JP2014060692A - 近接場アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】アンテナの表面近傍において電場の均一性を向上でき、かつ電場の強度を強くすることが可能なRFIDタグリーダに利用可能な近接場アンテナを提供する。
【解決手段】近接場アンテナ（１〜４）は、第１の誘電体層１０−１の下面に配置された接地電極１１と、第１の誘電体層１０−１と第２の誘電体層１０−２との間に配置され、接地電極とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体であって、その導体の一端は給電点１２ａに接続されるとともに、その導体の他端は開放端１２ｂとなる導体１２と、マイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナにより受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点の何れかの近傍のマイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内でかつ第２の誘電体層の上面に配置される、少なくとも一つの共振器（１３−１〜１３−７）とを有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、無線ICタグとの通信に利用可能な近接場(Near-field)アンテナに関する。

近年、Radio Frequency IDentification(RFID)システムが広く利用されている。RFIDシステムには、代表的には、通信媒体としてUHF帯(900MHz帯）またはマイクロ波(2.45GHz)に相当する電磁波を利用するものと、相互誘導磁界を利用するものがある。このうち、UHF帯の電磁波を利用するRFIDシステムが、比較的通信可能な距離が長いので注目されている。

タグリーダが、UHF帯の電磁波を利用する無線ICタグ（以下では、RFIDタグと呼ぶ）と通信するために利用可能なアンテナとして、マイクロストリップラインをアンテナとして利用するマイクロストリップアンテナが提案されている（例えば、特許文献１を参照）。

米国特許第７７５０８１３号明細書

カーラ R. メディロス他、"RFID Smart Shelf With Confined Detection Volume at UHF"、IEEE ANTENNAS AND WIRELESS PROPAGATION LETTERS、 vol. 7、 pp. 773-776、 2008年

一方、棚にタグリーダのアンテナを組み込んで、その棚に置かれる物品に付されたRFIDタグととタグリーダとの間で通信することで、棚に置かれた物品を管理することが提案されている。

このような棚に組み込まれるアンテナは、シェルフアンテナと呼ばれる。シェルフアンテナは、そのシェルフアンテナが組み込まれた棚の何れの場所に置かれた物品のRFIDタグとも通信できるように、通信に利用される特定の周波数を持つ電波に対して、シェルフアンテナの表面近傍で、均一かつ強い電場を形成できることが好ましい。また、シェルフアンテナは、棚を厚くしなくてもよいように、平板形状を有することが好ましい。

そこで、本明細書は、アンテナの表面近傍において電場の均一性を向上でき、かつ電場の強度を強くすることが可能なRFIDタグリーダに利用可能な近接場アンテナを提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、近接場アンテナが提供される。この近接場アンテナは、第１の誘電体層と、第１の誘電体層の上方に設けられた第２の誘電体層とを有する基板と、第１の誘電体層の下面に配置された接地電極と、第１の誘電体層と第２の誘電体層との間に配置され、接地電極とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体であって、その導体の一端は給電点に接続されるとともに、その導体の他端は開放端となる導体と、マイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナにより受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点の何れかの近傍のマイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内でかつ第２の誘電体層の上面に配置される、少なくとも一つの共振器とを有する。

本発明の目的及び利点は、請求項において特に指摘されたエレメント及び組み合わせにより実現され、かつ達成される。
上記の一般的な記述及び下記の詳細な記述の何れも、例示的かつ説明的なものであり、請求項のように、本発明を限定するものではないことを理解されたい。

本明細書に開示されたRFIDタグリーダに利用可能な近接場アンテナは、そのアンテナの表面近傍において電場の均一性を向上でき、かつ電場の強度を強くすることができる。

第１の実施形態によるシェルフアンテナの透過斜視図である。 図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。 図１に示されたシェルフアンテナの平面図である。 第１の実施形態に係るシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第１の実施形態に係るシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。 第２の実施形態に係るシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第２の実施形態に係るシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。 第３の実施形態に係るシェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第３の実施形態に係るシェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。 第４の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。 （ａ）は、シェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のx軸方向に平行な成分の強度のシミュレーション結果を示す図である。また（ｂ）は、シェルフアンテナの表面近傍に形成される電場のy軸方向に平行な成分の強度のシミュレーション結果を示す図である。 シェルフアンテナのSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。 第４の実施形態の変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 （ａ）及び（ｂ）は、それぞれ、第４の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 第４の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。 （ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、さらに他の実施形態によるシェルフアンテナの概略平面図である。

以下、図を参照しつつ、様々な実施形態による、RFIDタグリーダに利用可能な近接場アンテナについて説明する。
この近接場アンテナは、一端が給電点と接続され、他端が開放端となっているマイクロストリップラインをマイクロストリップアンテナとして利用する。そのため、この近接場アンテナでは、マイクロストリップアンテナを流れる電流が開放端で反射されることにより、その電流が定常波となる。そこでこの近接場アンテナは、その定常波の節点(nodal point)の何れか、すなわち、流れる電流が極小となり、かつ、その周囲の電場の強度が極大となる位置の何れかの近傍の、マイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内に、少なくとも一つの共振用の導体を有することで、アンテナ表面の近傍における電場の均一性及び強度を向上させる。

以下に説明する各実施形態では、本明細書に開示される各近接場アンテナは、シェルフアンテナとして形成される。しかし、本明細書に開示される各近接場アンテナは、シェルフアンテナ以外の用途に利用されてもよい。

図１は、第１の実施形態によるシェルフアンテナの透過斜視図であり、図２は、図１においてAA'で示された線について矢印の方向から見たシェルフアンテナの側面断面図である。また図３は、図１に示されたシェルフアンテナの平面図である。

シェルフアンテナ１は、二つの誘電体層を有する基板１０と、基板１０の下側に設けられた接地電極１１と、基板１０の二つの誘電体層の間に設けられた導体１２と、基板１０の上面に設けられた複数の共振器１３−１〜１３−５を有する。

基板１０は、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−５を支持する。また基板１０は、相対的に下側に位置する下側層１０−１と、下側層１０−１の上方に配置された上側層１０−２とを有する。基板１０の下側層１０−１及び上側層１０−２の何れも誘電体により形成され、これにより、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−５は互いに絶縁されている。例えば、下側層１０−１及び上側層１０−２は、それぞれ、FR-4といったガラスエポキシ樹脂により形成される。あるいは、下側層１０−１及び上側層１０−２は、層状に形成可能な他の誘電体により形成されてもよい。また、下側層１０−１及び上側層１０−２は同じ誘電体で形成されてもよく、あるいは、互いに異なる誘電体で形成されてもよい。

接地電極１１は、接地された平板状の導体であり、基板１０の下側の表面全体を覆うように設けられる。

導体１２は、基板１０の下側層１０−１と上側層１０−２の間に設けられた線状の導体であり、その一端が給電点１２ａとなっている。一方、導体１２の他端１２ｂは開放端となっている。そして導体１２、接地電極１１及び基板１０の下側層１０−１は、マイクロストリップアンテナを形成する。

導体１２の端部１２ｂが開放端となっているため、このマイクロストリップアンテナから放射される電波、あるいはこのマイクロストリップアンテナで受信される電波によって導体１２を流れる電流は、定常波となる。そのため、導体１２の端部１２ｂ、すなわち、マイクロストリップアンテナの開放端から、その電波の波長の1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置に、その定常波の節点が形成される。なお、導体１２は、下側層１０−１と上側層１０−２の間に配置されているので、電波の波長は、下側層１０−１の比誘電率及び上側層１０−２の比誘電率に応じて短くなることに留意されたい。定常波の各節点では、電流が極小値となるとともに、その節点の周囲に相対的に強い電場が形成される。なお、以下では、便宜上、基板１０内でのマイクロストリップアンテナから放射またはマイクロストリップアンテナで受信される電波の波長を設計波長と呼ぶ。

共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、設計波長またはその整数倍と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、基板１０の上側層１０−２の表面に設けられる。なお、本実施形態では、各共振器の長さは設計波長と略等しいものとした。
上記のように、導体１２に沿って、マイクロストリップアンテナの開放端１２ｂから設計波長の1/2の整数倍に相当する距離だけ離れた位置において、導体１２の周囲に相対的に強い電場が形成される。そこで各共振器１３−１〜１３−５は、導体１２の端部１２ｂから、導体１２に沿って、設計波長の1/2の略整数倍の距離の位置に、導体１２と直交するように配置される。本実施形態では、共振器１３−１〜１３−５は、開放端１２ｂから、それぞれ、λ/2、λ、3λ/2、2λ、5λ/2の距離だけ離れた位置の近傍に配置される（ただし、λは設計波長）。これにより、各共振器１３−１〜１３−５は、設計波長を持つ電波に対してマイクロストリップアンテナと電磁結合する。そのため、各共振器１３−１〜１３−５も、設計波長を持つ電波を放射または受信できる。さらに、共振器１３−１〜１３−５は、導体１２と直交するように配置されているので、共振器１３−１〜１３−５のそれぞれが、マイクロストリップアンテナによる電場と異なる方向に広がりを持つ電場を形成できる。その結果として、シェルフアンテナ１の表面近傍における電場は、マイクロストリップアンテナのみにより生じる電場よりも均一性及び強度が向上する。なお、各共振器１３−１〜１３−５の正確な設置位置は、例えば、有限要素法を用いた電界シミュレーションの結果に基づいて、各共振器１３−１〜１３−５とマイクロストリップアンテナ間の電磁結合が最も強くなるように調節される。また各共振器の長さも、有限要素法を用いた電界シミュレーションの結果に基づいて、各共振器１３−１〜１３−５から放射される電場が最も強くなるように決定されてもよい。

なお、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−５は、例えば、銅、金、銀、ニッケルといった金属またはこれらの合金若しくはその他の導電性を有する材料によって形成される。そして接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−５は、例えば、エッチングまたは接着によって基板１０の下側層１０−１または上側層１０−２に固定される。また下側層１０−１と上側層１０−２も、例えば、接着によって互いに固定される。

また、上側層１０−２の厚さは、マイクロストリップアンテナと各共振器１３−１〜１３−５が電磁結合するように、例えば、有限要素法を用いたシミュレーションにより最適化される。一方、下側層１０−１の厚さは、マイクロストリップアンテナの特性インピーダンスが所定の値、例えば、50Ωまたは75Ωとなるように決定される。

図４は、シェルフアンテナ１のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図５は、シェルフアンテナ１の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。なお、図４及び図５に示されたシミュレーションにおいて、基板１０の下側層１０−１及び上側層１０−２の何れも、FR4（比誘電率εr=4.4、誘電正接tanδ=0.02）で形成されるものとした。そして基板１０は、導体１２の長手方向に沿った長さが550mmであり、導体１２の長手方向に直交する方向の長さが200mmであるとした。また下側層１０−１の厚さは、下側層１０−１、接地電極１１及び導体１２により形成されるマイクロストリップラインの特性インピーダンスが50Ωとなるように、1.6mmとした。また、上側層１０−２の厚さは1.0mmとした。
また、接地電極１１、導体１２及び共振器１３−１〜１３−５の何れも、銅（導電率σ=5.8×107）で形成されるものとした。さらに、導体１２の幅は3mmとした。一方、各共振器１３−１〜１３−５の幅は4mmとし、長さは161mmとした。そして、導体１２の開放端１２ｂから共振器１３−１の中心線までの距離を84mmとした。さらに、共振器１３−１の中心線と共振器１３−２の中心線間の距離を85mmとした。同様に、共振器１３−２の中心線と共振器１３−３の中心線間の距離、共振器１３−３の中心線と共振器１３−４の中心線間の距離及び共振器１３−４の中心線と共振器１３−５の中心線間の距離を、それぞれ、82mm、85mm、85mmとした。

図４において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ４００は、有限要素法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ１のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ４００に示されるように、シェルフアンテナ１は、RFIDシステムで利用される950MHz〜960MHzにおいて、S11パラメータが良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。

図５において、グラフ５０１は、シェルフアンテナ１の表面から上方に50mmの位置における、シェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。またグラフ５０２は、シェルフアンテナ１の表面から上方に100mmの位置における、シェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。グラフ５０３は、シェルフアンテナ１の表面から上方に200mmの位置における、シェルフアンテナ１の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、各グラフにおいて、電波の周波数は950MHzであるとする。各グラフにおいて、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ５０１〜５０３に示されるように、導体１２の近傍だけでなく、各共振器１３−１〜１３−５の近傍においても電場が強くなっていることが分かる。そのため、シェルフアンテナ１の表面近傍における電場の均一性は、マイクロストリップアンテナそのものにより形成される電場の均一性よりも向上することが分かる。なお、シェルフアンテナ１の表面から上方に50mm、100mm、200mmの位置における電場の強度の最大値は、それぞれ、9.7V/m、2.9V/m、1.2V/mである。

以上に説明してきたように、このシェルフアンテナでは、マイクロストリップアンテナの一端が開放端として形成されることでマイクロストリップアンテナを流れる電流が定常波となる。そして、定常波の節点の近傍に共振器が配置されることで、マイクロストリップアンテナと共振器とが電磁結合する。そのため、このシェルフアンテナは、マイクロストリップアンテナと共振器の両方から電波を放射したり、その両方で電波を受信できるので、シェルフアンテナの表面近傍における電場の均一性を向上できるとともに、その電場の強度を高くすることができる。

次に、第２の実施形態によるシェルフアンテナについて説明する。第２の実施形態によるシェルフアンテナは、第１の実施形態によるシェルフアンテナと比較して、共振器の位置が異なる。そこで以下では、共振器に関連する部分について説明する。第２の実施形態によるシェルフアンテナのその他の構成要素については、第１の実施形態によるシェルフアンテナの対応する構成要素の説明を参照されたい。

図６は、第２の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。なお、図６において、第２の実施形態によるシェルフアンテナ２の各構想要素には、図１〜図３に示されたシェルフアンテナ１の対応する構成要素の参照番号と同じ参照番号を付した。

第２の実施形態によるシェルフアンテナ２においても、３個の共振器１３−１、１３−３及び１３−５は、それぞれ、設計波長と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、基板の上側層１０−２の表面に設けられる。ただし、第１の実施形態によるシェルフアンテナ１と異なり、シェルフアンテナ２では、開放端１２ｂから設計波長の整数倍だけ離れている共振器１３−２と共振器１３−４とが省略されている。すなわち、共振器１３−１、１３−３及び１３−５は、それぞれ、マイクロストリップアンテナの開放端１２ｂから設計波長の整数倍に設計波長の1/2を加えた距離の位置のみに設けられる。そのため、互いに隣接する二つの共振器間の導体１２に沿った距離が設計波長と略等しくなっている。

第１の実施形態によるシェルフアンテナ１では、共振器１３−１〜１３−５のそれぞれは、隣接する他の共振器に対して導体１２に沿って設計波長の略1/2だけ離れている。そのため、隣接する二つの共振器に流れる電流の位相は、互いに反転している。
これに対し、第２の実施形態によるシェルフアンテナ２では、共振器１３−１、１３−５及び１３−５のそれぞれは、隣接する他の共振器に対して導体１２に沿って略設計波長だけ離れているため、隣接する二つの共振器に流れる電流の位相は同相となる。そのため、各共振器により形成される電場も互いに強め合うことができる。

図７は、シェルフアンテナ２のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図８は、シェルフアンテナ２の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、シェルフアンテナ２の各構成要素のサイズ及び位置は、シェルフアンテナ１の対応する構成要素のサイズ及び位置と同じであるとした。

図７において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ７００は、有限要素法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ２のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ７００に示されるように、シェルフアンテナ２では、RFIDシステムで利用される950MHz〜960MHzにおいて、S11パラメータは、実用上の支障がないアンテナ特性の目安とされる-6dB以下となっていることが分かる。

図８において、グラフ８０１は、シェルフアンテナ２の表面から上方に50mmの位置における、シェルフアンテナ２の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。またグラフ８０２は、シェルフアンテナ２の表面から上方に100mmの位置における、シェルフアンテナ２の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。グラフ８０３は、シェルフアンテナ２の表面から上方に200mmの位置における、シェルフアンテナ２の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、各グラフにおいて、電波の周波数は950MHzであるとする。各グラフにおいて、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ８０１〜８０３に示されるように、導体１２の近傍だけでなく、各共振器１３−１、１３−３及び１３−５の近傍においても電場が強くなっていることが分かる。さらに、シェルフアンテナ２の表面から上方に100mmの位置では、シェルフアンテナ１により形成される電場と比較して、電場の強度分布がより均一となっていることが分かる。
さらに、シェルフアンテナ２の表面から上方に50mm、100mm、200mmの位置における電場の強度の最大値は、それぞれ、11.6V/m、5.6V/m、4.2V/mであり、それぞれの位置において、シェルフアンテナ１についての電場の強度の最大値よりも強くなっている。

以上に説明してきたように、第２の実施形態によるシェルフアンテナでは、互いに隣接する二つの共振器間の距離が設計波長と略等しい。これにより、各共振器に流れる電流の位相が同相となる。その結果として、このシェルフアンテナは、各共振器から放射される電場同士が強め合うので、シェルフアンテナの表面近傍における電場の均一性をより向上できるとともに、その電場の強度をより高くすることができる。

次に、第３の実施形態によるシェルフアンテナについて説明する。第３の実施形態によるシェルフアンテナは、第１の実施形態によるシェルフアンテナと比較して、マイクロストリップアンテナを形成する導体が蛇行するように折り曲げられることで、隣接する共振器間の間隔が狭められている。そこで以下では、導体及び共振器に関連する部分について説明する。第３の実施形態によるシェルフアンテナのその他の構成要素については、第１の実施形態によるシェルフアンテナの対応する構成要素の説明を参照されたい。

図９は、第３の実施形態によるシェルフアンテナの平面図である。なお、図９において、第３の実施形態によるシェルフアンテナ３の各構想要素には、図１〜図３に示されたシェルフアンテナ１の対応する構成要素の参照番号と同じ参照番号を付した。

第３の実施形態によるシェルフアンテナ３では、マイクロストリップアンテナの一部を形成する導体１２’が、互いに隣接する二つの共振器間において、複数の箇所で直角に折り曲げられた蛇行形状を有している。

一方、第３の実施形態によるシェルフアンテナ３においても、５個の共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、設計波長と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、基板の上側層１０−２の表面に設けられる。そして共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、互いに隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った距離が設計波長と略等しくなるように配置される。そのため、互いに隣接する二つの共振器間の直線距離は設計波長よりも短くなる。その結果として、各共振器から放射される電波同士が互いにより強めることができる。なお、この実施形態においても、共振器１３−１〜１３−５のうち、マイクロストリップアンテナの開放端１２ｂに最も近い共振器１３−１は、導体１２’に沿って、その開放端１２ｂから設計波長の略1/2だけ離れた位置、すなわち、開放端１２ｂに最も近い定常波の節点の近傍に配置されることが好ましい。

図１０は、シェルフアンテナ３のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。また図１１は、シェルフアンテナ３の表面近傍に形成される電場のシミュレーション結果を示す図である。このシミュレーションでは、図９に示されるように、導体１２’の折り曲げられた部分のうち、導体１２’の長手方向と直交する最も長い部分の長さを50mmとし、その前後の導体１２’の長手方向と平行な部分の長さをそれぞれ20mmとした。そして隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った長さが設計波長と略等しくなるように、隣接する二つの共振器の中心線間の直線距離を86mmとした。さらにまた、導体１２’の長手方向に沿った基板１０の長さを505mmとした。なお、上記以外のシェルフアンテナ３の各構成要素のサイズ及び材質は、第１の実施形態によるシェルフアンテナ１のシミュレーションの際に設定されたサイズ及び材質と同じとした。

図１０において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ１０００は、有限要素法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ３のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１０００に示されるように、シェルフアンテナ３では、RFIDシステムで利用される950MHz〜960MHzにおいて、S11パラメータは、良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。

図１１において、グラフ１００１は、シェルフアンテナ３の表面から上方に50mmの位置における、シェルフアンテナ３の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。またグラフ１１０２は、シェルフアンテナ３の表面から上方に100mmの位置における、シェルフアンテナ３の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。グラフ１１０３は、シェルフアンテナ３の表面から上方に200mmの位置における、シェルフアンテナ３の表面に平行な面の電場の強度分布を表す。ただし、各グラフにおいて、電波の周波数は950MHzであるとする。各グラフにおいて、濃度が濃いところほど、電場が強い。グラフ１１０１〜１１０３に示されるように、導体１２’の近傍だけでなく、各共振器１３−１〜１３−５の近傍においても電場が強くなっていることが分かる。さらに、シェルフアンテナ３の表面から上方に100mmの位置及びその表面から上方に200mmの位置では、シェルフアンテナ１により形成される電場と比較して、より電場の強度分布が均一となっていることが分かる。
さらに、シェルフアンテナ３の表面から上方に50mm、100mm、200mmの位置における電場の強度の最大値は、それぞれ、17.3V/m、11.3V/m、7.8V/mであり、それぞれの位置において、シェルフアンテナ１またはシェルフアンテナ２により形成される電場の強度の最大値よりも強くなっている。

以上に説明してきたように、第３の実施形態によるシェルフアンテナでは、導体１２’が蛇行形状を有することで、隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った長さが設計波長と略等しいものの、その二つの共振器間の直線距離は設計波長よりも狭くなる。そのため、このシェルフアンテナでは、各共振器から放射される電場同士がより強め合うことができる。その結果として、このシェルフアンテナは、シェルフアンテナ表面近傍の電場の均一性をより向上できるとともに、シェルフアンテナ表面近傍の電場の強度をより強くできる。

なお、第３の実施形態の変形例によれば、導体１２’は、隣接する二つの共振器間でどのように折り曲げられていてもよい。例えば、導体１２’は、隣接する二つの共振器間で正弦波状、あるいは鋸歯状に形成されていてもよい。

また第３の実施形態の他の変形例によれば、各共振器は、マイクロストリップアンテナの一部である導体に沿った、隣接する二つの共振器間の距離が、設計波長の略1/2となり、かつ、隣接する二つの共振器間の直線距離が設計波長の1/2よりも短くなるように配置されてもよい。

次に、第４の実施形態によるシェルフアンテナについて説明する。第４の実施形態によるシェルフアンテナは、第３の実施形態によるシェルフアンテナと比較して、各共振器が導体の開放端に対して凸となり、かつ、各共振器の少なくとも一部と給電点と導体の開放端とを結ぶ線との間の角が鋭角となるように形成される点で異なる。これにより、このシェルフアンテナは、シェルフアンテナの長手方向及び短手方向のそれぞれに沿った電場の成分を生じさせ、その結果として、シェルフアンテナの表面に平行な面内で、電場の方向によらずに電場の強度を均一化する。そこで以下では、導体及び共振器に関連する部分について説明する。第４の実施形態によるシェルフアンテナのその他の構成要素については、第１〜第３の実施形態によるシェルフアンテナの対応する構成要素の説明を参照されたい。

図１２は、第４の実施形態によるシェルフアンテナ４の平面図である。なお、図１２において、第４の実施形態によるシェルフアンテナ４の各構想要素には、図９に示された第３の実施形態によるシェルフアンテナ３の対応する構成要素の参照番号と同じ参照番号を付した。

第４の実施形態によるシェルフアンテナ４では、第３の実施形態と同様に、マイクロストリップアンテナの一部を形成する導体１２’が、互いに隣接する二つの共振器間において、複数の箇所で直角に折り曲げられた蛇行形状を有している。そのため、導体１２’は、シェルフアンテナ４の長手方向に沿った部分１２１と、シェルフアンテナ４の短手方向に平行な部分１２２とを有している。そのため、導体１２’は、シェルフアンテナ４の長手方向に平行な電場の成分と、シェルフアンテナ４の短手方向に平行な電場の成分とを生じさせる。
なお、以下では、便宜上、シェルフアンテナ４の表面に沿った長手方向をx軸方向と呼び、シェルフアンテナ４の表面に沿った短手方向をy軸方向と呼ぶ。

共振器１３−１〜１３−７は、それぞれ、設計波長と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、基板の上側層１０−２の表面に設けられる。そして共振器１３−１は、導体１２’を流れる電流の定常波の節点の近傍に位置するように、導体１２’の開放端１２ｂから設計波長の略1/2だけ離れた位置に配置される。さらに共振器１３−２〜１３−７も、それぞれ、導体１２’を流れる電流の定常波の節点の近傍に位置するように、互いに隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った距離が設計波長と略等しくなるように配置される。

この実施形態では、共振器１３−１〜１３−７は、それぞれ、３個の直線状の素子１３ａ〜１３ｃを有する。中心の素子１３ａは、導体１２’の開放端１２ｂと給電点１２ａとを結ぶ線（以下、便宜上、中心線と呼ぶ）に対して、素子１３ａの中点で直交する。一方、中心の素子１３ａの両側の素子１３ｂ、１３ｃは、それぞれ、中心線に近づくほど導体１２’の開放端１２ｂに近く、中心線から離れるほど給電点１２ａに近づくように、中心線と鋭角をなすように配置される。その結果として、各共振器は、導体１２’の開放端１２ｂに対して凸状に形成される。

そのため、各共振器から生じる電場も、導体１２’から生じる電場と同様に、x軸方向に沿った成分（すなわち、中心線に平行な成分）と、y軸方向に沿った成分（すなわち、中心線に直交する成分）とを持つ。そのため、シェルフアンテナ４の表面近傍において、導体１２’及び各共振器を流れる電流の位相の変化に応じて、x軸方向の瞬時的な電場の成分の強度とy軸方向の瞬時的な電場の成分の強度の組み合わせも変動し、その結果として、瞬時的な電場の向きも変動する。そのため、シェルフアンテナ４は、電場の向きによらずに電場の強さを均一化できる。また、各共振器が開放端１２ｂに対して凸状に形成されることで、シェルフアンテナ４が共振する波長とインピーダンス整合する波長とを一致させることが可能になる。

なお、共振器１３−１〜１３−７の両側の素子１３ｂ、１３ｃと中心線のなす角は、素子１３ｂ、１３ｃが導体１２’とオーバーラップしないように決定されることが好ましい。中心線以外の位置で共振器１３−１〜１３−７と導体１２’とがオーバーラップすると、そのオーバーラップした位置で共振器と導体１２’間に電磁結合が生じる。その結果として、共振器上での電流の分布が不均一になり、共振器から生じる電場も不均一になるためである。

一方、共振器１３−１〜１３−７の両側の素子１３ｂ、１３ｃと中心線間の角が大きくなるほど、各共振器から生じる、y軸方向に平行な電場の成分が相対的に強くなり、x軸方向に平行な電場の成分が相対的に弱くなる。そこで共振器１３−１〜１３−７の両側の素子１３ｂ、１３ｃと中心線との間の角は、y軸方向に平行な電場の強さがx軸方向に平行な電場の強さと略等しくなるように設定されることが好ましい。

また、両側の素子１３ｂ、１３ｃが短くなるほど、共振器１３−１〜１３−７から生じる電場のx軸方向に平行な成分が弱くなる。そこで、素子１３ｂ、１３ｃの長さも、y軸方向に平行な電場の強さがx軸方向に平行な電場の強さと略等しくなるように設定されることが好ましい。本実施形態では、素子１３ｂ、１３ｃの長さは、設計波長の略1/3以上となるように設定される。

図１３（ａ）は、シェルフアンテナ４の表面近傍に形成される電場のx軸方向に平行な成分の強度のシミュレーション結果を示す図である。また図１３（ｂ）は、シェルフアンテナ４の表面近傍に形成される電場のy軸方向に平行な成分の強度のシミュレーション結果を示す図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）に示されたシミュレーションにおいて、基板１０は、x軸方向に沿った長さが500mmであり、ｙ軸方向に沿った長さが200mmであるとした。
また、導体１２’の幅は3mmとした。導体１２’の折り曲げられた部分のうちy軸方向に平行な最も長い部分の長さを61mmとし、その前後のx軸方向と平行な部分の長さをそれぞれ18mmとした。そして隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った長さが設計波長と略等しくなるように、隣接する二つの共振器間の中心線上の距離を63mmとした。

一方、各共振器１３−１〜１３−７の幅は4mmとし、長さは182mmとした。そして、共振器１３−１〜１３−７の中央の素子１３ａの長さを60mmとし、素子１３ｂ、１３ｃの長さをそれぞれ61mmとした。さらに、素子１３ｂ、１３ｃと中心線との間の角を55°（すなわち、素子１３ｂ、１３ｃと中央の素子１３ａとの間の角は35°）とした。
上記以外のシェルフアンテナ３の各構成要素のサイズ及び材質は、第１の実施形態によるシェルフアンテナ１のシミュレーションの際に設定されたサイズ及び材質と同じとした。

図１３（ａ）及び図１３（ｂ）において、横軸は給電点１２ａからのx軸方向に沿った距離を表す。一方、縦軸は、電場の強度を表す。グラフ１３０１〜１３０５は、それぞれ、シェルフアンテナ４の表面から400mm上方における、給電点１２ａからのx軸方向の距離と電場のx軸に平行な成分の強度の関係を表す。このうち、グラフ１３０１は、中心線からのy軸方向の距離が0mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のx軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。また、グラフ１３０２、１３０３は、それぞれ、中心線からのy軸方向の距離が50mm及び-50mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のx軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。さらに、グラフ１３０４、１３０５は、それぞれ、中心線からのy軸方向の距離が100mm及び-100mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のx軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。
なお、中心線からのy軸方向の距離は、図１２において中心線より上側では正の符号で表され、中心線より下側では負の符号で表される。

一方、グラフ１３１１〜１３１５は、それぞれ、シェルフアンテナ４の表面から400mm上方における、給電点１２ａからのx軸方向に沿った距離と電場のy軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。このうち、グラフ１３１１は、中心線からのy軸方向の距離が0mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のy軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。また、グラフ１３１２、１３１３は、それぞれ、中心線からのy軸方向の距離が50mm及び-50mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のy軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。さらに、グラフ１３１４、１３１５は、それぞれ、中心線からのy軸方向の距離が100mm及び-100mmの位置における、給電点１２ａからの距離と電場のy軸方向に平行な成分の強度の関係を表す。

グラフ１３０１〜１３０５、１３１１〜１３１５に示されるように、シェルフアンテナ４の表面から400mm上方で、x軸方向に平行な電場の成分の強度分布は、y軸方向に平行な電場の成分の強度分布との差が小さくなっていることが分かる。

図１４は、シェルフアンテナ４のSパラメータの周波数特性のシミュレーション結果を示す図である。なお、このシミュレーションにおいても、シェルフアンテナ４の各部のサイズ及び電気特性は、図１３（ａ）及び図１３（ｂ）のシミュレーションにおけるものと同じとした。図１４において、横軸は周波数[GHz]を表し、縦軸はS11パラメータの値[dB]を表す。そしてグラフ１４００は、有限要素法による電磁場のシミュレーションにより得られた、シェルフアンテナ４のS11パラメータの周波数特性を表す。グラフ１５００に示されるように、シェルフアンテナ４では、RFIDシステムで利用される912MHz〜934MHzにおいて、S11パラメータが良好なアンテナ特性の目安とされる-10dB以下となっていることが分かる。

シェルフアンテナ４が、他の通信装置、例えば、シェルフアンテナ４上に載置される物品に付されたＲＦＩＤタグと通信する場合、シェルフアンテナ４に対して他の通信装置は様々な方向を向く可能性がある。しかし、この実施形態によれば、シェルフアンテナ４は、電場の方向によらずに電場の強度を均一化できる。そのため、シェルフアンテナ４は、他の通信装置のアンテナの向きによらず、他の通信装置と良好に通信できる。

図１５は、第４の実施形態の変形例によるシェルフアンテナの平面図である。

この変形例でも、共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、設計波長と略等しい長さを持つ線状の導体で形成され、基板の上側層１０−２の表面に設けられる。そして共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、互いに隣接する二つの共振器間の導体１２’に沿った距離が設計波長と略等しくなるように配置される。

この変形例では、共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、導体１２’の開放端１２ｂと給電点１２ａとを結ぶ中心線とオーバーラップする位置で接続される二つの直線状の素子１３ａ及び１３ｂを有する。そして素子１３ａ及び１３ｂは、中心線に対して対称であり、かつ、中心線と呼ぶとオーバーラップする位置で開放端１２ｂに最も近く、中心線から離れるほど、給電点１２ａに近づくように、中心線に対して鋭角をなすように形成される。したがって、この変形例でも、共振器１３−１〜１３−５は、それぞれ、導体１２’の開放端１２ｂに対して凸状に形成される。

図１６（ａ）及び図１６（ｂ）は、それぞれ、第４の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示された変形例では、図１２に示されたシェルフアンテナ４と比較して、各共振器の形状または向きが異なっている。図１６（ａ）に示された変形例では、共振器１３−１〜１３−７の両側の二つの素子１３ｂ、１３ｃが中央の素子１３ａとなす角が互いに異なっている。具体的には、素子１３ｂと中央の素子１３ａとの間の角が、素子１３ｃと中央の素子１３ａとの間の角よりも大きくなっている。そのため、給電点１２ａと開放端１２ｂとを結ぶ中心線に対して各共振器は非対称となっている。

また、図１６（ｂ）に示された変形例では、給電点１２ａと開放端１２ｂとを結ぶ中心線と共振器１３−１〜１３−７の中央の素子１３ａとの間の角度が鋭角となるように、各共振器は、中心線に対して傾けて配置される。そのため、この変形例では、共振器の一方の側の素子１３ｂと中心線間の角度が、他方の側の素子１３ｃと中心線間の角度よりも小さくなっている。そのため、中心線に対して各共振器は非対称となっている。しかし、何れの変形例においても、各共振器は、導体１２’の開放端１２ｂに対して凸状に形成されており、共振器の少なくとも一部と中心線間の角度が鋭角となっている。
そのため、図１６（ａ）及び図１６（ｂ）に示されるように、各共振器が、中心線に対して非対称となるように形成されても、各共振器は、x軸方向の電場成分とy軸方向の電場成分とを生じさせることができる。

図１７は、第４の実施形態のさらなる変形例によるシェルフアンテナの平面図である。この変形例では、図１２に示されたシェルフアンテナ４と比較して、各共振器の形状が異なっている。この変形例では、共振器１３−１〜１３−７は、円弧状に形成される。そしてこの変形例でも、各共振器は、導体１２’の開放端１２ｂに対して凸となり、かつ、各共振器の中点が導体１２’と交差するように配置される。そのため、共振器の中点以外では、共振器と給電点１２ａと開放端１２ｂとを結ぶ線との間の角が鋭角となっているので、各共振器は、x軸方向に平行な電場成分とy軸方向に平行な電場成分とを生じさせることができる。そのため、この変形例によるシェルフアンテナも、電場の向きによらずに電場の強度を均一化できる。したがって、このシェルフアンテナは、ＲＦＩＤタグといった他の通信装置のアンテナの向きによらずに他の通信装置との通信を可能にする。

なお、第４の実施形態のこれらの変形例についても、共振器上での電流の分布が不均一になることを避けるために、各共振器は、導体の蛇行形状部分とオーバーラップしないことが好ましい。

さらに、上記の各実施形態の変形例によれば、各共振器は、線状以外の形状を有していてもよい。図１８（ａ）〜図１８（ｃ）は、それぞれ、他の実施形態による共振器の形状を示す図である。なお、いずれの変形例においても、各共振器は、マイクロストリップアンテナ上を流れる電流の定常波の節点の近傍、すなわち、開放端からの距離が設計波長の1/2の整数倍となる位置の近傍に配置される。

図１８（ａ）に示される例では、共振器１４−１〜１４−３は、それぞれ、線状の２本の導体がX字状に配置された形状を有する。この例でも、共振器を形成する２本の導体は、それぞれ、設計波長と略等しい長さを持つ。そして共振器を形成する２本の導体の交点が、導体１２の真上に位置するように、各共振器は配置される。

図１８（ｂ）に示される例では、共振器１５−１〜１５−３は、それぞれ、蝶ネクタイ状の形状を有する。そして共振器１５−１〜１５−３のそれぞれは、導体１２の長手方向に沿った幅が最小となる部分が導体１２の上方に位置するように配置される。

図１８（ｃ）に示される例では、共振器１６−１〜１６−３は、それぞれ、蛇行形状を有している。この場合も、共振器１６−１〜１６−３のそれぞれは、その蛇行する導体に沿った長さが設計波長と略等しくなるように設計される。そして共振器の中点が、導体１２の真上に位置するように、各共振器は配置される。
また、各共振器の形状は、互いに異なっていてもよい。例えば、シェルフアンテナが３個の共振器を有する場合、その共振器のうちの一つは、図３に示された共振器１３−１と同様に線状の導体であり、他の一つは、図１８（ａ）に示されたX線状の導体であり、さらに他の一つは図１８（ｂ）に示された蝶ネクタイ状の導体であってもよい。

さらに他の変形例によれば、各共振器は、その共振器の長手方向とマイクロストリップアンテナの一部である導体の長手方向とが鋭角をなすように配置されてもよい。

なお、何れの実施形態またはその変形例においても、共振器のうちの一つは、マイクロストリップアンテナの開放端から設計波長の1/2だけ離れた位置、すなわち、マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点のうち、開放端に最も近い節点の近傍に配置されることが好ましい。開放端に最も近い節点の近傍の電場は、他の節点の近傍の電場よりも強いので、その節点の近傍に配置された共振器は、マイクロストリップアンテナと強く電磁結合できるためである。

ここに挙げられた全ての例及び特定の用語は、読者が、本発明及び当該技術の促進に対する本発明者により寄与された概念を理解することを助ける、教示的な目的において意図されたものであり、本発明の優位性及び劣等性を示すことに関する、本明細書の如何なる例の構成、そのような特定の挙げられた例及び条件に限定しないように解釈されるべきものである。本発明の実施形態は詳細に説明されているが、本発明の精神及び範囲から外れることなく、様々な変更、置換及び修正をこれに加えることが可能であることを理解されたい。

１〜４ シェルフアンテナ（近接場アンテナ）
１０ 基板
１０−１ 下側層
１０−２ 上側層
１１ 接地電極
１２、１２’ 導体
１２ａ 給電点
１２ｂ 開放端
１３−１〜１３−７ 共振器
１４−１〜１４−３ 共振器
１５−１〜１５−３ 共振器
１６−１〜１６−３ 共振器

Claims (12)

1. 第１の誘電体層と、該第１の誘電体層の上方に設けられた第２の誘電体層とを有する基板と、
   前記第１の誘電体層の下面に配置された接地電極と、
   前記第１の誘電体層と前記第２の誘電体層との間に配置され、前記接地電極とともにマイクロストリップアンテナを形成する導体であって、該導体の一端は給電点に接続されるとともに、該導体の他端は開放端となる導体と、
   前記マイクロストリップアンテナから放射または前記マイクロストリップアンテナにより受信される所定の設計波長を持つ電波に応じた、前記マイクロストリップアンテナを流れる電流の定常波の節点の何れかの近傍の前記マイクロストリップアンテナと電磁結合可能な範囲内でかつ前記第２の誘電体層の上面に配置される、少なくとも一つの共振器と、
   を有する近接場アンテナ。
2. 前記少なくとも一つの共振器のうちの第１の共振器は、前記開放端から前記導体に沿って、前記設計波長の1/2だけ離れた位置に配置される、請求項１に記載の近接場アンテナ。
3. 前記少なくとも一つの共振器は複数の共振器を有し、前記複数の共振器のそれぞれは、隣接する二つの共振器間の距離が前記導体に沿って前記設計波長の1/2となるように配置される、請求項２に記載の近接場アンテナ。
4. 前記少なくとも一つの共振器は複数の共振器を有し、前記複数の共振器のそれぞれは、隣接する二つの共振器間の距離が前記導体に沿って前記設計波長となるように配置される、請求項２に記載の近接場アンテナ。
5. 前記導体は、前記隣接する二つの共振器間において蛇行形状を有し、該隣接する二つの共振器間の間隔は、前記設計波長よりも短い、請求項４に記載の近接場アンテナ。
6. 前記導体は、前記隣接する二つの共振器間において蛇行形状を有し、該隣接する二つの共振器間の間隔は、前記設計波長の1/2よりも短い、請求項３に記載の近接場アンテナ。
7. 前記複数の共振器は、前記導体の開放端に対して凸状に形成され、かつ、前記複数の共振器のそれぞれの少なくとも一部と前記導体の開放端と前記給電点とを結ぶ線との間の角が鋭角となるように形成される、請求項５に記載の近接場アンテナ。
8. 前記複数の共振器のそれぞれの前記少なくとも一部は、当該共振器の両端である、請求項７に記載の近接場アンテナ。
9. 前記複数の共振器は、前記導体の前記蛇行形状を有する部分とオーバーラップしないように形成される、請求項７または８に記載の近接場アンテナ。
10. 前記少なくとも一つの共振器は、前記導体から離れるにつれて、前記導体の長手方向に沿った幅が広くなる形状を有する、請求項１〜６の何れか一項に記載の近接場アンテナ。
11. 前記少なくとも一つの共振器は、X字状に交差するように配置された２本の第２の導体を有し、該２本の第２の導体の交点が、前記導体の真上に位置する、請求項１〜６の何れか一項に記載の近接場アンテナ。
12. 前記少なくとも一つの共振器は、蛇行形状を有する、請求項１〜６の何れか一項に記載の近接場アンテナ。

Images