KR20080023629A - 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기 - Google Patents

통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기 Download PDF

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KR20080023629A
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타카노리 와시로
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소니 가부시끼 가이샤
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Abstract

고주파수의 광대역 신호를 이용하는 UWB통신 방식에 의하여 정보 기기 사이에서의 대용량의 데이터 통신을 실시한다.
송신기와 수신기가 각각 가지는 고주파 결합기간에 있어서의 정전 결합에 의하여 UWB신호를 고속데이터 전송한다. 통신하고 싶은 통신기끼리를 물리적으로 접근함으로써, 복잡한 설정없이 직감적으로 통신하고 싶은 상대를 선택하여 통신 동작이 개시되며, 통신 상대가 근처에 존재하지 않을 때에는 전파를 방사하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템을 방해하지 않는다. 또, 먼 곳으로부터 전파가 도래해 와도, 결합기가 전파를 수신하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템으로부터의 간섭을 받지 않아도 된다.

Description

통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기{Communication system, communication apparatus, and electric-field-coupling antenna}
본 발명은, 정보 기기 사이에서 대용량의 데이터 통신을 실시하는 통신 시스템에 관한 것이며, 특히, 고주파수의 광대역 신호를 이용하는 UWB통신 방식에 의하여 정보 기기 사이에서 대용량의 데이터 통신을 실시하는 통신 시스템에 관한 것이다.
더 상세하게는, 본 발명은, 초 근거리에 배치된 정보 기기 사이에서 정전계(준정전계) 혹은 유도 전계를 이용하여 UWB통신 신호를 전송하는 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기에 관한 것이며, 특히, 각 정보 기기에 탑재된 결합기 사이에서 효율적으로 고주파 신호를 전달하고, 초 근거리에 있어서 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 대용량 전송이 가능하게 되는 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기에 관한 것이다.
최근, 화상이나 음악 등의 데이터를 PC와의 사이에서 교환하는 등, 소형의 정보 기기 사이에서 데이터를 이동할 때, AV(Audio Visual) 케이블이나 USB(Universal Serial Bus) 케이블 등의 범용 케이블에서 상호 접속한 데이터 통신 이나 메모리 카드 등의 미디어를 매개로 하는 방법에 대신하여, 무선 인터페이스를 이용하는 것이 늘어나고 있다. 후자에 의하면, 데이터 전송 때에 커넥터를 갈아끼우는 작업을 하여 케이블을 끌고 다닐 필요가 없고, 사용자의 편리성이 높다. 각종의 케이블 레스(cableless) 통신 기능을 탑재한 정보 기기도 많이 출현하고 있다.
소형기기 사이에서 케이블 레스에 의하여 데이터 전송을 실시하는 방법으로서, IEEE 802.11에 대표되는 무선 LAN(Local Area Network)이나 Bluetooth(등록상표) 통신을 비롯하여, 안테나를 이용하여 무선 신호의 송수신을 실시하는 전파 통신 방식이 개발되고 있다. 예를 들면, 그립부를 파지한 손에 의하여 덮인 것을 피한 위치에 내장 안테나가 내장되며, 내장 안테나가 손으로 덮이지 않고 올바른 화상 데이터가 수신되기 때문에, 장치 내부에 무선 통신용의 안테나를 배치했다고 해도, 안테나가 본래 가지는 특성이 그대로 발휘되는 가반형 화상 기록 장치에 대하여 제안이 이루어지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 1을 참조).
또, 근년 주목받고 있는 「울트라 와이드 밴드(UWB)」라고 불리는 통신 방식은, 3.1GHz ~ 10.6GHz라고 하는 매우 넓은 주파수대역을 사용하고, 근거리면서 100 Mbps정도의 대용량의 무선 데이터 전송을 실현하는 무선통신 기술이기 때문에, 예를 들면 동영상이나 CD 1장 분의 음악 데이터라고 하는 대용량의 데이터를 고속이면서 단시간에 전송할 수 있다.
UWB통신은, 송신 전력의 관계로부터 통신 거리가 10m정도이며, PAN(Perso nal Area Network)등의 근거리 방향의 무선통신 방식이 상정된다. 예를 들면, IEEE 802.15.3 등에 있어서, UWB통신의 액세스 제어 방식으로서, 프리엠블(preamble)을 포함한 패킷 구조의 데이터 전송 방식이 고안되고 있다. 또, 미 인텔사는, UWB의 어플리케이션으로서, PC전용의 범용 인터페이스로서 보급되고 있는 USB(Universal Serial Bus)의 무선판을 검토하고 있다.
또, UWB통신은, 3.1GHz ~ 10.6GHz라고 하는 전송 대역을 점유하지 않아도 100Mbps를 넘는 데이터 전송이 가능한 것이나 RF회로의 만들기 쉬움을 고려하여, 3.1 ~ 4.9GHz의 UWB로우 밴드(low-band)를 사용한 전송 시스템도 개발이 번성하다. 본 발명자들은, UWB로우 밴드를 이용한 데이터 전송 시스템을, 모바일 기기에 탑재한 유효한 무선통신 기술의 하나로 생각하고 있다. 예를 들면, 스토리지·디바이스를 포함한 초고속인 근거리용의 DAN(Device Area Network) 등, 근거리 지역에 있어서의 고속 데이터 전송을 실현하는 것이 가능하다.
여기에서, 무선설비로부터 3미터의 거리에서의 전계 강도(전파의 힘)가 소정 레벨 이하, 즉 근린에 존재하는 다른 무선 시스템에 있어서 노이즈·레벨 정도로 되는 미약 무선이라면, 무선국의 면허를 받을 필요는 없고(예를 들면, 비특허 문헌 1을 참조), 무선 시스템의 개발·제조 코스트를 삭감할 수 있다. 상술한 UWB통신은, 송신 전력의 관계로부터, 비교적 낮은 전계 레벨에서 근거리 전용의 무선통신 시스템을 구성할 수 있다. 그렇지만, 안테나를 이용하여 무선 신호의 송수신을 실시하는 전파 통신 방식에 의하여 UWB통신 시스템을 구성했을 경우, 발생 전계를 이러한 미약 레벨로 억제하는 것은 곤란하다.
종래의 무선통신 시스템의 상당수는 전파 통신 방식을 채용한 것이며, 공중 선(안테나)에 전류를 흘렸을 때에 발생하는 방사 전계를 이용하여 신호를 전반 시키는 것이다. 이 경우, 송신기 측에서는 통신 상대가 있는지 없는지에 관계없이 전파를 방출하기 때문에, 근린의 통신 시스템에 대한 방해 전파의 발생원이 되어 버린다고 하는 문제가 있다. 또, 수신기 측의 안테나는, 송신기로부터의 소망파 뿐만 아니라, 먼 곳으로부터 도래한 전파도 수신하기 때문에, 주위의 방해 전파의 영향을 받아 쉽고, 수신감도 저하의 원인이 된다. 또, 통신 상대가 복수 존재하는 경우에는, 그 중에서 소망한 통신 상대를 선택하기 위하여 복잡한 설정을 실시할 필요가 있다. 예를 들면, 좁은 범위에서 복수 그룹의 무선기가 무선통신을 실시하는 경우는, 서로의 간섭을 회피하기 위하여, 주파수 선택 등의 분할 다중을 실시하여 통신을 실시할 필요가 있다. 또, 전파는 편파의 방향이 직교하면 통신할 수 없기 때문에, 송수신기 사이에서는 서로의 안테나의 편파방향이 갖추어져 있을 필요가 있다.
예를 들면, 수 밀리~수 센티미터라고 하는 지근거리에서의 비접촉 데이터 통신시스템을 생각했을 경우, 근거리에서는 송수신기가 강하게 결합하는 한편, 다른 시스템으로의 간섭을 회피하기 위해서 원거리까지 신호가 도래하지 않는 것이 바람직하다. 또, 데이터 통신하는 기기끼리를 지근거리에 접근시켰을 때의 서로의 자세(방향)에 의존하지 않고, 결합하는 것, 즉 지향성이 없는 것이 바람직하다. 또, 대용량 데이터 통신을 실시하려면, 광대역 통신이 가능하다 라는 것이 바람직하다.
무선 통신에는, 상기의 방사 전계를 이용한 전파 통신 이외에도, 정전계나 유도 전계 등을 이용한 통신 방식을 들 수 있다. 예를 들면, 주로 RFID(Radio Frequency IDentification)에 이용되고 있는 기존의 비접촉 통신 시스템에서는, 전계 결합 방식이나 전자 유도 방식이 적용되어 있다. 정전계나 유도 전계는 발생원으로부터의 거리에 대하여, 각각 거리의 3승 및 2승에 반비례하는 것으로부터, 무선설비부터 3미터의 거리로의 전계 강도(전파의 힘)가 소정 레벨 이하가 되는 미약 무선이 가능하고, 무선국의 면허를 받을 필요는 없다. 또, 이런 종류의 비접촉 통신 시스템은, 전송 신호는 거리에 따라서 험난하게 감쇠하기 때문에, 통신 상대가 근처에 존재하지 않을 때에는 결합 관계가 생기지 않기 때문에, 다른 통신 시스템을 방해할 필요는 없다. 또, 먼 곳으로부터 전파가 도래해 와도, 결합기(커플러)가 전파를 수신하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템으로부터의 간섭을 받지 않아도 된다. 즉, 유도 전계나 정전계를 이용한 전계 결합에 의한 비접촉·초 근거리 통신은 미약 무선의 실현에 적절하다고 말할 수 있다.
비접촉에 의한 초 근거리 통신 시스템은, 통상의 무선통신 시스템에 대하여, 몇개의 이점이 있다. 예를 들면, 비교적 거리가 떨어진 기기끼리로 무선 신호의 교환을 실시하는 경우, 주변의 반사물의 존재나 통신 거리의 확대에 따라서 무선 구간의 신호의 질이 저하해 버리지만, 근거리 통신에 의하면 주변 환경의 의존은 없고, 높은 전송 레이트를 이용하여 오률이 적은 고품질의 전송이 가능하다. 또, 초 근거리 통신 시스템에서는, 전송 데이터를 감청하는 부정한 기기가 개재하는 여지는 없고, 전송로 상에서 해킹의 방지나 은닉성의 확보를 고려할 필요가 없다.
또, 전파 통신에서는, 안테나는 사용 파장(λ)의 2분의 1 또는 4분의 1 정도 의 크기를 가질 필요가 있기 때문에, 장치는 필연적으로 대형화해 버린다. 이것에 대하여, 유도 전자계나 정전계를 이용한 초 근거리 통신 시스템에서는, 이러한 제약은 없다.
예를 들면, 복수의 통신 보조체간에 RFID 태그가 위치하도록 배치한 통신 보조체 그룹을 형성하고, 통신 보조체간에 끼우도록 복수의 상품에 부착된 RFID 태그를 배치함으로써, RFID 태그가 서로 겹친 상태여도, 정보의 안정된 독해·기입이 가능해지는 RFID 태그·시스템에 대하여 제안이 이루어지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 2를 참조).
또, 장치 본체와 이 장치 본체를 신체에 장착하기 위한 장착 수단을 갖춤과 동시에, 안테나·코일과 이 안테나·코일을 통하여 외부의 통신 장치와 비접촉으로 데이터 통신을 실시하는 데이터 통신 수단을 갖추고, 장치 본체의 상부에 설치된 아우터 케이스에 안테나·코일과 데이터 통신 수단을 배치하여, 유도 자계를 이용한 데이터 통신 장치에 대하여 제안이 이루어지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 3을 참조).
또, 휴대 정보 기기에 삽입되는 메모리 카드에 외부 기기와 데이터 통신을 실시하기 위한 안테나·코일을 탑재하고, 휴대 정보 기기의 메모리 카드 삽입구의 외측에 RFID의 안테나·코일이 배치되는 구조로서, 휴대성을 파손하지 않고 통신 거리를 확보한 RFID를 가지는 휴대 전화기에 대하여 제안이 이루어지고 있다(예를 들면, 특허 문헌 4를 참조).
정전계나 유도 전계를 이용한 종래의 RFID 시스템은, 저주파수신호를 이용하 고 있기 때문에 통신 속도가 늦고, 대량의 데이터 전송에는 적합하지 않았다. 또, 안테나·코일에 의한 유도 전자계를 이용하여 통신하는 방식의 경우에는, 코일의 배면에 금속판이 있으면 통신을 실시하지 못하고, 코일을 배치하는 평면상에 큰 면적이 필요하게 되는 등, 실장 상의 문제도 있다. 또, 전송로에 있어서의 손실이 크고, 신호의 전송 효율이 좋지 않다.
이것에 대하여, 본 발명자들은, 고주파 신호를 전계 결합에서 전송하는 것, 즉, 정전계 혹은 유도 전자계를 이용하여 상기의 UWB통신 신호를 전송하는 초 근거리 통신 시스템에 의하여, 무선국으로서 면허 취득이 불필요한 미약 전계에 의하여, 은닉성을 고려한 고속 데이터 전송을 실현할 수 있다, 라고 생각하고 있다. 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 UWB통신 시스템에서는, 예를 들면 동화상이나 CD 1장 분의 음악 데이터라고 하는 대용량의 데이터를 고속 또는 단시간에 전송할 수 있다, 라고 본 발명자들은 생각하고 있다.
여기에서, 종래의 RFID 시스템에서는, 송신기와 수신기의 전극(결합기) 간을 밀착시키는 것이 일반적이고, 사용자의 사용이 편리하지 않다. 이 때문에, 전극 간을 3cm정도 떼어 놓아 근거리 통신을 실시한다고 하는 형태가 바람직하다고 생각된다.
비교적 저주파수대의 신호를 이용하는 전계 결합 방식에서는, 3cm라고 하는 송신기와 수신기의 전극간 거리는 파장과 비교하여 무시하여 얻는 길이이기 때문에, 송수신기 사이에서의 전반적인 손해는 크게 문제되지 않는다. 그런데, UWB신호와 같이 고주파수의 광대역 신호를 전송하는 것을 생각한 경우, 3cm라고 하는 거 리는 사용 주파수대 4GHz에 있어서 약 2분의 1 파장에 상당한다. 파장에 대한 전반거리의 크기에 따라서 전반적인 손해가 생기기 때문에, 송신기와 수신기의 전극간 거리는 파장과 비교하여 무시할 수 없는 길이이다. 이 때문에, 전계 결합에 의하여 UWB신호를 전송시킬 때에는, 전반적인 손해를 충분히 낮게 억제할 필요가 있다.
[특허 문헌 1] 특개 2006－106612호 공보
[특허 문헌 2] 특개 2006－60283호 공보
[특허 문헌 3] 특개 2004－214879호 공보
[특허 문헌 4] 특개 2005－18671호 공보
[비특허 문헌 1] 전파법 시행 규칙(쇼와 25년 전파 감리 위원회 규칙 제 14호) 제 6조 제 1항 제 1호
본 발명의 목적은, 고주파수의 광대역 신호를 이용하는 UWB통신 방식에 의하여 정보 기기 사이에 대용량의 데이터 통신을 실시할 수 있는, 뛰어난 통신 시스템을 제공하는 것에 있다.
본 발명의 새로운 목적은, 초 근거리에 배치된 정보 기기 사이에 정전계(준정전계) 혹은 유도 전계를 이용하여 UWB통신 신호를 전송할 수 있는, 뛰어난 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기를 제공하는 것에 있다.
본 발명의 새로운 목적은, 각 정보 기기에 탑재된 결합기간에 효율적으로 고주파 신호를 전달하고, 초 근거리에 있어서 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 대용량 전송을 실현할 수 있는, 뛰어난 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기를 제공하는 것에 있다.
본 발명은, 상기 과제를 참작하여 이루어진 것이며, 데이터를 전송하는 고주파 신호를 생성하는 송신 회로부와, 이 고주파 신호를 정전계 혹은 유도 전계로서 송출하는 고주파 결합기를 갖춘 송신기와,
고주파 결합기와, 이 고주파 결합기에서 수신한 고주파 신호를 수신 처리하는 수신 회로부를 갖춘 수신기와,
상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기간에 있어서의 임피던스의 정합을 취하는 임피던스 정합부를 구비하고, 상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기간에 있 어서의 전계 결합에 의하여 상기의 고주파 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템이다.
단, 여기에서 말하는 「시스템」이란, 복수의 장치(또는 특정의 기능을 실현하는 기능 모듈)가 논리적으로 집합된 것을 말하며, 각 장치나 기능 모듈이 단일의 케이스 내에 있는지 아닌지는 특별하게 문제삼지 않는다(이하, 같이).
화상이나 음악 등의 데이터를 PC와의 사이에서 교환하는 등, 소형의 정보 기기 사이에서의 데이터 전송을 케이블 레스로 실시되면, 사용자의 편리성이 높아진다. 그렇지만, 무선 LAN으로 대표되는 많은 무선통신 시스템에서는, 안테나에 전류를 흘렸을 때에 발생하는 방사 전계를 이용하기 때문에, 통신 상대가 있을지 어떨지에 관계되지 않고 전파가 방출되어 버린다. 또, 방사 전계는 안테나로부터의 거리에 반비례하여 완만하게 감쇠하기 때문에, 비교적 먼 곳까지 신호가 도달해 버린다. 이 때문에, 근린의 통신 시스템에 대한 방해 전파의 발생원이 됨과 동시에, 수신기 측의 안테나도 주위의 방해 전파의 영향으로 수신 감도가 저하한다. 요컨대, 전파 통신 방식에서는, 지근 거리의 통신 상대에 제한한 무선통신을 실현하는 것은 곤란하다.
한편, 정전계나 유도 전계를 이용한 통신 시스템에서는, 통신 상대가 근처에 존재하지 않을 때에는, 결합 관계가 생기지 않는다. 또, 유도 전계나 정전계의 전계 강도는 각각 거리의 2승 및 3승에 반비례하여 급격하게 감쇠한다. 즉, 불필요한 전계가 발생하지 않고, 또한, 전계가 먼 곳까지 도달하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템을 방해할 필요는 없다. 또, 먼 곳으로부터 전파가 도래해 와도, 결 합용 전극은 전파를 수신하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템으로부터의 간섭을 받지 않아도 된다. 그렇지만, 종래의 이런 종류의 통신 시스템은, 저주파수신호를 이용하고 있기 때문에 통신 속도가 늦고, 대량의 데이터 전송에는 적합하지 않다. 또, 유도 전자계를 이용한 통신 방식의 경우, 코일을 배치하는 평면상에 큰 면적이 필요로 이루어지는 등, 실장 상의 문제도 있다.
이것에 대하여, 본 발명과 관계되는 통신 시스템은, 데이터를 전송하는 UWB신호를 생성하는 송신기와, UWB신호를 수신 처리하는 수신기간을, 송수신기가 각각 가지는 고주파 결합기로 전계 결합시켜 UWB신호를 전송하도록 구성되어 있다. 정전계 및 유도 전계는 각각 거리의 3승 및 2승에 반비례하여 감쇠하기 때문에, 무선국의 면허가 불필요한 미약 무선이 가능함과 동시에, 전송로 상에서 해킹의 방지나 은닉성의 확보를 고려할 필요가 없다. 또, UWB통신이기 때문에, 초 근거리의 대용량 통신이 가능하고, 예를 들면 동화상이나 CD 1장 분의 음악 데이터라고 하는 대용량의 데이터를 고속 또는 단시간에 전송할 수 있다.
여기에서, 고주파 회로에서는, 파장에 대한 전반거리의 크기에 따라서 전반적인 손해가 생기기 때문에, UWB 등의 고주파 신호를 전송시킬 때는, 전반적인 손해를 충분히 낮게 억제할 필요가 있다.
그런데, 본 발명에 관계되는 통신 시스템에서는, 상기 송신기는, 상기 송신 회로부가 생성하는 고주파 신호를 전송하는 고주파 신호 전송로를, 임피던스 정합부나 공진부를 통하여 상기 고주파 결합기의 전극의 거의 중앙에 접속하고, 한편의 상기 수신기는, 상기 고주파 결합기의 전극의 거의 중앙에 있어서, 임피던스 정합 부나 공진부를 통하여, 상기 수신 회로부에 고주파 신호를 전송하는 고주파 신호 전송로를 접속하도록 구성되어 있다. 그리고, 임피던스 정합부가 상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기 사이에 있어서의 임피던스의 정합을 취하고, 결합기간에 있어서의 반사파를 억제하여 전반적인 손해를 저감하도록 하고 있다.
이 임피던스 정합부나 공진부는, 송신기와 수신기의 전극간 즉 결합 부분에 있어서, 임피던스·매칭을 취하고, 반사파를 억제하는 것을 목적으로 하고 있고, 상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기간에 있어서 소망의 고주파 대역을 통과하는 밴드 패스·필터로서 동작하도록 구성되어 있다. 구체적으로는, 임피던스 정합부는, 집중 정수 회로로 구성할 수 있다. 혹은, 사용 파장에 의존하는 길이를 가지는 도체로 구성할 수 있다. 후자의 경우, 구체적으로는, 결합기를 탑재하는 프린트 기판상에 사용 파장에 의존하는 길이를 가지는 도체 패턴(「스터브」(stub)라고도 부른다)을 형성하고, 이것이 임피던스 정합부로서 작용한다.
또, 상기 고주파 결합기는, 상기 송신 회로부로부터 고주파 신호가 입력되는 입력측의 특성 임피던스에 대하여 통신 상대와 전계 결합하는 출력 측의 특성 임피던스를 저하시키는 임피던스·매칭을 실시하도록 구성되어 있다. 즉, 결합용의 전극에 의하여 많은 전류가 흘러들도록 구성되어 있다. 이러한 경우, 고주파 결합기는, 보다 큰 전계를 야기하여, 전극 간에 강하게 결합시킬 수 있다.
고주파 결합기는, 구체적으로는, 전극과, 직렬 인덕터, 병렬 인덕터를 고주파 신호 전송로에 접속하여 구성된다. 여기에서 말하는 고주파 신호 전송로란, 동축 케이블, 마이크로 스트립 선로, 코프레이나 선로 등을 나타낸다. 송신기와 수신기의 전극간 즉 결합 부분에 있어서, 단지 임피던스·매칭을 취하고, 반사파를 억제하는 것만을 목적으로 한다면, 전극과 직렬 인덕터를 고주파 신호 전송로에 접속한다고 하는 간소한 구조여도 좋다. 이것에 대하여, 고주파 신호 전송로 말단의 전극의 앞에 있어서 병렬 인덕터를 통하여 그라운드에 접속했을 경우, 결합기 단체로서는, 결합기의 앞 측의 특성 임피던스(Z0)에 대하여, 결합기의 끝의 특성 임피던스(Z1)는 저하된다고 하는 임피던스 변환 회로로서의 기능을 갖출 수 있고, 이것으로서 전극에 의하여 많은 전류가 흐르기 때문에, 보다 큰 전계를 야기하고, 전극 간에 강하게 결합시킬 수 있다. 상기의 직렬 인덕터와 병렬 인덕터는 집중 정수 회로로 구성하는 것 외, 사용하는 파장에 의존한 길이의 도체에 의하여 분포 정수 회로로 구성해도 좋다.
고주파 결합기를 구성하는 전극은, 예를 들면 통신 처리 회로를 실장하는 프린트 기판상에 탑재할 수 있다. 프린트 기판부터 전극까지의 높이는, 프린트 기판의 그라운드와의 전계 결합을 억제할 수 있는 거리인 것, 상기의 임피던스·매칭을 실현하는 직렬 인덕터를 구성할 수 있는 거리인 것, 그리고, 이 직렬 인덕터에 흐르는 전류에 의한 불필요한 전파의 방사가 커지지 않는(즉 직렬 인덕터로부터 이루어지는 공진부의 안테나로서의 작용이 커지지 않는다) 거리인 것이 조건이 된다.
전파 통신에 있어서는, 안테나의 방사 엘리멘트의 근방에 그라운드 등의 금속을 배치할 수 없다. 이것에 대하여, 전계 결합을 이용한 통신에서는, 고주파 결합기의 전극의 이면 측에 금속을 배치해도 특성이 악화되지 않는다. 또, 직렬 인덕턴스와 병렬 인덕턴스의 정수를 적당하게 선택함으로써, 종래의 안테나보다도 소형으로 만들 수 있다. 또, 정전 자계는 안테나와 같이 편파를 가지지 않기 때문에, 방향이 바뀌어도 일정한 통신 품질을 확보할 수 있다.
본 발명에 관계되는 통신 시스템으로는, 송신기 및 수신기의 고주파 결합기가 대향하고, 2개의 전극 사이에 커패시턴스가 발생하면 통신이 가능하게 된다. 그리고, 정전 자계는 방사 전파와는 상위하여 편파가 없기 때문에, 그 형태는 평판으로 한정되지 않고, 무선기의 디자인에 맞추어 자유로운 형태로 설계할 수 있다. 예를 들면, 반구형의 전극이면, 대향하는 전극 간의 상대 위치 관계에 의존하지 않고, 최적인 전계 결합로를 얻을 수 있다.
본 발명에 의하면, 고주파수의 광대역 신호를 이용하는 UWB통신 방식에 의하여 정보 기기 사이에 대용량의 데이터 통신을 실시할 수 있는, 뛰어난 통신 시스템을 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 초 근거리에 배치된 정보 기기 사이에 정전계(준정전계) 혹은 유도 전계를 이용하여 UWB통신 신호를 전송할 수 있고, 뛰어난 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기를 제공할 수 있다.
또, 본 발명에 의하면, 각 정보 기기에 탑재된 결합기간에 효율적으로 고주파 신호를 전달하고, 초 근거리에 있어서 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 대용량 전송을 실현할 수 있는, 뛰어난 통신 시스템, 통신 장치 및 고주파 결합기를 제공할 수 있다.
본 발명은, 송신기와 수신기가 각각 가지는 고주파 결합기간에 있어서의 전계 결합에 의하여 UWB신호를 전송하는, 고속 데이터 전송이 가능한 초 근거리 통신 시스템이며, 통신하고 싶은 통신기끼리를 물리적으로 가까이하게 함으로써, 복잡한 설정없이 직감적으로 통신하고 싶은 상대를 선택하여 통신 동작이 개시된다.
본 발명에 관계되는 통신 시스템은, 통신 상대가 근처에 존재하지 않을 때에는, 결합 관계가 생기지 않고, 즉 전파를 방사하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템을 방해할 필요는 없다. 또, 먼 곳으로부터 전파가 도래해 와도, 결합기가 전파를 수신하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템으로부터의 간섭을 받지 않아도 된다.
또, 본 발명에 관계되는 통신 시스템은, 전계 결합 작용을 이용한 초 근거리 통신 시스템이며, 바꾸어 말하면 원거리에서 통신을 실시할 수 없기 때문에, 상정 외의 상대에게 정보를 해킹당하는 위험성을 저감할 수 있다.
송신기 및 수신기에 있어서 사용하는 고주파 결합기는, 전극의 배면을 금속 그라운드로 할 수 있다. 따라서, 고주파 결합기의 배면에 금속이 존재해도 통신에 영향을 받지않고, 또, 전극에서 발생하는 전계가 고주파 결합기의 배면에 있는 회로에 악영향을 주지도 않는다.
또, 본 발명과 같이 전계 결합 방식에 의하여 UWB신호의 전송을 실시하는 경우, 안테나를 이용하는 전파 통신과는 상위하여 편파가 없기 때문에, 고주파 결합기의 방향에 의존하지 않고 균일한 통신 품질을 확보할 수 있다. 따라서, 전극의 형상을 자유롭게 디자인하는 것도 가능하고, 종래의 안테나보다도 소형으로 제작할 수 있다.
본 발명의 또 다른 목적, 특징이나 이점은, 후술하는 본 발명의 실시 형태나 첨부하는 도면에 의거하여 보다 상세한 설명에 의하여 밝혀질 것이다.
이하, 도면을 참조하면서 본 발명의 실시 형태에 대하여 상세하게 풀이한다.
본 발명은, 정전계 혹은 유도 전계를 이용하여 정보 기기 사이에 데이터 전송을 실시하는 통신 시스템에 관한 것이다.
정전계 혹은 유도 전계에 의거하는 통신 방식에 의하면, 통신 상대가 근처에 존재하지 않을 때에는 결합 관계가 없이 전파를 방사하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템을 방해할 필요는 없다. 또, 먼 곳으로부터 전파가 도래해 와도, 결합기가 전파를 수신하지 않기 때문에, 다른 통신 시스템으로부터의 간섭을 받지 않아도 된다.
또, 안테나를 이용한 종래의 전파 통신에서는 방사 전계의 전계 강도가 거리에 반비례하는데 대하여, 유도 전계에서는 전계 강도가 거리의 2승에, 정전계에서는 전계 강도가 거리의 3승에 반비례하여 감쇠하기 때문에, 전계 결합에 의거하는 통신 방식에 의하면, 근린에 존재하는 다른 무선 시스템에 있어서 노이즈·레벨 정도가 되는 미약 무선을 구성할 수 있고, 무선국의 면허를 받을 필요는 없어진다.
또한, 시간적으로 변동하는 정전계를 「준정전계」라고 부르기도 하지만, 본 명세서에서는 이것을 포함하여 「정전계」로 통일하여 칭하기로 한다.
종래의 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 통신으로는, 저주파 신호를 이용하기 때문에 대량의 데이터 전송에는 적합하지 않다. 이것에 대하여, 본 발명에 관 계되는 통신 시스템으로는, 고주파 신호를 전계 결합으로 전송함으로써, 대용량 전송이 가능하다. 구체적으로는, UWB(Ultra Wide Band) 통신과 같이 고주파, 광대역을 사용하는 통신 방식을 전계 결합에 적용함으로써, 미약 무선인 것과 동시에, 대용량 데이터 통신을 실현할 수 있다.
UWB통신은, 3.1GHz ~ 10.6GHz라고 하는 매우 넓은 주파수대역을 사용하고, 근거리이면서 100Mbps 정도의 대용량의 무선 데이터 전송을 실현할 수 있다. UWB통신은, 본래, 안테나를 이용한 전파 통신 방식으로서 개발된 통신기술이며, 예를 들면, IEEE 802.15.3 등에 있어서, UWB통신의 액세스 제어 방식으로서, 프리엠블을 포함한 패킷 구조의 데이터 전송 방식이 고안되어 있다. 또, 미 인텔사는, UWB의 어플리케이션으로서, PC전용의 범용 인터페이스로서 보급되어 있는 USB의 무선판을 검토하고 있다.
또, UWB통신은, 3.1GHz ~ 10.6GHz라고 하는 전송 대역을 점유하지 않아도 100Mbps를 넘는 데이터 전송이 가능한 것이나 RF회로의 만들기 쉬움을 고려하여, 3.1 ~ 4.9GHz의 UWB로우 밴드를 사용한 전송 시스템도 개발이 번성하다. 본 발명자들은, UWB로우 밴드를 이용한 데이터 전송 시스템을, 모바일 기기에 탑재하는 유효한 무선통신 기술의 하나로 생각하고 있다. 예를 들면, 스토리지·디바이스를 포함한 초고속인 근거리용의 DAN(Device Area Network) 등, 근거리 지역에 있어서의 고속 데이터 전송을 실현하는 것이 가능하다.
본 발명자들은, 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 UWB통신 시스템에 의하면, 미약 전계에 의한 데이터 통신이 가능함과 동시에, 예를 들면 동화상이나 CD 1장 분의 음악 데이터라고 하는 대용량의 데이터를 고속 또는 단시간에 전송할 수 있다, 라고 생각하고 있다.
도 1에는, 정전계 혹은 유도 전계를 이용한 비접촉 통신 시스템의 구성 예를 나타내고 있다. 도시(圖示)의 통신 시스템은, 데이터 송신을 실시하는 송신기(10)와, 데이터 수신을 실시하는 수신기(20)로 구성된다. 동 도면에 나타낸 바와 같이 송수신기 각각의 고주파 결합기를 서로 마주 보게 하여 배치하면, 2개의 전극이 1개의 콘덴서로서 동작하고, 전체적으로 밴드 패스·필터와 같이 동작하기 때문에, 2개의 고주파 결합기의 사이에서 효율적으로 고주파 신호를 전달할 수 있다.
송신기(10) 및 수신기(20)가 각각 가지는 송수신용의 전극(14 및 24)은, 예를 들면 3cm정도 이간하여 대향해서 배치되며, 전계 결합이 가능하다. 송신기 측의 송신 회로부(11)는, 상위 어플리케이션으로부터 송신 요구가 생기면, 송신 데이터에 의거하여 UWB신호 등의 고주파 송신 신호를 생성하고, 송신용 전극(14)으로부터 수신용 전극(24)으로 신호가 전반한다. 그리고 수신기(20) 측의 수신 회로부(21)는, 수신한 고주파 신호를 복조 및 복호 처리하여, 재현한 데이터를 상위 어플리케이션에 건네준다.
UWB통신과 같이 고주파, 광대역을 사용하는 통신 방식에 의하면, 근거리에 있어서 100Mbps 정도의 초고속 데이터 전송을 실현할 수 있다. 또, 전파 통신이 아니고 전계 결합에 의하여 UWB통신을 실시하는 경우, 그 전계 강도는 거리의 3승 혹은 2승에 반비례하기 때문에, 무선설비로부터 3미터의 거리에서의 전계 강도(전 파의 힘)가 소정 레벨 이하로 억제함으로써 무선국의 면허가 불필요하게 되는 미약 무선으로 하는 것이 가능하고, 염가로 통신 시스템을 구성할 수 있다. 또, 전계 결합 방식에 의하여 초 근거리로 데이터 통신을 실시하는 경우, 주변에 존재하는 반사물에 의하여 신호의 질이 저하하지 않고, 전송로 상에서 해킹의 방지나 은닉성의 확보를 고려할 필요가 없다, 고하는 이점이 있다.
한편, 파장에 대한 전반거리의 크기에 따라서 전반적인 손해가 커지기 때문에, 전계 결합에 의하여 고주파 신호를 전반 할 때에는, 전반적인 손해를 충분히 낮게 억제할 필요가 있다. UWB신호와 같이 고주파수의 광대역 신호를 전계 결합으로 전송하는 통신 방식으로는, 3cm정도의 초 근거리 통신이어도, 사용 주파수대 4GHz에 있어서는 약 2분의 1 파장에 상당하기 때문에, 무시할 수 없는 길이이다. 특히, 고주파 회로에서는, 저주파 회로에 비하면 특성 임피던스의 문제는 보다 심각하고, 송수신기의 전극 간의 결합점에 있어서 임피던스 부정합에 의한 영향은 표면화한다.
kHz 혹은 MHz대의 주파수를 사용한 통신에서는, 공간에서의 전반적인 손해가 작기 때문에, 도 12에 나타낸 바와 같이 송신기 및 수신기가 전극만으로 이루어지는 결합기를 갖추고, 결합 부분이 단순하게 평행 평판 콘덴서로서 동작하는 경우여도, 소망의 데이터 전송을 실시할 수 있다. 그렇지만, GHz대의 고주파를 사용한 통신에서는, 공간에서의 전반적인 손해가 크기 때문에, 신호의 반사를 억제하고, 전송 효율을 향상시킬 필요가 있다. 도 13에 나타낸 바와 같이, 송신기 및 수신 기의 각각에 있어서 고주파 신호 전송로가 소정의 특성 임피던스(Z0)에 조정되어 있다고 해도, 평행 평판 콘덴서로 결합한 것 만으로는, 결합부에 있어서 임피던스·매칭을 취할 수 없다. 이 때문에, 결합부에 있어서의 임피던스 부정합 부분에 있어서, 신호가 반사함으로써 전반적인 손해가 생겨 버리고, 효율이 저하한다.
예를 들면, 도 1에 나타낸 정전 자계를 이용한 UWB통신 시스템에 있어서, 송신 회로부(11)와 송신용 전극(14)을 묶는 고주파 신호 전송로는 예를 들면 50Ω의 임피던스 정합이 취해진 같은 축 선로였다고 해도, 송신용 전극(14)과 수신용 전극(24) 간의 결합부에 있어서의 임피던스가 부정합이라면, 신호는 반사하여 전반적인 손해를 일으킨다.
그래서, 본 실시 형태에서는, 송신기(10) 및 수신기(20)의 각각 배치되는 고주파 결합기를, 도 2에 나타내는 바와 같이, 평판 모양의 전극(14,24)과, 직렬 인덕터(12,22), 병렬 인덕터(13,23)를 고주파 신호 전송로에 접속하여 구성하고 있다. 이러한 고주파 결합기를, 도 3에 나타낸 바와 같이 서로 마주 보게 하여 배치하면, 2개의 전극이 1개의 콘덴서로서 동작하고, 전체적으로서 밴드 패스·필터와 같이 동작하기 때문에, 2개의 고주파 결합기의 사이에서 효율적으로 고주파 신호를 전달할 수 있다. 여기에서 말하는 고주파 신호 전송로란, 동축 케이블, 마이크로 스트립 선로, 코프레이나 선로 등을 나타낸다.
여기에서, 송신기(10)와 수신기(20)의 전극간 즉 결합 부분에 있어서, 단지 임피던스·매칭을 취하고, 반사파를 억제하는 것만을 목적으로 한다면, 도 4a에 나 타낸 바와 같이, 각 결합기를 평판 모양의 전극(14,24)과, 직렬 인덕터(12,22), 병렬 인덕터(13,23)를 고주파 신호 전송로에 접속하여 구성할 필요는 없고, 도 4b에 나타낸 바와 같이 각 결합기를 평판 모양의 전극(14,24)과 직렬 인덕터를 고주파 신호 전송로에 접속한다고 하는 간소한 구조여도 좋다. 즉, 고주파 신호 전송로 상에 직렬 인덕터를 삽입하는 것만으로도, 송신기 측의 결합기에 대향하여 초 근거리로 수신기 측의 결합기가 존재하는 경우에 있어서, 결합 부분에 있어서의 임피던스가 연속적으로 되도록 설계하는 것은 가능하다.
단, 도 4b에 나타내는 구성 예에서는, 결합 부분의 전후에 있어서의 특성 임피던스에 변화는 없기 때문에 전류의 크기도 변함없다. 이것에 대하여, 도 4a에 나타낸 바와 같이, 고주파 신호 전송로 말단의 전극의 앞에 있어서 병렬 인덕턴스를 통하여 그라운드에 접속한 경우, 결합기 단체로서는, 결합기의 앞 측의 특성 임피던스(Z0)에 대하여, 결합기의 끝의 특성 임피던스(Z1)는 저하한다(즉 Z0＞Z1)라고 하는 임피던스 변환 회로로서의 기능을 갖춤으로써, 결합기의 입력 전류(I0)에 대하여 결합기의 출력 전류(I1)를 증폭하는(즉 I0＜I1) 일이 생긴다.
도 5a 및 도 5b에는, 병렬 인덕턴스를 설치한 경우와 설치하지 않는 경우의 결합기의 각각에 있어서, 전극 간의 전계 결합에 의하여 전계가 야기 되는 모습을 나타내고 있다. 동 도면으로부터도 결합기는 직렬 인덕터에 가세하여 병렬 인덕터를 설치함으로써, 보다 큰 전계를 야기하고, 전극 간에 강하게 결합시키는 것을 이해할 수 있다. 또, 도 5a에 나타내는 바와 같이 전계 근방에 큰 전계를 야기했 을 때, 발생한 전계는 진행 방향으로 진동하는 종파로서 전극 면의 정면 방향으로 전반한다. 이 전계의 물결에 의하여, 전극 간의 거리가 비교적 큰 경우여도 전극 간에 신호를 전반 하는 것이 가능하게 된다.
따라서, UWB신호 등의 고주파 신호를 전계 결합에 의하여 전송하는 통신 시스템에서는, 고주파 결합기로서 필수의 조건은 이하와 같게 된다.
(1) 전계로 결합하기 위한 전극이 있는 것.
(2) 보다 강한 전계로 결합시키기 위한 병렬 인덕터가 있는 것.
(3) 통신에 사용하는 주파수대에 있어서, 결합기를 서로 마주 보게 놓아두었을 때에 임피던스·매칭이 취해지도록, 인덕터 및 전극에 의한 콘덴서의 정수가 설정되어 있는 것.
도 3에 나타낸 바와 같이 전극이 대향하는 1조의 고주파 결합기로부터 이루어지는 밴드 패스·필터는, 직렬 인덕터와 병렬 인덕터의 인덕턴스, 전극에 의하여 구성되는 콘덴서의 커패시턴스에 의하여, 그 통과 주파수(f0)를 결정할 수 있다. 도 6에는, 1조의 고주파 결합기로부터 이루어지는 밴드 패스·필터의 등가 회로를 나타내고 있다. 특성 임피던스 R［Ω］, 중심 주파수(f0)［Hz］, 입력 신호와 통과 신호의 위상차이를 α［라디안］(π＜α＜2π), 전극에 의하여 구성되는 콘덴서의 커패시턴스를 C／2로 하면, 밴드 패스·필터를 구성하는 병렬 및 직렬 인덕턴스(L1, L2)의 각 정수는, 사용 주파수(f0)에 따라서 아래 식에서 구할 수 있다.
Figure 112007058159313-PAT00001
또, 결합기 단체로서 임피던스 변환 회로로서 기능하는 경우, 그 등가 회로는 도 7에 나타낸 대로 이루어진다. 도시의 회로도에 있어서, 아래 식을 채우는 바와 같이, 사용 주파수(f0)에 따라서 병렬 인덕턴스(L1) 및 직렬 인덕턴스(L2)를 각각 선택함으로써, 특성 임피던스를 (R1)부터 (R2)로 변환하는 임피던스 변환 회로를 구성할 수 있다.
Figure 112007058159313-PAT00002
이와 같이, 도 1에 나타낸 비접촉 통신 시스템에서는, UWB통신을 실시하는 통신기는, 종래의 전파 통신 방식의 무선 통신기에 있어서 안테나를 사용하는 대신에, 도 2에 나타낸 고주파 결합기를 이용함으로써, 종래에 없는 특징을 가진 초 근 거리 데이터 전송을 실현할 수 있다.
도 3에 나타낸 바와 같이, 초 근거리를 멀리하여 서로의 전극이 대향하는 2개의 고주파 결합기는, 소망한 주파수대의 신호를 통과하는 밴드 패스·필터로서 동작함과 동시에, 단체의 고주파 결합기로서는 전류를 증폭하는 임피던스 변환 회로로서 작용한다. 한편, 고주파 결합기가 자유 공간에 단독으로 놓여질 때, 고주파 결합기의 입력 임피던스는 고주파 신호 전송로의 특성 임피던스와 일치하지 않기 때문에, 고주파 신호 전송로로 들어간 신호는 고주파 결합기 내에서 반사되며, 외부에 방사되지 않는다.
따라서, 본 실시 형태에 관계되는 통신 시스템에서는, 송신기 측에서는, 통신을 실시해야 할 상대가 없을 때에는, 안테나와 같이 전파를 흘려 보내지 않고, 통신을 실시해야 할 상대가 가까워져 각각의 전극이 콘덴서를 구성했을 때만, 도 3에 나타낸 바와 같이 인피던스 정합이 취해짐으로써, 고주파 신호의 전달이 실시된다.
여기에서, 송신기 측의 결합용 전극에 있어서 발생하는 전자계에 대하여 고찰해 본다. 도 18에는, 미소(微小) 다이 폴(dipole)에 의한 전자계를 나타내고 있다. 또, 도 19에는, 이 전자계를 결합용 전극 위에 매핑(mapping) 하고 있다. 도시하는 바와 같이 전자계는, 전반방향과 수직인 방향으로 진동하는 전계 성분(횡파 성분)(Eθ)과, 전반방향과 평행한 방향으로 진동하는 전계 성분(종파 성분)(ER)으로 대별된다. 또, 미소 다이 폴 회전에는 자계(Hφ)가 발생한다. 아래 식은 미소 다이 폴에 의한 전자계를 나타내고 있지만, 임의의 전류 분포는 이러한 미소 다이 폴의 연속적인 모임으로서 생각되기 때문에 거기에 의하여 유도되는 전자계에도 같은 성질이 있다(예를 들면, 무시아케 야스히토저 「안테나·전파 전반」(코로나사, 16페이지 ~ 18페이지)을 참조).
Figure 112007058159313-PAT00003
위 식으로부터 알 수 있듯이, 전계의 횡파 성분은, 거리에 반비례하는 성분(방사 전계)과, 거리의 2승에 반비례하는 성분(유도 전계)과, 거리의 3승에 반비례하는 성분(정전계)으로 구성된다. 또, 전계의 종파 성분은, 거리의 2승에 반비례하는 성분(유도 전계)과, 거리의 3승에 반비례하는 성분(정전계)만으로 구성되며, 방사 전자계의 성분을 포함하지 않는다. 또, 전계(ER)는,｜cosθ｜=1이 되는 방향, 즉 도 18중의 화살표 방향에서 최대가 된다.
무선 통신에 있어서 넓게 이용되어 있는 전파 통신으로는, 안테나로부터 방사되는 전파는 그 진행 방향과 직교 방향으로 진동하는 횡파(Eθ)이고, 전파는 편파 의 방향이 직교하면 통신할 수 없다. 이것에 대하여, 정전계나 유도 전계를 이용한 통신 방식에 있어서 결합 전극으로부터 방사되는 전자파는, 횡파(Eθ)외에, 진행 방향으로 진동하는 종파(ER)를 포함한다. 종파(ER)는 「표면파」라고도 불린다. 또한, 표면파는, 도체나, 유전체, 자성체 등의 매체의 내부 및 표면을 통하여 전반 할 수도 있다.
전자계를 이용한 전송파 중 위상 속도(ｖ)가 광속(c)보다 작은 것을 지파, 큰 것을 속파라고 한다. 표면파는 전자의 지파에 상당한다.
비접촉 통신 시스템에서는, 방사 전계, 정전계, 유도 전계의 어느 성분을 매개로서 신호를 전달할 수도 있다. 그렇지만, 거리에 반비례하는 방사 전계는 비교적 멀리 있는 다른 시스템으로의 방해파가 될 우려가 있다. 이 때문에, 방사 전계의 성분을 억제하는 것, 바꾸어 말하면, 방사 전계의 성분을 포함한 횡파(Eθ)를 억제하면서, 방사 전계의 성분을 포함하지 않는 종파(ER)를 이용한 비접촉 통신이 바람직하다.
또한, 상술한 관점으로부터, 본 실시 형태와 관계되는 고주파 결합기에서는, 이하와 같은 궁리를 하고 있다. 우선, 전자계를 나타낸 상기의 식 3에서,θ=0˚라고 하는 관계를 가지는 경우에, Eθ=0이 되고, 한편, (ER)성분이 극대치를 받는 것을 안다. 즉, (Eθ)는 전류가 흐르는 방향에 대하여 수직인 방향으로 최대가 되며, (ER)은 전류가 흐르는 방향과 평행한 방향으로 최대가 된다. 따라서, 전극면 에 대하여 수직인 정면 방향의 (ER)을 최대로 하려면, 전극에 대하여 수직인 방향의 전류 성분을 크게 하는 것이 바람직하다. 한편, 전극의 중심으로부터 급전점을 오프셋시켰을 경우에는, 이 오프셋에 기인하고, 전극에 대하여 평행한 방향에 대한 전류 성분이 증가한다. 그리고, 이 전류 성분에 따라서 전극의 정면 방향의 (Eθ)성분이 증가해 버린다. 이 때문에, 본 실시 형태와 관계되는 고주파 결합기에서는, 도 14a에 나타내는 바와 같이 전극의 약 중심 위치에 급전점을 설치하고(후술), (ER)성분이 최대가 되도록 하는 것이다.
물론, 구래(舊來)의 안테나에서도 방사 전계 뿐만이 아니라, 정전계나 유도 전계가 발생하고, 송수신 안테나를 근접시키면 전계 결합이 일어나지만, 에너지의 상당수는 방사 전계로서 방출되며, 비접촉 통신으로서는 효율적이 아니다. 이것에 대하여, 도 2에 나타낸 고주파 결합기는, 소정의 주파수에 있어서 보다 강한 전계(ER)를 만들어 전송 효율을 높이도록, 결합용 전극 및 공진부가 구성되어 있다.
도 2에 나타낸 고주파 결합기를 송신기 측에서 단독으로 사용했을 경우, 결합용 전극의 표면에는 종파의 전계 성분(ER)이 발생하지만, 방사 전계를 포함한 횡파 성분(Eθ)은 (ER)에 비해 작기 때문에, 전파는 거의 방사되지 않는다. 즉, 근린의 타 시스템으로의 방해파를 발생하지 않는다. 또, 고주파 결합기에 입력된 신호의 대부분이 전극에서 반사하여 입력단으로 돌아온다.
이것에 대하여, 1조의 고주파 결합기를 사용했을 경우, 즉 송수신기간에 고 주파 결합기를 근거리에 배치되었을 때에는, 결합용 전극끼리가 주로 준정전계 성분에 의하여 결합하여 1개의 콘덴서와 같이 일하고, 밴드 패스·필터와 같이 동작하고, 임피던스·매칭이 취해진 상태로 되어 있다. 따라서, 통과 주파수대에서는 신호·전력의 대부분은 상대방에게 전송되며, 입력단으로의 반사는 적다. 여기에서 말하는 「근거리」는 파장(λ)에 의하여 정의되며, 결합용 전극간의 거리(d)가 d≪λ／2π인 것에 상당한다. 예를 들면, 사용 주파수(f0)가 4GHz이면 전극간 거리가 10mm이하일 때이다.
또, 송수신기 사이에서 고주파 결합기를 중거리에 배치했을 때에는, 송신기 측의 결합용 전극의 주위에는, 정전계는 감쇠하고, 주로 유도 전계로부터 이루어지는 전계(ER)의 종파가 발생한다. 전계(ER)의 종파는, 수신기 측의 결합용 전극으로 수취되며, 신호가 전송된다. 단, 양 결합기를 근거리에 배치했을 경우와 비교하면, 송신기 측의 고주파 결합기에서는, 입력된 신호가 전극으로 반사하여 입력단으로 돌아오는 비율이 높아진다. 여기에서 말하는 「중거리」는 파장(λ)에 의하여 정의되며, 결합용 전극간의 거리(d)가 λ／2π의 1 ~ 수배 정도이고, 사용 주파수(f0)가 4GHz 이면 전극간 거리가 10 ~ 40mm 때이다.
도 8에는, 도 2에 나타낸 고주파 결합기의 실제의 구성 예를 나타내고 있다. 도시(圖示)의 예에서는 송신기(10) 측의 고주파 결합기를 나타내고 있지만 수신기(20) 측에서도 동일하게 구성된다. 동 도면에 있어서, 전극(14)은 원주상의 유전체(15)의 표면에 배설되며, 프린트 기판(17)상의 고주파 신호 전송로와는 이 유 전(15) 체내를 관삽하는 스루홀(16)을 통하여 상기적으로 접속되어 있다.
도시의 고주파 결합기는, 예를 들면, 소망의 높이를 가지는 원주상의 유전체에 스루홀을 형성한 후, 이 원주의 상단면에 결합용 전극이 되어야 할 도체 패턴을 형성함과 동시에, 스루홀 중에 도체를 충전시키고, 또한 프린트 기판상에 이 유전체를 리플로우(reflow) 반전 등에 의하여 실장함으로써 제작할 수 있다.
여기에서, 프린트 기판(17)의 회로 실장면부터 결합용 전극(14)까지의 높이, 즉 스루홀(16)의 길이를 사용 파장에 따라서 적당하게 조정함으로써, 스루홀(16)이 인덕턴스를 가지고, 도 2에 나타낸 직렬 인덕터(12)로 대용할 수 있다. 고주파신호전송로는 칩 형의 병렬 인덕터(13)를 통하여 그라운드(18)에 접속되어 있다.
유전체(15)와 스루홀(16)은, 결합용 전극(14)과 그라운드(18)와의 결합을 회피하는 역할과, 직렬 인덕터를 형성하는 역할을 겸비하고 있다. 프린트 기판(17)의 회로 실장면부터 전극(14)까지 충분한 높이를 취하고 직렬 인덕터(12)를 구성함으로써, 그라운드(18)와 전극(14)의 전계 결합을 회피하고, 고주파 결합기로서의 기능(즉, 수신기 측의 고주파 결합기와의 전계 결합 작용)을 확보한다. 단, 유전체(15)의 높이가 크고, 즉 프린트 기판(17)의 회로 실장면부터 전극(14)까지의 거리가 사용 파장에 대하여 무시할 수 없는 길이가 되면, 직렬 인덕터(12) 즉 공진부는 안테나로서 작용하고, 그 내부를 흐르는 전류에 의하여 불필요한 전파를 방출한다고 하는 폐해가 있다. 이 경우, 고주파 결합기의 공진부에 있어서의 안테나로서의 행동에 의한 방사 전파는 거리에 대한 감쇠가 정전계나 유도 전계보다 작기 때문에, 무선설비로부터 3미터의 거리에서의 전계 강도가 소정 레벨 이하가 되는 미약 무선에 억제하는 것이 곤란하게 된다. 따라서, 유전체(15)의 높이는, 그라운드(18)와의 결합을 회피하고 고주파 결합기로서의 특성을 충분히 얻는 것으로, 임피던스·매칭 회로로서 작용하기 때문에 필요한 직렬 인덕터를 구성함으로써, 이 직렬 인덕터에 흐르는 전류에 의한 불필요 전파의 방사가 커지지 않는(즉 직렬 인덕터로부터 이루어지는 공진부의 안테나로서의 작용이 커지지 않는다) 정도인 것이 조건이 된다.
일반적으로, 금속은 안테나의 효율적인 전파의 방사를 방해하기 때문에, 안테나의 방사 엘리먼트의 근방에 그라운드 등의 금속을 배치할 수 없다. 이것에 대하여, 본 실시 형태와 관계되는 통신 시스템에서는, 고주파 결합기는 전극(14)의 이면 측에 금속을 배치해도 특성이 악화되지 않는다. 또, 직렬 인덕터(12)로 병렬 인덕터(13)의 정수를 적당하게 선택함으로써, 종래의 안테나보다 소형으로 만들 수 있다. 또, 정전 자계는 안테나와 같이 편파를 가지지 않기 때문에, 방향이 바뀌어도 일정한 통신 품질을 확보할 수 있다.
또, 안테나는 거리에 반비례하여 감쇠하는 방사 전계를 통하여 신호의 전달을 실시한다. 이것에 대하여, 본 실시 형태와 관계되는 고주파 결합기는, 주로 거리의 2승에 반비례하여 감쇠하는 유도 전계 및 거리의 3승에 반비례하여 감쇠하는 정전계를 통하여 신호의 전달을 실시한다. 특히 정전계는, 전극간의 거리가 커지면 급격하게 전기적인 결합이 저하하여 통신을 실시할 수 없게 되지만, 이것은 초 근거리에 있어서 미약 전계를 이용한 통신에 적절해 있는 것을 의미한다.
도 15 및 도 16에는, 2개의 고주파 결합기를 대향시켜 배치하고, 결합용 전 극간의 거리를 바꾸었을 때의 S파라미터의 실측치를 나타내고 있다. S파라미터는, 송신측으로부터 방사된 신호가 수신측에서 반사하여 돌아오는 반사 특성(S11)에 상당하는 VSWR(Voltage Standing Wave Ratio)과, 송신측으로부터 방사된 신호가 수신 측에 도달할 때까지의 전반적인 손해(S21)로부터 이루어지며, 도 15 및 도 16에 각각을 나타내고 있다. 단, 고주파 결합기의 그라운드의 사이즈를 17mm×17mm로 하고, 결합용 전극의 사이즈를 8mm×8mm로 하고, 전극 높이(금속선 길이)를 4mm로서 직렬 인덕터와 대용하고, 병렬 인덕턴스를 1.8nH로 했다.
일반적으로, VSWR는 2 이하인 것이 추천된다. 도 15로부터, 4GHz대에서 동작하는 고주파 결합기에 대하여, 송수신간 거리가 10mm이하 일 때 VSWR이 작은 값이 되어 임피던스·매칭이 취해져 있는 것이 판단된다. 이 때, 고주파 결합기의 결합용 전극끼리가 주로 정전계에 의하여 결합하고 1개의 콘덴서와 같이 동작하고 있다고 생각된다. 한편, 송수신간 거리가 10mm이상 일 때에는, VSWR은 비교적 큰 값을 취하고, 임피던스·매칭은 취하지 않는다. 이 때, 2개의 고주파 결합기는 주로 종파의 유도 전계에 의하여 신호를 전달하고 결합하고 있다고 생각된다.
또, 도 9에는, 안테나, 결합기(병렬 인덕터가 있는 경우), 결합기(병렬 인덕터가 없는 경우)를 각각 서로 마주 보게 두고, 거리를 바꾸면서 전반적인 손해를 측정한 결과의 비교를 나타내고 있다.
안테나는 거리가 커져도 결합기(병렬 인덕터임)에 비하여 전반적인 손해가 커지지 않기 때문에, 다른 무선 시스템으로의 방해 신호가 되어 버릴 가능성이 있 다. 또, 병렬 인덕터를 가지지 않는 결합기에서는, 전반적인 효율이 나쁘고, 통신 상대가 근처에 있는 경우여도 전반적인 손해가 크다.
이것에 대하여, 결합기(병렬 인덕터임)는, 거리 1cm정도까지의 근거리에서는 강하게 결합하고 전반적인 손해가 작아지고 있지만, 거리가 커지는 것에 따라 급격하게 감쇠하고, 주위에의 간섭을 일으키지 않는 것 같은 특성으로 되어 있다. 따라서, 고주파 결합기가 병렬 인덕터를 갖춤으로써, 고주파 결합기의 결합용 전극끼리를 지근 거리에서 대향시켰을 때에, 사용 주파수대에 있어서 임피던스·매칭을 취할 수 있고, 또, 보다 강한 전계에서 결합기끼리가 서로 결합한다고 말할 수 있다.
또한, 고주파 결합기의 전극은, 동축 케이블, 마이크로 스트립 선로, 코프레이나(coplanar) 선로라고 하는 고주파 전송 선로에 접속되어 있다. 본 명세서에서 말하는 「고주파 결합기」는, 고주파 회로 특유의 문제를 해결하는 것이다.
또, 고주파 결합기에서는, 전극의 중심으로 고주파 전송 선로(또는 직렬 인덕터)가 접속되는 것으로 한다. 왜냐하면, 전극의 중심으로 고주파 전송 선로를 접속함으로써, 전극 내에 균등하게 전류가 흘러 전극 정면으로 전극면과 거의 수직인 방향으로 불필요한 전파를 방사하지 않지만(도 14a를 참조), 전극의 중심으로부터 오프셋이 있는 위치에 고주파 전송 선로를 접속하면, 전극 내에 불균등인 전류가 흘러 마이크로 스트립·안테나와 같이 동작하여 불필요한 전파를 방사하여 버리기 때문이다(도 14b를 참조).
또, 전파 통신의 분야에서는, 도 17에 나타낸 바와 같이 안테나 소자의 선단 에 금속을 달고 정전 용량을 갖게하고, 안테나의 높이를 단축시키는 「용량장하형」의 안테나가 널리 알려져 있고, 언뜻 봐서 도 2에 나타낸 결합기와 구조가 유사하다. 여기에서, 본 실시 형태로 송수신기에 있어서 이용되는 결합기와 용량장하형안테나와의 상위에 대하여 설명해 둔다.
도 17에 나타낸 용량장하형 안테나는, 안테나의 방사 엘리멘트의 주위(B1) 및 (B2)방향으로 전파를 방사하지만, A방향은 전파를 방사하지 않는 널점(null point)이 된다. 안테나의 주위에 발생하는 전계를 상세하게 검토하면, 안테나로부터의 거리에 반비례하여 감쇠하는 방사 전계와, 안테나로부터의 거리의 2승에 반비례하여 감쇠하는 유도 전계와, 안테나로부터의 거리의 3승에 반비례하여 감쇠하는 정전계가 발생한다. 그리고, 유도 전계와 정전계는 방사 전계에 비하여 거리에 따라서 급격하게 감쇠하기 때문에, 통상의 무선 시스템에서는 방사 전계에 대하여 논의되며, 유도 전계와 정전계는 무시되는 것이 많다. 따라서, 도 17에 나타내는 용량장하형 안테나여도, A의 방향으로 유도 전계와 정전계를 발생시키고 있지만, 공기 중에서 신속하게 감쇠하기 때문에, 전파 통신에서는 적극적으로는 이용되어 있지 않다.
도 8에는, 도 1에 나타낸 통신 시스템에 적용할 수 있는 고주파 결합기의 구성 예를 나타냈다. 단, 고주파 결합기의 구성 방법은 이것으로 한정되는 것은 아니다.
예를 들면, 고주파 결합기의 전극 부분을 금속판 가공에 의하여, 간이 또는 염가로 제작할 수 있다. 도 20 ~ 도 22에는, 그 제작 방법을 도해(圖解)하고 있다.
각 도면에 있어서, 동(銅) 등으로 이루어지는 금속판에 우선 구멍을 뚫어 가공을 실시하고, 결합용 전극이 되는 부분과, 결합용 전극과 고주파 신호선을 접속하는 다리가 되는 부분을 형성한다.
계속하여, 접어 구부려서 가공을 실시하고, 결합용 전극 부분에 대하여 각부(脚部)를 거의 수직으로 굴곡 시켜 소망의 높이를 형성한다. 여기에서 말하는 소망의 높이란, 결합용 전극 부분과 그라운드와의 결합을 회피하는 역할과, 이 각부가 직렬 인덕터를 형성하는 역할을 겸비할 수 있는 치수에 상당한다.
이와 같이 하여 완성된 결합용 전극을, 예를 들면 프린트 기판상의 해당하는 장소에 지그(도시하지 않음) 등으로 고정하고, 리플로우 반전 등에 의하여 고정하면 좋다.
또한, 직렬 인덕터로서 작용하는 각부의 개수는, 예를 들면, 도 20 및 도 22에 나타낸 바와 같이 2개여도, 도 21에 나타낸 바와 같이 1개여도, 혹은 3개 이상이어도 좋다.
혹은, 신호선, 공진부 및 결합용 전극을 동일 기판상의 배선 패턴으로서 형성하는 것에 의하여, 고주파 결합기를 간단하고 쉽게 제작할 수 있다. 도 23에는 그 일례를 나타내고 있다. 단, 결합용 전극의 뒤에 그라운드가 겹치지 않도록 배치한다. 도시의 고주파 결합기는, 결합이 약하고, 대역이 좁다고 한 듯한, 입체형의 고주파 결합기에 비하면 특성에서 뒤떨어지는 점도 있지만, 제조 코스트나 소형 화(박형화)라고 하는 점에서 메리트가 있다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 관계되는 통신 시스템에 의하면, 정전계 혹은 유도 전계의 특징을 이용하여, UWB신호의 고속 통신을 실시할 수 있다. 또, 통신 거리에 따라서 정전계 혹은 유도 전계의 결합력이 현저하게 감쇠하는 것으로부터, 상정 외의 상대에게 정보가 해킹 되는 것을 막아 은닉성을 확보할 수 있다. 또, 접속하고 싶은 통신 상대에게 물리적으로 가까워져 정보의 교환을 실시함으로써, 사용자에게 있어서 직감적으로 통신 상대를 선택할 수 있다. 본 실시 형태에와 관계되는 통신 시스템은, 외부에 전파를 방사하지 않기 때문에, 다른 무선 시스템에 영향을 주지 않는다. 또, 외부로부터 비래(飛來)하는 전파를 받지 않기 때문에, 외래의 노이즈의 영향을 받아서 수신 감도가 저하할 것도 없다.
또, 본 실시 형태에 관계되는 통신 시스템에 의하면, 2개의 전극의 사이에 커패시턴스가 발생하면 통신이 가능하게 된다. 그리고, 정전계나 유도 전계는 방사 전파와는 상위하여 편파가 없기 때문에, 전극의 형태는 단조롭게 한정되지 않는다. 예를 들면, 전극을 도 10에 나타낸 바와 같이 구형으로 해도 좋고, 무선기의 디자인에 맞춰서 자유로운 형태에 설계해도 좋다. 도시의 예에서는, 반경(a)［ m］및 반경(b)［m］의 2개의 도체구 A 및 B가 거리(d)［m］만 멀리하고, 유전율(ε)［F／m］의 매체 중에 배치되어 있다(단, 2구체의 중심 간의 거리(d)는, A구 및 B구 각각의 반경(a 및 b)에 비하여 충분히 큰 것으로 한다. 이 때의 2구체 간의 정전 용량(C)은, 아래 식대로 된다.
Figure 112007058159313-PAT00004
구형의 전극이면, 대향하는 전극 간의 상대 위치 관계에 의존하지 않고, 안정된 전계 결합로를 얻을 수 있다. 또, 전극의 배면에 금속판을 배치할 수도 있기 때문에, 실장의 제약을 받지 않고 무선기 내의 자유로운 위치에 고주파 결합기를 둘 수 있다.
도 11에는, 고주파 결합기를 이용한 통신 시스템의 실시 예를 도해하고 있다. 휴대형의 무선기(100)의 전극(101)을 거치형의 무선기(200)의 전극(201)에 접근시킴으로써 전극 간이 전계 결합하고, 통신 동작이 개시한다. 휴대형의 무선기(100)는 펜형의 케이스로 구성되며, 그 선단부에 반구형의 전극(101)이 장착되어 있다. 따라서, 대향하는 거치형 무선기(200) 측의 전극(201)과의 상대 위치 관계에 의존하지 않고, 안정된 전계 결합로를 얻을 수 있다.
도시의 전계 결합을 이용한 초 근거리 통신 시스템에 대하여, UWB 등의 광대역인 무선통신 방식을 이용함으로써, 화상이나 동영상 등의 데이터를 단시간에 다운로드, 또는 업 로드할 수 있다.
또, 비접촉 IC카드와 조합한다고 하는 실시 형태도 생각할 수 있다. 이 경우, 개인 인증이나 과금을 실시함과 동시에, 음악, 동영상 등의 콘텐츠를 다운로드 하는 시스템을 구축할 수 있다.
지금까지는, 도 1에 나타낸 통신 시스템에 있어서, 1조의 고주파 결합기간에서 신호를 전송하는 구조에 대하여 설명해 왔다. 여기에서, 2개의 기기 사이에서 신호를 전송할 때 필연적으로 에너지의 이동을 수반함으로써, 이런 종류의 통신 시스템을 전력 전송에 응용하는 것도 가능하다. 상술한 바와 같이, 송신기 측의 고주파 결합기에서 발생한 전계(ER)는 표면파로서 공중을 전반하고, 수신기 측에서는 고주파 결합기에서 받은 신호를 정류·안정화하여 전력을 꺼낼 수 있다.
도 24에는, 도 1에 나타낸 통신 시스템을 전력 전송에 응용했을 때의 구성 예를 나타내고 있다.
도시의 시스템에서는, AC전원에 접속된 충상기와 무선 통신기를 접근함으로써, 그들에 내장하는 고주파 결합기를 통하여 비접촉으로 무선 통신기로의 송전, 및 충전을 실시한다. 단, 고주파 결합기는 전력 전송의 용도만으로 사용된다.
수전하는 고주파 결합기가 송전하는 고주파 결합기의 근처에 없을 때, 송전용의 고주파 결합기에 입력된 전력의 대부분은 반사하여 DC／AC 인버터 측에 돌아오기 때문에, 외부에 불필요한 전파를 방사하거나 필요 이상으로 전력을 소비하거나 하는 것을 억제할 수 있다.
또, 동 도면에서는 무선통신기로의 충전을 실시하는 예를 들었지만, 충전되는 측은 무선기에 한정하지 않고 예를 들면 음악 플레이어나 디지털카메라로의 비접촉 전력 전송을 실시하도록 해도 좋다.
또, 도 25에는, 도 1에 나타낸 통신 시스템을 전력 전송에 응용한 다른 구성 예를 나타내고 있다. 도시의 시스템은, 고주파 결합기와 표면파 전송 선로를 전력 전송과 통신에 겸용하여 사용하도록 구성되어 있다.
통신 및 송전을 실시하는 타이밍의 변환은 송신 회로부로부터 보내지는 통신·송(수)전 변환 신호에 의하여 실시한다. 예를 들면, 통신과 송전은 미리 결정된 주기에서 변환을 실시하도록 해도 좋다. 이 때, 충전 상태를 통신 신호에 가세하여 충전기 측에 피드백함으로써 송전 출력을 최적으로 유지할 수 있다. 예를 들면, 충전이 완료하면 그 정보를 충전기 측으로 보내고, 송전의 출력을 0으로 하도록 해도 좋다.
동 도면에 나타낸 시스템에서는, 충전기를 AC전원에 접속하도록 하여 구성되어 있지만, 그 밖에도 예를 들면, 전지가 적게 된 휴대 전화에 다른 휴대 전화로부터 전력을 나누어 주는 용도에 이용해도 좋다.
이상, 특정의 실시 형태를 참조하면서, 본 발명에 대하여 상세하게 풀이해 왔다. 그렇지만, 본 발명의 요지를 일탈하지 않는 범위에서 당업자가 이 실시 형태의 수정이나 대용을 해낼 수 있는 일은 자명하다.
본 명세서에서는, UWB신호를 전계 결합에 의하여 케이블 레스에서 데이터 전송하는 통신 시스템에 적용한 실시 형태를 중심으로 설명해 왔지만, 본 발명의 요지는 이것으로 한정되는 것은 아니다. 예를 들면, UWB통신 방식 이외의 고주파 신호를 사용하는 통신 시스템이나, 비교적 낮은 주파수 신호를 이용하여 전계 결합에 의하여 데이터 전송을 실시하는 통신 시스템에 대해서도, 똑같이 본 발명을 적 용할 수 있다.
또, 본 명세서에서는 1조의 고주파 결합기 사이에서 데이터 통신을 실시하는 시스템에 대하여 본 발명을 적용한 실시 형태를 중심으로 설명해 왔지만, 2개의 기기 사이에서 신호를 전송할 때에는 필연적으로 에너지의 이동을 수반하는 것으로부터, 이런 종류의 통신 시스템을 전력 전송에 응용하는 것도 당연하여 가능하다.
요컨데, 예시라고 하는 형태로 본 발명을 개시해 왔기 때문에, 본 명세서의 기재 내용을 한정적으로 해석해서는 안 된다. 본 발명의 요지를 판단하기 위해서는, 특허 청구의 범위를 참작해야 한다.
도 1은, 본 발명의 일실시 형태와 관계되는 통신 시스템의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 2는, 송신기 및 수신기의 각각에 배치되는 고주파 결합기의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 3은, 도 2에 나타낸 고주파 결합기의 전극끼리를 서로 마주 보게 하여 배치한 모습을 나타낸 도면이다.
도 4a는, 도 2에 나타낸 고주파 결합기의 단체에서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 4b는, 도 2에 나타낸 고주파 결합기의 단체에서의 특성을 설명하기 위한 도면이다.
도 5a는, 임피던스 변환기로서의 기능에 의하여 고주파 결합기가 전계를 야기하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 5b는, 임피던스 변환기로서의 기능에 의하여 고주파 결합기가 전계를 야기하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 6은, 1조의 고주파 결합기로 이루어지는 밴드 패스·필터의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 7은, 고주파 결합기 단체로서 구성되는 임피던스 변환 회로의 등가 회로를 나타낸 도면이다.
도 8은, 실제의 고주파 결합기의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 9는, 안테나, 결합기(병렬 인덕터가 있는 경우), 결합기(병렬 인덕터가 없는 경우)를 각각 서로 마주 보게 두고, 거리를 바꾸면서 전반적인 손해를 측정한 결과를 나타낸 도면이다.
도 10은, 고주파 결합기의 전극을 구형으로 형성한 예를 나타낸 도면이다.
도 11은, 고주파 결합기를 이용한 통신 시스템의 실시 예를 나타낸 도면이다.
도 12는, kHz 혹은 MHz대의 주파수를 사용한 통신에 있어서, 송신기 및 수신기가 전극만으로 이루어지는 결합기를 갖추고, 결합 부분이 단순하게 평행 평판 콘덴서로서 동작하는 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 13은, GHz대의 고주파를 사용한 통신에 있어서, 결합부에 있어서의 임피던스 부정합 부분에 있어서, 신호가 반사함으로써 전반적인 손해가 생기는 모습을 나타낸 도면이다.
도 14a는, 고주파 결합기의 전극의 중심에 고주파 전송 선로를 접속했을 때에 전극 내를 흐르는 전류의 모습을 나타낸 도면이다.
도 14b는, 고주파 결합기의 전극의 중심으로부터 오프셋이 있는 위치에 고주파 전송 선로를 접속했을 때에, 전극 내에 불균등인 전류가 흘러 불필요 전파를 방사하는 모습을 나타낸 도면이다.
도 15는, 2개의 고주파 결합기를 대향시켜 배치하고, 결합용 전극 간의 거리를 바꾸었을 때의 S파라미터(반사 특성：VSWR)의 실측치를 나타낸 도면이다.
도 16은, 2개의 고주파 결합기를 대향시켜 배치하고, 결합용 전극 간의 거리 를 바꾸었을 때의 S파라미터(전반적인 손해(S21))의 실측치를 나타낸 도면이다.
도 17은, 안테나 소자의 선단에 금속을 설치하고 정전 용량을 갖게하며, 안테나의 높이를 단축시키는 「용량장하형」(capacitance-loaded)의 안테나의 구성을 모식적으로 나타낸 도면이다.
도 18은, 전반방향과 평행한 방향으로 진동하는 전계 성분(종파 성분)(ER)을 나타낸 도면이다.
도 19는, 미소 다이 폴(dipole)에 의한 전자계를 결합용 전극상에 매핑한 모습을 나타낸 도면이다.
도 20은, 고주파 결합기의 전극 부분을 금속판 가공에 의하여 제작하는 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 21은, 고주파 결합기의 전극 부분을 금속판 가공에 의하여 제작하는 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 22는, 고주파 결합기의 전극 부분을 금속판 가공에 의하여 제작하는 방법의 일례를 나타낸 도면이다.
도 23은, 신호선, 공진부 및 결합용 전극을 동일 기판상의 배선 패턴으로서 형성함으로써 제작된 고주파 결합기의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 24는, 도 1에 나타낸 통신 시스템을 전력 전송에 응용했을 때의 구성 예를 나타낸 도면이다.
도 25는, 도 1에 나타낸 통신 시스템을 전력 전송에 응용한 다른 구성 예를 나타낸 도면이다.
<도면의 주요부분에 대한 부호의 설명>
10. 송신기 11. 송신 회로부
12. 직렬 인덕터 13. 병렬 인덕터
14. 송신용 전극 15. 유전체
16. 스루홀 17. 프린트 기판
18. 그라운드 20. 수신기
21. 수신 회로부 22. 직렬 인덕터
23. 병렬 인덕터 24. 수신용 전극

Claims (23)

  1. 데이터를 전송하는 고주파 신호를 생성하는 송신 회로부와, 이 고주파 신호를 정전계 혹은 유도 전계로서 송출하는 고주파 결합기를 갖춘 송신기와,
    고주파 결합기와, 이 고주파 결합기로 수신한 고주파 신호를 수신 처리하는 수신 회로부를 갖춘 수신기와,
    상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기 간에 있어서의 임피던스의 정합을 취하는 임피던스 정합부를 구비하고, 상기 송신기 및 수신기의 대향하는 고주파 결합기 간에 있어서의 전계 결합에 의해 상기의 고주파 신호를 전송하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  2. 제 1항에 있어서,
    상기의 고주파 신호는, 초광대역을 사용하는 UWB신호인 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  3. 제 1항에 있어서,
    상기 임피던스 정합부는, 상기 송신기 및 수신기의 고주파 결합기 간에 있어서 소망의 고주파 대역을 통과하는 밴드 패스·필터를 구성하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  4. 제 1항에 있어서,
    상기 고주파 결합기는, 상기 송신 회로부에서의 입력측의 특성 임피던스에 대하여 다른 쪽의 고주파 결합기에 대향하는 출력측의 특성 임피던스를 저하시키는 임피던스 변환을 행하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  5. 상기 송신기는, 상기 송신 회로부가 생성하는 고주파 신호를 전송하는 고주파 신호 전송로를, 임피던스 정합부를 통하여 상기 고주파 결합기의 전극의 거의 중앙에 접속하고,
    상기 수신기는, 상기 고주파 결합기의 전극의 거의 중앙에 있어서, 임피던스 정합부를 통하여, 상기 수신 회로부에 고주파 신호를 전송하는 고주파 신호 전송로를 접속하는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  6. 제 5항에 있어서,
    상기 임피던스 정합부는, 사용 파장에 의존하는 길이를 가지는 도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  7. 제 5항에 있어서,
    상기 임피던스 정합부는, 집중정수회로로 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 시스템.
  8. 데이터를 전송하는 고주파 신호의 처리를 실시하는 통신 회로부와,
    초 근거리를 멀리하여 대향하는 통신 상대와 전계 결합하기 위한 고주파 결합기를 갖추고,
    상기 고주파 결합기는, 상기의 초 근거리에 배치된 통신 상대와 전계 결합했을 때의 임피던스 정합이 취해지고 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  9. 제 8항에 있어서,
    상기 고주파 결합기는, 전극과, 직렬 인덕터, 병렬 인덕터를 고주파 신호 전송로에 접속하여 구성되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  10. 제 9항에 있어서,
    상기 고주파 결합기는, 초 근거리를 멀리하여 대향하는 통신 상대가 가지는 동일한 고주파 결합기와의 사이에서 소망의 고주파 대역을 통과하는 밴드 패스·필터를 구성하는 바와 같이, 상기의 병렬 및 직렬 인덕턴스(inductance)와 커패시턴스의 정수가 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  11. 제 9항에 있어서,
    상기 고주파 결합기는, 상기 통신 회로부와 접속되는 입력측의 특성 임피던스에 대하여 통신 상대에게 대향하는 출력측의 특성 임피던스가 저하하는 임피던스변환 회로를 구성하는 바와 같이, 상기의 병렬 인덕턴스 및 커패시턴스의 정수가 결정되는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  12. 제 9항에 있어서,
    상기 고주파 결합기를 구성하는 전극은, 상기 통신 회로부를 실장하는 프린트 기판상에 소정의 높이를 멀리하여 부착되어 있는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  13. 제 12항에 있어서,
    상기 소정의 높이는, 프린트 기판의 그라운드와의 전계 결합을 억제할 수 있는 거리이며, 임피던스 ·매칭을 실현하는 직렬 인덕터를 구성할 수 있는 거리이며, 이 직렬 인덕터에 흐르는 전류에 의한 불필요 전파의 방사가 커지지 않는 거리인 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  14. 제 9항에 있어서,
    상기 전극은 대략 반구형인 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  15. 상기 고주파 결합기간에 의해 전송된 상기 고주파 신호를 정류하고, 전력을 생성하는 전력 생성 수단을 더 갖추는 것을 특징으로 하는 통신 장치.
  16. 전계 결합에 의한 고주파 신호의 통신에 이용되는 고주파 결합기이며,
    전극과, 직렬 인덕터, 병렬 인덕터를 고주파 신호 전송로에 접속하여 구성되며,
    상기의 초 근거리에 배치된 통신 상대와 전계 결합했을 때의 임피던스 정합이 취해지고 있는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  17. 제 16항에 있어서,
    고주파 신호 전송로를, 직렬 인덕터, 병렬 인덕터를 통하여 전극의 거의 중앙에 접속하는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  18. 제 16항에 있어서,
    상기 직렬 인덕터, 상기 병렬 인덕터는, 사용 파장에 의존하는 길이를 가지는 도체로 구성되는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  19. 제 16항에 있어서,
    초 근거리를 멀리하여 대향하는 통신 상대가 가지는 동일한 고주파 결합기와의 사이에서 소망의 고주파 대역을 통과하는 밴드 패스·필터를 구성하는 바와 같이, 상기의 병렬 및 직렬 인덕턴스 및 커패시턴스의 정수가 결정되는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  20. 제 16항에 있어서,
    고주파 신호가 입력되는 입력측의 특성 임피던스에 대하여 통신 상대와 전계 결합하는 출력측의 특성 임피던스가 저하하는 임피던스 변환 회로를 구성하는 바와 같이, 상기의 병렬 인덕턴스 및 커패시턴스의 정수가 결정되는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  21. 제 16항에 있어서,
    상기 전극은, 프린트 기판상에 소정의 높이를 멀리하여 장착되는 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  22. 제 21항에 있어서,
    상기 소정의 높이는, 프린트 기판의 그라운드와의 전계 결합을 억제할 수 있는 거리이며, 임피던스·매칭을 실현하는 직렬 인덕터를 구성할 수 있는 거리이며, 이 직렬 인덕터에 흐르는 전류에 의한 불필요 전파의 방사가 커지지 않는 거리인 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
  23. 제 16항에 있어서,
    상기 전극은 대략 반구형인 것을 특징으로 하는 고주파 결합기.
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