JP2001520855A - データ通信端末およびこれが発生する電力信号を調節する方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 データ通信端末（１０２）は、電力信号を携帯データ機器に配信するアンテナ回路（１０６）を含む。更に、端末は、アンテナ回路のインピーダンス特性を監視することによって、携帯データ機器からの通信フィードバックを全く行うことなく、携帯データ機器から見た電力を自動的に調節する手段も内包する。監視インピーダンス特性に変化が検出された場合、データ通信端末は、携帯データ機器に配信される電力信号の電力レベルを調節する。

Description

【発明の詳細な説明】 データ通信端末およびこれが発生する電力信号を調節する方法 発明の分野 本発明は、一般的に、データ通信システムに関し、特に、データ通信端末，お よびこのデータ通信端末において検出された変化に応答し電力レベルを自動的に 調節する方法に関するものである。 発明の背景 データ通信システムは既知であり、接触モードまたは非接触モードのいずれか で携帯データ機器と通信する端末機器を含む。接触構成において端末機器から携 帯データ機器に配信する電力の制御は、接触点の電気接続を通じてむしろ容易に 行われる。非接触環境では、電力の配信および調整は、一層複雑な問題となり得 る。即ち、携帯データ機器が十分なエネルギを受信し、カード回路に適した電力 レベルを維持しつつ、電力過剰により機器の回路が加熱し始めないようにするこ とが必須である。 過剰な電力を受信するカードの動力学(dynamics)の説 明に役立てるため、第１−１図は、携帯データ機器１０４に関係する端末機器１ ０２を含むデータ通信システム１００を示す。図示のように、端末機器１０２の 送信素子１０６は、携帯データ機器１０４の受信素子からは、距離Ｄだけ分離し ている。携帯データ機器１０４が得るエネルギ量は、カードとリーダとの間の距 離Ｄに直接関係することはよく理解されよう。即ち、カードがリーダに近づく程 、カードは何らかの方法で電力を調整し一定レベルを維持することによって、増 加するエネルギに適応しなければならない。 第１−２図は、距離Ｄとカード電力Ｐ_Cとの間の関係のグラフ表現を示す。電 力曲線１１０は、カード電力と、カードおよびリーダ間距離との間の指数的減少 関係を示す。適正な動作条件を維持するために、カードがリーダから分離可能な 最小距離１１２がある。この距離では、カードは、当該カード上の回路が耐え得 る最大電力を得る。カードが更にリーダに近づいた場合、抵抗性素子等のような 、いずれかの数の既知の手段によって、過剰電力を吸収しなければならない。カ ードおよびリーダが領域１１６に示す距離だけ離れた場合、カードは、カード回 路が損傷を受けないように、引き続き過剰電力を吸収しなければならない。勿論 、抵抗性素子に吸収される電力は熱を発生し、これが蓄積して、カード基板（通 常は何らかの形態のプラスチック）に対する有害な影響の原因となる可能性があ る。同様 に、領域１１８に示すように、カードがリーダから離れる方向に移動すると、カ ードから見た電力は、最大許容距離１２２において、最小容認レベル１２０まで 減少する。 最小電力レベルの問題は、先進の受信技術によって対処されつつあるが、カー ドの加熱を招く最大電力レベルに伴う問題は、今日のスマート・カードでは未だ に未解決のままである。この問題に対処する従来技術の技術では、カードは端末 と通信状態のまま留まり、フィードバック機構によって端末に配信する電力を減 らすことを要求できるようにしなければならない。カードからリーダへの通信の 必要性は、何らかの理由でカードがリーダとの通信を停止した場合に問題となる 。かかる状況の１つは、カードがリーダとの同期を失うことにより、フィードバ ック機構を失う場合である。他の状況として、カードおよびリーダが同じフォー マットで通信しない場合がある。いずれの場合でも、カードはリーダに過剰電力 の存在を伝えることができず、その結果加熱が生ずる。実際、カードＩＣは、プ ラスチックが歪み、半導体接合部に熱損傷を発生し得るまで加熱し、これによっ てカードが使用不能となる虞れがある。 したがって、携帯データ機器に配信するための電力レベルを調節するデータ通 信システム端末および方法が必要とされている。即ち、カードおよびリーダ間の 通信（例えば、カードからの電力レベルを調節する要求）を必要とせずに、自動 的に電力レベルを調節することが可能なデータ端 末があれば、従来技術に対する改良となるであろう。 図面の簡単な説明 第１−１図は、当技術分野において既知のデータ通信システムを示す。 第１−２図は、検出電力レベルを第１−１図に示す端末および携帯データ機器 間の距離と関係付ける電力曲線を示す。 第２図は、本発明による端末機器の更に詳細な図を示す。 第３図は、本発明の一実施例による、電力配信機構の簡略構成図を示す。 第４図は、本発明による数個のインピーダンス検出技法を図示する簡略構成図 を示す。 第５図は、本発明による、電力調整回路を図示する簡略構成図を示す。 第６図は、本発明による、端末機器の動作を表わすデータ・フロー図を示す。 好適実施例の詳細な説明 本発明は、電力信号を携帯データ機器に配信するアンテナを含む、データ通信 端末において使用する装置および方 法を含む。データ通信端末は、アンテナのインピーダンス特性を監視し、その監 視対象のインピーダンス特性における変化を検出しようとする。変化を検出した 場合、データ通信端末は、携帯データ機器に配信する電力信号の電力レベルを自 動的に調節する。このように、本発明は、カードに配信する電力を端末によって 調節可能とする（即ち、リーダが電力調節を要求する必要がない）、無通信手段 をもたらす。 第２図は、本発明による、データ通信端末１０２の簡略ブロック図を示す。電 力増幅器２０１は、電力信号を発生し、これをアンテナ回路１０６に送り、携帯 データ機器に伝送する。動作の間、アンテナ１０６は、インピーダンス特性情報 を監視回路２０３に送る。監視回路２０３は、後に説明するように、多数の異な る方法で実施可能である。監視回路２０３は、本発明による電力調節回路２０５ に動作可能に結合されている。最後に、電力調節回路２０５は制御信号２０７を 発生し、これを電力増幅器２０１に入力する。本発明によれば、前述の簡略化し た素子を用いると、携帯データ機器からコマンドを受信する付加的な必要性なく 、電力調節を行うことができるという利点がある。したがって、カードおよびリ ーダが、電力調節を行うために通信状態にあることは必要でない。 第３図は、第２図に示した電力増幅器２０１において使用可能な平衡送信回路 を示す。電力増幅器２０１−１，２ ０１−２は、反対極性の入力信号３０２，３０４によって駆動され、アンテナ回 路１０６間の電圧振幅が、シングル・エンド非平衡駆動回路のみの場合の電圧振 幅の２倍となる。好適実施例では、共振コンデンサ３０８，３１０を用いて、イ ンダクタ３０６を電力増幅器のキャリア周波数に共振させ、所与の駆動電圧に対 して最大電流がアンテナを通じて（即ち、電力増幅器から）得られるようにする 必要がある。アンテナに対して完全な平衡型回路を維持すれば、アンテナはアー スに関して平衡化され、励起される疑似放射モードが減少するので、放射波(rad iated emission)が制御可能となるという追加の利点が得られる。 第４図は、第３図に示したアンテナ回路１０６を、本発明による複数の監視回 路と共に示す。即ち、ノード４０１，４０２間に、第１監視回路４０３を示す。 一実施例では、変圧回路の直列接続された一次コイル４０５を用いて、インダク タ３０６を通過する電流をサンプルする。変圧回路は、二次コイル４０７によっ て完成する。インダクタ３０６を通過するキャリア電流は、典型的に、０．５ア ンペアないし１アンペア以上程度の大きな振幅を有し、離れて結合されるカード に給電するために、十分な磁場を発生する。二次コイル４０７の一次コイル４０ ５に対する巻線比を高くすることによって、サンプルされた電流は、高インピー ダンス検出回路４０９に適した値に降下する。この実施例では、高インピーダン ス検出回路４０９は、アンテナ 回路１０６を通過する電流に比例する制御信号４１０を生成する。勿論、巻線比 が大きいと検出器のインピーダンスが小さくなり、これがノード４０１，４０２ 間の一次回路に反映されるため、アンテナ回路１０６における直列損失の影響は 無視し得る程度となる。 インダクタ３０６間の電圧（２つのノード４１１，４０２間）は、インピーダ ンス特性を監視する手段としてもサンプルすることが可能である。一実施例では 、これらのノード間の電圧を測定する際、単純な高インピーダンス差動増幅器４ １３に固有の減算処理を利用し、制御信号４１４を生成する。実際には、ノード ４１１，４０２間の電圧振幅は、高電流システムでは、約５０Ｖピークと非常に 大きくなる可能性があるので、何らかの抵抗性デバイダ、または差動増幅器の入 力ノード間の電圧を低下させるその他の手段（図示せず）が必要となる場合があ る。アンテナ間の電圧は、それ自体におけるインピーダンス特性およびそれ自体 のインピーダンス特性を生成することができる。また、４０３（または４１６。 次に説明する）によって行われるアンテナの直列電流の検出と共に用いれば、検 出したアンテナ電圧および電流から、実際のアンテナ・インピーダンスを計算す ることができる。ノード４１１，４０２間の差動電圧測定では、通常、アンテナ 回路の測定は高精度には得られないことを注記しておく。その理由は、ノード４ ０２，４１１間で検出される実際のインピーダンスは、カ ードのリーダに対する近接度に依存するからである。しかしながら、その本質的 な低精度にも係わらず、この電圧測定は、本発明による電力制御方法において用 いる制御信号を発生するには十分である。 インダクタ３０６を通過する直列電流をサンプルする第２実施例（および、イ ンピーダンス特性を監視する第３技法）は、監視回路４１６を用いる。監視回路 ４１６では、既知の直列インピーダンス４１７を、ノード４１１，４１５間に配 置する。このインピーダンスは抵抗性である必要はなく、インピーダンスがわか っていれば、リアクタンス即ち複素インピーダンスも使用可能である。高インピ ーダンス差動増幅器４１９によってノード４１５−４１１間の電圧降下を測定す ることにより、アンテナの直列電流に比例する制御信号４２０を発生する。 電力増幅システムの好適実施例を第５図に示す。ここでは、増幅器５０１は、 いずれかの高効率飽和モード増幅器とすればよい。好適実施例では、Ｄ級増幅器 を用いる。本発明にしたがって増幅器の出力電力レベルを制御可能とするには、 いくつかの方法がある。まず第１に、ＤＣ−ＤＣ変換器５０４および電源フィル タ(supply filter)５０６で構成した増幅器電力供給回路５０２に制御信号（Ｃ Ｓ’，ＣＳ”等）を印加することにより、電力増幅器へのバイアスを調節するこ とができる。出力電力を調節する手段として、飽和モード電力増幅器のバイアス を調節することは、 当業者にはよく理解されよう。増幅器から出力される基本周波数における電力を 調節する他の手段は、変調回路５０８を用いて増幅器への駆動信号を変化させる ことである。変調回路５０８は、パルス幅変調器を用いて、入力駆動波形のデュ ーティ・サイクルを様々に変化させる。５０％デューティ・サイクルに対し、最 大キャリア・レベルを得ることができる。デューティ比δを有するパルス幅変調 駆動波形に対して、当業者は、パルス波形の基本成分がｓｉｎ（πδ）／πとし て変化することを示すことができる。この関数は、δ＝０．５、即ち、５０％デ ューティ・サイクルで最大値を有し、デューティ・サイクルが増加または減少し ても、対称的に低下する。 一実施例では、直列インピーダンス間でサンプルした電圧を、電力増幅器の供 給電圧と比較する。カードの追加インピーダンスがアンテナ内に結合されるので 、カードの存在によって共振が外れる(de-tune)ため、アンテナを通過する電流 は減少し始める。サンプル電流の電力増幅器供給電圧に対する比率（動作インピ ーダンス特性として用いることができる）が減少し始めると、この比率を監視す ることができる。監視対象の比率が所定のスレシホルド以下に低下した場合、即 ち、カードの近接を示す所定の範囲外にある場合、本発明にしたがって、所定量 だけ供給バイアスを減少させることができる。カードがリーダから遠ざかるに連 れて、比率は再び上昇し、電力増幅器の供給は、その 初期レベルに戻る。 用途によっては、アンテナを電力増幅器５０１から離して位置付ける方が好ま しい場合もある。かかる場合、電力信号は、５０のような標準的な伝送ラインま たはその他の標準的なインピーダンス同軸ケーブルを通じてアンテナに向けて発 信する。電力をアンテナに効率的に配信するためには、整合ネットワーク５２０ を用いて、ケーブルのインピーダンスとインピーダンス整合を行わなければなら ない。アンテナ・インピーダンスの変化は、ケーブルの電力増幅器端において、 インピーダンス特性監視回路５１２を利用することによって、観察することがで きる。この回路は、双方向性カプラ５１６で構成され、双方向性カプラ５１６は 、通常、結合伝送ラインで構成されるが、好適実施例によって用いるような低周 波数では、集中インダクタおよびコンデンサで構成する。かかる回路は、当技術 分野では既知である。順方向伝搬波および逆方向伝搬波を比較することによって 、反射係数５１８（「Γ」で示す）を計算することができる。当業者は、整合ネ ットワークへの入力におけるインピーダンスを表わす別の手段として、これを認 めよう。脱埋め込み技法(de-imbedding technique)によって、整合ネットワーク ５２０の効果を除去し、望ましければ、実際のアンテナ・インピーダンスを得る ことも可能である。しかしながら、電力制御に用いるのに十分なアンテナ・イン ピーダンスの変化を観察するために必要なのは、 Γの値を知ることだけである。 ５０オームのケーブルを駆動することが目的の電力増幅器では、出力電力を制 御する他の手段（即ち、電力供給制御以外）は、可変アッテネータ５１４を利用 することである。可変アッテネータ５１４は、反射係数５１８から得られる制御 信号によって駆動される。例えば、一実施例では、カードの近接によるアンテナ の同調外れを示す反射波形振幅を監視し、これを入射振幅と比較することにより 、フィードバック制御信号を発生し、アッテネータまたは増幅器の電力供給を制 御することができる。電力増幅器付近にアンテナが位置する５０オーム・システ ムでは、整合ネットワークへの入力における電圧振幅を観察することによって、 方向性カプラを用いずに、この測定を行うことができることを注記しておく。何 故なら、この点における電圧は、入射波および反射波の和となるからである。こ の振幅を、基準インピーダンス特性として機能する「カードがない場合の」振幅 と比較することにより、入射波の振幅を減少させ、入射および反射振幅の和を一 定に保つことが可能となる。勿論、この手法は、近接するカードに配信される電 力を減少させ、カードがリーダから遠ざかると、入射波を「カードがない場合の 」レベルに高める。 第６図は、本発明によるデータ通信端末の動作を表わすフロー図６００を示す 。動作の間、端末は前述のようにアンテナ回路に対するそれ自体のインピーダン ス特性を監視 する（６０１）。アンテナ・インピーダンスｆ（Ｚ_A）の関数は、前述の技法の １つまたは２つの組み合わせを用いて計算する（６０３）。好適な動作条件に対 応する電圧またはディジタル・ワードを、基準インピーダンス特性とする。この 基準インピーダンス特性と、計算したインピーダンスを比較し、範囲内にあると 判断された場合（６０５）、インピーダンス特性を継続的に監視する（ステップ ６０１）。計算したインピーダンス特性が所定範囲の外側にある場合、データ通 信端末によって、電力信号を所定量だけ調節する（６０７）。即ち、電力信号が 低すぎるか、または高過ぎることが端末における対応するインピーダンス変化に よって判定された場合、それに応じて電力信号を調節する。端末はそれ自体の特 性に基づいて自動電力調節が可能であることは、注記すべき重要事である。この ように、通信を失ったカード、またはリーダとの通信を開始することができない カードも、リーダと連続的な通信を維持するカードと同様に恩恵を得続ける。 上述の機能(feature)は、無通信電力制御システムについて説明したものであ り、比較的複雑度が低い回路を用いて、リーダ端末は、カードの近接度について 十分な情報を収集し、カードがリーダに接近した際に、伝送電力の低減を実行す ることができる。同様に、以前から電力が少ないリーダからカードが離れて行く に連れて、伝送電力を自動的に増加させることができる。通信を必要としないこ との 利点は、カードがリーダと通信不可能になる場合があり得るという事実にある。 その理由には、通信フォーマットの相違，カードが、通信リンクを制御している 別のカードの磁場内にあるというようなその他の何らかの非通信モード，または 通信リンクにおけるエラーに起因する同期の逸失がある。非接触スマート・カー ドの使用に頼る金融やその他の機密的用途の普及拡大に伴い、カードの加熱によ って破壊してしまう可能性のある情報量は劇的に増加しつつある。したがって、 非接触カードに伝送する電力レベルを調節する端末および方法は、従来技術に対 して重要な改良をもたらすものである。

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Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．電力信号を携帯データ機器に配信するアンテナ回路を含むデータ通信端末に おいて、 前記アンテナ回路のインピーダンス特性を監視し、監視インピーダンス特性を 生成する監視段階； 前記監視インピーダンス特性における変化を検出する段階；および 前記検出する段階に応答し、前記電力信号の電力レベルを調節する段階； から成ることを特徴とする方法。 ２．前記アンテナ回路は、第１ノードと第２ノードとの間に動作可能に結合され ており、前記監視する段階は、前記第１ノードおよび前記第２ノード間の電圧レ ベルを測定する段階より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。 ３．前記アンテナ回路は、第１ノードと第２ノードとの間に動作可能に結合され ており、前記監視段階は、前記第１ノードと前記第２ノードとの間を流れる電流 レベルを測定する段階より成ることを特徴とする請求項１記載の方法。 ４．前記監視段階は、前記監視インピーダンス特性からインピーダンスを計算す る段階より成ることを特徴とする請 求項１記載の方法。 ５．前記データ通信端末は、前記アンテナ回路に動作可能に結合された双方向性 カプラを更に含み、前記監視段階は、前記双方向性カプラからの反射係数を測定 し、該測定した反射係数からインピーダンスを計算する段階より成ることを特徴 とする請求項１記載の方法。 ６．データ通信端末であって： 電力増幅器； 前記電力増幅器に動作可能に結合され、第１ノードと第２ノードとの間に配置 されたアンテナ回路； 前記第１および第２ノードの少なくとも一方に動作可能に結合された監視回路 ；および 前記監視回路に結合された入力と、前記電力増幅器に結合された出力とを有す る電力調節回路； から成ることを特徴とするデータ通信端末。 ７．前記電力増幅器は、Ｄ級電力増幅器から成ることを特徴とする請求項６記載 のデータ通信端末。 ８．前記アンテナ回路は、２つの共振コンデンサと、その間に配置されたコイル とを備えることを特徴とする請求項６記載のデータ通信端末。 ９．前記監視回路は、前記第１および第２ノードを介して、前記アンテナ回路に 動作可能に結合された差動増幅器を備えることを特徴とする請求項６記載のデー タ通信端末。 １０．前記監視回路は、前記アンテナ回路に流れる電流を測定する変圧手段を備 えることを特徴とする請求項６記載のデータ通信端末。