(57)【要約】【課題】所望の電気的特性値を満足するアンテナを短期間に設計することを目的とする。【解決手段】非接触ＩＣカードまたはＲＦＩＤに用いられるアンテナコイルの設計方法であって、複数のアンテナコイルの形状および材質に関する情報を入力する工程と、該入力された複数のアンテナコイルの形状において、該アンテナコイルの巻数に対する該アンテナコイルの抵抗値、インダクタンスおよび浮遊容量を解析する工程と、該解析結果に基づき、該複数のアンテナコイルの形状の１つを選択する工程を有することを特徴とするアンテナコイルの設計方法である。【選択図】  図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
非接触ＩＣカードまたはＲＦＩＤに用いられるアンテナコイルの設計方法であって、
複数のアンテナコイルの形状および材質に関する情報を入力する工程と、
該入力された複数のアンテナコイルの形状において、該アンテナコイルの巻数に対する該アンテナコイルの抵抗値、インダクタンスおよび浮遊容量を解析する工程と、
該解析結果に基づき、該複数のアンテナコイルの形状の１つを選択する工程を有することを特徴とするアンテナコイルの設計方法。
【請求項２】
請求項１に記載のアンテナコイルの設計方法であって、
さらに該解析されたアンテナコイルの抵抗値、インダクタンスおよび浮遊容量を用いて、該アンテナコイルの巻数に対する該アンテナコイルの自己共振周波数を解析する工程を有することを特徴とするアンテナコイルの設計方法。
【請求項３】
請求項１または２に記載のアンテナコイルの設計方法であって、
さらに該解析されたアンテナコイルの抵抗値、インダクタンスおよび浮遊容量を用いて、該非接触ＩＣカードまたはＲＦＩＤに用いられるアンテナコイルとリーダライタのアンテナコイルとの距離に対する該非接触ＩＣカードまたはＲＦＩＤに用いられるアンテナコイルとリーダライタのアンテナコイルとの結合係数を解析する工程を有することを特徴とするアンテナコイルの設計方法。
【請求項４】
請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナコイルの設計方法であって、
さらに該解析されたアンテナコイルの抵抗値、インダクタンスおよび浮遊容量を用いて、該アンテナコイルの通信帯域を解析する工程を有することを特徴とするアンテナコイルの設計方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，非接触ＩＣカードやＲＦＩＤ等に用いられるアンテナコイルの設計方法および設計装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
非接触ＩＣカードやＲＦＩＤなど（以下、ＩＣカード等という）は、リーダライタユニット（以下、Ｒ／Ｗという）が放射する電磁界（磁界）を、ＩＣカード等に形成されたアンテナが受け、これを電力としてＩＣを駆動する。また、Ｒ／Ｗの放射する電磁界（磁界）の変調等に含まれた信号成分を用いてＲ／ＷからＩＣカード等への通信を行う。さらに、ＩＣカード等からＲ／Ｗへの通信は、負荷変調等によりＲ／Ｗへの信号送信を行う。
【０００３】
この時、ＩＣカード等に形成されたアンテナおよびＲ／Ｗに形成されたアンテナの自己インダクタンス、相互インダクタンス、および結合係数によってＩＣカード等の受信可能な電力が決定する。さらに、Ｒ／Ｗアンテナへ供給可能な電力は、Ｒ／Ｗアンテナの放射電界が電波法等の規制を満足する範囲に抑える必要がある。
【０００４】
このためＲ／Ｗアンテナへ供給可能な電力の上限が決定され、さらにＩＣカード等への電力伝送効率から受信電力が決定され、通信エリアが決定される。
【０００５】
従って、ＩＣカード等に形成されるコイルアンテナの要素、例えばアンテナのインダクタンスや抵抗および容量などは、コイルアンテナ自身およびリーダライタとの関係を考慮して様々な条件を満足させながら設計する必要がある。
【０００６】
一方、アンテナ設計技術およびアンテナ設計のための解析技術としては、モーメント法、有限要素法などがある。しかし、これら手法は、まずアンテナの形状データを入力し、その形状に対して各種設定条件（境界条件等）を設定し，その後解析を行う方法である。例えば、特許文献１（特開平７−２２９７６号公報）には、従来のアンテナ設計方法が開示されている。これは、あらかじめ設計に必要な周波数範囲に対してモーメント法のインピーダンス行列の各要素の周波数特性をメモリに記憶しておくことにより、アンテナの設計に必要な計算時間を大幅に削減するものである。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２２９７６号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、従来の解析手法は、まず初めにアンテナ形状を決定し、その後時間または周波数に対するアンテナの電気的特性値を算出するものである。従って、アンテナの形状を決定した後に算出された時間または周波数に対するアンテナの電気的特性値が規定値を満足しなかった場合は、再び新たなアンテナ形状を決定しなくてはならなかった。すなわち、アンテナの設計時間を効率的に削減することができないという課題があった。
【０００９】
本発明は上記課題を解決するためになされたものである。すなわち、本発明の目的は、電気的特性等の解析結果に応じて、アンテナの形状を何度も再設計する必要が無く、予め設定された電気的特性値を満足するアンテナを短期間に設計するものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、まず初めにＩＣカード等に用いられる周波数を決めた後に、ＩＣカード等のアンテナ形状に対するアンテナの電気的特性値を算出するものである。また、所定の周波数に対する電気的特性値、例えばアンテナの巻数と抵抗値の関係を算出および表示する場合に、予め用意されたアンテナ形状毎の結果を比較して表示するものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を図を用いて説明する。なお、以下では非接触ＩＣカードについて説明するが、無論ＲＦＩＤなどのアンテナの設計および解析にも適用できる。
まず、非接触ＩＣカード等を設計する上で、非接触ＩＣカード等とリーダライタユニット（Ｒ／Ｗ）の間で重要となる電気的要素を検討する。
図１はＲ／ＷとＩＣカードの等価回路を示す。この等価回路は、Ｒ／Ｗが、その回路インピーダンスＲ０と、共振容量Ｃ０とＲ／ＷアンテナのインダクタンスＬｒｗ、抵抗Ｒｒｗ、容量Ｃｒｗから構成される。ここでＲ／Ｗの共振周波数は搬送波周波数もしくはそれを上回る周波数に決められる。
次にＩＣカードは、カードアンテナのインダクタンスＬｃｄ、抵抗Ｒｃｄ、容量Ｃｃｄと、搭載されるＩＣの持つ容量Ｃｉｃと消費電力相当の抵抗Ｒｉｃで構成される。
ここでＩＣカードの共振周波数も搬送波周波数もしくはそれを上回る周波数になるように決められる。さらに、Ｒ／ＷとＩＣカード間の結合を意味する結合係数ｋを併せて、全ての等価回路が形成される。以上の等価回路において電源Ｖ０は、電波法等の規制を満足するアンテナ電力から決定される。
このことから、電力伝送効率を最大にするＬｒｗ，Ｃｒｗ，Ｃ０，Ｌｃｄ，Ｃｃｄ，ＣｉｃおよびＲ／ＷとＩＣカードの位置関係により決定される係数ｋを定める必要がある。また、通信を行う意味から、副搬送波が十分伝送されるように、通信帯域を決める必要がある。この通信帯域は、Ｒｒｗ，Ｌｒｗ，Ｃｒｗ，Ｃ０，Ｒｃｄ，Ｌｃｄ，Ｃｃｄ，Ｃｉｃ，Ｒｉｃおよび結合係数ｋによって決められる。
【００１２】
ここでアンテナの各電気的特性値は、その使用する周波数に依存するところもあるが、基本的にはアンテナの形状または材質によって決定する。具体的には次の通りである。
【００１３】
【表１】
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表１．ＩＣカードおよびＲ／Ｗのアンテナの電気的特性
【００１４】
続いて、上記で説明した電気的特性およびそれに大きく寄与するアンテナ要素（配線形状および材料など）を用いたアンテナの設計方法について説明する。
上述したように、従来の設計方法は、まずアンテナ形状を決定して入力し、続いて各種電気的特性パラメータの基となるアンテナ要素を決定して入力し、電磁界解析を行って、その結果を表示していた。そして、解析結果が所定の条件を満足しない場合は、アンテナの形状を再度考え入力する。
一方、本願発明は、まず予め用意されている複数の異なる形状のアンテナコイルのパラメータを入力する。ここで、複数のアンテナの形状を選択し、所定の範囲をもったパラメータを入力する。
図２は、方形および楕円形のスパイラルアンテナの解析方法およびその入力パラメータの一例を示す。アンテナのパラメータとして、方形スパイラルアンテナの場合は、外形寸法Ｌｘ，Ｌｙ、線幅ｗｘ，ｗｙ、ピッチｐｘ，ｐｙ、線厚ｔおよびコーナ半径ｒｘ，ｒｙに対する形状を設定する。同様に、楕円形スパイラルアンテナは、外形寸法Ｌｘ，Ｌｙ、線幅ｗｘ，ｗｙ、ピッチｐｘ，ｐｙ、線厚ｔおよび半径ｒｘ（＝（Ｌｘ−ｗｘ）／２），ｒｙ（＝（Ｌｙ−ｗｙ）／２）に対する形状を設定する。本実施例では、一例として、次のパラメータを入力した。
【００１５】
【表２】
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表２．ＩＣカードのアンテナ形状
【００１６】
この場合、アンテナの巻数ｎをパラメータにして、アンテナの各電気的特性値（抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、容量Ｃ）を求めることができる。
図３は上記入力パラメータに対する、アンテナの巻数と抵抗Ｒの関係（図３Ａ）、アンテナの巻数とインダクタンスＬの関係（図３Ｂ）、アンテナの巻数と浮遊容量Ｃの関係（図３Ｃ）を示している。図３より、抵抗Ｒについては、スパイラル形状の巻数を外周から定義しているので巻数が増えるほど線路長の増加は少なくなり、そのため巻数の増加に対する抵抗Ｒの増加は飽和することがわかる。またインダクタンスＬについては、巻数が増えると線路長に応じて増える自己インダクタンス分と、線路間の相互インダクタンスの増加により、Ｓ字の様な特性を持つことがわかる。また浮遊容量（寄生容量）は巻数の増加に伴って増加することがわかる。なお、アンテナ外形（最外周の長さ）及びアンテナのピッチが入力されているため、アンテナの巻数の上限が決定される。
ここで、アンテナの電気的特性について検討すると、抵抗Ｒの増加は、アンテナでの損失が増えることを意味し、電力伝送の面から得策では無い。しかしインダクタンスＬの増加は、電力伝送効率を増加させるため、望ましいものである。また浮遊容量（寄生容量）に関しては、使用する周波数（搬送波周波数）で共振させることを考えると、インダクタンスに対してその周波数で必要な容量を稼ぐ為に、この容量が大きいほどＩＣ内に搭載する容量Ｃｉｃが小さくなりチップ面積的に小さくなるため、浮遊容量（寄生容量）の増加は望ましい。しかし、共振周波数が搬送波周波数を下回ると、ＩＣ内の容量は要らないものの、電力伝送効率の最適化が出来なくなり、不利となる。このため、アンテナの抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、容量Ｃには、その使用するプロトコルなどにより最適値が存在することがわかる。
【００１７】
この最適値を求めるために、これらアンテナの抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、容量Ｃから共振周波数ｆｃとインダクタンスＬの品質Ｑについてさらに検討する必要がある。ここでＱはＱｕａｌｉｔｙ  Ｆａｃｔｏｒを意味するものであり、ＬやＣ等の、ＬのＬらしさ、ＣのＣらしさという素子の品質を意味するものである。
【００１８】
図４は、上記で計算したアンテナの抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、容量Ｃを用いて、アンテナの巻数とアンテナの自己共振周波数ｆｃの関係（図４Ａ）、およびアンテナの巻数とインダクタンスとしての品質、またはＩＣを含めたＱの関係（図４Ｂ）を計算した結果を示す。なお、本実施例のシミュレーションでは、搬送波周波数が１３．５６ＭＨｚ、通信速度を２１１．８７５ｋとした場合の副搬送波の帯域ＢＷが（８４７．５ｋＨｚ×２）である。
【００１９】
このため、自己共振周波数ｆｃは１３．５６ＭＨｚより上回っている必要があり、このため巻数では１１〜１５巻以下である必要がある。またチップ面積から、ＩＣに搭載可能な容量Ｃｉｃの上限が決められ、例えば５０ｐＦ以内ということであれば、Ｃｉｃ＝１／（（２πｆｃ）＾２×Ｌｃｄ）−Ｃｃｄから、ここでは巻数が５巻以上必要となる。また、必要な通信帯域は、Ｑ＜１３．５６ＭＨｚ／（８４７．５ｋＨｚ×２）＝８であることから、巻数では７〜１０巻以下である必要がある。
【００２０】
上記条件を総合すると巻数の範囲は、５〜７巻が最適であることが分かる。
【００２１】
さらに、非接触ＩＣカード等とリーダライタ（Ｒ／Ｗ）ユニットの距離と結合係数の関係を計算した結果を図４Ｃに示す。この結合係数は電力伝送効率に大きく影響し、この値が大きいほど効率が良いとなる。
【００２２】
本実施例では、上記アンテナ巻数と自己共振周波数ｆｃの関係（図４Ａ）、およびアンテナ巻数とＱ値の関係（図４Ｂ）より、アンテナ巻数が７巻以下であることが望ましいと分かっているので、マージンを考慮して、６巻を対象とした。
【００２３】
結合係数ｋの距離特性は、方形アンテナでピッチの異なるものと、方形アンテナと楕円形アンテナの場合について求めている。
【００２４】
ここで、方形アンテナ同士では、結合係数の値は大きいものの、最大値でＩＣを動作させるとすると、結合係数が小さいところでは動作不能となり、一方、結合係数の小さいところでも動作可能とすると、結合係数の大きいところでは誘起電圧がＩＣの耐圧を超え、故障の原因となる。そのため、通信エリアを広くしたい場合は、結合係数の変動△ｋが小さい方形スパイラルアンテナと楕円形スパイラルアンテナとの組み合わせが良いことがわかる。
【００２５】
最後に、アンテナの放射電磁界（電界または磁界）について解析した結果を図５に示す。ここではスパイラルアンテナからの距離に対する電界強度、または磁界強度を規制によって定められたループアンテナで受信した場合の電圧値から電界強度に換算したと考えられる値を示す。
【００２６】
Ｒ／Ｗアンテナに供給可能な電力は、電波規制値（５４ｄＢμＶ／ｍ＠３ｍ）を満足する値が上限となる。本願では、さらに電波規制値にたいしてマージン６ｄＢを考慮した電力をＲ／Ｗに供給することとした。
【００２７】
図５には、この電力をＲ／Ｗアンテナに供給した時に、ＩＣカード側のＩＣ端部で誘起される電圧（受信される電圧）の計算結果もあわせて記載している。この結果、例えばこのアンテナおよびＩＣの系では、Ｒ／ＷとＩＣカードの距離が２ｍｍの時、最大電圧５．３５ＶとなりＩＣの耐圧を満足していることがわかる。また、ＩＣの動作電圧３Ｖに対しては、Ｒ／Ｗ−カード間距離が２０ｍｍ近くまで満足しており、ここが通信距離の限界ということになる。
以上の様に、本発明の非接触ＩＣカード等に用いられるアンテナコイルの設計方法および設計装置を用いれば、アンテナ形状等の入力パラメータを所定の範囲をもって入力できる。従って、初めからアンテナ形状を一つに特定することなく、計算されたアンテナの抵抗Ｒ、インダクタンスＬ、容量Ｃ、およびこれらを用いてさらに計算されたアンテナの自己共振周波数ｆｃおよびＱ値を求めることができる。さらにＲ／ＷやＩＣに搭載した容量Ｃｉｃから各アンテナの共振周波数、および負荷抵抗からＱ値を求めることができる。すなわち、これら計算結果を比較することにより最終的に最適なアンテナ形状を設計（特定）することが可能となる。
なお最適なアンテナ形状設計する場合に近傍／遠方・電界／磁界解析結果を考慮することができ、アンテナ供給電力の設定も可能となる。さらに等価回路による解析で、電力伝送、通信の解析も可能となる。
【００２８】
上記では、最適なアンテナ形状設計について説明したが、本解析方法および装置では、図６に示すように、上記で決定したアンテナ形状を有する非接触ＩＣカードがリーダライタの上を通過した場合にどのように磁界分布が変化するかについて、計算した結果を示すことができる。
【００２９】
なお、上記では入力するアンテナ形状情報として外形、線幅、ピッチ、線厚を示したが、図７に示す様に色々なアンテナ形状を所定の幅を持たせて入力することができる。
【００３０】
【発明の効果】
本発明によれば、電気的特性等の解析結果によってアンテナの形状を何度も設計する必要が無く、所望の電気的特性値を満足するアンテナを短期間に設計することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】非接触ＩＣカード接触とＲ／Ｗの等価回路
【図２】方形および楕円形のスパイラルアンテナの入力パラメータの一例
【図３】本願のアンテナの解析結果の一例
【図４】本願のアンテナの解析結果の一例
【図５】本願のアンテナの解析結果の一例
【図６】本願のアンテナの解析結果の一例
【図７】方形および楕円形のスパイラルアンテナの入力パラメータの一例
【図１】
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【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６】
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【図７】
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