高频耦合器和通信设备的制作方法

专利名称：高频耦合器和通信设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及用于通过使用高频率的大带宽的微弱UWB通信系统在邻域距离内执 行批量传输的通信机器的高频耦合器和通信设备，尤其涉及具有两个或更多个低成本和小 空间的通信点的高频耦合器和通信设备。
背景技术：
非接触通信已经广泛地用作验证信息、电子货币和其他价值信息的媒介。最近，随 着这种非接触通信的进一步应用，检验了对批量数据传输(bulk data transmission)的应 用(比如视频图像、音乐等的流或下载)。可应用到高速通信的邻域无线传输技术可以包括使用微弱UWB(超宽带)信号的 “TransferJet ”(例如，参照日本未经审查的专利申请公开No. 2008-99236和 transferjet.org/en/index. html (截至2009年6月23日))。这种邻域无线传输技术 (TransferJet)基本上是利用感应电场的耦合作用的信号传输系统，并且其通信设备被构 造为具有处理高频信号的通信电路单元，距离接地某一高度的分开布置的耦合电极，和高 效地向耦合电极供应高频信号的谐振器单元。包括耦合电极或包括耦合电极和谐振器单元 的部件这里还可以叫做“高频耦合器”。类似于过去的NFC (近场通信)通信等(NFC标准化为IS0/IECIS 18092)，邻域无 线传输系统也可以构造为一对发送请求命令的读写器(发起者)和返回响应命令的应答器 (目标)。这里，这种邻域无线传输系统通过使用微弱无线而不必得到无线电台许可，且通 信距离是大约3cm(等于所用频带的一半波长)。因而，当在分别装配有高频耦合器的两个 仪器之间执行邻域无线传输时，希望把互相耦合的电极充分地靠近布置。邻域无线传输系统的典型的利用形式之一可以包括，如图23中所示，通过把宿主 仪器(比如内置有高频耦合器的数码相机)放置在读写器(比如个人电脑或托架)的读取 表面为移动仪器读取和写入信息。然而，由于在壳体的形状和仪器中高频耦合器的安装位 置上没有工业标准，还要考虑一个情形，依靠仪器的组合，在图示的利用形式中找不到能够 领域无线传输的安装方法，也就是变成不能通信。当在高频耦合器中只有一个通信点时，容易处于不能通信的情形。例如，为了易 于在两个耦合电极之间取得最佳通信的状况，有人建议多个高频耦合器以阵列布置的构造 (例如，参照日本未经审查的专利申请公开No. 2008-131372)。然而，在设计上在仪器内很 难找到用于多个高频耦合器的壳体空间，并且成本根据要用的高频耦合器的个数而增加。

发明内容
希望提供用于通过使用高频大带宽的微弱UWB通信系统在邻域距离内执行批量 数据传输的通信机器的优质的高频耦合器和通信设备。进一步希望提供具有两个或更多个低成本和小空间的通信点的优质高频耦合器和通信设备。根据本发明的实施例，提供了高频耦合器，包括接地；经由第一谐振器单元连接 到通信电路的输入和输出端子的第一耦合电极；和一个或更多个经由利用接地而设计的第 二谐振器单元连接到通信电路的接地端子的第二耦合电极。根据本发明的另一个实施例，提供了高频耦合器，根据首先描述的实施例的高频 耦合器以这种方式构造，在输入和输出端子中流动的高频信号的某一相位状态中，电荷符 号与集中在第一耦合电极中电荷的符号不同的电荷集中在第二耦合电极中。根据本发明的再一个实施例，提供了根据首先描述的实施例的高频耦合器，其中 用于第一谐振器的接地设计为第二谐振器单元，并且第二耦合电极放置于与第一耦合电极 大致对称的位置。根据本发明的又一个实施例，提供了根据首先描述的实施例的高频耦合器，其中 基于接地面的形状构造第二耦合电极。根据本发明的又一个实施例，提供了根据首先描述的实施例的高频耦合器，其中 基于实现在印刷板上的导体图案构造第一和第二耦合电极中的至少一个。根据本发明的又一个实施例，提供了根据首先描述的实施例的高频耦合器，其中 使用内置有高频耦合器的移动仪器的基座或金属壳体构造第二耦合电极。另外，根据本发明的又一个实施例，提供了通信设备，包括处理通信信号的通信 电路；接地；经由第一谐振器单元连接到通信电路的输入和输出端子的第一耦合电极；和 一个或更多个经由利用接地而设计的第二谐振器单元连接到通信电路的接地端子的第二 耦合电极。通信电路依照输入和输出端子与接地端子之间的端子电压处理通信信号。根据本发明的实施例，可能提供具有能够在多个方向上电场耦合的低成本和小空 间的通信点的优质的高频耦合器和通信设备。根据上面首先和最后描述的本发明的实施例，第一和第二耦合电极具有在互不相 同方向上的电场耦合的通信点，从而高频耦合器可以总的具有多个通信点。根据上面第二描述的本发明的实施例，由于通过在彼此相反的方位上的电荷形成 的电场，第一和第二耦合电极具有在互不相同方向上的通信点，从而高频耦合器可以总的 具有多个通信点。根据上面第三描述的本发明的实施例，用于第一谐振器单元的接地设计为第二谐 振器单元，且经由第二谐振器单元连接到第二耦合电极。然后，第二耦合电极放置在与第一 耦合电极对称的位置，并且第一和第二耦合电极具有在互不相同的方向上的电场耦合的通 信点，使得高频耦合器可以总的具有多个通信点。根据上面第四描述的本发明的实施例，可以基于接地面的形状构造第二耦合电 极。根据上面第五描述的本发明的实施例，可以基于实现在印刷板上的导体图案构造 第一和第二耦合电极中的至少一个。根据上面第六描述的本发明的实施例，可以使用内置有高频耦合器的移动仪器的 基座或金属壳体构造第二耦合电极。从本发明的实施例和基于后面描述的附图的更加详细的描述，本发明的实施例的 进一步应用、特性和优点将是显而易见的。


图1示意性地示出了通过利用电场耦合作用的微弱UWB通信系统的邻域无线传输 系统的构造；图2A示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器的构造示例；图2B示出了在图2A中所示的高频耦合器中短截线上的驻波生成的状况；图3示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器的另一个构造 示例和在短截线上生成的驻波；图4示出了小偶极子的电场；图5示出了负载电容天线的构造示例；图6A是示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器模型的立体 图；图6B是示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器模型的截面 图；图6C示出了图6A和6B中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布；图7示出了在图6A和6B所示的高频耦合器的仿真分析的某一相位时金属表面上 的电流矢量分布；图8概念性地示出了高频耦合器中生成的电荷和电力线的分布；图9示出了具有设计为第二谐振器单元的用于第一谐振器单元的接地和装备有 第一耦合电极和第二耦合电极的高频耦合器的构造示例(使用用于谐振器单元的集总常 数电路时)；图10示出了具有设计为第二谐振器单元的用于第一谐振器单元的接地和装备有 第一耦合电极和第二耦合电极的高频耦合器的构造示例(使用用于谐振器单元的分布式 常数电路时)；图IlA示出了图10中所示的高频耦合器的改进；图IlB示出了图10中所示的高频耦合器的另一个改进；图12示出了装备有第一和第二耦合电极的高频耦合器；图13A示出了图12中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图12 中的XZ平面)；图13B示出了在图12中所示的高频耦合器的仿真分析的某一相位时在第一和第 二耦合电极的每一个的金属表面上的电流矢量分布；图14示出了装备有第一和第二耦合电极的高频耦合器的另一个构造示例；图15示出了图14中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图14 中的XZ和XY平面)；图16示出了其中配备有图14中所示的高频耦合器的仪器的壳体的状况；图17示出了图14中所示的高频耦合器的改进以及仿真分析的电场强度分布(关 于图14中的XY平面)；图18示出了图17中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图17 中的XZ和XY平面)；
图19A是示出了在同一印刷板上作为导体图案形成所有的高频信号传输路径、谐 振器单元以及第一和第二耦合电极的构造示例的立体图；图19B是示出了在同一印刷板上作为导体图案形成所有的高频信号传输路径、谐 振器单元以及第一和第二耦合电极的构造示例的截面图；图20示出了图19A和19B中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关 于图19A中的XY平面)；图21A是示出了其中高频信号传输路径、谐振器单元和第一耦合电极作为导体图 案形成在同一印刷板上，并且第二耦合电极与印刷板的接地面分开布置的构造示例的俯视 图；图21B是示出了其中高频信号传输路径、谐振器单元和第一耦合电极作为导体图 案形成在同一印刷板上，并且第二耦合电极与印刷板的接地面分开布置的构造示例的仰视 图；图21C是示出了其中高频信号传输路径、谐振器单元和第一耦合电极作为导体图 案形成在同一印刷板上，并且第二耦合电极与印刷板的接地面分开布置的构造示例的截面 图；图22示出了图21A、21B和21C中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布 (关于图21A和21B中的XY平面)；图23示出了邻域无线传输系统的典型的利用形式。
具体实施例方式下面参照附图给出本发明的实施例的详细描述。首先，描述通过微弱UWB通信系统的邻域无线传输的操作原理。图1示意性地示出了通过利用电场耦合作用的微弱UWB通信系统的邻域无线传输 系统的构造。在图1中，传输器10和接收器20分别具有的且用于传输和接收的耦合电极 14和24布置成彼此面对地分开例如大约3cm (或者大约所用的频带的一半波长)并且能够 进行电场耦合。当从上层应用生成发送请求时，基于从发送电极14向接收电极24发送作 为电场信号的数据传播，传输器侧上的发送电路单元11生成高频发送信号，比如UWB信号。 然后，接收器20侧上的接收电路单元21处理用于解调和解码的接收的高频电场信号以向 上层应用传送再现的数据。通过在这种邻域无线传输中使用UWB，可以提供大约IOOMbps的超高速数据传输。 另外，这种邻域无线传输利用如后面描述的静电场或感应电场的耦合作用，而不是辐射电 场的耦合作用，并且其电场强度是与距离的立方或平方成反比的。因此，通过在离无线装备 3米的距离内把电场强度抑制到预定水平以下，邻域无线传输系统可以是微弱无线而不必 得到无线站点许可(wireless station license)并且可以低成本构造。另外，由于这种邻 域无线传输通过电场耦合系统执行数据通信，其具有优点，比如由于来自周边反射物体的 小的反射波的更少的干扰影响，和不必考虑预防骇客入侵及在传输路径上的保密安全。另一方面，在无线通信中，传播损失依照相对于波长的传播距离的大小而变得较 大。在利用高频的宽带信号作为UWB信号的邻域无线传输中，大约3cm的通信距离大致等 于一半波长。那就是，虽然通信距离是邻近的，但是其是不可忽略的长度和希望将传输损失
6抑制到足够低。尤其地，相比低频电路，在高频电路中特征阻抗的问题更加严重，并且由于 阻抗不匹配的影响暴露在传输器的电极和接收器的电极之间的耦合点上。例如，甚至当连 接发送电路单元11和发送电极14的高频电场信号的传输路径是匹配在，例如50 Ω的阻抗 的同轴线时，如果在对发送电极14和接收电极24进行耦合的部份中阻抗不匹配，就反射电 场信号而产生传播损失，使得通信效率降低。因此，通过连接由平板电极14和24形成的谐振器单元、串联感应器12和22以及 并联感应器13和23，布置在传输器10和接收器20中的每个高频耦合器具有匹配到高频信 号传输路径的阻抗。在本文中高频信号传输路径可以同轴电缆、微带线、共面线等来构造。 当这种高频耦合器布置成彼此面对时，耦合部份在准静电场为主的非常靠近的距离内充当 带通滤波器，且可以传输高频信号。另外，甚至在感应电场为主的和相对于波长是不可忽略 的距离内，经由在耦合电极和接地中分别积聚的电荷和从由镜像电荷形成的小偶极子(后 面描述的)生成的感应电场，在两个高频耦合器之间可以高效地传输高频信号。这里，当在传输器10和接收器20的电极(即在耦合部份)之间简单的阻抗匹配 意图抑制反射波时，可能设计每个耦合器以便即使在平板电极14和24以及串联感应器12 和22在高频信号传输路径上串联连接的简单结构中的耦合部分中也使阻抗连续。然而，由 于在耦合部分的前和后中特征阻抗不变，所以电流的幅值也不变。相反，通过配备有并联感 应器13和23，更多的电荷可以发送到耦合电极14，以在耦合电极14和24之间生成强电场 耦合作用。另外，当在耦合电极14的表面的周围感生大电场时，生成的电场作为在(后面 描述的)小偶极子的方向上振荡的纵波的电场信号从耦合电极14的表面传播。电场波使 电场信号即使在耦合电极14和24之间相对大距离(相位长度)时也能够传播。为了概括上面的描述，在通过微弱UWB通信系统的邻域无线传输系统中，希望高 频耦合器满足下述条件(1)具有在面对接地、分开相对于高频信号的波长可忽略的高度的位置的用于电 场耦合的耦合电极；(2)具有用于与更强的电场耦合的谐振器单元；和(3)设置谐振器单元的常数以便当在用于通信的频带中布置互相面对的耦合电极 时匹配阻抗。在图1中所示的邻域无线传输系统中，随着传输器10和接收器20的各自的耦合 电极14和24彼此面对分离适当的距离，两个高频耦合器充当带通滤波器以传递期望的高 频带的电场信号，还作为独立式高频耦合器，它们充当阻抗转换电路以放大电流，并且具有 大幅值的电流流入耦合电极中。另一方面，当高频耦合器独自放置在自由空间时，由于高频 耦合器的输入阻抗与高频信号传输路径的特征阻抗不匹配，所以输入到高频信号传输路径 的信号在高频耦合器中被反射和不向外辐射，使得对其他邻近的通信系统没有影响。那就 是，当没有通信的另一个端点时，与过去的天线惯常释放无线电波不同，传输器侧不释放无 线电波，但是只当另一个通信端点靠得更近时通过匹配阻抗传输高频电场信号。在图1中所示的高频耦合器中，通过并联感应器和串联感应器的每个常数确定阻 抗匹配部份的工作频率。然而，集总常数电路的带宽一般在高频电路中比在分布式常数电 路中要窄，还有当频率高时感应器的常数变小，使得由于在这些常数中的变化而存在工作 频率中的漂移问题。为了解决该问题，考虑通过以阻抗匹配部份和使用分布式常数电路替代集总常数电路的谐振器单元构造高频耦合器来提供更大带宽的方法。图2A示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器的构造示例。 在图示的示例中，高频耦合器设置在具有形成在下表面的接地导体32和形成在上表面的 印刷图案的印刷板31上。作为用于高频耦合器的谐振器单元，形成取代并联感应器和串联 感应器的、充当分布式常数电路的微带线或共面波导(即短截线33)，且短截线33经由成为 高频信号传输路径的信号线图案34线路连接到发送和接收电路模块35。短截线33具有经 由穿透将被短路的印刷板31的过孔36连接到下表面上的接地32的尖端。短截线33在中 心附近，经由细金属线形成的端子37连接到耦合电极38。电子工程技术领域中的“短截线”是具有一个被连接的端点和另一个未被连接或 接地的端点的电线的统称，并且配备在用于应用(比如调节、测量、阻抗匹配和过滤)的电 路中间。这里，经由信号线图案34从发送和接收电路35输入的信号在短截线33的尖端反 射并且在短截线33中出现驻波。短截线33的相位长度大约是高频信号的一半波长(在 180度相位)，并且在印刷板31上信号线图案34和短截线33由微带线、共面线等形成。如 图2B中所示，当短截线33具有一半波长的相位长度和尖端被短路时，在短截线33中生成 的驻波的电压幅值在短截线33的尖端变为0，并且在短截线33的中心(即，在离短截线33 的尖端的四分之一波长(90度)处)变为最大。通过把耦合电极38连接到驻波的电压幅 值变为最大的短截线33的中心附近，借助一个端子37，可以做出高效传播的高频耦合器。图2A中所示的短截线33是印刷板31上的微带线或共面波导，由于直流电流的电 阻很小，高频信号的损失平衡较少并且在高频耦合器之间的传播损失可以较少。另外，由于 构造分布式常数电路的短截线33的尺寸大约为高频信号的一半波长，与总的相位长度相 比，由于对制造的容差，尺度的误差是轻微的，并且特性是不易变化的。图3示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器的另一个构造 示例。在图示的示例中，谐振短截线被切割成两段且通过连接各自的短截线33A和33B而 构造谐振短截线，其中以分别在前面和后面支持耦合电极38的两个连接端子37A和37B跨 越切割部份的方式连接各自的短截线33A和33B。两个切割部份之一的短截线33B的尖端 侧是开口端。类似于图2A中所示的构造示例，耦合电极38希望地布置在电压驻波的较大 幅值的位置附近。另外，图3示出了短截线33A和33B内的电压驻波和电流驻波的各自幅值。如图 所示，电压驻波分别在位于短截线33B的尖端的开口端(位于被切成两半的短截线的尖端 侧)和根部侧上的短截线33A的输入端上升变成最大值，并且电流驻波具有相对于这种电 压驻波的η/4的相位差。因此，当如图所示切割的短截线33Α和33Β、两个连接端子37Α和 37Β，以及耦合电极38的总长度(相位长度)被总地设置为大约360度(即按照谐振频率 的相位长度的大约一个波长)时，电压驻波的幅值大约在其中心变大，使得优选在大约中 心处把短截线33切割成两段，并且装配耦合电极38以便将切割部份和两个端子37Α和37Β 相连接。这里，考虑了在高频耦合器的耦合电极中生成的电磁场。如图1中所示，耦合电极14连接到高频信号传输路径的一端，从发送电路单元11 输出的高频信号流入以积聚电荷。在这点上，经由传输路径流入耦合电极14的电流由于串联感应器12和并联感应器13形成的谐振器单元的谐振作用而被放大，以积聚更多电荷。另外，布置接地18，使得面对耦合电极14且分开相对于高频信号的波长的可忽略 的高度(相位长度)。然后，随着如上所述电荷积聚在耦合电极14内，镜像电荷积聚在接地 18内。因为点电荷Q位于平面导体外，镜像电荷-Q(就是虚拟的和具有替换的表面电荷分 布)布置在平面导体内，如例如Tadashi Mizoguchi所写的“电磁学”(Shokabo出版，54_57 页)中所述，其在业内被广泛地理解。作为如上所述积聚点电荷Q和镜像电荷-Q的结果，形成由连接在耦合电极14内 积聚的电荷的中心和在接地18内积聚的镜像电荷-Q的中心的线段组成的小偶极子。严格 来说，电荷Q和镜像电荷-Q具有体积并且形成小偶极子，以便连接电荷的中心和镜像电荷 的中心。在本文中“小偶极子”表示“具有在很短的距离的电荷之间的电偶极子”。例如，在 Yasuto Mushiake PJf ^^ "Antenna/Radio Wave Propagation" (Corona16 M 18页)中描述了这种“小偶极子”。然后，由于小偶极子，生成电场的横波分量E0,电场的纵 波分量Ek和围绕小偶极子的磁场H41。如图2A、2B和3中所示，即使在以分布式常数电路(比如短截线)构造谐振器单 元时，与积聚在耦合电极中的电荷成镜像映像关系的电荷积聚在接地内，并且类似地形成 小偶极子。图4示出了小偶极子的电场。如图所示，电场的横波分量E0在垂直于传播方向的 方向内振荡，电场的纵波分量&在平行于传播方向的定向上振荡。另外，围绕小偶极子生成 磁场I。下面表达式(1)到(3)表示由小偶极子生成的电磁场。在表达式中，与距离R的 立方成反比的分量是静电场，与距离R的平方成反比的分量是感应电场，与距离R成反比的 分量是辐射电场。
pe-M f ι jk Ji1 Λ
En=—--r + ^--sin<9…⑴
θ 4πε [K3 R2 R JΚ )
Γ pe~JkR 1 jk、,,、
ER =---τ + ^ cos<9…(2)
R 2πε U R2Jκ J
Hrh =^---τ + — sm <9"彳3)
φ 4π U R Jy }在图1、2Α、2Β和3中所示的邻域无线传输系统中，为了抑制对周边系统的干扰波， 考虑最好当利用不包括辐射电场分量的纵波Ek时抑制包括辐射电场分量的横波E0。这是 因为，如从上面表达式(1)和(2)所见，电场的横波E0包括与距离成反比(即，在距离衰减 上较小)的辐射电场，然而纵波Ek不包括辐射电场。首先，为了不生成电场的横波E θ，希望高频耦合器不表现为天线。由一个端子支持 的耦合电极在结构上看起来类似于其中金属装配在天线元件的尖端以给出电容并减小天线的高度的“负载电容”天线。因此，希望高频耦合器不表现为负载电容天线。图5示出了 负载电容天线的构造示例，并且在图5中，主要在箭头A的方向上生成电场的纵波分量Εκ， 并且还在箭头B1和B2的方向上生成电场的横波分量E0。在图2A和2B中所示的耦合电极的构造示例中，端子37具有避免耦合电极38与 接地导体32的耦合以及形成串联感应器的双重作用。通过保证从接地导体32到耦合电极 38的足够高度，避免了接地导体32和耦合电极38的电场耦合以保证对接收器侧高频耦合 器的电场耦合作用。在这方面，随着耦合电极38的高度变高，即，端子37变成相对于所用 的波长不可忽略的长度，端子37充当负载电容天线并且生成如图5中箭头B1和B2的方向 上所示的横波分量E0。所以，耦合电极38的高度具有条件，长到足够用于构造希望的串联 反应器以通过避免耦合电极38和接地导体32的耦合来获得作为高频耦合器的特征，并且 还充当阻抗匹配电路，以及短到不会使由于流入串联感应器的电流产生的不想要的无线电 波。的辐射变大的程度。另一方面，从上面的表达式(2)，纵波分量Ek理解为在相对于小偶极子方向角度 θ =0度上最大。因此，为了利用电场的纵波Ek高效地执行非接触通信，优选在将要面对 的通信的另一端上布置高频耦合器以便使相对于小偶极子的方向的角度θ为大约0度并 用于高频电场信号的传输。另外，通过谐振器单元，可以使流入耦合电极14的高频信号电流更大。结果，可以 使通过在耦合电极14内积聚的电荷和在接地18侧上的镜像电荷形成的小偶极子的偶极矩 (moment)变得更大，并且可以使纵波Ek形成的高频电场信号朝向具有相对于小偶极子方向 的大约0度的角度θ的传播方向高效地放电。图6Α和6Β示出了使用用于谐振器单元的分布式常数电路的高频耦合器模型。 图6Α是立体图，而图6Β是截面图。耦合电极61实现在电介质形成的印刷板62上，印刷 板62具有0. 56mm的厚度和4. 5的相对介电常数，并且印刷板62的下表面上形成有具有 40X20X0. 05mm大小的接地图案，上表面上具有由分布式常数电路(短截线)形成的、表现 为谐振器单元的微带线64。微带线64具有0. 05mm的厚度，1. Omm的宽度和18mm的长度， 并且在一端配备有具有50 Ω特征阻抗的馈入点65和另一端经由具有0. 5mm的半径的过孔 66连接到下表面侧的接地图案63。耦合电极61是具有4. 75mm的半径、0. 5mm的厚度的圆 形模型，并且借助具有0. 5毫米半径和2. 5毫米高度的圆柱形端子装配在大约微带线64的 中心。图6C示出了图6A和6B中所示的高频耦合器上的仿真分析的电场强度分布(关 于图6A的XZ平面)。图7示出了在图6A和图6B中所示的高频耦合器上的仿真分析的某 一相位时在金属表面上电流的矢量分布。在这方面，分析频率假定为在4. 5GHz。从图6C中发现电场集中在耦合电极61的Z轴方向上。虽然这些电场集中在耦合 电极61的周围，但是它们不作为天线高效地辐射。那就是说，显示了静电场或感应电场的 分布，这表明该设计是作为基本高频耦合器。从图7还发现电流分布也分布为聚在耦合电极61的中心。另外，散布在接地图案 63中的电流分布也类似地朝向中心的定向分布。在相反相位时，这些电流的定向自然地分 布在相反定向中。这里，给出了对散布在接地中的电荷分布的考虑。图6C和7中所示的分析结果表
10示电荷积聚在耦合电极61中。在这种情景中，如参照图4所述，可以认为镜像电荷积聚在 接地侧上。图8概念性地示出了在高频耦合器中生成的电荷分布和电力线。如图所示，当具 有正号(+)的电荷积聚在耦合电极81中时，来自正电荷的电力线垂直地到达接地面82。然 后，可以假设虚电极83关于接地面82与耦合电极81对称地存在，且具有负号(-)的镜像 电荷积聚在虚电极83中。因此，到达接地面82的电力线指向负电荷。那就是说，具有正电 荷的耦合电极81的出现能够生成具有如图8中虚线所示的负电荷的虚电极83。自然地，取 决于相位，可以出现与图8中所示的耦合电极81和虚电极83的电荷符号(+/_)相反的情
旦
ο借助作为工作原理的图8中所示的镜像电荷，高频耦合器除了设置有连接到高频 信号传输路径的第一耦合电极之外，还设置有其中集中有相反符号的电荷的第二耦合电 极。虽然第二耦合电极形成在与第一耦合电极对称的位置，但是其设计为使用用于第一谐 振器单元的接地作为不同于图8中的虚电极的第二谐振器单元。其也是连接到第二谐振器 单元的实电极。第二耦合电极的通信点关于接地面与第一耦合电极的通信点对称。换句话 说，这种高频耦合器可以具有用于每个耦合电极的多个通信点。图9示出了设置有第一耦合电极91和第二耦合电极92的高频耦合器的构造示 例。在图示的示例中，使用成为集总常数电路的串联感应器和并联感应器构造谐振器单元。第一耦合电极91经由高频信号传输路径连接到通信电路单元94的输入和输出 (I/O)端子。在本文中的高频信号传输路径可以使用同轴电缆、微带线、共面线等构造。另 外，该高频信号传输路径连接到第一串联感应器95和第一并联感应器96。与上面类似，通 过第一串联感应器95和第一并联感应器96匹配阻抗。另外，第二耦合电极92经由高频信号传输路径连接到通信电路单元94的接地端 子。另外，该高频信号传输路径连接到第二串联感应器97和第二并联感应器98。与上面类 似，通过第二串联感应器97和第二并联感应器98匹配阻抗。第二耦合电极92设置在与第一耦合电极91对称的位置。然后，符号与积聚在第 一耦合电极91中的电荷的符号相反的电荷积聚在第二耦合电极92中。结果，第二耦合电 极92的通信点与第一耦合电极91的通信点对称。因此，所示的高频耦合器可以具有两个 fflfn 点。通信电路单元94处理在连接到第一耦合电极91的输入和输出端子与连接到的第 二耦合电极92的接地端子之间的端子电压的信号的通信，作为邻域无线传输中的传输和 接收信号。图10示出了设置有对称的第一耦合电极和第二耦合电极的高频耦合器的另一个 构造示例。图示的示例与图9的不同在于图10使用成为分布式常数电路的短截线来构造 谐振器单元。通信电路单元104的输入和输出(I/O)端子连接到充当分布式常数电路的第一短 截线105。第一短截线105由实现在印刷板(未示出)上的例如微带线、共面波导等形成。 从通信电路单元104输入的信号在第一短截线105的尖端反射，并且在第一短截线105中 产生驻波(参照图3)。然后，第一耦合电极101连接到第一短截线105的一个区域，在该区 域中驻波的电压幅值变为最大。
另一方面，通信电路单元104的接地(GND)端子连接到充当分布式常数电路的第 二短截线106。类似于第一短截线105，在第二短截线106中产生驻波，并且第二耦合电极 102连接到第二短截线106的一个区域，在该区域中驻波的电压幅值变为最大。第二耦合电极102设置在与第一耦合电极101对称的位置。然后，符号与积聚在 第一耦合电极101中的电荷相反的电荷积聚在第二耦合电极102中。结果，第二耦合电极 102的通信点对称于第一耦合电极101的通信点。因此，图示的高频耦合器可以具有两个通
/=占 IH ΛΛ。通信电路单元104处理连接到第一耦合电极101的输入和输出端子与连接到第二 耦合电极102的接地端子之间的端子电压的信号的通信，作为邻域无线传输中的传输和接 收信号。虽然在图10中示出了使用图2中所示的谐振器单元的高频耦合器的构造示例，但 是自然还可以是使用图3中所示的切割成两个的谐振器单元的高频耦合器。另外，如图IlA和IlB中所示，图10的改进可以包括其中多个(η个)第二耦合电 极112-1、112-2、...和112-η分别经由第二短截线116并联连接到通信电路单元114的接 地端子的构造。根据这种改进，各个第二耦合电极112-1、112-2、...和112-η能够取得η 个几乎与第一耦合电极111对称的通信点，且高频耦合器成为总的具有(n+1)个通信点。图12示出了具有分别实现在由电介质形成的印刷板的各自的上和下表面上的 具有第一和第二耦合电极的高频耦合器的构造示例。印刷板121具有两片电介质互相粘 接的结构，其中每片电介质具有0. 56mm的厚度和4. 5的介电常数，印刷板121总的具有 0. 56 X 2mm的厚度。在印刷板121的上表面，形成充当由分布式常数电路(短截线)形成的 谐振器单元的微带线122。微带线122具有0. 05mm的厚度、1. Omm的宽度和18mm的长度。 另外，在印刷板121的下表面，还形成在形状上和在上表面形成的微带线一样的微带线。形 成在印刷板121的上和下表面上的两个微带线的一端配备有具有50 Ω的特征阻抗的馈入 点(feeding point) 123，并且另一端经由具有0. 5mm半径的过孔124连接到两个微带线。 第一耦合电极126是具有4. 75mm半径和0. 5mm厚度的圆形模型，且通过具有0. 5mm半径和 2. 5mm高度的圆柱形端子装配在形成在印刷板121的上表面的微带线122的大约中心处。 另外，虽然第二耦合电极127在形状上和第一耦合电极126的形状相同，但是其装配在形成 在印刷板121的下表面上的微带线的大约中心上(与第一耦合电极126对称位置处)。图13A示出了对图12中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图 12中的XZ平面)。图13B示出了在对图12中所示的高频耦合器的仿真分析的某一相位时 在第一耦合电极126和第二耦合电极127各自的金属表面上的电流矢量分布。在这方面， 分析频率假定为在4. 5GHz。从图13A发现电场分别集中在第一耦合电极126和第二耦合电极127的Z轴上。 虽然这些电场集中在耦合电极周围，但是它们不作为天线高效地辐射。那就是说，显示了静 电场或感应电场的分布，其表示该设计是作为基本高频耦合器。还从图13B发现电流分布也分布为聚在第一耦合电极126和第二耦合电极127的 各自中心。在这方面，电流的定向变为在第一耦合电极126和第二耦合电极127中彼此相 反。从图13B中所示的电流分布发现相反符号的电荷积聚在第一耦合电极126和第二耦合 电极127中。因此，在相反相位时，这些电流的定向分布在相反的定向中。
从图13A和13B中所示的仿真分析的结果，发现从第一耦合电极126生成的电场 与从第二耦合电极127生成的电场在彼此相反的定向上，并且高频耦合器总的具有两个通信点。另外，虽然耦合电极126和127中的一个具有集中在电极表面周围的电场，但是它 们不作为天线高效地辐射。那就是说，显示了静电场或感应电场的分布，其表明该设计是作 为基本高频耦合器。图14示出了设置有第一和第二耦合电极的高频耦合器的另一个构造示例。在图 12中所示的构造示例中，第一耦合电极126和第二耦合电极127是几乎相同的形状，并且第 二耦合电极127装配在关于由电介质形成的印刷板121与第一耦合电极126对称的位置。 相反，在图14中所示的示例中，第二耦合电极147被构造为从印刷板141的接地面上的接 地图案145凸出的大约T形的导体图案。即，第二耦合电极147与第一耦合电极146关于 接地面不对称。在图14中，印刷板141具有0. 56mm的厚度和4. 5的相对介电常数，印刷板141具 有其上形成有40X20X0. 05mm毫米大小的接地图案145的下表面(接地面)，还具有其上 形成有表现为由分布式常数电路(短截线)形成的谐振器单元的微带线142的上表面。微 带线具有0. 05mm的厚度、1. Omm的宽度和18mm的长度，并在一端配备有具有50 Ω特征阻抗 的馈入点143并且另一端经由具有0. 5mm半径的过孔144连接到下表面上的接地图案145。 第一耦合电极146是具有4. 75mm的半径、0. 5mm的厚度的圆形模型，并借助具有0. 5mm的半 径和2. 5mm的高度的圆柱形端子装配在大约微带线142的中心。另外，紧挨在微带线142之 下的接地为20X6X0. 05mm。然后，1 X6X0. 05mm的接地图案145从紧挨在微带线之下的 接地的纵向侧的大约中心连接，再进一步形成表现为第二耦合电极147的10X1X0. 05mm 的接地图案。图15示出了对图14中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图14 中的XZ平面和XY平面)。从图15，可以肯定，当图15的Z轴方向上的电场从第一耦合电 极146集中时，电场也从在接地面中以大约T形形成为接地图案145 —部分的第二耦合电 极147集中在图15中Y轴方向上。即，发现从第一耦合电极146生成的电场和从第二耦合 电极147生成的电场成90度角，并且图14中所示的高频耦合器总的具有两个通信点。另外，虽然耦合电极146和147中的一个具有在电极表面的周围集中的电场，但是 它们并不作为天线高效地辐射。那就是说，显示了静电场或感应电场的分布，其表明该设计 是作为基本高频耦合器。图16示出了其中仪器在壳体中配备有图14中所示的高频耦合器的状况。在本 文中的仪器是，例如，移动仪器，比如数字相机或移动电话。当只有一个用于高频耦合器的 通信点时，容易发生不能通信的情形。相反，由于图14中所示的高频耦合器具有在Y轴和 Z轴上的两个通信点，易于取得与通信的另一个端点的最佳通信状况，并且能够在各种场合 中做批量信息通信。图17示出了图14中所示的高频耦合器的改进以及仿真分析的电场强度分布(关 于图14中XY平面)。在图17中，在导体图案上形成按照大约T形的导体图案形成的多个 (两个)第二耦合电极。在图17中，两个第二耦合电极形成为在Y轴方向上彼此相反的方 位中(即，关于XY平面中X轴对称)的接地图案。印刷板、第一耦合电极、接地图案和第二耦合电极中的每个构造都与图14中的构造类似。另外，图18示出了对图17中所示的高频 耦合器的仿真分析的电场强度分布(关于图17中XZ平面和XY平面)。根据图18，在图18中Z轴方向上的电场从第一耦合电极集中，图18中Y轴方向 上的电场从两个第二耦合电极中的一个集中。即，可以肯定从第一耦合电极生成的电场和 从第二耦合电极生成的电场成90度角。从图17，在图17中Y轴方向上彼此相反的定向中 的电场分别从在图17中Y轴方向上彼此相反的定向中形成为接地图案的两个第二耦合电 极集中。可以肯定从这两个第二耦合电极生成的电场与从第一耦合电极生成的电场分别成 90度角。正如已经所述的，图IlA和IlB示出了作为图10中所示的高频耦合器的改进的高 频耦合器，其中η个第二耦合电极连接到通信电路单元的接地端子，并且其可以获得η个关 于接地面与第一耦合电极对称的通信点，并且高频耦合器总的具有(η+1)个通信点。相反， 图17中所示的高频耦合器设置有接地面上耦合电场的方向不同的两个第二耦合电极，从 而可以在这两个方向上获得能够通信的通信点，且高频耦合器总的具有三个通信点。另外，虽然三个耦合电极的任何一个都具有在电极表面周围集中的电场，但是它 们并不作为天线高效地辐射。即，显示了静电场或感应电场的分布，这表明该设计是作为基 本高频耦合器。图19Α和19Β示出了其中高频信号传输路径、谐振器单元以及第一和第二耦合电 极都形成为同一印刷板上的导体图案的构造示例。图19Α是立体图，图19Β是截面图。具有0. 56mm的厚度和4. 5的相对介电常数的电介质191形成在具有0. 05mm的厚 度的接地面上，并且具有0. 05mm的厚度和1. Omm的宽度的微带线192形成在电介质191上。 微带线192具有18mm的长度且一端配备了 50 Ω特征阻抗的馈入点193，另一端经由具有 0. 5mm半径的过孔194连接到接地面。第一耦合电极195形成为该微带线192的相同层上的 图案。即，由IOX 1X0. 05mm的图案形成的第一耦合电极195被布置为经由1X5X0. 05mm 的图案从表现为谐振器单元(短截线)的微带线192的纵向侧的中心朝向图19A中Y轴方 向。由1 X 7 X 0. 05mm的图案形成的第二耦合电极197被布置为经由9X3X0. 05mm的图案 也在接地面上接地图案196的一端朝向图19A中X轴方向。图20示出了对图19A和19B中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分布(关 于图19A中XY平面)。在第一耦合电极195和第二耦合电极197中，积聚了具有彼此相反 符号的电荷。从图20，可以肯定，当图20中Y轴方向上电场从第一耦合电极195集中时，在 图20中X轴方向上的电场从在接地面中按照大约T形形成为接地图案的第二耦合电极197 集中。即，发现从第一耦合电极195生成的电场和从第二耦合电极197生成的电场在XY平 面中成90度角，并且图19A和19B中所示的高频耦合器作为整体能够通过从在X轴方向和 Y轴方向上的两个点的电场耦合来通信。耦合电极195和197中的一个具有集中在电极表面周围的电场，它们不作为天线 高效地辐射。即，显示了静电场或感应电场的分布，这表明该设计是作为基本高频耦合器。图21A、21B和21C示出了其中高频信号传输路径、谐振器单元和第一耦合电极形 成为在同一印刷板上的导体图案，以及第二耦合电极与印刷板的接地面分开布置的构造示 例。图21A是俯视图，图21B是仰视图，和图21C是截面图。具有0. 56mm的厚度和4. 5的相对介电常数的电介质212形成在具有0. 05mm的厚度的接地面211上，以及具有0. 05mm的厚度和1. Omm的宽度的微带线213形成在该电介 质212上。微带线213具有18mm的长度，其一端配备有50 Ω特征阻抗的馈入点214且另 一端经由0. 5mm半径的过孔215连接到接地面211。第一耦合电极216形成为微带线213 的相同层中的图案。即，由IOX 1X0. 05mm的图案形成的第一耦合电极216被布置为经由 1X5X0. 05mm的图案从表现为谐振器单元(短截线)的微带线213的纵向侧的中心朝向图 21A和21B中Y轴方向。另一方面，另一个导电层217被布置为与接地面211分开0. 95mm。 由1 X 7 X 0. 05mm的图案形成的第二耦合电极218被形成为经由9 X 3 X 0. 05mm的图案在该 导电层217的一端中朝向图21A和21B中X轴方向。在不存在与电介质分开的导电层的情景中，随着电荷积聚在第一耦合电极216 中，如图8中所示，具有相反符号的镜像电荷关于接地面对称地出现。相反，当如图21A、 21B、21C中所示的另一个导电层217与接地211分开地布置时，具有与积聚在第一耦合电 极216中的电荷相反符号的电荷生成在导电层的大约T形的凸出部分中，使得充当第二耦 合电极218变为可能。图22示出了对图21A、21B和21C中所示的高频耦合器的仿真分析的电场强度分 布(关于图21A和21B中XY平面)。在第一耦合电极216和第二耦合电极218中，积聚具 有彼此相反符号的电荷。从图22，可以肯定，当图22中Y轴方向上的电场从第一耦合电极 216集中时，在图22中X轴方向上电场从形成为接地面中大约T形的接地图案的第二耦合 电极218集中。即，从第一耦合电极216生成的电场和从第二耦合电极218生成的电场在 XY平面成90度角，和发现图21A、21B、21C中所示的高频耦合器作为整体能够从在X轴方向 上和Y轴方向上的两个点通过电场耦合来通信。耦合电极216和218中的一个具有在电极表面的周围集中的电场，它们不作为天 线高效地辐射。也就是说，显示了静电场和感应电场的分布，这表明该设计是作为基本高频 華禹合器。应该注意，作为图21A、21B和21C中第二耦合电极218的导电层217可以利用实 现在印刷板或机械元件(比如基座或金属壳体)上的导电区域来构造。本申请含有的主题涉及2009年7月13日在日本专利局递交的日本优先权专利申 请JP 2009-164331的主题，该日本申请在此全文引用。应该被本领域内技术人员理解，依靠设计要求或其他方面在所附权利要求或其等 同的范围内可以存在各种改进、组合、次组合和替换。
权利要求
一种高频耦合器，包含接地；经由第一谐振器单元连接到通信电路的输入和输出端子的第一耦合电极；和经由利用接地而设计的第二谐振器单元连接到所述通信电路的接地端子的一个或更多个第二耦合电极。
2.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中，在所述输入和输出端子中流动的高频信 号的某一相位状态中，符号与集中在所述第一耦合电极中的电荷的符号不同的电荷集中在 所述第二耦合电极中。
3.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中用于所述第一谐振器单元的接地被设计为所述第二谐振器单元，以及 所述第二耦合电极设置在与所述第一耦合电极大致对称的位置。
4.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中基于接地面的形状构造所述第二耦合电极。
5.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中基于实现在印刷板上的导体图案构造所述 第一和第二耦合电极中的至少一个。
6.根据权利要求1所述的高频耦合器，其中使用内置有所述高频耦合器的移动仪器的 基座或金属壳体构造所述第二耦合电极。
7.一种通信设备，包含 处理通信信号的通信电路； 接地；经由第一谐振器单元连接到所述通信电路的输入和输出端子的第一耦合电极；和 经由利用接地而设计的第二谐振器单元连接到所述通信电路的接地端子的一个或多 个第二耦合电极；其中所述通信电路依照所述输入和输出端子与所述接地端子之间的端子电压处理所述通信信号。全文摘要
本发明涉及高频耦合器和通信设备。一种高频耦合器包括接地、经由第一谐振器单元连接到通信电路的输入和输出端子的第一耦合电极，和经由利用接地而设计的第二谐振器单元连接到通信电路的接地端子的一个或多个第二耦合电极。
文档编号H04B5/00GK101958731SQ20101022422
公开日2011年1月26日 申请日期2010年7月6日 优先权日2009年7月13日
发明者加藤义宽, 和城贤典, 绀谷悟司, 西川研三 申请人:索尼公司