WO2016147934A1 - ループアンテナ - Google Patents
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- H01Q1/38—Structural form of radiating elements, e.g. cone, spiral, umbrella; Particular materials used therewith formed by a conductive layer on an insulating support
Definitions
- the present invention relates to a loop antenna that can contribute to expanding the area of a wireless system using a magnetic field.
- a wireless system using a magnetic field Unlike a radio wave, a magnetic field has an extremely small interaction with a human body or a dielectric, which is advantageous in forming a clear wireless area that is not disturbed by a human body or an obstacle. Further, the distance attenuation characteristic of the radio wave is 20 dB / dec. However, the distance attenuation characteristic of the magnetic field is 60 dB / dec. The magnetic field is also suitable for clearly distinguishing the radio area boundary.
- the distance attenuation characteristic (60 dB / dec.) Of the magnetic field that is steep compared to radio waves is a disadvantageous factor in expanding the wireless area.
- the present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a loop antenna that can contribute to area expansion of a wireless system using a magnetic field.
- a loop antenna includes a main loop that is an open loop connected to a signal source or a reception circuit, and an amplification loop that is a closed loop having the same shape as the main loop.
- the main loop and the amplification loop are arranged on the same surface of a flat substrate formed of an insulator.
- a loop antenna includes a main loop that is an open loop connected to a signal source or a reception circuit, and an amplification loop that is a closed loop having the same shape as the main loop, and the main loop and the loop
- the amplification loop is characterized in that it is arranged on different plane substrates in a structure in which different planes of a plane substrate formed of an insulator or a plurality of plane substrates are multilayered.
- the loop antenna of the present invention when a signal source is used, a current sufficiently larger than the current flowing through the main loop can be accumulated in the amplification loop, and as a result, a large magnetic field can be generated. become.
- the loop antenna when a receiving circuit is used, a large current is accumulated in the amplifying loop when receiving a magnetic field, compared with a case where the amplifying loop is not used. A large reception current can be received in the main loop.
- FIG. 1 is a diagram illustrating an example of a loop antenna according to the first embodiment.
- the loop antenna is a resonance type loop antenna and includes a main loop 1 and an amplification loop 2.
- the main loop 1 is formed on a flat substrate (not shown) made of an insulator, has terminals T and T for connecting a signal source 5 or a receiving circuit (not shown), and is an open loop. ing. The number of turns is 1.
- FIG. 1 is a diagram in which a signal source 5 is connected as an example.
- a resistor R1 and a capacitor C1 are connected in series to the main loop 1.
- an amplification loop 2 is formed on the same surface of the flat substrate on which the main loop 1 is formed, in close proximity to the main loop 1.
- the amplification loop 2 is not provided with a terminal and is a closed loop. The number of turns is 1.
- the amplification loop 2 is disposed inside the main loop 1.
- the distance d between the main loop 1 and the amplification loop 2 is, for example, one tenth or less of the square root of the area surrounded by the main loop 1 or the amplification loop 2.
- a resistor R2 and a capacitor C2 are connected in series to the amplification loop 2.
- the alternating current I1 When the alternating current I1 is supplied from the signal source 5 to the main loop 1, the alternating current I2 flows through the amplification loop 2 due to the mutual inductance between the main loop 1 and the amplification loop 2.
- I2 becomes larger than I1. Therefore, the area of the magnetic field generated by the loop antenna can be expanded.
- I2 depends on a plurality of factors such as frequency, R1, R2, C1, C2, the internal resistance R0 of the signal source 5, and the loop shape. Therefore, it is preferable to adjust R1, R2, C1, and C2 to maximize I2.
- FIG. 1 shows an example in which the signal source 5 is connected to a loop antenna and used as a transmission antenna. However, instead of the signal source 5, a reception circuit is connected and the loop antenna is used as a reception antenna. Also good.
- the area of the wireless system using a magnetic field can be expanded.
- the amplification loop 2 may be disposed outside the main loop 1. That is, it arrange
- the amplification loop 2 has the same shape (geometric shape) as the main loop, as shown in FIG. Similar shapes include similar shapes. The same applies to the embodiments described later.
- any one or a plurality of R1, R2, C1, and C2 may not be used. The same applies to the embodiments described later.
- FIG. 2 is a diagram illustrating an example of a loop antenna according to the second embodiment.
- the number of turns is 1 in both the main loop 1 and the amplification loop 2 of the first embodiment.
- the number of turns is 3, and the other configurations are the same as those in the first embodiment. This is the same as the embodiment.
- the amplification loop 2 is disposed inside the main loop 1.
- the number of windings is arbitrary, and any number of windings is effective. Further, the number of turns of the main loop 1 and the amplification loop 2 may be different. However, when the number of turns is set to 2 or more, the number of turns of the main loop 1 and the number of turns of the amplification loop 2 can be made equal to each other. The inductance can be increased and the current amplification effect can be enhanced. Therefore, it is preferable to make the number of turns of the main loop 1 and the number of turns of the amplification loop 2 equal.
- FIG. 3 is a diagram illustrating an example of a loop antenna according to the third embodiment.
- the amplification loop 2 is arranged inside the main loop 1 or Arranged outside.
- the main loop 1 is formed on the surface of the flat substrate, and the amplification loop 2 is formed on the back surface of the same flat substrate.
- the other configuration is the same as that of the first embodiment.
- the main loop 1 and the amplification loop 2 may be formed separately on different surfaces (front and back) of the planar substrate. Therefore, the main loop 1 may be formed on the back surface of the flat substrate, and the amplification loop 2 may be formed on the surface of the same flat substrate.
- the main loop 1 and the amplification loop 2 are formed on the front and back of the same plane substrate, the main loop 1 and the amplification loop 2 can have the same shape and can be brought close to each other.
- the main loop 1 and the amplification loop 2 can have the same shape and the same shape.
- the distance between the main loop 1 and the amplification loop 2 substantially matches the thickness of the planar substrate. The distance is 1/10 or less of the square root of the area surrounded by the main loop 1 or the amplification loop 2.
- the magnetic coupling coefficient between the main loop 1 and the amplification loop 2 can be made close to 1, and the mutual inductance can be increased. Therefore, when the signal source 5 is used, a larger I2 can be obtained with respect to the constant I1, and when the receiving circuit is used, a larger I1 can be obtained with respect to the constant I2. That is, the area of the magnetic field can be expanded.
- the main loop 1 and the amplification loop 2 may be arranged on different planar substrates in a structure in which the planar substrates are multilayered.
- the distance between the main loop 1 and the amplification loop 2 is substantially equal to one of integral multiples (1 times, 2 times,...) Of the thickness of the planar substrate. The distance is 1/10 or less of the square root of the area surrounded by the main loop 1 or the amplification loop 2.
- FIG. 4 is a diagram illustrating an example of a loop antenna according to the fourth embodiment.
- the number of turns is 3 in the loop antenna of the third embodiment.
- the other configuration is the same as that of the third embodiment.
- the main loop 1 and the amplification loop 2 are arranged on different surfaces of the same plane substrate, for example. Even if the number of turns of the main loop 1 and the amplification loop 2 is increased, The main loop 1 and the amplification loop 2 can be brought close to each other. The same applies to the case where the main loop 1 and the amplification loop 2 are arranged on different planar substrates in a structure in which the planar substrates are multilayered.
- the mutual inductance between the main loop 1 and the amplification loop 2 does not decrease, the magnetic field area can be expanded, and the effect can be enhanced as the number of turns is increased.
- the number of turns of the main loop 1 equal to the number of turns of the amplification loop 2, it is possible to further increase the mutual inductance and expand the magnetic field area.
- the loop antenna according to the fifth embodiment has an optimized capacity connected to the main loop 1 and the amplifying loop 2, and is otherwise the same as in the first to fourth embodiments.
- the frequency f of the signal generated from the signal source 5 is 10 MHz
- the resistance R1 connected to the main loop 1 is 25 ⁇
- the resistance R2 connected to the amplification loop 2 is 1 ⁇
- the internal resistance R0 of the signal source 5 is 25 ⁇ . That is, the resistance R2 is made smaller than the sum of the resistance R1 and the internal resistance R0.
- the self-inductance L of the main loop 1 and the amplification loop 2 is equally 1 ⁇ H.
- the self-inductance of the loop depends on the geometric shape, it is easy to equalize the self-inductance by making the geometric shapes of the main loop 1 and the amplification loop 2 the same.
- FIG. 5 is a diagram showing the relationship between the current I2 of the amplification loop 2 and the capacitances C1 and C2.
- the current amplification effect is maximum at 10 MHz. That is, I1 (power consumption of the signal source 5) is 10 mA, whereas I2 is 70 mA or more, and a current that is seven times or more of I1 can flow through I2. Therefore, the amplitude of the magnetic field that can be generated can be amplified by 7 times or more. That is, since the current flowing through the loop antenna can be amplified without increasing the current supplied from the signal source 5, it is possible to generate a large magnetic field with low power consumption. As a result, the area of the wireless system using the magnetic field can be expanded.
Landscapes
- Details Of Aerials (AREA)
Abstract
磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナを提供する。信号源５または受信回路に接続される開ループであるメインループ１と、前記メインループ１と同じ形状を有する閉ループである増幅用ループ２とを備え、前記メインループ１と前記増幅用ループ２は、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置され、前記メインループ１には、第１容量が接続され、前記増幅用ループには、第２容量が接続される、ループアンテナである。
Description
本発明は、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナに関する。
従来において、磁界を利用した無線システムが提案されている。磁界は、電波と異なり、人体や誘電体との相互作用が極めて小さいので、人体や障害物に乱されない明確な無線エリアを形成する上で有利である。また、電波の距離減衰特性は２０ｄＢ／ｄｅｃ．であるが、磁界の距離減衰特性は６０ｄＢ／ｄｅｃ．であり、無線エリア境界を明確に区別する上でも磁界が適している。
しかし、電波に比べて急峻な磁界の距離減衰特性（６０ｄＢ／ｄｅｃ．）は、無線エリアを拡大する上では不利な要因となる。従来、磁界を用いた無線システムにおいてエリアを拡大するには、送信機から供給する電流を増やす必要があった。
本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナを提供することにある。
上記課題を解決するために、第１の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置されることを特徴とする。
第２の本発明のループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置されることを特徴とする。
本発明に係るループアンテナによれば、信号源を用いる場合は、メインループを流れる電流よりも十分大きな電流を増幅用ループに蓄積することができるので、結果的に大きな磁界を生成することが可能になる。
また、本発明に係るループアンテナによれば、受信回路を用いる場合には、磁界を受信する際に大きな電流が増幅用ループに蓄積される効果によって、増幅用ループを用いない場合に比べて、メインループにて大きな受信電流を受信することが可能になる。
以上の結果、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できる。
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態のループアンテナの一例を示す図である。
図１は、第１の実施の形態のループアンテナの一例を示す図である。
ループアンテナは、共鳴型のループアンテナであり、メインループ１と増幅用ループ２を備える。
メインループ１は、絶縁体で形成された平面基板（図示せず）に形成され、信号源５または受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ、Ｔを有し、開ループとなっている。巻き数は１である。図１は、例として信号源５を接続した図になっている。メインループ１には抵抗Ｒ１と容量Ｃ１が直列に接続されている。
また、メインループ１が形成された平面基板の同一面に、メインループ１に極めて近接して増幅用ループ２が形成されている。増幅用ループ２は、端子を備えず、閉ループとなっている。巻き数は１である。増幅用ループ２はメインループ１の内側に配置されている。
メインループ１と増幅用ループ２の距離ｄは、例えば、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。増幅用ループ２には抵抗Ｒ２と容量Ｃ２が直列に接続されている。
信号源５からメインループ１に交流電流Ｉ１が供給されると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスにより、増幅用ループ２に交流電流Ｉ２が流れる。一般に、Ｒ２をＲ１より小さくすると、Ｉ２はＩ１より大きくなる。よって、ループアンテナにより発生する磁界のエリアを拡大できる。
Ｉ２は、周波数、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２、信号源５の内部抵抗Ｒ０、ループ形状など複数の要素に依存する。そのため、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２を調整し、Ｉ２を最大化するのが好ましい。
なお、図１は、ループアンテナに信号源５を接続し、送信アンテナとして用いた場合の例を示しているが、信号源５の代わりに受信回路を接続し、ループアンテナを受信アンテナとして用いてもよい。
この場合、外部から受信する磁界により、増幅用ループ２に大きな交流電流Ｉ２が蓄積されるが、相互インダクタンスがあるために、メインループ１を流れる交流電流Ｉ１も、増幅用ループ２が存在しない場合に比べて大きくなる。周波数、ループ形状などに応じて、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２を設定することで、Ｉ１を最大化することができる。よって、相手側にとってみても、磁界のエリアを拡大できる。
したがって、第１の実施の形態のループアンテナによれば、磁界を利用した無線システムのエリアを拡大できる。
なお、増幅用ループ２はメインループ１の外側に配置してもよい。すなわち、一方のループが他方のループを内包するように配置する。後述の実施の形態でも同様である。また、増幅用ループ２は、図１に示すように、メインループと同じ形状（幾何学形状）である。同じ形状には、相似形を含む。後述の実施の形態でも同様である。
また、所望の電流およびエリアが得られる場合、Ｒ１、Ｒ２、Ｃ１、Ｃ２のいずれか１つまたは複数を用いなくてもよい。後述の実施の形態でも同様である。
［第２の実施の形態］
図２は、第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
図２は、第２の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
第１の実施の形態のメインループ１、増幅用ループ２共に、巻き数は１であったが、第２の実施の形態では巻き数は共に３であり、これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。増幅用ループ２はメインループ１の内側に配置されている。
本発明において巻き数は任意であり、いずれの巻き数でも有効である。また、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数が異なってもよいが、巻き数を２以上とする場合、メインループ１の巻き数と増幅用ループ２の巻き数を等しくすることで、相互インダクタンスを大きくすることができ、電流の増幅効果を高めることができる。そのため、メインループ１の巻き数と増幅用ループ２の巻き数を等しくすることが好ましい。
［第３の実施の形態］
図３は、第３の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
図３は、第３の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
第１の実施の形態および第２の実施の形態では、メインループ１と増幅用ループ２を平面基板の同一平面に設け、かつ、近接させるために、増幅用ループ２をメインループ１の内側または外側に配置した。
第３の実施の形態では、メインループ１が平面基板の表面に形成され、増幅用ループ２が同じ平面基板の裏面に形成される。これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。メインループ１と増幅用ループ２は、平面基板の異なる面（表と裏）に別々に形成されていればよい。したがって、メインループ１が平面基板の裏面に形成され、増幅用ループ２が同じ平面基板の表面に形成されてもよい。
メインループ１と増幅用ループ２を同じ平面基板の表裏に形成したことで、メインループ１と増幅用ループ２を同一形状とし、かつ、互いを近接させることができる。この場合、メインループ１と増幅用ループ２とは、形状および大きさが同じである完全な同一形状とすることができる。この場合、メインループ１と増幅用ループ２の距離は、平面基板の厚さにほぼ一致する。距離は、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。
メインループ１と増幅用ループ２が同一形状なので、メインループ１と増幅用ループ２の間の磁気結合係数を１に近づけることができ、相互インダクタンスを大きくすることができる。よって、信号源５を用いる場合は、一定のＩ１に対してより大きなＩ２を得ることができ、受信回路を用いる場合は、一定のＩ２に対してより大きなＩ１を得ることができる。つまり、磁界のエリアを拡大できる。
なお、メインループ１と増幅用ループ２は、平面基板を多層化した構造において、異なる平面基板に配置されていてもよい。この場合、メインループ１と増幅用ループ２の距離は、平面基板の厚さの整数倍（１倍、２倍、…）のいずれかにほぼ一致する。距離は、メインループ１または増幅用ループ２により囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である。
［第４の実施の形態］
図４は、第４の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
図４は、第４の実施の形態に係るループアンテナの一例を示す図である。
第４の実施の形態では、第３の実施の形態のループアンテナにおいて、巻き数を３にした構成である。これ以外の構成は、第３の実施の形態と同様である。
図２に示すように、平面基板の同一面に巻き数の多いメインループ１と増幅用ループ２を形成すると、メインループ１に囲まれる領域の面積と、増幅用ループ２に囲まれる領域の面積の差が大きくなるという問題点がある。この差が大きすぎると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスが減少し、磁界のエリア拡大（Ｉ２を増幅すること）が困難になる。
第４の実施の形態では、メインループ１と増幅用ループ２は、例えば、同一の平面基板の異なる面に配置されるので、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数を多くしても、メインループ１と増幅用ループ２を近接させることができる。メインループ１と増幅用ループ２を、平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置した場合でも同様である。
よって、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスが減少せず、磁界のエリアを拡大でき、巻き数を増やすほど、その効果を高めることができる。
また、メインループ１の巻き数と増幅用ループ２の巻き数を等しくすることで、さらに相互インダクタンスを高め、磁界のエリアを拡大できる。
［第５の実施の形態］
第５の実施の形態のループアンテナは、メインループ１と増幅用ループ２に接続した容量を最適化したものであり、その他については、第１～第４の実施の形態と同様である。
第５の実施の形態のループアンテナは、メインループ１と増幅用ループ２に接続した容量を最適化したものであり、その他については、第１～第４の実施の形態と同様である。
例えば、信号源５から発生する信号の周波数ｆを１０ＭＨｚ、メインループ１に接続する抵抗Ｒ１を２５Ω、増幅用ループ２に接続する抵抗Ｒ２を１Ω、信号源５の内部抵抗Ｒ０を２５Ωとする。すなわち、抵抗Ｒ２は、抵抗Ｒ１と内部抵抗Ｒ０との和より小さくする。
また、メインループ１と増幅用ループ２の自己インダクタンスＬは等しく１μＨとする。
ループの自己インダクタンスは幾何学形状に依存するので、メインループ１と増幅用ループ２の幾何学形状を同一にすることにより、それらの自己インダクタンスを等しくすることは容易である。
図５は、増幅用ループ２の電流Ｉ２と容量Ｃ１とＣ２の関係を示す図である。
上記の条件の下、容量Ｃ１とＣ２を変数としてＩ２をシミュレートすると、図５のようになる。Ｉ２が最大になるのは、Ｃ１が３０ｐＦ付近かつＣ２が２２０ｐＦ付近の場合であることがわかる。
一方、上記のパラメータを以下の式
よって、この式により計算した値のＣ１、Ｃ２をメインループ１と増幅用ループ２に接続すれば、Ｉ２を最大にでき、最大の増幅効果が得られる。
図６は、Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合のＩ１、Ｉ２の周波数依存性（計算値）を示す図である。
図に示すように１０ＭＨｚにおいて電流増幅効果が最大である。つまり、Ｉ１（信号源５の消費電力）が１０ｍＡであるのに対して、Ｉ２は７０ｍＡ以上であり、Ｉ１の７倍以上の電流をＩ２に流すことできる。したがって、生成可能な磁界の振幅を7倍以上に増幅することができる。すなわち、信号源５から供給する電流を増やすことなく、ループアンテナに流れる電流を増幅することができるので、少ない消費電力で大きな磁界を生成することができる。その結果、磁界を利用した無線システムのエリアを拡大することができる。
１ メインループ
２ 増幅用ループ
５ 信号源
Ｃ１、Ｃ２ 容量
Ｉ１、Ｉ２ 電流
Ｒ０ 内部抵抗
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｔ 端子
２ 増幅用ループ
５ 信号源
Ｃ１、Ｃ２ 容量
Ｉ１、Ｉ２ 電流
Ｒ０ 内部抵抗
Ｒ１、Ｒ２ 抵抗
Ｔ 端子
Claims (7)
- 信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の同一面に配置され、
前記メインループには、第１容量が接続され、
前記増幅用ループには、第２容量が接続される
ことを特徴とするループアンテナ。 - 信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループとを備え、
前記メインループと前記増幅用ループは、絶縁体で形成された平面基板の異なる面または複数の平面基板を多層化した構造において異なる平面基板に配置され、
前記メインループには、第１容量が接続され、
前記増幅用ループには、第２容量が接続される
ことを特徴とするループアンテナ。 - 前記メインループと前記増幅用ループの距離は、前記メインループまたは前記増幅用ループにより囲まれる領域の面積の平方根の１０分の１以下である
ことを特徴とする請求項１または２記載のループアンテナ。 - 前記メインループの巻き数と前記増幅用ループの巻き数が等しい
ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載のループアンテナ。 - 前記メインループには、前記第１容量と第１抵抗とが直列に接続され、
前記増幅用ループには、前記第２容量と第２抵抗とが直列に接続されている
ことを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載のループアンテナ。 - 前記メインループは前記信号源に接続され、
前記メインループの自己インダクタンスと前記増幅用ループの自己インダクタンスが等しい場合、
前記メインループの前記第１容量Ｃ１、前記増幅用ループの前記第２容量Ｃ２が次の式の条件を満たす、
ωは、前記メインループに印加する信号の角周波数、
Ｒ０は、前記信号源の内部抵抗、
Ｒ１は、前記第１抵抗、Ｒ２は、前記第２抵抗である
ことを特徴とする請求項５に記載のループアンテナ。 - 前記メインループは前記信号源に接続され、
前記信号源には、内部抵抗が接続され、
前記第２抵抗は、前記第１抵抗と前記前記内部抵抗との和より小さい
ことを特徴とする請求項５に記載のループアンテナ。
Priority Applications (3)
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Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
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Family Applications (1)
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|---|---|---|---|
| PCT/JP2016/057011 WO2016147934A1 (ja) | 2015-03-18 | 2016-03-07 | ループアンテナ |
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