用於感應式讀/寫設備的緊湊環形天線的製作方法
2023-08-10 19:23:36
專利名稱：用於感應式讀/寫設備的緊湊環形天線的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種緊湊的環形天線。
背景技術：
環形天線通常被用作基本天線。環形天線構造簡單，容易製做得緊湊並且低成本地配置，因此被用於常規感應式讀/寫設備。
近年來，感應式讀/寫設備(例如，非接觸型卡)已投入使用，例如符合ISO標準，即，ISO14443、ISO15693等的非接觸型卡。在它們當中，作為在達到10cm的通信範圍內進行工作的非接觸型卡，在很多情況下採用符合ISO14443的通信系統。同時，ISO15693標準提供達到大約70cm的通信範圍，因此許多設備利用它作為RF-ID(射頻識別)。當在感應式讀/寫設備上安裝環形天線時，通常是通過使用用於對具有多匝螺旋的螺旋圖案進行蝕刻的印刷電路板來形成環形天線。
例如，圖1A和1B示出了環形天線的常規結構的示例。
圖1A示出了包括其上形成有環形圖案29的印刷電路板30的環形天線、該印刷電路板30上的通過蝕刻工藝等形成的環形圖案29、用來提供用於發送信號的電力和輸出所接收的信號的起點端子31和終點端子32的俯視圖。
順便提及，圖1A所示的示例結構示出了在形成具有兩匝螺旋的環的情況下的環形圖案29。
圖1B示出了圖1A所示的環形天線的截面。如圖1B所示，常規環形天線由不同尺寸的多個環構成，以在一個板上形成螺旋環形圖案。
專利文獻1公開了一種多個環形天線振子的組合的形式的環形天線，該多個環形天線振子圍繞同一中心具有不同的環半徑，該多個環形天線振子位於同一平面上。專利文獻2公開了一種應用於IC卡等的環形天線，其被構造為使得多個螺旋的連接是非緻密的，以便提高天線的效率並且以通過天線接收電力供應的構造(comprisal)來增大可通信距離。
日本專利申請特開公報No.54-008441[專利文獻2]日本專利申請特開公報No.11-272826在諸如圖1A和1B所示環形天線的由多個螺旋構成的螺旋環形天線中，天線面積(即，在由環形天線的環形圖案形成的環內通過磁鏈的面積)以及可以提供給天線的電力實際上受到設計約束的限制，例如其上安裝有該環形天線的發送器或接收器的尺寸，或者電池容量。所允許的天線面積和所提供的電力等使得難以在垂直於天線面的方向上增大場強，因此很難增大讀/寫距離(即，通信範圍)。
這裡，可以想到通過在由圖1A和1B所示的天線中的單個板上將螺旋匝數進一步增加至四個或五個來蝕刻環形圖案，但是場強僅在與天線面平行的方向上增加，而在垂直方向上不增加(注意，該場符合右手螺旋定律，並且相對於在圖案中流動的電流的方向沿向右旋轉的方向產生。如果存在沿水平方向排列的多個圖案，則因此該場在垂直方向上不增加)。儘管存在增大發射功率以增強無線電波的方法，但是電源單元的尺寸變大，產生更多熱量並增加了成本。這是問題。
儘管如此，近來越來越需要通過小的天線面積和低功率來擴展通信範圍的技術。
發明內容
考慮如上所述的問題，本發明的挑戰是提供一種在感應式讀/寫設備中使用的緊湊環形天線，即使天線面積或對天線的供電受到限制，該緊湊環形天線也能夠擴展通信範圍。
這裡的權利要求1所述的發明是在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其特徵在於，通過使環形圖案相互保持預定距離，來層疊兩個或更多個環形圖案，每一個環形圖案由至少一匝螺旋形成，互連所有層疊的環形圖案的各個起點並互連其各個終點，由此並聯連接所有層疊的環形圖案。
根據權利要求1所述的發明，互連所層疊的環形圖案的各個起點並互連其各個終點，由此並聯連接所有層疊的環形圖案，並因此使所有圖案中的電流沿相同的方向流動，以對於所有環形圖案在相同的方向上產生各個磁場，導致重疊磁場，從而增加磁場強度，由此實現擴展通信範圍的效果。
層疊的環形圖案被構造為與發送單元並聯連接，該發送單元通過環形天線發送信號，因此實現最小地增加從發送單元提供給環形天線的電力的益處。
這裡的權利要求2所述的發明是根據權利要求1的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其特徵在於，以多層的方式設置兩個或更多個板，每一個板都在單個板上形成有一個環形圖案，所述板相互保持預定距離。
根據權利要求2所述的發明，獲得了與權利要求1所述的發明相同的效果。即，通過互連層疊的環形圖案的各個起點並互連其各個終點，由此並聯連接所有層疊的環形圖案，並因此使所有圖案中的電流沿相同的方向流動，以對於所有環形圖案在同一方向上產生各個磁場，導致重疊磁場，從而增加磁場強度，由此實現擴展通信範圍的效果。
在層疊的板上形成的環形圖案被構造為與發送單元並聯連接，該發送單元通過環形天線發送信號，因此實現最小地增加從發送單元提供給環形天線的電力的益處。
這裡的權利要求3所述的發明是根據權利要求1的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其特徵在於，通過相互保持預定距離，以多層的方式將環形圖案設置在單個板上。
根據權利要求3所述的發明，獲得了與權利要求1所述的發明相同的效果。即，通過互連層疊的環形圖案的各個起點並互連其各個終點，由此並聯連接所有層疊的環形圖案，並因此使所有圖案中的電流沿相同的方向流動，以對於所有環形圖案在同一方向上產生各個磁場，導致重疊磁場，從而增加磁場強度，由此實現擴展通信範圍的效果。
在層疊的板上形成的環形圖案被構造為與發送單元並聯連接，該發送單元通過環形天線發送信號，因此實現了最小地增加從發送單元提供給環形天線的電力的益處。
這裡的權利要求4所述的發明是根據權利要求1、2或3的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其特徵在於，還包括起點間連接轉換單元，用於在層疊的環形圖案的各個起點之間選擇性地進行連接；以及終點間連接轉換單元，用於在層疊的環形圖案的各個終點之間選擇性地進行連接。
根據權利要求4所述的發明，除了與權利要求1所述的發明相同的效果之外，用於在層疊的環形圖案的各個起點之間選擇性地進行連接的起點間連接轉換單元以及用於在層疊的環形圖案的各個終點之間選擇性地進行連接的終點間連接轉換單元的構造還實現了使得能夠調整與用於通過環形天線發送信號的發送單元並聯連接的環形圖案的數量的益處。
這裡的權利要求5所述的發明是根據權利要求4的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其特徵在於，根據通信範圍切換起點間連接轉換單元和終點間連接轉換單元。
除了與權利要求1至4所述的發明相同的效果之外，根據權利要求5所述的發明還可以通過起點間連接轉換單元和終點間連接轉換單元減少與發送單元並聯連接的環形圖案的數量，來設置用於短通信範圍的天線，而通過起點間連接轉換單元和終點間連接轉換單元增加與發送單元並聯連接的環形圖案的數量，來設置用於長通信範圍的天線。
圖1A示出了常規環形天線的示例的俯視圖；圖1B示出了常規環形天線的示例的剖面圖；圖2A示出了根據本發明第一實施例的環形天線的構造的俯視圖；圖2B示出了根據本發明第一實施例的環形天線的構造的剖面圖；圖3示出了根據本發明第一實施例的環形天線的磁場強度；圖4示出了根據本發明第二實施例的環形天線的構造；以及圖5例示了根據本發明第二實施例的環形天線切換系統。
具體實施例方式
以下是參照圖2A到圖5對本發明的優選實施例的描述。
圖2A和2B示出了根據本發明第一實施例的環形天線的構造。
圖2A示出了根據本發明第一實施例的環形天線的構造的俯視圖。
根據本實施例的在感應式讀/寫設備中使用的緊湊環形天線是通過使第一層環形天線和第二環形天線(圖2A中未示出)相互保持預定距離而層疊第一層環形天線和第二環形天線的緊湊環形天線，該第一環形天線包括第一印刷電路板2，其上形成有第一環形圖案1，該第一環形圖案1是通過蝕刻工藝等形成在第一印刷電路板2上的；以及起點端子3和終點端子4，用來提供用於信號發送的電力和輸出所接收的信號，該第二層環形天線包括第二印刷電路板6，其上形成有第二環形圖案5，該第二環形圖案5是通過蝕刻工藝等形成在第二印刷電路板6上的；以及起點端子和終點端子，用來提供用於信號發送的電力和輸出所接收的信號。
圖2B示出了根據本發明第一實施例的環形天線的構造的剖面圖。
形成在第一印刷電路板2上的環形圖案1的起點端子3與形成在第二印刷電路板6上的環形圖案5的起點端子(這裡未示出)互連，同樣，形成在第一印刷電路板2上的環形圖案1的終點端子4與形成在第二印刷電路板6上的環形圖案5的終點端子(這裡未示出)也互連，並且提供電力，以使得在第一環形圖案1中的流動的電流的方向與在第二環形圖案5中的流動的電流的方向相同。
通過該結構，第一環形圖案1和第二環形圖案5與用於向該環形天線提供電力的電源單元(這裡未示出)並聯連接，由此使得可以抑制所提供的電力的增加，該電源單元與上述起點端子和終點端子連接。
通過保持預定距離7，將具有通過蝕刻工藝等形成的具有兩匝螺旋的環形圖案1的第一印刷電路板2與第二印刷電路板6層疊，通過調整來建立該預定距離7，以獲得整個天線的最大磁場強度(即，在垂直於天線面的方向上的磁場強度)。根據本實施例，對於被構造為大約10cm(長)×大約10cm(寬)的正方形的天線的面積，該預定距離7為大約2mm。
儘管在將第一印刷電路板2和第二印刷電路板6之間的距離7設置為零(0)時，看上去整個天線的磁場強度變得最大，但是由於諸如形成在第一印刷電路板2上的第一環形圖案1所固有的自感、形成在第二印刷電路板6上的第二環形圖案5所固有的自感以及第一環形圖案1和第二環形圖案5之間的互感的影響，磁場強度變得最大的實際距離被認為是可變的。
例如，當由在第一環形圖案1中流動的電流I產生的磁通量Φ穿過第二環形圖案5時，由於受第二環形圖案5影響的第一環形圖案1與第二環形圖案5之間的互感，而在第二環形圖案5中產生反電動勢，從而在其中流動的電流I減小。因此，由於在其中流動的電流I，在第二環形圖案5中產生的磁場強度減小。此外，穿過由第二環形圖案5形成的環形的磁鏈與第一環形圖案1和第二環形圖案5之間的距離成反比地增加。因此，簡單地通過將第一印刷電路板2和第二印刷電路板6之間的距離7設置為零(0)，不能使整個天線的磁場強度最大化。
如在圖2A和2B所示的結構中那樣以多層的形式層疊環形天線可以擴展通信範圍，即使天線的面積有限，因此對於感應式讀/寫設備可以提供擴展讀寫距離的益處。
儘管本實施例描述了在如圖2A和2B所示的層疊兩層環形天線的情況下的在感應式讀/寫設備中使用的緊湊環形天線，但是本發明並不限於層疊兩層環形天線。即，它可以被構造為具有兩層或更多層的環形天線，而不是由實施例所示的兩層，由此可以進一步擴展通信範圍。
此外，圖2A和2B所示的第一環形圖案1和第二環形圖案5用於兩匝的情況，但是本發明不限於此。可以採用多匝的環形，即，一匝或更多匝。
同時，這裡的板使用非柔性的剛性印刷電路板，但是它可以使用通過將銅電路圖案施加到柔性基膜(例如，PET(聚對苯二甲酸乙二醇酯)膜)上而形成的薄膜板。
圖3示出了根據本發明第一實施例的環形天線的磁場強度。
圖3示出了作為到天線面的距離的函數的磁場強度，表示了一特性曲線，其中水平軸表示到天線面的距離(單位mm)，垂直軸表示磁場強度(單位A/m)。
參照圖3，實線8表示由圖1A和1B例示的常規環形天線的特性，而虛線9表示根據本實施例的天線的特性。平行於表示到天線面的距離(mm)的水平線繪製的實線表示允許通過通信來讀取信號的磁場強度的最小值(即，讀取下限)。如果磁場強度低於該讀取下限，則由於場功率(fieldpower)不足而不能通過通信來讀取信號，因此在磁場強度大於讀取下限的範圍(即，在讀取下限的線以上)中的到天線面的距離內，能夠進行信號讀取。
應當理解，根據本實施例的天線的使用將通信範圍擴展了圖3所示的距離(1)。
圖4示出了根據本發明第二實施例的環形天線的構造。
根據本實施例的在感應式讀/寫設備中使用的緊湊環形天線至少包括由第一印刷電路板10和通過蝕刻工藝等形成在其上的環形圖案11構成的第一層環形天線12；由具有環形圖案的第二印刷電路板13和通過蝕刻工藝等形成在其上的環形圖案14構成的第二層環形天線15；由第三印刷電路板16和通過蝕刻工藝等形成在其上的環形圖案17構成的第三層環形天線18；連接到第一層環形天線12的起點端子19和終點端子20、連接到第二層環形天線15的起點端子21和終點端子22以及連接到第三層環形天線18的起點端子23和終點端子24的第一轉換開關25；以及連接到第二層環形天線15的起點端子21和終點端子22以及連接到第三層環形天線18的起點端子23和終點端子24的第二轉換開關26。
通過在層之間保持預定間隔，來層疊第一層環形天線12、第二層環形天線15以及第三層環形天線18，該間隔被調整為使得整個天線的磁場強度(即，垂直於天線面的方向上的磁場強度)最大化。
在示出本實施例的附圖中未描繪的發送或接收單元中配備的轉換控制單元28通過連接到各個轉換開關來控制各個轉換開關，以控制第一轉換開關25和第二轉換開關26。
這裡，在本實施例中，轉換控制單元28具有指示各個轉換開關根據通信範圍進行轉換的功能，並切包括配備在發送或接收單元內的CPU(中央處理單元)、用於儲存數據(例如，用於使CPU進行轉換控制的程序)的非易失性存儲器(例如，EEPROM)、用於CPU的操作的寄存器或非易失性存儲器(例如，RAM)，這些元件可以由邏輯電路(例如，電晶體)構成。
第一轉換開關25和第二轉換開關26由電晶體等構成，並且各個轉換開關的狀態根據來自轉換控制單元28的控制信號而被導通或截止。
各層環形天線的起點和終點被連接到功率放大器27，該功率放大器27配備在發送或接收單元內，在附圖中沒有被示出，其用於通過第一轉換開關25和第二轉換開關26向天線供電。
當第一轉換開關25處於截止狀態(相應地，第二轉換開關26也處於截止狀態)時，根據本實施例的環形天線變為僅由第一層環形天線12構成的天線(即，第二層環形天線15和第三層環形天線18與發送和接收單元以電路的方式隔離)。
當第一轉換開關25處於導通狀態並且第二轉換開關26處於截止狀態時，天線變為通過層疊第一層環形天線12和第二層環形天線15而構成的天線，並且兩者之間的距離保持為預定間隔(即，第三層環形天線18與發送和接收單元以電路的方式隔離)。
此外，當第一轉換開關25和第二轉換開關26兩者同時處於導通狀態時，該天線變為通過層疊第一層環形天線12、第二層環形天線15和第三層環形天線18而構成的天線，並且彼此間的距離保持為預定間隔。
圖5例示了根據本發明第二實施例的環形天線切換系統。
圖5例示了在通信範圍A、B和C具有A＜B＜C的關係的情況下，用於作為圖4所示的轉換控制單元28對第一轉換開關25和第二轉換開關26進行控制的結果在一至三層之間轉換環形天線的結構的表。圖5所示的表例如由轉換控制單元28所包括的ROM預存儲，並且通過CPU逐條參照其條目來進行控制。
當傳感器(在此未示出)通知CPU通信範圍是「C」時，CPU參照由上述表存儲的地址，向第一轉換開關25發送控制信號，指示它採用導通狀態，並且還向第二轉換開關26發送控制信號，指示它採取導通狀態。第一轉換開關25和第二轉換開關26根據來自轉換控制單元28的控制信號而採取導通狀態，以通過層疊第一層環形天線12、第二層環形天線15和第三層環形天線18來構成三層天線，由此獲得根據本實施例的結構當中的最大的通信範圍。
同樣，當傳感器(在此未示出)通知CPU通信範圍是「B」時，CPU參照由上述表存儲的地址，向第一轉換開關25發送控制信號，指示它採取導通狀態，並且還向第二轉換開關26發送控制信號，指示它採取截止狀態。根據來自轉換控制單元28的控制信號，第一轉換開關25採取導通狀態，而第二轉換開關26採取截止狀態，以通過層疊第一層環形天線12和第二層環形天線15來構成雙層天線。
此外，當傳感器(在此未示出)通知CPU通信範圍是「A」時，CPU參照由上述表存儲的地址，向第一轉換開關25和第二轉換開關26發送控制信號，指示其採取截止狀態。根據來自轉換控制單元28的控制信號，第一轉換開關25和第二轉換開關26採取截止狀態，以構成僅由第一層環形天線12構成的天線，由此獲得根據本實施例的結構當中的最小的通信範圍。
如上所述，根據需要改變通信範圍的能力使得可以更進一步地抑制功耗。也可以容易地防止無線電波被發射得太遠，而影響其他設備。
注意，在上面的描述中，第一轉換開關25和第二轉換開關26處於導通狀態意味著它們以電路的方式連接，而處於截止狀態意味著它們以電路的方式斷開。
上面的描述針對轉換控制單元28根據通信範圍自動地轉換天線的層疊狀態的情況，但是其不限於自動地轉換天線的層疊狀態。例如，可以通過使用撥位開關(dip switch)等對第一轉換開關25和第二轉換開關26進行設置，來進行人工轉換。
此外，通信開始時的初始狀態可以被構造為三層環形天線，並且第一轉換開關25和第二轉換開關26可以被控制為根據通信狀態或通信範圍而轉換結構，以在一至三層之間轉換環形天線的結構。
根據本發明第一和第二實施例的環形天線例示了在每一個板上形成一個環形圖案並通過層疊這些板來構造天線的情況，但是本發明不限於此。例如，可以通過保持預定間隔在單個板上層疊兩個或更多個環形圖案來構造環形天線。在這種情況下，例如通過位於中間的絕緣體層來層疊各個環形圖案，該絕緣體層的厚度被調整為使得整個天線的磁場強度(即，在垂直於天線面的方向上的磁場強度)最大化。
另選地，可以通過在單個板的頂面和底面上形成環形圖案來構造環形天線。在這種情況下，板的厚度可以被調整為使得整個天線的磁場強度(即，在垂直於天線面的方向上的磁場強度)最大化。
根據本發明的第一和第二實施例，要求構成環形天線的環形圖案的形狀和尺寸(例如，整個環形的尺寸、構成該環形的導體圖案的厚度和寬度、等等)是相同的，但是本發明不限於此。如果形狀和尺寸在一定程度上不同，它也處於本發明的範圍內，並且即使天線的面積和向其提供的電力受到約束，也可以獲得擴展通信範圍的益處。
如上所述，本發明的每一個方面都使得可以提供在感應式讀/寫設備中使用的緊湊天線，即使天線面積或對天線的供電受限，也能夠擴展通信範圍。
權利要求
1.一種在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其包括兩個或更多個環形圖案，這些環形圖案相互保持預定距離，每一個環形圖案都由至少一匝螺旋形成，其中互連所有層疊的環形圖案的各個起點並互連其各個終點，由此並聯連接所有層疊的環形圖案。
2.根據權利要求1所述的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其中以相互保持預定距離的多層的方式設置兩個或更多個板，每一個板都形成有一個所述環形圖案。
3.根據權利要求1所述的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其中在單個板上以多層的方式設置所述環形圖案，上述環形圖案相互保持預定距離。
4.根據權利要求1、2或3所述的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，還包括起點間連接轉換單元，用於在所述層疊的環形圖案的各個起點之間選擇性地進行連接，以及終點間連接轉換單元，用於在所述層疊的環形圖案的各個終點之間選擇性地進行連接。
5.根據權利要求4所述的在感應式讀/寫設備中使用的環形天線，其中所述起點間連接轉換單元和所述終點間連接轉換單元分別根據通信範圍對連接進行轉換。
全文摘要
提供了一種用於感應式讀/寫器的小型天線，即使在天線面積或對天線的供電受限時，該天線也能夠增大通信距離。該用於感應式讀/寫器的小型天線具有以預定間隔設置的環形天線的雙層結構，每一個環形天線都包括印刷電路板(2)，用於形成環形圖案(1)，通過蝕刻印刷電路板(2)來形成環形圖案(1)；以及起點端子(3)和終點端子(4)，用於提供信號發送電力和輸出所接收的信號。
文檔編號H04B5/02GK1914768SQ200580003810
公開日2007年2月14日 申請日期2005年1月14日 優先權日2004年2月2日
發明者井比俊明, 橋本繁, 杉村吉康 申請人:富士通先端科技株式會社