JP2015008383A

JP2015008383A - 磁界アンテナ

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Publication number: JP2015008383A
Application number: JP2013132514A
Authority: JP
Inventors: 小笠原　隆行; Takayuki Ogasawara; 隆行小笠原; 佐々木　愛一郎; Aiichiro Sasaki; 愛一郎佐々木; 森村　浩季; Hiroki Morimura; 浩季森村
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2013-06-25
Filing date: 2013-06-25
Publication date: 2015-01-15
Anticipated expiration: 2033-06-25
Also published as: JP5973387B2

Abstract

【課題】フィーダー線から発生する不要放射を効果的に低減すること。【解決手段】第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂを、電流入力フィーダー線１２と各自身でそれぞれ形成される矩形状の各電流ループＲ１，Ｒ２の内面積と、各自身にそれぞれ流れる各電流値Ｉ１，Ｉ２とを積算した各磁気モーメントの総和が０になるように配置する。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界を利用したアンテナの技術に関する。

約１０ＭＨｚ以下の低周波磁界は、人体や物といった周囲環境との相互作用が電界等と比べて著しく低いことから、通信エリアを限定した無線通信用の通信媒体として利用される。

特許文献１では、ループアンテナを流れる電流ループにより磁界を生成するアンテナを提供している。特に、ループアンテナと送受信装置間に介在する電流入出用と電流出力用の各フィーダー線を一定の距離内で平行に配置することにより、フィーダー線から発生する不要な磁界を低減している。

特開平５−１４５４５１号公報

しかしながら、磁界の強度は磁気モーメント（電流値×電流ループの内面積）に比例し、フィーダー線間の距離は当該電流ループの内面積に関する１つの要因のみを決定するにすぎないため、不要磁界の低減効果は限定的である。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、フィーダー線から発生する不要放射を効果的に低減することを目的とする。

請求項１に記載の磁界アンテナは、導線で構成される同心状の複数のアンテナの各一端に接続され、前記複数のアンテナに電流を入力するための１つの直線状の電流入力フィーダー線と、各一端が前記複数のアンテナの各他端にそれぞれ接続され、前記電流入力フィーダー線に一定の近接距離内で平行配置された直線状の複数の電流出力フィーダー線と、を有し、前記複数の電流出力フィーダー線は、前記電流入力フィーダー線と各自身でそれぞれ形成される矩形状の各電流ループの内面積と、各自身にそれぞれ流れる各電流値とを積算した各第１の磁気モーメントの総和が０になるように配置されていることを要旨とする。

請求項２に記載の磁界アンテナは、請求項１に記載の磁界アンテナにおいて、前記電流出力フィーダー線は、前記電流入力フィーダー線と自身に沿って矩形状に巻回され、巻回数を更に積算した前記第１の磁気モーメントとの総和が０になるように配置されていることを要旨とする。

請求項３に記載の磁界アンテナは、請求項１又は２に記載の磁界アンテナにおいて、前記電流出力フィーダー線は、最も内側の最内アンテナに接続されている最長の電流出力フィーダー線を除き、前記最長の電流出力フィーダー線の長さと等しくなるように前記最内アンテナ側へ延出され、前記延出された部分を一部として前記最内アンテナと前記電流入力フィーダー線に沿った矩形状のループ経路を有し、前記ループ経路による電流ループの内面積と自身に流れる電流値とを積算した第２の磁気モーメントとの更なる総和が０になるように配置されていることを要旨とする。

請求項４に記載の磁界アンテナは、前記電流出力フィーダー線は、前記ループ経路のループ数を更に積算した前記第２の磁気モーメントとの総和が０になるように配置されていることを要旨とする。

請求項５に記載の磁界アンテナは、請求項１乃至４のいずれかに記載の磁界アンテナにおいて、前記複数のアンテナは、同一平面上に配置され、流れる電流の進行方向が異なることを要旨とする。

請求項６に記載の磁界アンテナは、請求項１乃至５のいずれかに記載の磁界アンテナにおいて、前記複数のアンテナは、同心円状のループアンテナであることを要旨とする。

以上より、本発明によれば、複数の電流出力フィーダー線を、電流入力フィーダー線と各自身でそれぞれ形成される矩形状の各電流ループの内面積と、各自身にそれぞれ流れる各電流値とを積算した各磁気モーメントの総和が０になるように配置するため、フィーダー線から発生する不要放射を効果的に低減できる。

本発明によれば、フィーダー線から発生する不要放射を効果的に低減できる。

第１の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。磁界強度グラフを示す図である。第２の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。第３の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。第４の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。第５の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。第６の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。第７の実施の形態に係る磁界アンテナの構造を示す図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。この磁界アンテナ１は、２つのループアンテナ１１ａ，１１ｂと、各ループアンテナ１１ａ，１１ｂに電流を入力するための１つの電流入力フィーダー線１２と、各ループアンテナ１１ａ，１１ｂに流れる各電流をそれぞれ出力するための２つの電流出力フィーダー線１３ａ，１３ｂとを備えている。

第１のループアンテナ１１ａ及び第２のループアンテナ１１ｂは、それぞれ円弧状の導線で構成され、径の小さい第１のループアンテナ１１ａが径の大きい第２のループアンテナ１１ｂの内側になるように同一平面上で同心円状に配置されている。

電流入力フィーダー線１２は、直線状の導線で構成され、第１のループアンテナ１１ａと第２のループアンテナ１１ｂに流す各電流の進行方向を互いに逆方向（反時計回り・時計回り）にするようにそれらの各一端に接続されている。

第１の電流出力フィーダー線１３ａ及び第２の電流出力フィーダー線１３ｂは、それぞれ直線状の導線で構成され、各一端が第１のループアンテナ１１ａと第２のループアンテナ１１ｂの各他端にそれぞれ接続され、電流入力フィーダー線１２に対して一定の距離内で平行かつ近接するように配置されている。

ここで、電流入力フィーダー線１２に（Ｉ_１＋Ｉ_２）の電流が入力され、Ｉ_１の電流が第１のループアンテナ１１ａを介して第１の電流出力フィーダー線１３ａを流れ、Ｉ_２の電流が第２のループアンテナ１１ｂを介して第２の電流出力フィーダー線１３ｂを流れるとする。

また、電流入力フィーダー線１２と第１の電流出力フィーダー線１３ａとの間の距離をｌ_１とし、第１の電流出力フィーダー線１３ａの長さをｈ_１とする。同様に、電流入力フィーダー線１２と第２の電流出力フィーダー線１３ｂとの間の距離をｌ_２とし、第２の電流出力フィーダー線１３ｂの長さをｈ_２とする。

このとき、電流入力フィーダー線１２と第１の電流出力フィーダー線１３ａによって等価的な矩形状の電流ループＲ１が形成され、ｈ_１×ｌ_１×Ｉ_１の値をもつ磁気モーメントが生じる。同様に、電流入力フィーダー線１２と第２の電流出力フィーダー線１３ｂによって等価的な矩形状の電流ループＲ２が形成され、ｈ_２×ｌ_２×Ｉ_２の値をもつ磁気モーメントが生じる。それぞれに流れるＩ_１とＩ_２の電流の向き（正負の符号）は逆であるため、これら２つの磁気モーメントの正負の符号も逆になっている。

そこで、本実施の形態では、それら２つの磁気モーメントの総和が０（磁気モーメントの相殺）になるように、第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（１）を満たすように配置する。

ここで、このような配置構成と従来の配置構成で計測された各磁界強度グラフを図２に示す。縦軸は磁界強度であり、ループアンテナからの距離が０［ｍ］の場合の値を用いて規格化している。横軸はループアンテナからの距離であり、第２のループアンテナ１１ｂの半径で規格化している。

また、式（１）を満たすように、ｈ_１＝２０［ｃｍ］，ｈ_２＝１５［ｃｍ］，ｌ_１＝３［ｍｍ］，ｌ_２＝１［ｍｍ］，Ｉ_１＝１［Ａ］，Ｉ_２＝−４［Ａ］，第１のループアンテナ１１ａの半径＝５［ｃｍ］，第２のループアンテナ１１ｂの半径＝１０［ｃｍ］としている。

１００［ｄＢ／ｄｅｃ］の直線の傾きは２つのループアンテナ１１ａ，１１ｂのみにより生成される理想的な磁界分布を示しており、従来のような単なる平行配置のみでは、ループアンテナから離れた距離（２．０〜７．０付近）での磁界強度は理想的な磁界強度と乖離し、フィーダー線からの不要放射の影響が見受けられる。一方、本実施の形態の場合、同距離での磁界強度は理想的な磁界強度に近づいているため、従来よりも不要放射の影響が低減されていることを確認できる。

本実施の形態によれば、電流ループＲ１の内面積（ｈ_１×ｌ_１）と第１の電流出力フィーダー線１３ａに流れる電流値（Ｉ_１）とを積算した磁気モーメントと、電流ループＲ２の内面積（ｈ_２×ｌ_２）と第２の電流出力フィーダー線１３ｂに流れる電流値（Ｉ_２）とを積算した磁気モーメントとの総和が０になるように第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂを配置するので、フィーダー線により生じる磁気モーメントを打ち消すことができる。これにより、フィーダー線からの不要放射を効果的に低減でき、ループアンテナによる所望の磁界分布をより正確に実現できる。

〔第２の実施の形態〕
次に、第１の実施の形態の変形例について説明する。図３は、第２の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、第２の電流出力フィーダー線１３ｂを第１の電流出力フィーダー線１３ａの長さ（ｈ_１）と同程度になるように第１のループアンテナ１１ａの側へ延出（延長）し、その延出した部分を一部に用いて、第１のループアンテナ１１ａと電流入力フィーダー線１２に沿った（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つ矩形状のループ経路を形成する。それ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。

このとき、第１の実施の形態で説明した電流ループＲ１，Ｒ２以外に、延出による新たなループ経路によって等価的な矩形状の電流ループＲ２’が更に形成され、（ｈ_１−ｈ_２）×ｌ_２×Ｉ_２の値をもつ磁気モーメントが更に生じる。

そこで、本実施の形態では、各電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ２’に対応する３つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（２）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、第２の電流出力フィーダー線１３ｂの長さを第１の電流出力フィーダー線１３ａの長さと同程度にしたので、電流入力フィーダー線１２を中心軸とした磁気モーメントの線対称性が向上することから、より効果的に不要磁界を低減できる。

〔第３の実施の形態〕
続いても、第１の実施の形態の変形例について説明する。図４は、第３の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、第１の電流出力フィーダー線１３ａを電流入力フィーダー線１２と自身に沿って矩形状に１回巻回し、第２の電流出力フィーダー線１３ｂを電流入力フィーダー線１２と自身に沿って矩形状に２回巻回する。それ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。

ここで、第１の電流出力フィーダー線１３ａの巻回数をｎ_１とし、第２の電流出力フィーダー線１３ｂの巻回数をｎ_２とすると、電流ループＲ１にはｈ_１×ｌ_１×ｎ_１×Ｉ_１の値をもつ磁気モーメントが生じ、電流ループＲ２にはｈ_２×ｌ_２×ｎ_２×Ｉ_２の値をもつ磁気モーメントが生じる。

そこで、本実施の形態では、巻回数が更に積算されたそれら２つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（３）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、第１の電流出力フィーダー線１３ａや第２の電流出力フィーダー線１３ｂを巻回したので、例えば、ｈ_１を１／ｎ_１倍にし、ｈ_２を１／ｎ_２倍にできる。これにより、適切な回数で巻回することでｌ_１＝ｌ_２が可能になるため、電流入力フィーダー線１２を中心軸とした磁気モーメントの線対称性が向上し、より効果的に不要磁界を低減できる。また、ｈ_２をｈ_１と同程度になるように延出せずとも、ｈ_１やｈ_２の大きさを決定する選択肢を広げることが可能になり、不要磁界の低減効果を保持した状態でユーザに適した配置方法を選択できる。

〔第４の実施の形態〕
次に、第２及び第３の実施の形態を組み合わせた変形例について説明する。図５は、第４の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つループ経路に該当する導線部位を２回巻回する。それ以外の構成は、第２及び第３の実施の形態と同様である。

ここで、このループ経路のループ数をｎ_２’とすると、第２の実施の形態で説明した電流ループＲ２’には、（ｈ_１−ｈ_２）×ｌ_２×ｎ_２’×Ｉ_２の値をもつ磁気モーメントが生じる。

そこで、本実施の形態では、巻回数やループ数が更に積算された各電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ２’に対応する３つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１の電流出力フィーダー線１３ａと第２の電流出力フィーダー線１３ｂをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（４）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つループ経路の導線部位を複数回巻回したので、電流入力フィーダー線１２を中心軸とした磁気モーメントの線対称性が更に向上することから、より更に効果的に不要磁界を低減できる。特に、ｌ_１＝ｌ_２とすると、各電流出力フィーダー線１３ａ，１３ｂまでの距離とそれらの長さが共に一致し、理想的な線対称になるため、最も効果的に不要磁界を低減できる。

〔第５の実施の形態〕
これ以降の実施の形態では、ループアンテナを３つ以上に拡張した変形例について説明する。図６は、第５の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、第３のループアンテナ１１ｃと、第３の電流出力フィーダー線１３ｃとを更に備えている。それ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。

第３のループアンテナ１１ｃは、円弧状の導線で構成され、一端が電流入力フィーダー線１２に接続され、第２のループアンテナ１１ｂの外側になるように同一平面上で同心円状に配置されている。

第３の電流出力フィーダー線１３ｃは、直線状の導線で構成され、一端が第３のループアンテナ１１ｃの他端に接続され、電流入力フィーダー線１２に対して一定の距離内で平行かつ近接するように配置されている。

ここで、電流入力フィーダー線１２に（Ｉ_１＋Ｉ_２＋Ｉ_３）の電流が入力され、Ｉ_３の電流が第３のループアンテナ１１ｃを介して第３の電流出力フィーダー線１３ｃを流れるとする。また、電流入力フィーダー線１２と第３の電流出力フィーダー線１３ｃとの間の距離をｌ_３とし、第３の電流出力フィーダー線１３ｃの長さをｈ_３とする。

このとき、第１の実施の形態で説明した電流ループＲ１，Ｒ２以外に、電流入力フィーダー線１２と第３の電流出力フィーダー線１３ｃによって等価的な矩形状の電流ループＲ３が更に形成され、ｈ_３×ｌ_３×Ｉ_３の値をもつ磁気モーメントが更に生じる。

そこで、本実施の形態では、各電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ３に対応する３つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１〜第３の電流出力フィーダー線１３ａ〜１３ｃをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（５）を満たすように配置する。

すなわち、電流ループＲがＮ個の場合には、式（１）や式（５）を一般化した以下の式（６）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、電流ループＲ３の内面積（ｈ_３×ｌ_３）と第３の電流出力フィーダー線１３ｃに流れる電流値（Ｉ_３）とを積算した磁気モーメントとの更なる総和が０になるように第１〜第３の電流出力フィーダー線１３ａ〜１３ｃを配置するので、フィーダー線からの不要放射を効果的に低減できる。

〔第６の実施の形態〕
次に、第２及び第５の実施の形態を組み合わせた変形例について説明する。図７は、第６の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、第２の実施の形態で説明したように（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つ矩形状のループ経路を形成すると共に、第３の電流出力フィーダー線１３ｃを第１の電流出力フィーダー線１３ａの長さ（ｈ_１）と同程度になるように第１のループアンテナ１１ａの側へ延出して（ｈ_１−ｈ_３）の辺を持つ矩形状のループ経路を更に形成する。それ以外の構成は、第５の実施の形態と同様である。

このとき、第５の実施の形態で説明した電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ３以外に、延出による新たな２つのループ経路によって等価的な矩形状の電流ループＲ２’と電流ループＲ３’が更に形成され、（ｈ_１−ｈ_２）×ｌ_２×Ｉ_２の値をもつ磁気モーメントと（ｈ_１−ｈ_３）×ｌ_３×Ｉ_３の値をもつ磁気モーメントが更に生じる。

そこで、本実施の形態では、各電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ２’，Ｒ３，Ｒ３’に対応する５つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１〜第３の電流出力フィーダー線１３ａ〜１３ｃをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（７）を満たすように配置する。

すなわち、電流ループＲがＮ個の場合には、式（２）や式（７）を一般化した以下の式（８）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、第２の電流出力フィーダー線１３ｂの長さと第３の電流出力フィーダー線１３ｃの長さを第１の電流出力フィーダー線１３ａの長さと同程度にしたので、電流入力フィーダー線１２を中心軸とした磁気モーメントの線対称性が向上することから、より効果的に不要磁界を低減できる。

〔第７の実施の形態〕
次に、第４及び第６の実施の形態を組み合わせた変形例について説明する。図８は、第７の実施の形態に係る磁界アンテナ１の構造を示す図である。

本実施の形態では、第１の電流出力フィーダー線１３ａを電流入力フィーダー線１２と自身に沿って矩形状に１回巻回（巻回数：ｎ_１）し、第２の電流出力フィーダー線１３ｂを電流入力フィーダー線１２と自身に沿って矩形状に２回巻回（巻回数：ｎ_２）し、第３の電流出力フィーダー線１３ｃを電流入力フィーダー線１２と自身に沿って矩形状に２回巻回（巻回数：ｎ_３）する。

また、（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つループ経路に該当する導線部位を２回巻回（ループ数：ｎ_２’）し、（ｈ_１−ｈ_３）の辺を持つループ経路に該当する導線部位を２回巻回（ループ数：ｎ_３’）する。それ以外の構成は、第６の実施の形態と同様である。

そして、本実施の形態では、巻回数やループ数が更に積算された各電流ループＲ１，Ｒ２，Ｒ２’，Ｒ３，Ｒ３’に対応する５つの磁気モーメントの総和が０になるように、第１〜第３の電流出力フィーダー線１３ａ〜１３ｃをそれぞれ配置する。具体的には、以下の式（９）を満たすように配置する。

すなわち、電流ループＲがＮ個の場合には、式（４）や式（９）を一般化した以下の式（１０）を満たすように配置する。

本実施の形態によれば、第１〜第３の電流出力フィーダー線１３ａ〜１３ｃを巻回し、（ｈ_１−ｈ_２）の辺を持つループ経路や（ｈ_１−ｈ_３）の辺を持つループ経路の各導線部位をそれぞれ巻回したので、電流入力フィーダー線１２を中心軸とした磁気モーメントの線対称性が更に向上することから、より更に効果的に不要磁界を低減できる。

最後に、各実施の形態では、同心円状のループアンテナを例に説明したが、そのような円弧形のループアンテナ以外に、円弧状に近い正十二角形のアンテナや、それほど円弧状に近くない正方形や長方形のアンテナを同心状に配置した場合でも、類似の効果を得ることができる。

１…磁界アンテナ
１１ａ〜１１ｃ…第１〜第３のループアンテナ
１２…電流入力フィーダー線
１３ａ〜１３ｃ…第１〜第３の電流出力フィーダー線

Claims

導線で構成される同心状の複数のアンテナの各一端に接続され、前記複数のアンテナに電流を入力するための１つの直線状の電流入力フィーダー線と、
各一端が前記複数のアンテナの各他端にそれぞれ接続され、前記電流入力フィーダー線に一定の近接距離内で平行配置された直線状の複数の電流出力フィーダー線と、を有し、
前記複数の電流出力フィーダー線は、
前記電流入力フィーダー線と各自身でそれぞれ形成される矩形状の各電流ループの内面積と、各自身にそれぞれ流れる各電流値とを積算した各第１の磁気モーメントの総和が０になるように配置されていることを特徴とする磁界アンテナ。
前記電流出力フィーダー線は、
前記電流入力フィーダー線と自身に沿って矩形状に巻回され、巻回数を更に積算した前記第１の磁気モーメントとの総和が０になるように配置されていることを特徴とする請求項１に記載の磁界アンテナ。
前記電流出力フィーダー線は、
最も内側の最内アンテナに接続されている最長の電流出力フィーダー線を除き、前記最長の電流出力フィーダー線の長さと等しくなるように前記最内アンテナ側へ延出され、前記延出された部分を一部として前記最内アンテナと前記電流入力フィーダー線に沿った矩形状のループ経路を有し、前記ループ経路による電流ループの内面積と自身に流れる電流値とを積算した第２の磁気モーメントとの更なる総和が０になるように配置されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界アンテナ。
前記電流出力フィーダー線は、
前記ループ経路のループ数を更に積算した前記第２の磁気モーメントとの総和が０になるように配置されていることを特徴とする請求項３に記載の磁界アンテナ。
前記複数のアンテナは、
同一平面上に配置され、流れる電流の進行方向が異なることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載の磁界アンテナ。
前記複数のアンテナは、
同心円状のループアンテナであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれかに記載の磁界アンテナ。