JP2006237674A - パッチアンテナ及びｒｆｉｄインレット - Google Patents

Abstract

【課題】 可及的な小型化を図り得るパッチアンテナ及びＲＦＩＤインレットを提供する。
【解決手段】 パッチアンテナは、誘電体が介挿されたグラウンド面及びアンテナ面を有している。前記アンテナ面には、前記誘電体を露出させる開口が設けられている。前記開口は、前記アンテナ面のうち該開口を介して露出する誘電体によって画される領域が送受信素子に対する整合回路を形成するように構成されている。
【選択図】 図２

Description

本発明は、パッチアンテナ、並びに、パッチアンテナ及び送受信素子を有するＲＦＩＤインレットに関する。

パッチアンテナ及び送受信素子を有するＲＦＩＤインレットは、識別情報の正確且つ効率的な送受信を行えるものとして、物流管理や人の入出退管理等の種々の分野において非常に注目されている。

しかしながら、従来のＲＦＩＤインレットは、省サイズ化や、パッチアンテナと送受信素子との接続作業性に関して、十分な考慮がなされていなかった。
図８は、従来のＲＦＩＤインレットにおけるパッチアンテナの一例を示す斜視図である。

前記パッチアンテナ１００は、導体によって形成されるグラウンド面１１０と、該グラウンド面１１０上に載置された誘電体１２０と、導体によって形成されたアンテナ面１３０であって、前記誘電体１２０上に載置されたアンテナ面１３０とを有している。
そして、前記送受信素子（図示せず）は、一対の接続端子の一方が給電点１４１において前記グラウンド面に接続され、且つ、他方が給電点１４２において整合回路１５０を介して前記アンテナ面１３０に接続されている。

詳しくは、図８に示すように、従来のＲＦＩＤインレットにおいては、前記整合回路１５０が前記アンテナ面１３０の外部に設けられている。
従って、ＲＦＩＤインレット全体の縮小化を十分には図ることができなかった。

さらに、図８に示す従来例においては、前記送受信素子は、一対の接続端子の一方が前記誘電体１２０上に設けられた整合回路１５０を介して前記アンテナ面１３０に接続され、且つ、他方が前記誘電体１２０の下方に配置された前記グラウンド面１１０に接続されている。
即ち、従来の構成においては、前記送受信素子は、前記誘電体１２０の厚みに相当する段差が生じた状態で、前記アンテナ面及び前記グラウンド面に接続されており、かかる接続作業が極めて困難であった。

本発明は、前記従来技術に鑑みなされたものであり、可及的な小型化を図り得るパッチアンテナ及びＲＦＩＤインレットの提供を、一の目的とする。
又、本発明は、送受信素子とパッチアンテナとの接続作業の簡略化を図り得るパッチアンテナ及びＲＦＩＤの提供を、他の目的とする。

本発明は、前記目的を達成するために、誘電体が介挿されたグラウンド面及びアンテナ面を有するパッチアンテナであって、前記アンテナ面には、前記誘電体を露出させる開口が設けられており、前記開口は、前記アンテナ面のうち該開口を介して露出する誘電体によって画される領域が送受信素子に対する整合回路を形成するように構成されたパッチアンテナを提供する。

好ましくは、前記アンテナ面における前記領域は、一端部が前記アンテナ面のうち高周波電圧の低い部位に近接される。
前記開口が、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリットと、該一対の第１スリットを連通する第２スリットとを有する態様においては、前記第２スリットを挟んだ一方側及び他方側が、前記送受信素子の一対の接続端子にそれぞれ接続される。

又、本発明は、誘電体が介挿されたグラウンド面及びアンテナ面を有するパッチアンテナと、一対の接続端子を有する送受信素子とを備えたＲＦＩＤインレットであって、前記アンテナ面には、前記誘電体を露出させる開口であって、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリットと、該一対の第１スリットを連通する第２スリットとを有する開口が形成され、前記アンテナ面のうち前記開口を介して露出する誘電体によって画される領域は、一端部が前記アンテナ面のうち高周波電圧の低い部位に近接されており、前記送受信素子は、前記一対の接続端子が前記第２スリットを挟んだ一方側及び他方側において前記アンテナ面に接続されているＲＦＩＤインレットを提供する。

好ましくは、前記第２スリットが、前記高周波電圧の低い部位に近接される。
前記アンテナ面が、前記第１スリットと平行な長さ方向の距離がＬで、且つ、前記第１スリットと直交する幅方向の距離がＷの矩形とされた場合においては、例えば、前記アンテナ面における前記領域は、一端部が、長さ方向に関し、Ｌ／２を基準にして±Ｌ×０．１の範囲内に位置するように形成される。
これに代えて、前記アンテナ面が、前記第１スリットと平行な長さ方向の距離がＬの円形又は楕円形とされる場合においては、例えば、前記アンテナ面における前記領域は、一端部が、長さ方向に関し、Ｌ／２を基準にして±Ｌ×０．１の範囲内に位置するように形成される。

本発明に係るパッチアンテナによれば、アンテナ面に、誘電体を露出させる開口を設け、前記アンテナ面のうち該開口を介して露出する誘電体によって画される領域が送受信素子に対する整合回路を形成するように構成したので、整合回路がアンテナ面の外部に設けられていた従来構成に比して、可及的な小型化を図ることができる。

又、本発明に係るＲＦＩＤインレットによれば、アンテナ面に、誘電体を露出させる開口であって、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリットと、該一対の第１スリットを連通する第２スリットとを有する開口を形成し、前記アンテナ面のうち前記開口を介して露出する誘電体によって画される領域を、一端部が前記アンテナ面のうち高周波電圧の低い部位に近接させ、送受信素子の一対の接続端子を前記第２スリットを挟んだ一方側及び他方側において前記アンテナ面に接続させたので、整合回路がアンテナ面の外部に設けられていた従来構成に比して、可及的な小型化が図れると共に、前記送受信素子の一対の接続端子を同一平面内で接続させることができ、該送受信素子の接続作業を極めて効率化することができる。

以下に、本発明に係るパッチアンテナの好ましい実施の形態につき、添付図面を参照しつつ説明する。
図１は、本実施の形態に係るパッチアンテナ１の斜視図である。
又、図２は、図１におけるII部拡大平面図である。

前記パッチアンテナ１は、電気的に接続されるＩＣチップ等の送受信素子（図示せず）と共働して、外部に対して信号を送受信するＲＦＩＤインレットを形成する。

詳しくは、前記パッチアンテナ１は、導体によって形成されるグラウンド面１０と、該グラウンド面１０上に載置された誘電体２０と、該誘電体２０を挟んで前記グラウンド面１０に対して略平行に配置されたアンテナ面３０とを備えている。

前記グラウンド面１０は、例えば、前記誘電体２０中の電磁波の波長をλとした場合に、１λ以上の矩形より大きな面積を有するＡｌ又はＣｕ等の導体（好ましくは金属）によって形成される。
前記アンテナ面３０は、例えば、前記誘電体２０中の電磁波の波長をλとした場合に、０．５λ〜１．５λ×０．５λ〜１．５λの矩形状、若しくは、円形状又は楕円形状等の非矩形状に形成された厚さ０．００１ｍｍ〜１ｍｍのＡＬ又はＣｕ等の導体（好ましくは金属）によって形成される。
又、前記誘電体２０は、例えば、厚さ０．１ｍｍ〜３ｍｍのＦＲ−４（比誘電率εr＝４．２〜４．８）等の絶縁物によって形成される。

本実施の形態においては、図２に示すように、前記アンテナ面３０には、前記誘電体２０の一部を露出させる開口３１が形成されている。
該開口３１は、前記アンテナ面３０のうち該開口３１を介して露出する誘電体２０によって画される領域（以下、整合領域３５という）が、前記送受信素子に対する整合回路を形成するように構成されている。
詳しくは、図２に示すように、前記開口は、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリット３１ａと、該一対のスリット３１ａを連通する第２スリット３１ｂとを有している。

前記開口３１は、前記整合領域３５の一端部が前記アンテナ面３０のうち高周波電圧の低い部位（以下、低電圧部位という）に近接するように形成され、これにより、該整合領域３５が前記整合回路を構成するようになっている。
前記低電圧部位は、例えば、前記アンテナ面３０における高周波電圧の最大値をＶmaxとし、且つ、最小値Ｖminとした場合に、電圧Ｖが、
Ｖmin≦Ｖ≦Ｖmin＋（Ｖmax−Ｖmin）×α（但し、０＜α＜１）
の条件を満たす部位と定義することができる。
前記αはＲＦＩＤインレットに求められる性能に応じて決定されるが、０．２、より好ましくは、０．１とされる。

これに代えて、本実施の形態におけるように、前記アンテナ面３０が、前記第１スリット３１ａと平行な長さ方向Ｌに沿って延びる長さａの辺ａ１，ａ２と、前記第１スリット３１ａに直交する幅方向Ｗに沿って延びる長さｂの辺ｂ１，ｂ２とを有する矩形状とされている場合には、前記低電圧部位は、長さ方向Ｌに関する中心線Ｃ（辺ｂ１からａ／２だけ離間され、且つ、該辺ｂ１に平行な仮想線）を基準にして、長さａの±２０％、より好ましくは、±１０％の領域と、擬制することができる。
即ち、辺ｂ１からの長手方向の距離Ｐが、
（ａ／２）−ａ×０．２≦Ｐ≦（ａ／２）＋ａ×０．２
より好ましくは、
（ａ／２）−ａ×０．１≦Ｐ≦（ａ／２）＋ａ×０．１
によって画される領域を、前記低電圧部位と擬制することができる。

図示の形態においては、前記第２スリット３１ｂは、前記一対の第１スリット３１ａの一端部に配置されている。
斯かる形態においては、前記一対の第１スリット３１ａの他端部と前記第２スリット３１ｂとの間において、該一対の第１スリット３１ａに挟まれる領域が前記整合領域３５を構成している。

なお、本実施の形態においては、前述の通り、前記アンテナ面３０を矩形状としたが、当然ながら、該アンテナ面３０は斯かる形態に限定されるものではない。
例えば、該アンテナ面３０を円形状又は楕円形状とすることも可能である。
斯かる場合には、第１スリット３１ａと平行な長さ方向に関する中心線（円形又は楕円形の中心を通り、且つ、第１スリット３１ａと直交する直線）を基準にして、長さ方向の距離ａの±２０％（より好ましくは、±１０％）の範囲内を、前記低電圧部位と擬制することができる。

前記送受信素子は、前記整合回路を介して前記アンテナ面３０に接続される。
具体的には、前記送受信素子は、一対の接続端子が、前記第２スリット３１ｂを挟んで一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１給電点４１及び第２給電点４２（図２参照）において、前記アンテナ面３０に接続されている。

このように本実施の形態に係るパッチアンテナ１においては、前記アンテナ面３０に前記誘電体２０を露出させる開口３１を設け、該開口によって露出する誘電体２０によって画される前記整合領域３５を、送受信素子に対する整合回路として用いており、従って、整合回路がアンテナ面の外部に設けられた従来構成（図８参照）に比して、可及的な小型化を図ることができる。

又、本実施の形態においては、前述の通り、前記第２スリット３１ｂを挟んで一方側及び他方側にそれぞれ位置する第１及び第２給電点４１，４２において、前記送受信素子の一対の接続端子を前記アンテナ面３０に接続可能としており、該送受信素子の一対の接続端子が同一平面内において接続されるようになっている。
従って、一対の接続端子が、それぞれ、誘電体の厚みに相当する距離だけ上下に離間されたグラウンド面及びアンテナ面に接続される従来構成（図８参照）に比して、送受信素子の接続作業を極めて簡略化及び効率化することができる。

さらに、本実施の形態においては、図２に示すように、前記第２スリット３１ｂが、前記低電圧部位に近接するように、前記開口３１を形成している。
斯かる構成によれば、前記第１給電点４１が前記低電圧部位に位置することになり、該第１給電点４１に接続される前記送受信素子における一方の接続端子が、グラウンド電圧に近い状態とされる。
従って、本実施の形態に係るパッチアンテナ１の性能を、従来のパッチアンテナが持つ性能と同等とすることができる。

なお、本実施の形態においては、前述の通り、前記第２スリット３１ｂが前記低電圧部位に近接するように、該第２スリット３１ｂをアンテナ面３０の長手方向中心線Ｃの近傍に位置させたが（図２参照）、これに代えて、前記第２スリット３１ｂを前記第一対の第１スリットの他端部（アンテナ面３０の長手方向中心線Ｃから離間された側の端部）に位置させたり（図３参照）、前記第２スリット３１ｂを前記一対の第１スリット３１ａの中間部に位置させることも可能である（図４参照）。

図３に示す形態においては、前記一対の第１スリット３１ａの一端部と前記第２スリット３１ｂとの間において、該一対の第１スリット３１ａによって挟まれる領域が、前記整合回路として作用する前記整合領域３５となる。
又、図４に示す形態においては、前記一対の第１スリット３１ａの他端部と前記第２スリット３１ｂとの間において、該一対の第１スリット３１ａによって挟まれる領域３６と、前記一対の第１スリット３１ａの一端部と前記第２スリット３１ｂとの間において、該一対の第１スリット３１ａによって挟まれる領域３７とが、前記整合回路として作用する前記整合領域３５となる。
なお、図３及び図４に示す何れの形態においても、前記第１及び第２給電点４１，４２は、前記第２スリット３１ｂを挟んで両側に配置される。

ここで、本実施の形態に係るパッチアンテナ１の一実施例に関して電磁界シミュレータを用いて行った解析結果について説明する。
図５に、本解析に用いたアンテナ面３０の平面寸法を示す。
該アンテナ面３０は、ＡＬによって形成されるものとし、長手方向Ｌに沿った辺ａ１及び辺ａ２の長さａ及び幅方向Ｗに沿った辺ｂ１及び辺ｂ２の長さｂは共に２６．４ｍｍとした。
又、前記一対の第１スリット３１ａは長さｍが７．２ｍｍで、該一対の第１スリット３１ａの間隔は、それぞれの外側のエッジ間の間隔ｄを４ｍｍとした。
そして、前記第２スリット３１ｂの幅を０．４ｍｍとすると共に、該第２スリット３１ｂをアンテナ面３０の長手方向中心線Ｃに整列させた。

前記誘電体２０の材質はＦＲ−４（比誘電率εr＝４．７）で、送受信素子５０のインピーダンスは9.5−j56（Ω）とし、上部が自由空間とされた金属ボックス内に、前記アンテナ面３０及び前記送受信素子５０を配置させた。

図６に、前記アンテナ面における電流密度分布を示す。
前記アンテナ面３０の長手方向Ｌに沿って、辺ｂ１から辺ｂ２へ向かって電流の波が生じており、長手方向Ｌに関する中心線Ｃ近傍で電流が最大（即ち、高周波電圧が最小）となっている。
斯かる中心線Ｃ近傍が前記低電位部位である。
なお、辺ｂ１及び辺ｂ２において、高周波電圧が最大となるが、その極性は逆である。

又、図７に、本解析に用いたアンテナ面３０及び送受信素子５０の放射特性を示す。
図７は、far field と呼ばれるもので、前記アンテナ面３０及び送受信素子５０によって構成されるＲＦＩＤインレットから、上方へ離間された場所における電界強度を角度別にプロットしたものである。
図７中のプロット○は、辺ａ１及び辺ａ２に接離する方向に沿った角度別の値であり、プロット□は、辺ｂ１及び辺ｂ２に接離する方向に沿った角度別の値である。

図７から明らかなように、本実施の形態に係るパッチアンテナ１は、ほぼ３〜６ｄＢiの利得があり、良好な放射特性が得られることが確認できる。
グラウンド面に対して垂直方向に特に良好な利得が得られると共に、かなり低い打ち上げ角においても十分な利得が得られている。

図１は、本発明の一実施の形態に係るパッチアンテナの斜視図である。 図２は、図１におけるII部拡大平面図である。 図３は、本発明の他の形態に係るパッチアンテナの部分拡大平面図であり、図２に相当する部位を示している。 図４は、本発明のさらに他の形態に係るパッチアンテナの部分拡大平面図であり、図２に相当する部位を示している。 図５は、本発明の一実施例に係るパッチアンテナの平面図である。 図６は、図５に示すパッチアンテナにおけるアンテナ面の電流密度分布を示している。 図７は、図５に示すパッチアンテナの放射特性を示すグラフである。 図８は、従来のパッチアンテナを示す斜視図である。

符号の説明

１ パッチアンテナ
１０ グラウンド面
２０ 誘電体
３０ アンテナ面
３１ 開口
３１ａ 一対の第１スリット
３１ｂ 第２スリット
４１，４２ 給電点（送受信素子とパッチアンテナとの接続点）

Claims (7)

1. 誘電体が介挿されたグラウンド面及びアンテナ面を有するパッチアンテナであって、
   前記アンテナ面には、前記誘電体を露出させる開口が設けられており、
   前記開口は、前記アンテナ面のうち該開口を介して露出する誘電体によって画される領域が送受信素子に対する整合回路を形成するように構成されていることを特徴とするパッチアンテナ。
2. 前記アンテナ面における前記領域は、一端部が前記アンテナ面のうち高周波電圧の低い部位に近接されていることを特徴とする請求項１に記載のパッチアンテナ。
3. 前記開口は、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリットと、該一対の第１スリットを連通する第２スリットとを有しており、
   前記第２スリットを挟んだ一方側及び他方側が、前記送受信素子の一対の接続端子にそれぞれ接続されることを特徴とする請求項１又は２に記載のパッチアンテナ。
4. 誘電体が介挿されたグラウンド面及びアンテナ面を有するパッチアンテナと、一対の接続端子を有する送受信素子とを備えたＲＦＩＤインレットであって、
   前記アンテナ面には、前記誘電体を露出させる開口であって、互いに対向するように平行に延びる一対の第１スリットと、該一対の第１スリットを連通する第２スリットとを有する開口が形成され、
   前記アンテナ面のうち前記開口を介して露出する誘電体によって画される領域は、一端部が前記アンテナ面のうち高周波電圧の低い部位に近接されており、
   前記送受信素子は、前記一対の接続端子が前記第２スリットを挟んだ一方側及び他方側において前記アンテナ面に接続されていることを特徴とするＲＦＩＤインレット。
5. 前記第２スリットが、前記高周波電圧の低い部位に近接されていることを特徴とする請求項４に記載のＲＦＩＤインレット。
6. 前記アンテナ面は、前記第１スリットと平行な長さ方向の距離がＬで、且つ、前記第１スリットと直交する幅方向の距離がＷの矩形とされており、
   前記アンテナ面における前記領域は、一端部が、長さ方向に関し、Ｌ／２を基準にして±Ｌ×０．１の範囲内に位置することを特徴とする請求項４又は５に記載のＲＦＩＤインレット。
7. 前記アンテナ面は、前記第１スリットと平行な長さ方向の距離がＬの円形又は楕円形とされており、
   前記アンテナ面における前記領域は、一端部が、長さ方向に関し、Ｌ／２を基準にして±Ｌ×０．１の範囲内に位置することを特徴とする請求項４又は５に記載のＲＦＩＤインレット。