JP5708193B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロストリップアンテナ装置に関する。

アンテナ装置の一種として、所定の形状の電極部が一面に形成された誘電体基板を有するマイクロストリップアンテナ装置（パッチアンテナ装置）がある。マイクロストリップアンテナ装置は、一例として、電波の送受信により近距離における個体識別を行うＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）のリーダ／ライタに用いられている（特許文献１参照）。特に、マイクロストリップアンテナ装置は、周波数がＵＨＦ帯または２．４５ＧＨｚ帯で動作するＲＦＩＤリーダ／ライタに適用されることが多い。

特許文献１に記載のアンテナ装置は、誘電体基板と、誘電体基板の裏面に形成された地導体（グランド電極）と、誘電体基板の表面に形成された矩形の環状の第１の導体と、第１の導体の内側に形成された矩形の第２の導体と、を有する。

このようなアンテナ装置は、地導体に対して第１および第２の導体が形成されている面の方向に、強く電波を放射または受信できる。このようなアンテナ装置を備えたリーダ／ライタは、アンテナ装置から一定の距離だけ離れたＲＦＩＤタグと通信することができ、ＲＦＩＤタグを認識することができる。

国際公開第２００７／１２２７２３号パンフレット

誘電体基板に形成された導体（電極部）を有するアンテナ装置では、導体の端部での磁界強度と導体の中央部での磁界強度は大きく異なる。特に、誘電体基板の中央部、つまり矩形の電極部の中央部で、磁界強度が小さくなり易い。これにより、電極部の近傍であっても、アンテナ装置から放射される電波の強度が低下したり、電波の受信の効率が低下したりするという問題が生じ得る。

このようなアンテナ装置をＲＦＩＤリーダ／ライタに適用した場合、電極部の近傍であるにも関わらず、ＲＦＩＤタグが認識できなくなることがあるという問題が生じる。アンテナ装置の、ＲＦＩＤタグを認識できないエリアは、ＲＦＩＤタグが小型化されるほど拡大する傾向にある。

本発明の目的は、上記問題のいずれか１つを解決または軽減することができるアンテナ装置を提供することにある。その目的の一例は、アンテナ装置の近傍での、磁界強度の低下および電波の受信効率の低下を抑制できるアンテナ装置を提供することにある。

本発明の一態様におけるアンテナ装置は、誘電体基板と、誘電体基板に形成されたグランド電極と、第１の電極部と、第２の電極部と、第３の電極部と、を備えている。第１の電極部は、誘電体基板の第１の面に形成され、開口を有しており、第１の給電点が設けられている。第２の電極部は、第１の電極部の開口の内側に配置され、第２の給電点が設けられている。第３の電極部は、第１の電極部の開口の内側で第２の電極部と離れて配置され、グランド電極と電気的に接続され、第２の電極部の励振に応じて第２の電極部と逆位相で共振するように構成されている。

上記構成によれば、アンテナ装置の近傍での、磁界強度の低下および電波の受信効率の低下を抑制できる。

第１の実施形態のアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略斜視図である。 図１のアンテナ構造の概略平面図である。 図２とは反対側から見た、アンテナ構造の概略平面図である。 第２の実施形態のアンテナ装置の構成を示すブロック図である。 第３の実施形態のアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略平面図である。 第４の実施形態のアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略平面図である。 第５の実施形態のアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略平面図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。本発明のアンテナ装置は、ＲＦＩＤリーダ／ライタモジュール用のアンテナとして好適に用いられる。これに限らず、本発明は、様々なアンテナ装置に適用することができる。

図１は、本発明の第１の実施形態のアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略斜視図である。図２は、アンテナ構造の概略平面図である。図３は、図２とは反対側から見たアンテナ構造の概略平面図である。

アンテナ装置１は、所定のアンテナ構造を有する誘電体基板６を備えている。誘電体基板６には、電極部２〜４、グランド電極５および給電線路１０，１１等が形成されている。第１の電極部（パッチアンテナ部）２と第２の電極部（線状アンテナ部）３と第３の電極部（付加電極）４とは、誘電体基板６の第１の面に形成されている（図２参照）。

グランド電極５および給電線路１０，１１は、誘電体基板６の第１の面に対向する第２の面に形成されていることが好ましい（図３参照）。なお、図３においては、グランド電極５が形成されている当該第２の面とは反対の面に形成されている電極部２〜４は点線によって示されている。

第１の電極部２は中央部に開口１２を有する。第１の電極部２は、誘電体基板６に形成された第１のビア導体７によって第１の給電線路１０と接続されている。このように、第１のビア導体７は、第１の電極部２に給電する第１の給電点となっている。図３では示されていないが、第１の給電線路１０は、不図示の無線通信回路と接続される。

第２の電極部３および第３の電極部４は、第１の電極部２の開口１２の内側に配置されている。第２の電極部３は、誘電体基板６に形成された第２のビア導体８によって第２の給電線路１１と電気的に接続されている。このように、第２のビア導体８は、第２の電極部３に給電する第２の給電点となっている。図３では示されていないが、第２の給電線路１１は、不図示の無線通信回路と接続される。

第３の電極部４は、第２の電極部３と離れて配置されている。第３の電極部４は、誘電体基板６に形成された第３のビア導体９によってグランド電極５と電気的に接続されている。

無線通信回路から給電線路１０，１１を介して第１の電極部２または第２の電極部３に所定の周波数帯の電圧が印加されると、第１の電極部２または第２の電極部３が励振し、電極部２，３の形状に応じた周波数帯の電波が放射される。また、その周波数帯の電波が第１の電極部２または第２の電極部３に到来すると、第１の電極部２または第２の電極部３が励振され、電極部２，３から給電線路１０，１１を通って無線通信回路に信号電流が流れる。このようにして、アンテナ装置は、所定の周波数帯の電波を送受信することができる。

第１の電極部２は、略長方形の枠状に形成されていることが好ましい。この場合、第１の電極部２は、短辺方向の長さに応じた高い第１の共振周波数と、長辺方向の長さに応じた低い第２の共振周波数とを有する。第１の給電点７の位置を適切に設計してこれらの共振周波数を結合すれば、第１の電極部２は円偏波を送受信することも可能となる。

第２の電極部３および第３の電極部４は線状に延びていることが好ましい。図１〜３に示す例では、第２の給電点８は第２の電極部３の一端部に設けられており、第２の電極部３の他端部は電気的に開放されている。第３のビア導体９は第３の電極部４の一端部に配置されており、第３の電極部４の他端部は電気的に開放されている。

第２の電極部３および第３の電極部４は、１／４波長共振で動作するために必要な電極長を有していることが好ましい。このような電極長を、第１の電極部２の開口１２内の限られたスペースで実現するために、第２および第３の電極部３，４は、折り曲げられた略ループ状に形成されていることが好ましい。

第１の電極部２が給電された場合、一般に、第１の電極部２の外側の辺２ａの近傍に電流が集中して流れ、第１の電極部２の大きさや誘電体基板６の誘電率によって決まる共振周波数で共振する。第１の電極部２の外側の辺２ａが共振する際、第１の電極部２の内側の辺２ｂは外側の辺２ａよりも短いために共振せず、第１の電極部２の内側の辺２ａには電流が流れにくくなっている。

このように、専ら第１の電極部２の外側の辺２ａの共振により第１の電極部２を動作させると、第１の電極部２の内側の辺２ｂの電流密度を低下させることができる。これにより、第１の電極部２の給電の際に、第１の電極部２と第２の電極部３との間での磁気的な結合を抑制することができる。これにより、第１の電極部２と第２の電極部３との間の干渉が抑制されるという利点がある。このアンテナ装置１をＲＦＩＤリーダ／ライタに用いると、アンテナ装置１の第１の電極部２の外側の辺の近傍でＲＦＩＤタグと良好に通信することができる。

第２の電極部３が給電されると、第２の電極部３から発せられた電磁界は、第２の電極部２と第３の電極部４との間で閉じたループを形成しやすい。第２の電極部２と第３の電極部４との間で確実に閉じたループ状の磁界を発生させるために、第３の電極部４は、第２の電極部３の励振に応じて第２の電極部３と逆位相で共振するように構成されていることが好ましい。これにより、第２の電極部３と第１の電極部２との間の磁気的な結合が低減されるとともに、第２の電極部３および第３の電極部４近傍の磁気強度が高まる。したがって、アンテナ装置１の近傍の、磁界強度の低下および電波の受信効率の低下が抑制される。

第３の電極部４を第２の電極部３と逆位相で共振させるためには、第２の電極部３の動作周波数に応じて、第２および第３の電極部３，４の長さ、両電極部３，４間の距離、ビア導体８，９の位置、両ビア導体８，９間の距離などを適宜調整すれば良い。

第２の電極部３が給電された際、第２の電極部３と第１の電極部２との間の磁気的な結合の低減により、第２の給電部３から放射された電波または第２の給電部３が受信する電波の一部が第１の電極部２を介して漏れ出すことが抑制される。これにより、第２の電極部３を動作させる際の電力の効率が向上する。

このアンテナ装置１をＲＦＩＤリーダ／ライタに適用すれば、第２の電極部３の近傍、すなわち誘電体基板６の中央部付近においてもＲＦＩＤタグの認識率が向上させることができる。これにより、第２の電極部３から放射された電波または第２の電極部３で受信される電波の電力効率が向上する。言い換えると、第２の電極部３に、より低い電力で高周波電流を供給しても、アンテナ装置１はＲＦＩＤタグと良好に通信できる。

上記の通り、第１の電極部２の外側の辺近傍と、第１の電極部２の開口１２内の第２の電極部３近傍の双方で、ＲＦＩＤタグを良好に読取ることができ、アンテナ装置の位置に対するダグの読取率のバラツキを軽減させることができる。

また、第２の電極部３と第３の電極部４との間で結合した磁界は、電極部３，４から離れるとともに強度が急激に低下する。これにより、第２の電極部３の近傍ではＲＦＩＤタグの認識率を向上させ、第２の電極部３からある程度の距離だけ離れたときにはＲＦＩＤタグの認識率を急激に弱めることができる。このように、空間的に選択的なＲＦＩＤタグの認識を実現することができる。

なお、図１〜図３では、誘電体基板６の表面に電極部２〜４やグランド電極５が露出しているが、これらの表面上に絶縁膜や別の誘電体基板が設けられていても良い。

図４は、第２の実施形態におけるアンテナ装置のブロック図を示している。アンテナ装置のアンテナ構造については、図１〜図３に示すものと同様であるため、その説明を省略する。

アンテナ装置は、無線通信回路２１と、無線通信回路２１に設けられたスイッチ２２と、を有する。誘電体基板に設けられた第１の電極部２および第２の電極部３は、給電線路を介して無線通信回路２１と電気的に接続される。

スイッチ２２は、無線通信回路２１と第１の電極部２とが電気的に接続された第１のポジションと、無線通信回路２１と第２の電極部３とが電気的に接続された第２のポジションと、に切り替え可能に構成されている。この場合、第１の電極部２と第２の電極部３とは同一の周波数帯で動作するように構成されていることが好ましい。

本実施形態のアンテナ装置によれば、第１の電極部２と第２の電極部３とを交互に動作させることにより、第１の電極部２の外側の辺近傍においても、第１の電極部２の開口の内側においても強い磁界を発生させることができる。

このアンテナ装置をＲＦＩＤリーダ／ライタに適用すれば、第１の電極部２の近傍であっても第２の電極部３の近傍であっても、第１および第２の電極部２，３が動作する周波数帯であれば、ＲＦＩＤリーダ／ライタはＲＦＩＤタグを良好に検出できる。

図５は、第３の実施形態におけるアンテナ装置の概略平面図である。図５において、図２と同じ構成要素には同じ符号が用いられている。第１の実施形態のアンテナ装置と同じ構成については、説明を省略する。

第３の実施形態においても、第１の実施形態と同様に、第３の電極部４は、第２の電極部３の励振に応じて第２の電極部３と逆位相で共振するように構成される。また、第２の電極部３の一端部に第２の給電点８が配置されており、第２の電極部３の他端部が電気的に開放されている。第３の電極部４の一端部はビア導体９を介してグランド電極と接続されており、第３の電極部４の他端部が電気的に開放されている。

第３のビア導体９が配されている第３の電極部４の一端部近傍と、第２の給電点８が配されている第２の電極部３の一端部近傍との間の距離ｄ１，ｄ２は、他の部分における電極間距離と比べて短いことが好ましい。ここでは、第３のビア導体９が配されている第３の電極部４の一端部と、第２の給電点８が配されている第２の電極部３の一端部との間の距離ｄ１は、第２の電極部３と第３の電極部４との間の最短距離になっている。また、ここでは、第２の電極部３のこの一端部近傍と第３の電極部４のこの一端部との間の距離ｄ２は、距離ｄ１と同一となっている。

これらの距離ｄ１，ｄ２は、第２の電極部３の電極幅Ｗ１および第３の電極部４の電極幅Ｗ２よりも短いことが好ましい。ここで、電極幅とは、各々の電極部３，４の線状に延在する方向に直交する方向の幅を言う。

第２の電極部３の第２の給電点８付近や第３の電極部４のビア導体９付近では、１／４波長共振に伴い電流密度が大きくなる。この高周波電流の電流密度が大きくなる部分同士の間隔ｄ１，ｄ２を電極幅Ｗ１，Ｗ２より小さくすることによって、両電極部３，４間での磁界の結合を一層強めることができる。これにより、第２の電極部３と第１の電極部２間の磁気的な結合がより低減され、この結果、第２の電極部３による無線通信の効率が改善される。このアンテナ装置をＲＦＩＤリーダ／ライタに適用すれば、ＲＦＩＤタグの認識率が改善される。

図６は、第４の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略平面図である。図６において図３と同じ構成要素については同じ符号を用いている。誘電体基板６、電極部２〜４および給電線路１０，１１は、第１の実施形態と同様であるため説明を省略する。なお、図中の点線は、図示された面と反対側に形成されている電極部２〜４の形状を示している。

本実施形態においても、第１の電極部２はビア導体７を介して給電線路１０と接続されている。第２の電極部３はビア導体８を介して給電線路１１と接続されている。第３の電極部４はビア導体９を介してグランド電極５と接続されている。

本実施形態では、グランド電極５は開口３５を有している。グランド電極５の開口３５は、少なくとも第２の電極部３と対向する部分を包含するように形成されている。すなわち、グランド電極５は、誘電体基板６の一面に直交する方向から見て、第２の電極部３と重ならないように形成されている。

これにより、第２の電極部３とグランド電極５との間の電磁気的な結合が軽減され、第２の電極部３から放射される電磁波の強度を高めることができる。このアンテナ装置をＲＦＩＤリーダ／ライタに適用すれば、第２の電極部３の近傍において、ＲＦＩＤタグとの通信性をさらに改善することができる。

図７は、第５の実施形態におけるアンテナ装置のアンテナ構造を示す概略平面図である。図７において、図３と同じ構成要素については同じ符号が用いられている。本実施形態のアンテナ装置おいて、第１の実施形態と同様の構成についてはその説明を省略する。

本実施形態のアンテナ装置１では、第３の電極部４とグランド電極５とはビア導体９およびリアクタンス素子１３を介して電気的に接続されている。具体的には、リアクタンス素子１３は、誘電体基板６の、グランド電極５が形成されている一面に設けられている。リアクタンス素子１３としては、インダクタンス素子やキャパシタンス素子、またはこれらの複合回路を用いることができる。

リアクタンス素子１３は、第３の電極部４とグランド電極５とを結ぶ電気的経路の途中に設けられており、第３の電極部４の電気的な有効電極長を調整することができる。これにより、第３の電極部４の長さに関して、第３の電極部４が第２の電極部３と逆位相で共振するための条件が不十分であっても、リアクタンス素子１３の選択により第３の電極部４を逆位相で共振させる条件を容易に満足させることが可能になる。

以上、本発明の望ましい実施形態について提示し、詳細に説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、要旨を逸脱しない限り、さまざまな変更及び修正が可能であることを理解されたい。例えば、上記の各実施形態で説明した特徴を任意に組み合わせたアンテナ装置も本発明の範囲に含まれる。

１ アンテナ装置
２ 第１の電極部
３ 第２の電極部
４ 第３の電極部
５ グランド電極
６ 誘電体基板
７ 第１のビア導体（第１の給電点）
８ 第２のビア導体（第２の給電点）
９ 第３のビア導体
１０ 第１の給電線路
１１ 第２の給電線路
１２ 第１の電極部の開口
１３ リアクタンス素子
２１ 無線通信回路
２２ スイッチ
３５ グランド電極の開口

Claims (9)

1. 誘電体基板と、
   前記誘電体基板に形成されたグランド電極と、
   前記誘電体基板の第１の面に形成され、開口を有し、第１の給電点が設けられた第１の電極部と、
   前記第１の電極部の前記開口の内側に配置され、第２の給電点が設けられた第２の電極部と、
   前記第１の電極部の前記開口の内側で前記第２の電極部と離れて配置され、前記グランド電極と電気的に接続され、前記第２の電極部の励振に応じて該第２の電極部と逆位相で共振するように構成されている第３の電極部と、を備えたアンテナ装置。
2. 前記第２の電極部および前記第３の電極部は、４分の１波長共振により動作するように構成されている、請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 無線通信回路と、
   前記無線通信回路と前記第１の電極部とが電気的に接続された第１のポジションと、前記無線通信回路と前記第２の電極部とが電気的に接続された第２のポジションと、に切り替え可能なスイッチと、を備え、
   前記第１の電極部と前記第２の電極部とが同一の周波数帯で動作するように構成されている、請求項１または２に記載のアンテナ装置。
4. 前記第２の電極部および前記第３の電極部は線状に延在しており、
   前記第２の電極部の一端部に前記第２の給電点が配置されており、前記第２の電極部の他端部が電気的に開放されており、
   前記第３の電極部は、前記第３の電極部の一端部でビア導体を介して前記グランド電極と接続されており、前記第３の電極部の他端部が電気的に開放されている、請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 前記ビア導体が配されている前記第３の電極部の一端部と、前記第２の給電点が配されている前記第２の電極部の一端部との間の距離が、前記第２の電極部と前記第３の電極部との間の最短距離になっている、請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記最短距離は、前記第２の電極部の線状に延在する方向に直交する方向の幅および前記第３の電極部の線状に延在する方向に直交する方向の幅のよりも短い、請求項５に記載のアンテナ装置。
7. 前記グランド電極は、前記誘電体基板の前記第１の面と対向する第２の面に形成され、開口を有しており、
   前記グランド電極の前記開口は、少なくとも前記第２の電極部と対向する部分を包含するように形成されている、請求項１から６のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
8. 前記第３の電極部と前記グランド電極とを結ぶ電気的経路の途中に設けられたリアクタンス素子を備えている、請求項１から７のいずれか１項に記載のアンテナ装置。
9. 請求項１から８のいずれか１項に記載のアンテナ装置を備えているＲＦＩＤリーダ／ライタモジュール。

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