JP2004511939A - 切欠部付送信および／または受信のアンテナ - Google Patents
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- H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
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- H01Q9/04—Resonant antennas
- H01Q9/16—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole
- H01Q9/26—Resonant antennas with feed intermediate between the extremities of the antenna, e.g. centre-fed dipole with folded element or elements, the folded parts being spaced apart a small fraction of operating wavelength
- H01Q9/27—Spiral antennas
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- Near-Field Transmission Systems (AREA)
- Devices For Checking Fares Or Tickets At Control Points (AREA)
Abstract
【課題】非接触式通信システムに使用される、平面コイルに形成されたワイヤから成る、電磁波（１０）送信及び／又は受信アンテナを提供する。
【解決手段】コイルが少なくとも２つの巻線から成り、巻線間容量を減少させるため、このアンテナは少なくもひとつの切欠部（に）を有する。
【解決手段】コイルが少なくとも２つの巻線から成り、巻線間容量を減少させるため、このアンテナは少なくもひとつの切欠部（に）を有する。
Description
【０００１】
この発明は広くスパイラル形式電磁送信および／または受信のアンテナに関し、さらに詳細には切欠部を有する送信および／または受信のアンテナに関するものである。
【０００２】
使用者によって所有された携帯型対象物と電磁波を交換する送／受信アンテナを使用する必要がある応用において、携帯型対象物の作業量に適合可能な相対的に大きなアンテナを設けることが必要になりつつある。非接触式通信技術は、使用者の携帯型対象物を、制御されたアクセス領域へのアクセスを行うために、読取り装置から送信された電磁信号を受信してその他の電磁信号を読取り装置に送信するように設計されたアンテナを備えるカードまたはチケットとするものである。電磁信号は、読取り装置と携帯型対象物間の通信を可能にするばかりでなく、磁気誘導という物理的現象により携帯型対象物の遠隔動力供給も可能にする。
【０００３】
不正アクテイビテイおよびモニタ進入／退出を検出するする一般的な目的で（ハンドフリー通話路の場合のように）、これ以上特定領域を目標にする必要のない使用者の通過を容易にするため、かつ使用者によって保持された（例えば、ポケットに）携帯型対象物をより容易に検出するため、携帯型対象物の作業量が増加する傾向にある。作業量のこの増加は送信アンテナの寸法の増大および送信アンテナと携帯型対象物間の有効距離の増大の原因となる。有効距離の増大はアンテナへ供給される電力を増加ことにより確実に行なわれるが、これは電力消費ならびに巻線数の増加を伴うことになる。放射磁場は同一電流がそれらを通る場合の巻線数に比例する。
【０００４】
しかし、このように、巻線数の増加にはアンテナの２つの並列巻線間の容量結合による並列巻線間容量が伴う。所定動作周波数では、容量が高いほどインピーダンスは低くなる。その結果、電流のかなりの部分がアンテナに入らずにこの容量によって消費されてしまう。さらに、アンテナの長さが波長の４分の１を越える場合、特にアンテナの長さが半波長に近い場合は、位相変化によって現行使用している１３．５６ＭＨｚの動作周波数でアンテナがほぼ１１ｍに達する場合に生ずる巻線間容量結合による干渉が生ずる。
【０００５】
これが、この発明の目的がアンテナ巻線の寸法に係りなく巻線間容量による電流消費のないスパイラル形式送信および／または受信のアンテナを創作することの理由である。
【０００６】
それ故、この発明の対象は平坦スパイラルワイヤを特徴とする電磁波送信および／または受信のアンテナであって、前記スパイラルが少なくとも２つの巻線を有し、このアンテナはそれが巻線間容量を低下させるアンテナワイヤに少なくともひとつの切欠部を含むことを特徴とする、電磁波送信および／または受信のアンテナである。
【０００７】
本発明の目的、対象および特徴は、添付図面とともに理解する場合次の説明からより明らかになろう。
図１に示すように、アンテナ１０は各使用者がアンテナを装着したカード（またはチケット）も所有している場合の非接触式通信システムにおける送信アンテナとして使用できる。アンテナ１０などの読取り装置のアンテナによって送信された電磁信号が使用者のカードのアンテナによって取り込まれ、使用者のカードは次に、制御されたアクセス領域への使用者アクセスを取得するその他の電磁信号をアンテナ１０に再送信する。
【０００８】
上記に説明したように、大量の作業量が望まれる場合は、アンテナ１０は比較的大きくてよくかつかなりの巻線数を備えてもよい。アンテナ１０は図２に示した電子回路によって表わしてもよく、巻線間の並列容量ＣはアンテナのインダクタンスＬに関して非常に高くなる。ωがよく使用されるパルスである場合（ω＝２πｆ）、容量によるインピーダンスが式
【数１】
によるアンテナインダクタンスより言うに及ばず大きい。
【０００９】
最悪の場合、アンテナ自体が巻線間容量によって短絡し電流がほとんどアンテナの中を通過しない。放射された磁界がアンテナ中を流れる電流に比例するため、それは低くかつ望ましいそれに反対方向の結果が得られる。
【００１０】
この不都合を補償するため、この発明の背後にある思想はアンテナワイヤのひとつまたは多数の切欠部を形成することである。図３に示したアンテナに作られた切欠部１２などの切欠部は実際、数ミリメートルのアンテナワイヤにおける明確な遮断であり、数センチメートルに達してもよい。
【００１１】
それ故、切欠部を有するアンテナに等価の電子回路は、切欠部の前方に配置された部分が巻線間容量Ｃ１に並列なインダクタンスＬ１に等価であり、切欠部の後に配置された部分が巻線間容量Ｃ２に並列なインダクタンスＬ２に等価であり、２つの部分が直列容量Ｃ３によって連結される場合の図４に表わされた回路である。
【００１２】
容量値Ｃ１、Ｃ２およびＣ３は図５、６および７に示したようにある一定のアンテナワイヤ間の容量結合によるものである。この方法では、並列容量Ｃ１はワイヤ１４′と１４″間の容量結合によるものであり、かつ並列容量Ｃ２はワイヤ１６′と１６″、ワイヤ１８′と１８″およびワイヤ２０′と２０″間の容量結合によるものである。直列容量Ｃ３に限っていえば、それはワイヤ１６′と１６″、ワイヤ１８′と１８″、ワイヤ２０′と２０″およびワイヤ１４′と１４″間の容量結合によるものである。
【００１３】
このように、アンテナに形成された各切欠部は切欠部のないＬＣ対のアンテナと比べて切欠部の各側面のより小さな値のＬｉ−Ｃｉ対を可能にする。このように、切欠部の数が増加するにつれて、ＬＣ対は低い値をとり、インダクタンス素子の電流が増進されることが当初教示されなければならない。実際、アンテナおよび巻線の最大電流に対応するアンテナの直列共振に対応して多数の切欠部を設けることは賢明なことである。この発明は巻線数の判定のための次の実施例によってより明らかになろう。
【００１４】
まず、アンテナに形成された切欠部の目的が、切欠部のいずれかの側面に配置された各ＬＣ対に対するＬおよびＣの値を著しく低くすることであることを理解しなければならない。この場合、容量によるインピーダンスはインダクタンスより明らかに大きい、即ち、単一切欠部の場合では、
【数２】
である。
【００１５】
ω１がセルＬ１、Ｃ１の共振に対応するパルスである場合は、従って、
【数３】
である。
従って、このセルは値Ｌ１ｅｑ
【数４】
ここで、
【数５】
のインダクタンスに等価であり、従って、
【数６】
であり、従って、
ω１＞ωなので、Ｌ１ｅｑ＞０
となる。
【００１６】
同様の方法で、セルＬ２、Ｃ２に対して、
【数７】
が得られる。
ω２がセルＬ２、Ｃ２の共振に対応するパルスである場合は、
【数８】
が得られる。
セルＬ２、Ｃ２が値Ｌ２ｅｑ
【数９】
のインダクタンスに等価であり、従って、
【数１０】
となる。
【００１７】
その結果として、各セルに対する特定の共振周波数がアンテナを通過する電流の周波数より明らかに大きな場合、巻線における電流は巻線間コンデンサを流れるそれより非常に大きい。各セルに対するこの特定の共振周波数が増大するほど、巻線における電流が増大する。これは切欠部の数が増加する場合に生ずる。
【００１８】
ただし、切欠部の数が過剰な場合、アンテナの等価インダクタンスとアンテナの等価切欠部容量間のチューニングが不可能になる可能性がある。
【００１９】
アンテナに等しく分布された切欠部を表すＮについて、
Ｌｅｑ１＝Ｌｅｑ２＝．．．＝Ｌｅｑ（Ｎ＋１）
となるようにアンテナをＮ＋１個の同一セルに分割することが推論される。
【００２０】
Ｃｃ１が切欠部ｉの切欠部容量（または直列容量）であるとすると、Ｎ個の同一切欠部容量値は、従って、
Ｃｃ１＝Ｃｃ２＝．．．．ＣｃＮ＝Ｃｃ
である。
【００２１】
Ｃを各セルの巻線間容量とし、Ｃａｎｔをアンテナの全巻線間容量として、かつ２つのセル間の切欠部容量が各セルの巻線間容量に等しい、すなわち Ｃｃ＝Ｃ、という一次近似を認めることにより、次式を得る。
【数１１】
【００２２】
従って、Ｎ個に等しく分布した切欠部を有するアンテナに等価な電子回路は
【数１２】
を有する、図８に表した等価な電子回路であることが認められる。
【００２３】
ω２が図８に表したアンテナの直列共振に対応するパルスであり、かつ
Ｌａｎｔがアンテナの全インダクタンスとすると、
【数１３】
により、
【数１４】
となり、即ち
【数１５】
となる。
【数１６】
は、
【数１７】
であることにより、
【数１８】
のように書き表されることが理解され、関係式（１）を使用して、Ｎが
【数１９】
であることを立証する。
ここで、
【数２０】
において、
Ｎ・（Ｎ＋１）・（２・Ｎ＋１）−２・Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ω
ｒ２−Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２＝０
とし、
Ｎ２＋Ｎ−（Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２）＝０
とする。
従って、
Δ＝（１＋４・Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２）
であることにより、
【数２１】
である。ここで、
【数２２】
とする。
【００２４】
この方法では、１３．５６ＭＨｚで動作する送信器アンテナを考える場合は、アンテナの直列共振を得るため形成されるべき切欠部の数は、
Ｎ＝３．４４４
と計算される。
このように、Ｎ＝３またはＮ＝４の切欠部とすることができる。
【００２５】
Ｎ＝３に対して、巻線を通過する電流の割合および巻線間容量によって消費された電流の割合は、
巻線間容量値
【数２３】
を
Ｃ１＝１．１０１７ｘ１０−１１
とし、
パルスｗｒでのインダクタンス値
【数２４】
を
Ｌ１＝８．６４ｘ１０−６
として巻線の電流は
【数２５】
となり、従って、
ＩＬ＝０．６１１（または、アンテナの全電流の６１％）、かつ
巻線間容量を通過する電流は、
【数２６】
となり、従って、
ＩＣ＝０．３８９（または、アンテナの全電流の３９％）、
と計算される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実行を可能にする３巻線スパイラルアンテナを表す図である。
【図２】
図１に示したアンテナに等価の電子回路を表す図である。
【図３】
切欠部が作られている図１に示したアンテナを表す図である。
【図４】
図３に示したアンテナに等価の電子回路を表す図である。
【図５】
切欠部の一方の側面に配置されたアンテナ部分の並列容量に存在する切欠部を有するアンテナのワイヤを略図的に表す図である。
【図６】
切欠部の他方の側面に配置されたアンテナ部分の並列容量に存在する切欠部を有するアンテナワイヤを略図的に表す図である。
【図７】
アンテナの２つの部分間に配置された直列容量に存在する切欠部を有するアンテナワイヤを略図的に表す図である。
【図８】
図３に示したアンテナに等価の直列回路を表す図である。
この発明は広くスパイラル形式電磁送信および／または受信のアンテナに関し、さらに詳細には切欠部を有する送信および／または受信のアンテナに関するものである。
【０００２】
使用者によって所有された携帯型対象物と電磁波を交換する送／受信アンテナを使用する必要がある応用において、携帯型対象物の作業量に適合可能な相対的に大きなアンテナを設けることが必要になりつつある。非接触式通信技術は、使用者の携帯型対象物を、制御されたアクセス領域へのアクセスを行うために、読取り装置から送信された電磁信号を受信してその他の電磁信号を読取り装置に送信するように設計されたアンテナを備えるカードまたはチケットとするものである。電磁信号は、読取り装置と携帯型対象物間の通信を可能にするばかりでなく、磁気誘導という物理的現象により携帯型対象物の遠隔動力供給も可能にする。
【０００３】
不正アクテイビテイおよびモニタ進入／退出を検出するする一般的な目的で（ハンドフリー通話路の場合のように）、これ以上特定領域を目標にする必要のない使用者の通過を容易にするため、かつ使用者によって保持された（例えば、ポケットに）携帯型対象物をより容易に検出するため、携帯型対象物の作業量が増加する傾向にある。作業量のこの増加は送信アンテナの寸法の増大および送信アンテナと携帯型対象物間の有効距離の増大の原因となる。有効距離の増大はアンテナへ供給される電力を増加ことにより確実に行なわれるが、これは電力消費ならびに巻線数の増加を伴うことになる。放射磁場は同一電流がそれらを通る場合の巻線数に比例する。
【０００４】
しかし、このように、巻線数の増加にはアンテナの２つの並列巻線間の容量結合による並列巻線間容量が伴う。所定動作周波数では、容量が高いほどインピーダンスは低くなる。その結果、電流のかなりの部分がアンテナに入らずにこの容量によって消費されてしまう。さらに、アンテナの長さが波長の４分の１を越える場合、特にアンテナの長さが半波長に近い場合は、位相変化によって現行使用している１３．５６ＭＨｚの動作周波数でアンテナがほぼ１１ｍに達する場合に生ずる巻線間容量結合による干渉が生ずる。
【０００５】
これが、この発明の目的がアンテナ巻線の寸法に係りなく巻線間容量による電流消費のないスパイラル形式送信および／または受信のアンテナを創作することの理由である。
【０００６】
それ故、この発明の対象は平坦スパイラルワイヤを特徴とする電磁波送信および／または受信のアンテナであって、前記スパイラルが少なくとも２つの巻線を有し、このアンテナはそれが巻線間容量を低下させるアンテナワイヤに少なくともひとつの切欠部を含むことを特徴とする、電磁波送信および／または受信のアンテナである。
【０００７】
本発明の目的、対象および特徴は、添付図面とともに理解する場合次の説明からより明らかになろう。
図１に示すように、アンテナ１０は各使用者がアンテナを装着したカード（またはチケット）も所有している場合の非接触式通信システムにおける送信アンテナとして使用できる。アンテナ１０などの読取り装置のアンテナによって送信された電磁信号が使用者のカードのアンテナによって取り込まれ、使用者のカードは次に、制御されたアクセス領域への使用者アクセスを取得するその他の電磁信号をアンテナ１０に再送信する。
【０００８】
上記に説明したように、大量の作業量が望まれる場合は、アンテナ１０は比較的大きくてよくかつかなりの巻線数を備えてもよい。アンテナ１０は図２に示した電子回路によって表わしてもよく、巻線間の並列容量ＣはアンテナのインダクタンスＬに関して非常に高くなる。ωがよく使用されるパルスである場合（ω＝２πｆ）、容量によるインピーダンスが式
【数１】
【０００９】
最悪の場合、アンテナ自体が巻線間容量によって短絡し電流がほとんどアンテナの中を通過しない。放射された磁界がアンテナ中を流れる電流に比例するため、それは低くかつ望ましいそれに反対方向の結果が得られる。
【００１０】
この不都合を補償するため、この発明の背後にある思想はアンテナワイヤのひとつまたは多数の切欠部を形成することである。図３に示したアンテナに作られた切欠部１２などの切欠部は実際、数ミリメートルのアンテナワイヤにおける明確な遮断であり、数センチメートルに達してもよい。
【００１１】
それ故、切欠部を有するアンテナに等価の電子回路は、切欠部の前方に配置された部分が巻線間容量Ｃ１に並列なインダクタンスＬ１に等価であり、切欠部の後に配置された部分が巻線間容量Ｃ２に並列なインダクタンスＬ２に等価であり、２つの部分が直列容量Ｃ３によって連結される場合の図４に表わされた回路である。
【００１２】
容量値Ｃ１、Ｃ２およびＣ３は図５、６および７に示したようにある一定のアンテナワイヤ間の容量結合によるものである。この方法では、並列容量Ｃ１はワイヤ１４′と１４″間の容量結合によるものであり、かつ並列容量Ｃ２はワイヤ１６′と１６″、ワイヤ１８′と１８″およびワイヤ２０′と２０″間の容量結合によるものである。直列容量Ｃ３に限っていえば、それはワイヤ１６′と１６″、ワイヤ１８′と１８″、ワイヤ２０′と２０″およびワイヤ１４′と１４″間の容量結合によるものである。
【００１３】
このように、アンテナに形成された各切欠部は切欠部のないＬＣ対のアンテナと比べて切欠部の各側面のより小さな値のＬｉ−Ｃｉ対を可能にする。このように、切欠部の数が増加するにつれて、ＬＣ対は低い値をとり、インダクタンス素子の電流が増進されることが当初教示されなければならない。実際、アンテナおよび巻線の最大電流に対応するアンテナの直列共振に対応して多数の切欠部を設けることは賢明なことである。この発明は巻線数の判定のための次の実施例によってより明らかになろう。
【００１４】
まず、アンテナに形成された切欠部の目的が、切欠部のいずれかの側面に配置された各ＬＣ対に対するＬおよびＣの値を著しく低くすることであることを理解しなければならない。この場合、容量によるインピーダンスはインダクタンスより明らかに大きい、即ち、単一切欠部の場合では、
【数２】
【００１５】
ω１がセルＬ１、Ｃ１の共振に対応するパルスである場合は、従って、
【数３】
従って、このセルは値Ｌ１ｅｑ
【数４】
【数５】
【数６】
ω１＞ωなので、Ｌ１ｅｑ＞０
となる。
【００１６】
同様の方法で、セルＬ２、Ｃ２に対して、
【数７】
ω２がセルＬ２、Ｃ２の共振に対応するパルスである場合は、
【数８】
セルＬ２、Ｃ２が値Ｌ２ｅｑ
【数９】
【数１０】
【００１７】
その結果として、各セルに対する特定の共振周波数がアンテナを通過する電流の周波数より明らかに大きな場合、巻線における電流は巻線間コンデンサを流れるそれより非常に大きい。各セルに対するこの特定の共振周波数が増大するほど、巻線における電流が増大する。これは切欠部の数が増加する場合に生ずる。
【００１８】
ただし、切欠部の数が過剰な場合、アンテナの等価インダクタンスとアンテナの等価切欠部容量間のチューニングが不可能になる可能性がある。
【００１９】
アンテナに等しく分布された切欠部を表すＮについて、
Ｌｅｑ１＝Ｌｅｑ２＝．．．＝Ｌｅｑ（Ｎ＋１）
となるようにアンテナをＮ＋１個の同一セルに分割することが推論される。
【００２０】
Ｃｃ１が切欠部ｉの切欠部容量（または直列容量）であるとすると、Ｎ個の同一切欠部容量値は、従って、
Ｃｃ１＝Ｃｃ２＝．．．．ＣｃＮ＝Ｃｃ
である。
【００２１】
Ｃを各セルの巻線間容量とし、Ｃａｎｔをアンテナの全巻線間容量として、かつ２つのセル間の切欠部容量が各セルの巻線間容量に等しい、すなわち Ｃｃ＝Ｃ、という一次近似を認めることにより、次式を得る。
【数１１】
従って、Ｎ個に等しく分布した切欠部を有するアンテナに等価な電子回路は
【数１２】
【００２３】
ω２が図８に表したアンテナの直列共振に対応するパルスであり、かつ
Ｌａｎｔがアンテナの全インダクタンスとすると、
【数１３】
【数１４】
【数１５】
【数１６】
【数１７】
【数１８】
【数１９】
ここで、
【数２０】
Ｎ・（Ｎ＋１）・（２・Ｎ＋１）−２・Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ω
ｒ２−Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２＝０
とし、
Ｎ２＋Ｎ−（Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２）＝０
とする。
従って、
Δ＝（１＋４・Ｌａｎｔ・Ｃａｎｔ・ωｒ２）
であることにより、
【数２１】
【数２２】
【００２４】
この方法では、１３．５６ＭＨｚで動作する送信器アンテナを考える場合は、アンテナの直列共振を得るため形成されるべき切欠部の数は、
Ｎ＝３．４４４
と計算される。
このように、Ｎ＝３またはＮ＝４の切欠部とすることができる。
【００２５】
Ｎ＝３に対して、巻線を通過する電流の割合および巻線間容量によって消費された電流の割合は、
巻線間容量値
【数２３】
Ｃ１＝１．１０１７ｘ１０−１１
とし、
パルスｗｒでのインダクタンス値
【数２４】
Ｌ１＝８．６４ｘ１０−６
として巻線の電流は
【数２５】
ＩＬ＝０．６１１（または、アンテナの全電流の６１％）、かつ
巻線間容量を通過する電流は、
【数２６】
ＩＣ＝０．３８９（または、アンテナの全電流の３９％）、
と計算される。
【図面の簡単な説明】
【図１】
本発明の実行を可能にする３巻線スパイラルアンテナを表す図である。
【図２】
図１に示したアンテナに等価の電子回路を表す図である。
【図３】
切欠部が作られている図１に示したアンテナを表す図である。
【図４】
図３に示したアンテナに等価の電子回路を表す図である。
【図５】
切欠部の一方の側面に配置されたアンテナ部分の並列容量に存在する切欠部を有するアンテナのワイヤを略図的に表す図である。
【図６】
切欠部の他方の側面に配置されたアンテナ部分の並列容量に存在する切欠部を有するアンテナワイヤを略図的に表す図である。
【図７】
アンテナの２つの部分間に配置された直列容量に存在する切欠部を有するアンテナワイヤを略図的に表す図である。
【図８】
図３に示したアンテナに等価の直列回路を表す図である。
Claims (7)
- 平坦スパイラルに形成されたワイヤを備える形式の電磁送信および／または受信のアンテナであって、前記スパイラルが少なくとも２つの巻線を含み、前記アンテナが，それが巻線間容量を低下する目的で少なくともひとつの切欠部（１２）を備えることを特徴とする電磁送信および／または受信のアンテナ（１０）。
- スパイラルに配置されたワイヤが前記電磁波の波長の少なくとも４分の１に等しい長さを有することを特徴とする請求項１に記載の送信および／または受信のアンテナ（１０）。
- 前記切欠部が前記ワイヤの等しい部分を切欠部の各側面に形成するような方法でも分布されることを特徴とする請求項２に記載の送信および／または受信のアンテナ。
- ３つの等しく分布された切欠部を備えることを特徴とする請求項３に記載の送信および／または受信のアンテナ。
- 読取り装置が携帯型対象物の保持者を認識できるような方法で後者がリターン認識信号を前記読取り装置へ送信する場合に電磁信号を携帯型対象物（カードまたはチケット）に送信することを特徴とする非接触式通信システムにおける読取り装置のアンテナに対する、請求項１から４のいずれか１項に記載のアンテナの応用。
- 前記非接触式通信システムが制御されたアクセス領域、特に公共輸送機関ネットワークへのアクセス領域へのアクセスを取得するシステムであることを特徴とする請求項５に記載の応用。
- 前記電磁信号が１３．５６ＭＨｚの周波数で動作することを特徴とする請求項６に記載の応用。
Applications Claiming Priority (2)
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|---|---|---|---|
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