JP2017139538A - アンテナ装置 - Google Patents

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俊文 小町
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寿緒 友成
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Hirofumi Aso
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Abstract

【課題】表裏のスパイラル導体間における浮遊容量を調整しつつ、通信距離を延ばすことが可能なアンテナ装置を提供する。【解決手段】基板20の第1の表面21に形成され、最外周ターン31及び内周ターン32を含む第1のスパイラル導体30と、基板20の第2の表面22に形成され、最外周ターン41を含む第2のスパイラル導体40とを備える。最外周ターン31,41は平面視で互いに重なり、内周ターン32は平面視で第2のスパイラル導体40と重ならない位置に巻回されている。本発明によれば、スパイラル導体30,40の内径部の面積やスパイラル導体30,40の導体幅を確保しつつ、ターン数を増やすことができる。また、第1のスパイラル導体30の内周ターン32は、平面視で第2のスパイラル導体40と重ならない位置に巻回されていることから、過剰な浮遊容量が発生することもない。【選択図】図1

Description

本発明はアンテナ装置に関し、特に、近距離無線通信(Near Field Communication)用に好適なアンテナ装置に関するものである。
近年、スマートフォン等の携帯無線機器にはRFID(Radio Frequency Identification:電波による個体識別)システムが搭載されており、そのための通信手段としてリーダ・ライタ等と近距離無線通信を行うためのアンテナ装置が搭載されている。この種のアンテナ装置としては、例えば特許文献1に記載されたアンテナ装置が知られている。
RFIDシステムにおいて、リーダ・ライタ等との通信距離を伸ばすためには、第1に、アンテナ装置を構成するスパイラル導体のターン数を増やす、第2に、スパイラル導体の内径部の面積を大きくする、第3に、スパイラル導体の導体幅を広くする、という方法が有効である。
特開2008−117944号公報
しかしながら、通信距離を伸ばすための上述した方法は、いずれもアンテナ装置の平面サイズの大型化を招く。アンテナ装置の平面サイズは、これを搭載するデバイス(スマートフォンなど)によって制約されるため、あらかじめ定められた平面サイズに抑える必要がある。ところが、アンテナ装置の平面サイズを大型化することなく例えばターン数を増やすと、スパイラル導体の内径部が縮小するか、或いは、スパイラル導体の導体幅が細くなるため、通信距離を十分に伸ばすことができない。
これを解決する方法として、基板の片面にのみスパイラル導体を形成するのではなく、基板の両面にスパイラル導体を形成し、これらを直列に接続する方法が考えられる。しかしながら、基板の両面にスパイラル導体を単純に形成すると、表裏のスパイラル導体間における浮遊容量が大きくなりすぎ、所望の周波数特性を得ることが困難となってしまう。
したがって、本発明は、表裏のスパイラル導体間における浮遊容量を調整しつつ、通信距離を延ばすことが可能なアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明によるアンテナ装置は、第1の表面及び前記第1の表面とは反対側に位置する第2の表面を有する基板と、前記基板の前記第1の表面に形成された第1のスパイラル導体と、前記基板の前記第2の表面に形成され、前記第1のスパイラル導体に対して直列に接続された第2のスパイラル導体と、を備え、前記第1のスパイラル導体は、最外周ターン及び前記最外周ターンよりも内周に位置する内周ターンを含み、前記第2のスパイラル導体は、少なくとも最外周ターンを含み、前記第1のスパイラル導体の前記最外周ターンは、平面視で前記第2のスパイラル導体の前記最外周ターンと重なる位置に巻回されており、前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンは、平面視で前記第2のスパイラル導体と重ならない位置に巻回されていることを特徴とする。
本発明によれば、基板の表裏にスパイラル導体が形成されていることから、スパイラル導体の内径部の面積やスパイラル導体の導体幅を確保しつつ、ターン数を増やすことができる。また、第1のスパイラル導体の内周ターンは、平面視で第2のスパイラル導体と重ならない位置に巻回されていることから、過剰な浮遊容量が発生することもない。一方、第1のスパイラル導体の最外周ターンと第2のスパイラル導体の最外周ターンは平面視で重なっていることから、スパイラル導体の内径部の面積を十分に確保することが可能となる。しかも、最もインダクタンスの大きい最外周ターンに浮遊容量が与えられることから、良好な特性が得られやすいという利点もある。したがって、本発明によるアンテナ装置を例えば13.56MHzの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いることにより、リーダ・ライタ等との通信距離を伸ばすことが可能となる。
本発明において、前記第2のスパイラル導体の内径部は、前記第1のスパイラル導体の内径部よりも大きいことが好ましい。これによれば、第2のスパイラル導体の内径部が大きいことから、通信距離を伸ばすことが可能となる。
本発明において、前記第1のスパイラル導体の内周端は、前記基板に設けられた貫通孔を介して前記第2のスパイラル導体の内周端に接続されていることが好ましい。これによれば、スパイラル導体を跨ぐ引き出し配線などを設ける必要がなくなる。
本発明において、前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンは1ターンであり、これにより前記第1のスパイラル導体は前記最外周ターンと前記内周ターンからなる2ターン構成であることが好ましく、前記第2のスパイラル導体は、前記最外周ターンよりも内周に位置する内周ターンを有さない1ターン構成であることが好ましい。これによれば、合計で3ターン構成とすることが可能となる。
本発明において、前記第1及び第2のスパイラル導体の少なくとも一方の前記最外周ターンの導体幅は、前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンの導体幅よりも細いことが好ましい。これによれば、表裏のスパイラル導体間における浮遊容量をより低減することが可能となる。
このように、本発明によれば、過剰な浮遊容量を発生させることなく、通信距離を延ばすことが可能となる。
図1は、本発明の第1の実施形態によるアンテナ装置10Aの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。 図2は、図1(a)に示すA−A線に沿った略断面図である。 図3は、本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置10Bの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。 図4は、図3(a)に示すB−B線に沿った略断面図である。 図5は、本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置10Cの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。 図6は、図5(a)に示すC−C線に沿った略断面図である。 図7は、本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置10Dの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。 図8は、図7(a)に示すD−D線に沿った略断面図である。 図9は、アンテナ装置10Eの構成を示す略断面である。 図10は、アンテナ装置10Fの構成を示す略断面である。 図11は、アンテナ装置10Gの構成を示す略断面である。 図12は、サンプルA〜Gの通信距離を示す表である。
以下、図面を参照しながら、本発明の好ましい実施形態について詳細に説明する。
<第1の実施形態>
図1は本発明の第1の実施形態によるアンテナ装置10Aの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。また、図2は、図1(a)に示すA−A線に沿った略断面図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Aは、基板20と、基板20の第1の表面21に形成された第1のスパイラル導体30と、基板20の第2の表面22に形成された第2のスパイラル導体40とを備える。第1の表面21と第2の表面22は、互いに反対側に位置する基板20の表裏面である。尚、図1(a)には、第1のスパイラル導体30と第2のスパイラル導体40の平面的な位置関係を示すべく、第2のスパイラル導体40についても透過的に図示されている。この点は、後述する図3(a)、図5(a)、図7(a)においても同様である。
基板20は、第1及び第2のスパイラル導体30,40の支持体であり、その材料としてはPET(ポリエチレンテレフタレート)樹脂などの絶縁材料を用いることができる。
第1のスパイラル導体30は、基板20の第1の表面21に形成された四角形状の平面スパイラル導体であり、最外周ターン31と、最外周ターン31よりも内周に位置する内周ターン32からなる2ターン構成を有している。第1のスパイラル導体30の外周端は、第1の端子電極51に接続されている。第1のスパイラル導体30の導体幅は実質的に一定である。つまり、最外周ターン31の導体幅W11と内周ターン32の導体幅W12は同じである。また、第1のスパイラル導体30の内径部の大きさは、x方向においてφx11、y方向においてφy11である。ここで、「内径部」とは、平面視で(z方向から見て)当該スパイラル導体によって取り囲まれる平面領域を指す。
第2のスパイラル導体40は、基板20の第2の表面22に形成された四角形状の平面スパイラル導体であり、最外周ターン41のみからなる1ターン構成を有している。第2のスパイラル導体40の外周端は、第2の端子電極52に接続されている。第2のスパイラル導体40の導体幅W13は実質的に一定であり、第1のスパイラル導体30の導体幅と同じである。つまり、
W11=W12=W13
である。また、第2のスパイラル導体40の内径部の大きさは、x方向においてφx12、y方向においてφy12である。
第1のスパイラル導体30の内周端と第2のスパイラル導体40の内周端は、基板20に設けられた貫通孔53を介して短絡されている。これにより、第1及び第2のスパイラル導体30,40は、第1の端子電極51と第2の端子電極52との間に直列に接続される。つまり、基板20には合計で3ターンのスパイラル導体が形成されることになる。第1及び第2の端子電極51,52には、図示しないRF回路が接続される。これにより、本実施形態によるアンテナ装置10Aは、例えば13.56MHzの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いることができる。
図2に示すように、本実施形態によるアンテナ装置10Aにおいては、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31と、第2のスパイラル導体40の最外周ターン41は、平面視で互いに重なる位置に巻回されている。その結果、第2のスパイラル導体40の内径部は、第1のスパイラル導体30の内径部よりもサイズが大きい。つまり、
φx11<φx12、且つ、
φy11<φy12
である。
さらに、本実施形態によるアンテナ装置10Aにおいては、第1のスパイラル導体30の内周ターン32は、平面視で第2のスパイラル導体40と重ならない位置に巻回されている。ここで、「重ならない位置に巻回されている」とは、平面視で重なる部分が全く存在しないことを意味するのではなく、両者が平面視で重なりながら互いに沿って巻回されている部分が存在しないことを意味する。したがって、貫通孔53に対応する部分における重なりなどが排除されることを意味するものではない。
以上が第1の実施形態によるアンテナ装置10Aの構成である。
このように、本実施形態によるアンテナ装置10Aは3ターン構成を有しているものの、基板20の表裏にスパイラル導体30,40を形成していることから、各表面21,22に形成すべきスパイラル導体のターン数を少なくすることができる。しかも、最外周ターン31,41同士が平面視で重なる位置に形成されていることから、導体幅をある程度太くしつつ、スパイラル導体30,40の内径部の面積を確保することができる。これにより、リーダ・ライタ等との通信距離を伸ばすことが可能となる。しかも、最もインダクタンスの大きい最外周ターンに浮遊容量が与えられることから、良好な特性が得られやすいという利点もある。一方、第1のスパイラル導体30の内周ターン31は、平面視で第2のスパイラル導体40と重ならない位置に巻回されていることから、過剰な浮遊容量が発生することもない。これにより、周波数調整用のチップ部品(キャパシタなど)を削減することができるので、周波数調整用のチップ部品に起因するロスを低減することもできる。
<第2の実施形態>
図3は本発明の第2の実施形態によるアンテナ装置10Bの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。また、図4は、図3(a)に示すB−B線に沿った略断面図である。
本実施形態によるアンテナ装置10Bは、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31の導体幅W21及び第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の導体幅W23が縮小されている点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。その他の構成については第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態においては、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31の導体幅W21、第1のスパイラル導体30の内周ターン32の導体幅W22、第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の導体幅W23との関係が、
W21=W23<W22
を満たしている。つまり、第1のスパイラル導体30の内周ターン32に比べて、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31及び第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の導体幅が細くなっている。導体幅W22については、第1の実施形態における導体幅W11,W12,W13と同等とすればよい。
その結果、第1及び第2のスパイラル導体30,40とも、内径部のサイズが第1の実施形態よりも拡大される。つまり、
φx21>φx11、
φy21>φy11、
φx22>φx12、且つ、
φy22>φy12
となる。これにより、リーダ・ライタ等との通信距離をさらに伸ばすことが可能となる。
また、本実施形態においては、最外周ターン31,41の導体幅が縮小されていることから、最外周ターンに付加される浮遊容量が第1の実施形態よりも減少する。したがって、本実施形態によるアンテナ装置10Bは、直流抵抗の低抵抗化よりも、浮遊容量の低減が必要である場合において特に有効である。
尚、本実施形態においては、導体幅W21,W23の両方を導体幅W22よりも細くしているが、導体幅W21,W23のいずれか一方のみを導体幅W22よりも細くしても構わない。また、導体幅W21と導体幅W23が同じであることも必須でない。
<第3の実施形態>
図5は本発明の第3の実施形態によるアンテナ装置10Cの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。また、図6は、図5(a)に示すC−C線に沿った略断面図である。
本実施形態によるアンテナ装置10Cは、第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の径が縮小されている点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。その他の構成については第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態においては、第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の径が縮小されているため、第2のスパイラル導体40の内径部のサイズが第1の実施形態よりも小さくなる。つまり、
φx32<φx12、且つ、
φy32<φy12
である。一方、第1のスパイラル導体30の内径部のサイズについては、第1の実施形態と同じである。つまり、
φx31=φx11、且つ、
φy31=φy11
である。
また、導体幅W31,W32,W33については、いずれも第1の実施形態における導体幅W11,W12,W13と同等である。
図6に示すように、本実施形態においては、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31と第2のスパイラル導体40の最外周ターン41の重なりが第1の実施形態に比べて少なくなる。このため、最外周ターンに付加される浮遊容量を第1の実施形態よりも減少させることが可能となる。したがって、本実施形態によるアンテナ装置10Cは、直流抵抗を維持しつつ、浮遊容量を低減させる必要がある場合において特に有効である。
<第4の実施形態>
図7は本発明の第4の実施形態によるアンテナ装置10Dの構成を示す略平面図であり、(a)は一方の表面側から見た平面図、(b)は他方の表面側から見た平面図である。また、図8は、図7(a)に示すD−D線に沿った略断面図である。
本実施形態によるアンテナ装置10Dは、第2のスパイラル導体40が最外周ターン41と、最外周ターン41よりも内周に位置する内周ターン42からなる2ターン構成である点において、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと相違している。その他の構成については第1の実施形態によるアンテナ装置10Aと同一であることから、同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明は省略する。
本実施形態においては、第1のスパイラル導体30の最外周ターン31と第2のスパイラル導体40の最外周ターン41は平面視で互いに重なる位置に巻回される一方、第1のスパイラル導体30の内周ターン32は第2のスパイラル導体40のいずれのターンとも重ならない位置に巻回され、且つ、第2のスパイラル導体40の内周ターン42は第1のスパイラル導体30のいずれのターンとも重ならない位置に巻回されている。また、第1のスパイラル導体30の内周ターン32は、第2のスパイラル導体40の内周ターン42よりも平面視で内周側に巻回されており、これにより
φx41<φx42、且つ、
φy41<φy42
が満たされる。
また、図8に示す導体幅W41,W42,W43,W44については、いずれも第1の実施形態における導体幅W11,W12,W13と同等である。
本実施形態においては、第2のスパイラル導体40が2ターン構成を有していることから、第1〜第3の実施形態よりも多いターン数を実現することができる。したがって、本実施形態によるアンテナ装置10Dは、より高いインダクタンスが必要な場合において特に有効である。また、内周ターン32は平面視で第2のスパイラル導体40と重なりを有しておらず、且つ、内周ターン42は平面視で第1のスパイラル導体30と重なりを有していないことから、過剰な浮遊容量が発生することもない。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上述した各実施形態では、スパイラル導体の平面形状が四角形であったが、本発明がこれに限定されるものではなく、三角形、六角形、八角形など、四角形以外の多角形形状であっても構わないし、円形や楕円形であっても構わない。
また、第1のスパイラル導体30や第2のスパイラル導体40のターン数についても、上述した実施形態におけるターン数に限定されるものではない。
厚さ25μmのPET樹脂からなる基板20を用意し、その表裏に第1及び第2のスパイラル導体30,40を形成した。第1及び第2のスパイラル導体30,40の形状は、サンプルA、B,C,Dについてはそれぞれ第1〜第4の実施形態によるアンテナ装置10A〜10Dと同じ形状とし、サンプルE、F,Gについてはそれぞれ図9〜図11に示すアンテナ装置10E〜10Gと同じ形状とした。第1及び第2のスパイラル導体30,40の外形サイズは、40mm×50mmである。
図9に示すアンテナ装置10Eは、第1のスパイラル導体30が最外周ターン31のみからなる1ターン構成であり、第2のスパイラル導体40が最外周ターン41のみからなる1ターン構成であり、平面視で両者が重なった構成を有している。
図10に示すアンテナ装置10Fは、第1のスパイラル導体30が最外周ターン31及び内周ターン32からなる2ターン構成であり、第2のスパイラル導体40が最外周ターン41及び内周ターン42からなる2ターン構成であり、平面視で最外周ターン31,41同士、並びに、内周ターン32,42同士が重なった構成を有している。
図11に示すアンテナ装置10Gは、第1のスパイラル導体30が最外周ターン31及び内周ターン32からなる2ターン構成であり、第2のスパイラル導体40が最外周ターン41のみからなる1ターン構成であり、平面視で第1のスパイラル導体30の内周ターン32と第2のスパイラル導体40が重なった構成を有している。
アンテナ装置10E〜10Gにおける各スパイラル導体30,40の導体幅は、第1の実施形態によるアンテナ装置10Aにおける導体幅W11〜W13と同じであり、いずれも1.0mmである。導体幅W22,W31〜W33,W41〜W44についても、1.0mmである。一方、導体幅W21,W23については0.5μmである。
そして、第1及び第2の端子電極51,52をRF回路に接続し、13.56MHzの周波数で送受信を行うリーダ・ライタモード、並びに、15〜16MHzの周波数で送受信を行うカードエミュレーションモードで通信を行い、通信可能距離を測定した。測定の結果を図12に示す。リーダ・ライタモードにおいては、32mm以上の通信距離が得られた場合を○、32mm未満の通信距離である場合を×と評価し、カードエミュレーションモードにおいては、40mm以上の通信距離が得られた場合を○、40mm未満の通信距離である場合を×と評価した。
図12に示すように、サンプルA〜Dについては、リーダ・ライタモード及びカードエミュレーションモードのいずれにおいては評価が○であった。これに対し、サンプルE〜Gについては、リーダ・ライタモード及びカードエミュレーションモードのいずれにおいては評価が×であった。
10A〜10G アンテナ装置
20 基板
21 第1の表面
22 第2の表面
30 第1のスパイラル導体
31 最外周ターン
31 内周ターン
40 第2のスパイラル導体
41 最外周ターン
42 内周ターン
51 第1の端子電極
52 第2の端子電極
53 貫通孔
W11〜W13,W21〜W23,W31〜W33,W41〜W44 導体幅

Claims (7)

  1. 第1の表面及び前記第1の表面とは反対側に位置する第2の表面を有する基板と、
    前記基板の前記第1の表面に形成された第1のスパイラル導体と、
    前記基板の前記第2の表面に形成され、前記第1のスパイラル導体に対して直列に接続された第2のスパイラル導体と、を備え、
    前記第1のスパイラル導体は、最外周ターン及び前記最外周ターンよりも内周に位置する内周ターンを含み、
    前記第2のスパイラル導体は、少なくとも最外周ターンを含み、
    前記第1のスパイラル導体の前記最外周ターンは、平面視で前記第2のスパイラル導体の前記最外周ターンと重なる位置に巻回されており、
    前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンは、平面視で前記第2のスパイラル導体と重ならない位置に巻回されていることを特徴とするアンテナ装置。
  2. 前記第2のスパイラル導体の内径部は、前記第1のスパイラル導体の内径部よりも大きいことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1のスパイラル導体の内周端は、前記基板に設けられた貫通孔を介して前記第2のスパイラル導体の内周端に接続されていることを特徴とする請求項1又は2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンは1ターンであり、これにより前記第1のスパイラル導体は前記最外周ターンと前記内周ターンからなる2ターン構成であることを特徴とする請求項1乃至3のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  5. 前記第2のスパイラル導体は、前記最外周ターンよりも内周に位置する内周ターンを有さない1ターン構成であることを特徴とする請求項4に記載のアンテナ装置。
  6. 前記第1及び第2のスパイラル導体の少なくとも一方の前記最外周ターンの導体幅は、前記第1のスパイラル導体の前記内周ターンの導体幅よりも細いことを特徴とする請求項1乃至5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7. 13.56MHzの周波数で送受信を行う近距離無線通信に用いられることを特徴とする請求項1乃至6のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
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