专利名称：用于感应式读/写设备的紧凑环形天线的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种紧凑的环形天线。
背景技术：
环形天线通常被用作基本天线。环形天线构造简单，容易制做得紧凑并且低成本地配置，因此被用于常规感应式读/写设备。
近年来，感应式读/写设备(例如，非接触型卡)已投入使用，例如符合ISO标准，即，ISO14443、ISO15693等的非接触型卡。在它们当中，作为在达到10cm的通信范围内进行工作的非接触型卡，在很多情况下采用符合ISO14443的通信系统。同时，ISO15693标准提供达到大约70cm的通信范围，因此许多设备利用它作为RF-ID(射频识别)。当在感应式读/写设备上安装环形天线时，通常是通过使用用于对具有多匝螺旋的螺旋图案进行蚀刻的印刷电路板来形成环形天线。
例如，图1A和1B示出了环形天线的常规结构的示例。
图1A示出了包括其上形成有环形图案29的印刷电路板30的环形天线、该印刷电路板30上的通过蚀刻工艺等形成的环形图案29、用来提供用于发送信号的电力和输出所接收的信号的起点端子31和终点端子32的俯视图。
顺便提及，图1A所示的示例结构示出了在形成具有两匝螺旋的环的情况下的环形图案29。
图1B示出了图1A所示的环形天线的截面。如图1B所示，常规环形天线由不同尺寸的多个环构成，以在一个板上形成螺旋环形图案。
专利文献1公开了一种多个环形天线振子的组合的形式的环形天线，该多个环形天线振子围绕同一中心具有不同的环半径，该多个环形天线振子位于同一平面上。专利文献2公开了一种应用于IC卡等的环形天线，其被构造为使得多个螺旋的连接是非致密的，以便提高天线的效率并且以通过天线接收电力供应的构造(comprisal)来增大可通信距离。
日本专利申请特开公报No.54-008441[专利文献2]日本专利申请特开公报No.11-272826在诸如图1A和1B所示环形天线的由多个螺旋构成的螺旋环形天线中，天线面积(即，在由环形天线的环形图案形成的环内通过磁链的面积)以及可以提供给天线的电力实际上受到设计约束的限制，例如其上安装有该环形天线的发送器或接收器的尺寸，或者电池容量。所允许的天线面积和所提供的电力等使得难以在垂直于天线面的方向上增大场强，因此很难增大读/写距离(即，通信范围)。
这里，可以想到通过在由图1A和1B所示的天线中的单个板上将螺旋匝数进一步增加至四个或五个来蚀刻环形图案，但是场强仅在与天线面平行的方向上增加，而在垂直方向上不增加(注意，该场符合右手螺旋定律，并且相对于在图案中流动的电流的方向沿向右旋转的方向产生。如果存在沿水平方向排列的多个图案，则因此该场在垂直方向上不增加)。尽管存在增大发射功率以增强无线电波的方法，但是电源单元的尺寸变大，产生更多热量并增加了成本。这是问题。
尽管如此，近来越来越需要通过小的天线面积和低功率来扩展通信范围的技术。
发明内容
考虑如上所述的问题，本发明的挑战是提供一种在感应式读/写设备中使用的紧凑环形天线，即使天线面积或对天线的供电受到限制，该紧凑环形天线也能够扩展通信范围。
这里的权利要求1所述的发明是在感应式读/写设备中使用的环形天线，其特征在于，通过使环形图案相互保持预定距离，来层叠两个或更多个环形图案，每一个环形图案由至少一匝螺旋形成，互连所有层叠的环形图案的各个起点并互连其各个终点，由此并联连接所有层叠的环形图案。
根据权利要求1所述的发明，互连所层叠的环形图案的各个起点并互连其各个终点，由此并联连接所有层叠的环形图案，并因此使所有图案中的电流沿相同的方向流动，以对于所有环形图案在相同的方向上产生各个磁场，导致重叠磁场，从而增加磁场强度，由此实现扩展通信范围的效果。
层叠的环形图案被构造为与发送单元并联连接，该发送单元通过环形天线发送信号，因此实现最小地增加从发送单元提供给环形天线的电力的益处。
这里的权利要求2所述的发明是根据权利要求1的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其特征在于，以多层的方式设置两个或更多个板，每一个板都在单个板上形成有一个环形图案，所述板相互保持预定距离。
根据权利要求2所述的发明，获得了与权利要求1所述的发明相同的效果。即，通过互连层叠的环形图案的各个起点并互连其各个终点，由此并联连接所有层叠的环形图案，并因此使所有图案中的电流沿相同的方向流动，以对于所有环形图案在同一方向上产生各个磁场，导致重叠磁场，从而增加磁场强度，由此实现扩展通信范围的效果。
在层叠的板上形成的环形图案被构造为与发送单元并联连接，该发送单元通过环形天线发送信号，因此实现最小地增加从发送单元提供给环形天线的电力的益处。
这里的权利要求3所述的发明是根据权利要求1的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其特征在于，通过相互保持预定距离，以多层的方式将环形图案设置在单个板上。
根据权利要求3所述的发明，获得了与权利要求1所述的发明相同的效果。即，通过互连层叠的环形图案的各个起点并互连其各个终点，由此并联连接所有层叠的环形图案，并因此使所有图案中的电流沿相同的方向流动，以对于所有环形图案在同一方向上产生各个磁场，导致重叠磁场，从而增加磁场强度，由此实现扩展通信范围的效果。
在层叠的板上形成的环形图案被构造为与发送单元并联连接，该发送单元通过环形天线发送信号，因此实现了最小地增加从发送单元提供给环形天线的电力的益处。
这里的权利要求4所述的发明是根据权利要求1、2或3的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其特征在于，还包括起点间连接转换单元，用于在层叠的环形图案的各个起点之间选择性地进行连接；以及终点间连接转换单元，用于在层叠的环形图案的各个终点之间选择性地进行连接。
根据权利要求4所述的发明，除了与权利要求1所述的发明相同的效果之外，用于在层叠的环形图案的各个起点之间选择性地进行连接的起点间连接转换单元以及用于在层叠的环形图案的各个终点之间选择性地进行连接的终点间连接转换单元的构造还实现了使得能够调整与用于通过环形天线发送信号的发送单元并联连接的环形图案的数量的益处。
这里的权利要求5所述的发明是根据权利要求4的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其特征在于，根据通信范围切换起点间连接转换单元和终点间连接转换单元。
除了与权利要求1至4所述的发明相同的效果之外，根据权利要求5所述的发明还可以通过起点间连接转换单元和终点间连接转换单元减少与发送单元并联连接的环形图案的数量，来设置用于短通信范围的天线，而通过起点间连接转换单元和终点间连接转换单元增加与发送单元并联连接的环形图案的数量，来设置用于长通信范围的天线。
图1A示出了常规环形天线的示例的俯视图；图1B示出了常规环形天线的示例的剖面图；图2A示出了根据本发明第一实施例的环形天线的构造的俯视图；图2B示出了根据本发明第一实施例的环形天线的构造的剖面图；图3示出了根据本发明第一实施例的环形天线的磁场强度；图4示出了根据本发明第二实施例的环形天线的构造；以及图5例示了根据本发明第二实施例的环形天线切换系统。
具体实施例方式
以下是参照图2A到图5对本发明的优选实施例的描述。
图2A和2B示出了根据本发明第一实施例的环形天线的构造。
图2A示出了根据本发明第一实施例的环形天线的构造的俯视图。
根据本实施例的在感应式读/写设备中使用的紧凑环形天线是通过使第一层环形天线和第二环形天线(图2A中未示出)相互保持预定距离而层叠第一层环形天线和第二环形天线的紧凑环形天线，该第一环形天线包括第一印刷电路板2，其上形成有第一环形图案1，该第一环形图案1是通过蚀刻工艺等形成在第一印刷电路板2上的；以及起点端子3和终点端子4，用来提供用于信号发送的电力和输出所接收的信号，该第二层环形天线包括第二印刷电路板6，其上形成有第二环形图案5，该第二环形图案5是通过蚀刻工艺等形成在第二印刷电路板6上的；以及起点端子和终点端子，用来提供用于信号发送的电力和输出所接收的信号。
图2B示出了根据本发明第一实施例的环形天线的构造的剖面图。
形成在第一印刷电路板2上的环形图案1的起点端子3与形成在第二印刷电路板6上的环形图案5的起点端子(这里未示出)互连，同样，形成在第一印刷电路板2上的环形图案1的终点端子4与形成在第二印刷电路板6上的环形图案5的终点端子(这里未示出)也互连，并且提供电力，以使得在第一环形图案1中的流动的电流的方向与在第二环形图案5中的流动的电流的方向相同。
通过该结构，第一环形图案1和第二环形图案5与用于向该环形天线提供电力的电源单元(这里未示出)并联连接，由此使得可以抑制所提供的电力的增加，该电源单元与上述起点端子和终点端子连接。
通过保持预定距离7，将具有通过蚀刻工艺等形成的具有两匝螺旋的环形图案1的第一印刷电路板2与第二印刷电路板6层叠，通过调整来建立该预定距离7，以获得整个天线的最大磁场强度(即，在垂直于天线面的方向上的磁场强度)。根据本实施例，对于被构造为大约10cm(长)×大约10cm(宽)的正方形的天线的面积，该预定距离7为大约2mm。
尽管在将第一印刷电路板2和第二印刷电路板6之间的距离7设置为零(0)时，看上去整个天线的磁场强度变得最大，但是由于诸如形成在第一印刷电路板2上的第一环形图案1所固有的自感、形成在第二印刷电路板6上的第二环形图案5所固有的自感以及第一环形图案1和第二环形图案5之间的互感的影响，磁场强度变得最大的实际距离被认为是可变的。
例如，当由在第一环形图案1中流动的电流I产生的磁通量Φ穿过第二环形图案5时，由于受第二环形图案5影响的第一环形图案1与第二环形图案5之间的互感，而在第二环形图案5中产生反电动势，从而在其中流动的电流I减小。因此，由于在其中流动的电流I，在第二环形图案5中产生的磁场强度减小。此外，穿过由第二环形图案5形成的环形的磁链与第一环形图案1和第二环形图案5之间的距离成反比地增加。因此，简单地通过将第一印刷电路板2和第二印刷电路板6之间的距离7设置为零(0)，不能使整个天线的磁场强度最大化。
如在图2A和2B所示的结构中那样以多层的形式层叠环形天线可以扩展通信范围，即使天线的面积有限，因此对于感应式读/写设备可以提供扩展读写距离的益处。
尽管本实施例描述了在如图2A和2B所示的层叠两层环形天线的情况下的在感应式读/写设备中使用的紧凑环形天线，但是本发明并不限于层叠两层环形天线。即，它可以被构造为具有两层或更多层的环形天线，而不是由实施例所示的两层，由此可以进一步扩展通信范围。
此外，图2A和2B所示的第一环形图案1和第二环形图案5用于两匝的情况，但是本发明不限于此。可以采用多匝的环形，即，一匝或更多匝。
同时，这里的板使用非柔性的刚性印刷电路板，但是它可以使用通过将铜电路图案施加到柔性基膜(例如，PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)膜)上而形成的薄膜板。
图3示出了根据本发明第一实施例的环形天线的磁场强度。
图3示出了作为到天线面的距离的函数的磁场强度，表示了一特性曲线，其中水平轴表示到天线面的距离(单位mm)，垂直轴表示磁场强度(单位A/m)。
参照图3，实线8表示由图1A和1B例示的常规环形天线的特性，而虚线9表示根据本实施例的天线的特性。平行于表示到天线面的距离(mm)的水平线绘制的实线表示允许通过通信来读取信号的磁场强度的最小值(即，读取下限)。如果磁场强度低于该读取下限，则由于场功率(fieldpower)不足而不能通过通信来读取信号，因此在磁场强度大于读取下限的范围(即，在读取下限的线以上)中的到天线面的距离内，能够进行信号读取。
应当理解，根据本实施例的天线的使用将通信范围扩展了图3所示的距离(1)。
图4示出了根据本发明第二实施例的环形天线的构造。
根据本实施例的在感应式读/写设备中使用的紧凑环形天线至少包括由第一印刷电路板10和通过蚀刻工艺等形成在其上的环形图案11构成的第一层环形天线12；由具有环形图案的第二印刷电路板13和通过蚀刻工艺等形成在其上的环形图案14构成的第二层环形天线15；由第三印刷电路板16和通过蚀刻工艺等形成在其上的环形图案17构成的第三层环形天线18；连接到第一层环形天线12的起点端子19和终点端子20、连接到第二层环形天线15的起点端子21和终点端子22以及连接到第三层环形天线18的起点端子23和终点端子24的第一转换开关25；以及连接到第二层环形天线15的起点端子21和终点端子22以及连接到第三层环形天线18的起点端子23和终点端子24的第二转换开关26。
通过在层之间保持预定间隔，来层叠第一层环形天线12、第二层环形天线15以及第三层环形天线18，该间隔被调整为使得整个天线的磁场强度(即，垂直于天线面的方向上的磁场强度)最大化。
在示出本实施例的附图中未描绘的发送或接收单元中配备的转换控制单元28通过连接到各个转换开关来控制各个转换开关，以控制第一转换开关25和第二转换开关26。
这里，在本实施例中，转换控制单元28具有指示各个转换开关根据通信范围进行转换的功能，并切包括配备在发送或接收单元内的CPU(中央处理单元)、用于储存数据(例如，用于使CPU进行转换控制的程序)的非易失性存储器(例如，EEPROM)、用于CPU的操作的寄存器或非易失性存储器(例如，RAM)，这些元件可以由逻辑电路(例如，晶体管)构成。
第一转换开关25和第二转换开关26由晶体管等构成，并且各个转换开关的状态根据来自转换控制单元28的控制信号而被导通或截止。
各层环形天线的起点和终点被连接到功率放大器27，该功率放大器27配备在发送或接收单元内，在附图中没有被示出，其用于通过第一转换开关25和第二转换开关26向天线供电。
当第一转换开关25处于截止状态(相应地，第二转换开关26也处于截止状态)时，根据本实施例的环形天线变为仅由第一层环形天线12构成的天线(即，第二层环形天线15和第三层环形天线18与发送和接收单元以电路的方式隔离)。
当第一转换开关25处于导通状态并且第二转换开关26处于截止状态时，天线变为通过层叠第一层环形天线12和第二层环形天线15而构成的天线，并且两者之间的距离保持为预定间隔(即，第三层环形天线18与发送和接收单元以电路的方式隔离)。
此外，当第一转换开关25和第二转换开关26两者同时处于导通状态时，该天线变为通过层叠第一层环形天线12、第二层环形天线15和第三层环形天线18而构成的天线，并且彼此间的距离保持为预定间隔。
图5例示了根据本发明第二实施例的环形天线切换系统。
图5例示了在通信范围A、B和C具有A＜B＜C的关系的情况下，用于作为图4所示的转换控制单元28对第一转换开关25和第二转换开关26进行控制的结果在一至三层之间转换环形天线的结构的表。图5所示的表例如由转换控制单元28所包括的ROM预存储，并且通过CPU逐条参照其条目来进行控制。
当传感器(在此未示出)通知CPU通信范围是“C”时，CPU参照由上述表存储的地址，向第一转换开关25发送控制信号，指示它采用导通状态，并且还向第二转换开关26发送控制信号，指示它采取导通状态。第一转换开关25和第二转换开关26根据来自转换控制单元28的控制信号而采取导通状态，以通过层叠第一层环形天线12、第二层环形天线15和第三层环形天线18来构成三层天线，由此获得根据本实施例的结构当中的最大的通信范围。
同样，当传感器(在此未示出)通知CPU通信范围是“B”时，CPU参照由上述表存储的地址，向第一转换开关25发送控制信号，指示它采取导通状态，并且还向第二转换开关26发送控制信号，指示它采取截止状态。根据来自转换控制单元28的控制信号，第一转换开关25采取导通状态，而第二转换开关26采取截止状态，以通过层叠第一层环形天线12和第二层环形天线15来构成双层天线。
此外，当传感器(在此未示出)通知CPU通信范围是“A”时，CPU参照由上述表存储的地址，向第一转换开关25和第二转换开关26发送控制信号，指示其采取截止状态。根据来自转换控制单元28的控制信号，第一转换开关25和第二转换开关26采取截止状态，以构成仅由第一层环形天线12构成的天线，由此获得根据本实施例的结构当中的最小的通信范围。
如上所述，根据需要改变通信范围的能力使得可以更进一步地抑制功耗。也可以容易地防止无线电波被发射得太远，而影响其他设备。
注意，在上面的描述中，第一转换开关25和第二转换开关26处于导通状态意味着它们以电路的方式连接，而处于截止状态意味着它们以电路的方式断开。
上面的描述针对转换控制单元28根据通信范围自动地转换天线的层叠状态的情况，但是其不限于自动地转换天线的层叠状态。例如，可以通过使用拨位开关(dip switch)等对第一转换开关25和第二转换开关26进行设置，来进行人工转换。
此外，通信开始时的初始状态可以被构造为三层环形天线，并且第一转换开关25和第二转换开关26可以被控制为根据通信状态或通信范围而转换结构，以在一至三层之间转换环形天线的结构。
根据本发明第一和第二实施例的环形天线例示了在每一个板上形成一个环形图案并通过层叠这些板来构造天线的情况，但是本发明不限于此。例如，可以通过保持预定间隔在单个板上层叠两个或更多个环形图案来构造环形天线。在这种情况下，例如通过位于中间的绝缘体层来层叠各个环形图案，该绝缘体层的厚度被调整为使得整个天线的磁场强度(即，在垂直于天线面的方向上的磁场强度)最大化。
另选地，可以通过在单个板的顶面和底面上形成环形图案来构造环形天线。在这种情况下，板的厚度可以被调整为使得整个天线的磁场强度(即，在垂直于天线面的方向上的磁场强度)最大化。
根据本发明的第一和第二实施例，要求构成环形天线的环形图案的形状和尺寸(例如，整个环形的尺寸、构成该环形的导体图案的厚度和宽度、等等)是相同的，但是本发明不限于此。如果形状和尺寸在一定程度上不同，它也处于本发明的范围内，并且即使天线的面积和向其提供的电力受到约束，也可以获得扩展通信范围的益处。
如上所述，本发明的每一个方面都使得可以提供在感应式读/写设备中使用的紧凑天线，即使天线面积或对天线的供电受限，也能够扩展通信范围。
权利要求
1.一种在感应式读/写设备中使用的环形天线，其包括两个或更多个环形图案，这些环形图案相互保持预定距离，每一个环形图案都由至少一匝螺旋形成，其中互连所有层叠的环形图案的各个起点并互连其各个终点，由此并联连接所有层叠的环形图案。
2.根据权利要求1所述的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其中以相互保持预定距离的多层的方式设置两个或更多个板，每一个板都形成有一个所述环形图案。
3.根据权利要求1所述的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其中在单个板上以多层的方式设置所述环形图案，上述环形图案相互保持预定距离。
4.根据权利要求1、2或3所述的在感应式读/写设备中使用的环形天线，还包括起点间连接转换单元，用于在所述层叠的环形图案的各个起点之间选择性地进行连接，以及终点间连接转换单元，用于在所述层叠的环形图案的各个终点之间选择性地进行连接。
5.根据权利要求4所述的在感应式读/写设备中使用的环形天线，其中所述起点间连接转换单元和所述终点间连接转换单元分别根据通信范围对连接进行转换。
全文摘要
提供了一种用于感应式读/写器的小型天线，即使在天线面积或对天线的供电受限时，该天线也能够增大通信距离。该用于感应式读/写器的小型天线具有以预定间隔设置的环形天线的双层结构，每一个环形天线都包括印刷电路板(2)，用于形成环形图案(1)，通过蚀刻印刷电路板(2)来形成环形图案(1)；以及起点端子(3)和终点端子(4)，用于提供信号发送电力和输出所接收的信号。
文档编号H04B5/02GK1914768SQ200580003810
公开日2007年2月14日 申请日期2005年1月14日 优先权日2004年2月2日
发明者井比俊明, 桥本繁, 杉村吉康 申请人:富士通先端科技株式会社