JP2014135715A - ループアンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】複数の周波数の電波を効率よく送受信できるループアンテナを提供する。
【解決手段】第1共振周波数にて励振される第1ループアンテナ10、第1共振周波数において、第1ループアンテナ10より大きいインダクタンスを有し、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で励振される第2ループアンテナ20、第2ループアンテナ20と第1ループアンテナ10とが、1つの電気的ループを形成することにより、1つのループアンテナとして励振できるように、第2ループアンテナ20と第1ループアンテナ10とを2点で電気的に接続する接続部30とを備えたことを特徴とするループアンテナ。
【選択図】図1

Description

本発明は、複数の周波数の電波を送受信可能とするループアンテナに関する。
従来、RFIDタグなどに用いられるループアンテナにおいて、ループの途中に適切な値の容量性素子を接続することによって、ループアンテナのインダクタンスを変化させ、複数の周波数を送受信できるようにしたループアンテナが提案されている(例えば特許文献1参照)。
特開2009−278550号公報
ところが、上記従来のループアンテナは、RFIDタグのように外部から印加される電波の磁束密度の変化により作動するための無線回路に用いられること(つまり、受信のみ)を前提とし、電波を送信することを前提にしていない。したがって、そのループアンテナを電波送信用に使用する場合、ループ内側に電池などの金属があると、電波送信時に損失となり、送信効率が悪くなるという問題がある。
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、複数の周波数の電波を効率よく送受信できるループアンテナを提供することを目的とする。
この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。
上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた発明は、第1ループアンテナ(10)、第2ループアンテナ(20)及び接続手段(30)を備えている。
第1ループアンテナ(10)は、第1共振周波数にて励振され、第2ループアンテナ(20)は、第1共振周波数において、第1ループアンテナ(10)より大きいインダクタンスを有し、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で励振される。
また、接続手段(30)は、第2ループアンテナ(20)と第1ループアンテナ(10)とが、1つの電気的ループを形成することにより、1つのループアンテナとして励振できるように、第2ループアンテナ(20)と第1ループアンテナ(10)とを2点で電気的に接続するものである。
このようなループアンテナでは、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)が接続手段(30)により2点で接続され、第2ループアンテナ(20)と第1ループアンテナ(10)とが、1つの電気的ループを形成することにより、1つのループアンテナとして励振できるようになっている。
また、第2ループアンテナ(20)は、第1共振周波数において、第1ループアンテナ(10)より大きいインダクタンスを有し、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で励振される。
したがって、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で外部から印加される場合には、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)とが1つのループアンテナとして作動するため、ループが形成する面積が、第1ループアンテナ(10)及び第2ループアンテナ(20)のループの面積を合わせた大きなループアンテナとなる。
すると、外部から印加される電波、例えば、RFIDタグ用のアンテナとして用いられる場合には、第2ループアンテナ(20)の内側に電池などの金属があったとしても、第2ループアンテナ(20)単独の場合よりも受信効率を向上させることができる。
一方、第1共振周波数で電波を送信する場合には、第2ループアンテナ(20)のインダクタンスは、第1ループアンテナ(10)のインダクタンスより高いので、第2ループアンテナ(20)に流れる電流は少なくなり、第2ループアンテナ(20)はループアンテナとして作動せず、第1ループアンテナ(10)のみから電波が送信されることになる。
したがって、第1ループアンテナ(10)に送信電波を供給するための回路用の電池などの金属を第2ループアンテナ(20)の内側に配置したとしても、その電池が損失となることがないので、送信効率を向上させることができる。
ところで、接続手段(30)は、ループアンテナを第1共振周波数で励磁する場合と第2共振周波数とで励磁する場合とで、接続形態を変化できればよい、つまり、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)が電気的に接続されて、1つのループを形成したり、しなかったりすればよいので、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)との間を電気的に接続又は遮断できるようなものであってもよい。したがって、請求項2に記載のように、誘導性を有するものであればよい。
つまり、例えば、コイルのように誘導性のある素子を用いて第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)を接続すると、その素子と第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)とでそれぞれ低域通過フィルタが形成される。
したがって、その低域通過フィルタの、第1共振周波数と第2共振周波数に対するカットオフ特性に差異ができるようにすれば、つまり、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)の第1共振周波数と第2共振周波数に対するインダクタンスに差異ができるようにすれば、第1共振周波数と第2共振周波数とにおいて、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)とを電気的に接続したり遮断したりすることと同じになるので、ループアンテナの構造を簡易にすることができる。
また、請求項3に記載のように、誘導性を有する接続手段(30)をコイルとすると、容易に誘導性を有する接続手段(30)を構成することができる。
さらに、請求項4に記載のように、コイルをチップインダクタとすると、例えば、ループアンテナをプリント基板(40)上に基板パターンで構成する際に、ループアンテナを小型化することができる。
ところで、接続手段(30)は、第1ループアンテナ(10)と第1ループアンテナ(20)とを2点で電気的に接続すればよいので、誘導性を持たせる以外にも、請求項5に
記載のように、スイッチ(100,102)としてもよい。
このようにすると、スイッチ(100,102)をオン/オフすることにより、第1ループアンテナ(10)と第2ループアンテナ(20)とを簡易な構造で電気的に接続することができる。
また、請求項6に記載のように、第1ループアンテナ(10)が複数周回のループで形成されていると、電波送信時の効率をより向上させることができる。
さらに、請求項7に記載のように、第2ループアンテナ(20)が複数周回のループで形成されていると電波受信時の効率をより向上させることができる。
ところで、第1ループアンテナ(10)を構成するには、例えば、空心アンテナやバーアンテナのようにするなど種々の方法があるが、請求項8に記載のように、プリント基板(40)に基板パターンとして実装すると小型化することができる。
また、請求項9に記載のように、第2ループアンテナ(20)についても同様に、プリント基板(40)に基板パターンとして実装すると小型化することができる。
また、請求項10に記載のように、第2ループアンテナ(20)において、第2ループアンテナ(20)の有する誘導成分とで低域通過フィルタを形成するコンデンサ(80)を備えるようにすると、第1ループアンテナ(10)から電波を送信する際には、第2ループアンテナ(20)に流れる電流は、低域通過フィルタで遮断される。したがって、第2ループアンテナ(20)に電流が流れなくなるので、送信電力の低下を抑制することができる。
また、請求項11に記載のように、ループアンテナにおいて、第1共振周波数で励振するときは、第1ループアンテナ(10)に接続された外部回路から供給される電気信号で励振され、さらに、請求項12に記載のように、第1共振周波数は、自動車のリモートシステムに使用される周波数であると、例えば、自動車のキーの内部にループアンテナを組み込めばよいので、電力効率のよいキーを小型につくることができる。
ここで、自動車のリモートシステムとは、キーレスエントリーやキーレスエンジンスタートのように、運転者等が使用するキーなどの機器を用いて電波により自動車の制御を行うシステムを意味している。
また、請求項13に記載のように、第2共振周波数で励振するときは、外部から印加される電波により励振され、さらに、請求項14に記載のように、第2共振周波数は、RFICタグで使用される周波数であると、例えば、自動車のキーの内部にループアンテナを組み込めばよいので、電力効率のよいキーを小型につくることができる。
第1実施形態のループアンテナの概略の構成を示す図である。 第1実施形態のループアンテナの等価回路の回路図である。 第1実施形態のループアンテナの出力特性を示す図である。 第1実施形態のループアンテナの入力特性を示す図である。 第2実施形態のループアンテナの概略の構成を示す図である。 第2実施形態のループアンテナの等価回路の回路図である。 第3実施形態のループアンテナの概略の構成を示す図である。 第3実施形態のループアンテナの等価回路の回路図である。 第4実施形態のループアンテナの等価回路の回路図である。
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
[第1実施形態]
(ループアンテナ1の構成)
図1は、本発明が適用されたループアンテナ1の概略の構成を示す図である。図1に示すように、ループアンテナ1は、第1ループアンテナ10、第2ループアンテナ20及び接続部30を備えている。
第1ループアンテナ10は、第1共振周波数(本実施形態では、キーレスエントリーシステムで使用される314[MHz])にて励振されるループアンテナであり、第2ループアンテナ20は、第1共振周波数において、第1ループアンテナ10より大きいインダクタンスを有し、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数(本実施形態では、RFICタグで使用される13.56[MHz])で励振されるループアンテナである。
第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20は、プリント基板40に基板パターンとして実装されている。
プリント基板40上には、送信IC50及び受信IC60が配置されている。このうち送信IC50は、出力部分が第1ループアンテナ10に接続され、第1ループアンテナ10から314[MHz]の電波を出力する集積回路である。
また、受信IC60は、RFIDタグ用の集積回路であり、入力部分が第2ループアンテナ20に接続され、外部から第2ループアンテナ20に印加される13.56[MHz]の電波を受信し、受信した電波の電力により作動する集積回路である。
また、第2ループアンテナ20のループの内側で、かつ、第1ループアンテナ10の外側(図1中では、プリント基板40の右下)に、送信IC50に電源を供給するための電池70が配置されている。
接続部30は、第2ループアンテナ20と第1ループアンテナ10とが、1つの電気的ループを形成することにより、1つのループアンテナとして励振できるように、第2ループアンテナ20と第1ループアンテナ10とを2点で電気的に接続する部分である。
また、プリント基板40には、図1中では図示しない(図2中に示す)チップコンデンサ80,82、84,86が実装されている。
(ループアンテナ1の作動と特徴)
次に、図2及び図3に基づき、ループアンテナ1の作動と特徴について説明する。
上記構成を有するループアンテナ1を等価回路図で表すと図2のようになる。すなわち、送信IC50に第1ループアンテナ10が直列接続され、第1ループアンテナ10に第2ループアンテナ20が並列接続され、第2ループアンテナ20に受信IC60が直列接続されている。
ただし、図2において、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20は、コイル(インダクタ)で置き換えて表している。
また、コンデンサ80が送信IC50に、第1ループアンテナ10と並列に接続され、コンデンサ82、84が、第1ループアンテナ10の両端に直列接続され、さらに、コンデンサ86が、受信IC60に、第2ループアンテナ20と並列接続されている。
なお、これらのコンデンサ80、82,84,86は、チップコンデンサのようなディスクリート部品としてプリント基板40に実装されている。
そして、第2ループアンテナ20のインダクタンスとコンデンサ86のキャパシタンスとがLCフィルタを構成するので、送信IC50から電波を送信する際には、受信IC60に流れる電流は、そのLCフィルタで遮断される。したがって、受信IC60にほとんど電流が流れなくなるので、送信電力の低下を抑制することができる。
この送信電力抑制効果を確認するため、図2に示す回路において、送信IC50の代わりに、交流電源を接続して、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20の出力を計測した結果を図3に示す。
ここで、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20のインダクタンスは、それぞれ、31[nH]、1.43[μH]であり、コンデンサ80〜86のキャパシタンスは、それぞれ、24[pF]、24[pF]、13[pF]、95[pF]である。
また、図3では、交流電源の出力の周波数を横軸に、出力を縦軸に示してある。また、図2に示すループアンテナ1の回路の第1ループアンテナ10の出力を実線で、第2ループアンテナ20の出力を破線で示してある。
図3(a)に示すように、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20の出力は、周波数314[MHz]において共振していることが分かる。
また、図3(a)における周波数314「MHz]近傍(図3(a)中楕円で囲った範囲)を拡大した図3(b)に示すように、周波数314[MHz]において、第2ループアンテナ20の出力は、第1ループアンテナ10の出力に対して33.2[dB]低下(約45分の1)となっている。
つまり、周波数314[MHz]において、第2ループアンテナ20には、ほとんど電流が流れない、換言すれば、受信IC60には電流が流れないので、受信IC60において電力が消費されることがなくなる。したがって、送信電力の低下を抑制できるので、送信効率を向上させることができる。
一方、同じく図2に示す回路において、受信IC60の代わりに、交流電源を接続して、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20の出力を計測した結果を図4に示す。
図4では、交流電源の出力の周波数を横軸に、出力を縦軸に示してある。また、図2に示すループアンテナ1の回路の第1ループアンテナ10の出力を実線で、第2ループアンテナ20の出力を破線で示してある。
図4(a)に示すように、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20の出力は、周波数13.56[MHz]において共振していることが分かる。
また、図4(b)における周波数13.56[MHz]近傍(図4(a)中楕円で囲った範囲)を拡大した図4(b)に示すように、周波数13.56[MHz]において、第1ループアンテナ10の出力は、第2ループアンテナ20の出力に対して49[dB]低下(約9000分の1)となっている。
つまり、周波数13.56[MHz]において、第1ループアンテナ10における送信IC50には、ほとんど電流が流れず、受信電力の低下を抑制することができる。したがって、受信効率を向上させることができる。
以上より、第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で外部から印加される場合には、第1ループアンテナ10と第2ループアンテナ20とが1つのループアンテナとして作動するため、ループが形成する面積が、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20のループの面積を合わせた大きなループアンテナとなる。
したがって、外部から印加される電波、例えば、RFIDタグ用のアンテナとして用いられる場合には、第2ループアンテナ20の内側に電池などの金属があったとしても、第2ループアンテナ20単独の場合よりも受信効率を向上させることができる。
一方、第1共振周波数で電波を送信する場合には、第2ループアンテナ20に流れる電流は少なくなり、第2ループアンテナ20はループアンテナとして作動せず、第1ループアンテナ10のみから電波が送信されることになる。
したがって、第1ループアンテナ10に送信電波を供給するための回路用の電池などの金属を第2ループアンテナ20の内側に配置したとしても、その電池が損失となることがないので、送信効率を向上させることができる。
また、ループアンテナ1は、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20をプリント基板40に基板パターンとして実装しているので小型化することができる。
また、第2ループアンテナ20において、第2ループアンテナ20の有する誘導成分とで低域通過フィルタを形成するコンデンサ80を備えているので、第1ループアンテナ10から電波を送信する際には、第2ループアンテナ20に流れる電流は、低域通過フィルタで遮断される。したがって、第2ループアンテナ20)に電流が流れなくなるので、送信電力の低下を抑制することができる。
また、コンデンサ80がチップコンデンサであるため、ループアンテナ1を小型化することができる。
[第2実施形態]
次に、第1実施形態のループアンテナ1において、インダクタを追加した第2実施形態におけるループアンテナ2について、図5及び図6に基づき説明する。
なお、ループアンテナ2は、第1実施形態におけるループアンテナ1にインダクタを追加したものであり、その他の構成はループアンテナ1と同じであるため、同じ構成品には同じ符号を付し、その説明を省略する。
ループアンテナ2は、図5に示すように、接続部30として、プリント基板40上に、2つのチップインダクタ30,32が配置されており、この2つのチップインダクタ30,32を介して第2ループアンテナ20が第1ループアンテナ10に接続されている。
このような構成を有するループアンテナ2を等価回路で表すと図6のようになる。すなわち、第2ループアンテナ20に2つのチップインダクタ30,32が受信IC60を挟んで直列接続されている。
このようなループアンテナ2では、第1実施形態におけるループアンテナ1に比べ、より、送信効率や受信効率を向上させることができる。
すなわち、第1実施形態におけるループアンテナ1の場合、配線の構成によっては、プリント基板40に基板パターンとして実装されている第2ループアンテナ20が寄生容量を持つ場合がある。その場合、第2ループアンテナ20によって形成されるLCフィルタのカットオフ特性が劣化する。
この場合、第2実施形態におけるループアンテナ2のように、接続部30としてインダクタを追加することにより、第2ループアンテナ20の形成するLCフィルタに十分なカットオフ特性を持たせることができるようになる。
すると、送信IC50からの電波送信時には、受信IC60において電力が消費されず、受信IC60での電波受信時には、送信IC50において電力が消費されないので、送信効率及び受信効率を向上させることができる。
また、チップインダクタ30,32を用いているので、容易に誘導性を有する接続部30を構成することができ、ループアンテナを小型化することができる。
[第3実施形態]
次に、第2実施形態における第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20を複数周回のループにしたループアンテナ3について、図7及び図8に基づいて説明する。
ループアンテナ3は、図7及び図8に示すように、第2実施形態における第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20を複数周回(本第3実施形態では、2周回)のループにしている。
第1ループアンテナ10の内周側(第1ループアンテナ10b)が送信IC50にコンデンサ82,84を介して直列接続され、外周側(第1ループアンテナ10a)がコンデンサ92,94を介して、内周側ループアンテナ10bに並列接続されている。
第2ループアンテナ20の外周側(第2ループアンテナ20a)の一端がチップインダクタ34を介して内周側の第1ループアンテナ10bの一端に接続され、他端がチップインダクタ36を介して外周側の第1ループアンテナ10aの一端に接続されている。
第2ループアンテナ20の内周側(第2ループアンテナ20b)の一端がチップインダクタ30を介して、外周側の第1ループアンテナ10aの、外周側の第2ループアンテナ20aが接続されていない側に接続されており、他端がチップインダクタ32を介して内周側の第1ループアンテナ10bの、外周側の第2ループアンテナ20aが接続されていない側に接続されている。
このようなループアンテナ3では、第2実施形態におけるループアンテナ2に比べ、第1ループアンテナ10及び第2ループアンテナ20をそれぞれ複数周回のループで構成したので、受信効率及び送信効率が向上させることができる。
[第4実施形態]
次に、第2実施形態のループアンテナ2におけるインダクタをスイッチに変更した第4実施形態におけるループアンテナ4について、図9に基づき説明する。
なお、ループアンテナ4は、第2実施形態におけるループアンテナ2のインダクタをスイッチに変更したものであり、その他の構成はループアンテナ2と同じであるため、同じ構成品には同じ符号を付し、その説明を省略する。
また、ループアンテナ4の構成は、チップインダクタ30,32をスイッチ100,102に入れ替えるだけで図5に示す第2実施形態のループアンテナ2と同じとなるので構成図は省略する。
ループアンテナ4は、接続部30として、プリント基板40上に、2つのスイッチ100,102が配置されており、この2つのスイッチ100,102を介して第2ループア
ンテナ20が第1ループアンテナ10に接続されている。
このような構成を有するループアンテナ2を等価回路で表すと図9のようになる。すなわち、第2ループアンテナ20に2つのスイッチ100,102が受信IC60を挟んで直列接続されている。
このスイッチ100,102は、SPST(Single Pole/Single Throw)スイッチから構成されるスイッチである。なお、第1ループアンテナ10や第2ループアンテナ20が複数周回のループの場合には、ループの周回数に合わせてSPSTの極数を増加させればよい。
また、スイッチ100,102は、制御IC104によってオン/オフが制御される。この制御IC104は、プリント基板40に実装されており、第1ループアンテナ10で電波を送信する際には、スイッチ100,102をオフとし、第2ループアンテナ20で電波を受信する際には、スイッチ100,102をオンするようになっている。
このようなループアンテナ4では、スイッチ100,102を設けるという簡易な構造により容易に第1ループアンテナ10と第2ループアンテナ20の電気的接続をオン/オフすることができる。
1,2,3… ループアンテナ 10,10a,10b… 第1ループアンテナ 20,20a,20b… 第2ループアンテナ 30… 接続部(チップインダクタ) 32,34,36… チップインダクタ 40… プリント基板 50… 送信IC 60… 受信IC 70… 電池 80、82,84,86,92,94… コンデンサ 100,102… スイッチ 104… 制御IC。

Claims (14)

  1. 第1共振周波数にて励振される第1ループアンテナ(10)と、
    前記第1共振周波数において、前記第1ループアンテナより大きいインダクタンスを有し、前記第1共振周波数よりも低い周波数である第2共振周波数で励振される第2ループアンテナ(20)と、
    前記第2ループアンテナと前記第1ループアンテナとが、1つの電気的ループを形成することにより、1つのループアンテナとして励振できるように、前記第2ループアンテナと前記第1ループアンテナとを2点で電気的に接続する接続手段(30)と、
    を備えたことを特徴とするループアンテナ(1)。
  2. 請求項1に記載のループアンテナにおいて、
    前記接続手段は、誘導性を有することを特徴とするループアンテナ。
  3. 請求項2に記載のループアンテナにおいて、
    前記誘導性を有する接続手段は、コイルであることを特徴とするループアンテナ。
  4. 請求項3に記載のループアンテナにおいて、
    前記コイルは、チップインダクタであることを特徴とするループアンテナ。
  5. 請求項1に記載のループアンテナにおいて
    前記接続手段は、スイッチ(100,102)であることを特徴とするループアンテナ
  6. 請求項1〜請求項5のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第1ループアンテナは、複数周回のループで形成されていることを特徴とするループアンテナ、
  7. 請求項1〜請求項6のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第2ループアンテナは複数周回のループで形成されていることを特徴とするループアンテナ、
  8. 請求項1〜請求項7のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第1ループアンテナは、プリント基板(40)に基板パターンとして実装されていることを特徴とするループアンテナ。
  9. 請求項1〜請求項8のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第2ループアンテナは、プリント基板に基板パターンとして実装されていることを特徴とするループアンテナ。
  10. 請求項1〜請求項9のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第2ループアンテナにおいて、前記第2ループアンテナの有する誘導成分とで低域通過フィルタを形成するコンデンサ(80)を備えたことを特徴とするループアンテナ。
  11. 請求項1〜請求項10のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第1共振周波数で励振するときは、前記第1ループアンテナに接続された外部回路から供給される電気信号で励振されることを特徴とするループアンテナ。
  12. 請求項11に記載のループアンテナにおいて、
    前記第1共振周波数は、自動車のリモートシステムに使用される周波数であることを特徴とするループアンテナ。
  13. 請求項1〜請求項12のいずれか1項に記載のループアンテナにおいて、
    前記第2共振周波数で励振するときは、外部から印加される電波により励振されることを特徴とするループアンテナ。
  14. 請求項13に記載のループアンテナにおいて、
    前記第2共振周波数は、RFICタグで使用される周波数であることを特徴とするループアンテナ。
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