JP5761251B2 - Antenna device and communication device - Google Patents
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Description
本発明は、可変容量素子によりアンテナ回路の共振周波数を変化させるアンテナ装置、およびそれを備えた通信装置に関する。 The present invention relates to an antenna device that changes a resonance frequency of an antenna circuit using a variable capacitance element, and a communication device including the antenna device.
近年、携帯電話機などの電子機器は、NFC(Near FieldCommunication)などの近距離無線通信機能を有している。このような電子機器は、一般的に、通信相手先のリーダライタ装置からの要求によりデータをパッシブで送受信するモード(以下、カードモードという。)と、アクティブ動作し、自身がリーダライタ装置となり、通信相手先にデータをアクティブに送信するモード(以下、リーダライタモードという。)とがある。 In recent years, electronic devices such as mobile phones have a short-range wireless communication function such as NFC (Near Field Communication). Such an electronic device generally operates in a mode in which data is passively transmitted / received in response to a request from a reader / writer device of a communication partner (hereinafter referred to as a card mode), and operates as a reader / writer device. There is a mode in which data is actively transmitted to a communication partner (hereinafter referred to as a reader / writer mode).
この二つのモードを有している場合、電子機器の小型化のために、一のアンテナコイルで、両モードを実現させることが一般的である。この場合、アンテナコイルが接続されている制御ICは、送信端子(Tx端子)の内部インピーダンスを、モードによって切り替える制御を行う。例えば、制御ICは、カードモードの場合にはTx端子をオープンにし、リーダライタモードの場合にはTx端子をショートする。このため、カードモードとリーダライタモードとで、アンテナコイルに接続される回路インピーダンスが異なり、各モードで同じ共振周波数とすることができない。 In the case of having these two modes, it is common to realize both modes with one antenna coil in order to reduce the size of the electronic device. In this case, the control IC to which the antenna coil is connected performs control to switch the internal impedance of the transmission terminal (Tx terminal) depending on the mode. For example, the control IC opens the Tx terminal in the card mode, and shorts the Tx terminal in the reader / writer mode. For this reason, the circuit impedance connected to the antenna coil differs between the card mode and the reader / writer mode, and the same resonance frequency cannot be obtained in each mode.
特許文献1には、アンテナコイルに可変容量素子を接続し、コントローラで可変容量素子の容量値を変化させ、アンテナコイルの共振周波数を調整する発明が開示されている。この特許文献1により、上記した異なるモードでも、同じ共振周波数とすることはできる。
しかしながら、特許文献1では、可変容量素子の容量値を変化させるためのコントローラが必要となり、そのコントローラに対して、制御プログラムを組み込む必要がある。このため、特許文献1では、コントローラの実装に手間およびコストを要する。
However, in
そこで、本発明の目的は、手間およびコストを要することなく、通信特性の劣化を防止できるアンテナ装置およびそれを備えた通信装置を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an antenna device and a communication device including the antenna device that can prevent the deterioration of communication characteristics without requiring labor and cost.
本発明に係るアンテナ装置は、信号の入出力端子を有し、前記入出力端子から信号が入力される入力モードと、前記入出力端子から信号を出力する出力モードとで、前記入出力端子の内部インピーダンスを切り替えるインピーダンス切替回路と、前記入出力端子に接続されたアンテナ回路と、制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、前記入出力端子と前記アンテナ回路との間に接続され、前記入出力端子と前記アンテナ回路とのインピーダンス整合を行う整合回路と、前記入出力端子に生じる電圧に応じた制御電圧を、前記可変容量素子に印加する制御電圧印加回路と、を備え、前記制御電圧印加回路は、前記入出力端子から信号が出力される場合、前記アンテナ回路の共振周波数を、前記出力モードに対応する共振周波数にすべく、前記可変容量素子に印加する制御電圧を出力することを特徴とする。 The antenna device according to the present invention includes an input / output terminal for a signal, and an input mode in which a signal is input from the input / output terminal and an output mode in which a signal is output from the input / output terminal An impedance switching circuit that switches internal impedance; an antenna circuit connected to the input / output terminal; a variable capacitance element that changes a capacitance when a control voltage is applied and changes a resonance frequency of the antenna circuit; and the input / output terminal And a matching circuit for impedance matching between the input / output terminal and the antenna circuit, and a control voltage corresponding to a voltage generated at the input / output terminal is applied to the variable capacitance element. A control voltage application circuit, and when the control voltage application circuit outputs a signal from the input / output terminal, the resonance frequency of the antenna circuit Order to the resonant frequency corresponding to the output mode, and outputs a control voltage applied to the variable capacitance element.
出力モードでは、整合回路の付加によりアンテナ回路の共振周波数が変わることがあるが、上記構成により、アンテナ回路の共振周波数を出力モードに対応する共振周波数にすることで、入力モードおよび出力モードの何れでも、効率の良い通信を行える。また、アンテナ回路の共振周波数を調整するための可変容量素子に印加する制御電圧は、インピーダンス切替回路の入出力端子に生じる電圧から生成される。このため、制御電圧を印加するためのコントローラを必要とせず、回路形成の手間を省くことができる。 In the output mode, the resonant frequency of the antenna circuit may change due to the addition of the matching circuit. However, with the above configuration, the resonant frequency of the antenna circuit is set to the resonant frequency corresponding to the output mode. However, efficient communication can be performed. The control voltage applied to the variable capacitance element for adjusting the resonance frequency of the antenna circuit is generated from the voltage generated at the input / output terminal of the impedance switching circuit. For this reason, a controller for applying the control voltage is not required, and the time for circuit formation can be saved.
前記制御電圧印加回路は、前記入出力端子に生じる電圧を整流する整流回路であることが好ましい。 The control voltage application circuit is preferably a rectifier circuit that rectifies a voltage generated at the input / output terminal.
この構成では、簡易な回路により可変容量素子の容量値を制御できる。 In this configuration, the capacitance value of the variable capacitance element can be controlled by a simple circuit.
本発明によれば、可変容量素子の容量変化を制御するコントローラを実装するといった手間およびコストを要することなく、入力モードおよび出力モードの何れでも、効率の良い通信を行える。 According to the present invention, efficient communication can be performed in any of the input mode and the output mode without requiring time and cost of mounting a controller for controlling the capacitance change of the variable capacitance element.
(実施形態1)
図1は実施形態1に係るアンテナ装置の回路図である。以下に説明するアンテナ装置1はNFCモジュールの一例であり、カードモード(本発明に係る入力モード)とリーダライタモード(本発明に係る出力モード)との二つのモードで動作する。カードモードとは、アンテナ装置1はパッシブ動作し、通信相手先のリーダライタ装置からデータを受信し、また、通信相手先から電力を受けてデータを送信するモードである。リーダライタモードとは、アンテナ装置1はアクティブ動作し、自身がリーダライタ装置となり、通信相手先にデータを送信し、また、通信相手先からデータを受信するモードである。
(Embodiment 1)
FIG. 1 is a circuit diagram of an antenna device according to the first embodiment. The
アンテナ装置1はRFIC10を備えている。RFIC10は高周波(RF)信号を処理する集積回路である。RFIC10は、送信端子であるTx1,Tx2端子を有し、Tx1,Tx2端子には、整合回路11を介してアンテナ回路12が接続されている。RFIC10は本発明に係るインピーダンス切替回路に相当し、Tx1,Tx2端子は本発明に係る入出力端子に相当する。
The
アンテナ回路12は、コイルアンテナ12A、キャパシタC21および可変容量素子C22を備えた共振回路である。可変容量素子C22は、制御電圧(バイアス電圧)に応じて容量値が定まる容量素子であって、アンテナ回路12の共振周波数を所定周波数に定める。アンテナコイル12Aは通信相手のアンテナと電磁界結合して近距離通信のための送受信を行う。例えばNFC通信において中心周波数13.56MHzのHF帯を利用する場合には、アンテナ回路12の共振周波数は13.56MHzに定められる。
The
なお、可変容量素子C22とアンテナコイル12Aとで周波数調整が可能である場合、アンテナ回路12はキャパシタC21を備えていなくてもよい。
Note that when the frequency adjustment is possible with the variable capacitance element C22 and the
図2は可変容量素子C22の回路図である。可変容量素子C22は、RF信号が入出力されるポートP11,P12と、制御電圧が印加されるポート13と、グランドに接続されるポートP14とを有している。また、可変容量素子C22は、ポートP11−P12に接続された、容量素子C2a〜C2fおよび抵抗素子R11〜R19を有している。
FIG. 2 is a circuit diagram of the variable capacitor C22. The variable capacitance element C22 has ports P11 and P12 through which RF signals are input / output, a
容量素子C2a〜C2f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を定められる。 The capacitive elements C2a to C2f are ferroelectric capacitors in which a ferroelectric film is sandwiched between opposing electrodes. Since the amount of polarization of the ferroelectric film changes according to the strength of the applied electric field and the apparent dielectric constant changes, the capacitance value can be determined by the control voltage.
抵抗素子R11〜R19の抵抗値は等しい。これらの抵抗素子R11〜R19は、容量素子C2a〜C2f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へ漏れるのを抑制している。 The resistance values of the resistance elements R11 to R19 are equal. These resistance elements R11 to R19 apply a control voltage to the capacitive elements C2a to C2f, and suppress leakage of an RF signal applied between the ports P11 and P12 to the ports P13 and P14.
整合回路11は、Tx1,Tx2端子それぞれに接続された、EMCフィルタを構成するインダクタL11,L12およびキャパシタC11,C12を有している。また、整合回路11は、EMCフィルタに接続され、RFIC10とアンテナ回路12とのインピーダンス整合用の素子としてのキャパシタC13,C14を有している。整合回路11のEMCフィルタは、アンテナ装置1がリーダライタモードである場合に、アンテナ回路12から送信される信号の高調波を除去する。このEMCフィルタの遮断周波数は、アンテナ回路の共振周波数が13.56MHzに定められる場合、例えば16MHz付近に設定されている。
The matching
RFIC10のTx1端子には整流回路13が接続されている。この整流回路13は、本発明に係る制御電圧印加回路に相当する。整流回路13は、ダイオードD1、キャパシタC3および抵抗R1を含んでいる。整流回路13は、RFIC10のTx1端子に生じる電圧を整流し、制御電圧として可変容量素子C22のポートP13に印加する。
A
制御電圧を出力する整流回路13、および、その制御電圧が印加される可変容量素子C22は、RFIC10がリーダライタモードである場合、アンテナ回路12の共振周波数を13.56MHzとすべく、可変容量素子C22の容量値を変化するよう構成されている。したがって、制御電圧を印加して、可変容量素子C22の容量値を変化させるためのコントローラを別途必要としない。また、制御電圧の印加制御機能をRFIC10に持たせるために、RFIC10に制御プログラムを組み込む必要もない。これにより、手間およびコストを要することなく、可変容量素子C22へ制御電圧を印加して、その容量値を変化させることができる。
When the
また、RFIC10は受信端子であるRx端子を有し、このRx端子には、抵抗R2およびキャパシタC4の直列回路を介して、アンテナ回路12が接続されている。RFIC10は、Rx端子に入力されるハイ・ローの電圧から、アンテナ回路12が受信したデータ情報を読み取る。
The RFIC 10 has an Rx terminal that is a receiving terminal, and the
さらに、RFIC10は、直流バイアスを出力するTb端子を有し、Tb端子には、キャパシタC5および抵抗R3が接続されている。Tb端子が直流バイアスを出力することで、Rx端子に入力される電圧に、その直流バイアスが重畳され、アンテナ回路12が受信したデータ情報を読み取るRFIC10での信号処理を行いやすくしている。なお、抵抗R3がキャパシタC4に接続されていることで、キャパシタC4が直流バイアス電圧をカットとし、アンテナ回路12側に直流バイアスによる影響が及ぶことを防止している。
Further, the
上記のように構成されたアンテナ装置1において、RFIC10は、リーダライタモードとカードモードとで、Tx1−Tx2端子間をオープンまたはショートさせることによって、Tx1−Tx2端子間の内部インピーダンスを切り替える切替処理を行う。具体的には、アンテナ装置1がリーダライタモードで動作する場合、RFIC10は、Tx1−Tx2端子間をショートにし、各Tx1,Tx2端子から高周波電力を出力する。一方、アンテナ装置1がカードモードで動作する場合、RFIC10は、Tx1−Tx2端子間をオープンさせて、換言すると、Tx1−Tx2端子間に負荷を接続して負荷変調を行う。
In the
図3はリーダライタモードとカードモードとにおける磁界強度の周波数特性を示す図である。 FIG. 3 is a diagram showing the frequency characteristics of the magnetic field strength in the reader / writer mode and the card mode.
図3の一点鎖線で示す特性は、カードモードにおける磁界強度の周波数特性を示す。上述のように、整合回路11はEMCフィルタを有している。このEMCフィルタは、16MHzの高調波を除去するよう設定されている。したがって、カードモードでは、アンテナ装置1の共振周波数は、アンテナ回路12の共振周波数f1(13.56MHz)と、EMCフィルタの遮断周波数f2(16MHz)とになる。
The characteristic indicated by the one-dot chain line in FIG. 3 indicates the frequency characteristic of the magnetic field strength in the card mode. As described above, the matching
図3の実線で示す特性は、リーダライタモードにおける磁界強度の周波数特性を示す。また、図3の破線で示す特性は、仮に整流回路13を設けない場合のリーダライタモードにおける磁界強度の周波数特性である。整合回路11のEMCフィルタは、高調波を除去するよう設定されている。このため、リーダライタモードでは、このEMCフィルタがアンテナ回路12の共振周波数f1に影響を及ぼす。この結果、リーダライタモードでは、図3の破線で示すように、アンテナ装置1の共振周波数はf0(14.7MHz)となり、リーダライタモードでの13.56MHzを中心とする通信信号周波数帯からずれるので、通信特性が低下する。本発明では、整流回路13を設けて可変容量素子C22の容量値を変化させることで、図3の実線で示すように、アンテナ装置1の共振周波数がf1(13.56MHz)となるように調整(シフト)する。
The characteristic indicated by the solid line in FIG. 3 indicates the frequency characteristic of the magnetic field strength in the reader / writer mode. 3 is a frequency characteristic of the magnetic field strength in the reader / writer mode when the
以上のように、アンテナ装置1の共振周波数は、リーダライタモードおよびカードモードの何れでも、アンテナ回路12の共振周波数f1(13.56MHz)となるため、効率よく通信を行える。また、共振周波数を調整するための可変容量素子C22に印加する制御電圧は、RFIC10のTx1端子に生じる電圧を整流したものであるため、制御電圧を印加するためのコントローラを設ける必要がない。
As described above, since the resonance frequency of the
なお、本実施形態では、リーダライタモードでのアンテナ装置1の共振周波数を、アンテナ回路12の共振周波数f1(13.56MHz)に一致させているが、完全一致していなくても、通信特性に影響が及ばない範囲で、アンテナ装置1の共振周波数がf1(13.56MHz)に近づいていればよい。
In this embodiment, the resonance frequency of the
また、カードモードであるアンテナ装置1に通信相手が近接した際に、アンテナ回路12から、キャパシタC13およびインダクタL11を通る経路で、整流回路13に電圧が入力され、それによって、可変容量素子C22の容量値が変化する場合がある。この場合、アンテナ回路12の共振周波数が13.56MHzからずれることになるが、アンテナ装置1が通信相手から受ける電力は大きいので、RFIC10には、データを読み取れるのに十分な電力が入力される。
When a communication partner approaches the
図4は本実施形態に係るアンテナ装置1を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。図4では、無線通信装置100の上部筐体91と下部筐体92とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。
FIG. 4 is a diagram showing the internal structure of a wireless communication device to which the
上部筐体91の内部には回路基板71,81、バッテリーパック83等が収められている。回路基板71には、RFIC10、整合回路11、および整流回路13等が実装されている。この回路基板71にはUHF帯アンテナ72、カメラモジュール76等も搭載されている。また、回路基板81にはUHF帯アンテナ82等が搭載されている。回路基板71と回路基板81とは同軸ケーブル84を介して接続されている。
下部筐体92には、カメラモジュール76のレンズが光学的に露出する開口92Aが形成されている。さらに、下部筐体92には、面状導体であるアンテナコイル12Aが、開口92Aを囲うように設けられている。このアンテナコイル12AにはRFIC10等が接続されている。このアンテナコイル12AとRFIC10等とにより、本実施形態に係るアンテナ装置1を構成している。
In the
(実施形態2)
図5は実施形態2に係るアンテナ装置の回路図である。この例では、アンテナ装置2は、実施形態1と同様に、RFIC10、整合回路11およびアンテナ回路12などを備えている。また、アンテナ装置2は、ダイオードD1,D2、キャパシタC3および抵抗R1を有する整流回路15を備えている。
(Embodiment 2)
FIG. 5 is a circuit diagram of the antenna device according to the second embodiment. In this example, the
この整流回路15は、RFIC10のTx1端子およびTx2端子それぞれに生じる電圧を整流し、制御電圧として可変容量素子C22に印加する。可変容量素子C22は実施形態1と同様の構成である。すなわち、整流回路15はRFIC10から出力される交流電圧を全波整流する。これにより、可変容量素子C22には、リップルが低減された制御電圧が印加されることになり、安定した可変容量素子C22の容量制御ができる。
The
(実施形態3)
図6は実施形態3に係るアンテナ装置の回路図である。この例では、アンテナ装置3が備えるRFIC10のTx端子には、整合回路16を介してアンテナ回路17が接続されている。
(Embodiment 3)
FIG. 6 is a circuit diagram of the antenna device according to the third embodiment. In this example, the
アンテナ回路17は、一端がグランドに接続されたコイルアンテナ12A、キャパシタC21および可変容量素子C22が並列に接続された共振回路である。各素子については、実施形態1と同様であるため、説明は省略する。
The
整合回路16は、Tx端子に接続された、EMCフィルタを構成するインダクタL11およびキャパシタC11を有している。また、整合回路16は、EMCフィルタに接続され、RFIC10とアンテナ回路17とのインピーダンス整合用の素子としてのキャパシタC13を有している。このように、非平衡回路にも同様に適用できる。
The matching
1,2,3−アンテナ装置
10−RFIC(インピーダンス切替回路)
11,16−整合回路
12,17−アンテナ回路
12A−アンテナコイル
13,15−整流回路(電圧印加回路)
71,81−回路基板
76−カメラモジュール
82−UHF帯アンテナ
83−バッテリーパック
84−同軸ケーブル
91−上部筐体
92−下部筐体
92A−開口
100−無線通信装置
C3,C4,C5,C11,C12,C13,C14,C21−キャパシタ
C22−可変容量素子
L11,L12−インダクタ
D1,D2−ダイオード
R1,R2,R3−抵抗
1,2,3-antenna device 10-RFIC (impedance switching circuit)
11, 16-matching
71, 81-Circuit board 76-Camera module 82-UHF band antenna 83-Battery pack 84-Coaxial cable 91-Upper casing 92-
Claims (3)
前記入出力端子に接続されたアンテナ回路と、
制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、
前記入出力端子と前記アンテナ回路との間に接続され、前記入出力端子と前記アンテナ回路とのインピーダンス整合を行う整合回路と、
前記入出力端子に生じる電圧に応じた制御電圧を、前記可変容量素子に印加する制御電圧印加回路と、
を備え、
前記制御電圧印加回路は、
前記入出力端子から信号が出力される場合、前記アンテナ回路の共振周波数を、前記出力モードに対応する共振周波数にすべく、前記可変容量素子に印加する制御電圧を出力する、
アンテナ装置。 An impedance switching circuit having an input / output terminal for a signal, and switching an internal impedance of the input / output terminal between an input mode in which the signal is input from the input / output terminal and an output mode in which the signal is output from the input / output terminal; ,
An antenna circuit connected to the input / output terminal;
A variable capacitance element that changes a capacitance when a control voltage is applied, and changes a resonance frequency of the antenna circuit;
A matching circuit that is connected between the input / output terminal and the antenna circuit and performs impedance matching between the input / output terminal and the antenna circuit;
A control voltage application circuit for applying a control voltage corresponding to the voltage generated at the input / output terminal to the variable capacitance element;
With
The control voltage application circuit includes:
When a signal is output from the input / output terminal, a control voltage to be applied to the variable capacitance element is output so that the resonance frequency of the antenna circuit is a resonance frequency corresponding to the output mode.
Antenna device.
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