JP2017041665A

JP2017041665A - ループアンテナアレイ群

Info

Publication number: JP2017041665A
Application number: JP2015160394A
Authority: JP
Inventors: 愛一郎佐々木; Aiichiro Sasaki; 文晴森澤; Fumiharu Morisawa; 浩季森村; Hiroki Morimura; 勉溝田; Tsutomu Mizota; 修加々見; Osamu Kagami
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2015-08-17
Filing date: 2015-08-17
Publication date: 2017-02-23
Anticipated expiration: 2035-08-17
Also published as: JP6392715B2; EP3340382A1; US20180205157A1; CN107925164B; EP3340382A4; KR20180006981A; CN107925164A; EP3340382B1; WO2017030001A1; KR102019807B1; US10777909B2

Abstract

【課題】通信エリアの境界を明確に設定可能な磁界分布を容易に創り出せるループアンテナアレイを提供する。【解決手段】ｎを自然数とした場合に、２ｎ個のループアンテナが隣接し、隣接するループアンテナの間で、電流の向きが逆方向である。例えば、ループアンテナアレイ１は、絶縁体基板１０の上に、ループアンテナ１１と１２との２つのループアンテナが隣接して配置され、第１給電点１３ａ，１３ｂはループアンテナ１１を給電し、第２給電点１４ａ，１４ｂはループアンテナ１２を給電する。【選択図】図１

Description

本発明は、通信エリアの境界を明確に設定可能なループアンテナアレイに関する。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信（エリア限定無線）に対するニーズが高まっている。例えば、特許文献１に開示された電界通信システムは、エリア限定無線を実現するための一手段である。

一方、低周波（およそ10MHz）の磁界は、人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。例えば、特許文献２に開示されたループアンテナは、限定した空間に磁界を発生させる。

特開２００７−１７４５７０号公報特開２０１３−２２３１１７号公報

電界通信では、環境に設置されたアクセスポイント装置の近傍のエリアに存在する端末装置だけが、アクセスポイント装置との通信を行うことができる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は、設置環境や利用者の姿勢などに大きく依存するため、明確な近傍のエリアを電界によって実現することが困難である。したがって、通信すべき位置に存在している端末装置が通信不能になる場合や、その逆の場合などが生じ、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することが難しい。

そこで、特許文献２に開示されているように低周波磁界を通信媒体として用いることが考えられる。通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような磁界部分を創り出すことができれば、信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができる。

しかし、特許文献２に開示された同心円状に配置されたループアレイアンテナでは、ループ間の相互作用が大きいため、アレイを構成する各ループアンテナに意図した電流量を正確に流すことが困難である。その結果、通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような磁界部分を創り出すことが難しいという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、通信エリアの境界を明確に設定可能な磁界分布を容易に創り出せるループアンテナアレイを提供することである。

本発明のループアンテナアレイは、ｎを自然数とした場合に、２^ｎ個のループアンテナが隣接し、隣接する前記ループアンテナの間で、電流の向きが逆方向であることを要旨とする。

本発明のループアンテナアレイによれば、通信エリアの境界を明確に設定可能な磁界分布を容易に創り出せるループアンテナアレイを提供することができる。

第１実施形態のループアンテナアレイ１の構成例を示す図である。ループアンテナアレイ１の変形例を示す図である。ループアンテナアレイ１の縦横比を変えた例を示す図である。第２実施形態のループアンテナアレイ２の構成例を示す図である。第３実施形態のループアンテナアレイ３の構成例を示す図である。第４実施形態のループアンテナアレイ４の構成例を示す図である。第５実施形態のループアンテナアレイ５の構成例を示す図である。磁界分布のシミュレーション条件を示す図であり、（ａ）はｚ−ｘ面、（ｂ）はｚ−ｗ面を表す。磁界分布のシミュレーション結果を示す図であり、（ａ）はｚ−ｘ面、（ｂ）はｚ−ｗ面である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態のループアンテナアレイ１の構成例を示す。本実施形態のループアンテナアレイ１は、絶縁体基板１０と、ループアンテナ１１と、ループアンテナ１２と、第１給電点１３ａ，１３ｂと、第２給電点１４ａ，１４ｂとを具備する。ループアンテナ１は、絶縁体基板１０の上に、ループアンテナ１１，１２の２つのループアンテナが隣接して配置される。

第１給電点１３ａ，１３ｂは、ループアンテナ１１を給電する、第２給電点１４ａ，１４ｂは、ループアンテナ１２を給電する。第１給電点１３ａと第２給電点１４ａとは正極（＋）、第１給電点１３ｂと第２給電点１４ｂとは負極（−）である。

絶縁体基板１０は、非磁性で且つ非導通の絶縁体の基板であり、例えばアクリル、テフロン、セラミック等を材料とする基板である。この例では、絶縁体基板１０の形状を正方形で示すが、基板の形状はどのような形状で有ってもよい。

この例のループアンテナ１１，１２の形状は、それぞれが例えば半円形状である。ループアンテナ１１を形成する導体パターンは、絶縁体基板１０の中央付近に配置された第１給電点１３ａ（＋）から絶縁体基板１０の外縁方向に延長されて半円形状の一方の底辺部分を形成する。そして、導体パターンは、外縁に近い部分から絶縁体基板１０の他方の外縁に近い部分に向けて半円を描くように延長される。その後、導体パターンは、絶縁体基板１０の中央付近に配置された第１給電点１３ｂ（−）に向けて半円形状の他方の底辺部分を描くように延長され、ループアンテナ１１を形成する。

ループアンテナ１２は、絶縁体基板１０の平面を、当該基板の中央を原点とするｘｙ平面とした場合に、絶縁体基板１０のｘ軸を基準としたループアンテナ１１と線対称の位置に形成される。ループアンテナ１２は、同様に第１給電点１３ａ，１３ｂと線対称の位置に配置される第２給電点１４ａ，１４ｂで給電され、−ｙ方向に凸のループアンテナ１１と同形状のループアンテナである。

第１給電点１３ａ，１３ｂと第２給電点１４ａ，１４ｂとは、２つのループアンテナ１１及び１２に等しい交流電流を印加する。第１給電点１３ａ，１３ｂと第２給電点１４ａ，１４ｂとに給電する信号源は、１台を共用しても良いし、２台の信号源を用意しても良い。但し、ループアンテナ１１，１２に印加する交流電流の位相は同期させる必要がある。

一般に、電流ループが遠方に生成する磁界の振幅は、磁気双極子モーメントベクトルｍの大きさに比例する。磁気双極子モーメントベクトルｍは次式で与えられる。

Ｉは、導体ループ（ループアンテナ）を流れる電流である。Ｓは、ループアンテナに囲まれた領域の面積ベクトルである。ｍの方向は、電流の方向に対して右ネジの方向である。

同一基板（絶縁体基板１０）上に隣接して配置された２つのループアンテナに、等量の電流を流すと、それぞれの磁気双極子モーメントベクトルｍの向きは逆向になる。これは、ループアンテナ１１を流れる電流の向きが時計方向、ループアンテナ１２を流れる電流の向きが反時計方向であることによる。

この結果、２つのループアンテナ１１と１２との磁気双極子モーメントベクトルｍの和は零になる。つまり、遠方での磁界は急速に減衰する特性を示す。したがって、このように形成したループアンテナアレイは、単一のループアンテナでは得ることのできないシャープな磁界分布を創り出すことができる。具体的な磁界分布については後述する。

図２に、ループアンテナアレイ１の変形例を示す。図２（ａ）は、ループアンテナ１１，１２を、長方形の形状にした例を示す。図２（ｂ）は、ループアンテナ１１，１２を、二等辺三角形の形状にした例を示す。

ループアンテナの形状は、上記の例に限定されない。ループアンテナの形状は、ループアンテナアレイを構成する導体ループが形成するそれぞれの領域の面積が等しければ、ループアンテナアレイ間で異なっていても構わない。

また、絶縁体基板１０の縦横比（アスペクト比）は１である必要はない。図３に示す様に、絶縁体基板１０の形状は、長方形でも良い。つまり、ループアンテナの形状は、絶縁体基板１０のｙ軸方向に圧縮し、ｘ軸方向に延長しても構わない。

以上説明したように、ループアンテナアレイ１によれば、従来技術のように２つのループアンテナを同心円状に配置しないので、その間の相互作用が無い。したがって、ループアンテナ１１，１２に意図した電流量を正確に流すことができる。その結果、設計通りに、通信エリアの境界を明確に決定できるシャープな磁界分布を持つループアンテナアレイを実現することができる。

〔第２実施形態〕
図４に、第２実施形態のループアンテナアレイ２の構成例を示す。本実施形態のループアンテナアレイ２は、ループアンテナアレイ１の給電点の数を減らしたものである。

ループアンテナアレイ２は、一対の給電点２３ａ，２３ｂを具備する。ループアンテナ１１，１２は、一対の給電点２３ａ，２３ｂによって給電される。正極（＋）である給電点２３ａは、上記の第２給電点１４ａの位置に配置される。負極（−）である給電点２３ｂは、上記の第１給電点１３ｂの位置に配置される。つまり、給電点２３ａと給電点２３ｂとは、原点を中心とした点対称の位置に配置される。

絶縁体基板１０のｘｙ平面の−ｙ方向に配置されるループアンテナ１２の半円形状の底辺の基板中央部分の一端は、給電点２３ａに接続される。ループアンテナ１２の半円形状の他方の基板中央部分の底辺の端部は、給電点２３ａと２３ｂとの間を延長されループアンテナ１１の半円形状の一方の底辺の基板中央部分に接続される。

そして、ループアンテナ１１の半円形状の他方の底辺の端部が給電点２３ｂに接続される。このように、例えば給電点２３ａを始点とし、給電点２３ｂを終点とするいわゆる一筆書きで描けるようにループアンテナ１１，１２を構成することで、給電点の数を減らすことができる。なお、給電点の数を減らしたループアンテナアレイ２の磁界分布は、上記のループアンテナアレイ１と同じである。

〔第３実施形態〕
図５に、第３実施形態のループアンテナアレイ３の構成例を示す。本実施形態のループアンテナアレイ３は、絶縁体基板１０上に、４個のループアンテナ３１，３２，３３，３４を配置したものである。なお、給電点２３ａ，２３ｂは、参照符号から明らかなように上記のループアンテナアレイ２の給電点と同じものである。給電点２３ａは、絶縁体基板１０の平面中央を原点とするｘｙ座標系の第三象限の原点付近に配置され、給電点２３ｂは第一象限の原点付近に配置される。

ループアンテナ３１，３２，３３，３４のそれぞれの形状は、円を４分割した扇形の形状である。第三象限に配置されるループアンテナ３１の扇形の一方の半径の始点は、給電点２３ａで給電される。

給電点２３ａから−ｘ方向に延長される導体パターンは、扇形の一方の半径を形成した後、円弧、及び他方の半径を形成して第三象限にループアンテナ３１を構成する。続いて導電パターンは、＋ｘ方向に延長され、第四象限に配置されるループアンテナ３２の扇形の一方の半径、円弧、及び他方の半径を構成する。

そして、ループアンテナ３２の他方の半径の終端部分は、例えば図示を省略しているスルーホールを介して絶縁体基板１０の裏面に延長される。絶縁体基板１０の裏面に延長された導体パターン（破線）は、図示を省略している第二象限の原点付近に配置されたスルーホールで再び絶縁体基板１０の表面に形成される。

図示を省略しているスルーホールから絶縁体基板１０の表面に延長された導体パターンは、−ｘ方向に延長され、第二象限に配置されるループアンテナ３３の扇形の一方の半径、円弧、及び他方の半径を構成する。そして、ループアンテナ３３の他方の半径の終端部分は、原点付近において他の導体パターンと接触しないように＋ｘ方向に延長され、第一象限に配置されるループアンテナ３４の一方の半径、円弧、及び他方の半径を構成する。ループアンテナ３４の他方の半径の終端部は、給電点２３ｂに接続する。

このように構成された各々のループアンテナの円弧部分に流れる電流の向きは、隣接するループアンテナ同士の間で逆方向である。ループアンテナ３１の円弧部分に流れる電流は、反時計方向で有るのに対して、隣接するループアンテナ３２と３３の円弧部分に流れる電流の向きは時計方向である。また、ループアンテナ３２の円弧部分を流れる電流の向きは、時計方向で有るのに対して、隣接するループアンテナ３１と３４の円弧部分に流れる電流の向きは反時計方向である。

このように隣接して配置された４つのループアンテナ３１，３２，３３，３４に、等量の電流を流すと、それぞれの磁気双極子モーメントベクトルｍの総和が零になるだけでなく、磁気四重極子モーメントの総和も零にすることができるので、磁気八重極子として機能する。したがって、磁気四重極子モーメントを有するループアンテナアレイ１及び２よりもさらにシャープな磁界分布を得ることができる。

〔第４実施形態〕
図６に、第４実施形態のループアンテナアレイ４の構成例を示す。本実施形態のループアンテナアレイ４は、絶縁体基板１０の上に８個のループアンテナ４１〜４９を配置したものである。

ループアンテナアレイ４は、各アンテナの形状を正方形形状とした上記のループアンテナアレイ３を、絶縁体基板１０の上に複数具備（２個並列に配置）したものである。つまり、一対の給電点４５ａ，４５ｂで給電されるループアンテナ４１と４２と４３と４４とは、磁気八重極子モーメントを生成する。また、他の一対の給電点５０ａ，５０ｂで給電されるループアンテナ４６と４７と４８と４９とは、磁気八重極子モーメントベクトルを生成する。

なお、一対の給電点４５ａ，４５ｂとループアンテナ４１と４２と４３と４４との接続関係は、上記のループアンテナアレイ３（図５）と同じである。また、他の一対の給電点５０ａ，５０ｂとループアンテナ４６と４７と４８と４９との接続関係も、上記のループアンテナアレイ３（図５）と同じである。

ただし、給電点が異なる隣接するループアンテナ間でも電流の向きを逆方向にするため、一方の給電点４５ａ，４５ｂと、他方の給電点５０ａ，５０ｂとの極性は逆である。つまり、一方の給電点４５ａ（＋）と同じ位置関係にある他方の給電点５０ａ（−）の極性は反対である。同様に、一方の給電点４５ｂ（−）と同じ位置関係にある他方の給電点５０ｂ（＋）の極性は反対である。

このように隣接するループアンテナアレイの給電点の同じ位置関係にある給電点同士の極性を反転させることで、隣接する全てのループアンテナ間において流れる電流の向きを逆方向にすることができる。その結果、同一平面上に配置されたループアンテナアレイの磁気八重極子モーメントの総和が零になり磁気十六重極子として機能するので、上記の実施形態よりも更にシャープな磁界分布を得ることができる。

〔第５実施形態〕
図７に、第５実施形態のループアンテナアレイ５の構成例を示す。本実施形態のループアンテナアレイ５は、上記のループアンテナアレイ４を、当該アンテナアレイを構成する各々のループアンテナが隣接する向きで２個並列に配置したものであり、１６個のループアンテナ５１〜６７を具備する。

給電点５５ａ，５５ｂは、ループアンテナ５１と５２と５３と５４とを給電する。給電点６０ａ，６０ｂは、ループアンテナ５６と５７と５８と５９とを給電する。給電点６５ａ，６５ｂは、ループアンテナ６１と６２と６３と６４とを給電する。給電点７０ａ，７０ｂは、ループアンテナ６６と６７と６８と６９とを給電する。なお、各給電点と各ループアンテナとの接続関係は、上記のループアンテナアレイ３（図５）と同じである。

ｘ軸方向及びｙ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点同士の極性は、反転している。給電点５５ａ（＋）と、ｘ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６０ａ（−）の極性は反転している。同様に、給電点５５ｂ（−）と、ｘ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６０ｂ（＋）の極性は反転している。

給電点５５ａ（＋）とｙ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６５ａ（−）の極性は反転している。同様に、給電点５５ｂ（−）と、ｙ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６５ｂ（＋）の極性は反転している。

同様に、給電点７０ａ，７０ｂとｘ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６５ａ，６５ｂとの極性も反転している。また、給電点７０ａ，７０ｂとｙ軸方向で隣接する同じ位置関係にある給電点６０ａ，６０ｂとの極性も反転している。

このように隣接するループアンテナアレイの給電点の同じ位置関係にある給電点同士の極性を反転させることで、隣接する全てのループアンテナ間において流れる電流の向きを逆方向にすることができる。その結果、同一平面上に配置されたループアンテナアレイの磁気十六重極子モーメントの総和が零になり磁気三十二重極子として機能するので、上記の実施形態よりも更にシャープな磁界分布を得ることができる。

〔磁界分布のシミュレーション〕
本発明の作用効果を確認する目的で、磁界分布のシミュレーションを行った。図８と図９とを参照して、そのシミュレーション結果を説明する。

図８は、シミュレーション条件を示す図である。絶縁体基板１０の上に４個のループアンテナを配置したループアンテナアレイ３の構成で、磁界分布のシミュレーションを行った。

絶縁体基板１０の上に、半径0.1ｍの円形のループアンテナ３１〜３４の４個を配置したループアンテナアレイとした。ループアンテナ３１は、ｘｙ座標系の第三象限、ループアンテナ３２は第四象限、ループアンテナ３３は第二象限、ループアンテナ３４は第一象限に、それぞれ配置した。そして、各ループアンテナに同位相の交流電流を給電して発生する磁界をシミュレーションした。

図９（ａ）にｚ−ｘ面の磁界分布を示す。原点を中心として４方向に磁界が分布している。ｘ軸とｙ軸上の磁界は零である。原点を中心に磁界の強さが急激に低下している様子が分かる。図中の数値の単位はdBμA/mであり、一本の等高線は10dBμA/mの差分を表す。

座標（0.5，0.5）の磁界の強さは、約70dBμA/mであり、原点付近の最も強度の強い部分から0.5ｍ離れた位置で70dBダウンである。この減衰量は、従来の単一のループアンテナよりも減衰量が約20dB大きい。

図９（ｂ）にｚ−ｗ面の磁界分布を示す。ｚ軸上の磁界は零である。ｚ軸を中心にｚ−ｗ面の両方向に磁界が分布している様子が分かる。原点からＸ方向に約0.95ｍの位置の磁界の強さは、約60dBμA/mである。この磁界の強さは、従来の単一のループアンテナよりも減衰量が約10dB大きい。

このように本発明のループアンテナアレイは、通信エリアの境界を明確に設定可能なシャープな磁界分布を生成することができる。

なお、磁界分布をシミュレーションしたループアンテナアレイは、磁気四重極子モーメントベクトルの総和を零にするものである。更にループアンテナの数を増やすことで、より急峻な減衰量の磁界分布を生成するループアンテナアレイを実現することができる。

つまり、本実施形態のループアンテナアレイは、ループアンテナの数をｎとした場合、ｎを自然数として、絶縁体基板１０の上に２^ｎ個のループアンテナを具備する。そして、隣接するループアンテナの間で、電流の向きが逆方向である。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。例えば、ループアンテナの形状は、楕円でも構わない。また、絶縁体基板１０の形状は、長方形に限られない。

また、磁気双極子モーメントベクトルｍは、ターン数Ｎ＝1の例で説明したが、ターン数Ｎを増やしても良い、Ｎを増やすことで磁界の減衰量を増やすことが可能である。このように本発明は、上記した実施形態に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１,２,３，４，５：ループアンテナアレイ
１０：絶縁体基板
１１，１２：ループアンテナ
１３ａ，１３ｂ：給電点
１４ａ，１４ｂ：給電点
２３ａ，２３ｂ：給電点

本発明のループアンテナアレイは、ｎを自然数とする２^ｎ個のループアンテナが隣接し、隣接する前記ループアンテナに流れる電流の向きが互いに逆方向であるループアンテナアレイを複数具備し、隣接する前記ループアンテナアレイで互いの位置が同じループアンテナに流れる電流の向きが互いに逆方向であることを要旨とする。

Claims

ｎを自然数とした場合に、２^ｎ個のループアンテナが隣接し、
隣接する前記ループアンテナの間で、電流の向きが逆方向であることを特徴とするループアンテナアレイ。
同一平面上に配置された複数の前記ループアンテナの磁気双極子モーメントベクトルの総和は零であり、前記磁気双極子モーメントベクトルは、前記ループアンテナに囲まれた面積と前記電流との積であることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナアレイ。
前記ループアンテナの形状は、全て同一であることを特徴とする請求項１又は２に記載のループアンテナアレイ。
前記ループアンテナの形状は、正方形、円、長方形、楕円、扇形、三角形、半円の何れかであることを特徴とする請求項１乃至３の何れかに記載のループアンテナアレイ。
前記ループアンテナの全ては、一対の給電点から給電されることを特徴とする請求項１乃至４の何れかに記載のループアンテナアレイ。
前記一対の給電点から給電されるループアンテナアレイを複数具備し、隣接する２つの前記ループアンテナの電流の向きが逆方向であることを特徴とする請求項５に記載のループアンテナアレイ。