JP2015095749A

JP2015095749A - 磁界ループアンテナ

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Publication number: JP2015095749A
Application number: JP2013233895A
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: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2015-05-18

Abstract

【課題】磁界分布における非通信領域を低減させることが可能な磁界ループアンテナを提供する。【解決手段】磁界ループアンテナ１は、通信用の送信側として使用されるアンテナであり、同心円状の複数の電流ループ、例えば図１のような２つの電流ループ（具体的には導線）によって構成される。外側の電流ループにＩ１ｓｉｎθのキャリア信号が与えられ、内側のループには、位相がΦずれたＩ２ｓｉｎ（θ＋Φ）のキャリア信号が与えられる。但し、Ｉ１，Ｉ２ともに＞０である。【選択図】図１

Description

本発明は、磁界ループアンテナに関するものである。

20ＭＨｚ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。

一般に磁界は、電流ループによって生成することが可能である。そして、非特許文献１のように、送受のループが対向する向きに設置された状態で磁界通信を行う。

トランジスタ技術Ｊｒ２０１３年１−２月合併号 CQ出版社

しかし、非特許文献１のような、１つの平面上に設置された送信ループが作り出す磁界では、送受信機の持つループアンテナの中心軸がずれると読み取りが困難になるという課題があった。課題の例としてｘ−ｙ平面に設置された送信ループを図１３に、その送信ループが作る磁界分布を図１４に示す。図の磁界分布は、ｚ−ｘ平面における磁界強度の分布を示したもので、磁界強度は原点から離れるにしたがい、等高線で示すように減衰する。ｘ軸、ｚ軸は距離を送信ループの最外径で規格した規格化距離である。点線で囲われている領域（以下、非通信領域と呼ぶ）は、理論的に磁束密度がゼロとなる空間であり、等高線が著しく落ち込んでいる。この空間に受信側のループ（図示せず）の中心が位置すると、受信ループを貫く磁力線がゼロ本となるため、信号を検出できず磁界通信を行うことができない。

本発明は、このような課題に鑑みなされたものであり、磁界分布における非通信領域を低減させることが可能な磁界ループアンテナを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、同心円状の複数の電流ループで構成され、前記各電流ループに流れる電流の向きが同じであり、前記各電流が互いに異なる位相を有することを特徴とする磁界ループアンテナをもって解決手段とする。

第２の本発明は、同心円状の複数の電流ループで構成され、隣り合う前記電流ループに流れる電流の向きが互いに逆であり、前記各電流が互いに異なる位相を有することを特徴とする磁界ループアンテナをもって解決手段とする。

本発明によれば、磁界分布における非通信領域を低減させることができる。よって、通信可能な空間を広げることができ、その結果、受信側のアンテナの中心とずれても確実に通信を行える。

第１の実施の形態に係る磁界ループアンテナ１を示す図である。磁界ループアンテナ１による磁界分布を示す図である。磁界ループアンテナ１においてΦを０度から３６０度まで変化させた際の非通信領域の軽減効果を示す図である。第２の実施の形態に係る磁界ループアンテナ２を示す図である。磁界ループアンテナ２においてΦを０度から３６０度まで変化させた際の非通信領域の軽減効果を示す図である。第３の実施の形態に係る磁界ループアンテナ３を示す図である。磁界ループアンテナからの距離に応じて相対磁界強度が３、５、７、９乗減衰することを示す図である。２重の磁界ループアンテナを用いて生じさせた５乗減衰の磁界分布を示す図である。２度の位相差を与えた際の磁界分布を示す図である。相対磁界強度の５乗減衰において遠方で３乗減衰が発生する様子を示す図である。５乗減衰特性が得られる領域と、その領域で得られる最大の改善度の関係を示す図である。２ループ間の位相差と規格化距離の関係を示す図である。ｘ−ｙ平面に設置された送信ループを示す図である。図１３の送信ループが作る磁界分布を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。但し、本発明は多くの異なる様態で実施することが可能であり、本実施の形態の記載内容に限定して解釈すべきではない。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係る磁界ループアンテナ１を示す図である。

磁界ループアンテナ１は、通信用の送信側として使用されるアンテナであり、同心円状の複数の電流ループ、例えば図１のような２つの電流ループ（具体的には導線）によって構成される。外側の電流ループにＩ_１ｓｉｎθのキャリア信号が与えられ、内側のループには、位相がΦずれたＩ_２ｓｉｎ（θ＋Φ）のキャリア信号が与えられる。但し、Ｉ１，Ｉ２ともに＞０である。つまり、電流の方向は同一である。なお、３個以上の電流ループを使用する場合は、全ての電流の方向を同一とし、位相は互いに異ならせる。

上記のΦを与えることで、図２に示す磁界分布ように非通信領域の影響を低減することができる。

図３は、磁界ループアンテナ１においてΦを０度から３６０度まで変化させた際の非通信領域の軽減効果を示す図である。

縦軸は、従来技術に対する相対的な信号強度の増加量に対応する相対信号強度を示す。Φが１８０度のときに、非通信領域の改善効果（相対信号強度）が最大となり、約５．５ｄＢの増加となる。

このように、電流ループ間に流れるキャリア信号に位相差を与えることにより効果的に非通信領域の影響を軽減させることができ、通信可能な領域を確保することができる。その結果、磁界ループアンテナ１の中心と受信側のアンテナの中心が互いにずれても確実に通信を行える。

［第２の実施の形態］
図４は、第２の実施の形態に係る磁界ループアンテナ２を示す図である。

磁界ループアンテナ２は、磁界ループアンテナ１に対し、電流Ｉ１とＩ２が互いに逆方向に流れることが異なる。その他は磁界ループアンテナ１と同様である。なお、３個以上の電流ループを使用する場合は、隣り合う電流ループに流れる電流の向きを互いに逆とする。例えば、３個の電流ループを使用する場合、電流の向きは、例えば、半径が最小の電流ループから順に時計回り、反時計回り、時計回りとする。

図５は、磁界ループアンテナ２においてΦを０度から３６０度まで変化させた際の非通信領域の軽減効果を示す図である。

Φが０から増加するにしたがい、非通信領域の減少量が少なくなるが、これは受信ループを貫く磁束密度が増加するからであり、通信可能領域が広がることを意味する。Φが１８０度のときに、非通信領域の改善効果が最大となり、約６．４ｄＢの増加となる。第１の実施の形態に対してより効果的に非通信領域を低減させることができる。

このように、電流ループ間に流れるキャリア信号に位相差を与えることにより効果的に非通信領域を低減させることができ、通信可能な領域を確保することができる。その結果、磁界ループアンテナ２の中心と受信側のアンテナの中心が互いにずれても確実に通信を行える。

［第３の実施の形態］
図６は、第３の実施の形態に係る磁界ループアンテナ３を示す図である。

磁界ループアンテナ３は、磁界ループアンテナ２の変形例である。磁界ループアンテナ３では、Ｎを電流ループの数、Ｉ_ｋを電流ループｋ（ｋ＝１，２,…,Ｎ）に流れる電流（ただし、電流の方向に応じて正または負の値をとる）、ｒ_ｋを電流ループｋの半径とした場合、次のＮ−１個の式

の値がそれぞれ０であることを特徴とする。その他は磁界ループアンテナ２と同様である。

このような条件を満たすことで、磁界ループアンテナ３から生じる磁界は、通常の３乗減衰以上に急峻な２（Ｎ＋１）乗減衰を生じる。２（Ｎ＋１）減衰の例として３、５、７、９乗減衰を図７に示す。図７の横軸ｚ／ｒは、磁界ループアンテナ３からの距離を当該アンテナの最外径で規格化した値の対数値である。後述の図１０も同様である。

このような急峻に減衰する磁界においても非通信領域が存在する。例として、図４と同様の２重の磁界ループアンテナを用いて生じさせた５乗減衰の磁界分布を図８に示す。図８における点線で囲われている領域が非通信領域であり、磁束密度が著しく低下している。

第２の実施の形態と同様に、磁界ループアンテナ３に流れる電流に位相差を設けることで非通信領域を縮小させることができる。例として２度の位相差を与えた際の磁界分布を図９に示す。位相差を設けない場合（図８）に比べて、非通信領域が低減されている。

しかし、第１および第２の実施の形態と異なる点として、磁界ループアンテナに流れる電流に位相差を設けると、アンテナから遠方において急峻な２（Ｎ＋１）減衰が無くなり、緩慢な３乗減衰が生じてしまう（図１０）。第１および第２の実施の形態では、もともと３乗減衰を利用しているので、このように減衰特性が変わる現象は起こらない。

磁界ループアンテナから所定の距離までは通信でき、それより遠くでは通信できないような、すなわち高精度なエリア限定を実現するには、通信に利用したい通信距離内において３乗以上の２（Ｎ＋１）乗減衰を確保する必要がある。たとえば通信距離を１ｍとしたとき、高精度にエリア限定するためには、３乗以上の磁界が少なくとも１ｍ以上は広がっていなければならない。この理由は、１ｍよりも小さいと、通信距離内に緩慢な３乗減衰が含まれてしまうことで閾値判定誤差が大きくなり、正確な位置推定が困難となるためである。３乗以上の減衰から３乗減衰に変わる座標を、３ｄＢのかい離が生じた座標とし、図１０では矢印間の幅が３ｄＢとなる座標とする。緩慢な３乗減衰の影響の回避を考慮すると、上記条件を満たすことで、所望の２（Ｎ＋１）乗減衰特性を確保できる領域が通信エリアよりも広く、かつ、その領域内では位相差により非通信領域が可能な限り低減されている状態が得られる。

５乗減衰特性が得られる領域と、その領域で得られる最大の改善度の関係を図１１に示す。横軸は磁界ループアンテナ３からの距離をアンテナの最外径で規格化した値を用いた。例えば規格化距離が４であり磁界ループアンテナ３の最外径が０．２５ｍならば、実際の距離は０．２５ｍの４倍、すなわち１ｍである。図１１から、より短い規格化距離で通信を行う場合は、より多くの位相差を与えることが許容されるので、改善度も大きな値を得られることが分かる。この図１１の関係を用いることで所望の２（Ｎ＋１）乗減衰特性を確保でき、かつ最大の改善度を得られる。すなわち、最適な関係であると言える。図１１の改善度を実現するには、図１２に示す位相差を与えればよい。図１２において横軸は、隣り合う２ループ間の位相差である。

このように、上記条件を満たしつつ、かつループ間に流れるキャリア信号の位相差としては、図１１、図１２に従って最適値を与えることにより、効果的に非通信領域を消失させることができ、通信可能な領域を確保することができる。

１、２、３磁界ループアンテナ

Claims

同心円状の複数の電流ループで構成され、前記各電流ループに流れる電流の向きが同じであり、前記各電流が互いに異なる位相を有することを特徴とする磁界ループアンテナ。
同心円状の複数の電流ループで構成され、隣り合う前記電流ループに流れる電流の向きが互いに逆であり、前記各電流が互いに異なる位相を有することを特徴とする磁界ループアンテナ。
請求項２に記載の磁界ループアンテナにおいて、Ｎを電流ループの数、Ｉ_ｋを電流ループｋ（ｋ＝１，２,…,Ｎ）に流れる電流（ただし、電流の方向に応じて正または負の値をとる）、ｒ_ｋを電流ループｋの半径とした場合、次のＮ−１個の式
の値がそれぞれ０であることを特徴とする磁界ループアンテナ。