JP2012015848A - Antenna device and communication apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置に関する。 The present invention relates to an antenna device that performs information communication by electromagnetic field coupling between a pair of opposed electrodes, and a communication device in which the antenna device is incorporated.
近年、コンピュータや小型携帯端末等の電子機器間で、音楽、画像等のデータを、ケーブルやメディアを介さずに無線伝送にて行うシステムが開発されている。このような無線伝送システムには、数cmの近距離で最大560Mbps程度の高速転送が可能なものがある。このような高速転送可能な伝送システムの中で、TransferJet(登録商標)は、通信距離が短いが盗聴される可能性が低く、伝送速度が速いという利点がある。 In recent years, a system has been developed in which data such as music and images is transmitted wirelessly between electronic devices such as computers and small portable terminals without using cables or media. Some of such wireless transmission systems are capable of high-speed transfer of up to about 560 Mbps at a short distance of several centimeters. Among such transmission systems capable of high-speed transfer, TransferJet (registered trademark) is advantageous in that the communication distance is short but the possibility of eavesdropping is low and the transmission speed is high.
TransferJet(登録商標)では、超近距離を隔てて対応する高周波結合器の電磁界結合によりなしえるもので、その信号品質が高周波結合器の性能に依存する。例えば、特許文献1に記載された高周波結合器は、図30に示すように、一方の面にグランド202を形成したプリント基板201と、プリント基板201のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ203と、結合用電極208と、この結合用電極208とスタブ203を接続する金属線207とを備える。また、特許文献1に記載された高周波結合器では、プリント基板201上に、送受信回路205も形成している。また、特許文献1には、プリント基板201上に送受信回路205が形成されていない変形例として、図31に示すような、一方の面にグランド202を形成したプリント基板201と、プリント基板201のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ203と、結合用電極208と、この結合用電極208とスタブ203を接続する金属線207とを備える構成が記載されている。
TransferJet (registered trademark) can be achieved by electromagnetic field coupling of corresponding high frequency couplers at very short distances, and the signal quality depends on the performance of the high frequency coupler. For example, the high-frequency coupler described in
特許文献1に記載された高周波結合器では、その結合強度が、一対の高周波結合器が対向して配された結合状態での結合用電極208間の容量分と、結合用電極208とスタブ203を接続する金属線207のインダクタンス分に大きく依存する。図30及び図31に示した高周波結合器では、結合用電極208が金属線207で支えられた構造であるが、機械的な強度や移動の際の取り扱い等を考慮すると、結合用電極208と金属線207とを基板等に接着させるなどして、機械的に保持されることが好ましい。ただし、この場合、結合用電極208と金属線207とを保持する基板は、一般的に誘電率を有する誘電性基板であることから、上記結合用電極208間の容量分が大きく変化することで共振周波数が変化してしまい、この周波数をマッチングさせるために金属線207の長さや太さを変えてインダクタンスを調整するなど、所定周波数に合わせこむための調整が複雑であった。また、誘電率の高い基板を用いると結合効率が大きく低下してしまった。
In the high-frequency coupler described in
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、上記のように、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、小型化に有利な構造を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置を提供することを目的とする。 The present invention has been proposed in view of such circumstances, and as described above, an antenna device having a structure advantageous for downsizing while realizing both good communication characteristics and mechanical strength. The purpose is to provide. Another object of the present invention is to provide a communication device in which this antenna device is incorporated.
上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体の一方の面にグランド層が形成された第1の基板と、上記第1の基板上に、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第2の基板と、上記第2の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が8の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極とを備え、上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が信号の入出力端と接続され、他方の端部が上記第1の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする。 As a means for solving the above-described problems, an antenna device according to the present invention is configured such that a ground layer is formed on one surface of a dielectric in an antenna device that performs information communication by electromagnetic field coupling between a pair of opposed electrodes. A first substrate formed on the first substrate, a second substrate made of a dielectric disposed opposite to a surface different from the surface on which the ground layer is formed, and the second substrate. It consists of a coil wound with a coil wire so that the winding shape is 8-shaped on the upper and lower surfaces through through holes, and is electromagnetically coupled to the electrodes of other antenna devices arranged at opposing positions. And the coupling electrode is configured such that one end of the wound coil is connected to a signal input / output end and the other end is the first electrode. Electrically connected to the ground layer formed on the substrate Has a concrete, characterized in that the total length of the coil is a length of approximately half of the communication wavelength.
また、本発明に係る通信装置は、対向する位置に配置された他の通信装置の電極間での電磁界結合により情報通信を行う通信装置において、誘電体の一方の面にグランド層が形成された第1の基板と、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第2の基板と、上記第2の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が8の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が上記送受信処理部と接続され、他方の端部が上記第1の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする。 In the communication device according to the present invention, a ground layer is formed on one surface of a dielectric in a communication device that performs information communication by electromagnetic coupling between electrodes of another communication device disposed at an opposite position. A first substrate, a second substrate made of a dielectric disposed opposite to a surface different from the surface on which the ground layer is formed, and through holes on the upper and lower surfaces of the second substrate, A coupling electrode that is composed of a coil in which a coil wire is wound so that the winding shape is a figure 8, and is electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device arranged at an opposing position to enable communication A transmission / reception processing unit for performing signal transmission / reception processing, wherein the coupling electrode has one end connected to the transmission / reception processing unit and the other end connected to the first of the wound coils. Electrically connected to the ground layer formed on the substrate It has a structure, wherein the total length of the coil is a length of approximately half of the communication wavelength.
本発明は、結合用電極が、第2の基板の上下面にスルーホールを介して巻回されたコイルからなるので、良好な機械的強度度を実現することができる。また、本発明は、コイルの全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端がグランド層に電気的に接続されているので、コイルの中心部での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。さらに、本発明は、結合用電極が、第2の基板における一断面方向から見た巻回形状が8の字となるように巻回されたコイルであるため、上記のように、コイルの全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。 According to the present invention, since the coupling electrode is formed of a coil wound on the upper and lower surfaces of the second substrate through a through hole, it is possible to realize a good degree of mechanical strength. In addition, the present invention is that the entire length of the coil is approximately half the length of the communication wavelength, and one end of the coil is electrically connected to the ground layer, so that the signal level at the center of the coil is increased, The coupling strength between the other coupling electrodes arranged at the opposing positions is increased, and good communication characteristics can be realized. Furthermore, in the present invention, since the coupling electrode is a coil wound so that the winding shape viewed from one cross-sectional direction in the second substrate is a figure 8, the total length of the coil is as described above. However, even if the length is approximately half the communication wavelength, the entire coil can be made small, and the entire antenna device can be downsized.
以上のように、本発明は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、装置全体の小型化を図ることができる。 As described above, according to the present invention, it is possible to reduce the size of the entire apparatus while realizing both good communication characteristics and mechanical strength.
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. It should be noted that the present invention is not limited to the following embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention.
<通信システム>
本発明が適用されたアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う装置であって、例えば図1に示すような、560Mbps程度の高速転送を可能とする通信システム100に組み込まれて使用されるものである。
<Communication system>
An antenna device to which the present invention is applied is a device that performs information communication by electromagnetic coupling between a pair of opposed electrodes, and is a communication system that enables high-speed transfer of about 560 Mbps, for example, as shown in FIG. 100 is used by being incorporated.
通信システム100は、2つのデータ通信を行う通信装置101、105から構成される。ここで、通信装置101は、結合用電極103を有する高周波結合器102と、送受信回路部104とを備える。また、通信装置105は、結合用電極107を有する高周波結合器106と、送受信回路部108とを備える。
The
図1に示すように通信装置101、105のそれぞれが備える高周波結合器102、106を向かい合わせて配置すると、2つの結合用電極103、107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によって、2つの高周波結合器102、106の間で、例えば560Mbps程度の高速転送を実現するための4〜5GHz帯域の高周波信号を効率よく伝達することができる。
As shown in FIG. 1, when the high-
ここで、高周波結合器102、106がそれぞれ持つ送受信用の結合用電極103、107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。
Here, the transmitting and receiving
通信システム100において、例えば、高周波結合器102に接続された送受信回路部104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高周波送信信号を生成し、結合用電極103から結合用電極107へ信号を伝搬する。そして、受信側の高周波結合器106に接続された送受信回路部108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。
In the
なお、本発明が適用されるアンテナ装置は、上述した4〜5GHz帯域の高周波信号を伝達するものに限定されず、他の周波数帯の信号伝達にも適用可能であるが、以下の具体例では、4〜5GHz帯域の高周波信号を伝達対象として説明する。 The antenna device to which the present invention is applied is not limited to the above-described one that transmits a high frequency signal in the 4 to 5 GHz band, and can be applied to signal transmission in other frequency bands. A high frequency signal in the 4 to 5 GHz band will be described as a transmission target.
<第1の実施形態>
このような通信システム100に組み込まれるアンテナ装置として、図2に示すような第1の実施形態に係る高周波結合器1について説明する。
<First Embodiment>
As an antenna device incorporated in such a
すなわち、第1の実施形態に係る高周波結合器1は、図2に示すように、本発明に係る第1の基板に相当するプリント基板11と、本発明に係る第2の基板に相当するコイル基板16とを備える。
That is, as shown in FIG. 2, the high-
プリント基板11は、誘電体からなるベース材14と、このベース材14の一方の面にグランド層12が形成されている。
The printed
コイル基板16は、プリント基板11上に、グランド層12が形成された基板面11aと対向する基板面11bに設置される基板である。コイル基板16は、誘電体からなる上部基板161を有し、この上部基板161に上述した結合用電極103、107として機能するコイル162が形成されたものである。
The
ここで、コイル基板16については、後述する配線18bに平行な方向をX方向とし、上部基板161の面内で配線18bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器1の厚み方向をZ軸とした三次元直交座標系を定義して説明するものとする。
Here, for the
コイル162は、上部基板161の上下面に複数のスルーホール13を介して、コイル基板16における一断面方向から見た巻回形状が、図3(A)及び図3(B)に示すように略「8の字」となるように、コイル線が巻回されることで形成されるものである。具体的には、コイル162は、上部基板161の上下面にコイルをなすための配線をパターニング技術により形成し、形成した上下面のコイルパターン端部を、ドリル等により開孔し導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されたスルーホール13により電気的に接続することにより形成される。
As shown in FIGS. 3A and 3B, the
なお、本実施形態においては、コイル162は、コイル基板16におけるYZ平面から見た巻回形状が略「8の字」となっているが、これに限定されず、コイル基板における任意の断面から見た巻回形状が略「8の字」となっているように、コイル基板に形成されていればよい。
In the present embodiment, the
また、コイル162は、図3(A)及び図3(B)に示す巻回方向Tが互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル162a、162bが、巻回方向反転部17で互いに接続されたものである。すなわち、このコイル162の全長の略半分の長さに当る部分が、巻回方向反転部17となっている。このコイル162の全長は、通信周波数の略半分の長さになるように調整されている。
In addition, the
ここで、巻回方向は、コイル基板における任意の断面から見たときに、巻回形状である略「8の字」を描く方向である。本実施形態において、巻回方向Tは、コイル基板16におけるYZ平面の−X方向に見たときに、略「8の字」を描く方向である。具体的に、コイル162aは、図3(A)に示すような巻回形状及び巻回方向Tに対応し、コイル162bは図3(B)に示すような巻回形状及び巻回方向Tに対応している。また、図3(A)及び図3(B)では、巻回方向Tと順方向に電流が流れときに発生する磁界Bも示している。
Here, the winding direction is a direction in which a substantially “eight-letter shape” that is a winding shape is drawn when viewed from an arbitrary cross section of the coil substrate. In the present embodiment, the winding direction T is a direction in which substantially “8” is drawn when viewed in the −X direction of the YZ plane of the
また、コイル162は、その一端がスルーホール15aを介してプリント基板11の基板面11aに形成されたグランド層12と電気的に接続され、他方の端部に共振ライン18aと配線18bとが接続される。配線18bのもう一端には、信号の入出力端18cが形成され、共振ライン18aは、上述したように一方の端部がコイル162と接続され、他方の端部がスルーホール15bを介してプリント基板11の基板面11aに形成されたグランド層12と電気的に接続される。
Further, one end of the
ここで、共振ライン18aは、高周波結合器1の共振特性の急峻度を調整するためのもので、当該共振ライン18aの長さ等を変化させることで当該共振特性の急峻度を調整できる。スルーホール15a、15bは、プリント基板11のベース材14を貫通して電気的に接続するための経路で、上述したスルーホール13と同様に、導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されることで形成されている。
Here, the
プリント基板11のベース材14、および、コイル基板16の上部基板161の材料としては、例えば、ガラスエポキシ(FR4)、ガラスコンポジット(CEM3)、紙エポキシ(FR3)、紙フェノール(XPC)等の可塑性部材が用いられるが、可撓性を有するポリイミド、液晶ポリマー、テフロン等の低誘電材料を用いてもよい。特に、プリント基板11に対してコイル基板16の配線18bを突出させることによって入出力端18cを設ける場合には、上記基板161は、薄いポリイミド等を使って柔軟性を持たせたフレキシブル基板を用いることが好ましい。これは、プリント基板11から突出させた入出力端18cが柔軟性を有して自在に曲げることができ、送受信回路部104と高周波結合器1とを接続の取り付けに際しての自由度を向上させることができるからである。
Examples of the material of the
次に、以上のような構成からなる高周波結合器1の性能を調べるために、アンソフト社製の3次元電磁界シミュレータHFSSを用いた解析を行なった。解析モデルは、図2に示した構成で、ベース材14、上部基板161にはポリイミドを使用し、プリント基板11、コイル基板16の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが8×8×1.6mm、8×8×0.4mmとしている。
Next, in order to investigate the performance of the high-
図4は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板16の表面側を見た図である。なお、図4では、コイル162の巻回状態が分かるように、上部基板161を透過させており、上述したように、配線18bに平行な方向をX方向とし、上部基板161の面内で配線18bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器1の厚み方向をZ軸としている。
FIG. 4 is a plan view showing the coordinates of this analysis model, and is a view of the surface side of the
図5は、コイル162の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板16の上面から厚み方向Zに200μm下におけるXY平面での、共振周波数の磁界ベクトルを表している。図5からコイル162のうち、Y方向プラス側では、磁界ベクトルがX方向マイナス側に向き、Y方向マイナス側では、磁界ベクトルがX方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部17を中心として周回するように、すなわち、XY平面に閉ループとなるように発生している。
FIG. 5 is an analysis of the magnetic field vector distribution of the
磁界の流れがこのようになるのは、具体的には次に説明するが、図3(A)及び図3(B)に示すように、コイル162を構成するコイル162aとコイル162bとの巻回方向が互いに逆になっているのと、コイル162aとコイル162bとで電流の極性が逆になっているからである。
Specifically, the magnetic field flow will be described below. As shown in FIGS. 3 (A) and 3 (B), the
まず、個々のコイル162a、162bに注目すると、巻回形状が8の字形状となっており、このような形状のコイルに電流を流した場合、上述した図3に示すように、8の字を構成する二つの輪を貫通する磁界の方向が逆になるという性質をもっている。したがって、このような8の字コイルを連続して重ねていく、すなわち巻回すると、重なりあったそれぞれの輪では磁界の方向が同じなので、結果的に、巻回方向の異なるソレノイドコイルが2つ隣り合わせに並んだものとみなすことができ、隣り合ったソレノイドコイル間で磁界の閉ループを作るのでコイルのインダクタンスを大きくすることができる。ただし、高周波電流の場合は位相の関係から半波長で電流の極性が変わってしまうので、仮にコイル162の全長に亘って巻回方向を同一とした場合には、局部的に極性が異なる電流のため、磁界が打ち消しあう現象が生じる。
First, paying attention to the
また、高周波結合器1では、コイル162の一方の端部をスルーホール15bを介してグランド層12と短絡しているため、その部分で電流が最大となり、また、コイル162の全長を半波長にしているため、コイル162の他方の端部でも電流が最大となる。ここで、コイル162の両端での電流は、位相が180度異なるため極性が逆となり、上述したように仮にコイル162が巻回方向の同じ8の字コイルを重ねて作製されると、発生磁界が打ち消しあうことになり、上記のような閉ループとはならない。
Further, in the
これに対して、高周波結合器1では、巻回方向反転部17を境にして巻回方向の異なる8の字のコイル162a、162bを組み合わせてコイル162を構成しているので、コイル162の内部において、磁界の流れを閉ループとなるようにすることができる。
On the other hand, in the
このようにして、高周波結合器1では、上述したように磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル162のインダクタンスを増し、アンテナとしてのQ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet(登録商標)のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル162の中心部の巻回方向反転部17周辺からZ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。巻回方向反転部17周辺で電圧レベルが最も高くなるのは、コイル162の全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端が、電圧レベルがゼロになるグランド層12に電気的に接続されているからである。
In this way, in the
図6(A)、及び図6(B)は、それぞれXZ面、YZ面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル162の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は、高周波結合器1の略中央に設置された巻回方向反転部17をほぼ中心にして対称的な分布となっており、2つの高周波結合器を対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
6A and 6B show the electric field intensity distributions on the XZ plane and the YZ plane, respectively, and the intensity is expressed by contour lines with the central portion of the
次に、高周波結合器1の通信状況を調べるために、図7に示すような評価の基準機として、板状の結合用電極150aを備える高周波結合器150を用いるものとし、電力高周波結合器1、150同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるSパラメータの透過特性S21で評価するものとし、高周波結合器1の信号入出力端となる配線18bの入出力端18cを電力の入力ポートとし、高周波結合器150の同様入出力端を出力ポートとして透過特性S21を解析している。
Next, in order to examine the communication status of the
図7は、結合強度S21を解析に用いた高周波結合器1、150間の相対的配置を示したものである。図7に示すようにして、高周波結合器1、150のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度S21の周波数特性を調べるものとする。
FIG. 7 shows a relative arrangement between the high-
図8は、高周波結合器1、150との間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を解析したものである。対向距離15[mm]の場合と、対向距離100[mm]では、通信周波数である4.5GHz付近で、結合強度S21がそれぞれ−23dBと、−48dBとなっている。この結果から明らかなように、結合強度S21は、通信距離である近距離、すなわち15[mm]程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、100[mm]程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
FIG. 8 is an analysis of the frequency characteristics of the coupling strength S21 when the facing distance between the
以上のように、第1の実施形態に係る高周波結合器1は、結合用電極が、コイル基板16の上下面にスルーホール13を介して巻回されたコイル162からなるので、例えば図30、及び図31に示すような、結合用電極208が金属線207によって支持された従来例に係る高周波結合器と比べて、結合用電極が良好な機械的強度度を実現することができる。これは、第1の実施形態に係る高周波結合器1の結合用電極が、コイル基板16内に形成されているので、結合用電極208が金属線207によって支持されている場合に比べて、衝撃などが加えられても結合用電極の損傷を防ぐことができるからである。
As described above, in the high-
また、高周波結合器1は、コイル162の全長が通信波長の略半分の長さで、コイル162の一端がグランド層12に電気的に接続されているので、コイル162の中心部である巻回方向反転部17での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
Further, the high-
さらに、高周波結合器1は、結合用電極が、コイル基板16の断面方向の巻回形状が8の字となるように巻回されたコイルであるため、コイル162の全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル162全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。
Furthermore, the high-
このような点から明らかなように、高周波結合器1は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器1全体の小型化を図ることができる。
As is apparent from this point, the high-
なお、高周波結合器1は、コイル基板16において必ずしも、共振ライン18a、及び、共振ライン18aとグランド層とを電気的に接続するスルーホール15bを設けなくてもよいが、共振ライン18aが設けられることで、結合強度と共振周波数を調整可能とする点で特に好ましい。
In the high-
例えば、共振ライン18aとスルーホール15bが設けられていない場合には、高周波結合器との間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした結合強度S21の周波数特性が図9のようになる。ここで、対向距離が15[mm]の場合、結合強度S21は、図9が−25.2dBであるのに対して、図8が−22.9dBである。この結果から、例えば、共振ライン18aがあることで結合強度が大きくなるように調整できる。また、対向距離が15[mm]の場合、ピークから−3dB下がるまでの帯域幅は、図9が0.83GHzであるのに対して、図8が0.43GHzである。この結果から、共振ライン18aがあることで、例えば帯域幅が狭くなるように調整できる。
For example, when the
一般に、結合強度の強さと帯域幅とは、トレードオフの関係にあるため、これらのバランスが要求仕様に対して不十分な場合は、高周波結合器1のように、共振ライン18aとスルーホール15bとを設けて、主に、共振ライン18aの長さを変えることで、結合強度の強さと帯域幅との特性を調整することができる。
In general, since the strength of the coupling strength and the bandwidth are in a trade-off relationship, when these balances are insufficient with respect to the required specifications, the
<変形例1>
次に、第1の実施形態に係る変形例1として、図10に示すような高周波結合器1aの構成について説明する。
<
Next, a configuration of a high-
高周波結合器1aは、図10に示すように、上述した高周波結合器1と同様に、プリント基板11と、コイル基板16とを備え、コイル基板16の上部基板161の上下面に複数のスルーホール13を介して、巻回形状が「8の字」となるコイル162が形成されたものである。なお、高周波結合器1aは、上述した高周波結合器1と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
As shown in FIG. 10, the high-
高周波結合器1aは、具体的に、上述した高周波結合器1と比べて、コイル基板16に実装されるコイル162の構成が異なる。
Specifically, the high-
すなわち、コイル162は、巻回方向が互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル162a、162bが、巻回方向反転部17aで互いに接続されたものである。ここで、高周波結合器1と異なり、高周波結合器1aに係る巻回方向反転部17aは、その領域を、各コイル162a、162bのコイルピッチd、すなわち、コイル162a、162bにおけるコイル線の巻回間隔よりも広くしている。これは、後述する性能評価から明らかなように、高周波結合器1aの電界放射分布を面内で対称的にするためである。巻回方向反転部17aの領域の広さは、全体的なコイル162の大きさにあわせて調整することが好ましい。更に、巻回方向反転部17aでは、この付近のコイル線の線幅を広くすることで、後述するように結合強度がより高めることができる。例えば、巻回方向反転部17aでは、図10に示すような円形状とすることで、当該部位のコイル線の線幅が他の部位に比べて拡張することができる。
That is, the
次に、以上のような構成からなる高周波結合器1aの性能を調べるために、アンソフト社製の3次元電磁界シミュレータHFSSを用いた解析を行なった。解析モデルは、図10に示した構成で、ベース材14、上部基板161にはポリイミドを使用し、プリント基板11、コイル基板16の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが8×8×1.6mm、8×8×0.4mmとしている。
Next, in order to investigate the performance of the high-
図11は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板16の表面側を見た図である。なお、図11では、コイル162の巻回状態が分かるように、上部基板161を透過させており、上述したように、配線18bに平行な方向をX方向とし、上部基板161の面内で配線18bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器1aの厚み方向をZ軸としている。
FIG. 11 is a plan view showing the coordinates of this analysis model, and is a view of the surface side of the
図12は、コイル162の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板16の上面から厚み方向Zに200μm下におけるXY平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル162のうち、Y方向プラス側では、磁界ベクトルがX方向マイナス側に向き、Y方向マイナス側では、磁界ベクトルがX方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部17aを中心として周回するように、すなわち、XY平面に閉ループとなるように発生している。
FIG. 12 is an analysis of the magnetic field vector distribution of the
このようにして、高周波結合器1aでは、高周波結合器1と同様に、磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル162のインダクタンスを増し、アンテナとしてのQ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet(登録商標)のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル162の中心部の巻回方向反転部17a周辺からZ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。
In this way, in the
図13(A)、及び、図13(B)は、それぞれコイル基板16の上面から1mm、5mm離れたXY面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル162の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は、高周波結合器1aの略中央に設置された巻回方向反転部17aをほぼ中心にして対称的な分布となっている。よって、高周波結合器1aは、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
FIGS. 13A and 13B each analyze the electric field strength distribution on the
特に、高周波結合器1aは、対向する位置に配置された高周波結合器との間でXY面内方向での位置ずれが起こっても、上述した高周波結合器1に比べて等方的で安定した通信が行える。これは、図6で示したような高周波結合器1で解析した電界強度がX方向に比べてY方向に広がっているのに対して、図13に示すような変形例に係る高周波結合器1aの電界強度がX方向Y方向ともに略均一に広がっているからである。
In particular, the high-
次に、高周波結合器1aの通信状況を調べるために、図7の場合と同様にして、高周波結合器1a、150同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるSパラメータの透過特性S21で評価するものとし、高周波結合器1aの信号入出力端となる配線18bの入出力端18cを電力の入力ポートとし、高周波結合器150の入出力端を出力ポートとして透過特性S21を解析している。
Next, in order to investigate the communication status of the high-
高周波結合器1a、150のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度S21の周波数特性を調べるものとする。なお、この例では、一方の高周波結合器150には、評価の基準機として、板状の結合用電極150aを備える基準高周波結合器を用いた。
The frequency characteristics of the coupling strength S21 are examined in a state where the high-
図14は、高周波結合器1a、150との間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を解析したものである。対向距離15[mm]の場合と、対向距離100[mm]では、通信周波数である4.5GHz付近で、結合強度S21がそれぞれ−23dBと、−48dBとなっている。この結果から明らかなように、結合強度S21は、通信距離である近距離、すなわち15[mm]程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、100[mm]程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
FIG. 14 is an analysis of the frequency characteristics of the coupling strength S21 when the facing distance between the
以上のように、変形例に係る高周波結合器1aは、上述した高周波結合器1と同様に、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器1全体の小型化を図ることができる。さらに、高周波結合器1aは、対向する位置に配置された高周波結合器との間でXY面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信を行うことができる。
As described above, the high-
<変形例2>
次に、第1の実施形態に係る変形例2として、図15に示すような高周波結合器1bの構成について説明する。
<
Next, as a second modified example according to the first embodiment, a configuration of a high-
高周波結合器1bは、図15に示すように、上述した高周波結合器1と同様に、プリント基板11と、コイル基板16とを備え、コイル基板16の上部基板161の上下面に複数のスルーホール13を介して、巻回形状が「8の字」となるコイル162が形成されたものである。なお、高周波結合器1bは、上述した高周波結合器1と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
As shown in FIG. 15, the high-
高周波結合器1bは、具体的に、上述した高周波結合器1と比べて、コイル基板16に実装されるコイル162と、プリント基板11との構成が異なる。
Specifically, the high-
すなわち、コイル162は、巻回方向が互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル162a、162bが、巻回方向反転部17aで互いに接続されたものである。ここで、高周波結合器1と異なり、高周波結合器1bに係る巻回方向反転部17aは、その領域を、各コイル162a、162bのコイルピッチdよりも広くしている。これは、高周波結合器1bの電界放射分布を面内で対称的にするためである。巻回方向反転部17aの領域の広さは、全体的なコイル162の大きさにあわせて調整することが好ましい。更に、巻回方向反転部17aでは、この付近のコイル線の線幅を広くするため、図15に示すような円形状のように、当該部位のコイル線の形状が他の部位に比べて拡張されている。
That is, the
また、変形例2に係る高周波結合器1bでは、通信特性の向上を図る観点から、プリント基板11の一部に空洞部19が形成されている。具体的に、空洞部19は、プリント基板11の一方の面に配置されたコイル基板16に形成された巻回方向反転部17aと対向する位置に形成されている。このようにして空洞部19は、電界が強くなるコイル巻回方向反転部17aと対向する位置、すなわち基板の厚み方向の直下に形成されるが、特に空洞部19の形状が厚み方向に深いほど通信特性改善効果が高い。この効果については後述する解析結果で具体的に説明する。
Further, in the high-
また、空洞部19は、プリント基板11を切削加工することで形成される。また、これ以外にも、例えば、空洞部19の形成されたプリント基板11は、貫通穴を設けた基板を切削加工していない基板に貼り合わせることで完成するようにしてもよい。
The
次に、以上のような構成からなる高周波結合器1bの性能を調べるために、アンソフト社製の3次元電磁界シミュレータHFSSを用いた解析を行なった。解析モデルは、図15に示した構成で、ベース材14、上部基板161にはポリイミドを使用し、プリント基板11、コイル基板16の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが8×8×1.6mm、8×8×0.4mmとしている。
Next, in order to investigate the performance of the high-
図16は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板16の表面側を見た図である。なお、図16では、コイル162の巻回状態が分かるように、上部基板161を透過させており、上述したように、配線18bに平行な方向をX方向とし、上部基板161の面内で配線18bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器1bの厚み方向をZ軸としている。
FIG. 16 is a plan view showing the coordinates of this analysis model, and is a view of the surface side of the
図17は、コイル162の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板16の上面から厚み方向Zに200[μm]下におけるXY平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル162のうち、Y方向プラス側では、磁界ベクトルがX方向マイナス側に向き、Y方向マイナス側では、磁界ベクトルがX方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部17aを中心として周回するように、すなわち、XY平面に閉ループとなるように発生している。
FIG. 17 is an analysis of the magnetic field vector distribution of the
このようにして、高周波結合器1bでは、高周波結合器1と同様に、磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル162のインダクタンスを増し、アンテナとしてのQ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet(登録商標)のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル162の中心部の巻回方向反転部17a周辺からZ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。
In this way, in the
図18(A)、及び、図18(B)は、それぞれコイル基板16の上面から1mm、5mm離れたXY面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル162の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。電界強度分布は、高周波結合器1bの略中央に設置された巻回方向反転部17aをほぼ中心にして対称的な分布となっている。よって、高周波結合器1bは、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
18A and 18B, respectively, analyze the electric field intensity distribution on the
すなわち、高周波結合器1bは、上述した高周波結合器1aと同様に、対向する位置に配置された高周波結合器との間でXY面内方向での位置ずれが起こっても、高周波結合器1に比べて等方的で安定した通信が行える。
That is, the high-
次に、高周波結合器1bの通信状況を調べるために、高周波結合器1b、150同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるSパラメータの透過特性S21で評価するものとし、高周波結合器1bの入出力端18cを電力の入力ポートとし、高周波結合器150の入出力端を出力ポートとして透過特性S21を解析している。
Next, in order to investigate the communication status of the high-
高周波結合器1b、150のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度S21の周波数特性を調べるものとする。なお、この例では、一方の高周波結合器150には、評価の基準機として、板状の結合用電極150aを備える基準高周波結合器を用いた。
The frequency characteristics of the coupling strength S21 are examined in a state where the high-
図19は、高周波結合器1bの解析モデルにおいて、XY平面の寸法が3.5mm×4mmの空洞部19をその中心軸を巻回方向反転部17aの中心にあわせ、また短軸をX方向に向けてプリント基板11上に形成し、空洞部19のZ軸方向で規定される深さを0.4mm、0.7mm、1.2mmとした場合の、結合強度S21を調べたものである。ここで、単に空洞部19の深さを変えると共振周波数がシフトしてしまい、比較し難くなるので、図19の各結果においては、コイル162の長さで共振周波数がほぼ同一となるように調整している。また、図19では、比較対象として、空洞部19が無いものも解析した。
FIG. 19 shows an analysis model of the high-
このような図19に示された解析結果から明らかなように、高周波結合器1bは、空洞部19を設けることで結合強度が向上し、特に、空洞部19の深さが増すほど良好な結合強度を実現できる。
As is apparent from the analysis result shown in FIG. 19, the high-
<第2の実施形態>
次に、図20を参照して、第2の実施形態に係る高周波結合器2について説明する。
<Second Embodiment>
Next, with reference to FIG. 20, the
第2の実施形態に係る高周波結合器1は、図20に示すように、本発明に係る第1の基板に相当するプリント基板21と、本発明に係る第2の基板に相当するコイル基板26とを備える。
As shown in FIG. 20, the high-
プリント基板21は、誘電体からなるベース材24と、このベース材24の一方の面にグランド層22が形成されている。
The printed
コイル基板26は、プリント基板21上に、グランド層22が形成された基板面21aと異なる基板面21bに対向して設置される基板である。コイル基板26は、誘電体からなる上部基板261を有し、この上部基板261に上述した結合用電極103、107として機能するコイル262が形成されたものである。
The
ここで、コイル基板26については、後述する配線28bに平行な方向をX方向とし、上部基板261の面内で配線28bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器2の厚み方向をZ軸とした三次元直交座標系を定義して説明するものとする。
Here, for the
コイル262は、上部基板261の上下面に複数のスルーホール23を介して、図21に示すように、巻回形状が略「8の字」となるように、コイル線が巻回されることで形成されるものである。具体的には、コイル262は、上部基板261の上下面にコイルをなすための配線をパターニング技術により形成し、形成した上下面のコイルパターン端部を、ドリル等により開孔し導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されたスルーホール23により電気的に接続することにより形成される。
The
なお、本実施形態においては、コイル262は、コイル基板26におけるYZ平面から見た巻回形状が略「8の字」となっているが、これに限定されず、コイル基板26における任意の断面から見た巻回形状が略「8の字」となっているように、コイル基板26に形成されていればよい。
In the present embodiment, the
また、コイル262は、図21に示す巻回方向Tが互いに同一であって、巻数がほぼ同数のコイル262a、262bが、ライン幅拡張部27で互いに接続されたものである。したがって、このコイル262の全長の略半分の長さに当る部分が、ライン幅拡張部27となっている。また、このコイル262の全長は、通信の周波数の略半分の長さになるように調整されている。
The
ここで、巻回方向は、コイル基板における任意の断面から見たときに、巻回形状である略「8の字」を描く方向である。本実施形態において、巻回方向Tは、コイル基板26におけるYZ平面の−X方向に見たときに、略「8の字」を描く方向である。具体的に、コイル262a、262bは、両方とも図21に示すような巻回形状及び巻回方向Tに対応している。また、図21では、巻回方向Tと順方向に電流が流れときに発生する磁界Bも示している。
Here, the winding direction is a direction in which a substantially “eight-letter shape” that is a winding shape is drawn when viewed from an arbitrary cross section of the coil substrate. In the present embodiment, the winding direction T is a direction in which substantially “8-shaped” is drawn when viewed in the −X direction of the YZ plane of the
また、コイル262は、その一端がスルーホール25aを介してプリント基板21の片面に形成されたグランド層22と電気的に接続され、他方の端部に共振ライン28aと配線28bとが接続される。配線28bのもう一端には、信号の入出力端となる入出力端28cが形成され、共振ライン28aは、上述したように一方の端部がコイル162と接続され、他方の端部がスルーホール25bを介してプリント基板21の片面に形成されたグランド層22と電気的に接続される。
Further, one end of the
ここで、共振ライン28aは、高周波結合器2の共振特性の急峻度を調整するためのもので、当該共振ライン28aラインの長さ等を変化させることで当該共振特性の急峻度を調整できる。スルーホール25a、25bは、プリント基板21のベース材24を貫通して電気的に接続するための経路で、上述したスルーホール23と同様に、導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されることで形成されている。
Here, the
プリント基板21のベース材24、および、コイル基板26の上部基板261の材料としては、例えば、ガラスエポキシ(FR4)、ガラスコンポジット(CEM3)、紙エポキシ(FR3)、紙フェノール(XPC)等の可塑性部材が用いられるが、可撓性を有するポリイミド、液晶ポリマー、テフロン等の低誘電材料を用いてもよい。特に、プリント基板21に対してコイル基板26の配線28bを突出させることによって入出力端28cを設ける場合には、上記基板261は、薄いポリイミド等を使って柔軟性を持たせたフレキシブル基板を用いることが好ましい。これは、プリント基板21から突出させた入出力端28cが柔軟性を有して自在に曲げることができ、送受信回路部104と高周波結合器2とを接続の取り付けに際しての自由度を向上させることができるからである。
Examples of materials for the
次に、以上のような構成からなる高周波結合器2の性能を調べるために、アンソフト社製の3次元電磁界シミュレータHFSSを用いた解析を行なった。解析モデルは、図20に示した構成で、ベース材24、上部基板261にはポリイミドを使用し、プリント基板21、コイル基板26の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが8×8×1.6mm、8×8×0.4mmとしている。
Next, in order to investigate the performance of the high-
図22は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板26の表面側を見た図である。なお、図22では、コイル262の巻回状態が分かるように、上部基板261を透過させており、配線28bに平行な方向をX方向とし、上部基板261の面内で配線28bに垂直方向をY方向とし、さらに高周波結合器2の厚み方向をZ軸としている。
FIG. 22 is a plan view showing the coordinates of this analysis model, and is a view of the surface side of the
図23は、コイル262の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板26の上面から厚み方向Zに200μm下におけるXY平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル262のうち、X方向プラス側では、磁界ベクトルがXY平面上で反時計回りに向いた閉ループを構成しており、X方向マイナス側では、磁界ベクトルがXY平面上で時計回りに向いた閉ループを構成している。
FIG. 23 is an analysis of the magnetic field vector distribution of the
磁界の流れがこのようになるのは、具体的には次に説明するが、図21に示すように、コイル262を構成するコイル262aとコイル262bとの巻回方向が同一方向になっているのと、コイル262aとコイル262bとで電流の極性が逆になっているからである。
The reason why the magnetic field flows in this manner will be described in detail below. As shown in FIG. 21, the winding directions of the
まず、個々のコイル262a、262bに注目すると、巻回形状が8の字形状となっており、このような形状のコイルに電流を流した場合、上述した図21に示すように、8の字を構成する二つの輪を貫通する磁界の方向が逆になるという性質をもっている。したがって、この8の字コイルを連続して重ねていく、すなわち巻回すると、重なりあったそれぞれの輪では磁界の方向が同じなので、結果的に、巻回方向の異なるソレノイドコイルが2つ隣り合わせに並んだものとみなすことができ、隣り合ったソレノイドコイル間で磁界の閉ループを作るのでコイルのインダクタンスを大きくすることができる。ただし、高周波電流の場合は位相の関係から半波長で電流の極性が変わってしまうので、局部的に極性が異なる電流のため、磁界が打ち消しあう現象が生じる。
First, paying attention to the
また、高周波結合器2では、コイル262の一方の端部をスルーホール25bを介してグランド層22と短絡しているため、その部分で電流が最大となり、また、コイル262の全長を半波長にしているため、コイル262の他方の端部でも電流が最大となる。
In the
ここで、コイル262の両端での電流は、位相が180度異なるため極性が逆となり、単に巻回方向の同じ8の字コイルを重ねた場合は、発生磁界が打ち消しあうことになり閉ループとはならないが、次の理由から高周波結合器2では、コイル262の内部において、磁界の流れが2つの閉ループとなるようにすることができる。
Here, the currents at both ends of the
すなわち、高周波結合器2では、コイル262の中間部であるライン幅拡張部27において、262a、262bのコイルピッチd、すなわち、コイル262a、262bにおけるコイル線の巻回間隔よりも広くして、X方向プラス側とマイナス側のソレノイドの距離を広く取っているので、コイル262a、262b間の干渉が少なく、図23の解析結果のようにX方向プラス側とマイナス側で2つの閉ループを構成するので、コイル262のインダクタンスを大きくすることができる。
That is, in the high-
したがって、高周波結合器2では、コイル262のインダクタンスを増し、アンテナとしてのQ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet(登録商標)のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル262の中心部のライン幅拡張部27周辺からZ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。ライン幅拡張部27周辺で電圧レベルが最も高くなるのは、コイル262の全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端が、電圧レベルがゼロになるグランド層22に電気的に接続されているからである。
Therefore, in the
図24は、コイル基板26の上面から1mm離れたXY面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル262の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は高周波結合器2の略中央に設置されたライン幅拡張部27をほぼ中心にして略円径の分布となっている。このため高周波結合器2は、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすいという点で、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
FIG. 24 shows the electric field intensity distribution on the XY plane that is 1 mm away from the upper surface of the
すなわち、高周波結合器2は、対向する位置に配置された高周波結合器との間でXY面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信が行える。
That is, the high-
次に、高周波結合器2の通信状況を調べるために、図25に示すような評価の基準機として、板状の結合用電極250aを備える高周波結合器250を用いるものとし、高周波結合器2、250同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は高周波伝送特性を評価するのに用いられるSパラメータの透過特性S21で評価するものとし、高周波結合器2の信号入出力端となる配線28bの入出力端28cを電力の入力ポートとし、高周波結合器250の入出力端を出力ポートとして透過特性S21を解析している。
Next, in order to investigate the communication status of the
図25は、結合強度S21を解析に用いた高周波結合器2、250間の相対的配置を示したものである。図25に示すようにして、高周波結合器2、250のその中心軸が一致するように対向させて、15mm、100mm間隔をあけた状態で、結合強度S21の周波数特性を調べるものとする。
FIG. 25 shows a relative arrangement between the high-
図26は、高周波結合器2、250との間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を解析したものである。対向距離15mmの場合と、対向距離100[mm]では、通信周波数である4.5GHz付近で、結合強度S21がそれぞれ−23dBと、−45dBとなっている。この結果から明らかなように、結合強度S21は、通信距離である近距離、すなわち15[mm]程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、100[mm]程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
FIG. 26 shows an analysis of the frequency characteristics of the coupling strength S21 when the facing distance between the high-
以上のように、第2の実施形態に係る高周波結合器2は、結合用電極が、コイル基板26の上下面にスルーホール23を介して巻回されたコイル262からなるので、例えば図30、及び図31に示すような、結合用電極208が金属線207によって支持された高周波結合器と比べて、結合用電極が良好な機械的強度度を実現することができる。これは、第2の実施形態に係る高周波結合器2の結合用電極が、コイル基板26内に形成されているので、図30及び図31に示されているような、結合用電極208が金属線207によって支持されている場合に比べて、衝撃などが加えられても結合用電極の損傷を防ぐことができるからである。
As described above, in the high-
また、高周波結合器2は、コイル262の全長が通信波長の略半分の長さで、コイル262の一端がグランド層22に電気的に接続されているので、コイル262の中心部であるライン幅拡張部27での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
In the high-
さらに、高周波結合器2は、結合用電極が、コイル基板26の断面方向の巻回形状が8の字となるように巻回されたコイルであるため、コイル262の全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル262全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。
Furthermore, the high-
このような点から明らかなように、高周波結合器2は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器2全体の小型化を図ることができる。
As is clear from this point, the high-
さらに、高周波結合器2は、図25に示したように、対向する位置に配置された高周波結合器との間でXY面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信を行うことができる。
Further, as shown in FIG. 25, the high-
なお、高周波結合器2は、コイル基板26において必ずしも、共振ライン28a、及び、共振ライン28aとグランド層とを電気的に接続するスルーホール25bを設けなくてもよいが、共振ライン28aが設けられることで、結合強度と共振周波数を調整可能とする点で特に好ましい。
In the
例えば、共振ライン28aとスルーホール25bが設けられていない場合には、高周波結合器との間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした結合強度S21の周波数特性が図27のようになる。ここで、対向距離が15[mm]の場合、結合強度S21は、図27が−25.4dBであるのに対して、図26が−22.8dBである。この結果から、例えば、共振ライン28aがあることで結合強度が大きくなるように調整できる。また、対向距離が15[mm]の場合、ピークから−3dB下がるまでの帯域幅は、図27が0.95GHzであるのに対して、図26が0.45GHzである。この結果から、共振ライン18aがあることで、例えば帯域幅が狭くなるように調整できる。
For example, when the
一般に、結合強度の強さと帯域幅とは、トレードオフの関係にあるため、これらのバランスが要求仕様に対して不十分な場合は、高周波結合器2のように、共振ライン28aとスルーホール25bとを設けて、主に、共振ライン28aの長さを変えることで、結合強度の強さと帯域幅との特性を調整することができる。
In general, since the strength of the coupling strength and the bandwidth are in a trade-off relationship, when these balances are insufficient with respect to the required specifications, the
<変形例>
次に、第2の実施形態に係る変形例として、図28に示すような高周波結合器2aの構成について説明する。
<Modification>
Next, as a modification of the second embodiment, the configuration of a high-frequency coupler 2a as shown in FIG. 28 will be described.
高周波結合器2aは、図28に示すように、上述した高周波結合器2aと同様に、プリント基板21と、コイル基板26とを備え、コイル基板26の上部基板261の上下面に複数のスルーホール23を介して、巻回形状が「8の字」となるコイル262が形成されたものである。なお、高周波結合器2aは、上述した高周波結合器2と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
As shown in FIG. 28, the high-frequency coupler 2a includes a printed
高周波結合器2aは、具体的に、上述した高周波結合器2と異なり、通信特性の向上を図る観点から、プリント基板21の一部に空洞部29が形成されている。具体的に、空洞部29は、プリント基板21の一方の面に配置されたコイル基板26に形成されたライン幅拡張部27と対向する位置に形成されている。このようにして空洞部29は、電界が強くなるライン幅拡張部27と対向する位置、すなわち基板の厚み方向の直下に形成されるが、特に空洞部29の形状が厚み方向に深いほど通信特性改善効果があがる。この効果については後述する解析結果で具体的に説明する。
Specifically, unlike the
また、空洞部29は、プリント基板21を切削加工することで形成される。また、これ以外にも、例えば、空洞部29の形成されたプリント基板21は、貫通穴を設けた基板を切削加工していない基板に貼り合わせることで完成するようにしてもよい。
The
次に、以上のような構成からなる高周波結合器2aの性能を調べるために、アンソフト社製の3次元電磁界シミュレータHFSSを用いた解析を行なった。解析モデルは、図28に示した構成で、ベース材24、上部基板261にはポリイミドを使用し、プリント基板21、コイル基板26の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが8×8×1.6mm、8×8×0.4mmとしている。
Next, in order to investigate the performance of the high-frequency coupler 2a configured as described above, an analysis was performed using a three-dimensional electromagnetic field simulator HFSS manufactured by Ansoft. The analysis model has the configuration shown in FIG. 28, and polyimide is used for the
図29は、高周波結合器2aの解析モデルにおいて、XY平面の寸法が3.5×4mmの空洞部29をその中心軸をライン幅拡張部27の中心にあわせ、また短軸をX方向に向けてプリント基板21上に形成し、空洞部29のZ軸方向で規定される深さを0.4、1、1.6mmとした場合の結合強度S21を調べたものである。ここで、単に空洞部29の深さを変えると共振周波数がシフトしてしまい、比較し難くなるので、図29の各結果においては、コイル262の長さで共振周波数がほぼ同一となるように調整している。また、図29では、比較対象として、空洞部29が無しのものも解析した。
FIG. 29 shows an analysis model of the high-frequency coupler 2a, in which the
このような図29に示された解析結果から明らかなように、高周波結合器2aは、空洞部29を設けることで結合強度が向上し、特に、空洞部29の深さが増すほど良好な結合強度を実現できる。
As is clear from the analysis result shown in FIG. 29, the high-frequency coupler 2a is improved in coupling strength by providing the
1、1a、1b、2a、102、106、150、250 高周波結合器、11、21、201 プリント基板、11a、11b、21a、21b 基板面、12、22 グランド層、13、15a、15b、23、25a、25b スルーホール、14、24 ベース材、16、26 コイル基板、161、261 上部基板、162、162a、162b、262、262a、262b コイル、17、17a、 巻回方向反転部、18a、28a 共振ライン、18b、28b 配線、18c、28c 入出力端、19、29 空洞部、27 ライン幅拡張部、100 通信システム、101、105 通信装置、103、107、150a、208、250a 結合用電極、104、108 送受信回路部、202 グランド、203 スタブ、205 送受信回路、207 金属線、
1, 1a, 1b, 2a, 102, 106, 150, 250 High frequency coupler, 11, 21, 201 Printed circuit board, 11a, 11b, 21a, 21b Board surface, 12, 22 Ground layer, 13, 15a, 15b, 23 25a, 25b Through hole, 14, 24 Base material, 16, 26 Coil substrate, 161, 261 Upper substrate, 162, 162a, 162b, 262, 262a, 262b Coil, 17, 17a, Winding direction reversing portion, 18a, 28a Resonant line, 18b, 28b Wiring, 18c, 28c Input / output end, 19, 29 Cavity, 27 Line width extension, 100 Communication system, 101, 105 Communication device, 103, 107, 150a, 208,
Claims (7)
誘電体の一方の面にグランド層が形成された第1の基板と、
上記第1の基板上に、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第2の基板と、
上記第2の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が8の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極とを備え、
上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が信号の入出力端と接続され、他方の端部が上記第1の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とするアンテナ装置。 In an antenna device that performs information communication by electromagnetic field coupling between a pair of opposed electrodes,
A first substrate having a ground layer formed on one surface of the dielectric;
A second substrate made of a dielectric disposed on the first substrate so as to face a surface different from the surface on which the ground layer is formed;
Another antenna device is formed of a coil in which a coil wire is wound so that a winding shape becomes a figure 8 through a through hole on the upper and lower surfaces of the second substrate, and is arranged at an opposing position. A coupling electrode that is electromagnetically coupled to the electrode to enable communication;
The coupling electrode has one end of the wound coil connected to a signal input / output end and the other end electrically connected to a ground layer formed on the first substrate. An antenna device characterized in that the overall length of the coil is approximately half the length of the communication wavelength.
上記コイルの中央部では、コイル線の巻回間隔を広くするとともに、該コイル線の線幅が広くなっていることを特徴とする請求項1記載のアンテナ装置。 The coil is wound in the same direction over the entire length of the coil,
2. The antenna device according to claim 1, wherein a winding interval of the coil wire is widened and a line width of the coil wire is widened at a central portion of the coil.
誘電体の一方の面にグランド層が形成された第1の基板と、
上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第2の基板と、
上記第2の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が8の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、
信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が上記送受信処理部と接続され、他方の端部が上記第1の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする通信装置。 In a communication device that performs information communication by electromagnetic field coupling between electrodes of other communication devices arranged at opposing positions,
A first substrate having a ground layer formed on one surface of the dielectric;
A second substrate made of a dielectric disposed opposite to a surface different from the surface on which the ground layer is formed;
Another antenna device is formed of a coil in which a coil wire is wound so that a winding shape becomes a figure 8 through a through hole on the upper and lower surfaces of the second substrate, and is arranged at an opposing position. A coupling electrode that is electromagnetically coupled to the electrode to enable communication;
A transmission / reception processing unit for performing transmission / reception processing of signals,
The coupling electrode has one end of the wound coil connected to the transmission / reception processing unit and the other end electrically connected to a ground layer formed on the first substrate. A communication device characterized in that the overall length of the coil is approximately half the length of the communication wavelength.
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2010
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