WO2017126151A1 - ループアンテナ - Google Patents

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佐々木　愛一郎
勉 溝田
森村　浩季
加々見　修
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日本電信電話株式会社
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    • H01Q9/00—Electrically-short antennas having dimensions not more than twice the operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q9/04—Resonant antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q23/00—Antennas with active circuits or circuit elements integrated within them or attached to them
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q7/00—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop
    • H01Q7/06—Loop antennas with a substantially uniform current distribution around the loop and having a directional radiation pattern in a plane perpendicular to the plane of the loop with core of ferromagnetic material
    • H01Q7/08—Ferrite rod or like elongated core
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04B—TRANSMISSION
    • H04B5/00—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems
    • H04B5/40—Near-field transmission systems, e.g. inductive or capacitive transmission systems characterised by components specially adapted for near-field transmission
    • H04B5/48—Transceivers

Definitions

  • the present invention relates to a loop antenna that can contribute to expanding the area of a wireless system using a magnetic field.
  • NFC Near Field Communication
  • a loop antenna coil
  • a spherical magnetic field distribution is formed on the antenna surface by passing a current through the antenna.
  • a wireless system using a magnetic field has an advantage that the distance attenuation characteristic is steeper than a system using radio waves, and the wireless area boundary can be clearly distinguished.
  • 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 with low power consumption that can contribute to the expansion of the area of a wireless system using a magnetic field.
  • a loop antenna of the present invention includes a main loop that is an open loop connected to a signal source or a reception circuit, an amplification loop that is a closed loop having the same shape as the main loop, and the main loop.
  • 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 wound around a rod-shaped rod 3 formed of a magnetic material or an insulator, and has terminals T and T for connecting a signal source 5 and a receiving circuit (not shown), and is an open loop. ing. The number of turns is 1 or more, for example, 5.
  • 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.
  • the amplification loop 2 is wound around a portion different from the portion of the rod 3 around which the main loop 1 is wound.
  • the main loop 1 and the amplification loop 2 are separated from each other.
  • the amplification loop 2 is not provided with a terminal and is a closed loop.
  • the number of turns is 1 or more, for example, 5.
  • the number of turns may be the same as or different from the number of turns of the main loop 1.
  • 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.
  • the resistance value of the resistor R2 is made smaller than the resistance value of the resistor R1, the alternating current I2 becomes larger than the alternating current I1. Therefore, the area of the magnetic field generated by the loop antenna can be expanded.
  • the alternating current I2 depends on a plurality of factors such as frequency, resistance R1, resistance R2, capacitance C1, capacitance C2, internal resistance R0 of the signal source 5, and loop shape. Therefore, it is preferable to adjust each value of the resistor R1, the resistor R2, the capacitor C1, and the capacitor C2 to maximize the alternating current 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.
  • a large alternating current I2 is accumulated in the amplification loop 2 due to the magnetic field received from the outside, but there is no mutual amplification of the alternating current I1 flowing through the main loop 1 due to the mutual inductance.
  • Larger than The alternating current I1 can be maximized by setting the values of the resistor R1, the resistor R2, the capacitor C1, and the capacitor C2 according to the frequency, the loop shape, and the like. Therefore, the magnetic field area can be expanded even for the other party.
  • the area of the wireless system using a magnetic field can be expanded.
  • resistor R1, the resistor R2, the capacitor C1, and the capacitor 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 main loop 1 and the amplification loop 2 of the first embodiment are separated from each other.
  • the main loop 1 and the amplification loop 2 are wound around the rod 3 so as to run parallel to each other.
  • the configuration is the same as that of the first embodiment.
  • the main loop 1 and the amplification loop 2 since there is the rod 3, the main loop 1 and the amplification loop 2 generate a relatively large magnetic coupling.
  • the main loop 1 and the amplification loop 2 are run in parallel. As a result, the main loop 1 and the amplification loop 2 are close to each other, and a larger magnetic coupling can be generated. Therefore, a large current can be accumulated in the amplification loop 2, and the area of the magnetic field can be made wider.
  • 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.
  • the loop antenna according to the third embodiment is one in which the capacity connected to the main loop 1 and the amplification loop 2 is optimized.
  • Other configurations are the same as those in the first and second 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 ⁇ .
  • the self-inductance L of the main loop 1 and the amplification loop 2 is equally 1 ⁇ H.
  • the loop self-inductance depends on the loop geometry. Therefore, it is easy to make the self-inductance equal by making the geometric shapes of the main loop 1 and the amplification loop 2 the same.
  • FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the current I2, the capacitance C1, and the capacitance C2 of the amplification loop 2.
  • the capacitors C1 and C2 having the values calculated by this equation are connected to the main loop 1 and the amplification loop 2, the current I2 can be maximized and the maximum amplification effect can be obtained.
  • the values of the capacitors C1 and C2 are calculated using the following equation in which the internal resistance R0 of the signal source 5 is changed to the internal resistance R4 of the receiving circuit.
  • the current amplification effect is maximum at 10 MHz. That is, the current I1 is 10 mA, whereas the current I2 is 70 mA or more.
  • the current I2 is 7 times or more the current I1. Therefore, the amplitude of the magnetic field that can be generated can be amplified seven times or more. That is, since the current flowing through the loop antenna can be amplified without increasing the current I1 supplied from the signal source 5, a large magnetic field can be generated with low power consumption. As a result, the area of the wireless system using the magnetic field can be expanded.

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Abstract

メインループ１は、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッド３に巻かれ、信号源５や受信回路（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以上であり、例えば５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。また、メインループ１が巻かれたロッド３の部分とは異なる部分に増幅用ループ２が巻かれている。これにより、メインループ１と増幅用ループ２が互いに離間している。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以上であり、例えば５である。巻き数は、メインループ１の巻き数と同じでもよく、異なっていてもよい。

Description

ループアンテナ
　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。
　近年、ＮＦＣ(Near Field Communication)等の短距離無線認証技術では、認証エリアを意図的に限定しユーザの意思や行動に連動したサービスが行われている。磁界を用いて認証エリアを形成する場合には、ループアンテナ（コイル）が用いられ、アンテナに電流を通じることによりアンテナ面上に球状の磁界分布を形成する。磁界を利用した無線システムでは、電波を用いるシステムに比べて距離減衰特性が急峻であり、無線エリア境界を明確に区別できるという利点があるが、無線エリアを広範囲に拡大するためには、送信機から供給する電流を増やす必要がある。
特開２０１３－１２５９９１号公報 特開２０１４－１３５５３８号公報 特開２０１４－１３５５３９号公報
　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、消費電力の小さな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、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、前記メインループに接続された第１容量と、前記増幅用ループに接続された第２容量と、を備え、前記メインループと前記増幅用ループは、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッドに巻かれてい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、消費電力を大幅に増やさずに、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できる。
第１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。 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。 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。
　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の実施の形態に係る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、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッド３に巻かれ、信号源５や受信回路（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以上であり、例えば５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。
　メインループ１が巻かれたロッド３の部分とは異なる部分に増幅用ループ２が巻かれている。メインループ１と増幅用ループ２とは互いに離間している。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以上であり、例えば５である。巻き数は、メインループ１の巻き数と同じでもよく、異なっていてもよい。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、抵抗Ｒ２の抵抗値を抵抗Ｒ１の抵抗値より小さくすると、交流電流Ｉ２は交流電流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。
　交流電流Ｉ２は、周波数、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量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、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量Ｃ２の各値を調整し、交流電流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、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量Ｃ２の各値を設定することで、交流電流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、例えば、所望の電流、エリアが得られるなら、場合によっては、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量Ｃ２のいずれか１つ以上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。
　第１の実施の形態のメインループ１、増幅用ループ２は互いに離間していたが、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が互いに並走するようにロッド３に巻かれ、これ以外の構成は、第１の実施の形態と同様である。
　第１の実施の形態では、ロッド３があるので、メインループ１と増幅用ループ２は比較的大きな磁気結合を生じる。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を並走させる。その結果、メインループ１と増幅用ループ２が近接し、さらに大きな磁気結合を生じることができる。よって増幅用ループ２により大きな電流を蓄積でき、磁界のエリアをより広くできる。
　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］
　第３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る。その他の構成は、第１、第２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。
　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ループの幾何学形状に依存する。したがって、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３は、増幅用ループ２の電流Ｉ２と容量Ｃ１と容量Ｃ２の関係を示す図である。
　上記の条件の下、容量Ｃ１と容量Ｃ２を変数として電流Ｉ２をシミュレートすると、図３に示す結果が得られる。Ｉ２が最大になるのは、容量Ｃ１が３０ｐＦ付近かつ容量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に代入すると、容量Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，容量Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］が得られる。各周波数ωは、ω＝２πｆで計算される。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000003
　よって、この式により計算した値の容量Ｃ１、Ｃ２をメインループ１と増幅用ループ２に接続すれば、電流Ｉ２を最大にでき、最大の増幅効果が得られる。
　メインループ１に受信回路を接続する場合は、上記式の信号源５の内部抵抗Ｒ０を受信回路の内部抵抗Ｒ４に変更した次式を用いて容量Ｃ１、Ｃ２の値を計算する。
Figure JPOXMLDOC01-appb-M000004
　図４は、Ｃ１＝３１．５６［ｐＦ］，Ｃ２＝２２２．０９［ｐＦ］の場合の電流Ｉ１、Ｉ２の周波数依存性（計算値）を示す図である。
　図４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、電流Ｉ１が１０ｍＡであるのに対して、電流Ｉ２は７０ｍＡ以上である。電流Ｉ２は、電流Ｉ１の７倍以上となる。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Ｉ１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
３　ロッド
５　信号源
Ｃ１、Ｃ２　容量
Ｉ１、Ｉ２　電流
Ｒ０、Ｒ４　内部抵抗
Ｒ１、Ｒ２　抵抗
Ｔ　端子

Claims (7)

  1. 　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、
    　前記メインループに接続された第１容量と、
    　前記増幅用ループに接続された第２容量と、を備え、
    　前記メインループと前記増幅用ループは、磁性体または絶縁体で形成された棒状のロッドに巻かれている
    　ことを特徴とするループアンテナ。
  2. 　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記載のループアンテナ。
  3. 　前記メインループと前記増幅用ループが互いに離間している
    　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。
  4. 　前記メインループと前記増幅用ループが互いに並走するように巻かれている
    　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。
  5. 　前記第１容量に直列に接続された第１抵抗と、
    　前記第２容量に直列に接続された第２抵抗を有する
    　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。
  6. 　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、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000001
     　ただし、Ｌは、前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、
    　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。
  7. 　前記メインループは前記受信回路に接続され、
    　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、
    Figure JPOXMLDOC01-appb-M000002
     　ただし、Ｌは、前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、
    　ωは、信号の角周波数、
    　Ｒ４は、前記受信回路の負荷抵抗、
    　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。
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