JP5630499B2 - アンテナ装置及び無線通信デバイス - Google Patents

Description

本発明は、アンテナ装置及び無線通信デバイス、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに用いられるアンテナ装置及び無線通信デバイスに関する。

近年、物品の情報管理システムとして、誘導磁界を発生するリーダライタと、物品に付されたＲＦＩＤタグ（無線通信デバイスとも称する）とを電磁界を利用した非接触方式で通信し、所定の情報を伝達するＲＦＩＤシステムが実用化されている。このＲＦＩＤタグは、所定の情報を記憶し、所定の無線信号を処理する無線ＩＣチップと、高周波信号の送受信を行うアンテナ（放射体）とを備えている。

特許文献１には、ＲＦＩＤタグ用アンテナが開示されている。このアンテナは屈曲されたダイポールアンテナであって、給電部の近傍にスリットを形成することによってインピーダンスを調整している。また、特許文献２には、ループ状の第１導体パターンと、該第１導体パターンに接続された第２及び第３導体パターンを有するアンテナが開示されている。このアンテナは第１導体パターンによって円偏波を受信するとともに、第２及び第３導体パターンの長さによってインピーダンスを調整している。

しかしながら、前記文献１に記載のアンテナにおいては、ダイポールアンテナの一部がインピーダンスの調整に利用されているため、調整の結果で変化するスリットの形状によっては指向性や利得などの放射特性が変化してしまうという問題点を有している。また、前記文献２に記載のアンテナにおいては、第１導体パターンは第２及び第３導体パターンと電気的に直結されているため、インピーダンスの調整に第１導体パターンの一部が寄与することになり、文献１に記載のアンテナと同様に、調整の結果では指向性や利得などの放射特性が変化してしまうという問題点を有している。

特開２００７−９６６５５号公報 特開２００８−１６０８２１号公報

そこで、本発明の目的は、インピーダンスの調整の結果で放射特性が変化することのない、ＲＦＩＤシステムに好適なアンテナ装置及び無線通信デバイスを提供することにある。

本発明の第１の形態であるアンテナ装置は、
外形が正多角形状又は円形状であって、一対の開放端部を有する第１ループ状電極と、
前記第１ループ状電極の内側に配置された給電部と、
前記給電部に接続された第２ループ状電極と、
前記第１ループ状電極と前記第２ループ状電極とを結合する結合電極と、
を備え、
開口部及び該開口部に連通したスリット部を有する平板電極を有し、
前記第１ループ状電極の一部及び前記結合電極は前記平板電極の外周部に形成され、
前記第２ループ状電極は前記開口部の周縁に形成され、
前記スリット部の対向部分が前記給電部とされ、
前記第１ループ状電極及び前記第２ループ状電極は前記開放端部及び前記給電部を結ぶ仮想直線を中心とした対称形状であること、
を特徴とする。

本発明の第２の形態である無線通信デバイスは、
アンテナ装置と無線通信素子とからなる無線通信デバイスであって、
前記アンテナ装置は、
外形が正多角形状又は円形状であって、一対の開放端部を有する第１ループ状電極と、
前記第１ループ状電極の内側に配置された給電部と、
前記給電部に接続された第２ループ状電極と、
前記第１ループ状電極と前記第２ループ状電極とを結合する結合電極と、
を備え、
開口部及び該開口部に連通したスリット部を有する平板電極を有し、
前記第１ループ状電極の一部及び前記結合電極は前記平板電極の外周部に形成され、
前記第２ループ状電極は前記開口部の周縁に形成され、
前記スリット部の対向部分が前記給電部とされ、
前記無線通信素子は前記給電部に結合されており、
前記第１ループ状電極及び前記第２ループ状電極は前記開放端部及び前記給電部を結ぶ仮想直線を中心とした対称形状であること、
を特徴とする。

前記アンテナ装置においては、第１ループ状電極が放射部として機能し、第２ループ状電極がインピーダンス整合部として機能する。第１ループ状電極と第２ループ状電極とは結合電極を介して結合されているため、第１ループ状電極と第２ループ状電極との独立性が確保される。即ち、インピーダンスの整合のために第２ループ状電極を調整したとしても、第１ループ状電極の指向性や利得などの放射特性が維持される。

本発明によれば、インピーダンスの調整の結果で指向性や利得などの放射特性が変化することのないアンテナ装置及び無線通信デバイスを得ることができる。

第１実施例であるアンテナ装置を示し、（Ａ）は平面図、（Ｂ）は機能説明図である。 第２実施例であるアンテナ装置を示す平面図である。 第３実施例であるアンテナ装置を示す平面図である。 第４実施例であるアンテナ装置を示す平面図である。 第５実施例であるアンテナ装置を示す平面図である。

以下、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信デバイスの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分は同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

（第１実施例、図１参照）
第１実施例であるアンテナ装置１０Ａは、ＵＨＦ帯の通信に用いられるものであり、図１（Ａ）に示すように、四角形状をなす基材１１の表面に外形が三角形状をなす平板電極１２が形成されている。基材１１としては、例えば、ＰＥＴフィルムなどの樹脂フィルムが用いられる。平板電極１２としては、銅やアルミなどの金属箔からなる薄膜導体として形成され、あるいは、銀や銅などの粉末を含む導電性ペーストからなる厚膜導体として形成される。

詳しくは、第１ループ状電極２１は、外形が正方形状をなし、平板電極１２の一辺部１２ａ，１２ｂと、該一辺部１２ａ，１２ｂから延在する線状部１２ｃ，１２ｄとからなり、線状部１２ｃ，１２ｄの先端は開放端部２２ａ，２２ｂとされている。平板電極１２には円形状の開口部１３及び該開口部１３に連通したスリット部１４が形成されている。スリット部１４の対向部分が給電部１５ａ，１５ｂとされている。この給電部１５ａ，１５ｂは、第１ループ状電極２１の内側に配置され、無線通信素子４０が結合されている。

無線通信素子４０は、チップ状に構成された素子であり、高周波信号を処理するもので、無線ＩＣチップ単体であってもよく、あるいは、無線ＩＣチップと所定の共振周波数を有する共振回路を含んだ給電回路基板とで構成されていてもよい。無線ＩＣチップは、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、必要な情報がメモリされている。無線通信素子４０は給電部１５ａ，１５ｂと電気的に直接接続されていてもよく、あるいは電磁界によって結合されていてもよい。

第２ループ状電極２５は、開口部１３の周縁に形成され、その両端部は給電部１５ａ，１５ｂに接続されている。結合電極２７は平板電極１２の外周部（具体的には、底辺部分）に形成され、第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５とを結合している。

ここで、第１及び第２ループ状電極２１，２５、結合電極２７を分かりやすく示すと、図１（Ｂ）で右上がりの斜線を付した部分が第１ループ状電極２１であり、右下がりの斜線を付した部分が第２ループ状電極２５である。さらに、水平方向の斜線を付した部分が結合電極２７である。そして、第１ループ状電極２１及び第２ループ状電極２５は、開放端部２２ａ，２２ｂ及び給電部１５ａ，１５ｂを結ぶ仮想直線Ｙを中心とした対称形状である。即ち、各ループ状電極２１，２５は、ほぼ正方形のループ状電極に対し、対向する頂点を結ぶ仮想直線Ｙを中心とした線対称形状に形成されている。

以上の構成からなるアンテナ装置１０Ａにおいては、無線通信素子４０から発せられる所定の高周波信号は給電部１５ａ，１５ｂから第２ループ状電極２５に伝達され（矢印ａ参照）、結合電極２７を介して第１ループ状電極２１に伝達され（矢印ｂ，ｃ参照）、第１ループ状電極２１から外部に放射される。一方、第１ループ状電極２１で受信した高周波信号は結合電極２７を介して第２ループ状電極２５に伝達され、給電部１５ａ，１５ｂから無線通信素子４０に供給される。これにて、ＲＦＩＤシステムのリーダライタとの通信が可能になる。

即ち、本第１実施例においては、第１ループ状電極２１が放射部として機能し、第２ループ状電極２５が無線通信素子４０と第１ループ状電極２１とのインピーダンス整合部として機能する。インピーダンスは開口部１３の直径あるいは形状によって調整可能である。第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５とは結合電極２７を介して結合されているため、第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５との独立性が確保される。特に、本第１実施例では、外縁部分に第１ループ状電極２１が配置され、第１ループ状電極２１の内側に第２ループ状電極２５が配置され、かつ、第１ループ状電極２１の中央部分に給電部１５ａ，１５ｂが配置されているため、第１ループ状電極２１に対して第２ループ状電極２５及び給電部１５ａ，１５ｂの距離が大きくなっているため、第１ループ状電極２１は第２ループ状電極２５及び給電部１５ａ，１５ｂに対して独立性が高い。

従って、第１ループ状電極２１の放射特性（指向性、利得など）が第２ループ状電極２５や給電部１５ａ，１５ｂによって乱されにくい。換言すれば、インピーダンスの整合のために第２ループ状電極２５を調整したとしても、第１ループ状電極２１の指向性や利得などの放射特性が維持される。また、第１ループ状電極２１の開放端部２２ａ，２２ｂの配置を調整することで、円偏波の送受信が可能となる。

ここで、第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５とが結合されているとは、両者が結合電極２７を介して電気的に接続されていることを意味する。ＤＣ直結が通常の形態であるが、磁気結合、電界結合であってもよい。また、円偏波の送受信は、線状部１２ｃ，１２ｄを同じ長さ（Ｌ１１−Ｌ１２＝Ｌ２１−Ｌ２２）に設定することで可能になる。また、第１及び第２ループ状電極２１，２５を仮想直線Ｙを中心とする対称形状とすることによって、高い放射特性を得ることができる。即ち、第１ループ状電極２１は開放端部２２ａ，２２ｂが電圧最大となり、仮想直線Ｙ上で電流が最大となる。同様に、第２ループ状電極２５も仮想直線Ｙ上の電流が最大となり、給電部１５ａ，１５ｂに大きな電圧を印加することができる。

前記アンテナ装置１０Ａにおいて、第１ループ状電極２１はその外形が正方形状とされている。外形を正方形状とすることにより、縦横方向（図１（Ａ）の矢印Ｘ１，Ｘ２参照）において同じように信号を送受信することができ、無指向性に近づけることができる。なお、第１ループ状電極２１の外形が円形状である場合、正多角形状である場合も、同様に無指向性に近づく。また、開放端部２２ａ，２２ｂが設けられている辺における第１ループ状電極２１の電気長は該辺の長さよりも短かい。このことは第１ループ状電極２１が開放端部２２ａ，２２ｂを有する構成となることを意味する。線状部１２ｃ，１２ｄの電気長を長さＬ１２，Ｌ２２よりも長く設定することで、送受信できない領域（ヌル点）を少なくすることができる。

前記アンテナ装置１０Ａにおいて、第１ループ状電極２１の電気長は、送受信に使用される周波数λの略λ／２に相当することが好ましい。これにて、共振特性が向上する。また、アンテナ装置１０Ａは無指向性であり、第１ループ状電極２１が平板電極１２で形成されているため、平板部分からも高周波信号の送受信が行われ、利得が向上する。

（第２実施例、図２参照）
第２実施例であるアンテナ装置１０Ｂは、図２に示すように、円形状をなす基材１１の表面に形成した平板電極１２を半円形状としたものである。平板電極１２の外周部の両端からは同心円状に線状部１２ｃ，１２ｄが延在されている。また、平板電極１２には円形状の開口部１３及び該開口部１３に連通したスリット部１４が形成されている。スリット部１４の対向部分が給電部１５ａ，１５ｂとされている。

本第２実施例において、第１ループ状電極２１は、平板電極１２の外周部と線状部１２ｃ，１２ｄとで外形が円形状をなすように形成され、線状部１２ｃ，１２ｄの先端は開放端部２２ａ，２２ｂとされている。第２ループ状電極２５は、開口部１３の外縁に形成され、その両端部は給電部１５ａ，１５ｂに接続されている。給電部１５ａ，１５ｂに前記無線通信素子４０が結合されることは前記第１実施例と同様である。結合電極２７は平板電極１２の直線部分に形成され、第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５とを結合している。

本第２実施例における第１ループ状電極２１、第２ループ状電極２５、結合電極２７の動作は前記第１実施例で説明したとおりであり、その作用効果も同様である。

（第３実施例、図３参照）
第３実施例であるアンテナ装置１０Ｃは、図３に示すように、開口部１３の形状を四角形状としたものである。その他の構成は前記第１実施例と同様であり、作用効果も同様である。

（第４実施例、図４参照）
第４実施例であるアンテナ装置１０Ｄは、図４に示すように、第１ループ状電極２１、第２ループ状電極２５及び結合電極２７を、それぞれ、線状導体によって形成したものである。それぞれの部分の機能は前記第１実施例と同様であり、作用効果も同様である。

（第５実施例、図５参照）
第５実施例であるアンテナ装置１０Ｅは、図５に示すように、第１ループ状電極２１、第２ループ状電極２５及び結合電極２７を、それぞれ、線状導体によって形成したものである。それぞれの部分の機能は前記第１実施例と同様であり、作用効果も同様である。特に、本第５実施例では、結合電極２７と第２ループ状電極２５との接続部を給電部１５ａ，１５ｂから離れた位置に配置している。このように、結合電極２７と第２ループ状電極２５との接続部の位置を変更することによってインピーダンスを調整することができる。また、結合電極２７を長くすることによって第１ループ状電極２１と第２ループ状電極２５との独立性を高めることができる。

（他の実施例）
なお、本発明に係るアンテナ装置及び無線通信デバイスは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

例えば、前記実施例では、アンテナ装置の給電部にはチップ状の無線通信素子を搭載するようにしたが、無線通信素子をループ状電極が設けられた基材とは別の基材に設け、フレキシブル線路などの接続線路を介して、給電部に接続するようにしてもよい。また、このアンテナ装置はＲＦＩＤタグ用のアンテナだけではなく、リーダライタ用のアンテナとして用いることもでき、ＧＳＭやＧＰＳなど他の通信システム用のアンテナとして利用することも可能である。

以上のように、本発明は、アンテナ装置及び無線通信デバイスに有用であり、特に、インピーダンスの調整の結果で放射特性が変化することがない点で優れている。

１０Ａ〜１０Ｅ…アンテナ装置
１２…平板電極
１３…開口部
１４…スリット部
１５ａ，１５ｂ…給電部
２１…第１ループ状電極
２２ａ，２２ｂ…開放端部
２５…第２ループ状電極第
２７…結合電極

Claims (6)

1. 外形が正多角形状又は円形状であって、一対の開放端部を有する第１ループ状電極と、
   前記第１ループ状電極の内側に配置された給電部と、
   前記給電部に接続された第２ループ状電極と、
   前記第１ループ状電極と前記第２ループ状電極とを結合する結合電極と、
   を備え、
   開口部及び該開口部に連通したスリット部を有する平板電極を有し、
   前記第１ループ状電極の一部及び前記結合電極は前記平板電極の外周部に形成され、
   前記第２ループ状電極は前記開口部の周縁に形成され、
   前記スリット部の対向部分が前記給電部とされ、
   前記第１ループ状電極及び前記第２ループ状電極は前記開放端部及び前記給電部を結ぶ仮想直線を中心とした対称形状であること、
   を特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電部は前記第１ループ状電極の略中心部に配置されていること、を特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記第１ループ状電極は、その外形が正方形状であること、を特徴とする請求項１又は請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 前記開放端部が設けられている辺における前記第１ループ状電極の電気長は、該辺の長さよりも短いこと、を特徴とする請求項３に記載のアンテナ装置。
5. 前記第１ループ状電極の電気長は使用周波数λの略λ／２に相当すること、を特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれかに記載のアンテナ装置。
6. アンテナ装置と無線通信素子とからなる無線通信デバイスであって、
   前記アンテナ装置は、
   外形が正多角形状又は円形状であって、一対の開放端部を有する第１ループ状電極と、
   前記第１ループ状電極の内側に配置された給電部と、
   前記給電部に接続された第２ループ状電極と、
   前記第１ループ状電極と前記第２ループ状電極とを結合する結合電極と、
   を備え、
   開口部及び該開口部に連通したスリット部を有する平板電極を有し、
   前記第１ループ状電極の一部及び前記結合電極は前記平板電極の外周部に形成され、
   前記第２ループ状電極は前記開口部の周縁に形成され、
   前記スリット部の対向部分が前記給電部とされ、
   前記無線通信素子は前記給電部に結合されており、
   前記第１ループ状電極及び前記第２ループ状電極は前記開放端部及び前記給電部を結ぶ仮想直線を中心とした対称形状であること、
   を特徴とする無線通信デバイス。

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