JP6263967B2 - アンテナ装置 - Google Patents

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    • H01Q13/20Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/206Microstrip transmission line antennas

Description

本発明は、アンテナ装置に関する。
従来より、Radio Frequency IDentification(RFID)システムが広く利用されている。RFIDシステムには、代表的には、通信媒体としてUHF帯(900MHz帯)またはマイクロ波(2.45GHz)に相当する電磁波を利用するものと、相互誘導磁界を利用するものがある。このうち、UHF帯の電磁波を利用するRFIDシステムが、比較的通信可能な距離が長いので注目されている。
UHF帯の電磁波を利用するRFIDタグと通信するリーダライタが利用するアンテナとして、マイクロストリップアンテナが提案されている。マイクロストリップアンテナは、マイクロストリップラインをアンテナとして用いる(例えば、特許文献1及び非特許文献1、2参照)。
米国特許第7750813号明細書
ところで、アンテナを棚の上面に設置して、棚に置かれた物品のRFIDタグを読み取っている状態で、物品が棚から持ち出された場合に、当該物品のRFIDタグが読み取れなくなることにより、棚から持ち出された物品を特定するようなシステムがある。このようなシステムには、アンテナの表面近傍にある物品を読み取ることができ、かつ、棚の上面の全体でRFIDタグを読み取ることができるアンテナ装置が好適である。
しかしながら、従来のアンテナは、通信距離が十分ではなく、特に、アンテナのサイズを大きくした場合に、アンテナ全体で均一な電界を得ることが難しく、均一かつ十分な通信距離を得ることが困難である。
このため、上述のようなシステムに従来のアンテナを用いると、棚に複数の物品が並べて置かれたような場合に、すべての物品のRFIDタグを均一に読み取ることが困難である。
そこで、近接場において十分な均一性と強度を有する電界を形成できるアンテナ装置を提供することを目的とする。
本発明の実施の形態のアンテナ装置は、平面視で矩形状の第1誘電体層と、前記第1誘電体層の第1面に配設されるグランドプレーンと、給電点になる一端と、前記グランドプレーンに接続される接地端、又は、開放端になる他端とを有し、前記第1誘電体層の第2面に配設される導電線と、前記第1誘電体層に対応した形状を有し、前記第1誘電体層との間に前記導電線を挟んだ状態で、前記第1誘電体層の前記第2面に重ねて配設される第2誘電体層と、前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第1の節に対応する第1位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第1導電エレメントと、前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第2の節に対応する第2位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第2導電エレメントとを含み、前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、平面視で前記導電線と交差する第1位置及び第2位置に対して、平面視で前記給電点に向かって湾曲しており、又は、折れ曲がっており、前記第1導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さは、前記第2導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さとは異なる。
近接場において十分な均一性と強度を有する電界を形成できるアンテナ装置を提供することができる。
実施の形態1のアンテナ装置100を示す斜視図である。 実施の形態1のアンテナ装置100を示す平面図である。 実施の形態1のアンテナ装置100の一部を拡大して示す図である。 実施の形態1のアンテナ装置100の一部を拡大して示す図である。 実施の形態1のアンテナ装置100を示す斜視分解図である。 図1に示す実施の形態1のアンテナ装置100のA−A矢視断面を示す図である。 実施の形態1のアンテナ装置100の変形例の導電ストリップ171〜175を示す図である。 実施の形態1のアンテナ装置100を用いたシェルフアンテナシステムを示す図である。 実施の形態2のアンテナ装置200を示す斜視図である。 実施の形態2のアンテナ装置200を示す平面図である。 実施の形態2のミアンダ部242を示す図である。 実施の形態2の調整部243を示す図である。 実施の形態2のアンテナ装置200のS11パラメータと、比較用のアンテナ装置のS11パラメータとの周波数特性を示す図である。 アンテナ装置200の電界ベクトルを示すシミュレーション結果である。 アンテナ装置200の電界ベクトルを示すシミュレーション結果である。 アンテナ装置200の電界ベクトルを示すシミュレーション結果である。
以下、本発明のアンテナ装置を適用した実施の形態について説明する。
<実施の形態1>
図1は、実施の形態1のアンテナ装置100を示す斜視図である。図2は、実施の形態1のアンテナ装置100を示す平面図である。図3及び図4は、実施の形態1のアンテナ装置100の一部を拡大して示す図である。図5は、実施の形態1のアンテナ装置100を示す斜視分解図である。図6は、図1に示す実施の形態1のアンテナ装置100のA−A矢視断面を示す図である。
以下では、直交座標系であるXYZ座標系を定義してアンテナ装置100について説明する。また、以下では、説明の便宜上、Z軸負方向側に位置する面を底面と称し、Z軸正方向側に位置する面を上面と称するが、底面と上面は便宜的な名称であり、普遍的な上下関係を示すものではない。
アンテナ装置100は、誘電体層110、120、グランドプレーン130、ミアンダ導電線140、及び導電ストリップ150を含む。なお、導電ストリップ150は11個あり、各々を区別する場合には、導電ストリップ150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3と称す。区別しない場合には、導電ストリップ150と称す。
ここで、実施の形態1のアンテナ装置100は、UHF帯の電磁波を通信に用いるものであり、一例として、共振周波数(中心周波数)は860MHzから960MHz程度である。ここでは特に、共振周波数(中心周波数)を919MHzに設定したアンテナ装置100について説明する。
また、アンテナ装置100は、共振周波数(中心周波数)で通信を行うため、アンテナ装置100に含まれる構成要素のうち、ミアンダ導電線140と導電ストリップ150の長さは、共振周波数における波長の長さに対応した長さに設定される。
共振周波数における波長の長さは、誘電体の内部では短縮効果によって短くなるため、ミアンダ導電線140と導電ストリップ150の長さは、誘電体層110及び120の比誘電率を考慮して設定される。
例えば、919MHzにおける実際の波長が約326mmであるのに対して、誘電体層110及び120の比誘電率を考慮した波長λ(設計に用いる波長)は約180mmとなる。
以下では、誘電体層110及び120等の誘電体の比誘電率を考慮した波長に基づいて、ミアンダ導電線140及び導電ストリップ150等の構成要素の寸法を設定することを、共振周波数における波長に対応した長さに設定すると称す。また、誘電体の内部における波長の長さを共振周波数における波長に対応する長さと称す。
誘電体層110、120は、平面視で矩形状の薄板状の基板材料である。誘電体層110、120は、互いの間にミアンダ導電線140を挟んだ状態で、互いに貼り合わされることにより、アンテナ装置100の基板を構築する。誘電体層110は第1誘電体層の一例であり、誘電体層120は第2誘電体層の一例である。
誘電体層110、120のX軸方向の長さは、ともに730mmであり、Y軸方向の長さ(幅)は、ともに200mmである。また、誘電体層110の厚さは1.6mmであり、誘電体層120の厚さは1.0mmである。なお、説明の便宜上、図1及び図5では、誘電体層110と誘電体層120の厚さを実際よりも厚く示している。
実施の形態1では、誘電体層110、120は、一例として、FR4(Flame Retardant type 4)規格の基板材料であり、例えば、ガラス布基材をエポキシ樹脂に含浸させた基板材料を用いることができる。一例として、誘電体層110、120の比誘電率εrは4.4、誘電正接tanδは0.02である。
誘電体層110の底面にはグランドプレーン130が配設され、上面にはミアンダ導電線140が配設される。また、誘電体層120の上面には導電ストリップ150が配設される。
グランドプレーン130は、誘電体層110の底面に配設される。グランドプレーン130は、例えば、銅箔で形成されており、ミアンダ導電線140とマイクロストリップラインを構築する。
ミアンダ導電線140は、誘電体層110の上面に配設される。ミアンダ導電線140は、導電線の一例である。ミアンダ導電線140は、グランドプレーン130とマイクロストリップラインを構築し、マイクロストリップアンテナとして機能する。このようなマイクロストリップアンテナの特性インピーダンスは、例えば、50Ω又は75Ωであればよい。
また、ミアンダ導電線140は、誘電体層110の上面に配設され、誘電体層120の下面に位置するため、誘電体層120の上面に配設される導電ストリップ150とは絶縁されている。
ミアンダ導電線140は、例えば、銅箔をパターニングすることによって形成される。ミアンダ導電線140は、X軸に沿ってミアンダ状に折れ曲がりながら伸延する導電パターンである。ミアンダ導電線140の線幅は、例えば、3mmである。
ミアンダ導電線140は、直線部141、ミアンダ部142、及びL字部143を有する。直線部141は、X軸方向に伸延しており、直線部141のX軸負方向側の端部は、ミアンダ導電線140の一端であり、給電点141Aになっている。
直線部141は、誘電体層110及び120のX軸に平行な中心軸上に位置する。給電点141Aには、例えば、リーダライタに接続される同軸ケーブルの芯線が接続される。
また、直線部141のX軸正方向側には、10個のミアンダ部142が直列に接続されている。図3に示すように、10個のミアンダ部142は同一のパターンを有する。ミアンダ部142は、図3に示す構造を1単位としており、直線部142A、142B、142C、142D、142E、142F、142Gを有する。なお、図3では、ミアンダ部142と導電ストリップ150の位置関係を分かり易くするために、ミアンダ部142と導電ストリップ150を透過的に示す。
図3に示すように、各ミアンダ部142は、一対の導電ストリップ150の間に位置する。各ミアンダ部142の線路長は、共振周波数における波長の1波長の長さ(λ)に対応する長さに設定される。ミアンダ部142の線路長は、直線部142Aと導電ストリップ150とが交差する点と、直線部142Gと導電ストリップ150とが交差する点との間のミアンダ部142の線路長である。
また、図3においてX軸方向に伸延する破線は、誘電体層110及び120のX軸に平行な中心線である。直線部142Aと142Gは、中心線上に位置する。また、ミアンダ部142は、直線部142Dと中心線とが交差する点に対して、点対称な形状を有する。
直線部142Aは、中心線上をX軸負方向側からX軸正方向側に伸延している。直線部142AのX軸正方向側の端部には、Y軸正方向側に伸延する直線部142Bが接続されている。
また、直線部142BのY軸正方向側の端部には、X軸正方向側に伸延する直線部142Cが接続されている。直線部142CのX軸正方向側の端部には、Y軸負方向側に伸延する直線部142Dが接続されている。直線部142DのY軸負方向側の端部には、X軸正方向側に伸延する直線部142Eが接続されている。
また、直線部142EのX軸正方向側の端部には、Y軸正方向側に伸延する直線部142Fが接続されている。直線部142FのY軸正方向側の端部には、中心線上をX軸正方向側に伸延する直線部142Gが接続されている。
このような構成の直線部142A、142B、142C、142D、142E、142F、142Gにより、ミアンダ部142は、X軸に沿ってミアンダ状に伸延している。また、ミアンダ導電線140の直線部141とL字部143との間に、10個のミアンダ部142がX軸負方向側からX軸正方向側にかけて直列に接続されている。
また、10個のミアンダ部142のX軸正方向側には、L字部143(図2参照)が接続されている。L字部143は、ミアンダ部142の端部からX軸正方向側に伸延し、Y軸正方向側に直角に折れ曲がっている。L字部143の端部は、ミアンダ導電線140のX軸正方向側に位置する他端であり、接地点(接地端)143Aになっている。
接地点143Aは、図5に示すように、誘電体層110を厚さ方向(Z軸方向)に貫通するスルーホール160によってグランドプレーン130に接続されている。スルーホール160は、接地点143Aとグランドプレーン130を電気的に接続する導電壁を含む。これにより、ミアンダ導電線140の他端は接地され、接地点143Aになっている。
L字部143の長さは、共振周波数における波長の1/4波長の長さ(λ/4)に対応する長さである。なお、L字部143が開放端である場合には、L字部143の長さは共振周波数における波長の1/2の波長の長さ(λ/2)に対応する長さに設定すればよい。
このようなミアンダ導電線140に給電点141Aから給電を行うと、接地点143Aを有するL字部143の長さが共振周波数における波長の1/4波長の長さ(λ/4)に対応する長さであるため、ミアンダ導電線140には電流の定在波が生じる。定在波の節は、接地点143Aからλ/4、3λ/4、5λ/4、7λ/4、9λ/4、11λ/4、13λ/4、15λ/4、17λ/4、19λ/4、21λ/4に対応する位置に生じる。これらの長さは、半波長に整数を乗じ、乗じた結果から、四半波長を減じることによって得られる。
すなわち、定在波の節は、直線部141及びミアンダ部142の境界と、10個のミアンダ部142の間の9つの境界と、ミアンダ部142及びL字部143の境界との11箇所に生じる。
電流の定在波の節は、電流値がゼロになり、電界が最大値になる点である。実施の形態1のアンテナ装置100では、ミアンダ導電線140と導電ストリップ150とを電磁結合させ、かつ、導電ストリップ150が発生する電界が最大になるようにするために、ミアンダ導電線140の電流の節になる位置で、ミアンダ導電線140と導電ストリップ150とを誘電体層120を介して交差させている。
以上のようなミアンダ導電線140を含むマイクロストリップアンテナは、上面側から漏れる漏れ電界により、近接界での通信が可能になる。
導電ストリップ150は、誘電体層120の上面に配設される11個の導電パターンであり、第1導電エレメント及び第2導電エレメントの一例である。第1導電エレメント及び第2導電エレメントは、それぞれ、11個の導電ストリップ150のうち、互いに、湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さが異なる導電ストリップ150である。
導電ストリップ150は誘電体層120の上面に配設されているため、ミアンダ導電線140とは絶縁されている。導電ストリップ150は、例えば、銅箔をパターニングすることによって形成される。導電ストリップ150の線幅は、例えば、4mmに設定される。
11個の導電ストリップ150は、図4に示すように直線部151、152、153を有する。なお、図4では、導電ストリップ150とミアンダ部142の直線部142A及び142Gの位置関係を分かり易くするために、ミアンダ部142と導電ストリップ150を透過的に示す。
直線部151は、Y軸に平行に伸延している。すなわち、直線部151は、ミアンダ部142の直線部142A及び142Gと直交している。直線部151のY軸正方向側の端部には、直線部152が連続的に形成されており、直線部151のY軸負方向側の端部には、直線部153が連続的に形成されている。
直線部152、153は、直線部151に対して、給電点141A側に折れ曲がっている。換言すれば、直線部152、153は、直線部151に対して、X軸負方向側に折り曲げられている。直線部152、153が直線部151の中心軸に対して折れ曲がる角度は、ともに角度θで等しい。折れ曲がる角度は折曲度合の一例である。
このような導電ストリップ150は、直線部151のY軸方向における中心点が、ミアンダ導電線140の電流の定在波の節が生じる位置と平面視で重なるように配設されている。すなわち、11個の導電ストリップ150は、それぞれ、ミアンダ導電線140の電流の定在波の11個の節において、平面視でミアンダ導電線140と交差するように誘電体層120上に配設されている。
各導電ストリップ150の直線部152の端部から直線部153の端部までの長さは、共振周波数における波長の1波長(λ)に対応する長さに設定されている。このため、各導電ストリップ150は、共振器として機能する。
また、誘電体層120の厚さは、各導電ストリップ150とミアンダ導電線140との電磁結合を妨げない厚さに設定されている。このため、各導電ストリップ150は、ミアンダ導電線140と電磁結合された共振器として機能する。また、各導電ストリップ150は、ミアンダ導電線140を介して電波の放射及び受信が可能であり、共振周波数における通信を行うことができる。
また、上述したように、電流の定在波の節は、電流値がゼロになり、電界が最大値になる点である。従って、導電ストリップ150を用いることにより、ミアンダ導電線140を含むマイクロストリップアンテナのZ軸正方向側における電界の強度を向上させることができる。
また、導電ストリップ150は、アンテナ装置100のX軸方向及びY軸方向の全体を網羅するように配設されているため、アンテナ装置100の上面側における電界の強度を全体的に向上させることができ、かつ、電界の強度を均一化することができる。
ここで、導電ストリップ150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3の長さと角度θについて説明する。
導電ストリップ150A1、150A2の長さは、例えば、ともに186mmに設定される。また、導電ストリップ150E1、150E2、150E3の長さは、例えば、すべて202mmに設定される。186mmと202mmは、共振周波数における波長の1波長に相当する長さである。
また、導電ストリップ150B1と150B2、導電ストリップ150C1と150C2、導電ストリップ150D1と150D2の長さは、それぞれ等しい。導電ストリップ150B1と150B2、導電ストリップ150C1と150C2、導電ストリップ150D1と150D2の長さは、それぞれ、186mmより長く、202mmより短く設定されており、この順に長くなる。これらの長さも共振周波数における波長の1波長に相当する長さである。
なお、各導電ストリップ150における直線部151の長さは60mmであり、直線部152と153の長さは等しい。
また、図2に示すように、導電ストリップ150A1、150A2における直線部151の中心軸に対する直線部152、153が折れ曲がる角度θは、30度であり、導電ストリップ150B1、150B2における直線部151の中心軸に対する直線部152、153が折れ曲がる角度θは、35度である。
また、導電ストリップ150C1、150C2における直線部151の中心軸に対する直線部152、153が折れ曲がる角度θは、40度であり、導電ストリップ150D1、150D2における直線部151の中心軸に対する直線部152、153が折れ曲がる角度θは、45度である。
また、導電ストリップ150E1、150E2、150E3における直線部151の中心軸に対する直線部152、153が折れ曲がる角度θは、50度である。
このような長さと角度θは、有限要素法による電磁界シミュレーションによって導出したものであり、シミュレーション結果については後述するが、11個の導電ストリップ150の長さがすべて同一の場合よりも、異なる場合の方が良好なS11パラメータの値が得られ、帯域も広がった。
また、11個の導電ストリップ150の角度θをすべて同一値にする場合よりも、異なる値にする方が、より均一な電界分布が得られた。これは、図2に示すように、導電ストリップ150によって生じる電界EdのX軸方向成分ExとY軸方向成分Eyとを考えると、異なる角度θを与えることにより、Y軸方向成分Eyが増えたためと考えられる。
ここで、導電ストリップ150がすべてY軸に平行な直線状である場合は、導電ストリップ150によって生じる電界Edは、X軸方向成分Exのみとなる。
このため、各導電ストリップ150において、直線部151に対して直線部152、153が角度θをなしていることは、電界EdのY軸方向成分Eyを稼ぐために重要である。また、11個の導電ストリップ150の角度θを異なる値にすることにより、様々なY軸方向成分Eyを得ることができ、より均一な電界分布を得ることができる。
以上、実施の形態1によれば、ミアンダ導電線140とグランドプレーン130とを含むマイクロストリップアンテナに、共振器として機能する導電ストリップ150を電磁結合させることにより、近接場において十分な均一性と強度を有する電界を形成できるアンテナ装置100を提供することができる。
なお、以上では、接地点143Aから所定の距離の位置に、それぞれ、導電ストリップ150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3を配設する形態について説明した。
所定の距離の位置は、接地点143Aから、それぞれ、λ/4、3λ/4、5λ/4、7λ/4、9λ/4、11λ/4、13λ/4、15λ/4、17λ/4、19λ/4、21λ/4に対応する長さだけ離れた位置である。
すなわち、導電ストリップ150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3同士の間隔は、λ/2に対応する長さである。
このため、導電ストリップ150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3に流れる電流は、隣接する導電ストリップ150同士で逆位相となる。
ここで、実施の形態1のアンテナ装置100の変形例として、導電ストリップ150A1、150B1、150C1、150D1、150E1、150E3のみを含むようにしてもよい。この場合は、隣接する導電ストリップ150に流れる電流の位相を等しくすることができ、導電ストリップ150A1、150B1、150C1、150D1、150E1、150E3によって形成される電界を強め合う構成にすることができる。
また、以上のようなアンテナ装置100は、例えば、次のようにして作製することができる。両面に銅箔を形成した基板材料の一方の面の銅箔をパターニングしてミアンダ導電線140を形成すれば、誘電体層110の底面にグランドプレーン130が形成され、上面にミアンダ導電線140が形成された第1構造体を作製することができる。
また、別の基板材料の一方の面に形成された銅箔をパターニングして導電ストリップ150を形成することにより、誘電体層120の上面に導電ストリップ150が形成された第2構造体を作製することができる。
そして、第1構造体の上面と、第2構造体の底面とを貼り合わせれば、図1に示すアンテナ装置100を作製することができる。誘電体層110と誘電体層120の貼り合わせは、熱圧着、又は、接着等で行えばよい。
また、以上では、銅を用いて、グランドプレーン130、ミアンダ導電線140、及び導電ストリップ150を形成する形態について説明したが、銅の代わりに、金、銀、ニッケル等の金属、又は、これら金属の合金等を用いてもよい。
また、グランドプレーン130の下面を覆うカバーを設けてもよい。このようなカバーは、例えば、樹脂製であればよく、誘電体層110と同様のX軸方向及びY軸方向の寸法を有していればよい。また、同様に、導電ストリップ150及び誘電体層120の上面を覆うカバーを設けてもよい。このようなカバーは、例えば、樹脂製であればよく、誘電体層120と同様のX軸方向及びY軸方向の寸法を有していればよい。
ここで、図7を用いて、実施の形態1のアンテナ装置100の変形例について説明する。
図7は、実施の形態1のアンテナ装置100の変形例の導電ストリップ171〜175を示す図である。図7の(A)〜(E)に示す導電ストリップ171〜175は、図1乃至図6に示す導電ストリップ150の代わりに用いることができるものである。
図7(A)に示すように、導電ストリップ171は、直線部171A及び直線部171Bによって構築される。直線部171A及び171Bは、ともに破線で示す誘電体層110及び120のX軸に平行な中心線に対して、角度θ1をなす方向に伸延している。角度θ1は、0°<θ1<90°であればよい。
図7(B)に示すように、導電ストリップ172は、直線部172A、172B、172C、及び172Dによって構築される。直線部172A及び172Bは、ともに破線で示す誘電体層110及び120のX軸に平行な中心線に対して、角度θ2をなす方向に伸延している。角度θ2は、0°<θ1<90°であればよい。
また、直線部172C及び172Dは、それぞれ、直線部172A及び172Bの端部から連続的に形成され、直線部172A及び172Bよりもさらに給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていればよい。
図7(C)に示すように、導電ストリップ173は、直線部173A、173B、173C、173D、及び173Eによって構築される。直線部173Aは、図1乃至図6に示す導電ストリップ150の直線部151と同様に、Y軸方向に伸延している。
また、直線部173B及び173Cは、それぞれ、直線部173Aの両端から連続的に形成され、直線部173Aから給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていればよい。
また、直線部173D及び173Eは、それぞれ、直線部173B及び173Cの端部から連続的に形成され、直線部173B及び173Cよりもさらに給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていればよい。
図7(D)に示すように、導電ストリップ174は、直線部174Aと、テーパ部174B及び174Cとによって構築される。直線部174Aは、図1乃至図6に示す導電ストリップ150の直線部151と同様に、Y軸方向に伸延している。
また、テーパ部174B及び174Cは、それぞれ、直線部174Aの両端から連続的に形成され、テーパ部174B及び174Cのテーパ形状の中心線が直線部173Aから給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていればよい。
図7(E)に示すように、導電ストリップ175は、直線部175A、175B、及び175Cと、分岐部175D及び175Eによって構築される。直線部175A、175B、及び175Cは、図7(C)に示す直線部173A、173B、及び173Cと同様である。
また、分岐部175D及び175Eは、それぞれ、直線部175B及び175Cの端部から連続的に形成され、二手に分岐して伸延している。分岐部175D及び175Eは、分岐部175D及び175Eの中心線が直線部175B及び175Cよりもさらに給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていればよい。
以上、図7の(A)〜(E)に示す導電ストリップ171〜175を、図1乃至図6に示す導電ストリップ150の代わりに用いてもよい。また、折り曲げる角度、又は、分岐の数は、図7の(A)〜(E)に示す形態に限られず、任意に変更することができる。ただし、Y軸と平行な直線に対して、給電点141A(図1、2参照)の方を向くように折り曲げられていることが望ましい。
すなわち、導電ストリップ150は、Y軸方向に対して非直線状に湾曲又は折れ曲がっていればよい。
また、以上では、導電ストリップ150がY軸方向に対して非直線状に湾曲又は折れ曲がっている形態について説明したが、導電ストリップ150がY軸方向に直線状に伸延している状態でも、近接場における十分な電界強度が得られる場合は、導電ストリップ150がY軸方向に直線状に伸延していてもよい。
次に、図8を用いて、実施の形態1のアンテナ装置100を用いたシェルフアンテナシステムについて説明する。
図8は、実施の形態1のアンテナ装置100を用いたシェルフアンテナシステムを示す図である。図8に示すシェルフアンテナシステムでは、4つのアンテナ装置100はリーダライタ500に接続されるとともに、4段の棚501の各々段に設置されている。アンテナ装置100は近接界での通信が可能であるため、読み取り可能な範囲502は、それぞれ、棚501の各段に形成される。
このようなシェルフアンテナシステムにおいて、4つのアンテナ装置100の上にRFIDタグを取り付けた物品を置いておき、各物品のRFIDタグをリーダライタ500で読み取っている状態で、物品が棚501から持ち出された場合に、当該物品のRFIDタグが読み取れなくなることにより、棚501から持ち出された物品を特定することができる。棚501に置かれた物品のRFIDタグは、読み取り可能な範囲502から外れると、リーダライタ500で読み取れなくなる。
<実施の形態2>
図9は、実施の形態2のアンテナ装置200を示す斜視図である。図10は、実施の形態2のアンテナ装置200を示す平面図である。実施の形態2のアンテナ装置200は、実施の形態1のアンテナ装置100のミアンダ導電線140と導電ストリップ150の構成を変更したものである。
このため、実施の形態1のアンテナ装置100と同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。なお、図10には、主な寸法を記す。
アンテナ装置200は、誘電体層110、120、グランドプレーン130、ミアンダ導電線240、及び導電ストリップ250を含む。なお、導電ストリップ250は11個あり、各々を区別する場合には、導電ストリップ250A1、250A2、250B1、250B2、250C1、250C2、250D1、250D2、250E1、250E2、250E3と称す。区別しない場合には、導電ストリップ250と称す。
ミアンダ導電線240は、実施の形態1のミアンダ導電線140を丸く折れ曲がるように形状を変更するとともに、接地点143Aを開放端243Aに変更したものである。
ミアンダ導電線240は、誘電体層110の上面に配設される。ミアンダ導電線240は、導電線の一例である。ミアンダ導電線140は、グランドプレーン130とマイクロストリップラインを構築し、マイクロストリップアンテナとして機能する。
ミアンダ導電線240は、直線部241、ミアンダ部242、及び調整部243を有する。直線部241は、X軸方向に伸延しており、実施の形態1のX軸負方向側の端部は、ミアンダ導電線240の一端であり、給電点241Aになっている。これは、実施の形態1の直線部141と同様である。直線部241の長さは60mmである。
10個のミアンダ部242は、実施の形態1の10個のミアンダ部142と同様に、直線部241と調整部243との間で直列に接続されている。10個のミアンダ部242は同様の構成を有するため、ミアンダ部242については図11を用いて説明する。また、調整部243については図12を用いて説明する。
図11は、実施の形態2のミアンダ部242を示す図である。図11には、一例として、導電ストリップ250B1と250B2の間に位置するミアンダ部242を示す。
ミアンダ部242は、線部242A、242B、242C、242D、242E、242F、242Gを有する。線部242A、242B、242C、242D、242E、242F、242Gは、図11に示すように、互いの接続部が平面視で円弧状に丸く湾曲した形状になっている。
線部242A、242B、242C、242D、242E、242F、242Gの幅は、直線状の部分と湾曲した部分とで等しく、例えば、3mmである。また、湾曲する部分の曲率半径は、例えば、9mmである。曲率半径は、湾曲度合の一例である。その他、線部242A、242B、242C、242D、242E、242F、242Gは、一例として、図11に示すような寸法(単位はmm)を有する。
ミアンダ部242が導電ストリップ250B1と交差する一端から、導電ストリップ250B2と交差する他端までの線路長は、共振周波数における波長の1波長の長さ(λ)に対応する長さに設定される。なお、導電ストリップ250B1と250B2との間隔は、63mmである。
図12は、実施の形態2の調整部243を示す図である。
調整部243の一端は、給電点241Aから最も遠いミアンダ部242の他端に接続され、他端は開放端243Aとなる。開放端243Aは、開放されており、電気的には何にも接続されていない。
調整部243は、一端からX軸正方向側に伸延してから平面視で円弧状に丸く湾曲してY軸正方向側に伸延し、平面視で円弧状に丸く湾曲してY軸負方向側に伸延し、さらに、平面視で円弧状に丸く湾曲してX軸正方向側に伸延して開放端243Aに至っている。
調整部243の一端から他端までの長さは、共振周波数における波長の半波長の長さ(λ/2)に対応する長さに設定される。調整部243の幅は、一端から他端まで等しく、例えば、3mmである。また、調整部243は、図12に示すような各部の寸法(単位はmm)を有する。
開放端243Aを有する調整部243の線路長が共振周波数における波長の半波長の長さ(λ/2)に対応する長さであるため、給電点241Aからミアンダ導電線240に給電を行うと、ミアンダ導電線240に流れる電流が開放端で反射されることにより、ミアンダ導電線240には電流の定在波が生じる。
定在波の節は、開放端243Aからλ/2、λ、3λ/2、2λ、5λ/2、3λ、7λ/2、4λ、9λ/2、5λ、11λ/2に対応する位置に生じる。これらの長さは、半波長に整数を乗じることによって得られる。
すなわち、定在波の節は、直線部241及びミアンダ部242の境界と、10個のミアンダ部242の間の9つの境界と、ミアンダ部242及び調整部243の境界との11箇所に生じる。
電流の定在波の節は、電流値がゼロになり、電界が最大値になる点である。実施の形態2のアンテナ装置200では、ミアンダ導電線240と導電ストリップ250とを電磁結合させ、かつ、導電ストリップ250が発生する電界が最大になるようにするために、ミアンダ導電線240の電流の節になる位置で、ミアンダ導電線240と導電ストリップ250とを誘電体層120を介して交差させている。
以上のようなミアンダ導電線240を含むマイクロストリップアンテナは、上面側から漏れる漏れ電界により、近接界での通信が可能になる。
また、図9に示す11個の導電ストリップ250は、それぞれ、図3に示す導電ストリップ150と同様に、3つの直線部を有するが、実施の形態2の11個の導電ストリップ250の長さと角度θは、実施の形態1の11個の導電ストリップ150の長さと角度θとは異なる。
ここで、導電ストリップ250A1、250A2、250B1、250B2、250C1、250C2、250D1、250D2、250E1、250E2、250E3の長さをそれぞれ、L21、L22、L23、L24、L25、L26、L27、L28、L29、L30、L31とする。
また、導電ストリップ250A1、250A2、250B1、250B2、250C1、250C2、250D1、250D2、250E1、250E2、250E3に含まれる直線部同士がなす角度θをそれぞれ、θ21、θ22、θ23、θ24、θ25、θ26、θ27、θ28、θ29、θ30、θ31とする。
長さL21とL22は、ともに173mmである。長さL23、L24は、ともに175mmである。長さL25、L26は、ともに177mmである。長さL27、L28は、ともに175mmである。長さL29、L30、L31は、すべて173mmである。
すなわち、実施の形態2のアンテナ装置200では、X軸方向における中央部に配設される導電ストリップ250C1と250C2の長さL25、L26が最も長い。また、X軸方向における両端部に配設される導電ストリップ250A1、250A2、250E1、250E2、250E3の長さL21、L22、L29、L30、L31の長さが最も短い。
なお、長さL21、L22、L23、L24、L25、L26、L27、L28、L29、L30、L31は、共振周波数における波長の1波長(λ)に対応する長さである。
また、角度θ21とθ22は、ともに30°である。角度θ23とθ24は、ともに35°である。角度θ25とθ26は、ともに40°である。角度θ27とθ28は、ともに45°である。角度θ29、θ30、θ31は、すべて50°である。
すなわち、導電ストリップ250A1、250A2、250B1、250B2、250C1、250C2、250D1、250D2、250E1、250E2、250E3の角度θ21〜θ31は、給電部241Aに近いほど小さく、開放端243Aに近いほど大きくすることが良いことが分かった。
このような長さL21〜L31と角度θ21〜θ31は、有限要素法による電磁界シミュレーションによって導出した最適値である。
ここで、導電ストリップ250A1から250E3の長さL21〜L31を上述のように異なる値に設定したことの効果を検証するために、長さL21〜L31をすべて186mmで一定にした比較用のアンテナ装置のS11パラメータをシミュレーションで求め、実施の形態2のアンテナ装置200について求めたS11パラメータと比較した。
図13は、実施の形態2のアンテナ装置200のS11パラメータと、比較用のアンテナ装置のS11パラメータとの周波数特性を示す図である。
図13において、実線は、アンテナ装置200によって得られるS11パラメータの周波数特性を示す。また、破線は、比較用のアンテナ装置において、11個の導電ストリップ250A1から250E3の長さL21〜L31をすべて同一(186mm)にした場合のS11パラメータの周波数特性を示す。
なお、アンテナ装置200と比較用のアンテナ装置のS11パラメータは、約935MHzにおけるS11パラメータの値が略揃うように条件を揃えて求めた。また、S11パラメータは、−10dBを判断基準とした。
図13に示すように、アンテナ装置200のS11パラメータは、比較用のアンテナ装置のS11パラメータよりも、−10dB以下の値が得られる帯域が広がっていることが分かる。
以上より、導電ストリップ250A1から250E3の長さL21〜L31を上述のように異なる値に設定すると、帯域が広がることが分かった。
また、次に、アンテナ装置200の給電部241Aに入力する入力信号の位相φを変化させた場合におけるアンテナ装置200の誘電体層110の上面から400mm上方の位置における電界ベクトルをシミュレーションで求めた。
図14乃至図16は、アンテナ装置200の電界ベクトルを示すシミュレーション結果である。図14乃至図16には、給電部241Aからアンテナ装置200に入力する電力の周波数をそれぞれ919MHz、910MHz、930MHzにした場合の電界ベクトルを示す。
また、図14乃至図16には、それぞれ、アンテナ装置200の給電部241Aに入力する入力信号の位相φを0°、40°、80°、120°、160°に変化させた場合の5種類の電界ベクトルの分布及び向きを示す。入力信号の位相φは、周波数が919MHz、910MHz、930MHzの場合における1周期(360°)のうちの位相を表す。
なお、実際のシミュレーション結果はカラーで電界の強度を示し、0(V/m)の電界Eが青(凡例の下端参照)で表され、5(V/m)の電界Eが赤(凡例の上端参照)で表されるが、図14乃至図16では電界の強度を無彩色で示すため、5(V/m)の電界Eと0(V/m)の電界Eとを色だけで区別することはできない。
しかしながら、実際のシミュレーション結果で赤く示される強い電界Eは、平面視でアンテナ装置200の中心部に位置し、青く示される弱い電界は、平面視でアンテナ装置200の外周部に位置する。
このため、図14乃至図16では、実際のシミュレーション結果で赤く示される強い電界Eが位置する中心部に、大きな矢印で強い電界の主な方向を示す。
図14に示すように、アンテナ装置200の給電部241Aに入力する919MHzの入力信号の位相φが0°のときは、アンテナ装置200の中心部に表れる強い電界の向きはX軸負方向である。
また、給電部241Aに入力する919MHzの入力信号の位相φを40°、80°、120°、160°に変化させると、強い電界の向きは、反時計回りに変化し、位相φが160°のときは、強い電界の向きは略X軸正方向である。
これは、入力信号の位相φが変化するにつれて、アンテナ装置200の表面に生じる電界の向きが円偏波のように回転することを意味する。
このような傾向は、図15及び図16に示すように、アンテナ装置200の給電部241Aに910MHz、930MHzの入力信号を入力した場合にも同様である。
従って、実施の形態2によれば、入力信号の位相φが変化するにつれて、919MHz、910MHz、930MHzの周波数で、電界の向きが円偏波のように回転するアンテナ装置200を提供することができる。
このようにアンテナ装置200の表面に生じる電界の向きが入力信号の位相φに応じて変わるので、例えば、図8に示すように、アンテナ装置200を棚501に設置し、アンテナ装置200の上にRFIDタグを取り付けた物品がどのような向きで配置されても、RFIDタグの識別情報を読み取ることができる。
従って、実施の形態2によれば、ミアンダ導電線240とグランドプレーン130とを含むマイクロストリップアンテナに、共振器として機能する導電ストリップ250を電磁結合させることにより、近接場において十分な均一性と強度を有する電界を形成できるアンテナ装置200を提供することができる。
なお、図13乃至図16に示すようなシミュレーション結果は、実施の形態2のアンテナ装置200について求めたものであるが、実施の形態1のアンテナ装置100においても同様の結果を求められることが推察される。
以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置について説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
平面視で矩形状の第1誘電体層と、
前記第1誘電体層の第1面に配設されるグランドプレーンと、
給電点になる一端と、前記グランドプレーンに接続される接地端、又は、開放端になる他端とを有し、前記第1誘電体層の第2面に配設される導電線と、
前記第1誘電体層に対応した形状を有し、前記第1誘電体層との間に前記導電線を挟んだ状態で、前記第1誘電体層の前記第2面に重ねて配設される第2誘電体層と、
前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第1の節に対応する第1位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第1導電エレメントと、
前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第2の節に対応する第2位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第2導電エレメントと
を含み、
前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、平面視で前記導電線と交差する第1位置及び第2位置に対して、平面視で前記給電点に向かって湾曲しており、又は、折れ曲がっており、
前記第1導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さは、前記第2導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さとは異なる、アンテナ装置。
(付記2)
前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、前記導電線と電磁結合しており、共振器を構築する、付記1記載のアンテナ装置。
(付記3)
前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントの長さは、共振周波数における波長の1波長の長さに対応する、付記1又は2記載のアンテナ装置。
(付記4)
前記導電線の前記他端が前記開放端である場合に、前記導電線に流れる電流の定在波の前記第1の節及び前記第2の節に対応する前記第1位置及び前記第2位置は、前記導電線の前記他端からの前記導電線の長さが共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さに対応する位置である、付記1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記5)
前記半波長の整数倍の長さは、前記半波長の奇数倍の長さである、付記4記載のアンテナ装置。
(付記6)
前記導電線の前記他端が前記接地端である場合に、前記導電線に流れる電流の定在波の前記第1の節及び前記第2の節に対応する前記第1位置及び前記第2位置は、前記導電線の前記他端からの前記導電線の長さが共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さに対応する位置である、付記1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記7)
前記共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さは、前記半波長の奇数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さである、付記6記載のアンテナ装置。
(付記8)
前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、平面視で前記第1位置及び前記第2位置から前記導電線と交差する方向に伸延する第1線部と、前記第1線部の両端に接続され、前記第1線部の伸延方向とは異なる方向に伸延する一対の第2線部とを有する、付記1乃至7のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記9)
前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、前記第2線部の先端に接続される第3線部をさらに有する、付記8記載のアンテナ装置。
(付記10)
前記第2線部は、前記第1線部に接続される接続部から先端部に伸延する方向において平面視で角度が広がるテーパ状に形成される、付記8又は9記載のアンテナ装置。
(付記11)
前記導電線は、前記給電点と前記導電線の前記他端との間で平面視でミアンダ状の形状を有する、付記1乃至10のいずれか一項記載のアンテナ装置。
(付記12)
前記ミアンダ状の形状は、ミアンダの折れ曲がり部が丸く折れ曲がったミアンダ形状である、付記11記載のアンテナ装置。
100 アンテナ装置
110 誘電体層
120 誘電体層
130 グランドプレーン
140 ミアンダ導電線
141A 給電点
143A 接地点
150、150A1、150A2、150B1、150B2、150C1、150C2、150D1、150D2、150E1、150E2、150E3 導電ストリップ
200 アンテナ装置
240 ミアンダ導電線
241A 給電点
243A 開放端
250、250A1、250A2、250B1、250B2、250C1、250C2、250D1、250D2、250E1、250E2、250E3 導電ストリップ

Claims (12)

  1. 平面視で矩形状の第1誘電体層と、
    前記第1誘電体層の第1面に配設されるグランドプレーンと、
    給電点になる一端と、前記グランドプレーンに接続される接地端、又は、開放端になる他端とを有し、前記第1誘電体層の第2面に配設される導電線と、
    前記第1誘電体層に対応した形状を有し、前記第1誘電体層との間に前記導電線を挟んだ状態で、前記第1誘電体層の前記第2面に重ねて配設される第2誘電体層と、
    前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第1の節に対応する第1位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第1導電エレメントと、
    前記第2誘電体層の前記第1誘電体層に重ねられる第1面とは反対の第2面において、前記導電線に流れる電流の定在波の第2の節に対応する第2位置で、平面視で前記導電線と交差するように配設される第2導電エレメントと
    を含み、
    前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、平面視で前記導電線と交差する第1位置及び第2位置に対して、平面視で前記給電点に向かって湾曲しており、又は、折れ曲がっており、
    前記第1導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さは、前記第2導電エレメントの湾曲度合、折れ曲がり度合、又は長さとは異なる、アンテナ装置。
  2. 前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、前記導電線と電磁結合しており、共振器を構築する、請求項1記載のアンテナ装置。
  3. 前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントの長さは、共振周波数における波長の1波長の長さに対応する、請求項1又は2記載のアンテナ装置。
  4. 前記導電線の前記他端が前記開放端である場合に、前記導電線に流れる電流の定在波の前記第1の節及び前記第2の節に対応する前記第1位置及び前記第2位置は、前記導電線の前記他端からの前記導電線の長さが共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さに対応する位置である、請求項1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  5. 前記半波長の整数倍の長さは、前記半波長の奇数倍の長さである、請求項4記載のアンテナ装置。
  6. 前記導電線の前記他端が前記接地端である場合に、前記導電線に流れる電流の定在波の前記第1の節及び前記第2の節に対応する前記第1位置及び前記第2位置は、前記導電線の前記他端からの前記導電線の長さが共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さに対応する位置である、請求項1乃至3のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  7. 前記共振周波数における波長の半波長の整数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さは、前記半波長の奇数倍の長さから、四分の一波長の長さを減じた長さである、請求項6記載のアンテナ装置。
  8. 前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、平面視で前記第1位置及び前記第2位置から前記導電線と交差する方向に伸延する第1線部と、前記第1線部の両端に接続され、前記第1線部の伸延方向とは異なる方向に伸延する一対の第2線部とを有する、請求項1乃至7のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  9. 前記第1導電エレメント及び前記第2導電エレメントは、それぞれ、前記第2線部の先端に接続される第3線部をさらに有する、請求項8記載のアンテナ装置。
  10. 前記第2線部は、前記第1線部に接続される接続部から先端部に伸延する方向において平面視で角度が広がるテーパ状に形成される、請求項8又は9記載のアンテナ装置。
  11. 前記導電線は、前記給電点と前記導電線の前記他端との間で平面視でミアンダ状の形状を有する、請求項1乃至10のいずれか一項記載のアンテナ装置。
  12. 前記ミアンダ状の形状は、ミアンダの折れ曲がり部が丸く折れ曲がったミアンダ形状である、請求項11記載のアンテナ装置。
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