CN101187972A - 通信系统和通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明的目的在于提供应用于通信领域的允许在信息装置之间进行大容量数据通信的通信系统和通信装置，其中，该通信系统包括：发射机，具有用于生成数据传输适应RF信号的发射电路单元和以感应场和/或静电场发送RF信号的电场耦合天线；接收机，具有电场耦合天线和接收并处理通过电场耦合天线接收的RF信号的接收电路单元；以及具有用于接收与发射机侧电场耦合天线电容耦合并从电场耦合天线输出的RF信号的多个发射机侧电场耦合天线、用于传输所接收的RF信号的信号线、以及用于输出与接收机侧电场耦合天线电容耦合并通过信号线传输的RF信号的多个接收侧电场耦合天线的耦合装置。

Description

通信系统和通信装置

相关申请的交叉参考

本申请包含于2006年11月21日向日本专利局提交的日本专利申请第2006-314459号的主题，其全部内容结合与此作为参考。

技术领域

本发明涉及用于在信息装置间执行大容量数据通信的通信系统以及通信装置，具体地，涉及用于通过使用静电场在信息装置间执行数据通信而不引起与其它通信系统的干涉的通信系统以及通信装置。

更具体地，本发明的实施例涉及通过使用静电场和/或感应场在每一个都以超近距离隔开的信息装置之间传输无线电频率(下文称作RF)通信信号的通信系统以及通信装置，以及更具体地，涉及通过在安装至各个信息装置的电场耦合天线(下文称作EFC天线)之间有效地传输RF信号，允许使用静电场和/或感应场与在超近距离内配置的每个装置进行大容量传输的通信系统以及通信装置。

背景技术

作为在小装置之间的无线缆数据传输的方法，已经开发了用于通过使用天线发射/接收无线电信号的无线电通信系统，包括蓝牙通信和IEEE802.11代表的无线LAN(局域网)。然而，由于使用天线的无线电通信从发射侧发射无线电波，而不管是否存在用于进行通信的其它方，所以存在引起无线电源干扰相对于彼此近距离配置的通信系统的问题。此外，天线还接收包括从远方传输的无线电波的无线电波，因此，很容易被周围的干扰无线电波所影响，从而降低接收灵敏度。在出现多个用于进行通信的其它方的情况下，需要复杂设置以从多个其它方中选择所期望的一个。对于在限定范围内由多对无线电装备进行的无线电通信，为了避免相互干涉，在通信前应该选择频率。此外，偏振波方向向正交方向的改变导致无线电波通信的失败。

另一方面，除使用辐射电磁场的无线电通信之外，可在无线电通信中采用使用感应场、静电场等的通信系统。使用辐射电磁场的无线电通信遇到实现高速大容量微弱无线电通信的困难，这是因为电场强度与距离成反比并且由于距离相对较小而引起的电场强度的衰减。与此相反，感应场和静电场提供了分别与距离的平方和立方成反比的电场强度，从而能够进行微弱无线电通信，使得距离无线电装备3米位置处的电场强度(无线电波的强度)变成预定水平以下，同时保持用于执行关于超近距离的稳定无线电通信的电场强度。因此，不需要无线电台许可。因此，使用感应场或静电场通过电容耦合的非接触超近距离通信适用于实现微弱无线电通信。

例如，根据基于电容耦合的通信系统，因为不存在进行近距离通信的其它方而没有建立耦合关系并且不传输无线电波，所以其它通信系统不被干扰。此外，即使从远方传输无线电波，EFC天线也不进行无线电波接收，除非出现任何电容耦合效应。因此，可以防止被其它通信系统干扰。此外，在使用天线的相关技术的无线电通信中，虽然辐射电磁场的电场强度与距离成反比，但在感应电磁场中，电场强度以与距离的平方成反比例的量进行衰减，以及在静电场中，电场强度以与距离的立方成反比例的量进行衰减。为此，根据基于电容耦合的通信系统，可以提供假设具有与在近距离内存在的其它无线电系统的噪声近似相等的水平的微弱无线电通信，而不需要无线电台许可。

使用感应场和/或静电场的数据通信技术已经被广泛地用在无线电频率识别(RFID)等中。例如，推荐RFID标签系统，即使RFID标签被叠加，也能确保读取/写入信息。通过形成所提供的辅助通信结构单元使得RFID标签位于多个辅助通信结构之间，以及通过配置附着至多个产品的RFID标签使得它们被夹在辅助通信结构之间，能够形成上述系统(例如，参见日本专利申请公开第JP2006-60283号，专利文献1)。

还提出了使用感应场的数据通信装置，具体地，除设备主体和将设备主体附着至用户主体的附着装置之外，具有天线线圈和数据通信装置的数据通信设备用于以非接触方式执行与其间具有天线线圈的外部通信装置的数据通信，其中，天线线圈和数据通信装置被配置在设备主体上部处所设置的外壳上(例如，参见日本专利申请公开第JP 2004-214879号，专利文献2)。

还推荐了具有通过采用以下结构来确保特定通信距离而不降低移动电话特性的RFID的移动电话：用于与外部装置执行数据通信的天线线圈被安装至将被插入移动信息装置中的存储卡，以及RFID天线线圈被放置在移动信息装置的存储卡插槽的外部(例如，参见日本专利申请公开第JP 2005-18671号，专利文献3)。

因为使用低频信号，所以基于电容耦合的相关技术的通信不适用于大容量数据的传输。然而，通过使用电容耦合传输RF信号，可得到大容量传输。具体地，对电容耦合应用诸如UWB通信的高频宽频带通信系统使得可以实现微弱无线电通信的大容量数据通信。

这里指定的UWB(超宽频带)通信可用于通过使用相当宽的频带(3.1～10.6GHz)实现近距离大容量(约为100Mbps)无线电数据传输(具体地，例如可将诸如运动图像和相当于包括在一片CD中的数据的音乐数据的大容量数据在短时间内被快速传输)。此外，不仅考虑到超过100Mbps的数据传输的可行性而不要求3.1～10.6GHz宽的传输频带，而且还考虑到容易制造RF电路，还进行了大量的改进来开发使用3.1～4.9GHz范围内的UWB低频带的传输系统。

尽管UWB通信最初作为被开发为使用天线的无线电通信系统的通信技术，但在本发明的实施例中，通过使用关于近距离区域的微弱电场实现高速数据传输。根据使用静电场的UWB通信系统，可以实现使用关于近距离区域的微弱电场的高速数据传输，例如，导致对诸如包括存储设备的超高速近距离DAN(设备域网络)的、在移动电话装置中加载的一种有效无线电通信技术作出贡献。

当没有实现无线电通信而实现了基于电容耦合的UWB通信时，电场强度与距离的三次方成反比。为此，将距离无线电装备3米位置处的电场强度(无线电波的强度)试图控制在预定水平以下可提供不需要无线电台许可的微弱无线电通信，以允许以低成本构成无线电系统。此外，对于使用电容耦合覆盖超近距离的数据通信，具有不会由于周围的反射物而降低信号质量的优点，并且不需要考虑传输线上的剽窃预防和/或隐私安全。

图16示出了由每一个都配备有RF EFC天线的发射机和接收机所组成的通信系统的一种结构。参照图16，通过平面电极14和24、串连电感器、以及并联电感器与RF信号传输线的连接来构成发射机和接收机。这里所指定的RF信号传输线包括同轴电缆、微带(micro-strip)传输线以及共面波导等。

例如，分别包括在发射机10和接收机20中的发射和接收电极14和24保持大约3厘米的距离来面对面放置，从而形成电容耦合。当主机应用程序发送传输请求时，发射机侧的发射电路单元11生成诸如基于传输数据的UWB信号的RF发射机信号，随后从发射电极14向接收电极24传播信号。然后，接收机20侧的接收电路单元21对所接收的RF信号执行调制和解码，随后将再生数据传送至主机应用程序。

如图16所示，当包括在发射机和接收机中的EFC天线分别彼此面对时，两个电极作为信号电容器，总体上，如带通滤波器一样操作，从而允许RF信号在两个EFC天线之间有效地进行传输。

因此，在使用高频覆盖GHz频带的通信中，类似于UWB通信，当耦合部分的阻抗不匹配时，信号的反射引起传播损耗，导致效率降低。对于基于电容耦合的传输线的优选形成，需要分别包括在发射机和接收机中的EFC天线之间采用充分的阻抗匹配。

此外，使用电容耦合的通信系统还包括依赖于距离的强衰减的问题。由于依赖于与波长相关的传播距离范围而引起的传播损耗的原因，在使用电容耦合传播RF信号期间，依赖于电极间间隔的传播损耗的问题变得严重。因此，存在将发射机和接收机的耦合电极(EFC天线)彼此尽可能接近的需要，引起远距离通信失效，导致缺乏用户便利性。

在耦合电极之间需要位置的精细对准，以使具有电容耦合的耦合电极有效地更加彼此接近，并且在数据通信期间，需要保持位置。存在许多用户难以理解的细节：耦合电极应该被设置在通信装置的什么部分，哪个电极部分需要接触，或者应该如何确定面对的电极部分的角度以获得最佳通信位置。因此，担心不能获取最大的通信速度。

发明内容

根据本发明的实施例，期望提供高级通信系统以及高级通信装置，通过使用应用高频宽频带信号的UWB通信系统允许在信息装置之间进行大容量数据通信。

根据本发明的实施例，进一步期望提供高级通信系统以及高级通信装置，实现分别包括在以超近距离隔离放置的信息装置中的EFC天线之间RF信号的有效传输，从而能够使用感应场和/或静电场实现大容量传输。

进一步提供高级通信系统以及高级通信装置，通过保持适当的电极间间隔允许有效的数据传输，同时允许在具有电容耦合的发射机和接收机电极之间的容易调整。

本发明的一个实施例涉及一种通信系统，包括：发射机，具有用于生成数据传输适应RF信号的发射电路单元和用于作为感应场和/或静电场发送上面的RF信号的EFC天线；以及接收机，具有用于处理由EFC天线接收的RF信号的接收电路单元。通信系统进一步包括：位于发射机侧的多个RF耦合装置，用于接收与包括在发射机中的EFC天线电容耦合并从EFC天线输出的RF信号；信号线，用于传输所接收的RF信号；以及具有多个接收机侧EFC天线的耦合装置，用于输出与包括在接收机中的EFC天线的电容耦合并通过上面的信号线传输的RF信号。

然而，这里所指的“系统”是指多个装置(或用于实现特定功能的功能模块)的集合，而不管每个装置或功能模块是否包括在单个外壳中(对于下面的说明也是如此)。

根据本发明实施例的通信系统被配置为通过使用分别包括在用于生成诸如UWB信号的数据传输适应RF信号的发射机和接收并处理UWB信号的接收机中的EFC天线，在发射机和接收机之间给定电容耦合来传输UWB信号。感应场和/或静电场衰减与距离的立方成反比的量，从而具有不需考虑传输线上的剽窃预防和/或隐私安全的优势，同时提供了不需要无线电台许可的微弱无线电通信。此外，由于UWB通信的应用，所以可进行覆盖超近距离的大容量通信，并允许在较短的时间周期内以高速传送诸如运动图像和等同于包括在一片CD中的数据的音乐数据的大容量数据。

对于由无线LAN代表的使用天线的无线电通信系统，难以通过使用RF宽频带信号实现大容量超近距离微弱无线电通信，导致与其它通信系统的干涉问题。另一方面，使用感应场和/或静电场的通信系统在不存在以近距离范围进行通信的其它方的情况下没有在EFC天线之间建立耦合关系。具体地，由于没有从不使用的EFC天线发生无线电波辐射，所以不干涉其它通信系统。即使从远处传输无线电波，EFC天线也不进行无线电波接收，从而消除了其它通信系统的干涉。虽然由于使用低频信号使得使用电容耦合的通信不能适用于大量数据的传输，但本发明的发明者提出通过使用电容耦合传输RF信号可获取大容量传输的观点。

RF电路引起依赖于与波长相关的传播距离的传播损耗，结果，当发射诸如UWB信号的RF信号时，需要将传播损耗抑制的充分低。另一方面，根据本发明实施例的通信系统在发射机和接收机中的EFC天线的这种协同作用下使得它们耦合部分的阻抗相匹配，通过抑制在EFC天线之间引起的反射波，得到传播损耗的降低。

使用电容耦合的通信系统包括依赖于距离的较大衰减的问题。由于依赖于与波长相关的传播范围而引起的传播损耗的原因，在使用电容耦合的RF信号的传播期间，依赖于电极间间隔的传播损耗的问题变得严重。为此，需要通过精密地配置发射机和接收机的耦合电极来进行精细的对准。存在许多用户难以理解的细节：每个电极应该被放置在通信装置中的哪个部分，哪个电极部分需要用于接触，或者应该如何确定面对的电极部分的角度来获取最佳通信位置。因此，担心不能获取最大的通信速度。

因此，根据本发明实施例的通信系统使用通过以阵列排列多个EFC天线所形成的耦合装置。具体地，耦合装置具有由诸如微带传输线、共面波导以及同轴电缆的线所形成的栅格状配置的信号线，并在信号线的每个交叉点处放置EFC天线。

对于无线电通信，并列放置多个发射天线使得发射功率被分配给每个天线，因此导致各个天线输出的降低，由此对通信没有贡献的天线浪费了无用的发射功率。另一方面，关于基于电容耦合的通信系统，只有与其它EFC天线具有耦合关系的EFC天线被用于传输RF信号，使得除上面之外的EFC天线作为开放端(open-ended)。特别地，即使以阵列排列多个EFC天线，也只有与用于进行通信的其它方具有电容耦合的EFC天线作为负载，并且不存在与通信其它方侧的EFC天线不具有电容耦合的EFC天线的发射功率浪费的问题。

通过以阵列放置多个EFC天线所形成的耦合装置可用作信号无线电装备的EFC天线，或者可选地，可用作插入到在两个或多个通信适应无线电装备之间的耦合装置或“通信片”。在后者的情况下，沿信号线进行在与一个无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线处所接收的RF信号的传播，随后，从与其它无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线传输RF信号。因此，假设通信片等效于仅包括彼此具有耦合关系的EFC天线并去掉除上面之外的EFC天线的电路。

仅当通信片的耦合电极和外部无线电装备的耦合电极被彼此隔开近距离时，才提供RF信号，允许在面对的耦合电极之间发射功率。反过来说，当外部耦合电极位于远方时，防止通信片内的信号和/或功率从片中出去，从而防止影响外部装置以及由不需要的电磁波的辐射所引起的信息泄漏。

没有来自与通信不相关的耦合电极的辐射，在通信片上的耦合电极中，能够仅对所需的耦合电极进行信号和/或功率的有效传输。特别地，即使不从外部施加通信片功率，也可以传输与当在通信片上的任意位置处进行传输线的一对一连接时所获取的信号具有相同功率水平的信号。

因此，当将信号线的交叉点之间的间隔设置为波长的正整数倍时，与用于进行通信的其它方具有电容耦合的EFC天线允许包括已经通过通信片内的任意线路传输的那些信号的信号以同相位的条件被观察，使得信号被彼此加强，从而确保有效通信。相反，当没有将信号线的交叉点之间的间隔设置为波长的正整数倍时，通过不同的线路被传输至与进行通信的其它方具有电容耦合的EFC天线的信号的相位不匹配，从而由于干涉，使得信号被彼此减弱。

不论信号通过通信片内的哪条线路，如果将相同相位条件下的信号输入耦合电场，则可以防止信号水平在通过通信片内不同线路传播的RF信号之间的干涉作用下被彼此加强或减弱，从而能够稳定传输。

当假设有效频带为3.1～4.9GHz范围内的UWB低频带(先前所描述的)时，获得大约75mm的波长。因此，在采用线性形式的信号线的每个交叉点处放置EFC天线不能在通信片上提供更高的EFC天线的密度。如果是这种情况，则在通信片上发生缺乏通信质量的一致性，或者需要在通信片上进行无线电装备侧EFC天线的对准。因此，还允许弯曲连接交叉点的信号线，使得EFC天线之间的间隔变窄。

例如可以以印刷基板的形式实现通信片。例如，在由微带传输线形成的信号线被放置在印刷基板上之后，EFC天线部件可被安装在信号线的每个交叉点处。

可选地，还允许以包括EFC天线为止的多层基板的形式实现通信片。这种类型的多层基板采用多层结构，通过用作耦合电极的第一导体层、在布置由微带传输线组成的信号线的同时通过将由集总常数电路或分布常数电路组成的阻抗匹配单元和/或共振单元连接至每个交叉点所形成的第二导体层、以及用作地的第三导体层的叠层，分别通过介电层获得这种多层结构。在包括在信号线中的导体层中，用作集总常数电路的并联电感或用作分布常数电路的短截线(stub)连接在信号线的每个交叉点处。阻抗匹配单元经由穿过配置为上层和下层的介电层的通孔连接至耦合电极和地的每一个。

可选地，还允许将同轴电缆连接至包括在这种类型的多层基板的内层中的信号线的交叉点，以通过电缆执行RF信号的输入/输出，而不使用EFC天线。

可选地，通过使用柔性材料作为多层基板，可适合于制造以类似于桌布的东西成功给出二维通信功能的通信片。

在这种类型的通信片上的任意位置中放置安装有EFC天线的无线电装备可利于通过通信片有效地进行更加隐私安全的通信，而对外部装置没有任何影响。还可以以非接触方式通过在整流已经被EFC天线接收的RF信号后通过取掉功率而将功率传输至放置在通信片上任意位置中的电气装置。

根据本发明的实施例，提供了高级通信系统以及高级通信装置，可用于在根据使用RF宽频带信号的UWB通信系统在信息装置之间进行大容量数据通信。

根据本发明的实施例，提供了高级通信系统以及高级通信装置，实现分别包括在以超近距离隔离放置的信息装置中的EFC天线之间RF信号的有效传输，从而能够使用感应场和/或静电场进行大容量传输。

根据本发明的实施例，提供了高级通信系统以及高级通信装置，通过保持适当的电极间间隔允许有效的数据传输，同时利于在具有电容耦合的发射机和接收机电极之间的容易调整。

附图说明

图1是示出通过在印刷基板上封装具有集总常数电路形式的阻抗匹配单元和/或共振单元的EFC天线获得的一个电路配置的示图；

图2A是示出通过在印刷基板上封装具有分布常数电路形式的阻抗匹配电路和/或共振电路的EFC天线获得的一个电路配置的示图；

图2B是表示在图2A所示EFC天线的短截线上的驻波分布的示图；

图3示意性示出了单个EFC天线的单独放置；

图4示意性示出了两个EFC天线的面对耦合电极；

图5示意性了示出阵列形式的多个EFC天线的放置；

图6示意性示出了在一个无线电装备的EFC天线和另一个无线电装备的EFC天线彼此更加靠近以具有电容耦合关系的情况下关于图5所示通信片的等效电路；

图7示出了关于图5所示的通信片，无线电装备侧EFC天线被放置在与相互邻近的EFC天线等距离的位置处的状态；

图8示意性示出了通过以正三角形形式栅格排列的信号线获得的通信片的结构；

图9示意性示出了在一个无线电装备的EFC天线和另一个无线电装备的EFC天线彼此更加靠近以具有电容耦合关系的情况下关于图8所示通信片的等效电路；

图10示意性示出了通过弯曲交叉点至交叉点的信号线所形成的通信片的结构；

图11示出了作为单个无线电装备的EFC天线的通信片的一个应用；

图12示出了在通过印刷基板的微带传输线栅格排列通信片的信号线并将EFC天线连接至每个交叉点的状态；

图13A示出了包括EFC天线为止的多层基板形式的通信片；

图13B示出了由包括集总常数电路形式的EFC天线的多层基板构成的通信片的组件结构；

图13C示出了由包括分布常数电路形式的EFC天线的多层基板构成的通信片的组件结构；

图14示出了通过将同轴电缆连接至包括在图13所示多层基板形式的通信片内层中的信号线的交叉点所获得的一个结构；

图15示出了通过使用柔性材料作为多层基板所获得的通信片；以及

图16示出了由每一个都配备有EFC天线的发射机和接收机所组成的通信系统的一个结构。

具体实施方式

下文中，参照附图描述本发明的实施例。

本发明的实施例涉及用于通过使用感应场和/或静电场在信息装置之间执行数据传输的通信系统。根据基于电容耦合的通信系统，在不存在用于在近距离进行通信的其它方的情况下不建立耦合关系并且不传输无线电波，使得与其它通信系统没有干涉。即使从远方传输无线电波，EFC天线也不进行无线电波接收，从而排除了其它通信系统的干涉。

在使用天线的相关技术的无线电通信中，辐射电磁场的场强衰减与距离成反比的量。与上面相反，感应场使场强衰减与距离的平方成反比的量，而感应场和/或静电场使场强衰减与距离的立方成反比的量。因此，根据基于电容耦合的通信系统，可以提供假设为等同于用于位于临近的其它无线电系统的噪声水平的水平的微弱无线电通信，因此，不需要无线电台许可。

因为使用低频信号，所以基于电容耦合的相关技术的通信不适用于大量数据的传输。然而，可假设通过使用电容耦合传输RF信号来了获得大容量传输。具体地，将类似于UWB通信的高频宽频带通信系统应用于电容耦合使得可以实现大容量数据通信以及微弱无线电通信。例如，使用感应场和/或静电场的UWB通信系统可用于在较短时间周期内以高速传输诸如运动图像和等效于包括在一片CD中的数据的音乐数据的大容量数据。

图16示出了每个都配备有EFC天线的发射机和接收机所组成的通信系统的基本结构。对于通过使用电容耦合的传输线的优选形成，如下给出作为EFC天线的发射机和接收机的基本要求。

(1)包括用于在电场中耦合的电极。

(2)包括用于通过更强的电场给出耦合的共振单元。

(3)对于通信可用的频带，包括电感和电极的电容常数，使得当EFC天线面对时获得阻抗匹配。

关于EFC天线的阻抗匹配单元和/或共振单元(等效于并联电感和串连电感)可由集总常数电路或分布常数电路构成。

图1示出了通过在印刷基板上封装具有集总常数电路形式的阻抗匹配单元和/或共振单元的EFC天线所获得的一个电路配置。参照所示配置，EFC天线被放置在印刷基板101上，在印刷基板101的上表面具有印刷图案以及在下表面上形成接地导体102。在印刷基板上的信号线图案104的末端，EFC天线具有通过金属线107放置的耦合电极108以及并联连接的并联电感110，并且并联电感110的另一端经由印刷基板101中的通孔106连接至接地导体102。信号线图案104形成入射到耦合电极108上的波以及从耦合电极108反射的波(假设耦合电极处于开放端的条件)的传输线。

图2A示出了通过在印刷基板上封装具有分布常数电路形式的阻抗匹配单元和/或共振单元的EFC天线获得的一个电路配置。参照所示的配置，EFC天线被放置在印刷基板101上，在印刷基板101的上表面上具有印刷图案以及在下表面形成接地导体102。EFC天线具有导体图案(即，代替用作集总常数电路的并联电感，短截线103用作分布常数电路)，并通过信号线图案104连接至发射/接收电路模块105。短截线103的末端被短路并经由穿过印刷基板101的通孔106连接至下表面的接地导体102，并且还通过短截线103中心附近的金属线107连接至耦合电极108。信号线图案104形成入射到耦合电极上的波以及从耦合电极反射的波(假设耦合电极处于开放端的条件)的传输线。

假设短截线103具有等于RF信号的半个波长的长度，并且通过印刷基板101上诸如微带传输线和共面波导的线形成信号线104和短截线103。当具有等于半个波长的短截线103的末端处于短路条件时，在短截线103内生成的驻波的电压振幅在短截线103末端处为零，并在短截线的中间(具体地，在距离短截线103末端四分之一波长的点处)达到其最大值(参见图2B)。在电压振幅达到其最大值的情况下，耦合电极108通过金属线107与短截线103的中心的连接允许制造具有满意的传播效率的EFC天线。

由于包括在分布常数电路中的短截线103被形成大约RF信号的半个波长的尺寸的原因，所以由制造处理中的交差所引起的尺寸误差与整体长度相比非常小，结果，难以发生特性的变化。

注意，电子技术领域中所指的“短截线”是每个都具有所连接的一个端点，而另一个端点不连接或接地的电线的常用术语，并被提供用于诸如调节、测量、阻抗匹配和滤波的用途的电路的中间位置。

对于RF电路，通常所知集总常数电路的带宽比分布常数电路的窄。当阻抗匹配单元和共振单元是如图1所示的集总常数电路的形式时，通过并联电感和串连电感的常数确定EFC天线的操作频率，使得作用仅在窄带范围内有效。另外，当频率较高时，电感常数降低，导致由于常数变化而产生共振频率差的问题。

另一方面，通过提供短截线103或通过图2A所示印刷基板101上的导体图案构成的分布常数电路形式的阻抗匹配单元，EFC天线可在宽频带上获得统一的特性。为此，可以应用诸如DSSS(直接序列扩展频谱)和OFDM(正交频分复用)调制的频率扩展成宽频信号的调制系统。短截线103具有印刷基板101上的导体图案，并且由于其很小的直流电阻，使得即使对RF信号也只有很小的损耗，从而使EFC天线之间的传播损耗降低。

然而，除非另有指定，应该了解在下面的描述中，图1所示的集总常数电路结构和图2A所示的分布常数电路结构都可被用作EFC天线。

现在，描述EFC天线之间的电容耦合作用。

当两个EFC天线的耦合电极面对时，两个EFC天线以适于进行通信的频率利用耦合电极之间的电容耦合进行信号传播。另一方面，当单独放置单个EFC天线而不与其它EFC天线具有任何耦合关系时，设计使得已经以适于进行通信的频率输入的RF信号通过反射返回，而不被向外辐射。

在输入/输出端处不存在EFC天线的任何耦合关系的情况下，连接至EFC天线的信号线的适当长度调节(例如，信号线为半个波长的整数倍)可提供反射波和入射波的相位匹配。此时，当考虑来自信号线的输入/输出端的EFC天线时，观察到输入信号以近似相同的振幅和相位条件被反射。因此，可以认为EFC天线变成开放端的相同条件。

图3示意性示出了单个EFC天线的单独布局。图4示意性示出了两个面对的EFC天线。

在图3所示的布局中，EFC天线等效于开放端，因为已经进入不具有耦合关系的EFC天线的信号(入射波)与已经被EFC天线反射的信号(反射波)在输入/输出端处振幅和相位相同。相反，在图4所示的布局中，一个EFC天线与另一个EFC天线具有耦合关系，因此，引起输入RF信号的向外辐射，使得在另一EFC天线侧观察到通过波(passing wave)，而不出现反射波。

因此，为了通过耦合电极生成电容耦合，使用电容耦合的通信系统需要进行耦合电极之间精细的对准，并且在数据通信期间，需要保持电极位置。存在许多用户难以理解的细节：耦合电极应该被设置在装置的什么部分，哪一个电极部分需要用于接触，或者应该如何确定面对电极的角度以获得最佳通信位置。为此，担心不能获得最大的通信速度。

可以想象，对于这种类型的问题的一种解决方法是以阵列形式配置多个EFC天线。对于无线电通信，并联放置多个发射天线使得将发射功率分配给每个天线，因此，引起单个天线输出的降低，而对通信没有贡献的天线浪费了无用的发射功率。另一方面，关于基于电容耦合的通信系统，只有与其它EFC天线具有耦合关系的EFC天线被用于传输RF信号，并且除上面之外的EFC天线作为开放端。具体地，即使以阵列排列多个EFC天线，也只有与用于进行通信的其它方具有电容耦合的EFC天线作为负载，并且不会发生与通信其它方侧的EFC天线不具有电容耦合的EFC天线的发射功率浪费的问题。顺便提及，当每个单独的EFC天线具有如图2所示的更宽频带时，在覆盖了宽频带的同时，通过以阵列方式放置EFC天线而同时使用多个EFC天线也能提供有效的动作。

图5示意性示出了以阵列方式配置多个EFC天线。参照所示的配置，EFC天线被放置在以栅格形式放置的信号线的每个交叉点处。由诸如微带传输线、共面波导和同轴电缆的线来构成信号线。

所示的配置允许由这种类型的EFC天线组所组成的耦合装置用作具有以阵列形式放置在片上的EFC天线组的、被称作“通信片”的通信装置。所示的通信片被插入在无线电装备1和2之间，并通过信号线进行已经在与一个无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线处接收的RF信号的传播，随后从与其它无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线传输RF信号。

在图5所示的通信片上，当无线电装备1的EFC天线1和无线电装备2的EFC天线2彼此更加靠近以具有耦合关系时，通信片上的EFC天线中与无线电装备侧EFC天线不具有耦合关系的那些天线被认为实质上是关于进行通信的频率的开放端。因此，如图6所示，假设通信片等效于仅包括彼此具有耦合关系的EFC天线并去掉除上面之外的EFC天线的电路。

已经从无线电装备1的EFC天线输入的RF信号通过线路(1)、(2)和(3)、或者通信片内的其它任意线路传输至EFC天线2，并被无线电装备2接收。因此，当信号线的交叉点之间的间隔被设置为波长的正整数倍的量时，EFC天线2允许以相同的相位条件观察包括已经通过通信片内任意线路传输的那些信号的信号，从而使信号彼此加强，并执行有效通信。相反，当信号线的交叉点之间的间隔没有被设置为波长的正整数倍的量时，已经通过不同线路到达相同EFC天线2的信号的相位不匹配，从而使信号在干涉作用下彼此减弱。

对于信号线以如图5或图6所示矩形方式栅格形成的通信片，交叉点的间隔不需要为波长的正整数倍，并且可选地，为了从通信片上的一个任意EFC天线至不同EFC天线传播的信号的相位匹配，交叉点的间隔可以是半个波长的正整数倍。然而，当通信片上信号线的交叉点的间隔设置为半个波长的正整数倍时，与多个相互临近的任意EFC天线中的其它通信方侧EFC天线的电容耦合导致从各个EFC天线输出RF信号作为相位彼此相反的信号，使得在干涉作用下信号彼此减弱。

例如，无线电装备2的EFC天线2的耦合关系不限于图5所示通信片上的任意一个EFC天线。如图7所示，无线电装备2侧EFC天线2可以与多个互相临近的EFC天线(例如，EFC天线A和B)等距离的方式被放置，从而在EFC天线A和B之间进行相同的耦合。在那种情况下，通过信号线传输从无线电装备1接收的RF信号，此后，分别从EFC天线A和B输出。在这种情况下，由于输出信号相位的不匹配，所以这些输出信号经受相互抵消，由此导致不能在无线电装备1和2之间进行通信。

另一方面，当通信片上信号线的交叉点之间的间隔没有被设置为半个波长的正整数倍而是波长的正整数倍时，在如图7所示无线电装备2侧EFC天线2与彼此临近的EFC天线A和B等距离地被放置的条件下，EFC天线A和B之间的等效耦合使输出信号彼此加强，因为当从无线电装备1接收的RF信号在被通过信号线传输后从EFC天线A和B输出时，输出信号的相位匹配。因此，推荐通信片上信号线的交叉点之间的间隔不为半个波长的正整数倍，而为波长的正整数倍。

虽然通过在以栅格形式布局的信号线的每个交叉点处放置EFC天线而构成通信片，但栅格结构不限于如图5～7所示的矩形或四边形。例如，还可以允许提供以如图8所示的等边三角形形式构成栅格的信号线，用于同样在每个交叉点处放置EFC天线的通信片的结构。

具有如图8所示结构的通信片也被插入无线电装备1和2之间，并通过信号线进行已经通过与一个无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线所接收的RF信号的传播，随后从与其它无线电装备的EFC天线具有电容耦合的EFC天线传输RF信号。

在图8所示的通信片的表面上，当无线电装备1的EFC天线1和无线电装备2的EFC天线2彼此更加靠近以给出耦合关系时，与通信片上EFC天线中的与无线电装备侧EFC天线不具有耦合关系的那些天线可被认为实质上与关于用于进行通信的频率的开放端相同。因此，如图9所示，假设通信片等效于仅包括彼此具有耦合关系的EFC天线的并去掉除上面之外的EFC天线的电路。

从无线电装备1的EFC天线输入的RF信号通过线路(1)、(2)、(3)、或者通信片内的任意其它线路被传输至EFC天线2，并被无线电装备2接收。因此，当信号线的交叉点之间的间隔被设置为波长的正整数倍的量时，EFC天线2允许以相同的相位条件观察包括已经通过通信片内任意线路传输的那些信号的信号，使信号彼此加强，从而确保有效通信。相反，当信号线的交叉点之间的间隔没有被设置为波长的正整数倍的量时，已经通过不同线路到达相同EFC天线2的信号的相位不匹配，从而使信号在干涉作用下彼此减弱。

对于以栅格形式在每个交叉点处放置EFC天线，包括如图5～7和8所示的通信片结构，通过将每个交叉点之间的间隔设置为波长的正整数倍可获得有效通信。因此，当假设有效频带为3.1～4.9GHz范围内的UWB低频带(先前所描述的)时，获得大约75mm的波长。因此，采用线性形式的信号线的使用不能提供放置在通信片上的EFC天线的高密度。具体地，当不存在通信片的EFC天线之间充分窄的间隔时，在通信片每个位置处出现缺乏通信质量的一致性，或者需要在通信片上进行无线电装备侧EFC天线的对准。

因此，为了窄化通信片上EFC天线之间的间隔并实现通信片上更一致的通信，还允许提供具有如图10所示的弯曲形式的交叉点对交叉点的信号线。然而，在这种情况下，为了使已经通过不同线路到达相同EFC天线2的信号的相位相匹配，信号线的交叉点之间的间隔需要为用于通信的信号的波长的整数倍。

由以阵列形式放置的EFC天线组构成的耦合装置可被用作如图11所示的一种无线电装备的EFC天线，来替代在如图5所示无线电装备之间插入信号传输线。图11所示的一种应用包括不同的信号线用于在无线电装备1和通信片中信号线的交叉点之间进行连接，以通过电缆输入/输出关于通信片的RF信号。

形成通信片的一种方法可以是将EFC天线连接至由图12所示印刷基板的微带传输线所构成的通信片信号线栅格的每个交叉点。通过形成为安装在基板上的电路部件的EFC天线，可以通过诸如回流焊的处理来连接用于信号线每个栅格的EFC天线。

此外，通信片不限于使用信号线的那些通信片，还可以采用包括图13所示EFC天线为止的多层基板形式。在这种情况下，信号线在多层基板的内层上形成栅格。

图13B示出了由多层基板构成的通信片的装配结构，包括集总常数电路形式的EFC天线。

分别通过介电层的三个导体层的叠层获得所示的通信片，例如用作耦合电极使导体层、具有由微带传输线构成的信号线的布局配置的导体层、以及用作接地的导体层。在信号线中所包括的导体层中，并联电感被连接在信号线的每个交叉点处，并且并联电感的每一端都经由穿过介电层的通孔连接至耦合电极与地。

通过将用于在信号线的交叉点与并联电感之间连接的信号线的长度设置为半个波长的整数倍，当耦合电极用作开放端时，可以使反射波和入射波在输入/输出端处的相位相匹配。

使用由具有高介电常数的材料构成的介电层可通过波长缩短效应使信号线的交叉点之间的间隔变窄。

图13C示出了由多层基板构成的通信片的装配结构，包括分布常数电路形式的EFC天线。

分别通过介电层的三个导体层的叠层获得所示的通信片，例如用作耦合电极的导体层、具有由微带传输线构成的信号线的布局配置的导体层、以及用作接地的导体层。在信号线中所包括的导体层中，短截线被连接在信号线的每个交叉点处。短截线的长度大约为RF信号的半个波长的长度，并在其末端处经由穿过介电层的通孔连接至地，同时经过穿过介电层的通孔连接至与该末端距离四分之一波长的点处的耦合电极，其中，驻波的电压振幅达到其最大值。

通过将用于在信号线的交叉点与短截线之间连接的信号线的长度设置为半个波长的整数倍，当耦合电极用作开放端时，可以使反射波和入射波在输入/输出端处的相位相匹配。

使用由具有高介电常数的材料构成的介电层可通过波长缩短效应使信号线的交叉点之间的间隔变窄。

可选地，如图14所示，还可以允许将同轴电缆连接至包括在如图13所示多层基板形式的通信片的内层中的信号线的交叉点，以直接通过电缆而不通过EFC天线执行通信片的RF信号的输入/输出。

可选地，如图15所示，使用多层基板的柔性材料可适合于制造以类似于桌布的东西成功给出二维通信功能的通信片。

在如图12～15所示通信片上的任意位置中放置安装有EFC天线的无线电装备可利于通过通信片有效地进行更加隐私安全的通信，而对外部装置没有任何影响。此外，还可以以非接触方式通过在整流已经被EFC天线接收的RF信号后取掉功率而将功率传输至放置在通信片上任意位置中的电气装置。

在上文中，已经参照指定实施例详细描述了本发明。然而，应该了解，对于本领域的技术人员，在不背离本发明的精神的情况下，可允许对上述实施例进行修改和替换。

虽然本说明书重点描述了用于通过使用电容耦合来执行UWB信号的无电缆数据传输的通信系统所应用的实施例，但本发明的范围并不限于此。还可以将本发明应用于除UWB通信系统之外的RF信号通信系统以及被用于通过使用相对较低频率的信号基于电容耦合来执行数据传输的通信系统。

总之，已经以示意性披露了本发明，并且应该以没有限制含义的方式来解释本说明书中包含的所有内容。考虑到附加权利要求确定本发明的范围。

本领域的技术人员应该理解，根据设计要求和其他因素，可以有多种修改、组合、再组合和改进，均应包含在本发明的权利要求或等同物的范围之内。

Claims (19)

1.一种通信系统，包括：

发射机，具有用于生成用于数据传输的RF信号的发射电路单元以及将所述RF信号作为感应场和/或静电场进行发送的电场耦合天线；

接收机，具有电场耦合天线以及用于接收并处理由所述电场耦合天线接收的RF信号的接收电路单元；以及

耦合装置，具有：至少一个发射机侧电场耦合天线，用于接收与所述发射机侧电场耦合天线电容耦合并从所述电场耦合天线输出的所述RF信号；信号线，用于传输所接收的RF信号；以及至少一个接收机侧电场耦合天线，用于输出与所述接收机侧电场耦合天线电容耦合并通过所述信号线传输的所述RF信号。

2.根据权利要求1所述的通信系统，其中：

所述RF信号是覆盖超宽频带范围的UWB信号。

3.根据权利要求1所述的通信系统，其中：

在所述耦合装置中，以栅格形式布局所述信号线，并在所述信号线的交叉点上分别放置多个所述发射机侧电场耦合天线和所述接收机侧电场耦合天线。

4.根据权利要求3所述的通信系统，其中：

在所述耦合装置中所包括的多个电场耦合天线中，只有与所述发射机侧的电场耦合天线或所述接收机侧的电场耦合天线具有电容耦合的那些天线用作负载，而除上面的电场耦合天线之外的电场耦合天线用作开放端。

5.根据权利要求3所述的通信系统，其中：

所述信号线的交叉点之间的间隔是波长的正整数倍。

6.根据权利要求5所述的通信系统，其中：

通过弯曲所述信号线中连接交叉点的部分来缩短电场耦合天线之间的间隔。

7.根据权利要求1所述的通信系统，其中：

所述耦合装置包括印刷基板、所述印刷基板上的包括微带传输线的信号线、以及与所述信号线的每个交叉点连接的电场耦合天线。

8.根据权利要求1所述的通信系统，其中：

所述耦合装置由多层基板形成，所述多层基板包括：用作耦合电极的第一导体层、布局配置中具有包括微带传输线的信号线的第二导体层、用作地的第三导体层、以及设置在这些导体层之间的介电层，其中；

在所述第二导体层中，集总常数电路或分布常数电路形式的共振单元连接至所述信号线的每个交叉点，并且所述共振单元经由穿过每个介电层的通孔连接至所述耦合电极和所述地。

9.根据权利要求8所述的通信系统，其中：

同轴电缆连接至包括在所述多层基板的内层中的信号线的交叉点，以通过电缆而不是通过所述电场耦合天线来执行RF信号的输入/输出。

10.根据权利要求8所述的通信系统，其中：

所述多层基板由柔性材料形成。

11.一种通信装置，包括：

信号线，以栅格形式布局；以及

多个电场耦合天线，放置在所述信号线的每个交叉点处；

其中，每个电场耦合天线都具有耦合电极以及用于加强所述耦合电极相互之间的电耦合的、集总常数电路或分布常数电路形式的共振单元。

12.根据权利要求11所述的通信装置，其中：

所述RF信号是用在超宽频带中的UWB信号。

13.根据权利要求11所述的通信装置，其中：

在所述多个电场耦合天线中，只有与包括在用于进行通信的无线电装备中的电场耦合天线具有电容耦合的那些天线用作负载，而除上面的电场耦合天线之外的电场耦合天线用作开放端。

14.根据权利要求11所述的通信装置，其中：

所述信号线的交叉点之间的间隔为波长的正整数倍。

15.根据权利要求14所述的通信装置，其中：

通过弯曲连接交叉点的所述信号线来使所述电场耦合天线之间的间隔变窄。

16.根据权利要求11所述的通信装置，包括：

印刷基板；

信号线，由所述印刷基板上的微带传输线构成；以及

电场耦合天线，连接至所述信号线的每个交叉点。

17.根据权利要求11所述的通信装置，其中：

分别通过介电层层叠诸如用作耦合电极的第一导体层、布局配置中具有由微带传输线构成的信号线的第二导体层、以及用作地的第三导体层的多层基板，并且在所述第二导体层中，集总常数电路或分布常数电路形式的共振单元连接至所述信号线的每个交叉点，从而允许所述共振单元经由穿过每个介电层的通孔连接至所述耦合电极和所述地。

18.根据权利要求17所述的通信装置，其中：

同轴电缆连接至包括在所述多层基板内层中的信号线的交叉点，以通过电缆而不是通过所述电场耦合天线执行RF信号的输入/输出。

19.根据权利要求17所述的通信装置，其中：

所述多层基板由柔性材料形成。

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