JP5751384B2 - 無線通信装置 - Google Patents

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Description

本発明は、相手側機器と電磁界信号を介して通信するRFID(Radio Frequency Identification)システムや近距離無線通信(NFC:Near Field Communication)システムに用いられる無線通信装置に関するものである。
NFCとは、非接触型識別技術と相互接続技術とを組み合わせた無線通信規格であり、この規格に準拠した装置同士は13.56MHz帯の周波数を使用し、数十cm程度の短い距離で双方向通信するというものである。NFCのシステムには複数の通信速度(106kbps,212kbps,424kbps,848kbps)が存在する。このため、最も高速の通信速度でも波形歪み無く通信できるようにするためには広帯域のアンテナが必要になる。
アンテナの広帯域化設計手法として、これまで特許文献1や特許文献2のように複数の共振回路を近接させ、複共振化させて広帯域化を図るという手法があった。
特開2010−109806号公報 特許第4645762号公報
特許文献1や特許文献2のように、複数の共振回路を近接させて複共振化させる手法では、複数のLC共振回路を形成することが必須となるため、ある程度まとまったスペースを確保する必要があり、携帯端末などの小型の無線通信装置に組み込むことは困難であった。
また、単に広帯域特性のアンテナを用いるだけだと、低速通信時にはアンテナ効率を有効に利用できず、小型アンテナでは必要な通信距離が確保できない、ということにもなる。アンテナのQ値は、「Q = fo/B.W.」(但し、B.W.はアンテナの帯域幅、foは中心周波数である。)で表わされるので、一般的にはアンテナの帯域幅を広げるとQが劣化する。すなわち、広帯域特性を有するアンテナを用いる場合は、アンテナ自体が広帯域に設計されているため高速通信に適するが、帯域幅が狭くても問題のない低速通信時においては、Q値の悪い状態でアンテナを用いることになる。
そこで、本発明は、通信速度に応じて必要な帯域化を確保できる小型の無線通信装置を提供することを目的とするものである。
(1)本発明の無線通信装置は次のように構成される。
信号を送受信するための通信端子およびIO端子を備えた非接触通信用ICと、
前記非接触通信用ICの前記通信端子に接続されたアンテナと、を備える無線通信装置に
おいて、
前記IO端子と前記アンテナとの間に接続された抵抗素子をさらに備え、
前記非接触通信用ICは、前記IO端子を入力または出力のいずれかに設定可能であり、前記IO端子は、入力に設定された場合に高インピーダンスとなり、出力に設定された場合にプルアップまたはプルダウンされたインピーダンスとなることを特徴とする。
この構成により、非接触通信用ICのIO端子が入力に設定された場合と出力に設定された場合とでIO端子のインピーダンスが異なるので、この状態に応じてアンテナ回路のQ値が適宜設定されて、必要な帯域幅が定められる。
)前記通信端子は2つ設けられており、
前記アンテナの一端および他端は、2つの前記通信端子にそれぞれ接続されており、
前記IO端子は、第1のIO端子および第2のIO端子を含み、
前記抵抗素子は、第1の抵抗素子および第2の抵抗素子を含み、
前記第1の抵抗素子は前記第1のIO端子と前記アンテナの一端との間に接続されており、前記第2の抵抗素子は前記第2のIO端子と前記アンテナの他端との間に接続されている、ことが好ましい。
この構成により、少ないIO端子数でアンテナ回路のQ値を多くの段階に切り替えることができる。
)また、前記IO端子は、第3のIO端子および第4のIO端子をさらに含み、
前記抵抗素子は、前記第1の抵抗素子とは異なる抵抗値を有する第3の抵抗素子および前記第2の抵抗素子とは異なる抵抗値を有する第4の抵抗素子をさらに含み、
前記第3の抵抗素子は前記第3のIO端子と前記アンテナの一端との間に接続されており、前記第4の抵抗素子は前記第4のIO端子と前記アンテナの他端との間に接続されていることが好ましい。
この構成により、アンテナ回路のQ値をさらに多くの段階に切り替えることができる。
本発明によれば、非接触通信用ICのIO端子の状態に応じてアンテナに接続される可変インピーダンス回路のインピーダンスが設定されて、アンテナ回路のQ値が適宜設定され、通信速度に応じて必要な帯域が確保できる。そのため、複数のLC共振回路を形成する必要がなく、小型の無線通信装置が構成できる。
図1は第1の実施形態に係る無線通信装置101の回路図である。 図2は、RFIC11のIO端子11Pの1つであるIO端子1aにつながる内部の回路図である。 図3は、アンテナコイル13および容量素子14に接続された可変インピーダンス回路の等価回路図である。 図4は通信速度と、それに対応して設定するIO端子の状態を示す図である。 図5(A)〜(D)は図4中の状態(A)〜(D)に対応する、アンテナコイル13および容量素子14に接続された可変インピーダンス回路の等価回路図である。 図6は第2の実施形態に係る無線通信装置102の回路図である。 図7は第3の実施形態に係る無線通信装置103の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。 図8は第4の実施形態に係る無線通信装置104の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。 図9は第4の実施形態に係る無線通信装置104の主要部の回路図である。 図10は第4の実施形態に係る無線通信装置104が備えるブースターコイルアンテナ24の分解斜視図である。 図11は筐体に一体的に形成したブースターコイルアンテナ部分の断面図である。 図12は第4の実施形態に係る無線通信装置104が備える別のブースターコイルアンテナの分解斜視図である。 図13は第4の実施形態に係る無線通信装置104が備えるさらに別のブースターコイルアンテナの分解斜視図である。 図14は第5の実施形態に係る無線通信装置105の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。 図15は第5の実施形態に係る無線通信装置105の主要部の回路図である。
《第1の実施形態》
図1は第1の実施形態に係る無線通信装置101の主要部の回路図である。この無線通信装置101は、抵抗素子内蔵RFIC110およびアンテナコイル13を備えている。抵抗素子内蔵RFIC110はRFIC(本発明の非接触通信用IC)11、容量素子14および抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bを備えている。抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bとRFIC11内の回路の一部とで可変インピーダンス回路が構成されている。
RFIC11はGPIO(General Purpose Input/Output)のIO端子11P(1a,1b,2a,2b)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換を行う。このRFIC11には制御IC等が接続される。
RFIC11の2つのTX端子(送信信号端子)Tx1,Tx2に容量素子14およびアンテナコイル13の並列回路が接続されている。なお、アンテナコイル13はRFIC11の端子Tx1,Tx2に接続されているが、RFIC11は端子Tx1,Tx2に接続されているアンテナコイル13を用いて送信だけでなく受信も行う。
RFIC11のIO端子11P(1a,1b,2a,2b)は抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bの一方端に接続されている。抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bの他方端はアンテナコイル13の両端のいずれかに接続されている。
これらの抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bは、チップ抵抗であってもよいし、回路基板上に形成された抵抗パターンであってもよい。
容量素子14はアンテナコイル13とともにLC並列共振回路であるアンテナ回路を構成し、アンテナ回路の共振周波数を所定周波数に定める。アンテナコイル13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。
図2は、前記RFIC11のIO端子11Pの1つであるIO端子1aにつながる内部の回路図である。この例では、RFIC11のIO端子は入力/出力のいずれにも設定できる。入出力制御信号によってIO端子1aが出力ポートとして設定されると、バッファBA1を介して出力データが出力される。このとき、抵抗制御信号によってゲートG1を介してプルアップ抵抗PRが「50Ωプルアップ」状態になる。また、バッファBA2の入力インピーダンスは非常に高いので、バッファBA2が接続されていることの影響は受けない。IO端子1aが入力ポートとして設定されると、バッファBA2、ゲートG2を介して入力データが取り込まれる。このとき、抵抗制御信号によってゲートG1を介してプルアップ抵抗PRが「オープン」状態になる。また、バッファBA1の出力は高インピーダンスとなり、バッファBA1が接続されていることの影響を受けない。
したがって、IOポート1aが出力ポートに設定されると、プルアップ抵抗PRが「50Ωプルアップ」状態に設定されるので、IO端子1aはプルアップ抵抗PRを介して接地される。IOポート1aが入力ポートに設定されると、プルアップ抵抗PRがオープン状態となる
図3は、アンテナコイル13および容量素子14に接続された可変インピーダンス回路の等価回路図である。ここで抵抗IO_1aは、RFIC11の内部に構成された、IO端子1aにつながる回路部分による抵抗値を抵抗素子の記号で表したものである。抵抗IO_1bは、RFIC11の内部に構成された、IO端子1bにつながる回路部分による抵抗値を抵抗素子の記号で表したものである。同様に、抵抗IO_2aは、RFIC11の内部に構成された、IO端子2aにつながる回路部分、抵抗IO_2bは、RFIC11の内部に構成された、IO端子2bにつながる回路部分による抵抗値をそれぞれ抵抗素子の記号で表したものである。
図2に示したように、例えばIO端子1aが出力ポートに設定されると、前記抵抗IO_1aは高周波的に50Ωとなる。IO端子1aが入力ポートとして設定されると、前記抵抗IO_1aは高インピーダンスとなる。
図3に示したその他の抵抗IO_1b,IO_2a,IO_2bについても同様である。
図4は通信速度と、それに対応して設定するIO端子の状態を示す図である。図中“in”は入力ポートへの設定、“out”は出力ポートへの設定をそれぞれ表れている。また、図5(A)〜(D)は図4中の状態(A)〜(D)に対応する、アンテナコイル13および容量素子14に接続された可変インピーダンス回路の等価回路図である。
抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bの各抵抗値を同じ記号で表すと、
R1a=R1b<R2a=R2bの関係にある。抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bの抵抗値は例えば1kΩ〜10kΩの範囲内の値とする。
通信速度106kbpsで通信される場合、図4の状態(A)で示すように、抵抗IO_1a,IO_1b,IO_2a,IO_2bのすべてが高インピーダンスになり、アンテナ回路のQ値は最も高く、帯域幅は最も狭くなる。通信速度848kbpsで通信される場合、状態(D)で示すように、抵抗IO_1a,IO_1b,IO_2a,IO_2bのすべてが50Ωになり、アンテナ回路のQ値は最も低く、帯域幅は最も広くなる。通信速度212kbpsで通信される場合、状態(B)で示すように、抵抗IO_1a,IO_1bが高インピーダンス、抵抗IO_2a,IO_2bが50Ωになる。通信速度424kbpsで通信される場合、状態(C)で示すように、抵抗IO_1a,IO_1bが50Ω、抵抗IO_2a,IO_2bが高インピーダンスになる。
なお、図4は一例であって、4つの通信速度それぞれに合う(必要帯域幅が得られる)抵抗値をそれぞれ付加してもよい(GPIO端子は8つ必要)。また、上図でR1a≠R1b,R2a≠R2bの関係であってもよい。
《第2の実施形態》
本実施形態は参考例である。
図6は第2の実施形態に係る無線通信装置102の回路図である。この無線通信装置102はNFCモジュールの一例である。無線通信装置102は、抵抗素子内蔵RFIC111、制御IC12およびアンテナコイル13を備えている。抵抗素子内蔵RFIC111は、RFIC(本発明の非接触通信用IC)11、容量素子14、抵抗素子R1,R2,R3,R4およびスイッチSW1,SW2,SW3,SW4を備えている。抵抗素子R1,R2,R3,R4とスイッチSW1,SW2,SW3,SW4とで可変インピーダンス回路が構成されている。
RFIC11はGPIO(General Purpose Input/Output)のIO端子11P(P1,P2,P3,P4)を備えている。これらのIO端子の出力レベルによってスイッチSW1,SW2,SW3,SW4の状態が切り替えられる。抵抗素子R1,R2,R3,R4の一方端はアンテナコイル13の一端に接続されていて、抵抗素子R1,R2,R3,R4の他端はスイッチSW1,SW2,SW3,SW4に接続されている。
RFIC11はベースバンド信号と高周波信号との間の変換を行う。制御IC12は、RFIC11を制御し、通信データを含むデータを入出力する。
RFIC11の2つのTX端子(送信信号端子)Tx1,Tx2に容量素子14およびアンテナコイル13の並列回路が接続されている。
RFIC11のIO端子11Pおよび制御IC12のIO端子12Pは信号ライン15Aで接続されている。
RFIC11と制御IC12とはデータ伝送ライン16を介して通信信号の入出力を行い。制御IC12は信号ライン15Aを介してRFIC11の各種設定などの制御を行う。また、RFIC11および制御IC12は信号ライン15A,15Bを介してスイッチSW1,SW2,SW3,SW4の制御端子に接続されている。
図6に示した回路によって、RFIC11のIO端子P1,P2,P3,P4の出力レベルによってスイッチSW1,SW2,SW3,SW4の状態が切り替えられ、アンテナコイル13両端間に接続される付加回路のインピーダンスが切り替えられる。同様に、制御IC12のIO端子P1,P2,P3,P4の出力レベルによってもスイッチSW1,SW2,SW3,SW4の状態が切り替えられ、アンテナコイル13両端間に接続される付加回路のインピーダンスが切り替えられる。
抵抗素子R1,R2,R3,R4の抵抗値を適宜定めておくことで、アンテナコイル13両端間に接続される付加回路のインピーダンスを設定でき、これによって、アンテナ回路のQ値を通信速度に適した値に設定できる。
なお、抵抗素子R1,R2,R3,R4の抵抗値を2のべき乗の関係としておき、IO端子P1,P2,P3,P4から二進符号のデータを出力するようにすれば、アンテナ回路に付加されるインピーダンスを2のべき乗通りに切り替えることができる。
《第3の実施形態》
図7は第3の実施形態に係る無線通信装置103の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。下部筐体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RFIC11、抵抗R1a,R1b,R2a,R2bが実装されている。このプリント配線板21にはUHF帯アンテナ22、カメラモジュール26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。
上部筐体52の内面にはアンテナコイル13が形成されている。このアンテナコイル13は矩形渦巻状にパターン化された導体である。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51に上部筐体52を被せることで、アンテナコイル13はRFIC11に電気的に接続される。
前記アンテナコイル13は例えばLDS(Laser-Direct-Structuring)法を用いたMID(Molded Interconnect Device)技術で形成する。すなわち、液晶ポリマー(LCP)やポリブチレンテレフタレート(PBT)等のベースポリマーにフィラー、有機金属を混ぜ合わせた材料を使用して成型し、その成型品にアンテナコイル13のパターン状にレーザ照射を行い、レーザ照射部のみにメッキを析出させる。
なお、筺体にアンテナコイルを直接描画する工法以外に、アンテナコイルを形成したフレキシブル基板を筐体に両面粘着シートを介して貼付する工法であってもよい
《第4の実施形態》
図8は第4の実施形態に係る無線通信装置104の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。下部筐体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RFIC11、抵抗R1a,R1b,R2a,R2b、給電コイル23が実装されている。このプリント配線板21にはUHF帯アンテナ22、カメラモジュール26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。
上部筐体52の内面にはブースターコイルアンテナ24が形成されている。このブースターコイルアンテナ24は後に示すように給電コイル23と磁気的に結合し、磁界アンテナとして作用する。
図9は第4の実施形態に係る無線通信装置104の主要部の回路図である。この無線通信装置104は、RFIC11、容量素子14および抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bを備えている。RFIC11のTx1,Tx2間に容量素子14および給電コイル23の並列回路が接続されている。ブースターコイルアンテナ24はコイルと容量素子とで構成されていて、このコイルのインダクタンスと容量素子のキャパシタンスとで共振周波数が定められている。このブースターコイルアンテナ24のコイルは給電コイル23と磁気的に結合する。
図10はブースターコイルアンテナ24の分解斜視図である。このブースターコイルアンテナ24は絶縁性シート24Sおよびこの両面に形成されたコイル導体24L1,24L2で構成されている。コイル導体24L1,24L2はそれぞれ矩形渦巻状にパターン化された導体である。コイル導体24L1,24L2は絶縁シート24Sを挟んで対向している。そして、平面視で同方向に電流が流れる状態で容量結合するようにパターン化されている。同一方向からの平面視で、コイル導体24L1に時計回りの電流が流れるとき、コイル導体24L2にも時計回りに電流が流れるように、コイル導体24L1,24L2はパターン化されている。前記容量結合を図9のブースターコイルアンテナ24内では容量素子で表している。
図8に示した給電コイル23およびブースターコイルアンテナ24は両者に磁束が鎖交するように配置されている。
図11〜図13はそれぞれブースターコイルアンテナの別の構成例に関する図である。図11は筐体に一体的に形成したブースターコイルアンテナ部分の断面図である。これは、上部筐体52の両面にコイル導体24L1,24L2をLDS法などによって直接形成したものである。図12は別のブースターコイルアンテナの分解斜視図である。この例では、2つの絶縁性シート24S1,24S2および3つのコイル導体24L1,24L2,24L3で構成されている。これらのコイル導体24L1,24L2,24L3は、同一方向からの平面視で、各コイル導体に同方向の電流が流れるようにパターン化されている。このようにコイル導体層は3層以上であってもよい。図13はさらに別のブースターコイルアンテナの分解斜視図である。このブースターコイルアンテナは、絶縁性シート24S、この片面に形成されたコイル導体24Lおよびチップコンデンサ24Cで構成されている。このように個別部品を用いてLC共振回路を構成し、共振周波数を定めてもよい。
なお、図8に示した例では、RFIC11、抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bおよび給電コイル23をプリント配線板上に別々に実装したが、給電コイル23上に抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bを実装してもよい。また、抵抗素子R1a,R1b,R2a,R2bはチップ素子に限らず、抵抗パターンや導体パターンで形成してもよい。
《第5の実施形態》
本実施形態は参考例である。
図14は第5の実施形態に係る無線通信装置105の筐体内部の構造を示す図であり、下部筐体51と上部筐体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。下部筐体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RFIC11、スイッチアレイASW、および抵抗R1a,R1b,R2a,R2bが実装されている。プリント配線板21にはアンテナ27の導体パターンが形成されている。また、このプリント配線板21にはUHF帯アンテナ22、カメラモジュール26等が搭載されている。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。
図15は第5の実施形態に係る無線通信装置105の主要部の回路図である。この無線通信装置105は、RFIC11、スイッチSW1,SW2,SW3,SW4および抵抗素子R1,R2,R3,R4,R5を備えている。RFIC11のアンテナポートANT_portに抵抗R5を介して電界放射型アンテナ27が接続されている。スイッチSW1,SW2,SW3,SW4は図14に示したスイッチアレイASWに設けられている。
スイッチSW1〜SW4のオン/オフ状態の組み合わせによって、RFIC11のアンテナポートANT_portとアンテナ27との間の抵抗値が切り替えられ、アンテナのQ値が制御される。このように、電界放射型アンテナにも適用できる。
なお、図15に示した例では4つのスイッチを用いたが、必ずしも4つである必要は無い。微調整が必要であれば切り替え数を増やすとよいし、微調整が不要であれば3つ以下で対応してもよい。
《他の実施形態》
以上、本発明を具体的な実施の形態について説明したが、本発明はこの例に限定されるものではない。
例えば、本発明の高周波デバイスは、RFIDのリーダライタに限定されるものではなく、RFIDタグとして構成されていてもよい。また、各実施形態では、送受信時にアンテナのQ値を制御する例を示したが、目的に応じて、送信専用のアンテナや受信専用のアンテナに適用してもよい。また、送信時と受信時の一方にのみ適用してもよい。さらには送信と受信のタイミングが分離されている場合には、送信時と受信時とでアンテナのQ値を異ならせてもよい。
BA1,BA2…バッファ
G1,G2…ゲート
IO_1a,IO_1b,IO_2a,IO_2b…抵抗
PR…プルアップ抵抗
R1a,R1b,R2a,R2b…抵抗素子
1a,1b,2a,2b…IO端子
11…RFIC
11P…IO端子
13…アンテナコイル
14…容量素子
21,31…プリント配線板
23…給電コイル
24…ブースターコイルアンテナ
26…カメラモジュール
33…バッテリーパック
51…下部筐体
52…上部筐体
101〜105…無線通信装置
110…抵抗素子内蔵RFIC

Claims (3)

  1. 信号を送受信するための通信端子およびIO端子を備えた非接触通信用ICと、
    前記非接触通信用ICの前記通信端子に接続されたアンテナと、を備える無線通信装置に
    おいて、
    前記IO端子と前記アンテナとの間に接続された抵抗素子をさらに備え、
    前記非接触通信用ICは、前記IO端子を入力または出力のいずれかに設定可能であり、前記IO端子は、入力に設定された場合に高インピーダンスとなり、出力に設定された場合にプルアップまたはプルダウンされたインピーダンスとなることを特徴とする無線通信装置。
  2. 前記通信端子は2つ設けられており、
    前記アンテナの一端および他端は、2つの前記通信端子にそれぞれ接続されており、
    前記IO端子は、第1のIO端子および第2のIO端子を含み、
    前記抵抗素子は、第1の抵抗素子および第2の抵抗素子を含み、
    前記第1の抵抗素子は前記第1のIO端子と前記アンテナの一端との間に接続され前記第2の抵抗素子は前記第2のIO端子と前記アンテナの他端との間に接続され、請求項に記載の無線通信装置。
  3. 前記IO端子は、第3のIO端子および第4のIO端子をさらに含み、
    前記抵抗素子は、前記第1の抵抗素子とは異なる抵抗値を有する第3の抵抗素子および前記第2の抵抗素子とは異なる抵抗値を有する第4の抵抗素子をさらに含み、
    前記第3の抵抗素子は前記第3のIO端子と前記アンテナの一端との間に接続され前記第4の抵抗素子は前記第4のIO端子と前記アンテナの他端との間に接続され、請求項に記載の無線通信装置。
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