JP2010183545A - Antenna device and rfid tag - Google Patents
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本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体とそれを利用したアンテナ装置及びRFID(Radio Frequency Identification)タグに関する。 The present invention relates to a sheet-like structure having a high surface impedance, an antenna device using the same, and an RFID (Radio Frequency Identification) tag.
近年の機器の小型化により、例えば、グランド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、RFIDタグを金属面に貼付すると、RFIDタグに含まれるアンテナの特性が著しく劣化し、RFID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。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と、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エネルギーが同相反射され、アンテナ性能を向上させることが知られている。 With recent miniaturization of devices, for example, the distance between a metal surface such as a ground plane and an antenna is shortened, and there is a concern about deterioration of antenna characteristics due to this. It is also known that when an RFID tag is attached to a metal surface, the characteristics of an antenna included in the RFID tag are remarkably deteriorated and the RFID tag does not function properly. These problems are all due to the low surface impedance of the metal surface. On the other hand, it is known that when an element having a high surface impedance is disposed in the vicinity of the antenna, the energy incident on the impedance surface is reflected in the same phase by the high surface impedance and the antenna performance is improved.
高いインピーダンスを有するシート状構造体(EBG(Electromagnetic BandGap)構造体ともいう)としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体を備えるものが知られている(例えば、特許文献1参照)。これに対して、アンテナ用途に限られない左手系媒質としてビアを不要としビア密度の縛りを超えたスケーラビリティを持たせてなるもの(例えば、特許文献2参照)なども提案されている。 As a sheet-like structure having a high impedance (also referred to as an EBG (Electromagnetic BandGap) structure), a sheet-like structure having a so-called mushroom-like conductor having vias is conventionally known (see, for example, Patent Document 1). On the other hand, a left-handed medium that is not limited to an antenna application and that does not require a via and has scalability exceeding the limit of via density has been proposed (for example, see Patent Document 2).
本発明は、シート状構造体とアンテナ導体の組み合わせからなるアンテナ装置であって薄型化の図られたアンテナ装置及びそれを用いたRFIDタグを提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide an antenna device that is a combination of a sheet-like structure and an antenna conductor and is made thinner, and an RFID tag using the antenna device.
アンテナ装置を薄型化するために、シート状構造体の単位セルを薄くしてしまうと、シート状構造体における同相反射特性が劣化してしまうため、シート状構造体を単純に薄くすることは好ましくない。 If the unit cell of the sheet-like structure is thinned in order to reduce the thickness of the antenna device, the common-mode reflection characteristics of the sheet-like structure deteriorate, so it is preferable to simply thin the sheet-like structure. Absent.
一方、シート状構造体とアンテナ導体との間の距離を短くする(即ち、シート状構造体とアンテナとの間に設けられたスペーサを薄くする)と、アンテナ導体とシート状構造体との間に相関が生じ、シート状構造体における損失がアンテナの損失に見えてくるため、スペーサを単純に薄くするのも好ましくないと考えられていた。 On the other hand, when the distance between the sheet-like structure and the antenna conductor is shortened (that is, the spacer provided between the sheet-like structure and the antenna is thinned), the distance between the antenna conductor and the sheet-like structure is reduced. Therefore, it is considered that it is not preferable to simply make the spacer thin because the loss in the sheet-like structure appears as the loss of the antenna.
しかしながら、発明者らは、更に検討した結果、シート状構造体が同相反射周波数付近で一種のリークアンテナ状態になることを見出した。即ち、スペーサが薄くなると、スペーサ上に設けられたアンテナの機能は失われてくるが、一方で、シート状構造体自体はリークアンテナとしての一定の性能を有している。また、シート状構造体がリークアンテナとして機能している際、スペーサ上に設けられたアンテナ導体はシート状構造体の励振器として機能する。そのため、スペーサを薄くしたとしても、アンテナ性能の劣化はほぼ一定のレベルで飽和する。 However, as a result of further studies, the inventors have found that the sheet-like structure becomes a kind of leak antenna state in the vicinity of the in-phase reflection frequency. That is, when the spacer is thinned, the function of the antenna provided on the spacer is lost. On the other hand, the sheet-like structure itself has a certain performance as a leak antenna. Further, when the sheet-like structure functions as a leak antenna, the antenna conductor provided on the spacer functions as an exciter for the sheet-like structure. For this reason, even if the spacer is thinned, the deterioration of the antenna performance is saturated at a substantially constant level.
従って、薄型のアンテナ装置を得るためには、スペーサを薄くする一方で、シート状構造体を厚くすることが有効である。本発明はかかる知見に基づいてなされたものであり、具体的には以下に示すアンテナ装置及びRFIDタグを提供する。 Therefore, in order to obtain a thin antenna device, it is effective to make the sheet-like structure thicker while making the spacer thinner. The present invention has been made based on such knowledge, and specifically provides the antenna device and RFID tag described below.
即ち、本発明によれば、第1のアンテナ装置として、
高い表面インピーダンスを有するシート状構造体と、該シート状構造体上に設けられたスペーサと、該スペーサにより支持されるアンテナ導体とを備えるアンテナ装置において、
前記スペーサの厚みの前記シート状構造体の厚みに対する比が0.5以下である、アンテナ装置が得られる。
That is, according to the present invention, as the first antenna device,
In an antenna device comprising a sheet-like structure having a high surface impedance, a spacer provided on the sheet-like structure, and an antenna conductor supported by the spacer,
An antenna device is obtained in which the ratio of the thickness of the spacer to the thickness of the sheet-like structure is 0.5 or less.
また、本発明によれば、第2のアンテナ装置として、第1のアンテナ装置において、トータルの厚みが0.008波長以内であるアンテナ装置が得られる。 Further, according to the present invention, as the second antenna device, an antenna device having a total thickness within 0.008 wavelengths in the first antenna device can be obtained.
また、本発明によれば、第3のアンテナ装置として、第1又は第2のアンテナ装置において、トータルの厚みが2.5mm以下であるUHF帯用のアンテナ装置が得られる。 In addition, according to the present invention, as the third antenna device, an antenna device for the UHF band having a total thickness of 2.5 mm or less in the first or second antenna device can be obtained.
また、本発明によれば、第4のアンテナ装置として、第3のアンテナ装置において、サイズが86x54mm以下であり、前記トータルの厚みが2mm以下のアンテナ装置が得られる。 Further, according to the present invention, as the fourth antenna device, in the third antenna device, an antenna device having a size of 86 × 54 mm or less and a total thickness of 2 mm or less can be obtained.
また、本発明によれば、第5のアンテナ装置として、第1又は第2のアンテナ装置において、トータルの厚みが1mm以下の2.4GHz帯用のアンテナ装置が得られる。 Further, according to the present invention, as the fifth antenna device, in the first or second antenna device, an antenna device for 2.4 GHz band having a total thickness of 1 mm or less can be obtained.
更に、本発明によれば、第1乃至第5のアンテナ装置のいずれかと、前記スペーサ上において前記アンテナ導体に接続されたICを備えるRFIDタグが得られる。 Furthermore, according to the present invention, an RFID tag including any one of the first to fifth antenna devices and an IC connected to the antenna conductor on the spacer can be obtained.
本発明によれば、スペーサとシート状構造体との厚みの比を適切な値とすることにより、アンテナ装置の特性劣化を抑えつつアンテナ装置の薄型化を図ることができる。 According to the present invention, by setting the thickness ratio between the spacer and the sheet-like structure to an appropriate value, it is possible to reduce the thickness of the antenna device while suppressing the deterioration of the characteristics of the antenna device.
本発明の実施の形態によるRFIDタグは、図1及び図2に示されるように、絶縁シート10、絶縁シート10上に設けられたシート状構造体(EBG構造体)20と、シート状構造体20上に設けられたスペーサ30と、スペーサ30上に設けられたPET(Polyethylene Terephthalate)シート40と、PETシート40上に設けられたアンテナ導体50と、アンテナ導体50に接続されたIC60とを備えている。即ち、本実施の形態によるRFIDタグは、本実施の形態によるアンテナ装置とIC60からなるものである。
As shown in FIGS. 1 and 2, an RFID tag according to an embodiment of the present invention includes an
絶縁シート10は、RFIDタグが金属面上に貼付された際にシート状構造体20と金属面との絶縁を図るためのものである。この絶縁シート10は、実際のRFIDタグではのり層の付いたシートであり、RFIDタグを金属に付けるために用いる。この実施例では、試作のため、のり層を省略して、絶縁シートとしている。
The
シート状構造体20は、図3に示されるような単位セルをX方向及びY方向に並べてなる構造を備えている(図4参照)。即ち、シート状構造体20は、単位構造を周期的に並べてなる構造を備えている。詳しくは、単位セルは、グランド導体21と、パッチ導体22と、グランド導体21及びパッチ導体22を接続するビア導体23と、グランド導体21及びパッチ導体22間に設けられた誘電体(図示せず)と、その誘電体中において電気的に浮遊するように設けられた浮遊キャパシタ導体24とを備えている。グランド導体21は、隣接する単位セルのグランド導体21と接続されている。即ち、グランド導体21は、シート状構造体20の底面に設けられたベタ導体である。各パッチ導体22は、隣接する単位セルのパッチ導体22とは互いに絶縁されている。浮遊キャパシタ導体24は、X方向において隣接するパッチ導体22間のキャパシタンスを増やす役割を果たすものである。各浮遊キャパシタ導体24は、Y方向において隣接する単位セルの浮遊キャパシタ導体24とは互いに絶縁されているが、X方向において隣接する単位セルの浮遊キャパシタ導体24とは接続されている。即ち、各浮遊キャパシタ導体24は、X方向において隣接する2つの単位セルを跨ぐようにして設けられている。本実施の形態においては、浮遊キャパシタ導体24の上下において互いに異なる誘電体が充填されている。これらの誘電体は、例えば樹脂や基板材料などからなるものであってもよい。
The sheet-
本実施の形態におけるアンテナ導体50は、PETシート40上に形成されたアルミ箔からなるものであり、図4に示されるように、X方向に延びる形状を有している。即ち、アンテナ導体50の長手方向(アンテナの放射電界ベクトルの方向)は、浮遊キャパシタ導体24が隣接セルの浮遊キャパシタ導体24とつながっている方向と一致している。
The
本実施の形態においては、スペーサ30の厚みT1のシート状構造体20の厚みT2に対する比T1/T2が0.5以下になるように設計される。シート状構造体は薄くすると放射特性が劣化するので、薄いタグにおいては、シート状構造体を薄くせずに、スペーサを薄くした方がよく、比T1/T2は0.5以下とするのが良い。特に、RFIDタグのトータル厚みが使用波長の0.008倍以下(即ち、使用周波数が953MHzである場合にはトータル厚みが2.5mm以下、また使用周波数が2.4GHzの場合にはトータル厚みが1mm以下)である場合に、上記の比T1/T2を0.5以下とすると良好なアンテナ特性を得ることができる。
In the present embodiment, the ratio T1 / T2 of the thickness T1 of the
市場ニーズを考慮したRFIDタグとしては、例えば、カードサイズが86mm×54mmであり且つ厚みが1mmである金属対応タグが挙げられる。これに対応する本実施の形態によるRFIDタグの例としては、例えば、絶縁シート10の厚みが0.1mmであり、シート状構造体20の厚みが0.6mmであり、スペーサ30の厚みが0.2mmであり、PETシート40の厚みが0.05mmであり、RFIDタグのトータル厚みが約0.95mmであるものが挙げられる。ここで、シート状構造体20に含まれるグランド導体21、パッチ導体22、浮遊キャパシタ導体24は、いずれも銅箔からなる厚み18μmのものであり、シート状構造体20におけるグランド導体21と浮遊キャパシタ導体24との間には厚み0.5mm且つ比誘電率3.4の誘電体が充填され、浮遊キャパシタ導体24とパッチ導体22との間には厚み0.05mm且つ比誘電率3.35の誘電体が充填されている。この例では、比T1/T2が1/3であり、0.5以下となっている。このように設計することにより、薄くとも通信距離の長い金属対応タグを構成することができる。
As an RFID tag in consideration of market needs, for example, a metal-compatible tag having a card size of 86 mm × 54 mm and a thickness of 1 mm can be cited. As an example of the RFID tag according to this embodiment corresponding to this, for example, the thickness of the
本実施の形態によるRFIDタグの効果を検証すべく、シミュレーションを行った。具体的には、RFIDタグのトータル厚みを0.95mmとし、スペーサ30のシート状構造体20に対する比T1/T2を変化させつつRFIDタグの通信距離の変化を算出した。その結果、比T1/T2が0.5以下である場合にはRFIDタグの通信距離が4m以上であったが、比T1/T2が0.5を超えていた場合にはRFIDタグの通信距離が4mに満たなかった。このことから、RFIDタグの厚みが限られている場合には、スペーサ30のシート状構造体20に対する比T1/T2を0.5以下とするのが有効であることが理解される。
A simulation was performed to verify the effect of the RFID tag according to the present embodiment. Specifically, the change in the communication distance of the RFID tag was calculated while changing the ratio T1 / T2 of the
以上、本発明について具体的な例を掲げて説明してきたが、本発明はこれに制限されるものではなく様々な応用変形が可能である。例えば、上述した実施の形態においては、一方向性の単位セル(図3参照)を有するシート状構造体20を用いていたが、シート状構造体は、例えば、図5に示されるような二方向性の単位セルをX方向及びY方向に並べてなるものであってもよいし、特許文献2に開示されたシート状構造体のようにビア導体を有さないものであってもよい。
As described above, the present invention has been described with specific examples. However, the present invention is not limited to this, and various application modifications are possible. For example, in the above-described embodiment, the sheet-
10 絶縁シート
20 シート状構造体(EBG構造体)
21 グランド導体
22 パッチ導体
23 ビア導体
24,24’ 浮遊キャパシタ導体
30 スペーサ
40 PETシート
50 アンテナ導体
60 IC
10 Insulating
21
Claims (6)
前記スペーサの厚みの前記シート状構造体の厚みに対する比が0.5以下である、アンテナ装置。 In an antenna device comprising a sheet-like structure having a high surface impedance, a spacer provided on the sheet-like structure, and an antenna conductor supported by the spacer,
The antenna device, wherein a ratio of a thickness of the spacer to a thickness of the sheet-like structure is 0.5 or less.
An RFID (Radio Frequency Identification) tag comprising the antenna device according to any one of claims 1 to 5 and an IC connected to the antenna conductor on the spacer.
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US20220312581A1 (en) * | 2021-03-24 | 2022-09-29 | Fujifilm Business Innovation Corp. | Electronic circuit and circuit board |
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JP2008131506A (en) * | 2006-11-22 | 2008-06-05 | Nec Tokin Corp | High surface impedance structure, antenna unit, and rfid tag |
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