JP5647031B2 - 高周波結合器 - Google Patents

Description

本発明は、高周波結合器に係り、高周波結合によって通信を可能とする高周波結合器に関する。

超近距離向けの通信技術の一つであるＵＷＢ（Ultra Wide Band）は伝送速度が高く、他の無線システムとの共存を図りやすいなどの利点があり、超近距離向け高速通信技術を必要とする様々な分野で有力な技術の一つとして注目されている。そして、ＵＷＢを用いた通信を行う情報機器間の高周波結合を効果的に行う技術が開示されている。

そのような技術の一つとして、送信機及び受信機の高周波結合器間における電界結合により高周波信号を伝送する通信システムが提案されている（例えば、特許文献１参照）。この通信システムは、図６に示すように、データ処理を行う回路部と高周波信号を静電界若しくは誘導電界として送出する高周波結合器を備えた送受信機と、送信機及び受信機の高周波結合器間におけるインピーダンスの整合をとるインピーダンス整合部を有している。高周波結合器は、極板で構成されている。そして、送信機及び受信機の高周波結合器である極板同士が対向し、２つの極板の間にキャパシタンスが発生すれば通信が可能になる。インピーダンス整合部は、送信機と受信機の極板間すなわち結合部分において、インピーダンス・マッチングをとり、反射波を抑えている。その結果、送信機及び受信機の高周波結合器間において所望の高周波帯域を通過するバンドパス・フィルタとして動作するように構成されている。つまり、送信機と受信機がそれぞれ持つ高周波結合器間における電界結合によりＵＷＢ信号を伝送する、高速データ伝送が可能な超近距離通信システムであり、通信したい通信機同士を物理的に近づけることによって、複雑な設定なしに直感的に通信したい相手を選択して通信動作が開始される。その結果、通信相手が近くに存在しないときには、結合関係が生じない、すなわち電波を放射しないので、他の通信システムを妨害することはない。また、遠方から電波が到来してきても、結合器が電波を受信しないので、他の通信システムからの干渉を受けなくて済むという効果を実現している。

特開２００８−２７１６０６号公報

ところで、特許文献１に開示の極板を用いた容量結合方式（図６）では、低周波で広帯域伝送特性を持たせることが難しいという課題があった。例えばＵＷＢ以下の周波数で、１ＧＨｚ以下の数百ＭＨｚ帯域の信号伝送をする場合、低周波での伝送効率を上げる為に極板サイズを拡大する必要がある。その場合、極板サイズの問題に加えて、帯域の高周波部で信号が減衰する為、広帯域特性を保つことが難しい。逆に、高周波特性を保持する為、極板サイズを抑えた場合、そのまま帯域の低周波部が悪いというトレードオフの関係が生じる。いずれにせよ、帯域中の低周波部か高周波部のいずれかの伝送特性の悪化を妥協しなければならないという課題があった。

さらに、伝送する周波数帯域の調節は高周波結合部の電極形状に加え、チップ部品も含めたインピーダンス整合部の形成が必須であり、インピーダンス調節が煩雑で部品コストも要するという課題があった。

本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、上記の課題を解決する技術を提供することを目的とする。

本発明の高周波結合器は、基板上に形成されたスパイラル形状かつ非ループ状のコイル部と、前記基板上に形成され、前記コイル部の前記スパイラル形状の内部側の一端に設けられたキャパシタ部と、を備え、前記コイル部と前記キャパシタ部は、高周波結合手段として機能する。
また、前記コイル部と前記キャパシタ部とは、前記基板上の同一面に形成されてもよい。
また、前記コイル部と前記キャパシタ部とは、一体にパターンニングされて形成されてもよい。

本発明によれば、基板上に形成されたコイルと極板を用いることで、非接触で広帯域にわたって良好な伝送特性を持つ結合器を提供することができる。

実施形態に係る、高周波結合器の外観を示す図である。 実施形態に係る、通信を行う二つの高周波結合器の外観を示す図である。 実施形態に係る、高周波結合器の結合原理を示す図である。 実施形態に係る、シミュレーションコイル形状を示す図である。 実施形態に係る、広帯域特性に関するシミュレーション結果を示す図である。 従来技術に係る、高周波結合器の結合原理を示す図である。

以下、発明を実施するための形態（以下、「実施形態」という）を、図面を参照しつつ説明する。本実施形態の概要は次の通りである。

図１は、本実施形態に係る高周波結合器１０の構成を示す図である。また、図２は、二つの高周波結合器１０で通信を行う状態を示した図であり、図２（ａ）は二つの高周波結合器１０が離れており通信ができない状態を示し、図２（ｂ）は二つの高周波結合器１０が近接して通信が可能となった状態の外観を示している。

図１に示すように、高周波結合器１０は、スパイラル形状のコイル部３０と、コイル形状内部に形成された極板部４０と、給電部３２とを、備えている。それらは、基板１２の一方の面上（表面）に導体を一体としてパターンニングすることによって形成されている。コイル部３０と極板部４０は、高周波結合部２０として機能する。なお、基板１２の他方の面（裏面）はグランドに接地される。

コイル部３０は、スパイラル形状のパターンとなっており、具体的には、コイル外周から巻き始まりコイル中央に内包した極板部４０に接続する形となっている。ここで、スパイラル形状とは、少なくとも略一周の巻き数を備えていることを想定している。コイル外周の巻き始め部分には、給電部３２が接続している。上述のように基板１２の裏面はグランドに落ちているが、コイル部３０自体はグランドに落ちていない。つまり、ループコイル形式とはなっていない。なお、本実施形態では、スパイラル形状は、８角形によって形成された形状であるが、当然に円形であってもよいし、６角形や４角形などの形状が採用されてもよい。

極板部４０は、コイル部３０が呈するスパイラル形状の中央部分に内包して配置されている。ここでは、極板部４０は、正方形の形状となっているが、これに限る趣旨ではなく、円形や、８角形の多角形、さらには、任意の形状とすることもできる。詳細は後述するが、コイル部３０に極板部４０を追加して設けることで、コイル部３０だけの構成における周波数特性を改善することができる。そして、極板部４０の形状、大きさを適宜選択することで、改善が必要とされる周波数特性を設定及び調整することができる。

給電部３２は、グラウンデッドコプレーナウェーブガイドによって５０Ωラインで設計されている。

そして、高周波結合器１０を用いた信号の伝達では、図２（ｂ）に示すように、コイル部３０や極板部４０などのコイルパターンが形成された基板１２をお互い近接させることで、非接触で信号伝送を行う。

以上の構成のように、高周波結合器１０にコイル部３０と極板部４０とを用いることで、コイル部３０の磁界結合と極板部４０の容量結合の共振により数百ＭＨｚの周波数から数ＧＨｚの周波数の広帯域伝送が可能となる。つまり、図３の伝送原理に示すように、コイル部３０の中央に配された極板部４０と、対向する相手側のコイル部３０の中央に配置された極板部４０とが容量結合し、更に周囲のコイル部３０と磁界結合をすることで信号伝達がなされる。

一般に、コイルと極板の磁界、電界結合の共振による信号伝送の、それぞれの伝送方式のみでは数百ＭＨｚの低周波域を含む広帯域伝送は困難である。ＵＷＢ帯域の高周波になると、周波数的に信号が放射しやすく波長的に極板も小さく出来る為、容量結合のみでもある程度広帯域伝送が可能である。しかし、ＧＨｚ以下、例えば100ＭＨｚ〜200ＭＨｚ等のＭＨｚの信号伝送を極板での容量結合で行う場合、極板のサイズ拡大の必要性、また極板同士の近接、インピーダンス・マッチング部品が必要という様々な困難性がある。

そこでコイルのみの磁界結合での伝送が考えられる。コイルによる磁界結合のみの伝送は、一般的に、容量結合による伝送に比べ、数百ＭＨｚ辺りの伝送特性は良好であり、距離に対する信号減衰も小さい。また、コイルのコイル巻き数が多いほど磁界結合力が増し、低周波の伝送特性が向上するという特徴がある。しかし、巻き数増加させた場合、サイズが大きくなる問題とともにコイルの自己共振周波数の影響から、特性の良い周波数、悪い周波数というように周波数特性が交互に現れ、広帯域にフラットな特性が得られないという課題がある。巻き数を削減すると伝送特性自体が低下して目標の特性を満たさなくなる、というようにコイル単体でも広帯域伝送特性を満たすことは難しい。

そこで、本実施形態では、高周波結合部２０（コイル部３０及び極板部４０）において、コイル部３０の磁界結合のＬ（インダクタンス）と、極板部４０の容量結合のＣ（キャパシタンス）を用いることで共振を発生させ、良好な広帯域伝送を実現する。特に、この共振の効果は、帯域中の低周波特性を向上に寄与する。

図４にシミュレーションモデル形状、図５にそれら形状の広帯域特性に関するシミュレーション結果を示す。シミュレーションモデル形状として４種類例示しており、図示のように、（ａ）本実施形態の高周波結合器１０に対応するＣ内包コイル、（ｂ）コイル単体、（ｃ）内包Ｃ単体、及び（ｄ）コイル同サイズＣである。図５は、高周波伝送回路等の評価に一般に用いられることが多いＳパラメータのＳ２１特性を示すグラフで、伝送損失を示すものである。Ｓ２１特性は伝送後の出力電力を入力電力で割り、１０ｌｏｇをとったもので、０ｄＢは無損失伝送を示す。つまり、０ｄＢに近いほど、伝送特性が良好となる。本モデルには信号入力部にＬ（インダクタンス）やＣ（キャパシタンス）等の整合部品要素は含めておらず、グラフは単純な形状要素での伝送特性を示している。

シミュレーションは、図２で示したように、高周波結合器１０同士を対向して配置することで行った。端子間距離は０．８ｍｍで固定した。まず、内包コイル単体のみの伝送特性について説明する。一般には極板間の距離拡大と共に急激信号が減衰する傾向があるが、ここで例示する０．８ｍｍの距離では、減衰が大きく、コイル単体の特性より悪いことが分かる。コイル内包Ｃ単体特性も減衰が大きい為、この距離ではＣ（キャパシタンス）のみでの効率よい伝送は困難なことが分かる。

次に、コイル単体の特性について説明する。図示のように、１００ＭＨｚ〜３００ＭＨｚあたりの特性が悪化している。この帯域を改善するには、コイル巻き数増による磁界結合力を上げる方策が考えられるが、コイル長延長による信号減衰、コイルの自己共振による周波数特性が発生し、広帯域にわたってフラットな伝送特性を保てなくなる。

つづいて、本実施形態の高周波結合器１０に対応するＣ内包コイルについて説明する。Ｃ内包コイルでは、コイル部３０のＬ（インダクタンス）とコイル中央に位置する極板部４０によるＣ（キャパシタンス）の共振特性より、１００ＭＨｚ〜３００ＭＨｚの伝送特性が改善され、広帯域にわたって良好な伝送特性を保つことが可能となっている。つまり、低周波域以外の周波数帯域では、コイル部３０のみの伝送特性が主とし貢献している。そして、低周波域では、コイル部３０のＬ（インダクタンス）と中央に配置された極板部４０のＣ（キャパシタンス）とによって発生する弱い共振が、Ｌ（インダクタンス）のみでの伝送では困難な低周波域の伝送を可能としている。

以上、本実施形態をまとめと、次の様な効果を得られる。
（１）スパイラル形状のコイル部３０による磁界結合と極板部４０の電界結合による共振で、数百ＭＨｚ〜数ＧＨｚの広帯域伝送を小型の結合部で実現することができる。
（２）コイル部３０の磁界結合での数百ＭＨｚ前後の良好な特性と、極板部４０による電界での容量結合のもつ広帯域性というそれぞれの両方のメリットを合わせ持つ高周波結合器１０を実現できる。
（３）従来技術では高周波結合部に加え、インピーダンスを調節する為のインピーダンス整合部が必要である。本発明は、結合部においてコイル部３０のＬ（インダクタンス）、極板部４０でのＣ（キャパシタンス）の要素を含んでいる為、コイル部３０の形状でインピーダンス整合が可能である。つまり、高周波結合部２０のパターンの形状設計次第で整合部を必要としない高周波結合器１０を実現できる。
（４）アナログ、デジタル両方の元信号伝送を可能とする。デジタルのパルス信号伝送に関して、従来技術の極板による容量結合方式では広帯域の伝送特性を持たずパルス伝送は困難なことから変調等を行う必要が生じるが、本実施形態ではその処理が不要である。
（５）コイル部３０のサイズの拡大により、更に低周波での広帯域特性を持たせることが可能であり、非接触での給電コイルへの適用の可能である。

以上、本発明を実施形態を基に説明した。この実施形態は例示であり、それらの各構成要素及びその組合せにいろいろな変形例が可能なこと、またそうした変形例も本発明の範囲にあることは当業者に理解されるところである。例えば、高周波結合器１０では、極板部４０の位置は、コイル部３０の内部に配置されたが、コイル部３０の外周部分や、スパイラル形状の途中に設けられてもよい。また、極板部４０が別体のパターンとして形成されてもよい。周波数特性を改善したい帯域にあわせて設計することができ、また、その形状の調整、変更等が容易である。

なお、本発明は、日本国独立行政法人科学技術振興機構（ＪＳＴ）平成２１年度委託開発採択課題「電磁界結合を利用した非接触コネクタの開発」の研究開発の成果にかかるものである。

１０ 高周波結合器
１２ 基板
２０ 高周波結合部
３０ コイル部
４０ 極板部

Claims (3)

1. 基板上に形成されたスパイラル形状かつ非ループ状のコイル部と、
   前記基板上に形成され、前記コイル部の前記スパイラル形状の内部側の一端に設けられたキャパシタ部と、
   を備え、
   前記コイル部と前記キャパシタ部は、高周波結合手段として機能することを特徴とする高周波結合器。
2. 前記コイル部と前記キャパシタ部とは、前記基板上の同一面に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の高周波結合器。
3. 前記コイル部と前記キャパシタ部とは、一体にパターンニングされて形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の高周波結合器。

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