JP2012015848A - Antenna device and communication apparatus - Google Patents

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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an antenna device having a structure advantageous for miniaturization while sufficient communication characteristic and mechanical strength are realized.SOLUTION: The antenna device includes: a printed board 11 where a ground layer 12 is formed on a board face 11a; a coil board 16 installed on a board face 11b of the printed board 11; and a coupling electrode 103 which consists of coils 162 to which coil wires are wound to form a figure eight via through holes 13 on upper and lower faces of the coil board 16 and is electromagnetically coupled to an electrode of another antenna device to be communicable. The coupling electrode 103 has a structure where one end of the wound coils 162 is connected to an input/output end 18c of a signal, and the other end is electrically connected to the ground layer 12 formed on the printed board 11. The whole length of the coils 162 is almost half of a communication wavelength.

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 Patent Document 1 has a printed circuit board 201 in which a ground 202 is formed on one surface and a microstrip structure formed on the other surface of the printed circuit board 201 as shown in FIG. The stub 203 includes a coupling electrode 208 and a metal wire 207 that connects the coupling electrode 208 and the stub 203. In the high frequency coupler described in Patent Document 1, a transmission / reception circuit 205 is also formed on the printed circuit board 201. Further, in Patent Document 1, as a modified example in which the transmission / reception circuit 205 is not formed on the printed circuit board 201, a printed circuit board 201 in which a ground 202 is formed on one surface as shown in FIG. A configuration including a microstrip structure stub 203 formed on the other surface, a coupling electrode 208, and a metal wire 207 connecting the coupling electrode 208 and the stub 203 is described.

特開2008−311816号公報JP 2008-31816 A

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 Patent Document 1, the coupling strength includes the capacitance between the coupling electrodes 208 in a coupled state in which a pair of high-frequency couplers are arranged to face each other, and the coupling electrode 208 and the stub 203. Greatly depends on the inductance of the metal wire 207 connecting the two. In the high-frequency coupler shown in FIGS. 30 and 31, the coupling electrode 208 is supported by a metal wire 207. However, considering the mechanical strength and handling during movement, the coupling electrode 208 and It is preferable that the metal wire 207 is mechanically held by bonding the metal wire 207 to a substrate or the like. However, in this case, since the substrate holding the coupling electrode 208 and the metal wire 207 is generally a dielectric substrate having a dielectric constant, the capacitance component between the coupling electrodes 208 changes greatly. The resonance frequency changes, and adjustment for adjusting to a predetermined frequency is complicated, such as adjusting the inductance by changing the length and thickness of the metal wire 207 in order to match this frequency. Further, when a substrate having a high dielectric constant is used, the coupling efficiency is greatly reduced.

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.

本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれる通信システムの構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the communication system with which the antenna device to which this invention was applied is integrated. 本発明が適用されたアンテナ装置である第1の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high frequency coupler which concerns on 1st Embodiment which is an antenna device to which this invention was applied. コイル基板に巻回されたコイルの巻回形状と、コイルが発生する磁界とについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the winding shape of the coil wound by the coil board | substrate, and the magnetic field which a coil generate | occur | produces. 第1の実施形態に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。It is the top view which shows the coordinate of the analysis model of the high frequency coupler which concerns on 1st Embodiment, and is the figure which looked at the surface side of the coil board | substrate. 第1の実施形態に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows magnetic field vector distribution which a coil generate | occur | produces in the high frequency coupler which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高周波結合器において、図6(A)は、XZ面の電界強度分布を示す図であり、図6(B)は、YZ面の電界強度分布を示す図である。In the high-frequency coupler according to the first embodiment, FIG. 6A is a diagram illustrating the electric field strength distribution on the XZ plane, and FIG. 6B is a diagram illustrating the electric field strength distribution on the YZ plane. 第1の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the communication state between high frequency couplers in the high frequency coupler which concerns on 1st Embodiment. 第1の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を説明するための図である。In the high frequency coupler which concerns on 1st Embodiment, it is a figure for demonstrating the frequency characteristic of coupling intensity | strength S21 when the opposing distance between high frequency couplers is 15 [mm] and 100 [mm]. 共振ライン18aとスルーホール15bが設けられていない高周波結合器を用いて、高周波結合器間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を説明するための図である。The frequency characteristic of the coupling strength S21 when the facing distance between the high frequency couplers is 15 [mm] and 100 [mm] using a high frequency coupler in which the resonance line 18a and the through hole 15b are not provided will be described. FIG. 第1の実施形態の変形例1に係る高周波結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high frequency coupler which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例1に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。It is the top view which shows the coordinate of the analysis model of the high frequency coupler which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment, and is the figure which looked at the surface side of the coil board | substrate. 第1の実施形態の変形例1に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows magnetic field vector distribution which a coil generate | occur | produces in the high frequency coupler which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例1に係る高周波結合器において、図13(A)は、コイル基板16の上面から1mm離れたXY面の電界強度分布を示す図であり、図13(B)は、コイル基板16の上面から5mm離れたXY面の電界強度分布を示す図である。In the high-frequency coupler according to Modification 1 of the first embodiment, FIG. 13A is a diagram showing the electric field strength distribution on the XY plane that is 1 mm away from the upper surface of the coil substrate 16, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing an electric field strength distribution on an XY plane that is 5 mm away from the upper surface of the coil substrate 16. 第1の実施形態の変形例1に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を説明するための図である。The figure for demonstrating the frequency characteristic of coupling intensity | strength S21 when the opposing distance between high frequency couplers is 15 [mm] and 100 [mm] in the high frequency coupler which concerns on the modification 1 of 1st Embodiment. It is. 第1の実施形態の変形例2に係る高周波結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high frequency coupler which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例2に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。It is the top view which shows the coordinate of the analysis model of the high frequency coupler which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment, and is the figure which looked at the surface side of the coil board | substrate. 第1の実施形態の変形例2に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows magnetic field vector distribution which a coil generate | occur | produces in the high frequency coupler which concerns on the modification 2 of 1st Embodiment. 第1の実施形態の変形例2に係る高周波結合器において、図18(A)は、コイル基板16の上面から1mm離れたXY面の電界強度分布を示す図であり、図18(B)は、コイル基板16の上面から5mm離れたXY面の電界強度分布を示す図である。In the high-frequency coupler according to Modification 2 of the first embodiment, FIG. 18A is a diagram showing the electric field strength distribution on the XY plane that is 1 mm away from the upper surface of the coil substrate 16, and FIG. FIG. 4 is a diagram showing an electric field strength distribution on an XY plane that is 5 mm away from the upper surface of the coil substrate 16. 第1の実施形態の変形例2に係る高周波結合器の解析モデルにおいて、空洞部19の深さに応じた結合強度S21の周波数特性の変化について説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a change in frequency characteristics of the coupling strength S21 according to the depth of the cavity 19 in the analysis model of the high-frequency coupler according to Modification 2 of the first embodiment. 第2の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment. コイル基板に巻回されたコイルの巻回形状と、コイルが発生する磁界とについて説明するための図である。It is a figure for demonstrating the winding shape of the coil wound by the coil board | substrate, and the magnetic field which a coil generate | occur | produces. 第2の実施形態に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。It is the top view which shows the coordinate of the analysis model of the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment, and is the figure which looked at the surface side of the coil board | substrate. 第2の実施形態に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。It is a figure which shows magnetic field vector distribution which a coil generate | occur | produces in the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る高周波結合器において、コイル基板の上面から1mm離れたXY面の電界強度分布を示す図である。In the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment, it is a figure which shows the electric field strength distribution of XY surface 1 mm away from the upper surface of the coil board | substrate. 第2の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the communication state between high frequency couplers in the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment. 第2の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を説明するための図である。In the high frequency coupler which concerns on 2nd Embodiment, it is a figure for demonstrating the frequency characteristic of coupling strength S21 when the opposing distance between high frequency couplers is 15 [mm] and 100 [mm]. 共振ライン28aとスルーホール25bが設けられていない高周波結合器を用いて、高周波結合器間の対向距離を15[mm]、100[mm]とした場合の、結合強度S21の周波数特性を説明するための図である。The frequency characteristic of the coupling strength S21 when the opposing distance between the high frequency couplers is 15 [mm] and 100 [mm] using a high frequency coupler in which the resonance line 28a and the through hole 25b are not provided will be described. FIG. 第2の実施形態の変形例に係る高周波結合器の構成を示す図である。It is a figure which shows the structure of the high frequency coupler which concerns on the modification of 2nd Embodiment. 第2の実施形態の変形例に係る高周波結合器の解析モデルにおいて、空洞部29の深さに応じた結合強度S21の周波数特性の変化について説明するための図である。FIG. 10 is a diagram for explaining a change in frequency characteristics of the coupling strength S21 according to the depth of a cavity 29 in an analysis model of a high-frequency coupler according to a modification of the second embodiment. 従来例に係る高周波結合器に係る構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which concerns on the high frequency coupler which concerns on a prior art example. 従来例に係る高周波結合器に係る構成を示す図である。It is a figure which shows the structure which concerns on the high frequency coupler which concerns on a prior art example.

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 communication system 100 includes communication devices 101 and 105 that perform two data communications. Here, the communication apparatus 101 includes a high-frequency coupler 102 having a coupling electrode 103 and a transmission / reception circuit unit 104. In addition, the communication device 105 includes a high-frequency coupler 106 having a coupling electrode 107 and a transmission / reception circuit unit 108.

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-frequency couplers 102 and 106 provided in each of the communication devices 101 and 105 are arranged to face each other, the two coupling electrodes 103 and 107 operate as one capacitor, and the band-pass filter as a whole. By operating in this way, a high-frequency signal in the 4 to 5 GHz band for realizing high-speed transfer of, for example, about 560 Mbps can be efficiently transmitted between the two high-frequency couplers 102 and 106.

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 coupling electrodes 103 and 107 included in the high-frequency couplers 102 and 106 are arranged to face each other with a distance of, for example, about 3 cm, and can be coupled to each other.

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 communication system 100, for example, the transmission / reception circuit unit 104 connected to the high-frequency coupler 102 generates a high-frequency transmission signal based on the transmission data when a transmission request is generated from a higher-level application, and the coupling electrode 103 generates a coupling electrode. The signal is propagated to 107. Then, the transmission / reception circuit unit 108 connected to the reception-side high-frequency coupler 106 demodulates and decodes the received high-frequency signal, and passes the reproduced data to the higher-level application.

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 communication system 100, a high-frequency coupler 1 according to the first embodiment as shown in FIG. 2 will be described.

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-frequency coupler 1 according to the first embodiment includes a printed circuit board 11 corresponding to the first substrate according to the present invention and a coil corresponding to the second substrate according to the present invention. A substrate 16.

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 circuit board 11 has a base material 14 made of a dielectric, and a ground layer 12 formed on one surface of the base material 14.

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 coil substrate 16 is a substrate that is installed on the printed circuit board 11 on a substrate surface 11b that faces the substrate surface 11a on which the ground layer 12 is formed. The coil substrate 16 has an upper substrate 161 made of a dielectric, and the upper substrate 161 is formed with a coil 162 that functions as the coupling electrodes 103 and 107 described above.

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 coil substrate 16, the direction parallel to the wiring 18 b described later is the X direction, the direction perpendicular to the wiring 18 b in the plane of the upper substrate 161 is the Y direction, and the thickness direction of the high frequency coupler 1 is the Z axis. The three-dimensional orthogonal coordinate system is defined and described.

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 coil 162 has a winding shape viewed from one cross-sectional direction in the coil substrate 16 through a plurality of through holes 13 on the upper and lower surfaces of the upper substrate 161. It is formed by winding a coil wire so as to be substantially “8”. Specifically, the coil 162 is formed by forming a wiring for forming a coil on the upper and lower surfaces of the upper substrate 161 by a patterning technique, and the formed upper and lower coil pattern ends are opened by a drill or the like, and conductive plating treatment is performed. Alternatively, it is formed by electrically connecting through a through hole 13 in which a conductive paste is embedded.

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 coil 162 has a substantially “8-shaped” winding shape as viewed from the YZ plane in the coil substrate 16, but is not limited to this, and from any cross section in the coil substrate. What is necessary is just to be formed in the coil board | substrate so that the winding shape which looked may become substantially "8 shape".

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 coil 162 has the winding directions T shown in FIGS. 3A and 3B opposite to each other, and the coils 162a and 162b having the same number of turns are connected to each other by the winding direction reversing unit 17. Is. That is, a portion corresponding to approximately half the total length of the coil 162 is a winding direction reversing portion 17. The overall length of the coil 162 is adjusted to be approximately half the communication frequency.

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 coil substrate 16. Specifically, the coil 162a corresponds to a winding shape and a winding direction T as shown in FIG. 3A, and the coil 162b has a winding shape and a winding direction T as shown in FIG. It corresponds. 3A and 3B also show a magnetic field B generated when a current flows in the winding direction T and the forward direction.

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 coil 162 is electrically connected to the ground layer 12 formed on the substrate surface 11a of the printed circuit board 11 through the through hole 15a, and the resonance line 18a and the wiring 18b are connected to the other end. Is done. A signal input / output end 18c is formed at the other end of the wiring 18b. As described above, one end of the resonance line 18a is connected to the coil 162, and the other end is printed via the through hole 15b. The substrate 11 is electrically connected to the ground layer 12 formed on the substrate surface 11a.

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 resonance line 18a is for adjusting the steepness of the resonance characteristic of the high frequency coupler 1, and the steepness of the resonance characteristic can be adjusted by changing the length of the resonance line 18a. The through holes 15a and 15b are paths through which the base material 14 of the printed circuit board 11 is electrically connected, and, like the through holes 13 described above, are subjected to a conductive plating process or a conductive paste filling process. It is formed with.

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 base material 14 of the printed circuit board 11 and the upper substrate 161 of the coil substrate 16 include plasticity such as glass epoxy (FR4), glass composite (CEM3), paper epoxy (FR3), and paper phenol (XPC). Although a member is used, a low dielectric material such as flexible polyimide, liquid crystal polymer, or Teflon may be used. In particular, when the input / output end 18c is provided by projecting the wiring 18b of the coil substrate 16 with respect to the printed circuit board 11, the substrate 161 is a flexible substrate made flexible by using a thin polyimide or the like. It is preferable. This is because the input / output end 18 c protruding from the printed circuit board 11 can be flexibly bent and the degree of freedom in attaching the transmission / reception circuit unit 104 and the high-frequency coupler 1 is improved. Because you can.

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-frequency coupler 1 having the above-described configuration, analysis using a three-dimensional electromagnetic field simulator HFSS manufactured by Ansoft Corporation was performed. The analysis model has the configuration shown in FIG. 2, and polyimide is used for the base material 14 and the upper substrate 161. The dimensions of the printed circuit board 11 and the coil substrate 16 are 8 × 8 × 1 in length × width × thickness, respectively. .6 mm and 8 × 8 × 0.4 mm.

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 coil substrate 16. In FIG. 4, the upper substrate 161 is transmitted so that the winding state of the coil 162 can be seen. As described above, the direction parallel to the wiring 18 b is the X direction, and the wiring is performed within the plane of the upper substrate 161. The direction perpendicular to 18b is the Y direction, and the thickness direction of the high frequency coupler 1 is the Z axis.

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 coil 162, and represents the magnetic field vector of the resonance frequency on the XY plane 200 μm below the upper surface of the coil substrate 16 in the thickness direction Z. From FIG. 5, in the coil 162, the magnetic field vector is directed to the X direction minus side on the Y direction plus side, and the magnetic field vector is directed to the X direction plus side on the Y direction minus side. For this reason, the flow of the magnetic field is generated so as to circulate around the winding direction inversion portion 17, that is, in a closed loop on the XY plane.

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 coil 162a and the coil 162b constituting the coil 162 are wound. The reason why the turning directions are opposite to each other is because the polarities of the currents in the coils 162a and 162b are opposite.

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 individual coils 162a and 162b, the winding shape is a figure-eight shape. When a current is passed through the coil having such a shape, as shown in FIG. It has the property that the direction of the magnetic field that penetrates the two rings that constitutes is reversed. Therefore, when such eight-shaped coils are continuously stacked, that is, when they are wound, the direction of the magnetic field is the same in each of the overlapping rings, so that two solenoid coils with different winding directions result. It can be considered that they are arranged side by side, and a closed loop of a magnetic field is created between adjacent solenoid coils, so that the inductance of the coil can be increased. However, in the case of a high-frequency current, the polarity of the current changes at a half wavelength due to the phase relationship. Therefore, if the winding direction is the same over the entire length of the coil 162, the currents with locally different polarities For this reason, a phenomenon occurs in which the magnetic fields cancel each other.

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 high frequency coupler 1, since one end of the coil 162 is short-circuited to the ground layer 12 through the through hole 15b, the current is maximized at that portion, and the entire length of the coil 162 is reduced to a half wavelength. Therefore, the current is also maximized at the other end of the coil 162. Here, the currents at both ends of the coil 162 are opposite in polarity because the phases are different by 180 degrees. As described above, if the coil 162 is formed by overlapping the same 8-shaped coil in the winding direction, the generated magnetic field Will cancel each other out, and it will not be a closed loop as described above.

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 high frequency coupler 1, the coil 162 is configured by combining the eight-shaped coils 162 a and 162 b having different winding directions with the winding direction inversion portion 17 as a boundary. The magnetic field flow can be closed loop.

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 high frequency coupler 1, by making the flow of the magnetic field a closed loop as described above, the inductance of the coil 162 can be increased and the Q value as the antenna can be increased. The coupling efficiency can be increased. For example, in an application using a longitudinal wave of an electric field such as TransferJet (registered trademark), the electric field is applied in the Z-axis direction from the periphery of the winding direction inversion unit 17 at the center of the coil 162 where the voltage level of the signal is highest. Since longitudinal waves are efficiently emitted, the degree of coupling can be increased. The voltage level is highest around the winding direction inversion portion 17 because the coil 162 is approximately half the length of the communication wavelength, and one end of the coil is electrically connected to the ground layer 12 where the voltage level is zero. This is because they are connected.

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 coil 162 as a reference. In the figure, contour lines are indicated by dotted lines. Here, the electric field strength distribution is a symmetric distribution with the winding direction reversing portion 17 installed substantially at the center of the high frequency coupler 1 as the center, and communication is performed with the two high frequency couplers facing each other. The point at which the maximum coupling strength can be obtained when performing is easy to understand and is preferable from the viewpoint of easy antenna arrangement.

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 high frequency coupler 1, the high frequency coupler 150 including the plate-like coupling electrode 150a is used as a reference machine for evaluation as shown in FIG. , 150 was analyzed with respect to the coupling strength when communicating with each other. The coupling strength is evaluated by the transmission characteristic S21 of the S parameter used for evaluating the high frequency transmission characteristic, and the input / output terminal 18c of the wiring 18b serving as the signal input / output terminal of the high frequency coupler 1 is used as the power input port. Similarly, the transmission characteristic S21 is analyzed using the input / output terminal of the high-frequency coupler 150 as an output port.

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-frequency couplers 1 and 150 using the coupling strength S21 for analysis. As shown in FIG. 7, the frequency characteristics of the coupling strength S21 are examined in a state where the high-frequency couplers 1 and 150 face each other so that their central axes coincide with each other and are spaced apart from each other.

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 high frequency couplers 1 and 150 is 15 [mm] and 100 [mm]. In the case of the opposing distance 15 [mm] and the opposing distance 100 [mm], the coupling strength S21 is −23 dB and −48 dB, respectively, near the communication frequency of 4.5 GHz. As is clear from this result, the coupling strength S21 is large when the communication distance is a short distance, that is, about 15 [mm], and is far away as a non-communication distance, that is, when the distance is about 100 [mm]. However, since it is small, it has good communication characteristics when short-range communication is used.

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-frequency coupler 1 according to the first embodiment, since the coupling electrode includes the coil 162 wound around the upper and lower surfaces of the coil substrate 16 through the through hole 13, for example, FIG. As shown in FIG. 31 and FIG. 31, the coupling electrode can realize a better mechanical strength than the high-frequency coupler according to the conventional example in which the coupling electrode 208 is supported by the metal wire 207. This is because the coupling electrode of the high-frequency coupler 1 according to the first embodiment is formed in the coil substrate 16, and compared with the case where the coupling electrode 208 is supported by the metal wire 207. This is because damage to the coupling electrode can be prevented even if such is added.

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-frequency coupler 1 has a coil 162 that is approximately the half of the communication wavelength, and one end of the coil 162 is electrically connected to the ground layer 12. By increasing the signal level at the direction inversion unit 17, the coupling strength with other coupling electrodes arranged at opposing positions is increased, and good communication characteristics can be realized.

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-frequency coupler 1 is a coil in which the coupling electrode is wound so that the winding shape in the cross-sectional direction of the coil substrate 16 is a figure 8, so that the total length of the coil 162 is approximately half the communication wavelength. The entire coil 162 can be made small and the entire antenna device can be miniaturized even if the length is.

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-frequency coupler 1 can achieve a reduction in size of the entire high-frequency coupler 1 while realizing both good communication characteristics and mechanical strength.

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-frequency coupler 1, the coil substrate 16 does not necessarily have the resonance line 18a and the through hole 15b that electrically connects the resonance line 18a and the ground layer, but the resonance line 18a is provided. This is particularly preferable in that the coupling strength and the resonance frequency can be adjusted.

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 resonance line 18a and the through hole 15b are not provided, the frequency characteristic of the coupling strength S21 with the facing distance between the high frequency coupler being 15 [mm] and 100 [mm] is as shown in FIG. become. Here, when the opposing distance is 15 [mm], the coupling strength S21 is −25.2 dB in FIG. 9 while it is −22.9 dB in FIG. From this result, for example, the presence of the resonance line 18a can be adjusted to increase the coupling strength. When the facing distance is 15 [mm], the bandwidth from the peak to −3 dB down is −3 dB in FIG. 9, whereas that in FIG. 8 is 0.43 GHz. From this result, the resonance line 18a can be adjusted so that, for example, the bandwidth is narrowed.

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 resonance line 18a and the through hole 15b are used as in the high-frequency coupler 1. By mainly changing the length of the resonance line 18a, the characteristics of the strength of the coupling strength and the bandwidth can be adjusted.

<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。
<Modification 1>
Next, a configuration of a high-frequency coupler 1a as shown in FIG. 10 will be described as a first modification according to the first embodiment.

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-frequency coupler 1 a includes a printed board 11 and a coil board 16, as in the above-described high-frequency coupler 1, and a plurality of through holes are formed on the upper and lower surfaces of the upper board 161 of the coil board 16. 13, a coil 162 having a winding shape of “eight” is formed. In addition, the high frequency coupler 1a attaches | subjects the same code | symbol about the structure similar to the high frequency coupler 1 mentioned above, and shall omit the description.

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-frequency coupler 1a differs from the high-frequency coupler 1 described above in the configuration of the coil 162 mounted on the coil substrate 16.

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 coil 162 is obtained by connecting coils 162a and 162b having approximately the same number of turns in the winding direction to each other by the winding direction reversing portion 17a. Here, unlike the high-frequency coupler 1, the winding direction reversing unit 17a according to the high-frequency coupler 1a has a coil pitch d of each of the coils 162a and 162b, that is, the winding of the coil wire in the coils 162a and 162b. It is wider than the interval. This is to make the field radiation distribution of the high-frequency coupler 1a symmetrical in the plane, as will be apparent from the performance evaluation described later. The area of the winding direction inversion portion 17a is preferably adjusted according to the overall size of the coil 162. Furthermore, in the winding direction inversion portion 17a, the coupling strength can be further increased as will be described later by increasing the line width of the coil wire in the vicinity thereof. For example, in the winding direction reversing part 17a, the line width of the coil wire at the part can be expanded as compared with other parts by forming a circular shape as shown in FIG.

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-frequency coupler 1a 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. 10, and polyimide is used for the base material 14 and the upper substrate 161. The dimensions of the printed circuit board 11 and the coil substrate 16 are 8 × 8 × 1 in length × width × thickness, respectively. .6 mm and 8 × 8 × 0.4 mm.

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 coil substrate 16. In FIG. 11, the upper substrate 161 is transmitted so that the winding state of the coil 162 can be seen. As described above, the direction parallel to the wiring 18b is the X direction, and the wiring is performed within the plane of the upper substrate 161. The direction perpendicular to 18b is the Y direction, and the thickness direction of the high frequency coupler 1a is the Z axis.

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 coil 162, and represents the magnetic field vector corresponding to the resonance frequency on the XY plane 200 μm below the upper surface of the coil substrate 16 in the thickness direction Z. Here, in the coil 162, the magnetic field vector is directed to the X direction minus side on the Y direction plus side, and the magnetic field vector is directed to the X direction plus side on the Y direction minus side. For this reason, the flow of the magnetic field is generated so as to circulate around the winding direction inversion portion 17a, that is, in a closed loop on the XY plane.

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 high frequency coupler 1a, as with the high frequency coupler 1, by making the flow of the magnetic field a closed loop, the inductance of the coil 162 can be increased and the Q value as an antenna can be increased. The coupling efficiency of the high frequency coupler can be increased. For example, in an application using a longitudinal wave of an electric field such as TransferJet (registered trademark), the electric field is applied in the Z-axis direction from the periphery of the winding direction inversion portion 17a at the center of the coil 162 where the voltage level of the signal is highest. Since longitudinal waves are efficiently emitted, the degree of coupling can be increased.

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 XY plane 1 mm and 5 mm away from the upper surface of the coil substrate 16, and the strength is based on the center of the coil 162. Is represented by contour lines. In the figure, contour lines are indicated by dotted lines. Here, the electric field strength distribution is a symmetric distribution with the winding direction reversing portion 17a installed at substantially the center of the high-frequency coupler 1a substantially at the center. Therefore, the high frequency coupler 1a is preferable from the viewpoint of easily arranging the antenna because it is easy to understand the point at which the maximum coupling strength can be obtained when communicating with another high frequency coupler.

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-frequency coupler 1a is isotropic and stable compared to the above-described high-frequency coupler 1 even when a positional shift in the XY in-plane direction occurs between the high-frequency couplers disposed at the opposite positions. Communication is possible. This is because the electric field intensity analyzed by the high frequency coupler 1 as shown in FIG. 6 spreads in the Y direction compared to the X direction, whereas the high frequency coupler 1a according to the modification shown in FIG. This is because the electric field intensity of both extends substantially uniformly in both the X and Y directions.

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-frequency coupler 1a, the coupling strength when the high-frequency couplers 1a and 150 communicate with each other in the same manner as in FIG. 7 was analyzed. The coupling strength is evaluated by the transmission characteristic S21 of the S parameter used for evaluating the high frequency transmission characteristic, and the input / output terminal 18c of the wiring 18b serving as the signal input / output terminal of the high frequency coupler 1a is used as the power input port. The transmission characteristic S21 is analyzed using the input / output end of the high-frequency coupler 150 as an output port.

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-frequency couplers 1a and 150 face each other so that their central axes coincide with each other and are spaced apart from each other. In this example, for one high frequency coupler 150, a reference high frequency coupler including a plate-like coupling electrode 150a was used as a reference machine for evaluation.

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 high frequency couplers 1a and 150 is 15 [mm] and 100 [mm]. In the case of the opposing distance 15 [mm] and the opposing distance 100 [mm], the coupling strength S21 is −23 dB and −48 dB, respectively, near the communication frequency of 4.5 GHz. As is clear from this result, the coupling strength S21 is large when the communication distance is a short distance, that is, about 15 [mm], and is far away as a non-communication distance, that is, when the distance is about 100 [mm]. However, since it is small, it has good communication characteristics when short-range communication is used.

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-frequency coupler 1a according to the modified example, as with the high-frequency coupler 1 described above, can achieve both good communication characteristics and mechanical strength, and can be small in size. Can be achieved. Furthermore, the high-frequency coupler 1a can perform isotropic and stable communication even when a positional shift occurs in the XY in-plane direction with a high-frequency coupler disposed at an opposing position.

<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。
<Modification 2>
Next, as a second modified example according to the first embodiment, a configuration of a high-frequency coupler 1b as shown in FIG. 15 will be described.

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-frequency coupler 1 b includes a printed circuit board 11 and a coil substrate 16, as in the above-described high-frequency coupler 1, and a plurality of through holes are formed on the upper and lower surfaces of the upper substrate 161 of the coil substrate 16. 13, a coil 162 having a winding shape of “eight” is formed. In addition, the high frequency coupler 1b attaches | subjects the same code | symbol about the structure similar to the high frequency coupler 1 mentioned above, and shall omit the description.

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-frequency coupler 1b differs from the high-frequency coupler 1 described above in the configuration of the coil 162 mounted on the coil substrate 16 and the printed board 11.

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 coil 162 is obtained by connecting coils 162a and 162b having approximately the same number of turns in the winding direction to each other by the winding direction reversing portion 17a. Here, unlike the high-frequency coupler 1, the winding direction reversing unit 17a according to the high-frequency coupler 1b has a wider area than the coil pitch d of the coils 162a and 162b. This is to make the field radiation distribution of the high-frequency coupler 1b symmetrical in the plane. The area of the winding direction inversion portion 17a is preferably adjusted according to the overall size of the coil 162. Further, in the winding direction inversion portion 17a, in order to increase the line width of the coil wire in the vicinity, the shape of the coil wire in the part is expanded as compared with other parts as shown in a circular shape as shown in FIG. Has been.

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-frequency coupler 1b according to the modified example 2, a hollow portion 19 is formed in a part of the printed circuit board 11 from the viewpoint of improving communication characteristics. Specifically, the cavity portion 19 is formed at a position facing the winding direction reversing portion 17 a formed on the coil substrate 16 disposed on one surface of the printed circuit board 11. Thus, the cavity portion 19 is formed at a position facing the coil winding direction reversing portion 17a where the electric field is strong, that is, immediately below the thickness direction of the substrate. In particular, the deeper the shape of the cavity portion 19 is in the thickness direction. The effect of improving communication characteristics is high. This effect will be specifically described in the analysis results described later.

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 cavity 19 is formed by cutting the printed board 11. In addition to this, for example, the printed circuit board 11 in which the cavity portion 19 is formed may be completed by bonding a substrate provided with a through hole to a substrate that is not cut.

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-frequency coupler 1b having the above-described configuration, analysis using a three-dimensional electromagnetic field simulator HFSS manufactured by Ansoft Corporation was performed. The analysis model has the configuration shown in FIG. 15, and polyimide is used for the base material 14 and the upper substrate 161. The dimensions of the printed circuit board 11 and the coil substrate 16 are 8 × 8 × 1 in length × width × thickness, respectively. .6 mm and 8 × 8 × 0.4 mm.

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 coil substrate 16. In FIG. 16, the upper substrate 161 is transmitted so that the winding state of the coil 162 can be seen. As described above, the direction parallel to the wiring 18b is the X direction, and the wiring is performed within the plane of the upper substrate 161. The direction perpendicular to 18b is the Y direction, and the thickness direction of the high frequency coupler 1b is the Z axis.

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 coil 162, and represents the magnetic field vector corresponding to the resonance frequency in the XY plane 200 [μm] below the upper surface of the coil substrate 16 in the thickness direction Z. Here, in the coil 162, the magnetic field vector is directed to the X direction minus side on the Y direction plus side, and the magnetic field vector is directed to the X direction plus side on the Y direction minus side. For this reason, the flow of the magnetic field is generated so as to circulate around the winding direction inversion portion 17a, that is, in a closed loop on the XY plane.

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 high frequency coupler 1b, as with the high frequency coupler 1, by making the flow of the magnetic field a closed loop, the inductance of the coil 162 can be increased and the Q value as an antenna can be increased. The coupling efficiency of the high frequency coupler can be increased. For example, in an application using a longitudinal wave of an electric field such as TransferJet (registered trademark), the electric field is applied in the Z-axis direction from the periphery of the winding direction inversion portion 17a at the center of the coil 162 where the voltage level of the signal is highest. Since longitudinal waves are efficiently emitted, the degree of coupling can be increased.

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 XY plane 1 mm and 5 mm away from the upper surface of the coil substrate 16, and the intensity is based on the central portion of the coil 162. Is represented by contour lines. In the figure, contour lines are indicated by dotted lines. The electric field strength distribution is a symmetric distribution with the winding direction reversing portion 17a installed substantially at the center of the high-frequency coupler 1b substantially at the center. Therefore, the high-frequency coupler 1b is preferable from the viewpoint of easily arranging the antenna because it is easy to understand the point at which the maximum coupling strength can be obtained when communicating with another high-frequency coupler.

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-frequency coupler 1b is connected to the high-frequency coupler 1 even if a positional shift in the XY in-plane direction occurs between the high-frequency coupler 1a and the high-frequency coupler disposed at the opposite position. Compared to isotropic and stable communication.

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-frequency coupler 1b, the coupling strength when the high-frequency couplers 1b and 150 face each other and perform communication was analyzed. The coupling strength is evaluated by the transmission characteristic S21 of the S parameter used for evaluating the high frequency transmission characteristic. The input / output terminal 18c of the high frequency coupler 1b is used as the power input port, and the input / output terminal of the high frequency coupler 150 is used. Is used as an output port to analyze the transmission characteristic S21.

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-frequency couplers 1b and 150 face each other so that their central axes coincide with each other and are spaced apart from each other. In this example, for one high frequency coupler 150, a reference high frequency coupler including a plate-like coupling electrode 150a was used as a reference machine for evaluation.

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-frequency coupler 1b, in which the cavity 19 having an XY plane dimension of 3.5 mm × 4 mm is aligned with its center axis at the center of the winding direction inversion part 17a, and its short axis is in the X direction. The bond strength S21 is examined when the depth defined in the Z-axis direction of the cavity 19 is 0.4 mm, 0.7 mm, and 1.2 mm. Here, simply changing the depth of the cavity 19 shifts the resonance frequency, making comparison difficult. Therefore, in each result of FIG. 19, the resonance frequency is almost the same with the length of the coil 162. It is adjusting. Moreover, in FIG. 19, the thing without the cavity part 19 was analyzed as a comparison object.

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-frequency coupler 1 b is improved in coupling strength by providing the cavity portion 19, and in particular, as the depth of the cavity portion 19 increases, the coupling becomes better. Strength can be realized.

<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 high frequency coupler 2 which concerns on 2nd Embodiment is demonstrated.

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-frequency coupler 1 according to the second embodiment includes a printed board 21 corresponding to the first board according to the present invention and a coil board 26 corresponding to the second board according to the present invention. With.

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 circuit board 21 has a base material 24 made of a dielectric, and a ground layer 22 formed on one surface of the base material 24.

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 coil substrate 26 is a substrate placed on the printed circuit board 21 so as to face a substrate surface 21b different from the substrate surface 21a on which the ground layer 22 is formed. The coil substrate 26 includes an upper substrate 261 made of a dielectric, and the coil 262 that functions as the above-described coupling electrodes 103 and 107 is formed on the upper substrate 261.

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 coil substrate 26, the direction parallel to the wiring 28b described later is the X direction, the direction perpendicular to the wiring 28b in the plane of the upper substrate 261 is the Y direction, and the thickness direction of the high frequency coupler 2 is the Z axis. The three-dimensional orthogonal coordinate system is defined and described.

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 coil 262 is wound with a coil wire on the upper and lower surfaces of the upper substrate 261 through a plurality of through holes 23 so that the winding shape is substantially “eight” as shown in FIG. Is formed. Specifically, the coil 262 is formed by forming a wiring for forming a coil on the upper and lower surfaces of the upper substrate 261 by a patterning technique, and opening the formed upper and lower coil pattern ends with a drill or the like to conduct a conductive plating process. Alternatively, it is formed by electrically connecting through a through hole 23 in which a conductive paste is embedded.

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 coil 262 has a substantially “8-shaped” winding shape when viewed from the YZ plane in the coil substrate 26, but is not limited to this, and any cross-section in the coil substrate 26. As long as it is formed on the coil substrate 26, the winding shape as viewed from FIG.

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 coil 262 is formed by connecting the coils 262a and 262b having the same winding direction T shown in FIG. Therefore, a portion corresponding to approximately half the total length of the coil 262 is a line width extending portion 27. The total length of the coil 262 is adjusted to be approximately half the frequency of communication.

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 coil substrate 26. Specifically, the coils 262a and 262b both correspond to the winding shape and the winding direction T as shown in FIG. FIG. 21 also shows a magnetic field B generated when a current flows in the winding direction T and the forward direction.

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 coil 262 is electrically connected to the ground layer 22 formed on one side of the printed board 21 through the through hole 25a, and the resonance line 28a and the wiring 28b are connected to the other end. . The other end of the wiring 28b is formed with an input / output end 28c serving as a signal input / output end. As described above, one end of the resonance line 28a is connected to the coil 162, and the other end is a through hole. It is electrically connected to the ground layer 22 formed on one side of the printed circuit board 21 through 25b.

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 resonance line 28a is for adjusting the steepness of the resonance characteristic of the high-frequency coupler 2, and the steepness of the resonance characteristic can be adjusted by changing the length of the resonance line 28a. The through holes 25a and 25b are paths through which the base material 24 of the printed circuit board 21 is electrically connected, and, like the through holes 23 described above, are subjected to a conductive plating process or a conductive paste filling process. It is formed with.

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 base material 24 of the printed circuit board 21 and the upper substrate 261 of the coil substrate 26 include plasticity such as glass epoxy (FR4), glass composite (CEM3), paper epoxy (FR3), and paper phenol (XPC). Although a member is used, a low dielectric material such as flexible polyimide, liquid crystal polymer, or Teflon may be used. In particular, when the input / output end 28c is provided by protruding the wiring 28b of the coil substrate 26 with respect to the printed circuit board 21, the substrate 261 is a flexible substrate made of a flexible material using thin polyimide or the like. It is preferable. This is because the input / output end 28c protruded from the printed circuit board 21 can be flexibly bent and the degree of freedom in attaching the transmission / reception circuit unit 104 and the high-frequency coupler 2 is improved. Because you can.

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-frequency coupler 2 having the above-described configuration, analysis using a three-dimensional electromagnetic field simulator HFSS manufactured by Ansoft Corporation was performed. The analysis model has the configuration shown in FIG. 20, and polyimide is used for the base material 24 and the upper substrate 261. The dimensions of the printed circuit board 21 and the coil substrate 26 are 8 × 8 × 1 in length × width × thickness, respectively. .6 mm and 8 × 8 × 0.4 mm.

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 coil substrate 26. In FIG. 22, the upper substrate 261 is transmitted so that the winding state of the coil 262 can be seen, the direction parallel to the wiring 28 b is the X direction, and the direction perpendicular to the wiring 28 b is within the plane of the upper substrate 261. The Y direction is set, and the thickness direction of the high frequency coupler 2 is set as the Z axis.

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 coil 262, and represents the magnetic field vector corresponding to the resonance frequency on the XY plane 200 μm below the upper surface of the coil substrate 26 in the thickness direction Z. Here, in the coil 262, the X direction plus side forms a closed loop in which the magnetic field vector faces counterclockwise on the XY plane, and on the X direction minus side, the magnetic field vector turns clockwise on the XY plane. Constructs a closed loop.

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 coils 262a and 262b constituting the coil 262 are the same. This is because the polarity of the current is reversed between the coil 262a and the coil 262b.

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 individual coils 262a and 262b, the winding shape is a figure-eight shape. When a current is passed through the coil having such a shape, as shown in FIG. It has the property that the direction of the magnetic field that penetrates the two rings that constitutes is reversed. Therefore, when the eight-shaped coils are continuously overlapped, that is, wound, the direction of the magnetic field is the same in each of the overlapping rings. As a result, two solenoid coils having different winding directions are adjacent to each other. It can be considered that they are arranged side by side, and a magnetic field closed loop is formed between adjacent solenoid coils, so that the inductance of the coil can be increased. However, in the case of a high-frequency current, the polarity of the current changes at a half wavelength due to the phase relationship, so that a phenomenon occurs in which magnetic fields cancel each other because the current has a locally different polarity.

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 high frequency coupler 2, since one end of the coil 262 is short-circuited to the ground layer 22 through the through hole 25b, the current is maximized at that portion, and the entire length of the coil 262 is reduced to a half wavelength. Therefore, the current is also maximized at the other end of the coil 262.

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 coil 262 are opposite in polarity because the phases are different by 180 degrees. If the same 8-shaped coils in the winding direction are simply stacked, the generated magnetic fields cancel each other and the closed loop is However, in the high-frequency coupler 2, the magnetic field flow can be made to be two closed loops inside the coil 262 for the following reason.

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-frequency coupler 2, in the line width extending portion 27, which is an intermediate portion of the coil 262, the coil pitch d of 262 a, 262 b, that is, wider than the winding interval of the coil wire in the coils 262 a, 262 b, Since the distance between the positive and negative solenoids is wide, there is little interference between the coils 262a and 262b, and two closed loops are formed on the positive and negative sides in the X direction as shown in the analysis results of FIG. The inductance of the coil 262 can be increased.

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 high frequency coupler 2, since the inductance of the coil 262 can be increased and the Q value as the antenna can be increased, the coupling efficiency of the high frequency coupler can be increased. For example, in an application that uses a longitudinal wave of an electric field such as TransferJet (registered trademark), the vertical direction of the electric field extends in the Z-axis direction from the periphery of the line width extension portion 27 at the center of the coil 262 where the voltage level of the signal is highest. Since waves are emitted efficiently, the degree of coupling can be increased. The voltage level is highest around the line width extension portion 27 because the entire length of the coil 262 is approximately half the communication wavelength, and one end of the coil is electrically connected to the ground layer 22 where the voltage level is zero. Because it is.

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 coil substrate 26, and the intensity is represented by contour lines with the central portion of the coil 262 as a reference. In the figure, contour lines are indicated by dotted lines. Here, the electric field strength distribution has a substantially circular diameter with the line width extending portion 27 installed substantially at the center of the high-frequency coupler 2 being substantially at the center. For this reason, the high frequency coupler 2 is preferable from the viewpoint of facilitating antenna arrangement in that it is easy to understand the point at which the maximum coupling strength can be obtained when communicating with another high frequency coupler.

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-frequency coupler 2 can perform isotropic and stable communication even when a positional shift occurs in the XY in-plane direction with the high-frequency coupler disposed at the opposite position.

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 high frequency coupler 2, a high frequency coupler 250 including a plate-like coupling electrode 250a is used as a reference machine for evaluation as shown in FIG. The bond strength when communication was performed with 250 facing each other was analyzed. The coupling strength is evaluated by the transmission characteristic S21 of the S parameter used for evaluating the high frequency transmission characteristic, and the input / output terminal 28c of the wiring 28b serving as the signal input / output terminal of the high frequency coupler 2 is used as the power input port. The transmission characteristic S21 is analyzed using the input / output end of the high-frequency coupler 250 as an output port.

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-frequency couplers 2 and 250 using the coupling strength S21 for analysis. As shown in FIG. 25, the frequency characteristics of the coupling strength S21 are examined with the high-frequency couplers 2 and 250 facing each other so that the central axes thereof coincide with each other and spaced by 15 mm and 100 mm.

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-frequency couplers 2 and 250 is 15 [mm] and 100 [mm]. In the case of the facing distance of 15 mm and the facing distance of 100 [mm], the coupling strength S21 is −23 dB and −45 dB, respectively, near the communication frequency of 4.5 GHz. As is clear from this result, the coupling strength S21 is large when the communication distance is a short distance, that is, about 15 [mm], and is far away as a non-communication distance, that is, when the distance is about 100 [mm]. However, since it is small, it has good communication characteristics when short-range communication is used.

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-frequency coupler 2 according to the second embodiment, the coupling electrode includes the coil 262 wound around the upper and lower surfaces of the coil substrate 26 through the through hole 23. For example, FIG. As compared with the high frequency coupler in which the coupling electrode 208 is supported by the metal wire 207 as shown in FIG. 31, the coupling electrode can realize a better degree of mechanical strength. This is because the coupling electrode of the high frequency coupler 2 according to the second embodiment is formed in the coil substrate 26, so that the coupling electrode 208 as shown in FIGS. 30 and 31 is a metal. This is because damage to the coupling electrode can be prevented even when an impact or the like is applied, as compared with the case where it is supported by the wire 207.

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-frequency coupler 2, the entire length of the coil 262 is approximately half the communication wavelength, and one end of the coil 262 is electrically connected to the ground layer 22. By increasing the signal level at the extended portion 27, the strength of coupling with other coupling electrodes arranged at opposing positions is increased, and good communication characteristics can be realized.

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-frequency coupler 2 is a coil in which the coupling electrode is wound so that the winding shape in the cross-sectional direction of the coil substrate 26 is a figure 8, so that the total length of the coil 262 is approximately half the communication wavelength. Even if the length of the antenna device is, the entire coil 262 can be reduced, and the entire antenna device can be reduced in size.

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-frequency coupler 2 can achieve downsizing of the entire high-frequency coupler 2 while realizing both good communication characteristics and mechanical strength.

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-frequency coupler 2 is isotropically and stably communicates even if a positional shift occurs in the XY plane direction with respect to the high-frequency couplers disposed at the opposing positions. It can be performed.

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 high frequency coupler 2, the coil substrate 26 does not necessarily have the resonance line 28a and the through hole 25b that electrically connects the resonance line 28a and the ground layer, but the resonance line 28a is provided. This is particularly preferable in that the coupling strength and the resonance frequency can be adjusted.

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 resonance line 28a and the through hole 25b are not provided, the frequency characteristic of the coupling strength S21 with the facing distance between the high frequency coupler being 15 [mm] and 100 [mm] is as shown in FIG. become. Here, when the facing distance is 15 [mm], the coupling strength S21 is −25.4 dB in FIG. 27, whereas FIG. 26 is −22.8 dB. From this result, for example, the presence of the resonance line 28a can be adjusted to increase the coupling strength. Further, when the facing distance is 15 [mm], the bandwidth from the peak to −3 dB down is −955 GHz in FIG. 27 and 0.45 GHz in FIG. 26. From this result, the resonance line 18a can be adjusted so that, for example, the bandwidth is narrowed.

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 resonance line 28a and the through hole 25b are used like the high frequency coupler 2. By mainly changing the length of the resonance line 28a, the characteristics of the strength of the coupling strength and the bandwidth can be adjusted.

<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 circuit board 21 and a coil substrate 26, as in the above-described high-frequency coupler 2a. A plurality of through holes are formed on the upper and lower surfaces of the upper substrate 261 of the coil substrate 26. 23, a coil 262 having a winding shape of “eight” is formed. In addition, the high frequency coupler 2a attaches | subjects the same code | symbol about the structure similar to the high frequency coupler 2 mentioned above, and shall omit the description.

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 high frequency coupler 2 described above, the high frequency coupler 2a has a cavity 29 formed in a part of the printed circuit board 21 from the viewpoint of improving communication characteristics. Specifically, the hollow portion 29 is formed at a position facing the line width extending portion 27 formed on the coil substrate 26 disposed on one surface of the printed circuit board 21. In this way, the cavity 29 is formed at a position facing the line width extension 27 where the electric field is strong, that is, directly below the thickness direction of the substrate. In particular, the communication characteristics increase as the shape of the cavity 29 increases in the thickness direction. Improvement effect goes up. This effect will be specifically described in the analysis results described later.

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 cavity 29 is formed by cutting the printed board 21. In addition to this, for example, the printed board 21 in which the cavity 29 is formed may be completed by bonding a board provided with a through hole to a board that has not been cut.

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 base material 24 and the upper substrate 261. The dimensions of the printed circuit board 21 and the coil substrate 26 are 8 × 8 × 1 in length × width × thickness, respectively. .6 mm and 8 × 8 × 0.4 mm.

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 cavity 29 having an XY plane dimension of 3.5 × 4 mm is aligned with its center axis at the center of the line width extension 27, and its minor axis is directed in the X direction. The coupling strength S21 when the depth defined in the Z-axis direction of the cavity 29 is 0.4, 1, and 1.6 mm is examined. Here, simply changing the depth of the cavity 29 shifts the resonance frequency, making comparison difficult. Therefore, in each result of FIG. 29, the resonance frequency is almost the same as the length of the coil 262. It is adjusted. Further, in FIG. 29, a comparative example without the hollow portion 29 was also analyzed.

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 cavity 29, and in particular, the coupling becomes better as the depth of the cavity 29 increases. Strength can be realized.

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, 250a Coupling electrode 104, 108 Transmission / reception circuit section, 202 Ground, 203 Stub, 2 5 transceiver circuit, 207 a metal wire,

Claims (7)

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.
上記コイルは、その巻回方向が、該コイルの全長の略半分となる中央部で反転するように巻回され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 antenna device according to claim 1, wherein the coil is wound so that a winding direction is reversed at a central portion that is substantially half of the entire length of the coil. 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2記載のアンテナ装置。   3. The antenna device according to claim 2, 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. 上記第1の基板には、上記第2の基板に巻回されて形成された上記コイルの中央部と対向する位置に空洞部が形成されていることを特徴とする請求項3記載のアンテナ装置。   4. The antenna device according to claim 3, wherein a hollow portion is formed in the first substrate at a position facing a central portion of the coil formed by being wound around the second substrate. . 上記コイルは、該コイルの全長に亘って同一方向に巻回されており、
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.
上記第1の基板には、上記第2の基板に巻回されて形成された上記コイルの中央部と対向する位置に空洞部が形成されていることを特徴とする請求項5記載のアンテナ装置。   6. The antenna device according to claim 5, wherein a hollow portion is formed in the first substrate at a position facing a central portion of the coil formed by being wound around the second substrate. . 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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