CN101853976B - 通信设备和高频耦合器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了通信设备和高频耦合器。一种通信设备包括：处理高频信号的通信电路单元；连接到通信电路单元的传输路径；地；耦合电极，该耦合电极被支撑以与地相对并相距一高度，该高度相对于高频信号的波长是可忽略的；共振单元，其增大经由传输路径流入耦合电极的电流；以及由导体构成的扩展部分，所述导体以相对微偶极子的方向大致为0度的角度θ布置在耦合电极的正面附近，所述微偶极子由连接存储在耦合电极中的电荷的中心与存储在地中的镜像电荷的中心的线段构成，所述导体在与从耦合电极的正面发生的电场信号的传播方向大致相正交的横向方向上扩展。

Description

通信设备和高频耦合器

技术领域

本发明涉及通过使用高频宽带的弱UWB通信技术在邻近区域进行大容量数据传输的通信设备和高频耦合器，具体讲，涉及具有如下可通信区域的通信设备和高频耦合器：在使用电场耦合的弱UWB通信中，其可通信区域在横向方向上被充分扩展。

背景技术

非接触通信已被广泛用作用于认证信息、电子货币和其他价值信息的媒介。遵循ISO/IEC 14443的IC卡标准的示例包括A型、B型和FeliCa

此外，由Sony Corporation和Koninklijke Philips Electronics N.V.开发的近场通信(NFC)是一种RFID标准，其主要定义可与A型、B型和FeliCa中的每种IC卡进行通信的NFC通信设备(读取器/写入器)的规范。在NFC中，通过使用13.56MHz频带，可以通过电磁感应执行近距离型(close-proximity type)(大于等于0但小于等于10cm)非接触双向通信。

非接触通信***的另一应用示例是大容量数据传输，例如运动图片和音乐的下载或流播(streaming)。例如，可以假设非接触通信在从自动售货机向便携式终端下载付费内容时或在经由连接到因特网的个人计算机从付费站点向便携式终端下载内容时被使用。在此情况下，优选地，用户把便携式终端握持在读取表面上这一个用户操作就足够了，并且感觉上完成该操作所需访问时间与过去的认证和计费的时间相同。因此，需要高通信速率。

但是，作为非接触通信的典型示例的NFC通信中的通信速率约为106kbps至424kbps，这对于个人认证或计费处理是足够了，但是与其他通用无线通信(例如WiFi和蓝牙)相比要慢得多。而且，在过去的技术(例如NFC通信)中，由于诸如载波频率之类的物理约束，可实现的最大通信速率顶多到848kbps。因此，难以期望将来在速率方面有极大提高。

相对照地，可应用到高速通信的近距离无线传输技术的示例是使用弱超宽带(UWB)信号的TransferJet(例如，参考日本未审查专利申请公布No.2008-99236以及www.transferjet.org/en/index.html(2009年3月23日))。该近距离无线传输技术(TransferJet)是一种基本上利用电场耦合作用来传输信号的技术，用于该技术的通信设备包括：处理高频信号的通信电路单元；被布置得与地面相距预定高度的耦合电极；以及将高频信号高效地提供到耦合电极的共振单元。

在使用电场耦合作用的弱UWB通信中，其通信距离大约在2cm到3cm，并且高频耦合器不具有极化波，而是具有在高度方向上和横向方向上具有大致相同的广度(extent)的方向性。因此，使用该高频耦合器的通信设备具有大致半球型拱顶状通信区域。

另一方面，在NFC通信技术中，已经开发并制造出适合并入的、具有微小尺寸的小型低高度读取器/写入器模块，这样的读取器/写入器模块可被用于实现在各种设备中，例如销售点(POS)终端、自动售货机和个人计算机。例如，提出了一种笔记本型信息处理设备，其中读取器/写入器模块被并入到主体键盘的掌托部分(palm rest portion)，并且从附近的非接触IC标签(tag)读取信息(例如，参见日本未审查专利申请公布No.2003-87263)。

在上述在设备中实现读取器/写入器模块的应用模式中，充当通信目标(例如便携式终端)的单元一般放置在设备的读取表面上，以便进入可通信区域。现在考虑这种一般实践被应用到上述弱UWB通信技术的情况。在并入了高频耦合器的便携式终端被放置在设备的读取表面上的情况下，高频耦合器之间的距离很短，并且高频耦合器处在大致接触状态中。以这种方式，高频耦合器可以与设备足够接近以使得电场耦合作用发生。高频耦合器原本具有在高度方向上和横向方向上具有大致相同的广度的方向性(如上所述)。即使在高度方向(即信号传播方向)上的通信距离很短时，如果在横向方向上(换言之，与传播方向正交的方向上)扩展可通信区域，可以布置读取表面(即，通信设备)的区域则被扩展，从而使得用户更容易使用。由于对于每个终端，高频耦合器被并入在不同地点，因此即使每个终端以类似方式被放在设备的读取表面上，高频耦合器之间的距离也会有所不同。

例如，建议如下弱UWB通信技术的通信***：其中，使用铜线或其他导体构成线性元件的表面波传输线被布置在耦合电极附近，并且从发射器的耦合电极发射的电场信号传播通过该传输线的内侧和表面以扩展电极之间的距离(例如，参见日本未审查专利申请公布No.2008-99234)。该***使用电场沿导体表面行进这一属性。就是说，出现与表面波传输线垂直的电场和绕表面波传输线外侧缠绕的磁场，并且利用电场和磁场之间的这种能量交替改变形式，表面波信号被传播到很远。

但是，上述使用表面波传输线的通信***在高度方向(即，信号传播方向)上扩展通信距离，但是不在横向方向(换言之，与传播方向正交的方向)上扩展可通信区域。而且，沿表面波传输线的纵向方向，周期性地出现强电场部分和弱电场部分，以对应于驻波的最大位置和波节。虽然用户可以从直观上知道在靠近读取表面中心的位置上通信质量更高，但是表面波传输线在纵向方向上的中心不一定具有高电场强度(参见日本未审查专利申请公布No.2008-99234，图31A至31F)。因此，用户难以凭直观执行操作。

作为另一示例，建议表面波传输线具有如下结构：一端由成束的线材料构成，这些线材料的末端表面以适当位置和角度附接到耦合电极以有极好的通信状态，另一端则不成束并且每个线材料的末端表面分布在一平坦耦合表面中(例如，参见日本未审查专利申请公布No.2008-103993)。这样做，可以提供可通信区域在横向方向上被扩展的耦合表面。但是，通过成束线材料构成的表面波传输线难以使小型高频耦合器具有低高度。

发明内容

希望提供一种优良的通信设备和高频耦合器，它们能够通过使用高频宽频带的弱UWB通信技术在邻近范围中执行大容量数据传输。

还希望提供一种优良的通信设备和高频耦合器，它们能够具有在使用电场耦合的弱UWB通信中在横向方向上充分扩展的可通信区域。

还希望提供一种优良的通信设备和高频耦合器，它们允许用户执行直观操作，从而当在使用电场耦合的弱UWB通信中将设备放在读取表面附近时开始数据传输。

根据本发明的一个实施例，一种通信设备包括：通信电路单元，其处理传输数据的高频信号；用于所述高频信号的传输路径，该传输路径连接到所述通信电路单元；地；耦合电极，该耦合电极被支撑以与所述地相对并相距一定高度，该高度相对于所述高频信号的波长是可忽略的；共振单元，其增大经由所述传输路径流入所述耦合电极的电流；以及由导体构成的扩展装置，所述导体以相对微偶极子的方向大致为0度的角度θ布置在所述耦合电极的正面附近，所述微偶极子由连接存储在所述耦合电极中的电荷的中心与存储在所述地中的镜像电荷的中心的线段构成，所述导体在与从所述耦合电极的正面发生的电场信号的传播方向大致相正交的横向方向上扩展。

而且，根据本发明的另一实施例，根据前述的实施例的通信设备的扩展装置具有薄矩形截面形状并且由金属板构成，所述薄矩形截面形状在电场信号的传播方向上较长并且具有窄底面，所述金属板的形状是在横向方向上较长。这里，在横向方向上较长的形状的示例包括条状、通过折叠一个棒料形成的弯曲形状以及通过呈放射状组合一些条形金属板而形成的形状。

而且，根据本发明的另一实施例，根据前述的实施例的通信设备的扩展装置具有在横向方向上较长的形状并且在横向方向上的每一末端包括端接器。这里，根据本发明的另一实施例，所述端接器是在扩展装置的末端附近缠绕的无线电波吸收片。可替换地，根据本发明的另一实施例，所述端接器是使得扩展装置的末端与地短路的电阻器。

根据本发明的另一实施例，一种高频耦合器包括：用于高频信号的传输路径；地；耦合电极，该耦合电极被支撑以与地相对并相距一定高度，该高度相对于所述高频信号的波长是可忽略的；共振单元，其增大经由所述传输路径流入所述耦合电极的电流；以及由导体构成的扩展装置，所述导体以相对微偶极子的方向大致为0度的角度θ布置在所述耦合电极的正面附近，所述微偶极子由连接存储在所述耦合电极中的电荷的中心与存储在地中的镜像电荷的中心的线段构成，所述导体在与从所述耦合电极的正面发生的电场信号的传播方向大致相正交的横向方向上扩展。

根据本发明的实施例，可以提供优良的通信设备和高频耦合器，它们能够通过使用高频宽频带的弱UWB通信技术在邻近范围中执行大容量数据传输。

根据本发明的实施例，可以提供优良的通信设备和高频耦合器，它们能够具有在使用电场耦合的弱UWB通信中在横向方向上充分扩展的可通信区域。

根据本发明的实施例，可以提供优良的通信设备和高频耦合器，它们允许用户执行直观操作，以当在使用电场耦合的弱UWB通信中将设备放在读取表面附近时开始数据传输。弱UWB通信技术的非接触通信***可以设有如下读取表面：该读取表面所具有的可通信区域即使在短通信距离中也在横向方向上被充分扩展。

根据本发明的实施例，形成了由连接存储在耦合电极中的电荷的中心与存储在地中的镜像电荷的中心的线段所构成微偶极子。此外，利用共振单元的共振作用，更多电荷被存储在耦合电极中以增大微偶极子的强度。从耦合电极的正面发生的电场信号在相对于微偶极子的方向形成的角度θ大致为0的方向上被最大化。被布置在耦合电极的正面附近的扩展装置在与电场信号的传播方向大致正交的横向方向上扩展。从耦合电极进入扩展装置的一端边缘的电场信号在横向方向上大致呈放射状沿扩展装置的表面传播，并从扩展装置的另一端边缘再次发射到空间中。结果，电场信号的传输区域被扩展到取决于金属板的每一端边缘的形状和尺寸的区域。因此，可以确保更宽的可通信区域。

根据本发明的实施例，在耦合电极的正面方向上发生的电场信号没有在金属板的一端边缘处进入窄底面，而是围绕侧表面以大约90度的入射角行进以被转换成横向波，该横向波沿金属板的表面大致呈放射状传播并从金属板的另一端边缘再次发射到空间中。因此，利用由具有在横向方向上较长的形状的金属板所构成的扩展装置，可以确保更宽的可通信区域。这里，在横向方向上较长的形状的示例包括条状、通过折叠一个棒料形成的弯曲形状以及通过呈放射状组合一些条形金属板而形成的形状。

由于沿作为扩展装置的导体的长度方向传播的电场信号在导体每一端被反射，因此由于在导体中发生驻波而使得电场强度在被有利地扩展的可通信区域中不利地变得不一致。为了避免这一点，根据本发明的实施例，扩展装置在每一端包括端接器。因此，沿长度方向行进并到达末端的电场信号可以被终止以防止发生反射波。结果，在扩展装置中不发生驻波。因此，在越靠近中心的部分中电场越强，从而不会在中途形成弱电场部分。因此，用户可以具有操作的直观感受，即，在越靠近读取表面的中心的部分能够更好地通信。

基于下面所描述的本发明实施例以及附图、通过更详细的描述，本发明的其他特征和优点将变得显而易见。

附图说明

图1示意性地示出使用电场耦合作用的弱UWB通信技术的近距离高速无线通信***的结构；

图2示出布置在发射器和接收器中的每一个中的高频耦合器的基本结构；

图3示出图2所示高频耦合器的实现方式的示例；

图4示出由微偶极子(microdipole)产生的电磁场；

图5示出图4所示的电磁场被映射在耦合电极上；

图6示出电容负载天线的结构示例；

图7示出使用分布常数电路(distributed constant circuit)作为阻抗匹配单元和共振单元的高频耦合器的结构示例；

图8示出在短截线(stub)上发生驻波的状态；

图9示出在耦合电极附近布置了由金属板构成的扩展部分的高频耦合器的结构示例；

图10示出从图9所示金属板的截面方向上观看的电场状态；

图11示出在图9所示金属板的侧表面上行进的电场信号的传播状态；

图12示出通过沿金属板的长度方向传播的电场信号在每一端反射而在金属板中发生驻波的状态；

图13示出在金属板的每一端安装有端接器(terminator)以终止到达该端的电场信号，从而放置发生反射波的状态；

图14示出安装在金属板每一端的端接器的结构示例；

图15示出安装在金属板每一端的端接器的另一结构示例；

图16示出用于扩展板上的可通信区域的扩展部分的结构示例；

图17示出用于扩展板上的可通信区域的扩展部分的另一结构示例；

图18示出使用表面波传输线的通信***的结构示例；

图19示出发生在高频耦合器的耦合电极表面的纵向波分量的电场作为表面波行进到表面波传输线的末端边缘的状态；

图20A示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验条件；

图20B示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验条件；

图20C示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验条件；

图20D示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验条件；

图21示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验结果；

图22示出当在每一端安装有由电阻器构成的端接器的金属板被用作扩展部分时，利用可变端接电阻测量高频耦合器之间的耦合强度的结果；

图23示出利用可变高度(板宽度)的金属板测量高频耦合器之间的耦合强度的状态，其中金属板的每一端安装有由电阻器构成的端接器并且该金属板被用作扩展部分；

图24示出利用可变高度(板宽度)的金属板测量高频耦合器之间的耦合强度的结果，其中金属板的每一端安装有由电阻器构成的端接器并且该金属板被用作扩展部分；

图25示出当使用具有矩形形状的金属板作为扩展部分时和当使用一根电线作为扩展部分时，测量高频耦合器之间的耦合强度的结果；

图26A示出从传输耦合电极行进到金属板一端边缘的电场信号主要从另一端边缘再次发射到空间中的状态；以及

图26B示出从传输耦合电极行进到电线的电场信号在纵向方向上传播并随后主要从两端再次发射到空间中的状态。

具体实施方式

下面将参考附图来描述本发明的实施例。

首先，描述使用弱UWB通信技术的近距离高速无线通信的工作原理。

图1示意性地示出使用电场耦合作用的弱UWB通信技术的近距离高速无线通信***的结构。在图1中，发射器10和接收器20分别具有耦合电极14和耦合电极24，用于发射和接收。耦合电极14和24被布置得彼此相对并相互分离例如3cm，从而允许电场耦合。基于来自更高级应用的发射请求，发射器10上的发射电路单元11生成基于传输数据的高频发射信号(例如UWB信号)，并将生成的信号作为电场信号从发射耦合电极14传播到接收耦合电极24。然后，接收器20上的接收电路单元21对接收到的高频电场信号进行解调和解码，并将重现的数据传递到更高级应用。

根据使用高频宽带的通信技术，例如UWB通信，可以在邻近范围执行大约100Mbps的超高速数据传输。而且，如下所述，当利用静电场或感应场而不是辐射场的耦合作用执行UWB通信时，电场强度与距离的立方或平方成反比。因此，通过将在相距无线设施三米距离处的电场强度抑制在等于或小于预定水平，可以在无需无线台站许可的情况下实现弱无线，从而以低成本配置通信***。而且，数据通信是利用电场耦合技术在邻近范围内执行的。因此，作为一个优势，由于来自附近反射体(reflector)的反射波很小，因此于扰的影响很小。此外，作为另一优势，不需要考虑对传输路径的黑客防御或机密保护。

另一方面，随着传播距离相对于波长增大，传播损耗也增大。因此，为了通过电场耦合传播高频信号，希望传播损耗被抑制得足够低。在通过电场耦合传输高频宽带信号(例如UWB信号)的通信技术中，即使在大约3cm的近距离通信中，距离也等同于4GHz使用频带的波长的大约1/2，因此该距离不能被忽略。除了其他问题之外，在高频电路中，特征阻抗问题与低频电路相比是严重的，并且由不匹配的阻抗所导致的影响在发射器和接收器的电极之间的耦合点处变得突出。

在使用kHz或MHz频带频率的通信中，空间中的传播损耗很小。因此，发射器和接收器各自包括仅仅由电极构成的耦合器。即使在耦合部分简单地作为平行平板电容器工作时，也可以执行期望的数据传输。相比之下，在用于通过使用GHz频带的高频率、在相对于波长无法忽略的距离中传输信号的通信中，空间中的传播损耗很大。因此，希望传输信号的反射能够被抑制以增大传输效率。即使传输路径被调整为在发射器和接收器中的每一个处具有预定的特征阻抗，也难以在作为平行平板电容器的耦合部分实现阻抗匹配。例如，在图1所示的通信***中，即使当把发射电路单元11和发射耦合电极14耦合的高频电场信号的传输路径是具有例如50Ω的阻抗匹配的同轴电缆时，如果在发射耦合电极14和接收耦合电极24之间的耦合部分处的阻抗不匹配，电场信号也会被反射而导致传播损耗，从而降低通信效率。

考虑到这一点，如图2所示，布置在发射器10和接收器20中的每一个中的高频耦合器被配置如下：共振单元包括平板电极14、24、串联电感器12、22和并联电感器13、23，并被连接到高频信号传输路径，该高频信号传输路径将发射和接收电路单元11和21与耦合电极14和24连接在一起。这里，高频信号传输路径可以由同轴电缆、微带线、共面线等来配置。当高频耦合器被布置得彼此相对时，耦合部分在准静电场占主导地位的极其邻近的区域中充当带通滤波器，从而允许高频信号通过。而且，即使在感应场占主导地位并且相对于波长无法忽略的距离内，也可以经由感应场在两个高频耦合器之间有效地传输高频信号，所述感应场是从由存储在耦合电极和地中的电荷和镜像电荷所构成的微偶极子生成的。

这里，如果仅仅希望在发射器10和接收器20的电极之间(即，在耦合部分处)确保简单的阻抗匹配和抑制反射波，则可以甚至利用每个耦合器的如下简单结构来设计耦合部分的连续阻抗：平板电极14、24和串联电感器被串联连接在高频信号传输路径上。但是，特征阻抗在耦合部分之前和之后没有改变，因此电流的幅度没有改变。相比之下，通过提供并联电感器13、23，更大电荷被馈送到耦合电极14，从而在耦合电极14和24之间产生强电场耦合作用。而且，当在耦合电极14的表面附近感生出大电场时，所生成的电场作为在行进方向(微偶极子的方向，随后将对此进行进一步描述)上振动的纵向波的电场信号而从耦合电极14的表面传播。利用该电场波，即使耦合电极14和24之间的距离(相位距离)相对较长，电场信号也可以传播。

因此，在使用电场耦合作用的弱UWB通信技术的近距离无线通信***中，作为高频耦合器的条件如下所述。

(1)在与地面相对并且与地面相距的高度相对于高频信号的波长可忽略的位置上存在用于电场耦合的耦合电极。

(2)存在用于更强电场耦合的共振单元(平行电感器或短截线)。

(3)串联和并联电感器以及由耦合电极构成的电容器的常数或短截线的长度被设置为使得：当耦合电极被布置得彼此相对时，在用于通信的频带中确保阻抗匹配。

在图1所示的通信***中，当发射器10和接收器20的耦合电极14和24彼此相对并相互相距一适当距离时，两个高频耦合器充当允许期望的高频频带的电场信号通过的带通滤波器；并且，作为单个高频耦合器，每个耦合电极还充当对电流进行放大的阻抗转换器电路，从而允许大幅度的电流流入耦合电极中。另一方面，当高频耦合器被单独地放置在自由空间中时，高频耦合器的输入阻抗与高频信号传输路径的特征阻抗不匹配。因此，进入高频信号传输路径的信号在高频耦合器中被反射并且不被发射到外部，因此不会影响附近的其他通信***。就是说，当不存在通信配对体(counterpart)时，发射器10不作为天线浪费地发送无线电波，而是仅在附近出现通信配对体时才确保阻抗匹配，从而传输高频电场信号。

图3示出图2所示的高频耦合器的实现方式的示例。在发射器10和接收器20中的任意一个上的高频耦合器可以类似地配置。在图3中，耦合电极14被布置在由圆柱形电介质构成的隔离物(spacer)15的上表面，并经由穿透隔离物15的过孔16与印刷电路板17上的高频信号传输路径电连接。

例如，当在具有所需高度的圆柱形电介质中形成过孔16之后，过孔16被填充以导体，并且充当耦合电极14的导体图样(conductor pattern)是通过例如电镀技术被气相沉积(vapor-deposit)在该圆柱体的上端表面上。在印刷电路板17上，形成有充当高频信号传输路径的布线图样。然后，通过回流焊接等将该隔离物15实现在印刷电路板17上，从而可以制造出高频耦合器。

通过根据使用波长适当地调整从印刷电路板17的电路实现表面到耦合电极14的高度(即，过孔16的长度(相长，phase length))，过孔16表现为电感，并且可被用于代替图2所示的串联电感器12。而且，高频信号传输路径经由片状的平行电感器13连接到地18。

这里，下面将研究出现在发射器10上的耦合电极14中的电磁场。

如图1和2所示，耦合电极14连接到高频信号传输路径的一端，并且从发射电路单元11输出的高频信号流入耦合电极14中，在耦合电极14处电荷被存储。这里，利用由串联电感器12和并联电感器13构成的共振单元的共振作用，经由传输路径流入耦合电极14的电流被放大，并且更大的电荷被存储。

而且，地18被布置得与耦合电极14相对并相距一定高度(相长)，该高度相对于高频信号的波长可忽略。当电荷如上所述被存储在耦合电极14中时，镜像电荷被存储在地18中。当点电荷Q被放置在平板电感器外部时，镜像电荷-Q(它是虚拟的并具有替换的表面电荷分布)被布置在该平板电感器中，例如在Tadashi Mizoguchi，“Electromagnetism”(Shokabo Publishing Co.，Ltd.，pp 54-57)中所公开的。

结果，微偶极子由连接存储在耦合电极14中的电荷的中心与存储在地18中的镜像电荷的中心的线段构成。准确地讲，电荷Q和镜像电荷-Q分别具有一定体积，并且微偶极子被形成为连接电荷中心与镜像电荷中心。这里的微偶极子表示电荷之间具有极短距离的电偶极子，并且例如在Yasuto Mushiake，“Antenna and radio wave propagation”(CoronaPublishing Co.，Ltd.，pp.16-18)中被描述。利用该微偶极子，围绕该微偶极子出现电场的横波分量E_θ、电场的纵波分量E_R以及磁场H_φ。

图4示出由微偶极子所导致的电磁场。图5示出该所示电磁场被映射在耦合电极上。如图4和5所示，电场的横波分量E_θ在垂直于传播方向的方向上振动，而电场的纵波分量E_R在平行于传播方向的方向上振动。围绕该微偶极子，出现磁场H_φ。以下等式(1)到(3)表示由微偶极子所生成的电磁场，其中与距离R的立方成反比的分量是静电场，与距离R的平方成反比的分量是感应场，与距离R成反比的分量是辐射场。

$E_{\mathrm{\θ}}=\frac{{\mathrm{pe}}^{-\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\π\ϵ}}(\frac{1}{R^3}+\frac{\mathrm{jk}}{R^2}-\frac{k^2}{R})\sin \mathrm{\θ}\·\·\·\left(1\right)$

$E_R=\frac{{\mathrm{pe}}^{-\mathrm{jkR}}}{2\mathrm{\π\ϵ}}(\frac{1}{R^3}+\frac{\mathrm{jk}}{R^2})\cos \mathrm{\θ}\·\·\·\left(2\right)$

$H_{\mathrm{\φ}}=\frac{{\mathrm{j\ωpe}}^{-\mathrm{jkR}}}{4\mathrm{\π}}(\frac{1}{R^2}+\frac{\mathrm{jk}}{R})\sin \mathrm{\θ}\·\·\·\left(3\right)$

在图1所示的近距离无线通信***中，为了抑制对其他******的干扰波，优选的是使用不包含辐射场分量的纵波分量E_R，同时抑制包含辐射场分量的横波分量E_θ。这是因为，从上述等式(1)和(2)可以看出，电场的横波分量E_θ包含与距离成反比的辐射场(即，具有小距离衰减的辐射场)，但是纵波分量E_R不包含辐射场。

首先，为了防止出现电场的横波分量E_θ，高频耦合器被设置为不充当天线。图2所示的高频耦合器在结构上显得与电容负载天线类似，电容负载天线在天线元件尖端具有金属，用于提供静电容以缩短天线高度。因此，高频耦合器被设置为不充当电容负载天线。图6示出电容负载天线的结构示例。在图6中电场的纵波分量E_R主要出现在箭头A所指示的方向上，而电场的横波分量E_θ出现在箭头B₁和B₂所指示的方向上。

在图3所示耦合电极的结构示例中，电介质15和过孔16起到避免耦合电极14和地18之间的耦合的作用，并且还起到形成串联电感器12的作用。通过利用串联电感器12来形成从印刷电路板17的电路实现表面到耦合电极14具有充分高度，避免地18和耦合电极14之间的电场耦合，从而确保与接收器上的高频耦合器之间的电场耦合作用。但是，当电介质15的高度很长时，即，当从印刷电路板17的电路实现表面到耦合电极14的距离相对于使用波长无法忽略时，高频耦合器充当电容负载天线，从而导致如图6中的箭头B₁和B₂所指示的方向上的横波分量E_θ。因此，电介质15的高度被设置为具有的长度足以避免耦合电极14和地18之间的耦合，以获得作为高频耦合器的特性并构成用于充当阻抗匹配电路的串联电感器12，并且电介质15的高度被设置得较短，以使得由于流过串联电感器12的电流所导致的不想要的横波分量E_θ的辐射不会增大。

另一方面，从等式(2)可以发现，在相对于微偶极子的方向形成的角度θ为0时，纵波分量E_R最大。因此，对于有效地使用电场的纵波分量E_R的非接触通信，优选的是通过将接收器上的高频耦合器布置成以角度θ相面对，来发射高频电场信号，其中相对于微偶极子的方向的角度θ为0。

而且，利用由串联电感器12和并联电感器13构成的共振单元，可以进一步增大通过共振单元流入耦合电极14的高频信号的电流。结果，由存储在耦合电极14中的电荷和在地那侧的镜像电荷构成的微偶极子的力矩(moment)可以增大。据此，由纵波分量E_R构成的高频电场信号可以被有效地朝与微偶极子的方向之间的角度θ为0的传播方向发射。

在图2所示的高频耦合器中，阻抗匹配单元具有由并联电感器和串联电感器的常数L₁和L₂所确定的工作频率f₀。但是，在现有技术中，在高频电路中，集总常数电路具有的频带比分布常数电路的频带要窄。而且，由于电感器的常数在高频很小，因此共振频率由于常数的变化而不利地偏移。为了避免这一点，高频耦合器是通过用分布常数电路替代阻抗匹配单元和共振单元中的集总常数电路来构成的，从而允许宽频带。

图7示出使用分布常数电路作为阻抗匹配单元和共振单元的高频耦合器的结构示例。在图7的示例中，在下表面上形成地导体72。而且，高频耦合器被布置在印刷电路板71上，在印刷电路板71的上表面形成印刷电路图样。作为高频耦合器的阻抗匹配单元和共振单元，形成微带线或共面波导(即，短截线73)以替代并联电感器和串联电感器充当分布常数电路，并且该短截线73被经由信号线74的图样连接到发射和接收电路模块75。短截线73的尖端经由穿过印刷电路板71以形成短路的过孔76被连接到下表面上的地72。而且，短截线73中心附近的部分经由由薄金属线构成的一个端子77连接到耦合电极78。

这里，在电子器件的技术领域，“短截线”是对于一端连接而另一端不连接或接地的电线的通用名称，并且通常在用于调节、测量、阻抗匹配、滤波等的电路中提供。

这里，经由信号线来自发射和接收电路的信号输入在短截线73的尖端被反射，从而导致在短截线73中形成驻波。短截线73的相长被设置为高频信号波长的大约1/2(相位180度)，并且信号线74和短截线73在印刷电路板71上由微带线、共面线等构成。如图8所示，当短截线73的尖端以1/2波长的相长短路时，出现在短截线73中的驻波的电压幅度在短截线73的尖端为0并且在短截线73的中心最大，即，在距短截线73的尖端1/4波长(90度)的位置上最大。通过将耦合电极78经由一端子77连接到短截线73的中心(该处的驻波电压幅度最大)，可以使得高频耦合器具有极好的传播效率。

在图7中，短截线73是印刷电路板71上的微带线或共面波导，并且具有小的直流电阻。因此，即使对于高频信号损耗也很小，并且可以降低高频耦合器之间的传播损耗。而且，构成分布常数电路的短截线73的尺寸大到约高频信号的1/2波长的程度。因此，与整个相长相比，由于制造容限所引起的尺寸误差很小，从而几乎不会产生特性差异。

如背景技术部分所描述的，在将高频耦合器并入设备的使用模式中，即使当在高度方向(即，电场信号的传播方向)上的通信距离很短时，如果在横向方向(换言之，与传播方向正交的方向)上扩展可通信区域，也可以扩展能够放置作为通信目标(例如便携式终端)的单元的区域，从而使得用户更容易使用。在下文中，将描述高频耦合器被配置用于在横向方向上扩展可通信区域。

如日本未审查专利申请公布No.2008-99234所描述的，电场沿导体表面行进。根据在日本未审查专利申请公布No.2008-99234中所描述的发明的实施例，在被布置在高频耦合器的耦合电极附近的表面波传输线的末端边缘，出现在耦合电极表面上并且具有纵波分量E_R的电场信号在表面波传输线的表面上以90度的入射角度行进，以转换成围绕表面以传播信号的横向波(参考图18和19)。在此情况下，当在高度方向(即，表面波传输线的长度方向)上扩展可通信区域时，在横向方向(换言之，与信号传播方向或表面波传输线的长度方向大致正交的方向)上不扩展可通信区域，并且读取表面没有被扩展。

相比之下，考虑在耦合电极的正面(front)附近布置由不是在高度方向(即，信号传播方向)上而是在横向方向(即，与信号传播方向正交的方向)上扩展的导体构成的扩展部分的情况。

在图9中，作为上述扩展部分的示例，布置了条状金属板以使其长度方向与其横向方向大致匹配。但是，耦合电极和该金属板就DC(直流)而言并不相连，并且被布置得尽可能靠近。耦合电极和该金属板就DC而言相互分离，以防止共振频率根据DC连接而改变。而且，该金属板被布置在耦合电极附近，以便将出现在耦合电极表面的电场信号有效地发送到金属板。例如，通过在耦合电极和金属板之间放置薄绝缘片(未示出)，可以保持其间无DC关系。

这里，耦合电极的正面不一定指的是耦合电极的表面，而是假设对应于与微偶极子的方向之间的角度θ大致为0的方向(下文也是如此)。如上所述，在与微偶极子的方向之间的角度θ大致为0的方向上，从耦合电极发生的电场信号的强度变为接近最大，因此可以是通过有效地使用电场的纵波分量E_R来执行非接触通信的方向。

图10示出从图9所示金属板的截面方向上看的电场状态。在所示示例中，金属板的截面具有薄矩形形状，其在高度方向(或电场信号的传播方向)上长并且具有窄的底表面。如图10所示，发生在高频耦合器的耦合电极的正面方向上的纵波分量E_R的电场信号在金属板的一端边缘没有进入窄底表面，而是围绕侧表面以大约90度的入射角行进，从而被转换成横向波来传播。

图11示出在图9所示金属板的侧表面上行进的电场信号的传播状态。如图11所示，从耦合电极发射的电场信号沿金属板的表面大致呈辐射状传播，并且被从金属板的另一端边缘再次发射到空间中。

以这种方式，当由在横向方向(换言之，与传播方向正交的方向)上扩展的金属板构成的扩展部分被布置在高频耦合器的耦合电极的正面附近时，从耦合电极进入金属板一端边缘的电场信号沿金属板的表面在横向方向上大致呈辐射状传播，并且被从金属板的另一端边缘再次发射到空间中。当不提供由导体(例如金属板)构成的扩展部分时，电场信号的传播区域取决于耦合电极的形状和尺寸。相比之下，当在耦合电极的正面附近提供扩展部分(例如金属板)时，电场信号的传播区域可以扩展到取决于金属板的末端边缘的形状和尺寸的区域。

这里，当金属板在横向方向上的尺寸具有相对于使用中的波长λ不可忽略的相长时，如图12所示，通过沿金属板的长度方向传播的电场信号在每一端被反射，在金属板中发生驻波。在图12所示示例中，电场信号的幅度在金属板的两个末端边缘最大化，电场信号在从每个末端朝向中心1/4个波长的位置附近具有大约为0的节点幅度，并且随后电场信号在末端边缘的离金属板中心更近的部分再次增大。

即使由金属板构成的扩展部分被用来将可通信区域有利地扩展到取决于金属板的另一端的形状和尺寸的区域，在可通信区域中的电场强度也会不利地变得不一致，如图12所示(即，电场取决于位置而出现强部分和弱部分)。在此情况下，用户难以知道应该将设备瞄准扩展的可通信区域的哪个位置来进行定位，从而难以执行直观操作和提供优良可用性。

如图12所示，由于来自作为开放端的每一端的反射波而发生驻波，从而电场信号的幅度在金属板的两个末端边缘增大。为了避免这一点，如图13所示，在金属板的每一端安装一端接器，以终止沿金属板的长度方向行进并到达金属板末端的电场信号，从而防止发生反射波。结果，在金属板中不再发生驻波。因此，在越靠近中心的部分电场越强，从而在中途不会形成弱电场部分。如图13所示，电场强度分布可以形成如下：电场强度在金属板末端边缘的中心附近很强，在行进远离中心的过程中逐渐减小，并且在两端大约为0。因此，通信质量在靠近读取表面中心的部分增大，并且用户可以执行直观操作。

本发明实施例的一般描述并不意味着局限于在金属板的末端安装特定端接器。图14示出在金属板的每一端安装端接器的结构示例。在所示示例中，端接器是缠绕在金属板末端附近的由铁素体(ferrite)等构成的无线电波吸收片。

图15示出在金属板的每一端安装的端接器的另一结构示例。在所示示例中，该端接器是将金属板的末端与地短路的电阻器。

如图13到15所示，通过在耦合电极的正面附近放置由带有端接器的金属板构成的扩展部分，从耦合电极进入金属板一个末端边缘的电场信号沿金属板的表面在横向方向上大致呈辐射状传播，并且从金属板的另一末端边缘再次发射到空间中，从而在高频耦合器的横向方向上扩展了可通信区域。而且，通过端接金属板的每一端，可以增大在金属板中心附近的电场强度。据此，用户可以通过瞄准读取表面的中心来执行直观的定位操作。

在图13到15所示示例中，线性金属板被用作扩展部分。因此，可以仅在纵向方向上扩展可通信区域。另一方面，通过修改扩展部分的结构，可以在另一扩展方向上扩展可通信区域。

例如，如图16所示，当呈放射状交叉布置两个(或三个或更多)各自在两端端接了端接器的线性金属板时，高频耦合器的可通信区域在四个方向上(即，大约在一个平面上)扩展。

而且，如图17所示，通过折叠一个棒料(barstock)形成的具有弯曲结构的线性金属板在每一端端接一端接器，并被用作放置在耦合电极正面附近的扩展部分。据此，高频耦合器的可通信区域沿金属板的弯曲结构(即，大约在一个平面上)扩展。

在图16或17所示示例中，高频耦合器的可通信区域在一平面上扩展。因此，与图13到15所示的可通信区域被线性扩展的情况相比，用户对设备定位的可操作性被进一步提高。

考虑到从耦合电极正面发射的电场信号沿表面行进传播，如图13到17所示的用在高频耦合器中的由金属板构成的扩展部分与日本未审查专利申请公布No.2008-99234中所描述的表面波传输线类似。但是，从表面波传输线的末端可能发射不想要的电波，从而影响附近的其它***。相比之下，在根据本发明实施例的扩展部分中，通过每个端接器使得对通信没有贡献的不想要的电场信号被减弱。因此，不想要的电波不会被发射到外部。

发明人对高频耦合器之间的耦合强度进行了测量。对于实验条件，假设如图20A所示，用作扩展部分的金属板的长度为8cm，作为通信目标的耦合电极被布置为在由该金属板扩展的可通信区域中面对。而且，通过比较，发明人对不使用扩展部分时的耦合强度(参见图20B)、使用金属板作为扩展部分时的耦合强度(参见图20C)和使用在两端安装了端接器的金属板作为扩展部分时的耦合强度(参见图20D)进行了测量。

图21示出用于测量高频耦合器之间的耦合强度的实验结果。例如，当有可能以-20dB或更高的耦合强度进行通信时，如果没有金属板，通信被限制在±1.5cm的区域内。当在耦合电极正面附近放置没有经过端接处理的金属板时，甚至可以在±4cm的点处通信，但是在内侧出现通信被禁止的零点。当放置尖端被端接的金属板时，在±4.5cm的区域内可恒定地通信。

发明人还利用可变端接电阻对高频耦合器之间的耦合强度进行了测量，此时使用在每一端安装有由电阻器构成的端接器的金属板作为扩展部分。图22示出利用可变端接电阻测量高频耦合器之间的耦合强度的结果。从图22可以看出，虽然随着电阻增大可以获得具有较浅零点的平滑耦合强度特性，但是在0cm位置处的耦合强度变得很弱。为了实现本发明的实施例，优选的是防止在中途产生通信禁止区域并且选择不会使耦合强度太弱的端接电阻的适当常数。

如图23所示，发明人还利用可变高度(板宽度)的金属板对高频耦合器之间的耦合强度进行了测量，该金属板在每一端安装了由电阻器构成的端接器并被用作扩展部分。这里，金属板的厚度被固定在0.2mm。图24示出利用可变高度(板宽度)的金属板测量高频耦合器之间的耦合强度的结果。从图24可以发现，当板宽度更大时，耦合强度变得更弱并且峰谷间的宽度变得更大。对此，一种可能的原因是：当板宽度增大时，传播距离增大，从而损耗相应增大。另一种可能原因是：当板区域被扩展时，发生多路径，从而由于干扰而容易导致峰和谷。

发明人还使用截面为矩形的金属板以及使用电线作为扩展部分来对高频耦合器之间的耦合强度进行了测量，测量结果如图25所示。这里，在任一情况下，假设在每一端安装了由电阻器构成的端接器。从图25可以发现，与金属板相比，电线在中心(0cm)和两端(±4cm)具有强耦合强度，并且在这些位置之间具有弱耦合强度。对此，一种可能的原因是：传播距离在中心处很短并且电线固有地倾向于在两端形成强电场。在金属板中，从发射耦合电极行进到金属板一端边缘的电场信号主要从另一端边缘再次发射到空间中，并且认为从两端的发射比率很低(参考图26A)。相比之下，在电线中，从发射耦合电极行进到电线的电场信号被认为是在纵向方向上传播并随后主要从两端再次发射到空间中(参考图26B)。

本中请包含与2009年3月30日递交到日本特许厅的日本在先专利申请JP 2009-080792中公开的内容相关的主题，并且该在先申请的全部内容通过引用被结合于此。

本领域技术人员应该理解，取决于设计需求和其他因素，可能发生各种修改、组合、子组合和替换，它们落在所附权利要求及其等同物的范围之内。

Claims (5)

1.一种通信设备，包括：

通信电路单元，其处理传输数据的高频信号；

用于所述高频信号的传输路径，该传输路径连接到该通信电路单元；

地；

耦合电极，该耦合电极被支撑以与地相对并相距一高度，该高度相对于所述高频信号的波长是可忽略的；

共振单元，其增大经由所述传输路径流入所述耦合电极的电流；以及

由导体构成的扩展装置，所述导体以相对于微偶极子的方向大致为0度的角度θ布置在所述耦合电极的正面附近，所述微偶极子由连接存储在所述耦合电极中的电荷的中心与存储在所述地中的镜像电荷的中心的线段构成，所述导体在与从所述耦合电极的正面发生的电场信号的传播方向大致相正交的横向方向上扩展，

其中，所述扩展装置具有在横向方向上较长的形状并且在所述横向方向上的每一末端包括端接器。

2.如权利要求1所述的通信设备，其中，所述扩展装置具有薄矩形截面形状并且由金属板构成，所述薄矩形截面形状在所述电场信号的传播方向上较长并且具有窄底面，所述金属板的形状是在所述横向方向上较长。

3.如权利要求1所述的通信设备，其中，所述端接器是在所述扩展装置的所述末端附近缠绕的无线电波吸收片。

4.如权利要求1所述的通信设备，其中，所述端接器是使得所述扩展装置的末端与所述地短路的电阻器。

5.一种高频耦合器，包括：

用于高频信号的传输路径；

地；

耦合电极，该耦合电极被支撑以与所述地相对并相距一高度，该高度相对于所述高频信号的波长是可忽略的；

共振单元，其增大经由所述传输路径流入所述耦合电极的电流；以及

由导体构成的扩展装置，所述导体以相对微偶极子的方向大致为0度的角度θ布置在所述耦合电极的正面附近，所述微偶极子由连接存储在所述耦合电极中的电荷的中心与存储在所述地中的镜像电荷的中心的线段构成，所述导体在与从所述耦合电极的正面发生的电场信号的传播方向大致相正交的横向方向上扩展，

其中，所述扩展装置具有在横向方向上较长的形状并且在所述横向方向上的每一末端包括端接器。

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