JPWO2013128795A1 - 電磁共鳴結合器 - Google Patents

Abstract

送信基板（１０１）上に設けられた、周回形状の一部が開放部によって開放された形状の送信共鳴器（１０６）、及び送信共鳴器（１０６）上の第一接続部に接続された第一の配線（１１１）と、受信基板（１０２）上に設けられた、受信共鳴器（１０７）、受信共鳴器（１０７）上の第二接続部に接続された第二の配線（１１２）、及び受信共鳴器（１０７）上の第三接続部に接続された第三の配線（１１３）とを備え、送信基板（１０１）の主面に垂直な方向から見た場合に、送信共鳴器（１０６）及び受信共鳴器（１０７）が点対称となり、かつ送信共鳴器（１０６）及び受信共鳴器（１０７）の輪郭が一致するように、送信基板（１０１）及び受信基板（１０２）は対向して設けられる。

Description

本発明は、非接触で高周波信号の電力の伝送を行う電磁共鳴結合器に関する。

一つの高周波信号（シングルエンド信号）を同振幅逆位相の二つの差動信号に変換するラットレース回路（例えば、特許文献１参照）は、マイクロ波帯の周波数変換器等の構成要素として広く使用されている。このようなラットレース回路を用いることで、１つの増幅器でシングルエンド信号を増幅することにより、差動信号のそれぞれを増幅することができる。

特開平８−２７９７０７号公報

上記のラットレース回路のようなシングルエンド信号を同振幅逆位相の二つの差動信号に分配するシングル・差動変換器では、装置の小型化が課題である。

そこで、本発明は、小型化が可能なシングル・差動変換器を提供する。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電磁共鳴結合器は、第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線間において高周波信号を非接触で伝送する電磁共鳴結合器であって、第一の基板と、前記第一の基板に対向して設けられた第二の基板とを備え、前記第一の基板上には、周回形状の一部が開放部によって開放された形状の前記第一の共鳴配線と、前記第一の共鳴配線上の第一接続部に接続された第一の入出力配線とが設けられ、前記第二の基板上には、前記第一の共鳴配線と同一の配線幅及び同一の形状の前記第二の共鳴配線と、前記第二の共鳴配線の一端から所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第二接続部に接続された第二の入出力配線と、及び前記第二の共鳴配線の他端から前記所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第三接続部に接続された第三の入出力配線とが設けられ、前記第一の基板の主面に垂直な方向から見た場合に、前記第一の共鳴配線及び前記第二の共鳴配線は、点対称に配置され、かつ前記第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線の輪郭が一致し、前記電磁共鳴結合器に前記高周波信号が入力された場合に、前記第二接続部及び前記第三接続部における電力は、前記第二の共鳴配線の前記第一接続部に重なる位置における電力の２分の１であることを特徴とする。

本発明によれば、電磁共鳴結合を用いることにより、小型のシングル・差動変換器が実現される。

図１は、ラットレース回路の上面図である。 図２は、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器の斜視図（透視図）である。 図３は、図２のＸ−Ｘ´線を通り基板の主面に垂直な平面で切断した場合の電磁共鳴結合器の断面図である。 図４は、送信共鳴器の上面図である。 図５は、受信共鳴器の上面図である。 図６は、共振状態における、受信共鳴器上での電圧、電流の関係を表す図である。 図７は、第一の端子に信号を入力した場合の、電磁共鳴結合器の信号伝送率を表す図である。 図８は、第一の端子に信号を入力した場合の、第二の端子及び第三の端子に出力される信号の位相を表す図である。 図９は、矩形状の送信共鳴器及び受信共鳴器を用いた電磁共鳴結合器の斜視図である。 図１０は、図９のＹ−Ｙ´線を通り基板の主面に垂直な平面で切断した場合の電磁共鳴結合器の断面図である。 図１１は、矩形状の送信共鳴器の上面図である。 図１２は、矩形状の受信共鳴器の上面図である。 図１３は、送信共鳴器の周辺にコプレーナグラウンドを設けた例を示す図である。 図１４は、受信共鳴器の周辺にコプレーナグラウンド及びアイソレーション配線を設けた例を示す図である。

（本発明の基礎となった知見）
背景技術で説明したように、特許文献１に記載されているようなラットレース回路は、一つの高周波信号（シングルエンド信号）を同振幅逆位相の二つの差動信号に変換することができる。

図１は、特許文献１に記載の分布定数型のラットレース回路の構造を示す図である。

それぞれの端子インピーダンスは、Ｒ０（一般的には５０Ω）であり、各端子はインピーダンス√２・Ｒ０を持つ線路で結ばれている。

図１において、Ａは入力端子、Ｂ及びＤは出力端子、Ｃはアイソレーション端子である。端子Ａ〜Ｂ間、端子Ｂ〜Ｃ間、端子Ｃ〜Ｄ間の距離（長さ）を動作周波数の１／４波長、端子Ａ〜Ｄ間の距離を３／４波長とすることで、端子Ｂ及び端子Ｄから同振幅逆位相の信号が出力され、端子Ｃには信号は出力されない。

端子Ａから高周波信号が入力された場合、端子Ｂには、端子Ａから時計回りにλ／４リングを進んだ信号と、端子Ａから反時計回りに５λ／４進んだ信号とが到達する。つまり、２つの信号は、同位相であるため、端子Ｂには、上記２つの信号が足し合わされて出力される。

また、同様に、端子Ｄは、端子Ａから時計回りに３λ／４進んだ信号と、反時計回りに３λ／４進んだ信号とが到達し、これら２つの信号は、同位相であるため、足し合わされて出力される。

つまり、端子Ａからの入力信号は端子Ｂと端子Ｄに分配されて出力され、端子Ｂから出力される信号の位相と、端子Ｄから出力される信号の位相とは逆相（１８０°位相が異なる）となる。

このように、ラットレース回路では、シングルエンド信号を差動信号に変換することができる。また、逆に、端子Ｂと端子Ｄとに、それぞれ同じ振幅で逆位相の信号を入力することで、端子Ａには、端子Ｂ及び端子Ｄに入力した信号の振幅の２倍の振幅を有する信号が出力される。

上記のラットレース回路のようなシングルエンド信号を同振幅逆位相の二つの差動信号に分配するシングル・差動変換器では、装置の小型化が課題である。

上記の課題を解決するために、本発明の一態様に係る電磁共鳴結合器は、第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線間において高周波信号を非接触で伝送する電磁共鳴結合器であって、第一の基板と、前記第一の基板に対向して設けられた第二の基板とを備え、前記第一の基板上には、周回形状の一部が開放部によって開放された形状の前記第一の共鳴配線と、前記第一の共鳴配線上の第一接続部に接続された第一の入出力配線とが設けられ、前記第二の基板上には、前記第一の共鳴配線と同一の配線幅及び同一の形状の前記第二の共鳴配線と、前記第二の共鳴配線の一端から所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第二接続部に接続された第二の入出力配線と、及び前記第二の共鳴配線の他端から前記所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第三接続部に接続された第三の入出力配線とが設けられ、前記第一の基板の主面に垂直な方向から見た場合に、前記第一の共鳴配線及び前記第二の共鳴配線は、点対称に配置され、かつ前記第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線の輪郭が一致し、前記電磁共鳴結合器に前記高周波信号が入力された場合に、前記第二接続部及び前記第三接続部における電力は、前記第二の共鳴配線の前記第一接続部に重なる位置における電力の２分の１であることを特徴とする。

これにより、電磁共鳴結合を用いた非常に小型のシングル・差動変換器が実現される。また、本発明の電磁共鳴結合器では、信号の非接触伝送が可能であるので、入出力端子間のグラウンドを分離（絶縁）することができる。さらに、電磁共鳴結合を用いているため、損失が少ない非接触信号伝送装置を実現できる。

また、前記第一接続部は、前記第一の共鳴配線の一端から前記第一の共鳴配線の配線長の４分の１の長さに相当する位置に設けられ、前記第二接続部は、前記第二の共鳴配線の一端から前記第二の共鳴配線の配線長の８分の３の長さに相当する位置で設けられ、前記第三接続部は、前記第二の共鳴配線の他端から前記第二の共鳴配線の配線長の８分の３の長さに相当する位置に設けられてもよい。

また、前記第一の共鳴配線及び前記第二の共鳴配線の配線長は、当該第一の共鳴配線及び当該第二の共鳴配線内における前記高周波信号の波長の２分の１の長さであってもよい。

また、前記周回形状は、円形状であってもよい。

また、前記周回形状は、矩形状、または少なくとも５箇所以上の曲がり部を有する形状であってもよい。

これにより、共鳴配線を矩形とし、曲げ部を５箇所以上設けることで基板上において共鳴配線の占める面積をさらに小さくすることができる。つまり、本発明の電磁共鳴結合器は、さらに小型のシングル・差動変換器として動作する。

また、前記第一の基板の主面に垂直な方向における前記第一の共鳴配線と前記第二の共鳴配線との距離は、前記高周波信号の波長の２分の１以下であってもよい。

これにより、電磁共鳴結合の効果を強め、低損失なシングル・差動変換器が実現される。

また、前記第一の基板の前記第一の共鳴配線が設けられない側の面、または前記第二の基板の前記第二の共鳴配線が設けられない側の面には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられてもよい。

また、前記第一の基板上の、前記第一の共鳴配線及び前記第一の入出力配線の周辺、並びに前記第二の基板上の、前記第二の共鳴配線、前記第二の入出力配線、及び前記第三の入出力配線の周辺には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられてもよい。

また、前記第二の共鳴配線は、前記第二接続部と前記第三接続部との中点に接続された配線またはビアによって前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線と接続されてもよい。

このように、適切にグラウンド配線を設けることで、伝送される信号の品質を向上することができる。

また、さらに、前記第一の基板及び前記第二の基板のいずれか一方に重ね合わされるカバー基板を備え、前記カバー基板の、前記第一の基板及び前記第二の基板のいずれか一方に重ね合わされない側の面には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられてもよい。

このように、カバー基板を設置することで、不要な電磁放射を防ぐとともに、外部からのノイズに強いシングル・差動変換器が実現される。

また、前記第一の基板と前記第二の基板とは、一つの基板であり、前記基板の一方の面には、前記第一の共鳴配線、及び前記第一の入出力配線が設けられ、前記基板の他方の面には、前記第二の共鳴配線、前記第二の入出力配線、及び前記第三の入出力配線が設けられてもよい。

これにより、シングル・差動変換器をさらに小型化することが可能である。

なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
以下、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器ついて、図面を参照しながら説明する。

（構造）
まず、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００の構造について説明する。

図２は、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００の斜視図（透視図）である。

図３は、図２の電磁共鳴結合器１００を基板の対角線を通る平面（図のＸ−Ｘ´線を通り基板の主面に垂直な平面）で切断した場合の断面図である。

実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００は、６．０ＧＨｚの交流信号を非接触で伝送する電磁共鳴結合器である。つまり、電磁共鳴結合器１００の動作周波数は、６．０ＧＨｚである。

電磁共鳴結合器１００は、送信基板１０１（第一の基板）と、送信基板１０１に重ね合わされた受信基板１０２（第二の基板）とで構成される。

送信基板１０１、及び受信基板１０２は、誘電体基板であり、例えば、サファイア基板である。また、基板厚は、すべて０．２ｍｍである。なお、各基板の間には、空気などの気体、液体、または他の誘電体材料があってもよい。

送信基板１０１の上面には、金属配線である第一の配線１１１（第一の入出力配線）、送信共鳴スリット（開放部）１１６により形状の一部が開放された円形状（オープンリング形状）の送信共鳴器１０６（第一の共鳴配線）が形成される。送信共鳴器１０６は、第一の配線１１１の一端と接続されており、第一の配線１１１の他端は、第一の端子１２１である。

受信基板１０２は、送信基板１０１の送信共鳴器１０６を覆うように送信基板１０１と重ね合わされる。

受信基板１０２の上面には、金属配線である第二の配線１１２（第二の入出力配線）、第三の配線１１３（第三の入出力配線）、受信共鳴スリット１１７により形状の一部が開放された円形状（オープンリング形状）の受信共鳴器１０７（第二の共鳴配線）が形成される。受信共鳴器１０７は、第二の配線１１２及び第三の配線１１３の一端と接続される。第二の配線１１２の他端は、第二の端子１２２であり、第三の配線１１３の他端は第三の端子１２３である。また、受信共鳴器１０７は、送信共鳴器１０６と同一の大きさ、同一の形状である。

上記金属配線の材料は、例えば、金であるが、その他の金属材料であっても良い。

また、送信基板１０１の裏面には、金属配線である裏面グラウンド１０４が形成されている。裏面グラウンド１０４は、電磁共鳴結合器１００における信号の基準電位を表すグラウンド配線である。裏面グラウンド１０４の材料は、例えば、金である。

送信基板１０１と受信基板１０２とは、送信基板１０１の主面に垂直な方向から見た場合（上面視した場合）に送信共鳴器１０６の輪郭と受信共鳴器１０７の輪郭とが一致するように重ね合わされる。なおかつ、送信基板１０１と受信基板１０２とは、上面視した場合に送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７とが点対称の関係となるように重ね合わされる。

なお、送信共鳴器１０６の輪郭と受信共鳴器１０７の輪郭とが一致とは、送信共鳴器１０６の輪郭と受信共鳴器１０７の輪郭とが製造の誤差の範囲で異なる場合も含む。

ここで、送信共鳴器１０６の輪郭とは、次のように定義される。送信共鳴器１０６において送信共鳴スリット１１６が設けられず、送信共鳴器１０６が周回形状の閉じた配線であると仮定した場合に、この周回形状の閉じた配線は、当該周回形状の閉じた配線によって囲まれる領域を規定する内周側（内側）の輪郭と、上記内周側の輪郭と共に上記周回形状の閉じた配線の形状を規定する外周側（外側）の輪郭とを有する。送信共鳴器１０６の輪郭とは、これら２つの輪郭のうち外周側の輪郭を意味する。なお、言い換えれば、上記内周側の輪郭と、上記外周側の輪郭とは、送信共鳴器１０６の配線幅を規定し、外周側の輪郭は、送信共鳴器１０６の占有面積を規定する。なお、受信共鳴器１０７の輪郭についても同様に定義される。

すなわち、実施の形態１では、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の輪郭とは、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の最外形であり、円である。この場合、輪郭が一致するとは、送信共鳴スリット１１６及び受信共鳴スリット１１７に相当する部分は除いて一致することを意味する。

なお、輪郭が一致するとは、電磁共鳴結合器１００の送信基板１０１と受信基板１０２との組み立てばらつきや、製造工程において発生する送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の大きさのばらつきを含めて実質的に一致することを意味する。つまり、輪郭が一致するとは、必ずしも完全に一致することを意味するわけではない。

次に、各基板について図４及び図５を用いて詳しく説明する。

図４は、送信共鳴器１０６の上面図である。

送信共鳴器１０６は、直径２．７ｍｍの円形状であり、周回形状（閉曲線形状）の一部が送信共鳴スリット１１６によって開放された形状である。送信共鳴器１０６の配線長は、６．０ＧＨｚの交流信号の波長の２分の１の長さに相当する。送信共鳴器１０６の配線幅は、０．１ｍｍである。

送信共鳴器１０６の配線長（円周の長さ）は、電磁共鳴結合器１００で伝送される高周波信号の２分の１波長程度に相当する。このときの波長は配線材料による波長短縮率を考慮した波長である。

送信共鳴器１０６と、第一の配線１１１とは、物理的に接続されている。なお、送信共鳴器１０６と、第一の配線１１１とは、物理的に接続されていなくても電気的に接続されていればよい。具体的には、第一の配線１１１の一端は、送信共鳴器１０６の送信共鳴スリット１１６部分の一端から送信共鳴器１０６の配線長の４分の１の長さに相当する位置（点Ａ１：第一接続部）に接続される。配線長の４分の１の長さは、言い換えれば、電磁共鳴結合器１００で伝送される高周波信号の８分の１波長程度に相当する。

第一の配線１１１の送信共鳴器１０６と接続されていない他端は、第一の端子１２１である。第一の配線１１１の配線幅は０．１ｍｍである。送信基板１０１の上面には受信基板１０２が重ね合わされる。

図５は、受信共鳴器１０７の上面図である。

受信共鳴器１０７は、直径２．７ｍｍの円形状であり、周回形状（閉曲線形状）の一部が受信共鳴スリット１１７によって開放された形状である。受信共鳴器１０７の配線幅は、０．１ｍｍである。つまり、受信共鳴器１０７は、送信共鳴器１０６と同一の大きさ、同一の形状である。

受信共鳴器１０７と、第二の配線１１２及び第三の配線１１３とは、物理的に接続されている。なお、受信共鳴器１０７と、第二の配線１１２及び第三の配線１１３とは、物理的に接続されていなくても電気的に接続されていればよい。

受信共鳴器１０７上の、第二の配線１１２及び第三の配線１１３が接続される位置は、受信共鳴スリット１１７に対し対称な位置関係にある。具体的には、第二の配線１１２の一端は、受信共鳴器１０７の受信共鳴スリット１１７部分の一端（点Ｄ）から受信共鳴器１０７の配線長の８分の３の長さに相当する位置（点Ｂ１：第二接続部）に接続される。配線長の８分の３の長さは、言い換えれば、電磁共鳴結合器１００で伝送される高周波信号の１６分の３波長に相当する。

また、第三の配線１１３は、受信共鳴器１０７の受信共鳴スリット１１７部分の一端（点Ｄ）から受信共鳴器１０７の配線長の８分の５の長さに相当する位置（点Ｃ１：第三接続部）に接続される。配線長の８分の５の長さは、言い換えれば、電磁共鳴結合器１００で伝送される高周波信号の１６分の５波長に相当する。

また、言い換えれば、第三の配線１１３は、受信共鳴器１０７の受信共鳴スリット１１７部分の他端（点Ｅ）から受信共鳴器１０７の配線長の８分の３の長さに相当する位置（点Ｃ１）に接続される。

なお、受信共鳴器１０７上の点Ａ１´は、受信共鳴器１０７に重ね合わされる送信共鳴器１０６のＡ１に対応する点である。

第二の配線１１２の受信共鳴器１０７と接続されていない他端は、第二の端子１２２であり、第三の配線１１３の受信共鳴器１０７と接続されていない他端は、第三の端子１２３である。第二の配線１１２及び第三の配線１１３の配線幅は０．１ｍｍである。

なお、第一の配線１１１と送信共鳴器１０６とが接続される点Ａ１の位置は、実際には、入力インピーダンスや、製造ばらつき等を考慮し、微調整される。このため、点Ａ１の位置は、図４で示されるような位置と完全に一致しなくてもよい。

同様に、第二の配線１１２と受信共鳴器１０７とが接続される点Ｂ１の位置及び第三の配線１１３と受信共鳴器１０７とが接続される点Ｃ１は、実際には、出力インピーダンスや、製造ばらつき等を考慮し、微調整される。このため、点Ｂ１及び点Ｃ１についても図５で示されるような位置と完全に一致しなくてもよい。

また、上記インピーダンスを考慮し、第二の配線１１２及び第三の配線１１３の配線幅を第一の配線１１１の配線幅よりも大きくしてもよい。例えば、第一の配線１１１の配線幅０．１ｍｍに対し、第二の配線１１２及び第三の配線１１３の配線幅を０．２ｍｍとしてもよい。なお、第二の配線１１２及び第三の配線１１３の配線幅は、これに限定されない。

また、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７との距離は、受信基板１０２の基板厚である０．２ｍｍである。これは、実施の形態１で電磁共鳴結合器１００に入力される６．０ＧＨｚの交流信号の波長（動作波長）の２分の１以下である。このときの波長は、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７との間の媒体（サファイア）による波長短縮率を考慮した波長である。このような条件では、言い換えれば、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７とは、近傍界領域において電磁共鳴結合している。

なお、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７との距離は、動作波長の２分の１以下に限定されない。これ以上であっても動作は可能である。しかしながら、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７との距離は、動作波長の２分の１以下の場合に最も効果的に動作する。

（動作）
次に、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００の動作について説明する。

第一の端子１２１から入力された高周波信号は、第一の配線１１１を介して送信共鳴器１０６に入力される。上述のように、送信共鳴器１０６と受信共鳴器１０７とは、入力される高周波信号（動作周波数６．０ＧＨｚ）の波長の２分の１以下の距離で重ね合わされており、電磁共鳴結合する。

送信共鳴器１０６は、配線の全長が動作波長の２分の１に設定されているため、送信共鳴器１０６に入力された高周波信号は、送信共鳴器１０６で共振した状態となり近傍の電磁界が励振される。送信共鳴器１０６で電磁界が励振されることによって、電磁共鳴結合している受信共鳴器１０７においても、同様に電磁界が励振される。つまり、受信共鳴器１０７においても、６．０ＧＨｚの高周波信号が共振している状態となる。これにより、交流信号は非接触で受信共鳴器１０７に伝送される。

なお、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の配線の全長は、動作波長の２分の１の整数倍に設定されればよい。言い換えれば、動作波長をλ、ｎを整数とした場合、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の配線の全長は、（λ／２）×ｎに設定されればよい。つまり、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の配線の全長は、動作波長の２分の１に限定されない。

図５に示されるように、受信共鳴器１０７内では、受信共鳴器１０７の一端（点Ｄ）と受信共鳴器１０７の他端（点Ｅ）において、送信共鳴器１０６から伝送された交流信号が反射し、共振している状態である。

このとき、点Ｃ１における高周波信号は、点Ｂ１における高周波信号が、点Ｅで反射してＣ１に到達した信号であると考えられる。点Ｂ１から点Ｅを経由し点Ｃ１に到達するまでの経路の長さは、伝送される高周波信号の波長の２分の１に相当する。このため、点Ｃ１における高周波信号の波形は、点Ｂ１における高周波信号とは２分の１波長（１８０°）の位相差を持つ。つまり、点Ｂ１と点Ｃ１のそれぞれから、位相の反転した信号が取り出せる。

次に、第一の配線１１１と送信共鳴器１０６とが接続される位置（点Ａ１）と、第二の配線１１２及び第三の配線１１３と受信共鳴器１０７とが接続される位置（点Ｂ１及び点Ｃ１）について説明する。

図６は、共振状態における、受信共鳴器１０７上での電圧、電流の関係を表す図である。

図６は、受信共鳴器１０７に６．０ＧＨｚ高周波信号が入力された共振状態において、円形上の受信共鳴器１０７の配線を直線にした場合に、電圧と電流とがどのように分布するかを模式的に表した図である。

図中の点Ａ１´、点Ｂ１、点Ｃ１、点Ｄ、及びＥは、図５の同一の記号の点にそれぞれ対応する。送信共鳴器１０６の点Ａ１に電力が入力された場合、送信共鳴器１０６と電磁共鳴結合している受信共鳴器１０７上の点Ａ１´においても点Ａ１に入力された電力と同じ電力が入力される。

共振状態の受信共鳴器１０７では、図６のような電圧、電流持つため、点Ａ１´の電力を２つに分配する場合、電力値が半分になる点は、点Ｂ１及び点Ｃ１となる。点Ｂ１及び点Ｃ１は、上述のように受信共鳴スリット１１７に対し対称な位置関係にあり、点Ｂ１及び点Ｃ１に現れる信号の位相差は１８０°である。

以上により、電磁共鳴結合器１００は、シングル・差動変換器として動作する。

次に、上記の電磁共鳴結合器１００の動作についてデータ（図７及び図８）を用いて説明する。

図７は、第一の端子１２１に信号を入力した場合の、電磁共鳴結合器１００の信号伝送率を表す図である。

図７のグラフの縦軸は、信号伝送率である。信号伝送率は、第一の端子１２１に入力された信号の電力に対する第二の端子１２２及び第三の端子１２３に出力される信号の電力の比をデシベルで表したものである。図７のグラフの横軸は、第一の端子１２１に入力された信号の周波数である。

図７に示されるように、第一の端子１２１に６．０ＧＨｚの高周波信号が入力された場合、第二の端子１２２及び第三の端子１２３には、それぞれ第一の端子に入力された信号の電力の５０％（−３ｄＢ）程度の電力を有する信号が出力されることが分かる。

このように、実施の形態１では、第一の端子１２１に入力された電力を、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に分配できることが分かる。

また、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に出力される電力の差は小さく、第一の端子１２１に入力された電力は、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に均等に分配されている。

図８は、第一の端子１２１に信号を入力した場合に、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に出力される信号の位相を表す図である。

図８のグラフの縦軸は、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に出力される信号の位相である。図８のグラフの横軸は、第一の端子１２１に入力された交流信号の周波数である。

図８に示されるように、６．０ＧＨｚの周波数帯において、第二の端子１２２に出力される信号の位相と、第三の端子１２３に出力される信号の位相との差は１８０°である。

以上、図７及び図８より、電磁共鳴結合器１００において、シングルエンドの信号を同振幅逆位相の二つの差動信号に変換できることが分かる。

図１で示されるような、ラットレース回路の配線長（円周の長さ）は、入力される高周波信号の波長（動作波長）の３分の２の長さであるが、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００では、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の配線長は、動作波長の２分の１の長さでよい。したがって、面積で比較した場合、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の面積は、図１のラットレース回路の面積の９分の１である。

このように、本発明によれば、電磁共鳴結合を用いることにより、小型のシングル・差動変換器が実現される。

なお、第一の配線１１１が接続される第一接続部（点Ａ１）、第二の配線１１２が接続される第二接続部（点Ｂ１）、第三の配線１１３が接続される第三接続部（点Ｃ１）の位置は、上記に限定されない。

なお、実施の形態１に係る電磁共鳴結合器１００では、送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７の基準電位を表す配線は、どちらも裏面グラウンド１０４である。送信共鳴器１０６及び受信共鳴器１０７は物理的に接続されていないため、送信基板１０１と受信基板１０２とで信号の基準電位は必ずしも同じでなくてよい。送信基板１０１と受信基板１０２とで別々の基準電位を表す配線を設けてもよい。

つまり、送信基板１０１と受信基板１０２とで、グラウンドを絶縁して信号を伝送することができる。具体的には、例えば、第一の端子１２１には、０Ｖ基準で信号を入力し、第二の端子１２２及び第三の端子１２３からは１００Ｖ基準で信号出力することも可能である。

また、実施の形態１では、シングルエンド信号を差動信号に変換する例について説明したが、差動信号をシングルエンド信号に変換することも、もちろん可能である。具体的には、第二の端子１２２及び第三の端子１２３に同振幅逆位相の高周波信号を入力することで第一の端子からシングルエンドの高周波信号が出力される。

また、電磁共鳴結合器１００では、電磁共鳴結合により、非常に低損失で信号を伝送できる。つまり、本発明により低損失の電力結合・分配器を実現することができる。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２に係る電磁共鳴結合器について、図面を参照しながら説明する。実施の形態１では、送信共鳴器及び受信共鳴器が円形状である、いわゆるオープンリング形の電磁共鳴結合器１００について説明したが、送信共鳴器及び受信共鳴器の形状は、矩形状であってもよい。実施の形態２では、このように、送信共鳴器及び受信共鳴器が矩形である場合の電磁共鳴結合器について説明する。

なお、以下の実施の形態２で説明する電磁共鳴結合器について、実施の形態１で説明した電磁共鳴結合器１００と異なるのは、主に送信共鳴器及び受信共鳴器の形状である。その他の構成要素について、特に説明のない場合は、実施の形態１で説明したものと同一の機能をもち、動作をするものとする。

（構造）
図９は、矩形状の送信共鳴器及び受信共鳴器を用いた電磁共鳴結合器２００の斜視図である。図９では、特に、基板上に形成された送信共鳴器５０６（第一の共鳴配線）及び受信共鳴器５０７（第二の共鳴配線）のみが模式的に図示されている。

また、図１０は、図９のＹ−Ｙ´線を通り基板の主面に垂直な平面で切断した場合の電磁共鳴結合器２００の断面図である。

実施の形態２の電磁共鳴結合器２００は、送信基板５０１（第一の基板）と、送信基板１０１に重ね合わされた受信基板５０２（第二の基板）と、受信基板５０２に重ね合わされたカバー基板５０３で構成される。

送信基板５０１、受信基板５０２、及びカバー基板５０３は、誘電体基板であり、例えば、サファイア基板である。基板の材料は、サファイアに限定されない。例えば、基板の材料は、シリコンであってもよい。また、送信基板５０１、受信基板５０２、及びカバー基板５０３はそれぞれ異なる材料の基板であってもよい。

送信基板５０１、受信基板５０２、及びカバー基板の基板厚は０．２ｍｍであるが、これに限定されるものではない。送信基板５０１、受信基板５０２、及びカバー基板５０３はそれぞれの厚さは、異なってもよい。

送信基板５０１の裏面には、金属配線である裏面グラウンド５０４が形成される。裏面グラウンド５０４は、電磁共鳴結合器２００における信号の基準電位を表すグラウンド配線である。裏面グラウンド５０４の材料は、例えば、金である。

送信基板５０１の上面（または、受信基板５０２の裏面）には、金属配線である第一の配線５１１（第一の入出力配線）、送信共鳴スリット（開放部）５１６により開放された矩形状（周回形状）の送信共鳴器１０６（第一の共鳴配線）が形成される。送信共鳴器５０６は、第一の配線５１１の一端と接続されており、第一の配線５１１の他端は、第一の端子５２１である。

受信基板５０２は、送信基板５０１の送信共鳴器５０６を覆うように送信基板５０１と重ね合わされる。送信基板５０１と受信基板５０２とは、上面視した場合に送信共鳴器５０６の輪郭と受信共鳴器５０７の輪郭とが一致するように重ね合わされる。なおかつ、送信基板５０１と受信基板５０２とは、上面視した場合に送信共鳴器５０６と受信共鳴器５０７とが点対称になるように重ね合わされる。

ここで、送信共鳴器５０６及び受信共鳴器５０７の輪郭とは、後述する図１２において一点鎖線で表される形状である。この場合、輪郭が一致するとは、送信共鳴スリット５１６及び受信共鳴スリット５１７に相当する部分は除いて一致することを意味する。

受信基板５０２の上面（または、カバー基板５０３の裏面）には、金属配線である第二の配線５１２（第二の入出力配線）、第三の配線５１３（第三の入出力配線）、受信共鳴スリット５１７により開放された矩形状（周回形状）の受信共鳴器５０７（第二の共鳴配線）が形成される。受信共鳴器５０７は、第二の配線５１２及び第三の配線５１３の一端と接続される。第二の配線５１２の他端は、第二の端子５２２であり、第三の配線５１３の他端は第三の端子５２３である。

上記金属配線の材料は、例えば、金であるが、その他の金属材料であっても良い。

カバー基板５０３は、不要な電磁波の影響等を防ぐ目的で受信基板５０２に重ね合わされる。

カバー基板５０３の上面には、金属配線であるカバーグラウンド５０５が形成されている。カバーグラウンド５０５は、電磁共鳴結合器２００における信号の基準電位を表すグラウンド配線である。カバーグラウンド５０５の材料は、例えば、金である。

なお、このようなカバー基板及びカバーグラウンドは、実施の形態１の電磁共鳴結合器１００において設けられても、もちろんよい。

次に、送信共鳴器５０６及び受信共鳴器５０７について詳細に説明する。

まず、送信共鳴器５０６について説明する。

図１１は、送信共鳴器５０６の上面図である。

送信基板５０１上に設けられた送信共鳴器５０６は、配線の一部が送信共鳴スリット５１６で開放された周回形状の配線である。送信共鳴器５０６は、５箇所以上の曲がり部を有する形状である。具体的には、送信共鳴器５０６は、合計１２箇所の曲がり部を有する形状である。ここで、曲がり部は、図１１に示されるように角状であってもよいし、曲線状であってもよい。

このように、曲がり部を有することで、電磁共鳴結合器２００は、電磁共鳴結合器１００よりもさらに小型化される。

送信共鳴器５０６は、内側に凹んだ部分を除いた外形（図１１の破線）が矩形の配線であり、送信共鳴スリット５１６は、送信共鳴器５０６の上記外形（図１１の破線）よりも内側に設けられている。

また、送信共鳴器５０６の周回形状は、送信共鳴スリット５１６の部分を除いて、その中心に対し、対称な形状である。送信共鳴器５０６の配線長は、６．０ＧＨｚの交流信号の波長の２分の１の長さに相当する。このときの波長は配線材料による波長短縮率を考慮した波長である。

なお、送信共鳴器５０６（受信共鳴器５０７）は、図１１で示されるような形状に限定されない。例えば、図１１の破線で示されるような矩形（正方形または長方形）であってもよい。

送信共鳴器５０６と、第一の配線５１１とは、物理的に接続されている。なお、送信共鳴器５０６と、第一の配線５１１とは、物理的に接続されていなくても電気的に接続されていればよい。

具体的には、第一の配線５１１の一端は、送信共鳴器５０６の送信共鳴スリット５１６部分の一端から送信共鳴器５０６の配線長の４分の１の長さに相当する位置に接続される。送信共鳴スリット５１６部分である一端から、送信共鳴器５０６の配線長の４分の１の長さに相当する位置に接続される。配線長の４分の１の長さは、言い換えれば、電磁共鳴結合器２００で伝送される高周波信号の８分の１波長程度に相当する。

第一の配線５１１の他端（送信共鳴器５０６と接続されていない側の端）は、第一の端子５２１である。

送信基板５０１の上面には受信基板５０２が重ね合わされる。

次に、受信共鳴器５０７について説明する。

図１２は、受信共鳴器５０７の上面図である。

受信基板５０２に設けられた受信共鳴器５０７は、配線の一部が受信共鳴スリット５１７で開放された周回形状の配線である。

受信共鳴器５０７は、送信共鳴器５０６と同一の大きさ、同一の形状である。

受信共鳴器５０７と、第二の配線５１２及び第三の配線５１３とは、物理的に接続されている。なお、受信共鳴器５０７と、第二の配線５１２及び第三の配線５１３とは、物理的に接続されていなくても電気的に接続されていればよい。

受信共鳴器５０７上の、第二の配線５１２及び第三の配線５１３が接続される位置は、受信共鳴スリット５１７に対し対称な位置関係にある。具体的には、第二の配線５１２の一端は、受信共鳴器５０７の一端（受信共鳴スリット５１７部分）から、受信共鳴器５０７の配線長の８分の３の長さ（動作波長の１６分の３）に相当する位置に接続される。

また、第三の配線５１３の一端は、受信共鳴器５０７の他端（受信共鳴スリット５１７部分）から、受信共鳴器５０７の配線長の８分の３の長さ（動作波長の１６分の３）に相当する位置に接続される。言い換えれば、第三の配線５１３の一端は、受信共鳴器５０７の一端から、受信共鳴器５０７の配線長の８分の５の長さ（動作波長の１６分の５）に相当する位置に接続される。

第二の配線５１２の受信共鳴器５０７と接続されていない他端は、第二の端子５２２であり、第三の配線５１３の受信共鳴器５０７と接続されていない他端は、第三の端子５２３である。

送信基板５０１上の送信共鳴器５０６と受信基板５０２上の受信共鳴器５０７は、送信共鳴器５０６と受信共鳴器５０７の中心軸であって、送信共鳴器５０６と受信共鳴器５０７の中間の点を点対称とした関係である。

なお、実施の形態１と同様に、送信共鳴器５０６及び受信共鳴器５０７の配線幅は、０．１ｍｍである。第一の配線５１１、第二の配線５１２及び第三の配線５１３の配線幅は、０．１ｍｍである。また、送信共鳴器５０６及び受信共鳴器５０７の配線の外周の一辺は１．６ｍｍである。

（動作）
電磁共鳴結合器２００の動作原理、及び機能は、実施の形態１の電磁共鳴結合器１００と同様であり、６．０ＧＨｚの高周波信号をシングル・差動変換して伝送することができる。

第一の端子５２１から入力された高周波信号（６．０ＧＨｚ）は、第一接続部に接続された第一の配線５１１を介して送信共鳴器５０６に入力され、送信共鳴器５０６内で共振することで電磁界を励振する。

送信共鳴器５０６に電磁界が励振されると、受信共鳴器５０７にも同様に電磁界が励振される。これにより、受信共鳴器５０７に高周波信号が伝播される。伝播された高周波信号は、第二の配線５１２及び第三の配線５１３を介し、第二の端子５２２及び第三の端子５２３に出力される。

このとき、受信共鳴器５０７上の第二の配線５１２が接続されている第二接続部と、受信共鳴器５０７上の第三の配線５１３が接続されている第三接続部とには、実施の形態１で説明したように１８０°位相が異なった信号が出力される。また、実施の形態１で説明したように、出力された信号の振幅は、入力された高周波信号の振幅の２分の１である。

このように、矩形の共鳴器を用いても、シングルエンド信号を差動信号に変換する電磁共鳴結合器は、実現可能である。電磁共鳴結合器２００は、実施の形態１で述べたオープンリング形の共鳴器を用いた場合よりも、さらに小型のシングル・差動変換機として動作する。

なお、電磁共鳴結合器２００においても、送信基板５０１と受信基板５０２とで、グラウンドを絶縁して信号を伝送することができることは言うまでもない。また、電磁共鳴結合器２００において、差動信号をシングルエンド信号に変換することも、もちろん可能である。

（補足）
また、電磁共鳴結合器１００及び電磁共鳴結合器２００において、送信共鳴器及び受信共鳴器の周辺には、伝送される高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線（コプレーナグラウンド）が設けられてもよい。

また、電磁共鳴結合器１００及び電磁共鳴結合器２００において、受信共鳴器上の第二の配線が接続される第二接続部、及び第三の配線が接続される第三接続部との中点は、配線またはビアによってグラウンド配線と接続されてもよい。

図１３は、送信共鳴器５０６の周辺にコプレーナグラウンドを設けた例を示す図である。

図１４は、受信共鳴器５０７周辺にコプレーナグラウンド及びアイソレーション配線を設けた例を示す図である。

図１３に示されるように、送信共鳴器５０６及び第一の配線５１１の周辺に沿って、金属導体で形成された送信コプレーナグラウンド５３６が設けられてもよい。

また、図１４に示されるように、受信共鳴器５０７、第二の配線５１２及び第三の配線５１３の周辺に沿って、受信コプレーナグラウンド５３７が設けられてもよい。送信コプレーナグラウンド５３６及び受信コプレーナグラウンド５３７の材料は、他の配線同様、金であるが、これに限定されない。

このように、コプレーナグラウンドを設けることで、伝送される高周波信号の信号品質を向上させることができる。

また、送信コプレーナグラウンド５３６及び受信コプレーナグラウンド５３７は、いずれか一方のみが設けられる構成であっても良い。

また、図１４のように、受信共鳴器５０７上の第二の配線５１２が接続される第二接続部と、第三の配線５１３が接続される第三接続部との中点に、アイソレーション配線５４０を設け、受信コプレーナグラウンド５３７と受信共鳴器５０７とを接続してもよい。

このように、アイソレーション配線を設けることで、第二の配線５１２及び第三の配線５１３に入出力される高周波信号の信号品質を向上させることができる。

また、受信共鳴器５０７上の第二接続部と、第三接続部との中点は、アイソレーション配線５４０に代えて、ビアホール等で基準電位を表すグラウンド配線と接続されてもよい。

なお、電磁共鳴結合器１００及び電磁共鳴結合器２００において、送信共鳴器及び受信共鳴器は、一つの基板のそれぞれの面に設けられてもよい。具体的には、基板の一方の面には、送信共鳴器、及び第一の配線が設けられ、基板の他方の面には、受信共鳴器、第二の配線、及び第三の配線が設けられてもよい。

以上、本発明の一態様に係る電磁共鳴結合器について実施の形態に基づいて説明した。

本発明によれば、小型のシングル・差動変換器として動作する電磁共鳴結合器が実現される。本発明の電磁共鳴結合器では、電磁共鳴結合の性質上、非常に低損失で信号を伝送することが可能である。また、入力信号と出力信号との基準電位を表すグラウンド同士を絶縁して信号を伝送することが可能である。

なお、本発明は、これらの実施の形態またはその変形例に限定されるものではない。本発明の趣旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を本実施の形態またはその変形例に施したもの、あるいは異なる実施の形態またはその変形例における構成要素を組み合わせて構築される形態も、本発明の範囲内に含まれる。

本発明に係る電磁共鳴結合器は、小型、低損失な高周波信号分配・結合器として用いることができ、例えば、シングルエンド信号と差動信号とを変換する変換器として有用である。

１００、２００ 電磁共鳴結合器
１０１、５０１ 送信基板
１０２、５０２ 受信基板
１０４、５０４ 裏面グラウンド
１０６、５０６ 送信共鳴器
１０７、５０７ 受信共鳴器
１１１、５１１ 第一の配線
１１２、５１２ 第二の配線
１１３、５１３ 第三の配線
１２１、５２１ 第一の端子
１２２、５２２ 第二の端子
１２３、５２３ 第三の端子
１１６、５１６ 送信共鳴スリット
１１７、５１７ 受信共鳴スリット
５０３ カバー基板
５０５ カバーグラウンド
５３６ 送信コプレーナグラウンド
５３７ 受信コプレーナグラウンド
５４０ アイソレーション配線

Claims (12)

1. 第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線間において高周波信号を非接触で伝送する電磁共鳴結合器であって、
   第一の基板と、
   前記第一の基板に対向して設けられた第二の基板とを備え、
   前記第一の基板上には、
   周回形状の一部が開放部によって開放された形状の前記第一の共鳴配線と、
   前記第一の共鳴配線上の第一接続部に接続された第一の入出力配線とが設けられ、
   前記第二の基板上には、
   前記第一の共鳴配線と同一の配線幅及び同一の形状の前記第二の共鳴配線と、
   前記第二の共鳴配線の一端から所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第二接続部に接続された第二の入出力配線と、
   及び前記第二の共鳴配線の他端から前記所定の距離に位置する前記第二の共鳴配線上の第三接続部に接続された第三の入出力配線とが設けられ、
   前記第一の基板の主面に垂直な方向から見た場合に、前記第一の共鳴配線及び前記第二の共鳴配線は、点対称に配置され、かつ前記第一の共鳴配線及び第二の共鳴配線の輪郭が一致し、
   前記電磁共鳴結合器に前記高周波信号が入力された場合に、前記第二接続部及び前記第三接続部における電力は、前記第二の共鳴配線の前記第一接続部に重なる位置における電力の２分の１である
   電磁共鳴結合器。
2. 前記第一接続部は、前記第一の共鳴配線の一端から前記第一の共鳴配線の配線長の４分の１の長さに相当する位置に設けられ、
   前記第二接続部は、前記第二の共鳴配線の一端から前記第二の共鳴配線の配線長の８分の３の長さに相当する位置で設けられ、
   前記第三接続部は、前記第二の共鳴配線の他端から前記第二の共鳴配線の配線長の８分の３の長さに相当する位置に設けられる
   請求項１に記載の電磁共鳴結合器。
3. 前記第一の共鳴配線及び前記第二の共鳴配線の配線長は、当該第一の共鳴配線及び当該第二の共鳴配線内における前記高周波信号の波長の２分の１の長さである
   請求項１または２に記載の電磁共鳴結合器。
4. 前記周回形状は、円形状である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
5. 前記周回形状は、矩形状である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
6. 前記周回形状は、少なくとも５箇所以上の曲がり部を有する形状である
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
7. 前記第一の基板の主面に垂直な方向における前記第一の共鳴配線と前記第二の共鳴配線との距離は、前記高周波信号の波長の２分の１以下である
   請求項１〜６のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
8. 前記第一の基板の前記第一の共鳴配線が設けられない側の面、または前記第二の基板の前記第二の共鳴配線が設けられない側の面には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられる
   請求項１〜７のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
9. 前記第一の基板上の、前記第一の共鳴配線及び前記第一の入出力配線の周辺、並びに前記第二の基板上の、前記第二の共鳴配線、前記第二の入出力配線、及び前記第三の入出力配線の周辺には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられる
   請求項１〜８のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
10. 前記第二の共鳴配線は、前記第二接続部と前記第三接続部との中点に接続された配線またはビアによって前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線と接続される
    請求項１〜９のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
11. さらに、前記第一の基板及び前記第二の基板のいずれか一方に重ね合わされるカバー基板を備え、
    前記カバー基板の、前記第一の基板及び前記第二の基板のいずれか一方に重ね合わされない側の面には、前記高周波信号の基準電位を表すグラウンド配線が設けられる
    請求項１〜１０のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。
12. 前記第一の基板と前記第二の基板とは、一つの基板であり、
    前記基板の一方の面には、前記第一の共鳴配線、及び前記第一の入出力配線が設けられ、
    前記基板の他方の面には、前記第二の共鳴配線、前記第二の入出力配線、及び前記第三の入出力配線が設けられる
    請求項１〜１１のいずれか１項に記載の電磁共鳴結合器。

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