CN101901369B - 通信装置、天线装置以及通信系统 - Google Patents

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    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop

Abstract

本发明涉及通信装置、天线装置以及通信系统。一种通信装置包括：导体面；第一回路天线，隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；第二回路天线，其回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠；通信电路，其对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理。

Description

通信装置、天线装置以及通信系统
技术领域
本发明涉及通信装置，该通信装置以非接触通信方式作为发送请求命令的读取器/写入器(发起设备)或作为响应于请求命令而返回响应命令的应答器(目标)来执行通信操作，还涉及非接触通信中所用的天线装置。尤其是，本发明涉及通过回路天线(loop antenna)电磁感应来执行非接触通信的通信装置、天线装置和通信系统。
背景技术
在一种通信系统中，自身不带有电波发生源的通信终端以无线方式将数据发送到通信对手(counterpart)，作为这样一种通信系统，被称为射频识别(RFID)系统的非接触通信系统被应用于许多非接触式IC卡。RFID系统包括作为应答器(transponder)的集成电路(IC)卡，以及从该IC卡读取或向该IC卡写入信息的装置(下文中称为“读取器/写入器”)。读取器/写入器通过最初输出电磁波(即，在通信中作为发起方)来开始互通(intercommunication)，所以也称为发起设备(initiator)。应答器(例如IC卡)是响应于来自发起设备的命令(互通开始请求)而返回响应(互通开始响应)的目标。
可应用于RFID的非接触式通信技术类型的示例包括静电耦合型、电磁感应型以及电波通信型。另外，根据通信距离，RFID系统可以划分成三种类型，即：紧密耦合(close-coupled)型(0到2mm或更短)、接近(proximity)型(0到10cm或更短)以及邻近(vicinity)型(0到70cm或更短)，并例如由国际标准ISO/IEC 15693、ISO/IEC 14443和ISO/IEC15693来分别定义。在这些类型中，符合ISO/IEC 14443的接近型IC卡标准例如包括A型、B型和
此外，由Sony Corporation和Koninklijke Philips Electronics N.V.开发的近场通信(NFC)是主要定义了NFC通信装置(读取器/写入器)规范的RFID标准并在2003年12月成为国际标准ISO/IEC IS 18092，所述NFC通信装置可与A型和FeliCa的IC卡通信。NFC通信技术继承了SonyCorporation的Felica和Koninklijke Philips Electronics N.V.的Mifare，后两者广泛应用于非接触式IC卡；通过使用13.56MHz的波段，能够通过电磁感应来执行接近型(10cm量级)的非接触式双向通信(NFC不仅定义了卡与读取器/写入器之间的通信，而且定义了多个读取器/写入器之间的主动式通信)。
过去的非接触式通信主要针对支付和个人认证，106kbps至424kbps的通信速率就足够了。但是，考虑到用与以前相同的存取时间(accesstime)来交换大容量数据的各种应用(例如流传输)，通信速率被提高。例如，在FeliCa通信中定义了212kbps的倍数，例如424kbps、848kbps、1.7Mbps或3.4Mbps，目前主要使用212kbps或424kbps。将来，通信速率可能被增大到848kbps、1.7Mbps或3.4Mbps。
图16图示了NFC通信系统的基本构造。NFC通信系统包括开始通信的发起设备以及作为通信目标的目标。
具体而言，发起设备是服从NFC的读取器/写入器(R/W)，其以读取器/写入器模式工作。作为发起设备的读取器/写入器通过主机接口(例如通用异步接收器-发送器(UART))连接到主机装置。主机装置对应于个人计算机(PC)和读取器/写入器内的嵌入式中央处理单元(CPU)。目标是应答器，例如服从NFC的卡，或者以卡模式工作的、服从NFC的读取器/写入器(目标的这些示例也在下文中简单地统称为卡)。卡可以是独立的，也可以连接到主机装置。
在被动式互通中，发起设备对从其发射的13.56MHz载波信号执行幅移键控(ASK)调制，以叠加发送数据来发送到目标。目标用从发起设备发送的13.56MHz未调制载波执行负载调制，以将发送数据发送到发起设备。在主动式互通中，发起设备和目标各自对从它们发射的13.56MHz载波信号执行ASK调制，以叠加发送数据来发送到其通信对手。
在从主机装置接收了通信开始命令时(参考图16中的(1))，发起设备首先发送载波。然后，为了确认通信空间中是否存在目标，发起设备通过该标准(关于载波频率、数据调制速度和数据细节)中定义的技术来发送响应请求信号(参考图16中的(2))。
作为对比，目标首先通过由发起设备发送的载波的感应反电动势供电而被启动，并进入可接收状态，随后，目标接收从发起设备发送的响应请求信号。然后，当所接收的响应请求信号是与其自身类型匹配的信号时，目标通过由该标准(关于数据调制速度、响应时机和数据细节)定义的技术对来自发起设备的未调制载波执行负载调制，以由响应信号作出响应(参考图16中的(3))，所述响应信号包括其自身标识信息。
在从目标接收到响应信号时，发起设备向主机装置发送该信息(参考图16中的(4))。在识别了通信空间中存在的目标数目以及各个目标的识别信息后，主机装置转变到根据操作程序(固件)来与具体目标通信的阶段。这样，建立的被动式互通。在建立了通信之后，发起设备通常在所需通信结束之前继续输出载波，以向目标发送所需的功率。
像上述响应请求操作一样，在数据通信时，通过对从发起设备到目标的载波进行强度调制，并对从目标到发起设备的未调制载波进行负载调制，来执行数据传输。
图17主要图示了电磁感应型非接触式通信系统的感应耦合部分的结构示例。利用发起设备10和目标30中分别包含的天线谐振电路12和32之间的电磁耦合，米发送和接收信息信号。
发起设备10的天线谐振电路12包括电阻器R1、电容器C1和作为回路天线的线圈L1，并将处理单元11产生的信息信号向目标30发送。天线谐振电路12还从目标30接收信息信号以供给处理单元11。这里，预先基于电容器C1的电容和线圈L1的电感来将对于天线谐振电路12唯一的谐振频率设定在预定值。作为回路天线的线圈L1以耦合系数K13磁性耦合到下文进一步说明的目标30的线圈L2。
另一方面，目标30的天线谐振电路32包括电阻器R2、电容器C2以及作为回路天线的线圈L2，并向读取器/写入器(发起设备)10的天线(线圈L2)发送由处理单元31产生并由负载切换调制电路33调制的信息信号。天线谐振电路32还从读取器/写入器接收信息信号以供给处理单元31。这里，天线谐振电路32的谐振频率被预先基于电容器C2的电容和线圈L2的电感而设定在预定值。作为回路天线的线圈L2以耦合系数K13磁性耦合到上述发起设备10的线圈L1。
图18图示了普通的服从NFC卡的天线形状。在所示的天线形状中，在85.6mm×54.0mm的普通IC卡形状中沿着卡的外周边形成矩形天线线圈以确保功率足够大，上述IC卡形状是由用于FeliCa、RC-S860等的标准(例如ISO/IEC 7816-2和JIS 6301-II)定义的。这里，ISO 14443标准没有具体定义天线线圈的形状或线圈的匝数。推荐将线圈形成为围住由ISO/IEC 7816-2标准所定义的接触式IC卡所接触的地方。
当目标是包含IC芯片的无电源卡时，可以在数据通信的同时在上述非接触通信系统中由载波执行供电。这种情况下非接触通信系统的工作原理将参考图19A至图19C来说明。
图19A图示了双回路天线的等效电路，用于在从发起设备向目标进行数据通信时与这些回路天线之间的载波流磁性耦合。该发起设备对于从其自身发送的13.56MHz载波执行ASK调制以向目标进行数据传输。
图19B图示了在从目标向发起设备进行数据通信时回路天线之间的载波流以及目标方回路天线附近的等效电路。通过由电开关来改变其自身的天线负载，目标对来自发起设备的13.56MHz未调制载波执行调制(负载调制)以向发起设备进行数据传输。
图19C图示了在从发起设备向目标供电时回路天线之间的载波流以及回路天线附近的等效电路。目标对从发起设备发送的13.56MHz载波进行整流以获得电路驱动功率。
图20A和图20B分别示意性地示出了电磁波从天线传播的状态。大体上，离天线的输出短足够远(载波的波长λ的一半或更长)的位置处的电磁波以成对的磁场和电场的方式经过空气传播。即，当电流流经天线时，首先产生磁场，然后在与该磁场垂直的方向上产生电场。然后，在磁场和电场之间交替地反复改变，如这些图中所示像水波纹一样前进。波长λ等于或大于0.1mm(频率为3000GHz或更低)的电磁波称为电波。
由图20A和图20B可见，从足够远的地方辐射的电波通常具有磁场分量。在与外部无线通信设备等有关的强电波入射(参考图21B)到使用磁场耦合的非接触式通信系统(参考图21A)时，通信受到干扰并产生问题。造成通信问题的这种电波在下文中称为干扰波(jamming wave)。
在非接触式通信系统的通信特性足够好时，干扰波的影响可以忽略。但是例如，在天线之间的距离较长并且高速通信使特性劣化的情况下，干扰波的影响就变得显著。
在过去使用13.56MHz的非接触通信系统中，天线对于约13.56MHz的峰值具有强的频率响应特性，以延伸通信距离并改善通信稳定性(参考图22)。因此，该系统几乎不会受到许多消费无线通信设备中所用的90到800MHz波段(TV广播)、800MHz/1.5GHz波段、2.0GHz波段(便携式电话)、2.4GHz/5GHz波段(蓝牙通信和无线LAN)等干扰波的影响。另外，在足够低的通信速率情况下，系统在接收时对于干扰波有足够的抵抗能力。
相比之下，当为了大容量数据传输(如上所述)而提高非接触式通信系统的通信速率时，传输信号的频带也成比例地变宽。更宽的信号频带意味着平坦的频率特性，从而造成系统容易受到扰动的影响。因此，对于宽带基带通信，通常需要除去外部干扰波的机构。
作为使无线通信的特性改善的最简单的技术，可以采取使来自发送方的输出电波强度增大并在接收方提高S/N比的技术。但是，在各国制定的无线电法律中，能够由无线装置向外部辐射的电场强度和磁场强度受到限制，以防止对其他通信系统和人体健康造成不利影响。在应用于商业产品时，用于上述非接触式通信的通信装置也要遵守这样的法律规定。
图23图示了日本无线电法实施条例(Ordinance for Enforcement of theRadio Law of Japan)第44条和46-2条中规定的使用13.56MHz的非接触式通信系统(感应式读取/写入通信设备)中输出电波强度的规定。取决于从感应式读取/写入通信设备释放的电场强度，日本总务省要求的申请水平大致在下面的三种类型(1)到(3)中变化。
(1)电场强度在所有频率处都在图23所示极弱区域内的通信装置是极弱无线站，可以不向日本总务省进行任何申请。
这里，根据无线电法实际规定的值是离设备3m远的位置处电场强度等于或小于500μm/m。相比之下，在图23中，为了在同一幅图中进行图示，数值被转换到离设备10m远的位置处的数值(150μm/m)。该规定不仅适用于传导式读取/写入通信设备，而且适用于使用其他波段的无线设备。
(2)在不满足(1)中规定的磁场强度值时，只要满足下列四项条件，就可以进行针对类型的认证：载波频率为13.56MHz；载波频率的误差在50ppm以内；离设备10m远的位置处电场强度在所行频率处都在图23中的无需单独认证区域内；总体杂散功率(entire spurious power)等于或小于50μW。即，通过向总务省申请，可以获得通信装置的类型规范，对于与所申请的通信装置等效的通信装置(即，对于与所申请的通信装置相同类型的通信装置)，可以不向总务省针对每件设备的设备许可进行任何后续申请。
(3)在不满足条件(2)时，对于每件设备向总务省进行申请，以获得设备许可。
另一方面，对于从感应式读取/写入通信设备发射的磁场强度，无线电法规定六分钟的暴露量应当在0.16mA或更低。
总的来说，对从同一回路天线能够输出的电波的电场强度和磁场强度进行比较，电场强度目前受到的限制更加严格(限制到更低的值)。因此，在使用回路天线磁场耦合的非接触式通信系统中，输出电波受到电场强度的限制值的限制。这可能是非接触式通信系统的性能改善(例如延伸通信距离和提高速度)的一个障碍。
简单说来，问题如下。
(1)由于陡峭的频率特性，过去使用13.56MHz波段的非接触式通信系统不太容易受到干扰波影响。但是，为了以使接收方的通信特性(例如S/N比)改善为目的而提高输出电波强度，需要特别注意遵守无线电法规定的电场强度的限制。
(2)在宽带基带非接触式通信系统中，由于平坦的频率特性，系统容易受到干扰波的影响，需要考虑除去扰动。
日本未审查专利申请公开No.2004-153463、No.2004-166176和No.2006-5836是有关技术的示例。
发明内容
希望提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其允许通过回路天线之间的电磁感应来合适地执行非接触式通信。
还希望提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其在抑制了干扰波的影响的同时允许进行高速宽带非接触式通信。
还希望提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其能够提高输出电波强度以改善接收方的S/N比并改善无线通信的特性，同时遵守对于向外部辐射的电场和磁场的强度进行限制的法律和规定。
根据本发明的一种实施例，一种通信装置包括：导体面；第一回路天线，隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；第二回路天线，其回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠；通信电路，其对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理。
根据本发明的另一实施例，在根据上述实施例的通信装置中，所述导体面的面积充分大于所述第一回路天线和所述第二回路天线的开口形状的面积以及各个磁性片的面积。
根据本发明的另一实施例，在根据上述第一实施例的通信装置中，所述通信装置被应用于具有陡峭频率特性的非接触式通信系统，并且所述通信电路使输出电波强度增大。
根据本发明的另一实施例，在根据上述第三实施例的通信装置中，所述第一回路天线和所述第二回路天线串联连接到所述通信电路。
根据本发明的另一实施例，在根据上述第一实施例的通信装置中，所述第一回路天线和所述第二回路天线各自由经屏蔽的回路天线形成，所述经屏蔽的回路天线具有在单一衬底上形成的分层结构，所述通信电路执行宽带基带通信。
根据本发明的另一实施例，在根据上述第五实施例的通信装置中，所述第一回路天线和所述第二回路天线并联连接到所述通信电路。
根据本发明的另一实施例，一种天线装置包括：导体面；第一回路天线，隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；第二回路天线，其回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠；通信电路，其对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理。
根据本发明的另一实施例，一种通信系统包括发起设备和目标；所述发起设备包括：导体面、第一回路天线、第二回路天线和通信电路，所述第一回路天线隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；所述第二回路天线的回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠；所述通信电路对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理；所述目标包括第三回路天线和通信电路，所述第三回路天线耦合到所述第一回路天线和所述第二回路天线中任一者的磁场，所述通信电路对由所述第三回路天线发送和接收的通信信号进行处理。
本申请中所述系统是通过将多个装置(或执行具体功能的功能模块)进行逻辑连接而获得的实体，而这些装置和功能模块是否处在单一外壳中并没有影响。
根据本发明的实施例，可以提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其允许通过回路天线之间的电磁感应来合适地执行非接触式通信。
根据本发明的实施例，还可以提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其在抑制了干扰波的影响的同时允许进行高速宽带非接触式通信。
根据本发明的实施例，还可以提供优秀的通信装置、天线装置和通信系统，其能够提高输出电波强度以改善接收方的S/N比并改善无线通信的特性，同时遵守对于向外部辐射的电场和磁场的强度进行限制的法律和规定。
根据上述第一、第七和第八实施例，第一和第二回路天线的开口结构大体上形状相同并且其回路方向相反，这些回路天线布置在导体面的各个表面上从而在垂直方向上彼此对称，由各个回路天线产生的磁场能够在垂直方向上由导体面分开。另外，第一和第二回路天线还分别隔着第一和第二磁性片附装到导体面，这些磁性片吸收电波。因此，没有磁场被施加到导体面，从而防止了导体内部产生涡流。
根据上述第一、第七和第八实施例，从第一和第二回路天线输出的磁场相位相反，在天线面水平方向辐射的电波彼此抵消掉。因此，在向外部辐射的电场中，只有天线面垂直方向的分量剩下，而能够抑制沿天线面水平方向辐射的电场。
根据上述第一、第七和第八实施例，例如，当使用第一同路天线执行最初的接收操作时，对于沿天线面水平方向入射的电波而言，第二回路天线具有与第一回路天线相同的接收特性，并具有相反的回路方向。因此，第一回路天线处接收的干扰波的分量可以被第二回路天线处接收的干扰波的分量抵消掉。
根据上述第二实施例，导体面的面积充分大于第一和第二回路天线的开口形状以及磁性片。因此，导体面能够可靠地起到将第一和第二回路天线的相互作用阻断的作用。
根据上述第三实施例，例如，当用第一回路天线执行最初的发送操作时，第二回路天线可以具有对沿天线面水平方向的辐射电场进行抑制的抵消效果。结果，可以增大第一回路天线的输出电波强度并同时遵守无线电法的限制，从而改善无线通信的特性，例如改善接收方的S/N比、延伸通信距离以及改善通信稳定性。另外，在包含读取器/写入器和无电源IC卡的通信系统中，根据上述第三实施例的通信装置被应用于读取器/写入器，以在卡上产生大的感应电能。通过对该电能进行整流，可以提高所供应的电能的值。
根据上述第四实施例，具有陡峭频率特性的第一和第二回路天线被串联连接到通信电路。因此，例如，即使第一回路天线磁耦合到作为通信对手的回路天线，阻抗也不会降低，由第二回路天线抵消干扰波的效果也不会减小。
根据上述第五实施例，用经屏蔽的回路天线作为第一和第二回路天线。因此，可以用感应电磁场对静电磁场的电场分量和电磁感应型非接触式通信系统中不期望的辐射场进行屏蔽以进行合适的宽带基带通信。另外，例如，当用第一回路天线执行最初的接收操作时，第二回路天线可以具有使由第一回路天线接收的干扰波的分量被抵消的效果，以将对干扰波的抵抗力提高到实用水平。
根据上述第六实施例，第一和第二回路天线并联连接到通信电路。因此，即使在具有平坦频率特性的宽带通信中，也几乎不会发生由于传播延迟造成的天线回路之间的波形相位偏移。因此，例如在用第一回路天线执行最初的接收操作时，由第二回路天线抵消干扰波的效果不会被减小。
根据上述第八实施例，可以构造包含读取器/写入器(作为发起设备而工作)和无电源IC卡(作为应答器而工作)的非接触式通信系统。当IC卡遵循现有技术的标准时，可以不改变制造成本。另一方面，通过将一对回路天线彼此重叠的新天线装置仅应用于读取器/写入器方，可以提高输出电波强度而同时遵守无线电法的规定，从而改善无线通信的特性，例如改善IC卡方的S/N比、延伸通信距离和改善通信稳定性。
根据下文基于本发明实施例进行的详细说明以及附图，可以更了解本发明进一步的特征和优点。
附图说明
图1A图示了经屏蔽回路天线的结构示例，该天线具有形成于单一衬底上的分层结构，具体而言是由屏蔽部分形成的部件表面；
图1B图示了经屏蔽回路天线的结构示例，该天线具有形成于单一衬底上的分层结构，具体而言是实现一匝回路线圈的表面；
图1C图示了经屏蔽回路天线的结构示例，该天线具有形成于单一衬底上的分层结构，具体而言是由屏蔽部分形成的焊剂表面；
图1D图示了经屏蔽同路天线的结构示例，该天线具有形成于单一衬底上的分层结构；
图2图示了一种天线结构示例，其中，回路方向相反的通信天线和抵消天线被布置成使它们的天线回路开口位置彼此重叠；
图3图示了当图2所示天线用磁场耦合来执行通信时，从周围接收到干扰波的状态；
图4图示了两个回路天线串联连接的天线装置的结构示例；
图5图示了两个回路天线并联连接的天线装置的结构示例；
图6图示了对根据本发明实施例的天线装置(参考图4)的干扰波抑制效果进行测量的技术；
图7图示了用图6所示测量技术对根据本发明实施例的天线装置(参考图4)的干扰波抑制效果的测量结果；
图8图示了用图6所示测量技术对根据本发明实施例的天线装置(参考图4)的干扰波抑制效果的测量结果；
图9图示了用图6所示测量技术对根据本发明实施例的天线装置(参考图4)的干扰波抑制效果的测量结果；
图10图示了对只包含通信回路天线的天线装置的泄漏波进行测量的技术；
图11图示了根据图10所示测量技术对只包含通信回路天线(单一的Pasori天线)的天线装置的泄漏波的测量结果；
图12图示了从根据本发明实施例的天线装置(参考图4)输出的电波的状态；
图13图示了对从根据本发明实施例的天线装置(参考图4)沿天线面水平方向的泄漏波进行测量的技术；
图14图示了用图13所示的测量技术对根据本发明实施例的天线装置(参考图4)的干扰波抑制效果的测量结果；
图15图示了图5所示天线装置的修改示例；
图16图示了NFC通信系统的基本构造；
图17主要图示了电磁感应型非接触式通信系统的感应耦合部分的结构示例；
图18图示了普通的符合NFC的卡的天线形状；
图19A图示了非接触式通信系统的工作原理；
图19B图示了非接触式通信系统的工作原理；
图19C图示了非接触式通信系统的工作原理；
图20A示意性地图示了从天线传播的电磁波的状态；
图20B示意性地图示了从天线传播的电磁波的状态；
图21A示意性地图示了使用磁场耦合的非接触式通信系统；
图21B图示了在与外部无线通信装置等相关的强电磁波入射到使用磁场耦合的非接触式通信系统的情况下的状态；
图22图示了过去使用13.56MHz的非接触式通信系统的频率响应特性；
图23图示了日本无线电法实施条例第44条和第46-2条规定的使用13.56MHz的非接触式通信系统(感应式读取/写入通信设备)中对于输出电波强度的规定；
图24图示了经屏蔽的回路天线的结构示例；
图25图示了图24所示经屏蔽的回路天线的等效电路；
图26图示了磁通量入射到图18所示接收天线的情况下的状态；
图27图示了磁性片夹在回路天线与金属表面之间的情况下的状态；
图28图示了入射到接收方天线的磁通量穿过磁性片到外部的状态；
图29图示了产生于天线表面的上下两侧的磁场被导体面分开的状态。
具体实施方式
下面参考附图，对本发明的实施例进行详细说明。
图18图示了普通的符合NFC的卡的天线形状。所示的天线具有这样的结构：在IC卡形状中，沿着卡的外周边形成矩形天线线圈，以确保功率尽可能大。在便携式电话、移动通信装置或其他小的信息装置中包含了用于磁场耦合的这种天线时，外壳中要以高密度实现金属部件(包括电池组)。因此，假定该天线布置在金属表面附近。在此情况下，金属表面上产生涡流。通过由该涡流引起的反向磁场，抑制了通信中所用的初始磁场，从而给通信特性带来劣化。图26图示了磁通量入射到接收方天线的状态。在与导体面(例如金属部件)有关的这种磁场发生改变时，由于电磁感应而在导体中产生涡流。
为了防止在附近的金属表面上产生涡流，采取了在天线表面的与通信方向相反那侧设置磁性片以吸收电波的技术(例如参考日本未审查专利申请公开No.2004-153463、No.2004-166176和No.2006-5836)。图27图示了在回路天线与金属表面之间插入磁性片的状态。在此情况下，如图28所示，入射到接收方天线的磁通量能够穿过磁性片到外部。换言之，没有磁场被施加到导体面，因此没有涡流产生。这里，在发送方天线上，尽管最初假定磁场产生在天线表面的上下两侧，但是如图29所示，磁场只产生于上侧，因为上下的磁场被导体面分开。图27中的天线终端a和b连接到通信电路(未示出)。
另外，在无线技术领域，还使用了由同轴线制成的微环所形成的经屏蔽回路天线。经屏蔽回路天线具有对于电波的电场分量(扰动)灵敏度最低而仅对磁场分量敏感的特性，并已广泛用于磁场探头天线和便携式无线装置(包括业余无线装置)。具有经屏蔽回路天线的通信装置除去了内部噪声(静电磁场)，并接收从远距离处最初接收的信号(辐射的电磁场)的磁场分量。
图24图示了经屏蔽回路天线的结构示例。图25图示了图24所示经屏蔽回路天线的等效电路图。对于经屏蔽的回路，由同轴线形成具有半径a的导体，其核心导线被局部地拉伸，连接到导体以形成间隙。该间隙中产生的电动势经过长度为1+πa的同轴线传递，以耦合到阻抗ZS。因此，根据图25所示等效电路图，间隙的阻抗Z1是同轴线的阻抗Zo。
在本申请的说明中，发明人注意到了仅接收磁场分量这样的特性，并提出了将经屏蔽的回路天线应用于非接触式装置以进行宽带通信。
通过使用经屏蔽的回路天线，可以用感应电磁场对电磁场的电场分量以及电磁感应型非接触式通信系统中不需要的辐射场进行屏蔽以进行合适的通信。
经屏蔽的回路天线例如可以由单一衬底上的分层结构形成。图1A至图1D图示了经屏蔽的回路天线的结构示例，该天线具有单一衬底上形成的分层结构。在所示的这些示例中，在层内表面(参考图1B)上实现了具有回路长度s的一匝回路线圈，该层内表面被层叠以夹在部件表面(参考图1A)与焊剂表面(参考图1C)之间以形成图1D所示的单一衬底，所述部件表面和焊剂表面各自具有屏蔽部分。这些层通过过孔而导通。
通过使用图1D所示经屏蔽的回路天线进行的实验，发明人已经确认，在屏蔽室中能够以454Mbps的基带进行数据传输。
这里，在13.56MHz的非接触式通信系统中，天线具有以13.56MHz附近为峰值的强烈频率谐振特性。因此，在用于许多消费无线通信设备的频带的每一频带中，系统几乎不会受到干扰波的影响(如上所述)。相比之下，随着通信速率的提高，当在无谐振的情况下执行宽带基带通信时，系统可能受到来自其他消费无线通信设备的干扰波的很大影响。
在上述屏蔽室中的实验中，传输天线具有根据上述情况(1)而设定的输出值，即设定成极弱无线站中定义的泄漏电场强度以内，在该情况下，根据无线电法的规定，无需向总务省进行任何申请。但是，当在屏蔽室外部执行通信时，由于干扰波的影响而频繁地产生错误，难以用该系统作为无线通信装置。
为了避免这种情况，在本发明的实施例中，除了通过磁场耦合而执行初始通信的回路天线(下文中称为通信天线)以外，还设置了另一个回路天线(下文中称为抵消天线)以除去干扰波，该抵消天线具有相同的开口结构，但是沿相反的回路方向。这样使用了一种天线结构，其中，天线、磁性片、导体面(例如金属部件)、磁性片和天线以此顺序重叠，使得两个回路天线的开口位置刚好彼此重叠。
图2图示了天线结构的示例，其中，沿相反回路方向的通信天线和抵消天线被布置成使得它们的开口位置彼此重叠。图2中各个天线的终端a至d连接到通信电路(未示出)。该通信电路增大了过去使用13.56MHz波段的非接触式通信系统中的输出电波强度。或者，该通信电路执行宽带基带通信。
如上所述，两侧的磁性片抑制了在导体面上产生涡流。另外，导体面还起到了使上下两侧的回路天线之间的相互作用阻断的作用。为了可靠地起到这种所用，该导体的面积优选为充分地大于各个回路天线的开口形状和各个磁性片。
图3图示了当图2所示天线使用磁场耦合执行通信的时候，从周围接收干扰波的状态。通信天线和抵消天线在垂直方向上相对于导体面对称，因此对于从天线面水平方向入射的电波具有相等的接收特性。这里，通信天线和抵消天线具有沿相反方向的天线回路，因此入射电波的天线面水平方向的分量在通信电路中刚好彼此抵消。在非接触式通信中，考虑到与发起设备和应答器各自的回路天线(二者在天线面垂直方向上彼此面对)的通信，电波的天线面水平方向的分量正好是干扰波的分量。因此，根据本发明的实施例，由通信天线接收的干扰波的分量被抵消天线接收的干扰波的分量抵消掉。
在制造图2所示天线的最简单的技术中，提供两个装有磁性片的天线，然后把它们翻过来使导体面夹在它们之间，其中所述两个天线各自具有在垂直和水平方向上彼此对称(参考图27和图28)的开口形状(例如矩形)。这里，这些装有磁性片的天线具有彼此相等的关系，无需预先限定它们中哪一者用于通信而另一者用于抵消。在用这些天线之一执行通信时，另一天线自动作为抵消天线而工作。
下面将研究将通信天线和抵消天线连接到通信电路的技术。
在对于使用13.56MHz波段的非接触式通信系统的应用情况下，将两个回路天线串联看来是优选的，如图4所示。这是因为：由于回路天线具有陡峭的频率特性，所以在由于一个回路天线处开始非接触式通信而造成阻抗降低时，抵消效果不利地被减小。
注意，当流经通信天线和抵消天线的两个回路天线的高频电流彼此同相时，可以获得最大的抵消效果。如图4所示，当两个回路天线彼此串联连接时，由于这些天线回路之间的传播延迟，所以它们之间可能发生波形相位的偏移。在将13.56MHz转换成大约22m的波长时，通过将这两个回路天线相加而获得的天线回路长度最多为几十cm。此外，由于只有13.56MHz的载波频率附近的分量被用于通信，所以该相位偏移几乎没有影响。
发明人已经通过对将两个回路天线串联连接的天线装置的泄漏功率进行测量(参考图4)，确认了本发明的实施例比过去使用13.56MHz波段的非接触式通信更为有效。下面将进行进一步说明。
相比之下，对于宽带基带通信，如图5所示，假定两个回路天线优选地并联连接。但是在此情况下，经屏蔽的回路天线被用作回路天线，如上所述。
在宽带通信中，由于频率特性是平坦的，所以即使用一个回路天线进行非接触式通信也不会显著降低阻抗，因此抵消效果不会由于阻抗降低而减小。根据这个观点，没有必要将一对回路天线串联连接到通信电路。相反，在两个回路天线串联连接时，由于这些天线回路之间的传播延迟，难以忽略它们之间波形的相位偏移。此外，由于宽的频率分量被用于通信，所以相位偏移的影响增大了。例如，300MHz被转换成1m的波长，这相对于总的天线回路长度而言难以忽略。
通过实际测量，发明人已经确认，在宽带基带通信中，当两个回路天线串联连接时，抵消效果降低了，这些天线的使用受到了显著的损害。通过对抑制从天线装置(其中，两个回路天线并联连接，参考图5)周围接收的干扰波的效果进行测量，发明人还确认了本发明的实施例用于宽带基带通信的有效性，这将在下文中详细说明。
下面将说明根据本发明各种实施例的天线装置对于从远距入射的电波的接收灵敏度特性。
在图27和图28所示装有磁性片的回路天线的情况下，在相对于天线面的水平方向表现出对于从外部入射的电波的最高接收灵敏度。
另外，如图2所示，根据本发明实施例的天线装置具有这样的结构：两个装有磁性片的回路天线被布置成相对于导体面在垂直方向上彼此对称。因此，通信天线和抵消天线对于从天线面水平方向入射的电波具有相同的接收特性。此外，各个天线具有沿彼此相反方向的天线回路。因此在对接收信号进行处理时具有下述抵消效果：天线面水平方向的入射电磁波的分量刚好抵消(参考图3)。
由于抵消，在入射到天线装置的那些电波中，只有沿天线面垂直方向的电波被检测到。由于垂直方向的天线灵敏度较低，所以接收信号的信号电平非常小。
另一方面，当图2所示的天线装置在短距离内彼此面对时，在天线面垂直方向上从发送方的通信天线辐射的磁场能够由接收方的通信天线接收，但是几乎不能输入到被导体面阻断的抵消天线那侧。因此，在对接收信号进行处理时，在天线面垂直方向上入射电波的分量不会被抵消，并能够像它们作为接收信号时的情况一样受到检测。
由上述说明，根据图2所示天线装置，可以理解，对于从远距入射的干扰波的抵抗力能够被增大，而不会影响使用磁场耦合的非接触式通信的性能。
图6图示了对根据本发明实施例的天线装置的干扰波抑制效果进行测量的技术。如图所示，在屏蔽室中，双锥形天线(SME BBA 9106，30至300MHz波段)作为产生干扰波的源，与要测量的天线装置布置成彼此相距6m远。然后，天线装置被置于转台上。在使从双锥形天线接收干扰波的天线面水平方向的朝向以15度间隔进行360度旋转的同时，测量从双锥形天线辐射的144MHz和0dBm的CW信号的接收信号强度。
这里，用于测量接收信号强度的天线装置是用于宽带基带通信的天线装置，其中，两个装有图5所示磁性片的屏蔽回路天线并联连接。如图2所示，这两个回路天线布置成在垂直方向上相对于导体面对称，使得沿相反方向的这些天线回路的开口位置彼此重叠。在实验中，在对各个天线回路的开口面积进行改变的情况下执行了多种类型的测量。布置成在垂直方向上对称的这些回路天线之一作为通信天线而工作，另一者作为抑制干扰波的抵消天线而工作。
图7至图9是用图6所示测量技术对图5所示天线装置的回路天线的各个开口区域进行接收信号强度测量的结果的曲线图。在每一曲线图中，参数s表示回路天线的正方形一匝回路的周长(以mm为单位)。例如，49s表示周长为49mm的一匝回路天线。另外，带有“抵消”的数据表示图5所示具有相同开口形状的成对通信天线和抵消天线的天线装置的测量结果，而不带有“抵消”的数据表示由一个经屏蔽的回路天线形成的天线装置的测量结果。
参考图7至图9中的每个曲线图，可以看到，与不带有抵消天线的天线装置相比，图5所示带有抵消天线的天线装置具有充分的干扰波抑制效果。在带有抵消天线的天线装置的曲线图中，测量值在接近180度的方向上跌落，可能是因为在180度的方向上不存在回路，而布置了由金属制成的天线连接器。
从图7至图9所示的测量结果，看起来已经确认了两个回路天线并联连接的天线装置(参考图5)对于宽带基带通信是有效的。可以理解，在此情况下，对于干扰波的抵抗力提高到了实用水平。
下面将说明根据本发明实施例的天线装置中在通信时辐射的电波的特性。
从图27和图28所示装有磁性片的回路天线辐射的电波在相对于天线面的水平方向上表现出最强的特性，与接收灵敏度的情况一样。
图10图示了对天线装置的泄漏波进行测量的技术，该天线装置仅包括通信回路天线，与本发明的实施例不同。如图所示，在屏蔽室中，作为泄漏波源的天线装置和对泄漏波的电场强度进行检测的主动回路天线(ETS 6502)布置成彼此距离6m远。然后，要测量的天线装置被置于转台上。在使天线面垂直方向相对于主动回路天线的泄漏波传播方向的朝向以15度间隔进行360度旋转的同时，从要测试的天线装置发出载波(13.56MHz，CW)，并测量主动回路天线处的电场强度。这里，为了精确测量所辐射的电场，距离通常是波长λ的一半或更长(在13.56MHz时略大于10m)。但是在实验中，由于发明人可用设备的局限(例如屏蔽室的空间)，该距离是6m。
这里，作为泄漏波源的天线装置是由Sony Corporation制造的Pasori天线(45mm×30mm，只有两匝回路天线，不带驱动电路或外壳)。该回路天线主要在过去使用13.56MHz的非接触式通信系统中广泛用作读取器/写入器。
图11是根据图10所示测量技术，对于过去的读取器/写入器回路天线的泄漏波的测量结果的曲线图。从这些实际测量也可以看到，在天线面水平方向表现出最强的辐射电场。在使输出电波强度增大以改善通信特性时，可能很担心天线面水平方向中的辐射电场对于周边系统成为干扰波。
根据本发明实施例的图4所示天线装置由一对回路天线形成，它们布置成使这些回路天线在垂直方向上彼此对称。它们之一作为通信天线而工作，而另一者作为使泄漏波抵消的抵消天线而工作。如图12所示，这是因为从通信天线和抵消天线输出的磁场相位相反，同时天线面水平方向中辐射的电波彼此抵消掉了。结果，在从天线装置辐射的电场中，只剩下沿天线面垂直方向的分量，而天线面水平方向的辐射电场被抑制。即，在无线电法所定义的远距位置处(离天线10m远的位置)，图11所示测量结果中担心的干扰波的电场强度极小。
相比之下，如图29所示，在天线面垂直方向，磁场既从通信天线产生又从抵消天线产生。但是，由于从抵消天线输出的磁场被导体面阻断，所以在通信天线那侧使用磁场耦合进行的通信操作几乎不受影响。
此外，在将根据本发明实施例的天线装置应用于通信系统以在数据通信的同时用载波向接收方供电时，强电场输出在接收方产生了更大的感应电能。通过对该电能进行整流，可以获得更大的驱动电能。
图13图示了对根据本发明实施例的天线装置的泄漏波进行测量的技术。如图所示，在屏蔽室中，作为泄漏波源的天线装置和对泄漏波的电场强度进行检测的主动回路天线(ETS6502)布置成彼此相距6m远。然后，要测量的天线装置被置于转台上。在使天线面水平方向相对于主动回路天线的泄漏波传播方向的朝向以15度间隔进行360度旋转的同时，从要测试的天线装置发出载波(13.56MHz，CW)，并测量主动回路天线处的电场强度。这里，为了精确测量所辐射的电场，距离通常是波长λ的一半或更长(在13.56MHz时略大于10m)。但是在实验中，由于发明人可用设备的局限(例如屏蔽室的空间)，该距离是6m。
这里，作为泄漏波源的天线装置由图4所示装有磁性片的两个回路天线串联连接而形成。如图2所示，这两个回路天线布置成在垂直方向上相对于导体面对称，使得沿相反方向的天线回路的开口位置彼此重叠。这里，作为每个回路天线，使用了由Sony Corporation制造的Pasori天线(45mm×30mm，只有两匝回路天线，不带驱动电路或外壳)，该回路天线主要在过去使用13.56MHz的非接触式通信系统中广泛用作读取器/写入器(如上所述)。
图14是根据图13所示测量技术，对于图4所示天线装置的测量结果的曲线图。在图14中，“抵消天线”表示对于图4所示具有成对的通信天线和抵消天线的天线装置，根据图13所示测量技术的测量结果。作为比较，“Pasori天线”表示根据图10所示测量技术的测量结果。由图14可以理解，根据本发明实施例的天线装置(参考图4)，对于360度都可以抑制水平方向的泄漏波。
如前所述，通过使用根据本发明实施例的天线装置，可以在无线电法所规定的电场输出强度限制范围内输出比以往更强的磁场，从而改善通信特性。
最后，说明发明人对使用图4和图5所示天线装置的观点。
(1)通信天线和抵消天线具有彼此相等的关系。因此，例如，在无电源IC卡上实现这些天线并在翻转状态下使用该卡的时候，只是这些天线的角色互换，而没有任何问题。
(2)在从天线装置输出载波时，不仅通信天线、而且抵消天线都辐射磁场，以通过图12所示的抵消操作来对泄漏波进行抑制。因此，与具有回路天线的天线装置(该回路天线的磁性片仅形成有通信天线)相比，发送方消耗了更多的电能以确保通信信号强度。
相比之下，在宽带基带通信中，设置抵消天线主要是在接收时除去干扰波(参考图3)，在多数情况下在发送时不除去泄漏波。因此，抵消天线可以只用在接收时，并可以在发送时与通信电路分开以减少发送时的功率消耗。图15图示了图5所示天线装置的一种修改示例。在将抵消天线连接到通信电路的信号线中插入开关，以在发送时将抵消天线隔离，并使载波仅能从通信天线输出。
(3)根据本发明的实施例包含通信天线和抵消天线的天线装置能够实现与只使用通信天线进行通信时相同的天线距离和通信速率。另外，无需将根据本发明实施例的天线装置既应用于发送方的通信装置、又应用于接收方的通信装置。例如，可能不在接收方除去干扰波，而只希望增大发送方的输出电波，例如在希望在13.56MHz的非接触式通信系统中改善接收方的S/N比的情况下，根据本发明实施例的天线装置只被应用于发送方，从而获得足够的效果。这避免了由于更换天线装置而改变接收方的制造成本。
本申请包含与2009年5月26日向日本特许厅递交的日本在先专利申请JP 2009-126411公开的内容有关的主题，该申请的全部内容通过引用方式结合于此。
本领域技术人员应当明白，在所附权利要求及其等同含义的范围内，根据设计需要和其他因素，可以有各种变更、组合、子组合和替换形式。

Claims (8)

1.一种通信装置，包括：
导体面；
第一回路天线，隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；
第二回路天线，其回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠，并且所述第一回路天线和所述第二回路天线相对于所述导体面在垂直方向上彼此对称；和
通信电路，其对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理。
2.根据权利要求1所述的通信装置，其中，所述导体面的面积大于所述第一回路天线和所述第二回路天线的开口形状的面积以及各个磁性片的面积。
3.根据权利要求1所述的通信装置，其中：
所述通信装置被应用于具有陡峭频率特性的非接触式通信系统；并且
所述通信电路使得非接触式通信系统中的输出电波强度增大。
4.根据权利要求3所述的通信装置，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线串联连接到所述通信电路。
5.根据权利要求1所述的通信装置，其中：
所述第一回路天线和所述第二回路天线各自由经屏蔽的回路天线形成，所述经屏蔽的回路天线具有在单一衬底上形成的分层结构；并且
所述通信电路执行宽带基带通信。
6.根据权利要求5所述的通信装置，其中，所述第一回路天线和所述第二回路天线并联连接到所述通信电路。
7.一种天线装置，包括：
导体面；
第一回路天线，隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；
第二回路天线，其回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠，并且所述第一回路天线和所述第二回路天线相对于所述导体面在垂直方向上彼此对称；和
通信电路，其对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理。
8.一种通信系统，包括：
发起设备，其包括：导体面、第一回路天线、第二回路天线和对由所述第一回路天线和所述第二回路天线发送和接收的通信信号进行处理的通信电路，所述第一回路天线隔着第一磁性片而布置在所述导体面的一个表面上；所述第二回路天线的回路方向与所述第一回路天线的回路方向相反，并具有与所述第一回路天线大体上相同形状的开口结构，所述第二回路天线隔着第二磁性片布置在所述导体面的另一表面上，从而与所述第一回路天线大体上重叠，并且所述第一回路天线和所述第二回路天线相对于所述导体面在垂直方向上彼此对称；以及
目标装置，其包括第三回路天线和对由所述第三回路天线发送和接收的通信信号进行处理的通信电路，所述第三回路天线耦合到所述第一回路天线和所述第二回路天线中任一者的磁场。
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