JP2013125998A - ループアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】通信エリアの境界を明確に設定できるようなシャープな磁界分布を作り出せるループアンテナを提供する。
【解決手段】ループアンテナ１は、第１の導体ループ１１と、第１の導体ループ１１を内包する第２の導体ループ１２とを有し、第１の導体ループ１１を流れる電流Ｉ_１の向きと第２の導体ループ１２を流れる電流Ｉ_２の向きが相違することを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、通信エリアの境界を明確に設定できるようなシャープな磁界分布を作り出せるループアンテナに関するものである。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信(エリア限定無線)に対するニーズが高まっている。例えば、下記の特許文献１に開示された「電界通信システム」は、エリア限定無線を実現するための一手段である。

特開２００７−１７４５７０号公報

電界通信では、環境に設置されたアクセスポイント装置の近傍のエリアに存在する端末装置だけが、アクセスポイント装置との通信を行うことができる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は設置環境やユーザの姿勢などに大きく依存するため、明確な近傍のエリアを電界によって実現することが困難であった。したがって、通信すべき位置に存在している端末装置が通信できなかったり、その逆のケースも生じたり、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができなかった。

このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は周囲に存在する導体や誘電体の影響を強く受けるためである。

一方で、低周波(およそ１０ＭＨｚ以下)磁界は、人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。したがって、課題を解決する一つの手段として、通信媒体として低周波磁界を用いることが考えられる。

そして、通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような、「シャープな磁界分布」を作り出すことができれば、信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することが可能である。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、通信エリアの境界を明確に設定できるようなシャープな磁界分布を作り出せるループアンテナを提供することにある。

上記の課題を解決するために、第１の本発明は、第１の導体ループと、前記第１の導体ループを内包する第２の導体ループとを有し、前記第１の導体ループを流れる電流の向きと前記第２の導体ループを流れる電流の向きが相違することを特徴とするループアンテナをもって解決手段とする。

例えば、第１の本発明において、前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値に等しい。

例えば、第１の本発明において、前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値より大きい。

第２の本発明は、第１の導体ループと、前記第１の導体ループの周囲を囲むように配置された複数の第２の導体ループとを有し、前記第１の導体ループを流れる電流の向きと前記第２の導体ループを流れる電流の向きが相違することを特徴とするループアンテナをもって解決手段とする。

例えば、第２の本発明において、前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値の総和に等しい。

例えば、第２の本発明において、前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値の総和が、前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値より大きい。

例えば、第１、第２の本発明において、前記第１の導体ループの形状が、円形、正多角形、長方形のいずれかであり、前記第２の導体ループの形状が、円形、正多角形、長方形のいずれかである。

本発明に係るループアンテナによれば、通信エリアの境界を明確に設定できるようなシャープな磁界分布を作り出すことができる。

第１の実施の形態に係るループアンテナを示す図である。 第１の実施の形態に係るループアンテナの説明のために使用するシングルループのループアンテナを示す図である。 第１の実施の形態に係るループアンテナの説明のために使用する座標系を示す図である。 ｚ軸上の磁界強度をシングルループと第１の実施の形態に係るループアンテナ（ダブルループ）とで比べたグラフである。 ｚ軸上の磁界強度をシングルループと第２の実施の形態に係るループアンテナ（ダブルループ）とで比べたグラフである。 第３の実施の形態に係るループアンテナを示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナを示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナの第２の導電ループ２２の数を増やしたループアンテナを示す図である。 第４の実施の形態に係るループアンテナの第１の導電ループ２１と第２の導電ループ２２の距離が一定でないようにしたループアンテナを示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

［第１の実施の形態］
図１は、第１の実施の形態に係るループアンテナを示す図である。

ループアンテナ１は、第１の導体ループ１１と、第１の導体ループ１１を内包する第２の導体ループ１２とを有し、第１の導体ループ１１を流れる電流Ｉ_１の向きと第２の導体ループ１２を流れる電流Ｉ_２の向きが相違することを特徴とする。

第１の実施の形態では、電流Ｉ_１の電流値と第１の導体ループ１１に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントｍ_１の絶対値が、電流Ｉ_２の電流値と第２の導体ループ１２に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントｍ_２の絶対値に等しくなっている。

第１、第２の導体ループ１１、１２の形状は、例えば、円形である。

一般に、図２に示すようなシングルループのループアンテナに電流Ｉ_１を流すことで周囲に磁界が生成される。電流Ｉ_１は直流でも交流でもよく、生成される磁界の振幅は電流Ｉ１の電流値に比例する。交流の電流Ｉ_１の周波数に対応する波長が、ループの半径ａ_１に比べて十分大きければ、ループアンテナの近傍の磁界分布は周波数に依存せず、静磁界の磁界分布と一致する。

ループアンテナは、磁気双極子としての性質を有し、電流Ｉ_１の電流値をＩ、ループの面積をＳとすると、式（１）で与えられる磁気モーメントｍを有する。

ループアンテナから生成される磁界Ｈは、近似的に以下の式（２）で表される。

ここで太字はベクトルを表す。Ｒは観測点の位置ベクトル、ｎはループ面の単位法線ベクトルである。また、ループの中心は原点に配置されているとした。

式（２）は近似式であるが、下記の式（３）の条件が満たされていれば、十分に正確である。

式（２）、（３）からわかるように、ループアンテナから十分離れた領域においては、磁界は距離Ｒの３乗に比例して減衰する。デシベル表示ならば、−６０ｄｂ／ｄｅｃの割合で減衰する。

一方、式（３）が満たされない領域、つまりループアンテナから十分離れているとは言えない領域では、磁界は距離Ｒの３乗で減衰せず、減衰は緩やかになることが知られている。

以上の条件を考慮し、ループアンテナに電流を流した場合の磁界分布を考察する。

まず、図３の座標系を設定する。すなわち、紙面に平行な面内にｘ−ｙ軸をとり、紙面に垂直な方向にｚ軸をとる。（ｘ、ｙ、ｚ）座標系は右手系であり、すなわち紙面の裏から表に向かう方向をｚ軸の正方向とする。

図２に示すように、中心が座標原点と一致するような半径ａ_１の導体ループを考える。ループ状の矢印の向きは電流Ｉ_１の方向を表す。便宜上、これをシングルループと呼ぶことにする。また、図１に示すように、シングルループである第１の導体ループ１１の外側に、半径ａ_２の第２の導体ループ１２を加えたものを、ダブルループと呼ぶことにする。外側の第２の導体ループ１２を流れる電流の大きさはＩ_２であり、Ｉ_２の向きはＩ_１と相違することとする。

ここで例えば、ダブルループにおいて、内側に設けた第１の導体ループ１１の磁気モーメントｍ_１の絶対値と、外側に設けた第２の導体ループ１２の磁気モーメントｍ_２の絶対値が等しくなるようＩ_２を設定する。ただし、Ｉ_１とＩ_２は逆向きであるとしているので、それぞれの磁気モーメントの方向は、常に逆になる。図１の場合ならば、式（４）を満たすようにＩ_２を設定すれば良い。

式（４）のような条件に設定すると、ループアンテナ１の遠方においては、第１の導体ループ１１の磁気モーメントｍ_１と、外側の第２の導体ループ１２の磁気モーメントｍ_２とが打ち消しあって見えるので、磁界強度は極めて小さくなると考えられる。一方で、原点付近の磁界強度に着目すると、内側の第１の導体ループ１１の寄与は、外側の第２の導体ループ１２の寄与に比べて優勢であると考えられる。したがって、図１のダブルループにおいて、式（４）の条件を設定した場合、ダブルループの原点近傍の磁界分布は、シングルループのそれと似ているが、ダブルループの遠方の磁界強度はシングルループのそれと比べて著しく小さくなることが予想される。

図４は、ｚ軸上の磁界強度をシングルループとダブルループとで比べたグラフである。ただし、ダブルループについては、式（５）の条件でプロットした。

ｚ＜ａ_１の領域においては、シングルループとダブルループが生成する磁界分布はほぼ等しい。一方でｚ＞ａ_１の領域においては、ダブルループの磁界分布は急速に減衰することがわかる（−１００ｄＢ／ｄｅｃ）。したがってダブルループにおいて、式（５）の条件を採用すれば、シングルループよりもシャープな磁界分布を作り出すことができる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第２の実施の形態では、第１の実施の形態に同一または類似の構成を用い、同一または類似のものについては第１の実施の形態で使用した符号を使用して重複説明を略し、第１の実施の形態とは異なる事項を中心に説明を行う。

第２の実施の形態では、電流Ｉ_２の電流値と第２の導体ループ１２に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値は、電流Ｉ_１の電流値と第１の導体ループ１１に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値より大きくなっている。

第１の実施の形態では、式（５）の条件を利用したが、第２の実施の形態では、例として、式（６）の条件を利用する。

すなわち、第２の導体ループ１２の磁気モーメントの絶対値ｍ_２が、第１の導体ループ１１の磁気モーメントの絶対値ｍ_１の２倍になっている。

図５は、式（６）の条件において、ｚ軸上の磁界強度を比べたグラフである。

この場合、ｚ＞＞ａ_１における両者の差はほぼ無くなっているが、ダブルループにおいて、磁界強度は極小値をとる（窪みが現れる）ので、部分的には、第１の実施の形態のダブルループよりもシャープな磁界分布を生成することができる。また窪みが現れる位置は、電流Ｉ_２の電流値や半径ａ_２を変えることによって、適当に調整することができる。

磁気モーメントの絶対値ｍ_２は、磁気モーメントの絶対値ｍ_１の２倍に限らず、磁気モーメントの絶対値ｍ_１より大きければ同様の効果を得ることができる。

［第３の実施の形態］
次に、第３の実施の形態に係るループアンテナについて説明する。第３の実施の形態では、第１、第２の実施の形態との差異を中心に説明する。

第１、第２の実施の形態においては、第１、第２の導体ループ１１、１２の形状は円形であるとしたが、円形に限らず、楕円、長方形、多角形など、様々な形状を利用することができる。例として、図６に示すように、第１、第２の導体ループ１１、１２を正方形とすることができる。

［第４の実施の形態］
図７は、第４の実施の形態に係るループアンテナを示す図である。

ループアンテナ２は、第１の導体ループ２１と、第１の導体ループ２１の周囲を囲むように配置された複数（４つ）の第２の導体ループ２２とを有し、第１の導体ループ２１を流れる電流の向きと第２の導体ループ２２を流れる電流の向きが相違することを特徴とする。

第４の実施の形態では、第１の導体ループ２１を流れる電流の電流値と第１の導体ループ２１に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値は、第２の導体ループ２２を流れる電流の電流値と第２の導体ループ２２に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値の総和に等しくなっている。

第１、第２の導体ループ２１、２２の形状は、例えば、円形である。

ここで、第１、第２の導体ループ２１、２２には電流が流れているが、電流値は、異なるものとする。

第１、第２の導体ループ２１、２２の磁気モーメントは、ループの面積と電流に依存するが、第１の導体ループ２１の磁気モーメントの絶対値をｍ_１とする。第２の導体ループ１２には、第１の導体ループ２１と逆向きの電流が流れている。各第２の導体ループ２２の磁気モーメントの絶対値をｍ_２〜ｍ_５とする。ただし、下記の条件を満たしているものとする。

式（７）の条件を満たすように設定すると、第１の実施の形態と同様な効果が得られる。つまり、第１、第２の導体ループ２１、２２の磁気モーメントのベクトル和が零になるので、ループアンテナ２の遠方の磁界は急速に減衰する。一方で、第１の導体ループ２１の近傍の磁界分布は、第２の導体ループ２２の影響をあまり受けないので、シングルループの磁界分布とほぼ等しくなる。したがって、第１の実施の形態と同様な効果が得られ、シャープな磁界分布を形成することができる。

なお、図７では、第２の導体ループ２２の数は４つであるが、式（７）の関係を満たしていれば、任意の数であっても有効である。例えば、図８のように、任意の数の第２の導体ループ２２を、第１の導体ループ２１を中心とする円周上、もしくは第１の導体ループ２１を中心とする正多角形の頂点上に配置するようにしてよい。

また、図７、図８では、第１の導体ループ２１から第２の導体ループ２２までの距離が一定であるが、図９に示すように、必ずしも一定である必要はない。

また、第１、第２の導体ループ２１、２２の形状は円形であるとしたが、円形に限らず、円形に限らず、楕円、長方形、多角形など、様々な形状を利用することができる。

［第５の実施の形態］
次に、本発明の第５の実施の形態について説明する。第５の実施の形態では、第４の実施の形態に同一または類似の構成を用い、同一または類似のものについては第４の実施の形態で使用した符号を使用して重複説明を略し、第４の実施の形態とは異なる事項を中心に説明を行う。

第４の実施の形態では、第２の導体ループ２２を流れる電流の電流値と第２の導体ループ２２に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値の総和が、第１の導体ループ２１を流れる電流の電流値と第１の導体ループ１１に囲まれた部分の面積との積である磁気モーメントの絶対値より大きくなっている。

つまり、図７のマルチループにおいて、式（８）の条件を満たすように磁気モーメントを設定する。

これにより、第４の実施の形態のループアンテナ２が、第１の実施の形態のループアンテナ１と同様な効果を示したように、第５の実施の形態のループアンテナは、第２の実施の形態のループアンテナと同様の効果を示す。すなわち、部分的にシャープな磁界分布を形成することが可能になる。

なお、図７では、第２の導体ループ２２の数は４つであるが、式（８）の関係を満たしていれば、任意の数であっても有効である。例えば、図８のように、任意の数の第２の導体ループ２２を、第１の導体ループ２１を中心とする円周上、もしくは第１の導体ループ２１を中心とする正多角形の頂点上に配置するようにしてよい。

また、図７、図８では、第１の導体ループ２１から第２の導体ループ２２までの距離が一定であるが、図９に示すように、必ずしも一定である必要はない。

また、第１、第２の導体ループ２１、２２の形状は円形であるとしたが、円形に限らず、円形に限らず、楕円、長方形、多角形など、様々な形状を利用することができる。

１、２ ループアンテナ
１１、１２ 第１の導体ループ
２１、２２ 第２の導体ループ

Claims (7)

1. 第１の導体ループと、
   前記第１の導体ループを内包する第２の導体ループとを有し、
   前記第１の導体ループを流れる電流の向きと前記第２の導体ループを流れる電流の向きが相違する
   ことを特徴とするループアンテナ。
2. 前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、
   前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値に等しい
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナ。
3. 前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、
   前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値より大きい
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナ。
4. 第１の導体ループと、
   前記第１の導体ループの周囲を囲むように配置された複数の第２の導体ループとを有し、
   前記第１の導体ループを流れる電流の向きと前記第２の導体ループを流れる電流の向きが相違する
   ことを特徴とするループアンテナ。
5. 前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値が、
   前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値の総和に等しい
   ことを特徴とする請求項４記載のループアンテナ。
6. 前記第２の導体ループを流れる電流の電流値と前記第２の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値の総和が、
   前記第１の導体ループを流れる電流の電流値と前記第１の導体ループに囲まれた部分の面積の積である磁気モーメントの絶対値より大きい
   ことを特徴とする請求項４記載のループアンテナ。
7. 前記第１の導体ループの形状が、円形、正多角形、長方形のいずれかであり、
   前記第２の導体ループの形状が、円形、正多角形、長方形のいずれかである
   ことを特徴とする請求項１ないし６のいずれかに記載のループアンテナ。

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