JP4359648B1 - Contactless power supply normal mode helical antenna - Google Patents
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Abstract
【課題】特性に優れるとともに、汎用性に富んだユビキタス通信用途に好適な非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナを提供する。
【解決手段】金属板と、金属線が螺旋状に巻回されてなるとともに前記金属板に近接して配置されるコイルと、給電点に接続された導体から構成される結合素子とを備え、前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、前記結合素子は、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層された状態で、前記金属板の上方に配置されている非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナとした。
【選択図】図７Provided is a non-contact power supply type normal mode helical antenna that has excellent characteristics and is versatile and suitable for ubiquitous communication applications.
A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed in proximity to the metal plate, and a coupling element including a conductor connected to a feeding point, With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is disposed close to the top of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate, and the coupling element is A non-contact power feeding type normal mode helical antenna disposed above the metal plate in a state of being stacked in a vertical direction without contact with the coil and the metal plate.
[Selection] Figure 7
Description
この発明は、ノーマルモードヘリカルアンテナに関し、具体的には、ユビキタス通信の小形無線タグや生体埋め込み用の小形無線センサーなどに適用可能な小型のノーマルモードヘリカルアンテナにおける給電方式の改良に関する。 The present invention relates to a normal mode helical antenna, and more specifically, to an improvement in a power feeding method in a small normal mode helical antenna that can be applied to a small wireless tag for ubiquitous communication, a small wireless sensor for biological implantation, and the like.
＝＝＝タグについて＝＝＝
ユビキタス通信の一つのサービス形態として、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification：無線を用いた情報識別 ）システムがある。このシステムは、例えば、商品の流通管理や空港における手荷物の自動仕分け作業などに利用されており、商品や手荷物などにＩＣとアンテナとを含んで構成される電波荷札（タグ）を貼り付け、そのＩＣに書き込まれた情報を読み取り、その情報に基づいて在庫管理をしたり、手荷物の仕分けをしたりするのである。
=== About Tags ===
One service form of ubiquitous communication is an RFID (Radio Frequency Identification) system. This system is used, for example, for distribution management of goods and automatic sorting of baggage at airports, and affixing radio tag (tag) composed of IC and antenna to goods and baggage. Information written in the IC is read, inventory management is performed based on the information, and baggage is sorted.
図１にタグの実用例を（Ａ）と（Ｂ）に示した。これらのタグ（２００ａ，２００ｂ）は、扁平矩形状の基板（２２０ａ，２２０ｂ）上にアンテナ部分（２１０ａ，２１０ｂ）となる金属配線が適宜な形状にパターニングされており、そのアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）の形状は、ダイポールアンテナに分類されるものである。また、基板（２２０ａ，２２０ｂ）の長辺（２２１ａ，２２１ｂ）は、アンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）の長さ（Ｌ４，Ｌ５）にほぼ等しく、その長さ（Ｌ４，Ｌ５）は、送受信する電波の半波長程度となっている。 FIG. 1 shows practical examples of tags in (A) and (B). In these tags (200a, 200b), metal wirings serving as antenna portions (210a, 210b) are patterned into appropriate shapes on flat rectangular substrates (220a, 220b), and the antennas (210a, 210b). The shape is classified as a dipole antenna. The long sides (221a, 221b) of the substrates (220a, 220b) are substantially equal to the lengths (L4, L5) of the antennas (210a, 210b), and the lengths (L4, L5) It is about half a wavelength.
そして、基板（２２０ａ，２２０ｂ）上に印刷配線されたアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）の長さ方向の中央には、ＩＣチップ２３０が配置され、アンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）を構成する印刷配線にこのＩＣ２３０が接続されている。 Then, an IC chip 230 is arranged at the center in the length direction of the antennas (210a, 210b) printed and wired on the substrates (220a, 220b), and the IC 230 is connected to the printed wiring constituting the antennas (210a, 210b). Is connected.
周知のごとく、このようなタグ（２００ａ，２００ｂ）では、電波を受信するとアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）に図中矢印で示した方向に電流Ｉが流れ、その電流Ｉを電源として能動化されたＩＣ２３０が自身に記憶されているデータの信号をアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）に送出し、その信号を電波として放射させる。 As is well known, in such a tag (200a, 200b), when an electric wave is received, a current I flows through the antenna (210a, 210b) in the direction indicated by the arrow in the figure, and the IC 230 activated using the current I as a power source. Sends data signals stored in itself to the antennas (210a, 210b), and radiates the signals as radio waves.
＝＝＝従来のタグにおける問題点＝＝＝
ところで、上述したようなタグ（２００ａ，２００ｂ）では、金属や液体などの導電体に近接すると、これらの導電体の影響により電流によって放射される電波が著しく低減されてしまうという問題がある。図２に、この問題の原因についての概略図を示した。この図では、アンテナ（１１１ａ〜１１１ｄ）とそれに近接する金属板２０との配置関係に応じ、（Ａ）（Ｂ）に示した良好に動作するアンテナ（１１１ａ，１１１ｂ）と、（Ｃ）（Ｄ）に示した良好に動作しないアンテナ（１１１ｃ，１１１ｄ）とを電気映像（１１２ａ〜１１２ｄ）によって説明している。また、そのアンテナ（１１１ａ〜１１１ｄ）を構成する導体の形状が（Ａ）（Ｃ）に示した直線状のアンテナ（直線アンテナ：１１１ａ，１１１ｃ）と、（Ｂ）（Ｄ）に示したループ状のアンテナ（ループアンテナ：１１１ｂ，１１１ｄ）のそれぞれについて説明している。
=== Problems with conventional tags ===
By the way, in the tags (200a, 200b) as described above, there is a problem that, when close to conductors such as metal and liquid, radio waves radiated by current are significantly reduced due to the influence of these conductors. FIG. 2 shows a schematic diagram of the cause of this problem. In this figure, according to the arrangement relationship between the antennas (111a to 111d) and the metal plate 20 adjacent thereto, the antennas (111a and 111b) that operate well as shown in (A) and (B), and (C) and (D) The antennas (111c, 111d) that do not operate well as shown in FIG. 3 are described with electric images (112a to 112d). Further, the shape of the conductor constituting the antennas (111a to 111d) is a linear antenna (linear antennas: 111a, 111c) shown in (A) and (C), and a loop shape shown in (B) and (D). Each of the antennas (loop antennas: 111b and 111d) is described.
実際のアンテナ（現実アンテナ：１１１ａ〜１１１ｄ）に対し、金属板２０の影響は、図中点線で示されている電気映像（１１２ａ〜１１２ｄ）によって表される。まず、直線アンテナ（１１１ａ，１１１ｃ）について説明すると、（Ａ）に示したように、アンテナ１１１ａが金属板２０の面２１に対して垂直に配置されている場合では、現実アンテナ１１１ａと電気映像１１２ａとで電流Ｉが同方向になり、良好に動作する。一方、（Ｃ）に示したように、直線アンテナ１１１ｃが金属板２０の面２１に対して平行に配置されている場合、すなわち、電流Ｉが金属板２０に対して平行に流れる場合では、現実アンテナ１１１ｃと電気映像１１２ｃとで電流Ｉが逆方向になり、電流Ｉが相殺され、良好に動作しない。 The influence of the metal plate 20 on the actual antenna (real antennas: 111a to 111d) is represented by electric images (112a to 112d) indicated by dotted lines in the figure. First, the linear antennas (111a, 111c) will be described. When the antenna 111a is arranged perpendicular to the surface 21 of the metal plate 20, as shown in FIG. And the current I is in the same direction and operates well. On the other hand, as shown in (C), when the linear antenna 111c is arranged parallel to the surface 21 of the metal plate 20, that is, when the current I flows in parallel to the metal plate 20, The current I is reversed between the antenna 111c and the electric image 112c, and the current I is canceled out.
次にループアンテナ（１１１ｂ,１１１ｄ）について説明すると、ループ状導体に流れる電流Ｉはそのループ面１１３を貫通する磁流Ｊと等価であり、これを磁流源Ｊと考えることができる。そして，（Ｂ）に示したように、ループ面１１３を垂直に貫通する軸が金属板２０に対して平行となる場合、すなわち、ループ面１１３が金属板２０の面２１に対して垂直に配置される場合では、現実アンテナ１１１ｂと電気映像１１２ｂとで磁流Ｊ同方向になり、アンテナ１１１ｂは良好に動作するが、（Ｄ）に示したように、ループ面１１３が金属板２０の面２１と平行となる場合には、現実アンテナ１１１ｄと電気映像１１２ｄとでは磁流Ｊが逆方向となり、アンテナ１１１ｄは良好に動作しない。 Next, the loop antenna (111b, 111d) will be described. The current I flowing through the loop conductor is equivalent to the magnetic current J penetrating the loop surface 113, and this can be considered as the magnetic current source J. And as shown in (B), when the axis | shaft which penetrates the loop surface 113 perpendicular | vertical becomes parallel with respect to the metal plate 20, ie, the loop surface 113 is arrange | positioned perpendicularly | vertically with respect to the surface 21 of the metal plate 20. In this case, the actual antenna 111b and the electric image 112b are in the same direction of the magnetic current J, and the antenna 111b operates well. However, as shown in (D), the loop surface 113 is the surface 21 of the metal plate 20. , The magnetic current J is reversed between the real antenna 111d and the electric image 112d, and the antenna 111d does not operate well.
以上より、（Ａ）（Ｂ）に示した良好に動作するアンテナ（１１１ａ,１１１ｂ）では、現実アンテナ（１１１ａ,１１１ｂ）の放射が、電気映像（１１２ａ,１１２ｂ）により増強され、（Ｃ）（Ｄ）に示した良好に動作しないアンテナ（１１１ｃ,１１１ｄ）では、その現実アンテナ（１１１ｃ,１１１ｄ）の放射が、電気映像（１１２ｃ,１１２ｄ）により相殺されてしまうことがわかる。そして、図１に示したタグ（２００ａ，２００ｂ）に使用されるアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）などは、（Ｃ）に示した良好に動作しないアンテナ（１１１ｃ,１１１ｄ）に相当し、従来のタグでは、金属板２０が近接配置された環境で使用されたり、タグ（２００ａ，２００ｂ）を貼る対象物が金属製であったりすると、ＲＦＩＤシステムが正常に動作しない。また、生体に埋め込むタグなどでは、体液や血液など、導体として作用する液体がタグの周囲に存在することになり、金属板２０の場合と同様にＲＦＩＤシステムが正常に動作しない。 From the above, in the antennas (111a, 111b) operating well as shown in (A) and (B), the radiation of the real antennas (111a, 111b) is enhanced by the electric images (112a, 112b), and (C) ( It can be seen that in the antennas (111c, 111d) that do not operate well as shown in D), the radiation of the real antennas (111c, 111d) is canceled out by the electric image (112c, 112d). The antennas (210a, 210b) used for the tags (200a, 200b) shown in FIG. 1 correspond to the antennas (111c, 111d) that do not operate well as shown in (C). When the metal plate 20 is used in an environment where the metal plates 20 are arranged close to each other or the object to which the tag (200a, 200b) is attached is made of metal, the RFID system does not operate normally. Further, in a tag or the like embedded in a living body, a liquid that acts as a conductor such as body fluid or blood exists around the tag, and the RFID system does not operate normally as in the case of the metal plate 20.
もちろん、図１に示したタグ（２００ａ，２００ｂ）を金属板２０に対して直交させればアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）は動作するが、タグ（２００ａ，２００ｂ）を対象物に対して直交配置すれば、対象物からタグ（２００ａ，２００ｂ）が大きく突出することになり、実用上問題が多い、以上から、金属板２０に近接配置するアンテナとしては、図２（Ｂ）に示したような磁流動作するループアンテナが適することが分かる。 Of course, if the tags (200a, 200b) shown in FIG. 1 are orthogonal to the metal plate 20, the antennas (210a, 210b) operate, but the tags (200a, 200b) are arranged orthogonal to the object. For example, the tags (200a, 200b) protrude greatly from the object, and there are many problems in practical use. From the above, as an antenna arranged close to the metal plate 20, the magnetic field as shown in FIG. It can be seen that a loop antenna that operates in a flowing manner is suitable.
＝＝＝ノーマルモードヘリカルアンテナ＝＝＝
代表的な磁流動作アンテナとして、ノーマルモードヘリカルアンテナがある。図３に、ノーマルモードヘリカルアンテナ１００ａの基本構造を示した。ノーマルモードヘリカルアンテナ１００ａは、細い金属の導線を螺旋状に巻回した本体（コイル）１１０ａに給電点１３０ａを接続した構造を基本としている。直径ｄ１の金属線を長さＬ１に渡って幅Ｗ１となるようにＮ回巻回したコイル１１０ａは、電気的に、アンテナ長Ｌ１に等しい直径ｄ１の直線状導体１１１と、幅Ｗ１のＮ個のループ状導体１１２に分解できる。直線状導体１１１に対応する部分は微小ダイポールアンテナに相当し、微小電流Ｉで動作する。ループ状導体１１２に対応する部分は、ループに沿って電流が流れるため、電気的には小さな円板の磁石と同様の働きをし、微小磁流Ｊで動作する。
=== Normal mode helical antenna ===
There is a normal mode helical antenna as a typical magnetic current operation antenna. FIG. 3 shows a basic structure of the normal mode helical antenna 100a. The normal mode helical antenna 100a basically has a structure in which a feeding point 130a is connected to a main body (coil) 110a in which a thin metal conductive wire is spirally wound. A coil 110a in which a metal wire having a diameter d1 is wound N times so as to have a width W1 over a length L1 is electrically connected to a linear conductor 111 having a diameter d1 equal to the antenna length L1 and N pieces having a width W1. Can be disassembled into a loop-shaped conductor 112. The portion corresponding to the straight conductor 111 corresponds to a minute dipole antenna and operates with a minute current I. Since a current flows along the loop in the portion corresponding to the loop-shaped conductor 112, the portion functions electrically like a small disk magnet and operates with a small magnetic current J.
ここで、ノーマルモードヘリカルアンテナアンテナ１００ａにおけるコイル１１０ａの螺旋軸１１に対し、面２１が平行となるように金属板２０をこのコイル１１０ａに近接配置すると、微小電流Ｉと微小磁流Ｊが金属板２０の面２１に並行して流れる。そして、図２に示したアンテナ（１１１ａ〜１１１ｄ）における金属板２０の配置を考慮すると、良好に動作するのは微小磁流Ｊで動作するループ状導体１１２部分だけとなる。なお、金属板２０が近接しない状態では、微小電流Ｉと微小磁流Ｊが共に動作し、ノーマルモードヘリカルアンテナ１００ａは、金属板２０が近接配置されているかどうかにかかわらず動作する、という万能の特性を有することが分かる。 Here, when the metal plate 20 is arranged close to the coil 110a so that the surface 21 is parallel to the spiral axis 11 of the coil 110a in the normal mode helical antenna antenna 100a, a minute current I and a minute magnetic current J are generated by the metal plate. It flows in parallel with 20 surfaces 21. Then, considering the arrangement of the metal plate 20 in the antennas (111a to 111d) shown in FIG. 2, only the portion of the loop-shaped conductor 112 that operates with the minute magnetic current J operates well. When the metal plate 20 is not in close proximity, both the minute current I and the minute magnetic current J operate, and the normal mode helical antenna 100a operates universally regardless of whether or not the metal plate 20 is disposed in proximity. It can be seen that it has characteristics.
＝＝＝ノーマルモードヘリカルアンテナを用いたタグ＝＝＝
図４は、金属板２０に近接配置されたノーマルモードヘリカルアンテナ１００ｂにＩＣチップ１３０ｂを接続したタグ１０１の作製例を示している（特許文献１、非特許文献１参照）。この例では、金属板２０を下方とすると、その金属板２０の上面２１に発泡スチロールからなるスペーサ１４０を介して、ノーマルヘリカルアンテナ１００ｂを配置した構成であり、金属板２０の面２１とアンテナ本体であるコイル１１０ｂの螺旋軸１１の延長方向とが互いに平行となるように配置されている。なお、ＩＣチップ１３０ｂはスペーサ１４０の上方に実装されている。
=== Tag using normal mode helical antenna ===
FIG. 4 shows an example of manufacturing the tag 101 in which the IC chip 130b is connected to the normal mode helical antenna 100b arranged close to the metal plate 20 (see Patent Document 1 and Non-Patent Document 1). In this example, when the metal plate 20 is set downward, the normal helical antenna 100b is arranged on the upper surface 21 of the metal plate 20 via a spacer 140 made of foamed polystyrene. It arrange | positions so that the extension direction of the helical axis | shaft 11 of a certain coil 110b may become mutually parallel. The IC chip 130b is mounted above the spacer 140.
また、図示したタグ１０１では、コイル１１０ｂをその螺旋軸１１に対して切断したときの断面形状（ループ形状）が上下に扁平な矩形状となっており、当該矩形の長辺１２が金属板２０および基板１４０の面（２１，１４１）と平行となるようにしている。それによって、上下方向の厚さが薄くなり、タグに適した形状となっている。 Further, in the illustrated tag 101, a cross-sectional shape (loop shape) when the coil 110 b is cut with respect to the spiral shaft 11 is a rectangular shape that is flattened up and down, and the long side 12 of the rectangle is the metal plate 20. And it is made to be parallel to the surface (21, 141) of the substrate 140. Thereby, the thickness in the vertical direction is reduced, and the shape is suitable for the tag.
コイル１１０ｂへの給電方法は、タップ給電法と呼ばれるもので、コイル１１０ｂを構成する金属線とＩＣチップ１３０ｂとを２本の導線によって構成されるタップ１３１を介して接続する方法である。このタップ１３１を構成する２本の導線は、コイル１１０ｂのループの上下の長辺１２部分にそれぞれ接続されており、この構造においては、ＩＣチップ１３０ｂの位置がノーマルモードヘリカルアンテナ１００ｂの給電点に相当する。そして、このタップ１３１を構成する導線の長さや導線間隔などを調整することによって、ＩＣチップ１３０ｂとコイル１１０ｂとのインピーダンスを整合させている。なお、図４に示したタグ１０１におけるノーマルモードヘリカルアンテナ１００ｂは、動作周波数ｆ＝９５３ＭＨｚ、すなわち、波長λ＝３１５ｍｍ、巻き数Ｎ＝６で、自己共振構造となっている。そして、波長をλとして、アンテナ長Ｌ１＝０．０４９λ、幅Ｗ１＝０．０４５λであり、極めて小型のアンテナとなっている。 A method of feeding the coil 110b is called a tap feeding method, and is a method of connecting the metal wire constituting the coil 110b and the IC chip 130b via the tap 131 constituted by two conductive wires. The two conducting wires constituting the tap 131 are respectively connected to the upper and lower long side 12 portions of the loop of the coil 110b. In this structure, the position of the IC chip 130b is the feeding point of the normal mode helical antenna 100b. Equivalent to. And the impedance of IC chip 130b and the coil 110b is matched by adjusting the length of the conducting wire which comprises this tap 131, conducting wire spacing, etc. Note that the normal mode helical antenna 100b in the tag 101 shown in FIG. 4 has a self-resonant structure with an operating frequency f = 953 MHz, that is, a wavelength λ = 315 mm and a winding number N = 6. The antenna length L1 = 0.049λ and the width W1 = 0.045λ, where λ is the wavelength, is an extremely small antenna.
しかしながら、上記タップ給電法では、扁平矩形状のループによってアンテナ本体であるコイル１１０ｂを小型にすることができても、タップ１３１をコイル１１０ｂに接続する必要があり、この接続部分によってタグ１０１自体の小型化を困難にしている。また、タグ１０１を製造する際に、タップ１３１をコイル１１０ｂに直接接続する工程に時間やコストがかかり、製品を安価に大量に製造することが困難となる。さらに、ＩＣチップ１３０ｂは、メーカごとの仕様や個体差などがあり、コイル１１０ｂと給電点であるＩＣチップ１３０ｂとのインピーダンスを整合させるためにタップ１３１の長さなどを微調整する必要がある。タップ１３１を直接コイル１１０ｂに接続する構造では、この微調整にさらに多くのコストが掛かることになる。したがって、給電方式としては、タップ１３１を用いない非接触給電方式が好ましい。 However, in the above tap feeding method, even if the coil 110b as the antenna body can be reduced in size by the flat rectangular loop, the tap 131 needs to be connected to the coil 110b. It is difficult to reduce the size. Further, when manufacturing the tag 101, it takes time and cost to directly connect the tap 131 to the coil 110b, making it difficult to manufacture a large quantity of products at low cost. Further, the IC chip 130b has specifications and individual differences for each manufacturer, and the length of the tap 131 needs to be finely adjusted in order to match the impedance between the coil 110b and the IC chip 130b that is a feeding point. In the structure in which the tap 131 is directly connected to the coil 110b, this fine adjustment requires more cost. Therefore, a non-contact power feeding method that does not use the tap 131 is preferable as the power feeding method.
＝＝＝非接触給電方式について＝＝＝
アンテナにおける非接触給電方法としては、以下の文献１〜５などに記載されている方法がある。図５および図６に、これらの文献に記載されている給電方法の概略を示した。図５は、下記非特許文献2に記載されている各種非接触給電方法であり、軸モードヘリカルアンテナ３００ａ、すなわち、ループの周囲長がほぼ１波長の大きさを有し、螺旋軸の延長方向へ電波を放射するアンテナにおける非接触給電方法を示している。例えば、（Ａ）に示した構造では、給電部３３０ａと放射部３１０ａの螺旋軸１１を一致させて配置して、放射部３１０ａを励振させている。また、（Ｂ）に示したアンテナ３１０ｂのように、２重コイルの一方を給電部３３０ｂとし、一方をアンテナとなる放射部３１０ｂとした構造もある。（Ｃ）に示したアンテナ３１０ｃの構造では、放射部３１０ｃの螺旋内部に２本の伝送線３３０ｃを挿入し、この電送線３３０ｃの延長方向に伝搬する電界により放射部３１０ｃを励振させている。しかし、いずれも、軸モードヘリカルアンテナにおける非接触給電方法であり、ループの周囲長が１波長分と長く、本発明が対象とする、タグにも適用可能なノーマルモードヘリカルアンテナにこれらの給電方法を適用することはできない。なお、図６（Ａ）と（Ｂ）は、それぞれ以下の非特許文献３と非特許文献４に記載された非接触給電型アンテナについての説明図であり、（Ａ）はその原理を示しており、（Ｂ）はメアンダラインアンテナにその原理を応用した具体例に対応している。しかし、これらの非接触給電型アンテナ（４００ａ，４００ｂ）は、図からも明らかなように、給電部となるループ状の結合素子（４３０ａ，４３０ｂ）に流れる電流によってアンテナ（４１０ａ，４１０ｂ）に電磁誘導に伴う電流を発生させる電流動作型であり、上述した従来のタグ（２００ａ，２００ｂ）に採用されているアンテナ（２１０ａ，２１０ｂ）と同様に、金属板２０の近くに配置されると良好な動作状態を維持することができなくなる。
=== About non-contact power supply system ===
As a non-contact power feeding method in the antenna, there are methods described in the following documents 1 to 5 and the like. 5 and 6 show an outline of the power feeding method described in these documents. FIG. 5 shows various non-contact power feeding methods described in Non-Patent Document 2 below, and the axial mode helical antenna 300a, that is, the circumference of the loop has a size of approximately one wavelength, and the extension direction of the spiral axis 2 shows a non-contact power feeding method for an antenna that radiates radio waves. For example, in the structure shown in FIG. 6A, the radiating portion 310a is excited by arranging the power feeding portion 330a and the spiral axis 11 of the radiating portion 310a to coincide with each other. Further, as in the antenna 310b shown in FIG. 5B, there is a structure in which one of the double coils is a power feeding unit 330b and the other is a radiating unit 310b that serves as an antenna. In the structure of the antenna 310c shown in (C), two transmission lines 330c are inserted into the spiral of the radiating portion 310c, and the radiating portion 310c is excited by an electric field propagating in the extending direction of the transmission line 330c. However, both are non-contact power feeding methods in an axial mode helical antenna, and the circumference length of the loop is as long as one wavelength, and these power feeding methods are applied to the normal mode helical antenna applicable to the tag, which is an object of the present invention. Cannot be applied. FIGS. 6A and 6B are explanatory diagrams of the non-contact power feeding antenna described in Non-Patent Document 3 and Non-Patent Document 4 below, respectively, and FIG. (B) corresponds to a specific example in which the principle is applied to a meander line antenna. However, as is apparent from the figure, these non-contact power supply type antennas (400a, 400b) are electromagnetically applied to the antennas (410a, 410b) by the current flowing in the loop-shaped coupling elements (430a, 430b) serving as the power supply unit. It is a current operation type that generates a current due to induction, and is good when placed near the metal plate 20 in the same manner as the antennas (210a, 210b) employed in the conventional tags (200a, 200b) described above. The operating state cannot be maintained.
タグなどのユビキタス通信システムに適用可能なアンテナは、その動作モードが電流動作であると、金属板の近くに配置されると動作不良を起こす。ノーマルモードヘリカルアンテナは電流動作部分と磁流動作部分とを混在させた構造により、金属板の近くに配置されても磁流動作部分により良好に動作する。そして、ノーマルモードヘリカルアンテナは、全長が送受信する電波の波長の１／１０程度であり、軽量小型化が要求されるユビキタス通信システムに適用することが可能である。しかし、タグへの使用を想定した従来のノーマルモードヘリカルアンテは、タップ給電法を採用しており、アンテナ本体以外のタップによってタグ自体の小型化に限界があった。したがって、非接触給電方法を採用したノーマルモードヘリカルアンテナが望まれる。 An antenna that can be applied to a ubiquitous communication system such as a tag causes a malfunction when placed in the vicinity of a metal plate when its operation mode is current operation. The normal mode helical antenna has a structure in which a current operating portion and a magnetic current operating portion are mixed, and thus operates normally in the magnetic current operating portion even if it is disposed near the metal plate. The normal mode helical antenna has a total length of about 1/10 of the wavelength of radio waves transmitted and received, and can be applied to a ubiquitous communication system that is required to be lightweight and downsized. However, the conventional normal mode helical antenna that is assumed to be used for a tag employs a tap feeding method, and there is a limit to miniaturization of the tag itself by a tap other than the antenna body. Therefore, a normal mode helical antenna that employs a non-contact power feeding method is desired.
ここで、本発明者は、ノーマルモードヘリカルアンテナに対して非接触給電方法を採用するのに当たり、次の点について考察した。まず、従来のタップに相当する結合素子と金属板との配置関係を考慮しないとアンテナとしての特性が劣化する。そのため、ノーマルモードヘリカルアンテナの本体と、結合素子、金属板との配置を最適化することが必要であると考えた。もちろん、使用状況に応じて簡単に設計変更が可能で、さらに、ＩＣチップの個体差などに起因するインピーダンスの不整合に対しても柔軟に対応できる構造も必要であると考えた。本発明はこのような考察に基づいて創作されたものであり、その目的は、特性に優れるとともに、汎用性に富んだユビキタス通信用途に好適な非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナを提供することにある。 Here, the present inventor considered the following points when adopting the non-contact power feeding method for the normal mode helical antenna. First, if the arrangement relationship between the coupling element corresponding to the conventional tap and the metal plate is not taken into consideration, the characteristics as an antenna deteriorate. For this reason, it was considered necessary to optimize the arrangement of the main mode helical antenna body, the coupling element, and the metal plate. Of course, it is necessary to have a structure that can be easily changed in design according to the usage situation, and that can flexibly cope with impedance mismatch caused by individual differences of IC chips. The present invention was created based on such considerations, and an object of the present invention is to provide a non-contact power feeding type normal mode helical antenna that has excellent characteristics and is versatile and suitable for ubiquitous communication applications. is there.
上記目的を達成するための本発明は、次の事項（１）〜（５）によって特定される非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナである。
（１）金属板と、金属線が螺旋状に巻回されてなるとともに前記金属板に近接して配置されるコイルと、給電点に接続された導体から構成される結合素子とを備えること。
（２）前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置されること。
（３）前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなしていること
（４）前記結合素子は、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層されていること。
（５）前記結合素子は、前記コイルの上方に配置されていること。
The present invention for achieving the above object is a non-contact power feeding type normal mode helical antenna specified by the following items (1) to (5).
(1) A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound, and a coil disposed close to the metal plate, and a coupling element including a conductor connected to a feeding point are provided.
(2) With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is disposed close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate.
(3) The coupling element has a longitudinal direction in a direction parallel to the metal plate and has a short vertical direction. (4) The coupling element is not in contact with the coil and the metal plate. It is laminated in the vertical direction.
(5) The coupling element is disposed above the coil.
本発明は、上記（１）〜（４）と、以下の事項（21）(31)のいずれかとによって特定される非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナとすることもできる。
（21）前記結合素子は、前記金属板と前記コイルとの間に挿入されて配置されていること。
（31）前記結合素子は、その一部あるいは全部が前記コイルの内側に挿入された状態で配置されていること。
The present invention may be a non-contact power feeding type normal mode helical antenna specified by the above (1) to (4) and any of the following items (21) and (31).
(21) The coupling element is inserted and disposed between the metal plate and the coil.
(31) The coupling element is arranged in a state where a part or all of the coupling element is inserted inside the coil.
本発明は、上記（１）〜（４）と、上記（５）（21）（31）のいずれかと、以下の事項（41）（51）（61）（71）のいずれかとによって特定される非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナとすることもできる。
（41）前記コイルは、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、前記結合素子は、前記コイルの螺旋軸延長方向に延長しつつ、前記コイルの全長より短い直線状導体であること
（51）前記コイルは、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、前記結合素子は、前記コイルの螺旋軸延長方向と直交する方向に延長する直線状導体であること
（61）前記コイルは、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、前記結合素子は、前記螺旋軸延長方向を長手方向とした扁平なループ状導体で、当該長手方向の長さが前記コイルの全長より短く、前記ループの面が前記金属板の面と平行となるように配置されていること。
(71)前記コイルは、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、前記結合素子は、前記螺旋軸延長方向に扁平したループ状導体で、当該扁平ループの長手方向が前記螺旋軸延長方向と直交するとともに、当該ループの面が前記金属板の面と平行となるように配置されていること。
The present invention is specified by the above (1) to (4), any one of the above (5), (21), and (31), and any of the following matters (41), (51), (61), and (71). It can also be set as a non-contact electric power feeding type normal mode helical antenna.
(41) The coil has a substantially rectangular shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the spiral axis is flattened up and down, and the coupling element extends in the spiral axis extending direction of the coil and is shorter than the entire length of the coil. (51) The coil has a substantially rectangular shape in which the cross-sectional shape perpendicular to the helical axis is flattened up and down, and the coupling element extends in a direction perpendicular to the helical axis extending direction of the coil. (61) The coil has a substantially rectangular shape whose cross-sectional shape perpendicular to the helical axis is flattened up and down, and the coupling element is a flat loop whose longitudinal direction is the extension direction of the helical axis The length of the said longitudinal direction is shorter than the full length of the said coil, and it is arrange | positioned so that the surface of the said loop may become parallel to the surface of the said metal plate.
(71) The coil is a substantially rectangular shape whose cross-sectional shape perpendicular to the spiral axis is flattened up and down, and the coupling element is a loop-shaped conductor flattened in the spiral axis extending direction, and the longitudinal direction of the flat loop Is arranged so that the surface of the loop is parallel to the surface of the metal plate.
あるいは、本発明は、上記（１）〜（４）と、以下の事項（81）と（82）、あるいは上記（１）〜（４）と、以下の事項（81）と（91）とによって特定される非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナとすることもできる。
（81）前記コイルは、前記螺旋軸延長方向を前後方向として、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であること。
（82）前記結合素子は、上下に扁平なループ状導体からなり、当該ループ面が前記コイルの前記断面と対面するように前記コイルの前方あるいは後方に配置されていること。
（91）前記結合素子は、上下に扁平なループ状導体からなり、当該ループ面が前記コイルの前記断面と対面するように、その一部あるいは全部が前記コイルの内側に挿入された状態で配置されていること。
Alternatively, the present invention includes the above (1) to (4), the following items (81) and (82), or the above (1) to (4) and the following items (81) and (91). It can also be set as the specified non-contact electric supply type normal mode helical antenna.
(81) The coil has a substantially rectangular shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the spiral axis is flattened up and down with the spiral axis extending direction as a front-rear direction.
(82) The coupling element is made of a loop conductor that is flat in the vertical direction, and is disposed in front of or behind the coil so that the loop surface faces the cross section of the coil.
(91) The coupling element is composed of a loop conductor that is flat up and down, and a part or all of the coupling element is inserted inside the coil so that the loop surface faces the cross section of the coil. is being done.
なお、上記いずれかの非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナにおいて、前記コイルの全長は送受信する電波の波長の１／１０以下であること。あるいは、前記金属板の周縁は上方に立設する壁面が形成され、前記コイルと、前記給電点と、当該給電点に接続された前記結合素子は、当該壁面により取り囲まれた領域に配置されていること、としてもよい。 In any one of the above contactless power supply type normal mode helical antennas, the total length of the coil is 1/10 or less of the wavelength of the radio wave to be transmitted and received. Alternatively, the peripheral edge of the metal plate is formed with a wall surface standing upward, and the coil, the feeding point, and the coupling element connected to the feeding point are arranged in a region surrounded by the wall surface. It may be as well.
本発明によれば、小型・薄型化が可能であるとともに、特性に優れ、汎用性にも富んだユビキタス通信用途に好適な非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a non-contact power feeding type normal mode helical antenna suitable for ubiquitous communication applications that can be reduced in size and thickness, has excellent characteristics, and is versatile.
＝＝＝非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナの基本構造＝＝＝
図７に、本発明の非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナの基本構造を示した。本発明の非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ（以下、アンテナ）１は、アンテナ本体であるコイル１０が金属板２０に近接配置されることを前提として、当該コイル１０の螺旋軸１１と金属板の板面２１とが平行となるように配置するとともに、このコイル１０に給電するための結合素子３０をコイル１０に非接触状態で近接配置した構造を基本としている。そのため、本発明のアンテナ１は、タップ給電法のように、タップとなる配線を引き回す際の凹凸がなく、原理的に薄型化が可能となっている。以下、金属板２０の面法線方向を上下方向とし、コイル１０の螺旋軸１１の延長方向を前後方向とし、上下方向と前後方向の双方に直交する方向を左右方向として説明する。なお、図７に示したアンテナ１では、金属板２０の上方にコイル１０が配置され、その上方に結合素子３０が配置されているが、本発明では、金属板２０とコイル１０と結合素子３０の相互の配置関係や、結合素子３０の形状に応じて様々な実施形態が存在する。
=== Basic structure of non-contact feed normal mode helical antenna ===
FIG. 7 shows the basic structure of the contactless power feeding type normal mode helical antenna of the present invention. A non-contact power feeding type normal mode helical antenna (hereinafter referred to as an antenna) 1 of the present invention is based on the assumption that a coil 10 which is an antenna main body is disposed close to a metal plate 20 and the helical shaft 11 of the coil 10 and the metal plate. The basic structure is such that the plate surface 21 is arranged in parallel and the coupling element 30 for supplying power to the coil 10 is arranged close to the coil 10 in a non-contact state. Therefore, the antenna 1 of the present invention has no unevenness when routing the wiring to be a tap as in the tap feeding method, and can be reduced in thickness in principle. Hereinafter, the surface normal direction of the metal plate 20 is defined as the vertical direction, the extending direction of the spiral shaft 11 of the coil 10 is defined as the front-rear direction, and the direction orthogonal to both the vertical direction and the front-rear direction is defined as the left-right direction. In the antenna 1 shown in FIG. 7, the coil 10 is disposed above the metal plate 20 and the coupling element 30 is disposed above the metal plate 20, but in the present invention, the metal plate 20, the coil 10, and the coupling element 30 are disposed. There are various embodiments depending on the mutual arrangement relationship and the shape of the coupling element 30.
＝＝＝本発明の有効性について＝＝＝
まず、図４に示したようなタグと同様に、タップ給電法を採用したノーマルモードヘリカルアンテナに金属板を近接配置した直接給電型ノーマルモードヘリカルアンテナの電気特性をシミュレーションによって検討することで本発明の有効性を判断し、その上で、金属板２０とコイル１０と結合素子３０の配置関係に応じた３つの実施形態（第１の実施例〜第３の実施例）を挙げ、本発明を説明する。なお、上記有効性の判断に当たっては、直接給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ（従来例）の電気特性を周知のモーメント法による電磁界シミュレータを用いて求め、その特性を基準として、本発明のアンテナの特性とその基準とを比較した。
=== Effectiveness of the Present Invention ===
First, as in the case of the tag shown in FIG. 4, the electrical characteristics of a direct feed normal mode helical antenna in which a metal plate is arranged close to a normal mode helical antenna that employs the tap feed method are examined by simulation. In addition, three embodiments (first to third examples) corresponding to the arrangement relationship of the metal plate 20, the coil 10, and the coupling element 30 are given and the present invention is described. explain. In determining the effectiveness, the electrical characteristics of the direct feed normal mode helical antenna (conventional example) are obtained using an electromagnetic simulator based on a well-known moment method, and the characteristics of the antenna of the present invention are based on the characteristics. And its criteria were compared.
図８にシミュレーションに用いた従来例１０１の構造を示した。（Ａ）は上方から見たときの平面図であり、（Ｂ）は左右いずれかの側から見た側面図である。なお、この図８では、給電点１３０の位置と、コイル１０における電流値の大小も合わせて示しており、電流値の大小を濃淡によって示した。ここでは、電流値が大きいほど濃くなっている。ここに示した従来例は、金属板２０の面２１上にコイル１０を配置した構造であり、コイル２０は、太さｄ１＝１ｍｍの導線を巻回してなり、その巻回したときに形成されるループの形状、すなわちコイルの断面形状が上下に扁平な矩形状となっている。そして、金属板２０と距離ｓ１＝１ｍｍの間隙を介して配置されている。 FIG. 8 shows the structure of the conventional example 101 used for the simulation. (A) is a plan view when viewed from above, and (B) is a side view as viewed from either the left or right side. In FIG. 8, the position of the feeding point 130 and the magnitude of the current value in the coil 10 are also shown, and the magnitude of the current value is shown by shading. Here, the larger the current value, the darker. The conventional example shown here is a structure in which the coil 10 is arranged on the surface 21 of the metal plate 20, and the coil 20 is formed by winding a conducting wire having a thickness d1 = 1 mm, and is formed when it is wound. The loop shape, that is, the cross-sectional shape of the coil is a rectangular shape that is flattened up and down. And it arrange | positions through the clearance gap between the metal plate 20 and distance s1 = 1mm.
シミュレーションでは、金属板２０を無限大の平板とし、コイル１０のサイズは、タグへの適用を考慮し、長さＬ１が１／１０λ以下となるように、Ｌ１＝２９ｍｍとしている。また、左右の幅Ｗ１＝１４．８ｍｍ、上下の高さＨ１＝５ｍｍとし、コイルの巻回数Ｎ＝６とし、周波数９５３ＭＨｚにて自己共振状態となるように設定した。 In the simulation, the metal plate 20 is an infinite flat plate, and the size of the coil 10 is set to L1 = 29 mm so that the length L1 is 1 / 10λ or less in consideration of application to the tag. The left and right widths W1 = 14.8 mm, the vertical height H1 = 5 mm, the number of coil turns N = 6, and a self-resonant state was set at a frequency of 953 MHz.
図９（Ａ）にシミュレーションによる入力インピーダンス特性を示した。９５３ＭＨｚにおいてリアクタンスが０で純抵抗の０．４７Ωが得られており、自己共振状態であることが確認できる。なお、アンテナ１０１の入力抵抗値が０．４７Ωと非常に小さな値となっているため、本発明のアンテナには、インピーダンスの増大効果も要求される。図８における電流値の大小関係を見ると、給電点１３０で最大となっており、その最大電流値は６．２ｄＢＡであった。以後、この値を直接給電時の電流値Ｉ１として本発明のアンテナにおける誘起電流値と比較する。 FIG. 9A shows the input impedance characteristics by simulation. At 953 MHz, the reactance is 0 and a pure resistance of 0.47Ω is obtained, confirming that it is in a self-resonant state. Since the input resistance value of the antenna 101 is a very small value of 0.47Ω, the antenna of the present invention is also required to have an impedance increasing effect. Referring to the magnitude relationship between the current values in FIG. 8, the maximum is at the feeding point 130, and the maximum current value is 6.2 dBA. Hereinafter, this value is compared with the induced current value in the antenna of the present invention as the current value I1 at the time of direct feeding.
図９（Ｂ）は、従来例の放射特性を示しており、強い放射性分は磁流からの放射５０であり、無指向性放射に対する放射強度は約１．３ｄＢｉとなっている。電流からの放射５１は−７．７ｄＢｉとなっており、小さな放射強度しか得られていない。このことより、従来例では、磁流動作となっていることが分かる。 FIG. 9B shows the radiation characteristics of the conventional example. The strong radiation component is radiation 50 from the magnetic current, and the radiation intensity with respect to omnidirectional radiation is about 1.3 dBi. The radiation 51 from the current is −7.7 dBi, and only a small radiation intensity is obtained. From this, it can be seen that the conventional example has a magnetic current operation.
次に、非接触給電を行うための結合素子３０を配置するのに当たり、従来例１０１におけるコイル１０近傍の電界分布を求めた。図１０（Ａ）は、コイル１０の矩形断面の長辺（図８，符号１２）に平行な断面の電界分布を示しており、同図（Ｂ）は、短辺（図８，１３）に平行な断面の電界分布を示している。図中に１０ｍｍの長さを示すスケール５３を表示しており、（Ａ）ではコイル１０の矩形断面の長辺１２の一端をそのスケール５３の基端５３ａとし、（Ｂ）では、短辺１３の一端を基端５３ａとしている。また、図中には、同じ電界強度の値（ｄＢＶ／ｍ）を示等高線様の閉曲線と濃淡によって示した。 Next, in arranging the coupling element 30 for performing non-contact power feeding, the electric field distribution near the coil 10 in the conventional example 101 was obtained. 10A shows the electric field distribution of a cross section parallel to the long side (FIG. 8, reference numeral 12) of the rectangular cross section of the coil 10, and FIG. 10B shows the short side (FIGS. 8, 13). The electric field distribution of a parallel section is shown. In the figure, a scale 53 showing a length of 10 mm is displayed. In (A), one end of the long side 12 of the rectangular cross section of the coil 10 is the base end 53a of the scale 53, and in (B), the short side 13 is shown. One end of this is used as a base end 53a. In the figure, the same electric field strength value (dBV / m) is indicated by a contour-like closed curve and shading.
図１０（Ａ）から、スケール５３の基端５３ａでの電界強度は９０ｄＢＶ／ｍであり、基端５３ａからコイル１０の外方に向かって１０ｍｍ離れたスケール５３の他端５３ｂの位置では、その強度が６５ｄＢＶ／ｍとなり、２５ｄＢの強度低下が生じていることが分かる。すなわち、コイル１０の長辺１２に平行な面内では、電界強度の変化がかなり大きいことが分かる。 10A, the electric field strength at the base end 53a of the scale 53 is 90 dBV / m, and at the position of the other end 53b of the scale 53 that is 10 mm away from the base end 53a toward the outside of the coil 10, It can be seen that the strength is 65 dBV / m, and the strength is reduced by 25 dB. That is, it can be seen that the change in the electric field strength is considerably large in a plane parallel to the long side 12 of the coil 10.
一方、図１０（Ｂ）から、金属面２０の上方では、スケール５３の基端５３ａでの電界強度は（Ａ）と同様に９５ｄＢｖ／ｍである。しかし、その基端５３ａから１０ｍｍ離れたスケール５３の他端５３ｂ位置では８０〜８５ｄＢｖ／ｍもの強度があり、強度低下は１０〜１５ｄＢと小さいことが分かる。すなわち、コイル１０上方の電界強度低下は緩やかであり、コイル１０に非接触で給電する場合には、コイル１０と結合素子３０の距離ｓ１を変化させても、コイル１０と結合素子３０との電磁結合量の変化は小さいと考えられる。 On the other hand, from FIG. 10B, above the metal surface 20, the electric field strength at the base end 53a of the scale 53 is 95 dBv / m as in FIG. However, it can be seen that at the position of the other end 53b of the scale 53 that is 10 mm away from the base end 53a, the strength is as high as 80 to 85 dBv / m, and the decrease in strength is as small as 10 to 15 dB. That is, the electric field strength drop over the coil 10 is gradual, and when power is supplied to the coil 10 in a non-contact manner, even if the distance s1 between the coil 10 and the coupling element 30 is changed, the electromagnetic waves between the coil 10 and the coupling element 30 are changed. The change in the amount of binding is considered to be small.
＝＝＝第１の実施例＝＝＝
本発明の第１の実施例に係るアンテナは、図７に基づいて説明すると、金属板２０の上方に、下方からコイル１０、結合素子３０がこの順に積層された状態で配置されたアンテナであり、結合素子３０の形状、およびコイル１０の螺旋軸１１に対する結合素子３０の回転位置に応じて４種類の異なる代表的な構造が存在する。
=== First Embodiment ===
The antenna according to the first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. 7. The antenna is arranged above the metal plate 20 in a state where the coil 10 and the coupling element 30 are laminated in this order from below. Depending on the shape of the coupling element 30 and the rotational position of the coupling element 30 relative to the helical axis 11 of the coil 10, there are four different representative structures.
図１１（Ａ）〜（Ｄ）に第１の実施例における上記４種類のアンテナ（１ａ〜１ｄ）の概略構造を示した。本実施例では、直線状導体からなる直線状結合素子３１と、扁平な矩形ループからなるループ状結合素子３２の形状の異なる２種類の結合素子について、直線状結合素子３１の直線延長方向、あるいはループ状結合素子３２における長辺方向がコイル１０の螺旋軸１１に対して平行、または直交の２種類の回転位置を規定することで、図１１（Ａ）直線状結合素子／平行配置、図１１（Ｂ）直線状結合素子／直交配置、図１１（Ｃ）ループ状結合素子／平行配置、図１１（Ｄ）ループ状結合素子／直交配置、の４種類のアンテナ（１ａ〜１ｄ）の構造を規定した。そして、第１の実施例における各構造のアンテナ（１ａ〜１ｄ）について、図８に示した従来例１０１と同様にして電磁界シミュレータを用いて解析した。 FIGS. 11A to 11D show schematic structures of the four types of antennas (1a to 1d) in the first embodiment. In the present embodiment, for two types of coupling elements having different shapes of a linear coupling element 31 made of a linear conductor and a loop coupling element 32 made of a flat rectangular loop, the linear extension direction of the linear coupling element 31 or By defining two types of rotational positions in which the long side direction of the loop coupling element 32 is parallel to or orthogonal to the helical axis 11 of the coil 10, FIG. 11 (A) linear coupling element / parallel arrangement, FIG. (B) Linear coupling element / orthogonal arrangement, FIG. 11 (C) Loop coupling element / parallel arrangement, FIG. 11 (D) Loop coupling element / orthogonal arrangement, the structure of four types of antennas (1a to 1d). Stipulated. And about the antenna (1a-1d) of each structure in a 1st Example, it analyzed using the electromagnetic field simulator similarly to the prior art example 101 shown in FIG.
図１２は、当該シミュレーションにおける各種設定条件の説明図であり、（Ａ）は上方から見たときのコイル１０の平面サイズに関する説明図であり、（Ｂ）は、アンテナ（１〜１ｄ）の側面を示しており、その側面から見たときのコイル１０のサイズと各構成要素（コイル１０，金属板２０，結合素子３０）間の配置関係を示している。（Ｃ）と（Ｄ）は、それぞれ、直線状結合素子３１とループ状結合素子３２のサイズに関する説明図である。 FIG. 12 is an explanatory diagram of various setting conditions in the simulation, (A) is an explanatory diagram regarding the planar size of the coil 10 when viewed from above, and (B) is a side view of the antenna (1-1d). The size of the coil 10 when viewed from the side surface and the arrangement relationship between each component (the coil 10, the metal plate 20, and the coupling element 30) are shown. (C) and (D) are explanatory diagrams regarding the sizes of the linear coupling element 31 and the loop coupling element 32, respectively.
結合素子（３１，３２）を構成する導体の太さｄ２を１ｍｍとし、ループ状結合素子３２については、長辺３３を構成する導体間に１ｍｍの間隙ｄ３を設けている。そして、直線状結合素子３１の直線部分の長さＬ２、あるいはループ状結合素子３２の長辺の長さＬ３を「結合素子の長さ」として、この結合素子の長さ（Ｌ２，Ｌ３）を変えてシミュレーションを行った。なお、コイル１０と結合素子（３１，３２）との間隔ｓ２については、１ｍｍと１０ｍｍのいずれかとし、その他の条件については従来例に対して行ったシミュレーションに準じている。すなわち、コイル１０は、太さｄ１＝１ｍｍの導線を巻回してなり、その断面形状は上下に扁平な矩形状で、その矩形の長辺１２の長さである幅Ｗ１＝１４．８ｍｍ、矩形の短辺１３となる高さｈ=５ｍｍ、前後の長さＬ１＝２９ｍｍのサイズで、巻回数Ｎ＝６である。そして、金属板２０を無限大の平面とし、金属板２０とコイル１０との間隔ｓ１＝１ｍｍとしている。 The thickness d2 of the conductor constituting the coupling element (31, 32) is 1 mm, and the loop coupling element 32 is provided with a gap d3 of 1 mm between the conductors constituting the long side 33. Then, the length L2 of the linear coupling element 31 or the length L3 of the long side of the loop coupling element 32 is defined as “the length of the coupling element”, and the length (L2, L3) of the coupling element is set. I changed the simulation. The interval s2 between the coil 10 and the coupling elements (31, 32) is either 1 mm or 10 mm, and other conditions are in accordance with the simulation performed for the conventional example. That is, the coil 10 is formed by winding a conducting wire having a thickness d1 = 1 mm, and the cross-sectional shape thereof is a rectangular shape that is flat vertically, and the width W1 = 14.8 mm, which is the length of the long side 12 of the rectangle, is rectangular. The length of the short side 13 is h = 5 mm, the front and rear length L1 = 29 mm, and the number of turns N = 6. The metal plate 20 is an infinite plane, and the distance s1 = 1 mm between the metal plate 20 and the coil 10 is set.
第１の実施例における上記４種類のアンテナ（１ａ〜１ｄ）について、その誘起電流特性のグラフを図１３に示した。（Ａ）はｓ２＝１ｍｍの場合であり、（Ｂ）はｓ２＝１０ｍｍの場合である。そして、これらのグラフにおいて、横軸を結合素子（３１，３２）の長さ（Ｌ２，Ｌ３）として、その長さ（Ｌ２，Ｌ３）と、コイル１０に誘起された電流の最大値との関係を示した。また、また、線種が異なる４本の曲線は、それぞれ図１１に示した上記４種類のアンテナ（１ａ〜１ｄ）構造に対応している。 FIG. 13 shows a graph of the induced current characteristics of the four types of antennas (1a to 1d) in the first embodiment. (A) is a case where s2 = 1 mm, and (B) is a case where s2 = 10 mm. In these graphs, the horizontal axis is the length (L2, L3) of the coupling element (31, 32), and the relationship between the length (L2, L3) and the maximum value of the current induced in the coil 10 is shown. showed that. Also, the four curves with different line types correspond to the above-described four types of antenna (1a to 1d) structures shown in FIG.
当該誘起電流特性において、図１１（Ａ）（Ｂ）に示した直線状結合素子３１を用いたアンテナ（１ａ，１ｂ）では、ｓ２＝１ｍｍ、ｓ２＝１０ｍｍの双方において、従来例１０１として先に示した直接給電時の電流値Ｉ１にほぼ等しい電流がコイル１０に誘起されていることが分かる。したがって、図１１（Ａ）（Ｂ）に示した構造のアンテナ（１ａ，１ｂ）は、十分な性能を有すると判断できる。 In the induced current characteristics, in the antennas (1a, 1b) using the linear coupling elements 31 shown in FIGS. 11A and 11B, both of s2 = 1 mm and s2 = 10 mm are first described as the conventional example 101. It can be seen that a current substantially equal to the current value I1 during direct power feeding is induced in the coil 10. Therefore, it can be determined that the antennas (1a, 1b) having the structures shown in FIGS. 11A and 11B have sufficient performance.
ここで、さらに、図１１（Ａ）（Ｂ）に示したアンテナ（１ａ，１ｂ）における電磁結合の仕組みについて考察すると、図１１(Ａ)に示したアンテナ１ａでは、図７に示したアンテナ１と実質的に同じ構造であり、当該図７において示した等価電流Ｉと磁流Ｊとが平行になっており、等価電流Ｉと電磁結合していると考えることができる。図１１（Ｂ）のアンテナ１ｂでは、コイル１０の断面形状である扁平矩形状の長辺１２方向と結合素子３１の延長方向とが揃っているため、結合素子３１は、コイル１０を構成する導線と電磁結合していると考えられる。 Here, considering the mechanism of electromagnetic coupling in the antennas (1a, 1b) shown in FIGS. 11A and 11B, the antenna 1a shown in FIG. The equivalent current I and the magnetic current J shown in FIG. 7 are parallel to each other, and can be considered to be electromagnetically coupled to the equivalent current I. In the antenna 1 b of FIG. 11B, the long side 12 direction of the flat rectangular shape that is the cross-sectional shape of the coil 10 is aligned with the extending direction of the coupling element 31, and thus the coupling element 31 is a conductor constituting the coil 10. And is considered to be electromagnetically coupled.
図１１（Ｃ）のアンテナ１ｃは、ｓ２＝１ｍｍとｓ２＝１０ｍｍの双方において、結合素子の長さを適宜選定すれば、非接触給電として使用できることが分かる。図１１（Ｄ）のアンテナ１ｄでは、ｓ２＝１ｍｍのとき非接触給電が可能であることが分かる。なお、ループ状結合素子３２を用いたアンテナ（１ｃ，１ｄ）における電磁結合は、ループの周方向に流れる電流がアンテナ（１ｃ，１ｄ）の導線に直接結合していると考えられる。 It can be seen that the antenna 1c of FIG. 11C can be used as a non-contact power feeding if the length of the coupling element is appropriately selected for both s2 = 1 mm and s2 = 10 mm. It can be seen that the antenna 1d in FIG. 11D can perform non-contact power feeding when s2 = 1 mm. The electromagnetic coupling in the antenna (1c, 1d) using the loop coupling element 32 is considered that the current flowing in the circumferential direction of the loop is directly coupled to the conductor of the antenna (1c, 1d).
なお、第１の実施例においては、非接触給電を行う結合素子（３１，３２）をコイル１０の外側に配置していた。しかし、結合素子（３１，３２）とコイル１０を構成する導線やそのコイル１０における等価電流との配置関係を考えれば、コイル１０の内部に結合素子（３１，３２）を配置しても同様の電磁結合が得られることは明らかであり、本発明には、直線状結合素子３１やループ状結合素子３２をコイル１０の内側に配置するアンテナも含まれている。 In the first embodiment, the coupling elements (31, 32) that perform non-contact power feeding are arranged outside the coil 10. However, considering the arrangement relationship between the coupling element (31, 32) and the conducting wire constituting the coil 10 and the equivalent current in the coil 10, the same is true even if the coupling element (31, 32) is arranged inside the coil 10. Obviously, electromagnetic coupling can be obtained, and the present invention includes an antenna in which the linear coupling element 31 and the loop coupling element 32 are arranged inside the coil 10.
次に、従来例のノーマルモードヘリカルアンテナ１０１における０．４７Ωの入力抵抗値Ｒを非接触給電によって変化させることができるかどうかを検討した。図１４（Ａ）（Ｂ）は、それぞれ図１１（Ｂ）（Ｄ）に示したアンテナ（１ｂ，１ｄ）について、ｓ２＝１ｍｍとしたときの入力インピーダンスを示している。図１１（Ｂ）に示した直線状結合素子３１を用いたアンテナ１ｂでは、結合素子３１の長さＬ２に応じて入力抵抗値Ｒが数Ωから４００Ωまで大きく変化している。なわち、広範囲の入力抵抗値を得ることができ、給電点からの配線とインピーダンスを整合させることができる。また入力リアクタンスＸは、大きな容量性の値となり、誘導性素子との整合に適している。 Next, it was examined whether the input resistance value R of 0.47Ω in the normal mode helical antenna 101 of the conventional example can be changed by non-contact power feeding. FIGS. 14A and 14B show the input impedance when s2 = 1 mm for the antennas (1b and 1d) shown in FIGS. 11B and 11D, respectively. In the antenna 1b using the linear coupling element 31 shown in FIG. 11B, the input resistance value R varies greatly from several Ω to 400Ω in accordance with the length L2 of the coupling element 31. That is, a wide range of input resistance values can be obtained, and the wiring from the feeding point can be matched with the impedance. The input reactance X has a large capacitive value and is suitable for matching with an inductive element.
一方、図１１（Ｄ）に示したループ状結合素子３２を用いたアンテナ１ｄでは、図１４（Ｂ）に示すように、結合素子３２の長さＬ３を長くすると、入力抵抗値Ｒは数Ω程度まで大きくなり、極大値を経て減少に転じる。入力リアクタンスＸは１００Ωまでの誘導性の値を示し、容量性素子との整合に適することが分かる。 On the other hand, in the antenna 1d using the loop coupling element 32 shown in FIG. 11D, when the length L3 of the coupling element 32 is increased as shown in FIG. 14B, the input resistance value R is several Ω. It grows to a certain extent and starts to decrease after reaching a local maximum. The input reactance X shows an inductive value up to 100Ω, and it can be seen that it is suitable for matching with a capacitive element.
以上の結果から、結合素子（３１，３２）の構成（形状やコイル１０との位置関係など）、コイル１０と結合素子（３１，３２）との間隔ｓ２、結合素子（３１，３２）の長さ（Ｌ２，Ｌ３）などの各種条件を適宜に選択することで、入力インピーダンスを大きな範囲で変化させることができる。したがって、目的とする負荷素子（ＩＣチップなど）のインピーダンスに応じて、最適値を求め、その最適値に応じて各種条件を設定すれば、実用可能な非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナを得ることができる。 From the above results, the configuration of the coupling element (31, 32) (shape, positional relationship with the coil 10, etc.), the distance s2 between the coil 10 and the coupling element (31, 32), the length of the coupling element (31, 32). By appropriately selecting various conditions such as (L2, L3), the input impedance can be changed in a large range. Therefore, a practical non-contact feed normal mode helical antenna can be obtained by obtaining an optimum value according to the impedance of the target load element (IC chip, etc.) and setting various conditions according to the optimum value. Can do.
＝＝＝第２の実施例＝＝＝
図１５に本発明の第２の実施例おけるアンテナ２の構造を示した。また、そのアンテナ２におけるコイル１０や結合素子３２のサイズや配置関係に関する説明図を図１６に示した。なお、図１６（Ａ）は、アンテナ２を前方あるいは後方から見たときの正面図であり、（Ｂ）は側面図である。第２の実施例におけるアンテナ２は、ループ状結合素子３２を用いるとともに、そのループの面３４をコイル１０の螺旋軸１１と直交させる構造となっている。すなわち、コイル１０の磁流Ｊとループ状結合素子３２の面３４とが直交する構造となっている。また、そのループ状結合素子３２における扁平ループの長辺３３の延長方向は、金属板２０の面２１と平行となっている。そして、この第２の実施例におけるアンテナ２について、電磁シミュレータを用いてその特性を解析した。なお、第２の実施例におけるループ状結合素子３２自体は、第１の実施例と同様の構造であり、コイル１０と間隔ｓ２＝１ｍｍ、およびｓ２＝１０ｍｍ離間している場合のそれぞれについて解析した。
=== Second Embodiment ===
FIG. 15 shows the structure of the antenna 2 in the second embodiment of the present invention. Further, FIG. 16 shows an explanatory diagram relating to the size and arrangement relationship of the coil 10 and the coupling element 32 in the antenna 2. 16A is a front view when the antenna 2 is viewed from the front or the rear, and FIG. 16B is a side view. The antenna 2 in the second embodiment has a structure in which the loop coupling element 32 is used and the surface 34 of the loop is orthogonal to the spiral axis 11 of the coil 10. That is, the magnetic current J of the coil 10 and the surface 34 of the loop coupling element 32 are orthogonal to each other. Further, the extending direction of the long side 33 of the flat loop in the loop-shaped coupling element 32 is parallel to the surface 21 of the metal plate 20. And about the antenna 2 in this 2nd Example, the characteristic was analyzed using the electromagnetic simulator. The loop coupling element 32 itself in the second embodiment has the same structure as that of the first embodiment, and the case where the coil 10 is separated from the coil s2 = 1 mm and s2 = 10 mm is analyzed. .
図１７（Ａ）に当該解析結果として、アンテナ２における誘起電流特性を示した。コイル１０とループ状結合素子３２の前後何れかの端面３４とを距離ｓ２＝１ｍｍとなるように近接させると、アンテナ誘起電流が直接給電時における電流値Ｉ１に近い値が得られることが分かった。したがって、コイルの長さＬ１は、コイル１０の幅Ｗ１程度の大きさがあれば十分である。一方、ｓ２＝１０ｍｍでは、ｓ２＝１ｍｍのときと比較するとアンテナ誘起電流は小さくなった。また、結合素子３２の長さＬ３による電流値の変動幅もｓ１＝１ｍｍの場合よりも大きい。 FIG. 17A shows an induced current characteristic in the antenna 2 as the analysis result. It has been found that when the coil 10 and the end face 34 on either side of the loop-like coupling element 32 are brought close to each other so that the distance s2 = 1 mm, the antenna induced current can be a value close to the current value I1 at the time of direct feeding. . Therefore, it is sufficient that the length L1 of the coil is about the width W1 of the coil 10. On the other hand, when s2 = 10 mm, the antenna induced current is smaller than when s2 = 1 mm. Further, the fluctuation range of the current value due to the length L3 of the coupling element 32 is also larger than that in the case of s1 = 1 mm.
ここで、第２の実施例のアンテナ２における電磁結合について考察する。当該アンテナ２の構造では、コイル１０の矩形状断面とループ状結合素子３２のループ面３４とが並行になるように配置されているため、両者（１０，３２）には磁気的結合が生じていると考えられる。したがって、ループ状結合素子３２をコイル１０の外側ではなく、コイル１０の内側に配置してもコイル１０を励振することができるはずである。 Here, the electromagnetic coupling in the antenna 2 of the second embodiment will be considered. In the structure of the antenna 2, the rectangular cross section of the coil 10 and the loop surface 34 of the loop coupling element 32 are arranged in parallel, so that magnetic coupling occurs between both (10, 32). It is thought that there is. Accordingly, the coil 10 should be able to be excited even if the loop coupling element 32 is disposed not inside the coil 10 but inside the coil 10.
なお、参考までに、第２の実施例において、ｓ２＝１ｍｍとしたときの結合素子３２の入力インピーダンス特性を図１７（Ｂ）に示した。抵抗値Ｒは２０Ω程度であり、リアクタンスＸは９０Ω程度である。したがって、第２の実施例のアンテナ２は、目的とする負荷素子のインピーダンスの適正値を求め、その適正値に基づいて各種条件を設定すれば、十分に実用可能となる。 For reference, the input impedance characteristic of the coupling element 32 in the second embodiment when s2 = 1 mm is shown in FIG. The resistance value R is about 20Ω, and the reactance X is about 90Ω. Therefore, the antenna 2 according to the second embodiment is sufficiently practical if an appropriate value of the impedance of the target load element is obtained and various conditions are set based on the appropriate value.
＝＝＝第３の実施例＝＝＝
図１８に、本発明の第３の実施例におけるアンテナ（３ａ〜３ｄ）の構造を示した。当該実施例では、結合素子（３１，３２）をコイル１０と金属板２０との間に配置した構造となっている。この第３の実施例では、第１の実施例と同様に、結合素子（３１，３２）の形状や配置に応じ、図（Ａ）〜（Ｄ）のそれぞれに示した代表的な構造のアンテナ（１ａ〜１ｄ）が存在する。そして、これらの各構造のアンテナ（３ａ〜３ｄ）の特性をシミュレーションによって求めた。図１９に当該シミュレーションに際しての各種条件を側面図によって示した。この図に示すように、結合素子（３１，３２）とコイル１０は、極めて近接するように配置されており、その間隔ｓ２＝０．１ｍｍとしている。なお、コイル１０と金属板２０との間隔ｓ１、およびコイル１０や状結合素子（３１，３２）のサイズなどは、上記第１の実施例や第２の実施例で示したアンテナ（１ａ〜１ｄ、２）と同様である。すなわち、第３の実施例では、上記第１および第２の実施例のアンテナ（１ａ〜１ｄ、２）と比較すると、コイル１０の上方や前後方向に結合素子（３１，３２）が無く、さらに小型・薄型化に適した構造となっている。
=== Third embodiment ===
FIG. 18 shows the structure of the antennas (3a to 3d) in the third embodiment of the present invention. In this embodiment, the coupling elements (31, 32) are arranged between the coil 10 and the metal plate 20. In the third embodiment, similarly to the first embodiment, antennas having typical structures shown in FIGS. (A) to (D) according to the shape and arrangement of the coupling elements (31, 32). (1a-1d) exists. And the characteristic of the antenna (3a-3d) of each of these structures was calculated | required by simulation. FIG. 19 is a side view showing various conditions for the simulation. As shown in this figure, the coupling elements (31, 32) and the coil 10 are arranged so as to be very close to each other, and the interval s2 = 0.1 mm. The distance s1 between the coil 10 and the metal plate 20, the size of the coil 10 and the coupling elements (31, 32), etc. are the same as the antennas (1a to 1d) shown in the first and second embodiments. 2). That is, in the third embodiment, there is no coupling element (31, 32) above the coil 10 or in the front-rear direction compared to the antennas (1a to 1d, 2) of the first and second embodiments. The structure is suitable for miniaturization and thinning.
図２０に示したシミュレーション結果によれば、図１８（Ａ）（Ｃ）に示した、電流と等価磁流とが並行となるように結合素子（３１，３２）を配置したアンテナ（３ａ，３ｃ）では、誘起電流が図１８（Ｂ）（Ｄ）に示した構造のアンテナ（３ｂ，３ｄ）と比較して小さくなる。先に第１の実施例における同様の配置のアンテナ（１ｂ，１ｄ）の誘起電流が大きかったことを考えると、第３の実施例におけるアンテナ（３ａ，３ｃ）では、金属板２０とコイル１０との間に結合素子（３１，３２）を配置したことによって、等価電流との結合が弱められたためと推察できる。 According to the simulation results shown in FIG. 20, the antennas (3a, 3c) shown in FIGS. 18 (A) and 18 (C) in which the coupling elements (31, 32) are arranged so that the current and the equivalent magnetic current are parallel to each other. ), The induced current is smaller than that of the antennas (3b, 3d) having the structure shown in FIGS. Considering that the induced current of the antennas (1b, 1d) of the same arrangement in the first embodiment was large, the antenna (3a, 3c) in the third embodiment has the metal plate 20 and the coil 10 It can be inferred that the coupling element (31, 32) is arranged between the two, the coupling with the equivalent current is weakened.
一方、図１８（Ｂ）（Ｄ）に示したアンテナ（３ｂ，３ｄ）では、効果的に結合しており、図８に示した従来例のアンテナ１０１の電流値Ｉ１よりも高い電流が誘起されている。これは、コイル１０の導体と結合素子（３１，３２）とが直接結合している場合と同様の効果が残っているものと考えられる。なお、第３の実施例の代表例として、図１８(Ｄ)の構造のアンテナ３ｄの入力インピーダンス特性を図２０に示した。入力抵抗値Ｒは、同軸ケーブルなどとの整合に適した範囲内にある。また、入力リアクタンスＸは、２００Ω以下の値となっており、ＩＣチップとの整合に適した値となっている。 On the other hand, the antennas (3b, 3d) shown in FIGS. 18B and 18D are effectively coupled, and a current higher than the current value I1 of the conventional antenna 101 shown in FIG. 8 is induced. ing. This is considered to be the same effect as when the conductor of the coil 10 and the coupling elements (31, 32) are directly coupled. As a representative example of the third embodiment, the input impedance characteristic of the antenna 3d having the structure shown in FIG. 18D is shown in FIG. The input resistance value R is in a range suitable for matching with a coaxial cable or the like. Further, the input reactance X is a value of 200Ω or less, and is a value suitable for matching with the IC chip.
したがって、第３の実施例においても、アンテナ（３ａ〜３ｄ）を構成する配線部材（ケーブルなど）の種別や、目的とする負荷素子のインピーダンスなどの差異に対して柔軟に対応することができる。 Therefore, also in the third embodiment, it is possible to flexibly cope with differences in the types of wiring members (cables and the like) constituting the antennas (3a to 3d) and the impedance of the target load element.
＝＝＝その他の実施例＝＝＝
＜金属板の大きさ＞
上記各実施例では、各種構造のアンテナ（１ａ〜１ｄ，２，３ａ〜３ｄ）について、その有効性をシミュレーションによって確認した。このシミュレーションに際しては、金属板２０を無限大の平面としていた。しかし、実際の金属板２０は、ある形状をした有限の大きさを持つものである。そこで、上記各実施例のアンテナ（１ａ〜１ｄ，２，３ａ〜３ｄ）を実際のタグなどに適用する場合を想定し、金属板２０の大きさや形状を変化させた際にアンテナが有効に動作するかどうかをシミュレーションによって評価した。ここでは二種類の具体例を想定して評価した。
=== Other Embodiments ===
<Size of metal plate>
In each of the above embodiments, the effectiveness of the antennas (1a to 1d, 2, 3a to 3d) having various structures was confirmed by simulation. In this simulation, the metal plate 20 was an infinite plane. However, the actual metal plate 20 has a certain shape and a finite size. Therefore, assuming that the antennas (1a to 1d, 2, 3a to 3d) of the above embodiments are applied to actual tags and the like, the antenna operates effectively when the size and shape of the metal plate 20 are changed. Whether or not to do so was evaluated by simulation. Here, evaluation was performed assuming two specific examples.
図２１は、本発明の第１の具体例におけるアンテナ４の概略構造であり、（Ａ）はその平面図であり、（Ｂ）は正面図である。シミュレーションでは、第３の実施例における４種類のアンテナ（３ａ〜３ｄ）の内、図１１（ｄ）に示したアンテナ３ｄの金属板２０を有限の大きさにしてアンテナ４の特性を評価した。なお、シミュレーションに当たっては、大きさが有限の金属板（有限金属板）２２の形状を矩形状とし、その矩形の縦横の辺の長さＷ２、Ｌ４を、それぞれＷ２＝３５ｍｍ、Ｌ４＝２０．８ｍｍとした。また、この有限金属板２２とコイル１０との位置関係は、図２１（Ｂ）に示すように、コイル１０と金属板２０との間隙ｓ１＝１ｍｍ、ループ状結合素子３２とコイル１０との間隙ｓ２＝０．１ｍｍとした。 FIG. 21 shows a schematic structure of the antenna 4 in the first specific example of the present invention, in which (A) is a plan view and (B) is a front view. In the simulation, the characteristics of the antenna 4 were evaluated by setting the metal plate 20 of the antenna 3d shown in FIG. 11D to a finite size among the four types of antennas (3a to 3d) in the third embodiment. In the simulation, the shape of the metal plate (finite metal plate) 22 having a finite size is rectangular, and the lengths W2 and L4 of the sides of the rectangle are W2 = 35 mm and L4 = 20.8 mm, respectively. It was. Further, as shown in FIG. 21B, the positional relationship between the finite metal plate 22 and the coil 10 includes a gap s1 = 1 mm between the coil 10 and the metal plate 20, and a gap between the loop coupling element 32 and the coil 10. s2 = 0.1 mm.
図２２に、上記第１の具体例のアンテナ４の特性を示した。（Ａ）は結合素子の長さＬ３に対する誘起電流の特性を示しており、結合素子長を７．５ｍｍ以上にすると、直接給電時の電流値Ｉ１に近いアンテナ誘起電流が得られ、非接触給電が有効であることが分かる。（Ｂ）は、入力インピーダンス特性を示しており、抵抗値Ｒは数Ω程度の小さな値となるが、リアクタンスＸは数１０Ωと適当な大きさになっている。 FIG. 22 shows the characteristics of the antenna 4 of the first specific example. (A) shows the characteristics of the induced current with respect to the length L3 of the coupling element. When the coupling element length is 7.5 mm or more, an antenna induced current close to the current value I1 at the time of direct feeding is obtained, and non-contact feeding is performed. It can be seen that is effective. (B) shows the input impedance characteristics, and the resistance value R is a small value of about several Ω, but the reactance X is a suitable value of several tens of Ω.
＜金属板の形状＞
例えば、タグを貼る対象物が金属製である場合、その対象物が金属板として作用し、アンテナの特性がその対象物の形状や大きさに応じて変化してしまう可能性がある。そこで、外部の金属からの影響を遮断するため、金属板の周囲に側壁を形成することが考えられる。
<Shape of metal plate>
For example, when the object to which the tag is attached is made of metal, the object acts as a metal plate, and the characteristics of the antenna may change depending on the shape and size of the object. Therefore, it is conceivable to form a side wall around the metal plate in order to block the influence from the external metal.
図２３に本発明の第２の具体例として、周囲に側壁２４が形成された金属板２３を備えたアンテナ５を示した。そして、このアンテナ５について、上記各実施例と同様に特性をシミュレーションした。なお、シミュレーションにおける各種条件は、ほぼ、図２１に示した第１の具体例のアンテナ４と同様であり、例えば、金属板２３の上面２１は矩形状で、その縦横の長さＬ４、Ｗ２も第１の具体例と同じとした。また、コイル１０やループ状結合素子３２の構造や配置も同じとした。第２の具体例では、金属板２３の上面２１の周囲に高さＨ２＝７ｍｍの側壁が形成されている点のみが第１の具体例におけるアンテナ４と異なっている。 As a second specific example of the present invention, FIG. 23 shows an antenna 5 including a metal plate 23 around which a side wall 24 is formed. And about this antenna 5, the characteristic was simulated like the said each Example. The various conditions in the simulation are almost the same as those of the antenna 4 of the first specific example shown in FIG. 21. For example, the upper surface 21 of the metal plate 23 is rectangular and the vertical and horizontal lengths L4 and W2 are also set. The same as the first specific example. The structure and arrangement of the coil 10 and the loop coupling element 32 are also the same. The second specific example is different from the antenna 4 in the first specific example only in that a side wall having a height H2 = 7 mm is formed around the upper surface 21 of the metal plate 23.
図２４に当該アンテナ５におけるループ状結合素子３２の長さと誘起電流との関係を示した。アンテナ誘起電流は直接給電したときの値Ｉ１と比べて小さくなるが、実用上問題ない程度である。そして、無限大の金属板２０を想定した上記第１〜第３の実施例におけるシミュレーション結果を考慮すれば、金属板２３の底面積を広くすれば、特性を改善することができると思われる。 FIG. 24 shows the relationship between the length of the loop coupling element 32 in the antenna 5 and the induced current. Although the antenna induced current is smaller than the value I1 when the power is directly fed, it is practically satisfactory. And considering the simulation results in the first to third embodiments assuming an infinite metal plate 20, it is considered that the characteristics can be improved if the bottom area of the metal plate 23 is increased.
また、本発明を金属製の物体に貼り付けるタグなどに適用する場合では、必ずしも、アンテナ自体に金属板を設けなくてもよい。すなわち、コイルと結合素子からなる構成を金属製物体に近接させることで非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナが構成されるようにしてもよい。 In addition, when the present invention is applied to a tag or the like that is attached to a metal object, it is not always necessary to provide a metal plate on the antenna itself. That is, a non-contact power feeding type normal mode helical antenna may be configured by bringing a configuration including a coil and a coupling element close to a metal object.
＝＝＝本発明のアンテナの有効性＝＝＝
上記したように、本発明のアンテナでは、結合素子（３０〜３２）がコイル１０と非接触であるため、タップ給電法のように給電点１３０とコイル１０とを配線で直接接続する工程を不要とし、低コスト化が期待できる。また、コイル１０に固定的に接続されるタップとは異なり、結合素子の位置や配置をコイルに対して柔軟に変更することが可能である。そのため、用途に応じた特性を得ることができるとともに、負荷素子側のインピーダンスが不安定であっても柔軟にインピーダンスを整合させることができる。
=== Effectiveness of Antenna of the Present Invention ===
As described above, in the antenna of the present invention, since the coupling element (30 to 32) is not in contact with the coil 10, there is no need to directly connect the feeding point 130 and the coil 10 with wiring as in the tap feeding method. Therefore, cost reduction can be expected. Further, unlike the tap fixedly connected to the coil 10, the position and arrangement of the coupling element can be flexibly changed with respect to the coil. Therefore, it is possible to obtain characteristics according to the application, and it is possible to flexibly match the impedance even when the impedance on the load element side is unstable.
また、コイルの断面形状を上下に扁平な矩形とすることで、小型・薄型化が可能である。しかも、コイルと結合素子との間隔も１ｍｍ程度でよく、より一層の薄型化が期待できる。また、タップのように給電点からコイルまで配線を引き回す際に生じる凹凸がなく、上面をほぼ平坦にすることができ、タグに適した形状を得ることができる。なお、実際のアンテナでは、各構成要素（金属板、コイル、結合素子）を所定の間隔で所定の配置で固定する必要がある。そのためには、図４に示したタップ給電法を採用したアンテナのように、適所に絶縁性のスペーサを介在させればよい。そして、各構成要素を固定すればよい。 Further, by making the cross-sectional shape of the coil a flat rectangle up and down, it is possible to reduce the size and thickness. Moreover, the distance between the coil and the coupling element may be about 1 mm, and further reduction in thickness can be expected. Moreover, there is no unevenness | corrugation which arises when routing wiring from a feeding point to a coil like a tap, an upper surface can be made substantially flat, and the shape suitable for a tag can be obtained. In an actual antenna, it is necessary to fix each component (metal plate, coil, coupling element) in a predetermined arrangement at a predetermined interval. For this purpose, an insulating spacer may be interposed at an appropriate position, such as an antenna employing the tap feeding method shown in FIG. And what is necessary is just to fix each component.
ユビキタス通信の小形無線タグや生体埋め込み用の小形無線センサーなどに利用するのに適している。 It is suitable for use in a small wireless tag for ubiquitous communication, a small wireless sensor for bio-implantation, and the like.
１ 非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ
１ａ〜１ｄ 非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ
２ 非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテ
３ａ〜３ｄ 非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテ
４、５ 非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテ
１０ コイル
２０ 金属板
３０、３１、３２ 給電素子
１０１、２００ａ、２００ｂ タグ
１００ａ、１００ｂ ノーマルモードヘリカルアンテナ
１３０ａ 給電点
１３１ タップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Contactless power supply type normal mode helical antenna 1a-1d Contactless power supply type normal mode helical antenna 2 Contactless power supply type normal mode helical antenna 3a-3d Contactless power supply type normal mode helical antenna 4, 5 Contactless power supply type normal mode helical antenna Ante 10 Coil 20 Metal plate 30, 31, 32 Feed element 101, 200a, 200b Tag 100a, 100b Normal mode helical antenna 130a Feed point 131 Tap
Claims (11)
前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、
前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなし、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層されているとともに、前記コイルの上方に配置されている
ことを特徴とする非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ。 A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed close to the metal plate, and a coupling element composed of a conductor connected to a feeding point,
With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is arranged close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate,
The coupling element has a longitudinal shape in a direction parallel to the metal plate and has a short vertical direction, and is stacked in a vertical direction in a non-contact manner with the coil and the metal plate, and above the coil. A non-contact feed normal mode helical antenna.
前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、
前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなし、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層されているとともに、前記金属板と前記コイルとの間に挿入されて配置されている
ことを特徴とする非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ。 A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed close to the metal plate, and a coupling element composed of a conductor connected to a feeding point,
With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is arranged close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate,
The coupling element has a longitudinal direction in a direction parallel to the metal plate and has a short vertical direction, and is stacked in a vertical direction in a non-contact manner with the coil and the metal plate. A non-contact power feeding type normal mode helical antenna, wherein the non-contact feeding type normal mode helical antenna is disposed between the coil and the coil.
前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、
前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなし、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層されているとともに、その一部あるいは全部が前記コイルの内側に挿入された状態で配置されていることを特徴とする非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ。 A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed close to the metal plate, and a coupling element composed of a conductor connected to a feeding point,
With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is arranged close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate,
The coupling element has an outer shape having a longitudinal direction in a direction parallel to the metal plate and a short vertical direction, and is laminated in a vertical direction in a non-contact manner with the coil and the metal plate. A non-contact power feeding type normal mode helical antenna, wherein all the antennas are arranged inside the coil.
前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、
前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなすとともに、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層され、
前記コイルは、前記螺旋軸延長方向を前後方向として、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、
前記結合素子は、扁平なループ状導体からなり、当該ループ面が前記コイルの前記断面と対面するように前記コイルの前方あるいは後方に配置されていることを特徴とする非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ。 A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed close to the metal plate, and a coupling element composed of a conductor connected to a feeding point,
With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is arranged close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate,
The coupling element has a longitudinal direction in a direction parallel to the metal plate and has an outer shape with a short vertical direction, and is laminated in a vertical direction in a non-contact manner with the coil and the metal plate,
The coil has a substantially rectangular shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the spiral axis is flattened up and down with the spiral axis extending direction as a front-rear direction,
The coupling element is made of a flat loop-shaped conductor, and is disposed in front of or behind the coil so that the loop surface faces the cross section of the coil. antenna.
前記金属板の面法線方向を上下方向として、前記コイルは、螺旋軸延長方向が前記金属板の面と平行となるように当該金属板の上方に近接して配置され、
前記結合素子は、前記金属板と平行な方向に長手方向を有して上下方向が短い外形をなすとともに、前記コイルおよび前記金属板と非接触で上下方向に積層され、
前記コイルは、前記螺旋軸延長方向を前後方向として、前記螺旋軸に直交する断面形状が上下に扁平な略矩形状であり、
前記結合素子は、上下に扁平なループ状導体からなり、当該ループ面が前記コイルの前記断面と対面するように、その一部あるいは全部が前記コイルの内側に挿入された状態で配置されていることを特徴とする非接触給電型ノーマルモードヘリカルアンテナ。 A metal plate, a coil in which a metal wire is spirally wound and disposed close to the metal plate, and a coupling element composed of a conductor connected to a feeding point,
With the surface normal direction of the metal plate as the vertical direction, the coil is arranged close to the upper side of the metal plate so that the spiral axis extending direction is parallel to the surface of the metal plate,
The coupling element has a longitudinal direction in a direction parallel to the metal plate and has an outer shape with a short vertical direction, and is laminated in a vertical direction in a non-contact manner with the coil and the metal plate,
The coil has a substantially rectangular shape in which a cross-sectional shape perpendicular to the spiral axis is flattened up and down with the spiral axis extending direction as a front-rear direction,
The coupling element is composed of a loop-shaped conductor that is flat up and down, and is arranged in a state where a part or all of the coupling element is inserted inside the coil so that the loop surface faces the cross section of the coil. A non-contact feed normal mode helical antenna.
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