CN101834336B - 通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备 - Google Patents

通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备 Download PDF

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Abstract

本申请涉及通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备。该通信装置包括通信电路部分、信号的传输路径、地、耦合器电极和谐振部分。耦合器电极包括用作电极的上平坦部、支撑件和连接部分。支撑件支撑上平坦部。这样，上平坦部面对地并布置在一高度处与地间隔开，所述高度仅足以使信号的波长被忽略，所述支撑件还具有在所述高度的方向上可弹性形变的柔性部分。支撑件的另一端在连接部分上连接到传输路径。谐振部分对经过传输路径流入耦合器电极的电流进行放大。微偶极子是连接在耦合器中积累的电荷的中心与地中积累的镜像电荷的中心之间的线段。

Description

通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备
技术领域
本发明涉及通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备，所述通信装置利用高频宽带通过弱超宽带(UWB)通信模式在短距离执行大容量数据传输，所述复合通信设备组合了电磁感应式非接触通信与弱UWB通信。尤其是，本发明涉及下述通信装置以及高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备，所述通信装置通过单一的用户操作来执行大容量数据传输以及与数据传输相关联的认证或支付业务操作，使得用户会感到与通常的认证/支付业务操作相同的访问时间(access time)感受。
背景技术
非接触通信已经作为用于认证信息、电子货币和其他价值信息的媒介而广泛分布。非接触通信系统由作为收发机(transponder)的集成电路(IC)芯片以及从该IC芯片读取信息或向该IC芯片写入信息的装置(下文中称为“读取器/写入器”)组成。非接触通信系统提供了很大的便利，因为其中的IC芯片和读取器/写入器以非接触方式在二者之间交换信息。另外，IC芯片系统已被以卡的形式使用，或被结合在个人终端(例如蜂窝电话)中。
基于ISO/IEC 14443的短距型IC卡标准包括A型、B型和FeliCa(注册商标)。由Sony和Philips开发的近场通信(NFC)标准是这样的RFID标准：该标准定义了能够主要与A型、B型和Felica IC卡中每一者通信的NFC装置(读取器/写入器)的规范。NFC标准使用13.56MHz波段，并允许以约0至10cm的非常短的通信距离(“接近的”)进行电磁感应式双向通信。
近来，已经开发和制造了适于内置应用的、紧凑尺寸的读取器/写入器模块。这样的模块可以安装在各种设备中任一者上，这些设备包括：销售点终端(POS)终端、自动售货机、个人计算机(例如参见http://www.sony.co.jp/Products/felica/pdt/rdw4.html)。图1是模块化读取器/写入器的俯视图。如图所示，读取器/写入器101包括近场通信(NFC)电路102和天线线圈103形式的读取器/写入器。图2是容纳了读取器/写入器模块101的设备(例如个人计算机)的剖视图。在该图中，设备的结构部件只是示意性地由“内部部件”109和“外壳”108代表，以便以简单的方式进行说明。在这些图中，读取器/写入器模块101被经过隔板(spacer)106支撑在带有铁氧体(ferrite)层105的金属板104上。基于NFC标准的通信系统是具有约0至10cm通信距离的短距通信，因而读取器/写入器模块101一般布置在外壳108的表面附近。
通过将带有IC卡或IC芯片的便携式终端或个人数字助理(PDA)放置在自动售货机、个人计算机等中的读取器/写入器模块的读取表面上方来执行个人识别、电子货币支付等已经普遍。例如，已提出了一种笔记本式信息处理设备，其中，读取器/写入器模块被结合在主体的键盘的掌托部分中，以从邻近的非接触IC标签(tag)读出信息(例如参见日本专利申请公开No.2003-87263)。
非接触通信系统还可以应用到高容量数据传输，例如对视频、音乐等进行下载或流播(streaming)。例如，可以从自动售货机将任何付费内容下载到便携式终端中。或者，可以通过连接到互联网的个人计算机从付费网站将内容下载到便携式终端中。在此情况下，使用便携式终端中的IC芯片进行高容量数据传输以及认证/支付业务可以通过将便携式终端放在读取器/写入器的读取表面上方这样仅一个用户操作来执行。另外，传输速率的增加是不可缺少的，因为在完成认证/支付业务的同时，最好使得用户能够感到与通常的认证/支付业务操作相同的访问时间感受。此外，对于认证/支付业务操作等而言，NFC是已经确立的技术。因此，甚至在高容量数据传输的时候，也最好是在具有向上兼容性的同时实现高速通信。
NFC具有大约106至424kbps的传输速率和足够的能力来执行认证或支付业务，但是与其他通用无线通信(例如Wi-Fi和蓝牙)相比非常慢。因此，非接触通信系统(例如NFC系统)难以应用到高容量数据通信来传输图像、声音等。另外，由于物理约束(例如载波频率)，非接触通信系统(例如NFC系统)可实现的最大传输速率最多为848kbps。这样，不能指望传输速率显著增大。
发明内容
因此，希望提供一种优秀的通信装置，该装置能够在短距离执行高容量数据传输。
还希望提供一种优秀的通信装置，该装置通过单一的用户操作来执行大容量数据传输以及与数据传输相关联的认证或支付业务操作，使得用户会感到与通常的认证/支付业务操作相同的访问时间感受。
本发明是考虑到前述情况而作出的。本发明的第一实施例针对一种通信装置，包括：通信电路部分，其执行用于数据传输的高频信号处理；高频信号的传输路径；地；耦合器电极；谐振部分。在该装置中，耦合器电极包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，支撑件支撑上平坦部，使得上平坦部面对所述地并布置在一高度处与地间隔开，所述高度仅足以使高频信号的波长被忽略，支撑件还具有在高度的方向上可弹性形变的柔性部分，支撑件的另一端在连接部分处连接到传输路径。另外，谐振部分被设置来对经过传输路径流入耦合器电极的电流进行放大。此外，在这样的通信装置中，形成了由线段形成的微偶极子，所述线段将耦合器电极的上平坦部中积累的电荷的中心与地中积累的镜像电荷的中心相连。另外，高频信号被传送到相对于微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴。
具体而言，本申请中所用的“高频信号”可以是使用超宽带的超宽带(UWB)信号。
在该通信装置中，谐振部分可以是连接在耦合器电极与传输路径之间的串联电感器以及连接在传输路径与所述地之间的并联电感器，并且支撑件用作所述串联电感器。
根据本发明的实施例，耦合器电极可以通过下述步骤制造：使板状金属受到冲压处理以形成上平坦部以及要作为支撑件而提供的腿部；使腿部受到弯折处理，以大体上垂直于腿部将腿部弯折，并将腿部的下端部弯折以形成平坦部分；使腿部弯曲或弯折，以形成可在高度的方向上弹性形变的柔性部分。
此外，本发明的另一种实施例是一种高频耦合器，包括：高频信号的传输路径；地；耦合器电极；谐振部分。在这种高频耦合器中，耦合器电极包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，支撑件支撑上平坦部，使得上平坦部面对所述地并布置在一高度处与地间隔开，所述高度仅足以使高频信号的波长被忽略，支撑件还具有在高度的方向上可弹性形变的柔性部分，连接部分在支撑件的另一端连接到传输路径。谐振部分设置来对经过传输路径流入耦合器电极的电流进行放大。在上述高频耦合器中，形成了由线段形成的微偶极子，所述线段将耦合器电极的上平坦部中积累的电荷的中心与地中积累的镜像电荷的中心相连，并且高频信号被传送到相对于微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴的高频耦合器。
另外，本发明的另一种实施例是一种用于高频耦合器中的耦合器电极，所述高频耦合器使用电场耦合作用来执行高频信号的传输。该耦合器电极包括：上平坦部，其用作电极；支撑件，其支撑上平坦部，使得上平坦部面对所述地并布置在一高度处与地间隔开，所述高度仅足以使高频信号的波长被忽略，支撑件还具有在高度的方向上可弹性形变的柔性部分；耦合器电极包括连接部分，支撑件的另一端在连接部分处连接到传输路径。这样的耦合器电极是通过下述步骤制造的：使板状金属受到冲压处理以形成上平坦部以及要作为支撑件而提供的腿部；使腿部受到弯折处理，以大体上垂直于腿部将腿部弯折，并将腿部的下端部弯折以形成平坦部分；使腿部弯曲或弯折，以形成可在高度的方向上弹性形变的柔性部分。
本发明的另一种实施例是一种复合通信设备，包括：第一无线处理部，其使用天线线圈通过电磁感应作用来执行非接触通信；第二无线处理部，其使用布置在天线线圈附近的耦合器电极通过电场耦合作用来执行非接触通信。这样的第二无线处理部包括：通信电路部分，其执行用于数据传输的高频信号处理；高频信号的传输路径；地；耦合器电极；谐振部分。在第二无线处理部中，耦合器电极包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，支撑件支撑上平坦部，使得上平坦部面对所述地并布置在一高度处与地间隔开，所述高度仅足以使高频信号的波长被忽略，支撑件还具有在高度的方向上可弹性形变的柔性部分，支撑件的另一端在连接部分处连接到传输路径。另外，谐振部分被设置来对经过传输路径流入耦合器电极的电流进行放大。在上述高频耦合器中，形成了由线段形成的微偶极子，线段将耦合器电极的上平坦部中积累的电荷的中心与地中积累的镜像电荷的中心相连，并且高频信号被传送到相对于所述微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴。
在上述复合通信设备中，第二无线处理部中使用的耦合器电极可以通过下述步骤制造：使板状金属受到冲压处理以形成所述上平坦部以及要作为所述支撑件而提供的腿部；使所述腿部受到弯折处理，以大体上垂直于所述腿部将所述腿部弯折，并将所述腿部的下端部弯折以形成平坦部分；使所述腿部弯曲或弯折，以形成可在所述高度的方向上弹性形变的柔性部分。
此外，在复合通信设备中，第二无线处理部的耦合器电极可以被布置在第一无线处理部的天线线圈的内侧。
此外，在复合通信设备中，第二无线处理部的耦合器电极可以被布置在第一无线处理部的天线线圈的内侧形成的开口中。
根据本发明的任一种实施例，能够通过高频宽带以弱UWB通信模式在短距离执行高容量数据传输。因此，可以提供电磁感应式非接触通信和弱UWB通信相结合的通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信设备。
此外，根据本发明的任一种实施例，可以通过单一的用户操作来完成大容量数据传输以及与数据传输相关联的认证或支付业务操作，使得用户会感到与通常的认证/支付业务操作相同的访问时间感受。因此，可以提供优秀的通信装置、高频耦合器、耦合器电极和复合通信装置。
根据本发明的任一种实施例，谐振部分对经过传输路径流入耦合器电极的电流进行放大，以使由耦合器电极中积累的电荷和地中积累的镜像电荷所形成的微偶极子的矩增大。因此，包括电场的纵波ER的高频信号可以沿传播方向被有效地放电，所述传播方向与微偶极子的方向成大体为零的角度θ。在耦合器电极中，可用作电极的上平坦部由支撑件支撑，该支撑件具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分。这样，它可以抵抗沿高度方向施加的外力。
根据本发明的某些实施例，可以在增加成本尽可能小的情况下通过板处理来制造能够抵抗沿高度方向施加的外力的耦合器电极。
根据上述实施例，复合通信设备包括第一无线处理部和第二无线处理部，第一无线处理部主要用于NFC模式的认证和支付业务，第二无线处理部在与第一无线处理部几乎相同的短距离执行数据通信。这样的第二无线处理部能够通过用第二无线处理部执行高速通信而使得整个设备中的通信速率增大。此外，第一无线处理部与基于普通的NFC标准的通常无线通信大体上兼容。因此，该设备能够在不用第二无线处理部执行通信时执行基于NFC的通常无线通信。在耦合器电极中，可以用作电极的上平坦部由支撑件支撑，该支撑件具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分。这样，可以抵抗沿高度方向施加的外力。结果，可以降低复合通信设备的高度。
此外，根据本发明的实施例，可以在增加的成本尽可能小的情况下制造能够抵抗对高度方向施加的外力的复合通信设备。
根据本发明的实施例，第二无线处理部的耦合器电极布置在第一无线处理部的天线线圈内侧。用于各个通信模式的读取表面可以位于大体上相同的位置。这样，可以由用户的单一操作来执行一系列处理。另外，可以完成高容量数据传输处理，使得用户会感到与通常的认证/支付业务相同的访问时间感受。
根据本发明的实施例，第二无线处理部的耦合器电极被布置在第一无线处理部的天线线圈内侧形成的开口中。结果，可以通过使耦合器电极的上平坦部经过该开口暴露来降低复合通信设备的高度。
根据附图以及下文的详细说明，可以了解本发明的更多特征、其性质及各种优点。
附图说明
图1是模块化读取器/写入器的俯视图；
图2示意性图示了安装有图1所示读取器/写入器模块的设备(例如个人计算机)的剖视构造；
图3示意性图示了具有弱UWB通信模式的短距离高速无线通信系统的构造；
图4示意性图示了发送器和接收器中各自布置的高频耦合器的原理构造；
图5图示了图4所示高频耦合器的实施例；
图6图示了由微偶极子产生的电磁场；
图7图示了图6所示的电磁场被映射到耦合器电极上；
图8图示了电容器负载类型天线的示例性构造；
图9A图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(冲压之后)；
图9B图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(弯折之后)；
图9C是由板处理制造的耦合器电极的示例的侧视图；
图9D是由板处理制造的耦合器电极的示例的立体图；
图9E是由板处理制造的耦合器电极的示例的另一侧视图；
图10A图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法的示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(冲压之后)；
图10B图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法的示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(弯折之后)；
图10C是由板处理制造的耦合器电极的示例的侧视图；
图10D是由板处理制造的耦合器电极的示例的立体图；
图10E是由板处理制造的耦合器电极的示例的另一侧视图；
图11A图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法的示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(冲压之后)；
图11B图示了高频耦合器的耦合器电极的制造方法的示例，其中图示了通过板处理而处理的耦合器电极部分(弯折之后)；
图11C是由板处理制造的耦合器电极的示例的侧视图；
图11D是由板处理制造的耦合器电极的示例的立体图；
图11E是由板处理制造的耦合器电极的示例的另一侧视图；
图12是NFC模式的读取器/写入器模块的俯视图，其中，弱UWB通信模式中高频耦合器的耦合器电极布置在读取器/写入器模块的天线线圈内侧；
图13是NFC模式的读取器/写入器模块的剖视图，其中，弱UWB通信模式中高频耦合器的耦合器电极布置在读取器/写入器模块的天线线圈内侧；
图14A图示了由板处理制造的耦合器电极(图9)的腿部，其中，该腿部被沿高度方向施加的外力弯曲；
图14B图示了由板处理制造的耦合器电极(图9)的腿部，其中，该腿部被沿高度方向施加的外力坍陷；
图15A图示了耦合器电极的示例性构造，该耦合器电极具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分；
图15B图示了耦合器电极的示例性构造，该耦合器电极具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分；
图15C图示了耦合器电极的示例性构造，该耦合器电极具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分；
图15D图示了耦合器电极的示例性构造，该耦合器电极具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分；
图16图示了复合通信设备的示例性构造，其中，读取器/写入器模块的板中形成有开口(几乎在天线线圈的中心)以暴露出耦合器电极的上平坦部，从而降低设备的高度。
具体实施方式
下面将参考附图详细说明本发明的实施例。
如上所述，NFC的最大通信速率可以最多到424kbps，这比任何其他的通用无线通信方式慢得多。因此，NFC的实际使用被限制在小容量数据传输，例如电子货币和个人识别的数据。
另一方面，本发明的任何实施例是针对复杂通信提供的。该系统包括第一无线处理部和第二无线处理部。第一无线处理部主要用于基于NFC的认证和支付业务。相比之下，尽管第二无线处理部以与第一无线处理部非常相同的方式在短距离执行数据通信，但第二无线处理部负责通过执行高速通信来增大整个系统的通信速率。此外，第一无线处理部与基于共用NFC标准的通常的无线通信基本上兼容。因此，该系统在不使用第二无线处理部执行通信的时候，能够执行基于NFC的通常的无线通信。
应用于上述第一无线处理部的NFC技术可以是通常的电磁感应式非接触通信系统，因而本申请中略去了对其的详细说明。
另一方面，可应用在使用上述第二无线处理部进行的高速通信的极短距离高速无线通信技术可以是弱UWB通信系统，其在UWB中的低频带频率为4-GHz(“Transfer Jet”)(例如参见日本专利申请公开No.2008-99236或www.transferjet.org/en/index.html)。这里，将对利用弱UWB通信技术进行短距离高速无线通信的主要原理进行说明。
图3是使用弱UWB通信模式的短距离高速无线通信系统的示意性构造。在该图中，通信系统包括发送器10和接收器20。发送器10的耦合器电极14和接收器20的耦合器电极24用于发送/接收信息。这些耦合器电极14和24彼此面对，并放置成彼此处于预定距离(例如大约3cm)，使得能够进行电场耦合。当发送器10的发送器电路单元11从更高级别的应用接收到发送请求时，发送器电路单元11基于发送数据产生高频发送信号(例如UWB信号)，随后将该信号从发送器电极14发送到接收器电极24。此后，接收器20的接收器电路单元21对所接收的高频信号进行解调和解码，随后将再现的数据传送到更高级别的应用。
使用高频和宽带的通信模式(例如UWB通信)能够在短距离实现约100Mbps的非常高速的数据传输。另外，如下文所示，如果使用静电场或感应场(而不是辐射场)的耦合作用来执行UWB通信，则其场强与距离的立方或平方成反比。因此，通过对离无线通信设备3m距离处的场强进行抑制，可以允许在没有无线站点许可的情况下进行弱无线通信，并能够以便宜的方式建立通信系统。另外，如果用电场耦合模式在短距离执行数据通信，则具有下述优点：防止了在无线通信系统附近存在反射物体的情况下信号的质量降低，无需考虑防止黑客或遮盖安全性等。
另一方面，对于每个信号波长，传播损耗与传播距离成比例地增大。因此，在通过电场耦合来传递高频信号时，应当充分降低传播损耗。在用于传输高频宽带信号(例如UWB信号)的通信系统中，甚至大约3cm的短距离通信也不能忽视，因为它对应于所用的4GHz频带的一半。与低频电路相比，特征阻抗问题对于高频电路而言更为严重，使得增大了在发送器的电极与接收器的电极之间的耦合点处阻抗不匹配的影响。
使用kHz或MHz频带的频率进行通信在空间上传播损耗较小，从而即使在所包括的发送器和接收器的耦合器只由电极构成、其耦合部分仅用作平行板电容器的情况下，也能够执行良好的数据传输。相比之下，使用GHz频带的高频进行通信在空间上传播损耗较大，因此应当对信号反射进行抑制以改善通信的传输效率。即使高频信号在发送器和接收器各自中的传输路径被调节到预定的特征阻抗，仅通过平行板电容器进行耦合也不会在耦合部分处获得阻抗匹配。例如，在图3所示的通信系统中，即使连接在发送器电路11与发送器电极14之间的高频信号传输路径是具有50欧姆阻抗匹配的同轴线，当发送器电极14与接收器电极24之间的耦合部分存在阻抗失配时，也可能由信号反转而发生传播损耗，并发生通信效率的降低。
在本实施例中，如图4所示，发送器10包括高频耦合器10a，该耦合器是通过将谐振部分连接到高频信号传输路径19而构成的，所述谐振部分由板状电极14、串联电感器12和并联电感器13构成。另外，接收器20包括高频耦合器20b，该耦合器是通过将谐振部分连接到高频信号传输路径29而构成的，所述谐振部分由板状电极24、串联电感器22和并联电感器23构成。如果这些高频耦合器被布置成彼此面对，则耦合部分可以起到带通滤波器作用，有效地在这两个高频耦合器之间传输高频信号。本申请中所用的术语“高频信号传输路径”可以表示由同轴电缆、微带线、共面线等构成的路径。
这里，在发送器10的电极与接收器20的电极之间的部分(即其耦合部分)中，如果只希望采取阻抗匹配来防止产生反射波，则即使每个耦合器具有将平板电极14、24和串联电感器以串联方式插入高频信号传输路径中这样的简单结构，也可以将耦合部分设计成具有连续的阻抗。但是，在耦合部分附近不存在特征阻抗变化，因而电流的程度可能不变。相比之下，该通信系统设有并联电感器13、23，使得能够在耦合器电极14上感应出强耦合，从而在电极14与24之间造成强耦合。另外，当在耦合器电极14的表面附近感应出大的电场时，所产生的电场以在沿横向(微偶极子的方向，如下文所述)振荡的纵波形式从耦合器电极14的表面传播。电场的波使得即使耦合器电极14与24之间的距离比较大，信号也能够传播。
因此，以弱UWB通信模式作为高频耦合器的短距离无线通信系统不可缺少的前提如下：
(1)耦合器电极用于在电场中耦合；
(2)并联电感器用于在更强的电场中进行耦合；以及
(3)由并联/串联电感器与耦合器电极的阻抗的常数值可以被限定为使得在通常的通信中所用频带处，当这些耦合器布置成彼此面对时，能够获得阻抗匹配。
在图3所示的通信系统中，当发送器10的耦合器电极14和接收器20的耦合器电极24被布置成以合适的距离彼此面对时，两个高频耦合器10a和20b的组合可以起到带通滤波器作用，而各个高频耦合器10a、20b独立起到阻抗转换电路的作用，所述带通滤波器使具有所需波长带的信号经其通过，所述阻抗转换电路对电流进行放大。另一方面，如果高频耦合器10a、20b被独立地置于自由空间中，则高频耦合器10a、20b的输入阻抗并不与高频信号传输路径19、29的特征阻抗匹配。从高频信号传输路径19、29进入的信号在高频耦合器10a、20b中被反射并发射到外部。因此，相邻的其他通信系统不受影响。换言之，当不存在要进行通信的伙伴时，发送器10不产生类似于来自天线的电波那样的输出。当使要彼此通信的两个终端彼此接近、它们各自的电极形成电容器以建立阻抗匹配时，发送器10执行高频信号的传输。
图5是图示了图4所示高频耦合器的实现示例的示意图。发送器10的高频耦合器和接收器20的高频耦合器可以被类似地构造。在该图中，耦合器电极14布置在圆柱形电介质主体15的顶面上。耦合器电极14经过通孔16电连接到印刷电路板17上的高频信号传输路径，通孔16穿过电介质主体15。
该图所示的高频耦合器可以通过这样的方式来制造：在圆柱形电介质主体中形成具有所需高度的通孔16，在圆柱体的顶端面上形成要作为耦合器电极14而设置的导体图案，用导体填充通孔16，并通过回流处理等在印刷电路板17上实现电介质主体15。这里，耦合器电极14从印刷电路板17的电路板实现面算起的高度(即通孔16的长度)被取决于所用的波长而合适地调节。因此，通孔16具有电感并可以由图4所示的串联电感器12来代替。另外，高频信号传输路径可以通过片状并联电感器13连接到地18。
这里，将考虑发送器10的耦合器电极处产生的电磁场。
如图1和图2所示，耦合器电极14连接到高频信号传输路径的一端，并接收从发送器电路单元11的输出信号流以储存电荷。此时，流入耦合器电极14的电流可以被由串联电感器12和并联电感器13构成的谐振部进行放大。
此外，地18布置成使之面对耦合器电极14，二者彼此处于预定距离，该距离足以避免对高频信号的波长的影响。此外，电荷在上述耦合器电极14中的积累造成镜像电荷在地18中积累。不必多言，如果点电荷Q被置于平导体的外部，则镜像电荷-Q(表面电荷分布被替换的虚拟电荷)处于该平导体中，例如Tadashi Mizokuchi：“Electromagnetics”，pp.54-57(Shokabo Publishing Co.，Ltd.出版，参见该文献的附图1至3)中所述。
因此，形成了由下述线段构成的微偶极子：该线段将耦合器电极14中积累的电荷的中心与地18中积累的镜像电荷的中心相连。具体而言，电荷Q具有与镜像电荷-Q相同的体积，所形成的微偶极子在该电荷的中心与该镜像电荷的中心之间进行连接。本申请中所用的术语“微偶极子”表示在电荷之间具有很短距离的电偶极子。对“微偶极子”的说明也可以在Yasuto Mushiake：“Antenna/Radio Wave Propagation”，pp.16-18(由CORONA publishing Co.，Ltd.出版)中找到。这样，微偶极子的存在造成产生了电场的横波分量Eθ和纵波分量ER，以及围绕微偶极子的磁场
Figure GSA00000037820900131
图6图示了由微偶极子造成的电磁场。在图7中，电磁场被映射到耦合器电极上。如图所示，电场的横向Eθ在与传播方向垂直的方向上振动，而电场的纵波分量ER在与传播方向平行的方向上振动。另外，磁场
Figure GSA00000037820900132
发生于微偶极子周围。下面的式子(1)至(3)代表了由微偶极子产生的电磁场。在下面的式子(1)至(3)中，与距离R的三次方成反比的分量代表静电场，与距离R的二次方成反比的分量代表感应电场，而与距离R成反比的分量代表辐射场。
E θ = pe - jkR 4 πϵ ( 1 R 3 + jk R 2 - k 2 R ) sin θ - - - ( 1 )
E R = pe - jkR 2 πϵ ( 1 R 3 + jk R 2 ) cos θ - - - ( 2 )
H φ = jωpe - jkR 4 π ( 1 R 2 + jk R ) sin θ - - - ( 3 )
在图3所示的短距离无线通信系统中，为了防止产生对于其他相邻系统的干扰波，考虑优选地使用没有辐射场分量的纵波ER而避免带有辐射场分量的横波Eθ。由上述式子(1)和(2)可以理解，这是因为电场的横波分量Eθ包括与距离成反比的辐射场(即随距离的衰减较小)，而纵波分量ER不包含辐射场。
首先，为了防止产生电场的横波分量Eθ，希望防止高频耦合器起到天线作用。图4所示高频耦合器的构造一眼看去可能类似于“电容器负载类型”的天线。这里，电容器负载类型的天线在天线元件的尖端上包括金属性部分，以给天线提供静电容以缩短天线的高度。因此，希望防止高频耦合器起到电容器负载类型天线的作用。图8图示了电容器负载类型天线的示例性构造，该天线包括天线元件31和同轴电缆32。在该图中，纵波分量ER主要在箭头A的方向上从天线元件31产生，而横向分量Eθ在箭头B1和B2的方向上产生。
在图5所示的耦合器电极的示例性构造中，包括电介质主体15和通孔16，它们负责避免耦合器电极14将耦合器电极14连接到地18，并负责形成串联电感器12。串联电感器12是通过从印刷电路板17的电路安装表面到电极14获得足够高度而设计的，以避免地18与电极14之间的电场耦合，从而确保与接收器的高频耦合器进行电场耦合。但是，如果电介质主体15的高度太高，或从印刷电路板17的电路安装表面至电极14的高度相对于所用的波长具有显著的长度，则高频耦合器可能作为电容器负载类型的天线而工作。因此，可能产生如图8中的箭头B1和B2所述的分量Eθ。因此，电介质主体15的高度足以通过避免电极14与地18之间的耦合而获得作为高频耦合器的特性。另外，电介质主体15的高度还足以构成制备阻抗匹配电路所用的串联电感器12，同时电介质主体15的高度最好短到足以防止不希望的电流Eθ的辐射增大。
另一方面，由式子(2)可以看到，纵波ER的分量在相对于微偶极子的方向为零(0)角度θ时最大。因此，为了用电场的纵波ER有效地执行非接触通信，优选地通过将接收器的高频耦合器对面地布置在相对于微偶极子的方向大体上为零的角度θ来执行高频信号的传输。
另外，可以由串联电感器12和并联电感器13构成的谐振部分来加大流入耦合器电极14的高频信号的电流。结果，由耦合器电极14中积累的电荷和地18中积累的镜像电荷所形成的微偶极子的矩(moment)可以被加大。包括电场的纵波ER在内的高频信号可以在传播方向上有效地放电，所述传播方向相对于微偶极子的方向处于大体为零的角度θ。
再参考图5，图示了高频耦合器的示例性构造，图3所示的短距离无线通信系统可以应用在该耦合器上。但是，本发明的实施例不限于这样的高频耦合器构造。或者，例如，高频耦合器的耦合器电极14部分可以简单地由便宜的金属片处理来形成。图9至图11图示了制造耦合器电极的过程。
在这些图的每一者中，由铜或类似物制造的金属片受到冲压处理以形成腿部41、51、61和上平坦部42、52、62。这里，上平坦部42、52、62具有较大的表面积，并用作耦合器电极14以积累电荷。另外，腿部41、51、61可以用作支撑件以将上平坦部42、52、62支撑在印刷电路板17上，还可以用作串联电感器12以及电荷向耦合器电极14的传播路径。
随后，腿部41、51、61受到弯折处理，并被弯成相对于上平坦部42、52、62几乎成直角。此外，腿部41、51、61的下端部分被弯折以形成平坦部分，用作与高频信号线的连接件并用于将腿部41、51、61调节到所需高度。这里，术语“所需高度”对应于这样的尺寸：该尺寸负责避免耦合器电极14与地18之间的耦合，同时防止腿部41、51、61起到电容器负载类型天线的作用，还负责形成串联电感器12。
这样形成的(图9至图11)耦合器电极可以被用固定件(未示出)等固定在印刷电路板17上的预定位置上，然后，其平坦部分43、53作为连接件通过诸如回流焊接的处理而被附接到印刷电路板17上的布线图案。
此外，腿部(可以用作串联电感器12)的数目可以是如图9和图11所示的两个，也可以是图10所示的一个，还可以是三个或更多个(图中未示出)。
下面将详细说明复合通信设备，作为本发明的另一实施例。在复合通信设备中，用NFC通信模式作为第一无线处理部，弱UWB通信模式被用作第二无线处理部。
这两种通信模式都可以被归类到短距离无线通信技术中。但是，NFC通信是用于认证/支付业务等的普通技术。另一方面，弱UWB通信模式可用于高容量数据传输。因此，在内容业务(例如从自动售货机向便携式终端下载内容或通过连接到互联网的个人计算机从付费站点向便携式终端下载内容)中，可以用NFC通信来执行认证/支付业务，而用弱UWB通信模式来形成高容量数据传输。根据弱UWB通信模式，高容量数据传输处理会被完成，以使用户会感到与通常的认证/支付业务相同的访问时间感受。
在此情况下，可以通过将便携式终端放在读取器/写入器的读取表面上方这样的仅一个用户操作，来执行使用NFC模式的认证/支付业务以及使用弱UWB通信模式的高容量数据传输，增强了用户的便利性。因此，各个通信模式的读取位置可以彼此接近。换言之，NFC模式中使用的天线线圈可以与弱UWB通信模式中的耦合器电极接近。在此情况下，不管模式如何，用户都能够每次将便携式终端放在几乎相同的位置上，使得操作更容易。
可以在各种设备中的任一种中实现的读取器/写入器模式的详细情况已经在“背景技术”栏目中进行了说明。例如，如图12所示，读取器/写入器模块1拨款NFC通信电路、天线线圈3以及耦合器电极4。换言之，在NFC模式中的读取器/写入器模块1的天线线圈3的内侧可以布置弱UWB通信模式中的高频耦合器的耦合器电极4。由于针对各种通信模式的读取表面可以位于几乎同一位置，所以可以通过用户的单一操作来执行一系列处理。但是，在图12所示的示例中，耦合器电极是通过像图9所示处理那样的片处理而制备的电极。
这里，如果将各个通信系统的那些天线布置在同一设备中，则可能发生各个天线的耦合并造成天线之间的干扰问题。相比之下，根据本发明实施例的复合通信设备可以采用NFC模式的通信作为第一无线处理部以及弱UWB通信模式的通信作为第二无线处理部。因此，第一无线处理部产生磁场以通过磁场耦合来执行非接触通信。另一方面，第二无线处理部产生电场以通过电场耦合来执行非接触通信。
如图12所示，耦合器电极4被布置在由读取器/写入器模块1的天线线圈3所产生的磁场中。这样，磁场与耦合器电极4相交。在交点处，该耦合器电极产生的电场可以与磁场的振动方向几乎平行地振动。
原理上，电场的改变造成磁场的改变，因而磁场的振动方向与电场的振动方向垂直。另外，具有相同振动方向分量的磁场或电场彼此干扰。因此，振动方向彼此垂直的电场和磁场也彼此干扰。这些干扰现象会影响电场耦合或磁场耦合。另一方面，各自的振动方向彼此垂直的多个磁场或多个电场几乎不彼此干扰。同样，各自的振动方向平行的磁场和电场也几乎不彼此干扰。在图12所示读取器/写入器模块1的示例性构造中，在由作为第一无线处理部的天线线圈所产生的磁场与作为第二无线处理部的耦合器电极之间的交点位置处磁场的振动方向与作为第二无线处理部的耦合器电极所产生的电场的振动方向平行。因此，由第一无线处理部产生的磁场与由第二无线处理部产生的电场之间的干扰几乎不可能发生。
这里，由第一无线处理部产生的磁场与由第二无线处理部产生的电场之间的干扰的避免方法可以在已转让给本申请人的日本专利申请JP2007-292586中找到。
读取器/写入器模块1内置于笔记本型计算机中安装的主体键盘的掌托部分中(如上所述)。在此情况下，可以获得较大的读取表面。另外，读取器/写入器模块1位于显著的位置处，即主体键盘的前缘。但是，在最初使用计算机(例如键盘输入)时，壳体可能被掌托上用户的手掌所弯折。不必多言，当读取器/写入器模块安装在除了计算机之外的其他设备中时，该模块由于通信距离而被置于外壳表面附近。因此，该模块可能容易因施加外力而受到外壳扭曲的影响。
图13是图示了一种实施例(参见图12)的剖视图，在该实施例中，弱UWB通信模式的高频耦合器的耦合器电极4被布置在NFC模式的读取器/写入器模块1的天线线圈3(参见图12)中。
如图所示，读取器/写入器模块1通过隔板7支撑在具有铁氧体层6的金属板5上。另外，由片处理制造的耦合器电极4附装在主板上，使其容纳在读取器/写入器模块1的天线线圈3内侧。此外，NFC模式和弱UWB模式各自针对以约0至10cm的通信距离进行的短距离通信而设置。这样，读取器/写入器模块1安装在外壳8的顶面附近，耦合器电极4的上平坦部大体上与读取器/写入器模块1的板的上表面邻接。
例如，如果通过将用户的手掌置于掌托的读取表面上而对其施加外力，则压力也可能被施加到读取器/写入器模块1的板，并施加到该模块1下方的耦合器电极4。模块板由诸如FR4的原材料制成并具有柔性，FR4是通过将环氧树脂注入到由玻璃纤维等编织成的织物中而制备的。因此，在撤去该外力时，它可以恢复到初始的板形状。
另一方面，在通过片板电镀(sheet plating)来制备耦合器电极的情况下，用于对作为电极的上平坦部提供支撑的支撑件包括在高度方向上直线延伸的腿部。这样，如果腿部在高度方向上承受外力，则腿部61可能弯曲(参见图14A)或坍陷(参见图14B)。即使从腿部61撤去外力，也很难恢复其原来的形状。如上所述，腿部的高度还负责避免耦合器电极与地之间的苟合。因此，如果上平坦部由于腿部61的弯曲或坍陷而接近地，则不再能用作高频耦合器。在复合通信中，弱UWB通信会被禁止。
另外，还考虑了一种方法来使得即使在外力被施加到外壳的读取表面并使之形变的情况下也防止外力的影响到达耦合器电极。该方法是加大外壳背部与读取器/写入器模块的板之间的间隙，并加大金属板与该金属板之下的其他内置部件之间的间隙。但是，该方法造成了设备的高度增大。
为了防止设备的高度增大，优选地给腿部设置柔性部分71作为耦合器电极的支撑件。柔性部分71能够在高度方向上弹性形变。因此，即使在高度方向上从上平坦部72向腿部施加外力，也只有柔性部分71受到弹性形变。这样，在从腿部撤去外力时，柔性部分71的回复力特性使得耦合器电极能够恢复到初始高度。
图15A图示了耦合器电极的示例性构造，其中，支撑件具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分71。如图所示，作为支撑件的腿部在横截面中在其几乎中心处包括弯曲的柔性部分71。柔性部分71用作与沿高度方向施加的外力对抗的片簧，以从腿部解除外力。这样，腿部可以恢复到其初始形状。
图15B图示了耦合器电极的另一种示例性构造，其中，支撑件具有可在高度方向上弹性形变的柔性部分71。如图所示，作为支撑件的腿部具有横截面大致呈“狗腿状弯折(dogleg)”形状的柔性部分71。柔性部分71用作与沿高度方向施加的外力对抗的片簧，以从腿部解除外力。这样，腿部可以恢复到其初始形状。
在图15C所示的另一种构造示例中，横截面中“狗腿状弯折”形状的大小(其影响腿部的柔性部分71的效果)被设计得比图15B所示情况更小。柔性部分71的弹性系数和弹性形变量可以通过改变截面形状中“狗腿状弯折”形状的大小来控制。作为支撑件的腿部71负责避免上平坦部72(被设置作为耦合器电极)与地之间的耦合。但是，即使柔性部分能够恢复，在弹性形变量超过预定水平时，高频耦合器的性能也可能降低。根据图15C所示的示例性构造，柔性部分的弹性形变量可以被降低，以保证高频耦合器的性能等于或高于某个程度。
图15D图示了耦合器电极的另一种示例性构造，其中，支撑件具有在高度方向上可弹性形变的柔性部分71。如图所示，作为支撑件的两个腿部各自包括大体上“狗腿状弯折”形状的柔性部分71，与图15B和图15C所示的任一种示例性构造类似。但是在这种示例中，两个腿部的“狗腿状弯折”形状的敞开部分不是彼此面对，而是面向同一方向。无论如何，该柔性部分用作与沿高度方向施加的外力对抗的片簧，以从腿部解除外力。这样，腿部可以恢复到其初始形状。
根据图15A至图15D所示耦合器电极的示例性构造，柔性部分71用作与沿高度方向施加的外力对抗的片簧，来从腿部解除外力。这样，腿部可以恢复其初始形状。因此，通过减小外壳背部与读取器/写入器模块的板之间的间隙的大小以及金属板与金属板下方的其他内置部件之间的间隙，外壳的高度可以降低。换言之，这些图中任一者所示的耦合器电极几乎不会被破坏。
另外，生产图15A至图15D所示耦合器电极中的任一者，材料的成本几乎是一样的，工艺成本可以尽可能少增加。
作为支撑件的腿部负责避免上平坦部(被设置作为耦合器电极)与地之间的耦合。上平坦部可以被支撑在与地相距大约3mm的优选高度。另一方面，取决于外壳设计中对于小高度等的要求，从作为基底而设置的金属板至读取器/写入器模块的高度可以被限制在3.2mm或更小。在此情况下，如图16所示，在读取器/写入器模块1的板中形成开口(即在天线线圈的几乎中心处形成)，露出耦合器电极4的上平坦部。这样的器件构造同时满足了从金属板至地的高度要求。
本申请包含2009年3月12日在日本特许厅递交的日本在先专利申请JP2009-059652中的公开有关的主题，该申请的全部内容通过引用方式结合于此。
本领域技术人员应当明白，在所附权利要求及其等同含义的范围内，取决于设计要求和其他因素，可以存在各种变更、组合、子组合和替换形式。

Claims (10)

1.一种通信装置，包括：
通信电路部分，其执行用于数据传输的高频信号处理；
所述高频信号的传输路径；
地；
耦合器电极，其包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，所述支撑件支撑所述上平坦部，使得所述上平坦部面对所述地并布置在一高度处与所述地间隔开，所述高度仅足以使所述高频信号的波长被忽略，所述支撑件还具有在所述高度的方向上可弹性形变的柔性部分，所述支撑件的另一端在所述连接部分处连接到所述传输路径；和
谐振部分，其对经过所述传输路径流入所述耦合器电极的电流进行放大，其中，
形成了由线段形成的微偶极子，所述线段将所述耦合器电极的所述上平坦部中积累的电荷的中心与所述地中积累的镜像电荷的中心相连，并且
所述高频信号被传送到相对于所述微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴。
2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，
所述高频信号是使用超宽带的UWB信号。
3.根据权利要求1所述的通信装置，其中，
所述谐振部分包括连接在所述耦合器电极与所述传输路径之间的串联电感器以及连接在所述传输路径与所述地之间的并联电感器，并且
所述支撑件用作所述串联电感器。
4.根据权利要求1所述的通信装置，其中，
所述耦合器电极是通过下述步骤制造的：
使板状金属受到冲压处理以形成所述上平坦部以及要作为所述支撑件而提供的腿部；
使所述腿部受到弯折处理，以大体上垂直于所述上平坦部将所述腿部弯折，并将所述腿部的下端部弯折以形成平坦部分；和
使所述腿部弯曲或弯折，以形成可在所述高度的方向上弹性形变的柔性部分。
5.一种高频耦合器，包括：
高频信号的传输路径；
地；
耦合器电极，其包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，所述支撑件支撑所述上平坦部，使得所述上平坦部面对所述地并布置在一高度处与所述地间隔开，所述高度仅足以使所述高频信号的波长被忽略，所述支撑件还具有在所述高度的方向上可弹性形变的柔性部分，所述支撑件的另一端在所述连接部分处连接到所述传输路径；和
谐振部分，其对经过所述传输路径流入所述耦合器电极的电流进行放大，其中，
形成了由线段形成的微偶极子，所述线段将所述耦合器电极的所述上平坦部中积累的电荷的中心与所述地中积累的镜像电荷的中心相连，并且
所述高频信号被传送到相对于所述微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴的高频耦合器。
6.一种用于高频耦合器中的耦合器电极，所述高频耦合器使用电场耦合作用来执行高频信号的传输，所述耦合器电极包括：
上平坦部，其用作电极；
支撑件，其支撑所述上平坦部，使得所述上平坦部面对地并布置在一高度处与所述地间隔开，所述高度仅足以使所述高频信号的波长被忽略，所述支撑件还具有在所述高度的方向上可弹性形变的柔性部分；和
连接部分，所述支撑件的另一端在所述连接部分处连接到所述高频信号的传输路径，其中，
所述耦合器电极是通过下述步骤制造的：
使板状金属受到冲压处理以形成所述上平坦部以及要作为所述支撑件而提供的腿部；
使所述腿部受到弯折处理，以大体上垂直于所述上平坦部将所述腿部弯折，并将所述腿部的下端部弯折以形成平坦部分；和
使所述腿部弯曲或弯折，以形成可在所述高度的方向上弹性形变的柔性部分。
7.一种复合通信设备，包括：
第一无线处理的装置，其使用天线线圈通过电磁感应作用来执行非接触通信；和
第二无线处理的装置，其使用布置在所述天线线圈附近的耦合器电极通过电场耦合作用来执行非接触通信，
其中，所述第二无线处理的装置包括：
通信电路部分，其执行用于数据传输的高频信号处理；
所述高频信号的传输路径；
地；
耦合器电极，其包括用作电极的上平坦部并包括支撑件和连接部分，所述支撑件支撑所述上平坦部，使得所述上平坦部面对所述地并布置在一高度处与所述地间隔开，所述高度仅足以使所述高频信号的波长被忽略，所述支撑件还具有在所述高度的方向上可弹性形变的柔性部分，所述支撑件的另一端在所述连接部分处连接到所述传输路径；和
谐振部分，其对经过所述传输路径流入所述耦合器电极的电流进行放大，其中，
形成了由线段形成的微偶极子，所述线段将所述耦合器电极的所述上平坦部中积累的电荷的中心与所述地中积累的镜像电荷的中心相连，并且
所述高频信号被传送到相对于所述微偶极子的方向以大体上为零的角度θ相对布置的通信伙伴。
8.根据权利要求7所述的复合通信设备，其中，
所述第二无线处理的装置的所述耦合器电极是通过下述步骤制造的：
使板状金属受到冲压处理以形成所述上平坦部以及要作为所述支撑件而提供的腿部；
使所述腿部受到弯折处理，以大体上垂直于所述上平坦部将所述腿部弯折，并将所述腿部的下端部弯折以形成平坦部分；和
使所述腿部弯曲或弯折，以形成可在所述高度的方向上弹性形变的柔性部分。
9.根据权利要求7所述的复合通信设备，其中，
所述第二无线处理的装置的所述耦合器电极被布置在所述第一无线处理的装置的所述天线线圈的内侧。
10.根据权利要求7所述的复合通信设备，其中，
所述第二无线处理的装置的所述耦合器电极被布置在所述第一无线处理的装置的所述天线线圈的内侧形成的开口中。
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