CN102341956B

CN102341956B - 天线装置

Info

Publication number: CN102341956B
Application number: CN201080011719.5A
Authority: CN
Inventors: 谷口胜己; 加藤登
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2009-03-13
Filing date: 2010-03-12
Publication date: 2015-03-11
Anticipated expiration: 2030-03-12
Also published as: JP5316638B2; US8912906B2; JPWO2010104179A1; CN102341956A; EP3276746B1; EP2408063A1; EP2408063A4; WO2010104179A1; EP3276746A1; JP2013242887A; EP2408063B1; US20120001701A1

Abstract

本发明提供一种信号处理电路及天线装置，无需设置谐振电路的谐振频率调节用电路，也无需进行相应的调节操作，并且能够实现小型化。利用天线线圈(AL)和电容器(C0)构成天线谐振电路(AR)。在天线谐振电路(AR)与无线IC(11)之间，设有由电容器(C1、C2、C3)、及第一线圈(L1)、第二线圈(L2)构成的阻抗匹配用电路。第一线圈(L1)与第二线圈(L2)进行磁耦合。

Description

天线装置

技术领域

本发明涉及用于例如通过接近电磁场以非接触的方式进行通信的RFID之类的无线IC器件的信号处理电路及天线装置。

背景技术

非专利文献1中公开了用作为RFID的非接触式IC卡用读卡器。

图1中示出了非专利文献1所公开的非接触式IC卡用读卡器的等效电路。该非接触式IC卡是以非接触的方式与非接触式IC卡进行通信的读卡器。对无线IC11，用天线线圈AL、与天线线圈的Q值相对应的等效电阻R11、R12、以及电容器C0构成了天线谐振电路AR。

电容器C1、C2及电感器L1、L2是为了使无线IC11与天线谐振电路AR之间的阻抗得到匹配而设置的。二极管桥式电路DB是作为检波电路而设置的，电容器C31、C32、C41、C42是作为滤波电路而设置的。

通过调节上述天线谐振电路AR中的电容器C0，从而调节天线谐振电路AR的谐振频率，以确保良好的通信状态。

非专利文献1：苅部浩著、「トコトンやさしい非接触ICカードの本」、日刊工業新聞社出版、2008年4月20日発行、第89頁

发明内容

然而，在这种通过接近电磁场以非接触的方式进行通信的无线IC器件中，天线线圈的电感值或电容器的电容值的偏差会导致天线谐振电路的谐振频率产生偏差。而且，无线IC器件(尤其是天线线圈)的安装地点的周围环境变化会导致天线谐振电路的谐振频率偏离规定值。因此，一直以来都需要用微调电容器来构成图1所示的电容器C0，以对每一个设备分别将天线谐振电路的谐振频率调节到规定值。

例如在用于移动电话终端的情况下，必须为种类非常多的设备中的每一台设备准备天线装置或无线IC器件。而且，对每一台设备都需要进行调节操作，存在耗费操作工时、导致成本增加的问题。

另外，无线IC11的每一个平衡端子都需要有电感器L1、L2。而且，这两个电感器L1、L2均要求具有低直流电阻及高直流重叠的特性(直流电流的容许值)，而这将妨碍实现小型化。例如，在电感器L1、L2中会瞬间流过数百mA以上的电流。因此，要用比其它零部件大得多的线圈来构成电感器L1、L2，从而妨碍了实现小型化。

上述问题并不限于具有无线IC的装置，对于具有带平衡端子的高频电路的装置也存在相同的问题。另外，上述问题也不限于具有天线谐振电路的装置，对于具有带平衡端子的高频电路和谐振电路的装置也存在相同的问题。

因此，本发明的目的在于提供一种不需要设置谐振电路的谐振频率调节用电路、也不需要进行相应的调节操作、并且实现小型化的信号处理电路及天线装置。

本发明的信号处理电路是与具有两个端子的高频电路相连接的电路，其特征在于，

设有与所述高频电路的两个端子相连接、且相互进行磁耦合的两个线圈。

所述两个线圈使所述两个端子之间的信号的相位相差例如约180°。

所述两个端子是例如输出或输入平衡信号的平衡端子，所述两个线圈分别与所述高频电路的平衡端子串联连接。

所述两个端子是例如输出或输入平衡信号的平衡端子，所述两个线圈包括：与所述高频电路的平衡端子相连接的第一线圈、以及与该第一线圈进行磁耦合的第二线圈。

例如，所述两个线圈以使彼此的磁通增大的方式进行磁耦合。

若所述两个线圈各自的线圈轴为同一根轴且所述两个线圈沿着该线圈轴的方向排列设置，则能够使两个线圈彼此可靠地进行磁耦合。

另外，若所述两个线圈形成在平面上且其中一个线圈设置在另一个线圈的内周侧，则能够使两个线圈彼此以高耦合度进行耦合。

所述两个线圈的电感值最好是相等的。从而，所述两个线圈的耦合效果最好，从而能够在更宽的频带中获得高增益。

若所述两个线圈形成在例如包含磁性体的层叠基板中，则能够以更小型的结构构成具有规定电感值的所述两个线圈。另外，若与所述两个线圈导通的电路的至少一部分设置在所述层叠基板的表面或内部，则能够实现整个装置的小型化和薄型化。

本发明的天线装置的特征在于，采用以下结构。

所述高频电路是和外部设备之间进行无线通信的无线IC器件中所用的无线IC。所述信号处理电路是连接在天线谐振电路和所述平衡端子之间的阻抗匹配电路的一部分，所述天线谐振电路包括用于收发在与所述外部设备之间进行无线通信所产生的信号的天线线圈。

由于所述两个线圈能够使所述高频电路的平衡端子之间的信号的相位在整个宽频带中保持相差约180°的状态，因此，能够在整个宽频带中获得高增益。

另外，即使所述天线谐振电路本身的谐振频率稍稍偏离了既定值，天线谐振电路和无线IC之间的阻抗也能够得到匹配，而无需设置微调电容器等天线谐振电路的谐振频率调节用电路，也不需要相应的调节操作。

附图说明

图1是非专利文献1中公开的非接触式IC卡用读卡器的等效电路图。

图2(A)是实施方式1的无线IC器件201A的电路图；图2(B)是实施方式1的另一个无线IC器件201B的电路图。

图3是表示实施方式1的无线IC器件201所具有的两个线圈L1、L2部分的结构的图。

图4是在史密斯圆图上表示从图2所示的无线IC11的两个发送端子TX1、TX2一侧观察两个线圈L1、L2一侧而得到的阻抗(S参数的S11)的图。其中，图4(A)是图2所示的两个线圈L1、L2彼此的耦合系数为0.9时的特性，图4(B)是该耦合系数为0.00001时的特性。

图5是实施方式2的无线IC器件202的主要部分的剖视图。

图6是表示形成在实施方式2的无线IC器件202内部的两个线圈L1、L2的结构的图。

图7(A)是实施方式3的无线IC器件203A的电路图；图7(B)是实施方式3的另一个无线IC器件203B的电路图。

图8是实施方式4的无线IC器件204的电路图。

具体实施方式

实施方式1

图2(A)是实施方式1的无线IC器件201A的电路图。而图2(B)是实施方式1的另一个无线IC器件201B的电路图。

首先，对图2(A)进行说明。如图2(A)所示，由天线线圈AL和电容器C0构成了天线谐振电路AR。

无线IC器件201A包括所述天线谐振电路AR、无线IC11、控制部12、密码处理部13、及时钟电路14。

在所述天线谐振电路AR与无线IC11之间，设有阻抗匹配用的特性稳定电路SM。该特性稳定电路SM相当于本发明的“信号处理电路”。即，与所述天线谐振电路AR并联连接着由电容器C1、C2、C3构成的串联电路。然后，在所述电容器C1和C3的连接点与无线IC11的第一发送端子TX1之间，连接着第一线圈L1。而在所述电容器C2和C3的连接点与无线IC11的第二发送端子TX2之间，连接着第二线圈L2。

所述第一线圈L1与第二线圈L2各自的电感值相等。而且，所述第一线圈L1和第二线圈L2以使彼此的磁通增大的方式进行磁耦合。另外，在所述电容器C1和C3的连接点与无线IC11的接收端子RX之间，连接着阻抗元件Z1。该阻抗元件Z1例如为电容器。

利用所述第一线圈L1、第二线圈L2、及三个电容器C1、C2、C3，能够使无线IC11的两个发送端子TX1、TX2与天线谐振电路AR之间的阻抗得到匹配。

而无线IC11的接收端子RX与所述天线谐振电路AR之间的阻抗能够利用所述电容器C1、C2、C3、及阻抗元件Z1而得到匹配。

无线IC11从发送端子TX1、TX2以平衡的方式输出13.56MHz的矩形波信号。然后，经由所述两个线圈L1、L2、及三个电容器C1、C2、C3，驱动天线谐振电路AR，从天线线圈AL发射出13.56MHz的磁场。当RFID标签靠近该天线线圈AL时，该RFID标签会接收到所述磁场信号，从而接收到功率，并且根据自身的ID使RFID标签内的无线IC的阻抗发生变化，从而使RFID一侧的天线谐振电路的阻抗发生变化(ASK调制)。由此，RFID通过能量的反射而对ID作出响应。

无线IC11接收所述经ASK调制后的所述反射的信号，对所述ID进行解码。在从无线IC11一侧发送数据或命令的情况下，对所述13.56MHz的驱动电压(电流)进行ASK调制。RFID标签通过对所接收的载波的强度变化进行解码，接收来自无线IC11的数据或命令。

控制部12从无线IC11接收或向无线IC11输出控制用的各种数据或命令。时钟电路14向无线IC11提供时钟信号，密码处理部13进行与RFID中使用的密码相关的处理。

图2(B)是以不平衡的方式输出发送信号的结构例。图2(B)中，端子TX是发送信号输出端子，端子GND是接地端子。其他结构与图2(A)中所示的相同。由此可知，也能够适用于发送信号的不平衡端子。

图3是表示所述两个线圈L1、L2部分的结构的图。这两个线圈L1、L2形成在铁氧体制的磁性体基板21的内部。线圈L1、L2各自的线圈轴为同一根轴，且线圈L1、L2沿着该线圈轴的方向排列设置。且线圈L1、L2进行磁耦合。

图3中，端口#1连接到天线谐振电路AR一侧，第二端口#2连接到无线IC一侧。

图4(A)是在史密斯圆图上表示从图2所示的无线IC11的两个发送端子TX1、TX2一侧观察两个线圈L1、L2一侧而得到的阻抗(S参数的S11)的图。

图4(A)是图2所示的两个线圈L1、L2彼此的耦合系数为0.9时的特性，图4(B)则是该耦合系数为0.00001时的特性。当所述两个线圈L1－L2之间的耦合系数基本为零时，在频率从8.56MHz扫至18.56MHz的情况下，阻抗的轨迹如图4(B)所示，从史密斯圆图的右端(阻抗无穷大)沿顺时针的方向发生很大的位移，而相反，若所述两个线圈L1、L2进行耦合，则即使频率从8.56MHz扫至18.56MHz，阻抗轨迹也几乎不发生位移。这是因为，通过线圈L1、L2的耦合，无线IC11的两个发送端子TX1、TX2之间的相位保持在相差约180°的状态。即可知，在上述8.56MHz～18.56MHz的频带中能够获得平衡特性。因此，在整个宽频带中能够确保天线谐振电路AR与无线IC11之间的阻抗得到匹配，能够抑制因天线谐振电路AR的谐振频率的偏差所导致的增益下降。因而，无需设置微调电容器等天线谐振电路的谐振频率调节用电路，也无须进行相应的调节操作。不管例如无线IC器件(尤其是天线线圈)的安装地点的周围环境如何，都不需要对每一台设备分别进行将天线谐振电路的谐振频率调节至规定值的操作。

而且，通过两个线圈以使彼此的磁通增大的方式进行磁耦合，使得通过一个线圈的磁通增大一倍，每一个线圈的等效电感值增大一倍。从而，为了获得必需的电感值而需要的线圈的匝数能够减半，直流电阻能够减半。而且，通过线圈的匝数减半，能够实现小型化。

此外，若两个线圈以使彼此的磁通减小的方式进行耦合，则由于流过线圈的电流方向相反，因此能够容易地使其相位相差约180°，而不需要设计电感值的大小。

实施方式2

图5是实施方式2的无线IC器件202的主要部分的剖视图。图6是表示形成在无线IC器件202内部的两个线圈L1、L2的结构的图。无线IC器件的电路结构与实施方式1中图2所示的结构相同。

在图6所示的例子中，两个线圈L1、L2分别形成为螺旋状，并且在几乎同一平面上将第一线圈L1设置在第二线圈L2的内周侧。端口#1连接到天线谐振电路AR一侧，第二端口#2连接到无线IC一侧。如此，通过将其中一个线圈L1设置在另一个线圈L2的内周侧，能够使两个线圈L1、L2的耦合增强，能够可靠地确保阻抗得到匹配。

如图5所示，在由铁氧体形成的磁性体基板21的内部，图5所示的两个线圈L1、L2形成在几乎同一平面内。在磁性体基板21的上表面上装载有阻抗匹配用的电容器(图2所示的电容器C1、C2、C3)、天线谐振电路用的电容器C0等片状元器件CP。

此外，也可以在磁性体基板21的上表面或内部，装载图2所示的无线IC11、控制部12、密码处理部14、及时钟电路14等。从而，能够构成将无线IC芯片也包含在内的组件(RFID组件)，从而能够容易地安装到无线IC器件上。

实施方式3

图7(A)是实施方式3的无线IC器件203A的电路图。图7(B)是实施方式3的另一个无线IC器件203B的电路图。

首先，对图7(A)进行说明。如图7(A)所示，无线IC器件203A包括天线谐振电路AR、无线IC11、控制部12、密码处理部13、时钟电路14、及对无线IC11与天线谐振电路AR之间的阻抗进行匹配的特性稳定电路SM。所述特性稳定电路SM的结构不同于实施方式1中图2所示的结构。另外，无线IC11具有平衡输入的接收端子RX1、RX2，这一点也不相同。

第一线圈L11的两端与无线IC11的两个接收端子RX1、RX2相连接。第二线圈L12的两端与电容器C3的两端相连接。该第一线圈L11与第二线圈L12进行磁耦合。

实施方式3中，将本发明的“两个线圈”用于无线IC11的平衡输入端子RX1、RX2。

另外，在无线IC11的发送端子TX1、TX2与电容器C3的两端之间分别连接有阻抗匹配用的阻抗元件Z1、Z2。这两个阻抗元件Z1、Z2分别为例如电感器(线圈)。

由此，并不限于在无线IC11与天线谐振电路AR之间传输的发送信号，同样也能够适用于接收信号。

而且，在图7(A)所示的例子中，两个线圈L11、L12和在无线IC11的平衡输入端子RX1、RX2与天线谐振电路AR之间进行传输的平衡信号线并联连接。

由此，本发明的两个线圈(L11、L12)也可以和在无线IC与天线谐振电路AR之间进行传输的平衡信号线并联连接。

通过将两个线圈并联连接，能够消除来自天线谐振电路的静电的影响，能够防止无线IC的静电损坏。

图7(B)是接收信号以不平衡的方式输入的结构例。图7(B)中，端子RX是接收信号输入端子，端子GND是接地端子。其他结构与图7(A)所示的结构相同。由此，也能够适用于接收信号的不平衡端子。

实施方式4

图8是实施方式4的无线IC器件204的电路图。在该图8所示的例子中，在对无线IC11的两个发送端子(平衡输出端子)TX1、TX2与天线谐振电路AR之间的阻抗进行匹配的特性稳定电路SM中设有两个线圈L1、L2。同样，在无线IC11的两个接收端子(平衡输入端子)RX1、RX2与天线谐振电路AR之间的阻抗匹配电路中设有两个线圈L3、L4。

另外，在图8所示的例子中，为了使在天线谐振电路AR与无线IC11之间进行传输的平衡信号的中性点(零伏线)接地，在天线谐振电路AR中设置由两个电容值相等的电容器C01、C02构成的串联电路，并将电容器C01和C02的连接点与天线线圈AL的中央接地。另外，在阻抗匹配电路中，也设置由电容值相等的电容器C31、C32构成的串联电路，并将这两个电容器的连接点接地。

从而，通过稳定中性点的电位，能够抑制无线IC11内偏离平衡信号的零伏，从而能够使动作稳定。

另外，在以上所述的各实施方式中，在具有天线谐振电路的电路中设有所述特性稳定电路，但也适用于具有输出或输入平衡信号的高频电路和谐振电路的电路。即，也可以在所述高频电路与谐振电路之间设置所述特性稳定电路。从而，即使谐振电路的谐振频率稍稍偏离既定值，谐振电路与高频电路之间的阻抗也能得到匹配，而无需设置微调电容器等谐振电路的谐振频率调节用电路，也无需进行相应的调节操作。

另外，在以上所述的各实施方式中，在具有无线IC的电路中设置所述特性稳定电路，但也可以在输出或输入平衡信号的电路与传输线路之间设置所述特性稳定电路。从而，线圈的匝数能够减半，进而使直流电阻减半，并且能够实现小型化。

此外，特别是在具有发射磁场的天线谐振电路的电路中，由于与输入或输出频率低于天线谐振电路的谐振频率的信号的两个端子相连接，因此，两个端子之间的相位差容易偏离为例如120°或160°，但在本发明的信号处理电路中，由于具有彼此进行磁耦合的两个线圈，因此能够使两个端子间的信号相差约180°。

附图标记说明

11 无线IC

12 控制部

13 密码处理部

14 时钟电路

21 磁性体基板

201A、201B、203A、203B、204B 无线IC器件

AL 天线线圈

AR 天线谐振电路

C01、C02 电容器

C1、C2、C3 电容器

C0 电容器

CP 片状元器件

DB 二极管桥式电路

L1 第一线圈

L2 第二线圈

L11、L12 线圈

L3、L4 线圈

Q 天线线圈

RX、RX1、RX2 接收端子

SM 特性稳定电路

TX、TX1、TX2 发送端子

Z1、Z2 阻抗元件

Claims

1.一种天线装置，具有：

无线IC，该无线IC用于在与外部设备之间进行无线通信的无线IC器件，包括输入输出平衡信号的平衡端子；

天线谐振电路，该天线谐振电路包括用于收发在与所述外部设备之间进行无线通信所产生的信号的天线线圈；以及

连接在所述无线IC的所述平衡端子与所述天线谐振电路之间的阻抗匹配电路的一部分，

所述阻抗匹配电路的一部分具有两个线圈，所述两个线圈分别与所述平衡端子串联连接且相互进行磁耦合，

所述两个线圈以使由所述平衡信号所产生的磁通彼此增大的方式进行磁耦合，所述两个线圈使所述平衡端子之间的信号的相位相差约180°。

2.一种天线装置，具有：

所述两个线圈各自的线圈轴为同一根轴，且所述两个线圈沿着该线圈轴的方向排列设置，所述两个线圈使所述平衡端子之间的信号的相位相差约180°。

3.如权利要求1所述的天线装置，其特征在于，

所述两个线圈形成在平面上，且其中一个线圈设置在另一个线圈的内周侧。

4.如权利要求1至3的任一项所述的天线装置，其特征在于，

所述两个线圈的单个线圈的电感值相等。

5.如权利要求1至3的任一项所述的天线装置，其特征在于，

所述两个线圈形成在包含磁性体的层叠基板中。

6.如权利要求5所述的天线装置，其特征在于，

与所述两个线圈导通的电路的至少一部分设置在所述层叠基板的表面或内部。