專利名稱：高頻耦合器及通信裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及通過使用高頻寬帶的弱UWB(超寬帶)通信技術(shù)而在近距離執(zhí)行大量數(shù)據(jù)傳輸?shù)母哳l耦合器及通信裝置，具體涉及利用電場耦合確保在弱UWB通信中沿橫向的通信范圍的高頻耦合器及通信裝置。
背景技術(shù)：
已經(jīng)廣泛使用了非接觸通信作為用于認證信息、電子貨幣或其他價值信息的手段。例如由Sony和Wiilips研發(fā)的NFC(近場通信)采用RFID(射頻標(biāo)識)標(biāo)準(zhǔn)，其界定了能夠與類型A、類型B、以及符合IS0/IEC14442的!^eliCa進行通信的NFC通信裝置(讀取器或?qū)懭肫?的規(guī)格，使用13. 56MHz波帶，并能夠以電磁感應(yīng)的方式進行近距離(0至IOcm 或更短近距離)式非接觸雙向通信。此外，近年來，這種非接觸通信系統(tǒng)的額外應(yīng)用可以在動態(tài)影像、音樂等的大容量數(shù)據(jù)傳輸中進行。也可通過單一使用者的操作來進行上述大容量數(shù)據(jù)傳輸，優(yōu)選地在與現(xiàn)有認證或帳目處理所耗費的相同的訪問時間內(nèi)完成，因此需要提高通信速率。一般的RFID標(biāo)準(zhǔn)使用13. 56MHz帶，是用于采用電磁感應(yīng)作為主原理的近距離 (0至IOcm或更短近距離)非接觸雙向通信，并采用約1061ibpS至4241ibps的通信速率。另一方面，利用弱UWB信號的TransferJet (例如，參考日本專利號4345849以及www. transferjet. org/en/index. html)可以例舉出可應(yīng)用至高速通信的近距離無線傳輸技術(shù)。 近距離無線傳輸技術(shù)(Transferjet)大致上是一種通過利用電場耦合作用來傳輸信號的方法，并且這種通信裝置的高頻耦合器包括處理高頻信號的通信電路單元、布置在離地面特定高度處的耦合電極以及有效地向耦合電極供應(yīng)高頻信號的諧振單元。利用弱UWB的近距離無線傳輸具有約2至3cm的通信距離，沿橫向及縱向具有大致相同的寬度，不具有偏振波，并且具有大致半球拱頂狀的通信范圍。為此，需要通過在用于執(zhí)行數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐ㄐ叛b置之間使耦合電極適當(dāng)?shù)乇舜讼鄬泶俪呻妶鲴詈?。如果將近距離無線傳輸?shù)墓δ軉卧圃斓妮^小，則功能適于被加入并且可被安裝在各種不同類型的信息設(shè)備(例如，個人電腦或移動電話等)中。但是，如果減小了高頻耦合器中的耦合電極的尺寸，則存在通信范圍尤其沿橫向縮小的問題。例如，如果在信息設(shè)備的殼體表面上標(biāo)記出表明高頻耦合器被嵌入的位置的目標(biāo)點，則使用者可著眼于目標(biāo)點實施對準(zhǔn)。但是，如果橫向通信范圍較窄，則在目標(biāo)點與其他設(shè)備相鄰時目標(biāo)點會被其他設(shè)備的影子遮蔽，由此導(dǎo)致對目標(biāo)點實施對準(zhǔn)但出現(xiàn)沿橫向偏離其中心的情況。為了提高在實際使用近距離無線傳輸功能時的可用性，需要擴展沿橫向的通信范圍。但是，如果僅簡單增大高頻耦合器中耦合電極的尺寸，則在耦合電極的表面上會產(chǎn)生駐波。此外，因為在駐波的振幅沿相反方向行進的部分處分布有不同極性的電荷并且具有不同極性的兩個相鄰電場的電場會被抵消，故會出現(xiàn)具有高強度及低強度電場的位置。具有低強度電場的位置變?yōu)殪o點(零點(null point))，其中即使在通信對方的耦合電極被對準(zhǔn)時，也不能輕易獲得良好的電場耦合效果。

發(fā)明內(nèi)容
希望本發(fā)明提供一種極佳的高頻耦合器及通信裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)在利用高頻寬帶的弱UWB通信方法中的近距離大量數(shù)據(jù)傳輸。還希望本發(fā)明提供一種極佳的高頻耦合器及通信裝置，其能夠在利用弱UWB不具有偏振波的近距離無線傳輸中確保沿橫向的足夠通信范圍。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種高頻耦合器，包括接地部；耦合電極，其面向所述接地部，并且被支撐成間隔開相對于高頻信號的波長可忽略的高度；以及諧振單元，其用于使經(jīng)由傳輸路徑流入所述耦合電極的電流增大；其中，所述耦合電極在具有第一極性的電荷被累積的位置處具有彎折部分，使得當(dāng)高頻信號經(jīng)由所述傳輸路徑向所述耦合電極輸入并產(chǎn)生駐波時，具有第二極性的電荷在朝向電場的輻射方向的前面中聚集；并且其中， 形成微小偶極子，所述微小偶極子由將累積在所述耦合電極中的電荷的中心與累積在所述接地部中的鏡像電荷的中心連接的線段構(gòu)成，并且朝向彼此面對布置使得沿所述微小偶極子的方向形成的角度θ大致為0度的通信對方側(cè)的高頻耦合器發(fā)送所述高頻信號。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述高頻耦合器具有彎折部分，所述彎折部分形成在從所述耦合電極的末端起的每個約1/2波長的奇數(shù)倍的部分中。根據(jù)本發(fā)明的另一實施例，提供了一種通信裝置，包括通信電路單元，其執(zhí)行對傳輸數(shù)據(jù)的高頻信號的處理；高頻信號的傳輸路徑，其連接至所述通信電路單元；接地部； 耦合電極，其面向所述接地部，并且被支撐成間隔開相對于所述高頻信號的波長可忽略的高度；以及諧振單元，其用于使經(jīng)由所述傳輸路徑流入所述耦合電極的電流增大；其中，所述耦合電極在具有第一極性的電荷被累積的位置處具有彎折部分，使得當(dāng)高頻信號經(jīng)由所述傳輸路徑向所述耦合電極輸入并產(chǎn)生駐波時，具有第二極性的電荷在朝向電場的輻射方向的前面中聚集；并且其中，形成微小偶極子，所述微小偶極子由將累積在所述耦合電極中的電荷的中心與累積在所述接地部中的鏡像電荷的中心連接的線段構(gòu)成，并且朝向彼此面對布置使得沿所述微小偶極子的方向形成的角度θ大致為0度的通信對方側(cè)的高頻耦合器發(fā)送所述高頻信號。根據(jù)本發(fā)明的實施例，所述通信裝置具有彎折部分，所述彎折部分形成在從所述耦合電極的末端起的每個約1/2波長的奇數(shù)倍的部分中。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種極佳的高頻耦合器及通信裝置，其能夠?qū)崿F(xiàn)通過利用高頻寬帶的弱UWB通信方法的近距離大量數(shù)據(jù)傳輸。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種極佳的高頻耦合器及通信裝置，其能夠在不具有偏振波的情況下利用弱UWB的近距離無線傳輸中確保沿橫向的足夠通信范圍。根據(jù)本發(fā)明的實施例，提供了一種極佳的高頻耦合器及通信裝置，其能夠通過增大耦合電極的尺寸并在較廣范圍內(nèi)發(fā)射電場信號來擴展尤其在橫向上的通信范圍。根據(jù)本發(fā)明的實施例，可以通過在具有耦合電極的極性的電荷被累積的位置中形成彎折部分使得具有同一相反極性的電荷聚集在朝向電場輻射方向的前方，并通過防止具有在具有相反極性的相鄰部分中電場的抵消，來避免未實現(xiàn)電場耦合效應(yīng)的靜點(零點)。 由此，能夠通過增大耦合電極的尺寸并在較廣范圍內(nèi)發(fā)射電場信號來擴展尤其在橫向上的通信范圍。
根據(jù)本發(fā)明的實施例，因為主要可以從耦合電極的中心沿橫向擴展通信范圍，故即使例如在配備有高頻耦合器的信息設(shè)備彼此面對時，無需使目標(biāo)點的標(biāo)記接近以完成對準(zhǔn)，使用者也可進行穩(wěn)定的通信。參考附圖，通過基于下述本發(fā)明的實施例的詳細描述，可以使本發(fā)明的其他目的、 特征及優(yōu)點明晰。


圖1是示意性示出通過弱UWB通信方法實現(xiàn)的近距離無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)造的示意圖；圖2是示出設(shè)置了發(fā)送器及接收器的高頻耦合器的基本構(gòu)成的示意圖；圖3是示出圖2所示高頻耦合器的實施例的示意圖；圖4是示出基于微小偶極子的電場的示意圖；圖5是圖4所示的電場匹配在耦合電極上的示意圖；圖6是示出電容負載型天線的構(gòu)成示例的示意圖；圖7是示出利用諧振單元中的分布常數(shù)電路得到的高頻耦合器的構(gòu)成示例的示意圖；圖8是示出在圖7所示的高頻耦合器中的短截線(stub)上出現(xiàn)駐波的狀態(tài)的示意圖；圖9是示出在耦合電極被輸入高頻信號時電荷在高頻耦合器中的耦合電極中累積的狀態(tài)的示意圖，其中，耦合電極安裝在接地電路上；圖10是示出在耦合電極被輸入高頻信號時電荷在高頻耦合器中的耦合電極中累積的狀態(tài)的示意圖，其中，具有從根部到末端的長度為1/2波長的耦合電極安裝在接地電路上；圖11是示出如圖10所示的高頻耦合器被容納在信息設(shè)備中的狀態(tài)的圖；圖12是示出在耦合電極被輸入高頻信號時電荷在高頻耦合器中的耦合電極中累積的狀態(tài)的示意圖，其中，耦合電極安裝在接地電路上，并且耦合電極具有從根部到末端的長度為1/2波長，并在從耦合電極的末端起每個1/2波長的奇數(shù)倍的部分中形成彎折部分；圖13是示出具有彎折部分的耦合電極的立體圖；并且圖14是示出在如圖12所示的高頻耦合器被容納在信息設(shè)備中的狀態(tài)的圖。
具體實施例方式以下將參考附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。首先，將對通過弱UWB通信方法實現(xiàn)的近距離無線傳輸系統(tǒng)的操作原理進行說明。圖1是示意性示出在使用電場耦合作用的弱UWB通信方法中的近距離無線傳輸系統(tǒng)的構(gòu)成的示意圖。在同一附圖中，分別屬于發(fā)射器10及接收器12的在發(fā)射及接收時使用的耦合電極14及M以相對方向彼此分隔布置，例如間距約3cm(或約為所使用頻帶的波長)，由此實現(xiàn)電場耦合。當(dāng)從更高級別應(yīng)用發(fā)出發(fā)送請求時，發(fā)射器側(cè)的發(fā)射電路單元11基于發(fā)射數(shù)據(jù)產(chǎn)生諸如UWB信號的高頻發(fā)射信號，并且信號作為電場信號從耦合電極14 穿過到達接收電極對。此外，接收器20 —側(cè)的接收電路單元21對接收到的高頻電場信號執(zhí)行解調(diào)及解碼處理，并將產(chǎn)生的數(shù)據(jù)傳輸至更高級別應(yīng)用。如果在近距離無線傳輸中使用UWB，則可以實現(xiàn)IOOMbps的超高速數(shù)據(jù)傳輸。此外，在近距離無線傳輸中，如下所述，并未利用輻射電場，而是利用了靜電場的耦合作用或感應(yīng)電場。因為電場的強度與距離的三次方或二次方成比例，故通過在距無線設(shè)備3米的距離內(nèi)將電場的強度抑制到特定水平或更低，可以使用近距離無線傳輸系統(tǒng)作為無需無線電臺許可的弱無線，并可以低成本形成近距離無線傳輸系統(tǒng)。此外，因為在近距離無線傳輸中的電場耦合方法中執(zhí)行數(shù)據(jù)通信，故有利之處在于僅在作為來自外圍環(huán)境中的反射物體的反射波的干涉影響較小，并且無需考慮在傳輸路徑上預(yù)防黑客或確保私密性。另一方面，在無線通信中，傳播損耗隨著波長傳播的距離的長度而變大。在使用高頻寬帶信號作為UWB信號的近距離無線傳輸中，約3cm的通信距離等于1/2波長。換言之， 通信距離可以被稱為近距離，但其是不可被忽略的長度，因此，需要將傳播損耗抑制到足夠低的水平。最重要的是，相較于低頻電路，高頻電路在特征阻抗方面存在更嚴重的問題，并且具有因發(fā)射器與接收器的電極之間的耦合點的阻抗失配而產(chǎn)生的顯著影響。例如，在圖1所示的近距離無線傳輸系統(tǒng)中，即使將發(fā)射電路單元11和發(fā)射電極 14連接的高頻電場信號的傳輸路徑處于匹配50 Ω阻抗的同軸線纜上，當(dāng)耦合電極14與接收電極M之間的耦合部分中的阻抗失配時，電場信號也會被反射造成傳播損耗，由此導(dǎo)致通信效率降低。因此，如圖2所示，構(gòu)造設(shè)置在發(fā)射器10及接收器20中各自的高頻耦合器，使得板狀電極14及M以及包括串聯(lián)電感器12及22以及并聯(lián)電感器13及23的諧振單元被連接至高頻信號傳輸路徑。這里描述的高頻信號傳輸路徑可由同軸線纜、微帶線或共面線等構(gòu)成。如果將這種高頻耦合器彼此面對設(shè)置，則耦合部分在準(zhǔn)電場處于統(tǒng)治地位的極近距離中起帶通濾波器的作用，由此可以傳輸高頻信號。此外，即使在感應(yīng)電場占統(tǒng)治地位并且相對于波長不可被忽略的距離內(nèi)，可經(jīng)由通過由分別在耦合電極及接地部中累積的電荷及鏡像電荷而形成的微小偶極子(以下描述)所產(chǎn)生的感應(yīng)電場，在兩個高頻耦合器之間有效地傳輸高頻信號。因此，如果目的在于在發(fā)射器10以及接收器20的電極之間(即，在耦合部分中) 簡單地使阻抗匹配并僅抑制反射波，則即使在各個耦合器均采用在高頻信號傳輸路徑上將板狀電極14及M與串聯(lián)電感器12及22進行串聯(lián)連接的簡單構(gòu)造的情況下，也可以將耦合部分中的阻抗設(shè)計為連續(xù)。但是，因為耦合部分的前部與后部的特征阻抗并無變化，故電流的大小并無變化。著眼于此，可通過設(shè)置并聯(lián)電感器13及23來將更大的電荷饋送至耦合電極14，并且在耦合電極14及M之間可產(chǎn)生較強的電場耦合作用。此外，在耦合電極 14的表面周圍感應(yīng)生成較大的電場，并且產(chǎn)生的電場作為振蕩縱波的電場信號從耦合電極 14的表面向前面方向(下述微小偶極子的方向)傳播。電場的波使得即使在耦合電極14 及M之間的間距(相位高度)相對較長時電場信號也得以傳播。綜上所述，基于弱UWB通信方法的近距離無線傳輸系統(tǒng)中的高頻耦合器的關(guān)鍵環(huán)境狀況如下。(1)設(shè)置面對接地部的耦合電極，以在分隔開相對于高頻信號的波長可忽略高度的位置處執(zhí)行與電場的耦合。(2)設(shè)置諧振單元，以執(zhí)行與更強電場的耦合。(3)通過串聯(lián)/并聯(lián)電感器以及耦合電極或通過短截線的高度來設(shè)定電容器的常數(shù)，使得當(dāng)在用于通信的頻帶中耦合電極被布置為彼此面對時，阻抗匹配。當(dāng)在圖1所示的近距離無線傳輸系統(tǒng)中發(fā)射器10及接收器20的耦合電極14及 24以間隔適當(dāng)距離彼此面對時，兩個高頻耦合器作為帶通濾波器(通過其使在預(yù)定高頻帶中的電場信號穿過)工作，并且單一高頻耦合器起到放大電流的阻抗轉(zhuǎn)換電路的作用，由此在耦合電極中使具有較高振幅的電流流過。另一方面，當(dāng)高頻耦合器被獨立地布置在自由空間內(nèi)時，高頻耦合器的輸入阻抗不會對應(yīng)于高頻信號傳輸路徑上的特征阻抗，進入高頻信號傳輸路徑內(nèi)的信號在高頻耦合器內(nèi)被反射，但不會向外發(fā)射，由此信號不會對其他鄰近的通信系統(tǒng)構(gòu)成影響。換言之，當(dāng)不存在通信對方時，發(fā)射器不會像過去的天線那樣發(fā)出無線電波，并且僅當(dāng)通信對方接近時，通過進行阻抗匹配來傳輸高頻電場信號。圖3示出了圖2所示的高頻耦合器的實施例?？梢韵嗤姆绞絹順?gòu)造發(fā)射器10 以及接收器20的高頻耦合器兩者。在附圖中，耦合電極14設(shè)置在由介電材料制成的隔離器15的頂表面上，并且經(jīng)由穿過隔離器15的通孔16而電連接至印刷板17上的高頻信號傳輸路徑。在同一附圖中，隔離器15大致呈圓筒形狀，并且耦合電極14大致呈圓形，但兩者并不限于某一特定形狀。例如，在具有希望高度的電介質(zhì)在其中形成有通孔16時，通孔16被填充導(dǎo)體，并且要作為耦合電極14的導(dǎo)體圖案例如通過電鍍工藝被沉積在電介質(zhì)的頂表面上。此外，起高頻信號傳輸路徑作用的配線圖案被形成在印刷板17上。然后，通過進行回流焊接，將隔離器15安裝在印刷板17上來制成高頻耦合器。根據(jù)要使用的波長來對從印刷板17(或接地部18)上的電路安裝表面至耦合電極14的高度(S卩，通孔16的長度(相位高度))進行適當(dāng)?shù)恼{(diào)節(jié)，使得能夠使通孔16具有感應(yīng)性，并用于替代圖2所示的串聯(lián)電感器12。此外， 高頻信號傳輸路徑經(jīng)由芯片狀并聯(lián)電感器13連接至接地部18。以下將說明發(fā)射器10那側(cè)的耦合電極14中產(chǎn)生的電磁場。如圖1及圖2所示，耦合電極14連接至高頻信號傳輸路徑的一端，并在高頻信號從發(fā)射電路單元11輸出并在其中流過的情況下累積電荷。此時，經(jīng)由傳輸路徑流入耦合電極14的電荷因串聯(lián)電感器12以及并聯(lián)電感器13所形成的諧振單元的諧振效應(yīng)而增大，由此累積了更大的電荷。此外，接地部18被設(shè)置為面對耦合電極14以分離開相對于高頻信號的波長可忽略的高度(相位高度)。然后，如果如上所述電荷被累積在耦合電極14中，則鏡像電荷被累積在接地部18中。如果點電荷Q位于平面導(dǎo)體外部，則在平面導(dǎo)體內(nèi)設(shè)置鏡像電荷-Q (其為虛擬并且替代表面電荷分布)，但這是在諸如Tadashi Mizoguchi所著的 “Electromagnetics” (54至57頁，Shokabo)的現(xiàn)有技術(shù)中描述的方式。因為如上所述點電荷Q以及鏡像電荷-Q被累積，故形成微小偶極子 (infinitesimal dipole)，其由將在耦合電極14中累積的電荷的中心與在接地部18中累積的鏡像電荷的中心連接的線段形成。嚴格上講，電荷Q以及鏡像電荷-Q具有體積，并且微小偶極子被形成使得電荷的中心與鏡像電荷的中心彼此相連。這里所述的“微小偶極子”指“在電偶極子的電荷之間具有極短距離的偶極子”。例如，^suto Mushiake所著的"Antennas and Propagation”(16至18頁，Corona)也描述了“微小偶極子”。此外，微小偶極子引發(fā)產(chǎn)生電場的橫向波分量E0、電場的縱向波分量&以及微小偶極子外圍的磁場H4lt5圖4示出了微小偶極子的電場。此外，圖5示出了電場匹配在耦合電極上的狀態(tài)。 如圖所示，電場的橫向波分量&沿與傳播方向垂直的方向振蕩，而電場的縱向波分量&沿與傳播方向平行的方向振蕩。此外，在微小偶極子的外圍產(chǎn)生磁場I。以下公式(1)至(3) 表示出由微小偶極子產(chǎn)生的電磁場。在公式中，與距離R的立方成反比的分量是靜態(tài)電磁場，與距離R的平方成反比的分量是感應(yīng)電磁場，而與距離R成反比的成分是輻射電磁場。
權(quán)利要求
1.一種高頻耦合器，包括 接地部；耦合電極，其面向所述接地部，并且被支撐成間隔開相對于高頻信號的波長可忽略的高度；以及諧振單元，其用于使經(jīng)由傳輸路徑流入所述耦合電極的電流增大； 其中，所述耦合電極在具有第一極性的電荷被累積的位置處具有彎折部分，使得當(dāng)高頻信號經(jīng)由所述傳輸路徑向所述耦合電極輸入并產(chǎn)生駐波時，具有第二極性的電荷在朝向電場的輻射方向的前面中聚集；并且其中，形成微小偶極子，所述微小偶極子由將累積在所述耦合電極中的電荷的中心與累積在所述接地部中的鏡像電荷的中心連接的線段構(gòu)成，并且朝向彼此面對布置使得沿所述微小偶極子的方向形成的角度θ大致為0度的通信對方側(cè)的高頻耦合器發(fā)送所述高頻信號。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高頻耦合器，其中，所述彎折部分形成在從所述耦合電極的末端起的每個約1/2波長的奇數(shù)倍的部分中。
3.一種通信裝置，包括通信電路單元，其執(zhí)行對傳輸數(shù)據(jù)的高頻信號的處理； 高頻信號的傳輸路徑，其連接至所述通信電路單元； 接地部；耦合電極，其面向所述接地部，并且被支撐成間隔開相對于所述高頻信號的波長可忽略的高度；以及諧振單元，其用于使經(jīng)由所述傳輸路徑流入所述耦合電極的電流增大； 其中，所述耦合電極在具有第一極性的電荷被累積的位置處具有彎折部分，使得當(dāng)高頻信號經(jīng)由所述傳輸路徑向所述耦合電極輸入并產(chǎn)生駐波時，具有第二極性的電荷在朝向電場的輻射方向的前面中聚集；并且其中，形成微小偶極子，所述微小偶極子由將累積在所述耦合電極中的電荷的中心與累積在所述接地部中的鏡像電荷的中心連接的線段構(gòu)成，并且朝向彼此面對布置使得沿所述微小偶極子的方向形成的角度θ大致為0度的通信對方側(cè)的高頻耦合器發(fā)送所述高頻信號。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的通信裝置，其中，所述彎折部分形成在從所述耦合電極的末端起的每個約1/2波長的奇數(shù)倍的部分中。
全文摘要
本發(fā)明涉及高頻耦合器及通信裝置。該高頻耦合器包括接地部；耦合電極，其面向接地部，并且被支撐成間隔開相對于高頻信號的波長可忽略的高度；以及諧振單元，其用于使經(jīng)由傳輸路徑流入耦合電極的電流增大；其中，耦合電極在具有第一極性的電荷被累積的位置處具有彎折部分，使得當(dāng)高頻信號經(jīng)由傳輸路徑向耦合電極輸入并產(chǎn)生駐波時，具有第二極性的電荷在朝向電場的輻射方向的前面中聚集；并且其中，形成微小偶極子，所述微小偶極子由將累積在耦合電極中的電荷的中心與累積在接地部中的鏡像電荷的中心連接的線段構(gòu)成，并且朝向彼此面對布置使得沿微小偶極子的方向形成的角度θ大致為0度的通信對方側(cè)的高頻耦合器發(fā)送高頻信號。
文檔編號H04B5/00GK102195115SQ20111005484
公開日2011年9月21日 申請日期2011年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2010年3月12日
發(fā)明者和城賢典 申請人:索尼公司