WO2013011702A1 - アンテナ及び無線タグ - Google Patents

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WO2013011702A1
WO2013011702A1 PCT/JP2012/050861 JP2012050861W WO2013011702A1 WO 2013011702 A1 WO2013011702 A1 WO 2013011702A1 JP 2012050861 W JP2012050861 W JP 2012050861W WO 2013011702 A1 WO2013011702 A1 WO 2013011702A1
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WO
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antenna
radiating element
ground plane
short
capacitor
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Application number
PCT/JP2012/050861
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English (en)
French (fr)
Inventor
将人 瀧ヶ平
Original Assignee
株式会社フジクラ
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    • GPHYSICS
    • G06COMPUTING; CALCULATING OR COUNTING
    • G06KGRAPHICAL DATA READING; PRESENTATION OF DATA; RECORD CARRIERS; HANDLING RECORD CARRIERS
    • G06K19/00Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings
    • G06K19/06Record carriers for use with machines and with at least a part designed to carry digital markings characterised by the kind of the digital marking, e.g. shape, nature, code
    • G06K19/067Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components
    • G06K19/07Record carriers with conductive marks, printed circuits or semiconductor circuit elements, e.g. credit or identity cards also with resonating or responding marks without active components with integrated circuit chips
    • G06K19/077Constructional details, e.g. mounting of circuits in the carrier
    • G06K19/07749Constructional details, e.g. mounting of circuits in the carrier the record carrier being capable of non-contact communication, e.g. constructional details of the antenna of a non-contact smart card
    • G06K19/07773Antenna details
    • G06K19/07792Antenna details the antenna adapted for extending in three dimensions
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/12Supports; Mounting means
    • H01Q1/22Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles
    • H01Q1/2208Supports; Mounting means by structural association with other equipment or articles associated with components used in interrogation type services, i.e. in systems for information exchange between an interrogator/reader and a tag/transponder, e.g. in Radio Frequency Identification [RFID] systems
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q1/00Details of, or arrangements associated with, antennas
    • H01Q1/36Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith
    • H01Q1/38Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/0407Substantially flat resonant element parallel to ground plane, e.g. patch antenna
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/30Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/32Vertical arrangement of element
    • H01Q9/36Vertical arrangement of element with top loading
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q9/00Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04Resonant antennas
    • H01Q9/30Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength

Definitions

  • the present invention relates to an antenna and a wireless tag device equipped with the antenna.
  • RFID Radio Frequency Identification
  • the RFID system includes a wireless tag and a reader, and realizes various functions by wireless communication between them.
  • Wireless tags used in the RFID system include a passive tag that does not contain a battery and an active tag that contains a battery.
  • the passive tag is used as a wireless tag for performing wireless communication with a nearby reader such as a prepaid card.
  • an active tag is used as a wireless tag for performing wireless communication with a reader that is not in proximity, such as a tag carried by a user in an occupancy management system or a tag attached to a product in an inventory management system.
  • Patent Document 1 is cited as a document disclosing the occupancy management system.
  • the wireless tag must be equipped with an antenna for wireless communication with the reader.
  • an antenna mounted on a wireless tag a small loop antenna is often used regardless of whether it is an active tag or a passive tag.
  • wireless communication with readers that are not in close proximity may be hindered due to low radiation power.
  • the small dipole antenna and the small monopole antenna refer to a dipole antenna and a monopole antenna in which the total length ⁇ of the radiating element is sufficiently smaller than the resonance wavelength ⁇ ( ⁇ ⁇ ⁇ ), respectively.
  • the radiation power of the small loop antenna is proportional to ( ⁇ / ⁇ ) 4
  • the radiation power of the small dipole antenna and the small monopole antenna is proportional to ( ⁇ / ⁇ ) 2 . That is, the radiation power of the small dipole antenna and the small monopole antenna is larger than that of the small loop antenna.
  • any of these small antennas satisfying the condition ⁇ ⁇ ⁇ has a limit in the magnitude of the radiated power obtained.
  • an active tag provided with a half-wave dipole antenna there is one described in Patent Document 2.
  • the active tag described in Patent Document 2 includes a planar half-wave dipole antenna, thereby obtaining sufficient radiation power and suppressing the thickness thereof.
  • a card-type wireless tag having a planar half-wave dipole antenna or a quarter-wave monopole antenna In order to make wireless tags comply with laws and regulations such as the Radio Law, it is often necessary to lower the operating band of the mounted antenna.
  • a card-type wireless tag having a planar half-wave dipole antenna or a quarter-wave monopole antenna when the antenna operating band is lowered, the size of the antenna increases. Therefore, a card-type wireless tag having a planar half-wave dipole antenna or quarter-wave monopole antenna has a problem that it cannot meet the demand for reducing the size of the wireless tag.
  • the maximum electric field strength allowed for weak wireless stations such as wireless tags is defined as shown in FIG. 10 (see Article 4 of the Radio Law and Article 6 of the Radio Law Enforcement Regulations). That is, in the band of 322 MHz or less, if the electric field strength (more precisely, the electric field strength at a point 3 m away from the weak radio station) is 500 ⁇ V / m or less, the weak radio station is allowed to be used without a license. In the band of 322 MHz or more and 10 GHz or less, if the electric field strength is greater than 35 ⁇ V / m, the weak radio station is not allowed to use it without license.
  • the electric field strength is set to 35 ⁇ V / m or less, in the worst case, electromagnetic waves with sufficient strength may not reach even a point 1 m away from the weak radio station, which is not practical.
  • the allowable electric field strength is larger than 35 ⁇ V / m.
  • the higher the frequency the more difficult it is to manufacture the parts that make up the weak radio station.
  • parts constituting a weak radio station operating in a band of 60 GHz or higher have not been put into practical use at present. Therefore, in order to realize a wireless tag that anyone can easily use, it is preferable to set the operating band of the mounted antenna to 322 MHz or less.
  • the total length of the radiating element needs to be ⁇ / 2 ⁇ 46.6 cm or more. For this reason, as long as a planar half-wavelength dipole antenna is used, it is difficult to meet the demand for reducing the size of the wireless tag to 85.6 mm ⁇ 54.0 mm, for example.
  • the total length of the radiating element needs to be ⁇ / 4 ⁇ 23.3 cm or more. Therefore, even if a flat quarter-wave monopole antenna is used, it is difficult to meet the above requirements.
  • the above-mentioned size of 85.6 mm ⁇ 54.0 mm is a card size defined as ID-1 in ISO / IEC7810, and is used for electronic money cards, etc. This is the size often used in passive tags.
  • This ID-1 card size has been recognized internationally as a card size that is easy for humans to handle, as well as having a beautiful aspect ratio. It would be ideal if an ID-1 card-size active tag could be realized, but as described above, an ID-1 card-size active tag would be realized using an existing half-wave dipole antenna or quarter-wave monopole antenna. It is difficult.
  • the present invention has been made in view of the above problems.
  • the purpose is a planar antenna having a radiation efficiency comparable to a quarter-wave monopole antenna, and an antenna whose operating band is lowered without increasing its size, in particular, a thin and small wireless tag.
  • the purpose is to realize an antenna suitable for mounting in a vehicle.
  • an antenna according to the present invention is an antenna including a ground plane and a radiating element arranged in the same plane, and includes an end on the opposite side of the feeding side of the radiating element and the ground plane. And a capacitor interposed therebetween.
  • the ground plane and the radiating element are arranged in the same plane, a thin antenna that can be mounted on a wireless tag can be realized.
  • the operation band of the antenna can be lowered by the action of the capacitor without increasing the overall length of the radiating element. Therefore, it is possible to realize an antenna that achieves a lower operating band without increasing the size.
  • the antenna is a monopole antenna that includes a ground plane and a radiating element. Therefore, the radiation power is larger than that of a loop antenna having the same length of the radiation element, and it is suitable for mounting on an active tag.
  • the antenna according to the present invention is an antenna including a ground plane and a radiating element arranged in the same plane, and is between the end of the radiating element on the side opposite to the feeding side and the ground plane.
  • a capacitor is provided in between. Therefore, it is possible to realize an antenna that achieves a lower operating band without increasing the size. It is also suitable for mounting on wireless tags.
  • FIG. 1 It is a top view which shows the structure of the antenna which concerns on the 1st Embodiment of this invention. It is a figure for demonstrating the effect of the shortening capacitor
  • (A) shows an equivalent circuit of the antenna
  • (b) shows a monopole antenna A1, an antenna A2 loaded with a shortening capacitor on the monopole antenna A1, and a monopole antenna A3 having the same resonance frequency as the antenna A2. Show. It is a figure for demonstrating the capacitance of the shortening capacitor
  • a monopole antenna B1 having a radiating element having a total length ⁇ / 4 and a monopole antenna B2 having a radiating element having a total length h and loaded with a shortening capacitor having a capacitance C are shown.
  • (A) is a top view which shows the structure around the feeding point of the antenna shown in FIG. 1
  • (b) is a top view which shows the modification.
  • (A) is a top view which shows the structure around the radiation
  • FIG. 7 is a Smith chart in which S parameters (S11) of the antenna shown in FIG. 6 are plotted.
  • S parameters (S11) of the antenna shown in FIG. 6 are plotted.
  • the antenna shown in FIG. 8 has the resonant frequency according to the shape of area
  • FIG. 8 has a resonance frequency corresponding to the resonance frequency of a specific dipole antenna, and FIG. 8B shows that the antenna shown in FIG. 8 corresponds to the resonance frequency of a specific monopole antenna. It is a figure which shows having the resonant frequency which carries out. It is a graph which shows the maximum electric field strength accept
  • FIG. 1 is a top view showing a configuration of an antenna 1 according to the present embodiment.
  • the antenna 1 is an inverted F-type antenna including a ground plane 11, a radiating element 12, and a short-circuit portion 13 as shown in FIG.
  • the ground plane 11, the radiating element 12, and the short-circuit portion 13 are arranged on the same plane (hereinafter also referred to as “antenna formation plane”) without overlapping each other, and the wireless tag 2 (the outer edge is indicated by a dotted line in FIG. 1).
  • This is a thin flat antenna suitable for mounting on the market.
  • the ground plane 11 is a planar (plate-shaped) conductor disposed in the antenna forming plane, and may be referred to as “planar ground”.
  • the ground plane 11 has a function of enhancing the electromagnetic wave radiated from the radiating element 12 by the mirror effect.
  • a rectangular conductor foil is used as the ground plane 11.
  • a concave portion 11 a and a convex portion 11 b are provided on the outer edge of the base plate 11. More specifically, the recess 11a is formed at a position closer to the center from the end of the short side 11A (right end in FIG. 1), and an end 12A of the radiating element 12 described later enters the recess 11a.
  • the convex portion 11b is formed at the end of the short side 11A (the left end in FIG. 1), and an end portion 12B of the radiating element 12 described later faces the convex portion 11b.
  • the radiating element 12 is a linear (wire-shaped) or strip-shaped (ribbon-shaped) conductor disposed in the antenna forming surface, and may be referred to as an “antenna element”.
  • a bent strip-shaped conductor foil is used as the radiating element 12. More specifically, (1) the first straight portion 12a extending from the end portion 12A in the positive y-axis direction, and (2) the end portion of the straight portion 12a opposite to the end portion 12A in the positive x-axis direction. A second linear portion 12b extending; (3) a third linear portion 12c extending in the positive y-axis direction from the end of the second linear portion 12b opposite to the first linear portion 12a; and (4).
  • a fourth linear portion 12d extending in the negative x-axis direction from the end of the third linear portion 12c opposite to the second linear portion 12b, and (5) a third linear portion of the fourth linear portion 12d.
  • a strip-shaped conductor foil comprising a fifth straight portion 12e extending in the y-axis negative direction from the end opposite to the 12c side is used.
  • the x-axis and the y-axis are axes parallel to the short side 11A and the long side 11B of the ground plane 11, respectively.
  • the end portion 12A of the radiating element 12 (in the present embodiment, coincides with the end portion of the first straight portion 12a opposite to the second straight portion 12b side), as described above, the concave portion 11a of the ground plane 11
  • the power supply section is formed together with the concave portion 11 a of the base plate 11.
  • feeding points provided on the radiating element 12 and the ground plane 11 are indicated by P and Q, respectively.
  • the end portion 12A of the radiating element 12 is also referred to as “end portion on the power feeding side”.
  • the end portion 12B of the radiating element 12 (in the present embodiment, coincides with the end portion of the fifth straight portion 12e opposite to the fourth straight portion 12d side) is the convex portion 11b of the ground plane 11 as described above. And is connected to the convex portion 11 b of the ground plane 11 through the capacitor 14.
  • the capacitor 14 has a function of lowering the operating band of the antenna 1 while maintaining the length of the radiating element 12, in other words, the function of the radiating element 12 while maintaining the operating band of the antenna 1. Has the function of shortening the length. More specifically, it has a function of reducing the total length ⁇ of the radiating element 12 from ⁇ / 4 to ⁇ / 8 or less while maintaining the operating band of the antenna 1.
  • the capacitor 14 is also referred to as a “shortening capacitor”.
  • the short-circuit portion 13 is a linear or strip-like conductor disposed in the antenna forming surface that short-circuits the intermediate portion 12C of the radiating element 12 and the outer edge of the ground plane 11, and the input impedance of the antenna 1 is set to the IC chip 21 (described later). ) To match the output impedance.
  • an intermediate portion 12C is defined between the second straight portion 12b and the third straight portion 12c, and a belt-like shape arranged along a perpendicular line extending from the intermediate portion 12C to the short side 11A of the base plate 11. Is used as the short-circuit portion 13.
  • the feeder line part (the part from the end part 12A to the intermediate part 12C) of the radiating element 12 is the main plate 11 and the short-circuit part 13 and the main part of the radiating element 12 (the part from the intermediate part 12C to the end part 12B). It will be arranged in the area surrounded by. Note that “intermediate” in the intermediate portion 12C means that it is between the end portion 12A and the end portion 12B, and does not need to be the midpoint between the end portion 12A and the end portion 12B.
  • the ground plane 11, the radiation element 12, and the short circuit part 13 can be integrally formed on a PET (polyethylene terephthalate) film by printing using a conductive silver paste, for example.
  • the long side 11 ⁇ / b> B of the ground plane 11 is arranged in parallel with the long side 2 ⁇ / b> B (for example, 85.6 mm) of the wireless tag 2, and
  • the radiating element 12 and the short-circuit portion 13 can be arranged in a space between the side 11A and the short side 2A (for example, 54.0 mm) of the wireless tag 2.
  • the reason why such an arrangement is permitted is because the total length ⁇ of the radiating element 12 is shortened to ⁇ / 8 or less by the action of the shortening capacitor 14.
  • the total length ⁇ of the radiating element 12 is about 25 cm (corresponding to ⁇ / 4). Therefore, no matter how the radiating element 12 is bent, it is difficult to arrange the radiating element 12 in the above space.
  • the total length ⁇ of the radiating element 12 is about 10 cm (corresponding to ⁇ / 10). Therefore, if the radiating element 12 is bent as described above, the radiating element 12 can be easily disposed in the space.
  • the IC chip 21 and the paper battery 22 mounted on the wireless tag 2 together with the antenna 1 are superimposed on the feeding points P and Q and the ground plane 11, respectively. Should be placed.
  • the IC chip 21 so as to overlap the feeding points P and Q, the IC chip 21 can be directly connected to the feeding points P and Q without using a coaxial cable or the like. Therefore, transmission of a high frequency signal between the antenna and the IC chip can be performed more efficiently.
  • the paper battery 22 so as to overlap the ground plane 11, it is possible to avoid the paper battery 22 from overlapping with the radiating element 12 arranged in the space.
  • the battery mounted on the wireless tag 2 is not limited to the paper battery 22 and may be another battery such as a button battery. In this case as well, the base plate 11 may be placed over the battery.
  • the antenna 1 which concerns on this embodiment is an inverted F type antenna provided with the short circuit part 13 in addition to the ground plane 11 and the radiation element 12, it is not limited to this. That is, the antenna 1 according to the present embodiment can be transformed into an inverted L-type antenna including the ground plane 11 and the radiating element 12 by omitting the short-circuit portion 13. Even in this case, the total length ⁇ of the radiating element 12 can be shortened by the action of the shortening capacitor 14.
  • the greatest feature of the antenna 1 according to this embodiment is that a shortening capacitor 14 is provided between the end 12B opposite to the feeding side of the radiating element 12 and the ground plane 11. Thereby, the total length ⁇ of the radiating element 12 can be shortened while maintaining the operating band of the antenna 1. In other words, the operating band of the antenna 1 can be shifted to the low frequency side while maintaining the overall length ⁇ of the radiating element 12.
  • the sum of the lengths of the five linear portions 12 a to 12 e described above corresponds to the total length ⁇ of the radiating element 12.
  • a monopole antenna such as an inverted F antenna or an inverted L antenna (an antenna including a ground plane and a radiating element, which is the same as a monopole antenna)
  • a monopole antenna such as an inverted F antenna or an inverted L antenna (an antenna including a ground plane and a radiating element, which is the same as a monopole antenna)
  • the same can be said for general antennas operating on the operating principle of
  • the monopole antenna is equivalent to the RLC series resonant circuit shown in FIG.
  • R represents the radiation resistance
  • L e is the effective inductance
  • C e is the effective capacitance.
  • Effective inductance L e and the effective capacitance C e is dependent on the material and the shape of the radiating element.
  • Impedance Z is given by equation (1)
  • the resonance frequency f o is given by equation (2).
  • the antenna A1 is a monopole antenna having an effective inductance L 1 and an effective capacitance C 1 , and the resonance frequency f 1 is given by equation (3).
  • the antenna A2 is obtained by loading a shortening capacitor having a capacitance C between the end of the radiating element opposite to the feeding side of the radiating element and the ground plane in the antenna A1.
  • the antenna A3 is a monopole antenna having the same resonance frequency f 2 as the antenna A2.
  • the total length of the radiating element can be shortened while maintaining the resonance frequency by loading the shortening capacitor. Further, it can be seen from the comparison between the antenna A2 and the antenna A1 that the resonance frequency can be shifted to the low frequency side while the full length of the radiating element is maintained by loading the shortening capacitor.
  • antenna B1 is a monopole antenna before shortening having a radiating element having a total length ⁇ / 4
  • antenna B2 is a monopole antenna after shortening having a radiating element having a total length h. If the radiating element is a straight wire orthogonal to the ground plane (infinite ground plane) and a straight wire having a circular cross section with a diameter d [m], the capacitance C [F] of the shortening capacitor to be loaded at this time Is given by equation (5).
  • Equation (5) is derived as follows.
  • Z 0 is the characteristic impedance [ ⁇ ] of the transmission line
  • is the wave number 2 ⁇ / ⁇ [1 / m]. It is known that the characteristic impedance Z 0 of a straight wire orthogonal to the ground plane and having a circular cross section with a diameter d [m] can be approximated by the equation (7).
  • the impedance Z [ ⁇ ] of the capacitor having the capacitance C [F] is given by the equation (8) using the angular frequency ⁇ [rad / sec].
  • the impedance Z of the shortening capacitor to be loaded may be made to coincide with the input impedance Z shown in the equation (6). That is, the capacitance C of the shortening capacitor to be loaded is obtained as follows, assuming that the right side of equation (8) is equal to the value obtained by substituting equation (7) for the right side of equation (6).
  • Equation (5) gives the capacitance C of the shortening capacitor to be loaded when the radiating element is a straight wire orthogonal to the ground plane and has a circular cross section with a diameter d [m]. It is. However, even when the bent radiating element 12 is arranged in the same plane as the ground plane 11 as in the antenna 1 according to the present embodiment, it is sufficient to provide a measure of the capacitance of the shortening capacitor 14 to be loaded. It is a thing.
  • the capacitance of the shortening capacitor 14 is Co. It can be considered to be set to ⁇ 50% (0.5 ⁇ Co or more and 1.5 ⁇ Co or less). If the capacitance of the shortening capacitor 14 is within this range, the overall length of the radiating element 12 can be shortened from ⁇ / 4 [m] to h [m].
  • C0 is given a width of ⁇ 50% is that the effective capacitance of the antenna 1 varies from the theoretical calculation model depending on the material, shape (the presence or absence of bending, how to bend, etc.), and thickness of the radiating element 12. This is a consideration.
  • a configuration has been described in which a single capacitor having a specific capacitance is loaded, and this capacitor is used as the shortening capacitor 14 interposed between the ground plane 11 and the radiating element 12.
  • the present invention is not limited thereto. Is not to be done.
  • a configuration may be adopted in which a plurality of capacitors having different capacitances are loaded, and a shortening capacitor 14 that is selected from the plurality of capacitors and interposed between the ground plane 11 and the radiating element 12 may be employed. .
  • the user can switch the operating band of the antenna 1.
  • the concave portion 11a is provided in the short side 11A of the ground plane 11, and the radiating element 12 is provided in the concave portion 11a.
  • a configuration (hereinafter, referred to as “configuration A”) in which the end portion 12A is inserted is adopted.
  • FIG. 4B compared to a configuration in which the end 12A of the radiating element 12 is simply opposed to the short side 11A of the ground plane 11 (hereinafter referred to as “configuration B”), the feeding points P, Q can be kept away from the main part of the radiating element 12 (the part from the end 12A to the intermediate part 12C).
  • the IC chip 21 can be moved away from the main part of the radiating element 12 when the IC chip 21 is directly connected to the feeding points P and Q. That is, by adopting the configuration A shown in FIG. 4A, the antenna characteristics may be deteriorated when the IC chip 21 is disposed in the electromagnetic field formed around the main part of the radiating element 12. Can be avoided. However, when it is not necessary to consider the influence of the IC chip 21 on the antenna characteristics, the configuration B shown in FIG. 4B in which the base plate 11 can be easily processed may be employed.
  • the feeder line portion (from the end portion 12A to the intermediate portion 12C) of the radiating element 12 is used.
  • the short-circuit portion 13 is located at a position closer to the center from the end (right end) of the short side 11A of the ground plane 11.
  • a configuration for connection is adopted.
  • the 3rd straight part 12c of the radiation element 12 is the outer edge (especially long side 2B) Can be kept away from ').
  • the external conductor is arranged along the outer edge (particularly, the long side 2B ′) of the wireless tag 2 such as when the wireless tag 2 is grasped by a user's hand, the external conductor has antenna characteristics. The influence given can be reduced.
  • the convex portion 11b is provided at a position closer to the center from the end (left end) of the short side 11A of the ground plane 11. May be adopted.
  • the fifth straight portion 12e of the radiating element 12 can be moved away from the outer edge (particularly the long side 2B) of the wireless tag 2, so that the influence of the external conductor on the antenna characteristics is reduced. can do.
  • the short-circuit portion 13 is connected to a position closer to the center from the end (right end) of the short side 11A of the ground plane 11.
  • a configuration in which the convex portion 11b is provided at a position closer to the center from the end (left end) of the short side 11A of the base plate 11 may be employed.
  • the third straight portion 12c of the radiating element 12 is moved away from the outer edge (particularly the long side 2B ′) of the wireless tag 2 as indicated by an arrow A, and the fifth straight line of the radiating element 12 is indicated as indicated by an arrow B. Since the portion 12e can be moved away from the outer edge (particularly the long side 2B) of the wireless tag 2, the influence of the external conductor on the antenna characteristics can be reduced.
  • the shape of the radiating element 12 employs the five linear portions 12a to 12e as described above, but is not limited thereto. That is, for example, at least a part of the radiating element 12 may be meandered.
  • the overall length ⁇ of the radiating element 12 can be increased without expanding the space for arranging the radiating element 12.
  • the size of the antenna 1 can be reduced without shortening the total length ⁇ of the radiating element 12. That is, the size of the antenna 1 can be reduced without shortening the resonance wavelength of the antenna 1 (raising the resonance frequency).
  • the radiating element 12 when the radiating element 12 is made into a meander, the electromagnetic fields formed around the portions of the radiating element 12 that are close to each other interfere with each other so as to weaken each other, which may cause a gain reduction.
  • the shape of the radiating element 12 that includes the five straight portions 12a to 12e as described above such a gain reduction can be avoided.
  • the antenna 1 that can be mounted on the ID-1 card size (85.6 mm ⁇ 54.0 mm) wireless tag 2 can be operated in the 315 MHz band. This will be described with reference to FIGS.
  • FIG. 6 is a top view showing a specific shape of the antenna 1 according to the present embodiment.
  • the dimension of each part in the ground plane 11, the radiation element 12, and the short circuit part 13 is as having shown in FIG.
  • the ground plane 11 and the radiating element 12 are formed in a rectangular area of 85.6 mm ⁇ 54.0 m, more specifically, in a rectangular area of 84.0 mm ⁇ 52.0 mm, as shown in FIG. It can be mounted on an ID-1 card size wireless tag 2.
  • the cross section has a structure in which a package (back), a paper battery 22, a membrane substrate including the antenna 1, and a package (front) are sequentially stacked. Since the thickness of the package is 0.1 mm, the thickness of the paper battery 22 is 0.5 mm, and the thickness of the membrane substrate is 0.1 mm, the total thickness of the wireless tag 2 is 0.8 mm at the minimum. That is, a card-type active tag having a thickness comparable to that of a passive tag (usually about 1 mm thick) such as an electronic money card can be realized.
  • FIG. 7 is a Smith chart showing the actual measurement result of the S parameter (S11) at 250 MHz to 500 MHz for the antenna 1 according to the present embodiment.
  • A when the shortening capacitor 14 is not provided, (b) when the capacitance C of the shortening capacitor 14 is 2 pF, (c) when the capacitance C of the shortening capacitor 14 is 3 pF, (d) It is a Smith chart when the capacitance C of the shortening capacitor 14 is 4 pF.
  • the point where the S parameter intersects the real axis represents the resonance frequency.
  • the scales “0”, “50”, and “ ⁇ ” on the real axis represent “0 ⁇ ”, “50 ⁇ ”, and “ ⁇ ”, respectively.
  • the antenna 1 does not have a resonance frequency at 250 MHz to 500 MHz as shown in FIG.
  • the capacitance of the shortening capacitor 14 is 2 pF
  • the antenna 1 resonates at a frequency higher than 315 MHz (367.5 MHz) as shown in FIG.
  • the capacitance of the shortening capacitor 14 is 3 pF
  • the antenna 1 resonates at 315 MHz as shown in FIG.
  • the capacitance of the shortening capacitor 14 is 4 pF
  • the antenna 1 resonates at a higher frequency (450 MHz or higher) than 315 MHz, as shown in FIG. That is, it can be seen that if the capacitance of the shortening capacitor 14 to be loaded is 3 pF, the antenna 1 according to this embodiment can be operated at 315 MHz.
  • the resonance frequency f 315 MHz
  • the total length ⁇ of the radiating element 12 is shortened to 10.8 cm as shown in FIG.
  • the shortening capacitor 14 having a capacitance of 3 pF it is possible to realize the antenna 1 including 315 MHz in the operation band while being the antenna 1 that can be mounted on the ID-1 card size wireless tag 2. it can.
  • ground plane 11 a rectangular conductor plate of 52 mm ⁇ 54 mm is used as the ground plane 11, but the present invention is not limited to this. That is, the ground plane 11 only needs to function as a ground plane (infinite ground plane), and the size and shape thereof may be appropriately changed within a range not impairing this function.
  • the paper battery 22 is disposed so as to overlap the ground plane 11.
  • the ground plane 11 and the paper are not necessarily required. There is no need to overlap the battery 22.
  • the base plate 11 is a rectangle of 52 mm ⁇ 12 mm and the paper battery 22 is a rectangle of 48 mm ⁇ 38 mm
  • a configuration may be adopted in which these are arranged side by side without overlapping each other.
  • the material cost of the antenna 1 (the cost of the conductive foil that is the main material of the antenna 1) can be significantly reduced.
  • the thickness of the wireless tag 2 is suppressed to 0.76 mm or less, which is a specified value in ISO / IEC7810. Can do.
  • the thickness of the package is 0.1 mm
  • the thickness of the paper battery 22 is 0.5 mm
  • the thickness of the membrane substrate is 0.1 mm
  • the entire thickness of the wireless tag 2 is 0.7 mm at the minimum.
  • FIG. 8 is a top view showing the configuration of the antenna 1 according to the present embodiment.
  • the antenna 1 is an inverted F-type antenna including a ground plane 11, a radiating element 12, and a short-circuit portion 13.
  • the ground plane 11, the radiating element 12, and the short-circuit portion 13 are arranged in the same plane without overlapping each other, and form a thin planar antenna suitable for mounting on a wireless tag, as in the first embodiment. Yes.
  • the ground plane 11 is a planar conductor disposed in the antenna formation surface, as in the first embodiment.
  • a rectangular conductor foil having a rectangular notch 11 ⁇ / b> C formed at one corner (upper right corner in FIG. 8) is used as the ground plane 11.
  • the protrusion 11b is formed at the end (left end in FIG. 8) of the side 11A among the sides perpendicular to the side 11A.
  • the radiating element 12 is a strip-shaped conductor arranged in the antenna formation surface, as in the first embodiment.
  • the first straight portion 12a extending from the end portion 12A in the positive y-axis direction, and (2) the end portion of the straight portion 12a opposite to the end portion 12A is x
  • a second straight line portion 12b extending in the negative axis direction
  • a third straight line portion 12c extending in the negative y-axis direction from the end of the second straight line portion 12b opposite to the first straight line portion 12a side.
  • the strip-shaped conductor foil which consists of is used.
  • the end portion 12B of the radiating element 12 (in the present embodiment, coincides with the end portion of the third straight portion 12c opposite to the second straight portion 12b side) is opposed to the convex portion 11b of the base plate 11.
  • the base plate 11 is connected to the convex portion 11 b via the shortening capacitor 14.
  • the shortening capacitor 14 has a function of shortening the total length ⁇ of the radiating element 12 without shifting the operating band of the antenna 1 to the high frequency side.
  • the short-circuit portion 13 is a belt-like conductor disposed in the antenna formation surface that short-circuits the power-feed-side end portion 12A of the radiating element 12 and the outer edge of the ground plane 11.
  • a strip-shaped conductor foil disposed along a perpendicular line extending from the feeding-side end portion 12 ⁇ / b> A of the radiating element 12 to the side 11 ⁇ / b> C ⁇ b> 1 of the ground plane 11 is used as the short-circuit portion 13.
  • a region surrounded by the outer edge of the ground plane 11, the radiating element 12, and the short-circuit portion 13 is divided into two regions R1 and R2 by a straight line connecting the feeding points.
  • the first region R1 is a region surrounded by the outer edge of the ground plane 11 (particularly the side 11A), the radiating element 12, and the straight line connecting the feeding points.
  • the second region R2 is the outer edge of the ground plane 11 (particularly, Side 11 ⁇ / b> C ⁇ b> 1 and Side 11 ⁇ / b> C ⁇ b> 2), the short-circuit portion 13, and a region surrounded by a straight line connecting the feeding points.
  • the antenna 1 according to the present embodiment is determined according to the shapes of these two regions R1 and R2 in addition to the resonance frequency f0 determined according to the total length ⁇ of the radiating element 12 and the capacitance C of the shortening capacitor 14. It has two resonance frequencies f1 and f2. This will be described with reference to FIG. 9 based on the principle of complement.
  • the two regions R1 and R2 described above include two radiating elements R1 ′ and R2 ′ that are congruent with these two regions R1 and R2, as shown in FIG. It functions as an antenna equivalent to a dipole antenna. That is, the antenna 1 has a resonance frequency f1 corresponding to the resonance frequency of the dipole antenna including the radiating elements R1 'and R2'.
  • the two regions R1 and R2 described above are, as shown in FIG. 9B, one radiating element congruent with the merged R1RR2 of these two regions R1 and R2. It also functions as an antenna equivalent to a monopole antenna with R ′. That is, the antenna 1 has a resonance frequency f2 corresponding to the resonance frequency of the monopole antenna including the radiating element R ′.
  • the antenna 1 functions as a multi-resonance antenna (multi-frequency antenna) having three resonance frequencies. Therefore, for example, there is an advantage that it can be used in different countries where the required operation band is different.
  • the antenna according to each embodiment is an antenna including a ground plane and a radiating element arranged in the same plane, and includes an end portion on the opposite side to the feeding side of the radiating element and the ground plane. It is characterized by having an intervening capacitor.
  • the ground plane and the radiating element are arranged in the same plane, a thin antenna that can be mounted on a wireless tag can be realized.
  • the operation band of the antenna can be lowered by the action of the capacitor without increasing the overall length of the radiating element. Therefore, it is possible to realize an antenna that achieves a lower operating band without increasing the size.
  • the antenna is a monopole antenna that includes a ground plane and a radiating element. Therefore, the radiation power is larger than that of a loop antenna having the same length of the radiation element, and it is suitable for mounting on an active tag.
  • the ground plane and the radiating element are formed in a rectangular area of 85.6 mm ⁇ 54.0 mm and operate at a frequency of 322 MHz or less.
  • the radiating element is a strip-shaped conductor
  • the operating band of the antenna is f [Hz]
  • the total length of the radiating element is h [m] (h ⁇ / 4)
  • the average width of the radiating element is W [m]
  • the capacitance of the capacitor is preferably set to 0.5 ⁇ Co or more and 1.5 ⁇ Co or less.
  • the total length of the radiating element that becomes ⁇ / 4 without the capacitor can be shortened to h ⁇ / 4 without changing the operating band.
  • the operating wavelength of the antenna is ⁇
  • the capacitance of the capacitor is set so that the total length of the radiating element is ⁇ / 8 or less.
  • the total length of the radiating element that becomes ⁇ / 4 in the absence of the capacitor can be shortened to ⁇ / 8 or less without changing the operating band.
  • a concave portion is formed on an outer edge of the ground plane, and an end portion on the power feeding side of the radiating element enters the concave portion.
  • the IC chip that is directly connected to the end portion on the power feeding side of the radiating element in the wireless tag can be moved away from the main part of the radiating element. Therefore, it is possible to reduce the deterioration of the antenna characteristics caused by the electromagnetic field formed around the main part of the radiating element being distorted by the IC chip.
  • the antenna which concerns on one Embodiment is further provided with the short circuit part which short-circuits the intermediate point of the said radiating element, and the outer edge of the said ground plane,
  • the external conductor is disposed along the outer edge of the wireless tag, such as when the wireless tag is held by a user's hand, the external conductor is connected to the feeder line portion of the radiating element. Can be reduced. Therefore, it is possible to reduce the deterioration of the antenna characteristics due to the influence of the outer conductor.
  • the short-circuit portion is for adjusting the input impedance of the antenna, and the intermediate point does not need to be a midpoint between both ends of the radiating element. That is, the intermediate point only needs to be provided at a position where the input impedance of the antenna has a desired value, and may be an arbitrary point between both ends of the radiating element.
  • At least one of an end portion of the short-circuit portion opposite to the intermediate point side and an end portion of the radiating element opposite to the feeding side is an outer edge of the ground plane. It is preferable that the side to be configured is connected to a position near the center of the side from the end of the side.
  • the influence of the external conductor on the radiating element is affected. Can be small. Therefore, it is possible to reduce the deterioration of the antenna characteristics due to the influence of the outer conductor.
  • the antenna which concerns on one Embodiment is further provided with the short circuit part which short-circuits the edge part of the said electric power feeding side of the said radiating element, and the outer edge of the said ground plane, and is surrounded by the outer edge of the said ground plane, the said radiating element, and the said short circuit part. It is preferable that the divided area is divided into two areas by a straight line connecting the feeding points.
  • the two frequencies determined according to the shape of the two regions can be used as the resonance frequency of the antenna. it can.
  • a wireless tag including an antenna is also included in the category of the present application.
  • the antenna according to the present invention can be suitably used as an antenna mounted on a wireless tag. Further, it can be suitably used as an antenna mounted on a Zigbee (registered trademark) module compliant with IEEE 802.15.4.
  • Zigbee registered trademark
  • Ground plane 11A Short side (side which comprises the outer edge of a ground plane) 11B Long side 11a Concave part 11b Convex part 12 Radiation element 12A End part on the feeding side 12B End part on the opposite side to the feeding side 12C Middle part (midpoint) 12a First straight part (feeding line part) 12b Second straight line part (feeding line part) 12c 3rd straight part (main part) 12d Fourth straight part (main part) 12e Fifth straight part (main part) 13 Short-circuit part 14 Short capacitor (capacitor) 2 Wireless tag 2A Short side 2B Long side

Abstract

 本発明に係るアンテナ(1)は、同一平面内に配置された地板(11)と放射素子(12)とを備えており、無線タグ(2)への搭載に適している。また、本発明に係るアンテナ(1)は、放射素子(12)の給電側と反対側の端部(12B)と地板(11)との間に介在する短縮コンデンサ(14)を備えている。

Description

アンテナ及び無線タグ
 本発明は、アンテナ、及び、アンテナが搭載された無線タグ装置に関する。
 近年、RFID(Radio Frequency Identification)システムが種々の目的で広く用いられている。RFIDシステムは、無線タグとリーダとを含み、これらの間の無線通信によって種々の機能を実現する。
 RFIDシステムに利用される無線タグには、電池が内蔵されていないパッシブタグと、電池が内蔵されたアクティブタグとがある。パッシブタグは、プリペイドカードなど、近接したリーダとの間で無線通信を行うための無線タグとして利用される。一方、アクティブタグは、在室管理システムにおいて利用者が携帯するタグや在庫管理システムにおいて商品に貼付するタグなど、近接していないリーダとの間で無線通信を行うための無線タグとして利用される。在室管理システムを開示した文献としては、例えば、特許文献1が挙げられる。
 無線タグには、リーダと無線通信を行うためのアンテナを搭載する必要がある。無線タグに搭載するアンテナとしては、アクティブタグであるかパッシブタグであるかを問わず、小形ループアンテナがしばしば使われる。しかしながら、小形ループアンテナを搭載したアクティブタグにおいては、放射パワーの小ささ故、近接していないリーダとの間の無線通信に支障をきたすことがあった。
 このような問題を解決するためには、小形ループアンテナの代わりに、小形ダイポールアンテナ又は小形モノポールアンテナを利用することが考えられる。ここで、小形ダイポールアンテナ及び小形モノポールアンテとは、それぞれ、放射素子の全長ρが共振波長λに比べて十分に小さい(ρ≪λ)ダイポールアンテナ及びモノポールアンテナのことを指す。小形ループアンテナの放射パワーが(ρ/λ)に比例するのに対して、小形ダイポールアンテナ及び小形モノポールアンテナの放射パワーは(ρ/λ)に比例する。すなわち、小形ダイポールアンテナ及び小形モノポールアンテナの放射パワーは、小形ループアンテナの放射パワーよりも大きくなる。ただし、条件ρ≪λを満たすこれらの小形アンテナは、何れも、得られる放射パワーの大きさに限界がある。
 一方、ρ=λ/2とした半波長ダイポールアンテナ、及び、ρ=λ/4とした1/4波長モノポールアンテナは、上述した小形アンテナと比べて放射効率が良いことで知られている。半波長ダイポールアンテナを備えたアクティブタグとしては、特許文献2に記載のものなどがある。特許文献2に記載のアクティブタグは、平面的な半波長ダイポールアンテナを備えることにより、十分な放射パワーを得ると共に、その厚みを抑えている。
日本国公開特許公報「特開2011-70642(2011年4月 7日公開)」 日本国公開特許公報「特開 平2-125797(1990年5月14日公開)」
 無線タグを電波法等の法令に適合させるために、搭載するアンテナの動作帯域を低周波化する必要がしばしば生じる。しかしながら、平面的な半波長ダイポールアンテナ又は1/4波長モノポールアンテナを備えたカード型の無線タグにおいては、アンテナの動作帯域を低周波化すると、そのアンテナのサイズが大型化してしまう。そのため、平面的な半波長ダイポールアンテナ又は1/4波長モノポールアンテナを備えたカード型の無線タグには、無線タグのサイズを小型化するという要求に応えられないという問題がある。
 例えば、日本国においては、無線タグなどの微弱無線局に許容される最大電界強度が図10に示すように定められている(電波法第4条及び電波法施行規則第6条参照)。すなわち、322MHz以下の帯域では、電界強度(正確には微弱無線局から3m離れた地点における電界強度)が500μV/m以下であれば、この微弱無線局の無免許使用が許されるのに対し、322MHz以上10GHz以下の帯域では、電界強度が35μV/mより大きいと、この微弱無線局の無免許使用が許されない。電界強度を35μV/m以下にすると、最悪の場合、微弱無線局から1m離れた地点にすら十分な強度の電磁波が到達しないことがあり実用的ではない。また、10GHzを越えた帯域では、許容される電界強度が35μV/mよりも大きくなる。しかしながら、周波数が高くなれば高くなるほど、微弱無線局を構成する部品の製造が困難になる。特に、60GHz以上の帯域で動作する微弱無線局を構成する部品は現時点で実用化されていない。したがって、誰もが手軽に利用できる無線タグを実現するためには、搭載するアンテナの動作帯域を322MHz以下にすることが好ましい。
 ところが、半波長ダイポールアンテナの動作帯域を322MHz以下にするためには、その放射素子の全長をλ/2≒46.6cm以上にする必要がある。このため、平面的な半波長ダイポールアンテナを用いる限り、例えば、無線タグのサイズを85.6mm×54.0mmに縮小するという要求に応えることは困難である。また、1/4波長モノポールアンテナの動作帯域を322MHz以下にするためには、その放射素子の全長をλ/4≒23.3cm以上にする必要がある。したがって、平面的な1/4波長モノポールアンテナを用いたとしても、上記のような要求に応えることは困難である。
 なお、上述した85.6mm×54.0mm(より厳密には、85.60mm×53.98mm)というサイズは、ISO/IEC7810においてID-1として定められたカードサイズであり、電子マネーカードなどのパッシブタグにおいてしばしば採用されるサイズである。このID-1カードサイズは、縦横比が黄金比になっており、見た目の美しさもさることながら、人間が取り扱いやすいカードサイズとして国際的に認知されたものである。ID-1カードサイズのアクティブタグが実現できれば理想的であるが、上述したように、既存の半波長ダイポールアンテナ又は1/4波長モノポールアンテナを用いてID-1カードサイズのアクティブタグを実現することは困難である。
 本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものである。その目的は、1/4波長モノポールアンテナに匹敵する放射効率を有する平面的なアンテナにおいて、サイズを大型化することなく動作帯域の低周波化を図ったアンテナ、特に、薄型かつ小型の無線タグへの搭載に適したアンテナを実現することにある。
 上記課題を解決するために、本発明に係るアンテナは、同一平面内に配置された地板と放射素子とを備えたアンテナであって、上記放射素子の給電側と反対側の端部と上記地板との間に介在するコンデンサを備えている、ことを特徴とする。
 上記の構成によれば、地板と放射素子とが同一平面内に配置されているため、無線タグへの搭載が可能な薄型のアンテナを実現することができる。しかも、上記コンデンサの作用によって、上記放射素子の全長を長くすることなく、上記アンテナの動作帯域を低周波化することができる。したがって、サイズを大型化することなく動作帯域の低周波化を図ったアンテナを実現することができる。なお、上記のアンテナは、地板と放射素子とを備えたモノポール型のアンテナである。したがって、放射素子の長さが同じループアンテナよりも放射パワーが大きく、アクティブタグへの搭載にも適している。
 以上のように、本発明に係るアンテナは、同一平面内に配置された地板と放射素子とを備えたアンテナであって、上記放射素子の給電側と反対側の端部と上記地板との間に介在するコンデンサを備えている。したがって、サイズを大型化することなく動作帯域の低周波化を図ったアンテナを実現することができる。また、無線タグへの搭載にも適している。
本発明の第1の実施形態に係るアンテナの構成を示す上面図である。 図1に示すアンテナが備える短縮コンデンサの効果を説明するための図である。(a)は、アンテナの等価回路を示し、(b)は、モノポールアンテナA1、モノポールアンテナA1に短縮コンデンサを装荷したアンテナA2、及び、アンテナA2と同じ共振周波数をもつモノポールアンテナA3を示す。 図1に示すアンテナが備える短縮コンデンサのキャパシタンスを説明するための図である。全長λ/4の放射素子を有するモノポールアンテナB1、及び、キャパシタンスCの短縮コンデンサが装荷された、全長hの放射素子を有するモノポールアンテナB2を示す。 (a)は、図1に示すアンテナの給電点周辺の構造を示す上面図であり、(b)は、その変形例を示す上面図である。 (a)は、図1に示すアンテナの放射素子周辺の構造を示す上面図であり、(b)及び(c)は、その変形例を示す上面図である。 本発明の第1の実施形態に係るアンテナの一実施例を示す上面図である。 図6に示すアンテナのSパラメータ(S11)をプロットしたスミスチャートである。(a)は、短縮コンデンサを装荷しなかった場合、(b)は、2pFの短縮コンデンサを装荷した場合、(c)は、3pFの短縮コンデンサを装荷した場合、(d)は、4pFの短縮コンデンサを装荷した場合を示す。 本発明の第2の実施形態に係るアンテナの構成を示す上面図である。 図8に示すアンテナが領域R1,R2の形状に応じた共振周波数を有することを説明するための図である。(a)は、図8に示すアンテナが特定のダイポールアンテナの共振周波数に相当する共振周波数を有することを示し、(b)は、図8に示すアンテナが特定のモノポールアンテナの共振周波数に相当する共振周波数を有することを示す図である。 日本国の法令(電波法第4条及び電波法施行規則第6条)で定められた微弱無線局に許容される最大電界強度を示すグラフである。
 〔第1の実施形態〕
 本発明の第1の実施形態(以下、「本実施形態」と記載)について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
 (アンテナの構成)
 本実施形態に係るアンテナ1の構成について、図1を参照して説明する。図1は、本実施形態に係るアンテナ1の構成を示す上面図である。
 アンテナ1は、図1に示すように、地板11、放射素子12、及び短絡部13とを備えた逆F型アンテナである。地板11、放射素子12、及び短絡部13は、互いに重なり合うことなく同一面(以下「アンテナ形成面」とも記載)内に配置されており、無線タグ2(図1においてその外縁を点線で示す)への搭載に適した薄型の平面アンテナを構成している。
 地板11は、アンテナ形成面内に配置された面状(板状)の導体であり、「平面グランド」と呼称されることもある。アンテナ1において、地板11は、放射素子12から放射される電磁波をミラー効果により強めるという機能を担う。本実施形態においては、地板11として、矩形状の導体箔を用いている。地板11の外縁には、凹部11a及び凸部11bが設けられている。より具体的に言うと、凹部11aは、短辺11Aの端(図1において右端)から中央に寄った位置に形成され、後述する放射素子12の端部12Aがこの凹部11aに入り込む。一方、凸部11bは、短辺11Aの端(図1において左端)に形成され、後述する放射素子12の端部12Bがこの凸部11bに対向する。
 放射素子12は、アンテナ形成面内に配置された線状(ワイヤ状)又は帯状(リボン状)の導体であり、「アンテナエレメント」と呼称されることもある。本実施形態においては、放射素子12として、折れ曲がった帯状の導体箔を用いている。より具体的に言うと、(1)端部12Aからy軸正方向に伸びる第1の直線部12aと、(2)直線部12aの端部12Aと反対側の端部からx軸正方向に伸びる第2の直線部12bと、(3)第2の直線部12bの第1の直線部12a側と反対側の端部からy軸正方向に伸びる第3の直線部12cと、(4)第3の直線部12cの第2の直線部12b側と反対側の端部からx軸負方向に伸びる第4の直線部12dと、(5)第4の直線部12dの第3の直線部12c側と反対側の端部からy軸負方向に伸びる第5の直線部12eとからなる帯状の導体箔を用いている。ここで、x軸及びy軸は、それぞれ、地板11の短辺11A及び長辺11Bに平行な軸である。
 放射素子12の端部12A(本実施形態においては、第1の直線部12aの第2の直線部12b側と反対側の端部に一致)は、上述したように、地板11の凹部11aに入り込んでおり、地板11の凹部11aと共に給電部を構成している。図1においては、放射素子12及び地板11に設けられる給電点を、それぞれ、P及びQで示している。放射素子12の端部12Aのことを、以下、「給電側の端部」とも呼称する。
 放射素子12の端部12B(本実施形態においては、第5の直線部12eの第4の直線部12d側と反対側の端部に一致)は、上述したように、地板11の凸部11bと対向しており、コンデンサ14を介して地板11の凸部11bに接続されている。このコンデンサ14は、後述するように、放射素子12の長さを保ったままアンテナ1の動作帯域を低周波化するという機能、換言すれば、アンテナ1の動作帯域を保ったまま放射素子12の長さを短縮するという機能を担っている。より具体的に言うと、アンテナ1の動作帯域を保ったまま放射素子12の全長ρをλ/4からλ/8以下に短縮する機能を担っている。このコンデンサ14のことを、以下、「短縮コンデンサ」とも呼称する。
 短絡部13は、放射素子12の中間部12Cと地板11の外縁とを短絡する、アンテナ形成面内に配置された線状又は帯状の導体であり、アンテナ1の入力インピーダンスをICチップ21(後述)の出力インピーダンスに整合させるという機能を担う。本実施形態においては、第2の直線部12bと第3の直線部12cとの間を中間部12Cとし、この中間部12Cから地板11の短辺11Aに下ろした垂線に沿って配置された帯状の導体箔を短絡部13として用いている。これにより、放射素子12の給電線部(端部12Aから中間部12Cまでの部分)が、地板11と短絡部13と放射素子12の主要部(中間部12Cから端部12Bまでの部分)とによって取り囲まれた領域に配置されることになる。なお、中間部12Cにおける「中間」とは、端部12Aと端部12Bとの間にあることを意味し、端部12Aと端部12Bとの中点であることを要さない。
 なお、地板11、放射素子12、及び短絡部13は、例えば、導電性銀ペーストを用いた印刷によってPET(ポリエチレンテレフタレート)フィルム上に一体形成することができる。このような構成を採用することによって、無線タグ2への搭載に適した極めて薄型のアンテナ1を実現することができることは明らかであろう。
 アンテナ1を無線タグ2に搭載する場合、図1に示すように、地板11の長辺11Bを無線タグ2の長辺2B(例えば、85.6mm)と平行に配置すると共に、地板11の短辺11Aと無線タグ2の短辺2A(例えば、54.0mm)との間のスペースに放射素子12及び短絡部13を配置することができる。このような配置が許容される理由は、短縮コンデンサ14の作用によって放射素子12の全長ρがλ/8以下に短縮されているからに他ならない。
 実際、アンテナ1を315MHzで動作させる場合、短縮コンデンサ14を設けないと、放射素子12の全長ρは約25cm(λ/4に相当)になる。したがって、どのように放射素子12を折り曲げても、放射素子12を上記のスペースに配置することは困難である。一方、短縮コンデンサ14を設けると、放射素子12の全長ρは約10cm(λ/10に相当)になる。したがって、上記のように放射素子12を折り曲げれば、放射素子12を上記のスペースに容易に配置し得る。
 また、アンテナ1を無線タグ2に搭載する場合、図1に示すように、アンテナ1と共に無線タグ2に搭載するICチップ21及びペーパー電池22を、それぞれ、給電点P,Q及び地板11に重ねて配置するとよい。ICチップ21を給電点P,Qに重ねて配置することによって、同軸ケーブル等を介さずにICチップ21を給電点P,Qに直結することができる。したがって、アンテナ-ICチップ間における高周波信号の伝送をより効率的に行うことができる。また、ペーパー電池22を地板11に重ねて配置することによって、ペーパー電池22が上記のスペースに配置された放射素子12と重なり合うことを回避することができる。したがって、ペーパー電池22内に生じる誘導電流によって放射素子12周辺に形成される電界が打ち消されて放射強度が低下したり、ペーパー電池22によって放射素子12周辺に形成される電磁界が歪められて放射方向に偏りが生じたりすることを防止することができる。なお、無線タグ2に搭載する電池は、ペーパー電池22に限定されず、ボタン電池など他の電池であってもよい。この場合にも、その電池に地板11を重ねて配置すればよい。
 なお、本実施形態に係るアンテナ1は、地板11と放射素子12とに加えて短絡部13を備えた逆F型アンテナであるが、これに限定されるものではない。すなわち、本実施形態に係るアンテナ1は、短絡部13を省くことによって、地板11と放射素子12とを備えた逆L型アンテナに変形することができる。この場合であっても、短縮コンデンサ14の作用によって放射素子12の全長ρを短縮することができる点に変わりはない。
 (短縮コンデンサ)
 本実施形態に係るアンテナ1の最大の特徴は、放射素子12の給電側と反対側の端部12Bと地板11との間に介在する短縮コンデンサ14を備えている点である。これにより、アンテナ1の動作帯域を保ったまま、放射素子12の全長ρを短縮することができる。換言すれば、放射素子12の全長ρを保ったまま、アンテナ1の動作帯域を低周波側にシフトさせることができる。ここで、図1に示す放射素子12においては、上述した5つの直線部12a~12eの長さの総和が放射素子12の全長ρに該当する。
 短縮コンデンサ14の効果について、図2を参照してもう少し詳しく説明する。以下、簡単のためにモノポールアンテナを例にとって説明するが、逆F型アンテナや逆L型アンテナなどのモノポール型アンテナ(地板と放射素子とを備えたアンテナであって、モノポールアンテナと同様の動作原理で動作するアンテナ)一般について同様のことが言える。
 良く知られているように、モノポールアンテナは、図2の(a)に示すRLC直列共振回路に等価である。ここで、Rは、放射抵抗、Leは、実効インダクタンス、Cは、実効キャパシタンスである。実効インダクタンスLe及び実効キャパシタンスCは、放射素子の材質や形状などに応じて決まる。インピーダンスZは、(1)式によって与えられ、共振周波数foは、(2)式によって与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
 短縮コンデンサ14の効果を説明するために、図2の(b)に示す3つのアンテナA1~A3を考える。
 アンテナA1は、実効インダクタンスL1及び実効キャパシタンスC1を有するモノポールアンテナであり、その共振周波数f1は、(3)式により与えられる。アンテナA1の放射素子の全長ρ1は、λ1=c/f1(cは光速)として、ρ1=λ1/4である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
 アンテナA2は、アンテナA1において、放射素子の給電側と反対側の端部と地板との間にキャパシタンスCを有する短縮コンデンサを装荷することによって得られたものである。短縮コンデンサの装荷は、放射素子の給電側と反対側の端部に設けた円盤と地板との間に浮遊容量Cを持たせることによって実現される。アンテナA2の実効インダクタンスL2はL2=L1となり、アンテナA2の実効キャパシタンスC2はC2=C1+Cとなるので、その共振周波数f2は、(4)式により与えられる。アンテナA2の放射素子の全長ρ2は、アンテナA1と同様、ρ2=λ1/4である。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000005
 アンテナA3は、アンテナA2と同一の共振周波数f2を有するモノポールアンテナである。アンテナA3の放射素子の全長ρ3は、λ2=c/f2として、ρ3=λ2/4になる。(4)式に示すようにf2<f1なので、アンテナA3の放射素子の全長ρ3=c/(4f2)は、アンテナA1の放射素子の全長ρ1=c/(4f1)よりも長くなる。
 アンテナA2とアンテナA3との比較から、短縮コンデンサを装荷することによって、共振周波数を保ったまま放射素子の全長を短縮できることが分かる。また、アンテナA2とアンテナA1との比較から、短縮コンデンサを装荷することによって、放射素子の全長を保ったまま共振周波数を低周波側にシフトできることが分かる。
 次に、短縮コンデンサ14のキャパシタンスの見積もりについて、図3を参照して説明する。
 図3に示すように、モノポールアンテナの放射素子の全長をλ/4[m]からh[m]に短縮することを考える。図3において、アンテナB1は、全長λ/4の放射素子を有する短縮前のモノポールアンテナであり、アンテナB2は、全長hの放射素子を有する短縮後のモノポールアンテナである。放射素子がグランド面(無限大の地板)に直交するストレートワイヤであって、直径d[m]の円形断面を有するストレートワイヤであるとすると、このとき装荷すべき短縮コンデンサのキャパシタンスC[F]は、(5)式により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000006
 ここで、λ[m]は動作波長であり、f[Hz]は動作周波数である。波長λと周波数fとの間にはc[m/秒]を光速としてf=c/λの関係がある。(5)式は以下のように導出される。
 アンテナは、上述したように図2の(a)に示すRLC直列共振回路に等価である。アンテナの先端から距離ρ=λ/4-hの位置にある点をAとすると、点Aから先端を見たときの入力インピーダンスZ[Ω]は、先端を開放した高周波伝送路の理論式に従って、(6)式により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000007
 ここで、Z0は伝送線路の特性インピーダンス[Ω]であり、βは波数2π/λ[1/m]である。グランド面に直交するストレートワイヤであって、直径d[m]の円形断面を有するストレートワイヤの特性インピーダンスZ0は、(7)式により近似できることが知られている。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000008
 一方、キャパシタンスC[F]のコンデンサのインピーダンスZ[Ω]は、良く知られているように、角周波数ω[rad/秒]を用いて(8)式により与えられる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000009
 放射素子の全長をλ/4からhに短縮するためには、装荷する短縮コンデンサのインピーダンスZを、(6)式に示す入力インピーダンスZに一致させればよい。すなわち、装荷すべき短縮コンデンサのキャパシタンスCは、(8)式の右辺と、(6)式の右辺に(7)式を代入したものとが等しいものとおいて、以下のように求められる。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000010
 なお、(5)式は、放射素子がグランド面に直交するストレートワイヤであって、直径d[m]の円形断面を有するストレートワイヤである場合に、装荷すべき短縮コンデンサのキャパシタンスCを与えるものである。しかしながら、本実施形態に係るアンテナ1のように、折れ曲がった放射素子12が地板11と同一面内に配置される場合であっても、装荷すべき短縮コンデンサ14のキャパシタンスの目安を与えるのに十分なものである。
 例えば、放射素子12の幅の平均値がW[m]であるときに、d=Wを(5)式に代入して得られるキャパシタンスCをCo[F]として、短縮コンデンサ14のキャパシタンスをCo±50%(0.5×Co以上1.5×Co以下)に設定することが考えられる。短縮コンデンサ14のキャパシタンスがこの範囲内にあれば、概ね、放射素子12の全長をλ/4[m]からh[m]に短縮することができる。なお、C0に±50%の幅を持たせているのは、放射素子12の材質、形状(折り曲げの有無、折り曲げ方など)、及び厚みにより、アンテナ1の実効キャパシタンスが理論計算モデルから変化することを考慮してのことである。
 もちろん、実装する放射素子12の特性インピーダンスZ0の近似式を実験により求めて(7)式の代わりに用いれば、装荷すべき短縮コンデンサ14のキャパシタンスをより正確に決定することができる。
 なお、本実施形態においては、特定のキャパシタンスを有する単一のコンデンサを装荷し、このコンデンサを地板11と放射素子12との間に介在させる短縮コンデンサ14とする構成について説明したが、これに限定されるものではない。すなわち、相異なるキャパシタンスを有する複数のコンデンサを装荷し、これら複数のコンデンサの中から選択されたものを地板11と放射素子12との間に介在させる短縮コンデンサ14とする構成を採用してもよい。このような構成を採用することによって、使用者がアンテナ1の動作帯域を切り替えることが可能になる。
 (その他の特徴)
 次に、本実施形態に係るアンテナ1のその他の特徴について、図4及び図5を参照して説明する。
 上述したように、本実施形態に係るアンテナ1においては、図4の(a)(及び図1)に示すように、地板11の短辺11Aに凹部11aを設け、この凹部11aに放射素子12の端部12Aを入り込ませる構成(以下「構成A」と記載)が採用されている。このため、図4の(b)に示すように、放射素子12の端部12Aを単に地板11の短辺11Aに対向させる構成(以下「構成B」と記載)と比べて、給電点P,Qを放射素子12の主要部(端部12Aから中間部12Cまでの部分)から遠ざけることができる。
 このことは、ICチップ21を給電点P,Qに直結する場合に、ICチップ21を放射素子12の主要部から遠ざけ得ることを意味する。すなわち、図4の(a)に示す構成Aを採用することによって、放射素子12の主要部の周囲に形成される電磁界の中にICチップ21が配置されることにより生じ得るアンテナ特性の劣化を回避することができる。ただし、ICチップ21がアンテナ特性に与える影響を考慮する必要がない場合には、地板11の加工が容易な図4の(b)に示す構成Bを採用しても構わない。
 また、上述したように、本実施形態に係るアンテナ1においては、図5の(a)(及び図1)に示すように、放射素子12の給電線部(端部12Aから中間部12Cまでの部分)を、地板11、短絡部13、及び放射素子12の主要部(中間部12Cから端部12Bまでの部分)によって取り囲まれた領域R内に配置する構成が採用されている。このため、無線タグ2がユーザの手に握られた場合など、無線タグ2の外縁に沿って外部導体が配置された場合であっても、外部導体が放射素子12の給電線部に与える影響を小さくすることができる。
 更に、本実施形態に係るアンテナ1においては、図5の(a)(及び図1)に示すように、短絡部13を地板11の短辺11Aの端(右端)から中央に寄った位置に接続する構成が採用されている。このため、短絡部13を地板11の短辺11Aの端に接続する構成と比べて、矢印Aで示すように放射素子12の第3の直線部12cを無線タグ2の外縁(特に長辺2B’)から遠ざけることができる。したがって、無線タグ2がユーザの手に握られた場合など、無線タグ2の外縁(特に長辺2B’)に沿って外部導体が配置された場合であっても、この外部導体がアンテナ特性に与える影響を小さくすることができる。
 なお、本実施形態に係るアンテナ1の一変形例として、図5の(b)に示すように、凸部11bを地板11の短辺11Aの端(左端)から中央に寄った位置に設ける構成を採用してもよい。この場合、矢印Bで示すように放射素子12の第5の直線部12eを無線タグ2の外縁(特に長辺2B)から遠ざけることができるので、やはり、外部導体がアンテナ特性に与える影響を小さくすることができる。
 また、本実施形態に係るアンテナ1の他の変形例として、図5の(c)に示すように、短絡部13を地板11の短辺11Aの端(右端)から中央に寄った位置に接続すると共に、凸部11bを地板11の短辺11Aの端(左端)から中央に寄った位置に設ける構成を採用してもよい。この場合、矢印Aで示すように放射素子12の第3の直線部12cを無線タグ2の外縁(特に長辺2B’)から遠ざけると共に、矢印Bで示すように放射素子12の第5の直線部12eを無線タグ2の外縁(特に長辺2B)から遠ざけることができるので、やはり、外部導体がアンテナ特性に与える影響を小さくすることができる。
 なお、本実施形態に係るアンテナ1においては、放射素子12の形状として、上述したように5つの直線部12a~12eからなるものを採用しているが、これに限定されるものではない。すなわち、例えば、放射素子12の少なくとも一部をメアンダ化してもよい。放射素子12をメアンダ化した場合、放射素子12を配置するためのスペースを拡大することなく、放射素子12の全長ρを長くすることができる。逆に言うと、放射素子12の全長ρを短くすることなく、アンテナ1のサイズを縮小することができる。すなわち、アンテナ1の共振波長を短くする(共振周波数を上げる)ことなく、アンテナ1のサイズを縮小することができる。ただし、放射素子12をメアンダ化した場合、放射素子12の互いに近接する部分の周囲に形成される電磁界が互いに弱めあうように干渉し、利得低下が生じる可能性がある。放射素子12の形状として、上述したように5つの直線部12a~12eからなるものを採用することによって、このような利得低下を回避することができる。
 (実施例)
 最後に、適当なキャパシタンスをもつ短縮コンデンサ14を装荷することによって、ID-1カードサイズ(85.6mm×54.0mm)の無線タグ2に搭載可能なアンテナ1を315MHz帯で動作させ得ることを、図6~図7を参照して説明する。
 図6は、本実施例に係るアンテナ1の具体的な形状を示す上面図である。地板11、放射素子12、及び短絡部13における各部の寸法は、図6に示したとおりである。アンテナ1は、図6に示したとおり、地板11及び放射素子12が85.6mm×54.0mの矩形領域内、より具体的には、84.0mm×52.0mmの矩形領域内に形成されており、ID-1カードサイズの無線タグ2に搭載可能となっている。
 アンテナ1を無線タグ2に搭載する場合、その断面は、パッケージ(裏)、ペーパー電池22、アンテナ1を含むメンブレン基板、及びパッケージ(表)を順に積層した構造をもつ。パッケージの厚みは0.1mm、ペーパー電池22の厚みは0.5mm、メンブレン基板の厚みは0.1mmなので、無線タグ2全体の厚みは、最小で0.8mmになる。すなわち、電子マネーカードなどのパッシブタグ(通常、厚さ1mm程度)と同程度の厚みをもつカード型のアクティブタグを実現することができる。
 図6に示す形状を有するアンテナ1を315MHzで共振させるための短縮コンデンサ14のキャパシタンスCは、上述した(5)式に従って算出することができる。具体的には、f=315MHz、波長λ=0.952m、h=0.098m、d=0.003mを(5)式に代入すると、Co=2.87pFが得られる。したがって、短縮コンデンサ14のキャパシタンスCを2.87pF程度(±50%)に設定すれば良いことが分かる。
 このことを実証する実測結果を図7に示す。図7は、本実施例に係るアンテナ1について、250MHz~500MHzにおけるSパラメータ(S11)の実測結果を示したスミスチャートである。(a)は、短縮コンデンサ14を設けなかった場合、(b)は短縮コンデンサ14のキャパシタンスCを2pFとした場合、(c)は短縮コンデンサ14のキャパシタンスCを3pFとした場合、(d)は短縮コンデンサ14のキャパシタンスCを4pFとした場合のスミスチャートである。これらのスミスチャートにおいては、Sパラメータが実軸と交差する点が共振周波数を表す。実軸上の目盛り「0」、「50」、「∞」は、それぞれ、「0Ω」、「50Ω」、「∞Ω」を表す。
 短縮コンデンサ14を設けなかった場合には、図7の(a)に示すように、アンテナ1は250MHz~500MHzにおいて共振周波数をもたない。一方、短縮コンデンサ14のキャパシタンスを2pFとした場合には、図7の(b)に示すように、アンテナ1は315MHzよりも高い周波数(367.5MHz)において共振する。また、短縮コンデンサ14のキャパシタンスを3pFとした場合には、図7の(c)に示すように、アンテナ1は315MHzにおいて共振する。また、短縮コンデンサ14のキャパシタンスを4pFとした場合には、図7の(d)に示すように、アンテナ1は315MHzよりも更に高い周波数(450MHz以上)において共振する。すなわち、装荷する短縮コンデンサ14のキャパシタンスを3pFとすれば、本実施例に係るアンテナ1を315MHzで動作させ得ることがわかる。
 共振周波数fが315MHzである場合、対応する波長λ=c/f(cは光速)は95.2cmとなる。したがって、短縮コンデンサ14を装荷しない場合、放射素子12の全長ρはλ/4=23.8cmになる。これに対して、3pFの短縮コンデンサ14を装荷した場合、図6に示すように放射素子12の全長ρは10.8cmに短縮される。このように、3pFのキャパシタンスをもつ短縮コンデンサ14を装荷することによって、ID-1カードサイズの無線タグ2に搭載可能なアンテナ1でありながら、315MHzを動作帯域に含むアンテナ1を実現することができる。
 なお、本実施例においては、地板11として52mm×54mmの長方形状の導体板を用いているが、これに限定されるものではない。すなわち、地板11は、グランド面(無限大の地板)として機能するものであればよく、この機能を損なわない範囲でそのサイズ及び形状を適宜変更してもよい。
 また、本実施例においては、ペーパー電池22を地板11と重ねて配置することを想定しているが、ペーパー電池22内に生じる誘導電流の影響が小さく無視できる場合には、必ずしも地板11とペーパー電池22とを重ねる必要はない。例えば、地板11が52mm×12mmの長方形であり、ペーパー電池22が48mm×38mmの長方形である場合、これらを互いに重ね合わせることなく、並べて配置する構成を採用してもよい。この場合、図6に示した構成と比べて地板11の面積が小さくなるので、アンテナ1の材料コスト(アンテナ1の主材料である導体箔のコスト)を大幅に低下させることができる。加えて、図6に示した構成を採用した場合のように地板11をペーパー電池22と重ねる必要がないため、無線タグ2の厚みをISO/IEC7810における規定値である0.76mm以下に抑えることができる。実際、パッケージの厚みを0.1mm、ペーパー電池22の厚みを0.5mm、メンブレン基板の厚みを0.1mmとした場合、無線タグ2全体の厚みは最小で0.7mmとなる。
 〔第2の実施形態〕
 本発明の第2の実施形態(以下、「本実施形態」と記載)について、図面に基づいて説明すれば以下のとおりである。
 本実施形態に係るアンテナ1の構成について、図8を参照して説明する。図8は、本実施形態に係るアンテナ1の構成を示す上面図である。
 アンテナ1は、地板11、放射素子12、及び短絡部13とを備えた逆F型アンテナである。地板11、放射素子12、及び短絡部13は、互いに重なり合うことなく同一面内に配置されており、第1の実施形態と同様、無線タグへの搭載に適した薄型の平面アンテナを構成している。
 地板11は、第1の実施形態と同様、アンテナ形成面内に配置された面状の導体である。本実施形態においては、地板11として、一角(図8において右上の角)に矩形状の切り欠き11Cが形成された矩形状の導体箔を用いている。階段上の外縁を構成する辺11A、辺11C1(切り欠き11Cとの境界を構成する2辺のうち辺11Aに平行な方)、辺11C2(切り欠き11Cとの境界を構成する2辺のうち辺11Aに垂直な方)のうち、辺11Aの端(図8において左端)に凸部11bが形成されている点は、第1の実施形態と同様である。
 放射素子12は、第1の実施形態と同様、アンテナ形成面内に配置された帯状の導体である。本実施形態においては、放射素子12として、(1)端部12Aからy軸正方向に伸びる第1の直線部12aと、(2)直線部12aの端部12Aと反対側の端部からx軸負方向に伸びる第2の直線部12bと、(3)第2の直線部12bの第1の直線部12a側と反対側の端部からy軸負方向に伸びる第3の直線部12cとからなる帯状の導体箔を用いている。
 放射素子12の端部12B(本実施形態においては、第3の直線部12cの第2の直線部12b側と反対側の端部に一致)は、地板11の凸部11bと対向しており、短縮コンデンサ14を介して地板11の凸部11bに接続されている。この短縮コンデンサ14は、本実施形態においても、アンテナ1の動作帯域を高周波側にシフトさせることなく、放射素子12の全長ρを短縮するという機能を担っている。
 短絡部13は、第1の実施形態と同様、放射素子12の給電側の端部12Aと地板11の外縁とを短絡する、アンテナ形成面内に配置された帯状の導体である。本実施形態においては、放射素子12の給電側の端部12Aから地板11の辺11C1に下ろした垂線に沿って配置された帯状の導体箔を短絡部13として用いている。
 本実施形態に係るアンテナ1においては、地板11の外縁、放射素子12、及び短絡部13によって取り囲まれる領域が、給電点同士を結ぶ直線により2つの領域R1,R2に分割される。第1の領域R1は、地板11の外縁(特に辺11A)、放射素子12、及び、給電点同士を結ぶ直線に取り囲まれた領域であり、第2の領域R2は、地板11の外縁(特に辺11C1及び辺11C2)、短絡部13、及び、給電点同士を結ぶ直線に取り囲まれた領域である。
 このため、本実施形態に係るアンテナ1は、放射素子12の全長ρ及び短縮コンデンサ14のキャパシタンスCに応じて決まる共振周波数f0の他に、これら2つの領域R1,R2の形状に応じて決まる2つの共振周波数f1,f2を有する。このことを、補対の原理に基づいて、図9を参照して説明する。
 補対の原理によると、上述した2つの領域R1,R2は、図9の(a)に示すように、これらの2つの領域R1,R2と合同な2つの放射素子R1’,R2’を備えたダイポールアンテナと同等のアンテナとして機能する。すなわち、アンテナ1は、放射素子R1’,R2’を備えたダイポールアンテナの共振周波数に相当する共振周波数f1を有する。
 また、補対の原理によると、上述した2つの領域R1,R2は、図9の(b)に示すように、これらの2つの領域R1,R2の合併R1∪R2と合同な1つの放射素子R’を備えたモノポールアンテナと同等のアンテナとしても機能する。すなわち、アンテナ1は、放射素子R’を備えたモノポールアンテナの共振周波数に相当する共振周波数f2を有する。
 以上のように、本実施形態に係るアンテナ1は、3つの共振周波数を有する多共振アンテナ(多周波アンテナ)として機能する。したがって、例えば、要求される動作帯域が異なる各国において使用することができるといったメリットがある。
 〔まとめ〕
 以上のように、各実施形態に係るアンテナは、同一平面内に配置された地板と放射素子とを備えたアンテナであって、上記放射素子の給電側と反対側の端部と上記地板との間に介在するコンデンサを備えている、ことを特徴とする。
 上記の構成によれば、地板と放射素子とが同一平面内に配置されているため、無線タグへの搭載が可能な薄型のアンテナを実現することができる。しかも、上記コンデンサの作用によって、上記放射素子の全長を長くすることなく、上記アンテナの動作帯域を低周波化することができる。したがって、サイズを大型化することなく動作帯域の低周波化を図ったアンテナを実現することができる。なお、上記のアンテナは、地板と放射素子とを備えたモノポール型のアンテナである。したがって、放射素子の長さが同じループアンテナよりも放射パワーが大きく、アクティブタグへの搭載にも適している。
 一実施形態に係るアンテナは、上記地板と上記放射素子とが85.6mm×54.0mmの矩形領域内に形成され、かつ、322MHz以下の周波数で動作する、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、ISO/IEC7810により規定されたID-1カードサイズの無線タグなど、携帯性に優れ、かつ、他のICカードとの共存が容易な無線タグを実現することができる。しかも、322MHz以下の周波数で動作するので、十分な電界強度を有し、かつ、誰もが手軽に利用できる無線タグを実現することができる。
 一実施形態に係るアンテナにおいて、上記放射素子は、帯状の導体であり、当該アンテナの動作帯域をf[Hz]、当該アンテナの動作波長をλ=c/f[m](cは光速)、上記放射素子の全長をh[m](h<λ/4)、上記放射素子の幅の平均値をW[m]、下記(A)式にd=Wを代入して得られるCをCo[F]として、上記コンデンサのキャパシタンスは、0.5×Co以上1.5×Co以下に設定されている、ことが好ましい。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000011
 上記の構成によれば、上記コンデンサがない場合にλ/4になる放射素子の全長を、動作帯域を変更することなくh<λ/4に短縮することができる。
 一実施形態に係るアンテナにおいては、当該アンテナの動作波長をλとして、上記コンデンサのキャパシタンスは、上記放射素子の全長がλ/8以下になるように設定されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、上記コンデンサがない場合にλ/4になる放射素子の全長を、動作帯域を変更することなくλ/8以下に短縮することができる。
 一実施形態に係るアンテナにおいて、上記地板の外縁には、凹部が形成されており、上記放射素子の上記給電側の端部は、上記凹部に入り込んでいる、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、無線タグにおいて上記放射素子の上記給電側の端部に直結されるICチップを上記放射素子の主要部から遠ざけることができる。したがって、上記放射素子の主要部周辺に形成される電磁界が上記ICチップにより歪められることに起因するアンテナ特性の劣化を軽減することができる。
 一実施形態に係るアンテナは、上記放射素子の中間点と上記地板の外縁とを短絡する短絡部を更に備えており、上記放射素子の上記給電側の端部から上記中間点までの給電線部が、上記地板、上記短絡部、及び、上記放射素子の上記中間点から上記給電側と反対側の端部までの主要部によって囲まれた領域内に配置されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、無線タグがユーザの手に握られた場合など、無線タグの外縁に沿って外部導体が配置された場合であっても、この外部導体が上記放射素子の給電線部に与える影響を小さくすることができる。したがって、この外部導体の影響によるアンテナ特性の劣化を軽減することができる。
 なお、上記短絡部は、当該アンテナの入力インピーダンスを調整するためのものであり、上記中間点は、上記放射素子の両端の中点であることを要さない。すなわち、上記中間点は、当該アンテナの入力インピーダンスが所望の値となる位置に設ければよく、上記放射素子の両端の間にある任意の点であり得る。
 一実施形態に係るアンテナにおいては、上記短絡部の上記中間点側と反対側の端部、及び、上記放射素子の上記給電側と反対側の端部の少なくとも何れかが、上記地板の外縁を構成する辺において該辺の端から該辺の中央に寄った位置に接続されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、無線タグがユーザの手に握られた場合など、無線タグの外縁に沿って外部導体が配置された場合であっても、この外部導体が上記放射素子に与える影響を小さくすることができる。したがって、この外部導体の影響によるアンテナ特性の劣化を軽減することができる。
 一実施形態に係るアンテナは、上記放射素子の上記給電側の端部と上記地板の外縁とを短絡する短絡部を更に備えており、上記地板の外縁と上記放射素子と上記短絡部とにより取り囲まれた領域が給電点同士を繋ぐ直線により2つの領域に分割されている、ことが好ましい。
 上記の構成によれば、上記放射素子の全長及び上記コンデンサのキャパシタンスに応じて決まる周波数の他に、上記2つの領域の形状に応じて決まる2つの周波数を、上記アンテナの共振周波数とすることができる。
 なお、一実施形態に係るアンテナが内蔵された無線タグも本願の範疇に含まれる。
 〔付記事項〕
 本発明は上述した実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能である。すなわち、請求項に示した範囲で適宜変更した技術的手段を組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
 本発明に係るアンテナは、無線タグに搭載されるアンテナとして好適に利用することができる。また、IEEE802.15.4に準拠したZigbee(登録商標)モジュールに搭載するアンテナとしても好適に利用することができる。
  1     アンテナ
 11     地板
 11A    短辺(地板の外縁を構成する辺)
 11B    長辺
 11a    凹部
 11b    凸部
 12     放射素子
 12A    給電側の端部
 12B    給電側と反対側の端部
 12C    中間部(中間点)
 12a    第1の直線部(給電線部)
 12b    第2の直線部(給電線部)
 12c    第3の直線部(主要部)
 12d    第4の直線部(主要部)
 12e    第5の直線部(主要部)
 13     短絡部
 14     短縮コンデンサ(コンデンサ)
 2      無線タグ
 2A     短辺
 2B     長辺

Claims (10)

  1.  同一平面内に配置された地板と放射素子とを備えたアンテナであって、
     上記放射素子の給電側と反対側の端部と上記地板との間に介在するコンデンサを備えている、ことを特徴とするアンテナ。
  2.  上記地板と上記放射素子とが85.6mm×54.0mm以下の矩形領域内に形成され、かつ、322MHz以下の周波数で動作する、
    ことを特徴とする請求項1に記載のアンテナ。
  3.  上記放射素子は、帯状の導体であり、
     当該アンテナの動作帯域をf[Hz]、当該アンテナの動作波長をλ=c/f[m](cは光速)、上記放射素子の全長をh[m]、上記放射素子の幅の平均値をW[m]、下記(A)式にd=Wを代入して得られるCをCo[F]として、上記コンデンサのキャパシタンスは、0.5×Co以上1.5×Co以下に設定されている、
    ことを特徴とする請求項1又は2に記載のアンテナ。
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
  4.  当該アンテナの動作波長をλとして、上記コンデンサのキャパシタンスは、上記放射素子の全長がλ/8以下になるように設定されている、
    ことを特徴とする請求項1から3までの何れか1項に記載のアンテナ。
  5.  上記地板の外縁には、凹部が形成されており、
     上記放射素子の上記給電側の端部は、上記凹部に入り込んでいる、
    ことを特徴とする請求項1から4までの何れか1項に記載のアンテナ。
  6.  上記放射素子の中間点と上記地板の外縁とを短絡する短絡部を更に備えており、
     上記放射素子の上記給電側の端部から上記中間点までの給電線部が、上記地板、上記短絡部、及び、上記放射素子の上記中間点から上記給電側と反対側の端部までの主要部によって囲まれた領域内に配置されている、
    ことを特徴とする請求項1から5までのいずれか1項に記載のアンテナ。
  7.  上記短絡部の上記中間点側と反対側の端部、及び、上記放射素子の上記給電側と反対側の端部の少なくとも何れかが、上記地板の外縁を構成する辺において該辺の端から該辺の中央に寄った位置に接続されている、
    ことを特徴とする請求項6に記載のアンテナ。
  8.  上記放射素子の上記給電側の端部と上記地板の外縁とを短絡する短絡部を更に備えており、
     上記地板の外縁と上記放射素子と上記短絡部とにより取り囲まれた領域が給電点同士を繋ぐ直線により2つの領域に分割されている、
    ことを特徴とする請求項1から4までの何れか1項に記載のアンテナ。
  9.  請求項1から8までの何れか1項に記載のアンテナが内蔵されている、ことを特徴とする無線タグ。
  10.  上記地板と電池とが85.6mm×54.0mm以下の矩形領域内に互いに重なり合うことなく配置されている、
    ことを特徴とする請求項9に記載の無線タグ。
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