JP5825069B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信を行うアンテナ装置に関する。

近年、ＲＦＩＤ（Radio Frequency-Identification）と呼ばれる自動認識技術が注目されている。ＲＦＩＤは、無線タグを物体に付けて、無線により非接触で物体を自動識別する無線通信技術である。

利用される電波の周波数帯は、主に、１３．５６ＭＨｚ帯、９５０ＭＨｚ帯、２．４５ＧＨｚ帯であり、近年では９５０ＭＨｚ帯のＲＦＩＤが普及しつつある。
ＲＦＩＤシステムは、リーダ／ライタ（Reader／Writer）と無線タグとを備え、無線通信によってそれぞれのアンテナを介して、リーダ／ライタから無線タグへ情報を書き込んだり、無線タグに記憶されている情報を読み出したりする。

リーダ／ライタ側のアンテナは主に、パッチアンテナが用いられており、無線タグ側のアンテナは主に、ダイポールアンテナやループアンテナ等が用いられている。
また、通常、無線タグは、電源部（電池）を持たないので、リーダ／ライタと無線タグが通信を行うときには、リーダ／ライタから発せられた高周波信号の電波または磁界によって電源を誘電することで、無線タグへ電力を供給して通信を行っている。

従来技術として、放射電力の低下抑制を図ったリーダ／ライタに接続されるアンテナが提案されている。

特開２０１０−８７８８５号公報

しかし、従来のＲＦＩＤシステムでは、無線タグに対して電力を安定的に供給することが困難な場合があるといった問題があった。無線タグに電力を安定供給できないと、リーダ／ライタと無線タグとの通信が不可能になる。

例えば、リーダ／ライタと、複数個の無線タグとの間で通信を実行する際に、リーダ／ライタと無線タグとの間の距離等によって、すべての無線タグに対して一定の電力を供給できない場合は、各無線タグに供給される電力にばらつき（偏り）が生じる。このような現象が生じると、供給電力が小さな無線タグは、リーダ／ライタと通信が不可能になるといった不具合が発生してしまう。

本発明はこのような点に鑑みてなされたものであり、無線タグに対して電力を安定的に供給するアンテナ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、アンテナ装置が提供される。アンテナ装置は、リーダ／ライタが接続された給電線路と、前記給電線路と電磁界結合する所定の長さを有した結合部と、無線タグに電力を供給するスパイラル形状の電力供給部と、前記結合部と前記電力供給部とを結ぶ所定の長さを有した線路と、を備えた複数のアンテナ部とを備え、前記給電線路と、前記アンテナ部の前記結合部との間隔は、前記給電線路に前記リーダ／ライタが接続する接続ポートとの距離に応じて変化する。

電力の安定供給が可能になる。

アンテナ装置の構成例を示す図である。 アンテナ装置の適用例を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 アンテナ部を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 タグに供給される電力を示す図である。 通過損失を示す図である。 反射係数を示す図である。 タグに供給される電力を示す図である。 通過損失を示す図である。 反射係数を示す図である。 タグに供給される電力を示す図である。 通過損失を示す図である。 反射係数を示す図である。 タグに供給される電力を示す図である。 通過損失を示す図である。 反射係数を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 給電線路とアンテナ部との間隔を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 アンテナ装置の構成例を示す図である。 タグへの供給電力を示す図である。 間隔の具体的計算値を示す図である。 タグへの供給電力を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照して説明する。図１はアンテナ装置の構成例を示す図である。アンテナ装置１は、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０を備え、基板１０上に給電線路１１およびアンテナ部２０が形成されている。

また、アンテナ部２０は、結合部２ａ、電力供給部２ｂおよび線路２ｃを備える。結合部２ａは、給電線路１１と電磁界結合する所定の長さを有しているマイクロストリップライン（ＭＳＬ： Microstrip Line）である。

電力供給部２ｂは、無線タグ３に電力を供給するスパイラル形状を有しているＭＳＬである。線路２ｃは、結合部２ａと電力供給部２ｂとを結ぶ所定の長さを有しているＭＳＬである。

ここで、結合部２ａおよび線路２ｃの所定の長さの合計は、線路２ｃと電力供給部２ｂとの接続点の電界（漏れ電界）が最大となる値になるように決められている。
したがって、アンテナ装置１の給電線路１１の一端にリーダ／ライタ５が接続して、リーダ／ライタ５から給電が行われた際、電力供給部２ｂから発せられる漏れ電界が最大となる。このため、電力供給部２ｂの近傍に置かれた無線タグ３に対して、電力供給部２ｂから電力を安定供給することが可能になる。

次にアンテナ装置１の適用例について説明する。図２はアンテナ装置の適用例を示す図である。適用例として、ＲＦＩＤを利用して鍵の管理（図では１つの鍵の管理）を行う鍵管理システムを示している。

アンテナ装置１Ａは、基板１０の表面上に、給電線路１１およびアンテナ部２０を含む信号線路パターンであるＭＳＬが形成されており、基板１０の裏面には、ＧＮＤ（べた金属グランド）１４が形成されている。

また、基板１０の表面には、給電線路１１およびアンテナ部２０の錆止め用としての保護カバー（アクリル基板等）１２と、鍵４を引っ掛けるためのフック１３とが設けられている。

給電線路１１の両端部は、ポートｐ１、ｐ２となっており、一方のポートにリーダ／ライタが接続する。ここでは、ポートｐ１にリーダ／ライタが接続している。
無線タグ（以下、単にタグと呼ぶ）３には、鍵４およびフック１３と接続する２本の紐ｓ１、ｓ２が設けられ、紐ｓ２で鍵４と接続し、紐ｓ１をフック１３に引っ掛けることで、アンテナ装置１Ａに対して鍵４はぶら下がった状態になる。この場合、タグ３がアンテナ部２０の後述のスパイラル線路２２の上部に位置するように紐ｓ１、ｓ２の寸法が決められる。

タグ３の内部には、アンテナおよびＬＳＩ（Large Scale Integration）チップが備えられている。鍵４がフック１３に引っかけられたときに、タグ３がアンテナ部２０のスパイラル線路２２の上部に位置することで、タグ３に電力が供給され、アンテナ装置１Ａを通じて、リーダ／ライタと電波の送受信が行われる。そして、例えば、ＬＳＩチップ内の情報が、リーダ／ライタ側へ送信されることになる。

（第１の実施の形態のアンテナ装置）
以下、アンテナ装置の実施の形態について説明する。図３はアンテナ装置の構成例を示す図である。第１の実施の形態のアンテナ装置１ａは、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０ａを備え、基板１０上に給電線路１１およびアンテナ部２０ａが形成されている。

アンテナ部２０ａは、Ｌ型線路２１ａと、Ｌ型線路２１ａと連接するスパイラル線路２２ａとを有し、スパイラル線路２２ａは、一本の連続する線状導体を複数回屈曲させることにより形成されている。

給電線路１１の一端のポートｐ１は、リーダ／ライタに接続される。また、Ｌ型線路２１ａの端部２１ａ−１から屈曲部２１ａ−２までは（図１の結合部２ａに該当）、給電線路１１に対して、間隔ｄを置いて形成される。

また、Ｌ型線路２１ａの屈曲部２１ａ−２から直線状に所定の距離だけ導体が伸延し（図１の線路２ｃに該当）、伸延した先からＬ型線路２１ａの導体が直角に折り曲げられ（直角でなくてもよい）、スパイラル線路２２ａ（図１の電力供給部２ｂに該当）が形成されている。

ここで、Ｌ型線路２１ａの端部２１ａ−１から屈曲部２１ａ−２までの間の給電線路１１とカップリング（高周波結合）する部分の長さをＬａとする。また、Ｌ型線路２１ａの屈曲部２１ａ−２から伸延している導体の長さをＬｂとする。
このとき、Ｌａ＋Ｌｂの長さを、アンテナ部２０ａが使用する電波の波長λのλ／２長となるように形成する。

ただし、波長λは、空気中の波長λ０ではなく、基板１０の誘電率や、基板１０を保護する保護カバー１２等の誘電率によって、波長短縮が生じた場合を考慮したときの波長である。

具体的には、例えば、基板１０の誘電率εｒ＝３．０、厚さｔ＝１．６ｍｍとし、保護カバー１２の厚さを１ｍｍとしたときの波長短縮について考慮すると、λ／２長は、約１００ｍｍ（＠９５３ＭＨｚ）である（空気中ではλ０／２＝１５７ｍｍ）。

図３の場合では、Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ＝λ／２となるように、Ｌａ＝３０ｍｍ、Ｌｂ＝７０ｍｍと形成している。また、間隔ｄだけ離れて、給電線路１１とＬ型線路２１ａがカップリングし、リーダ／ライタから給電線路１１を通じて送られてくる高周波信号がＬ型線路２１ａにも流れる。この間隔ｄについては、用途に応じて適度に決定される（後述）。

Ｌ型線路２１ａにはスパイラル線路２２ａが接続され、スパイラル線路２２ａ上には、図２で上述したようなタグ３が置かれる。このとき、スパイラル線路２２ａの漏れ電界によってタグ３が動作可能になる。

なお、基板１０上の給電線路１１やアンテナ部２０ａを形成するＭＳＬは、基板１０裏側のＧＮＤ１４に向かって非常に大きな電界が発生しながら高周波信号が伝送していく伝送線路となっている。

この場合、基板１０上のアンテナ部２０ａの信号線路の上側にもわずかながら電界が漏れているので、タグ３をこの信号線路の上に置くと、その漏れ電界を受けて動作させることができる。

漏れ電界は、距離に対する減衰が激しいので、タグ３をアンテナ部２０ａの信号線路から離していくと、タグ３への供給電力は急激に小さくなり、タグ３が動作しなくなる。したがって、タグ３は、スパイラル線路２２ａの上に置くと動作するが、数ｃｍ以上離すとタグ３は応答しなくなる。

一方、スパイラル線路２２ａの略１周は、λ／２長である（この場合の波長λについても、基板１０や保護カバー１２の誘電率によって、波長短縮が生じた場合を考慮したものである）。

図４はアンテナ部を示す図である。アンテナ部２０ａにおいて、Ｌ型線路２１ａの端部２１ａ−１から給電すると、スパイラル線路２２ａの開放端２２ａ−１の近傍における電流はゼロとなる。

このため、開放端２２ａ−１側に電流がゼロとなる点Ａが生成する。ここで、点Ａを通過し、Ｌ型線路２１ａの伸延部分に対して垂直となる直線Ｖ（図の点線）を定義する。
直線ＶとＬ型線路２１ａの伸延部分との交点をＢとすると、点Ａと点Ｂとのスパイラル線路２２ａの導体パターンの長さ方向に沿った距離Ｌｃが、スパイラル線路２２ａにおける使用電波の波長λの１／２に設定される。なお、上述のＬｂについては、Ｌ型線路２１ａの屈曲部２１ａ−２と、屈曲部２１ａ−２から伸延している導体の長さ方向に沿った点Ｂまでの距離となる。

また、スパイラル線路２２ａは、スパイラル形状として図のような四角形状でなくてもよく、タグ３に漏れ電界を供給しうる形状であれば他の形状でもよい（例えば、三角形状等の多角形状や円形状など）。

ここで、Ｌ型線路２１ａのＬａ＋Ｌｂの長さがλ／２であると、Ｌ型線路２１ａは動作周波数（ここでは９５３ＭＨｚ）で共振していることになるので、そのλ／２の両端付近に発生する電界は最大となり、λ／２の中心付近に発生する電流も最大となる。

すると、スパイラル線路２２ａは、Ｌ型線路２１ａのλ／２の先端に接続されているので、スパイラル線路２２ａの両端付近の電界も最大となり、スパイラル線路２２ａに供給される電力も最大となる。

したがって、タグ３が、アンテナ部２０ａのスパイラル線路２２ａの上部に位置することで、タグ３に供給される電力も最大となり、タグ３に対して安定した電力を供給することが可能になる。

（第２の実施の形態のアンテナ装置）
第１の実施の形態のアンテナ装置１ａでは、Ｌａ＝３０ｍｍ、Ｌｂ＝７０ｍｍとしたが、第２の実施の形態のアンテナ装置は、Ｌａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍとしたものである。

図５はアンテナ装置の構成例を示す図である。第２の実施の形態のアンテナ装置１ｂは、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０ｂを備える。アンテナ部２０ｂは、Ｌ型線路２１ｂと、Ｌ型線路２１ｂと連接するスパイラル線路２２ｂとを有する。

Ｌ型線路２１ｂは、Ｌａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍである（Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ＝（λ／２））。Ｌａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍとした場合でも、第１の実施の形態と同様に、スパイラル線路２２ｂからの漏れ電界は最大となる。

したがって、タグ３がアンテナ部２０ｂのスパイラル線路２２ｂの上部に位置することで、タグ３に供給される電力も最大となり、タグ３に対して安定した電力を供給することが可能になる。

（第３の実施の形態のアンテナ装置）
第３の実施の形態のアンテナ装置は、Ｌａ＝Ｌｂ＝５０ｍｍ（Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ）とした場合である。Ｌａ＋Ｌｂがλ／２である条件を満たす場合、最もタグ３に供給される電力が最大となる好ましい条件は、Ｌａ＝Ｌｂ＝５０ｍｍ（＝λ／４）のときである。

図６はアンテナ装置の構成例を示す図である。第３の実施の形態のアンテナ装置１ｃは、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０ｃを備える。アンテナ部２０ｃは、Ｌ型線路２１ｃと、Ｌ型線路２１ｃと連接するスパイラル線路２２ｃとを有する。Ｌ型線路２１ｃは、Ｌａ＝５０ｍｍ、Ｌｂ＝５０ｍｍであり、線路幅ｗ＝３ｍｍである。

スパイラル線路２２ｃは、スパイラル部分の各辺をｈ１〜ｈ４とすると、例えば、ｈ１＝１７ｍｍ、ｈ２＝２２ｍｍ、ｈ３＝１２ｍｍ、ｈ４＝１７ｍｍとし、ｈ１＋ｈ２＋ｈ３＋ｈ４＝６８ｍｍとする（図２に示したタグ３の樹脂による波長短縮を考慮してλ／２としているので１００ｍｍよりさらに短くなっている）。

一方、スパイラル線路２２ｃに置かれる、図２に示したタグ３は、樹脂（εｒ＝３）が２５×２５×１ｍｍ（縦×横×厚み）とする。
上記のアンテナ装置１ｃに対して、漏れ電界の分布としては、Ｌ型線路２１ｃの両端で電界が大きくなって共振状態となる。また、スパイラル線路２２ｃは、Ｌ型線路２１ｃのλ／２の先端に接続されているので、スパイラル線路２２ｃの両端付近の電界も最大となり、スパイラル線路２２ｃに供給される電力も最大となる。したがって、タグ３に供給される電力も最大となる。

ここで、間隔ｄを変えたときのタグ３に供給される電力（電力Ｐｔａｇとする）と、給電線路１１のポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１と、ポートｐ１における反射係数Ｓ１１とについて説明する。

図７は間隔ｄを変えたときのタグ３に供給される電力を示す図である。縦軸は電力Ｐｔａｇ（ｄＢｍ）、横軸は間隔ｄ（ｍｍ）である。図８はポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１を示す図である。縦軸は通過損失Ｓ２１（ｄＢ）、横軸は間隔ｄ（ｍｍ）である。図９はポートｐ１での反射係数Ｓ１１を示す図である。縦軸は反射係数Ｓ１１（ｄＢ）、横軸は間隔ｄ（ｍｍ）である。

なお、Ｌ型線路２１ｃへのリーダ／ライタからの入力電力をＰｉｎしたとき、Ｐｉｎ＝２４ｄＢｍとする。
この場合、間隔ｄが小さいほど、給電線路１１と、Ｌ型線路２１ｃとのカップリングが大きくなるので、グラフｇ１に示されるように、タグ３に供給される電力Ｐｔａｇは大きくなる（図７）。

一方、タグ３に供給される電力Ｐｔａｇが大きくなれば、その分、給電線路１１のポートｐ２に通過していく電力は小さくなるので、グラフｇ２に示されるように、ポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１は大きくなる（図８）。

また、ポートｐ１での反射係数Ｓ１１は、グラフｇ３に示されるように、間隔ｄを変えても十分低いままであり、ポートｐ１で電力が反射されてリーダ／ライタ側に戻っていくことがない。このため、ポートｐ１に供給された電力は、タグ３への供給電力か、またはポートｐ２への通過電力となる（図９）。

なお、市販のＲＦＩＤのタグ最小動作電力は、およそＰｍｉｎ＝−１４ｄＢｍである。その値を上回っていれば、タグ３は動作し、タグ３内の情報を読み取ることができる。
次にＬａ＋Ｌｂ＝λ／２であれば、タグ３に対して大きな電力を供給できることについて、図１０〜図１８の裏付けデータを用いて説明する。なお、間隔ｄはすべて１ｍｍに固定している。

図１０はＬｂを変化させたときのタグ３に供給される電力を示す図である。縦軸は電力Ｐｔａｇ（ｄＢｍ）、横軸はＬｂ（ｍｍ）である。図１１はポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１を示す図である。縦軸は通過損失Ｓ２１（ｄＢ）、横軸はＬｂ（ｍｍ）である。図１２はポートｐ１での反射係数Ｓ１１を示す図である。縦軸は反射係数Ｓ１１（ｄＢ）、横軸はＬｂ（ｍｍ）である。

図１０〜図１２では、Ｌａ＝５０ｍｍに固定しておき、Ｌｂを３０ｍｍから７０ｍｍまで変化させている。すると、図１０のグラフｇ４から、Ｌｂ＝５０ｍｍのとき、電力Ｐｔａｇは最大値となり、図１１のグラフｇ５から通過損失Ｓ２１は最小値となっていることがわかる。なお、図１２のグラフｇ６が示す反射係数Ｓ１１は、Ｌｂが変わっても常に十分低い値を保っているので、リーダ／ライタ側に電力が反射していくものではない。

図１３はＬａを変化させたときのタグ３に供給される電力を示す図である。縦軸は電力Ｐｔａｇ（ｄＢｍ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。図１４はポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１を示す図である。縦軸は通過損失Ｓ２１（ｄＢ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。図１５はポートｐ１での反射係数Ｓ１１を示す図である。縦軸は反射係数Ｓ１１（ｄＢ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。

図１３〜図１５では、Ｌｂ＝５０ｍｍに固定しておき、Ｌａを３０ｍｍから７０ｍｍまで変化させている。すると、図１３のグラフｇ７からＬａ＝５０のとき、電力Ｐｔａｇは最大値となり、図１４のグラフｇ８から通過損失Ｓ２１は最小値となっていることがわかる。なお、図１５のグラフｇ９から、反射係数Ｓ１１は、Ｌａが変わっても常に十分低い値を保っているので、リーダ／ライタ側に電力が反射していくものではない。

上記のシミュレーション結果から、Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ（＝λ／２）のときが最もタグ３への供給電力Ｐｔａｇが大きいことがわかる。
図１６はＬａ、Ｌｂを変化させたときのタグ３に供給される電力を示す図である。縦軸は電力Ｐｔａｇ（ｄＢｍ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。図１７はポートｐ１からポートｐ２への通過損失Ｓ２１を示す図である。縦軸は通過損失Ｓ２１（ｄＢ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。図１８はポートｐ１での反射係数Ｓ１１を示す図である。縦軸は反射係数Ｓ１１（ｄＢ）、横軸はＬａ（ｍｍ）である。

図１６〜図１８では、Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ（＝λ／２）としておき、Ｌａを３０ｍｍから７０ｍｍまで変化させ、それに応じてＬｂ＝７０ｍｍから３０ｍｍまで変化させている。

図１６、図１７のグラフｇ１０、ｇ１１から、Ｌａ、Ｌｂが変わっても、電力Ｐｔａｇおよび通過損失Ｓ２１はそれほど変化していないので、Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ（＝λ／２）という条件を満たしていればよいことがわかる（上述の第１、２の実施の形態が該当する）。その中でも最も電力Ｐｔａｇの大きくなる条件が、第３の実施の形態のＬａ＝Ｌｂ＝５０ｍｍ＝（λ／４）である。

なお、図１８のグラフｇ１２から、反射係数Ｓ１１は、Ｌａ、Ｌｂが変わっても常に十分低い値を保っているので、リーダ／ライタ側に電力が反射していくものではない。
ここで、Ｌａ＋Ｌｂ＝λ／２は、必ずしもλ／２ちょうどである必要はなく、ＲＦＩＤシステムを用いる環境に応じて、電力Ｐｔａｇの値が所定レベル以上になるような寸法で有ればよい。

例えば、図１０では、Ｌａ＝５０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍとしても、Ｐｍｉｎ＝−１４ｄＢｍを十分上回っているので計算上、タグ３は十分に動作しうる。しかし、ＲＦＩＤシステムの実際の環境では、リーダ／ライタと接続するケーブルや切り替えスイッチ、または分配器等で信号分配されることによる電力損失や、タグ３のさらなる小型化によって、タグ３がＭＳＬから受ける電力が低下し、電力Ｐｔａｇの全体波形が下がることがある。

また、タグ３内のＬＳＩチップは、例えば、Ｐｍｉｎ＝−４ｄＢｍのものもあり、この場合はＰｍｉｎ＝−１４ｄＢｍのラインが上に上がってくる。また、Ｐｍｉｎ＝１０ｄＢｍという特定小電力のシステムに用いる場合もあり、入力電力が下がれば、電力Ｐｔａｇもその分下がってしまう。

そこで、図１０において、Ｐｔａｇ−Ｌｂグラフｇ４はそのままにしておき、相対的にＰｍｉｎ＝−１４ｄＢｍというラインが、Ｐｍｉｎ＝１０ｄＢｍのラインｋに上がってきたとする。

すると、Ｌｂが４０ｍｍ以上６０ｍｍ以下であれば、タグ３は動作可能であり、Ｌｂが４０ｍｍ未満または６０ｍｍより大きければ、タグ３は動作しなくなる。
したがって、ＲＦＩＤの使用環境に応じて、あらかじめ電力ＰｔａｇとＰｍｉｎとの具体的数値関係を求めておき、電力ＰｔａｇがＰｍｉｎを上回るような関係、つまりタグ供給電力が所定のレベル以上となるようなＬａ、Ｌｂ値であることが構成条件となる。

したがって、ちょうどＬａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ（＝λ／２）であることが望ましいが、製造ばらつきや環境変化を考えると、必ずしもＬａ＋Ｌｂ＝λ／２でなくてもよい。
（第４の実施の形態のアンテナ装置）
図１９はアンテナ装置の構成例を示す図である。第４の実施の形態のアンテナ装置１ｄは、図２で上述した単一の基本構成要素のアンテナ装置を複数個（図では６個）並べ、間隔ｄをリーダ／ライタ５に近い側ほど広くしているものである。

アンテナ装置１ｄは、基板１０の表面上に、給電線路１１およびアンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６が形成されており、基板１０の裏面には、ＧＮＤ１４が形成されている。
また、基板１０の表面には、保護カバー１２と、鍵４−１〜４−６を引っ掛けるためのフック１３−１〜１３−６とが設けられている。さらに、リーダ／ライタ５が給電線路１１のポートｐ１に接続する。

タグ３−１〜３−６には、鍵４−１〜４−６およびフック１３−１〜１３−６と接続する２本の紐が設けられ、一方の紐で鍵４−１〜４−６と接続し、他方の紐をフック１３−１〜１３−６に引っ掛けることで、アンテナ装置１ｄに対して鍵４−１〜４−６はぶら下がった状態になる。この場合、タグ３−１〜３−６がアンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６のスパイラル線路の上部に位置するように紐の寸法が決められる。

鍵４−１〜４−６がフック１３−１〜１３−６に引っかけられたときに、タグ３−１〜３−６がアンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６のスパイラル線路の上部に位置することで、タグ３−１〜３−６に電力が供給され、リーダ／ライタ５からアンテナ装置１ｄを通じて電波の送受信が行われる。

図２０は給電線路とアンテナ部との間隔を示す図である。給電線路１１と、アンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６のＬ型線路２１ｄ−１〜２１ｄ−６とがカップリングしている部分において、給電線路１１とＬ型線路２１ｄ−１〜２１ｄ−６とのそれぞれの間隔をｄ１〜ｄ６とする。

また、ポートｐ１側にリーダ／ライタ５が接続し、ポートｐ１に近い方からアンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６が若番順に配置している。したがって、ｄ６＜ｄ５＜ｄ４＜ｄ３＜ｄ２＜ｄ１となるように、アンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６を給電線路１１に対して配置する。

仮に、間隔ｄ１〜ｄ６がすべて同じだとすると、図８から明らかなように、ポートｐ１からポートｐ２に通過する電力が一定で小さくなっていくので、リーダ／ライタから遠い側のタグほど、供給電力が少なくなることがわかる。

そこで、上述の図２０に示したアンテナ装置１ｄのように、リーダ／ライタ５側に近いアンテナ部ほど間隔ｄを大きくし、リーダ／ライタ５側に遠いアンテナ部ほど間隔ｄを狭くする。

すると、リーダ／ライタ５に近いタグほど電力Ｐｔａｇが小さいが、隣接への通過電力が大きく、リーダ／ライタ５に遠いタグほど電力Ｐｔａｇが大きいが、隣接への通過電力が小さくなる。このため、複数のアンテナ部２０ｄ−１〜２０ｄ−６に対して、電力Ｐｔａｇが一定になるので、供給電力に偏りのない安定した一定電力を供給することができる。

なお、図２０では、Ｌａ＝３０ｍｍ、Ｌｂ＝７０ｍｍとしているので、鍵同士（タグ同士）の間隔を狭くできるメリットがあり、装置の小型化にもなる。
（第５の実施の形態のアンテナ装置）
第５の実施の形態のアンテナ装置は、第４の実施の形態に対して、Ｌａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍとしたものである。

図２１はアンテナ装置の構成例を示す図である。第５の実施の形態のアンテナ装置１ｅは、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０ｅ−１〜２０ｅ−６を備える。
アンテナ部２０ｅ−１〜２０ｅ−６はそれぞれ、Ｌ型線路と、Ｌ型線路と連接するスパイラル線路とを有し、Ｌ型線路は、Ｌａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍである（Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ＝（λ／２））。その他の構成は第４の実施の形態と同じである。

なお、第５の実施の形態のアンテナ装置１ｅでは、例えば、高誘電率の基板を用いた場合では、λ／２長が短くなるので、Ｌａを伸ばすことで、鍵同士の間隔を適度に保つことができるというメリットがある。また、鍵が大きい場合もＬａ＝７０ｍｍ、Ｌｂ＝３０ｍｍとすれば、鍵同士の間隔を適度に保つこともできる。

（第６の実施の形態のアンテナ装置）
図２２はアンテナ装置の構成例を示す図である。第６の実施の形態のアンテナ装置１ｆは、図２で上述した単一の基本構成要素のアンテナ装置を複数個（図では１２個）並べ、間隔ｄをリーダ／ライタに近い側ほど広くしているものである。また、Ｌａ＝Ｌｂ＝５０ｍｍとしており、その他の構成は第４の実施の形態と同じである。

アンテナ装置１ｆは、基板１０、給電線路１１およびアンテナ部２０ｆ−１〜２０ｆ−１２を備える。
アンテナ部２０ｆ−１〜２０ｆ−１２はそれぞれ、Ｌ型線路と、Ｌ型線路と連接するスパイラル線路とを有し、Ｌ型線路は、Ｌａ＝５０ｍｍ、Ｌｂ＝５０ｍｍである（Ｌａ＋Ｌｂ＝１００ｍｍ＝（λ／２））。

Ｌａ＝Ｌｂ＝５０ｍｍとしているので、タグ＃１〜＃１２への供給電力は、第４、第５の実施の形態よりも大きくなるメリットを有している。
図２３はタグへの供給電力を示す図である。タグ＃１〜＃１２を横一列に１２個並べた場合のそれぞれのタグへの供給電力Ｐｔａｇの具体的な値を示しており、縦軸は電力Ｐｔａｇ、横軸はタグＮｏ．である。

図７、図８で示した単一の基本構成要素のアンテナ装置のデータを用いて、間隔ｄに応じて電力Ｐｔａｇを算出する。リーダ／ライタからの入力電力Ｐｉｎ＝２４ｄＢｍとする。

まず、タグ＃１〜＃１２まですべて同じ間隔ｄ＝０．５ｍｍとすると、タグ＃ｎの電力Ｐｔａｇ＃ｎは、図８のＳ２１（＠間隔ｄ）×（ｎ−１）＋図７のＰｔａｇ（＠間隔ｄ）で計算される。

例えば、Ｐｔａｇ＃１＝１６ｄＢｍ、Ｐｔａｇ＃２＝−１．５＋１６＝１４．５ｄＢｍ、Ｐｔａｇ＃３＝−１．５−１．５＋１６＝１３ｄＢｍ、Ｐｔａｇ＃４＝−１．５−１．５−１．５＋１６＝１１．５ｄＢｍ、・・・である。

図２３では、それらの値をプロットしている。これにより、間隔ｄが同じであれば、リーダ／ライタに近い側の電力Ｐｔａｇは大きくなるが、リーダ／ライタに遠い側の電力Ｐｔａｇは小さくなるという傾向があることが具体的に示されている。また、間隔ｄが狭いほどその傾きは大きくなることがわかる。

図２３から、どの間隔ｄの場合もＬＳＩチップの最小動作電力Ｐｍｉｎ＝−１４ｄＢｍを上回っているので、タグ＃１〜＃１２まですべて動作可能であるが、リーダ／ライタに近い側のタグほど読みやすく、遠い側のタグほど読みにくくなる。

例えば、鍵をフックにかけようとする際に、リーダ／ライタに近いタグ＃１は基板１０から例えば５ｃｍ離しても読めるが、リーダ／ライタに遠いタグ＃１２は、例えば、１ｃｍ離したところで読めるという感度の違いが発生する。このため、ユーザーが鍵管理を行う場合には違和感を与えてしまう。

また、図２３では、Ｐｍｉｎ＝−１４ｄＢｍを十分上回っているが、実際には、リーダ／ライタと接続するケーブルや切り替えスイッチ、または分配器等で信号分配されることによる電力損失や、タグ３のさらなる小型化によって、タグ３がＭＳＬから受ける電力が低下し、電力Ｐｔａｇの全体波形が下がることがある。

また、タグ内のＬＳＩチップは、Ｐｍｉｎ＝−４ｄＢｍのものもある。また、Ｐｉｎ＝１０ｄＢｍという特定小電力のシステムに用いる場合もある。すると、電力Ｐｔａｇに傾きが有る場合、電力Ｐｔａｇラインが相対的に下がり、Ｐｍｉｎとクロスしてしまうと、例えば、タグ＃１〜＃９までは読めるが、タグ＃１０〜＃１２まではタグが読めないという不具合が発生してしまう。

そこで、リーダ／ライタに近い側の間隔ｄほど広くし、リーダ／ライタに遠い側の間隔ｄほど狭くすることで、電力Ｐｔａｇをタグ＃１〜＃１２まで一定にできる。
図２４は間隔ｄの具体的計算値を示す図である。給電線路１１とアンテナ部２０ｆ−１のＬ型線路とのカップリング部分の間隔をｄ１とし、給電線路１１とアンテナ部２０ｆ−２のＬ型線路とのカップリング部分の間隔をｄ２とする。

また、給電線路１１とアンテナ部２０ｆ−３のＬ型線路とのカップリング部分の間隔をｄ３とし、以降同様に、給電線路１１とアンテナ部２０ｆ−１２のＬ型線路とのカップリング部分の間隔をｄ１２とする。図２４では、給電線路１１と、アンテナ部２０ｆ−１〜２０ｆ−１２との間隔ｄ１〜ｄ１２の具体的な数値を示している。

このような間隔ｄ１〜１２によって、タグ＃１〜＃１２まで電力Ｐｔａｇ＝８〜９ｄＢｍとほぼ一定にできた例を図２３に「optimized」として示している。なお、間隔ｄ１〜ｄ１２は、図７、図８の基本構成要素の数値データにもとづき決定することができる。

図２５はタグへの供給電力を示す図である。図２５は、上記の計算値の証明として、実際に電磁界シミュレータを用いて、上記の寸法で解析させた値を示している。
シミュレータの性能の都合上、タグ＃１〜タグ＃６までとしているが、図２３の単品特性から計算された値とほぼ同じ値を示していることがわかる。なお、タグ＃７〜＃１２は予測ラインを点線で示している。

以上説明したように、アンテナ装置１において、ＭＳＬからの漏れ電界を利用して、タグに供給される電力を大きくすることにより、タグ情報の安定した通信を可能とする。また、タグを複数個並べた際には、複数個のタグに供給される電力に偏りがなく、どのタグに対しても一定の電力が供給されるため、複数個のタグすべてに対して、高精度に通信を行うことが可能になる。

以上、実施の形態を例示したが、実施の形態で示した各部の構成は同様の機能を有する他のものに置換することができる。また、他の任意の構成物や工程が付加されてもよい。

１ アンテナ装置
３ 無線タグ
５ リーダ／ライタ
１０ 基板
１１ 給電線路
２０ アンテナ部
２ａ 結合部
２ｂ 電力供給部
２ｃ 線路

Claims (5)

1. リーダ／ライタが接続された給電線路と、
   前記給電線路と電磁界結合する所定の長さを有した結合部と、無線タグに電力を供給するスパイラル形状の電力供給部と、前記結合部と前記電力供給部とを結ぶ所定の長さを有した線路と、を備えた複数のアンテナ部と、
   を備え、
   前記給電線路と、前記アンテナ部の前記結合部との間隔は、前記給電線路に前記リーダ／ライタが接続する接続ポートとの距離に応じて変化する、
   ことを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記結合部および前記線路の所定の長さの合計は、前記線路と前記電力供給部との接続点の電界が最大となる値である請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記結合部および前記線路の所定の長さの合計は、前記無線タグと無線通信する信号の波長の半分である請求項２記載のアンテナ装置。
4. 前記電力供給部の前記スパイラル形状の長さは、前記アンテナ部が敷設される基板の誘電率、または前記基板に近接する樹脂の誘電率によって波長短縮が生じた際の前記波長である請求項３記載のアンテナ装置。
5. 前記給電線路と、前記アンテナ部の前記結合部との間隔は、前記接続ポートとの距離が近いほど広く、前記接続ポートとの距離が遠いほど狭くなる請求項１記載のアンテナ装置。
   

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