CN102195688A - 通信设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了通信设备。该通信设备包括：通信电路单元，所述通信电路单元处理用于传送数据的高频信号；高频信号传送路径，所述高频信号传送路径连接到所述通信电路单元；高频耦合器，所述高频耦合器接收高频信号并辐射纵波的感应电场信号；以及天线，所述天线接收高频信号并辐射横波的辐射电磁场或电波信号。

Description

通信设备

技术领域

本发明涉及通过使用了高频宽带的弱UWB通信方法在邻近的距离中发送大容量数据的通信设备，更具体地，涉及采用使用了电场耦合的弱UWB通信并保证横向的可通信范围的通信设备。

背景技术

非接触通信方法已被广泛用作针对认证信息或诸如电子货币之类的其他价值信息的传送手段。另外，近年来，非接触通信系统的新应用的示例包括诸如下载或流传输视频、音乐等之类的大容量数据传送。大容量数据传送同样由单个用户完成，并且最好利用与现有技术中的认证和记账处理相同感觉的访问时间来完成，因此有必要提高通信速率。

一般的RFID规范使用13.56MHz频带并且是采用电磁感应作为主要原理的邻近型(从0到10cm)非接触双向通信，但是通信速率只有106kbps到424kbps。相比之下，作为适用于高速通信的邻近无线传送技术，存在TransferJet(例如，参见日本专利No.4345849和www.transferjet.org/en/index.html(2010年3月2日搜索)。该邻近无线传送技术(TransferJet)采用如下方法，即通过使用电场耦合作用来发送信号的方法，其中通信设备的高频耦合器包括处理高频信号的通信电路单元、布置成以一定的高度与地间隔开的耦合电极以及有效地向耦合电极供应高频信号的谐振单元。

使用弱UWB的邻近无线传送采用如下基本原理：该原理主要使用在由耦合电极生成的电场中的不包括辐射电场的纵波分量E_R(稍后描述)，并且其具有2到3厘米的通信距离、不具有极化波、在纵向和横向上具有几乎相等的面积并且具有近似半球形的可通信范围。为此，在执行数据传送的通信设备之间，有必要适当地将耦合电极彼此相向(face)并且使得足够的电场耦合相互作用。

如果邻近无线传送功能被以小尺寸制造，则它适合于内建式用途，并且例如，它可以被装载在诸如个人计算机或便携式电话之类的各种信息设备中。然而，如果高频耦合器的耦合电极尺寸减小，则尤其存在横向可通信范围降低的问题。例如，如果指示其中植入了高频耦合器的部分的目标点标记被添加到信息设备的外壳的表面上，则用户调整对准该目标点的位置是方便的。然而，在横向可通信范围窄的情况下，当设备彼此靠近时，存在目标点被隐藏在阴影中、从横向的中心位置移开并且被触碰(touch)的情况。

为了提高邻近无线传送功能的实际用途，有必要扩展横向可通信范围。然而，如果仅简单增加高频耦合器的耦合电极的尺寸，则驻波在耦合电极的表面生成。另外，在驻波的幅度反相的部分，分布着具有不同极性的电荷，并且具有不同极性的相邻电荷互相之间抵消彼此的电场，从而场强高的地方和场强低的地方被生成。场强低的地方成为不敏感点(空点)，在该点处，即使通信伙伴的耦合电极靠得近，也难以获得良好的电场耦合作用。

另一方面，根据使用辐射电场的电波通信方法，可通信范围可以被大大扩展。然而，在一个设备靠近目标点的行为中规定通信伙伴没有鲜明的(sharp)可操作性。另外，有必要考虑传送路径上黑客的防止或机密性的确保。

发明内容

希望提供能够通过使用了高频宽带的弱UWB通信方法来在邻近的距离处发送大容量数据的优秀通信设备。

还希望提供采用使用了弱UWB的不具有极化波的邻近无线传送并且能够保证足够的横向可通信范围的优秀高频耦合器和通信设备。

根据本发明的实施例，提供了一种通信设备，包括：通信电路单元，该通信电路单元处理用于传送数据的高频信号；连接到通信电路单元的高频信号传送路径；高频耦合器，所述高频耦合器接收高频信号并辐射纵波的感应电场信号；以及天线，所述天线接收高频信号并辐射横波的辐射电磁场或电波信号。根据本发明的实施例的高频耦合器包括：耦合电极，所述耦合电极连接到传送路径的一端并积累电荷；地，所述地被布置成面向耦合电极并积累所述电荷的镜像电荷；谐振单元，所述谐振单元通过在当高频信号被供应时生成的驻波的电压幅度变大的部分处安装耦合电极来增大流入耦合电极的电流；以及支撑单元，所述支撑单元由在耦合电极的近似中心位置处连接到谐振单元的金属线构成，其中由将耦合电极中积累的电荷的中心连接到地中积累的镜像电荷的中心的线段形成的微偶极子(microscopic dipole)被形成，并且其中，纵波的感应电场信号被朝着通信伙伴侧的耦合电极来输出，其中所述通信伙伴侧的耦合电极被布置成面向耦合电极以便在微偶极子的方向上形成的角度θ变成几乎零度。

根据本发明实施例的高频耦合器主要在耦合电极的前侧方向上辐射纵波的感应电场信号，并且天线被布置成使得横波的辐射电磁场或电波信号在横向上扩展高频耦合器的可通信范围。

在传送路径中，每个路径的信号的总相位长度可被调整以使得用于纵波的感应电场信号的路径和用于从天线辐射的横波的辐射电磁场或电波信号的路径同相。

根据本发明实施例的通信设备还包括开关，所述开关选择性地将用于高频信号的传送路径连接到高频耦合器或天线，其中开关分集(diversity)是通过连接到高频耦合器和天线中具有较好的传送状态的那一个来执行的。

根据本发明实施例的天线是由具有用于对辐射电磁场或电波信号进行辐射的长度的支撑单元的金属线形成的。

根据本发明实施例的天线是由安装在由耦合电极辐射的感应电场的方向上的金属片(piece)形成的。

根据本发明实施例的金属片被形成以具有长度为半个波长或半个波长的整数倍的线状，并且其本身作为天线独立地谐振。

根据本发明实施例的金属片被形成以具有长度为一个波长或整数倍波长的环状，并且其本身作为天线独立地谐振。

根据本发明实施例的金属片被安装在如下地点，在所述地点，从耦合电极辐射的强感应电场到达金属片谐振时的电压幅度变成最大的部分。

根据本发明，可以提供能够通过使用了高频宽带的弱UWB通信方法在近距离处传送大容量数据的优秀通信设备。

根据本发明，可以提供采用使用了弱UWB的不具有极化波的邻近无线传送并且能够保证足够的横向可通信范围的优秀通信设备。

根据本发明，通信设备通过将辐射纵波的感应电场信号的高频耦合器和辐射横波的辐射电磁场或电波信号的天线相结合而被配置，由此可以获得适合于用户调整和目标点对准的位置并且在横向上被扩展的可通信范围。根据本发明实施例的通信设备不仅能够实现通信被稳定在目标点附近的鲜明的可操作性和不含极化波(即，不依赖于天线方向)的易用性，而且能够通过因在横向上扩展的可通信范围而缓和与目标对准的对准精确性来实现方便的邻近无线传送。

根据本发明，通过与用于遥远地点的天线的结合，用于邻近地点的高频耦合器的可通信范围在横向上被扩展，因此，例如当其中内建了高频耦合器的信息设备彼此相向时，即使用户不精确地使目标点标记彼此靠近，也可以执行稳定的通信。

根据本发明，虽然信号在从高频耦合器辐射的感应电场的范围和辐射电磁场的范围彼此重叠的区域中混合，但是由于每个路径的信号的总相位长度被调整，所以不存在信号由于彼此之间的干扰而抵消的情况。

根据本发明，由于开关分集是通过连接到高频耦合器和天线中具有较好传送状态的那一个来执行的，因此信号从高频耦合器或天线被辐射。因此，信号不彼此混合并且干扰可以被避免。

根据本发明，天线可由支撑耦合电极并具有用于辐射横波的辐射电磁场或电波信号的长度的金属线形成。因此，单个高频耦合器已结合了辐射纵波的感应电场信号和对辐射电磁场或电波信号进行辐射的功能，并且因此，用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器可被集成在单个模块中。

根据本发明，由于被安装在由耦合电极辐射的感应电场的方向上的金属片作为天线来工作，因此用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器可以被集成在单个模块中。可以通过接收从耦合电极辐射的感应电场并对电波进行再辐射来增大耦合强度。

根据本发明，由于金属片具有导致谐振的尺寸，因此金属片本身可以作为天线的谐振元件来单独工作(谐振)。

根据本发明，由于从耦合电极辐射的强感应电场到达金属片谐振时的电压幅度变为最大的部分，因此可以在金属片内部感应出电流。

本发明的其他目的、特征或优点将通过基于本发明实施例或附图的更详细的说明而变得明显。

附图说明

图1是示出借助弱UWB通信方法的邻近无线传送系统的配置的示意图；

图2是示出分别被布置在发送机和接收机中的高频耦合器的基本配置的示图；

图3是示出其中图2所示的高频耦合器被安装的示例的示图；

图4是示出微偶极子的电场的示图；

图5是示出将图4所示的电场映射到耦合电极上的示图；

图6是示出电容加载天线(capacity loaded antenna)的配置示例的示图；

图7是示出其中分布常数电路(distributed constant circuit)被用在谐振单元中的高频耦合器的配置示例的示图；

图8是示出其中驻波在图7所示的高频耦合器中的分支(stub)上生成的状态的示图；

图9是示出其中用户令设备彼此靠近以对准目标点的状态的示图；

图10是示出其中设备的目标点未充分地彼此靠近的状态的示图；

图11是示出其中设备的目标点未充分地彼此靠近的状态的示图；

图12是示出适于用户调整与目标点对准的位置的可通信范围的示图；

图13是示出从耦合电极生成的感应电场的范围的示图；

图14是示出从天线生成的辐射电磁场的范围的示图；

图15是示出通过组合高频耦合器和天线而形成的通信设备的配置示例的示图；

图16是示出其中信号的总长度被调整以使得用于从高频耦合器辐射的信号的路径和用于从天线辐射的信号的路径同相的通信设备的配置示例的示图；

图17是示出其中高频耦合器和天线使用RF开关构成开关分集的通信设备的配置示例的示图；

图18是示出其中感应电场的信号在前侧方向上被从高频耦合器的耦合电极辐射并且辐射电磁场或电波信号在横向上被从支撑耦合电极的金属线辐射的状态的示图；以及

图19是示出其中作为天线的辐射元件来工作的金属片被安装在耦合电极的前方的通信设备的配置示例的示图。

具体实施方式

以下，将参考附图来描述本发明的实施例。

图1示意性地示出借助使用了电场耦合作用的弱UWB通信方法的邻近无线传送系统的配置。在图中，分别被包含在发送机10和接收机20中用于发送和接收的耦合电极14和24被布置成以例如大约3厘米(或者大约所使用的频带中的波长的一半)的间隙彼此相向并且实现电场耦合。如果接收到来自高层应用的传送请求，则发送侧的发送电路单元11基于所发送的数据生成诸如UWB信号之类的高频发送信号，并且所生成的信号被从发送电极14传播到接收电极24作为电场信号。接收机20的接收电路单元21解调并解码接收到的高频电场信号并将再生的数据发送到高层应用。

如果UWB被用于邻近无线传送，则可以实现约100Mbps的超高速数据传送。另外，在邻近无线传送中，如稍后所述，不是辐射电场而是静电场或感应电场耦合作用被使用。由于场强与距离的立方或平方成反比，因此离无线设备3米距离内的场强被限制在预定水平或更低，从而邻近无线传送系统可以执行不必进行无线电台站的许可的弱无线通信。因此，邻近无线传送系统可以以低成本来配置。另外，由于邻近无线传送中数据通信是通过电场耦合方法来进行的，因此优点在于来自外围反射物体的反射波的数目小，从而来自干扰的影响很少，并且不必考虑传送路径上黑客的防止或机密性的确保。

在无线通信中，传播损失与相对于波长的传播距离成比例地增长。在使用像UWB信号之类的高频宽带信号的邻近无线传送时，约3厘米的通信距离对应于半个波长。换言之，即使通信距离近，通信距离也不可以被忽视，并且有必要将传播损失抑制在足够低的程度。具体地，特征阻抗问题在高频电路中比在低频电路中更严重，因此发送机和接收机的电极之间的耦合点中的阻抗不匹配的影响被突显。

例如，在图1所示的邻近无线传送系统中，即使当将发送电路单元11连接到发送电极14的用于高频电场信号的传送路径是具有与例如50欧姆相匹配的阻抗的同轴线缆时，如果发送电极14和接收电极24之间的耦合部分中的阻抗不匹配，则电场信号也被反射并且传播损失由此出现。因此，通信效率降低。

因此，如图2所示，分别被包含在发送机10和接收机20中的高频耦合器经由分别包含盘状电极14和24、串行感应器12和22以及并行感应器13和23的谐振单元连接到高频信号传送路径。这里描述的高频信号传送路径可包括同轴线缆、微带线、共面线等等。如果高频耦合器被布置成彼此相向，则耦合部分在以准静电场为主导的非常邻近的距离处作为带通滤波器来工作并因此能够发送高频信号。另外，即使在以感应电场为主导并且相对于波长不可以被忽视的距离处，高频信号也可以经由从由分别在耦合电极和地中收集的电荷和镜像电荷形成的微偶极子(稍后描述)生成的感应电场在两个高频耦合器之间被有效地传送。

这里，在发送机10和接收机20之间，即在耦合部分中，如果目的仅是拾取阻抗匹配并抑制反射波，则即使使用其中盘状电极14和24以及串行感应器12和22在针对每个耦合器的高频信号传送路径上串联的简单结构，也可以进行设计以使得耦合部分中的阻抗连续。然而，耦合部分前后的特征阻抗没有变化，因此电流大小不改变。相比之下，并行感应器13和23的安装使得更大的电荷被发送到耦合电极14并且强电场耦合作用在耦合电极14和24之间生成。当大电场在耦合电极14表面附近被感应出时，所生成的电场是在行进方向(微偶极子的方向：稍后描述)上振荡的纵波电场信号并从耦合电极14的表面传播。由于该电场波，即使当耦合电极14和24之间的距离(相位长度)相对大时，电场信号也可传播。

作为以上描述的总结，在借助弱UWB通信方法的邻近无线传送系统中，高频耦合器所具有的条件如下。

(1)存在面向地的、要通过电场耦合的、以相对于高频信号的波长可以被忽视的高度彼此间隔开的耦合电极。

(2)存在用于通过较强的电场来耦合的谐振单元。

(3)在通信所使用的频带中，当耦合电极被布置成彼此相向时，分支的长度或电容器的常数由串行和并行的感应器和耦合电极设置以便拾取阻抗匹配。

如果补足上述条件(1)，则从高频耦合器的地到耦合电极的高度被设计成波长的二十分之一或更少。随着耦合电极的高度增加，即连接耦合电极和谐振单元的金属线加长，水平方向上从金属线辐射的电波增加。

在图1所示的邻近无线传送系统中，如果发送机10和接收机20的耦合电极14和24以适当的距离彼此相向，则两个高频耦合器作为允许希望的高频带中的电场信号通过的带通滤波器来工作，单个高频耦合器作为放大电流的阻抗转换电路来工作，并且具有大幅度的电流流向耦合电极。另一方面，当高频耦合器独立地位于自由空间中时，由于高频耦合器的输入阻抗不匹配高频信号传送路径的特征阻抗，因此进入高频信号传送路径的信号在高频耦合器内部被反射并且不被辐射到外部，因此对其附近存在的其他通信系统没有影响。也就是说，与现有技术中的天线不同，当通信伙伴不存在时，发送侧不释放电波，并且仅当通信伙伴靠近发送侧时，阻抗匹配才取得，从而发送高频电场信号。

图3示出其中图2所示的高频耦合器被安装的示例。发送机10和接收机20的任何高频耦合器可以通过相同的方式来配置。在同一附图中，耦合电极14被安装在由绝缘体构成的间隔物(spacer)15上并且经由穿透间隔物15的通孔16被电连接到印刷板17上的高频信号传送路径。在同一附图中，间隔物15大致为柱形，并且耦合电极14大致为圆形，但是这些不限于拥有特定的形状。

例如，在通孔16以希望的高度在绝缘体中形成之后，通孔16被填充导体，并且将成为耦合电极14的导体图案通过例如电镀技术被布置在绝缘体的上端面。作为高频信号传送路径的导线图案形成在印刷板17上。间隔物15通过回流焊接等被安装在印刷板17上，从而高频耦合器能够被制造。从含有印刷板17的电路的表面(或地)到耦合电极14的高度、即通孔16的长度根据所使用的波长被适当调整，从而通孔16具有电感并因此能够代替图2所示的串行感应器12。另外，高频信号传送路径经由片状并行感应器13被连接到地18。

这里，从发送器10那一侧的耦合电极14生成的电磁场将被观测。

如图1和2所示，连接到高频信号传送路径的一端的、其中流入了从发送电路单元11输出的高频信号的耦合电极14在其中积累电荷。此时，通过由串行感应器12和并行感应器13构成的谐振单元中的谐振作用，经由传送路径流入耦合电极14的电流被放大并且更大的电荷被积累。

地18被布置成以相对于高频信号的波长能够被忽视的高度为间隔面向耦合电极14。如上所述，如果电荷在耦合电极14中积累，则镜像电荷在地18中积累。如果点电荷Q被放置在平面导体之外，则如本领域所公知地，镜像电荷-Q(虚拟地代替面电荷分布)被布置在平面导体之内，如Tadashi Mizoguchi所著“Electromagnetics”(SHOKABO PUBLISHINGCo.，Ltd.第54-57页)中公开的那样。

如上所述，作为点电荷Q和镜像电荷-Q被积累的结果，由将在耦合电极14中积累的电荷的中心连接到在地18中积累的镜像电荷的中心的线段形成的微偶极子被形成。严格来讲，电荷Q和镜像电荷-Q具有体积，并且微偶极子被形成以便将电荷的中心连接到镜像电荷的中心。这里描述的“微偶极子”意味着“电偶极子的电荷之间的距离非常短”。例如，“微偶极子”也在Yasuto Mushiake所著的“Antenna and electric wave propagation”(CORONA PUBLISHING Co.，Ltd.第16-18页)中被公开。此外，微偶极子生成电场的横波分量E_θ、电场的纵波分量E_R和微偶极子周围的磁场H_φ。

图4示出由微偶极子生成的电场。另外，图5示出其中电场被映射到耦合电极上的状态。如图所示，电场的横波分量E_θ在与传播方向垂直的方向上振荡，并且电场的纵波分量E_R在与传播方向平行的方向上振荡。磁场H_φ在微偶极子周围生成。以下公式(1)到(3)指示由微偶极子生成的电磁场。在相同的公式中，与距离R的立方成反比的分量指示静电磁场，与距离R的平方成反比的分量指示感应电磁场，并且与距离R成反比的分量指示辐射电磁场。

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

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

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

在图1所示的邻近无线传送系统中，为了抑制对外围系统造成干扰的波，包含辐射电场分量的横波分量E_θ被抑制并且不包含辐射电场分量的纵波分量E_R被使用是最好的。这是因为如从公式(1)和(2)可以看出的，电场的横波分量E_θ包括与距离成反比的辐射电场(即小距离衰减)，而纵波分量E_R不包括辐射电场。

首先，为了生成电场的横波分量E_θ，高频耦合器不作为天线来工作是必要的。一眼看过去，图2所示的高频耦合器具有与“电容加载天线”类似的结构，在“电容加载天线”中，金属被设置在天线元件的前端以具有电容并降低天线的高度。因此，高频耦合器不作为电容加载天线来工作是必要的。图6示出电容加载天线的配置示例，并且在同一图中，电场的纵波分量E_R主要在箭头A的方向上生成，并且电场的横波分量E_θ在箭头B₁和B₂的方向上生成。

在图3所示的耦合电极的配置示例中，绝缘体15和通孔16结合了防止耦合电极14与地18的耦合以及形成串行感应器12的功能。串行感应器12是通过选择从印刷板17的电路装载表面到电极14的足够高度而形成的，在地18和电极14之间耦合的电场被防止并且与接收侧的高频耦合器的电场耦合被保证。然而，如果绝缘体15的高度大，即印刷板17的电路装载表面到电极14之间的距离达到相对于所使用的波长不可以被忽视的长度，则高频耦合器作为电容加载天线来工作，从而图6中由箭头B₁和B₂指示的横波分量E_θ生成。因此，绝缘体15的高度遵循用于通过防止电极14与地18之间的耦合而获得如同高频耦合器的特性并用于形成用来作为阻抗匹配电路来工作的串行感应器12的充足长度以及用于抑制由流入串行感应器12的电流引起的非必要电波E_θ的辐射的小长度的条件。

另一方面，从上述公式(2)可以看出，纵波分量E_R在微偶极子的方向上形成的角度θ＝0处变为最大。因此，为了通过电场的纵波分量E_R的有效利用来执行非接触通信，通信伙伴的高频耦合器的朝向被布置成使得在微偶极子的方向上形成的角度θ几乎变为0度并且高频电场信号被发送是最好的。

此外，可以通过包含串行感应器12和并行感应器13的谐振单元而使流入耦合电极14的高频信号的电流更大。结果，可以使得由在耦合电极14中积累的电荷和在地侧中积累的镜像电荷形成的微偶极子的矩很大，并且由纵波分量E_R构成的高频电场信号可以有效地朝着在微偶极子的方向上形成的角度θ几乎变为0度的传播方向被发送。

在图2所示的高频耦合器的阻抗匹配单元中，操作频率f₀是基于并行感应器和串行感应器的常数L₁和L₂来确定的。然而，在高频电路中，众所周知，集总常数电路具有比分布常数电路窄的频带，并且感应器的常数随着频率的升高而降低。因此，存在着由于常数之差而造成谐振频率偏移的问题。相比之下，阻抗匹配单元或谐振单元使用分布常数电路而不是集总常数电路来构成高频耦合器，从而实现了宽带。

图7示出匹配单元或谐振单元中使用分布常数电路的高频耦合器的配置示例。在图中所示的示例中，地导体72在底部形成，并且高频耦合器被安装在其上形成了印刷图案的印刷板71上。作为高频耦合器的阻抗匹配单元和谐振单元，不是并行感应器和串行感应器，而是微带线或共面波导(即作为分布常数电路来工作的分支73)被形成，并且经由信号线图案74被连接到发送和接收电路模块75。其前端经由穿透印刷板71的通孔76连接到底部的地72的分支73形成短路。分支73的中心附近经由由细金属线构成的单个端子77被连接到耦合电极78。

电子学技术领域中提及的“分支”一般指其一端连接到元件并且另一端不连接到该元件或者连接到在电路中间设置的地的电线，并且用于调整、测量、阻抗匹配、过滤器等。

这里，经由信号线从发送和接收电路输出的信号在分支73的前端部分中被反射，并且驻波在分支73内部生成。分支73的相位长度是高频信号的波长的一半(按照相位算，180度)，并且信号线74和分支73由印刷板71上的微带线、共面线等形成。如图8所示，当前端在半波长的分支73的相位长度处是短路的时候，在分支73内部生成的驻波的电压幅度在分支73的前端处变为0并且在分支73的中点(即，与离分支73的前端四分之一波长(90度)相对应的地点)处变为最大。在驻波的电压幅度变为最大处的分支73的中点附近，分支73经由单个端子77被连接到耦合电极78，从而形成具有良好的传播效率的高频耦合器。

图7所示的分支73是具有低DC阻抗的印刷板71上的微带线或共面波导，因此具有小的高频信号损失并且能够缩小高频耦合器之间的传播损失。由于形成分布常数电路的分支73的尺寸大约为高频信号的半个波长那么大，因此由制造期间的容差造成的尺寸误差与整个相位长度相比微乎其微，因而特性差异难以生成。

接下来，非接触式通信系统中通过设备彼此靠近来保证通信状态的操作将被观察。这里，假设目标点标记被添加到每个设备的表面上，并且用户为了该操作而对准目标点。

例如，如果当如图9所示一个设备与另一个设备靠近到一定程度时用户打算通过抓住一个设备并放置在另一个设备上而获得邻近状态，则另一个设备的目标点被用户抓住的设备或抓住该设备的用户的手隐藏，从而该位置不能被视觉地确认。

这里，作为其中目标点不彼此靠近的情况，如图10所示，存在目标点之间的间隙在高度方向上生成的情况，并且如图11所示，存在间隙通过被横向对偏而生成的情况。

如果假设如图10和11所示的情况，则设备的可通信范围相对于如用图12中的虚线标记的目标点在横向上被扩展，并且这可以在使用期间为用户提供便利。由于在图中所示的可通信范围中，纵向上的可通信范围利用目标点中心附近的峰被扩展，因此可以获得通信被稳定在目标点附近的鲜明的可操作性。

在使用弱UWB的邻近无线传送中，主要使用从耦合电极生成的电场的纵波分量E_R。即，当大电场在耦合电极的表面附近被感应出时，生成的电场作为在行进方向(微偶极子的方向)上振荡的纵波的电场信号，从耦合电极的表面传播。

电场的纵波分量E_R由上述公式(2)来表达。如果在微偶极子的方向上形成的角度被认为是θ，则电场的纵波分量E_R与cosθ成比例，并且在角度θ＝0处变为最大。如果与耦合电极的前侧垂直的方向被认为是θ＝0，则电场的纵波分量E_R在前侧方向上生成最强电场，并且随着角度θ增加，其逐渐变弱。在横向即在θ＝90处，纵波分量E_R变为0。从耦合电极生成的感应电场的范围(即，可通信范围)如图13中的虚线所标记的。

另一方面，在使用天线的电波通信方法中，主要使用包含辐射电场的电场的横波分量E_θ。电场的横波分量E_θ由上述公式(1)表达。在天线中，如果在电流流动的方向上形成的角度被认为是θ，则电场的横波分量E_θ在横向上(即θ＝90处)生成最强电场，并且随着角度θ变小而逐渐变弱。在前侧方向上即θ＝0度处，横波分量E_θ变为0。从天线生成的辐射电磁场的范围(即可通信范围)如图14中用虚线所标记的。如图所示，辐射电波的天线能够以相对宽的范围发送在水平面内几乎无方向性并且根据距离衰减较少的信号。

因此，本发明人提议这样一种通信设备，其中通过图13所示的耦合电极的可通信范围和通过图14所示的天线的可通信范围被结合，以便实现如图12所示的、适于用户调整与目标点对准的位置的可通信范围。

图15示出其中高频耦合器1501和天线1502被结合的通信设备1500的配置示例。天线1502被布置成以预定的间隔与高频耦合器1501的耦合电极间隔开，并且电流流入天线1502的方向与高频耦合器1501的耦合电极的前侧方向基本相互平行。反射板1503被安装在天线1502的后侧以使得从天线1502辐射的电波被集中在希望的方向上，即朝向耦合电极1501那一侧。

如果与高频耦合器1501的耦合电极的前侧垂直的方向被认为是θ＝0，则从耦合电极1501辐射的电场的纵波分量E_R在前侧方向上生成最强电场，并且随着角度θ增加而逐渐变弱。在横向上即θ＝90度处，纵波分量E_R变为0。另一方面，如果在电流流入天线1502的方向上形成的角度被认为是θ，则从天线辐射的电场的横波分量E_θ在横向上即θ＝90处生成最强电场，并且随着角度θ减小而逐渐变弱。在前侧方向上即θ＝0度处，横波分量E_θ变为0。如果这些电场彼此重叠，则可以获得与图12所示的可通信范围接近的可通信范围。

在从高频耦合器1501辐射的感应电场的范围与从天线1502辐射的辐射电磁场的范围重叠的区域中，信号彼此混合，因此不因彼此之间的干扰而彼此抵消是必要的。

图16示出其中高频耦合器1601与天线1602相结合并且防止信号的干扰的通信设备1600的配置示例。高频信号经由信号线1604被输入到高频耦合器1601和天线1602中的每一个。在同一图中，可以通过调整每个路径的信号的总相位长度以使得从高频耦合器1601辐射的信号的路径1604A和从天线1602辐射的信号的路径1604B同相来防止干扰。

此外，图17示出其中高频耦合器1701与天线1702相结合并且防止信号的干扰的通信设备1700的另一配置示例。在图17所示的通信设备1700中，高频信号经由信号线1704被输入到高频耦合器1701和天线1702中的每一个。RF开关1705被插入到信号线1704之间，并且高频耦合器1701和天线1702构成由RF开关1705切换的开关分集。具有较好传送状态的路径被确定，切换信号被输入到RF开关1705，并且信号从高频耦合器1701或天线1702被辐射。换言之，由于信号从高频耦合器1701或天线1702被辐射，因此信号不彼此混合，从而可以防止干扰。传送状态可以根据例如接收信号的强度、分组差错率等等来确定。

在图15至17所示的通信设备中，对辐射电磁场或电波信号进行辐射的天线可“用于遥远地点”，并且辐射感应电场信号的高频耦合器可“用于邻近地点”。在图15至17所示的通信设备中，用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器分别由各个模块组件构成。相比之下，单个高频耦合器已结合了辐射纵波的感应电场信号和对辐射电磁场或电波信号进行辐射的功能，因此用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器可被集成在单个模块中作为修改的示例。

例如，高频耦合器具有与电容加载天线的结构相类似的结构，如参考图6所描述的。为了抑制像电容加载天线一样的作用，耦合电极有必要面向地并被安装在以相对于高频信号的波长可以被忽视的高度与地间隔开的位置。相比之下，为了使高频耦合器用作用于遥远地点的天线，最好是耦合电极朝向地并被布置成以相对于高频信号的波长不可被忽视的高度与地间隔开。这种情况下，支撑耦合电极的金属线作为天线来工作并且对辐射电磁场或电波信号进行辐射。图18示出通过实质上将用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器相集成而由单个模块形成的通信设备1800的配置示例。该图示出感应电场信号在前侧方向上从高频耦合器1800的耦合电极1801被辐射并且辐射电磁场或电波信号在横向上从支撑耦合电极1801的金属线1802被辐射。金属线1802具有用于对辐射电磁场或电波信号进行辐射的长度。

另外，本发明人已确认，如果具有特定形状的金属被插入到彼此通信的高频耦合器的耦合电极之间，则耦合强度增加。这是因为具有特定形状的金属作为天线来工作，接收从耦合电极辐射的感应电场，并且再辐射电波。

图19利用电波通过金属片的再辐射现象，示出通过实质上将用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器相集成而由单个模块形成的通信设备1900的配置示例。该图通过将用作天线的辐射元件的金属片1902安装在耦合电极1901的前侧方向(感应电场的辐射方向)上，示出通过实质上将用于遥远地点的天线和用于邻近地点的高频耦合器相集成而由单个模块形成的通信设备1900。从耦合电极1901辐射的感应电场在金属片1902内部感应出电流。结果，金属片1902可以间接地辐射电波。

这里，为了金属片1902本身独立地作为天线的辐射元件来工作，金属片1902最好具有用于谐振的尺寸。具体地，金属片1902可被形成以具有长度为半个波长的线状或长度为一个波长(或波长的整数倍)的环状。根据相应配置，金属片1902可分别作为半波偶极子天线和回路天线来工作。

另外，耦合电极1901最好安装在金属片1902中的谐振可以被感应出的位置。如果从耦合电极1901辐射的强感应电场到达金属片谐振时的电压幅度变为最大的部分，则可以有效地在金属片1902内感应出电流。

在说明书中，虽然已主要基于其中UWB信号被应用到通过不含线缆的电场来发送数据的通信系统的实施例进行了描述，但本发明的要点不限于此。例如，本发明还可应用到使用非UWB方法的高频信号的通信系统或通过使用相对低频信号的电场耦合或通过其他电磁作用来发送数据的通信系统。

本申请包含与2010年3月18日于日本专利局提交的日本在先专利申请JP 2010-063052中所公开的主题有关的主题，该日本在先专利申请的全部内容通过引用结合于此。

本领域技术人员应该理解，取决于设计要求和其他因素，可以进行各种修改、组合、子组合和变更，只要它们落入所附权利要求或其等同物的范围内即可。

Claims (10)

1.一种通信设备，包括：

通信电路单元，所述通信电路单元处理用于传送数据的高频信号；

高频信号传送路径，所述高频信号传送路径连接到所述通信电路单元；

高频耦合器，所述高频耦合器接收高频信号并辐射纵波的感应电场信号；以及

天线，所述天线接收高频信号并辐射横波的辐射电磁场或电波信号。

2.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述高频耦合器包括：

耦合电极，所述耦合电极连接到所述传送路径的一端并积累电荷；

地，所述地被布置成面向所述耦合电极并积累所述电荷的镜像电荷；

谐振单元，所述谐振单元通过在当高频信号被供应时生成的驻波的电压幅度变大的部分处安装所述耦合电极来增大流入所述耦合电极的电流；以及

支撑单元，所述支撑单元由在所述耦合电极的近似中心位置处连接到所述谐振单元的金属线构成，

其中由将所述耦合电极中积累的电荷的中心连接到所述地中积累的镜像电荷的中心的线段形成的微偶极子被形成，并且

其中，所述纵波的感应电场信号被朝着通信伙伴侧的高频耦合器来输出，其中所述通信伙伴侧的高频耦合器被布置成面向所述耦合电极以便在所述微偶极子的方向上形成的角度θ变成几乎零度。

3.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述高频耦合器主要在所述耦合电极的前侧方向上辐射所述纵波的感应电场信号，并且所述天线被布置成使得所述横波的辐射电磁场或电波信号在横向上扩展所述高频耦合器的可通信范围。

4.根据权利要求1所述的通信设备，其中在所述传送路径中，每个路径的信号的总相位长度被调整以使得用于从所述高频耦合器辐射的所述纵波的感应电场信号的路径和用于从所述天线辐射的横波的辐射电磁场或电波信号的路径同相。

5.根据权利要求1所述的通信设备，还包括开关，所述开关选择性地将用于所述高频信号的传送路径连接到所述高频耦合器或所述天线，

其中开关分集是通过连接到所述高频耦合器或所述天线中具有较好的传送状态的那一个来执行的。

6.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述天线是由具有用于对所述辐射电磁场或电波信号进行辐射的长度的支撑单元的金属线形成的。

7.根据权利要求1所述的通信设备，其中所述天线是由安装在由所述耦合电极辐射的感应电场的方向上的金属片形成的。

8.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述金属片被形成以具有长度为半个波长或波长的半整数倍的线状，并且其本身作为天线独立地谐振。

9.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述金属片被形成以具有长度为一个波长或整数倍波长的环状，并且其本身作为天线独立地谐振。

10.根据权利要求7所述的通信设备，其中所述金属片被安装在如下地点，在所述地点，从所述耦合电极辐射的强感应电场到达金属片谐振时的电压幅度变成最大的部分。

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