CN1536714A - 天线装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种天线结构,该天线结构在使用3个环路以上的发射天线的情况下,能完全抵消在发射天线和接收天线之间由于电流耦合而导致的电流减小,由此能确保可靠性高、稳定的发送能力。本发明设有3个环路以上的发射天线,为了抵消在与该发射天线的3个环路以上的各环路对应的接收天线的各磁力线通过区中产生的正相位的磁通量和反相位的磁通量的总和,使该接收天线的至少一个磁力线通过区的环路形状变形而设置。

Description

天线装置
技术领域
本发明涉及一种天线装置,在与数据载体之间非接触地进行数据通信,上述数据载体是为了进行例如进出房间的管理或货物自动分类而佩带于人身或物上的。具体地讲,涉及一种能提高非接触通信时的接收能力的天线装置。
背景技术
通常,被用作数据载体的非接触RF标签(以下称为RF标签)由线圈天线和内置有非易失性存储器的IC芯片构成,与产生感应磁场的天线装置以无线进行数据通信。该非接触通信的技术作为替代条形码的识别技术而倍受关注。对于可进行这样的非接触通信的RF标签,由于用于使IC芯片工作的电源由天线产生的感应磁场提供,所以不需要电池。
另一方面,在天线装置中使用环路天线,随着其使用方法和场所的不同,可以构成各种天线形状。
例如,存在与检测区域的一侧相向地配置1个天线的天线装置、或者与检测区域的两侧相向地配置同形状的2个天线的门控(gate)型天线装置。这些天线装置被用于输送带运输的物品的自动读取装置、物品的入库出库管理用的读取装置、或者现有的防盗安全门等。
要求用于上述目的的天线装置不依赖于其位置和方向来读取位于检测区域内的RF标签,并且必须被限制在电波法允许范围内的电波输出内实现。为了满足上述相反的要求,在现有的使用电波的天线装置中,提出了多种方式的天线的技术方案。
研究这种天线的通信性能,虽然可用1个天线进行接收和发送,但由于通常这种情况下的天线被设定为与发送频率相适应,所以接收灵敏度与最佳情况相比变低。因此,有时对发送天线或收发天线分别设置被设定为与接收频率相适应的接收天线。
另外,如图6所示,当在长方形的一个环路发射天线6 1内侧配置相同长方形的一个环路接收天线62时,借助于在通过发射天线61的环路形状的方向上产生的磁场,与接收天线62耦合,并在其中感应产生电流63。因此,流过发射天线61的电流减小了与接收天线62耦合而消耗的部分。
作为该电流减小的对策,如图7所示,设置具有呈8字形的第一环路天线71a和第二环路天线71b的发射天线71,当在第一环路天线71a中流过与第二环路天线71b相反相位的电流时,由于借助于第一环路天线71a产生的磁场而在接收天线72中感应产生的电流73a和借助于第二环路天线71b产生的磁场而在接收天线72中感应产生的电流73b的大小相同、电流方向相反,所以互相抵消。由此,消除了接收天线72和发射天线71的耦合,从而不会减小发射天线71的电流。
上述2个环路的形状不限于此,如图8所示,可以设置呈8字形的发射天线81,该环路形状为长方形,其中央部收敛为不相交的间隔,并且将其上侧设计为第一环路天线81a,将其下侧设计为第二环路天线81b。
此外,如果考虑3个环路的发射天线的情况,则如图9所示,在串联配置呈长方形的第一~第三环路天线91a~91c中,在两端部的第一环路天线91a和第三环路天线91c中流过与第二环路天线91b相反相位的电流。
在此情况下,当在与发射天线91相同平面上沿内侧配置相同长方形的接收天线92时,由发射天线91产生的各个磁力线通过与第一~第三环路天线91a~91c对应的、接收天线92内侧的第一~第三磁力线通过区S1、S2、S3。此时,第一和第三磁力线通过区S1、S3的磁力线方向与第二磁力线通过区S2的磁力线方向相反。
设这些磁力线通过区S1、S2、D3的各磁力线分别为Φ1、Φ2、Φ3,则通过接收天线92的第一~第三磁力线通过区S1、S2、S3的磁力线总和Φ为Φ1-Φ2+Φ3。
通常,使通过接收天线92的磁力线通过区的磁力线相互抵消时的抵消程度的关系不是Φ1+Φ3=Φ2,所以磁力线总和Φ不为零。因此,在接收天线92中感应产生电流,流过发射天线91的电流被接收天线92消耗而减小,从而发送能力下降。在不能完全抵消上述不合适的耦合的情况下,通信性能下降,RF标签的检测区域变窄。
此外,在专利文献1中,公开了使用4个环路的发射天线、使在环路天线交叉的部分上产生的非检测区域最小化、从而获得良好通信的技术,但如果为了提高该天线装置的接收能力而设置现有的长方形接收天线,则存在上述的磁力线总和不为零导致的发送能力下降的情况。
专利文献1:特开2002-237720
发明内容
因此,本发明的目的在于,提供一种在使用3个环路以上的发射天线时,能完全抵消在发射天线和接收天线之间由于电流耦合而导致的不适当的电流减小的天线结构,从而获得能确保可靠性高、稳定的发送能力的天线装置。
本发明提供一种天线装置,该天线装置具有由发射天线和接收天线组合而成的1组以上的天线组装体,在该天线组装体和数据载体(RF标签)之间进行非接触数据通信,上述发射天线设有被配置为在平面上相邻的环路状的3个环路以上的环路,并且具有至少一个相对于流过这些相邻的一个环路的电流、使流过另一个环路的电流为反相位的环路,上述接收天线为在与上述发射天线相同平面上并沿其配置的一个环路,其特征在于,为了使在与上述发射天线的3个环路以上的各管理对应的上述接收天线的各磁力线通过区中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和相互抵消,使该接收天线的至少一个磁力线通过区的环路形状变形而设置。
在构成上述3个环路以上的发射天线的情况下,如果沿着该发射天线设置具有长方形等单纯形状的环路形状的接收天线,则所设置的接收天线导致发送电流在该接收天线侧被消耗,从而担心发送能力下降。因此,需要设置不使发送能力下降的接收天线。如果改变与接收天线的磁力线通过区对应的环路部分的环路形状,则可以完全相互抵消通过磁力线通过区的正反磁通量。
根据本发明,在设置3个环路以上的发射天线的情况下,在沿该发射天线设置的接收天线侧,也存在与环路数量相应的3个以上的磁力线通过区。因此,通过部分地改变与这些磁力线通过区对应的接收天线的环路形状,可以改变各个磁力线通过区的大小。因此,可以部分地调整磁通量的大小,使得通过接收天线的各磁力线通过区的正相位的磁通量和反相位的磁通量完全地相互抵消。
其结果是,即使沿着发射天线配置接收天线,发射天线输出的电流也不会在接收天线侧消耗,从而可以将发送电流原封不动地、有效地用作发送输出。因此,在发送能力不下降的情况下,能维持可靠性高、稳定的发送性能。
上述数据载体具有能通过感应磁场而进行非接触数据通信的固有数据,可以由IC标签(RF-ID标签、RF标签)、ID标签等非接触RF标签构成。其形状可以形成为卡型、条型、硬币型等。
上述环路形状优选使环路内的磁力线通过区扩大的形状,并且优选适于在平面上的环路配置的形状,所以长方形或正方形等矩形或与矩形相近的椭圆形等是合适的。
此外,在构成3个环路以上的发射天线的情况下,可以配置同一大小的多个环路,也可以改变每个环路的大小而配置,也可以以任意的大小配置。
例如,在3个环路的情况下,可以采用如下的配置构成,即如果在中央部设置产生正相位磁力线的较大的环路,在其两侧分别设置产生反相位磁力线的1/2大小的较小的环路,则能在接收天线侧获得与3个环路对应的3个磁力线通过区,并且使中央环路和两侧环路的彼此相反的磁力线相互抵消。
此外,如果在平面上配置环路,则优选构成平板状的天线组装体,使检测区域扩大,并且配置在被限制为薄型的空间中。
在利用该天线装置时,可以采用将1组天线组装体相向地设置在检测区域的一面的构成,也可以采用将相同形状的天线组装体相向地设置在将检测区域夹在中间的两侧的门型。
上述发射天线不限于该发射天线,也可以采用具有发送功能和接收功能的收发天线。
在本发明的另一个实施方式中,将上述发射天线的环路形状设置为矩形,与该发射天线的环路形状对应,将上述接收天线的环路形状设置为矩形,为了对磁通量进行调整,使该接收天线的环路形状的一部分变窄。
在该情况下,将发射天线和接收天线的环路形状设置为适于在平面上配置的矩形,并且使接收天线的环路形状的一部分变窄,由此能减少该变窄的环路天线部分中的磁通量。因此,在磁力线通过区为较大的环路形状的情况下,通过使该环路的一部分变窄,可以将通过磁力线通过区的磁力线的正反的总和设定为零。在这样构成的情况下,也能在不损失发送电流的情况下,配置接收天线。
在本发明的另一个实施方式中,将上述发射天线的环路形状设置为矩形,与该发射天线的环路形状对应,将上述接收天线的环路形状设置为矩形,为了对磁通量进行调整,使该接收天线的环路形状的一部分扩大。
在该情况下,同样将发射天线和接收天线的环路形状设置为适于在平面上配置的矩形,并且使接收天线的环路形状的一部分扩大,由此能增加该扩大的环路天线部分中的磁通量。因此,在磁力线通过区为较窄的环路形状的情况下,通过使该环路的一部分扩大,可以将通过磁力线通过区的磁力线的正反的总和设定为零。在这样构成的情况下,也能在不损失发送电流的情况下,配置接收天线。
发明的效果
根据本发明,可以提供如下的环路形状的接收天线,该接收天线在使用3个环路以上的发射天线的情况下,可以避免发射天线和接收天线之间的不适当的耦合导致的电流损失。
附图说明
图1是表示对进出房间进行管理的天线装置的使用状态的斜视图。
图2是表示设有宽度狭窄部的天线组装体的说明图。
图3是表示设有宽度扩大部的天线组装体的说明图。
图4是具有4个环路天线的天线组装体及其环路构成图。
图5是表示在物品自动分选中使用的天线装置的使用状态的斜视图。
图6是表示现有的1个环路的天线组装体的说明图。
图7是表示现有的2个环路的天线组装体的说明图。
图8是表示现有的2个环路不同的天线组装体的说明图。
图9是表示现有的3个环路的天线组装体的说明图。
图10是表示现有的4个环路的天线组装体的说明图。
图11是表示3个环路的天线组装体的磁力线密度分布的说明图。
具体实施方式
根据以下附图,对本发明的一个实施方式进行说明。附图示出了天线装置,图1示出了对进出房间进行管理的天线装置11的实施方式。
该天线装置11由将通过出入口12的进出房间通路13夹在中间而相向设置的一侧第一天线组装体14和另一侧第二天线组装体15构成。
将在这些相向的2组相同的天线组装体14、15之间形成的空间设定为RF标签16的检测区域17。当携带RF标签16的人18进入该检测区域17时,两侧的天线组装体14、15与RF标签16非接触地进行数据通信,从而检测出RF标签16的存在。
这里使用的RF标签16设有将铜线缠绕成线圈状的天线线圈、以及集成了用于存储数据的存储器和必要的电路的IC芯片,并且利用长方形的保护板将这些部件的表里夹在中间,从而一体地形成。
上述各天线组装体14、15将纵向长的平板面作为通信面而竖立设置,上述平板面的外观约为普通人的身长高度,并且具有能将通路方向的长度作为检测区域17范围的长度。将这些相向的通信面间的全部空间设定为可通信的检测区域17,使得无论RF标签16通过检测区域17的哪一个位置,都内进行通信。
在该情况下,由于各天线组装体14、15具有相同的天线结构,相向的2组为一对,从左右向检测区域17进行同样的非接触通信,所以以下仅对其一侧的天线结构进行说明。
该天线结构如图2所示,使发射天线24与发射机25连接,上述发射天线24被配置在平面上为相邻的矩形回路状、由相对于流过相邻的一个回路的电流、使流过另一个回路的电流为相反相位的第一回路天线21、第二回路天线22、第三回路天线23这3个回路天线构成;并使接收天线26与接收机27连接,上述接收天线26为在与发射天线24同一平面上沿内侧配置的、具有相同长方形状的一个回路。
上述发射天线24具有串联配置了3个长方形环路的第一~第三环路天线21~23。其中,两端部的第一环路天线21和第三环路天线23中流过与第二环路天线22相反相位的电流。在该图2中,21a、23a表示借助于正方向(朝向纸面方向)磁场而在接收天线26中感应产生的电流,22a表示借助于反方向(由纸面朝外方向)磁场而在接收天线26中感应产生的电流。
在此情况下,当在与发射天线24相同平面上将相同长方形的接收天线26沿其内侧配置时,借助于发射天线24产生的磁场,各个磁力线通过与第1~第3环路天线21~23对应的接收天线26内侧的第一~第三磁力线通过区S21、S22、S23。
此时,第一和第三磁力线通过区S21、S23的磁力线方向与第二磁力线通过区S22的磁力线方向相反。设这些磁力线通过区S21、S22、S23中的磁力线分别为Φ21、Φ22、Φ23,则通过接收天线26的第一~第三磁力线通过区S21、S22、S23的磁力线总和Φ可以用Φ21-Φ22+Φ23表达。
为使在接收天线26的各磁力线通过区S21、S22、S23中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和相互抵消,调整例如与该接收天线26的第二磁力线通过区S22对应的环路的直线部分,形成在宽度方向上向内变窄的宽度狭窄部28,以使磁通量减少。在本实施方式中,使其部分变形为凹状的梯形,形成宽度狭窄部28。
这样,可以减小由于宽度狭窄部28而变窄部分的磁力线通过区,从而可以减少该变窄的环路部分的磁通量。因此,借助于宽度狭窄部28的宽度狭窄调整程度,可以微调通过接收天线26的各磁力线通过区的正反磁通量的总和,从而能容易地将磁通量的总和设定为零。因此,即使组装接收天线26,也能不会对发送电流产生不良影响而配置。由此,能不损失发送电流地设置接收天线26。
上述发射机25和接收机27与检测RF标签16的未图示的上位控制部连接。由此,根据来自于控制部的控制指示,对RF标签16进行通信控制。
在上述实施方式中,使接收天线26的环路变窄,并进行调整,使得相位相反的磁通量完全相互抵消,但也可以与此相反,通过扩大该环路,并进行调整,使得相位相反的磁通量完全相互抵消。
例如,如图3所示,发射天线34与上述实施方式的构成相同,并且具有串联配置了3个长方形环路的第一~第三环路天线31~33。其中,两端部的第一、第三环路天线31、33中流过与中间部的第二环路天线33相反相位的电流。
在此情况下,当在与发射天线34相同平面上将相同长方形的接收天线36沿其内侧配置时,为使在接收天线36的各磁力线通过区S31、S32、S33中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和相互抵消,调整例如与该接收天线36的第一磁力线通过区S31和第三磁力线通过区33的环路的直线部分,形成在宽度方向上向外扩大的宽度扩大部38,以使磁通量增加。在本实施方式中,使其突出为凸状的梯形,形成宽度扩大部38。
在这样构成的情况下,借助于宽度扩大部38,可以增大接收天线36的扩大部分的磁力线通过区,从而能增大磁通量。因此,在接收天线36的任意一个磁力线通过区S31、S32、S33变窄,形成磁通量少减少的环路形状的情况下,通过扩大要求磁通量增大的对应环路部分,可以将接收天线中产生的正反磁通量的总和设定为零。在该情况下,由于不会产生正反磁通量的差,所以也能消除发射天线34和接收天线36之间的不适当的耦合而导致的电流减小,从而避免电流损失。
这样,在正相位与反相位的磁通量总和稍有不同的情况下,为了对该磁通量进行微调,可以使一个环路形状变窄或扩大,从而将正反不同相位的磁通量总和设定为零。除此之外,通过使接收天线的一个环路的一个磁力线通过区的宽度变窄,使相同环路的另一个磁力线通过区的宽度扩大,也可以调整磁通量。
上述宽度狭窄部28和宽度扩大部38的形状可以设定为任意的凹凸形状,但优选使上下左右形成对称形状,从而产生平衡性良好的磁力线。
图4是由具有第一~第四环路天线41~44的发射天线45以及沿这些环路天线的内侧的一个大的环路的接收天线46组装而构筑的天线组装体47。
该天线组装体47的第一、第三环路天线41、43以如下方式被配置,即弯折为长方形环路状的线圈的两端部形成长方形,从中间部宽度狭窄部的一边大致中点向外平行延伸而与匹配电路47a连接的第一、第三环路天线41、43被配置在同一平面上,并且与匹配电路47a连接的端子彼此相向地配置在相反侧。
同样,第二、第四环路天线42、44以如下方式被配置,即弯折为长方形环路状的线圈的两端部形成长方形,从中间部宽度狭窄部的一边大致中点向外平行延伸而与匹配电路47b连接的第二、第四环路天线42、44被配置在同一平面上,并且与匹配电路47b连接的端子彼此相向地配置在相反侧。
此外,具有如下结构,即按照第一、第二、第三、第四环路天线41~44的顺序,在同一平面上的长方形的边被相邻地配置。
进行如下控制,使得流过第一、第三环路天线41、43与第二、第四环路天线42、44的电流的相位彼此相反,并且使流过第一、第三环路天线41、43或第二、第四环路天线42、44中任意一个的电流的相位以与数据通信对应的规定时序被反转。由此,可以切换检测区域,使天线中央部和天线两侧的检测区域在时间上互补,从而维持检测性能。
该切换是在利用分配器50而分配从发射机49输出的发送信号之后,在向一个匹配电路47a和另一个匹配电路47b的输出中分配输入该分配器50的发送信号,从而切换相位。
在该情况下,当在与发射天线45同一平面上沿其内侧配置接收天线46时,在与发射天线45的第一~第四环路天线41~44对应的接收天线46的各磁力线通过区S41、S42、S43、S44中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和也可以相互抵消。
例如,使形成该接收天线46的第二磁力线通过区S42和第三磁力线通过  S43两侧的直线部分的环路分别形成为变窄为向内梯形的宽度狭窄部48,从而调整磁通量。
以下,对接收天线形状的调整方法和实际的测量值进行说明。
首先,图11中用颜色的浓淡示出了在3个环路的发射天线111中流过电流时的、发射天线111和接收天线112所配置的平面内的、垂直于纸面的方向的磁力线密度的分布。
这样,由发射天线形成的磁力线密度的分布复杂,进行调整使通过沿该发射天线配置的接收天线的磁通量的总和相互抵消并不容易。
在理论上,在单位面积的磁力线分布均一的情况下,磁通量等于磁力线密度与面积的乘积,而实际上如图11所示,由于磁力线密度不均一,所以磁通量并不是单纯的乘积,而应利用积分计算来算出。
此外,由于计算出的磁通量与实测的值有微妙的差别,所以接收天线的最终形状是以如下方式决定的,即在利用上述积分计算而形成大致的形状之后,通过检测出实际上在发射天线中流过电流时的接收天线中流过的电流值,来进行微调。
以下,举例说明图4的4个环路的天线组装体的情况,与图10的现有的4个环路的天线组装体相比,示出了能发挥本发明的效果、流过发射天线的电流无损失的测量结果。
以下的表1示出了上述两者的各天线中流过的电流值。
〔表1〕
图4的本发明的实施例 图10的现有实施例
    发射天线41     610     610
    发射天线42     670     550
    发射天线43     620     550
    发射天线44     570     520
 接收天线46(46′)     8     240
(单位:mA)
其中,图10的天线组装体47′的发射天线41~44以及环路构成、控制方法,与图4的天线组装体的相同,但接收天线46′如上述现有实施例所示,简单地形成为矩形,并且不对磁通量的调整进行任何加工。
如表1所示,可以清楚地看出,在本发明的图4的实施例中,与图10的现有实施例相比,流过接收天线46(46′)的电流变小,无限地接近0,与此相伴,流过发射天线41~44的电流没有减少。
其结果是,流过发射天线41~44的电流不会与接收天线耦合而损失,从而可以确保扩大发射天线的可通信区域。
与此相反,在图10的现有实施例的情况下可以看出,由于发射天线与接收天线的不适当的耦合,发射天线41~44的电流损失,其结果是可通信区域减少。
换言之,在图10中,在各磁力线通过区S′41、S′42、S′43、S′44中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和没有相互抵消。
例如在图10所示的方向使电流流过发射天线45的情况下,在S′ 42、S′43中产生的由纸面朝外方向的磁通量与在S′41、S′44中产生的朝向纸面方向的磁通量不均衡,所以在接收天线46′中感应产生电流。
因此,如图4所示,借助于宽度狭窄部48而使S42、S43的区域变窄,实现在S41、S44中产生的磁通量与在S42、S43中产生的磁通量的均衡。
此外,可以根据需要,在利用匹配电路47使电流的相位反转的情况下进行调整。
在该图4的实施例的情况下,通过使S41、S42中产生的磁场的方向相同,使S43、S44中产生的磁场的方向相同,可以使在上述磁场方向上不能检测出的检测区域在时间上进行互补。
因此,实现了在S41和S42中产生的磁通量的和以及在S43和S44中产生的磁通量的和的均衡,其结果是,可以对宽度狭窄部48的形状进行微调,使得在接收天线46中不感应产生电流。
由于需要使上述的S42、S43相对于S41、S44的调整并存,所以要进行检测区域的切换,在该情况下,优选该宽度狭窄部48在多个磁力线通过区中形成,或者跨越多个磁力线通过区而形成。
在上述两种情况下,通过调整宽度狭窄部48的形状,来找到使流过接收天线46的电流最少的最佳情况。
在将流过发射天线的电流的相位图形还用作其他用途的情况下,通过调整宽度狭窄部48的形状,可以找到在各种情况下使流过接收天线46的电流最小的最佳情况。
图5示出了在物品自动分类中使用的天线装置51的情况。
该天线装置51是在检测位置上相对设置第一天线组装体54和第二天线组装体55而构成的,上述检测位置是将搭载、运输物品52的带式运输机53的上下表面夹在中间、在上下方向分隔的检测位置。
在该情况下,装配在物品52上的RF标签56与物品52一起由带式运输机53运输,当该RF标签56到达与第一、第二天线组装体54、55相向的检测区域57时,这些上下相向的天线组装体54、55与RF标签56进行非接触通信,检测出RF标签56的存在,并与该RF标签56进行数据通信。
当进行该数据通信时,可以在检测区域57读取装配在物品52上的RF标签56的数据,并根据所读取的数据,控制物品52沿与读取数据相应的方向上进行运输,将各物品52自动分选到处理目的的方向。这样,除了能应用于各个物品的检测,还能完全适用于检测人所携带的RF标签、确定各人的进出房间管理用的门等通路,或带式运输机等的运输路径。
在本发明构成与上述一个实施方式构成的对应关系中,本发明的数据载体与实施方式的RF标签16、56对应,以下同样,环路形状的变形与宽度狭窄部28、48和宽度扩大部38对应,另外,本发明不限于上述实施方式的构成,可以根据权利要求所述的技术构思而进行应用,从而能获得多种实施方式。

Claims (3)

1.一种天线装置,具有由发射天线和接收天线组合而成的1组以上的天线组装体,在该天线组装体和数据载体之间进行非接触数据通信,上述发射天线设有被配置为在平面上相邻的环路状的3个环路以上的环路,并且具有至少一个相对于流过这些相邻的一个环路的电流、使流过另一个环路的电流为反相位的环路,上述接收天线为在与上述发射天线相同平面上并沿其配置的一个环路,
为了使在与上述发射天线的3个环路以上的各管理对应的上述接收天线的各磁力线通过区中产生的正相位的磁通量与反相位的磁通量的总和相互抵消,使该接收天线的至少一个磁力线通过区的环路形状变形而设置。
2.根据权利要求1所述的天线装置,将上述发射天线的环路形状设置为矩形,与该发射天线的环路形状对应,将上述接收天线的环路形状设置为矩形,为了对磁通量进行调整,使该接收天线的环路形状的一部分变窄。
3.根据权利要求1所述的天线装置,将上述发射天线的环路形状设置为矩形,与该发射天线的环路形状对应,将上述接收天线的环路形状设置为矩形,为了对磁通量进行调整,使该接收天线的环路形状的一部分扩大。
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