JP4413698B2 - 無給電素子付きリングアンテナ - Google Patents
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Description
リングアンテナRANTは、約半波長のダイポールアンテナ素子を折り曲げたものであり、基本的に導体に沿って流れる電流分布の姿態はダイポールアンテナと等価である。
リングアンテナの二つの開放端部(図47において楕円で囲った部分)は、電流が最小となり電圧が高いことから、この部分に静電容量を付加することで、共振周波数を容易に引き下げることが可能である。
図48〜図50は、従来のリングアンテナの一例の指向特性を示すグラフであり、図48は、図47に示す座標系におけるY−Z面内(電界面内)の指向特性を、図49は、図47に示す座標系におけるX−Z面内(磁界面内)の指向特性を、図50は、図47に示す座標系におけるX−Y面内の指向特性を示す。
なお、図50において、E1は交差偏波を示し、ここで、リングアンテナの縦横比(図47に示す(L1/L2)比)は3:5である。
図48、図49のグラフから分かるように、リングアンテナは、Z方向、−Z方向で若干指向性を有するが、強い指向性ではない。
図51は、リングアンテナの一例の反射特性を示すグラフである。この図51は、リングアンテナを50Ωの給電線に整合させた時の反射特性の周波数特性を示したものである。
図51のグラフから分かるように、VSWRが、2.0以下となる比帯域幅(整合中心周波数に対する帯域幅)は、2.2%と狭帯域である。
しかしながら、図51に示すように、比帯域が2%程度と、周波数特性が狭帯域であり、利得が小さいという欠点を有している。
本発明は、前記従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、本発明の目的は、狭帯域特性を改善するとともに、利得を向上させた無給電素子付きリングアンテナを提供することにある。
即ち、本発明では、リングアンテナに無給電素子を付加することによって、狭帯域特性を改善するとともに、利得を向上させる。
一周がλo/2(λoは、リングアンテナの使用周波数foの自由空間波長)より小さい導電体からなるリングアンテナを挟むようにして、一対の無給電素子を配置すると、リングアンテナによって作られる電磁界によって、一対の無給電素子が励振されるため、等価的にダイポールアンテナとして機能し、リングアンテナの持つ狭帯域特性を改善させることができる。
また、一周がλo/2より小さい導電体からなるリングアンテナを挟むようにして、一周がλo程度の矩形ループの一部を切り取り、コの字形にした無給電素子を配置することにより、周波数特性の広帯域化のみならず、利得の増大を図ることができる。
さらに、共振周波数調整可能なリングアンテナに複数の長さからなる一対の無給電素子を配置すると、無給電素子の長さに応じた周波数で広帯域化が図ることができるため、様々な周波数で無線の運用を行う場合に有用である。
また、リングアンテナと独立して、無給電素子を配置するだけに良いため、運用に応じて、無給電素子の有無を選択することが可能である。
本発明の無給電素子付きリングアンテナによれば、狭帯域特性を改善するとともに、利得を向上させることが可能となる。
なお、実施例を説明するための全図において、同一機能を有するものは同一符号を付け、その繰り返しの説明は省略する。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1の無給電素子付きリングアンテナを説明するための模式図である。
本実施例では、リングアンテナ(RANT)を挟み、リングアンテナ(RANT)の電界方向に直線状に配置される第1導体501および第2導体502を有する。この第1導体501および第2導体502は、所謂、無給電素子を構成する。
この第1導体501および第2導体502は、板状の導体、あるいは、メッシュ状の導体などの導電性を有するものであれがよいが、図1では板状導体の場合を想定している。
ここで、第1導体501と第2導体502の外側の両端部までの長さをLa、リングアンテナ(RANT)の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(La)は、約半波長(λo/2)、より好ましくは、0.3×λo≦La≦0.55×λoとされる。
リングアンテナ(RANT)に沿って流れる電流分布は、無給電素子の有無によって大きく変化しないことから、無給電素子の追加により、リングアンテナの構造や調整手段を変更しなくても良い。
図2は、図1に示す座標系におけるY−Z面内(電界面内)の指向特性を、図3は、図1に示す座標系におけるX−Z面内(磁界面内)の指向特性を、図4は、図1に示す座標系におけるX−Y面内(電界面内)の指向特性を示す。なお、図4において、E1が交差偏波を示し、また、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
前述の図48〜図50に示すグラフと比較すると、本実施例においては、図2に示すY−Z面内指向特性の±90°が括れ、図3に示すX−Z面内指向特性が無指向性に近づいたほか、図4に示すX−Y面内(図11)の交差偏波レベルが減少しており、いずれも、半波長ダイポールアンテナの特性に近づいている。
図5は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の反射特性を示すグラフである。この図5は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナを50Ωの給電線に整合させた時の反射特性の周波数特性を示したものである。
図5のグラフから分かるように、VSWRが、2.0以下となる比帯域幅(整合中心周波数に対する帯域幅)は、6.3%となっており、図51のものより、広帯域化が実現されている。
図6は、本発明の実施例2の無給電素子付きリングアンテナを説明するための模式図である。本実施例では、無給電素子として、一対の線状導体(511,512)を使用するものである。
ここで、一対の線状導体(511,512)の長さをLf、リングアンテナ(RANT)の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(Lf)は、約λo/4、より好ましくは、0.15×λo≦Lf≦0.25×λoとされる。
前述の実施例のように、板状導体(501,502)から成る無給電素子とは異なり、線状導体(511,512)から成る無給電素子の場合には、結合が疎になるため、リングアンテナ(RANT)の電流分布の高い部分に近づけ、リングアンテナ(RANT)と結合を密にし、リングアンテナ(RANT)との間隔や傾きによって、適宜調整する。
つまり、結合が疎すぎると、広帯域化が失われ、密な場合には、リングアンテナ(RANT)の整合を取り直す必要がある。
前述の実施例1と同様、リングアンテナ(RANT)に沿って流れる電流分布は、無給電素子の有無によって大きく変化しないことから、無給電素子の追加により、リングアンテナ(RANT)の構造や調整手段を変更しなくても良い。
図7は、図6に示す座標系におけるY−Z面内(電界面内)の指向特性を、図8は、図6に示す座標系におけるX−Z面内(磁界面内)の指向特性を、図9は、図6に示す座標系におけるX−Y面内(電界面内)の指向特性を示す。なお、図9において、E1が交差偏波を示し、また、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
前述の図48〜図50に示すグラフと比較すると、本実施例においては、図7に示すY−Z面内指向特性の±90°が括れ、図8に示すX−Z面内指向特性が無指向性に近づいたほか、図9に示すX−Y面内(図11)の交差偏波レベルが減少しており、いずれも、半波長ダイポールアンテナの特性に近づいている。
図10は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の反射特性を示すグラフである。この図10は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナを50Ωの給電線に整合させた時の反射特性の周波数特性を示したものである。
図10のグラフから分かるように、VSWRが、2.0以下となる比帯域幅(整合中心周波数に対する帯域幅)は、6.1%となっており、図51のものより、広帯域化が実現されている。
図11では、2つの鉄塔101の間に碍子105を介してリングアンテナ(RANT)を設置し、リングアンテナ(RANT)の開放端に、真空容器に格納された可変静電容量器(所謂、真空バリコン)60を設置する。
給電線・遠隔制御線102および平衡−不平衡変換器103を介してリングアンテナ(RANT)に給電するとともに、給電線・遠隔制御線102を介して可変静電容量器60を調整することで、共振する周波数を変化させ、伝搬が安定する周波数に合わせることができる。
一対の線状導体(511,512)から成る無給電素子の長さを、約λo/4にすると共振するため、予め運用する周波数に相当する無給電素子を複数配置しておけば、広帯域な特性が得られることからリングアンテナ(RANT)の共振周波数の調整が容易になる他、変調により帯域を有する通信で、品質を損なうことが少ない。
図6に示す無給電素子付きリングアンテナは、一対の線状導体(511,512)から成る無給電素子をリングアンテナ(RANT)の電流分布に高い部分に配置して電磁結合させているのに対して、図12に示す無給電素子付きリングアンテナは、一対の線状導体(511,512)から成る無給電素子をリングアンテナ(RANT)の導体端部の電流分布の小さい部分に近接させた部分である。
図13は、図12に示す座標系におけるX−Y面内の指向特性を示す。なお、図13のグラフは、周波数が920MHzのときの指向特性を示しており、また、図13において、E1が交差偏波を示し、さらに、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
また、図14は、図12に示す無給電素子付きリングアンテナの一例の反射特性を示すグラフである。この図14は、図12に示す無給電素子付きリングアンテナを50Ωの給電線に整合させた時の反射特性の周波数特性を示したものである。
図12に示す無給電素子付きリングアンテナでも広帯域化の効果が現れているものの、電磁結合が弱く、図13に示す通り、VSWRが、2.0以下となる比帯域幅(整合中心周波数に対する帯域幅)は、4.5%となっており、図6に示す無給電素子付きリングアンテナに比べて改善が小さい。
図15は、本発明の前提となるリングアンテナの一例の概略構成を示す斜視図である。
図15に示すリングアンテナでは、誘電体基板1上に、第1の導電体2と、第2の導電体3とが配置される。
第1の導電体2および第2の導電体3は、コの字形、あるいは、Cの字形の形状を有し、第1の導電体2と第2の導電体3とは、第1の導電体2および第2の導電体3の開口面を互いに対面させて配置される。
また、第1の導電体2の他方の端部と、第2の導電体3の他方の端部との間には、本発明の機能素子を構成するダイオード(整流素子、またはスイッチング素子;D)が接続される。
ダイオード(D)は、ショットキーバリアダイオードのように、接合容量が小さいものを用いることで効率良く、高周波の電力を直流に変換させたり、スイッチングさせることができる。
また、第1の導電体2の一方の端部と、第2の導電体3の一方の端部との間にはコンデンサ(容量素子;C)が接続される。
ここで、コンデンサ(C)は、周波数に対して十分小さいインピーダンスとなるコンデンサ(即ち、容量の大きなコンデンサ;カップリングコンデンサ)であり、このコンデンサは、所謂、チップコンデンサ等のように、寄生インダクタンスの少なく、抵抗分の小さい高周波特性の良いものが望ましい。
リングアンテナは、ダイポールアンテナを折り曲げて(湾曲させて)リング状に形成し、形状を小形化したものであり、全長をλo/2の奇数倍(λo/2、3×λo/2、5×λo/2,…,(2n−1)×λo/2)とすると、開放端は電圧最大部になるため、コンデンサを付加すると、共振周波数が下がることから、さらに小形化できる特徴を有する。なお、λoは、使用周波数の自由空間波長である。
リングアンテナの開放端は、電圧が最大で、かつ、二つの端部の電位の符号は相反するため、この端部にダイオード(D)を配置すると、ダイオードの非線形性に応じた電流を効果的に流すことが可能である。
誘電体基板1の比誘電率や、ダイオード(D)の有する接合容量によって、リングアンテナの共振周波数が決定される。
従って、誘電体基板1上に形成された第1の導電体2および第2の導電体3における、コの字形(または、Cの字形)の導体に沿った長さは、λo/4より短い。
これにより、ダイオード(D)により整流され、カップリングコンデンサ(C)によって平滑された後の直流電流は、導電体8および導電体9を介して負荷抵抗7に流れる。
回路に電流が流れ始めると、ダイオード(D)に等価的にバイアス電圧がかかり、直流変換効率が向上する。
また、負荷抵抗7に電流が流れると、負荷抵抗7の両端に電圧が発生するため、この電圧を電圧計10で測定すれば、第1の導電体2、あるいは、第2の導電体3の付近の電界強度を確認することができるため、電池無しの強電界のインディケータとして活用することができる。この場合、3倍の周波数(3×Fo)でも十分に作動する。
このように、一周がλo/2より小さい導電体からなるリングを直流的に2分割し、1つの分割部を、使用周波数に対して十分小さいインピーダンスとなるコンデンサ(C)で接続し、他方の分割部を、整流用のダイオード(D)で接続したリングアンテナで電波を受信すると、高周波的に、リングアンテナは折り曲げられたダイポールアンテナと等価になり、整流用のダイオード(D)の両端に大きな電圧が加わるため、小形ながら効率良く高周波を直流に変換させることができる。
図16に示すように、機能素子(D)の延長方向に平行な軸を長軸、直交する軸を短軸とし、短軸の長さを(L1)、長軸の長さを(L2)とする。
図17は、図15に示すリングアンテナを、1V/mの電界中に置き、ダイオード(D)に代えて、2kΩの抵抗を取り付け、リングアンテナの縦横比(L1/L2)を変化させた時の、抵抗付近の電界強度とアンテナからの散乱断面積が0.02m2以上の比帯域幅(散乱断面積が0.02m2以上の比周波数幅の中心周波数に対する割合(%))を示したものである。
図17に示すように、いずれの特性も、縦横比が0.5を超えると大きく変化することがわかる。
整流素子として知られている、ショットキーバリアダイオードは、動作状態によって、内部の抵抗値や静電容量が変化し、とりわけ、等価的な静電容量の値が変化すると、前述したように、リングアンテナの共振周波数が変化し、結果として共振電流も低下する。
そのため、もともと高い電界強度が得られる構造を採用したとしても、この性能を保つことが難しい。従って、ダイオードの等価的な定数が変化したとしても共振状態が持続できるような形状が有用である。
即ち、図17に示したように、全体として矩形に形成したリングアンテナの縦横比を0.5より小さくさせることにより、リングアンテナによる散乱断面積を保つことのできる周波数帯域が比較的広いため、受信電界強度によって特性が変わる整流用のダイオードによって、共振周波数が変化し変換効率が低下することを防ぐことができる。
図18は、本発明の前提となる他のリングアンテナの略構成を示す平面図である。
図18に示すリングアンテナは、高周波チョークコイル(5,6)、導電体(8,9)、負荷抵抗7、および電圧計10に代えて、発光ダイオード(LED)を使用した点で、前述の図15に示すリングアンテナと相異する。
図18に示すリングアンテナは、電界強度を定量的に判定するのは困難なものの、異常な電界かどうか判断すれば良い場合には、安価でかつ小形なインディケータとして利用することができる。例えば、透明なケースに入れ持ち歩くような場合にも好適である。
[本発明の前提となる他のリングアンテナ]
図19は、本発明の前提となる他のリングアンテナの略構成を示す平面図である。
図19に示すリングアンテナは、ダイオード(D)と並列に可変容量コンデンサ(所謂、トリマコンデンサ;CV)を接続した点で、前述の図18に示すリングアンテナと相異する。
通常、整流用のダイオード(D)は、順方向電流の流れ方(動作状態)によって、接合容量が変化する。接合容量が変化すると、リングアンテナの共振周波数が変化する。
これを補正するために、ダイオード(D)と並列に可変容量コンデンサを設け、可変容量コンデンサ(CV)の値を変化させることで、共振周波数を変化させることができる。
ただし、可変容量コンデンサ(CV)を挿入する前の共振周波数は適宜高い周波数に設定する必要がある。なお、可変容量コンデンサ(CV)に代えて、可変容量ダイオード(DV)を使用することも可能である。
これらのグラフは、周波数が、921MHzのときの指向特性であり、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
図20は、図15に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のY−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図21は、図15に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図22は、図15に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Y面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。なお、図22において、E1は交差偏波を示す。
図23は、図15に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時の散乱断面積の周波数特性を示したもので、F1が平面波の到来方向に散乱(後方散乱波)する散乱断面積、F2がその他の方向に散乱する散乱断面積を示している。
パッシブ形の無線ICタグ(RFID)の場合、質問器からの電力を、整流器または整流器に後続するスイッチング素子の動作状態を変化させて、散乱断面積を変化させ、質問器に応答信号として返すので、後方散乱断面積の大きさが大きいほど、質問器との間隔を広げることができる。
図24は、本発明の実施例3の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す斜視図である。本実施例は、図18に示すリングアンテナ(RANT)に、前述の実施例1と同様、板状導体から成る無給電素子(第1導体501および第2導体502)を配置したものである。なお、図24に示すようなリングアンテナでは、無給電素子を寄生素子と呼ぶ場合もある。
本実施例において、第1導体501と第2導体502の外側の両端部までの長さをLa、リングアンテナ(RANT)の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(La)は、約半波長(λo/2)、より好ましくは、0.3×λo≦La≦0.55×λoとされる。
図25〜図27は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の指向特性を示すグラフである。
これらのグラフは、周波数が、921MHzのときの指向特性であり、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
図25は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のY−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図26は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図28は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時の散乱断面積の周波数特性を示したもので、F1が平面波の到来方向に散乱(後方散乱波)する散乱断面積、F2がその他の方向に散乱する散乱断面積を示している。
図25〜図27に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図20〜図22と比して、後方散乱波が強くなっていることが分かる。
また、図28に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図23と比して、散乱断面積の周波数特性が安定していることがわかる。
本実施例のように、板状導体から成る無給電素子を配置すると、強い後方散乱波を周波数に対して大きく影響を受けることが無く放射できるため、無線ICタグ(RFID)に適している。
図29は、本発明の実施例4の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す平面図である。
本実施例は、図18に示すリングアンテナ(RANT)に、ループ状導体52から成る無給電素子を配置したものである。
即ち、本実施例では、約1波長からなるループ状導体52の一部を切り取り無給電素子(または、寄生素子)となし、この切り取った部分に図18に示すリングアンテナ(RANT)を配置したものである。
本実施例において、ループ状導体52と、図18に示すリングアンテナ(RANT)とで構成される全体のループのループ長(図29に示す点線枠G1の全長)をLb、使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(Lb)は、約1波長(λo)、より好ましくは、0.8×λo≦Lb≦1.2×λoとされる。
図30〜図32は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の指向特性を示すグラフである。
これらのグラフは、周波数が、921MHzのときの指向特性であり、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
図30は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のY−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図31は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図33は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時の散乱断面積の周波数特性を示したもので、F1が平面波の到来方向に散乱(後方散乱波)する散乱断面積を示している。
図30〜図32に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図25〜図27と比して、X−Y面の指向特性が繭形になり、さらに後方散乱波が強くなっていることが分かる。
また、図33に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図28と比して、散乱断面積の周波数特性が安定しつつ、後方散乱断面積が増大していることがわかる。
本実施例によれば、より強い後方散乱波を周波数に対して大きく影響を受けることがなく放射できるため、質問器から離れた場所で機能させねばならない無線ICタグ(RFID)に適している。
図34は、本発明の実施例5の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す平面図である。
本実施例は、図18に示すリングアンテナ(RANT)に、コの字形導体53から成る無給電素子を配置したものである。
即ち、本実施例では、約半波長からなるコの字形導体53を無給電素子(または、寄生素子)となし、このコの字形導体53の開口面に図18に示すリングアンテナ(RANT)を配置したものである。
本実施例において、コの字形導体53の外側の両端部までの長さをLd、使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(Ld)は、約半波長(λo/2)、より好ましくは、0.3×λo≦Ld≦0.55×λoとされる。
図35〜図37は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の指向特性を示すグラフである。
これらのグラフは、周波数が、921MHzのときの指向特性であり、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
図35は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のY−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図37は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Y面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。なお、図37において、E1は交差偏波を示す。
図38は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時の散乱断面積の周波数特性を示したもので、F1が平面波の到来方向に散乱(後方散乱波)する散乱断面積を示している。
図35〜図37に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図25〜図27と比して、大きな差異を見出すことができないが、図38に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図28と比して、散乱断面積の周波数特性が安定していることがわかる。
図39は、本発明の実施例6の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す平面図である。
本実施例は、矩形枠形導体54から成る無給電素子の内部に、図18に示すリングアンテナ(RANT)を配置したものである。
本実施例において、矩形枠形導体54のループ長(図39に示す点線枠G2の全長)をLc、使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(Lc)は、約1波長(λo)、より好ましくは、0.8×λo≦Lb≦1.2×λoとされる。
図40〜図42は、本実施例の無給電素子付きリングアンテナの一例の指向特性を示すグラフである。
これらのグラフは、周波数が、921MHzのときの指向特性であり、リングアンテナの縦横比は、3:5である。
図40は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のY−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図41は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時のX−Z面内の散乱断面積の指向特性を、0dB=1m2として測定した結果を示す。
図43は、図24に示す座標系におけるX軸方向から、Y軸に平行な1V/mの電界強度からなる平面波を照射した時の散乱断面積の周波数特性を示したもので、F1が平面波の到来方向に散乱(後方散乱波)する散乱断面積を示している。
図35〜図37に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図30〜図32と比して、大きな差異を見出すことができないが、図43に示すように、本実施例の無給電素子付きリングアンテナでは、前述の図33と比して、散乱断面積の周波数特性が安定していることがわかる。
図44は、本発明の実施例7の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す平面図である。
本実施例は、スパイラル状の導体55から成る無給電素子の内部に、図18に示すリングアンテナ(RANT)を配置したものである。
本実施例において、スパイラル状の導体55の全長(図44に示す点線枠G3の全長)をLe、使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、長さ(Le)は、約1.5波長(3×λo/2)、より好ましくは、1.2×λo≦Le≦1.8×λoとされる。
本実施例では、質問器から放射される電波が円偏波の場合でも、動作されることが可能となる。
図45は、本発明の実施例8の無給電素子付きリングアンテナの概略構成を示す平面図である。
図45において、21,22は第1の導電体、31,32は第2の導電体、D1,D2はダイオード、C1,C2はコンデンサである。
本実施例の無給電素子付きリングアンテナは、板状導体から成る無給電素子(第1導体501および第2導体502)の間に、図18に示すリングアンテナを並列的に2つ配置したものである。
第1の導電体21と第2の導電体32との間は、高周波チョークコイル20で接続し、これにより、それぞれの導電体で発生した電圧を直列接続させるようにしたので、大きな電圧を得ることが可能である。
特に、発光ダイオード(LED)では、ある程度の電圧が掛からないと機能しないため、本実施例は有用となる。
例えば、検波用のダイオードの順方向電圧(Vf)は、ショットキータイプで0.3Vであるのに対して、半導体や発光ダイオード(LED)を機能させるためには、1.5V程度の電圧が必要となることから、電流の立ち上がり始めても、電圧があまり上がらず機能するだけの電圧が維持できない場合の対策になる。
なお、本実施例において、板状導体から成る無給電素子(第1導体501および第2導体502)の間に、図18に示すリングアンテナを並列的に2つ以上配置してもよく、さらに、前述の実施例4乃至実施例7においても同様に、図18に示すリングアンテナを並列的に2つ以上配置してもよい。
前述までの説明では、機能素子としてダイオード(D)を使用した実施例について説明したが、本発明は、これに限定されるものではなく、機能素子は、整流、検波、スイッチングを行う素子であれば、ダイオード、または、ダイオードを含む半導体集積回路(LSI)であってもよい。
機能素子として、半導体集積回路(LSI)を用いる場合には、この半導体集積回路(LSI)素子自体で高周波を整流し、直流電圧を生成することができる。
即ち、リングアンテナと機能素子を、カップリングコンデンサ等で絶縁し、高周波信号だけ機能素子に供給し、機能素子内部で直流を生成すれば、半導体集積回路(LSI)からコードを送出する電源とすることができる。
このような場合には、前述の実施例のリングアンテナ(RANT)を構成する第1の導電体2と第2の導電体3の一方の端部を容量終端する必要が無くなることから、図46に示すように、第1の導電体2と第2の導電体3の一方の端部を、接続導体30で直流的に短絡させること、即ち、第1の導電体2と第2の導電体3とに分割せず、単一の導電体でリング状に形成することが可能である。
以上説明したように、本実施例によれば、小形で、かつ、周波数を可変することのできるリングアンテナ(RANT)の周波数特性の広帯域化と利得の増大を、無給電素子を配置するだけで実現することができる。
また、小形で、かつ、特別なインピーダンス変換回路を付加する事なく、効率良く高周波を直流に変換させることができるばかりか、整流器の動作特性によって、共振周波数の変化することが少ないため、安定した動作が得られる他、後方散乱電力を増大できるので、質問器から遠ざかった場所で無線ICタグ(RFID)を作動させることができる。
以上、本発明者によってなされた発明を、前記実施例に基づき具体的に説明したが、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々変更可能であることは勿論である。
2,21,22,3,31,32,8,9,12,13,16,17 導電体
5,6,20 高周波チョークコイル
7 負荷抵抗
10 電圧計
15 導電線
30 接続導体
501,502 導体
511,512 線状導体
52 ループ状導体
53 コの字形導体
54 矩形枠形導体
55 スパイラル状の導体
60 可変静電容量器(所謂、真空バリコン)
101 鉄塔
102 給電線・遠隔制御線
103 平衡−不平衡変換器
105 碍子
D,D1,D2 ダイオード
C,C1,C2 コンデンサ
CV 可変容量コンデンサ
LED 発光ダイオード
LSI 半導体集積回路
RANT リングアンテナ
Claims (12)
- 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子を挟み、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の電界方向に配置される第1導体および第2導体から成る無給電素子とを備え、
前記第1導体と第2導体の外側の両端部までの長さをLa、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、0.3×λo≦La≦0.55×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
両開放端が前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の電界方向に配置され、かつ、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子が前記両開放端内に配置されるループ状導体から成る無給電素子とを備え、
前記ループ状導体と前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子とで構成される全体のループのループ長をLb、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、0.8×λo≦Lb≦1.2×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
内部に前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子が配置されるループ状導体から成る無給電素子とを備え、
前記ループ状導体のループ長をLc、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、0.8×λo≦Lc≦1.2×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
両開放端の間に開口面を有し、前記両開放端が前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の電界方向に配置されるように前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子が前記開口面内に配置されるループ状導体から成る無給電素子とを備え、
前記ループ状導体の両開放端の外側の両端部までの長さをLd、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、0.3×λo≦Ld≦0.55×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
内部に前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子が配置されるスパイラル状の導体から成る前記無給電素子とを備え、
前記スパイラル状の導体の全長をLe、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、1.2×λo≦Le≦1.8×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 少なくとも1個の基本リングアンテナ素子と、
1対の線状導体から成る無給電素子とを備え、
前記1対の線状導体の長さをLf、前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、0.15×λo≦Lf≦0.25×λoを満足することを特徴とする無給電素子付きリングアンテナ。 - 誘電体基板を有し、
前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子、および前記無給電素子とは、前記誘電体基板上に設けられることを特徴とする請求項1ないし請求項6のいずれか1項に記載の無給電素子付きリングアンテナ。 - 前記基本リングアンテナ素子は、第1および第2の導電体と、
前記第1の導電体の一方の端部と、前記第2の導電体の一方の端部との間に接続される容量素子と、
前記第1の導電体の他方の端部と、前記第2の導電体の他方の端部との間に接続される機能素子とを有し、
前記第1および第2の導電体は、前記第1および第2の導電体の両端部を互いに対向して配置した状態において、両者でリングを形成し、
前記機能素子は、ダイオード、または、ダイオードを含む半導体集積回路であることを特徴とする請求項7に記載の無給電素子付きリングアンテナ。 - 前記少なくとも1個の基本リングアンテナ素子の使用周波数foの自由空間波長をλoとするとき、前記第1および第2の導電体の長さは、λo/4以下であり、
前記リングのリング長は、λo/2以下であることを特徴とする請求項8に記載の無給電素子付きリングアンテナ。 - 前記リングにおける、前記機能素子の延長方向に平行な軸を長軸、直交する軸を短軸とし、前記短軸の長さを(L1)、前記長軸の長さを(L2)とするとき、(L1/L2)は0.5以下であることを特徴とする請求項8または請求項9に記載の無給電素子付きリングアンテナ。
- 前記第1の導電体と第2の導電体との間に接続される周波数調整用容量素子を有することを特徴とする請求項8ないし請求項10のいずれか1項に記載の無給電素子付きリングアンテナ。
- 前記基本リングアンテナ素子は、両端の開放端が互いに対向するリング状の導電体と、
前記リング状の導電体の両開放端の間に接続される半導体集積回路とを備えることを特徴とする請求項7に記載の無給電素子付きリングアンテナ。
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