JP3156407U - アンテナ及び無線ｉｃデバイス - Google Patents

Abstract

【課題】無線ＩＣとのインピーダンス整合をとりやすくして利得の劣化を抑えたアンテナ、及びそれを備えた無線ＩＣデバイスを構成する。【解決手段】アンテナ１０１は、２つの給電点１１，１２を有し、ループ状に形成されたループ電極１０と、ループ電極１０に電気的に接続され、ループ電極１０の外周に沿う位置に形成された補助電極２０と、を備えている。補助電極２０の幅はループ電極１０の幅より細い。補助電極２０の第１の端部はループ電極１０の一方の給電点１１付近に電気的に接続されていて、補助電極２０の第２の端部は開放されている。補助電極２０とループ電極１０とによって共振回路が構成され、ループ電極１０単体でアンテナを構成した場合に比べて、アンテナのインピーダンスを高めることができ、無線ＩＣとのインピーダンス整合がとり易くなる。【選択図】図１

Description

本考案は、アンテナ及び無線ＩＣデバイスに関するものである。具体的には、ループ形状のアンテナ及びそれを備えた無線ＩＣデバイスに関するものである。

無線タグに備えられているアンテナの構造としてループアンテナがある。一般にループアンテナは、給電点を起点としてループ状に形成された電極（導体）で構成されている。非特許文献１にはループアンテナが開示されている。

社団法人電子通信学会 編著、「アンテナ工学ハンドブック」、株式会社オーム社 出版、平成１１年３月５日発行、第２０頁から第２２頁

しかし、ループアンテナは一般にインピーダンスの実部が小さいので、無線ＩＣとインピーダンス整合がとりにくく、利得が劣化しやすいという問題があった。すなわち、無線ＩＣのインピーダンスの実部が例えば１０Ω〜２０Ωの範囲内であるのに対し、ループアンテナのインピーダンスの実部は５Ω程度と低い。

上述の問題は、特にＵＨＦ帯域において顕著であり、ＵＨＦ帯を利用する無線タグにおいて問題が大きい。
そこで、この考案の目的は、無線ＩＣとのインピーダンス整合をとりやすくして利得の劣化を抑えたアンテナ、及びそれを備えた無線ＩＣデバイスを提供することにある。

この考案のアンテナは、次のように構成する。
（１）２つの給電点を有し、ループ状に形成されたループ電極と、ループ電極に電気的に接続されていて、ループ電極に沿う位置に形成された補助電極とを備え、補助電極の線幅がループ電極の線幅より細くしたことを特徴とする。

（２）前記補助電極は、例えば前記ループ電極の外周に沿う位置に形成されている。

（３）前記補助電極は、例えば前記給電点からみて、前記給電部から前記ループ電極と同方向に延びている。

（４）前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数は例えば通信周波数よりずれている。

（５）前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数はＵＨＦ帯の周波数である
（６）前記通信周波数は例えばＵＨＦ帯であり、前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数は、前記通信周波数より例えば３０ＭＨｚ以上低い方にずれている。

（７）前記補助電極は、前記ループ電極の例えば給電点付近で前記ループ電極に電気的に接続されている。

この考案の無線ＩＣデバイスは、次のように構成する。
（８）以上に示した何れかの構成のアンテナを備え、前記アンテナの給電点に給電する無線ＩＣを備える。

（９）前記無線ＩＣは、例えば前記アンテナの給電点に給電する（結合する）給電回路と、前記給電回路を介して前記アンテナの給電点に給電するＩＣチップとで構成されたものであってもよい。

（１０）前記給電回路は、例えば共振周波数が、前記通信の周波数に実質的に相当する共振回路を含む。

（１１）前記給電回路は、例えば給電回路基板に構成され、前記給電回路基板に前記ＩＣチップが搭載されたものであってもよい。

本考案によれば、ループ電極に電気的に接続されていて、ループ電極に沿う位置に補助電極が形成されているため、ループ電極単体によるループアンテナに比べてインピーダンスの実部が大きくなる。そのため、無線ＩＣとのインピーダンス整合がとり易くなり、アンテナ利得を向上させることができる。しかも補助電極の幅がループ電極の幅より細いので、補助電極を設けたことによるパターン形成に要する面積が殆ど増大することがない。

また、補助電極がループ電極に沿う位置に形成されることにより、アンテナの放射特性に悪影響を与えることが無い。

例えばループ電極の片方の給電点付近からループ状電極に沿うように補助電極が配置されることで、ループ電極と補助電極との間に生じる容量とそれぞれのインダクタンスとにより並列共振が生じ、この並列共振により、共振周波数付近のインピーダンスの実部を大きくすることができる。そのため、無線ＩＣとの整合を合わせて易くなり、アンテナ利得が向上する。

ループ電極と補助電極とによる回路の共振（前記並列共振）の周波数付近では、ループ電極と補助電極とでは、流れる電流の位相が逆になるため、アンテナ利得が劣化する。そのため、前記共振周波数を通信で用いる周波数からずらせることで、前記アンテナ利得劣化の影響を小さくできる。

補助電極がループ電極の外側に沿うように電極を形成することで、電極間の容量を大きくでき、且つループアンテナの指向性への影響を小さくすることができる。
また、特に、補助電極がループ電極の外側に沿うように配置されることにより、補助電極が磁束の通り道を妨げないので、アンテナ利得がより大きくなる。

図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の平面図、図１（Ｂ）はそのアンテナ１０１を備えた無線ＩＣデバイス２０１の平面図である。 図２（Ａ）は、図１に示した無線ＩＣデバイス２０１を構成した基板の平面図、図２（Ｂ）は無線タグ３０１の平面図、図２（Ｃ）は無線タグ３０１の斜視図である。 無線ＩＣデバイス２０１の等価回路図である。 図４（Ａ）は図１に示したアンテナ１０１の補助電極２０を設けない場合の、所定の周波数範囲におけるインピーダンスをスミスチャート上に表した図である。 図５（Ａ）は、アンテナの実部インピーダンスの周波数特性を示す図である。 第２の実施形態に係る無線ＩＣ３１の斜視図である。 給電回路基板４０の各層の電極パターンを示す図である。 図８（Ａ）、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係る二種のアンテナ１０２，１０３の平面図である。 第４の実施形態に係るアンテナ１０４の平面図である。 第５の実施形態に係るアンテナ１０５の平面図である。 第６の実施形態に係るアンテナ１０６の平面図である。 第７の実施形態に係るアンテナ１０７の平面図である。

《第１の実施形態》
図１（Ａ）は第１の実施形態に係るアンテナ１０１の平面図、図１（Ｂ）はそのアンテナ１０１を備えた無線ＩＣデバイス２０１の平面図である。
アンテナ１０１は、２つの給電点１１，１２を有し、ループ状に形成されたループ電極１０と、ループ電極１０に電気的に接続され、ループ電極１０の外周に沿う位置に形成された補助電極２０と、を備えている。

前記ループ電極１０及び補助電極２０は、例えば基板にパターン形成された銅箔である。ループ電極１０の両端付近を給電点１１，１２としている。補助電極２０の線幅はループ電極１０の線幅より細く形成されている。
補助電極２０の第１の端部はループ電極１０の一方の給電点１１付近に電気的に接続されていて、そこから補助電極２０はループ電極１０に対して同方向に延びている。そして補助電極２０の第２の端部は開放されている。

後述するように、補助電極２０を設けたことにより、ループ電極１０単体でアンテナ（ループアンテナ）を構成した場合に比べて、アンテナのインピーダンス（実部）を高めることができ、無線ＩＣとのインピーダンス整合がとり易くなる。

また、補助電極がループ電極に沿う位置に形成されることにより、アンテナの放射特性に悪影響を与えることが無い。また、補助電極の幅がループ電極の幅より細いので、補助電極を設けたことによるパターン形成に要する面積がほとんど増大することがない。

図１（Ｂ）に示すように、ループ電極１０の給電点１１，１２に無線ＩＣ３０が実装されることによって、無線ＩＣデバイス２０１が構成される。

無線ＩＣ３０は、ループ電極１０の給電点１１，１２と導通し、ループ電極１０及び補助電極２０によるアンテナ１０１を用いて、無線ＩＣデバイス２０１を無線タグとして機能させる。

図２（Ａ）は、図１に示した無線ＩＣデバイス２０１を構成した基板の平面図、図２（Ｂ）は無線タグ３０１の平面図、図２（Ｃ）は無線タグ３０１の斜視図である。
図２（Ａ）に示すように、中央部に孔Ｈ１を有する円板状（ドーナツ盤状）の基板５０に、図１に示した無線ＩＣデバイス２０１が構成されている。

図２（Ｂ），図２（Ｃ）に表れているように、無線タグ３０１は、図２（Ａ）に示した基板をモールド樹脂６０でモールドすることによって構成されている。モールド樹脂６０の中央部には孔Ｈ２が形成されている。この孔Ｈ２は、無線タグで管理する物品に取り付けるために利用できる。

図３は、前記無線ＩＣデバイス２０１の等価回路図である。ここでは、ループ電極１０を、三つのインダクタＬ１１，Ｌ１２，Ｌ１３による集中定数回路で表している。このループ電極に給電回路ＦＣが接続されることになる。補助電極２０はインダクタＬ２０で表している。前記インダクタＬ１１はループ電極１０と補助電極２０との誘導結合によるインダクタでもある。さらに、ループ電極１０と補助電極２０との間に生じる容量をキャパシタＣ２０で表している。但し、本来分布定数回路であるものを集中定数回路に変換して表しているので、必ずしも正確な等価回路ではなく、イメージ図又は簡易図である。

この等価回路は、並列共振する共振器をループ電極に付加することによってインピーダンス整合させるようにした回路と捉えることができる。前記共振回路の共振周波数ではループ電極１０に流れる電流と補助電極２０に流れる電流の位相が逆相関係になるのでアンテナ利得が低下する。そのため、共振周波数を無線タグで用いる通信周波数よりも低く設定する。

図４（Ａ）は図１に示したアンテナ１０１の補助電極２０を設けない場合の、所定の周波数範囲におけるインピーダンスをスミスチャート上に表した図である。図４（Ｂ）は図１に示したアンテナ１０１の所定の周波数範囲におけるインピーダンスをスミスチャート上に表した図である。
ここでは、ＵＨＦ帯に適用した例を示す。

図４（Ａ）、図４（Ｂ）において、スミスチャート上の点Ｆａ，Ｆｂ，Ｆｃは、周波数８６０ＭＨｚ、９１５ＭＨｚ、９６０ＭＨｚにそれぞれ対応する周波数でのインピーダンスを指している。

このように、補助電極２０を設けることによって、図３に示した並列共振回路ＰＲＣが付加されることになり、その共振周波数で、給電点１１，１２から見たインピーダンスが大きくなる。ここでは、並列共振回路ＰＲＣの共振周波数を８６０ＭＨｚに定めている。

補助電極２０が存在しない場合、各周波数におけるインピーダンスの実部は次のとおりである。

――――――――――――――――――――――
周波数［ＭＨｚ］ インピーダンス［Ω］
――――――――――――――――――――――
８６０ ２．９
９１５ ５．２
９６０ ５．７
――――――――――――――――――――――
また、補助電極２０を備えたアンテナ１０１の各周波数におけるインピーダンスの実部は次のとおりである。

――――――――――――――――――――――
周波数［ＭＨｚ］ インピーダンス［Ω］
――――――――――――――――――――――
８６０ １００．８
９１５ １６．７
９６０ １０．５
――――――――――――――――――――――
このように、補助電極を設けない場合（ループ電極単体の場合）、アンテナのインピーダンスが数Ω程度と低いが、補助電極２０を設けることによって、アンテナのインピーダンスは１０数Ω以上となる。そのため、入出力端子から見たインピーダンスが一般に１０Ω〜２０Ω程度である無線ＩＣとインピーダンス整合をとることができる。

図５（Ａ）は、アンテナの実部インピーダンスの周波数特性を示す図である。図５（Ｂ）は、アンテナ利得の周波数特性を示す図である。
上述のとおり、この例では前記並列共振回路の共振周波数を８６０ＭＨｚに設定していので、周波数８６０ＭＨｚでインピーダンスが最大になり、周波数がそれより高くても低くてもインピーダンスは小さくなる。

一方、共振周波数の８６０ＭＨｚでは、図３に示したインダクタＬ１１とＬ２０に流れる電流の位相が逆位相となるので、図５（Ｂ）に表れているように、８６０ＭＨｚでアンテナ利得は最低となる。周波数がそれより高くても低くてもアンテナ利得は大きくなる。したがって、前記共振回路の共振周波数を通信周波数よりずらせることにより、通信周波数で所定のアンテナ利得が得られる。この例では、周波数９１５ＭＨｚ又は９６０ＭＨｚで利用可能となる。

なお、前記共振回路は、回路のリアクタンスが共振周波数以下では誘導性（インダクタンス）、共振周波数以上では容量性（キャパシタンス）となる。そして、誘導性よりも容量性の方が損失が小さいことから、容量性となる共振周波数以上の周波数で、アンテナ利得が大きくなる。そのため、前記共振回路の共振周波数は通信周波数より高い方ではなく低い方にずれるように定めた方がよい。

特に、ＵＨＦ帯においては、通信周波数帯より３０ＭＨｚ以上低い方にずれていることが好ましい。この例では、通信周波数帯域が９６０ＭＨｚであり、前記共振回路の共振周波数は、９６０ＭＨｚ−３０ＭＨｚ＝９３０ＭＨｚ以下の周波数に定められている。

前記共振回路の共振周波数は、補助電極２０の形状、寸法、ループ電極１０に対する位置関係を定めればよい。例えば補助電極２０の長さによってインダクタンスを定め、ループ電極１０との間隙、及びループ電極１０と対向している部分の長さによってキャパシタンスを定めることができる。

以上に示したように、補助電極２０がループ電極１０の給電点からみて同方向に延びるように形成することで、前記共振周波数からずれた周波数で、補助電極２０に流れる電流が、ループ電極１０に流れる電流と同方向に流れる。このことにより、ループ電極１０による磁束が補助電極２０による磁束で打ち消されることがなく、アンテナ利得を向上させることができる。

また、ループ電極１０の給電点付近に補助電極を接続した方が、共振周波数からずれた周波数で、ループ電極１０と補助電極２０に流れる電流の向きが同方向に揃いやすくなる。そのため、アンテナ利得をより向上させることができる。

《第２の実施形態》
図６は第２の実施形態に係る無線ＩＣ３１の斜視図である。
図１に示した例では、無線ＩＣ３０が半導体ＩＣチップ単体であることを想定して図示した。図６の例では、給電回路基板４０と無線ＩＣチップ３０Ｔとで無線ＩＣ３１を構成している。図７は給電回路基板４０の各層の電極パターンを示す図である。

給電回路基板４０の上面に無線ＩＣチップ３０Ｔが搭載されている。その状態で、給電回路基板４０の上面に形成されている端子電極４３ａ，４３ｂ，４４ａ，４４ｂに無線ＩＣチップ３０Ｔの端子電極が接続される。

図７において、（Ａ）は最上層、（Ｈ）は最下層である。端子電極４４ａから端子電極４４ｂまでの間に、（Ａ）〜（Ｈ）に示す各層の線路電極４２ａ，４６ａ，４２ｂ及びビア電極４６ａ−１，４５ａ，４７ａ，４６ａ−２，４８ａによって第１の（左側の）コイルが構成されている。同様に、端子電極４４ａから端子電極４４ｂまでの間に、（Ａ）〜（Ｈ）に示す各層の線路電極４６ｂ及びビア電極４６ｂ−１，４７ｂ，４６ｂ−２，４８ｂによって第２の（右側の）コイルが構成されている。なお、給電回路基板４０の各層は、セラミックや液晶ポリマー等から形成される。

図６に示した無線ＩＣ３１は図１に示したループ電極１０の給電点１１，１２の上部に接着する。このことにより、第１・第２のコイルと給電点１１，１２とは電磁界結合する。

なお、第１のコイルと第２のコイルは巻回方向が逆であり、第１・第２のコイル（インダクタンス素子）で発生する磁界が相殺され、所望のインダクタンス値を得るための電極長が長くなるので、Ｑ値が低くなる。そのため、給電回路の共振特性の急峻性がなくなるので、共振周波数付近で広帯域化することができる。また、共振周波数が通信周波数に実質的に相当する共振回路を給電回路基板４０に備えてもよい。

このように給電回路が共振周波数を有するので、広い帯域で通信することができたり、無線タグを貼り付けようとする対象物による周波数ずれの影響を小さくしたりすることができる。

また、給電回路基板を備えることにより、実装面積が大きくなるので、無線ＩＣの実装が容易になる。また、給電回路が外部応力を吸収するので、無線ＩＣの機械的強度を強くすることができる。

上述の例においては、無線ＩＣを無線ＩＣチップと給電回路基板とによって構成したが、無線ＩＣチップ上に給電回路もパターン形成することによって無線ＩＣを構成してもよい。

《第３の実施形態》
図８（Ａ）、図８（Ｂ）は第３の実施形態に係る二種のアンテナ１０２，１０３の平面図である。
図８（Ａ）に示すアンテナ１０２は、２つの給電点１１，１２を有し、ループ状に形成されたループ電極１０と、ループ電極１０に電気的に接続されていて、ループ電極１０の外周に沿う位置に形成された補助電極２０と、を備えている。補助電極２０はループ電極１０の外周に沿って一周以上に亘って形成されている。

図８（Ｂ）に示すアンテナ１０３は、２つの給電点１１，１２を有し、ループ状に形成されたループ電極１０と、ループ電極１０に電気的に接続され、ループ電極１０の外周と内周に沿う位置に形成された補助電極２０と、を備えている。すなわち、補助電極２０の第１の端部はループ電極の一方の給電点１１付近に電気的に接続され、ループ電極１０の外周に沿って形成され、補助電極２０の第２の端部はループ電極１０の給電点１１，１２の間を通って、ループ電極１０の内周に沿って形成されている。

このように、補助電極２０は一周以上に亘って延びていてもよい。また、一周以上に延びる先端部は補助電極２０の外側に延びていてもよいし、ループ電極１０の内周に沿って延びていてもよい。

《第４の実施形態》
図９は第４の実施形態に係るアンテナ１０４の平面図である。第１〜第３の各実施形態では、単一の補助電極２０を備えた例を示したが、第４の実施形態では、二つの補助電極を備えている。

すなわち、アンテナ１０４は、２つの給電点１１，１２を有し、ループ状に形成されたループ電極１０と、ループ電極１０の給電点１１，１２付近に電気的に接続され、ループ電極１０の外周に沿う位置に形成された補助電極２１，２２と、を備えている。

補助電極２１，２２はループ電極１０に対して平衡して配置されている。このような線対称の形状であっても、アンテナ１０４は図３に示した等価回路で表すことができ、共振回路の付加による効果を得ることができる。

《第５の実施形態》
図１０は第５の実施形態に係るアンテナ１０５の平面図である。第１〜第４の各実施形態では、補助電極２０の第１の端部をループ電極１０の外側に電気的に接続されるようにした。第５の実施形態では、ループ電極１０の一方の給電点１１付近でループ電極１０の内側に補助電極２０の第１の端部が電気的に接続されるように形成している。
このように補助電極２０はループ電極１０の内側にあってもよい。

《第６の実施形態》
図１１は第６の実施形態に係るアンテナ１０６の平面図である。第１〜第５の各実施形態では、補助電極をループ電極の給電点付近に電気的に接続されるように形成した。また、補助電極の第１の端部がループ電極に電気的に接続され、第２の端部が開放されていた。第６の実施形態では、補助電極２１，２２がループ電極１０の中央付近に電気的に接続されるように形成している。また、二つの補助電極２１，２２をループ電極１０の略同じ位置に電気的に接続されるように形成している。この形状は、一つの補助電極の中央（端部以外の位置）をループ電極１０に電気的に接続された形状と見なすこともできる。

《第７の実施形態》
図１２は第７の実施形態に係るアンテナ１０７の平面図である。第１〜第６の各実施形態では、ループ電極１０及び補助電極が円形又は円弧状であった。第７の実施形態では、ループ電極１０及び補助電極２０が矩形状である。
ループ電極及び補助電極は曲線状でなくてもよく、多角形状であってもよい。

ＦＣ…給電回路
Ｈ１，Ｈ２…孔
３０，３１…無線ＩＣ
Ｌ１１，Ｌ１２，Ｌ１３，Ｌ２０…インダクタ
ＰＲＣ…並列共振回路
１０…ループ電極
１１，１２…給電点
２０，２１，２２…補助電極
３０Ｔ…無線ＩＣチップ
４０…給電回路基板
５０…基板
６０…モールド樹脂
１０１〜１０７…アンテナ
２０１…無線ＩＣデバイス
３０１…無線タグ

Claims (11)

1. ２つの給電点を有し、ループ状に形成されたループ電極と、
   前記ループ電極に電気的に接続され、前記ループ電極に沿う位置に形成された補助電極と、を備え、
   前記補助電極の線幅は前記ループ電極の線幅より細いアンテナ。
2. 前記補助電極は、前記ループ電極の外周に沿う位置に形成された、請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記補助電極は、前記給電点からみて、前記ループ電極と同方向に延びている、請求項１又は２に記載のアンテナ。
4. 前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数は通信周波数よりずれている、請求項１乃至３の何れかに記載のアンテナ。
5. 前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数はＵＨＦ帯の周波数である、請求項１乃至４の何れかに記載のアンテナ。
6. 前記通信周波数はＵＨＦ帯であり、
   前記ループ電極と前記補助電極とによる回路の共振周波数は、前記通信周波数より３０ＭＨｚ以上低い方にずれている、請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記補助電極は、前記ループ電極の給電点付近で前記ループ電極に電気的に接続されている、請求項１乃至６の何れかに記載のアンテナ。
8. 請求項１乃至７の何れかに記載のアンテナを備えた無線ＩＣデバイスであって、
   前記アンテナの給電点に給電する無線ＩＣを備えた無線ＩＣデバイス。
9. 前記無線ＩＣは、前記アンテナの給電点に給電する給電回路と、前記給電回路を介して前記アンテナの給電点に給電するＩＣチップとで構成された、請求項８に記載の無線ＩＣデバイス。
10. 前記給電回路は、共振周波数が、前記通信周波数に実質的に相当する共振回路を含む、請求項９に記載の無線ＩＣデバイス。
11. 前記給電回路は、給電回路基板に構成され、前記給電回路基板に前記ＩＣチップが搭載された、請求項９又は１０に記載の無線ＩＣデバイス。

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