JP2014175864A - 高効率の無線通信用多層ワイヤ構造 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】複数の導体層410,420と、各導体層410,420を分離する絶縁層430とで構成される多層ワイヤ構造として、電気信号が共振器内に誘導されるときに、表皮効果によって増加する導体の電気抵抗を低減する。さらに各導体層410,420のうちの2つの層410,420を接続する少なくとも1つのコネクタ440とを設ける。
【選択図】図9F
Description
DCでは、
但し、ρは抵抗率、Lはワイヤの全長、及びAはワイヤ断面積である。
表皮効果を含むACでは、
但し、Nはワイヤループの巻き数、rはループの半径、及びaはワイヤの半径である。A=πa2、及びL=2πNrである。
図6は、無線通信のための構成部品用ワイヤ構造のハイレベル図を示す。ワイヤ構造は、多層ワイヤ101のコイル100を含む。コイル100の形状は、円形、矩形、三角形、その他の多角形、又は制約された容積内に適合する形状でよい。図6は、円形コイル100の形態のコイルの1つの例示的構成を示す。コイル100の構成は、ソレノイド形、渦巻き形、又は渦巻きソレノイド形でよい。ソレノイドコイルは、各々の巻きの半径が同じ複数の巻きを有するらせん状の曲線をたどる。渦巻きコイル構成は、半径が漸次増減する幾つかの巻きを有してもよい。渦巻きソレノイドコイル構成は、渦巻き構成とソレノイド構成との組合せである。当業者に知られているその他の構成を用いてコイルを形成してもよい。
図7Aは、円形ソレノイド構成102のワイヤの実施例を示す。図7Bは、四角形ソレノイド構成103のワイヤの実施例を示す。図7Cは、円形渦巻き構成104のワイヤの実施例を示す。図7Dは、四角形渦巻き構成105のワイヤの実施例を示す。矩形又は三角形などの別の渦巻き構成を使用してもよいことが理解されよう。図7Eは、多層の四角形渦巻き構成106のワイヤの実施例を示す。図7Eには2層だけが示されているが、任意数の層を使用してもよいことが理解されよう。以下に説明するように、複数のワイヤ層が使用される場合、複数のワイヤ層は、それらに限定されないが、バイア(via)、はんだ、タブ、ワイヤ、ピン又はリベットを使用して接続されてもよい。これらのコネクタは、少なくとも以下の2つの目的を果たす。(1)コネクタは、多層ワイヤ用のワイヤ層を接続すし、及び(2)コネクタは、多層ワイヤの1つの巻きを多層ワイヤの第2の巻きに接続する。例えば、2巻きのワイヤ構造の場合は、第1の巻きから第2の巻きに少なくとも1つのバイアがあることになる。コネクタは別の目的を果たしてもよい。
・単一の導体を形成するワイヤ層のすべてを接続する少なくとも2つのコネクタがあることが好ましい。これらの2つのコネクタは、理想的には多層ワイヤの2つの端部(多層ワイヤの入力及び出力)にある。
・コネクタの総数は、特定の用途のニーズに見合うように選択されるべきである。最適な数を超える数のコネクタがあると電流経路が増加し、キャパシタンスの増加、抵抗の増加、品質係数の低下、及び帯域幅の拡大を招く。特定の動作周波数でコネクタの全体の長さ(高さ、深さ)が最適な値を超える値であると、寄生効果がより顕著になることにも留意する必要がある。コネクタの長さは基本的にコネクタの高さであり、これは実効波長/10未満に保たれても用途によっては機能する実施形態をもたらすが、(実効波長)/20未満に保たれる必要がある。このような制限が加えられる理由は、コネクタの長さが増すと、使用される多層ワイヤの異なる層の間にかなりの位相差が生じるからである。異なる層の間のこれらの位相差は不都合な容量効果を引き起こし、それによって自己共振周波数が確実に低下し、損失が増大する。追加の構成部品(例えばコンデンサ)が使用されず、ワイヤ構造が自己共振型共振器として使用される実施形態では、それに限定されないが、深さが(実効波長)/10よりも深いバイアなどのコネクタをワイヤ構造の設計に組み込んでもよいことに触れておく必要がある。
図10Aは、円形の断面510を有する多層ワイヤを示す。図10Bは、矩形の断面520を有する多層ワイヤを示す。図10Bでは、導電層540を接続するバイア530は、ワイヤの始端部であるポート、すなわち入力550に位置している。特定の用途に応じて、導電層を接続するバイア530の位置は、MLMT構造の性能に影響を及ぼすことがある。例えば、バイアが不十分だと異なる層間に位相差が生じることがある。逆に、バイアが過剰だと付加的な周期的電流経路が生じ、そのため抵抗損失が増加することがある。バイアはワイヤの始端(例えばポート、入力など)に位置してもよく、又はワイヤに沿った1つ又は複数の位置にあってもよい。更に、一組の2層以上の導電層の間のバイアは、別の組の2層以上の導電層とは異なる位置にあってもよい。用途及びシステム設計に応じて、幾つかの変形形態が可能であることが理解されよう。バイアは、MLMT構造の製造に使用される技術にとって標準的な技術を用いて製造することができる。別の事例では、バイアは、はんだ技術、例えば電気はんだ、溶接タブ、レーザ溶接トラッキング、又はその他の一般に知られている接続技術を用いてバイア位置で幾つかの層を接続することによって実施することができる。
品質係数が高いことは、アンテナの貯蔵エネルギーに対するエネルギー損失率が低いことを示す。逆に、品質係数が低いことは、アンテナの貯蔵エネルギーに対するエネルギー損失失率が高いことを示す。結合係数(κ)は、2つのアンテナ間の結合度を表す。
但し、fは動作周波数であり、Lはインダクタンスであり、Rは全抵抗(オーム+抵抗)である。QFは抵抗に逆比例するので、抵抗が高いことは品質係数が低いことになる。
a.金属条片の幅、wn(例えばw1:第1の導電層の幅、wk:k番目の導電層の
幅)。また、金属幅又は金属条片とも呼ばれる。
b.巻き数ごとの導電層の数、Nn(例えば第1の巻きでの層の数、N1)
c.各導電層の厚さ、dn(例えばd1:第1の層の厚さ、dk:k番目の層の厚さ
)
d.絶縁の厚さ、din(例えばdi1:例えば第1の層の下の絶縁の厚さ、dik :k番目の層の厚さ)
e.巻き数、T
f.各巻き数での異なる導電層を接続するバイアの数
g.各巻き数での異なる導電層を接続するバイアの位置
h.形状(用途に応じて、円形、矩形、数角形、例えば、幾つかのデバイス又は構成
部品の内側、又は外側にちょうど適合することができる形状)
i.構成(ソレノイド、渦巻き、渦巻きソレノイドなど)
j.寸法(長さ、幅、内径、外径、対角)
図14Aは、周波数の関数としての品質係数を示すグラフである。図14Bは、周波数の関数としての16層コイルに対するインダクタンスを示すグラフである。図14Cは、周波数の関数としての16層コイルに対する抵抗を示すグラフである。図14Aに示されるように、層の数が増加すると共に品質係数が上昇し、周波数が高くなると品質係数が相対的に高まる。このことは更に図14B〜図14Cに示され、これらの図は、インダクタンスは(16層、1巻きコイルと比較して)周波数に対して相対的に一定であるのに対して、図14Cの100MHz付近のグラフの谷で示すように、抵抗は周波数の上昇と共に低減することを示している。ピーク品質係数は、ほぼ450MHzで約2900に上昇する。
本教示に従ってエネルギー伝送ネットワークを開発してもよい。図17は、近接場エネルギーネットワーク10のハイレベルブロック図を示す。ネットワーク10は、(全体としてデバイス11と呼ばれる)複数のデバイス11a−dを含んでもよい。各デバイス11はトランシーバを含んでもよい。トランシーバは、無線通信用の送信ユニット12a−dと、受信ユニット14a−dとを含んでもよい。各トランシーバは送信ユニット12と受信ユニット14とを含んでもよいが、トランシーバは送信ユニット12のみ、又は受信ユニット14のみを含んでもよいことが理解されよう。更に、トランシーバ内の送信ユニット12と受信ユニット14とはある特定の、又はすべての回路素子を共用してもよく、又は分離した別個の回路素子を含んでもよいことが理解されよう。更に、送信ユニット12及び/受信ユニット14とは、負荷16に接続されてもよい。負荷16は、デバイス11内の構成部品、デバイス11外の構成部品、又はデバイス11の内外の構成部品の組合せからなるものでよい。
本教示により電力伝送ネットワークを開発してもよい。受信ユニット14bが送信ユニット12aの近接場内に配置され、受信ユニット14bの共振周波数(すなわちωb)が送信ユニット12aの共振周波数とほぼ等しい場合は、エネルギーは送信ユニット12aから受信ユニット14bに伝送される。すべてが送信ユニット12aの共振周波数(すなわちωa)に等しい共振周波数を有する複数の受信デバイス(例えば11b〜11d)が近接場内に配置されると、各受信デバイス(例えば11b〜11d)はエネルギーを交流の形態で送信ユニット12aから引き出す。受信デバイス11b〜11dは、バッテリ又はコンデンサなどのエネルギー貯蔵デバイスにエネルギーを貯蔵するために誘導された交流電流を使用できるトランスデューサを含んでもよい。あるいは、トランスデューサは誘導された交流電流を使用して、受信デバイス(例えば11b〜11d)内の、又はこれに結合された電子構成部品に電流を直接供給してもよい。
本教示によりデータ伝送ネットワークを開発してもよい。データ伝送用に設計されたネットワークは、ネットワーク内の送信デバイスにより送信される信号が、データを搬送する変調された時変信号であること以外は、上述した電力ネットワークと同様であろう。データネットワークには幾つかの可能な基本的な配置がある。
本教示により理解されるように、近接場の電力及びデータ伝送は、同じ物理的原理から得られるものである。近接場の電力及びデータ伝送は共に使用すると、多様なシステムを生成する機会をもたらす。以下に、全般的な近接場の電力及びデータ伝送システムを記載する。
1.十分な結合係数のために必要な最小限のインダクタンスを得るために解析計算及び
システムレベルシミュレーションを実行する。
2.(例えば結合係数、誘導電圧などについての)解析計算に基づいて、適切なインダ
クタンスのために必要な巻き数を選択する。
3.導体層の厚さを表皮深さの約2倍、又は製造技術に基づいて可能な最小限の厚さの
うちの厚い方を選択する。
4.絶縁厚さを製造技術で可能な最小限の厚さ、又は所望の性能を達するために必要な
それ以上の厚さを選択する。
5.(用途に応じて)可能な最大表面積を選択する。この領域は必ずしも四角形又は円
形でなくてもよい。システム全体に適合し、別の構成部品の周囲を迂回するどのよ
うな形状でも可能であろう。
6.製造技術及び用途に応じて、最大の層の数を選択する。
7.(MoM、又はFDTD、又はFEM、又はMLFMM、又はその他、又はこれら
の組合せに基づいて)ステップ1及び2の巻き数を有する多層ワイヤ及び/又はM
LMT構造を数値モデルングツールで設計し、層の数及びその他のパラメータを最
適化する(ステップ3〜6)。
a.選択された周波数の所在位置で確実に品質係数のピークが得られるようにする。
b.この品質係数でのインダクタンスが、確実に(システムレベルの制約で)可能な
最小限以上であるようにする。
c.必要ならば、寄生容量効果を低く保つことによって、電場が確実に最小限になる
ようにする(前項を参照)。
LM=固有インダクタンス
CM=固有キャパシタンス
RM=固有抵抗
モード1:式2(a)により与えられる条件1が満たされ、式2(b)が生じる場合、集中素子内に実施されるようなインダクタとして。等価回路図が図23に示されている。
モード2:自立型タンク回路内で実施され、又はHF及び/又はRF回路内に実施されるような共振器として。共振器は以下の2つのタイプのうちの1つでよい。
タイプ1:式3により与えられる条件2が満たされる場合の自己共振器として。等価回路図が図24A及び図24Bに示されている。
タイプ2:コンデンサCADDEDが直列又は並列で追加されることで共振が達成される場合の共振器として。直列及び並列のコンデンサの追加を示す等価回路図が図25A及び図25Bに示されている。モード2、タイプ2の回路図が図26A、図26B及び図26Cに示されている。
タイプ1とタイプ2の両方のタイプで、LPickup及びLfeedはそれぞれ、ピックアップインダクタと給電インダクタを指す。これらは、多層ワイヤを使用して作製されたMLMT構造のインダクタンス値よりもインダクタンスが低く、MLMT構造にある一定の結合があるコイルである。MLMT構造から、又はMLMT構造に、又はシステムの残りの部分から、又は残りの部分に電力を伝送するのに望ましい適合状態を達成するため、結合を変更してもよい。コンセプトの簡略化と裏付けのため、本明細書に記載の実施形態は、例えば例示目的で共振を達成するために単一のコンデンサCADDEDを備えている。実際の回路では、複数のコンデンサ及び/又はインダクタ及び/又は抵抗を備えるより複雑な回路を使用してもよい。図22及び図24に示す実施形態はすべて、システムの送信機側及び/又は受信機側で使用してもよい。
モード3:式4によって与えられる条件3が満たされる場合、コンデンサとして。
Claims (15)
- 複数の導体層と、
前記導体層の各々を分離する絶縁層と、
を備え、
電気信号がある周波数で前記導体層を通って伝搬するときに電気リアクタンスを低減可能である構造。 - 前記導体層は、導電性ワイヤ、導電性テープ、導電性リボン、及び溶着金属の少なくとも1つを含む、請求項1に記載の構造。
- 少なくとも1つのコネクタは、2層以上の前記導体層を接続する、請求項1又は2に記載の構造。
- 前記周波数は、100kHz〜10GHzの間の周波数範囲から選択される、請求項1〜3のいずれかに記載の構造。
- 前記周波数は、100kHz〜10GHzの範囲内の周波数帯域である、請求項1〜4のいずれかに記載の構造。
- 前記複数の導体層の各々は、平行の向きにある、請求項1〜5のいずれかに記載の構造。
- 前記複数の導体層は、電気的に並列に接続される、請求項1〜6のいずれかに記載の構造。
- 電気的に並列に接続された前記複数の導体層は、電気的に並列の接続された第2の複数の導体層と電気的に直列に接続される、請求項1〜7のいずれかに記載の構造。
- 前記電気信号は、エネルギー信号、電流、電圧、電力信号、及びデータ信号の少なくとも1つを含む、請求項1〜8のいずれかに記載の構造。
- 前記構造は、100を超える品質係数を有する、請求項1〜9のいずれかに記載の構造。
- 円形断面、矩形断面、四角形断面、三角形断面、及び楕円形断面の少なくとも1つを含む断面形状を有する、請求項1〜10のいずれかに記載の構造。
- 円形ソレノイド構成、四角形ソレノイド構成、円形渦巻き構成、四角形渦巻き構成、矩形構成、三角形構成、円形の渦巻きソレノイド構成、四角形の渦巻きソレノイド構成、及びコンフォーマルソレノイド構成の少なくとも1つを含む構造的形状を有する、請求項1〜11のいずれかに記載の構造。
- 前記複数の導体層は、少なくとも1巻きのコイルを有する、請求項1〜12のいずれかに記載の構造。
- 前記少なくとも1つの導体層は導電性材料から形成され、前記少なくとも1つの絶縁層は電気絶縁材料から形成される、請求項1〜13のいずれかに記載の構造。
- 共振器、アンテナ、RFIDタグ、又はRFIDトランスポンダの少なくとも1つを備えるデバイス内に更に組み込むことが可能である、請求項1〜15のいずれかに記載の構造。
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