JP2009027734A - High frequency coupler and electric field signal radiation element - Google Patents

High frequency coupler and electric field signal radiation element Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To transmit a high frequency of UWB or the like while utilizing electric field coupling due to an electrostatic field or an induction electric field between information devices disposed within a ultra short distance. <P>SOLUTION: A resonance stab is cut, respective forward and backward metal wires supporting a coupling electrode are connected to the resonance stab to be spread over the cut portion. In order to cause a current input from a transmission/reception circuit unit via a signal line to flow toward a distal end of the resonance stab, the current once flows through one metal wire to the coupling electrode and then flows through the other metal wire to the resonance stab behind the cut portion. Namely, since there is no current component that passes through the coupling electrode and flows in the resonance stab, characteristics of a high frequency coupler are improved. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なう通信装置に係り、特に、近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用して、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なう通信装置に関する。   The present invention relates to a communication apparatus that performs data communication without interfering with other communication systems between information devices arranged at a short distance or receiving interference from radio waves coming from far away, and in particular, at a short distance. The present invention relates to a communication apparatus that performs large-capacity data communication without interference with other communication systems by using electric field coupling by an electrostatic field or induction field between arranged information devices.

最近、画像や音楽などのデータをパソコンとの間で交換するなど、小型の情報機器間でデータを移動する際、AV(Audio Visual)ケーブルやUSB(Universal Serial Bus)ケーブルなどの汎用ケーブルで相互接続したデータ通信やメモリカードなどのメディアを媒介にする方法に代わって、無線インターフェースを利用することが増えてきている。後者によれば、データ伝送の度にコネクタの付け替え作業をしてケーブルを引き回す必要がなく、ユーザの利便性が高い。各種のケーブルレス通信機能を搭載した情報機器も多く出現している。   Recently, when moving data between small information devices such as exchanging data such as images and music with a personal computer, it is possible to use a general-purpose cable such as an AV (Audio Visual) cable or a USB (Universal Serial Bus) cable. The use of a wireless interface is increasing instead of a method using a medium such as a connected data communication or a memory card. According to the latter, it is not necessary to change the connector and route the cable every time data is transmitted, which is convenient for the user. Many information devices equipped with various cableless communication functions have also appeared.

この種のデータ交換では、送受信する通信装置同士は比較的近距離に配置されていることが想定される。日本国内の電波法の下では、無線設備から3メートルの距離での電界強度(電波の強さ)が所定レベル以下、すなわち近隣に存在する他の無線システムにとってノイズ・レベル程度となる微弱無線であれば、無線局の免許を受ける必要はなく、無線システムの開発・製造コストを削減することができる。   In this type of data exchange, it is assumed that communication devices that transmit and receive are arranged at a relatively short distance. Under the Radio Law in Japan, the field strength (the strength of radio waves) at a distance of 3 meters from the radio equipment is below a predetermined level, that is, a weak radio that is at a noise level for other radio systems in the vicinity. If so, there is no need to obtain a radio station license, and the development and manufacturing costs of the radio system can be reduced.

しかしながら、IEEE802.11に代表される無線LAN(Local Area Network)やBluetooth(登録商標)通信といった、従来の無線通信システムの多くは、空中線(アンテナ)に電流を流した際に発生する放射電界を利用して信号を伝搬させる電波通信方式であり、発生電界をかかる微弱レベルに抑えることは困難である。   However, many of the conventional wireless communication systems such as wireless LAN (Local Area Network) and Bluetooth (registered trademark) communication represented by IEEE802.11 generate a radiated electric field generated when a current flows through an antenna (antenna). It is a radio wave communication system that propagates a signal using it, and it is difficult to suppress the generated electric field to such a weak level.

電波通信方式の無線通信システムでは、送信機側からは通信相手がいるかどうかに拘わらず電波を放出するので、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になってしまうという問題がある。また、受信機側のアンテナは、送信機からの所望波だけでなく、遠方から到来した電波も受信するので、周囲の妨害電波の影響を受け易く、受信感度低下の原因になる。また、通信相手が複数存在する場合には、その中から所望の通信相手を選択するために複雑な設定を行なう必要がある。例えば、狭い範囲で複数の組の無線機が無線通信を行なう場合は、互いの干渉を回避するために、周波数選択などの分割多重を行なって通信を行なう必要がある。また、電波は偏波の向きが直交すると通信することができないため、送受信機間では互いのアンテナの偏波方向が揃っている必要がある。   In the radio communication system of the radio communication system, radio waves are emitted from the transmitter side regardless of whether or not there is a communication partner. Further, since the antenna on the receiver side receives not only the desired wave from the transmitter but also a radio wave arriving from a distance, it is easily affected by the surrounding interfering radio waves and causes a decrease in reception sensitivity. Further, when there are a plurality of communication partners, it is necessary to perform complicated settings in order to select a desired communication partner. For example, when a plurality of sets of wireless devices perform wireless communication in a narrow range, it is necessary to perform communication by performing division multiplexing such as frequency selection in order to avoid mutual interference. In addition, since radio waves cannot communicate when their polarization directions are orthogonal, it is necessary for the antennas to have the same polarization direction between the transceivers.

例えば、数ミリ〜数センチメートルといった至近距離での非接触データ通信システムを考えた場合、近距離では送受信機が強く結合する一方、他のシステムへの干渉を回避するために遠距離まで信号が到来しないことが好ましい。また、データ通信する機器同士を至近距離に接近させた際の互いの姿勢(向き)に依存せず、結合すること、すなわち指向性がないことが望ましい。また、大容量データ通信を行なうには、広帯域通信が可能であることが望ましい。   For example, when considering a contactless data communication system at a close distance of several millimeters to several centimeters, the transmitter / receiver is strongly coupled at a short distance, while a signal is transmitted to a long distance to avoid interference with other systems. It is preferable not to arrive. In addition, it is desirable that the devices that perform data communication do not depend on each other's posture (orientation) when they are brought close to each other, and that they are coupled, that is, have no directivity. In addition, in order to perform large-capacity data communication, it is desirable that broadband communication is possible.

無線通信には、上記の放射電界を利用した電波通信以外にも、静電界や誘導電界などを利用した非接触通信方式が挙げられる。例えば、主にRFID(Radio Frequency IDentification)に利用されている既存の非接触通信システムでは、電界結合方式や磁界結合方式が適用されている。静電界や誘導電界は発生源からの距離に対し、それぞれ距離の3乗並びに2乗に反比例して急峻に減衰することから、無線設備から3メートルの距離での電界強度(電波の強さ)が所定レベル以下となる微弱無線が可能であり、無線局の免許を受ける必要はない。また、この種の非接触通信システムは、通信相手が近くに存在しないときには結合関係が生じず、電界が放射されないことから、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器(カプラ)が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。すなわち、静電界や誘導電界による電界結合を利用した非接触・超近距離通信は微弱無線の実現に適していると言える。   The wireless communication includes a non-contact communication method using an electrostatic field or an induction electric field in addition to the radio wave communication using the radiated electric field. For example, in an existing non-contact communication system mainly used for RFID (Radio Frequency IDentification), an electric field coupling method or a magnetic field coupling method is applied. The static electric field and the induction electric field are attenuated steeply in inverse proportion to the third and second power of the distance to the distance from the source, so the electric field strength (radio wave strength) at a distance of 3 meters from the radio equipment. Is possible, and there is no need to obtain a radio station license. Also, this type of non-contact communication system does not interfere with other communication systems because no coupling relationship occurs when there is no communication partner nearby, and no electric field is radiated. Further, even when radio waves arrive from a distance, the coupler (coupler) does not receive radio waves, so that it is not necessary to receive interference from other communication systems. That is, it can be said that non-contact / ultra-short distance communication using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field is suitable for realizing weak wireless.

電界結合などを利用した非接触通信システムは、通常の無線通信システムに対し、幾つかの利点がある。例えば、比較的距離の離れた機器同士で無線信号のやり取りを行なう場合、周辺の反射物の存在や通信距離の拡大に応じて無線区間の信号の質が低下してしまうが、近距離通信によれば周辺環境の依存はなく、高い伝送レートを用いて誤り率の少ない高品質の伝送が可能である。また、非接触通信システムでは、伝送データを傍受する不正な機器が介在する余地はなく、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない。   A contactless communication system using electric field coupling has several advantages over a normal wireless communication system. For example, when wireless signals are exchanged between devices that are relatively distant from each other, the quality of signals in the wireless section will decrease depending on the presence of surrounding reflectors and the expansion of the communication distance. Therefore, there is no dependence on the surrounding environment, and high quality transmission with a low error rate is possible using a high transmission rate. Further, in the non-contact communication system, there is no room for unauthorized devices to intercept transmission data, and it is not necessary to consider prevention of hacking and ensuring confidentiality on the transmission path.

また、電波通信では、アンテナは使用波長λの2分の1又は4分の1程度の大きさを持つ必要があることから、装置は必然的に大型化してしまう。これに対し、誘導電界や静電界による電界結合を利用した非接触通信システムでは、このような制約はない。   Further, in radio wave communication, since the antenna needs to have a size that is about one-half or one-fourth of the wavelength λ used, the apparatus inevitably increases in size. On the other hand, there is no such restriction in a non-contact communication system using electric field coupling by an induced electric field or an electrostatic field.

例えば、複数の通信補助体間にRFIDタグが位置するように配置した通信補助体組を形成し、通信補助体間に挟むように複数の商品に付けられたRFIDタグを配置することにより、RFIDタグが重なり合った状態であっても、情報の安定した読み取り・書き込みが可能となるRFIDタグ・システムについて提案がなされている(例えば、特許文献1を参照のこと)。   For example, by forming a communication auxiliary body set in which RFID tags are positioned between a plurality of communication auxiliary bodies, and arranging RFID tags attached to a plurality of products so as to be sandwiched between the communication auxiliary bodies, RFID There has been proposed an RFID tag system that enables stable reading / writing of information even when tags are overlapped (see, for example, Patent Document 1).

また、装置本体とこの装置本体を身体に装着するための装着手段とを備えるとともに、アンテナ・コイルとこのアンテナ・コイルを介して外部の通信装置と非接触でデータ通信を行なうデータ通信手段を備え、装置本体の上部に設けられたアウターケースにアンテナ・コイルとデータ通信手段とを配置して、誘導磁界を用いたデータ通信装置について提案がなされている(例えば、特許文献2を参照のこと)。   In addition to the apparatus main body and a mounting means for mounting the apparatus main body on the body, the antenna coil and data communication means for performing data communication in a non-contact manner with an external communication device via the antenna coil are provided. A data communication device using an induction magnetic field in which an antenna coil and data communication means are arranged in an outer case provided in the upper part of the device body has been proposed (see, for example, Patent Document 2). .

また、携帯情報機器に挿入されるメモリカードに外部機器とデータ通信を行なうためのアンテナ・コイルを搭載し、携帯情報機器のメモリカード挿入口の外側にRFIDのアンテナ・コイルが配置される構造として、携帯性を損なうことなく通信距離を確保したRFIDを有する携帯電話機について提案がなされている(例えば、特許文献3を参照のこと)。   In addition, an antenna coil for data communication with an external device is mounted on a memory card inserted into the portable information device, and an RFID antenna coil is disposed outside the memory card insertion slot of the portable information device. A proposal has been made on a mobile phone having an RFID that secures a communication distance without impairing portability (see, for example, Patent Document 3).

ここで、静電界や誘導電界を利用した従来のRFIDシステムは、低周波数信号を用いているため通信速度が遅く、大量のデータ伝送には不向きであった。また、アンテナ・コイルによる誘導磁界を用いて通信する方式の場合には、コイルの背面に金属板があると通信を行なうことができず、コイルを配置する平面上に大きな面積が必要となるなど、実装上の問題もある。また、伝送路における損失が大きく、信号の伝送効率がよくない。   Here, a conventional RFID system using an electrostatic field or an induction electric field uses a low frequency signal, and therefore has a low communication speed and is not suitable for a large amount of data transmission. In the case of a communication method using an induction magnetic field by an antenna / coil, if there is a metal plate on the back of the coil, communication cannot be performed, and a large area is required on the plane on which the coil is arranged. There are also implementation issues. Further, the loss in the transmission path is large, and the signal transmission efficiency is not good.

これに対し、本発明者らは、広帯域化した高周波信号を電界結合によって伝搬することにより、高速データ伝送が可能な非接触通信システムを実現することができる、と考えている。このように高速化を図った非接触通信システムにおいても、勿論、微弱電界であるため無線局として免許取得が不要であるとともに、秘匿性が充分保証される。   On the other hand, the present inventors believe that a non-contact communication system capable of high-speed data transmission can be realized by propagating a broadband high-frequency signal by electric field coupling. Even in such a contactless communication system designed for speeding up, of course, since it is a weak electric field, it is not necessary to obtain a license as a radio station, and confidentiality is sufficiently ensured.

電波通信方式では、広帯域化による大容量データ伝送を実現する無線通信技術として「ウルトラワイドバンド(UWB)」が知られている。UWB通信方式は、3.1GHz〜10.6GHzという非常に広い周波数帯域を使用し、近距離ながら100Mbps程度のデータ伝送容量を持つとされている。ちなみに電波通信によるUWB通信は、送信電力の関係から通信距離が10m程度であり、PAN(Personal Area Network)などの近距離向けの無線通信方式が想定される。例えば、IEEE802.15.3などにおいて、UWB通信のアクセス制御方式として、プリアンブルを含んだパケット構造のデータ伝送方式が考案されている。また、米インテル社は、UWBのアプリケーションとして、パソコン向けの汎用インターフェースとして普及しているUSB(Universal Serial Bus)の無線版を検討している。   In the radio communication system, “ultra-wide band (UWB)” is known as a wireless communication technique for realizing large-capacity data transmission by widening the bandwidth. The UWB communication system uses a very wide frequency band of 3.1 GHz to 10.6 GHz and is said to have a data transmission capacity of about 100 Mbps in spite of a short distance. Incidentally, UWB communication by radio wave communication has a communication distance of about 10 m from the relationship of transmission power, and a short-distance wireless communication system such as PAN (Personal Area Network) is assumed. For example, in IEEE 802.15.3, a data transmission system having a packet structure including a preamble has been devised as an access control system for UWB communication. In addition, Intel Corporation is considering a wireless version of USB (Universal Serial Bus), which is widely used as a general-purpose interface for personal computers, as a UWB application.

また、UWB通信は、3.1GHz〜10.6GHzという伝送帯域を占有しなくても100Mbpsを超えるデータ伝送が可能であることやRF回路の作り易さを考慮して、3.1〜4.9GHzのUWBローバンドを使った伝送システムも開発が盛んである。   In addition, UWB communication allows data transmission exceeding 100 Mbps without occupying a transmission band of 3.1 GHz to 10.6 GHz, and considering the ease of making an RF circuit, 3.1-4. A transmission system using a 9 GHz UWB low band is also actively developed.

本発明者らは、このUWBローバンドを電界結合などによる非接触通信システムに適用することによって、例えばストレージ・デバイスを含む超高速な近距離用のDAN(Device Area Network)など近距離エリアにおいて、例えば動画像やCD1枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と考えられる。   By applying this UWB low band to a contactless communication system using electric field coupling or the like, for example, in a near-field area such as an ultra-high-speed near-field DAN (Storage Area Network) including a storage device, for example, It is considered that a large amount of data such as moving images and music data for one CD can be transferred at high speed in a short time.

ここで、従来のRFIDシステムでは、送信機と受信機の電極(結合器)間を密着させることが一般的であり、ユーザの使い勝手がよくない。このため、電極間を3cm程度離して近距離通信を行なうという形態が好ましいと考えられる。   Here, in the conventional RFID system, it is general that the electrodes (couplers) of the transmitter and the receiver are in close contact with each other, which is not convenient for the user. For this reason, it is considered that a form in which short distance communication is performed with the electrodes separated by about 3 cm is preferable.

比較的低周波数帯の信号を用いる静電結合方式では、3cmという送信機と受信機の電極間距離は波長と比較して無視し得る長さであることから、送受信機間での伝搬損は大きな問題にはならない。ところが、UWB信号のように高周波数の広帯域信号を伝送することを考えた場合、3cmという距離は使用周波数帯4GHzにとって約2分の1波長に相当する。波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が生じることから、送信機と受信機の電極間距離は波長と比較して無視することはできない長さである。このため、静電結合によりUWB信号を伝送させるときには、伝搬損を十分に低く抑え込む必要がある。   In the capacitive coupling method using a signal in a relatively low frequency band, the distance between the transmitter and receiver electrodes of 3 cm is negligible compared to the wavelength, so the propagation loss between the transmitter and receiver is It won't be a big problem. However, considering transmission of a high-frequency broadband signal such as a UWB signal, a distance of 3 cm corresponds to about a half wavelength for the used frequency band of 4 GHz. Since a propagation loss occurs according to the size of the propagation distance with respect to the wavelength, the distance between the electrodes of the transmitter and the receiver is a length that cannot be ignored compared with the wavelength. For this reason, when transmitting a UWB signal by electrostatic coupling, it is necessary to suppress the propagation loss sufficiently low.

また、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用してUWB通信信号を伝送する超近距離通信システムにおいても、DSSS(Direct Sequence Spread Spectrum:直接シーケンス・スペクトラム拡散)のような周波数拡散方式を適用する場合には、送受信機の結合器間で高周波数帯において電界結合を生じさせるだけでなく、結合器が広帯域において有効に動作するように設計する必要がある。結合器を機器の筐体内に収容する場合、周辺の金属部品からの影響により中心周波数がずれることが想定され、かかる観点からも電界結合用の結合器があらかじめ広い周波数で有効に動作するように設計する必要がある。   In addition, a frequency spreading method such as DSSS (Direct Sequence Spread Spectrum) is also applied to an ultra short-range communication system that transmits a UWB communication signal using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field. In some cases, it is necessary not only to generate electric field coupling in the high frequency band between the couplers of the transceiver, but also to design the coupler to operate effectively in a wide band. When the coupler is housed in the housing of the device, it is assumed that the center frequency is shifted due to the influence of the surrounding metal parts, and from this point of view, the coupler for electric field coupling operates effectively at a wide frequency in advance. Need to design.

特開2006−60283号公報JP 2006-60283 A 特開2004−214879号公報JP 2004-214879 A 特開2005−18671号公報JP 2005-18671 A

本発明の目的は、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することにある。   An object of the present invention is to provide an excellent communication apparatus capable of performing data communication without interfering with other communication systems between information devices arranged at a short distance or receiving interference from radio waves coming from a distance. Is to provide.

本発明のさらなる目的は、近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用して、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することにある。   A further object of the present invention is to make it possible to perform large-capacity data communication without interference with other communication systems by utilizing electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field between information devices arranged at a short distance. The object is to provide an excellent communication device.

本発明のさらなる目的は、近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用してUWBなどの高周波信号を伝送することができる、優れた通信装置を提供することにある。   A further object of the present invention is to provide an excellent communication device capable of transmitting a high-frequency signal such as UWB between information devices arranged at a short distance by using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field. is there.

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、データを伝送する高周波信号の処理を行なう通信回路部と、
高周波信号を伝送する信号線を介して前記通信回路部に接続され、近距離を隔てて対向する通信相手と電界結合するための高周波結合器とを備え、
前記高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための分布定数回路からなる共振部と、前記共振部に対して前記結合用電極を支持する第1及び第2の金属線を備え、
通信相手側の高周波結合器との間における静電界若しくは誘導電界の電界結合により前記の高周波信号を伝送する、
ことを特徴とする通信装置である。
The present invention has been made in consideration of the above problems, and a communication circuit unit for processing a high-frequency signal for transmitting data;
A high-frequency coupler connected to the communication circuit unit via a signal line for transmitting a high-frequency signal, and for electric field coupling with a communication partner facing each other at a short distance;
The high-frequency coupler includes a coupling electrode, a resonance unit including a distributed constant circuit for strengthening electrical coupling between the coupling electrodes, and a first unit that supports the coupling electrode with respect to the resonance unit. And a second metal wire,
Transmitting the high-frequency signal by electric field coupling of an electrostatic field or an induction electric field with a high-frequency coupler on the communication partner side,
It is a communication apparatus characterized by this.

無線LANに代表される多くの無線通信システムでは、アンテナに電流を流した際に発生する放射電界を利用するので、通信相手がいるかどうかに関わらず電波が放出されてしまう。また、放射電界はアンテナからの距離に反比例して緩やかに減衰するので、比較的遠方まで信号が到達して、近隣の通信システムに対する妨害電波の発生源になるとともに、受信機側のアンテナも周囲の妨害電波の影響で受信感度が低下する。要するに、電波通信方式では、至近距離の通信相手に制限した無線通信を実現することは困難である。   Many wireless communication systems typified by wireless LANs use a radiated electric field that is generated when a current is passed through an antenna, so that radio waves are emitted regardless of whether there is a communication partner. In addition, the radiated electric field attenuates gently in inverse proportion to the distance from the antenna, so that the signal reaches a relatively far distance and becomes a source of disturbing radio waves to nearby communication systems, and the antenna on the receiver side also surrounds it. The reception sensitivity decreases due to the effects of interference. In short, in the radio wave communication system, it is difficult to realize wireless communication limited to a communication partner at a short distance.

これに対し、静電界や誘導電界などによる電界結合を利用した、データを伝送するUWBなどの高周波信号を生成する送信機と、高周波信号を受信処理する受信機で構成される非接触通信システムでは、通信相手が近くに存在しないときには、結合関係が生じない。また、誘導電界や静電界の電界強度はそれぞれ距離の2乗並びに3乗に反比例して急峻に減衰する。すなわち、電界が遠くまで到達しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合用電極は電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。よって、無線局の免許が不要な微弱無線が可能であるとともに、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない。また、UWBなどの高周波信号を用いた広帯域通信であることから、超近距離の大容量通信が可能であり、例えば動画像やCD1枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる。   On the other hand, in a non-contact communication system including a transmitter that generates high-frequency signals such as UWB that transmits data and a receiver that receives and processes high-frequency signals, using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field. When there is no communication partner nearby, the connection relationship does not occur. In addition, the electric field strengths of the induction electric field and the electrostatic field are steeply attenuated in inverse proportion to the square and the cube of the distance, respectively. That is, since the electric field does not reach far, other communication systems are not disturbed. Further, even when radio waves arrive from a distance, the coupling electrode does not receive radio waves, so that it is not necessary to receive interference from other communication systems. Therefore, weak radio that does not require a radio station license is possible, and it is not necessary to consider prevention of hacking and ensuring confidentiality on the transmission path. In addition, since it is a broadband communication using high-frequency signals such as UWB, it is possible to perform a large-capacity communication over a very short distance. For example, a large amount of data such as a moving image or music data for one CD can be transmitted at high speed in a short time. Can be transferred.

ここで、高周波回路では、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が生じることから、UWBなどの高周波信号を電界結合により伝送させるときには、伝搬損を十分に低く抑え込む必要がある。   Here, in the high frequency circuit, a propagation loss occurs according to the propagation distance with respect to the wavelength. Therefore, when transmitting a high frequency signal such as UWB by electric field coupling, it is necessary to suppress the propagation loss sufficiently low.

そこで、高周波信号を用いた電界結合型の非接触通信システムでは、送信機及び受信機の高周波結合器は、共振部やインピーダンス整合部を備えている。互いの共振部によって電界結合を強くするとともに、インピーダンス整合部は、送信機と受信機の電極間すなわち結合部分において、インピーダンスの整合をとり、反射波を抑えることができる。すなわち、送信機及び受信機の1対の高周波結合器は、所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタとして動作するように構成されている。   Therefore, in the electric field coupling type non-contact communication system using the high frequency signal, the high frequency coupler of the transmitter and the receiver includes a resonance unit and an impedance matching unit. While the electric field coupling is strengthened by the mutual resonance parts, the impedance matching part can match the impedance between the electrodes of the transmitter and the receiver, that is, the coupling part, and suppress the reflected wave. In other words, the pair of high frequency couplers of the transmitter and the receiver are configured to operate as a band pass filter that passes a desired high frequency band.

インピーダンス整合部や共振部は、例えば、直列インダクタ、並列インダクタを高周波信号伝送路に接続した集中定数回路で構成することができる。しかしながら、集中定数回路は、インダクタンスLやキャパシタンスCなどの定数を中心周波数に基づいて決定することから、想定する中心周波数から外れた帯域ではインピーダンスの整合がとられておらず、設計通りの動作はしない。言い換えれば狭帯域でしか有効に動作しない。特に高い周波数帯では集中定数回路部分の微細な構造、値の小さいインダクタやコンデンサのばらつきによって共振周波数が左右されるため、周波数の調整が難しい。また、インピーダンス整合部や共振部を集中定数で構成した場合、インダクタとして小型のチップ・インダクタを用いると、チップ・インダクタ内部での損失があり、高周波結合器間の伝搬損が大きくなるという問題もある。また、結合器を機器の筐体内に収容する場合には、周辺の金属部品からの影響により中心周波数がずれることが想定されるため、結合器をあらかじめ広い周波数で有効に動作するように設計する必要がある。   The impedance matching unit and the resonance unit can be configured by a lumped constant circuit in which a series inductor and a parallel inductor are connected to a high-frequency signal transmission path, for example. However, since the lumped constant circuit determines constants such as inductance L and capacitance C based on the center frequency, impedance matching is not achieved in a band outside the assumed center frequency, and the operation as designed is do not do. In other words, it works effectively only in a narrow band. Particularly in the high frequency band, the resonance frequency is influenced by the fine structure of the lumped constant circuit portion and the variation of inductors and capacitors having a small value, so that it is difficult to adjust the frequency. In addition, when the impedance matching part and the resonance part are configured with lumped constants, if a small chip inductor is used as the inductor, there is a loss inside the chip inductor, and the propagation loss between the high frequency couplers becomes large. is there. Also, when the coupler is housed in the housing of the device, the center frequency is assumed to be shifted due to the influence of surrounding metal parts, so the coupler is designed to operate effectively at a wide frequency beforehand. There is a need.

そこで、高周波結合器は、結合用電極と、互いの結合用電極間におけるインピーダンスの整合をとるためのインピーダンス整合部や共振部を備えるが、共振部を集中定数回路から分布定数回路に代えて構成することで、広帯域化を実現することができる。   Therefore, the high-frequency coupler includes a coupling electrode and an impedance matching unit or a resonance unit for matching impedance between the coupling electrodes, but the resonance unit is configured by replacing the lumped constant circuit with the distributed constant circuit. By doing so, a wide band can be realized.

前記高周波結合器は、データを伝送する高周波信号の処理を行なう前記通信回路部を構成する回路モジュールと同様に、実装部品の1つとしてプリント基板上に搭載される。このような場合、共振部としての分布定数回路は、通信回路部から出力される信号線とともに、いわゆるプリント基板などの誘電体基板上におけるマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路のスタブとして形成することができる。   The high-frequency coupler is mounted on a printed circuit board as one of the mounting components, similarly to the circuit module constituting the communication circuit unit that processes the high-frequency signal for transmitting data. In such a case, the distributed constant circuit as the resonance unit can be formed as a stub of a microstrip line or a coplanar waveguide on a dielectric substrate such as a so-called printed circuit board together with a signal line output from the communication circuit unit. .

なお、高周波結合器を搭載するプリント基板の他方の面にはグランドが形成されるが、前記スタブの先端部分は、開放端であっても、あるいは前記プリント基板内のスルーホールを介して前記グランドに接続して短絡端にしてもよい。   A ground is formed on the other surface of the printed circuit board on which the high-frequency coupler is mounted, but the front end portion of the stub may be an open end or through the through hole in the printed circuit board. It may be connected to a short circuit end.

高周波結合器は、分布定数回路としてのスタブ上に結合用電極を取り付けることにより構成される。結合用電極を1本の金属線で支持すると機械的強度が低いので、絶縁性のスペーサで支持するとよいが、この場合は部品コストや重量が増すとともに、スペーサによる誘電損のために高周波結合器の伝搬損が悪化するという問題がある。これに対し、複数本の金属線で結合用電極を支持するようにすると、機械的強度は増すが、共振用スタブに入力された電流が結合用電極に流れ込みにくくなるため、高周波結合器の電気的特性はむしろ劣化してしまう。   The high-frequency coupler is configured by attaching a coupling electrode on a stub as a distributed constant circuit. Since the mechanical strength is low when the coupling electrode is supported by a single metal wire, it may be supported by an insulating spacer. However, in this case, the component cost and weight increase, and because of the dielectric loss due to the spacer, the high frequency coupler is used. There is a problem that the propagation loss of the above becomes worse. On the other hand, if the coupling electrode is supported by a plurality of metal wires, the mechanical strength increases, but the current input to the resonance stub does not easily flow into the coupling electrode. Rather, the target characteristics deteriorate.

そこで、本発明では、共振用スタブを、先端側の第1の共振用スタブと入力端側の第2の共振用スタブの2つに切断し、結合用電極を支持する前後それぞれ2本の金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するという構成を採用して、結合用電極に流れずに共振用スタブ上を素通りする電流を抑制するようにした。このような場合、送受信回路部から入力される電流が共振用スタブの先端に向かって流れるには、一旦は片方の金属線を介して結合用電極に流れた後、他方の金属線を介して切断部以降の共振用スタブに流れ込むことになる。すなわち、結合用電極を素通りして共振用スタブを流れる電流成分はなくなるので、共振用スタブに入力される電流の量を大きくすれば、高周波結合器の特性は改善される。   Therefore, in the present invention, the resonance stub is cut into two, a first resonance stub on the tip end side and a second resonance stub on the input end side, and two metals before and after supporting the coupling electrode. A configuration is adopted in which the wire is connected to the resonance stub so as to straddle the cut portion, so that the current passing through the resonance stub without flowing through the coupling electrode is suppressed. In such a case, in order for the current input from the transmission / reception circuit unit to flow toward the tip of the resonance stub, the current once flows to the coupling electrode through one metal wire and then passes through the other metal wire. It flows into the resonance stub after the cut portion. That is, since there is no current component flowing through the resonance stub through the coupling electrode, the characteristics of the high frequency coupler can be improved by increasing the amount of current input to the resonance stub.

ここで、信号線を介して送受信回路から入力された信号は、共振用スタブの先端部で反射し、共振用スタブ内には定在波が立つことになる。そして、電圧定在波の振幅が大きい位置(すなわち、電圧定在波の「腹」の位置)に、金属線を介して結合用電極を接続することで、高周波結合器の電気的特性を良好にすることができる。   Here, the signal input from the transmission / reception circuit via the signal line is reflected at the tip of the resonance stub, and a standing wave is generated in the resonance stub. The electrical characteristics of the high-frequency coupler are excellent by connecting the coupling electrode to the position where the amplitude of the voltage standing wave is large (that is, the position of the “antinode” of the voltage standing wave) via a metal wire. Can be.

ここで、第1の共振用スタブの先端部分は開放端又は短絡端のいずれであってもよいが、開放端又は短絡端のいずれにするかによって定在波の立ち方は異なり、電圧定在波の振幅が大きい位置、すなわち結合用電極を取り付ける適切な位置は相違する。   Here, the tip portion of the first resonance stub may be either an open end or a short-circuit end, but the standing wave is different depending on whether it is an open end or a short-circuit end, and the voltage standing The position where the wave amplitude is large, i.e. the appropriate position to attach the coupling electrode, is different.

第1の共振用スタブを開放端にした場合には、共振用スタブと金属線と結合用電極を含めた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして360度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなるので、ほぼ中央において共振用スタブを第1及び第2の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を2本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。   When the first resonance stub is an open end, if the entire length including the resonance stub, the metal wire, and the coupling electrode is approximately 360 degrees as the phase length of the resonance frequency, it is approximately at the center. Since the amplitude of the voltage standing wave becomes large in FIG. 2, the resonance stub is cut into the first and second resonance stubs at approximately the center, and the cut portion is connected by two metal wires. It is preferable to attach.

他方、第1の共振用スタブを短絡端にした場合には、共振用スタブと金属線と結合用電極を含めた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして270度程度とすると、第1の共振用スタブの先端から手前3分の1の位置(若しくは入力端から3分の2の位置)にて電圧定在波の振幅が大きくなるので、当該位置において共振用スタブを第1及び第2の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を2本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。実際には、金属線、及び結合用電極内部での位相遷移を考慮すると、前記第1の共振用スタブの短絡端から手前3分の1よりやや先端に近い位置となる所定位置において第1及び第2の共振用スタブに分割する切断部を設けることが好ましい。   On the other hand, when the first resonance stub is short-circuited, the total length including the resonance stub, the metal wire, and the coupling electrode is approximately 270 degrees as the phase length of the resonance frequency. Since the amplitude of the voltage standing wave increases at a position one third from the front end of one resonance stub (or two thirds from the input end), the resonance stub is placed at the first and second positions at the position. It is preferable to cut the second resonance stub and attach the coupling electrode so that the cut portion is connected by two metal wires. Actually, in consideration of the phase transition inside the metal wire and the coupling electrode, the first and second positions at a predetermined position that is slightly closer to the front end than a third from the short-circuited end of the first resonance stub. It is preferable to provide a cutting part that divides the second resonance stub.

また、1本の金属線で結合用電極を支持する場合には、この金属線を電流が流れることによって不要な電波が発生することが懸念される。これに対し、2本の金属線で結合用電極を支持する場合には、それぞれの金属線には互いに逆向きとなる電流が流れるような位置に結合用電極を設置すれば、電流が互いに打ち消し合って不要な電波の放射を低減することができる。   Further, when the coupling electrode is supported by a single metal wire, there is a concern that an unnecessary radio wave is generated due to current flowing through the metal wire. On the other hand, when the coupling electrode is supported by two metal wires, the currents cancel each other if the coupling electrodes are installed at positions where currents flowing in opposite directions flow in the respective metal wires. In combination, unnecessary radio wave radiation can be reduced.

高周波信号を伝送する高周波結合器は、理想的に設計されていれば、通信相手と結合状態にあるときには不要な電波の発生を抑え、外来電波の受信を行なわないようにすることができる。しかしながら、また、通信相手と結合関係にない無負荷状態では高インピーダンスとなるため、終端となる結合用電極において反射波が発生し、回路内に定在波が発生するという問題がある。かかる定在波により、信号線やグランドがアンテナのように動作して不要な電波を放射すると、外部の電子機器に影響を与えるおそれがある。   If the high-frequency coupler that transmits a high-frequency signal is designed ideally, generation of unnecessary radio waves can be suppressed and reception of external radio waves can be prevented when coupled with a communication partner. However, since there is a high impedance in a no-load state that is not coupled with the communication partner, there is a problem that a reflected wave is generated at the coupling electrode serving as a termination, and a standing wave is generated in the circuit. If the standing wave causes the signal line or the ground to operate like an antenna and emits unnecessary radio waves, it may affect external electronic devices.

そこで、本発明に係る通信装置は、無負荷状態でのインピーダンスが大きく開放端と同様にみなすことができるような高周波結合器と、無負荷状態で発生する高周波結合器の終端からの反射波を抑えるための負荷抵抗を備え、結果的に送受信回路側から見て高周波結合器側のインピーダンス整合が取れているように構成してもよい。   Therefore, the communication device according to the present invention has a high-frequency coupler that has a large impedance in the no-load state and can be regarded as the open end, and a reflected wave from the end of the high-frequency coupler that occurs in the no-load state. A load resistor for suppressing the impedance may be provided, and as a result, impedance matching on the high frequency coupler side as viewed from the transmission / reception circuit side may be obtained.

このような場合、高周波結合器同士が近接した位置にない無負荷状態であっても、送受信回路側から見てインピーダンス整合がとれ、終端の電極において反射波が発生しないので、回路内に定在波が立つのを抑えることができる。この結果、不要な電波の放射を抑えて外部の電子機器に与える影響も少ない。また、RFフィルタなどが正常に動作して、信号の歪みやスプリアスの発生を防ぐことができる。   In such a case, impedance matching is achieved when viewed from the transmission / reception circuit side even in a no-load state where the high-frequency couplers are not close to each other, and no reflected wave is generated at the terminal electrode. The wave can be suppressed. As a result, unnecessary radio wave radiation is suppressed and the influence on external electronic devices is small. In addition, the RF filter and the like operate normally, and signal distortion and spurious can be prevented.

なお、負荷抵抗は、共振用スタブの入力端など定在波の電圧振幅が最大になる位置に接続することが好ましい。   The load resistor is preferably connected to a position where the voltage amplitude of the standing wave is maximized, such as the input end of the resonance stub.

また、送受信機間で電界結合を柔軟に生じさせるための設計論の1つとして、単一の送受信機に複数の高周波結合器を配置するという構成が考えられる。例えば、送受信回路部に接続される1本の信号線に対し複数の高周波結合器を並列接続することができる。このとき、無負荷の高周波結合器が開放端として扱われるように構成すること、言い換えれば、無負荷時の電圧定在波が大きくなる位置で各高周波結合器が分岐するように接続することが最も効率的である。そのためには、第1の共振用スタブの先端を開放端とした場合、先端からの長さがおよそ共振周波数の2分の1波長の整数倍となる位置で信号線に接続されるように構成するとよい。   Further, as one design theory for flexibly generating electric field coupling between transceivers, a configuration in which a plurality of high-frequency couplers are arranged in a single transceiver can be considered. For example, a plurality of high-frequency couplers can be connected in parallel to one signal line connected to the transmission / reception circuit unit. At this time, it is configured so that the no-load high-frequency coupler is handled as an open end, in other words, each high-frequency coupler can be connected so as to branch at a position where the voltage standing wave at the time of no-load becomes large. It is the most efficient. For this purpose, when the tip of the first resonance stub is an open end, the length from the tip is configured to be connected to the signal line at a position that is approximately an integral multiple of one-half wavelength of the resonance frequency. Good.

本発明に係る高周波結合器は、共振用スタブの幅によって伝搬損や比帯域を制御することができる。具体的には、スタブ幅が大きいとき損失が少ない。また、スタブ幅が小さいほど比帯域が広くなる。   The high frequency coupler according to the present invention can control the propagation loss and the ratio band by the width of the resonance stub. Specifically, the loss is small when the stub width is large. Moreover, the smaller the stub width, the wider the specific band.

また、本発明に係る高周波結合器の結合用電極を例えば板金加工によって、簡易且つ安価に製作することができる。板金は、例えば表面を金メッキしたりん青銅板などを用いることができる。具体的には、板金にまず打ち抜き加工を施して、結合用電極となる部分と、結合用電極と高周波信号線を接続するための2本の金属線となる部分を形成する。続いて、折り曲げ加工を施して、結合用電極部分に対し金属線となる脚部をほぼ垂直に屈曲させて所望の高さを形成する。そして、このようにして出来上がった結合用電極を、例えばプリント基板上の該当する場所に第1及び第2の共振用スタブの切断部を2本の脚部でまたぐように位置決めし、治具などで固定してから、リフロー半田などにより取り付ければよい。   Further, the coupling electrode of the high-frequency coupler according to the present invention can be easily and inexpensively manufactured by sheet metal processing, for example. As the sheet metal, for example, a phosphor bronze sheet whose surface is plated with gold can be used. Specifically, the sheet metal is first punched to form a portion to be a coupling electrode and a portion to be two metal wires for connecting the coupling electrode and the high-frequency signal line. Subsequently, a bending process is performed to bend a leg portion serving as a metal wire substantially perpendicularly to the coupling electrode portion to form a desired height. Then, the coupling electrode thus completed is positioned such that the cut portion of the first and second resonance stubs straddles the two leg portions at a corresponding place on the printed circuit board, for example, a jig, etc. After fixing with, reflow solder or the like may be used.

本発明によれば、近距離に配置された情報機器間で他の通信システムを妨害したり、遠方から到来した電波の干渉を受けたりすることなくデータ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することができる。   Advantageous Effects of Invention According to the present invention, an excellent communication device capable of performing data communication without interfering with other communication systems between information devices arranged at a short distance or receiving interference from radio waves arriving from a distance. Can be provided.

また、本発明によれば、近距離に配置された情報機器間で静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した高周波信号伝送によって、他の通信システムとの干渉のなく、大容量データ通信を行なうことができる、優れた通信装置を提供することができる。   In addition, according to the present invention, high-capacity data communication is performed without interference with other communication systems by high-frequency signal transmission using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field between information devices arranged at a short distance. It is possible to provide an excellent communication device.

本発明に係る通信装置は、結合用電極と、通信相手との電界結合を強くするための共振部と、通信相手側とのインピーダンスの整合をとって結合部分における反射波を抑制するインピーダンス整合部からなる高周波結合器を備え、通信相手側の高周波結合との静電界又は誘導電界による電界結合を用いてデータ伝送を行なうことができる。   The communication device according to the present invention includes a coupling electrode, a resonance unit for strengthening electric field coupling with a communication partner, and an impedance matching unit that suppresses reflected waves at the coupling part by matching impedance with the communication partner side. The data transmission can be performed using the electric field coupling by the electrostatic field or the induction electric field with the high frequency coupling on the communication partner side.

高周波結合器の共振部は、プリント基板上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路など共振用スタブで形成され、分布定数回路として作用することによって、広帯域化を実現することができる。また、共振用スタブを適当な位置で切断し、この切断部をまたぐような2本の金属線で結合用電極を支持するようにして、1本の金属線で支持する場合よりも機械的強度を増すことができる。また、2本の金属線で支持することによって共振用スタブから結合用電極へ流れる電流を増すので、通信効率を向上させることができ、金属線1本で支持する場合と比較しても伝搬損は悪化しない。   The resonance part of the high-frequency coupler is formed by a resonance stub such as a microstrip line or a coplanar waveguide on a printed circuit board, and can function as a distributed constant circuit to achieve a wide band. Further, the resonance stub is cut at an appropriate position, and the coupling electrode is supported by two metal wires straddling the cut portion, so that the mechanical strength is higher than that in the case of supporting by one metal wire. Can be increased. Further, since the current flowing from the resonance stub to the coupling electrode is increased by supporting with two metal wires, the communication efficiency can be improved, and the propagation loss compared with the case of supporting with one metal wire. Does not get worse.

支持する金属線を2本とした結合用電極は、例えば板金加工によって2本の金属線と一体形成し、それをプリント基板上にリフロー半田などにより表面実装することで、機械的強度が増す。結合用電極を支持するための絶縁性のスペーサが不要となるので、部品コストや重量が軽減されるとともに、誘電損失による伝搬損が生じないことから、高周波結合器としての特性は優れている。   The coupling electrode having two metal wires to be supported is formed integrally with the two metal wires by, for example, sheet metal processing, and is mounted on the surface of the printed circuit board by reflow soldering or the like, thereby increasing the mechanical strength. Since an insulating spacer for supporting the coupling electrode is not required, the component cost and weight are reduced, and propagation loss due to dielectric loss does not occur. Therefore, the characteristics as a high frequency coupler are excellent.

また、2本の金属線に互いに逆向きの電流が流れるように結合用電極を配置すれば、2本の金属線に流れる電流が互いに打ち消し合い、横方向への不要電波の放射を低減することができる。   Also, if the coupling electrodes are arranged so that currents flowing in opposite directions flow through the two metal wires, the currents flowing through the two metal wires cancel each other, reducing the emission of unwanted radio waves in the lateral direction. Can do.

本発明のさらに他の目的、特徴や利点は、後述する本発明の実施形態や添付する図面に基づくより詳細な説明によって明らかになるであろう。   Other objects, features, and advantages of the present invention will become apparent from more detailed description based on embodiments of the present invention described later and the accompanying drawings.

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳解する。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings.

本発明は、静電界や誘導電界の電界結合を利用して情報機器間でデータ伝送を行なう通信システムに関する。静電界若しくは誘導電界に基づく通信方式によれば、通信相手が近くに存在しないときには結合関係がなく電波を放射しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済む。   The present invention relates to a communication system that performs data transmission between information devices using electric field coupling of an electrostatic field or an induction electric field. According to a communication method based on an electrostatic field or an induced electric field, when there is no communication partner nearby, there is no coupling relationship and no radio waves are emitted, so that other communication systems are not disturbed. Further, even when radio waves arrive from a distance, the coupler does not receive radio waves, so that it is not necessary to receive interference from other communication systems.

また、アンテナを用いた従来の電波通信では放射電界の電界強度が距離に反比例するのに対し、誘導電界では電界強度が距離の2乗に、静電界では電界強度が距離の3乗に反比例して減衰することから、電界結合に基づく通信方式によれば、近隣に存在する他の無線システムにとってノイズ・レベル程度となる微弱無線を構成することができ、無線局の免許を受ける必要はなくなる。   In the conventional radio communication using an antenna, the electric field strength of the radiated electric field is inversely proportional to the distance, whereas in the induced electric field, the electric field strength is inversely proportional to the distance squared, and in the static electric field, the electric field strength is inversely proportional to the cube of the distance. Therefore, according to the communication method based on electric field coupling, it is possible to configure a weak radio having a noise level for other radio systems in the vicinity, and it is not necessary to obtain a license from the radio station.

なお、時間的に変動する静電界のことを「準静電界」と呼ぶこともあるが、本明細書ではこれを含めて「静電界」に統一して称することにする。   An electrostatic field that varies with time may be referred to as a “quasi-electrostatic field”. In this specification, however, the electrostatic field is collectively referred to as an “electrostatic field”.

従来の静電界若しくは誘導電界を利用した通信では、低周波信号を用いるため大量のデータ伝送には不向きである。これに対し、本発明に係る通信システムでは、高周波信号を電界結合で伝送することによって、大容量伝送が可能である。具体的には、UWB通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式を電界結合に適用することで、微弱無線であるとともに、大容量データ通信を実現することができる。   Conventional communication using an electrostatic field or an induction field uses a low-frequency signal and is not suitable for transmitting a large amount of data. On the other hand, in the communication system according to the present invention, high-capacity transmission is possible by transmitting a high-frequency signal by electric field coupling. Specifically, by applying a communication method using a high frequency and a wide band, such as UWB communication, to electric field coupling, it is possible to realize weak data and large capacity data communication.

UWB通信は、3.1GHz〜10.6GHzという非常に広い周波数帯域を使用し、近距離ながら100Mbps程度の大容量の無線データ伝送を実現することができる。また、UWB通信は、3.1GHz〜10.6GHzという伝送帯域を占有しなくても100Mbpsを超えるデータ伝送が可能であることやRF回路の作り易さを考慮して、3.1〜4.9GHzのUWBローバンドを使った伝送システムも開発が盛んである。   UWB communication uses a very wide frequency band of 3.1 GHz to 10.6 GHz, and can realize high-capacity wireless data transmission of about 100 Mbps despite a short distance. In addition, UWB communication allows data transmission exceeding 100 Mbps without occupying a transmission band of 3.1 GHz to 10.6 GHz, and considering the ease of making an RF circuit, 3.1-4. A transmission system using a 9 GHz UWB low band is also actively developed.

本発明者らは、UWBローバンドを利用したデータ伝送システムを、モバイル機器に搭載する有効な無線通信技術の1つと考えている。例えば、ストレージ・デバイスを含む超高速な近距離用のDAN(Device Area Network)など、近距離エリアにおける高速データ伝送を実現することが可能である。静電界や誘導電界などの電界結合を利用したUWB通信システムによれば、微弱電界によるデータ通信が可能であるとともに、例えば動画像やCD1枚分の音楽データといった大容量のデータを高速且つ短時間で転送することができる、と考えている。   The present inventors consider that a data transmission system using UWB low band is one of effective wireless communication technologies installed in mobile devices. For example, it is possible to realize high-speed data transmission in a short-distance area such as an ultra-high-speed short-range DAN (Device Area Network) including a storage device. According to a UWB communication system using electric field coupling such as an electrostatic field and an induction field, data communication by a weak electric field is possible and, for example, a large amount of data such as a moving image or music data for one CD can be quickly and quickly. I think it can be transferred with.

図1には、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した非接触通信システムの構成例を示している。図示の通信システムは、データ送信を行なう送信機10と、データ受信を行なう受信機20で構成される。同図に示すように送受信機それぞれの高周波結合器を向かい合わせて配置すると、2つの電極が1つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作することから、2つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。図示の通信システムにおいて、電界結合による伝送路を好適に形成するには、送受信機の高周波結合器間において、十分なインピーダンス整合がとられていることと、高周波数帯で且つ広帯域において有効に動作することが必要である。   FIG. 1 shows a configuration example of a non-contact communication system using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field. The illustrated communication system includes a transmitter 10 that transmits data and a receiver 20 that receives data. As shown in the figure, when the high-frequency couplers of the transceivers are arranged face to face, the two electrodes operate as one capacitor, and as a whole operate like a band-pass filter, the two high-frequency couplers High-frequency signals can be efficiently transmitted between the two. In the communication system shown in the figure, in order to suitably form a transmission path by electric field coupling, sufficient impedance matching is achieved between the high-frequency couplers of the transmitter and receiver, and it operates effectively in a high frequency band and in a wide band. It is necessary to.

送信機10及び受信機20がそれぞれ持つ送受信用の電極14及び24は、例えば3cm程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。送信機側の送信回路部11は、上位アプリケーションから送信要求が生じると、送信データに基づいてUWB信号などの高周波送信信号を生成し、送信用電極14から受信用電極24へ信号が伝搬する。そして受信機20側の受信回路部21は、受信した高周波信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。   The transmitter / receiver electrodes 14 and 24 of the transmitter 10 and the receiver 20 are disposed to face each other with a spacing of, for example, about 3 cm, and can be coupled to each other. The transmission circuit unit 11 on the transmitter side generates a high-frequency transmission signal such as a UWB signal based on transmission data when a transmission request is generated from a higher-level application, and the signal propagates from the transmission electrode 14 to the reception electrode 24. Then, the receiving circuit unit 21 on the receiver 20 side demodulates and decodes the received high-frequency signal and passes the reproduced data to the upper application.

UWB通信のように高周波、広帯域を使用する通信方式によれば、近距離において100Mbps程度の超高速データ伝送を実現することができる。また、電波通信ではなく電界結合によりUWB通信を行なう場合、その電界強度は距離の3乗若しくは2乗に反比例することから、無線設備から3メートルの距離での電界強度(電波の強さ)が所定レベル以下に抑制することで無線局の免許が不要となる微弱無線とすることが可能であり、安価に通信システムを構成することができる。また、電界結合方式により超近距離でデータ通信を行なう場合、周辺に存在する反射物により信号の質が低下することはない、伝送路上でハッキングの防止や秘匿性の確保を考慮する必要がない、といった利点がある。   According to a communication method using a high frequency and a wide band like UWB communication, it is possible to realize ultrahigh-speed data transmission of about 100 Mbps at a short distance. In addition, when UWB communication is performed by electric field coupling instead of radio wave communication, the electric field strength is inversely proportional to the cube of the distance or the square of the distance, so the electric field strength (radio wave strength) at a distance of 3 meters from the radio equipment is By suppressing the frequency to a predetermined level or less, it is possible to obtain a weak radio that does not require a radio station license, and a communication system can be configured at low cost. In addition, when data communication is performed at an extremely short distance by the electric field coupling method, the signal quality is not deteriorated by the reflecting objects present in the vicinity, and it is not necessary to consider the prevention of hacking and ensuring the confidentiality on the transmission line. There are advantages such as.

一方、波長に対する伝搬距離の大きさに応じて伝搬損が大きくなることから、電界結合により高周波信号を伝搬する際には、伝搬損を十分低く抑える必要がある。UWB信号のように高周波数の広帯域信号を電界結合で伝送する通信方式では、3cm程度の超近距離通信であっても、使用周波数帯4GHzにとっては約2分の1波長に相当するため、無視することはできない長さである。とりわけ、高周波回路では、低周波回路に比べると特性インピーダンスの問題はより深刻であり、送受信機の電極間の結合点においてインピーダンス不整合による影響は顕在化する。   On the other hand, since the propagation loss increases according to the propagation distance with respect to the wavelength, it is necessary to sufficiently suppress the propagation loss when a high-frequency signal is propagated by electric field coupling. In a communication system that transmits high-frequency broadband signals such as UWB signals by electric field coupling, even ultra-short-distance communication of about 3 cm is equivalent to about one-half wavelength for the used frequency band of 4 GHz, so it is ignored. It is a length that cannot be done. In particular, the problem of characteristic impedance is more serious in a high-frequency circuit than in a low-frequency circuit, and the influence of impedance mismatch becomes apparent at the coupling point between the electrodes of the transceiver.

kHzあるいはMHz帯の周波数を使った通信では、空間での伝搬損が小さいため、図2に示すように送信機及び受信機が電極のみからなる結合器を備え、結合部分が単純に平行平板コンデンサとして動作する場合であっても、所望のデータ伝送を行なうことができる。しかしながら、GHz帯の高周波を使った通信では、空間での伝搬損が大きいため、信号の反射を抑え、伝送効率を向上させる必要がある。図3に示すように、送信機及び受信器のそれぞれにおいて高周波信号伝送路が所定の特性インピーダンスZ0に調整されているとしても、平行平板コンデンサで結合しただけでは、結合部においてインピーダンス・マッチングをとることはできない。このため、結合部におけるインピーダンス不整合部分において、信号が反射することにより伝搬損が生じてしまい、効率が低下する。例えば、送信回路部11と送信用電極14を結ぶ高周波信号伝送路は50Ωのインピーダンス整合がとられた同軸線路であったとしても、送信用電極14と受信用電極24間の結合部におけるインピーダンスが不整合であると、信号は反射して伝搬損を生じる。 In communication using frequencies in the kHz or MHz band, the propagation loss in space is small, so that the transmitter and receiver have a coupler consisting only of electrodes as shown in FIG. 2, and the coupling part is simply a parallel plate capacitor. Even in the case of operating as, it is possible to perform desired data transmission. However, in communication using high frequency in the GHz band, since propagation loss in space is large, it is necessary to suppress signal reflection and improve transmission efficiency. As shown in FIG. 3, even if the high-frequency signal transmission path is adjusted to a predetermined characteristic impedance Z 0 in each of the transmitter and the receiver, impedance matching is performed at the coupling portion only by coupling with a parallel plate capacitor. I can't take it. For this reason, in the impedance mismatching part in a coupling part, a signal is reflected, a propagation loss arises, and efficiency falls. For example, even if the high-frequency signal transmission line connecting the transmission circuit unit 11 and the transmission electrode 14 is a coaxial line with 50Ω impedance matching, the impedance at the coupling portion between the transmission electrode 14 and the reception electrode 24 is low. If they are mismatched, the signal is reflected to cause a propagation loss.

そこで、送信機10及び受信機20のそれぞれに配置される高周波結合器を、図4に示すように、平板状の電極14、24と、直列インダクタ12、22、並列インダクタ13、23を高周波信号伝送路に接続して構成している。このような高周波結合器を、図5に示すように向かい合わせて配置すると、2つの電極が1つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパス・フィルタのように動作するため、2つの高周波結合器の間で効率よく高周波信号を伝達することができる。ここで言う高周波信号伝送路とは、同軸ケーブル、マイクロストリップ線路、コプレーナ線路などを示す。   Therefore, as shown in FIG. 4, the high-frequency couplers disposed in the transmitter 10 and the receiver 20 are connected to the plate-like electrodes 14 and 24, the series inductors 12 and 22, and the parallel inductors 13 and 23, respectively. Connected to the transmission line. When such a high-frequency coupler is disposed facing each other as shown in FIG. 5, the two electrodes operate as one capacitor and operate like a band-pass filter as a whole. High-frequency signals can be efficiently transmitted between the two. Here, the high-frequency signal transmission line indicates a coaxial cable, a microstrip line, a coplanar line, or the like.

ここで、送信機10と受信機20の電極間すなわち結合部分において、単にインピーダンス・マッチングを取り、反射波を抑えることだけを目的とするのであれば、図6Aに示すように、各結合器を平板状の電極14、24と、直列インダクタ12、22、並列インダクタ13、23を高周波信号伝送路に接続して構成する必要はなく、図6Bに示すように各結合器を平板状の電極14、24と直列インダクタを高周波信号伝送路に接続するという簡素な構造であってもよい。すなわち、高周波信号伝送路上に直列インダクタを挿入するだけでも、送信機側の結合器に対向して超近距離で受信機側の結合器が存在する場合において、結合部分におけるインピーダンスが連続的となるように設計することは可能である。   Here, if the purpose is simply to perform impedance matching between the electrodes of the transmitter 10 and the receiver 20, that is, the coupling portion, to suppress the reflected wave, each coupler is connected as shown in FIG. 6A. It is not necessary to configure the flat electrodes 14 and 24, the series inductors 12 and 22 and the parallel inductors 13 and 23 to be connected to the high-frequency signal transmission path, and each coupler is formed as a flat electrode 14 as shown in FIG. 6B. , 24 and a series inductor may be connected to a high-frequency signal transmission line. That is, even when a series inductor is inserted on the high-frequency signal transmission line, when there is a coupler on the receiver side at a very short distance facing the coupler on the transmitter side, the impedance at the coupling portion becomes continuous. It is possible to design as such.

但し、図6Bに示す構成例では、結合部分の前後における特性インピーダンスに変化はないので電流の大きさも変わらない。これに対し、図6Aに示したように、高周波信号伝送路末端の電極の手前において並列インダクタンスを介してグランドに接続した場合、結合器単体としては、結合器の手前側の特性インピーダンスZ0に対し、結合器の先の特性インピーダンスZ1は低下する(すなわちZ0>Z1)というインピーダンス変換回路としての機能を備えることになり、結合器への入力電流I0に対し結合器の出力電流I1を増幅する(すなわちI0<I1)ことができる。 However, in the configuration example shown in FIG. 6B, there is no change in the characteristic impedance before and after the coupling portion, so the magnitude of the current does not change. On the other hand, as shown in FIG. 6A, when connected to the ground via the parallel inductance before the electrode at the end of the high-frequency signal transmission path, the coupler alone has the characteristic impedance Z 0 on the near side of the coupler. On the other hand, the characteristic impedance Z 1 at the end of the coupler is reduced (that is, Z 0 > Z 1 ), so that it has a function as an impedance conversion circuit, and the output current of the coupler with respect to the input current I 0 to the coupler. I 1 can be amplified (ie, I 0 <I 1 ).

図7A及び図7Bには、並列インダクタンスを設けた場合と設けない場合の結合器のそれぞれにおいて、電極間の電界結合によって電界が誘起される様子を示している。同図からも結合器は直列インダクタに加えて並列インダクタを設けることによって、より大きな電界を誘起して、電極間で強く結合させることを理解できよう。また、図7Aに示すようにして電界近傍に大きな電界を誘起したとき、発生した電界は進行方向に振動する縦波として電極面の正面方向に伝搬する。この電界の波により、電極間の距離が比較的大きな場合であっても電極間で信号を伝搬することが可能になる。   7A and 7B show a state in which an electric field is induced by electric field coupling between electrodes in each of the couplers with and without the parallel inductance. From this figure, it can be understood that the coupler is provided with a parallel inductor in addition to the series inductor, thereby inducing a larger electric field and causing strong coupling between the electrodes. When a large electric field is induced near the electric field as shown in FIG. 7A, the generated electric field propagates in the front direction of the electrode surface as a longitudinal wave that vibrates in the traveling direction. This electric wave makes it possible to propagate a signal between the electrodes even when the distance between the electrodes is relatively large.

したがって、UWB信号などの高周波信号を電界結合により伝送する通信システムでは、高周波結合器として必須の条件は以下の通りとなる。   Therefore, in a communication system that transmits high-frequency signals such as UWB signals by electric field coupling, the essential conditions for a high-frequency coupler are as follows.

(1)電界で結合するための電極があること。
(2)より強い電界で結合させるための並列インダクタがあること。
(3)通信に使用する周波数帯において、結合器を向かい合わせに置いたときにインピーダンス・マッチングが取れるように、インダクタ、及び電極によるコンデンサの定数が設定されていること。
(1) There is an electrode for coupling by an electric field.
(2) There is a parallel inductor for coupling with a stronger electric field.
(3) In the frequency band used for communication, the inductor and capacitor constants are set so that impedance matching can be achieved when the coupler is placed face to face.

図5に示したように電極が対向する1組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタは、直列インダクタと並列インダクタのインダクタンス、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスによって、その通過周波数f0を決定することができる。図8には、1組の高周波結合器からなるバンドパス・フィルタの等価回路を示している。特性インピーダンスR[Ω]、中心周波数f0[Hz]、入力信号と通過信号の位相差をα[ラジアン](π<α<2π)、電極によって構成されるコンデンサのキャパシタンスをC/2とすると、バンドパス・フィルタを構成する並列及び直列インダクタンスの各定数L1、L2は、使用周波数f0に応じて下式で求めることができる。 As shown in FIG. 5, the band-pass filter comprising a pair of high-frequency couplers whose electrodes face each other has its pass frequency f 0 determined by the inductance of the series inductor and the parallel inductor and the capacitance of the capacitor constituted by the electrodes. can do. FIG. 8 shows an equivalent circuit of a bandpass filter composed of a set of high-frequency couplers. If the characteristic impedance R [Ω], the center frequency f 0 [Hz], the phase difference between the input signal and the passing signal is α [radian] (π <α <2π), and the capacitance of the capacitor constituted by the electrodes is C / 2. The constants L 1 and L 2 of the parallel and series inductances constituting the band pass filter can be obtained by the following equations according to the operating frequency f 0 .

また、結合器単体としてインピーダンス変換回路として機能する場合、その等価回路は図9に示す通りとなる。図示の回路図において、下式を満たすように、使用周波数f0に応じて並列インダクタンスL1及び直列インダクタンスL2をそれぞれ選ぶことにより、特性インピーダンスをR1からR2へ変換するインピーダンス変換回路を構成することができる。 Further, when the coupler functions as an impedance conversion circuit as a single unit, the equivalent circuit is as shown in FIG. In the illustrated circuit diagram, an impedance conversion circuit that converts the characteristic impedance from R 1 to R 2 by selecting the parallel inductance L 1 and the series inductance L 2 in accordance with the operating frequency f 0 so as to satisfy the following equation. Can be configured.

このように、図1に示した非接触通信システムでは、UWB通信を行なう通信機は、従来の電波通信方式の無線通信機においてアンテナを使用する代わりに、図4に示した高周波結合器を用いることで、従来にない特徴を持った超近距離データ伝送を実現することができる。   As described above, in the non-contact communication system shown in FIG. 1, a communication device that performs UWB communication uses the high-frequency coupler shown in FIG. 4 instead of using an antenna in a conventional radio communication device of radio wave communication system. As a result, it is possible to realize ultra-short distance data transmission having unprecedented characteristics.

図5に示したように、超近距離を隔てて互いの電極が対向する2つの高周波結合器は、所望の周波数帯の信号を通過するバンドパス・フィルタとして動作するとともに、単体の高周波結合器としては電流を増幅するインピーダンス変換回路として作用する。他方、高周波結合器が自由空間に単独で置かれるとき、高周波結合器の入力インピーダンスは高周波信号伝送路の特性インピーダンスと一致しないので、高周波信号伝送路から入った信号は高周波結合器内で反射され、外部に放射されない。   As shown in FIG. 5, the two high-frequency couplers whose electrodes face each other with a very short distance operate as a band-pass filter that passes a signal in a desired frequency band, and a single high-frequency coupler. Acts as an impedance conversion circuit that amplifies the current. On the other hand, when the high-frequency coupler is placed alone in free space, the input impedance of the high-frequency coupler does not match the characteristic impedance of the high-frequency signal transmission path, so that the signal entering from the high-frequency signal transmission path is reflected in the high-frequency coupler. Not radiated outside.

したがって、図1に示した非接触通信システムでは、送信機側では、通信を行なうべき相手がいないときには、アンテナのように電波を垂れ流すことはなく、通信を行なうべき相手が近づいてそれぞれの電極がコンデンサを構成したときのみ、図5に示したようにインピーダンス整合がとれることによって、高周波信号の伝達が行なわれる。   Therefore, in the non-contact communication system shown in FIG. 1, when there is no partner to communicate with on the transmitter side, radio waves do not flow like an antenna, and the partner to communicate with approaches each electrode. Only when a capacitor is formed, high-frequency signals are transmitted by impedance matching as shown in FIG.

ここで、送信機側の結合用電極において発生する電磁界について考察してみる。図10には、微小ダイポールによる電磁界を表している。図示のように電磁界は、伝搬方向と垂直な方向に振動する電界成分(横波成分)Eθと、伝搬方向と平行な向きに振動する電界成分(縦波成分)ERに大別される。また、微小ダイポール回りには磁界Hφが発生する。下式は微小ダイポールによる電磁界を表しているが、任意の電流分布はこのような微小ダイポールの連続的な集まりとして考えられるので、それによって誘導される電磁界にも同様の性質がある(例えば、虫明康人著「アンテナ・電波伝搬」(コロナ社、16頁〜18頁、1961年2月28日初版発行)を参照のこと)。 Here, consider the electromagnetic field generated in the coupling electrode on the transmitter side. FIG. 10 shows an electromagnetic field generated by a minute dipole. As shown in the figure, the electromagnetic field is roughly divided into an electric field component (transverse wave component) E θ that vibrates in a direction perpendicular to the propagation direction and an electric field component (longitudinal wave component) E R that vibrates in a direction parallel to the propagation direction. . In addition, a magnetic field is generated around the minute dipole. The following equation represents the electromagnetic field due to a small dipole, but since an arbitrary current distribution can be considered as a continuous collection of such small dipoles, the electromagnetic field induced thereby has similar properties (for example, (See Yasunori Mushiaki, “Antenna / Radio Wave Propagation” (Corona, pages 16-18, first published on February 28, 1961)).

上式から分るように、電界の横波成分は、距離に反比例する成分(放射電界)と、距離の2乗に反比例する成分(誘導電界)と、距離の3乗に反比例する成分(静電界)で構成される。また、電界の縦波成分は、距離の2乗に反比例する成分(誘導電界)と、距離の3乗に反比例する成分(静電界)のみで構成され、放射電界の成分を含まない。また、電界ERは、|cosθ|=1となる方向、すなわち図10中の矢印方向で最大となる。 As can be seen from the above equation, the transverse wave component of the electric field includes a component that is inversely proportional to the distance (radiated electric field), a component that is inversely proportional to the square of the distance (induced electric field), and a component that is inversely proportional to the cube of the distance (electrostatic field). ). Further, the longitudinal wave component of the electric field is composed only of a component that is inversely proportional to the square of the distance (inductive electric field) and a component that is inversely proportional to the cube of the distance (electrostatic field), and does not include the component of the radiation electric field. Further, the electric field E R becomes maximum in the direction in which | cos θ | = 1, that is, in the direction of the arrow in FIG.

無線通信において広く利用されている電波通信では、アンテナから放射される電波はその進行方向と直交方向に振動する横波Eθであり、電波は偏波の向きが直交すると通信することができない。これに対し、静電界や誘導電界を利用した通信方式において結合電極から放射される電磁波は、横波Eθの他に、進行方向に振動する縦波ERを含む。縦波ERは「表面波」とも呼ばれる。ちなみに、表面波は、導体や、誘電体、磁性体などの媒体の内部を通じて伝搬することもできる。 In the radio communications are widely used in wireless communication, radio wave emitted from an antenna is a transverse wave E theta oscillating in the perpendicular direction its traveling direction, the radio wave can not communicate with the direction of polarization is orthogonal. In contrast, electromagnetic waves emitted from the coupling electrode in a communication system utilizing an electrostatic field or an induced electric field, in addition to the transverse wave E theta, including longitudinal wave E R which oscillates in the traveling direction. The longitudinal wave E R is also called “surface wave”. Incidentally, a surface wave can also propagate through the inside of a medium such as a conductor, a dielectric material, or a magnetic material.

電磁界を利用した伝送波のうち位相速度vが光速cより小さいものを遅波、大きいものを速波という。表面波は前者の遅波に相当する。   Of the transmission waves using an electromagnetic field, those having a phase velocity v smaller than the light velocity c are called slow waves, and those having a larger phase velocity v are called fast waves. The surface wave corresponds to the former slow wave.

非接触通信システムでは、放射電界、静電界、誘導電界のいずれの成分を媒介として信号を伝達することもできる。しかしながら、距離に反比例する放射電界は比較的遠くにある他のシステムへの妨害波になるおそれがある。このため、放射電界の成分を抑制すること、言い換えれば、放射電界の成分を含む横波Eθを抑制しながら、放射電界の成分を含まない縦波ERを利用した非接触通信が好ましい。 In a non-contact communication system, a signal can be transmitted via any component of a radiated electric field, an electrostatic field, and an induced electric field. However, a radiated electric field that is inversely proportional to distance can cause interference to other systems that are relatively far away. Therefore, to suppress the component of the radiation field, in other words, while suppressing the transverse wave E theta comprising the components of the radiation field, the non-contact communication is preferred utilizing longitudinal wave E R not containing component of the radiation field.

上述した観点から、本実施形態に係る高周波結合器では、以下のような工夫をしている。まず、電磁界を示した上記の3式より、θ=0゜という関係を有する場合に、Eθ=0となり、且つ、ER成分が極大値をとることが分かる。すなわち、Eθは電流の流れる向きに対して垂直な方向で最大になり、ERは電流の流れる向きと平行な方向で最大になる。したがって、電極面に対して垂直な正面方向のERを最大にするには、電極に対して垂直な方向の電流成分を大きくすることが望ましい。一方、電極の中心から給電点をオフセットさせた場合には、このオフセットに起因して、電極に対して平行な方向に対する電流成分が増加する。そして、この電流成分に応じて電極の正面方向のEθ成分が増加してしまう。このため、本実施形態に係る高周波結合器では、電極の中心位置にできるだけ近い位置に給電点を設け、ER成分が最大となるようにしているのである。 From the viewpoint described above, the high frequency coupler according to the present embodiment is devised as follows. First, it can be seen from the above-described three equations showing the electromagnetic field that E θ = 0 and the E R component takes a maximum value when θ = 0 °. That is, E θ is maximized in a direction perpendicular to the direction of current flow, and E R is maximized in a direction parallel to the direction of current flow. Therefore, to maximize E R perpendicular front direction with respect to the electrode surface, it is desirable to increase the vertical direction of the current component to the electrode. On the other hand, when the feeding point is offset from the center of the electrode, the current component in the direction parallel to the electrode increases due to this offset. Then, the front direction of the E theta component of the electrode according to the current component is increased. Therefore, in the high-frequency coupler according to the present embodiment, the feeding point provided as close as possible to the center position of the electrode is the E R component is set to be maximum.

勿論、旧来のアンテナでも放射電界だけでなく、静電界や誘導電界が発生し、送受信アンテナを近接させれば電界結合が起きるが、エネルギの多くは放射電界として放出され、非接触通信としては効率的でなく、また不要な電波が周辺の電子機器に及ぼす悪影響が懸念される。これに対し、図4に示した高周波結合器は、所定の周波数においてより強い電界ERを作り伝送効率を高めるように、結合用電極及び共振部が構成されている。また、結合用電極の近傍に磁性損失材からなる電波吸収体を用いることで、近距離における送受信機間の電界結合を安定化させたまま、不要な電波の放射や外来の妨害電波の影響を抑える。 Of course, not only the radiated electric field but also the static electric field and the induced electric field are generated in the conventional antenna, and the electric field coupling occurs when the transmitting and receiving antennas are brought close to each other. However, most of the energy is emitted as the radiated electric field, which is efficient for contactless communication In addition, there are concerns about the adverse effects of unnecessary radio waves on nearby electronic devices. In contrast, the high-frequency coupler shown in Fig. 4, so as to increase the transmission efficiency create a stronger electric field E R at a predetermined frequency, the electrode and the resonance unit for coupling is formed. In addition, by using a wave absorber made of magnetic loss material in the vicinity of the coupling electrode, it is possible to reduce the effects of unnecessary radio waves and external interference waves while stabilizing the electric field coupling between the transmitter and receiver at a short distance. suppress.

図4に示した高周波結合器を送信機側で単独で使用した場合、結合用電極の表面には縦波の電界成分ERが発生するが、放射電界を含む横波成分EθはERに比べ小さいことから、電波はほとんど放射されない。すなわち、近隣の他システムへの妨害波を発生しない。また、高周波結合器に入力された信号のほとんどが電極で反射して入力端に戻る。 When the high-frequency coupler shown in FIG. 4 is used alone on the transmitter side, a longitudinal wave electric field component E R is generated on the surface of the coupling electrode, but the transverse wave component E θ including the radiation electric field is changed to E R. Since it is relatively small, almost no radio waves are emitted. That is, no disturbing wave to other neighboring systems is generated. Also, most of the signal input to the high frequency coupler is reflected by the electrode and returns to the input end.

これに対し、1組の高周波結合器を使用した場合、すなわち送受信機間で高周波結合器を近距離に配置されたときには、結合用電極同士が主に準静電界成分によって結合して1つのコンデンサのように働いて、バンドパス・フィルタのように動作し、インピーダンス・マッチングが取れた状態になっている。したがって、通過周波数帯では信号・電力の大部分は相手方に伝送され、入力端への反射は少ない。ここで言う「近距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離dがd≪λ/2πであることに相当する。例えば、使用周波数f0が4GHzであれば電極間距離が10mm以下のときである。 On the other hand, when one set of high-frequency couplers is used, that is, when the high-frequency couplers are arranged at a short distance between the transmitter and the receiver, the coupling electrodes are coupled mainly by a quasi-electrostatic field component to form one capacitor. It works like a bandpass filter and is in a state where impedance matching is achieved. Therefore, most of the signal / power is transmitted to the other party in the passing frequency band, and the reflection to the input end is small. The “short distance” here is defined by the wavelength λ, and corresponds to the distance d between the coupling electrodes being d << λ / 2π. For example, when the use frequency f 0 is 4 GHz, the distance between the electrodes is 10 mm or less.

また、送受信機間で高周波結合器を中距離に配置したときには、送信機側の結合用電極の周囲には、静電界は減衰し、主に誘導電界からなる電界ERの縦波が発生する。電界ERの縦波は、受信機側の結合用電極で受け取られ、信号が伝送される。但し、両結合器を近距離に配置した場合と比較すると、送信機側の高周波結合器では、入力された信号が電極で反射して入力端に戻る割合が高くなる。ここで言う「中距離」は波長λによって定義され、結合用電極間の距離dがλ/2πの1〜数倍程度であり、使用周波数f0が4GHzであれば電極間距離が10〜40mmのときである。 Also, when placing the EFC medium distance between the transmitter and the receiver are on the periphery of the coupling electrode of the transmitter, the electrostatic field is attenuated, the longitudinal wave electric field E R mainly composed of an induced electric field is generated . Longitudinal wave electric field E R is received by the coupling electrode of the receiver, the signal is transmitted. However, in comparison with the case where both couplers are arranged at a short distance, in the high frequency coupler on the transmitter side, the ratio of the input signal reflected by the electrode and returning to the input end becomes higher. The “medium distance” here is defined by the wavelength λ, the distance d between the coupling electrodes is about 1 to several times larger than λ / 2π, and the distance between the electrodes is 10 to 40 mm when the use frequency f 0 is 4 GHz. At the time.

既に述べたように、図4に示した高周波結合器では、インピーダンス整合部は並列インダクタ及び直列インダクタの定数L1、L2により動作周波数f0が決定される。これら直列インダクタ12、22、並列インダクタ13、23を集中定数回路とみなされる回路素子で構成することが一般的な回路製作方法である。ところが、高周波回路では集中定数回路は分布定数回路よりも帯域が狭いことが知られており、また周波数が高いときインダクタの定数は小さくなるので、定数のばらつきによって共振周波数がずれるという問題がある。 As described above, in the high-frequency coupler shown in FIG. 4, the operating frequency f 0 of the impedance matching unit is determined by the constants L 1 and L 2 of the parallel inductor and the series inductor. It is a general circuit manufacturing method to configure these series inductors 12 and 22 and parallel inductors 13 and 23 with circuit elements that are regarded as lumped constant circuits. However, it is known that a lumped constant circuit has a narrower band than a distributed constant circuit in a high-frequency circuit, and the inductor constant becomes small when the frequency is high, so that there is a problem that the resonance frequency shifts due to variations in the constant.

そこで、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路から分布定数回路に代えて高周波結合器を構成することで、広帯域化を実現するようにした。図11には、インピーダンス整合部や共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示している。   In view of this, a high frequency coupler is configured by replacing the lumped constant circuit with the distributed constant circuit for the impedance matching section and the resonance section, thereby realizing a wide band. FIG. 11 shows a configuration example of a high-frequency coupler using a distributed constant circuit for the impedance matching unit and the resonance unit.

図示の例では、下面にグランド導体102が形成されるとともに、上面に印刷パターンが形成されたプリント基板上101に、高周波結合器が配設されている。高周波結合器のインピーダンス整合部並びに共振部として、並列インダクタと直列インダクタの代わりに、分布定数回路として作用するマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路すなわちスタブ103が形成され、信号線パターン104を介して送受信回路モジュール105と結線している。スタブ103は、先端においてプリント基板101を貫挿するスルーホール106を介して下面のグランド102に接続してショートされ、また、スタブ103の中央付近において金属線107を介して結合用電極108に接続される。   In the illustrated example, a high-frequency coupler is disposed on a printed circuit board 101 having a ground conductor 102 formed on the lower surface and a printed pattern formed on the upper surface. Instead of a parallel inductor and a series inductor, a microstrip line or a coplanar waveguide, that is, a stub 103 is formed as an impedance matching unit and a resonance unit of a high frequency coupler, and a transmission / reception circuit is connected via a signal line pattern 104. The module 105 is connected. The stub 103 is connected to the ground 102 on the lower surface via a through hole 106 penetrating the printed circuit board 101 at the tip, and is short-circuited, and is connected to the coupling electrode 108 via a metal wire 107 near the center of the stub 103. Is done.

なお、電子工学の技術分野で言う「スタブ(stub)」は、一端を接続、他端を未接続又はグランド接続した電線の総称であり、調整、測定、インピーダンス整合、フィルタなどの用途で回路の途中に設けられる。   The “stub” in the technical field of electronics is a general term for electric wires with one end connected and the other end not connected or connected to the ground, and is used for adjustment, measurement, impedance matching, filters, etc. Provided on the way.

信号線を介して送受信回路から入力された信号は、スタブ103の先端部で反射し、スタブ103内には定在波が立つことになる。スタブ103の長さは高周波信号の2分の1波長程度とし、信号線104とスタブ103はプリント基板101上のマイクロストリップ線路、コプレーナ線路などで形成される。スタブ103の長さが2分の1波長で先端がショートしているときには、スタブ103内に発生する定在波の電圧振幅はスタブの先端で0となり、スタブの中央、すなわちスタブ103の先端から4分の1波長のところで最大となる(図12を参照のこと)。定在波の電圧振幅が最大となるスタブ103の中央に結合用電極108を金属線107で接続することで、伝搬効率の良い高周波結合器を作ることができる。   A signal input from the transmission / reception circuit via the signal line is reflected at the tip of the stub 103, and a standing wave is generated in the stub 103. The length of the stub 103 is about a half wavelength of the high frequency signal, and the signal line 104 and the stub 103 are formed by a microstrip line, a coplanar line, or the like on the printed circuit board 101. When the length of the stub 103 is a half wavelength and the tip is short-circuited, the voltage amplitude of the standing wave generated in the stub 103 becomes 0 at the tip of the stub, and from the center of the stub, that is, from the tip of the stub 103. It is maximum at a quarter wavelength (see FIG. 12). By connecting the coupling electrode 108 with the metal wire 107 at the center of the stub 103 where the voltage amplitude of the standing wave is maximized, a high-frequency coupler with good propagation efficiency can be made.

インピーダンス整合部をスタブ103すなわちプリント基板101上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路からなる分布定数回路で構成することにより、広い帯域にわたって均一な特性を得ることができることから、図1に示した通信システムに対してDSSSやOFDM(Orthogonal Frequency Division Multiplexing:直交周波数分割多重)といった広帯域信号に周波数拡散する変調方式を適用することが可能になる。スタブ103は、プリント基板101上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路であり、その直流抵抗が小さいことから、高周波信号でも損失が少なく、高周波結合器間の伝搬損を小さくすることができる。   Since the impedance matching section is composed of a stub 103, that is, a distributed constant circuit composed of a microstrip line or a coplanar waveguide on the printed circuit board 101, uniform characteristics can be obtained over a wide band. Therefore, the communication system shown in FIG. On the other hand, it is possible to apply a modulation scheme that spreads a frequency to a wideband signal such as DSSS and OFDM (Orthogonal Frequency Division Multiplexing). The stub 103 is a microstrip line or a coplanar waveguide on the printed circuit board 101, and since its direct current resistance is small, there is little loss even for a high-frequency signal, and propagation loss between high-frequency couplers can be reduced.

分布定数回路を構成するスタブ103のサイズは高周波信号の2分の1波長程度と大きいことから、製造時の公差による寸法の誤差は全体の長さに比較すると微量であり、特性のバラツキが生じにくい。   Since the size of the stub 103 constituting the distributed constant circuit is as large as about a half wavelength of a high-frequency signal, the dimensional error due to manufacturing tolerances is very small compared to the overall length, resulting in variations in characteristics. Hateful.

図13には、インピーダンス整合部を集中定数回路及び分布定数回路でそれぞれ構成した場合の高周波結合器の周波数特性の比較を示している。但し、集中定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器は、図14に示すように、プリント基板上の信号線パターンの先端に金属線を介して結合用電極を配設するとともに、信号線パターンの先端に並列インダクタ部品を実装し、並列インダクタの他端をプリント基板内のスルーホールを介してグランド導体に接続したものを想定している。また、分布定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器は、図15に示すように、プリント基板上に形成された2分の1波長の長さからなるスタブの中央に金属線を介して結合用電極を配設し、スタブをその先端においてプリント基板内のスルーホールを介してグランド導体に接続したものを想定している。いずれの高周波結合器もそれぞれ動作周波数が3.8GHz付近になるように調整されているものとする。また、図14、図15のいずれにおいても、マイクロストリップ線路によりポート1からポート2に向かって高周波信号が伝達され、マイクロストリップ線路の途中にそれぞれの高周波結合器が配設されている。そして、周波数特性は、ポート1からポート2への伝達特性として測定し、その結果が図13に示されている。   FIG. 13 shows a comparison of frequency characteristics of the high-frequency coupler when the impedance matching unit is composed of a lumped constant circuit and a distributed constant circuit. However, the high-frequency coupler in which the impedance matching unit is configured by a lumped constant circuit, as shown in FIG. 14, a coupling electrode is disposed at the tip of the signal line pattern on the printed circuit board via a metal wire, and the signal line It is assumed that a parallel inductor component is mounted at the tip of the pattern, and the other end of the parallel inductor is connected to a ground conductor through a through hole in the printed circuit board. Moreover, as shown in FIG. 15, the high frequency coupler which comprised the impedance matching part with the distributed constant circuit has a metal wire in the center of the stub formed on the printed circuit board and having a length of a half wavelength. It is assumed that a coupling electrode is provided and the stub is connected to the ground conductor at the tip thereof through a through hole in the printed circuit board. It is assumed that each high frequency coupler is adjusted so that the operating frequency is around 3.8 GHz. 14 and 15, a high frequency signal is transmitted from the port 1 to the port 2 by the microstrip line, and each high frequency coupler is disposed in the middle of the microstrip line. The frequency characteristic is measured as a transfer characteristic from port 1 to port 2 and the result is shown in FIG.

高周波結合器は、他の高周波結合器と結合関係にないときは開放端とみなせるので、ポート1から入力された高周波信号は高周波結合器には供給されず、そのままポート2へと伝送される。したがって、高周波結合器の動作周波数である3.8GHz付近ではどちらの高周波結合器の場合もポート1からポート2へ伝送される信号強度を表す伝搬損S21が大きな値となっている。しかし、図14に示す高周波結合器の場合、動作周波数から前後に外れた周波数ではS21の値が大きく落ち込んでいる。これに対し、図15に示した高周波結合器では動作周波数を中心とした広い周波数帯域に渡ってS21の値が大きい良好な特性を保っていることが分かる。すなわち、インピーダンス整合部を分布定数回路で構成することで、高周波結合器が広帯域において有効に動作すると言うことができよう。 Since the high-frequency coupler can be regarded as an open end when it is not coupled with other high-frequency couplers, the high-frequency signal input from the port 1 is not supplied to the high-frequency coupler but is transmitted to the port 2 as it is. Therefore, in the vicinity of 3.8 GHz, which is the operating frequency of the high frequency coupler, the propagation loss S 21 representing the signal intensity transmitted from the port 1 to the port 2 is a large value in either high frequency coupler. However, in the case of the high frequency coupler shown in FIG. 14, the value of S 21 is greatly reduced at a frequency deviating back and forth from the operating frequency. On the other hand, it can be seen that the high frequency coupler shown in FIG. 15 maintains good characteristics with a large value of S 21 over a wide frequency band centered on the operating frequency. That is, it can be said that the high-frequency coupler operates effectively in a wide band by configuring the impedance matching unit with a distributed constant circuit.

スタブ103の中央付近において金属線107を介して結合用電極108が接続されるが、この金属線は結合用電極108のほぼ中央で接続することが好ましい。何故ならば、結合用電極の中心に高周波伝送線路を接続することにより、電極内に均等に電流が流れて電極正面に電極面とほぼ垂直な向きに不要な電波を放射しないが(図16Aを参照のこと)、結合用電極の中心からオフセットのある位置に高周波伝送線路を接続すると、結語用電極内に不均等な電流が流れてマイクロストリップ・アンテナのように動作して不要な電波を放射してしまうからである(図16Bを参照のこと)。   In the vicinity of the center of the stub 103, the coupling electrode 108 is connected via the metal wire 107, and it is preferable that the metal wire is connected at the approximate center of the coupling electrode 108. This is because, by connecting a high-frequency transmission line to the center of the coupling electrode, current flows evenly in the electrode, and unnecessary radio waves are not emitted in the direction substantially perpendicular to the electrode surface in front of the electrode (see FIG. 16A). For example, if a high-frequency transmission line is connected at a position offset from the center of the coupling electrode, an unequal current flows in the termination electrode and operates like a microstrip antenna, radiating unnecessary radio waves. (See FIG. 16B).

また、電波通信の分野では、図17に示すようにアンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナが広く知られており、一見して図4に示した結合器と構造が類似する。ここで、本実施形態で送受信機において用いられる結合器と容量装荷型アンテナとの相違について説明しておく。   Also, in the field of radio wave communication, as shown in FIG. 17, a “capacitance loaded type” antenna is widely known in which a metal is attached to the tip of an antenna element to provide a capacitance, and the height of the antenna is shortened. At first glance, the structure is similar to the coupler shown in FIG. Here, the difference between the coupler used in the transceiver in this embodiment and the capacity loaded antenna will be described.

図17に示した容量装荷型アンテナは、アンテナの放射エレメントの周囲B1及びB2方向に電波を放射するが、A方向は電波を放射しないヌル点となる。アンテナの周りに発生する電界を詳細に検討すると、アンテナからの距離に反比例して減衰する放射電界と、アンテナからの距離の2乗に反比例して減衰する誘導電界と、アンテナからの距離の3乗に反比例して減衰する静電界が発生する。そして、誘導電界と静電界は放射電界に比べ距離に応じて急激に減衰するため、通常の無線システムでは放射電界についてのみ議論され、誘導電界と静電界は無視されることが多い。したがって、図17に示す容量装荷型アンテナであっても、Aの方向に誘導電界と静電界を発生させているが、空気中で速やかに減衰するため、電波通信では積極的には利用されていない。 The capacitively loaded antenna shown in FIG. 17 emits radio waves in the directions B 1 and B 2 around the radiating element of the antenna, but the A direction is a null point that does not radiate radio waves. When the electric field generated around the antenna is examined in detail, the radiation electric field attenuated in inverse proportion to the distance from the antenna, the induced electric field attenuated in inverse proportion to the square of the distance from the antenna, and the distance from the antenna 3 An electrostatic field that decays in inverse proportion to the power is generated. Since the induced electric field and the electrostatic field are attenuated more rapidly depending on the distance than the radiated electric field, only the radiated electric field is discussed in a normal wireless system, and the induced electric field and the electrostatic field are often ignored. Therefore, even the capacitively loaded antenna shown in FIG. 17 generates an induction electric field and an electrostatic field in the direction A, but since it attenuates quickly in the air, it is actively used in radio communication. Absent.

高周波結合器の実際の構成例について、図18〜図20を参照しながら説明する。図18には、スタブ103を結合用電極108の下で折り曲げた高周波結合器を示している。高周波結合器として動作するにはスタブ103の長さが2分の1波長程度であればよく、スタブ103は必ずしも直線である必要はないので、同図に示したように折り畳むことで、高周波結合器全体としての寸法を小さくすることができる。   An actual configuration example of the high-frequency coupler will be described with reference to FIGS. FIG. 18 shows a high-frequency coupler in which the stub 103 is bent under the coupling electrode 108. In order to operate as a high frequency coupler, the length of the stub 103 need only be about one-half wavelength, and the stub 103 does not necessarily have to be a straight line. Therefore, by folding as shown in FIG. The overall dimensions of the vessel can be reduced.

上述したように、グランド導体102と結合用電極108との電界結合を回避という観点から、プリント基板101の回路実装面から結合用電極108までの高さは重要である。   As described above, from the viewpoint of avoiding electric field coupling between the ground conductor 102 and the coupling electrode 108, the height from the circuit mounting surface of the printed circuit board 101 to the coupling electrode 108 is important.

例えば、図19に示すように、適切な高さを持つスペーサ109の上面に結合用電極108を配設し、スペーサ109内を貫挿するスルーホール110を介してスタブ103の中央部分に接続するように構成されている。このスペーサ109は、絶縁体で製作され、結合用電極108を所望の高さにて支持する役割を持つ。所望の高さを持つ柱状の誘電体にスルーホールを形成した後、このスルーホール中に導体を充填させるとともに、上端面に結合用電極となるべき導体パターンを蒸着することにより、スペーサ109を製作することができる。結合用電極が形成されたスペーサ109は、例えばリフロー半田などの工程により、プリント基板101上に実装される。   For example, as shown in FIG. 19, a coupling electrode 108 is disposed on the upper surface of a spacer 109 having an appropriate height, and is connected to the central portion of the stub 103 via a through hole 110 penetrating the spacer 109. It is configured as follows. The spacer 109 is made of an insulator and has a role of supporting the coupling electrode 108 at a desired height. After a through hole is formed in a columnar dielectric having a desired height, a conductor 109 is filled in the through hole, and a conductor pattern to be a coupling electrode is deposited on the upper end surface, thereby producing a spacer 109. can do. The spacer 109 on which the coupling electrode is formed is mounted on the printed circuit board 101 by a process such as reflow soldering.

また、図20には、結合用電極108及び金属線としてのスルーホール109が形成されたスペーサ109を表面実装部品としてプリント基板101上に搭載する様子を示している。   FIG. 20 shows a state in which the spacer 109 in which the coupling electrode 108 and the through hole 109 as the metal wire are formed is mounted on the printed circuit board 101 as a surface mount component.

図示の例では、絶縁体からなるスペーサ109の上下の各表面に、結合用電極108と折り畳み状のスタブ103が形成されている。例えば、所望の高さを持つ柱状の誘電体にスルーホールを形成した後、このスルーホール中に導体を充填させるとともに、鍍金技術により結合用電極108並びにスタブ103の導体パターンを誘電体の上下の各端面に蒸着することによって、スペーサ109を製作することができる。このとき、上端面の結合用電極108は、スペーサ109内を貫挿するスルーホール110を介して、下端面側のスタブ103の中央部分に接続されている。   In the illustrated example, the coupling electrode 108 and the folded stub 103 are formed on the upper and lower surfaces of the spacer 109 made of an insulator. For example, after a through hole is formed in a columnar dielectric having a desired height, the conductor is filled in the through hole, and the conductor pattern of the coupling electrode 108 and the stub 103 is formed on the upper and lower sides of the dielectric by a plating technique. The spacer 109 can be manufactured by vapor-depositing on each end face. At this time, the coupling electrode 108 on the upper end surface is connected to the central portion of the stub 103 on the lower end surface side through a through hole 110 penetrating the spacer 109.

また、プリント基板101上には、スペーサ109の両端とそれぞれ接合するマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路などの導体パターン111並びに112が形成されている。一方の導体パターン111は送受信回路モジュール105から引き出された信号線であり、他方の導体パターン112はプリント基板101を貫挿するスルーホール106を介してグランド導体102と接続している。結合用電極と折り畳み状のスタブが形成されたスペーサ109は、例えばリフロー半田などの工程により、プリント基板101上に実装される。   On the printed circuit board 101, conductor patterns 111 and 112 such as a microstrip line or a coplanar waveguide that are joined to both ends of the spacer 109 are formed. One conductor pattern 111 is a signal line drawn from the transmission / reception circuit module 105, and the other conductor pattern 112 is connected to the ground conductor 102 through a through hole 106 that penetrates the printed circuit board 101. The spacer 109 on which the coupling electrode and the folded stub are formed is mounted on the printed circuit board 101 by a process such as reflow soldering.

なお、図20に示した例では、スペーサ109の上端面及び下端面に結合用電極108とスタブ103がそれぞれ蒸着されているが、その変形例として、結合用電極108のみをスペーサ109に蒸着し、スタブ103はプリント基板101上にマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路として形成され、スペーサ109を表面実装した際にスペーサ109内のスルーホール110を介して結合用電極108とスタブ103を接続するように構成することもできる。   In the example shown in FIG. 20, the coupling electrode 108 and the stub 103 are deposited on the upper end surface and the lower end surface of the spacer 109 respectively. As a modification, only the coupling electrode 108 is deposited on the spacer 109. The stub 103 is formed as a microstrip line or a coplanar waveguide on the printed circuit board 101 so that when the spacer 109 is surface-mounted, the coupling electrode 108 and the stub 103 are connected through the through hole 110 in the spacer 109. It can also be configured.

図19及び図20に示した高周波結合器の構成例において、スペーサ109は絶縁体で製作されるが(前述)、誘電率の高い材質を用いた場合には、波長短縮効果により実質的に波長に相当する長さが短くなることから、スタブ103並びに結合用電極108の寸法を小さくすることができる。   In the configuration example of the high frequency coupler shown in FIGS. 19 and 20, the spacer 109 is made of an insulator (described above). However, when a material having a high dielectric constant is used, the wavelength is substantially reduced due to the wavelength shortening effect. Therefore, the dimensions of the stub 103 and the coupling electrode 108 can be reduced.

図18に示した高周波結合器では、結合用電極をそのほぼ中心で1本の金属線により支持している構造であり、機械的強度が充分でない、という問題がある。これに対し、図19又は図20に示した高周波結合器では、結合用電極を固定し、機械的強度を増すために結合用電極と共振用スタブが設けられたプリント基板の間には誘電体からなるスペーサが配設されている。後者の高周波結合器においても、共振用スタブは、先端を短絡した、共振周波数の波長λに対しほぼ2分の1の長さの「ショートスタブ」からなり、そのほぼ中央で金属線を介して結合用電極が接続されている。   The high-frequency coupler shown in FIG. 18 has a problem in that the coupling electrode is supported by a single metal wire at the approximate center, and the mechanical strength is not sufficient. On the other hand, in the high-frequency coupler shown in FIG. 19 or 20, a dielectric is provided between the coupling electrode and the printed circuit board provided with the resonance stub in order to fix the coupling electrode and increase the mechanical strength. The spacer which consists of is arrange | positioned. Also in the latter high-frequency coupler, the resonance stub is composed of a “short stub” having a length that is approximately one half of the wavelength λ of the resonance frequency, with its tip short-circuited, and a metal wire at approximately the center thereof. A coupling electrode is connected.

しかしながら、図19又は図20に示した高周波結合器では、スペーサを配置することにより部品コストが増大するとともに、装置重量が増してしまう。また、スペーサ内部での誘電損失により伝搬損が悪化する、という問題を招来する(誘電体は、誘電性をもたらすダイポールが高周波電界の変化により生じる遅れ、若しくは、電界と同相の電流が流れ電磁波のエネルギを熱に変換することによって誘電損を与え、その際に電界の発生が抑制される)。   However, in the high-frequency coupler shown in FIG. 19 or FIG. 20, the arrangement of the spacer increases the component cost and the apparatus weight. In addition, the dielectric loss inside the spacer causes a problem that the propagation loss deteriorates (dielectrics have a delay caused by a change in the high-frequency electric field caused by a dipole that provides dielectric properties, or a current in phase with the electric field flows, causing electromagnetic waves to flow. Dielectric loss is caused by converting energy into heat, and generation of an electric field is suppressed at that time).

一方、スペーサを配置しない構成では、誘電損失による電気特性の悪化が生じないことから、高周波結合器としての特性は優れているが、図18に示したように金属線1本で結合用電極を支持するという構造のままでは機械的強度が充分ではなく、量産には向かない。   On the other hand, in the configuration in which the spacer is not disposed, since the electrical characteristics are not deteriorated due to dielectric loss, the characteristics as a high-frequency coupler are excellent. However, as shown in FIG. The structure of supporting it is not enough for mechanical strength and is not suitable for mass production.

そこで、本発明者らは、共振用スタブ上に結合用電極を支持する金属線を複数本にすることで、スペーサなしでも充分な機械的強度を確保するとともに、スペーサが介在しないことにより電気特性が悪化する要因を取り除くようにした。   Therefore, the present inventors have provided a plurality of metal wires supporting the coupling electrode on the resonance stub, so that sufficient mechanical strength can be ensured without a spacer, and electrical characteristics can be obtained by not interposing a spacer. Removed the factors that make it worse.

ここで、金属線1本で結合用電極を共振用スタブに接続した場合と金属線2本で結合用電極を支持した場合とで、電気的特性の相違について考察してみる。図21には、結合用電極が誘電体からなるスペーサで支持されるとともに、このスペーサのスルーホールを貫挿する1本の金属線で結合用電極が共振用スタブに接続された高周波結合器の断面構成を示している。また、図22には、共振用スタブ上で2本の金属線により結合用電極が支持されている高周波結合器の断面構成を示している。   Here, the difference in electrical characteristics between the case where the coupling electrode is connected to the resonance stub with one metal wire and the case where the coupling electrode is supported with two metal wires will be considered. FIG. 21 shows a high-frequency coupler in which the coupling electrode is supported by a spacer made of a dielectric, and the coupling electrode is connected to the resonance stub by one metal wire penetrating the through hole of the spacer. A cross-sectional configuration is shown. FIG. 22 shows a cross-sectional configuration of a high-frequency coupler in which a coupling electrode is supported by two metal wires on a resonance stub.

送受信回路部から信号線を介して入力される電流は、共振用スタブ及びその先端のスルーホールを介してグランドに向かって流れるが、その際に、より多くの電流が金属線を介して結合用電極側に流れ込むと、高周波結合器の送信信号強度が増すと考えられる。実験の結果、図21において共振用スタブから1本の金属線を介して結合用電極に流れ込む電流(同図中の矢印1及び2)よりも、図22において共振用スタブから2本の金属線を介して結合用電極に流れ込む電流(同図中の矢印4及び5)の方が小さくなることが分かった。これは、結合用電極を共振用スタブに接続する金属線を2本にすることで、結合用電極に流れ込むことなく、共振用スタブ上を素通りする電流(図22中の矢印6)は、金属線が1本のときに共振用スタブ上を素通りする電流(図22中の矢印3)よりも増加するためであり、その結果、結合用電極側に電流は流れ難くなり高周波結合器の効率が悪化する。   The current input from the transmission / reception circuit section through the signal line flows toward the ground through the resonance stub and the through hole at the tip, and at that time, more current is coupled via the metal line. When flowing into the electrode side, it is considered that the transmission signal intensity of the high-frequency coupler increases. As a result of the experiment, the two metal wires from the resonance stub in FIG. 22 are larger than the current (arrows 1 and 2 in FIG. 21) flowing from the resonance stub into the coupling electrode through one metal wire in FIG. It was found that the current (arrows 4 and 5 in the figure) flowing into the coupling electrode through the electrode becomes smaller. This is because by using two metal wires connecting the coupling electrode to the resonance stub, the current passing through the resonance stub without flowing into the coupling electrode (arrow 6 in FIG. 22) This is because the current increases more than the current passing through the resonance stub when there is one line (arrow 3 in FIG. 22). As a result, the current hardly flows to the coupling electrode side, and the efficiency of the high-frequency coupler is reduced. Getting worse.

そこで、図23に示すように、結合用電極に流れずに共振用スタブ上を素通りする電流を抑制するために、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれの金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するようにした。以下では、切断した共振用スタブの先端側を「第1の共振用スタブ」と呼び、他方の信号線の入力端側を「第2の共振用スタブ」と呼ぶことにする。   Therefore, as shown in FIG. 23, in order to suppress the current passing through the resonance stub without flowing through the coupling electrode, the resonance stub is cut and the metal wires before and after supporting the coupling electrode are connected to each other. It was made to connect to the resonance stub so as to straddle the cut portion. Hereinafter, the distal end side of the cut resonance stub is referred to as a “first resonance stub”, and the input end side of the other signal line is referred to as a “second resonance stub”.

図23に示すような構成によれば、送受信回路部から信号線を介して入力される電流が共振用スタブの先端に向かって流れるには、同図中の矢印7に示すように一旦は片方の金属線を介して結合用電極に流れた後、同図中の矢印8に示すように他方の金属線を介して切断部以降の共振用スタブに流れ込むことになる。すなわち、図22の矢印6に示したように結合用電極を素通りして共振用スタブを流れる電流成分はなくなるので、図23中の矢印7及び8に示した電流の量を大きくすれば、高周波結合器の特性は改善される。   According to the configuration shown in FIG. 23, in order for the current input from the transmission / reception circuit section to flow through the signal line toward the tip of the resonance stub, one side is once shown as shown by the arrow 7 in FIG. After flowing into the coupling electrode via the metal wire, as shown by the arrow 8 in the figure, it flows into the resonance stub after the cut portion via the other metal wire. That is, as shown by the arrow 6 in FIG. 22, there is no current component flowing through the resonance stub through the coupling electrode. Therefore, if the amount of current indicated by the arrows 7 and 8 in FIG. The characteristics of the coupler are improved.

続いて、結合用電極の取り付け位置、若しくは共振用スタブの切断位置について考察してみる。   Next, consider the attachment position of the coupling electrode or the cutting position of the resonance stub.

信号線を介して送受信回路から入力された信号は、共振用スタブの先端部で反射し、共振用スタブ内には定在波が立つことになる。図12を参照しながら既に説明したように、結合用電極を接続しない状態で電圧定在波の振幅が大きい位置(すなわち、電圧定在波の「腹」の位置)に、金属線を介して結合用電極を接続することで、高周波結合器の電気的特性を良好にすることができる。   A signal input from the transmission / reception circuit via the signal line is reflected at the tip of the resonance stub, and a standing wave is generated in the resonance stub. As already described with reference to FIG. 12, the position of the voltage standing wave is large (ie, the position of the “antinode” of the voltage standing wave) without connecting the coupling electrode via the metal wire. By connecting the coupling electrode, the electrical characteristics of the high-frequency coupler can be improved.

上述したように、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれ2本の金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続するという構成からなる高周波結合器においても、同様に、電圧定在波の振幅が大きい位置の付近に結合用電極が配置されることが望ましい。   As described above, in the high-frequency coupler having a configuration in which the resonance stub is cut and the two metal wires before and after supporting the coupling electrode are connected to the resonance stub across the cut portion, Similarly, it is desirable that the coupling electrode is disposed near a position where the amplitude of the voltage standing wave is large.

ここで、高周波結合器を搭載するプリント基板の他方の面にはグランドが形成されている。共振用スタブの先端部分は、開放端であっても、あるいはプリント基板内のスルーホールを介してグランドに接続して短絡端にしてもよい。但し、共振用スタブの先端部分すなわち第1の共振用スタブを開放端又は短絡端のいずれにするかによって定在波の立ち方は異なり、電圧定在波の振幅が大きい位置、すなわち結合用電極を取り付ける適切な位置は相違する。   Here, a ground is formed on the other surface of the printed circuit board on which the high-frequency coupler is mounted. The front end portion of the resonance stub may be an open end, or may be connected to the ground via a through hole in the printed circuit board to be a short-circuit end. However, standing of the standing wave differs depending on whether the leading end portion of the resonance stub, that is, the first resonance stub is the open end or the short-circuit end, and the position where the amplitude of the voltage standing wave is large, that is, the coupling electrode The appropriate position for mounting is different.

図24には、第1の共振用スタブを開放端にした場合における、共振用スタブ内部の電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示している。この場合、図示の通り、第1の共振用スタブ側の開放端及び第2の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ/4だけ位相差を持つ。したがって、図示のように共振用スタブと金属線と結合用電極を合わせた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして360度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなるので、ほぼ中央において共振用スタブを第1及び第2の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を2本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。   FIG. 24 shows the respective amplitudes of the voltage standing wave and the current standing wave inside the resonance stub when the first resonance stub is at the open end. In this case, as shown in the figure, a voltage standing wave is generated at each of the open end on the first resonance stub side and the input end on the second resonance stub side, and the current standing wave is Has a phase difference of π / 4 with respect to a large voltage standing wave. Therefore, if the total length of the resonance stub, the metal wire, and the coupling electrode is about 360 degrees as the phase length of the resonance frequency as shown in the figure, the amplitude of the voltage standing wave is large at about the center. Therefore, it is preferable to cut the resonance stub into the first and second resonance stubs at approximately the center, and attach the coupling electrode so that the cut portion is connected by two metal wires.

また、図25には、第1の共振用スタブを短絡端にした場合における、共振用スタブ内部の電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示している。この場合、図示の通り、第1の共振用スタブ側の短絡端において電圧定在波の振幅が0になるとともに、第2の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ/4だけ位相差を持つ。したがって、図示のように共振用スタブと金属線と結合用電極を合わせた全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして270度程度とすると、第1の共振用スタブの先端から手前3分の1の位置(若しくは入力端から3分の2の位置)にて電圧定在波の振幅が大きくなるので、当該位置において共振用スタブを第1及び第2の共振用スタブに切断するとともに、この切断部分を2本の金属線で接続するように結合用電極を取り付けることが好ましい。実際には、金属線、及び結合用電極内部での位相遷移を考慮すると、前記第1の共振用スタブの短絡端から手前3分の1よりやや先端に近い位置となる所定位置において第1及び第2の共振用スタブに分割する切断部を設けることが好ましい。   FIG. 25 shows the amplitudes of the voltage standing wave and current standing wave inside the resonance stub when the first resonance stub is short-circuited. In this case, as shown in the figure, the voltage standing wave has an amplitude of 0 at the short-circuited end on the first resonance stub side and a voltage constant that maximizes at each of the input ends on the second resonance stub side. A standing wave stands and the current standing wave has a phase difference of π / 4 with respect to such a voltage standing wave. Therefore, if the total length of the resonance stub, the metal wire, and the coupling electrode is about 270 degrees as the phase length of the resonance frequency as shown in the drawing, it is 3 minutes before the tip of the first resonance stub. Since the amplitude of the voltage standing wave becomes large at the position 1 (or the position two thirds from the input end), the resonance stub is cut into the first and second resonance stubs at the position, and It is preferable to attach a coupling electrode so that the cut portion is connected by two metal wires. Actually, in consideration of the phase transition inside the metal wire and the coupling electrode, the first and second positions at a predetermined position that is slightly closer to the front end than a third from the short-circuited end of the first resonance stub. It is preferable to provide a cutting part that divides the second resonance stub.

図24並びに図25のどちらの構成であっても、結合用電極上の電荷の量は大きな値となり高周波結合器の電気的特性は良好な値を示す、ということを充分に理解されたい。   It should be well understood that in both configurations of FIGS. 24 and 25, the amount of charge on the coupling electrode is large and the electrical characteristics of the high frequency coupler are good.

また、1本の金属線で結合用電極を支持する場合には、この金属線を電流が流れることによって不要な電波が発生することが懸念される。これに対し、2本の金属線で結合用電極を支持する場合には、それぞれの金属線には互いに逆向きとなる電流が流れるような位置に結合用電極を設置すれば、電流が互いに打ち消し合って不要な電波の放射を低減することができる。   Further, when the coupling electrode is supported by a single metal wire, there is a concern that an unnecessary radio wave is generated due to current flowing through the metal wire. On the other hand, when the coupling electrode is supported by two metal wires, the currents cancel each other if the coupling electrodes are installed at positions where currents flowing in opposite directions flow in the respective metal wires. In combination, unnecessary radio wave radiation can be reduced.

上述したような静電界や誘導電界によって結合する電界結合型の非接触通信システムでは、高周波結合器が理想的に設計されていれば、通信相手と結合状態にあるときには不要な電波の発生を抑え、外来電波の受信を行なわないようにすることができる。しかしながら、高周波結合器は、通信相手と結合関係にない無負荷状態では高インピーダンスとなるため、終端となる結合用電極において反射波が発生し、回路内に定在波が発生するという問題がある。かかる定在波により、信号線やグランドがアンテナのように動作すると、不要な電波を放射して、外部の電子機器に影響を与えるおそれがある。   In an electric field coupling type non-contact communication system that is coupled by an electrostatic field or an induction electric field as described above, if a high frequency coupler is ideally designed, generation of unnecessary radio waves is suppressed when coupled with a communication partner. It is possible to prevent the reception of external radio waves. However, the high-frequency coupler has a high impedance in a no-load state that is not coupled with the communication partner, so that there is a problem that a reflected wave is generated in the coupling electrode serving as a termination and a standing wave is generated in the circuit. . When the signal line or the ground operates like an antenna due to the standing wave, unnecessary radio waves may be radiated to affect external electronic devices.

図11には、インピーダンス整合部及び共振部をスタブで形成して広帯域化を図った高周波結合器を示した。この高周波結合器は、負荷状態すなわち通信相手側の高周波結合器が近接した位置にあるときは、上述したようにインピーダンス整合が取れており、送信信号を効率的に放射する。これに対し、無負荷状態、すなわち通信相手側の高周波結合器が近接した位置に存在しないときには、高周波結合器の入り口部分(図11中の点Aで示す、スタブとなるパターンの開始点)は高インピーダンス状態となることから、回路部から流入した送信信号はこの入り口部分で反射し、送信回路側に戻ることになる。   FIG. 11 shows a high-frequency coupler in which an impedance matching portion and a resonance portion are formed by stubs to achieve a wide band. When the high frequency coupler is in a load state, that is, when the high frequency coupler on the communication counterpart side is in a close position, impedance matching is achieved as described above, and the transmission signal is efficiently radiated. On the other hand, when there is no load, that is, when the high frequency coupler on the communication partner side does not exist in the close position, the entrance portion of the high frequency coupler (the start point of the pattern to be a stub shown by the point A in FIG. 11) is Since it is in a high impedance state, the transmission signal flowing in from the circuit part is reflected at this entrance part and returns to the transmission circuit side.

図26に示すように、回路中に進行する波と逆方向に反射する波が同時に存在するとき、定在波が発生する。一般に、定在波は不要な電波ノイズの発生源になることが知られている。また、送受信回路中のRFフィルタ(図示しない)などは、通常、入力・出力側がともに50Ωになっている状態、すなわちインピーダンス整合がとれて反射波がない状態で性能を発揮できるように設計されているものの、反射波があると正常な動作が妨げられ、スプリアスが発生したり、信号が歪んだりしてしまうという影響がある。   As shown in FIG. 26, a standing wave is generated when a wave traveling in the circuit and a wave reflected in the opposite direction simultaneously exist. In general, it is known that standing waves become a source of unnecessary radio noise. Also, the RF filter (not shown) in the transmission / reception circuit is usually designed so that its performance can be exhibited when both the input and output sides are 50 Ω, that is, when impedance matching is achieved and there is no reflected wave. However, if there is a reflected wave, normal operation is hindered, and spurious may occur or the signal may be distorted.

そこで、本発明に係る通信装置は、高周波結合器のインピーダンス整合部や共振部を分布定数回路で構成して広帯域化を図ることに加えて、高周波結合器は無負荷状態でのインピーダンスが大きく開放端と同様にみなすことができるようにするとともに、無負荷状態で発生する高周波結合器の終端からの反射波を抑えるための負荷抵抗を備え、結果的に送受信回路側から見て高周波結合器側のインピーダンス整合が取れているように構成することができる。   Therefore, the communication device according to the present invention has a high-frequency coupler that has a large impedance in an unloaded state, in addition to configuring the impedance matching section and the resonance section of the high-frequency coupler by a distributed constant circuit to increase the bandwidth. It can be regarded as the end, and has a load resistance to suppress the reflected wave from the end of the high-frequency coupler that occurs in the no-load state. As a result, the high-frequency coupler side when viewed from the transmission / reception circuit side The impedance matching can be achieved.

このような場合、高周波結合器同士が近接した位置にない無負荷状態であっても、送受信回路側から見てインピーダンス整合がとれ、終端の電極において反射波が発生しないので、回路内に定在波が立つのを抑えることができる。この結果、不要な電波の放射を抑えて外部の電子機器に与える影響も少ない。また、RFフィルタなどが正常に動作して、信号の歪みやスプリアスが発生することを抑制することができる。   In such a case, impedance matching is achieved when viewed from the transmission / reception circuit side even in a no-load state where the high-frequency couplers are not close to each other, and no reflected wave is generated at the terminal electrode. The wave can be suppressed. As a result, unnecessary radio wave radiation is suppressed and the influence on external electronic devices is small. Further, it is possible to suppress the occurrence of signal distortion and spurious due to the normal operation of the RF filter and the like.

図27には、入力端に負荷抵抗が接続された高周波結合器の等価回路の構成を示している。図示のように高周波結合器の入力端に負荷抵抗を接続した場合、通信相手側の高周波結合器が近接した位置にないときには、終端部では単に負荷抵抗を介して接地されているだけとなり、信号線を介して流入される信号は負荷抵抗によって消費されるので、反射波を発生しない。このとき、送受信回路側から見ると、高周波結合器は50Ωにマッチングが取れた状態になることから、送信信号は高周波結合器で反射されることがなくなり、回路中の定在波から不要な電波が発生してRFフィルタなどの特性が設計からずれてしまうのを防ぐことができる。   FIG. 27 shows the configuration of an equivalent circuit of a high-frequency coupler having a load resistor connected to the input end. As shown in the figure, when a load resistor is connected to the input end of the high frequency coupler, when the high frequency coupler on the communication partner side is not in a close position, the terminal is simply grounded via the load resistor. Since the signal flowing in through the line is consumed by the load resistance, no reflected wave is generated. At this time, when viewed from the transmission / reception circuit side, the high-frequency coupler is matched to 50Ω, so that the transmission signal is not reflected by the high-frequency coupler, and unnecessary radio waves are generated from standing waves in the circuit. This can prevent the characteristics of the RF filter and the like from deviating from the design.

また、図28には、上述したような先端側の第1の共振用スタブと入力端側の第2の共振用スタブの2つに切断するとともに、結合用電極を支持する2本の金属線でこの切断部をまたぐよう結合用電極が取り付けられた高周波結合器の入力端に負荷抵抗が取り付けられた様子を示している。   Further, FIG. 28 shows two metal wires that are cut into two, ie, the first resonance stub on the front end side and the second resonance stub on the input end side as described above, and support the coupling electrode. The state where the load resistance is attached to the input end of the high frequency coupler to which the coupling electrode is attached so as to straddle the cut portion is shown.

図示の例では、共振用スタブは開放端であり、第1の共振用スタブ側の開放端及び第2の共振用スタブ側の入力端の各々において最大となるような電圧定在波が立ち、電流定在波はこのような電圧定在波に対しπ/4だけ位相差を持つ。そして、共振用スタブ全体の長さをおよそ共振周波数の位相長にして360度程度とすると、ほぼその中央において電圧定在波の振幅が大きくなる。通信相手が近くに存在しないときには、高周波結合器内で反射した信号は、負荷抵抗で消費され、それ以降の回路に影響を与えない。負荷抵抗は、共振用スタブの入力端など電圧振幅が最大になる位置に接続することが好ましい。   In the illustrated example, the resonance stub is an open end, and a voltage standing wave that is maximum at each of the open end on the first resonance stub side and the input end on the second resonance stub side is generated, The current standing wave has a phase difference of π / 4 with respect to such a voltage standing wave. Then, if the length of the entire resonance stub is approximately 360 degrees as the phase length of the resonance frequency, the amplitude of the voltage standing wave increases substantially at the center thereof. When there is no communication partner nearby, the signal reflected in the high frequency coupler is consumed by the load resistance and does not affect the subsequent circuits. The load resistance is preferably connected to a position where the voltage amplitude becomes maximum, such as the input end of the resonance stub.

ここで、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した通信方式では、結合用電極同士で電界結合を生じさせるには、送受信機間で互いの結合用電極の微妙な位置合わせを行なう必要があるが、機器内のどの部分に結合用電極が配置され、どの箇所を接触させればよいのかユーザにとっては分かり難いことが多く、このため最大の通信速度を得られない可能性がある。この種の問題に対する解決方法として、単一の送受信機に複数の高周波結合器を配置するという構成が考えられる。   Here, in the communication method using the electric field coupling by the electrostatic field or the induction electric field, in order to generate the electric field coupling between the coupling electrodes, it is necessary to delicately align the coupling electrodes between the transceivers. However, it is often difficult for the user to know in which part of the device the coupling electrode is arranged and which part should be contacted, and thus there is a possibility that the maximum communication speed cannot be obtained. As a solution to this type of problem, a configuration in which a plurality of high frequency couplers are arranged in a single transceiver can be considered.

電波通信の場合、複数の送信アンテナを並列して設けると、送信電力は各アンテナに分散してしまい個々のアンテナの出力は低下することから、通信に寄与しないアンテナは送信電力を徒に浪費してしまう。これに対し、電界結合による通信方式においては、他の高周波結合器と結合関係にあるもののみが高周波信号の伝達を行ない、その他の高周波結合器はほぼ開放端とみなせるように設計することができる。すなわち、複数の高周波結合器を例えばアレイ状に並べても、通信相手側の高周波結合器と電界結合しない高周波結合器は送信電力を浪費するという問題は深刻でない。   In the case of radio wave communication, if multiple transmission antennas are provided in parallel, the transmission power is distributed to each antenna and the output of each antenna is reduced, so antennas that do not contribute to communication waste transmission power. End up. On the other hand, in the communication system using electric field coupling, only those having a coupling relationship with other high-frequency couplers can transmit high-frequency signals, and other high-frequency couplers can be designed to be regarded as almost open ends. . That is, even if a plurality of high-frequency couplers are arranged in an array, for example, the problem that a high-frequency coupler that does not perform electric field coupling with the high-frequency coupler on the communication partner side wastes transmission power is not serious.

図29には、送受信回路部に接続される1本の信号線に対し複数(図示の例では2個)の高周波結合器を並列接続した例を示している。このとき、無負荷の高周波結合器が開放端として扱われるように構成すること、言い換えれば、無負荷時の電圧定在波の振幅が大きくなる位置で各高周波結合器が分岐するように接続することが最も効率的である。そのためには、同図に示すように、第1の共振用スタブの先端を開放端とした場合、先端からの長さがおよそ共振周波数の2分の1波長の整数倍となる位置で信号線に接続されるように構成するとよい。   FIG. 29 shows an example in which a plurality of (two in the illustrated example) high-frequency couplers are connected in parallel to one signal line connected to the transmission / reception circuit unit. At this time, it is configured so that the no-load high-frequency coupler is handled as an open end, in other words, the high-frequency couplers are connected so that each high-frequency coupler branches at a position where the amplitude of the voltage standing wave at the time of no load increases. Is the most efficient. For this purpose, as shown in the figure, when the tip of the first resonance stub is an open end, the signal line is located at a position where the length from the tip is an integral multiple of one-half wavelength of the resonance frequency. It is good to comprise so that it may be connected to.

図24又は図25に示したような高周波結合器は、共振用スタブの幅によって伝搬損や比帯域を制御することができる。すなわち、第2の共振用スタブが信号線と接続される位置で電圧振幅が最大になるようにするのと同時に、共振用スタブの幅(すなわち共振用スタブのインピーダンス)を変えることで、共振用スタブによるインピーダンス変換が行なわれ、結合用電極に流れる電流の量を制御することができる。ここで、図24に示したような、第1の共振用スタブが開放端として構成される高周波結合器同士を、図30に示すように対向して配置したときの伝搬損と比帯域を測定してみた。   The high-frequency coupler as shown in FIG. 24 or FIG. 25 can control the propagation loss and the specific band according to the width of the resonance stub. That is, the voltage amplitude is maximized at the position where the second resonance stub is connected to the signal line, and at the same time, by changing the width of the resonance stub (that is, the impedance of the resonance stub), Impedance conversion is performed by the stub, and the amount of current flowing through the coupling electrode can be controlled. Here, as shown in FIG. 24, the propagation loss and the specific band are measured when the high frequency couplers having the first resonance stubs configured as open ends are arranged facing each other as shown in FIG. I tried to.

ここで、伝搬損とは、一方の高周波結合器をネットワーク・アナライザのポート1に接続するとともに、他方の高周波結合器をポート2に接続したときの挿入損、すなわちSパラメータ(S21)の値のことである。また、比帯域とは、共振周波数での伝搬損S21の値に対してS21の値の低下量が3dB以内となる周波数範囲の共振周波数に対する割合のことを言う。測定は、結合用電極間距離が20mm、各高周波結合器の結合用電極の大きさは10mm×10mm、高さが3mm、第1の共振用スタブと第2の共振用スタブの長さはそれぞれ16mm、基板の誘電率は3.4、厚さは0.8mmという条件下で、第1及び第2の共振用スタブの幅を変えて行なった。 Here, the propagation loss refers to the insertion loss when one high frequency coupler is connected to port 1 of the network analyzer and the other high frequency coupler is connected to port 2, that is, the value of the S parameter (S 21 ). That is. The ratio band refers to the ratio of the frequency range in which the amount of decrease in the value of S 21 is within 3 dB to the value of the propagation loss S 21 at the resonance frequency with respect to the resonance frequency. In the measurement, the distance between the coupling electrodes is 20 mm, the size of the coupling electrode of each high-frequency coupler is 10 mm × 10 mm, the height is 3 mm, and the lengths of the first resonance stub and the second resonance stub are respectively The widths of the first and second resonance stubs were changed under the conditions of 16 mm, the dielectric constant of the substrate was 3.4, and the thickness was 0.8 mm.

図31A及び図31Bには、このときの伝搬損並びに比帯域の測定結果をそれぞれ示している。各図から、スタブ幅が大きいとき損失が少ない。また、スタブ幅が小さいほど比帯域が広くなる、ということが判る。   FIG. 31A and FIG. 31B show the measurement results of the propagation loss and the specific band at this time, respectively. From each figure, there is little loss when the stub width is large. It can also be seen that the smaller the stub width, the wider the specific bandwidth.

また、高周波結合器の結合用電極を、例えば板金加工によって2本の金属線と一体形成することで、簡易且つ安価に製作することができる。板金は、例えば表面を金鍍金したリン青銅板などを用いることができる。図32並びに図33には、その製作方法を図解している。   Further, the coupling electrode of the high-frequency coupler can be easily and inexpensively manufactured by integrally forming with two metal wires by, for example, sheet metal processing. As the sheet metal, for example, a phosphor bronze sheet whose surface is plated with gold can be used. 32 and 33 illustrate the manufacturing method.

各図において、リン青銅板などからなる板金にまず打ち抜き加工を施して、結合用電極となる部分と、結合用電極と高周波信号線を接続するための2本の金属線となる部分を形成する。   In each figure, a sheet metal made of a phosphor bronze plate or the like is first punched to form a portion to be a coupling electrode and a portion to be two metal wires for connecting the coupling electrode and the high-frequency signal line. .

続いて、打ち抜き後の板金に対して折り曲げ加工を施して、結合用電極部分に対し金属線となる脚部をほぼ垂直に屈曲させて所望の高さを形成する。ここで言う所望の高さとは、結合用電極部分とグランドとの結合を回避する役割と、この脚部が直列インダクタを形成する役割を兼ね備え得る寸法に相当する。   Subsequently, the punched sheet metal is subjected to a bending process, and a leg portion serving as a metal wire is bent substantially perpendicularly to the coupling electrode portion to form a desired height. The desired height referred to here corresponds to a dimension capable of having a role of avoiding coupling between the coupling electrode portion and the ground and a role of the leg portion forming a series inductor.

このようにして出来上がった結合用電極を、例えばプリント基板上の該当する場所に第1及び第2の共振用スタブの切断部を2本の脚部でまたぐように位置決めし、治具(図示しない)などで固定してから、リフロー半田などにより取り付ければよい。図34には、図32に示した結合用電極を、プリント基板上のマイクロストリップライン又はコプレーナ導波路として形成された共振用スタブに取り付けた様子を示している。   The coupling electrode thus completed is positioned such that the cut portion of the first and second resonance stubs straddles the two legs at a corresponding location on the printed circuit board, for example, and a jig (not shown) ) Etc. and then attached by reflow soldering. FIG. 34 shows a state where the coupling electrode shown in FIG. 32 is attached to a resonance stub formed as a microstrip line or a coplanar waveguide on a printed board.

なお、図34には送受信回路部を描いていないが、同じ基板上に設けても良いし、あるいは高周波コネクタや同軸ケーブルを介して別の基板に構成して、無線機の最適な位置にそれぞれ離して置くようにしても良い。   34 does not depict the transmission / reception circuit unit, it may be provided on the same substrate, or may be provided on a separate substrate via a high-frequency connector or a coaxial cable, respectively, at the optimum position of the radio. It may be placed apart.

これまでは、電界結合方式の非接触通信システムにおいて、1組の高周波結合器間で信号を伝送する仕組みについて説明してきた。ここで、2つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも可能である。上述したように、送信機側の高周波結合器で発生した電界ERは表面波として空中を伝搬し、受信機側では高周波結合器で受け取った信号を整流・安定化して電力を取り出すことができる。 So far, a mechanism for transmitting signals between a pair of high-frequency couplers in an electric field coupling type non-contact communication system has been described. Here, when a signal is transmitted between two devices, energy transfer is inevitably involved. Therefore, this type of communication system can be applied to power transmission. As described above, the electric field E R generated by the EFC antenna of the transmitter is the air propagates as a surface wave, power can be taken out by rectifying and stabilizing a signal received by the EFC at the receiver .

図35には、高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示している。   FIG. 35 shows a configuration example when a communication system using a high-frequency coupler is applied to power transmission.

図示のシステムでは、AC電源に接続された充電器と無線通信機を近づけることにより、それらに内蔵する高周波結合器を介して非接触で無線通信機への送電、及び充電を行なう。但し、高周波結合器は電力伝送の用途のみで使用される。   In the illustrated system, a charger connected to an AC power source and a wireless communication device are brought close to each other, so that power is transmitted and charged to the wireless communication device in a non-contact manner via a high-frequency coupler built in them. However, the high frequency coupler is used only for power transmission.

受電する高周波結合器が送電する高周波結合器の近くにないとき、送電用の高周波結合器に入力された電力の大部分は反射してDC/ACインバータ側に戻るため、外部に不要な電波を放射することを抑えることができる。   When the receiving high-frequency coupler is not near the transmitting high-frequency coupler, most of the power input to the transmitting high-frequency coupler is reflected and returns to the DC / AC inverter side. Radiation can be suppressed.

また、同図では無線通信機への充電を行なう例を挙げたが、充電される側は無線機に限らず例えば音楽プレイヤやデジタルカメラへの非接触電力伝送を行なうようにしてもよい。   Moreover, although the example which performs charge to a radio | wireless communication apparatus was given in the figure, you may make it perform the non-contact electric power transmission not only to a radio | wireless machine but the music player or a digital camera, for example.

また、図36には、高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示している。図示のシステムは、高周波結合器と表面波伝送線路を電力伝送と通信に兼用して使用するように構成されている。   FIG. 36 shows another configuration example in which a communication system using a high-frequency coupler is applied to power transmission. The illustrated system is configured to use a high-frequency coupler and a surface wave transmission line for both power transmission and communication.

通信及び送電を行なうタイミングの切り替えは、送信回路部から送られる通信・送(受)電切り替え信号によって行なう。例えば、通信と送電はあらかじめ決められた周期で切り替えを行なうようにしてもよい。このとき、充電の状態を通信信号に加えて充電器側にフィードバックすることで送電出力を最適に保つことができる。例えば、充電が完了したらその情報を充電器側に送り、送電の出力を0にするようにしてもよい。   Switching of timing for performing communication and power transmission is performed by a communication / transmission (reception) switching signal sent from the transmission circuit unit. For example, communication and power transmission may be switched at a predetermined cycle. At this time, the power transmission output can be kept optimal by adding the charging state to the communication signal and feeding back to the charger side. For example, when charging is completed, the information may be sent to the charger side, and the power transmission output may be set to zero.

同図に示したシステムでは、充電器をAC電源に接続するようにして構成されているが、他にも例えば、電池の少なくなった携帯電話に他の携帯電話から電力を分け与えるような用途に用いてもよい。   In the system shown in the figure, the charger is connected to an AC power supply. However, for example, the battery can be used to distribute power from another mobile phone to a mobile phone with a low battery. It may be used.

以上、特定の実施形態を参照しながら、本発明について詳解してきた。しかしながら、本発明の要旨を逸脱しない範囲で当業者が該実施形態の修正や代用を成し得ることは自明である。   The present invention has been described in detail above with reference to specific embodiments. However, it is obvious that those skilled in the art can make modifications and substitutions of the embodiment without departing from the gist of the present invention.

本明細書では、UWB信号を電界結合によりケーブルレスでデータ伝送する通信システムに適用した実施形態を中心に説明してきたが、本発明の要旨はこれに限定されるものではない。例えば、UWB通信方式以外の高周波信号を使用する通信システムや、比較的低い周波数信号を用いて電界結合によりデータ伝送を行なう通信システムに対しても、同様に本発明を適用することができる。   In the present specification, the embodiment applied to a communication system in which a UWB signal is data-transmitted by electric field coupling in a cableless manner has been mainly described, but the gist of the present invention is not limited to this. For example, the present invention can be similarly applied to a communication system that uses a high-frequency signal other than the UWB communication method and a communication system that performs data transmission by electric field coupling using a relatively low frequency signal.

また、本明細書では1組の高周波結合器間でデータ通信を行なうシステムに対して本発明を適用した実施形態を中心に説明してきたが、2つの機器間で信号を伝送する際には必然的にエネルギの移動を伴うことから、この種の通信システムを電力伝送に応用することも当然にして可能である。   In the present specification, the embodiment in which the present invention is applied to a system that performs data communication between a pair of high-frequency couplers has been mainly described. However, when a signal is transmitted between two devices, it is inevitable. It is naturally possible to apply this type of communication system to power transmission because it involves energy transfer.

要するに、例示という形態で本発明を開示してきたのであり、本明細書の記載内容を限定的に解釈するべきではない。本発明の要旨を判断するためには、特許請求の範囲を参酌すべきである。   In short, the present invention has been disclosed in the form of exemplification, and the description of the present specification should not be interpreted in a limited manner. In order to determine the gist of the present invention, the claims should be taken into consideration.

図1は、静電界若しくは誘導電界による電界結合を利用した非接触通信システムの構成例を示した図である。FIG. 1 is a diagram illustrating a configuration example of a non-contact communication system using electric field coupling by an electrostatic field or an induction electric field. 図2は、kHzあるいはMHz帯の周波数を使った通信において、送信機及び受信機が電極のみからなる結合器を備え、結合部分が単純に平行平板コンデンサとして動作する構成例を示した図である。FIG. 2 is a diagram showing a configuration example in which a transmitter and a receiver include a coupler composed only of electrodes in a communication using frequencies in the kHz or MHz band, and the coupling portion simply operates as a parallel plate capacitor. . 図3には、GHz帯の高周波を使った通信において、結合部におけるインピーダンス不整合部分において、信号が反射することにより伝搬損が生じる様子を示した図である。FIG. 3 is a diagram illustrating a state in which a propagation loss occurs due to reflection of a signal in an impedance mismatching portion in a coupling portion in communication using a high frequency in the GHz band. 図4は、インピーダンス整合部や共振部を集中定数回路で構成した高周波結合回路の等価回路を示した図である。FIG. 4 is a diagram showing an equivalent circuit of a high-frequency coupling circuit in which an impedance matching unit and a resonance unit are configured by a lumped constant circuit. 図5は、図4に示した高周波結合器の電極同士を向かい合わせて配置した様子を示した図である。FIG. 5 is a diagram illustrating a state in which the electrodes of the high-frequency coupler illustrated in FIG. 4 are arranged to face each other. 図6Aは、図4に示した高周波結合器の単体での特性を説明するための図である。FIG. 6A is a diagram for explaining the characteristics of the high-frequency coupler shown in FIG. 4 alone. 図6Bは、図4に示した高周波結合器の単体での特性を説明するための図である。FIG. 6B is a diagram for explaining the characteristics of the high-frequency coupler shown in FIG. 4 alone. 図7Aは、インピーダンス変換器としての機能により高周波結合器が電界を誘起する様子を示した図である。FIG. 7A is a diagram illustrating a state in which the high frequency coupler induces an electric field by the function as an impedance converter. 図7Bは、インピーダンス変換器としての機能により高周波結合器が電界を誘起する様子を示した図である。FIG. 7B is a diagram illustrating a state in which the high frequency coupler induces an electric field by the function as an impedance converter. 図8は、図4に示した2つの高周波結合器を対向して配置することにより構成されるバンドパス・フィルタの等価回路を示した図である。FIG. 8 is a diagram showing an equivalent circuit of a bandpass filter configured by arranging the two high-frequency couplers shown in FIG. 4 to face each other. 図9は、高周波結合器単体として構成されるインピーダンス変換回路の等価回路を示した図である。FIG. 9 is a diagram showing an equivalent circuit of an impedance conversion circuit configured as a single high-frequency coupler. 図10は、微小ダイポールによる電磁界を表した図である。FIG. 10 is a diagram showing an electromagnetic field generated by a minute dipole. 図11は、インピーダンス整合部や共振部に分布定数回路を用いた高周波結合器の構成例を示した図である。FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration example of a high-frequency coupler using a distributed constant circuit for the impedance matching unit and the resonance unit. 図12は、スタブ103に定在波が発生している様子を示した図である。FIG. 12 is a diagram illustrating a state in which a standing wave is generated in the stub 103. 図13は、インピーダンス整合部を集中定数回路及び分布定数回路でそれぞれ構成した場合の高周波結合器の周波数特性の比較を示した図である。FIG. 13 is a diagram showing a comparison of the frequency characteristics of the high-frequency coupler when the impedance matching unit is composed of a lumped constant circuit and a distributed constant circuit. 図14は、集中定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器を示した図である。FIG. 14 is a diagram illustrating a high-frequency coupler in which an impedance matching unit is configured by a lumped constant circuit. 図15は、分布定数回路でインピーダンス整合部を構成した高周波結合器を示した図である。FIG. 15 is a diagram illustrating a high-frequency coupler in which an impedance matching unit is configured by a distributed constant circuit. 図16Aは、結合用電極の中心に高周波伝送線路を接続した様子を示した図である。FIG. 16A is a diagram illustrating a state in which a high-frequency transmission line is connected to the center of the coupling electrode. 図16Bは、結合用電極の中心からオフセットのある位置に高周波伝送線路を接続し、結語用電極内に不均等な電流が流れる様子を示した図である。FIG. 16B is a diagram illustrating a state in which a high-frequency transmission line is connected to a position having an offset from the center of the coupling electrode, and an unequal current flows in the conclusion electrode. 図17は、アンテナ素子の先端に金属を取り付けて静電容量を持たせ、アンテナの高さを短縮させる「容量装荷型」のアンテナの構成例を示した図である。FIG. 17 is a diagram showing a configuration example of a “capacitance loaded type” antenna in which a metal is attached to the tip of the antenna element to give a capacitance and the height of the antenna is shortened. 図18は、スタブ103を結合用電極108の下で折り曲げた高周波結合器を示した図である。FIG. 18 is a view showing a high-frequency coupler in which the stub 103 is bent under the coupling electrode 108. 図19は、スペーサ109を用いて結合用電極108を支持する様子を示した図である。FIG. 19 is a diagram showing a state in which the coupling electrode 108 is supported using the spacer 109. 図20は、スペーサ109をプリント基板101の表面実装部品として構成した例を示した図である。FIG. 20 is a diagram illustrating an example in which the spacer 109 is configured as a surface-mounted component of the printed circuit board 101. 図21は、結合用電極が誘電体からなるスペーサで支持されるとともに、このスペーサのスルーホールを貫挿する1本の金属線で結合用電極が共振用スタブに接続された高周波結合器の断面構成を示した図である。FIG. 21 shows a cross section of a high-frequency coupler in which the coupling electrode is supported by a spacer made of a dielectric, and the coupling electrode is connected to the resonance stub by one metal wire penetrating the through hole of the spacer. It is the figure which showed the structure. 図22は、共振用スタブ上で2本の金属線により結合用電極が支持されている高周波結合器の断面構成を示した図である。FIG. 22 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a high-frequency coupler in which a coupling electrode is supported by two metal wires on a resonance stub. 図23は、共振用スタブを切断し、結合用電極を支持する前後それぞれの金属線をこの切断部をまたぐようにして共振用スタブに接続した高周波結合器の断面構成を示した図である。FIG. 23 is a diagram showing a cross-sectional configuration of a high-frequency coupler in which a resonance stub is cut and metal wires before and after supporting a coupling electrode are connected to the resonance stub so as to straddle the cut portion. 図24は、第1の共振用スタブを開放端にした場合の、電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示した図である。FIG. 24 is a diagram illustrating the amplitudes of the voltage standing wave and the current standing wave when the first resonance stub is at the open end. 図25は、第1の共振用スタブを短絡端にした場合の、電圧定在波並びに電流定在波それぞれの振幅を示した図である。FIG. 25 is a diagram illustrating amplitudes of the voltage standing wave and the current standing wave when the first resonance stub is the short-circuited end. 図26は、回路中に進行する波と逆方向に反射する波が同時に存在して定在波が発生する様子を示した図である。FIG. 26 is a diagram illustrating a state in which a standing wave is generated when a wave traveling in the circuit and a wave reflected in the opposite direction simultaneously exist. 図27は、入力端に負荷抵抗が接続された高周波結合器の等価回路の構成を示した図である。FIG. 27 is a diagram showing a configuration of an equivalent circuit of a high-frequency coupler having a load resistor connected to the input end. 図28は、先端側の第1の共振用スタブと入力端側の第2の共振用スタブの2つに切断するとともに、結合用電極を支持する2本の金属線でこの切断部をまたぐよう結合用電極が取り付けられた高周波結合器の入力端に負荷抵抗が取り付けられた様子を示した図である。In FIG. 28, the first resonance stub on the front end side and the second resonance stub on the input end side are cut into two, and the cut portion is crossed by two metal wires supporting the coupling electrode. It is the figure which showed a mode that the load resistance was attached to the input terminal of the high frequency coupler with which the electrode for coupling | bonding was attached. 図29は、送受信回路部に接続される1本の信号線に対し複数の高周波結合器を並列接続した例を示した図である。FIG. 29 is a diagram illustrating an example in which a plurality of high frequency couplers are connected in parallel to one signal line connected to the transmission / reception circuit unit. 図30は、図24に示した高周波結合器同士を対向して配置した様子を示した図である。FIG. 30 is a diagram illustrating a state in which the high-frequency couplers illustrated in FIG. 24 are arranged to face each other. 図31Aは、図30に示すように2つの高周波結合器を対向して配置したときに測定した伝搬損を示した図である。FIG. 31A is a diagram showing a propagation loss measured when two high-frequency couplers are arranged to face each other as shown in FIG. 図31Bは、図30に示すように2つの高周波結合器を対向して配置したときに測定した比帯域を示した図である。FIG. 31B is a diagram showing a ratio band measured when two high-frequency couplers are arranged to face each other as shown in FIG. 図32は、板金加工によって製作される結合用電極の一例を示した図である。FIG. 32 is a diagram showing an example of a coupling electrode manufactured by sheet metal processing. 図33は、板金加工によって製作される結合用電極の一例を示した図である。FIG. 33 is a diagram showing an example of a coupling electrode manufactured by sheet metal processing. 図34は、図32に示した結合用電極を、プリント基板上の共振用スタブに取り付けた様子を示した図である。FIG. 34 is a diagram illustrating a state in which the coupling electrode illustrated in FIG. 32 is attached to the resonance stub on the printed circuit board. 図35は、高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用したときの構成例を示した図である。FIG. 35 is a diagram illustrating a configuration example when a communication system using a high-frequency coupler is applied to power transmission. 図36は、高周波結合器を利用した通信システムを電力伝送に応用した他の構成例を示した図である。FIG. 36 is a diagram showing another configuration example in which a communication system using a high-frequency coupler is applied to power transmission.

符号の説明Explanation of symbols

101…プリント基板
102…グランド
103…スタブ
104…信号線
105…送受信回路
106…スルーホール
107…金属線
108…結合用電極
109…スペーサ
110…スルーホール
111、112…マイクロストリップライン又はコプレーナ導波路
DESCRIPTION OF SYMBOLS 101 ... Printed circuit board 102 ... Ground 103 ... Stub 104 ... Signal line 105 ... Transmission / reception circuit 106 ... Through hole 107 ... Metal wire 108 ... Coupling electrode 109 ... Spacer 110 ... Through hole 111, 112 ... Microstrip line or coplanar waveguide

Claims (3)

結合用電極と、互いの結合用電極間における電気的結合を強くするための共振部と、前記共振部に対して前記結合用電極を支持する第1及び第2の金属線を備える高周波結合器。   A high-frequency coupler comprising a coupling electrode, a resonance part for strengthening electrical coupling between the coupling electrodes, and first and second metal wires that support the coupling electrode with respect to the resonance part . 高周波信号の伝送路が接続され、電気ダイポールを形成するように配置された結合用電極及びグランドと、
前記結合用電極に流れ込む電流を大きくしてより強い電界を発生させるための共振部と、
を具備し、
前記電気ダイポールによって前記グランドからみて前記結合用電極の方向に伝搬方向と平行な向きに振動する電界の縦波を発生させて、前記電界の縦波により通信相手側に前記高周波信号を放出する、
ことを特徴とする請求項1に記載の高周波結合器。
A high-frequency signal transmission line is connected, and a coupling electrode and a ground arranged to form an electric dipole;
A resonance unit for generating a stronger electric field by increasing a current flowing into the coupling electrode;
Comprising
Generating a longitudinal wave of an electric field oscillating in a direction parallel to a propagation direction in the direction of the coupling electrode as viewed from the ground by the electric dipole, and emitting the high-frequency signal to a communication partner side by the longitudinal wave of the electric field;
The high frequency coupler according to claim 1.
高周波結合器において用いられる結合用電極と、結合用電極を支持する第1及び第2の金属線を備えた電界信号放射エレメント。
An electric field signal radiating element comprising a coupling electrode used in a high-frequency coupler and first and second metal wires supporting the coupling electrode.
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