(57)【要約】【課題】例えばＲＦＩＤ関連の機器のアンテナとして、小型で安価に構成することができ、複数周波帯で動作することも可能な平面アンテナを提供する。【解決手段】裏面にグランド導体１８が設けられた誘電体基板１２の表面に、コ字状ストリップライン１４と、該コ字状ストリップライン１４の一端からコ字状ストリップラインの他端に向かって延びるパッチ導体１６とが形成され、コ字状ストリップライン１４によって、第１周波数で動作するマイクロストリップライン型ループアンテナが構成され、パッチ導体１６によって第２周波数で動作するパッチアンテナが構成される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
裏面にグランド導体が設けられた誘電体基板の表面に、コ字状ストリップラインと、該コ字状ストリップラインの一端からコ字状ストリップラインの他端に向かって延びるパッチ導体とが形成され、コ字状ストリップラインによって、第１周波数で動作するマイクロストリップライン型ループアンテナが構成され、パッチ導体によって第２周波数で動作するパッチアンテナが構成される、ことを特徴とする平面アンテナ。
【請求項２】
前記コ字状ストリップラインの外周囲に、または、前記コ字状ストリップラインと並列し、または、グランド導体と離間して、前記アンテナとは異なる周波数帯で動作し電磁誘導方式による伝送を行うコイル状導体が設けられることを特徴とする、請求項１記載の平面アンテナ。
【請求項３】
裏面にグランド導体が設けられた誘電体基板の表面に、コ字状ストリップラインと、該コ字状ストリップラインと対向して該コ字状ストリップラインの一端から連続的にその一端が繋がる第２コ字状ストリップラインとが形成され、コ字状ストリップラインの他端と第２コ字状ストリップラインの他端との間にはギャップが形成され、コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの一端からはコ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの他端に向かって延びるパッチ導体が形成され、コ字状ストリップラインと第２コ字状ストリップラインの長さがわずかに異なり、コ字状ストリップラインと第２コ字状ストリップラインとで第１周波数に対する双ループが形成されて、第１周波数における円偏波を発生する、ことを特徴とする平面アンテナ。
【請求項４】
前記パッチ導体によって第２周波数で動作するパッチアンテナが構成されることを特徴とする請求項３記載の平面アンテナ。
【請求項５】
前記コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの外周囲に、または、前記コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインと並列し、または、グランド導体と離間して、前記アンテナとは異なる周波数帯で動作し電磁誘導方式による伝送を行うコイル状導体が設けられることを特徴とする、請求項３または４記載の平面アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えばＲＦＩＤ関連の機器のアンテナとして、小型で安価に構成することができ、複数周波帯で動作することも可能な平面アンテナに関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、非接触ＩＣカードや無線ＩＣタグなどを使用した技術が盛んに使用されるようになっており、例えば、セキュリティ応用として入退出管理やオフィスセキュリティ管理などでの使用が多くなり、据え置き型または機器組み込み型のＲＦＩＤリーダライタ機器の用途が広がってきている。
【０００３】
ＲＦＩＤリーダライタ機器用のアンテナとしては、１３．５６ＭＨｚのＨＦ帯用プリントループコイル、９５０ＭＨｚ帯用の共振型のダイポールアンテナ、２．４５ＧＨｚ用のパッチアンテナが知られている。
【０００４】
従来は、それぞれの帯域用として別個の機器として使用されていたが、これらを一体化したリーダライタ機器が必要不可欠となっており、そのため、複数周波帯域で動作することができ、小型で安価な一体型の平面アンテナの実用化が望まれている。
【０００５】
従来の平面アンテナとしては、例えば、特許文献１〜２記載のアンテナが知られている。
【０００６】
特許文献１記載のものでは、一方の面に放射導体を、他方の面に接地導体を設け、電波方式で利用される２．４５ＧＨｚ帯の周波数帯において動作するパッチアンテナと、コイル状導体を有し、電磁誘導方式で利用される１３．５６ＭＨｚ帯の周波数帯において動作するアンテナとを、誘電体保持基体を介して積層することを開示する。
【０００７】
特許文献２記載のものでは、誘電体基板の上面に、周辺部に沿って四角形状の１３．５６ＭＨｚ用のコイルアンテナを形成し、誘電体基板の中央部に円形の２．４ＧＨｚ用のパッチアンテナを形成し、誘電体基板の裏面にパッチアンテナに対応したグランド面を形成することを開示する。
【０００８】
こうして、従来の平面アンテナでは、パッチアンテナとコイル状導体との組み合わせで２周波に対応するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】特開２００８−１２５１１５号公報
【特許文献２】特開２００５−５１５３６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
本発明は、小型で安価に構成することができ、１周波以上の所望の周波で動作することができる新規な構成の平面アンテナを提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明による平面アンテナは、裏面にグランド導体が設けられた誘電体基板の表面に、コ字状ストリップラインと、該コ字状ストリップラインの一端からコ字状ストリップラインの他端に向かって延びるパッチ導体とが形成され、コ字状ストリップラインによって、第１周波数で動作するマイクロストリップライン型ループアンテナが構成され、パッチ導体によって第２周波数で動作するパッチアンテナが構成される、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項２記載の発明は、請求項１記載の平面アンテナにおいて、前記コ字状ストリップラインの外周囲に、または、前記コ字状ストリップラインと並列し、または、グランド導体と離間して、前記アンテナとは異なる周波数帯で動作し電磁誘導方式による伝送を行うコイル状導体が設けられることを特徴とする。
【００１３】
請求項３記載の発明による平面アンテナは、裏面にグランド導体が設けられた誘電体基板の表面に、コ字状ストリップラインと、該コ字状ストリップラインと対向して該コ字状ストリップラインの一端から連続的にその一端が繋がる第２コ字状ストリップラインとが形成され、コ字状ストリップラインの他端と第２コ字状ストリップラインの他端との間にはギャップが形成され、コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの一端からはコ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの他端に向かって延びるパッチ導体が形成され、コ字状ストリップラインと第２コ字状ストリップラインの長さがわずかに異なり、コ字状ストリップラインと第２コ字状ストリップラインとで第１周波数に対する双ループが形成されて、第１周波数における円偏波を発生する、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項４記載の発明は、請求項３記載の平面アンテナにおいて、前記パッチ導体によって第２周波数で動作するパッチアンテナが構成されることを特徴とする。
【００１５】
請求項５記載の発明は、請求項３または４記載の平面アンテナにおいて、前記コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインの外周囲に、または、前記コ字状ストリップライン及び第２コ字状ストリップラインと並列し、または、グランド導体と離間して、前記アンテナとは異なる周波数帯で動作し電磁誘導方式による伝送を行うコイル状導体が設けられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、小型で安価に構成することができる平面アンテナを実現することができる。また、コ字状ストリップラインがループアンテナ放射素子を構成し、パッチ導体がパッチアンテナ放射素子として構成することで、２周波で動作するアンテナとして構成することができる。さらにコイル状導体を設けることで、２周波以上で動作するアンテナとして構成することができる。
【００１７】
また、本発明の平面アンテナは、ＲＦＩＤ関連の機器のアンテナとして、１３．５６ＭＨｚ、９５０ＭＨｚまたはその近傍のＵＨＦ帯の周波数、２．４５ＧＨｚで動作するアンテナとして使用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】本発明の第１実施形態に係る平面アンテナの斜視図である。
【図２】第１実施形態の平面図である。
【図３】第１実施形態の側面図である。
【図４】第１実施形態において、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの８００ＭＨｚから２．６ＧＨｚまでのリターンロス特性のシミュレーション結果である。
【図５】第１実施形態において、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの放射特性のシミュレーション結果である。
【図６】第１実施形態の変形例を表す斜視図である。
【図７】第１実施形態のブロック図である。
【図８】第１実施形態の別の変形例を表す分解斜視図である。
【図９】第１実施形態のさらに別の変形例を表す斜視図である。
【図１０】本発明の第２実施形態に係る平面アンテナの斜視図である。
【図１１】第２実施形態の平面図である。
【図１２】第２実施形態の第１周波数近傍での電流分布を表す説明図である。
【図１３】第２実施形態において、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの８００ＭＨｚから２．６ＧＨｚまでのリターンロス特性のシミュレーション結果である。
【図１４】第２実施形態において、第１周波数を９５０ＭＨｚとしたときの９００〜９７０ＭＨｚの軸比特性のシミュレーション結果である。
【図１５】第２実施形態において、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの放射特性のシミュレーション結果である。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
以下、図面を用いて本発明の実施の形態を説明する。
（第１実施形態）
図１〜図３は、本発明の第１実施形態に係る平面アンテナを表す。図において、平面アンテナ１０は、誘電体基板１２の表面に、コ字状ストリップライン１４と、パッチ導体１６と、が形成される。誘電体基板１２の裏面の、少なくとも、コ字状ストリップライン１４と、パッチ導体１６に対向する部分は、グランド導体１８となっている。
【００２０】
コ字状ストリップライン１４は、具体的には、第１横辺部１４Ａ（長さＬ１、幅Ｗ）と、第１横辺部１４Ａに対して直交する第１縦辺部１４Ｂ（長さＬ２、幅Ｗ）と、第１縦辺部１４Ｂに直交し第１横辺部１４Ａに平行な第２横辺部１４Ｃ（長さＬ３、幅Ｗ）とからなる放射エレメントからなる。そして、長さＬ１＋Ｌ２＋Ｌ３は、第１周波数（例えば、９５０ＭＨｚ）の波長λ1に対して、誘電体基板１２の誘電率による波長の短縮率を考慮した波長λg1の約１波長分に相当している。
【００２１】
パッチ導体１６（幅ａ、長さｂ）は、コ字状ストリップライン１４の一端である第１横辺部１４Ａの端部からコ字状ストリップライン１４の他端である第２横辺部１４Ｃの端部に向かって延びている。パッチ導体１６の基端部は、第１横辺部１４Ａに向かって幅狭になるテーパ部１６ａ（長さｇ）となっている。そして、パッチ導体１６の長さｂを、第２周波数（例えば、２．４５ＧＨｚ）の波長λ2に対して、誘電体基板１２の誘電率による波長の短縮率を考慮した波長λg2の１／２波長分に相当させる。
【００２２】
給電は、送受信回路から整合回路３０を介して（図７参照）、パッチ導体１６の基端部付近へと給電用同軸線路２０を用いて行う。
【００２３】
以上のように構成される平面アンテナ１０において、第１周波数での平衡給電を行うことにより、コ字状ストリップライン１４がその１波長に相当することから、第１周波数で動作するマイクロストリップライン型ループアンテナが構成され、第１周波数の直線偏波の放射を行うことができる。また、第２周波数での平衡給電を行うことにより、パッチ導体１６が１／２波長に相当することから、第２周波数で動作するパッチアンテナが構成され、第２周波数での直線偏波の放射を行うことができる。
【００２４】
図４及び図５は、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの８００ＭＨｚ〜２．６ＧＨｚのリターンロス特性及び放射特性のシミュレーション結果を表す。このときの各種パラメータは、Ｌ１＝４９ｍｍ、Ｌ２＝５７ｍｍ、Ｌ３＝４５．５ｍｍ、Ｗ＝８ｍｍ、ａ＝１３ｍｍ、ｂ＝３２ｍｍ、ｃ＝４６．５ｍｍ、ｆ＝５ｍｍ、ｇ＝２．５ｍｍ、誘電体基板１２の厚みｈ＝３．２ｍｍであり、誘電体基板１２の誘電率は４．３である。
【００２５】
図４から、１．８ＧＨｚ近傍に不要の共振特性が示されるが、９５０ＭＨｚ及び２．４５ＧＨｚに共振特性が得られることが分かる。９５０ＭＨｚ及び２．４ＧＨｚのリターンロス特性で、−１０ｄＢ以下の帯域幅は約２．０％である。また、図５から９５０ＭＨｚにおいて４５度指向性直線偏波が確認できる。
【００２６】
これによって、２周波対応のアンテナとすることができ、また、第２周波数を使用しない場合には、第１周波数のみの１周波対応のアンテナとすることもできる。
【００２７】
または、図６に示すように、ストリップライン１４とパッチ導体１６の外周囲の誘電体基板１２表面であって、グランド導体１８に対向しない部分にＨＦ帯（１３．５６ＭＨｚ）のためのコイル状導体３４を形成することができる。この場合、図７に示すように、送受信回路３６からコイル状導体３４に給電を行うことによって、１３．５６ＭＨｚにおける電磁誘導方式による伝送を行うことができ、２周波または３周波対応のアンテナとすることができる。
【００２８】
または、図８に示すように、コイル状導体３４は、誘電体基板１２に対してスペーサによってグランド導体１８から離隔した平面に設けるか、または、図９に示すように、同じ誘電体基板１２の表面のグランド導体１８と対向しない部分に、ストリップライン１４と並列して設けることも可能である。
【００２９】
また、誘電体基板１２のｔａｎδの誘電体損失による影響を受けるものの誘電体基板１２の厚みを厚く（３ｍｍ以上）して、Ｑを下げて利得を上げることにより、誘電体基板１２をＦＲ−４のような低グレードで構成することができて、安価で小型のアンテナとすることができる。そして、９５０ＭＨｚまたはその近傍のＵＨＦ帯の周波数、２．４５ＧＨｚ及びその近傍の周波数及び１３．５６ＭＨｚまたはその近傍のＨＦ帯の周波数で動作するＲＦＩＤ関連の機器として、例えばリーダ側アンテナとして、または、ＩＣチップと組み合わせることによりタグ側またはカード側のアンテナとして、使用することができる。
【００３０】
（第２実施形態）
図１０及び図１１は、本発明の第２実施形態に係る平面アンテナを表す。この実施形態では、第１実施形態に加えて、コ字状ストリップライン１４の一端から連続的に第２コ字状ストリップライン２４が形成されている。
【００３１】
第２コ字状ストリップライン２４は、コ字状ストリップライン１４と同様に、具体的には、第１横辺部２４Ａ（長さＬ５、幅Ｗ）と、第１横辺部２４Ａに対して直交する第１縦辺部１４Ｂ（長さＬ２、幅Ｗ）と、第１縦辺部２４Ｂに直交し第１横辺部２４Ａに平行な第２横辺部２４Ｃ（長さＬ４、幅Ｗ）とからなる放射エレメントからなる。
【００３２】
第１横辺部１４Ａの一端と第１横辺部２４Ａの一端が連続している一方で、コ字状ストリップライン１４の他端と第２コ字状ストリップライン２４の他端との間にはギャップ２６が形成され、コ字状ストリップライン１４と第２コ字状ストリップライン２４とでギャップ２６付き矩形ループが形成される。
【００３３】
パッチ導体１６（幅ａ、長さｂ）は、コ字状ストリップライン１４の一端である第１横辺部１４Ａの端部及び第２コ字状ストリップライン２４の一端である第１横辺部２４Ａの端部からコ字状ストリップライン１４の他端である第２横辺部１４Ｃの端部及び第２コ字状ストリップライン２４の他端である第２横辺部２４Ｃの端部に向かって、即ちギャップ２６に向かって延びている。
【００３４】
コ字状ストリップライン１４と第２コ字状ストリップライン２４とを合わせた長さＬ１＋２Ｌ２＋Ｌ３＋Ｌ４＋Ｌ５は、第１周波数（例えば、９５０ＭＨｚ）の波長λ1に対して、誘電体基板１２の誘電率による波長の短縮率を考慮した波長λg1の約２波長分に相当し、コ字状ストリップライン１４と第２コ字状ストリップライン２４とで第１周波数の双ループを構成する。但し、コ字状ストリップライン１４と第２コ字状ストリップライン２４の長さは僅かに異なっており、即ち、第１横辺部１４Ａの長さＬ１と第１横辺部２４Ａの長さＬ５は異なり、また、第２横辺部１４Ｃの長さＬ３と第２横辺部２４Ｃの長さＬ４は異なっている。よって、ギャップ２６及びパッチ導体１６の位置は左右中心から左右にずれており、コ字状ストリップライン１４とパッチ導体１６とで囲まれる領域の面積Ａ１と、第２コ字状ストリップライン２４とパッチ導体１６とで囲まれる領域の面積Ａ２も異なっている。面積Ａ１とＡ２の面積比は１：０．９２（または０．８７〜０．９４）程度になるようにする。
【００３５】
給電は、パッチ導体１６の基端部付近から給電用同軸線路２０を用いて行う。
【００３６】
以上のように構成される平面アンテナ１０において、第１周波数での平衡給電を行うことにより、ギャップ２６による容量結合に起因して双ループに２つの共振周波数特性が表れる。この位相差が９０度になることで、第１周波数近傍での円偏波を発生させることができる。
【００３７】
図１２は、第１周波数近傍での周波数の変化と電流分布との関係を表している。この例では、左側の面積Ａ１が右側の面積Ａ２よりも小さくなっており、図１２（ａ）に示すように第１周波数よりも小さい周波数に対しては、右側のループからの放射の寄与が高く、そして、水平方向からの放射が大きい。これに対して、図１２（ｂ）に示すように第１周波数よりも大きい周波数に対しては、左側のループからの放射の寄与が高く、そして、垂直方向からの放射が大きい。よって、この中間に相当する第１周波数近傍においては、両方のループからの寄与が得られ、これらが９０度の位相差を持つことで、円偏波を発生させることができる。ここで、右側のループと左側のループのそれぞれの共振周波数の差が第１周波数に対して約５％程度になるようにするとよい。
【００３８】
また、第２周波数での平衡給電を行うことにより、パッチ導体１６が１／２波長に相当することから第２周波数の直線偏波の放射を行うことができる。
【００３９】
図１３ないし図１５は、第１周波数を９５０ＭＨｚ、第２周波数を２．４５ＧＨｚとしたときの８００ＭＨｚ〜２．６ＧＨｚのリターンロス特性、軸比特性及び放射特性のシミュレーション結果を表す。このときの各種パラメータは、Ｌ１＝５１．５ｍｍ、Ｌ２＝５７ｍｍ、Ｌ３＝４８．５ｍｍ、Ｌ４＝５１．５ｍｍ、Ｌ５＝５５．５ｍｍ、ギャップ２６の間隔ｄ＝７ｍｍ、Ｗ＝８ｍｍ、ａ＝２０ｍｍ、ｂ＝３２ｍｍ、ｃ１＝４３．５ｍｍ、ｃ２＝４７．５ｍｍ、ｆ＝９ｍｍ、ｇ＝２．５ｍｍ、誘電体基板１２の厚みｈ＝３．２ｍｍであり、誘電体基板１２の誘電率は３．８である。
【００４０】
図１３から、９５０ＭＨｚ近傍に２つの共振特性があり円偏波の共振特性が示され、２．４５ＧＨｚに共振特性が得られることが分かる。そして、図１４の９００〜９７０ＭＨｚの軸比特性から、最大放射方向において、９３０ＭＨｚで約１．５ｄＢ〜２ｄＢの軸比が得られ、軸比３ｄＢ以下となる比帯域幅は約２％である。そして旋回方向が右旋回となることが確認された。また、パッチ導体１６を左右に移動させてＡ１＞Ａ２とすることで、左旋回にできることも確認された。
【００４１】
これによって、第１周波数における円偏波と第２周波数における直線偏波の２周波対応のアンテナとすることができ、また、第２周波数を使用しない場合には、第１周波数の円偏波の１周波対応のアンテナとすることもできる。円偏波特性を持たせることで、平面アンテナ１０に対して対象物（タグまたはカード等）との向きを考慮する必要がなくなる。
【００４２】
更には、ＨＦ帯（１３．５６ＭＨｚ）のためのコイル状導体３４を、ストリップライン１４、２６の外周囲に設けるか、ストリップライン１４、２６と並列させるか、または、誘電体基板１２に対してスペーサによってグランド導体１８から離隔した平面に設けることも可能であり、これによって、２周波または３周波対応のアンテナとすることができる。
【符号の説明】
【００４３】
１０  平面アンテナ
１２  誘電体基板
１４  コ字状ストリップライン
１６  パッチ導体
１８  グランド導体
２４  第２コ字状ストリップライン
２６  ギャップ
３４  コイル状導体
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図７】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１】
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【図６】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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