专利名称：通信设备、谐振电路以及施加控制电压的方法
技术领域：
本发明涉及具有通过向可变电容元件施加控制电压来调整谐振天线的谐振频率的功能的通信设备、谐振电路以及施加控制电压的方法。
背景技术：
近来，通信设备已经变得非常普遍，这种通信设备例如以用作交通乘车券和电子货币的非接触式IC(集成电路)卡以及具有与非接触式IC卡等价功能的信息处理终端为例。在这样的通信设备中，从专用读/写器(下面写成R/W)设备的发送天线发射的发送信号(电磁波)通过电磁感应作用被接收到安装在通信设备内的接收天线(谐振电路)内。在具有上述非接触式通信功能的通信设备中，传统上，已提出了在接收天线内设置可变电容器(可变电容元件)并调整接收天线的谐振频率的技术。此外，作为这种可变 电容器，例如，使用被称为变容二极管的可变电容二极管或采用铁电材料的可变电容器。此外，传统上，在具有上述可变电容器的谐振天线中，已经提出了用于改进接收特性的各种技术(例如，参见日本专利申请第2008-199536号和日本未审查专利申请公开第2001-77437 号)。日本专利申请第2008-199536号提出了一种在非接触式通信设备内，通过将基于从谐振天线接收到的信号产生的直流(DC)电压反馈到构成谐振电路的可变电容器来改进通信无效特性的技术。日本未审查专利申请公开第2001-77437号提出了一种用于消除采用铁电材料的可变电容器的滞后特性(控制电压施加历史特性)影响的技术。通过向采用铁电材料的可变电容器施加控制电压，可变电容器的电容改变。然而，采用铁电材料的可变电容器的电容不仅仅由当前施加的控制电压来确定，还受过去控制电压的施加历史(滞后特性)的影响。更具体地，相对于可变电容器的控制电压的电容变化特性在控制电压从OV增加到预定电压Vcc时是不同于控制电压从预定电压Vcc下降到OV时的。根据日本未审查专利申请公开第2001-77437号，为了消除这种滞后特性的影响，一旦向可变电容器施加了大于或等于可变电容器的饱和电压的控制电压，然后就控制该可变电容器。
发明内容
顺便提及，在具有非接触式通信功能(具体地，具有包括采用铁电材料的可变电容元件的谐振天线)的通信设备技术领域中，期望开发出一种能长时间稳定控制谐振天线的谐振频率的技术。为了满足上述要求而创作了本发明。还期望提供能长时间稳定地控制具有采用铁电材料的可变电容元件的谐振天线的谐振频率的通信设备、谐振电路和施加控制电压的方法。
根据本发明的实施方式，提供一种通信设备，包括谐振天线和控制电压产生单元，并且各个单元的构造如下。谐振天线包括具有由铁电材料形成的介电单元的可变电容元件并与外界进行非接触式通信。控制电压产生单元产生用于控制可变电容元件的电容的控制电压，向可变电容元件的介电单元施加所产生的控制电压，并在预定的定时(以预定的速率)反转施加至介电单元的控制电压的施加方向。根据本发明另一实施方式，提供一种谐振电路，包括可变电容元件和控制电压产生单元，并且各个单元的构造如下。可变电容容器具有由铁电材料形成的介电单元。控制电压产生单元产生用于控制可变电容元件的电容的控制电压，向可变电容元件的介电单元施加所产生的控制电压，并在预定的定时反转施加至介电单元的控制电压的施加方向。根据本发明又一实施方式，提供一种施加控制电压的方法，该方法是在根据本发明实施方式的通信设备中施加控制电压的方法并执行下列步骤。首先，控制电压产生单元在预定的方向上向介电单元施加第一控制电压。接着，控制电压产生单元在预定的方向上施加第一控制电压后，通过在预定的定时使控制电压的施加方向反转来施加第二控制电压。
如上所述，根据本发明，控制电压产生单元在预定的定时使施加至可变电容元件的控制电压的施加方向反转。以此方式，根据本发明，长时间稳定地控制可变电容元件的电容。因此，根据本发明，能长时间稳定地控制具有采用铁电材料的可变电容元件的谐振天线的谐振频率。
图I为在各种验证试验中使用的测量系统的示意性电路图；图2为示出了验证试验I的测量结果的示意图；图3为示出了验证试验2中使用的第一控制电压信号和第二控制电压信号的信号波形的示例的示意图；图4为示出了在控制电压为3V时和控制电压为OV时测量可变电容器的电容的方法的示意图；图5为验证试验2中使用的第一控制电压信号和第二控制电压信号的波形示意图；图6为根据本发明实施方式的向可变电容器施加控制电压的方法的示例的示意图；图7为示出了根据本发明实施方式的向可变电容器施加控制电压的过程的流程图；图8为示出了验证试验2的正极性条件下电容的可变幅度随时间的变化的示意图；图9为示出了在根据本发明实施方式的施加控制电压的方法中正极性条件下电容的可变幅度随时间的变化的示意图；图10为示出了根据本发明实施方式的通信设备和谐振电路的示意性电路构造图；图11为可变电容器的示意性构造图12为根据变形例I的通信设备中电压产生电路附近的示意性构造图；图13为示出了根据变形例2的控制电压施加方法中所使用的第一控制电压信号和第二控制电压信号的信号波形的示例的示意图；图14为根据变形例2的通信设备中电压产生电路附近的示意性构造图；图15为示出了根据变形例2的改变控制电压的方法的示意图；图16为示出了根据变形例2的改变控制电压的方法的示意图；以及图17为示出了根据变形例4的施加控制电压的方法的示意图。
具体实施方式
下文中，将参照附图以以下顺序对根据本发明实施方式的通信设备、谐振电路和向可变电容元件施加控制电压的方法的示例进行描述。然而，本发明并不限于下列示例。I.向可变电容器施加控制电压的技术2.通信设备和谐振电路的构造示例3.各种变形例〈I.向可变电容器施加控制电压的技术〉首先，在说明根据本发明的向可变电容器(可变电容元件)施加控制电压的技术的原理前，将对采用铁电材料的可变电容器的特性以及由于这些特性所产生的问题进行描述。[采用铁电材料的可变电容器的特性和问题]通常用作可变电容器的变容二极管具有极性(电压施加方向被固定)，并且耐压性低。与之相比，采用铁电材料的可变电容器没有极性，耐压性高，并且电容设定自由度高。但是，采用铁电材料的可变电容器由于其铁电性而具有上述滞后特性或电容老化特性。电容老化为仅仅将可变电容器按照实际情况放置会导致可变电容器的电容降低；通过连续地施加控制电压会改变电容；或通过将控制电压调回到OV会改变电容的特性。如果存在这种电容老化的影响，则不仅可变电容器的电容变化，而且其可变宽度也会变化。S卩，采用铁电材料的可变电容器的缺点在于，作为电容的可变特性的滞后特性(过去的控制电压施加历史特性)的影响较大，并且由于电容老化特性(下面称为“老化特性”)会使得电容下降。此外，这种可变电容器的缺点在于电容随温度变化较大。基于铁电材料特殊的特性(滞后、电容老化等)的缺陷变为利用可变电容器稳定控制谐振天线的谐振频率的障碍。因此，在具有采用铁电材料的可变电容器的谐振天线中，可变电容器长时间以稳定的电容运作是非常重要的。尽管日本未审查专利申请公开第2001-77437号提出了应对可变电容器的滞后的措施，但是该方法中仍存在可变电容器的电容随施加至可变电容器的电压电平以及施加时间而变化。因此，就利用可变电容器稳定控制谐振频率方面，日本未审查专利申请公开第2001-77437号的技术是不足的。[等待方法的影响]如果在具有非接触式通信功能的通信设备中应用采用铁电材料的可变电容器，则利用接收信号处于等待状态的控制方法(下面称为“等待方法”)来改变可变电容器的老化特性的影响。
这里，以下表I给出了通信设备中通常使用的等待方法之间的特性和差异。此外，表I给出了在接收信号I期间具有谐振天线的谐振频率13. 56MHz的通信设备的示例。此夕卜，在表I所示的示例中，如果向可变电容器施加控制电压，则可变电容器的电容劣化从而提闻了谐振频率。表I
等待方法可包括不向可变电容器施加控制电压的方法(表I中的“V_MIN”)以及施加预定的电压作为控制电压的方法(表I中的“V_CENTER”和“V_MAX”)。此外，施加控制电压的方法可包括施加最大电压(3V)的方法(表I中的“V_MAX”)以及施加最大电压之外的预定电压的方法。尽管表I示出了施加最大电压(3V) —半的电压(中心电压1.5V)的方法的示例作为施加最大电压除外的预定电压的方法，但是，可将控制电压施加为，使得谐振电路的谐振频率变成预设的等待频率。在表I最右边的列中，示出了在连续使用通信设备三年的情况下控制电压的施加时间的累计值(累计时间)。此外，未向可变电容器施加控制电压的等待方法(表I的“V_MIN”)中控制电压的累计时间为在一天中进行18次通信并且在通信期间每一秒施加一次控制电压的值。不向可变电容器施加控制电压的等待方法(“V_MIN”)例如为在不被供电的诸如非接触式IC卡的通信设备中使用的等待方法。在这种等待方法中，等待状态期间所消耗的控制电力为“O”。此外，在这种等待方法中，如表I所示，通信时间的总量为施加控制电压的累计时间。因此，在这种等待方法中，相对于通信设备的使用时间(三年)，控制电压的施加时间(28小时)是非常短的，并且可变电容器的老化特性的影响被最小化。此外，如表I所示，在不向可变电容器施加控制电压的等待方法中，等待状态下的谐振频率为13. 10MHz，并且在信号接收期间变得低于系统频率(13. 56MHz)。在等待方法中，接收从外部R/W发送到非接触式IC卡的13. 56MHz的载波，并且将通过整流电路对所接收到的载波进行整流所产生的DC电压作为电力提供给非接触式IC卡内的射频(RF) IC等。接着，将利用控制电路从接收到的信号产生的控制电压施加至可变电容器，从而使通信状态(谐振频率)最佳，这样，避免通信无效。此外，除了避免通信无效之夕卜，改变谐振频率还具有多种用途，例如，使通信距离最大化，接收由用于IC保护的去谐造成的下降的电平等。另一方面，向可变电容器施加预定的控制电压的等待方法(“V_CENTER”和“V_MAX”)例如为在具有非接触式通信功能和电源的诸如移动电话的通信设备中使用的等待方法。在向可变电容器施加中心电压(1.5V)的控制电压的等待方法(“V_CENTER”)中，如表I所示，等待状态期间的谐振频率变成13. 50MHz，其与系统频率(13. 56MHz)几乎相同。在这种情况下，能够检测到来自远方的载波，从而延长通信距离。但是，在这种等待方法中，控制电压的施加时间的累计时间变成等于通信设备的使用时间。因此，在这种等待方法中，相比于不施加控制电压的等待方法(“V_MIN”)，功耗增加并且可变电容器的老化特性的影响变大。此外，如表I所示，在向可变电容器施加最大电压(3. 0V)的控制电压的等待方法(“V_CENTER”)中，等待状态期间的谐振频率变成13. 90MHz，其高于系统频率(13. 56MHz)。在该方法中，控制电压的施加时间的累计时间变成等于通信设备的使用时间，并且功耗增力口。然而，由于在施加控制电压期间出现的从可变电容器泄漏的电流的大小不与控制电压的大小成正比，因此这种等待方法中的功耗比施加中心电压的控制电压的等待方法(“V_CENTER”)的功耗大得多。此外，在这种等待方法中，向可变电容器施加最大电压，并且可变电容器的老化特性的影响变得最大。然而，根据电路设计，由于即使系统LSI处在等待状态(standby state)下也能容易产生最小值(0. 0V)和最大值(3. 0V)的供给电压，因此这种等待方法具有的优点是成本低。 如上所述，由于通信设备的等待方法的差异，可变电容器的老化特性的影响是不同的，因此，可变电容器的电容的稳定性也是不同的。[验证试验]为了具体地验证采用铁电材料的可变电容器的特性和问题，实际进行了多种验证试验，并研究了控制电压施加引起的可变电容器的电容变化。(I)测量系统。图I示出了下文中将描述的多种验证试验中使用的测量系统的电路构造。在测量系统I中，第一控制电压信号DCl通过电阻器3输入到米用铁电材料的可变电容器2的一端(第一控制端子2a)。此外，第二控制电压信号DC2通过电阻器4输入到可变电容器2的另一端(第二控制端子2b)。S卩，在测量系统I中，由第一控制电压信号DCl和第二控制电压信号DC2的两个信号脉冲产生将施加至可变电容器2的用于验证的控制电压。此外，在测量系统I中，可变电容器2的两端通过电容足够大的DC切断电容器5连接至阻抗分析器(未示出)。装配DC切断电容器5以防止当向可变电容器2施加用于验证的控制电压时电流泄漏到阻抗分析器。此外，在图I中，为了简化描述，举例说明了可变电容器2是具有连接至DC切断电容器5的连接端子和公共控制端子的两端子式可变电容器。然而，测量系统I中使用的可变电容器2可以是具有连接至DC切断电容器5的两个连接端子和分离设置的两个控制端子(第一控制端子2a和第二控制端子2b)的四端子式可变电容器。这里，为了消除周围温度的影响，将测量系统I设置在恒温25°C的恒温槽中，然后进行下列验证试验。(2)验证试验I在验证试验I中，首先，在测量系统I中，向可变电容器2施加由0. 5Vrms(偏压为0V)的AC信号组成的第一验证控制电压4小时，然后测量可变电容器2的电容随时间的变化。此外，在验证试验I中，向可变电容器2施加由0. 5Vrms+(偏压为3V)的AC信号组成的第二验证控制电压4小时，然后测量可变电容器2的电容随时间的变化。此外，施加第二验证控制电压的方法相当于表I的等待方法“V_MAX”。验证试验I的结果在图2中示出。图2为示出了关于每个验证控制电压的施加时间的可变电容器2的电容变化的特性示意图。图2所示的特性的横轴表示每个验证控制电压的施加时间，纵轴表示假定开始施加每个验证控制电压时电容为“ I”情况下可变电容器2的电容的相对值(电容比Cratio)。此外，图2中特性6为当向可变电容器2施加第一验证控制电压(0. 5Vrms+0V偏压的交流(AC)信号)时电容的变化特性。此外，图2中的特性7为当向可变电容器2施加第二验证控制电压(0. 5Vrms+3V偏压的AC信号)时电容的变化特性。当向可变电容器2施加第一验证控制电压时，如图2中的特性6所示，电容比Cratio随时间的推移逐渐下降。然而，特性6中电容比Cratio的下降率为约0. 1%,并且可以忽略。 此外，当向可变电容器2施加第二验证控制电压时(特性7)，以与特性6相同的方式，电容比Cratio随时间的推移逐渐下降。然而，在这种情况下，如图2所示，当开始施加第二验证控制电压时，电容比Cratio大大降低，之后，可获得逐渐降低的特性。此外，特性7中电容的减小量比特性6中的电容的减小量大。从上述验证试验1，可以得出，如果向采用铁电材料的可变电容器2连续施加控制电压，则可变电容器2的电容随时间的推移减小。这认为是由可变电容器2的老化特性的影响造成的。(3)验证试验2接着，在图I所示的测量系统I中，研究了当向可变电容器2连续施加占空比为50%的脉冲信号(控制电压)时可变电容器2的电容变化(验证试验2)。验证试验2中控制电压的施加方法相当于不向可变电容器2施加控制电压的等待方法(表I中的“V_MIN”)。图3示出了验证试验2中向可变电容器2的第一控制端子2a施加的第一控制电压信号DCl和向第二控制端子2b施加的第二控制电压信号DC2的信号波形的不例。尽管图I中未示出，但是可变电容器2具有由铁电材料形成的介电层(介电单元)，并且第一控制端子2a和第二控制端子2b被构造为，使得介电层在其厚度方向上介于两者之间(参见下文中将描述的图11)。在验证试验2中，作为第一控制电压信号DC1，使用大小为3V、脉宽为2. 2秒并且脉冲周期为4. 4秒的脉冲信号。此外，作为第二控制电压信号DC2，使用OV的恒定信号。在验证试验2中，通过两种信号产生占空比为50%的脉冲信号(控制电压)。在这种情况下，如图3所不,第一控制电压信号DCl中大小为3V的DC脉冲电压的施加时间对应于通信时间，并且其他时间对应于等待时间。下文中，在向可变电容器2的第一控制端子2a施加DC脉冲电压的情况下控制电压的施加条件被称为“正极性条件”。在正极性条件下，控制电压的施加方向为在可变电容器2的介电层(未不出)的厚度方向上从第一控制端子2a到第二控制端子2b的方向。在验证试验2中，向可变电容器2施加图3所示的第一控制电压信号DCl和第二控制电压信号DC24个小时。然后，当开始施加控制电压时以及施加四小时后，在控制电压为3V(通信期间)的情况下和控制电压为OV(等待状态期间)的情况下测量可变电容器2的电容。此外,在验证试验2中，由于4个小时向可变电容器2施加大约3300次的DC脉冲电压，因此3V控制电压的施加时间的积分值变为两小时。图4示出了当在验证试验2中控制电压为3V (通信期间)情况下和控制电压为OV(等待状态期间)情况下测量可变电容器2的电容时的测量方法的示意图。通常，在采用铁电材料的可变电容器2中，如果施加控制电压，则可变电容器2的电容降低。因此，如图4所示，当施加第一控制电压信号DCl的DC脉冲电压时，电容降低。然而，如图4所示，在第一控制电压信号DCl (DC脉冲电压)的接通/断开切换期间，电容的变化变成瞬态响应。因此，在验证试验2中，在电容变化基本恒定的定时内测量电容。具体地，从第一控制电压信号DCl的第一脉冲起始时间起IOOms后(图4中的圆圈)的电容值被确定为控制电压为3V(通信期间)情况下的电容值。此外，从第一控制电压信号DCl的脉冲切断时间起IOOms后(图4中的方框)的电容值被确定为控制电压为OV (等待状态期间)情况下的电容值。此外，将第一控制电压信号DCl的脉宽设定为2. 2秒 的原因在于要考虑到电容测量时间等因素。在上述正极性条件下，在向可变电容器2连续施加占空比为50%的控制电压(第一控制电压信号DCl和第二控制电压信号DC2)4小时的情况下,可变电容器2的电容变化的测量结果在以下的表2中示出。表2 [_0]
权利要求
1.一种通信设备，包括 谐振天线，所述谐振天线包括具有由铁电材料形成的介电单元的可变电容元件，并且与外界进行非接触式通信；以及 控制电压产生单元，所述控制电压产生单元产生用于控制所述可变电容元件的电容的控制电压；向所述可变电容元件的所述介电单元施加所产生的控制电压；并以预定的速率反转施加至所述介电单元的所述控制电压的施加方向。
2.根据权利要求I所述的通信设备，其中，即将将所述控制电压的施加方向反转的定时之前的第一控制电压施加操作和紧跟所述定时之后的第二控制电压施加操作中的至少一个是与外界的非接触式通信操作。
3.根据权利要求2所述的通信设备，其中，所述第一控制电压施加操作和所述第二控制电压施加操作均为与外界的非接触式通信操作。
4.根据权利要求2所述的通信设备，其中，所述第一控制电压施加操作为与外界的非 接触式通信操作，并且所述第二控制电压施加操作为除了与外界的非接触式通信之外的操作。
5.根据权利要求2所述的通信设备，其中，所述控制电压产生单元在执行所述第一控制电压施加操作预定的次数后，将所述控制电压的施加方向反转并执行所述第二控制电压施加操作预定的次数。
6.根据权利要求5所述的通信设备，其中，所述预定的次数为一次。
7.根据权利要求2所述的通信设备，其中，所述第一控制电压施加操作的时长与所述第二控制电压施加操作的时长彼此相等。
8.根据权利要求4所述的通信设备，其中，所述第二控制电压施加操作的时长比所述第一控制电压施加操作的时长短。
9.根据权利要求I所述的通信设备，其中，所述谐振天线还包括与所述可变电容元件的两端连接的两个偏压去除电容器，与所述可变电容元件和所述两个偏压去除电容器组成串联电路的固定电容器。
10.一种谐振电路,包括 可变电容元件，所述可变电容元件具有由铁电材料形成的介电单元；以及 控制电压产生单元，所述控制电压产生单元产生用于控制所述可变电容元件的电容的控制电压；向所述可变电容元件的所述介电单元施加所产生的控制电压；并以预定的速率将施加至所述介电单元的所述控制电压的施加方向反转。
11.一种在通信设备中施加控制电压的方法，所述通信设备包括具有由铁电材料形成的介电单元的可变电容元件；以及控制电压产生单元，产生用于控制所述可变电容元件的电容的控制电压并向所述可变电容元件的所述介电单元施加所产生的控制电压，所述方法包括 通过所述控制电压产生单元在预定的方向上向所述介电单元施加第一控制电压；以及 在所述预定的方向上施加所述第一控制电压后，通过所述控制电压产生单元以预定的 速率反转所述控制电压的施加方向，来施加第二控制电压。
全文摘要
本发明公开了通信设备、谐振电路以及施加控制电压的方法，该通信设备，包括谐振天线，其包括具有由铁电材料形成的介电单元的可变电容元件并与外界进行非接触式通信；以及控制电压产生单元，其产生用于控制可变电容元件的电容的控制电压，向可变电容元件施加所产生的控制电压，并在预定的定时使施加至介电单元的控制电压的施加方向反转。
文档编号H04B1/40GK102739279SQ20121008101
公开日2012年10月17日 申请日期2012年3月23日 优先权日2011年3月30日
发明者管野正喜 申请人:索尼公司