JP2009268022A - 通信システム並びにアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】広帯域な周波数成分を含むパルス信号を利用したデジタル・ベースバンド信号を、近距離ではあるが非接触にて直接転送する。
【解決手段】２つのスロット・アンテナを近接対向して配置し、送信アンテナのスロット伝送線路に沿って進行するＴＥ₁₀波の近傍電界、近傍磁界成分を、直接受信アンテナのスロット伝送線路に結合させる。環状スロットの２つの給電点間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たす。スルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ線路の接続のインピーダンス整合をとり、反射が小さい。
【選択図】 図１

Description

本発明は、近接して配置された送受信アンテナ間で生じる近傍界の電磁結合作用を利用して非接触近距離データ伝送を行なう通信システム、並びに、かかる非接触近距離データ伝送に用いられるアンテナ装置に係り、特に、近傍界の電磁結合作用を利用して高速なデジタル・データの伝送を実現する通信システム並びにアンテナ装置に関する。

近年、高速デジタル信号を扱うインターフェースとして、ＬＶＤＳ（Ｌｏｗ Ｖｏｌｔａｇｅ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｓｉｇｎａｌｉｎｇ）、ＸＡＵＩ（１０ Ｇｉｇａｂｉｔ Ａｔｔａｃｈｍｅｎｔ Ｕｎｉｔ Ｉｎｔｅｒｆａｃｅ）、ＰＣＩ（Ｐｅｒｉｐｈｅｒａｌ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ）−Ｅｘｐｒｅｓｓなどの規格が存在し、高速なものではデータレートが６Ｇｂｐｓを超えるものがある。これらのインターフェース規格では、高速の信号伝送を実現するために小電圧振幅としたが、その分雑音の影響を受け易くなるという問題をシングルエンド伝送ではなく差動伝送にして解決している。

このうちＬＶＤＳは、信号線の本数を減らすことなどを目的に開発された。例えばＲＧＢの各階調数が６ビット〜１０ビットのビデオ信号を伝送するために必要な信号線数は、ＣＭＯＳ／ＴＴＬでは２０本〜４０本であるのに対し、ＬＶＤＳでは４対（データが３対、クロックが１対）〜６対（データが５対、クロックが１対）に削減することができる。ＬＶＤＳの主な用途として、通信機器やＰＤＰ（Ｐｌａｓｍａ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｐａｎｅｌ）、液晶パネル向けのデジタル・インターフェースなどが挙げられる。

この種の高速デジタル・インターフェースの伝送路には、特性インピーダンスが１００Ωに制御された差動伝送線路を用いるものが多い。具体的な伝送路として、裏面に導体層を有する誘電体基板（プリント配線基板など）の表面に線路状に描かれた導体パターンからなるマイクロストリップ伝送線路や、ハーネスを介して同軸ケーブルなどが用いられる。当然、トランスミッタ（送信）ＩＣ（Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）とレシーバ（受信）ＩＣとの間は、物理的及び電気的に繋がった伝送路で接続されている。

これに対し、本発明者らは、非接触データ通信技術を用いて高速デジタル信号を伝送する方法もあると考えている。非接触通信は、無線でデータ伝送を行なうものの、送受信間が近距離に配置されるゆえ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というメリットがある。

例えば、２つのＩＣチップを１枚のプリント基板上にフリップチップ実装し、これらのＩＣチップ間を５．６ｃｍの伝送を介して、近傍界の電磁結合を利用したデータ伝送を行なうことができる（例えば、非特許文献１乃至２を参照のこと）。ＩＣチップ上のアンテナ電極とプリント基板上のアンテナ電極を対向して配置し、これらの電極間の容量結合を利用してＩＣチップとプリント基板上の伝送線路と接続して、２．５Ｇｂｐｓのデータ転送を実現することができる。ここで用いられるアンテナ電極のサイズは、ＩＣチップ側並びにプリント基板側ともに、２００μｍ×２００μｍで、通信距離は１μｍと非常に短い。また、ＩＣチップの実装にはバンプを用いる。すなわち、プリント基板側に形成した溝にＩＣチップ上に形成したバンプを埋め込む形で実装し、アンテナ電極間の距離を近接させるという、非常に手の込んだものである。ＩＣチップはフリップチップ実装されるので、実装した後のＩＣチップの取り外しや組み換えは非現実的である。

また、非接触データ伝送技術の他の例として、ＳＩＰ（Ｓｙｓｔｅｍ Ｉｎ Ｐａｃｋａｇｅ）実装を念頭に、数１０μｍ程度に薄く研磨したＩＣチップを複数枚積層し、それらのチップ間でデータ転送を行なう技術について提案がなされている（例えば、特許文献１、非特許文献３乃至４を参照のこと）。例えば、ＩＣチップ上に半導体プロセスを用いて、近接した送受信回路とアンテナ・コイルからなるチャネルを５０μｍ間隔で複数レイアウトする。直径４８μｍのアンテナ・コイルを使用した場合、１チャネル当たりの特性として、４３μｍ離れたアンテナ間で１．０Ｇｂｐｓのデータ転送を実現することができる。

ここで、近傍界の電磁結合を利用した非接触近距離データ伝送技術は、送信機側と受信機側に用意された２つのアンテナ電極間の容量性結合を利用するものと、同じく２つのアンテナ・コイル間の誘導性結合を利用するものに大別することができる。また、同伝送技術を、送受信回路とアンテナを繋ぐ配線長に応じて、インピーダンス整合を必ずしも必要としないものと、インピーダンス整合をとることが必要なものの２種類に分類することができる。

送信回路若しくは受信回路の直近にアンテナを配置した場合には、回路入出力端子とアンテナ入出力端子がほぼ同位相で動作するので、反射の影響を無視することができ、インピーダンス整合は必ずしも必要ない。これに対し、アンテナを送受信回路から離して配置すると、それらの間を繋ぐ配線（伝送線路）の長さが無視できなくなることから、回路の入出力端子及びアンテナ入出力端子と伝送線路との間でインピーダンス整合が必要となる。特に１Ｇｂｐｓを超えるような高速のデータ転送を行なう場合には、送受信回路とアンテナからなる系において、インピーダンス不整合が存在すると、それによって引き起こされる反射のために、受信信号に不要なリンギングが乗り、ジッターの増加やエラーレートの悪化などの原因となり、高速化の妨げとなる。

容量性結合の場合、アンテナ電極が信号波長λ（但し、波長短縮率を考慮するものとする）の１／８以上のサイズになると、そのサイズに依存して決まる共振周波数を考慮する必要がある。また、給電線の寄生誘導成分（Ｌ）が無視できない場合には、アンテナ電極の自己容量（Ｃ）と直列共振回路を形成し、１／２π√ＬＣで決まる自己共振周波数ｆ_rが存在する。これに対し、アンテナのサイズがλ／８以下より十分小さく、且つ、上記の寄生誘導成分が無視できる場合のみ、純粋な容量として扱うことができ、送受信アンテナの結合はいわゆるＡＣ結合とみなすことができる。

一方、誘導性結合の場合、コイルの誘導成分（Ｌ）と、コイルを形成する配線間及び対ＧＮＤへの寄生容量成分（Ｃ）とが並列共振回路を形成するので、こちらも１／２π√ＬＣで決まる自己共振周波数ｆ_rが存在する。

これらの自己共振周波数ｆ_r以上の周波数帯域では、容量性結合アンテナはもはやキャパシタとして機能せず、誘導性結合アンテナはインダクタとして機能しない。また、ｆ_r付近の信号成分に対しては、容量性結合アンテナ及び誘導性結合アンテナともに、共振を起こすため、データ転送に使用できる周波数帯域は自己共振周波数ｆ_rによって制限される。

従来、非接触データ転送用のアンテナとしては、いわゆる集中定数型のアンテナ構造が多く採用されている。一般に大きなサイズのアンテナは自己共振周波数ｆ_rが低くなる傾向があることから、高周波数帯域の使用を可能としデータ転送レートを高めるためにはアンテナ・サイズを小さく設定する必要がある。ところが、近傍界の電磁結合を利用した非接触通信の場合、その通信距離はアンテナ・サイズと同程度となるので、小さなサイズのアンテナを用いると転送距離も短くなってしまうという制約がある。

このように、従来の非接触通信には、高速のデータ転送を行おうとすると転送距離が短くなってしまうという欠点がある。このため、非接触通信のアプリケーションは、積層されたＩＣチップ間のデータ転送などの超近距離に制限される。また、アンテナを送受信回路から離して設置して両者間を伝送線路で繋ぐと、共振型の狭帯域アンテナでは、データ転送レートはアンテナ帯域の約１／２に制限され、高速化が困難であるという欠点がある。

特開２００５−２２８９８１号公報 Ｗｉｌｓｏｎ，Ｊ、Ｌｅｉ Ｌｕｏ、Ｊｉａｎ Ｘｕ、Ｍｉｃｋ，Ｓ．、Ｅｒｉｃｋｓｏｎ Ｅ．、Ｈｓｕａｎ−Ｊｕｎｇ Ｓｕ、Ｃｈａｎ，Ｂ．、Ｈｏｗ Ｌｉｎ、Ｆｒａｎｚｏｎ，Ｐ．共著"ＡＣ ｃｏｕｐｌｅｄ ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｕｓｉｎｇ ｂｕｒｉｅｄ ｂｕｍｐｓ ｆｏｒ ｌａｍｉｎａｔｅｄ ｏｒｇａｎｉｃ ｐａｃｋａｇｅｓ"（Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｃｏｍｐｏｎｅｎｔｓ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ， ２００６．Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ．５６ｔｈ，３０ Ｍａｙ−２ Ｊｕｎｅ ２００６ Ｐａｇｅ（ｓ）：８ｐｐ．） Ｌｅｉ Ｌｕｏ、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｓｏｎ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｍｉｃｋ、Ｊｉａｎ Ｘｕ、Ｌｉａｎｇ Ｚｈａｎｇ、Ｅｖａｎ Ｅｒｉｃｋｓｏｎ、Ｐａｕｌ Ｆｒａｎｚｏｎ共著"Ａ ３６Ｇｂ／ｓ ＡＣＣＩ Ｍｕｌｔｉ−Ｃｈａｎｎｅｌ Ｂｕｓ ｕｓｉｎｇ ａ Ｆｕｌｌｙ Ｄｉｆｆｅｒｅｎｔｉａｌ Ｐｕｌｓｅ Ｒｅｃｅｉｖｅｒ"（ＩＥＥＥ ２００６ Ｃｕｓｔｏｍ Ｉｎｔｅｒｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ（ＣＩＣＣ）） Ｍｉｕｒａ，Ｎ．、Ｍｉｚｏｇｕｃｈｉ，Ｄ．、Ｉｎｏｕｅ，Ｍ．、Ｓａｋｕｒａｉ，Ｔ．、Ｋｕｒｏｄａ，Ｔ．共著"Ａ １９５−ｇｂ／ｓ １．２−Ｗ ｉｎｄｕｃｔｉｖｅ ｉｎｔｅｒ−ｃｈｉｐ ｗｉｒｅｌｅｓｓ ｓｕｐｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｗｉｔｈ ｔｒａｎｓｍｉｔ ｐｏｗｅｒ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｃｈｅｍｅ ｆｏｒ ３−Ｄ−ｓｔａｃｋｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｉｎ ａ ｐａｃｋａｇｅ"（Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ，ＩＥＥＥ Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｖｏｌｕｍｅ ４１，Ｉｓｓｕｅ １，Ｊａｎ．２００６ Ｐａｇｅ（ｓ）：２３−３４） Ｊｉａｎ Ｘｕ、Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｓｏｎ、Ｓｔｅｐｈｅｎ Ｍｉｃｋ、Ｌｅｉ Ｌｕｏ、Ｐａｕｌ Ｆｒａｎｚｏｎ共著"２．８Ｇｂ／ｓ Ｉｎｄｕｃｔｉｖｅｌｙ Ｃｏｕｐｌｅｄ Ｉｎｔｅｒｃｏｎｎｅｃｔ ｆｏｒ ３−Ｄ ＩＣｓ"（２００５ Ｓｙｍｐｏｓｉｕｍ ｏｎ ＶＬＳＩ Ｃｉｒｃｕｉｔｓ Ｄｉｇｅｓｔ ｏｆ Ｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｐａｐｅｒｓ）

本発明の目的は、近傍界の電磁結合作用を利用して高速なデジタル・データの伝送を実現することができる、優れた通信システム、並びに、かかる非接触近距離データ伝送に用いられるアンテナ装置を提供することにある。

本発明のさらなる目的は、高周波数帯域の使用が可能となるアンテナを用い、近傍界の電磁結合作用による高速なデジタル・データの伝送を実現することができる、優れた通信システム並びにアンテナ装置を提供することにある。

本発明は、上記課題を参酌してなされたものであり、
アンテナ電極と接地導体面との間に環状のスロット伝送線路を有するスロット・アンテナを送信機側及び受信機側の双方で備え、当該送信アンテナ及び受信アンテナを近接対向して配置して、当該送信アンテナ及び受信アンテナのスロット伝送線路間で生じる近傍界の電磁結合を利用してデータ伝送を行なう、
ことを特徴とする通信システムである。

但し、ここで言う「システム」とは、複数の装置（又は特定の機能を実現する機能モジュール）が論理的に集合した物のことを言い、各装置や機能モジュールが単一の筐体内にあるか否かは特に問わない。

非接触近距離データ通信は、近接配置した送受信アンテナ間で生じる近傍界の電磁結合を利用してデータ伝送を行なう通信技術であるが、利用する結合作用の相違により、容量性結合と誘導性結合の２タイプに分類される。また、送受信回路とアンテナを繋ぐ配線長に応じたインピーダンス整合の必要性の有無により当該通信技術を分類することもできる。

容量性結合の場合、アンテナ電極が信号波長λの１／８以上のサイズになると、給電線の規制誘導成分が無視できない場合においてアンテナ電極の自己容量とともに直列共振回路を形成し、自己共振周波数が存在する。一方、誘導性結合の場合、アンテナ・コイルの誘導成分と、コイルを形成する配線間及び対ＧＮＤへの寄生容量成分とにより並列共振回路を形成し自己共振周波数が存在する。これらの共振周波数付近では共振を起こすが、共振周波数以上の周波数帯域では容量性結合若しくは誘導性結合が作用しなくなるため、データ転送に使用できる周波数帯域が制限されるという問題がある。

また、アンテナ・サイズが大きくなると自己共振周波数が低くなる傾向にあることから、高周波数帯域の仕様を可能としデータ転送レートを高めるには、アンテナ・サイズを小さく設定する必要がある。ところが、近傍界の電磁結合を利用した非接触通信の場合、その通信距離はアンテナ・サイズと同程度となるので、小さなサイズのアンテナを用いると転送距離も短くなる。すなわち、高速のデータ転送を行おうとすると転送距離が短くなってしまう。また、アンテナを送受信回路から離して設置し両者間を伝送線路で繋ぐと、共振型の狭帯域アンテナでは、データ転送レートはアンテナ帯域の約１／２に制限され、高速化が困難である。

これに対し、本発明に係る通信システムは、互いのアンテナが近距離に配置された送信機及び受信機間で非接触データ通信を行なうが、データ転送の原理として、元来周波数分散の小さい伝送線路間の結合を用い、且つ、非共振型の構成を採っている。具体的には、２つのスロット・アンテナを近接対向して配置し、送信アンテナのスロット伝送線路に沿って進行するＴＥ₁₀波の近傍電界成分並びに近傍磁界成分を、直接受信アンテナのスロット伝送線路に結合させるようにしており、共振型のアンテナとは相違する。

スロット・アンテナは、アンテナ電極と接地導体面との間に環状のスロット伝送線路を有している。ここで、環状スロットを有するスロット・アンテナの形状としては、接地導体面に囲まれる電極の形状が、円形、若しくは正８角形や正６角形などの正多角形であることが好ましい。このような場合、アンテナ電極と接地導体面との間の環状スロットは、スロット伝送線路として考えるのが適当である。また、環状スロットにはその中央を挟むように２つの給電点が設けられているが、これら２つの給電点間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送信、受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たしている。

スロット伝送線路は、各給電点においてスルーホールを介して基板の他方の面に通じ、送信ＩＣ若しくは受信ＩＣに繋がるマイクロストリップ伝送線路に接続されている。このようなスルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合を小さくすることによって、反射を小さくし、定在波の発生を抑えることが可能であることから、広帯域特性を実現することができる。２つの給電点の間を並列接続された２本のスロット伝送線路の特性インピーダンスとマイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンスをおおよそ２：１と設定することで、インピーダンスを整合させることができる。

また、スロット伝送線路は、マイクロストリップ伝送線路と比較して特性インピーダンスの周波数分散は大きいが、それぞれ、デジタル・ベースバンド信号伝送のために必要な周波数帯域の中心周波数付近におけて特性インピーダンスを整合させるように設計することで、広い周波数帯域において、反射の少ない良好な伝送特性を得ることができる。

送受信アンテナを近接して配置しておき、送信アンテナには送信信号として、高速なデジタル・ベースバンド信号を直接に給電すると、送受信アンテナ間には近傍界の電磁結合作用により起電力が発生し、これを利用して非接触データ転送が可能である。そして、上述したように広帯域な特性を有する伝送線路自体をアンテナとして用いているので、デジタル・ベースバンドに含まれる広帯域なＡＣ成分を、送信アンテナから受信アンテナに直接パルス信号として伝送することができる。デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送すると、複雑な変復調回路を必要とせず、システムの高速化、低消費電力化に適しており、容易にＧｂｐｓを超える通信システムを実現することができる。

スロット伝送線路長が進行波の波長より短い場合には、順方向に伝わる進行波の振幅と比較して、逆方向に伝わる進行波（いわゆるリターン電流）の振幅が大きく、支配的になる。そこで、アンテナを小型に製作した場合などにおいては、受信機側では、受信アンテナのスロット伝送路上で、送信アンテナのスロット伝送線路に入力される進行波の進む方向と逆方向に流れる受信信号を受信回路が取り出すようにすればよい。

また、本発明に係る通信システムで用いるアンテナは非共振型であり、自己共振周波数ｆ_rの制限を受けることなく、アンテナ・サイズを大きくしても広帯域を保つことができるので、非接触通信システムにおける通信距離を長くすることができる。

ここで、送受信アンテナを、両面基板ではなく、それぞれ３層又は４層（すなわち２層以上）の基板を用いて構成することができる。但し、この場合には、アンテナ構造と重なる部分には、アンテナ電極とスロット伝送線路に電気的に影響を与えないように、内層パターンを配置しないようにする必要がある。例えば、内層パターンは接地導体面とし、アンテナ電極とマイクロストリップ伝送線路と重なる部分を大きく切り抜く、あるいは、アンテナ電極と重なる部分は、アンテナ電極より一回り大きな開口を形成するようにすればよい。

また、本質的に広帯域な特性を有する伝送線路自体を非接触データ転送用アンテナとして用い、デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送する、という本発明の概念は、シングルエンド伝送だけでなく差動信号伝送にも適用することができる。高速の信号伝送を実現するために小電圧振幅とした場合には、差動伝送により雑音の影響を抑制することができるという利点がある。

差動信号伝送を行なう場合、送信機側のスロット・アンテナは、前記アンテナ電極が前記２つの給電点を結ぶ線を直交する線にほぼ沿って２つに分割され、ＬＶＤＳやＣＭＬなどの差動伝送信号を２つの給電点にそれぞれ供給するようにする。また、分割した間隙の両端部分の２箇所において各アンテナ電極を適切に終端することで、反射の少ない良好な伝送特性を得ることができる。そして、受信機側では、アンテナ電極に配設された２つの給電点から差動信号を取り出すことができる。

一般にデジタル信号の出力段は、伝送線路と良いインピーダンス整合が取られているとは限らない。例えば、ＣＭＬ（Ｃｏｍｍｏｎ Ｍｏｄｅ Ｌｏｇｉｃ）出力などのオープン・ドレイン構成の場合、出力データ（０，１）に応じて、出力インピーダンスは、低インピーダンス（数Ω）から高インピーダンス（数１００Ω）の間を変化する。このような場合、送信アンテナにおけるインピーダンス不整合で生じた反射波は、送信ＩＣへ戻り、その出力段で反射され、再度送信アンテナへと入射される。そして、大きなシンボル間干渉が生じ、受信ＩＣ側での、ジッターの増大、ビットエラーレート（ＢＥＲ）の悪化などの悪影響を引き起こすことが懸念される。

これに対し、本発明に係るアンテナ装置は、広い周波数帯域において、反射の少ない特性を有している。したがって、必ずしも出力段に伝送線路との良いインピーダンス整合を要求しないので、低コスト化、低消費電力化を実現できる利点を有している。特に、差動デジタル信号との親和性が高いので、現在広く普及している高速シリアル転送技術を応用できるという利点がある。

また、本発明に係るアンテナ装置は、デジタル信号が給電されるアンテナ電極と周囲の接地導体面が環状スロットで分離されている構成となっているので、アンテナ周囲の電磁界分布は局所的範囲に限定される。したがって、同一基板上に複数個のアンテナを配置した場合にもアイソレーションを確保することが可能であり、多チャンネル化を図ることができ、システムのデータ転送帯域の拡張が可能となる。さらに、同一多層プリント配線基板上に、アンテナとＩＣを作り込むことができ、これによってシステムの小型化、低コスト化を図ることができる。

勿論、本発明に係る通信システムは、送受信間が近距離に配置されるゆえ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というメリットがある。

本発明によれば、高周波数帯域の使用が可能となるアンテナを用い、近傍界の電磁結合作用による高速なデジタル・データの伝送を実現することができる、優れた通信システム並びにアンテナ装置を提供することができる。

また、本発明によれば、広帯域な周波数成分を含むパルス信号を利用したデジタル・ベースバンド信号を、非接触にて直接転送することができる、優れた通信システム並びにアンテナ装置を提供することができる。

本発明によれば、本質的に広帯域な特性を有する伝送線路自体を非接触データ転送用アンテナとして採用し、特に、環状スロットを有するスロット・アンテナを用いることで、非常に広帯域にわたりインピーダンス整合を確保でき、且つ良好な伝送特性を持つ通信システムを提供することができ、例えば、５Ｇｂｐｓ以上の転送レートにおいても、５ｍｍ程度の非接触転送距離を容易に実現することが可能となる。また、デジタル・ベースバンドに含まれる広帯域なＡＣ成分を直接パルス信号として伝送することができるので、複雑な変復調回路を必要とせず、システムの高速化、低消費電力化に適している。

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。

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。

本発明に係る通信システムは、近傍電磁界を利用した非接触データ伝送を行なうが、本質的に広帯域な特性を有する伝送線路自体を非接触データ転送用アンテナとして用いることで、デジタル・ベースバンドに含まれる広帯域なＡＣ成分を、送信アンテナから受信アンテナに直接パルス信号として伝送するものである。デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送することから、複雑な変復調回路を必要とせず、システムの高速化、低消費電力化に適している。

図１には、本発明の一実施形態に係る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、送信基板１００と受信基板１２０を近接対向して配置させ、シングルエンドのデジタル・データ転送を行なう。

送信基板１００並びに受信基板１２０はともに、一方の面に導体層が形成されるとともに、他方の面に回路コンポーネントが実装された誘電基板からなる。

送信基板１００の受信基板１２０と向き合う一方の面１０１は、導体層からなり、面１０１の中央のアンテナ電極とその周縁の接地導体の間に形設された環状のスロット伝送線路すなわち環状スロット１０２を有するスロット・アンテナ１０３を備えている。スロット・アンテナ１０３の形状としては、接地導体面に囲まれる電極の形状が、図示のように円形である他、正８角形や正６角形などの正多角形であることが好ましい（後述）。

環状スロット１０２からなるスロット・アンテナ１０３には、環状スロット１０２の中央を挟むように２つの給電点１０７及び１０８が設けられている。

一方の給電点１０７は、スルーホールを介して送信基板１００の他方の面１０４で、送信ＩＣ１０６から出る給電線１０５に接続されている。給電線１０５は、送信基板１００の他方の面１０４に形成された線条の導体パターンからなるマイクロストリップ伝送線路として構成される。マイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンスは、その線路幅と送信基板１００の厚さにより調整することができる（例えば、新井宏之著「新アンテナ工学−移動通信時代のアンテナ技術−」総合電子出版社、２００１年９月１０日、第３版、第３０乃至３１ページを参照のこと）。ここで、スルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合を小さくすることによって、反射を小さくし、定在波の発生を抑えることが可能であることから、広帯域特性を実現することができる。

また、他方の給電点１０８は、スロット・アンテナ１０３の中央を挟んで給電点１０７とはほぼ反対側となる場所に配置されているが、スルーホールを介して送信基板１００の他方の面１０４で、終端抵抗１０９に接続されている。図示するように、給電点１０７及び１０８間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たしていることを理解されたい。

同様に、受信基板１２０の送信基板１００と向き合う一方の面１２４は、導体層からなり、アンテナ電極と接地導体の間に形設された環状スロット１２２を有するスロット・アンテナ１２３を備え、環状スロット１２２の中央を挟むよう２つの給電点１２７及び１２８が設けられている。

一方の給電点１２７は、スルーホールを介して受信基板１２０の他方の面１２１で、受信ＩＣ１２６に繋がるマイクロストリップ伝送線路からなる給電線１２５に接続されている。但し、スルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合を小さくすることとする（同上）。

また、他方の給電点１２８は、スロット・アンテナ１２３の中央を挟んで給電点１２７とはほぼ反対側となる場所に配置されているが、スルーホールを介して受信基板１２０の他方の面１２１で、終端抵抗１２９に接続されている。図示するように、給電点１２７及び１２８間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たしている（同上）。

なお、受信アンテナ側では、終端抵抗１２９の値は０Ωに設定することも可能である。この場合、図２に示すように、給電点１２８において、スルーホールを介さず、アンテナ電極を接地導体に直接ショートする構成としてもよい。

図１に示したアンテナの動作原理について、図３及び図４を参照しながら説明する。

環状スロットを有するスロット・アンテナの形状としては、接地導体面に囲まれる電極の形状が、円形、若しくは正８角形や正６角形などの正多角形であることが好ましい。このような場合、アンテナ電極と接地導体面との間の環状スロットは、スロット伝送線路として考えるのが適当である。他方、アンテナ電極の形状が長方形で、且つ２つの給電点を繋ぐ方向（長方形の高さ）が、それに直交する方向（長方形の幅）に対して十分大きいと、アンテナ電極はコプレーナ伝送線路として捉える方が適当である。以下では、環状スロットを前者のスロット伝送線路と捉えた場合に限定して説明を進める。

図３には、図１に示した通信システムにおいて、送信アンテナ並びに受信アンテナを進行する進行波の様子を示している。

図３Ａに示す送信アンテナの構造において、マイクロストリップ伝送線路２００からなる給電線は、環状スロット上の一方の給電点２０２において、スルーホールを介してスロット伝送線路２０３にほぼ直角に接続されている。なお、相川正義外著「モノリシックマイクロ波集積回路（ＭＭＩＣ）」（電子情報通信学会、平成９年１月２５日初版、第５０乃至５１ページ）には、マイクロストリップ伝送線路をスルーホール経由でコプレーナ伝送線路へ変換する方法、並びにコプレーナ伝送線路からスロット伝送線路へ変換する方法が記載されており、例えばコプレーナ伝送線路を介してマイクロストリップ伝送線路からストリップ伝送線路へ線路変換することができる。

マイクロストリップ伝送線路２００から流れ込む準ＴＥＭ（Ｔｒａｎｓｖｅｒｓｅ Ｅｌｅｃｔｒｉｃ Ｍａｇｎｅｔｉｃ）波２０１は、上述のようにして線路変換が行なわれた後、図３Ｂに示すように、給電点２０２において、互いに逆方向に進行する２つのＴＥ₁₀モード（断面内だけに電界の成分がある）の進行波に変換される。同図中では、環状スロットを時計回りに進行する進行波を参照番号２０４ａで示し、反時計回りに進行する進行波を参照番号２０４ｂで示している。

スロット伝送線路２０３を互いに逆方向に進行する２つの進行波２０４ａ並びに２０４ｂは、それぞれ進行波２０５ａ、２０５ｂとして、環状スロットの他方の給電点２０６において合成され、スルーホールを介してマイクロストリップ伝送線路２０７に接続され、再度準ＴＥＭ波２０８に変換される。

後述するように、送信アンテナ側でスロット伝送線路上を２方向に分岐して伝搬する各進行波から漏れ出た近傍電界並びに近傍磁界は、受信アンテナのスロット伝送線路に到達すると、電磁結合作用によって順方向に伝搬する進行波と逆方向に伝搬する進行波を誘起する。図３Ｃには、受信アンテナ側で、送信アンテナ側のスロット伝送線路を伝搬する進行波とは逆方向に誘起された進行波の様子を示している。マイクロストリップ伝送線路からスロット伝送線路へ、並びにスロット伝送線路からマイクロストリップ伝送線路へ、線路変換する動作は受信アンテナについても上記と同様である。

上述したように、２つの給電点間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送信、受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たしている。ここで、各給電点２０２、２０６にてマイクロストリップ伝送線路２００、２０７に接続されたスロット伝送線路２０３を回路的に解釈すると、ＴＥ₁₀モードの進行波２０４ａ（２０５ａ）、２０４ｂ（２０５ｂ）が互いに逆方向に進行する２本のスロット伝送線路が、１本のマイクロストリップ伝送線路に並列接続された構成となっている。したがって、並列接続された２本のスロット伝送線路の特性インピーダンスとマイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンスをおおよそ２：１と設定したときには、インピーダンスを整合させることができる。

スロット伝送線路は、マイクロストリップ伝送線路と比較して特性インピーダンスの周波数分散は大きいが、それぞれ、デジタル・ベースバンド信号伝送のために必要な周波数帯域の中心周波数付近におけて特性インピーダンスを整合させるように設計することで、広い周波数帯域において、反射の少ない良好な伝送特性を得ることができる。

図４には、近接対向して配置された送信アンテナと受信アンテナの間で発生する近傍電界の様子を示している。但し、同図中で一点鎖線で示す矢印は、電気力線を模式的に表している。図示のように、送信アンテナのスロット伝送線路３００に沿って進行波３０１が伝わると、スロット伝送線路３００をほぼ同心円状に取り巻く電界３０２が発生する。そして、送信アンテナのスロット伝送線路３００に沿って伝わる進行波３０１から漏れ出た近傍界の電界３０２と磁界（図示しない）は、受信アンテナのスロット伝送線路３０３に到達すると、電磁結合作用によって、上記の進行波３０１に対し順方向にスロット伝送線路３０３上を伝搬する進行波３０４と、進行波３０１とは逆方向にスロット伝送線路３０３上を伝わる進行波３０５を誘起する。

特に、スロット伝送線路長が進行波の波長より短い場合には、順方向に伝わる進行波の振幅と比較して、逆方向に伝わる進行波（いわゆるリターン電流）の振幅が大きく、支配的になることが、本発明者らが実施した電磁界解析より分かっている。したがって、小型のシステムにおいてアンテナ面積の削減が求められる場合には、受信機側では、送信アンテナに入力される進行波の進む方向と逆方向に受信信号を取り出す構成が有利であると言える。このことは、図６〜８で示す測定結果にも表れているが、この点については後に詳解する。

図３を参照しながら説明したように、本実施形態に係る通信システムで利用される送信アンテナ及び受信アンテナは、伝送線路自体をアンテナとして利用したものであり、デジタル・ベースバンドに含まれる広帯域なＡＣ成分を、送信アンテナから受信アンテナに直接パルス信号として伝送することができる。すなわち、送受信アンテナを近接して配置した状態で、送信ＩＣから送信アンテナに高速なデジタル・ベースバンド信号を直接に給電すると、送受信アンテナ間には近傍界の電磁結合作用により起電力が発生するので、これを利用して非接触データ転送が可能である。デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送することから、複雑な変復調回路を必要とせず、システムの高速化、低消費電力化に適している。

図１に示した通信システムにおける非接触デジタル・データ転送の原理について、図５を参照しながら説明する。

本実施形態に係る送信アンテナ及び受信アンテナは、直流（ＤＣ）成分から１０ＧＨｚ以上の周波数にわたりリターン・ロスを非常に低く抑えることが可能であるから、デジタル・ベースバンド信号を直接、変調を施さずに送信アンテナに入力することが可能である（既に述べたように、スルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合を小さくすることによって、反射を小さくし、定在波の発生を抑えることが可能である）。

図５Ａには、送信機及び受信機の構成を模式的に示している。送信機側では、デジタル・ベースバンド信号からなる送信データは出力バッファを介してそのまま送信アンテナに供給される。受信機側では、図３〜図４を参照しながら説明した動作原理に従って、受信アンテナで伝搬信号を受信すると、これを増幅器で電力増幅し、２値化比較器で２値化処理して、元のデジタル・ベースバンド信号を再生し、これを受信データとして出力する。

図５Ｂには、デジタル・ベースバンド信号からなる送信データと、これに対応する受信信号、並びに受信信号から取り出される受信データを例示している。図５Ｂ上段に示す通り、送信デジタル・ベースバンド信号には、０→１、並びに１→０の２値データの遷移に伴ったＡＣ成分が含まれる。

図４を参照しながら説明したように、送信アンテナで発生する近傍電磁界は電磁結合作用によって受信アンテナに伝わる。図５Ｂ中段に示すように、送信デジタル・ベースバンド信号のデータ遷移に伴ったＡＣ成分は、その遷移の極性に応じたパルス信号として受信アンテナにて受信される。同図中の点線は２値化比較器の判定閾値に相当し、０→１並びに１→０のデータ遷移を判定する。すなわち、図５Ｂ下段に示すように、受信したパルス信号の極性から、デジタル・データを再生することができる。このように、デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送することができるという点を十分理解されたい。

本発明者らは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナを試作し、その動作確認を行なったが、その結果について図６〜図８を参照しながら説明する。

図１並びに図２では、両面基板（導体面が２層）のアンテナ構造を想定したが、３層、４層基板など、２層以上の基板を用いて作成することが可能である。但し、４層でアンテナ基板を構成する場合、アンテナ構造と重なる部分には、アンテナ電極とスロット伝送線路に電気的に影響を与えないように、第２層並びに第３層の内層パターンを配置しないようにする必要がある。

図７Ａ並びに図８Ａには、０．８ｍｍ厚の４層ＦＲ４基板を用いて試作したアンテナ基板の構造をそれぞれ例示している。いずれも、第１層の部品面にマイクロストリップ伝送線路を、第４層の半田面にアンテナ電極を配置した。図７Ａに示した試作品では、第２層及び第３層の内層パターンは、接地導体面とし、アンテナ電極とマイクロストリップ伝送線路と重なる部分を大きく切り抜き、両面基板と同等の層構成となるようにしている。また、図８Ａに示した試作品では、第２層及び第３層の内層パターンは、接地導体面とし、アンテナ電極と重なる部分は、アンテナ電極より一回り大きな開口が形設されている。

図６Ａには、測定時における送信アンテナ及び受信アンテナの配置を示している。送信アンテナ電極７０２及び受信アンテナ電極７１２はともに直径６．０ｍｍの円盤で、接地導体との間に形成されるスロット伝送線路幅は０．２ｍｍとした。スロット伝送線路の特性インピーダンス設計値は１００Ωである。図７Ａに示した試作品では、給電線７０１と給電線７１１は線幅１．６ｍｍのマイクロストリップ伝送線路で、特性インピーダンスの設計値は５０Ωである。図８Ａに示した試作品では、給電線７０１と給電線７１１は線幅０．２ｍｍのマイクロストリップ伝送線路で、特性インピーダンスの設計値は５０Ωである。

図６Ａに示すように、送信アンテナ基板７００と受信アンテナ基板７１０を、２．０ｍｍ離してアンテナ面が互いに向き合うように設置する。送信基板の入力側ポート７０３には、立ち上り時間１００ピコ秒のステップ波形を入力し、出力側ポート７０４には５０Ωの終端抵抗を接続する。図６Ｂには、ポート７０３への入力のステップ波形を示している。但し、横軸は時間軸で１目盛当たり２００ピコ秒とし、縦軸は電圧軸で任意単位とする。

受信基板７１０からの出力は、一方のポートからシングルエンドで取り出し、他方のポートには５０Ωの終端抵抗を接続した。図４を参照しながら説明したように、送信アンテナ７０２側のスロット伝送線路に沿って伝わる進行波から発生した近傍電磁界が、対向する受信アンテナ７１２側のスロット伝送線路に到達すると、電磁結合作用によって、順方向及び逆方向に伝搬する進行波がそれぞれ誘起される。そこで、受信基板７１０からの出力としては、ポート７１４から出力を取り出す前方出力と、ポート７１３から出力を取り出す後方出力を測定することとした。また、前方出力を測定する際にはポート７１３に５０Ωの終端抵抗を接続し、後方出力を測定する際には、ポート７１４に５０Ωの終端抵抗を接続することとした。測定には、ネットワーク・アナライザの時間領域解析機能を用いた。

図７Ｂ並びに図７Ｃには、図７Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での前方出力波形と後方出力波形をそれぞれ示している。但し、横軸は時間軸で１目盛当たり２００ピコ秒とし、縦軸は電圧軸で任意単位とする。入力ステップ波形の振幅を１としたときに、受信アンテナ７１２の後方出力からは、約０．０６２の振幅を持ち、時間幅が２００ｐｓ以下のパルス波形が測定された。一方、受信アンテナ７１２の前方出力からは、小さな振幅の波形しか測定されない。

また、図８Ｂ並びに図８Ｃには、図８Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での前方出力波形と後方出力波形をそれぞれ示している。但し、横軸は時間軸で１目盛当たり２００ピコ秒とし、縦軸は電圧軸で任意単位とする。この場合も同様に、入力ステップ波形の振幅を１としたときに、受信アンテナ７１２の後方出力からは、約０．０５０の振幅を持ち、時間幅が２００ｐｓ以下のパルス波形が測定された。一方、受信アンテナ７１２の前方出力からは、小さな振幅の波形しか測定されない。

これらの結果から、両面基板を用いた場合、及び３層以上の多層基板を用いた場合の双方とも、５Ｇｂｐｓ程度の転送レートを実現する上で十分良好な特性を有しており、本発明で提供するアンテナの動作を実証していると言える。

本発明に係る通信システムは、本質的に広帯域な特性を有する伝送線路自体を非接触データ転送用アンテナとして用い、デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送するものであるが、このような発明の概念は、シングルエンド伝送だけでなく差動信号伝送にも適用することができる。高速の信号伝送を実現するために小電圧振幅とした場合には、差動伝送により雑音の影響を抑制することができるという利点がある。

図９には、本発明の他の実施形態に係る通信システムの構成例を示している。送信基板５００と受信基板５２０は、近接対向して配置されている。送信基板５００並びに受信基板５２０はともに、一方の面に導体層に環状スロットからなるスロット・アンテナが形成されるとともに、他方の面に送信ＩＣ５０１若しくは受信ＩＣ５２６などの回路コンポーネントが実装された誘電基板である。図１に示した通信システムと同様にデジタル・データ転送を行なうが、差動伝送を行なう点で相違する。

まず、送信機について説明する。図１に示した通信システムでは、スロット・アンテナ１０３はアンテナ電極と接地導体の間に形成された環状のスロット伝送線路からなり、スロット・アンテナの中央を挟むように２つの給電点１０７、１０８が配設されている。これに対し、図９に示す実施形態では、接地導体のほぼ中央部分においてスロット伝送線路で分離されたアンテナ電極が配置される点では共通するが、送信基板５００の一方の面に、スロット・アンテナの中央を挟むように設けられた２つの給電点５０４、５０５を結ぶ線を直交する線にほぼ沿って分割された２つのアンテナ電極５０３ａ及び５０３ｂを備えている。そして、各アンテナ電極５０３ａ、５０３ｂを分割した間隙の両端部分において、アンテナ電極５０３ａ、５０３ｂ間は終端抵抗５０６ａ、５０６ｂで接続されている。

なお、各アンテナ電極５０３ａ、５０３ｂの終端方法は図９に限定されるものではない。例えば、図１０に示すように、アンテナ電極と接地導体との間、若しくは電源端子との間に、終端抵抗５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄを配置するという変形例も考えられる。

また、送信基板５００の他方の面には、送信ＩＣ５０１を始めとする回路コンポーネントが実装されている。送信ＩＣ５０１からは、デジタル・ベースバンド信号がＬＶＤＳやＣＭＬなどの差動電気信号として２つに分岐された差動伝送線路５０２ａ、５０２ｂに出力される。各差動伝送線路５０２ａ、５０２ｂは、マイクロストリップ伝送線路からなるが、スルーホールを介してそれぞれ給電点５０４、５０５において各アンテナ電極５０３ａ、５０３ｂに接続されている。

送信ＩＣ５０１から出力された電気信号は、インピーダンス整合された、マイクロストリップ伝送線路（５０２ａ、５０２ｂ）、スルーホール、及びスロット伝送線路を通り、そのほとんどが、終端抵抗において熱に変換されるので、反射の少ない良好な伝送特性を得ることができる。

続いて、受信機について説明する。受信基板５２０は、一方の面に、アンテナ電極と接地導体の間に形成された環状のスロット伝送線路からなるスロット・アンテナ５２１を備えている。そして、スロット・アンテナ５２１には、その中央を挟むように２つの給電点５２２、５２３が配設され、それぞれスルーホールを介して他方の面のマイクロストリップ伝送線路５２５ａ、５２５ｂに接続されている。２本のマイクロストリップ伝送線路５２５ａ、５２５ｂはアンテナの近くで交わり、差動伝送線路５２５として受信ＩＣ５２６に接続されている。

図１１Ａ並びに図１１Ｂには、図９に示した通信システムにおいて、送信アンテナ並びに受信アンテナを進行する進行波の様子をそれぞれ示している。また、図１２Ａ並びに図１２Ｂには、図１０に示した通信システムにおいて、送信アンテナ並びに受信アンテナを進行する進行波の様子をそれぞれ示している。

マイクロストリップ伝送線路からなる各差動伝送線路５０２ａ、５０２ｂは、給電点５０４、５０５においてスルーホールを介してアンテナ電極５０３ａ、５０３ｂにそれぞれ接続されている。したがって、差動伝送線路５０２ａに流れ込む準ＴＥＭ波は、給電点５０４において互いに逆方向に進行する２つのＴＥ₁₀モードの進行波に変換され、同様に、差動伝送線路５０２ｂに流れ込む準ＴＥＭ波は、給電点５０５において互いに逆方向に進行する２つのＴＥ₁₀モードの進行波に変換される。その後、各給電点５０４、５０５をそれぞれ分岐点として互いに逆方向に進行する２組の進行波は、アンテナ電極５０３ａ、５０３ｂの各端において、終端抵抗５０６ａ、５０６ｂ、若しくは終端抵抗５０７ａ、５０７ｂを介して終端されている。すなわち、送信ＩＣ５０１から出力された電気信号は、インピーダンス整合された、マイクロストリップ伝送線路（５０２ａ、５０２ｂ）、スルーホール、及びスロット伝送線路を通り、そのほとんどが、終端抵抗において熱に変換されるので、反射の少ない良好な伝送特性を得ることができる（前述）。

各差動伝送線路５０２ａ、５０２ｂから給電点５０４、５０５に流れ込んだ進行波は、それぞれ分岐して終端抵抗６０６ａ、５０６ｂ若しくは５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄに向かって進行する。このように図１１Ａ並びに図１２Ａに示したように送信アンテナのスロット伝送線路に沿って進行波が伝わると、図４で示した例と同様に、スロット伝送線路をほぼ同心円状に取り巻く電界が発生する。送信アンテナのスロット伝送線路に沿って伝わる２組の進行波から漏れ出た近傍界の電界と磁界は、受信アンテナのスロット伝送線路５２１に到達すると、電磁結合作用によって、上記の進行波に対し順方向並びに逆方向にスロット伝送線路５２１上を伝搬するそれぞれ２組の進行波を誘起する。順方向に伝わる進行波の振幅と比較して、逆方向に伝わる進行波すなわちリターン電流の振幅が大きく、支配的になる（同上）。

図１１Ｂ並びに図１２Ｂに示すように、スロット伝送線路５２１に誘起された２組のリターン電流は、各給電点５２２、５２３においてそれぞれ合成されて１対の差動信号となる。そして、この差動信号は、スルーホール並びにマイクロストリップ伝送線路５２５ａ、５２５ｂを介して受信ＩＣ５２６に到達する。受信アンテナには終端抵抗を設けていないので、受信信号の電力が熱として損なわれること無く、良好な受信感度を実現することができる。

本発明に係る通信システムでは、アンテナ電極と接地導体との間に環状スロット線路を有するアンテナ装置を送受信アンテナとするが、広帯域な特性を有する伝送線路自体を非接触データ転送用アンテナとして用いることにより、デジタル・ベースバンド信号をそのまま伝送することができるという効果がある。他方、スロット・アンテナ自体は当業界において周知である。そこで、最後に、本発明で用いるアンテナ装置との相違について言及しておく。

一般に、無限導体板に長さＬ並びに幅Ｗ、（Ｌ＞＞Ｗ）の切り込みを入れ、スロットの幅の狭い方に高周波電源を繋いだものをスロット・アンテナと言い、ダイポール・アンテナとは補対関係にある。このようなスロット・アンテナは、長さＬによって決まるある特定の周波数に対して共振し、平面波を送出し、あるいは受信するアンテナとして動作する（例えば、新井宏之著「新アンテナ工学−移動通信時代のアンテナ技術−」総合電子出版社、２００１年９月１０日、第３版、第５５乃至５７ページを参照のこと）。

また、導体板に環状のスロットを設けたスロット・アンテナについては、既に幾つか提案されているが、主に、特定周波数（狭帯域）の円偏波を送出、受信する目的で用いられる（例えば、特許第２６４６２７３号公報、特許第３２４７１４０号公報を参照のこと）。これらのアンテナでは、円形スロット線路に給電点と摂動素子を設け、給電点から見て時計回り又は反時計回り方向の摂動素子までのスロット線路長が半波長となる周波数のＴＥ₁₀波に対して定在波を発生させ、その電界成分と、左旋円偏波又は右旋円偏波の電界成分との変換により平面波としての電波の送出、受信が行なわれている。したがって、この種の環状スロット・アンテナは、共振型の狭帯域特性を示す。

これに対し、本発明に係る通信システムでは、２つのスロット・アンテナを近接対向して配置し、送信アンテナのスロット伝送線路に沿って進行するＴＥ₁₀波の近傍電界成分並びに近傍磁界成分を、直接受信アンテナのスロット伝送線路に結合させるようにしており、共振型のアンテナとは相違する。ここで、環状スロットにはその中央を挟むように２つの給電点が設けられているが、これら給電点間のスロット線路長は時計回りと反時計回りでほぼ等しく、送受信アンテナ間の信号伝送にとって等しい役割を果たしている。また、スルーホールを介したスロット伝送線路とマイクロストリップ伝送線路の接続は、インピーダンス不整合が小さいため反射が小さく、定在波の発生を抑えることが可能であることから、広帯域特性を実現することができる。

したがって、本発明に係る通信システムによれば、広帯域な周波数成分を含むパルス信号を利用したデジタル・ベースバンド信号を、近距離ではあるが非接触にて直接転送することが可能となり、従来の変復調を用いた通信方式と比較して、圧倒的な高速化を容易に図ることが可能となる訳である。

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。

本発明に係る通信システムは、例えば、ＡＶ機器とテレビ、またはコンピュータとディスプレイ（プロジェクタ）を繋ぐケーブルのコネクタを非接触化するようなアプリケーションが可能となる。これにより、筐体に電気的コネクタを露出させる必要がなくなり、機器の耐水耐久性、デザイン性を向上させることができる。また、マグネットによる着脱機構との併用など工夫を加えると、ケーブルの取り回しを容易にしてユーザーの利便性を向上させる、ケーブルを引っ掛けた場合などに機器の転倒を防ぐ等の安全性を向上させるという効果を生むことができる。

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。

図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムの構成例を示した図である。 図２は、受信基板１２０側の変形例を説明するための図である。 図３Ａは、図１に示した通信システムで使用されるアンテナの動作原理を説明するための図であり、具体的には、給電線２００が給電点２０２においてスルーホールを介してスロット伝送線路２０３にほぼ直角に接続されている送信アンテナの構造を示した図である。 図３Ｂは、図１に示した通信システムで使用されるアンテナの動作原理を説明するための図であり、具体的には、送信アンテナ側で、マイクロストリップ伝送線路２００から流れ込む準ＴＥ波２０１が給電点２０２で互いに逆方向に進行する２つのＴＥ₁₀モードの進行波に変換される様子を示した図である。 図３Ｃは、図１に示した通信システムで使用されるアンテナの動作原理を説明するための図であり、具体的には、送信アンテナ側でスロット伝送線路上を伝搬する進行波から漏れ出る近傍電磁界の電磁結合作用によって受信アンテナ側のスロット伝送線路上に誘起される進行波の様子を示した図である。 図４は、図１に示した通信システムで使用されるアンテナの動作原理を説明するための図であり、具体的には、近接対向して配置された送信アンテナと受信アンテナの間で発生する近傍電界の様子を示した図である。 図５Ａは、図１に示した通信システムにおける非接触デジタル・データ転送の原理を説明するための図であり、具体的には、送信機及び受信機の構成を模式的に示した図である。 図５Ｂは、図１に示した通信システムにおける非接触デジタル・データ転送の原理を説明するための図であり、具体的には、デジタル・ベースバンド信号からなる送信データと、これに対応する受信信号、並びに受信信号から取り出される受信データを例示した図である。 図６Ａは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、測定時における送信アンテナ及び受信アンテナの配置を示した図である。 図６Ｂは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、図６Ａに示した送信アンテナのポート７０３への入力のステップ波形を示した図である。 図７Ａは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、４層ＦＲ４基板を用いて試作したアンテナ基板の構成例を示した図である。 図７Ｂは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、図７Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での前方出力波形を示した図である。 図７Ｃは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、図７Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での後方出力波形を示した図である。 図８Ａは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、４層ＦＲ４基板を用いて試作したアンテナ基板の構成例を示した図である。 図８Ｂは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、図８Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での前方出力波形を示した図である。 図８Ｃは、アンテナ電極と接地導体の間に環状スロット伝送線路を有するスロット・アンテナの動作確認結果を示した図であり、具体的には、図８Ａに示した試作品における受信アンテナ７１２での後方出力波形を示した図である。 図９は、本発明の他の実施形態に係る通信システムの構成例を示した図である。 図１０は、図９に示した通信システムの送信基板の変形例を示した図である。 図１１Ａは、図９に示した通信システムにおいて、送信アンテナを進行する進行波の様子を示した図である。 図１１Ｂは、図９に示した通信システムにおいて、受信アンテナを進行する進行波の様子を示した図である。 図１２Ａは、図１０に示した通信システムにおいて、送信アンテナを進行する進行波の様子を示した図である。 図１２Ｂは、図１０に示した通信システムにおいて、受信アンテナを進行する進行波の様子を示した図である。

符号の説明

１００…送信基板
１０２…環状スロット
１０３…スロット・アンテナ
１０５…給電線（マイクロストリップ伝送線路）
１０６…送信ＩＣ
１０７、１０８…給電点
１０９…終端抵抗
１２０…受信基板
１２２…環状スロット
１２３…スロット・アンテナ
１２５…給電線（マイクロストリップ伝送線路）
１２６…受信ＩＣ
１２７、１２８…給電点
１２９…終端抵抗
２００、２０７…マイクロストリップ伝送線路
２０２、２０６…給電点
２０３…スロット伝送線路
３００…スロット伝送線路（送信アンテナ側）
３０３…スロット伝送線路（受信アンテナ側）
５００…送信基板
５０１…送信ＩＣ
５０２ａ、５０２ｂ…差動伝送線路
５０３ａ、５０３ｂ…アンテナ電極
５０４、５０５…給電点
５０６ａ、５０６ｂ…終端抵抗
５０７ａ、５０７ｂ、５０７ｃ、５０７ｄ…終端抵抗
５２０…受信基板
５２１…スロット・アンテナ
５２２、５２３…給電点
５２５ａ、５２５ｂ…マイクロストリップ伝送線路
５２６…受信ＩＣ
７００…送信基板
７０１…給電線
７０２…送信アンテナ
７０３、７０４…ポート
７１０…受信基板
７１１…給電線
７１２…受信アンテナ
７１３、７１４…ポート

Claims (28)

1. アンテナ電極と接地導体面との間に環状のスロット伝送線路を有するスロット・アンテナを送信機側及び受信機側の双方で備え、当該送信アンテナ及び受信アンテナを近接対向して配置して、当該送信アンテナ及び受信アンテナのスロット伝送線路間で生じる近傍界の電磁結合を利用してデータ伝送を行なう、
   ことを特徴とする通信システム。
2. 送信アンテナのスロット伝送線路に沿って進行するＴＥ₁₀波の近傍電界成分又は近傍磁界成分を受信アンテナのスロット伝送線路に結合させて、データ伝送を行なう、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
3. 前記接地導体面に囲まれる前記アンテナ電極の形状が、円形、若しくは正８角形や正６角形などの正多角形である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
4. 前記スロット・アンテナは誘電体基板の一方の面に形成され、前記環状のスロット伝送線路の中央を挟むように２つの給電点が配設される、
   ことを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
5. 前記スロット伝送線路は、一方の給電点にてスルーホールを介して前記誘電体基板の他方の面に通じて当該他方の面上に実装された送信若しくは受信回路チップに繋がるマイクロストリップ線路に接続され、他方の給電点にてスルーホールを介して前記誘電体基板の他方の面で終端される、
   ことを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
6. 前記スルーホールを介した前記スロット伝送線路と前記マイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合を小さくする、
   ことを特徴とする請求項５に記載の通信システム。
7. 前記２つの給電点の間を並列接続された２本のスロット伝送線路の特性インピーダンスとマイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンスをおおよそ２：１と設定する、
   ことを特徴とする請求項６に記載の通信システム。
8. 前記スロット伝送線路の特性インピーダンスを、使用周波数帯域の中心周波数付近において整合させる、
   ことを特徴とする請求項７に記載の通信システム。
9. 前記送信機側では、前記送信回路は、前記給電点の一方に対して、送信信号として高速なデジタル・ベースバンド信号を直接に給電する、
   ことを特徴とする請求項８に記載の通信システム。
10. 前記受信機側では、前記受信回路は、前記受信アンテナのスロット伝送路上で、前記送信アンテナのスロット伝送線路に入力される進行波の進む方向とは逆方向に流れる受信信号を取り出す、
    ことを特徴とする請求項９に記載の通信システム。
11. 前記スロット・アンテナは、３層又は４層基板を用いて構成される、
    ことを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
12. 第２層又は第３層の内層パターンは、接地導体面とし、前記アンテナ電極と前記マイクロストリップ伝送線路と重なる部分が大きく切り抜きかれている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の通信システム。
13. 第２層又は第３層の内層パターンは、接地導体面とし、前記アンテナ電極と重なる部分に前記アンテナ電極よりも十分に大きな開口が形設されている、
    ことを特徴とする請求項１１に記載の通信システム。
14. 前記送信機側のスロット・アンテナは、前記アンテナ電極が前記２つの給電点を結ぶ線を直交する線にほぼ沿って２つに分割され、且つ、分割した間隙の両端部分の２箇所において各アンテナ電極は終端され、差動伝送信号が前記２つの給電点にそれぞれ供給され、
    前記受信機側では、前記アンテナ電極に配設された前記２つの給電点から差動信号が取り出される、
    ことを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
15. 請求項１に記載の通信システムにおいて送信機又は受信機において使用されるアンテナ装置であって、
    一方の面に導体層を持つ誘電体基板と、
    前記一方の面上に形成された、ほぼ中央のアンテナ電極と、前記アンテナ電極の周囲の接地導体面と、前記アンテナ電極と前記接地導体面との間隙からなるスロット伝送線路で構成されるスロット・アンテナと、
    を具備することを特徴とするアンテナ装置。
16. 前記接地導体面に囲まれる前記アンテナ電極の形状が、円形、若しくは正８角形や正６角形などの正多角形である、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ装置。
17. 前記環状のスロット伝送線路の中央を挟むように２つの給電点が配設される、
    ことを特徴とする請求項１５に記載のアンテナ装置。
18. 前記スロット伝送線路は、前記の各給電点においてスルーホールを介して前記誘電体基板の他方の面に通じ、当該他方の面上に実装された送信若しくは受信回路チップに繋がるマイクロストリップ線路に接続されている、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のアンテナ装置。
19. 前記スルーホールを介した前記スロット伝送線路と前記マイクロストリップ伝送線路の接続のインピーダンス不整合が小さく設定される、
    ことを特徴とする請求項１８に記載のアンテナ装置。
20. 前記２つの給電点の間を並列接続された２本のスロット伝送線路の特性インピーダンスとマイクロストリップ伝送線路の特性インピーダンスをおおよそ２：１と設定する、
    ことを特徴とする請求項１９に記載のアンテナ装置。
21. 前記スロット伝送線路の特性インピーダンスを、使用周波数帯域の中心周波数付近において整合させる、
    ことを特徴とする請求項２０に記載のアンテナ装置。
22. 前記送信機の送信アンテナとして用いられ、
    前記送信回路は、前記給電点の一方に対して、送信信号として高速なデジタル・ベースバンド信号を直接に給電する、
    ことを特徴とする請求項２１に記載のアンテナ装置。
23. 前記受信機の受信アンテナとして用いられ、
    請求項２２に記載のアンテナ装置を備えた送信機からの伝送信号を受信する際に、前記受信回路は、前記受信アンテナのスロット伝送路上で、前記送信アンテナのスロット伝送線路に入力される進行波の進む方向とは逆方向に流れる受信信号を取り出す、
    ことを特徴とする請求項２１に記載のアンテナ装置。
24. 前記スロット・アンテナは、３層又は４層基板を用いて構成される、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のアンテナ装置。
25. 第２層又は第３層の内層パターンは、接地導体面とし、前記アンテナ電極と前記マイクロストリップ伝送線路と重なる部分が大きく切り抜きかれている、
    ことを特徴とする請求項２４に記載のアンテナ装置。
26. 第２層又は第３層の内層パターンは、接地導体面とし、前記アンテナ電極と重なる部分に前記アンテナ電極よりも十分に大きな開口が形設されている、
    ことを特徴とする請求項２４に記載のアンテナ装置。
27. 前記送信機の送信アンテナとして用いられ、
    前記アンテナ電極は、前記２つの給電点を結ぶ線を直交する線にほぼ沿って２つに分割され、且つ、分割した間隙の両端部分の２箇所において各アンテナ電極は終端され、差動伝送信号が前記２つの給電点にそれぞれ供給される、
    ことを特徴とする請求項１７に記載のアンテナ装置。
28. 前記受信機の受信アンテナとして用いられ、
    前記アンテナ電極に配設された前記２つの給電点から差動信号が取り出される、
    ことを特徴とする請求項２７に記載のアンテナ装置。
    

Images