CN107925164A - 环形天线阵列以及环形天线阵列群 - Google Patents

环形天线阵列以及环形天线阵列群 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种环形天线阵列，其易于产生能够明确地设定通信区域的边界的磁场分布。当设n为自然数时，2n个环形天线相邻，在相邻的环形天线之间，电流的方向是相反方向。例如，环形天线阵列(1)在绝缘体基板(10)上相邻地配置环形天线(11)与环形天线(12)这两个环形天线，第1供电点(13a、13b)向环形天线(11)供电，第2供电点(14a、14b)向环形天线(12)供电。

Description

环形天线阵列以及环形天线阵列群
技术领域
本发明涉及能够明确地设定通信区域的边界的环形天线阵列。
背景技术
近年，针对有意图地限定通信区域的无线通信(区域限定无线)的需求越来越高。例如，专利文献1公开的电场通信系统是用于实现区域限定无线的一种手段。
另一方面，低频(大约10MHz)磁场具有与人体或周围环境的相互作用明显低于电场的特征。例如，专利文献2公开的环形天线在限定空间中产生磁场。
现有技术文献
专利文献
专利文献1:日本特开2007-174570号公报
专利文献2:日本特开2013-223117号公报
发明内容
发明要解决的课题
在电场通信中，只有存在于在环境中设置的接入点装置附近的区域中的终端装置能够进行与接入点装置的通信。但是，接入点装置附近的电场分布很大程度取决于设置环境、使用者的姿势等，因此难以通过电场来实现明确的附近的区域。因此，产生存在于本应该进行通信的位置的终端装置无法通信的情况或与此相反的情况等，难以构筑稳定可靠性高的区域限定无线系统。
在这里，如专利文献2公开的那样，考虑使用低频磁场来作为通信介质。如果能够产生在通信区域的边界磁场强度急剧衰减的磁场部分，则能够构筑可靠性高的区域限定无线系统。
但是，在专利文献2公开的配置为同心圆状的环形阵列天线中，环之间的相互作用大，因此难以在构成阵列的各环形天线中正确地流过意图的电流量。结果，存在难以产生在通信区域的边界磁场强度急剧衰减的磁场部分的问题。
本发明是鉴于该问题而作出的，其目的在于提供一种环形天线阵列，其易于产生能够明确地设定通信区域的边界的磁场分布。
用于解决课题的手段
本发明的环形天线阵列的主旨是在使n为自然数时，则2n个环形天线相邻，在相邻的所述环形天线之间电流的方向是反向。
发明效果
根据本发明的环形天线阵列，能够提供一种环形天线阵列，其易于产生能够明确地设定通信区域的边界的磁场分布。
附图说明
图1表示第1实施方式的环形天线阵列1的结构例。
图2表示环形天线阵列1的变形例。
图3表示改变了环形天线阵列1的长宽比的例子。
图4表示第2实施方式的环形天线阵列2的结构例。
图5表示第3实施方式的环形天线阵列3的结构例。
图6表示第4实施方式的环形天线阵列4的结构例。
图7表示第5实施方式的环形天线阵列5的结构例。
图8表示磁场分布的模拟条件，(a)表示z-x面、(b)表示z-w面。
图9表示磁场分布的模拟结果，(a)表示z-x面、(b)表示z-w面。
具体实施方式
以下，使用附图对本发明的实施方式进行说明。对多个附图中相同的部分赋予相同的参照符号，并不重复说明。
〔第1实施方式〕
图1表示第1实施方式的环形天线阵列1的结构例。本实施方式的环形天线阵列1具备绝缘体基板10、环形天线11、环形天线12、第1供电点13a、13b以及第2供电点14a、14b。关于环形天线阵列1，在绝缘体基板10上将环形天线11、12这两个环形天线相邻地配置。
第1供电点13a、13b向环形天线11供电，第2供电点14a、14b向环形天线12供电。第1供电点13a与第2供电点14a是正极(+)，第1供电点13b与第2供电点14b是负极(﹣)。
绝缘体基板10是非磁性且不导电的绝缘体基板，例如是以丙烯酸树脂、聚四氟乙烯、陶瓷等为材料的基板。在该例子中，用正方形表示绝缘体基板10的形状，但是基板的形状可以具有任何形状。
该例子的环形天线11、12的形状例如分别是半圆形状。形成环形天线11的导体图案从配置在绝缘体基板10的中央附近的第1供电点13a(+)向绝缘体基板10的外缘方向延长从而形成半圆形状的一方的底边部分。然后，导体图案从接近外缘的部分向接近绝缘体基板10的另一方外缘的部分以描绘半圆形的方式延长。之后，导体图案向配置在绝缘体基板10的中央附近的第1供电点13b(﹣)以描绘半圆形状的另一方底边部分的方式延长，形成环形天线11。
当把绝缘体基板10的平面设为以该基板的中央为原点的xy平面时，在以绝缘体基板10的x轴为基准的与环形天线11呈线对称的位置上形成环形天线12。环形天线12通过同样地配置在与第1供电点13a、13b呈线对称的位置上的第2供电点14a、14b进行供电，是向-y方向凸出的与环形天线11相同形状的环形天线。
第1供电点13a、13b以及第2供电点14a、14b对两个环形天线11以及12施加相等的交流电流。向第1供电点13a、13b以及第2供电点14a、14b供电的信号源可以共用一台信号源，也可以准备2台信号源。但是，需要使向环形天线11、12施加的交流电流的相位同步。
一般来说，电流环在远处产生的磁场的振幅与磁偶极矩矢量m的大小成比例。通过以下数学式赋予磁偶极矩矢量m。
数学式1
m＝IS (1)
I是流过导体环(环形天线)的电流。S是环形天线所包围的区域的面积矢量。m的方向是相对于电流的方向为右手定则的方向。
如果在同一基板(绝缘体基板10)上相邻配置的两个环形天线中流过等量的电流，则各自的磁偶极矩矢量m的方向为反向，这是由于流过环形天线11的电流的方向是顺时针方向，流过环形天线12的电流的方向是逆时针方向。
结果，两个环形天线11与12的磁偶极矩矢量m之和为零。也就是说，远处的磁场表示出急剧衰减的特性。因此，如此形成的环形天线阵列能够产生通过单一的环形天线无法获得的轮廓分明的磁场分布。针对具体的磁场分布会在后面进行描述。
图2表示环形天线阵列1的变形例。图2(a)表示将环形天线11、12设为长方形的形状的例子。图2(b)表示将环形天线11、12设为等腰三角形的形状的例子。
环形天线的形状并不限于上述例子。如果构成环形天线阵列的导体环所形成的各个区域的面积相等，则环形天线的形状在环形天线阵列之间可以不同。
另外，绝缘体基板10的长宽比(aspect ratio)无需是1。如图3所示，绝缘体基板10的形状可以是长方形。也就是说，环形天线的形状可以在绝缘体基板10的y轴方向上压缩，并在x轴方向上延长。
如以上所述，根据环形天线阵列1，不像现有技术那样同心圆状地配置两个环形天线，因此没有它们之间的相互作用。因此，能够在环形天线11、12中正确地流过所意图的电流量。结果，如设计的那样，能够实现一种环形天线阵列，其具有能够明确地决定通信区域的边界的轮廓分明的磁场分布。
〔第2实施方式〕
图4表示第2实施方式的环形天线阵列2的结构例。本实施方式的环形天线阵列2减少了环形天线阵列1的供电点的数量。
环形天线阵列2具备一对供电点23a、23b。环形天线11、12通过一对供电点23a、23b进行供电。正极(+)的供电点23a被配置在上述第2供电点14a的位置。负极(﹣)的供电点23b被配置在上述第1供电点13b的位置。也就是说，供电点23a与供电点23b被配置在以原点为中心的点对称的位置上。
在绝缘体基板10的xy平面的﹣y方向上配置的环形天线12的半圆形状的底边的基板中央部分的一端与供电点23a连接。环形天线12的半圆形状的另一方的基板中央部分的底边的端部在供电点23a与23b之间被延长，与环形天线11的半圆形状的一方的底边的基板中央部分相连接。
然后，环形天线11的半圆形状的另一方的底边的端部与供电点23b相连接。如此，例如通过以供电点23a为起点，以供电点23b为终点的可一笔描绘的方式构成环形天线11、12，由此能够减少供电点的数量。此外，减少了供电点数量的环形天线阵列2的磁场分布与上述环形天线阵列1相同。
〔第3实施方式〕
图5表示第3实施方式的环形天线阵列3的结构例。本实施方式的环形天线阵列3在绝缘体基板10上配置了4个环形天线31、32、33、34。此外，关乎供电点23a、23b，从参照符号可知与上述环形天线阵列2的供电点相同。供电点23a被配置在以绝缘体基板10的平面中央为原点的xy坐标系的第三象限的原点附近，供电点23b被配置在第一象限的原点附近。
环形天线31、32、33、34各自的形状是将圆形分成4份所得的扇形的形状。配置在第三象限的环形天线31的扇形的一个半径的起点由供电点23a进行供电。
从供电点23a向-x方向延长的导体图案是在形成扇形的一个半径之后，形成圆弧以及另一个半径来在第三象限中构成环形天线31。接着，导电图案向+x方向延长，构成在第四象限中配置的环形天线32的扇形的一个半径、圆弧以及另一个半径。
然后，环形天线32的另一个半径的末端部分例如经由未图示的通孔向绝缘体基板10的背面延长。在绝缘体基板10的背面延长的导体图案(虚线)通过省略了图示的在第二象限的原点附近配置的通孔再次形成在绝缘体基板10的表面。
从省略了图示的通孔向绝缘体基板10的表面延长的导体图案向-x方向延长，构成在第二象限中配置的环形天线33的扇形的一个半径、圆弧以及另一个半径。然后，环形天线33的另一个半径的末端部分在原点附近与其他的导体图案不接触地向+x方向延长，构成在第一象限中配置的环形天线34的一个半径、圆弧以及另一个半径。环形天线34的另一个半径的末端部与供电点23b相连接。
如此构成的各个环形天线的圆弧部分中流过的电流的朝向在相邻的环形天线彼此之间是反方向。在环形天线31的圆弧部分流过的电流是逆时针方向，与此相对，在相邻的环形天线32和33的圆弧部分中流过的电流的朝向是顺时针方向。另外，在环形天线32的圆弧部分流过的电流的朝向是顺时针方向，与此相对，在相邻的环形天线31和34的圆弧部分流过的电流的朝向是逆时针方向。
如果在这样相邻配置的4个环形天线31、32、33、34中流过等量的电流，则不仅各个磁偶极矩矢量m的总和为零，还能够使磁四极矩的总和也为零，因此可作为磁八极子来发挥功能。因此，与具有磁四极矩的环形天线阵列1以及2相比能够获得轮廓更加分明的磁场分布。
〔第4实施方式〕
图6表示第4实施方式的环形天线阵列4的结构例。本实施方式的环形天线阵列4(环形天线阵列群)是在绝缘体基板10上配置8个环形天线41～49的环形天线阵列。
环形天线阵列4在绝缘体基板10上具备多个(并列配置2个)将各天线的形状设为正方形的上述环形天线阵列3。也就是说，通过一对供电点45a、45b来供电的环形天线41、42、43以及44生成磁八极矩。另外，通过另一对供电点50a、50b来供电的环形天线46、47、48以及49生成磁八极矩矢量。
此外，一对供电点45a、45b与环形天线41、42、43以及44之间的连接关系与上述环形天线阵列3(图5)相同。另外，另一对供电点50a、50b与环形天线46、47、48以及49之间的连接关系也与上述环形天线阵列3(图5)相同。
但是，在供电点不同的相邻的环形天线阵列之间使电流的方向为相反方向，因此一方的供电点45a、45b与另一方的供电点50a、50b的极性相反。也就是说，一方的供电点45a(+)与处于相同的位置关系的另一方的供电点50a(﹣)的极性相反。同样地，一方的供电点45b(﹣)与处于相同的位置关系的另一方的供电点50b(+)的极性相反。
通过这样使相邻的环形天线阵列的供电点的处于相同的位置关系的供电点彼此的极性反转，能够使相邻的全部环形天线阵列中相互位置相同的环形天线(例如，环形天线43与环形天线48)之间流过的电流的方向为相反方向。结果，配置在同一平面上的环形天线阵列的磁八极矩的总和为零，作为磁十六极子发挥功能，因此与上述实施方式相比能够得到轮廓更加分明的磁场分布。
〔第5实施方式〕
图7表示第5实施方式的环形天线阵列5的结构例。本实施方式的环形天线阵列5(环形天线阵列群)是在构成上述环形天线阵列4的各个环形天线相邻的方向上并排配置2个上述环形天线阵列4，具备16个环形天线51～67。
供电点55a、55b向环形天线51、52、53以及54供电。供电点60a、60b向环形天线56、57、58以及59供电。供电点65a、65b向环形天线61、62、63以及64供电。供电点70a、70b向环形天线66、67、68以及69供电。此外，各供电点与各环形天线之间的连接关系与上述环形天线阵列3(图5)相同。
在x轴方向以及y轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点彼此的极性反转。供电点55a(+)与在x轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点60a(﹣)的极性反转。同样地，供电点55b(﹣)与在x轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点60b(+)的极性反转。
供电点55a(+)与在y轴方向上相邻的处于相同位置关系的供电点65a(﹣)的极性反转。同样地，供电点55b(﹣)与在y轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点65b(+)的极性反转。
同样地，供电点70a、70b与在x轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点65a、65b的极性也反转。另外，供电点70a、70b与在y轴方向上相邻的处于相同的位置关系的供电点60a、60b的极性也反转。
通过这样使相邻的环形天线阵列的供电点的处于相同的位置关系的供电点彼此的极性反转，能够使相邻的全部的环形天线阵列中相互位置相同的环形天线(例如，环形天线53与环形天线58、环形天线53与环形天线63、环形天线63与环形天线68)之间流过的电流的方向为相反方向。结果，配置在同一平面上的环形天线阵列的磁十六极矩的总和为零，作为磁三十二极子发挥功能，因此与上述实施方式相比能够得到轮廓更加分明的磁场分布。
〔磁场分布的模拟〕
出于确认本发明的作用效果的目的，进行了磁场分布的模拟。参照图8和图9来说明该模拟结果。
图8表示模拟条件。通过在绝缘体基板10上配置了4个环形天线的环形天线阵列3的结构进行了磁场分布的模拟。
设为在绝缘体基板10上配置了4个半径0.1m的圆形的环形天线31～34的环形天线阵列。环形天线31被配置在xy坐标系的第三象限，环形天线32被配置在第四象限，环形天线33被配置在第二象限，环形天线34被配置在第一象限。然后，模拟了向各环形天线供给相同相位的交流电流而产生的磁场。
图9(a)表示z-x面的磁场分布。磁场以原点为中心分布在4个方向上。x轴与y轴上的磁场为零。可知以原点为中心磁场的强度急剧下降。图中的数值的单位是dBμA/m，一条等高线表示10dBμA/m的差量。
坐标(0.5，0.5)的磁场的强度约为70dBμA/m，从原点附近的强度最强的部分开始离开了0.5m的位置下降70dB。该衰减量与现有的单一的环形天线相比衰减量约大20dB。
图9(b)表示z-w面的磁场分布。z轴上的磁场是零。可知磁场以z轴为中心分布在z-w面的两个方向上。在X方向上距离原点约0.95m的位置的磁场的强度约为60dBμA/m。该磁场的强度与现有的单一的环形天线相比衰减量约大10dB。
如此，本发明的环形天线阵列能够产生能够明确地设定通信区域的边界的轮廓分明的磁场分布。
此外，模拟了磁场分布的环形天线阵列是使磁四极矩矢量的总和为零的环形天线阵列。通过增加环形天线的数量，还可实现生成更加急剧的衰减量的磁场分布的环形天线阵列。
也就是说，当设环形天线的数量为n时，n为自然数，本实施方式的环形天线阵列在绝缘体基板10上具备2n个环形天线。并且，在相邻的环形天线之间，电流的方向为相反方向。
以上，按照实施方式对本发明的内容进行了说明，但是本发明并不限于这些记载，本领域技术人员可以进行各种各样的变形以及改良。例如，环形天线的形状可以是椭圆形。另外，绝缘体基板10的形状并不限定于长方形。
另外，以匝数N＝1为例说明了磁偶极矩矢量m，但是可以增加匝数N，通过增加N能够增加磁场的衰减量。如此，本发明并不限定于上述实施方式，能够在其主旨范围内进行多个变形。
符号说明
1、2、3、4、5：环形天线阵列
10：绝缘体基板
11、12：环形天线
13a、13b：供电点
14a、14b：供电点
23a、23b：供电点。

Claims (6)

1.一种环形天线阵列，其特征在于，
在设n为自然数时，2n个环形天线相邻，
在相邻的所述环形天线之间，电流的方向为相反方向。
2.根据权利要求1所述的环形天线阵列，其特征在于，
配置在同一平面上的多个所述环形天线的磁偶极矩矢量的总和是零，所述磁偶极矩矢量是所述环形天线包围的面积与所述电流的乘积。
3.根据权利要求1或2所述的环形天线阵列，其特征在于，
所述环形天线的形状全部相同。
4.根据权利要求1～3中的任意一项所述的环形天线阵列，其特征在于，
所述环形天线的形状是正方形、圆形、长方形、椭圆、扇形、三角形、半圆中的任意一个。
5.根据权利要求1～4中的任意一项所述的环形天线阵列，其特征在于，
全部的所述环形天线从一对供电点被供电。
6.一种环形天线阵列群，其特征在于，
具备多个权利要求1～5中的任意一项所述的环形天线阵列，在相邻的所述环形天线阵列中相互位置相同的环形天线中流过的电流的方向是相反方向。
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