JP6270978B2 - ループアンテナアレイ - Google Patents

Description

本発明は、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成できるループアンテナアレイに関する。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信(エリア限定無線)に対するニーズが高まっている。例えば、下記の特許文献１に開示された「電界通信システム」は、エリア限定無線を実現するための一手段である。

特開２００７−１７４５７０号公報

電界通信では、環境に設置されたアクセスポイント装置の近傍のエリアに存在する端末装置だけが、アクセスポイント装置との通信を行うことができる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は設置環境やユーザの姿勢などに大きく依存するため、電界によって直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を実現することが困難であった。したがって、通信すべき位置に存在している端末装置が通信できなかったり、その逆のケースも生じたり、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができなかった。

このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は周囲に存在する導体や誘電体の影響を強く受けるためである。

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、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成できるループアンテナアレイを提供することにある。

上記の課題を解決するために、本発明のループアンテナアレイは、互いに逆方向の電流が流れる２つのループアンテナを備え、前記２つのループアンテナの中心間の直線距離は、前記中心間の中点からループアンテナを貫通する方向に離れた点を通り端末装置が通信を行うことが可能な磁界強度の等高線による通信エリア境界までの距離の２倍未満であり、前記２つのループアンテナは、同一形状であり、前記２つのループアンテナの中心の位置は、異なる。

本発明のループアンテナアレイによれば、互いに逆方向の電流が流れる２つのループアンテナを備えるので、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

第１の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。 図１のループアンテナアレイが形成する磁界エリアを示す図である。 第２の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。 図３のループアンテナアレイが形成する磁界エリアを示す図である。 第２の実施の形態の変形例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 第３の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。 各実施の形態のループアンテナアレイにおける作用を示す説明図である。 本実施の形態のループアンテナアレイの比較例であるループアンテナを示す図である。 図８に示すループアンテナが形成する磁界エリアを示す図である。

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。

本実施の形態のループアンテナアレイは、磁界アンテナである。例えば、低周波(およそ１０ＭＨｚ以下)磁界は、人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。したがって、課題を解決する一つの手段として、通信媒体として低周波磁界を用いることが考えられる。そして、通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような、「シャープな磁界分布」を創り出すことができれば、信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することが可能である。

しかし、一般的に磁界エリアの形成に使用されている、巻数が１のループアンテナ(図８)では、磁界の減衰率が６０ｄＢ／ｄｅｃとなるうえに、図９に示すように、形成する磁界エリアの形状が曲面になってしまう。このため、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成することが困難である。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。図２は、図１のループアンテナアレイが形成する磁界エリアを示す図である。

図１に示すように、ループアンテナアレイは、２つのループアンテナ１、２を備える。各ループアンテナ１、２は、導体をループ状に形成したものであり、例えば、図示しない基板（同一平面）上に形成される。各ループアンテナ１、２は、例えば、同一形状（円）であり、ループアンテナに囲まれたエリアの面積は同一であり、巻数は共に１である。

ループアンテナ１、２は、例えば、連続した導線ＬＮで形成される。導線ＬＮの一方端である＋端子は、交流電源Ｅの信号端子に接続され、導線ＬＮの他方端である−端子は、交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。

ループアンテナ１、２には、互いに逆方向の電流が流れる。つまり、各ループアンテナ１、２を貫通する方向（ｚ方向）に見て、交流電源Ｅの信号端子がプラス電圧のタイミングでは、ループアンテナ１に時計回りの電流が流れ、ループアンテナ２には反時計回りの電流が流れる。逆に、交流電源Ｅの信号端子がマイナス電圧のタイミングでは、ループアンテナ１に反時計回りの電流が流れ、ループアンテナ２には時計回りの電流が流れる。

なお、各ループアンテナ１、２に＋端子と−端子を設け、すなわち、連続した導線で形成せず、ループアンテナ１の＋端子とループアンテナ２の−端子を交流電源Ｅの信号端子に接続し、ループアンテナ１の−端子とループアンテナ２の＋端子を交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続することで、互いに逆方向の電流が流れるようにしてもよい。

または、各ループアンテナ１、２に＋端子と−端子を設けるとともに、２つの交流電源を設け、ループアンテナ１の＋端子と−端子をそれぞれ一方の交流電源の信号端子とＧＮＤ端子に接続し、ループアンテナ２の＋端子と−端子をそれぞれ他方の交流電源の信号端子とＧＮＤ端子に接続することで、互いに逆方向の電流が流れるようにしてもよい。この場合、一方の交流電源の信号端子がプラス電圧のとき、他方の交流電源の信号端子がマイナス電圧となるように同期をとればよい。

図２に示すように、２つのループアンテナから構成されるループアンテナアレイでは、単一のループアンテナの場合（図９）に比べて通信エリアの境界を平坦化できる。

好ましくは、ループアンテナ１の中心１ｃとループアンテナ２の中心２ｃとを結ぶ中心間直線分Ｌの中点ＰＬからループアンテナを貫通する方向（ｚ方向）に所定の距離ａだけ離れた点Ｐａを通る磁界強度の等高線が中心間直線分Ｌに交差しないとの条件がある場合において、中心間直線分Ｌの長さ（中心１ｃ、２ｃ間の距離）をｄとすると、ｄ／２＜ａになっている。つまり、ｄはａの２倍未満（ｄ＜２ａ）になっている。

図２に示すように、中点ＰＬからｚ方向に所定の距離ｄ／２（＜ａ）だけ離れた点Ｐａ’を通る磁界強度の等高線は中心間直線分Ｌに交差しない。よって、ｄ＜２ａとすることで、点Ｐａ’よりも中点ＰＬから遠い点Ｐａを通る磁界強度の等高線が中心間直線分Ｌに交差しないとの条件を必ず満たすことができる。

点Ｐａを通る磁界強度の等高線は、中心間直線分Ｌにほぼ平行な部分を有する。すなわち、この平行な磁界強度の等高線の部分は、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界として使用できる。

一般に、ループアンテナが遠方に生成する磁界の振幅は、磁気双極子モーメントベクトルｍの大きさに比例する。ｍは次式で与えられる。

ｍ＝Ｎ・Ｉ・Ｓ
Ｎはループアンテナの巻数、Ｉはループアンテナを流れる電流値で、Ｓはループアンテナに囲まれたエリアの面積であり、ｍ（ベクトル）の方向は、電流の回転方向に対して右ネジの方向である。

第１の実施の形態では、逆方向に電流が流れるので、例えば、各ループアンテナ１、２の形状、面積、巻数を同一とすれば、向きを考慮したｍの総和がゼロとなる。

すなわち、図７に示すように、第１の実施の形態のループアンテナアレイは、巻数が１のループアンテナ（減衰率は６０ｄＢ／ｄｅｃ）を逆向きに並べて得た４重極子とみなすことができ、その磁界の減衰率は８０ｄＢ／ｄｅｃとなる。

すなわち、第１の実施の形態によれば、巻数が１のループアンテナよりシャープな磁界エリア（通信エリア）を形成できる。

なお、磁界エリアの形状は、ループアンテナの形状には依存せず、よって形状は、円形でなく、正方形、長方形、楕円形、扇形、三角形、半円形、螺旋形、弦巻線形でもよい。ただし、形状はこれらに限定されない。形状は、電流を流した際に磁気双極子モーメントベクトルが形成されるものであればよい。

また、巻数は１に限らない。また、各ループアンテナ１、２のＮ×Ｓ (巻数×面積)を等しくし、形状は異ならせてもよい。

[第２の実施の形態]
図３は、第２の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。図４は、図３のループアンテナアレイが形成する磁界エリアを示す図である。

第２の実施の形態のループアンテナアレイは、第１の実施の形態のループアンテナアレイ（図１）を複数（２個）備える。つまり、ループアンテナ１、２をそれぞれ２個備える。全てのループアンテナは同一平面上に配置されている。便宜上、一方のループアンテナ１をループアンテナ３、一方のループアンテナ２をループアンテナ４という。

ループアンテナアレイでは、ループアンテナの総数が２のｎ乗（ｎ＝２）＝４となっている。

また、全てのループアンテナ１〜４の中心が同一直線分ＬＬ上に配置されている。

また、２の（ｎ−１）乗個（＝２個）のループアンテナのまとまりを単位ループアンテナアレイとした場合、ループアンテナ１、２が１つの単位ループアンテナアレイＡを構成し、ループアンテナ３、４が他の１つの単位ループアンテナアレイＢを構成する。

一方の単位ループアンテナアレイＡにおいて同一直線分ＬＬの一方端側（例えば、図面の左側）に位置するループアンテナ１に流れる電流の方向と他方の単位ループアンテナアレイＢにおいて前記一方端側（例えば、図面の左側）に位置するループアンテナ３に流れる電流の方向とが互いに逆である。

第２の実施の形態のループアンテナアレイは、第１の実施の形態のループアンテナアレイを複数備え、好ましくは、各ループアンテナアレイでは、ｄ＜２ａになっている（図２参照）ので、同一直線分ＬＬから距離ａだけ離れた磁界強度の等高線は同一直線分ＬＬにほぼ平行な部分を有する。すなわち、この平行な磁界強度の等高線の部分は、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界として使用できる。

第２の実施の形態では、電流の向きを上記のようにしたので、例えば、各ループアンテナ１〜４の形状、面積、巻数を同一とすれば、向きを考慮したｍの総和がゼロとなる。

すなわち、図７に示すように、第２の実施の形態のループアンテナアレイは、４重極子を逆向きに並べて得た８重極子とみなすことができ、その磁界の減衰率は１００ｄＢ／ｄｅｃとなる。

すなわち、第２の実施の形態によれば、第１の実施の形態よりシャープな磁界エリア（通信エリア）を形成できる。

なお、第２の実施の形態においても、ループアンテナの形状は円形に限らない。ループアンテナごと、単位ループアンテナアレイごとに異なっていてもよい。巻き数は１に限らない。ループアンテナ１、２が連続した導線で形成されていなくてもよい。また、ループアンテナ２、３が連続した導線で形成されていてもよい。すなわち、異なるループアンテナアレイであっても、隣り合うループアンテナの組が連続した導線で形成されていてもよい。

また、図５に示すように、ループアンテナ１〜４が連続した導線で形成されていてもよい。

[第３の実施の形態]
図６は、第３の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。

第３の実施の形態のループアンテナアレイは、第１の実施の形態のループアンテナアレイ（図１）を複数（４個）備える。つまり、ループアンテナ１、２をそれぞれ４個備える。全てのループアンテナは同一平面上に配置されている。便宜上、１つループアンテナ１以外のループアンテナ１をループアンテナ３、５、７といい、１つのループアンテナ２以外のループアンテナ２をループアンテナ４、６、８という。

ループアンテナアレイでは、ループアンテナの総数が２のｎ乗（ｎ＝３）＝８となっている。

また、全てのループアンテナ１〜４の中心が同一直線分（図示せず）上に配置されている。

また、２の（ｎ−１）乗個（＝４個）のループアンテナのまとまりを単位ループアンテナアレイとした場合、ループアンテナ１〜４が１つの単位ループアンテナアレイＡＢを構成し、ループアンテナ５〜８が他の１つの単位ループアンテナアレイＣＤを構成する。

一方の単位ループアンテナアレイＡＢにおいて同一直線分ＬＬの一方端側（例えば、図面の左側）に位置するループアンテナ１に流れる電流の方向と他方の単位ループアンテナアレイＣＤにおいて前記一方端側（例えば、図面の左側）に位置するループアンテナ５に流れる電流の方向とが互いに逆である。

第３の実施の形態のループアンテナアレイは、第１の実施の形態のループアンテナアレイを複数備え、好ましくは、各ループアンテナアレイでは、ｄ／２＜ａ（ｄ＜２ａ）になっている（図２参照）ので、各ループアンテナの中心を通る同一直線分から距離ａだけ離れた磁界強度の等高線は同一直線分にほぼ平行な部分を有する。すなわち、この平行な磁界強度の等高線の部分は、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界として使用できる。

第３の実施の形態では、電流の向きを上記のようにしたので、例えば、各ループアンテナ１〜８の形状、面積、巻数を同一とすれば、向きを考慮したｍの総和がゼロとなる。

すなわち、図７に示すように、第３の実施の形態のループアンテナアレイは、８重極子を逆向きに並べて得た１６重極子とみなすことができ、その磁界の減衰率は１２０ｄＢ／ｄｅｃとなる。

すなわち、第３の実施の形態によれば、第２の実施の形態よりシャープな磁界エリア（通信エリア）を形成できる。

なお、第３の実施の形態においても、ループアンテナの形状は円形に限らない。ループアンテナごと、単位ループアンテナアレイごとに異なっていてもよい。巻き数は１に限らない。また、ループアンテナ２、３の組、ループアンテナ４、５の組、ループアンテナ６、７の組のいずれか１組以上について、各組が連続した導線で形成されていてもよい。すなわち、異なるループアンテナアレイであっても、隣り合うループアンテナの組が連続した導線で形成されていてもよい。また、ループアンテナ１〜８が連続した導線で形成されていてもよい。

また、図７に示すように、ｎ（＝ｋ）は４以上としてもよい。ｋは４以上とし、ループアンテナを直線状に並べることにより、２の（ｋ＋１）乗重極子が形成され、２０（ｋ＋３）ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることが可能となる。つまり、ｎ（＝ｋ）が大きいほどシャープな磁界エリア（通信エリア）を形成できる。

１〜８ ループアンテナ
Ａ、Ｂ、ＡＢ、ＣＤ 単位ループアンテナアレイ

Claims (5)

1. 互いに逆方向の電流が流れる２つのループアンテナを備え、
   前記２つのループアンテナの中心間の直線距離は、前記中心間の中点からループアンテナを貫通する方向に離れた点を通り端末装置が通信を行うことが可能な磁界強度の等高線による通信エリア境界までの距離の２倍未満であり、
   前記２つのループアンテナは、同一形状であり、前記２つのループアンテナの中心の位置は、異なることを特徴とするループアンテナアレイ。
2. 前記２つのループアンテナは、同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナアレイ。
3. 前記２つのループアンテナは、磁気モーメントの総和がゼロであることを特徴とする請求項１又は２に記載のループアンテナアレイ。
4. 前記ループアンテナアレイは、正方形、円形、長方形、楕円形、扇形、三角形、半円形、螺旋形、弦巻線形のいずれかであることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載のループアンテナアレイ。
5. 隣り合う前記２つのループアンテナからなるループアンテナアレイにおいて、一方のループアンテナと他方のループアンテナが連続した導線で形成されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれかに記載のループアンテナアレイ。

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