JP2012065104A - Antenna device and communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
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。 The present invention relates to an antenna device that performs information communication by electromagnetic field coupling between a pair of electrodes facing each other at a predetermined communication wavelength, and a communication device in which the antenna device is incorporated.
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。 In recent years, a system has been developed in which data such as music and images is transmitted wirelessly between electronic devices such as computers and small portable terminals without using cables or media. Some of such wireless transmission systems are capable of high-speed transfer of up to about 560 Mbps at a short distance of several centimeters. Among such transmission systems capable of high-speed transfer, TransferJet (registered trademark) is advantageous in that the communication distance is short but the possibility of eavesdropping is low and the transmission speed is high.
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14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15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。
TransferJet (registered trademark) can be achieved by electromagnetic field coupling of corresponding high frequency couplers at very short distances, and the signal quality depends on the performance of the high frequency coupler. For example, as shown in FIG. 14, a high-frequency coupler described in Patent Document 1 has a printed
しかしながら、図14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。
However, as shown in FIG. 14, the high-frequency coupler described in Patent Document 1 needs to increase the area of the plate-
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しつつ、結合用電極の小型化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。 The present invention has been proposed in view of such circumstances, and an antenna device having a structure advantageous for downsizing of a coupling electrode while realizing both good communication characteristics and mechanical strength can be realized. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a communication device in which this antenna device is incorporated.
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により情報通信を行うアンテナ装置であって、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士をスルーホールを介して接続され、対向する位置に配置された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、スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、通信波長と略同一の長さであり、スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の1/4離れた各位置が、誘電体基板を挟んで相対向している。 As a means for solving the above-described problem, an antenna device according to the present invention is an antenna device that performs information communication by electromagnetic coupling between a pair of electrodes facing each other at a predetermined communication wavelength. One end of the wiring formed on both sides of the substrate is connected through a through hole, and is provided with a coupling electrode that is electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device disposed at an opposite position so that communication is possible. The wiring connected through the hole has a wiring length that is substantially the same as the communication wavelength, and each position that is a quarter of the communication wavelength away from the end of the wiring that is not connected to the through-hole, Opposing each other across the dielectric substrate.
また、本発明に係る通信装置は、所定の通信波長により、対向する位置に配置された他の通信装置の電極間での電磁界結合により情報通信を行う通信装置であって、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、対向する位置に配置された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、スルーホールに接続されていない配線の端部に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、通信波長と略同一の長さであり、接続用端子から通信波長の1/4離れた各位置が、誘電体基板を挟んで相対向していることを特徴とする。 The communication device according to the present invention is a communication device that performs information communication by electromagnetic coupling between electrodes of other communication devices arranged at opposite positions at a predetermined communication wavelength, and includes a dielectric substrate One end of the wiring formed on both sides is connected through a through-hole, and connected to the through-hole through a coupling electrode that can be electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device arranged at the opposite position and communicated And a transmission / reception processing unit for performing signal transmission / reception processing, which is electrically connected via a connection terminal formed at an end of the wiring that is not connected, and the wiring connected through the through hole has its wiring length However, the length is substantially the same as the communication wavelength, and the respective positions separated from the connection terminal by a quarter of the communication wavelength are opposed to each other with the dielectric substrate interposed therebetween.
本発明は、結合用電極が、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士をスルーホールを介して接続されているので、良好な機械的強度と、アンテナ装置全体の小型化とを実現することができる。また、本発明は、スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の1/4離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、互い極性が反対で信号レベルが高い状態となることによって効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することで、対向する位置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。 In the present invention, the coupling electrode is connected to one end of the wiring formed on both surfaces of the dielectric substrate through the through-holes, thereby realizing good mechanical strength and downsizing of the entire antenna device. can do. Further, according to the present invention, each position that is 1/4 of the communication wavelength from the end of the wiring that is not connected to the through hole is opposed to each other with the dielectric substrate interposed therebetween. Coupling with other coupling electrodes arranged at opposite positions by efficiently emitting a longitudinal wave of an electric field in the thickness direction of the substrate by having a high signal level with opposite polarities The strength is increased and good communication characteristics can be realized.
以上のように、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しつつ、装置全体の小型化を図ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the entire apparatus while realizing both good communication characteristics and mechanical strength.
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。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
<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。
<Communication system>
An antenna device to which the present invention is applied is a device that performs information communication by electromagnetic coupling between a pair of opposed electrodes, and is a communication system that enables high-speed transfer of about 560 Mbps, for example, as shown in FIG. 100 is used by being incorporated.
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。
The
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。
As shown in FIG. 1, when the high-
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。
Here, the transmitting and receiving
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。
In the
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。 The antenna device to which the present invention is applied is not limited to the above-described one that transmits a high frequency signal in the 4 to 5 GHz band, and can be applied to signal transmission in other frequency bands. A high frequency signal in the 4 to 5 GHz band will be described as a transmission target.
<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1について説明する。
<First Embodiment>
As an antenna device incorporated in such a
図2では、配線12a、12bの接続状態をわかりやすくするために誘電体基板11を透過させて示している。
In FIG. 2, the
図2に示すように、高周波結合器1は、誘電体基板11の上下の面11a、11bに、それぞれ、複数の折り返し部を有する形状、いわゆる九十九折り形状又はミアンダ形状の配線12a、12bが形成された構造となっている。このミアンダ形状の配線12a、12bの一端は、誘電体基板11の厚さ方向に形成された接続用スルーホール14aを介して電気的に接続され、対向する位置に配置された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18として機能する。
As shown in FIG. 2, the high-frequency coupler 1 includes
また、結合用電極18は、接続用スルーホール14aと接続されていない配線12aの端部19aと、接続用スルーホール14aと接続されていない配線12bの他方の端部が接続用スルーホール14bを介して面11bまで延長された端部19bとからなる接続端子部19が同一の面11b上に形成されている。
The
接続端子部19は、上述した送受信回路部104との接続のための端子であり、例えば、異方性導電フィルムを介したフレキシブルプリント基板による接続、あるいは表面実装レセプタクルを介した細線同軸ケーブルでの接続等の接続手段となる。このため、接続端子部19は、その形状を調整することになり、接続手法によっては接続用スルーホール14bを省略し、誘電体基板11の両面に分けて、それぞれ端部19a、19bとを配置した構成を採用してもよい。
The
また、結合用電極18は、誘電体基板11の両面に形成されたミアンダ形状の配線12a、12bを接続して構成されたもので、配線12a、12bを接続した配線長、すなわち、結合用電極18の長さは、通信周波数の略1波長となるように調整されている。さらに、結合用電極18は、接続用スルーホール14aに接続されていない配線12a、12bの端部19a、19bから通信波長の1/4離れた位置が、誘電体基板11を挟んで相対向している。
The
具体例として、結合用電極18では、接続用スルーホール14aに接続されていない配線12a、12bの端部19a、19bから通信波長の1/4離れた位置が、それぞれ面11a、11bの中央部15a、15bとなっている。
As a specific example, in the
このようにして、結合用電極18では、下記の評価から明らかなように、接続用スルーホール14aに接続されていない配線12a、12bの端部19a、19bから通信波長の1/4離れた中央部15a、15bが、誘電体基板11を挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、極性が反対で互い信号レベルが高い状態となり、電気双極子として機能する。したがって、結合用電極18では、効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することができ、結果として、対向する位置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。
In this way, in the
このような構成からなる高周波結合器1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の両面に、導電層として銅箔を貼り付けた両面銅箔基板に対して、銅箔の一部をエッチング処理により取り除き、複数の折り返し部を有するミアンダ形状の配線12a、12bを形成する。次に、配線12aの一端と、配線12bの一端の重なる部分、及び、配線12bのもう一端に、それぞれドリルあるいはレーザー加工によりホールを形成し、そのホールをメッキ処理、あるいは導電性ペースト等の導電性材料を充填することで、それぞれ接続用スルーホール14a、14bを完成させる。
The high-frequency coupler 1 having such a configuration is manufactured by the following manufacturing process. First, with respect to the double-sided copper foil substrate in which copper foil is pasted as a conductive layer on both surfaces of the
上記の工程により、誘電体基板11の面11aに形成された配線12aと、もう一方の面11bの配線12bが電気的に接続されて結合用電極18として機能するとともに、結合用電極18の両端部19a、19bが接続端子部19として機能する。
Through the above steps, the
このように、高周波結合器1は、結合用電極18が、誘電体基板11の両面に形成された配線12a、12bの一端同士を接続用スルーホール14aを介して接続されているので、良好な機械的強度と、高周波結合器1全体の小型化とを実現することができる。また、上記の工程により、高周波結合器1は、一枚の両面銅箔基板をパターニング処理することで簡単に製造可能である。
Thus, the high-frequency coupler 1 is excellent in that the
このように、機械的強度が強いのは、例えば図14に示すような従来例に係る高周波結合器と比べて、外力によって変形する虞がある金属線207を用いることなく誘電体基板11上に結合用電極18が実装されているからである。また、高周波結合器全体の小型化が図れるのは、必ずしも電極の面積を大きくしなくても、配線15の長さを調整することで結合強度を強くすることができるからである。
Thus, the mechanical strength is high on the
また、高周波結合器1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。特に、誘電体基板11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。
In the high-frequency coupler 1, as a material for the
また、上述した作製プロセスにおいて、高周波結合器1では、銅箔を貼り付けた両面基板を用いてエッチング処理により配線12a、12bを形成したが、誘電体基板11の両方の面11a、11b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よい。
In the manufacturing process described above, in the high-frequency coupler 1, the
また、配線12a、12b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。
In addition to copper, a good conductor such as aluminum, gold, or silver can be used as the material for the
また、結合用電極18は、配線12a、12bを、複数の折り返し部を有するミアンダ形状で形成しているので、誘電体基板11の各面11a、11bのスペースを有効に活用することができ、結合用電極18自体の小型化を図ることができる。
Further, since the
これは、後述するように、結合用電極18の長さが通信周波数の略1波長としているが、これら配線を細く密集させて形成することで結合用電極18の形成スペースを小さくすることができ、高周波結合器1の小面積化を図ることができるからである。
As will be described later, the length of the
なお、上述のように結合用電極18における配線12a、12bの配線パターンは、誘電体基板11のスペースを有効に活用する観点から、形状が異なった折り返し部を有するミアンダ形状のパターンを複数つなぎ合わせても良く、またL字、円弧状の繰り返しパターン等を用いるようにしてもよい。
As described above, the wiring patterns of the
次に、高周波結合器1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1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の材料にはポリテトラフルオロエチレンを、また、結合用電極18の導電体の材質には、銅を設定した。また、高周波結合器1の大きさは、配線パターンが形成される面を、6.5mm×6.5mmとし、基板厚みを1.67mmとした。
Next, in order to investigate the performance of the high-frequency coupler 1, the coupling strength was analyzed using a three-dimensional electromagnetic field simulator HFSS manufactured by Ansoft. Here, an analysis model of the high-frequency coupler 1 was used under the following conditions. That is, polytetrafluoroethylene was set as the material of the
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、高周波結合器の信号入出力端となる接続端子部19の両端部19a、19b間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。図3は、結合強度S21の解析に用いた高周波結合器1、150間の相対的配置を示したものである。ここで、高周波結合器1の結合用電極18の配線12aと、高周波結合器150の電極150aとの中心軸が一致するように対向させて、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。なお、この例では一方の高周波結合器150には、板状の電極150aを有し、評価の基準機である基準高周波結合器を用いた。
The coupling strength is evaluated by the transmission characteristic S21 of the S parameter used for evaluating the high-frequency transmission characteristics, and the input port is connected between both ends 19a and 19b of the
また、高周波結合器1での電界の発生状態をみるために、高周波結合器1近傍の電界ベクトル分布も調べた。 In addition, in order to see the generation state of the electric field in the high frequency coupler 1, the electric field vector distribution in the vicinity of the high frequency coupler 1 was also examined.
図4は、高周波結合器1の4.5GHzでの電界分布を解析したもので、図2の点線Y−Y’を厚み方向に分断した断面での電界分布を示している。この図4から明らかなように、結合用電極18を構成する誘電体基板11の両方の面11a、11bのミアンダ形状の配線12a、12b間で強い電界分布がみられ、結合用電極18から外側に向かって円弧上に電界が分布している。
FIG. 4 is an analysis of the electric field distribution at 4.5 GHz of the high-frequency coupler 1, and shows the electric field distribution in a cross section obtained by dividing the dotted line Y-Y ′ in FIG. 2 in the thickness direction. As is apparent from FIG. 4, a strong electric field distribution is observed between the meander-shaped
図5は、高周波結合器1の配線12aが形成された面11aから垂直方向に1mm離れた面での電界分布を示したものである。この図5から明らかなように、結合用電極18の中央部15a、15bから略同心円状に電界が分布している。このため、共振時に強い電界の縦波を高周波結合器1の厚み方向に放射する。
FIG. 5 shows the electric field distribution on a surface 1 mm away in the vertical direction from the
これは、結合用電極18の長さが略1波長となっているので、結合用電極18の端部から略波長1/4の部分に相当する部分となる配線12aの中央部15aで電位差が最大となるからである。このように、高周波結合器1では基板面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。
This is because the length of the
図6は、高周波結合器1と基準高周波結合器150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−25dBの結合強度を有し、更に最大強度から3dB減衰した強度を示す周波数帯域である、−3dB帯域幅においては0.86GHzの広帯域特性が得られた。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2では必要帯域幅の約1.5倍の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−60dB以下の通信遮断性が得られている。
FIG. 6 shows an analysis result of the coupling strength S21 between the high-frequency coupler 1 and the reference high-
以上のように、第1の実施形態に係る高周波結合器1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し、さらに、機械的強度との両立を実現可能にしつつ、装置全体の小型化を図ることができる。 As described above, in the high-frequency coupler 1 according to the first embodiment, as is apparent from the above simulation, it is possible to realize good communication characteristics and further achieve coexistence with mechanical strength. The entire apparatus can be reduced in size.
<第2の実施形態>
次に、通信システム100に組み込まれるアンテナ装置として、図7及び図8に示すような第2の実施形態に係る高周波結合器2について説明する。
<Second Embodiment>
Next, as an antenna device incorporated in the
図7及び図8は、高周波結合器2を視点を変えて示したもので、後述するコイル28の巻回状態をわかりやすくするために誘電体基板21、22a、22bを透過させて示している。
FIGS. 7 and 8 show the high-
図7及び図8に示すように、高周波結合器2は、誘電体基板21、22a、22bと、通信波長と略同等の長さを有するコイル28を備え、コイル28の両端には回路基板との接続のための接続端子部29が形成されている。
As shown in FIGS. 7 and 8, the high-
誘電体基板22a、22bは、例えば、後述する張り合わせ工程によって、誘電体基板21の両面に積層される誘電体部材である。なお、誘電体基板21、22a、22bは、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。特に、誘電体基板21、22a、22b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。
The
接続端子部29は、上述した送受信回路部104との接続のための端子であり、例えば、異方性導電フィルムを介したフレキシブルプリント基板による接続、あるいは表面実装レセプタクルを介した細線同軸ケーブルでの接続等の接続手段となる。このため、接続端子部29は、その形状を調整することになり、接続手法によっては、後述する接続用スルーホール25aを省略し、誘電体基板21の両面に分けて、それぞれ端子を配置した構成を採用してもよい。
The
コイル28は、対向する位置に配置された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して機能する。コイル28は、後述する上面コイル27aと下面コイル27bとを接続して構成されたもので、上面コイル27aと下面コイル27bとを接続した配線長、すなわち、コイル28の長さは、通信周波数の略1波長となるように調整されている。さらに、コイル28は、後述する接続用スルーホール25bに接続されていない上面コイル27aと下面コイル27bとの端部である接続端子部29から通信波長の1/4離れた位置が、誘電体基板21、22a、22bを挟んで相対向している。
The
具体例として、コイル28では、接続端子部29の2つの端部から通信波長の1/4離れた位置が、それぞれ誘電体基板21、22a、22bの中央部26a、26bとなっている。
As a specific example, in the
このようにして、コイル28では、下記の評価から明らかなように、接続端子部29の2つの端部から通信波長の1/4離れた位置が、誘電体基板21、22a、22bを挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、極性が反対で互い信号レベルが高い状態となり、電気双極子として機能する。したがって、コイル28では、効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することができ、結果として、対向する位置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。
As described above, in the
このような構成からなる高周波結合器2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22aの両面に銅、アルミ等の導電性金属からなる複数の上面ライン23aと下面ライン23bとを形成し、上面ライン23aの一端が下面ライン23bの一端と、この上面ライン23aの別の一端が隣接した他の下面ライン23bと、それぞれ誘電体基板22aを挟んで、順次重なるようにしておく。
The high-
なお、複数の上面ライン23a、下面ライン23bの形成は、誘電体基板22a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22aを用いてエッチング処理して形成するようにしてもよい。
The plurality of
上面ライン23a、下面ライン23bが形成された誘電体基板22aに対して、上面ライン23a、下面ライン23bが重なった位置にドリル、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22a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、ソレノイド状の上面コイル27aが完成する。上記の上面コイル27aと同様にして、誘電体基板22bに下面コイル27bを形成する。なお、上面コイル27aの一端も上記プロセスにおいてスルーホール24を介して接続端子部29の一方に接続される。
A plurality of through
次に、誘電体基板21に接続用スルーホール25a、25bを形成する。これはドリル、レーザー等で開孔した部分に金属メッキ処理、あるいは導電性ペースト、金属棒を埋め込んで形成する。そして、誘電体基板21の両面に、上面コイル27aの一端が接続用スルーホール25bに重なるようにして誘電体基板22aを張り合わせ、下面コイル27bの一端が接続用スルーホール25b、下面コイル27bのもう一端が接続用スルーホール25aに重なるようにして張り合わせ電気的に接続する。これにより金属部分はすべて接続され、接続端子部29が両端となるひとつのコイル28が誘電体基板21、22a、22bの中に形成される。
Next, connection through
なお、上記のように、基板の張り合わせは、誘電体基板の材質によっては熱圧着も可能であるが、接着剤を用いて行なう方が変形等を防止する観点から好ましい。電気的接続が必要な接続用スルーホール25a、25bの両端は、誘電体基板21に対し凸となるようにしておくと、接着剤を貫通して上面コイル27a、下面コイル27bと確実に接続することができる。さらに、接続を確実にするために、前記接続部の周辺は接着材を省いておくか、あるいは異方性導電粒子を配合した異方性導電フィルムを用いることが好ましい。
As described above, the substrates can be bonded to each other depending on the material of the dielectric substrate, but it is preferable to use an adhesive from the viewpoint of preventing deformation and the like. If both ends of the connection through
また、誘電体基板22aに形成された上面コイル27aと、誘電体基板22bに形成された下面コイル27bとの接続は、下記の方法を用いるようにしてもよい。まず、誘電体基板21の両面に、上面コイル27aの形成された誘電体基板22aと、下面コイル27bの形成された誘電体基板22bとを接着剤等により貼り付ける。この後、上面コイル27a、下面コイル27bの両端にドリル等でホールを形成し、上面コイル27a、下面コイル27bの一端を接続用スルーホール25bで接続し、下面コイル27bのもう一端を接続用スルーホール25aにて、あらかじめ上面ライン23aの形成時に作製しておいた接続端子部29と接続することで、コイル28が形成できる。このコイル28は、対向する位置に配置された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して機能する。
Further, the following method may be used for connection between the
このようにして、コイル28は、誘電体基板21の両面に積層された誘電体基板22a、22bそれぞれの上下面にスルーホール24を介してコイル状に巻回して、誘電体基板22a、22bの両面に巻回された配線の一端同士を接続用スルーホール25bを介して接続されているので、良好な機械的強度と、高周波結合器1全体の小型化とを実現することができる。
In this manner, the
このように、機械的強度が強いのは、例えば図14に示すような従来例に係る高周波結合器と比べて、外力によって変形する虞がある金属線207を用いることなく誘電体基板21上に結合用電極として機能するコイル28が実装されているからである。また、高周波結合器全体の小型化が図れるのは、必ずしも電極の面積を大きくしなくても、コイル28全体の長さを調整することで結合強度を強くすることができるからである。
As described above, the mechanical strength is high on the
次に、高周波結合器2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2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、誘電体の材料は、誘電体基板21にポリテトラフルオロエチレン、誘電体基板22a、22bに液晶ポリマーを設定している。また、コイル28の材質には銅を設定した。高周波結合器2の大きさは、配線パターンが形成される面を、6.5mm×6.5mmとし、基板厚みを2mmとした。
Next, in order to investigate the performance of the high-
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、高周波結合器の信号入出力端となる接続端子部29の両端間を電力の入力ポートとしている。図9は、結合強度S21を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。ここで、高周波結合器2の上面コイル27aと、高周波結合器250の電極250aとの中心軸が一致するように対向させて、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。なお、この例では一方の高周波結合器250には、板状の電極250aを有し、評価の基準機である基準高周波結合器を用いた。
The coupling strength is evaluated by the S-parameter transmission characteristic S21 used for evaluating the high-frequency transmission characteristic, and the power input port is between both ends of the
また、高周波結合器2での電界の発生状態をみるために、高周波結合器2近傍の電界ベクトル分布も調べた。
Further, in order to see the electric field generation state in the
図10は電界ベクトル分布の解析部分を示すもので、図中XX’の点線ラインで示される部分、つまり高周波結合器2の中央部26a、26bを通り、基板の幅方向であるX−Y軸と厚み方向であるZ軸に広がる面を解析面としている。ここで、直方体の高周波結合器2に対し中心から接続端子部29に向かう方向を長さ方向であるY軸としている。
FIG. 10 shows an analysis portion of the electric field vector distribution, and passes through the portion indicated by the dotted line XX ′ in the drawing, that is, the
図11、及び、図12は、それぞれYZ面、XY面における高周波結合器2の共振周波数である4.5GHzでの電界ベクトル分布の解析結果を示すものである。ここで、図12は、高周波結合器2の上面コイル27aが形成された面から垂直方向に1mm離れた面での電界分布を示したものである。これら2つの図から明らかなように、上面コイル27aと下面コイル27bとに極性の異なる電極ができ、その間で強い電界分布を生じている。このため、共振時に強い電界の縦波を高周波結合器2の厚み方向であるZ軸方向に放射する。
11 and 12 show the analysis results of the electric field vector distribution at 4.5 GHz, which is the resonance frequency of the high-
図13は、高周波結合器2と基準高周波結合器250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−25dBの結合強度を有し、更に−3dB帯域幅においては1.1GHz以上の広帯域な特性が得られた。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2では必要帯域幅の約2倍の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−47dB以下の通信遮断性が得られている。
FIG. 13 shows an analysis result of the coupling strength S21 between the high-
以上のように、第2の実施形態に係る高周波結合器2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し、さらに、機械的強度との両立を実現可能しつつ、装置全体の小型化を図ることができる。
As described above, in the high-
1、2、102、106、150、250 高周波結合器、11、21、22a、22b 誘電体基板、11a、11b 面、12a、12b 配線、14a、14b、25a、25b 接続用スルーホール、15a、15b、26a、26b 中央部、18、103、107、208 結合用電極、19、29 接続端子部、19a、19b 端部、23a、27a 上面ライン、23b、27b 下面ライン、24 スルーホール、28 コイル、100 通信システム、101、105 通信装置、104、108 送受信回路部、150a、250a 電極、201 プリント基板、202 グランド、203 スタブ、205 送受信回路、207 金属線、 1, 2, 102, 106, 150, 250 High frequency coupler, 11, 21, 22a, 22b Dielectric substrate, 11a, 11b surface, 12a, 12b Wiring, 14a, 14b, 25a, 25b Connecting through hole, 15a, 15b, 26a, 26b Center part, 18, 103, 107, 208 Coupling electrode, 19, 29 Connection terminal part, 19a, 19b End part, 23a, 27a Upper surface line, 23b, 27b Lower surface line, 24 Through hole, 28 Coil , 100 communication system, 101, 105 communication device, 104, 108 transmission / reception circuit unit, 150a, 250a electrode, 201 printed circuit board, 202 ground, 203 stub, 205 transmission / reception circuit, 207 metal wire,
Claims (4)
誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、対向する位置に配置された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、
上記スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、上記通信波長と略同一の長さであり、該スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の1/4離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向していることを特徴とするアンテナ装置。 In an antenna device that performs information communication by electromagnetic field coupling between a pair of opposed electrodes at a predetermined communication wavelength,
One end of the wiring formed on both surfaces of the dielectric substrate is connected through a through hole, and includes a coupling electrode that is electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device disposed at an opposing position to enable communication ,
The wiring connected through the through hole has a wiring length that is substantially the same as the communication wavelength, and is separated from the end of the wiring not connected to the through hole by a quarter of the communication wavelength. Each antenna device is opposed to each other with the dielectric substrate interposed therebetween.
上記結合用電極は、上記誘電体基板の両面に積層された第1、第2の誘電体層それぞれの上下面にスルーホールを介してコイル状に巻回し、該誘電体基板の両面に巻回された配線の一端同士をスルーホールを介して接続されてなることを特徴とする請求項2記載のアンテナ装置。 First and second dielectric layers are laminated on both surfaces of the dielectric substrate,
The coupling electrode is wound in a coil shape on the upper and lower surfaces of the first and second dielectric layers laminated on both surfaces of the dielectric substrate via through holes, and is wound on both surfaces of the dielectric substrate. The antenna device according to claim 2, wherein one ends of the formed wirings are connected to each other through a through hole.
誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、対向する位置に配置された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、
上記スルーホールに接続されていない配線の端部に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、上記通信波長と略同一の長さであり、上記接続用端子から通信波長の1/4離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向していることを特徴とする通信装置。 In a communication device that performs information communication by electromagnetic coupling between electrodes of other communication devices arranged at opposite positions with a predetermined communication wavelength,
One end of wiring formed on both surfaces of the dielectric substrate is connected through a through hole, and a coupling electrode that is electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device disposed at an opposing position to enable communication,
A transmission / reception processing unit that is electrically connected via a connection terminal formed at an end of the wiring that is not connected to the through hole, and that performs signal transmission / reception processing;
The wiring connected through the through hole has a wiring length that is substantially the same as the communication wavelength, and each position that is a quarter of the communication wavelength away from the connection terminal is the dielectric substrate. A communication device characterized by facing each other with a gap therebetween.
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