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CN101278439B - 线圈天线及便携式电子设备 - Google Patents

线圈天线及便携式电子设备 Download PDF

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Abstract

在与便携式电子设备之定位缝隙方向垂直的假想中心线的相对两侧，分别设置具有绕组(2A，2B)的线圈单元(3A，3B)，所述绕组(2A，2B)通过导体(4)串联连接，使绕组(2A，2B)的卷绕方向一致；所述便携式电子设备保持在读/写器上方。在将便携式电子设备保持在读/写器中心部分上方时，以及在将便携式电子设备保持在偏离所述中心部分的位置的上方时，都使通信性能的变化受到抑制，从而特别是在将便携式电子设备保持在读/写器的周边部分的上方时，确保最大的可通信距离。

Description

线圈天线及便携式电子设备
技术领域
本发明涉及一种设置于便携式电子设备中的线圈天线，以及包含这种线圈天线的便携式电子设备。
背景技术
近年来，已将各种非接触IC卡或IC标签中使用的所谓RFID(射频识别-Radio Frequency Identification-非接触数据识别技术，无线电波系统识别)系统引入到自动检票闸门、进入和离开建筑物所用之安全系统或电子银钱系统等场合中。
这样的RFID系统包括非接触IC卡和读/写器，所述非接触IC卡含有IC芯片和平面线圈，用于数据发送/接收及数据存储，所述读/写器用于把数据写入非接触IC卡或从卡内读取数据。来自读/写器的磁通量穿过所述平面线圈，可以实现所述非接触IC卡与读/写器之间的相互通信联系。
近年来，代替上述RFID系统中非接触IC卡，包含IC芯片的蜂房式电话与读/写器之间的通信技术已属极平常的事。
在包含这种IC芯片的蜂房式电话情况下，将具有大环圈面积的线圈天线或者通过在磁芯周围缠绕线圈而成的线圈天线设置于蜂房式电话的壳体中。于是，就使这样的蜂房式电话更加接近读/写器的天线，使来自读/写器天线的磁通量能够穿过所述线圈天线的线圈。
在含有这种非接触式IC卡芯片的蜂房式电话等情况下，将所述平面线圈设在蜂房式电话外壳的一个表面上(在表面附近)。但由于蜂房式电话内部设置有包含接地电极的电路板、金属性电池盒等，致使磁通量难于穿过所述平面线圈。因而，就存在不能实现较宽通信范围的问题。另外，比如在使蜂房式电话较为接近读/写器，以使蜂房式电话正面侧和背面侧从各自应有状态颠倒的情况下，并不总能实现通信联系。因此，就存在灵敏度会随蜂房式电话的定位而改变的问题。
专利文献1中公开了一种实现有效地接收所需电功率的非接触IC卡(RFID介质)，它是这种类型RFID介质当中的一种。专利文献1中所述的非接触IC卡包括通信天线和多个接收线圈，其中的通信天线发送及接收数据和信号，却都无需接触。在接收线圈面对馈送线圈，其间夹有间隙的情况下，在所述接收线圈与馈送线圈之间产生电磁感应。在接收电功率的情况下，接收线圈通过电磁感应从馈送线圈接收电能，而无需接触。
另外，专利文献2公开了一种RFID介质，即使在沿垂直于读/写器之线圈天线的方向设置RFID介质的情况下，也能实现读/写器与RFID介质之间的通信联系。
图1示出专利文献2中描述的非接触IC标签的结构。在这种非接触IC标签中，在作为基板部件250的树脂片等上面，设置从外部将信息写入其中或从其读出信息的IC介质210，以及传导天线单元220，该传导天线单元220利用电磁感应把电功率从读/写器供送给IC介质210，以实现把信息写入IC介质210以及从IC介质210读取信息。天线单元220连接到IC介质210，使两个线圈天线221a和221b串联连接，从而形成8字图样的形状。
专利文献1：日本未审专利申请公开No.2000-201442
专利文献2：日本未审专利申请公开No.2004-126750
发明内容
发明要解决的问题
然而，对于这种公知的RFID介质而言，在通过使便携式电子设备靠近读/写器进行通信，用以识别用户、建筑物和居住地的情况下，根据便携式电子设备中所设置的通信天线的位置，也就是说，根据是否使通信天线靠近读/写器的中心部分或者靠近偏离读/写器中心部分的位置(自中心部分移动的位置)，会使通信性能(通信范围)有很大的改变。这种变化直接表现为在使RFID介质靠近读/写器外周部分的情况下所能通信的范围减小的问题。
在专利文献1中所述非接触IC卡的情况下，RFID介质中所设置的多个接收线圈提高电功率接收的效率。然而，由于所述非接触IC卡中只提供单独一个通信天线线圈，就无法解决在使RFID介质靠近读/写器，致使RFID介质的位置偏离读/写器情况下的通信性能变差问题。
除此而外，设计了专利文献2，为的是即使在RFID介质与读/写器之间的位置关系从RFID介质和读/写器彼此面对的已知方向改变到RFID介质和读/写器互相垂直的方向的情况下，也能做到提供预定的通信范围的目的。因而，专利文献2仍然有在使RFID介质靠近读/写器，以致RFID介质的位置偏离读/写器的情况下，通信性能变差的问题。此外，由于多个天线线圈串联连接，使天线线圈的卷绕方向彼此相反，以致在磁通量穿过各线圈的情况下，感应电流互相抵销，同时引起通信范围进一步变窄的问题。
本发明的目的在于提供一种线圈天线，它减低包含该线圈天线之便携式电子设备靠近读/写器中心部分的情况与使便携式电子设备靠近于偏离读/写器中心部分(自中心部分移动)的位置的情况之间，在通信性能方面的差异，特别是解决了在使便携式电子设备靠近读/写器的外周部分的情况下，所能通信范围减小的问题。本发明还提供包含这种线圈天线的便携式通信设备。
解决问题的手段
本发明线圈天线的特点在于，在跨越假设是沿便携式电子设备外壳主表面之长轴方向或短轴方向的假想中心线两边的相对两侧设置多个线圈单元，每个线圈单元包含一个绕组，所述外壳具有平面形状，并有第一主表面和面对所述第一主表面的第二主表面；所述特点还在于，所述多个线圈单元的绕组通过导体相连，使所述多个线圈单元的绕组的卷绕方向相同。
所述多个线圈单元的绕组的线圈轴可与所述外壳的主表面垂直。
可将所述导体设置于沿外壳侧边的外周部分。
优点
按照本发明，由于各线圈单元设置于跨越包含线圈天线之便携式电子设备外壳的假想中心线的相对两侧，并且各线圈单元的绕组通过导体串联连接，使各线圈单元的卷绕方向相同，因此，即使在靠近读/写器的便携式电子设备的位置从读/写器的中心部分偏离到外周部分的情况下，也有很高的可能性去实现至少一个所述线圈单元与所述读/写器的天线之间的强耦合。因而，就避免了通信性能的急遽变差，并能保持所述读/写器的较宽的通信范围。
另外，由于连接各线圈单元用的导体沿便携式电子设备的具有平面形状之外壳的侧边设置于外周部分，所以，该导体也限定部分所述线圈天线，从而增大了环圈的面积。相应地，可以实现大的增益，并能进一步抑制因偏离读/写器中心部分所致的通信性能变差。
附图说明
图1是表示专利文献2非接触IC标签的一种举例的说明图；
图2是表示第一实施例的线圈天线及包含该线圈天线之蜂房式电话结构的说明图；
图3是表示蜂房式电话相对于读/写器位置偏离的说明图；
图4是表示第二实施例的线圈天线及包含该线圈天线之蜂房式电话结构的说明图；
图5是表示第三实施例的线圈天线及包含该线圈天线之蜂房式电话结构的说明图；
图6包括表示本发明一种实施例线圈天线结构的说明图；
图7说明线圈天线的位置偏离与最大可能通信范围之间的关系。
参考标号
1       磁芯
2       绕组
3       线圈单元
4       导体
10      RFID基板
11      电池容器
12，13  金属板
14      电容器
20    主壳体
21    副壳体
30    读/写器天线
100   线圈天线
101   蜂房式电话
具体实施方式
第一实施例
图2是表示第一实施例包含线圈天线之蜂房式电话结构的说明图。从蜂房式电话的主壳体观察示出所述蜂房式电话的结构，图中的蜂房式电话处于副壳体相对于主壳体略做展开的状态。不过，主壳体的内部结构被绘制成另外的视图。
主壳体20和副壳体21当中的每一个都具有平板形状。主壳体20和副壳体21形成所谓蛤蚌式壳体，能够绕着主壳体20和副壳体21当中每一个的侧边折合与开启。主壳体20带有键盘，而副壳体21具有液晶平面。
主壳体20容纳有线圈天线100，该天线包含两个线圈单元3A和3B、RFID基板10、未予示出的主壳体基板、电池容器11等。
线圈单元3A和3B分别包括铁氧体制成的磁芯1A和1B，以及卷绕在磁芯1A和1B周围的绕组2A和2B。在两个线圈单元3A和3B中，所述各绕组的一端通过导体4彼此相连，它们的另一端连到所述RFID基板10。所述两个线圈单元3A和3B的绕组2A和2B通过导体4串联连接，使绕组2A和2B的卷绕方向相同。所述线圈单元3A和3B的绕组2A和2B的线圈轴线与主壳体20的主表面垂直。
所述两个线圈单元3A和3B设置于跨过中心线(假想中心线)的相对两侧，使线圈单元3A和3B设置成尽可能远离该中心线；其中，所述的中心线是由图中主壳体20的长短交替的点划线所表示的。
图3是表示蜂房式电话相对于读/写器位置偏离的示例说明图。在蜂房式电话101xo表示的情况中，使蜂房式电话相对于读/写器天线30靠近到一个适当的位置。在这种情况下，两个线圈单元3A和3B基本上实现与读/写器天线30等磁场耦合。在蜂房式电话101xp表示的情况中，使蜂房式电话靠近一个沿+X方向偏离读/写器天线30中心预定量的位置。在蜂房式电话101xn表示的情况中，使蜂房式电话靠近一个沿-X方向偏离读/写器天线30中心预定量的位置。为了方便起见，虽然各蜂房式电话自读/写器表面升高的不同，但实际升高是一样的。
如上所述，即使是在蜂房式电话101沿X方向偏离读/写器天线30的情况下，但两个线圈单元3A和3B之一是靠近读/写器天线30中心部分并且实现强磁场耦合的。因而，线圈天线的总增益几乎不会下降。这就是说，在将蜂房式电话置于由蜂房式电话101xp所示位置的情况下，虽然线圈单元3B与读/写器天线30之间的磁场耦合会变弱，但线圈单元3A与读/写器天线30之间的磁场耦合得到增强。此外，在将蜂房式电话置于由蜂房式电话101xn所示位置的情况下，虽然线圈单元3A与读/写器天线30之间的磁场耦合会变弱，但线圈单元3B与读/写器天线30之间的磁场耦合得到增强。
如上所述，即使在蜂房式电话紧靠读/写器，使蜂房式电话的位置沿与所述中心线正交的方向偏离读/写器天线中心部分的情况下，两个线圈单元3A和3B之一实现与读/写器天线的强耦合。于是，避免通信性能急遽变差，并能对读/写器天线维持较宽的可能通信范围。
虽然第一实施例中的两个线圈单元3A和3B的绕组2A和2B互相串联连接，但该二线圈单元3A和3B的绕组2A和2B也可以并联连接。
第二实施例
图4是表示第二实施例包含线圈天线之蜂房式电话结构的说明图。图4中所表示的线圈天线在连接两个线圈单元3A和3B之导体结构方面不同于图2中所示的线圈天线。在图4所示的示例中，两个线圈单元3A和3B的绕组2A和2B的一端通过导体4彼此相连，所述导体设置于电池容器11的外面沿主壳体20的三个侧边设置于外周部分。
由于两个线圈单元3A和3B的绕组通过导体4彼此相连，所述导体设置于沿主壳体20的几个侧边设置于外周部分，不仅由通过线圈单元3A、3B的磁芯1A、1B的磁通量，而且还由与导体4形成之环形表面环形结合的磁通量产生电磁感应。因此，线圈天线的增益增大。另外，不仅是在沿着所述主外壳20的表面方向，在垂直于所述中心线的方向(X-轴方向)上偏移的情况下，而且在沿所述中心线方向(Y-轴方向)上偏移的情况下，也可使增益的变化受到抑制；这里所述的中心线是由图中所示长短交替的点划线所表示的。因而，可以使能够容许的偏移范围加大。
第三实施例
图5包括的每一幅说明图表示第三实施例包含线圈天线之蜂房式电话的结构。在图4所示的示例中，两个线圈单元3A和3B被设置在RFID基板10附近的位置。然而，如图5(A)所示者，通过它使所述二线圈单元3A和3B中每个绕组的一端彼此相连的导体4，其长度可以短于导体4′的长度，而所述导体4′是用来使所述绕组的另一端与所述RFID基板10相连的。
在图2和4所示的各例中，把两个线圈单元3A和3B设置于基本上关于所述中心线为直线对称的位置处，所述中心线用作对称轴。但有如图5(B)所示那样，可将所述两个线圈单元3A和3B设置于由长短交替的点划线表示的所述中心线不对称的位置。
另外，如图5(C)所示，可以设置三个线圈单元3A、3B和3C。所提供的线圈单元数目可为四个或更多个。此外，设置于跨过由长短交替的点划线表示的中心线的相对两侧的线圈单元的数目并非一定要相同。
在图4和图5(A)、(B)、(C)所表示的每一个示例中，相应的图中由长短交替的点划线表示的中心线(假想中心线)假定是沿着具有平板形状之主壳体的主表面的长轴方向。不过有如图5(D)中以长短交替的点划线所表示的那样，可将假想中心线假设为是沿着所述主壳体的主表面的短轴方向。也就是如图5(D)中所示那样，可以关于跨过沿着所述主壳体的主表面的短轴方向的假想中心线的相对两侧设置线圈单元3A和3B。
另外，同样地有如图5(E)中两条长短交替的点划线所表示的那样，可将假想中心线假设为是沿着具有平板形状之主壳体的主表面的长轴方向和短轴方向。也就是说有如图5(E)所示那样，可以关于跨过假设是沿着所述长轴方向的假想中心线的相对两侧设置，并且可以跨过假设是沿着所述短轴方向的假想中心线的相对两侧设置所述线圈单元3A、3B和线圈单元3C。
下面将参照图6描述本发明一种实施例的线圈天线。
制备图6所示的线圈天线，用以定量测量包含两个线圈单元之线圈天线的特性。图6(A)是线圈天线的平面视图，图6(B)是沿该线圈天线外壳的厚度方向所取的剖面视图。所述每个线圈单元3A和3B的绕组2A和2B的圈数为6。调节谐振频率的电容器14与包含所述二线圈单元3A、3B的串联电路相连，其中，所述二线圈单元3A、3B通过导体4互相连接。调节电容器14的电容量，使该线圈天线的谐振频率为13.56MHz。
假设为主壳体内键盘基板的金属板12分别设置于所述两个线圈单元3A和3B的磁芯1A和1B之间。另外，假设为副壳体的液晶板框架的金属板13设置于与所述金属板12平行的位置。由图中给出的尺寸表示两个磁芯1A和1B与金属板12和13中间的位置关系。
图7示出线圈天线相对于读/写器的位置与最大可能通信范围之间的关系。在读/写器的读取位置中心(读/写器天线的中心)对应于所述线圈天线中心的情况下，最大可能通信范围为103mm。在30mm位置偏移的情况下，所述最大可能通信范围为92mm。蜂房式电话的线圈天线相对于读/写器的位置偏移是±33mm。如上所述，对于正常使用状态下发生的蜂房式电话的最大偏移而言，增益只减小约10％。因此，可以使靠近读/写器的蜂房式电话的可允许偏移范围明显地增大。

Claims (3)

1.一种线圈天线，设在便携式电子设备外壳内，所述外壳具有平板形状，并有第一主表面和与第一主表面面对的第二主表面，其中，
所述线圈天线包括RFID基板；
多个线圈单元中的每一个都包含绕组，所述线圈单元设置在跨越假想中心线的相对两侧，所述中心线假设为沿着所述外壳主表面之长轴方向或短轴方向；
所述多个线圈单元的绕组通过导体相连，使所述多个线圈单元的绕组的卷绕方向相同；
所述多个线圈单元均连接至所述RFID基板，
其中，所述多个线圈单元的绕组的线圈轴与所述外壳的主表面垂直，以及
所述多个线圈单元中每一线圈单元是磁场耦合用的线圈单元。
2.如权利要求1所述的线圈天线，其中，所述导体设置于沿外壳侧边的外周部分。
3.一种便携式电子设备，包括权利要求1-2中任一项所述的线圈天线。
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