JP2009517958A

JP2009517958A - 単一給電単層の二重帯域円偏波アンテナ

Info

Publication number: JP2009517958A
Application number: JP2008543166A
Authority: JP
Inventors: リョウ、ビュン−フーン; スン、ウォン−モ; ピョキム、ジョン
Original assignee: イー．エム．ダブリュ．アンテナカンパニーリミテッド
Priority date: 2005-12-16
Filing date: 2006-05-04
Publication date: 2009-04-30
Also published as: US20090153404A1; EP1961074A1; KR100781933B1; CN101331649A; WO2007069810A1; EP1961074A4; KR20070063959A

Abstract

単層構造の二重帯域円偏波アンテナが開示される。本発明のパッチアンテナは、基板の上面に形成されて給電素子と電気的に結合された第１放射体、及び基板の上面に形成され、第１放射体と所定距離だけ離隔し、第１放射体と電磁的に結合された第２放射体を含む。本発明のパッチアンテナは、単層構造を有するため、薄型化が可能であり、放射体間の干渉による放射特性の低下が発生しない。また、給電点の位置及び放射素子の相対的位置を調整することにより、それぞれの周波数帯域におけるインピーダンスを独立的に整合させることができる。

Description

本発明は、二重帯域円偏波アンテナに係り、特に、互いに離隔した２個の放射体を同一平面に形成して小型でありながらも共振周波数調整が容易に行える二重帯域円偏波アンテナに関する。

近年、ＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ、無線識別）システムが盛んに研究されている。図１０は、一般的なＲＦＩＤシステムを示すブロック図である。ＲＦＩＤシステムは、ＲＦタグ（ＲＦｔａｇ）とも呼ばれるトランスポンダ（ｔｒａｎｓｐｏｎｄｅｒ）１００及び、アンテナ２１０とトランシーバ（ｔｒａｎｓｃｅｉｖｅｒ）２２０を含むリーダ／ライタ２００で構成される。トランスポンダ１００は、製品、自動車、人体、動物など識別しようとする対象に取り付けられ、対象の識別情報、対象の状態情報などのデータを記憶する。なお、トランスポンダ１００は、アンテナ（図示せず）を含み、リーダと無線通信を行うことができる。リーダ２００は、アンテナ２１０を介して電磁波を送信してトランスポンダ１００を活性化し、トランスポンダ１００に記憶されたデータを読み取るか、またはトランスポンダ１００に新しいデータを書き込む。このようにＲＦＩＤシステムでは、無線通信のためにトランスポンダ１００とリーダ２００にそれぞれアンテナが設置される必要がある。

トランスポンダ１００のアンテナについては、韓国特許公開公報第２００５−７８１５７号、韓国特許公開公報第２００５−１１１１７４号、国際特許公報ＷＯ２００３／１０５０６３号などに開示されている。トランスポンダ１００のアンテナは、小型／薄型の構造が好ましく、これによりループアンテナが採用される。

ループアンテナであるトランスポンダ１００のアンテナは、直線偏波（ｌｉｎｅａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）特性を有する。したがって、トランスポンダ１００と効率的に通信するためには、リーダ２００のアンテナ２１０も直線偏波特性を有することが好ましい。しかし、ＲＦＩＤシステムにおけるトランスポンダ１００とリーダ２００は、常時互いに平行に位置するものではなく、特に、物流システムや交通システムのように特別なユーザの操作なしにトランスポンダ１００とリーダ２００間の通信が行われる場合には、トランスポンダ１００とリーダ２００の配置角度は任意の角度になりうる。トランスポンダ１００とリーダ２００の非整列状態にもかかわらず、両者間の安定的な通信が行われるためには、リーダ２００のアンテナ２１０として円偏波（ｃｉｒｃｕｌａｒｐｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）特性を有するアンテナを用いることが最も好ましい。

従来の円偏波アンテナとしては、コーナートランケーテッド（角取りされた）（ｃｏｒｎｅｒｔｒｕｎｃａｔｅｄ）構造の方形パッチアンテナ、円形パッチアンテナ、９０゜の位相差の２つの給電を用いる方形パッチアンテナなどが知られている。

一方、ＲＦＩＤシステムは、必要な通信距離、通信速度などにより１２５ＫＨｚ帯域、１３．５６ＭＨｚ帯域、４３３ＭＨｚ帯域、９００ＭＨｚ帯域、２．４５ＧＨｚ帯域など多様な周波数帯域を用いる。トランスポンダ１００の場合、特定の周波数帯域で動作するだけでよいが、リーダ２００の場合は、１つの器機で様々なトランスポンダ１００を認識するためには様々な周波数帯域における動作が可能である必要がある。特に、アンテナ２１０に多重帯域特性を持たせる必要がある。

複数の放射体を用いた多重帯域特性を有する多重帯域円偏波アンテナについては、韓国特許公開公報第２００４-５８０９９号に開示されている。しかしながら、前記特許公報に開示の多重帯域アンテナは、それぞれの放射体に対して別途の給電部を形成するため、その構成が複雑で製造コストが高い。さらに、帯域幅が狭小で利得が低いという不具合がある。

一方、２つの放射体が誘電体の上下面にそれぞれ形成され、１つの放射体にのみ給電部を形成し、他の放射体には放射体間の電磁的カップリングによって給電を行う多重帯域円偏波アンテナが、本出願人の登録実用新案第３７７４９３号に登録されている。本出願人の登録実用新案は、単一の給電部を用いるので、製造コストが低いことはもとより、放射体間のカップリングによって帯域幅及び利得が向上するという利点を有する。しかしながら、放射体がそれぞれ別途の給電部を使用しないため、それぞれの共振周波数を正確に調整しにくく、積層構造を有するため、アンテナの高さが高くなるという不具合がある。また、放射体が積層されているから、上層放射体が下層の放射体の放射に影響を及ぼして下層放射体の利得が低下し、相互干渉によって全体的な放射特性が低下するという不具合も存在する。
韓国特許公開公報第２００５−７８１５７号韓国特許公開公報第２００５−１１１１７４号国際特許公報ＷＯ２００３／１０５０６３号韓国特許公開公報第２００４-５８０９９号韓国登録実用新案第３７７４９３号

本発明は、上記の不具合に鑑みてなされたものであり、厚さが薄いながらも多重帯域特性を有し、しかも優れた帯域幅と利得を有する二重帯域円偏波アンテナを提供することを目的とする。

また、本発明は、それぞれの共振周波数及びアンテナのインピーダンスを正確に調整できる二重帯域円偏波アンテナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明の一態様によれば、基板の上面に形成された導電性の第１放射体と第２放射体及び、前記基板の下面に形成された導電性の接地面を含むパッチアンテナにおいて、前記第１放射体は給電素子と電気的に結合され、前記第２放射体は前記第１放射体と所定距離だけ離隔して形成され、前記給電素子とは直接電気的に結合されず前記第１放射体と電磁的に結合された、二重帯域パッチアンテナが提供される。

前記第２放射体は、前記第１放射体を捕獲する形状に形成されることが好ましい。

前記第１放射体及び前記第２放射体のそれぞれの中心点、及び前記第１放射体と前記給電素子の結合点は、同一直線上に位置することが好ましい。

また、前記第１放射体及び前記第２放射体は、相互に同じ外周形状を有することが好ましい。

また、好ましくは、前記第１放射体及び前記第２放射体は、コーナートランケーテッド（ｃｏｒｎｅｒｔｒｕｎｃａｔｅｄ）形状の方形パッチである。

また、前記第１放射体は、同軸ケーブルによって前記給電素子と結合されることも好ましい。

上記目的を達成するために、本発明の他の態様によれば、基板の上面に形成された導電性の第１放射体と第２放射体及び、前記基板の下面に形成された導電性の接地面を含むパッチアンテナであって、前記第１放射体は給電素子と電気的に結合され、前記第２放射体は前記第１放射体と所定距離だけ離隔して形成され、前記給電素子とは直接電気的に結合されず前記第１放射体と電磁的に結合された、二重帯域パッチアンテナの共振周波数を調整する方法において、前記第１放射体と前記給電素子の結合位置を調整してアンテナの第１共振周波数を調整するステップ、及び前記第２放射体と前記第１放射体の相対的位置を調整してアンテナの第２共振周波数を調整するステップを含む二重帯域パッチアンテナの共振周波数調整方法が提供される。

前記第１共振周波数を調整するステップは、前記第１放射体の中心から前記給電素子の結合位置までの距離を調整するステップを含むことが好ましい。

また、前記第２共振周波数を調整するステップは、前記第２放射体の中心から前記第１放射体の中心までの距離を調整するステップを含むことが好ましい。

本発明によれば、単層の放射体を用いるため薄型化が可能で、単一給電構造を有するため構造が簡単で、しかもカップリングによって優れた帯域幅と利得を有する二重帯域円偏波アンテナを得ることができる。

また、本発明によれば、２つの放射体を別途に調整してそれぞれの共振周波数及びインピーダンスを正確に調整できる二重帯域円偏波アンテナを得ることができる。

本発明の具体的な実施形態を説明する前に、本発明の一実施形態の放射体として用いられるコーナートランケーテッド構造の方形パッチアンテナを説明する。図１は、コーナートランケーテッド構造の方形パッチアンテナを示す図である。方形パッチは長さＬ、幅Ｗを有し、給電点Ｆで給電される。アンテナの共振周波数は概ねパッチの長さＬによって決定され、共振波長がλの場合、長さＬは約λ／２となる。一方、パッチの幅Ｗはアンテナの帯域幅と比例し、本実施形態において、パッチの長さＬと幅Ｗは同一であり得る。パッチの対向する２個の角は辺の長さｓの直角（二等辺）三角形形状に切断（ｔｒｕｎｃａｔｅ）される。切断部によって給電点からパッチの両辺までの電気的長さが異なることになり、２個の共振モードが形成される。２個の共振モードが互いに９０°の位相差を有する場合、円形偏波が発生するので、辺の長さｓを調整してパッチの電気的長さを調整し、円形偏波発生周波数を調整することができる。また、切断位置及び給電位置を調整してＲＨＣＰ（ＲｉｇｈｔＨａｎｄＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）またはＬＨＣＰ（ＬｅｆｔＨａｎｄＣｉｒｃｕｌａｒＰｏｌａｒｉｚａｔｉｏｎ）の偏波を選択的に発生させることができる。

給電点Ｆは、パッチの中心（Ｃ）から距離ｄだけ離隔される。給電は、同軸ケーブルを介して行われる。給電点Ｆと中心（Ｃ）の距離ｄによって放射体のインピーダンスが決定できる。このため、距離ｄを変えてインピーダンスを整合させ、放射体の共振周波数を調整することができる。通常、距離ｄが増加するほど共振周波数は低下し、インピーダンスが大きくなる。

上述したパッチ放射体を用いた本発明の一実施形態の二重帯域円偏波アンテナを説明する。図２は、本発明の一実施形態による二重帯域円偏波アンテナの上面図であり、図３は、図２の二重帯域円偏波アンテナのＡ−Ａ’による断面図である。

本実施形態の二重帯域円偏波アンテナは、誘電体製の基板１８、基板１８の上面に形成された第１放射体１２と第２放射体１０、及び基板１８の底面に形成された接地面２０を含み、パッチアンテナの構造を有する。基板１８は、誘電体製であって、高誘電率の材質を用いてアンテナの有効波長を減らし、アンテナの小型化を実現するか、または低誘電率の材質を用いてアンテナの利得を向上させることができる。放射体１０、１２及び接地面２０は、導電性製であって、プレス工程などによって別途に製造されて基板１８に結合されるか、基板１８上にメッキ、エッチングなどによって直接形成される。放射体１０、１２及び接地面２０の形成及び基板１８との結合には、公知の技術を用いることができる。

第１放射体１２は、図１に関連して説明したようなコーナートランケーテッド構造の方形パッチ形態であり得る。第２放射体１０に比べて小型の第１放射体１２がアンテナの高周波共振周波数を主に決定する。よって、アンテナの高周波共振周波数は、主に第１放射体１２の大きさによって決定される。一方、後述の如く、第１放射体による共振周波数、すなわち高周波共振周波数、及び第１放射体のインピーダンスは、給電点の位置を調整して調整できる。

第１放射体１２は、同軸ケーブル２２によって給電点１６で給電できるが、給電方式は同軸ケーブルに限定されるものではない。同軸ケーブルの外部導体２６は接地面２０と接続され、内部導体２４は基板１８を貫通して延長して給電点１６で第１放射体１２に接続され得る。一方、内部導体２４が第１放射体１２と直接接続されず電磁的カップリングによって給電が行われることもできる。図１に関連して説明したように、給電点１６の位置を調整して第１放射体１２による共振周波数及びインピーダンスを調整することができる。一方、第１放射体１２及び第２放射体１０のそれぞれの共振周波数を調整しやすくするために、各放射体の中心点及び給電点１６を同一直線上に配置することができる。

第２放射体１０は、第１放射体１２と同じ外周形状、すなわちコーナートランケーテッド形態を有することができる。よって、後述の如く、第１放射体１２と同じ方式で第２放射体１０の共振周波数調整及びインピーダンスマッチングを行うことができ、これによりアンテナ特性の調整が容易となる。第２放射体１０は第１放射体１２に比べて大きいため、アンテナの低周波共振周波数に主に影響を与える。したがって、第２放射体１０の大きさを調整してアンテナの低周波共振周波数を調整することができる。また、後述の如く、第１放射体１２と第２放射体１０の相対的位置を調整して第２放射体による共振周波数及び第２放射体のインピーダンスを調整することができる。

図示では、第２放射体１０の切断角が第１放射体１２の切断角と同じ位置の角であるが、反対側の角が切断されることも可能である。第１放射体１２と第２放射体１０は同一平面上に形成され、第２放射体１０に開口１４が形成され、開口１４内に第１放射体１２が配置できる。このため、２個の放射体が相互に重ならず同一平面上に配置され、これによりそれぞれの利得が低下しない。

第２放射体１０は別途の給電点を持たず、第１放射体１２と所定距離だけ離隔して配置され得る。したがって、第１放射体１２との電磁的カップリングによって第２放射体１０への給電が行われる。電磁的カップリングによってキャパシタンスが誘導され、これによりアンテナの帯域幅が拡張され利得が向上する。また、別途の給電点なしにアンテナの構造の単純化が可能となる。

つづいて、図４に基づいて、本実施形態の二重帯域円偏波アンテナの共振周波数及びインピーダンス調整を詳しく説明する。

第１放射体１２及び第２放射体１０はそれぞれＬ１、Ｌ２の長さを有する。第１放射体１２はＣ１を中心点とし、Ｆで給電される。また、第２放射体１０はＣ２を中心点とする。点Ｃ１、Ｆ、Ｃ２はいずれも一つの直線Ｂ−Ｂ’上に配置される。給電点Ｆと中心点Ｃ１は距離ｄ１だけ離隔し、中心点Ｃ１と中心点Ｃ２は距離ｄ２だけ離隔する。

上述した如く、第１放射体１２及び第２放射体１０の共振周波数は、放射体の大きさＬ１、Ｌ２によって主に決定される。第１放射体１２の大きさＬ１は高周波共振周波数を主に決定し、第２放射体１０の大きさＬ２は低周波共振周波数を主に決定する。両放射体の大きさＬ１、Ｌ２は相互に関連性がないため、それぞれの共振周波数を独立的に調整することができる。

第１放射体１２による正確な共振周波数及びインピーダンスは、給電点Ｆと中心点Ｃ１の距離ｄ１によって決定できる。上述したように、距離ｄ１が増加するほど第１放射体の共振周波数は低下し、インピーダンスは上昇する。距離ｄ１の調整は、給電点Ｆを直線Ｂ−Ｂ’上で移動させることで行われる。なお、第２放射体１０による正確な共振周波数及びインピーダンスは、給電点Ｆと中心点Ｃ２の距離ｄ１＋ｄ２によって決定でき、これは距離ｄ２を調整して調整することができる。距離ｄ２の調整は、開口１４内で、線Ｂ−Ｂ’に沿って第１放射体１２を移動させることで行われる。第１放射体１２を固定した上、第２放射体１０を移動させることも可能である。このように、距離ｄ２の調整は、給電点Ｆ自体を調整せずに放射体１０、１２の相対的な距離のみを調整して行うことができ、距離ｄ２の調整時に距離ｄ１は変わらない。よって、第２放射体１０の共振周波数及びインピーダンス調整の際に、第１放射体１２の共振周波数及びインピーダンスは変わらず、それぞれの共振周波数を独立的に微細に調整し、インピーダンスを整合させることができる。

本実施形態によれば、２個の放射体が同一平面上に形成されるため、積層構造を回避しつつ、アンテナを薄型に製作することができる。また、それぞれのパッチが重ならないため、相互干渉による利得低下を防止することができる。のみならず、それぞれの放射体の大きさを調整することにより２個の共振周波数を独立的に調整することができ、給電点位置及び放射体の相互配置を調整することにより各放射体の共振周波数を正確に調整し、高周波及び低周波帯域におけるそれぞれのインピーダンスを容易に整合させることができる。

本実施形態の二重帯域円偏波アンテナを具現してシミュレーションを行い、具現されたアンテナの放射体を図５に示す。

アンテナは９００ＭＨｚ帯域と２．４５ＧＨｚ帯域の二重帯域で動作可能に製作された。具現されたアンテナの寸法は下記表の通りである。

一方、基板としては、大きさ８０×８０×６ｍｍ³ 、誘電率が約８である誘電体製の基板を用い、放射体間の隔離距離は１ｍｍを維持した。

まず、Ｌ１とＬ３を変えながら９００ＭＨｚ帯域の反射損失（ｒｅｔｕｒｎｌｏｓｓ）の特性を測定し、測定結果を図６に示した。図６に示すように、９００ＭＨｚ帯域の反射損失の特性は、主に第１放射素子の大きさＬ１から影響されることが確認された。また、Ｌ１とＬ３を変えながら２．４５ＧＨｚ帯域の反射損失の特性を測定し、測定結果を図７に示した。図７に示すように、２．４５ＧＨｚ帯域の反射損失は、主に第２放射素子の大きさＬ３から影響されることが確認された。

測定結果から、Ｌ１＝５２．３ｍｍ、Ｌ３＝１８ｍｍが最適の寸法であることを見出し、最適の寸法に具現されたアンテナの９００ＭＨｚ及び２．４５ＧＨｚ帯域における反射損失の特性を、図８に示した。図８に示すように、具現されたアンテナは、９００ＭＨｚと２．４５ＧＨｚ帯域の二重帯域特性を示した。一方、具現されたアンテナは、９１２ＭＨｚ及び２４４１．５ＭＨｚにおいてそれぞれ２．９５ｄＢｉｃ及び４．６ｄＢｉｃの良好な利得を示した。

次に、図９を参照して本発明の他の実施形態による二重帯域円偏波アンテナを説明する。

図９（ａ）の実施形態によれば、第１放射体３２ａ及び第２放射体３０ａが二等分線を共有せずに傾いて配置できる。また、図９(ｂ)の実施形態によれば、第１放射体３２ｂは第２放射体３０ｂの中央に配置されずに一側に傾いて配置できる。図９（ｃ）の実施形態によれば、放射体３０ｃ、３２ｃは方形パッチでなく円形パッチであり得る。

図９（ａ）〜図９（ｃ）に示す実施形態によれば、パッチの中心点と給電点を一直線上に配置することにより、上述した実施形態と同様にしてそれぞれの共振周波数及びインピーダンスを独立的に調整することができる。また、パッチの中心点と給電点を一直線上に配置しない場合にも、給電点の位置及びパッチの相対的位置を調整することにより、共振周波数及びインピーダンスを独立的に調整することができる。

以上、具体的な実施形態と関連して本発明を説明したが、これは例示に過ぎないものであり、本発明は、これらの実施形態の説明及び図示の構成に限定されるものではない。当業者は、説明された実施形態に基づいて、放射体の形態を変更するか公知の他の給電方式を採用するなど、本発明の範囲内で同じ効果を有する各種変形及び変更を行うことができ、このような変形及び変更も本発明の範囲に属することは明白である。

図１は、コーナートランケーテッド構造の方形パッチアンテナを示す図である。図２は、本発明の一実施形態による二重帯域円偏波アンテナの上面図である。図３は、図２の二重帯域円偏波アンテナのＡ−Ａ' による断面図である。図４は、本発明の一実施形態による二重帯域円偏波アンテナの共振周波数調整を説明する図である。図５は、本発明の一実施例を示す図である。図６は、本発明の一実施例の放射素子の大きさの変化による９００ＭＨｚ帯域の反射損失特性を示すグラフである。図７は、本発明の一実施例の放射素子の大きさの変化による２．４５ＧＨｚ帯域の反射損失特性を示すグラフである。図８は、本発明の一実施例の二重帯域円偏波アンテナの９００ＭＨｚ及び２．４５ＧＨｚ帯域の反射損失特性を示すグラフである。図９は、本発明の他の実施形態の二重帯域円偏波アンテナを示す図である。図１０は、一般的なＲＦＩＤシステムを示すブロック図である。

Claims

基板の上面に形成された導電性の第１放射体と第２放射体及び、前記基板の下面に形成された導電性の接地面を含むパッチアンテナにおいて,
前記第１放射体は、給電素子と電気的に結合され、
前記第２放射体は、前記第１放射体と所定距離だけ離隔して形成され、前記給電素子とは直接電気的に結合されず前記第１放射体と電磁的に結合された、二重帯域パッチアンテナ。
前記第２放射体は、前記第１放射体を捕獲する形状に形成される、請求項１に記載の二重帯域パッチアンテナ。
前記第１放射体及び前記第２放射体のそれぞれの中心点、及び前記第１放射体と前記給電素子の結合点が、同一直線上に位置する、請求項２に記載の二重帯域パッチアンテナ。
前記第１放射体及び前記第２放射体は、相互に同じ外周形状を有する、請求項２に記載の二重帯域パッチアンテナ。
前記第１放射体及び前記第２放射体は、コーナートランケーテッド形態の方形パッチである、請求項２に記載の二重帯域パッチアンテナ。
前記第１放射体は、同軸ケーブルによって前記給電素子と結合される、請求項１〜５のいずれかに記載の二重帯域パッチアンテナ。
基板の上面に形成された導電性の第１放射体と第２放射体及び、前記基板の下面に形成された導電性の接地面を含むパッチアンテナであって、前記第１放射体は、給電素子と電気的に結合され、前記第２放射体は、前記第１放射体と所定距離だけ離隔して形成され、前記給電素子とは直接電気的に結合されず前記第１放射体と電磁的に結合された、二重帯域パッチアンテナの共振周波数を調整する方法において、
前記第１放射体と前記給電素子の結合位置を調整してアンテナの第１共振周波数を調整するステップと、
前記第２放射体と前記第１放射体の相対的位置を調整してアンテナの第２共振周波数を調整するステップと、を含む、二重帯域パッチアンテナの共振周波数調整方法。
前記第１共振周波数を調整するステップは、前記第１放射体の中心から前記給電素子の結合位置までの距離を調整するステップを含む、請求項７に記載の二重帯域パッチアンテナの共振周波数調整方法。
前記第２共振周波数を調整するステップは、前記第２放射体の中心から前記第１放射体の中心までの距離を調整するステップを含む、請求項７に記載の二重帯域パッチアンテナの共振周波数調整方法。