(57)【要約】【課題】フィード線から生じる不要磁界を防止し、各導体ループに流れる電流の適正化を図ること。【解決手段】信号源Ｓからの給電を受ける外側の導体ループ１と、外側の導体ループ１に電磁結合され、閉じた導体ループ内に第２の可変容量コンデンサＣ２が直列接続された内側の導体ループ２とを有する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
信号源からの給電を受ける第１の導体ループと、
前記第１の導体ループに電磁結合され、閉じた導体ループ内に第２の可変容量コンデンサが直列接続された第２の導体ループと、
を有することを特徴とする磁界アンテナ。
【請求項２】
前記第２の可変容量コンデンサの容量が任意に設定されることにより、前記第１の導体ループと前記第２の導体ループにそれぞれ流れる各電流の大きさ及び向きが調整されることを特徴とする請求項１に記載の磁界アンテナ。
【請求項３】
前記第２の可変容量コンデンサの容量には、
前記第２の導体ループの共振条件を満たす値よりも大きく又は小さく、前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流の比が所望比となる値が設定されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の磁界アンテナ。
【請求項４】
前記第１の導体ループと前記信号源の間に第１の可変容量コンデンサが直列接続されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれかに記載の磁界アンテナ。
【請求項５】
前記第１の可変容量コンデンサの容量には、
前記第１の導体ループの共振条件を満たす値が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の磁界アンテナ。
【請求項６】
前記第１の可変容量コンデンサの容量には、
前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流を逆相にする場合、前記第１の導体ループの共振条件を満たす値よりも大きい値が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の磁界アンテナ。
【請求項７】
前記第１の可変容量コンデンサの容量には、
前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流を同相にする場合、前記第１の導体ループの共振条件を満たす値よりも小さい値が設定されていることを特徴とする請求項４に記載の磁界アンテナ。
【請求項８】
前記第１の導体ループと前記第２の導体ループは、
同一平面上に配置され一方が他方を内包する、又は、いずれも他方の外側で同一平面上に配置されていることを特徴とする請求項１乃至７のいずれかに記載の磁界アンテナ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、磁界を利用したアンテナの技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
電波の距離減衰率は２０ｄＢ／ｄｅｃに留まるが、磁界の距離減衰率は６０ｄＢ／ｄｅｃを越えうる。従い、無線エリアを明確に限定するには、距離減衰率が大きいほど好都合なので、電波よりも磁界が適している。このような磁界の特性に着目し、磁界を利用した近距離無線技術が提案されている（特許文献１）。
【０００３】
一般に磁界を生成する場合はループアンテナが利用される。また、複数のループアンテナを利用することで磁界分布を多彩に生成することができる。例えば、２つのループアンテナを利用し、互いの磁気モーメントを打ち消すことにより、６０ｄＢ／ｄｅｃを上回る距離減衰率を得ることも可能である（特許文献２、非特許文献１）。
【０００４】
ここで、従来の磁界アンテナについて説明する。図１１は、従来の磁界アンテナの構成を示す図である。従来の磁界アンテナは、異径の導体ループ１，２を同心円状に配設して構成される。有限の内部抵抗Ｒ１を有する一般的な信号源Ｓから供給された電流は、２つの経路に分岐される。分岐された一方は外側の導体ループ１に流れ込み、他方はフィード線ＦＬｉｎを経由して内側の導体ループ２に流れ込む。導体ループ１と導体ループ２に流すべき電流の比は、設計者が実現したい磁界分布によって異なるが、各導体ループ１，２の電流出力側にそれぞれ設けられた抵抗Ｒ０１，Ｒ０２の値を変更することにより調整できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１３−１２５９９１号公報
【特許文献２】特開２０１３−１２５９９８号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】佐々木、外４名、“複数の電流ループを利用した磁界分布制御の基本検討、―短距離無線認証のために―”、電子情報通信学会、信学技報 Vol.113、No.85、2013年6月17日、p.7-12
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、信号源Ｓから導体ループ２へ給電するために少なくとも２つのフィード線ＦＬｉｎ，ＦＬｏｕｔが必要になり、必然的にフード線の全長（合計長）が長くなるため、このフィード線から近距離無線通信に不要な磁界が発生する。
【０００８】
本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、フィード線から生じる不要磁界を防止し、各導体ループに流れる電流の適正化を図ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
以上の課題を解決するため、請求項１に記載の磁界アンテナは、信号源からの給電を受ける第１の導体ループと、前記第１の導体ループに電磁結合され、閉じた導体ループ内に第２の可変容量コンデンサが直列接続された第２の導体ループと、を有することを要旨とする。
【００１０】
請求項２に記載の磁界アンテナは、請求項１に記載の磁界アンテナにおいて、前記第２の可変容量コンデンサの容量が任意に設定されることにより、前記第１の導体ループと前記第２の導体ループにそれぞれ流れる各電流の大きさ及び向きが調整されることを要旨とする。
【００１１】
請求項３に記載の磁界アンテナは、請求項１又は２に記載の磁界アンテナにおいて、前記第２の可変容量コンデンサの容量には、前記第２の導体ループの共振条件を満たす値よりも大きく又は小さく、前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流の比が所望比となる値が設定されていることを要旨とする。
【００１２】
請求項４に記載の磁界アンテナは、請求項１乃至３のいずれかに記載の磁界アンテナにおいて、前記第１の導体ループと前記信号源の間に第１の可変容量コンデンサが直列接続されていることを要旨とする。
【００１３】
請求項５に記載の磁界アンテナは、請求項４に記載の磁界アンテナにおいて、前記第１の可変容量コンデンサの容量には、前記第１の導体ループの共振条件を満たす値が設定されていることを要旨とする。
【００１４】
請求項６に記載の磁界アンテナは、請求項４に記載の磁界アンテナにおいて、前記第１の可変容量コンデンサの容量には、前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流を逆相にする場合、前記第１の導体ループの共振条件を満たす値よりも大きい値が設定されていることを要旨とする。
【００１５】
請求項７に記載の磁界アンテナは、請求項４に記載の磁界アンテナにおいて、前記第１の可変容量コンデンサの容量には、前記第１の導体ループの電流と前記第２の導体ループの電流を同相にする場合、前記第１の導体ループの共振条件を満たす値よりも小さい値が設定されていることを要旨とする。
【００１６】
請求項８に記載の磁界アンテナは、請求項１乃至７のいずれかに記載の磁界アンテナにおいて、前記第１の導体ループと前記第２の導体ループは、同一平面上に配置され一方が他方を内包する、又は、いずれも他方の外側で同一平面上に配置されていることを要旨とする。
【００１７】
以上より、各発明によれば、第２の導体ループは信号源からの給電を受ける第１の導体ループに電磁結合されるため、フィード線を用いることなく第２の導体ループへ給電可能となりフィード線から生じる不要磁界を防止できる。また、第２の導体ループ内に第２の可変容量コンデンサが直列接続されているため、その容量を調整することにより第１の電流ループと第２の電流ループに対して適切な値の電流を供給できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、フィード線から生じる不要磁界を防止し、各導体ループに対して適切な値の電流を供給できる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】第１の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。
【図２】図１の磁界アンテナの等価回路を示す図である。
【図３】図１の磁界アンテナの電流特性を示す図である。
【図４】第２の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。
【図５】図４の磁界アンテナの電流特性を示す図である。
【図６】第３の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。
【図７】図６の磁界アンテナの等価回路を示す図である。
【図８】図６の磁界アンテナの電流特性を示す図である。
【図９】第４の実施の形態に係る磁界アンテナの電流特性を示す図である。
【図１０】第５の実施の形態に係る磁界アンテナの電流特性を示す図である。
【図１１】磁界アンテナの従来構成を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。
【００２１】
〔第１の実施の形態〕
図１は、第１の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。この磁界アンテナは、内部抵抗Ｒ１を有する信号源Ｓと、給電点ＰＳを介して信号源Ｓからの給電を受ける外側の導体ループ１と、外側の導体ループ１に電磁結合され、閉じた導体ループ内に第２の可変容量コンデンサＣ２が直列接続された内側の導体ループ２と、を備えて構成される。各導体ループ１，２は、同一平面上で外側の導体ループ１が内側の導体ループ２を内包するように同心円状に配置される。
【００２２】
従来の磁界アンテナは、図１１を用いて説明したように、内側の導体ループ２へ電流を供給するためにフィード線を利用していた。一方、本発明ではそのような給電線を排除し、外側の導体ループ１と内側の導体ループ２の間に存在する相互インダクタンスＭを利用して内側の導体ループ２に電流を供給する。
【００２３】
図１に示した系の等価回路を図２に示す。外側のループ１と内側の導体ループ２の自己インダクタンスをそれぞれＬ１とＬ２とする。また、外側の導体ループ１と内側の導体ループ２を流れる電流をそれぞれＩ１とＩ２とし、図１の矢印の方向を電流の正方向と定義する。Ｖｉｎは信号源Ｓからの出力電圧である。
【００２４】
この等価回路を利用して計算した各電流Ｉ１，Ｉ２の絶対値と位相をそれぞれ図３（ａ）と（ｂ）に示す。ただし、計算に用いたパラメータは図３に示した値を利用し、Ｃ２を変数として横軸にとった。図３（ａ）より、Ｃ２を適切に調整することにより、導体ループ１，２の電流比を変化させられることがわかる。また、内側の導体ループ２の共振条件（（２πｆ）２×Ｌ２×Ｃ２＝１）を満たすＣ２を図３のパラメータを用いて計算すると５０７ｐＦとなるが、図３（ｂ）より、この値を境として電流Ｉ１の位相が反転することがわかる。
【００２５】
従い、電流Ｉ１と電流Ｉ２を同相にしたい場合、Ｃ２＜５０７ｐＦの範囲で適切な電流比になるようＣ２を設定すればよい。逆に、電流Ｉ１と電流Ｉ２を逆相にしたい場合、Ｃ２＞５０７ｐＦの範囲で適切な電流比になるようＣ２を設定すればよい。このようにＣ２を適切に調整することによって、設計者の希望に応じた電流比（Ｉ１：Ｉ２）を実現できる。結果として、Ｃ２を適切に調整することにより、様々な磁界分布を作り出すことが可能になる。
【００２６】
より具体的なケースで考えてみる。磁界を急激に減衰させるための手法として、２つの導体ループ１，２に付随する磁気モーメントを相殺させる方法が提案されている（特許文献２）。磁気モーメントの大きさは、導体ループが囲む部分の面積と電流の積で与えられる。また、磁気モーメントの向きは、電流の方向に対して右ネジの向きで与えられる。仮に導体ループ１と導体ループ２の面積比が４：１の場合、Ｉ１：Ｉ２＝１：（−４）になるように設定すればよい。ただし、負号は電流Ｉ２の向きが負方向であることを表す。言い換えると、電流Ｉ１と電流Ｉ２は逆相である。従い、図３を見ればわかる通り、Ｃ２＞５０７ｐＦの範囲で｜Ｉ１｜：｜Ｉ２｜＝１：４になるようにＣ２を調整すればよい。具体的には、Ｃ２＝６１５ｐＦに調整すればよい。
【００２７】
〔第２の実施の形態〕
図４は、第２の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。本実施の形態では、２つの導体ループ１，２をいずれも他方の外側に配置している。その他の構成は第１の実施の形態と同じである。この場合、系の等価回路は第1の実施形態と同様であるが、相互インダクタンスＭは負となる。Ｍが負になる場合の数値計算結果を図５に示す。導体ループ２を導体ループ１の外側に配置した場合であっても、第1の実施の形態と同様にＣ２を適切に調整することにより設計者の希望に応じた電流比（Ｉ１：Ｉ２）を実現できる。結果として、Ｃ２を適切に調整することにより、様々な磁界分布を作り出すことが可能になる。
【００２８】
〔第３の実施の形態〕
図６は、第３の実施の形態に係る磁界アンテナの構成を示す図である。図７は、図６に示した系の等価回路を示す図である。本実施の形態では、給電点ＰＳと外側の導体ループ１の間に第１の可変容量コンデンサＣ１を直列接続している。その他の構成は第１の実施の形態と同じである。例えば、外側の導体ループ１の共振条件（（２πｆ）２×Ｌ１×Ｃ１＝１）を満たすようにＣ１を設定するとＣ１＝２５３ｐＦとなり、図８に示した電流特性を得ることができる。つまり、電流Ｉ１と電流Ｉ２の極値が得られるＣ２の値が一致するので、電流比を容易に調整することができる。
【００２９】
〔第４の実施の形態〕
第３の実施の形態では、外側の導体ループ１の共振条件を満たすためにＣ１＝２５３ｐＦとしたが、本実施の形態では、その共振条件を満たす値よりも大きな値をＣ１に設定した場合の例として、Ｃ１＝５００ｐＦとした場合の電流特性を図９に示す。電流Ｉ１と電流Ｉ２が逆相になる領域において、図８の場合よりも特に電流Ｉ２が大きくなっていることがわかる。従い、第３の実施の形態において、電流Ｉ１と電流Ｉ２を逆相に設定する必要があり、かつ大電流を流す必要がある場合には、上記共振条件を満たす値よりも大きなＣ１を利用するのが好ましい。
【００３０】
〔第５の実施の形態〕
第３の実施の形態では、外側の導体ループ１の共振条件を満たすためにＣ１＝２５３ｐＦとしたが、本実施の形態では、その共振条件を満たす値よりも小さな値をＣ１に設定した場合の例として、Ｃ１＝１００ｐＦとした場合の電流特性を図１０に示す。電流Ｉ１と電流Ｉ２が同相になる領域において、図８の場合よりも特に電流Ｉ２が大きくなっていることがわかる。従い、第３の実施の形態において、電流Ｉ１と電流Ｉ２を同相に設定する必要があり、かつ大電流を流す必要がある場合には、上記共振条件を満たす値よりも小さなＣ１を利用するのが好ましい。
【００３１】
以上より、各実施の形態によれば、導体ループ２は信号源Ｓからの給電を受ける導体ループ１に電磁結合されるので、フィード線を用いることなく導体ループ２へ給電可能となりフィード線から生じる不要磁界を防止できる。また、導体ループ２内に第２の可変容量コンデンサＣ２が直列接続されているので、その容量を調整することにより電流ループ１，２に対して適切な値の電流を供給できる。
【符号の説明】
【００３２】
１，２…導体ループ
Ｃ１，Ｃ２…可変容量コンデンサ
ＰＳ…給電点
Ｓ…信号源
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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