JP2007527174A - Ｒｆｉｄタグ用のアンテナ構造体 - Google Patents

Abstract

第１のアンテナアーム（４）および第２のアンテナアーム（５）を有するアンテナ構造体（３）において、２つのアンテナアーム（４，５）の２つの長手方向（１０，１１）は互いに鋭角の開口角（α）を囲み、この鋭角の開口角（α）は１５°〜９０°の間の値に、好適には２５°〜４５°の間の値にする。

Description

本発明は、第１アンテナアームおよび第２アンテナアームを有するアンテナ構造体であって、２つの各アンテナアームは、それぞれ導電材料製であり、第１端部および第２端部を有し、第１端部から第２端部へと走る長手方向を有しており、かつそれぞれ信号シンクの端子または信号ソースの端子に導電接続をなすように設計され、２つの第１端部は互いに第１の距離で配置されて互いに隣接し、２つの第２端部は互いに第２の距離で配置されて互いに離間され、前記第２の距離は前記第１の距離よりも大きくなるようにしたアンテナ構造体に関する。

本発明はさらに、非接触通信用のアンテナ構造体を設けた、通信局との非接触通信用のデータキャリアにも関する。

第１節で述べたようなタイプのアンテナ構造体は、例えば米国特許明細書第６，０２８，５６４号から既知である。この既知のアンテナ構造体においては、例えばこの特許文献の図４から明らかなように、２つのアンテナアームがこれらの長手方向に直線的にかつ整列させて配置するように設計している。既知のアンテナ構造体の設計では、満足なアンテナ特性を得るためにはアンテナアームを長くする必要があり、したがってアンテナ構造体全体の全長が大きくなり、種々の既知の用途においてはこの全長は２０ｃｍよりも大きくなっている。しかしながら、既知のアンテナ構造体が用いられる製品はアンテナ構造体の全長よりも全長を大きくしなくてはならないため、このような大きな全長は不所望な制約となる。このことは、上述の特許文献から既知のアンテナ構造体の用途、すなわちいわゆるタグおよびラベルでの使用においても同じであり、これらのタグおよびラベルは大きな全長を有している。これは、タグおよびラベルが、物品、商品、および他の物に、簡単な方法でしかも簡単な通信動作に必要なやり方で応用できるのは、関連する物品または関連する商品または関連する物が充分に長い受信領域を有している場合だけであることを意味している。しかしながら、比較的小さな寸法の物品および商品および他の物にこのようなタグおよびラベルを使用する要求が高まっている。このような場合には、上述の特許文献から既知のアンテナ構造体は、全長が大きすぎるため用いることができない。

上述したような既知のアンテナ構造体の全長を短くするために、このようなアンテナ構造体の２つのアンテナアームを蛇行させることがすでに提案されている。これは比較的短い全長のアンテナ構造体が得られることを意味するが、残念ながら蛇行設計によると、このような蛇行する形状では、互いに平行に走行するアンテナアームの区分間に、動作中いわゆる平行キャパシタンスが形成されるという不都合があり、これらの平行キャパシタンスは効率を低減させ、これにより不都合にも通信領域が小さくなる。

上述した既知のアンテナ構造体に関連して、米国特許明細書第６，０９７，３４７Ａも参照することができる。

本発明の目的は、上述した問題点を回避して、改良されたアンテナ構造体を形成することにある。

上述した目的を達成するために、本発明によるアンテナ構造体は、以下のようにして特徴付けることができる。すなわち：

第１アンテナアームおよび第２アンテナアームを有するアンテナ構造体であって、前記２つのアンテナアームのそれぞれは導電材料製で第１端部および第２端部を有しかつ前記第１端部から前記第２端部にわたる長手方向を有し、前記２つの第１端部は互いに第１の距離にて互いに隣接して配置しかつそれぞれが信号シンクまたは信号ソースの端子に導電接続されるように設計し、前記２つの第２端部は互いに第２の距離にて互いに離間して配置しかつ前記第２の距離が前記第１の距離よりも大きくなるようにし、前記２つのアンテナアームの前記２つの長手方向は互いに鋭角の開口角を囲むようにし、前記鋭角の開口角は１５°〜９０°の値になるようにしたアンテナ構造体である。

本発明による特徴を提供することで、既知の設計と比べて簡単なやり方で追加の手段なく、改良したアンテナ構造体を達成できる。「改良した」という語を用いるのは、本発明による設計の結果、本発明によるアンテナ構造体は、現在既知の設計と比べて全長をかなり小さく設計できるためである。本発明によるアンテナ構造体は現在既知のアンテナ構造体と比べて、全長に対して垂直に走る全幅が大きくなるが、ほとんどの用途においては、幅が大きくなることは取るに足らないことであり、重要なことではない。

本発明によるアンテナ構造体では、２つのアンテナアームの長手方向間の鋭角の開口角は、例えば１５°，２０°，６０°，７０°，８０°および９０°のような種々の値とすることができる。角度の値の選択は、所望の用途に従って規定し確認しなくてはならない数多くのパラメタに依存し、おそらく多くのテストを実施した後には最も適切な開口角を選定することができる。前記鋭角の開口角が２５°〜４５°の範囲内にある場合が非常に有利であることが分かった。本発明によるアンテナ構造体の開発の中で実施した実験にて、上述の角度は非常に数多くの用途において満足な結果となることを確かめた。

上述の実験では、前記鋭角の開口角を３０°±１０％とする場合に特に有利であることを確かめた。この値は、特にアンテナ構造体をいわゆる「無線周波数識別」（ＲＦＩＤ）の分野で用いる場合に非常に有利であることを確かめた。

本発明によるアンテナ構造体では、２つのアンテナアームを湾曲させて設計することもできる。しかしながら、アンテナアームを直線状に設計する場合が特に有利であることを確かめた。これは、組立をできるだけ簡単にする設計の場合に有利である。

しかしながら、本発明によるアンテナ構造体では、アンテナアームが蛇行するように設計する場合にも有利であることを確かめた。このようにすると、既知のアンテナ構造体に関連して上述したように、効率が低減して、結果として通信範囲が小さくなるが、これにより表面領域においては特に小さなアンテナ構造体を形成することができる。

なお、本発明によるアンテナ構造体の２つのアンテナアームを波形状に設計することもできる。さらに、本発明によるアンテナ構造体の２つのアンテナアームは必ずしも同じ進路にする必要はなく、異なる態様で設計することもできる。

本発明によるアンテナ構造体では、２つのアンテナアーム間に、２つのアンテナアーム間の領域にわたって延在してかつ２つのアンテナアームからは電気的に絶縁した、導電材料製の少なくとも１つの結合ウェブを設けると非常に有利であることを確かめた。このような結合ウェブを設けることで、アンテナ構造体のアンテナインピーダンスに容易に影響し、かつこれを規定することができるという利点が得られる。

少なくとも１つの結合ウェブを有するアンテナ構造体では、２つのアンテナアームの長手方向間の角の二等分線に平行に結合ウェブを配置することができる。しかしながら、少なくとも１つの結合ウェブを、２つのアンテナアームの長手方向間の角の二等分線を横切るように配置するのが有利である。少なくとも１つの結合ウェブを角の二等分線に垂直に配置するのは特に有利である。

本発明によるアンテナ構造体では、アンテナアームの第１端部からの距離が増大するにつれて長さが増大する多数の結合ウェブを設ける場合には非常に有利であることを確認した。このようにすれば、アンテナアームに、したがって本発明によるアンテナ構造体のアンテナインピーダンスに特に大きな影響が及ぶようになる。

少なくとも１つの結合ウェブが直線状に設計される場合、特に２つのアンテナアームも直線状に設計される場合には、さらに有利である。

直線状に設計した結合ウェブの場合、少なくとも１つの結合ウェブを幅峡の細条状にする場合が有利であることをさらに確認した。これは、特に多数の結合ウェブを設ける場合に有利である。

しかしながら、少なくとも１つの結合ウェブを幅広のプレート状にする場合も有利であることを確かめた。この場合にプレートの幅は、上述の幅峡の細条と比較してこの幅峡の細条の幅の倍数、例えばその１０倍または２０倍などにする。このような幅広のプレートは、矩形の形状または台形の形状とすることができる。なお、比較的大きな幅の矩形の外形を有する結合素子は、この結合素子の内部に間隙を設けたフレームの形状で設計することもできる。幅狭の細条と比べて幅広のこのようなプレート形の結合素子では、これにより大きな電磁結合が達成できるという利点を有する。

本発明によるアンテナ構造体では、少なくとも１つの結合ウェブを、２つのアンテナアーム間の領域を越える部分だけにわたって延在させることができる。少なくとも１つの結合ウェブを、２つのアンテナアーム間にわたってかつ２つのアンテナアームを超えて延在させる場合に、非常に有利であることを確かめた。この場合、少なくとも１つの結合ウェブを、例えば２つのアンテナアームの基板材料に埋め込むか、または少なくとも１つの結合ウェブを、２つのアンテナアームの基板の、これら２つのアンテナアームを設けた側の表面と反対側の表面に設けるようにする。アンテナアームを超えて延在する少なくとも１つの結合素子の設計のために、２つのアンテナアーム間で特に良好な電磁結合を達成できる。

本発明によるアンテナ構造体では、２つのアンテナアームを、これら２つのアンテナアーム用の基板について、基板の同じ側の表面に設けることができる。しかしながら、２つのアンテナアームを、これら２つのアンテナアーム用の基板について、基板の互いに反対側の表面に設ける場合に、特に有利であることを確かめた。この結果、基板または基板材料が与える有効な誘電率の効果のため、２つのアンテナアーム間で大きな電磁結合を達成できる。

本発明によるアンテナ構造体ではさらに、２つのアンテナアームを共に、２つのアンテナアーム用の基板について、基板の第１側の表面に設ける場合、かつ少なくとも１つの結合ウェブを基板の反対側の第２側の表面に設ける場合には、有利であることを確認した。この接続においても、基板材料の有効な誘電率は、アンテナ構造体の２つのアンテナアーム間でできるだけ大きな電磁結合を達成する際に有利な効果を生ずる。

本発明によるアンテナ構造体では、このアンテナ構造体を、通信局との非接触通信をするための、ＩＣおよびアンテナ構造体を有する非接触データキャリアで使用するように設計する場合に特に有利であることを確かめた。これは、本発明によるアンテナ構造体を、非接触通信用に設計したデータキャリアで使用するのが特に有用かつ効率的で有利であることが確認されたため、特に有利である。

上述の目的を達成するために、非接触通信をこのために用立てた通信局と行うためのデータキャリアに本発明によるアンテナ構造体を設けるようにする。このようなデータキャリアを用いれば、上述の利点に対応する利点が得られる。

以下説明する実施例から本発明の上述した要点および更なる要点を挙げ、これらの実施例について説明する。

以下、本発明を図面に示す実施例につきさらに説明するが、本発明はそれに限定されるものではない。

図１はデータキャリアを示しており、この場合には、このデータキャリアは通常タグと称されるラベルとする。図１に示すタグ１は基板２０を有し、これはこの場合には電気的絶縁特性を有するフィルムのようなプラスチック材料製とする。しかしながら、基板２０はまた、紙もしくはボード、またはプリント基板用の基材で作成することもできる。タグ１はさらに、ＩＣ２と、ＩＣ２に導電的に接続しているアンテナ構造体３とを有している。

ＩＣ２は、データメモリと、このデータメモリと協働するデータ処理手段とを有するいわゆるトランスポンダＩＣとして設計されており、このトランスポンダＩＣはデータを送受信するのに用立てられ、このデータは特定の物品、商品、および他の物を識別する。アンテナ構造体３を設けて、ＩＣ２におよびＩＣ２から上述のデータを非接触的に送信することができるようにし、このアンテナ構造体３は通信局の局アンテナと非接触で協働するように設計されている。

アンテナ構造体３は、第１アンテナアーム４および第２アンテナアーム５を有している。２つのアンテナアーム４および５の各々は、直線状に設計されて、導電材料で作成される。本例の場合、２つのアンテナアームは銅製トラックから成り、この銅製トラックは、プリント処理により基板２０に形成されている。しかしながら、銅製トラックによって形成されるアンテナアームは、例えばエッチングなど他の既知の技法を用いて形成することもできる。２つのアンテナアーム４および５の各々は、第１端部６および７、ならびに第２端部８および９を有している。さらに、各アンテナアーム４および５は、第１端部６および７から第２端部８および９にわたる長手方向１０および１１を有しており、この長手方向は各々の場合について図１に一点鎖線にて示す。

図１から明らかなように、２つの第１端部６および７は、互いに第１の距離ｄを隔て隣接配置している。２つの第１端部６および７は、本例の場合、２つの第１端部６および７が各々ＩＣ端子１２かまたは１３に接続されるように設計されている。アンテナ構造体３に関連して、ＩＣ２は、受信モードでは信号シンクを、送信モードでは信号ソースを形成する。２つのアンテナアーム４および５の２つの第２端部８および９は、互いに第２の距離Ｄを隔て離間配置してあり、第２の距離Ｄは第１の距離ｄよりもかなり大きくしてある。

図１に示したアンテナ構造体３においては、２つのアンテナアーム４および５の２つの長手方向１０および１１が互いに鋭角の開口角αを囲むようにするのが特に有利である。図１に示したタグ１のアンテナ構造体３の設計にあたっては、鋭角の開口角αの値は約３２°とする。

図１に示したタグ１のアンテナ構造体３においては、２つのアンテナアーム４と５との間に４つの結合ウェブ１４、１５、１６および１７を設けてある。４つの結合ウェブ１４〜１７は、アンテナアーム４および５と同じように導電材料製とする。本例の場合には、４つの結合ウェブ１４〜１７も同様に銅製トラックから成り、プリント処理によって２つのアンテナアーム４および５と同時に基板２０に形成する。４つの結合ウェブ１４〜１７は、２つのアンテナアーム４および５の２つの長手方向１０および１１の間の角度αの二等分線１８を横切るように配置し、かつ２つのアンテナアーム４および５から電気的に隔離する。この電気的な隔離は、４つの結合ウェブ１４〜１７を、これら各ウェブの２つの端部の各々がアンテナアーム４および５からある距離をおくように位置付けることで簡単に達成できるので、電気的に絶縁性の基板２０によって２つのアンテナアーム４および５と４つの結合ウェブ１４〜１７との間を電気的に確実に隔離させることができる。本例の場合には、二等分線１８を横切る４つの結合ウェブ１４〜１７は、二等分線１８に対して垂直に配置してある。しかしながら、４つの結合ウェブ１４〜１７は、二等分線１８に対して９０°以外のある角度で配置することもできる。図１から明らかなように、４つの結合ウェブ１４〜１７は、２つのアンテナアーム４および５の第１端部６および７からの距離が大きくなるにつれて、長さを長くしている。

図１に示したタグ１、およびタグ１に設けるアンテナ構造体３は、数多くの種々の変形例のうちひとつを表したものに過ぎない。種々の他の変形例についてのさらなる詳細、ならびに種々の他の変形例を実施するための知識および設計の可能性についてのさらなる詳細を以下に説明する。

本発明は、８００ＭＨｚを超えるＨＦ範囲内における「無線周波数識別」（ＲＦＩＤ）の分野で用いるのに特に好適な新規のアンテナ構造体に関する。アンテナ構造体の新規な設計の特に有利な点は、アンテナ構造体の最大寸法を縮小できること、およびアンテナ構造体のアンテナインピーダンスを、予め定めたソースインピーダンスに簡単に整合させることができることにある。

この新規なアンテナ構造体は、例えば遠隔通信およびいわゆるブルートゥース通信および標準規格ＩＳＯ１８０９２が関連するいわゆるＮＦＣ通信の分野など、無線データ通信のさまざまな分野において使用することができる。特に適した応用分野のひとつとしては、自動識別システムによるものがあり、これは特にサービス部門において、ならびに調達および分配ロジスティクスにおいて、ならびに商業部門においても、ならびに製造事業においても使用頻度が高まっている。

特に、例えばいわゆるトランスポンダシステムなどの非接触識別システムは、データの交換を急速に、かつ時々邪魔になることがあるケーブル接続なしで行うのに用いられる。約８００ＭＨｚ以下で動作するシステムにおいては、非接触通信は伝送コイルの誘導結合に基づいており、これらのコイルは少なくともひとつのキャパシタと共に共振回路を形成し、これはこれらの素子が数センチ程度の短かな距離にしか適さないことを意味する。物理的な境界条件のため、約８００ＭＨｚを超えて動作するトランスポンダシステムは、数メートルの範囲を超えるデータ交換に特に好適である。これに関連して、能動トランスポンダ（これらは例えばバッテリのような別個の電源を有する）、および受動トランスポンダ（これらの電源は、非接触受信するＨＦ信号を整流する電気整流回路から得る）、および半受動トランスポンダ（起動動作が非接触的に行われた後に、例えばバッテリが電源として動作する）が既知である。トランスポンダは、全てのデータを格納し、かつしばしばプログラム可能で再書き込み可能な半導体チップ（ＩＣ）と、また関連するアンテナ構造体（高周波アンテナ）も有しており、このアンテナは適切な周波数帯域、例えばアメリカではＵＨＦ帯域：９０２ＭＨｚ〜９２８ＭＨｚに、ヨーロッパでは帯域：８６３ＭＨｚ〜８６８ＭＨｚに、または既知のＩＳＭ帯域：例えば帯域：２．４ＧＨｚ〜２．８３ＧＨｚに同調させる。

このようなトランスポンダの効率をできるだけ高くするためには、アンテナ構造体の効率を良くし、さらにアンテナ構造体とＩＣとの間の反射をできるだけ低くする必要がある。後者は、２つのコンポーネント間の性能を整合させることによって達成される。チップのインピーダンスがアンテナのインピーダンスの複素共役となるようにする場合に、最大の性能が達成される。

これは、複素インピーダンスの実数部の値と虚数部の値とをできるだけ等しくして、さらにリアクタンスを互いに共役にすべきであることを意味している。

この処理のために、ＩＣのインピーダンスは通常は容量性として、虚数部（Ｘ_ｃｈｉｐ）を負とする。これは、良好な伝送のためには、アンテナ構造体は誘導特性を呈するものとしなくてはならないことを意味する。したがって、リアクタンス（Ｘ_{ａｎｔｅｎｎａ}）は正としなければならず、値に関してはチップインピーダンスの虚数部の値に等しくなければならない。リアクタンスがこの条件を満たす場合、さらに２つの実数部（Ｒ_ｃｈｉｐおよびＲ_{ａｎｔｅｎｎａ}）が同様に等しいものとする場合には性能が整合して、ＩＣとアンテナ構造体との間で電力の最大伝送が達成される。したがって、効率的なアンテナ設計のためには、アンテナ構造体の実数部および虚数部は所定のチップインピーダンスに整合させなくてはならない。

アンテナのインピーダンスを整合させる方法は、上述の２つの特許文献から既知である。この方法は、アンテナ構造体の虚数部を修正するいわゆる「同調スタブ」および実数部を整合させるいわゆる「ローディングバー」と組み合わせる慣例のダイポールアンテナを用いることに基づいている。

本発明では、このために必要な既知の「同調スタブ」および「ローディングバー」を追加することなくアンテナのインピーダンスを調整することができるアンテナ構造体が形成される。

本発明によるアンテナ構造体は導電性のメタライゼーション（例えばＣｕ，Ａｕ，Ａｇ，Ａｌまたは適切な合金か超電導材料）から形成し、このメタライゼーションは、誘電率ε_ｒ≧１および／または透磁率μ_ｒ≧１を有する基板材料（プラスチック、陶磁器、埋め込みセラミック粒子を有するプラスチック）に形成するか、または既知の多層技法によってこの基板材料に埋め込む。メタライゼーションは、エッチング、ミリング、スクリーン印刷またはスタンピングもしくはボンディングなどの慣例の方法によって構成し、基板に形成することができる。

本発明は、単純な導体トラック片またはワイヤの誘導的な特性を利用することに基づくものである。この誘導的な特性は、トランスポンダのＩＣのインピーダンスが通常は容量特性を有し、したがって導体トラックのインピーダンスの複素共役となるため、特に必要である。その導体トラック片のインダクタンスを変更するためには、特定の境界条件（例えば長さ、断面、物質の属性）を変えるようにする。しかしながら、他の可能性として、第１の導体トラック片の直近にある第２の導体トラック片への結合を変化させるようにすることもできる。このような結合の機能を以下さらに詳細に説明する。以下、これまで用いた「アンテナ構造体」という用語の代わりに、略して「アンテナ」という用語を用いる。

図２は、本発明によるアンテナの原理および対応する物理的設計を示している。各々が長さｌを有し、基板材料に形成した平行に配置した２つの導体トラック（アンテナアーム）から開始して（図２（ａ））、２つの導体トラックを離間して移動させてこれらが開口角、特に鋭角を囲むようにすることによって（図２（ｂ））、これによるアンテナの入力インピーダンスは所定のソースインピーダンスに整合させた広範囲内で変更されるので、アンテナのインピーダンスは理想的にソースインピーダンスの複素共役となり、したがって、アンテナとソースとの間にて電力伝送が最大となる。導体トラックの２つの第１端部間で接触しているＩＣを、ソースまたはシンクとして設ける。もともとは互いに平行であった２つの導体トラックを、それぞれα＝９０°で反対方向に回転すると、開口角は１８０°となり、慣例のダイポールを形成する（図２（ｃ））。

アンテナは共振コンポーネントであるので、アンテナアームの長さｌは、以下のように近似的に計算することができる。

ここで、ｃは真空中の光速、ε_ｒは基板の誘電率（ＦＲ４≒４．４）、およびｆは周波数である。

金属構体間の結合メカニズムはアンテナの有効長に影響するので、適切な実験および／またはシミュレーションによってそれぞれの設計を最適化および適合させなければならない。特に、本発明によるアンテナの設計にあたっては、共振周波数を所望の周波数範囲（ＵＨＦまたはＩＳＭ範囲）に変位させるために、２つのアンテナアームの長さを増大させなければならない。

平行な導体トラックも、一直線にした導体トラック（１８０°のダイポール）も、ここで必要な用途に使用するのには適していない。第１のソリューションでは、これは２つの導体トラック間の強力な容量性結合によって短絡されるため、電力がほとんど送信されなくなる。第２のソリューションでは、これは極めて有効な伝送装置となり得るが、複素アンテナ入力インピーダンスが必要な複素共役のチップインピーダンスとはあまりにも異なるため、さらなる変更手段を講じなければ所望な用途に使用することはできない。

このことを説明するために、図３は、図２に示した３つのアンテナの散乱パラメタｓ_１１を示している。散乱パラメタｓ_１１は、ＨＦ技法では慣習的である５０Ωの抵抗に基づくものではなく、複素インピーダンスＺ _{ａｎｔｅｎｎａ}＝（Ｒ＋ｊＸ）Ωに基づくものである。これは、トランスポンダチップの複素チップインピーダンスＺ _ｃｈｉｐ＝（Ｒ−ｊＸ）Ωから得られ、したがって、アンテナと半導体チップとのインピーダンスを互いに整合させて性能を整合（Ｚ _{ａｎｔｅｎｎａ}＝Ｚ _ｃｈｉｐ ^＊）させなければならないことを意味している。

図３から明らかなように、導体トラックが平行の場合には、必要な周波数範囲（この場合９０２〜９２８ＭＨｚ）にて共振が発生する。しかしながら、１％未満の極めて低い効率のアンテナは、ＲＦＩＤの用途で使うことはできない。実線で示した曲線は、２つの導体トラックが互いに開口角α≒３２°を囲む場合の整合を示している。幸いにもこの設計は、平行方向の導体トラックよりも大きな共振帯域幅を呈し、４８．５％というかなり増大した効率（η_ｔｏｔ）を呈する。反射を考慮しなければ、アンテナの放射効率（η_ｒａｄ）は、次式に従って、７２．２％という値まで増大する。

開口角αがさらに１８０°まで増大すると、ダイポールとして、図３に一点鎖線で示した曲線による整合が得られる。必要なチップインピーダンスに対する整合が不十分であると、この場合にもさらに変更手段を講じなければ必要な用途に使用することはできず、また伝送特性がかなり損なわれることになる。整合が不十分であると、高放射効率がη_ｒａｄ＝９８．６％から、使用中に実際に利用可能なη_ｔｏｔ＝２１．８％の効率に低減される。

向上したインピーダンス整合（および増大したインピーダンス帯域幅）の他に、本発明により設計したアンテナはさらに、アンテナの長さが慣例のダイポール構造の半分の長さに低減され、考慮しなくてはならないアンテナの幅をわずかに増大させるだけであるという利点を有する。

すでに述べたように、トランスポンダの効率は実数部および虚数部を好適に調整することで最大化することができるため、必要な動作周波数の他にアンテナのインピーダンスも非常に重要である。本発明によるアンテナでは、アンテナの設計自体を変更することで必要なインピーダンスを達成する。ここでは、２つの導体トラック（アンテナアーム）間の結合の強度が極めて重要である。この結合強度は２つの導体トラック（メタライゼーション）間の開口角αに依存し、また使用される基板にもある程度左右される。

（実数部と虚数部に分けられる）複素アンテナインピーダンスの変化を、開口角αの関数として図４に示す。

複素アンテナインピーダンスの実数部および虚数部が、開口角αの関数として大いに依存することが明らかに分かる。開口角αが増大するにつれて減少する虚数部とは異なり、実数部は角度αが増大するにつれて大きくなる。必要な複素インピーダンスに整合することだけを、最適な開口角αを得る基準と考えれば、この基準は、開口角αが小さな場合に満たされる。この場合には、実数部によって実質的に反射が生じることになる。アンテナの効率は開口角αの関数でもあること、および得られる最大の効率は必ずしも整合が最も良好な場合に生じるとは限らないということが確認された。したがって、最小の反射と最大の効率（放射効率および全効率）との比較を、開口角αの関数として図５に示す。整合と反射との間の（既知の）関係をここでもまた明確に確かめることができる。最も良好な整合はα≒１０°（ｓ_１１＝−９．３ｄＢ）にて達成される。しかしながら、この開口角αでは、アンテナの効率（η_ｔｏｔ）はおよそ２３．５％（η_ｒａｄ＝２８．６％）にすぎない。開口角αを１８０°（ダイポール）まで増大させると、放射効率が９８％以上に増加することを確かめることができる。しかしながら、開口角αが大きい場合には、使用中に得られる効率（η_ｔｏｔ）は反射のために急激に減少する。最大のη_ｔｏｔは、開口角αが２０°〜３０°にて見出すことができる。この場合には、比較的良好なインピーダンス整合（ｓ_１１＝約−６．７ｄＢ）が得られ、したがってアンテナと半導体チップとの間に生じる反射が比較的少なくなる、約２１°の角αを選択することになる。この場合、効率η_ｔｏｔはおよそ４９％となる。

上述したことから明らかなように、アンテナのインピーダンスは、適切な開口角αによって広い範囲内で変更することができる。さらに、以下、アンテナインピーダンスを所定のチップインピーダンスに整合させるという利点を有しながら使用することができる追加の設計変更を説明する。

この目的のためには、アンテナの２つの長手方向導体トラック（アンテナアーム）の幅を適切な幅のものとする。図６は、この点について、複素アンテナインピーダンスの実数部および虚数部を、２つのアンテナアームの、例として選定した種々の幅の関数として示してある。横軸のデータは、第１アンテナアーム（斜線の左側に付した数）および第２アンテナアーム（斜線の右側に付した数）のそれぞれの幅を示している。実数部はアンテナアームの幅の関数として増加していることが明らかに分かる。これに対し、アンテナインピーダンスの虚数部は減少している。このことは、アンテナアームの幅を適切に選定することによって、アンテナの複素インピーダンスに影響を与え、かつ必要なチップインピーダンスに整合させることができることを意味している。

図７はさらに、散乱パラメタｓ_１１と効率（η_ｔｏｔ，η_ｒａｄ）と間の関係を、アンテナアームの幅の関数として再び示している。特にアンテナインピーダンスの実数部の変化のために、必要なチップインピーダンスの整合がわずかに低減している。しかしながら、これと同時にアンテナの全効率は増大している。最適なアンテナの性能（インピーダンス整合と効率との兼ね合い）は、各々が０．５ｍｍ〜１．０ｍｍのアンテナアームの幅にて見ることができる。

所望のインピーダンス整合を達成するためには、上述したアンテナインピーダンスに追加の変更を加える以外にも、更なる設計変更を用いることもできる。これは、２つの導体トラック（アンテナアーム）間の容量性結合を変えることによって達成される。この結合は２つのアンテナアーム間に結合ウェブを設けることで強化することができ、これらの結合ウェブは、金属性の「浮動」導体トラック構体によって形成して、図８から分かるようにアンテナアームに導電接触しないようにする。これらの結合ウェブは、アンテナアームそのものと同じ基板側（基板の上側）に位置付けることも、または反対側（基板の下側）にもしくは基板の上側と下側との間の層内に位置付ける、つまり基板に埋め込むこともでき、この後者の場合は多層基板の場合に特に有利である。なお、２つのアンテナアームを、基板の異なる側に、すなわち基板の上側および基板の下側に設けることもできる。

図９は、複素アンテナインピーダンスの実数部および虚数部を、容量性結合素子の位置の関数として示している。この場合には、１ｍｍ幅の矩形の金属細条で形成して２つのアンテナアーム間に配置したただ１つの結合素子のみを設ける。試験目的および測定目的のために、このような結合素子の位置を、２つのアンテナアームの互いに近接する第１端部での位置（１ｘ ｅｎｄ）から、中間位置（１ｘ ｍｉｄｄｌｅ）を経由して、２つのアンテナアームの互いに離間した第２端部での位置（１ｘ ｓｔａｒｔ）まで変化させた。この場合、種々の長さの結合素子を用いて、各結合素子が２つのアンテナアームから０．０１〜１．０ｍｍの距離にあるようにした。対応する複素アンテナインピーダンスを、対応する結合素子を用いない場合（ｎｏ）と比較して図９に示した。図から分かるように、虚数部は微細な影響を受けるだけであるが、実数部はそれよりも大きく影響される。

図１０は、散乱パラメタｓ_１１および対応する効率（η_ｔｏｔおよびη_ｒａｄ）を再び示す。この場合、中央の結合素子を使用する際に全効率が最大になることが分かる。

上述した知識に基づいて、以下、多くの結合素子を設ける効果について述べる。図１１は、例として、２つのアンテナアーム間の多くの結合素子の配列を示す。この場合、結合素子は、例として互いに１．０ｍｍの距離で各々配置する。結合素子間の有利な距離は、０．０１ｍｍから１．０ｍｍの間である。

図１２は、２つのアンテナアーム間に設けた中央結合素子の数の関数として、実数部および虚数部に分離した複素アンテナインピーダンスを再び示す。この場合も、虚数部の変化、および実数部のより大きな変化が見られる。

図１３は、散乱パラメタｓ_１１および２つの効率（η_ｔｏｔおよびη_ｒａｄ）を再び示す。ここで、結合素子の数が増加するにつれて、反射が改善されることが分かる。しかしながら、同時にアンテナの放射効率（η_ｒａｄ）は低減し、このために全効率（η_ｔｏｔ）も低減する。１０個の結合素子を用いる時に、（図５に示した初期状態と比較してほぼ）一定のインピーダンス整合のｓ_１１＝約−６．６ｄＢの場合で、この効率が最大のη_ｔｏｔ＝５４％となることが分かる。

なお、本発明は、８００ＭＨｚを超えるＨＦ範囲においてＲＦＩＤの用途で使用するのに特に好適な、新規なアンテナ構造体を提供するものである。本発明によるアンテナ構造体の特に有利な点は、アンテナ構造体の全体の長さを、現在既知のアンテナ構造体の長さのおよそ半分（５０％）に低減でき、かつ本発明によるアンテナ構造体のインピーダンスを、予め定めたシンク／ソースインピーダンスに簡単に整合させることができることにある。２つのアンテナアーム間に様々な大きさの開口角を設けることで、２つのアンテナアーム間の容量性結合を様々な程度にすることができ、したがって本発明によるアンテナ構造体のアンテナインピーダンスに対して種々の実数部を簡単に達成することができる。アンテナ構造体の誘導的な特性のために、所望の範囲を、２つのアンテナアームの長さを適切に選ぶことによって、簡単に達成することができる。２つのアンテナアームの幅を適切に選ぶことによって、アンテナ構造体の所望の周波数帯域幅にすることができる。２つのアンテナアームの幅はアンテナアームの長さを経て異なるように選定することができ、前記２つのアンテナアームはそれらの第１端部領域では幅を小さくし、第２端部領域では幅を大きくし、この幅は直線的に増大するようにするのが必須ではないが好適である。

２つのアンテナアームおよび少なくとも１つの結合ウェブを具える本発明によるアンテナ構造体において、この少なくとも１つの結合ウェブを三角形の結合プレートによって形成することもできる。この場合、結合プレートの三角形の形状は、２つのアンテナアーム間の鋭角の開口角、およびこれにより規定される２つのアンテナアームの互いの位置の関数として選定するようにする。

本発明の一実施例によるアンテナ構造体を有する本発明の一実施例によるデータキャリアの概略を示す図である。 互いに平行に配置した導体トラック、鋭角に配置した導体トラック、および直線に配置した導体トラックを示す図である。 ３つの異なる開口角αに対する散乱パラメタｓ_１１を示す図である。 複素アンテナインピーダンスの開口角αの関数としての実数部および虚数部を示す図である。 開口角αの関数としての散乱パラメタｓ_１１およびアンテナの効率を示す図である。 複素アンテナインピーダンスの、アンテナアームの幅の関数としての実数部および虚数部を示す図である。 アンテナアームの幅の関数としての、散乱パラメタｓ_１１およびアンテナの効率を示す図である。 単一の容量性結合ウェブを有するアンテナを示す図である。 複素アンテナインピーダンスの、容量性結合素子の位置の関数としての実数部および虚数部を示す図である。 容量性結合素子の位置の関数としての散乱パラメタｓ_１１およびアンテナの効率を示す図である。 例としての中央位置における多くの結合素子を示す図である。 複素アンテナインピーダンスの、設けた中央容量性結合素子の数の関数としての実数部および虚数部を示す図である。 設けた中央容量性結合素子の数の関数としての、散乱パラメタｓ_１１およびアンテナの効率を示す図である。

Claims (17)

1. 第１アンテナアームおよび第２アンテナアームを有するアンテナ構造体であって、
   前記２つのアンテナアームのそれぞれは導電材料製で第１端部および第２端部を有しかつ前記第１端部から前記第２端部にわたる長手方向を有し、前記２つの第１端部は互いに第１の距離にて互いに隣接して配置しかつそれぞれが信号シンクまたは信号ソースの端子に導電接続するように設計し、前記２つの第２端部は互いに第２の距離にて互いに離間して配置しかつ前記第２の距離が前記第１の距離よりも大きくなるようにし、前記２つのアンテナアームの前記２つの長手方向は互いに鋭角の開口角を囲むようにし、前記鋭角の開口角は１５°〜９０°の値になるようにしたアンテナ構造体。
2. 前記鋭角の開口角は２５°〜４５°の間の値を有するようにした請求項１に記載のアンテナ構造体。
3. 前記鋭角の開口角は３０°±１０％の値を有するようにした請求項２に記載のアンテナ構造体。
4. 前記２つのアンテナアームは直線となるように設計した請求項１に記載のアンテナ構造体。
5. 前記２つのアンテナアームは蛇行するように設計した請求項１に記載のアンテナ構造体。
6. 前記２つのアンテナアームを電磁的に結合させるために、前記２つのアンテナアーム間の領域にわたって少なくとも延在しかつ前記２つのアンテナアームからは電気的に隔離した、導電材料製の少なくとも１つの結合ウェブを設けた請求項１に記載のアンテナ構造体。
7. 前記少なくとも１つの結合ウェブは、前記２つのアンテナアームの長手方向間で前記鋭角の開口角の二等分線を横切るように配置した請求項６に記載のアンテナ構造体。
8. 前記少なくとも１つの結合ウェブは、前記２つのアンテナアームの長手方向間で前記鋭角の開口角の二等分線に対して垂直に配置した請求項７に記載のアンテナ構造体。
9. 前記２つのアンテナアームの第１端部からの距離が増大するにつれて長さが増大する多数の結合ウェブを設けた請求項６に記載のアンテナ構造体。
10. 前記少なくとも１つの結合ウェブは直線となるように設計した請求項６に記載のアンテナ構造体。
11. 前記少なくとも１つの結合ウェブは幅狭の細条状のものとした請求項６に記載のアンテナ構造体。
12. 前記少なくとも１つの結合ウェブは幅広のプレート状のものとした請求項６に記載のアンテナ構造体。
13. 前記少なくとも１つの結合ウェブは、前記２つのアンテナアーム間にある領域にわたってかつ前記２つのアンテナアームを超えて延在するようにした請求項６に記載のアンテナ構造体。
14. 前記２つのアンテナアームは、前記２つのアンテナアーム用の基板に対して、該基板の互いに反対側の表面上に設けるようにした請求項１に記載のアンテナ構造体。
15. 前記２つのアンテナアームは共に、該２つのアンテナアーム用の基板に対して、該基板の第１の表面上に設け、かつ前記少なくとも１つの結合ウェブは、前記基板の反対側の第２の表面上に設けるようにした請求項６に記載のアンテナ構造体。
16. 前記アンテナ構造体は、通信局との非接触通信をするための、ＩＣおよび前記アンテナ構造体を有する非接触データキャリアに使用するように設計した請求項１に記載のアンテナ構造体。
17. 請求項１〜１０のいずれか１項に記載のアンテナ構造体を設けたことを特徴とする、通信局との非接触通信をするためのデータキャリア。

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