JP2010183547A - Antenna device and rfid tag including the same - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide structure for reducing in-phase reflection frequencies of sheet-like structures, for expanding frequency bands where the sheet-like structures can operate as leak antennas, and for miniaturizing the sheet-like structures. <P>SOLUTION: A conductor pattern is disposed on the sheet-like structure via an insulating layer, thus generating coupling of an electromagnetic field between the sheet-like structure and the conductor pattern, and hence reducing the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure and expanding the frequency bands operable as the leak antenna. Also, the decrease in the in-phase reflection frequency miniaturizes an RFID tag using the sheet-like structure. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体とそれを利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグに関する。   The present invention relates to a sheet-like structure having a high surface impedance, an antenna device using the same, and an RFID (Radio Frequency Identification) tag.

高い表面インピーダンスを有するシート状構造体（ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造体ともいう）としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ビアに相当する部位をパターンに埋め込むことで製造工程の簡略化を図ろうとする技術（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。   As a sheet-like structure (also referred to as an EBG (Electromagnetic Band Gap) structure) having a high surface impedance, a so-called mushroom structure having vias is conventionally known (for example, see Patent Document 1). In addition, a technique for simplifying the manufacturing process by embedding a portion corresponding to a via in a pattern has been proposed (for example, see Patent Document 2).

更に、上記シート状構造体の上にスペーサを介してアンテナ導体を配置し、シート状構造体を同相反射板として用いることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。   Furthermore, it is also proposed that an antenna conductor is disposed on the sheet-like structure via a spacer and the sheet-like structure is used as an in-phase reflector (see, for example, Patent Document 3).

米国特許第６，５３８，６２１号公報US Pat. No. 6,538,621 特開２００６−２４５９８４号公報JP 2006-245984 A 特開２００８−１３１５０６号公報JP 2008-131506 A

しかしながら、特許文献３に開示されているような構造では、シート状構造体の同相反射周波数でアンテナ導体とＩＣとの整合を図ることが困難であるという問題がある。   However, the structure disclosed in Patent Document 3 has a problem that it is difficult to match the antenna conductor and the IC at the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure.

そこで、本発明は、シート状構造体が動作可能な周波数帯域幅を拡張し、同時に、シート状構造体の同相反射周波数を低下させて、小型化が図れる構造を提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide a structure that can be miniaturized by extending the frequency bandwidth in which the sheet-like structure can operate and at the same time reducing the common-mode reflection frequency of the sheet-like structure.

本発明の発明者らは、検討の結果、シート状構造体と該シート状構造体上にスペーサを介して配置された導体アンテナとの磁気的結合により、シート状構造体の同相反射周波数が変化し、シート状構造体の同相反射周波数でアンテナ導体とＩＣとの整合を図ることが困難となっていることを突き止めた。   As a result of investigation, the inventors of the present invention changed the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure by magnetic coupling between the sheet-like structure and the conductor antenna disposed on the sheet-like structure via a spacer. Then, it has been found that it is difficult to achieve matching between the antenna conductor and the IC at the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure.

一方で、本発明の発明者らは、シート状構造体自体がリークアンテナとして動作していることも見出した。図１にシート状構造体の分散特性を示す。縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸はｋａ／πである。ここで、ｋは波数ベクトルの大きさ、ａはシート状構造体の周期構造の周期、πは円周率である。また波数ベクトルの大きさｋは、波長λを用いてｋ＝２π／λと表される。   On the other hand, the inventors of the present invention have also found that the sheet-like structure itself operates as a leak antenna. FIG. 1 shows the dispersion characteristics of the sheet-like structure. The vertical axis represents frequency (Hz) and the horizontal axis represents ka / π. Here, k is the magnitude of the wave vector, a is the period of the periodic structure of the sheet-like structure, and π is the circumference. The wave vector magnitude k is expressed as k = 2π / λ using the wavelength λ.

図１を参照すると、自由空間の光の分散特性を表すＬｉｇｈｔ Ｌｉｎｅが示されている。このＬｉｇｈｔ Ｌｉｎｅよりも上の領域では、位相速度が真空中の光の位相速度を超えることから、電磁波がリークしてくる。一方、波数ベクトルの大きさｋが０である点、即ち、図中のΓ点付近がシート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグの動作点である。Γ点においては、同相反射が生じるとともに、リーク波がＥＢＧ表面から垂直に放出される。以上より、シート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグにおいて、シート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグにおいて、シート状構造体自体が理論的にはリークアンテナとして動作することが理解できる。また、Light Lineより上の領域が、リークアンテナとして動作する周波数範囲であり、同時に反射位相が同相反射に近づく周波数範囲ともなるので、周波数範囲は共に一致する。   Referring to FIG. 1, a light line representing light dispersion characteristics in free space is shown. In the region above this Light Line, the phase velocity exceeds the phase velocity of the light in vacuum, so that electromagnetic waves leak. On the other hand, the point where the magnitude k of the wave vector is 0, that is, the vicinity of the Γ point in the figure is the operating point of the RFID tag configured using the sheet-like structure. At the Γ point, in-phase reflection occurs and a leak wave is emitted perpendicularly from the EBG surface. From the above, in an RFID tag configured using a sheet-like structure, it can be understood that the sheet-like structure itself theoretically operates as a leak antenna in an RFID tag configured using the sheet-like structure. . In addition, the region above the light line is a frequency range that operates as a leak antenna, and at the same time, the reflection phase is also a frequency range that approaches in-phase reflection.

更に、本発明の発明者らは、シート状構造体の上に絶縁層を介して、導体パターンを配置することにより、シート状構造体の同相反射周波数を低下させ、すなわちリークアンテナの動作周波数を低下させるとともに、シート状構造体が同相反射板もしくはリークアンテナとして動作可能な周波数帯域幅を拡張できることを見出した。これは、導体パターンが、シート状構造体の電磁界とカップリングすることによって生ずるものである。本発明は、以上の知見に基づいたものである。   Furthermore, the inventors of the present invention reduce the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure by placing a conductor pattern on the sheet-like structure via an insulating layer, that is, reduce the operating frequency of the leak antenna. It has been found that the frequency bandwidth in which the sheet-like structure can operate as an in-phase reflector or a leak antenna can be expanded. This is caused by coupling of the conductor pattern with the electromagnetic field of the sheet-like structure. The present invention is based on the above findings.

即ち、本発明によれば、第１のアンテナ装置として、トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドと、導体パターンと、絶縁層とを備えたアンテナ装置において、前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有しており、前記絶縁層は、前記トップ電極上に形成されており、前記導体パターンは、前記絶縁層上に形成されている、アンテナ装置が得られる。   That is, according to the present invention, as the first antenna device, a sheet-like structure in which a plurality of unit cells including a top electrode are periodically arranged and at least one pair of adjacent top electrodes are provided. In the antenna device provided with the IC land, the conductor pattern, and the insulating layer, each of the adjacent top electrodes has an IC connection portion provided in the IC land, and the insulating layer is The antenna device is obtained, wherein the antenna device is formed on the top electrode, and the conductor pattern is formed on the insulating layer.

また、本発明によれば、第２のアンテナ装置として、第１のアンテナ装置において、前記導体パターンの形状は、長方形、コの字形、Ｃ字形又はループ形である、アンテナ装置が得られる。   In addition, according to the present invention, as the second antenna device, in the first antenna device, an antenna device in which the shape of the conductor pattern is a rectangle, a U shape, a C shape, or a loop shape can be obtained.

また、本発明によれば、第１又は第２のいずれかのアンテナ装置と、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグが得られる。   Further, according to the present invention, an RFID (Radio Frequency Identification) tag including either the first or second antenna device and an IC mounted on the IC land can be obtained.

本発明によれば、シート状構造体の上に絶縁層を介して、導体パターンを配置することにより、シート状構造体と導体パターンとの間に磁気的結合が生じ、シート状構造体内部のインダクタンスを増大させることができる。これにより、シート状構造体の同相反射周波数を低下させると共に、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域を拡張することができる。また、同相反射周波数の低下により、シート状構造体を用いたＲＦＩＤタグの小型化が図られる。   According to the present invention, by arranging the conductor pattern on the sheet-like structure via the insulating layer, a magnetic coupling occurs between the sheet-like structure and the conductor pattern, and the inside of the sheet-like structure is Inductance can be increased. As a result, the in-phase reflection frequency of the sheet-like structure can be reduced, and the frequency band that can operate as a leak antenna can be expanded. Further, the RFID tag using the sheet-like structure can be miniaturized due to the decrease of the in-phase reflection frequency.

シート状構造体の分散特性図である。It is a dispersion | distribution characteristic view of a sheet-like structure. 本発明の実施の形態によるアンテナ装置の斜視図である。1 is a perspective view of an antenna device according to an embodiment of the present invention. 図２のアンテナ装置のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。It is III-III sectional drawing of the antenna apparatus of FIG. 図２のアンテナ装置に用いられるシート状構造体の単位構造を表す図である。It is a figure showing the unit structure of the sheet-like structure used for the antenna apparatus of FIG. 図２のアンテナ装置のＶ−Ｖ断面図である。It is VV sectional drawing of the antenna apparatus of FIG. 本発明のアンテナ装置と、導体パターンなしのアンテナ装置の放射効率の周波数特性の計算結果を示すグラフである。It is a graph which shows the calculation result of the frequency characteristic of the radiation efficiency of the antenna apparatus of this invention, and an antenna apparatus without a conductor pattern. ループ形状の導体パターンを用いたアンテナ装置の斜視図である。It is a perspective view of an antenna device using a loop-shaped conductor pattern. 二方向の電界に対応したシート状構造体の単位構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the unit structure of the sheet-like structure corresponding to the electric field of two directions. 図８の単位構造を周期的に配列したシート状構造体の斜視図である。FIG. 9 is a perspective view of a sheet-like structure in which the unit structures of FIG. 8 are periodically arranged.

図２に示されるように、本実施の形態によるアンテナ装置は、シート状構造体１と、導体パターン２と、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）シート３とを備えている。図から理解されるように、ＰＥＴシート３はシート状構造体１のトップ電極４（後述）上に形成されており、導体パターン２は当該ＰＥＴシート３上に形成されている。本実施の形態におけるシート状構造体１は、カードサイズ８６×５４ｍｍであり、厚さは０．７ｍｍである。また、ＰＥＴシート３は、０．１ｍｍの厚さを有している。更に、導体パターン２のサイズは、６０×３ｍｍの長方形形状である。   As shown in FIG. 2, the antenna device according to the present embodiment includes a sheet-like structure 1, a conductor pattern 2, and a PET (Polyethylene Terephthalate) sheet 3. As understood from the drawing, the PET sheet 3 is formed on a top electrode 4 (described later) of the sheet-like structure 1, and the conductor pattern 2 is formed on the PET sheet 3. The sheet-like structure 1 in the present embodiment has a card size of 86 × 54 mm and a thickness of 0.7 mm. The PET sheet 3 has a thickness of 0.1 mm. Furthermore, the size of the conductor pattern 2 is a rectangular shape of 60 × 3 mm.

図３乃至図５に示されるように、本実施の形態におけるシート状構造体１は、複数個の単位セル１０を周期的に並べてなるものである。単位セル１０は、トップ電極４と、グランド電極５と、トップ電極４及びグランド電極５を電気的に接続するビア６と、浮遊キャパシタ電極７と、トップ電極４及びグランド電極５の間を満たしている誘電体８ａ、８ｂとを備えている。なお、理解を容易にするため、図４においては、誘電体８ａ、８ｂは図示していない。また、図３及び図５においては、ＰＥＴシート３は図示していない。本実施の形態による単位セル１０のサイズは、２１×１３．２５×０．７ｍｍであり、ビア６の径φ１．４ｍｍ、トップ電極４のサイズは２０．７×１２．９５ｍｍ、隣接するトップ電極４同士の間隔は０．３ｍｍ、浮遊キャパシタ電極７のサイズは、単位セル１０内における寸法は９．６×１２．９５ｍｍであり、隣接単位セル１０に亘っている場合は１９．２×１２．９５ｍｍである。本実施の形態におけるトップ電極４、グランド電極５及び浮遊キャパシタ電極７は厚み１８μｍの銅箔である。また、本実施の形態において、トップ電極４と浮遊キャパシタ電極７の間には、厚さ０．１ｍｍの誘電体８ａが設けられている。誘電体８ａの比誘電率３．３５、tanδ０．００１７である。一方、浮遊キャパシタ電極７とグランド電極５の間には、厚さ０．６ｍｍの誘電体８ｂが設けられている。誘電体８ｂの比誘電率３．５、tanδ０．００３である。なお、後述するように、浮遊キャパシタ電極７を省略する場合、誘電体８ａ、８ｂは、真空又は空気を用いてもよい。   As shown in FIGS. 3 to 5, the sheet-like structure 1 in the present embodiment is formed by periodically arranging a plurality of unit cells 10. The unit cell 10 fills the space between the top electrode 4, the ground electrode 5, the via 6 that electrically connects the top electrode 4 and the ground electrode 5, the floating capacitor electrode 7, and the top electrode 4 and the ground electrode 5. Dielectrics 8a and 8b. For easy understanding, the dielectrics 8a and 8b are not shown in FIG. 3 and 5, the PET sheet 3 is not shown. The size of the unit cell 10 according to the present embodiment is 21 × 13.25 × 0.7 mm, the diameter of the via 6 is 1.4 mm, the size of the top electrode 4 is 20.7 × 12.95 mm, and the adjacent top electrodes 4 is 0.3 mm, the size of the floating capacitor electrode 7 is 9.6 × 12.95 mm in the unit cell 10, and 19.2 × 12. 95 mm. The top electrode 4, the ground electrode 5, and the floating capacitor electrode 7 in the present embodiment are copper foils having a thickness of 18 μm. In the present embodiment, a dielectric 8 a having a thickness of 0.1 mm is provided between the top electrode 4 and the floating capacitor electrode 7. The relative permittivity of the dielectric 8a is 3.35 and tan δ 0.0017. On the other hand, a dielectric 8 b having a thickness of 0.6 mm is provided between the floating capacitor electrode 7 and the ground electrode 5. The relative permittivity of the dielectric 8b is 3.5 and tan δ 0.003. As will be described later, when the floating capacitor electrode 7 is omitted, the dielectrics 8a and 8b may use vacuum or air.

本実施の形態による単位セル１０は、一方向の電界方向のみにシート状構造体１を対応させている。詳しくは、図３に示されるように、同相反射が生じる電界方向（Ｘ方向）、即ち、リークアンテナになっている電界方向においては、浮遊キャパシタ電極７が隣接するトップ電極４の下にまたがって置かれている。換言すると、当該方向においては、隣接する単位セル１０の浮遊キャパシタ電極７同士は連続している。一方、図５に示されるように、同相反射が生じない電界方向（Ｙ方向）、即ちリークアンテナになっていない方向では、浮遊キャパシタ電極７はトップ電極４の間にまたがっていない。換言すると、当該方向においては、隣接する単位セル１０の浮遊キャパシタ電極７同士はトップ電極４の端のラインで切れている。   In the unit cell 10 according to the present embodiment, the sheet-like structure 1 is associated with only one electric field direction. Specifically, as shown in FIG. 3, in the electric field direction (X direction) where in-phase reflection occurs, that is, in the electric field direction serving as a leak antenna, the floating capacitor electrode 7 straddles under the adjacent top electrode 4. It has been placed. In other words, the floating capacitor electrodes 7 of the adjacent unit cells 10 are continuous in the direction. On the other hand, as shown in FIG. 5, the floating capacitor electrode 7 does not straddle the top electrode 4 in the electric field direction (Y direction) in which in-phase reflection does not occur, that is, in the direction not serving as a leak antenna. In other words, the floating capacitor electrodes 7 of the adjacent unit cells 10 are cut at the end line of the top electrode 4 in this direction.

本実施の形態において、隣接するトップ電極４の間にはＩＣランドが形成されている（図２及び図３を参照）。当該トップ電極４は、夫々、ＩＣ接続部を有しており、ＩＣ接続部は、ＩＣランド内に形成されている。ＩＣチップ１１はＩＣ接続部と接続され、ＩＣランドに搭載される。   In the present embodiment, an IC land is formed between adjacent top electrodes 4 (see FIGS. 2 and 3). Each top electrode 4 has an IC connection portion, and the IC connection portion is formed in the IC land. The IC chip 11 is connected to the IC connection unit and mounted on the IC land.

通常、シート状構造体１自体にＩＣチップ１１を実装した場合、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域は狭くなる。しかし、本実施の形態のように、シート状構造体１の表面近傍に導体パターン２を配置することにより、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域が拡張される。従って、ＩＣチップ１１と、シート状構造体１との整合が取りやすくなる。   Normally, when the IC chip 11 is mounted on the sheet-like structure 1 itself, the frequency band that can operate as a leak antenna becomes narrow. However, by arranging the conductor pattern 2 near the surface of the sheet-like structure 1 as in the present embodiment, the frequency band that can operate as a leaky antenna is expanded. Therefore, it becomes easier to align the IC chip 11 and the sheet-like structure 1.

図６に示されるように、本実施の形態（導体パターン２あり）によるアンテナ装置の方が、従来のアンテナ装置（導体パターン２なし）よりも、リークアンテナの放射周波数を低下させることができると共に、周波数帯域幅も拡張させていることが理解できる。   As shown in FIG. 6, the antenna device according to the present embodiment (with conductor pattern 2) can lower the radiation frequency of the leak antenna than the conventional antenna device (without conductor pattern 2). It can be seen that the frequency bandwidth is also expanded.

図２に示されるように、本実施の形態による導体パターン２は長方形形状のものを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示されるように、ループ形状の導体パターン２ａを用いることとしてもよい。また、コの字形状、Ｃ字形状としてもよい。   As shown in FIG. 2, the conductor pattern 2 according to the present embodiment has a rectangular shape, but the present invention is not limited to this. For example, as shown in FIG. 7, a loop-shaped conductor pattern 2a may be used. Moreover, it is good also as U shape and C shape.

本実施の形態によるシート状構造体１は一方向の電界のみに対応させているが、例えば、二方向及び三方向の電界に対応させることとしてもよい。この場合、例えば、図８及び図９に示されるように、Ｘ方向及びＹ方向の夫々において隣接するトップ電極４の下に浮遊キャパシタ電極７がまたがるよう配置すれば二方向の電界に対応することができる。なお、理解を容易にするため、図８及び図９においては、誘電体は図示していない。更に、例えば、トップ電極４を六角形形状にすることにより、各対辺を垂直に通る三方向の電界に対応させることができる。   Although the sheet-like structure 1 according to the present embodiment corresponds to only an electric field in one direction, for example, it may correspond to an electric field in two directions and three directions. In this case, for example, as shown in FIGS. 8 and 9, if the floating capacitor electrode 7 is disposed so as to straddle the adjacent top electrode 4 in each of the X direction and the Y direction, the electric field in two directions can be handled. Can do. In order to facilitate understanding, the dielectric is not shown in FIGS. Furthermore, for example, by making the top electrode 4 a hexagonal shape, it is possible to deal with electric fields in three directions passing vertically through the opposite sides.

更に、本実施の形態によるシート状構造体１は、トップ電極４、グランド電極５、ビア６及び浮遊キャパシタ電極７の４つを備えていたが、グランド電極５、浮遊キャパシタ電極７及びビア６は適宜省略してもよい。例えば、トップ電極４のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４と浮遊キャパシタ電極７のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５と浮遊キャパシタ電極７のみを備えシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５とビア６のみを備えるシート状構造体１を用いることとしてもよい。   Further, the sheet-like structure 1 according to the present embodiment includes the top electrode 4, the ground electrode 5, the via 6, and the floating capacitor electrode 7, but the ground electrode 5, the floating capacitor electrode 7, and the via 6 have It may be omitted as appropriate. For example, the sheet-like structure 1 having only the top electrode 4, the sheet-like structure 1 having only the top electrode 4 and the ground electrode 5, the sheet-like structure 1 having only the top electrode 4 and the floating capacitor electrode 7, the top electrode 4 Alternatively, the sheet-like structure 1 including only the ground electrode 5 and the floating capacitor electrode 7 and the sheet-like structure 1 including only the top electrode 4, the ground electrode 5, and the via 6 may be used.

１ シート状構造体
２、２ａ 導体パターン
３ ＰＥＴシート
４ トップ電極
５ グランド電極
６ ビア
７ 浮遊キャパシタ電極
８ａ、８ｂ 誘電体
１１ ＩＣチップ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Sheet-like structure 2, 2a Conductor pattern 3 PET sheet 4 Top electrode 5 Ground electrode 6 Via 7 Floating capacitor electrode 8a, 8b Dielectric 11 IC chip

Claims (3)

トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドと、導体パターンと、絶縁層とを備えたアンテナ装置において、
前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有しており、
前記絶縁層は、前記トップ電極上に形成されており、
前記導体パターンは、前記絶縁層上に形成されている、
アンテナ装置。 A sheet-like structure in which a plurality of unit cells including a top electrode are periodically arranged; at least one set of IC lands provided across the adjacent top electrodes; a conductor pattern; and an insulating layer. In the antenna device
The adjacent top electrodes each have an IC connection provided in the IC land,
The insulating layer is formed on the top electrode;
The conductor pattern is formed on the insulating layer,
Antenna device. 請求項１に記載のアンテナ装置において、前記導体パターンの形状は、長方形、コの字形、Ｃ字形又はループ形である、
アンテナ装置。 The antenna device according to claim 1, wherein the shape of the conductor pattern is a rectangle, a U-shape, a C-shape, or a loop shape.
Antenna device. 請求項１又は請求項２のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ。   An RFID (Radio Frequency Identification) tag comprising the antenna device according to claim 1 and an IC mounted on the IC land.
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