CN111033895B - 双环天线 - Google Patents

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CN111033895B CN201880054830.9A CN201880054830A CN111033895B CN 111033895 B CN111033895 B CN 111033895B CN 201880054830 A CN201880054830 A CN 201880054830A CN 111033895 B CN111033895 B CN 111033895B
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Abstract

本发明提供一种双环天线，其能够明确地设定通信区域的边界且建立平衡良好的通信区域。双环天线(100)具备第一环形天线(11)和第二环形天线(21)，第一环形天线(11)和第二环形天线(21)形成于x－y平面，第一环形天线(11)的中心和第二环形天线(21)的中心配置在x轴上距双环天线(100)的中心即原点相同距离处，分别流过第一环形天线(11)和第二环形天线(21)的电流的相位差是130度到230度的范围内的任意值。

Description

双环天线
技术领域
本发明涉及能够明确地设定通信区域的边界的双环天线。
背景技术
近年来，对有意限定了通信区域的无线通信(区域限定无线)的需求提高。出于应对该需求的目的，利用磁场的系统已得到了实用(例如专利文献1)。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特许第6069548号公报
发明内容
发明要解决的课题
专利文献1所公开的方法，以天线的磁矩平行或者反平行的方式排列多个天线，并且将这些天线串联连接。根据该方法，能够在排列天线的方向上扩大通信区域。
但是，专利文献1虽然能够单向地扩大通信区域，但存在不能以天线为中心在前后左右形成取得平衡的通信区域的课题。
本发明是鉴于该课题而完成的，其目的在于提供能够明确地设定通信区域的边界，并且建立平衡良好的通信区域的双环天线。
用于解决课题的手段
本发明的一方式的双环天线具备第一环形天线和第二环形天线，其主旨在于，上述第一环形天线和上述第二环形天线形成于x－y平面，上述第一环形天线的中心和上述第二环形天线的中心配置在x轴上距上述双环天线的中心即原点距离同处，分别流过上述第一环形天线和上述第二环形天线的电流的相位差是130度到230度的范围内的任意值。
发明效果
根据本发明的双环天线，可以提供能够明确地设定通信区域的边界，并且能够建立平衡良好的通信区域的双环天线。
附图说明
图1是表示构成本发明的实施方式的双环天线的环形天线的结构例的图。
图2是图1所示的环形天线的立体图。
图3是表示第一实施方式的双环天线的结构例的图。
图4是表示图3所示的双环天线建立的磁场分布的图，(a)是从上面观察到的磁场分布，(b)是以三维形状表示(a)的一半(+z方向)的形状的图。
图5是表示改变了对图3所示的双环天线的供电信号的相位差的情况下的磁场分布的图，(a)是表示相位差δ＝0°的磁场分布的图，(b)是表示相位差δ＝130°的磁场分布的图，(c)是表示相位差δ＝180°的磁场分布的图，(d)是表示相位差δ＝240°的磁场分布的图。
图6是表示第二实施方式的双环天线的结构例的图。
图7是表示从横向(x轴)观察图6所示的双环天线而得到的外观的图。
图8是表示使构成图6所示的双环天线的环形天线以x轴为中心旋转θ°的情况下的磁场分布的图，(a)是表示θ＝±0°的磁场分布的图，(b)是表示θ＝±5°的磁场分布的图，(c)是表示θ＝±15°的磁场分布的图。
图9是表示第三实施方式的双环天线的结构例的图。
图10是表示使构成图9所示的双环天线的环形天线以y轴为中心旋转φ°的情况下的磁场分布的图，(a)是表示φ＝±0°的磁场分布的图，(b)是表示φ＝±5°的磁场分布的图，(c)是表示φ＝±15°的磁场分布的图。
图11是表示第四实施方式的双环天线的结构例的图。
图12是表示改变了向图11所示的双环天线的供电信号的相位差的情况下的磁场分布的图，(a)是表示相位差δ＝180±0°的磁场分布的图，(b)是表示相位差δ＝180±5°的磁场分布的图，(c)是表示相位差δ＝180±15°的磁场分布的图。
图13是表示第五实施方式的双环天线的结构例的图。
图14是表示改变了向图13所示的双环天线的供电信号的相位差的情况下的磁场分布的图，(a)是表示相位差δ＝180+10°且旋转角θ＝±0°的磁场分布的图，(b)是表示相位差δ＝180+10°且旋转角θ＝±2°的磁场分布的图。
图15是表示第六实施方式的双环天线的结构例的图。
图16是表示改变了向图15所示的双环天线的供电信号的相位差的情况下的磁场分布的图，(a)是表示相位差δ＝180+0°且旋转角φ＝±15°的磁场分布的图，(b)是表示相位差δ＝180+6°且旋转角φ＝±15°的磁场分布的图。
图17是表示构成本发明的实施方式的双环天线的棒状天线的结构例的图。
图18是表示第七实施方式的双环天线的结构例的图。
图19是表示构成图18所示的双环天线的棒状天线的配置例的图。
图20是表示构成第八实施方式的双环天线的棒状天线的配置例的图。
图21是表示构成第九实施方式的双环天线的棒状天线的配置例的图。
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。对多个附图中的相同的部件标注相同的参照符号，不重复说明。
首先，对构成本实施方式的双环天线的环形天线进行说明。图1是表示该环形天线11的结构例的图。
环形天线11由形成于绝缘体基板10上的导体图案所形成的开放环路构成。导体图案从绝缘体基板10的重心(中心)以预定的半径形成为环状，且形成12点方向被切开的开放环路。
开放环路的两端子是供电点12、13。例如供电点12是+极，供电点13是－极。极性也可以更换。
假设环形天线11的导体图案所形成的环面与x－y面平行。该例子中的x－y面是铅直面。
若在供电点12、13以图示的极性流过电流，则在右螺旋的方向上产生磁偶极矩矢量(以下，称为磁矩矢量)，并产生磁场。磁矩矢量的方向与环面(x－y面)垂直(法线方向)。电流以该极性流动的情况下的磁矩矢量在+z轴向上产生。
此外，电流和磁场总是同相，若电流的方向反转，则磁场的方向也反转。
图2是环形天线11的立体图。如图2所示那样定义坐标系。将铅直方向设为y轴，将与铅直方向正交且平行于环面的方向设为x轴，将环面的法线方向设为z轴。
〔第一实施方式〕
图3是表示第一实施方式的双环天线的结构例的图。本实施方式的双环天线100是呈直线状地排列2个图1所示的环形天线11而构成的。此外，环形天线也包括棒状天线等螺旋状的天线。将在后面描述使用棒状天线的结构例。
在铅直方向上配置的绝缘体基板10、20被配置成一条直线状。在绝缘体基板10、20的各自的平面上形成有第一环形天线11和第二环形天线21。
在图3所示的例子中，第一环形天线11和第二环形天线21的导电图案(匝数N＝1)的直径相同。但是，不需要使它们的条件一致。第一环形天线11和第二环形天线21的直径也可以不同。匹配下式所示的磁矩m的大小即可。
[数学式1]
m＝IRMS×Seff (1)
这里，IRMS是天线电流的有效值，Seff是环形天线的有效面积。此外，磁矩矢量是磁矩m的矢量。
在第一环形天线11的供电点12连接有信号源14的正极，在供电点13连接有信号源14的负极。若该方向的天线电流流动，则在第一环形天线11产生的磁矩矢量的方向是+z轴方向。
在第二环形天线21的供电点22连接有信号源24的负极，在供电点23连接有信号源24的正极。若该方向的天线电流流动，则在第二环形天线21产生的磁矩矢量的方向是－z轴方向。
信号源14、24是同步的交流信号源，所以第一环形天线11和第二环形天线21各自的磁矩矢量的方向总是相反。
图4示出双环天线100建立的磁场分布的例子。图4的(a)是将双环天线100的中心作为原点(x＝0，y＝0，z＝0)且从+y方向(上)观察到的磁场分布。
图4的(a)所示的闭合曲线表示从外侧到y＝0,50,60,70,80cm的平面中磁场强度为58dBμA/m的等高线。第一环形天线11与第二环形天线21的中心之间的距离为d＝10cm。
如图4所示，y＝0的等高线的形状为x方向和z方向相等的形状。换句话说，建立以双环天线100为中心在前后左右取得平衡的通信区域。
由y＝0的闭合曲线(实线)表示的58dBμA/m的磁场强度的通信区域在x方向上约是220cm，在z方向上约是220cm，纵横比是1。此外，在y＝80cm(细实线)处闭合曲线被分割，在原点附近可以看到磁场强度的下降。
图4的(b)是三维地表示双环天线100在z＞0的区域生成的磁场的强度的图。如图4的(b)所示，双环天线100的磁场强度呈例如像水果的梨一样的形状。换句话说，示出中心轴上的上部的磁场强度衰减的特性。此外，根据图4的(b)也可知建立从天线中心在前后左右取得平衡的通信区域。
接下来，对第一环形天线11与第二环形天线21的供电信号的相位差与通信区域的形状的关系进行说明。
图5示出使第一环形天线11与第二环形天线21的供电信号的相位差δ变化的情况下的磁场分布。图5的横轴与纵轴的关系与图4相同。相位差δ以10°的步长在0°～250°变化，并记载了其一部分。通信区域的大小在y＝0、磁场强度58dBμA/m的条件下进行比较。
图5的(a)示出相位差δ＝0°的磁场分布。58dBμA/m的磁场强度的通信区域的z方向的大小约是215cm，x方向的大小约是173cm。这样，纵横比不是1，通信区域与相位差δ＝180°的情况相比变窄。图5的(a)所示的通信区域到相位差δ＝120°为止没有变化，从相位差δ＝130°开始改善。
图5的(b)示出相位差δ＝130°的磁场分布。该通信区域的大小在z方向上约是215cm，在x方向上约是176cm。
相位差δ＝170°(未图示特性)的通信区域的大小在z方向上约是215cm，在x方向上约是200cm。若这样接近相位差δ＝180°，则通信区域的纵横比被改善，接近纵横比＝1。
图5的(c)示出相位差δ＝180°的磁场分布。图5的(c)与图4的(a)相同。相位差δ＝180°的通信区域的大小在z方向上约是220cm，在x方向上约是220cm，纵横比是1。
若使相位差δ进一步增大，则相位差δ＝240°时的通信区域的大小与相位差δ＝0°几乎相同。图5的(d)示出相位差δ＝240°的磁场分布。该通信区域的大小在z方向上约是215cm，在x方向上约是173cm，与相位差δ＝0°的通信区域相同。
这样，通过使第一环形天线11与第二环形天线21的供电信号的相位差δ从δ＝130°成为δ＝230°，改善通信区域的纵横比。
如以上所述，改善了通信区域的纵横比的双环天线100是具备匝数为n(n≥1)的第一环形天线11和第二环形天线21的双环天线，第一环形天线11和第二环形天线21的各自的环面沿纵向形成，第一环形天线11的中心和第二环形天线21的中心配置在与上述纵向正交且与环面平行的x轴上距双环天线100的中心即原点相同距离处，分别流过第一环形天线11和第二环形天线21的电流的相位差是130度到230度的范围内的任意值。
此外，在本实施方式的双环天线100中，如图4的(a)所示，在y＝80cm(细实线)处闭合曲线被分割。另外，示出中心轴上的上部的磁场强度衰减的特性。因为这样的特性成为不稳定通信的原因，所以存在不理想的情况。接下来，对改善了这些特性的第二实施方式进行说明。
〔第二实施方式〕
图6是表示第二实施方式的双环天线200的结构例的图。双环天线200与双环天线100(图3)的不同点在于绝缘体基板10、20分别以x轴为中心旋转。另外，双环天线200在通过一个信号源14向第一环形天线11和第二环形天线21供给相反相位的天线电流这一点上不同。这样，也可以通过一个信号源14向2个环形天线供给电流。
图7是表示从－x、y＝0、z＝0的位置观察到的双环天线200的外观的图。视点侧的绝缘体基板10以x轴为中心沿顺时针方向旋转θ°，相对于y轴具有俯角。另外，从视点侧来看，内侧的绝缘体基板20以x轴为中心沿逆时针方向旋转θ°，相对于y轴具有仰角。旋转角θ例如将逆时针方向定义为+。
通过这样使绝缘体基板10、20分别以x轴为中心旋转，第一环形天线11的磁矩矢量和第二环形天线21的磁矩矢量变得不平行。由此，在本实施方式中，能够改善成为上述的不稳定通信的原因的特性。
图8表示使双环天线200的绝缘体基板10、20以x轴为中心旋转的情况下的磁场分布的变化。图8的(a)是旋转角θ＝0°，与上述的图4的(a)以及图5的(c)相同。
图8的(b)是θ＝±5°，图8的(c)是θ＝±15°。其任意一方都消除在y＝80cm(细实线)处闭合曲线被分割的特性，也看不到原点附近处的磁场强度的下降。
这样，在本实施方式的双环天线200中，第一环形天线11的环面以x轴为中心旋转－θ度，第二环形天线21的环面以x轴为中心旋转+θ度，电流的相位差δ为δ＝180°。由此，在本实施方式中，能够改善成为不稳定通信的原因的特性。此外，也可以使双环天线200的第一环形天线11与第二环形天线21的供电信号的相位差δ变化。将在后面描述其例子。
〔第三实施方式〕
图9是表示第三实施方式的双环天线300的结构例的图。双环天线300与双环天线100(图3)的不同点在于绝缘体基板10、20分别以y轴为中心旋转。此外，通过一个信号源14对2个环形天线供给电流这一点与第二实施方式相同。
如图9所示，绝缘体基板10以y轴为中心沿顺时针方向旋转－φ°，绝缘体基板20以y轴为中心沿逆时针方向旋转φ°。旋转角φ例如将逆时针方向定义为+。
通过这样使绝缘体基板10、20分别以y轴为中心旋转，第一环形天线11的磁矩矢量和第二环形天线21的磁矩矢量变得不平行。由此，在本实施方式中，能够改善成为上述的不稳定通信的原因的特性。
图10示出使双环天线300的绝缘体基板10、20以y轴为中心旋转的情况下的磁场分布的变化。图10的(a)是旋转角φ＝0°，与上述的图4的(a)、图5的(c)以及图8的(a)相同。
图10的(b)是φ＝±5°，图10的(c)是φ＝±15°。其任意一方都消除y＝80cm(细实线)处闭合曲线被分割的特性，也看不到原点附近的磁场强度的下降。另外，其任意一方都反映出第一环形天线11和第二环形天线21的配置，在z＜0的区域中磁场被抑制，在z＞0的区域中磁场被增强，形成了z＞0方向的指向性。
这样，在本实施方式的双环天线300中，第一环形天线11的环面以沿铅直方向与x轴正交的y轴为中心旋转－φ度，第二环形天线21的环面以y轴为中心旋转+φ度，电流的相位差φ是φ＝180°。由此，在本实施方式中，能够改善成为不稳定通信的原因的特性。另外，也能够具有指向性。此外，也可以使双环天线300的第一环形天线11与第二环形天线21的供电信号的相位差δ变化。将在后面描述其例子。
另外，这里设为以y轴为中心旋转而进行了说明，但旋转轴不一定仅限于y轴，若是与y轴平行的轴，则能够得到类似的效果。例如，通过使第一环形天线11相对于与y轴平行且通过第一环形天线11的中心的直线旋转，并且使第二环形天线21相对于与y轴平行且通过第二环形天线21的中心的直线旋转，也能够得到类似的效果。
〔第四实施方式〕
图11是表示第四实施方式的双环天线400的结构例的图。双环天线400相对于双环天线100(图3)使天线电流具有相位差δ。
图12是表示使双环天线400的2个环形天线的天线电流具有相位差δ的情况下的磁场分布的变化的图。此外，该情况在第一实施方式的说明中已使用图5说明。
图12的(a)示出相位差δ＝180±0°的情况下的磁场分布。该特性与上述的图4的(a)等相同。在y＝80cm(细实线)处闭合曲线被分割，在原点附近可看到磁场强度的下降。
图12的(b)示出δ＝180±5°的磁场分布。这与相位差δ＝175°和相位差δ＝185°对应。在原点附近磁场强度的下降被消除，但在y＝80cm(细实线)处闭合曲线仍被分割。
图12的(c)示出δ＝180±15°的磁场分布。这与相位差δ＝165°和相位差δ＝195°对应。原点附近的磁场强度的下降、y＝80cm(细实线)处的闭合曲线的分割双方被消除。
这样，第一环形天线11和第二环形天线21形成于同一平面，也可以改变供给到各个环形天线的天线电流的相位差δ。本实施方式的双环天线400的作用效果与第一实施方式的双环天线100相同。
〔第五实施方式〕
图13是表示第五实施方式的双环天线500的结构例的图。双环天线500相对于双环天线200(图6)使天线电流之间具有相位差δ。
图14示出改变了相位差δ和旋转角θ双方的情况下的磁场分布的变化。图14的(a)示出相位差δ＝180+10°且旋转角θ＝±0°的情况下的磁场分布。相位差δ＝180+10°所造成的影响，通过与相同的旋转角θ＝±0°的情况下的图8的(a)对比而更容易理解。
在图8的(a)中存在的y＝80cm(细实线)处的闭合曲线的分割和原点附近的磁场强度的下降，通过在图14的(a)中设为相位差δ＝180+10°而被消除。
图14的(b)示出相位差δ＝180+10°且旋转角θ＝±2°的情况下的磁场分布。在图14的(b)中也改善成为上述的不稳定通信的原因的特性。
这样，也可以组合相位差δ和旋转角θ。换句话说，在本实施方式的双环天线500中，第一环形天线11的环面以x轴为中心旋转－θ°，第二环形天线21的环面以x轴为中心旋转+θ°，电流的相位差δ是180±Δδ°。由此，在本实施方式中，能够改善成为不稳定通信的原因的特性。
〔第六实施方式〕
图15是表示第六实施方式的双环天线600的结构例的图。双环天线600相对于双环天线300(图9)使天线电流间具有相位差δ。
图16示出改变了相位差δ和旋转角φ双方的情况下的磁场分布的变化。图16的(a)示出相位差δ＝180+0°且旋转角φ＝±15°的情况下的磁场分布。旋转角φ＝±15°所造成的影响，通过与相同的相位差δ＝180°且旋转角φ＝±0°的情况下的图10的(a)对比而更容易理解。
图10的(a)中存在的y＝80cm(细实线)处的闭合曲线的分割和原点附近的磁场强度的下降，通过在图16的(a)中设为旋转角φ＝±15°而被消除。
图16的(b)示出相位差δ＝180+6°且旋转角φ＝±15°的情况下的磁场分布。在图16的(b)中，也改善了成为上述的不稳定通信的原因的特性。此外，相位差δ＝180+6°与相位差δ＝180-6°等价。
这样，也可以组合相位差180±Δδ°和旋转角φ。换句话说，在本实施方式的双环天线600中，第一环形天线11的环面以沿铅直方向与x轴正交的y轴为中心旋转－φ°，第二环形天线21的环面以y轴为中心旋转+φ°，电流的相位差δ是180±Δδ度。由此，在本实施方式中，能够改善成为不稳定通信的原因的特性。
以上所述的第一实施方式～第六实施方式，通过使用2个环形天线的例子进行了说明，但也可以将环形天线置换为棒状天线。
图17示出棒状天线。棒状天线是在磁性体(棒)30上缠绕有导线的螺线管线圈。若电流流动，则在右螺旋的方向产生磁矩矢量，产生磁场。磁矩矢量的方向与棒平行。
另外，电流和磁场总是同相，若电流的方向反转则磁场也反转。因此，第一实施方式～第六实施方式中的环形天线能够置换为棒状天线。接下来，对由棒状天线构成的本发明的实施方式进行说明。
〔第七实施方式〕
图18是表示第七实施方式的双环天线700的结构例的图。双环天线700在x－z面内平行地配置棒状天线31、32，使各个棒状天线31、32产生相反方向的磁矩矢量。
图19是表示棒状天线31、32的配置例的图。在绝缘体基板40的两端配置有底座41、42，在底座41上配置有棒状天线31，在底座42上配置有棒状天线32。
双环天线700将双环天线100(图3)的环形天线11、21置换为棒状天线31、32。双环天线700的作用效果与双环天线100相同。
〔第八实施方式〕
图20是表示第八实施方式的双环天线800的棒状天线的配置例的图。双环天线800将双环天线200(图6)的环形天线11、21置换为棒状天线31、32。该情况下，棒状天线31的磁矩矢量和棒状天线32的磁矩矢量不平行。由此，双环天线800的作用效果与双环天线200相同。
〔第九实施方式〕
图21是表示第九实施方式的双环天线900的棒状天线的配置例的图。双环天线900将双环天线300(图9)的环形天线11、21置换为棒状天线31、32。该情况下，棒状天线31的磁矩矢量和棒状天线32的磁矩矢量不平行。由此，双环天线900的作用效果与双环天线300相同。
如以上所述，第一环形天线11和第二环形天线21分别也可以由在磁性体30上缠绕有线圈的螺线管线圈构成。
以上，按照实施方式对本发明的内容进行了说明，但本发明并不局限于这些记载，而能够进行各种变形以及改进，这对于本领域技术人员来说显而易见。例如，环形天线的形状也可以是椭圆。另外，绝缘体基板10、20的形状并不局限于长方形。
另外，虽然示出了第一环形天线11与第二环形天线21的中心间的距离为d＝10cm的例子，但只要距离d是与波长相比足够小的距离，就能够得到上述的作用效果。
另外，磁矩矢量m通过匝数N＝1的例子进行了说明，但也可以增加匝数N。这样，本发明并不局限于上述的实施方式，也能够在其主旨的范围内进行各种变形。
工业上的可利用性
本实施方式能够应用于例如NFC(Near Field Communication：近场通信)等短距离无线认证技术。另外，能够利用于在汽车等的周围和内部确保稳定的通信区域的车辆用的无线系统。
附图标记的说明
10、20、40：绝缘体基板；11：第一环形天线(环形天线)；21：第二环形天线(环形天线)；12、13、22、23：供电点；14、24：信号源；30：磁性体；31、32：棒状天线；41、42：底座；100、200、300、400、500、600、700、800、900：双环天线。

Claims (6)

1.一种双环天线，具备第一环形天线和第二环形天线，其特征在于，
上述第一环形天线和上述第二环形天线形成于x－y平面，上述第一环形天线的中心和上述第二环形天线的中心配置在x轴上距上述双环天线的中心即原点相同距离处，
分别流过上述第一环形天线和上述第二环形天线的电流的相位差是130度到230度的范围内的任意值，
上述第一环形天线以上述x轴为中心旋转－θ度，
上述第二环形天线以上述x轴为中心旋转+θ度，
上述电流的相位差是180±δ度，
其中，θ>0，δ>0。
2.根据权利要求1所述的双环天线，其特征在于，
上述第一环形天线的磁矩矢量和上述第二环形天线的磁矩矢量不平行。
3.根据权利要求1所述的双环天线，其特征在于，
上述第一环形天线和上述第二环形天线分别由在磁性体上缠绕有线圈的螺线管线圈构成。
4.一种双环天线，具备第一环形天线和第二环形天线，其特征在于，
上述第一环形天线和上述第二环形天线形成于x－y平面，上述第一环形天线的中心和上述第二环形天线的中心配置在x轴上距上述双环天线的中心即原点相同距离处，
分别流过上述第一环形天线和上述第二环形天线的电流的相位差是130度到230度的范围内的任意值，
上述第一环形天线相对于以铅直方向与上述x轴正交的y轴或与该y轴平行的轴旋转－φ度，
上述第二环形天线相对于上述y轴或与该y轴平行的轴旋转+φ度，
上述电流的相位差是180±δ度，
其中，φ>0，δ>0。
5.根据权利要求4所述的双环天线，其特征在于，
上述第一环形天线的磁矩矢量和上述第二环形天线的磁矩矢量不平行。
6.根据权利要求4所述的双环天线，其特征在于，
上述第一环形天线和上述第二环形天线分别由在磁性体上缠绕有线圈的螺线管线圈构成。
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