JP6217006B2 - Magnetic material loaded antenna - Google Patents
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Description
この発明は磁性体装荷アンテナおよびアンテナ装置に関し、特に、小型の磁性体装荷アンテナおよびアンテナ装置に関する。 The present invention relates to a magnetic material loaded antenna and an antenna device, and more particularly to a small magnetic material loaded antenna and an antenna device.
携帯無線端末等の通信端末の小型化に伴い、それらに実装される送受信用のアンテナを小型化するニーズが近年増加している。ここで、「小型アンテナ」は、λ(波長)/2π=0.154λ以下のアンテナを言う。例えば、310MHzの電波であれば、λは約0.97mである。すなわち、小型アンテナとは、取り扱う周波数の波長に比べ十分に小さいアンテナをいう。また、一般に、小型アンテナは、絶対利得-20dBiより十分大きければ良好な小型アンテナと言われている。 With the downsizing of communication terminals such as portable radio terminals, the need for downsizing transmission / reception antennas mounted on them has increased in recent years. Here, the “small antenna” refers to an antenna of λ (wavelength) /2π=0.154λ or less. For example, for a 310 MHz radio wave, λ is about 0.97 m. In other words, a small antenna refers to an antenna that is sufficiently smaller than the wavelength of the handled frequency. In general, a small antenna is said to be a good small antenna if it is sufficiently larger than an absolute gain of -20 dBi.
従来の小型化が可能なアンテナの一例としての磁性体装荷アンテナが、たとえば、特開2006−222873号公報(特許文献1)に開示されている。同公報によれば、磁性体装荷アンテナは、給電素子と、この給電素子に対して所定の間隔で配置された金属板からなる無給電素子と、この無給電素子のうち少なくとも給電素子側を指向する面部に積層される磁性体とを含み、それによって、波長短縮効果を高めつつ良好なアンテナ性能を維持することができる磁性体装荷アンテナを提供している。 A magnetic material loaded antenna as an example of a conventional antenna that can be reduced in size is disclosed in, for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 2006-222873 (Patent Document 1). According to the publication, a magnetic material loaded antenna is directed to a feeding element, a parasitic element made of a metal plate arranged at a predetermined interval with respect to the feeding element, and at least the feeding element side of the parasitic element. There is provided a magnetic material loaded antenna including a magnetic body laminated on a surface portion to be able to maintain good antenna performance while enhancing a wavelength shortening effect.
また、他の例として、通信カードに適用した例も示している。この例では、通信カードは金属板を含むカード用無給電素子上にカード用磁性体及び回路基板積層し、さらに、その端部付近にカード用誘電体を配置し、そのカード用誘電体に内蔵アンテナを設けたものである。使用時には、カード端部をパーソナルコンピュータ、PDA等のカードスロットに挿入している。 Moreover, the example applied to the communication card is shown as another example. In this example, the communication card is formed by laminating a card magnetic body and a circuit board on a parasitic element for a card including a metal plate, and further disposing a card dielectric near the end of the card and incorporating it in the card dielectric. An antenna is provided. In use, the end of the card is inserted into a card slot such as a personal computer or PDA.
従来の小型化が可能な磁性体装荷アンテナは上記のように構成されていた。給電素子と、この給電素子に対して所定の間隔で配置された金属板からなる無給電素子と、この無給電素子のうち少なくとも給電素子側を指向する面部に積層される磁性体とを含み、磁性体の一部に、一対のアンテナコイルを設けている。 A conventional magnetically loaded antenna capable of being miniaturized has been configured as described above. Including a power feeding element, a parasitic element made of a metal plate arranged at a predetermined interval with respect to the feeding element, and a magnetic body stacked on a surface portion facing at least the feeding element side of the parasitic element, A pair of antenna coils is provided in part of the magnetic body.
しかしながら、特許文献1では、絶対利得についての記載はなく、小型化率が70%程度であり、また、金属導体はアンテナの一部で切り離せない構成となっている。
However, in
したがって、このような構成であれば、必ずしも小型アンテナになるというわけではなく、アンテナとして大型化する可能性があり、コストがかかるという問題があった。 Therefore, with such a configuration, the antenna is not necessarily a small antenna, and there is a possibility that the antenna may be increased in size and cost.
また、特に、波長が1m近辺の322MHz以下用のアンテナでは日本の法律で電波が非常に弱く、他の周波数に影響を及ぼさない製品であれば多くの自由な設計が許される微弱無線やその信号の数千倍の強度の信号を一定の条件付きで認可される特定小電力などが許されている。 In particular, for antennas with a wavelength of about 322 MHz or less in the vicinity of 1 m, the radio wave is very weak under Japanese law, and if it is a product that does not affect other frequencies, a weak radio that can be freely designed and its signal are allowed. Specific low power that allows signals with a certain strength of several thousand times is permitted under certain conditions.
特に微弱無線は通信方式による規制がないため近距離通信として多種多様な機器が設計されている。車のキーレスエントリーやTPMS(Tire Pressure Monitoring Systems)なども含まれる。 In particular, since weak wireless is not regulated by communication methods, a wide variety of devices are designed for short-range communication. Includes keyless entry of cars and TPMS (Tire Pressure Monitoring Systems).
このような背景のもとで、波長が1mの近傍にある電波を効率よく送受信可能な小型アンテナの設計条件に対するニーズもあった。 Against this background, there is also a need for design conditions for a small antenna that can efficiently transmit and receive radio waves having a wavelength in the vicinity of 1 m.
この発明は上記のような問題点を解消するためになされたもので、確実に小型化が可能であり、金属体からの距離に対して利得の変化が少ない磁性体装荷アンテナ、および、アンテナ装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made to solve the above-described problems, and can be surely reduced in size, and can be surely reduced in size and has a small change in gain with respect to a distance from a metal body, and an antenna device The purpose is to provide.
この発明に係る磁性体装荷アンテナは、第1フェライト層と、第1フェライト層の上に設けられた絶縁体層と、絶縁体層の上に設けられたアンテナコイルとを含む。磁性体装荷アンテナは、外部に設けられた金属体と所定の距離離れて位置する。 A magnetic material loaded antenna according to the present invention includes a first ferrite layer, an insulator layer provided on the first ferrite layer, and an antenna coil provided on the insulator layer. The magnetic material loaded antenna is located a predetermined distance away from a metal body provided outside.
好ましくは、アンテナコイルの上に設けられた第2絶縁層と、第2絶縁層の上に設けられた第2フェライト層とをさらに含む。 Preferably, it further includes a second insulating layer provided on the antenna coil and a second ferrite layer provided on the second insulating layer.
アンテナコイルは隣接四角形態に配置されてもよいし、隣接∞形態に配置されてもよい。 The antenna coil may be arranged in an adjacent quadrangular shape or may be arranged in an adjacent ∞ form.
この発明の他の局面においては、磁性体装荷アンテナは、310MHzを中心とする磁性体装荷アンテナである。磁性体装荷アンテナは、フェライト層と、フェライト層の上に設けられたアンテナコイルを含み、アンテナコイルの巻き付け形態が隣接四角形態または隣接∞形態であり、アンテナコイルは外部に設けられた金属体から所定の距離だけ離れて位置する。 In another aspect of the present invention, the magnetic material loaded antenna is a magnetic material loaded antenna centered at 310 MHz. The magnetic material loaded antenna includes a ferrite layer and an antenna coil provided on the ferrite layer, and the winding form of the antenna coil is an adjacent quadrangular shape or an adjacent ∞ form, and the antenna coil is formed from a metal body provided outside. Located a predetermined distance apart.
金属体と前記アンテナコイルとの間隔は、密着するか、または、所定の距離だけ離れて位置するのが好ましい。 It is preferable that the distance between the metal body and the antenna coil is in close contact, or is separated by a predetermined distance.
アンテナコイルの巻き付け形態が隣接四角形態のとき、所定の距離は50〜100mmであるのが好ましい。また、アンテナコイルの巻き付け形態が隣接∞形態のとき、所定の距離は70〜100mmであるのが好ましい。 When the winding form of the antenna coil is an adjacent quadrangle, the predetermined distance is preferably 50 to 100 mm. Further, when the antenna coil is wound in the adjacent ∞ form, the predetermined distance is preferably 70 to 100 mm.
この発明のさらに他の局面においては、アンテナ装置は、周囲に巻き付けられたコイルを有する第1磁性体と、第1磁性体の上に間隔を開けて設けられた第2磁性体と、第2磁性体の上に設けられたアンテナコイルとを含む。 In still another aspect of the present invention, an antenna device includes a first magnetic body having a coil wound around, a second magnetic body provided on the first magnetic body at an interval, and a second magnetic body. And an antenna coil provided on the magnetic body.
この発明によれば、磁性体装荷アンテナは、金属体の上に、それより小さい面積のフェライト層と、絶縁体層とを設け、その上にアンテナコイルを設けたため、アンテナコイルとフェライト層とを一定の間隔を開けて配置できる。 According to the present invention, since the magnetic material loaded antenna is provided with the ferrite layer having a smaller area and the insulator layer on the metal body, and the antenna coil is provided thereon, the antenna coil and the ferrite layer are provided. Can be placed at regular intervals.
その結果、アンテナが小型化可能であり、かつ、金属に密接できるためアンテナを接続する通信装置と一体が可能となり、アンテナ設置工事が不要となり、装置がコンパクトになるとともに、コストダウンが可能な送受信装置を提供できる。 As a result, the antenna can be miniaturized and can be integrated with a communication device that connects the antenna because it can be in close contact with metal, making it unnecessary to install the antenna, making the device compact, and transmission and reception capable of reducing costs. Equipment can be provided.
以下、図面を参照して、この発明の一実施の形態に係る磁性体装荷アンテナについて説明する。図1は、この発明の一実施の形態に係る磁性体装荷アンテナ(以下、「アンテナ」という)を示す図である。図1(A)は外部に設けられた金属体の上に所定の距離離れて位置するアンテナ10の全体の構成を示す断面図であり、図1(B)は、図1(A)で示したアンテナ10の詳細を示す断面図であり、図1(C)〜図1Eは、図1(A)において、矢印IC−IC、ID−ID,IE-IEで示す部分の矢視図(平面図)である。
Hereinafter, a magnetic material loaded antenna according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 is a diagram showing a magnetic material loaded antenna (hereinafter referred to as “antenna”) according to an embodiment of the present invention. FIG. 1A is a cross-sectional view showing the entire configuration of an
図1(A)〜(E)を参照して、アンテナ10は、全体として直方体であり、所定の面積を有する上平面を有する、外部に設けられた金属体11と所定のスペースdだけ離れて位置する。ここで、アンテナ10の平面の面積は金属体11よりも小さい。アンテナ10は、第1フェライト層12と、第1フェライト層12の上に形成された第1絶縁・誘電体層13と、第1絶縁・誘電体層13の上に形成されたアンテナコイル14と、アンテナコイル14の上に形成された第2絶縁・誘電体層15と、第2絶縁・誘電体層15の上に形成された第2フェライト層16とを含む。なお、ここでは、スペースdを空間として示しているが、これは、他の誘電体であってもよい。
Referring to FIGS. 1A to 1E, an
また、ここで、アンテナ10全体の3辺の寸法は、それぞれ、λ/2π×λ/2π×λ/10π以下であり、いわゆる小型アンテナの規定を満たす。ここで、例えば、この実施の形態において、使用を意図している322MHz以下の周波数を考えると、λ=0.93mとなり、縦×横×高さは、それぞれ、150mm×150mm×30mmとなり、十分にロープロファイルでコンパクトである。
Here, the dimensions of the three sides of the
アンテナコイル14は、一対の接続端子21a,21bと、それぞれの端子に接続された一対の第1アンテナコイル21c、および、第2アンテナコイル21dとを含み、第1アンテナコイル21cは、一方の接続端子21aから延在して、左方向に複数回巻き付けられた後、右方向に隣接して右方向に複数回巻き付けられた第2アンテナコイル21dを経て端子21bに接続される。
The
図2は、図1に示したアンテナ10を、周波数310MHz用に最適化し、接続部22を介して送受信器23と接続したアンテナ装置20の全体構成を示す斜視図である。
FIG. 2 is a perspective view showing an overall configuration of the
この場合、フェライトの特性は、比透磁率μ’=16、透磁率の損失成分μ‘’=6程度で厚み1mm(第2フェライト層16)、および5mm(第1フェライト層12)である。 In this case, the characteristics of the ferrite are a relative magnetic permeability μ ′ = 16, a magnetic loss component μ ″ = 6, and a thickness of 1 mm (second ferrite layer 16) and 5 mm (first ferrite layer 12).
絶縁・誘電体の比電率は1.5程度で、第2絶縁・誘電体13の寸法は0.3〜1.8mmであり、このスペースdの比誘電率は1とする。
The dielectric constant of the insulation / dielectric is about 1.5, the dimension of the second insulation /
ここで、図に示したアンテナ10のa,b,cの寸法は、それぞれ、a=65mm〜180mm、b=30〜180mm、c=5.6〜10mm程度である。
Here, the dimensions of a, b, and c of the
図1および図2を参照して、この実施の形態に係るアンテナ10は、コンパクトであり、確実に小型化が可能であり、金属体からの距離に対して利得の変化が少ない。これは後に説明する表1〜表3に示す。
Referring to FIGS. 1 and 2,
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。図3は、この発明の他の実施の形態に係るアンテナ10aを示す要部断面図(A)と、アンテナ装置20aとを示す図であり、それぞれ、図1(B)と図2とに対応する。
Next, another embodiment of the present invention will be described. FIG. 3 is a sectional view (A) showing a main part of an
図3に示す実施の形態においては、先の実施の形態に対して、第2絶縁・誘電体層15および第2フェライト層16とが設けられていない。
In the embodiment shown in FIG. 3, the second insulating /
ここで、第2絶縁・誘電体層15および第2フェライト層16は短縮のみに寄与している。第2絶縁・誘電体層15を薄くするとアンテナを取り巻く磁性体の割合が多くなり比透磁率が高くなり電磁波の伝送速度が遅くなり結果としてアンテナが短くても良くなる。このためアンテナ短縮の効果は促進される。
Here, the second insulating /
その結果、この実施の形態に係るアンテナであっても、先の実施の形態と同様の効果を奏する。なお、後の図10で示す第2フェライト層16に生じる打消しとなる磁界が強くなりアンテナ利得が低減する。
As a result, even the antenna according to this embodiment has the same effect as the previous embodiment. It should be noted that a magnetic field for canceling the
次に、アンテナコイルの配置方法について説明する。図4は、アンテナ10におけるアンテナコイルの配置を示す図である。図4(A)はアンテナコイルを、隣接する一対のコイルから形成し、隣接する一対の端子の一方の端子から左方向に外側から内側へ複数回巻き付けた後、それに対して右側において、内側から外側に、左方向に複数回巻き付けられた第2アンテナコイルを経てもう一方の端子に接続される構成である。このアンテナコイルは一対の四角形状のコイルが隣接した形態であるので、この巻き付け形態をコイルの巻き付け形態A(または、隣接四角形態)という。
Next, a method for arranging the antenna coil will be described. FIG. 4 is a diagram showing the arrangement of antenna coils in the
図4(B)はアンテナコイルを、隣接する一対の端子の一方の端子から左方向に外側から内側へ複数回巻き付けた後、それに対して右側において、外側から内側に、右方向に複数回巻き付けた第2アンテナコイルを経てもう一方の端子に接続される構成である。このアンテナコイルは一対のコイルが無限(∞)状に隣接した形態であるので、この巻き付け形態をコイルの巻き付け形態B(または、隣接∞形態)という。これは、図1(C)と同様の配置である。 In FIG. 4B, the antenna coil is wound several times from the outside to the inside in the left direction from one terminal of a pair of adjacent terminals, and then wound multiple times in the right direction from the outside to the inside on the right side. The second antenna coil is connected to the other terminal. Since this antenna coil has a form in which a pair of coils are adjacent to each other in an infinite (∞) form, this winding form is referred to as a coil winding form B (or an adjacent ∞ form). This is the same arrangement as in FIG.
図4(C)は図4(A)の配置を下方向に長手の矩形状にしたものである。図4(D)は図4(A)のコイル(巻き付け形態A)における巻き付け回数を2回としたものである。図4(E)は図4(B)のコイル(巻き付け形態B)における巻き付け回数を2回としたものである。 FIG. 4C shows the arrangement of FIG. 4A in a rectangular shape that is long in the downward direction. FIG. 4D shows a case where the number of windings in the coil (winding form A) in FIG. FIG. 4E shows a case where the number of windings in the coil (winding form B) in FIG. 4B is two.
ここで、図4(C)の場合に、縦×横の寸法が例えば、100mm×100mm(隣接するそれぞれのアンテナコイルの寸法は、100mm×50mm)であれば、コイル100mm角という。 Here, in the case of FIG. 4C, when the vertical and horizontal dimensions are, for example, 100 mm × 100 mm (the dimensions of the adjacent antenna coils are 100 mm × 50 mm), they are referred to as 100 mm square coils.
次に、図4に示したアンテナコイルを用いて、特定の周波数に適用する場合のアンテナの性能(設計条件例)について説明する。ここでは、例えば、周波数として310MHzの場合について説明する。 Next, the antenna performance (design condition example) when applied to a specific frequency will be described using the antenna coil shown in FIG. Here, for example, a case where the frequency is 310 MHz will be described.
まず、アンテナの性能を比較するための基準アンテナとして、半波長ダイポールアンテナにおける、自由空間整合のダイポールが完全金属平面上に配置されたときのシミュレーション例(シュミレーションフリーソフトMMANAを使用した計算例)を表1に示す。ここで、周波数は310MHzであり、1/4λは約0.25mである。この場合の、VSWR(電波定在波比)およびアンテナ利得、ならびに、同調して利得を回復した時(金属板の上に密着したとき)の帯域幅と回路Qの変化の、金属壁面からの距離に応じた値を示す。ここで、同調して回復した時の利得は9dBiがすべて得られる。また、ここには、金属面から離れた自由空間で整合する場合の値も示している。 First, as a reference antenna for comparing the performance of antennas, a simulation example (calculation example using simulation-free software MMANA) of a half-wave dipole antenna with a free-space matching dipole placed on a complete metal plane Table 1 shows. Here, the frequency is 310 MHz and 1 / 4λ is about 0.25 m. In this case, the VSWR (radio wave standing wave ratio) and the antenna gain, as well as the change in the bandwidth and circuit Q when the gain is recovered by tuning (when in close contact with the metal plate) from the metal wall surface. Indicates the value according to the distance. Here, a gain of 9 dBi is all obtained when recovered in synchronization. Also shown here are values for matching in free space away from the metal surface.
なお、ここで、自由空間整合のダイポールとは次のことをいう。アンテナは周りの空間にある物体の影響を強く受ける。シミュレーションにおいては、アンテナ周辺に無限遠まで空気しかないとして計算している。すなわち、完全金属平面上はアンテナの下に無限に広がる金属の壁があるというイメージである。 Here, the free space matching dipole refers to the following. The antenna is strongly influenced by objects in the surrounding space. In the simulation, it is calculated that there is only air up to infinity around the antenna. That is, it is an image that there is a metal wall that extends infinitely under the antenna on a completely metal plane.
表1に示すように、金属面から1cmの距離では半波長のダイポールでも40dB程度の減衰となる。整合できれば特定方向で9dBi得られるが、3dB帯域幅は270kHz程度と非常に狭い。±2.5MHzのオフセットで40dB程度減衰し、非常に急峻である。帯域が狭く、周辺空間に動態が存在するなどの場合、変動を受けやすく、複数のチャンネルに対応することが出来ず実用的ではない。ダイポールは自由空間ではVSWR1.5、アンテナ利得2.13dBiが得られている。 As shown in Table 1, at a distance of 1 cm from the metal surface, even a half-wave dipole has an attenuation of about 40 dB. If matching is possible, 9 dBi can be obtained in a specific direction, but the 3 dB bandwidth is as narrow as 270 kHz. It is attenuated by about 40dB with an offset of ± 2.5MHz, and is very steep. When the band is narrow and dynamics exist in the surrounding space, it is susceptible to fluctuations and cannot be used for a plurality of channels, which is not practical. Dipole has VSWR 1.5 and antenna gain 2.13dBi in free space.
通常、モノポールのアンテナはコイル状にアンテナを巻くかフェライトを纏う、又はフェライトに巻きついてアンテナを短縮する。一方、ダイポールのようなアンテナは金属との間に高誘電率の誘電体を挟み、等価的にアンテナ長さの短縮を実現している。このように安定な広帯域で低損失なアンテナは金属体などに装備するときはアンテナ全体を金属面から離すか、金属面から突き出すことが重要であり、感度を上げるには、このような方法がとられてきた。 Usually, a monopole antenna is wound in a coil shape or wrapped with ferrite, or wound around ferrite to shorten the antenna. On the other hand, an antenna such as a dipole sandwiches a dielectric having a high dielectric constant between a metal and equivalently shortens the antenna length. When mounting such a stable broadband and low-loss antenna on a metal body, it is important to move the entire antenna away from the metal surface or protrude from the metal surface. Has been taken.
次に、この実施の形態におけるアンテナの設計例について説明する。ここでは、縦×横=100×50mmの2種類のアンテナコイルについてシミュレーションしている。一方は、巻き付け形態Bのコイルによる、縦×横=100×50mm、7ターン、0.2mmφ電線のコイル形状アンテナである。この場合のシミュレーション結果を表2に示す。 Next, a design example of the antenna in this embodiment will be described. Here, two types of antenna coils of length × width = 100 × 50 mm are simulated. One is a coil-shaped antenna of length × width = 100 × 50 mm, 7 turns, 0.2 mmφ electric wire by a coil of winding form B. The simulation results in this case are shown in Table 2.
もう一方は、巻き付け形態Aのコイルによる、縦×横=100×50mm、7ターン、0.2mmφ電線のコイル形状アンテナである。この場合のシミュレーション結果を表3に示す。 The other is a coil-shaped antenna of length × width = 100 × 50 mm, 7 turns, 0.2 mmφ electric wire by a coil of winding form A. The simulation results in this case are shown in Table 3.
それぞれにおいて、本発明の金属面からの距離が2mmの場合の値も最右列に記載している。 In each case, the value when the distance from the metal surface of the present invention is 2 mm is also shown in the rightmost column.
なお、ここで、簡易同調したときとは、アンテナコイルをフェライトとの距離を狭めて配置(接合)する場合をいう。この場合、アンテナコイルとフェライトとの相互の位置関係によってアンテナ特性が改善される。 Here, the simple tuning means the case where the antenna coil is arranged (joined) with the distance from the ferrite narrowed. In this case, the antenna characteristics are improved by the mutual positional relationship between the antenna coil and the ferrite.
表2および表3に示すように、このサイズのアンテナでは、金属面からの距離が10mmであっても、帯域幅が極端に狭く、実用に耐えない。一方、この実施の形態においては金属面からの距離が2mm程度でも、帯域幅が30〜40MHzで、約-20dBi程度の利得が得られ、有効なアンテナが得られる。 As shown in Tables 2 and 3, with this size antenna, even if the distance from the metal surface is 10 mm, the bandwidth is extremely narrow and it cannot be put into practical use. On the other hand, in this embodiment, even if the distance from the metal surface is about 2 mm, a gain of about -20 dBi is obtained with a bandwidth of 30 to 40 MHz and an effective antenna is obtained.
発明者は、周波数が310MHzの近傍であれば、この、磁性体に巻き付け形態A、またはBの巻き付け式のアンテナコイルを有する構成を用いれば、磁性体装荷アンテナとして有効に利用できるということを確認した。そこで、図1に示した第1フェライト12のような磁性体とアンテナコイル14間の距離(絶縁・誘電体層13の厚さ)の変化による周波数ごとのアンテナゲインについて実測した。その結果を以下に説明する。
The inventor confirmed that if the frequency is in the vicinity of 310 MHz, it can be effectively used as a magnetic material loaded antenna if this configuration having a winding type antenna coil of winding form A or B is used. did. Therefore, the antenna gain for each frequency due to the change in the distance between the magnetic material such as the
図5(A)は、巻き付け形態Bの場合の、図1に示した、磁性体である第1フェライト12とアンテナコイル14間の距離の変化による周波数ごとのアンテナゲインを示すグラフであり、図5(B)は巻き付け形態Bの場合の特定の周波数について、磁性体とアンテナコイル14間の距離とアンテナゲインとの関係を示すグラフである。磁性体とアンテナコイル14間の距離の違いは図5(A)に示すとおりである。グラフに示す山のピークが磁性体とアンテナコイル14間の距離の違いにより低い周波数から高い周波数へと移動している。距離が80mmではこの周波数帯でアンテナとして働いていないことが分かる。
FIG. 5A is a graph showing the antenna gain for each frequency according to the change in the distance between the
図5(A)を参照して、両者の間に誘電体でスペースを作ると回路のQが高くなり通信帯域が狭くなり、アンテナコイルの待つ高い周波数にピークが生じ始める。更にスペースを広げるとアンテナコイルの特性が強く出始める。アンテナは高い周波数にチューニングされているが単独では不整合により大きく減衰してくる。 Referring to FIG. 5A, when a space is formed between the two by a dielectric, the circuit Q becomes high and the communication band becomes narrow, and a peak starts to appear at a high frequency that the antenna coil waits. When the space is further expanded, the characteristics of the antenna coil start to appear strongly. Although the antenna is tuned to a high frequency, it alone attenuates greatly due to mismatch.
図5(A)から、同調する周波数(dBiのピーク周波数)と、絶縁・誘電体の厚さとの関係を抜き出したものを表4に示す。表4から、同調周波数と絶縁・誘電体の厚さは比例関係にあることが分かる。 Table 4 shows the relationship between the tuning frequency (dBi peak frequency) and the insulation / dielectric thickness from FIG. 5A. From Table 4, it can be seen that the tuning frequency and the dielectric / dielectric thickness are in a proportional relationship.
また、図5(B)から、中心周波数を310MHzとし、その前後10MHzの範囲、すなわち、300〜320MHzの帯域を-20dBi以上で受信できるようなアンテナゲインを得るには、磁性体とアンテナコイルとの間隔は、0.3〜1.8mmとすればよいことがわかる。 Further, from FIG. 5B, in order to obtain an antenna gain in which the center frequency is 310 MHz and the range of 10 MHz before and after that, that is, the band of 300 to 320 MHz can be received at -20 dBi or more, the magnetic body and the antenna coil It can be seen that the interval of is preferably 0.3 to 1.8 mm.
図6(A)は、アンテナコイルが巻き付け形態Aであるときの、磁性体である第1フェライト12とアンテナコイル14間の距離の変化による周波数ごとのアンテナゲインを示すグラフであり、図6(B)はアンテナコイルが巻き付け形態Aであるときの特定の周波数について、磁性体とアンテナコイル14間の距離とアンテナゲインとの関係を示すグラフである。図6(A)から、同調する周波数(dBiのピーク周波数)と、絶縁・誘電体の厚さとの関係を抜き出したものを表4に示す。この例でも、山のピークがスペースの違いにより低い周波数から高い周波数へと移動している。
FIG. 6A is a graph showing the antenna gain for each frequency according to a change in the distance between the
図6(B)から、最適値は0.5mmから1mmの間にあることがわかる。いずれも受信利得が-15dBi程度あるので良好である。 FIG. 6B shows that the optimum value is between 0.5 mm and 1 mm. Both are good because the reception gain is about -15 dBi.
次に、図1(A)のdで示した、金属体11とアンテナ(フェライト12と、絶縁・誘電体13と、アンテナコイル14との和)のスペースdとの関係について説明する。
Next, the relationship between the
図7(A)は、アンテナコイルの巻き付け形態Bの場合の金属体11とアンテナのスペースdとの関係を示すグラフであり、図7(B)は特定の周波数について、金属体とアンテナコイル14間の距離とアンテナゲインとの関係を示すグラフである。
FIG. 7A is a graph showing the relationship between the
図7(A)から、同調する周波数(dBiのピーク周波数)と、スペースdとの関係を抜き出したものを表6に示す。 Table 6 shows the extracted relationship between the frequency to be tuned (the peak frequency of dBi) and the space d from FIG.
この実施の形態ではアンテナが金属体11に接しているときと自由空間にある時に粗、アンテナの利得が中心周波数310MHzとなるようにギャップを設定することができる。また、他のアンテナで示したような大きな利得に変動がない。その結果の例を示す。
In this embodiment, the gap can be set so that when the antenna is in contact with the
図7(A)および図7(B)を参照して、金属体とアンテナ(巻き付け形態B)の距離が中心周波数を310MHzとしたとき、スペースdが7mm〜52mmの間でも小型アンテナとして有効な、−20dBiのゲインが得られるが金属体密着もしくは自由空間に置ければ、有効なアンテナとして作動することが分かる。 Referring to FIGS. 7A and 7B, when the distance between the metal body and the antenna (wrapping form B) is 310 MHz, it is effective as a small antenna even when the space d is between 7 mm and 52 mm. A gain of -20 dBi is obtained, but it can be seen that if it is placed in close contact with a metal body or placed in free space, it operates as an effective antenna.
また、図7(A),(B)に明示していないが、スペースdが1500mm程度で、周波数300MHz、310MHz,320MHzにおいて、-12dBi程度のゲインが得られた。 Further, although not explicitly shown in FIGS. 7A and 7B, a gain of about −12 dBi was obtained at a space d of about 1500 mm and frequencies of 300 MHz, 310 MHz, and 320 MHz.
図8(A)は、アンテナコイルの巻き付け形態がAの場合の金属体とアンテナのスペースdとの関係を示すグラフであり、図8(B)は特定の周波数について、金属体とアンテナコイル14間の距離とアンテナゲインとの関係を示すグラフである。
FIG. 8A is a graph showing the relationship between the metal body and the antenna space d when the winding form of the antenna coil is A, and FIG. 8B shows the metal body and the
図8(A)から、同調する周波数(dBiのピーク周波数)と、スペースdとの関係を抜き出したものを表8に示す。 Table 8 shows the relationship between the frequency to be tuned (peak frequency of dBi) and the space d from FIG.
図8(A)を参照して、中心周波数を310MHzとしたとき、スペースCが2mm〜100mm程度(自由空間)であれば、アンテナとして有効な、−20dBiのゲインが得られることが分かる。 Referring to FIG. 8A, when the center frequency is 310 MHz, if the space C is about 2 mm to 100 mm (free space), a gain of −20 dBi effective as an antenna can be obtained.
ここでは、金属体とアンテナ(巻き付け形態A)との間隔が、密着するか、または、70〜100mm離れた場合に、−20dBiのゲインが得られること、すなわち、有効なアンテナとして作動することが分かる。 Here, when the distance between the metal body and the antenna (wrapping form A) is in close contact or 70 to 100 mm apart, a gain of −20 dBi can be obtained, that is, the antenna can operate as an effective antenna. I understand.
また、図8(B)の具体的なデータを表9に示す。 Table 9 shows specific data in FIG.
また、図8(A),(B)に明示していないが、スペースdが1500mm程度で、周波数300MHz、310MHz,320MHzにおいて、-10dBi程度のゲインが得られた。 Although not explicitly shown in FIGS. 8A and 8B, a gain of about -10 dBi was obtained at a frequency of 300 MHz, 310 MHz, and 320 MHz with a space d of about 1500 mm.
図7(B)および図8(B)から、二種類のアンテナとも金属に密着するときに利得が回復しているのが読み取れる。数十ミリで一度低下し、短縮アンテナとしてアンテナ利得が改善している。 From FIG. 7B and FIG. 8B, it can be read that the gain is restored when the two types of antennas are in close contact with the metal. It decreases once in several tens of millimeters, and the antenna gain is improved as a shortened antenna.
この点について、以下に説明する。図9は、金属体とフェライトとの位置関係と磁気抵抗との関係を示す図である。図9(A)は金属体11とフェライトとが密着している場合である。この場合、金属体内部での電界の打ち消すための電流が磁界を作り、アンテナの磁気回路が効率よく流れ、磁気回路に接するアンテナコイルへの誘導が生じ、アンテナの受信信号を生成すると考えられる。すなわち、磁気抵抗B>磁気抵抗Aである。
This point will be described below. FIG. 9 is a diagram showing the relationship between the positional relationship between the metal body and ferrite and the magnetic resistance. FIG. 9A shows a case where the
一方、逆にアンテナが金属体から離れると磁気回路の抵抗が急速に高くなり磁束の減少に転じる。更にアンテナが離れると磁性体が電波の位相速度を減じ、短縮アンテナとして機能し利得を回復し始める。この場合の磁気抵抗の大きさを図9(B)に示す。ここに示すように、磁気抵抗B<磁気抵抗Aである。 On the other hand, when the antenna moves away from the metal body, the resistance of the magnetic circuit rapidly increases and the magnetic flux decreases. When the antenna further moves away, the magnetic material reduces the phase velocity of the radio wave, functions as a shortened antenna, and begins to recover the gain. The magnitude of the magnetic resistance in this case is shown in FIG. As shown here, the magnetic resistance B <the magnetic resistance A.
次に、図3(A)で示した、金属体11にフェライトによる磁性体12が一層の場合と、図1(A)で示した、金属体11にフェライトによる磁性体12が二層の場合とについて図10(A)および図10(B)を参照して説明する。
Next, the case where the
図10を参照して、コイル14に発生する電流はフェライト12のコイル周辺の磁束密度と反対側の磁束密度の差により生じる。図10(A)に示すような、磁性体12一層の場合は、反対側に磁束が生じないため、それなりの磁束密度が得られる。
Referring to FIG. 10, the current generated in
一方、図10(B)に示すような磁性体12が二層構造の場合は、磁束密度の差が小さくなるのでコイルの生じる電流は小さくなるので大きな信号が得られにくい。しかし、全体としてのコイルを取り囲む透磁率が大きくなり透磁率による短縮率が増大するので自由空間でのアンテナ利得を改善できる。
On the other hand, when the
次に、この発明の他の実施の形態について説明する。この実施の形態においては、磁性体装荷アンテナを低周波磁界発生用フェライトアンテナと組み合わせる。 Next, another embodiment of the present invention will be described. In this embodiment, a magnetic material loaded antenna is combined with a low frequency magnetic field generating ferrite antenna.
自動車や住宅の玄関ドアのキーレスエントリーの固定局磁界送受信アンテナやセミアクティブタグにおいて、タグの起動と通信に用いられるトリガー装置では、100kHz近辺の周波数をRFIDタグへの送信媒体として使われている。この仕組みの送信アンテナは大口径のコイルであったり、フェライトに巻かれたコイルである場合が多い。特にフェライトコイルは強い磁界を空間に作れるので多く用いられている。 In triggering devices used for tag activation and communication in keyless entry fixed-station magnetic field transmission / reception antennas and semi-active tags in front doors of automobiles and houses, frequencies near 100 kHz are used as transmission media for RFID tags. In many cases, the transmission antenna having this mechanism is a large-diameter coil or a coil wound around ferrite. In particular, ferrite coils are often used because they can create a strong magnetic field in the space.
同様に、上記した実施の形態に用いられるフェライト部分は同様の素材にすることが可能である。そこで、板状のフェライトに適当な線径の銅線を巻き高周波通信磁界アンテナを構成し、その片面にフェライト層を作り絶縁層とアンテナコイル層を重ねる。これにより高周波通信磁界アンテナと磁性体装荷アンテナとを一体にすることが出来る。このアンテナ装置は高周波磁界で励起され、タグ(RFID)が高周波磁界のデータを受け取って処理し、例えばエリアIDを受け取り自己のIDと連結し、310MHz帯の無線信号として返す仕組み等に最適である。 Similarly, the ferrite portion used in the above-described embodiment can be made of the same material. Accordingly, a copper wire having an appropriate wire diameter is wound around a plate-like ferrite to constitute a high-frequency communication magnetic field antenna, a ferrite layer is formed on one surface thereof, and an insulating layer and an antenna coil layer are overlaid. Thereby, the high frequency communication magnetic field antenna and the magnetic material loaded antenna can be integrated. This antenna device is excited by a high-frequency magnetic field, and a tag (RFID) receives and processes high-frequency magnetic field data. For example, it is optimal for a mechanism that receives an area ID, connects it with its own ID, and returns it as a 310 MHz band radio signal. .
図11は磁性体装荷アンテナと高周波磁界通信アンテナとを組み合わせたアンテナ装置30の構成を示す図である。図11(A)はアンテナ装置30の分解斜視図であり、図11(B)は図1(A)に示した磁性体装荷アンテナ10がアンテナ装置30との関連を示す図であり、図10(C)はアンテナ装置10の模式的断面図である。
FIG. 11 is a diagram illustrating a configuration of an
図11(A)を参照して、この実施の形態に係るアンテナ装置30について説明する。アンテナ装置30は、上部層31と、上部層31の下部に設けられた下部層41とを含む。上部層31は、フェライト32と、フェライト32の上に設けられた、絶縁層33と、絶縁層33の上に設けられたアンテナコイル34とを含む。
An
下部層41は、直方体状のフェライト42と、フェライト42の中央部に複数回巻き付けた高周波通信コイル44と、フェライト42の上面に設けられ、高周波通信コイル44を挟むように設けられた、フェライトで形成されたスペーサ43a、43bと、フェライト42の下面に設けられ、高周波通信コイル44を挟むように設けられた、フェライトで形成されたスペーサ45a、45bとを含む。高周波通信コイル44は一対の端子46a、46bに接続されている。
The
図11(A)および(B)を参照して、上部層31を構成する、フェライト32と、絶縁層33と、アンテナコイル34とは、図1(A)で示したフェライト12と、絶縁層13と、アンテナコイル14とに対応する。また、スペーサ43a、43bによって距離dだけ間隔をあけて設けられたフェライト42は金属体11に対応する。したがって、上部層31と、下部層41のフェライト42は、図1で説明した受信アンテナとして作動する。
11A and 11B, the
一方、下部層41を構成する高周波通信コイル44が巻き付けられたフェライト42は高周波磁界通信アンテナとして作動する。
On the other hand, the
これらの具体的な構成の模式的断面図を図11(C)に示す。 A schematic cross-sectional view of these specific structures is shown in FIG.
アンテナ装置30をこのように構成することによって、コンパクトな構成の送受信装置が提供できる。
By configuring the
以上、図面を参照してこの発明の実施形態を説明したが、この発明は、図示した実施形態のものに限定されない。図示した実施形態に対して、この発明と同一の範囲内において、あるいは均等の範囲内において、種々の修正や変形を加えることが可能である。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, this invention is not limited to the thing of embodiment shown in figure. Various modifications and variations can be made to the illustrated embodiment within the same range or equivalent range as the present invention.
この発明によれば、アンテナが小型化可能であり、かつ、金属に密接できるためアンテナを接続する通信装置と一体が可能となり、アンテナ設置工事が不要となり、装置がコンパクトになるとともに、コストダウンが可能な送受信装置として利用できるため、磁性体装荷アンテナや送受信装置として有利に使用される。 According to the present invention, the antenna can be miniaturized and can be integrated with a communication device for connecting the antenna because it can be in close contact with metal, so that the antenna installation work is not required, the device is compact, and the cost is reduced. Since it can be used as a possible transmitting / receiving device, it is advantageously used as a magnetic material loaded antenna or transmitting / receiving device.
10 アンテナ、11 金属体、12 第1フェライト層、13 第1絶縁・誘電体層、14 アンテナコイル、15 第2絶縁・誘電体層、16 第2フェライト層、20 アンテナ装置、21a,21b 接続端子、21c 第1アンテナコイル、21d 第2アンテナコイル、23 送受信器、30 アンテナ装置、31 上部層、32 フェライト、33 絶縁層、34 アンテナコイル、41 下部層、42 フェライト、43a,43b,45a,45b スペーサ、44 高周波通信コイル、46a,46b 端子
DESCRIPTION OF
Claims (7)
前記第1フェライト層の上に設けられた絶縁体層と、
前記絶縁体層の上に設けられたアンテナコイルとを含む磁性体装荷アンテナであって、
外部に設けられた金属体と所定の距離離れて位置し、
前記アンテナコイルの上に設けられた第2絶縁層と、
前記第2絶縁層の上に設けられた第2フェライト層とをさらに含み、電磁波の放射が可能な、磁性体装荷アンテナ。 A first ferrite layer;
An insulator layer provided on the first ferrite layer;
A magnetic material loaded antenna including an antenna coil provided on the insulator layer ,
Located a predetermined distance away from the metal body provided outside ,
A second insulating layer provided on the antenna coil;
A magnetic material loaded antenna further including a second ferrite layer provided on the second insulating layer and capable of emitting electromagnetic waves .
前記金属体と前記アンテナコイルとの間隔は、密着するか、または、所定の距離だけ離れて位置する、磁性体装荷アンテナ。 The magnetic material loaded antenna according to claim 2 ,
A magnetic material-loaded antenna in which a distance between the metal body and the antenna coil is in close contact or is separated by a predetermined distance.
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