JP2010074794A - カプラ及び通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】非接触で２つの線路同士が結合して通信信号を伝送できるようにした通信体及びそれを備えたカプラを構成する。
【解決手段】カプラ１０３は、第１の通信体６１と第２の通信体６２とで構成されている。第１の通信体６１、第２の通信体６２の何れについても、第１の外導体２及び第２の外導体３の形状が、貫通導体６の配列位置を囲むような形状となっている。誘電体基板１の内部には線状内導体４が配置されている。第２の外導体３の形成面には、線状内導体４の先端付近に、第２の外導体３を部分的に除去した形状の電磁界結合用のスロット５が形成されている。このスロット５は線状内導体４が延びる方向に対して直交方向に長く、その長さは誘電体基板１内を伝搬する通信信号の波長の半波長以下である。これにより、スロット５が配置された第２の外導体３の表面近傍にエバネッセント波が誘起され、このエバネッセント波を介して結合する。
【選択図】図５

Description

この発明は、近接状態で２つの通信体同士が結合するカプラ及び通信装置に関するものである。

平行な２つの外導体の間に線状内導体を配置したトリプレート型ストリップ線路において、一方の外導体形成領域にスロットが配置されたものとして特許文献１〜３が開示されている。

特許文献１はアンテナとして用いるものであり、線路の誘電体損失を無くすために上部外導体とストリップ線路の基板との間、及び下部外導体とストリップ線路の基板との間に支持物を挟んで内部を中空としたものである。

特許文献２は、スロット上に導波管を接続して、ストリップ線路−導波管の線路変換器を構成したものである。

特許文献３は、上部地導体、中間地導体、下部地導体を備える多層伝送線路構体である。
その構造を、図１を基に説明する。
図１の（Ａ）はその上面図、（Ｂ）は断面図である。この多層伝送線路構体は、４層をなす誘電体板１１Ａ，１１Ｂ，２１Ａ，２１Ｂ及び地導体１２Ａ，３２，２２Ｂ、線路１３，２４を備えている。中間の地導体３２にはストリップ線路１３，２４のそれぞれの先端部分が互いに対向する位置に結合孔３５が形成されている。さらに結合孔３５の周囲に複数のショートピン３６が形成されている。
実公昭６１−１０３２６号公報 特開平１−２６８２０３号公報 特開昭５４−１３１８５１号公報

本発明は２つの通信体を近接配置して互いに結合させるカプラとして用いるものであるが、特許文献１の構造では、それぞれにアンテナを備えた２つの通信体同士で電磁波を空中に放射して通信を行うものであるため、電波法に定められた周波数帯を用いる必要がある。また、それにより、使用可能な周波数帯域が狭く、信号の伝送速度に制限が生じる場合が多い。

特許文献２の線路変換器は、ストリップ線路と導波管との線路変換を行うものであり、基板型の伝送線路同士でのカプラとして用いることはできない。
さらに、特許文献３の多層伝送線路構体では、同一基板上で異なった層に形成された線路間で結合するように構成されているので、別体の通信体同士で通信を行うことはできない。

そこで、この発明の目的は、一方の通信体の予め定められた箇所に他方の通信体を近接させるか置くだけで結合して通信経路が構成され、データ通信が可能となるインターフェイスとしてのカプラ及び通信装置を提供することにある。

本発明のカプラは、既存技術の有線通信や無線通信とは異なったコンセプトの通信システムで用いるものであり、次のように構成する。

（１）この発明の通信体は、線状内導体と、前記内導体を挟む第１・第２の誘電体板と、前記第１の誘電体板の外面に形成された第１の外導体と、前記第２の誘電体板の外面に形成された第２の外導体と、を備え、前記第２の誘電体板の外面の前記線状内導体の先端付近に、前記第２の外導体を部分的に除去した形状のスロットが形成された、第１・第２の通信体から成り、
第１・第２の通信体の前記スロット同士が対向した状態で、第１の通信体と第２の通信体とが結合することを特徴とする。

この構成により、第１・第２の通信体が電磁波を伝送するとともに、スロット同士を近づけた状態で使用するため、電波の不要放射が殆どなく、電波法に定められた周波数以外での周波数帯域で通信を行うことができる。そのため、高速通信も実現できる。

（２）前記第１の通信体または第２の通信体の少なくとも一方の第１・第２の誘電体には、前記スロット及び前記線状内導体を囲む導体壁が形成されたものとする。
この構成により、基板内を伝搬する電磁波が信号の伝送に寄与しない電磁波が基板内で漏れ広がるのを抑制でき、挿入損失が低減される。

（３）前記線状内導体を囲む前記導体壁の幅は前記スロットを囲む前記導体壁の幅より狭く構成する。
これにより、スロットで生じた不要モードが線状内導体を経由して反射するのを遮断できる。そのため、スロット同士の結合が強まる。

（４）前記導体壁は前記第１・第２の外導体同士を導通させる複数の貫通導体が配列されたものとする。
この構成により、基板加工技術で導体壁を構成でき、低コスト化が図れる。

（５）少なくとも前記第１の外導体の面積は前記第１・第２の誘電体板の面積よりも小さく形成する。
この構成により、スロットが設けられている第１の外導体間同士が対向する間隙で平行平板モードが起こることが防止でき、スロット間の間隙からの不要放射が抑えられる。

（６）前記スロットは前記線状内導体の延びる方向に対して直交方向に長く、その長さが前記第１・第２の誘電体板内を伝搬する通信信号の波長の半波長以下とする。
これにより、アンテナとして動作しないため、第１の通信体及び第２の通信体単体で存在するときには電波の放射が生じない。

（７）前記第１の通信体または第２の通信体の少なくとも一方は、前記第１・第２の誘電体板に、前記線状内導体及び前記スロットから成る組を複数組備えたものとする。
この構成により、第１の通信体と第２の通信体とが誘電体板の面方向にずれたときのスロット間の結合の変化が小さくなり、ずれに強い構造となる。

（８）また、この発明の通信装置は、前記第１の通信体を備えた第１の電子機器と、前記第２の通信体を備えた第２の電子機器とから成り、第１の電子機器と第２の電子機器との近接状態で、前記カプラを構成する。
これにより、第１の電子機器と第２の電子機器とは実質的に非接触状態で通信できる。

この発明によれば、第１・第２の通信体が電磁波を伝送するとともに、スロット同士を近づけた状態で使用するため、実質上非接触で結合するカプラが構成できる。また、電波の不要放射が殆どなく、電波法に定められた周波数以外での周波数帯域で通信を行うことができる。そのため、高速通信が可能となる。

《第１の実施形態》
図２は第１の実施形態に係るカプラの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ部分の断面図である。この通信体４１は、線状内導体４が形成された第１の誘電体板１ａと、この第１の誘電体板１ａの上部に積層された第２の誘電体板１ｂとを備え、第１の誘電体板１ａの外面（図における下面）に第１の外導体２が形成され、第２の誘電体板１ｂの外面（図における上面）に第２の外導体３が形成されている。

このように第１の誘電体板１ａと第２の誘電体板１ｂとの積層構造によって誘電体基板１が構成されるとともに、その内部に線状内導体４が配置されている。

そして、第２の誘電体板１ｂの外面の線状内導体４の先端付近には、第２の外導体３を部分的に除去した形状の電磁界結合用のスロット５が形成されている。このスロット５は線状内導体４が延びる方向に対して直交方向に長く、その長さＬは誘電体基板１内を伝搬する通信信号の波長の半波長以下である。

上記スロット５の長さＬは幅Ｗより長く、また線状内導体４の先端から誘電体基板１内の波長で１／４波長である寸法Ｂだけ戻った位置を中心として形成されている。したがって、スロット５は線状内導体４の電流密度分布の腹、すなわち磁界強度最大の位置にある。

この構造により、通信体４１の伝送路部はトリプレート型のストリップラインとして作用する。この通信体４１単体ではスロット５はスロットアンテナとして作用しないので、このスロット５から電磁波の放射はない。

図３は、図２に示した通信体４１と、その通信体４１と同様のもう１つの通信体４２とで構成されるカプラ１０１の構成を示す図である。図３（Ａ）はカプラ１０１の斜視図、（Ｂ）はカプラ１０１の上面図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ部分の断面図である。

第２の通信体４２は第１の通信体４１と同様の構成であり、第１の通信体４１のスロット５と第２の通信体４２のスロット５とが対向した状態で、第１の通信体４１と第２の通信体４２とが結合する。

誘電体板１ａ，１ｂはそれぞれセラミック板からなり、両者を積層した全体の厚さｔは約０．３０ｍｍである。線状内導体４の線路幅ｓは０．１０ｍｍであり、この線状内導体４と第１・第２の外導体２，３はそれぞれ厚さが約０．０２ｍｍの銅電極である。

この通信体４１，４２はミリ波帯で用いられる。誘電体板１ａ，１ｂは比誘電率が約８．５のセラミック板であり、誘電体基板１内を、線状内導体４の長手方向へ電磁波が伝搬する。この誘電体基板１内を伝搬する電磁波の波長は例えば６０ＧＨｚにおいて約１．７ｍｍである。

図３には表れていないが、通信体４１，４２を伝搬する信号（電磁波）を励振する信号入力手段又は通信体４１，４２を伝搬する信号（電磁波）と結合して信号を取り出す信号出力手段が、この通信体４１，４２に設けられる。

上記スロット５のサイズにより、誘電体基板１を伝搬する電磁波が殆ど減衰することなく、且つスロット５が配置された第２の外導体３の表面近傍にエバネッセント波が誘起される。上記電磁界結合用のスロット５の長さＬ寸法（１．１ｍｍ）は、空気中を伝搬する電磁波の波長（約５．０ｍｍ）の１／４未満であるので、第２の外導体３の表面近傍にエバネッセント波が誘起されることになる。

エバネッセント波は空間に向けて指数関数的に減衰する波であり、物体表面の近傍での通信が可能で、且つ遠方への放射には寄与しない特性をもつ。したがって、電波法による放射規制に対して問題とならない。

《第２の実施形態》
図４は第２の実施形態に係るカプラ１０２の構成を示す斜視図である。
このカプラ１０２は、第１の通信体５１と第２の通信体５２とで構成されている。図３に示した通信体４１，４２と異なり、第１の誘電体板１ａと第２の誘電体板１ｂには、スロット５及び線状内導体４の周囲を囲むように複数の貫通導体６ａ，６ｂがそれぞれ配列されている。

第１の誘電体板１ａに形成された貫通導体６ａ及び第２の誘電体板１ｂに形成された貫通導体６ｂとによる貫通導体６によって、第１の外導体２と第２の外導体３とがそれぞれ電気的に導通する。

隣接する貫通導体６同士の間隙は０．３０ｍｍに定められている。この間隙は誘電体基板１内を伝搬する電磁波の波長の１／４以下である。これにより、配列された貫通導体６は線状内導体４及びスロット５の周囲を囲む導体壁として作用する。

左右の側部に形成された複数の貫通導体６による貫通導体群は、第１の外導体２と第２の外導体３とを同電位にするため、上下の導体の電位差によって励振される平行平板モードが抑圧される。
また、この貫通導体群は方形導波管のＨ面として作用し、導波管としての幅（Ｈ面間の幅）が狭くなるように貫通導体群を配置すれば、遮断周波数が高くなるので、ストリップラインとして動作する周波数での単一モード伝送特性が向上する。すなわち、通信信号の周波数帯の導波管モードが遮断されることによって、ストリップラインのモードでのみ伝送されることになる。

さらに、線状内導体４を囲む前記導体壁の幅はスロット５を囲む導体壁の幅より狭く構成されている。これにより、スロット５で生じた不要モードが線状内導体４を経由して反射するのを遮断できる。

《第３の実施形態》
図５は第３の実施形態に係るカプラ１０３の構成を示す斜視図である。
このカプラ１０３は、第１の通信体６１と第２の通信体６２とで構成されている。図４に示したカプラ１０２と異なり、第１の通信体６１、第２の通信体６２の何れについても、第１の外導体２及び第２の外導体３は貫通導体６の配列位置を囲むような形状となっている。

この構成により、スロット５が設けられている第２の外導体３同士の対向する領域が必要最低限な面積となり、その間隙で平行平板モードが起こることが防止でき、この平行平板モードによる外部への不要放射が抑えられる。

図６は、通信周波数帯を６０ＧＨｚとし、誘電体基板として比誘電率約９のセラミックを使用して構成したカプラ１０３の解析結果である。第１の通信体６１と第２の通信体６２のそれぞれの誘電体基板１を０．ｌｍｍ離してスロット５同士を対向させた時、Ｓパラメータ特性は図６（Ａ）に示すとおりの結果となった。設計周波数６０ＧＨｚにおける通過特性Ｓ２１は−１．８ｄＢであった。

図６（Ｂ）は、同じ材料を用い、一方の通信体のスロットの大きさを１．５×０．２５ｍｍにしてアンテナとして設計した場合の結果である。

図６の（Ａ）（Ｂ）の比較により、カプラとして使用したときの方が、通過特性の良い（挿入損失が低い）周波数帯域が広がっていることが確認できる。

なお、図５に示した２つの通信体６１，６２の一方の通信体についてのみ、第１の外導体２及び第２の外導体３を貫通導体６の配列位置を囲むような形状にしてもよい。

また、第１の外導体２は広面積に形成し、第２の外導体３についてのみ、貫通導体６の配列位置を囲むような形状にしてもよい。これらの場合にも平行平板モードの発生を抑制できる。

《第４の実施形態》
図７は第４の実施形態に係るカプラ１０４の斜視図である。このカプラ１０４は第１の通信体７１と第２の通信体６２とで構成される。第１の通信体７１は、第１の外導体２、第２の外導体３、線状内導体４、及び貫通導体６からなる、トリプレート型ストリップラインを２組備えている。第２の通信体６２は、第１の外導体２、第２の外導体３、線状内導体４、及び貫通導体６からなる、トリプレート型ストリップラインを１組備えている。

上記第２の外導体３の形成面には、線状内導体４の先端付近に、第２の外導体３を部分的に除去した形状の電磁界結合用のスロット５が形成されている。通信体７１の２つの伝送路は、それぞれのスロット５の向き（長手方向の向き）が平行となるように配置されている。
この構成により、第１の通信体７１と第２の通信体６２とが誘電体基板１の面方向にずれたときのスロット５間の結合の変化が小さくなり、ずれに強い構造となる。

図７に示した例では、一方の通信体７１を複数の伝送路の並列配置構造にしたが、両方の通信体を伝送路の並列配置構造にしてもよい。

なお、以上に示した各実施形態では、リジッドな誘電体基板１を用いたが、通信体を構成する誘電体基板はフレキシブルなものであってもよい。
《第５の実施形態》
図８は第５の実施形態に係る通信装置の構成を示す図である。
第１の電子機器２０１の上面付近には図７に示した第１の通信体７１が設けられていて、第２の電子機器２０２の下面付近には図７に示した第２の通信体６２が設けられている。

第１の電子機器２０１の所定位置に第２の電子機器２０２を近接させるか、載置することによって、第１の通信体７１と第２の通信体６２はカプラを構成する。第１の電子機器２０１と第２の電子機器２０２は、このカプラを介して結合して通信することができる。

特許文献３に示されている多層伝送線路構体の上面図及び断面図である。 第１の実施形態に係るカプラの構成を示す図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は上面図、（Ｃ）は（Ｂ）におけるＣ−Ｃ部分の断面図である。 図２に示した通信体４１と、その通信体４１と同様のもう１つの通信体４２とで構成されるカプラ１０１の構成を示す図である。 第２の実施形態に係るカプラ１０２の構成を示す斜視図である。 第３の実施形態に係るカプラ１０３の構成を示す斜視図である。 通信周波数帯を６０ＧＨｚとし、誘電体基板として比誘電率約９のセラミックを使用して構成したカプラ１０３の解析結果である。 第４の実施形態に係るカプラ１０４の斜視図である。 第５の実施形態に係る通信装置の構成を示す図である。

符号の説明

１…誘電体基板
１０１〜１０４…カプラ
１ａ…第１の誘電体板
１ｂ…第２の誘電体板
２…第１の外導体
３…第２の外導体
４…線状内導体
５…スロット
６…貫通導体
４１，５１，６１，７１…第１の通信体
４２，５２，６２…第２の通信体
２０１…電子機器
２０２…電子機器

Claims (8)

1. 線状内導体と、前記線状内導体を挟む第１・第２の誘電体板と、前記第１の誘電体板の外面に形成された第１の外導体と、前記第２の誘電体板の外面に形成された第２の外導体と、を備え、前記第２の誘電体板の外面の前記線状内導体の先端付近に、前記第２の外導体を部分的に除去した形状のスロットが形成された、第１・第２の通信体から成り、
   第１・第２の通信体の前記スロット同士が対向した状態で、第１の通信体と第２の通信体とが結合するカプラ。
2. 前記第１の通信体または前記第２の通信体の少なくとも一方の第１・第２の誘電体板に、前記スロット及び前記線状内導体を囲む導体壁が形成された請求項１に記載のカプラ。
3. 前記線状内導体を囲む前記導体壁の幅は前記スロットを囲む前記導体壁の幅より狭い、請求項２に記載のカプラ。
4. 前記導体壁は前記第１・第２の外導体同士を導通させる複数の貫通導体が配列されて成る、請求項２または３に記載のカプラ。
5. 少なくとも前記第２の外導体の面積は前記第１・第２の誘電体板の面積よりも小さい、請求項１〜４のいずれかに記載のカプラ。
6. 前記スロットは前記線状内導体の延びる方向に対して直交方向に長く、その長さが前記第１・第２の誘電体板内を伝搬する通信信号の半波長以下である、請求項１〜５のいずれかに記載のカプラ。
7. 前記第１の通信体または第２の通信体の少なくとも一方は、前記第１・第２の誘電体板に、前記線状内導体及び前記スロットから成る組を複数組備えた、請求項１〜６のいずれかに記載のカプラ。
8. 請求項１〜７のいずれかに記載の、第１の通信体を第１の電子機器に備え、第２の通信体を第２の電子機器に備え、第１の電子機器と第２の電子機器との近接状態で、前記カプラを構成するようにした通信装置。

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