JP2012209749A

JP2012209749A - アンテナを含む共振回路

Info

Publication number: JP2012209749A
Application number: JP2011073607A
Authority: JP
Inventors: Michikazu Ikenaga; 倫和池永; Seishin Takahashi; 正慎高橋; Shinji Natsume; 真志夏目; Satoshi Kazama; 智風間
Original assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Current assignee: Taiyo Yuden Co Ltd
Priority date: 2011-03-29
Filing date: 2011-03-29
Publication date: 2012-10-25

Abstract

【課題】
本発明の実施態様によって、配線パターンに機械的な変更を加えずに共振周波数を調整可能な共振回路を提供する。
【解決手段】
本発明の一実施態様に係る共振回路は、搬送波を受信するコイル状のアンテナ素子を含むアンテナ回路と、当該アンテナ回路に電気的に接続された可変リアクタンス回路とが並列共振する共振回路であって、可変リアクタンス回路は、印加されるバイアス電圧に応じて容量値が変化する第１の可変容量コンデンサを含むように構成される。第１の可変容量コンデンサは、例えば、積層セラミックコンデンサから成る。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナを含む共振回路に関する。

１３ＭＨｚ付近の周波数を利用するＮＦＣ（Near Field Communication、又は、近距離無線通信）は、アンテナコイルを備えた回路同士を電磁結合することで、１０ｃｍ以内の近距離で無線通信を行う方式の一つである。ＮＦＣに準拠した回路は、様々な媒体に搭載可能であり、例えば、カード、タグ、携帯電話機等の電子機器に搭載して用いられる。

ＮＦＣ準拠の回路は、通常、アンテナコイルを備えたアンテナ回路と、ＩＣチップとを備える。ＩＣチップには、チップ固有のＩＤ番号や送受信用データを記憶するメモリ、及び、信号の送受信処理やデータの書き込み／読み出し等を制御するＣＰＵが備えられる。このようなＩＣチップを搭載したカードは、近距離にあるリーダ／ライタ装置と接触することなくデータを送受信できるので、非接触ＩＣカードと呼ばれる。

非接触ＩＣカードのＩＣチップは、アンテナ回路からの出力によって動作電圧が供給される。具体的には、アンテナ回路はアンテナコイルとそれと共振するコンデンサから構成され、その共振周波数において効率良く動作する。この共振周波数は、リーダ／ライタ装置から送信される搬送波の周波数である13.56MHzに設定されており、非接触ＩＣカードをリーダ／ライタ装置にかざしたときに、その搬送波周波数を受信する。この受信した搬送波の電力を整流して、ＩＣチップに動作電圧が供給され、リーダ／ライタ装置との間でのデータ送受信等の処理を電池等の電源から動作電圧の供給を受けずに行うことができる。したがって、ＩＣチップに安定的に動作電圧を供給するためには、共振回路の共振周波数が搬送波の周波数に正しく調整されている必要がある。

ＮＦＣ準拠のアンテナ回路及びＩＣチップを携帯電話等の電子機器に搭載する場合には、当該電子機器に内蔵されている電池からＩＣチップへ電力を供給することができる。この場合にも、感度良くリーダ／ライタ装置と送受信処理を行うためには、共振回路の共振周波数が搬送波の周波数に正しく調整されている必要がある。

しかし、実際の製造工程においては、アンテナコイルやコンデンサの電気特性が設計値からばらついたり、素子配置が所定位置からずれることにより、共振周波数が設計値である13.56MHzから外れることがある。したがって、製造後に共振周波数を搬送波周波数に調整することが必要になる。

製造後に共振周波数を調整する手法についての開示例がある。例えば、特開２００９−２００７４８号公報（特許文献１）に記載の非接触ＩＣカード用アンテナ装置は、共振回路のリアクタンス素子同士を接続する配線の一部をレーザー等を用いて切断することにより、共振回路の共振周波数を離散的に調整するものである。

特開２００９−２００７４８号公報

しかし、従来技術１に記載の調整方法では、共振回路の形成後に配線パターンを機械的に変更する必要があるため、製造工程が複雑化する。そこで、本発明の実施態様によって、共振回路の配線パターンに機械的な変更を加えずに共振周波数を調整可能な共振回路を提供する。本発明のその他の課題は、本明細書及び添付図面の記載等から理解される。

本発明の一実施態様に係る共振回路は、搬送波を受信するコイル状のアンテナ素子を含むアンテナ回路と、当該アンテナ回路に電気的に接続された可変リアクタンス回路とが並列共振する共振回路である。この可変リアクタンス回路は、バイアス電圧に応じて容量値が変化する第１の可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの一端と前記アンテナ回路の一端との間に接続され、前記可変容量コンデンサの取りうる容量値の下限よりも小さい容量値を有する第１の定容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの他端と前記アンテナ回路の他端との間に接続され、前記可変容量コンデンサの取りうる容量値の下限よりも小さい容量値を有する第２の定容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサと並列に挿入されたインダクタとを含む。

本発明の様々な実施態様によって、共振回路の配線パターンに機械的な変更を加えずに共振周波数を調整可能な共振回路が提供される。

本発明の一実施形態に係る共振回路を示す回路図

積層セラミックコンデンサの一般的な特徴を示す図

積層セラミックコンデンサに印加するバイアス電圧とその容量の関係を示すグラフ

可変容量コンデンサに印加バイアス電圧と共振周波数との関係を示すグラフ

図１の共振回路の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフ

本発明の他の実施形態に係る共振回路を示す回路図

本発明の様々な実施形態について添付図面を参照して説明する。各実施形態において、類似の構成要素には類似の参照符号を付して、詳細な説明は適宜省略する。図１は、本発明の一実施形態に係る共振回路を示す回路図である。一実施形態における共振回路１００は、ＩＣ４０と電気的に接続されており、このＩＣ４０とともに携帯電話等の電子機器１に搭載される。電子機器１は電池等の電源を内蔵している。

共振回路１００は、例えば、アンテナ回路２０と可変リアクタンス回路３０とを備え、所定の共振周波数を有する。共振回路１００をＮＦＣに準拠したチップに組み込む場合には、共振周波数がISO 18092等で定められたＮＦＣの使用周波数である13.56MHzとなるように、共振回路１００を構成する。具体的には、共振回路１００を構成する各リアクタンス素子の素子値を適切な値に設定することで、所望の共振周波数を有する共振回路１００を得ることができる。また、後述するように、可変容量コンデンサ３５へのバイアス電圧の印加を指示するプログラム及び／又はデータをＩＣ４０に格納し、このプログラムやデータに基づいて可変容量コンデンサ３５に印加する電圧を制御し、可変容量コンデンサ３５の容量値を変化させることにより、共振回路１００の製造後であっても共振回路１００の共振周波数を調整することができる。この可変容量コンデンサ３５に印加する電圧は、電子機器１に内蔵された電源からＩＣ４０を介して供給される。例えば、電子機器１が携帯電話の場合には、約３Ｖの電圧を可変容量コンデンサ３５に印加することができる。

アンテナ回路２０は、接続端子１２と接続端子１４との間に互いに並列に配置されたアンテナコイル２２とコンデンサ２４とを備える。一実施形態において、不図示のリーダ／ライタ装置との通信には、13.56MHzの搬送波周波数が用いられる。この場合、リーダ／ライタ装置は、周波数13.56MHzの搬送波をデータ信号で変調し、変調された搬送波が、リーダ／ライタ装置のアンテナコイルと電磁結合したアンテナコイル２２を介して受信され、受信信号がＩＣ４０に入力される。

一実施形態における可変リアクタンス回路３０は、可変容量コンデンサ３５を備える。可変容量コンデンサ３５は、接続端子３２と接地用端子３４との間に配置され、ＩＣ４０から接続端子３２を介して印加されるバイアス電圧に応じてその静電容量が変化するように構成される。接続端子３２と接続端子４５との間にはＩＣ４０のインピーダンスによって、共振回路１００の共振周波数が影響を受けないようにするため、例えば１００ｋΩの抵抗３１が配置され、接地用端子３４と接地との間には同様に抵抗３３が配置される。一実施形態に係る可変容量コンデンサ３５は、コンデンサ電極間に、直流のバイアス電圧によって誘電率が変化する例えばチタン酸バリウム等の誘電体を有する。この誘電体にバイアス電圧を印加することにより、誘電体に加わる電界を変化させることで誘電体の誘電率を変化させ、ひいては可変容量コンデンサ３５の容量値を変化させることができる。本発明の一実施形態に係る可変容量コンデンサ３５として、積層セラミックコンデンサを用いることもできる。

図２に、本発明の一実施形態において用いられる積層セラミックコンデンサの構造を示す。図示の通り、積層セラミックコンデンサ７０は、チタン酸バリウム等の誘電体シート７２にニッケル等の電極７４を印刷したものを積層して焼結し、この焼結した積層体の側部に外部電極７６を取り付けて構成される。この積層セラミックコンデンサ７０は、外部電極７６から印加されたバイアス電圧により、チタン酸バリウム等の誘電体シート７２に電界が印加されて誘電率が変化し、この誘電率の変化により容量値が変化する。この誘電体シート７２に印加される電界を大きくすることや、誘電体シート７２を誘電率変化が大きい誘電体により構成することにより、限られたバイアス電圧でも容量値の変化量を大きくすることができる。例えば、一定のバイアス電圧を印加する場合でも、誘電体シート７２を薄くすることにより、誘電体シート７２に加わる電界を大きくすることができる。誘電体シート７２の厚さは、例えば約１μｍとすることができる。また、誘電体シート７２に電界印加時の誘電率変化の大きい材料を用いることにより、積層セラミックコンデンサ７０の容量値の変化を大きくすることができる。誘電体シート７２の材料としては、例えば、上述のチタン酸バリウムが用いられる。誘電体シート７２を構成する誘電体材料としては、例えば、その比誘電率が約３５００程度のものが用いられる。誘電体シート７２を比誘電率が約３５００の誘電体材料で構成し、その厚さを約１μｍとすることで、３Ｖの電圧を外部電極７６から印加したときに３０％程度の容量値の減少を実現することができる。

図３に、積層セラミックコンデンサ７０の印加電圧に対する容量の変化の一例を示す。図示の通り、積層セラミックコンデンサ７０の容量は印加電圧に対して一般に非線形に変化する。

可変容量コンデンサ３５として、特開２００８−６６６８２号公報に記載された可変容量コンデンサを用いることもできる。本発明の実施形態に係る可変容量コンデンサは、本明細書で明示的に説明されたものに限られず、ＩＣ４０からの制御信号に基づいて容量値を変更可能な様々な種類の可変容量コンデンサが用いられる。

可変リアクタンス回路３０は、可変容量コンデンサ３５に加えて、コンデンサ３６、３７、３８、及びインダクタ３９を備える。コンデンサ３６、３７は、例えば、可変容量コンデンサ３５の両端とアンテナ回路２０との間にそれぞれ接続される。一実施形態におけるコンデンサ３６、３７は、バイアス電圧印加時にも静電容量が実質的に変化しない定容量コンデンサである。コンデンサ３６、３７は、アンテナ回路２０への直流電流を遮断することで、ＩＣ４０からのバイアス電圧が可変容量コンデンサ３５に印加されるようにする。

上述した一実施形態における積層セラミックコンデンサ７０（可変容量コンデンサ３５）は、高い誘電率に誘電体の材料を用いた上に誘電体の厚みも薄いためその容量値Ｃｖを１０００ｐＦよりも小さくすることが困難である。例えば図１に示す回路をＮＦＣにおいて使用する場合には、共振回路１００の共振周波数を搬送波周波数に調整するために適した可変リアクタンス回路３０の容量は数ｐＦ〜数１００ｐＦ程度であるため、可変容量コンデンサ３５と直列にコンデンサ３６、３７を配置することにより、合成容量が数ｐＦ〜数１００ｐＦ程度となるようにする。例えば、Ｃｖ、Ｃ１、Ｃ２を、それぞれ２２００ｐＦ、２７０ｐＦ、２７０ｐＦに設定すると、その容量値は約１７２．２ｐＦとすることができる。

しかしＣ１、Ｃ２を小さくすると、バイアス電圧によりＣｖを変化させた場合のリアクタンス回路３０の合成リアクタンスの変化が、小さくなる。例えば、上述の例に倣ってＣｖ、Ｃ１、Ｃ２をそれぞれ２２００ｐＦ、２７０ｐＦ、２７０ｐＦに設定し、可変容量コンデンサ３５として積層セラミックコンデンサ７０を用いた場合、この可変容量コンデンサ３５は、３Ｖのバイアス電圧によって容量値が約３０％低下する。この場合、可変容量コンデンサ３５、コンデンサ３６、３７から成るリアクタンス回路のリアクタンスの変化は、バイアス電圧を印加しない場合の合成リアクタンスの２．５％に過ぎない。この合成リアクタンスの変化による周波数変化は約１００ｋＨｚであり、共振周波数の調整幅として不十分な可能性がある。

一実施形態においては、可変容量コンデンサ３５の容量値Ｃｖに比べて、コンデンサ３６の容量値Ｃ１及びコンデンサ３７の容量値Ｃ２が小さくなるように構成されることで、アンテナ回路２０に生じた電圧のうち可変コンデンサ３５に印加される電圧をコンデンサ３６、３７に印加される電圧に比べて相対的に小さくすることができる。アンテナ回路２０から可変リアクタンス回路３０に誘導電圧が入力されると、この誘導電圧が、可変容量コンデンサ３５、コンデンサ３６、コンデンサ３７に対して、１／Ｃｖ、１／Ｃ１、１／Ｃ２の割合で印加される。したがって、ＣｖをＣ１、Ｃ２と比べて相対的に小さな値に設定した場合には、可変容量コンデンサ３５に相対的に大きな電圧が印加され、その電圧によって容量値Ｃｖが変化し、この容量値の変化分だけ共振回路１００の共振周波数がずれる可能性がある。そこで、一実施形態においては、アンテナ回路２０からの印加電圧による可変容量コンデンサ３５の容量値の変化を抑制するために、Ｃｖ＞Ｃ１及びＣｖ＞Ｃ２の関係が成り立つようにコンデンサ３５、３６、３７の容量値を定める。Ｃｖ＞Ｃ１とは、容量値Ｃ１が可変容量コンデンサ３５の可変容量値Ｃｖの下限値よりも小さいことを意味する。Ｃｖ＞Ｃ２の関係についても同様である。一実施形態において、Ｃｖ、Ｃ１、Ｃ２は、それぞれ２２００ｐＦ、２７０ｐＦ、２７０ｐＦに設定される。これにより、可変容量コンデンサに印加される電圧は、アンテナ回路２０に生じた電圧のおよそ２．７％と大きく減少する。このようにして、アンテナ回路２０からの誘導電圧に起因する共振周波数のシフトを抑制し、ＩＣ４０からのバイアス電圧によって共振周波数を制御できるようにする。ＮＦＣのリーダ／ライタと通信を行う場合には、アンテナ回路２０には約１７Ｖもの電圧が発生する場合がある。上述のように、Ｃｖ＞Ｃ１及びＣｖ＞Ｃ２の関係を満たすコンデンサ３６、３８を可変容量コンデンサ３５の両端に設けることにより、アンテナ回路２０からの誘導電圧に起因する共振周波数のシフトを抑制することができる。

そこで、本発明の一実施形態においては、アンテナ回路２０からの誘導電圧に起因する共振周波数のシフトを抑制するとともに、バイアス電圧によって調整可能な共振周波数の範囲を広げるために、コンデンサ３８及びインダクタ３９を、接続端子３２と接地端子３４との間に、可変容量コンデンサ３５と並列に接続する。これにより、可変容量コンデンサ３５、コンデンサ３８、及びインダクタ３９により並列共振回路が構成される。一実施形態においては、この並列共振回路の共振周波数が共振回路１００の共振周波数と近い周波数になるように、コンデンサ３８及びインダクタ３９の素子値が決定される。コンデンサ３８は、インダクタ３９に直流電流が流れるのを防ぎ、バイアス電圧を可変容量コンデンサ３５に印加するために装荷されるもので、可変容量コンデンサ３５、コンデンサ３６、３７と比較して極めて大きな容量値を持つように構成される。したがって、可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスを考えるときに、コンデンサ３８のリアクタンス素子としての影響は無視することができる。

このように、可変容量コンデンサ３５とインダクタ３９とで共振回路１００と実質的に同じ共振周波数を有する並列共振回路を構成することにより、共振周波数付近において、可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスをより大きく変化させることができる。その結果、インダクタ３９を装荷しない場合と比べて、可変容量コンデンサ３５の静電容量の変化に対して共振回路１００の共振周波数をより感度良く変化させることができる。つまり、インダクタ３９を装荷することにより、共振周波数を所定周波数だけシフトさせるために必要な静電容量Ｃｖの変化量を少なくすることができ、Ｃｖ＞Ｃ１及びＣｖ＞Ｃ２の場合であっても可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスを十分に変化させることができる。例えば、一実施形態において、Ｃｖ、Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３は、それぞれ２２００ｐＦ（バイアス電圧無印加時）、２７０ｐＦ、２７０ｐＦ、１μＦに設定され、Ｌは８２ｎＨに設定される。この場合、３Ｖのバイアス電圧によって容量値が３０％低下する可変容量コンデンサ３５を用いると、可変容量コンデンサ３５への３Ｖのバイアス電圧の印加により、可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスは４５％変化し、周波数変化が約２ＭＨｚになり、十分な共振周波数の調整幅が得られる。

合成リアクタンスの一般的な定義から明らかなように、ＣｖがＣ１及びＣ２よりも大きい場合には、ＣｖがＣ１及びＣ２より小さい場合と比較して、Ｃｖの変化が可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスの変化に反映されにくい（つまり、Ｃｖの単位変化量あたりの合成リアクタンスの変化が小さい）。しかし、かかる場合であっても、インダクタ３９を可変容量コンデンサンス３５と並列に装荷することにより、Ｃｖの単位変化量あたりの合成リアクタンスの変化をより大きくすることができる。つまり、インダクタ３９を装荷しない場合の可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスＸ_１は、コンデンサ３８のリアクタンス成分を無視して、次式（１）で表される。

これに対して、図２に示すようにインダクタンス値Ｌのインダクタ３９を挿入した場合の可変リアクタンス回路３０の合成リアクタンスＸ_２は、同じくコンデンサ３８のリアクタンス成分を無視して、次式（２）で表される。

式（２）から明らかなように、共振周波数近辺（つまり０≒１／ωＣｖ−ωＬ）では、合成リアクタンスＸ_２の変化は、第３項の影響が大きくなる。このように、式（１）と式（２）とを比較することにより、Ｃｖを１／ωＣｖ＞ωＬあるいはωＣｖ＜ωＬの関係を維持したまま所定量だけ変化させたときに、式（２）で表されるインダクタ３９を装荷した回路における合成リアクタンスの方が共振周波数近辺において変化量が大きいことがわかる。また、１／ωＣｖ＞ωＬの場合と１／ωＣｖ＜ωＬの場合とでは、第３項の正負の符号が逆になるため、Ｃｖの変化によってωＣｖとωＬの大小関係が異なる場合（第３項の正負が逆転する場合）には、合成リアクタンスＸ_２の変化は離散的になる。

ＩＣ４０は、ＣＰＵ４６とメモリ４８とを備える。ＣＰＵ４６は、メモリからプログラムを読み出し、読み出したプログラムに従って共振回路１００から入力された受信データ信号を処理する。例えば、ＣＰＵ４６は、受信データ信号に含まれるデータをメモリ４８に書き込むことができる。また、これとは逆に、不図示の送信回路を制御して、メモリ４８から読み出したデータを送信することができる。

ＩＣ４０は、接続端子４５を介して可変リアクタンス回路３０の可変容量コンデンサ３５と電気的に接続されており、可変容量コンデンサ３５にバイアス電圧を印加することができる。バイアス電圧は、不図示の不揮発性メモリに格納されたデータに従ってＣＰＵ４６を動作させることにより、可変容量コンデンサ３５に印加される。ＣＰＵ４６が用いる不揮発性メモリのデータは、例えば、共振回路１００の製造後に公知の手法によって測定された共振周波数等の測定値と、共振周波数の設計値（つまり、リーダ／ライタ装置から送信される搬送波の周波数であり、ＮＦＣ準拠の場合は13.56MHz）との差に基づいて決定され、決定されたデータが不揮発性メモリに格納される。一実施形態においては、共振回路１００の共振周波数の測定値を設計値に調整するために最適なバイアス電圧の値を不揮発性メモリに記憶される。不揮発性メモリに記憶されるバイアス電圧制御用のデータは、可変容量コンデンサのバイアス特性（一例が、図３に示されている。）に依存する可変リアクタンス回路３０の特性により定められる。ＣＰＵ４６は、ＮＦＣの動作を開始すると、不揮発性メモリに記憶しているバイアス電圧を可変容量コンデンサ３５に供給する。バイアス電圧は、ＣＰＵが動作している間、常時、可変容量コンデンサ３５に供給されてもよい。これにより、非接触ＩＣカード１の使用時には、共振回路１００が設計値に近い共振周波数で動作できるように、共振周波数を自動的に調整することができる。

以上のように、共振回路１００の共振周波数を、ＩＣ４０からのバイアス電圧によって可変容量コンデンサ３５の容量値を変化させることによって調整することができるので、共振回路１００の配線パターンに機械的な変更を加えずにその共振周波数を調整することができる。また、Ｃｖ＞Ｃ１及びＣｖ＞Ｃ２の関係となっているため、アンテナ回路２０に生ずる電圧による可変リアクタンス回路３０のリアクタンスの変化が小さくなり、安定して動作する回路になる。また、コンデンサ３６、３７によって、直流電流のアンテナ回路２０への漏れを防ぐことができるため、可変容量コンデンサ３５にハイアス電圧を印加できる。さらに、インダクタ３９を可変容量コンデンサ３５と並列に設けることにより、コンデンサ３６、３７が存在する場合でも、可変リアクタンス回路の変化量を大きくでき、可変容量コンデンサ３５の容量の変化に共振回路１００の共振周波数を感度よく追従させることができる。

図１に示す回路をＮＦＣにおいて用いる場合には、１７Ｖを超える大きな電圧がアンテナコイル２２から印加される場合や、静電気放電の可能性もあるため、共振回路２００に使用される素子には高い耐電圧耐性が要求される。本発明の実施形態においては、共振周波数を調整するための可変リアクタンス素子として、高い耐電圧特性をもつ積層セラミックコンデンサを用いているので、過電圧や静電気放電に弱い半導体素子であるバリキャップを使用する方法と比較して高い信頼性を有する。また、コンデンサやインダクタのような受動部品は一般に安価である。このように、本発明の実施形態において、可変容量コンデンサとして積層セラミックコンデンサを用いることにより、安価にしかも高い耐電圧特性を持ちながら共振周波数を調整することができる。

共振回路１００を試作し、試作した共振回路１００の周波数特性を測定した。試作した共振回路１００は、ガラスエポキシ基板上に４０．５ｍｍ×４０ｍｍの長方形に形成された３ターンのループコイルでアンテナコイル２２を構成し、容量値１８ｐＦの積層セラミックコンデンサでコンデンサ２４を構成し、容量値１８０ｐＦの積層セラミックコンデンサでコンデンサ３６、３７をそれぞれ構成し、容量値１μＦの積層セラミックコンデンサでコンデンサ３８を構成し、インダクタンス値８２ｎＨの積層インダクタでインダクタ３９を構成し、１００ｋΩのチップ抵抗で抵抗３１及び抵抗３３をそれぞれ構成し、接続端子１２に相当する部分にＳＭＡコネクタのシグナル線を接続するとともに、接続端子１４に相当する部分にＳＭＡコネクタのグランド部分を接続し、各ＳＭＡコネクタの他端にベクトルネットワークアナライザを接続した。可変容量コンデンサ３５は、印加電圧がない状態における容量値が２０００ｐＦであり、３Ｖのバイアス電圧が印加された場合の容量値が１７００ｐＦ、９Ｖのバイアス電圧が印加された場合の容量値が８００ｐＦとなるように構成した。可変容量コンデンサ３５の接続端子４５に相当する位置には、直流電源を接続し、直流電圧のバイアスを印加可能に構成した。

図４は、上記のように構成した共振回路１００の周波数特性の測定結果を示すグラフである。図４のグラフは、共振回路１００のインピーダンス特性のグラフを搬送波周波数近辺の１１〜１６ＭＨｚの範囲において示す。上記のベクトルネットワークアナライザによって、共振回路１００のＳパラメータの周波数特性を測定した。図４の縦軸は、このＳパラメータの測定結果に基づいて算出したインピーダンスを示すものである。この測定結果によれば、図示の通り、バイアス電圧が印加されない場合にはインピーダンスのピークは１４．３ＭＨｚ付近にあり、３Ｖのバイアス電圧が印加された場合にはインピーダンスのピークは１４．７ＭＨｚ近辺にあることがわかる。これにより、３Ｖのバイアス電圧を印加することにより、インピーダンスのピークを約４００ｋＨｚ高周波側にシフト可能であることが確認できた。また、９Ｖのバイアス電圧が印加された場合にはインピーダンスのピークは１３．２ＭＨｚ近辺にあることがわかる。これにより、９Ｖのバイアス電圧を印加することにより、インピーダンスのピークを約１１００ｋＨｚ低周波側にシフト可能であることが確認できた。このように共振回路１００の共振周波数は、０Ｖ〜４Ｖの範囲でバイアス電圧を変化させることにより、バイアス電圧の増加によって可変容量コンデンサ３５の容量値が漸減するため、連続的に高周波側にシフトする。一方、５Ｖ以上のバイアス電圧を印加することにより、可変リアクタンス回路３０の共振周波数の前後でリアクタンス値が大きく不連続的に変化することを利用して、共振回路１００の共振周波数を大幅に変化させることができる。このような周波数特性に基づき、共振回路１００の共振周波数の調整幅に応じてバイアス電圧の電圧値を定めることができる。上述のように、このようにして定められた電圧値は、ＩＣ４０の不揮発性メモリに書き込まれる。

図５は、共振回路１００の周波数特性のシミュレーション結果を示すグラフである。図４のグラフは、共振回路１００の周波数特性のグラフを搬送波周波数近辺の１２〜１６ＭＨｚの範囲において示すものである。解析のためにAnsys社製回路シミュレータAnsoftDesignerに、共振回路１００を構成する回路素子の素子値を入力し、Ｓパラメータの周波数特性を算出した。具体的には、アンテナコイル２２のインダクタンス値を1300nH、コンデンサ２４の容量値を5pF、コンデンサ３６、３７の容量値を173pF、コンデンサ３８の容量値を100000pF、インダクタ３９のインダクタンス値を68nHに設定した。また、可変容量コンデンサ３５は、印加電圧がない状態における容量値が2000pF、3Vのバイアス電圧が印加された場合の容量値が1400pFとなるように構成した。図５に点線で示されるように、バイアス電圧が印加されない場合にはインピーダンスのピークは15.56ＭＨｚ近辺にあることがわかる。一方、図５に実線で示されるように、３Ｖのバイアス電圧が印加された場合にはインピーダンスのピークは13.56ＭＨｚ近辺にあることがわかる。図４に示した例とは、共振回路１００の回路素子値が異なっているため、図５の例におけるインピーダンスのピークは３Ｖの印加により低周波側にシフトする。これにより、3Vのバイアス電圧を印加することにより、インピーダンスのピークを約2MHz低周波側にシフト可能であることが確認でき、搬送波周波数に調整することが可能である。

図６は、本発明の他の実施形態に係る共振回路を示す回路図である。図示の通り、本発明の他の実施形態に係る共振回路３００は、図２に示した可変リアクタンス回路３０と同様に構成された可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎをアンテナ回路２０と並列に複数配置して構成される。この場合、各可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎのコンデンサ３６の容量Ｃ１_１〜Ｃ１_ｎ、及び、コンデンサ３７の容量Ｃ２_１〜Ｃ２_ｎは、可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎ毎に異なる値に設定されてもよい。可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎは、それぞれの接続端子３２−１〜３２−ｎを介してＩＣ４０の出力端子４５−１〜４５−ｎに接続されている。各接続端子３２−１〜３２−ｎと接続端子４５−１〜４５−ｎとの間には抵抗３１−１〜３１−ｎがそれぞれ配置され、各接地用端子３４−１〜３４−ｎと接地との間には抵抗３３−１〜３３−ｎがそれぞれ配置される。可変容量コンデンサ３５−１〜３５−ｎには、接続端子３２−１〜３２−ｎを介してバイアス電圧がそれぞれ印加される。

図１に示す実施例においては、ＩＣ４０からのバイアス電圧値を変化させることにより共振周波数を変化させている。可変容量コンデンサの容量値は、図４に示すように、バイアス電圧の変化に応じて複雑に変化するので、可変容量コンデンサの特性を制御することによって共振周波数を微調整することは一般に困難である。また、共振周波数の微調整を行うためには、ＩＣ４０において線形又は多値の電圧制御を行って電圧値を正確に調整することが必要である。この制御を行うためには、ＩＣ４０にはＤ−Ａ変換機能やアナログ出力などの機能が必要であり高価になる。このため、ＩＣ４０をデジタルＩＣのみで構成することができれば、安価にできる。

そこで、図６の共振回路３００においては、可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎを多段に構成し、このそれぞれの可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎを接続端子４５−１〜４５−ｎ経由でＩＣ４０のデジタル出力と接続することで、ＩＣ４０から可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎに個別に２値（例えば、０Ｖと３Ｖ）のバイアス電圧を供給する。一実施形態においては、使用周波数（例えば１３．５６ＭＨｚ）近傍において、バイアス電圧が０Ｖのときに１／ωＣｖ＞ωＬ、バイアス電圧が３Ｖのときに１／ωＣｖ＜ωＬとなるように、各可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎを構成する各素子の定数を設定することで、０Ｖと３Ｖの２値のバイアス電圧によって可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎのリアクタンス値の変化量を大きくすることができる。

各可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎにおけるコンデンサ３６の容量Ｃ１_１〜Ｃ１_ｎ、及び、コンデンサ３７の容量Ｃ２_１〜Ｃ２_ｎを互いに異なる値に設定することにより、同じバイアス電圧値（例えば０−３Ｖ）のを用いた場合でも、各可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎのリアクタンス値の変化量をリアクタンス回路ごとに個別に変化させることができる。したがって、共振周波数の必要な調整量に応じて、各可変容量コンデンサ３５−１〜３５−ｎに選択的に、例えば０−３Ｖのバイアス電圧を供給することにより、共振回路の周波数シフト量を微調整することができる。共振回路３００においては、コンデンサ３６の容量Ｃ１_１〜Ｃ１_ｎ、及び、コンデンサ３７の容量Ｃ２_１〜Ｃ２_ｎの設定を適宜行うことで、デジタルＩＣ４０の複数の出力端子からの出力をバイアス電圧として可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎに選択的に供給することができ、共振周波数の調整をデジタル的により簡便に行うことができる。

このように、複数の可変リアクタンス回路５０−１〜５０−ｎをアンテナ回路２０と並列に設けることにより、単一の可変リアクタンス回路３０を有する共振回路と比較して、デジタルＩＣ４０からの多ビットの出力を用いて共振周波数を微調整することができる。また、ＩＣ４０にバイアス電圧のためのアナログ出力を設ける場合と比較して、ＩＣの構成を簡略化できる。

特開２００９−２００７４８において、トリミングを行う代りに半導体スイッチング素子を用い、それをデジタルＩＣのデジタル出力でｏｎ／ｏｆｆすることで、同様の周波数調整を行うこともできる。この様に半導体スイッチング素子であるＦＥＴ（Field Effect Transistor、又は、電界効果トランジスタ）によってコンデンサやインダクタの様なリアクタンス素子をオン・オフすることで共振周波数を調整する手法と比較すると、本発明の実施形態においては安価な積層セラミックコンデンサを可変素子として用いているので、回路構成を安価に実現することができる。また、上述した１７Ｖを超える大きな電圧がアンテナコイルから印加される場合や、静電気放電の可能性もあるため、共振回路３００に使用される素子には高い耐電圧耐性が要求される。一般的に、半導体素子であるＦＥＴ等に比べて、セラミック素子である積層セラミックコンデンサは高い耐電圧耐性を有する。このように、本発明の実施形態において、可変容量コンデンサとして積層セラミックコンデンサを用いることにより、安価にしかも高い耐電圧特性を持ちながら共振周波数をデジタルＩＣの出力により調整することができる。

図７は、本発明の他の実施形態に係る共振回路を示す回路図である。図示の通り、本発明の他の実施形態に係る共振回路４００は、図１に示した可変リアクタンス回路３０と同様の可変リアクタンス回路６０−１〜６０−ｎを接続端子１２と接続端子１４との間に直列に複数配置して構成される。可変リアクタンス回路６０−１〜６０−（ｎ―１）は、隣り合う可変リアクタンス回路と可変容量コンデンサ３５の両端に配置されるコンデンサを共有することができるので、可変リアクタンス回路６０−１〜６０−（ｎ−１）におけるコンデンサ３７-１〜３７-（ｎ-１）を省略することもできる。ただし、可変リアクタンス回路６０−ｎは、コンデンサを共有する相手が存在しないので、コンデンサ３７-ｎを備える。各接続端子３２-１〜３２-ｎとＩＣの出力端子４５-１〜４５-ｎとの間には抵抗３１-１〜３１-ｎが配置され、各接地用端子３４-１〜３４-ｎと接地との間には抵抗３３-１〜３３-ｎが配置される。ＣＰＵ４６は、可変リアクタンス回路６０−１〜６０−ｎのそれぞれの可変容量コンデンサ３５−１〜３５−ｎに対して選択的にバイアス電圧を印加することができる。

このように、複数の可変リアクタンス回路６０−１〜６０−ｎを直列に設けることにより、単一の可変リアクタンス回路３０を有する共振回路と比較して、共振周波数をより細かく調整することができる。

図８は、本発明の他の実施形態に係る共振回路を示す回路図である。図示の通り、本発明の他の実施形態に係る共振回路５００は、可変リアクタンス回路６０−１〜６０−ｎを接続端子１２と接続端子１４との間に直列に複数配置したものを、アンテナ回路２０と並列に２段に配置して構成される。つまり、可変リアクタンス回路６０−１〜６０−ｎと可変リアクタンス回路６０−（ｎ＋１）〜６０−２ｎとが並列に配置されている。説明の便宜のために、可変リアクタンス回路が２段に並列配置される例を図示したが、何段に並列接続しても構わない。ＣＰＵ４６は、可変リアクタンス回路６０−１〜６０−２ｎのそれぞれの可変容量コンデンサ３５−１〜３５―２ｎに対して選択的にバイアス電圧を印加することができる。

このように、複数の可変リアクタンス回路６０−１〜６０−２ｎを直列及び並列に配置することにより、単一の可変リアクタンス回路５０を有する共振回路と比較してより広い範囲でより細かく共振周波数を調整することができる。

図９は、本発明の他の実施形態に係る共振回路を示す回路図である。図示の通り、本発明の他の実施形態に係る共振回路６００は、アンテナ回路２０の後端にインダクタ７２を備えるとともに可変リアクタンス回路３０の前端にインダクタ７４を備え、アンテナ回路２０と可変リアクタンス回路３０とを、インダクタ７２及びインダクタ７４によって磁気的に結合する。表示を簡潔にするために図示を省略したが、各接続端子３２と接続端子４５との間には抵抗３１が配置され、各接地用端子３４と接地との間には抵抗３３が配置される。これにより、インダクタ７２及びインダクタ７４の特性を調整することによって、アンテナ回路２０と可変リアクタンス回路３０との結合度を容易に調整することができる。

図１０は、本発明の他の実施形態に係る共振回路７００を示す回路図である。図示の通り、本発明の他の実施形態に係るアンテナ回路９０は、一組のインダクタから成るモノポールアンテナ素子９２と、このインダクタ同士の接続点と接地との間に配置されるコンデンサ９４とを備える。可変リアクタンス回路３０は、一方の電極が接地された可変容量コンデンサ３５と、可変容量コンデンサ３５の他方の電極とアンテナ回路９０との間に接続されたコンデンサ３６と、可変容量コンデンサ３５と並列に接続されたインダクタ３９と、インダクタ３９とコンデンサ３６との間に接続されたコンデンサ３８とからなる。インダクタ３９の一端は接地されている。可変容量コンデンサ３５は抵抗３１及び接続端子３２を介してＩＣ４０に接続されており、ＩＣ４０からのバイアス電圧に応じて容量値が変化するように構成される。

このような構成により、共振回路７００の共振周波数を、共振回路１００の場合と同様に、ＩＣ４０からのバイアス電圧によって可変容量コンデンサ３５の容量値を変化させることによって調整することができるので、共振回路１００の配線パターンに機械的な変更を加えずにその共振周波数を調整することができる。また、Ｃｖ＞Ｃ１の関係を満たすことにより、アンテナ回路９０からの印加電圧による可変リアクタンス回路３０のリアクタンスの変化を抑制することもできる。また、コンデンサ３６によって、バイアス電流のアンテナ回路２０への漏れを防ぐことができる。さらに、インダクタ３９を可変容量コンデンサ３５と並列に設けることにより、コンデンサ３６、３７が存在する場合でも、可変リアクタンス回路の変化量を大きくでき、可変容量コンデンサ３５の容量の変化に共振回路７００の共振周波数を感度よく追従させることができる。このように、本発明の一実施形態に係る共振回路７００を用いることにより、モノポールアンテナ等の不平衡アンテナの共振周波数を調整することができる。

本発明の実施形態は、以上明示的に述べた態様に限られず、様々な変更を行うことができる。例えば、可変リアクタンス回路３０−１〜３０−ｎ、６０−１〜６０−２ｎの数は調整を要する共振周波数の範囲又は精度、ＩＣ４０の端子数、及び回路を搭載する媒体の設置スペース等に応じて適宜調整される。

１００、３００、４００、５００、６００、７００共振回路
２０、９０アンテナ回路
２２アンテナコイル
３０、３０−１〜３０−ｎ、５０−１〜５０−ｎ、６０−１〜６０−２ｎ可変リアクタンス回路
３１、３１−１〜３１−２ｎ、３３−１〜３３−２ｎ抵抗
３５、３５−1〜３５−２ｎ可変容量コンデンサ
３６、３６−1〜３６−２ｎ、３７−1〜３７−２ｎ、３８、３８−１〜３８−２ｎコンデンサ
３９、３９−１〜３９−ｎインダクタ
４０ＩＣ
４６ＣＰＵ
４８メモリ

Claims

アンテナ素子を含むアンテナ回路と、当該アンテナ回路に電気的に接続された可変リアクタンス回路とが共振する共振回路であって、
前記可変リアクタンス回路は、
第１のバイアス電圧に応じて容量値が変化する第１の可変容量コンデンサと、
前記可変容量コンデンサの一端に直列に接続される第１の定容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサと並列に挿入されたインダクタと、
を含む共振回路。
前記アンテナ素子がコイル状である請求項１に記載の共振回路。
前記第１の定容量コンデンサが、前記第１の可変容量コンデンサの取り得る容量値の下限よりも小さい容量値を示す請求項１又は２に記載の共振回路。
前記可変容量コンデンサの他端に直列に接続される第２の定容量コンデンサをさらに備える請求項１から３のいずれか１項に記載の共振回路。
前記可変容量コンデンサが積層セラミックコンデンサである請求項１から４のいずれか１項に記載の共振回路。
前記可変リアクタンス回路は、前記第１の可変容量コンデンサと並列に接続された第２の可変容量コンデンサをさらに備え、当該第２の可変容量コンデンサは、第２のバイアス電圧に応じて容量値が変化する請求項１から５のいずれか１項に記載の共振回路。
前記可変リアクタンス回路は、前記第１の可変容量コンデンサと直列に接続された第２の可変容量コンデンサをさらに備え、当該第２の可変容量コンデンサは、第２のバイアス電圧に応じて容量値が変化する請求項１から５のいずれか１項に記載の共振回路。
前記第１のバイアス電圧及び第２のバイアス電圧のいずれか一方が印加される請求項６又は７に記載の共振回路。
前記第１のバイアス電圧が第２のバイアス電圧と異なる電圧値である請求項６又は７に記載の共振回路。
前記第１及び第２のバイアス電圧がそれぞれ離散的な値を取る請求項５から９のいずれか１項に記載の共振回路。
アンテナ素子を含むアンテナ回路を準備する工程と、
当該アンテナ回路に電気的に接続された可変リアクタンス回路であって、容量値が変化する第１の可変容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサの一端に直列に接続される第１の定容量コンデンサと、前記可変容量コンデンサと並列に挿入されたインダクタとを含むものを準備する工程と、
前記第１の可変容量コンデンサに第１のバイアス電圧を印加することにより、前記アンテナ回路及び前記可変リアクタンス回路からなる共振回路の共振周波数を変化させる工程と、
を含む共振周波数の制御方法。