JP4929438B2

JP4929438B2 - アンテナ

Info

Publication number: JP4929438B2
Application number: JP2007152052A
Authority: JP
Inventors: 敦夫千賀; 操羽石; 雄一木村
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd; Saitama University NUC
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd; Saitama University NUC
Priority date: 2007-06-07
Filing date: 2007-06-07
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2027-06-07
Also published as: JP2008306495A

Description

本発明は、パッチアンテナとスロットループアンテナの両機能を備えたアンテナに関し、特に、同一共振周波数でパッチアンテナ動作とスロットループアンテナ動作を可能にしたアンテナに関する。

例えば、ＩＣチップを備えるタグとリーダ/ライタの間で無線通信を用いて情報をやり取りすることにより、物品の識別、管理等を行うＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏｆｒｅｑｕｅｎｃｙｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムでは、ＲＦＩＤタグを自由空間中に配置して使用するだけでなく、物体に貼付して使用することもある。そして、貼付する物体が金属等の導電物体の場合がある。

通常のＲＦＩＤ用のアンテナにおいては、一般的に近傍に金属等の導電体が存在すると共振周波数や指向性に変化が生じる。そのため、自由空間中での使用を想定したアンテナを備えたＲＦＩＤタグを導電物体に貼付した場合、自由空間中に配置した場合と同等の性能を得ることが難しく、最悪の場合、通信不能になる虞れがある。

導電物体に貼付して使用することを前提としたＲＦＩＤタグに好適なアンテナとして、例えば特許文献１に記載されているような、パッチアンテナがある。このパッチアンテナは、片面指向性であり、指向性のある面と反対の面側を導電物体に貼付して使用することにより、リーダ/ライタとの間の無線通信を可能とする。
特開２００６−３１９９６４号公報

しかしながら、パッチアンテナは、片面指向性のために通信可能な方向が限定されてしまう。このため、パッチアンテナをＲＦＩＤタグに適用した場合に、通信できる方向がＲＦＩＤタグの一方の面側に限定されてしまい、自由空間中に配置して使用する場合の使い勝手が悪いという問題がある。このため、従来では、自由空間中に配置して使用する場合と導電物体に貼付して使用する場合とで、それぞれに適した別々のＲＦＩＤタグが必要であった。
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、パッチアンテナとスロットループアンテナの両機能を備え、自由空間中でも導電物体に貼付した場合においても通信動作が可能なアンテナを提供することを目的とする。

このため、本発明のアンテナは、誘電体からなる第１の基板の一方の面側に、導電体からなる方形状のパッチ素子と、該パッチ素子を囲むように配置した導電体からなるアース部と、前記パッチ素子と前記アース部との間に形成したスロット部と、前記パッチ素子と前記アース部に給電するための給電部と、を備え、前記第１の基板の他方の面側を導電物体に接触させたときに前記導電物体をアース導体とするパッチアンテナとして動作し、自由空間中に配置したときはパッチアンテナ動作時の共振周波数と同じ共振周波数でスロットループアンテナとして動作させる構成としたことを特徴とする。

かかる構成では、導電物体に接触させたときはパッチアンテナとして動作し、自由空間中に配置したときはスロットループアンテナとして動作するようになり、１つのアンテナで、導電物体に貼付しても自由空間中に配置しても無線通信が行えるようになる。

具体的には、請求項２のように、前記第１の基板の比誘電率と前記パッチ素子の形状の少なくとも一方を調整して、パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数を一致させるようにする。

請求項３のように、前記スロット部におけるスロットループアンテナ動作時の共振周波数を決定するスロットの長さに、前記パッチ素子におけるパッチアンテナ動作時の共振周波数を決定するパッチ辺の長さが近づくように、前記パッチ素子の形状を調整するとよい。
具体的には、請求項４のように、前記パッチ素子は、前記給電部が接続するパッチ辺の長さが、当該パッチ辺と垂直に交わるパッチ辺の長さより短い長方形状とするとよい。
更に、請求項５のように、前記パッチ素子は、前記給電部が接続するパッチ辺と垂直に交わるパッチ辺に、スリットを形成するとよい。

また、請求項６のように、パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数が一致するように、前記第１の基板の比誘電率を選択してもよい。
また、請求項７のように、前記パッチ素子、前記アース部、前記スロット部及び前記給電部の上面側に、誘電体からなる第２の基板を設けるとよい。

本発明によれば、自由空間に配置した場合は両面指向性のスロットループアンテナとして動作し、導電物体に貼付した場合は片面指向性のパッチアンテナとして動作し、且つ、各々同一共振周波数で動作するようになるので、ＲＦＩＤタグ用アンテナ等として利用すれば、同じタグを、自由空間用及び導電物体貼付用として共用することができる。

また、第１の基板上のパッチ素子、アース部、スロット部及び給電部の上面側にも、誘電体からなる第２の基板を設ける構成とすれば、ＲＦＩＤタグ用アンテナ等に適用した場合に、ＲＦＩＤタグのどちらの面を金属等の導電物体に貼付してもパッチアンテナとして動作することができ、ＲＦＩＤタグの貼付面の制約がなくなるという利点がある。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明に係るアンテナの第１実施形態を示す構成図である。
図１において、本実施形態のアンテナ１は、導電物体に貼付して使用したときには前記導電物体をアース導体とするパッチアンテナとして動作し、自由空間中に配置して使用したときはパッチアンテナ動作時の共振周波数と同じ共振周波数を有するスロットループアンテナとして動作するもので、誘電体からなる第１の基板２の一方の面側に、導電体からなる方形状のパッチ素子３と、該パッチ素子３を囲むように形成した導電体からなるアース部４と、前記パッチ素子３と前記アース部４との間に形成したスロット部５と、前記パッチ素子３と前記アース部４に給電するための図中点線で囲んだ給電部６と、を備えて構成されている。

前記パッチ素子３は、長辺の長さがＬａ、短辺の長さがＬｂの長方形状であり、互いに対面する短辺の一方で、導電体からなる給電ライン６ａにより給電部６に電気的に接続している。

次に、かかるアンテナ１を、自由空間中に配置した場合と金属等のような導電物体に貼付した場合の動作原理について、図２及び図３を参照して説明する。
まず、図２を参照してアンテナ１を自由空間中に配置した場合の動作原理を説明する。
パッチ素子３とアース部４に、給電部６を介して交流電源を接続し給電する。自由空間におかれた状態では、放射電磁界に寄与する電界は、図２に矢印で示すように、パッチ素子３とアース部４間のスロット部５に生じ、図４に破線で示すように電波の送受信可能な方向がアンテナ１の両面となり、両面指向性を有するスロットループアンテナとして動作する。

このスロットループアンテナ動作時は、給電部６側の点ａと給電部６と反対側のスロット点ｂとが共振周波数における電界の定在波の腹となり、共振周波数を決定するスロットの長さＬｓは、Ｌｓ＝Ｌａ＋Ｌｂとなる。図２の矢印の長さは電界の強さを概略的に示している。従って、スロットループアンテナ動作時の共振周波数は、スロット長さＬｓ＝Ｌａ＋Ｌｂに略反比例し、スロットループアンテナ動作時の共振周波数をｆｃ１とすると、
ｆｃ１∝１／［（Ｌａ＋Ｌｂ）×（ε１）^1/2］
の関係にある。ここで、ε１は、基板２の固有の比誘電率ε０に基づいて定まるものでスロットループアンテナ動作時の実効比誘電率である。

次に、本実施形態のアンテナ１を、図３を参照してアンテナ１を導電物体に貼付した場合の動作原理を説明する。
図２の場合と同じように、パッチ素子３とアース部４に、給電部６を介して交流電源を接続し給電する。導電物体に貼付した状態では、放射電磁界に寄与する電界は、図３に矢印で示すように、パッチ素子３と導電物体７間に生じ、図５に破線で示すように電波の送受信可能な方向がアンテナ１の貼付面と反対側だけとなり、片面指向性を有するパッチアンテナとして動作する。

このパッチアンテナ動作時のパッチ素子３と導電物体７間の電界定在波は、給電部６に接続するパッチ辺と当該パッチ辺と対面するパッチ辺が共振周波数における電界の定在波の腹となり、給電部６に接続する短辺と垂直に交わる長辺の中間点が前記定在波の節となる。これにより、共振周波数を決定するパッチ辺の長さＬｐは、給電部６に接続する短辺と垂直に交わる長辺の長さであり、Ｌｐ＝Ｌａとなる。図３の矢印の長さは電界の強さを概略的に示している。従って、パッチアンテナ動作時の共振周波数は、パッチ長さＬｐ＝Ｌａに略反比例し、パッチアンテナ動作時の共振周波数をｆｃ２とすると、
ｆｃ２∝１／［Ｌａ×（ε２）^1/2］
の関係にある。ここで、ε２は基板２の固有の比誘電率ε０に基づいて定まるものでパッチアンテナ動作時の実効比誘電率であり、スロットループアンテナ動作時の実効比誘電率ε１より大きい値をとることができる。

従って、スロットループアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ１とパッチアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ２が一致するような、パッチ素子３の短辺の長さＬｂが存在する。これにより、スロットループアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ１を決定する等価的なスロット長さＬｓに、パッチアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ２を決定するパッチ辺長さＬｐが近づくような形状に、パッチ素子３の形状を調整すれば、パッチアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ１とスロットループアンテナ動作時の共振周波数ｆｃ２を略一致させることができる。

かかる本実施形態のアンテナによれば、自由空間に配置した場合は両面指向性のスロットループアンテナとして動作し、導電物体に貼付した場合は片面指向性のパッチアンテナとして動作し、且つ、略同じ共振周波数で動作するようになるので、例えばＲＦＩＤタグ用アンテナとして利用すれば、同じタグを、自由空間用及び導電物体貼付用として共用することができる。

尚、基板２の比誘電率ε０が大きい程、スロットループアンテナ動作時の実効比誘電率ε１とパッチアンテナ動作時の実効比誘電率ε２の差が広がることから、パッチ素子３の短辺の長さＬｂの調整と基板材料の選択（即ち、基板２の比誘電率ε０の選択）を併用すれば、パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数の一致度合いを、より一層高めることができる。また、パッチ素子３の形状の選択自由度等を高めることができ、延いてはアンテナの設計自由度を高めることができる。

次に、図６に本発明の第２実施形態を示し説明する。尚、図１に示す第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図６の第２実施形態のアンテナ１０は、図１に示すアンテナ１の上面側、即ち、パッチ素子３、アース部４、スロット部５及び給電部６の上面側に、誘電体からなる第２の基板１１を設けたもので、第１の基板２と第２の基板１１で、パッチ素子３、アース部４、スロット部５及び給電部６をサンドイッチ状に形成した。

かかる構成によれば、本発明のアンテナ１１を例えばＲＦＩＤタグに適用した場合に、ＲＦＩＤタグのどちらの面を金属等の導電物体７に貼付してもパッチアンテナとして動作することができ、ＲＦＩＤタグの貼付面の制約がなくなるという利点がある。

図７に、本発明のアンテナの第３実施形態を示す。尚、図１に示す第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図７において、本実施形態のアンテナ２０は、第１の基板２上に、１辺の長さがＬの正方形状のパッチ素子２１を設け、給電部６に接続する辺と垂直に交わる辺の中間部に、スリット２２を形成したものである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

かかる構成では、自由空間におかれた状態でスロットループアンテナとして動作した場合の共振周波数ｆｃ１は、そのときのスロット長さＬｓ＝２Ｌに略反比例し、スロットループアンテナ動作時の実効比誘電率ε１とすれば、ｆｃ１∝１／［２Ｌ×（ε１）^1/2］の関係にある。

一方、導電物体に貼付した状態でパッチアンテナとして動作した場合、パッチ素子２１がスリット２２のない正方形状の場合の共振周波数ｆｃ２は、パッチ辺Ｌに略反比例し、ｆｃ２∝１／［Ｌ×（ε２）^1/2］の関係にある。しかし、スリット２２を設けたときは、スリット２２の略切れ込み部分も共振周波数を決定するパッチ辺の一部として作用するため、共振周波数を決定する実質的なパッチ辺の長さが長くなり、スリット２２を設けることにより、共振周波数を下げる効果が得られる。従って、スリット２２が無い状態では、ｆｃ１＜ｆｃ２であるが、スリット２２を設けたときの共振周波数ｆｃ２′はｆｃ２より下がるので、スリット２２の形状を調整することにより、ｆｃ１＝ｆｃ２′となる状態が得られ、スロットループアンテナ動作時とパッチアンテナ動作時の共振周波数を一致させることが可能となる。スリット２２の形状の調整と基板材料の選択（即ち、基板２の比誘電率ε０の選択）を併用してもよい。

尚、スリット２２の形成位置は、パッチアンテナ動作時に共振周波数を決定するパッチ辺であればどのような位置でもよい。また、スリット２２の数も、本実施形態のような１つに限らず複数形成してもよい。また、パッチ素子２１は、第１実施形態のような長方形状であってもよい。

図８に、本発明のアンテナの第４実施形態を示す。尚、図１に示す第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図８において、本実施形態のアンテナ３０は、第１の基板２上に、１辺の長さがＬの正方形状のパッチ素子３１を設けたものである。その他の構成は、第１実施形態と同様である。

かかる構成では、上述の第３実施形態でも説明したように、自由空間におかれた状態でスロットループアンテナとして動作した場合の共振周波数ｆｃ１は、そのときのスロット長さＬｓ＝２Ｌに略反比例し、スロットループアンテナ動作時の実効比誘電率ε１とすれば、ｆｃ１∝１／［２Ｌ×（ε１）^1/2］の関係にある。また、導電物体に貼付した状態でパッチアンテナとして動作した場合の共振周波数ｆｃ２は、パッチ辺Ｌに略反比例し、パッチアンテナ動作時の実効比誘電率ε２とすれば、ｆｃ２∝１／［Ｌ×（ε２）^1/2］の関係にある。

そして、一般的にε１＜ε２となる傾向があり、前にも述べたが、基板２の比誘電率ε０が大きい程、スロットループアンテナ動作時の実効比誘電率ε１とパッチアンテナ動作時の実効比誘電率ε２の差が広がる。従って、ε２＝２×ε１となるような比誘電率ε０を有する基板材料を、第１の基板２として選択することにより、パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数を一致させることができる。

尚、第３及び第４実施形態の各アンテナ２０，３０において、図６のように第２の基板１１を設ける構成としてもよいことは言うまでもない。また、本発明のアンテナは、ＲＦＩＤタグを利用するＲＦＩＤシステムだけでなく、その他の無線通信システムにも適用できることは言うまでもない。

本発明の第１実施形態を示す構成図スロットループアンテナとして動作する原理の説明図パッチアンテナとして動作する原理の説明図スロットループアンテナ動作時の指向性を示す図パッチアンテナ動作時の指向性を示す図本発明の第２実施形態を示す構成図本発明の第３実施形態を示す構成図本発明の第４実施形態を示す構成図

符号の説明

１，１０，２０，３０アンテナ
２第１の基板
３，２１，３１パッチ素子
４アース部
５スロット部
６給電部
７導電物体
１１第２の基板
２２スリット

Claims

誘電体からなる第１の基板の一方の面側に、導電体からなる方形状のパッチ素子と、該パッチ素子を囲むように配置した導電体からなるアース部と、前記パッチ素子と前記アース部との間に形成したスロット部と、前記パッチ素子と前記アース部に給電するための給電部と、を備え、
前記第１の基板の他方の面側を導電物体に接触させたときに前記導電物体をアース導体とするパッチアンテナとして動作し、自由空間中に配置したときはパッチアンテナ動作時の共振周波数と同じ共振周波数でスロットループアンテナとして動作させる構成としたことを特徴とするアンテナ。
前記第１の基板の比誘電率と前記パッチ素子の形状の少なくとも一方を調整して、パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数を一致させることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
前記スロット部におけるスロットループアンテナ動作時の共振周波数を決定するスロットの長さに、前記パッチ素子におけるパッチアンテナ動作時の共振周波数を決定するパッチ辺の長さが近づくように、前記パッチ素子の形状を調整したことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
前記パッチ素子は、前記給電部が接続するパッチ辺の長さが、当該パッチ辺と垂直に交わるパッチ辺の長さより短い長方形状としたことを特徴とする請求項３に記載のアンテナ。
前記パッチ素子は、前記給電部が接続するパッチ辺と垂直に交わるパッチ辺に、スリットを形成したことを特徴とする請求項３又は４に記載のアンテナ。
パッチアンテナ動作時の共振周波数とスロットループアンテナ動作時の共振周波数が一致するように、前記第１の基板の比誘電率を選択したことを特徴とする請求項２に記載のアンテナ。
前記パッチ素子、前記アース部、前記スロット部及び前記給電部の上面側に、誘電体からなる第２の基板を設けたことを特徴とする請求項１〜６のいずれか１つに記載のアンテナ。