電磁結合器及びそれを搭載した情報通信機器
【課題】給電系との整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を提供する。
【解決手段】電磁結合器２は、第１の導体パタン２ａと、この第１の導体パタン２ａと離間した第２の導体パタン２ｂとが誘電体からなるプリント基板の第１層２ｇに形成され、導体からなり、給電系２ｉに接続される給電パタン２ｅと、導体からなり、給電パタン２ｅと離間したグラウンドパタン２ｆとがプリント基板の第２層２ｈに形成され、第１層２ｇと第２層２ｈとが平行であるものである。
【解決手段】電磁結合器２は、第１の導体パタン２ａと、この第１の導体パタン２ａと離間した第２の導体パタン２ｂとが誘電体からなるプリント基板の第１層２ｇに形成され、導体からなり、給電系２ｉに接続される給電パタン２ｅと、導体からなり、給電パタン２ｅと離間したグラウンドパタン２ｆとがプリント基板の第２層２ｈに形成され、第１層２ｇと第２層２ｈとが平行であるものである。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに好適な電磁結合器及びそれを搭載した情報通信機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁結合器としては、特許文献１に記載されている電磁結合器がある。この電磁結合器（高周波結合器）は、平板上の電極と直列インダクタ、並列インダクタを高周波信号伝送路により接続して構成される。また、電磁結合器は、送信機や受信機などの情報通信機器に配置される。この送信機と受信機をそれぞれの電磁結合器の電極同士が向かい合うように配置すると、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、２つの電極は縦波の静電界成分によって結合し、１つの容量として動作し、全体としてバンドパスフィルタのように動作するため、２つの電磁結合器間で効率良く情報を伝達することが出来る。また、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界を利用し情報の伝達が可能である。
【０００３】
一方、電磁結合器間が一定値以上の遠距離である場合、情報の伝達が不可能である。このため、電磁結合器から生じる電磁波により他の無線通信システムを妨害することがなく、かつ電磁結合器を具備する情報通信機器を用いる無線通信システムが他の無線通信システムから干渉を受けることがないという特徴を持つ。これらの特徴に基づき、従来の電磁結合器を用いた無線通信システムによれば、近距離において縦波の静電界若しくは誘導電界を使い、広帯域信号を用いるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信方式により情報通信機器間で大容量のデータ通信を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３４５８５１号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１３１５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】羽石操、外２名，「小形・平面アンテナ」，社団法人電子情報通信学会，ｐ．２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、電磁結合器間において、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、バンドパスフィルタを実現することにより情報を効率よく伝達するが、相手の電磁結合器との相性が良くない場合に信号伝達の効率が劣化するという問題がある。つまり、従来の電磁結合器では、２つの電磁結合器の電極間が縦波の静電界成分により結合し、１つの容量として動作し、直列インダクタと並列インダクタによりバンドパスフィルタを実現している。
【０００７】
しかし、例えばこの電磁結合器を装置内部に搭載し無線通信を行う場合、電磁結合器間には誘電体を含む装置のカバー等があり、これにより電磁結合器間の誘電率が変化する。そうすると、２つの電磁結合器の電極間の容量の容量値が変化し、バンドパスフィルタの周波数特性が変化し、場合によっては所望の周波数帯域での情報伝達特性が劣化するという問題がある。この場合に、これら誘電率の変化を踏まえ電磁結合器の設計を行ったとしても、無線通信を行う装置がさらに別のものである場合、電磁結合器間の誘電率がさらに別の値となり、同様に無線通信の情報伝達特性が劣化してしまう。
【０００８】
また、２つの電磁結合器の電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界成分を利用し情報の伝達を行う。この際、２つの電磁結合器の配置と周囲環境を一定とした場合、情報伝達特性は電磁結合器と給電系との間の整合条件に依存する。つまり、整合条件が良い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が大きくなり、反対に整合条件が悪い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が小さくなる。
【０００９】
しかし、従来技術においては、電磁結合器を設計する際に、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合にバンドパスフィルタを実現するように設計されているが、さらに、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５における整合条件を考慮する必要がある。このため、例えば電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５において信号強度が不十分な場合、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下のバンドパスフィルタの実現も含め再設計が必要であり、電磁結合器の設計に手間がかかる。さらに、使用する周波数帯域が広帯域な場合、整合条件が適当となる周波数を多く実現する必要があり、さらに設計の手間がかかる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を提供することである。
【００１１】
また、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁結合器は、第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した少なくとも一つの第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドパタンとが第２の平面に形成され、前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドパタンとの間を電気的に接続する複数の線状導体が前記第１の平面と前記第２の平面との間に形成され、前記第１の平面と前記第２の平面とが平行であるものである。
【００１３】
上記の電磁結合器において、前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていても良い。
【００１４】
上記の電磁結合器において、前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であっても良い。
【００１５】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、前記グラウンドパタンと対向する位置に形成されても良い。
【００１６】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンに向かって伸びるように形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの少なくとも先端部を囲むように形成されていても良い。
【００１７】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンは、先端部が幅広に形成されていても良い。
【００１８】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンから構成され、前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれに向かって放射状に伸びるように形成されていても良い。
【００１９】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドパタンに接続されていても良い。
【００２０】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていても良い。
【００２１】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンから構成され、当該矩形状の導体パタンのそれぞれは、前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていても良い。
【００２２】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていても良い。
【００２３】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンとの最短距離が、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下であっても良い。
【００２４】
また、本発明の情報通信機器は、上記の電磁結合器を搭載し、静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。
【００２６】
また、本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合の調整及び帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図４】図４は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。
【図５】図５は、電界の縦波と横波を説明する図である。
【図６】図６は、式（５）、式（６）を元に計算した電界の波長と距離の比（ｒ／λ）と電界強度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図９】図９は、第４の実施形態に係る電磁結合器の周波数と反射係数の絶対値との関係についての実験結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る電磁結合器間及びモノポールアンテナ間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比の実験結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、図９と図１０の実験に用いる第４の実施形態の電磁結合器の寸法を示す図である。
【図１２】図１２は、図１０の実験に用いるモノポールアンテナの寸法を示す図である。
【図１３】図１３は、図１０の実験の実験方法を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第６の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第７の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明では図１に示すモデルからなる電磁結合器１を用いることで前述の課題の一つを解決する。図１の電磁結合器１は、１つの容量１ａと、１つの伝送線路１ｂからなる。特許文献２（特開２００６−１２１３１５号公報）に基づき、図１に示す電磁結合器１の入力インピーダンスＺinを求めると、伝送線路の特性インピーダンスをＺo、伝送線路の損失定数をα、伝送線路の電気長をｌ、容量をＣ、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器の入力インピーダンスＺinは、式（１）で近似が可能である。
【数１】
【００２９】
給電系との整合性の向上には、電磁結合器の入力インピーダンスを給電系のインピーダンスの複素共役にする必要がある。式（１）から分かるように、図１の構造の入力インピーダンスＺinは複素数となり、実数成分と虚数成分から構成されるが、損失定数αは実数成分のみに存在し、容量Ｃは虚数成分のみに存在する。このため、実数成分と虚数成分を独立に調整することができ、よって、給電系との整合調整が容易である。
また、給電系のインピーダンスをＺFとおくと、一般的に整合条件は、反射係数Γを用い式（２）のように表すことが可能である。
【数２】
【００３０】
式（２）から分かるように、整合条件が適当となる周波数の数、つまり周波数帯域は反射係数の周波数特性に依存する。さらに、一般的には給電系のインピーダンスＺFは一定であるので、周波数帯域は電磁結合器の入力インピーダンスＺinの周波数特性に依存する。また、周波数帯域は反射係数Γの周波数に対する変化の割合に依存し、例えば、反射係数Γの周波数に対する変化の割合が小さい場合は狭帯域の実現に適しており、逆の場合は広帯域の実現に適している。この関係は電磁結合器の入力インピーダンスＺinと周波数の間にも成り立つ。式（１）より、本発明による電磁結合器の入力インピーダンスＺinの周波数（角周波数ω）に対する変化の割合を式（３）に示す。
【数３】
【００３１】
式（３）より、例えば広帯域化を行う場合は、式（３）の伝送線路の特性インピーダンスＺoを減少させる、電気長ｌを減少させる、損失定数αを減少させる、または容量Ｃを増加させる、の少なくとも何れかにより可能である。このように、本発明のアンテナは整合条件の周波数に対する変化の割合の調整も可能であり、かつ前述のように整合調整が容易であるため、周波数帯域の調整が容易である。
【００３２】
また、図１に示す構造は伝送線路と容量からなる単純な構造であるため、例えば図２に示す本発明による第１の実施形態のように２層のプリント基板において実現が可能である。
【００３３】
［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器２について、図２を用いて説明する。
【００３４】
本実施の形態では、電磁結合器２は、一方の面に導体が形成される第１層２ｇを備え、他方の面に導体が形成される第２層２ｈを備えた２層のプリント基板が用いられている。図２（ａ）は、電磁結合器２の第１層２ｇを見た図であり、図２（ｂ）は、電磁結合器２の第２層２ｈを第１層２ｇ側から透過して見た図である。
【００３５】
図２に示す電磁結合器２は、第１の導体パタン２ａと、この第１の導体パタン２ａと離間した第２の導体パタン２ｂとが誘電体からなるプリント基板の第１層２ｇに形成され、導体からなり、給電系２ｉに接続される給電パタン２ｅと、導体からなり、給電パタン２ｅと離間したグラウンドパタン２ｆとがプリント基板の第２層２ｈに形成されている。第１層２ｇと第２層２ｈは平行である。
【００３６】
第２の導体パタン２ｂは、第１の導体パタン２ａよりも大きく形成されている。また、第２の導体パタン２ｂは、その全体がグラウンドパタン２ｆと対向する位置に形成されている。なお、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂとの最短距離は、電磁結合器２が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関してλ／８以下である。
【００３７】
第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間、並びに第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとの間は、それぞれ第２層２ｈに対して垂直に（グラウンドパタン２ｆに対しても垂直）形成された線状導体２ｃと線状導体２ｄによって電気的に接続されている。この線状導体２ｃ、２ｄは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。この導体は、スルーホールの内部に充填されていても良く、又は、スルーホールの内面に薄く設けられていても良い。
【００３８】
線状導体２ｃは、一端が第１の導体パタン２ａと接続され、他端が給電パタン２ｅと接続される。したがって、第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間は、線状導体２ｃにより電気的に接続される。また、線状導体２ｄは、一端が第２の導体パタン２ｂと接続され、他端がグラウンドパタン２ｆと接続される。したがって、第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとの間は、線状導体２ｄにより電気的に接続される。これらにより、給電パタン２ｅとグラウンドパタン２ｆとの間に給電がされる。なお、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂの空隙は、図１における容量１ａとして動作し、第２の導体パタン２ｂは、図１における伝送線路１ｂとして動作する。
【００３９】
給電系２ｉから電磁結合器２への給電は、例えば同軸ケーブルにより行うことができる。同軸ケーブルの中心導体は、給電パタン２ｅに接続され、同軸ケーブルの外部導体は、グラウンドパタン２ｆに接続される。給電系２ｉから電磁結合器２に給電することにより、第１の導体パタン２ａ、第２の導体パタン２ｂ、及び線状導体２ｃ、２ｄに電流が流れ、線状導体２ｃ、２ｄの電流から、２つの線状導体２ｃ、２ｄと平行な方向に電磁波の縦波成分が放射される。この縦波成分の大きさは電磁結合器２と給電系２ｉとの間の整合条件と正の相関関係にある。本発明に係る電磁結合器２は、前述のように整合調整が容易であるため、電磁波の縦波成分の大きさの調整が容易であり、十分な情報伝達の実現が可能である。さらに、電磁結合器２は、従来技術のようにバンドパスフィルタ構造を用いていないため、前述の電磁結合器間の誘電率の変化に基づく情報伝達特性の劣化の低減が可能である。
【００４０】
なお、従来の電磁結合器では、バンドパスフィルタを実現するために、電極、直列インダクタ、並列インダクタ、及び容量が必要であり、また、電極は直列インダクタ、並列インダクタ及びグラウンドパタンとは独立する層に配置される構造である。これを具現化する手法の一つとして、２層のプリント基板の片層に直列および並列のインダクタを、他層にグラウンドパタンを成形し、さらにこれらに別の電極を接続する方法がある。また、３層のプリント基板を用いて、それぞれの層に電極、直列および並列インダクタ、グラウンドパタンを形成し、電極とインダクタを線状導体で接続する方法がある。しかし、このような方法によると、電磁結合器の構造が複雑となり、コストも高くなる。一方、本発明では、第１の実施形態のように２層のプリント基板を用いて電磁結合器の実現が可能であり、例えばＦＲ４を介材とするプリント基板等を用いることが可能である。したがって、本発明の電磁結合器は、構造が単純でコストが低い電磁結合器の実現が可能である。
【００４１】
また、第２の導体パタン２ｂは、グラウンドパタン２ｆと対向する位置に形成されているが、第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとには、互いに逆方向に電流が流れる。このため、第２の導体パタン２ｂに流れる電流に基づく電界は、グラウンドパタン２ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消される。横波は距離に対する減衰量が縦波よりも小さく、横波の発生によって遠距離での通信が可能となるという問題が生じるが、電磁結合器２は、第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波の発生を抑制することが可能である。
【００４２】
また、第１の導体パタン２ａについても、第２の導体パタン２ｂと同様であり、第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅは、互いに対向して形成されているため逆方向の電流が流れるため、第１の導体パタン２ａに流れる電流に基づく電界は、給電パタン２ｅに流れる電流に基づく電界によって打ち消される。
【００４３】
したがって、本発明の電磁結合器は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに非常に好適であることが分かる。なお、第２の導体パタン２ｂに流れる電流に基づく電界をグラウンドパタン２ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消すとの作用効果は、第１層２ｇと第２層２ｈが平行であるときに最も有効である。
【００４４】
以上、本発明の第１の実施形態では、情報伝達特性が情報伝達を行うもう一方の電磁結合器との間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。この結果、誘電体を含むカバーで覆われた機器に電磁結合器を内蔵する場合であっても、情報伝達特性の劣化を低減することが可能であり、より多くの種類の情報通信機器への適応が容易となる。
【００４５】
また、従来技術と同等の情報伝達能力を維持しつつ、給電系との整合調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。したがって、電磁結合器を機器に搭載する場合に、電磁結合器を配置する空間や周囲環境により、電磁結合器の周波数特性の調整が必要であるが、給電系との整合調整を容易に行うことが可能であるため、この調整に要する時間の低減が可能であり、迅速に最適な電磁結合器の提供が可能となる。
【００４６】
［第２の実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器３を示す図である。図２に示した構造においては、２つの線状導体２ｃ、２ｄを流れる電流から生じ、かつ線状導体２ｃ、２ｄと平行である電磁波の縦波成分を利用し、近距離での情報伝達を行い、かつ第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波を抑制している。しかし、この横波が抑制しきれない場合、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波が発生し、遠距離での通信が可能となる問題が生じる。この問題を回避するために、本実施の形態は、図２の第１層２ｇの第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを図３に示すように変更した。
【００４７】
すなわち、図３に示す第２の実施形態の電磁結合器３は、第１の導体パタン３ａと、第１の導体パタン３ａと離間し、２つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃからなる第２の導体パタンとがプリント基板の第１層３ｉに形成され、導体からなり、給電系３ｋに接続される給電パタン３ｇと、導体からなり、給電パタン３ｇと離間したグラウンドパタン３ｈとがプリント基板の第２層３ｊに形成されている。第１の導体パタン３ａと給電パタン３ｇとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｄによって電気的に接続されている。また、第２の導体パタンを構成する２つの導体パタン３ｂ、３ｃとグラウンドパタン３ｈとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｅ、３ｆによってそれぞれ電気的に接続されている。この線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。線状導体３ｄは、一端が第１の導体パタン３ａと接続され、他端が給電パタン３ｇと接続され、線状導体３ｅ、３ｆは、それぞれ一端が第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃと接続され、他端がグラウンドパタン３ｈと接続される。このようにして、電磁結合器３は、給電パタン３ｇとグラウンドパタン３ｈの間に給電がされる。
【００４８】
第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃは、同一形状をしていて、第１の導体パタン３ａを挟み込むように配置されている。このように２つの導体パタン３ｂ、３ｃを配置することで、両導体パタン３ｂ、３ｃから生じる電磁波の横波成分を相殺させることが可能であり、横波成分の低減が可能である。特に、第１の導体パタン３ａと２つの導体パタン３ｂ、３ｃとの形状と配置位置、３つの線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆの配置位置が、第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄの接続点に関し点対称である場合、２つの導体パタン３ｂ、３ｃには、逆方向でありかつ大きさの等しい電流が流れるため、これら電流から生じる電磁波の横波成分のさらなる低減が可能である。また、本実施の形態では、グラウンドパタン３ｈは、給電パタン３ｇを囲むように形成されている。これにより、横波がさらに生じ難くなるという効果が得られる。
【００４９】
この電磁結合器３の作用効果について、さらに詳細に説明する。第２の実施形態の電磁結合器３のモデルは図４となる。伝送線路４ｂ、４ｄの特性インピーダンスをＺo’、損失定数をα’、電気長をｌ’とし、容量４ａ、４ｃの容量値をＣ’、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ’／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器４の入力インピーダンスＺin’は式（４）となる。
【数４】
【００５０】
式（４）から分かるように、図４の構造の入力インピーダンスＺin’は図１のものと同じ形となる。よって、図３、４記載の電磁結合器も図１、２に示す電磁結合器と同様に、整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能である。
【００５１】
図５は、電界の縦波と横波を説明する図である。式（５）、式（６）、および図５に示すように、微小ダイポール（Il）から生じる電界には縦波（Er）と横波（Eθ）がある（非特許文献１）。
【００５２】
【数５】
【００５３】
【数６】
【００５４】
ここで、Ilは原点Oを通りＺ軸上にある微小ダイポールを、Erは観測点Ｐにおける縦波を、Eθは観測点Ｐにおける横波を、rは微小ダイポールから観測点Ｐまでの距離を、koは波数を、jは虚数単位を、wは角周波数を、εoは真空の誘電率を、θはＺ軸（微小ダイポール）と観測点Ｐのなす角を示す。
【００５５】
図６に式（５）と式（６）を元に計算した電界の波長と距離の比（ｒ／λ）と電界強度との関係を示す。図６の横軸は電界の波長と距離の比（ｒ／λ）を示し、図６の縦軸は電界強度を対数で示している。図６には、以下の（ａ）〜（ｅ）の５つの電界成分の大きさを示す。
【００５６】
（ａ）縦波の１／ｒ＾２を含む項の絶対値
（ｂ）縦波の１／ｒ＾３を含む項の絶対値
（ｃ）横波の１／ｒ＾１を含む項の絶対値
（ｄ）横波の１／ｒ＾２を含む項の絶対値
（ｅ）横波の１／ｒ＾３を含む項の絶対値
【００５７】
図３に示す第２の実施形態においては、２つの第１の実施形態に係る電磁結合器２を、線状導体２ｃを共有するように並列接続したものであり、第１層３ｉにおいて第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄと接続点を中心に点対称な構造となっている。これにより、導体パタン３ｂと３ｃを流れる電流は逆向きとなるため、これら電流から放射される電磁波の横波成分は相殺され、横波成分の放射をより低減することが可能である。一方、電磁結合器３は、式（５）と式（６）における縦波の１／ｒ＾２を含む項と縦波の１／ｒ＾３を含む項に基づく電磁波が線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆと平行な方向に放射される。したがって、電磁結合器３は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに非常に好適であることが分かる。
【００５８】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に関し、図７を用いて説明する。
【００５９】
第３の実施形態の電磁結合器７は、誘電体を介材とし、その一方の面に導体が形成される第１層７ｇを備え、その他方の面に導体が形成される第２層７ｈを備えた２層のプリント基板で構成されている。電磁結合器７は、第１の導体パタン７ａと、この第１の導体パタン７ａと離間した第２の導体パタン７ｂとがプリント基板の第１層７ｇに形成され、導体からなり、給電系７ｉに接続される給電パタン７ｅと、導体からなり、給電パタン７ｅと離間したグラウンドパタン７ｆとがプリント基板の第２層７ｈに形成されている。
【００６０】
本実施の形態では、第１の導体パタン７ａは、第２の導体パタン７ｂに向かって伸びるように形成されている。また、第１の導体パタン７ａの先端部７ｐは、幅広に形成されている。一方、第２の導体パタン７ｂは、第１の導体パタン７ａの少なくとも先端部を囲むように形成されている。第２の導体パタン７ｂは、第１の導体パタン７ａよりも大きく、且つその全体がグラウンドパタン７ｆと対向するように形成されている。なお、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂとの最短距離は、電磁結合器７が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下である。
【００６１】
第１の導体パタン７ａと給電パタン７ｅとの間は、第２層７ｈに対して垂直に形成された線状導体７ｃによって電気的に接続されている。つまり、線状導体７ｃは、一端が第１の導体パタン７ａに接続され、もう一端が給電パタン７ｅに接続される。また、第２の導体パタン７ｂとグラウンドパタン７ｆとの間は、第２層７ｈに対して垂直に形成された２つの線状導体７ｄ、７ｄによって電気的に接続されている。つまり、２つの線状導体７ｄ、７ｄは、それぞれ一端が第２の導体パタン７ｂに接続され、他端はグラウンドパタン７ｆに接続されている。なお、線状導体７ｃ、７ｄは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。
【００６２】
第３の実施形態は、第１の実施形態に対して、図１に示すモデルにおいて容量１ａの増加を図るものである。すなわち、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂが対向する辺の長さを第１の実施形態の電磁結合器２と比較して大きくすることによって、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂとによる容量を第１の実施形態と比較してより大きくすることが可能である。このため、式（１）または式（４）から分かるように、電磁結合器の入力インピーダンスの虚数成分が零となる共振周波数（角周波数ω）が小さくなる。このため、本実施形態によると、電磁結合器の小型化が可能である。
【００６３】
また、容量１ａがとり得る容量値の範囲が広がることで、式（１）、（２）、（３）からわかるように、電磁結合器の厚みや介材の変更による特性インピーダンスＺｏ、損失定数α、及び電気長ｌの変化に対し、電磁結合器の整合条件および帯域の保持が可能である。このため、本実施形態によると、電磁結合器の設計自由度が増し、電磁結合器の薄型化や小型化が可能である。
【００６４】
なお、第１の導体パタン７ａの先端部７ｐが幅広に形成されていることによって、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂが対向する辺の長さをより長くとることが可能である。先端部７ｐの形状は、第３の実施形態の矩形状以外にも、円形状や星形状にすることも可能である。
【００６５】
また、第２の導体パタン７ｂは、グラウンドパタン７ｆと対向する位置に形成されているため、第２の導体パタン７ｂとグラウンドパタン７ｆとに互いに逆方向の電流が流れる。これにより、第２の導体パタン７ｂに流れる電流に基づく電界は、グラウンドパタン７ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消されるため、第２の導体パタン７ｂを流れる電流による横波の発生を抑制することが可能である。なお、第１層７ｇと第２層７ｈとが平行であるとき、第２の導体パタン７ｂを流れる電流による横波の発生を最も効果的に抑制することが可能である。
【００６６】
一方、第１の導体パタン７ａは、給電パタン７ｅとグラウンドパタン７ｆとこれらの間の非導体部分に対向しているため、横波発生を抑制する効果は大きくない。しかし、第１の導体パタン７ａは、第２の導体パタン７ｂよりも小さいため、横波の発生も第２の導体パタン７ｂよりも小さい。したがって、第２の導体パタン７ｂの方をグラウンドパタン７ｆと対向する位置に形成することによって、より効果的に横波の発生を抑制することが可能である。
【００６７】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に関し、図８を用いて説明する。
【００６８】
第４の実施形態の電磁結合器８は、４つの第３の実施形態に係る電磁結合器７を、線状導体７ｃを共有するように並列接続したものである。すなわち、電磁結合器８は、プリント基板の中央から４方向に放射状に伸びる第１の導体パタン８ａと、この第１の導体パタン８ａと離間した４つの第２の導体パタン８ｂとがプリント基板の第１層８ｇに形成され、給電系８ｉに接続される給電パタン８ｅと、この給電パタン８ｅと離間したグラウンドパタン８ｆとがプリント基板の第２層８ｈに形成され、第１の導体パタン８ａの中央には、１つの線状導体８ｃが形成されたものである。グラウンドパタン８ｆと各第２の導体パタン８ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体８ｄが形成されている。
【００６９】
線状導体８ｃは、一端が第１の導体パタン８ａに接続されると共にもう一端が給電パタン８ｅに接続されている。同様に、線状導体８ｄは、一端が第２の導体パタン８ｂに接続されると共にもう一端がグラウンドパタン８ｆに接続されている。線状導体８ｃ、８ｄは、第２層８ｈに対して垂直となるように形成されている。
【００７０】
このように形成された電磁結合器８は、第１層８ｇにおいて、第１の導体パタン８ａと線状導体８ｃと接続点を中心に点対称な構造となっている。これにより、本実施形態の電磁結合器８は、第１の導体パタン８ａと第２の導体パタン８ｂから放射される電磁波の横波成分が相殺され、横波成分の放射を低減することが可能である。また、本実施形態の電磁結合器８は、４つの電磁結合器７を形成していることによって、縦波を放射する線状導体８ｃ、８ｄの配置が広範囲となるため、結合範囲の広い電磁結合器を実現することが可能である。また、４つの第３の実施形態に係る電磁結合器７が並列に接続されているため、電磁結合器８の入力インピーダンスＺinは式（４）の半分となるが、これは容量Ｃ等を変更することで容易に調整が可能であるため、給電系との整合条件の調整に問題は生じない。
【００７１】
なお、第３の実施形態の電磁結合器７において、線状導体７ｄの配置を広範囲とする目的で第２の導体パタン７ｂを大きくすることは、容易ではない。すなわち、第２の導体パタン７ｂを大きくすると、式（４）におけるＺo’、ｌ’、α’が変化し、電磁結合器の入力インピーダンスＺinが変化する。この結果、給電系との整合状態が劣化するため、放射電界強度が低下し、電磁結合器の結合強度が劣化するという問題が生じる。したがって、第２の導体パタン７ｂの大きさには制限がある。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施形態に関する実験結果を示す。
【００７３】
まず、図９は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器８の周波数と反射係数の絶対値との関係を調査した実験結果である。この実験では、図１１に示す形状の電磁結合器８を使用した。電磁結合器８は、厚さ１．６ｍｍのＦＲ４両面（２層）基板を用いて形成され、電磁結合器８の各寸法は、図１１に示す通りである。また、反射係数の絶対値は、ネットワークアナライザを用いて測定した。
【００７４】
図９の実験結果によると、周波数が４．１２ＧＨｚ〜４．７６ＧＨｚにおいて、反射係数の絶対値は０．７以下である。したがって、電磁結合器８は、広帯域な周波数特性を実現していることが分かる。
【００７５】
また、図１０は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器８とモノポールアンテナに関して、２つの電磁結合器８の間、及び２つのモノポールアンテナの間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比との関係を調査した実験結果である。この実験では、図９の実験と同じ電磁結合器８を使用した。また、実験では、図１２に示すモノポールアンテナ１２を使用した。モノポールアンテナ１２は、プリント基板１２ａと、プリント基板１２ａの表面に形成された２つの矩形導体１２ｂ、１２ｃとからなる。２つの矩形導体１２ｂ、１２ｃは、離間して形成されており、矩形導体１２ｂは放射導体として動作し、矩形導体１２ｃはグラウンドとして動作する。矩形導体１２ｂ、１２ｃの間において給電がされる。モノポールアンテナ１２は、厚さ２．４ｍｍのＦＲ４片面基板を用いて形成され、Ｌ’１＝２２．０ｍｍ、Ｌ’２＝１０．０ｍｍ、Ｌ’３＝１．０ｍｍ、Ｌ’４＝２０．０ｍｍ、Ｌ’５＝９．５ｍｍ、Ｌ’６＝１．０ｍｍである。モノポールアンテナ１２は、一般的に利用されているアンテナであり、横波を用いた無線通信に適用されている。
【００７６】
また、図１３を用いて実験系を述べる。実験では２つの被測定物１３ａ、１３ｂ、すなわち、２つの電磁結合器８又は２つのモノポールアンテナ１２は、平行に対向して配置され、一方の被測定物１３ａの中心を通る垂線が、他方の被測定物１３ｂの中心を通るように配置される。また、被測定物１３ａ、１３ｂは、同軸ケーブル１３ｃ、１３ｄを介し１つのネットワークアナライザ１３ｅの２つの端子に接続されている。ネットワークアナライザ１３ｅの一方の端子から出力される電力に対する他方の端子から入力される電力の比（Ｓ２１の絶対値）、すなわち、電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比を評価する。
【００７７】
図１０は、２つの図１１の電磁結合器８の間、及び２つの図１２のモノポールアンテナ１２の間のＳ２１の絶対値と距離との関係についての実験結果を示す。実験では、周波数が４．５ＧＨｚの信号を使用しており、図１０の横軸は、この使用周波数の波長に対する被測定物間の距離の比とした。
【００７８】
図１０から分かるように、本発明による第４の実施形態の電磁結合器８では、距離に対する減衰が横波より大きい縦波を用い無線通信を行っているため、横波を用いて無線通信を行うモノポールアンテナ１２より距離に対するＳ２１の絶対値の傾きの絶対値が大きい。例えば、波長に対する被測定物間の距離の比が０．７付近では、電磁結合器８のＳ２１は、モノポールアンテナ１２が約−１８ｄＢであるのに対し、電磁結合器８が約−３５ｄＢである。一方、波長に対する被測定物間の距離の比が小さくなるにしたがい、電磁結合器８のＳ２１とモノポールアンテナ１３との差が小さくなる。したがって、電磁結合器８は、比較的に遠方での無線通信強度が弱く、近距離無線通信に適していることが分かる。
【００７９】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に関し、図１４を用いて説明する。第５の実施形態の電磁結合器１４は、第２の実施形態の電磁結合器３に第２の導体パタンを構成する導体パタン１４ｌ、１４ｍ、及び線状導体１４ｎ、１４ｏを加えたものである。第１の導体パタン３ａと４つの第２の導体パタン３ｂ、３ｃ、１４ｌ、１４ｍとの最短距離は、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関してλ／８以下である。また、２つの線状導体１４ｎ、１４ｏは、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成されている。線状導体１４ｎは、一端が導体パタン１４ｌと接続され、もう一端がグラウンドパタン３ｈと接続され、線状導体１４ｏは、一端が導体パタン１４ｍと接続され、もう一端がグラウンドパタン３ｈと接続されている。
【００８０】
ここで、線状導体１４ｎ、１４ｏは、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｅと線状導体３ｄと線状導体３ｆを通る直線と線状導体１４ｎと線状導体３ｄと線状導体１４ｏを通る直線とが９０°の角度をなすように配置される。つまり、４つの線状導体３ｅ、３ｆ、１４ｎ、１４ｏは、第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄとの接続点を中心に、９０度の角度間隔に形成されているまた、導体パタン１４ｌ、１４ｍは、線状導体１４ｎと線状導体３ｄと線状導体１４ｏを通る直線に沿って配置される。つまり、第２の導体パタンを構成する４つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃ、１４ｌ、１４ｍは、それぞれ第１の導体パタン３ａの外周の各辺と対向するように放射状に形成されている。
【００８１】
このように導体パタン１４ｌ、１４ｍ、及び線状導体１４ｎ、１４ｏを加えることで、第５の実施形態の電磁結合器１４は、第２の実施形態と比較して、線状導体から放射される電磁波の縦波成分を偏り無く放射することが可能であり、方向による通信能力のばらつきを低減することが可能である。なお、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｄを中心として放射状に導体パタンと線状導体を追加することも可能である。この場合、電磁結合器から放出される電磁波の縦波成分の偏りをさらに低減させることが可能である。
【００８２】
なお、本実施形態の電磁結合器１４は、第１層３ｉにおいて点対称な構造となっているため、第４の実施形態の電磁結合器８と同様に、第２の導体パタンから放射される電磁波の横波成分が相殺され、横波成分がより低減される。
【００８３】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に関し、図１５を用いて説明する。
【００８４】
第６の実施形態の電磁結合器１５は、８つの第３の実施形態に係る電磁結合器７を、線状導体７ｃを共有するように並列接続したものである。すなわち、電磁結合器１５は、プリント基板の中央から８方向に放射状に伸びる第１の導体パタン１５ａと、この第１の導体パタン１５ａと離間した８つの第２の導体パタン１５ｂとがプリント基板の第１層１５ｇに形成され、給電系１５ｉに接続される給電パタン１５ｅと、この給電パタン１５ｅと離間したグラウンドパタン１５ｆとがプリント基板の第２層１５ｈに形成され、第１の導体パタン１５ａの中央には、１つの線状導体１５ｃが形成されたものである。また、グラウンドパタン１５ｆと各第２の導体パタン１５ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体１５ｄが形成されている。
【００８５】
第１の導体パタン１５ａは、４５度間隔で８方向に放射状に伸びているが、その伸びの長さは、長短が交互になっている。なお、放射状に伸びた第１の導体パタン１５ａの先端部１５ｐは、それぞれ矩形状に幅広となっている。８つの第２の導体パタン１５ｄは、矩形状に形成された先端部１５ｐに合致するように、内周が同様の矩形状に形成されている。
【００８６】
線状導体１５ｃは、一端が第１の導体パタン１５ａに接続されると共にもう一端が給電パタン１５ｅに接続されている。同様に、線状導体１５ｄは、一端が第２の導体パタン１５ｂに接続されると共にもう一端がグラウンドパタン１５ｆに接続されている。線状導体１５ｃ、１５ｄは、第２層１５ｈに対して垂直となるように形成されている。
【００８７】
このように複数の第３の実施形態係る電磁結合器７を平面的且つ点対象に配置することにより、縦波を放射する線状導体１５ｄの配置が広範囲となって結合範囲を広範囲とすることが可能であると共に、同時に電磁波の横波成分の放射を低減することが可能である。
【００８８】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に関し、図１６を用いて説明する。
【００８９】
第７の実施形態の電磁結合器１６は、第６の実施形態の電磁結合器１５において、８方向に放射状に伸びる第１の導体パタンの長さを等しくしたものである。すなわち、電磁結合器１６は、プリント基板の中央から４５度間隔で放射状に伸びる第１の導体パタン１６ａと、この第１の導体パタン１６ａと離間した８つの第２の導体パタン１６ｂとがプリント基板の第１層１６ｇに形成され、給電系１６ｉに接続される給電パタン１６ｅと、この給電パタン１６ｅと離間したグラウンドパタン１６ｆとがプリント基板の第２層１６ｈに形成され、第１の導体パタン１６ａの中央には、１つの線状導体１６ｃが形成されたものである。また、グラウンドパタン１６ｆと各第２の導体パタン１６ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体１６ｄが形成されている。
【００９０】
第７の実施形態の電磁結合器１６は、第６の実施形態の電磁結合器１５と同様の作用効果を奏するが、結合範囲に偏りをより低減することが可能である。なお、結合範囲を増加するために、８つより多くの第３の実施例の電磁結合器を並列に配置してもよい。
【００９１】
以上、本発明の実施形態を図示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術思想、技術的範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正が可能であることは明らかである。
【００９２】
例えば、上記の実施形態では、２層のプリント基板の一方の面に第１の導体パタンと第２の導体パタンを形成し、他方の面に給電パタンとグラウンドを形成した実施形態を示したが、３層以上のプリント基板を用い、そのプリント基板の何れか２層を用いることも可能である。また、上記の実施形態では、２層のプリント基板を用いた電磁結合器を示したが、プリント基板を用いずに銅や鉄などの導体からなる導体板を用いて電磁結合器を形成することも可能である。さらに、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間の空隙により容量を実現したが、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間にさらに容量（例えばチップ容量）を設けることも可能である。これらのような変更及び修正は全て本発明の技術思想、技術的範囲に包含されるべきものである。
【符号の説明】
【００９３】
１〜４、７、８、１４〜１６ ・・・ 電磁結合器
１ａ ・・・ 容量
１ｂ ・・・ 伝送線路
１ｃ ・・・ 給電系
４ａ、４ｃ ・・・ 容量
４ｂ、４ｄ ・・・ 伝送線路
４ｅ ・・・ 給電系
１２ ・・・ モノポールアンテナ
１３ａ、１３ｂ ・・・ 被測定物
１３ｃ、１３ｄ ・・・ 同軸ケーブル
１３ｅ・・・ ネットワークアナライザ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに好適な電磁結合器及びそれを搭載した情報通信機器に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁結合器としては、特許文献１に記載されている電磁結合器がある。この電磁結合器（高周波結合器）は、平板上の電極と直列インダクタ、並列インダクタを高周波信号伝送路により接続して構成される。また、電磁結合器は、送信機や受信機などの情報通信機器に配置される。この送信機と受信機をそれぞれの電磁結合器の電極同士が向かい合うように配置すると、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、２つの電極は縦波の静電界成分によって結合し、１つの容量として動作し、全体としてバンドパスフィルタのように動作するため、２つの電磁結合器間で効率良く情報を伝達することが出来る。また、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界を利用し情報の伝達が可能である。
【０００３】
一方、電磁結合器間が一定値以上の遠距離である場合、情報の伝達が不可能である。このため、電磁結合器から生じる電磁波により他の無線通信システムを妨害することがなく、かつ電磁結合器を具備する情報通信機器を用いる無線通信システムが他の無線通信システムから干渉を受けることがないという特徴を持つ。これらの特徴に基づき、従来の電磁結合器を用いた無線通信システムによれば、近距離において縦波の静電界若しくは誘導電界を使い、広帯域信号を用いるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信方式により情報通信機器間で大容量のデータ通信を行うことが可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４３４５８５１号公報
【特許文献２】特開２００６−１２１３１５号公報
【非特許文献】
【０００５】
【非特許文献１】羽石操、外２名，「小形・平面アンテナ」，社団法人電子情報通信学会，ｐ．２３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
このように、電磁結合器間において、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、バンドパスフィルタを実現することにより情報を効率よく伝達するが、相手の電磁結合器との相性が良くない場合に信号伝達の効率が劣化するという問題がある。つまり、従来の電磁結合器では、２つの電磁結合器の電極間が縦波の静電界成分により結合し、１つの容量として動作し、直列インダクタと並列インダクタによりバンドパスフィルタを実現している。
【０００７】
しかし、例えばこの電磁結合器を装置内部に搭載し無線通信を行う場合、電磁結合器間には誘電体を含む装置のカバー等があり、これにより電磁結合器間の誘電率が変化する。そうすると、２つの電磁結合器の電極間の容量の容量値が変化し、バンドパスフィルタの周波数特性が変化し、場合によっては所望の周波数帯域での情報伝達特性が劣化するという問題がある。この場合に、これら誘電率の変化を踏まえ電磁結合器の設計を行ったとしても、無線通信を行う装置がさらに別のものである場合、電磁結合器間の誘電率がさらに別の値となり、同様に無線通信の情報伝達特性が劣化してしまう。
【０００８】
また、２つの電磁結合器の電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界成分を利用し情報の伝達を行う。この際、２つの電磁結合器の配置と周囲環境を一定とした場合、情報伝達特性は電磁結合器と給電系との間の整合条件に依存する。つまり、整合条件が良い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が大きくなり、反対に整合条件が悪い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が小さくなる。
【０００９】
しかし、従来技術においては、電磁結合器を設計する際に、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合にバンドパスフィルタを実現するように設計されているが、さらに、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５における整合条件を考慮する必要がある。このため、例えば電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５において信号強度が不十分な場合、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下のバンドパスフィルタの実現も含め再設計が必要であり、電磁結合器の設計に手間がかかる。さらに、使用する周波数帯域が広帯域な場合、整合条件が適当となる周波数を多く実現する必要があり、さらに設計の手間がかかる。
【００１０】
そこで、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を提供することである。
【００１１】
また、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記目的を達成するために、本発明に係る電磁結合器は、第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した少なくとも一つの第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドパタンとが第２の平面に形成され、前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドパタンとの間を電気的に接続する複数の線状導体が前記第１の平面と前記第２の平面との間に形成され、前記第１の平面と前記第２の平面とが平行であるものである。
【００１３】
上記の電磁結合器において、前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていても良い。
【００１４】
上記の電磁結合器において、前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であっても良い。
【００１５】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、前記グラウンドパタンと対向する位置に形成されても良い。
【００１６】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンに向かって伸びるように形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの少なくとも先端部を囲むように形成されていても良い。
【００１７】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンは、先端部が幅広に形成されていても良い。
【００１８】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンから構成され、前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれに向かって放射状に伸びるように形成されていても良い。
【００１９】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドパタンに接続されていても良い。
【００２０】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていても良い。
【００２１】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンから構成され、当該矩形状の導体パタンのそれぞれは、前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていても良い。
【００２２】
上記の電磁結合器において、前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていても良い。
【００２３】
上記の電磁結合器において、前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンとの最短距離が、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下であっても良い。
【００２４】
また、本発明の情報通信機器は、上記の電磁結合器を搭載し、静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達するものである。
【発明の効果】
【００２５】
本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。
【００２６】
また、本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合の調整及び帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。
【図２】図２は、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図３】図３は、本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図４】図４は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。
【図５】図５は、電界の縦波と横波を説明する図である。
【図６】図６は、式（５）、式（６）を元に計算した電界の波長と距離の比（ｒ／λ）と電界強度との関係を示すグラフである。
【図７】図７は、本発明の第３の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図８】図８は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図９】図９は、第４の実施形態に係る電磁結合器の周波数と反射係数の絶対値との関係についての実験結果を示すグラフである。
【図１０】図１０は、第４の実施形態に係る電磁結合器間及びモノポールアンテナ間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比の実験結果を示すグラフである。
【図１１】図１１は、図９と図１０の実験に用いる第４の実施形態の電磁結合器の寸法を示す図である。
【図１２】図１２は、図１０の実験に用いるモノポールアンテナの寸法を示す図である。
【図１３】図１３は、図１０の実験の実験方法を示す図である。
【図１４】図１４は、本発明の第５の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図１５】図１５は、本発明の第６の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【図１６】図１６は、本発明の第７の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
本発明では図１に示すモデルからなる電磁結合器１を用いることで前述の課題の一つを解決する。図１の電磁結合器１は、１つの容量１ａと、１つの伝送線路１ｂからなる。特許文献２（特開２００６−１２１３１５号公報）に基づき、図１に示す電磁結合器１の入力インピーダンスＺinを求めると、伝送線路の特性インピーダンスをＺo、伝送線路の損失定数をα、伝送線路の電気長をｌ、容量をＣ、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器の入力インピーダンスＺinは、式（１）で近似が可能である。
【数１】
【００２９】
給電系との整合性の向上には、電磁結合器の入力インピーダンスを給電系のインピーダンスの複素共役にする必要がある。式（１）から分かるように、図１の構造の入力インピーダンスＺinは複素数となり、実数成分と虚数成分から構成されるが、損失定数αは実数成分のみに存在し、容量Ｃは虚数成分のみに存在する。このため、実数成分と虚数成分を独立に調整することができ、よって、給電系との整合調整が容易である。
また、給電系のインピーダンスをＺFとおくと、一般的に整合条件は、反射係数Γを用い式（２）のように表すことが可能である。
【数２】
【００３０】
式（２）から分かるように、整合条件が適当となる周波数の数、つまり周波数帯域は反射係数の周波数特性に依存する。さらに、一般的には給電系のインピーダンスＺFは一定であるので、周波数帯域は電磁結合器の入力インピーダンスＺinの周波数特性に依存する。また、周波数帯域は反射係数Γの周波数に対する変化の割合に依存し、例えば、反射係数Γの周波数に対する変化の割合が小さい場合は狭帯域の実現に適しており、逆の場合は広帯域の実現に適している。この関係は電磁結合器の入力インピーダンスＺinと周波数の間にも成り立つ。式（１）より、本発明による電磁結合器の入力インピーダンスＺinの周波数（角周波数ω）に対する変化の割合を式（３）に示す。
【数３】
【００３１】
式（３）より、例えば広帯域化を行う場合は、式（３）の伝送線路の特性インピーダンスＺoを減少させる、電気長ｌを減少させる、損失定数αを減少させる、または容量Ｃを増加させる、の少なくとも何れかにより可能である。このように、本発明のアンテナは整合条件の周波数に対する変化の割合の調整も可能であり、かつ前述のように整合調整が容易であるため、周波数帯域の調整が容易である。
【００３２】
また、図１に示す構造は伝送線路と容量からなる単純な構造であるため、例えば図２に示す本発明による第１の実施形態のように２層のプリント基板において実現が可能である。
【００３３】
［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器２について、図２を用いて説明する。
【００３４】
本実施の形態では、電磁結合器２は、一方の面に導体が形成される第１層２ｇを備え、他方の面に導体が形成される第２層２ｈを備えた２層のプリント基板が用いられている。図２（ａ）は、電磁結合器２の第１層２ｇを見た図であり、図２（ｂ）は、電磁結合器２の第２層２ｈを第１層２ｇ側から透過して見た図である。
【００３５】
図２に示す電磁結合器２は、第１の導体パタン２ａと、この第１の導体パタン２ａと離間した第２の導体パタン２ｂとが誘電体からなるプリント基板の第１層２ｇに形成され、導体からなり、給電系２ｉに接続される給電パタン２ｅと、導体からなり、給電パタン２ｅと離間したグラウンドパタン２ｆとがプリント基板の第２層２ｈに形成されている。第１層２ｇと第２層２ｈは平行である。
【００３６】
第２の導体パタン２ｂは、第１の導体パタン２ａよりも大きく形成されている。また、第２の導体パタン２ｂは、その全体がグラウンドパタン２ｆと対向する位置に形成されている。なお、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂとの最短距離は、電磁結合器２が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関してλ／８以下である。
【００３７】
第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間、並びに第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとの間は、それぞれ第２層２ｈに対して垂直に（グラウンドパタン２ｆに対しても垂直）形成された線状導体２ｃと線状導体２ｄによって電気的に接続されている。この線状導体２ｃ、２ｄは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。この導体は、スルーホールの内部に充填されていても良く、又は、スルーホールの内面に薄く設けられていても良い。
【００３８】
線状導体２ｃは、一端が第１の導体パタン２ａと接続され、他端が給電パタン２ｅと接続される。したがって、第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間は、線状導体２ｃにより電気的に接続される。また、線状導体２ｄは、一端が第２の導体パタン２ｂと接続され、他端がグラウンドパタン２ｆと接続される。したがって、第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとの間は、線状導体２ｄにより電気的に接続される。これらにより、給電パタン２ｅとグラウンドパタン２ｆとの間に給電がされる。なお、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂの空隙は、図１における容量１ａとして動作し、第２の導体パタン２ｂは、図１における伝送線路１ｂとして動作する。
【００３９】
給電系２ｉから電磁結合器２への給電は、例えば同軸ケーブルにより行うことができる。同軸ケーブルの中心導体は、給電パタン２ｅに接続され、同軸ケーブルの外部導体は、グラウンドパタン２ｆに接続される。給電系２ｉから電磁結合器２に給電することにより、第１の導体パタン２ａ、第２の導体パタン２ｂ、及び線状導体２ｃ、２ｄに電流が流れ、線状導体２ｃ、２ｄの電流から、２つの線状導体２ｃ、２ｄと平行な方向に電磁波の縦波成分が放射される。この縦波成分の大きさは電磁結合器２と給電系２ｉとの間の整合条件と正の相関関係にある。本発明に係る電磁結合器２は、前述のように整合調整が容易であるため、電磁波の縦波成分の大きさの調整が容易であり、十分な情報伝達の実現が可能である。さらに、電磁結合器２は、従来技術のようにバンドパスフィルタ構造を用いていないため、前述の電磁結合器間の誘電率の変化に基づく情報伝達特性の劣化の低減が可能である。
【００４０】
なお、従来の電磁結合器では、バンドパスフィルタを実現するために、電極、直列インダクタ、並列インダクタ、及び容量が必要であり、また、電極は直列インダクタ、並列インダクタ及びグラウンドパタンとは独立する層に配置される構造である。これを具現化する手法の一つとして、２層のプリント基板の片層に直列および並列のインダクタを、他層にグラウンドパタンを成形し、さらにこれらに別の電極を接続する方法がある。また、３層のプリント基板を用いて、それぞれの層に電極、直列および並列インダクタ、グラウンドパタンを形成し、電極とインダクタを線状導体で接続する方法がある。しかし、このような方法によると、電磁結合器の構造が複雑となり、コストも高くなる。一方、本発明では、第１の実施形態のように２層のプリント基板を用いて電磁結合器の実現が可能であり、例えばＦＲ４を介材とするプリント基板等を用いることが可能である。したがって、本発明の電磁結合器は、構造が単純でコストが低い電磁結合器の実現が可能である。
【００４１】
また、第２の導体パタン２ｂは、グラウンドパタン２ｆと対向する位置に形成されているが、第２の導体パタン２ｂとグラウンドパタン２ｆとには、互いに逆方向に電流が流れる。このため、第２の導体パタン２ｂに流れる電流に基づく電界は、グラウンドパタン２ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消される。横波は距離に対する減衰量が縦波よりも小さく、横波の発生によって遠距離での通信が可能となるという問題が生じるが、電磁結合器２は、第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波の発生を抑制することが可能である。
【００４２】
また、第１の導体パタン２ａについても、第２の導体パタン２ｂと同様であり、第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅは、互いに対向して形成されているため逆方向の電流が流れるため、第１の導体パタン２ａに流れる電流に基づく電界は、給電パタン２ｅに流れる電流に基づく電界によって打ち消される。
【００４３】
したがって、本発明の電磁結合器は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに非常に好適であることが分かる。なお、第２の導体パタン２ｂに流れる電流に基づく電界をグラウンドパタン２ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消すとの作用効果は、第１層２ｇと第２層２ｈが平行であるときに最も有効である。
【００４４】
以上、本発明の第１の実施形態では、情報伝達特性が情報伝達を行うもう一方の電磁結合器との間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。この結果、誘電体を含むカバーで覆われた機器に電磁結合器を内蔵する場合であっても、情報伝達特性の劣化を低減することが可能であり、より多くの種類の情報通信機器への適応が容易となる。
【００４５】
また、従来技術と同等の情報伝達能力を維持しつつ、給電系との整合調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。したがって、電磁結合器を機器に搭載する場合に、電磁結合器を配置する空間や周囲環境により、電磁結合器の周波数特性の調整が必要であるが、給電系との整合調整を容易に行うことが可能であるため、この調整に要する時間の低減が可能であり、迅速に最適な電磁結合器の提供が可能となる。
【００４６】
［第２の実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器３を示す図である。図２に示した構造においては、２つの線状導体２ｃ、２ｄを流れる電流から生じ、かつ線状導体２ｃ、２ｄと平行である電磁波の縦波成分を利用し、近距離での情報伝達を行い、かつ第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波を抑制している。しかし、この横波が抑制しきれない場合、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを流れる電流による横波が発生し、遠距離での通信が可能となる問題が生じる。この問題を回避するために、本実施の形態は、図２の第１層２ｇの第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを図３に示すように変更した。
【００４７】
すなわち、図３に示す第２の実施形態の電磁結合器３は、第１の導体パタン３ａと、第１の導体パタン３ａと離間し、２つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃからなる第２の導体パタンとがプリント基板の第１層３ｉに形成され、導体からなり、給電系３ｋに接続される給電パタン３ｇと、導体からなり、給電パタン３ｇと離間したグラウンドパタン３ｈとがプリント基板の第２層３ｊに形成されている。第１の導体パタン３ａと給電パタン３ｇとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｄによって電気的に接続されている。また、第２の導体パタンを構成する２つの導体パタン３ｂ、３ｃとグラウンドパタン３ｈとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｅ、３ｆによってそれぞれ電気的に接続されている。この線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。線状導体３ｄは、一端が第１の導体パタン３ａと接続され、他端が給電パタン３ｇと接続され、線状導体３ｅ、３ｆは、それぞれ一端が第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃと接続され、他端がグラウンドパタン３ｈと接続される。このようにして、電磁結合器３は、給電パタン３ｇとグラウンドパタン３ｈの間に給電がされる。
【００４８】
第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃは、同一形状をしていて、第１の導体パタン３ａを挟み込むように配置されている。このように２つの導体パタン３ｂ、３ｃを配置することで、両導体パタン３ｂ、３ｃから生じる電磁波の横波成分を相殺させることが可能であり、横波成分の低減が可能である。特に、第１の導体パタン３ａと２つの導体パタン３ｂ、３ｃとの形状と配置位置、３つの線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆの配置位置が、第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄの接続点に関し点対称である場合、２つの導体パタン３ｂ、３ｃには、逆方向でありかつ大きさの等しい電流が流れるため、これら電流から生じる電磁波の横波成分のさらなる低減が可能である。また、本実施の形態では、グラウンドパタン３ｈは、給電パタン３ｇを囲むように形成されている。これにより、横波がさらに生じ難くなるという効果が得られる。
【００４９】
この電磁結合器３の作用効果について、さらに詳細に説明する。第２の実施形態の電磁結合器３のモデルは図４となる。伝送線路４ｂ、４ｄの特性インピーダンスをＺo’、損失定数をα’、電気長をｌ’とし、容量４ａ、４ｃの容量値をＣ’、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ’／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器４の入力インピーダンスＺin’は式（４）となる。
【数４】
【００５０】
式（４）から分かるように、図４の構造の入力インピーダンスＺin’は図１のものと同じ形となる。よって、図３、４記載の電磁結合器も図１、２に示す電磁結合器と同様に、整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能である。
【００５１】
図５は、電界の縦波と横波を説明する図である。式（５）、式（６）、および図５に示すように、微小ダイポール（Il）から生じる電界には縦波（Er）と横波（Eθ）がある（非特許文献１）。
【００５２】
【数５】
【００５３】
【数６】
【００５４】
ここで、Ilは原点Oを通りＺ軸上にある微小ダイポールを、Erは観測点Ｐにおける縦波を、Eθは観測点Ｐにおける横波を、rは微小ダイポールから観測点Ｐまでの距離を、koは波数を、jは虚数単位を、wは角周波数を、εoは真空の誘電率を、θはＺ軸（微小ダイポール）と観測点Ｐのなす角を示す。
【００５５】
図６に式（５）と式（６）を元に計算した電界の波長と距離の比（ｒ／λ）と電界強度との関係を示す。図６の横軸は電界の波長と距離の比（ｒ／λ）を示し、図６の縦軸は電界強度を対数で示している。図６には、以下の（ａ）〜（ｅ）の５つの電界成分の大きさを示す。
【００５６】
（ａ）縦波の１／ｒ＾２を含む項の絶対値
（ｂ）縦波の１／ｒ＾３を含む項の絶対値
（ｃ）横波の１／ｒ＾１を含む項の絶対値
（ｄ）横波の１／ｒ＾２を含む項の絶対値
（ｅ）横波の１／ｒ＾３を含む項の絶対値
【００５７】
図３に示す第２の実施形態においては、２つの第１の実施形態に係る電磁結合器２を、線状導体２ｃを共有するように並列接続したものであり、第１層３ｉにおいて第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄと接続点を中心に点対称な構造となっている。これにより、導体パタン３ｂと３ｃを流れる電流は逆向きとなるため、これら電流から放射される電磁波の横波成分は相殺され、横波成分の放射をより低減することが可能である。一方、電磁結合器３は、式（５）と式（６）における縦波の１／ｒ＾２を含む項と縦波の１／ｒ＾３を含む項に基づく電磁波が線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆと平行な方向に放射される。したがって、電磁結合器３は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに非常に好適であることが分かる。
【００５８】
［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に関し、図７を用いて説明する。
【００５９】
第３の実施形態の電磁結合器７は、誘電体を介材とし、その一方の面に導体が形成される第１層７ｇを備え、その他方の面に導体が形成される第２層７ｈを備えた２層のプリント基板で構成されている。電磁結合器７は、第１の導体パタン７ａと、この第１の導体パタン７ａと離間した第２の導体パタン７ｂとがプリント基板の第１層７ｇに形成され、導体からなり、給電系７ｉに接続される給電パタン７ｅと、導体からなり、給電パタン７ｅと離間したグラウンドパタン７ｆとがプリント基板の第２層７ｈに形成されている。
【００６０】
本実施の形態では、第１の導体パタン７ａは、第２の導体パタン７ｂに向かって伸びるように形成されている。また、第１の導体パタン７ａの先端部７ｐは、幅広に形成されている。一方、第２の導体パタン７ｂは、第１の導体パタン７ａの少なくとも先端部を囲むように形成されている。第２の導体パタン７ｂは、第１の導体パタン７ａよりも大きく、且つその全体がグラウンドパタン７ｆと対向するように形成されている。なお、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂとの最短距離は、電磁結合器７が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下である。
【００６１】
第１の導体パタン７ａと給電パタン７ｅとの間は、第２層７ｈに対して垂直に形成された線状導体７ｃによって電気的に接続されている。つまり、線状導体７ｃは、一端が第１の導体パタン７ａに接続され、もう一端が給電パタン７ｅに接続される。また、第２の導体パタン７ｂとグラウンドパタン７ｆとの間は、第２層７ｈに対して垂直に形成された２つの線状導体７ｄ、７ｄによって電気的に接続されている。つまり、２つの線状導体７ｄ、７ｄは、それぞれ一端が第２の導体パタン７ｂに接続され、他端はグラウンドパタン７ｆに接続されている。なお、線状導体７ｃ、７ｄは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。
【００６２】
第３の実施形態は、第１の実施形態に対して、図１に示すモデルにおいて容量１ａの増加を図るものである。すなわち、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂが対向する辺の長さを第１の実施形態の電磁結合器２と比較して大きくすることによって、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂとによる容量を第１の実施形態と比較してより大きくすることが可能である。このため、式（１）または式（４）から分かるように、電磁結合器の入力インピーダンスの虚数成分が零となる共振周波数（角周波数ω）が小さくなる。このため、本実施形態によると、電磁結合器の小型化が可能である。
【００６３】
また、容量１ａがとり得る容量値の範囲が広がることで、式（１）、（２）、（３）からわかるように、電磁結合器の厚みや介材の変更による特性インピーダンスＺｏ、損失定数α、及び電気長ｌの変化に対し、電磁結合器の整合条件および帯域の保持が可能である。このため、本実施形態によると、電磁結合器の設計自由度が増し、電磁結合器の薄型化や小型化が可能である。
【００６４】
なお、第１の導体パタン７ａの先端部７ｐが幅広に形成されていることによって、第１の導体パタン７ａと第２の導体パタン７ｂが対向する辺の長さをより長くとることが可能である。先端部７ｐの形状は、第３の実施形態の矩形状以外にも、円形状や星形状にすることも可能である。
【００６５】
また、第２の導体パタン７ｂは、グラウンドパタン７ｆと対向する位置に形成されているため、第２の導体パタン７ｂとグラウンドパタン７ｆとに互いに逆方向の電流が流れる。これにより、第２の導体パタン７ｂに流れる電流に基づく電界は、グラウンドパタン７ｆに流れる電流に基づく電界によって打ち消されるため、第２の導体パタン７ｂを流れる電流による横波の発生を抑制することが可能である。なお、第１層７ｇと第２層７ｈとが平行であるとき、第２の導体パタン７ｂを流れる電流による横波の発生を最も効果的に抑制することが可能である。
【００６６】
一方、第１の導体パタン７ａは、給電パタン７ｅとグラウンドパタン７ｆとこれらの間の非導体部分に対向しているため、横波発生を抑制する効果は大きくない。しかし、第１の導体パタン７ａは、第２の導体パタン７ｂよりも小さいため、横波の発生も第２の導体パタン７ｂよりも小さい。したがって、第２の導体パタン７ｂの方をグラウンドパタン７ｆと対向する位置に形成することによって、より効果的に横波の発生を抑制することが可能である。
【００６７】
［第４の実施形態］
次に、本発明の第４の実施形態に関し、図８を用いて説明する。
【００６８】
第４の実施形態の電磁結合器８は、４つの第３の実施形態に係る電磁結合器７を、線状導体７ｃを共有するように並列接続したものである。すなわち、電磁結合器８は、プリント基板の中央から４方向に放射状に伸びる第１の導体パタン８ａと、この第１の導体パタン８ａと離間した４つの第２の導体パタン８ｂとがプリント基板の第１層８ｇに形成され、給電系８ｉに接続される給電パタン８ｅと、この給電パタン８ｅと離間したグラウンドパタン８ｆとがプリント基板の第２層８ｈに形成され、第１の導体パタン８ａの中央には、１つの線状導体８ｃが形成されたものである。グラウンドパタン８ｆと各第２の導体パタン８ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体８ｄが形成されている。
【００６９】
線状導体８ｃは、一端が第１の導体パタン８ａに接続されると共にもう一端が給電パタン８ｅに接続されている。同様に、線状導体８ｄは、一端が第２の導体パタン８ｂに接続されると共にもう一端がグラウンドパタン８ｆに接続されている。線状導体８ｃ、８ｄは、第２層８ｈに対して垂直となるように形成されている。
【００７０】
このように形成された電磁結合器８は、第１層８ｇにおいて、第１の導体パタン８ａと線状導体８ｃと接続点を中心に点対称な構造となっている。これにより、本実施形態の電磁結合器８は、第１の導体パタン８ａと第２の導体パタン８ｂから放射される電磁波の横波成分が相殺され、横波成分の放射を低減することが可能である。また、本実施形態の電磁結合器８は、４つの電磁結合器７を形成していることによって、縦波を放射する線状導体８ｃ、８ｄの配置が広範囲となるため、結合範囲の広い電磁結合器を実現することが可能である。また、４つの第３の実施形態に係る電磁結合器７が並列に接続されているため、電磁結合器８の入力インピーダンスＺinは式（４）の半分となるが、これは容量Ｃ等を変更することで容易に調整が可能であるため、給電系との整合条件の調整に問題は生じない。
【００７１】
なお、第３の実施形態の電磁結合器７において、線状導体７ｄの配置を広範囲とする目的で第２の導体パタン７ｂを大きくすることは、容易ではない。すなわち、第２の導体パタン７ｂを大きくすると、式（４）におけるＺo’、ｌ’、α’が変化し、電磁結合器の入力インピーダンスＺinが変化する。この結果、給電系との整合状態が劣化するため、放射電界強度が低下し、電磁結合器の結合強度が劣化するという問題が生じる。したがって、第２の導体パタン７ｂの大きさには制限がある。
【００７２】
次に、本発明の第４の実施形態に関する実験結果を示す。
【００７３】
まず、図９は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器８の周波数と反射係数の絶対値との関係を調査した実験結果である。この実験では、図１１に示す形状の電磁結合器８を使用した。電磁結合器８は、厚さ１．６ｍｍのＦＲ４両面（２層）基板を用いて形成され、電磁結合器８の各寸法は、図１１に示す通りである。また、反射係数の絶対値は、ネットワークアナライザを用いて測定した。
【００７４】
図９の実験結果によると、周波数が４．１２ＧＨｚ〜４．７６ＧＨｚにおいて、反射係数の絶対値は０．７以下である。したがって、電磁結合器８は、広帯域な周波数特性を実現していることが分かる。
【００７５】
また、図１０は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器８とモノポールアンテナに関して、２つの電磁結合器８の間、及び２つのモノポールアンテナの間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比との関係を調査した実験結果である。この実験では、図９の実験と同じ電磁結合器８を使用した。また、実験では、図１２に示すモノポールアンテナ１２を使用した。モノポールアンテナ１２は、プリント基板１２ａと、プリント基板１２ａの表面に形成された２つの矩形導体１２ｂ、１２ｃとからなる。２つの矩形導体１２ｂ、１２ｃは、離間して形成されており、矩形導体１２ｂは放射導体として動作し、矩形導体１２ｃはグラウンドとして動作する。矩形導体１２ｂ、１２ｃの間において給電がされる。モノポールアンテナ１２は、厚さ２．４ｍｍのＦＲ４片面基板を用いて形成され、Ｌ’１＝２２．０ｍｍ、Ｌ’２＝１０．０ｍｍ、Ｌ’３＝１．０ｍｍ、Ｌ’４＝２０．０ｍｍ、Ｌ’５＝９．５ｍｍ、Ｌ’６＝１．０ｍｍである。モノポールアンテナ１２は、一般的に利用されているアンテナであり、横波を用いた無線通信に適用されている。
【００７６】
また、図１３を用いて実験系を述べる。実験では２つの被測定物１３ａ、１３ｂ、すなわち、２つの電磁結合器８又は２つのモノポールアンテナ１２は、平行に対向して配置され、一方の被測定物１３ａの中心を通る垂線が、他方の被測定物１３ｂの中心を通るように配置される。また、被測定物１３ａ、１３ｂは、同軸ケーブル１３ｃ、１３ｄを介し１つのネットワークアナライザ１３ｅの２つの端子に接続されている。ネットワークアナライザ１３ｅの一方の端子から出力される電力に対する他方の端子から入力される電力の比（Ｓ２１の絶対値）、すなわち、電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比を評価する。
【００７７】
図１０は、２つの図１１の電磁結合器８の間、及び２つの図１２のモノポールアンテナ１２の間のＳ２１の絶対値と距離との関係についての実験結果を示す。実験では、周波数が４．５ＧＨｚの信号を使用しており、図１０の横軸は、この使用周波数の波長に対する被測定物間の距離の比とした。
【００７８】
図１０から分かるように、本発明による第４の実施形態の電磁結合器８では、距離に対する減衰が横波より大きい縦波を用い無線通信を行っているため、横波を用いて無線通信を行うモノポールアンテナ１２より距離に対するＳ２１の絶対値の傾きの絶対値が大きい。例えば、波長に対する被測定物間の距離の比が０．７付近では、電磁結合器８のＳ２１は、モノポールアンテナ１２が約−１８ｄＢであるのに対し、電磁結合器８が約−３５ｄＢである。一方、波長に対する被測定物間の距離の比が小さくなるにしたがい、電磁結合器８のＳ２１とモノポールアンテナ１３との差が小さくなる。したがって、電磁結合器８は、比較的に遠方での無線通信強度が弱く、近距離無線通信に適していることが分かる。
【００７９】
［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に関し、図１４を用いて説明する。第５の実施形態の電磁結合器１４は、第２の実施形態の電磁結合器３に第２の導体パタンを構成する導体パタン１４ｌ、１４ｍ、及び線状導体１４ｎ、１４ｏを加えたものである。第１の導体パタン３ａと４つの第２の導体パタン３ｂ、３ｃ、１４ｌ、１４ｍとの最短距離は、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関してλ／８以下である。また、２つの線状導体１４ｎ、１４ｏは、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成されている。線状導体１４ｎは、一端が導体パタン１４ｌと接続され、もう一端がグラウンドパタン３ｈと接続され、線状導体１４ｏは、一端が導体パタン１４ｍと接続され、もう一端がグラウンドパタン３ｈと接続されている。
【００８０】
ここで、線状導体１４ｎ、１４ｏは、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｅと線状導体３ｄと線状導体３ｆを通る直線と線状導体１４ｎと線状導体３ｄと線状導体１４ｏを通る直線とが９０°の角度をなすように配置される。つまり、４つの線状導体３ｅ、３ｆ、１４ｎ、１４ｏは、第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄとの接続点を中心に、９０度の角度間隔に形成されているまた、導体パタン１４ｌ、１４ｍは、線状導体１４ｎと線状導体３ｄと線状導体１４ｏを通る直線に沿って配置される。つまり、第２の導体パタンを構成する４つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃ、１４ｌ、１４ｍは、それぞれ第１の導体パタン３ａの外周の各辺と対向するように放射状に形成されている。
【００８１】
このように導体パタン１４ｌ、１４ｍ、及び線状導体１４ｎ、１４ｏを加えることで、第５の実施形態の電磁結合器１４は、第２の実施形態と比較して、線状導体から放射される電磁波の縦波成分を偏り無く放射することが可能であり、方向による通信能力のばらつきを低減することが可能である。なお、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｄを中心として放射状に導体パタンと線状導体を追加することも可能である。この場合、電磁結合器から放出される電磁波の縦波成分の偏りをさらに低減させることが可能である。
【００８２】
なお、本実施形態の電磁結合器１４は、第１層３ｉにおいて点対称な構造となっているため、第４の実施形態の電磁結合器８と同様に、第２の導体パタンから放射される電磁波の横波成分が相殺され、横波成分がより低減される。
【００８３】
［第６の実施形態］
次に、本発明の第６の実施形態に関し、図１５を用いて説明する。
【００８４】
第６の実施形態の電磁結合器１５は、８つの第３の実施形態に係る電磁結合器７を、線状導体７ｃを共有するように並列接続したものである。すなわち、電磁結合器１５は、プリント基板の中央から８方向に放射状に伸びる第１の導体パタン１５ａと、この第１の導体パタン１５ａと離間した８つの第２の導体パタン１５ｂとがプリント基板の第１層１５ｇに形成され、給電系１５ｉに接続される給電パタン１５ｅと、この給電パタン１５ｅと離間したグラウンドパタン１５ｆとがプリント基板の第２層１５ｈに形成され、第１の導体パタン１５ａの中央には、１つの線状導体１５ｃが形成されたものである。また、グラウンドパタン１５ｆと各第２の導体パタン１５ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体１５ｄが形成されている。
【００８５】
第１の導体パタン１５ａは、４５度間隔で８方向に放射状に伸びているが、その伸びの長さは、長短が交互になっている。なお、放射状に伸びた第１の導体パタン１５ａの先端部１５ｐは、それぞれ矩形状に幅広となっている。８つの第２の導体パタン１５ｄは、矩形状に形成された先端部１５ｐに合致するように、内周が同様の矩形状に形成されている。
【００８６】
線状導体１５ｃは、一端が第１の導体パタン１５ａに接続されると共にもう一端が給電パタン１５ｅに接続されている。同様に、線状導体１５ｄは、一端が第２の導体パタン１５ｂに接続されると共にもう一端がグラウンドパタン１５ｆに接続されている。線状導体１５ｃ、１５ｄは、第２層１５ｈに対して垂直となるように形成されている。
【００８７】
このように複数の第３の実施形態係る電磁結合器７を平面的且つ点対象に配置することにより、縦波を放射する線状導体１５ｄの配置が広範囲となって結合範囲を広範囲とすることが可能であると共に、同時に電磁波の横波成分の放射を低減することが可能である。
【００８８】
［第７の実施形態］
次に、本発明の第７の実施形態に関し、図１６を用いて説明する。
【００８９】
第７の実施形態の電磁結合器１６は、第６の実施形態の電磁結合器１５において、８方向に放射状に伸びる第１の導体パタンの長さを等しくしたものである。すなわち、電磁結合器１６は、プリント基板の中央から４５度間隔で放射状に伸びる第１の導体パタン１６ａと、この第１の導体パタン１６ａと離間した８つの第２の導体パタン１６ｂとがプリント基板の第１層１６ｇに形成され、給電系１６ｉに接続される給電パタン１６ｅと、この給電パタン１６ｅと離間したグラウンドパタン１６ｆとがプリント基板の第２層１６ｈに形成され、第１の導体パタン１６ａの中央には、１つの線状導体１６ｃが形成されたものである。また、グラウンドパタン１６ｆと各第２の導体パタン１６ｂとの間には、それぞれ２つの線状導体１６ｄが形成されている。
【００９０】
第７の実施形態の電磁結合器１６は、第６の実施形態の電磁結合器１５と同様の作用効果を奏するが、結合範囲に偏りをより低減することが可能である。なお、結合範囲を増加するために、８つより多くの第３の実施例の電磁結合器を並列に配置してもよい。
【００９１】
以上、本発明の実施形態を図示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術思想、技術的範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正が可能であることは明らかである。
【００９２】
例えば、上記の実施形態では、２層のプリント基板の一方の面に第１の導体パタンと第２の導体パタンを形成し、他方の面に給電パタンとグラウンドを形成した実施形態を示したが、３層以上のプリント基板を用い、そのプリント基板の何れか２層を用いることも可能である。また、上記の実施形態では、２層のプリント基板を用いた電磁結合器を示したが、プリント基板を用いずに銅や鉄などの導体からなる導体板を用いて電磁結合器を形成することも可能である。さらに、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間の空隙により容量を実現したが、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間にさらに容量（例えばチップ容量）を設けることも可能である。これらのような変更及び修正は全て本発明の技術思想、技術的範囲に包含されるべきものである。
【符号の説明】
【００９３】
１〜４、７、８、１４〜１６ ・・・ 電磁結合器
１ａ ・・・ 容量
１ｂ ・・・ 伝送線路
１ｃ ・・・ 給電系
４ａ、４ｃ ・・・ 容量
４ｂ、４ｄ ・・・ 伝送線路
４ｅ ・・・ 給電系
１２ ・・・ モノポールアンテナ
１３ａ、１３ｂ ・・・ 被測定物
１３ｃ、１３ｄ ・・・ 同軸ケーブル
１３ｅ・・・ ネットワークアナライザ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した少なくとも一つの第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、
導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドパタンとが第２の平面に形成され、
前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドパタンとの間を電気的に接続する複数の線状導体が前記第１の平面と前記第２の平面との間に形成され、
前記第１の平面と前記第２の平面とが平行であることを特徴とする電磁結合器。
【請求項２】
前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁結合器。
【請求項３】
前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、
前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁結合器。
【請求項４】
前記第２の導体パタンは、前記グラウンドパタンと対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項５】
前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンに向かって伸びるように形成され、
前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの少なくとも先端部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項６】
前記第１の導体パタンは、先端部が幅広に形成されていることを特徴とする請求項５記載の電磁結合器。
【請求項７】
前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンから構成され、
前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれに向かって放射状に伸びるように形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の電磁結合器。
【請求項８】
前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドパタンに接続されていることを特徴とする請求項７に記載の電磁結合器。
【請求項９】
前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１０】
前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンから構成され、当該矩形状の導体パタンのそれぞれは、前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電磁結合器。
【請求項１１】
前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１２】
前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンとの最短距離が、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の電磁結合器を搭載し、静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達する情報通信機器。
【請求項１】
第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した少なくとも一つの第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、
導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドパタンとが第２の平面に形成され、
前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドパタンとの間を電気的に接続する複数の線状導体が前記第１の平面と前記第２の平面との間に形成され、
前記第１の平面と前記第２の平面とが平行であることを特徴とする電磁結合器。
【請求項２】
前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁結合器。
【請求項３】
前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、
前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁結合器。
【請求項４】
前記第２の導体パタンは、前記グラウンドパタンと対向する位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項５】
前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンに向かって伸びるように形成され、
前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの少なくとも先端部を囲むように形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項６】
前記第１の導体パタンは、先端部が幅広に形成されていることを特徴とする請求項５記載の電磁結合器。
【請求項７】
前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンから構成され、
前記第１の導体パタンは、前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれに向かって放射状に伸びるように形成されていることを特徴とする請求項５又は６に記載の電磁結合器。
【請求項８】
前記第２の導体パタンを構成する複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドパタンに接続されていることを特徴とする請求項７に記載の電磁結合器。
【請求項９】
前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１０】
前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンから構成され、当該矩形状の導体パタンのそれぞれは、前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていることを特徴とする請求項９に記載の電磁結合器。
【請求項１１】
前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜１０の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１２】
前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンとの最短距離が、電磁結合器が対象とする周波数帯の中心周波数の波長λに関して、λ／８以下であることを特徴とする請求項１〜１１の何れか１項に記載の電磁結合器。
【請求項１３】
請求項１〜１２の何れか１項に記載の電磁結合器を搭載し、静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達する情報通信機器。
【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】
【公開番号】特開２０１２−１９４３３（Ｐ２０１２−１９４３３Ａ）
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１５６５０７（Ｐ２０１０−１５６５０７）
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（３０００５５７１９）日立電線ファインテック株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１月２６日（２０１２．１．２６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年７月９日（２０１０．７．９）
【出願人】（３０００５５７１９）日立電線ファインテック株式会社 (96)
【Ｆターム（参考）】
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