WO2011111578A1 - 高周波結合器 - Google Patents

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    • H—ELECTRICITY
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    • G—PHYSICS
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    • H01Q1/36—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
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    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06—Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart

Definitions

  • the present invention relates to a high-frequency coupler used for high-frequency signal communication.
  • This proximity wireless transfer technology is a technology for performing contactless communication via an antenna using an induction electric field.
  • This proximity wireless transfer technology is a technology capable of transferring a large amount of data at a high speed in a short time, and is suitable for transferring a large amount of data such as music data or moving image data.
  • this proximity wireless transfer technology is assumed to have a communication distance of several centimeters or less, and has an advantage that the possibility of data leakage during communication is low.
  • Patent Document 1 a high-frequency coupler having a structure in which a coupling electrode is formed of a linear conductor and folded in a coil shape has been proposed.
  • Patent Document 2 a structure in which a high frequency coupler is formed on a substrate has been proposed.
  • This high frequency coupler is assumed to be mounted on a small device such as a mobile phone, and there is a strong demand for downsizing and thinning.
  • the high frequency coupler is to increase the tolerance of lateral deviation between the high frequency coupler on the transmission side and the high frequency coupler on the reception side. It is assumed that when the two high-frequency couplers on the transmission side and the reception side are correctly opposed to each other, sufficient coupling strength is obtained and communication between them is possible. Even in this case, it becomes difficult to use if the coupling strength sharply decreases when these two high-frequency couplers are shifted relatively sideways.
  • the high frequency coupler disclosed in Patent Document 2 is formed on a substrate and is superior in terms of miniaturization as compared with the high frequency coupler disclosed in Patent Document 1, but as shown in a comparative example described later. It is considered that the tolerance for lateral displacement is lowered.
  • An object of the present invention is to provide a high-frequency coupler that is more resistant to lateral shift while being reduced in size and thickness.
  • the high-frequency coupler of the present invention that achieves the above object is formed on a surface of a circuit board and either the surface or the inner surface of the circuit board, and when the circle is drawn on the surface, An antenna element having a shape that circulates along the circle while alternately repeating a first path extending from the inside to the outside and a second path extending from the outside to the inside of the circle is provided.
  • the first path and the second path that constitute the antenna element are both linearly extending paths, and the first path and the second path that are adjacent to each other are mutually connected. They may be alternately repeated in contact with each other with an angle between them.
  • the high frequency coupler of the present invention has a second antenna element that circulates around the antenna element, which is formed on the surface or the inner surface of the circuit board.
  • the high-frequency coupler of the present invention may have a loop antenna element that circulates around the antenna element on the surface of the circuit board.
  • the transmitting high-frequency coupler and the receiving high-frequency coupler having the same antenna element are overlapped with each other and shifted laterally. According to the present invention, even when shifted laterally in this way, a pair of line segments that are close to each other in parallel are formed for transmission and reception, and thus strong coupling strength even if there is lateral displacement Is preserved.
  • FIG. 1 is a view showing a front surface (A) and a back surface (B) of a high-frequency coupler according to an embodiment of the present invention.
  • the high-frequency coupler 10 includes a circuit board 20, a star-shaped antenna element 30 formed on the surface of the circuit board 20, and a star shape on the surface of the circuit board 20.
  • a loop antenna element 40 formed so as to circulate around the antenna element 30.
  • a ground surface 33 is widely formed at the center of the back surface of the circuit board 20, and the star antenna element 30 is formed in the opening from which the ground surface 33 is cut.
  • a power feeding section 34 is formed.
  • One end of the star-shaped antenna element 30 formed on the surface of the circuit board 20 is connected to a power feeding portion 34 formed on the back surface of the circuit board 20 through a through hole 38.
  • the other end of the star-shaped antenna element 30 is connected to the ground surface 33 on the back surface of the circuit board 20 through the through hole 39.
  • two power feeding portions 41 for the loop antenna element 40 are formed on the back surface of the circuit board 20. Both ends of the loop antenna element 40 formed on the surface of the circuit board 20 are connected to the two power feeding portions 41 on the back surface of the circuit board 20 through the through holes 49, respectively.
  • the star-shaped antenna element 30 includes a first path 31 extending from the inside of the circle 37 to the outside when the circle 37 is drawn on the surface of the circuit board 20 and a second path 32 extending from the outside of the circle 37 to the inside. And alternately and repeatedly around the circle 37.
  • the first path 31 and the second path 32 are both linearly extending paths, and the first path 31 and the second path 32 adjacent to each other are mutually connected. It repeats alternately with an angle in between and touching each other.
  • the loop antenna element 40 is formed on the surface of the circuit board 20 so as to circulate around the star-shaped antenna element 30 as described above. Both ends of the loop antenna element are connected to two power feeding portions 41 formed on the back surface of the circuit board 20 through a pair of through holes 49.
  • the loop antenna element 40 is used as a so-called RFID radio antenna.
  • FIG. 2 is a view showing a state (A) in which two circuit boards for transmission and reception are overlapped and a state (B) in which they are shifted laterally, each having an antenna element formed thereon.
  • FIG. 3 is a diagram showing a state in which the circular antenna element is shifted laterally.
  • This circular antenna element is a comparative antenna element compared with the embodiment of the present invention.
  • the coupling strength between the transmitting antenna element and the receiving antenna element is roughly determined by the length of a pair of line segments that are close to each other and extend parallel to each other and the degree of proximity.
  • the antenna element 50A for transmission and the antenna for reception are placed in the upper and lower parts of FIG. There are parallel line segment pairs close to each other with the element 50B. However, if they are greatly displaced as shown in FIG. 3B, the parallel parts are separated from each other, and only weak coupling strength is obtained.
  • FIG. 4 is a diagram showing a state in which the star-shaped antenna element is shifted laterally.
  • FIG. 5 shows the relationship between the lateral shift amount and the coupling strength in the star-shaped antenna element (example) shown in FIG. 1 and the circular antenna element (comparative example) capable of transmitting and receiving in the same wavelength region.
  • FIG. 5 shows the relationship between the lateral shift amount and the coupling strength in the star-shaped antenna element (example) shown in FIG. 1 and the circular antenna element (comparative example) capable of transmitting and receiving in the same wavelength region.
  • Example is a star shape as shown in FIG. 1, has a width of about 10 mm, an antenna element whose length is determined so as to transmit and receive radio waves of 4 ⁇ 5GH Z bands. Furthermore, “comparative example” is a circular plate-shaped antenna elements, as in the “Examples", 4 ⁇ 5GH so long as to transmit and receive radio waves in the frequency band of Z are determined.
  • the spacing in the facing direction between the transmitting antenna element and the receiving antenna element is 1 mm (see FIG. 2).
  • the horizontal axis indicates the relative shift distance [mm]
  • the vertical axis indicates the bond strength [dB].
  • the coupling strength [dB] is expressed in decibels (dB) of the power transmitted to the receiving antenna element with respect to the power input to the transmitting antenna element.
  • the bond strength is greatly reduced at a shift distance of about 10 mm or more, whereas in the case of the example, a sharp decrease in the bond strength as in the comparative example is seen. Absent. That is, in the case of the embodiment, even if the receiving antenna element is arranged at a position considerably deviated from the transmitting antenna element, communication is possible between them, and the practicality is excellent.
  • FIG. 6 is a diagram showing various modifications of the embodiment shown in FIG.
  • a high-frequency coupler 10A shown in FIG. 6A is an example in which a star-shaped antenna element 30A, a ground plane 33A, and a power feeding portion 34A are all formed on the same surface of the circuit board 20A.
  • the high-frequency coupler of the present invention can also form all elements on only one surface of the circuit board.
  • all elements of the star-shaped antenna element 30B, the ground surface 33B, and the power feeding portion 34B are formed on the same surface of the circuit board 20B as in FIG. 6A. This is an example. However, an opening 331B is formed in the ground surface 33B, and the antenna element 30B is disposed in the opening 331B.
  • the star-shaped antenna element 30C, the ground surface 33C, and the feeding portion 34C are formed on the same surface of the circuit board 20C. is doing.
  • the ground surface 33C extends so as to surround the antenna element 30C, as in FIG. 6B.
  • the opening 331B surrounding the antenna element 30B has a partially circular arc shape
  • the opening 331C surrounding the antenna element 30C is rectangular. .
  • FIG. 1 and FIGS. 6A to 6C there can be various forms of arrangement of the antenna element and the ground plane.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the antenna element.
  • the first path 31 and the second path 32 are formed in the circle 37 while being alternately in contact with each other at an angle between the inside and the outside of the circle 37. It is circling along.
  • the first path 31D and the second path 32D are in direct contact with each other while forming an angle inside the circle 37D.
  • the path 31D and the second path 32D are not in direct contact with each other.
  • the first path 31D and the second path 32D are connected via a line segment 35D extending in parallel with the circle 37D.
  • the first path 31D and the second path 32D may be connected via a curve instead of the line segment 35D.
  • it may be connected via a line or curve, either inside the circle 37D, or both outside and inside the circle 37D.
  • the first route and the second route are not necessarily directly connected as described above.
  • the star-shaped antenna element is formed on the surface of the circuit board, but may be formed on the inner surface of the circuit board.

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Abstract

　本発明は、高周波信号の通信に用いられる高周波結合器に関し、小型化、薄型化を図りながら、さらに横ずれに強い高周波結合器を提供する。　回路基板と、その回路基板の表面又は内面のうちのいずれかの面に形成された、該面上に円を描いたときの該円の内側から外側に延びる第１経路と、該円の外側から内側に延びる第２経路とを交互に繰り返しながら該円に沿って周回する形状のアンテナ素子を備えた。

Description

高周波結合器
　本発明は、高周波信号の通信に用いられる高周波結合器に関する。
　近年、広帯域無線技術をベースとした近接無線転送技術が提案され、今後の普及が期待されている。この近接無線転送技術は、誘導電界を用いたアンテナを介して非接触で通信を行う技術である。この近接無線転送技術は、大容量データを高速かつ短時間で転送することができる技術であって、例えば音楽データや動画データなどといった大容量データの転送に好適である。また、この近接無線転送技術は、通信距離が数ｃｍ以内と想定されており、通信時におけるデータ漏洩の可能性が低いといった利点も有する。
　このような近接無線転送技術を実現する手段として、例えば、結合用の電極を線状導体で構成しコイル状に折りたたんだ構造の高周波結合器が提案されている（特許文献１）。
　また、高周波結合器を基板上に形成した構造も提案されている（特許文献２）。
特開２００９－１００１１１号公報 特開２００８－２７１６０６号公報
　この高周波結合器は、例えば携帯電話機等の小型機器に搭載されることが想定されており、小型化、薄型化の要請が強い。
　しかしながら、特許文献１に開示されている線状導体をコイル状に折りたたんだ構造の高周波結合器の場合、コイル状に折り畳んだとはいえ、コイルの寸法分の高さが必要となる。したがって、携帯電話機のような小型機器への搭載に十分なレベルにまで小型化、薄型化するのは難しい。
　また、高周波結合器に要求されるもう１つの点は、送信側の高周波結合器と受信側の高周波結合器との横ずれの許容度を上げることである。送信側と受信側の２つの高周波結合器を互いに正しく正対させたときは十分な結合強度が得られそれらの間での通信が可能であったとする。この場合であっても、それら２つの高周波結合器を相対的に横にずらしたときに結合強度が急激に弱まってしまうと使いにくいものとなってしまう。
　このため、２つの高周波結合器を相対的に横にずらしたときに、十分な結合強度が得られる横距離が問題となる。
　特許文献２に開示された高周波結合器は、基板上に形成されており、特許文献１に開示された高周波結合器と比べ小型化の点では優れているが、後述する比較例に示すように横ずれに対する許容度が低くなると考えられる。
　本発明は、小型化、薄型化を図りながら、さらに横ずれに強い高周波結合器を提供することを目的とする。
　上記目的を達成する本発明の高周波結合器は、回路基板と、その回路基板の表面又は内面のうちのいずれかの面に形成された、その面の上に円を描いたときのその円の内側から外側に延びる第１経路と、その円の外側から内側に延びる第２経路とを交互に繰り返しながらその円に沿って周回する形状のアンテナ素子とを備えたことを特徴とする。
　ここで、本発明の高周波結合器において、上記アンテナ素子を構成する第１経路および第２経路は、いずれも直線的に延びる経路であって、互いに隣接する第１経路と第２経路が互いの間に角を成して互いに接して交互に繰り返しているものであってもよい。
　さらに、本発明の高周波結合器は、上記回路基板の表面又は内面の上に形成された、上記アンテナ素子を周回する第２のアンテナ素子を有することも好ましい形態である。
　また、本発明の高周波結合器は、上記回路基板の表面に、前記アンテナ素子を周回するループ状アンテナ素子を有するものであってもよい。
　本発明によれば、同形のアンテナ素子を有する送信用高周波結合器と受信用高周波結合器とを互いに重ね合わせて横にずらしていくことを考える。本発明によれば、このように横にずらしていったときであっても、送信用と受信用とで互いに平行に近接した線分のペアが形成され、したがって横ずれがあっても強い結合強度が保たれる。
本発明の実施形態の高周波結合器の表面（Ａ）および裏面（Ｂ）を示した図である。 それぞれにアンテナ素子が形成された、送信用と受信用の２枚の回路基板が重なった状態（Ａ）と横にずらした状態（Ｂ）を示した図である。 円形のアンテナ素子を横にずらした状態を示した図である。 星形のアンテナ素子を横にずらした状態を示した図である。 横へのずらし量と結合強度との関係を示した図である。 図１に示す実施形態の各種変形例を示した図である。 アンテナ素子の変形例を示した図である。
　以下、本発明の実施形態を説明する。
　図１は、本発明の一実施形態の高周波結合器の表面（Ａ）および裏面（Ｂ）を示した図である。
　この高周波結合器１０は、図１（Ａ）に示すように、回路基板２０と、その回路基板２０の表面に形成された星形のアンテナ素子３０と、その回路基板２０の表面に、星形のアンテナ素子３０を周回するように形成されたループ状アンテナ素子４０とを有する。さらに、図１（Ｂ）に示すように、回路基板２０の裏面には、その中央部分に広くグランド面３３が形成されており、そのグランド面３３が切除された開口内に星型アンテナ素子３０用の給電部３４が形成されている。回路基板２０の表面に形成された星形のアンテナ素子３０の一端は、スルーホール３８を介して回路基板２０の裏面に形成された給電部３４に接続されている。また、星型のアンテナ素子３０の他端は、スルーホール３９を介して、回路基板２０の裏面のグランド面３３に接続されている。
　また、この回路基板２０の裏面には、ループ状アンテナ素子４０用の２つの給電部４１が形成されている。回路基板２０の表面に形成されたループ状アンテナ素子４０の両端は、スルーホール４９を介して、回路基板２０の裏面の２つの給電部４１にそれぞれ接続されている。
　星形のアンテナ素子３０は、回路基板２０の表面に円３７を描いたときの、その円３７の内側から外側に延びる第１経路３１と、その円３７の外側から内側に延びる第２経路３２とを交互に繰り返しながらその円３７に沿って周回する形状を有する。このアンテナ素子３０は、図１に示すように、幅が約１０ｍｍ程度の大きさのアンテナ素子であり、４～５ＧＨＺ帯の波長で高速通信を行なうことができる。
　また、この図１に示すアンテナ素子３０の場合、第１経路３１と第２経路３２は、いずれも直線的に延びる経路であって、互いに隣接する第１経路３１と第２経路３２が互いの間に角を成し互いに接して交互に繰り返している。
　また、ループ状アンテナ素子４０は、前述の通り回路基板２０の表面に、星形のアンテナ素子３０を周回するように形成されている。このループ状アンテナ素子の両端は、一対のスルーホール４９を介して、回路基板２０の裏面に形成された２つの給電部４１に接続されている。
　このループ状アンテナ素子４０は、いわゆるＲＦＩＤの無線アンテナとして用いるものである。
　図２は、それぞれにアンテナ素子が形成された、送信用と受信用の２枚の回路基板が重なった状態（Ａ）と横にずらした状態（Ｂ）を示した図である。
　ここでは、図１に示す星形のアンテナ素子３０を送信用と受信用として２つ用意し、図２（Ａ）から図２（Ｂ）のように、相対的に横にずらした場合について考察する。ここでは、送信用と受信用の２つのアンテナ素子どうしの間隔は１ｍｍである。
　図３は、円形のアンテナ素子を横にずらした状態を示した図である。この円形のアンテナ素子は、本発明の実施形態と対比される比較例のアンテナ素子である。
　送信用のアンテナ素子と受信用のアンテナ素子との結合強度は、大まかには、互いに近接して互いに平行に延びる線分のペアの長さとその近接の程度によって決定される。
　図３（Ａ）のように、送信用と受信用の２つのアンテナ素子５０Ａ，５０Ｂが少しだけずれたときは、この図３（Ａ）の上下部分に送信用のアンテナ素子５０Ａと受信用アンテナ素子５０Ｂとの間で互いに近接した平行な線分ペアが存在する。しかしながら、図３（Ｂ）のように大きくずれると、互いに平行な部分は互いに離れてしまい、弱い結合強度しか得られない。
　図４は、星形のアンテナ素子を横にずらした状態を示した図である。
　図４（Ａ）のように、送信用と受信用の２つのアンテナ素子６０Ａ，６０Ｂが少しだけずれたときは、送信用のアンテナ素子６０Ａと受信用アンテナ素子６０Ｂとの間では、ほぼ全周に亘り、互いに近接した互いに平行な線分が存在する。また、図４（Ｂ）のように大きくずれても、図４（Ｂ）に点線で囲った部分のように、互いに近接しかつ互いに平行な線分ペアが存在する。したがって、図４（Ｂ）のように横に大きくずれても強い結合強度が得られる。
　図５は、図１に示す星形のアンテナ素子（実施例）と、それと同じ波長領域での送受信が可能な円形のアンテナ素子（比較例）における、横へのずらし量と結合強度との関係を示した図である。
　「実施例」は、図１に示す形状の星形であって、１０ｍｍ程度の幅寸法を有し、４～５ＧＨＺ帯の電波を送受信するように長さが決められたアンテナ素子である。また、「比較例」は、円形平板状のアンテナ素子であって、「実施例」と同じく、４～５ＧＨＺの周波数帯の電波を送受信するように長さが決められている。
　さらに、「実施例」と「比較例」のいずれの場合も、送信用アンテナ素子と受信用アンテナ素子との間の対面方向の間隔は１ｍｍである（図２参照）。
　図５の横軸は相対的なずらし距離［ｍｍ］、縦軸は結合強度［ｄＢ］を示している。結合強度［ｄＢ］は、送信用のアンテナ素子に投入した電力に対する受信用のアンテナ素子に伝達された電力をデシベル（ｄＢ）で表わしたものである。
　ここでは、４～５ＧＨＺの周波数帯域をさらに複数の周波数帯域に分割したときの各周波数帯域ごとの結合強度のうちの、各ずらし距離におけるピークの周波数帯域における結合強度をプロットしている。
　図５に破線で示す比較例の場合は、約１０ｍｍ以上のずらし距離で結合強度が大きく低下しているのに対し、実施例の場合、比較例のような結合強度の急激な低下は見られない。すなわち、実施例の場合、送信用のアンテナ素子に対し、受信用のアンテナ素子をかなりずれた位置に配置してもそれらの間での通信が可能であり、実用性に優れたものとなる。
　図６は、図１に示す実施形態の各種変形例を示した図である。
　図６（Ａ）に示す高周波結合器１０Ａは、星形のアンテナ素子３０Ａと、グランド面３３Ａと、給電部３４Ａを、いずれも回路基板２０Ａの同一表面に形成した例である。
　このように、本発明の高周波結合器は、回路基板の一面のみに全要素を形成することも可能である。
　また、図６（Ｂ）に示す高周波結合器１０Ｂは、図６（Ａ）と同様、星形のアンテナ素子３０Ｂ、グランド面３３Ｂ、および給電部３４Ｂの全要素を回路基板２０Ｂの同一面に形成した例である。ただし、グランド面３３Ｂには開口３３１Ｂが形成され、アンテナ素子３０Ｂはその開口３３１Ｂ内に配置されている。
　さらに、図６（Ｃ）示す高周波結合器１０Ｃは、図６（Ａ），（Ｂ）と同様、星形のアンテナ素子３０Ｃ、グランド面３３Ｃ、および給電部３４Ｃを回路基板２０Ｃの同一面に形成している。さらに、この図６（Ｃ）に示す高周波結合器１０Ｃは、図６（Ｂ）と同様、グランド面３３Ｃがアンテナ素子３０Ｃを取り巻くように広がっている。ただし、図６（Ｂ）では、アンテナ素子３０Ｂを取り巻く開口３３１Ｂが一部が直線の円弧形状であり、図６（Ｃ）では、アンテナ素子３０Ｃを取り巻く開口３３１Ｃが矩形である点が異なっている。
　図１および図６（Ａ）～（Ｃ）に示すように、アンテナ素子とグランド面の配置には様々な形態があり得る。
　図７は、アンテナ素子の変形例を示す図である。
　図１に示すアンテナ素子３０の場合、第１経路３１と第２経路３２は、円３７の外側においても内側においてもそれらの間に角を成して直接に接して交互に繰り返しながら円３７に沿って周回している。
　これに対し、図７に示すアンテナ素子３０Ｄの場合、第１経路３１Ｄと第２経路３２Ｄは、円３７Ｄの内側では角を成して直接に接しているが、円３７Ｄの外側では、第１経路３１Ｄと第２経路３２Ｄは、直接には接していない。これら第１経路３１Ｄと第２経路３２Ｄは、円３７Ｄと平行に延びる線分３５Ｄを介して接続されている。或いは、第１経路３１Ｄと第２経路３２Ｄは、線分３５Ｄの代りに曲線を介して接続されてもよい。線分又は曲線を介して接続されるのは、円３７Ｄの外側である代りに円３７Ｄの内側でもよく、或いは円３７Ｄの外側及び内側の双方でもよい。
　本発明では、このように第１経路と第２経路が必ずしも直接に接続されている必要はない。
　また、本実施形態では、星形のアンテナ素子は回路基板の表面に形成されていたが、回路基板の内面に形成されてもよい。
　１０，１０Ａ，１０Ｂ，１０Ｃ　　高周波結合器
　２０，２０Ａ，２０Ｂ，２０Ｃ　　回路基板
　３０，３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ，３０Ｄ，５０Ａ，５０Ｂ，６０Ａ，６０Ｂ　　アンテナ素子
　３１，３１Ｄ　　第１経路
　３２，３２Ｄ　　第２経路
　３３，３３Ａ，３３Ｂ，３３Ｃ　　グランド面
　３４，３４Ａ，３４Ｂ，３４Ｃ，４１　　給電部
　３５Ｄ　　線分
　３７，３７Ｄ　　円
　３８，３９，４９　　スルーホール
　４０　　ループ状アンテナ素子
　３３１Ｂ，３３１Ｃ　開口

Claims (3)

  1. 　回路基板と、
    　前記回路基板の表面又は内面のうちのいずれかの面に形成された、該面上に円を描いたときの該円の内側から外側に延びる第１経路と、該円の外側から内側に延びる第２経路とを交互に繰り返しながら該円に沿って周回する形状のアンテナ素子とを備えたことを特徴とする高周波結合器。
  2. 　前記第１経路および前記第２経路が、いずれも直線的に延びる経路であって、互いに隣接する第１経路と第２経路が互いの間に角を成し互いに接して交互に繰り返していることを特徴とする請求項１記載の高周波結合器。
  3. 　前記回路基板の表面に、前記アンテナ素子を周回するループ状アンテナ素子を有することを特徴とする請求項１又は２記載の高周波結合器。
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