JP4218044B2 - 3D antenna - Google Patents
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Description
【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、物品に付けるタグ等の無接触形のICカードや、小形の携帯用通信端末等に特に好適に使用することができる3次元アンテナに関する。
【0002】
【従来の技術】
物流システムや在庫管理システム等において、物品の種類や送り先等を識別するために物品に付けて使用する無接触形のICカード式のタグや、小形の携帯用通信端末等には、使用周波数に適合するアンテナが組み込まれている。
【0003】
従来のアンテナは、2次元のコイル状に形成され、ループアンテナとして機能し、通信用のICモジュールと組み合わせることにより、外部からの到来電波を受信してICモジュールに作動用の電力を供給したり、外部機器との間において情報伝達用の電波を送受信したりすることができる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
かかる従来技術によるときは、アンテナは、ループアンテナとして機能しているから、指向特性が鋭く、電波の送受信方向が狭く限定され、通信の安定性に欠けることがあるという問題があった。
【0005】
そこで、この発明の目的は、かかる従来技術の問題に鑑み、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に配置する第1、第2、第3のコイルを組み合わせることによって、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を簡単に実現することができる3次元アンテナを提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
かかる目的を達成するためのこの発明の構成は、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置する第1、第2、第3のコイルをそれぞれアンテナエレメントとしてなり、第1、第2のコイルは、それぞれ個別の円柱状のコア入りのコイルとし、第3のコイルは、軸方向の長さが巻径より短い円板状のコア入りのコイルとし、各コアは、フェライトによって形成し、第1、第2、第3のコイルは、順不同に直列接続して共通の通信用のICモジュールに接続することをその要旨とする。
【0008】
また、第1、第2、第3のコイルは、共通の基板に搭載してもよく、第3のコイル用のコアは、軸方向の長さを第1、第2のコイル用の各コアの同一の径相当に設定してもよい。
【0009】
【作用】
かかる発明の構成によるときは、第1、第2、第3のコイルは、それぞれX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置され、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に指向特性を有するアンテナエレメントとして作動するから、それらを組み合わせることによりそれぞれの指向特性を合成し、全体として、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を実現することができる。
【0010】
第1、第2、第3のコイルは、直列接続することにより、全体のインダクタンスを大きくし、使用周波数に対して容易に共振させ、外部回路に対して容易に整合させることができる。なお、第1、第2、第3のコイルは、順不同に直列接続してよいものとする。
【0011】
第1、第2、第3のコイルは、コア入りのコイルとしてそれぞれのインダクタンスを一層大きくすることができる。なお、このときのコアは、フェライトを含む低損失の高磁性材料によって形成することが好ましい。
【0012】
共通の基板に搭載する第1、第2、第3のコイルは、基板を介して相対位置を正しく位置決めし、基板上のパターンを介して簡単に接続することができる。ただし、基板は、絶縁性のプリント基板を使用することができる。
【0013】
第3のコイルの軸方向の長さを第1、第2のコイルの径相当に設定すれば、第3のコイルは、第1、第2のコイルを含むX−Y平面に設置するとき、上下に過大に突出することがなく、全体厚さを最小にすることができる。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下、図面を以って発明の実施の形態を説明する。
【0015】
3次元アンテナATは、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz をX軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置してなる(図1、図2)。ただし、X軸、Y軸、Z軸は、適当な3次元空間における仮想軸である。また、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、共通の基板11上に搭載されている。
【0016】
基板11は、適当な絶縁性のプリント基板から形成され、線状のパターン11a、11b、ランド11cが形成されている。第1、第2のコイルLx 、Ly は、それぞれ個別の円柱状のコアCAx 、CAy が挿入されており、径Dx =Dy のコア入りのコイルに形成されている。また、第3のコイルLz は、上下のフランジ付きの円板状のコアCAz に保持されている。円板状のコアCAz は、軸方向の長さHz が巻径より短く、軸方向の長さHz ≒Dx =Dy に設定されており、コアCAz の一方のフランジには、通信用のICモジュールMが搭載されている。
【0017】
ICモジュールMには、共振用、インピーダンス整合用のコンデンサC1 、C2 と、通信用ICチップM1 とが一体に組み込まれている(図1、図3)。ICモジュールMは、第3のコイルLz の一端に直接接続され、基板11上のパターン11bを介して第2のコイルLy の一端に接続されている。第3のコイルLz の他端は、基板11上のパターン11aを介して第1のコイルLx の一端に接続され、第1のコイルLx の他端は、基板11上のランド11cを介して第2のコイルLy の他端に接続されている。すなわち、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、パターン11a、11b、ランド11cを介して直列接続されている。なお、第1、第2、第3のコイルLx 、Ly 、Lz は、それぞれのインダクタンスがほぼ同一に設定されており、ICモジュールMとともに、適当なシール材SLを介して基板11上に固定されている(図2)。
【0018】
3次元アンテナATの送受信感度試験データの一例を図4に示す。ただし、図4(A)は、同図(B)のように、3次元アンテナATと、周波数125kHz の電波Sを送受信するリードライタTとを横方向に相対移動させるとき、両者間の安定の通信可能範囲を水平距離Lh 、垂直距離Lv により図示している。なお、図4(A)の一点鎖線は、第3のコイルLz だけによる比較データである。
【0019】
すなわち、図4(A)によれば、3次元アンテナATは、第3のコイルLz だけの場合(同図の一点鎖線)に比して、垂直方向の送受信感度がやや劣るものの、水平方向に約30%増の範囲にまで安定な通信可能範囲を拡大することができ、垂直距離Lv を過大にしない限り、水平距離Lh の広い範囲に対して良好な通信性能を維持し得ることがわかる。
【0020】
また、図5は、他の送受信感度試験データである。図5(A)は、同図(B)のように、3次元アンテナATとの相対角度θ方向に図4と同様のリードライタTを移動させ、両者間の安定な通信可能範囲を送受信距離Ls 、水平距離Lh 、垂直距離Lv として図示している。図5(A)によれば、3次元アンテナATは、第3のコイルLz だけの場合(同図の一点鎖線)に比して、相対角度θ=90°において送受信距離Ls が約10%減となるが、相対角度θ=60°において送受信距離Ls がほぼ同一となり、相対角度θ=45°、θ=30°において、それぞれ約50%増、約75%増の送受信距離Ls が得られ、相対角度θ=0°において、約200%増の送受信距離Ls が得られることがわかる。
【0021】
すなわち、3次元アンテナATは、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向を含む3次元空間の全方向に対し、良好な無指向特性を実現することができる。
【0022】
この発明に係る3次元アンテナATは、通勤、通学用の定期券や、携帯者の身分を証明するための身分証明カード、物品に付けるタグ等に通信用のICモジュールMとともに組み込んで無接触形のICカードとし、その移動方向や姿勢等に拘らず、対応するリードライタTとの間に良好な通信性能を確保することができる。外部機器と交信する携帯用通信端末等についても、全く同様である。
【0023】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によれば、X軸方向、Y軸方向、Z軸方向に向けて配置する第1、第2、第3のコイルをアンテナエレメントとすることにより、第1、第2、第3のコイルは、それぞれの指向特性を合成し、全体として、3次元空間の全方向に対して良好な無指向特性を実現することができるから、無接触形のICカードや小形の携帯用通信端末等に応用するとき、電波の送受信方向に制約がなく、通信の安定性を大きく向上させることができるという優れた効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図1】 全体構成分解斜視説明図
【図2】 図1のA−A線矢視相当拡大断面図
【図3】 等価回路図
【図4】 指向特性説明線図(1)
【図5】 指向特性説明線図(2)
【符号の説明】
Dx 、Dy …径
Hz …長さ
Lx …第1のコイル
Ly …第2のコイル
Lz …第3のコイル
CAx 、CAy 、CAz …コア
11…基板[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a three-dimensional antenna that can be particularly suitably used for a contactless IC card such as a tag attached to an article, a small portable communication terminal, and the like.
[0002]
[Prior art]
In a distribution system, inventory management system, etc., contactless IC card type tags used on items to identify the type and destination of the item, small portable communication terminals, etc. A suitable antenna is incorporated.
[0003]
A conventional antenna is formed in a two-dimensional coil shape, functions as a loop antenna, and is combined with a communication IC module to receive incoming radio waves from outside and supply operating power to the IC module. In addition, radio waves for information transmission can be transmitted to and received from external devices.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
According to such a conventional technique, since the antenna functions as a loop antenna, there is a problem that the directivity is sharp, the transmission / reception direction of radio waves is limited to be narrow, and the stability of communication may be lacking.
[0005]
Therefore, in view of the problems of the prior art, an object of the present invention is to combine the first, second, and third coils arranged in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, so that the entire three-dimensional space can be obtained. An object of the present invention is to provide a three-dimensional antenna that can easily realize a good omnidirectional characteristic with respect to a direction.
[0006]
[Means for Solving the Problems]
In order to achieve such an object, the configuration of the present invention is such that the first, second, and third coils arranged in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction serve as antenna elements, Each of the coils 2 is an individual cylindrical cored coil, the third coil is a disk-shaped coil whose axial length is shorter than the winding diameter, and each core is formed of ferrite. The gist of the first, second, and third coils is that they are connected in series in random order and connected to a common communication IC module.
[0008]
The first, second, and third coils may be mounted on a common substrate, and the third coil core has an axial length of each of the first and second coil cores. The same diameter may be set.
[0009]
[Action]
According to such a configuration of the invention, the first, second, and third coils are arranged in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, respectively, and in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction, respectively. Since it operates as an antenna element having directional characteristics, the directional characteristics can be combined by combining them to realize a good omnidirectional characteristic in all directions in the three-dimensional space as a whole.
[0010]
The first, second, and third coils can be connected in series to increase the overall inductance, easily resonate with the operating frequency, and easily match with the external circuit. Note that the first, second, and third coils may be connected in series in any order.
[0011]
Each of the first, second, and third coils can be further increased in inductance as a cored coil. Note that the core at this time is preferably formed of a low-loss, high-magnetic material containing ferrite.
[0012]
The relative positions of the first, second, and third coils mounted on the common substrate can be correctly positioned via the substrate, and can be easily connected via the pattern on the substrate. However, an insulating printed board can be used as the board.
[0013]
If the axial length of the third coil is set to be equivalent to the diameter of the first and second coils, when the third coil is installed on the XY plane including the first and second coils, It does not protrude excessively up and down, and the overall thickness can be minimized.
[0014]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0015]
The three-dimensional antenna AT is configured by arranging the first, second, and third coils Lx, Ly, and Lz in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction (FIGS. 1 and 2). However, the X axis, the Y axis, and the Z axis are virtual axes in an appropriate three-dimensional space. The first, second, and third coils Lx, Ly, and Lz are mounted on the
[0016]
The
[0017]
In the IC module M, capacitors for resonance and impedance matching C1 and C2 and a communication IC chip M1 are integrated (FIGS. 1 and 3). The IC module M is directly connected to one end of the third coil Lz, and is connected to one end of the second coil Ly through the
[0018]
An example of transmission / reception sensitivity test data of the three-dimensional antenna AT is shown in FIG. However, as shown in FIG. 4 (B), when the three-dimensional antenna AT and the reader / writer T that transmits and receives the radio wave S having a frequency of 125 kHz are moved relative to each other in the lateral direction, as shown in FIG. The communicable range is illustrated by a horizontal distance Lh and a vertical distance Lv. In addition, the dashed-dotted line of FIG. 4 (A) is the comparison data by only the 3rd coil Lz.
[0019]
That is, according to FIG. 4A, although the three-dimensional antenna AT is slightly inferior in vertical transmission / reception sensitivity as compared with the case of only the third coil Lz (the dashed line in the figure), It can be seen that the stable communicable range can be expanded to a range of about 30% increase, and good communication performance can be maintained over a wide range of the horizontal distance Lh unless the vertical distance Lv is excessive.
[0020]
FIG. 5 shows other transmission / reception sensitivity test data. In FIG. 5A, as shown in FIG. 5B, the reader / writer T similar to that in FIG. 4 is moved in the direction of the relative angle θ with respect to the three-dimensional antenna AT, and the stable communicable range between the two is set as the transmission / reception distance. It is illustrated as Ls, horizontal distance Lh, and vertical distance Lv. According to FIG. 5A, in the three-dimensional antenna AT, the transmission / reception distance Ls is reduced by about 10% at the relative angle θ = 90 ° as compared with the case of only the third coil Lz (the dashed line in the figure). However, at the relative angle θ = 60 °, the transmission / reception distance Ls is substantially the same, and at the relative angles θ = 45 ° and θ = 30 °, the transmission / reception distance Ls is increased by about 50% and about 75%, respectively. It can be seen that a transmission / reception distance Ls of about 200% can be obtained at the relative angle θ = 0 °.
[0021]
That is, the three-dimensional antenna AT can realize good omnidirectional characteristics in all directions of the three-dimensional space including the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction.
[0022]
The three-dimensional antenna AT according to the present invention is a non-contact type that is incorporated together with a communication IC module M in a commuter pass, a commuter pass, an identification card for verifying the identity of a carrier, a tag attached to an article, etc. With this IC card, it is possible to ensure good communication performance with the corresponding reader / writer T regardless of the moving direction or posture thereof. The same applies to portable communication terminals that communicate with external devices.
[0023]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, the first, second, and third coils arranged in the X-axis direction, the Y-axis direction, and the Z-axis direction are used as antenna elements. The second and third coils synthesize the respective directional characteristics, and as a whole, can realize good omnidirectional characteristics in all directions of the three-dimensional space. When applied to a portable communication terminal or the like, there is no restriction on the transmission / reception direction of radio waves, and there is an excellent effect that the stability of communication can be greatly improved.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an exploded perspective view of the overall configuration. FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view corresponding to the line AA in FIG. 1. FIG. 3 is an equivalent circuit diagram.
[Fig.5] Directional characteristic explanatory diagram (2)
[Explanation of symbols]
Dx, Dy ... diameter Hz ... length Lx ... first coil Ly ... second coil Lz ... third coil CAx, CAy, CAz ...
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