CN101794933A

CN101794933A - 接近型天线和无线通信机

Info

Publication number: CN101794933A
Application number: CN201010115811A
Authority: CN
Inventors: 米田贞春; 松浦利典; 福永达也
Original assignee: TDK Corp
Current assignee: TDK Corp
Priority date: 2009-01-30
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2010-08-04
Anticipated expiration: 2030-02-01
Also published as: US20100194660A1; JP2010200309A; US8378917B2; CN101794933B

Abstract

本发明提供一种与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所的接近型天线。接近型天线(10)的特征在于具有：布线图案(12)，其从信号端(12a)朝向接地端(12b)沿水平面内的预定方向卷绕而成；以及布线图案(13)，其从信号端(13a)朝向接地端(13b)沿水平面内的上述预定方向的反方向卷绕而成，在垂直方向上并列设置布线图案(12)和布线图案(13)。由此，能够用1匝的布线宽度得到螺旋线圈几匝的特性，因此与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所。

Description

接近型天线和无线通信机

技术领域

本发明涉及接近型天线和搭载有该接近型天线的无线通信机。

背景技术

近年来，便携电话等小型无线设备的高性能化非常惊人，与非接触型IC卡(例如，依据NFC(Near Field Communication：近场通信)标准的IC卡。具体而言为MIFARE(注册商标)或Felica(注册商标)等)对应的小型无线设备也已经上市。在这种小型无线设备中，搭载有MHz频带的频率上的非接触通信用天线(以下称作接近型天线)。

作为接近型天线，一般使用在印刷基板上通过蚀刻加工而形成的几匝螺旋线圈(例如参照专利文献1)。设为几匝是因为在少于几匝的匝数时不能得到充分的通信特性。另外，还公知有在小型无线设备的壳体内面卷绕几次金属丝而作为接近型天线的例子，但是存在形状容易变形、天线特性容易产生波动和通信距离变短的情况等。

转变话题而言，作为谐振器的一种结构，公知有称作交叉指型耦合的结构。该结构邻近排列一对板状的谐振器，使各个开放端(信号供给端)和短路端彼此相对，具有以下特征：以谐振器单体的谐振频率为中心，分离为高低(以下将该分离的状态称作混合谐振模式)。在交叉指型耦合谐振器中，通过将较低的谐振频率设为工作频率，与在单体中进行使用的情况相比能够减短各谐振器的长度，并且能够得到良好的平衡特性。此外，导体损耗也变少。在专利文献2的[0038]段～[0055]段中，详细说明了以上情况。

专利文献1：日本特开2005-93867号公报

专利文献2：日本特开2007-60618号公报

但是，伴随小型无线设备的高性能化，使用部件件数也日益增大。在这种状况下，例如，上述接近型天线为纵向40mm、横向30mm、3匝的布线宽度为4mm时，作为小型无线设备的搭载部件，占用面积极大，从而缩小了其他部件的设置场所。不仅如此，还具有以下问题：仅仅是附近(特别是线圈导体的正下方)存在金属制的部件，就能导致接近型天线的天线特性恶化，接近型天线成为部件布置上的难题。

发明内容

由此，本发明的一个目的在于，提供一种与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所的接近型天线和搭载有该接近型天线的无线通信机。

用于达到上述目的的本发明的接近型天线的特征在于，具有：第1环形天线，其从信号端朝向接地端沿水平面内的预定方向卷绕而成；以及第2环形天线，其从信号端朝向接地端沿水平面内的所述预定方向的反方向卷绕而成，在垂直方向上并列设置所述第1环形天线和所述第2环形天线。

根据本发明，能够用1匝的布线宽度得到螺旋线圈几匝的特性。由此，与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所。

此外，在上述接近型天线中，也可以还具有基板，该基板由绝缘性材料构成，所述第1环形天线形成在所述基板的一个面上，所述第2环形天线形成在所述基板的另一个面上。由此，能够使用基板的两面，在垂直方向上并列设置第1环形天线和第2环形天线。

此外，在上述接近型天线中，也可以是所述基板具有：第1至第3焊盘电极，它们形成在所述一个面上；第4至第6焊盘电极，它们形成在所述另一个面上；第1通孔导体，其连接所述第1焊盘电极和所述第4焊盘电极；第2通孔导体，其连接所述第2焊盘电极和所述第5焊盘电极；以及第3通孔导体，其连接所述第3焊盘电极和所述第6焊盘电极，所述第1焊盘电极与所述第1环形天线的信号端连接，所述第2焊盘电极与所述第1环形天线的接地端连接，所述第5焊盘电极与所述第2环形天线的接地端连接，所述第6焊盘电极与所述第2环形天线的信号端连接。由此，能够将基板的两面设为对称结构，因此容易进行在通信机内设置接近型天线时的设计。

此外，本发明的无线通信机的特征在于，搭载上述各接近型天线。

根据本发明，可提供与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所的接近型天线。

附图说明

图1是示出本发明的优选实施方式的接近型天线的概观的概略立体图。

图2(a)和图2(b)分别是从表面和背面观察本发明的优选实施方式的接近型天线而得到的平面图。

图3是示出与本发明的优选实施方式的接近型天线的连接关系的示意图。

图4(a)是具有彼此交叉指型耦合的谐振器的天线的平面图。图4(b)是示出在将图4(a)所示的天线的工作频率设为谐振频率f₁时，流过各谐振器的电流和在各谐振器中产生的电场E的分布的图。图4(c)是示出在将图4(a)所示的天线的工作频率设为谐振频率f₂时，流过各谐振器的电流和在各谐振器中产生的电场E的分布的图。图4(d)、图4(e)都是沿图4(a)的A-A′线的剖视图。在图4(d)中，示出在将图4(a)所示的天线的工作频率设为谐振频率f₁时，在各谐振器的周围产生的磁场H的分布。在图4(e)中，示出在将图4(a)所示的天线的工作频率设为谐振频率f₂时，在各谐振器的周围产生的磁场H的分布。

图5(a)是示出使用本发明的优选实施方式的接近型天线的小型无线通信机的电路结构的图。图5(b)是示出不将接近型天线的各布线图案的另一端与接地连接时的小型无线通信机的电路结构的例子的图。

图6是示出本发明的优选实施方式的比较例1的接近型天线的概观的概略立体图。

图7是示出用于确认本发明的优选实施方式的接近型天线的效果的仿真结构的图。

图8是用对数频率示出仿真得到的“电力输送效率”的曲线图。图8(a)示出包括工作频率的比较宽的频带，图8(b)仅示出工作频率附近的比较窄的频带。

图9(a)是示出本发明的优选实施方式的实施例2的接近型天线的概观的概略立体图。图9(b)是示出本发明的优选实施方式的比较例2的接近型天线的概观的概略立体图。

图10是示出用于确认本发明的优选实施方式的接近型天线的效果的实验结构的图。

图11是示出使用本发明的优选实施方式的变形例的包括匹配电路的接近型天线的小型无线通信机的电路结构的图。

标号说明

10：接近型天线；11：基板；11a：凸起；11v：开口部；12、13：布线图案；20～22、30～32：焊盘电极；40～42：通孔导体；50：通信电路主体部；51：滤波器；52：匹配电路；60：磁片；61：金属片；62、63：读写器；64：匹配电路；65：通信电路；PL1、PL2：信号线。

具体实施方式

以下，参照附图对本发明的优选实施方式进行详细说明。

图1是示出本实施方式的接近型天线10的概观的概略立体图。此外，图2(a)和图2(b)分别是从表面和背面观察接近型天线10而得到的平面图。此外，图3是示出与接近型天线10的连接关系的示意图。

如图1和图2所示，接近型天线10具有：具有凸缘状的凸起11a的大体环状的基板11、形成在基板11的表面上的大体环状的布线图案12(第1环形天线)、形成在基板11的背面上的大体环状的布线图案13(第2环形天线)、形成在凸起11a的表面上的焊盘电极20～22(第1至第3焊盘电极)、形成在凸起11a的背面上的焊盘电极30～32(第4至第6焊盘电极)和形成在凸起11a上的通孔导体40～42(第1至第3通孔导体)。

此外，不是必须具有凸缘状的凸起11a。即，形成焊盘电极的场所不一定是凸起11a，还可能在例如基板11的环状部分上形成焊盘电极。

基板11由玻璃环氧树脂、聚酰亚胺、聚乙烯、芳纶、酚醛纸、环氧纸、聚酯和陶瓷等绝缘性材料构成。除凸起11a外的基板11的外形成为长方形。此外，基板11的中央(用布线图案12和13包围的部分)成为中空的开口部11v。

布线图案12、13，焊盘电极20～22、30～32以及通孔导体40～42由铝、铜、银、镍和金等导体材料构成。如后所述，布线图案12、13构成1匝的环形天线，因此布线图案12、13的导体宽度与布线宽度相等。

从基板11的表面侧观察，布线图案12构成从一端12a朝向另一端12b在水平面内沿逆时针方向卷绕的1匝的环形天线(第1环形天线)。两端12a、12b分别与焊盘电极20、21连接。此外，从基板11的表面侧观察，布线图案13构成从一端13a朝向另一端13b在水平面内沿顺时针方向卷绕的1匝的环形天线(第2环形天线)。两端13a、13b分别与焊盘电极32、31连接。焊盘电极20和30、焊盘电极21和31、焊盘电极22和32分别设置在基板11的表背的相互对应的位置上，分别通过通孔导体40～42连接。

如图3所示，在使用接近型天线10时，一端12a(焊盘电极20)和一端13a(焊盘电极22)与一对信号线PL1、PL2连接。并且，另一端12b、13b(焊盘电极21)均与接地连接。列举信号线PL1、PL2的具体例子时，能够列举在依据NFC(Near Field Communication：近场通信)标准的IC卡中使用的信号线，更具体而言，在差动传输方式(差动方式)中使用的信号线。此时，接近型天线10可搭载在IC卡或具有IC卡功能的便携电话等小型无线通信机上。

如图3所示，根据以上那样的结构，布线图案12的两端12a、12b分别构成开放端(信号供给端)和短路端，布线图案13的两端13a、13b分别构成开放端(信号供给端)和短路端。此外，布线图案12的开放端和布线图案13的短路端，布线图案13的开放端和布线图案12的短路端分别相对。即，接近型天线10具有与上述的交叉指型耦合谐振器相当的结构。

此处，针对交叉指型耦合进行详细说明。

图4(a)是具有彼此交叉指型耦合的谐振器12、13的天线10的平面图。图4(b)是示出在将天线10的工作频率设为谐振频率f₁时，流过谐振器12、13的电流i₁、i₂和在谐振器12、13中产生的电场E的分布的图。图4(c)是示出在将天线10的工作频率设为谐振频率f₂时，流过谐振器12、13的电流i₁、i₂和在谐振器12、13中产生的电场E的分布的图。图4(d)、图4(e)都是沿图4(a)的A-A′线的剖视图。在图4(d)中，示出在将天线10的工作频率设为谐振频率f₁时，在谐振器12、13的周围产生的磁场H的分布。另一方面，在图4(e)中，示出在将天线10的工作频率设为谐振频率f₂时，在谐振器12、13的周围产生的磁场H的分布。在图4(d)、图4(e)中，还示出了电流i₁、i₂的方向。

如图4(a)所示，天线10具有以下的结构：邻近排列一对谐振器12、13，使各个开放端(信号供给端)和短路端彼此相对。天线10的谐振频率f₁、f₂以谐振器单体中的谐振频率f₀为中心，向高低(谐振频率f₁、f₂)分别分离频率间隔D，耦合的程度越强，谐振频率f₁、f₂越从谐振频率f₀偏离。即，谐振频率f₀和f₁以及谐振频率f₀和f₂的频率间隔D变长。

谐振器越短谐振器单体中的谐振频率f₀越高，但是在天线10中，能够得到更低频带的谐振频率f₂。由此，通过将谐振频率f₂设为工作频率，与在单体中进行使用的情况相比能够减短谐振器12、13的长度。

而且，将谐振频率f₂设为工作频率还有其他的优点。在将谐振频率f₂设为工作频率时，如图4(c)所示，流过谐振器12、13的电流i₁、i₂成为相同方向的电流，并且，在谐振器12和谐振器13中左右对称的位置上电场E的相位彼此差异180°。即，反相激励电磁波，因此在将谐振频率f₂设为工作频率的情况下，能够在平衡特性优异的状态下传输在差动传输方式(差动方式)中使用的平衡信号。即，构成为发送从一对信号线PL1、PL2输入的平衡信号来作为电磁波的发送天线，或者构成为从一对信号线PL1、PL2输出在天线10中接收到的电磁波来作为平衡信号的接收天线。

此外，如图4(e)所示，对于在谐振器12、13的周围产生的磁场H的分布，在将谐振器12、13视为一个导体的情况下，产生的分布相等。这意味着导体厚度虚拟变厚，由此，导体损耗变少。

与此相对，在将谐振频率f₁设为工作频率的情况下，不能得到以上的优点。即，在将谐振频率f₁设为工作频率的情况下，如图4(b)所示，流过谐振器12、13的电流i₁、i₂彼此成为反方向的电流，并且，在谐振器12和谐振器13中电场E的相位变成相同。即，同相激励电磁波，因此在差动传输方式(差动方式)中使用的平衡信号的平衡特性恶化。此外，如图4(d)所示，磁场H在谐振器12和谐振器13中彼此抵消，因此电损耗变大。

交叉指型耦合具有以上那样的特性，因此在接近型天线10中，通过将较低的谐振频率f₂用作工作频率，与在单体中进行使用的情况相比，能够缩短各布线图案的长度，并且能够实现良好的平衡特性和较少的导体损耗。

此外，为了获得上述效果，接近型天线10的各布线图案的另一端12b、13b必须与接地连接。以下详细进行说明。

图5(a)是示出使用接近型天线10的小型无线通信机的电路结构的图。如该图所示，在小型无线通信机上搭载有非接触型IC卡的主体部50。主体部50具有端子Tx1、Tx2，分别与上述信号线PL1、PL2连接。在信号线PL1、PL2上设置有滤波器51和匹配电路52。

如图5(a)所示，滤波器51按照各信号线具有LC滤波器，构成LC滤波器的电容设置在各信号线和接地之间。此外，匹配电路52也按照各信号线具有由两个电容构成的匹配电路，分别设置在一个电容与接地之间。此外，如上所述，接近型天线10的各布线图案的另一端12b、13b均与接地连接。可以看出通过设为这样的电路结构，从电路侧观察，布线图案12和布线图案13作为各个天线发挥作用。由此，各布线图案12、13交叉指型耦合，以各布线图案单体中的谐振频率为中心，将谐振频率分离为高低。并且由此，如上所述，与在单体中进行使用的情况相比，能够缩短各布线图案的长度，并且能够实现良好的平衡特性和较少的导体损耗。

如图5(b)所示，在接近型天线10的各布线图案的另一端12b、13b不与接地连接的情况下，可以看出，从电路侧观察，布线图案12和布线图案13作为一个天线发挥作用。由此，在这种电路结构中，各布线图案12、13不交叉指型耦合，不能得到上述效果。

根据以上所说明的接近型天线10，接近型天线10通过具有与交叉指型耦合相当的结构，与以往相比能够缩短布线图案12、13的长度，并且能够实现良好的平衡特性和较少的导体损耗。具体而言，能够用1匝的布线宽度得到螺旋线圈几匝的特性。

以下，示出仿真和实验的结果，并且针对上述效果更具体进行说明。此外，在仿真中，使用以下说明的实施例1和比较例1，在实验中，使用以下说明的实施例2和比较例2。

首先，针对仿真进行说明。

图1和图2示出实施例1的接近型天线10。在该接近型天线10中，将基板11的高度h1设为大约40mm，将宽度w1设为大约30mm。此外，将布线图案12、13的导体宽度w3设为大约1.0mm。由此，布线宽度也为大约1.0mm。此外，将构成布线图案12、13的铜箔的厚度设为35μm。此外，将基板11的空白部分的宽度设为大约0.1mm。由此，基板11的开口部11v的大小成为高度h2为大约37.6mm，宽度w2为大约27.6mm。

图6是示出比较例1的接近型天线100的概观的概略立体图。该接近型天线100具有环状的基板101、和形成在基板101的表面上的螺旋线圈102。螺旋线圈102的两端102a、102b与一对信号线(未图示)连接。基板101的大小与接近型天线10相同，为大约40mm×大约30mm，将螺旋线圈102的导体宽度设为大约1.3mm。此外，将构成螺旋线圈102的铜箔的厚度设为35μm。此外，将螺旋线圈102的线间距离和基板101的空白部分的宽度设为大约0.1mm。螺旋线圈102有3匝，因此布线宽度比接近型天线10宽，包括导体间的空白而成为4.3mm。此外，基板101的开口部101v的大小为大约31.4mm×大约21.4mm。

图7是示出本仿真的结构的图。如该图所示，假定在各接近型天线的基板的背面侧，依次贴上磁片60和金属片61。这虚拟再现了小型无线通信机内的环境。此外，使市场有售的RFID读写器62与接近型天线10、100露出的表面接近，在该状态下向RFID读写器62输入电力时，使用Anasoft公司的电磁场分析软件HFSS仿真了传递到接近型天线10、100的电力量。具体而言，仿真了出现在接近型天线10的焊盘电极20、22之间的电力、和出现在接近型天线100的一端102a与另一端102b之间的电力。将由此得到的电力值称作“电力输送效率(还称作电力输送特性或S21值)”，值越大意味着传导越多电力。

此外，作为设置在RFID读写器62侧的天线，使用与接近型天线100相同的螺旋线圈，其大小为大约104mm×大约67mm。这实际上模拟了用于检票机的天线。进行了使各天线的中心轴一致的状态的仿真。

图8(a)、图8(b)是用对数频率示出本仿真得到的“电力输送效率”的曲线图。图8(a)示出包括工作频率f₂(＝13.56MHz)的比较宽的频带，图8(b)仅示出工作频率f₂附近的比较窄的频带。如该图所示，在接近型天线10和接近型天线100中，包括工作频率f₂下的“电力输送效率”，得到了大致相同的结果。该结果示出通过1匝的布线宽度的接近型天线10，能够得到与螺旋线圈3匝的布线宽度的接近型天线100相同的特性。

接着，对实验进行说明。

图9(a)是示出实施例2的接近型天线10的概观的概略立体图。虽然未示出背面，但是与图2(b)所示的接近型天线10同样地，形成了布线图案13等。在该接近型天线10中，将基板11设为大约35mm见方的正方形。此外，将布线图案12、13的导体宽度设为大约1.0mm。由此，布线宽度也为大约1.0mm。此外，将构成布线图案12、13的铜箔的厚度设为35μm。此外，将基板11的空白部分的宽度设为大约0.1mm。由此，基板11的开口部11v的大小为大约32.6mm见方。

图9(b)是示出比较例2的接近型天线100的概观的概略立体图。该比较例的接近型天线100也具有环状的基板101、和形成在基板101的表面上的螺旋线圈102。螺旋线圈102的两端102a、102b与一对信号线(未图示)连接。将基板101的大小和螺旋线圈102的导体宽度设为与接近型天线10的大小和宽度相同。即，将基板101的大小设为大约35mm见方，将螺旋线圈102的导体宽度设为大约1.0mm。此外，将构成螺旋线圈102的铜箔的厚度设为35μm。此外，将螺旋线圈102的线间距离和基板101的空白部分的宽度设为大约0.5mm。螺旋线圈102有4匝，因此布线宽度比接近型天线10宽，包括导体间的空白而成为6.5mm。此外，基板101的开口部101v的大小成为大约22mm见方。

图10是示出本实验的结构的图。如该图所示，使市场有售的RFID读写器63与接近型天线10、100接近，在该状态下从RFID读写器63输出了读取信号。通信电路65经由匹配电路64安装在接近型天线10、100上，能够检测在接近型天线10、100中接收到的上述读取信号。

此外，作为设置在RFID读写器63侧的天线，使用与接近型天线100相同的螺旋线圈，其大小为大约54mm×大约35mm。此外，将接近型天线10、100和RFID读写器63侧的天线都设为空芯(没有金属等的周围环境的状态)，在使各天线的中心轴一致的状态下进行了实验。

以上那样的实验的结果是，接近型天线10、100的最大可通信距离分别为56mm、52mm。因此，能够理解通过1匝的布线宽度的接近型天线10，能够得到与螺旋线圈4匝的布线宽度的接近型天线100同等以上的特性。

如以上说明的那样，根据接近型天线10，能够用1匝的布线宽度得到螺旋线圈几匝的特性。由此，与以往相比能够较宽确保其他部件的设置场所(基板11的开口部11v)。此外，布线所占的面积较小，因此背面金属的影响也变少。

此外，在接近型天线10中，能够使用基板11的两面，在垂直方向上并列设置布线图案12和布线图案13。由此，即使各为1匝，布线宽度也为1匝即可。

此外，将基板11的两面设为对称结构，因此容易进行在通信机内设置接近型天线10时的设计。

以上，针对本发明的优选实施方式进行了说明，但是本发明丝毫不限于这样的实施方式，本发明在不脱离其主旨的范围内，当然可以利用各种形式进行实施。

例如，在上述实施方式中，在基板11上设置了开口部11v，但是即使不设置开口部11v，作为接近型天线10的天线特性也不会变化。由此，在依据其他部件的具体的设置形式和形状等为不必要的情况下，也可以不设置开口部11v。

此外，匹配电路52的具体电路结构不限于图5(a)所示的电路结构。在图11中，示出了包括另外一个例子的匹配电路52的小型无线通信机的电路结构。将该例子与图5(a)所示的例子进行比较时，间插在信号线中的电容、和连接在信号线与接地之间的电容的位置关系相反。即，在图5(a)的例子中，前一个电容靠近接近型天线10配置，但是在图11的例子中，后一个电容靠近接近型天线10配置。由此，在匹配电路52中能够采用各种电路结构。

Claims

1.一种接近型天线，其特征在于，该接近型天线具有：

第1环形天线，其从信号端朝向接地端沿水平面内的预定方向卷绕而成；以及

第2环形天线，其从信号端朝向接地端沿水平面内的所述预定方向的反方向卷绕而成，

在垂直方向上并列设置所述第1环形天线和所述第2环形天线。

2.根据权利要求1所述的接近型天线，其特征在于，

该接近型天线还具有基板，该基板由绝缘性材料构成，

所述第1环形天线形成在所述基板的一个面上，所述第2环形天线形成在所述基板的另一个面上。

3.根据权利要求2所述的接近型天线，其特征在于，

所述基板具有：

第1至第3焊盘电极，它们形成在所述一个面上；

第4至第6焊盘电极，它们形成在所述另一个面上；

第1通孔导体，其连接所述第1焊盘电极和所述第4焊盘电极；

第2通孔导体，其连接所述第2焊盘电极和所述第5焊盘电极；以及

第3通孔导体，其连接所述第3焊盘电极和所述第6焊盘电极，

所述第1焊盘电极与所述第1环形天线的信号端连接，

所述第2焊盘电极与所述第1环形天线的接地端连接，

所述第5焊盘电极与所述第2环形天线的接地端连接，

所述第6焊盘电极与所述第2环形天线的信号端连接。

4.一种无线通信机，其特征在于，该无线通信机搭载有权利要求1至3中的任意一项所述的接近型天线。