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明細書 :アンテナ

発行国 日本国特許庁(JP)
公報種別 特許公報(B2)
特許番号 特許第5320635号 (P5320635)
公開番号 特開2009-010909 (P2009-010909A)
登録日 平成25年7月26日(2013.7.26)
発行日 平成25年10月23日(2013.10.23)
公開日 平成21年1月15日(2009.1.15)
発明の名称または考案の名称 アンテナ
国際特許分類 H01Q   7/00        (2006.01)
H01Q   1/38        (2006.01)
H01Q   9/27        (2006.01)
FI H01Q 7/00
H01Q 1/38
H01Q 9/27
請求項の数または発明の数 2
全頁数 10
出願番号 特願2007-306655 (P2007-306655)
出願日 平成19年11月27日(2007.11.27)
新規性喪失の例外の表示 特許法第30条第1項適用 平成19年3月1日 国立大学法人 愛媛大学主催の「愛媛大学研究集会 2007-工学部 3号 愛媛大学工学部電気電子工学科 卒業論文発表会」に文書をもって発表
優先権出願番号 2007144379
優先日 平成19年5月31日(2007.5.31)
優先権主張国 日本国(JP)
審査請求日 平成22年11月8日(2010.11.8)
特許権者または実用新案権者 【識別番号】504147254
【氏名又は名称】国立大学法人愛媛大学
発明者または考案者 【氏名】松永 真由美
【氏名】横田 康裕
個別代理人の代理人 【識別番号】100119367、【弁理士】、【氏名又は名称】松島 理
【識別番号】100142217、【弁理士】、【氏名又は名称】小笠原 宜紀
審査官 【審査官】佐藤 当秀
参考文献・文献 特開2006-522517(JP,A)
特開2004-312431(JP,A)
特開2001-175960(JP,A)
特開2002-109497(JP,A)
M.R.Chaharmir, J.Shaker, M.Cuhaci and A.Ittipiboon,Broadband reflectarray antenna with double cross loops,Electronics Letters,英国,The Institution of Engineering and Technology,2006年,Vol.42, No.2,pp.65 - 66
調査した分野 G06K 19/07
H01Q 1/38
H01Q 7/00
H01Q 9/27
H01Q 19/10
特許請求の範囲 【請求項1】
十字の形状を形成するように周回する導線を有し、中心部に給電部を有するアンテナ。
【請求項2】
十字の形状を形成する周回をうずまき状に複数回有する請求項1に記載のアンテナ。
発明の詳細な説明 【技術分野】
【0001】
この発明は、ICタグ、ICリーダライタ、地上デジタルテレビジョン受信装置、全地球測位システムなどに使用する通信用アンテナに関する。
【背景技術】
【0002】
電子回路および送受信装置を小型の基板に配置したICタグはすでに普及が始まっており、たとえば、鉄道の運賃支払い等のための電子マネーとして用いるカードなどがあらわれている。さらに、商品管理や狂牛病・鳥インフルエンザ対策として畜産の分野での応用も期待されている。普及しているカードにはダイポールアンテナやループアンテナが使用されている。これらのアンテナは指向性が強く、特定の方向における感度は高いが、それ以外の方向における感度は低い。
【0003】
また、特許文献1には直行させて配置した2本のダイポールアンテナを切り替えて使用することによって、全方向に対しての通信を可能にすることが記載されている。

【特許文献1】特開2006-39899号公開特許公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0004】
ICタグ付きカードに設けられているループアンテナ等は指向性が強い。アンテナの感度が低下する方向の範囲をヌル角というが、これまでのアンテナではこのヌル角が大きい。したがって、ICタグ付きカードの使用者が、読取装置に対して適切に向けた場合には正確に送受信できるが、ヌル角に該当する方向に向けられたときは正確な情報のやりとりができない。
【0005】
たとえば、ICタグ付きカードを運賃の支払いの目的で使用する場合、改札口に設けられた読取装置に対して、使用者が適切な向きにおいてくれることはある程度期待できる。しかし、商品管理用として商品のケースに取り付けたり、畜産管理用として牛などに取り付けたりする場合、ICタグはさまざまな方向を向いている。したがって、ヌル角の大きいこれまでのICタグ用アンテナでは、限定された条件でしか適用ができない。
【0006】
特許文献1に記載された非接触ICタグによれば、全方向における通信が可能であると記載されている。しかし、切り替えスイッチや2つの電源回路、あるいは比較装置などを必要としており、回路は複雑になっている。ICタグに搭載する回路は小型であることが必要である。また、安価かつ大量に製造できることが望まれる。
【0007】
さらに、特許文献1に記載された非接触ICタグにおいて、作動しているのは1本のダイポールアンテナであるので、それから送信される電波は直線偏波である。したがって、読取装置に対して偏波方向があっていないときは通信が行いにくくなる。もし、この2本のダイポールアンテナに対して相互の位相を厳密に制御しながら送信を行えば円偏波を実現することも可能ではあるが、それでは、送受信回路はさらに複雑になる。
【0008】
この発明は、簡易な構成でありながらヌル角が小さく、しかも円偏波による通信を可能とするアンテナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0009】
上述の課題を解決するため、この発明のアンテナは、十字の形状を形成するように周回する導線を有する。十字の形状を形成する周回は、うずまき状に複数回形成されていてもよい。また、中心部に給電部を有するようにしてもよい。
【発明の効果】
【0010】
この発明は、十字の形状を形成するように周回する導線により、ヌル角が小さくほぼ全方向において通信可能なアンテナを実現できるという効果を有する。特別な送受信回路を使用することなく、円偏波による通信が行えるという効果を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【0011】
この発明を実施するための最良の形態について、図面に基づいて説明する。図1はアンテナの第1の例を示す平面図である。
【0012】
アンテナ1の外形は実質的に十字形状である。すなわち、長さL、幅W(L>W)の長方形が2つ、その重心をあわせ、かつ向きが90度ずれた状態で、重なりあった形状である。中心部は一辺がWの正方形であり、この正方形の外部に長さL1(=(L-W)/2)で幅Wの長方形が4つ突き出た形状といえる。
【0013】
この十字形状の外周を周回するように導線2が設けられている。図1においては、始点A1点より時計回りに点B1,C1,D1,E1,F1,G1,H1,J1,K1,M1を経由し、A1点に近接したA2点にいたる第1周回経路が形成されている。この周回経路中には、長さL1の2本の線分が直角をなしている箇所がある。たとえば、C1-D1-E1やF1-G1-H1などの区間である。この部分によってこのアンテナ1は、全方向における電波の送受信が行え、さらに、円偏波特性を有する。
【0014】
図1の例において点A2は始点A1よりも十字形状の内側に位置する。この点A2を始点として第2周回経路が第1周回経路の内側に形成される。同様に第3、第4の周回経路も順次うずまき状に形成される。このように複数の周回経路を渦巻状に設けることによって、小さい面積中に長いアンテナ長を得ることができる。
【0015】
図1の例において、幅Wは19mm、突出長さL1は27mmであり、導線2の幅は1mm、導線間のすきまは1mmである。周回経路は5周分形成されている。950MHzの周波数での通信を想定している。このアンテナをガラスエポキシのような強誘電体の基板上に形成する。ここでは、基板はガラスエポキシ板であり、その比誘電率は4.8、誘電正接tanδ=0.018であり、導線2は厚さ0.035mmの銅(誘電率=5.8×107)で形成されている。
【0016】
また、外形寸法や導線幅などを変更したいくつかの例についても検討した。いずれも、ヌル角の減少や円偏波特性において向上が見られたが、950MHzにおいて図1に示す例が特に優れていた。
【0017】
次にアンテナの第2の例について説明する。図2はアンテナの第2の例を示す平面図、図3はその中心部の拡大平面図、図4は同拡大底面図である。やはり、950MHzの周波数での通信を想定している。外形は実質的に十字形状であり、幅Wは19mm、突出長さ27mmであり、ほぼ第1の例と同形状である。しかし、上の突出部と下の突出部は導線2の幅分だけ左右にずれている。第1周回経路を構成する線分F1-G1と線分J1-K1の位置関係を図3で見ると、線分F1-G1は対向する線分J1-K1の延長線上にはなく、その延長線上から導線2の幅分平行移動した位置に存在する。このような形状も可能である。
【0018】
始点A1と終点A6にはスルーホールが形成されており、基板の裏面と接続されている。そして、基板の裏面において始点A1と終点A6を結ぶ導線3が設けられており、ループアンテナが形成されている。
【0019】
図5は給電点を模式的に示す断面図である。導体2および基板5に0.120mmのギャップ6が設けられている。このギャップ6によって区切られた導体2の一端側は同軸コネクタ7の中心導体8と接続されており、他端側は同軸コネクタ7の接地導体9と接続されている。この同軸コネクタ7に同軸ケーブルを接続することによって送受信回路より給電を行う。
【0020】
給電点4は十字形状の中心部の正方形内に設けるほうが、インピーダンスのマッチングをとりやすい。その中でも、完全な中心よりはやや外側にずらせることが好ましい。
【0021】
シミュレーションによって求めたアンテナの特性について説明する。図6および図7はそれぞれ第1の例および第2の例のシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。どちらも類似した特性を示している。950MHzあたりにおいてマッチングがとれている。また、広い範囲においてリターンロスが見られる。
【0022】
図8および図9はそれぞれ第1の例のおよび第2の例のシミュレーションによる3次元指向性を示すグラフである。また、図10は座標を示す斜視図である。第1の例のおよび第2の例のどちらも、ヌル点がほとんどない無指向性を示している。
【0023】
図11および図12はそれぞれ第1の例のおよび第2の例のシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。図11および図12は図10の座標におけるφ=45°でのθ角度で見た主偏波と交差偏波の電界強度を示しており、実線が主偏波、破線が交差偏波である。どちらも偏波面に対する依存性が低く、良好な円偏波特性が示されている。
【0024】
図16および図17はそれぞれ第1の例および第2の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。また、図18は円偏波の旋回方向の説明図である。図18において、電波は紙面の手前側から向こう側へ進行している。そして図18に示すように電界の旋回方向が時計回りである場合を右旋回と定義し、半時計回りの場合を左旋回とする。第1の例および第2の例のアンテナのいずれにおいても、右旋回の電界強度が左旋回の電界強度に対して著しく大きい。したがって、これらのアンテナを送信に使用した場合、右旋回の電波を良好に送信する一方、左旋回の電波はほとんど発生しないことを示す。
【0025】
ここで、図1および図3に基づいてこれらのアンテナにおける導線の周回の方向を説明する。中心部付近の給電点A1を始点とし、最外周の終点A6までの線路を追うと、半時計回りに周回しながらうずまきを形成している。このような導線の周回方向の場合、図16、17に示すように右旋回の電波のみを送信するような特性となる。なお、受信に使用する場合はその逆であり、図1に示すような導線の周回方向の場合、左旋回の電波のみを受信し、右旋回の電波のみをほとんど受信しない。
【0026】
ついで、実測によって求めたアンテナの特性について説明する。第2実施例のアンテナを作成し、その特性を調べた。
【0027】
図13は実測によるリターンロス特性を示すグラフである。ここでは、VSWR特性で示されており、図7とは単位が異なるが、ほぼシミュレーションと実測値が対応していることがわかる。
【0028】
図14は実測による指向性を示すグラフである。H面放射指向性をθ=0°において0dbとして表示している。ヌル点はほとんど存在しないことが示されている。
【0029】
図15は実測による偏波特性を示すグラフである。主偏波交差偏波特性をθ=0°において0dbとして表示している。実測値と合わせてシミュレーションによる値も示している。細い実線(線1)が主偏波のシミュレーション値、細い破線(線2)が交差偏波のシミュレーション値、太い実線(線3)が主偏波の実測値、太い破線(線4)が交差偏波の実測値である。実測値においては測定環境に起因する若干の違いが見られるが、おおむねシミュレーション値と実測値は対応していて、良好な円偏波特性が確認できる。
【0030】
以上、この発明のアンテナは簡単な構造でありながら、ヌル角がほとんどなく全方向において通信可能である。ガラスエポキシ基板へのエッチングなど配線パターン作成で確立している技術がそのまま使用できる。また、送受信回路も複雑なものは特に必要でなく、これまでのICタグやICリーダライタなどに使用されている送受信回路でも円偏波による通信が可能である。
【実施例1】
【0031】
この発明の第1の実施例について説明する。この発明のアンテナは、ICタグやICリーダライタ、あるいはその両方に使用することができる。ICリーダライタに使用する場合、たとえば図1や図2に示すようなアンテナを使用することができる。ICリーダライタの場合、さほど小型にする必要はなく、むしろ、性能が高いことが重視される。周波数としては、図1や図2に示すアンテナの場合、950MHzによる通信を行う。送受信回路は従来のままでもよく、この発明のアンテナを設けることにより、ICリーダライタの本体部分をほとんど変更することなく、この発明を適用することができる。ICリーダライタ側に無指向性・円偏波特性を持たせることによって、ICタグ側のアンテナは指向性・直線偏波特性のものであっても、良好な通信を行うことができる。
【0032】
この発明のアンテナは導線の幅を縮小して周回密度を上げることによって、容易に小型化することができるので、ICタグ側のアンテナに適用することもできる。ICタグ側のアンテナに無指向性・円偏波特性を持たせることによって、ICリーダライタが従来のものでも、良好な通信を行うことができる。さらに、ICタグとICリーダライタの双方に用いることによって、通信性能はさらに向上する。以上、この実施例に示すように、本発明をICタグやICリーダライタに適用することによって、ICタグをどの方向からICリーダライタに近づけても、あるいはICタグをどのような向きにしても、適切に送受信を行うことができる。
【実施例2】
【0033】
この発明の第2の実施例について説明する。この発明のアンテナは、全地球測位システム(GPS)に使用することができる。カーナビゲーション装置などに使用する場合、自動車の屋根やダッシュボード上などにこの発明のアンテナを設置する。
【0034】
ここで、受信する円偏波電波の旋回方向に合わせてアンテナの導線の周回方向を選択する。たとえば、左旋回の電波を受信する場合、図1に示すような導線の旋回方向を選択する。すなわち、上側から見て図1に示すような向きに設置される。図16や図17に示すように、左旋回の電波を感度よく受信する。直接波が左旋回である場合には良好に受信できる。一方、建物の壁などに反射されるマルチパス波は右旋回となるのでほとんど受信されない。したがって、マルチパス波の悪影響を受けにくい。また、右旋回の円偏波を受信する場合には、図1や図2に示すのと逆方向に導線を周回させたアンテナを使用する。
【0035】
日本においてGPSとして使用される電波は通常右旋回である。図1に示すような導線の旋回方向と逆の方向を選択する。すなわち、裏側(下側)から見て図1に示すような向きに設置される。この場合、GPS衛星より送信される右旋回の直接波のみを受信し、左旋回のマルチパス波をほとんど受信しない。
【実施例3】
【0036】
この発明の第3の実施例について説明する。この発明のアンテナは、携帯電話等の移動端末に組み込まれた地上デジタルテレビジョン受信装置に使用することができる。この発明のアンテナは平面アンテナであり、しかも容易に小型化できるので、携帯電話等の本体部分に組み込むことも可能である。従来の地上デジタルテレビ対応携帯電話では、本体部より突き出したダイポールアンテナが必要であるが、本発明を適用すれば、このような突起物は不要となる。
【0037】
また、地上デジタルテレビジョン放送の電波は直線偏波であるので、従来のダイポールアンテナでは、アンテナの向きが偏波方向に一致していない場合に受信性能が低下することが多い。しかし、この発明のアンテナは図11、図12、図14に示すように、交差偏波に対しても主偏波に対してと同様に高い受信能力を有している。したがって、受信端末の向き(すなわちナンテナの向き)にかかわらず、テレビ放送を良好に受信することができる。
【図面の簡単な説明】
【0038】
【図1】アンテナの第1の例を示す平面図である。
【図2】アンテナの第2の例を示す平面図である。
【図3】アンテナの第2の例の中心部の拡大平面図である。
【図4】同拡大底面図である。
【図5】給電点を模式的に示す断面図である。
【図6】第1の例のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。
【図7】第2の例のアンテナのシミュレーションによるリターンロス特性を示すグラフである。
【図8】第1の例のアンテナのシミュレーションによる3次元指向性を示すグラフである。
【図9】第2の例のアンテナのシミュレーションによる3次元指向性を示すグラフである。
【図10】座標を示す斜視図である。
【図11】第1の例のアンテナのシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。
【図12】第2の例のアンテナのシミュレーションによる偏波特性を示すグラフである。
【図13】実測によるリターンロス特性を示すグラフである。
【図14】実測による指向性を示すグラフである
【図15】実測による偏波特性を示すグラフである。
【図16】第1の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。
【図17】第2の例のアンテナのシミュレーションによる円偏波の電界強度を示すグラフである。
【図18】円偏波の旋回方法の説明図である。
【符号の説明】
【0039】
1.アンテナ
2,3 導線
4.給電点
図面
【図1】
0
【図2】
1
【図3】
2
【図4】
3
【図5】
4
【図6】
5
【図7】
6
【図8】
7
【図9】
8
【図10】
9
【図11】
10
【図12】
11
【図13】
12
【図14】
13
【図15】
14
【図16】
15
【図17】
16
【図18】
17