(57)【要約】【課題】ＥＭＩを低減することができるカプラ終端装置を得る。【解決手段】第１の周波数で動作するトランスミッタと接続され、共鳴周波数が第２の周波数である第１の終端部と、第１の周波数で動作するレシーバと接続され、共鳴周波数が第３の周波数である第２の終端部とを備える。第２の周波数および第３の周波数のいずれか一方または双方が、実質的に第１の周波数からスペクトル上で離れており、第１の終端部および第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に第１の周波数になる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の周波数で動作するトランスミッタと接続され、共鳴周波数が第２の周波数である第１の終端部と、
前記第１の周波数で動作するレシーバと接続され、共鳴周波数が第３の周波数である第２の終端部と
を備え、
前記第２の周波数および前記第３の周波数のいずれか一方または双方が、実質的に前記第１の周波数からスペクトル上で離れており、
前記第１の終端部および前記第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に前記第１の周波数になる
カプラ終端装置。
【請求項２】
前記第１の終端部と前記第２の終端部との間に設けられた誘電体材料をさらに備えた
請求項１に記載のカプラ終端装置。
【請求項３】
前記第１の終端部および前記第２の終端部のいずれか一方または双方の隣りまたは周囲に設けられたＲＦ吸収体をさらに備えた
請求項１または請求項２に記載のカプラ終端装置。
【請求項４】
前記誘電体材料は前記第２の終端部上に設けられ、
前記第３の周波数は、実質的に前記第１の周波数と同じである
請求項２に記載のカプラ終端装置。
【請求項５】
前記誘電体材料は、未結合時において、前記第１の終端部および前記第２の終端部から離間するとともに、結合時において、前記第１の終端部と前記第２の終端部との間に挟まれ、
前記第２の周波数および前記第３の周波数の双方が、実質的に前記第１の周波数からスペクトル上で離れている
請求項２に記載のカプラ終端装置。
【請求項６】
前記第１の終端部は前記第２の終端部に挿入される
請求項１から請求項５のいずれか一項に記載のカプラ終端装置。
【請求項７】
前記第１の終端部および前記第２の終端部は、極めて近接したときに互いに接触する
請求項１から請求項６のいずれか一項に記載のカプラ終端装置。
【請求項８】
自己整合構造をさらに備えた
請求項７に記載のカプラ終端装置。
【請求項９】
前記第１の周波数は、ミリ波周波数である
請求項１から請求項８のいずれか一項に記載のカプラ終端装置。
【請求項１０】
前記第１の終端部および前記第２の終端部のいずれか一方または双方には、スロットループおよびスロットダイポールのいずれか一方または双方が配置されている
請求項１から請求項９のいずれか一項に記載のカプラ終端装置。
【請求項１１】
前記スロットループおよび前記スロットダイポールの配置は、近接するとともに部分的に重なり合うバンドパス特性を有する
請求項１０に記載のカプラ終端装置。
【請求項１２】
前記第２の周波数と前記第１の周波数との周波数差が、前記第１の周波数を含む動作周波数帯域の電力半値半幅よりも充分に大きい
請求項１から請求項１１のいずれか一項に記載のカプラ終端装置。
【請求項１３】
請求項１から請求項１２のいずれか一項に記載のカプラ終端装置と、
前記トランスミッタと、
前記レシーバと
を備えた電磁カプラ。
【請求項１４】
前記電磁カプラのバンド幅は１６％よりも大きい
請求項１３に記載の電磁カプラ。
【請求項１５】
ＲＦリークが１５％よりも小さい
請求項１３または請求項１４に記載の電磁カプラ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、カプラ終端装置および電磁カプラに関する。
【背景技術】
【０００２】
コネクタあるいはカプラは、２つのデバイスを電気的に接続し、信号のやりとりをするために用いられる。コネクタは、例えば、一方にメスのメタルコンタクトを含む。このメスのメタルコンタクトは、他方のオスのメタルコンタクトと結合するものである。しかしながら、このようなコネクタには、つぎのような問題点がある。
１．接続時の性能が、酸化や摩滅により悪化するおそれがある。
２．データレートが特に高いとき（＞１０Ｇｂ／ｓ）、各コンタクトの面積が非常に小さくなる。
３．小さな機械部品（mechanical parts）が非常にダメージを受けやすい。
４．製造に費用がかかる。
【０００３】
メタルコネクタの代案は、ワイヤレス信号接続である。しかしながら、ワイヤレス接続は、電磁干渉（Electromagnetic Interference：ＥＭＩ）や周波数リソースが限られているため、理想的とは言えない。さらなる有望な代案は、例えば、特許文献１に係る誘電体コネクタである。しかしながら、そのような既存技術の誘電体コネクタは、主に直流絶縁（DC isolation）のために有益であり、また、特に未接続状態において、やはりＥＭＩの問題がある。ＥＭＩの問題は、他のデバイスからの干渉に対して過度に感受性の高いデバイス、および他のデバイスへの過度な干渉をもたらすデバイスの、両方または一方と関連がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】米国特許第７４８１６７２号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
よって、カプラでは、ＥＭＩを低減することが望まれている。
【０００６】
本開示はかかる問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ＥＭＩを低減することができるカプラ終端装置および電磁カプラを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本開示のカプラ終端装置は、第１の終端部と、第２の終端部とを備えている。第１の終端部は、第１の周波数で動作するトランスミッタと接続され、共鳴周波数が第２の周波数であるものである。第２の終端部は、第１の周波数で動作するレシーバと接続され、共鳴周波数が第３の周波数であるものである。第２の周波数および第３の周波数のいずれか一方または双方が、実質的に第１の周波数からスペクトル上で離れており、第１の終端部および第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に第１の周波数になる。
【０００８】
本開示の電磁カプラは、トランスミッタと、第１の終端部と、レシーバと、第２の終端部とを備えている。トランスミッタは、第１の周波数で動作するものである。第１の終端部は、トランスミッタと接続され、共鳴周波数が第２の周波数であるものである。レシーバは、第１の周波数で動作するものである。第２の終端部は、レシーバと接続され、共鳴周波数が第３の周波数であるものである。第２の周波数および第３の周波数のいずれか一方または双方が、実質的に第１の周波数からスペクトル上で離れており、第１の終端部および第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に第１の周波数になる。
【０００９】
本開示のカプラ終端装置および電磁カプラでは、結合時において、トランスミッタから、第１の終端部および第２の終端部を介して、レシーバに信号が伝送される。その際、第２の周波数および第３の周波数のいずれか一方または双方は、実質的に第１の周波数からスペクトル上で離れており、第１の終端部および第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に第１の周波数になる。
【発明の効果】
【００１０】
本開示のカプラ終端装置および電磁カプラによれば、第１の終端部および第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に第１の周波数になるようにしたので、ＥＭＩを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
本技術の１または２以上の実施の形態の例は、以下の図面を参照して説明される。
【図１】第１の実施の形態に係る誘電体コネクタを表すブロック図である。
【図２Ａ】誘電体コネクタの等価回路図、および誘電体コネクタの周波数応答特性を表す特性図である。
【図２Ｂ】誘電体コネクタの他の等価回路図、および誘電体コネクタの他の周波数応答特性を表す特性図である。
【図３Ａ】第２の実施の形態に係る誘電体コネクタを表す斜視図である。
【図３Ｂ】第２の実施の形態に係る誘電体コネクタを表す他の斜視図である。
【図４Ａ】第２の実施の形態に係る誘電体コネクタの周波数応答特性を表す特性図である。
【図４Ｂ】第２の実施の形態に係る誘電体コネクタの他の周波数応答特性を表す特性図である。
【図５Ａ】第３の実施の形態に係る挿入型コネクタを表す断面図である。
【図５Ｂ】第３の実施の形態に係る挿入型コネクタを表す他の断面図である。
【図６Ａ】第４の実施の形態に係る接触型コネクタを表す断面図である。
【図６Ｂ】第４の実施の形態に係る接触型コネクタを表す他の断面図である。
【図７】第５の実施の形態に係る双方向コネクタを表す断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
おおまかに言えば、本技術は、未接続状態においてほとんど放射をしない共鳴電磁カプラ（resonant electromagnetic(EM) coupler）を提案するものである。これは、例えば、以下のような長所を有している。
１．メタルコンタクトが必要ない。
２．接続状態および未接続状態において、実質上ＥＭＩが生じないようにすることができる。
３．デバイスの寿命期間にわたって一貫した性能。
４．より長い寿命。
５．耐水性。
６．ワイドバンド。１０ＧＨｚより広いバンド幅＠中心周波数：６０ＧＨｚ（相対的なバンド幅は１６％以上）。それゆえ、より高いデータレート（＞１０Ｇｂ／ｓ）を実現することができる。
７．無線周波数のライセンスが必要ない。
８．周囲への放射リーク（radiation leakage）がなく、どの情報通信も２点間（point-point）で行われるため、より安全なデータ通信が可能。よって、コネクションの安全性は、通信が所望のレシーバ以外の多くの他のレシーバにより検出可能な普通のワイヤレス通信よりも高い。
９．メタルケーブルコネクタに比べて見た目がよく、目立たなくすることができる。
【００１３】
図１は、第１の実施の形態に係る誘電体カプラ１００の一構成例を表すものである。送信されるべきデータストリームＤＳ１は、まず、モジュレータ／オシレータ１０２によってミリ波（millimetre wave：ＭＭＷ）周波数へアップコンバートまたはダウンコンバートされ得る。そのモジュレータ／オシレータ１０２からの信号は、トランスミッタ（Ｔｘ）側の終端部（Ｔｘ終端部）１０４に供給される。この終端部１０４は、レシーバ（Ｒｘ）側の終端部（Ｒｘ終端部）１０６と結合し、信号が、高周波（ＲＦ）を介して一方から他方へ送信される。その信号は、Ｒｘ終端部１０６からモジュレータ／オシレータ１０８に供給され、ダウンコンバートまたはアップコンバートされる。
【００１４】
２つの終端部１０４，１０６が接続されていないとき、信号は、大気に放射される代わりに反射される。２つの終端部１０４，１０６が接続されているとき、カプラはまさに誘電体接触され、ほとんどリークすることなく、信号が伝送される。よって、カプラが接続されているか否かにかかわらず、外部へのＲＦ信号放射はなく、リークを小さくし得る。
【００１５】
このカプラは、共鳴周波数遷移（resonant frequency shifting）に基づくものである。以下に、共鳴周波数遷移の原理について説明する
【００１６】
図２Ａ，２Ｂは、共鳴周波数遷移の原理を表すものであり、図２Ａは未接続の場合を示し、図２Ｂは接続している場合を示す。図２Ａ，２Ｂにおいて、上半分は放射器（radiator）の等価回路を示し、下半分は、周波数応答特性を示す。コネクタが“未接続”であるとき、Ｔｘ終端部１０４の共鳴周波数２００は、ＭＭＷモジュレータ／オシレータ１０２の動作周波数２０２より高い。その結果、Ｔｘ終端部１０４のインピーダンスは著しく不整合になり、それゆえＲＦパワーは外部に伝送されない。すなわち、Ｒｘカプラおよび高比誘電率材料（後述）がないときは、Ｔｘ放射器の放射効率は、非常に低くなる。しかしながら、コネクタが“接続”しているときには、高い比誘電率を有する材料（高比誘電率材料）のシートがＴｘ終端部１０４とＲｘ終端部１０６との間に挟まれる。この高比誘電率材料は、終端部１０４，１０６における共鳴構造の等価容量の容量値を増加させる。それゆえ、共鳴周波数２０４は、未接続時の共鳴周波数２００から低下し、動作周波数２０２の中心周波数に近づく。その材料の比誘電率の観点から、構造のサイズを注意深く設計することにより、接続状態における共鳴周波数を、ＴｘおよびＲｘの動作中心周波数と等しくさせ得る。このようにして、カプラは、終端部が結合したときに信号を伝えることができる。未接続時においては、共鳴周波数２００を中心とした動作帯域と動作周波数２０２の帯域とが互いに重ならないことが望ましい。具体的には、例えば、共鳴周波数２００と動作周波数２０４の周波数差を、動作周波数２０２の帯域における電力半値半幅よりも充分に大きくすることにより、これらの帯域が互いにさほど重ならないようにすることができる。もし、ＴｘとＲｘの間の隙間が非常に小さいならば、材料ロス（material loss）を除いて、ほとんど全ての信号パワーがＴｘからＲｘに送信される。これにより、放射リークは少なくなる。すなわち、Ｒｘカプラおよび高比誘電率材料があるときは、Ｔｘ放射器の放射効率は、非常に高くなる。
【００１７】
図３Ａ，３Ｂは、第２の実施の形態に係る誘電体カプラの一構成例を表すものである。この誘電体カプラは、Ｔｘ終端部３００およびＲｘ終端部３０２を含んでいる。Ｔｘ終端部３００は図３Ｂに示されている。このＴｘ終端部３００は基板３０４とアンテナ３０６を含んでおり、高比誘電率材料の面がない。Ｒｘ終端部３０２は、高比誘電率材料の面３０８が取り付けられていることを除いて、Ｔｘ終端部３００とほとんど同じ構造を有している。
【００１８】
Ｔｘ終端部３００は、例えばＦＲ４０８のようなＰＣＢ材料の上に形成されている。図３Ｂでは、Ｔｘ終端部３００は、露出したメタルパーツ（最上層）を含んでいる。しかしながら、Ｔｘ終端部３００は、例えばテフロン（登録商標）のような他のノンメタルフィルムにより覆われるようにしてもよい。このノンメタルフィルムの比誘電率は、Ｒｘ終端部３０２における高比誘電率材料と比較して、大きく異なるようにすべきである。支持基板はＦＲ４０８であるが、低い比誘電率を有する他のＰＣＢ基板材料もまた使用可能である。６０ＧＨｚの動作周波数に対して、設計寸法を以下のようにし得る。すなわち、ループ直径（loop diameter）を１ｍｍにし、スロット幅（slot width）を０．０７５ｍｍにし、パッチインサイドダイポール（patch inside dipole）を０．３８ｍｍ×０．１５ｍｍにし、ダイポール幅（dipole width）を０．６ｍｍにし得る。このカプラは、マイクロストリップラインにより、ＰＣＢの裏面からメタルパッチの中心に導かれている。
【００１９】
図４Ａ，４Ｂは、第２の実施の形態に係るカプラの性能を表すものであり、図４Ａは接続状態（共鳴周波数が動作周波数内にある状態）を示し、図４Ｂは未接続状態（共鳴周波数が動作周波数外にある状態）を示す。この例では、中心周波数は５８ＧＨｚである。接続状態（図４Ａ）では、伝達量（propagation）（Ｓ２１）は中心周波数において高く（Ｓ２１＞−２ｄＢ、（損失＜２ｄＢ））、−３ｄＢバンド幅は１５ＧＨｚより広い。また、インピーダンス整合周波数バンド幅（Ｓ１１＜−１０ｄＢ）は、１０ＧＨｚである。このような広いインピーダンスバンド幅は、図３Ｂに示したように、スロットループ（slot loop）にスロットダイポール（slot dipole）を加えた構造が役立っている。スロットループおよびスロットダイポールの中心周波数を注意深く設計することにより、そのバンド幅を極大化し得る。
【００２０】
スロットループとスロットダイポールは、バンド幅を広くするために用いられ得る。その際、２つの共鳴周波数を互いに近くに配置し、通過帯域が部分的に重なるようにする。これにより、より広いバンド幅をもたらす。２つの共鳴周波数は、スロットループおよびスロットダイポールによりそれぞれコントロールされる。例えば、スロットループの直径を増加させることにより、共鳴周波数のうちの一方が減少し、また、スロットダイポールの長さを短くすることにより、共鳴周波数のうちの他方が増加する。
【００２１】
接続状態では、伝達ロス（propagation loss）は、中心周波数において１．３８ｄＢである。このことは、７０％以上のエネルギーがＴｘからＲｘに伝送され得ることを意味する。残余はほとんどが材料ロスであり、わずかな一部が放射リークである。未接続状態（図４Ｂ）では、リターンロスは小さい（０．７ｄＢ）。よって、エネルギーのほとんど（８５％）は、大気に放出されるかわりに、反射してＴｘに戻る。
【００２２】
カプラは、与えられたアプリケーションの必要条件により、バンド幅（例えば１０ＧＨｚ）、材料の比誘電率（例えば１１程度）、放射リーク率（radiation leakage rate）を設計することにより変更され得る。
【００２３】
さらにＲＦリークを低減するためには、吸収体が終端部を囲うようにしてもよい。この吸収体は、カプラのパラメータに対する影響が小さくなるようにすべきである。よって、より低い比誘電率の吸収体の泡またはゴムが好ましい。吸収率はできる限り高くすべきである。
【００２４】
誘電体コネクタは、与えられたアプリケーションの必要条件により、変更され得る。３つの例を以下に紹介する。
【００２５】
図５Ａ，５Ｂは、挿入型カプラ５００の一構成例を表すものであり、図５Ａは未接続状態を示し、図５Ｂは接続状態を示す。図５Ａにおいて、Ｔｘ終端部５０２は、スロット開口部（slot opening）５０６を有する囲み構造５０４を含んでいる。この囲み構造５０４は吸収体である。未接続状態では、Ｔｘカプラ素子５１０からの少量の放射リークは、吸収体５０４により吸収される。図５Ａにおいて、Ｒｘ終端部５１２は、高比誘電率材料５１４を含んでいる。接続状態では、図５Ｂに示したように、Ｒｘ終端部５１２がスロット開口部５０６に挿入され、信号が、Ｔｘからその高比誘電率材料５１４を介してＲｘに送信される。接続状態においても、少量の放射リークは、吸収体５０４によりさらに吸収される。
【００２６】
図６Ａ，６Ｂは、接触型カプラ６００の一構成例を表すものであり、図６Ａは未接続状態を示し、図６Ｂは接続状態を示す。図６Ｂに示したように、Ｔｘカプラ素子６０２とＲｘカプラ素子６０４は互いに対向している。終端部の位置合わせを最大限に行うためには、自己整合構造（self-alignment structure）が必要となる。例えば、中心動作周波数が６０ＧＨｚ、比誘電率が１０．２の例では、よい結合を確保するための機械的な許容誤差は、約±０．１ｍｍである。磁気浮き出し加工（magnetic embossing）のような、使用可能な多くの種類の自己整合システムがある。Ｔｘ終端部の下には吸収体６０６が配置されている。これにより、接続状態および未接続状態における放射リークをさらに減少させる。
【００２７】
上述した実施の形態において、Ｒｘ共振周波数は、動作周波数に固定され得る。なぜならば、高比誘電率材料は、恒久的にＲｘ側に設けられているからである。双方向通信を実現するためには、以下のような個別反転コネクタ（individual reverse connector）を用いることができる。
【００２８】
図７は、個別反転コネクタの一構成例を表すものである。共鳴周波数遷移の原理と同じ原理を用いることにより、コネクタの両側に対して周波数遷移を実現することができる。すなわち、１つの誘電体コネクタを用いて双方向通信を行うために、Ｔｘを、以下のコネクタ構造の右側または左側にすることができる。この構造では、接続するまでは、高比誘電率材料は、右側のカプラにも左側のカプラにも接触しておらず、よって、未接続状態において両側からのリークが防止される。
【００２９】
本技術の実施の形態例を詳細に説明したが、当業者であれば明らかなように、特許請求の範囲に記載された発明の範囲内において多くの変形例が可能である。
【００３０】
なお、本技術は以下のような構成とすることができる。
【００３１】
（１）第１の周波数で動作するトランスミッタと接続され、共鳴周波数が第２の周波数である第１の終端部と、
前記第１の周波数で動作するレシーバと接続され、共鳴周波数が第３の周波数である第２の終端部と
を備え、
前記第２の周波数および前記第３の周波数のいずれか一方または双方が、実質的に前記第１の周波数からスペクトル上で離れており、
前記第１の終端部および前記第２の終端部が極めて近接して互いに結合したときに、等価共鳴周波数が実質的に前記第１の周波数になる
カプラ終端装置。
【００３２】
（２）前記第１の終端部と前記第２の終端部との間に設けられた誘電体材料をさらに備えた
前記（１）に記載のカプラ終端装置。
【００３３】
（３）前記第１の終端部および前記第２の終端部のいずれか一方または双方の隣りまたは周囲に設けられたＲＦ吸収体をさらに備えた
前記（１）または（２）に記載のカプラ終端装置。
【００３４】
（４）前記誘電体材料は前記第２の終端部上に設けられ、
前記第３の周波数は、実質的に前記第１の周波数と同じである
前記（２）に記載のカプラ終端装置。
【００３５】
（５）前記誘電体材料は、未結合時において、前記第１の終端部および前記第２の終端部から離間するとともに、結合時において、前記第１の終端部と前記第２の終端部との間に挟まれ、
前記第２の周波数および前記第３の周波数の双方が、実質的に前記第１の周波数からスペクトル上で離れている
前記（２）に記載のカプラ終端装置。
【００３６】
（６）前記第１の終端部は前記第２の終端部に挿入される
前記（１）から（５）のいずれかに記載のカプラ終端装置。
【００３７】
（７）前記第１の終端部および前記第２の終端部は、極めて近接したときに互いに接触する
前記（１）から（６）のいずれかに記載のカプラ終端装置。
【００３８】
（８）自己整合構造をさらに備えた
前記（７）に記載のカプラ終端装置。
【００３９】
（９）前記第１の周波数は、ミリ波周波数である
前記（１）から（８）のいずれかに記載のカプラ終端装置。
【００４０】
（１０）前記第１の終端部および前記第２の終端部のいずれか一方または双方には、スロットループおよびスロットダイポールのいずれか一方または双方が配置されている
前記（１）から（９）のいずれかに記載のカプラ終端装置。
【００４１】
（１１）前記スロットループおよび前記スロットダイポールの配置は、近接するとともに部分的に重なり合うバンドパス特性を有する
前記（１０）に記載のカプラ終端装置。
【００４２】
（１２）前記第２の周波数と前記第１の周波数との周波数差が、前記第１の周波数を含む動作周波数帯域の電力半値半幅よりも充分に大きい
前記（１）から（１１）のいずれかに記載のカプラ終端装置。
【００４３】
（１３）前記（１）から（１２）のいずれか一項に記載のカプラ終端装置と、
前記トランスミッタと、
前記レシーバと
を備えた電磁カプラ。
【００４４】
（１４）前記電磁カプラのバンド幅は１６％よりも大きい
前記（１３）に記載の電磁カプラ。
【００４５】
（１５）ＲＦリークが１５％よりも小さい
前記（１３）または（１４）に記載の電磁カプラ。
【符号の説明】
【００４６】
１００…誘電体カプラ、１０２，１０８…モジュレータ／オシレータ、１０４…Ｔｘ終端部、１０６…Ｒｘ終端部、３００…Ｔｘ終端部、３０２…Ｒｘ終端部、３０４…基板、３０６…アンテナ、５００…挿入型カプラ、５０２…Ｔｘ終端部、５０４…吸収体、５０６…スロット開口部、５１０…Ｔｘカプラ素子、５１２…Ｒｘ終端部、５１３…Ｒｘカプラ素子、５１４…高比誘電率材料、６００…接触型カプラ、６０２…Ｔｘカプラ素子、６０４…Ｒｘカプラ素子、６０６…吸収体、６１４…高比誘電率材料、７０２…左側カプラ、７０４…右側カプラ、７１４…高比誘電率材料。
【図１】
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【図２Ａ】
2013247675.tif 000004
【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
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【図４Ｂ】
2013247675.tif 000009
【図５Ａ】
2013247675.tif 000010
【図５Ｂ】
2013247675.tif 000011
【図６Ａ】
2013247675.tif 000012
【図６Ｂ】
2013247675.tif 000013
【図７】
2013247675.tif 000014