JP5479941B2

JP5479941B2 - アンテナ装置、及び、通信装置

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Publication number: JP5479941B2
Application number: JP2010034437A
Authority: JP
Inventors: 宏高松; 達雄久村; 武雄木村
Original assignee: Dexerials Corp
Current assignee: Dexerials Corp
Priority date: 2010-02-19
Filing date: 2010-02-19
Publication date: 2014-04-23
Anticipated expiration: 2030-02-19
Also published as: JP2011172045A

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。

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。

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、一方の面にグランドを形成したプリント基板と、プリント基板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と、結合用電極と、この結合用電極とスタブを接続する金属線からなる。また、特許文献１に記載された通信装置では、高周波結合器を構成するプリント基板上に、送受信回路も形成している。

特開２００８−３１１８１６号公報

上述した特許文献１に記載された高周波結合器では、柱状の金属線を介して、結合用電極と共振ラインとを電気的に接続する必要がある。たとえば、結合用電極と金属線を一体で作製、あるいは先に接続した状態で、共振ラインに接続する場合、金属線の高さが低い場合、ハンダごて等を用いた対象物間の直接接続が困難となる。このため、ハンダペーストを接続部にあらかじめ配置し、結合電極と金属線の電極集合体をリフロープロセス等にて接合する方法もあるが、この場合、接続位置に集合体を正確に配置、固定しておかないと電極集合体が傾いたり、共振ラインの所定の位置からはずれて接合される等の不具合が発生してしまう。

高周波結合器は、電子機器内へ搭載されるが、このような機器内部の搭載を考慮すると結合用電極の補強を兼ね、プリント基板と結合用電極の下面との間に絶縁材を設ける必要がある。

しかしながら、このような絶縁材を高周波結合器に設けることで、結合用電極とプリント基板間の容量性が変化するため、物理的な厚み方向の調整が必要となる。高周波結合器は、結合用電極とプリント基板間の容量性の変化による調整に伴い、高周波結合器全体の厚みが増す方向となり、電子機器内への搭載スペースを確保することが難しくなってしまった。

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、全体の厚みを抑えて通信特性を維持しつつ、プリント基板と、その厚み方向に離間して電気的に接続された結合用電極を補強することが可能なアンテナ装置を目的とする。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。

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であって、誘電体を介して、一方の面の導電層にグランド層が形成され、他方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成されたプリント基板と、略平面状の導体からなり、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、上記プリント基板に形成された信号線と上記結合用電極とを、上記プリント基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、上記結合用電極と上記プリント基板の信号線が形成された面との間に配置され、該結合用電極を固定する誘電体からなる固定部材とを備え、上記固定部材は、上記電極柱が貫通するスルーホールが形成された支持部の周囲に、上記結合用電極と対向する面から上記プリント基板と対向する面まで貫通する中空部が複数形成されていることを特徴とする。

また、本発明は、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であって、誘電体を介して、一方の面の導電層にグランド層が形成され、他方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成されたプリント基板と、略平面状の導体からなり、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、上記プリント基板に形成された信号線と上記結合用電極とを、上記プリント基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、上記結合用電極と上記プリント基板の信号線が形成された面との間に挟まれ、該結合用電極を固定する誘電体からなる固定部材と、上記信号線の一端に形成された接続用端子部を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、上記固定部材は、上記電極柱が貫通するスルーホールが形成された支持部の周囲に、上記結合用電極と対向する面から上記プリント基板と対向する面まで貫通する中空部が複数形成されていることを特徴とする。

本発明は、結合用電極とプリント基板の信号線が形成された面との間に挟まれ、結合用電極を固定する誘電体からなる固定部材が、中空構造となっているので、中空構造となっていない場合に比べて、結合用電極とプリント基板の信号線が形成された面との間の空間の比誘電率を下げることができる。結果として、本発明は、固定部材を用いない場合と比べて、全体の厚みの増加と通信特性の劣化を抑制しつつ、結合用電極を補強することができる。

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。本発明が適用されたアンテナ装置である高周波結合器の構成を示す図である。高周波結合器と送受信回路基板との接続例について説明するための図である。本発明が適用されたアンテナ装置である高周波結合器の構成を示す図である。中空構造を有さない上部基板を有する高周波結合器の構成を示す図である。高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。高周波結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。

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。

＜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。

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、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、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。

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。

ここで、高周波結合器１０２、１０６がそれぞれ持つ送受信用の電極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。

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、電極１０３から電極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。

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、以下に詳述する高周波結合器では、４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達対象とする。

＜高周波結合器＞
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に示すような高周波結合器１１０について説明する。

すなわち、高周波結合器１１０は、フレキシブルプリント基板１と、結合用電極８と、フレキシブルプリント基板１上に形成された信号線３と結合用電極８とを電気的に接続する電極柱７と、結合用電極８を保持する固定部材として上部基板１６とを備える。

フレキシブルプリント基板１は、誘電体として機能するベース材４の両面に銅箔を配した可撓性を有する両面プリント基板で、一方の面の導電層をグランド２とし、もう一方の面の導線層にパターニング処理により信号線３が形成されたものである。

フレキシブルプリント基板１のベース材４は、導電層よりも誘電性が優位な物質であり、例えば、２５〜１２５μｍ厚の可撓性を有する誘電性材料で、特に、ポリイミド、液晶ポリマー、テフロン（登録商標）等の低誘電率で、誘電損失の小さい材料からなるものが好ましい。

フレキシブルプリント基板１に形成された信号線３は、その一端には、信号の送受信処理を行う送受信回路部と電気的に接続可能な接続用端子部９が形成されており、他端が、スルーホール５によりグランド２と短絡処理されている。例えば、信号線３は、スルーホール５に設けた導電性メッキ膜あるいは導電性ペースト等によりベース材４を貫通してグランド２に接合されることで、短絡処理がなされる。なお、グランド２との接続は電気的に短絡するためのものであり、貫通バンプ等の導電性の柱により信号線３とグランド２とを接続してもよい。

また、図２中に示す高周波結合器１１０では、通信感度を高めるため、信号線３のうち、スルーホール５により短絡処理されている端部から電極柱７との接続点までの距離が、通信周波数の略４分の１波長の整数倍離れるようにした共振ライン３ａとして機能する。

このように、共振ライン３ａは、他の高周波結合器が備える結合用電極と、当該高周波結合器１１０の結合用電極８との結合効率を上げるために用いるもので、上述したようにグランド２に接続することでショートスタブとなり、この部分では電圧が０となるため、この部分からライン上で通信周波数の略４分の１波長の距離に電極柱７が接続されると、その接続点で電圧が最大となり結合効率が良好となる。このようにして、共振ライン３ａは、高周波結合器間の結合効率を上げる役割を担う。

なお、図２に示す高周波結合器１１０では、信号線３の共振ライン３ａ側の端部をスルーホール５を介したショートスタブとしているが、開放端としたオープンスタブとしてもよい。但し、このオープンスタブの場合も共振ライン３ａと電極柱７の接合部で電圧が最大となるように、共振ライン３ａの長さを、上述したように調整する必要がある。

また、信号線３のライン形状は、必ずしも直線状にする必要はなく曲率を持たせた曲線状としたり、図２（Ａ）に示されるように折り曲げて用いることもできる。

なお、本発明が適用された高周波結合器１１０は、信号線とグランドが対向する面に形成されるプリント基板として、上述した可撓性を有する誘電性材料からなるフレキシブルプリント基板以外にも、エポキシ樹脂などの硬質な誘電性材料からなるリジットプリント基板などを用いるようにしてもよい。

特に、高周波結合器１１０は、フレキシブルプリント基板１の信号線３に形成された接続用端子部９を用いることで、送受信回路の配置位置によって制限されることなく結合用電極を自由に配置したり、通信装置全体の薄型化を図ることができる。

たとえば、高周波結合器１１０は、フレキシブルプリント基板１に形成された接続用端子部９を用いることで、図３（Ａ）に示すように、送受信回路基板１２０に実装されたコネクタ１２１とを介して、送受信回路基板１２０と背中合わせに配置した状態で電気的に接続することができる。

また、高周波結合器１１０は、フレキシブルプリント基板１に形成された接続用端子部９を用いることで、図３（Ｂ）に示すように、異方性導電フィルム（ＡＣＦ）、異方性導電ペースト（ＡＣＰ）等の導電性ペーストを用いた手法により、送受信回路基板１３０の実装面１３１と接合することで、例えば、図３（Ｃ）のような高周波結合器１４１と送受信回路１４２とが同一基板１４０に表面実装されたものに比べて、全体の厚みを抑えることができる。

結合用電極８は、略平面状の導体からなり、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ものである。このような結合用電極８は、上述したように略平面状の導体で、円形、四角形、多角形等の形状とすることができ、材料としては銅、黄銅、ステンレス等の剛性を有する良導体や、可撓性を有する誘電体層の片面に銅箔などの導電層が形成されたフレキシブルプリント基板を用いることができる。

特に、結合用電極８は、可撓性を有する誘電体層の片面に銅箔などの導電層が形成されたフレキシブルプリント基板などの薄膜導体を用いることで、通信特性を維持しつつ、高周波結合器１１０自体の薄型化を図ることができる。このように、薄型化を図りながら、通信特性が維持できるのは、４〜５ＧＨｚ帯の信号成分が表皮効果により電極表面で主に伝送されるため、薄膜になっても伝送損失が少ないからであるである。

電極柱７は、フレキシブルプリント基板１の厚み方向Ｈに所定距離離間させて、フレキシブルプリント基板１に形成された信号線３と、結合用電極８とを電気的に接続する。このような電極柱７は、剛性を有する良導体で、例えば、結合用電極８と信号線３とそれぞれ半田等の導電性を有する接合材で接合される。

上部基板１６は、結合用電極８とフレキシブルプリント基板１の信号線３が形成された面との間に挟まれ、結合用電極８を固定する誘電体からなり、結合用電極８と信号線３との間の平均化した誘電率（以下、平均誘電率と記す。）をできるだけ下げるため、中空構造となっている。

上部基板１６は、中空構造を有していれば結合用電極８と信号線３との間の平均誘電率を下げることができる。上部基板１６では、特に、図２（Ｂ）に示すように、上部基板１６の強度を維持しつつ、中空となる領域を広くして平均誘電率をできるだけ下げるため、後述する電極柱７が貫通するスルーホール７ａが形成される支持部１６１の周囲に、支持部１６１と一体形成された仕切板状部材１６２で仕切られた中空部１６３が複数形成されている。

なお、上部基板１６は、上部基板１６の強度を維持しつつ、中空となる領域を広くするためには、支持部１６１を中心として、その周囲に複数の中空部が形成されていればよく、例えば図４に示すような構成を採用することもできる。ここで、図４において、上部基板１６は、支持部１６１を中心として一方向に分割したときの中空領域が対称になるような構造として、支持部１６１の周囲に、当該基板の部材によって互いに離間された円柱形状の中空部１６４が複数形成された構造を有している。

高周波結合器１１０では、このような構成からなる上部基板１６により結合用電極８を保持するため、結合用電極８と信号線３とが例えば、次のような接続方法によって接続される。

すなわち、高周波結合器１１０では、結合用電極８を、上部基板１６の片面、すなわち、上面１６ａに形成する。続いて、高周波結合器１１０では、結合用電極８の中心を上部基板１６と共に貫通穴あけ処理によりスルーホール７ａを形成する。このスルーホール７ａが、信号線３の所定の位置に合わさるようにして、上部基板１６のもう一方の面、すなわち下面１６ｂをフレキシブルプリント基板１に接着させる。そして、このスルーホール７ａを介したメッキ処理あるいは導電性ペースト等により形成された電極柱７は、結合用電極８と信号線３を電気的に接続する。

なお、上記の接続方法は、電気的接続方法の一例であって、例えばメッキ処理されたスルーホール７ａに、結合用電極８と接続された針状の電極柱７を挿入し、導電性ペーストなどにより信号線３と接続するなどの方法を用いるようにしてもよい。すなわち、高周波結合器１１０では、結合用電極８と信号線３と、誘電体基板である上部基板１６を挟んで所定距離離間させた状態で電気的に接続できれば、いずれの接続方法を用いても良い。

次に、高周波結合器１１０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を用いて通信特性の解析を行なった。

性能評価の比較例として、図５に示すような、中空構造を有さない上部基板１６０を有する高周波結合器２００を用いて説明する。

なお、高周波結合器２００は、上部基板の構造が異なる以外は、上述した高周波結合器１１０が備える構成と同様なので、図５中において同様の符号を付し、各要素についての説明を省略するものとする。解析では、上部基板１６に比誘電率が２．９の液晶ポリマーを用いた。

性能評価は、図６に示すように、同様の構成からなる高周波結合器の結合用電極８ａ、８ｂを、１５ｍｍ離間させた状態で対向させて、一方の高周波結合器の端子９ａに入力信号を加え、他方の高周波結合器の端子９ｂで信号を受けた場合の結合強度を解析した。ここで、結合強度は、Ｓパラメータの透過特性Ｓ２１を用いて評価した。

図７は、２つの高周波結合器１１０を用いた場合を「中空構造」とし、２つの高周波結合器２００を用いた場合を「平板」として、それぞれの結合強度Ｓ２１の周波数特性を示したものである。

中空構造の上部基板１６を有する高周波結合器１１０を用いた場合は、中空構造ではない上部基板１６０を有する高周波結合器２００を用いた場合に比べて、共振ピークを基準としてＳ２１が３ｄＢ減少する帯域幅が３０％広くなっており、より良好な通信特性を実現している。この結果から明らかなように、高周波結合器１１０を用いた場合は、高周波結合器２００を用いた場合に比べて帯域幅を広くできる特性を有しているので、製品のばらつきや通信環境によって、共振周波数が所定の周波数よりずれた場合でも安定な通信ができる。また、帯域幅が十分に確保できる場合には、アンテナ装置の周波数特性を必要最小限の帯域幅が確保できる程度に狭めた急峻な周波数特性になるように調整することで、共振周波数付近の透過特性Ｓ２１のゲインを高くすることもできる。

以上のように、本発明が適用された高周波結合器１１０は、結合用電極８の固定部材である上部基板１６が中空構造となっているので、中空構造となっていない場合に比べて、結合用電極８とフレキシブルプリント基板１の信号線３が形成された面との間の空間の平均誘電率を下げ、良好な通信特性を実現することができる。

また、上部基板を構成する部材は空気よりも誘電率が高いため、高周波結合器１１０は、上部基板を挟まない高周波結合器に比べて通信特性が劣化するが、上記のように中空構造として平均誘電率を大幅に下げているので、全体の厚みの増加と通信特性の劣化を抑制しつつ、結合用電極８を補強することができる。

また、高周波結合器１１０では、上部基板１６によって、フレキシブルプリント基板１のうち、結合用電極８が実装される部分を固定しつつ、接続用端子部９が形成された部分を自由に折り曲げて、送受信回路基板と電気的に接続することができる。

また、高周波結合器１１０では、上部基板１６が中空構造を有しているため、この上面１６ａにメッキ処理で結合用電極８を薄膜化することができないが、片面に銅箔などの導電層が形成されたフレキシブルプリント基板を、結合用電極８として上部基板１６の上部１６ａに容易に貼着することができるので、製造工程を複雑にすることなく、良好な通信特性を実現しつつ、高周波結合器１１０自体の薄型化を図ることができる。

１フレキシブルプリント基板、２グランド、３信号線、３ａ共振ライン、４ベース材、５、７ａスルーホール、７電極柱、８、８ａ、８ｂ結合用電極、９接続用端子部、９ａ、９ｂ端子、１６上部基板、１６ａ上面、１６ｂ下面、１００通信システム、１０１、１０５通信装置、１０２、１０６、１１０、１４１、２００高周波結合器、１０３、１０７電極、１０４、１０８送受信回路部、１２０、１３０、送受信回路基板、１２１コネクタ、１３１実装面、１４０基板、１４２送受信回路、１６０上部基板、１６１支持部、１６２仕切板状部材、１６３、１６４中空部

Claims

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、
誘電体を介して、一方の面の導電層にグランド層が形成され、他方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成されたプリント基板と、
略平面状の導体からなり、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、
上記プリント基板に形成された信号線と上記結合用電極とを、上記プリント基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、
上記結合用電極と上記プリント基板の信号線が形成された面との間に配置され、該結合用電極を固定する誘電体からなる固定部材とを備え、
上記固定部材は、上記電極柱が貫通するスルーホールが形成された支持部の周囲に、上記結合用電極と対向する面から上記プリント基板と対向する面まで貫通する中空部が複数形成されていることを特徴とするアンテナ装置。
上記プリント基板は、可撓性を有する誘電体を介して、一方の面の導電層にグランド層が形成され、上記固定部材と対向する他方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成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。
上記結合用電極は、可撓性を有する誘電体層上の導電層に形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
上記各中空部は、上記支持部と一体形成された板状部材で仕切られていることを特徴とする請求項１乃至３のうち何れか１項記載のアンテナ装置。
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、
誘電体を介して、一方の面の導電層にグランド層が形成され、他方の面の導電層に信号が伝送される信号線が形成されたプリント基板と、
略平面状の導体からなり、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、
上記プリント基板に形成された信号線と上記結合用電極とを、上記プリント基板の厚み方向に所定距離離間させて、電気的に接続する電極柱と、
上記結合用電極と上記プリント基板の信号線が形成された面との間に挟まれ、該結合用電極を固定する誘電体からなる固定部材と、
上記信号線の一端に形成された接続用端子部を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記固定部材は、上記電極柱が貫通するスルーホールが形成された支持部の周囲に、上記結合用電極と対向する面から上記プリント基板と対向する面まで貫通する中空部が複数形成されていることを特徴とする通信装置。