JP2015142208A - Nfc用アンテナ装置 - Google Patents

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紀行 植木
Noriyuki Ueki
紀行 植木
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Abstract

【課題】アンテナを大型化せずに、複数の規格のNFCシステムに利用可能なNFC用アンテナ装置を構成する。
【解決手段】巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、コイル導体に接続されて、コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するNFC用アンテナ装置であって、共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のNFCシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されている。
【選択図】図4

Description

本発明は、近距離無線通信(NFC:Near Field Communication)システムに用いられるアンテナ装置に関するものである。
リーダライタとRFIDタグとを非接触方式で通信し、リーダライタとRFIDタグとの間で情報を伝達するRFID(Radio Frequency Identification)システムが利用されている。リーダライタおよびRFIDタグは、無線信号を送受するためのアンテナ装置をそれぞれ備えていて、例えばHF帯RFIDシステムであれば、RFIDタグのアンテナ装置とリーダライタのアンテナ装置とは、主に誘導磁界を介して結合し、所定の情報が送受される。
近年、携帯電話等の通信端末装置にRFIDシステムを導入し、この通信端末装置をリーダライタやRFIDタグとして利用することがある。通信端末装置にRFID機能を付与する技術としては、たとえば特許文献1に記載されているように、通信端末装置にアンテナモジュールを内蔵する技術が知られている。ここで、アンテナモジュールは、平面状の基板に平面状のコイルアンテナを形成したものである。
特開2004−364199号公報
RFID技術の1つであるNFCシステムは13.56MHz帯を利用した無線通信規格の一つであり、携帯通信端末をはじめ、さまざまな端末へ搭載されている。このNFCには様々な標準化団体が策定した複数の仕様がある。例えばISO仕様、NFC Forum仕様、EMVCo仕様等がある。これらの仕様のいずれも、中心周波数および必要帯域幅は同じである。しかし、変調度や特性の評価基準に違いがある。例えば、相手側アンテナとの通信感度が規格に定められている。また、相手側アンテナの大きさや、どのような状態(相手側アンテナとの距離や位置関係、変調度など)で通信できればよいのかといった評価基準が規格に定められている。これらは規格によってそれぞれ異なる。
上記複数の仕様のNFCシステムを利用可能にするためには、アンテナ回路の共振特性の中心周波数や帯域幅を定めて、それぞれの規格を満足するようなアンテナ装置が必要となる。その対策の1つとしてアンテナサイズを大きくして、広帯域で良好なアンテナ特性を得る方法が有効である。
しかし、最近の電子機器の小型化に伴って十分な大きさのアンテナスペースを確保することは難しくなってきている。小型のアンテナでは広帯域に亘って良好なアンテナ特性を得ることは難しく、そのため、すべての仕様を満足することは困難になってきている。
本発明の目的は、アンテナを大型化せずに、複数の規格のNFCシステムに利用可能なNFC用アンテナ装置を提供することにある。
本発明のNFC用アンテナ装置は次のように構成される。
(1)巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、このコイル導体に接続されて、コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するアンテナ装置であって、
前記共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のNFCシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されていることを特徴とする。
このようにコイル導体とキャパシタとで構成される共振回路(アンテナ回路)の共振周波数に関する回路定数の設定によって、複数の規格のNFCシステムに利用可能とすることで、アンテナを大型化せずに、複数の規格のNFCシステムに利用可能なNFC用アンテナ装置を構成できる。
(2)前記キャパシタは、共振周波数に関する回路定数が前記特異値になるように、外部信号によってキャパシタンスを変えることができる可変容量素子であること、または可変容量素子を含む回路であることが好ましい。これにより、コイル導体とキャパシタによる共振回路の共振周波数に関する回路定数を特異値に正確に設定できるようになる。
本発明によれば、コイル導体とキャパシタとで構成される共振回路(アンテナ回路)の共振周波数の設定によって、複数の規格のNFCシステムに利用可能とすることで、アンテナを大型化せずに、複数の規格のNFCシステムに利用可能なNFC用アンテナ装置を構成できる。
図1は第1の実施形態に係る通信回路101の回路図である。 図2(A)はアンテナコイル13の平面図、図2(B)はアンテナコイル13の正面図である。 図3は2つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタC1,C2a,C2bの値について示す図である。 図4(A)、図4(B)は、2つのタイプのアンテナコイルについて、各キャパシタの値のもとで、共振周波数設定用キャパシタC2aの値を変化させたときの、各NFC規格に対する適合関係について示している。 図5は第2の実施形態に係る通信回路102の回路図である。 図6は可変容量素子14の内部の全体の回路図である。 図7は2つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタC1,C2bおよび可変容量素子14の値について示す図である。 図8(A)、図8(B)は、2つのタイプのアンテナコイルについて、各キャパシタの値のもとで、可変容量素子14の値を変化させたときの、4つのNFC規格に対する適合関係について示す図である。 図9は第3の実施形態に係る通信装置103の筐体内部の構造を示す図であり、上部筐体51と下部筐体52とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る通信回路101の回路図である。この通信回路101はNFCモジュールの一例である。通信回路101は、RFIC11、アンテナコイル13、EMCフィルタ15、および整合回路16を備えている。RFIC11は、送信信号端子Tx1,Tx2、送信信号のグランド端子TVSS端子およびカードモード用アンテナ端子ANT1,ANT2を備えている。
RFIC11はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調を行う。また、このRFIC11は通信データを含むデータの入出力も行う。
EMCフィルタ15はEMC(Electro magnetic Compatibility)対策用フィルタであり、シリーズ接続のインダクタL0およびシャント接続のキャパシタC0で構成されている。このEMCフィルタ15は、RFIC11により生じるノイズの放出およびRFIC11へのノイズの侵入を抑制する。
整合回路16は、EMCフィルタ15が接続されたRFIC11とアンテナコイル13とのインピーダンス整合およびアンテナ回路の共振周波数を設定する回路である。整合回路16は、シャント接続された共振周波数設定用キャパシタC2aおよびシリーズ接続されたキャパシタC1を備える。
アンテナコイル13は、ループ状または渦巻き状のコイル導体によるインダクタLantで構成されている。このインダクタLantおよびキャパシタC2aにより共振回路が構成されている。
RFIC11の二つのアンテナ端子ANT1,ANT2とアンテナコイル13との間にはキャパシタC2bがそれぞれ接続されている。
図2(A)はアンテナコイル13の平面図、図2(B)はアンテナコイル13の正面図である。アンテナコイル13は、フレキシブル基材13s、この基材13sに形成された矩形スパイラル状のコイル導体13cおよびフェライトシート13fで構成されている。フェライトシート13fは基材13sと同サイズであり、フェライトシート13fと基材13sとは張り合わされている。
本実施形態において上記アンテナコイル13のサイズは次の2タイプある。
[タイプ1のアンテナコイル]
平面サイズ:30×50mm
フェライトシート13fの厚み:100μm
インダクタンス:1.5μH
Q値:30
[タイプ2のアンテナコイル]
平面サイズ:40×50mm
フェライトシート13fの厚み:100μm
インダクタンス:1.5μH
Q値:30
図3は上記2つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタC1,C2a,C2bの値について示している。図3中のVCは次に示す範囲で定めた値である。
図4(A)(B)は、上記2つのタイプのアンテナコイルについて、上記各キャパシタの値のもとで、共振周波数設定用キャパシタC2aの値を変化させたときの、各NFC規格に対する適合関係について示している。図4(A)はタイプ1のアンテナコイルを用いた場合に、共振周波数設定用キャパシタC2aのキャパシタンスC2aを94pF〜114pFの範囲で変化させた例である。図4(B)はタイプ2のアンテナコイルを用いた場合に、共振周波数設定用キャパシタC2aのキャパシタンスC2aを80pF〜104pFの範囲で変化させた例である。ここではNFC規格として、NFC Forum,EMVCo,ISO14443,NFC PTについて示している。図4(A)(B)においてハッチングなどのパターンで塗りつぶした範囲は該当のNFC規格に適合していることを表している。
上記評価には、RFICとしてNXPセミコンダクターズ社製のNFCコントローラICであるNXP PN544チップを用いた。
タイプ1のアンテナコイルを用いる場合、図4(A)に示すように、C2a=94〜106pFの範囲であれば、NFC Forumの規格に適合し、C2a=98〜104pFの範囲であれば、EMVCoの規格に適合し、C2a=102〜111pFの範囲であれば、ISO14443の規格に適合し、C2a=97〜114pFの範囲であれば、NFC PTの規格に適合する。タイプ1のアンテナコイルを用いる場合、上記共振周波数設定用キャパシタC2aのキャパシタンスC2aは102〜104pFの範囲内の値に定める。これにより、上記4つのNFC規格の全てに適合する。
タイプ2のアンテナコイルを用いる場合、図4(B)に示すように、C2a=97〜104pFの範囲であれば、NFC ForumおよびEMVCoの規格に適合し、C2a=86〜104pFの範囲であれば、ISO14443の規格に適合し、C2a=80〜104pFの範囲であれば、NFC PTの規格に適合する。タイプ2のアンテナコイルを用いる場合、上記共振周波数設定用キャパシタC2aのキャパシタンスC2aは97〜104pFの範囲内の値に定める。これにより、上記4つのNFC規格の全てに適合する。
キャパシタンスC2aの上記範囲が本発明に係る「特異値」の一例である。
《第2の実施形態》
図5は第2の実施形態に係る通信回路102の回路図である。この通信回路102はNFCモジュールの一例である。通信回路102は、RFIC11、アンテナコイル13、EMCフィルタ15、および整合回路16を備えている。RFIC11は、送信信号端子Tx1,Tx2、送信信号のグランド端子TVSS端子、カードモード用アンテナ端子ANT1,ANT2および制御電圧出力端子Vを備えている。
RFIC11はベースバンド信号と高周波信号との間の変復調、通信データを含むデータの入出力および後に示す可変容量素子14の制御を行う。
EMCフィルタ15の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。
整合回路16は、EMCフィルタ15が接続されたRFIC11とアンテナコイル13とのインピーダンス整合およびアンテナ回路の共振周波数を設定する回路である。整合回路16は、アンテナコイル13に並列接続された共振周波数設定用キャパシタである可変容量素子14およびシリーズ接続されたキャパシタC1を備える。可変容量素子14はRFIC11の制御電圧出力端子Vから制御電圧が印加され、その制御電圧に応じたキャパシタンスとなる。
アンテナコイル13の構成は第1の実施形態で示したものと同じである。このアンテナコイル13のインダクタLantおよび可変容量素子14により共振回路が構成されている。
RFIC11の二つのアンテナ端子ANT1,ANT2とアンテナコイル13との間にはキャパシタC2bがそれぞれ接続されている。
図6は可変容量素子14の内部の全体の回路図である。可変容量素子14は容量素子Cおよび抵抗素子R11〜R19で構成されている。
可変容量素子14において、容量素子Cの両端には抵抗素子R11〜R19を介して制御電圧が印加される。抵抗素子R12〜R18の抵抗値は等しい。これらのRF抵抗素子R11〜R19は、容量素子Cに制御電圧を印加するとともに、ポートP11−P12間に印加されるRF信号がポートP13,P14へ漏れるのを抑制する。容量素子Cは対向する電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタである。強誘電体膜は印加される電界の強度に応じて分極量が変化して、見かけ上の誘電率が変化するので、制御電圧によって容量値が定まる。強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、前記強誘電体膜に使用される薄膜材料としては、高誘電率を有する誘電体材料が使用される。具体的には、(Ba,Sr)TiO3 (BST)、SrTiO3、BaTiO3、Pb(Zr,Ti)O3等のペロブスカイト化合物、SrBi4Ti4O15等のビスマス層状化合物等を使用することができる。
図7は2つのタイプのアンテナコイルを用いた場合のキャパシタC1,C2bおよび可変容量素子14の値について示している。C14は可変容量素子14のキャパシタンスである。この2つのタイプは第1の実施形態で示したタイプ1のアンテナコイル、およびタイプ2のアンテナコイルである。図7においてVCは次に示す範囲で定めた値である。
図8(A)(B)は、上記2つのタイプのアンテナコイルについて、上記各キャパシタの値のもとで、可変容量素子14の値を変化させたときの、4つのNFC規格に対する適合関係について示している。図8(A)はタイプ1のアンテナコイルを用いた場合に、可変容量素子14のキャパシタンスC14を47pF〜57pFの範囲で変化させた例である。図8(B)はタイプ2のアンテナコイルを用いた場合に、可変容量素子14のキャパシタンスC14を40pF〜52pFの範囲で変化させた例である。ここではNFC規格として、NFC Forum,EMVCo,ISO14443,NFC PTについて示している。図8(A)(B)においてハッチングなどのパターンで塗りつぶした範囲は該当のNFC規格に適合していることを表している。
第1の実施形態で図4に示した結果と同様に、タイプ1のアンテナコイルにおいては、可変容量素子14のキャパシタンスC14が51〜52pFの範囲内の値であれば、上記4つのNFC規格に適合する。同様に、タイプ2のアンテナコイルにおいては、可変容量素子14のキャパシタンスが48.5〜52pFの範囲内の値であれば、上記4つのNFC規格に適合する。第1の実施形態で示したように、共振周波数設定用のキャパシタが固定キャパシタンスの素子であると、タイプ1のアンテナコイルを用いる場合、上記キャパシタンスの範囲は51.5±0.5pFであり、要求公差が非常に狭いキャパシタが必要である。タイプ2のアンテナコイルを用いる場合、上記キャパシタンスの範囲は48.5〜52pFであり、やはり要求公差が非常に狭いキャパシタが必要である。
本実施形態では可変容量素子14を用いることにより、要求公差が狭い問題は解消される。すなわち、タイプ1のアンテナコイルを用いる場合、可変容量素子14のキャパシタンスが47pF〜57pFの範囲で可変であれば、対象とする全てのNFC規格に適合できる。すなわち(57-47)/57≒18%の範囲でキャパシタンスが可変の可変容量素子であればよい。可変容量素子14のキャパシタンスは各NFC規格に応じて変化させなくても、図8(A)に示す例では51〜52pFの範囲内の値となるように制御し、その値に固定すればよい。同様に、図8(B)に示す例では(52-40)/52≒23%の範囲でキャパシタンスが可変の可変容量素子であればよい。この場合、可変容量素子14のキャパシタンスが48.5〜52pFの範囲内の値となるように制御し、その値に固定すればよい。
以上に示した例では、強誘電体キャパシタによる可変容量素子を用いる例を示したが、その他に、可変容量ダイオード等の他の可変容量素子であっても同様に適用できる。
《第3の実施形態》
図9は第3の実施形態に係る通信装置103の筐体内部の構造を示す図であり、上部筐体51と下部筐体52とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。上部筐体51の内部にはプリント配線板21,31、バッテリーパック33等が収められている。プリント配線板21にはNFCモジュール100が実装されている。このNFCモジュール100は図5に示した回路のうちアンテナコイル13以外の回路をモジュール化したものである。プリント配線板21にはUHF帯アンテナ22等も搭載されている。また、プリント配線板31にはUHF帯アンテナ32等が搭載されている。プリント配線板21とプリント配線板31とは同軸ケーブル34を介して接続されている。
アンテナコイル13の構成は図2に示したものと基本的に同じである。このアンテナコイル13の端部はプリント配線板21側に設けられたピン端子25に当接して電気的に導通する。すなわち、下部筐体52に上部筐体51を被せることで、アンテナコイル13はNFCモジュール100に電気的に接続される。
《他の実施形態》
以上に示した実施形態では、アンテナコイル13に可変容量素子14を並列接続した例を示したが、アンテナコイル13に対して並列接続される容量の全体ではなく一部を可変容量素子としてもよい。また、このようにアンテナコイル13に対して並列接続される容量の一部をRFIC内に設け、その他をRFIC外部に接続してもよい。なお、可変容量素子と固定容量素子は並列接続してもよい。
ANT1,ANT2…カードモード用アンテナ端子
C…容量素子
C0,C1,C2a,C2b…キャパシタ
L0,Lant…インダクタ
P11,P12,P13,P14…ポート
R11〜R19…RF抵抗素子
TVSS…グランド端子
Tx1,Tx2…送信信号端子
V…制御電圧出力端子
11…RFIC
13…アンテナコイル
13c…コイル導体
13f…フェライトシート
13s…フレキシブル基材
14…可変容量素子
15…EMCフィルタ
16…整合回路
21,31…プリント配線板
22…UHF帯アンテナ
25…ピン端子
26…カメラモジュール
31…プリント配線板
32…UHF帯アンテナ
33…バッテリーパック
34…同軸ケーブル
51…上部筐体
52…下部筐体
100…NFCモジュール
101〜103…通信回路

Claims (2)

  1. 巻回中心部をコイル開口部とするループ状または渦巻き状のコイル導体と、前記コイル導体に接続されて、前記コイル導体とともに共振回路を構成するキャパシタと、を有するアンテナ装置であって、
    前記共振回路の共振周波数に関する回路定数は、複数のNFCシステムの規格において通信可能となる、特異値に設定されていることを特徴とするNFC用アンテナ装置。
  2. 前記キャパシタは、前記共振周波数に関する回路定数が前記特異値になる、外部信号によってキャパシタンスを変えることができる可変容量素子である、または可変容量素子を含む回路である、請求項1記載のNFC用アンテナ装置。
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