JP7467254B2

JP7467254B2 - 通信システム

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Description

本発明は、通信システムに関する。

近年、生産システムやロボット装置等にカメラ等の大量データを通信する装置が取り付けられ、メカ的な移動部と固定部間で高速にデータ伝送するシステムが増えつつある。特許文献１には、ＣＴ装置のＸ線カメラのカメラデータを旋回する移動部から固定部へ送る伝送装置が記載されている。固定部と移動部の少なくとも一方には、移動方向に伸延した伝送線路がある。その伝送線路と磁界／電界、またはその両方で結合するカプラとの間で、データ伝送が行われる。この伝送線路とカプラとの間の結合を強くし、信号を大きくするためには、伝送線路とカプラとの距離を近づける必要がある。

特開平８－２２４２３２号公報

しかし、カプラが伝送線路の近傍を移動するとき、カプラの影響で伝送線路のインピーダンスが乱れることがある。インピーダンスの乱れが大きくなると、伝送線路の入力特性が悪くなり、入力信号波形が歪む。カプラの出力信号においては、信号の反射が大きい周波数帯でゲインが低下する。

本発明の目的は、伝送線路に沿って移動するカプラと伝送線路との間での電磁界結合による無線通信における信号の乱れを抑制することである。

本発明の通信システムは、一対の伝送線路から構成される差動伝送線路と、前記差動伝送線路と電磁界結合する一対の電極から構成されるカプラと、を有し、前記一対の電極は、前記一対の電極の中心間が接続される第一の方向と直交する所定方向における先端部が他の部分より細く、前記一対の電極の中心間距離は、前記一対の伝送線路の中心間距離より長い。

本発明によれば、伝送線路に沿って移動するカプラと伝送線路との間での電磁界結合による無線通信における信号の乱れを抑制することができる。

通信システムの構成例を示す図である。通信システムの各信号を示すタイミングチャートである。通信システムの構成例を示す図である。出力と反射の周波数特性を示す図である。出力と反射の周波数特性を示す図である。シミュレーション結果の数値を示す図である。出力信号のアイパターンを示す図である。出力と反射の周波数特性を示す図である。出力周波数特性と１ＧＨｚにおけるゲインを示す図である。通信システムの構成例を示す図である。受信カプラの拡大図である。出力周波数特性を示す図である。受信カプラの拡大図である。出力と反射の周波数特性を示す図である。出力信号のアイパターンを示す図である。受信カプラの別の形態を示す図である。通信システムをＣＴ画像診断装置に適用した図である。

図１（Ａ）および（Ｂ）は、通信システムを説明するための図である。図２は、図１（Ａ）および（Ｂ）の通信システムにおける各信号のタイミングチャートである。差動伝送線路１０１は、送信伝送線路である。信号源１０３は、差動送信バッファ１０４にデータを出力する。差動送信バッファ１０４は、データを入力し、差動伝送線路１０１の一端に差動信号を出力する。差動伝送線路１０１の他端は、差動伝送線路１０１の特性インピーダンスと略等しい終端抵抗１０２で終端されている。グランド面１０５は、差動伝送線路１０１の基準電位となるグランド面であり、差動伝送線路１０１が形成される基板（不図示）の反対の面に形成される。受信カプラ１１６は、差動伝送線路１０１に沿って移動する。受信カプラ１１６は、差動伝送線路１０１との間で電磁界結合し、差動伝送線路１０１上を伝送する差動信号を検出する。本実施形態における電磁界結合には、電界による結合、磁界による結合、及び電界と磁界の両方による結合が含まれる。受信回路１１３は、受信カプラ１１６により検出された差動信号を波形整形し、受信信号を出力する。

図２のように、差動伝送線路１０１の受信カプラ１１６付近の信号は、信号源１０３の出力信号に対して、時間Δｔ１遅延している。図２のように、受信カプラ１１６の出力信号は、受信回路１１３の入力インピーダンスが低い場合には、エッジ信号になる。受信回路１１３は、±Ｖｔｈのヒステレシス電圧を有するコンパレータ等の波形整形回路であり、受信カプラ１１６の出力信号を波形整形する。受信回路１１３は、受信カプラ１１６の出力信号が＋Ｖｔｈより大きくなった場合には、受信カプラ１１６の出力信号が－Ｖｔｈより小さくなるまで、ハイレベルを維持する。また、受信回路１１３は、受信カプラ１１６の出力信号が－Ｖｔｈより小さくなった場合には、受信カプラ１１６の出力信号が＋Ｖｔｈより大きくなるまで、ローレベルを維持する。図２のように、受信回路１１３の出力信号は、受信カプラ１１６の出力信号を波形整形し、復調した信号である。

一方、図２のように、受信カプラ１１６の出力信号は、受信回路１１３の入力インピーダンスが高い場合には、差動伝送線路１０１の受信カプラ１１６付近の信号に対して、波形の形状が同様であり、振幅が小さい波形となる。そのため、受信回路１１３は、増幅器であればよく、デジタル信号処理が可能な大きさまで信号を増幅する。

ここで、受信カプラ１１６が差動伝送線路１０１上を移動するとき、受信カプラ１１６の影響で、差動伝送線路１０１のインピーダンスが乱れる。差動伝送線路１０１のインピーダンスの乱れは、受信カプラ１１６が差動伝送線路１０１に近ければ近いほど大きくなる。差動伝送線路１０１のインピーダンスの乱れが大きくなると、差動伝送線路１０１は、入力特性が悪くなり、差動送信バッファ１０４から正常な信号を入力しようとしても、反射が大きい周波数成分が入力されにくくなり、入力信号波形が歪む。

図１（Ｂ）において、受信カプラ１１６から差動伝送線路１０１に伝送される信号が受信カプラ１１６によって乱れる原理について説明する。一対の受信カプラ１１６は、それぞれ、矩形形状である。差動送信バッファ１０４から差動伝送線路１０１の信号入力端に入力された信号は、差動伝送線路１０１の受信カプラ１１６がない部分においては、差動伝送線路１０１の上部が自由空間になっている。受信カプラ１１６の端１１４において、差動伝送線路１０１の上部が受信カプラ１１６の電極、または電極を支えるための誘電体によって塞がれるため、伝送モードに変化が生じ、反射が起こる。また、受信カプラ１１６の端１１５においては、差動伝送線路１０１の上部が塞がれた状態から自由空間に変わるため、同様に、伝送モードに変化が生じ、反射が生じる。反射波１２０は、差動伝送線路１０１を伝送してきた信号の反射波である。

このように、差動伝送線路１０１は、大きな反射がある場合、それが入力特性に表れる。受信カプラ１１６の出力特性においても、入力特性により、反射が大きい周波数帯でゲインが低下し、正しい信号を受信できず、受信エラーを引き起こす。以下、反射を抑制することができる実施形態を説明する。

（第１の実施形態）
図３（Ａ）は、第１の実施形態による通信システム１００の構成例を示す図である。図３（Ａ）は、図１（Ａ）に対して、一対の受信カプラ１１６の代わりに、一対の受信カプラ１１１を設けたものである。受信カプラ１１１は、受信カプラ１１６に対して、形状が異なる。通信システム１００は、一対の差動伝送線路１０１と、終端抵抗１０２と、信号源１０３と、差動送信バッファ１０４と、グランド面１０５と、一対の受信カプラ１１１と、基板１１２と、受信回路１１３とを有する。

信号源１０３は、差動送信バッファ１０４にデータを出力する。差動送信バッファ１０４は、データを入力し、差動伝送線路１０１の一端に差動信号を出力する。差動伝送線路１０１の他端は、差動伝送線路１０１の特性インピーダンスと略等しい終端抵抗１０２で終端されている。グランド面１０５は、差動伝送線路１０１の基準電位となるグランド面であり、差動伝送線路１０１が形成される基板（不図示）の反対の面に形成される。一対の差動伝送線路１０１は、差動信号を伝送する。一対の受信カプラ１１１は、一対の差動伝送線路１０１に沿って移動する。受信カプラ１１１は、差動伝送線路１０１に対して、電界、磁界、またはその両方で結合され、差動伝送線路１０１上を伝送する差動信号を検出する。受信回路１１３は、受信カプラ１１１により検出された差動信号を波形整形し、受信信号を出力する。

通信システム１００の各信号は、図２と同様である。受信回路１１３は、受信カプラ１１１の出力信号が＋Ｖｔｈより大きくなった場合には、受信カプラ１１１の出力信号が－Ｖｔｈより小さくなるまで、ハイレベルを維持する。また、受信回路１１３は、受信カプラ１１１の出力信号が－Ｖｔｈより小さくなった場合には、受信カプラ１１１の出力信号が＋Ｖｔｈより大きくなるまで、ローレベルを維持する。

伝送線路は、基板（不図示）の上面に形成された差動伝送線路１０１と、基板（不図示）の下面に形成されたグランド面１０５とによって形成された差動マイクロストリップラインである。一対の受信カプラ１１１は、差動受信カプラであり、基板１１２上に形成され、一対の差動伝送線路１０１の上部の空間を、一対の差動伝送線路１０１に沿って一定距離を保ったまま移動する。基板１１２は、一対の受信カプラ１１１を支持する。終端抵抗１０２は、差動伝送線路１０１の終端抵抗であり、差動送信バッファ１０４から差動伝送線路１０１に入力された差動信号を終端している。信号源１０３は、差動送信バッファ１０４の入力信号源である。受信回路１１３は、受信カプラ１１１に接続され、受信カプラ１１１の出力信号を波形整形した後、受信信号として出力する。

図３（Ｂ）は、図３（Ａ）の受信カプラ１１１の部分を拡大した図である。一対の受信カプラ１１１は、それぞれ、菱形形状であり、差動伝送線路１０１の信号の入力側と終端側の先端が、受信カプラ１１１の中央の受信回路１１３との接続点１１７および１１８付近に比べて、細い形状である。受信カプラ１１１は、差動伝送線路１０１の信号の入力側と終端側の先端から、接続点１１７および１１８付近に向かって徐々に太くなっている。また、一対の受信カプラ１１１の中心間距離ｙは、一対の差動伝送線路１０１の中心間距離ｘより長い。反射波１２１は、差動伝送線路１０１を伝送してきた信号の反射波であり、図１（Ｂ）の反射波１２０より小さくなる。

図４（Ａ）および（Ｂ）は、図１（Ａ）および（Ｂ）の受信カプラ１１６を含む通信システムのシミュレーション結果を示す図である。受信カプラ１１６は、矩形形状である。

図４（Ａ）は、図１（Ａ）および（Ｂ）の通信システムの差動伝送線路１０１の入力端から入力され、受信カプラ１１６から出力される信号の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。差動伝送線路１０１は、比誘電率が２．２であり、厚さが３．２ｍｍの基板上に形成され、差動インピーダンスが１００Ωの差動マイクロストリップラインである。一対の受信カプラ１１６は、差動伝送線路１０１においてなるべく大きい信号が得られるように、受信カプラ１１６の幅と受信カプラ１１６の中心間距離を定めた矩形形状のカプラである。受信カプラ１１６は、差動インピーダンスが１０ｋΩに設定されている。

図４（Ｂ）は、図４（Ａ）と同じ条件下で、図１（Ａ）および（Ｂ）の通信システムの差動伝送線路１０１の入力反射特性のシミュレーション結果を示す図である。図４（Ａ）および（Ｂ）では、受信カプラ１１６の差動伝送線路１０１の伝送方向の長さＬを変えてシミュレーションしている。図４（Ａ）の周波数特性において、受信カプラ１１６の長さＬに応じて、ゲインが最も高い周波数（以後、共振点という）が移動するとともに、点線の丸で囲んだ部分の共振点の約半分の周波数で０．７ｄＢから１ｄＢ程度のゲインの凹みがある。このように、ゲインが急激に変化する周波数においては、位相も同時に乱れ、この帯域を含む信号を伝送する場合、信号が劣化する。図４（Ｂ）と比較すると、図４（Ａ）のゲインの凹んでいる周波数（点線の丸で囲んだ部分）は、図４（Ｂ）の共振点以外の入力反射特性のピーク周波数帯（点線の丸で囲んだ部分）に合っていることがわかる。よって、差動伝送線路１０１へ入力すべき信号の一部の周波数において、反射が起こり、伝送されるその周波数成分が小さくなったことがわかる。

図５（Ａ）および（Ｂ）は、図３（Ａ）および（Ｂ）の受信カプラ１１１を含む通信システムのシミュレーション結果を示す図である。受信カプラ１１１は、菱形形状である。

図５（Ａ）は、図３（Ａ）および（Ｂ）の通信システムの差動伝送線路１０１の入力端から入力され、受信カプラ１１１から出力される信号の周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。シミュレーションの条件は、図４（Ａ）のものと同様である。受信カプラ１１１は、なるべく大きい信号が得られるように、受信カプラ１１１の幅と受信カプラ１１１の中心間距離を定めた菱形形状の受信カプラである。

図５（Ｂ）は、図５（Ａ）と同じ条件下で、図３（Ａ）および（Ｂ）の通信システムの差動伝送線路１０１の入力反射特性のシミュレーション結果を示す図である。図５（Ａ）および（Ｂ）では、受信カプラ１１１の差動伝送線路１０１の伝送方向の長さＬを変えてシミュレーションしている。

図５（Ａ）の特性は、図４（Ａ）の特性と比較すると、ピークのゲインが低く、しかもピークが高帯域側にシフトしているため、ゲインの平坦性がよく、帯域が高帯域側に伸びている。

図６は、図５（Ａ）の菱形の受信カプラ１１１の場合と、図４（Ａ）の矩形の受信カプラ１１６の場合のシミュレーション結果の数値を示す図である。図６は、低帯域側の１ＧＨｚのゲイン［ｄＢ］と、１ＧＨｚより３ｄＢ低いゲインの周波数［ＭＨｚ］を示す。菱形の受信カプラ１１１の場合は、矩形の受信カプラ１１６の場合と比べて、１ＧＨｚのゲインより３ｄＢ低い周波数が、いずれの長さＬでも低く、帯域が低帯域側にも伸びていることがわかる。

図５（Ａ）の点線の丸で囲んだゲインの凹みは、図４（Ａ）の点線の丸で囲んだゲインの凹みと比べて小さく、０．４ｄＢ以下であり、しかも高帯域側にシフトしている。図５（Ｂ）の入力反射特性は、図４（Ｂ）の入力反射特性と比べて、共振点以外の反射のピーク（点線の丸で囲んだ部分）が小さく、高帯域側にシフトしていることがより明確になる。図５（Ａ）のように、ゲイン平坦性が増し、広帯域化することで、伝送する信号の歪が小さくなる。さらに、特定の周波数におけるゲインの凹みが小さくなることで、さらに信号の歪が小さくなり、通信エラーを低減できる。

図７（Ａ）は、図３（Ａ）および（Ｂ）の通信システム１００の差動伝送線路１０１に振幅±６００ｍＶの８Ｇｂｐｓのランダム信号を入力した場合の菱形の受信カプラ１１１の長さＬが１２ｍｍのときの出力信号のアイパターンを示す図である。図７（Ｂ）は、図１（Ａ）および（Ｂ）の通信システムの差動伝送線路１０１に振幅±６００ｍＶの８Ｇｂｐｓのランダム信号を入力した場合の矩形の受信カプラ１１６の長さＬが１２ｍｍのときの出力信号のアイパターンを示す図である。図７（Ａ）の菱形の受信カプラ１１１の場合のアイパターンは、図７（Ｂ）の矩形の受信カプラ１１６の場合のアイパターンと比べて、信号波形が改善されている。

図３（Ａ）および（Ｂ）の菱形の受信カプラ１１１による受信周波数特性の改善の原理について説明する。図１（Ｂ）において、矩形の受信カプラ１１６の端面反射について説明した。図３（Ｂ）のように、受信カプラ１１１が菱形の場合、差動伝送線路１０１で伝送される信号が受信カプラ１１１の端面に到達したとき、受信カプラ１１１の先端部が細く、受信カプラ１１１の太さが徐々に変化する。そのため、差動伝送線路１０１のインピーダンスの変化も連続的になり、大きな反射は起こらない。差動伝送線路１０１の信号が受信カプラ１１１の中心の直下を通過するときも、受信カプラ１１１の太さが徐々に細く変化するため、受信カプラ１１１の端部での反射が抑制される。

図５（Ａ）および（Ｂ）の菱形の受信カプラ１１１の場合の共振点は、図４（Ａ）および（Ｂ）の矩形の受信カプラ１１６の場合の共振点と比べ、短い波長側での共振成分が増えることで、共振点が高くなり、しかも急峻な特性がなくなり、周波数特性が改善される。ここで、受信カプラ１１１の幅が差動伝送線路１０１の幅に対して半分以下の場合、差動伝送線路１０１上を受信カプラ１１１の長さが短い部分に塞がれる領域が少なくなり、受信カプラ１１１による反射の影響が小さくなるため、上記のような効果が得られにくい。

図８（Ａ）は、図１（Ａ）および（Ｂ）の矩形の受信カプラ１１６の中心間距離ｙを矩形の受信カプラ１１６で最もゲインが大きくなった５ｍｍに固定し、受信カプラ１１６の幅ｗを１～４．５ｍｍに変更したときの受信カプラ１１６の出力特性を示す図である。図８（Ｂ）は、図８（Ａ）と同じ条件下で、矩形の受信カプラ１１６を用いた場合の差動伝送線路１０１の入力反射特性を示す図である。ここで、差動伝送線路１０１の幅は、３．１ｍｍである。図８（Ｂ）をみると、受信カプラ１１６の幅ｗが広くなればなるほど、６～７ＧＨｚ帯の反射特性のピークが小さくなり、反射による出力特性への影響は小さくなる。

受信カプラの幅が差動伝送線路１０１の線路幅の３．１ｍｍの半分以下の１．５ｍｍ以下の場合、矩形の受信カプラ１１６と菱形の受信カプラ１１１の場合で、反射特性は異なるものの、出力特性がほとんど変わらなくなる。その場合、ゲインのピークが大きく、ゲイン平坦性がよくならない。

図５（Ａ）および（Ｂ）と図７（Ａ）および（Ｂ）は、受信カプラの幅が４ｍｍの場合の特性である。菱形の受信カプラ１１１の場合は、矩形の受信カプラ１１６の場合に比べると、短い波長側での共振成分が増えることで、共振点が高くなり、しかも急峻な特性がなくなり、周波数特性が改善されている。

次に、図３（Ｂ）の菱形の受信カプラ１１１の中心間距離ｙについて説明する。差動伝送線路１０１の線路幅と中心間距離ｘは、自由に選択可能であり、シングルの伝送線路の幅は、差動インピーダンスの半分に近い幅にすると、非常に大きく設定可能になる。しかし、差動伝送線路１０１の中心間距離ｘを広げると、コモンノイズの低減が困難になるため、一般的には、差動伝送線路１０１の中心間距離ｘは、受信カプラ１１１の出力信号が小さくなりすぎない範囲で、差動伝送線路１０１の幅と中心間距離ｘを狭く設定する。

図９（Ａ）および（Ｂ）は、菱形の受信カプラ１１１の幅が一定であり、一対の受信カプラ１１１間距離Ｓを変化させたときの受信カプラ１１１の出力信号のシミュレーション結果を示す図である。受信カプラ１１１の幅ｗは、２．５ｍｍである。図９（Ａ）は、受信カプラ１１１間距離Ｓ毎の受信カプラ１１１の出力信号の周波数特性を示す図である。図９（Ｂ）は、１ＧＨｚにおける受信カプラ１１１の出力ゲインと受信カプラ１１１間距離Ｓとの関係を示す図ある。

差動伝送線路１０１の中心間距離ｘは、３．５ｍｍである。特に、受信カプラ１１１の信号を受信する受信回路１１３の入力インピーダンスが高い時、受信カプラ１１１間距離Ｓが小さいと、受信カプラ１１１間の結合により、差動信号が小さくなる。よって、受信カプラ１１１間の結合が出力特性のゲインに影響しない範囲で、受信カプラ１１１間距離Ｓを大きくする必要がある。

一方、差動伝送線路１０１の中心間距離ｘと線路幅は、差動インピーダンスによって一義的に決まっているので、受信カプラ１１１間距離Ｓは、受信カプラ１１１が差動伝送線路１０１上から極端に外れないようにしないと、信号が小さくなる。

図９（Ｂ）において、受信カプラ１１１間距離Ｓを１．５ｍｍ以上にすることで、受信カプラ１１１間の結合の影響が小さくなり、ゲインが大きくなっていくことが分かる。逆に、受信カプラ１１１間距離Ｓを３．５ｍｍ以上にすると、受信カプラ１１１と差動伝送線路１０１との結合が小さくなって、ゲインが小さくなっていくことがわかる。

ここで、受信カプラ１１１の中心間距離ｙは、受信カプラ１１１間距離ｓと受信カプラ１１１の幅ｗの和である。受信カプラ１１１の幅ｗは、２．５ｍｍである。受信カプラ１１１間距離Ｓは、１．５ｍｍ～３．５ｍｍが適切である。よって、受信カプラ１１１の中心間距離ｙは、４ｍｍ～６ｍｍが適切である。

図９（Ａ）および（Ｂ）において、差動伝送線路１０１の中心間距離ｘに対する受信カプラ１１１の中心間距離ｙの説明のため、受信カプラ１１１の幅ｗを２．５ｍｍにした。ゲインを確保しつつ、ゲインピークを抑制し、ゲインの平坦性を確保するためには、受信カプラ１１１の幅ｗをさらに広げた方がよい。そのため、受信カプラ１１１の中心間距離ｙはさらに大きくなり、受信カプラ１１１の中心間距離ｙは、差動伝送線路１０１の中心間距離ｘより大きくなる。

（第２の実施形態）
図１０（Ａ）は、第２の実施形態による通信システム１００の構成例を示す図である。図１０（Ａ）の通信システム１００は、図３（Ａ）の通信システム１００に対して、一対の受信カプラ１１１の代わりに、一対の受信カプラ１３１を設けたものである。受信カプラ１３１は、受信カプラ１１１に対して、形状が異なる。通信システム１００は、一対の差動伝送線路１０１と、終端抵抗１０２と、信号源１０３と、差動送信バッファ１０４と、グランド面１０５と、一対の受信カプラ１３１と、基板１１２と、受信回路１１３とを有する。以下、第２の実施形態が第１の実施形態と異なる点を説明する。

図１０（Ｂ）は、図１０（Ａ）の受信カプラ１３１の部分を拡大した図である。受信カプラ１３１は、菱形を変形した四角形の形状である。図３（Ｂ）と同様に、一対の受信カプラ１３１のそれぞれの先端部は、一対の差動伝送線路１０１のそれぞれの中心より外側にある。前述のように、図３（Ｂ）の菱形の受信カプラ１１１は、端面が小さいので、図１（Ｂ）の矩形の受信カプラ１１６と比べて、高域側の周波数特性が広がり、ゲインの平坦性も改善される。図３（Ｂ）の一対の受信カプラ１１１のそれぞれの先端部は、一対の受信カプラ１１１の幅方向に対して、一対の受信カプラ１１１のそれぞれの中心線上にある。図１０（Ｂ）の一対の受信カプラ１３１の先端部は、一対の受信カプラ１１１の幅方向に対して、一対の受信カプラ１１１のそれぞれの中心より外側にある。

図１１は、図１０（Ｂ）の一方の受信カプラ１３１を拡大した図である。割合αは、受信カプラ１３１の先端の位置が受信カプラ１３１の幅の一番内側である場合に０であり、受信カプラ１３１の先端の位置が受信カプラ１３１の幅の一番外側である場合に１である場合の位置の割合を示す。

割合αが０．５のとき、受信カプラ１３１の先端が受信カプラ１３１の中央になり、受信カプラ１３１は、菱形になる。割合αが０．５より小さいとき、受信カプラ１３１の先端は、受信カプラ１３１の幅方向の内側になる。割合αが０．５より大きいとき、受信カプラ１３１の先端は、受信カプラ１３１の幅方向の外側になる。

受信カプラ１３１の中心点は、差動伝送線路１０１の中心点より外側にある。そのため、差動伝送線路１０１の電界分布は、受信カプラ１３１の内側で強く、受信カプラ１３１の外側で弱い分布となる。割合αが０．５より小さい場合、受信カプラ１３１の長い部分に大きく電荷が励起され、割合αが０．５の菱形形状の場合と比べ、共振点が低い周波数側にシフトすると共に、共振点でのゲインが増す。そのため、割合αが０．５より小さい場合の出力特性は、割合αが０．５の場合の出力特性と比べ、ゲインの平坦性が悪化する。

逆に、割合αが０．５より大きい場合、受信カプラ１３１の内側の短い部分では、強い電界で電荷が誘起される。反対に、受信カプラ１３１の外側の長い部分では、面積が増すので、共振点は、割合αが０．５の菱形形状の場合と比べ、低い周波数側に移動するが、ゲインピークは抑制される。共振点でのゲインピークが抑制されると、ゲインの平坦性が向上し、受信信号の歪が小さくなる。これらのことから、割合αが０．５またはその付近である場合に、最も高帯域化する。割合αがそれより大きくなると、ゲイン平坦性が向上し、信号の歪が小さくなる。

図１２は、割合αを変化させたときの受信カプラ１３１の出力信号の周波数特性を示す図である。割合αが０．５より大きくなると、ゲインの平坦性を確保し、受信信号の歪を低減できる。すなわち、受信カプラ１３１を設計する際に、必要な帯域を確保できる範囲で、受信カプラ１３１の先端を外側にずらすことで、ゲインの平坦性を確保し、受信信号の歪を低減できる。

（第３の実施形態）
図１３は、第３の実施形態による通信システム１００の一部の構成例を示す図である。図１３は、図３（Ｂ）に対して、基板１１２の代わりに、基板１３２を設けたものである。一対の受信カプラ１１１は、基板１３２に形成される。基板１３２は、一対の受信カプラ１１１を支持する。基板１３２の形状は、受信カプラ１１１の菱形形状とほぼ同形状であり、受信カプラ１１１のパターンを形成するために必要な大きさの形状になっている。基板１３２は、一対の受信カプラ１１１と同様の形状を有する。このため、受信カプラ１１１の基板１３２の材料による余計な損失が低減され、共振点もさらに向上する。

図１４（Ａ）は、第３の実施形態による受信カプラ１１１の出力特性を示す図である。図１４（Ｂ）は、第３の実施形態による差動伝送線路１０１の反射特性を示す図である。図１４（Ａ）および（Ｂ）では、受信カプラ１１１の中心間距離ｙは５ｍｍであり、受信カプラ１１１の幅ｗを変化させた場合の特性を示す。

図１４（Ｂ）の反射特性では、第１および第２の実施形態で見られた７ＧＨｚ帯の反射が見られず、共振点付近まで反射が徐々に上昇し、受信カプラ１１１の幅ｗが４ｍｍ以下であれば、１０ＧＨｚ付近まで－２０ｄＢ程度に抑制されている。ここで、第１および第２の実施形態では、受信カプラ１１１および１３１の幅ｗが狭い時、反射が大きくなり、共振点付近でのピークが大きくなりやすい。第３の実施形態では、受信カプラ１１１に合わせて、基板１３２も小さくなることから、損失が低減され、出力ゲインが得られやすい。しかしながら、受信カプラ１１１の幅ｗが差動伝送線路１０１の幅の１／２より狭くなると、図８（Ａ）および（Ｂ）で説明したのと同様に、受信カプラの形状による差がなくなってくる。一対の受信カプラ１１１の幅が最も広い部分は、それぞれ、一対の差動伝送線路１０１のそれぞれの幅の１／２以上であることが好ましい。

図１５（Ａ）は、第３の実施形態による８Ｇｂｐｓのデータ伝送における受信カプラ１１１の出力信号の波形のアイパターンを示す図である。図１５（Ｂ）は、図７（Ｂ）と同様に、図１（Ｂ）の矩形の受信カプラ１１６の出力信号の波形のアイパターンを示す図である。図１５（Ａ）の第３の実施形態は、図７（Ａ）の第２の実施形態と比べ、基板１３２の形状も菱形にすることで、さらに信号品質が向上する。

第３の実施形態では、受信カプラ１１１を支持する基板１３２の形状をなるべく小さい形状とした。ただし、一対の受信カプラ１１１は、板金等の固い金属板で作成され、受信カプラ１１１の出力線を受信回路１１３の基板等に取り付けて固定できるのであれば、基板１３２はなくてもよい。一対の受信カプラ１１１は、一対の受信カプラ１１１を支持する基板なしで形状を維持する金属板にすることができる。

第１～第３の実施形態では、先端が細い受信カプラ１１１および１３１の形状として、菱形または菱形から先端部分を外側にずらした形状を説明したが、これに限定されない。図１６（Ａ）～（Ｃ）のように、一対の受信カプラは、それぞれ、一対の差動伝送線路１０１の伝送方向に対して、先端が他の部分より細い形状であれば、他の形状でもよい。また、第１～第３の実施形態では、受信カプラ１１１および１３１は、角がある形状として説明してきたが、円弧や直線で角を面取りしたような形状でもよい。一対の受信カプラ１１１および１３１は、それぞれ、菱形形状、または、菱形形状の角を直線若しくは円弧で面取りした形状にすることができる。

第１～第３の実施形態では、一対の受信カプラ１１１および１３１の形状は、それぞれ、一対の差動伝送線路１０１の伝送方向に対して、対称であるが、必ずしも対称である必要はない。上述したように、受信カプラ間の結合は、小さい方がよく、そのため、一対の受信カプラの内側の形状は、平行または略平行でない形状であることが望ましい。

また、第１～第３の実施形態では、一対の差動伝送線路１０１は、ＰＴＦＥ基板上に作成した差動マイクロストリップラインとして説明した。ただし、ＰＴＦＥ基板の厚さや差動マイクロストリップラインのライン幅やラインの中心間距離、差動伝送線路１０１とグランド面との距離、基板材料を限定するものではない。

また、一対の差動伝送線路１０１は、フレキシブル基板にパターン化された伝送線路でもよい。そのとき、フレキシブル基板上の伝送線路のグランドは、フレキシブル基板から離れた位置に配置されていてもよい。さらに、一対の差動伝送線路１０１は、差動ストリップライン、差動コプレーナライン、グランド付き差動コプレーナライン等、他の方式の差動伝送線路でもよい。

（第４の実施形態）
図１７（Ａ）は、第１～第３の実施形態の通信システム１００をＣＴ画像診断装置等に適用した例を示す図である。通信システム１００は、一対の差動伝送線路１０１と、一対の差動伝送線路１０１’と、終端抵抗１０２，１０２’と、一対の受信カプラ１１１と、基板１１２と、受信回路１１３と、電気基板２００，２０２とを有する。電気基板２００は、差動伝送線路１０１の信号入力部と、差動伝送線路１０１’の信号入力部に接続され、差動伝送線路１０１および１０１’の信号入力部に差動信号をそれぞれ出力する。差動伝送線路１０１および１０１’は、それぞれ、入力された信号をそれぞれ反対回りに伝送する。差動伝送線路１０１および１０１’の信号は、それぞれ、差動インピーダンスと略等しい終端抵抗１０２および１０２’に吸収される。

図１７（Ｂ）は、図１７（Ａ）の電気基板２００の構成例を示す図である。電気基板２００は、差動送信バッファ１０４と、分波器１０８，１０８’と、差動伝送線路２０１，２０１’とを有する。差動送信バッファ１０４は、差動伝送線路２０１および２０１’を介して、分波器１０８および１０８’に差動信号を出力する。分波器１０８および１０８’は、入力した差動信号を２つの差動信号に分け、２つの差動信号を図１７（Ａ）の差動伝送線路１０１および１０１’にそれぞれ出力する。

分波器１０８および１０８’の出力ノードは、直接、差動伝送線路１０１および１０１’のビアに接続されているが、分波器１０８および１０８’の出力ノードに増幅器や減衰器またはフィルタを挿入してもよい。また、分波器１０８および１０８’の代わりに、スイッチを用いて、出力先を切り替えてもよい。

図１７（Ｃ）は、図１７（Ａ）の一対の受信カプラ１１１と基板１１２と受信回路１１３と電気基板２０２を拡大した図である。一対の受信カプラ１１１は、基板１１２上に形成されたパターンであり、一対の差動伝送線路１０１または１０１’から差動信号を受信する。一対の受信カプラ１１１は、容量性のカプラであり、差動伝送線路１０１、１０１’上を伝送する差動信号に対して対称のため、差動伝送線路１０１と１０１’のどちらの差動信号線路から受信するかによって信号が変化することはない。受信カプラ１１１は、基板１１２上に形成されビアを介して電気基板２０２上の受信回路１１３に接続される。受信回路１１３は、一対の受信カプラ１１１の出力差動信号に対して、増幅およびフィルタリング等の波形整形をし、受信信号を出力する。

以上説明してきたように、第１～第４の実施形態によれば、差動伝送線路１０１と差動伝送線路１０１上を移動する受信カプラ１１１または１３１による通信システム１００において、受信信号の品質の低下を低減できる。通信システム１００は、信号帯域とゲインを維持しつつ、受信カプラ１１１または１３１による反射を抑制することができる。

なお、上記実施形態は、何れも本発明を実施するにあたっての具体例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。

１０１，１０１’・・・差動伝送線路、１０２，１０２’・・・終端抵抗、１０３・・・信号源、１０４・・・差動送信バッファ、１０５・・・グランド面、１１１・・・受信カプラ、１１２・・・基板、１１３・・・受信回路、２００・・・電気基板、２０１，２０１’・・・差動伝送線路、１０８，１０８’・・・分波器

Claims

一対の伝送線路から構成される差動伝送線路と、
前記差動伝送線路と電磁界結合する一対の電極から構成されるカプラと、
を有し、
前記一対の電極は、前記一対の電極の中心間が接続される第一の方向と直交する所定方向における先端部が他の部分より細く、
前記一対の電極の中心間距離は、前記一対の伝送線路の中心間距離より長いことを特徴とする通信システム。
前記一対の電極の前記第一の方向の幅の最も広い部分は、前記一対の伝送線路の幅の１／２以上であることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
前記一対の電極は、それぞれ、菱形形状、または、菱形形状の角が直線若しくは円弧形状であることを特徴とする請求項１または２に記載の通信システム。
前記第一の方向において、前記一対の電極のそれぞれの中心間距離より前記一対の電極のそれぞれの先端部間の距離が長いことを特徴とする請求項１～３のいずれか１項に記載の通信システム。
前記一対の電極の内側の形状は、平行または略平行でない形状であることを特徴とする請求項１～４のいずれか１項に記載の通信システム。
前記一対の電極は、それぞれ、前記所定方向において対称であることを特徴とする請求項１～５のいずれか１項に記載の通信システム。
前記一対の伝送線路は前記一対の電極と比べ、前記所定方向の長さが長いことを特徴とする請求項１～６のいずれか１項に記載の通信システム。
前記差動伝送線路に信号を送信する送信回路と、
前記カプラから信号を受信する受信回路を有することを特徴とする請求項１～７のいずれか１項に記載の通信システム。
前記一対の電極を支持する基板をさらに有し、
前記基板は、前記一対の電極と同様の形状を有することを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の通信システム。