JP2009218968A - Ｅｂｇ構造シート及びアンテナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】小さなサイズであっても良好な性能を得ることのできる金属対応の無線タグのようなアンテナ装置及びその実現を可能とするＥＢＧ構造シートを提供すること。
【解決手段】ＥＢＧ構造シートに含まれるＥＢＧ構造体２１０の単位セルのうち、周辺部に単位セル２２０ａ，２２０ｂの構造を中央部の単位セル２２０ｃと異ならせ、単位セル２２０ａ，２２０ｂにおける同相反射周波数を単位セル２２０ｃにおける同相反射周波数よりも低くすることにより、ＥＢＧ構造体２１０における反射波の指向性を高める。
【選択図】図２

Description

本発明は、ＥＢＧ構造体を一部に含むアンテナ装置に関する。

近年の機器の小型化により、例えば、グランド電極プレーン等の金属面とアンテナとの距離が短くなってきており、それによるアンテナ特性の劣化が懸念されている。また、無線タグ又はＲＦＩＤ(Radio Frequency Identification)タグを金属面に貼付すると、無線タグに含まれるアンテナの特性が著しく劣化し、無線タグが適切に機能しなくなることも知られている。これらの問題は、いずれも金属面の表面インピーダンスが低いことに起因している。

金属面の低い表面インピーダンスが、入射電界と１８０度位相の異なる反射電界を生成し、逆相の反射波を生じさせることにより、金属近傍では合成電界が小さくなり、金属近傍に配置されたアンテナや無線タグの性能が著しく劣化することとなっている。

逆に、表面インピーダンスの高いものをアンテナ近傍に配置することができれば、その高い表面インピーダンスによりインピーダンス面に入射した電磁波が同相反射され、アンテナ性能を向上させることが知られている。すなわち、金属とアンテナの間に、高い表面インピーダンスを持つものを挿入することにより、金属によるアンテナ特性の劣化を防止できる。

高いインピーダンスを有するシート状構造体としては、ＥＢＧ(Electromagnetic Band
Gap)構造体があり、その代表例として、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体の周期構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対して、電気的回路は変えないようにビアに相当する部位をパターンに埋め込むことでビアを形成する工程を省略して製造工程の簡略化を図ろうとする技術（例えば、特許文献２参照）も提案されている。

特開２００１−２６７３１９号公報 特開２００６−２４５９８４号公報

ＥＢＧ構造体を用いて金属対応の無線タグを構成しようとする場合、アンテナと金属との相関を小さくするためには、アンテナの両サイドにＥＢＧ構造体の単位セルを配置する必要がある。また、アンテナの両サイドに配置された単位セルの数が多ければ多いほど、アンテナと金属の相関を小さくすることができる。

一方で、使用上のニーズからは金属対応無線タグのサイズは小さいほど望ましく、かかるニーズに起因したサイズ上の制約から、実際の金属対応無線タグでは、アンテナの両サイドにそれほど多くのセルを設けることはできない。従って、実際の金属対応無線タグでは、アンテナと金属との間の相関を十分に小さくすることができず、良好な性能が得られないという問題がある。

そこで、本発明は、小さなサイズであっても良好な性能を得ることのできる金属対応の無線タグのようなアンテナ装置及びその実現を可能とするＥＢＧ構造シートを提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、検討の結果、サイズの制約等により少数の単位セルでＥＢＧ構造体を構成しなければならない場合であっても、ＥＢＧ構造体の周辺部に位置する単位セルと中央部に位置する単位セルの構造（トップ電極のサイズ、隣接するトップ電極間の距離、浮遊キャパシタ電極のサイズ、ビアの径など）を互いに異ならせることにより、ＥＢＧ構造体の周辺部に位置する単位セルの同相反射周波数を中央部に位置する単位セルの同相反射周波数よりも低くして、反射波の等位相面を凹状又はおわん形に歪ませることとすれば、指向性が強化されて、アンテナと金属との相関が低められることを見出した。

本発明は、かかる知見に基づき、以下に掲げるＥＢＧ構造シート及びアンテナ装置を提供する。

即ち、本発明によれば、同相反射特性を有するＥＢＧ(Electromagnetic Band Gap)構造体と、該ＥＢＧ構造体上に設けられ且つアンテナを実装するための絶縁体よりなるアンテナ支持体とを備えたＥＢＧ構造シートにおいて、
前記ＥＢＧ構造体は、複数の単位セルからなるものであり、
前記単位セルには、該ＥＢＧ構造体の周辺部に位置する第１セルと、前記ＥＢＧ構造体の中央部に位置する第２セルとが含まれており、
前記第１セルと前記第２セルとは互いに異なる構造を有している
ＥＢＧ構造シートが得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造シートにおいて、前記第１セルの同相反射周波数は前記第２セルの同相反射周波数よりも低い、ＥＢＧ構造シートが得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造シートにおいて、前記第１セルは、前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルである、ＥＢＧ構造シートが得られる。

また、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造シートにおいて、
前記第１セルと前記第２セルとの間には、少なくとも一以上の前記単位セルが存在しており、
前記第２セルから前記第１セルにかけて前記単位セルの同相反射周波数が序徐に変化するように前記単位セルは設計されている
ＥＢＧ構造シートが得られる。

更に、本発明によれば、前記ＥＢＧ構造シートと、該ＥＢＧ構造シートの前記アンテナ支持体の上に設けられたアンテナ又は無線タグとを備えるアンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、前記アンテナ装置において、
前記アンテナは、第１方向に長手を有しており、
前記第１セルは、前記第１方向に直交する第２方向において前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルである
アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、前記アンテナ装置において、
前記第１方向において前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルも前記第１セルである
アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、前記アンテナ装置において、
前記アンテナ又は無線タグは、前記ＥＢＧ構造体の中央部の上方に位置するように前記アンテナ支持体上に設けられており、
前記ＥＢＧ構造体による反射波の等位相面は、凹状又はおわん形に歪んでいる
アンテナ装置が得られる。

本発明によれば、同相反射面を持つＥＢＧ構造体上に無線タグを設けてなる金属対応無線タグにおいて、ＥＢＧ構造体の周辺部に位置する単位セルと中央部に位置する単位セルの構造を互いに異ならせることで指向性を高めたことから、アンテナと金属との相関を低減することができ、従って、本発明の金属対応タグは、金属上でも良好な通信特性を得ることができる。

（第１の実施の形態）

図１に示されるように、本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置１００は、ＥＢＧ構造体２１０及びアンテナ支持体２３０からなるＥＢＧ構造シート２００上に、無線タグ３００を搭載してなるものである。本実施の形態によるアンテナ装置１００を金属板４００上に載置して使用する場合にも、無線タグ３００と金属板４００との間に、詳述するようにして指向性の高められたＥＢＧ構造シート２００が介在していることから、無線タグ３００は良好な通信特性を得ることができることとなっている。

詳しくは、図示された無線タグ３００は、薄いＰＥＴシートからなる基体３１０と、基体３１０上に貼付されたアルミ箔又は銅箔からなるアンテナ３２０と、アンテナ３２０の長手方向中央部に配置されたＩＣ３３０とを備えるものであり、９５０ＭＨｚ帯において使用されるものである。図示されたアンテナ３２０は、ＩＣ３３０とのインピーダンスマッチング用に小さいループ構造を有している。基体３１０の材料は他のものであってもよく、また、アンテナ３２０の剛性が高い場合などにおいては基体３１０を省略することとしても良い。

一方、ＥＢＧ構造シート２００は、ＥＢＧ構造体２１０と、ＥＢＧ構造体２１０上に設けられたアンテナ支持体２３０とを備えるものである。

このうち、アンテナ支持体２３０は、１２５ｘ１２５ｘ１ｍｍのサイズを有する発泡ポリエチレンシートからなるものである。アンテナ支持体２３０の材料は、例示した発泡ポリエチレンシートには限られないが、ＥＢＧ構造体２１０とアンテナ３２０との相関を低減するため、低誘電率のものが好ましく、且つ、損失低減のため、低損失のものが好ましい。アンテナ支持体２３０の材料としては、アンテナ装置１００の使用周波数帯域において誘電率が４以下であり且つｔａｎδが０．０１以下であるような樹脂等の材料が好ましい。例えば、発泡ポリエチレン、アクリルフォーム若しくはウレタンなどの空気を含む発泡材やハニカム構造など空気層を含む樹脂構造体は誘電率が低いため好ましいが、テフロン（登録商標）やＰＥＴ、ＰＥＴ−Ｇなどの樹脂であっても良い。更には、ガラスエポキシ系基板材、テフロン（登録商標）系基板材若しくはＢＴ(Bismaleimide Triazine)レジン系基板材などの基板材であっても良いし、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）系熱可塑性樹脂フィルムプラスチック、又はリネンなどの繊維であっても良い。このうち、プラスチックについて更に詳しくは、塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性プラスチックでも、メラミン樹脂、ポリウレタン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性プラスチックでも良い。なお、図１においては、アンテナ支持体２３０を透明なものとして描いてあるため、アンテナ支持体２３０の下に位置しているＥＢＧ構造体２１０の上面が見えているが、実際の製品においては、アンテナ支持体２３０は不透明な材質からなることが多い。

図２及び図３に示されるように、ＥＢＧ構造体２１０の単位セル２２０は、浮遊キャパシタ付のマッシュルーム構造のものである。図３に示される単位セル２２０のサイズは、２５ｘ２５ｘ０．７ｍｍであり、単位セルを５ｘ５となるように配列してＥＢＧ構造体２１０を構成していることから、ＥＢＧ構造体２１０のサイズは、１２５ｘ１２５ｘ０．７ｍｍとなっている。

本実施の形態におけるＥＢＧ構造体２１０の単位セル２２０は、いずれも概略図３に示されるような構成要素を備えている。即ち、ＥＢＧ構造体２１０を構成するいずれの単位セル２２０も、図２、図３及び図５から理解されるように、トップ電極２２１と、グランド電極２２２と、トップ電極２２１及びグランド電極２２２間を連結するビア２２３と、トップ電極２２１及びグランド電極２２２間に満たされた誘電体２２４と、誘電体内２２４にフローティング状態で保持された浮遊キャパシタ電極２２５とを備えるものである。

このうち、トップ電極２２１、グランド電極２２２、ビア２２３及び浮遊キャパシタ電極２２５は、導体からなるものである。また、グランド電極２２２はベタ電極であり、ＥＢＧ構造体２１０の下面を覆っている。

一方、誘電体２２４は、ＢＴ(Bismaleimide Triazine)レジン系低損失基板材である。かかる誘電体２２４に対して、浮遊キャパシタ電極２２５を埋設する一方でビア２２３を設け、更に銅箔パターンを貼付してトップ電極２２１及びグランド電極２２２を形成することにより、図示されたＥＢＧ構造体２１０が構成されている。ＥＢＧ構造体１１０の誘電体２２４の材料は、誘電損失（ｔａｎδ）の小さいものが望ましく、例えば、テフロン（登録商標）系基板材などの他の低損失基板材料でも良いし、ＬＴＣＣ(Low Temperature Co-fired Ceramics)などのセラミックスや、ＦＲ−４(Flame retardant-4)などのガラスエポキシ系基板材、又はＰＥＴ(Polyethylene
terephthalate)若しくはＰＥＴ−Ｇ(Polyethylene terephthalate
Glycol)などの樹脂材料で構成しても良い。また、ポリエーテルエーテルケトン（ＰＥＥＫ）系熱可塑性樹脂フィルムやプラスチック、リネンなどの繊維でもよいし、これらの複合体であってもよい。プラスチックについて更に詳しくは、塩化ビニール、ポリエチレン、ポリプロピレン、ポリカーボネイト、ポリスチレン、ＡＢＳ樹脂などの熱可塑性プラスチックでも、メラミン樹脂、ポリウレタン、フェノール樹脂、不飽和ポリエステル樹脂などの熱硬化性プラスチックでも良い。

更に詳しくは、本実施の形態によるＥＢＧ構造体２１０は、単位セル２２０を構成する構成要素のサイズや形状等に関しては、指向性を高めるため、ＥＢＧ構造体２１０の周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂと中央部の単位セル２２０ｃとで互いに異なる構造を有するように構成されている。その結果、本実施の形態においては、中央部の単位セル２２０ｃにおける同相反射周波数が９５０ＭＨｚであるのに対して、周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂの同相反射周波数は中央部の単位セル２２０ｃの場合よりも１０ＭＨｚ低い９４０ＭＨｚに設定されている。このような各単位セル２２０における同相反射周波数は、例えば、トップ電極のサイズ、隣接するトップ電極間の距離、浮遊キャパシタ電極のサイズ、ビアの径などを調整することで制御することができる。

ここで、ある周波数で同相反射する（入射波と反射波の位相差は０）ＥＢＧ構造体２１０は、その周波数の前後において図４に示されるような反射特性を示す。従って、本実施の形態のように、周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂにおける同相反射周波数を中央部の単位セル２２０ｃに比べて低くすると、例えば、中央部の単位セル２２０ｃの同相反射周波数を有する平面波がＥＢＧ構造体２１０に垂直に入射した場合、その入射平面波に対する反射波の同位相面は、周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂと中央部の単位セル２２０ｃとで異なることとなる。より具体的には、図５に示されるように、周辺部の単位セル２２０ａによる同位相面Ｐ２２０ａは、中央部の単位セル２２０ｃによる同位相面Ｐ２２０ｃよりもＥＢＧ構造体２１０の表面から遠い位置に位置することとなる。そのため、それらの合成波面（反射波の等位相面）Ｐ２２０は、中央部の窪んだ凹状又はおわん形に歪むこととなる。

図５は、ＥＢＧ構造シート２００に対して平面波が入射した場合の例を示すものであり、無線タグ３００（即ち、アンテナ３２０）をＥＢＧ構造シート２００上に搭載した場合を直接的に示す例ではないが、アンテナ３２０とＥＢＧ構造体２１０の周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂまでの距離がアンテナ３２０の波長に比較して十分小さければ、アンテナ３２０から放射された電磁波がほとんど同相でＥＢＧ構造体２１０に入射することになり（即ち、ＥＢＧ構造体２１０には実質的に平面波が入射したものと近似することができる）、その場合、ＥＢＧ構造体２１０による反射波は図５に示されたような合成波面を有することとなる。加えて、アンテナ３２０とＥＢＧ構造体２１０の周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂまでの距離がアンテナ３２０の波長に比較して無視できない程度の距離であったとしても、指向性を高める効果はある。このように、本実施の形態によれば、ＥＢＧ構造体２１０における反射波の指向性が高まることから、アンテナ３２０から金属板４００側へ漏洩する電磁波を減少させることができる。従って、アンテナ３２０と金属板４００との相関を低減させることができ、金属対応アンテナ装置としての通信性能の向上（具体的には通信距離の増大）を図ることができる。

本実施の形態においては、ＥＢＧ構造体２１０のすべての辺を構成する単位セル２２０ａ，２２０ｂの同相反射周波数を中央部の単位セル２２０ｃと比較して低く設定したが、本発明はこれに限定されるものではない。但し、反射波の指向性を高めるためには、ＥＢＧ構造体２１０の四辺のうち、アンテナ３２０の長手方向（Ｙ方向）と直交するＸ方向において対向する二辺を構成する単位セル２２０ａについては少なくとも中央部の単位セル２２０ｃよりも低い同相反射周波数を有するように構成することが好ましい。その上で、本実施の形態のように、Ｙ方向において対向する二辺を構成する単位セル２２０ｂの同相反射周波数についても中央部の単位セル２２０ｃと比較して低くすると、更に高い指向性を得ることができる。なお、本実施の形態においては、単位セル２２０を周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂと中央部の単位セル２２０ｃを含むそれ以外の単位セルとに分けて、同相反射周波数をそれぞれ設定したため、同相反射周波数は２種類しかないが、例えば、中央部の単位セル２２０ｃから周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂに向かって各単位セルの同相反射周波数が徐々に変化するように構成しても良い。即ち、中央部の単位セル２２０ｃから周辺部の単位セル２２０ａ，２２０ｂに向かって各単位セルの同相反射周波数の低下量を徐々に大きくすることとしても良い。

以上説明した本実施の形態においては、ＥＢＧ構造体２１０は浮遊キャパシタ電極２２５を付けて小形化したマッシュルーム構造のものであったが、本発明はこれに限定されず、ＥＢＧ構造体としては、例えば、浮遊キャパシタ電極２２５を有しないものを用いても良いし、また、特許文献２に示されるような所謂ビアなし構造のものを用いても良い。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置は、図６及び図７に示されるように、Ｙ方向の電界のみ同相反射する一方向性構造を有するＥＢＧ構造体２１０′とアンテナ支持体２３０からなるＥＢＧ構造シート２００′と、その上に設けられた無線タグ３００を備えるものである。本実施の形態におけるアンテナ装置の構成要素のうち、第１の実施の形態における構成要素と同様のものについては、図６及び図７において、図１乃至図３において用いられていた参照符号と同じ参照符号を付し、以下においては、それらについての説明を省略することとする。

本実施の形態におけるＥＢＧ構造体２１０′の各単位セル２２０′は、いずれも概略図７に示されるような構成要素を備えている。本実施の形態におけるＥＢＧ構造体２１０′の各単位セル２２０′の大きさは、１５ｘ２５ｘ０．７ｍｍであり、各単位セル２２０′は、図６及び図７から理解されるように、トップ電極２２１と、グランド電極２２２と、トップ電極２２１及びグランド電極２２２間を連結するビア２２３と、トップ電極２２１及びグランド電極２２２間に満たされた誘電体２２４と、誘電体内２２４にフローティング状態で保持された浮遊キャパシタ電極２２５′とを備えるものである。

本実施の形態における単位セル２２０′の場合、浮遊キャパシタ電極２２５′は、Ｙ方向においてのみ、隣接する単位セル２２０′の浮遊キャパシタ電極２２５′と接続している。そのため、Ｙ方向においてのみ隣接する単位セル２２０′のトップ電極２２１間に大きなキャパシタンスが生じ、その結果、Ｙ方向においてのみ周波数９５０ＭＨｚにて同相反射が生じることとなっている。即ち、本実施の形態においては、ＥＢＧ構造体２１０′において同相反射が生じうる向きと、アンテナ３２０の長手方向（アンテナ３２０の主偏波の放射電界の向き）を一致させている。

本実施の形態のように同相反射を一方向のみに限定すると、浮遊キャパシタ電極２２５′が大きくとることができるため、その結果、単位セルを小型化できる。ＥＢＧ構造体２１０′の外形寸法が決まっている場合には、本実施の形態のような一方向性セルの採用により、ＥＢＧ構造体２１０′を構成する単位セル２２０′の数を多くすることができる。

ここで、本実施の形態においては、ＥＢＧ構造体２１０′を構成する単位セル２２０′のうち、周辺部の単位セル２２０′ａ（詳しくは、Ｘ方向において対向する二辺を構成する単位セル）の構造を中央部の単位セル２２０′ｃと異ならせることにより、周辺部の単位セル２２０′ａの同相反射周波数は中央部の単位セル２２０′ｃよりも低く設定されている。

このように、一方向性の単位セル２２０′を用いてＥＢＧ構造体２１０′を構成した場合においても、周辺部の単位セル２２０′ａの同相反射周波数を中央部の単位セル２２０′ｃの同相反射周波数よりも低くすることにより、指向性を高め、アンテナ３２０と金属板４００との相関を低減し、金属板４００上に配置されたアンテナ装置の通信距離を改善することができる。

本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置を概略的に示す斜視図である。 図１のアンテナ装置に含まれるＥＢＧ構造体を示す斜視図である。 図２のＥＢＧ構造体の単位セルを示す斜視図である。なお、図３においては、誘電体は省略されている。 入射波に対する反射波の位相差と周波数との関係を示す図である。 図１のアンテナ装置のＥＢＧ構造シートに平面波が入射した場合の反射波の合成波面を模式的に示す図である。 本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置を概略的に示す斜視図である。 図６のアンテナ装置に含まれるＥＢＧ構造体の単位セルを示す斜視図である。なお、図７においては、誘電体は省略されている。

符号の説明

１００ アンテナ装置
２００，２００′ ＥＢＧ構造シート
２１０，２１０′ ＥＢＧ構造体
２２０，２２０′ 単位セル
２２０ａ，２２０ｂ，２２０′ａ 周辺部の単位セル
２２０ｃ，２２０′ｃ 中央部の単位セル
２２１ トップ電極
２２２ グランド電極
２２３ ビア
２２４ 誘電体
２２５，２２５′ 浮遊キャパシタ電極
２３０ アンテナ支持体
３００ 無線タグ
３１０ 基体
３２０ アンテナ
３３０ ＩＣ
４００ 金属板

Claims (8)

1. 同相反射特性を有するＥＢＧ(Electromagnetic Band Gap)構造体と、該ＥＢＧ構造体上に設けられ且つアンテナを実装するための絶縁体よりなるアンテナ支持体とを備えたＥＢＧ構造シートにおいて、
   前記ＥＢＧ構造体は、複数の単位セルからなるものであり、
   前記単位セルには、該ＥＢＧ構造体の周辺部に位置する第１セルと、前記ＥＢＧ構造体の中央部に位置する第２セルとが含まれており、
   前記第１セルと前記第２セルとは互いに異なる構造を有している
   ＥＢＧ構造シート。
2. 前記第１セルの同相反射周波数は前記第２セルの同相反射周波数よりも低い、請求項１記載のＥＢＧ構造シート。
3. 前記第１セルは、前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルである、請求項１又は請求項２記載のＥＢＧ構造シート。
4. 前記第１セルと前記第２セルとの間には、少なくとも一以上の前記単位セルが存在しており、
   前記第２セルから前記第１セルにかけて前記単位セルの同相反射周波数が序徐に変化するように前記単位セルは設計されている
   請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＥＢＧ構造シート。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれかに記載のＥＢＧ構造シートと、
   該ＥＢＧ構造シートの前記アンテナ支持体の上に設けられたアンテナ又は無線タグと
   を備えるアンテナ装置。
6. 前記アンテナは、第１方向に長手を有しており、
   前記第１セルは、前記第１方向に直交する第２方向において前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルである
   請求項５記載のアンテナ装置。
7. 前記第１方向において前記ＥＢＧ構造体の対向する二辺を構成する複数の前記単位セルも前記第１セルである
   請求項６記載のアンテナ装置。
8. 前記アンテナ又は無線タグは、前記ＥＢＧ構造体の中央部の上方に位置するように前記アンテナ支持体上に設けられており、
   前記ＥＢＧ構造体による反射波の等位相面は、凹状又はおわん形に歪んでいる
   請求項５乃至請求項７のいずれかに記載のアンテナ装置。

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