JP5276463B2

JP5276463B2 - アンテナ装置及びそれを備えたｒｆｉｄタグ

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Publication number: JP5276463B2
Application number: JP2009027940A
Authority: JP
Inventors: 隆義小西; 篤志真田
Original assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY; NEC Tokin Corp
Current assignee: NATIONAL UNIVERSITY CORPORATION YAMAGUCHI UNIVERSITY; Tokin Corp
Priority date: 2009-02-09
Filing date: 2009-02-09
Publication date: 2013-08-28
Anticipated expiration: 2029-02-09
Also published as: JP2010183547A

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。

高い表面インピーダンスを有するシート状構造体（ＥＢＧ（Electromagnetic Band Gap）構造体ともいう）としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム構造が知られている（例えば、特許文献１参照）。また、ビアに相当する部位をパターンに埋め込むことで製造工程の簡略化を図ろうとする技術（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。

更に、上記シート状構造体の上にスペーサを介してアンテナ導体を配置し、シート状構造体を同相反射板として用いることも提案されている（例えば、特許文献３参照）。

米国特許第６，５３８，６２１号公報特開２００６−２４５９８４号公報特開２００８−１３１５０６号公報

しかしながら、特許文献３に開示されているような構造では、シート状構造体の同相反射周波数でアンテナ導体とＩＣとの整合を図ることが困難であるという問題がある。

そこで、本発明は、シート状構造体が動作可能な周波数帯域幅を拡張し、同時に、シート状構造体の同相反射周波数を低下させて、小型化が図れる構造を提供することを目的とする。

本発明の発明者らは、検討の結果、シート状構造体と該シート状構造体上にスペーサを介して配置された導体アンテナとの磁気的結合により、シート状構造体の同相反射周波数が変化し、シート状構造体の同相反射周波数でアンテナ導体とＩＣとの整合を図ることが困難となっていることを突き止めた。

一方で、本発明の発明者らは、シート状構造体自体がリークアンテナとして動作していることも見出した。図１にシート状構造体の分散特性を示す。縦軸は周波数（Ｈｚ）、横軸はｋａ／πである。ここで、ｋは波数ベクトルの大きさ、ａはシート状構造体の周期構造の周期、πは円周率である。また波数ベクトルの大きさｋは、波長λを用いてｋ＝２π／λと表される。

図１を参照すると、自由空間の光の分散特性を表すＬｉｇｈｔＬｉｎｅが示されている。このＬｉｇｈｔＬｉｎｅよりも上の領域では、位相速度が真空中の光の位相速度を超えることから、電磁波がリークしてくる。一方、波数ベクトルの大きさｋが０である点、即ち、図中のΓ点付近がシート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグの動作点である。Γ点においては、同相反射が生じるとともに、リーク波がＥＢＧ表面から垂直に放出される。以上より、シート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグにおいて、シート状構造体を用いて構成されたＲＦＩＤタグにおいて、シート状構造体自体が理論的にはリークアンテナとして動作することが理解できる。また、Light Lineより上の領域が、リークアンテナとして動作する周波数範囲であり、同時に反射位相が同相反射に近づく周波数範囲ともなるので、周波数範囲は共に一致する。

更に、本発明の発明者らは、シート状構造体の上に絶縁層を介して、導体パターンを配置することにより、シート状構造体の同相反射周波数を低下させ、すなわちリークアンテナの動作周波数を低下させるとともに、シート状構造体が同相反射板もしくはリークアンテナとして動作可能な周波数帯域幅を拡張できることを見出した。これは、導体パターンが、シート状構造体の電磁界とカップリングすることによって生ずるものである。本発明は、以上の知見に基づいたものである。

即ち、本発明によれば、第１のアンテナ装置として、トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドと、導体パターンと、絶縁層とを備えたアンテナ装置において、前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有しており、前記絶縁層は、前記トップ電極上に形成されており、前記導体パターンは、前記絶縁層上に形成されている、アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、第２のアンテナ装置として、第１のアンテナ装置において、前記導体パターンの形状は、長方形、コの字形、Ｃ字形又はループ形である、アンテナ装置が得られる。

また、本発明によれば、第１又は第２のいずれかのアンテナ装置と、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグが得られる。

本発明によれば、シート状構造体の上に絶縁層を介して、導体パターンを配置することにより、シート状構造体と導体パターンとの間に磁気的結合が生じ、シート状構造体内部のインダクタンスを増大させることができる。これにより、シート状構造体の同相反射周波数を低下させると共に、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域を拡張することができる。また、同相反射周波数の低下により、シート状構造体を用いたＲＦＩＤタグの小型化が図られる。

シート状構造体の分散特性図である。本発明の実施の形態によるアンテナ装置の斜視図である。図２のアンテナ装置のＩＩＩ−ＩＩＩ断面図である。図２のアンテナ装置に用いられるシート状構造体の単位構造を表す図である。図２のアンテナ装置のＶ−Ｖ断面図である。本発明のアンテナ装置と、導体パターンなしのアンテナ装置の放射効率の周波数特性の計算結果を示すグラフである。ループ形状の導体パターンを用いたアンテナ装置の斜視図である。二方向の電界に対応したシート状構造体の単位構造を示す斜視図である。図８の単位構造を周期的に配列したシート状構造体の斜視図である。

図２に示されるように、本実施の形態によるアンテナ装置は、シート状構造体１と、導体パターン２と、ＰＥＴ（Polyethylene Terephthalate）シート３とを備えている。図から理解されるように、ＰＥＴシート３はシート状構造体１のトップ電極４（後述）上に形成されており、導体パターン２は当該ＰＥＴシート３上に形成されている。本実施の形態におけるシート状構造体１は、カードサイズ８６×５４ｍｍであり、厚さは０．７ｍｍである。また、ＰＥＴシート３は、０．１ｍｍの厚さを有している。更に、導体パターン２のサイズは、６０×３ｍｍの長方形形状である。

図３乃至図５に示されるように、本実施の形態におけるシート状構造体１は、複数個の単位セル１０を周期的に並べてなるものである。単位セル１０は、トップ電極４と、グランド電極５と、トップ電極４及びグランド電極５を電気的に接続するビア６と、浮遊キャパシタ電極７と、トップ電極４及びグランド電極５の間を満たしている誘電体８ａ、８ｂとを備えている。なお、理解を容易にするため、図４においては、誘電体８ａ、８ｂは図示していない。また、図３及び図５においては、ＰＥＴシート３は図示していない。本実施の形態による単位セル１０のサイズは、２１×１３．２５×０．７ｍｍであり、ビア６の径φ１．４ｍｍ、トップ電極４のサイズは２０．７×１２．９５ｍｍ、隣接するトップ電極４同士の間隔は０．３ｍｍ、浮遊キャパシタ電極７のサイズは、単位セル１０内における寸法は９．６×１２．９５ｍｍであり、隣接単位セル１０に亘っている場合は１９．２×１２．９５ｍｍである。本実施の形態におけるトップ電極４、グランド電極５及び浮遊キャパシタ電極７は厚み１８μｍの銅箔である。また、本実施の形態において、トップ電極４と浮遊キャパシタ電極７の間には、厚さ０．１ｍｍの誘電体８ａが設けられている。誘電体８ａの比誘電率３．３５、tanδ０．００１７である。一方、浮遊キャパシタ電極７とグランド電極５の間には、厚さ０．６ｍｍの誘電体８ｂが設けられている。誘電体８ｂの比誘電率３．５、tanδ０．００３である。なお、後述するように、浮遊キャパシタ電極７を省略する場合、誘電体８ａ、８ｂは、真空又は空気を用いてもよい。

本実施の形態による単位セル１０は、一方向の電界方向のみにシート状構造体１を対応させている。詳しくは、図３に示されるように、同相反射が生じる電界方向（Ｘ方向）、即ち、リークアンテナになっている電界方向においては、浮遊キャパシタ電極７が隣接するトップ電極４の下にまたがって置かれている。換言すると、当該方向においては、隣接する単位セル１０の浮遊キャパシタ電極７同士は連続している。一方、図５に示されるように、同相反射が生じない電界方向（Ｙ方向）、即ちリークアンテナになっていない方向では、浮遊キャパシタ電極７はトップ電極４の間にまたがっていない。換言すると、当該方向においては、隣接する単位セル１０の浮遊キャパシタ電極７同士はトップ電極４の端のラインで切れている。

本実施の形態において、隣接するトップ電極４の間にはＩＣランドが形成されている（図２及び図３を参照）。当該トップ電極４は、夫々、ＩＣ接続部を有しており、ＩＣ接続部は、ＩＣランド内に形成されている。ＩＣチップ１１はＩＣ接続部と接続され、ＩＣランドに搭載される。

通常、シート状構造体１自体にＩＣチップ１１を実装した場合、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域は狭くなる。しかし、本実施の形態のように、シート状構造体１の表面近傍に導体パターン２を配置することにより、リークアンテナとして動作可能な周波数帯域が拡張される。従って、ＩＣチップ１１と、シート状構造体１との整合が取りやすくなる。

図６に示されるように、本実施の形態（導体パターン２あり）によるアンテナ装置の方が、従来のアンテナ装置（導体パターン２なし）よりも、リークアンテナの放射周波数を低下させることができると共に、周波数帯域幅も拡張させていることが理解できる。

図２に示されるように、本実施の形態による導体パターン２は長方形形状のものを用いたが、本発明はこれに限定されない。例えば、図７に示されるように、ループ形状の導体パターン２ａを用いることとしてもよい。また、コの字形状、Ｃ字形状としてもよい。

本実施の形態によるシート状構造体１は一方向の電界のみに対応させているが、例えば、二方向及び三方向の電界に対応させることとしてもよい。この場合、例えば、図８及び図９に示されるように、Ｘ方向及びＹ方向の夫々において隣接するトップ電極４の下に浮遊キャパシタ電極７がまたがるよう配置すれば二方向の電界に対応することができる。なお、理解を容易にするため、図８及び図９においては、誘電体は図示していない。更に、例えば、トップ電極４を六角形形状にすることにより、各対辺を垂直に通る三方向の電界に対応させることができる。

更に、本実施の形態によるシート状構造体１は、トップ電極４、グランド電極５、ビア６及び浮遊キャパシタ電極７の４つを備えていたが、グランド電極５、浮遊キャパシタ電極７及びビア６は適宜省略してもよい。例えば、トップ電極４のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４と浮遊キャパシタ電極７のみを備えるシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５と浮遊キャパシタ電極７のみを備えシート状構造体１、トップ電極４とグランド電極５とビア６のみを備えるシート状構造体１を用いることとしてもよい。

１シート状構造体
２、２ａ導体パターン
３ＰＥＴシート
４トップ電極
５グランド電極
６ビア
７浮遊キャパシタ電極
８ａ、８ｂ誘電体
１１ＩＣチップ

Claims

トップ電極を含む単位セルを複数個周期的に並べてなるシート状構造体と、少なくとも一組の隣り合う前記トップ電極に亘るようにして設けられたＩＣランドと、導体パターンと、絶縁層とを備えたアンテナ装置において、
前記隣り合うトップ電極は、夫々、前記ＩＣランド内に設けられたＩＣ接続部を有しており、
前記絶縁層は、前記トップ電極上に形成されており、
前記導体パターンは、前記絶縁層上に形成されている、
アンテナ装置であって、
前記シート状構造体は、特定の周波数において同相反射を生じるものであり、
前記導体パターンの形状を、長方形、コの字形又はＣ字形とすることによって、前記特定の周波数を低下させると共に前記特定の周波数の帯域を拡張する
アンテナ装置。
請求項１に記載のアンテナ装置と、前記ＩＣランドに搭載されたＩＣとを備えるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ。