送受信装置
【課題】消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるようにする。
【解決手段】送受信アンテナ４と、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部および受信処理部を制御する制御部１０と、を有し、送受信アンテナは、誘電体基板１１と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部１２ａを有する励振用ループアンテナ１２と、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部１３ａを有する送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備え、励振用ループアンテナは、送信処理部に接続され、送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサ１９を介して受信処理部と接続されたものとする。
【解決手段】送受信アンテナ４と、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部および受信処理部を制御する制御部１０と、を有し、送受信アンテナは、誘電体基板１１と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部１２ａを有する励振用ループアンテナ１２と、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部１３ａを有する送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備え、励振用ループアンテナは、送信処理部に接続され、送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサ１９を介して受信処理部と接続されたものとする。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム、および電子マネーシステムなどにおいて、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体を用いて、物品の識別や個人認証などを行う技術が広く普及している。このような無線通信媒体を利用したシステムでは、無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置が用いられているが、種類が異なるシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で共用することができると都合がよい。
【０００３】
ところが、システムの種類が異なると、無線通信媒体の通信方式も異なる場合があり、この場合、送受信装置との間での通信で用いられる帯域幅も異なることがあるため、送受信装置において周波数特性の広帯域化が望まれる。そこで、このような要望にこたえるべく、送受信アンテナの送受信経路に介在させた複数の抵抗体（抵抗値）を順次切り換えることで周波数特性の広帯域化を図るようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９９８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、送受信アンテナの送受信経路に常時抵抗体が介在する結果として、抵抗体による電力損失が生じて、消費電力を大きくしてしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるように構成された送受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の送受信装置は、送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続された構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができ、通信方式が異なる別のシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図
【図２】送受信アンテナ４を示す斜視図
【図３】送受信アンテナ４の要部斜視図
【図４】送受信アンテナ４の要部平面図
【図５】図４のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ４の要部断面図
【図６】送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図
【図７】送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図
【図８】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図
【図９】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図
【図１０】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図
【図１１】結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図
【図１２】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図
【図１３】送受信装置２の要部模式図
【図１４】本発明の第２実施形態にかかる送受信アンテナ２１を示す斜視図
【図１５】送受信アンテナ２１の要部斜視図
【図１６】送受信アンテナ２１の要部平面図
【図１７】図１６のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ２１の要部断面図
【図１８】本発明の第３実施形態にかかる送受信アンテナ３１を示す斜視図
【図１９】送受信アンテナ３１の要部斜視図
【図２０】送受信アンテナ３１の要部平面図
【図２１】図２０のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ３１の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前記課題を解決するためになされた第１の発明は、送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続された構成とする。
【００１１】
これによると、送信信号が励振用ループアンテナに入力されると、その送信信号が磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに伝達され、このとき送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナから出力される。
【００１２】
この構成により、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接配置して、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの結合係数を比較的大きく設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができる。また、周波数特性の広帯域化のために送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させる必要がないため、消費電力が増大することを避けることができる。
【００１３】
特に、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナにそれぞれ流れる電流が互いに逆向きとなるため、励振用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束が、送受信用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束を弱めるように作用するが、送受信用ループアンテナを複数回のループを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナを１回巻きのループを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを抑制することができ、これにより、励振用ループアンテナの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナから十分な強度の送信信号が出力されるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１４】
また、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに送信信号を伝達して増幅するため、送信信号の受信処理部への回り込みが発生して、受信処理部での受信信号の処理の支障となるおそれがあるが、送受信用ループアンテナと受信処理部とをカップリングコンデンサを介して接続することで、受信処理部に回り込む送信信号の強度が低くなるため、受信処理部での受信信号の処理を適切に行うことができる。
【００１５】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定された構成とする。
【００１６】
これによると、励振用ループアンテナの磁束により送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを十分に抑制して、送受信用ループアンテナから出力される送信信号の強度を高めることができるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１７】
また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定された構成とする。
【００１８】
これによると、送信性能と受信性能とを両立させた高い総合通信性能を実現することができる。
【００１９】
また、第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナを構成する内側ループ部とその外側に配置された外側ループ部との間に配置された構成とする。
【００２０】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．７と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２１】
また、第５の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの内側に配置された構成とする。
【００２２】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．５と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２３】
また、第６の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの外側に配置された構成とする。
【００２４】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．５と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図である。この送受信システムは、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、および個人認証システム等に活用されるものであり、無線通信媒体１と、この無線通信媒体１に電力を供給するとともに、その無線通信媒体１との間で信号を送受信する送受信装置２とを有している。
【００２７】
無線通信媒体１は、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の周知のものであり、その詳しい説明は省略するが、送受信用ループアンテナ３と、それに接続された制御ＩＣ（図示せず）により構成されており、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用して送受信装置２との間で通信を行う。
【００２８】
送受信装置２は、送受信アンテナ４と、この送受信アンテナ４に接続されたリーダライタ装置５と、このリーダライタ装置５に接続された制御装置６とにより構成され、制御装置６はネットワーク回線７に接続されている。リーダライタ装置５は、送受信アンテナ４に送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナ４からの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部８および受信処理部９を制御する制御部１０とにより構成され、制御部１０は制御装置６に接続されている。
【００２９】
送受信アンテナ４は、誘電体基板１１と、この誘電体基板１１上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナ１３の両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３は、誘電体基板１１の表面に印刷形成により設けられている。
【００３０】
励振用ループアンテナ１２には、フィルタ回路１７を介してリーダライタ装置５の送信処理部８が接続され、また送受信用ループアンテナ１３には、フィルタ回路１８を介してリーダライタ装置５の受信処理部９が接続されている。
【００３１】
また、この送受信装置２においては、送受信用ループアンテナ１３で受信した信号を受信処理部９に導く受信信号路上にカップリングコンデンサ１９が設けられている。特にここでは、フィルタ回路１８と受信処理部９との間にカップリングコンデンサ１９が設けられている。
【００３２】
この送受信装置２においては、送信処理部８からの送信信号が、フィルタ回路１７を介して励振用ループアンテナ１２に入力され、これに応じて励振用ループアンテナ１２に生じる電流による磁気誘導で、送信信号が励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達されて、この送受信用ループアンテナ１３から送信信号が無線通信媒体１に送信される。無線通信媒体１では、送受信用ループアンテナ１３からの送信信号を送受信用ループアンテナ３で受信し、これにより受信と電力供給が行われる。
【００３３】
一方、無線通信媒体１からの送信信号は、送受信用ループアンテナ１３で受信され、その受信信号が、フィルタ回路１８とカップリングコンデンサ１９を介して受信処理部９に入力される。
【００３４】
図２は、送受信アンテナ４を示す斜視図である。図３は、送受信アンテナ４の要部斜視図である。図４は、送受信アンテナ４の要部平面図である。図５は、図４のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ４の要部断面図である。なお、図３〜図５は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板１１を省略して示している。
【００３５】
送受信アンテナ４の励振用ループアンテナ１２は、図２〜図５に示すように、１回巻きの矩形状のループ部１２ａを有し、また送受信用ループアンテナ１３は、複数回（ここでは４回）巻きの矩形状のループ部１３ａを有している。励振用ループアンテナ１２は、送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａを構成する内側ループ部１３ａａと外側ループ部１３ａｂとの間に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが略０．７となり、後に説明するように、良好な通信性能を実現することができる。
【００３６】
なお、図２に示すように、励振用ループアンテナ１２の末端（接続端子）１２ｂおよび送受信用ループアンテナ１３の末端（接続端子）１３ｂはそれぞれ、誘電体基板１１の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示したように、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。
【００３７】
また、図３に示すように、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃが、送受信用ループアンテナ１３の外側ループ部１３ａｂと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。また、送受信用ループアンテナ１３の一方の引出部１３ｃが、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３の外側ループ部１３ａｂと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。また、送受信用ループアンテナ１３の内側ループ部１３ａａと外側ループ部１３ａｂとを結ぶ接続部１３ｄが、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。
【００３８】
次に、送受信アンテナ４の特性について等価回路を用いて説明する。図６は、送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図である。図７は、送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図である。
【００３９】
励振用ループアンテナ１２が有するインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３が有するインダクタンス値Ｌ２との間には、電磁結合による相互誘導Ｍが存在する。相互誘導Ｍとインダクタンス値Ｌ１およびインダクタンス値Ｌ２との間には次式が成り立つ。
Ｍ＝Ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２） （式１）
ここで、結合係数Ｋは、０≦Ｋ≦１の範囲の値となる。式１より明らかなように、結合係数Ｋが大きい程、相互誘導Ｍの値は大きくなる。
【００４０】
ここで、励振用ループアンテナ１２に一次側電流Ｉ１が流れると、この一次側電流Ｉ１により生じる磁束により、相互誘導Ｍを介して、送受信用ループアンテナ１３の開放端に誘起電圧Ｖ２が生じる。送受信用ループアンテナ１３の開放端には共振用コンデンサ１４（Ｃ１）が接続されているため、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１からなる閉回路に二次側電流Ｉ２が流れる。
【００４１】
図８は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図である。図９は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図である。
【００４２】
図８から明らかなように、一次側電流Ｉ１は共振周波数ｆｏ（ここでは、１３．５６ＭＨｚ）でピーク値（最小値）をとり、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて、一次側電流Ｉ１のピーク値が小さくなり、これに伴って一次側電流Ｉ１の値が全帯域で小さくなっており、特に共振周波数ｆｏから離れた周波数でも一次側電流Ｉ１の値が小さくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４３】
また、図９から明らかなように、二次側電流Ｉ２は共振周波数ｆｏでピーク値（最大値）をとり、この二次側電流Ｉ２のピーク値と、その近傍の周波数での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から０．４の範囲で、結合係数Ｋの値が大きくなるのに応じて大きくなるが、結合係数Ｋの値が０．４を超えると逆に小さくなる。一方、共振周波数ｆｏから離れた周波数帯での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて一様に大きくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４４】
次に、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３から発生する磁束（磁界強度）について説明する。一般的にコイル導体を流れる電流Ｉにより発生する磁界強度Ｈとコイル導体のインダクタンスＬとは次式の関係を有している。
Ｈ∝Ｌ×Ｉ （式２）
すなわち、磁界強度Ｈはインダクタンス値Ｌとコイル導体を流れる電流Ｉの積に比例する。
【００４５】
したがって、共振周波数ｆｏおいて、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１により発生する磁界強度Ｈ１は、励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と一次側電流Ｉ１の積に比例する。同様に、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２により発生する磁界強度Ｈ２は、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２と二次側電流Ｉ２の積に比例する。
【００４６】
ここで、図４に示したように、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１と、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２とは、電流の向きが逆方向となるため、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３にそれぞれ発生する磁束の向きも逆方向となり、相殺現象が生じる。この相殺現象を考慮した送受信アンテナ４としての磁界強度Ｈは、送受信用ループアンテナ１３の磁界強度Ｈ２から、励振用ループアンテナ１２の磁界強度Ｈ１を減じた値となる。換言すると、励振用ループアンテナ１２に電流が流れる結果として発生する磁束が、送受信用ループアンテナ１３に電流が流れる結果として発生する磁束を弱める状態となる。
【００４７】
そこで、本第１実施形態においては、送受信用ループアンテナ１３を複数回のループ部１３ａを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナ１２を１回巻きのループ部１２ａを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナ１３の磁束が弱められることを抑制するようにしている。これにより、励振用ループアンテナ１２からの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナ１３からは十分な磁束が発生するため、消費電力を低く抑えることができる。
【００４８】
本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３の巻き数を４としたが、この送受信用ループアンテナ１３の巻き数はこれに限定されるものではなく、適宜に設定すればよいが、特に励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定するとよい。
【００４９】
図１０は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図である。ここで、送信出力および受信感度は、図９に示した二次側電流Ｉ２の特性に、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２を乗じた値と略同一となる。図１１は、結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図である。
【００５０】
図１１に示すように、本実施形態（Ａ線）と従来例（Ｂ線）とを比較すると、本実施形態では送信電力及び受信感度が従来例よりも高く、しかも周波数特性が広帯域であることが分かる。このように本実施形態では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを適切に設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができ、従来例のように送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させてはいないので、消費電力を低く抑えることができる。
【００５１】
次に、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋの最適値について説明する。図１２は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図である。ここでは、結合係数Ｋをパラメータとして、無線通信媒体１に信号を送信する際の送信性能をＡ線で、無線通信媒体１からの応答信号を受信する際の受信性能をＢ線で、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能をＣ線でそれぞれ示している。
【００５２】
送信性能（Ａ線）は、結合係数Ｋ＝０．３〜０．７の範囲で良好な結果を示しており、受信性能（Ｂ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．９の範囲で良好な結果を示している。よって、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能（Ｃ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．７の範囲で最適となる。本第１実施形態の構成では、前記のように、結合係数Ｋが概ね０．７となることから、良好な通信性能を実現することができる。
【００５３】
以上のように本第１実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ４は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを誘電体基板１１の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。このため、例えばノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末、携帯電話等に搭載することも可能になる。
【００５４】
次に、図１３を参照して、受信信号路上に設けたカップリングコンデンサ１９について説明する。図１３は、送受信装置２の要部模式図である。
【００５５】
送受信アンテナ４では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に送信信号を伝達して増幅するようにしている。このため、励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達される送信信号が受信処理部９に回り込む。一方、送受信用ループアンテナ１３では無線通信媒体１から送信される信号を受信し、その受信信号が受信処理部９に入力される。よって、送受信用ループアンテナ１３自体は無給電であるが、送信信号と受信信号との間で大きな信号強度のレベル差が生じる。
【００５６】
特に、前記のように、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを０．５から０．７の範囲とすると、受信処理部９に回り込む送信信号の信号強度が受信信号より高くなることがあり、この場合、送信信号が受信処理部９での受信信号の処理の支障となる。
【００５７】
そこで、本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続するようにしている。これにより、受信処理部９に回り込む送信信号の強度が低くなるため、送信信号と受信信号との干渉を抑制し、受信処理部９での受信信号の処理を正常に行うことができる。カップリングコンデンサ１９には、送信信号および受信信号の周波数などの特性に基づいて、送信信号に対して高周波的に高いインピーダンスとなるような所要の容量（例えば３ｐＦ）のものが用いられる。
【００５８】
（第２実施形態）
図１４は、本発明の第２実施形態にかかる送受信アンテナ２１を示す斜視図である。図１５は、送受信アンテナ２１の要部斜視図である。図１６は、送受信アンテナ２１の要部平面図である。図１７は、図１６のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ２１の要部断面図である。なお、図１５〜図１７では、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板２２を省略して示している。
【００５９】
図１４〜図１７に示すように、この第２実施形態でも、送受信アンテナ２１は、誘電体基板２２と、この誘電体基板２２上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ２３および送受信用ループアンテナ２４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ２３および送受信用ループアンテナ２４は、誘電体基板２２の表面に印刷形成により設けられている。なお、図示していないが、図２に示した共振用コンデンサ１４と同様の共振用コンデンサが、送受信用ループアンテナ２４の両端に接続される。
【００６０】
また、この第２実施形態でも、励振用ループアンテナ２３が１回巻きのループ部２３ａを有し、送受信用ループアンテナ２４が複数回巻きのループ部２４ａを有する構成となっているが、特にここでは、励振用ループアンテナ２３のループ部２３ａが、送受信用ループアンテナ２４のループ部２４ａの内側に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４との間の結合係数Ｋは略０．５となり、図１２からも理解されるように、良好な通信性能を実現することができる。
【００６１】
なお、励振用ループアンテナ２３の末端（接続端子）２３ｂおよび送受信用ループアンテナ２４の末端（接続端子）２４ｂはそれぞれ、誘電体基板２２の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示した例と同様に、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。また、図１５に示すように、送受信用ループアンテナ２４のループ部２４ａが、励振用ループアンテナ２３の引出部２３ｃと干渉しないように、誘電体基板２２の裏面側に迂回して配設されている。
【００６２】
以上のように本第２実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ２１は、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４とを誘電体基板２２の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。
【００６３】
（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態にかかる送受信アンテナ３１を示す斜視図である。図１９は、送受信アンテナ３１の要部斜視図である。図２０は、送受信アンテナ３１の要部平面図である。図２１は、図２０のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ３１の要部断面図である。なお、図１９〜図２１では、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板３２を省略して示している。
【００６４】
図１８〜図２１に示すように、この第３実施形態でも、送受信アンテナ３１は、誘電体基板３２と、この誘電体基板３２上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ３３および送受信用ループアンテナ３４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ３３および送受信用ループアンテナ３４は、誘電体基板３２の表面に印刷形成により設けられている。なお、図示していないが、図２に示した共振用コンデンサ１４と同様の共振用コンデンサが、送受信用ループアンテナ３４の両端に接続される。
【００６５】
また、この第３実施形態でも、励振用ループアンテナ３３が１回巻きのループ部３３ａを有し、送受信用ループアンテナ３４が複数回巻きのループ部３４ａを有する構成となっているが、特にここでは、励振用ループアンテナ３３のループ部３３ａが、送受信用ループアンテナ３４のループ部３４ａの外側に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４との間の結合係数Ｋは略０．５となり、図１２からも理解されるように、良好な通信性能を実現することができる。
【００６６】
なお、励振用ループアンテナ３３の末端（接続端子）３３ｂおよび送受信用ループアンテナ３４の末端（接続端子）３４ｂはそれぞれ、誘電体基板３２の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示した例と同様に、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。また、図１９に示すように、送受信用ループアンテナ２４の引出部３４ｃが、励振用ループアンテナ３３のループ部３３ａと干渉しないように、誘電体基板２２の裏面側に迂回して配設されている。
【００６７】
以上のように本第３実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ３１は、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４とを誘電体基板３２の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。
【００６８】
なお、前記の第１〜第３の各実施形態では、励振用ループアンテナ１２，２３，３３および送受信用ループアンテナ１３，２４，３４を矩形をなすものとしたが、本発明における励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナはこのような形態に限定されるものではなく、例えば円形や楕円形をなすものでもよく、このような形態でも同様の効果が得られる。
【００６９】
また、前記の第１実施形態にかかる送受信装置２では、図１に示したように、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続する構成としたが、第２、第３の各実施形態にかかる送受信アンテナ２１，３１を用いた送受信装置でも、同様に、送受信用ループアンテナ２４，３４と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続した構成とするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明にかかる送受信装置は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる効果を有し、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 無線通信媒体
２ 送受信装置
４，２１，３１ 送受信アンテナ
８ 送信処理部
９ 受信処理部
１０ 制御部
１１ 誘電体基板
１２，２３，３３ 励振用ループアンテナ
１２ａ，２３ａ，３３ａ ループ部
１３，２４，３４ 送受信用ループアンテナ
１３ａ，２３ａ，３３ａ ループ部
１３ａａ 内側ループ部
１３ａｂ 外側ループ部
１４ 共振用コンデンサ
１９ カップリングコンデンサ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、個人認証システム、および電子マネーシステムなどにおいて、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体を用いて、物品の識別や個人認証などを行う技術が広く普及している。このような無線通信媒体を利用したシステムでは、無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置が用いられているが、種類が異なるシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で共用することができると都合がよい。
【０００３】
ところが、システムの種類が異なると、無線通信媒体の通信方式も異なる場合があり、この場合、送受信装置との間での通信で用いられる帯域幅も異なることがあるため、送受信装置において周波数特性の広帯域化が望まれる。そこで、このような要望にこたえるべく、送受信アンテナの送受信経路に介在させた複数の抵抗体（抵抗値）を順次切り換えることで周波数特性の広帯域化を図るようにした技術が知られている（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００７−１９９８７１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、前記従来の技術では、送受信アンテナの送受信経路に常時抵抗体が介在する結果として、抵抗体による電力損失が生じて、消費電力を大きくしてしまうという問題が生じる。
【０００６】
本発明は、このような従来技術の問題点を解消するべく案出されたものであり、その主な目的は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができるように構成された送受信装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の送受信装置は、送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続された構成とする。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができ、通信方式が異なる別のシステムの無線通信媒体との通信を１台の送受信装置で対応することが可能になる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】本発明の第１実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図
【図２】送受信アンテナ４を示す斜視図
【図３】送受信アンテナ４の要部斜視図
【図４】送受信アンテナ４の要部平面図
【図５】図４のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ４の要部断面図
【図６】送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図
【図７】送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図
【図８】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図
【図９】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図
【図１０】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図
【図１１】結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図
【図１２】励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図
【図１３】送受信装置２の要部模式図
【図１４】本発明の第２実施形態にかかる送受信アンテナ２１を示す斜視図
【図１５】送受信アンテナ２１の要部斜視図
【図１６】送受信アンテナ２１の要部平面図
【図１７】図１６のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ２１の要部断面図
【図１８】本発明の第３実施形態にかかる送受信アンテナ３１を示す斜視図
【図１９】送受信アンテナ３１の要部斜視図
【図２０】送受信アンテナ３１の要部平面図
【図２１】図２０のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ３１の要部断面図
【発明を実施するための形態】
【００１０】
前記課題を解決するためになされた第１の発明は、送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続された構成とする。
【００１１】
これによると、送信信号が励振用ループアンテナに入力されると、その送信信号が磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに伝達され、このとき送信信号が増幅されて送受信用ループアンテナから出力される。
【００１２】
この構成により、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接配置して、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの結合係数を比較的大きく設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができる。また、周波数特性の広帯域化のために送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させる必要がないため、消費電力が増大することを避けることができる。
【００１３】
特に、励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナにそれぞれ流れる電流が互いに逆向きとなるため、励振用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束が、送受信用ループアンテナに流れる電流で生じる磁束を弱めるように作用するが、送受信用ループアンテナを複数回のループを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナを１回巻きのループを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを抑制することができ、これにより、励振用ループアンテナの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナから十分な強度の送信信号が出力されるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１４】
また、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナから送受信用ループアンテナに送信信号を伝達して増幅するため、送信信号の受信処理部への回り込みが発生して、受信処理部での受信信号の処理の支障となるおそれがあるが、送受信用ループアンテナと受信処理部とをカップリングコンデンサを介して接続することで、受信処理部に回り込む送信信号の強度が低くなるため、受信処理部での受信信号の処理を適切に行うことができる。
【００１５】
また、第２の発明は、前記第１の発明において、前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定された構成とする。
【００１６】
これによると、励振用ループアンテナの磁束により送受信用ループアンテナの磁束が弱められることを十分に抑制して、送受信用ループアンテナから出力される送信信号の強度を高めることができるため、消費電力を低く抑えることができる。
【００１７】
また、第３の発明は、前記第１若しくは第２の発明において、前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定された構成とする。
【００１８】
これによると、送信性能と受信性能とを両立させた高い総合通信性能を実現することができる。
【００１９】
また、第４の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナを構成する内側ループ部とその外側に配置された外側ループ部との間に配置された構成とする。
【００２０】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．７と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２１】
また、第５の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの内側に配置された構成とする。
【００２２】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．５と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２３】
また、第６の発明は、前記第１乃至第３の発明において、前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの外側に配置された構成とする。
【００２４】
これによると、励振用ループアンテナと送受信用ループアンテナとの間の結合係数Ｋを例えば略０．５と比較的大きく設定することができ、周波数特性の広帯域化を実現することができる。
【００２５】
以下、本発明の実施の形態を、図面を参照しながら説明する。
【００２６】
（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態にかかる送受信装置が適用された送受信システムを示す全体構成図である。この送受信システムは、物流システム、交通システム、商品管理システム、書籍管理システム、および個人認証システム等に活用されるものであり、無線通信媒体１と、この無線通信媒体１に電力を供給するとともに、その無線通信媒体１との間で信号を送受信する送受信装置２とを有している。
【００２７】
無線通信媒体１は、商品や書籍に貼付されたＩＣタグや、個人認証等に用いられる非接触ＩＣカード等の周知のものであり、その詳しい説明は省略するが、送受信用ループアンテナ３と、それに接続された制御ＩＣ（図示せず）により構成されており、例えば１３．５６ＭＨｚの周波数帯を利用して送受信装置２との間で通信を行う。
【００２８】
送受信装置２は、送受信アンテナ４と、この送受信アンテナ４に接続されたリーダライタ装置５と、このリーダライタ装置５に接続された制御装置６とにより構成され、制御装置６はネットワーク回線７に接続されている。リーダライタ装置５は、送受信アンテナ４に送信信号を出力する送信処理部８と、送受信アンテナ４からの受信信号が入力される受信処理部９と、送信処理部８および受信処理部９を制御する制御部１０とにより構成され、制御部１０は制御装置６に接続されている。
【００２９】
送受信アンテナ４は、誘電体基板１１と、この誘電体基板１１上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３と、この送受信用ループアンテナ１３の両端に接続された共振用コンデンサ１４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３は、誘電体基板１１の表面に印刷形成により設けられている。
【００３０】
励振用ループアンテナ１２には、フィルタ回路１７を介してリーダライタ装置５の送信処理部８が接続され、また送受信用ループアンテナ１３には、フィルタ回路１８を介してリーダライタ装置５の受信処理部９が接続されている。
【００３１】
また、この送受信装置２においては、送受信用ループアンテナ１３で受信した信号を受信処理部９に導く受信信号路上にカップリングコンデンサ１９が設けられている。特にここでは、フィルタ回路１８と受信処理部９との間にカップリングコンデンサ１９が設けられている。
【００３２】
この送受信装置２においては、送信処理部８からの送信信号が、フィルタ回路１７を介して励振用ループアンテナ１２に入力され、これに応じて励振用ループアンテナ１２に生じる電流による磁気誘導で、送信信号が励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達されて、この送受信用ループアンテナ１３から送信信号が無線通信媒体１に送信される。無線通信媒体１では、送受信用ループアンテナ１３からの送信信号を送受信用ループアンテナ３で受信し、これにより受信と電力供給が行われる。
【００３３】
一方、無線通信媒体１からの送信信号は、送受信用ループアンテナ１３で受信され、その受信信号が、フィルタ回路１８とカップリングコンデンサ１９を介して受信処理部９に入力される。
【００３４】
図２は、送受信アンテナ４を示す斜視図である。図３は、送受信アンテナ４の要部斜視図である。図４は、送受信アンテナ４の要部平面図である。図５は、図４のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ４の要部断面図である。なお、図３〜図５は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板１１を省略して示している。
【００３５】
送受信アンテナ４の励振用ループアンテナ１２は、図２〜図５に示すように、１回巻きの矩形状のループ部１２ａを有し、また送受信用ループアンテナ１３は、複数回（ここでは４回）巻きの矩形状のループ部１３ａを有している。励振用ループアンテナ１２は、送受信用ループアンテナ１３のループ部１３ａを構成する内側ループ部１３ａａと外側ループ部１３ａｂとの間に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが略０．７となり、後に説明するように、良好な通信性能を実現することができる。
【００３６】
なお、図２に示すように、励振用ループアンテナ１２の末端（接続端子）１２ｂおよび送受信用ループアンテナ１３の末端（接続端子）１３ｂはそれぞれ、誘電体基板１１の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示したように、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。
【００３７】
また、図３に示すように、励振用ループアンテナ１２の引出部１２ｃが、送受信用ループアンテナ１３の外側ループ部１３ａｂと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。また、送受信用ループアンテナ１３の一方の引出部１３ｃが、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａおよび送受信用ループアンテナ１３の外側ループ部１３ａｂと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。また、送受信用ループアンテナ１３の内側ループ部１３ａａと外側ループ部１３ａｂとを結ぶ接続部１３ｄが、励振用ループアンテナ１２のループ部１２ａと干渉しないように、誘電体基板１１の裏面側に迂回して配設されている。
【００３８】
次に、送受信アンテナ４の特性について等価回路を用いて説明する。図６は、送受信アンテナ４をトランス回路を用いて表現した等価回路を示す図である。図７は、送受信アンテナ４をコイルを用いて表現した等価回路を示す図である。
【００３９】
励振用ループアンテナ１２が有するインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３が有するインダクタンス値Ｌ２との間には、電磁結合による相互誘導Ｍが存在する。相互誘導Ｍとインダクタンス値Ｌ１およびインダクタンス値Ｌ２との間には次式が成り立つ。
Ｍ＝Ｋ×√（Ｌ１×Ｌ２） （式１）
ここで、結合係数Ｋは、０≦Ｋ≦１の範囲の値となる。式１より明らかなように、結合係数Ｋが大きい程、相互誘導Ｍの値は大きくなる。
【００４０】
ここで、励振用ループアンテナ１２に一次側電流Ｉ１が流れると、この一次側電流Ｉ１により生じる磁束により、相互誘導Ｍを介して、送受信用ループアンテナ１３の開放端に誘起電圧Ｖ２が生じる。送受信用ループアンテナ１３の開放端には共振用コンデンサ１４（Ｃ１）が接続されているため、インダクタンスＬ２とコンデンサＣ１からなる閉回路に二次側電流Ｉ２が流れる。
【００４１】
図８は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１の周波数特性との関係を示す図である。図９は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋと、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２の周波数特性との関係を示す図である。
【００４２】
図８から明らかなように、一次側電流Ｉ１は共振周波数ｆｏ（ここでは、１３．５６ＭＨｚ）でピーク値（最小値）をとり、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて、一次側電流Ｉ１のピーク値が小さくなり、これに伴って一次側電流Ｉ１の値が全帯域で小さくなっており、特に共振周波数ｆｏから離れた周波数でも一次側電流Ｉ１の値が小さくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４３】
また、図９から明らかなように、二次側電流Ｉ２は共振周波数ｆｏでピーク値（最大値）をとり、この二次側電流Ｉ２のピーク値と、その近傍の周波数での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から０．４の範囲で、結合係数Ｋの値が大きくなるのに応じて大きくなるが、結合係数Ｋの値が０．４を超えると逆に小さくなる。一方、共振周波数ｆｏから離れた周波数帯での二次側電流Ｉ２の値は、結合係数Ｋの値が０．１から１．０に向けて大きくなるのに応じて一様に大きくなっており、周波数帯域が広がっていることが分かる。
【００４４】
次に、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３から発生する磁束（磁界強度）について説明する。一般的にコイル導体を流れる電流Ｉにより発生する磁界強度Ｈとコイル導体のインダクタンスＬとは次式の関係を有している。
Ｈ∝Ｌ×Ｉ （式２）
すなわち、磁界強度Ｈはインダクタンス値Ｌとコイル導体を流れる電流Ｉの積に比例する。
【００４５】
したがって、共振周波数ｆｏおいて、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１により発生する磁界強度Ｈ１は、励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と一次側電流Ｉ１の積に比例する。同様に、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２により発生する磁界強度Ｈ２は、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２と二次側電流Ｉ２の積に比例する。
【００４６】
ここで、図４に示したように、励振用ループアンテナ１２に流れる一次側電流Ｉ１と、送受信用ループアンテナ１３に流れる二次側電流Ｉ２とは、電流の向きが逆方向となるため、励振用ループアンテナ１２および送受信用ループアンテナ１３にそれぞれ発生する磁束の向きも逆方向となり、相殺現象が生じる。この相殺現象を考慮した送受信アンテナ４としての磁界強度Ｈは、送受信用ループアンテナ１３の磁界強度Ｈ２から、励振用ループアンテナ１２の磁界強度Ｈ１を減じた値となる。換言すると、励振用ループアンテナ１２に電流が流れる結果として発生する磁束が、送受信用ループアンテナ１３に電流が流れる結果として発生する磁束を弱める状態となる。
【００４７】
そこで、本第１実施形態においては、送受信用ループアンテナ１３を複数回のループ部１３ａを有する構成とする一方で、励振用ループアンテナ１２を１回巻きのループ部１２ａを有する構成とすることで、送受信用ループアンテナ１３の磁束が弱められることを抑制するようにしている。これにより、励振用ループアンテナ１２からの送信パワーを高めなくても、送受信用ループアンテナ１３からは十分な磁束が発生するため、消費電力を低く抑えることができる。
【００４８】
本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３の巻き数を４としたが、この送受信用ループアンテナ１３の巻き数はこれに限定されるものではなく、適宜に設定すればよいが、特に励振用ループアンテナ１２のインダクタンス値Ｌ１と、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定するとよい。
【００４９】
図１０は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに応じた送信出力および受信感度の周波数特性を示す図である。ここで、送信出力および受信感度は、図９に示した二次側電流Ｉ２の特性に、送受信用ループアンテナ１３のインダクタンス値Ｌ２を乗じた値と略同一となる。図１１は、結合係数Ｋ＝０．７の場合の周波数特性と、抵抗Ｒを用いて周波数特性の広帯域化を図った従来例による周波数特性とを示す図である。
【００５０】
図１１に示すように、本実施形態（Ａ線）と従来例（Ｂ線）とを比較すると、本実施形態では送信電力及び受信感度が従来例よりも高く、しかも周波数特性が広帯域であることが分かる。このように本実施形態では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを適切に設定することで、周波数特性の広帯域化を図ることができ、従来例のように送受信アンテナの送受信経路に抵抗体を介在させてはいないので、消費電力を低く抑えることができる。
【００５１】
次に、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋの最適値について説明する。図１２は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との間の結合係数Ｋに関する通信総合評価を示す図である。ここでは、結合係数Ｋをパラメータとして、無線通信媒体１に信号を送信する際の送信性能をＡ線で、無線通信媒体１からの応答信号を受信する際の受信性能をＢ線で、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能をＣ線でそれぞれ示している。
【００５２】
送信性能（Ａ線）は、結合係数Ｋ＝０．３〜０．７の範囲で良好な結果を示しており、受信性能（Ｂ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．９の範囲で良好な結果を示している。よって、送信性能および受信性能の双方を勘案した総合通信性能（Ｃ線）は、結合係数Ｋ＝０．５〜０．７の範囲で最適となる。本第１実施形態の構成では、前記のように、結合係数Ｋが概ね０．７となることから、良好な通信性能を実現することができる。
【００５３】
以上のように本第１実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ４は、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを誘電体基板１１の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。このため、例えばノート型パーソナルコンピュータや携帯情報端末、携帯電話等に搭載することも可能になる。
【００５４】
次に、図１３を参照して、受信信号路上に設けたカップリングコンデンサ１９について説明する。図１３は、送受信装置２の要部模式図である。
【００５５】
送受信アンテナ４では、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３とを近接させて、磁気誘導により励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に送信信号を伝達して増幅するようにしている。このため、励振用ループアンテナ１２から送受信用ループアンテナ１３に伝達される送信信号が受信処理部９に回り込む。一方、送受信用ループアンテナ１３では無線通信媒体１から送信される信号を受信し、その受信信号が受信処理部９に入力される。よって、送受信用ループアンテナ１３自体は無給電であるが、送信信号と受信信号との間で大きな信号強度のレベル差が生じる。
【００５６】
特に、前記のように、励振用ループアンテナ１２と送受信用ループアンテナ１３との結合係数Ｋを０．５から０．７の範囲とすると、受信処理部９に回り込む送信信号の信号強度が受信信号より高くなることがあり、この場合、送信信号が受信処理部９での受信信号の処理の支障となる。
【００５７】
そこで、本第１実施形態では、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続するようにしている。これにより、受信処理部９に回り込む送信信号の強度が低くなるため、送信信号と受信信号との干渉を抑制し、受信処理部９での受信信号の処理を正常に行うことができる。カップリングコンデンサ１９には、送信信号および受信信号の周波数などの特性に基づいて、送信信号に対して高周波的に高いインピーダンスとなるような所要の容量（例えば３ｐＦ）のものが用いられる。
【００５８】
（第２実施形態）
図１４は、本発明の第２実施形態にかかる送受信アンテナ２１を示す斜視図である。図１５は、送受信アンテナ２１の要部斜視図である。図１６は、送受信アンテナ２１の要部平面図である。図１７は、図１６のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ２１の要部断面図である。なお、図１５〜図１７では、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板２２を省略して示している。
【００５９】
図１４〜図１７に示すように、この第２実施形態でも、送受信アンテナ２１は、誘電体基板２２と、この誘電体基板２２上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ２３および送受信用ループアンテナ２４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ２３および送受信用ループアンテナ２４は、誘電体基板２２の表面に印刷形成により設けられている。なお、図示していないが、図２に示した共振用コンデンサ１４と同様の共振用コンデンサが、送受信用ループアンテナ２４の両端に接続される。
【００６０】
また、この第２実施形態でも、励振用ループアンテナ２３が１回巻きのループ部２３ａを有し、送受信用ループアンテナ２４が複数回巻きのループ部２４ａを有する構成となっているが、特にここでは、励振用ループアンテナ２３のループ部２３ａが、送受信用ループアンテナ２４のループ部２４ａの内側に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４との間の結合係数Ｋは略０．５となり、図１２からも理解されるように、良好な通信性能を実現することができる。
【００６１】
なお、励振用ループアンテナ２３の末端（接続端子）２３ｂおよび送受信用ループアンテナ２４の末端（接続端子）２４ｂはそれぞれ、誘電体基板２２の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示した例と同様に、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。また、図１５に示すように、送受信用ループアンテナ２４のループ部２４ａが、励振用ループアンテナ２３の引出部２３ｃと干渉しないように、誘電体基板２２の裏面側に迂回して配設されている。
【００６２】
以上のように本第２実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ２１は、励振用ループアンテナ２３と送受信用ループアンテナ２４とを誘電体基板２２の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。
【００６３】
（第３実施形態）
図１８は、本発明の第３実施形態にかかる送受信アンテナ３１を示す斜視図である。図１９は、送受信アンテナ３１の要部斜視図である。図２０は、送受信アンテナ３１の要部平面図である。図２１は、図２０のА−Ａ線で切断した送受信アンテナ３１の要部断面図である。なお、図１９〜図２１では、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４の構造及び相互関係が明確になるように、誘電体基板３２を省略して示している。
【００６４】
図１８〜図２１に示すように、この第３実施形態でも、送受信アンテナ３１は、誘電体基板３２と、この誘電体基板３２上に互いに非接触状態で近接配置された励振用ループアンテナ３３および送受信用ループアンテナ３４と、を備えた構成となっている。励振用ループアンテナ３３および送受信用ループアンテナ３４は、誘電体基板３２の表面に印刷形成により設けられている。なお、図示していないが、図２に示した共振用コンデンサ１４と同様の共振用コンデンサが、送受信用ループアンテナ３４の両端に接続される。
【００６５】
また、この第３実施形態でも、励振用ループアンテナ３３が１回巻きのループ部３３ａを有し、送受信用ループアンテナ３４が複数回巻きのループ部３４ａを有する構成となっているが、特にここでは、励振用ループアンテナ３３のループ部３３ａが、送受信用ループアンテナ３４のループ部３４ａの外側に配置されている。この構成により、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４との間の結合係数Ｋは略０．５となり、図１２からも理解されるように、良好な通信性能を実現することができる。
【００６６】
なお、励振用ループアンテナ３３の末端（接続端子）３３ｂおよび送受信用ループアンテナ３４の末端（接続端子）３４ｂはそれぞれ、誘電体基板３２の側縁部まで引き出されており、ここに、図１に示した例と同様に、フィルタ回路１７，１８を介して送信処理部８および受信処理部９が接続される。また、図１９に示すように、送受信用ループアンテナ２４の引出部３４ｃが、励振用ループアンテナ３３のループ部３３ａと干渉しないように、誘電体基板２２の裏面側に迂回して配設されている。
【００６７】
以上のように本第３実施形態によれば、上記の構成により、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４との結合係数Ｋが比較的大きく設定されるため、周波数特性の広帯域化を実現することができる。また、送受信アンテナ３１は、励振用ループアンテナ３３と送受信用ループアンテナ３４とを誘電体基板３２の表面に印刷形成したものであるので、薄型化を図ることもできる。
【００６８】
なお、前記の第１〜第３の各実施形態では、励振用ループアンテナ１２，２３，３３および送受信用ループアンテナ１３，２４，３４を矩形をなすものとしたが、本発明における励振用ループアンテナおよび送受信用ループアンテナはこのような形態に限定されるものではなく、例えば円形や楕円形をなすものでもよく、このような形態でも同様の効果が得られる。
【００６９】
また、前記の第１実施形態にかかる送受信装置２では、図１に示したように、送受信用ループアンテナ１３と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続する構成としたが、第２、第３の各実施形態にかかる送受信アンテナ２１，３１を用いた送受信装置でも、同様に、送受信用ループアンテナ２４，３４と受信処理部９とをカップリングコンデンサ１９を介して接続した構成とするとよい。
【産業上の利用可能性】
【００７０】
本発明にかかる送受信装置は、消費電力を増大させることなく、周波数特性の広帯域化を図ることができる効果を有し、ＩＣタグや非接触ＩＣカードなどの無線通信媒体に電力を供給するとともにその無線通信媒体との間で信号を送受信する送受信装置などとして有用である。
【符号の説明】
【００７１】
１ 無線通信媒体
２ 送受信装置
４，２１，３１ 送受信アンテナ
８ 送信処理部
９ 受信処理部
１０ 制御部
１１ 誘電体基板
１２，２３，３３ 励振用ループアンテナ
１２ａ，２３ａ，３３ａ ループ部
１３，２４，３４ 送受信用ループアンテナ
１３ａ，２３ａ，３３ａ ループ部
１３ａａ 内側ループ部
１３ａｂ 外側ループ部
１４ 共振用コンデンサ
１９ カップリングコンデンサ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、
前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、
前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続されたことを特徴とする送受信装置。
【請求項２】
前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の送受信装置。
【請求項３】
前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の送受信装置。
【請求項４】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナを構成する内側ループ部とその外側に配置された外側ループ部との間に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【請求項５】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの内側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【請求項６】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの外側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【請求項１】
送受信アンテナと、この送受信アンテナに送信信号を出力する送信処理部と、前記送受信アンテナからの受信信号が入力される受信処理部と、前記送信処理部および前記受信処理部を制御する制御部と、を有し、
前記送受信アンテナは、誘電体基板と、この誘電体基板に設けられた１回巻きのループ部を有する励振用ループアンテナと、この励振用ループアンテナとは非接触状態で近接配置された複数回巻きのループ部を有する送受信用ループアンテナと、この送受信用ループアンテナの両端に接続された共振用コンデンサと、を備え、
前記励振用ループアンテナは、前記送信処理部に接続され、前記送受信用ループアンテナは、カップリングコンデンサを介して前記受信処理部と接続されたことを特徴とする送受信装置。
【請求項２】
前記励振用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ１と、前記送受信用ループアンテナのインダクタンス値Ｌ２とが、Ｌ２≧１０×Ｌ１の条件を満足するように設定されたことを特徴とする請求項１に記載の送受信装置。
【請求項３】
前記励振用ループアンテナと前記送受信用ループアンテナとの間の相互誘導による電磁結合の結合係数Ｋが０．５から０．７の範囲に収まるように設定されたことを特徴とする請求項１若しくは請求項２に記載の送受信装置。
【請求項４】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナを構成する内側ループ部とその外側に配置された外側ループ部との間に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【請求項５】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの内側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【請求項６】
前記励振用ループアンテナが、前記送受信用ループアンテナの外側に配置されたことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の送受信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図１６】
【図１７】
【図１８】
【図１９】
【図２０】
【図２１】
【公開番号】特開２０１２−１６９９１４（Ｐ２０１２−１６９９１４Ａ）
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２９８５３（Ｐ２０１１−２９８５３）
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【特許番号】特許第４８５０９７５号（Ｐ４８５０９７５）
【特許公報発行日】平成２４年１月１１日（２０１２．１．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【復代理人】
【識別番号】１００１３５３４５
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 政彦
【復代理人】
【識別番号】１００１４２４５７
【弁理士】
【氏名又は名称】立川 幸男
【復代理人】
【識別番号】１００１５８８１６
【弁理士】
【氏名又は名称】高尾 智満
【復代理人】
【識別番号】１００１６２４４４
【弁理士】
【氏名又は名称】勝見 陽介
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月６日（２０１２．９．６）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月１５日（２０１１．２．１５）
【特許番号】特許第４８５０９７５号（Ｐ４８５０９７５）
【特許公報発行日】平成２４年１月１１日（２０１２．１．１１）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【復代理人】
【識別番号】１００１３５３４５
【弁理士】
【氏名又は名称】木村 政彦
【復代理人】
【識別番号】１００１４２４５７
【弁理士】
【氏名又は名称】立川 幸男
【復代理人】
【識別番号】１００１５８８１６
【弁理士】
【氏名又は名称】高尾 智満
【復代理人】
【識別番号】１００１６２４４４
【弁理士】
【氏名又は名称】勝見 陽介
【Ｆターム（参考）】
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