JP2002026637A

JP2002026637A - 分割ストリップアンテナ

Info

Publication number: JP2002026637A
Application number: JP2000208827A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Hata; 宏畑
Original assignee: Koa Corp
Current assignee: Koa Corp
Priority date: 2000-07-10
Filing date: 2000-07-10
Publication date: 2002-01-25

Abstract

(57)【要約】【課題】非接触型のＩＣカード等に電力エネルギーを
電磁波の形態で送受電することができるアンテナ構造及
びその製造方法を提供する。【解決手段】ストリップまたはテープ状の導体１１を
縦方向に分割するように有限長のスロット１４を配置
し、該スロットの長さを送受電の対象とする電磁波の波
長の１／２または１／４とした。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は分割ストリップア
ンテナに係り、特に特定周波数の電磁波に対して高い周
波数選択性と高い利得が得られると共に、大量生産が容
易に行えるアンテナの構造に関する。このアンテナは、
その動作周波数帯域が狭く、一般の通信用アンテナとし
ては不適当であるが、特定周波数に対して高い選択性を
有するため、無線によるエネルギー伝送に好適であり、
非接触タイプのＩＣカードへの電力の供給にも利用の可
能性がある。また、その動作周波数帯域が狭い故に、特
定周波数の電磁波に対する散乱体としても利用すること
が可能である。

【０００２】

【従来の技術】導体中にスロットを設けたアンテナの構
造は、図７（ａ）（ｂ）（ｃ）のような形態のものが知
られている。図７（ａ）は、いわゆるスロットアンテナ
であり、平面アンテナの一種ではあるが、比較的大きな
面積を必要とし、周波数帯域幅Δｆが広いという特徴が
ある。図７（ｂ）に示すアンテナは、給電点Ｆ、Ｆ’に
ダイポール放射素子を接続することで、同軸ケーブルを
伝搬する電磁波がダイポール放射素子から空中に放射さ
れる。この際、１／４波長（λ／４）のスリットによる
分割部分は不平衡モードから平衡モードへのモード変換
トランスとして働く。図７（ｃ）は、トンネル内等に放
送電波の供給用等として用いられている漏洩同軸線であ
り、スロットを図示するように斜めに入れることで、こ
れに放射作用を持たせている。しかしながら、これらの
アンテナは何れにせよスロットを具備するアンテナであ
るが、以下に述べる本発明の分割ストリップアンテナ
（Split Strip Antenna）とはその動作原理が異なるも
のである。

【０００３】ところで、現在ＩＣカードが普及しつつあ
る。ＩＣカードは、情報の記憶容量が大きいため、今や
磁気カードに取って代わる勢いで、その実用化が進んで
いる。しかしながら、ＩＣカードは半導体デバイスを含
むので本質的に直流電源を必要とし、その給電方法によ
り次の２種類がある。まず第１に外部給電型であり、Ｉ
Ｃカードをカードリーダ等に挿入する際に給電端子を通
じて直流電源をカードリーダ側から受け、これに基づい
て動作するものである。また、内部給電型はカード自体
に電池を内蔵して行うものである。このような内部給電
型のＩＣカードによれば、カードリーダに直接カードを
挿入することなく、いわゆる非接触で情報の読み書きが
可能となる。しかしながら、ＩＣカード内部に電池を内
蔵するとカードの厚さが厚くなり、重量が大きくなる上
充電が必要となるので電池の交換等が面倒となる。ま
た、太陽電池等を用いて充電不要とする方法もあるが、
この場合は付加的な回路構成が必要となり、ＩＣカード
自体の構造を複雑なものとせざるを得ない。このため、
非接触型のＩＣカードにおいて、内部に電池を搭載する
ことなく、直流電源を供給できるシステムが望まれてい
た。

【０００４】本発明は上述した事情に鑑みて為されたも
ので、非接触型のＩＣカード等に電力エネルギーを電磁
波の形態で送受電または送受信することができるアンテ
ナ構造を提供することを目的とする。

【０００５】

【課題を解決するための手段】請求項１に記載の発明は
ストリップまたはテープ状の導体を縦方向に分割するよ
うに有限長のスロットを配置し、該スロットの長さを送
受信の対象とする電磁波の波長の１／２としたことを特
徴とする分割ストリップアンテナである。

【０００６】請求項２に記載の発明は、ストリップまた
はテープ状の導体に、そのなが手方向端部から該導体を
縦方向に分割するように有限長のスロットを配置し、該
スロットの長さを送受信の対象とする電磁波の波長の１
／４としたことを特徴とする分割ストリップアンテナで
ある。

【０００７】請求項３に記載の発明は、前記スロットの
長手方向端部の近くのインピーダンス整合のとれる位置
に給電点を配置し、該給電点に整流回路を接続したこと
を特徴とする請求項１または２に記載の分割ストリップ
アンテナを利用したレクテナである。

【０００８】係るアンテナ構造によれば、分割されたス
ロットの両側の導体は、基本的には平行２線として動作
し、ＴＥＭモードの電磁界を形成する。また一方、スロ
ットの両側が短絡されていることから反射が生じ、線路
方向に定在波が乗る。ただしこの短絡は、平行２線によ
る短絡ではなく、充分に幅のある導体板による短絡であ
る。これにより、スロット長軸を含みスロット開口面に
直交する面内に放射モードの磁界が形成され、スロット
開口面に垂直な方向に電磁波を送受電または送受信する
アンテナ特性が得られる。なお、前記定在波の山数が少
ない場合には、線路損失が小さいので、放射波周波数に
は強い選択性が存在する。特に、スロットの両端部間の
長さが波長の１／２である場合には、スロット両端の短
絡電流はブロードサイドアレイアンテナの素子としての
作用をするので、周波数選択性が高く、且つ高利得のア
ンテナ特性が得られる。

【０００９】このアンテナを送受信回路に接続する場
合、その給電点の位置は短絡部に近く（オフセット給
電）し、さらにインピーダンス変成器の併用が必要なこ
ともある。これは共振回路の高Ｑとインピーダンス整合
を両立させるためである。特に、非接触ＩＣカードに電
磁波を用いて電力を送信する場合には、この分割ストリ
ップアンテナのスロット端部近くに給電点を設け、その
給電点にダイオード整流回路等からなる受電回路を接続
することが好ましい。スロット端部の近くに給電点を配
置して整流回路を接続すると、これによりアンテナのイ
ンピーダンス整合が得られ、送電された電磁波電力を高
い効率で直流電力に変換することができる整流器付アン
テナ（レクテナ）が得られる。従って、この直流電力を
利用して被接触型ＩＣカードを動作させることが可能と
なる。

【００１０】また、給電点を設けずに、アンテナ単体と
して散乱体として利用することができる。即ち、このア
ンテナの周波数選択性に適合する周波数の電磁波を照射
することで、このアンテナのスロット部分が共振し、電
磁波を再放射する、いわば電磁波を散乱することにな
る。従って、この散乱した電磁波を検出することで、こ
のアンテナを付した物体を識別することが可能となる。

【００１１】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図１乃至図６を参照しながら説明する。図１は、本発
明の第１の実施形態の分割ストリップアンテナを示す。
このアンテナは、ストリップまたはテープ状の導体１１
を２本の導体１２，１３に縦方向（長手方向）に分割す
るように開口部であるスロット１４を配置したものであ
る。このスロット１４の長さ２Ｓはアンテナとして使用
する電磁波の波長の１／２である。ここでストリップま
たはテープ状の導体１１は、例えば薄い銅またはアルミ
等の金属板、セラミック基板上に形成された厚膜導体、
シート状のプラスチックフィルム上に形成された蒸着ま
たはスパッタリング、または導電インクの印刷等による
導電薄膜を用いることができる。

【００１２】このアンテナの好適な周波数として、例え
ば２．４５ＧＨｚが用いられる。この場合の真空中の波
長が約１２ｃｍであり、その半波長が約６ｃｍである。
従って、スロット１４の長さ２Ｓは真空中で用いられる
場合には約６ｃｍが採用されるが、導体の基板の誘電率
の影響を受ける場合には、この誘電率の寄与を考慮して
適宜補正する必要がある。ストリップまたはテープ状の
導体の幅Ｗは、６〜７ｍｍ程度が適当である。また、ス
ロット１４の幅ｇは１〜２ｍｍ程度が適当である。

【００１３】尚、ＩＣカードにこのアンテナ素子を搭載
する場合にはカードの構成材料の誘電率の影響を受け
る。従って、この材料としては、誘電体損失（ｔａｎ
δ）が小さいことが好ましい。このため、スロット１４
部分に誘電体損失が小さく、誘電率の高い材料を埋め込
むようにしてもよい。これにより、アンテナを小型化す
ると共に、その特性を改良できる。

【００１４】給電点Ｆ、Ｆ’は、スロット１４の一方の
端部から少し離れた位置に設けられる。スロット１４に
は後述するように定在波が形成され、空中の伝搬路と受
信側回路との間のインピーダンスマッチングがとれると
ころに設ける必要がある。即ち、スロット１４の両側に
位置する給電点Ｆ、Ｆ’から見たインピーダンスは、仮
に給電点をスロット端部に設けるとここは短絡状態であ
るため０となり、スロット１４の中央部に設けるとここ
はインピーダンスが極めて大きくなるため、この間に適
当な位置が存在する。このインピーダンスは、通常数十
Ωである。

【００１５】このように給電点Ｆ，Ｆ’をスロット端部
（１／４波長形では短絡側端部）から少し離れて配置す
ることで、動作帯域幅Δｆを、共振器としてのＱ値によ
るが、０．２〜１％とすることができる。このような狭
い動作帯域幅は通信用のアンテナとしては好ましくない
が、単一周波数を利用した電磁波によるエネルギー伝送
を目的とする場合、電磁波は無変調の連続波を用いるの
で帯域幅Δｆは小さい方が好ましい。

【００１６】図２（ａ）（ｂ）は、このアンテナの動作
原理を示す。このアンテナは、共振させた状態で用いる
ので、その時の定在波の状態は図２（ａ）に示すように
なる。すなわち、スロット両端部で電流Ｉｓが最大とな
り、電流はスロットの中央部Ｚ＝０において０となる。
これに対してスロット両側の導体１２，１３間の電界Ｅ
は図示するようにスロットの両端部で０であり、スロッ
ト中央部すなわちＺ＝０において最大となる。この時、
スロット両側の導体１２，１３に流れる電流Ｉ（ｚ）
は、図中実線で示すように、その回りに閉じた磁界を形
成する。また、電流Ｉ（ｚ）は、スロット端の短絡部で
その最大値Ｉｓとなり、このＩｓがスロット周辺に図中
点線で示すような磁界を形成する。ここで実線で示す磁
界は、スロットで分割された平行２線のＴＥＭモードの
磁力線であり共振を維持する。これに対して点線の磁界
は短絡部電流Ｉｓに伴う疑似ＴＥ１１モードである。一
方、電界Ｅについては両モードともｚ軸の直交断面内で
ダイポールモードを形成しているため、これによりモー
ド結合が生じ、この疑似ＴＥ１１モードがスロット開口
面に直角な方向に電磁波を放射することになる。

【００１７】図３は、このアンテナの放射指向性を示
す。ｙ軸を含む垂直・水平両面内で８文字特性が形成さ
れる。即ちこれは、微小ダイポールやループのいわゆる
ドーナツパターンと異なり、ｘ−ｙ面内で全方向性では
ないうえ、垂直面内の半値角がやや狭いので、「二葉状
の指向性」とこれを呼ぶこととする。そして、この指向
性により予想外に大きな電力利得（半波長ダイポールに
匹敵）が得られるのである。一方、このアンテナの偏波
面は図３に示すようにｘ−ｙ平面であり、アンテナ素子
の長手方向と直交する水平偏波を放射する。この点が他
のアンテナ素子には見られない特性で、給電構造による
干渉が小さいという特徴を有する。

【００１８】図４は本発明の第２の実施形態のアンテナ
構造を示す。このアンテナは、図１に示す分割ストリッ
プアンテナを、その対称性を利用してスロット中央部で
切断して半分とした構造である。従って、スロットの長
さＳが使用する電磁波の波長λの１／４となる。従っ
て、１ＧＨｚの以下の比較的波長が長いときに好適であ
る。テープまたはストリップ状導体１１の幅Ｗ、スロッ
トの幅ｇ等は図１に示す第１の実施形態と同様である。
また、給電点Ｆ、Ｆ’の位置も同様である。

【００１９】図５は、このアンテナの指向性を示す。こ
れは図示するように給電部からの放射が非対称に加わり
糸巻き状の指向性になる。偏波面がｘ−ｙ平面となるこ
と、ｙ方向に比較的強い指向性を有すること等は図１に
示す完全なスロットによる分割ストリップアンテナと同
様である。

【００２０】図６（ａ）（ｂ）はそれぞれアンテナ素子
に設けられた受電回路（レクテナ）例を示す。この場合
はアンテナ素子をカード等に搭載し、電磁波による電力
エネルギーの送信を行う場合を前提としたものである。
それぞれの受電回路においては給電点Ｆ、Ｆ’にダイオ
ードＤ、キャパシタＣｒ、Ｃｒ_１、Ｃｒ_２、インダクタ
ーＬ等が接続されている。給電点Ｆ、Ｆ’に供給される
高周波電圧はダイオードＤにより整流され、インダクタ
ＬとキャパシタＣｒ等がローパスフィルタとして作用
し、直流電力をキャパシタＣに蓄積する。従って、これ
によりＩＣカードを動作させる直流電力が得られる。
尚、図６（ａ）に示す整流回路は全波整流回路であり、
図６（ｂ）に示す整流回路は２倍圧型整流回路である。

【００２１】次に、このアンテナ（レクテナ）を用いた
電磁波による電力エネルギーの伝送について検討する。
まず使用する周波数帯としては、産業・医療用の周波数
帯として割り当てられた２．４５ＧＨｚがある。この場
合の波長は真空中で約１２ｃｍであり、その半波長また
は１／４波長の寸法のスロットを備えたストリップ導体
は、加工上またはＩＣカード等への搭載上好適な寸法と
なる。即ち、アンテナ素子の大きさが大き過ぎるとＩＣ
カードへの搭載が不可能となり、また小さ過ぎるとアン
テナの開口面積が小さくなり、受電電力が低下する。次
に受信可能電力について検討する。一般に、当該周波数
帯の許容電界強度は６Ｖ／ｍと規制されているので、送
信アンテナより５０ｃｍの距離にこのアンテナ素子を配
置し、この時の電界強度を６Ｖ／ｍとすると、送信電力
は１０ｍＷとなる。尚、送信アンテナとしては、ダイポ
ールアンテナ等を用い円偏波とする。受信側では、上述
したように直線偏波で受信することになり、このアンテ
ナ開口面積から受信電力として、一例として０．１４ｍ
Ｗ程度が得られる。これにより充分動作するようなＩＣ
と組み合わせたカードを開発することが当面の目標とな
る。

【００２２】このアンテナ素子を電磁波の散乱体として
用いる場合には、送信された電磁波を受けてアンテナの
スロット部分に上述した定在波が生じ、この定在波に基
づいて図３および図５の放射パターンに従った電磁波が
送出される。従って、このアンテナ素子に対して電磁波
を放射すると、このアンテナ素子が電磁波を再放射する
ので、この再放射された電磁波を検出することで、この
アンテナ素子の存在を検知することが出来る。すなわ
ち、このアンテナ素子は特定周波数の電磁波に対して、
散乱機能を有するので、このアンテナ素子の存在を非接
触で検出することが出来る。例えば、このアンテナ素子
をカードに付することで、電磁波源および散乱電磁波の
検出器を備えることにより、カードを保持した人または
物の通過の検出等に利用することが出来る。尚、この電
磁波散乱体としての特徴は、給電点から負荷を一切取ら
ない場合にその作用が著しい。

【００２３】次に、この分割ストリップアンテナの製造
方法について説明する。量産性を考慮すると、シート状
の基板に多数のアンテナ素子を同時に印刷等により形成
し、これを切断もしくは分割により個々のアンテナ素子
とすることが好ましい。この具体的方法としては、例え
ばセラミック基板を準備し、これにスクリーン印刷によ
るスロットを有するストリップまたはテープ状導体パタ
ーンを塗布・焼成して、導体パターンを形成する。次
に、これを切断もしくはクラッキングして個々のアンテ
ナ素子とする。また、導体パターンは薄膜により形成し
てもよい。更に、絶縁体による保護膜で導体パターンを
被覆するようにしてもよい。この場合は、セラミック基
板を用いるので整流回路等の受信回路を同時に搭載する
ことが容易である。

【００２４】また、単に散乱体として用いる場合にはプ
ラスチックフイルム上に導体インクの印刷等によりスロ
ットを有するストリップ状の導体パターンを形成し、そ
れを切断して個々のアンテナ素子としてもよい。また、
湿気のないプラスチックおよびその他の非金属部材上に
スロットを有するストリップ状の金属導体片（膜）を貼
ったり、塗布したり、被覆、接着、接合することによっ
ても形成できる。このようにこのアンテナ素子は構造が
簡単であることから、現時点で利用可能なあらゆる種類
の製造技術を用いて大量生産することが可能である。

【００２５】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、簡
単な構造で高い周波数選択性（高Ｑ性）を有するととも
に高利得性を有するアンテナを形成することができる。
したがって、電磁波を介したエネルギー伝送が可能とな
り、非接触型のＩＣカードに電力を非接触で供給して、
そのＩＣカードを動作させることができるようになる。
また本発明の分割ストリップアンテナを電磁波の散乱体
として用いることで、人や物体の識別等にも利用するこ
とが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施形態の分割ストリップアン
テナを示した図である。

【図２】図１に示す分割ストリップアンテナの動作を説
明する図である。

【図３】図１に示す分割ストリップアンテナの指向性を
説明する図である。

【図４】本発明の第２の実施形態の分割ストリップアン
テナを示した図である。

【図５】図４に示す分割ストリップアンテナの指向性を
説明する図である。

【図６】分割ストリップアンテナの給電点に接続した整
流回路例を示す図であり、（ａ）は全波整流回路であ
り、（ｂ）は２倍圧型の整流回路を示す。

【図７】（ａ）は従来の基本的なスロットアンテナの原
理を示し、（ｂ）はダイポールを負荷したスロット形平
衡・不平衡変換器（バラン）を示し、（ｃ）はスロット
を斜めに刻んだ漏洩同軸型のアンテナを示す。

【符号の説明】

１１ストリップまたはテープ状の導体１２，１３分割されたストリップ導体１４分割スロット

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】ストリップまたはテープ状の導体を縦方
向に分割するように有限長のスロットを配置し、該スロ
ットの長さを送受信の対象とする電磁波の波長の１／２
としたことを特徴とする分割ストリップアンテナ。
【請求項２】ストリップまたはテープ状の導体に、そ
の長手方向端部から該導体を縦方向に分割するように有
限長のスロットを配置し、該スロットの長さを送受信の
対象とする電磁波の波長の１／４としたことを特徴とす
る分割ストリップアンテナ。
【請求項３】前記スロットの長手方向端部の近くのイ
ンピーダンス整合のとれる位置に給電点を配置し、請求
項１または２に記載の分割ストリップアンテナの給電点
に整流回路を接続したことを特徴とするレクテナ。
【請求項４】請求項３に記載の分割ストリップアンテ
ナを組み込んだことを特徴とするＩＣカード。
【請求項５】請求項１または２に記載の分割ストリッ
プアンテナを備えたことを特徴とする電磁波散乱体。
【請求項６】一枚の基板に送受信の対象とする電磁波
の波長の１／２または１／４のスロットを有するストリ
ップまたはテープ状の導体パターンを形成し、該導体パ
ターンを単位となる区画に切断または分割することを特
徴とする分割ストリップアンテナの製造方法。