(57)【要約】【課題】  電磁界結合による通信において送信信号を精度よく受信できる無線通信システムを提供する。【解決手段】  本発明に係る通信システムは、第１のカプラと、前記第１のカプラとの間で電界結合による通信を行うための第２のカプラと、を備える通信システムであって、前記第１のカプラが有する導体と前記第２のカプラが有する導体は対向し、前記第１のカプラが有する前記導体と信号線との接続位置と、前記導体において前記接続位置から最も遠い最遠点との距離が、前記電界結合による通信において用いられる信号の周波数に対応する波長の四分の一以下である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１のカプラと、前記第１のカプラとの間で電界結合による通信を行うための第２のカプラと、を備える通信システムであって、
前記第１のカプラが有する導体と前記第２のカプラが有する導体は対向し、
前記第１のカプラが有する前記導体と信号線との接続位置と、前記導体において前記接続位置から最も遠い最遠点との距離が、前記電界結合による通信において用いられる信号の周波数に対応する波長の四分の一以下であることを特徴とする通信システム。
【請求項２】
前記距離は、前記電界結合による通信において用いられる信号の高調波に対応する波長の四分の一以下であることを特徴とする請求項１に記載の通信システム。
【請求項３】
前記第１のカプラを前記第２のカプラが有する導体の長手方向に沿って移動させる移動手段を備えることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の通信システム。
【請求項４】
複数の前記第２のカプラを有し、
前記複数の第２のカプラの対向する端部の距離は、前記第１のカプラの前記導体の長さ以下であることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項５】
２つの前記第２のカプラは、円形状に配置されることを特徴とする請求項４に記載の通信システム。
【請求項６】
前記電界結合による通信のために前記第１のカプラ又は前記第２のカプラに入力される信号は差動信号であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項７】
前記接続位置は、前記第１のカプラが有する前記導体の略中央に位置することを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項８】
前記第２のカプラが有する導体へ信号を入力する送信回路と、
前記送信回路による前記第２のカプラに対する信号の入力に応じて前記第１のカプラから出力される信号を受信する受信回路と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項９】
前記第１のカプラが有する導体へ信号を入力する送信回路と、
前記送信回路による前記第２のカプラに対する信号の入力に応じて前記第２のカプラから出力される信号を受信する受信回路と、を備えることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１０】
前記信号線の一部は、前記第１のカプラが有する前記導体と接続するビアで構成されることを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の通信システム。
【請求項１１】
通信システムに用いられる受信カプラであって、
前記受信カプラは電界結合による通信のための導体を有し、前記導体と信号の取り出しのための信号線との接続位置と、前記導体において前記接続位置から最も遠い最遠点との距離が、前記電界結合による通信において用いられる信号の周波数に対応する波長の四分の一以下であることを特徴とする受信カプラ。
【請求項１２】
通信システムに用いられる送信カプラであって、
前記送信カプラは電界結合による通信のための導体を有し、前記導体と信号の印加のための信号線との接続位置と、前記導体において前記接続位置から最も遠い最遠点との距離が、前記電界結合による通信において用いられる信号の周波数に対応する波長の四分の一以下であることを特徴とする送信カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁界結合による通信を行う無線通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、近接させた複数の通信カプラの間で電磁界結合により通信する近接無線通信システムが研究・開発されている。当該通信システムにおいて、デジタル・ベースバンド信号を無変調で送受信する構成をとることにより、回路構成を簡易にしつつ、高速かつ低遅延な通信を行うことができる。特許文献１では、送信アンテナ及び受信アンテナを近接対向して配置し、当該両アンテナのスロット伝送線路間で生じる近傍界の電磁結合を利用してデータ伝送を行う近接無線通信システムが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２００９−２６８０２２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
電磁界結合による通信を行う無線通信システムでは、送信信号の通信速度を高速化すると、受信信号の隣接する波形同士が干渉して、通信の誤りが発生しやすくなるという課題がある。本発明は、上記の課題を鑑みてなされたものであり、その目的は、電磁界結合による通信において送信信号を精度よく受信できる無線通信システムを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
この課題を解決するため、本発明に係る通信システムは、第１のカプラと、前記第１のカプラとの間で電界結合による通信を行うための第２のカプラと、を備える通信システムであって、前記第１のカプラが有する導体と前記第２のカプラが有する導体は対向し、前記第１のカプラが有する前記導体と信号線との接続位置と、前記導体において前記接続位置から最も遠い最遠点との距離が、前記電界結合による通信において用いられる信号の周波数に対応する波長の四分の一以下である。
【発明の効果】
【０００６】
本発明によれば、電磁界結合による通信において送信信号を精度よく受信できる無線通信システムが提供される。
【図面の簡単な説明】
【０００７】
【図１】近接無線通信システムにおける信号の検出を説明するための図。
【図２】実施形態１に係る通信システム２００の構成図。
【図３】実施形態１に係る送受信カプラの構成図。
【図４】５Ｇｂｐｓの通信を行ったシミュレーション結果を示す図。
【図５】実施形態２に係る通信システム５００の構成図。
【図６】実施形態２に係る送受信カプラの構成図。
【図７】５Ｇｂｐｓの通信を行ったシミュレーション結果を示す図。
【図８】実施形態３に係る通信システム８００の構成図。
【図９】実施形態３に係る送受信カプラの構成図。
【発明を実施するための形態】
【０００８】
本発明に係る実施形態を説明する前に、近接無線通信システムにおける課題についてさらに説明する。
【０００９】
図１は、近接無線通信システムにおける信号の検出を説明するための図である。図1（ａ）において、通信システム１００は、受信カプラ１０１と、送信カプラ１０５とを備える。送信カプラと受信カプラは、電磁界結合による通信を行う。電磁界結合には、電界結合と磁界結合の両方が含まれる。すなわち、カプラ間における無線通信は電界結合によって行われてもよいし、磁界結合によって行われてもよいし、電界結合と磁界結合の両方によって行われてもよい。ただし、以下で説明する実施形態においては、送信カプラが伝送路カプラとして機能し、受信カプラが電界カプラとして機能し、電界結合により通信が行われる場合を中心に説明する。受信カプラ１０１の導体１０２と送信カプラ１０５の導体１０８とは近接対向しており、受信カプラ１０１は送信カプラ１０５と近接対向した状態で図中の矢印方向に相対的に移動することができる。受信カプラ１０１において、導体１０２は、信号線とアンプとを介して信号端子１０３と接続されている。送信カプラ１０５においては、デジタル信号１０７（矩形信号）が、導体１０８の端部へ無変調で印加される。導体１０８の他方の端部には終端抵抗１０９が接続されている。
【００１０】
次に、図１（ｂ）により、受信カプラ１０１による受信動作を説明する。デジタル信号１０７の印加に応じて、受信カプラ１０１の信号端子１０３からは、受信信号１１１（デジタル信号１０７の微分信号）が得られる。受信カプラ１０１の比較器（不図示）は、閾値１２１に基づいて、受信信号１１１から復元信号１１２を得る。
【００１１】
近接無線通信システムでは、送信信号を高速化すると、デジタル信号の矩形波のパルス幅ｄ（図１（ｂ）参照）が短くなるため、受信信号の隣接する微分波形が干渉して、立ち上がり・立ち下りの検出が困難になる。特に受信カプラ１０１の導体１０２が大きくなると、受信信号の微分波形が鈍くなり、干渉が起こりやすくなる。
【００１２】
一般的に、受信信号の立ち上がり・立ち下がりは、図1（ｂ）で示したように、比較器の閾値に基づいて検出される。すなわち、受信信号レベルが大きくなると比較器の閾値を超えるため、立ち上がり・立ち下がりを検出することができる。受信信号レベルを大きくするためには、受信カプラを大きくする必要がある。一方、高速通信をする、すなわち高周波信号を受信するためには、受信信号の隣接する波形が干渉しないように、受信カプラを小さくする必要がある。
【００１３】
このように、高速通信における受信信号の立ち上がり・立ち下がりの検出を精度よく行おうとすると、両者の要件を満たす必要があるが、従来技術では両要件を同時に満たすのは困難である。そこで、以下の実施形態に係る受信カプラでは、導体における信号線の接続位置を、当該位置と、受信カプラの導体周囲の任意の端点、すなわち、導体において接続位置から最も遠い最遠点、との距離が通信に用いられる周波数に対応する波長の四分の一以下になるよう構成する。これにより、受信カプラの導体の大きさを保ちつつ、接続位置が端部にある従来の受信カプラよりも、高周波信号を鋭い微分波形で受信することができる。
【００１４】
以下図面に従って本発明に係る実施形態を詳細に説明する。なお、以下の実施形態において示す構成は一例に過ぎず、本発明は図示された構成に限定されるものではない。また、実施形態を説明する全図において、共通の構成要素には同一の符号を付し、繰り返しの説明を省略する。
＜実施形態１＞
図２は、実施形態１に係る通信システム２００の構成図である。通信システム２００は、送信回路２０３及び送信カプラ２０４を含む送信機２０１と、受信回路２０５及び受信カプラ２０６を含む受信機２０２とを備える。
【００１５】
送信機２０１は、送信回路２０３によって生成したデジタル信号を、送信カプラ２０４を介して送信する。受信機２０２は、受信カプラ２０６を介して受信した信号を、受信回路２０５において信号波形成して復元信号を得る。通信システム２００では、送信機２０１からの広帯域の周波数成分を含むデジタル・ベースバンド信号が、電界結合を利用して近距離非接触で直接に受信機２０２に送信される。
【００１６】
図３は、実施形態１に係る送受信カプラの構成図である。図３（ｂ）は、図３（ａ）の受信カプラ２０６を上下反転させた図（一部省略）、図３（ｃ）は、図３（ａ）の受信カプラ２０６の構成を簡略化させた図である。図３（ｄ）については後述する。図３（ａ）において、送信カプラ２０４は、所定方向に延びる細長い形状の導体２０８と、基板２１８と、基準電位をつくるグランド２２０と、終端抵抗２０９と、を備える。送信回路２０３により生成されたデジタル信号２０７は、導体２０８の一端から印加される。導体２０８の他の一端は終端抵抗２０９を介してグランド２２０に接続される。終端抵抗２０９は５０Ωとするが、５０Ωに限らず他の抵抗値としてもよい。
【００１７】
受信カプラ２０６は、導体２１０と、基準電位をつくるグランド２１２と、基板２１４とを備える。また、受信カプラ２０６の信号端子２１３は、信号線２１５とグランド２１２に接続されたアンプ２１６の出力端子である。信号線２１５は、ビア２１７を介して導体２１０に接続されている。なお、本実施形態では、信号線２１５がビア２１７を介して導体２１０と接続しているものとするがこれに限られるものではない。例えば、ビア２１７の代わりに、貫通穴を設け、図３(ｃ)に示されるように信号線２１５が直接に導体２１０と接続するようにしてもよい。すなわち、導体２１０から信号を取り出すための信号線としては、例えば、ビア２１７と信号線２１５とからなる構成、または、信号線２１５のみからなる構成を採用することができる。
【００１８】
導体２１０からの信号の取り出し位置となる接続位置２１１は、上述した信号線が接続される位置、すなわち、ビア２１７または信号線２１５が導体２１０と接続される位置である。導体２１０における信号線２１５の接続位置２１１は、接続位置２１１から導体２１０における最も遠い端部（つまり、導体２１０の周囲）までの距離が本通信システムに用いられる送信信号の周波数の四分の一波長以下となるように配置される。ここで、導体２１０の長さは、当該周波数の波長の四分の一よりも長い。すなわち、接続位置２１１は導体２１０の端部以外の場所に存在する。本例では、接続位置２１１は、導体２１０の略中央に位置する。このように導体における接続位置を中央にすることで、導体２０８のサイズを小さくすることなく、高周波の送信信号を正しく受信できるようになる。また見方を変えると、高周波信号の受信精度を保ちつつ導体２０８のサイズを大きくすることができ、受信レベルの観点で有利である。
【００１９】
また、送信カプラ２０４と受信カプラ２０６とは近接対向するように配置され、受信カプラ２０６は、送信カプラ２０４と近接対向した状態を維持しながら長手方向（図３（ａ）の矢印方向）に相対的に移動可能となっている。
【００２０】
図４は、５Ｇｂｐｓの通信を行ったシミュレーション結果を示す図である。図４（ａ）は本実施形態１に係る通信システム、図４（ｂ）及び（ｃ）は比較例１及び２に係る通信システムでの結果を示している。
【００２１】
入力信号４０１は矩形波である。なお、矩形波は、無数の周波数成分をもつ正弦波の合成信号である。図４（ａ）において、送信カプラ２０４に入力信号４０１が印加されると、受信カプラ２０６の信号端子２１３から受信信号４０２が出力される。この受信信号４０２を、受信回路２０５において、図１（ｂ）で説明したように閾値と比較し、矩形波に成形することで、入力信号４０１と同形の信号を復調する。
【００２２】
図４（ｂ）及び（ｃ）で示す受信カプラ１１６及び１２６において、導体２１０と信号線との接続位置は導体の端部付近にあり、当該接続位置と受信カプラの導体周囲の最も遠い端部との距離が、入力信号４０１の周波数の波長の四分の一以下ではない場合を示している。なお、図４（ａ）〜（ｃ）に示す受信カプラ２０６，１１６，１２６の大きさ（導体２１０）は同じであり、当該周波数の波長の四分の一より長いものとする。受信信号４０３及び４０４はそれぞれ、送信カプラ２０４によって送信された入力信号４０１を受信カプラ１１６及び１２６が受信した場合の信号端子から出力される受信信号を示している。
【００２３】
受信カプラ２０６の受信信号４０２と、受信カプラ１１６の受信信号４０３および受信カプラ１２６の受信信号４０４とを比較すると、受信信号４０２の受信レベル４１２は、受信信号４０３及び４０４の受信レベル４１３及び４１４より大きい。また、受信信号４０２の方が受信信号４０３及び４０４よりリンギングが小さいため、高速通信時に隣接シンボル同士が干渉しにくいことが分かる。
【００２４】
以上のように、接続位置を、当該位置と導体周囲の任意の端部との距離が通信に用いられる周波数の波長の四分の一以下となるように配置することで、同じ導体サイズであっても、受信カプラは受信信号４０２のような鋭い微分波形でより高いレベルの入力信号を得ることができる。
【００２５】
なお、５Ｇｂｐｓ信号の場合、２．５ＧＨｚの周波数成分が基本波となるため、２．５ＧＨｚの周波数成分を正しく受信できれば送信信号を復元可能となる。導体２１０のすべての端部からの距離が２．５ＧＨｚの四分の一波長（３０ｍｍ）以内の位置から信号を取り出すことで、２．５ＧＨｚの四分の一波長（３０ｍｍ）以上の場合より、鋭い受信信号波形となる。また、導体２１０を小さくすることで、信号の受信レベルは低下するが、さらに高周波成分を受信することができ、さらに鋭い信号波形を得ることができる。２．５ＧＨｚ以上の高調波である５ＧＨｚを受信する場合は、接続位置と導体周囲のすべての端部との距離を５ＧＨｚの四分の一波長（１５ｍｍ）以内とすればよい。
【００２６】
なお、上記ではシングルエンド信号を送信信号として用いた通信で説明した。しかしながら、送信信号はシングルエンド信号に限らず、差動信号でもよい。差動信号の場合は、送受信カプラの信号線路が２本ずつとなり、信号線間の電位差をみるため、エラーが起こりにくいという効果がある。また、図３では、導体２０８をもつカプラを送信カプラ２０４、導体２１０をもつカプラを受信カプラ２０６としているが、送受信に用いるカプラを図３（ｄ）で示すように逆にしてもよい。この場合、導体２０８の端部が信号端子２１３との接続位置となる。
＜実施形態２＞
実施形態１では、送受信カプラがそれぞれ１つである構成を説明した。実施形態２では、送信カプラが複数（２つ）の場合を説明する。
【００２７】
図５は、実施形態２に係る通信システム５００の構成図である。通信システム５００は、送信回路５０２及び送信カプラ５０４及び５０５を含む送信機５０１と、受信回路２０５及び受信カプラ２０６を含む受信機２０２とを備える。通信システム５００は、送信機５０１がカプラを２つ（送信カプラ５０４、送信カプラ５０５）含む点が実施形態１に係る通信システム２００と異なる。
【００２８】
図６は、実施形態２に係る送受信カプラの構成図である。送信カプラ５０４は、基板５１３と、導体５１１と、グランド５１５を備える。同様に、送信カプラ５０５は、基板５１４と、導体５１２と、グランド５１６を備える。送信カプラ５０４及び５０５は、図中の左右方向に延伸し、左右方向に整列する。ただし、送信カプラ５０４の端部と送信カプラ５０５の端部の対向する距離は受信カプラ２０６の導体２１０の長さ以下である。また、対向する両端部は、信号入力または終端抵抗のいずれか一方に接続される。対向する両端部の一方が信号入力、他方が終端抵抗という構成とはならない。なお、受信カプラ２０６は、実施形態１で説明したのと同構成であるから説明を省略する。
【００２９】
デジタル信号５０３は、送信カプラ５０４及び５０５の間に分岐して印加される。印加された信号は、図６の中央（送信カプラ５０４及び５０５の端部同士が対向する位置）からそれぞれ導体５１１及び５１２に伝送され、終端抵抗５０８及び５０９で終端される。受信カプラ２０６は、送信カプラ５０４、送信カプラ５０５と近接対向した状態を維持しながら延伸方向（図中矢印方向）に相対的に移動可能となっている。
【００３０】
図７は、図６に示す送受信カプラにより５Ｇｂｐｓの通信を行ったシミュレーション結果を示す図である。受信信号７０２，７０３，７０４は、入力信号７０１（図６のデジタル信号５０３に相当。）を、受信カプラ２０６が図６の地点Ａ,Ｂ,Ｃで受信した信号を示す。地点Ａ，Ｂ，Ｃのどの点に受信カプラ２０６がある場合でも受信信号は同様の鋭い微分波形を示しており、復調可能となる。
【００３１】
本実施形態では、デジタル信号の入力位置を中央としているが、入力と終端抵抗を逆にした構成でも本実施形態の同様の効果を示す。つまり、図６の送信カプラ５０４、送信カプラ５０５の間のデジタル信号５０３の入力位置に終端抵抗５０８，５０９を接続し、図６の終端抵抗５０８及び５０９の接続位置をデジタル信号５０３の入力位置としてもよい。また、本実施形態においては受信カプラ２０６が移動すると説明しているが、送信カプラ５０４、送信カプラ５０５が移動してもよい。また、送信カプラを２つとしているが、３つ以上でも構わない。その場合も各カプラ間の距離は、受信カプラの導体の長さ以下となる。実施形態１と同様であるが、送信信号は差動信号でもよい。また、導体２１０を有するカプラを受信カプラ、導体５１１，５１２を有するカプラを送信カプラとしているが送受信カプラを入れ替えても本実施形態の主張する範囲は同じである。
＜実施形態３＞
図８は、実施形態３に係る通信システム８００の構成図である。通信システム８００は、送信回路８０２及び送信カプラ８０４及び８０５を含む送信機８０１と、受信回路２０５及び受信カプラ２０６を含む受信機２０２とを備える。通信システム８００は、送信機８０１の送信カプラ８０４及び８０５の端部同士が対向するように湾曲している点が実施形態２に係る通信システム５００と異なる。本実施形態では、２つの送信カプラ８０４，８０５が、円形状に配置された例を示す。
【００３２】
図９は、実施形態３に係る送受信カプラの構成図である。図９（ａ）は斜視図であり、図９（ｂ）は図９(a)をＺ軸正方向から見た図である。送信カプラ８０４及び８０５は、同径円の円周方向（長尺方向）に整列し、受信カプラ２０６は、同心円の円周方向に配置される。また、受信カプラ２０６は図９（ｂ）で示す矢印の方向に送信カプラに対して相対的に移動する。また、図９では、円の内側に短尺、外側に長尺のカプラを配置しているが、逆の配置にしてもよい。デジタル信号８０３が送信カプラ８０４及び８０５の一方の間に分岐して印加され、他方の間にはそれぞれ終端抵抗８０７で終端される。送信カプラ８０４の端部と送信カプラ８０５の端部との対向する距離は、受信カプラ２０６の導体２１０の長さ以下である。受信カプラ２０６は、実施形態１で説明したのと同構成であるから説明を省略するが、送信カプラ８０４及び８０５と同程度の曲率で湾曲させてもよい。
【００３３】
上記構成とすることで、受信カプラ２０６は高速信号を回転しながら通信できる。また、実施形態１と同様であるが、送信信号は差動信号でもよく、送受信カプラを入れ替えても本実施形態の主張する範囲は同じである。
【符号の説明】
【００３４】
２００  通信システム、２０１  送信機、２０２  受信機、２０３  送信回路、２０４  送信カプラ、２０５  受信回路、２０６  受信カプラ、２０７  デジタル信号、２０８，２１０  導体、２０９  終端抵抗、２１１  接続位置、２１２，２２０  グランド、２１３  信号端子、２１４，２１８  基板、２１５  信号線、２１６  アンプ、２１７  ビア
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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