CN101938028B - 高频耦合器和通信装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高频耦合器和通信装置。该高频耦合器包括：接地端；耦合电极，被配置为受支撑，使得耦合电极与接地端相对放置并分开地放置于距离接地端某一高度处，相对于高频信号的波长该高度可忽略不计；谐振器，增大通过传送路径进入耦合电极的电流；以及可伸展/可收缩连接部，连接耦合电极上的预定位置和谐振器；其中，形成了无穷小偶极，该无穷小偶极包括连接耦合电极中积聚的电荷的中心和接地端中积聚的镜像电荷的中心的线段，高频信号被传送给通信伙伴方的另一高频耦合器，该另一高频耦合器与高频耦合器相对放置，使得在无穷小偶极的方向与从高频耦合器向着另一高频耦合器的方向之间的角度θ接近零，并且连接部包括横截面近似为V形的片簧。

Description

高频耦合器和通信装置

技术领域

本发明涉及用于通信设备的高频耦合器和通信装置，所述通信设备用于：采用其中使用高频宽带的弱UWB(超宽带)通信方案来进行短距离上的大容量数据传送。特别地，本发明涉及可以结合到小型装置(比如手持装置)中并为该小型装置所用而且以小尺寸和低成本制造的高频耦合器和通信装置。 

背景技术

非接触式通信被广泛地用作交流比如认证信息和电子货币等重要信息的一种方式。近来，大容量数据传送(比如移动图像或移动音乐和流视频或流音乐的下载)被视为非接触式通信的又一应用。 

作为一种适用于高速通信的近邻无线传送技术，可以举出使用弱超宽带(UWB)信号的“TransferJet”(注册商标)(例如参见日本待审专利申请公开No.2008-99236和URL：www.transferjet.org/en/index.html(截至2009年6月23日))。近邻无线传送技术(TransferJet)主要是利用感应电场的耦合作用来传送信号的方案。使用近邻无线传送技术的通信装置包括被配置为进行高频信号处理的通信电路部、被配置为分开地放置于距离接地端某一高度处的耦合电极和被配置为向耦合电极高效地供应高频信号的谐振部。在本说明书中，耦合电极(或者包括耦合电极和谐振部的组件)也被称为“高频耦合器”。 

以与相关领域的近场通信(NFC)(NFC以ISO/IEC IS18092为标准)相同的方式，近邻无线传送系统可以被配置为用于传送请求命令的成对读取装置/写入装置(发起方)和用于传送回答复命令的收发装置(目的地方)。 

期望将收发装置端结合到小型装置(比如手持装置)中并为该小型装置所用。因此，希望能以小尺寸和低成本制造高频耦合器。 

发明内容

希望提供用于通信设备的优良高频耦合器和优良通信装置，该通信设备用于：采用其中使用高频宽带的弱UWB通信方案来进行短距离上的大容量数据传送。 

另外，希望提供可以结合到小型装置(比如手持装置)中并为该小型装置所用而且以小尺寸和低成本制造的高频耦合器和通信装置。另外，希望提供高频耦合器和通信装置，在维持该高频耦合器和通信装置的频率特性的同时降低高频耦合器和通信装置的高度并减小耦合电极，并且该高频耦合器和通信装置可以在进行近邻无线传送之时抑制不必要的无线电发射。 

根据本发明的第一实施方式，提供一种高频耦合器，该高频耦合器包括：接地端；耦合电极，被配置为受支撑，使得耦合电极与接地端相对放置并分开地放置于距离接地端某一高度处，相对于高频信号的波长该高度可忽略不计；谐振部，被配置为增大通过传送路径进入耦合电极的电流；以及可伸展和可收缩连接部，被配置为连接耦合电极上的预定位置和谐振部，其中，形成了无穷小偶极，该无穷小偶极包括连接耦合电极中积聚的电荷的中心和接地端中积聚的镜像电荷的中心的线段，并且高频信号被传送给通信伙伴方的另一高频耦合器，该另一高频耦合器与高频耦合器相对放置，使得在无穷小偶极的方向与从高频耦合器向着另一高频耦合器的方向之间的角度θ接近零度。根据本发明的第一实施方式，由于耦合电极和谐振部是通过可伸展和可收缩连接部来连接的，所以高频耦合器能抵抗根源于负载的变形，并且能以小尺寸和以低成本来制造。因此，高频耦合器可以结合到小型装置(比如手持装置)中并为该小型装置所用。 

根据本发明的第二实施方式，提供根据第一实施方式的高频耦合器，其中，连接部包括横截面近似为V形的片簧，连接部使用片簧的一端被连接到耦合电极，并且连接部使用片簧的另一端被连接到谐振部。根据本发明的第二实施方式，由于耦合电极被配置为使用构件比如保护指(shield finger)来支撑，所以高频耦合器能以小尺寸和低成本来制造。因此，高频耦合器可以合适地结合到小型装置(比如手持装置)中。 

根据本发明的第三实施方式，提供根据第一实施方式的高频耦合器，其中，连接部包括弹簧针(pogo pin)，连接部使用弹簧针的一端被连接到耦合电极，并且连接部使用弹簧针的另一端被连接到谐振部。根据本发明的第三实施方式，由于耦合电极被配置为使用构件比如弹簧针来支撑， 所以高频耦合器能以小尺寸和低成本制造。因此，高频耦合器可以合适地结合到小型装置(比如手持装置)中。 

根据本发明的第四实施方式，提供根据第二和第三实施方式中的任一实施方式的高频耦合器，其中，实现有接地端和谐振部的电路板被布置于便携式装置的第一壳构件的内表面上，并且连接部的一端被附接到谐振部；以及用作耦合电极的导电图案在便携式装置的第二壳构件的内表面上形成。根据本发明的第四实施方式，通过将两个壳构件设置在一起使得两个壳构件的开口闭合，可以支撑耦合电极使得耦合电极分开地放置于距离电路板(接地端)某一高度处。因此，可以抑制不必要的无线电发射。此外，由于保护指和弹簧针可伸展和可收缩，所以即使通过壳构件给支撑构件施加负载也难以弯曲和破坏连接部。 

根据本发明的第五实施方式，提供根据第四实施方式的高频耦合器，其中，在使用第二壳构件闭合第一壳构件，从而组装成框架的状态下，连接部的另一端与耦合电极上的预定位置直接接触，并且谐振部连接到耦合电极。根据本发明的第五实施方式，通过将两个壳构件设置在一起使得两个壳构件的开口闭合，可以支撑耦合电极使得耦合电极分开地放置于距离电路板(接地端)某一高度处。因此，可以抑制不必要的无线电发射。此外，由于保护指和弹簧针可伸展和可收缩，所以即使通过壳构件给支撑构件施加负载也难以弯曲和破坏连接部。 

根据本发明的第六实施方式，提供根据第二实施方式的高频耦合器，其中，对于连接部，横截面近似为V形的片簧的一端被置于片簧的另一端的近似正上方并近似地连接到耦合电极的中心。根据本发明的第六实施方式，由于对于连接部，横截面近似为V形的片簧的一端被置于片簧的另一端的近似正上方并连接到耦合电极，所以可以更有效地实现对沿着片簧水平流动的电流的抵消作用。此外，由于片簧的一端近似地连接到耦合电极的中心，所以可以抑制从耦合电极的表面发射的不必要的电波。 

根据本发明的第七实施方式，提供根据第二实施方式的高频耦合器，其中，片簧和耦合电极的组合长度近似地等于工作频率的波长的四分之一。根据本发明的第七实施方式，由于片簧和耦合电极的组合长度近似地等于工作频率的波长的四分之一，所以可以在维持频率特性的同时降低高频耦合器的高度并减小耦合电极。 

根据本发明的第八实施方式，提供一种通信装置，该通信装置包括：接地端；耦合电极，被配置为受支撑，使得耦合电极与接地端相对放置并 分开地布置于距离接地端某一高度处，相对于高频信号的波长该高度可忽略不计；谐振部，被配置为增大通过传送路径进入耦合电极的电流；可伸展和可收缩连接部，被配置为使用可伸展和可收缩连接部的一端被附接到谐振部，并且被配置为连接耦合电极上的预定位置和谐振部；第一壳构件，被配置为包括电路板，在该电路板上实现接地端和谐振部，并且该电路板被布置于第一壳构件的内表面上；以及第二壳构件，被配置为包括导电图案，该导电图案用作耦合电极，并且被形成于第二壳构件的内表面上；其中，在使用第二壳构件闭合第一壳构件的状态下，连接部的另一端与耦合电极上的预定位置直接接触，并且谐振部连接到耦合电极；以及形成了无穷小偶极，该无穷小偶极包括连接耦合电极中积聚的电荷的中心和接地端中积聚的镜像电荷的中心的线段；以及高频信号被传送给通信伙伴方的另一高频耦合器，该另一高频耦合器与高频耦合器相对放置，使得在无穷小偶极的方向与从高频耦合器向着另一高频耦合器的方向之间的角度θ接近零度；连接部包括横截面近似为V形的片簧；连接部使用片簧的一端被连接到耦合电极；连接部使用片簧的另一端被连接到谐振部。根据本发明的第八实施方式，由于耦合电极和谐振部是通过可伸展和可收缩连接部连接的，所以高频耦合器可以抵抗根源于负载的变形并且以小尺寸和以低成本来制造。因此，高频耦合器可以结合到小型装置(比如手持装置)中并为该小型装置所用。根据本发明的第八实施方式，通过将两个壳构件设置在一起使得两个壳构件的开口闭合，可以支撑耦合电极使得耦合电极分开地放置于距离电路板(接地端)某一高度处。因此，可以抑制不必要的无线电发射。此外，由于保护指和弹簧针可伸展和可收缩，所以即使通过壳构件给支撑构件施加负载也难以弯曲和破坏连接部。 

参照基于本发明以下实施方式和附图的详细描述，本发明实施方式的更多目的、特征和优点将变得显而易见。 

附图说明

图1是示意性地图示出采用弱UWB通信方案的近邻无线传送系统的配置的图； 

图2是图示出布置在传送装置中的高频耦合器的基本结构的图； 

图3是图示出图2中示出的高频耦合器的实施的例子的图； 

图4是图示出基于无穷小偶极的电场的图； 

图5是图4中示出的电场映射于耦合电极之上的图； 

图6是图示出加容天线的结构的例子的图； 

图7是图示出在谐振部中使用分布常数电路的高频耦合器的结构的例子的图； 

图8是图示出驻波出现在图7中示出的高频耦合器中的短截线上这一状态的图； 

图9A是图示出其中耦合电极由保护指支撑并且连接到谐振部(短截线)的高频耦合器的结构的例子的图； 

图9B是图示出其中耦合电极由保护指支撑并且连接到谐振部(短截线)的高频耦合器的结构的例子的图； 

图10A是图示出使用其中耦合电极由保护指支撑的高频耦合器的主要结构的实施方式的图； 

图10B是图示出使用其中耦合电极由保护指支撑的高频耦合器的主要结构的实施方式的图； 

图11是图示出其中耦合电极由弹簧针支撑并且连接到谐振部(短截线)的高频耦合器的结构的例子的图； 

图12A是图示出使用其中耦合电极由弹簧针支撑的高频耦合器的主要结构的实施方式的图； 

图12B是图示出使用其中耦合电极由弹簧针支撑的高频耦合器的主要结构的实施方式的图； 

图13是图示出在第二壳构件被附接到第一壳构件并且第一壳构件和第二壳构件的开口闭合的条件下通过弹簧针向耦合电极供电这一状态的图； 

图14是图示出在第二壳构件被附接到第一壳构件并且第一壳构件和第二壳构件的开口闭合的条件下通过保护指向耦合电极供电这一状态的图； 

图15是图示出第一壳构件中的谐振部与保护指的下端之间的接触点(连接点B)和保护指的上端与耦合电极之间的接触点(连接点A)的最适当的布置的例子的图； 

图16A是图示出在将电力馈点布置于耦合电极的中心的情况下电流在耦合电极中流动这一状态的图； 

图16B是图示出在电力馈点被布置于偏离于耦合电极中心的位置的 情况下不均匀电流在耦合电极中流动并且发射不必要的电波这一状态的图； 

图17A是用于解释在单极天线情况下的谐振现象的图； 

图17B是用于解释在加容天线情况下的谐振现象的图； 

图17C是用于解释在加容天线情况下的谐振现象的图； 

图18A是用于解释在维持工作频带下的谐振作用的同时降低高频耦合器的高度并减小高频耦合器的机制的图； 

图18B是用于解释在维持工作频带下的谐振作用的同时降低高频耦合器的高度并减小高频耦合器的机制的图；以及 

图18C是用于解释在维持工作频带下的谐振作用的同时降低高频耦合器的高度并减小高频耦合器的机制的图。 

具体实施方式

下文将参照附图具体描述本发明的优选实施方式。 

首先将描述采用弱UWB通信方案的近邻无线传送的工作原理。 

图1是图示出其中使用电场耦合作用的基于弱UWB通信方案的近邻无线传送系统的配置的图。在图1中，分别包括在传送装置10和接收装置20中的耦合电极14和24被用于传送和接收。这样，耦合电极14与24相对放置并分开地放置于彼此相距某一距离处，该距离例如为3cm(或者工作频带的波长的大约一半)。在要发送的请求是由上层应用生成的情况下，在传送装置端的传送电路部11基于传送数据来生成高频传送信号(比如UWB信号)，并从传送电极14向接收电极24传送作为电场信号的高频传送信号。然后，在接收装置20处的接收电路部21对接收到的高频电场信号进行解调处理和解码处理，并向上层应用传送再现的数据。 

在近邻无线传送中使用UWB的情况下，可以实现传送速率近似等于100Mbps的超高速数据传送。此外，如下文所述，在近邻无线传送中，不使用辐射电场而使用静电场的耦合作用或者感应电场的耦合作用。电场的强度与距离的立方或平方成反比。因此，通过将与无线设施相距3m距离内的电场的强度控制在小于或者等于预定级别，在近邻无线传送系统中就可以发射很弱的无线电波，从而不需要获得无线电台站许可证。因此可以实现低成本的近邻无线传送系统。此外，在近邻无线传送中，由于采用 电场耦合方案来进行数据通信，所以来自邻近反射装置的反射波小，因此干扰的影响有利地小。另外，也无需考虑要防止对传送路径的黑客攻击和确保机密的安全。 

相反地，在无线通信中，传播损耗随随波长的传播距离增加而增加。在使用高频宽带信号(比如UWB信号)的近邻无线传送中，近似为3cm的通信距离等于工作频率的波长的近似一半。因此，即使这样的距离很短，该距离仍然难以忽略，并且必须将传播损耗维持在足够低的级别。特别地，特性阻抗在高频电路中比在低频电路中导致的问题更严重。因此，在传送装置和接收装置的电极之间的耦合点处的阻抗失配在高频电路中的影响更明显。 

例如，在图1中示出的近邻无线传送系统中，即使在将传送电路部11连接到传送电极14的高频信号传送路径是匹配阻抗例如为50Ω的同轴线的情况下，当传送电极14与接收电极24之间的耦合部中存在阻抗失配时，电场信号仍然被折返(反射)而产生传播损耗，因此通信效率降低。 

这样，如图2中所示，布置在传送装置10中的高频耦合器包括连接到高频信号传送路径的谐振部。这样，谐振部包括板形电极14和24、串联感应器12和22以及并联感应器13和23。可以使用同轴电缆、微带线、共面线等来配置在此提到的高频信号传送路径。在上文所述的高频耦合器是彼此相向布置的情况下，耦合部在其中以准静电场为主的很短距离上如同带通滤波器一样工作。因此，可以传送高频信号。此外，即使在以感应电场为主并且相对于工作频率波长不可忽略不计的很短距离上，通过从由分别在耦合电极和接地端中积聚的电荷和镜像电荷形成的无穷小偶极(下文描述)生成的感应电场，在两个高频耦合器之间仍然可以高效地传送高频信号。 

如果只需要实现阻抗匹配并抑制反射波，那么，在传送装置10和接收装置20的电极之间(即在耦合部中)，只要耦合器具有如下简单结构就足矣：板形电极14和24以及串联感应器12和22分别被连接到高频信号传送路径，并且耦合部中的阻抗可以设计为是连续的。然而，特性阻抗在耦合部分之前和之后没有变化，因此电流量值也不变。相反地，通过提供并联感应器13和23，更大量的电荷被供应给耦合电极14，因此在耦合电极14与24之间可以产生强电场耦合作用。此外，当在耦合电极14的表面附近感应产生较大电场时，从耦合电极14的表面传播感应产生的电场作为电场信号，该电场信号为纵波并且沿着传播方向(无穷小偶极的方向， 下文描述)振荡。由于该电场波，即使当在耦合电极14与24之间的距离(相位长度)是相对较大的距离时，仍然可以传送电场信号。 

为了概括上文提到的条件，在采用弱UWB通信方案的近邻无线传送系统中，对于高频耦合器而言必需的条件如下： 

(1)用于建立电场耦合的电极，该电极与接地端相对放置并分开地放置于相距接地端某一距离处，相对于高频信号的波长该距离可忽略不计； 

(2)提供用于建立更强电场耦合的谐振部；以及 

(3)设置串联感应器和并联感应器的常数、由于耦合电极所致的电容器的常数以及短截线的长度，使得可以在耦合电极彼此相向放置的情况下在用于通信的频带中实现阻抗匹配。 

在如图1中所示的近邻无线传送系统中，当传送装置10和接收装置20中的耦合电极14和24被彼此相向地并以适当的相互距离分开地布置时，两个高频耦合器如同允许期望的高频范围中的电场信号通过的带通滤波器一样工作，并且单个高频耦合器如同被配置为放大电流的阻抗转换电路一样工作。因此，幅度较大的电流进入耦合电极。相反地，在高频耦合器被放置于自由空间中的情况下，高频耦合器的输入阻抗与高频信号传送路径的特性阻抗不匹配。因此，进入高频信号传送路径的信号在高频耦合器中被折返(反射)并且不发射到外部。因此，不产生干扰其它邻近系统的波。也就是说，传送装置在无通信伙伴时不会持续地发射无线电波。只有当通信伙伴接近传送装置时才实现阻抗匹配，由此传送高频电场信号。 

图3是图示出图2中示出的高频耦合器的实施方式的例子的图。可以用相同方式配置传送装置10和接收装置20中的高频耦合器中的任一个。在图3中，耦合电极14被置于分隔物15的上表面上，并且通过穿透分隔物15的通孔16电连接到印刷电路板17上的高频信号传送路径。尽管在图3中分隔物15近似为圆柱形而耦合电极4近似为圆形，但是分隔物15和耦合电极14的形状不限于特定形状。 

例如，在通孔16形成于预定高度的电介质中之后，用导体填充通孔16，并使用镀层技术在电介质的上端面上蒸镀用作耦合电极4的导电图案。此外，用作高频传送线路的布线图案形成于印刷电路板17上。这样，高频耦合器可以通过在印刷电路板17上装配分隔物15来制造，该装配是通过回流焊接等进行的。根据工作波长，对从印刷电路板17(或者接地 端18)的电路装配表面到耦合电极14的高度(即通孔16的长度(相位长度))适当地加以调整，以允许通孔16具有能够替代图2中示出的串联感应器12的感应系数。此外，高频信号传送路径经由具有薄片状的并联感应器13连接到接地端18。 

在此，将考察在传送装置10的耦合电极14处产生的电磁场。 

如图1和图2中所示，耦合电极14连接到高频信号传送路径的一端。这样，从传送电路部11输出的高频信号流入耦合电极14中，从而电荷在耦合电极14中积聚。这时，包括串联感应器12和并联感应器13的谐振部的谐振作用放大通过传送路径流入耦合部14中的电流，从而积聚更大量的电荷。 

此外，接地端18被分开地布置在与耦合电极14相距某一高度(相位长度)处(相对于高频信号的波长该高度可忽略不计)，从而耦合电极14和接地端18彼此相向。这样，在如上所述电荷在耦合部14中积聚时，镜像电荷在接地端18中积聚。当点电荷Q被放置于平面导体之外时，镜像电荷-Q(代替表面电荷分布的虚拟电荷)被置于该平面导体中。这在Tadashi Mizoguchi的“Denjiki gaku”(电磁学)(由Shokabo出版有限公司出版，第54-57页)中也有描述。 

由于上文提到的点电荷Q和镜像电荷-Q的积聚，所以形成了无穷小偶极，该无穷小偶极包括连接耦合电极14中积聚的电荷的中心和接地端18中积聚的镜像电荷的中心的线段。严格地说，点电荷Q和镜像电荷-Q是有体积的，形成的无穷小偶极是连接电荷的中心和镜像电荷的中心。在此提到的“无穷小偶极”指的是“电荷之间距离很短的电偶极”。例如，在Yasuto Mushiake的“Antenna·Denpa Denpan(天线·无线电波传播)”(由Corona出版有限公司出版，第16-18页)中描述了“无穷小偶极”。这样，由于该无穷小偶极，所以生成电场的横波分量E_θ、电场的纵波分量E_R和在无穷小偶极周围的磁场H_φ。 

在图4中图示出基于无穷小偶极的电场。此外，在图5中图示出映射于耦合电极上方的电场。如图中所示，电场的横波分量E_θ在与传播方向垂直的方向上振荡，而电场的纵波分量E_R在与传播方向平行的方向上振荡。此外，还在无穷小偶极周围产生磁场H_φ。下列等式(1)至(3)表示由无穷小偶极感应产生的电磁场。在这些等式中，与距离的立方成反比的分量对应于静电场，与距离的平方成反比的分量对应于感应电场，而与距离成反比的分量对应于辐射电场。 

$E_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{pe}}^{-\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\π\ϵ}}(\frac{1}{R^3}+\frac{\mathrm{jk}}{R^2}-\frac{k^2}{R})\sin \mathrm{\θ}\·\·\·\left(1\right)$

$E_R=\frac{{\mathrm{pe}}^{-\mathrm{jkR}}}{2\mathrm{\π\ϵ}}(\frac{1}{R^3}+\frac{\mathrm{jk}}{R^2})\cos \mathrm{\θ}\·\·\·\left(2\right)$

$H_{\mathrm{\φ}}=\frac{\mathrm{j\ωp}{e}^{-\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\π}}(\frac{1}{R^2}+\frac{\mathrm{jk}}{R})\sin \mathrm{\θ}\·\·\·\left(3\right)$

为了在图1中示出的近邻无线传送系统中抑制干扰邻近系统的波，期望使用不含辐射电场分量的纵波E_R而又抑制包括辐射电场分量的横波E_θ。这是因为，如可以从前述等式(1)和(2)推知的那样，电场的横波分量E_θ与距离成反比(即横波分量E_θ的距离衰减较小)，而纵波分量E_R不合辐射电场。 

首先，为了防止产生横波分量E_θ，有必要防止高频耦合器用作天线。图2中示出的高频耦合器看起来似乎具有与“加容天线”的结构类似的结构，在该结构中，金属被附接到天线部件的尖端，因此感应产生了电容并降低了天线的高度。因此，有必要防止高频耦合器用作加容天线。在图6中图示出加容天线的结构的例子，在图6中主要是图示出电场的纵波分量E_R产生在箭头A指示的方向上而电场的横波分量E_θ产生在箭头B₁和B₂指示的方向上。 

在图3中示出的耦合电极的结构的例子中，电介质15和通孔16起避免耦合电极14与接地端18间耦合的作用和起形成串联感应器12的作用。通过使从印刷电路板17的电路装配表面到电极14具有足够高度从而形成串联感应器12，来避免接地端18与电极14间的电场耦合，并确保耦合电极与在接收装置端的高频耦合器间的电场耦合。可以注意到，当电介质15的高度较大(即相对于工作波长，从印刷电路板17的电路装配表面到电极14的距离为难以忽略的长度)时，高频耦合器如同加容天线一样工作，并且横波E_θ产生在图6中的箭头B₁和B₂指示的方向上。因此，电介质15的高度基于以下条件来确定： 

避免在电极14与接地端18间的耦合而又完全地实现作为高频耦合器的特性； 

电介质15的长度够大，足以形成对于阻抗匹配电路的功能而言必需的串联感应器12；以及 

电介质15的长度够小，足以抑制由于电流在串联感应器12中流动而导致的不必要的电波E_θ的发射。 

另一方面，根据上述等式(2)可以证实纵波分量E_R在无穷小偶极的方向与纵波分量E_R之间的角度θ为零度时达到最大。因此，为了通过高效地利用电场的纵波分量E_R来进行非接触式通信，期望在如下条件下传送高频电场信号：通信伙伴方的高频耦合器与在传送装置处的高频耦合器相对放置，使得在无穷小偶极的方向与从在传送装置端的高频耦合器向着在接收装置端的高频耦合器的方向之间的角度θ接近零度。 

此外，包括串联感应器12和并联感应器13的谐振部使流入耦合电极14中的高频信号的电流被放大。因此，可以增大由耦合电极14中积聚的电荷和在接地端的静电荷这二者形成的无穷小偶极的偶极矩，并且可以在传播方向上高效地发射包括纵波分量E_R的高频电场信号，所述传播方向与无穷小偶极的方向之间的角度θ接近零度。 

在图2中示出的高频耦合器中，阻抗匹配部的工作频率f₀由并联感应器的常数L₁和串联感应器的常数L₂来确定。然而，在高频电路中，集总常数电路的频带通常比分布常数电路低，并且在频率高时感应器的常数变小。因此，由于常数的变化，导致产生谐振频率调谐不准的问题。相反地，考虑到如下解决方案：通过在阻抗匹配部和谐振部中采用分布常数电路取代集总常数电路来配置高频耦合器，实现更宽的带宽。 

在图7中图示出在阻抗匹配部和谐振部中采用分布常数电路的高频耦合器的结构的例子。在图7中示出的例子中，接地导体72和印刷图案被分别形成在印刷电路板71的下表面和上表面上，而高频耦合器被置于印刷电路板71上。作为高频耦合器中的阻抗匹配部和谐振部，形成微带线或者共面波导(即短截线73)来替代并联感应器和串联感应器，短截线73用作分布常数电路，并通过信号线路图案74将短截线73连接到收发电路模块75。通过在短截线73的前端穿过印刷电路板71的通孔76，短截线73连接到下表面上的接地端72，使得短截线73被短接。此外，在短截线73的中心附近的部分通过包括薄金属导线的单个端子77连接到耦合电极78。 

此外，在电子领域中所述的“短截线”是对一端连接而另一端无连接或 者接地的电线的统称。这样，短截线被布置在电路的中间，以便进行调节、测量、阻抗匹配或者滤波等。 

在此，从收发电路通过信号线输入的信号在短截线73的前端被折返(反射)，因此驻波保持在短截线73中。短截线73的相位长度被设置为高频信号波长的一半(相位为180度)，并且使用微带线或者共面线等来在印刷电路板71上形成信号线74和短截线73。如图8中所示，当短截线73的前端在短截线73的相位长度等于波长的一半的条件下被短接时，在短截线73中产生的驻波的电压量值在短截线73的前端变为零，而在短截线73的中间(即在距离短截线73的前端四分之一波长(90度)处)达到最大。通过使用单个端子77以连接耦合电极78和在短截线73的中心附近的部分(驻波的电压量值在此达到最大)，可以制造具有高传播效率的高频耦合器。 

图7中示出的短截线73为印刷电路板71上的微带线或者共面波导。这样，由于短截线73的直流电阻较小，所以高频信号的损耗较小，并且可以减少高频耦合器之间的传播损耗。此外，由于包括在分布常数电路中的短截线73的尺寸够大，足以等于高频信号波长的一半，所以由于制造公差所致的尺寸误差远小于整体相位长度，并且难以产生特性变化。 

高频耦合器的基本结构对应于如下例子：如图7中所示，具有蘑菇状配置的耦合电极被放置在谐振部(比如短截线)上方并用金属线连接到短截线。然而，当如图7中所示、耦合电极仅由线性构件支撑时，机械强度不足而易于发生变形。例如，当对耦合电极的上表面施加过多的向下的负载时，支撑构件会弯曲并且恢复不到原来的形状。 

另一方面，如图3中所示，在包括电介质(绝缘材料)的分隔物15支撑耦合电极14的情况下，机械强度提高，从而耦合电极14的变形概率降低。但预计成本会增加。此外，在分隔物15是用树脂形成的情况下，如果这种树脂的电介电常数较大，则高频耦合器的工作频带会变窄。而且，如果这种树脂的电介质损耗角正切较大，则会产生损耗增加且高频耦合器的耦合强度变弱的问题。 

具有有利电特性的高频耦合器对应于如图7中所示的耦合电极78不是由分隔物支撑的结构。因此，期望以低成本和以不会变形的形状容易地实现具有耦合电极78不是由分隔物支撑的结构的高频耦合器。 

作为抗变形的支撑结构的例子，本发明的发明人提出如下结构：如图 9A和9B中所示，耦合电极91由保护指92支撑并连接到谐振部(短截线)93。保护指即铸造为片簧状的小薄片部件，并被广泛地用作小接触装置。尽管通常保护指具有各种形状，但是在本实施方式中描述的保护指是如下类型的保护指：如附图中所示，保护指的横截面近似为V形并且保护指的两端都是无限制的。 

保护指92在其上端支撑耦合电极91，而在保护指92的另一端连接到谐振部(短截线)93。如可以从图9A和9B推知的那样，保护指91在高度方向上具有挠性。例如，当对耦合电极91的上表面施加向下的负载时，保护指92变形，从而耦合电极91的姿态暂时地改变。然而，当移除负载时，保护指92恢复至原来的状态，从而耦合电极81的姿态可以恢复至原来的姿态。 

在图10A和10B中，图示出一个实施例，其采用高频耦合器的基本结构，其中，如图9A和9B中所示，耦合电极由保护指支撑。在图中示出的例子中，高频耦合器被布置在包括第一壳构件101和第二壳构件102的便携式装置的框架中。 

表面上实现有作为谐振部(短截线)103的导电图案等的电路板106被附接到第一壳构件101的内表面。例如，假定接地图案(未示出)被实现在电路板106的后表面上。保护指104的下端被附接到谐振部(短截线)103的预定部分。另外，例如通过使用电镀等，用作耦合电极105的导电图案被形成于第二壳构件102的内表面上。 

如图10A中所示，在第二壳构件102与第一壳构件101脱开的条件(即便携式装置的框架被拆开的条件)下，保护指104的上端无连接而变为自由端。相反地，如图10B中所示，在第二壳构件102被附接到第一壳构件101从而第一壳构件101和第二壳构件102的开口闭合的条件(即便携式装置的框架被组装起来的条件)下，保护指104的上端与形成在第二壳构件102的内表面上的耦合电极105直接接触。由此，通过保护指104给耦合电极105供电，并且电荷在耦合电极105中积聚。因此，由于参照图4描述的作用而发射电场的纵波分量。 

此外，作为另一例子，本发明的发明人提出如下结构：如图11中所示，耦合电极111由弹簧针112支撑并连接到谐振部(短截线)113。在此，弹簧针是一种活动探针，其前端由于作为弹簧头的弹簧而可伸展和可收缩。这种弹簧针通常就用作用于连接两个电路板的连接器或者用于电池接线端的连接器。 

弹簧针112的上端支撑耦合电极111，而弹簧针112的另一端连接到谐振部(短截线)113。如可以从图11推知的那样，由于弹簧针112中提供的弹簧的弹性，所以弹簧针112是可伸展和可收缩的结构。例如，在对耦合电极111的上表面施加向下的负载时，弹簧针112收缩，从而耦合电极111暂时地收缩。然而，在移除负载时，弹簧针112中提供的弹簧恢复至原来的状态，从而耦合电极111可以恢复至原来的高度。 

在图12A和12B中图示出一个实施例，其采用高频耦合器的基本结构，其中，耦合电极由弹簧针支撑。在图中示出的例子中，高频耦合器被布置在包括第一壳构件121和第二壳构件122的便携式装置的框架中。 

表面上实现有作为谐振部(短截线)123的导电图案等的电路板126被附接到第一壳构件121的内表面。例如，假定接地图案(未示出)被实现在电路板126的后表面上。弹簧针124的下端被附接到谐振部(短截线)123的预定部分。另外，例如通过使用电镀等，用作耦合电极125的导电图案被形成于第二壳构件122的内表面上。 

如图12A中所示，在第二壳构件122与第一壳构件121脱开的条件(即便携式装置的框架被拆开的条件)下，弹簧针124的上端与第一壳构件121分离而变为自由端。相反地，如图12B中所示，在第二壳构件122被附接到第一壳构件121从而第一壳构件121和第二壳构件122的开口闭合的条件(即便携式装置的框架被组装起来的条件)下，弹簧针124的上端与形成在第二壳构件122的内表面上的耦合电极125直接接触。由此，通过弹簧针124给耦合电极125供电，并且电荷在耦合电极125中积聚。因此，由于参照图4描述的作用而发射电场的纵波分量。 

如参照图9至图12所述，通过采用其中使用构件比如保护指或弹簧针来支撑耦合电极这样的结构，高频耦合器可以被配置为小尺寸和低成本并且适当地结合到手持装置中。此外，为了防止不必要电波的发射随加容天线(参照图6)而增多，有必要支撑耦合电极，使得耦合电极被分开地放置在与电路板(接地端)相距充分高度处。因此，通过将两个壳构件设置在一起使得两个壳构件的开口闭合，来将耦合电极支撑在期望的高度。此外，由于用于支撑和连接耦合电极的保护指和弹簧针可伸展和可收缩，所以即使通过壳构件给支撑构件施加负载也难以弯曲和破坏支撑构件。 

下面对在保护指支撑耦合电极的情况下的性能特性与在弹簧针支撑耦合电极的情况下的性能特性进行比较。 

图13是图示出如下状态的图：在第二壳构件122被附接到第一壳构件121从而第一壳构件121和第二壳构件122的开口闭合的条件(即便携式装置的框架被组装起来的条件)下，通过弹簧针124给耦合电极125供电。如图13中所示，在电流在图13中的垂直方向上在弹簧针124的表面上流动时，该电流引起如图6中所示的电场的横波分量在与电流的方向正交的方向上(即在图13中的水平方向上)发射。这种横波为对于近邻无线传送而言不必要的电波。 

此外，图14是图示出如下状态的图：在第二壳构件102被附接到第一壳构件101从而第一壳构件101和第二壳构件102的开口闭合的条件(即便携式装置的框架被组装起来的条件)下，通过弹簧针104给耦合电极105供电。在该实施方式中使用了保护指104，该保护指是如下类型的保护指：如图中所示，保护指的横截面近似为V形，并且保护指的两端都是无限制的。因此，当从保护指104的下端供电时，电流沿着横截面近似为V形的片簧流向保护指104的上端。这时，由于电流A在图14中的一个近似水平方向上沿着V形保护指104的一个分支部分流动，而电流B在图14中的与电流A的方向近似相反的另一近似水平方向上沿着V形保护指104的另一分支部分流动，所以电流A的作用和电流B的作用彼此抵消。因此，可以抑制对于近邻无线传送而言不必要的电波。 

为了实现如上所述的对沿着片簧流动的电流的影响进行抵消的作用，期望保护指104的上端能如图15中所示在如下位置(连接点A)与耦合电极105接触：所述位置处于第一壳构件101中的谐振部103与保护指104的下端之间的接触点(连接点B)的近似正上方(即在图15中的垂直方向上)。 

此外，即使使用弹簧针或者保护指作为用于耦合电极的支撑构件，仍然期望使电力馈点近似地处于耦合电极的中心。这是因为电力馈点的位置偏移会导致产生在耦合电极的表面上的电流和不必要的电波。通过将电力近似地馈送到耦合电极的中心，电场的纵波分量E_R可以达到最大(参照图16A)。相反地，当电力馈点处于偏离耦合电极中心的位置时，由于电力馈点的位置偏移，导致在与耦合电极平行的方向上流动的电流分量增大(参照图16B)。因此，响应于该电流分量，在耦合电极的正向上的横波分量E_θ增大。 

下面讨论在采用保护指用作耦合电极的支撑构件时的小型化和高度降低问题。 

图6中示出的加容天线对应于用于降低单极天线的高度的形状。通常，当长度等于工作频率的波长的四分之一的金属线被设置为垂直于接地端时，金属线在工作频率发生谐振，并且出现如图17A中所示的电流分布。如图17A中所示，由于没有更多电流在金属线的前端流动，所以前端处的电流分布变为零(即幅度为零的节点)。另一方面，在作为金属线根部的电力馈点处，电流分布为最大(即幅度最大的波腹)。 

在此，当如图17B中所示降低金属线的高度并且将金属板附接到金属线的前端时，金属线和金属板用作与图6中示出的加容天线类似的加容天线。这时，在金属线和金属板的组合长度等于工作频率的波长的四分之一时，金属线和金属板可以用与图17A中示出的情况相同的方式谐振。此外，通过在维持金属线和金属板的组合长度等于工作频率的波长的四分之一的条件的同时加宽金属板，可以如图17C中所示进一步降低天线的高度。 

以这种方式，可以通过采用加容天线的结构来降低天线的高度。然而，由于对电波的发射有效地发挥作用的金属线部件变短，所以天线的辐射效率(电场的横波分量的发射)降低。然而，为了金属线和金属板在工作频率谐振，有必要将金属线和金属板的组合长度设置为工作频率的波长的四分之一，并因此根据金属线缩短的长度来进一步加宽金属板的面积。因而，金属板的面积变大而高频耦合器的高度降低。 

另一方面，并非在天线的情况下而是在高频耦合器的情况下，期望使电波(电场的横波分量)的发射尽可能少但使感应电场(即电场的纵波分量)的发射大。因此，只需要通过进一步缩短金属线部件来抑制辐射效率(电场的横波分量的发射)和通过加宽对应于上文提到的金属板的耦合电极来增强感应电场(即电场的纵波分量)的发射(参照图18C)。 

在用于向对应于耦合电极的金属板供电的金属线部件包括如图9或图10中所示的保护指的情况下，即使金属板的高度相同，由于保护指的V形横截面，金属线仍然可以延长。通过比较图18A与图18B可以理解这一点。此外，由于只需要金属线和金属板的组合长度等于工作频率的波长的四分之一，所以可以根据金属线的长度来使金属板的面积更小，而与金属线不具有弯曲形状的情况相比，这种金属线的长度由于V形的弯曲形状可以变长(参照图18B和18C)。 

尽管通常将发射元件等的加容和弯曲用作使天线小型化的技术，但在任一种技术中小型化都导致了天线辐射效率降低。相反地，由于在近邻无 线传送中期望抑制不必要电波的发射，所以可以通过将与用于天线的小型化技术类似的小型化技术应用于高频耦合器，来同时实现高频耦合器的小型化和特性改进。 

本申请包含的主题涉及在2009年6月30日提交日本专利局的日本优先权专利申请JP 2009-156301中公开的内容，因此通过引用将该申请的整体内容合并于此。 

本领域的技术人员应理解，根据设计需要和其它因素，可以在所附权利要求或其等同方案的范围内进行各种修改、组合、子组合和变型。 

Claims (6)

1.一种高频耦合器，包括：

接地端；

耦合电极，被配置为受支撑，使得所述耦合电极与所述接地端相对放置并且被分开地放置于与所述接地端相距某一高度处，相对于高频信号的波长所述高度可忽略不计；

谐振部，被配置为增大通过传送路径进入所述耦合电极的电流；以及

可伸展和可收缩连接部，被配置为连接所述耦合电极上的预定位置和所述谐振部；

其中：

形成了无穷小偶极，所述无穷小偶极包括连接所述耦合电极中积聚的电荷的中心和所述接地端中积聚的镜像电荷的中心的线段，

所述高频信号被传送给通信伙伴方的另一高频耦合器，所述另一高频耦合器与所述高频耦合器相对放置，使得在所述无穷小偶极的方向与从所述高频耦合器向着所述另一高频耦合器的方向之间的角度θ接近零度，

所述连接部包括横截面近似为V形的片簧，

所述连接部使用所述片簧的一端被连接到所述耦合电极，以及

所述连接部使用所述片簧的另一端被连接到所述谐振部。

2.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中：

实现有所述接地端和所述谐振部的电路板被布置在便携式装置的第一壳构件的内表面上，并且所述连接部的一端被附接到所述谐振部；以及

用作所述耦合电极的导电图案在所述便携式装置的第二壳构件的内表面上形成。

3.根据权利要求2所述的高频耦合器，其中：

在使用所述第二壳构件闭合所述第一壳构件，从而组装成框架的状态下，所述连接部的另一端与所述耦合电极上的所述预定位置直接接触，并且所述谐振部连接到所述耦合电极。

4.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中：

相对于所述连接部，横截面近似为V形的所述片簧的一端被置于所述片簧的另一端的近似正上方并且近似地连接到所述耦合电极的中心。

5.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中：

所述片簧和所述耦合电极的组合长度近似地等于工作频率的波长的四分之一。

6.一种通信装置，包括：

接地端；

耦合电极，被配置为受支撑，使得所述耦合电极与所述接地端相对放置并且被分开地布置于与所述接地端相距某一高度处，相对于高频信号的波长所述高度可忽略不计；

谐振部，被配置为增大通过传送路径进入所述耦合电极的电流；

可伸展和可收缩连接部，被配置为使用所述可伸展和可收缩连接部的一端被附接到所述谐振部，并且被配置为连接所述耦合电极上的预定位置和所述谐振部；

第一壳构件，被配置为包括电路板，在所述电路板上实现所述接地端和所述谐振部，并且所述电路板被布置于所述第一壳构件的内表面上；以及

第二壳构件，被配置为包括导电图案，所述导电图案用作所述耦合电极，被形成于所述第二壳构件的内表面上；

其中：

在使用所述第二壳构件闭合所述第一壳构件的状态下，所述连接部的另一端与所述耦合电极上的所述预定位置直接接触，并且所述谐振部连接到所述耦合电极；

形成了无穷小偶极，所述无穷小偶极包括连接所述耦合电极中积聚的电荷的中心和所述接地端中积聚的镜像电荷的中心的线段；

所述高频信号被传送给通信伙伴方的另一高频耦合器，所述另一高频耦合器与高频耦合器相对放置，使得在所述无穷小偶极的方向与从所述高频耦合器向着所述另一高频耦合器的方向之间的角度θ接近零度；

所述连接部包括横截面近似为V形的片簧；

所述连接部使用所述片簧的一端被连接到所述耦合电极；以及

所述连接部使用所述片簧的另一端被连接到所述谐振部。

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