JP4843467B2

JP4843467B2 - 高表面インピーダンス構造体、アンテナ装置、及びｒｆｉｄタグ

Info

Publication number: JP4843467B2
Application number: JP2006316211A
Authority: JP
Inventors: 隆義小西; 幸一近藤; 智次荒井; 篤志真田
Original assignee: NEC Tokin Corp; Yamaguchi University NUC
Current assignee: Tokin Corp; Yamaguchi University NUC
Priority date: 2006-11-22
Filing date: 2006-11-22
Publication date: 2011-12-21
Anticipated expiration: 2026-11-22
Also published as: JP2008131505A

Description

本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体とそれを利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグに関する。

近年の機器の小型化により、例えば、グランドプレーン等の金属面とアンテナとの距離が短くなってきており、それによるアンテナ特性の劣化が懸念されている。また、ＲＦＩＤタグを金属面に貼付すると、ＲＦＩＤタグに含まれるアンテナの特性が著しく劣化し、ＲＦＩＤタグが適切に機能しなくなることも知られている。これらの問題は、いずれも金属面の表面インピーダンスが低いことに起因している。逆に、表面インピーダンスの高いものをアンテナ近傍に配置すると、アンテナの性能が向上することが知られている。

この種の構造体としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対して、アンテナ用途に限られない左手系媒質としてビアを不要としビア密度の縛りを超えたスケーラビリティを持たせてなるもの（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。

米国特許第６，５３８，６２１号公報特開２００６−２４５９８４号公報

アンテナ近傍に配置するにしても、ＲＦＩＤタグに適用するにしても、高い表面インピーダンスを呈するに要する厚みが厚すぎると、機器の小型化のトレンドやＲＦＩＤタグに対する要望に反することとなり、実用上問題がある。例えば、特許文献１記載の技術をＲＦＩＤタグの周波数帯域（２．４ＧＨｚ帯）に適用しようとすると、２ｍｍ以上の厚みを必要とする。

そこで、本発明は、アンテナ装置及びＲＦＩＤタグの薄型化に寄与しうる高表面インピーダンス構造体と、それを利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

本発明は、上述した課題を解決するための手段として、単位構造を少なくとも一の方向に繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するシート状構造体であって：前記単位構造は、第１及び第２の主面を有する誘電体層と、前記第１の主面上に形成された第１導電体層と、前記第２の主面上に形成された第２導電体層とを備えており；前記第１導電体層は、互いに離間するようにして配置される一方で前記第１の主面の縁に接するようにして配置された４つの所定形状の容量上部電極を備えており；前記第２導電体層は、前記第２の主面と外形を同一とした枠状のグランド電極と、前記第２の主面の中央部に配置された中央電極と、該中央電極とそれぞれ接続されると共に該４つの容量上部電極に対向して設けられた４つの容量下部電極と、前記４つの容量下部電極の間において前記中央電極と前記グランド電極とを接続する４つのインダクタンス部を備えており；前記インダクタンス部のそれぞれはミアンダ形状を有する、シート状構造体を提供する。

本発明によれば、単位構造におけるインダクタンスが増える。これは即ち、単位構造を主面に垂直な方向から見た場合の等価回路であるＬＣ並列共振回路の共振周波数が低くなることを意味する。よって、スケール則を考慮すれば理解されるように、シート状構造体の小型化を図ることが出来る。

加えて、共振周波数が同じ場合には、インダクタンス成分が大きくキャパシタンス成分が小さいほど、表面インピーダンスが大きくなる。

更に、シート状構造体の第１導電体層及び第２導電体層の少なくとも一方に磁性体膜を付与すると、シート状構造体の表面インピーダンスにおいてＬを大きくし且つＣを小さくすることができることから、高表面インピーダンスを呈する周波数領域の更なる広帯域化を図ることができる。

本発明の第１の実施の形態による高表面インピーダンスを有するシート状構造体は、図１に示されるような単位構造を少なくとも一の方向に繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するものである。

本実施の形態による単位構造は、図１並びに図２（ａ）及び（ｂ）に示されるように、誘電体層１０と、誘電体層１０の上面に形成された第１導電体層２０と、誘電体層１０の下面に形成された第２導電体層３０とを備えている。ここで、図２（ａ）及び（ｂ）から理解されるように、本実施の形態における単位構造の上面及び下面は、双方とも正方形である。以下においては、この正方形を第１正方形という。

図２（ａ）に示されるように、第１導電体層２０は、互いに離間するようにして配置された４つの容量上部電極２１からなる。各容量上部電極２１は、第１正方形の各辺、即ち、単位構造の縁に接するようにして配置されている。これにより、単位構造を並置した場合には隣接する単位構造の容量上部電極２１同士が連結されることとなる。

更に詳しくは、本実施の形態における容量上部電極２１は、第１正方形の一辺よりも短い長さの底辺を有する直角二等辺三角形形状を有している。以下においては、この直角二等辺三角形を第１三角形という。この第１三角形形状の容量上部電極２１の底辺は、第１正方形の各辺上に配置されており、同電極２１の頂点は第１正方形の中心点に向けるように配置されている。

図２（ｂ）に示されるように、第２導電体層３０は、第１正方形と外形を同一とした枠状のグランド電極３１と、第１正方形の中央部に配置された中央電極３２と、中央電極３２とそれぞれ接続された４つの容量下部電極３３と、４つの容量下部電極３３の間において中央電極３２とグランド電極３１とを接続する４つのインダクタンス部３４を備えている。

詳しくは、グランド電極３１は、外形を第１正方形に一致させ、所定幅を有するようにして設計された四角枠である。中央電極３２は、容量上部電極２１の底辺の長さよりも短い長さの四辺を有する正方形形状を有している。以下においては、中央電極３２の正方形を、第２正方形という。中央電極３２は、第１正方形の中心点の周りに４５度回転させたものを、第１正方形の中心点上に配置してなる。即ち、第１正方形の対角線と第２正方形の対角線とは４５度ずれている。容量下部電極３３は、それぞれ、容量上部電極２１に対向して設けられたものであり、本実施の形態においては、第１三角形よりも一回り小さい直角二等辺三角形形状を有している。以下においては、容量下部電極３３の直角二等辺三角形を第２三角形という。この容量下部電極３３の底辺は、グランド電極３１を構成する四角枠の４つの内辺から所定距離だけ離れた位置にあり、一方、第２三角形の頂点は第２正方形の頂点と一対一に接続されている。

ここで、本実施の形態におけるインダクタンス部３４は、それぞれ、ミアンダ形状を有している。より詳しくは、本実施の形態におけるインダクタンス部３４は、第１正方形の対角線上において、第１正方形の対角線と平行な方向を長手方向としてグランド電極３１の近傍及び中央電極３２の近傍で一回ずつ折り返してなるミアンダ形状を有している。これにより、インダクタンス成分を飛躍的に高めることができる。なお、本実施の形態においては、第１正方形の対角線と平行な方向を長手方向とするようなミアンダ形状を採用しているが、例えば、第１正方形の対角線に直交する方向を長手方向とするようなミアンダ形状を採用しても良い。

図３には、上述した単位構造を等価回路で表現したものである。周期を半分ずらして、図４に示されるような等価回路で上述した単位構造を表現することとしても良い。

第１導電体層２０の上面からこの単位構造に入射する平面波から見た場合、図３、図４に示される等価回路は、適切な周波数範囲では、ＬＣ並列共振回路に簡略近似することができる。これは、隣り合う中央電極３２間が、ギャップと連続導体との並列接続を有していることからも、予想できる。

ここで、インダクタンスＬ，キャパシタンスＣを有するＬＣ並列共振回路で近似される表面の表面アドミタンスＹｓ（表面インピーダンスＺｓの逆数）は、下記式（１）にて表すことができる。ωは角周波数、ｊは虚数単位である。

式（１）をωで微分すると、下記式（２）が得られる。

ここで、ＬＣ並列回路の共振角周波数をω_０として、下記式（３）を用いて式（２）を変形すると、式（４）が得られる。

式（４）からω_０近傍における表面アドミタンスＹｓのωに対する変化量は式（５）のように求められる。

式（５）から明らかなように、ＬＣ並列共振回路において、共振周波数での表面アドミタンスの周波数変化に対する変化量は、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）小さく、ｊ２Ｃになる。即ち、表面アドミタンスＹｓの逆数である表面インピーダンスＺｓも、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）周波数に対する変化は小さくなる（図５参照）。

従って、ＬＣ並列共振回路を図６に示されるような小キャパシタンスと大インダクタンスの組み合わせてなるものとすれば、広帯域な同相反射効果を得ることができる。

前述の通り、本実施の形態におけるインダクタンス部３４は、ミアンダ形状化されており、インダクタンスの増加が図られているため、高表面インピーダンスを呈する周波数領域を比較的広くとることができる。なお、第１導電体層２０及び第２導電体層３０の少なくとも一方に磁性体層を付与すると、更に広帯域な同相反射効果を得ることができる。

図７を参照すると、上述したシート状構造体をＲＦＩＤタグへ適用した例が示されている。なお、図７において、参照符号１０´、２０´、３０´は、それぞれ前述した単位構造の誘電体層１０、第１導電体層２０、第２導電体層３０を周期的に連結してなるものである。

図示されたＲＦＩＤタグは、２．４ＧＨｚ用金属対応タグの例であり、１２ｘ１２ｍｍの平面形状を有する単位構造を５つ一列に接続してなるシート状構造体を備えている。第１導電体層２０´上には、誘電体からなるアンテナ支持層４０が形成されており、アンテナ支持層４０の上面には所定のアンテナパターンを有するアンテナ層５０と、アンテナパターンに接続されたＩＣ６０とが配置されている。一方、第２導電体層３０´の下面側には、シールド支持層７０が設けられており、更に、シールド支持層７０の下面にはベタパターンの導電体からなるシールド層８０が形成されている。第２導電体層３０はベタ電極ではないことから、タグを金属面上に貼付した場合には、当該金属の影響を受けて性能が変化する可能性がある。そのため、本例のタグにおいては、予め第２導電体層３０から一定距離離すようにして導電体からなるシールド層８０を設けてある。

本例においては、誘電体層１０´、アンテナ支持層４０、及びシールド支持層７０は、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate樹脂）からなる。一方、第１導電体層２０´、第２導電体層３０´、アンテナ相５０、シールド層８０は、金属箔、より具体的には、アルミ箔または銅箔からなる。

ここで、第１導電体層２０´と第２導電体層３０との間の距離、即ち、誘電体層１０の厚みは０．２ｍｍであり、第１導電体層２０´とアンテナ層５０との間の距離、即ち、アンテナ支持層４０の厚みも０．２ｍｍである。また、第２導電体層３０とシールド層８０との間の距離、即ち、シールド支持層７０の厚みは、０．５ｍｍである。

シート状構造体とアンテナ層５０の相関やシート状構造体とシールド層８０との相関を小さくするためには、アンテナ支持層４０やシールド支持層７０の厚みを厚くするか、または低い誘電率を有する材料でアンテナ支持層４０やシールド支持層７０を構成することが必要である。

具体的には、アンテナ支持層４０やシールド支持層７０の材料としては、できるだけ誘電率の低い樹脂や、空気分を含む発泡材、スポンジ、ウレタン、繊維などが好ましい。特に、空気層や空孔は空気中に電界を集中させ、材料内の電界を下げるので、損失の低減に有効である。

図８を参照すると、第１導電体層２０´及び第２導電体層３０´の両面並びにシールド層８０の片面に磁性体層１００を付与した変形例が示されている。この例のように磁性体層１００を導電体層に付与することとすると、ＬＣ並列共振等価回路におけるインダクタンス成分を上げることができ、従って、広帯域な高インピーダンス特性を得ることができる。磁性体層１００は、電極に密着させた方が効果が高く、また、厚みが厚いほど効果は高くなる。この磁性体層１００としては、例えば、フェライトメッキや磁性体粉末と樹脂バインダとからなる複合磁性体シートを用いることができる。

フェライトめっきは、絶縁体に比較して導電率が高いので、金属部分のみにめっきすることが望ましい。また、図８に示される例においては、第１導電体層２０´及び第２導電体層３０´の両面に磁性体膜１００を付与しているが、いずれか一方だけでも良いし、片面だけに付与することとしても良い。

なお、例えば、図９に示されるように、シート状構造体における誘電体層１０を複合磁性体からなるシート１１０に置き換えたり、シールド支持層７０を複合磁性体からなるシート１７０に置き換えたりすることで同様の効果を得ることもできる。

本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体における単位構造を概略的に示す側面図である。図２（ａ）は、図１に示される誘電体層及び第１導電体層を示す上面図であり、図２（ｂ）は、図１に示される誘電体層及び第２導電体層を示す下面図である。図１に示される単位構造を上方から見た場合の等価回路を示す図である。図３の等価回路と置き換え可能な等価回路を示す図である。インダクタンスを増加させることにより高インピーダンス領域の広帯域化が図れることを説明するための図である。高インピーダンス領域を広帯域化するための等価回路上の条件を示す図である。図１に示されるシート状構造体をＲＦＩＤタグに適用した例を示す図である。図７に示されるＲＦＩＤタグの変形例を示す図である。図７に示されるＲＦＩＤタグの更なる変形例を示す図である。

符号の説明

１０誘電体基板
２０，２０´ 第１導電体層
２１容量上部電極
３０、３０´ 第２導電体層
３１グランド電極
３２中央電極
３３容量下部電極
３４インダクタンス部
４０アンテナ支持層
５０アンテナ層
６０ＩＣ
７０シールド支持層
８０シールド層
１００，１１０，１７０磁性体層

Claims

単位構造を少なくとも一の方向に繰り返し並べてなる構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するシート状構造体であって、
前記単位構造は、第１及び第２の主面を有する誘電体層と、前記第１の主面上に形成された第１導電体層と、前記第２の主面上に形成された第２導電体層とを備えており、
前記第１導電体層は、互いに離間するようにして配置される一方で前記第１の主面の縁に接するようにして配置された４つの所定形状の容量上部電極を備えており、
前記第２導電体層は、前記第２の主面と外形を同一とした枠状のグランド電極と、前記第２の主面の中央部に配置された中央電極と、該中央電極とそれぞれ接続されると共に該４つの容量上部電極に対向して設けられた４つの容量下部電極と、前記４つの容量下部電極の間において前記中央電極と前記グランド電極とを接続する４つのインダクタンス部を備えており、
前記インダクタンス部のそれぞれはミアンダ形状を有しており、
前記第１導電体層及び前記第２導電体層の少なくとも一方に付与された磁性体層を更に備えている、シート状構造体。
前記第１及び第２の主面のそれぞれは、一辺が第１所定長である第１正方形形状を有しており、
前記容量上部電極は、それぞれ、前記第１所定長よりも短い第２所定長の底辺を有する第１直角二等辺三角形形状を有しており、
当該４つの第１直角二等辺三角形は、底辺を前記第１正方形の各辺上に配置する一方で頂点を前記第１正方形の中心点に向けるように配置してなるものであり、
前記グランド電極は、外形を前記第１正方形に一致させてなる四角枠であって所定幅を有する四角枠であり、
前記中央電極は、前記第１正方形よりも小さい第２正方形形状を有し、且つ、前記第１正方形の中心点上において当該中心点の周りに４５度回転させた状態で配置してなるものであり、
前記容量下部電極のそれぞれは、前記四角枠の４つの内辺のいずれか一つから所定距離だけ底辺を離すようにして配置してなる第２直角二等辺三角形形状であって頂点を当該中央部の４つ頂点のいずれか一つと接続してなる第２直角二等辺三角形形状を有している、請求項１記載のシート状構造体。
前記インダクタンス部のミアンダ形状は、前記第１正方形形状の対角線と平行な方向を長手方向として前記グランド電極近傍及び前記中央電極の近傍で少なくとも一回ずつ折り返してなるものである、請求項２記載のシート状構造体。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のシート状構造体と、アンテナパターンを有するアンテナ層と、前記シート状構造体の前記第１導電体層上に形成された誘電体からなるアンテナ支持層とを備えるアンテナ装置。
ベタパターンの導電体からなるシールド層と、前記シート状構造体の前記第２導電体層上に形成された誘電体からなるシールド支持層とを更に備える、請求項４記載のアンテナ装置。
請求項４又は請求項５記載のアンテナ装置と、前記アンテナ支持層上において前記アンテナパターンに接続されたＩＣを備え、前記シート状構造体をタグ基体の一部としてなるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ。