TWI425778B

TWI425778B - 高頻耦合器及通訊裝置

Info

Publication number: TWI425778B
Application number: TW100105267A
Authority: TW
Inventors: Takanori Washiro
Original assignee: Sony Corp
Priority date: 2010-03-12
Filing date: 2011-02-17
Publication date: 2014-02-01
Also published as: JP2011193088A; TW201203900A; CN102195115A; US8558634B2; US20110222585A1

Description

高頻耦合器及通訊裝置

本發明係有關於一種高頻耦合器及通訊裝置，其可透過使用高頻寬頻帶的弱UWB(超寬頻)通訊方法在近區進行大容量數據傳輸，特別是一種利用電場耦合來確保弱UWB通訊中橫側方向上的通訊範圍的高頻耦合器及通訊裝置。

非接觸式通訊已被廣泛應用做為驗證資訊、電子錢、或其他有價資訊的媒介。例如說，由Sony及Philips公司開發出來NFC(近場通訊)係採用RFID(射頻識別)標準，其界定出使用13.56 MHz頻帶而能與A型、B型、及合乎ISO/IEC 14443的FeliCa等積體電路卡進行通訊的NFC通訊裝置(讀取器及寫入器)的規格，並能以電磁感應的方式進行近接式(0至10cm或更短距離：近區)非接觸雙向通訊。另外，近年來，此類非接觸式通訊系統在例如活動影像、音樂、或類似者的下載及串流等大容量數據傳輸上亦有有所應用。此類大容量數據傳輸亦可由單一使用者的操作來加以實施，最好是能在現有的驗證或記帳程序所用的相同存取時間內完成，因此必須要增加通訊速率。

一般的RFID標準是使用13.56 MHz的頻帶，是供主要原理是採用電磁感應的近接式(0至10cm或更短距離：近區)非接觸雙向通訊，並採用約106kbps至424kbps的通訊速率。另一方面，使用弱UWB信號的TransferJet(例如參閱日本專利第4345849號及www.transferjet.org/en/index.html)則可視為能應用至高速通訊之近接無線傳遞技術的一例。此近接無線傳遞技術(TransferJet)基本上是一種使用電場耦合的動作來傳送信號的方法，而此種通訊裝置的高頻耦合器包含有可處理高頻信號的通訊電路單元、設置與地面相距某一高度的耦合電極、以及能有效率地將高頻信號供應至耦合電極上的諧振單元。

使用弱UWB的近接無線傳遞所具有的通訊距離約2至3cm，在縱長及橫側方向僅具有大約相同的寬度，沒有偏振波，並且具有形狀大致上為半球狀圓頂的通訊範圍。針對該理由，在用來進行數據傳輸的通訊裝置間，必須要將耦合電極正確地相面對，才能有效地啟動電場耦合。

如果近接無線傳遞的功能單元能製做成小尺寸，則其功能將適合於結合並裝設於多種的資訊設備上，例如說個人電腦、行動電話、或類似者。但是，如果將高頻耦合器的耦合電極的尺寸加以縮減，則會有通訊範圍縮小的困擾，特別是在橫側方向上。例如說，如果代表著埋設高頻耦合器之地點的標的點是標設於資訊設備的外殼表面上，則使用者可以進行朝向著該標的點的對齊對動作。但是，如果橫側方向上的通訊範圍狹小，則標的點有可能會被位在鄰旁的其他設備的陰影加以遮擋，造成標的點要在自橫側方向之中心偏移的情形下對齊。

為能改善近接無線傳遞功能在實際使用上的可用性，必須要將橫側方向上的通訊範圍加以擴張。但是，如果僅是單純地將高頻耦合器內的耦合電極的尺寸加以加大，則在耦合電極的表面上會產生駐波。如此，由於二方向上的電場在駐波振幅是沿著相反方向傳播的鄰接部位內會互相扺消掉，因此會出現具有高強度及低強度電場的地區。具有低強度電場的地區會變成無法輕易得到電場耦合之良好效果的死點(無訊點)，即使是與一通訊對象的耦合電極相接觸。

本發明是要提供一種極佳的高頻耦合器及通訊裝置，其可利用一高頻寬頻帶以弱UWV通訊方法進行近區的大容量數據傳輸。

本發明進一步是要提供一種極佳的高頻耦合器及通訊裝置，其可確保使用沒有偏振波之弱UWB的近接無線傳遞在橫側方向上有足夠的通訊範圍。

根據本發明的一實施例，其提供一種高頻耦合器，包含一地面、一耦合電極，面對該地面，並係被支撐成以相對於一高頻信號的波長而言為一可忽略之高度來加以分隔開、以及一諧振單元，用以增加經由一傳輸路徑流入該耦合電極的一電流，其中該耦合電極具有彎折部位，位於具有一第一極性之電荷聚積的地方，因此當該高頻信號經由該傳輸路徑輸入至該耦合電極，並有一駐波發生時，具有一第二極性的電荷會聚集於朝向一電場之輻射方向的前側面上，以及會形成有由連接於聚積於該耦合電極上的該等電荷的中心與聚積於該地面上之鏡像電荷的中心之間的一線所構成的一極微小偶極矩，而該高頻信號則會傳遞至一設置成互相面對的通訊對象側的一高頻耦合器，以使得形成於該極微小偶極矩之方向上的角度θ大致上為0度。

根據本發明的該實施例，高頻耦合器具有彎折部位，其等係形成於自該耦合電極之一末端起算每一約1/2波長之奇數倍的部位處。

根據本發明的另一實施例，其提供一種通訊裝置，包含有一通訊電路單元，可進行一高頻信號傳送數據的程序、一高頻信號的傳輸路徑，連接至該通訊電路單元、一地面、一耦合電極，面對該地面，並係被支撐成以相對於一高頻信號的波長而言為一可忽略之高度來加以分隔開、以及一諧振單元，用以增加經由一傳輸路徑流入該耦合電極的一電流，其中該耦合電極具有彎折部位，位於具有一第一極性之電荷聚積的地方，因此當該高頻信號經由該傳輸路徑輸入至該耦合電極，並有一駐波發生時，具有一第二極性的電荷會聚集於朝向一電場之輻射方向的前側面上，以及會形成有由連接於聚積於該耦合電極上的該等電荷的中心與聚積於該地面上之鏡像電荷的中心之間的一線所構成的一極微小偶極矩，而該高頻信號則會傳遞至一設置成互相面對的通訊對象側的一高頻耦合器，以使得形成於該極微小偶極矩之方向上的角度θ大致上為0度。

根據本發明的該實施例，該通訊裝置具有彎折部位，其等係形成於自該耦合電極之一末端起算每一約1/2波長之奇數倍的部位處。

根據本發明的一實施例，其提供一種極佳的高頻耦合器及通訊裝置，其可以使用高頻寬帶之弱UWB通訊方法進行近區的大容量數據傳輸。

根據本發明的一實施例，其提供一種極佳的高頻耦合器及通訊裝置，其可確保使用弱UWB的近接無線傳遞在橫側方向具有足夠的通訊範圍，而沒有偏振波。

根據本發明的一實施例，其提供一極佳的高頻耦合器及通訊裝置，其可藉由加大耦合電極的尺寸而在特別是橫側方向上擴大通訊範圍，並能在大範圍內輻射出電場信號。

根據本發明的一實施例，可以藉由在具有耦合電極之極性的電荷聚積之處形成彎折部位，使得具相同一相反極性的電荷聚集於朝向電場輻射方向的前側方向上，並防止具有相反極性之聚積電荷的相鄰部位內的電場的抵消，而消除未展現電場耦合作用之死點(無訊點)。因此之故，通訊範圍可藉由加大耦合電極之尺寸而在特別是橫側方向加以擴大，並可將電場信號輻射至大範圍內。

根據本發明的一實施例，由於通訊範圍主要是自耦合電極的中心朝橫側方向擴大，在例如說設有高頻耦合器的資訊設備面對面放置時，使用者無需將標的點的記號相當地接近來進行對齊，即可進行穩定的通訊。

本發明的其他自的、特性、及優點，可由下文中針對本發明之實施例配合所附圖式而做的詳細說明中得知。

下文將配合圖式來詳細說明本發明的一實施例。

首先將說明使用弱UWB通訊方法的近接無線傳遞的作動原理。

第1圖是示意地顯示出利用電場耦合動作之弱UWB通訊方法內的近接無線傳遞系統的組成。在此圖式中，分別屬於一傳送器10及一接收器20之用於傳送及接收的耦合電極14及24係設置成以相對的方式互相分離開例如說約3cm(或約為所用頻帶之波長的1/2)，以供能進行電場耦合。傳送器側的傳送電路單元11在有較高階應用軟提出傳輸請求時，會根據傳輸數據來產生高頻傳輸信號，例如UWB信號，而該等信號會以電場信號形成自傳送電極14穿透至接收電極24。另外，接收器20側的接收電路單元21則可針對所接收到的高頻電場信號進行解調及解碼的程序，並將所產生的數據傳送至該上層的應用軟體。

如果在近接無線傳遞中採用UWB，則可實現100 Mbps的超高速數據傳遞。另外，在近接無線傳遞中是如稍後會加以說明般採用靜電場或感應電場的耦合動作，而非輻射電場。由於電場的強度是正比於距離的立方或平方，因此近接無線傳遞系統可以在距離無線設施3公尺的距離內藉由將電場強度抑制至某一位準或更低而做為無需無線電台許可的弱無線，並可以低成本製造。另外，由於數據通訊在近接無線傳遞是以電場耦合方式進行，其好處在於干擾的影響輕微，因為由周邊環境內的反射性物體反射回來的反射波很小，而且不需要考慮傳防阻在輸路徑上被駭或是確保機密性。

另一方面，在無線通訊中，傳播損耗會隨著波長傳播之距離的範圍而變大。在使用高頻寬帶信號做為UWB信號的近接無線傳遞中，通訊距離大約3cm，等於波長的1/2。換言之，通訊距離可以說是在近端，但卻是無法忽略的長度，因此傳播損耗必須要抑制到夠低的位準。最重要的是，相較於低頻電路，高頻電路在特性阻抗上的問題較為嚴重，且會因傳送器與接收器之電極間的耦合點上的阻抗不匹配而造成顯著的影響。

例如說，在第1圖所示的近接無線傳遞系統中，即使連接傳送電路單元11與傳送電極14的高頻電場信號傳輸路徑是位於具有50Ω阻抗匹配的同軸線上，當傳送電極14與接收電極24間的耦合部分的阻抗不匹配時，電場信號仍會被反射回來，造成傳播損耗，因之而減低通訊效率。

因此，如第2圖所示，設置在傳送器10與接收器20每一者內的高頻耦合器係組構成將板狀電極14及24及一包含有串聯電感器12與22及並聯電感器13與23的諧振單元連接至一高頻信號傳輸路徑。本文所稱的高頻信號傳輸路徑可由同軸電纜、微條線路、共面線路或類似者所構成。如果此種型式的高頻耦合器係設置成互相面對，耦合部分即可在由準電場主宰的極近端內做為一帶通濾波器，因此可以傳遞高頻信號。另外，即使是在一個相對於波長無法忽略而由感應電場所主宰的距離內，高頻信號也能夠透過分別聚集於耦合電極及地面上的電荷及鏡像電荷間所形成的極微小偶極矩(稍後加以說明)產生的感應電場而在二高頻耦合器之間有效地傳遞。

因此，如果是要單純地做阻抗匹配而僅抑制傳送器10與接收器20之電極間的反射波，也就是耦合部分，則該耦合部分可以設計成連續狀，即使是每一耦合器是採用板狀電極14及24與串聯電感器12及22是串聯連接於高頻信號傳輸路徑的簡單架構。但是，由於耦合部分的前方及後方部位的特性阻抗並不會改變，電流振輻也不會改變。就此點而言，能藉由設置並聯電感器13及23而使送至耦合電極14的電荷愈大，耦合電極14及24間能產生的電場耦合動作就愈強。另外，在耦合電極14的表面附近會感應生成大的電場，而所產生的電場會以表盪縱波的電場信號會自耦合電極14的表面傳播至前側方向(稍後會加以說明的極微小偶極矩的方向)。即使耦合電極14及24間的距離(相位高度)相當的長，此電場波可讓電場信號可進行傳播。

總結而言，使用弱UWB通訊方法之近接無線傳遞系統內的高頻耦合器的重要條件歸納如下。

(1)提供一耦合電極，面對地面，以供在一個與高頻信號之波長相距一可忽略高度的位置與電場進行耦合

(2)提供一諧振單元，以供與一較強電場進行耦合

(3)透過串聯/並聯電感器及耦合電極，或是短軸的高度，而設定電容器的常數，以在耦合電極設置成在一用來通訊的頻帶內互相面對時，提供阻抗匹配。

當第1圖中所示的近接無線傳遞系統內的傳送器10及接收器20的耦合電極14及24互相面對而以一適當距離分隔開時，二個高頻耦合器可做為一帶通濾波器，可供電場信號在預定的高頻頻帶內穿過之，而單一個高頻耦合器可做為阻抗轉換電路，其可放大電流，因之而使具有高振輻的電流流經耦合電極。另一方面，當高頻耦合器是獨立地設置於自由空間內時，高頻耦合器的輸入阻抗並不相應於高頻信號傳輸路徑上的特性阻抗，進入至高頻信號傳輸路徑內的信號會在高頻耦合器內被反射，而不會被發射至外界，因此該信號不會對其他鄰旁的通訊系統造成影響。換言之，在沒有通訊對象時，此傳送器不會如同過往的天線一樣釋放出無線電波，而高頻電場信號僅會在通訊對象靠得更近些時才會因阻抗匹配而傳遞。

第3圖顯示出第2圖中的高頻耦合器的一實施例。傳送器10及接收器20二者的高頻耦合器可以相同的方式加以規劃。在此圖式中，耦合電極14是設置於一由介電質製成的分隔件15的頂側表面上，並且經由一貫穿過分隔件15的貫穿孔16而電連接至位在印刷板17上的高頻信號傳輸路徑。在此同一圖式中，分隔件15具有大致上為圓柱狀的形狀，而耦合電極14則具有大致上為圓形的形狀，但是他們並不侷限於特定的形狀。

例如說，在一具有所需高度的介電質於其內形成該貫穿孔16後，將該貫穿孔16填注以一導體，並使用例如電鍍技術將要做為耦合電極14的導體紋路沉積於該介電質的頂側表面上。另外，將用來做為高頻信號傳輸路徑的佈線紋路形成於印刷板17上。接著，透過施行迴流焊接來將分隔件15設置於印刷板17上而製做出高頻耦合器。根據要使用的波長對於自印刷板17上之電路設置表面(或地面18)至耦合電極14的高度，亦即貫穿孔16的長度(相位高度)，進行適當的調整，可使其可以讓貫穿孔16具有電感而能取代第2圖中所示的串聯電感器12。另外，高頻信號傳輸路徑是經由晶片形成的並聯電感器13而連接至地面18。

本文中將討論傳送器10側的耦合電極14內所產生的電磁場。

如第1圖及第2圖所示，耦合電極14係連接至高頻信號傳輸路徑的一端，並透過由傳送電路單元11輸出而流入其內的高頻信號累積電荷。在此時，經由該傳輸路徑流入耦合電極14內的電荷會被由串聯電感器12及並聯電感器13所組成的諧振單元的諧振效應加以放大，而能累積較大的電荷。

另外，地面18係設置成與高頻信號的波長分隔開一段可忽略高度(相位高度)而面對著耦合電極14。如此，如果電荷如上述般聚積於耦合電極14上，則鏡像電荷會聚積在地面18內。如果將點電荷Q置於平面導體的外部，鏡像電荷-Q(此係虛擬的，用以代替表面電荷分佈)則位於平面導體內，但是此係習用技藝中所描述的，例如說Tadashi Mizoguchi所寫的“Electromagnetics”一書(第54至57頁，Shokabo)。

因為如上所述所聚積的點電荷Q及鏡像電荷-Q之故，會產生由連接於聚積在耦合電極14內之電荷中心與聚積在地面18內之鏡像電荷中心的線所造成的極微小偶極矩。嚴格地說，電荷Q及鏡像電荷-Q具有體積，而極微小偶極矩係形成為讓該等電荷的中心與該等鏡像電荷的中心互相連接在一起。本文中所稱的“極微小偶極矩”是指“電偶極內之電荷間具有極短距離的偶極矩”。例如說，在Yasuto Mushiake所寫的“Antennas and Propagation”一書(第16至18頁，Corona)中亦曾描述此種“極微小偶極矩”。另外，此極微小偶極矩會在此極微小偶極矩的周緣造成電場橫波分量E_θ 、電場縱波分量E_R 、以及磁場H_Φ 的產生。

第4圖顯示出此極微小偶極矩的電場。另外，第5圖顯示出該電場匹配於耦合電極的情形。如該等圖式所示，電場的橫波分量E_θ 是在垂直於傳播方向的方向上振盪，而電場的縱波分量E_R 則是平行於傳播方向振盪。另外，磁場H_Φ 是生成於極微小偶極矩周緣上。下列的方程式(1)至(3)表示出由此極微小偶極矩所產生的電磁場。在這些方程式中，與距離R立方成反比的分量是靜電，與距離R的平方成反比的是感應電磁場，而與距離R成反比的分量則是輻射電磁場。

為抑制對於周邊系統的干涉波，最好的考量是將包含有輻射電場分量的橫波E_θ 加以抑制，並將不包含輻射電場分量的縱波E_R 應用於如第1圖所示的近接無線傳遞系統。其理由是因為電場的橫波分量E_θ 包含有與距離成反比的輻射電場(換言之會顯示出隨著距離稍微地減低)，但是如可自上述方程式(1)及(2)中所看到的，縱波分量E_R 不包含有輻射電場。

首先，為能不產生電場的橫波E_θ ，高頻耦合器必須不能像天線一樣運作。第2圖中所示的高頻耦合器具有類似於“電容負載式”天線的結構，其因碰觸天線元件末端之金屬而具有靜電容，且其有較小的高度。因此，高頻耦合器必須不能像電容負載式天線般運作。第6圖顯示出電容負載式天線的組成例，電場的縱波分量E_R 主要是產生於箭號A的方向上，而電場的橫波E_θ 則產生於箭號B₁ 及B₂ 的方向上。

在第3圖所示的耦合電極組成例中，介電質15及貫穿孔16扮演避免耦合電極14與地面18間的耦合及構成串聯電感器12的二個角色。透過將串聯電感器12組構成自印刷板17的電路設置表面至電極14間具有足夠的高度，可以避免地面18與電極14間的電耦合，並確保與接收器側之高頻耦合器間的電耦合作用。但是，如果介電質15很高，換言之，如果自印刷板17之電路設置表面至電極14之間的距離的長度對於所使用之波長是無法忽略的，則高頻耦合器的動作就如同電容負載式天線，因此會如第6圖之箭號B₁ 及B₂ 所示般產生橫波E_θ 。因此，條件是介電質15的高度要夠高，以便能藉由避免電極14與地面18間的耦合而形成取得做為高頻耦合器之特性所必須要的串聯電感器12並做為一阻抗匹配電路，但是要短到不會嚴重地放射出因電流流經該串聯電感器12而造成的不必要電波E_θ 。

另一方面，由方程式(2)可以理解到，在縱波分量E_R 與極微小偶極矩的方向形成一個θ=0的角度時，該分量會是最大。因此，為能利用電場的縱波分量E_R 來進行非接觸式通訊，最好是將通訊對象的高頻耦合器放置相對方式來進行高頻電場信號的傳遞，以使得與極微小偶極矩之方向間所形成的角度θ是大約為0度。

另外，流入至耦合電極14內的高頻信號的電流可因由串聯電感器12及並聯電感器13所構成的諧振單元而加大。因此之故，由聚積在耦合電極14的電荷與聚積在地面側的鏡像電荷所形成的極微小偶極矩的力矩可變大，而由縱波E_R 所構成的高頻電場信號可以有效地朝向與極微小偶極矩之方向間所形成的角度θ約為0度的傳播方向放射。

在第2圖所示的高頻耦合器中，操作頻率f₀ 是在一阻抗匹配單元內由並聯電感器與串聯電感器的常數L₁ 及L₂ 加以決定的。但是，一般而言，由於在高頻電路中，集總常數電路的頻帶會窄於分佈常數電路，且電感器的常數會隨著頻率升高而變小，因此很困擾的是諧振頻率會因常數的不均勻而偏移。就此而言，可以考慮在阻抗匹配單元及諧振單元中，採用以總集常數電路取代分佈常數電路的高頻耦合器方案來得到較寬的頻帶寬。

第7圖顯示出一高頻耦合器的組成例，其中是使用一分佈常數電路做為阻抗匹配單元及諧振單元。在圖中所示的例子中提供一高頻耦合器，其中一接地導體72形成於底側表面，而一設有印刷紋路的印刷板71設置於頂側表面上。做為高頻耦合器的阻抗匹配單元及諧振單元，係以一微條線路或共面波導，亦即一短軸73，構成一分佈常數電路，而不是一並聯電感器及一串聯電感器，並經由信號線紋路74連接至一傳送/接收電路模組75。該短軸73係經由在該短軸之末端處貫穿印刷板71的貫穿孔76連接並短路於位在底側表面上的地面72。另外，在短軸73的中心附近，一耦合電極78經由以薄金屬線所構成的接頭77連接至其上。

再者，在電子工程的技術領域中所稱的“短軸”是指一端連接而另一端未連接或是接地而設置於電路中間做為調整、測量、阻抗匹配、濾波、或類似者之用的電線的統稱。

經由信號線自傳送/接收電路輸入的信號會在短軸73的末端部位反射，而在短軸73內形成駐波。短軸73的相位高度是約為高頻信號之波長的1/2(就相位而言為180度)，信號線74及短軸73係由印刷板71上的微條線路、共面線路、及類似者所形成。如第8圖所示，當該末端係短路接合於該波長1/2的短軸73相位高度上時，發生在該短軸73內之駐波的電壓振輻在短軸73的末端處為0，而在短軸73的中心處達到最大，也就是說自短軸73末端起算的波長的1/4之點(90度)。如果將一耦合電極78連接至位於駐波電壓振輻達到最大值的短軸73中心點附近的接頭77上，則可以製做出具有極佳傳播效率的高頻耦合器。

由於第7圖中所示的短軸73是位於印刷板71上的微條線路或共面波導，且直流電阻小，且高頻信號僅具有小損耗，因此可以減低高頻耦合器間的傳播損耗。另外，由於構成分佈常數電路的短軸73的尺寸是與高頻信號波長的1/2一樣大，因此相較於整個相位高度，製造時所產生的尺寸誤差會相當的輕微，而特性上的不均勻就不容易發生。

接下來將考量在使用弱UWB之近接無線傳遞內擴大通訊範圍的方法。

在將近接無線傳遞功能應用於結合在資訊設備內時，使用者並無法看到結合在該設備外殼上供對齊之用的標的點的記號，而該設備的接觸會沿著橫側方向自中心偏移開。針對此因素，為能改善近接無線傳遞功能在實用上的優點，必須要將橫側方向上的通訊範圍加以擴大。

第9圖顯示出藉由將一耦合電極92裝置在一接地板91上而形成的高頻耦合器90，其中在高頻信號輸入至耦合電極內時，電荷會聚積在耦合電極內。如此圖所示，聚積在耦合電極92上的電荷的量是以正弦波的型式變化的。在波長如同UWB般短的GHz等級的高頻頻帶內，耦合電極的大小相較於波長會是不可忽略的高。為此因素，耦合電極92內會產生電荷的分佈，例如駐波。另外，在同一圖式內，由耦合電極92所產生的電場是以虛線表示。

在第9圖的例子中，就耦合電極92的尺寸而言，自植入至接地板91的根部至末端的高度是設計為波長的1/4。另外，耦合電極92的該末端是開放狀態。該開放狀態是對應於電流駐波的固定端及對應於聚積在末端部位之電荷的正弦波振輻達到最大值的反節點(Anti-Node)。在此情形中，聚積在耦合電極92之每一部位上的電荷均具有相同的極性。另外，接地板91上會聚積具有與該每一部位上所聚積之電荷相反極性的鏡像電荷。

一種擴大高頻耦合器在橫側方向上之通訊範圍的簡單方法是加大耦合電極的尺寸。但是，如果加大高頻耦合器內之耦合電極的尺寸，則會有駐波產生於耦合電極的表面上，並且除了有著相同極性之電荷聚積於朝向電場輻射方向的前側方向的地方以外，亦會出現具有相反極性之電荷聚積的地方。如此，由於在駐波之振幅要面對著相反方向的相鄰地方內的每一極性的電場會抵消之故，會發生有著高強度及低強度電場的地方。具有低強度電場的地方會成為死點(無訊點)，即使是將通訊對象的耦合電極加以接觸，該處亦無法輕易地得到良好的電場耦合效應。

第10圖顯示出藉由將自根部至末端之高度為波長之1/2或更高的耦合電極102裝設於接地板101上而形成的高頻耦合器100的狀態，其中在有一高頻信號輸入至耦合電極102內時會有電荷聚積在耦合電極102內。如此一圖式所示，聚積在耦合電極102上的電荷的量是以正弦波的型式變化的。在波長如同UWB般短的GHz等級的高頻頻帶內，耦合電極的大小相較於波長會是不可忽略的高。為此因素，耦合電極102內會產生電荷的分佈，例如駐波。另外，在同一圖式內，由耦合電極102所產生的電場是以虛線表示。

耦合電極102的末端是呈開放狀態，而聚積在該末端部位內的電荷是對應於正弦波的振幅達到最大值的反節點。第10圖顯示出耦合電極102自末端部位起的長度，以波長的1/4為一個單位。當駐波發生時，具有不同極性之電荷聚集的地方會交替地發生在耦合電極102上。換言之，具有相同極性的電荷會聚集在自耦合電極102做為正弦波振幅達到最大之反節點的末端起算的每距一波長的部位(換言之，1/4波長的0倍、4倍、8倍、...等的部位)內，而具有與前述不同極性的電荷則會聚集於自耦合電極102做為正弦波振幅達到最大之反節點(如前所述)的末端起算的每1/2波長奇數倍的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)內。如此，電荷的極性在距離耦合電極102末端每1/4波長奇數位的地方都會顛倒一次。就此理由，聚積之電荷的極性相反的相鄰地方的電場會抵消掉。

第11圖顯示出第10圖中所示之高頻耦合器100容置於資訊設備內的情形。另外，在同一圖式中，由耦合電極102產生的電場是以虛線表示。自資訊設備外殼表面輻射出來之電場所能達到的範圍即是通訊範圍。如該圖式中所示，由於耦合電極102上相鄰地方內所聚集之電荷的相性相反而使電場抵消之故，因此會發生高強度及低強度電場。因此，具有低強度電場的地方會變成死點(無訊點)，即使是將通訊對象的耦合電極加以接觸，該處亦無法輕易地得到良好的電場耦合效應。

再者，為簡化該等圖式，在第10圖及第11圖中並未顯示出發生在接地板101上的鏡像電荷。請理解，鏡像電荷是以與聚集在耦合電極102上之電荷相同大小但具有相反極性的方式分佈於接地板101上。

具有相同極性的電荷是產生於自耦合電極102做為正弦波振幅達到最大之反節點的末端起算的每距一波長的部位(換言之，1/4波長的0倍、4倍、8倍、...等的部位)內，而具有與前述相反極性的電荷則會產生於自耦合電極102做為正弦波振幅達到最大之反節點(如前所述)的末端起算的每1/2波長奇數倍的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)內。就此因素，必須要防止自耦合電極102末端起算的每1/2波長奇數位的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)內所產生的電場互相抵消，以便能加大耦合電極的尺寸，並將電場信號輻射於寬廣的範圍。

因此，本發明建議在耦合電極具有同一極性電荷聚積的地方形成彎折部位，以使得具有同一相反極性的電荷可在駐波發生時聚集於朝向電場輻射方向的前側方向上。

第12圖顯示出藉由在一接地板121上設置自根部至末端的長度為波長1/2的耦合電極122而構成的高頻耦合器120的狀態，該耦合電極在自耦合電極122末端起自每1/2波長奇數倍的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)形成有彎折部位，其中在有高頻信號輸入耦合電極122內時，會有電荷聚積於耦合電極122內。另外，在同一圖式中，由耦合電極122產生的電場是以虛線表示。第13圖亦顯示出有彎折部位形成於自耦合電極122末端起自每1/2波長奇數倍的部位內的狀態下的耦合電極122的外觀圖(但是，深度方向上的寬度是假設為相對於波長的長度而言是可以忽略的尺寸)。

第12圖顯示出耦合電極122自末端部位起的長度，以波長的1/4為一個單位。具有相同極性的電荷會聚積在耦合電極122末端起算每距一個波長的部位(換言之，1/4波長的0倍、4倍、8倍、...等的部位)內。再者，自耦合電極122末端起自每1/2波長的奇數倍的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)內會聚積具有與前述不同極性的電荷，且形成有彎折部位。

在耦合電極122上朝向著電場輻射方向的前側表面上，只有在自耦合電極122末端起自每距一個波長的部位(換言之，1/4波長的0倍、4倍、8倍、...等的部位)會聚集，而分佈在該前側表面上的電荷會具有相同極性。另一方面，在自耦合電極122末端起算的每1/2波長奇數倍的部位(換言之，1/4波長的2倍、6倍、10倍、...等的部位)處，會聚積具有與前述相反極性的電荷，但是具有該相反極性的電荷則會聚集於因形成有彎折部位而與耦合電極122之表面(通訊用電場輻射出去的通訊表面)分隔開的後側的表面上。換句話說，具有相同極性的電荷會聚積在耦合電極122內朝向著在電場輻射方向的前側表面上的相鄰電荷貯載內。因此，一電場在電場輻射方向的前側表面上抵消朝向該輻射方向作用的另一電場並不會作用於具有不同極性之電荷聚積的地方。

第14圖顯示出第12圖中所示之高頻耦合器120容置於資訊設備內的情形。另外，在同一圖式中，由耦合電極122產生的電場是以虛線表示。自資訊設備外殼表面輻射出來之電場所能達到的範圍即是通訊範圍。如該圖式中所示，由於具有不同極性的電荷係聚集在各自的表面上而中止掉耦合電極122之前側面及後側面上的電場抵消之故，將不會產生具有低強度的電場，亦即死點(無訊點)，因此可以在橫側方向的大範圍內得到穩定的通訊。

根據第12圖至第14圖中所示的高頻耦合器的組合例，由於通訊範圍主要是自中心朝耦合電極的橫側方向擴大，在例如說設有高頻耦合器的資訊設備面對面放置時，使用者無需將標的點的記號準確地接觸來進行對齊，即可進行穩定的通訊。

本申請案包含西元2010年3月12日向日本專利局提出申請之日本優先權專利申請案JP 2010-055639號中所揭露的標的，該案的全部內容係引述於此，以供參考。

熟知此技藝之人士當可瞭解到，依設計需求及其他因素的考量，可以有各種的變化、組合、副組合、以及改變，而他們是屬於下附申請專利範圍或其等效者的範圍。

10．．．傳送器

11．．．傳送電路單元

12．．．串聯電感器

13．．．並聯電感器

14．．．耦合電極

15．．．分隔件

16．．．貫穿孔

17．．．印刷板

18．．．地面

20．．．接收器

21．．．接收電路單元

22．．．串聯電感器

23．．．並聯電感器

24．．．耦合電極

71．．．印刷板

72．．．接地導體

73．．．短軸

74．．．信號線紋路

75．．．傳送/接收電路模組

76．．．貫穿孔

77．．．接頭

78．．．耦合電極

90．．．高頻耦合器

91．．．接地板

92．．．耦合電極

100．．．高頻耦合器

101．．．接地板

102．．．耦合電極

120．．．高頻耦合器

121．．．接地板

122．．．耦合電極

第1圖是示意地顯示出弱UWB通訊方法之近接無線傳遞系統之架構的圖式。

第2圖是顯示出設有傳送器及接收器之高頻耦合器的基本組成的圖式。

第3圖是顯示出第2圖中所示之高頻耦合器一實施例的圖式。

第4圖是顯示出極微小偶極矩之電場的圖式。

第5圖是第4圖所示之電場匹配於耦合電極的圖式。

第6圖是顯示出電容負載式天線之組成例的圖式。

第7圖是顯示出在諧振單元內使用分佈常數電路的高頻耦合器組合例的圖式。

第8圖是顯示出第7圖中所示之高頻耦合器內的短軸上發生駐波之狀態的圖式。

第9圖是顯示出耦合電極裝設在接地電路上的高頻耦合器內的耦合電極被輸入高頻信號時，電荷聚積在耦合電極上的狀態的圖式。

第10圖是顯示出具有自根部至末端為1/2波長或更長之長度的耦合電極裝設在接地電路上的高頻耦合器內的耦合電極被輸入高頻信號時，電荷聚積在耦合電極上的狀態的圖式。

第11圖是顯示出第10圖所示之高頻耦合器容置於資訊設備內之狀態的圖式。

第12圖是顯示出具有自根部至末端為1/2波長或更長之長度且在耦合電極末端起算每1/2波長奇數倍處形成有彎折部位的耦合電極裝設在接地電路上的高頻耦合器內的耦合電極被輸入高頻信號時，電荷聚積在耦合電極上的狀態的圖式。

第13圖是一外觀圖，顯示出形成有彎折部位的耦合電極。

第14圖是顯示出第12圖所示之高頻耦合器容置於資訊設備內之狀態的圖式。

Claims

一種高頻耦合器，包含：一地面；一耦合電極，面對該地面，並係被支撐成以相對於一高頻信號的波長而言為一可忽略之高度來加以分隔開；以及一諧振單元，用以增加經由一傳輸路徑流入該耦合電極的一電流，其中該耦合電極具有彎折部位，位於具有一第一極性之電荷聚積的地方，因此當該高頻信號經由該傳輸路徑輸入至該耦合電極，並有一駐波發生時，具有一第二極性的電荷會聚集於朝向一電場之輻射方向的前側面上，以及其中會形成有由連接於聚積於該耦合電極上的該等電荷的中心與聚積於該地面上之鏡像電荷的中心的一線所構成的一極微小偶極矩，而該高頻信號則會傳遞至一設置成互相面對的通訊對象側的一高頻耦合器，以使得形成於該極微小偶極矩之方向上的角度θ大致上為0度；其中該等彎折部位係形成於自該耦合電極之一末端起算每一約1/2波長之奇數倍的部位處。
一種通訊裝置，包含：一通訊電路單元，可進行一高頻信號傳送數據的程序；一高頻信號的傳輸路徑，連接至該通訊電路單元；一地面；一耦合電極，面對該地面，並係被支撐成以相對於一高頻信號的波長而言為一可忽略之高度來加以分隔開；以及一諧振單元，用以增加經由一傳輸路徑流入該耦合電極的一電流，其中該耦合電極具有彎折部位，位於具有一第一極性之電荷聚積的地方，因此當該高頻信號經由該傳輸路徑輸入至該耦合電極，並有一駐波發生時，具有一第二極性的電荷會聚集於朝向一電場之輻射方向的前側面上，以及其中會形成有由連接於聚積於該耦合電極上的該等電荷的中心與聚積於該地面上之鏡像電荷的中心的一線所構成的一極微小偶極矩，而該高頻信號則會傳遞至一設置成互相面對的通訊對象側的一高頻耦合器，以使得形成於該極微小偶極矩之方向上的角度θ大致上為0度；其中該等彎折部位係形成於自該耦合電極之一末端起算每一約1/2波長之奇數倍的部位處。