CN105098329B - 三轴天线 - Google Patents

Abstract

一种三轴天线(11)，包括第一至第三天线线圈(21a、21b、21c)，各天线线圈具有：围绕卷轴(N)卷绕的平面状线圈(31、32、33)，和插入各平面状线圈的中心孔中的片状芯部(41、42、43)，其中三个天线线圈(31、32、33)以各天线线圈彼此不重叠、各平面状线圈的平面共面、且第一至第三天线线圈各自的片状芯部的轴向交叉并彼此形成120°角的方式布置。

Description

三轴天线

技术领域

本发明涉及在用于锁定或解锁车辆等的无钥匙进入系统的接收装置中使用的全向接收灵敏度三轴天线。

背景技术

作为用于LF波段的天线，使用由围绕棒型芯部卷轴卷绕的导线组成的棒状天线。这类棒状天线在卷轴方向具有接收灵敏度，而在与卷轴正交的方向不具有接收灵敏度。因此，由于通过将三个天线线圈布置成使得各自的卷轴彼此正交，使多个天线线圈互相补偿各自缺乏接收灵敏度的区域，因此获得具有全向接收灵敏度的天线。

近年来，如日本特开2004-15168号公报中所示、具有围绕单一芯部彼此正交卷绕的三个线圈的小型三轴天线被广泛使用。

图20示出现有技术的三轴天线的示例。如图20中所示，常规的三轴天线70由外部扁平的圆盘型铁氧体磁芯80构成，在芯部80的顶面和底面上设有互相正交的x槽81和y槽82，在其外周面上设有z槽83，并且围绕x槽81、y槽82和z槽83分别卷绕有x轴线圈91、y轴线圈92和z轴线圈93。

由于x轴线圈91、y轴线圈92和z轴线圈93的卷轴彼此正交，因此三轴天线70具有全向接收灵敏度。

发明内容

【发明要解决的问题】

虽然上述现有技术的三轴天线具有低剖面，但其厚度仍超过3mm。因此，其可装入钥匙扣等中，但不能装入像宽度为85.6mm、高度为54.0mm且厚度为0.76mm的标准化IC卡的薄型物品中。

【用于解决问题的手段】

本发明的特征在于提供：

一种三轴天线，包括第一至第三天线线圈，各天线线圈包括：围绕卷轴周向卷绕从而形成中心孔的平面状线圈，和插入该中心孔中的片状芯部，其中

第一至第三天线线圈以如下方式布置，即各天线线圈彼此不重叠，平面状线圈的平面构成一个平面，并且第一至第三天线线圈各自的片状芯部的轴线以120°角彼此交叉。

【发明的效果】

根据本发明的三轴天线，可获得能够装入像IC卡等的薄型物品中的三轴天线。

附图说明

图1是本发明的三轴天线的第一实施例的透视图；

图2A是该实施例中的天线线圈的俯视图；

图2B是天线线圈的纵向截面图；

图3是示出天线线圈的辐射特性的曲线图；

图4是示出天线线圈的辐射特性的截面图；

图5是示出天线线圈的特性的曲线图；

图6是示出根据本发明的三轴天线的最大接收灵敏度的方向的特性图；

图7A至图7D示出根据本发明的三轴天线的辐射特性的模拟；

图8是本发明的第二实施例的俯视图；

图9是本发明的第三实施例的俯视图；

图10是说明三轴天线的天线线圈间的电磁耦合的电路图；

图11是示出三轴天线的天线线圈间的耦合系数与输出电压之间的关系的曲线图；

图12是本发明的第四实施例的俯视图；

图13是示出图12中所示的三轴天线的旋转角与耦合系数之间的关系的曲线图；

图14是本发明的第五实施例的俯视图；

图15是示出图14中所示的三轴天线的旋转角与耦合系数之间的关系的曲线图；

图16是本发明的第六实施例的俯视图；

图17是示出图16中所示的三轴天线的旋转角与耦合系数之间的关系的曲线图；

图18是本发明的第七实施例的俯视图；

图19是示出图18中所示的三轴天线的旋转角与耦合系数之间的关系的曲线图；并且

图20是常规的三轴天线的透视图。

【附图标记的说明】

11、14、15、16、17、70 三轴天线

21、21a、21b、21c、22、22a、22b、22c、23、23a、23b、24a、24b、24c 天线线圈

31、32、33 平面线圈

41、42、43 薄片芯部

42a、42b、43a、43b 芯片

80 芯部

81、82、83 槽

91、92、93 线圈

a、b、c 芯轴

R 半径

L 长度

W 宽度

t 厚度

K 耦合系数

ψ 旋转角

具体实施方式

第一实施例

图1是根据本发明的三轴天线的实施例的透视图。图2A和图2B是用于示出在三轴天线中采用的天线线圈的俯视图及其截面图。

如图1中所示，三轴天线11包括具有布置在x-y平面上的三个平面状天线线圈21a、21b和21c的天线线圈21。

具有天线线圈21a、21b和21c的天线线圈21，如图2A(俯视图)和图2B(截面图)中所示，包括由围绕卷轴N卷绕的绝缘导线形成的内径为d₀、外径为d₁、厚度为t₃₁的扁平状的平面线圈31，和插入平面线圈31的中心孔31a中的长度为L、宽度为W、厚度为t₄₁的矩形片状的薄片芯部41。平面线圈31围绕卷轴N卷绕从而在中心形成中心孔31a，并且薄片芯部41插入中心孔31a中。

薄片芯部41是通过在片状PET基材上形成软磁材料的薄膜而构成的矩形箔型磁芯，并且相对于平面线圈31的卷轴N倾斜约90°。薄片芯部41和平面线圈31彼此重叠，使得位于薄片芯部41的一端的下表面与平面线圈31的上表面接触，而位于薄片芯部41的另一端的上表面与平面线圈31的下表面接触。

将天线线圈21a、21b和21c各自的中心指定为P且薄片芯部41(图2A)和43(图9)的轴向指定为a轴、b轴和c轴(参照图1)，则三轴天线11布置成使得a轴、b轴和c轴在原点0交叉，并且中心P定位在以原点0为中心且半径为R的圆上，使得a轴、b轴和c轴彼此形成120°的角度。

在下文中，将说明三轴天线11的全向性及其条件。

图3是示出天线线圈21的辐射特性的曲线图。在图3中，将薄片芯部41的轴向指定为x方向并将平面线圈31的卷轴方向指定为z轴方向。

这里，平面线圈31通过将直径为0.045mm的自融合导线卷绕332匝而构成，具有内径d₀＝8mm、外径d₁＝19mm、厚度t₃₁＝0.2mm，并且薄片芯部41具有相对磁导率μ_r＝10⁴，长度L＝20mm、宽度W＝6mm，厚度t₄₁＝0.060mm。

围绕棒型芯部卷绕的常规棒型天线在轴向具有最大接收灵敏度且产生最大感应电压。相反，在图1中所示的天线线圈21中，如图4中所示，最大接收灵敏度的方向，也就是，产生最大感应电压V_max的方向相对于薄片芯部41的轴向(x轴)形成倾角θ(0°≦θ≦90°)。图4中的角θ约为50°。

这里，接收灵敏度被定义为当天线线圈位于1μT的磁场中时在天线线圈中产生的感应电压。

倾角θ连同最大感应电压V_max可通过改变薄片芯部41的形状、相对磁导率μ_r等来进行调整。也就是，如果薄片芯部41的轴向长度L越长，截面积W×t₄₁越大，或相对磁导率μ_r越大，则倾角θ将越小。

图5是示出当薄片芯部41的轴向长度L变化时倾角θ和最大感应电压V_max的变化的曲线图。在图5中，横坐标表示薄片芯部的轴向长度L[mm]，而纵坐标表示倾角θ[°]和最大感应电压V_max[V]，其中实线表示倾角θ而虚线表示最大感应电压V_max。这里采用的平面线圈与在图2A和图2B中说明的平面线圈31相同。

从图5可理解，薄片芯部41的轴向长度L越长，倾角θ越小且最大感应电压V_max越大。

图6是示出天线线圈21a、21b和21c(未示出)的最大接收灵敏度的方向连同三轴天线11的接收灵敏度的特性图。在图6中，假设天线线圈21a的薄片芯部的轴向是a轴、最大接收灵敏度的方向是α轴、且倾角是θ，假设天线线圈21b的薄片芯部的轴向是b轴、最大接收灵敏度的方向是β轴、且倾角是θ，假设天线线圈21c的薄片芯部的轴向是c轴、最大接收灵敏度的方向是γ轴、且倾角是θ，并假设a轴是x轴，在a轴、b轴和c轴之间的角度分别是120°，且各轴在原点0彼此交叉。

如图6中所示，因为为使三轴天线11具全向性，α轴、β轴和γ轴需彼此正交，所以倾角θ需形成为35.26°。从图5的曲线图中可见，为获得35.26°的倾角θ，薄片芯部41的轴向长度L约为27mm。

图7A至图7D示出三轴天线11所使用的、形成倾角θ＝35.26°的天线线圈21a、21b和21c的模拟结果的辐射特性，其中

图7A示出天线线圈21a的辐射特性，

图7B示出天线线圈21b的辐射特性，

图7C示出天线线圈21c的辐射特性，并且

图7D示出通过天线线圈21a、21b和21c的辐射特性的逻辑和运算所获得的三轴天线11的辐射特性。

如图7D中所示，三轴天线11是具有全向接收灵敏度的天线。

上述天线线圈的厚度T(＝t₃₁+t₄₁×2，在图2B中示出)约为0.32mm。该厚度比通过从IC卡的厚度0.76mm中去除外部的顶面和底面各自的厚度0.20mm所获得的基材的厚度更薄，使得三轴天线11可嵌入IC卡中。

另外，使用薄片芯部和薄的平面线圈的这种三轴天线11与使用厚的铁氧体的常规三轴天线不同，可预期一定的灵活性，使之适于装入IC卡等中。

此外，35.26°的倾角理论上是理想的，但是天线线圈即使稍微偏离最大接收灵敏度方向仍然具有接收灵敏度。因此，即使在倾角θ和天线线圈的布置上存在轻微差异，缺乏接收灵敏度的区域也互相补偿，从而确保天线是全向性的。

第二实施例

薄片芯部的形状不限于矩形。如图8中所示，三轴天线线圈可以是具有组合多个片状芯片而成的H形平面轮廓的薄片芯部的天线线圈。

图8是在本发明的第二实施例中采用的天线线圈的俯视图。如图8中所示，天线线圈22包括平面线圈32，和插入平面线圈32的中心孔31a中的H形薄片芯部42。薄片芯部42由矩形薄片芯片42a和配置在芯片42a两端的半圆形的两个片状芯片42b、42b组成。平面线圈32与在第一实施例中说明的平面线圈31相同。芯片42a具有长度L_42a、宽度W_42a和厚度t₄₂，且芯片42b具有直径L_42a和圆弧高度W_42b。

因为薄片芯部42的轮廓被制成与平面线圈32的轮廓相符，所以可没有重叠地容易地配置天线线圈22。

第三实施例

如图9中所示，三轴天线线圈可使用通过组合多个片状芯片形成T形薄片芯部而构成的天线线圈。

图9是示出在本发明的第三实施例中采用的天线线圈的详细俯视图。

如图9中所示，天线线圈23包括平面线圈33，和插入平面线圈33的中心孔中的T形平面轮廓的薄片芯部43，且薄片芯部43包括矩形薄片芯片43a和布置在芯片43a的一端的矩形薄片芯片43b。平面线圈33与第一实施例中的平面线圈31相同。芯片43a具有长度L_43a、宽度W_43a和厚度t₄₃，且芯片43b具有长度L_43b、宽度W_43b和厚度t₄₃。相对于薄片芯部43的轴向(图9中的x轴)，天线线圈23是非对称的，但辐射特性是对称的。

如在第一至第三实施例中所述，为了得到期望的特性，薄片芯部可具有多种形状并具有许多选择。因此，可采用单一薄片芯部，或者为了易于组装也可采用组合的多个芯片。

比较例

在图20的常规三轴天线中，在三个天线线圈间未发生电磁耦合。然而，在通过组合多个棒状天线而实现全向天线的三轴天线中，当天线线圈靠近布置时将发生电磁耦合，结果，天线的接收灵敏度将受到影响。

同样，根据本发明的三轴天线的接收灵敏度受到天线线圈间的电磁耦合的影响。天线线圈间的距离越短，电磁耦合越强。因此，三轴天线的小型化相当困难。

图10示出用于模拟在三轴天线中当各天线线圈间发生电磁耦合时的内部影响的电路构造。天线线圈L1、L2和L3分别与谐振电容器C1、C2和C3并联连接，并且天线线圈L1、L2和L3的输出分别经由二极管D1、D2和D3，与电容器C_out和电阻器R_out并联连接到的、输出电压V_out的端子连接。作为由外部磁场感应的电压的电压源V1串联连接到天线线圈L1。

这里，指定天线线圈L1与L2间的耦合系数为K₁₂、天线线圈L2与L3间的耦合系数为K₂₃并且天线线圈L3与L1间的耦合系数为K₃₁。

图11是示出当假设K₁₂＝K₂₃＝K₃₁＝K且耦合系数K从0％到10％变化时输出电压V_out的模拟结果的曲线图。横坐标表示耦合系数K[％]，而纵坐标表示当耦合系数为零且输出电压V_out归一化为100[％]时的归一化输出电压V_out。

如图11中所示，当耦合系数K为2％时，输出电压V_out降低8％，并且当耦合系数K为10％时，输出电压V_out降低71％。

以此方式，天线线圈间的电磁耦合使接收灵敏度劣化。优选地，耦合系数应小于2％并尽可能接近0％。

第四实施例

图12是示出本发明的第四实施例的俯视图。第四实施例大部分类似于第一实施例，但不同之处在于各天线线圈21a、21b和21c的薄片芯部41的轴a、b和c的方向围绕各天线线圈的中心P旋转ψ度的角度。

因为三个天线线圈21a、21b和21c在相同的方向旋转ψ度，所以轴a、b和c间的角度保持为120°。

图13是示出在图12中当薄片芯部41的长度L为20mm或27mm并且旋转ψ(0°≦ψ≦90°)时各天线线圈间的耦合系数K的曲线图。在图13中，横坐标表示旋转角ψ[°]，而纵坐标表示耦合系数K[％]。

半径为R＝12mm，并且薄片芯部41的尺寸为宽度W＝6mm且厚度t₄₁＝0.060mm。

从图13中所示的结果可以理解，天线线圈间的耦合系数K根据旋转角ψ而变化，

在薄片芯部41的长度L为20mm的情况下，在旋转角ψ＝90°时耦合系数K最小，并且

在薄片芯部41的长度L为27mm的情况下，在旋转角ψ＝60°时耦合系数K几乎为0。

因为天线线圈具有相对于与薄片芯部的轴向正交的轴呈对称的形状，所以在图13的曲线图中，在旋转角ψ﹥90°的情况下的耦合系数K在ψ＝90°时变为对称。

因此，天线线圈间的耦合系数K取决于旋转角ψ而变化，耦合系数成为最小时的旋转角ψ取决于薄片芯部的形状而变化。

第五实施例

图14是本发明的第五实施例的俯视图。第五实施例通过将第二实施例的天线线圈22应用于第四实施例的天线线圈而构成。天线线圈22a、22b和22c与在第二实施例中说明的天线线圈22相同。

图15是示出如图14中所示布置在半径R＝13mm、12mm和11mm的圆上、围绕各天线线圈的中心P旋转角度ψ(0°≦ψ≦90°)的天线线圈22a、22b和22c间的耦合系数K的曲线图。

在图15中，横坐标表示旋转角ψ[°]，而纵坐标表示耦合系数K[％]。各天线线圈22a、22b和22c按尺寸W_42a＝6mm、L_42a＝20mm、W_42b＝8mm和t₄₂＝0.060mm来构成。

如图15中所示，耦合系数K取决于旋转角ψ而变化，并且在半径R＝12mm和R＝13mm的情况下，在旋转角ψ＝60°时耦合系数K可几乎为0，而在半径R＝11mm的情况下，在旋转角ψ＝70°时耦合系数K可为最小。

在半径R＝11mm时耦合系数K不为零的原因是各天线线圈的薄片芯部彼此重叠。

如上所述，不仅如果半径R增加则耦合系数K变小，而且耦合系数K还取决于旋转角ψ而变化。

第六实施例

图16是本发明的第六实施例的俯视图。第六实施例通过将第三实施例的天线线圈23应用于第四实施例的天线线圈而构成。天线线圈23a、23b和23c与在第三实施例中说明的天线线圈23相同。

图17是示出如图16中所示旋转了角度ψ(0°≦ψ≦180°)的各天线线圈间的耦合系数K的曲线图。在图17中，横坐标表示旋转角ψ[°]，而纵坐标表示耦合系数K[％]。此外，半径R＝12mm，并且天线线圈23a、23b和23c具有W_43a＝6mm、L_43a＝20mm、W_43b＝8mm、L_43b＝20mm和t₄₃＝0.060mm的尺寸。

如图17中所示，耦合系数K取决于旋转角ψ而变化，并且当旋转角ψ约为50°或100°时，耦合系数K几乎为零。

如上所述，耦合系数K取决于旋转角ψ而变化，其最小值关于薄片芯部的形状而变化。另外，在薄片芯部关于与薄片芯部的轴向正交的轴非对称的情况下，耦合系数K的曲线图并非如图13的曲线图中所示关于旋转角ψ＝90°对称。

第七实施例

图18是本发明的第七实施例的俯视图。在第七实施例中，天线线圈24a、24b和24c布置成使得各天线线圈的中心P共线，且各薄片芯部的a轴、b轴和c轴彼此之间形成120°的角度。天线线圈24a、24b和24c与在第二实施例中说明的天线线圈22相同。

图19是示出当如图18中所示旋转角度ψ(0°≦ψ≦180°)时各天线线圈间的耦合系数K的曲线图。在图19中，横坐标表示旋转角ψ[°]，而纵坐标表示耦合系数K[％]，

天线线圈24a与天线线圈24b间的耦合系数为K₁₂，

天线线圈24b与天线线圈24c间的耦合系数为K₂₃，并且

天线线圈24a与天线线圈24c间的耦合系数为K₁₃。

如图19中所示，耦合系数K取决于旋转角ψ而变化。需注意的是，如在第四至第六实施例中所示，各天线线圈的耦合系数并不都相同，并且对于每个天线线圈耦合系数不同。当旋转角ψ约为150°时，耦合系数分别为K₁₂＝0.11、K₂₃＝0.32和K₃₁＝0.12。

因此，无论天线线圈的布置如何，均存在使天线线圈间的耦合系数减至最小的最佳旋转角ψ。

如在第四至第七实施例中所述，通过在各天线线圈的轴向之间保持120°的角度同时调整旋转角，即使天线线圈紧密定位在一起，也可使天线线圈间的耦合减至最小并获得接收灵敏度轻微减少的三轴天线。结果，可得到占用更小面积的三轴天线。重要的是各天线线圈彼此不重叠。

虽然上面已说明了本发明的优选实施例，但是本发明不应局限于上述实施例的保护范围，而且不言而喻，在本发明的主旨内的许多改型和变型应包括在本发明的保护范围内。

例如，已将薄片芯部的材料说明为PET基材上的软磁薄膜，然而，包括片状或板状的铁氧体、浸渍金属磁性粉末的金属磁性树脂等的多种材料可应用于本发明。至于天线线圈的定位，并不限于中心P是同心或共线的位置，只要各天线线圈彼此不重叠，可自由布置，包括共面的天线线圈定位在电路板的顶面和底面的布置。

本发明涉及适合装入IC卡等薄的物品中的三轴天线。然而，本发明不限于装入IC卡中，本发明不限于接收天线，可应用于发射天线或多种天线。

Claims (4)

1.一种三轴天线(11)，其包括第一至第三天线线圈(21a、21b、21c)，各所述天线线圈包括围绕卷轴(N)卷绕的平面状线圈(31)，和插入所述平面状线圈的中心孔(31a)中的片状芯部(41)，片状芯部(41)和平面状线圈(31)彼此重叠，使得位于片状芯部(41)的一端的下表面与平面状线圈(31)的上表面接触，而位于片状芯部(41)的另一端的上表面与平面状线圈(31)的下表面接触，其中

第一至第三天线线圈(31、32、33)以各天线线圈彼此不重叠、所述平面状线圈的平面共面、并且所述第一至第三天线线圈各自的片状芯部的轴向交叉并彼此形成120°角的方式布置，并且所述第一至第三天线线圈各自具有最大接收灵敏度的方向倾角θ，其中所述方向倾角θ为35.26°，使得各天线线圈的最大接收灵敏度的方向彼此正交，

所述三个天线线圈以各所述平面状线圈围绕各自的中心在相同的方向以相同的角度旋转，以便使所述第一至第三天线线圈中的各天线线圈间的相互电磁耦合减至最小的方式布置，并且

所述平面状线圈以各自的中心位于同一圆周上的方式布置，并且所述平面状线圈的旋转角度ψ为50°≦ψ≦70°。

2.根据权利要求1所述的三轴天线，其中

所述片状芯部具有矩形或I形轮廓。

3.根据权利要求1所述的三轴天线，其中

所述片状芯部是轮廓被切割成与所述平面状线圈的轮廓相符合的基本上H形。

4.根据权利要求1所述的三轴天线，其中

所述片状芯部具有T形轮廓。

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