CN105977613B - 天线装置及通信终端装置 - Google Patents

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Abstract

本发明的目的在于提供一种天线装置及通信终端装置。该天线装置(201)包括平面状导体(111)、线圈状的天线元件(120)、以及供电线圈(100)。供电线圈(100)具有在磁性体铁芯(101)的周围卷绕有线圈导体(102)的结构。平面状导体(111)是由形成在印刷布线板(110)上的接地导体所构成。平面状导体(111)的周边部的一部分上形成有由开口(AP)及狭缝(SL)所构成的耦合部(CP)。天线元件(120)在俯视状态下，供电线圈(100)的线圈开口与开口(AP)的至少一部分重合。另外，供电线圈(100)的线圈开口与天线元件(120)的线圈开口的至少一部分重合。

Description

天线装置及通信终端装置
本申请是申请日为“2013年1月29日”、申请号为“201380001743.4”、题为“天线装置及通信终端装置”的申请的分案申请。
技术领域
本发明涉及用于HF频带、UHF频带通信系统的天线装置及通信终端装置。
背景技术
作为用于进行费用、物品管理的系统，RFID(Radio Frequency Identification：射频识别)系统正在普及。在RFID系统中，以非接触方式来使读写器和RFID标签进行无线通信，在上述器件之间发送和接收高频信号。读写器和RFID标签分别包括：用于处理高频信号的无线IC芯片；以及用于发送和接收高频信号的天线元件。作为天线元件，例如在使用13.56MHz频带的HF频带RFID系统中，使用线圈状的天线，读写器侧的天线线圈与标签侧的天线线圈经由感应磁场进行耦合。
在该HF频带RFID系统中，例如像专利文献1所示的FeliCa(注册商标)对应终端那样，将天线线圈内置于便携式通信终端，将通信终端本身用作读写器、RFID标签。图15是表示专利文献1所记载的非接触IC卡用读写器1的纵向剖视图。
非接触IC卡用读写器1包括：在上表面设置有环形天线、电容器的天线基板；在上表面设置有发送接收电路、贴片型线圈5的控制基板6；配置于天线基板4与控制基板6之间的磁性体片材10；以及绝缘性壳体15。为了在设置于控制基板6的贴片型线圈5的上方形成开口部11，以避开贴片型线圈5的上方的方式来配置磁性体片材10。贴片型线圈(供电线圈)5如磁通φ1所示那样，通过感应磁场与天线基板4的环形天线相耦合。天线基板4如磁通φ2所示那样，与IC卡20进行电磁耦合。通过采用该结构，能在不使用触针、柔性电缆的情况下，使RFID用IC芯片与天线线圈进行实质性地连接。
现有专利文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4325621号公报
发明内容
发明所要解决的技术问题
然而，近年来伴随着通信终端的多功能化、小型化，难以在终端壳体内确保足够的用于配置天线线圈、无线IC芯片、供电线圈的空间。例如，会发生如下情况，即虽然在印刷布线板的一个主面侧配置了天线线圈，但是在该主面侧上没有用于配置无线IC芯片、供电线圈的空间。在这种情况下，不得不将无线IC芯片设置在印刷布线板的另一个主面侧，该无线IC芯片通过柔性电缆等与设置在印刷布线板的一个主面侧的天线线圈相连接。
本发明的目的在于提供一种能提高供电电路与线圈状的天线元件之间位置关系的自由度、并能收纳于有限的空间内的天线装置及具有该天线装置的通信终端装置。
解决技术问题所采用的技术方案
(1)本发明的天线装置的特征在于，包括：
平面状导体、线圈状的天线元件、及与所述平面状导体相耦合或与所述平面状导体相连接的供电电路，
所述天线元件配置在通过电磁场来与所述平面状导体相耦合的位置。
根据该结构，平面状导体作为使供电电路与天线元件间接地进行耦合的中继用元件起作用，从而供电电路与天线元件之间的位置关系的自由度得到提高，能收纳于有限的空间内。
(2)优选与所述供电电路相耦合的所述平面状导体的耦合部是所述平面状导体的开口或切口。利用该结构，供电电路与平面状导体之间的耦合度，以及供电电路与天线元件之间的耦合度得到提高。
(3)优选所述供电电路包括由线圈导体构成的供电线圈，该线圈导体以在内侧具有线圈开口的方式进行卷绕，在俯视状态下，所述供电线圈的线圈开口与所述平面状导体的开口的至少一部分重合。利用该结构，供电电路与平面状导体之间的耦合度，以及供电电路与天线元件之间的耦合度得到进一步的提高。
(4)优选所述供电线圈与RFIC一体化。利用该结构，无需在印刷布线板等基板上进行使得RFIC与平面状导体电导通的布线，并且安装空间的自由度也会提高。
(5)优选所述天线元件是由导体图案构成的线圈天线，该导体图案以在内侧具有线圈开口的方式卷绕而成，在俯视状态下，所述供电线圈的线圈开口与所述线圈天线的线圈开口的至少一部分重合。利用该结构，供电线圈与线圈天线之间的耦合度得到提高。
(6)优选所述天线元件配置在所述耦合部的位置上。利用该结构，能提高天线元件与平面状导体之间的耦合效率。
(7)优选所述天线元件根据需要配置在所述平面状导体的端部的位置。利用该结构，能以较高的自由度来配置天线元件。
(8)优选所述天线元件根据需要配置在所述平面状导体的第一主面侧和第二主面侧这两个面。利用该结构，能使平面状导体的第一主面侧及第二主面侧都具有天线的方向性。
(9)优选所述天线元件根据需要配置在所述平面状导体的多个耦合部的位置。利用该结构，能够获得指向多个方向的天线装置或具有较广方向性的天线装置。
(10)优选所述平面状导体是形成在基板上的接地导体，所述供电电路设置在所述基板上。利用该结构，无需特别设置平面状导体，能较容易地应用于具有印刷布线板等的基板的电子设备。
(11)优选所述天线元件设置于所述基板的第一主面侧，所述供电电路设置于所述基板的第二主面侧。利用该结构，能将印刷布线板等基板夹在中间来配置供电电路及天线元件，因此，能力图实现省空间化。
(12)优选所述天线元件具有相当于通信信号的载波频率的谐振频率。利用该结构，能力图实现高效化。
(13)本发明的通信终端装置的特征在于，包括：
基板、形成于所述基板的平面状导体、线圈状的天线元件、与所述平面状导体相耦合或与所述平面状导体相连接的供电电路、以及壳体，
所述平面状导体具有耦合部，
所述天线元件配置在利用所述平面状导体的至少所述耦合部、来通过电磁场与所述平面状导体相耦合的位置，
所述平面状导体是接地导体，所述天线元件设置于所述壳体，所述供电电路设置于所述基板，所述基板上具有与所述供电电路相连接的通信电路。
根据上述结构，能构成具有下述天线装置的通信终端装置，即具有较高的供电电路与天线元件之间位置关系的自由度，且能收纳于有限的空间内的天线装置。
发明效果
根据本发明，平面状导体作为中继天线起作用，即使在终端壳体内不具有足够的用于配置线圈状的天线元件及供电电路的空间的情况下，特别是在不得不将供电电路与天线元件分别配置在例如印刷布线板的相反侧的情况下，也能从供电电路向天线元件(或从天线元件向供电电路)提供高频信号。
附图说明
图1是实施方式1的天线装置201的分解立体图。
图2是天线装置201的立体图。
图3是具有天线装置201的通信终端装置的主要部分的剖视图。
图4(A)是表示供电线圈100、平面状导体111的耦合部的开口AP、以及天线元件120在俯视状态下的位置关系的图。图4(B)是表示流过供电线圈100、平面状导体111、以及天线元件120的电流状态的图。
图5是实施方式1的天线装置201的等效电路图。
图6(A)是实施方式2的通信终端装置302的俯视图。图6(B)是通信终端装置302的主要部分的剖视图。
图7是实施方式3的通信终端装置303的主要部分的剖视图。。
图8(A)是分开描绘天线元件120的线圈导体120A、120B的立体图。图8(B)是天线元件120的等效电路图。
图9是实施方式4的天线装置202的分解立体图。
图10(A)、10(B)都是关于实施方式5的天线装置的平面状导体111与供电线圈的俯视图。
图11(A)是实施方式6的通信终端装置306的主要部分的剖视图。图11(B)是表示在天线装置306的天线元件附近所产生磁通的状态的示意图。
图12(A)是实施方式7的通信终端装置307的俯视图。图12(B)是通信终端装置307的主要部分的剖视图。
图13(A)是实施方式8的通信终端装置308的主要部分的剖视图。图13(B)是表示在天线装置308的天线元件附近所产生磁通的状态的示意图。
图14(A)是实施方式9的通信终端装置309的俯视图。图14(B)是通信终端装置309的主要部分的剖视图。图14(C)是表示在天线装置309的天线元件120附近所产生磁通的状态的示意图。
图15是表示专利文献1所记载的非接触IC卡用读写器1的纵向剖视图。
具体实施方式
《实施方式1》
图1是实施方式1的天线装置201的分解立体图，图2是天线装置201的立体图，图3是具有天线装置201的通信终端装置的主要部分的剖视图。
该天线装置201包括平面状导体111、线圈状的天线元件120、及供电线圈100。供电线圈100具有在磁性体铁芯101的周围卷绕有线圈导体102的结构。平面状导体111是由形成在印刷布线板110的内部的接地导体所构成。在该平面状导体111的周边部的一部分上形成有由开口AP及狭缝SL所构成的耦合部CP。天线元件120是由导体图案构成的线圈天线，该导体图案以在内侧具有线圈开口的方式卷绕成螺旋状。
在本实施例中，开口AP是呈矩形形状的未形成接地导体的部分。狭缝SL将开口AP与平面状导体111的外部相连接。即，开口AP的周围被平面状导体111封闭。
天线元件120配置在主要利用平面状导体111的耦合部CP经由电磁场与平面状导体111相耦合的位置。具体而言，在俯视状态下，供电线圈100的线圈开口与开口AP的至少一部分相重合。在该图1所示的例子中，供电线圈100的线圈开口的中心大致与开口AP的中心相一致。
另外，在俯视状态下，将天线元件120配置在使得供电线圈100的线圈开口(线圈导体102的内侧部分)与天线元件120的线圈开口的至少一部分相重合的位置上。在该图1所示的例子中，供电线圈100的整个线圈开口与天线元件120的线圈开口相重合。
如图3所示那样，通信终端装置301具有在内部收纳有印刷布线板110的壳体300。壳体300的第一面S1是通常的操作状态下的下表面。读写器等通信对象侧的天线朝向该第一面S1进行通信。壳体300的第二面S2是设置有显示面板、操作面板的面。
天线元件120是利用印刷法、各种模塑成形法而直接形成在壳体300的内表面的。平面状导体111形成在印刷布线板110的内层，兼用作为形成于印刷布线板110的各种电路的接地导体。天线元件120设置于印刷布线板110的第一主面侧(图3所示状态下的上表面侧)。并且，供电元件100表面安装于印刷布线板110的第二主面侧(图3所示状态下的下表面侧)。印刷布线板110的第二主面侧上表面安装有RFIC50。RFIC50通过形成于印刷布线板110的布线与供电线圈110相连接。RFIC50是无线IC芯片，包含有存储电路、信号处理电路。RFIC50也可以是裸芯片，或封装IC。
尽管未图示，但在印刷布线板110上安装有例如液晶驱动电路、电源电路等其他电子电路元件。
图4(A)是表示供电线圈100、平面状导体111的耦合部的开口AP、及天线元件120在俯视状态下的位置关系的图。图4(B)是表示流过供电线圈100、平面状导体111、以及天线元件120的电流状态的图。
如图4(A)所示，平面状导体111的耦合部的开口AP与供电线圈100的线圈开口至少一部分相重合，另外，平面状导体111的耦合部的开口AP与天线元件120的线圈开口至少一部分相重合。由此，供电线圈100、耦合部的开口AP、以及天线元件120通过电磁场相互耦合。
如图4(B)所示，若供电线圈100中流过信号电流，则会有经由平面状导体111的开口AP和狭缝SL而围绕平面状导体111的边缘端部的感应电流流过。然后，会在天线元件120中流过由流过平面状导体111的电流所产生的感应电流。由此，通过电磁场将无线信号发送到通信对象侧的天线线圈。
平面状导体111远大于供电线圈100。天线元件120的尺寸可以与平面状导体111相同，也可以小于平面状导体111。
图5是实施方式1的天线装置201的等效电路图。RFIC50与供电线圈的线圈导体102起到对平面状导体111进行供电的供电电路的作用。
平面状导体111与供电线圈的线圈导体102进行磁场耦合，与此同时平面状导体111还与天线元件120进行磁场耦合。由此，平面状导体111起到作为对供电线圈的线圈导体102与天线元件120的耦合进行中继的天线的作用。另外，平面状导体111还作为发射体发挥作用。此外，由上述RFIC50与供电线圈的线圈导体102构成的供电电路也作为发射体发挥作用。
《实施方式2》
图6(A)是实施方式2的通信终端装置302的俯视图。然而，是以透视通信终端装置的壳体的第一面S1侧的状态来进行表示。图6(B)是通信终端装置302的主要部分的剖视图。
与实施方式1的不同之处在于，线圈状的天线元件120是通过将导体图案形成在基材膜130上而获得的。利用双面胶带等将具有该天线元件120的基材膜130粘贴到通信终端装置302的壳体300的内表面。通过采用该结构，能提高壳体300的材料及加工方法的自由度。
另外，与实施方式1的不同之处在于，供电线圈112一体形成在印刷布线板110的内层。通过采用该结构，则无需作为元器件的供电线圈，从而能够节省空间。另外，能在同一工序中形成供电线圈112与平面状导体(接地导体)111，而不需要将供电线圈安装到印刷布线板，因此能力图实现低成本。
《实施方式3》
图7是实施方式3的通信终端装置303的主要部分的剖视图。在本例中，在印刷布线板110上安装有高频电路模块140。该高频电路模块140具有以下结构：即，在形成有供电线圈112的多层基板上形成有匹配电路，并且安装有RFIC50、安全元件IC等贴片元器件。与实施方式1、实施方式2相同，在高频电路模块140的安装位置所对应的平面状导体111的位置上形成有开口及狭缝。
线圈状的天线元件120形成在基材膜130的两个面上，带有该天线元件的基材膜通过粘接层131粘贴于壳体300的内表面。
图8(A)是分开描绘天线元件120的线圈导体120A、120B的立体图。图8(B)是天线元件120的等效电路图。
形成于基材膜130的上表面的矩形螺旋状的线圈导体120A、以及形成于基材膜130的下表面的矩形螺旋状的线圈导体120B，以线圈导体彼此相对的方式形成，且以卷绕方向相反(从其中某一方来进行俯视时为相同方向)的方式形成。
在图8(B)中，电感器La、Lb对应于所述矩形螺旋状的线圈导体120A、120B。由于矩形螺旋状的线圈导体120A、120B隔着基材膜130相对，因此在两者之间产生电容。图8(B)的电容器C1、C2表示其电容。由此，利用电感器La、Lb及电容器C1、C2，使得天线元件120作为LC谐振电路发挥作用。该谐振频率与通信信号的载波频率相一致或相接近。
《实施方式4》
图9是实施方式4的天线装置202的分解立体图。该天线装置202包括平面状导体111、及线圈状的天线元件120。在该例中，在印刷布线板110的内层形成有平面状导体111，在其外表面形成有输入输出连接电极113及NC用(未进行电连接的安装用)连接电极114。平面状导体111是接地导体，与上述各实施方式相同，都具有开口AP及狭缝SL。输入输出连接电极113在由狭缝SL分开的平面状导体111的位置(横跨狭缝SL的位置)上通过过孔导体相连接。
RFIC50安装于所述输入输出连接电极113及NC用连接电极。RFIC50是对平面状导体111进行供电的供电电路，还具有匹配电路。
由此，也可以将RFIC50安装于印刷布线板110，来与平面状导体111的耦合部直接连接。在这种情况下，设置于平面状导体111的开口AP、狭缝SL利用它们的电感分量，来作为匹配RFIC50内的电路与平面状导体111的匹配电路发挥作用。
《实施方式5》
在实施方式5中，示出了平面状导体111的耦合部的其他形状及其耦合部与供电线圈之间的位置关系的例子。
图10(A)、图10(B)都是关于实施方式5的天线装置的平面状导体111与供电线圈的俯视图。在图10(A)的例子中，在平面状导体111的周边部的一部分上形成有切口状的开口AP。特别是不存在狭缝，而该开口AP的四条边中的一条边向外部开放。该开口AP是与供电线圈100的耦合部。在图10(B)的例子中，平面状导体111并未特别具有开口或狭缝，而是以使得供电线圈100的一部分在俯视状态下与平面状导体111的周边部的规定位置相重合的方式，来配置平面状导体111及供电线圈100。在俯视状态下，平面状导体111中的、与供电线圈100相重合的部分是耦合部。
将线圈状的天线元件配置在通过平面状导体111的所述耦合部所产生的电磁场，来与平面状导体111进行耦合的位置。
图10中省略了天线元件的图示。
由此，即使在不存在狭缝的耦合部或不存在开口的耦合部中，供电线圈100也能与平面状导体111进行电磁场耦合，与图4(B)相同，在平面状导体111的周边部中流过电流。因而，平面状导体111对供电线圈100与天线元件的耦合进行中继。
《实施方式6》
图11(A)是实施方式6的通信终端装置306的主要部分的剖视图。图11(B)是表示在天线装置306的天线元件附近所产生磁通的状态的示意图。
在该实施方式6中，具有两个线圈状的天线元件120、121。天线元件120、121分别配置在主要利用平面状导体111的耦合部CP经由电磁场与平面状导体111相耦合的位置。天线元件120设置在壳体300的第一面S1侧。天线元件121设置在壳体300的第二面S2侧。
天线元件121的结构与各实施方式所述的天线元件120相同。天线元件121以外的整体结构与实施方式1所述的天线装置301相同。
如图11(B)所示，因天线元件120而产生沿着箭头Da方向的方向性，因天线元件121而产生沿着箭头Db方向的方向性。因此，当壳体300的两个表面中的任意一个表面朝向通信对象的天线时，都能确保较大的最大可通信距离。另外，由于在壳体300的一端附近的增益较高，因此能将该部分用作所谓的热点。
《实施方式7》
图12(A)是实施方式7的通信终端装置307的俯视图。然而，是以透视通信终端装置的壳体的第一面(S1侧)的状态来进行表示。图12(B)是通信终端装置307的主要部分的剖视图。
与实施方式1的不同之处在于，不将线圈状的天线元件120配置于耦合部CP的位置，而将其配置于平面状导体111的端部(离开耦合部CP较远一侧的平面状导体的边)的位置。天线元件120配置成使得平面状导体111的端部(离开耦合部CP较远一侧的平面状导体的边)111S进入天线元件120的线圈开口CA内。因此，在平面状导体111的边缘附近产生的磁通的一部分会与天线元件120相交链。即，天线元件120与平面状导体111进行耦合。
此外，若平面状导体111的端部111S进入天线元件120的线圈开口(线圈内周区域)CA内，则天线元件120与平面状导体111之间的磁耦合量会增大，因此是优选的。但是，并不局限于这种关系，只要是在平面状导体111的边缘附近产生的磁通的一部分会与天线元件120相交链的位置关系，天线元件120就会和平面状导体111相耦合。
其他结构与实施方式1所述的天线装置相同。根据本实施方式，能在壳体300的天线元件120附近获得指向壳体300的第一面S1方向的较强的方向性。另外，根据该结构，能够不考虑供电线圈100的位置来配置天线元件120，因此，能提高天线元件120相对于印刷布线板110的配置位置的自由度。
《实施方式8》
图13(A)是实施方式8的通信终端装置308的主要部分的剖视图。图13(B)是表示在天线装置308的天线元件附近所产生磁通的状态的示意图。
在该实施方式8中，具有两个线圈状的天线元件120、121，天线元件121配置在主要利用平面状导体111的耦合部CP经由电磁场与平面状导体111相耦合的位置。天线元件120配置在平面状导体111的端部(离开耦合部CP较远一侧的平面状导体的边)的位置上。
天线元件120设置在壳体300的第一面S1侧，天线元件121设置在壳体300的第二面S2侧。天线元件120的结构与图12(A)所示的结构相同。
如图13(B)所示，因天线元件120而产生沿着箭头Da方向的方向性，因天线元件121而产生沿着箭头Db方向的方向性。因而，当壳体300的两个表面中的任意一个表面朝向通信对象的天线时，都能确保较大的最大可通信距离。另外，在壳体300的两端附近产生热点。
《实施方式9》
图14(A)是实施方式9的通信终端装置309的俯视图。然而，是以透视通信终端装置的壳体的第一面(S1侧)的状态来进行表示。图14(B)是通信终端装置309的主要部分的剖视图。图14(C)是表示在天线装置309的线圈状的天线元件120附近所产生磁通的状态的示意图。
对于天线元件120，沿着终端壳体300的第一面S1及第三面S3(在包含棱的位置上)配置天线元件120。其他结构与实施方式1所示的天线装置相同。
由此，天线元件120的线圈开口横跨壳体300的两个面进行配置，从而天线元件120在箭头Dc方向(例如倾斜45度方向)上的方向性较高，因此，能增大箭头Dc方向的最大可通信距离。
此外，在图11及图13所示的例子中，尽管设置了两个天线元件，但是也能通过组合实施方式6～实施方式9来设置三个以上的天线元件。
另外，在以上所述的各实施方式中，作为天线元件120的示例，举出了由卷绕成螺旋状的导体图案构成的绕组型的天线，但是只要是能与平面状导体进行电磁场耦合的形状即可，并不将天线元件限于绕组型，也可以是由线状或面状的发射电极所构成的天线。
另外，本发明所涉及的平面状导体并不限于形成于基板的接地导体。例如，也可以将屏蔽外壳、屏蔽板、壳体的金属板部分利用为平面状导体。
附图标记
AP 开口
CA 线圈开口
CP 耦合部
La，Lb 电感器
SL 狭缝
50 RFIC
100 供电线圈
101 磁性体铁芯
102 线圈导体
110 印刷布线板
111 平面状导体
111S 平面状导体的端部
112 供电线圈
113 输入输出连接电极
114 NC用连接电极
120，121 天线元件
120A,120B 线圈导体
130 基材膜
131 粘接层
140 高频电路模块
201、202 天线装置
300 壳体
301～303，306～309 通信终端装置

Claims (11)

1.一种天线装置，其特征在于，包括：
平面状导体、线圈状的天线元件、以及与所述平面状导体相耦合或与所述平面状导体相连接并具有独立于线圈状的天线元件的供电线圈的供电电路，
所述天线元件是HF频带的天线元件，该天线元件配置在所述平面状导体的端部的位置，经由电磁场与所述平面状导体相耦合。
2.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
所述天线装置包括对所述天线元件和所述平面状导体进行收纳的壳体。
3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，
与所述供电电路相耦合的所述平面状导体的耦合部是所述平面状导体的开口或切口，
所述供电电路设置于基板，
所述开口或切口向所述平面状导体的外部开放。
4.如权利要求3所述的天线装置，其特征在于，
所述供电电路包括由线圈导体构成的供电线圈，所述线圈导体是以在内侧具有线圈开口的方式卷绕而成，在俯视状态下，所述供电线圈的线圈开口与所述平面状导体的开口的至少一部分重合。
5.如权利要求4所述的天线装置，其特征在于，
所述供电线圈与RFIC一体化。
6.如权利要求4或5所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件是由导体图案构成的线圈天线，所述导体图案是以在内侧具有线圈开口的方式卷绕而成，在俯视状态下，所述供电线圈的线圈开口与所述线圈天线的线圈开口的至少一部分重合。
7.如权利要求3～5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件配置于所述耦合部的位置。
8.如权利要求3～5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件配置于所述平面状导体的第一主面侧及第二主面侧这两面上。
9.如权利要求3～5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件配置于所述平面状导体的多个耦合部的位置。
10.如权利要求3～5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件设置于基板的第一主面侧，
所述供电电路设置于所述基板的第二主面侧。
11.如权利要求3～5的任一项所述的天线装置，其特征在于，
所述天线元件具有相当于通信信号的载波频率的谐振频率。
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