、局部的に極性の異なる電流によって発生する磁界が互いに打ち消しあってしまうという現象を防止することができる。これにより、高周波結合器３０は、コイル３６の実効的なインダクタンスを向上させることができ、結果として、高周波結合器３０自体の結合効率を改善することができる。
【００９６】
＜適用例＞
上記のように、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る高周波結合器１０、２０、３０は、装置全体の小型化と低背化とを両立するので、例えば図１５に示すような、携帯電話機などの携帯型電子機器６０の端面６０ａに設けられているスロット６１等に差し込んで通信を行うメモリーカード６２などに組み込むことができる。ここで、スロット６１内部に設けられた高周波結合器との位置関係よって、メモリ−カード６２に高周波結合器１０を設ける場合には、位置関係に制約が生じるが、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る高周波結合器１０、２０、３０は、装置全体の小型化と低背化とを両立するので容易に組み込むことができるという利点がある。
【符号の説明】
【００９７】
１０、２０、３０、１０２、１０６ 高周波結合器、１１、２１、３１、３１１ 誘電体基板、１１ａ、６０ａ 端面、１２、３１２ ライン、１２ａ、２６ａ１、２６ｂ１、３６ａ１、３６ｂ１ ライン中央部、１２ｂ、１２ｃ 端部、１３、２０２、３１３ グランド、１４、３１４ 給電部、１５ 保護フィルム、１７、２７、３７、１０３、１０７、２０８ 結合用電極、２１ａ 上面、２１ｂ 下面、２３ａ、３３ａ 上面ライン、２３ｂ、３３ｂ 下面ライン、２４、３４ スルーホール、２６、２６ａ、２６ｂ、３６ａ、３６ｂ コイル、２８、３８ 接続端子、３８ａ、３８ｂ 端子、６０ 携帯型電子機器、６１ スロット、６２ メモリーカード、１００ 通信システム、１０１、１０５ 通信装置、１０４、１０８ 送受信回路部、１５０ 基準高周波結合器、１５０ａ 電極、２０１ プリント基板、２０３ スタブ、２０５ 送受信回路、２０７ 金属線、３００ アンテナ装置
【技術分野】
【０００１】
本発明は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや小型携帯端末等の電子機器間で、音楽、画像等のデータを、ケーブルやメディアを介さずに無線伝送にて行うシステムが開発されている。このような無線伝送システムには、数ｃｍの近距離で最大５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送が可能なものがある。このような高速転送可能な伝送システムの中で、TransferJet（登録商標）は、通信距離が短いが盗聴される可能性が低く、伝送速度が速いという利点がある。
【０００３】
TransferJet（登録商標）では、超近距離を隔てて対応する高周波結合器の電磁界結合によりなしえるもので、その信号品質が高周波結合器の性能に依存する。例えば、特許文献１に記載された高周波結合器は、図１６に示すように、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える。また、特許文献１に記載された高周波結合器では、プリント基板２０１上に、送受信回路２０５も形成している。また、特許文献１には、プリント基板２０１上に送受信回路２０５が形成されていない変形例として、図１７に示すような、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える構成が記載されている。
【０００４】
しかしながら、図１６のように、特許文献１に記載された高周波結合器では、良好な通信を行うため、板状の結合用電極２０８の面積を大きくする必要があった。これは通信波長に依存した一定の長さが必要であるためと、結合強度を強くするためには結合用電極２０８を大きくしなければならないからである。また、金属線２０７は結合用電極２０８とスタブ２０３を所定の位置で接続する必要があるため、作製時に位置合わせ精度が要求される等、プロセス上の問題も生じる。
【０００５】
これらの問題を解決すべく、非特許文献１には、アンテナ装置の端面に対して、垂直な方向に電磁界結合する構造（以下、端部放射型と呼ぶ）のアンテナ装置が公表されている。ここで、図１８（Ａ）に示すように、三次元直交座標系をＸＹＺとして、非特許文献１より公表されたアンテナ装置３００の端面をＸＹ平面とする。この図１８（Ａ）では、ＸＹＺ軸で規定される外寸がそれぞれ、２５［ｍｍ］、０．１〜０．３［ｍｍ］、１０［ｍｍ］とする。この場合、アンテナ装置３００は、図１８（Ｂ）に示すように、誘電体基板３１１の面ＸＺ上に構成されたグランド３１３と、グランド３１３から一定の間隔をあけて形成されたライン３１２と、ライン３１２の略中央にあって、グランド３１３との間に電力を供給する給電部３１４とから構成される。ライン３１２は、通信波長の約半波長の長さに設計すると、ライン３１２の両端が、給電部３１４から１／４波長の長さのオープンスタブとなり、ライン３１２の両端を中心に強い電界放射が起こる。これにより、アンテナ装置３００は、ライン３１２と、誘電体基板３１１の面ＸＹと面対称の位置に配置された電極との間で、強い電磁界結合を得ることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−３１１８１６号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】日立電線ニュースリリース２０１０．９．１７、日立電線株式会社、２０１０．１０．５、ＣＥＡＴＥＣ展示会、http://www.hitachi-cable.co.jp/products/news/20100917.html
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上述した非特許文献１に記載されたアンテナ装置３００では、図１８（Ｂ）に示したように、ライン３１２の長さを通信波長の略半波長に設計する必要があるため、ライン３１２の方向に一定の長さ、図１８（Ａ）に示す例では、Ｘ軸方向で規定される中心位置から１２．５［ｍｍ］の長さ、全体では２５［ｍｍ］の長さが必要となり、薄型化が可能であるが、面ＸＺの小型化、特に、ライン３１２が配線される方向での短縮化が困難で、このため適用できる用途が制約されるという問題があった。
【０００９】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能にしつつ、小型化と低背化との両方に有利な構造を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置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】
【００１０】
上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極を備え、結合用電極は、通信波長の１／２の長さからなり誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、第１の配線と誘電体基板の面方向に対向するとともに第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、第１の配線の中央部と導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする。
【００１１】
また、本発明に係る通信装置は、所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行う通信装置において、誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、結合用電極と電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、結合用電極は、通信波長の１／２の長さからなり誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、第１の配線と誘電体基板の面方向に対向するとともに第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、第１の配線の中央部と導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、誘電体基板の一方の面に、第１の配線と導体とが形成されているので、機械的強度を実現することができる。
【００１３】
また、本発明は、通信波長の１／２の長さからなる第１の配線の中央部と、第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向する導体とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、誘電体基板の面方向で規定される縦横比の調整の自由度が高く、アンテナ装置の小型化と低背化とを両立しながら、良好な通信特性を実現することができる。
【００１４】
したがって、本発明は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能にしつつ、アンテナ装置自体の小型化と低背化との両立を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれる通信システムの構成を示す図である。
【図２】本発明が適用されたアンテナ装置である第１の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図３】第１の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図４】第１の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図５】第１の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図６】本発明が適用されたアンテナ装置である第２の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図７】第２の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図８】第２の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図９】第２の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図１０】本発明が適用されたアンテナ装置である第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１１】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図１２】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図１３】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図１４】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の磁界ベクトル分布の解析結果を示す図である。
【図１５】本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれた電子機器の具体例について説明するための図である。
【図１６】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１７】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１８】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００１７】
＜通信システム＞
本発明が適用されたアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う装置であって、例えば図１に示すような、５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を可能とする通信システム１００に組み込まれて使用されるものである。
【００１８】
通信システム１００は、２つのデータ通信を行う通信装置１０１、１０５から構成される。ここで、通信装置１０１は、結合用電極１０３を有する高周波結合器１０２と、送受信回路部１０４とを備える。また、通信装置１０５は、結合用電極１０７を有する高周波結合器１０６と、送受信回路部１０８とを備える。
【００１９】
図１に示すように通信装置１０１、１０５のそれぞれが備える高周波結合器１０２、１０６を向かい合わせて配置すると、２つの結合用電極１０３、１０７が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパスフィルタのように動作することによって、２つの高周波結合器１０２、１０６の間で、例えば５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を実現するための４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を効率よく伝達することができる。
【００２０】
ここで、高周波結合器１０２、１０６がそれぞれ持つ送受信用の結合用電極１０３、１０７は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。
【００２１】
通信システム１００において、例えば、高周波結合器１０２に接続された送受信回路部１０４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高周波送信信号を生成し、結合用電極１０３から結合用電極１０７へ信号を伝搬する。そして、受信側の高周波結合器１０６に接続された送受信回路部１０８は、受信した高周波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。
【００２２】
なお、本発明が適用されるアンテナ装置は、上述した４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達するものに限定されず、他の周波数帯の信号伝達にも適用可能であるが、以下の具体例では、４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達対象として説明する。
【００２３】
＜第１の実施形態＞
このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図２に示すような第１の実施形態に係る高周波結合器１０について説明する。
【００２４】
図２では、後述するライン１２、グランド１３の接続状態をわかりやすくするために保護フィルム１５を透過させて示している。
【００２５】
図２に示すように、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の一方の面にグランド１３と、その外周に一定距離を隔ててループ状のライン１２が形成された構造となっている。
【００２６】
ライン１２は、結合用電極１７として機能し、その一端がグランド１３と対峙して、上述した送受信回路部１０４との接続部となる給電部１４となり、ライン１２の他端は、グランド１３と電気的に接続される。また、結合用電極１７として機能するライン１２は、その配線長が、通信波長の略半分の長さに調整されている。
【００２７】
このような構成からなる高周波結合器１０は、次の評価から明らかなように、結合用電極１７として機能するライン１２のうち、給電部１４から通信波長の１／４離れた位置、すなわち、ライン１２の中央部であるライン中央部１２ａで信号レベルが高い状態となる。これにより、ライン中央部１２ａでは、グランド１３の形成面に対し略対称的な電界分布となる。これにより、結合用電極１７では、図２に示す誘電体基板１１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部１２ａと、グランド１３とを結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の端面１１ａと面対称となるように配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００２８】
このような構成からなる高周波結合器１０は、次のような製造工程によって製造される。まず、誘電体基板１１の片面に導電部材として例えば銅箔を貼り付けた片面銅箔基板のうち、銅箔面の一部をエッチング処理により取り除き、図２に示すようなグランド１３と、グランド１３の外側に一定間隔を隔てたライン１２を形成する。本実施形態において、誘電体基板１１では、その面方向の小面積化を図る観点から、グランド１３の外周を囲むようにライン１２を引き回している。この形成時において、ライン１２の一方の端部１２ｂは、グランド１３と接続した状態としておく。続いて、保護フィルム１５を、給電部１４を省いた銅箔面に貼り付けることで、高周波結合器１０は完成する。なお、保護フィルム１５は、銅箔面を保護するためのもので、レジスト等でも代用でき必要に応じて設置すればよい。
【００２９】
以上のようにして製造される高周波結合器１０では、結合用電極１７として機能するライン１２の他方の端部１２ｃとグランド１３との間が給電部１４として機能し、この給電部１４が送受信回路部１０４との接続部となる。
【００３０】
なお、給電部１４は、その形状を、送受信回路部１０４との接続方式、例えば同軸ケーブル、フレキシブルプリント基板ＦＰＣとのＡＣＦ（異方性導電フィルム）、あるいは、ＡＣＰ(異方性導電ペースト)を用いた接続の用途に応じて調整することが好ましい。
【００３１】
上記の製造工程により、高周波結合器１０は、一枚の片面銅箔基板を処理することで作製可能であり、複雑なパターンの位置合わせやスルーホールによる面間接続等の処理が不要で、簡易なプロセスにて作製することができる。
【００３２】
このように、高周波結合器１０は、一枚の誘電体基板１１の片面の銅箔をエッチング処理することで完成できるので、機械的強度に優れる。加えて、高周波結合器１０は、誘電体基板１１の面方向に電界が分布するようにして放射するため、例えば、誘電体基板の厚み方向に電界が分布するようにして放射する高周波結合器に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、全体の低背化を実現することができる。
【００３３】
また、高周波結合器１０では、誘電体基板１１の材料として、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等や、更にそれらを多孔質化した材料を用いることができる。
【００３４】
また、上述した製造工程において、高周波結合器１０では、銅箔を貼り付けた片面基板を用いてエッチング処理により結合用電極１７としてライン１２を形成したが、誘電体基板１１の面にメッキ、真空蒸着法等により、マスキングした状態で直接形成する、あるいは形成後にエッチングするなどのパターニング処理を施して形成するようにしても良いし、導電性塗料を用いた印刷法により形成しても良い。
【００３５】
また、結合用電極１７として機能するライン１２、及びグランド１３の材料としては、銅の他に、アルミニウム、金、銀等の良導体を用いることができるが、特にこれら材料に限らず導電率の高い導電体であればいずれも使用することができる。
【００３６】
また、結合用電極１７は、ライン１２をループ形状で形成しているので、誘電体基板１１の面スペースを有効に活用することができ、高周波結合器１０自体の小面積化を図ることができる。
【００３７】
このような結合用電極１７を備える高周波結合器１０は、上記のような誘電体基板１１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００３８】
次に、第１の実施形態に係る高周波結合器１０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器１０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板１１の材料には、誘電率が４．３のガラスエポキシ基板を、また、結合用電極１７の導電体の材質には厚み４０μｍの銅を設定した。また、高周波結合器１０の大きさは、１５ｍｍ×１０．２ｍｍとし、誘電体基板１１、保護フィルム１５の厚みはそれぞれ、０．３ｍｍ、０．０５ｍｍとした。
【００３９】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器１０の信号入出力端となる給電部１４を入力ポートとして、一対の高周波結合器のポート間の結合強度Ｓ２１を算出した。
【００４０】
図３は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図３に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図３に示すように、ライン中央部１２ａと、グランド１３とを結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極１７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００４１】
また、高周波結合器１０での電界の発生状態を評価するために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器１０近傍の電界ベクトル分布も調べた。
【００４２】
図４は、高周波結合器１０の４ＧＨｚでの電界分布を解析したもので、高周波結合器１０の誘電体基板１１における結合用電極１７の形成面上の電界分布を示している。この結果から明らかなように、結合用電極１７の中心部、つまり図４のライン中央部１２ａから外側に向かって円弧上に電界が分布しており、基準高周波結合器１５０と良好な結合状態になっていることがわかる。
【００４３】
これは、結合用電極１７を構成するライン１２の長さが通信波長の略半分で、このライン１２の一端がグランド１３と接続された構成、いわゆるショートスタブとなっているので、通信波長の１／４の部分に相当するライン中央部１２ａで電界が最大となるからである。このように、高周波結合器１０では、結合用電極１７の中央部を中心に強い電界を発生することを解析にて確認することができた。
【００４４】
図５は、高周波結合器１０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４〜６ＧＨｚの帯域で−２1．６〜−２０．６ｄＢと、強い結合強度と平坦な周波数特性を有している。例えば、TransferJet（登録商標）では、５６０ＭＨｚの帯域幅が必要で、一般に高周波結合器のばらつきや回路基板とのインピーダンス整合の具合により、中心周波数がずれるが、高周波結合器１０では、必要帯域幅よりも十分に広い帯域幅を有しているので、これらのばらつきの影響を受けず良好な通信が行える。また対向距離１００ｍｍの非通信距離では、４〜５ＧＨｚ−４２ｄＢ以下の通信遮断性が得られている。
【００４５】
以上のように、第１の実施形態に係る高周波結合器１０では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器１０では、ライン１２とグランド１３とが同一の誘電体基板１１の平面状に形成されているので、機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器１０では、通信波長の１／２の長さからなるライン１２のライン中央部１２ａと、ライン中央部１２ａと誘電体基板１１の面方向に対向するグランド１３とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、所望とする通信特性を実現するためのサイズ調整、すなわち、誘電体基板１１の面方向で規定される縦横比の調整の自由度が高く、装置全体の小型化と低背化とを両立しながら、良好な通信特性を実現することができる。
【００４６】
＜第２の実施形態＞
次に、このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図６に示すような第２の実施形態に係る高周波結合器２０について説明する。
【００４７】
図６では、後述するコイル２６の巻回状態をわかりやすくするために、誘電体基板２１を透過させて示している。
【００４８】
高周波結合器２０は、誘電体基板２１と、それぞれ通信波長と略１／２同等の長さを有するコイル２６ａ、２６ｂが電気的に接続されたコイル２６からなるもので、コイル２６の両端には、送受信回路部１０４との接続のための接続端子２８が形成されている。コイル２６は、各コイル２６ａ、２６ｂのライン中央部２６ａ１、２６ｂ１、すなわちコイル２６の一方の端部から通信波長の１／４、３／４離れた位置で信号レベルが極性が互いに反転した状態で高くなることによって、結合用電極２７として機能する。これにより、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１では、略対称的な電界分布となる。
【００４９】
このような構成からなる結合用電極２７では、図２に示す誘電体基板２１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器２０は、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線上に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００５０】
また、結合用電極２７は、誘電体基板２１のスペースを有効に活用することができ、高周波結合器２０自体の小面積化を図ることができる。
【００５１】
また、このような結合用電極２７を備える高周波結合器２０は、上記のような誘電体基板２１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００５２】
このような構成からなる高周波結合器２０の具体的な構造について、次のような作製プロセスの一例を挙げながら説明する。
【００５３】
まず、誘電体基板２１の上面２１ａ、下面２１ｂに銅、アルミニウム等の導電性金属からなる複数の上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂを形成する。この形成時において、上面ライン２３ａの一端が下面ライン２３ｂの一端と、更にこの上面ライン２３ａの別の一端が、トロイダル方向に隣接する下面ライン２３ｂと誘電体基板２１を挟んで、順次重なるようにしておくと同時に、完成時にコイル２６全体がトロイダル形状となるような配置としておく。
【００５４】
なお、複数の上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂを形成する処理については、誘電体基板２１の両面にメッキ、蒸着等の処理により形成しても良いし、両面銅箔張りされた誘電体基板２１を用いてエッチング処理して形成しても良い。
【００５５】
次に、上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが形成された誘電体基板２１において、上面ライン２３ａと下面ライン２３ｂとが互いに重畳した位置にドリル、レーザー等により複数のスルーホール２４を形成する。これらスルーホール２４を金属メッキ処理あるいは導電ペースト等で埋めることで、誘電体基板２１の両面に形成された全ての上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが、スルーホール２４を介して電気的に接続され、トロイダル形状のコイル２６が完成する。
【００５６】
コイル２６の両端は、送受信回路部１０４との接続のための接続端子２８となり、インピーダンス整合に応じて調整された所定の形状で作製することが好ましい。
【００５７】
誘電体基板２１の材料としては、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、テフロン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。特に、誘電体基板２１の材料としては、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００５８】
次に、第２の実施形態に係る高周波結合器２０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器２０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板２１の材料には誘電率が４．３のガラスエポキシ基板を、また、結合用電極２７として機能するコイル２６の材質には厚み４０μｍの銅を設定した。また、高周波結合器２０の大きさは１０ｍｍ×１０ｍｍとし、厚みを１ｍｍとした。
【００５９】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器２０の信号入出力端となる接続端子２８、２８の両端間を電力の入出力ポートとしている。
【００６０】
図７は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図７に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図７に示すように、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極２７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００６１】
このように、高周波結合器２０の中心軸は、コイル２６ａの接続端子２８を基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の１／４波長に相当する長さの位置と、もう一方のコイル２６ｂの接続端子２８を基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の３／４波長に相当する長さの位置とを、誘電体基板２１の半分の厚みの面に投影させた位置で面内方向に貫く方向である。
【００６２】
また、高周波結合器２０での電界の発生状態をみるために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器２０近傍の電界分布も調べた。
【００６３】
図８は、高周波結合器２０の共振周波数である４．５ＧＨｚでの電界分布の解析結果を示すもので、ライン中央部２６ａ１、２６ｂ１を結んだ中心軸方向に電界の強いところが２箇所でき、あたかも電気双極子のように振舞うことで、対向する高周波結合器１５０と電磁界結合していることがわかる。
【００６４】
図９は、高周波結合器２０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では、４．５ＧＨｚ付近で−１８ｄＢと良好な結合強度を有し、また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−４０ｄＢ以下の通信遮断性を有している。
【００６５】
以上のように、第２の実施形態に係る高周波結合器２０では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器２０では、結合用電極２７として機能するコイル２６が誘電体基板２１内に形成されているので、例えば耐衝撃性などといった機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器２０では、通信波長の１／２の長さからなるコイル２６ａのライン中央部２６ａ１と、通信波長の１／２の長さからなるコイル２６ｂのライン中央部２６ｂ１とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、例えば、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、装置全体の小型化と低背化とを両立することができる。
【００６６】
＜第２の実施形態の変形例＞
次に、このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図１０に示すような第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器３０について説明する。
【００６７】
図１０では、後述するコイル３６の巻回状態をわかりやすくするために、誘電体基板３１を透過させて示している。
【００６８】
高周波結合器３０は、誘電体基板３１と、それぞれ通信波長の略１／２の長さを有するコイル３６ａ、３６ｂが電気的に接続されたコイル３６からなるもので、コイル３６の両端には、送受信回路部１０４との接続のための接続端子３８が形成されている。ここで、接続端子３８は、コイル３６ａの端部に当たる端子３８ａと、コイル３６ｂの端部に当たる端子３８ｂとから構成されている。
【００６９】
コイル３６は、各コイル３６ａ、３６ｂのライン中央部３６ａ１、３６ｂ１、すなわちコイル３６の一方の端部から通信波長の１／４、３／４離れた位置で信号レベルが極性が互いに反転した状態で高くなることによって、結合用電極３７として機能する。これにより、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１では、略対称的な電界分布となる。
【００７０】
また、コイル３６は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１において、それぞれ、巻回方向が反転する巻回方向反転箇所となっている。例えば図１０に示すように、本変形例において、コイル３６は、その巻回方向が、端子３８ａから中央部３６ａ１までが時計方向回り、中央部３６ａ１から中央部３６ｂ１までが反時計方向回り、中央部３６ｂ１から端子３８ｂまでが時計方向回りとなるような構造となっている。換言すれば、コイル３６の巻回方向は、０〜１／４通信波長に相当する距離まで時計方向回り、１／４〜３／４通信波長に相当する距離まで反時計方向回り、３／４〜１通信波長に相当する距離まで時計方向回りとなっている。
【００７１】
このような構成からなる結合用電極３７では、図１０に示す誘電体基板３１の面方向Ｅ、具体的にはライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線の方向に効率よく電界の縦波を放出することができる。この結果として、高周波結合器３０は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線上に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００７２】
また、結合用電極３７は、誘電体基板３１のスペースを有効に活用することができ、高周波結合器３０自体の小面積化を図ることができる。
【００７３】
また、このような結合用電極３７を備える高周波結合器３０は、上記のような誘電体基板３１の面方向Ｅ、すなわち、基板の端部から電磁界を放射する構造としていることで、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく低背化できる。
【００７４】
このような構成からなる高周波結合器３０の具体的な構造について、次のような作製プロセスの一例を挙げながら説明する。
【００７５】
まず、誘電体基板３１の上面３１ａ、下面３１ｂに銅、アルミニウム等の導電性金属からなる複数の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂを形成する。この形成時において、上面ライン３３ａの一端が下面ライン３３ｂの一端と、更にこの上面ライン３３ａの別の一端が、トロイダル方向に隣接する下面ライン３３ｂと誘電体基板３１を挟んで、順次重なるようにしておくと同時に、完成時にコイル３６全体がトロイダル形状となるような配置としておく。
【００７６】
具体的に、接続端子３８の一方の端部、例えば端部３８ａを基準として、１／４通信波長、３／４通信波長にそれぞれ相当するライン中央部３６ａ１、３６ｂ１でコイル３６の巻回方向が反転するように、上面ライン３３ａと下面ライン３３ｂとをそれぞれ配置しておく。
【００７７】
次に、上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂが形成された誘電体基板３１において、上面ライン３３ａと下面ライン３３ｂとが互いに重畳した位置にドリル、レーザー等により複数のスルーホール３４を形成する。これらスルーホール３４を金属メッキ処理あるいは導電ペースト等で埋めることで、誘電体基板３１の両面に形成された全ての上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂが、スルーホール３４を介して電気的に接続され、トロイダル形状のコイル３６が完成する。
【００７８】
このようにして完成したコイル３６は、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１で巻回方向が反転しており、０〜１／４通信波長に相当する距離まで時計方向回り、１／４〜３／４通信波長に相当する距離まで反時計方向回り、３／４〜１通信波長に相当する距離まで時計方向回りのコイル構造となる。
【００７９】
コイル３６の両端は、送受信回路部１０４との接続のための接続端子３８となり、インピーダンス整合に応じて調整された所定の形状で作製することが好ましい。
【００８０】
複数の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂを形成する処理については、誘電体基板３１の両面にメッキ、蒸着等の処理により形成しても良いし、両面銅箔張りされた誘電体基板３１を用いてエッチング処理して形成しても良い。
【００８１】
誘電体基板３１の材料としては、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、テフロン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等を用いることができる。特に、誘電体基板３１の材料としては、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００８２】
なお、図１０では、誘電体基板３１の上面ライン３３ａ、下面ライン３３ｂと、誘電体基板３１を貫通するスルーホール３４によりコイル３６を形成して高周波結合器３０を完成させたが、この例に限らず、例えば剛性を有するワイヤを加工することによりコイル３６を形成し樹脂材料によって成型して高周波結合器３０を完成させても良い。
【００８３】
次に、第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器３０の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器３０の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板３１は、プリント基板で多用されるガラスエポキシ基板ＦＲ４（Flame Retardant Type 4）を、また、結合用電極３７として機能するコイル３６の材質は銅を設定した。また、高周波結合器３０の大きさは１０．４ｍｍ×１０．４ｍｍとし、厚みを１ｍｍとした。
【００８４】
結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価しており、高周波結合器３０の信号入出力端となる接続端子３８の両端子３８ａ、３８ｂ間を電力の入出力ポートとしている。
【００８５】
図１１は、結合強度Ｓ２１の解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。この評価では一方の高周波結合器には図１１に示されるような板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機となる基準高周波結合器１５０を用いた。結合強度の評価は、図１１に示すように、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結ぶ延長線の方向Ｅと、基準高周波結合器１５０の電極１５０ａの面とが直交し、かつ、それぞれの電極の中心軸が一致する状態で、結合用電極３７と電極１５０ａとを対向させ、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べた。
【００８６】
このように、高周波結合器３０の中心軸は、接続端子３８の端子３８ａを基準とした略１／４の長さの位置、すなわち通信周波数の１／４波長に相当する長さの位置と、端子３８ａを基準とした略３／４の長さの位置、すなわち通信周波数の３／４波長に相当する長さの位置とを、誘電体基板３１の半分の厚みの面に投影させた位置で面内方向に貫く方向である。
【００８７】
また、高周波結合器３０での電界の発生状態をみるために、対向距離１５ｍｍでの高周波結合器３０近傍の電界分布、及び磁界ベクトルも調べた。
【００８８】
図１２は、高周波結合器３０と基準高周波結合器１５０との間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４．５ＧＨｚ付近で−１８ｄＢと良好な結合強度を有し、また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−４０ｄＢ以下の通信遮断性を有している。
【００８９】
図１３は、高周波結合器３０の共振周波数である４．４８ＧＨｚでの電界分布の解析結果を示すもので、ライン中央部３６ａ１、３６ｂ１を結んだ中心軸方向に電界の強いところが２箇所でき、あたかも電気双極子のように振舞うことで、対向する高周波結合器１５０と電磁界結合していることがわかる。
【００９０】
この図１３から明らかなように、電界の強くなる位置は、接続端子３８の端子３８ａからコイル３６の略１／４の長さの位置、すなわち、１／４通信波長に相当する長さの位置と、もう一方の端子３８ｂからコイル３６の略１／４の長さの位置とで、これらの位置を面内方向に貫いて強い電磁界結合を得ることができる。
【００９１】
以上のように、変形例に係る高周波結合器３０は、良好な通信特性を実現する。また、高周波結合器３０では、結合用電極３７として機能するコイル３６が誘電体基板３１内に形成されているので、例えば耐衝撃性などといった機械的強度を実現することができる。また、高周波結合器３０では、通信波長の１／２の長さからなるコイル３６ａのライン中央部３６ａ１と、通信波長の１／２の長さからなるコイル３６ｂのライン中央部３６ｂ１とを結ぶ延長線上に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することで、例えば、基板面に対して垂直方向に電磁界を放射する構造に比べて、通信性能を向上させるために誘電体基板を厚くする必要がなく、装置全体の小型化と低背化とを両立することができる。
【００９２】
さらに、図１４に示す解析結果から明らかなように、高周波結合器３０は、コイル３６の実効的なインダクタンスを向上させることができ、結果として、高周波結合器３０自体の結合効率を改善することができる。
【００９３】
図１４は、高周波結合器３０の共振周波数である４．４８ＧＨｚでの磁界ベクトル分布の解析結果を示すもので、誘電体基板３１の厚み方向中央の基板に平行な面内、すなわち、コイル３６の中心軸で基板と水平な断面での磁界ベクトル分布を示している。
【００９４】
この図１４では、コイル３６内部を貫く磁界が同方向となることを示している。高周波結合器３０は、位相の関係から半波長で高周波電流の極性が変わるという特性を考慮して、全長が一通信波長に相当するコイル３６の巻回方向を、１／４通信波長、３／４通信波長の長さにそれぞれ相当する中央部３６ａ１、３６ｂ１で反転させることで、コイル３６内部を貫く磁界が同方向となるようにすることができる。
【００９５】
このようにして、高周波結合器３０は、コイル内部において、局部的に極性の異なる電流によって発生する磁界が互いに打ち消しあってしまうという現象を防止することができる。これにより、高周波結合器３０は、コイル３６の実効的なインダクタンスを向上させることができ、結果として、高周波結合器３０自体の結合効率を改善することができる。
【００９６】
＜適用例＞
上記のように、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る高周波結合器１０、２０、３０は、装置全体の小型化と低背化とを両立するので、例えば図１５に示すような、携帯電話機などの携帯型電子機器６０の端面６０ａに設けられているスロット６１等に差し込んで通信を行うメモリーカード６２などに組み込むことができる。ここで、スロット６１内部に設けられた高周波結合器との位置関係よって、メモリ−カード６２に高周波結合器１０を設ける場合には、位置関係に制約が生じるが、第１の実施形態及び第２の実施形態に係る高周波結合器１０、２０、３０は、装置全体の小型化と低背化とを両立するので容易に組み込むことができるという利点がある。
【符号の説明】
【００９７】
１０、２０、３０、１０２、１０６ 高周波結合器、１１、２１、３１、３１１ 誘電体基板、１１ａ、６０ａ 端面、１２、３１２ ライン、１２ａ、２６ａ１、２６ｂ１、３６ａ１、３６ｂ１ ライン中央部、１２ｂ、１２ｃ 端部、１３、２０２、３１３ グランド、１４、３１４ 給電部、１５ 保護フィルム、１７、２７、３７、１０３、１０７、２０８ 結合用電極、２１ａ 上面、２１ｂ 下面、２３ａ、３３ａ 上面ライン、２３ｂ、３３ｂ 下面ライン、２４、３４ スルーホール、２６、２６ａ、２６ｂ、３６ａ、３６ｂ コイル、２８、３８ 接続端子、３８ａ、３８ｂ 端子、６０ 携帯型電子機器、６１ スロット、６２ メモリーカード、１００ 通信システム、１０１、１０５ 通信装置、１０４、１０８ 送受信回路部、１５０ 基準高周波結合器、１５０ａ 電極、２０１ プリント基板、２０３ スタブ、２０５ 送受信回路、２０７ 金属線、３００ アンテナ装置
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、
誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極を備え、
上記結合用電極は、
通信波長の１／２の長さからなり上記誘電体基板に形成された第１の配線と、該第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向するとともに該第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、
上記第１の配線の中央部と上記導体とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記導体は、上記第１の配線と上記誘電体基板の同一面上に形成されたグランドであり、
上記第１の配線は、上記グランドの外側に所定距離を隔てて形成された略ループ形状からなり、その一端が該グランドと電気的に接続されるとともに、他端が該グランドを基準とした給電電圧の入力端として電力供給されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
上記導体は、上記通信波長の１／２の長さからなる第２の配線であり、該第２の配線の一端が、上記第１の配線の一端と電気的に接続され、
上記結合用電極は、上記第１の配線の中央部と上記第２の配線の中央部とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記第１の配線、及び、上記第２の配線は、上記誘電体基板の上下面に亘ってスルーホールを介して巻回されたコイルからなることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
【請求項５】
上記第１の配線、及び、上記第２の配線は、それぞれの中央部において、巻回方向が反転していることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行う通信装置において、
誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、
上記結合用電極と電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記結合用電極は、
通信波長の１／２の長さからなり上記誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、該第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向するとともに該第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、
上記第１の配線の中央部と上記導体とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする通信装置。
【請求項１】
所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、
誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極を備え、
上記結合用電極は、
通信波長の１／２の長さからなり上記誘電体基板に形成された第１の配線と、該第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向するとともに該第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、
上記第１の配線の中央部と上記導体とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記導体は、上記第１の配線と上記誘電体基板の同一面上に形成されたグランドであり、
上記第１の配線は、上記グランドの外側に所定距離を隔てて形成された略ループ形状からなり、その一端が該グランドと電気的に接続されるとともに、他端が該グランドを基準とした給電電圧の入力端として電力供給されることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
上記導体は、上記通信波長の１／２の長さからなる第２の配線であり、該第２の配線の一端が、上記第１の配線の一端と電気的に接続され、
上記結合用電極は、上記第１の配線の中央部と上記第２の配線の中央部とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記第１の配線、及び、上記第２の配線は、上記誘電体基板の上下面に亘ってスルーホールを介して巻回されたコイルからなることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
【請求項５】
上記第１の配線、及び、上記第２の配線は、それぞれの中央部において、巻回方向が反転していることを特徴とする請求項４記載のアンテナ装置。
【請求項６】
所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行う通信装置において、
誘電体基板に形成され、他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、
上記結合用電極と電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記結合用電極は、
通信波長の１／２の長さからなり上記誘電体基板の一方の面に形成された第１の配線と、該第１の配線の中央部と誘電体基板の面方向に対向するとともに該第１の配線に電気的に接続された導体とを有し、
上記第１の配線の中央部と上記導体とを結ぶ延長線上に配置された上記他のアンテナ装置の電極と電磁界結合することを特徴とする通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【公開番号】特開２０１２−１７８８１３（Ｐ２０１２−１７８８１３Ａ）
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１４８５６６（Ｐ２０１１−１４８５６６）
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（０００１０８４１０）ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１３日（２０１２．９．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年７月４日（２０１１．７．４）
【公序良俗違反の表示】
（特許庁注：以下のものは登録商標）
１．テフロン
【出願人】（０００１０８４１０）ソニーケミカル＆インフォメーションデバイス株式会社 (595)
【Ｆターム（参考）】
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