JP5205455B2 - スロットアンテナ及びその操作方法 - Google Patents

Description

本発明は、第１の局面において、スロットアンテナに関しており、より具体的には、請求項１の前提部にしたがったＲＦＩＤのための送信アンテナに関する。

さらなる局面において、本発明はＲＦＩＤ方法に関する。

包括的なタイプのスロットアンテナは、複数のアンテナスロットを有する少なくとも一つのアンテナ輪郭板と、アンテナ輪郭板を励起して電磁波を送信及び／又は受信する少なくとも一つの制御回路とを備えている。

ラジオ波を介した物体及び人物の遠隔個体識別（ラジオ周波数個体識別、ＲＦＩＤ）のための技術は、多くの異なる領域で使用されている。ＲＦＩＤ技術は、例えば、軍用用途で、個体識別カードで、図書館で、及び特に産業界の製造及びオートメーションの領域で、利用されている。

密にパッケージされた電気電子装置の数の増加によって、産業上の環境における問題が増加している。この場合に解決されるべき問題は、一般的に、そのような装置の間の相互作用を最小化、あるいは可能であれば除去することである。これは特に、例えばより短い波長の使用による全ての利用可能な周波数帯の利用に関わる。

短波長に対するスロットアンテナの使用は、既に知られている。例えば、スロットアンテナは、文献 WO2004/062035、EP 1 602 128、EP 1 158 606、及びUS 5,596,336に開示されている。

国際公開第２００４／０６２０３５号パンフレット 欧州特許第１６０２１２８号明細書 欧州特許第１１５８６０６号明細書 米国特許第５５９６３３６号明細書

依然として増強されている製造プロセスの複雑さ、例えば３Ｄ製造によって、問題が生じている。さらに、ＲＦＩＤ方法を含む新しいプロセスステップが、例えば最終検査の間に導入されている。

例えばマイクロ波ヒータ、ブルートース（登録商標）装置、又はＷＬＡＮコンピュータネットワークによって引き起こされるＲＦＩＤシステムの様々な干渉及び影響は、それゆえ、読み取り装置、すなわち「リーダ」とデータキャリアとの間の通信に、望まれない中断を引き起こすことがある。これは、干渉源の数が将来的には減少するよりもむしろ増加する見込みなので、特に重要である。

所望のハウジングの寸法は、その中に一体化されることができるアンテナの数を劇的に減らす。それにもかかわらず、既知のシステムにおけるように最小感度が必要とされると、アンテナによって生成されるゲインは同じに維持されなければならず、これは、これまでに既知のアンテナを使用するときには達成できないように思われる。

スロットアンテナ以外のその他のアンテナのタイプは、知られていないか、あるいは、それらの高スペース要件を考慮すると適切ではない。

様々な用途に適しており、さらに特にコンパクトな方法で製造される、特にＲＦＩＤ用途のためのスロットアンテナを提供することが、本発明の目的である。さらに、ＲＦＩＤ方法が提供されて、それによって、増強された機能性が達成される。

本発明に係るスロットアンテナは、複数のアンテナスロットを有するアンテナ輪郭板と、アンテナ輪郭板を励起して電磁放射の送信及び受信の少なくとも一つを行うための少なくとも一つの制御回路と、を備えており、前記アンテナ輪郭板の少なくとも一つのアンテナスロットに、制御回路を搭載した回路基板が挿入され、少なくとも一つの回路基板が、前記アンテナ輪郭板におけるアンテナスロットから突出し、前記回路基板の突出部に金属構造が設けられていることを特徴とする。

また、本発明は、複数のアンテナスロットを有するアンテナ輪郭板と、アンテナ輪郭板を励起して電磁放射の送信及び受信の少なくとも一つを行うための少なくとも一つの制御回路と、を備えているスロットアンテナの操作の方法であって、前記アンテナ輪郭板の少なくとも一つのアンテナスロットに、制御回路を搭載した回路基板が挿入されており、少なくとも一つの回路基板が、前記アンテナ輪郭板におけるアンテナスロットから突出し、前記回路基板の突出部に金属構造が設けられており、個別の制御回路の位相関係を変えることによって、放射の発信方向が選択的に変えられることを特徴とする。

本発明のスロットアンテナの好適な例示的な実施形態、及び本発明の方法の好適な変形は、従属請求項の主題である。

上述のタイプのスロットアンテナが本発明にしたがって開発され、ここでは、少なくとも一つのアンテナスロットに、特にアンテナ輪郭板の反対側から、制御回路を搭載した回路基板が挿入される。

本発明の方法において、本発明のスロットアンテナが使用されて、放射の発射方向は、制御回路の位相関係を変えることによって所望の方法で変更される。

制御回路は、必要とされる制御パワー又はフィードパワーで結合するためのフィードシステムの構成要素を備えることができる。例えば、適切なドライバ及び整合回路を有するフィードネットワークは、駆動回路の一部であることができる。スロットアンテナがまた電磁放射を受信するためにも使用されるならば、駆動回路は受信回路又はその一部を含むことができる。

本発明の中心的な概念は、その上にアンテナのために必要な制御回路が配置された回路基板の機械的な収容又は支持のための現存するアンテナスロットの使用と考えられ得る。

本発明の第１の実質的な効果は、特にコンパクトで且つこれよりスペースを節約する配置の実現である。

本発明の他の実質的な効果は、回路基板材料の誘電特性がアンテナスロットのサイズを効果的に低減し、これより波長を短縮することである。

本発明の方法の中心的な概念は、既知のＲＦＩＤ方法とは異なり、個別の制御回路の間の位相関係を変えることによる送信機又は読み取り装置の放射方向の選択的な変更にあると考えられ得る。

本発明のアンテナの効果的な変形において、対になって配置された複数のアンテナスロットがアンテナ輪郭板に設けられている。スロットの２つの対が互いに横切るように、より具体的には互いに直交するように配置されると、特に好ましい。なぜなら、そのときには放射の偏波を、スロットを適切に制御することによって選択的に変えることができるからである。スロットの各々の制御又は駆動の適切な位相関係により、そのようなアンテナは円偏波した放射を発することもでき、その結果として、本発明のアンテナの機能性及び本発明の方法の機能性が、顕著に増強される。

しかし、２つの同一線上の（collinear）スロットを有する単純なスロットアンテナが、すでに基本的に十分であるかもしれない。そのようなアンテナは、適切に制御されると、いわゆる磁気双極子放射を発する。

アンテナスロットの複数の対がアンテナ輪郭板に配置された例示的な実施形態が好適である。例えば、アンテナ輪郭板は、４つのアンテナスロットの方形アレイ、又は再び４つのアンテナスロットの交差状のアレイを備え得る。

特に好適な変形において、再び４つのアンテナスロットの交差状のアレイは、４つのアンテナスロットの方形アレイの内部に配置される。ここで、アンテナスロットは、互いに入れ子状になっている（internested）とみなされることができる。そのとき、交差状アレイに配置されているアンテナスロットの方向は、効果的なことには、それらのアンテナスロットが方形アレイの対角線上に実質的に位置しているようになることができる。このスロット配置は、特にコンパクトな構成を提供する。

制御回路は、各々効果的なことには、制御信号の位相関係の規定された調整のための電気的位相シフタを備えている。

アンテナスロットの方形アレイ及びその内部に配置されたアンテナスロットの交差状アレイを有する前述の特に好適なアンテナ配置は、これより複数のスロット放射器からなり、その各々は、電子的に調整可能な位相シフタによって制御される。個別のアンテナスロットは、それに直交して又は横切るように配置された回路基板によってフィード又は駆動される。この回路基板は、スロット放射器のフィードゾーン、整合ネットワーク、位相シフタ、フィルタ、偏波切替え装置、及び適切な制御インターフェースを含む。この例示的な実施形態は、システムの冗長性が相互に角度的に位置ずれして配置されたアンテナスロットによって達成されるので、非常に良好な機能性によって特徴付けられる。これは、個別の放射器要素の機能上の損失の場合であっても全体の故障が発生せず、そのような機能上の損失がどのような場合でも適切な補償手段によって部分的に補償されることができることを意味している。

基本的に、必要な制御パワーは、制御回路によってアンテナ輪郭板に放射によって結合されることができる。しかし、スペース要件に関して、回路基板は好ましくは、各々のアンテナスロットを取り囲む領域でアンテナ輪郭板に、電気的に結合される。すなわち、最も単純な場合には、導電的に接続される。

原則として、個別のアンテナスロットは、おそらくはスペースの理由のために、あるいは電気的に望まれないために、回路基板がその中に収容されていなければ、フリーなままでいることができる。しかし、制御回路を搭載している回路基板が各アンテナスロットに挿入されれば、構造は単純化される。

さらなる単純化は、各場合において、回路基板がアンテナスロットの全てに配置されると達成される。各場合において同一の制御回路を搭載している同一の回路基板の使用は、材料をかなりの割合で節約することができる。さらに、顕著な効果が保管に関して得られて、顕著なコスト節約が可能である。

基本的に、回路基板材料の誘電特性のアンテナ放射に対する影響は、アンテナスロットが回路基板によって実質的に完全に占有されている場合、特に高い。例えば、回路基板は、各々のアンテナスロットにぴったりとはまる舌状部を有することができる。

さらに、回路基板材料の比誘電率が高いほど、上述の効果がより大きい。それゆえ、原則的には、所望の度合いの小型化を達成するために、特別の誘電材料が使用されることができる。比較的高いコストの観点から、そのような材料の使用についての限界が設けられる。

回路基板がアンテナスロット内に押し込まれるという本発明によって提供される構成は、それゆえ、基板が主にスロット領域に効率的に集中しているので、特に経済的である。

回路基板材料の誘電特性の影響は、少なくとも一つの回路基板がアンテナ輪郭板の送信側からわずかに突出していると、増強されることができる。最後に、挿入された回路基板の効果は、回路基板の突出部に金属構造が設けられていると、さらに一層増強されることができる。例えば、回路基板の突出部の上でアンテナ輪郭板を横切るように延在している導体トラック部によって形成された金属構造を設けることは、特に容易である。

回路基板は、効果的なことには、アンテナスロットの領域でスロット放射器に接触する手段を備える。

この関係で、フィードパワー又は制御パワーがアンテナ輪郭板に結合される点が非常に正確に規定されることが、本発明のアンテナスロットのさらに重要な局面とみなされ得る。これは、同軸ケーブルが例えばはんだ接続される従来技術で開示されるスロットアンテナに対して、顕著な効果を提示する。例えば、アンテナ輪郭板と回路基板との間の接触は、回路基板上の導体トラック領域によって達成されることができて、その導体トラック領域はアンテナ輪郭板に向かって狭くなる。実際の接触領域の位置は、そのとき非常に正確に規定される。

スロットの励起（energization）が、これより正確に、且つ特に再現的に生じることができる。これは、連続製造のための要件に関して、顕著に効果的である。フィード点の選択において完全な自由があり、これより、選択的に使用され且つ変更されることができる付加的な自由度が提供される。

本発明のアンテナのさらに好適な実施形態において、回路基板は、アンテナ輪郭板の反対側で安定板に挿入される。この安定板は、それ自身が回路基板であることができて、付加的な電子的又は電気的な構成要素を搭載することができる。

本発明のスロットアンテナならびに本発明の方法の付加的な効果及び特徴は、添付の模式的な図面を参照して以下に記述される。
本発明のスロットアンテナの例示的な実施形態の図である。 図１に示されるアンテナのアンテナ輪郭板の図である。 図１に示されるアンテナの平面図である。 本発明の方法を描く図である。

本発明のアンテナ１０の例示的な実施形態が、図１〜３を参照して記述される。同様の構成要素には、同様の参照番号が与えられている。

その本質的な構成要素として、本発明のアンテナ１０は、アンテナ輪郭板２０、その上に制御回路４０が配置された複数の回路基板５０、及び同様に電子的な構成要素を搭載することができる安定板６０を備えている。

図２に示されるアンテナ輪郭板２０は、互いに直交する２つのアンテナシステムを備える。第１のアンテナシステムは、４つのアンテナスロット３１の方形アレイを備えており、第２のスロットシステムは、交差配列に配置された４つのアンテナスロット３２を備えている。交差配列に配置された４つのアンテナスロット３２は、アンテナスロット３１によって形成された四角形の内部に位置しており、後者の対角線上に実質的に位置合わせされている。

スロットシステムは、これより互いに入れ子状になっており、したがって、必要とされるスペースがより少ない。アンテナスロットの制御又はフィードの問題は、本発明にしたがって、アンテナスロット３１、３２への回路基板５０の挿入によって解決される。

図３に示されるように、反対側２２からアンテナ輪郭板２０に挿入された回路基板５０はまた、アンテナ輪郭板２０の送信側２４にわずかに突出することができる。これは、回路基板材料の誘電特性の効果を増強する。

さらに、回路基板５０の突出部５４には、図３に同様に模式的に示されているように、金属構造５２が設けられることができ、これは、アンテナスロット３０に場が集中し、これにより小型化が可能となる。図３に示される例では、金属構造５２は、アンテナ輪郭板２０を横切って延在している導体トラック部を備えている。

数多くの効果が、図１に示される構造によって達成される。例えば、図３に詳細に示されている構造技術によって互いに極端に密接して位置しているアンテナスロット３１、３２は、やはり電子回路４０を搭載している制御板５０によって制御されることができる。

全てのアンテナスロット３１、３２は、好ましくは同一の寸法を有しており、各場合に、一様のフィードネットワーク、またはより一般的には、制御回路４０を搭載している標準回路基板５０が使われることができる。

向上された比誘電率の値を有する材料が回路基板５０のためのベース材料として使用されるなら、これは、スロット内のより強い場の集中、及びこれより小型化に寄与する。スロット長は、このようにして低減されることができる。

同時に、これは、制御回路４０を搭載している回路基板５０の寸法を低減することを可能にする。アンテナ輪郭板２０の反対側には安定板６０が搭載されており、これは同様に、付加的な電気的及び／又は電子的な構成要素を搭載している回路基板であることができる。

背面安定板６０を有する図１に示される構造は、全体として、優れた機械的な安定性及び極端にコンパクトな設計によって特徴付けられる。基板又は穴開き部に横切るように配置された制御回路４０を搭載している回路基板５０は、受動的及び能動的な構成要素を収容することができる。

同時に、これらの制御回路４０は、電気的な結合を介して、すなわち、最も単純な場合には、単純な導体接続を介して、アンテナをフィードして接続することに役立つ。これは、放射結合されたスロットアンテナに比べて、必要とするスペースがより少ない。

制御回路４０が各々電気的位相シフタを備えれば、アンテナのビームローブ及び／又は指向特性が本発明の方法にしたがって選択的に変えられることができるので、さらに特に効果的である。

これは、図４を参照してより詳細に説明される。そこには、図３に示されるタイプの本発明のスロットアンテナを備えているＲＦＩＤリーダ８０が描かれている。異なる場所の個別のＲＦＩＤタグは、参照番号１３、１４及び１５によって識別されている。タグ１３は、垂線方向に発せられて参照番号１１によって示されるビームによってアドレスされ、タグ１４及び１５は、方向１２及び１６に偏向されるビームによってアドレスされる。本発明のアンテナの指向特性は、各々のアンテナスロット３１、３２の制御回路４０における位相シフタの選択的な調整によって変えられる。

これによって新しい用途が可能となる。例えば、個別のタグは、本発明のアンテナの助けで追跡されることができる。さらに、個別のタグは、選択的にアドレスされて読み取られることができる。複数のリーダの同時使用による位置測定（localization）が可能である。アンテナの良く規定された指向特性のために、特定の立体角領域が、選択的に抑制されることができる。これは、上述の干渉の抑制を達成することに役立つ。

複数のリーダは、ネットワーク化されて複雑な全体システムを形成することができ、指向性及びレンジの高いシャープさを有するリーダが実現されることができる。これらはそれから、仮想的なより大きな開口のため、位置決めの間に、増大した位置測定分解能を有する。

小型化可能なスロットアンテナシステムが、これより本発明によって、より具体的にはＲＦＩＤリーダにおける使用のために提供される。そのようなリーダは、好ましくはマイクロ波領域で、例えば2.5GHzで、動作する。

本発明の方法の重要な概念は、アンテナの指向特性の選択的な制御にある。本発明のスロットアンテナの使用は、高容量でコンパクトなアンテナシステムを提供し、これはさらに、コストの低減を許容し、製造及び接続技術に関して特に効果的である。アンテナの「コンパクトさ」という用語は、特に、その低減された寸法を示唆する。これより、市場で入手可能な、ここで記述されたスロットアンテナよりも明らかに大きいシステムに対して、顕著な効果が達成されることができる。リーダの密度は、ビーム偏向、すなわちアンテナ構造の電子的に可変な指向特性の可能性によって、リーダ間に相互干渉を生じること無しに、増加されることができる。

結果として、例えばマイクロ波ヒータのような潜在的な干渉要因が、同様に抑制されることができる。さらに、各場合における直接的な環境及び有力な条件による物理的な損傷が、補償されることができる。そこに由来した他の結果は、データキャリアの追跡の可能性である。

効果的なことに、定在波により無線放射に必然的に生じる零点が、周波数の変化、すなわち「周波数ホッピング」によって、及び／又はビームの偏向によって、除去されることができる。範囲を調節するために、発せられる送信機パワーは有効に調節されることができて、同様に、感度は、低ノイズのプリアンプによって変えられることができる。

それゆえ、いわゆる「フェーズドアレイアンテナ」が、本発明のスロットアンテナを使用して、効果的な方法で実現されることができる。本発明のそのようなアンテナの使用は、極端に迅速なビームの偏向を達成すること、及びさらにアンテナの指向特性の非常にフレキシブルな調整を提供することを可能にする。

本発明はまた、読み取りシステム、データキャリア、一般的な無線通信、レーダセンサ、及び位置測定システムを伴う用途に加えて、ビルディングの入口での個体識別を提供するためにも使用されることができる。

これより本発明は、偏波の切り替え及びビーム偏向の有効化の可能性を有する全体的にコンパクトなインテリジェントアンテナを提供する。

Claims (14)

1. 複数のアンテナスロットを有するアンテナ輪郭板と、アンテナ輪郭板を励起して電磁放射の送信及び受信の少なくとも一つを行うための少なくとも一つの制御回路と、を備えており、
   前記アンテナ輪郭板の少なくとも一つのアンテナスロットに、制御回路を搭載した回路基板が挿入され、少なくとも一つの回路基板が、前記アンテナ輪郭板におけるアンテナスロットから突出し、前記回路基板の突出部に金属構造が設けられている、スロットアンテナ。
2. 前記アンテナ輪郭板が４つのアンテナスロットの方形アレイを含んでいる、請求項１に記載のスロットアンテナ。
3. 前記アンテナ輪郭板が４つのアンテナスロットの交差状アレイを含んでいる、請求項１に記載のスロットアンテナ。
4. 前記アンテナスロットの交差状アレイが前記アンテナスロットの方形アレイの内部に位置している、請求項３に記載のスロットアンテナ。
5. 制御回路を搭載している回路基板が各アンテナスロットに挿入されている、請求項１に記載のスロットアンテナ。
6. 同一の回路基板がアンテナスロットの全てに挿入されている、請求項１に記載のスロットアンテナ。
7. 前記回路基板が、各々のアンテナスロットを取り囲む領域で前記アンテナ輪郭板に電気的に接続されている、請求項１に記載のスロットアンテナ。
8. 前記金属構造が、前記回路基板の突出部で前記アンテナ輪郭板を横切るように延在している導体トラック部の形態である、請求項１に記載のスロットアンテナ。
9. 前記回路基板が、前記アンテナ輪郭板の反対で安定板に挿入されている、請求項１に記載のスロットアンテナ。
10. アンテナがＲＦＩＤのための送信アンテナとして設計されている、請求項１に記載のアンテナ。
11. 複数のアンテナスロットを有するアンテナ輪郭板と、アンテナ輪郭板を励起して電磁放射の送信及び受信の少なくとも一つを行うための少なくとも一つの制御回路と、を備えているスロットアンテナの操作の方法であって、
    前記アンテナ輪郭板の少なくとも一つのアンテナスロットに、制御回路を搭載した回路基板が挿入されており、少なくとも一つの回路基板が、前記アンテナ輪郭板におけるアンテナスロットから突出し、前記回路基板の突出部に金属構造が設けられており、
    個別の制御回路の位相関係を変えることによって、放射の発信方向が選択的に変えられる、方法。
12. 個別の制御回路の位相関係の適切な選択が、円偏波した放射を発するように前記スロットアンテナを励起する、請求項１１に記載の方法。
13. 制御回路が、各場合に、電気的位相シフタを備えており、アンテナのビームローブ及び指向特性の少なくとも一つが、電気的位相シフタによって選択的に変えられる、請求項１１に記載の方法。
14. 定在波によって生じる零点が、周波数の変化、周波数ホッピングとビームの偏向との少なくとも一つによって除去される、請求項１１に記載の方法。
    
    

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