TW201220737A - Communication device - Google Patents

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201220737 六、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關在最近距離中經由使用高頻寬頻帶之微 弱的UWB通訊方法來傳送大量資料之通訊裝置，且更特 別的是有關採用使用電場耦合之微弱的UWB通訊及確保 在該橫向方向上之可通訊範圍的通訊裝置。 【先前技術】 非接觸式通訊方法已被廣泛地使用作爲用於認證資訊 或諸如電子貨幣之另一價値資訊的媒體。近年來，非接觸 式通訊系統之新應用的範例亦包括大量資料傳送，諸如視 頻影像、音樂等之下載或串流。大量資料傳送也同樣藉由 單一使用者來予以完成，再者較佳以與先前技藝中之認證 及記賬處理相同的存取時間之槪念來予以完成，且因而其 需要增加通訊速率。 —般之RFID規格使用13.56 MHz頻帶，且爲接近型 (自〇至10公分）非接觸式雙向通訊，其採用電磁感應 作爲主要原理，但該通訊速率僅爲106 kbps至424 kbps 。相反地，作爲適用於高速通訊之接近型無線傳輸技術， 有 TransferJet (譬如，見日本專利第 4345849號及 www.transferjet.org/en/index.html (搜尋於 2010 年 3 月 2 日））。此接近型無線傳輸技術（Transfer Jet)採用使用 電場耦合作用的傳輸信號之方法，其中，該通訊裝置之高 頻耦合器包括處理高頻信號之通訊電路單元、設置成與地 201220737 面隔開某一高度之耦合電極、及有效地將高頻信號供應至 該耦合電極之共振單元》 使用微弱的UWB之接近型無線傳輸採用一基本原理 ’該基本原理主要使用不包括由耦合電極所產生的電場中 之輻射電場（梢後做說明）的縱向波分量ER，具有2至3 公分之通訊距離，不具有偏振波’該縱長方向及該橫向方 向上具有幾乎相同之面積，及具有接近半球狀之形狀的可 通訊範圍。爲此緣故，於施行資料傳送的通訊裝置之間， 其需要適當地使耦合電極面朝彼此及造成充分之電場耦合 而互相作用。 如果該接近型無線傳輸功能係以小尺寸來予以製成， 則其適合於內建使用，且譬如，其可被安裝在諸如個人電 腦或手提式電話之各種資訊裝置中。然而，如果該高頻耦 合器之耦合電極的尺寸被減少，特別是，會有該橫向方向 上之可通訊範圍減少的問題。譬如，如果指示高頻耦合器 被植入之部份的目標點記號被加至資訊裝置之殼體的表面 上，則使用者可方便地調整瞄準該目標點之位置。然而， 在該橫向方向上之可通訊範圍爲狹窄的情況中，當該等裝 置彼此接近時，會有一些情況，其中，該目標點被隱藏在 陰影中、自該橫向方向上之中心位置而移位且被接觸。 爲了升高該接近型無線傳輸功能之實用性，需要擴展 在該橫向方向上之可通訊範圍。然而，如果僅只增加該高 頻耦合器之耦合電極的尺寸’則在該耦合電極之表面上產 生駐波。再者，在該駐波之振幅被顛倒的部份中’具有不

-6- S 201220737 同極性之電荷被分佈，且具有不同極性的鄰近電荷互相抵 消彼此之電場，並藉以產生場強度爲強的地點和場強度爲 弱的地點。場強度爲弱的地點變成不靈敏點（零點），而 在該不靈敏點中，即使通訊對象之耦合電極接近該不靈敏 點，也難以獲得良好的電場耦合作用。 在另一方面，依據使用輻射電場之電波通訊方法，可 通訊範圍可被大幅地擴大。然而，對於指定通訊對象在裝 置正接近目標點之作用中沒有敏銳的可操作性。此外，必 須考慮防止駭客行爲或確保傳輸路徑之機密性。 【發明內容】 希望提供一種能夠以最接近的距離藉由使用高頻寬頻 帶之微弱的UWB通訊方法來傳送大量資料之優異的通訊 裝置。 也希望提供優異之高頻耦合器及通訊裝置，其採用沒 有偏振波之接近型無線傳輸並使用微弱的UWB，且能在 該橫向方向上確保足夠的可通訊範圍。 依據本發明的實施例，提供有一通訊裝置，包括通訊 電路單元，其處理發送資料之高頻信號；高頻信號傳輸路 徑，其被連接至該通訊電路單元；高頻耦合器，其接收該 高頻信號及輻射縱向波之感應電場信號；及天線，其接收 該高頻信號及輻射橫向波之輻射電磁場或電波信號。依據 本發明之實施例的高頻耦合器包括耦合電極，其被連接至 該傳輸路徑的一端及累積電荷；接地端，其被設置成面朝 201220737 該耦合電極及累積該電荷之反射影像電荷；共振單元，其 藉由將該耦合電極安裝在當供給該高頻信號時所產生之駐 波的電壓振幅變大之部份，增加流入該耦合電極之電流； 及支撐單元，其係由在該耦合電極之接近中心位置被連接 至該共振單元的金屬線所構成，其中，形成由線段所形成 之細微的偶極子，該線段將該耦合電極中所累積之該電荷 的中心連接至該接地端中所累積之該反射影像電荷的中心 ，並且其中，該縱向波之感應電場信號被輸出朝向設置成 面朝該耦合電極的通訊對象側之耦合電極，使得在該細微 的偶極子之方向上所形成的角度θ變得幾乎爲〇度。 依據本發明之實施例的高頻耦合器主要輻射該縱向波 之感應電場信號於該耦合電極之前側方向上，且該天線被 設置而使得該橫向波之輻射電磁場或電波信號擴展該高頻 耦合器在橫向方向上的可通訊範圍。 於該傳輸路徑中，各路徑之信號的總相位長度被調整 而使得用於該縱向波之感應電場信號的路徑及用於由該天 線所輻射之橫向波的輻射電磁場或電波信號的路徑爲同相 依據本發明之實施例的通訊裝置另包括將用於該高頻 信號之傳輸路徑選擇性地連接至該高頻耦合器或該天線的 其中之一的開關，其中，開關分集係藉由連接至該高頻耦 合器或該天線之具有較佳傳輸狀態者的連接來予以施行。 依據本發明之實施例的天線係由具有用以輻射該輻射 電磁場或該電波信號之長度的支撐單元之金屬線所形成。

S -8- 201220737 依據本發明之實施例的天線係由金屬件所形成’該金 屬件被安裝在由該耦合電極所輻射之該感應電場的方向上 〇 依據本發明之實施例的金屬件被形成爲具有線形形狀 ，且具有波長的一半之長度或該波長之半整數倍的長度， 且其本身獨立地共振作爲天線》 依據本發明之實施例的金屬件被形成爲具有環形形狀 ，且具有一個波長或該波長之整數倍的長度，且其本身獨 立地共振作爲天線。 依據本發明之實施例的金屬件被安裝在一地點，而在 該地點，自該耦合電極所輻射出之強大感應電場到達當該 金屬件共振時之電壓的振幅變得最大之部份。 依據本發明，有可能提供一優異的通訊裝置，其能夠 以接近的距離藉由使用高頻寬頻帶之微弱的UWB通訊方 法來傳送大量資料。 依據本發明，有可能提供一優異之通訊裝置，其採用 沒有偏振波之接近型無線傳輸並使用微弱的UWB，且能 在該橫向方向上確保足夠的可通訊範圍。 本發明，該通訊裝置係藉由組合輻射該縱向波之 胃應、電;場信號的高頻耦合器及輻射該橫向波之輻射電磁場 或電波信號的天線來予以組構，且藉此而有可能獲得適合 {共$用者調整瞄準該目標點之位置與在該橫向方向上擴展 的可通訊範圍。依據本發明之實施例的通訊裝置不只可實 現敏銳的可操作性，其中，通訊環繞該目標點及沒有偏振 -9- 201220737 波（亦即天線的方向上之相依）的可用性被穩定，同時由 於在該橫向方向上擴展之可通訊範圍，而且也可藉由緩和 瞄準該目標點之對齊的準確性來實現方便之接近型無線傳 輸。 依據本發明，經由用於遠處的天線之組合，用於近處 的高頻耦合器之可通訊範圍係擴展於該橫向方向上，且藉 此，普如當內建該等髙頻耦合器之資訊裝置彼此面對時， 即使使用者未正確地造成該目標點記號彼此接近，也有可 能施行穩定之通訊。 依據本發明，雖然該等信號係混合於由該高頻耦合器 所輻射之感應電場的範圍及該輻射電磁場之範圍彼此重疊 的區域中，但是因爲用於每一條路徑的信號之總相位長度 被調整，所以沒有該等信號由於彼此干擾而平衡之情況。 依據本發明，因爲開關分集係藉由連接至該高頻耦合 器與該天線之具有較佳傳輸狀態者的連接來予以施行，所 以信號係藉由該高頻耦合器或該天線來予以輻射。因此， 該等信號不被互相混合，且干擾能夠被防止。 依據本發明，該天線可藉由支撐該耦合電極及具有用 以輻射該輻射電磁場或橫向波的電波信號之長度的金屬線 來予以形成。因此，單一高頻耦合器具有輻射縱向波之感 應電場信號及輻射輻射電磁場或電波信號之組合功能，且 因而被使用於遠處之天線及被使用於近處的高頻耦合器可 被整合在單一模組中。 依據本發明，因爲該金屬件被安裝在藉由作爲天線之

S -10- 201220737 耦合電極所輻射的感應電場之方向上，被使用於 線及被使用於近處的高頻耦合器可被整合在單一 有可能藉由接收由該耦合電極所輻射之感應電場 電波而增加耦合強度。 依據本發明，因爲該金屬件具有導致共振之 金屬件本身可單獨作用（共振）成爲天線之輻射 依據本發明，因爲自該耦合電極所輻射出之 電場抵達當該金屬件共振時之電壓的振幅變得最 ，所以有可能在該金屬件內部造成電流。 本發明之其他目的、特色或優點將基於本發 例或所附圖面經由更詳細之敘述而變得明顯。 【實施方式】 其後，本發明之實施例將參考所附圖面而被 圖1槪要地顯示藉由使用電場耦合作用 UWB訊方法的接近型無線傳輸系統之組態。於 ，被使用於發送及接收之耦合電極14及24分別 發射器10及接收器20中，該發射器1〇及接收| 置成具有譬如約3公分（或所使用的頻帶中之波 一半）之間隙而彼此面對，並實現電場耦合。如 來自較高等級應用之發送請求，則該發射器側之 單元11基於該發送資料而產生諸如UWB信號之 信號，且所產生之信號當作電場信號而從發送電 遞至接收電極24。該接收器20之接收電路單元 遠處之天 模組中。 及再輻射 尺寸，該 元件。 強大感應 大之部份 明之實施 敘述。 之微弱的 該圖示中 被包括在 蓉20被設 長的大約 果接收到 發送電路 高頻發送 極 14傳 ;21將所 -11 - 201220737 接收到之高頻電場信號解調變及解碼，並將所再生之資料 送至該較高等級應用。 如果該UWB被使用於該接近型無線傳輸中，有可能 實現約100 Mbps之超高速資料傳輸。於該接近型無線傳 輸中，如同稍後所敘述者，並非輻射電場，而是使用靜電 場或感應電場耦合作用。因爲場強度係與距離之立方或平 方成反比，所以離無線設備在3公尺之距離內的場強度被 限制於預定的位準或更少，且因而該接近型無線傳輸系統 能夠施行用於無線電臺之授權所不需要之微弱的無線通訊 。因此，該接近型無線傳輸系統能夠以低成本來予以組構 。因爲資料通訊係藉由該接近型無線傳輸中之電場耦合方 法來予以施行，所以有優點，亦即，來自周邊反射物件的 反射波之數目小，因此有極少之來自干擾的影響，而且不 需要考慮駭客行爲之預防或確保傳輸路徑上之機密性。 於該無線通訊中，傳播損失係依相對於波長之傳播距 離而成比例地增加。像在該UWB信號中，於使用該高頻 寬頻帶信號之接近型無線傳輸中，約3公分之通訊距離相 當於該波長之大約一半。換句話說，該通訊距離不能夠被 漠視，即使其係最接近的，且需要將該傳播損失抑制至足 夠低的程度。特別是，在該高頻電路中之特性阻抗問題比 在該低頻電路中者更嚴重，且因而該發射器及該接收器的 電極間之耦合點上的阻抗失配之影響係明顯的。 替如，於圖1所示之接近型無線傳輸系統中，甚至當 用於該高頻電場信號的傳輸路徑（連接該傳輸電路單元

S -12- 201220737 11至該傳輸電極14)爲具有譬如50Ω之阻抗匹配的同軸 線時，如果該傳輸電極14與該接收電極24間之耦合部份 中的阻抗係失配的，則該電場信號被反射且因而發生傳播 損失。因而，使通訊效率降低。 因此，如圖2所示，分別被包括在該發射器1 0及該 接收器20中之高頻耦合器係經由分別包括板狀電極14及 24之共振單元 '串聯電感器12及22、及平行電感器13 及23而被連接至該高頻信號傳輸路徑。在此所敘述之高 頻信號傳輸路徑可包括同軸纜線、微帶線、共平面線等等 。如果該等高頻耦合器被設置成彼此面對，該耦合部份在 很接近之距離處用做爲帶通濾波器，其中，準靜電場係佔 優勢的，且因而能夠傳輸高頻信號。此外，甚至在感應電 場係佔優勢的且相對於該波長而不能被漠視的距離之處， 該高頻信號可經由該感應電場而被有效地傳輸於該二高頻 耦合器之間，而該感應電場產生自藉由電荷所形成之細微 的偶極子（稍後做敘述）與反射影像電荷，該等電荷分別 被累積在該耦合電極與該接地端中。 在此，於該發射器1 〇與該接收器2 0之間，亦即在該 耦合部份中，如果其僅爲挑取阻抗匹配及抑制反射波之目 的，即使使用其中該等板狀電極14及24與該等串聯電感 器12及22被串聯地連接在用於每一個耦合器的高頻信號 傳輸路徑上之簡單的結構，有可能作成一設計，而使得該 耦合部份中之阻抗係連續的。然而，在該耦合部份之前及 d之後的特性阻抗沒有變動，且因而該電流之振幅不會變動 ». -13- 201220737 。相反地，該等平行電感器13及23之安裝造成較大的電 荷被送至耦合電極14，且使強大的電場耦合作用被產生 於該等耦合電極14與24之間。當大電場係感應在該耦合 電極14之表面附近時，所產生之電場爲在進行方向（該 細微的偶極子之方向：稍後做敘述）上振盪之縱向波電場 信號，且自該耦合電極14之表面而傳播出。由於此電場 波，甚至當該等耦合電極1 4與24間之距離（相位長度） 係相當大時，該電場信號仍可被傳播。 總結上面敘述，在藉由該微弱的UWB通訊方法之接 近型無線傳輸系統中，該高頻耦合器具有之條件係如下》 (1) 有耦合電極，面朝接地端，而藉由電場來予以 耦合，該等電極係彼此隔開，且具有一相對於高頻信號之 波長而可被漠視的高度。 (2) 有共振單元，用以藉由較強大的電場而耦合。 (3) 在被使用於通訊中之頻帶中，當耦合電極被設 置成彼此相面對時，電容器之常數或偶極子部份（stub ) 之長度係藉由串聯及平行之電感器及該等耦合電極來予以 設定，以便挑取該阻抗匹配。 如果補償該上述條件（1 )，自該高頻耦合器之接地 端至該稱合電極的局度被設計爲該波長的二十分之一或更 少。當該耦合電極之高度增加時，亦即連接該耦合電極及 該共振單元之金屬線被加長，則自該金屬線於水平方向上 所輻射出之電波增加。 於圖1所示之接近型無線傳輸系統中，如果該發射器

S -14 - 201220737 ίο及該接收器20之耦合電極14及24以適當的距離而彼 此面對’則該二高頻耦合器用做爲允許在想要之高頻帶中 的電場信號通過的帶通過濾器，單一高頻耦合器用做爲放 大電流之阻抗轉換電路，且具有大振幅之電流流動至耦合 電極。在另一方面，當高頻耦合器獨立地位在自由空間中 時’因爲該高頻耦合器之輸入阻抗不匹配該高頻信號傳輸 路徑之特性阻抗，所以進入該高頻信號傳輸路徑之信號在 該高頻耦合器的內部被反射，並且未被朝外輻射出，且因 而對其附近出現之其他通訊系統沒有影響。也就是說，當 通訊對象不存在時，該發射器側不會釋放電波，不像在該 先前技術中之天線，且該阻抗匹配僅只當通訊對象接近該 發射器側時才消失’藉以傳輸高頻信號。 圖3顯示一範例，其中安裝有圖2所示之高頻耦合器 。該發射器10及該接收器20之任何高頻耦合器可以相同 之方式來予以組構。於該同一圖示中，該耦合電極11係 安裝在由電介體所構成之間隔件1 5上且經由貫穿該間隔 件15之貫通孔16而被電連接至印刷板17上之高頻信號 傳輸路徑。於該同一圖示中，該間隔件15具有約略爲柱 狀之形狀，且耦合電極14具有約略爲圓形之形狀，但這 些元件不被限制於具有特定之形狀。 譬如，在該貫通孔16係形成在具有所想要之高度的 電介體中之後，該貫通孔16係充塡以導體，且將爲耦合 電極14之導體圖案係藉由譬如電鍍技術而被沈積在電介 體之上端表面上。作爲該高頻信號傳輸路徑之金屬線圖案 -15- 201220737 係形成在該印刷板1 7上。該間隔件1 5係藉由回流焊接等 方法而被安裝在該印刷板17上，且因而該高頻耦合器能 夠被製成。自具有該印刷電路17之電路的表面（或該接 地端18)至該耦合電極14之高度，亦即，該貫通孔16 之長度係依據被使用之波長而被適當地調整，且藉此該貫 通孔16具有電感，且因而能夠替換圖2所示之串聯電感 器12。此外，該高頻信號傳輸路徑係經由該晶片形平行 電感器13而被連接至該接地端18。 在此，自該發射器10側的耦合電極14所產生之電磁 場將被觀察。 如圖1及2所示，連接至該高頻信號傳輸路徑的其中 一個末端之耦合電極14累積電荷於其中，而自該傳輸電 路單元11所輸出之高頻信號流入該耦合電極中。在此時 ，藉由由該串聯電感器12及該平行電感器所構成的共振 單元中之共振作用，經由該傳輸路徑而流入該耦合電極 14中之電流被放大，且更大的電荷被累積。 該接地端18係設置成面朝該耦合電極14，且相對於 該高頻信號之波長而具有可被漠視的高度之間隙。如上所 述，如果該等電荷被累積於該耦合電極14中，則反射之 影像電荷被累積在接地端18中。如果點電荷Q被放置在 平面導體的外側，反射之影像電荷-Q (其實際上取代表面 電荷分佈）被設置在該平面導體的內側，其在該技藝中係 已知的，如同在由 Tadashi Mizoguchi所撰寫之“電磁學 ” （SHOKABO出版股份有限公司，第54至57頁）中所

S -16- 201220737 揭示者。 如上所述，由於該點電荷Q及該反射之影像電荷-Q 被累積的結果，藉由線段所形成之細微的偶極子被形成， 該線段將該耦合電極1 4中所累積之電荷的中心連接至該 接地端1 8中所累積之反射之影像電荷的中心。嚴格地說 ，該電荷Q及該反射影像電荷-Q具有一體積，且該細微 的偶極子被形成，以便連接該電荷之中心至該反射之影像 電荷的中心。在此所敘述之“細微的偶極子”意指“該細 微偶極子的電荷間之距離係很短的”。譬如，該“細微的 偶極子”亦被揭示於“藉由Yasuto Mushiake所撰寫之天 線及電波傳播（CORONA出版股份有限公司，第16至18 頁）”。再者，該細微的偶極子產生該電場之橫向波分量 Ee、該電場之縱向波分量ER、及環繞該細微的偶極子周 圍之磁場Ηφ。 圖4顯示藉由該細微的偶極子所產生之電場。圖5亦 顯示該電場被映射在該耦合電極上之狀態。如同在該等圖 形中所示，該電場之橫向波分量Ee在垂直於該傳播方向 之方向上振盪，且該電場之縱向波分量ER在平行於該傳 播方向之方向上振盪。該磁場Ηφ係產生於該細微的偶極 子的周圍。以下方程式（1 )至（3 )指示藉由該細微的偶 極子所產生之電磁場。於該等相同之方程式中，與該距離 R之立方成反比的分量表示靜態電磁場，與該距離R之平 方成反比的分量表示感應電磁場，且與該距離R成反比的 分量表示福射電磁場。 -17- 201220737 - 4" hi I·3' /ί—\ sin \-Ν Θ ^ YOS! 、C 贪 2 ηΑ 4 si 於圖1所示之接近型無線傳輸系統中，爲了抑制波與 周邊系統互相干涉，較佳的是包括輻射電場分量之該橫向 波分量Εβ被抑制，且不包括該輻射電場分量之縱向波分 量ER被使用。這是因爲如同可自該等方程式（1)與（2 )所看出，該電場之橫向波分量包括與該距離成反比 的輻射電場（亦即，小距離衰減），而該縱向波分量Er 不包括該輻射電場。 首先，爲了產生該電場之橫向波分量Εβ，需要使該 高頻耦合器不用做爲天線。一眼觀之，圖2所示之高頻耦 合器具有類似於“容量載荷式天線”之結構，其中，金屬 係設在該天線元件之前端而具有電容並減少該天線的高度 。因此，需要使該高頻耦合器不會用做爲該容量載荷式天 線。圖6顯示該容量載荷式天線之組態範例，且於該同一 圖示中，該電場之縱向波分量ER主要係產生於該箭頭A 之方向上，及該電場之橫向波分量Ee係產生於該箭頭 及B2之方向上。 在圖3所示耦合電極之組態範例中，該電介體1 5及 該貫通孔16具有防止該耦合電極14及該接地端18之耦 合與形成該串聯電感器1 2的組合功能。該串聯電感器1 2 係藉由選擇自該印刷電路17之電路安裝表面至該電極14 之足夠的高度來予以形成，且防止該接地端18與該電極 -18- 201220737 1 4間之電場耦合，並確保與該接收器側之高頻耦合器相 耦合的電場。然而，如果該電介體15之高度爲大的，亦 即，該印刷電路17之電路安裝表面至該電極14間之距離 到達一相對於所使用之波長不能被漠視的長度，該高頻稱 合器用做爲該容量載荷式天線，且因而產生藉由圖6中之 箭頭81及B2所指示之橫向波分量Ee。因此，該電介體 15之高度遵守足夠的長度之條件，用以藉由防止該電極 14與該接地端18間之耦合而獲得作爲該高頻耦合器之特 徵、及用以形成被使用做爲阻抗匹配電路之串聯電感器 1 2 ;另遵守小長度之條件，用以抑制藉由流入該串聯電感 器12的電流所造成之不需要的電波Ee之輻射。 在另一方面，由該上面之方程式（2)，其能夠被看 出該縱向波分量ER在該細微的偶極子之方向上所形成的 角度θ = 0變成最大。因此，爲了經由該電場之縱向波分量 ER的有效使用而施行該非接觸式通訊，較佳的是通訊對 象之高頻耦合器被設置成相向而使得該細微的偶極子之方 向上所形成的角度Θ幾乎變成0度，且高頻電場信號被發 送。 此外，流入該耦合電極14的高頻信號之電流可藉由 包括該串聯電感器12及該平行電感器13之共振單元而被 做得更大。其結果是，就在藉由累積於該耦合電極14中 的所， 微 R 向 E 細 方 之量播 成分傳 形波該 所向向 荷縱朝 電該送 像由發 影藉地 的及率 射，效 反候有 之時被 中的可 側大號 端爲信 地成場 接做電 該被頻 及可高 荷子之 電極成 之偶構 -19- 201220737 其中，該細微的偶極子之方向上所形成的角度θ幾乎變成 0度。 於圖2所示之高頻耦合器的阻抗匹配單元中，操作頻 率f〇係基於該平行電感器及該串聯電感器之常數1^及L2 來予以決定。然而，於高頻電路中，已知集總常數電路具 有比分散式常數電路狹窄之頻帶，且當頻率被增高時，電 感器之常數減少。因此，會有該共振頻率由於該等常數中 之差異而偏離的問題。相反地，阻抗匹配單元或共振單元 使用分散式常數電路代替集總常數電路來構成高頻耦合器 ，藉以實現寬頻帶。 圖7顯示於該匹配單元或該共振單元中使用該分散式 常數電路的高頻耦合器之組態範例。於該圖示中所示之範 例中，接地導體72係形成在該底部上，且高頻耦合器被 安裝在印刷板71上，而印刷圖案係形成在該印刷板7 1上 。當作該高頻耦合器之阻抗匹配單元及共振單元，並非該 平行電感器及該串聯電感器，而是用做爲分散式常數電路 之微帶線或共平面波導器（亦即，偶極子部份73)被形 成，且經由信號線圖案74而被連接至發送及接收電路模 組75。其前端之偶極子部份73係經由貫穿該印刷板7 1 而形成短路電路之貫通孔76而被連接至該底部上之接地 端72。該偶極子部份73之中心附近係經由藉由薄的金屬 線所構成之單一端子77而被連接至該耦合電極78 ^ 電子工程的技術領域中所論及之“偶極子部份”通常 意指電線，該電線的一端係連接至元件，且其另一端並未

S -20- 201220737 連接至該元件或被連接至地面，其被設置在電路之中間， 且被使用於調整、測量、阻抗匹配、過濾等。 在此，自該發送及接收電路經由該信號線而被輸出之 信號係反射於該偶極子部份73之前端部分中，且駐波係 產生於該偶極子部份73之內。該偶極子部份73之相位長 度爲該高頻信號之波長的一半（以相位之觀點來看爲180 度），且該信號線74及該偶極子部份73係藉由該印刷板 71上之微帶線、共平面線等來予以形成。如圖8所示， 當該前端係短路於該偶極子部份73之爲該波長的一半之 相位長度時，在該偶極子部份73之內所產生之駐波的電 壓振幅在該偶極子部份73之前端處變成0，且在該偶極 子部份73之中心，亦即，對應於離該偶極子部份73之前 端的四分之一波長（90度）的地點變成最大。在於該處 該駐波之電壓振幅變成最大的偶極子部份73之中心的周 圍附近，該偶極子部份73經由該單一端子77而被連接至 該耦合電極78，藉以形成具有良好傳播效率之高頻耦合 器。 圖7所示之偶極子部份73爲該印刷板71上之微帶線 或共平面波導器，其具有低的DC阻抗，因而在該高頻信 號中具有小損失且能夠使該等高頻耦合器間之傳播損失變 小。因爲形成該分散式常數電路的偶極子部份73之尺寸 爲如同該高頻信號之波長的大約一半大，當與該總相位長 度相比較時，所以由於製造期間之容差的尺寸上之誤差係 輕微的，且因而難以產生特性差異。 -21 - 201220737 其次，在非接觸式通訊系統中藉由彼此接近的裝置來 確保該通訊狀態之操作將被觀察。在此，假設目標點記號 被加在每一個裝置之表面上，且使用者瞄準用於該操作之 目標點記號。 譬如，如果使用者意欲藉由抓握其中一個裝置且放置 在另一裝置上以獲得最接近狀態，則當一個裝置接近於另 一個裝置到如圖9所示之某種程度時，該另一個裝置之目 標點被由該使用者所抓握之裝置或抓握該裝置之使用者的 手所隱藏，且因而該位置不能被目視地確認。 在此，做爲其中該等目標點不彼此接近之狀態，如圖 1 〇所示，有該等目標點間之間隙係產生於高度方向上的 情況，且如圖11所示，有因爲並未被橫向地對準而產生 間隙的情況。 如果假設如圖10及12所示之狀態，裝置之可通訊範 圍係相對於該目標點（如同以圖12中之虛線所標示者） 而被擴展於該橫向方向上，且這可於使用期間對該使用者 提供便利性。因爲在該圖面中所示之可通訊範圍中，該縱 向方向上之可通訊範圍在該目標點之中心周圍附近係擴展 有峰値，所以有可能獲得敏銳的可操作性，其中，使在該 目標點的周圍附近之通訊穩定。 於使用該微弱的UWB之接近型無線傳輸中，主要被 使用由該耦合電極所產生之電場的縱向波分量ER。亦即 ，當大電場係感應於該耦合電極之表面的周圍附近時，所 產生之電場係自該耦合電極之表面被傳播出，作爲振盪於

S -22- 201220737 該進行方向（該細微的偶極子之方向）上的縱向波之電場 信號。 該電場之縱向波分量ER係藉由該上述方程式（2)來 予以表示，如果在該細微的偶極子之方向上所形成的角度 被假設爲Θ，則該電場之縱向波分量ER係與C〇s0成正比 ，且在該角度θ = 0時變成最大。如果垂直於該耦合電極之 前側的方向被假設爲θ = 0，則該電場之縱向波分量er在該 前側方向上產生最強的電場，且隨著該角度Θ增加，其逐 漸變得較弱。於橫向方向上，亦即，在θ = 90度時，該縱 向波分量ER變成0。自該耦合電極所產生之感應電場的 範圍（亦即，該可通訊範圍）係如同以該圖13中之虛線 所標示者。 在另一方面，於使用天線之電波通訊方法中，主要被 使用包括該輻射電場的電場之橫向波分量Εθ。該電場之 橫向波分量Ε0係藉由該上述方程式（1)來予以表示。於 該天線中，如果在電流流動之方向上所形成的角度被假設 爲Θ，則該電場之橫向波分量Ε0在該橫側方向上（亦即， 在θ = 9 0度時）產生最強的電場，且隨著該角度Θ減少而逐 漸變得較弱。於該前側方向上，亦即，θ = 0度時，該橫向 波分量Εβ變成〇。由該天線所產生之輻射電磁場的範圍（ 亦即，該可通訊範圍）爲如同以該圖1 4中之虛線所標示 者。如同在該圖面中所示者，輻射電波之天線能夠發射信 號至相當寬廣的範圍，該信號在水平平面內係幾乎無方向 性且依據距離而被較少地衰減。 -23- 201220737 因此，本案發明人提出一種通訊裝置，其中，經由如 圖13所示之耦合電極的可通訊範圍及經由如圖14所示之 天線的可通訊範圍被組合，以便實現適用於使用者之可通 訊範圍，以調整瞄準該目標點之位置，如圖1 2所示。 圖1 5顯示通訊裝置1 500之組態範例，其中，高頻耦 合器1501及天線15 02被組合。該天線1502被設置成與 該高頻耦合器1501之耦合電極以預定的間隔而隔開，且 電流流入該天線15 02之方向與該高頻耦合器1501之耦合 電極的前側方向實質上係彼此平行的。反射板1 5 03被安 裝在該天線1 502之後側中，使得自該天線1 502所輻射出 之電波係集中於所想要的方向上，亦即，朝向該耦合電極 1501 側。 如果垂直於該高頻耦合器1501的耦合電極之前側的 方向被假設爲θ = 0，則自該耦合電極1501所輻射出之電場 的縱向波分量ER於該前側方向上產生最強的電場，且隨 著該角度Θ增加而逐漸變得較弱。於該橫向方向上，亦即 ，在θ = 90度時，該縱向波分量ER變成Θ。在另一方面， 如果在電流流入該天線1 502的方向上所形成之角度被假 設爲Θ，則自該天線所輻射出之電場的橫向波分量Ee於該 橫側方向上（亦即，在θ = 90度時）產生最強的電場，且 隨著該角度Θ減少而逐漸變得較弱。於該前側方向上，亦 即在θ = 0度時，該橫向波分量變成〇。如果這些電場彼 此重疊，則有可能獲得接近圖12所示者之可通訊範圍。 在自該高頻耦合器1501所輻射出之感應電場的範圍

S -24- 201220737 與自該天線1 5 02所輻射出之輻射電磁場 域中，該等信號係互相混合，且因而不需 而互相抵消。 圖16顯示通訊裝置1 600之組態範例 合器1601係與天線1 602相組合，且其防 高頻信號係經由信號1604而被輸入至該ΐ 及該天線1602之每一者。於該同一圖7Κ 調整用於每一條路徑的信號之總相位長度 得自該高頻耦合器1601所輻射出之信號ί 自該天線所輻射出之信號的路徑1 604Β爲 此外，圖17顯示另一通訊裝置1700 中，高頻耦合器1701係與天線1 702相組 之干擾。在圖17所示之通訊裝置1 70 0中 由信號1 704而被輸入至該高頻耦合器 1 702之每一者。RF開關1 705被插入該fl 高頻耦合器1701之間，且該天線1 702 _ 開關1 70 5來予以切換之開關分集。具有 路徑被決定，切換信號被輸入至該RF開| 係自該高頻耦合器1701或該天線1 702的 射出。換句話說，因爲該信號係自該高頻 該天線1 702被輻射出，所以該等信號並 因而有可能防止干擾。該傳輸狀態可譬如 之強度、封包誤差比率等而被決定。 於圖15至17所示之通訊裝置中，輻 的範圍重疊之區 要由於彼此干擾 ，其中，高頻耦 止信號之干擾。 I頻耦合器1601 中，有可能藉由 來防止干擾，使 勺路徑1 604Α與 同相。 之組態範例，其 合，且防止信號 ，高頻信號係經 1701及該天線 :號線1 704與該 I成一藉由該RF 較佳傳輸狀態之 I 1 705，且信號 其中之一而被輻 耦合器1 7 0 1或 未互相混合，且 基於該接收信號 射輻射電磁場或 -25- 201220737 電場信號之天線可被“使用於遠處”，且輻射感應電場之 信號的高頻耦合器可被“使用於近處。於圖15至17所示 之通訊裝置中，用於遠處之天線及用於近處的高頻耦合器 係分別藉由個別之模組組件來予以構成。相反地，單一高 頻耦合器具有輻射縱向波之感應電場信號及輻射輻射電磁 場或電波信號的組合功能，且因而用於遠處之天線及用於 近處的高頻耦合器可被整合在單一模組中當作修改範例。 譬如，該高頻耦合器具有類似於該容量載荷式天線之 結構的結構，如同參考圖6所敘述者。爲了抑制當作該容 量載荷式天線之作用，需要使該耦合電極面朝接地端，並 將會被安裝在與接地端隔開之位置，且具有相對於高頻信 號之波長可被漠視的高度。相反地，爲了造成該高頻耦合 器像用於遠處之天線般起作用，較佳的是使該耦合電極面 朝該接地端，且被設置成以一高度而與該接地端相隔開， 該高度相對於該高頻信號之波長不能被漠視。於此情況中 ，支撐該耦合電極之金屬線用做爲天線且輻射輻射電磁場 或電波信號》圖18顯示通訊裝置1800之組態範例，其係 藉由實質上整合用於遠處之天線及用於近處的高頻耦合器 用單一模組來予以形成。該圖面顯示感應電場信號係在該 前側方向上自該高頻耦合器1 800之耦合電極1801被輻射 出，且輻射電磁場或電波信號係自支撐該耦合電極1801 之金屬線1 8 02而在該橫向方向上被輻射出。該金屬線 18 02具有用以輻射該輻射電磁場或該電波信號的長度。 再者，如果具有特定形狀之金屬被插入高頻耦合器之

SJ -26- 201220737 互相通訊的耦合電極之間，本案發明人已確認耦合強度會 增加。這是因爲具有特定形狀之金屬用作爲天線，接收自 該等耦合電極所輻射出之感應電場，及再輻射電波》 圖1 9顯示通訊裝置1 900之組態範例，其係使用電波 經由金屬件之再輻射現象，藉由實質上整合用於遠處之天 線及用於近處的高頻耦合器用單一模組來予以形成。該圖 面顯示該通訊裝置1900，其係藉由實質上整合用於遠處 之天線及用於近處的高頻耦合器、藉由在該耦合電極 190 1的前側方向（該感應電場之輻射方向）中安裝用作 爲該天線之輻射元件的金屬件1 902用單一模組來予以形 成。自該耦合電極1901輻射出之感應電場在該金屬件 1 902之內感應電流。其結果是，有可能使該金屬件1902 間接地輻射電波。 在此，爲了使該金屬件1902本身獨立地用做爲（共 振）該天線之輻射元件，該金屬件1902較佳具有一用於 共振之尺寸。特別是，該金屬件1 902可被形成爲具有該 波長的一半長度之線性形狀、或具有一個波長的長度（或 該波長的整數倍）之環形形狀。根據該等個別之組態，該 金屬件1 902可分別用做爲半波偶極子天線及環形天線。 此外，該耦合電極1901較佳被被安裝在金屬件1902 中之共振能被感應的位置。如果自該耦合電極1 90 1所輻 射出之強的感應電場到達當該金屬件共振時之電壓的振幅 變得最大之部份，有可能在該金屬件1902之內有效率地 i感應電流。 -27- 201220737 於該說明書中，雖然該敘述已主要基於該等實施例而 被作成，其中，該UWB信號被施加於經由該電場耦合而 沒有纜線地傳送資料之通訊系統，本發明之要點不被限制 於此。譬如，本發明係亦適用於使用不同於該UWB通訊 方法之高頻信號的通訊系統、或經由使用相當低頻信號之 電場耦合或經由其他電磁作用來傳送資料的通訊系統。 本申請案包含有關在20 10年3月18日於日本專利局 提出的日本優先權專利申請案第2010-06 3052號中所揭示 者之主題，其全部內容係以引用的方式而被倂入本文中》 那些熟諳此技藝者應了解各種修改、組合、次組合、 及變更可視設計需求及其他因素而定發生，而它們係在所 附申請專利或其同等項之範圍內。 【圖式簡單說明】 圖1係一槪要圖，說明藉由微弱的UWB通訊方法之 接近型無線傳輸系統的組態。 圖2係一圖解，說明分別設置在發射器及接收器中之 高頻耦合器的基本組態。 圖3係一圖解，說明圖2所示之高頻耦合器被安裝的 範例。 圖4係一圖解，說明藉由細微的偶極子之電場。 圖5係一圖解，說明映射圖4所示電場至該耦合電極 上。 圖6係一圖解，說明容量載荷天線之組構範例。 -28- 201220737 圖7係一圖解，說明高頻耦合器之組態範例，其中， 分散式常數電路被使用於共振單元。 圖8係一圖解，說明駐波係在圖7所示該高頻耦合器 中之偶極子部份上產生的狀態。 圖9係一圖解，說明使用者造成裝置瞄準目標點彼此 接近之狀態。 圖1〇係一圖解，說明該等裝置之目標點未充分彼此 接近的狀態。 圖11係一圖解，說明該等裝置之目標點未充分彼此 接近的狀態。 圖12係一圖解，說明適合供使用者調整瞄準該等目 標點之位置的可通訊範圍。 圖13係一圖解，說明由該耦合電極所產生之感應電 場的範圍。 圖14係一圖解，說明由天線所產生之輻射電磁場的 範圍。 圖1 5係一圖解，說明藉由組合高頻耦合器及天線所 形成之通訊裝置的組態範例。 圖1 6係一圖解，說明通訊裝置之組態範例，其中， 信號之總長度被調整，使得用於由高頻耦合器所輻射之信 號的路徑及用於由天線所輻射之信號的路徑爲同相。 圖1 7係一圖解，說明通訊裝置之組態範例，其中， 高頻耦合器及天線使用RF開關構成開關分集。 圖18係一圖解，說明一狀態，其中，感應電場之信 -29- 201220737 號係於前側方向上自高頻耦合器之耦合電極輻射出，且輻 射電磁場或電波信號係在該橫向方向上自支撐耦合電極之 金屬線輻射出。 圖1 9係一圖解，說明通訊裝置之組態範例，其中， 用做爲天線的輻射元件之金屬件被安裝於耦合電極的前側 【主要元件符號說明】 1 〇 :發射器 1 1 :發送電路單元 12 :串聯電感器 1 3 :平行電感器 1 4 :稱合電極 1 5 :間隔件 1 6 :貫通孔 1 7 :印刷板 1 8 :接地端 20 :接收器 21 :接收電路單元 22 :串聯電感器 2 3 :平行電感器 24 :耦合電極 7 1 :印刷板 72 :接地導體

-30- 201220737 73 :偶 74 :信 75 :接 76 :貫 77 :端 78 :耦 1 500 ： 15 01: 1 502 ： 1 5 03 ： 1 600 ： 1601 ： 1 602 ： 1 604 ： 1 604 A 1 604B 1 700 ： 1701： 1 702 ： 1 704 ： 1 705 ： 1 800 ： 1801 ： 極子部份 號線圖案 收電路模組 通孔 子 合電極 通訊裝置 耦合器 天線 反射板 通訊裝置 耦合器 天線 信號 :路徑 :路徑 通訊裝置 稱合器 天線 信號線 RF開關 通訊裝置 親合電極 1 8 0 2 :金屬線 201220737 1 900 :通訊裝置 1 9 0 1 :耦合電極 1 9 0 2 :金屬件

Claims (1)

1. 201220737 七、申請專利範園： 1·—種通訊裝置，包括： 通訊電路單元，其處理發送資料之高頻信號； 高頻信號傳輸路徑，其被連接至該通訊電路單元； 高頻耦合器，其接收該高頻信號及輻射縱向波之感應 電場信號；及 天線，其接收該高頻信號及輻射橫向波之輻射電磁場 或電波信號。 2.如申請專利範圍第1項之通訊裝置，其中，該高頻 賴合器包括： 耦合電極，其被連接至該傳輸路徑的一端及累積電荷 » 接地端，其被設置成面朝該耦合電極及累積該電荷之 反射影像電荷； 共振單元，其藉由將該耦合電極安裝在當供給該高頻 信號時所產生之駐波的電壓振幅變大之部份’增加流入該 耦合電極之電流；及 支撐單元，其係由在該耦合電極之接近中心位置被連 接至該共振單元的金屬線所構成’ 其中，形成由線段所形成之細微的偶極子’該線段將 該耦合電極中所累積之該電荷的中心連接至該接地端中所 累積之該反射影像電荷的中心’並且 其中，該縱向波之感應電場信號被輸出朝向設置成面 朝該耦合電極的通訊對象側之高頻鍋合器’使得在該細微 -33- 201220737 的偶極子之方向上所形成的角度θ變成幾乎爲〇度。 3. 如申請專利範圍第1項之通訊裝置，其中，該高頻 耦合器主要輻射該縱向波之感應電場信號於該耦合電極之 前側方向上，且該天線被設置而使得該橫向波之輻射電磁 場或電波信號擴展該高頻耦合器在橫向方向上的可通訊範 圍。 4. 如申請專利範圍第1項之通訊裝置，其中，在該傳 輸路徑中，各路徑之信號的總相位長度被調整而使得用於 該縱向波之感應電場信號的路徑及用於由該天線所輻射之 橫向波的輻射電磁場或電波信號的路徑爲同相。 5. 如申請專利範圍第1項之通訊裝置，另包括將用於 該高頻信號之傳輸路徑選擇性地連接至該高頻耦合器或該 天線的其中之一的開關， 其中，開關分集係藉由連接至該高頻耦合器或該天線 之具有較佳傳輸狀態者的連接來予以施行。 6. 如申請專利範圍第1項之通訊裝置，其中，該天線 係由具有用以輻射該輻射電磁場或該電波信號之長度的支 撐單元之金屬線所形成。 7. 如申請專利範圍第1項之通訊裝置，其中，該天線 係由金屬件所形成，該金屬件被安裝在自該耦合電極所輻 射出之該感應電場的方向上。 8. 如申請專利範圍第7項之通訊裝置，其中，該金屬 件被形成爲具有線形形狀，且具有波長的一半之長度或該 波長之半整數倍的長度，且其本身獨立地共振作爲天線。 -34- 201220737 9.如申請專利範圍第7項之通訊裝置，其中，該金屬 件被形成爲具有環形形狀，且具有一個波長或該波長之整 數倍的長度，且其本身獨立地共振作爲天線。 1 0.如申請專利範圍第7項之通訊裝置，其中，該金 屬件被安裝在一地點，而在該地點，自該耦合電極所輻射 出之強大感應電場到達當該金屬件共振時之電壓的振幅變 爲最大之部份。 -35-