(57)【要約】【課題】良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、小型化に有利な構造を有するアンテナ装置を提供する。【解決手段】  基板面１１ａにグランド層１２が形成されたプリント基板１１と、プリント基板１１の基板面１１ｂ上に設置されたコイル基板１６と、コイル基板１６の上下面にスルーホール１３を介して、巻回形状が８の字となるように、コイル線が巻回されたコイル１６２からなり他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極１０３とを備え、結合用電極１０３は、巻回されたコイル１６２のうち、一方の端部が信号の入出力端１８ｃと接続され、他方の端部がプリント基板１１に形成されたグランド層１２と電気的に接続される構造を有し、１６２コイルの全長が通信波長の略半分の長さである。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置において、
誘電体の一方の面にグランド層が形成された第１の基板と、
上記第１の基板上に、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第２の基板と、
上記第２の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が８の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極とを備え、
上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が信号の入出力端と接続され、他方の端部が上記第１の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記コイルは、その巻回方向が、該コイルの全長の略半分となる中央部で反転するように巻回されていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項３】
上記コイルの中央部では、コイル線の巻回間隔を広くするとともに、該コイル線の線幅が広くなっていることを特徴とする請求項２記載のアンテナ装置。
【請求項４】
上記第１の基板には、上記第２の基板に巻回されて形成された上記コイルの中央部と対向する位置に空洞部が形成されていることを特徴とする請求項３記載のアンテナ装置。
【請求項５】
上記コイルは、該コイルの全長に亘って同一方向に巻回されており、
上記コイルの中央部では、コイル線の巻回間隔を広くするとともに、該コイル線の線幅が広くなっていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
【請求項６】
上記第１の基板には、上記第２の基板に巻回されて形成された上記コイルの中央部と対向する位置に空洞部が形成されていることを特徴とする請求項５記載のアンテナ装置。
【請求項７】
対向する位置に配置された他の通信装置の電極間での電磁界結合により情報通信を行う通信装置において、
誘電体の一方の面にグランド層が形成された第１の基板と、
上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第２の基板と、
上記第２の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が８の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、
信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が上記送受信処理部と接続され、他方の端部が上記第１の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする通信装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置、及び、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、コンピュータや小型携帯端末等の電子機器間で、音楽、画像等のデータを、ケーブルやメディアを介さずに無線伝送にて行うシステムが開発されている。このような無線伝送システムには、数ｃｍの近距離で最大５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送が可能なものがある。このような高速転送可能な伝送システムの中で、TransferJet（登録商標）は、通信距離が短いが盗聴される可能性が低く、伝送速度が速いという利点がある。
【０００３】
TransferJet（登録商標）では、超近距離を隔てて対応する高周波結合器の電磁界結合によりなしえるもので、その信号品質が高周波結合器の性能に依存する。例えば、特許文献１に記載された高周波結合器は、図３０に示すように、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える。また、特許文献１に記載された高周波結合器では、プリント基板２０１上に、送受信回路２０５も形成している。また、特許文献１には、プリント基板２０１上に送受信回路２０５が形成されていない変形例として、図３１に示すような、一方の面にグランド２０２を形成したプリント基板２０１と、プリント基板２０１のもう一方の面に形成したマイクロストリップ構造のスタブ２０３と、結合用電極２０８と、この結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７とを備える構成が記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−３１１８１６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
特許文献１に記載された高周波結合器では、その結合強度が、一対の高周波結合器が対向して配された結合状態での結合用電極２０８間の容量分と、結合用電極２０８とスタブ２０３を接続する金属線２０７のインダクタンス分に大きく依存する。図３０及び図３１に示した高周波結合器では、結合用電極２０８が金属線２０７で支えられた構造であるが、機械的な強度や移動の際の取り扱い等を考慮すると、結合用電極２０８と金属線２０７とを基板等に接着させるなどして、機械的に保持されることが好ましい。ただし、この場合、結合用電極２０８と金属線２０７とを保持する基板は、一般的に誘電率を有する誘電性基板であることから、上記結合用電極２０８間の容量分が大きく変化することで共振周波数が変化してしまい、この周波数をマッチングさせるために金属線２０７の長さや太さを変えてインダクタンスを調整するなど、所定周波数に合わせこむための調整が複雑であった。また、誘電率の高い基板を用いると結合効率が大きく低下してしまった。
【０００６】
本発明は、このような実情に鑑みて提案されたものであり、上記のように、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、小型化に有利な構造を有するアンテナ装置を提供することを目的とする。また、本発明は、このアンテナ装置が組み込まれた通信装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述した課題を解決するための手段として、本発明に係るアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行うアンテナ装置において、誘電体の一方の面にグランド層が形成された第１の基板と、上記第１の基板上に、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第２の基板と、上記第２の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が８の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極とを備え、上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が信号の入出力端と接続され、他方の端部が上記第１の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする。
【０００８】
また、本発明に係る通信装置は、対向する位置に配置された他の通信装置の電極間での電磁界結合により情報通信を行う通信装置において、誘電体の一方の面にグランド層が形成された第１の基板と、上記グランド層が形成された面と異なる面に対向して設置された誘電体からなる第２の基板と、上記第２の基板の上下面にスルーホールを介して、巻回形状が８の字となるように、コイル線が巻回されたコイルからなり、対向する位置に配置された他のアンテナ装置の電極と電磁界結合されて通信可能となる結合用電極と、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、上記結合用電極は、上記巻回されたコイルのうち、一方の端部が上記送受信処理部と接続され、他方の端部が上記第１の基板に形成されたグランド層と電気的に接続される構造を有し、該コイルの全長が通信波長の略半分の長さであることを特徴とする。
【発明の効果】
【０００９】
本発明は、結合用電極が、第２の基板の上下面にスルーホールを介して巻回されたコイルからなるので、良好な機械的強度度を実現することができる。また、本発明は、コイルの全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端がグランド層に電気的に接続されているので、コイルの中心部での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。さらに、本発明は、結合用電極が、第２の基板における一断面方向から見た巻回形状が８の字となるように巻回されたコイルであるため、上記のように、コイルの全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。
【００１０】
以上のように、本発明は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、装置全体の小型化を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明が適用されたアンテナ装置が組み込まれる通信システムの構成を示す図である。
【図２】本発明が適用されたアンテナ装置である第１の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図３】コイル基板に巻回されたコイルの巻回形状と、コイルが発生する磁界とについて説明するための図である。
【図４】第１の実施形態に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。
【図５】第１の実施形態に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。
【図６】第１の実施形態に係る高周波結合器において、図６（Ａ）は、ＸＺ面の電界強度分布を示す図であり、図６（Ｂ）は、ＹＺ面の電界強度分布を示す図である。
【図７】第１の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図８】第１の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を説明するための図である。
【図９】共振ライン１８ａとスルーホール１５ｂが設けられていない高周波結合器を用いて、高周波結合器間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を説明するための図である。
【図１０】第１の実施形態の変形例１に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１１】第１の実施形態の変形例１に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。
【図１２】第１の実施形態の変形例１に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。
【図１３】第１の実施形態の変形例１に係る高周波結合器において、図１３（Ａ）は、コイル基板１６の上面から１ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を示す図であり、図１３（Ｂ）は、コイル基板１６の上面から５ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を示す図である。
【図１４】第１の実施形態の変形例１に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を説明するための図である。
【図１５】第１の実施形態の変形例２に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１６】第１の実施形態の変形例２に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。
【図１７】第１の実施形態の変形例２に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。
【図１８】第１の実施形態の変形例２に係る高周波結合器において、図１８（Ａ）は、コイル基板１６の上面から１ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を示す図であり、図１８（Ｂ）は、コイル基板１６の上面から５ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を示す図である。
【図１９】第１の実施形態の変形例２に係る高周波結合器の解析モデルにおいて、空洞部１９の深さに応じた結合強度Ｓ２１の周波数特性の変化について説明するための図である。
【図２０】第２の実施形態に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図２１】コイル基板に巻回されたコイルの巻回形状と、コイルが発生する磁界とについて説明するための図である。
【図２２】第２の実施形態に係る高周波結合器の解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板の表面側を見た図である。
【図２３】第２の実施形態に係る高周波結合器においてコイルが発生する磁界ベクトル分布を示す図である。
【図２４】第２の実施形態に係る高周波結合器において、コイル基板の上面から１ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を示す図である。
【図２５】第２の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間での通信状態を示す斜視図である。
【図２６】第２の実施形態に係る高周波結合器において、高周波結合器間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を説明するための図である。
【図２７】共振ライン２８ａとスルーホール２５ｂが設けられていない高周波結合器を用いて、高周波結合器間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を説明するための図である。
【図２８】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図２９】第２の実施形態の変形例に係る高周波結合器の解析モデルにおいて、空洞部２９の深さに応じた結合強度Ｓ２１の周波数特性の変化について説明するための図である。
【図３０】従来例に係る高周波結合器に係る構成を示す図である。
【図３１】従来例に係る高周波結合器に係る構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明を実施するための形態について、図面を参照しながら詳細に説明する。なお、本発明は、以下の実施形態のみに限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能であることは勿論である。
【００１３】
＜通信システム＞
本発明が適用されたアンテナ装置は、対向する一対の電極間での電磁界結合により情報通信を行う装置であって、例えば図１に示すような、５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を可能とする通信システム１００に組み込まれて使用されるものである。
【００１４】
通信システム１００は、２つのデータ通信を行う通信装置１０１、１０５から構成される。ここで、通信装置１０１は、結合用電極１０３を有する高周波結合器１０２と、送受信回路部１０４とを備える。また、通信装置１０５は、結合用電極１０７を有する高周波結合器１０６と、送受信回路部１０８とを備える。
【００１５】
図１に示すように通信装置１０１、１０５のそれぞれが備える高周波結合器１０２、１０６を向かい合わせて配置すると、２つの結合用電極１０３、１０７が１つのコンデンサとして動作し、全体としてバンドパスフィルタのように動作することによって、２つの高周波結合器１０２、１０６の間で、例えば５６０Ｍｂｐｓ程度の高速転送を実現するための４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を効率よく伝達することができる。
【００１６】
ここで、高周波結合器１０２、１０６がそれぞれ持つ送受信用の結合用電極１０３、１０７は、例えば３ｃｍ程度離間して対向して配置され、電界結合が可能である。
【００１７】
通信システム１００において、例えば、高周波結合器１０２に接続された送受信回路部１０４は、上位アプリケーションから送信要求が生じると、送信データに基づいて高周波送信信号を生成し、結合用電極１０３から結合用電極１０７へ信号を伝搬する。そして、受信側の高周波結合器１０６に接続された送受信回路部１０８は、受信した高周波信号を復調及び復号処理して、再現したデータを上位アプリケーションへ渡す。
【００１８】
なお、本発明が適用されるアンテナ装置は、上述した４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達するものに限定されず、他の周波数帯の信号伝達にも適用可能であるが、以下の具体例では、４〜５ＧＨｚ帯域の高周波信号を伝達対象として説明する。
【００１９】
＜第１の実施形態＞
このような通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図２に示すような第１の実施形態に係る高周波結合器１について説明する。
【００２０】
すなわち、第１の実施形態に係る高周波結合器１は、図２に示すように、本発明に係る第１の基板に相当するプリント基板１１と、本発明に係る第２の基板に相当するコイル基板１６とを備える。
【００２１】
プリント基板１１は、誘電体からなるベース材１４と、このベース材１４の一方の面にグランド層１２が形成されている。
【００２２】
コイル基板１６は、プリント基板１１上に、グランド層１２が形成された基板面１１ａと対向する基板面１１ｂに設置される基板である。コイル基板１６は、誘電体からなる上部基板１６１を有し、この上部基板１６１に上述した結合用電極１０３、１０７として機能するコイル１６２が形成されたものである。
【００２３】
ここで、コイル基板１６については、後述する配線１８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板１６１の面内で配線１８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器１の厚み方向をＺ軸とした三次元直交座標系を定義して説明するものとする。
【００２４】
コイル１６２は、上部基板１６１の上下面に複数のスルーホール１３を介して、コイル基板１６における一断面方向から見た巻回形状が、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように略「８の字」となるように、コイル線が巻回されることで形成されるものである。具体的には、コイル１６２は、上部基板１６１の上下面にコイルをなすための配線をパターニング技術により形成し、形成した上下面のコイルパターン端部を、ドリル等により開孔し導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されたスルーホール１３により電気的に接続することにより形成される。
【００２５】
なお、本実施形態においては、コイル１６２は、コイル基板１６におけるＹＺ平面から見た巻回形状が略「８の字」となっているが、これに限定されず、コイル基板における任意の断面から見た巻回形状が略「８の字」となっているように、コイル基板に形成されていればよい。
【００２６】
また、コイル１６２は、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示す巻回方向Ｔが互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル１６２ａ、１６２ｂが、巻回方向反転部１７で互いに接続されたものである。すなわち、このコイル１６２の全長の略半分の長さに当る部分が、巻回方向反転部１７となっている。このコイル１６２の全長は、通信周波数の略半分の長さになるように調整されている。
【００２７】
ここで、巻回方向は、コイル基板における任意の断面から見たときに、巻回形状である略「８の字」を描く方向である。本実施形態において、巻回方向Ｔは、コイル基板１６におけるＹＺ平面の−Ｘ方向に見たときに、略「８の字」を描く方向である。具体的に、コイル１６２ａは、図３（Ａ）に示すような巻回形状及び巻回方向Ｔに対応し、コイル１６２ｂは図３（Ｂ）に示すような巻回形状及び巻回方向Ｔに対応している。また、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）では、巻回方向Ｔと順方向に電流が流れときに発生する磁界Ｂも示している。
【００２８】
また、コイル１６２は、その一端がスルーホール１５ａを介してプリント基板１１の基板面１１ａに形成されたグランド層１２と電気的に接続され、他方の端部に共振ライン１８ａと配線１８ｂとが接続される。配線１８ｂのもう一端には、信号の入出力端１８ｃが形成され、共振ライン１８ａは、上述したように一方の端部がコイル１６２と接続され、他方の端部がスルーホール１５ｂを介してプリント基板１１の基板面１１ａに形成されたグランド層１２と電気的に接続される。
【００２９】
ここで、共振ライン１８ａは、高周波結合器１の共振特性の急峻度を調整するためのもので、当該共振ライン１８ａの長さ等を変化させることで当該共振特性の急峻度を調整できる。スルーホール１５ａ、１５ｂは、プリント基板１１のベース材１４を貫通して電気的に接続するための経路で、上述したスルーホール１３と同様に、導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されることで形成されている。
【００３０】
プリント基板１１のベース材１４、および、コイル基板１６の上部基板１６１の材料としては、例えば、ガラスエポキシ（ＦＲ４）、ガラスコンポジット（ＣＥＭ３）、紙エポキシ（ＦＲ３）、紙フェノール（ＸＰＣ）等の可塑性部材が用いられるが、可撓性を有するポリイミド、液晶ポリマー、テフロン等の低誘電材料を用いてもよい。特に、プリント基板１１に対してコイル基板１６の配線１８ｂを突出させることによって入出力端１８ｃを設ける場合には、上記基板１６１は、薄いポリイミド等を使って柔軟性を持たせたフレキシブル基板を用いることが好ましい。これは、プリント基板１１から突出させた入出力端１８ｃが柔軟性を有して自在に曲げることができ、送受信回路部１０４と高周波結合器１とを接続の取り付けに際しての自由度を向上させることができるからである。
【００３１】
次に、以上のような構成からなる高周波結合器１の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。解析モデルは、図２に示した構成で、ベース材１４、上部基板１６１にはポリイミドを使用し、プリント基板１１、コイル基板１６の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが８×８×１．６ｍｍ、８×８×０．４ｍｍとしている。
【００３２】
図４は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板１６の表面側を見た図である。なお、図４では、コイル１６２の巻回状態が分かるように、上部基板１６１を透過させており、上述したように、配線１８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板１６１の面内で配線１８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器１の厚み方向をＺ軸としている。
【００３３】
図５は、コイル１６２の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板１６の上面から厚み方向Ｚに２００μｍ下におけるＸＹ平面での、共振周波数の磁界ベクトルを表している。図５からコイル１６２のうち、Ｙ方向プラス側では、磁界ベクトルがＸ方向マイナス側に向き、Ｙ方向マイナス側では、磁界ベクトルがＸ方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部１７を中心として周回するように、すなわち、ＸＹ平面に閉ループとなるように発生している。
【００３４】
磁界の流れがこのようになるのは、具体的には次に説明するが、図３（Ａ）及び図３（Ｂ）に示すように、コイル１６２を構成するコイル１６２ａとコイル１６２ｂとの巻回方向が互いに逆になっているのと、コイル１６２ａとコイル１６２ｂとで電流の極性が逆になっているからである。
【００３５】
まず、個々のコイル１６２ａ、１６２ｂに注目すると、巻回形状が８の字形状となっており、このような形状のコイルに電流を流した場合、上述した図３に示すように、８の字を構成する二つの輪を貫通する磁界の方向が逆になるという性質をもっている。したがって、このような８の字コイルを連続して重ねていく、すなわち巻回すると、重なりあったそれぞれの輪では磁界の方向が同じなので、結果的に、巻回方向の異なるソレノイドコイルが２つ隣り合わせに並んだものとみなすことができ、隣り合ったソレノイドコイル間で磁界の閉ループを作るのでコイルのインダクタンスを大きくすることができる。ただし、高周波電流の場合は位相の関係から半波長で電流の極性が変わってしまうので、仮にコイル１６２の全長に亘って巻回方向を同一とした場合には、局部的に極性が異なる電流のため、磁界が打ち消しあう現象が生じる。
【００３６】
また、高周波結合器１では、コイル１６２の一方の端部をスルーホール１５ｂを介してグランド層１２と短絡しているため、その部分で電流が最大となり、また、コイル１６２の全長を半波長にしているため、コイル１６２の他方の端部でも電流が最大となる。ここで、コイル１６２の両端での電流は、位相が１８０度異なるため極性が逆となり、上述したように仮にコイル１６２が巻回方向の同じ８の字コイルを重ねて作製されると、発生磁界が打ち消しあうことになり、上記のような閉ループとはならない。
【００３７】
これに対して、高周波結合器１では、巻回方向反転部１７を境にして巻回方向の異なる８の字のコイル１６２ａ、１６２ｂを組み合わせてコイル１６２を構成しているので、コイル１６２の内部において、磁界の流れを閉ループとなるようにすることができる。
【００３８】
このようにして、高周波結合器１では、上述したように磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル１６２のインダクタンスを増し、アンテナとしてのＱ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet（登録商標）のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル１６２の中心部の巻回方向反転部１７周辺からＺ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。巻回方向反転部１７周辺で電圧レベルが最も高くなるのは、コイル１６２の全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端が、電圧レベルがゼロになるグランド層１２に電気的に接続されているからである。
【００３９】
図６（Ａ）、及び図６（Ｂ）は、それぞれＸＺ面、ＹＺ面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル１６２の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は、高周波結合器１の略中央に設置された巻回方向反転部１７をほぼ中心にして対称的な分布となっており、２つの高周波結合器を対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
【００４０】
次に、高周波結合器１の通信状況を調べるために、図７に示すような評価の基準機として、板状の結合用電極１５０ａを備える高周波結合器１５０を用いるものとし、電力高周波結合器１、１５０同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価するものとし、高周波結合器１の信号入出力端となる配線１８ｂの入出力端１８ｃを電力の入力ポートとし、高周波結合器１５０の同様入出力端を出力ポートとして透過特性Ｓ２１を解析している。
【００４１】
図７は、結合強度Ｓ２１を解析に用いた高周波結合器１、１５０間の相対的配置を示したものである。図７に示すようにして、高周波結合器１、１５０のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べるものとする。
【００４２】
図８は、高周波結合器１、１５０との間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を解析したものである。対向距離１５［ｍｍ］の場合と、対向距離１００［ｍｍ］では、通信周波数である４．５ＧＨｚ付近で、結合強度Ｓ２１がそれぞれ−２３ｄＢと、−４８ｄＢとなっている。この結果から明らかなように、結合強度Ｓ２１は、通信距離である近距離、すなわち１５［ｍｍ］程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、１００［ｍｍ］程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
【００４３】
以上のように、第１の実施形態に係る高周波結合器１は、結合用電極が、コイル基板１６の上下面にスルーホール１３を介して巻回されたコイル１６２からなるので、例えば図３０、及び図３１に示すような、結合用電極２０８が金属線２０７によって支持された従来例に係る高周波結合器と比べて、結合用電極が良好な機械的強度度を実現することができる。これは、第１の実施形態に係る高周波結合器１の結合用電極が、コイル基板１６内に形成されているので、結合用電極２０８が金属線２０７によって支持されている場合に比べて、衝撃などが加えられても結合用電極の損傷を防ぐことができるからである。
【００４４】
また、高周波結合器１は、コイル１６２の全長が通信波長の略半分の長さで、コイル１６２の一端がグランド層１２に電気的に接続されているので、コイル１６２の中心部である巻回方向反転部１７での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【００４５】
さらに、高周波結合器１は、結合用電極が、コイル基板１６の断面方向の巻回形状が８の字となるように巻回されたコイルであるため、コイル１６２の全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル１６２全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。
【００４６】
このような点から明らかなように、高周波結合器１は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器１全体の小型化を図ることができる。
【００４７】
なお、高周波結合器１は、コイル基板１６において必ずしも、共振ライン１８ａ、及び、共振ライン１８ａとグランド層とを電気的に接続するスルーホール１５ｂを設けなくてもよいが、共振ライン１８ａが設けられることで、結合強度と共振周波数を調整可能とする点で特に好ましい。
【００４８】
例えば、共振ライン１８ａとスルーホール１５ｂが設けられていない場合には、高周波結合器との間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした結合強度Ｓ２１の周波数特性が図９のようになる。ここで、対向距離が１５［ｍｍ］の場合、結合強度Ｓ２１は、図９が−２５．２ｄＢであるのに対して、図８が−２２．９ｄＢである。この結果から、例えば、共振ライン１８ａがあることで結合強度が大きくなるように調整できる。また、対向距離が１５［ｍｍ］の場合、ピークから−３ｄＢ下がるまでの帯域幅は、図９が０．８３ＧＨｚであるのに対して、図８が０．４３ＧＨｚである。この結果から、共振ライン１８ａがあることで、例えば帯域幅が狭くなるように調整できる。
【００４９】
一般に、結合強度の強さと帯域幅とは、トレードオフの関係にあるため、これらのバランスが要求仕様に対して不十分な場合は、高周波結合器１のように、共振ライン１８ａとスルーホール１５ｂとを設けて、主に、共振ライン１８ａの長さを変えることで、結合強度の強さと帯域幅との特性を調整することができる。
【００５０】
＜変形例１＞
次に、第１の実施形態に係る変形例１として、図１０に示すような高周波結合器１ａの構成について説明する。
【００５１】
高周波結合器１ａは、図１０に示すように、上述した高周波結合器１と同様に、プリント基板１１と、コイル基板１６とを備え、コイル基板１６の上部基板１６１の上下面に複数のスルーホール１３を介して、巻回形状が「８の字」となるコイル１６２が形成されたものである。なお、高周波結合器１ａは、上述した高周波結合器１と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
【００５２】
高周波結合器１ａは、具体的に、上述した高周波結合器１と比べて、コイル基板１６に実装されるコイル１６２の構成が異なる。
【００５３】
すなわち、コイル１６２は、巻回方向が互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル１６２ａ、１６２ｂが、巻回方向反転部１７ａで互いに接続されたものである。ここで、高周波結合器１と異なり、高周波結合器１ａに係る巻回方向反転部１７ａは、その領域を、各コイル１６２ａ、１６２ｂのコイルピッチｄ、すなわち、コイル１６２ａ、１６２ｂにおけるコイル線の巻回間隔よりも広くしている。これは、後述する性能評価から明らかなように、高周波結合器１ａの電界放射分布を面内で対称的にするためである。巻回方向反転部１７ａの領域の広さは、全体的なコイル１６２の大きさにあわせて調整することが好ましい。更に、巻回方向反転部１７ａでは、この付近のコイル線の線幅を広くすることで、後述するように結合強度がより高めることができる。例えば、巻回方向反転部１７ａでは、図１０に示すような円形状とすることで、当該部位のコイル線の線幅が他の部位に比べて拡張することができる。
【００５４】
次に、以上のような構成からなる高周波結合器１ａの性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。解析モデルは、図１０に示した構成で、ベース材１４、上部基板１６１にはポリイミドを使用し、プリント基板１１、コイル基板１６の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが８×８×１．６ｍｍ、８×８×０．４ｍｍとしている。
【００５５】
図１１は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板１６の表面側を見た図である。なお、図１１では、コイル１６２の巻回状態が分かるように、上部基板１６１を透過させており、上述したように、配線１８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板１６１の面内で配線１８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器１ａの厚み方向をＺ軸としている。
【００５６】
図１２は、コイル１６２の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板１６の上面から厚み方向Ｚに２００μｍ下におけるＸＹ平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル１６２のうち、Ｙ方向プラス側では、磁界ベクトルがＸ方向マイナス側に向き、Ｙ方向マイナス側では、磁界ベクトルがＸ方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部１７ａを中心として周回するように、すなわち、ＸＹ平面に閉ループとなるように発生している。
【００５７】
このようにして、高周波結合器１ａでは、高周波結合器１と同様に、磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル１６２のインダクタンスを増し、アンテナとしてのＱ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet（登録商標）のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル１６２の中心部の巻回方向反転部１７ａ周辺からＺ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。
【００５８】
図１３（Ａ）、及び、図１３（Ｂ）は、それぞれコイル基板１６の上面から１ｍｍ、５ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル１６２の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は、高周波結合器１ａの略中央に設置された巻回方向反転部１７ａをほぼ中心にして対称的な分布となっている。よって、高周波結合器１ａは、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
【００５９】
特に、高周波結合器１ａは、対向する位置に配置された高周波結合器との間でＸＹ面内方向での位置ずれが起こっても、上述した高周波結合器１に比べて等方的で安定した通信が行える。これは、図６で示したような高周波結合器１で解析した電界強度がＸ方向に比べてＹ方向に広がっているのに対して、図１３に示すような変形例に係る高周波結合器１ａの電界強度がＸ方向Ｙ方向ともに略均一に広がっているからである。
【００６０】
次に、高周波結合器１ａの通信状況を調べるために、図７の場合と同様にして、高周波結合器１ａ、１５０同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価するものとし、高周波結合器１ａの信号入出力端となる配線１８ｂの入出力端１８ｃを電力の入力ポートとし、高周波結合器１５０の入出力端を出力ポートとして透過特性Ｓ２１を解析している。
【００６１】
高周波結合器１ａ、１５０のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べるものとする。なお、この例では、一方の高周波結合器１５０には、評価の基準機として、板状の結合用電極１５０ａを備える基準高周波結合器を用いた。
【００６２】
図１４は、高周波結合器１ａ、１５０との間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を解析したものである。対向距離１５［ｍｍ］の場合と、対向距離１００［ｍｍ］では、通信周波数である４．５ＧＨｚ付近で、結合強度Ｓ２１がそれぞれ−２３ｄＢと、−４８ｄＢとなっている。この結果から明らかなように、結合強度Ｓ２１は、通信距離である近距離、すなわち１５［ｍｍ］程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、１００［ｍｍ］程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
【００６３】
以上のように、変形例に係る高周波結合器１ａは、上述した高周波結合器１と同様に、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器１全体の小型化を図ることができる。さらに、高周波結合器１ａは、対向する位置に配置された高周波結合器との間でＸＹ面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信を行うことができる。
【００６４】
＜変形例２＞
次に、第１の実施形態に係る変形例２として、図１５に示すような高周波結合器１ｂの構成について説明する。
【００６５】
高周波結合器１ｂは、図１５に示すように、上述した高周波結合器１と同様に、プリント基板１１と、コイル基板１６とを備え、コイル基板１６の上部基板１６１の上下面に複数のスルーホール１３を介して、巻回形状が「８の字」となるコイル１６２が形成されたものである。なお、高周波結合器１ｂは、上述した高周波結合器１と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
【００６６】
高周波結合器１ｂは、具体的に、上述した高周波結合器１と比べて、コイル基板１６に実装されるコイル１６２と、プリント基板１１との構成が異なる。
【００６７】
すなわち、コイル１６２は、巻回方向が互いに逆で、巻数がほぼ同数のコイル１６２ａ、１６２ｂが、巻回方向反転部１７ａで互いに接続されたものである。ここで、高周波結合器１と異なり、高周波結合器１ｂに係る巻回方向反転部１７ａは、その領域を、各コイル１６２ａ、１６２ｂのコイルピッチｄよりも広くしている。これは、高周波結合器１ｂの電界放射分布を面内で対称的にするためである。巻回方向反転部１７ａの領域の広さは、全体的なコイル１６２の大きさにあわせて調整することが好ましい。更に、巻回方向反転部１７ａでは、この付近のコイル線の線幅を広くするため、図１５に示すような円形状のように、当該部位のコイル線の形状が他の部位に比べて拡張されている。
【００６８】
また、変形例２に係る高周波結合器１ｂでは、通信特性の向上を図る観点から、プリント基板１１の一部に空洞部１９が形成されている。具体的に、空洞部１９は、プリント基板１１の一方の面に配置されたコイル基板１６に形成された巻回方向反転部１７ａと対向する位置に形成されている。このようにして空洞部１９は、電界が強くなるコイル巻回方向反転部１７ａと対向する位置、すなわち基板の厚み方向の直下に形成されるが、特に空洞部１９の形状が厚み方向に深いほど通信特性改善効果が高い。この効果については後述する解析結果で具体的に説明する。
【００６９】
また、空洞部１９は、プリント基板１１を切削加工することで形成される。また、これ以外にも、例えば、空洞部１９の形成されたプリント基板１１は、貫通穴を設けた基板を切削加工していない基板に貼り合わせることで完成するようにしてもよい。
【００７０】
次に、以上のような構成からなる高周波結合器１ｂの性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。解析モデルは、図１５に示した構成で、ベース材１４、上部基板１６１にはポリイミドを使用し、プリント基板１１、コイル基板１６の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが８×８×１．６ｍｍ、８×８×０．４ｍｍとしている。
【００７１】
図１６は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板１６の表面側を見た図である。なお、図１６では、コイル１６２の巻回状態が分かるように、上部基板１６１を透過させており、上述したように、配線１８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板１６１の面内で配線１８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器１ｂの厚み方向をＺ軸としている。
【００７２】
図１７は、コイル１６２の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板１６の上面から厚み方向Ｚに２００［μｍ］下におけるＸＹ平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル１６２のうち、Ｙ方向プラス側では、磁界ベクトルがＸ方向マイナス側に向き、Ｙ方向マイナス側では、磁界ベクトルがＸ方向プラス側に向く。このため、磁界の流れが、巻回方向反転部１７ａを中心として周回するように、すなわち、ＸＹ平面に閉ループとなるように発生している。
【００７３】
このようにして、高周波結合器１ｂでは、高周波結合器１と同様に、磁界の流れを閉ループとなるようにすることで、コイル１６２のインダクタンスを増し、アンテナとしてのＱ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet（登録商標）のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル１６２の中心部の巻回方向反転部１７ａ周辺からＺ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。
【００７４】
図１８（Ａ）、及び、図１８（Ｂ）は、それぞれコイル基板１６の上面から１ｍｍ、５ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル１６２の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。電界強度分布は、高周波結合器１ｂの略中央に設置された巻回方向反転部１７ａをほぼ中心にして対称的な分布となっている。よって、高周波結合器１ｂは、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすく、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
【００７５】
すなわち、高周波結合器１ｂは、上述した高周波結合器１ａと同様に、対向する位置に配置された高周波結合器との間でＸＹ面内方向での位置ずれが起こっても、高周波結合器１に比べて等方的で安定した通信が行える。
【００７６】
次に、高周波結合器１ｂの通信状況を調べるために、高周波結合器１ｂ、１５０同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は、高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価するものとし、高周波結合器１ｂの入出力端１８ｃを電力の入力ポートとし、高周波結合器１５０の入出力端を出力ポートとして透過特性Ｓ２１を解析している。
【００７７】
高周波結合器１ｂ、１５０のその中心軸が一致するように対向させて、一定間隔をあけた状態で、結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べるものとする。なお、この例では、一方の高周波結合器１５０には、評価の基準機として、板状の結合用電極１５０ａを備える基準高周波結合器を用いた。
【００７８】
図１９は、高周波結合器１ｂの解析モデルにおいて、ＸＹ平面の寸法が３．５ｍｍ×４ｍｍの空洞部１９をその中心軸を巻回方向反転部１７ａの中心にあわせ、また短軸をＸ方向に向けてプリント基板１１上に形成し、空洞部１９のＺ軸方向で規定される深さを０．４ｍｍ、０．７ｍｍ、１．２ｍｍとした場合の、結合強度Ｓ２１を調べたものである。ここで、単に空洞部１９の深さを変えると共振周波数がシフトしてしまい、比較し難くなるので、図１９の各結果においては、コイル１６２の長さで共振周波数がほぼ同一となるように調整している。また、図１９では、比較対象として、空洞部１９が無いものも解析した。
【００７９】
このような図１９に示された解析結果から明らかなように、高周波結合器１ｂは、空洞部１９を設けることで結合強度が向上し、特に、空洞部１９の深さが増すほど良好な結合強度を実現できる。
【００８０】
＜第２の実施形態＞
次に、図２０を参照して、第２の実施形態に係る高周波結合器２について説明する。
【００８１】
第２の実施形態に係る高周波結合器１は、図２０に示すように、本発明に係る第１の基板に相当するプリント基板２１と、本発明に係る第２の基板に相当するコイル基板２６とを備える。
【００８２】
プリント基板２１は、誘電体からなるベース材２４と、このベース材２４の一方の面にグランド層２２が形成されている。
【００８３】
コイル基板２６は、プリント基板２１上に、グランド層２２が形成された基板面２１ａと異なる基板面２１ｂに対向して設置される基板である。コイル基板２６は、誘電体からなる上部基板２６１を有し、この上部基板２６１に上述した結合用電極１０３、１０７として機能するコイル２６２が形成されたものである。
【００８４】
ここで、コイル基板２６については、後述する配線２８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板２６１の面内で配線２８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器２の厚み方向をＺ軸とした三次元直交座標系を定義して説明するものとする。
【００８５】
コイル２６２は、上部基板２６１の上下面に複数のスルーホール２３を介して、図２１に示すように、巻回形状が略「８の字」となるように、コイル線が巻回されることで形成されるものである。具体的には、コイル２６２は、上部基板２６１の上下面にコイルをなすための配線をパターニング技術により形成し、形成した上下面のコイルパターン端部を、ドリル等により開孔し導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されたスルーホール２３により電気的に接続することにより形成される。
【００８６】
なお、本実施形態においては、コイル２６２は、コイル基板２６におけるＹＺ平面から見た巻回形状が略「８の字」となっているが、これに限定されず、コイル基板２６における任意の断面から見た巻回形状が略「８の字」となっているように、コイル基板２６に形成されていればよい。
【００８７】
また、コイル２６２は、図２１に示す巻回方向Ｔが互いに同一であって、巻数がほぼ同数のコイル２６２ａ、２６２ｂが、ライン幅拡張部２７で互いに接続されたものである。したがって、このコイル２６２の全長の略半分の長さに当る部分が、ライン幅拡張部２７となっている。また、このコイル２６２の全長は、通信の周波数の略半分の長さになるように調整されている。
【００８８】
ここで、巻回方向は、コイル基板における任意の断面から見たときに、巻回形状である略「８の字」を描く方向である。本実施形態において、巻回方向Ｔは、コイル基板２６におけるＹＺ平面の−Ｘ方向に見たときに、略「８の字」を描く方向である。具体的に、コイル２６２ａ、２６２ｂは、両方とも図２１に示すような巻回形状及び巻回方向Ｔに対応している。また、図２１では、巻回方向Ｔと順方向に電流が流れときに発生する磁界Ｂも示している。
【００８９】
また、コイル２６２は、その一端がスルーホール２５ａを介してプリント基板２１の片面に形成されたグランド層２２と電気的に接続され、他方の端部に共振ライン２８ａと配線２８ｂとが接続される。配線２８ｂのもう一端には、信号の入出力端となる入出力端２８ｃが形成され、共振ライン２８ａは、上述したように一方の端部がコイル１６２と接続され、他方の端部がスルーホール２５ｂを介してプリント基板２１の片面に形成されたグランド層２２と電気的に接続される。
【００９０】
ここで、共振ライン２８ａは、高周波結合器２の共振特性の急峻度を調整するためのもので、当該共振ライン２８ａラインの長さ等を変化させることで当該共振特性の急峻度を調整できる。スルーホール２５ａ、２５ｂは、プリント基板２１のベース材２４を貫通して電気的に接続するための経路で、上述したスルーホール２３と同様に、導電メッキ処理、あるいは導電ペーストを埋め込み処理されることで形成されている。
【００９１】
プリント基板２１のベース材２４、および、コイル基板２６の上部基板２６１の材料としては、例えば、ガラスエポキシ（ＦＲ４）、ガラスコンポジット（ＣＥＭ３）、紙エポキシ（ＦＲ３）、紙フェノール（ＸＰＣ）等の可塑性部材が用いられるが、可撓性を有するポリイミド、液晶ポリマー、テフロン等の低誘電材料を用いてもよい。特に、プリント基板２１に対してコイル基板２６の配線２８ｂを突出させることによって入出力端２８ｃを設ける場合には、上記基板２６１は、薄いポリイミド等を使って柔軟性を持たせたフレキシブル基板を用いることが好ましい。これは、プリント基板２１から突出させた入出力端２８ｃが柔軟性を有して自在に曲げることができ、送受信回路部１０４と高周波結合器２とを接続の取り付けに際しての自由度を向上させることができるからである。
【００９２】
次に、以上のような構成からなる高周波結合器２の性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。解析モデルは、図２０に示した構成で、ベース材２４、上部基板２６１にはポリイミドを使用し、プリント基板２１、コイル基板２６の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが８×８×１．６ｍｍ、８×８×０．４ｍｍとしている。
【００９３】
図２２は、この解析モデルの座標を示す平面図で、コイル基板２６の表面側を見た図である。なお、図２２では、コイル２６２の巻回状態が分かるように、上部基板２６１を透過させており、配線２８ｂに平行な方向をＸ方向とし、上部基板２６１の面内で配線２８ｂに垂直方向をＹ方向とし、さらに高周波結合器２の厚み方向をＺ軸としている。
【００９４】
図２３は、コイル２６２の磁界ベクトル分布を解析したもので、コイル基板２６の上面から厚み方向Ｚに２００μｍ下におけるＸＹ平面での、共振周波数に対応する磁界ベクトルを表している。ここで、コイル２６２のうち、Ｘ方向プラス側では、磁界ベクトルがＸＹ平面上で反時計回りに向いた閉ループを構成しており、Ｘ方向マイナス側では、磁界ベクトルがＸＹ平面上で時計回りに向いた閉ループを構成している。
【００９５】
磁界の流れがこのようになるのは、具体的には次に説明するが、図２１に示すように、コイル２６２を構成するコイル２６２ａとコイル２６２ｂとの巻回方向が同一方向になっているのと、コイル２６２ａとコイル２６２ｂとで電流の極性が逆になっているからである。
【００９６】
まず、個々のコイル２６２ａ、２６２ｂに注目すると、巻回形状が８の字形状となっており、このような形状のコイルに電流を流した場合、上述した図２１に示すように、８の字を構成する二つの輪を貫通する磁界の方向が逆になるという性質をもっている。したがって、この８の字コイルを連続して重ねていく、すなわち巻回すると、重なりあったそれぞれの輪では磁界の方向が同じなので、結果的に、巻回方向の異なるソレノイドコイルが２つ隣り合わせに並んだものとみなすことができ、隣り合ったソレノイドコイル間で磁界の閉ループを作るのでコイルのインダクタンスを大きくすることができる。ただし、高周波電流の場合は位相の関係から半波長で電流の極性が変わってしまうので、局部的に極性が異なる電流のため、磁界が打ち消しあう現象が生じる。
【００９７】
また、高周波結合器２では、コイル２６２の一方の端部をスルーホール２５ｂを介してグランド層２２と短絡しているため、その部分で電流が最大となり、また、コイル２６２の全長を半波長にしているため、コイル２６２の他方の端部でも電流が最大となる。
【００９８】
ここで、コイル２６２の両端での電流は、位相が１８０度異なるため極性が逆となり、単に巻回方向の同じ８の字コイルを重ねた場合は、発生磁界が打ち消しあうことになり閉ループとはならないが、次の理由から高周波結合器２では、コイル２６２の内部において、磁界の流れが２つの閉ループとなるようにすることができる。
【００９９】
すなわち、高周波結合器２では、コイル２６２の中間部であるライン幅拡張部２７において、２６２ａ、２６２ｂのコイルピッチｄ、すなわち、コイル２６２ａ、２６２ｂにおけるコイル線の巻回間隔よりも広くして、Ｘ方向プラス側とマイナス側のソレノイドの距離を広く取っているので、コイル２６２ａ、２６２ｂ間の干渉が少なく、図２３の解析結果のようにＸ方向プラス側とマイナス側で２つの閉ループを構成するので、コイル２６２のインダクタンスを大きくすることができる。
【０１００】
したがって、高周波結合器２では、コイル２６２のインダクタンスを増し、アンテナとしてのＱ値を上げることができるので、高周波結合器の結合効率を高めることができる。例えば、TransferJet（登録商標）のような電界の縦波を利用する用途では、これにより信号の電圧レベルが最も高くなるコイル２６２の中心部のライン幅拡張部２７周辺からＺ軸方向に電界の縦波が効率的に放出されるので、結合度を増進させることができる。ライン幅拡張部２７周辺で電圧レベルが最も高くなるのは、コイル２６２の全長が通信波長の略半分の長さで、コイルの一端が、電圧レベルがゼロになるグランド層２２に電気的に接続されているからである。
【０１０１】
図２４は、コイル基板２６の上面から１ｍｍ離れたＸＹ面の電界強度分布を解析して、その強度を、コイル２６２の中心部を基準とした等高線で表したものである。図中では、等高線を点線にて表記している。ここで、電界強度分布は高周波結合器２の略中央に設置されたライン幅拡張部２７をほぼ中心にして略円径の分布となっている。このため高周波結合器２は、他の高周波結合器と対向させて通信を行うときに最大結合強度を得られるポイントがわかりやすいという点で、アンテナ配置を容易に行う観点から好ましい。
【０１０２】
すなわち、高周波結合器２は、対向する位置に配置された高周波結合器との間でＸＹ面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信が行える。
【０１０３】
次に、高周波結合器２の通信状況を調べるために、図２５に示すような評価の基準機として、板状の結合用電極２５０ａを備える高周波結合器２５０を用いるものとし、高周波結合器２、２５０同士を対向させて通信を行ったときの結合強度を解析した。結合強度は高周波伝送特性を評価するのに用いられるＳパラメータの透過特性Ｓ２１で評価するものとし、高周波結合器２の信号入出力端となる配線２８ｂの入出力端２８ｃを電力の入力ポートとし、高周波結合器２５０の入出力端を出力ポートとして透過特性Ｓ２１を解析している。
【０１０４】
図２５は、結合強度Ｓ２１を解析に用いた高周波結合器２、２５０間の相対的配置を示したものである。図２５に示すようにして、高周波結合器２、２５０のその中心軸が一致するように対向させて、１５ｍｍ、１００ｍｍ間隔をあけた状態で、結合強度Ｓ２１の周波数特性を調べるものとする。
【０１０５】
図２６は、高周波結合器２、２５０との間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした場合の、結合強度Ｓ２１の周波数特性を解析したものである。対向距離１５ｍｍの場合と、対向距離１００［ｍｍ］では、通信周波数である４．５ＧＨｚ付近で、結合強度Ｓ２１がそれぞれ−２３ｄＢと、−４５ｄＢとなっている。この結果から明らかなように、結合強度Ｓ２１は、通信距離である近距離、すなわち１５［ｍｍ］程度離れた場合では大きく、非通信距離となる遠距離、すなわち、１００［ｍｍ］程度離れた場合では小さいため、近距離通信を用途とした場合に良好な通信特性となっている。
【０１０６】
以上のように、第２の実施形態に係る高周波結合器２は、結合用電極が、コイル基板２６の上下面にスルーホール２３を介して巻回されたコイル２６２からなるので、例えば図３０、及び図３１に示すような、結合用電極２０８が金属線２０７によって支持された高周波結合器と比べて、結合用電極が良好な機械的強度度を実現することができる。これは、第２の実施形態に係る高周波結合器２の結合用電極が、コイル基板２６内に形成されているので、図３０及び図３１に示されているような、結合用電極２０８が金属線２０７によって支持されている場合に比べて、衝撃などが加えられても結合用電極の損傷を防ぐことができるからである。
【０１０７】
また、高周波結合器２は、コイル２６２の全長が通信波長の略半分の長さで、コイル２６２の一端がグランド層２２に電気的に接続されているので、コイル２６２の中心部であるライン幅拡張部２７での信号レベルが高くなることで、対向する位置に配置された他の結合用電極との間の結合強度が強くなり、良好な通信特性を実現することができる。
【０１０８】
さらに、高周波結合器２は、結合用電極が、コイル基板２６の断面方向の巻回形状が８の字となるように巻回されたコイルであるため、コイル２６２の全長が通信波長の略半分の長さであっても、コイル２６２全体を小さくし、アンテナ装置全体の小型化を図ることができる。
【０１０９】
このような点から明らかなように、高周波結合器２は、良好な通信特性と機械的強度との両立を実現可能しつつ、当該高周波結合器２全体の小型化を図ることができる。
【０１１０】
さらに、高周波結合器２は、図２５に示したように、対向する位置に配置された高周波結合器との間でＸＹ面内方向での位置ずれが起こっても、等方的で安定した通信を行うことができる。
【０１１１】
なお、高周波結合器２は、コイル基板２６において必ずしも、共振ライン２８ａ、及び、共振ライン２８ａとグランド層とを電気的に接続するスルーホール２５ｂを設けなくてもよいが、共振ライン２８ａが設けられることで、結合強度と共振周波数を調整可能とする点で特に好ましい。
【０１１２】
例えば、共振ライン２８ａとスルーホール２５ｂが設けられていない場合には、高周波結合器との間の対向距離を１５［ｍｍ］、１００［ｍｍ］とした結合強度Ｓ２１の周波数特性が図２７のようになる。ここで、対向距離が１５［ｍｍ］の場合、結合強度Ｓ２１は、図２７が−２５．４ｄＢであるのに対して、図２６が−２２．８ｄＢである。この結果から、例えば、共振ライン２８ａがあることで結合強度が大きくなるように調整できる。また、対向距離が１５［ｍｍ］の場合、ピークから−３ｄＢ下がるまでの帯域幅は、図２７が０．９５ＧＨｚであるのに対して、図２６が０．４５ＧＨｚである。この結果から、共振ライン１８ａがあることで、例えば帯域幅が狭くなるように調整できる。
【０１１３】
一般に、結合強度の強さと帯域幅とは、トレードオフの関係にあるため、これらのバランスが要求仕様に対して不十分な場合は、高周波結合器２のように、共振ライン２８ａとスルーホール２５ｂとを設けて、主に、共振ライン２８ａの長さを変えることで、結合強度の強さと帯域幅との特性を調整することができる。
【０１１４】
＜変形例＞
次に、第２の実施形態に係る変形例として、図２８に示すような高周波結合器２ａの構成について説明する。
【０１１５】
高周波結合器２ａは、図２８に示すように、上述した高周波結合器２ａと同様に、プリント基板２１と、コイル基板２６とを備え、コイル基板２６の上部基板２６１の上下面に複数のスルーホール２３を介して、巻回形状が「８の字」となるコイル２６２が形成されたものである。なお、高周波結合器２ａは、上述した高周波結合器２と同様の構成については同様の符号を付して、その説明を省略するものとする。
【０１１６】
高周波結合器２ａは、具体的に、上述した高周波結合器２と異なり、通信特性の向上を図る観点から、プリント基板２１の一部に空洞部２９が形成されている。具体的に、空洞部２９は、プリント基板２１の一方の面に配置されたコイル基板２６に形成されたライン幅拡張部２７と対向する位置に形成されている。このようにして空洞部２９は、電界が強くなるライン幅拡張部２７と対向する位置、すなわち基板の厚み方向の直下に形成されるが、特に空洞部２９の形状が厚み方向に深いほど通信特性改善効果があがる。この効果については後述する解析結果で具体的に説明する。
【０１１７】
また、空洞部２９は、プリント基板２１を切削加工することで形成される。また、これ以外にも、例えば、空洞部２９の形成されたプリント基板２１は、貫通穴を設けた基板を切削加工していない基板に貼り合わせることで完成するようにしてもよい。
【０１１８】
次に、以上のような構成からなる高周波結合器２ａの性能を調べるために、アンソフト社製の３次元電磁界シミュレータＨＦＳＳを用いた解析を行なった。解析モデルは、図２８に示した構成で、ベース材２４、上部基板２６１にはポリイミドを使用し、プリント基板２１、コイル基板２６の寸法は、それぞれ縦×横×厚さが８×８×１．６ｍｍ、８×８×０．４ｍｍとしている。
【０１１９】
図２９は、高周波結合器２ａの解析モデルにおいて、ＸＹ平面の寸法が３．５×４ｍｍの空洞部２９をその中心軸をライン幅拡張部２７の中心にあわせ、また短軸をＸ方向に向けてプリント基板２１上に形成し、空洞部２９のＺ軸方向で規定される深さを０．４、１、１．６ｍｍとした場合の結合強度Ｓ２１を調べたものである。ここで、単に空洞部２９の深さを変えると共振周波数がシフトしてしまい、比較し難くなるので、図２９の各結果においては、コイル２６２の長さで共振周波数がほぼ同一となるように調整している。また、図２９では、比較対象として、空洞部２９が無しのものも解析した。
【０１２０】
このような図２９に示された解析結果から明らかなように、高周波結合器２ａは、空洞部２９を設けることで結合強度が向上し、特に、空洞部２９の深さが増すほど良好な結合強度を実現できる。
【符号の説明】
【０１２１】
１、１ａ、１ｂ、２ａ、１０２、１０６、１５０、２５０  高周波結合器、１１、２１、２０１  プリント基板、１１ａ、１１ｂ、２１ａ、２１ｂ  基板面、１２、２２  グランド層、１３、１５ａ、１５ｂ、２３、２５ａ、２５ｂ  スルーホール、１４、２４  ベース材、１６、２６  コイル基板、１６１、２６１  上部基板、１６２、１６２ａ、１６２ｂ、２６２、２６２ａ、２６２ｂ  コイル、１７、１７ａ、  巻回方向反転部、１８ａ、２８ａ  共振ライン、１８ｂ、２８ｂ  配線、１８ｃ、２８ｃ  入出力端、１９、２９  空洞部、２７  ライン幅拡張部、１００  通信システム、１０１、１０５  通信装置、１０３、１０７、１５０ａ、２０８、２５０ａ  結合用電極、１０４、１０８  送受信回路部、２０２  グランド、２０３  スタブ、２０５  送受信回路、２０７  金属線、
【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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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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