JP5004238B2 - Ｈｆ帯のアンテナ - Google Patents

Description

この発明は、ＩＣタグ、ＩＣリーダライタ、地上デジタルテレビジョン受信装置、全地球測位システムなどに使用するＨＦ帯の電波用の通信用アンテナに関する。

電子回路および送受信装置を小型の基板に配置したＩＣタグはすでに普及が始まっており、たとえば、鉄道の運賃支払い等のための電子マネーとして用いるカードなどがあらわれている。さらに、商品管理や狂牛病・鳥インフルエンザ対策として畜産の分野での応用も期待されている。普及しているカードのほんとんどのものには、１３．５６ＭＨzに代表されるHF帯が使用されている。ダイポールアンテナやループアンテナが使用されている。

非接触ＩＣタグなどの使用するアンテナが特許文献１や特許文献２に記載されている。これらは、導線により形成された磁気コイルを有する磁器アンテナである。
また、特許文献１には直行させて配置した２本のダイポールアンテナを切り替え
特開２００６−３９８９９号公開特許公報

特許文献１や特許文献２に記載されたアンテナは、電波の送受信によって通信を行うものではなく、磁気コイル間の電磁誘導により情報をやりとりするものである。現在使用されているＩＣタグ付カードのアンテナも同様に磁気コイルである。これらの磁気コイルにおいて、インピーダンスの実数部成分はほとんどゼロである。

電磁誘導による通信能力は距離の二乗で急激に低下するので、これらの磁気コイルでは近距離でしか通信することができない。ＩＣタグのリーダーの多くには、「カードを置いてください。」と表示されており、ほとんど接触するくらいまで近づけないと読み取ることができない。

しかし、ＨＦ帯に属する周波数を使用するＩＣタグ付きカードにおいて、電波での送信を行うものは見当たらない。特に、１３．５６ＭＨzあたりの周波数では電波の波長が比較的長く、ＩＣタグ付きカードに搭載できるような小型の電波通信アンテナを実現することはほとんど考えられてこなかった。

また、ＨＦ帯はＩＣタグ付きカードのほかに、ＦＭラジオ放送等にも使用されており、この周波数帯用の小型かつ安価で、高性能の通信用アンテナがのぞまれる。

この発明は、これまでのＨＦ帯に比較して小型でありながら、遠距離通信が可能な電波用アンテナを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、この発明のＨＦ帯用アンテナは、閉曲線をなす導線より形成されるループ部と、一端が開放された渦巻き状の導線より形成される開放部を有し、導線の幅ｗ０および導線同士の間隔ｗ１が使用する電波の波長の１０^-4倍未満である。比較的低い周波数においては、開放部の巻き数が３０回以上であることが好ましい。

この発明は、閉曲線をなす導線より形成されるループ部と、一端が開放された渦巻き状の導線より形成される開放部を有し、導線の幅ｗ０および導線同士の間隔ｗ１が使用する電波の波長の１０^-4倍未満であることにより、使用する周波数において反射損失が少なく、電波による送信が行うことができるという効果を有する。したがって、遠距離でも良好な通信を行うことができるという効果を有する。

この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１はＨＦ帯用アンテナの第１の例を示す平面図である。ここで、ＨＦ帯とは、１０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下の範囲を対象とする。

ＨＦ帯用アンテナ１は、閉曲線をなす導線より形成されるループ部２と、一端が開放された渦巻き状の導線より形成される渦巻き部３を有する。このＨＦ帯用アンテナ１の外形は特に限定されず、図１のような正方形や円形、後述する十字形状など、アンテナを設置する場所の形状や求める特性等に応じて適宜選択することができる。

ループ部２は、周回する導線４により形成されている。２つの端部Ｐ１，Ｐ２はそれぞれ給電点Ｓ１，Ｓ２に接続されており、ループアンテナを形成している。ループ部２は渦巻き部３の内側に設けてもよく、外側に設けてもよい。また、渦巻き部３を２つに分割し、その間にループ部２を設けてもよい。

渦巻き部３は、渦巻き状に周回する導線５により形成されている。渦巻き部３は、ループ部２に近接して設けられる。渦巻き部３の形状は、ループ部２と実質的に同様である。すなわち、図１のように正方形のループ部２の外側に渦巻き部３を設ける場合、渦巻き部３の最内周はループ部２の導線４に近接して平行に設けられている。

渦巻き部３の１つの端部Ｐ４は開放されている。渦巻き部３のもう一つの端部Ｐ３は、ループ部２とつながっていてもよく、離れていてもよい。

導線４，５の線幅をｗ０とする。また、ループ部２と渦巻き部３の最内周の間隔および渦巻き部３における隣同士の周回の導線間の間隔をｗ１とする。この線幅ｗ０および間隔ｗ１とこのHF帯用アンテナ１が使用する電波の波長λの１０^-4倍未満である。さらに通信能力を向上させるためには、１０^-5倍未満であることが好ましい。

このHF帯用アンテナ１はループ２を有することによって、インピーダンスＺ（Ｒ＋ｊＸ）の実数部成分Ｒを有し、電波の送信または受信が可能である。ただし、ループ２のみでは、十分な実数部成分Ｒを得ることはできず、波長λの１０^-4倍未満の線幅ｗ０の導線を間隔ｗ１で形成した渦巻き部３を隣接することによって、リターンロス（反射損失）を低くすることができる。電波の強度は距離に反比例して緩やかに低下するので、距離による通信能力の低下は小さく、遠距離通信が可能となる。

渦巻き部３はまた、インピーダンスＺの虚数部成分Ｘを発生させる。したがって、このHF帯用アンテナ１は、電波による通信のほか、従来の磁気アンテナのように電磁誘導による通信も行うことができる。したがって、このHF帯用アンテナをＩＣタグ付きカードに適用した場合、従来のリードライタとの通信も可能である。導線５の巻き形状および巻き数を調整することによって、反射損失が最小になる周波数およびインダクタンスＸの共振周波数を設定することができる。ＩＣタグに適用する場合には、反射損失が最小になる周波数とインダクタンスＸの共振周波数を一致させることにより、電波成分による効果と電磁誘導による効果の双方を得ることができ、良好な通信が行える。一方、ＦＭラジオ受信機に適用する場合、その帯域において反射損失が小さくなること優先する設定とすることができる。

この発明の第１の実施例について説明する。この実施例のHF帯用アンテナは図１に示すものである。ＩＣタグに使用する例であり、すでに普及している１３．５６ＭＨzの周波数を使用する。基板またはフィルムの表面に導線を設けて形成している。ループ部２の導線４も渦巻き部３の導線５も幅ｗ０は０．１８ｍｍである。また、ループ部２と渦巻き部３の最内周の間隔および渦巻き部３における隣同士の周回の導線間の間隔をｗ１も０．１８ｍｍである。したがって、線幅ｗ０および間隔ｗ１は波長λの１０万分の１程度となっている。

ループ部２は一辺の長さがほぼ２５ｍｍの正方形である。このループ部２で囲まれた四角形の内部にＩＣチップ（図示省略）が入るようになっており、一隅に給電点Ｓ１，Ｓ２が設けられている。

渦巻き部３は、ループ部２の外側に設けられている。使用周波数が１０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下である場合、渦巻き部３の巻き数は３０回以上であることが好ましく、この例では４０回である。内側の端部Ｐ３とループ２の間にはギャップがあるので、ループ部２と渦巻き部３はつながっていない。外側の端部Ｐ４も開放されている。外形は、一辺の長さがほぼ５３ｍｍの正方形である。極めて小型のHF帯用アンテナが実現されており、すでに普及しているＩＣタグ付きカードのサイズ内に収まるものである。

図２は、シミュレーションにより求めた第１の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。横軸は周波数であり、左側の縦軸は反射損失をデシベルによる対数表示、右側の縦軸はインピーダンスの虚数部成分（単位Ω）である。使用周波数である１３．５６ＭＨzにおいて反射損失は−２０ｄＢ以下であり、電波による通信が良好にできることを示している。また、インピーダンスの虚数部成分の共振点も１３．５６ＭＨz付近になっており、同じ周波数で電磁誘導による通信ができることも確認される。

この実施例のHF帯用アンテナは一層の面のみで形成されており、極めて簡易な構造となっているが、それでもＩＣタグ付きカードのサイズ内に収まるとともに、電波による通信能力が高く、遠距離通信が実現される。

この発明の第２の実施例について説明するこの実施例において、HF帯用アンテナは２つの層を有する。図３は第２の実施例のHF帯用アンテナの第１層を示す平面図、図４は同じく第２層を示す底面図である。

第１層には、内側にほぼ正方形状のループ部２が形成されており、その外周に渦巻き部３ａが設けられている。第１の実施例と同様に使用周波数は１３．５６ＭＨｚ、ループ部２の導線４も渦巻き部３ａの導線５も幅ｗ０は０．１８ｍｍである。また、ループ部２と渦巻き部３ａの最内周の間隔および渦巻き部３における隣同士の周回の導線間の間隔をｗ１も０．１８ｍｍである。この例においては内側の端部Ｐ３とループ２の間にはギャップがなく、つながった状態である。外形は、一辺の長さがほぼ５３ｍｍの正方形である。第１層において、渦巻き部３ａの巻き数は２２回程度であり、第１の実施例の約半分となっている。

第２層においてもほぼ同様の渦巻き部３ｂが設けられている。そして、第１層の渦巻き部３ａの内周の終点Ｐ３と第２層の渦巻き部３ｂの内周の終点Ｐ５はジャンパー線（図示省略）によって接続されている。また、第１層および第２層の渦巻き部３ａ，ｂの外側の終点Ｐ４，Ｐ６は開放されている。

このように、２層で構成することによって、各層における渦巻きの巻き数を少なくすることができ、アンテナ全体の寸法を小さくすることもできる。ここでは、外形は第１の実施例と同じであるが、内部の空間を大きくしているので、より多くの電子部品等を入れることができる。

図５は、シミュレーションにより求めた第２の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。使用周波数である１３．５６ＭＨzにおいて反射損失は−１０ｄＢ以下であり、電波による通信が良好にできることを示している。また、インピーダンスの虚数部成分の共振点も１３．５６ＭＨz付近になっており、同じ周波数で電磁誘導による通信ができることも確認される。

図６は、実測により求めた第２の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。反射損失が最小になる周波数およびインピーダンスの虚数部成分の共振周波数は約１４ＭＨzであり、シミュレーションによる値とほぼ対応している。また、この周波数における反射損失もほぼ−１０ｄＢであり、−８ｄＢ以下の良好な値となっている。以上、実測においても、この発明のアンテナは良好な通信能力を有することが示されている。

この発明の第３の実施例について説明するこの実施例においても、HF帯用アンテナは２つの層を有する。図７は第３の実施例のHF帯用アンテナの第１層を示す平面図、図８は同じく第２層を示す底面図である。

第１層の内側に点Ｐ１から点Ｐ７にかけてほぼ十字形状の周回２ａが形成されており、ループ部の一部をなしている。第２層の内側に点Ｐ８から点Ｐ２にかけてほぼ十字形状の周回２ｂが形成されている。点Ｐ１は給電点Ｓ１と、点Ｐ２は給電点Ｓ２とそれぞれ接続されており、点Ｐ７と点Ｐ８はジャンパー線（図示省略）によって接続されている。したがって、点Ｐ１−点７−点Ｐ８−点Ｐ２という閉曲線が形成されている。このように複数の層にわたってループ部を形成することもできる。

第１層の十字形状の周回２ａの外周に十字形状の渦巻き部３ａが設けられている。また、第２層の十字形状の周回２ｂの外周にもほぼ同様の渦巻き部３ｂが設けられている。第１層の渦巻き部３ａの内周の終点Ｐ３および第２層の渦巻き部３ｂの内周の終点Ｐ５は、ループ部２ａ，ｂとつながっている。したがって、点Ｐ３と点Ｐ５は点Ｐ７−点Ｐ８間のジャンパー線を介して接続されている。第１層および第２層の渦巻き部３ａ，ｂの外側の終点Ｐ４，Ｐ６は開放されている。

使用周波数は１３．５６Ｍ、ループ部２の導線４も渦巻き部３ａの導線４も幅ｗ０は０．１８ｍｍである。また、ループ部２と渦巻き部３の最内周の間隔および渦巻き部３における隣同士の周回の導線間の間隔をｗ１も０．１８ｍｍである。

図９は、シミュレーションにより求めた第３の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。使用周波数である１３．５６ＭＨzにおいて反射損失は−２０ｄＢ以下であり、電波による通信が良好にできることを示している。また、インピーダンスの虚数部成分の共振点も１３．５６ＭＨz付近になっており、同じ周波数で電磁誘導による通信ができるが示されている。

図１はＨＦ帯用アンテナの第１の実施例を示す平面図である。 第１の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。 第２の実施例のHF帯用アンテナの第１層を示す平面図である。 同じく第２層を示す底面図である。 第２の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。 第２の実施例のHF帯用アンテナの実測による特性を示すグラフである。 第３の実施例のHF帯用アンテナの第１層を示す平面図である。 同じく第２層を示す底面図である。 第３の実施例のHF帯用アンテナの特性を示すグラフである。

符号の説明

１．HF帯用アンテナ
２．ループ部
３．渦巻き部
４，５ 導線

Claims (2)

1. 閉曲線をなす導線より形成されるループ部と、一端が開放された渦巻き状の導線より形成される渦巻き部を有し、渦巻き部において導線の幅ｗ０および隣同士の周回の導線同士の間隔ｗ１が使用する電波の波長の１０^−４倍未満であり、ループ部の外側に渦巻き部が設けられ、渦巻き部の最内周はループ部の導線に近接して平行に設けられているＨＦ帯のアンテナ。
2. 渦巻き部の巻き数が３０回以上であり、使用周波数が１０ＭＨｚ以上１００ＭＨｚ以下である請求項１に記載のＨＦ帯のアンテナ。

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