(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、結合用電極の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】  誘電体基板１１の両面１１ａ、１１ｂに形成された配線１２ａ、１２ｂの一端同士が接続用スルーホール１４ａを介して接続され、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１８を備え、接続用スルーホール１４ａを介して接続された配線１２ａ、１２ｂは、その配線長が、通信波長と略同等の長さであり、接続用スルーホール１４ａに接続されていない配線１２ａ、１２ｂの端部から通信波長の１／４離れた各位置が、誘電体基板１１を挟んで相対向している。【選択図】  図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することで情報通信を行うアンテナ装置において、
誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、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を備え、
上記スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、上記通信波長と略同一の長さであり、該スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の１／４離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向していることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
上記結合用電極は、上記誘電体基板の両面に、複数の折り返し部を有するミアンダ形状の配線の一端同士をスルーホールを介して接続されてな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】
上記誘電体基板の両面には、第１、第２の誘電体層が積層されており、
上記結合用電極は、上記誘電体基板の両面に積層された第１、第２の誘電体層それぞれの上下面にスルーホールを介してコイル状に巻回し、該誘電体基板の両面に巻回された配線の一端同士をスルーホールを介して接続されてな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】
所定の通信波長により、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、
誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、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、
上記スルーホールに接続されていない配線の端部に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、
上記スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、上記通信波長と略同一の長さであり、上記接続用端子から通信波長の１／４離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向してい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、所定の通信波長により、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１４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１５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】
しかしながら、図１４のように、特許文献１に記載された高周波結合器では、良好な通信を行うため、板状の結合用電極２０８の面積を大きくする必要があった。これは通信波長に依存した一定の長さが必要であるためと、結合強度を強くするためには結合用電極２０８を大きくしなければならないからである。また、金属線２０７は結合用電極２０８とスタブ２０３を所定の位置で接続する必要があるため、作製時に位置合わせ精度が要求される等、プロセス上の問題も生じる。
【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、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、結合用電極の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、所定の通信波長により、対向する一対の電極間で電磁界結合することにより情報通信を行うアンテナ装置であって、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士をスルーホールを介して接続され、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を備え、スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、通信波長と略同一の長さであり、スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の１／４離れた各位置が、誘電体基板を挟んで相対向している。
【０００８】
また、本発明に係る通信装置は、所定の通信波長により、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であって、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士がスルーホールを介して接続され、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、スルーホールに接続されていない配線の端部に形成された接続用端子を介して電気的に接続され、信号の送受信処理を行う送受信処理部とを備え、スルーホールを介して接続された配線は、その配線長が、通信波長と略同一の長さであり、接続用端子から通信波長の１／４離れた各位置が、誘電体基板を挟んで相対向してい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、誘電体基板の両面に形成された配線の一端同士をスルーホールを介して接続されているので、良好な機械的強度と、アンテナ装置全体の小型化とを実現することができる。また、本発明は、スルーホールに接続されていない配線の端部から通信波長の１／４離れた各位置が、上記誘電体基板を挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、互い極性が反対で信号レベルが高い状態となることによって効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することで、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。
【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】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４】第１の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図５】第１の実施形態に係る高周波結合器の電極面上１ｍｍでの電界解析結果を示す電界分布図である。
【図６】第１の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図７】本発明が適用されたアンテナ装置である第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８】本発明が適用されたアンテナ装置である第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９】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１０】第２の実施形態に係る高周波結合器での電界ベクトルの解析断面を示す斜視図である。
【図１１】第２の実施形態に係る高周波結合器での中心断面での電界解析結果を示す電界分布図である。
【図１２】第２の実施形態に係る高周波結合器の電極面上１ｍｍでの電界解析結果を示す電界分布図である。
【図１３】第２の実施形態に係る高周波結合器と基準結合器間の結合強度の解析結果を示す周波数特性図である。
【図１４】従来例に係る高周波結合器の構成を示す図である。
【図１５】従来例に係る高周波結合器の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】
図２では、配線１２ａ、１２ｂの接続状態をわかりやすくするために誘電体基板１１を透過させて示している。
【００２１】
図２に示すように、高周波結合器１は、誘電体基板１１の上下の面１１ａ、１１ｂに、それぞれ、複数の折り返し部を有する形状、いわゆる九十九折り形状又はミアンダ形状の配線１２ａ、１２ｂが形成された構造となっている。このミアンダ形状の配線１２ａ、１２ｂの一端は、誘電体基板１１の厚さ方向に形成された接続用スルーホール１４ａを介して電気的に接続され、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１８として機能する。
【００２２】
また、結合用電極１８は、接続用スルーホール１４ａと接続されていない配線１２ａの端部１９ａと、接続用スルーホール１４ａと接続されていない配線１２ｂの他方の端部が接続用スルーホール１４ｂを介して面１１ｂまで延長された端部１９ｂとからなる接続端子部１９が同一の面１１ｂ上に形成されている。
【００２３】
接続端子部１９は、上述した送受信回路部１０４との接続のための端子であり、例えば、異方性導電フィルムを介したフレキシブルプリント基板による接続、あるいは表面実装レセプタクルを介した細線同軸ケーブルでの接続等の接続手段となる。このため、接続端子部１９は、その形状を調整することになり、接続手法によっては接続用スルーホール１４ｂを省略し、誘電体基板１１の両面に分けて、それぞれ端部１９ａ、１９ｂとを配置した構成を採用してもよい。
【００２４】
また、結合用電極１８は、誘電体基板１１の両面に形成されたミアンダ形状の配線１２ａ、１２ｂを接続して構成されたもので、配線１２ａ、１２ｂを接続した配線長、すなわち、結合用電極１８の長さは、通信周波数の略１波長となるように調整されている。さらに、結合用電極１８は、接続用スルーホール１４ａに接続されていない配線１２ａ、１２ｂの端部１９ａ、１９ｂから通信波長の１／４離れた位置が、誘電体基板１１を挟んで相対向している。
【００２５】
具体例として、結合用電極１８では、接続用スルーホール１４ａに接続されていない配線１２ａ、１２ｂの端部１９ａ、１９ｂから通信波長の１／４離れた位置が、それぞれ面１１ａ、１１ｂの中央部１５ａ、１５ｂとなっている。
【００２６】
このようにして、結合用電極１８では、下記の評価から明らかなように、接続用スルーホール１４ａに接続されていない配線１２ａ、１２ｂの端部１９ａ、１９ｂから通信波長の１／４離れた中央部１５ａ、１５ｂが、誘電体基板１１を挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、極性が反対で互い信号レベルが高い状態となり、電気双極子として機能する。したがって、結合用電極１８では、効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することができ、結果として、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。
【００２７】
このような構成からなる高周波結合器１は、次のような製造工程によって製造される。まず、誘電体基板１１の両面に、導電層として銅箔を貼り付けた両面銅箔基板に対して、銅箔の一部をエッチング処理により取り除き、複数の折り返し部を有するミアンダ形状の配線１２ａ、１２ｂを形成する。次に、配線１２ａの一端と、配線１２ｂの一端の重なる部分、及び、配線１２ｂのもう一端に、それぞれドリルあるいはレーザー加工によりホールを形成し、そのホールをメッキ処理、あるいは導電性ペースト等の導電性材料を充填することで、それぞれ接続用スルーホール１４ａ、１４ｂを完成させる。
【００２８】
上記の工程により、誘電体基板１１の面１１ａに形成された配線１２ａと、もう一方の面１１ｂの配線１２ｂが電気的に接続されて結合用電極１８として機能するとともに、結合用電極１８の両端部１９ａ、１９ｂが接続端子部１９として機能する。
【００２９】
このように、高周波結合器１は、結合用電極１８が、誘電体基板１１の両面に形成された配線１２ａ、１２ｂの一端同士を接続用スルーホール１４ａを介して接続されているので、良好な機械的強度と、高周波結合器１全体の小型化とを実現することができる。また、上記の工程により、高周波結合器１は、一枚の両面銅箔基板をパターニング処理することで簡単に製造可能である。
【００３０】
このように、機械的強度が強いのは、例えば図１４に示すような従来例に係る高周波結合器と比べて、外力によって変形する虞がある金属線２０７を用いることなく誘電体基板１１上に結合用電極１８が実装されているからである。また、高周波結合器全体の小型化が図れるのは、必ずしも電極の面積を大きくしなくても、配線１５の長さを調整することで結合強度を強くすることができるからである。
【００３１】
また、高周波結合器１では、誘電体基板１１の材料として、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等や、更にそれらを多孔質化した材料を用いることができる。特に、誘電体基板１１は、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００３２】
また、上述した作製プロセスにおいて、高周波結合器１では、銅箔を貼り付けた両面基板を用いてエッチング処理により配線１２ａ、１２ｂを形成したが、誘電体基板１１の両方の面１１ａ、１１ｂにメッキ、真空蒸着法等により、マスキングした状態で直接形成する、あるいは形成後にエッチングするなどのパターニング処理を施して形成するようにしてもよい。
【００３３】
また、配線１２ａ、１２ｂの材料としては、銅の他に、アルミニウム、金、銀等の良導体を用いることができるが、特にこれら材料に限らず導電率の高い導電体であればいずれも使用することができる。
【００３４】
また、結合用電極１８は、配線１２ａ、１２ｂを、複数の折り返し部を有するミアンダ形状で形成しているので、誘電体基板１１の各面１１ａ、１１ｂのスペースを有効に活用することができ、結合用電極１８自体の小型化を図ることができる。
【００３５】
これは、後述するように、結合用電極１８の長さが通信周波数の略１波長としているが、これら配線を細く密集させて形成することで結合用電極１８の形成スペースを小さくすることができ、高周波結合器１の小面積化を図ることができるからである。
【００３６】
なお、上述のように結合用電極１８における配線１２ａ、１２ｂの配線パターンは、誘電体基板１１のスペースを有効に活用する観点から、形状が異なった折り返し部を有するミアンダ形状のパターンを複数つなぎ合わせても良く、またＬ字、円弧状の繰り返しパターン等を用いるようにしてもよい。
【００３７】
次に、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を用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器１の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体基板１１の材料にはポリテトラフルオロエチレンを、また、結合用電極１８の導電体の材質には、銅を設定した。また、高周波結合器１の大きさは、配線パターンが形成される面を、６．５ｍｍ×６．５ｍｍとし、基板厚みを１．６７ｍｍとした。
【００３８】
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で評価しており、高周波結合器の信号入出力端となる接続端子部１９の両端部１９ａ、１９ｂ間を入力ポートとして、一対の高周波結合器のポート間の結合強度Ｓ２１を算出した。図３は、結合強度Ｓ２１の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。ここで、高周波結合器１の結合用電極１８の配線１２ａと、高周波結合器１５０の電極１５０ａと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た。なお、この例では一方の高周波結合器１５０には、板状の電極１５０ａを有し、評価の基準機である基準高周波結合器を用いた。
【００３９】
また、高周波結合器１での電界の発生状態をみるために、高周波結合器１近傍の電界ベクトル分布も調べた。
【００４０】
図４は、高周波結合器１の４．５ＧＨｚでの電界分布を解析したもので、図２の点線Ｙ−Ｙ’を厚み方向に分断した断面での電界分布を示している。この図４から明らかなように、結合用電極１８を構成する誘電体基板１１の両方の面１１ａ、１１ｂのミアンダ形状の配線１２ａ、１２ｂ間で強い電界分布がみられ、結合用電極１８から外側に向かって円弧上に電界が分布している。
【００４１】
図５は、高周波結合器１の配線１２ａが形成された面１１ａから垂直方向に１ｍｍ離れた面での電界分布を示したものである。この図５から明らかなように、結合用電極１８の中央部１５ａ、１５ｂから略同心円状に電界が分布している。このため、共振時に強い電界の縦波を高周波結合器１の厚み方向に放射する。
【００４２】
これは、結合用電極１８の長さが略１波長となっているので、結合用電極１８の端部から略波長１／４の部分に相当する部分となる配線１２ａの中央部１５ａで電位差が最大となるからである。このように、高周波結合器１では基板面中央部を中心に強い電界を発生することを解析にて確認することができた。
【００４３】
図６は、高周波結合器１と基準高周波結合器１５０間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４．５ＧＨｚ付近で−２５ｄＢの結合強度を有し、更に最大強度から３ｄＢ減衰した強度を示す周波数帯域である、−３ｄＢ帯域幅においては０．８６ＧＨｚの広帯域特性が得られた。例えば、TransferJet（登録商標）では、５６０ＭＨｚの帯域幅が必要で、一般に高周波結合器のばらつきや回路基板とのインピーダンス整合の具合により、中心周波数がずれるが、高周波結合器２では必要帯域幅の約１．５倍の帯域幅を有しているので、これらのばらつきの影響を受けず良好な通信が行える。また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−６０ｄＢ以下の通信遮断性が得られている。
【００４４】
以上のように、第１の実施形態に係る高周波結合器１では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現し、さらに、機械的強度との両立を実現可能にしつつ、装置全体の小型化を図ることができる。
【００４５】
＜第２の実施形態＞
次に、通信システム１００に組み込まれるアンテナ装置として、図７及び図８に示すような第２の実施形態に係る高周波結合器２について説明する。
【００４６】
図７及び図８は、高周波結合器２を視点を変えて示したもので、後述するコイル２８の巻回状態をわかりやすくするために誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂを透過させて示している。
【００４７】
図７及び図８に示すように、高周波結合器２は、誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂと、通信波長と略同等の長さを有するコイル２８を備え、コイル２８の両端には回路基板との接続のための接続端子部２９が形成されている。
【００４８】
誘電体基板２２ａ、２２ｂは、例えば、後述する張り合わせ工程によって、誘電体基板２１の両面に積層される誘電体部材である。なお、誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂは、材料として、ガラス、紙の基材、あるいはグラスファイバの織布をエポキシ樹脂、フェノール樹脂等で固めた、例えばガラスエポキシ、ガラスコンポジット基板や、低誘電率のポリイミド、液晶ポリマー、ポリテトラフルオロエチレン、ポリスチレン、ポリエチレン、ポリプロピレン等や、更にそれらを多孔質化した材料を用いることができる。特に、誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂは、電気的特性の面からは低誘電率の材料を用いるのが好ましい。
【００４９】
接続端子部２９は、上述した送受信回路部１０４との接続のための端子であり、例えば、異方性導電フィルムを介したフレキシブルプリント基板による接続、あるいは表面実装レセプタクルを介した細線同軸ケーブルでの接続等の接続手段となる。このため、接続端子部２９は、その形状を調整することになり、接続手法によっては、後述する接続用スルーホール２５ａを省略し、誘電体基板２１の両面に分けて、それぞれ端子を配置した構成を採用してもよい。
【００５０】
コイル２８は、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して機能する。コイル２８は、後述する上面コイル２７ａと下面コイル２７ｂとを接続して構成されたもので、上面コイル２７ａと下面コイル２７ｂとを接続した配線長、すなわち、コイル２８の長さは、通信周波数の略１波長となるように調整されている。さらに、コイル２８は、後述する接続用スルーホール２５ｂに接続されていない上面コイル２７ａと下面コイル２７ｂとの端部である接続端子部２９から通信波長の１／４離れた位置が、誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂを挟んで相対向している。
【００５１】
具体例として、コイル２８では、接続端子部２９の２つの端部から通信波長の１／４離れた位置が、それぞれ誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂの中央部２６ａ、２６ｂとなっている。
【００５２】
このようにして、コイル２８では、下記の評価から明らかなように、接続端子部２９の２つの端部から通信波長の１／４離れた位置が、誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂを挟んで相対向しているので、これらの対向する位置で、極性が反対で互い信号レベルが高い状態となり、電気双極子として機能する。したがって、コイル２８では、効率よく基板の厚さ方向に電界の縦波を放出することができ、結果として、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。
【００５３】
このような構成からなる高周波結合器２は、次のような製造工程によって製造される。まず、誘電体基板２２ａの両面に銅、アルミ等の導電性金属からなる複数の上面ライン２３ａと下面ライン２３ｂとを形成し、上面ライン２３ａの一端が下面ライン２３ｂの一端と、この上面ライン２３ａの別の一端が隣接した他の下面ライン２３ｂと、それぞれ誘電体基板２２ａを挟んで、順次重なるようにしておく。
【００５４】
なお、複数の上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂの形成は、誘電体基板２２ａの両面にメッキ、蒸着等の処理により形成しても良いし、両面銅箔張りされた誘電体基板２２ａを用いてエッチング処理して形成するようにしてもよい。
【００５５】
上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが形成された誘電体基板２２ａに対して、上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂが重なった位置にドリル、レーザー等により複数のスルーホール２４を形成する。これらスルーホール２４を金属メッキ処理あるいは導電ペースト等で埋めることで、誘電体基板２２ａの両面に形成された全ての上面ライン２３ａ、下面ライン２３ｂがスルーホール２４を介して電気的に接続され、ソレノイド状の上面コイル２７ａが完成する。上記の上面コイル２７ａと同様にして、誘電体基板２２ｂに下面コイル２７ｂを形成する。なお、上面コイル２７ａの一端も上記プロセスにおいてスルーホール２４を介して接続端子部２９の一方に接続される。
【００５６】
次に、誘電体基板２１に接続用スルーホール２５ａ、２５ｂを形成する。これはドリル、レーザー等で開孔した部分に金属メッキ処理、あるいは導電性ペースト、金属棒を埋め込んで形成する。そして、誘電体基板２１の両面に、上面コイル２７ａの一端が接続用スルーホール２５ｂに重なるようにして誘電体基板２２ａを張り合わせ、下面コイル２７ｂの一端が接続用スルーホール２５ｂ、下面コイル２７ｂのもう一端が接続用スルーホール２５ａに重なるようにして張り合わせ電気的に接続する。これにより金属部分はすべて接続され、接続端子部２９が両端となるひとつのコイル２８が誘電体基板２１、２２ａ、２２ｂの中に形成される。
【００５７】
なお、上記のように、基板の張り合わせは、誘電体基板の材質によっては熱圧着も可能であるが、接着剤を用いて行なう方が変形等を防止する観点から好ましい。電気的接続が必要な接続用スルーホール２５ａ、２５ｂの両端は、誘電体基板２１に対し凸となるようにしておくと、接着剤を貫通して上面コイル２７ａ、下面コイル２７ｂと確実に接続することができる。さらに、接続を確実にするために、前記接続部の周辺は接着材を省いておくか、あるいは異方性導電粒子を配合した異方性導電フィルムを用いることが好ましい。
【００５８】
また、誘電体基板２２ａに形成された上面コイル２７ａと、誘電体基板２２ｂに形成された下面コイル２７ｂとの接続は、下記の方法を用いるようにしてもよい。まず、誘電体基板２１の両面に、上面コイル２７ａの形成された誘電体基板２２ａと、下面コイル２７ｂの形成された誘電体基板２２ｂとを接着剤等により貼り付ける。この後、上面コイル２７ａ、下面コイル２７ｂの両端にドリル等でホールを形成し、上面コイル２７ａ、下面コイル２７ｂの一端を接続用スルーホール２５ｂで接続し、下面コイル２７ｂのもう一端を接続用スルーホール２５ａにて、あらかじめ上面ライン２３ａの形成時に作製しておいた接続端子部２９と接続することで、コイル２８が形成できる。このコイル２８は、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して機能する。
【００５９】
このようにして、コイル２８は、誘電体基板２１の両面に積層された誘電体基板２２ａ、２２ｂそれぞれの上下面にスルーホール２４を介してコイル状に巻回して、誘電体基板２２ａ、２２ｂの両面に巻回された配線の一端同士を接続用スルーホール２５ｂを介して接続されているので、良好な機械的強度と、高周波結合器１全体の小型化とを実現することができる。
【００６０】
このように、機械的強度が強いのは、例えば図１４に示すような従来例に係る高周波結合器と比べて、外力によって変形する虞がある金属線２０７を用いることなく誘電体基板２１上に結合用電極として機能するコイル２８が実装されているからである。また、高周波結合器全体の小型化が図れるのは、必ずしも電極の面積を大きくしなくても、コイル２８全体の長さを調整することで結合強度を強くすることができるからである。
【００６１】
次に、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を用いて結合強度の解析を行なった。ここで、高周波結合器２の解析モデルとして、次のような条件のものを用いた。すなわち、誘電体の材料は、誘電体基板２１にポリテトラフルオロエチレン、誘電体基板２２ａ、２２ｂに液晶ポリマーを設定している。また、コイル２８の材質には銅を設定した。高周波結合器２の大きさは、配線パターンが形成される面を、６．５ｍｍ×６．５ｍｍとし、基板厚みを２ｍｍとした。
【００６２】
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で評価しており、高周波結合器の信号入出力端となる接続端子部２９の両端間を電力の入力ポートとしている。図９は、結合強度Ｓ２１を解析に用いた高周波結合器間の相対的配置を示したものである。ここで、高周波結合器２の上面コイル２７ａと、高周波結合器２５０の電極２５０ａと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た。なお、この例では一方の高周波結合器２５０には、板状の電極２５０ａを有し、評価の基準機である基準高周波結合器を用いた。
【００６３】
また、高周波結合器２での電界の発生状態をみるために、高周波結合器２近傍の電界ベクトル分布も調べた。
【００６４】
図１０は電界ベクトル分布の解析部分を示すもので、図中ＸＸ’の点線ラインで示される部分、つまり高周波結合器２の中央部２６ａ、２６ｂを通り、基板の幅方向であるＸ−Ｙ軸と厚み方向であるＺ軸に広がる面を解析面としている。ここで、直方体の高周波結合器２に対し中心から接続端子部２９に向かう方向を長さ方向であるＹ軸としている。
【００６５】
図１１、及び、図１２は、それぞれＹＺ面、ＸＹ面における高周波結合器２の共振周波数である４．５ＧＨｚでの電界ベクトル分布の解析結果を示すものである。ここで、図１２は、高周波結合器２の上面コイル２７ａが形成された面から垂直方向に１ｍｍ離れた面での電界分布を示したものである。これら２つの図から明らかなように、上面コイル２７ａと下面コイル２７ｂとに極性の異なる電極ができ、その間で強い電界分布を生じている。このため、共振時に強い電界の縦波を高周波結合器２の厚み方向であるＺ軸方向に放射する。
【００６６】
図１３は、高周波結合器２と基準高周波結合器２５０間の結合強度Ｓ２１の解析結果を示したもので、対向距離１５ｍｍの通信距離では４．５ＧＨｚ付近で−２５ｄＢの結合強度を有し、更に−３ｄＢ帯域幅においては１．１ＧＨｚ以上の広帯域な特性が得られた。例えば、TransferJet（登録商標）では、５６０ＭＨｚの帯域幅が必要で、一般に高周波結合器のばらつきや回路基板とのインピーダンス整合の具合により、中心周波数がずれるが、高周波結合器２では必要帯域幅の約２倍の帯域幅を有しているので、これらのばらつきの影響を受けず良好な通信が行える。また対向距離１００ｍｍの非通信距離では−４７ｄＢ以下の通信遮断性が得られている。
【００６７】
以上のように、第２の実施形態に係る高周波結合器２では、上記のシミュレーションからも明らかなように、良好な通信特性を実現し、さらに、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。
【符号の説明】
【００６８】
１、２、１０２、１０６、１５０、２５０  高周波結合器、１１、２１、２２ａ、２２ｂ  誘電体基板、１１ａ、１１ｂ  面、１２ａ、１２ｂ  配線、１４ａ、１４ｂ、２５ａ、２５ｂ  接続用スルーホール、１５ａ、１５ｂ、２６ａ、２６ｂ  中央部、１８、１０３、１０７、２０８  結合用電極、１９、２９  接続端子部、１９ａ、１９ｂ  端部、２３ａ、２７ａ  上面ライン、２３ｂ、２７ｂ  下面ライン、２４  スルーホール、２８  コイル、１００  通信システム、１０１、１０５  通信装置、１０４、１０８  送受信回路部、１５０ａ、２５０ａ  電極、２０１  プリント基板、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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