JP2020150367A - ケーブルアンテナ - Google Patents

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Abstract

【課題】簡易な構成により、周囲全体にわたって電磁波を放出することができるリーダ装置を提供することを目的とする。【解決手段】本発明のケーブルアンテナは、高周波電流を供給する発振器が一端部に接続されるケーブルアンテナであって、ケーブル状に延びる内側導体と、内側導体を被覆する絶縁層と、絶縁層を被覆する外側導体と、を有し、ケーブルアンテナの長手方向における中間部には、少なくとも外側導体が除去された露出部が形成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、ケーブルアンテナに関する。
従来、社員証等のＩＤカードや、在庫管理用のタグに用いられる無線通信タグとして、ＲＦＩＤ（radio frequency identifier）システムを用いた非接触型の無線通信システムが知られている。
このような無線通信システムとして、下記特許文献１には、ハンディタイプの無線通信用リーダ装置から、電磁波を無線通信タグに向けて放出するとともに、無線通信タグから放出された電磁波を、無線通信用リーダ装置で読み取る構成が開示されている。
特開２０１７−２２４３０２号
しかしながら、このようなハンディタイプの無線通信用リーダ装置では、放出する電磁波に指向性がある場合があり、無線通信用リーダ装置の周囲全体にわたって電磁波を放出することに改善の余地があった。また、ハンディタイプの無線通信用リーダ装置では、構造が比較的複雑になる傾向があった。
そこで本発明は、簡易な構成により、周囲全体にわたって電磁波を放出することができる無線通信用リーダ装置を提供することを目的とする。
本発明のケーブルアンテナは、高周波電流を供給する発振器が一端部に接続されるケーブルアンテナであって、ケーブル状に延びる内側導体と、内側導体を被覆する絶縁層と、絶縁層を被覆する外側導体と、を有し、ケーブルアンテナの長手方向における中間部には、少なくとも外側導体が除去された露出部が形成されている。
また、ケーブルアンテナの先端部と、露出部における先端部側の端部と、の間の距離Ｌは、高周波電流の波長λの１／４の奇数倍であってもよい。
また、露出部の長手方向の幅寸法Ｇは、下記式（１）を満たしてもよい。
λ／２０≦Ｇ＜Ｌ・・・（１）
λ：高周波電流の波長（ｍｍ）、Ｌ：ケーブルアンテナの先端部と、露出部における先端部側の端部と、の間の距離Ｌ（ｍｍ）
また、複数の屈曲点が形成されながら、屈曲点を挟む両側が互いに並行とならないように屈曲していてもよい。
本発明のケーブルアンテナによれば、長手方向の中間部に、外側導体が除去された露出部が形成されている。このため、露出部において、外側導体から電磁波が発生しないことで、内側導体から発生する電磁波が相殺されることなく、露出部から外部に向けて放出されることになる。これにより、ケーブルアンテナの周囲に配置された無線通信タグと、ケーブルアンテナと、の間での通信が可能となる。このようにして、簡易な構成により、ケーブルアンテナの周囲全体にわたって電磁波を放出することができる。
本発明の第１実施形態に係るケーブルアンテナの外観図である。 図１に示すケーブルアンテナの断面構造を説明する図である。 図１に示すケーブルアンテナの先端側を示す図である。 図３に示すケーブルアンテナの先端側の拡大図である。 検証試験における損失係数の評価結果を示す図である。 検証試験における電流分布の評価結果を示す図である。
本発明の一実施形態に係るケーブルアンテナ１について、図面を参照して説明する。
図１に示すように、本実施形態に係るケーブルアンテナ１は、無線通信タグ２に搭載された無線ＩＣチップ３と、電磁波の授受による無線通信を行う通信リーダの一部を構成する。図１は、本実施形態に係るケーブルアンテナ１の外観図である。
このような無線通信として、本実施形態では、周波数が３００ＭＨｚ〜３ＧＨｚといったＵＨＦ帯の電磁波を用いたＲＦＩＤシステムを例に挙げて説明する。
無線ＩＣチップ３としては、ＲＦＩＤシステムにおいて一般的に用いられるものを採用することができる。
ケーブルアンテナ１の一端部には、高周波電流を供給する発振器４が接続される。
ケーブルアンテナ１は、複数の屈曲点１Ａが形成されながら、屈曲点１Ａを挟む両側が互いに並行とならないように屈曲している。図示の例では、ケーブルアンテナ１は、いわゆる九十九折状態となっている。
図１では、ケーブルアンテナ１の周囲に、複数の無線通信タグ２が、無作為な向きに配置されている。
図２に示すように、ケーブルアンテナ１は、内側導体１１と、絶縁層１２と、外側導体１３と、を有している。図２は、ケーブルアンテナ１の断面構造を説明する図である。内側導体１１および外側導体１３には、図２において直線矢印で示すように、互いに逆行する電流が流れている。発振器４は、内側導体１１および外側導体１３それぞれと接続され、内側導体１１および外側導体１３が、ひとつの電流の経路を構成している。
内側導体１１は、ケーブル状に延びる導線であり、材質としては例えば軟銅線等を採用することができる。なお、内側導体１１の材質は、導線として使用できる材質であれば、任意に変更することができる。
絶縁層１２は、内側導体１１を径方向の外側から被覆する絶縁部材であり、材料としては例えば発泡ポリウレタン等を採用することができる。なお、絶縁層１２の材質は、絶縁部材として使用できる材質であれば、任意に変更することができる。
外側導体１３は、絶縁層１２を径方向の外側から被覆する導電性の導体であり、材料としてはアルミニウム箔やアルミニウム製の編組体等を採用することができる。なお、外側導体１３の材質は、導体として使用できる材質であれば、任意に変更することができる。外側導体１３は、絶縁性の外被１４により被覆されている。
そして図３に示すように、ケーブルアンテナ１の長手方向における中間部には、少なくとも外側導体１３が除去された露出部１５が形成されている。図３は、ケーブルアンテナ１の先端側を示す図である。
図示の例では、露出部１５において、外側導体１３とともに絶縁層１２が除去され、内側導体１１が露出している。すなわち、露出部２５とは、外側導体１３よりも径方向の内側にある部分が露出している部分という意味である。
露出部１５において、外側導体１３および絶縁層１２は、ケーブルアンテナ１の中心軸線周りに周回する周方向の全周にわたって除去されている。
図３に示すように、ケーブルアンテナ１のうち、露出部１５よりも先端部側にある部分は、露出部１５から真っすぐ延びている。露出部１５は、ケーブルアンテナ１に一つだけ設けられている。
このようなケーブルアンテナ１として、いわゆる同軸ケーブルと呼ばれる電気通信に使われる被覆電線に追加工を施して用いることができる。
同軸ケーブルは、図２に示す内部構造をしており、同軸ケーブルの外側導体を所定の幅寸法Ｇだけ除去することで、本発明のケーブルアンテナ１を得ることができる。
例えば、同軸ケーブルから外被１４を所定の幅寸法だけ除去し、その後に外側導体１３を同じ幅寸法だけ除去する。最後に絶縁層１２を同じ幅寸法だけ除去することで、ケーブルアンテナ１が得られる。なおここで、幅寸法とは長手方向の寸法を指す。
一般に、同軸ケーブルでは、内側導体１１に流れる電流により発生する磁界と、外側導体１３に流れる電流により発生し、かつ内側導体１１により発生する磁界とは逆向きとなる磁界と、が互いに相殺している。このため、外部に電磁波エネルギーを放出することなく、効率的に信号伝送できるように構成されている。
そして図４に示すように、同軸ケーブルの外側導体１３の一部を除去すると、除去される前の状態で相殺されていた外側導体１３の周辺の周回磁界と、内側導体１１の周辺の周回磁界と、のバランスが崩れることとなる。ここで、図４は、ケーブルアンテナ１の先端側の拡大図である。
これにより、露出部１５では内側導体１１の周辺の周回磁界が相殺されず、ケーブルアンテナ１全体としては、露出部１５にのみ、円環状の磁界が発生したのと同じ状態となる。
この状態は、実際のケーブルアンテナ１と発振器４との位置関係に依らず、露出部１５に電源が接続され、その前後に電圧が印加されるのと同等の働きをする。このため、図３に示すようにケーブルアンテナ１全体には、先端部が少なく、露出部１５で多くなるように電流が分布する。電流は、ケーブルアンテナ１の外被１４をつたって長手方向に流れることとなる。
ここで、図４に示すように、ケーブルアンテナ１の先端部と、露出部１５における先端部側の端部と、の間の距離Ｌ（ｍｍ）は、高周波電流の波長λの１／４の奇数倍とすることが好ましい。これにより、電流の振幅を大きくできるからである。また、使用するケーブルアンテナ１全体の直径に応じて、露出部１５の幅寸法Ｇを調節すれば、放射電界強度を調整可能することができる。
ここで、露出部１５の長手方向の幅寸法Ｇは、下記式（１）を満たしている。
λ／２０≦Ｇ＜Ｌ・・・（１）
この式において、λは高周波電流の波長（ｍｍ）を示し、Ｌは、前述の通り、ケーブルアンテナ１の先端部と、露出部１５における先端部側の端部と、の間の距離Ｌ（ｍｍ）を指している。
露出部１５の長手方向の幅寸法Ｇがあまりにも小さい場合には、露出部１５を形成した効果が得られにくくなることが懸念される。
露出部１５の幅寸法Ｇが微小である場合には、物理的には外側導体１３が除去されていても、露出部１５を長手方向に挟む外側導体１３同士の間が、電気的には導通している状態となるためである。このため、式（１）のλ／２０≦Ｇが要求される。
また、露出部１５の長手方向の幅寸法Ｇが大きすぎる場合には、外部に放出される電磁波は弱くなることが懸念される。露出部１５の寸法が大きいことで、露出部１５で発生した円環状の磁界が発散し、その影響が小さくなるためである。このため、式（１）のＧ＜Ｌが要求される。
（検証試験）
次に、本実施形態に係るケーブルアンテナ１におけるアンテナ入力特性の評価結果について説明する。この試験では、ケーブルアンテナ１における先端部から露出部１５までの距離Ｌを変更した場合におけるアンテナ特性の変化を評価した。
まず、第１検証試験では、露出部１５から先端部までの距離Ｌ＝１０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍ、２４０ｍｍの４つのサンプルについて、反射損失Ｓ11の推移を評価した。
ここで、反射損失Ｓ11とは、ケーブルへの入力電力に対するケーブルから電源への反射電力の比をデシベル表示した値であり、下記式（２）により算出され、その値が小さいほど、ケーブルアンテナ１の効率が良いとされる値である。
Figure 2020150367
 そしてこの検証試験では、周波数が８５０ＭＨｚから１０００ＭＨｚの電磁波を入力した。その結果として、反射損失Ｓ11の推移を図５に示す。
図５に示すように、Ｌ＝１０ｍｍおよびＬ＝１６０ｍｍでは、Ｓ11が大きな値を示している。これは、電源からケーブルに電力を送り込む場合、反射電力が極めて大きいことを意味している。この場合、電力が効率的にケーブルアンテナ１に注入されないことにより、ケーブルアンテナ１からの電磁波放射も減退していることが確認できる。
一方、Ｌ＝８０ｍｍおよびＬ＝２４０ｍｍでは、Ｓ11が小さな値を示している。この場合、入力電力が効率的にケーブルアンテナ１に注入され、ケーブルアンテナ１からの電磁波放射も増進されていることが確認できる。ここで、Ｌ＝８０ｍｍは、顕著にＳ11が減少した周波数において、電磁波の波長λのほぼ１／４に相当する。したがって、Ｌを１／４の奇数倍にするとケーブルアンテナ１と発振器４の整合状態は良好となることが確認できる。ここで、整合状態が良好であるとは、インピーダンスマッチングが取れるという意味である。
次に、第２検証試験では、露出部１５から先端部までの距離Ｌを変化させた場合の、ケーブルアンテナ１上に誘導する電流の分布を評価した。評価サンプルは、第１検証試験と同様にＬ＝１０ｍｍ、８０ｍｍ、１６０ｍｍ、２４０ｍｍの４つである。その結果として、ケーブル上に誘導する電流の分布を図６に示す。なお、図６では、Ｌの大きさによって変動する誘導電流の最大振幅を１とした場合において、ケーブルアンテナ１の先端部からの距離Ｄにおける相対的な電流分布が示されている。
図６に示すように、Ｌをλ／４の奇数倍にすると、ケーブルアンテナ１と発振器４との整合状態が改善するばかりでなく、電磁波放射の源となる誘導電流も大きくなることが確認された。このことから、ケーブルアンテナ１の先端部と、露出部１５における先端部側の端部と、の間の距離Ｌを、使用したい電磁波の波長λの１／４の奇数倍に設定することが望ましいと考えられる。
以上説明したように、本実施形態に係るケーブルアンテナ１によれば、長手方向の中間部に、外側導体１３が除去された露出部１５が形成されている。このため、露出部１５において、外側導体１３から電磁波が発生しないことで、内側導体１１から発生する電磁波が相殺されることなく、露出部１５から外部に向けて放出されることになる。これにより、ケーブルアンテナ１の周囲に配置された無線通信タグ２と、ケーブルアンテナ１と、の間での通信が可能となる。このようにして、簡易な構成により、ケーブルアンテナ１の周囲全体にわたって電磁波を放出することができる。
そして、本発明のケーブルアンテナ１では、図１のような構成で配置した場合には、ケーブル総延長で数ｍから十数ｍ程度の沿線で通信可能となり、無線通信タグ２の識別・管理に使用した場合、極めて低コストのＲＦＩＤタグシステムの構築を可能にすると考えられる。
また、ケーブルアンテナ１の先端部と、露出部１５における先端部側の端部と、の間の距離Ｌが、高周波電流の波長λの１／４の奇数倍となっているので、露出部１５から放出される電流の振幅を大きくすることができる。
また、露出部１５の長手方向の幅寸法Ｇが、式（１）を満たしているので、露出部１５から実効的に電磁波を放出させることができる。
また、ケーブルアンテナ１が、九十九折状態に配置され、複数の屈曲点１Ａが形成されながら、屈曲点１Ａを挟む両側が互いに並行とならないように屈曲している。これにより、ケーブルアンテナ１の周辺には、露出部１５に発生した円環状磁界によって励振された電流による電磁波が放射される。
このとき放射される電磁波は、ケーブルアンテナ１近傍ではある程度のレベルに達するが、ケーブルアンテナ１から離れた位置では、例えばハンディリーダのように、特定の方向に効率的に電磁波を放射するためのアンテナに信号を注入した場合と異なり、微弱となる。
一方、ケーブルアンテナ１から発生する磁界（電界）は一律とはならない。このため、ケーブルアンテナ１近傍に無作為な向きで配置された無線通信タグ２それぞれから発生する電磁波の向きにばらつきがあっても、そのばらつきを吸収し、ケーブルアンテナ１近傍に配置された多数の無線通信タグ２からの情報を、包括的に識別することが期待される。
そこで、このような特性を持つケーブルアンテナ１を、例えば商品棚などに配置し、商品棚に陳列された商品に無線通信タグ２を付した場合には、効率的な商品管理に供することが期待される。
なお、上述の実施形態は、本発明の代表的な実施形態を単に例示したものにすぎない。したがって、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述の実施形態に対して種々の変形を行ってもよい。
例えば、上記実施形態では、図１に示すようにケーブルアンテナ１が九十九折状態となっている構成を示したが、このような態様に限られない。
ケーブルアンテナ１を、例えば平面視で円形状をなすループ状に配置してもよいし、並行する２辺が一定の距離を置くように、平面視で矩形状をなすように配置してもよい。
また、ケーブルアンテナ１をらせん状に配置した場合には、立体的に配置した無線通信タグ２に対して、効率的に無線通信を行うことができる。
また、上記実施形態では、ケーブルアンテナ１として、ＵＨＦ帯の電磁波を用いたＲＦＩＤシステムを例に挙げて説明したが、このような態様に限られない。無線通信として使用する電磁波の周波数は任意に変更することができる。
また、上記実施形態では、露出部１５において、外側導体１３とともに絶縁層１２が除去されている構成を示したが、このような態様に限られない。露出部１５において、絶縁層１２を残したまま、外側導体１３のみが除去されてもよい。また、露出部１５は屈曲点１Ａに設けられてもよい。
また、前述した変形例に限られず、これらの変形例を選択して適宜組み合わせてもよいし、その他の変形を施してもよい。
１ ケーブルアンテナ
１Ａ 屈曲点
２ 無線通信タグ
３ 無線ＩＣチップ
４ 発振器
１１ 内側導体
１２ 絶縁層
１３ 外側導体
１５ 露出部

Claims (4)

  1. 高周波電流を供給する発振器が一端部に接続されるケーブルアンテナであって、
    ケーブル状に延びる内側導体と、
    前記内側導体を被覆する絶縁層と、
    前記絶縁層を被覆する外側導体と、を有し、
    前記ケーブルアンテナの長手方向における中間部には、少なくとも外側導体が除去された露出部が形成されていることを特徴とするケーブルアンテナ。
  2. 前記ケーブルアンテナの先端部と、前記露出部における先端部側の端部と、の間の距離Lは、前記高周波電流の波長λの１／４の奇数倍であることを特徴とする請求項１に記載のケーブルアンテナ。
  3. 前記露出部の長手方向の幅寸法Gは、下記式（１）を満たしていることを特徴とする請求項２に記載のケーブルアンテナ。
    λ／２０≦G＜L・・・（１）
    λ：高周波電流の波長（ｍｍ）、L：前記ケーブルアンテナの先端部と、前記露出部における先端部側の端部と、の間の距離L（ｍｍ）
  4. 複数の屈曲点が形成されながら、屈曲点を挟む両側が互いに並行とならないように屈曲していることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のケーブルアンテナ。
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