JP5322177B2 - 電磁結合器及びそれを用いた情報通信機器 - Google Patents

Description

本発明は、近距離に配置された情報通信機器間で静電界や誘導電界を用いて情報を伝達する無線通信システムに好適な電磁結合器及びそれを用いた情報通信機器に関する。

従来の電磁結合器としては、特許文献１に記載されている電磁結合器がある。この電磁結合器（高周波結合器）は、平板上の電極と直列インダクタ、並列インダクタを高周波信号伝送路により接続して構成される。また、電磁結合器は、送信機や受信機などの情報通信機器に配置される。この送信機と受信機をそれぞれの電磁結合器の電極同士が向かい合うように配置すると、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、２つの電極は縦波の静電界成分によって結合し、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ため、２つの電磁結合器間で効率良く情報を伝達することが出来る。また、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界を利用し情報の伝達が可能である。一方、電磁結合器間が一定値以上の遠距離である場合、情報の伝達が不可能である。このため、電磁結合器から生じる電磁波により他の無線通信システムを妨害することがなく、かつ電磁結合器を具備する情報通信機器を用いる無線通信システムが他の無線通信システムから干渉を受けることがないという特徴を持つ。これらの特徴に基づき、従来の電磁結合器を用いた無線通信システムによれば、近距離において縦波の静電界若しくは誘導電界を使い、広帯域信号を用いるＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ Ｗｉｄｅ Ｂａｎｄ）通信方式により情報通信機器間で大コンデンサのデータ通信を行うことが可能である。

特許第４３４５８５１号公報 特開２００６−１２１３１５号公報

このように、電磁結合器間において、２つの電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合は、バンドパスフィルタを実現することにより情報を効率よく伝達するが、相手の電磁結合器との相性が良くない場合に信号伝達の効率が劣化するという問題がある。つまり、従来の電磁結合器では、２つの電磁結合器の電極間が縦波の静電界成分により結合し、１つのコンデンサとして動作し、直列インダクタと並列インダクタによりバンドパスフィルタを実現している。しかし、例えばこの電磁結合器を装置内部に搭載し無線通信を行う場合、電磁結合器間には誘電体を含む装置のカバー等があり、これにより電磁結合器間の誘電率が変化する。そうすると、２つの電磁結合器の電極間のコンデンサの容量値が変化し、バンドパスフィルタの周波数特性が変化し、場合によっては所望の周波数帯域での情報伝達特性が劣化するという問題がある。この場合に、これら誘電率の変化を踏まえ電磁結合器の設計を行ったとしても、無線通信を行う装置がさらに別のものである場合、電磁結合器間の誘電率がさらに別の値となり、同様に無線通信の情報伝達特性が劣化してしまう。

また、２つの電磁結合器の電極間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５の場合は、縦波の誘導電界成分を利用し情報の伝達を行う。この際、２つの電磁結合器の配置と周囲環境を一定とした場合、情報伝達特性は電磁結合器と給電系との間の整合条件に依存する。つまり、整合条件が良い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が大きくなり、反対に整合条件が悪い場合は電磁結合器から給電系を含む通信モジュールへの信号強度が小さくなる。しかし、従来技術においては、電磁結合器を設計する際に、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下の場合にバンドパスフィルタを実現するように設計されているが、さらに、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５における整合条件を考慮する必要がある。このため、例えば電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５〜８λ／１５において信号強度が不十分な場合、電磁結合器間の距離が使用する周波数の波長の２λ／１５以下のバンドパスフィルタ実現も含め再設計が必要であり、電磁結合器の設計に手間がかかる。さらに、使用する周波数帯域が広帯域な場合、整合条件が適当となる周波数を多く実現する必要があり、さらに設計の手間がかかる。

そこで、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を提供することである。

また、本発明の目的は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明に係る電磁結合器は、第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドとが第２の平面に形成され、前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドとの間は、複数の線状導体によって電気的に接続され、前記給電パタンと前記グラウンドとの間に給電がされ、前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンの間の空隙でコンデンサが形成されるものである。

前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていても良い。

前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であり、前記グラウンドは、前記給電パタン及び前記空隙を除く前記第２の平面の全面を覆っていても良い。

前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていても良い。

前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンからなり、該複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドに接続されていても良い。

前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていても良い。

前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンからなり、それぞれ前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていても良い。

前記第２の導体パタンと前記グラウンド間には、合計４つの前記線状導体が形成されており、前記４つの線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点を中心に、９０度の角度間隔に形成されていても良い。

前記第１の導体パタンは、矩形状に形成され、前記第２の導体パタンは、２つのＬ字状の導体パタンからなり、前記第１の導体パタンを囲むように形成されていても良い。

前記第１の導体パタンは、十字状に形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの外周の少なくとも１辺と対向する辺を有する４つの導体パタンからなっていても良い。

また、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンを囲むように環状に形成されていても良い。

前記第１の導体パタンは、円形状に形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンを囲むように円環状に形成されていても良い。

または、前記第１の導体パタンは、矩形状に形成され、前記第２の導体パタンは、その内周が前記第１の導体パタンの外周と対向するように矩形状に形成されていても良い。

または、前記第１の導体パタンは、複数の突起を有する星形状に形成され、前記第２の導体パタンは、その内周が前記第１の導体パタンの外周と対向するように星形状に形成されていても良い。

複数の前記線状導体が前記第２の導体パタンと前記グラウンドとの間に形成されていても良い。

前記第２の導体パタンと前記グラウンド間に形成された複数の前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点を中心に、等角度間隔に形成されていても良い。

前記第２の導体パタンは、周方向に複数に分割されていても良い。

前記グラウンドは、前記給電パタンを囲むように形成されていても良い。

また、本発明の情報通信機器は、上記の電磁結合器を搭載し、縦波の静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達するものである。

本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、情報伝達特性が電磁結合器間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。

また、本発明は、従来技術と同等の情報伝達特性を維持しつつ、給電系との整合の調整及び帯域の調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。

図１は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。 図２は、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図３は、本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図４は、本発明の電磁結合器のモデルを示す図である。 図５は、本発明の第３の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図６は、第３の実施形態に係る電磁結合器の周波数と反射係数の絶対値との関係についての実験結果を示す図である。 図７は、第３の実施形態に係る電磁結合器間及びモノポールアンテナ間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比の実験結果を示す図である。 図８は、図６と図７の実験に用いる第３の実施形態の電磁結合器の寸法を示す図である。 図９は、図７の実験に用いるモノポールアンテナの寸法を示す図である。 図１０は、図７の実験方法を示す図である。 図１１は、本発明の第４の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１２は、本発明の第５の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１３は、本発明の第６の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１４は、本発明の第７の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１５は、本発明の第８の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１６は、本発明の第９の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１７は、本発明の第１０の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。 図１８は、本発明の第１１の実施形態に係る電磁結合器を示す図である。

本発明では図１に示すモデルからなる電磁結合器１を用いることで前述の課題の一つを解決する。図１の電磁結合器１は、１つのコンデンサ１ａと、１つの伝送線路１ｂからなる。特許文献２（特開２００６−１２１３１５号公報）に基づき、図１に示す電磁結合器１の入力インピーダンスＺ_inを求めると、伝送線路の特性インピーダンスをＺ_o、伝送線路の損失定数をα、伝送線路の電気長をｌ、容量をＣ、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器の入力インピーダンスＺ_inは、式（１）で近似が可能である。

給電系との整合性の向上には、電磁結合器の入力インピーダンスを給電系のインピーダンスの複素共役にする必要がある。式（１）から分かるように、図１の構造の入力インピーダンスＺ_inは複素数となり、実数成分と虚数成分から構成されるが、損失定数αは実数成分のみに存在し、容量Ｃは虚数成分のみに存在する。このため、実数成分と虚数成分を独立に調整することができ、よって、給電系との整合調整が容易である。
また、給電系のインピーダンスをＺ_Fとおくと、一般的に整合条件は、反射係数Γを用い式（２）のように表すことが可能である。

式（２）から分かるように、整合条件が適当となる周波数の数、つまり周波数帯域は反射係数の周波数特性に依存する。さらに、一般的には給電系のインピーダンスＺ_Fは一定であるので、周波数帯域は電磁結合器の入力インピーダンスＺ_inの周波数特性に依存する。また、周波数帯域は反射係数Γの周波数に対する変化の割合に依存し、例えば、反射係数Γの周波数に対する変化の割合が小さい場合は狭帯域の実現に適しており、逆の場合は広帯域の実現に適している。この関係は電磁結合器の入力インピーダンスＺ_inと周波数の間にも成り立つ。式（１）より、本発明による電磁結合器の入力インピーダンスＺ_inの周波数（角周波数ω）に対する変化の割合を式（３）に示す。

式（３）より、例えば広帯域化を行う場合は、式（３）の伝送線路の特性インピーダンスＺ_oを減少させる、電気長ｌを減少させる、損失定数αを減少させる、または容量Ｃを増加させる、の少なくとも何れかにより可能である。このように、本発明のアンテナは整合条件の周波数に対する変化の割合の調整も可能であり、かつ前述のように整合調整が容易であるため、周波数帯域の調整が容易である。

また、図１に示す構造は伝送線路とコンデンサからなる単純な構造であるため、例えば図２に示す本発明による第１の実施形態のように２層のプリント基板において実現が可能である。

［第１の実施形態］
以下に、本発明の第１の実施形態に係る電磁結合器２について、図２を用いて説明する。

本実施の形態では、電磁結合器２は、一方の面に導体が形成される第１層２ｇを備え、他方の面に導体が形成される第２層２ｈを備えた２層のプリント基板が用いられている。図２（ａ）は、電磁結合器２の第１層２ｇを見た図であり、図２（ｂ）は、電磁結合器２の第２層２ｈを第１層２ｇ側から透過して見た図である。

図２に示す電磁結合器２は、第１の導体パタン２ａと、この第１の導体パタン２ａと離間した第２の導体パタン２ｂとが誘電体からなるプリント基板の第１層２ｇに形成され、導体からなり、給電系２ｉに接続される給電パタン２ｅと、導体からなり、給電パタン２ｅと離間したグラウンド２ｆとがプリント基板の第２層２ｈに形成されている。第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間、並びに第２の導体パタン２ｂとグラウンド２ｆとの間は、それぞれ第２層２ｈに対して垂直に（グラウンド２ｆに対しても垂直）形成された線状導体２ｃと線状導体２ｄによって電気的に接続されている。この線状導体２ｃ、２ｄは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。この導体は、スルーホールの内部に充填されていても良く、又は、スルーホールの内面に薄く設けられていても良い。

線状導体２ｃは、一端が第１の導体パタン２ａと接続され、他端が給電パタン２ｅと接続される。したがって、第１の導体パタン２ａと給電パタン２ｅとの間は、線状導体２ｃにより電気的に接続される。また、線状導体２ｄは、一端が第２の導体パタン２ｂと接続され、他端がグラウンド２ｆと接続される。したがって、第２の導体パタン２ｂとグラウンド２ｆとの間は、線状導体２ｄにより電気的に接続される。これらにより、給電パタン２ｅとグラウンド２ｆとの間に給電がされる。なお、第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂの空隙は、図１におけるコンデンサ１ａとして動作し、第２の導体パタン２ｂは、図１における伝送線路１ｂとして動作する。

給電系２ｉから電磁結合器２への給電は、例えば同軸ケーブルにより行うことができる。同軸ケーブルの中心導体は、給電パタン２ｅに接続され、同軸ケーブルの外部導体は、グラウンド２ｆに接続される。給電系２ｉから電磁結合器２に給電することにより、第１の導体パタン２ａ、第２の導体パタン２ｂ、及び線状導体２ｃ、２ｄに電流が流れ、線状導体２ｃ、２ｄの電流から、２つの線状導体２ｃ、２ｄと平行な方向に電磁波の縦波成分が放射される。この縦波成分の大きさは電磁結合器２と給電系２ｉとの間の整合条件と正の相関関係にある。本発明に係る電磁結合器２は、前述のように整合調整が容易であるため、電磁波の縦波成分の大きさの調整が容易であり、十分な情報伝達の実現が可能である。さらに、電磁結合器２は、従来技術のようにバンドパスフィルタ構造を用いていないため、前述の電磁結合器間の誘電率の変化に基づく情報伝達特性の劣化の低減が可能である。

なお、従来の電磁結合器では、バンドパスフィルタを実現するために、電極、直列インダクタ、並列インダクタ、及びコンデンサが必要であり、また、電極は直列インダクタ、並列インダクタ及びグラウンドとは独立する層に配置される構造である。これを具現化する手法の一つとして、２層のプリント基板の片層に直列および並列のインダクタを、他層にグラウンドを成形し、さらにこれらに別の電極を接続する方法がある。また、３層のプリント基板を用いて、それぞれの層に電極、直列および並列インダクタ、グラウンドを成形し、電極とインダクタを線状導体で接続する方法がある。しかし、このような方法によると、電磁結合器の構造が複雑となり、コストも高くなる。一方、本発明では、第１の実施形態のように２層のプリント基板を用いて電磁結合器の実現が可能であり、例えばＦＲ４を介材とするプリント基板等を用いることが可能である。したがって、本発明の電磁結合器は、構造が単純でコストが低い電磁結合器の実現が可能である。

以上、本発明の第１の実施形態では、情報伝達特性が情報伝達を行うもう一方の電磁結合器との間の誘電率の変化に殆ど依存しない電磁結合器を実現できる。この結果、誘電体を含むカバーで覆われた機器に電磁結合器を内蔵する場合であっても、情報伝達特性の劣化を低減することが可能であり、より多くの種類の情報通信機器への適応が容易となる。

また、従来技術と同等の情報伝達能力を維持しつつ、給電系との整合調整を容易に行うことが可能な電磁結合器を実現できる。したがって、電磁結合器を機器に搭載する場合に、電磁結合器を配置する空間や周囲環境により、電磁結合器の周波数特性の調整が必要であるが、給電系との整合調整を容易に行うことが可能であるため、この調整に要する時間の低減が可能であり、迅速に最適な電磁結合器の提供が可能となる。

［第２の実施形態］
図３は本発明の第２の実施形態に係る電磁結合器３を示す図である。図２に示した構造においては、２つの線状導体２ｃ、２ｄを流れる電流から生じ、かつ線状導体２ｃ、２ｄと平行である電磁波の縦波成分を利用し、近距離での情報伝達を行うが、同時に第２の導体パタン２ｂを流れる電流により、距離に対する減衰量が縦波よりも小さい横波も発生し、遠距離での通信が可能となる問題が生じる。この問題を回避するために、本実施の形態は、図２の第１層の第１の導体パタン２ａと第２の導体パタン２ｂを図３に示すように変更した。

すなわち、図３に示す第２の実施形態の電磁結合器３は、第１の導体パタン３ａと、第１の導体パタン３ａと離間し、２つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃからなる第２の導体パタンとがプリント基板の第１層３ｉに形成され、導体からなり、給電系３ｋに接続される給電パタン３ｇと、導体からなり、給電パタン３ｇと離間したグラウンド３ｈとがプリント基板の第２層３ｊに形成されている。第１の導体パタン３ａと給電パタン３ｇとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｄによって電気的に接続されている。また、第２の導体パタンを構成する２つの導体パタン３ｂ、３ｃとグラウンド３ｈとの間は、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成された線状導体３ｅ、３ｆによってそれぞれ電気的に接続されている。この線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。線状導体３ｄは、一端が導体パタン３ａと接続され、他端が給電パタン３ｇと接続され、線状導体３ｅ、３ｆは、それぞれ一端が第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃと接続され、他端がグラウンド３ｈと接続される。このようにして、電磁結合器３は、給電パタン３ｇとグラウンド３ｈの間に給電がされる。

第２の導体パタンを構成する導体パタン３ｂ、３ｃは、同一形状をしていて、第１の導体パタン３ａを挟み込むように配置されている。このように２つの導体パタン３ｂ、３ｃを配置することで、両導体パタン３ｂ、３ｃから生じる電磁波の横波成分を相殺させることが可能であり、横波成分の低減が可能である。特に、第１の導体パタン３ａと２つの導体パタン３ｂ、３ｃとの形状と配置位置、３つの線状導体３ｄ、３ｅ、３ｆの配置位置が、導体パタン３ａと線状導体３ｄの接続点に関し点対称である場合、２つの導体パタン３ｂ、３ｃには、逆方向でありかつ大きさの等しい電流が流れるため、これら電流から生じる電磁波の横波成分のさらなる低減が可能である。また、本実施の形態では、グラウンド３ｈは、給電パタン３ｇを囲むように形成されている。これにより、横波がさらに生じ難くなるという効果が得られる。

このとき、電磁結合器３のモデルは図４となる。伝送線路４ｂ、４ｄの特性インピーダンスをＺ_o’、損失定数をα’、電気長をｌ’とし、コンデンサ４ａ、４ｃの容量値をＣ’、電磁波の速度をｖ、角周波数をωとすると、ω・ｌ’／ｖ＜＜１の条件において、この電磁結合器４の入力インピーダンスＺ_in’は式（４）となる。

式（４）から分かるように、図４の構造の入力インピーダンスＺ_in’は図１のものと同じ形となる。よって、図３、４記載の電磁結合器も図１、２に示す電磁結合器と同様に、整合調整及び周波数帯域の調整を容易に行うことが可能である。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に関し、図５を用いて説明する。第３の実施形態の電磁結合器５は、誘電体を介材とし、その一方の面に導体が形成される第１層５ｇを備え、その他方の面に導体が形成される第２層５ｈを備えた２層のプリント基板で構成されている。電磁結合器５は、第１の導体パタン５ａと、この第１の導体パタン５ａと離間し、第１の導体パタン５ａを囲むように環状に形成された第２の導体パタン５ｂとがプリント基板の第１層５ｇに形成され、導体からなり、給電系５ｉに接続される給電パタン５ｊと、導体からなり、給電パタン５ｊと離間したグラウンド５ｆとがプリント基板の第２層５ｈに形成されている。本実施の形態では、第１の導体パタン５ａは、円形状に形成され、第２の導体パタン５ｂは、円環状に形成されている。

第１の導体パタン５ａと給電パタン５ｊとの間は、第２層５ｈに対して垂直に形成された線状導体５ｃによって電気的に接続されている。つまり、線状導体５ｃは、一端が第１の導体パタン５ａに接続され、もう一端が給電パタン５ｊに接続される。また、第２の導体パタン５ｂとグラウンド５ｆとの間は、第２層５ｈに対して垂直に形成された２つの線状導体５ｄ、５ｅによって電気的に接続されている。つまり、線状導体５ｄ、５ｅは、それぞれ一端が第２の導体パタン５ｂに接続され、他端はグラウンド５ｆに接続されている。なお、線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅは、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。

本実施形態の電磁結合器５は、第２の実施形態の電磁結合器３と同等の特性を持つが、円形の第１の導体パタン５ａとそれを囲む円環状の第２の導体パタン５ｂによりコンデンサを実現しているため、両導体パタン５ａ、５ｂの対向する辺の長さが大きくなり、第２の実施形態の電磁結合器３と比較して、より大きな容量値を得ることが容易である。このため、式（１）または式（４）から分かるように、電磁結合器の入力インピーダンスの虚数成分が零となる共振周波数（角周波数ω）が小さくなる。このため、本実施の形態によると、電磁結合器の小型化が可能である。

また、導体パタン５ａ、５ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン５ａの接続点に関し点対称となるようにすることで、第２の実施形態と同様に、電磁結合器５から生じる横波の低減が可能である。

次に、本発明の第３の実施形態に関する実験結果を示す。

まず、図６は、本発明の第３の実施形態に係る電磁結合器５の周波数と反射係数の絶対値との関係を調査した実験結果である。この実験では、図８に示す形状の電磁結合器５を使用した。電磁結合器５は、厚さ３．４ｍｍのＦＲ４両面（２層）基板を用いて形成され、Ｌ１＝２０．０ｍｍ、Ｌ２＝１０．０ｍｍ、Ｌ３＝１．０ｍｍ、Ｌ４＝２．２ｍｍ、Ｌ５＝２．７ｍｍ、Ｌ６＝４．３５ｍｍ、Ｌ７＝５．４ｍｍである。また、反射係数の絶対値は、ネットワークアナライザを用いて測定した。

図６の実験結果によると、周波数が４．１ＧＨｚ〜４．７ＧＨｚにおいて、反射係数の絶対値は０．８以下である。したがって、電磁結合器５は、広帯域な周波数特性を実現していることが分かる。

また、図７は、本発明の第３の実施形態に係る電磁結合器５とモノポールアンテナに関して、２つの電磁結合器５の間、及び２つのモノポールアンテナの間の距離に対する電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比との関係を調査した実験結果である。この実験では、図６の実験と同じ電磁結合器５を使用した。また、実験では、図９に示すモノポールアンテナ９を使用した。モノポールアンテナ９は、プリント基板９ａと、プリント基板９ａの表面に形成された２つの矩形導体９ｂ、９ｃとからなる。２つの矩形導体９ｂ、９ｃは、離間して形成されており、矩形導体９ｂは放射導体として動作し、矩形導体９ｃはグラウンドとして動作する。矩形導体９ｂ、９ｃの間において給電がされる。モノポールアンテナ９は、厚さ２．４ｍｍのＦＲ４片面基板を用いて形成され、Ｌ'１＝２２．０ｍｍ、Ｌ'２＝１０．０ｍｍ、Ｌ'３＝１．０ｍｍ、Ｌ'４＝２０．０ｍｍ、Ｌ'５＝９．５ｍｍ、Ｌ'６＝１．０ｍｍである。モノポールアンテナ９は、一般的に利用されているアンテナであり、横波を用いた無線通信に適用されている。

また、図１０を用いて実験系を述べる。実験では２つの被測定物１０ａ、１０ｂ、すなわち、２つの電磁結合器５又は２つのモノポールアンテナ９は、平行に対向して配置され、一方の被測定物１０ａの中心を通る垂線が、他方の被測定物１０ｂの中心を通るように配置される。また、被測定物１０ａ、１０ｂは、同軸ケーブル１０ｃ、１０ｄを介し１つのネットワークアナライザ１０ｅの２つの端子に接続されている。ネットワークアナライザ１０ｅの一方の端子から出力される電力に対する他方の端子から入力される電力の比（Ｓ２１の絶対値）、すなわち、電磁結合器又はモノポールアンテナへの入力電力と出力電力の比を評価する。

図７は、２つの図８の電磁結合器５の間、及び２つの図９のモノポールアンテナ９の間のＳ２１の絶対値と距離との関係についての実験結果を示す。実験では、周波数が４．５ＧＨｚの信号を使用しており、図７の横軸は、この使用周波数の波長に対する被測定物間の距離の比とした。図７から分かるように、本発明による第３の実施形態の電磁結合器５では、距離に対する減衰が横波より大きい縦波を用い無線通信を行っているため、横波を用いて無線通信を行うモノポールアンテナ９より距離に対するＳ２１の絶対値の傾きの絶対値が大きい。例えば、波長に対する被測定物間の距離の比が１．５付近では、電磁結合器５のＳ２１の絶対値は、モノポールアンテナ９のそれより約２３ｄＢ小さく、電磁結合器５の無線通信の能力が低いことが分かる。一方、波長に対する被測定物間の距離の比が０．１付近では、電磁結合器５のＳ２１の絶対値は、モノポールアンテナ９のそれより大きく、モノポールアンテナ９と同等以上の良好な無線通信能力を有することが分かる。

［第４の実施形態］
本発明の第４の実施形態に関し、図１１を用いて説明する。第４の実施形態は第３の実施形態に２つの線状導体１１ｋ及び１１ｌを加えたものである。第３の実施形態と共通する構成については、同じ符号を付与し、その説明を省略する。

２つの線状導体１１ｋ及び１１ｌは、プリント基板の第２層５ｈに対し垂直であり（すなわち、グラウンド５ｆに対して垂直）、一端が第２の導体パタン５ｂと接続され、もう一端がグラウンド５ｆと接続される。このように線状導体の数を増減（本実施形態では増加）させることにより、式（１）および（４）において、伝送線路の電気長ｌを変化させることが可能である。したがって、第３の実施形態において、周囲環境、基板の材料、または電磁結合器の寸法等の問題により、損失定数α及び容量Ｃによる整合調整が困難な場合、整合の改善が可能である。

なお、第４の実施形態では、給電パタン５ｊと接続されていない線状導体は合計４本であるが、整合調整のためこの線状導体の数をそれ以外に変更することも可能である。また、線状導体がＮ個（２個以上）の場合、線状導体をｓ（１）、ｓ（２）、・・・、ｓ（Ｎ）と呼ぶと、給電パタン５ｊと接続される線状導体５ｃを頂点とし、隣り合う２つの線状導体、つまり線状導体ｓ（ｍ）と線状導体ｓ（ｍ＋１）、とがなす角度が全て等しくなるように配置することで、線状導体から放射される電磁波の縦波成分を偏りなく放射することが可能であり、方向による通信能力のばらつきを低減することが可能である。

また、第２の実施形態と同様に、第１の導体パタン５ａ、第２の導体パタン５ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅ、１１ｋ、１１ｌの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン５ａとの接続点に関し点対称となるようにすることで、電磁結合器１１から生じる横波をさらに低減することが可能である。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に関して、図１２を用いて説明する。第５の実施形態の電磁結合器１２は、第３の実施形態の電磁結合器５の第１の導体パタン５ａと第２の導体パタン５ｂの形状を異ならせたものである。すなわち、第５の実施形態の電磁結合器１２では、第１の導体パタン１２ａは、矩形状に形成され、第２の導体パタン１２ｂは、その内周が第１の導体パタン１２ａの外周と対向するように矩形状に形成されている。このような第１の導体パタン１２ａと第２の導体パタン１２ｂの形状とすることによって、第３の実施形態の電磁結合器５の第１層と同じ面積内において、式（１）及び（４）におけるパラメータ、電気長ｌ、損失定数α、及び特性インピーダンスＺ_oを変化させることが可能である。したがって、本実施の形態によれば、周囲環境等により整合条件が好ましくない場合に、整合の改善が可能である。

また、第１の導体パタン１２ａ、第２の導体パタン１２ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン１２ａとの接続点に関し点対称となるようにすることで、電磁結合器１２から生じる横波をさらに低減することが可能である。

［第６の実施形態］
本発明の第６の実施形態に関して図１３を用いて説明する。第６の実施形態の電磁結合器１３は、第３の実施形態の電磁結合器５の第１の導体パタン５ａと第２の導体パタン５ｂの形状を異ならせたものである。すなわち、第６の実施形態の電磁結合器１３では、第１の導体パタン１３ａは、複数の突起を有する星形状に形成され、第２の導体パタン１３ｂは、その内周が第１の導体パタン１３ａの外周と対向するように星形状に形成されている。このような第１の導体パタン１３ａと第２の導体パタン１３ｂの形状とすることによって、第３の実施形態の電磁結合器５の第１層と同じ面積内において、式（１）及び（４）におけるパラメータ、電気長ｌ、損失定数α、及び特性インピーダンスＺ_oを変化させることが可能である。したがって、本実施の形態によれば、周囲環境等により整合条件が好ましくない場合に、整合の改善が可能である。

また、第１の導体パタン１３ａと第２の導体パタン１３ｂの対向する辺の長さが、第３の実施形態の電磁結合器５と比較して大きくなる。このため、第１の導体パタン１３ａと第２の導体パタン１３ｂとによる容量を、第３の実施形態と比較して容易に大きくすることが可能である。したがって、式（１）または式（４）から分かるように、電磁結合器の入力インピーダンスＺ_iの虚数成分が零となる共振周波数（角周波数ω）が小さくなる。このため、電磁結合器１３の小型化が可能である。

また、第１の導体パタン１３ａ、第２の導体パタン１３ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン１３ａとの接続点に関し点対称となるようにすることで、電磁結合器１３から生じる横波をさらに低減することが可能である。

［第７の実施形態］
本発明の第７の実施形態に関し、図１４を用いて説明する。第７の実施形態の電磁結合器１４は、第５の実施形態の電磁結合器５の第２の導体パタン１２ｂを周方向に２つに分割し、導体パタン１４１ｂと導体パタン１４２ｂとしたものである。すなわち、第１の導体パタン１２ａは、矩形状に形成され、第２の導体パタンは、２つのＬ字状の導体パタン１４１ｂ、１４２ｂとから構成される。このように第２の導体パタンを変形しても、電磁結合器１４の入力インピーダンスＺ_iは式（１）及び（４）で示すことが可能であり、第５の実施形態と同等の特性を有する。

また、第１の導体パタン１２ａ、第２の導体パタンを構成する２つの導体パタン１４１ｂ、１４２ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン１２ａとの接続点に関し点対称となるようにすることで、電磁結合器１４から生じる横波をさらに低減することが可能である。

また、本実施形態では、第５の実施形態と比較し、特に式（１）および（４）において電気長ｌを増加することが可能であるため、電磁結合器１４の小型化が可能である。

［第８の実施形態］
本発明の第８の実施形態に関し、図１５を用いて説明する。第８の実施形態の電磁結合器１５は、第３の実施形態の導体パタン５ｂを周方向に２つに分割し、導体パタン１５１ｂと導体パタン１５２ｂとしたものである。すなわち、第１の導体パタン５ａは、円形状に形成され、第２の導体パタンは、２つの半円環状の導体パタン１５１ｂ、１５２ｂとから構成される。このように第２の導体パタンを変形しても、電磁結合器１５の入力インピーダンスＺ_iは式（１）及び（４）で示すことが可能であり、第３の実施形態と同等の特性を有する。

また、第１の導体パタン５ａ、第２の導体パタンを構成する２つの導体パタン１５１ｂ、１５２ｂの配置位置と形状、及び線状導体５ｃ、５ｄ、５ｅの配置位置が、線状導体５ｃと第１の導体パタン５ａとの接続点に関し点対称となるようにすることで、電磁結合器１５から生じる横波をさらに低減することが可能である。

また、本実施形態では、第３の実施形態と比較し、特に式（１）および（４）において電気長ｌを増加することが可能であるため、電磁結合器１５の小型化が可能である。

［第９の実施形態］
本発明の第９の実施形態に関し、図１６を用いて説明する。第９の実施形態の電磁結合器１６は、第２の実施形態の電磁結合器３に第２の導体パタンを構成する導体パタン１６ｌ、１６ｍ、及び線状導体１６ｎ、１６ｏを加えたものである。２つの線状導体１６ｎ、１６ｏは、プリント基板の第２層３ｊに対して垂直に形成されている。線状導体１６ｎは、一端が導体パタン１６ｌと接続され、もう一端がグラウンド３ｈと接続され、線状導体１６ｏは、一端が導体パタン１６ｍと接続され、もう一端がグラウンド３ｈと接続されている。

ここで、線状導体１６ｎ、１６ｏは、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｅと線状導体３ｄと線状導体３ｆを通る直線と線状導体１６ｎと線状導体３ｄと線状導体１６ｏを通る直線とが９０°の角度をなすように配置される。つまり、４つの線状導体３ｅ、３ｆ、１６ｎ、１６ｏは、第１の導体パタン３ａと線状導体３ｄとの接続点を中心に、９０度の角度間隔に形成されている。また、導体パタン１６ｌ、１６ｍは、線状導体１６ｎと線状導体３ｄと線状導体１６ｏを通る直線に沿って配置される。つまり、第２の導体パタンを構成する４つの矩形状の導体パタン３ｂ、３ｃ、１６ｌ、１６ｍは、それぞれ第１の導体パタン３ａの外周の各辺と対向するように放射状に形成されている。

このように導体パタン１６ｌ、１６ｍ、及び線状導体１６ｎ、１６ｏを加えることで、第９の実施形態の電磁結合器１６は、第２の実施形態と比較して、線状導体から放射される電磁波の縦波成分を偏り無く放射することが可能であり、方向による通信能力のばらつきを低減することが可能である。なお、第１層３ｉにおいて、線状導体３ｄを中心として放射状に導体パタンと線状導体を追加することも可能である。この場合、電磁結合器から放出される電磁波の縦波成分の偏りをさらに低減させることが可能である。

［第１０の実施形態］
本発明の第１０の実施形態に関し、図１７を用いて説明する。第１０の実施形態の電磁結合器１７は、第９の実施形態の電磁結合器１６の第２の導体パタンと線状導体の配置を変更したものである。

すなわち、図１７に示す第１０の実施形態の電磁結合器１７は、第１の導体パタン１７ａと、第１の導体パタン１７ａと離間し、４つの矩形状の導体パタン１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅからなる第２の導体パタンとがプリント基板の第１層１７ｍに形成され、導体からなり、給電系１７ｏに接続される給電パタン１７ｋと、導体からなり、給電パタン１７ｋと離間したグラウンド１７ｌとがプリント基板の第２層１７ｎに形成されている。第１の導体パタン１７ａと給電パタン１７ｋとの間は、プリント基板の第２層１７ｎに対して垂直に形成された線状導体１７ｆによって電気的に接続されている。また、第２の導体パタンを構成する４つの導体パタン１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅとグラウンド１７ｌとの間は、プリント基板の第２層１７ｎに対して垂直に形成された線状導体１７ｇ、１７ｈ、１７ｉ、１７ｊによってそれぞれ電気的に接続されている。これらの線状導体は、プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体である。線状導体１７ｇ、１７ｈ、１７ｉ、１７ｊは、導体パタン１７ａと線状導体１７ｆの接続点に関し点対称となる矩形の頂点の位置に形成されている。また、第２の導体パタンを構成する導体パタン１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ、１７ｅは、線状導体１７ｇ、１７ｈ、１７ｉ、１７ｊが頂点となる矩形の各辺に沿って配置されている。これにより、本実施の形態では、第１層１７ｍのスペースを有効に活用することが可能であり、電磁結合器１７の小型化が可能である。

［第１１の実施形態］
本発明による第１１の実施形態に関し、図１８を用いて説明する。第１１の実施形態の電磁結合器１８は、第９の実施形態の電磁結合器１６の第１の導体パタンと第２の導体パタンの形状を変更するとともに、第２の導体パタンと線状導体の配置を変更したものである。

すなわち、第１１の実施形態の電磁結合器１８は、十字状に形成された第１の導体パタン１８ａと、第１の導体パタン１８ａと離間し、４つの導体パタン１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅからなる第２の導体パタンとがプリント基板の第１層１８ｍに形成され、導体からなり、給電系１８ｏに接続される給電パタン１８ｋと、導体からなり、給電パタン１８ｋと離間したグラウンド１８ｌとがプリント基板の第２層１８ｎに形成されている。第１の導体パタン１８ａと給電パタン１８ｋとの間は、プリント基板の第２層１８ｎに対して垂直に形成された線状導体１８ｆによって電気的に接続されている。また、第２の導体パタンを構成する４つの導体パタン１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅとグラウンド１８ｌとの間は、プリント基板の第２層１８ｎに対して垂直に形成された線状導体１８ｇ、１８ｈ、１８ｉ、１８ｊによってそれぞれ電気的に接続されている。また、第２の導体パタンは、十字状に形成された第１の導体パタン１８ａの外周の２辺と対向する２辺をそれぞれ有している。本実施形態の電磁結合器１８では、第１の導体パタン１８ａと第２の導体パタンを構成する４つの導体パタン１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ、１８ｅとの間で対向する辺を多く取ることで、容量を増加することが可能であり、さらなる小型化を実現することが可能である。

以上、本発明の実施形態を図示し説明してきたが、当業者であれば、本発明の技術思想、技術的範囲から逸脱することなく種々の変更及び修正が可能であることは明らかである。

例えば、上記の実施形態では、２層のプリント基板の一方の面に第１の導体パタンと第２の導体パタンを形成し、他方の面に給電パタンとグラウンドを形成した実施形態を示したが、３層以上のプリント基板を用い、そのプリント基板の何れか２層を用いることも可能である。また、上記の実施形態では、２層のプリント基板を用いた電磁結合器を示したが、プリント基板を用いずに銅や鉄などの導体からなる導体板を用いて電磁結合器を成形することも可能である。さらに、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間の空隙によりコンデンサを実現したが、第１の導体パタンと第２の導体パタンの間にさらにコンデンサ（例えばチップコンデンサ）を設けることも可能である。これらのような変更及び修正は全て本発明の技術思想、技術的範囲に包含されるべきものである。

１〜５、１１〜１８ ・・・ 電磁結合器
１ａ ・・・ コンデンサ
１ｂ ・・・ 伝送線路
１ｃ ・・・ 給電系
４ａ、４ｃ ・・・ コンデンサ
４ｂ、４ｄ ・・・ 伝送線路
４ｅ ・・・ 給電系
９ ・・・ モノポールアンテナ
１０ａ、１０ｂ ・・・ 被測定物
１０ｃ、１０ｄ ・・・ 同軸ケーブル
１０ｅ・・・ ネットワークアナライザ

Claims (19)

1. 第１の導体パタンと、該第１の導体パタンと離間した第２の導体パタンとが第１の平面に形成され、
   導体からなり、給電系に接続される給電パタンと、導体からなり、前記給電パタンと離間したグラウンドとが第２の平面に形成され、
   前記第１の導体パタンと前記給電パタンとの間、並びに前記第２の導体パタンと前記グラウンドとの間は、複数の線状導体によって電気的に接続され、
   前記給電パタンと前記グラウンドとの間に給電がされ、
   前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンの間の空隙でコンデンサが形成されることを特徴とする電磁結合器。
   
2. 前記複数の線状導体は、前記第２の平面に対して垂直に形成されていることを特徴とする請求項１記載の電磁結合器。
3. 前記第１の平面と前記第２の平面との間には、プリント基板が形成されており、
   前記線状導体は、前記プリント基板に形成されたスルーホールの内部に形成された導体であり、
   前記グラウンドは、前記給電パタン及び前記空隙を除く前記第２の平面の全面を覆っていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁結合器。
   
4. 前記第２の導体パタンと前記線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点に関して、点対称となるように形成されていることを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の電磁結合器。
5. 前記第２の導体パタンは、複数の導体パタンからなり、該複数の導体パタンのそれぞれは、前記線状導体によって前記グラウンドに接続されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
6. 前記第１の導体パタンと前記第２の導体パタンは、それぞれ矩形状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁結合器。
7. 前記第２の導体パタンは、４つの矩形状の導体パタンからなり、それぞれ前記第１の導体パタンの外周の各辺と対向するように放射状に形成されていることを特徴とする請求項６に記載の電磁結合器。
8. 前記第２の導体パタンと前記グラウンド間には、合計４つの前記線状導体が形成されており、前記４つの線状導体は、前記第１の導体パタンと前記線状導体との接続点を中心に、９０度の角度間隔に形成されていることを特徴とする請求項７に記載電磁結合器。
9. 前記第１の導体パタンは、矩形状に形成され、前記第２の導体パタンは、２つのＬ字状の導体パタンからなり、前記第１の導体パタンを囲むように形成されていることを特徴とする請求項５に記載の電磁結合器。
10. 前記第１の導体パタンは、十字状に形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンの外周の少なくとも１辺と対向する辺を有する４つの導体パタンからなることを特徴とする請求項５に記載の電磁結合器。
11. 前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンを囲むように環状に形成されていることを特徴とする請求項１〜４の何れか１項に記載の電磁結合器。
12. 前記第１の導体パタンは、円形状に形成され、前記第２の導体パタンは、前記第１の導体パタンを囲むように円環状に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電磁結合器。
13. 前記第１の導体パタンは、矩形状に形成され、前記第２の導体パタンは、その内周が前記第１の導体パタンの外周と対向するように矩形状に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電磁結合器。
14. 前記第１の導体パタンは、複数の突起を有する星形状に形成され、前記第２の導体パタンは、その内周が前記第１の導体パタンの外周と対向するように星形状に形成されていることを特徴とする請求項１１に記載の電磁結合器。
15. 複数の前記線状導体が前記第２の導体パタンと前記グラウンドとの間に形成されていることを特徴とする請求項１１〜１４の何れか１項に記載の電磁結合器。
16. 前記第２の導体パタンと前記グラウンド間に形成された複数の前記線状導体は、前記第１の導体パタンと接続された前記線状導体を中心に、等角度間隔に形成されていることを特徴とする請求項１５に記載の電磁結合器。
17. 前記第２の導体パタンは、周方向に複数に分割されていることを特徴とする請求項１１〜１４の何れか１項に記載の電磁結合器。
18. 前記グラウンドは、前記給電パタンを囲むように形成されていることを特徴とする請求項１〜１７の何れか１項に記載の電磁結合器。
19. 請求項１〜１８の何れか１項に記載の電磁結合器を搭載し、縦波の静電界又は誘導電界を用いて情報を伝達する情報通信機器。
    

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