CN101572337A - 通信系统和天线设备 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及通信系统和天线设备。一种用于通信系统中的发射器或接收器的天线设备。天线设备包括：介电基板，具有位于其一个表面上的导体层；和缝隙天线，包括形成在所述一个表面上并且基本设置在中心的天线电极、包围该天线电极的接地导电表面、以及该天线电极与接地导电表面之间的间隙构成的缝隙传输线。
Description
技术领域
本发明涉及利用设置成彼此靠近的发射天线与接收天线之间产生的近场电磁耦合效应来执行非接触近程数据传输的通信系统，和用于这种非接触近程数据传输的天线设备。更具体地，本发明涉及利用近场电磁耦合效应来执行高速数字数据传输的通信系统和天线设备。
背景技术
近年来，为了提供处理高速数字信号的接口，如LVDS(低压差分信令)、XAUI(10千兆比特接合单元接口)、PCI(外围组件互连)-快线，等等。这些接口中的一些具有高达6Gbps以上的数据速率。在这些接口标准中，使用小电压振幅以实现高速信号传输。然而，存在的问题在于，随着电压振幅的降低，这些接口会更受到噪声干扰。为了克服此问题，采用差分传输来代替单端(single-ended)传输。
这些接口中，为了减少信号线的数量等，对LVDS进行开发。例如，通过CMOS/TTL，传输具有6比特到10比特的用于表示RGB的各个灰度级的视频信号所需信号线数量是20到40。然而，通过LVDS，可以将数量减少到4对(3对用于数据，1对用于时钟)到6对(5对用于数据，1对用于时钟)。LVDS的主要应用包括通信装置、PDP(等离子显示板)、液晶显示板的数字接口等。
对于这种类型的高速数字接口的传输线，常常使用被控制为具有100Ω的特征阻抗的差分传输线。在此情况下使用的专用传输线包括：由介电基板(印刷电路板等)制成的微带传输线，介电基板具有位于背面的导体层和位于正面的线绘制的导体图案；带有丝线(harness)的同轴电缆等。当然，通过具有物理连接和电连接的传输线来连接发射器IC(集成电路)和接收器电路。
与此相反，本发明人想到，可以应用采用非接触数据通信技术的高速数字信号传输的方法。非接触通信具有如下优点：在通过无线电执行数据传输时，将发射器与接收器设置成靠近，由此不允许用于拦截的非法装置位于其间。因此，不必防止对传输线的窃听(hack)，不必考虑如何保密。
例如，通过倒装芯片接合将两个IC芯片安装在一个印刷电路板上，因此可以在这些IC芯片之间通过5.6cm的传输利用近场电磁耦合来执行数据传输(例如参见Wilson J，Lei Luo，Jian Xu，Mick S.，EricksonE.，Hsuan-Jung Su，Chan B.，How Lin，Franzon P.，″AC coupledinterconnect using buried bumps for laminated organic packages″(Electronic Components and Technology Conference，2006.Proceedings.56th，30 May-2 June 2006 Page(s)：8pp.)；Lei Luo，John Wilson，StephenMick，Jian Xu，Liang Zhang，Evan Erickson，Paul Franzon，″A 36Gb/sACCI Multi-Channel Bus using a Fully Differential Pulse Receiver″(IEEE 2006 Custom Integrated Circuits Conference(CICC))。通过将位于IC芯片的天线电极和位于印刷电路板的天线电极设置成相对，然后利用这些电极之间的电容耦合将IC芯片与印刷电路板上的传输线连接起来，可以实现2.5-Gbps数据传输。对于IC芯片和印刷电路板，在此使用的天线电极的尺寸均为200μm×200μm，并且通信距离非常短，即1μm。此外，使用焊点来安装IC芯片。也就是说，将IC芯片上形成的焊点嵌入在印刷电路板上形成的槽中，这样将这两个天线电极设置成很靠近，这是非常复杂的。通过倒装芯片接合来安装IC芯片，因此在安装之后分离或替换IC芯片是不现实的。
此外，作为非接触数据传输技术的另一示例，已经提出一种在多个层叠的IC芯片(在考虑SIP(System In Package)实施的情况下被研磨成几十微米薄)制成的芯片之间传输数据的技术(例如参见日本待审专利申请公报2005-228981；Miura N.，Mizoguchi D.，Inoue M.，Sakurai T.，Kuroda T.，″A 195-gb/s 1.2-W inductive inter-chip wirelesssuperconnect with transmit power control scheme for 3-D-stacked systemin a package″(Solid-State Circuits，IEEE Journal of Volume 41，Issue 1，Jan.2006 Page(s)：23-34)；和Jian Xu，John Wilson，Stephen Mick，LeiLuo，Paul Franzon，″2.8 Gb/s Inductively Coupled Interconnect for 3-DICs″(2005 Symposium on VLSI Circuits Digest of Technical Papers))例如，使用半导体工艺，在IC芯片上按50μm间隔邻近地布置包括发射和接收电路的多个沟道以及天线线圈。当使用直径为48μm的天线线圈时，可以在相隔43μm的天线之间实现1.0-Gbps数据传输。
在此，可以将利用近场电磁耦合的非接触数据传输技术粗略分成：利用分别设置在发射器和接收器的两个天线电极之间的电容耦合的技术，和以相同方式利用两个天线线圈之间的电感耦合的技术。此外，可以从另一观点将以上技术分成两种类型的技术。其中一种技术不要求连接发射和接收电路与天线的电线长度的阻抗匹配。另一技术要求阻抗匹配。
当将天线设置成非常接近发射电路或接收电路时，电路的输入/输出端子与天线的输入/输出端子以基本相同的相位操作，因此可以不考虑反射的影响。因此，不一定要求阻抗匹配。与此相反，如果将天线设置成与发射和接收电路相隔开，不能不考虑它们之间的电线(传输线)长度，因此必须要求电路的输入/输出端子与天线的输入/输出端子之间的阻抗匹配。尤其地，在超过1Gbps的高速数据传输的情况下，如果在包括发射和接收电路以及天线的系统中存在阻抗失配，则会由于失配导致反射。相应地，会在接收信号中产生不需要的振铃(ringing)，这会导致抖动增大和错误率劣化。这样，会妨碍高速数据传输。
在电容耦合的情况下，如果天线电极的长度不短于信号波长λ的1/8倍(考虑波长收缩比)，则有必要考虑依赖于长度的谐振频率。此外，如果不忽略馈送线的寄生电感分量(L)，则天线电极的寄生电感分量和自电容(C)会构成串联谐振电路，因此存在由1/2π√LC确定的自谐振频率fr。与此相反，仅在天线尺寸充分小于λ/8并且可以不考虑上述寄生电感分量的情况下，可以将该电路视为具有纯电容。因此，可以将发射与接收天线的耦合视为所谓的AC耦合。
另一方面，在电感耦合的情况下，线圈的电感分量(L)和形成线圈的电线的寄生电容分量(C)相对于GND构成并联谐振电路，并且在此情况下也存在由1/2π√LC确定的自谐振频率fr。
在不小于自谐振频率fr的频带中，电容耦合天线不作为电容器，并且电感耦合天线不作为电感器。而且，在电容耦合天线和电感耦合天线中都会在接近fr的信号分量产生谐振，因此可用于数据传送的频带会受到自谐振频率fr的限制。
迄今为止，对于非接触数据传送天线，常常使用所谓的集总参数(lumped-parameter)天线结构。通常，大尺寸天线往往具有低自谐振频率fr。因此，为了允许使用高频带并提高数据传送率，有必要将天线尺寸设定为很小。然而，在利用近场电磁耦合的非接触通信的情况下，其通信距离变成与天线尺寸相同的水平。因此，如果使用小尺寸天线，存在传送距离也变短的限制。
按此方式，在现有技术的非接触通信中，存在当高速传送数据时传送距离会变短的缺点。因此，非接触通信的应用局限于超短距离，如层叠IC芯片之间的数据传送等。此外，如果天线被设置成与发射/接收电路分隔开，并且通过传输线连接到电路，则在谐振窄带天线的情况下，数据传送率被限制到天线频带的约1/2倍。因此，存在难以实现高速的缺点。
发明内容
期望提供一种能够利用近场电磁耦合效应来执行高速数字数据传输的优秀的通信系统，和用于这种非接触近程数据传输的天线设备。
进而期望提供一种优秀的通信系统和天线设备，其能够利用使用高频带的天线借助近场电磁耦合效应来执行高速数字数据传输。
根据本发明实施例，提供了一种通信系统，其包括：位于发射器端的发射缝隙天线，具有天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙传输线；和位于接收器端的接收缝隙天线，具有天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙传输线，其中所述发射天线和所述接收天线被设置成邻近地相对，并且利用所述发射天线与所述接收天线的缝隙传输线之间产生的近场电磁耦合效应来执行数据传输。
然而，此处“系统”是指多个设备(或用于实现特定功能的功能模块)的逻辑组合，并不限于各个设备和功能模块被包含在单个壳体内的情况。
非接触近程数据通信是一种利用设置成彼此靠近的发射天线与接收天线之间产生的近场电磁耦合效应来执行数据传输的通信技术。根据所利用的耦合效应的差别，存在两种类型的技术，电容耦合和电感耦合。此外，根据是否需要按照连接发射和接收电路与天线的配线长度来进行阻抗匹配，可以对通信技术进行分类。
在电容耦合的情况下，如果天线电极具有不短于信号波长λ的1/8倍的长度，当不忽略馈送线的寄生电感分量时，天线电极的寄生电感分量和自电容会构成串联谐振电路，因此存在自谐振频率。另一方面，在电感耦合的情况下，线圈的电感分量和构成线圈的配线的寄生电容分量相对于GND形成并行谐振电路，因此也存在自谐振频率。谐振发生在谐振频率附近。电容耦合或电感耦合不会在谐振频率的频带或更高频带操作，因此存在可用于数据传送的频带受到限制的问题。
此外，天线的尺寸变得越大，自谐振频率就趋于越低。因此，为了允许使用高频带并且提高数据传送率，有必要将天线尺寸设置为很小。然而，在利用近场电磁耦合的非接触通信的情况下，其通信距离变成与天线尺寸相同的水平。因此，如果使用小尺寸的天线，则传送距离也会变短。也就是说，高速传送数据时传送距离会变短。此外，如果将天线设置成远离发射和接收电路，并且通过传输线连接到电路，在谐振窄带天线的情况下，数据传送率被限制到天线频带的约1/2倍。因此，难以实现高速。
相反的是，在根据本发明的通信系统中，在发射器和接收器之间执行非接触数据通信，发射器和接收器的天线被设置成彼此靠近。至于数据传送原理，通信系统利用原本具有小频率变化的传输线的耦合，并采用非谐振结构。具体来说，将两个缝隙天线设置成邻近地相对，并且在沿发射天线的缝隙传输线行进的TE10波的近场电场分量或近场磁场分量之间直接执行耦合。这不同于谐振天线。
缝隙天线具有天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙传输线。在此，关于具有环形缝隙的缝隙天线的形状，被接地导体表面围绕的电极的形状优选地是正多边形，如正八边形、正六边形等。在这种情况下，适合于将天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙视作缝隙传输线。此外，将两个馈送点设置成将环形缝隙的中心夹在中间。两个馈送点之间的缝隙线的长度在顺时针方向和在逆时针方向上基本相等，因此缝隙线对发射天线与接收天线之间的信号传输起到相等的作用。
缝隙传输线在每个馈送点穿过通孔到达基板的另一表面，并且连接到与发射IC或接收IC相连接的微带传输线。通过减小缝隙传输线与穿过通孔的微带传输线之间连接时的阻抗失配，可以使反射很小并且防止出现驻波。这样，可以具有宽带特性。可以通过将并联连接在两个馈送点之间的两条缝隙传输线的特性阻抗与微带传输线的特性阻抗之比设定为约2∶1，来获得阻抗匹配。
此外，与微带传输线相比，缝隙传输线具有较大的特性阻抗频率变化。然而，通过设计以使进行数字基带信号传输所需的频带的中心频率附近的特性阻抗匹配，可以获得在宽频带具有很小反射的良好传输特性。
当将发射天线和接收天线设置成彼此靠近，并且将高速数字基带信号直接提供给发射天线作为发射信号时，由于近场电磁耦合效应而在发射天线与接收天线之间出现电动势。因此，可以利用该效应来执行非接触数据传送。如上所述，使用具有宽带特性的传输线自身作为天线，可以将数字基带包含的宽带AC分量作为脉冲信号直接从发射天线发射到接收天线。相应地，通过直接发射数字基带信号，通信系统适合于提高系统速度并且减小功耗，而不需要复杂调制和解调电路。这样，可以容易地实现超过Gbps的传输率的通信系统。
如果缝隙传输线的长度短于行进波的波长，与沿前向传播的行进波的振幅相比，沿后向传播的行进波(所谓的返回流)的振幅变得更大并且占优势。因此，如果将天线制造成具有小尺寸等，接收电路应该在接收天线的缝隙传输线上获得接收信号，接收信号沿与输入到发射天线的缝隙传输线中的行进波的方向相反方向流动。
此外，根据本发明的通信系统中使用的天线是非谐振天线。因此，该天线不受自谐振频率fr的限制。因此，即使天线尺寸增大也可以保持宽带，因此可以延长非接触通信系统中的通信距离。
这里可以不使用双面基板，而使用三层或四层(也就是说，不小于两层)基板来个别地构造发射天线和接收天线。然而，在此情况下，一定不能将内图案设置在与天线结构相重叠的部分上，以便内图案不会电学地影响天线电极和缝隙传输线。例如，应当使用内图案作为接地导体表面，与天线电极和微带传输线相重叠的部分应当广泛切除，或者应当在与天线电极相重叠的部分上形成比天线电极稍大的开口。
此外，不仅可以将本发明的构思(其中将具有基本宽带特性的传输线自身用作非接触数据传送天线，并且直接发射数字基带信号)应用于单端传输，而且可以应用于差分信号传输。当使用小振幅电压以实现高速信号传输时，有利的是可以通过差分信号传输来限制噪声的影响。
当执行差分信号传输时，发射器端的缝隙天线的天线电极被划分为基本沿与连接两个馈送点的线相垂直的线的两个，并且将诸如LVDS或CML等差分信号提供给这两个馈送点。此外，各个天线电极适当地端接在划分间隙的两个端部的两个点，这样可以获得具有小反射的良好传输特性。然后，可以从设置在接收器端的天线电极的两个馈送点获得差分信号。
通常，使用传输线不一定会在数字信号的输出级获得良好的阻抗匹配。例如，在开漏极结构(如CML(公共模式逻辑)等)的情况下，输出阻抗会根据输出数据(0，1)在低阻抗(几Ω)到高阻抗(几百Ω)之间变化。在这种情况下，由于发射天线的阻抗失配而出现的反射波会返回到发射IC，并被其输出级反射，然后再次进入发射天线。然后，出现很大的符号间干扰，因此会担心可能在接收IC端导致不利效应，如抖动增大、误码率(BER)的恶化。
相反的是，根据本发明的天线设备具有在宽频率范围上反射很小的特性。因此，天线设备对于传输线并不要求在输出级具有良好的阻抗匹配，因此具有降低成本和功耗的优点。尤其是，天线设备具有对差分数字信号的亲合力，因此具有可以采用目前广泛使用的高速串行传送技术的优点。
此外，根据本发明的天线设备具有如下结构：由环形缝隙将数字信号所提供到的天线电极与周围的接地导体表面分隔开，由此将电磁场分布限制到局部范围。因此，即使将多个天线设置在同一基板，也可以确保隔离。这样，可以增大信道数量，并扩展系统的数据传送频带。再者，可以将天线和IC制造在同一多层印刷电路板。由此，可以使系统小型化并降低成本。
当然，在根据本发明的通信系统中，将发射器与接收器设置成相邻近，由此不允许进行拦截的非法装置位于其间。因此，不必防止对传输线的窃听，不必考虑如何保密。
利用本发明，可以提供一种极好的通信系统和天线设备，其能够采用允许使用高频带的天线，利用近场电磁耦合效应来执行高速数字数据传输。
此外，利用本发明，可以提供一种极好的通信系统和天线设备，其能够利用包括宽带频率分量的脉冲信号，无接触地直接传送数字基带信号。
利用本发明，可以在非常宽的频带上确保阻抗匹配，并且可以通过使用具有基本宽带特性的传输线自身作为非接触数据传送天线(尤其是使用具有环形缝隙的缝隙天线)来使用具有良好传输特性的通信系统。例如，可以容易地以5Gbps或更高的传送率实现约5mm的非接触传送距离。此外，可以直接发射数字基带包含的宽带AC分量作为脉冲信号。因此，通信系统适合于在不需要复杂调制和解调电路的情况下实现高速并降低功耗。
通过基于本发明的以下实施例的详细描述以及附图，本发明的其他和进一步的目的、特征以及优点将变得显见。
附图说明
图1是例示根据本发明实施例的通信系统的结构示例的图；
图2是说明接收基板120端的变体的图；
图3A是说明在图1所示的通信系统中使用的天线的操作原理的图，具体来说，是例示发射天线结构的图，在该结构中，馈送线200在馈送点202穿过通孔基本垂直地连接到缝隙传输线203；
图3B是说明在图1所示的通信系统中使用的天线的操作原理的图，具体来说，是例示如下状态的图：从微带传输线200流入的准TE波201在发射天线端的馈送点202被转换成沿彼此相反的方向传播的两个TE10模式行进波；
图3C是说明在图1所示的通信系统中使用的天线的操作原理的图，具体来说，是例示从发射天线端的缝隙传输线上传播的行进波泄漏的近电磁场的电磁耦合效应而在接收天线端的缝隙传输线上感生出的行进波的状态的图；
图4是说明在图1所示的通信系统中使用的天线的操作原理的图，具体来说，是例示在被设置成邻近地相对的发射天线和接收天线之间产生的近电场的状态的图；
图5A是说明图1所示的通信系统中的非接触数字数据传送的原理的图，具体来说，是例示发射器和接收器结构的示意图；
图5B是说明图1所示的通信系统中的非接触数字数据传送的原理的图，具体来说，是例示数字基带信号表示的发射数据和从接收到的信号获得的接收数据的示例图；
图6A是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示在测量时发射天线和接收天线的布置图；
图6B是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示到图6A所示的发射天线的端口703的输入步骤波形的图；
图7A是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示使用四层FR4基板在实验的基础上制成的天线的结构示例；
图7B是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示图7A所示的原型中的接收天线712的前向输出波形的图；
图7C是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示图7A所示的原型中的接收天线712的后向输出波形的图；
图8A是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示使用四层FR4基板在实验的基础上制成的天线基板的结构示例；
图8B是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示图8A所示的原型中的接收天线712的前向输出波形的图；
图8C是例示具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线的操作检查结果的图，具体来说，是例示图8A所示的原型中的接收天线712的后向输出波形的图；
图9是例示根据本发明另一实施例的通信系统的结构示例图；
图10是例示图9所示的通信系统的发射基板的变体的图；
图11A是例示图9所示的通信系统中的发射天线中传播的行进波的状态的图；
图11B是例示图9所示的通信系统中的接收天线中传播的行进波的状态的图；
图12A是例示图10所示的通信系统中的发射天线中传播的行进波的状态的图；以及
图12B是例示图10所示的通信系统中的接收天线中传播的行进波的状态的图。
具体实施方式
以下将参照附图给出对本发明实施例的详细描述。
在根据本发明的通信系统中，利用近电磁场执行非接触数据传输。通信系统使用自身具有基本宽带特性的传输线作为非接触数据传送天线，将来自发射天线的数字基带中包含的宽带AC分量作为脉冲信号直接发射到接收天线。通信系统直接发射数字基带信号，因此适合于在不需要复杂的调制和解调电路的情况下提高系统的速度并降低功耗。
图1例示根据本发明实施例的通信系统的结构示例。在该图所示的通信系统中，将发射基板100和接收基板120设置成邻近地相对，然后执行单端数字数据传送。
发射基板100和接收基板120都包括介电基板，介电基板具有其上形成有导体层的一个表面和其上安装有电路组件的另一表面。
发射基板100的面对接收基板120的一个表面101由导体层制成，并且具有包括环形缝隙传输线的缝隙天线103，即，表面101上的中心天线电极与环绕接地导体之间形成的环形缝隙102。至于缝隙天线103的形状，被接地导体环绕的电极的形状优选地呈正多边形，如正八边形、正六边形等，除了如图所示的圆形以外(稍后将描述)。
包括环形缝隙102的缝隙天线103上，将两个馈送点107和108设置成将环形缝隙102的中心夹在中间。
馈送点之一107连接到馈送线105，馈送线105穿过通孔来自位于发射基板100的另一表面104的发射IC 106。将馈送线105构造成由发射基板100的所述另一表面104上形成的线形导体图案制成的微带传输线。微带传输线的特性阻抗可以通过其线宽度和发射基板100的厚度来调节(例如参见Arai Hiroyuki，″New Antenna Engineering-Antenna Technology for Mobile Communication Era-″Sogo DenshiShuppan Sha，Sep.10 2001，Third Edition，Pages：30-31)。在此，可以通过减小缝隙传输线和穿过通孔的微带传输线之间的连接阻抗失配，使得反射很小并且防止出现驻波。这样，可以具有宽带特性。
此外，所述馈送点中的另一馈送点108被设置在与馈送点107基本相对的位置(馈送点108和馈送点107将缝隙天线103的中心夹在中间)，并且穿过通孔连接到位于发射基板100的另一表面104的端接电阻器109。如图所示，馈送点107与108之间的缝隙线的长度在顺时针方向和在逆时针方向基本相同，因此缝隙线对于发射天线和接收天线之间的信号传输起到相等作用。
按相同的方式，接收基板120的面对发射基板100的表面124由导体层制成，并且具有包括形成在天线电极与接地导体之间的环形缝隙122的缝隙天线123。两个馈送点127和128被设置成将环形缝隙122的中心夹在中间。
馈送点之一127连接到馈送线125，馈送线125包括穿过通孔连接到位于接收基板120的所述另一表面121上的接收IC 126的微带传输线。注意，使连接时缝隙传输线与穿过通孔的微带传输线之间的阻抗失配保持很小(与上述情况相同)。
此外，所述馈送点中的另一馈送点128被设置在与馈送点127基本相对的位置(馈送点128和馈送点127将缝隙天线123的中心夹在中间)，并且穿过通孔连接到位于接收基板120的另一表面121上的端接电阻器129。如图所示，馈送点127与128之间的缝隙线的长度在顺时针方向和在逆时针方向基本相同，因此缝隙线对于发射天线和接收天线之间的信号传输起到相等作用(与上述情况相同)。
在这方面，在接收天线端，端接电阻器129可以被设定为0Ω。在此情况下，如图2所示，天线电极可以与位于馈送点128的接地导体直接短路，而不穿过通孔。
参照图3A，3B，3C以及4给出对图1所示天线的操作原理的描述。
关于具有环形缝隙的缝隙天线的形状，被接地导体环绕的电极的形状优选地是正多边形，如正八边形、正六边形等。在这种情况下，天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙被合适地视为缝隙传输线。另一方面，如果天线电极是矩形的，并且连接两个馈送点的方向(矩形的高度)相对于其垂直方向(矩形的宽度)来说足够大，则将天线电极视为共面传输线是合适的。以下，将限于给出将环形缝隙视为前一缝隙传输线的情况的描述。
图3A，3B和3C例示图1所示的通信系统中的发射天线和接收天线的行进波传播状态。
在图3A所示的发射天线的结构中，微带传输线200制成的馈送线穿过通孔在环形缝隙上的馈送点之一202基本垂直地连接到缝隙传输线203。在这个方面，以下文献中描述了一种穿过通孔将微带传输线转换成共面传输线的方法和一种将共面传输线转换成缝隙传输线的方法：Aikawa Masayoshi，et al.，″Monolithic Microwave IntegratedCircuit(MMIC)″(The Institute of Electronics，Information andCommunication Engineers，Jan.25，Heisei 9 First Edition，Pages 50-51)。例如，可以通过共面传输线将微带传输线转换为带传输线。
从微带传输线200流入的准TEM(横向电磁)波201经受如上所述的线路转换，然后如图3B所示被转换成两个TE10模式的行进波(只在横截面存在电场分量)，它们在馈送点202沿彼此相反的方向传播。在图3B中，沿环形缝隙顺时针传播的行进波由标号204a表示，沿环形缝隙逆时针传播的行进波由标号204b表示。
在缝隙传输线203沿彼此相反方向传播的两个行进波204a和204b在环形缝隙的另一馈送点206各自作为两个行进波205a和205b合成，然后穿过通孔连接到微带传输线207以再次转换成准TEM波208。
如下所述，当从各个行进波(它们分支到两个方向并且在发射天线端的缝隙传输线上传播)泄漏出的近电场和近磁场到达接收天线的缝隙传输线时，由于电磁耦合效应而感生出沿前向和后向传播的行进波。图3C例示在接收天线端沿与发射天线端的缝隙传输线上传播的行进波相反的方向感生出的行进波的状态。对于接收天线，从微带传输线到缝隙传输线和从缝隙传输线到微带传输线的线路转换的操作与上述的相同。
如上所述，两个馈送点之间的缝隙线路的长度在顺时针方向和逆时针方向是基本相等的，因此缝隙线路对于发射天线与接收天线之间的信号传输起到相等作用。在此，如果从电路观点来解释缝隙传输线203(微带传输线200和207在馈送点202和206连接到缝隙传输线203)，该电路具有其中两条缝隙传输线(两个TE10模式的行进波204a(205a)和204b(205b)沿彼此相反的方向在其上传播)与一条微带传输线并联的结构。因此，可以通过将并联连接的两条缝隙传输线的特性阻抗与微带传输线的特性阻抗之比设定为约2∶1，来获得阻抗匹配。
与微带传输线相比，缝隙传输线具有较大的特性阻抗频率方差。然而，通过设计以使进行数字基带信号传输所需的频带的中心频率附近的特性阻抗个别地匹配，可以获得在宽频带上具有很小反射的良好传输特性。
图4例示邻近相对的发射天线与接收天线之间产生的近电场的状态。注意，图中的带箭头的单点划线示意性地表示电力线。如图所示，当行进波301沿发射天线的缝隙传输线300传播时，出现基本同心地围绕缝隙传输线300的电场302。当从沿发射天线的缝隙传输线300传播的行进波301泄漏出的近电场和近磁场(图中未示出)到达接收天线的缝隙传输线303时，由于电磁耦合效应而感生出在缝隙传输线303上相对于行进波301沿前向传播的行进波304和在缝隙传输线303上相对于行进波301沿后向传播的行进波305。
尤其是，本发明人进行的电场分析表明，如果缝隙传输线的长度小于行进波的波长，与沿前向传播的行进波的振幅相比，沿后向传播的行进波(所谓的返回流)的振幅变得较大并且占主导。因此，在小尺寸的系统中，如果要求减小天线面积，具有如下结构是有利的，其中接收器获得沿与输入到发射天线的行进波的传播方向相反的方向的接收信号。图6到8所示的测量结果揭示了这一点，因此稍后将对这一点进行详细描述。
如参照图3所描述的，根据本实施例的通信系统中使用的发射天线和接收天线中，使用传输线自身作为天线，可以将数字基带中包括的宽带AC分量作为脉冲信号直接从发射天线发射到接收天线。也就是说，在将发射和接收天线设置成彼此靠近的状态下，如果发射IC将高速基带信号直接提供给发射天线，由于近场电磁耦合效应在发射天线与接收天线之间产生电动势，由此可以利用它来执行非接触数据传送。通信系统直接发射数字基带信号，这样适合于提高系统速度并降低功耗，而无需复杂调制和解调电路。
现在参照图5A和5B来描述图1所示的通信系统中的非接触数字数据传送的原理。
根据本实施例的发射天线和接收天线中，可以从直流(DC)分量在10GHz或更多频率上将返回损耗限制到非常低，这样不执行调制而直接输入数字基带信号(如已经描述的那样，通过减小缝隙传输线与穿过通孔的微带传输线之间连接时的阻抗失配，可以使得反射很小并且防止出现驻波)。
图5A示意性地例示发射器和接收器结构。在发射器端，将包括数字基带信号的发射数据通过输出缓冲区直接提供给发射天线。在接收器端，根据参照图3到4所描述的操作原理由接收天线接收发射信号时，该信号由放大器进行功率放大，受到二元比较器的二值化处理以再现为原始数字基带信号。将该信号输出为接收数据。
图5B例示由数字基带信号表示的发射数据和从接收信号获得的接收数据的示例。如图5B的上部所示，发射数字基带信号包括伴随着从0到1和从1到0的二进制数据转变的AC分量。
如参照图4描述的那样，通过电磁耦合效应将发射天线产生的近电磁场发射到接收天线。如图5B的中部所示，接收天线根据所述转变的极性接收伴随着发射数字基带信号的数据转变的AC分量，作为脉冲信号。图5B的虚线对应于二元比较器的确定阈值，并确定0到1和1到0的数据转变。也就是说，如图5B的下部所示，可以根据所接收的脉冲信号的极性来再现数字数据。应当理解可以直接发射数字基带信号。
本发明人测试制造了一种具有天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线。以下将参照图6到8来描述该结果。
在图1和2，设想了具有双面基板(两层导体表面)的天线结构。然而，可以创建具有两层或更多层的基板，如3层、4层等。注意，如果通过四层来构造天线基板，则一定不能将第二层和第三层的内层图案设置在与天线结构重叠的部分上，以不对天线电极和缝隙传输线产生电影响。
图7A和8A分别例示使用0.8mm的厚度的四层FR4基板测试制造的天线基板的结构示例。这两个基板中，将微带传输线设置在第一层部件表面，将天线电极设置在第四层焊料面。在图7A所示的原型中，使用第二层和第三层的内层图案作为接地导体表面，并将与天线电极和微带传输线重叠的部分主要地切除掉，以具有与双面基板相同的层结构。此外，在图8A所示的原型中，使用第二层和第三层的内层图案作为接地导体表面，并为与天线电极相重叠的部分设置比天线电极稍大的开口。
图6A例示在测量时的发射天线和接收天线的布置。发射天线电极702和接收天线电极712都是直径为6.0mm的盘，并且将形成在接地导体内的缝隙传输线的宽度设定为0.2mm。缝隙传输线的特性阻抗的设计值为100Ω。在图7A所示的原型中，馈送线701和711是线宽度为1.6mm的微带传输线，并且特性阻抗的设计值为50Ω。在图8A所示的原型中，馈送线701和711是线宽度为0.2mm的微带传输线，并且特性阻抗的设计值为50Ω。
如图6A所示，将发射天线基板700和接收天线基板710设置成使各天线表面彼此面对，相隔2.0mm。将具有100皮秒的上升时间的阶梯波形输入到发射基板的输入侧端口703，并且将50Ω的端接电阻器连接到输出侧端口704。图6B示出到端口703的输入波形。注意，横轴代表时间，并且每个单位表示200皮秒。而且，纵轴表示电压，并且表示任何单位。
通过单端从所述端口之一取出来自接收基板710的输出，然后将50Ω的端接电阻器连接到所述诸个端口的另一端口。如参照图4描述的，当从沿发射天线702的缝隙传输线传播的行进波产生的近电磁场到达相对的接收天线712的缝隙传输线时，由于电磁耦合效应而产生分别沿前向和后向传播的行进波。这样，作为来自接收基板710的输出，对从端口714取出的前向输出并从端口713取出的后向输出进行测量。此外，当测量前向输出时，将50Ω的端接电阻器连接到端口713，当测量后向输出时，将50Ω的端接电阻器连接到端口714。使用网络分析器的时域分析功能用于测量。
图7B和7C分别示出图7A所示的原型中的接收天线712的前向输出波形和后向输出波形。注意，横轴表示时间，并且每个单位表示200皮秒。纵轴表示电压，并且表示任何单位。假设输入阶梯波形的振幅是1，从接收天线712的后向输出测量到振幅为约0.062并且时间宽度为200ps或更短的脉冲波形。另一方面，从接收天线712的前向输出测量到只具有很小振幅的波形。
此外，图8B和8C分别示出图8A所示的原型中的接收天线712的前向输出波形和后向输出波形。注意，横轴表示时间，并且每个单位表示200皮秒。纵轴表示电压，并且表示任何单位。而且，在此情况下，假设输入阶梯波形的振幅是1，从接收天线712的后向输出测量到振幅为约0.050并且时间宽度为200ps或更短的脉冲波形。另一方面，从接收天线712的前向输出测量到只具有很小振幅的波形。
这些结果证明，在使用双面基板的情况下和在具有三层或更多层的多层基板的情况下，天线都具有足够好的特性以实现约5Gbps的传送率，由此演示本发明提供的天线操作。
在根据本发明的通信系统中，使用具有基本宽带特性的传输线自身作为非接触数据传送天线，并且直接发射数字基带信号。不仅可以将本发明的这种构思应用于单端传输，而且可以应用于差分信号传输。当使用小振幅电压以实现高速信号传输时，有利的是可以通过差分信号传输来限制噪声的影响。
图9例示根据本发明另一实施例的通信系统的结构示例。将发射基板500和接收基板520设置成邻近地相对。发射基板500和接收基板520都是介电基板，介电基板的一个表面上形成有包括导体层和环形缝隙的缝隙天线，并且另一表面上安装有诸如发射IC 501或接收IC
526等电路组件。按与图1所示的通信系统相同的方式，通信系统执行数字数据传送，但是区别在于执行差分传输。
首先，给出对发射器的描述。在图1所示的通信系统中，缝隙天线103包括形成在天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线。两个馈送点107和108被布置成将缝隙天线的中心夹在中间。相反，在图9所示的实施例中，与前一系统相同，将缝隙传输线分隔开的天线电极设置在接地导体的大致中心部分。然而，发射基板500的表面之一设置有两个天线电极503a和503b，其基本沿与连接两个馈送点504和505的线相垂直的线被分隔开，两个馈送点504和505被设置成将缝隙天线的中心夹在中间。天线电极503a和503b在分隔电极503a和503b的间隙的两端由端接电阻器506a和506b连接。
在这方面，各个电极503a和503b的端接方法并不限于图9所示的方法。例如，如图10所示，考虑在天线电极与接地导体之间或者在电源端子之间设置端接电阻器507a，507b，507c和507d的变体。
此外，在发射基板500的另一表面上安装诸如发射IC 501的电路组件。发射IC 501在两支路差分传输线502a和502b上输出数字基带信号，作为差分电子信号，如LVDS，CML等。各个差分传输线502a和502b由微带传输线制成，并分别在馈送点504和505穿过通孔连接到各个天线电极503a和503b。
从发射IC 501输出的电子信号经过阻抗匹配微带传输线(502a，502b)、通孔、缝隙传输线，然后在端接电阻器被大部分转换成热。这样，可以获得带有小反射的良好传输特性。
接下来，将给出对接收器的描述。接收基板520包括具有形成在天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的缝隙天线521。两个馈送点522和523被设置成将环形缝隙521的中心夹在中间，然后分别穿过通孔连接到位于另一表面上的微带传输线525a和525b。这两条微带传输线525a和525b在天线附近汇合，然后连接到接收IC 526作为差分传输线525。
图11A和11B分别例示行进波经过图9所示的通信系统中的发射天线和接收天线传播的状态。此外，图12A和12B分别例示行进波经过图10所示的通信系统中的发射天线和接收天线传播的状态。
微带传输线制成的各个差分传输线502a和502b分别穿过通孔连接到馈送点504和505的各个天线电极503a和503b。因此，在馈送点504，流入差分传输线502a中的准TEM波被转换成沿彼此相反方向传播的两个TE10模式的行进波。按相同方式，在馈送点505，流入差分传输线502b中的准TEM波被转换成沿彼此相反方向传播的两个TE10模式的行进波。其后，分别以馈送点504和505作为相应分支点的沿彼此相反的方向传播的两对行进波通过端接电阻器506a、506b或端接电阻器507a、507b端接在天线电极503a和503b的各端。也就是说，从发射IC501输出的电子信号经过阻抗匹配微带传输线(502a，502b)、通孔、缝隙传输线，然后在端接电阻器被大部分转换成热。这样，可获得带有小反射的良好传输特性(以上已经描述)。
从各个差分传输线502a和502b流到馈送点504和505的行进波分支朝着端接电阻器506a，506b或507a，507b，507c以及507d传播。按此方式，如图11A和12A所示，当行进波沿发射天线的缝隙传输线传播时，按与图4所示示例相同的方式，产生基本同心地围绕缝隙传输线的电场。当从沿发射天线的缝隙传输线传播的两对行进波泄漏出的近电场和近磁场到达接收天线的缝隙传输线521时，由于电磁耦合效应而感生出在缝隙传输线521上相对于行进波沿前向和后向传播的一对行进波。与沿前向传播的行进波的振幅相比，沿后向传播的行进波(也就是说返回流)的振幅变得较大并且占主导(以上已经描述)。
如图11B和12B所示，在缝隙传输线521上感生出的两对返回流分别在各个反馈点522和523被合并成一对差分信号。这些差分信号经过通孔、微带传输线525a和525b到达接收IC 526。接收天线未配备端接电阻器，因此接收信号的功率不会损耗为热。因此，可以实现良好的接收灵敏度。
在根据本发明的通信系统中，使用具有位于天线电极与接地导体之间的环形缝隙传输线的天线设备作为发射和接收天线。优点在于使用具有宽带特性的传输线自身作为非接触数据传送天线，可以直接发射数字基带信号。另一方面，对于本领域技术人员，缝隙天线自身是公知常识。最后，将给出对本发明使用的缝隙天线与天线设备之间的差异的描述。
通常，将设有长度为L并且宽度为W(L＞＞W)的切口并且缝隙的较小宽度侧连接到高频电源的无限导电板称为缝隙天线，其与偶极天线存在互补关系。这种缝隙天线在长度L确定的某个特定频率上谐振，并操作以发出平面波或接收该波(例如，参见Arai Hiroyuki，″New AntennaEngineering-Antenna Technology for Mobile Communication Era-″Sogo Denshi Shuppan Sha，Sep.102001，Third Edition，Pages：55-57)。
此外，通过提供带有环形缝隙的导体板来制造缝隙天线，已提出几种提案。缝隙天线主要用于发出和接收特定频率(窄带)的圆偏振波(例如，参见日本专利2646273和3247140)。这些天线中，圆形缝隙线配有馈送点和摄动元件，相对于TE10波产生驻波，其具有频率使得当从馈送点观察时，其半波长等于从馈送点到摄动元件沿顺时针或逆时针方向的缝隙线长度。驻波的电场分量和逆时针方向圆极化波或顺时针方向圆极化波的电场分量被转换成平面波，平面波将作为无线电波被发射或接收。因此，这种类型的环形缝隙天线具有窄带谐振特性。
相反，在根据本发明的通信系统中，将两个缝隙天线设置成邻近地相对，并且在沿发射天线的缝隙传输线传播的TE10波的近电场分量与近磁场分量之间直接执行耦合。这不同于谐振天线。这里，将两个馈送点设置成将环形缝隙的中心夹在中间。馈送点之间的缝隙线长度在顺时针方向和在逆时针方向基本相等，因此缝隙线对于发射天线与接收天线之间的信号传输起到相等作用。此外，在缝隙传输线穿过通孔与微带传输线的连接中，阻抗失配很小，由此使得反射很小。因此，可以防止出现驻波，由此可具有宽带特性。
因此，通过根据本发明的通信系统，可以使用包括宽带频率分量的脉冲信号在没有接触的情况下直接近程传送数字基带信号。这样，可以轻易提供与利用调制和解调的现有技术通信方法相比压倒性地更快的传输。
本申请包含与2008年4月30日在日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2008-118412中公开的主题有关的主题，通过引用将其全部内容并入于此。
本领域技术人员应当理解，根据设计要求和其他因素，可以想到各种修改、组合、子组合以及变更，只要它们落在所附权利要求书及其等同物的范围内。
Claims (16)
1、一种用于通信系统中的发射器或接收器的天线设备，该天线设备包括：
介电基板，具有位于其一个表面上的导体层；以及
缝隙天线，包括形成在所述一个表面上并且基本设置在中心的天线电极、包围该天线电极的接地导体表面、以及由该天线电极与接地导电表面之间的间隙构成的缝隙传输线。
2、根据权利要求1所述的天线设备，
其中所述接地导体表面包围的所述天线电极呈圆形，或者正多边形，如正八边形、正六边形等。
3、根据权利要求1所述的天线设备，
其中将两个馈送点设置成将环形缝隙传输线的中心夹在中间。
4、根据权利要求3所述的天线设备，
其中所述缝隙传输线穿过位于每个馈送点的通孔而延伸到所述介电基板的另一表面，并连接到微带传输线，该微带传输线连接到安装在所述另一表面上的发射电路芯片或接收电路芯片。
5、根据权利要求4所述的天线设备，
其中在穿过所述通孔将所述缝隙传输线与所述微带传输线连接时，将阻抗失配设定成小。
6、根据权利要求5所述的天线设备，
其中所述两个馈送点之间并联连接的两条缝隙传输线的特征阻抗与所述微带传输线的特征阻抗之比被设定为约2∶1。
7、根据权利要求6所述的天线设备，
其中在使用频带的中心频率附近，所述缝隙传输线的特征阻抗是匹配的。
8、根据权利要求7所述的天线设备，
其中所述天线设备用于所述发射器的发射天线，以及
所述发射电路将高速数字基带信号直接施加到所述馈送点之一，作为发射信号。
9、根据权利要求7所述的天线设备，
其中所述天线设备用于所述接收器的接收天线，以及
当从包括所述天线设备的发射器接收发射信号时，所述接收电路在所述接收天线的缝隙传输线上提取沿与输入到所述发射天线的缝隙传输线中的行进波的传播方向相反的方向流动的接收信号。
10、根据权利要求3所述的天线设备，
其中所述缝隙天线包括三层基板或四层基板。
11、根据权利要求10所述的天线设备，
其中第二层或第三层的内部层图案是接地导体表面，并且所述天线电极与所述微带传输线的重叠部分被广泛切除。
12、根据权利要求10所述的天线设备，
其中第二层或第三层的内部层图案是接地导体表面，并且在与所述天线电极的重叠部分形成比所述天线电极充分大的开口。
13、根据权利要求3所述的天线设备，
其中所述天线设备用于所述发射器的发射天线，
所述天线电极基本沿着与连接所述两个馈送点的线相垂直的线被划分成两个，并且每个天线电极都在划分间隙的两个端部的两个点终止，并且向各两个馈送点施加差分信号。
14、根据权利要求13所述的天线设备，
其中所述天线设备用于所述接收器的接收天线，并且从设置在所述天线电极的两个馈送点取出差分信号。
15、一种通信系统，包括：
位于发射器端的发射缝隙天线，具有天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙传输线；以及
位于接收器端的接收缝隙天线，具有天线电极与接地导体表面之间的环形缝隙传输线，
其中所述发射天线和所述接收天线被设置为邻近地相对，并且利用所述发射天线与所述接收天线的缝隙传输线之间产生的近场电磁耦合效应来执行数据传输。
16、根据权利要求15所述的通信系统，
其中通过耦合沿所述发射天线的缝隙传输线的TE10波的近电场分量或近磁场分量到所述接收天线的缝隙传输线传播，来执行数据传输。
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