CN104115414A - 无线通信设备及天线装置 - Google Patents

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Abstract

在无线通信设备和天线装置中，能尽可能地减少一个通信系统对另一个通信系统的发送信号所带来的不良影响。无线通信设备包括：第1通信系统；以及第2通信系统，该第2通信系以与所述第1通信系统大致相同的通信频带、且比所述第1通信系统的接收信号要强的功率，来发送发送信号。第1通信系统具有供电电路(43)，以使输入该第1通信系统的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且使输入第2通信系统的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。

Description

无线通信设备及天线装置
技术领域
本发明涉及无线通信设备、尤其是包括在RFID(Radio FrequencyIdentification：射频识别)系统中使用的通信系统和移动电话等通信系统的无线通信设备,以及在该无线通信设备的RFID系统中使用的天线装置。
背景技术
近年来，作为物品的信息管理系统，如下的RFID系统投入了实际应用，在该RFID系统中，产生感应磁场的读写器与存储有规定的信息并附加在物品上的RFID标签(也称为RFID器件)以利用电磁场的非接触方式进行通信,以传输规定的信息。
作为RFID器件，例如已知有专利文献1记载的RFID器件。该RFID器件包括：无线IC；供电电路基板，该供电电路基板包含具有规定谐振频率的谐振电路；以及辐射板，发送信号及/或接收信号的频率实质上相当于谐振电路的谐振频率。谐振电路也可以兼作匹配电路，该匹配电路用于使无线IC的阻抗与辐射板的阻抗进行匹配。
然而，近年来，将RFID通信系统装入移动电话、智能手机等蜂窝通信设备成为现实。在此情况下，若将蜂窝系统的发送波输入到RFID器件，则RFID系统的无线IC受到驱动而有可能产生高次谐波的不需要的辐射。尤其是，GSM(注册商标)系统中使用的频带与RFID系统的使用频率相近，因此，容易输入到RFID的无线IC，而且发送功率较大，因此，RFID器件所产生的不需要的辐射增大。
即，GSM等蜂窝系统的发送信号的一部分会流入RFID器件，因此，存在发送信号的特性(通信灵敏度)变差的问题。此外，900MHz频带的高次谐波大多在GSM1800、W-LAN等其它系统中使用，还存在来自RFID器件的不需要的辐射相对于这些系统成为噪声而带来不良影响的问题。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4069958号公报
发明内容
本发明的目的在于提供一种能尽可能地减少一个通信系统对另一个通信系统的发送信号所带来的不良影响的无线通信设备及天线装置。
解决技术问题所采用的技术方案
作为本发明的第1方式的无线通信设备的特征在于，包括：
第1通信系统；以及
第2通信系统，该第2通信系统以与所述第1通信系统大致相同的频带、且比所述第1通信系统的接收信号要强的功率发送发送信号，
所述第1通信系统具有供电电路，以使输入该第1通信系统的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且使输入所述第2通信系统的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。
作为本发明的第2方式的天线装置是在无线通信设备的所述第1通信系统中使用的天线装置，所述无线通信设备包括：
第1通信系统；以及
第2通信系统，该第2通信系统以与所述第1通信系统大致相同的通信频带、且比所述第1通信系统的接收信号要强的功率发送发送信号，
其特征在于，
具有供电电路，以使输入所述第1通信系统的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且使输入所述第2通信系统的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。
在所述无线通信设备中，第2通信系统以与第1通信系统大致相同的通信频带、且比第1通信系统的接收信号要强的功率发送发送信号。此时，在第1通信系统的供电电路中，其谐振频率进行频变,以成为第2通信系统的通信频带外。因此，第1通信系统基本上不进行动作，能防止第2通信系统的发送信号的特性变差(输出信号下降)。
发明的效果
根据本发明，能尽可能地减少第1通信系统对第2通信系统的发送信号所带来的不良影响。
附图说明
图1是表示作为一个实施例的无线通信设备(移动电话)的内部结构的俯视图。
图2是表示所述无线通信设备的天线部分的说明图。
图3是装载在所述无线通信设备中的RFID系统的原理等效电路图。
图4是表示从所述RFID系统中的天线侧观察到的反射特性的曲线图。
图5是表示RFID系统中的供电电路的第1例的等效电路图。
图6是表示所述第1例中的供电电路基板的示意剖视图。
图7是将所述供电电路基板的每个层进行分解来表示的俯视图。
图8是表示所述第1例的阻抗特性的史密斯圆图。
图9是表示从所述第1例中的天线侧观察到的反射特性及通过特性的曲线图。
图10是对图9的特性进行模拟得到的电路图。
图11是表示RFID系统中的供电电路的第2例的等效电路图。
图12是表示从所述第2例中的天线侧观察到的反射特性及通过特性的曲线图。
图13是表示RFID系统中的供电电路的第3例的等效电路图。
图14是表示RFID系统中的供电电路的第4例的等效电路图。
图15是表示RFID系统中的供电电路的第5例的等效电路图。
图16是表示流入到RFID系统及蜂窝系统的天线的电流的说明图。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明所涉及的无线通信设备及天线装置的实施例进行说明。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。
(无线通信设备、参照图1～图4)
图1所示的无线通信设备1是移动电话，其装载有第2通信系统即蜂窝(GSM)系统30，还装载有第1通信系统即RFID系统20。在内置于壳体2的印刷布线板3上安装有电池11、开关模块12、各种IC13、芯片电阻和芯片电容器等元件14、数码摄像头15等。
蜂窝系统30包括设置在印刷布线板3的一个端部的主天线35和无线IC31。主天线35的供电部35a经由供电引脚32与无线IC31的天线端子相连接。无线IC31的接地端子与设置在印刷布线板3上的接地导体4相连接。
RFID系统20以靠近所述主天线35的前端部的方式配置在印刷布线板3的一个端部，并包括RFID器件21(由RFID无线IC22和供电电路基板23构成)和环状导体24。RFID无线IC22是用于处理UHF频带RFID信号的半导体集成电路元件，并包含时钟电路、逻辑电路、及存储器电路等，储存有所需的信息。详细而言，如图2所示，环状导体24是从接地导体4进行延伸、其端部相接近的一对导体(也可参照图16)，如以下说明的那样，一端及另一端与供电电路43的端子T11、T12(参照图5)相连接。
在RFID系统20中，由无线IC22提供的发送信号经由环状导体24导入到接地导体4，并从接地导体4朝外部辐射。另一方面，由接地导体4接收到的接收信号经由环状导体24传送至无线IC22。
如上所述，接地导体4起到RFID系统20中的辐射元件(天线元件)的作用，在接地导体4中有图2中用箭头a表示的电流流动。然而，RFID系统20的通信频带为900MHz(主要是865～920MHz)，蜂窝(GSM)系统30的通信频带也是900MHz(主要是824～960MHz)，两者使用大致相同频带的信号。而且，在蜂窝系统30中，以比RFID系统20的接收信号要强的功率来发送发送信号。因此，若来自主天线35的发送信号输入到RFID器件21，则无线IC22受到驱动，来自主天线35的输出相应地下降。
因此，在本发明中，在RFID器件21中设有供电电路(匹配电路)43，以使得输入RFID系统20的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且输入蜂窝系统30的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。
(原理上的结构、参照图3及图4)
因此，对起到以上作用效果的RFID器件21的原理进行说明。如图3的等效电路所示，在RFID器件21中，由无线IC侧的谐振电路41、与天线侧的谐振电路42相连接的匹配电路44来形成供电电路43，匹配电路44由变压器电路部T和附加电路部A形成。无线IC侧的谐振电路41具有形成于无线IC22的内部的电容器C、电感器L、电阻R。天线侧的谐振电路42主要具有环状导体24的电感分量L。
在RFID器件21中，将主要由天线侧的谐振电路42决定的谐振频率、主要由无线IC侧的谐振电路41决定的谐振频率设定在RFID系统20的使用频率附近。而且，无线IC侧的谐振电路41的谐振频率构成为，主要使用变压器电路部T的电感分量和无线IC22的电容分量，在从天线侧输入无线IC22的最小驱动功率附近的功率时，在使用频率附近发生谐振。
本发明人发现无线IC22的阻抗随着所输入的功率的强弱而发生变化。这可以解释为,由半导体集成电路元件构成的无线IC22使用了根据输入功率的强弱而具有非线形特性的升压电路。具体而言，无线IC22的内部电容(电容器C的电容值)发生变化。通过将该内部电容的变化积极地利用于RFID系统20的通信频率的变化，使RFID系统20的谐振电路41的谐振频率根据输入到无线IC22的功率的强弱来进行变化。
无线IC22在接收规定的信号时(在输入RFID信号时)，供电电路43在规定的谐振频率下进行动作(参照图4中用虚线A表示的特性)。另一方面，若从天线侧输入无线IC22的最小驱动功率附近的功率，则在使用频率附近发生谐振。其结果是，若接收到从蜂窝系统30的主天线35泄漏的信号(若输入蜂窝信号)，则无线IC22侧的谐振频率朝离开使用频率附近的方向进行频变(解除退化)。其结果是，天线侧的谐振频率也在其影响下进行频变，因此，供电电路43的谐振频率朝所述通信频带外进行频变(参照图4中用实线B表示的特性)。
即，若对无线IC22施加较强的功率，则无线IC22的电容分量增大，因此，高频侧谐振频率降低。此外，若无线IC22的电容分量增大，则所输入的功率以封闭在高频侧的谐振电路中的方式进行动作，因此，流入到初级侧线圈的电流量减小，因此，变压器耦合的耦合系数减小。即，初级侧线圈部的互感减小，因此，整体的电感减小。其结果是，对于次级侧线圈部，整体的电感也减小与互感的减小量相对应的量，因此，低频侧的谐振电路朝高频侧进行频变。即，通过变压器耦合而产生的两个谐振频率会从被强磁耦合解除的退化状态、成为弱耦合引起的退化会解除的状态(两个谐振频率朝接近的方向进行动作)，从而看上去像一个谐振频率。由此，对于天线侧的谐振频率，在从主天线35输出信号时，无线IC22基本上不进行动作，能防止GSM的发送信号的特性变差。
而且，在供电电路43中使用变压器电路部T也会具有以下的优点。(1)通过使天线侧的谐振频率接近无线IC侧的谐振频率，能进行宽频带化。即，能应对周围状况的变化所引起的谐振频率的变化。此外，还可以应对制造供电电路43时的偏差。(2)即使其它通信系统的发送波以较大的功率输入到RFID器件21、无线IC22受到驱动而输出高次谐波的不需要的辐射，也能通过变压器电路部T来减轻朝外部的辐射。即，通过减轻不需要的辐射的输出，从而减轻对周围电路的影响。(3)通过将供电电路43设为带通滤波电路，能进一步减轻高次谐波的不需要的辐射。
另外，在RFID系统20的使用频率下的无线IC22与读写器(未图示)之间，由于信号微弱，能在对蜂窝系统30没有影响的情况下进行通信。
(供电电路的第1例，参照图5～图10、图16)
如图5的等效电路所示，对于RFID系统20中的供电电路43的第1例，在无线IC22(包含谐振电路41)的输入输出端子T1、T2与天线端子T11、T12之间分别串联连接有电感器L1、L2和电容器C1、C2。在输入输出端子T1和T2之间连接有电感器L3，在天线端子T11和T12之间串联连接有电容器C3、电感器L4、及电容器C4。通过电感器L1、L2、L3构成变压器电路部T(自耦变压器)。
在图5所示的供电电路43中，不是图3那样的变压器结构，而是自耦变压器结构。其理由在于，能以较小的电感分量获得较大的耦合系数。此外，由电容器C1～C4和电感器L4构成附加电路部A(除去高次谐波滤波器)。这是因为滤波器也能隔离从无线IC22泄漏出来的高次谐波分量。
通过该供电电路43，能降低因GSM系统30等的强功率经由环状导体24输入到RFID系统20而产生的高次谐波的辐射(不需要的辐射)。此外，如上所述，能使RFID系统20宽频带化。
此外，如图16(B)所示，若环状导体24的端部通过RFID器件21(无线IC22)而处于电导通状态，则在主天线35与环状导体24之间产生寄生电容C11。蜂窝系统的接收信号非常微弱，若该接收信号被通过寄生电容C11进行耦合的环状导体24所消耗，则主天线35的接收灵敏度会变差。在本第1例的供电电路43中，流入到环状导体24的壳体电流a被电容器C1～C4阻断，因此，在主天线35与环状导体24之间产生的寄生电容C11减小。在图16(A)中图示了壳体电流a没有流入环状导体24的状态。即，在第1例的供电电路43中，流入到环状导体24的壳体电流a被电容器阻断，因此，蜂窝系统的接收信号不会流入到环状导体24，流过主天线35的接收信号与流过接地导体4的壳体电流a之间的距离扩大。由此，主天线35与接地导体4之间的寄生电容减小，主天线35与接地导体4之间所产生的磁场的相互抵消也减小，因此，能防止主天线35的接收灵敏度变差。
供电电路43以图6所示的状态内置在作为多层基板而构成的供电电路基板23内。供电电路基板23的各层如图7所示。即，将形成各种电极的片材51a～51v(片材51a成为最下层，片材51v成为最上层)依次进行层叠和压接，并根据需要进行烧制，从而形成供电电路基板23。各片材51a～51v由电介质材料等形成。各种电极通过使用导体糊料进行丝网印刷等来形成。
具体而言，如图7所示，在片材51a的背面形成有天线端子T11、T12，并且在片材51a形成有通孔导体。在片材51b形成有通孔导体。在片材51c的表面形成有线圈导体52，并且在片材51c形成有通孔导体。在片材51d、51e、51f的表面形成有电容电极53a、53b、54a、54b、55a、55b，并且，在片材51d、51e、51f形成有通孔导体。在片材51h～51t的表面形成有线圈导体56a、56b、57a、57b，并且在片材51h～51t形成有通孔导体。在片材51u形成有通孔导体。在片材51v的表面形成有与无线IC22相连接的输入输出端子T1、T2及安装用端子T3、T4，并且在片材51v形成有通孔导体。
通过将以上的片材51a～51v进行层叠，各通孔导体如图7的虚线所示那样相连接。在此情况下，线圈导体52形成电感器L4。电容电极53a、54a形成电容器C3，电容电极53b、54b形成电容器C4。电容电极54a、55a形成电容器C1，电容电极54b、55b形成电容器C2。而且，线圈导体56a形成电感器L1，线圈导体56b形成电感器L2，线圈导体57a、57b形成电感器L3。
图8中示出了在第1例的供电电路43中将功率(频率：0.5～1.0GHz)输入到无线IC22时的阻抗。图8(A)表示输入为-20dBm时的阻抗，图8(B)表示输入为-10dBm时的阻抗，图8(C)表示输入为0dBm时的阻抗，图8(D)表示输入为+10dBm时的阻抗。在各图中，阻抗区域用粗线表示。从这些史密斯圆图可见，阻抗随着功率的增大而发生变化。本发明是基于这样的现象而完成的，即，无线IC22的阻抗随着输入功率的变化而发生变化。
即，RFID系统使用-10dBm附近，因此，若输入比-10dBm要大的功率，则阻抗发生稍许变化，但输入功率增大，因此，阻抗的偏差相互抵消。然而，若输入功率过大，则成为无法抵消的电平。另一方面，GSM系统的发送信号为+33dBm左右，因此，阻抗的变化较大。
图9表示从供电电路43的所述第1例中的天线侧观察到的反射特性(参照虚线C)及通过特性(参照实线D)。图9(A)是输入功率为-20dBm(最小驱动功率)时的频率0.5～4.0GHz的范围的阻抗的波形，图9(B)表示其中频率0.8～1.2GHz部分的经放大的波形。图9(C)是输入功率为+10dBm时(在GSM系统接收发送功率时)的频率0.5～4.0GHz的范围的阻抗的波形，图9(D)表示其中频率0.8～1.2GHz部分的经放大的波形。
将图9(B)与图9(D)进行比较可以明白，通过将功率从-20dBm增加到+10dBm，谐振频率从约1.05GHz频变到约1.00GHz。顺便说一下，RFID系统的使用频带在日本为915～928MHz、在美国为902～928MHz、在欧洲为865～868MHz。此外，对于GSM系统的使用频带，在E-GSM的情况下，输出信号为880～915MHz，输入信号为925～960MHz。
另外，图9所示的反射特性及通过特性是通过以下方法得到的值：即，如图10所示，分别对由环状导体24形成的天线的特性、供电电路43的特性、无线IC22的特性进行测定，然后，利用电路模拟器进行计算得到的值。
(供电电路的第2例、参照图11及图12)
如图11的等效电路所示，供电电路43的第2例相对于所述第1例(参照图5)省略了电容器C1、C2，其它结构与第1例相同，通过电感器L1、L2、L3构成自耦变压器。图12中示出了从本第2例中的天线侧观察到的反射特性及通过特性。图12是与所述图10相同地获得的，本第2例的作用效果与所述第1例基本相同。
(供电电路的第3例、参照图13)
如图13的等效电路所示，供电电路43的第3例相对于所述第2例在天线端子T11和T12之间连接了电容器C5，其它结构与第2例相同，通过电感器L1、L2、L3构成自耦变压器。本第3例的作用效果与所述第2例基本相同。
(供电电路的第4例、参照图14)
如图14的等效电路所示，在供电电路43的第4例中，在变压器电路部T与天线端子T11、T12之间分别连接有电感器L1、L2，且在天线端子T11和T12之间连接有电容器C5。本第4例的作用效果与所述第1例基本相同。
(供电电路的第5例、参照图15)
如图15的等效电路所示，供电电路43的第5例相对于所述第4例省略了电感器L1、L2，其它结构与第4例相同，其作用效果也与第4例基本相同。
(其它实施例)
另外，本发明所涉及的无线通信设备及天线装置并不限于所述实施例，在其要点的范围内能进行各种变更。
例如，谐振电路的结构、变压器电路部的结构是任意的，而且，供电电路基板的层叠结构也能采用各种形态。
工业上的实用性
如上所述，本发明对无线通信设备及天线装置是有用的，尤其在能尽可能地减少一个通信系统对另一个通信系统的发送信号所带来的不良影响方面优异。
标号说明
20…RFID系统(第1通信系统)
21…RFID器件
22…RFID无线IC
23…供电电路基板
24…环状导体
30…蜂窝(GSM)系统(第2通信系统)
41…RFID无线IC侧的谐振电路
42…天线侧的谐振电路
43…供电电路
T…变压器电路部
C1～C5…电容器
L1～L4…电感器

Claims (10)

1.一种无线通信设备，其特征在于，包括：
第1通信系统；以及
第2通信系统，该第2通信系统以与所述第1通信系统大致相同的通信频带、且比所述第1通信系统的接收信号要强的功率发送发送信号，
所述第1通信系统具有供电电路，以使输入该第1通信系统的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且使输入所述第2通信系统的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。
2.如权利要求1所述的无线通信设备，其特征在于，
对于所述第1通信系统中使用的无线IC，输入所述第1通信系统的接收信号时的阻抗不同于输入所述第2通信系统的发送信号时的阻抗。
3.如权利要求1或2所述的无线通信设备，其特征在于，
所述第1通信系统和所述第2通信系统将共用的接地导体分别用作辐射电极。
4.如权利要求1至3的任一项所述的无线通信设备，其特征在于，
所述第1通信系统是RFID系统，所述第2通信系统是蜂窝系统。
5.一种天线装置，该天线装置在无线通信设备的所述第1通信系统中进行使用，所述无线通信设备包括：
第1通信系统；以及
第2通信系统，该第2通信系统以与所述第1通信系统大致相同的通信频带、且比所述第1通信系统的接收信号要强的功率发送发送信号，
其特征在于，
具有供电电路，以使输入所述第1通信系统的接收信号时的谐振频率处于所述通信频带内，且使输入所述第2通信系统的发送信号时的谐振频率处于所述通信频带外。
6.如权利要求5所述的天线装置，其特征在于，所述供电电路具有变压器电路部。
7.如权利要求6所述的天线装置，其特征在于，
在所述变压器电路部的初级侧连接有天线，并形成有天线侧谐振电路，
在所述变压器电路部的次级侧连接有无线IC，并形成有IC侧谐振电路，
所述天线侧谐振电路引起的谐振频率和所述IC侧谐振电路引起的谐振频率均在所述通信频带或其附近的频带中，
所述IC侧谐振电路引起的谐振频率实质上由所述变压器电路部的电感分量和所述无线IC的电感分量决定。
8.如权利要求5至7的任一项所述的天线装置，其特征在于，
在输入所述第2通信系统的接收信号时，不会在该接收信号的频带下发生谐振。
9.如权利要求7或8所述的天线装置，其特征在于，
所述无线IC经由电容与所述天线相连接。
10.如权利要求5至9的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述供电电路具有带通滤波器功能，以使所述第1通信系统的接收信号通过，并将该接收信号的高次谐波阻断。
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