专利名称：中继设备和通信系统的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用一个例如非接触IC(集成电路)牌或非接触IC卡的非接触信息媒体的RFID(射频确认)。更具体地，它涉及一种用于提供非接触信息媒体和信息读/写器之间的最佳通信的中继设备，以及涉及一种采用中继设备的通信系统。
作为采用一个例如非接触IC卡或非接触IC牌的非接触信息媒体的通信系统，RFID系统已经被设计和投入实际使用。RFID系统允许在一个包含于非接触信息媒体内的IC芯片与一个读/写器之间进行信息通信，并且用作铁路车站中的自动查票机或在出借图书馆中用于出借图书。人们估计，在不久的将来，该系统将在广大范围内用于交换私有信息。
非接触IC卡是卡片形状的非接触信息媒体例如所谓信用卡的一个通用名称。另一方面，非接触IC牌是非卡片形状的非接触信息媒体、其标牌尺寸小于信用卡例如为邮票尺寸或小于邮票尺寸的非接触信息媒体或者圆形或星形的非接触信息媒体的一个通用名称。
在使用电磁耦合系统的RFID系统中，非接触信息媒体接收由读/写器发射的电波，以便通过电磁感应从所接收的电波中获得运行功率，并且通过利用所接收的电波来实现与读/写器的数据通信。非接触信息媒体和读/写器中的每一个包括一个用于发射/接收电波的天线线圈。电磁耦合系统的读/写器与非接触信息媒体之间的最佳通信距离一般是数个cm至数十个cm。
日本公开专利出版物2000-315908例如，如非接触信息媒体是一个非接触IC卡，则通常使用与ISO(国际标准化组织)所建议的信用卡尺寸相同的卡片尺寸(长度54cm、宽度85.6cm和厚度0.76cm)。
在此情况下，包含于非接触IC卡中的天线线圈100的尺寸大致等同于非接触IC卡的尺寸，以便允许来自读/写器的磁通量能最大限度地穿过线圈内部，如图17A中所示。如非接触信息媒体是一个非接触IC牌，则取决于非接触IC牌的标准或尺寸，天线线圈所具有的形状应为允许磁通量最大限度地穿过线圈内部。
以此方式，非接触信息媒体的天线线圈的形状或多或少地由例如有关标准所决定。
另一方面，读/写器的的天线线圈的形状明显地受到在其上携带读/写器的设备的结构的影响。
当在其上携带读/写器的器件的盒子内部空间被紧凑安装的元件所占据时，就没有足够的空间可用于合适地安装读/写器。在此情况下，与盒子内可用空间相比较，天线线圈区域被减小，或者读/写器可被安装在携带器件盒子的背面，以便另外利用留在盒子内的小空间。
具体地，如读/写器被安装在携带器件盒子的背面，在盒子的一部分上必须形成一个小孔，从而让读/写器的天线线圈所产生的磁场所具有的磁通量能够穿过而到达非接触信息媒体的天线线圈。
一般而言，该盒子被提供为用于保护盒子中的电路免受外部冲击，或用于屏蔽盒子内电子电路所产生的电磁干扰，因此应该尽可能地避免例如将盒子打孔的处理过程。如果必要时一定要将盒子打孔，则所产生的小孔必须愈小愈好。
其结果是，与包含在非接触信息媒体内的天线线圈尺寸比较，读/写器的天线线圈的尺寸十分小。例如，图17B中所示读/写器的天线线圈200的尺寸比图17A中所示非接触IC卡内所包含天线线圈100的尺寸小得多。
如果读/写器侧的天线线圈的尺寸如此地小，则该天线线圈内流动的电流所产生的磁通量也将非常小，以至当非接触信息媒体被移动到读/写器的天线线圈附近时，无法产生用于操作非接触信息媒体所需的磁通量。
图18显示天线线圈200所产生的磁场向读/写器提供的磁通量穿过被包含于非接触IC卡内的天线线圈100内部的方式。从图18可以看出，由于穿过天线线圈100内部的磁通量是由天线线圈200中心处的磁场所产生的，因此天线线圈100必须移动至一个更为靠近天线线圈200的位置，才能获得一个合适的磁通量。
图19显示一个由一个具有天线线圈200的安装在金属框架205的背面的读/写器201和一个具有天线线圈100的非接触IC卡101所组成的通信系统150。
读/写器201包括一个用作一个被安排在一片基片204上的电感器的天线线圈200，一个与天线线圈200串连的调谐电容器203，从而组成一个并行的谐振电路，还有一个用于控制与非接触IC卡101的数据发射/接收的读/写器202所用的IC。一个在其上安装有读/写器201的框架205在对准天线线圈200的205A处打孔。
在大多数情况下，适用于在其上安装读/写器201的设备框架205由金属制成，用于获得强度或用于防止由内部电子电路所产生的电磁干扰泄漏至外部。然而，如果基片204被安装在金属框架205上，则由天线线圈200产生的磁场的磁通量将损失在框架205中，以至只有天线线圈200中心处所产生的小部分磁通量被允许穿过非接触IC卡101的天线线圈内部。
因此，使用图19中所示通信系统150，非接触IC卡101与读/写器201无法彼此通信。
也即，用于在其上安装读/写器的设备结构对读/写器的天线线圈施加各类限制，以至难于按照与非接触信息媒体的最佳通信的要求来设置天线线圈的形状或区域。还有一个问题是，给定用于在其上安装读/写器的设备内的有限空间后，要消除金属元件对无线通信的干扰的不良影响是非常困难的。
为克服此缺陷，读/写器201的天线线圈被设计为一个实际上作为非接触IC卡的天线线圈的相互延伸的天线线圈210，并被安装于一个装在框架205内的树脂盖220的背面上，从而用作一个中继天线，如图21中所示。以此方式，有可能满足对天线区域的限制或消除来自金属框架205的不良影响。
天线线圈210通过一个插头212连至基片204，该插头连至一条从天线线圈210伸出的引线211的远端，插入一个为基片202提供的插座213，该插座213通过在框架205中形成的小孔205A而暴露出来。
其结果是，天线线圈210安装或拆卸起来不方便，尤其维护更不方便，以至在最坏情况下引线211将弄断或读/写器将损坏。
发明内容
考虑到以上所述的现有技术的状态，本发明的一个目的是提供一种中继设备和通信系统，其中在由一个预定频率的载波发挥中介作用的被信息读/写器与非接触信息媒体之间的电磁耦合系统所执行的无线通信中，能够消除由于信息读/写器的安装位置的限制所带来的对通信的不良影响，同时这些信息读/写器和非接触信息媒体的工作配置能够灵活地配合起来从而达到最佳通信。
在一方面，本发明提供一种中继设备，用于中继由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的信息读/写器与非接触信息媒体之间的无线通信。此中继设备包括一个被电磁地耦合至信息读/写器的天线线圈的第一天线线圈，一个与第一天线线圈串联并且被电磁地耦合至非接触信息媒体的天线线圈的第二天线线圈，以及一个与第一天线线圈同时与第二天线线圈串连的调谐电容器。这些第一天线线圈、第二天线线圈和调谐电容器形成一个谐振电路，其谐振频率与读/写器谐振电路的谐振频率和非接触信息媒体谐振电路的谐振频率相同。
在另一方面，本发明提供一种用于提供非接触信息媒体和信息读/写器之间的最佳通信的中继设备以及一个采用该中继设备的通信系统，其中可以消除由于信息读/写器的安装尺寸限制而带来的对通信的不良影响。该中继设备由一个谐振电路形成，该谐振电路包括一个被电磁地耦合至信息读/写器的天线线圈的第一天线线圈，一个与第一天线线圈串联并且被电磁地耦合至非接触信息媒体的天线线圈的第二天线线圈，以及一个与第一天线线圈同时与第二天线线圈串连的调谐电容器。这些第一天线线圈、第二天线线圈和调谐电容器所形成的谐振电路的谐振频率与读/写器谐振电路的谐振频率和非接触信息媒体谐振电路的谐振频率相同。
在又一方面，本发明提供一种用于供由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的无线通信使用的通信系统，其中该通信系统包括一个信息读/写器、一个非接触信息媒体和一个中继设备，该信息读/写器包括一个第一谐振电路，由一个第一天线线圈和一个与第一天线线圈串连的第一调谐电容器组成，其中该信息读/写器与一个电磁地耦合至第一天线线圈的电路实现通信，该第一谐振电路的谐振频率用作载波频率。该通信系统还包括一个非接触信息媒体，该非接触信息媒体包括一个第二谐振电路，由一个第二天线线圈和一个与第二天线线圈串连的第二调谐电容器组成，第二谐振电路的谐振频率与第一谐振电路的谐振频率相同，并且与一个电磁地耦合至第二天线线圈的电路实现无线通信；该中继设备包括一个第三谐振电路，由一个电磁地耦合至信息写器件中的第一天线线圈的第三天线线圈、一个与第三线圈串联并且与非接触信息媒体的天线线圈电磁地耦合的第四天线线圈及一个与第三和第四天线线圈串连的第三调谐电容器组成。该第三谐振电路的谐振频率与第一谐振电路和第二谐振电路的谐振频率相同。该中继设备中继该信息读/写器和非接触信息媒体之间的无线通信。
在还有一个方面，本发明提供一种供由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的无线通信使用的通信系统，其中该通信系统包括一个信息读/写器、一个非接触信息媒体和一个中继设备，该信息读/写器包括一个第一谐振电路，由一个第一天线线圈和一个与第一天线线圈串连的第一调谐电容器组成，其中该信息读/写器与一个电磁地耦合至第一天线线圈的电路实现无线通信，该第一谐振电路的谐振频率用作载波频率。该通信系统还包括一个非接触信息媒体，该非接触信息媒体包括一个第二谐振电路，由一个第二天线线圈和一个与第二天线线圈串连的第二调谐电容器组成，第二谐振电路的谐振频率与第一谐振电路的谐振频率相同，并且与一个电磁地耦合至第二天线线圈的电路实现无线通信；该中继设备包括一个第三谐振电路，由一个电磁地耦合至信息写器件的第一天线线圈的第三天线线圈，一个与第三线圈串联并且与非接触信息媒体的天线线圈电磁地耦合的第四天线线圈及一个与第三和第四天线线圈串连的第三调谐电容器组成。该第三谐振电路的谐振频率与第一谐振电路和第二谐振电路的谐振频率相同。该中继设备用于中继该信息读/写器和非接触信息媒体之间的无线通信。
本发明的中继设备包括供通过信息读/写器与非接触信息媒体之间的一个电磁耦合系统所实现的无线通信使用的一个电磁地耦合至信息读/写器的天线线圈的第一天线线圈和一个电磁地耦合至非接触信息媒体的天线线圈的第二天线线圈，并且即使当该信息读/写器的天线线圈的形状和尺寸与非接触信息媒体的天线线圈差别较大时也能保证最佳无线通信。
通过简单的技术，即改变中继设备的第一和第二天线线圈的尺寸/形状从而使第一和第二天线线圈可以分别电磁地耦合至信息读/写器和非接触信息媒体的天线线圈，就能够使非接触信息媒体与不同广泛用途配置的读/写器之间的无线通信成为最佳。
本发明的通信系统包括用于供通过信息读/写器与非接触信息媒体之间的一个电磁耦合系统所实现的无线通信使用的一个电磁地耦合至信息读/写器的第一天线线圈的第三天线线圈和一个电磁地耦合至非接触信息媒体的第二天线线圈的第四天线线圈，并且即使当该信息读/写器的天线线圈的形状和尺寸与非接触信息媒体的天线线圈差别较大时也能保证最佳无线通信。
此外，通过简单的技术，即改变通信系统的中继设备的第三和第四天线线圈的尺寸/形状从而使第三和第四天线线圈可以分别电磁地耦合至信息读/写器的第一天线线圈和非接触信息媒体的第二天线线圈，就能够使非接触信息媒体与不同广泛用途配置的读/写器之间的无线通信成为最佳。
当用于安装第一天线线圈的空间受到限制时，将第三天线线圈的形状/尺寸加以改变以便在电气上耦合至第一天线线圈就已足够。当所受限制是要将第一天线线圈安装在一个金属元件例如框架上时，第一天线线圈的尺寸或在框架上开的小孔可以尽可能地小，以便保证框架强度以及避免金属元件的不良影响。
本发明的通信系统的中继设备完成电磁耦合系统与信息读/写器之间的无线通信而无需例如布线等的繁重过程，并且能够通过将该中继设备装在一个可拆卸的盖或可开闭的门上，来中继与非接触信息媒体的无线通信。
图1阐述一个实施本发明最佳实施例的通信系统的配置。
图2阐述一个通信系统的匹配调谐电路的配置。
图3显示通信系统的具体设置的一个例子。
图4阐述一个通信系统的匹配调谐电路的配置。
图5显示流动于通信系统的匹配调谐电路中的感应电流I。
图6显示通信系统的具体设置的另一个例子。
图7显示被提供有并联天线线圈的匹配调谐电路。
图8阐述一个用于验证匹配调谐电路的效果而做的实验1。
图9阐述实验1中的通信范围XY。
图10显示实验1中对通信范围Z的实验结果。
图11显示实验1中对通信范围XY的实验结果。
图12阐述一个用于验证匹配调谐电路的效果而做的实验2。
图13阐述一个用于实验2的铁板。
图14显示实验2中的通信范围XY。
图15显示实验2中对通信范围Z的实验结果。
图16显示实验2中对通信范围Z的实验结果。
图17A显示非接触IC卡的天线线圈的一个例子及图17B显示读/写器的天线线圈的一个例子。
图18显示通过非接触IC卡的天线线圈的磁通量。
图19显示现有技术中所示通信系统的读/写器的具体设置例子。
图20显示当读/写器的天线线圈被安装在一个金属架上时，通过非接触IC卡的天线线圈的磁通量。
图21显示现有技术中将通信系统的读/写器的天线线圈作为一个中继天线进行安装的一个例子。
具体实施例方式
现参照附图，其中详细地解释本发明的一个中继设备和通信系统的最佳实施例。
参照图1，其中解释作为实施本发明的最佳实施例的通信系统1。
图1中所示通信系统1是一个由电磁耦合系统所作的RFID(射频确认)，该系统被提供有一个读/写器10、一个非接触IC卡20和一个匹配调谐电路30。
在此通信系统1中，作为一个非接触信息媒体的非接触IC卡20接收从读/写器10通过匹配调谐电路30发射的电波，从而通过电磁感应而获得功率，并且使用该电波、通过匹配调谐电路30与读/写器10进行数据通信。
读/写器10具有一个并行谐振电路13，它包括一个作为电感器的天线线圈11和一个调谐电容器12的串联连接。一个读/写器用IC 14与此并行谐振电路13并行地连接。当在读/写器用IC 14的控制下一个交流电压被加于并行谐振电路13上时，读/写器10被调谐至例如13.56MHz附近的频率fc。
读/写器10使用电波与非接触IC卡20进行无线通信，该电波被调制在一个载波频率上，其中fc用作载波频率。虽然在以下的解释中载波频率是fc，但载波频率不限于13.56MHz。
读/写器用IC 14被提供有一个接口电路(未示出)，以及连至一个在其上装载了读/写器10的对等器件的CPU(中央处理单元)并由其进行控制。
读/写器用IC 14对从读/写器件10发送数据至非接触IC卡20以及接收从非接触IC卡20发送的数据的操作进行控制。
在数据发射中，读/写器用IC 14使用被发射的数据将载波频率fc的载波进行调制，以便生成发射信号。可以在数据调制系统中使用例如ASK(幅移键控法)，PWM(脉宽调制法)或PSK(移相键控法)。
通过调制所生成的发射信号被送至天线线圈11以便生成一个磁场。在天线线圈11中生成的磁场发生变化以便与发射信号保持一致，从而当磁通量变化时，将由载波所携带的数据与载波频率fc一起发射至匹配调谐电路30中与天线线圈11电磁地耦合的天线线圈31。
在接收数据时，读/写器用IC 14把从非接触IC卡20通过匹配调谐电路30发射的、作为天线线圈11的磁通量的变化而被接收的数据加以解调。在天线线圈11从非接触IC卡20接收数据时，作为与天线线圈11电磁地耦合的匹配调谐电路30中天线线圈31的磁通量变化的结果，在天线线圈11中生成感应电流。
当在天线线圈11中生成的感应电流随着磁通量变化时，由载波频率为fc的载波所携带的数据作为感应电流的变化而被传输至天线线圈11。
读/写器用IC 14将磁感应电流解调以便获取从非接触IC卡20发射的数据。
非接触IC卡20包括一个并行谐振电路23，它是一个作为电感器的天线线圈21和一个调谐电容器22的串联连接。一个卡24所用IC与此并行谐振电路23并行地连接。
天线线圈21接收从读/写器10通过匹配调谐电路30发射的作为磁通量变化的电波。在并行谐振电路23中，产生一个感应的电动势，它的作用方向是阻止由天线线圈11所接收的电波的磁通量发生变化。通过此感应的电动势，并行谐振电路23被调谐于频率fc＝13.56MHz附近。
与并行谐振电路23并行连接的卡24所用IC将此感应电动势用作运行功率。被提供有运行功率的卡24所用IC对接收从读/写器10发送的数据和发射数据至读/写器10的操作进行控制。
在接收数据中，卡24所用IC将从读/写器10通过匹配调谐电路30发射的并且作为天线线圈21中磁通量的变化而接收的电波进行解调。
在数据发射中，卡24所用IC使用被发射的数据将载波频率fc的载波进行调制，以便生成发射信号。卡24所用IC响应于准备发射的数据而改变天线线圈21的负载，从而利用负载调制而将载波调制。
调制所生成的发射信号被送至天线线圈21以便生成一个磁场。当在天线线圈21中生成的磁场随着发射信号变化时，由载波频率fc的载波携带的数据被作为磁通量的变化而被发射至与天线线圈21电磁地耦合的匹配调谐电路30中的天线线圈32。
匹配调谐电路30包括一个并行谐振电路34，它包括一个作为第一电感器的天线线圈31、一个作为第二电感器的天线线圈32和一个调谐电容器33的串联连接。
具体地，匹配调谐电路30由安排在一片基片35上的天线线圈31、32组成，从而与调谐电容器33串联起来。
天线线圈31以一种非接触方式与天线线圈11进行电磁耦合，从而形成在读/写器10中的并行谐振电路13，并且确定形状以供与读/写器10通信。
只要天线线圈31可以与读/写器10通信，它可以是任何合适的形状。例如，天线线圈31可以是椭圆或方形，更不论图1中所示圆形。
只要天线线圈31能够与读/写器10通信，它不必具有和天线线圈11相同的形状。然而，如果天线线圈31的形状和尺寸能够与天线线圈11大致相同，则电磁耦合将会更强，因而得到稳定的和十分有效的数据通信。
另一方面，天线线圈32以一种非接触方式与非接触IC卡20上的天线线圈21进行电磁耦合，从而形成并行谐振电路23，以便与非接触IC卡20通信。
只要天线线圈32可以与读/写器10通信，它可以是任何合适的形状。例如，天线线圈可以是椭圆或圆形，更不论图1中所示方形。
希望天线线圈32的尺寸大于非接触IC卡20所具有的天线线圈21的尺寸，这样一来，即使天线线圈21的中心偏离天线线圈32的中心，也能有足够的磁通量通过天线线圈21。
例如，如果非接触信息媒体是一个用作铁路或公共汽车上通勤票的非接触IC卡，用于数据通信时，该非接触IC卡不可能总是放在一个相对于匹配调谐电路30的天线线圈32的固定不变的位置。因此在这类情况下，天线线圈32的尺寸做的大于非接触IC卡的天线线圈，从而保证更可靠的数据通信。
例如，如果非接触信息媒体是一个附于打印机颜色架上的非接触IC牌，作为可消费商品，并且与安装在打印机盒子中的一个预设内架上的读/写器10进行数据通信，以便管理剩余色粉的质量，该非接触IC牌可以被放于一个相对于匹配调谐电路30的天线线圈32的固定位置，以便用于数据通信。因此，在这种情况下，当天线线圈32的尺寸大致等同于非接触IC牌的天线线圈尺寸时，能够得到更有效的数据通信。
如果天线线圈32略小于天线线圈21的尺寸，则可以通过调整读/写器10的输出而进行通信。
如以上所讨论的，只要天线线圈32能够与非接触IC牌20通信，天线线圈32不必具有和天线线圈21相同的尺寸和形状。然而，如果天线线圈32的形状和尺寸能够与天线线圈21相同，则电磁耦合将会更强，因而得到更有效更稳定的数据通信。
也即，为实现有效稳定的无线通信，匹配调谐电路30的天线线圈31、32的尺寸以及形状或多或少地分别受到读/写器10的天线线圈11的形状及非接触IC牌20的天线线圈21的形状的限制。
对于被示为用于实现本发明的最佳实施例的通信系统1，非接触IC卡20用作非接触信息媒体。因此在以下的解释中，假设天线线圈32的形状和尺寸与非接触IC卡20的天线线圈21大致相同，同时天线线圈31的形状和尺寸与读/写器10的天线线圈11大致相同。
由于天线线圈31、32彼此串联，这些线圈按照相同方向绕制，天线线圈31、32可被认为是一个具有组合电感L＝L1+L2的电感器，其中L1是天线线圈31的电感和L2是天线线圈32的电感。因此，并行谐振电路34可被认为是由一个具有组合电感L的电感器和一个调谐电容器33的串联连接组成的谐振电路。
参照图3，其中显示读/写器10和匹配调谐电路30的具体设置例子，以及解释根据匹配调谐电路30的运行原理。
假设被提供于基片15上的读/写器10被安装在一个金属盒(chassis)50的背面，该金属框架用作一个在其上安装读/写器10的设备的盒子。以此方式在其上安装读/写器10的金属框架50具有一个小孔50A，其位置对准读/写器10的天线线圈11的安装位置。
小孔50A的开口区域被选择为不损害金属框架50的强度并且不会存在例如金属框架50内的电子电路所产生的电磁干扰的泄漏危险。如此选择读/写器10的天线线圈11的形状和尺寸，以使天线线圈能够被容纳在此小孔50A内。
由于匹配调谐电路30的天线线圈31的形状被确定为使天线线圈31以非接触方式与天线线圈11进行电磁耦合，以及使天线线圈31能够与读/写器10进行通信，所以，如果一旦已经确定天线线圈11的形状，则天线线圈31的形状或多或少地就确定了。
另一方面，匹配调谐电路30被安装为面向装在金属框架50上的读/写器10，而金属框架位于其间。此时安装匹配调谐电路30以使天线线圈31覆盖在金属框架50上形成的小孔50A。以此方式，读/写器10的天线线圈11与匹配调谐电路30的天线线圈31可以用一种非接触方式彼此电磁地耦合。
由于安装在金属框架50上的读/写器10能够通过两个用非接触方式彼此电磁地耦合的天线线圈11、31与匹配调谐电路30进行无线通信，在读/写器10与匹配调谐电路30之间不需任何物理连接，因此可以使用简单技术例如双面胶带直接将基片30粘至金属框架50上，从而使匹配调谐电路30安装定位。
安装在金属框架50上的匹配调谐电路30如下地通过从读/写器10发射的电波进行操作。
匹配调谐电路30的并行谐振电路34的天线线圈31中穿过由读/写器10的天线线圈11产生的磁场所生成的磁通量A，该磁通量用于将天线线圈11和31彼此电磁地耦合。
穿过天线线圈31的磁通量A在并行谐振电路34中生成感应电动势，以使感应电动势所产生的感应电流I流过整个电路。并行谐振电路34由感应电动势在频率fc＝13.56MHz附近进行调谐。
当感应电流I流过天线线圈32时，在线圈32中生成一个磁场。
此时，非接触IC卡20可以移动至匹配调谐电路30附近。因此，如图4中所示，天线线圈32所生成的磁场所生成的磁通量B穿过天线线圈21内部。这将天线线圈32、31彼此电磁地耦合起来。
当磁通量B以此方式穿过非接触IC卡20的天线线圈21时，非接触IC卡20被激励，以使读/写器10和非接触IC卡20现在能够通过匹配调谐电路30彼此进行无线通信。
参照图6的剖面图，其中解释读/写器10和匹配调谐电路30的另一个设置例子。
参照图6，读/写器10被安装于一个作为器件盒子并且适用于安装读/写器10的金属框架51的背面上，以使天线线圈11对准金属框架51的小孔51A。
在其上装有读/写器10的金属框架51的前侧面上，提供了一个金属元件52例如螺丝，以至匹配调谐电路30无法直接安装在它上面，如图6中所示。
因此，通过将匹配调谐电路30的基片35粘在一个覆盖金属框架51的小孔51A的树脂盖53的背侧面上，从而将匹配调谐电路30安装定位。
匹配调谐电路30被粘在树脂盖53的背侧面上，从而当树脂盖53被安装在金属框架51上时，匹配调谐电路30的天线线圈31对准读/写器10的天线线圈11。
在其上粘结匹配调谐电路30的盖53用非磁性树脂做成，以便不损失在匹配调谐电路30的天线线圈32中生成的磁场的磁通量。匹配调谐电路30的基片35非常薄，并且例如是一片可弯曲的基片，以便不影响在天线线圈32中生成的磁场。
也可以提供一块屏蔽板54，用于防止设计为携带读/写器10的器件中所生成的电磁干扰。屏蔽板54只需安装来覆盖天线线圈11。此时，应加小心以使屏蔽板54远离读/写器10以便防止天线线圈11的功能被破坏。
安装于树脂盖53上的匹配调谐电路30也可用一种未示出的方式安装于一个例如装在一个载有读/写器10的器件盒子上的旋转门的内侧，以节省空间。
因此，为使匹配调谐电路30能与读/写器10通信，不必为匹配调谐电路30提供布线，以及匹配调谐电路30可与读/写器10分离并且自由地安装于电磁耦合球体内的任何地点。其结果能得到具有非常高的安装自由度的通信系统1。
在以上所描述的通信系统1的匹配调谐电路30中，天线线圈31、32彼此串联。在通信系统1中，如图7中所示，可以用一个其中所包括的并行谐振电路41由天线线圈31、32和调谐电容器33的并行连接所组成的匹配调谐电路40来替代匹配调谐电路30。没有详细地解释使用匹配调谐电路40的情况，因为在使用匹配调谐电路40替代匹配调谐电路30的情况下，通信系统1给出完全相同的效果。
与此同时，调谐电容器33与天线线圈31、32两者串联，如图7中所示。
通过一个实施例显示一个用于测量匹配调谐电路30的效果的实验结果。
在实验中，在读/写器10与非接触IC卡20之间的无线通信中，将使用匹配调谐电路30时用于允许通信的区域和不使用匹配调谐电路30时用于允许通信的区域进行测量和彼此进行比较。
如图3和6中所示，相同的实验中，一块具有与读/写器10的天线线圈11形状相同的小孔的铁板被放在读/写器10和非接触IC卡20之间，以便验证在假设的匹配调谐电路30的实际使用条件下匹配调谐电路30的效果。
(实验1)在实验1中，在两种情况下测量允许通信的区域，一种情况是读/写器10和非接触IC卡20被安排在一个没有阻碍物的自由空间内，及读/写器10在此状态下被激励；另一种情况是在读/写器10和非接触IC卡20之间放入一个匹配调谐电路30，及读/写器10在此状态下被激励，如图8中所示。
读/写器10的天线线圈11的形状是圆形的，其直径为25mm的数量级。匹配调谐电路30的天线线圈31也是近似的相同形状。所用非接触IC卡20的尺寸如ISO(国际标准化组织)所建议的，是长度54mm，宽度85.6mm和厚度0.76mm。包含在非接触IC卡20内的天线线圈21被绕制成近似于非接触IC卡20的尺寸。匹配调谐电路30的天线线圈32的形状与天线线圈21的形状大致相同。
现在解释将要测量的允许通信的区域。将要测量的允许通信的区域被定义为用于通信的距离Z，代表当非接触IC卡20相对于读/写器10作垂直移动时允许通信的距离，被定义为用于通信的距离XY，代表当非接触IC卡20相对于读/写器10作水平移动时允许通信的距离，具体地，在用于通信的距离Z内，当水平放置的读/写器10的天线线圈11的中心面向非接触IC卡20的主平面中心时，以及当被保持平行于天线线圈11的非接触IC卡20在垂直方向内移动时，仍然能够进行通信。
在用于通信的距离XY内，当水平放置并相对于读/写器10的天线线圈11具有一个预定距离的非接触IC卡20可选地沿着图9中所示的X-Y座标内的X轴方向和沿着Y轴方向移动时，仍然能够通信。可以通过测量非接触IC卡20的中心点的轨迹而找到用于通信的距离。
如此测量时用于通信的距离Z和用于通信的距离XY可用作匹配调谐电路30的效果的指标。
首先，图10显示不用匹配调谐电路30时用于通信的距离Z的测量结果以及匹配调谐电路30放在适当位置中时用于通信的距离Z的测量结果。与此同时，由于匹配调谐电路30被安装在与非接触IC卡10的天线线圈11相距10mm处，匹配调谐电路30放在适当位置中时用于通信的距离的测量结果是从放入的匹配调谐电路30的位置进行测量的。
不用匹配调谐电路30时用于通信的距离Z是10至25mm，如图10中所示。具有匹配调谐电路30放在适当位置中的同一距离Z是20至75mm。因此，可以看出，通过将匹配调谐电路30放置于读/写器10与非接触IC卡20之间，用于通信的距离Z大致翻为三倍。
如果当匹配调谐电路30放在适当位置中时，非接触IC卡20位于离天线线圈11为10至20mm处，通信就不可能，因为非接触IC卡20与匹配调谐电路30彼此干扰而在运行中不稳定。通过将非接触IC卡20的谐振频率与匹配调谐电路30严格地进行匹配，或者通过将两个谐振频率彼此明显地分开，可以克服这种不方便。
图11显示不用匹配调谐电路30时用于通信的距离XY的测量结果以及匹配调谐电路30放在适当位置中时用于通信的距离XY的测量结果。
当不用匹配调谐电路30时，用于通信的距离XY是在垂直方向内离开读/写器10的天线线圈11的中心10mm处测量的。当使用匹配调谐电路30时，用于通信的距离XY是在垂直方向内离开匹配调谐电路30的天线线圈32的中心10mm处测量的。
与此同时，如以上所述，放入匹配调谐电路30的位置是离开读/写器10的距离为10mm的位置。
不用匹配调谐电路30时用于通信的距离XY是-30≤X(mm)≤30和-15≤Y(mm)≤15，如图11中所示。也即，用于通信的距离XY被定义为在一个椭圆内，其长轴为60mm和短轴为30mm，如虚线所示。
当匹配调谐电路30放在适当位置中时，用于通信的距离XY是-50≤X(mm)≤50和-40≤Y(mm)≤40，如图11中所示。也即，在图11中，用于通信的距离XY被定义为在一个椭圆内，其长轴为100mm和短轴为80mm，如实线所示。
因此，可以看出，通过将匹配调谐电路30放置于读/写器10与非接触IC卡20之间，用于通信的距离XY翻为四倍。
(实验2)在实验2中，读/写器10被粘至一块铁板60上，粘至读/写器10的铁板被放置作为读/写器10与非接触IC卡20之间的接近实际使用情况的阻碍物，如图12中所示。在不用匹配调谐电路30的情况下和在使用匹配调谐电路30的情况下测量用于通信的距离Z和用于通信的距离XY。
在铁板60中钻了一个其尺寸与读/写器10的天线线圈11大致相同的小孔60A。当读/写器10粘至铁板60上时，必须注意使小孔60A与天线线圈11对准。
在实验2中，所用读/写器10、非接触IC卡20和匹配调谐电路30与实验1中所用完全相同。在使用匹配调谐电路30时，在铁板60与匹配调谐电路30之间放入一个间隔器61，以及读/写器10的天线线圈11与匹配调谐电路30之间的间隔被设为5mm，如图12中所示。
下面显示图12中所示用于通信的距离Z和图14中所示用于通信的距离XY。首先，图15显示不用匹配调谐电路30时用于通信的距离Z的测量结果以及将匹配调谐电路30放在适当位置中时用于通信的距离Z的测量结果。同时，由于实验2中匹配调谐电路30被放于离读/写器10的天线线圈11距离5mm处，用于通信的距离Z是从匹配调谐电路30的位置处开始进行测量的。
当不用匹配调谐电路30时，存在无法通信的状态，其中在铁板60的影响下无法通信，如图15中所示。当匹配调谐电路30放在适当位置中时，用于通信的距离Z是5至35mm。
因此，通过在读/写器10与非接触IC卡20之间引入匹配调谐电路30，由读/写器10和非接触IC卡20进行的无线通信能够从无法通信状态改善为实际上满意状态。
图16显示不用匹配调谐电路30时用于通信的距离XY的测量结果以及匹配调谐电路30放在适当位置中时用于通信的距离XY的测量结果。
当不用匹配调谐电路30时，用于通信的距离XY是在垂直方向内离开读/写器10的天线线圈11的中心5mm处测量的，当匹配调谐电路30放在适当位置中时，用于通信的距离XY是在离开匹配调谐电路30的天线线圈32的中心5mm处测量的。
注意到，如前所述，匹配调谐电路30被引入至离开读/写器10的天线线圈11距离为5mm处。
不用匹配调谐电路30时无法通信，如图16中所示。用于通信的距离XY是-35≤X(mm)≤35和-20≤Y(mm)≤20。也即，如图16中所示，用于通信的距离XY被定义为在一个椭圆内，其长轴为70mm和短轴为40mm，如图16中实线所示。
因此，可以看出，通过将匹配调谐电路30放置于读/写器10与非接触IC卡20之间，由读/写器10和非接触IC卡20进行的无线通信能够从无法通信状态改善为实际上满意的状态。
权利要求
1.一种中继设备，用于中继由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的信息读/写器与非接触信息媒体之间的无线通信，所述中继设备包括一个被电磁地耦合至所述信息读/写器的天线线圈的第一天线线圈；一个与所述第一天线线圈串联并且与所述非接触信息媒体的天线线圈电磁地耦合的第二天线线圈；及一个与所述第一天线线圈以及所述第二天线线圈串连的调谐电容器；所述第一天线线圈、所述第二天线线圈和所述调谐电容器形成一个谐振电路，其谐振频率与所述读/写器的谐振电路的谐振频率和所述非接触信息媒体的谐振电路的谐振频率相同。
2.根据权利要求1的中继设备，其中所述第一天线线圈的尺寸和形状与所述读/写器的天线线圈基本相同，及其中所述第二天线线圈的尺寸和形状与所述非接触信息媒体的天线线圈基本相同。
3.一种中继设备，用于中继由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的信息读/写器与非接触信息媒体之间的无线通信，所述中继设备包括一个被电磁地耦合至所述信息读/写器的天线线圈的第一天线线圈；一个与所述第一天线线圈并联并且被电磁地耦合至所述非接触信息媒体的天线线圈的第二天线线圈；及一个与所述第一天线线圈以及与所述第一天线线圈并联的所述第二天线线圈串连的调谐电容器；所述第一天线线圈、第二天线线圈和调谐电容器所形成的谐振电路的谐振频率与所述读/写器的谐振电路的谐振频率和所述非接触信息媒体的谐振电路的谐振频率相同。
4.根据权利要求3的中继设备，其中所述第一天线线圈的尺寸和形状与所述读/写器的天线线圈基本相同，及其中所述第二天线线圈的尺寸和形状与所述非接触信息媒体的天线线圈基本相同。
5.一种用于供由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的无线通信使用的通信系统，所述通信系统包括一个信息读/写器，它包括一个第一谐振电路，该第一谐振电路由一个第一天线线圈和一个与所述第一天线线圈串连的第一调谐电容器组成，所述信息读/写器与一个电磁地耦合至所述第一天线线圈的电路实现无线通信，所述第一谐振电路的谐振频率用作所述载波的所述频率；一个非接触信息媒体，它包括一个第二谐振电路，该第二谐振电路由一个第二天线线圈和一个与所述第二天线线圈串连的第二调谐电容器组成，所述第二谐振电路的谐振频率与所述第一谐振电路的谐振频率相同，所述第二谐振电路与一个电磁地耦合至所述第二天线线圈的电路实现无线通信；及一个中继设备，它包括一个第三谐振电路，该第三谐振电路由一个电磁地耦合至所述信息写器件中的所述第一天线线圈的第三天线线圈、一个与所述第三线圈串联并且与所述非接触信息媒体的天线线圈电磁地耦合的第四天线线圈及一个与所述第三和所述第四天线线圈串连的第三调谐电容器组成，所述第三谐振电路的谐振频率与所述第一谐振电路以及所述第二谐振电路的谐振频率相同，所述中继设备中继所述信息读/写器和所述非接触信息媒体之间的无线通信。
6.根据权利要求5的通信系统，其中所述中继设备的所述第三天线线圈的尺寸和形状与所述读/写器的所述第一天线线圈基本相同，及其中所述中继设备的所述第二天线线圈的尺寸和形状与所述非接触信息媒体的所述第二天线线圈基本相同。
7.一种供由一个预定频率的载波发挥中介作用的电磁耦合系统的无线通信使用的通信系统，所述通信系统包括一个信息读/写器，它包括一个第一谐振电路，该第一谐振电路由一个第一天线线圈和一个与所述第一天线线圈串连的第一调谐电容器组成，所述信息读/写器与一个电磁地耦合至所述第一天线线圈的电路实现通信，所述第一谐振电路的谐振频率用作所述载波所述频率；一个非接触信息媒体，它包括一个第二谐振电路，该第二谐振电路由一个第二天线线圈和一个与所述第二天线线圈串连的第二调谐电容器组成，所述第二谐振电路的谐振频率与所述第一谐振电路的谐振频率相同，并且与一个电磁地耦合至所述第二天线线圈的电路实现无线通信；及一个中继设备，它包括一个第三谐振电路，该第三谐振电路由一个电磁地耦合至所述信息写器件的所述第一天线线圈的第三天线线圈，一个与所述第三线圈串联并且与所述非接触信息媒体的天线线圈电磁地耦合的第四天线线圈及一个与所述第三和第四天线线圈中的每一个串连的第三调谐电容器组成，所述第三谐振电路的谐振频率与所述第一谐振电路和所述第二谐振电路的谐振频率相同，所述中继设备用于中继所述信息读/写器和所述非接触信息媒体之间的无线通信。
8.根据权利要求7的通信系统，其中所述中继设备的所述第三天线线圈的尺寸和形状与所述读/写器的所述第一天线线圈基本相同，及其中所述中继设备的所述第四天线线圈的尺寸和形状与所述非接触信息媒体的所述第二天线线圈基本相同。
全文摘要
一种用于提供非接触信息媒体和信息读/写器之间的最佳通信的中继设备和通信系统，其中能够消除由于信息读/写器的安装位置的限制所带来的对通信的不良影响。该中继设备包括一个谐振电路(34)，它包括一个电磁地耦合至信息读/写器(10)的天线线圈(11)的第一天线线圈(31)、一个与第一天线线圈(31)串联并且与所述非接触信息媒体(20)的天线线圈(21)电磁地耦合的第二天线线圈(32)及一个与第一天线线圈(31)同时与第二天线线圈(32)串连的调谐电容器(33)。第一天线线圈(31)、第二天线线圈(32)和调谐电容器(33)形成一个谐振电路(34)，其谐振频率与信息读/写器(10)的谐振电路(13)的谐振频率和非接触信息媒体(20)的谐振电路(23)的谐振频率相同。
文档编号G06K7/00GK1604117SQ20041008326
公开日2005年4月6日 申请日期2004年9月29日 优先权日2003年10月1日
发明者菊地章浩, 泽田淳一, 石垣正人 申请人:索尼株式会社