JP5761251B2 - アンテナ装置および通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、可変容量素子によりアンテナ回路の共振周波数を変化させるアンテナ装置、およびそれを備えた通信装置に関する。

近年、携帯電話機などの電子機器は、ＮＦＣ（Near FieldCommunication）などの近距離無線通信機能を有している。このような電子機器は、一般的に、通信相手先のリーダライタ装置からの要求によりデータをパッシブで送受信するモード（以下、カードモードという。）と、アクティブ動作し、自身がリーダライタ装置となり、通信相手先にデータをアクティブに送信するモード（以下、リーダライタモードという。）とがある。

この二つのモードを有している場合、電子機器の小型化のために、一のアンテナコイルで、両モードを実現させることが一般的である。この場合、アンテナコイルが接続されている制御ＩＣは、送信端子（Ｔｘ端子）の内部インピーダンスを、モードによって切り替える制御を行う。例えば、制御ＩＣは、カードモードの場合にはＴｘ端子をオープンにし、リーダライタモードの場合にはＴｘ端子をショートする。このため、カードモードとリーダライタモードとで、アンテナコイルに接続される回路インピーダンスが異なり、各モードで同じ共振周波数とすることができない。

特許文献１には、アンテナコイルに可変容量素子を接続し、コントローラで可変容量素子の容量値を変化させ、アンテナコイルの共振周波数を調整する発明が開示されている。この特許文献１により、上記した異なるモードでも、同じ共振周波数とすることはできる。

特表２００９−５４３４４２号公報

しかしながら、特許文献１では、可変容量素子の容量値を変化させるためのコントローラが必要となり、そのコントローラに対して、制御プログラムを組み込む必要がある。このため、特許文献１では、コントローラの実装に手間およびコストを要する。

そこで、本発明の目的は、手間およびコストを要することなく、通信特性の劣化を防止できるアンテナ装置およびそれを備えた通信装置を提供することにある。

本発明に係るアンテナ装置は、信号の入出力端子を有し、前記入出力端子から信号が入力される入力モードと、前記入出力端子から信号を出力する出力モードとで、前記入出力端子の内部インピーダンスを切り替えるインピーダンス切替回路と、前記入出力端子に接続されたアンテナ回路と、制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、前記入出力端子と前記アンテナ回路との間に接続され、前記入出力端子と前記アンテナ回路とのインピーダンス整合を行う整合回路と、前記入出力端子に生じる電圧に応じた制御電圧を、前記可変容量素子に印加する制御電圧印加回路と、を備え、前記制御電圧印加回路は、前記入出力端子から信号が出力される場合、前記アンテナ回路の共振周波数を、前記出力モードに対応する共振周波数にすべく、前記可変容量素子に印加する制御電圧を出力することを特徴とする。

出力モードでは、整合回路の付加によりアンテナ回路の共振周波数が変わることがあるが、上記構成により、アンテナ回路の共振周波数を出力モードに対応する共振周波数にすることで、入力モードおよび出力モードの何れでも、効率の良い通信を行える。また、アンテナ回路の共振周波数を調整するための可変容量素子に印加する制御電圧は、インピーダンス切替回路の入出力端子に生じる電圧から生成される。このため、制御電圧を印加するためのコントローラを必要とせず、回路形成の手間を省くことができる。

前記制御電圧印加回路は、前記入出力端子に生じる電圧を整流する整流回路であることが好ましい。

この構成では、簡易な回路により可変容量素子の容量値を制御できる。

本発明によれば、可変容量素子の容量変化を制御するコントローラを実装するといった手間およびコストを要することなく、入力モードおよび出力モードの何れでも、効率の良い通信を行える。

実施形態１に係るアンテナ装置の回路図 可変容量素子の回路図 リーダライタモードとカードモードとにおける磁界強度の周波数特性を示す図 実施形態１に係るアンテナ装置を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図 実施形態２に係るアンテナ装置の回路図 実施形態３に係るアンテナ装置の回路図

（実施形態１）
図１は実施形態１に係るアンテナ装置の回路図である。以下に説明するアンテナ装置１はＮＦＣモジュールの一例であり、カードモード（本発明に係る入力モード）とリーダライタモード（本発明に係る出力モード）との二つのモードで動作する。カードモードとは、アンテナ装置１はパッシブ動作し、通信相手先のリーダライタ装置からデータを受信し、また、通信相手先から電力を受けてデータを送信するモードである。リーダライタモードとは、アンテナ装置１はアクティブ動作し、自身がリーダライタ装置となり、通信相手先にデータを送信し、また、通信相手先からデータを受信するモードである。

アンテナ装置１はＲＦＩＣ１０を備えている。ＲＦＩＣ１０は高周波（ＲＦ）信号を処理する集積回路である。ＲＦＩＣ１０は、送信端子であるＴｘ１，Ｔｘ２端子を有し、Ｔｘ１，Ｔｘ２端子には、整合回路１１を介してアンテナ回路１２が接続されている。ＲＦＩＣ１０は本発明に係るインピーダンス切替回路に相当し、Ｔｘ１，Ｔｘ２端子は本発明に係る入出力端子に相当する。

アンテナ回路１２は、コイルアンテナ１２Ａ、キャパシタＣ２１および可変容量素子Ｃ２２を備えた共振回路である。可変容量素子Ｃ２２は、制御電圧（バイアス電圧）に応じて容量値が定まる容量素子であって、アンテナ回路１２の共振周波数を所定周波数に定める。アンテナコイル１２Ａ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。例えばＮＦＣ通信において中心周波数１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯を利用する場合には、アンテナ回路１２の共振周波数は１３．５６ＭＨｚに定められる。

なお、可変容量素子Ｃ２２とアンテナコイル１２Ａとで周波数調整が可能である場合、アンテナ回路１２はキャパシタＣ２１を備えていなくてもよい。

図２は可変容量素子Ｃ２２の回路図である。可変容量素子Ｃ２２は、ＲＦ信号が入出力されるポートＰ１１，Ｐ１２と、制御電圧が印加されるポート１３と、グランドに接続されるポートＰ１４とを有している。また、可変容量素子Ｃ２２は、ポートＰ１１−Ｐ１２に接続された、容量素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆおよび抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９を有している。

容量素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆは、対向する電極間に強誘電体膜が挟み込まれた強誘電体キャパシタである。強誘電体膜は印加される電界の強度に応じて分極量が変化して、見かけ上の誘電率が変化するので、制御電圧によって容量値を定められる。

抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９の抵抗値は等しい。これらの抵抗素子Ｒ１１〜Ｒ１９は、容量素子Ｃ２ａ〜Ｃ２ｆに制御電圧を印加するとともに、ポートＰ１１−Ｐ１２間に印加されるＲＦ信号がポートＰ１３，Ｐ１４へ漏れるのを抑制している。

整合回路１１は、Ｔｘ１，Ｔｘ２端子それぞれに接続された、ＥＭＣフィルタを構成するインダクタＬ１１，Ｌ１２およびキャパシタＣ１１，Ｃ１２を有している。また、整合回路１１は、ＥＭＣフィルタに接続され、ＲＦＩＣ１０とアンテナ回路１２とのインピーダンス整合用の素子としてのキャパシタＣ１３，Ｃ１４を有している。整合回路１１のＥＭＣフィルタは、アンテナ装置１がリーダライタモードである場合に、アンテナ回路１２から送信される信号の高調波を除去する。このＥＭＣフィルタの遮断周波数は、アンテナ回路の共振周波数が１３．５６ＭＨｚに定められる場合、例えば１６ＭＨｚ付近に設定されている。

ＲＦＩＣ１０のＴｘ１端子には整流回路１３が接続されている。この整流回路１３は、本発明に係る制御電圧印加回路に相当する。整流回路１３は、ダイオードＤ１、キャパシタＣ３および抵抗Ｒ１を含んでいる。整流回路１３は、ＲＦＩＣ１０のＴｘ１端子に生じる電圧を整流し、制御電圧として可変容量素子Ｃ２２のポートＰ１３に印加する。

制御電圧を出力する整流回路１３、および、その制御電圧が印加される可変容量素子Ｃ２２は、ＲＦＩＣ１０がリーダライタモードである場合、アンテナ回路１２の共振周波数を１３．５６ＭＨｚとすべく、可変容量素子Ｃ２２の容量値を変化するよう構成されている。したがって、制御電圧を印加して、可変容量素子Ｃ２２の容量値を変化させるためのコントローラを別途必要としない。また、制御電圧の印加制御機能をＲＦＩＣ１０に持たせるために、ＲＦＩＣ１０に制御プログラムを組み込む必要もない。これにより、手間およびコストを要することなく、可変容量素子Ｃ２２へ制御電圧を印加して、その容量値を変化させることができる。

また、ＲＦＩＣ１０は受信端子であるＲｘ端子を有し、このＲｘ端子には、抵抗Ｒ２およびキャパシタＣ４の直列回路を介して、アンテナ回路１２が接続されている。ＲＦＩＣ１０は、Ｒｘ端子に入力されるハイ・ローの電圧から、アンテナ回路１２が受信したデータ情報を読み取る。

さらに、ＲＦＩＣ１０は、直流バイアスを出力するＴｂ端子を有し、Ｔｂ端子には、キャパシタＣ５および抵抗Ｒ３が接続されている。Ｔｂ端子が直流バイアスを出力することで、Ｒｘ端子に入力される電圧に、その直流バイアスが重畳され、アンテナ回路１２が受信したデータ情報を読み取るＲＦＩＣ１０での信号処理を行いやすくしている。なお、抵抗Ｒ３がキャパシタＣ４に接続されていることで、キャパシタＣ４が直流バイアス電圧をカットとし、アンテナ回路１２側に直流バイアスによる影響が及ぶことを防止している。

上記のように構成されたアンテナ装置１において、ＲＦＩＣ１０は、リーダライタモードとカードモードとで、Ｔｘ１−Ｔｘ２端子間をオープンまたはショートさせることによって、Ｔｘ１−Ｔｘ２端子間の内部インピーダンスを切り替える切替処理を行う。具体的には、アンテナ装置１がリーダライタモードで動作する場合、ＲＦＩＣ１０は、Ｔｘ１−Ｔｘ２端子間をショートにし、各Ｔｘ１，Ｔｘ２端子から高周波電力を出力する。一方、アンテナ装置１がカードモードで動作する場合、ＲＦＩＣ１０は、Ｔｘ１−Ｔｘ２端子間をオープンさせて、換言すると、Ｔｘ１−Ｔｘ２端子間に負荷を接続して負荷変調を行う。

図３はリーダライタモードとカードモードとにおける磁界強度の周波数特性を示す図である。

図３の一点鎖線で示す特性は、カードモードにおける磁界強度の周波数特性を示す。上述のように、整合回路１１はＥＭＣフィルタを有している。このＥＭＣフィルタは、１６ＭＨｚの高調波を除去するよう設定されている。したがって、カードモードでは、アンテナ装置１の共振周波数は、アンテナ回路１２の共振周波数ｆ１（１３．５６ＭＨｚ）と、ＥＭＣフィルタの遮断周波数ｆ２（１６ＭＨｚ）とになる。

図３の実線で示す特性は、リーダライタモードにおける磁界強度の周波数特性を示す。また、図３の破線で示す特性は、仮に整流回路１３を設けない場合のリーダライタモードにおける磁界強度の周波数特性である。整合回路１１のＥＭＣフィルタは、高調波を除去するよう設定されている。このため、リーダライタモードでは、このＥＭＣフィルタがアンテナ回路１２の共振周波数ｆ１に影響を及ぼす。この結果、リーダライタモードでは、図３の破線で示すように、アンテナ装置１の共振周波数はｆ０（１４．７ＭＨｚ）となり、リーダライタモードでの１３．５６ＭＨｚを中心とする通信信号周波数帯からずれるので、通信特性が低下する。本発明では、整流回路１３を設けて可変容量素子Ｃ２２の容量値を変化させることで、図３の実線で示すように、アンテナ装置１の共振周波数がｆ１（１３．５６ＭＨｚ）となるように調整（シフト）する。

以上のように、アンテナ装置１の共振周波数は、リーダライタモードおよびカードモードの何れでも、アンテナ回路１２の共振周波数ｆ１（１３．５６ＭＨｚ）となるため、効率よく通信を行える。また、共振周波数を調整するための可変容量素子Ｃ２２に印加する制御電圧は、ＲＦＩＣ１０のＴｘ１端子に生じる電圧を整流したものであるため、制御電圧を印加するためのコントローラを設ける必要がない。

なお、本実施形態では、リーダライタモードでのアンテナ装置１の共振周波数を、アンテナ回路１２の共振周波数ｆ１（１３．５６ＭＨｚ）に一致させているが、完全一致していなくても、通信特性に影響が及ばない範囲で、アンテナ装置１の共振周波数がｆ１（１３．５６ＭＨｚ）に近づいていればよい。

また、カードモードであるアンテナ装置１に通信相手が近接した際に、アンテナ回路１２から、キャパシタＣ１３およびインダクタＬ１１を通る経路で、整流回路１３に電圧が入力され、それによって、可変容量素子Ｃ２２の容量値が変化する場合がある。この場合、アンテナ回路１２の共振周波数が１３．５６ＭＨｚからずれることになるが、アンテナ装置１が通信相手から受ける電力は大きいので、ＲＦＩＣ１０には、データを読み取れるのに十分な電力が入力される。

図４は本実施形態に係るアンテナ装置１を適用した無線通信装置の筐体内部の構造を示す図である。図４では、無線通信装置１００の上部筐体９１と下部筐体９２とを分離して内部を露出させた状態での平面図である。

上部筐体９１の内部には回路基板７１，８１、バッテリーパック８３等が収められている。回路基板７１には、ＲＦＩＣ１０、整合回路１１、および整流回路１３等が実装されている。この回路基板７１にはＵＨＦ帯アンテナ７２、カメラモジュール７６等も搭載されている。また、回路基板８１にはＵＨＦ帯アンテナ８２等が搭載されている。回路基板７１と回路基板８１とは同軸ケーブル８４を介して接続されている。

下部筐体９２には、カメラモジュール７６のレンズが光学的に露出する開口９２Ａが形成されている。さらに、下部筐体９２には、面状導体であるアンテナコイル１２Ａが、開口９２Ａを囲うように設けられている。このアンテナコイル１２ＡにはＲＦＩＣ１０等が接続されている。このアンテナコイル１２ＡとＲＦＩＣ１０等とにより、本実施形態に係るアンテナ装置１を構成している。

（実施形態２）
図５は実施形態２に係るアンテナ装置の回路図である。この例では、アンテナ装置２は、実施形態１と同様に、ＲＦＩＣ１０、整合回路１１およびアンテナ回路１２などを備えている。また、アンテナ装置２は、ダイオードＤ１，Ｄ２、キャパシタＣ３および抵抗Ｒ１を有する整流回路１５を備えている。

この整流回路１５は、ＲＦＩＣ１０のＴｘ１端子およびＴｘ２端子それぞれに生じる電圧を整流し、制御電圧として可変容量素子Ｃ２２に印加する。可変容量素子Ｃ２２は実施形態１と同様の構成である。すなわち、整流回路１５はＲＦＩＣ１０から出力される交流電圧を全波整流する。これにより、可変容量素子Ｃ２２には、リップルが低減された制御電圧が印加されることになり、安定した可変容量素子Ｃ２２の容量制御ができる。

（実施形態３）
図６は実施形態３に係るアンテナ装置の回路図である。この例では、アンテナ装置３が備えるＲＦＩＣ１０のＴｘ端子には、整合回路１６を介してアンテナ回路１７が接続されている。

アンテナ回路１７は、一端がグランドに接続されたコイルアンテナ１２Ａ、キャパシタＣ２１および可変容量素子Ｃ２２が並列に接続された共振回路である。各素子については、実施形態１と同様であるため、説明は省略する。

整合回路１６は、Ｔｘ端子に接続された、ＥＭＣフィルタを構成するインダクタＬ１１およびキャパシタＣ１１を有している。また、整合回路１６は、ＥＭＣフィルタに接続され、ＲＦＩＣ１０とアンテナ回路１７とのインピーダンス整合用の素子としてのキャパシタＣ１３を有している。このように、非平衡回路にも同様に適用できる。

１，２，３−アンテナ装置
１０−ＲＦＩＣ（インピーダンス切替回路）
１１，１６−整合回路
１２，１７−アンテナ回路
１２Ａ−アンテナコイル
１３，１５−整流回路（電圧印加回路）
７１，８１−回路基板
７６−カメラモジュール
８２−ＵＨＦ帯アンテナ
８３−バッテリーパック
８４−同軸ケーブル
９１−上部筐体
９２−下部筐体
９２Ａ−開口
１００−無線通信装置
Ｃ３，Ｃ４，Ｃ５，Ｃ１１，Ｃ１２，Ｃ１３，Ｃ１４，Ｃ２１−キャパシタ
Ｃ２２−可変容量素子
Ｌ１１，Ｌ１２−インダクタ
Ｄ１，Ｄ２−ダイオード
Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３−抵抗

Claims (3)

1. 信号の入出力端子を有し、前記入出力端子から信号が入力される入力モードと、前記入出力端子から信号を出力する出力モードとで、前記入出力端子の内部インピーダンスを切り替えるインピーダンス切替回路と、
   前記入出力端子に接続されたアンテナ回路と、
   制御電圧が印加されて容量が変化し、前記アンテナ回路の共振周波数を変化させる可変容量素子と、
   前記入出力端子と前記アンテナ回路との間に接続され、前記入出力端子と前記アンテナ回路とのインピーダンス整合を行う整合回路と、
   前記入出力端子に生じる電圧に応じた制御電圧を、前記可変容量素子に印加する制御電圧印加回路と、
   を備え、
   前記制御電圧印加回路は、
   前記入出力端子から信号が出力される場合、前記アンテナ回路の共振周波数を、前記出力モードに対応する共振周波数にすべく、前記可変容量素子に印加する制御電圧を出力する、
   アンテナ装置。
2. 前記制御電圧印加回路は、前記入出力端子に生じる電圧を整流する整流回路である、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 請求項１または２に記載のアンテナ装置を備えた通信装置。

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