WO2009110382A1 - 複合アンテナ - Google Patents

Abstract

　遠距離での通信が可能であるとともに近距離での通信にも使用でき、放射特性及び通信性能が良好な複合アンテナを得る。 　長尺状のダイポール型アンテナ（１５）と、一対の対向する端部（２６ａ），（２６ｂ）を有する環状アンテナ（２５）と、環状アンテナ（２５）を流れる電流の振幅が最大となる点とダイポール型アンテナ（１５）とを接続する接続部（２７）とを備えた複合アンテナ。ダイポール型アンテナ（１５）は電界を利用して遠距離での通信が可能であり、環状アンテナ（２５）は磁界を利用して近距離での通信が可能である。この複合アンテナは、環状アンテナ（２５）の端部（２６ａ），（２６ｂ）に無線ＩＣあるいは無線ＩＣを含む高周波モジュールが結合され、ＲＦＩＤシステムにおける無線ＩＣデバイスとして用いられる。

Description

複合アンテナ

　本発明は、複合アンテナ、特に、ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）システムに好適に用いることのできる複合アンテナに関する。

　従来、物品の管理システムとして、誘導電磁界を発生するリーダライタと物品や容器などに付された所定の情報を記憶したＩＣチップ（ＩＣタグ、無線ＩＣチップとも称する）とを非接触方式で通信し、情報を伝達するＲＦＩＤシステムが開発されている。ＩＣチップはアンテナと接続されることによりリーダライタとの通信が可能になる。

　ＩＣチップを搭載するためのタグアンテナとしては、従来、特許文献１に記載されているものが知られている。このタグアンテナは、インダクタンス部とダイポール型アンテナとを備え、ダイポール型アンテナの両端には幅広部が設けられ、該幅広部の波長短縮効果によりダイポール型アンテナの長さを１／２波長よりも短くしている。また、インダクタンス部は給電部の両側に形成されるダイポール型アンテナのそれぞれに接続されている。このインダクタンス部により、アンテナと給電部に配置される無線ＩＣとのインピーダンスを調整している。

　ところで、無線タグは、通常では遠距離での通信で情報を交換するが、特定の情報は近距離で通信できることが好ましい場合がある。複数の無線タグがリーダライタの近傍に配置されている場合、異なる複数の無線タグとの通信が同時に成立することが好ましい。しかし、前記タグアンテナでは、ダイポール型アンテナが一般的に通信距離が長い電界型アンテナとして機能するので、近距離での通信には支障が生じる。また、ダイポール型アンテナにおいては、通信距離などの使用状況により、電界強度がゼロになる点、いわゆるヌル点が発生し、安定した通信ができないという問題点も有していた。
特開２００６－２９５８７９号公報

　そこで、本発明の目的は、遠距離での通信が可能であるとともに近距離での通信にも使用でき、放射特性及び通信性能が良好な複合アンテナを提供することにある。

　前記目的を達成するため、本発明の一形態である複合アンテナは、
　長尺状のダイポール型アンテナと、
　少なくとも一対の対向する端部を有する環状アンテナと、
　前記環状アンテナを流れる電流の振幅が最大となる点と前記ダイポール型アンテナとを接続する接続部と、
　を備えたことを特徴とする。

　前記複合アンテナにおいて、ダイポール型アンテナは電界を利用して遠距離での通信が可能であり、環状アンテナは磁界を利用して近距離での通信が可能である。また、環状アンテナとダイポール型アンテナとは、環状アンテナを流れる電流の振幅が最大となる点でダイポール型アンテナと接続されているため、両者の結合度が高く、放射特性及び通信性能が向上する。

　本発明に係る複合アンテナによれば、ダイポール型アンテナにて遠距離での通信が可能であるとともに環状アンテナにて近距離での通信が可能になり、かつ、二つのアンテナを使用することにより通信性能を安定化することができるとともに、両者の結合度も高くできるために放射特性及び通信性能が良好である。

（Ａ）は第１実施例である複合アンテナを示す平面図、（Ｂ）は電界と磁界の発生状態を示す説明図。 第１実施例である複合アンテナにおいて接続部の変形例を示す平面図。 第１実施例である複合アンテナの放射利得の周波数特性を示すグラフ。 第１実施例である複合アンテナの変形例を示す平面図。 第２実施例である複合アンテナを示す平面図。 第３実施例である複合アンテナを示す平面図。 第４実施例である複合アンテナを示す平面図。 第５実施例である複合アンテナを示す平面図。 第６実施例である複合アンテナを示す平面図。 第７実施例である複合アンテナを示す平面図。 第８実施例である複合アンテナを示す平面図。

符号の説明

　１Ａ～１Ｈ…複合アンテナ
　１５…ダイポール型アンテナ
　１６ａ，１６ｂ…端部
　１７ａ，１７ｂ…幅広部
　１８ａ，１８ｂ…空隙
　２０…基材
　２５…環状アンテナ
　２６ａ，２６ｂ…端部
　２７，３７…接続部

　以下、本発明に係る複合アンテナの実施例について添付図面を参照して説明する。なお、各図において、共通する部品、部分には同じ符号を付し、重複する説明は省略する。

　（第１実施例、図１～図３参照）
　図１（Ａ）に本発明の第１実施例である複合アンテナ１Ａを示す。この複合アンテナ１Ａは、ＰＥＴフィルムなどの基材２０上に形成した長尺状のダイポール型アンテナ１５と環状アンテナ２５にて構成されている。

　ダイポール型アンテナ１５と環状アンテナ２５は、アルミ箔、銅箔などの導電材からなる金属薄板を基材２０上に貼着してパターニングしたり、あるいは、基材２０上にＡｌ、Ｃｕ、Ａｇなどの導電性ペーストを塗布したり、めっき処理により設けた膜をパターニングすることにより形成される。

　環状アンテナ２５は、一対の対向する端部２６ａ，２６ｂを有し、その一部はダイポール型アンテナ１５と接続部２７を介して電気的に導通するように接続されている。環状アンテナ２５の端部２６ａ，２６ｂには図示しない無線ＩＣあるいは無線ＩＣを搭載しかつ給電回路（共振回路／整合回路）を備えた高周波モジュールが搭載され、リーダライタと無線通信が可能な無線ＩＣデバイスとして構成される。

　環状アンテナ２５と結合される図示しない無線ＩＣは、従来周知のもので、クロック回路、ロジック回路、メモリ回路などを含み、所定の周波数の無線信号を処理する。この無線ＩＣから発信された所定の周波数を有する送信信号は環状アンテナ２５を介してダイポール型アンテナ１５に伝達され、外部に放射される。また、ダイポール型アンテナ１５で受信した信号は環状アンテナ２５を経由した無線ＩＣに供給される。

　また、環状アンテナ２５は、端部２６ａから端部２６ｂまでの所定の長さを有し、この電気長に相当する所定の共振周波数を有し、かつ、位相を整合させる整合部としても機能する。ダイポール型アンテナ１５も同様にその電気長に相当する所定の共振周波数を有している。さらに、環状アンテナ２５は、無線ＩＣのインピーダンス（通常５０Ω）とダイポール型アンテナ１５のインピーダンス（空間のインピーダンス３７７Ω）とのマッチングを図っている。

　ところで、環状アンテナ２５の共振周波数をｆ１、ダイポール型アンテナ１５の共振周波数をｆ２としたとき、ｆ１がｆ２よりも低い共振周波数となるように設計する。即ち、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とをそれぞれ単体でみたとき、環状アンテナ２５の電気長をダイポール型アンテナ１５の電気長と同じかそれより長く設計する。

　さらに、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とは、接続部２７を介して電気的に導通するように接続されている。より望ましくは、環状アンテナ２５に流れる電流及びダイポール型アンテナ１５に流れる電流が最大となる点を接続部２７とする。電流最大点とは電流の振幅が最大となる点である。電流最大点は電流により発生する磁界の強さも最大になるので、信号の伝達効率も最大になる。これにより、無線ＩＣから送信された信号は、環状アンテナ２５内を伝播し、直接ダイポール型アンテナ１５に伝達され、両者の電流が最大となる点を接続部２７とすることにより両者の結合をより強くすることができ、信号の伝達効率を向上させることができる。より具体的には、環状アンテナ２５における電流最大点は長手方向の中央部であり、接続部２７はこの中央部に設けられている。ダイポール型アンテナ１５における電流最大点は長手方向の中央部であり、接続部２７はこの中央部に設けられている。

　そして、環状アンテナ２５からは、その信号の一部が外部に磁界として放射され、かつ、ダイポール型アンテナ１５からも信号が外部に電界として放射される。このとき、環状アンテナ２５の共振周波数ｆ１をダイポール型アンテナ１５の共振周波数ｆ２よりも低い周波数になるように設計することにより、放射特性を広帯域化することができる。

　ところで、ダイポール型アンテナ１５が電界型アンテナとして機能し、環状アンテナ２５が磁界型アンテナとして機能する。即ち、ダイポール型アンテナにて電界型アンテナが形成され、環状アンテナにて磁界型アンテナが形成される。従来の電界型アンテナでは、リーダライタとの距離などの使用状況が変化すると電波の反射などの影響で電界強度がゼロのいわゆるヌル点が発生し、ＲＦＩＤとして機能しない状態になることがある。しかし、このヌル点は磁界が最大となる点でもあるため、磁界型アンテナを用いることによりその磁界を受取り、通信を可能とすることができる。このように、電界型アンテナと磁界型アンテナの両方を用いることにより、ＲＦＩＤを安定に動作させることができる。また、磁界型アンテナにより近距離での通信も可能になる。

　ダイポール型アンテナ１５の周囲に発生した電界と環状アンテナ２５の周囲に発生した磁界とが直交するようにアンテナ１５，２５を配置することが好ましい。図１（Ｂ）は、本第１実施例における環状アンテナ２５で電界Ｅが図１（Ａ）の紙面と垂直方向に発生している状態、及び、ダイポール型アンテナ１５で磁界Ｍがアンテナ１５の延在方向を中心としてアンテナ１５の周囲に発生している状態を示している。従来は電界型アンテナと磁界型アンテナとを近接配置することはできなかった。その理由は、二つのアンテナの中心軸がずれたり、電界と磁界が互いに直交することができず、相互に干渉し合うためであった。しかし、本第１実施例のごとく、環状アンテナ２５からは電極の上面、下面、上辺及び下辺方向に電界が放射状に発生する。一方、ダイポール型アンテナ１５では、環状アンテナ２５で発生する磁界の接線方向に電界が放射されるため、磁界と電界とが直交し、両者が結合しない。それゆえ、ダイポール型アンテナ１５と環状アンテナ２５とを近接配置することができ、放射特性及び通信性能のよい複合アンテナとすることができる。

　図３は第１実施例である複合アンテナ１Ａの放射利得の周波数特性を示している。図３から明らかなように、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とが結合している状態での環状アンテナ２５による共振周波数と、ダイポール型アンテナ１５による共振周波数との間の周波数帯域１００ＭＨｚという広帯域にわたって１．５ｄＢ以上の高い放射利得が得られていることが分かる。なお、図３におけるマーカ１とマーカ２は、それぞれＵＨＦ帯のＲＦＩＤの上限と下限の使用周波数を示している。

　さらに、複合アンテナ１Ａが送受信する信号の周波数をｆ０としたとき、ｆ０がマーカ１の周波数ｆ１'とマーカ２の周波数ｆ２'との間になるように設定することにより、所定の信号周波数ｆ０において十分な放射利得を得ることができる。また、環状アンテナ２５及びダイポール型アンテナ１５の製造上のばらつきにより周波数ｆ１'，ｆ２'が多少変動したとしても、二つの周波数ｆ１'，ｆ２'間では無線ＩＣを問題なく動作させることができるため、信頼性が向上する。

　ところで、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とは接続部２７を介して接続されているため、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とが結合することによりダイポール型アンテナ１５の共振周波数ｆ２が単体での設計値よりも低くなる。このため、環状アンテナ２５の単体での共振周波数ｆ１は、ダイポール型アンテナ１５の共振周波数ｆ２よりも低くなるように設計することが好ましい。それにより、複合アンテナ１Ａに前記周波数ｆ１'，ｆ２'の帯域内において十分な放射特性を持たせることができる。なお、ダイポール型アンテナ１５の共振周波数ｆ２は、信号の波長λに対して、λ／２未満であることが好ましい。

　以上のように、複合アンテナ１Ａにあっては、環状アンテナ２５で信号の共振周波数を設定するため、複合アンテナ１Ａを種々の物品に取り付けてもそのままで動作し、放射特性の変動が抑制され、個別の物品ごとにダイポール型アンテナ１５などの設計変更をする必要がなくなる。そして、ダイポール型アンテナ１５から放射する送信信号の周波数及び無線ＩＣに供給する受信信号の周波数は、環状アンテナ２５の共振周波数に実質的に相当する。環状アンテナ２５において送受信信号の周波数が決まるため、ダイポール型アンテナ１５の形状やサイズ、配置関係などにかかわらず、例えば、複合アンテナ１Ａを丸めたり、誘電体で挟んだりしても、周波数特性が変化することなく、安定した周波数特性が得られる。

　ここで、接続部２７における環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５との結合度について説明する。この結合度は接続部２７における幅Ｗ及び間隔Ｌ（図１参照）が影響する。幅Ｗ及び間隔Ｌが大きくなると結合度は小さくなる。また、環状アンテナ２５の３辺とダイポール型アンテナ１５とは近接しており、この近接部分で副次的な電磁界結合が発生し、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５との結合をさらに強くすることができ、放射利得の向上や放射特性のさらなる広帯域化を図ることができる。

　また、接続部２７は、図２に示すように、２箇所で分岐していてもよい。この場合、幅Ｗ'が大きくなると結合度は大きくなり、間隔Ｌ'が大きくなると結合度は小さくなる。

　また、環状アンテナ２５は本第１実施例のように矩形形状ではなく、楕円形状など種々の形状であってもよい。この点は以下に説明する他の実施例においても同様である。

　（第１実施例の変形例、図４参照）
　前記第１実施例である複合アンテナ１Ａは、ダイポール型アンテナ１５と環状アンテナ２５と接続部２７とを同一の基材２０上に形成している。これにて、アンテナ１５，２５を一の工程にて容易に形成することができる。但し、それ以外に、図４に示す複合アンテナ１Ａ'であってもよい。即ち、この複合アンテナ１Ａ'は、基材２０の上面に環状アンテナ２５を形成し、下面にダイポール型アンテナ１５を形成し、基材２０の上下面を貫通するように形成したビアホール導体２７'にてアンテナ１５，２５を接続している。なお、以下に説明する実施例においても、このような変形例として複合アンテナを構成してもよい。

　（第２実施例、図５参照）
　図５に本発明の第２実施例である複合アンテナ１Ｂを示す。この複合アンテナ１Ｂは、ダイポール型アンテナ１５の端部１６ａ，１６ｂを環状アンテナ２５の側方に沿って折り曲げ、平面視で端部１６ａ，１６ｂが環状アンテナ２５を両側から挟むように配置されている。他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例と同様である。

　特に、本第２実施例においては、ダイポール型アンテナ１５の端部１６ａ，１６ｂを環状アンテナ２５側に折り曲げることにより小型化できる。さらに、ダイポール型アンテナ１５の端部１６ａ，１６ｂを所定の方向に向けることにより、所定の方向への指向性を向上させることができる。また、端部１６ａ，１６ｂを含む折曲げ部分が環状アンテナ２５に近接して配置されるので、副次的な電磁界結合が発生し、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５との結合をさらに強くすることができ、放射利得の向上や放射特性のさらなる広帯域化を図ることができる。

　（第３実施例、図６参照）
　図６に本発明の第３実施例である複合アンテナ１Ｃを示す。この複合アンテナ１Ｃは、ダイポール型アンテナ１５の端部を幅広部１７ａ，１７ｂとしたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例と同様である。

　（第４実施例、図７参照）
　図７に本発明の第４実施例である複合アンテナ１Ｄを示す。この複合アンテナ１Ｄは、ダイポール型アンテナ１５の幅広部１７ａ，１７ｂに空隙１８ａ，１８ｂを形成したものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例と同様である。特に、本第４実施例では、幅広部１７ａ，１７ｂに空隙１８ａ，１８ｂを設けることにより、ダイポール型アンテナ１５の共振周波数を低くすることができ、ダイポール型アンテナ１５の全体的な長さを短くでき、放射特性及び通信性能を向上させながら、小型化を図ることができる。

　（第５実施例、図８参照）
　図８に本発明の第５実施例である複合アンテナ１Ｅを示す。この複合アンテナ１Ｅは、環状アンテナ２５の端部２６ａ，２６ｂを環状アンテナ２５の内側に向けて折り曲げたものである。他の構成は前記第１実施例と同様であり、その作用効果も第１実施例と同様である。特に、本第５実施例では、端部２６ａ，２６ｂを環状アンテナ２５の内側に向けて配置したため、端部２６ａ，２６ｂを含む折曲げ部分とそれに隣接する環状アンテナ２５の線路部分とで容量が発生する。この容量と環状アンテナ２５の長さにより環状アンテナ２５の共振周波数を設計することができ、環状アンテナ２５の全体的な長さを短くでき、小型化を図ることができる。また、環状アンテナ２５の設計自由度が向上する。

　（第６実施例、図９参照）
　図９に本発明の第６実施例である複合アンテナ１Ｆを示す。この複合アンテナ１Ｆは、ミアンダ状に形成したダイポール型アンテナ１５の中央部を環状アンテナ２５の電流最大点と接続（接続部２７）したものである。環状アンテナ２５は一対の対向する端部２６ａ，２６ｂを備えているとともに、無線ＩＣを搭載するためのＩＣランド２８ａ，２８ｂを備えている。

　本第６実施例において、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とが結合し、複合アンテナとして機能する点は前記第１実施例と同様である。特に、本第６実施例では、ダイポール型アンテナ１５をミアンダ状とすることにより、小さな面積で長い電気長とすることができる。

　（第７実施例、図１０参照）
　図１０に本発明の第７実施例である複合アンテナ１Ｇを示す。この複合アンテナ１Ｇは、スパイラル状に形成したダイポール型アンテナ１５の中央部を環状アンテナ２５の電流最大点と接続（接続部２７）したものである。環状アンテナ２５は一対の対向する端部２６ａ，２６ｂを備えているとともに、無線ＩＣを搭載するためのＩＣランド２８ａ，２８ｂを備えている。

　本第７実施例において、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とが結合し、複合アンテナとして機能する点は前記第１実施例と同様である。特に、本第７実施例では、ダイポール型アンテナ１５をスパイラル状とすることにより、小さな面積で長い電気長とすることができる。

（第８実施例、図１１参照）
　図１１に本発明の第８実施例である複合アンテナ１Ｈを示す。この複合アンテナ１Ｈは、ミアンダ状に形成したダイポール型アンテナ１５の中央付近を環状アンテナ２５と２点で接続（接続部３７）したものである。環状アンテナ２５は一対の対向する端部２６ａ，２６ｂを備えており、その端部２６ａ，２６ｂが無線ＩＣを搭載するＩＣランドとなる。

　本第８実施例において、環状アンテナ２５とダイポール型アンテナ１５とが結合し、複合アンテナとして機能する点は前記第１実施例と同様である。特に、本第８実施例では、環状アンテナ２５をダイポール型アンテナ１５と２点で接続することにより、結合度を調整することができる。

　（他の実施例）
　なお、本発明に係る複合アンテナは前記実施例に限定するものではなく、その要旨の範囲内で種々に変更することができる。

　例えば、前記実施例に示した放射板や基材の材料はあくまで例示である、必要な特性を有する材料であれば、任意のものを使用することができる。また、各実施例において、環状アンテナやダイポール型アンテナは左右対称に形成したものを示したが、左右対称ではなく、それぞれの環状アンテナは異なる位置でダイポール型アンテナと接続していてもよい。

　以上のように、本発明は、複合アンテナに有用であり、特に、遠距離での通信が可能であるとともに近距離での通信にも使用でき、放射特性及び通信性能が良好である点で優れている。

Claims (13)

1. 　長尺状のダイポール型アンテナと、
   　少なくとも一対の対向する端部を有する環状アンテナと、
   　前記環状アンテナを流れる電流の振幅が最大となる点と前記ダイポール型アンテナとを接続する接続部と、
   　を備えたことを特徴とする複合アンテナ。
2. 　前記接続部は前記ダイポール型アンテナで発生する電流の振幅が最大となる点に接続されていることを特徴とする請求の範囲第１項に記載の複合アンテナ。
3. 　前記ダイポール型アンテナと前記環状アンテナは、ダイポール型アンテナの周囲に発生した電界と環状アンテナの周囲に発生した磁界とが直交するように配置されていること、を特徴とする請求の範囲第１項又は第２項に記載の複合アンテナ。
4. 　前記ダイポール型アンテナの両端部は、平面視で前記環状アンテナを両側から挟むように配置されていること、を特徴とする請求の範囲第１項ないし第３項のいずれかに記載の複合アンテナ。
5. 　前記ダイポール型アンテナ及び前記環状アンテナは、それぞれ長手方向の中央部で前記接続部によって電気的に導通されていること、を特徴とする請求の範囲第１項ないし第４項のいずれかに記載の複合アンテナ。
6. 　前記環状アンテナ単体での共振周波数は前記ダイポール型アンテナ単体での共振周波数よりも高いことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第５項のいずれかに記載の複合アンテナ。
7. 　前記環状アンテナは矩形形状をなしていることを特徴とする請求の範囲第１項ないし第６項のいずれかに記載の複合アンテナ。
8. 　前記環状アンテナは前記矩形形状の３辺において前記ダイポール型アンテナと電磁界結合していることを特徴とする請求の範囲第７項に記載の複合アンテナ。
9. 　前記ダイポール型アンテナの両端部に該ダイポール型アンテナの長手方向中央部分の線幅よりも広い幅広部を設けたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第８項のいずれかに記載の複合アンテナ。
10. 　前記環状アンテナの前記一対の端部を該環状アンテナの内側に向けて配置したことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第９項のいずれかに記載の複合アンテナ。
11. 　二以上の前記接続部を備えたことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１０項のいずれかに記載の複合アンテナ。
12. 　前記環状アンテナ、前記ダイポール型アンテナ及び前記接続部を同一の基材上に形成したことを特徴とする請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかに記載の複合アンテナ。
13. 　前記環状アンテナと前記ダイポール型アンテナとを基材の両主面にそれぞれ形成し、該基材に形成したビアホール導体にて環状アンテナとダイポール型アンテナとを接続したこと、を特徴とする請求の範囲第１項ないし第１１項のいずれかに記載の複合アンテナ。

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