JP6699492B2 - 無線通信装置 - Google Patents

Description

本発明は無線通信装置に関し、より詳しくは、非接触ＩＣカードや非接触ＩＣチップなどと無線通信を行う無線通信装置に関する。

非接触ＩＣカードや非接触ＩＣチップなどと無線通信を行うリーダライタ装置などの無線通信装置はアンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を用いて無線通信を行う。

このような、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を用いて通信を行う無線通信装置においては、出荷時にそのアンテナについて最適な調整（例えば、アンテナの共振周波数を１３．５６ＭＨｚに調整）が実施される。このとき、アンテナ近辺には非接触ＩＣカードや別のアンテナなどが無く、調整対象のアンテナに対して特性が変化していない環境・状態（以下、無負荷状態と言う）を条件としている。

しかし、無線通信装置の設置後、アンテナコイルのインダクタンスに温度変化や経時変化が生じることがある。アンテナコイルのインダクタンスが変化すると、共振回路の共振周波数が変化し、無線通信装置の通信性能が劣化する。

このような問題に対処した無線通信装置として、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を用いて通信を行う無線通信装置であって、アンテナコイルと、前記アンテナコイルと共振回路を形成するコンデンサと、前記アンテナコイルのインダクタンスを検出するインダクタンス検出部と、前記インダクタンス検出部での検出結果に基づいて、コンデンサのキャパシタンスを変化させることで、前記共振回路の共振周波数を補正する共振周波数補正部とを備える無線通信装置がある（特許文献１）。

特開２０１２−１１４８２２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された無線通信装置では、共振周波数のみ調整し、インピーダンスを調整していないため、以下の問題がある。即ち、無線通信装置に非接触ＩＣカードや非接触ＩＣチップなどの負荷となる物体が接近すると、互いのアンテナコイルが電磁的に結合することで、無線通信装置のアンテナの入力側（無線周波増幅部の出力側）から見たインピーダンスが無負荷状態での最適な調整による整合状態からずれた不整合状態となる。

不整合状態になると、無線通信装置の消費電流が変化し、消費電流の増加による温度上昇を招くおそれがある。また、共振周波数が変化し、通信性能が低下する。なお、非接触ＩＣカードなどの通信相手機器だけでなく、無線通信装置の近辺に存在する金属物体も使用時の不整合状態をもたらす負荷となる。

本発明はこのような問題を解決するためになされたものであり、その目的は、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を用いて無線通信を行う無線通信装置において、装置の使用時に負荷に起因する不整合状態を補正することである。

本発明は、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路からなるアンテナ部と、搬送波を変調する変調部と、前記変調部の出力を増幅する無線周波増幅部と、前記無線周波増幅部と前記アンテナ部とのマッチングを行う整合回路部と、無負荷状態での前記無線周波増幅部の出力の位相及び強度である無負荷時位相及び無負荷時強度を表す情報を記憶する無負荷時情報記憶手段と、使用時の前記無線周波増幅部の位相及び強度である使用時位相及び使用時強度を検出する使用時情報検出手段と、前記使用時位相、前記使用時強度が、それぞれ前記無負荷時位相、無負荷時強度と等しくなるように、前記共振回路の共振周波数、前記整合回路部のインピーダンスを調整する調整手段と、を有する無線通信装置である。

本発明によれば、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を用いて無線通信を行う無線通信装置において、装置の使用時に負荷に起因する不整合状態を補正することができる。

本発明の実施形態に係る無線通信装置の概略構成を示すブロック図である。 図１における制御部及び送受信部の要部のブロック図である。 図２における整合回路部の回路構成の一例及びアンテナ部の等価回路を示す図である。 本発明の実施形態に係る無線通信装置における製品使用時の不整合状態を補正する手順の一例を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して詳細に説明する。
〈無線通信装置の概略構成〉
図１は、本発明の実施形態に係る無線通信装置の概略構成を示すブロック図である。この無線通信装置は、非接触ＩＣカードや非接触ＩＣチップなどと無線通信を行うリーダライタ装置である。

図示のように、このリーダライタ装置１は、制御部２、送受信部３、及びアンテナ部４を備えている。

制御部２は、ＣＰＵ及び記憶装置を備えている。ＣＰＵは、記憶装置に記憶されているプログラムを実行することにより、処理を実行することに加え、リーダライタ装置１全体の動作を制御する。記憶装置は、ＲＯＭ、ＲＡＭ、フラッシュメモリ等の公知の記憶装置の単独又は組み合わせからなる。

送受信部３は、非接触ＩＣカードなどと通信する際、所定の周波数（例．１３．５６ＭＨｚ）の搬送波を制御部２で生成されるベースバンドデータにより変調し、増幅し、アンテナ部４へ送出する。また、送受信部３は、アンテナ部４で受信された非接触ＩＣカードなどからの無線周波信号中のデータを復調して、制御部２へ送る。アンテナ部４は、アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路を構成しており、共振周波数が搬送波の周波数と一致するように、アンテナコイルのインダクタンス、及びコンデンサのキャパシタンスが設定されている。

このリーダライタ装置１は、装置の不整合状態を検出すると、共振回路の共振周波数及び／又は整合回路部のインピーダンスを調整することで、不整合状態を補正する機能を備えている。この機能の詳細については後述する。

〈制御部及び送受信部の要部〉
図２は、図１における制御部２及び送受信部３の要部のブロック図である。このブロック図は、前述した不整合状態を補正する機能を実行する際に動作する部分である。

図示のように、制御部２は、第１乃至第３のバンドパスフィルタ２１乃至２３、及び判断・処理部２４を備えている。また、送受信部３は、変調部３１、無線周波増幅部３２、ローパスフィルタ３３、整合回路部３４、及び第１乃至第３の発振部３５乃至３７を備えている。

第１の発振部３５は搬送波となる所定の周波数（例．１３．５６ＭＨｚ）の正弦波を発生する。第２の発振部３６、第３の発振部３７は、それぞれ搬送波の２倍の周波数、３倍の周波数の正弦波を発生する。

変調部３１は、第１の発振部３５から出力される搬送波をデータにより変調して変調波とし、無線周波増幅部３２へ送出する。無線周波増幅部３２は、変調波を増幅し、ローパスフィルタ３３へ送出する。ローパスフィルタ３３は、無線周波増幅部３２の出力から高調波成分などを除去する。ローパスフィルタ３３の出力は、整合回路部３４を通り、アンテナ部４から送信される。

整合回路部３４は、アンテナ部４とのインピーダンスマッチングを取るための回路である。アンテナ部４は、アンテナコイル及びコンデンサからなる共振回路を構成しており、非接触ＩＣカードや非接触ＩＣチップなどのアンテナコイルとの間で電磁誘導を利用した無線通信を行う。

図３に整合回路部３４の回路構成の一例、及びアンテナ部４の等価回路を示す。ここでは、整合回路部３４は、ローパスフィルタ３３とアンテナ部４との間に直列接続された可変容量コンデンサからなる。また、アンテナ部４は、アンテナコイル、可変容量コンデンサ、及び抵抗成分の並列回路からなる。これらの可変容量コンデンサのキャパシタンスは制御部２内の判断・処理部２４からの制御電圧により変化させることができ、そのキャパシタンスの調整により、整合回路部３４のインピーダンス、アンテナ部４の共振周波数を調整することができる。

第１のバンドパスフィルタ２１、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３は、それぞれ無線周波増幅部３２の出力から、搬送波の周波数（以下、基本波）、搬送波の２倍の周波数（以下、２倍波）、搬送波の３倍の周波数（以下、３倍波）を抽出する。半導体素子を用いた増幅回路は非線形特性を持つため、２倍波、３倍波などの高調波成分が発生する。

判断・処理部２４は、製品出荷時などの無負荷状態での第１のバンドパスフィルタ２１、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３の出力の位相及び強度と、製品使用時の第１のバンドパスフィルタ２１、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３の出力の位相及び強度を比較して、無負荷状態で調整した整合状態からずれた不整合状態を検出し、整合回路部３４及びアンテナ部４を調整して、無負荷状態の位相及び強度に合わせることで、不整合状態を補正する。

〈不整合状態の補正〉
図４は、本発明の実施形態に係る無線通信装置における製品使用時の不整合状態を補正する手順の一例を示すフローチャートである。以下、図２乃至図４を参照して、リーダライタ装置１が、使用時の不整合状態を補正する手順の一例について説明する。

最初に制御部２のＣＰＵは記憶装置から初期状態情報を読み出す（ステップＳ１）。初期状態情報とは、出荷時に無負荷状態で制御部２内の記憶装置に書き込まれた第１の位相情報（以下、「位相i」と記載することがある）、第２の位相情報（以下、「位相ii」と記載することがある）、第１の強度情報（以下、「信号強度i」と記載することがある）、第２の強度情報（以下、「信号強度ii」と記載することがある）である。

ここで、位相i、信号強度iは、変調部３１から送出させた無変調の搬送波（キャリア）を無線周波増幅部３２で増幅し、第１のバンドパスフィルタ２１で抽出した搬送波の位相情報、強度情報である。この位相情報は、第１のバンドパスフィルタ２１で抽出された搬送波（基本波成分）を第１の発振部３５の出力を基準として位相検波することで取得される。また、強度情報は、第１のバンドパスフィルタ２１で抽出された搬送波を振幅検波することで取得される。

また、位相ii、信号強度iiは、変調部３１から送出させた無変調の搬送波（キャリア）を無線周波増幅部３２で増幅し、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３で抽出した搬送波の位相情報、強度情報である。この位相情報は、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３で抽出された２倍波、３倍波を、それぞれ第２の発振部３６の出力、第３の発振部３７の出力を基準として位相検波することで取得される。また、強度情報は、第２のバンドパスフィルタ２２、第３のバンドパスフィルタ２３で抽出された２倍波、３倍波を、それぞれ振幅検波することで取得される。

次に制御部２内のＣＰＵは、変調部３１から無変調の搬送波（キャリア）を送出させる（ステップＳ２：Ｒ／Ｗスタンバイ）。次いで、判断・処理部２４は、第１のバンドパスフィルタ２１の出力を第１の発振部３５の出力を基準として位相検波することにより、基本波の位相情報を取得し、さらに位相iと比較し、位相が一致しているか否かを判断する（ステップＳ３）。

位相が一致していなかった場合は（ステップＳ３：≠位相i）、位相が一致するまで、アンテナ部４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整する（ステップＳ４→ステップＳ３）。位相が一致していた場合は（ステップＳ３：＝位相i）、第１のバンドパスフィルタ２１の出力を振幅検波することにより、基本波の強度情報を取得し、さらに信号強度iと比較し、強度が一致しているか否かを判断する（ステップＳ５）。

強度が一致していなかった場合は（ステップＳ５：≠信号強度i）、強度が一致するまで、整合回路部３４の可変コンデンサの容量を調整する（ステップＳ６→Ｓ５）。強度が一致していた場合は（ステップＳ５：＝信号強度i）、再度、第１のバンドパスフィルタ２１の出力を第１の発振部３５の出力を基準として位相検波することにより、基本波の位相情報を取得し、さらに位相iと比較し、位相が一致しているか否かを判断する（ステップＳ７）。

位相が一致していなかった場合は（ステップＳ７：≠位相i）、アンテナ部４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整し、ステップＳ３に戻る。この手順を行うことで、位相調整により基本波成分の位相が一致した後に、強度調整により位相がずれてしまった場合の位相ずれを補正することができる。

位相が一致していた場合は（ステップＳ７：＝位相i）、高調波成分の調整に移行する。なお、本実施形態では、調整対象の高調波成分は２倍波、３倍波であり、順次に調整するが、便宜上、以下の手順では２倍波のみについて説明する。

判断・処理部２４は、第２のバンドパスフィルタ２２の出力を第２の発振部３６の出力を基準として位相検波することにより、２倍波の位相情報を取得し、さらに位相iiと比較し、位相が一致しているか否かを判断する（ステップＳ９）。

位相が一致していなかった場合は（ステップＳ９：≠位相ii）、位相が一致するまで、アンテナ部４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整する（ステップＳ１０→ステップＳ９）。位相が一致していた場合は（ステップＳ９：＝位相ii）、第２のバンドパスフィルタ２２の出力を振幅検波することにより、２倍波の強度情報を取得し、さらに信号強度iiと比較し、強度が一致しているか否かを判断する（ステップＳ１１）。

強度が一致していなかった場合は（ステップＳ１１：≠信号強度ii）、強度が一致するまで、整合回路部３４の可変コンデンサの容量を調整する（ステップＳ１２→Ｓ１１）。強度が一致していた場合は（ステップＳ１１：＝信号強度i）、再度、第２のバンドパスフィルタ２２の出力を第２の発振部３６の出力を基準として位相検波することにより、２倍波の位相情報を取得し、さらに位相iiと比較し、位相が一致しているか否かを判断する（ステップＳ１３）。

位相が一致していなかった場合は（ステップＳ１３：≠位相ii）、アンテナ部４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整し（ステップＳ１４）、ステップＳ３に戻る。この手順を行うことで、位相調整により２倍波の位相が一致した後に、強度調整により位相がずれてしまった場合の位相ずれを補正することができる。

位相が一致していた場合は（ステップＳ１３：＝位相ii）、再度、基本波の調整を行う。即ち、判断・処理部２４は、第１のバンドパスフィルタ２１の出力を第１の発振部３５の出力を基準として位相検波することにより、基本波の位相情報を取得し、さらに位相iと比較し、位相が一致しているか否かを判断する（ステップＳ１５）。

位相が一致していなかった場合は（ステップＳ１５：≠位相i）、アンテナ部４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整し（ステップ１６）、ステップＳ３に戻る。位相が一致していた場合は（ステップＳ１５：＝位相i）、第１のバンドパスフィルタ２１の出力を振幅検波することにより、基本波の強度情報を取得し、さらに信号強度iと比較し、強度が一致しているか否かを判断する（ステップＳ１７）。

強度が一致していなかった場合は（ステップＳ１７：≠信号強度i）、整合回路部３４の可変容量コンデンサのキャパシタンスを調整し（ステップＳ１８）、ステップＳ５に戻る。強度が一致していた場合は（ステップＳ１７：＝信号強度i）、不整合状態が解消されたので、制御部２は、変調部３１にデータを送出し、搬送波を変調して通信を開始する（ステップＳ１９：Ｒ／Ｗ通信開始）。

以上詳細に説明したように、本発明の実施形態に係る無線通信装置によれば、使用時に不整合状態が検出されたとき、無負荷状態での最適な調整状態に補正することができるので、下記（１）〜（５）の効果が得られる。
（１）共振周波数のずれが補正されるため、通信性能の低下を防ぐことができる。
（２）無線周波増幅部の出力インピーダンスの変動が補正されるため、消費電流が安定する。これにより、消費電流の増加による装置の温度上昇を防ぐことができる。
（３）高調波の強度を抑制することで、高調波ノイズの放射制限が可能となる。
（４）常時負荷あり状態となる設置環境（例えば、電子機器に取り付けられる、付近に金属物体が存在する場所に設置される、など）においても、安定した通信が可能となる。
（５）通信相手である非接触ＩＣカードとして、無線周波増幅部の出力インピーダンスに対する影響の異なる複数種類の非接触ＩＣカードがあっても、それぞれに対して最適な状態で通信を行うことができる。

なお、上述した実施形態は、本発明の好適な実施の形態であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の変更が可能である。即ち、例えば下記（１）〜（６）のような変形が可能である。
（１）基本波のみに対して、位相調整、強度調整を行う。
（２）基本波及び２倍波に対して、位相調整、強度調整を行う。
（３）整合回路部３４を共振回路部とインピーダンス回路部で構成し、位相調整を共振回路部で行い、強度調整をインピーダンス回路部で行う。
（４）アンテナコイルの長さを変えるなど、インダクタンスを調整して共振周波数を調整する。
（５）第１の発振部３５の出力を逓倍することで、２倍波、３倍波を生成する。
（６）第１乃至第３のバンドパスフィルタ２１乃至２３を送受信部３内に設ける。

１…リーダライタ装置、２…制御部、４…アンテナ部、３１…変調部、３２…無線周波増幅部、３４…整合回路部。

Claims (5)

1. アンテナコイルとコンデンサとで構成される共振回路からなるアンテナ部と、
   搬送波を変調する変調部と、
   前記変調部の出力を増幅する無線周波増幅部と、
   前記無線周波増幅部と前記アンテナ部とのマッチングを行う整合回路部と、
   無負荷状態での前記無線周波増幅部の出力の位相及び強度である無負荷時位相及び無負荷時強度を表す情報を記憶する無負荷時情報記憶手段と、
   使用時の前記無線周波増幅部の位相及び強度である使用時位相及び使用時強度を検出する使用時情報検出手段と、
   前記使用時位相、前記使用時強度が、それぞれ前記無負荷時位相、無負荷時強度と等しくなるように、前記共振回路の共振周波数、前記整合回路部のインピーダンスを調整する調整手段と、
   を有する無線通信装置。
2. 請求項１に記載された無線通信装置において、
   前記無負荷時位相、前記無負荷時強度、前記使用時位相、前記使用時強度は、前記搬送波と同じ周波数に対するものである、無線通信装置。
3. 請求項１に記載された無線通信装置において、
   前記無負荷時位相、前記無負荷時強度、前記使用時位相、前記使用時強度は、前記搬送波と同じ周波数及びその高調波に対するものである、無線通信装置。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載された無線通信装置において、
   前記整合回路部は共振回路部とインピーダンス回路部とを有し、前記共振回路部の調整で位相を合わせ、前記インピーダンス回路部の調整で強度を合わせる、無線通信装置。
5. 請求項１乃至４のいずれかに記載された無線通信装置において、
   前記調整手段は、位相合せ、強度合せの順に調整を行い、強度合せの後、位相がずれていた場合、再度位相合せを行う、無線通信装置。
   

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