JP2010130227A - 共用アンテナ及び整合回路 - Google Patents

Abstract

【課題】誘導結合通信および静電結合通信で共用可能な共用アンテナを提供する。
【解決手段】コイル１１と電極１２とを対向して配置し、コイル１１と整合部３０との間にスイッチ２０を配置する。これにより、スイッチ２０がオンのときは、コイル１１を誘導結合通信用アンテナとして利用し、スイッチ２０がオフのときは、コイル１１を静電結合通信用アンテナとして利用することが可能となり、誘導結合通信、静電結合通信の両方において利用可能な共用アンテナが実現できる。また、静電結合通信用アンテナを配置するための場所を新たに確保する必要がないので、共用アンテナを省スペースで構成できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、誘導結合通信と静電結合通信の両方に利用可能な共有アンテナの技術に関する。

誘導結合通信は、磁界を用いて通信を行い、静電結合通信は、電界を用いて通信を行う。例えば、誘導結合を利用した通信としては、ＲＦタグや非接触型ＩＣカードなどが知られている。静電結合を利用した通信としては、非特許文献１に記載の技術が知られている。
特開平０７−２２１５２９号公報 "ＲｅｄＴａｃｔｏｎ"、［online］、日本電信電話株式会社、［平成２０年８月１５日検索］、インターネット＜ＵＲＬ：http://www.redtacton.com/＞

誘導結合通信、静電結合通信の両方を利用可能な通信装置を実現する際、誘導結合通信用のコイル状アンテナと、静電結合通信用の電極状アンテナの２種類のアンテナが必要となり、コストやスペースの点で望ましくないという問題がある。

また、誘導結合通信と静電結合通信で異なる搬送波周波数を使用する場合、アンテナ部のインピーダンスが異なったものとなる。２種類の整合部を用意してスイッチで切り替える方法が考えられるが、小型化やコストダウンに適さないという問題がある。

特許文献１には、１つのアンテナで複数の周波数に使用できるアンテナが提案されているが、特許文献１に記載の技術では、複数の周波数で使用できるアンテナを備えるものの、周波数ごとに異なる入力端子が必要であり、複数の送信装置が必要であるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、その課題とするところは、周波数の異なる誘導結合通信および静電結合通信が可能な通信装置において、両方の通信方式で共用可能な共用アンテナを実現することにある。

第１の本発明に係る共用アンテナは、誘導結合通信と静電結合通信の双方により通信可能な通信装置に接続される共用アンテナであって、誘導結合通信で使用する磁界を発生するコイルと、コイルに基板を挟んで対向して配置された静電結合通信で使用する電界を発生する電極と、を有することを特徴とする。

上記共用アンテナにおいて、電極は通信装置の送受信回路のグランド端子に接続されるものであって、誘導結合通信時にはコイルをグランド端子に接続し、静電結合通信時にはコイルをグランド端子から切り離すスイッチを有することを特徴とする。

上記共用アンテナにおいて、基板は多層基板であって、２つの電極によりコイルが挟まれていることを特徴とする。

上記共用アンテナにおいて、電極は馬蹄形状であることを特徴とする。

上記共用アンテナにおいて、電極は基板の別の層に配置されたコイルの一部により構成されることを特徴とする。

第２の本発明に係る整合回路は、上記共用アンテナに接続する整合回路であって、共用アンテナと並列に接続される並列コンデンサと、共用アンテナと直列に接続される直列コンデンサと、並列コンデンサと並列に接続される、誘導結合通信あるいは静電結合通信のいずれかの搬送波周波数で共振する第１の並列共振回路と第１の補正コンデンサとを備えた第１の補正回路と、直列コンデンサと並列に接続される、誘導結合通信あるいは静電結合通信のいずれかの搬送波周波数で共振する第２の並列共振回路と第２の補正コンデンサとを備えた第２の補正回路と、を有することを特徴とする。

本発明にあっては、誘導結合通信用のコイルと静電結合通信用の電極とを対向して配置し、コイルを静電結合通信用の電極として用いることにより、誘導結合通信、静電結合通信の両方において利用可能な省スペースの共用アンテナを提供することができる。誘導結合通信時にはコイルを送受信回路のグランド端子に接続し、静電結合通信時にはコイルをグランド端子から切り離すスイッチを備えることで、コイルを静電結合通信用の電極として利用する。また、コイルを２つの電極で挟むことにより、電極を配置する場所をコイルと共用できるので、誘導結合通信、静電結合通信のどちらでも利用可能な共用アンテナを省スペースで構成できる。

本発明にあっては、電極を馬蹄形状とすることにより、コイルが放射する磁界を弱めることがない。

本発明にあっては、コイルを基板の各層に重ねて巻くことにより、浮遊容量が増加するので、静電結合通信用の電極として機能させることができる。

本発明にあっては、所定の搬送波周波数で共振する並列共振回路を備えた補正回路を有することにより、所定の周波数を持つ搬送波が入力されたときには、並列共振回路が共振し、補正回路が整合回路から切り離されるので、異なる２つの周波数において整合が得られる整合回路を提供することができる。

このように、本発明によれば、周波数の異なる誘導結合通信および静電結合通信が可能な通信装置において、両方の通信方式で共用可能な共用アンテナを実現することができる。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。図１に示す共用アンテナは、誘導結合通信用のコイル１１と、静電結合通信用の電極１２とを備える。コイル１１は、両面基板（図示せず）の一方の面に配置され、電極１２は、コイル１１と同軸線上の他方の面に対向して重ねて配置される。電極１２は、リングの一部に開口部を持つ馬蹄形状である。電極１２を馬蹄形状とすることによりコイル１１が放射する磁界を弱めることがない。

コイル１１は、整合部３０を介して送受信部（図示せず）のＲＦ（Radio Frequency）信号入出力端子、グランド端子に接続される。コイル１１のグランド端子側には、スイッチ２０が配置される。電極１２は、整合部３０を介して送受信部のグランド端子に接続される。

コイル１１のグランド端子側をスイッチ２０で切り離すことにより、コイル１１をＲＦ信号入出力端子にのみ接続される静電結合通信用の電極として利用する。これにより、スイッチ２０がオンのときは、コイル１１は、磁界を発生する誘導結合通信用アンテナとして機能し、スイッチ２０がオフのときは、コイル１１は、電界を発生する静電結合通信用アンテナとして機能する。

したがって、本実施の形態によれば、コイル１１と電極１２とを対向して配置し、コイル１１と整合部３０との間にスイッチ２０を配置することにより、スイッチ２０がオンのときは、コイル１１を誘導結合通信用アンテナとして利用し、スイッチ２０がオフのときは、コイル１１を静電結合通信用アンテナとして利用することが可能となり、誘導結合通信、静電結合通信の両方において利用可能な共用アンテナが実現でき、共用リーダライタのコストダウン、小型化を図ることができる。

［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。図２に示す共用アンテナは、誘導結合通信用のコイル１１と、静電結合通信用の２つの電極１２とを備える。２つの馬蹄形状の電極１２は、それぞれ多層基板（図示せず）の表面と裏面に対向して配置される。コイル１１は、多層基板の中間層に２つの電極１２に挟まれるように配置される。コイル１１は、整合部３０を介して送受信部のＲＦ信号入出力端子、グランド端子に接続される。２つの電極１２のそれぞれは、整合部３０を介して送受信部のＲＦ信号入出力端子、グランド端子に接続される。

したがって、本実施の形態によれば、電極１２の間にコイル１１を挟むように配置することにより、静電結合通信用アンテナを配置するための場所を新たに確保する必要がないので、誘導結合通信、静電結合通信のどちらでも利用可能な共用アンテナを省スペースで構成できる。

［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。同図に示す共用アンテナは、太い幅のパタンで多層基板（図示せず）の各層に巻いたコイル１３を備える。

一般に、誘導結合通信用アンテナコイルは、巻き線間に微小な浮遊容量を持つ。コイル１３の線間を狭めたり、多層基板に分割して巻くとコイル１３自体の浮遊容量が増加する。この状態で搬送波を加えると、コイルによる磁界に加え、浮遊容量に電界が生じるので、静電結合通信用アンテナとして機能させることができる。

したがって、本実施の形態によれば、基板の各層にコイル１３を備えることにより、コイル１３自体の持つ浮遊容量を大きくし、静電結合通信用アンテナとして機能させることが可能となる。

ここで、図４に、共用アンテナの等価回路を示す。同図に示すように、共用アンテナは、誘導結合通信用アンテナコイルのインダクタンスＬ、誘導結合通信用アンテナコイルの表皮効果による抵抗分ＲＬ、および静電結合通信用アンテナの浮遊容量によるキャパシタンスＣで表される。誘導結合通信では磁界を発生させるため径の大きい空心コイルを用い、送受信部とのインピーダンス整合を取るため、コンデンサを用いる。一方、静電結合通信では電界を発生させるため一対の電極を用い、送受信部とのインピーダンス整合を取るため、コイルを用いる。このようにアンテナを交流回路として見ると誘導結合通信用アンテナと静電結合通信用アンテナは同一構成をとる。誘導結合通信では電界が不要であるため、誘電体を挟んだコンデンサや静電シールドにより電界を外部に放出しないようにしていた。一方、静電結合通信では磁界が不要であるため、高透磁率のコアを入れたコイルにより磁界を外部に放出しないようにしていた。

本発明は、誘導結合通信用アンテナコイルにおいて、従来はシールドを設けて除去していた電界成分を静電結合通信に積極的に利用するものである。これにより、誘導結合通信用アンテナと静電結合通信用アンテナの２種類のアンテナを別々に配置する必要がなくなり、スペース的に有利な共用アンテナが提供できる。

［第４の実施の形態］
第１乃至３の実施の形態の共用アンテナを誘導結合通信と静電結合通信とで異なる周波数で使用する場合、共用アンテナのインピーダンスは異なったものとなる。効率よく磁界、電界を放射するには、送受信部の出力インピーダンスに整合させるための整合部のコンデンサの定数を切り替える必要がある。コンデンサの定数を切り替える方法としては、スイッチで切り替える、可変容量ダイオードを使うなど考えられるが、これらの制御のための機構が複雑になる。そこで、本実施の形態では、並列共振回路が共振しているときは並列共振回路のインピーダンスが無限大になる性質を利用して、特定の搬送波周波数において並列共振回路を共振させることで、所定のコンデンサを整合部から切り離し、整合部のコンデンサの容量を切り替えた。

図５は、第４の実施の形態における整合部の構成を示す回路図である。同図に示す整合部３０は、アンテナ部１０と並列に接続されたコンデンサＣ１ａ、抵抗Ｒ、およびアンテナ部１０と直列に接続されたコンデンサＣ２ａを備える。さらに、コンデンサＣ３とインダクタＬ３で構成された並列共振回路とコンデンサＣ１ｂを直列で接続した回路をコンデンサＣ１ａと並列に接続し、コンデンサＣ４とインダクタＬ４で構成された並列共振回路とコンデンサＣ２ｂを直列で接続した回路をコンデンサＣ２ａと並列に接続する。

コンデンサＣ１ａとコンデンサＣ２ａは、入力される搬送波のうち高い方の周波数で整合が得られるように設定する。２つの並列共振回路は、高い方の周波数に共振するようにコンデンサＣ３，Ｃ４およびインダクタＬ３，Ｌ４を設定する。これにより、高い方の周波数を持つ搬送波が入力されたとき、コンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂは整合部３０から切り離される。

一方、低い方の周波数を持つ搬送波が入力されたときは、並列共振回路は誘導性となるので、これを打ち消し、かつ、低い方の周波数で整合が得られるようにコンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂを設定する。

したがって、本実施の形態によれば、一方の搬送波周波数で整合が得られるように設定されたコンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂに他方の搬送波周波数に共振する並列共振回路を直列に組み込むことにより、並列共振回路が共振するときはコンデンサＣ１ｂ，Ｃ２ｂが整合部３０から切り離されるので、異なる２つの搬送波周波数を使用する場合にもアンテナ部１０と整合を得ることができる。

［実施例］
次に、本発明の実施例およびそのシミュレーション結果を示す。図６は、第１の周波数の搬送波を使用する誘導結合通信と、第１の周波数より周波数が低い第２の周波数の搬送波を使用する静電結合通信の両方を行う送受信部に接続した整合部３０、アンテナ部１０の実施例を示す。

アンテナ部１０は、太いパタンの空心コイルを基板の両面に設置した共用アンテナを用いる。両面に設置した２つの空心コイルは和動接続とする。２つの空心コイルのお互いの重なり方や、コイルの線幅などを調整し、アンテナ部１０がインダクタンス１μＨ、浮遊容量８０ｐＦ、表皮効果も含めた抵抗分１Ωとなるようにする。

整合部３０は、図６に示すように、Ｃ１ａ＝１０ｐＦ、Ｃ１ｂ＝４２０ｐＦ、Ｃ２ａ＝５０ｐＦ、Ｃ２ｂ＝１０５ｐＦ、Ｃ３，Ｃ４＝１３８ｐＦ、Ｌ３，Ｌ４＝１μＨ（抵抗分は１Ω）とする。この状態で第１、第２の２つの周波数において送受信部の出力インピーダンス５０Ωに整合させることができる。

図７，８は、上記実施例の整合部に交流信号を加えたときのシミュレーション結果である。図７は、第１の周波数の交流信号を加えたときの、アンテナ部の入力−グランド間の電圧の時間変化を示し、図８は、第２の周波数の交流信号を加えたときの、アンテナ部の入力−グランド間の電圧の時間変化を示す。２つの周波数においてアンテナに大きな電圧振幅が得られることを確認できた。

図９は、加える周波数を変化させた時のアンテナ部の入力−グランド間の電圧変化である。第１、第２の２つの周波数においてピークが得られる周波数特性であることが確認できた。

第１の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。 第２の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。 第３の実施の形態における共用アンテナの概略的な構成を示す模式図である。 上記共用アンテナの等価回路を示す回路図である。 第４の実施の形態における整合部の構成を示す回路図である。 本発明の実施例を示す回路図である。 上記実施例の整合部に交流信号を加えたときのシミュレーション結果である。 上記実施例の整合部に別の交流信号を加えたときのシミュレーション結果である。 上記実施例の周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１０…アンテナ部
１１，１３…コイル
１２…電極
２０…スイッチ
３０…整合部

Claims (6)

1. 誘導結合通信と静電結合通信の双方により通信可能な通信装置に接続される共用アンテナであって、
   誘導結合通信で使用する磁界を発生するコイルと、
   前記コイルに基板を挟んで対向して配置された静電結合通信で使用する電界を発生する電極と、
   を有することを特徴とする共用アンテナ。
2. 前記電極は前記通信装置の送受信回路のグランド端子に接続されるものであって、
   誘導結合通信時には前記コイルを前記グランド端子に接続し、静電結合通信時には前記コイルを前記グランド端子から切り離すスイッチを有することを特徴とする請求項１記載の共用アンテナ。
3. 前記基板は多層基板であって、
   ２つの前記電極により前記コイルが挟まれていることを特徴とする請求項１記載の共用アンテナ。
4. 前記電極は馬蹄形状であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の共用アンテナ。
5. 前記電極は前記基板の別の層に配置された前記コイルの一部により構成されることを特徴とする請求項１記載の共用アンテナ。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載の共用アンテナに接続する整合回路であって、
   前記共用アンテナと並列に接続される並列コンデンサと、
   前記共用アンテナと直列に接続される直列コンデンサと、
   前記並列コンデンサと並列に接続される、誘導結合通信あるいは静電結合通信のいずれかの搬送波周波数で共振する第１の並列共振回路と第１の補正コンデンサとを備えた第１の補正回路と、
   前記直列コンデンサと並列に接続される、誘導結合通信あるいは静電結合通信のいずれかの搬送波周波数で共振する第２の並列共振回路と第２の補正コンデンサとを備えた第２の補正回路と、
   を有することを特徴とする整合回路。

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