JP2009010909A - アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】この発明は、簡易な構成でありながらヌル角が小さく、しかも円偏波による通信を可能とするアンテナを提供することを目的とする。
【解決手段】上述の課題を解決するため、この発明のアンテナ１は、十字の形状を形成するように周回する導線２を有するものであり、中心部より外部へ突き出している２本の線分が直角をなしている箇所が周回経路中に含まれており、この部分によってアンテナ１は、全方向における電波の送受信が行え、さらに、円偏波特性を有する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＩＣタグ、ＩＣリーダライタ、地上デジタルテレビジョン受信装置、全地球測位システムなどに使用する通信用アンテナに関する。

電子回路および送受信装置を小型の基板に配置したＩＣタグはすでに普及が始まっており、たとえば、鉄道の運賃支払い等のための電子マネーとして用いるカードなどがあらわれている。さらに、商品管理や狂牛病・鳥インフルエンザ対策として畜産の分野での応用も期待されている。普及しているカードにはダイポールアンテナやループアンテナが使用されている。これらのアンテナは指向性が強く、特定の方向における感度は高いが、それ以外の方向における感度は低い。

また、特許文献１には直行させて配置した２本のダイポールアンテナを切り替えて使用することによって、全方向に対しての通信を可能にすることが記載されている。
特開２００６−３９８９９号公開特許公報

ＩＣタグ付きカードに設けられているループアンテナ等は指向性が強い。アンテナの感度が低下する方向の範囲をヌル角というが、これまでのアンテナではこのヌル角が大きい。したがって、ＩＣタグ付きカードの使用者が、読取装置に対して適切に向けた場合には正確に送受信できるが、ヌル角に該当する方向に向けられたときは正確な情報のやりとりができない。

たとえば、ＩＣタグ付きカードを運賃の支払いの目的で使用する場合、改札口に設けられた読取装置に対して、使用者が適切な向きにおいてくれることはある程度期待できる。しかし、商品管理用として商品のケースに取り付けたり、畜産管理用として牛などに取り付けたりする場合、ＩＣタグはさまざまな方向を向いている。したがって、ヌル角の大きいこれまでのＩＣタグ用アンテナでは、限定された条件でしか適用ができない。

特許文献１に記載された非接触ＩＣタグによれば、全方向における通信が可能であると記載されている。しかし、切り替えスイッチや２つの電源回路、あるいは比較装置などを必要としており、回路は複雑になっている。ＩＣタグに搭載する回路は小型であることが必要である。また、安価かつ大量に製造できることが望まれる。

さらに、特許文献１に記載された非接触ＩＣタグにおいて、作動しているのは１本のダイポールアンテナであるので、それから送信される電波は直線偏波である。したがって、読取装置に対して偏波方向があっていないときは通信が行いにくくなる。もし、この２本のダイポールアンテナに対して相互の位相を厳密に制御しながら送信を行えば円偏波を実現することも可能ではあるが、それでは、送受信回路はさらに複雑になる。

この発明は、簡易な構成でありながらヌル角が小さく、しかも円偏波による通信を可能とするアンテナを提供することを目的とする。

上述の課題を解決するため、この発明のアンテナは、十字の形状を形成するように周回する導線を有する。十字の形状を形成する周回は、うずまき状に複数回形成されていてもよい。また、中心部に給電部を有するようにしてもよい。

この発明は、十字の形状を形成するように周回する導線により、ヌル角が小さくほぼ全方向において通信可能なアンテナを実現できるという効果を有する。特別な送受信回路を使用することなく、円偏波による通信が行えるという効果を有する。

この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図１はアンテナの第１の例を示す平面図である。

アンテナ１の外形は実質的に十字形状である。すなわち、長さＬ、幅Ｗ（Ｌ＞Ｗ）の長方形が２つ、その重心をあわせ、かつ向きが９０度ずれた状態で、重なりあった形状である。中心部は一辺がＷの正方形であり、この正方形の外部に長さＬ１（＝（Ｌ−Ｗ）／２）で幅Ｗの長方形が４つ突き出た形状といえる。

この十字形状の外周を周回するように導線２が設けられている。図１においては、始点Ａ１点より時計回りに点Ｂ１，Ｃ１，Ｄ１，Ｅ１，Ｆ１，Ｇ１，Ｈ１，Ｊ１，Ｋ１，Ｍ１を経由し、Ａ１点に近接したＡ２点にいたる第１周回経路が形成されている。この周回経路中には、長さＬ１の２本の線分が直角をなしている箇所がある。たとえば、Ｃ１−Ｄ１−Ｅ１やＦ１−Ｇ１−Ｈ１などの区間である。この部分によってこのアンテナ１は、全方向における電波の送受信が行え、さらに、円偏波特性を有する。

図１の例において点Ａ２は始点Ａ１よりも十字形状の内側に位置する。この点Ａ２を始点として第２周回経路が第１周回経路の内側に形成される。同様に第３、第４の周回経路も順次うずまき状に形成される。このように複数の周回経路を渦巻状に設けることによって、小さい面積中に長いアンテナ長を得ることができる。

図１の例において、幅Ｗは１９ｍｍ、突出長さＬ１は２７ｍｍであり、導線２の幅は１ｍｍ、導線間のすきまは１ｍｍである。周回経路は５周分形成されている。９５０ＭＨｚの周波数での通信を想定している。このアンテナをガラスエポキシのような強誘電体の基板上に形成する。ここでは、基板はガラスエポキシ板であり、その比誘電率は４．８、誘電正接ｔａｎδ＝０．０１８であり、導線２は厚さ０．０３５ｍｍの銅（誘電率＝５．８×１０⁷）で形成されている。

また、外形寸法や導線幅などを変更したいくつかの例についても検討した。いずれも、ヌル角の減少や円偏波特性において向上が見られたが、９５０ＭＨｚにおいて図１に示す例が特に優れていた。

次にアンテナの第２の例について説明する。図２はアンテナの第２の例を示す平面図、図３はその中心部の拡大平面図、図４は同拡大底面図である。やはり、９５０ＭＨｚの周波数での通信を想定している。外形は実質的に十字形状であり、幅Ｗは１９ｍｍ、突出長さ２７ｍｍであり、ほぼ第１の例と同形状である。しかし、上の突出部と下の突出部は導線２の幅分だけ左右にずれている。第１周回経路を構成する線分Ｆ１−Ｇ１と線分Ｊ１−Ｋ１の位置関係を図３で見ると、線分Ｆ１−Ｇ１は対向する線分Ｊ１−Ｋ１の延長線上にはなく、その延長線上から導線２の幅分平行移動した位置に存在する。このような形状も可能である。

始点Ａ１と終点Ａ６にはスルーホールが形成されており、基板の裏面と接続されている。そして、基板の裏面において始点Ａ１と終点Ａ６を結ぶ導線３が設けられており、ループアンテナが形成されている。

図５は給電点を模式的に示す断面図である。導体２および基板５に０．１２０ｍｍのギャップ６が設けられている。このギャップ６によって区切られた導体２の一端側は同軸コネクタ７の中心導体８と接続されており、他端側は同軸コネクタ７の接地導体９と接続されている。この同軸コネクタ７に同軸ケーブルを接続することによって送受信回路より給電を行う。

給電点４は十字形状の中心部の正方形内に設けるほうが、インピーダンスのマッチングをとりやすい。その中でも、完全な中心よりはやや外側にずらせることが好ましい。

シミュレーションによって求めたアンテナの特性について説明する。図６および図７はそれぞれ第１の例および第２の例のシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。どちらも類似した特性を示している。９５０ＭＨｚあたりにおいてマッチングがとれている。また、広い範囲においてリターンロスが見られる。

図８および図９はそれぞれ第１の例のおよび第２の例のシミュレーションによる３次元指向性を示すグラフである。また、図１０は座標を示す斜視図である。第１の例のおよび第２の例のどちらも、ヌル点がほとんどない無指向性を示している。

図１１および図１２はそれぞれ第１の例のおよび第２の例のシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。図１１および図１２は図１０の座標におけるφ＝４５°でのθ角度で見た主偏波と交差偏波の電界強度を示しており、実線が主偏波、破線が交差偏波である。どちらも偏波面に対する依存性が低く、良好な円偏波特性が示されている。

図１６および図１７はそれぞれ第１の例および第２の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。また、図１８は円偏波の旋回方向の説明図である。図１８において、電波は紙面の手前側から向こう側へ進行している。そして図１８に示すように電界の旋回方向が時計回りである場合を右旋回と定義し、半時計回りの場合を左旋回とする。第１の例および第２の例のアンテナのいずれにおいても、右旋回の電界強度が左旋回の電界強度に対して著しく大きい。したがって、これらのアンテナを送信に使用した場合、右旋回の電波を良好に送信する一方、左旋回の電波はほとんど発生しないことを示す。

ここで、図１および図３に基づいてこれらのアンテナにおける導線の周回の方向を説明する。中心部付近の給電点Ａ１を始点とし、最外周の終点Ａ６までの線路を追うと、半時計回りに周回しながらうずまきを形成している。このような導線の周回方向の場合、図１６、１７に示すように右旋回の電波のみを送信するような特性となる。なお、受信に使用する場合はその逆であり、図１に示すような導線の周回方向の場合、左旋回の電波のみを受信し、右旋回の電波のみをほとんど受信しない。

ついで、実測によって求めたアンテナの特性について説明する。第２実施例のアンテナを作成し、その特性を調べた。

図１３は実測によるリターンロス特性を示すグラフである。ここでは、ＶＳＷＲ特性で示されており、図７とは単位が異なるが、ほぼシミュレーションと実測値が対応していることがわかる。

図１４は実測による指向性を示すグラフである。Ｈ面放射指向性をθ＝０°において０ｄｂとして表示している。ヌル点はほとんど存在しないことが示されている。

図１５は実測による偏波特性を示すグラフである。主偏波交差偏波特性をθ＝０°において０ｄｂとして表示している。実測値と合わせてシミュレーションによる値も示している。細い実線（線１）が主偏波のシミュレーション値、細い破線（線２）が交差偏波のシミュレーション値、太い実線（線３）が主偏波の実測値、太い破線（線４）が交差偏波の実測値である。実測値においては測定環境に起因する若干の違いが見られるが、おおむねシミュレーション値と実測値は対応していて、良好な円偏波特性が確認できる。

以上、この発明のアンテナは簡単な構造でありながら、ヌル角がほとんどなく全方向において通信可能である。ガラスエポキシ基板へのエッチングなど配線パターン作成で確立している技術がそのまま使用できる。また、送受信回路も複雑なものは特に必要でなく、これまでのＩＣタグやＩＣリーダライタなどに使用されている送受信回路でも円偏波による通信が可能である。

この発明の第１の実施例について説明する。この発明のアンテナは、ＩＣタグやＩＣリーダライタ、あるいはその両方に使用することができる。ＩＣリーダライタに使用する場合、たとえば図１や図２に示すようなアンテナを使用することができる。ＩＣリーダライタの場合、さほど小型にする必要はなく、むしろ、性能が高いことが重視される。周波数としては、図１や図２に示すアンテナの場合、９５０ＭＨｚによる通信を行う。送受信回路は従来のままでもよく、この発明のアンテナを設けることにより、ＩＣリーダライタの本体部分をほとんど変更することなく、この発明を適用することができる。ＩＣリーダライタ側に無指向性・円偏波特性を持たせることによって、ＩＣタグ側のアンテナは指向性・直線偏波特性のものであっても、良好な通信を行うことができる。

この発明のアンテナは導線の幅を縮小して周回密度を上げることによって、容易に小型化することができるので、ＩＣタグ側のアンテナに適用することもできる。ＩＣタグ側のアンテナに無指向性・円偏波特性を持たせることによって、ＩＣリーダライタが従来のものでも、良好な通信を行うことができる。さらに、ＩＣタグとＩＣリーダライタの双方に用いることによって、通信性能はさらに向上する。以上、この実施例に示すように、本発明をＩＣタグやＩＣリーダライタに適用することによって、ＩＣタグをどの方向からＩＣリーダライタに近づけても、あるいはＩＣタグをどのような向きにしても、適切に送受信を行うことができる。

この発明の第２の実施例について説明する。この発明のアンテナは、全地球測位システム（ＧＰＳ）に使用することができる。カーナビゲーション装置などに使用する場合、自動車の屋根やダッシュボード上などにこの発明のアンテナを設置する。

ここで、受信する円偏波電波の旋回方向に合わせてアンテナの導線の周回方向を選択する。たとえば、左旋回の電波を受信する場合、図１に示すような導線の旋回方向を選択する。すなわち、上側から見て図１に示すような向きに設置される。図１６や図１７に示すように、左旋回の電波を感度よく受信する。直接波が左旋回である場合には良好に受信できる。一方、建物の壁などに反射されるマルチパス波は右旋回となるのでほとんど受信されない。したがって、マルチパス波の悪影響を受けにくい。また、右旋回の円偏波を受信する場合には、図１や図２に示すのと逆方向に導線を周回させたアンテナを使用する。

日本においてＧＰＳとして使用される電波は通常右旋回である。図１に示すような導線の旋回方向と逆の方向を選択する。すなわち、裏側（下側）から見て図１に示すような向きに設置される。この場合、ＧＰＳ衛星より送信される右旋回の直接波のみを受信し、左旋回のマルチパス波をほとんど受信しない。

この発明の第３の実施例について説明する。この発明のアンテナは、携帯電話等の移動端末に組み込まれた地上デジタルテレビジョン受信装置に使用することができる。この発明のアンテナは平面アンテナであり、しかも容易に小型化できるので、携帯電話等の本体部分に組み込むことも可能である。従来の地上デジタルテレビ対応携帯電話では、本体部より突き出したダイポールアンテナが必要であるが、本発明を適用すれば、このような突起物は不要となる。

また、地上デジタルテレビジョン放送の電波は直線偏波であるので、従来のダイポールアンテナでは、アンテナの向きが偏波方向に一致していない場合に受信性能が低下することが多い。しかし、この発明のアンテナは図１１、図１２、図１４に示すように、交差偏波に対しても主偏波に対してと同様に高い受信能力を有している。したがって、受信端末の向き（すなわちナンテナの向き）にかかわらず、テレビ放送を良好に受信することができる。

アンテナの第１の例を示す平面図である。 アンテナの第２の例を示す平面図である。 アンテナの第２の例の中心部の拡大平面図である。 同拡大底面図である。 給電点を模式的に示す断面図である。 第１の例のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。 第２の例のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。 第１の例のアンテナのシミュレーションによる３次元指向性を示すグラフである。 第２の例のアンテナのシミュレーションによる３次元指向性を示すグラフである。 座標を示す斜視図である。 第１の例のアンテナのシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。 第２の例のアンテナのシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。 実測によるリターンロス特性を示すグラフである。 実測による指向性を示すグラフである 実測による偏波特性を示すグラフである。 第１の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。 第２の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。 円偏波の旋回方法の説明図である。

符号の説明

１．アンテナ
２，３ 導線
４．給電点

Claims (3)

1. 十字の形状を形成するように周回する導線を有するアンテナ。
2. 十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有する請求項１に記載のアンテナ。
3. 中心部に給電部を有する請求項２に記載のアンテナ。

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