JP4192202B2

JP4192202B2 - 複合アンテナ

Info

Publication number: JP4192202B2
Application number: JP2007331127A
Authority: JP
Inventors: 信男室伏; 貢一佐野; 保仁喜地; 泰夫松本
Original assignee: Toshiba TEC Corp
Current assignee: Toshiba TEC Corp
Priority date: 2007-12-21
Filing date: 2007-12-21
Publication date: 2008-12-10
Anticipated expiration: 2025-08-25
Also published as: JP2008125115A

Description

本発明は、異なる複数の周波数帯で動作する複合アンテナに関する。

従来、異なる複数の周波数帯で動作する複合アンテナとしては、誘電体基板上に１．５ＧＨｚ帯用の円偏波ループアンテナを形成するとともに、ほぼ同一軸上に５．８ＧＨｚ帯用の方形パッチアンテナを形成してなる複合アンテナ等がある（例えば、特許文献１参照）。
特開２００３−１５２４４５号公報

ところで近年、無線を利用した自動認識技術として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムが知られている。ＲＦＩＤシステムは、リーダ・ライタ等と呼ばれる質問器と、ＲＦＩＤタグ等と呼ばれる応答器との間で無線通信を行う。その際の伝送方式としては、交流磁界によるコイルの相互誘導を利用した電磁結合方式の他、周波数として１３５ｋＨｚ帯以下若しくは１３．５６ＭＨｚ帯を利用した電磁誘導方式と、８６０〜９６０ＭＨｚのＵＨＦ帯若しくは２．４５ＧＨｚ帯を利用した電波方式とが採用されている。

特に、１３．５６ＭＨｚ帯を利用した電磁誘導方式は、ＲＦＩＤシステムの一態様である非接触ＩＣカードシステムに用いられており、殆どの国で採用されている。一方、８６０〜９６０ＭＨｚのＵＨＦ帯を利用した電波方式は、欧州や米国では使用可能であるものの、日本では携帯電話等に割り当てられていてためにＲＦＩＤシステムでの使用が許可されていなかったが、最近、９５０〜９５６ＭＨｚ帯をＲＦＩＤシステムで使用できるような行動が開始された。そこで、１３．５６ＭＨｚ帯のみならず９５０〜９５６ＭＨｚ帯でも動作する複合アンテナの開発が望まれていた。この種の複合アンテナを開発することにより、１３．５６ＭＨｚ帯を使用したＲＦＩＤシステムだけでなく、９５０〜９５６ＭＨｚ帯を使用したＲＦＩＤシステムにも兼用できるリーダ・ライタ用アンテナを得ることができる。

しかしながら従来の複合アンテナは、例えば１．５ＧＨｚ帯と５．８ＧＨｚ帯というように、いずれも電波方式で使用される２つの周波数帯に対応したものであり、例えば９５０ＭＨｚ帯と１３．５６ＭＨｚ帯というように、電波方式と電磁誘導方式でそれぞれ使用される２つの周波数帯に対応したものはなかった。

本発明はこのような事情に基づいてなされたもので、その目的とするところは、電波方式で使用される高い周波数帯で動作するのみならず、電磁誘導方式で使用される低い周波数帯でも動作する複合アンテナを提供しようとするものである。

本発明の複合アンテナは、一方の面に放射導体を、他方の面に接地導体をそれぞれ設けたパッチアンテナであり、ＵＨＦ帯若しくは２．４５ＧＨｚ帯の電波方式で利用される第１の周波数帯において動作する第１のアンテナと、第１の周波数帯より低い電磁誘導方式で利用される第２の周波数帯において動作するコイル状導体を有する第２のアンテナと、第１のアンテナと第２のアンテナとを一体的に保持する誘電体からなる保持部とを備え、第１のアンテナを形成する導体層である放射導体の層と接地導体の層の厚さを、いずれも第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さより薄くし、第２のアンテナを形成する導体層の厚さを、第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さ以上としたものである。

かかる手段を講じた本発明によれば、電波方式で使用される高い周波数帯で動作するのみならず、電磁誘導方式で使用される低い周波数帯でも動作する複合アンテナを提供できる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を用いて説明する。
［第１の実施の形態］
はじめに、本発明の第１の実施の形態である複合アンテナ１０について、図１〜図４を用いて説明する。図１は複合アンテナ１０の外観斜視図であり、図２は同複合アンテナ１０の分解斜視図であり、図３は図１におけるＡ−Ａ矢視断面の拡大図である。

この複合アンテナ１０は、第１の周波数帯として電波方式で利用される例えば９５０ＭＨｚ帯で動作する第１のアンテナ１１と、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯として電磁誘導方式で利用される例えば１３．５６ＭＨｚ帯で動作する第２のアンテナ１２とを備えている。そして、第１のアンテナ１１と第２のアンテナ１２とを、誘電体からなる保持基板１３を挟んで積層することにより一体化している。

第１のアンテナ１１は、第１の誘電体基板１１１と、この第１の誘電体基板１１１の一方の面側に配置された放射導体（パッチ電極）１１２と、該第１の誘電体基板１１１の他方の面側に配置された接地導体（グランド）１１３とから構成している。第２のアンテナ１２は、第２の誘電体基板１２１と、この第２の誘電体基板１２１の一方の面側に配置されたコイル状導体パターン１２２と、該第２の誘電体基板１２１の他方の面側に配置された棒状導体パターン１２３とから構成している。第１の誘電体基板１１１，第２の誘電体基板１２１及び保持基板１３は、いずれも矩形状をなした同一サイズのものである。

第１のアンテナ１１において、接地導体１１３は、第１の誘電体基板１１１と面積を略同一とする矩形状の導体パターンであり、保持基板１３上に設けている。放射導体１１２は、第１の誘電体基板１１１よりも面積が小さい略矩形状の導体パターンであり、第１の誘電体基板１１１上の略中央に設けている。放射導体１１２は、その一辺を凹状に切欠しており、この切欠部の底辺から誘電体基板１１１の一辺に向けて導体パターン１１４を延伸している。

導体パターン１１４は、放射導体１１２への給電線として機能する。すなわち図示しないが、同軸ケーブルの一端側の芯線を導体パターン１１４に接続するとともに、該一端側の外線を接地導体１１３の一部に接続し、該同軸ケーブルの他端側を、電波方式を用いて無線通信を行う無線機に接続する。こうすることにより、第１のアンテナ１１は、電波方式で使用される第１の周波数帯で送受信動作を行う。

第１のアンテナ１１の指向性の強さを図４（ａ）に示す。図示するように第１のアンテナ１１は、放射導体１１２が設けられている側に強い指向性を有している。すなわち、放射導体１１２が設けられている側に電波を強く放射する特性を有している。ここに、第１のアンテナ１１は、電波の電界に対して有効な動作をする平面パッチアンテナとして機能する。

第２のアンテナ１２において、コイル状導体パターン１２２は、一端が第２の誘電体基板１２１の一辺部に位置し、他端が第２の誘電体基板１２１の略中央部に位置するように渦巻状に設けた渦巻き部１２４と、一端が第２の誘電体基板１２１の上記渦巻き部１２４の一端が設けられている辺部に位置し、他端が上記渦巻き部１２４の他端近傍でかつ渦巻き部１２４と重ならない部位に位置するように設けた直線部１２５とからなる。棒状導体パターン１２３は、第２の誘電体基板１２１の裏面側において、この第２の誘電体基板１２１の厚さ方向に対して一端が上記渦巻き部１２４の他端と重なり、他端が上記直線部１２５の他端と重なる位置に設けている。そして、第２の誘電体基板１２１の渦巻き部１２４の他端と棒状導体パターン１２３の一端とが位置する部位に、その表面から裏面に貫通する第１のスルーホール１２６を穿設している。また、第２の誘電体基板１２１の直線部１２５の他端と棒状導体パターン１２３の他端とが位置する部位に、その表面から裏面に貫通する第２のスルーホール１２７を穿設している。

第２の誘電体基板１２１の一辺部に位置する渦巻き部１２４の一端部と直線部１２５は、いずれもコイル状導体パターン１２２への給電部として機能する。すなわち図示しないが、同軸ケーブルの一端側の芯線を渦巻き部１２４の一端に接続するとともに、該一端側の外線を直線部１２５の一端に接続し、該同軸ケーブルの他端側を、電磁誘導方式を用いて無線通信を行う無線機に接続する。こうすることにより、同軸ケーブルから渦巻き部１２４の一端に入力された電流は、渦巻き部１２４を流れ、その他端から第１のスルーホール１２６を通って棒状導体パターン１２３の一端に入力する。棒状導体パターン１２３の一端に入力した電流は、棒状導体パターン１２３を流れ、その他端から第２のスルーホール１２７を通って直線部１２５の他端に入力する。直線部１２５の他端に入力した電流は、直線部１２５を通ってその一端から同軸ケーブルに出力される。また、同軸ケーブルから直線部１２５の一端に入力された電流は、上記と逆方向に流れ、渦巻き部１２４の一端から同軸ケーブルに出力される。これにより、第２のアンテナ１２は、電磁誘導方式で使用される第２の周波数帯で送受信動作を行う。

第２のアンテナ１２の磁界分布を図４（ｂ）で示す。図中、破線は磁束を示しており、磁束が集中している部分が磁束密度の高いところである。図示するように、第２のアンテナ１２を構成するコイル状導体パターン１２２の中心から上下方向に磁束密度の高い箇所がある。この磁束密度が高い箇所で通信を行うと、良好な通信特性を得ることができる。ここに、第２のアンテナ１２は、電波の磁界に対して有効な動作をするコイル状アンテナとして機能する。

さて、本実施の形態においては、第１のアンテナ１１を形成する導体層、つまりは放射導体１１２と接地導体１１３の厚さｄ１を、第２のアンテナ１２を形成する導体層、つまりはコイル状導体パターン１２２の厚さｄ２よりも薄くしている。

導体を流れる電流は、周波数が高くなるにつれて導体表面からの深さが浅い部分しか流れなくなる。この現象は表皮効果と呼ばれており、電流の流れる表皮深さδは、次の（１）式で表される。なお、（１）式においてωは２πｆであり、ｆは周波数，μは透磁率，σは導電率である。

例えば導体が銅からなる場合、導電率σは５８×１０^６（Ｓ／ｍ）である。透磁率μは４π×１０^−７であるので、周波数が電磁誘導方式で利用される１３．５６ＭＨｚであるときには、表皮深さδは１８μｍになる。また、周波数が電波方式で利用される９５０ＭＨｚであるときには、表皮深さδは２μｍになる。

そこで、９５０ＭＨｚ帯で動作するアンテナの銅箔パターンの厚さを２μｍとすれば、銅箔パターンでの電力損失を少なくすることができる。一方、１３．５６ＭＨｚ帯で動作するアンテナの銅箔パターンの厚さを１８μｍ以上とすれば、銅箔パターンでの電力損失を少なくすることができる。また、厚さが１８μｍ以上の銅箔があると、１３．５６ＭＨｚ帯の電磁波はほとんど通過しなくなる。逆を言えば、銅箔の厚さが１８μｍ以下の場合には、１３．５６ＭＨｚ帯の電磁波は通過し、その通過量は、銅箔の厚さが薄くなればなるほど増大する。

そこで本実施の形態では、電波方式で利用される第１の周波数帯を９５０ＭＨｚとし、この９５０ＭＨｚ帯で動作する第１のアンテナ１１の導体厚さｄ１を２μｍから１８μｍとする。また、電磁誘導方式で利用される第２の周波数帯を１３．５６ＭＨｚとし、この１３．５６ＭＨｚ帯で動作する第２のアンテナ１２の導体厚さｄ２を１８μｍ以上とする。

このような構成の複合アンテナでは、放射導体１１２が設けられている側の外側に第２のアンテナ１２が設けられているので、第１のアンテナ１１から放射される電波のうち、放射導体１１２が設けられている側に強く放射される電波は、第２のアンテナ１２の影響を受けない。一方、第１のアンテナ１１を形成する導体層の厚さが１８μｍ以下であるので、第２のアンテナ１２から放射される電磁波が第１のアンテナ１１の導体層で減衰する量は少ない。

したがって、本実施の形態によれば、電波方式で利用される第１の周波数帯では第１のアンテナ１１を使用し、電磁誘導方式で利用される第２の周波数帯では第２のアンテナ１２を使用して安定に無線通信を行うことができ、例えば９５０ＭＨｚ帯と１３．５６ＭＨｚ帯というように、電波方式と電磁誘導方式でそれぞれ使用される２つの周波数帯に対応し得る小型の複合アンテナ１０を提供することができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態である複合アンテナ２０について、図５〜図７を用いて説明する。図５は複合アンテナ２０を上方から見た平面図であり、図６は図５におけるＢ−Ｂ矢視断面図であり、図７は同複合アンテナ２０を下側から見た平面図である。

この複合アンテナ２０も、第１の周波数帯として電波方式で利用される例えば９５０ＭＨｚ帯で動作する第１のアンテナ２１と、第１の周波数帯より低い第２の周波数帯として電磁誘導方式で利用される例えば１３．５６ＭＨｚ帯で動作する第２のアンテナ２２とを備えている。そして、第１のアンテナ１１と第２のアンテナ１２とを、第１のアンテナ２１の放射利得が小さい外周に第２のアンテナ２２を設けることにより一体化している。

第１のアンテナ２１は、誘電体基板２１１と、この誘電体基板２１１の一方の面側に配置された放射導体（パッチ電極）２１２と、該誘電体基板２１１の他方の面側に配置された接地導体（グランド）２１３とから構成している。第２のアンテナ２２は、口状の開口部を有する誘電体からなる保持フレーム２２１と、この保持フレーム２２１の外側に巻回された例えば銅線等からなる導体コイル２２２とから構成している。

第１のアンテナ２１において、接地導体２１３は、誘電体基板２１１と面積を略同一とする略矩形状の導体パターンであり、該誘電体基板２１１の下面に設けている。放射導体２１２は、誘電体基板２１１よりも面積が小さい矩形状の導体パターンであり、誘電体基板２１１上の略中央に設けている。また、誘電体基板２１１の放射導体２１４のＢ−Ｂ矢視線上で右端から略１／３の位置に、その厚さ方向に貫通するスルーホール２１４を穿設している。スルーホール２１４の位置は、アンテナ２１を接続する無線機のインピーダンスによって決まる。そして、このスルーホール２１４に接地導体２１３側からコネクタ２１５を挿入している。これにより、コネクタの内部導体が放射導体２１２に接続され、外部導体が接地導体２１３に接続されている。そこで、電波方式を用いて無線通信を行う無線機をコネクタ２１５に接続することにより、第１のアンテナ２１は、電波方式で使用される第１の周波数帯で送受信動作を行う。このときの第１のアンテナ２１の指向性の強さは、図４（ａ）で示した指向性と同様に、放射導体２１２が設けられている側に強い指向性を有している。すなわち、誘電体基板２１１の放射導体２１２が設けられている側の放射利得が高くなっており、接地導体２１３の面と平行な外周方向の放射利得は小さくなっている。ここに、第１のアンテナ２１は、電波の電界に対して有効な動作をする平面パッチアンテナとして機能する。

第２のアンテナ１２において、保持フレーム２２１は、その口状の開口部を、第１のアンテナにおける誘電体基板２１１の接地導体２１３の面と平行な外周に嵌合させている。そして、この保持フレーム２２１の外周に導体コイル２２２を巻回している。導体コイル２２２の一端は、２端子コネクタ２２３の一方の端子２２４に接続しており、導体コイル２２２の他端は、該２端子コネクタ２２３の他方の端子２２５に接続している。２端子コネクタ２２３は、誘電体基板２１１における裏面側の接地導体２１３が切欠された部位に設けている。そこで、電磁誘導方式を用いて無線通信を行う無線機を２端子コネクタ２２３に接続することにより、２端子コネクタ２２３の一方の端子２２４から入力された電流は、導体コイル２２２を流れて２端子コネクタ２２３の他方の端子２２５に入力し、他方の端子２２５から入力された電流は、導体コイル２２２を逆方向に流れて一方の端子２２４に入力する。これにより、第２のアンテナ２２は、電磁誘導方式で使用される第２の周波数帯で送受信動作を行う。この第２のアンテナ１２の磁界分布も図４（ｂ）で示した磁界分布と同様に、導体コイル２２２の中心から上下方向に磁束密度の高い箇所がある。この磁束密度が高い箇所で通信を行うと、良好な通信特性を得ることができる。ここに、第２のアンテナ２２は、電波の磁界に対して有効な動作をするコイル状アンテナとして機能する。

このように構成された第２の実施の形態の複合アンテナ２０においても、第１の実施の形態と同様に、第１のアンテナ２１を形成する導体層、つまりは放射導体２１２と接地導体２１３の厚さｄ３を、第２のアンテナ２２を形成する導体層、つまりは導体コイル２２２の厚さｄ４よりも薄くしている。具体的には、放射導体２１２と接地導体２１３の厚さｄ３を、第１のアンテナ２１が動作する第１の周波数帯の電流が流れる表皮深さδよりも厚く、かつ第２のアンテナ２２が動作する第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さδよりも薄くしている。また、導体コイル２２２の厚さｄ４を、第２のアンテナ２２が動作する第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さδ以上厚くしている。

このような構成の複合アンテナでは、第１実施の形態と同様に、放射導体２１２が設けられている側の外側に第２のアンテナ２２が設けられているので、第１のアンテナ２１から放射される電波のうち、放射導体２１２が設けられている側に強く放射される電磁波は、第２のアンテナ２２の影響を受けない。一方、第１のアンテナ２１を形成する導体層の厚さが１８μｍ以下であるので、第２のアンテナ２２から放射される電磁波が第１のアンテナ２１の導体層で減衰する量は少ない。かくして、電波方式で利用される第１の周波数帯では第１のアンテナ２１を使用し、電磁誘導方式で利用される第２の周波数帯では第２のアンテナ２２を使用して安定に無線通信を行うことができる小型の複合アンテナ２０を提供することができる。

なお、この発明は前記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。
例えば複合アンテナ１０，２０の形状は、矩形状に限定されるものではなく、円形状や、三角形，五角形，六角形等の多角形状としてもよい。

また、第１のアンテナ１１，２１を構成する導体の厚さｄ１，ｄ３は、第２のアンテナ１２，２２の影響を抑えることができる厚さであればよく、第２のアンテナ１２，２２を構成する導体の厚さｄ２，ｄ４は、第２の周波数帯を使用できる厚さであればよい。また、導体の材質は銅に限定されるものではない。

この他、前記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組合せにより種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態に亘る構成要素を組合わせてもよい。

本発明の第１の実施の形態における複合アンテナの外観斜視図。同第１の実施の形態における複合アンテナの分解斜視図。図１におけるＡ−Ａ矢視断面の拡大図。第１のアンテナの指向性と第２のアンテナの磁界分布を示す模式図。本発明の第２の実施の形態における複合アンテナを上方から見た平面図。図５におけるＢ−Ｂ矢視断面図。同第２の実施の形態における複合アンテナを下方から見た平面図。

符号の説明

１０，２０…複合アンテナ、１１，２１…第１のアンテナ、１２，２２…第２のアンテナ、１３…保持基板、１１１…第１の誘電体基板、１１２，２１２…放射導体、１１３，２１３…接地導体、１２１…第２の誘電体基板、１２２…コイル状導体パターン、１２３…棒状導体パターン、２１１…誘電体基板、２２１…保持フレーム、２２２…導体コイル。

Claims

一方の面に放射導体を、他方の面に接地導体をそれぞれ設けたパッチアンテナであり、ＵＨＦ帯若しくは２．４５ＧＨｚ帯の電波方式で利用される第１の周波数帯において動作する第１のアンテナと、
前記第１の周波数帯より低い電磁誘導方式で利用される第２の周波数帯において動作するコイル状導体を有する第２のアンテナと、
前記第１のアンテナと前記第２のアンテナとを一体的に保持する誘電体からなる保持部とを具備し、
前記第１のアンテナを形成する導体層である前記放射導体の層と前記接地導体の層の厚さを、いずれも前記第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さより薄くし、
前記第２のアンテナを形成する導体層の厚さを、前記第２の周波数帯の電流が流れる表皮深さ以上としたことを特徴とする複合アンテナ。
前記第２のアンテナは、片面に前記コイル状導体を設け、
前記誘電体からなる保持部は、一方の面で前記パッチアンテナである第１のアンテナの接地導体を保持し他方の面で前記第２のアンテナの前記コイル状導体のパターンを保持することを特徴とする請求項１記載の複合アンテナ。
前記保持部は、前記パッチアンテナである第１のアンテナの外周に設けられた誘電体からなり、
前記第２のアンテナは、前記保持部の外周に前記コイル状導体を巻回してなることを特徴とする請求項１記載の複合アンテナ。