CN1619572A - 环形线圈天线和读写器 - Google Patents

Abstract

本发明制作了能够避免在金属、标签等导体靠近读写器时的不良影响的天线匹配电路，消除了读写器侧的通信不良区，稳定地维持了通信距离。本发明在当标签与由读写器的天线线圈产生的磁场存在区对应时利用由该对应的标签的天线线圈产生的电功率使该标签的控制电路工作、向上述读写器输出用于传送信息的电波的RFID系统中，借助于在上述读写器的天线线圈附近配置导体，有意地使涡电流流动，来减少读写器与向该读写器靠近的标签的之间的通信不良。

Description

环形线圈天线和读写器

技术领域

本发明涉及利用感应电磁场在读写器与标签之间非接触式地交换信息的RFID系统(射频识别系统)，更详细些说，涉及除提高通信性能外还能使电路、天线简单的环形线圈天线和读写器。

背景技术

一般说来，为了借助于对物品、设备的对照确认等来提高自动化程度，有效地读取例如在安装于物品上的标签中记录的认证信息是重要的。现在，为了实现这种读取，在标签上记录了与认证信息对应的条形码，用条形码阅读器读取该条形码。

但是，为了用条形码阅读器读取条形码信息，需要在两者之间高精度建立与一定距离和方向有关的联系，这有碍于达到对照的自动化和平滑化。另外，用条形码信息时可输入的信息量较少，对物品的管理能力受到限制。

于是，近年来开发了在产生感应电磁场的读写器与用作数据载体的非接触式RF标签(例如IC标签)之间进行非接触式无线通信，交换信息的RFID系统。使用这种RFID系统，由于利用感应电磁场进行读取，所以在读取时不太受两者之间的距离和方向的限制。因此，从隔开距离的位置上也能可靠地读取在该标签上记录的认证信息。

这时，如图8所示，读写器具有由天线匹配电路81和天线线圈82组成的环形线圈天线83。可是，当金属等导体靠近该环形线圈天线83时，或者标签靠近它时，它们与天线线圈82的耦合程度的变化大，这时，往往在天线匹配电路81中发生失配，因此产生不能进行通信的区域，使通信距离缩短。

另外，在现在的RFID系统的天线匹配电路中，为了抑制从天线泄漏的电流，例如，在如图9(A)所示的ISO10373的检查规格中使用的补偿线圈系统中，或在使用图9(B)所示的变压器等的天线匹配电路中进行了平衡-不平衡变换。

但是，使用这些天线匹配电路时，存在电路、天线线圈复杂的问题。

还有，在构成设置于读写器侧的信号发射电路和信号接收电路时，为得到稳定的调制信号，电路变得复杂，因而成本不得不提高。

例如，在构成信号接收电路的场合，如图10所示，依序排列一次带通滤波器101、一次检波器102、二次带通滤波器103、二次检波器104、低通滤波器105，将信号调制为副载波的频率并传送时，借助于使信息以该顺序通过，来对信息进行解调。但是，为放大副载波的频率而对信息进行解调，需要较多的结构，因而电路变得复杂，成本增高。

此外，已知还有通过对天线装置附添共振频率可变功能，使得能消除因金属等导体接近而产生的不能通信等的不良情况的RFID系统的天线装置(例如，参照专利文献1)。

但是，这时，在随着读写器的天线装置与从外部向这里靠近的标签或金属等导体的距离的变化，而双方的耦合度增强的场合，则存在在通信区内产生近点遗漏、中间遗漏的通信不良区的问题。

[专利文献1]

特开2001-344574号公报

发明内容

于是本发明的目的在于：提供在金属、标签等导体接近读写器的情况下，借助于制作能避免其影响的天线匹配电路、实现该天线匹配电路的稳定，也能消除通信不良区，稳定地维持通信距离的环形线圈天线和读写器。

本发明的特征在于：一种环形线圈天线，即在当标签与由读写器的天线线圈产生的磁场产生区对应时，利用由该对应的标签的天线线圈产生的电功率使该标签的控制电路工作，向上述读写器输出用于传送信息的电波的RFID系统中，在上述读写器的天线线圈附近配置了导体。

上述导体可以是具有磁性的材料，例如可以沿读写器的天线线圈，或者在该天线线圈附近的内外配置导电的金属板、金属箔等强磁体或将橡胶材料与磁粉混合的磁性橡胶。

下面考察一下上述导体与标签的关系，当标签或金属等导体从外部靠近读写器的天线线圈时，若预先在上述读写器的天线线圈的附近配置另外的导体，则在另外的导体的周边产生涡电流，受其影响在天线匹配电路中发生失配。因此，为避免失配，可以考虑制成在读写器的天线线圈附近做成尽量排除导体的结构。

这里，确认：如果断然地在读写器的天线线圈附近配置导体、有意地使涡电流流动，可以抑制读写器与标签的距离靠近时的天线彼此间的耦合变化的影响。

具体而言，因抑制了天线之间的耦合变化的影响，电感的变化量减少，天线匹配电路的变化量与此成比例地减小，因此能够减少失配。其结果是，在天线之间的耦合随着读写器与标签的距离变化而增强时也能防止通信区的近点遗漏、中间遗漏这样的不能进行通信的区域的产生和通信距离的缩短，能确保稳定的通信。

本发明的另外的结构的特征在于：上述导体被配置在由环形天线线圈包围的内部。

在此情况下，当在被天线线圈包围的内部配置导体时，由于该导体能够在它与其外围的环形天线线圈之间高效率地产生涡电流，所以呈适于抑制天线之间的耦合变化的最佳位置关系。

对这种情形，在构成读写器时，最好构成使具有导体的环形线圈天线与驱动电路分离的分离型读写器，也可以构成使天线与驱动电路一体化的一体型读写器，可以根据用途灵活运用。

本发明的另一种结构的特征在于：一种环形线圈天线，即在当标签与由读写器的天线线圈产生的磁场存在区对应时，利用由该对应的标签的天线线圈产生的电功率使该标签的控制电路工作，向上述读写器输出用于传送信息的电波的RFID系统中，设置了通过在上述读写器天线线圈与地之间插入平衡-不平衡变换用电容器构成的天线匹配电路。

这时，在天线线圈与地之间只插入1个电容器就可以构成读写器侧的进行天线线圈的平衡-不平衡变换的天线匹配电路。因此，不需要复杂的天线匹配电路、复杂的天线线圈就能实现平衡-不平衡变换。

制作这样的天线匹配电路，既是简单的电路结构，又能够减少泄漏电流、共模噪声、不必要的辐射等。此外，由于使用补偿线圈式线圈作为表观上为约2倍的电感值的线圈，所以可以得到减轻进行小型化时所受的制约，能使天线线圈电流大约减半等优点。

本发明的另一种结构的特征在于：一种读写器，即在利用感应电磁场在读写器与标签之间非接触式地发射、接收信息，进行信息交换的RFID系统中，设置了当控制信号被输入时读出该控制信号的矩形波、将该读出的矩形波进行电阻分压后使通过带通滤波器生成调幅信号的信号发射电路。

这时，借助于将输入的控制信号的矩形波进行电阻分压，使之通过带通滤波器，能够生成进行了极细微的调制的、稳定的调幅信号(ASK信号)。因此，能够从信号发射电路输出稳定的发射信号。另外，按照这样的信号发射电路，能够低成本地制造可将电路简化的读写器。

本发明的另一种结构的特征在于：一种读写器，即在利用感应电磁场在读写器与标签之间非接触式地发射、接收信息，进行信息交换的RFID系统中，设置了当将信息调制为副载波的频率并传送时使该信息通过一次检波和低通滤波器进行调制的信号接收电路。

这时，由于能够利用一次检波和低通滤波器将信息调制为副载波的频率并接收，所以可以构成省略了多个带通滤波器和二次检波的简单的信号接收电路。因此，按照这样的信号接收电路，可以实现部件数目的减少，简单地、低成本地制造读写器。另外，按照这样的结构，在读写器的天线线圈与标签的距离近、电耦合强的情况下，也能够不放大副载波的频率，容易地进行信息的解调。

发明的效果

按照本发明，由于在标签靠近读写器时，或者导电金属等其他导体靠近时，也能够抑制耦合程度随着这时的距离变化而来的变化，所以可以确保合适的通信区和维持通信距离，防止不能进行通信的区域产生。

附图说明

图1是示出分离型读写器的使用状态的透视图。

图2是示出一体型读写器之一例的透视图。

图3是示出分离型读写器的金属板的配置状态的主要部分的俯视图。

图4是示出分离型读写器的天线匹配电路的电路图。

图5是示出分离型读写器的信号发射电路的电路图。

图6是示出信号发射电路的各信号的波形的时序图。

图7是示出信号接收电路的结构的主要部分的方框图。

图8是示出现有的无金属板的天线匹配电路和天线线圈的主要部分的俯视图。

图9是示出现有的各天线匹配电路的电路图。

图10是示出现有的信号接收电路的结构的主要部分的方框图。

具体实施方式

通过在读写器的天线线圈附近配置导体，有意地使涡电流在该导体内流动，抑制由读写器与标签之间的间隔变化引起的不良影响。

〔实施例〕

根据下面的附图说明本发明的一实施例。

附图示出了RFID系统中使用的分离型读写器，在图1中，该分离型读写器11分离地设置了使用不导电树脂材料的一块读写器基板12和使用相同的不导电树脂材料的另一块天线基板13。

在其中的一块读写器基板12上安装了用于读取、写入信息的驱动电路14，在另一块天线基板13上安装了构成环形线圈天线的天线线圈15、天线匹配电路16和导电金属板17，用布线18在它们之间进行连接。

当上述读写器11使天线线圈15产生磁场，并且从外部靠近来的IC标签19进入该磁场产生区时，利用在该区内的IC标签19天线线圈中产生的电功率使该IC标签19的未图示的控制电路工作，与上述读写器11进行通信，进行信息交换。

上述分离的读写器基板12和天线基板13除分离设置外，还可以将读写器基板12与天线基板13这2块不导电的树脂材料基板上下重叠，设置成一体，也可以将被安装部件组装在1块不导电的树脂材料基板上，也可以例如像图2所示那样，设置成形成单体、一体化的一体型读写器20。

上述金属板17只要是能够产生涡电流的导体就可以，例如使用金属板或金属箔。这样，例如可以在沿着具有长方形状的天线基板13的长方形被环形天线线圈15包围的中央部，将金属板17制成相同的长方形，进行安装，或将其掩埋设置组成一体。

图3示出了上述金属板17与天线线圈15的配置关系，在配置成与长方形的树脂基板有相同的长方形状被环形的天线线圈15所包围的内部位置，配置相同的长方形状的金属板17。如此配置金属板17，该金属板17受由天线线圈15产生的磁场的影响时，可以在该金属板17的外表面有效地产生涡电流。因此，在安装金属板17时，被天线线圈15包围的内部的位置关系是合适的。

在这种情况下，通过配置金属板17，有意地使涡电流在该金属板17内流动，可以抑制当读写器11与标签19间的距离变近时天线之间的耦合变化的影响。由于天线线圈15的电感成分的变化量因该抑制作用而减小，天线匹配电路的变化量与此成比例地减小，所以可以减少失配。其结果是，在天线之间的耦合度随着读写器与标签的距离变化而增强时，也能防止通信区内的近点遗漏、中间遗漏这样的不能进行通信的区域产生和通信距离的缩短。

图4示出了在读写器11的天线基板13上设置的天线匹配电路16和天线线圈15的电路图，该电路通过在天线线圈15与地G之间插入平衡-不平衡变换用电容器C构成。

这时，在天线线圈15与地G之间只插入1个电容器C就可以在读写器11侧进行天线线圈15的平衡-不平衡变换，抑制从天线线圈15泄漏的电流。这样，不需要复杂的电路、复杂的线圈就能实现平衡-不平衡变换。因此，制作这样的电路，既是简单的电路结构，又能够减少泄漏电流以及共模噪声和不必要的辐射等。

特别是，由于不改变原来的线圈，可以使用约2倍的电感值，能使天线线圈电流减半等理由，所以可以减轻制造小型读写器11时的制约。

图5示出了读写器11的信号发射电路，该信号发射电路如图所示，通过依序将与输入的控制信号CRY1、CRY2和时钟信号CLK相连接的逻辑“与”电路AND1和AND2、电阻器R1和R2、带通滤波器BPF进行连接而构成。然后，当控制信号CRY1、CRY2输入时，利用时钟信号CLK和逻辑“与”电路AND1、AND2取得输入时序，读出该控制信号CRY1、CRY2的矩形波，用电阻器R1、R2将该读出的矩形波进行电阻分压后，使其通过带通滤波器BPF。

据此，如图6的时序图所示，生成了不易受延迟等影响的稳定的调幅信号(ASK信号)。这样，由于可以生成稳定的调幅信号，所以能够从信号发射电路输出稳定的调制信号。另外，由于采用这样的信号发射电路，能够简化电路而构成，所以可以做到低成本地制造。

图7示出了读写器11的信号接收电路，该信号接收电路如图所示，通过依序连接检波器71和低通滤波器72而构成。于是，当用该信号接收电路将信息调制为副载波的频率并传送时，使该信息通过检波器71和低通滤波器72进行调制。

这时，由于信息能够被检波器71和低通滤波器72调制为副载波的频率并被接收，所以可以构成省略了多个带通滤波器和二次检波的简单的信号接收电路。因此，可以获得部件数目的减少，简单地、低成本地制造信号接收电路。使用这样的信号接收电路，在读写器11与标签19的距离近、天线之间的耦合强的状态下，也能够不放大副载波的频率，容易地进行信息的解调。

下面说明如此构成的分离型读写器11的使用状态。当IC标签19靠近该分离型读写器11的天线基板13侧时，在IC标签19进入从该天线基板13侧的天线线圈15输出的、在朝向某方向的空间形成的通信区后，基于此，IC标签19利用在该标签19的天线线圈中产生的电功率驱动该标签19的控制电路，向读写器11侧输出用于传送信息的电波，在该IC标签19与读写器11之间进行信息交换。

在这种情形下，由于当读写器11与IC标签19的距离变近时，在设置于读写器11侧的金属板17中产生涡电流，所以读写器11的天线线圈15的电感的变化量因该金属板17而减小，天线匹配电路16的变化量也与此成比例地减小。因此，抑制了读写器11与IC标签19双方的天线线圈之间的耦合变化的影响。由此可以确保稳定的匹配，维持与IC标签19的高可靠性的通信性能。

如上所述，作为消除读写器与IC标签两者之间的间隔变化引起的天线失配的一种方法，只在读写器的天线线圈内部配置金属板就能够确保可靠性高的通信性能。

在将本发明与上述的一实施例的结构进行对应时，本发明的结构虽然与实施例的结构相对应，但本发明可以根据权利要求项给出的技术构思进行应用，不限于上述的一实施例的结构。例如，在上述实施例中，虽然以分离型的读写器11为例进行了说明，但不限于此，使用一体型的读写器20也能得到同样的作用效果。

Claims (5)

1、一种用于RFID系统中的环形线圈天线，该RFID系统在当标签与由读写器的天线线圈产生的磁场产生区对应时，利用由该对应的标签的天线线圈产生的电功率使该标签的控制电路工作，向上述读写器输出用于传送信息的电波，其特征在于：

在所述读写器的天线线圈附近配置了导体。

2、如权利要求1所述的环形线圈天线，其中所述导体被配置在由环形天线线圈所包围的内部。

3、一种用于RFID系统中的环形线圈天线，该RFID系统在当标签与由读写器的天线线圈产生的磁场产生区对应时，利用由该对应的标签的天线线圈产生的电功率使该标签的控制电路工作，向上述读写器输出用于传送信息的电波，其特征在于：

具备通过在所述读写器天线线圈与地之间插入平衡-不平衡变换用电容器而构成的天线匹配电路。

4、一种用于RFID系统中的读写器，该RFID系统利用感应电磁场在读写器与标签之间非接触地发射、接收信息，进行信息交换，其特征在于：

具备信号发射电路，该信号发射电路在控制信号被输入时读出该控制信号的矩形波，将该读出的矩形波进行电阻分压后，使之通过带通滤波器，生成调幅信号。

5、一种用于RFID系统中的读写器，该RFID系统利用感应电磁场在读写器与标签之间非接触地发射、接收信息，进行信息交换，其特征在于：

具备信号接收电路，当将信息调制为副载波的频率并传送时，该信号接收电路使该信息通过一次检波和低通滤波器而进行调制。

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