JP6240741B2 - ループアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナに関する。

近年、ＮＦＣ(Near Field Communication)等の短距離無線認証技術では、認証エリアを意図的に限定しユーザの意思や行動に連動したサービスが行われている。磁界を用いて認証エリアを形成する場合には、ループアンテナ（コイル）が用いられ、アンテナに電流を通じることによりアンテナ面上に球状の磁界分布を形成する。磁界を利用した無線システムでは、電波を用いるシステムに比べて距離減衰特性が急峻であり、無線エリア境界を明確に区別できるという利点があるが、無線エリアが広範囲の場合にはエリアを拡大するためには送信機から供給する電流を増やす必要がある。

特開２０１３−１２５９９１号公報 特開２０１４−１３５５３８号公報 特開２０１４−１３５５３９号公報

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナを提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明のループアンテナは、磁界を用いた無線システムに適用されるループアンテナであって、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッドに巻かれており、前記メインループと前記増幅用ループのそれぞれに抵抗と容量が直列に接続されており、前記メインループの前記抵抗Ｒ _１ は前記増幅用ループの前記抵抗Ｒ _２ よりも大きいことを特徴とする。

本発明に係るループアンテナによれば、信号源を用いる場合は、メインループを流れる電流よりも十分大きな電流を増幅用ループに蓄積することができるので、結果的に大きな磁界を生成することが可能になる。

また、本発明に係るループアンテナによれば、受信回路を用いる場合には、磁界を受信する際に大きな電流が増幅用ループに蓄積される効果によって、増幅用ループを用いない場合に比べて、メインループにて大きな受信電流を受信することが可能になる。

以上の結果、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できる。

第１の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。 第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。 増幅用ループ２の電流Ｉ_２と容量Ｃ_１とＣ_２の関係を示す図である。 Ｃ_１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ_２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合のＩ_１、Ｉ_２の周波数依存性（計算値）を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。

ループアンテナは、共鳴型のループアンテナであり、メインループ１と増幅用ループを備える。

メインループ１は、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッド３に巻かれ、信号源５や受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ、Ｔを有し、開ループとなっている。巻き数は１以上であり、例えば５である。図１は、例として信号源５を接続した図になっている。メインループ１には抵抗Ｒ_１と容量Ｃ_１が直列に接続されている。

また、メインループ１が巻かれたロッド３の部分とは異なる部分に増幅用ループ２が巻かれている。これにより、メインループ１と増幅用ループ２が互いに離間している。増幅用ループ２は、端子を備えず、閉ループとなっている。巻き数は１以上であり、例えば５である。巻き数は、メインループ１の巻き数と同じでもよく、異なっていてもよい。増幅用ループ２には抵抗Ｒ_２と容量Ｃ_２が直列に接続されている。

信号源５からメインループ１に交流電流Ｉ_１が供給されると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスにより、増幅用ループ２に交流電流Ｉ_２が流れる。一般に、Ｒ_２をＲ_１より小さくすると、Ｉ_２はＩ_１より大きくなる。よって、ループアンテナにより発生する磁界のエリアを拡大できる。

Ｉ_２は、周波数、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１、Ｃ_２、信号源５の内部抵抗Ｒ_０、ループ形状など複数の要素に依存する。そのため、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１、Ｃ_２を調整し、Ｉ_２を最大化するのが好ましい。

なお、図１は、ループアンテナに信号源５を接続し、送信アンテナとして用いた場合の例を示しているが、信号源５の代わりに受信回路を接続し、ループアンテナを受信アンテナとして用いてもよい。

この場合、外部から受信する磁界により、増幅用ループ２に大きな交流電流Ｉ_２が蓄積されるが、相互インダクタンスがあるために、メインループ１を流れる交流電流Ｉ_１も、増幅用ループ２が存在しない場合に比べて大きくなる。周波数、ループ形状などに応じて、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１、Ｃ_２を設定することで、Ｉ_１を最大化することができる。よって、相手側にとってみても、磁界のエリアを拡大できる。

したがって、第１の実施の形態のループアンテナによれば、磁界を利用した無線システムのエリアを拡大できる。

なお、例えば、所望の電流、エリアが得られるなら、場合によっては、Ｒ_１、Ｒ_２、Ｃ_１、Ｃ_２のいずれか１つ以上を用いなくてもよい。後述の実施の形態でも同様である。

［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。

第１の実施の形態のメインループ１、増幅用ループ２は互いに離間していたが、第２の実施の形態では、メインループ１と増幅用ループ２が互いに並走するようにロッド３に巻かれ、これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。

第１の実施の形態では、ロッド３があるので、メインループ１と増幅用ループ２は比較的大きな磁気結合を生じるが、第２の実施の形態のように、並走させることでメインループ１と増幅用ループ２が近接し、さらに大きな磁気結合を生じることができる。よって増幅用ループ２により大きな電流を蓄積でき、磁界のエリアをより広くできる。

本発明において巻き数は任意であり、いずれの巻き数でも有効である。また、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数が異なってもよいが、巻き数を２以上とする場合、メインループ１の巻き数と増幅用ループ２の巻き数を等しくすることで、相互インダクタンスを大きくすることができ、電流の増幅効果を高めることができるので好ましい。

[第３の実施の形態]
第３の実施の形態のループアンテナは、メインループ１と増幅用ループ２に接続した容量を最適化したものであり、その他については、第１〜第２の実施の形態と同様である。

例えば、信号源５から発生する信号の周波数ｆを１０ＭＨｚ、メインループ１に接続する抵抗Ｒ_１を２５Ω、増幅用ループ２に接続する抵抗Ｒ_２を１Ω、信号源５の内部抵抗Ｒ_０を２５Ωとする。

また、メインループ１と増幅用ループ２の自己インダクタンスＬは等しく１μＨとする。

さらに、メインループ１と増幅用ループ２の幾何学形状が同様であれば、自己インダクタンスも等しくなるので、ループアンテナを作製することは容易である。

図３は、増幅用ループ２の電流Ｉ_２と容量Ｃ_１とＣ_２の関係を示す図である。

上記の条件の下、容量Ｃ_１とＣ_２を変数としてＩ_２をシミュレートすると、図５のようになる。Ｉ_２が最大になるのは、Ｃ_１が３０ｐＦ付近かつＣ_２が２２０ｐＦ付近の場合であることがわかる。

一方、上記のパラメータを以下の式

に代入すると、Ｃ_１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ_２＝２２２．０９［ｐＦ］が得られる。ωは、ω＝２πｆで計算される。

よって、この式により計算した値のＣ_１、Ｃ_２をメインループ１と増幅用ループ２に接続すれば、Ｉ_２を最大にでき、最大の増幅効果が得られる。

図４は、Ｃ_１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ_２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合のＩ_１、Ｉ_２の周波数依存性（計算値）を示す図である。

図に示すように１０ＭＨｚにおいて電流増幅効果が最大である。つまり、Ｉ_１が１０ｍＡであるのに対して、Ｉ_２は７０ｍＡ以上であり、７倍以上の電流を流すことできる。したがって、生成可能な磁界の振幅を７倍以上に増幅することができる。

１ メインループ
２ 増幅用ループ
３ ロッド
５ 信号源
Ｃ_１、Ｃ_２ 容量
Ｉ_１、Ｉ_２ 電流
Ｒ_０ 内部抵抗
Ｒ_１、Ｒ_２ 抵抗
Ｔ 端子

Claims (4)

1. 磁界を用いた無線システムに適用されるループアンテナであって、
   信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
   前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
   前記メインループと前記増幅用ループは、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッドに巻かれており、
   前記メインループと前記増幅用ループのそれぞれに抵抗と容量が直列に接続されており、
   前記メインループの前記抵抗Ｒ _１ は前記増幅用ループの前記抵抗Ｒ _２ よりも大きい
   ことを特徴とするループアンテナ。
2. 前記メインループの巻き数と前記増幅用ループの巻き数が等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナ。
3. 前記メインループと前記増幅用ループが互いに離間していることを特徴とする請求項１または２記載のループアンテナ。
4. 前記メインループと前記増幅用ループが互いに並走するように巻かれていることを特徴とする請求項１または２記載のループアンテナ。
   

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