JP2010200227A - 高周波結合器およびそれを用いた非接触伝送通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】
容量結合方式を用いた高周波結合器は、使用する高周波信号の波長により、その大きさが決まる。高周波結合器を小型化・低背化することにより、非接触伝送通信システムを小型化することを目的とする。
【解決手段】
データを非接触で伝送する誘導電界方式による高周波結合器５０において、トロイダル状のプリントコイル４１を結合素子とし、前記プリントコイルの下に、誘電体層と導体層３１を設け、前記プリントコイルの上面に中心周波数調整用の導体部を設けたことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、誘導電界を利用した近距離の無線通信で非接触でデータ伝送を行う非接触伝送通信システムに用いられる高周波結合器、およびそれを用いた非接触伝送通信システムに関する。

最近、小型の情報機器端末において、大容量の画像や音楽などのデータ交換の際に、ケーブルを接続したり、メモリカードを交換したりする必要のない、静電界若しくは誘導電界を用いる近距離無線通信が発明・考案されている。
微弱電波で通信可能な結合器間のみで発生する静電界若しくは誘導電界を用いれば、無線局の免許が必要のない、微弱無線による非接触伝送通信システムの実現が容易である。

特開２００８−１５４１９８

上記の静電界若しくは誘導電界を利用した非接触伝送通信システムの送信機と受信機の間には高周波結合器が用いられる。高周波結合器には、コンデンサの電荷を利用した容量結合方式が知られている。特許文献１。

図９は、静電界若しくは誘導電界を利用して無線通信を行う非接触伝送通信システムにおいて、容量結合方式の高周波結合器を示す斜視図である。
容量結合方式の高周波結合器６０は、下面にベタグランド１２が形成され、上面にインピーダンス整合と共振のための導体パターンによるスタブ１１が形成された基板１０に、結合用電極２０が配設されている。
結合用電極２０の中央部は、金属線２１を介して、スタブ１１の略中央部に接続されている。
スタブ１１の一方の端部は、図示しない送受信回路モジュールに接続され、他方の端部は、基板１０を貫通するスルーホール１３を介して、下面のベタグランド１２に接続されている。
スタブ１１の長さＬ１は、高周波信号の２分の１波長程度である。

上記の静電界若しくは誘導電界を利用する容量結合方式を用いた高周波結合器は、用いる高周波信号の波長により、スタブ１１の長さＬ１、金属線２１の長さ、結合用電極２０の大きさが決まる。スタブ１１を折り曲げて基板１０に配置して、高周波結合器を小型化する方法もあるが更なる小型化が要求されている。

本発明は、高周波結合器を小型化・低背化することにより非接触伝送通信システムをより小型化することを目的とする。

本発明の高周波結合器は、トロイダル状のプリントコイルを結合素子とし、前記プリントコイルの下に誘電体層と導体層を設けたことを特徴とする。

本発明の高周波結合器によれば、スタブを不要とし、製造上のばらつきや、実装状態による中心周波数のばらつきが小さくでき、小型で低背な高周波結合器とすることができる。また、本発明の高周波結合器を用いれば、高周波信号による誘導電界を利用する非接触伝送通信システムを小型化することができる。

本発明の一実施例である誘導電界方式の高周波結合器である。 図１の高周波結合器の実装状態を示す斜視図である。 本発明の高周波結合器を用いた非接触伝送通信システムのブロック図である 本発明の高周波結合器の周波数特性である。 本発明の高周波結合器の指向性特性である。 本発明の高周波結合器の誘電体と基板間の距離による周波数の変化である。 本発明の高周波結合器が結合した状態の等価回路図である。 本発明の高周波結合器の他の実施例を示す斜視図である。 従来の容量結合方式による高周波結合器である。

図１は、本発明の一実施例である誘導結合方式を用いた高周波結合器の斜視図を示す。
高周波結合器５０は、第１の誘電体４０と第２の誘電体３０と、第１の誘電体４０に設けられた螺旋状のプリントコイル４１からなる。
第１の誘電体４０の上面と下面に複数の線状の導体パターンが形成され、それぞれの導体パターンの端部は、第１の誘電体４０を貫通するスルーホール４３により上下の導体パターンを電気的に接続して、巻き軸が環状となるトロイダル状のプリントコイル４１を構成している。このプリントコイル４１に発生する磁流ループで誘導電界による非接触伝送通信が行われる。
第２の誘電体３０の上に第１の誘電体４０が積み重ねられ、プリントコイル４１の両端部は、スルーホール５１、５２を介して、第２の誘電体３０の下面に導かれる。
第２の誘電体３０の下面には、スルーホール５１、５２を除くの外縁に導体層３１が形成されている。

図２は、送受信回路モジュール５が搭載された基板１０に図１の高周波結合器５０を実装した斜視図である。
高周波結合器５０は、基板１０の上面に配置され、高周波結合器の一方のスルーホール５１は送受信回路モジュール５に接続され、他方のスルーホール５２は、基板１０に設けられたスルーホール１４によって、基板１０の底面のベタグランド１２に接続されている。

上記の高周波結合器５０は、一辺の長さが５．５ｍｍ、厚さは１．５ｍｍで、２層のＦＲ４基板を用いて作製されている。
図において、基板１０の表面をＸＹ平面とし、高周波結合器５０のプリントコイル４１の端子の引き出し方向をＸ軸方向、Ｘ軸と直交する方向をＹ軸方向、基板１０の厚さ方向をＺ軸とする。

図３は、本発明の高周波結合器を用いた非接触伝送通信システムのブロック図である。図の非接触伝送通信システムは、データ送信を行なう送信機１と、データ受信を行なう受信機２で構成される。送信機１は、送信部３と誘導結合方式による高周波結合器５０からなり、受信機２は、誘導結合方式による高周波結合器５０と受信部４からなる。同図に示すように、送信機と受信機のそれぞれの高周波結合器５０を、近距離で向かい合わせて配置することにより、２つの高周波結合器が誘導結合して、非接触伝送通信が可能になる。

図４は、図２に示した高周波結合器間５０，５０の距離Ｌ２を１５ｍｍとした場合の周波数特性を示す。図において、横軸は周波数、縦軸は伝搬損を示している。
図５は、図２に示した高周波結合器の周波数が４．５ＧＨｚにおけるＸＺ平面での放射指向特性を示すグラフである。図において、Ｖは垂直偏波を示し、Ｈは水平偏波を示す。
図より、高周波結合器５０の上面、下面方向に縦波が発生していることがわかる。

高周波結合器の中心周波数は、基板の実装状態において、基板からの浮き加減により変化する。
図６は、図２に示した高周波結合器において、高周波結合器５０と基板１０の浮きによる中心周波数の変化を示すグラフである。図において、横軸は高周波結合器５０と基板１０のギャップＧｐ、縦軸は周波数であり、Ｘは導体層３１がある場合、Ｙは導体層３１がない場合を示す。
図より、高周波結合器５０の下面に導体層３１を設けると、高周波結合器５０と基板１０の浮きによる周波数の変化が小さくなることがわかる。

このように、本発明の非接触伝送通信システムに用いられる誘導結合方式による高周波結合器は、スタブが不要である。
また、プリント基板方式で導体パターンのプリントコイルを形成したので、低背で寸法精度の高く、製造上のばらつきの少ない高周波結合器とすることができる。さらに、高周波結合器の底面には導体層を設けることにより、実装時の浮き加減のばらついても中心周波数の変化を小さくできる。

図７は本発明の高周波結合器を用いた非接触伝送通信システムの送信機と受信機が結合した状態の等価回路を示す。
図において、送信機１は、誘導結合方式による高周波結合器５０と、送信部３のインピーダンスＲ１Ａの等価回路を示す。受信機２は、誘導結合方式による高周波結合器５０と、受信部２のインピーダンスＲ１Ｂの等価回路を示す。高周波結合器５０の等価回路は、送信機１または受信機２に並列に接続された、インダクタンスＬ５Ａ、Ｌ５Ｂと、容量Ｃ４Ａ、Ｃ４Ｂで表され、高周波結合器の間の等価回路は、並列に接続されたインダクタンスＬｏと容量Ｃｏで表される。

図８は、本発明に用いられる誘導結合方式による高周波結合器の他の実施例を示す斜視図である。
前記実施例において、高周波結合器５０Ｂは、第１の誘電体４０の上面にプリントコイル４１を形成する導体パターンと導体パターンの外側から端部にかけて、導体部４８が形成されている。導体部４８は、プリントコイル４１の導体パターンと所定の位置４３で接続されている。

高周波結合器をこのような構造にすることにより、導体部４８の面積を変えることによって、図７の等価回路における容量Ｃ４Ａと容量Ｃｏを調整することができる。プリントコイル４１のパターンを変更せずに、中心周波数の変更が可能である。導体部４８をトリミングして、面積を変更する。

なお、導体部４８とプリントコイル４１の接続位置４３は、スルーホール５１に近づけると、図７における容量Ｃ４Ａの調整の割合が大きくなり、スルーホール５２に近づけると、容量Ｃｏの調整の割合が大きくなる。

上記、第１の誘電体４０と第２の誘電体３０は誘電体に限られるものではなく、磁性材料を用いてもよい。第２の誘電体３０に磁性材料を用いると、プリントコイル４１を小型化することができ、高周波結合器もさらに小型化することができる。

１ 送信機
２ 受信機
３ 送信部
４ 受信部
５ 送受信回路モジュール
１０ 基板
１１ スタブ
１２ ベタグランド
１３、１４、４３、５１、５２ スルーホール
１６ スタブの長さ
２０ 結合電極
２１ 金属線
３０、４０ 誘電体
３１ 導体層
４８ 導体部
４１ プリントコイル
５０、５０Ｂ、６０ 高周波結合器

Claims (4)

1. データを非接触で伝送する誘導電界方式による高周波結合器において、
   トロイダル状のプリントコイルを結合素子としたことを特徴とする高周波結合器。
2. 前記プリントコイルの下に誘電体層と導体層を設けたことを特徴とする請求項１記載の高周波結合器。
3. 前記プリントコイルの上面に中心周波数調整用の導体部を設けたことを特徴とする請求項１および請求項２記載の高周波結合器。
4. データを伝送する高周波信号を生成する送信回路と、該高周波信号を誘導電界として送出する高周波結合器を備えた送信機と、
   送信側の高周波結合器に対面する受信側の高周波結合器と、高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する回路を備えた受信機とで構成され、
   前記送信側の高周波結合器および前記受信側の高周波結合器は、磁流ループを形成するトロイダル状のプリントコイルからなり、
   前記送信機および受信機の対向する高周波結合器間の誘導結合により、前記高周波信号を非接触で伝送することを特徴とする非接触伝送通信システム。

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