CN103907241B - 天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置 - Google Patents

天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置 Download PDF

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Abstract

本发明的天线装置能抑制线圈天线的Q值下降，减少噪声，从而避免空状态的发生。该天线装置包括：与供电电路(11)相连的天线谐振电路(12)；以及频率可变谐振元件(21)，该频率可变谐振元件(21)包含通过电磁场与该天线谐振电路(12)耦合的谐振电路，并且该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内可变。

Description

天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置
技术领域
本发明尤其涉及在RFID(Radio Frequency Identification：射频识别)系统中使用的天线装置、卡片型通信设备以及通信终端装置。
背景技术
近年来，作为物品的管理系统，正在开发一种使产生感应电磁场的读写器与贴在物品或容器等上的储存预定信息的IC芯片(也称作RFID标签、无线IC芯片、无线通信器件等)以非接触方式进行通信、从而对信息进行传输的RFID系统。在这种RFID系统中，一般使用HF带(13MHz频带的高频信号)。
在HF带的RFID系统中，将线圈天线用作为读写器或RFID标签所使用的天线元件。然而，在将RFID标签的线圈天线靠近读写器的线圈天线时，有时会发生虽然位于原本可进行通信的区域内、但在某个点(空点、英语：NullPoint)上无法通信的状态(空状态、英语：Null State)。例如，由于两个线圈天线相排斥而使得谐振频率发生偏差，或相位发生偏差，或者导体或电介质体靠近RFID标签，使得该线圈天线的谐振频率发生偏差。导体靠近，谐振频率升高，电介质体靠近，谐振频率降低。
因此，例如专利文献1、2中记载了如下避免空状态的方法，该方法通过将开关元件或振荡器与线圈天线相连，通过依次切换开关元件，或者依次切换振荡器的振荡频率，来切换线圈天线本身的谐振频率，避免空状态。然而，在该情况下，由于切换线圈天线本身的谐振频率，因而会产生线圈天线的Q值下降、或开关元件、振荡器的噪声叠加到线圈天线的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利特开2006-238398号公报
专利文献2：日本专利特开2010-154255号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
本发明的目的在于提供一种天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置，能抑制线圈天线的Q值的下降，减少噪声避免空状态的发生，且电特性优异。
解决技术问题所采用的技术方案
为了达成上述目的，本发明的实施方式1的天线装置的特征在于，包括：
与供电电路连接的天线谐振电路；以及
频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，并且该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内可变。
本发明的实施方式2的卡片型通信器件的特征在于，
该卡片型通信器件与包含连接于供电电路的天线谐振电路在内的IC卡一起使用，
包括频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，并且该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内可变。
本发明的实施方式3的通信终端装置，包含与供电电路相连接的天线谐振电路，其特征在于，
包括频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，并且该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内可变。
在所述天线装置中，为了通过电磁场将谐振频率在预定的频带范围内可变的频率可变元件与天线谐振电路进行耦合，使频率可变元件的频率进行扫描，使得天线谐振电路的谐振频率进行扫描。因此，能在状态良好的频率下进行通信，而不会发生空状态。尤其是，由于通过电磁场来将天线谐振电路与频率可变元件进行耦合(由于它们没有直接进行直流连接)，因而能获得一种能抑制线圈天线的Q值下降，减少噪声，且电特性优异的天线装置。
发明效果
根据本发明，能抑制线圈天线的Q值下降，减少噪声，避免空状态的发生。
附图说明
图1示出了实施例1的天线装置，图1(A)是立体图，图1(B)是等效电路图，图1(C)是频率可变谐振元件的电路图。
图2是表示实施例1的天线装置的频率特性的曲线图。
图3是频率可变谐振元件的谐振电路中的各种电路图。
图4是表示频率可变谐振元件的其它示例的电路图。
图5是表示实施例2的天线装置的立体图。
图6是表示实施例3的天线装置的频率特性的曲线图。
图7是表示实施例4的天线装置的立体图。
图8是表示实施例4的天线装置的频率特性的曲线图。
图9是表示实施例5的天线装置的立体图。
图10是表示实施例5的天线装置的频率特性的曲线图。
图11示出了实施例6的天线装置，图6(A)是立体图，图6(B)是等效电路图。
图12示出了具备实施例6的天线装置的通信终端装置，图12(A)是示意俯视图，图12(B)是剖视图。
具体实施方式
下面，参照附图对本发明所涉及的天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置的实施例进行说明。此外，各图中，对共通的元件、部分附上相同的标号，并省略重复说明。
(实施例1，参照图1～图4)
如图1所示，实施例1的天线装置由卡片型的无线通信标签10、以及具备频率可变谐振元件21的卡片型通信器件20构成。无线通信标签10具备与供电电路11相连的天线谐振电路12，该天线谐振电路12由并联连接的电容器13及线圈天线14形成。线圈天线14由包含至少一个环形导体的线圈图案形成，起到能收发HF带的高频信号的辐射元件的功能。
供电电路11由RFID用IC芯片构成，具有存储器电路或逻辑电路，可以构成为裸芯片IC，也可以构成为封装IC。
频率可变谐振元件21具备由并联连接的可变电容元件22与线圈元件23构成的并联谐振电路，可变电容元件22与具有电池24的控制电路25相连。该并联谐振电路通过电磁场与所述天线谐振电路12进行耦合。线圈元件23由包含至少一个环状导体的线圈图案形成，通过磁场M与所述线圈天线14进行耦合。
另外，并联谐振电路通过利用由控制电路25施加的驱动电压来连续地对可变电容元件22(例如是已知为变容二极管的元件)的电容值进行切换，从而使该谐振频率在预定的频带范围内可变。控制电路25使用DA整流器等，用于使电压在一定周期内连续变化。在如图1(C)所示的结构中，驱动电压由纽扣电池这样的小型电池24提供。
这里，无线通信标签10与卡片型通信器件20重叠(通过磁场M将线圈天线14与天线元件23进行耦合的状态)使用，通过使读写器30的呈线圈状的天线31靠近该无线通信标签10和卡片型通信器件20(参照图1(A))，从而使读写器30的天线31与无线通信标签10的线圈天线14进行耦合，来收发高频信号。
无线通信标签10单体的谐振频率如图2(A)的曲线A所示那样，调整为13.56MHz的工作频率。若读写器30的天线31靠近无线通信标签10单体，则如图2(B)所示，例如其互相排斥，无线通信标签10的谐振频率偏离于曲线A’，读写器30的天线31的谐振频率偏离于曲线B’。与此相对，如实施例1那样，无线通信标签10与卡片型通信器件20(频率可变谐振元件21)相重叠地进行磁场耦合，如图2(C)的曲线C那样，频率可变谐振元件21的谐振频率在工作频率附近的频带X内进行扫描，在该情况下，无线通信标签10的谐振频率也发生谐振，进行扫描(参照图2(C)的曲线A'、频带Y)，产生能与读写器30的天线31进行通信的时刻。
也就是说，以往由于无线通信标签10的谐振频率是固定的，因此在偏离工作频率的情况下，产生空点。然而，在本实施例1中，无线通信标签10的谐振频率由于与频率可变谐振元件21的耦合来进行扫描，从而避免空点的产生，维持良好的通信状态。另外，无线通信标签10的天线谐振电路12与频率可变谐振器件21通过电磁场进行耦合，因此线圈天线14的Q值下降得到抑制，噪声变少。此外，线圈元件23与线圈天线14进行磁场耦合即可，可以小于线圈天线14的外形尺寸。
另外，无需以较小的偏差来调整线圈天线14的谐振频率，从而能减少无线通信标签10的制造工序，使用偏差较大的天线。例如，即使钱包里有多个无线通信标签10，也只需预先重叠地放入一个具备频率可变谐振元件21的卡片型通信器件20，就能使多个无线通信标签10分别与读写器30进行收发。这点作为实施例5进行如下说明。
频率可变谐振元件21的谐振电路除了图1(B)所示以外，还能采用各种电路结构。例如，图3(A)中示出了将电容元件22A及可变电容元件22分别与线圈元件23并联连接的谐振电路。图3(B)中示出了将电容元件22A及可变电感元件26分别与线圈元件23并联连接的谐振电路。图3(C)中示出了将电容元件22A及可变电容元件22分别与线圈元件23串联连接的谐振电路。图3(D)中示出了将电容元件22A及可变电感元件26分别与线圈元件23串联连接的谐振电路。
另外，所述控制电路25可以对读写器30的天线31所辐射出的高频信号进行整流，并将其用作为电源。例如，可以如图4所示，由4个二极管来构成桥式整流电路27，插入在谐振电路与控制电路25之间。从读写器30的天线31辐射出的高频信号输入至线圈元件23，经整流后的电流提供至控制电路25。
(实施例2，参照图5)
如图5所示，实施例2的天线装置将所述实施例1所示的卡片型通信器件20(频率可变谐振元件21)与读写器30的卡片型天线31重叠使用。该情况下，若频率可变谐振元件21的谐振频率如图2(C)的曲线C所示那样在工作频率附近的频带X内进行扫描，则读写器30的天线31的谐振频率也发生谐振，进行扫描，产生能与无线通信标签10的线圈天线14进行通信的时刻。
(实施例3，参照图6)
实施例3的天线装置与所述实施例1相同，通过将无线通信标签10与卡片型通信器件20(频率可变谐振元件21)相重叠来使线圈天线14与线圈元件23进行电磁场耦合，来使用。本实施例3中，使频率可变谐振元件21的谐振频带在低于工作频率即13.56MHz的频率到较高频率为止的范围内进行变化，并包含所述天线谐振电路12的谐振频率(参照图6(A))。
由此，即使在无线通信标签10的谐振频率因周围环境的影响而变化为高于工作频率的情况下(参照图6(B)的曲线D1)、以及变化为低于工作频率的情况下(参照图6(C)的曲线D2)，都能通过频率可变谐振元件21的谐振频率在频带X的范围内进行扫描，来使得无线通信标签10的谐振频率也在频带Y内进行扫描，产生谐振频率变为13.56MHz的时刻，从而避免空点的产生。
(实施例4，参照图7及图8)
如图7所示，实施例4的天线装置将具备频率可变谐振元件21A、21B的卡片型通信器件20A、20B与一个无线通信标签10相重叠地来使用。如图8(A)的曲线C1所示，第1频率可变谐振元件21A在谐振频率高于作为工作频率的13.56MHz的频带X1内进行扫描。如图8(A)的曲线C2所示，第2频率可变谐振元件21B在低于13.56MHz的频带X2内进行扫描。
在无线通信标签10的谐振频率变化为较高的频带的情况下(参照图8(A)的曲线D1)，受到第1频率可变谐振元件21A的谐振频率进行扫描的影响，产生无线通信标签10的谐振频率变为13.56MHz的时刻。另外，在无线通信标签10的谐振频率变化为较低的频带的情况下(参照图8(B)的曲线D2)，受到第2频率可变谐振元件21B的谐振频率进行扫描的影响，产生无线通信标签10的谐振频率变为13.56MHz的时刻。由此，在上述情况下均能避免空点的产生。
(实施例5，参照图9及图10)
如图9所示，实施例5的天线装置将一个卡片型通信器件20(频率可变谐振元件21)与多个(本示例中示出了两个)无线通信标签10A、10B相重叠地来使用。
如图10(A)所示，2个无线通信标签10A、10B中产生两个相错开的谐振点A1、A2。与此相对，频率可变谐振元件21的谐振频率的可变频带设定为包含所述谐振点A1、A2的较宽的范围(参照图10的频带X)。由此，2个无线通信标签10A、10B各自的谐振频率均在频率可变谐振元件21的谐振频率进行扫描的影响下进行扫描(参照图10(C)、(C’))，产生变为13.56MHz的时刻，避免空点的产生。
(实施例6，参照图11及图12)
如图11(A)所示，实施例6的天线装置由小型的无线通信标签10、以及与该无线通信标签10相比面积较大的卡片型通信器件20构成。内置于卡片型通信器件20中的频率可变谐振元件21的线圈元件23的外形尺寸大于无线通信标签10的天线线圈14的外形尺寸，线圈元件23起到天线线圈14的增益天线的作用。本实施例6中的无线通信标签10以及频率可变谐振元件21的基本结构与所述实施例1相同。
该天线装置搭载于移动电话机等通信终端装置上。更具体而言，如图12所示，在内置于通信终端装置40的筐体41中的印刷布线板42上搭载有电池24、控制电路25、可变电容元件22，线圈元件23(增益天线)设置于基板43上。此外，供电电路11搭载于印刷布线板42上。线圈天线14设置于较小的基板44上，与线圈元件23电磁耦合。
本实施例6的频率特性与所述实施例1中所示的图2相同。也就是说，带有增益天线的无线通信标签10单体的谐振频率如图2(A)的曲线A所示那样，与13.56MHz的工作频率相对应。若读写器30的天线31靠近无线通信标签10单体，则如图2(B)所示，例如其互相排斥，无线通信标签10的谐振频率偏离于曲线A’，读写器30的天线31的谐振频率偏离于曲线B’。与此相对，如本实施例6那样，无线通信标签10与卡片型通信器件20(频率可变谐振元件21)相重叠地进行磁场耦合，如图2(C)的曲线C那样，频率可变谐振元件21的谐振频率在工作频率附近的频带内进行扫描，在该情况下，无线通信标签10的谐振频率也发生谐振，进行扫描(参照图2(C)的曲线A'、频带Y)，产生能与读写器30的天线31进行通信的时刻。其它作用效果如所述实施例1所说明的那样。
(其它实施例)
此外，本发明所涉及的天线装置、卡片型通信器件及通信终端装置并不局限于上述实施例，可以在其主旨范围内进行各种改变。
尤其是，毋庸置疑的，无线通信标签的天线谐振电路或频率可变谐振元件的谐振电路能采用各种结构。另外，本发明并不限定于HF带的RFID系统用的天线装置，也能用于UHF带等其它频带、或其它通信系统。
工业上的实用性
如上所述，本发明适用于天线装置、卡片型通信器件以及通信终端装置，尤其在能抑制线圈天线的Q值的下降，减少噪声避免空状态的发生这点上较为优异。
标号说明
10 无线通信标签
11 供电电路
12 天线谐振电路
14 线圈天线
20 卡片型通信器件
21 频率可变谐振元件
22 可变电容元件
23 线圈元件
24 电池
25 控制电路
30 读写器
31 天线
40 无线终端装置

Claims (8)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：
无线通信标签，该无线通信标签具有与供电电路连接、且具有固定的谐振频率的天线谐振电路；以及
频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件是独立于所述无线通信标签的器件，包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，还具有用于使该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内进行扫描的控制电路，
所述频率可变谐振元件的所述谐振电路的谐振频率连续地进行扫描，使得所述无线通信标签的所述天线谐振电路的谐振频率连续地进行扫描。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
所述天线谐振电路包含线圈天线，
所述频率可变谐振元件包含可变电容元件及线圈元件，该线圈元件与所述线圈天线进行磁场耦合。
3.如权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
所述频率可变谐振元件包含电池，
所述控制电路与所述可变电容元件相连。
4.如权利要求3所述的天线装置，其特征在于，
所述控制电路对从读写器的天线辐射出的高频信号进行整流，并用作为电源。
5.如权利要求2所述的天线装置，其特征在于，
所述线圈元件的外形尺寸大于所述线圈天线的外形尺寸，
所述线圈元件起到所述线圈天线的增益天线的作用。
6.如权利要求1至5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述频率可变谐振元件中的所述预定的频带范围包含所述天线谐振电路的谐振频率。
7.一种卡片型通信器件，其特征在于，
该卡片型通信器件与包含无线通信标签的IC卡一起使用，该无线通信标签具有连接于供电电路、且具有固定的谐振频率的天线谐振电路，
包括频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件是独立于所述无线通信标签的器件，包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，还包括用于使该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内进行扫描的控制电路，
所述频率可变谐振元件的所述谐振电路的谐振频率连续地进行扫描，使得所述无线通信标签的所述天线谐振电路的谐振频率连续地进行扫描。
8.一种通信终端装置，包含无线通信标签，该无线通信标签具有与供电电路相连、且具有固定的谐振频率的天线谐振电路，其特征在于，
包括频率可变谐振元件，该频率可变谐振元件是独立于所述无线通信标签的器件，包含通过电磁场与所述天线谐振电路耦合的谐振电路，还包括用于使该谐振电路本身的谐振频率在预定的频带范围内进行扫描的控制电路，
所述频率可变谐振元件的所述谐振电路的谐振频率连续地进行扫描，使得所述无线通信标签的所述天线谐振电路的谐振频率连续地进行扫描。
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