JP4987893B2 - High frequency coupler and contactless transmission communication system using the same - Google Patents
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Description
本発明は、誘導電界を利用した近距離の無線通信で非接触でデータ伝送を行う非接触伝送通信システムに用いられる高周波結合器、およびそれを用いた非接触伝送通信システムに関する。 The present invention relates to a high-frequency coupler used in a non-contact transmission communication system that performs non-contact data transmission by short-range wireless communication using an induced electric field, and a non-contact transmission communication system using the same.
最近、小型の情報機器端末において、大容量の画像や音楽などのデータ交換の際に、ケーブルを接続したり、メモリカードを交換したりする必要のない、静電界若しくは誘導電界を用いる近距離無線通信が発明・考案されている。
微弱電波で通信可能な結合器間のみで発生する静電界若しくは誘導電界を用いれば、無線局の免許が必要のない、微弱無線による非接触伝送通信システムの実現が容易である。
Recently, short-distance wireless communication using an electrostatic field or induction field that does not require a cable or a memory card to be exchanged when exchanging data such as large-capacity images and music in small information equipment terminals. Communication has been invented and devised.
If an electrostatic field or an induction field generated only between couplers capable of communicating with weak radio waves is used, it is easy to realize a contactless transmission communication system using weak radio that does not require a radio station license.
上記の静電界若しくは誘導電界を利用した非接触伝送通信システムの送信機と受信機の間には高周波結合器が用いられる。高周波結合器には、コンデンサの電荷を利用した容量結合方式が知られている。特許文献1。 A high frequency coupler is used between the transmitter and the receiver of the non-contact transmission communication system using the electrostatic field or the induction field. As a high-frequency coupler, a capacitive coupling method using a capacitor charge is known. Patent Document 1.
図9は、静電界若しくは誘導電界を利用して無線通信を行う非接触伝送通信システムにおいて、容量結合方式の高周波結合器を示す斜視図である。
容量結合方式の高周波結合器60は、下面にベタグランド12が形成され、上面にインピーダンス整合と共振のための導体パターンによるスタブ11が形成された基板10に、結合用電極20が配設されている。
結合用電極20の中央部は、金属線21を介して、スタブ11の略中央部に接続されている。
スタブ11の一方の端部は、図示しない送受信回路モジュールに接続され、他方の端部は、基板10を貫通するスルーホール13を介して、下面のベタグランド12に接続されている。
スタブ11の長さL1は、高周波信号の2分の1波長程度である。
FIG. 9 is a perspective view showing a capacitively coupled high-frequency coupler in a contactless transmission communication system that performs wireless communication using an electrostatic field or an induced electric field.
The capacitively coupled high-
A central portion of the
One end of the
The length L1 of the
上記の静電界若しくは誘導電界を利用する容量結合方式を用いた高周波結合器は、用いる高周波信号の波長により、スタブ11の長さL1、金属線21の長さ、結合用電極20の大きさが決まる。スタブ11を折り曲げて基板10に配置して、高周波結合器を小型化する方法もあるが更なる小型化が要求されている。
The high-frequency coupler using the capacitive coupling method using the electrostatic field or the induction electric field has the length L1 of the
本発明は、高周波結合器を小型化・低背化することにより非接触伝送通信システムをより小型化することを目的とする。 An object of the present invention is to further reduce the size of a contactless transmission communication system by reducing the size and height of a high-frequency coupler.
本発明の高周波結合器は、誘導電界方式によりデータを非接触で伝送し、
第1の誘電体の上面と下面に複数の線状の導体パターンが形成され、
それぞれの導体パターンの端部が第1の誘電体を貫通するスルーホールにより上下の導体パターンを電気的に接続されたトロイダル状のプリントコイルを結合素子とし、
前記第1の誘電体の下方に、下面に導体層が形成されている第2の誘電体が、積み重ねられ、前記第1の誘電体の上面のプリントコイルの外周に中心周波数調整用の導体部を設けたことを特徴とする。
The high frequency coupler of the present invention transmits data in a non-contact manner by an induction electric field method,
A plurality of linear conductor patterns are formed on the upper and lower surfaces of the first dielectric,
A toroidal printed coil in which the upper and lower conductor patterns are electrically connected by a through hole in which the end portion of each conductor pattern penetrates the first dielectric is used as a coupling element .
Below the first dielectric, a second dielectric having a conductor layer formed on the lower surface is stacked, and a conductor for adjusting the center frequency is formed on the outer periphery of the printed coil on the upper surface of the first dielectric. Is provided .
本発明の高周波結合器によれば、スタブを不要とし、製造上のばらつきや、実装状態による中心周波数のばらつきが小さくでき、小型で低背な高周波結合器とすることができる。また、本発明の高周波結合器を用いれば、高周波信号による誘導電界を利用する非接触伝送通信システムを小型化することができる。 According to the high frequency coupler of the present invention, a stub is not required, manufacturing variations and center frequency variations due to mounting conditions can be reduced, and a small and low-profile high frequency coupler can be obtained. In addition, if the high-frequency coupler of the present invention is used, a contactless transmission communication system that uses an induced electric field by a high-frequency signal can be reduced in size.
図1は、本発明の一実施例である誘導結合方式を用いた高周波結合器の斜視図を示す。
高周波結合器50は、第1の誘電体40と第2の誘電体30と、第1の誘電体40に設けられた螺旋状のプリントコイル41からなる。
第1の誘電体40の上面と下面に複数の線状の導体パターンが形成され、それぞれの導体パターンの端部は、第1の誘電体40を貫通するスルーホール43により上下の導体パターンを電気的に接続して、巻き軸が環状となるトロイダル状のプリントコイル41を構成している。このプリントコイル41に発生する磁流ループで誘導電界による非接触伝送通信が行われる。
第2の誘電体30の上に第1の誘電体40が積み重ねられ、プリントコイル41の両端部は、スルーホール51、52を介して、第2の誘電体30の下面に導かれる。
第2の誘電体30の下面には、スルーホール51、52を除くの外縁に導体層31が形成されている。
FIG. 1 is a perspective view of a high-frequency coupler using an inductive coupling system according to an embodiment of the present invention.
The
A plurality of linear conductor patterns are formed on the upper and lower surfaces of the first dielectric 40, and the end portions of the respective conductor patterns are electrically connected to the upper and lower conductor patterns by through
The first dielectric 40 is stacked on the second dielectric 30, and both ends of the printed
On the lower surface of the second dielectric 30, a
図2は、送受信回路モジュール5が搭載された基板10に図1の高周波結合器50を実装した斜視図である。
高周波結合器50は、基板10の上面に配置され、高周波結合器の一方のスルーホール51は送受信回路モジュール5に接続され、他方のスルーホール52は、基板10に設けられたスルーホール14によって、基板10の底面のベタグランド12に接続されている。
FIG. 2 is a perspective view in which the
The
上記の高周波結合器50は、一辺の長さが5.5mm、厚さは1.5mmで、2層のFR4基板を用いて作製されている。
図において、基板10の表面をXY平面とし、高周波結合器50のプリントコイル41の端子の引き出し方向をX軸方向、X軸と直交する方向をY軸方向、基板10の厚さ方向をZ軸とする。
The high-
In the figure, the surface of the
図3は、本発明の高周波結合器を用いた非接触伝送通信システムのブロック図である。図の非接触伝送通信システムは、データ送信を行なう送信機1と、データ受信を行なう受信機2で構成される。送信機1は、送信部3と誘導結合方式による高周波結合器50からなり、受信機2は、誘導結合方式による高周波結合器50と受信部4からなる。同図に示すように、送信機と受信機のそれぞれの高周波結合器50を、近距離で向かい合わせて配置することにより、2つの高周波結合器が誘導結合して、非接触伝送通信が可能になる。
FIG. 3 is a block diagram of a contactless transmission communication system using the high frequency coupler of the present invention. The non-contact transmission communication system shown in the figure includes a transmitter 1 that performs data transmission and a
図4は、図2に示した高周波結合器間50,50の距離L2を15mmとした場合の周波数特性を示す。図において、横軸は周波数、縦軸は伝搬損を示している。
図5は、図2に示した高周波結合器の周波数が4.5GHzにおけるXZ平面での放射指向特性を示すグラフである。図において、Vは垂直偏波を示し、Hは水平偏波を示す。
図より、高周波結合器50の上面、下面方向に縦波が発生していることがわかる。
FIG. 4 shows frequency characteristics when the distance L2 between the high-
FIG. 5 is a graph showing radiation directivity characteristics on the XZ plane when the frequency of the high-frequency coupler shown in FIG. 2 is 4.5 GHz. In the figure, V indicates vertical polarization, and H indicates horizontal polarization.
From the figure, it can be seen that longitudinal waves are generated in the upper surface and lower surface directions of the high-
高周波結合器の中心周波数は、基板の実装状態において、基板からの浮き加減により変化する。
図6は、図2に示した高周波結合器において、高周波結合器50と基板10の浮きによる中心周波数の変化を示すグラフである。図において、横軸は高周波結合器50と基板10のギャップGp、縦軸は周波数であり、Xは導体層31がある場合、Yは導体層31がない場合を示す。
図より、高周波結合器50の下面に導体層31を設けると、高周波結合器50と基板10の浮きによる周波数の変化が小さくなることがわかる。
The center frequency of the high-frequency coupler changes due to the floating from the substrate in the mounted state of the substrate.
FIG. 6 is a graph showing changes in the center frequency due to the floating of the
From the figure, it can be seen that when the
このように、本発明の非接触伝送通信システムに用いられる誘導結合方式による高周波結合器は、スタブが不要である。
また、プリント基板方式で導体パターンのプリントコイルを形成したので、低背で寸法精度の高く、製造上のばらつきの少ない高周波結合器とすることができる。さらに、高周波結合器の底面には導体層を設けることにより、実装時の浮き加減のばらついても中心周波数の変化を小さくできる。
As described above, the inductive coupling type high frequency coupler used in the contactless transmission communication system of the present invention does not require a stub.
Further, since the printed coil of the conductor pattern is formed by the printed circuit board method, a high-frequency coupler having a low profile, high dimensional accuracy, and little manufacturing variation can be obtained. Furthermore, by providing a conductor layer on the bottom surface of the high-frequency coupler, the change in the center frequency can be reduced even if the floating level during mounting varies.
図7は本発明の高周波結合器を用いた非接触伝送通信システムの送信機と受信機が結合した状態の等価回路を示す。
図において、送信機1は、誘導結合方式による高周波結合器50と、送信部3のインピーダンスR1Aの等価回路を示す。受信機2は、誘導結合方式による高周波結合器50と、受信部2のインピーダンスR1Bの等価回路を示す。高周波結合器50の等価回路は、送信機1または受信機2に並列に接続された、インダクタンスL5A、L5Bと、容量C4A、C4Bで表され、高周波結合器の間の等価回路は、並列に接続されたインダクタンスLoと容量Coで表される。
FIG. 7 shows an equivalent circuit in a state where the transmitter and the receiver of the contactless transmission communication system using the high frequency coupler of the present invention are coupled.
In the figure, the transmitter 1 shows an equivalent circuit of the high-
図8は、本発明に用いられる誘導結合方式による高周波結合器の他の実施例を示す斜視図である。
前記実施例において、高周波結合器50Bは、第1の誘電体40の上面にプリントコイル41を形成する導体パターンと導体パターンの外側から端部にかけて、導体部48が形成されている。導体部48は、プリントコイル41の導体パターンと所定の位置43で接続されている。
FIG. 8 is a perspective view showing another embodiment of the inductive coupling type high frequency coupler used in the present invention.
In the above-described embodiment, the high-
高周波結合器をこのような構造にすることにより、導体部48の面積を変えることによって、図7の等価回路における容量C4Aと容量Coを調整することができる。プリントコイル41のパターンを変更せずに、中心周波数の変更が可能である。導体部48をトリミングして、面積を変更する。
By making the high-frequency coupler have such a structure, the capacitance C4A and the capacitance Co in the equivalent circuit of FIG. 7 can be adjusted by changing the area of the
なお、導体部48とプリントコイル41の接続位置43は、スルーホール51に近づけると、図7における容量C4Aの調整の割合が大きくなり、スルーホール52に近づけると、容量Coの調整の割合が大きくなる。
When the
上記、第1の誘電体40と第2の誘電体30は誘電体に限られるものではなく、磁性材料を用いてもよい。第2の誘電体30に磁性材料を用いると、プリントコイル41を小型化することができ、高周波結合器もさらに小型化することができる。
The
1 送信機
2 受信機
3 送信部
4 受信部
5 送受信回路モジュール
10 基板
11 スタブ
12 ベタグランド
13、14、43、51、52 スルーホール
16 スタブの長さ
20 結合電極
21 金属線
30、40 誘電体
31 導体層
48 導体部
41 プリントコイル
50、50B、60 高周波結合器
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (3)
第1の誘電体の上面と下面に複数の線状の導体パターンが形成され、
それぞれの導体パターンの端部が第1の誘電体を貫通するスルーホールにより上下の導体パターンを電気的に接続されたトロイダル状のプリントコイルを結合素子とし、
前記第1の誘電体の下方に、下面に導体層が形成されている第2の誘電体が、積み重ねられ、
前記第1の誘電体の上面のプリントコイルの外周に中心周波数調整用の導体部を設けたことを特徴とする高周波結合器。 In a high-frequency coupler using an induction electric field system that transmits data without contact,
A plurality of linear conductor patterns are formed on the upper and lower surfaces of the first dielectric,
A toroidal printed coil in which the upper and lower conductor patterns are electrically connected by a through hole in which the end portion of each conductor pattern penetrates the first dielectric is used as a coupling element .
Below the first dielectric, a second dielectric having a conductor layer formed on the lower surface is stacked,
A high-frequency coupler comprising a conductor portion for adjusting a center frequency provided on an outer periphery of a printed coil on an upper surface of the first dielectric .
該高周波信号を誘導電界として送出する高周波結合器を具えた送信機と、
送信側の高周波結合器に対面する受信側の高周波結合器と、
高周波結合器で受信した高周波信号を受信処理する回路を具えた受信機とで構成され、
前記送信側の高周波結合器および前記受信側の高周波結合器は、
第1の誘電体の上面と下面に複数の線状の導体パターンが形成され、
それぞれの導体パターンの端部が第1の誘電体を貫通するスルーホールにより上下の導体パターンを電気的に接続されて磁流ループを形成するトロイダル状のプリントコイルを結合素子とし、
前記第1の誘電体の下方に、下面に導体層が形成されている第2の誘電体が、積み重ねられ、
前記第1の誘電体の上面のプリントコイルの外周に中心周波数調整用の導体部を設け、
前記送信機および受信機の対向する高周波結合器間の誘導結合により、非接触でデータ伝送することを特徴とする非接触伝送通信システム。 A transmission circuit for generating a high-frequency signal for transmitting data;
A transmitter including a high-frequency coupler for transmitting the high-frequency signal as an induction electric field;
A high frequency coupler on the receiving side facing the high frequency coupler on the transmitting side; and
It consists of a receiver with a circuit that receives and processes high-frequency signals received by a high-frequency coupler,
The high frequency coupler on the transmission side and the high frequency coupler on the reception side are:
A plurality of linear conductor patterns are formed on the upper and lower surfaces of the first dielectric,
A toroidal printed coil in which the end portions of the respective conductor patterns are electrically connected to the upper and lower conductor patterns by through holes penetrating the first dielectric to form a magnetic current loop is used as a coupling element,
Below the first dielectric, a second dielectric having a conductor layer formed on the lower surface is stacked,
A conductor for adjusting the center frequency is provided on the outer periphery of the printed coil on the upper surface of the first dielectric,
A non-contact transmission communication system, wherein data is transmitted in a non-contact manner by inductive coupling between opposing high-frequency couplers of the transmitter and the receiver.
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