CN103370886B - 无线通信器件 - Google Patents

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CN103370886B CN201280008674.5A CN201280008674A CN103370886B CN 103370886 B CN103370886 B CN 103370886B CN 201280008674 A CN201280008674 A CN 201280008674A CN 103370886 B CN103370886 B CN 103370886B
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Abstract

本发明能获得小型、通信距离较长、具有稳定的频率特性的无线通信器件。无线通信器件包括：面状的辐射元件，该辐射元件包含具有一端部(11a)及另一端部(11b)的环部(11)；供电元件(20)，该供电元件(20)包含与环部(11)的一端部(11a)相连接的线圈图案(L1)；以及无线IC元件(30)，该无线IC元件(30)与线圈图案(L1)相连接。线圈图案(L1)配置在环部(11)的附近，并且卷绕成：在向线圈图案(L1)供电时，流过线圈图案(L1)的电流(I1)与流过环部(11)的电流(I3)为相同方向。线圈图案(L1)与环部(11)进行串联连接，并且经由磁场进行耦合。

Description

无线通信器件
技术领域
本发明涉及无线通信器件，尤其涉及在RFID(Radio FrequencyIdentification：射频识别)系统中用于与读写器进行通信的无线通信器件。
背景技术
近年来，作为物品的信息管理系统，使读写器以非接触方式与附加在物品上的RFID标签(也称为无线通信器件)进行通信以传输规定信息的RFID系统投入了实用。读写器、RFID标签分别包括用于收发无线信号的辐射元件(天线)。作为RFID系统，典型的有利用13.56MHz频带的高频的HF频带系统、以及利用900MHz频带的高频的UHF频带系统。
用于HF频带系统的RFID标签、读写器的天线通常由线圈天线构成。而且，两者的线圈天线主要经由感应磁场进行耦合。即，经由临近磁场传输无线信号。
然而，近年来，如专利文献1、2等中所记载的那样，提出了将线圈天线装载在移动电话等通信终端上，并将通信终端本身用作读写器、RFID标签。
然而，如专利文献1、2中记载的那样，HF频带系统用的线圈天线的尺寸较大，因此，在终端设备的壳体中需要较大的天线设置用的空间。此外，在通信终端的壳体上设有液晶显示面板、键盘、RF电路基板、电池组等，附属于这些元器件的金属物会妨碍线圈天线中感应磁场的形成。其结果是，有时线圈天线的谐振频率会发生变动而无法确保足够的通信距离。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-270681号公报
专利文献2：国际公开第2007/060792号
发明内容
发明所要解决的问题
因此，本发明的目的在于提供一种小型、通信距离较长、具有稳定的频率特性的无线通信器件。
解决技术问题所采用的技术方案
作为本发明的一个方式的无线通信器件，包括：
面状的辐射元件，该辐射元件包含具有一端部及另一端部的环部；
供电元件，该供电元件包含与所述环部的所述一端部相连接的线圈图案；以及
无线IC元件，该无线IC元件与所述线圈图案相连接，
所述线圈图案配置在所述环部的附近，并且卷绕成：在向所述线圈图案供电时，流过所述线圈图案的电流与流过所述环部的电流为相同方向，
所述线圈图案与所述环部进行串联连接，并且经由磁场进行耦合。
在所述无线通信器件中，卷绕成：在向线圈图案供电时，流过该线圈图案的电流与流过面状的辐射元件的环部的电流成为相同方向，并且，线圈图案与环部经由磁场进行耦合，因此，在对无线IC元件供电时，在线圈图案上产生的感应磁场与在环部上产生的感应磁场相互得到加强。其结果是，感应电流流过大致整个面状的辐射元件，从整个面状的辐射元件发射出高频信号。另一方面，辐射元件的频率特性实质上由环部的大小和线圈图案的电感值来确定，因此，靠近配置的金属物对频率特性的影响较小。因此，无线通信器件较为小型，通信距离较长，频率特性稳定。
发明的效果
根据本发明，能获得小型、通信距离较长、具有稳定的频率特性的无线通信器件。
附图说明
图1表示作为实施例1的无线通信器件，图1(A)是俯视图，图1(B)是主要部分的放大俯视图。
图2是上述无线通信器件的等效电路图。
图3是表示构成上述无线通信器件的供电元件(线圈图案)的分解立体图。
图4是将上述供电元件(线圈图案)按照每个基材层进行分解来表示的俯视图。
图5是表示上述无线通信器件的磁场强度的图。
图6是表示上述无线通信器件中的谐振频率特性的史密斯圆图。
图7是表示作为实施例2的无线通信器件的主要部分的俯视图。
图8是表示作为实施例3的无线通信器件的主要部分的俯视图。
图9是作为实施例4的无线通信器件的等效电路图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的无线通信器件的实施例进行说明。另外，在各图中，对共同的元器件、部分标注相同的标号，并省略重复的说明。
(无线通信器件的简要说明)
首先，对本发明所涉及的无线通信器件的概要进行说明。该无线通信器件包括：面状的辐射元件，该辐射元件包含具有彼此相邻的一端部及另一端部的环部；供电元件，该供电元件包含与环部的一端部相连接的线圈图案；以及无线IC元件，该无线IC元件与上述线圈图案相连接。线圈图案配置在环部附近，并且卷绕成在对线圈图案供电时，流过线圈图案的电流与流过环部的电流为相同方向，线圈图案与环部串联连接，并且经由磁场进行耦合。
面状的辐射元件起到收发无线信号的天线的作用，并能利用金属导体得以形成。例如，优选利用设置在印刷布线板上的接地导体等。如果通信终端的壳体是金属制，则也可以将该金属制壳体用作辐射元件，或者，也可以将电池组的金属保护膜用作辐射元件。所谓的面状既可以是平面，也可以是曲面，既可以是矩形，也可以是椭圆形或多边形。
环部形成在面状的辐射元件的一部分上，并形成为具有一端部及另一端部的环状的导电性图案。利用使面状的辐射元件的一部分缺失而形成的边缘端部来构成环部，这在加工上及空间上是有利的。也可以将环状导体附加到平面形状为矩形形状的辐射元件的一个边上来作为环部。
无线IC元件是用于处理高频信号的集成电路元件，包括逻辑电路、存储电路等，存储有所需的信息。也可以构成为由硅半导体所构成的芯片元件。既可以使用装载在陶瓷基板或树脂基板上、或内置在陶瓷基板或树脂基板中的封装品，也可以是裸芯片。在使用陶瓷基板、树脂基板的情况下，也可以在基板的表面或内部设置匹配电路、谐振电路。
供电元件包括至少一个线圈图案，并连接在无线IC元件与辐射元件之间。即，将由辐射元件所接收到的高频信号提供给无线IC元件，并将利用无线IC元件所生成的高频信号传输给辐射元件。线圈图案与环部的一端部相连接。即，在无线IC元件为差动供电型的情况下，无线IC元件的第一供电端子与线圈图案的一端相连接，线圈图案的另一端与环部的一端部相连接。而且，环部的另一端部经由供电元件与无线IC元件的第二供电端子相连接。
供电元件可以进一步包含与无线IC元件并联连接的电容器。在此情况下，由电容器和线圈图案(电感器)形成LC谐振电路。此外，供电元件优选为将层叠体作为坯体来构成，该层叠体通过将多个绝缘体层进行层叠而成，线圈图案优选为呈螺旋状地内置于该层叠体内。作为绝缘体层，能使用LTCC陶瓷那样的陶瓷材料，也能使用热固性树脂、热塑性树脂等树脂材料。坯体既可以是电介质层，也可以是磁性体层。其中，在使用磁性体层的情况下，由线圈图案形成的感应磁场容易被封闭在磁性体内，因此，优选使线圈图案的一部分在层叠体的表面露出。在构成供电元件的层叠体上，除了线圈图案以外，还设有安装用连接盘、连接布线等导体图案。此类导体图案优选利用以电阻率较小的银、铜为主要成分的金属材料来形成。
在上述层叠体中，优选为在线圈图案与环部之间，更具体而言，在线圈图案的开口面与环部的环面重叠的区域中，不存在经由两者的磁场对耦合造成妨碍的导体图案。尤其是，完全堵塞线圈图案的开口面这样的面状的导体图案会妨碍线圈图案与环部的磁耦合。另外，无需将无线IC元件装载在构成供电元件的层叠体的表面，可以内置于层叠体内，或者设置在层叠体以外的坯体上。
而且，在无线通信器件中，上述线圈图案与辐射元件的环部进行串联电连接，并且经由磁场进行耦合。也就是说，线圈图案与环部直接进行DC连接，并且经由互感进行耦合。因此，线圈图案优选为其卷绕轴配置在与环部的中心轴大致相同的方向上。而且，线圈图案优选为在俯视时配置在环部的内侧。
此外，将线圈图案卷绕成：在向该线圈图案供电时，流过该线圈图案的电流与流过环部的电流为相同方向(同相)。因此，在从无线IC元件供电时，在线圈图案上产生的感应磁场和在环部上产生的感应磁场具有共同的磁场环路，该感应磁场相互加强，其结果是，感应电流流过大致整个面状的辐射元件，从整个面状的辐射元件发射出高频信号。另一方面，辐射元件的频率特性实质上由环部的大小和线圈图案的电感值确定，因此，靠近配置的金属物对频率特性的影响较小。因此，无线通信器件较为小型，通信距离较长，频率特性稳定。
线圈图案的电感值优选为比通过环部形成的电感值要大。如果两者的电感值为这样的关系，则对于包含线圈图案和环部的系统的谐振频率，线圈图案的电感值起决定作用，频率特性不易受环部的尺寸、环部(甚至辐射元件)的外部环境的影响。
供电元件也可以包含与环部的另一端部相连接的再一个线圈图案。再一个线圈图案配置在环部的附近，并且卷绕成：在向再一个线圈图案供电时，流过该线圈图案的电流与流过环部的电流为相同方向(同相)。再一个线圈图案优选为其卷绕轴配置在与环部的中心轴大致相同的方向上，而且，俯视时，各自的卷绕轴与上述线圈图案相邻配置在大致相同位置，彼此经由磁场进行耦合。即，若存在经由互感与上述线圈图案进行耦合的再一个线圈图案，则能减小为了得到规定的谐振频率所需的线圈图案的元件值，进而能实现供电元件的小型化。尤其是，若使用频率增高，则其结构优选为环部的一端部与另一端部的相位差为180°。使上述线圈图案和再一个线圈图案分别与环部的一端部及另一端部相连接，从而在环部形成电流最大点，在线圈部的两端形成相位差180°的电压最大点，因此，能改善其对称性，抑制相位差的偏差。
本发明所涉及的无线通信器件适用于在HF频带使用的RFID系统用的读写器、RFID标签。不过，其用途并不限于HF频带，还能广泛应用于UHF频带的RFID系统、W-LAN、BlueTooth(注册商标)那样的通信系统。尤其是，作为辐射元件能利用接地导体，能实现小型化，因此，在装载到移动电话等无线通信终端上时具有较大的优势。
(实施例1，参照图1～图6)
如图1及图2所示，作为实施例1的无线通信器件1A包括：面状的辐射元件10，该辐射元件10包含具有彼此相邻的一端部11a及另一端部11b的环部11；供电元件20，该供电元件20包含分别与环部11的一端部11a及另一端部11b相连接的线圈图案L1、L2(参照图2)以及与线圈图案L1、L2的另一端串联连接的电容器C1、C2；以及无线IC元件30，该无线IC元件30与所述线圈图案L1、L2的另一端相连接。线圈图案L1、L2配置在环部11附近，并且卷绕成在对线圈图案L1、L2供电时，流过线圈图案L1、L2的电流I1、I2(参照图2)与流过环部11的电流I3为相同方向，线圈图案L1、L2与环部11串联连接。线圈图案L1与L2进行磁耦合M2，线圈图案L1、L2与环部11也彼此进行磁耦合M1。
面状的辐射元件10起到收发无线信号的天线的作用，本实施例1中，利用了设置在印刷布线板5上的接地导体。环部11由使面状的辐射元件10的一部分缺失而形成的边缘端部来形成。
无线IC元件30是用于处理高频信号的集成电路元件，包括逻辑电路、存储电路等，是存储有所需的信息的公知的元件。无线IC元件30的第一供电端子31与线圈图案L1的另一端相连接，第二供电端子32与线圈图案L2的另一端相连接。
供电元件20连接在无线IC元件30与辐射元件10之间，将由辐射元件10接收到的高频信号提供给无线IC元件30，并将利用无线IC元件30所生成的高频信号传输给辐射元件10。在供电元件20中，由电容器C1、C2和线圈图案(电感器)L1、L2形成LC谐振电路。
供电元件20将层叠体21作为坯体而构成，该层叠体21通过将多个绝缘体层进行层叠而成。线圈图案L1、L2螺旋状地内置于该层叠体21内，无线IC元件30和电容器C1、C2安装在层叠体21的上表面。
此处，参照图3及图4对层叠体21的结构(线圈图案L1、L2的层叠结构)进行说明。层叠体21通过将图4所示的片材22a～22h进行层叠、压接，并根据需要进行烧制而成。
在片材22a上形成有电极23a～23h及通孔导体27a～27f。在片材22b上形成有导体图案24a、25及通孔导体27a、27g。在片材22c～22g上形成有导体图案24b～24f及通孔导体27g、27h。在片材22h上形成有电极26a～26d(形成在背面)及通孔导体27g、27h。
将上述片材22a～22h按照片材22h为最下层、片材22a为最上层的方式依次进行层叠，从而使片材22a上的电极23a经由通孔导体27a与导体图案25、24b相连接，电极23b经由通孔导体27b与导体图案25相连接，电极23d经由通孔导体27c与导体图案25相连接，电极23e经由通孔导体27d与导体图案24a相连接，电极23f经由通孔导体27e与导体图案24a相连接，电极23h经由通孔导体27f与导体图案24a相连接。
而且，片材22b上的导体图案24a的一端经由通孔导体27g与形成在片材22h的背面上的电极26b相连接。片材22c上的导体图案24b的另一端经由通孔导体27h分别呈螺旋状地与导体图案24c～24f进行连接。片材22g上的导体图案24f的另一端经由通孔导体27h与形成在片材22h的背面上的电极26a相连接。另外，形成在片材22a、22h上的电极23c、23g、26c、26d是安装用的浮置电极。
在由以上结构所构成的层叠体21中，利用导体图案24b～24f形成线圈图案L1，利用导体图案24a形成线圈图案L2。另外，片材22b上的导体图案25及与该图案25相对的导体图案24a的细部起到走线图案的作用。
在由上述层叠体21所构成的供电元件20中，无线IC元件30的第一供电端子31及第二供电端子32与电极23b、23f相连接，电容器C1与电极23a、23e相连接，电容器C2与电极23d、23h相连接。此外，电极26a与环部11的一端部11a相连接，电极26b与环部11的另一端部11b相连接，电极26c、26d与形成在环部11的内部区域的安装用电极11c、11d(参照图1(B))相连接。
在由以上结构所构成的无线通信器件1A中，由于卷绕成在向线圈图案L1、L2供电时，流过该线圈图案L1、L2的电流I1、I2与流过环部11的电流I3成为相同方向(同相)，因此，从无线IC元件30供电时，在线圈图案L1、L2上产生的感应磁场与在环部11上产生的感应磁场相互加强，其结果是，感应电流I4(参照图1(A))流过大致整个辐射元件10，从整个辐射元件10发射出高频信号。另一方面，辐射元件10的频率特性实质上由环部11的大小和线圈图案L1、L2的电感值确定，因此，靠近配置的金属物对频率特性的影响较小。因此，无线通信器件1A较为小型，通信距离较长，频率特性稳定。
图5示意性表示无线通信器件1A中的磁场强度。x、y、z方向相当于以图1(A)所示的环部11为起点的x、y、z方向，对于磁场强度较大的区域，用密度较高的交叉的阴影来描述。图6表示无线通信器件1A中的谐振频率特性，点A是谐振点。
此外，在无线通信器件1A中，将线圈图案L1、L2配置成其卷绕轴与环部11的中心轴为相同方向，而且，俯视时，线圈图案L1、L2配置在环部11的内侧，因此，能增强经由互感M1的耦合。
线圈图案L1的电感值设定得比通过环部11形成的电感值要大。如果两者的电感值为这样的关系，则对于包含线圈图案L1和环部11的系统的谐振频率，线圈图案L1的电感值起决定作用，频率特性不易受环部11的尺寸、环部(甚至辐射元件10)的外部环境的影响。
(实施例2，参照图7)
如图7所示，在作为实施例2的无线通信器件1B中，线圈部13设置在环部11的另一端部11b与辐射元件10之间。线圈部13的最外周部与另一端部11b相连接，最内周部经由通孔导体7a与形成在印刷布线板5的背面上的导体图案6的一端相连接，导体图案6的另一端经由通孔导体7b与辐射元件10相连接。另外，辐射元件10也可以形成在印刷布线板5的背面侧。
该无线通信器件1B的上述以外的结构与作为实施例1的无线通信器件1A相同，其作用效果与无线通信器件1A基本相同。不仅能利用线圈部13来调节无线通信器件1B的频率特性，而且一端部11a与另一端部11b之间的电位差增大，因此，能增大从辐射元件10发射出的能量。
(实施例3，参照图8)
如图8所示，作为实施例3的无线通信器件1C中，在环部11形成有切槽状的缺口部12，其他结构与上述作为实施例1的无线通信器件1A相同，其作用效果也基本相同。尤其是，能利用缺口部12来调节环部11的电感值。
(实施例4，参照图9)
如图9的等效电路所示，作为实施例4的无线通信器件1D在上述作为实施例1的无线通信器件1A中省略了线圈图案L2。其他结构与上述作为实施例1的无线通信器件1A相同，作用效果也基本相同。
在该无线通信器件1D中，谐振频率f0由以下的式(1)确定。
f0=1/｛2π√(L1+L+2M)｝...(1)
L1：线圈图案L1的电感值
L：环部的电感值
M=k√(L1L)
(其它实施例)
当然，本发明所涉及的无线通信器件并不限于上述实施例，在其要点的范围内能进行各种变更。
工业上的实用性
如上所述，本发明适用于无线通信器件，尤其在较为小型、通信距离较长、具有稳定的频率特性这方面较为优异。
标号说明
1A～1D...无线通信器件
5...印刷布线板
10...辐射元件
11...环部
20...供电元件
21...层叠体
30...无线IC元件
L1、L2...线圈图案
C1、C2...电容器

Claims (13)

1.一种无线通信器件，其特征在于，包括：面状的辐射元件，该辐射元件包含具有一端部及另一端部的环部；
供电元件，该供电元件包含与所述环部的所述一端部相连接的线圈图案；以及
无线IC元件，该无线IC元件与所述线圈图案相连接，
所述线圈图案配置在所述环部的附近，并且卷绕成：在向所述线圈图案供电时，流过所述线圈图案的电流与流过所述环部的电流为相同方向，
所述线圈图案与所述环部进行串联连接，并且经由磁场进行耦合。
2.如权利要求1所述的无线通信器件，其特征在于，
所述线圈图案配置成其卷绕轴与所述环部的中心轴大致为相同方向。
3.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
俯视时，所述线圈图案配置在所述环部的内侧。
4.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述线圈图案的电感值比利用所述环部形成的电感值要大。
5.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述环部由使所述辐射元件的一部分缺失来构成。
6.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述辐射元件是设置在印刷布线基板上的接地导体。
7.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述供电元件还包含与所述无线IC元件并联连接的电容器。
8.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述供电元件将由多个绝缘体层进行层叠而成的层叠体作为坯体，且所述线圈图案螺旋状地内置于所述层叠体内。
9.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
在所述线圈图案与所述环部之间不存在妨碍经由磁场的耦合的导体图案。
10.如权利要求1或2所述的无线通信器件，其特征在于，
所述供电元件包含与所述环部的所述另一端部相连接的再一个线圈图案，
所述再一个线圈图案配置在所述环部的附近，并且卷绕成：在向再一个线圈图案供电时，流过再一个线圈图案的电流与流过所述环部的电流为相同方向。
11.如权利要求10所述的无线通信器件，其特征在于，
所述再一个线圈图案配置成其卷绕轴与所述环部的中心轴大致为相同方向。
12.如权利要求10所述的无线通信器件，其特征在于，
俯视时，所述线圈图案和所述再一个线圈图案各自的卷绕轴相邻配置在大致相同的位置上。
13.如权利要求11所述的无线通信器件，其特征在于，
俯视时，所述线圈图案和所述再一个线圈图案各自的卷绕轴相邻配置在大致相同的位置上。
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