JP2014127751A - Antenna, communication management system and communication system - Google Patents
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Abstract
【課題】金属面に直接取付けても、金属面が近傍にあっても影響を受けず、かつ放射効率が良く薄型で小型のアンテナ、及びそれを用いた通信管理システム、通信システムを提供することを目的とする。
【解決手段】複数の金属面が対向配置され、且つ複数の金属面の間に所定の厚みの絶縁体を挟み込むことで複数の金属面で平行板伝送線路を構成し、複数の金属面の任意の金属面に約1/2波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのH形、コの字形となる開放部が切抜かれ、スロットやスリットに対し伝送線路の給電部で下方のインピーダンスで無限大インピーダンスとなるように、複数の金属面の両端部が短絡金属面で短絡され、更にスロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有することを特徴とするアンテナ。
【選択図】図1Provided are a thin and small antenna that is not affected even when directly attached to a metal surface or in the vicinity of the metal surface, has good radiation efficiency, and a communication management system and communication system using the antenna. With the goal.
A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and an insulator having a predetermined thickness is sandwiched between the plurality of metal surfaces to form a parallel plate transmission line with the plurality of metal surfaces. A slot having a slot length of about ½ wavelength and an appropriate length H-shaped or U-shaped open portion are cut out on the metal surface of the metal surface, and the impedance of the transmission line feeding part is lower than the slot or slit. An antenna, comprising: a power feeding portion for connecting both ends of a plurality of metal surfaces to each other at a predetermined position in the slot so that both ends of the plurality of metal surfaces are short-circuited so as to have infinite impedance.
[Selection] Figure 1
Description
本発明は、VHF、UHF、SHF帯の通信アンテナ等の分野で使用される電波形のアンテナで、特に金属体や水分のある物体に取付ける平板状のアンテナで、薄く小型のアンテナから箱型のアンテナ構造を有するアンテナ、それを用いた通信管理システム及び通信システムに関する。 The present invention is an electromagnetic wave antenna used in the field of VHF, UHF, SHF band communication antennas, etc., and is particularly a flat antenna attached to a metal object or an object with moisture. The present invention relates to an antenna having an antenna structure, a communication management system using the antenna, and a communication system.
現在、携帯電話やタブレット携帯端末、あるいはICカードやRFIDタグ等に利用されているVHF、UHF、SHF帯の通信において、棒状のダイポールアンテナ,プリントアンテナ,パッチアンテナ,磁性体アンテナ、1/4波長スロットアンテナ等が一般に用いられている。また金属面に、1/2波長のスリット部を切ったスロットアンテナも一般的である。これらのアンテナは金属面の直ぐそばや、金属面に貼り付けて使用すると放射が低下したり、アンテナ自身の能率が悪くなったりする。そのため、金属面の影響をなくすため金属面から離して使用する例が多い。 In VHF, UHF, and SHF band communications currently used for mobile phones, tablet mobile terminals, IC cards, RFID tags, etc., rod-shaped dipole antenna, printed antenna, patch antenna, magnetic antenna, 1/4 wavelength A slot antenna or the like is generally used. A slot antenna having a half-wave slit formed on a metal surface is also common. When these antennas are used near a metal surface or attached to a metal surface, the radiation is reduced or the efficiency of the antenna itself is deteriorated. For this reason, in many cases, the metal surface is used apart from the metal surface in order to eliminate the influence of the metal surface.
ダイポールアンテナもスロットアンテナもこの点から云うと同様な弱点を持つが、決定的に異なることが、ダイポールアンテナの場合は棒の周囲に対し360°対称的に同じ条件となるが、スロットアンテナの場合は上面と下面が金属面で完全に分離されていることである。これらの特徴を利用し、または電流および電界も利用して励振電界が他から影響を受けず、放射面自体が金属面で構成され、この金属面にスロット部の放射面が構成され、スロット長が約半波長の長さで共振を発生させ、スロット部に強い電界を発生させることができ、金属面に誘起電圧が発生したことによる電流を流し、この金属面電流を利用できるため、金属面自体をアンテナの一部として利用できることである。 Although the dipole antenna and the slot antenna have the same weak points from this point, the difference is decisively different in the case of a dipole antenna. Is that the upper and lower surfaces are completely separated by a metal surface. Utilizing these characteristics, or using an electric current and electric field, the excitation electric field is not affected by others, the radiation surface itself is composed of a metal surface, the radiation surface of the slot portion is constructed on this metal surface, and the slot length Can generate resonance with a length of about half a wavelength, can generate a strong electric field in the slot, and can flow current due to the generation of induced voltage on the metal surface, and this metal surface current can be used. It can be used as a part of the antenna.
また、先行技術として、つぎのような技術や特許出願がなされている。 In addition, the following technologies and patent applications have been made as prior art.
スロット部にICが取付けられ、その間に誘電体を挟んだ金属板が取付けられた金属対応のアンテナもあるが、金属面の影響から逃げられず金属面から離すため厚い誘電体としたものもある。また下方金属面の影響をなくすように片端を短絡したものもあるが、スロット部に近い部分を開放しているため、下方金属面の影響を取除くことができていない。一方金属面がない場合、スロット部の放射のための電流線路が短く、片方のみの放射となり電界の励振にも不都合となっている。受信の場合で考えると、到来波による到来電界の誘起電圧も小さくなり、従ってスロット部の励振電圧も低くなる。インピーダンスの高い1/4波長スロットの金属対応のスロットアンテナ等もあるが、整合と放射能率等の問題がある。 Some metal-compatible antennas have an IC mounted in the slot and a metal plate sandwiched between them, but there are also thick dielectrics that cannot be escaped from the effect of the metal surface and separated from the metal surface. . In addition, there is one in which one end is short-circuited so as to eliminate the influence of the lower metal surface, but since the portion close to the slot is opened, the influence of the lower metal surface cannot be removed. On the other hand, when there is no metal surface, the current line for radiating the slot is short, and only one side is radiated, which is inconvenient for exciting the electric field. In the case of reception, the induced voltage of the incoming electric field due to the incoming wave is also reduced, and therefore the excitation voltage of the slot portion is also reduced. There are metal-compatible slot antennas with a quarter-wave slot with high impedance, but there are problems such as matching and radioactivity.
また、導電性アンテナと磁性体アンテナとの組み合わせを行ったアンテナもあるが、構成が複雑になるだけである。 In addition, there is an antenna in which a conductive antenna and a magnetic antenna are combined, but the configuration is only complicated.
スロット部とダイポールの組み合わせアンテナ、導波管形空洞アンテナにスロット部を切った構造や、金属対応ではないが半波長スロットや1/4波長スロット等の一般のスロットアンテナの多数の特許出願がなされている。また、帯状アンテナも特許出願がなされている。 A number of patent applications have been filed for slot antennas and dipole combination antennas, waveguide-type cavity antennas with slot sections cut, and general slot antennas such as half-wave slots and quarter-wave slots that are not metal-compatible. ing. A patent application has also been made for a strip antenna.
金属箔や金属板等で形成された金属面に直接スロット部あるいはダイポールスロット部(総称して「スロット」という)を切り、これをアンテナとして利用できる構造や、動物や金属体に直接アンテナを取付ける構造、或いは金属面や人体が傍にあってアンテナと接触したとしてもその影響を受けず逆に金属面や人体を積極的に利用する構造のアンテナが求められている。 A slot or dipole slot (generally referred to as a “slot”) is cut directly on a metal surface made of metal foil or metal plate, and the antenna can be used as an antenna, or an antenna can be directly attached to an animal or metal body. There is a demand for an antenna having a structure, or a structure in which a metal surface or a human body is not in contact with the antenna even if the metal surface or the human body is in contact with the antenna, and the metal surface or the human body is actively used.
また、スロット部の形状を金属面の大きさや形に合わせて構成し、放射を制御することができれば理想的であり、また背後に金属面があるにも拘らずその影響を受けず、かつ金属がなくとも動作することができるように構成できれば、どんな物体にも取付けることが可能なスロットアンテナが実現できる。 In addition, it is ideal if the shape of the slot part can be configured according to the size and shape of the metal surface and radiation can be controlled, and even though there is a metal surface behind it, it is not affected and metal A slot antenna that can be attached to any object can be realized as long as it can be configured so as to be able to operate even if it is not.
スロットアンテナ自体は送信と受信両方に利用できるので、これにICを乗せるとスロット部で受信した電力と信号とでICを動作させ、更にICの信号を再送信することが可能な、いわゆるパッシブ形のICタグあるいはRFIDの構成が可能である。ICに電圧を供給するアクティブ形のICタグあるいはRFIDの構成も可能であり、アクティブICタグのアンテナのように、常にICに電力が供給される場合には、スロットアンテナの放射特性により通信距離を延ばすことができるので、応用範囲を広げることが可能となる。これはスロットアンテナの使い方の問題であり、両方の目的に利用できる金属面で構成できれば、アンテナ自体の性能に影響を及ぼすことはない。 Since the slot antenna itself can be used for both transmission and reception, when an IC is placed on this, the IC is operated with the power and signal received at the slot, and the so-called passive type can retransmit the IC signal. IC tag or RFID configuration is possible. An active IC tag or RFID configuration that supplies voltage to the IC is also possible. When power is always supplied to the IC, such as an antenna of an active IC tag, the communication distance can be reduced by the radiation characteristics of the slot antenna. Since it can be extended, the application range can be expanded. This is a problem of how to use the slot antenna, and if it can be configured with a metal surface that can be used for both purposes, the performance of the antenna itself is not affected.
また、アンテナ本体の形状や小形化や薄形化も本発明の目的の一つであるが、単に小形化、薄形化を行ってだけではアンテナとしては動作しなくなる。 In addition, although the shape, size, and thickness of the antenna body are one of the objects of the present invention, the antenna cannot be operated simply by reducing the size or the thickness.
本発明は、金属面に直接取付けても動作する場合と、金属面があっても影響を受けない方式を取り、かつ放射効率が良く薄型、小型のアンテナが構成できる対策を講じて、航空機、自動車等のアンテナや、薄型化、小型化、軽量化を進め、PCやスマートフォンを含む携帯電話、タブレット型の携帯端末等の金属体や金属板を持つ機器や物体に取付けられ、機器の金属に影響を受けず通信が可能となるアンテナである万能スロットアンテナ(Universal Slot Antenna:USA)とこれを用いた通信システム(Universal Slot Antenna Communication System:USACS)により上記課題を解決することを目的とする。 The present invention takes a system that operates even when directly attached to a metal surface, takes a system that is not affected even if there is a metal surface, and takes measures to configure a thin, small antenna with good radiation efficiency, Attached to devices and objects with metal bodies and metal plates, such as antennas for automobiles, etc., mobile phones including PCs and smartphones, tablet-type mobile terminals, etc. It aims at solving the said subject by the universal slot antenna (Universal Slot Antenna: USA) which is an antenna which can communicate without being influenced, and a communication system (Universal Slot Antenna Communication System: USACS) using the same.
更に本発明は、金属、水、人間等の動物にも用いられ、勿論、他から妨害を受けず何処にでも用いることができるアンテナ、それを用いた通信管理システム、通信システムの提供を目的とする。 Furthermore, the present invention is used for animals such as metal, water, humans, etc. Of course, an object of the present invention is to provide an antenna that can be used anywhere without being disturbed by others, a communication management system using the antenna, and a communication system. To do.
本発明は上述の目的を達成するため、以下(1)〜(5)の構成を備えるものである。 In order to achieve the above-mentioned object, the present invention has the following configurations (1) to (5).
(1)複数の金属面が対向配置され、且つ前記複数の金属面の間に所定の厚みの絶縁体を挟み込むことで前記複数の金属面で平行板伝送線路を構成し、
前記複数の金属面の任意の金属面に約1/2波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのH形、コの字形となる開放部が切抜かれ、
前記スロットやスリットに対し前記伝送線路の給電部で下方のインピーダンスで無限大インピーダンスとなるように、前記複数の金属面の両端部が短絡金属面で短絡され、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有することを特徴とするアンテナ。
(1) A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured by the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces.
A slot having a slot length of about ½ wavelength, an appropriate length H-shape, or an open portion having a U-shape is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces,
Both ends of the plurality of metal surfaces are short-circuited by a short-circuited metal surface so that the lower impedance at the power supply unit of the transmission line becomes infinite impedance with respect to the slot or slit, and further supplied to a predetermined position of the slot. An antenna having a power feeding portion for connecting an electric wire.
(2)複数の金属面が対向配置され、且つ前記複数の金属面の間に所定の厚みの絶縁体を挟み込むことで前記複数の金属面で平行板伝送線路を構成し、
前記複数の金属面の任意の金属面に1/2波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのスリットが切抜かれ、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有し、
前記スロットに対して、他の前記金属面の平行板伝送線路が無限大のインピーダンスとなるように配置されることを特徴とするアンテナ。
(2) A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured by the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces.
A slot having a ½ wavelength slot length or a slit having an appropriate length is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces, and a power feeding unit for connecting a power feeding line to a predetermined position of the slot is further provided. ,
The antenna, wherein the other parallel-plate transmission line on the metal surface is disposed so as to have an infinite impedance with respect to the slot.
(3)複数の金属面が対向配置され、且つ前記複数の金属面の間に所定の厚みの絶縁体を挟み込むことで前記複数の金属面で平行板伝送線路を構成し、
前記複数の金属面の任意の金属面に1/4波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのスリットが切抜かれ、前記スロットに対し前記伝送線路の両端で無限大インピーダンスとなるように、前記複数の金属面の両端部が短絡金属面で短絡され、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有することを特徴とするアンテナ。
(3) A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured by the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces,
A slot having a 1/4 wavelength slot length or a slit having an appropriate length is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces, and an infinite impedance is provided at both ends of the transmission line with respect to the slot. An antenna, comprising: a power feeding portion for connecting both ends of the plurality of metal surfaces to each other at a predetermined position of the slot;
(4)前記(1)乃至(3)のいずれか1項に記載のアンテナが、金属機器、運搬物、車両、航空機、水分を含む物等に装着され、通信や管理を行うことを特徴とするアンテナによる通信管理システム。 (4) The antenna according to any one of (1) to (3) is mounted on a metal device, a transported object, a vehicle, an aircraft, an object including moisture, and performs communication and management. Communication management system with an antenna.
(5)前記(1)乃至(3)記載のいずれか1項に記載のアンテナで検知した信号を、ネットワークを介してコンピュータやサーバにアクセスし、管理や制御を行なうことを特徴とするアンテナを用いた通信システム。 (5) An antenna characterized in that a signal detected by the antenna according to any one of (1) to (3) is accessed and managed and controlled by accessing a computer or server via a network. Communication system used.
本発明の万能スロットアンテナとその応用および通信管理システムでは、放射効率の良いスロットアンテナあるいはスロットダイポールアンテナを構成し、かつ単独の金属面または対向配置された複数の金属面に複数スロットを形成し、伝送線路に近接する金属板の影響を取除く構造を講じることで、アンテナ自体の薄型化を行ってもその影響が出ないように伝送線路に定在波型の構成を構築して、伝送線路や周囲の影響を抑える無限大インピーダンス状態を作ることにより通信感度を高く構築できるようにしている。この通信感度の良いスロットアンテナを構成できれば、その応用としてICを備えたICタグやICカード、RFID等を作ることもできる。 In the universal slot antenna of the present invention and its application and communication management system, a slot antenna or a slot dipole antenna with good radiation efficiency is configured, and a plurality of slots are formed on a single metal surface or a plurality of metal surfaces opposed to each other. By adopting a structure that eliminates the influence of the metal plate close to the transmission line, a standing wave type configuration is constructed in the transmission line so that the effect does not occur even if the antenna itself is made thinner. By creating an infinite impedance state that suppresses the influence of the surroundings, the communication sensitivity can be built high. If a slot antenna with good communication sensitivity can be configured, an IC tag, IC card, RFID, or the like equipped with an IC can be made as an application.
本発明は、金属面に直接取付けても、金属面が近傍にあっても影響を受けない方式を取り、かつ放射効率が良く薄型で小型のスロットアンテナを構成できる対策を講じて、航空機、自動車等のアンテナや、薄型化、小型化、軽量化を進め、PC、スマートフォン等の携帯電話、タブレット端末等の金属体や金属板を持つ機器や物体に取付けられ、機器の金属に影響を受けず通信が可能となる万能スロットアンテナ(Universal Slot Antenna:USA)とこれを用いた通信システム(Universal Slot Antenna Communication System:USACS)を提供できる。 The present invention adopts a method that can be directly mounted on a metal surface or is not affected even if the metal surface is in the vicinity, and has taken measures to configure a thin and small slot antenna with good radiation efficiency, aircraft, automobile Attached to devices and objects with metal bodies and metal plates such as mobile phones such as PCs and smartphones, tablet terminals, etc., and are not affected by the metal of the device. A universal slot antenna (USA) that enables communication and a communication system (Universal Slot Antenna Communication System: USACS) using the antenna can be provided.
以下本発明を実施するための最良の形態を、実施例により詳しく説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention will be described in detail with reference to examples.
本発明の万能スロットアンテナとその応用および通信システムの具体例を示す図面によって説明する。尚、文中では寸法の基準は、空間波長λ或いは電気長(λe)で示す。 The universal slot antenna of the present invention, its application, and a specific example of a communication system will be described with reference to the drawings. In the text, the standard of dimensions is represented by the spatial wavelength λ or the electrical length (λe).
図1に通常のダイポールアンテナと、スロットアンテナとの比較を示す。 FIG. 1 shows a comparison between a normal dipole antenna and a slot antenna.
図1(a)はダイポールアンテナの例を示し、図1(b)はスロットアンテナの例を示す。図中のEは電界、Hは磁界を表わし、ダイポールアンテナとスロットアンテナとは相補の関係にあり、両アンテナに生じる電界Eと磁界Hも同様に相補の関係を示すというのがバビネ(Babinet)の定理である。 FIG. 1A shows an example of a dipole antenna, and FIG. 1B shows an example of a slot antenna. In the figure, E represents an electric field, and H represents a magnetic field. The dipole antenna and the slot antenna are in a complementary relationship, and the electric field E and the magnetic field H generated in both antennas similarly indicate a complementary relationship. Is the theorem.
金属面Msに切られたスロット2は中空構造で、スロット2のスロット幅ωはダイポールの直径2ρの2倍と等価、即ちω=4ρの相補の関係にあり、ダイポール長lと、スロット長lとも同じく相補の関係にある。特にダイポールアンテナのインピーダンス特性の金属面の大きさは理論的には無限であるが、実際には有限長となり、このため流れる電流が影響を受ける。このため、厳密には指向性も多少異なる。
The
尚、図中において金属面Msで構成される電流線路は、スロット2に対して直角方向に流れる電流Iと同じX軸方向に電流線路が形成され、その電流線路の線路長を2X1(±X1)、Y軸方向の金属面Msの幅を伝送線路の幅Wとして説明する。電磁波は、アンテナの金属線や金属面で構成される伝送線線路に沿って伝搬して電界Eが発生し、かつY軸方向に磁界Hが発生することで放射及び受信が行なわれる。
In the figure, the current line constituted by the metal surface Ms is formed in the same X-axis direction as the current I flowing in the direction perpendicular to the
図1(c)は、良く知られている無限に細い線(半径ρ≒0)でダイポールの長さが半波長λ/2のダイポールアンテナで、その入力インピーダンスZD=73+j42.5Ωとなることが知られている。これに対し、図1(d)には相補の関係にあるスロットアンテナの入力インピーダンスZSを示している。 FIG. 1C shows a well-known dipole antenna with an infinitely thin line (radius ρ≈0) and a half-wavelength λ / 2, and its input impedance Z D = 73 + j42.5Ω. It has been known. In contrast, shows an input impedance Z S of the slot antenna are complementary in FIG 1 (d).
図1(d)のスロットアンテナは、図1(c)に示すダイポールアンテナに対応して、無限に細いスロット幅ω=4ρ=0となり、この場合の入力インピーダンスはZS=364−j212Ωとなる。このスロットアンテナとダイポールアンテナの入力インピーダンスの関係は、相補の関係を示すバビネの定理による。光または電波の自由空間の伝播速度VCとすると、特性インピーダンスZCはつぎのように表わされ、計算することができる。 The slot antenna of FIG. 1D corresponds to the dipole antenna shown in FIG. 1C, and has an infinitely narrow slot width ω = 4ρ = 0, and the input impedance in this case is Z S = 364−j212Ω. . The relationship between the input impedances of the slot antenna and the dipole antenna is based on Babine's theorem indicating a complementary relationship. If the propagation velocity V C of light or radio waves in free space, the characteristic impedance Z C is expressed as follows and can be calculated.
となり、ダイポールアンテナに比べてスロットアンテナの入力インピーダンスZSの方が、放射抵抗成分RSが364Ωと高くなり、またリアクタンス成分XSはキャパシティブになり、かつ212Ωと高い値を示すことになる。 Therefore, compared with the dipole antenna, the input impedance Z S of the slot antenna has a higher radiation resistance component R S of 364Ω, and the reactance component X S becomes capacitive and shows a higher value of 212Ω.
特にスロット2の中心部では、ダイポールアンテナに比べて放射抵抗成分RSが高すぎるため、給電を行う場合はインピーダンス変換を行うようなトランスフォーマ部(整合回路)を用いるか、後に述べるスロット2の端に給電部の取付位置を定めるなどして、伝送線路の構造やその入力インピーダンスZsや給電部3の取付位置を考慮した構成にしなければならない。スリットの構造で端部から1/4波長の点で電圧最大、電流最少となる反共振点に近いため、高抵抗になることは容易に想像される。
In particular, since the radiation resistance component RS is too high in the central portion of the
しかし、実際のダイポールアンテナでは、各エレメントの長さを厳密に1/2波長とすると、インピーダンスが誘導性(正の虚数成分)を持つことで給電線とのインピーダンス整合が難しくなるため、数%短縮することでインピーダンスを純抵抗成分にして整合する構成のダイポールアンテナを用いるのが一般的である。その際の各エレメントの長さを短縮する比率を短縮率としている。 However, in an actual dipole antenna, if the length of each element is exactly ½ wavelength, impedance matching with the feeder line becomes difficult due to the inductive impedance (positive imaginary component). It is common to use a dipole antenna having a configuration in which the impedance is reduced to a pure resistance component to be matched. The ratio of shortening the length of each element at that time is defined as the shortening rate.
図1(e)に示す具体例として、半波長(λ/2)より少し短め(l=0.475λ)のダイポールアンテナでは、ダイポールアンテナの入力インピーダンスはZD=67+j0Ωとなり、アンテナ自体は放射抵抗成分(RD=67Ω)のみとなり共振状態となるっている。この時のダイポールアンテナの直径2ρとすると2ρ=λ/100=0.01λで、ρ=λ/200=0.005λとなる。 As a specific example shown in FIG. 1E, in a dipole antenna slightly shorter than half wavelength (λ / 2) (l = 0.475λ), the input impedance of the dipole antenna is Z D = 67 + j0Ω, and the antenna itself has a radiation resistance. Only the component (R D = 67Ω) is present, resulting in a resonance state. If the diameter of the dipole antenna at this time is 2ρ, then 2ρ = λ / 100 = 0.01λ and ρ = λ / 200 = 0.005λ.
図1(f)は、図1(e)に示すダイポールアンテナと相似の関係にあるスロットアンテナの場合を示し、共振状態ではリアクタンス成分は零であるので抵抗成分Rsのみとなり、入力インピーダンスZS=530Ωと高い抵抗値となる。このことからスロットアンテナの場合、ダイポールアンテナに比べ高いインピーダンス特性を示すことになるので、給電部3(一般的には50Ω同軸ケーブル)との整合は10:1に近いインピーダンス整合を考慮する必要があり、給電を行う場合はインピーダンス変換を行うトランスフォーマ部を用いなければならない場合がある。また、スロットアンテナのスロット幅ωはω=4ρとなり、4ρ=4λ/200=0.02λでスロット幅ωはダイポールアンテナの半径ρの4倍となっている。 FIG. 1 (f) shows the case of a slot antenna having a similar relationship to the dipole antenna shown in FIG. 1 (e). Since the reactance component is zero in the resonance state, only the resistance component Rs is obtained, and the input impedance Z S = The resistance value is as high as 530Ω. Therefore, in the case of the slot antenna, the impedance characteristic is higher than that of the dipole antenna. Therefore, it is necessary to consider impedance matching close to 10: 1 for matching with the feeder 3 (generally 50Ω coaxial cable). In some cases, a transformer unit that performs impedance conversion must be used when power is supplied. The slot width ω of the slot antenna is ω = 4ρ, and 4ρ = 4λ / 200 = 0.02λ, and the slot width ω is four times the radius ρ of the dipole antenna.
以上には同じ状況に置かれた際、周囲の影響を受け難い金属面Msで構成されたスロットアンテナと、周囲の影響(特に金属面や水の影響)を受け易いダイポールアンテナについて、その電界E、磁界H、インピーダンス特性の違いや、動作モードの違いを説明した。 As described above, the electric field E is applied to the slot antenna formed of the metal surface Ms which is not easily affected by the surroundings and the dipole antenna which is easily affected by the surroundings (particularly, the influence of the metal surface and water). The differences in magnetic field H, impedance characteristics, and operation modes have been described.
つぎに図1(g)は、エレメントが一本のモノポールアンテナに対して相似の関係にあるU字状の開放口(OM)が形成されたハーフサイズスロットアンテナについて説明する。スロットアンテナの伝送線路を半分にしたハーフサイズの場合、1/2波長スロットの半分にした構造となるので、入力インピーダンスZShはλ/2半波長スロットに比べ2倍の入力インピーダンスZSh=240π/ZD=2ZS(約1000Ω)となることが知られている。 Next, FIG. 1G illustrates a half-size slot antenna in which a U-shaped opening (OM) having a similar relationship with a monopole antenna having a single element is formed. In the case of the half size in which the transmission line of the slot antenna is halved, the structure is a half of the half-wave slot, so that the input impedance Z Sh is twice the input impedance Z Sh = 240π compared to the λ / 2 half-wave slot. It is known that / Z D = 2Z S (about 1000Ω).
1/4波長伝送線路を用いるときは、後述する図10(c)や図11(g)に示すように、伝送線路の幅Wを更に小さくすることができる点は有利であるが、スロット2のインピーダンスが高くなる分、伝送線路の1/4波長(λ/4)による見かけ上の入力インピーダンスも高くしなければならない。然し乍ら、後述する図4(d)のグラフに示すように、1/4波長(0.5tanθ)の伝送線路の高インピーダンスの範囲(θ=90°前後)はかなり狭くなるため実現し難くなっている。 When a quarter wavelength transmission line is used, it is advantageous that the width W of the transmission line can be further reduced as shown in FIG. 10C and FIG. Therefore, the apparent input impedance due to the quarter wavelength (λ / 4) of the transmission line must be increased. However, as shown in the graph of FIG. 4D, which will be described later, the high impedance range (about θ = 90 °) of the transmission line of ¼ wavelength (0.5 tan θ) is considerably narrowed, which is difficult to realize. Yes.
この問題を解決するため、本発明では図1(g)に示すようなスロット片方の金属面(W/2)を切り離してスロット2をU字状の開放口(OM)を設けた構造とし、更に電流を遮断する方法をとっている。このU字状の開放口(OM)の構成は、通常のスロットアンテナの金属面Msに対し垂直方向の2方向への放射に加えて、U字状の開放口(OM)の方向、即ち金属面Msに対し水平方向への放射もおこなえる三方向の放射特性を有している。この方法は、後に述べるスロットアンテナを重ね合わせの場合に特に有効な方法となる。
In order to solve this problem, in the present invention, the
つぎに使用周波数については多種帯域に亘るが、現在最もよく使用されている周波数は、UHF帯の900MHz帯(波長約333mm、1/2波長166mm)、920MHz帯(波長約326mm、1/2波長163mm)、1600MHz帯(波長約187mm、1/2波長90mm)、1800MHz(波長約166mm、1/2波長83mm)、2.45GHz帯(波長122.4mm、1/2波長61.2mm)、5.7GHz帯(波長52.6mm、1/2波長26.3mm)、500〜700MHz帯(波長600〜429mm、1/2波長300〜215mm)使用周波数により波長λが短くなったり長くなったりする。
Next, the frequency used is in various bands, but the most frequently used frequencies are the 900 MHz band (wavelength of about 333 mm and 1/2 wavelength of 166 mm) and the 920 MHz band (wavelength of about 326 mm and 1/2 wavelength) of the UHF band. 163 mm), 1600 MHz band (wavelength of about 187 mm, 1/2 wavelength of 90 mm), 1800 MHz (wavelength of about 166 mm, 1/2 wavelength of 83 mm), 2.45 GHz band (wavelength of 122.4 mm, 1/2 wavelength of 61.2 mm), 5 .7 GHz band (wavelength 52.6 mm, 1/2 wavelength 26.3 mm), 500 to 700 MHz band (wavelength 600 to 429 mm, 1/2
そのため本実施例では、アンテナの大きさを分かり易くするために、周波数f=920MHz帯(波長326mm)、主に700MHz帯(波長429mm)、1600MHz帯(波長187mm)、2.45GHz帯(波長122.4mm)の場合を例にとって説明することにする。
Therefore, in this embodiment, in order to make the size of the antenna easy to understand, the frequency f = 920 MHz band (
万能スロットアンテナを構成するスロット2のスロット長l、スロット幅ω、並びに後述する整合回路、伝送線路の線路長、周波数による線路長の構成は波長λの函数となり、万能スロットアンテナの大きさや絶縁体を挟み込む厚み等も変わってくる。特に厚み(伝送線路の高さh)については、後に述べるように伝送線路の特性インピーダンスと関係する周波数とは無関係となるようにみえるが、スロット長lの制御、伝送線路の幅W等とも関係するため、実際の構成としては小形化、薄形化のための重要なファクターとなる。
The slot length l and slot width ω of the
一般的には周波数が高くなり波長λが短くなると、波長λに比例して小形化が進み、後述する伝送線路の特性インピーダンスを定める伝送線路の幅Wや、伝送線路の高さh(挟み込まれる絶縁体の厚み)との比τ=W/hが主要ファクターとなる。例えば、特性インピーダンスZOが同じなら伝送線路の幅Wが1/2となれば伝送線路の高さhも1/2となり薄くすることが可能で、特性インピーダンスを一定とすることができ、波長λと同様に相似の関係がなりたつことが分かる。 In general, when the frequency is increased and the wavelength λ is shortened, the miniaturization proceeds in proportion to the wavelength λ, and the transmission line width W and transmission line height h (which are sandwiched between the transmission line and the characteristic impedance of the transmission line described later) are sandwiched. The ratio τ = W / h to the thickness of the insulator is a main factor. For example, can the characteristic impedance Z O is thinner height h also 1/2 of the width W is the transmission line if a half of the same if the transmission line, it is possible to the characteristic impedance constant, wavelength It can be seen that a similar relationship is established as in λ.
また、後述する絶縁体として挟み込まれる磁性体により、伝送線路の特性インピーダンス
を増大させ、伝送線路を薄く幅も狭く構成し、かつ、短縮率
もかかって更に短縮することができる。
In addition, the characteristic impedance of the transmission line due to the magnetic material sandwiched as an insulator described later
The transmission line is made thin and narrow, and the shortening rate
It can be further shortened.
つぎに給電方法について、金属面M1のスロット2に直接、あるいは間接に同じ給電線(一般的には50Ω同軸ケーブル)を接続することにより、万能スロットアンテナとして機能させる方法を図2で説明する。
For then feeding method, by connecting directly or indirectly to the same feed line (typically 50Ω coaxial cable) into the
スロット2のスロット長lが共振状態とするためには、図1で説明した半波長(λ/2)より短いほぼl=0.475λとするのが基本となるが、実際には伝送線路のリアクタンス成分も並列に入るため、線路長2X1の長さ調整や整合回路の付加により、インピーダンス整合がとれるように適切に定める必要がある。またスロット長lには短縮率がかかったり、後に述べるようにローディングを行ったり、スロット2を曲げたりしてY軸方向のスロット2の長さを1/2〜1/10程度に短縮しX方向の長さを長くする場合もあり、実際のスロット長lの設定は難しい。従って図中では説明を簡単にするために、スロット長l≒λ/2=0.5λ(半波長)として説明を行なう。スロット2のスロット幅ωは先にも述べたように、ω=2ρ(相似の関係にあるダイポールアンテナの直径)としている。短縮率についてはPE、テフロン(登録商標)等の場合約0.66倍としている。
In order for the slot length l of the
<スロットアンテナ給電部の取付け方法>
図2(a)の斜視図は給電部3,3′の取付け位置を示し、金属面M1に形成されたスロット長l、スロット幅ωのスロット2の所定の位置に、給電線(50Ω同軸ケーブル:Co−ax.C)がスロット2を跨ぐように、給電線の外部導体と内部導体を直接、あるいは間接的にスロット2の両側の給電部3,3′に接続される。スロット2を切ってある金属面M1の大きさは、金属面M1のY軸方向の一辺の長さである平行伝送線路の幅Wと、金属面M1のX軸方向の一辺の長さを2X1(伝送線路の線路長)とし、X軸方向の長さのほぼ中心、即ち片側の伝送線路の長さX1の位置にスロット2が配置されている。
<Mounting method of slot antenna feeding part>
Perspective view of FIG. 2 (a) shows the mounting position of the feeding
送信の場合はX軸方向とスロットの両側に電流が流れ、放射電界やスロット2を励振する電界の電圧を誘起させる電流となる。従って、この伝送線路の線路長2X1もスロット2の誘起電圧を高くしたり、放射電界を励振するのに重要である。また受信の場合は到来電界Eにより、金属面M1の伝送線路の線路長2X1に沿って2X1・Eの電圧を誘起させたり、電流を流すためにはX軸方向に所定の線路長2X1の伝送線路が必要となる。後に述べる伝送線路PTLの長さもこの伝送線路の線路長2X1と関係する。図2(b)は正面から見た図である。
In the case of transmission, a current flows in the X-axis direction and both sides of the slot, and becomes a current that induces a radiation electric field and a voltage of an electric field that excites the
1000MHz近辺ではスキンデプスが2μ程度であるので、金属面M1の厚さはそれ程大きくは影響しないが、使用する金属板あるいは金属箔では、通常厚さが0.001〜0.1mm程度で用いることができ、実際に本実施例で金属面に用いたものは、0.01〜0.1mmのアルミニウムや銅箔を用いたラミネートフィルムである。金属面M1は、金属箔でなくても蒸着やコーティングや印刷や塗料で形成しても良く、もっと厚めの板材や他の金属板、例えば黄銅、ステンレス、鉄等による金属面を用いることができるため、金属面に用いる材料及びその厚さについては、仕様により適宜選択されるもので本発明を限定しない。 Since the vicinity of 1000MHz is 2μ about the skin depth, the thickness of the metal surface M 1 is so large not affect, in a metal plate or a metal foil used, normally the thickness is used about 0.001~0.1mm What is actually used for the metal surface in this example is a laminate film using aluminum or copper foil of 0.01 to 0.1 mm. The metal surface M1 may not be a metal foil but may be formed by vapor deposition, coating, printing, or paint, and a thicker plate material or other metal plate such as brass, stainless steel, iron, or the like can be used. Therefore, the material used for the metal surface and the thickness thereof are appropriately selected according to the specification and do not limit the present invention.
また、蒸着する場合は厚さ0.001mm程度で、実用する上で可成り薄く構成できる。スキンデプスより薄くした場合、多少抵抗やロスは増えるが使用するには問題ない。給電部3がスロット2に取付けられる位置は、図中にも示すようにスロット長lの1/2〜1/20程度の間に給電部3,3′を設けて給電線を接続する。給電部3について図1でも説明したように、入力インピーダンスが高いスロット2の中心部に給電線を取付ける場合は、トランスフォーマ部のようなインピーダンス変換が必要で、端部に取付ける場合は、抵抗成分の整合がされていてもリアクタンス成分が零になる共振状態にするための整合が必要となる場合もある。整合を取るためには、給電部3の抵抗とスロット2の抵抗の大きさとも関係するので、整合については後述するが、スロット長l、スロット2に給電部3を取付ける位置、短絡線路長、トランスフォーマ長等の配線路の長さの調整が必要である。
In the case of vapor deposition, the thickness is about 0.001 mm, and can be made quite thin for practical use. If it is thinner than the skin depth, the resistance and loss will increase somewhat, but there is no problem in use. As shown in the figure, the position where the
図2(c)は金属面M1に切られたスロット2から電磁波が放射される際、金属面M1を挟んで上下の両方向に対称的な放射P1,P2が行われることを示すもので、受信についても同じである。従って、この金属面M1の上方または下方、表面または裏面、どちらの方向にでもスロット2からの放射や受信が行われる伝送線路が形成されることで、スロット2に接続された給電部3,3′間には電圧が供給され、給電線(Co−ax.C)には電流が流れ、伝送線路には電力が供給される。送信の場合はスロット2を励振し、金属面M1の上下方向に電力が放射P1,P2されることを示している。図1でも説明したようにスロットの中心部における給電はインピーダンスが高くなるため、トランスフォーマを用いて50Ωと整合させなければならない。
FIG. 2 (c) shows that when the electromagnetic wave is radiated from the
図2(d)は1/2波長スロット2の下方に1/4波長の長さの金属面MTを凸型に形成し、反射機能を有したトラップ構造となる平行板伝送線路を設けることにより、下方には無限大インピーダンスの伝送線路を構成し、上方のみに2倍の放射P1を行う場合を示している。上下方向に放射されていた電力は、下方への放射が反射されることで上方のみに放射されるので、上方の放射電力P1は2倍(2P1)になる。従って、この場合には、指向性を持つ代わりにアンテナ利得が2倍、3dB以上のゲインを得ることができる構成となる。このようなダイポールアンテナより、更に3dB高い利得が得られ、近接する金属面でアンテナ利得が落ちるとされていた従来のダイポールアンテナの特性からすると著しく改善された特性を示しており、マイナスファクターがプラスファクターになっていることが分かる。
FIG. 2 (d) to form a metal surface M T of the length of a quarter wavelength convex to the downward half-
図2(e)にはH形スロットあるいはH形スロットの変形で帯状アンテナに近いアンテナの形状の実施例を示す。図2(e)は同軸線路で給電する場合を示し、図2(f)はICタグ等に用いる場合にICを接続した場合を示す。H形のスロットあるいはスリットの周辺の長さが1/2波長で、スリット長の全長が1/4波長の場合には、スロットアンテナとほぼ同じような電流が流れるが、スリットの周辺の長さが1波長で、スリットの両側を合わせた全長が1波長となり、帯状アンテナの両側の4つのスリットの全長を加えると2波長となる場合には折返しアンテナと同様な零相電流が発生するので零相電流による放射の効果やインピーダンスの逓昇の効果も現れるため、スロットアンテナとは言えなくなる。スロットの両側の電流は図8にも描いてあるようにスロットの切れ目に沿って流れる正相電流であるが全長2波長となる4辺の夫々が1/4波長のスリットを持つ。アンテナ励振の中心となる帯状アンテナの場合には両側の副線路の電流は零相電流が励振される。これは次の図2(g)、(h)の側路あるいは副線路による放射素子を加えた場合でも同様で更に放射が容易となる。金属面が波長やスロット長に較べて非常に大きく放射電界を十分励振できる大きさや幅がある場合には、図1や図2(a)、(b)、(c)、(d)直線スロットでもよいが金属幅が狭いものにスリットを切る場合には図2(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)のようなスロットやあるいはスリットを切り、幅が狭くても励振できる方法をとることによって十分な励振が得られる。図1(g)による方法は従来から行われている。 FIG. 2 (e) shows an embodiment of an antenna shape close to a strip antenna by modification of an H-shaped slot or an H-shaped slot. FIG. 2E shows a case where power is supplied through a coaxial line, and FIG. 2F shows a case where an IC is connected when used for an IC tag or the like. When the length of the periphery of the H-shaped slot or slit is ½ wavelength and the total length of the slit is ¼ wavelength, almost the same current flows as the slot antenna, but the length of the periphery of the slit Is one wavelength, the total length of both sides of the slit is one wavelength, and when the total length of the four slits on both sides of the strip antenna is two wavelengths, a zero phase current similar to that of the folded antenna is generated. Since the effect of radiation by the phase current and the effect of increasing the impedance also appear, it cannot be said to be a slot antenna. As shown in FIG. 8, the currents on both sides of the slot are positive-phase currents flowing along the slot cuts, but each of the four sides having a total length of two wavelengths has a quarter wavelength slit. In the case of a strip antenna that is the center of antenna excitation, a zero-phase current is excited as the current in the sub-lines on both sides. This is the same even when a radiation element by the side or sub line shown in FIGS. 2G and 2H is added, and the radiation becomes easier. If the metal surface is very large compared to the wavelength and slot length and has a size and width that can sufficiently excite the radiated electric field, FIG. 1 and FIGS. 2 (a), 2 (b), (c), (d) straight slots However, when a slit is cut in a metal having a narrow width, as shown in FIGS. 2 (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) Sufficient excitation can be obtained by cutting a simple slot or slit and adopting a method that allows excitation even when the width is narrow. The method according to FIG. 1 (g) has been performed conventionally.
図2(g)、(h)には、図2(e)、(f)のH形スリットの両翼に副線路を設けた場合を示す。この副線路を設けないと金属面全体が誘導的な電流となり、主線路の放射電流を阻止する方向に働く。 FIGS. 2 (g) and 2 (h) show a case where sub-lines are provided on both wings of the H-shaped slits of FIGS. 2 (e) and 2 (f). If this sub line is not provided, the entire metal surface becomes an inductive current, and works in a direction to block the radiation current of the main line.
従って、第1スリットの幅は広くとる方が180°位相の放射の妨げとなる電流の影響を受け難い。然しながら図2(g)、(h)のように副線路を設けた場合には副線路には折返しアンテナと同じように零相電流が流れ、放射アンテナの電流と同相となるため、主線路の放射を助けることになる。 Therefore, if the width of the first slit is wide, it is less likely to be affected by the current that hinders 180 ° phase radiation. However, when a sub-line is provided as shown in FIGS. 2 (g) and (h), a zero-phase current flows through the sub-line in the same manner as the folded antenna, and is in phase with the current of the radiating antenna. Will help radiation.
図2(g)の場合には、同軸ケーブルで給電する場合を示し、図2(h)の場合にはICチップを接続している場合を示す。 In the case of FIG. 2 (g), the case where it supplies with a coaxial cable is shown, and in the case of FIG. 2 (h), the case where an IC chip is connected is shown.
図2(i)、(j)にはコの字形スロットすなわちH形スロットの片側のみのスロットの場合を示す。 2 (i) and 2 (j) show a case of a U-shaped slot, that is, a slot on only one side of an H-shaped slot.
片側のみであるので1/4波長のスリットが両側に付くだけでスリット長は1/2波長、スリット周囲長は直線スロットの場合と同じで1波長となる。 Since only one side is provided, the slit length is ½ wavelength and the slit peripheral length is the same as in the case of the straight slot, and only one wavelength is obtained by simply attaching a quarter wavelength slit to both sides.
図2(i)は同軸ケーブルで給電している場合で、図2(j)はICを取り付けている場合を示す。 FIG. 2 (i) shows a case where power is supplied by a coaxial cable, and FIG. 2 (j) shows a case where an IC is attached.
図2(k)、(l)は、T形スロットあるいはT形スリットの場合を示す。 2 (k) and 2 (l) show the case of a T-shaped slot or a T-shaped slit.
図1(g)の1/4波長スリットは上がオープンとなるため上部の金属の妨害を受けないが金属面内にスリットを設ける場合には無限大インピーダンスの開放端と同じように高インピーダンスとなるため、両側に1/4波長のスリットによるチョークを設け無限大インピーダンスによる開放端と同様な効果を発生させている場合を示す。図2(k)は同軸ケーブルで励振する場合、図2(l)はICを取り付けた場合を示す。 The quarter-wave slit in FIG. 1 (g) is open at the top so that it is not obstructed by the upper metal, but when a slit is provided in the metal surface, it has a high impedance in the same way as the open end of infinite impedance. Therefore, a case is shown in which chokes by quarter wavelength slits are provided on both sides to produce the same effect as an open end due to infinite impedance. FIG. 2 (k) shows a case where excitation is performed with a coaxial cable, and FIG. 2 (l) shows a case where an IC is attached.
図2(e)、(f)、(g)、(h)、(i)、(j)、(k)、(l)の実施例は特に幅の狭い金属板のとき有効で、後に述べる下方に金属面M2を用いる平行板伝送路においては細い帯状アンテナによる薄形アンテナを構成する場合には後に述べるように金属帯Wと平行板厚hとの比τ=W/hを小さくすることができ、従って線路の特性抵抗Z0を大きくすることに役立つため、H形スロット、コ字スロット、T字スロット等は有効である。 The embodiments of FIGS. 2 (e), (f), (g), (h), (i), (j), (k), (l) are particularly effective for narrow metal plates and will be described later. In the parallel plate transmission path using the metal surface M 2 below, when a thin antenna is formed by a thin strip antenna, the ratio τ = W / h between the metal strip W and the parallel plate thickness h is reduced as described later. Therefore, an H-shaped slot, a U-shaped slot, a T-shaped slot, etc. are effective because it helps to increase the characteristic resistance Z 0 of the line.
これらの帯状スロットは単一面M1でも用いられるし、上面の金属面M1と線路の両端M3、M4で短絡されて接続される下面金属面M2による平行板2線による金属面の金属体対応の平行板線路アンテナとして用いることもできる。 These strip-like slots are also used on the single surface M 1, or the metal surface of the upper surface of the metal surface M 1 and the lower surface metal surface M 2 connected by being short-circuited at both ends M 3 and M 4 of the line. It can also be used as a parallel plate line antenna for metal bodies.
つぎに、図3に示すスロットアンテナに給電部3を取りつける際、整合回路の配線の長さにより整合を取る方法の例を述べる。但し、整合回路のインダクタンスLやキャパシタンスCによる補正については図6で後述する。
Next, an example of a method for obtaining matching according to the wiring length of the matching circuit when the
図3(a),(c)は金属面M1にスロット2が切られている断面図である。スロット2の給電部の切り欠きの一部を立ち上げ、基板4のくいこみ接続端子5,5′と接触させ、かしめることで抜けないように突起部11,11′を固定する構造で、スロット2と同軸ケーブルの給電部3や整合回路(Matching Ciruit)を乗せた基板4の接続端子5,5′と金属面M1を接続する方法を示す。金属面M1と基板4の接続端子5,5′との接続はリベット等で止めることも可能であるが、異種金属の接触の場合、金属電位差による電触が発生するため、接触不良を発生しないような金属を使わなければならない。例えば、真鍮は鉄、アルミニウムに対しても比較的安定である。金属面M1に鉄板を用いてスロット2を切る場合は、切った後にメッキ等の処理をして防錆処理を施す方が長期利用に耐える。
FIG. 3 (a), a cross-sectional view that
図3(b),(d)は基板4を上から見た図である。金属面M1に設けられた給電部、即ち突起部11と11′により基板4の接続端子5,5′とが、かしめ圧着や半田付けや導電塗料等により接続され、基板4の端子5,5′と給電部3が取付けられた端子7,7′を接続する線路6,6′がインピーダンス変換回路(トランスフォーマ部)として働くようにλ/4波長(例として920MHzでは約82mm短縮率がかかると約54mmになる)で形成され、端子7,7′間に接続されたU−balunの同軸ケーブルによる平衡変換では200Ωとなるので、インピーダンス変換回路(トランスフォーマ部)の特性インピーダンスZTは、
であるので、両側の線路6と線路6′とに分けて考え、半分の特性インピーダンス162.8Ωの線路6及び線路6′のインピーダンス変換回路(トランスフォーマ部)を介して接続されるとスロット部2の入力インピーダンスZS=530Ω(ZSh1060Ω)が給電部3で50Ω(片側では25Ω)に変換されて給電線(50Ω同軸ケーブル)とのインピーダンス整合を取ることができる。
3B and 3D are views of the
Therefore, if the
周波数700MHzでは波長は428mm、1/4波長は107mm、短縮率がかかると70mm、1600MHzでは波長は187mm、1/4波長は46.8mm、短縮率がかかると31mm、2.45GHzでは波長は122mm、1/4波長は30.6mm、短縮率がかかると20.2mmとなる。短縮率は約0.66倍で更に小さくすることができる。 At a frequency of 700 MHz, the wavelength is 428 mm, the 1/4 wavelength is 107 mm, 70 mm when the shortening rate is applied, 187 mm at 1600 MHz, 46.8 mm at the 1/4 wavelength, 31 mm when the shortening rate is applied, and the wavelength is 122 mm at 2.45 GHz. The quarter wavelength is 30.6 mm, and when the shortening rate is applied, it becomes 20.2 mm. The shortening rate can be further reduced by about 0.66 times.
以上はフルサイズのスロット2で説明したが、ハーフサイズ(λ/2波長)のスロット2、即ち約1/4波長(λ/4)のスロット2の場合には、先に述べたように2倍の入力インピーダンスZSh=2ZSとなるので、この特性インピーダンスの変換については、
で、共振状態で平衡長アンテナの純抵抗成分が530Ωの場合、1/4波長の入力インピーダンスZShは1060Ωであるので、ハーフサイズ(λ/2波長)の特性インピーダンスは、ZTh=230Ω、ZThh=115Ωとなる。
The above has been described with respect to the full-
When the pure resistance component of the balanced length antenna is 530Ω in the resonance state, the input impedance Z Sh of ¼ wavelength is 1060Ω, so the characteristic impedance of the half size (λ / 2 wavelength) is Z Th = 230Ω, Z Thh = 115Ω.
即ち、U−balunにより200Ωに変換されているので1/4波長トランスフォーマの場合、一方のインピーダンスが530Ωで他方が200Ωのときは、トランスフォーマ部の特性インピーダンスZTは
となり、線路を2分割しているので、更に半分ずつ、即ち163Ωのストリップラインで構成すれば給電線とスロット2が整合される。給電線の入力インピーダンスが50Ω同軸ケーブル(Co−ax.C)でなければ、その値に合わせた幾何平均のトランスフォーマ部を形成し特性インピーダンスを合わせればよい。
That is, since it is converted to 200Ω by U-balun, in the case of a 1/4 wavelength transformer, when one impedance is 530Ω and the other is 200Ω, the characteristic impedance Z T of the transformer section is
Then, since the line is divided into two, if the line is further divided by half, ie, 163Ω, the feeder line and the
図3(b)はコ字形の弯曲回路を示しているが、Zig−Zag形でも任意の形状で1/4波長1段や1/2波長2段のインピーダンス変換回路を構成すればよい。トランスフォーマ部は、左右対称な平衡線路構成になっている。また、図3(c)、図3(d)に示すように、トランスフォーマ部を片方のみの不平衡線路構成としても良いが、これは通常の技術であり説明は省略する。 FIG. 3B shows a U-shaped curved circuit, but the Zig-Zag type may be an arbitrary shape to form an impedance conversion circuit having one quarter wavelength or two half wavelengths. The transformer section has a symmetrical balanced line configuration. Further, as shown in FIGS. 3 (c) and 3 (d), the transformer unit may have an unbalanced line configuration of only one side, but this is a normal technique and description thereof is omitted.
また、給電部3を接続する際にキャパシタンスを内蔵する場合には、スロット2のスロット長lで調整することが可能で、スロット長lを短くすると特性インピーダンスはインダクティブとなりキャパシタンスを解消できる。また、基板4にインダクタンスLやキャパシタンスCを追加することもできる。
Further, when a capacitance is built in when connecting the
つぎにもう一つの発明で、スロットアンテナの裏面を伝送線路で覆い、放射を一方向のみに制限し、かつ他の金属面や水や妨害物が近くにあっても影響を受けない構成で、複数の金属面を対向配置した構造を有する1/2波長の万能スロットアンテナについて、新な実施例で説明する。 Next, in another invention, the back surface of the slot antenna is covered with a transmission line, the radiation is limited to only one direction, and other metal surfaces, water and obstructions are not affected even in the vicinity, A 1/2 wavelength universal slot antenna having a structure in which a plurality of metal surfaces are arranged to face each other will be described in a new embodiment.
図4は複数の金属面を対向配置した万能アンテナの基本構成を示すものである。スロット2が形成された金属面M1に平行なもう一つの金属面M2を対向配置して金属面M1,M2の間に絶縁体シート10挟み込み、更に金属面M2がスロット2を形成された金属面M1に極めて近づけて配置されていても、スロット2の電界を零にしない無限大インピーダンスを提供するようにスロット2のX軸方向に対向する両端部を金属面M3,M4で短絡した定在波型の伝送線路の構成を示している。
FIG. 4 shows a basic configuration of a universal antenna having a plurality of metal surfaces opposed to each other. Another metal surface M 2 parallel to the metal surface M 1 on which the
金属面M2は機能的にもスロット2からの放射を妨害せず、図2(d)に示した凸型のトラップ構造と同じく、放射が一方向になるためにアンテナ利得が一般のダイポールアンテナを用いた場合より金属面M2の反射効果で3〜4dB上昇し、且つ別の金属面上に置いても金属面の影響により放射電磁界が零となったり、人体、動物、水等の影響により放射電磁界が零となったりする外部環境による影響を、まったく受けない特別なアンテナ構成を作る場合を示している。更にスロット2の両側は、金属面M1,M2で端部を短絡して定在波型の伝送線路を構成し、平衡(均等)に電界を励振するための短絡面となる金属面M3,M4を振り分けて配置している。
The metal surface M 2 functionally does not disturb the radiation from the
図4(a)は万能アンテナの構成で、上面の金属面M1にはX軸方向の長さ2X、伝送線路の幅Wからなる金属面M1のほぼ中心(長さXの位置)にスロット2のスロット長lが約半波長(λ/2)の長さに切られ、当該金属面M1の下面に当接して配置した絶縁体シート10として、例えばポリエチレン、PET、テフロン(登録商標)、ポリプロピレン、ガラエポ等の誘電体シート、あるいは磁性体シートを挟み込み、更に絶縁体シート10の下面に当接してもう一枚の金属面M2が平行に対向配置されている構成である。
FIG. 4A shows a configuration of a universal antenna. The upper metal surface M 1 has a
金属面M1,M2の間に挟み込まれる絶縁体シート10の厚みhは、0.1〜10mm程度であるが、平行板線路の特性インピーダンスZOに関係する影響が大きいので、あまり薄くすることはできない。実際の試作で金属面M1,M2の間に挟み込まれる絶縁体シート10は、0.2〜3mmの厚みのPE(ポリエチレン)やテフロン(登録商標)を用いた。
The thickness h of the
平行板線路を形成する金属面M1,M2の両端は、1/4波長の奇数倍の位置(±X)で金属面M3,M4で短絡されており、従ってX軸方向の電界や磁界は端部が開放形と異なり遮蔽されているため外に漏れることはない。また外部の状況に影響もされることはなく放射面もスリット両側の金属部によりZ軸方向に効率よく放射し、以下に述べるスロット放射点における下方インピーダンスを理想的に無限大にすることができる。 Both ends of the metal surfaces M 1 and M 2 forming the parallel plate line are short-circuited by the metal surfaces M 3 and M 4 at positions (± X) that are odd multiples of the ¼ wavelength, and thus the electric field in the X-axis direction. And the magnetic field does not leak outside because the end is shielded unlike the open type. In addition, the radiation surface is efficiently radiated in the Z-axis direction by the metal parts on both sides of the slit without being affected by external conditions, and the downward impedance at the slot radiation point described below can be ideally infinite. .
尚、両端の短絡路は金属面M3,M4による接触が望ましいが、金属面に薄いプラスチックフィルムが貼られていても、裏の金属面が大きくプラスチックフィルムが薄いので、C=εS/tとなり、t=0.01×10−3/mm、ε=2.3、S=2000〜5000mm2であるので、Cは104〜105[pF]となり、容量リアクタンスは1/jωC≒0となるので低インピーダンスとなり、キャパシティブショートを実施できる。平行板線路の端部を開放することも考えられるが、一般に電界の漏れが発生するため、完全な開放点とはならないし、他の金属体等による外部からの影響も受ける。 The short-circuit path at both ends is preferably contacted by metal surfaces M 3 and M 4 , but even if a thin plastic film is attached to the metal surface, the back metal surface is large and the plastic film is thin, so C = εS / t Since t = 0.01 × 10 −3 / mm, ε = 2.3, and S = 2000 to 5000 mm 2 , C is 10 4 to 10 5 [pF], and the capacitive reactance is 1 / jωC≈0. Therefore, the impedance becomes low and a capacitive short can be implemented. Although it is conceivable to open the end of the parallel plate line, in general, leakage of an electric field occurs, so that it does not become a complete open point, and is also influenced by the outside from other metal bodies.
また、若し無限大インピーダンスの開放点が出来たとしても、この現象を放射点であるスロット部2に変換するためには、半波長λ/2の長さが必要なので、線路長、即ち金属面長を倍の長さに長くする必要があり、大きなものになってしまい、特別な用途にのみ使用ができなくなる。金属面としてはアルミニウム、銅等、薄い箔が適切であるが、ステンレスSUSや薄い鉄板等も使用することができる。
Even if an open point of infinite impedance is made, in order to convert this phenomenon into the
図4(b)には図4(a)の平行板線路のX軸方向に切った断面図による電圧電流(磁界)分布を示す。中心部であるので、スロット2に加わる電圧の最大値をVSとすると、平行板線路の電界ETは、左,右に分けてVA=VT=VS/2となる。
FIG. 4B shows a voltage / current (magnetic field) distribution by a cross-sectional view taken along the X-axis direction of the parallel plate line of FIG. If the maximum value of the voltage applied to the
平行板線路の高さをhとし伝送線路の幅Wとすると、スロット2の電界を右向きにするとスロット2を中心として電界は左では下方に向き、右では上方に向いている。磁界Hは同方向であるので、ポインティング電力Pは左側では左方に向き、右側では右方向に向いている。線路電圧と線路電界の関係はVA=VT=EThであり、またVS=2VA=ES4ρである。但し電界ESは正弦波分布(余弦波分布)であるので実効値が有効成分となる。またスロット2のY方向のみのスロットによる電界EXが有効に働く。
When the height of the parallel plate line is h and the width of the transmission line is W, when the electric field in the
平行板線路内の電圧電流は図4(b)のようになり、中心のスロット部2で線路電圧は最大で、短絡部で電圧は零、またスロット2で線路電流は最小で、短絡部で線路電流は最大となり、線路内の磁界Hは最大となる。従って線路内には定在波が立ち、電流はほぼ零になり無限大インピーダンス線路を構成することができる。このことが本発明の薄型化を実現している。
The voltage and current in the parallel plate line is as shown in FIG. 4B. The line voltage is maximum at the
平行板線路の特性インピーダンスZOは以下のように示される。 The characteristic impedance Z O of the parallel plate line is expressed as follows.
従って、
と考えられる。ここで、つぎのような定数の値がある。
Therefore,
it is conceivable that. Here, there are the following constant values:
PE、PETやテフロン(登録商標)等の場合の比誘電率εrは、εr≒2.3であるが、然し磁性体を用いた場合には、一般的な実効比透磁率μrは4〜10程度で、更に損失を含むので使用に至っては注意しなくてはならない。 In the case of PE, PET, Teflon (registered trademark) or the like, the relative dielectric constant ε r is ε r ≈2.3. However, when a magnetic material is used, the general effective relative magnetic permeability μ r is Since it is about 4 to 10 and further includes a loss, care must be taken when using it.
以上により特性インピーダンスZOは
Thus, the characteristic impedance Z O is
仮に、h=0.3mm、W=50mmとするとZO≒1.5Ωとなり、h=10mm、W=50mmとするとZO≒50Ωとなる。平行板線路はこのように線路幅を小さくすることができ、導波管による線路とは大きく異なる。 If, becomes h = 0.3 mm, Z When W = 50mm O ≒ 1.5Ω next, h = 10 mm, When W = 50 mm and Z O ≒ 50Ω. The parallel plate line can thus reduce the line width and is greatly different from the waveguide line.
つぎに、図4(c)には平行板線路の短部インピーダンスがZSの時に右側ないしは左側をみた線路インピーダンスがどうなるかを検討する。 Next, the short section the impedance of the parallel plate line is to consider whether happens is the line impedance seen to the right or left when Z S in FIG. 4 (c).
図4(c)に示す回路図は、線路の特性インピーダンスがZOで線路長がXであるときには、給電点Aから右側を見たインピーダンスZAは以下の式で表わされる。
ZA=ZO・(ZB+jZOtanβX)/(ZO+jZBtanβX)
ここで端部のインピーダンスZB=0とすると、インピーダンスZAは、
ZA=jZOtanβX
Circuit diagram shown in FIG. 4 (c), the characteristic impedance of the line is at line length in Z O is X, the impedance Z A viewed right from the feeding point A is expressed by the following equation.
Z A = Z O · (Z B + jZ O tan βX) / (Z O + jZ B tan βX)
Here, assuming that the impedance Z B at the end is 0, the impedance Z A is
Z A = jZ O tan βX
また、βは伝播定数でつぎのように表わされる。
Β is a propagation constant and is expressed as follows.
つぎに、図4(d)には、周波数920MHzの場合の給電点Aから見たインピーダンスZAの絶対値|ZA|=ZOtanθ(θ=βl)の値を、線路の特性インピーダンスZOをパラメータにして、線路の長さXの変化に対するインピーダンスの変化を示す。このグラフを見て分かるように、特性インピーダンスZOが0.5以下になる場合は、λ/4(θ=90°)付近で急激なインピーダンス変化を示す。即ち、インピーダンスZAを無限大とするため、厚み(平行板線路の高さh)や伝送線路の幅Wや誘電率、透磁率等、並びに線路長Xの調整では、無限大インピーダンスとなる幅が極めて狭く調整が安定しなくなることを意味する。 Next, FIG. 4D shows the absolute value | Z A | = Z O tan θ (θ = βl) of the impedance Z A viewed from the feeding point A in the case of a frequency of 920 MHz, and the characteristic impedance Z of the line. The change in impedance with respect to the change in line length X is shown using O as a parameter. As can be seen from this graph, when the characteristic impedance Z O is 0.5 or less, indicating a rapid change in impedance around λ / 4 (θ = 90 ° ). That is, since the impedance Z A to infinity, the width W and the dielectric constant of the or a transmission line (the height h of the parallel plate line) thickness, permeability, etc., as well as by adjusting the line length X becomes infinite impedance width Means that the adjustment becomes extremely narrow and the adjustment becomes unstable.
然し乍ら、この方式によると、厚さ0.1mm程度とかなり薄い線路にしてもθ=90°のポイント近傍では、必ず無限大インピーダンスを作ることができる。従って薄いシート状の平行板線路にスロットアンテナを構成してもスロットアンテナとして動作させることができる。 However, according to this method, an infinite impedance can always be produced near the point of θ = 90 ° even if the line is as thin as about 0.1 mm. Therefore, even if the slot antenna is formed on a thin sheet-like parallel plate line, it can be operated as a slot antenna.
従って、特性インピーダンスZOの式、
において、ZO=2〜50Ωとすることで線路を安定に設計できる。
Thus, expression of the characteristic impedance Z O,
Therefore, the line can be stably designed by setting Z O = 2 to 50Ω.
絶縁体シート10の厚み(平行板線路の高さ)hを0.1〜5近くにしたときは、式からも伝送線路の幅Wもできるだけ小さくし、比誘電率の低い発泡体等の材料を用いるか、比透磁率の高いものを用いる方がよい。即ち絶縁体シート10の厚みhはh>0.1とすることが望ましい、その時1000MHz帯のUHFでは実際にW=10〜50mmとしてh=0.2〜0.3mmとし、絶縁体に比誘電率εr=2.3のポリエチレンやテフロン(登録商標)を用いたもので、線路長をλe/4、920MHzで約53mm、700MHz帯では70mm、1600MHz帯では31mm、2.45GHz帯では20mmとすると、給電点Aで右側を見たインピーダンスZAは大きなインピーダンスとなり、スロット2が金属面の影響を殆ど受けずに動作する結果が得られた。この近くの値を用いた場合の特性インピーダンスZOはZO=1〜3Ω程度である。
When the thickness (height of the parallel plate line) h of the
図4(e)に示すように、スロット2の共振特性を組込まれた場合、スロット2の共振点の右肩下がりの特性と、伝送線路の右肩上がりの特性とを利用して広帯域特性を持たせることができる。例えば、2.45GHz帯では、スロット長lも短くなるので、伝送線路の幅W=10〜20mm程度に狭くすることができる。700MHz帯では30〜50mm、1600MHz帯では15〜25mm程度で構成できる。
As shown in FIG. 4E, when the resonance characteristics of the
従って、精度や周波数特性を考慮すると、良好な特性を保って使用できるのは、絶縁体10を構成する誘電体、磁性体等の材料、厚み、線路幅について適正値を選び、特性インピーダンスZOをできるだけ大きくして使うようにすることが望ましい。また製造に当たっては、端部の金属面M3,M4を完全に短絡する方法がよいが、UHF以上の周波数では充分にキャパシタンスを高くする程度の面積Sがあり、絶縁体の厚みdが十分小さければ、C=εS/dとなるためキャパシタンスCも大きくとれ、1/2πfC即ち容量リアクタンス成分は1Ω以下でほぼ零にできれば、短絡する方法と同じキャパシティブショートを実現できる。
Therefore, in consideration of accuracy and frequency characteristics, it is possible to use the characteristics with good characteristics by selecting appropriate values for the dielectric, magnetic material, thickness, and line width of the
つぎに、図5に三種類の平行板伝送線路の断面図を示し、絶縁体10として誘電体や磁性体が詰った平行板線路の例を示す。
Next, FIG. 5 shows a cross-sectional view of three types of parallel plate transmission lines, and an example of a parallel plate line filled with a dielectric or magnetic material as the
図5(a)は金属面M1,M1′の裏側に、図中の右側のみに伝送線路が形成された場合で、図2(d)で示したトラップ構造の1/4波長の平行線路を形成する金属面MTを、右側の金属面M1′側へ折り曲げた場合と等価で垂直方向へ2倍の放射を得る構造となっている。下方の金属板M2はスロット2の切り口にほぼ接するように接続され、スロット2に対してλe/4波長による無限大インピーダンスを呈するように接続されている。
FIG. 5A shows a case where a transmission line is formed only on the right side in the figure on the back side of the metal surfaces M 1 and M 1 ′, and the ¼ wavelength parallel of the trap structure shown in FIG. the metal surface M T forming a line, and has a structure to obtain twice the radiation in the vertical direction in the case is equivalent to the bending to the right of the metal surface M 1 'side. Metal plate M 2 lower are connected so as to substantially contact with the cut of the
図5(b)は平行板伝送線路がほぼ対称に放射面を形成する金属面M1,M1′の下方に構成されており、下方の金属面M2によって左右両側に平行板伝送線路が構成されている。基本的な構造は図4(a),(b)の構成と同じものである。 In FIG. 5B, the parallel plate transmission line is formed below the metal surfaces M 1 and M 1 ′ forming the radiation surface almost symmetrically, and the parallel plate transmission line is formed on the left and right sides by the lower metal surface M 2 . It is configured. The basic structure is the same as that shown in FIGS. 4 (a) and 4 (b).
図5(a)の場合には、スロット2の電圧Vsがそのまま伝送線路の電圧VT(VS=VT=ZT・h)として印加されているが、図5(b)の場合には左右の伝送線路に1/2づつ分けられて印加されるので、夫々スロット2の電圧VSの1/2が左右の伝送線路の電圧VT(VS/2)として印加される。
In the case of FIG. 5A, the voltage Vs of the
図4で説明たように、平行板伝送線路の特性インピーダンスZoの値が低すぎると帯域が狭くなり寸法精度を高くしなければならないが、特性インピーダンスを高くするため、例えば50Ωに近い方が良いので、電圧が半分になるだけでも特性インピーダンスは2倍となったようにみえる。従って、伝送線路を左右に振り分けて電圧を両方に分散した方が有利である。 As described with reference to FIG. 4, if the value of the characteristic impedance Zo of the parallel plate transmission line is too low, the band becomes narrow and the dimensional accuracy must be increased. However, in order to increase the characteristic impedance, for example, it is better to approach 50Ω. Therefore, even if the voltage is halved, the characteristic impedance seems to be doubled. Therefore, it is advantageous to distribute the voltage to both by distributing the transmission line to the left and right.
また、同一の厚みで左右対称に作った方が作り易くなる。放射面の電界や電流を励振するためにも到来波の電界Eとすると、誘起電圧V=E・2Xを得るためにスロット2の両側の金属面の長さXは必要である。
Moreover, it becomes easier to make it symmetrically with the same thickness. If the electric field E of the incoming wave is also used to excite the electric field and current on the radiation surface, the length X of the metal surface on both sides of the
また図5(c)には伝送路の誘電体εや磁性体μの絶縁体100の凹み21に給電部3をスロット2の切り口に接続されるようにして収納する場合の例を示している。図4で説明したように、比誘電率εr=2.3の絶縁体シート10のみならず、比透磁率μrの高い磁性体100を用いれば特性インピーダンスZOは√μr倍大きくなり、絶縁層が薄くても図4(d)からも分かるとおり、1/4波長の短いインピーダンス線路(X≒λe/4)を構築することができる。
FIG. 5C shows an example in which the
スロット2の両側の金属面M1,M1′と下方の金属面M2により構成される平行板線路は、無限大のインピーダンス特性が構成され、スロット2が単独で浮いているように見える。また、この1/4波長短絡線路で無限インピーダンスを与えると共に、短絡部の位置を多少ずらすことでスロット2のインダクタンス、キャパシタンスの補正も同時に行うこともできる。
The parallel plate line constituted by the metal surfaces M 1 and M 1 ′ on both sides of the
図6では、スロット2の特性インピーダンスZs(Zs=Rs+jXs)において、容量リアクタンス成分Xsを取除くもう一つの方法を示す。図1でスロット長lを調整し、共振状態にすることは可能であることを示した。そのため伝送線路の短絡する位置を、1/4波長より少しずらすことで補正することも可能であるが、無限大インピーダンスを与えることを優先した方が優れた特性が得られるので、スロット2のインダクタンスを補正するのとは別の方法によった方が有利である。
FIG. 6 shows another method of removing the capacitive reactance component Xs in the characteristic impedance Zs (Zs = Rs + jXs) of the
先に説明したようにスロット2の中心部より端部の方が、特性インピーダンスZSの抵抗成分Rsが低くなるので、給電部3(50Ω同軸ケーブル)の抵抗成分との整合が取り易くなる。スロット長lを少し短くして共振を取ることにより50Ωとの整合が可能となる。ICを接続する場合、ICにはキャパシティーが含まれているので抵抗成分の調整とともに、キャパシティブリアクタンスを打ち消すインダクティブリアクタンスが必要となる。スロット長の長さの調整を行うとともに抵抗値約20Ωに合わすための位置決めを行わなければならない。
Towards the end from the central portion of the
然し乍ら、抵抗成分Rsとリアクタンス成分Xsを別々に調整するため、インダクタンスLを加えたり調整用のキャパシタンスCを加えたりして、インピーダンス整合を取ることが必要となる。 However, in order to separately adjust the resistance component Rs and the reactance component Xs, it is necessary to add an inductance L or an adjustment capacitance C to obtain impedance matching.
図6(a)に示すように、スロット2の抵抗成分Rsと整合する位置には、基板4のPCBにスルーホール(金属面M1の接続端子11,11′との接合用)を設けてスロット2との給電部5,5′が設けられ、スロット2に給電が行なわれる。この給電部5,5′を介して、基板4のPCB上に構成されるインダクタンスLや固定コンデンサ等のキャパシタンスCにより微調整することで、インピーダンス整合を行う。また図3で述べたインピーダンス変換回路(トランスフォーマ部)と組み合わせて用いてもよい。
As shown in FIG. 6 (a), the positions matching the resistive component Rs of the
然し乍ら、このような回路を用いることは手間がかかるため、スロット2上でインダクタンスLを構成した方が、コストが安くなるので、図6(b)(c)のようにスロットやスリットにリアクタンスLやCを有する切抜き構造のスリットを追加してもよい。
However, since it takes time to use such a circuit, it is cheaper to configure the inductance L on the
また、図6(b)に示すように、スロット2の幅を急激に狭くするアンダーカットを施すことでキャパシタンスCが増加させる方法もあり、逆に図6(c)に示すように、反対にスロット幅を広げるオーバーカットを施すことで特性抵抗とインダクタンスLを増やす方法もある。
Further, as shown in FIG. 6B, there is a method of increasing the capacitance C by applying an undercut that sharply narrows the width of the
次に、図2で述べたH字スロットあるいはスリット構造による放射面を持つアンテナをスロットからの放射を行わせるのと同じように平行板線路によるX=1/4波長線路により、中心部の給電部が無限大インピーダンスとなるのを利用して中心部の一番電界ETが強く電圧が高くなるように主線路と副線路にも電流が流れ、かつ副線路の電流がH形構造の翼の長さによって電流の位相が変わり、正相電流や零相電流が流れる場合のH形スロットあるいはH形スリットの場合の例を示す。この場合には、下方に金属面M2が存在しているので金属面に直接置くことができるばかりでなく、副線路が主線路の脇を固めている形態なので取り付けられる物体の材料の違いによる線路側部の電界の変動を直接受けないので金属や絶縁体等の違いによる変動を受けることはない。翼の長さl12には図7(h)や図9(g)、図9(i)、図9(j)等に示すように短絡端まで延びておりスリットの全周囲長が1/2波長(λ/2)でスリット長が1/4波長(λ/4)である場合とスリットの全周囲長が1波長λとなり、スロットの場合のスリットの周囲長と同じ長さで、スロットのy方向の直線部を折り曲げただけの場合にはスロットの両脇に流れる電流は正相電流のみである。従って副線路に流れる電流はスロットを励振する金属面電流とほぼ同じ電流となる。分かりやすく言えば、1波長ループアンテナや折返しアンテナの場合の動作をする場合の電流の分布や放射特性の給電部のインピーダンス等に近い現象となる。 Next, the antenna having the radiation surface by the H-shaped slot or slit structure described in FIG. 2 is fed by X = 1/4 wavelength line by the parallel plate line in the same way as the radiation from the slot is performed. part current also flows to the main line and the sub-line as best electric field E T of center by from becoming infinite impedance is strong voltage increases, and the current of the sub-line of the H-shaped structure wing An example in the case of an H-shaped slot or an H-shaped slit in the case where the phase of the current changes depending on the length of the current and a positive phase current or a zero phase current flows is shown. In this case, since the metal surface M2 exists below, not only can it be placed directly on the metal surface, but the sub-line is a form in which the side of the main line is solidified, so that the line depends on the material of the attached object. Since it is not directly subject to fluctuations in the electric field at the side, it is not subject to fluctuations due to differences in metals, insulators and the like. Figure 7 is the length l 12 of the blade (h) and FIG. 9 (g), the FIG. 9 (i), the total peripheral length of the slit extends to the short-circuit end as shown in FIG. 9 (j) or the like 1 / When the slit length is 2 wavelengths (λ / 2) and the wavelength is ¼ wavelength (λ / 4), and the total circumference of the slit is 1 wavelength λ, the slot has the same length as the circumference of the slit. When the straight portion in the y direction is simply bent, the current flowing on both sides of the slot is only the positive phase current. Therefore, the current flowing in the sub-line is almost the same as the metal surface current that excites the slot. In other words, the phenomenon is close to the current distribution in the case of the operation of the one-wavelength loop antenna or the folded antenna, the impedance of the feeding portion of the radiation characteristic, and the like.
図6の直線スロットとH形スロット(スリット)と対照することによって形状の違いが分かるがインピーダンスやキャパシタンスの挿入の違いも多少ある。図6(a)、(b)のスロットの一部のアンダーカットやオーバーカットの他に図6(d)に示すようにスロットをまたぐ金属片を絶縁体をはさんで貼り付けることにより金属片と給電部あるいはスロットの電界が発生するところにキャパシティーの側路を加えることにより容量Cを追加することもできる。 By comparing the straight slot and the H-shaped slot (slit) in FIG. 6, the difference in shape can be seen, but there are also some differences in the insertion of impedance and capacitance. In addition to the undercut and overcut of a part of the slot shown in FIGS. 6 (a) and 6 (b), as shown in FIG. Capacitance C can also be added by adding a capacity side path where the electric field of the power feeding section or slot is generated.
また、図6(e)に示すように主線路のスロットの脇に線を加えることによりインダクタンスLを追加することもできる。いずれの方法も給電部の整合をとるためで、IC等が載せられることにより容量が追加されたりする場合の共振をとり整合を行う手段である。 Further, as shown in FIG. 6E, an inductance L can be added by adding a line to the side of the slot of the main line. Both methods are means for matching the power feeding section, and are means for taking a resonance and matching when a capacitor is added by mounting an IC or the like.
<平行板伝送線路の特性>
図7(a)には絶縁体10を挟み込んで対向配置された上下同じ大きさの金属面M1,M2による理想的な電界分布と磁界分布を有する平行板伝送線路の断面図を示す。即ち、上下の平行板伝送線路の幅Wに沿って、一様な電界ETの分布の場合を示し、平行板伝送線路内では平面波(TEM波)の姿態と同じ電磁界姿態となる。この場合、伝送線路の側部において電界ETSが少し膨らむ特徴があり、当該漏洩電界ETSを利用して、側方に検出用プルーブを備えて信号電界を検知することもできる。
<Characteristics of parallel plate transmission line>
FIG. 7A shows a cross-sectional view of a parallel plate transmission line having an ideal electric field distribution and magnetic field distribution by the metal surfaces M 1 and M 2 having the same size in the upper and lower sides arranged opposite to each other with the
図7(b)は図7(a)の上方の金属面M1に伝送線路の幅Wより小さめのスロット長lで切られたスロット2により励振される電界Esを示し、図1で説明にしたようにほぼ正弦波で、この電界Esにより平行板線路が励振される。伝送線路内の断面を示す電界分布は図7(b)のように中心部が強い正弦波(余弦波)形の電界分布となり、端部では電界Esはほぼ零に近い低い値となる。
FIG. 7B shows an electric field Es excited by the
更に、後述の図7(d)や図10(b),(c)等に述べるY軸方向にスロット長lの直線的な長さを短縮するためにX軸方向に折り曲げ、全体長(l11+2y)の長さで1/2波長あるいは1波長の共振長による共振電流を励振でき、主要な中心部の放射部を電界Esの腹の部分で励振できるので伝送線路の断面の電界分布は電界の強い部分のみが伝送線路に伝送され、かつスロット2の放射電界Esも、強い部分のみが励振され、放射に関与する電界があまり損なわれずに励振されるため、スロット2の放射を低下させない放射金属面M1の伝送線路の幅Wを狭くすることが可能な放射面と伝送線路を構築することができる。
Further, in order to shorten the linear length of the slot length l in the Y-axis direction described in FIGS. 7D, 10B, and 10C, which will be described later, the entire length (l 11 + 2y), a resonance current with a 1/2 or 1 wavelength resonance length can be excited, and the main central radiating portion can be excited with the antinode portion of the electric field Es, so that the electric field distribution in the cross section of the transmission line is Only the strong part of the electric field is transmitted to the transmission line, and the radiation electric field Es of the
図7(c)に示す幅の異なる金属面M1,M2の構成では、上面の金属面M1が放射面と伝送線路の両方を受け持っているため、伝送線路の幅W′は狭くしたり小さくしたりすると、放射電界の励振が弱くなったりするので、ある程度の大きさが必要である。一方、下方の金属面M2は伝送線路の役割のみであるので、伝送線路の幅W″は上方のスロット2に対して無限大のインピーダンスを提供すればよいだけであるので、このような電界分布の状態を作り出せるようにすればよい。但し、金属面M1の伝送線路の幅W′やスロット長l11の長さより小さくすると電界が漏れるようになり、下方の金属面Mの影響を受けやすくなるため、この場合の金属面M1の伝送線路の幅W′と金属面M2の伝送線路の幅W″と実効的スロット長l11との関係は、W″≧W′>l11のようにする必要がある。
In the configuration of the metal surfaces M 1 and M 2 having different widths shown in FIG. 7 (c), the upper metal surface M 1 is responsible for both the radiation surface and the transmission line, so that the width W ′ of the transmission line is reduced. If it is made smaller or smaller, the excitation of the radiated electric field becomes weaker, so a certain size is required. On the other hand, since the lower metal surface M 2 only serves as a transmission line, the width W ″ of the transmission line only needs to provide an infinite impedance for the
即ち、上部金属面M1に切られたスロット2の電界が中心部のみに集中する形となっているので、この電界のみが伝送線路を励振しているので、この部分の電界に対してのみ無限大インピーダンスとなり、即ち、Y軸方向の直接スロット2のみで電界を最大にしてやるように構成すればよい。下方金属面M2の伝送線路の幅W″を狭くしても電界の漏れも少なく、無限大となるインピーダンスを構成もでき、下方に金属面面Mが配置された場合でも漏洩電界は殆んどないので、無限大インピーダンスの状態は変われることがなく、周囲の金属面M等からの影響を受けることはない。
That is, the electric field of the
図7(d)は、上下の金属面M1,M2の伝送線路の幅W′,W″が同じ場合と、異なる場合でもスロット2のY軸方向の長さl11が短くなることによって、電界が外に漏れないようにする場合の例を斜視図で説明する。図7(d)は図7(c)の構成を示すもので、スロット長lのY軸方向の長さl11を短くし、その分X軸方向に折り曲げた長さl12を左右対称に分けて、H形に構成した場合を示す。周囲長1/2波長スロット2の共振長lは、ほぼl=l11+2l12となっており、共振状態を作り出すことができ、かつY軸方向の長さl11を短くすることができる。X軸方向の長さl12は放射に寄与せずリアクタンス成分となる。この部分の放射ベクトルはもともと小さく、打ち消される方向となる。然しながら、周囲長1波長スロットの場合には電流の位相が変わり、零相電流による放射の寄与もあり、かつインピーダンス逓昇効果もあり、幅が狭いアンテナでも高い性能が得られる。図7(h)にこのようなアンテナを示す。
FIG. 7 (d), the width W of the upper and lower metal surface M 1, M 2 of the transmission line ', and if W "is the same, by the shorter the length in the Y-axis direction l 11 of the
下方の伝送路となる金属面M2の左右の端部は上面の金属面M1と短絡されており、スロット2により励振される電界は図7(c)の如くであるから、この電界ETは上下の金属面M1,M2の間を伝送されて端部の金属面M3,M4で短絡されて定在波となり、スロット2に無限大のインピーダンスを作る。スロット2の電界ESは、スロット2を中心に外に広がり放射電界ESrとなる。伝送線路内の電流ITは、端部で最大でスロット2で最小となり、逆に伝送線路内の電界ETはスロット2で最大、端部で最小となるが故にスロット2の伝送線路の電圧VTSは最大となり、電流ITSは最小(零)となる。
The left and right end portions of the metal surface M 2 that forms the lower transmission path are short-circuited to the upper metal surface M 1, and the electric field excited by the
従って、図4(c)述べたように伝送線路内では、ZA=VTS/ITS≒∞(ITS=0)となる。伝送線路内の横方向(Y軸方向)の電界分布は正弦波(余弦波)分布の両サイドを削ったような分布となることは図7(c),(d)で説明したとおりである。 Therefore, as described in FIG. 4C, in the transmission line, Z A = V TS / I TS ≈∞ (I TS = 0). As described in FIGS. 7C and 7D, the electric field distribution in the horizontal direction (Y-axis direction) in the transmission line is a distribution obtained by cutting both sides of the sine wave (cosine wave) distribution. .
X軸方向に切られた分岐スロットからの放射は、電界の振幅が狭く、基々電界が弱い上に電界のベクトルが反対方向で打ち消される方向に働くため、この分岐スロットから電界による放射は無視できる。また、電界分布は、ほぼスロット2の構造で定まるので、万一下方の金属板M2が狭すぎて漏洩電界が発生したとしても、下方の金属面Mの上に乗せられたときにも同じTEM波であるので、それ程電界が影響を受けることはない。むしろ、上の金属面M1の表面に流れる電流が側面の金属面M3,M4を伝って下部の金属面M2との連続電流が発生することにより、スロット2を励振する電界が励振され易くなることである。これについては図8(a)で述べる。
The radiation from the branch slot cut in the X-axis direction has a narrow electric field amplitude, and the electric field is basically weak and the electric field vector is canceled in the opposite direction. Therefore, the radiation from the branch slot is ignored. it can. The field distribution, since almost determined by the structure of the
図7(e)はスロット2に発生する電界ESと、この電界ESによって励振される手前左側の平行板線路の電界ET、および向こう側の平行板線路の反対向きの伝送線路の電界の分布を示す。スロットの電界ESは伝送線路の電界では半分の値ES/2なって2方向の電界ETとなり、伝送線路の一方は右上に一方は左下に下る。
Figure 7 (e) is the electric field E S generated in the
電界と磁界の向きは矢印の如くで、従って伝送線路のポインティング電力Pは図のようになり、端部で反射され内部では消費されず、また放射電力Prはスロット部2から上方に放射される。等価回路を右に小さく示す。スロット2の電界分布は正弦(余弦分布)となっている。
The direction of the electric field and the magnetic field is as shown by the arrows. Therefore, the pointing power P of the transmission line is as shown in the figure, is reflected at the end and is not consumed inside, and the radiated power Pr is radiated upward from the
図7(f)にはH形のスロット2についてスロット2の電界分布と線路の電界分布を示す。Y軸方向に切られているスロット2に発生する電界Exは放射に寄与しているが、X軸方向に沿って切られているスロット2に発生する電界Eyは互いに打ち消し合って放射はしない。また伝送線路内の電界ETも互いに打消し合ってあまり漏れて来ない。Y軸方向に切られている直線スロット部2には電界の振幅の中心部が来ているので、短くても電界Esの電界の振幅が高い。
FIG. 7F shows the electric field distribution of the
図7(g)はもう一つの発明の実施例の説明で、下方向の金属面にスロットや開放開口部が有る場合で、伝送線路インピーダンスは並列共振のため下方の影響を受け難い。後にも述べるが上のスロット2の電力が上下のスロットに分配されるため、夫々の伝送線路の電力は半分になり、従って放射電力も約半分となるが、その一方で下面からも放射することができる構成となっている。
FIG. 7G illustrates another embodiment of the present invention. In the case where there are a slot and an open opening on the lower metal surface, the transmission line impedance is hardly affected by the lower part due to parallel resonance. As will be described later, since the power of the
図7(h)には、H形スロット(スリット)の翼の長さl12が十分に長く、線路の端部まである場合でスリットの周囲長全長で2波長(2λ)、片側だけでも1波長(1λ)あり、両側の金属側帯すなわち副線路にも零相電流が流れる場合を示している。この場合には、側路すなわち副線路にも同一方向の零相電流が流れ、主線路と副線路の電界の方向も同一方向を向く。
FIG 7 (h), the length l 12 of the blade is long enough in the H-shaped slot (slit), 2 wavelength perimeter entire length of the slit when there until the end of the line (2 [lambda]), at only one
図8は、スロット励振電流Isとスロット放射電界Esの分布について説明する。万能スロットアンテナが金属面Mの上に置かれているときは、下方の金属面Mが金属面M1と同じ動作をするので放射及び受信の両用に用いられる。 FIG. 8 illustrates the distribution of the slot excitation current Is and the slot radiation electric field Es. When universal slot antenna is placed on the metal surface M is used for the emission and reception dual since lower metal surface M is the same operation as the metal surface M 1.
図8(a)は金属面M1のほぼ中心に切られた半波長スロット2と下方の金属面M2とによる伝送線路による万能スロットアンテナの基本動作を示すものである。図4(a),(b),図5(b)でも説明したように、金属面M1上に伝送線路が左右対称に配置され、放射スロット2を囲んで、金属面M1の上に左右対称に放射電界ESを励振する励振電流Isの電流誘導路を備えている。一方スロット2の電界や電圧の基となる金属面励振電流ISもスロット部2を囲むように左右対称に流れており、スロット2の切れ目に誘起電圧Vsを発生させている。到来波Eにより金属面M1,M1′に誘起される電圧VoはVo=E・2Xであり、この間に位相が変わらなければ、スロット2にはこれだけの電圧が誘起されるので、スロット2を励振する電界のX軸方向の長さが短いと充分な誘起電圧が得られないので、半波長程度の長さが必要である。
8 (a) is illustrates a basic operation of the universal slot antenna by the transmission line according to a half-
然しスロットアンテナは、一応無限大の金属面の一部にスロット2を切ってあることが理想であるので、これに近い状況であれば、理論値に近づくことができる。後述するようにX軸方向の長さが短い場合もあるので、この場合には実効上長くする工夫が必要である。この方法としては、アンテナを取付ける金属面Mを利用したり、或いは金属面の端部に補助棒を取付け、空中で使う場合と金属面上で使う場合の両用可能な性能を備えさせる方法等を図14で述べる。
However, since it is ideal that the slot antenna has a
平行板伝送線路の内部機能については、図7でも説明しているので、図8(a)では金属面M3の外側の電流ISと電界ESのみについて述べる。若し金属面Mの上に乗せられているならば、アンテナの励振電流ISは、例え金属面Mが薄いプラスチックコーティングやフィルムで被覆がされていても、キャパシティブショートによる短絡状態を形成することにより、励振電流Isの誘導路の一部となって金属面Mにも励振電流Isが流れることで、むしろ放射の助けとなる。勿論、プラスチックコーティング等がない裸の金属面M2と金属面Mとが接触するならば、直接電流Isはそのまま金属面Mにも流れる。 The internal functions of the parallel plate transmission line, since also described in FIG. 7, only describes the outside of the current I S and the electric field E S shown in FIG. 8 (a) the metal surface M 3. If you are Wakashi is placed on a metal surface M, the excitation current I S of the antenna, be the coated with a thin plastic coating or film is a metal surface M example, forming a short-circuit state by capacitive short As a result, the excitation current Is also flows through the metal surface M as a part of the induction path of the excitation current Is, which rather helps radiation. Of course, if contact between the metal surface M 2 and the metal surface M bare no plastic coating or the like, direct current Is flows through the intact metal surface M.
従って、金属面Mに本発明の万能スロットアンテナが載せられると、金属面M全体がアンテナとなって性能が上昇することができる。例えば、30mm幅の長さ120mmのプラスチックフィルムで、厚さ10μの場合には、数百〜数千pFのキャパシタとなり、容量リアクタンス(1/jωC)は0.02〜0.1Ω程度の低いインピーダンスとなり、キャパシティブショートの短絡状態を形成することで、金属面Mを万能スロットアンテナの放射面に組込むことができる。 Therefore, when the universal slot antenna of the present invention is placed on the metal surface M, the entire metal surface M becomes an antenna and the performance can be improved. For example, if a plastic film is 30 mm wide and 120 mm long and has a thickness of 10 μm, it becomes a capacitor of several hundred to several thousand pF, and the capacitive reactance (1 / jωC) is a low impedance of about 0.02 to 0.1Ω. Thus, the metal surface M can be incorporated into the radiation surface of the universal slot antenna by forming a capacitive short-circuited state.
図8(b)は図8(a)の万能スロットアンテナの断面図で、上述したようにスロット2の切れ目で発生する励振電界ESと該励振電界ESが、電流ISと共に金属面Mに流れる様子を示し、この励振電界ESにより金属面Mを含めた範囲から放射電界Erが得られることを示している。
In cross-sectional view of a universal slot antenna of FIG. 8 (b) FIG. 8 (a), the excitation electric field E S and該励oscillating electric field E S generated at a break in the
今迄の説明では、下面の金属面M2には切り欠きやスロット等が存在しない場合について説明して来たが、以下に、下面の金属面M2にもスロットS2が切った場合と、開放端OEを切った場合について説明する。 In the description of the so far, and the case is cut-out or a slot or the like on the lower surface of the metal surface M 2 is has been described for a case that does not exist, that in the following, slot S 2 is cut to the lower surface of the metal surface M 2 The case where the open end OE is cut will be described.
図8(c),(d)に示す断面図より、下方の金属面M2の中心に開放端OEやスロットS2の存在の有無に係わらず、金属面M1のスロットS1から左右の平行板伝送線路をみた特性インピーダンスは伝送線路の端部において無限大インピーダンスとなるので、下方の金属面M2の特性インピーダンスも無限大インピーダンスとなり、スロットS2や切り欠きや開放端OEがあっても上面のスロットS1には殆んど影響がない。即ち、無限大インピーダンスが直列に二個接続され、更に下方開放端OEやスロットS2が直列に接続されていても無限大インピーダンスの方が大きいので、下面の中心部にスロットS2を設けても開放端OEを設けても、或いは金属面で閉じてもスロットS1には関係ないことになる。 FIG. 8 (c), the more cross-sectional view (d), the irrespective of the presence of the open end OE and slot S 2 in the lower center of the metal surface M 2, parallel right and left from the slot S 1 metal surfaces M1 since the characteristic impedance viewed plate transmission line becomes infinite impedance at the end of the transmission line, the characteristic impedance of the lower metal surface M 2 also becomes infinite impedance, even if the slot S 2 or the notch and the open end OE there is no little effect on the slot S 1 of the top surface. That is, infinite impedance connected two in series, further since the lower open end OE and slot S 2 is greater in infinite impedance be connected in series, and the slot S 2 provided at the center portion of the lower surface also be provided with a open end OE, or will be irrelevant to the slot S 1 is closed by a metal surface.
従って、図8(c)に示す下方の金属面M2に放射をしない開放端OEを開けた場合、別の万能スロットアンテナが重ねられたとき、当該万能スロットアンテナのスロットS1を塞ぐ心配がなく放射させることができるため、重ね積みが可能となる。 Therefore, if you open the open end OE without radiation metal surface M 2 lower shown in FIG. 8 (c), when another universal slot antenna is superimposed, it is concerned to close the slot S 1 of the universal slot antenna Since they can be emitted without any problems, they can be stacked.
図8(d)は上面の金属面M1にスロットS1が切られ、下面の金属面M2にもスロットS2が切られ、上下のスロットS1,S2の縁の一方が短絡金属面M12で接続し短絡されている場合を示す。短絡金属面M12は、スロットS1,S2のスロット長lのみの幅でも良いし、金属面M1やM2の伝送線路の幅W,W′の中一杯に設けても良い。要はスロットの端部で上下の金属面M1,M2を短絡した構造であれば良い。
Figure 8 (d) is the slot S 1 is cut in the metal surface M 1 of the upper surface, even slot S 2 is turned off on the lower surface of the metal surface M 2, the top and bottom of the
この短絡金属面M12により、上下のスロットS1,S2は同等に接続され、上面にも下面にも放射が行われるようになり、かつ下面に金属面Mが来た場合には図5(a)の片側トラップ構造の場合と同じで、下方には放射せず上方に二倍の放射が行われる。金属面Mがないときは両面放射で、金属面Mがあるときは金属面対応の片面放射の万能スロットアンテナとして使用できる自在のスロットアンテナとなる。一般には片面放射の方が利得を高く取れるので有利であるが、カード等のように両面の放射が欲しい場合もあり、かつ金属面上でも動作させたいと欲張った使い方に適する構成の万能スロットアンテナを提供できる。インピーダンス特性は、単独のスロットによる放射と二つのスロットによる放射とでは異なるが、何れか一方を主とした整合をおこなうようにして、放射抵抗が半分や二倍となったとしてもそれ程大きく整合を乱すことはない。
The short metal surface M 12, the top and bottom of the slot S 1, S 2 is equally connected, if now the radiation is performed also on the lower surface to the upper surface, and the metal surface M came
図8(e)は上面金属面M1にスロットS1が切られ、下面の金属面M2の中央部は金属面のままでスロットの切り口近くで上下の金属面M1,M2が短絡金属面M12で短絡され片側のみのトラップ構造の伝送線路となり、この伝送線路の端絡部M3より適当な位置XMの所に上下の金属面M1,M2にまたがって給電部3,3′が接続され、給電部3と伝送線路とスロットとの整合を取ることで通信を行うようにしている。
Figure 8 (e) slot S 1 is cut in the upper surface metal surface M 1, the central portion remains metallic surfaces of the upper and lower near cut slots in M 1 the metal surface of the lower surface of the metal surfaces M 2, M 2 is short-circuited becomes a transmission line of the trap structure of only one side is short-circuited by the metal surface M 12, the
図8(f)は上面金属面M1と下面金属面M2の中央部にスロットS1,S2を切り、このスロットS1,S2の片方の切り口の近くに上下を接続する短絡金属面M12が取付けられ、図中央の左側のみを伝送線路となり、この伝送線路の端部よりXMの距離の適当な位置に上下の金属面にまたがって給電部3,3′が接続され、給電部3,3′と伝送線路とスロットS1,S2とが整合し、給電された信号が上下のスロットS1,S2より得られるようにしている。空間に置かれた場合には両面からの放射電界ES1,ES2が得られ、片面が他の金属面上に置かれた場合にはその反対側で通信が行われ、如何なる場合でも通信できる特徴を備えた万能スロットアンテナを提供できる。
Figure 8 (f) are cut
図8(g),(h)には、上下の金属面M1,M2の間に給電部3を接続し、上下面に供給される電界ETと電圧VTの励振により給電部を動作させる場合で上下のスロットに別々に給電接続するより、上下金属に平等に電力が分配され、上面のスロット部にも下面のスロット部にも平等に信号が伝送される。また伝送線路が守られることもあるし、伝送線路を介して、個別のスロットに電力を分配することもできる特徴がある。給電される位置は、X軸方向のみならずY軸方向でもインピーダンスの合う位置に接続すればよい。
FIG. 8 (g), the the (h), the
図8(i)ではスロットまで平行板伝送線路に沿ってストリップライン(S.L)やトリップレート(T.P)で給電する場合を示す。給電については金属面の上部を使う場合と、伝送線路の中を使う場合とがある。 FIG. 8 (i) shows a case where power is supplied to a slot at a stripline (SL) or a trip rate (TP) along a parallel plate transmission line. For power feeding, there are cases where the upper part of the metal surface is used and cases where the inside of the transmission line is used.
図8(j)には、Y軸方向の線路断面からX軸方向を見た場合の位置を示している。このように接続すると図8(k)のように放射状の電流が流れ易くなるので、線路を線路に沿って切り込みを入れた場合を図8(l),(m)に示す。中心部に給電部を置くと対称となるために左右の電流は打ち消されX軸方向の電流のみとなり、いわばX軸方向のみの電流を構成することができる。 FIG. 8J shows the position when the X-axis direction is viewed from the line cross section in the Y-axis direction. When connected in this way, a radial current is likely to flow as shown in FIG. 8 (k), and the case where the line is cut along the line is shown in FIGS. 8 (l) and 8 (m). Since the power feeding unit is placed at the center, the left and right currents are canceled out and only the current in the X-axis direction is canceled, so that a current only in the X-axis direction can be configured.
<スロットの形状>
つぎに図9では、上面の金属面M1に形成されるスロットS1の形状について、Y軸方向のスロット長(l=λ/2)を小さくし、放射面のスロット幅(ω=4ρ)を小さくする方法について説明する。
<Slot shape>
Next, in FIG. 9, with respect to the shape of the slot S 1 formed on the metal surface M 1 on the upper surface, the slot length (l = λ / 2) in the Y-axis direction is reduced, and the slot width (ω = 4ρ) of the radiation surface is reduced. A method of reducing the size will be described.
図9(a)は通常の半波長スロットS1を、真直ぐ金属面M1に切った場合を示す。このスロットアンテナの場合、X軸方向,Y軸方向に充分な大きさや厚み(伝送線路の高さh)が取れる場合には、このような構成でもよい。 FIG. 9 (a) shows a case where normal half-wave slot S 1, cut straight metal surface M 1. In the case of this slot antenna, such a configuration may be used when a sufficient size and thickness (a transmission line height h) can be taken in the X-axis direction and the Y-axis direction.
UHF 920MHz帯の場合は半波長λ/2で16cm(160mm)、λe/2で10.7cm(107mm)、λe/4で5.4cm(54mm)となることは先にも説明した。2.45GHzの場合は、λ/2で6cm(60mm)、λe/2で4cm(40mm)、λe/4で2cm(20mm)となる。このように直線状のスロットや大きな金属板を用いることができる場合には、万能スロットアンテナの構造はシンプルとなる。従って、2.45GHzの場合には全体として小さく構成できるが、920MHz帯やVHF帯の場合にはアンテナ長を短縮するように検討しなければならない。 As described above, in the case of the UHF 920 MHz band, the half wavelength λ / 2 is 16 cm (160 mm), λe / 2 is 10.7 cm (107 mm), and λe / 4 is 5.4 cm (54 mm). In the case of 2.45 GHz, λ / 2 is 6 cm (60 mm), λe / 2 is 4 cm (40 mm), and λe / 4 is 2 cm (20 mm). Thus, when a straight slot or a large metal plate can be used, the structure of the universal slot antenna is simple. Therefore, although it can be made small as a whole in the case of 2.45 GHz, it must be considered to shorten the antenna length in the case of the 920 MHz band and the VHF band.
図9(b)は、スロットのY軸方向の長さl11を短くするためにX軸方向の両側対称にスロットSの切り欠き部をX軸方向の長さ2l12だけ延ばし、H形に作った場合を示す。スロットSの中心部が最大となる余弦(cosine)分布で、両側の途中でスロットSがX軸方向に折れて分岐した電圧及び電界が分配された形となり、この長さを加えて全体でスロットの共振長λe/2になるように構成している。誘電体や絶縁体材料がスロットSの切り欠き部にも影響を与え、短縮率は誘電体が充填されている場合とほぼ同じように短縮率
はほぼ66%程度の影響を受ける。磁性体の絶縁体を線路やスロットSに用いたときは更に短縮率がかかり、スロット長が短くなる。
9 (b) is extended in order to shorten the Y-axis direction length l 11 of the slots on either side symmetrically in the X-axis direction notches in slot S by X-axis direction length 2l 12, the H-shaped The case of making is shown. The cosine distribution has the maximum central portion of the slot S, and the voltage and electric field are divided in the middle of the both sides by dividing the slot S in the X-axis direction. The resonance length is λe / 2. Dielectric or insulator material also affects the notch of slot S, and the shortening rate is almost the same as when the dielectric is filled
Is affected by approximately 66%. When a magnetic insulator is used for the line or slot S, a further shortening rate is applied and the slot length is shortened.
スロット長lの全長は、l≒2l11+2l12となる。 The total length of the slot length l is l≈2l 11 + 2l 12 .
つぎに、更に小形のサイズの万能スロットアンテナを作りたい場合には図9(c)のように、X軸方向の長さを縮めるため、真直ぐなスロットSではなく、図9(c)や(d)のようにZig−Zag形かコ字又は波形のような迂回路を用い、スロット長lの短縮を行うことができる。 Next, when it is desired to make a universal slot antenna having a smaller size, as shown in FIG. 9C, the length in the X-axis direction is shortened. As shown in d), the slot length l can be shortened by using a Zig-Zag type, a U-shape or a detour such as a waveform.
Y軸方向のスロット中心部は、直線でないと励振される伝送線路の電界ETの波足がそろわないと両端の短絡部で短絡を行ってもスロットSに対して完全にλ/4波長の無限大線路とはならないため、スロットSの波源も波足を捉える反射をさせる両端の金属面M3,M4も平面でないと平面波に対して波足が捉われず、完全なλe/4の短絡面を実現することはできない。特性インピーダンスZDが高く取れる場合には、端部とみたインピーダンスZAが無限大となる幅が大きくなるので、この場面でY軸方向もZig−Zag形にすることもできるし、中心部に電界を集中できる場合は、Zig−Zag形スロット構造もあり得るが、この場合も直線で切る方が望ましい。 Slot center in the Y-axis direction, the electric field E T of the transmission line to be excited and not straight Namiashi fully lambda / 4 of the wavelength with respect to the slot S be performed not when the short circuit short-circuit portions at both ends align Since it is not an infinite line, the wave source of the slot S also reflects the wave foot, and the metal surfaces M 3 and M 4 at both ends are not flat, so the wave foot is not caught by the plane wave, and the complete λe / 4 A short circuit cannot be realized. When the characteristic impedance Z D can be taken high, the width of the impedance Z A when viewed with the end becomes infinite increases, can either be a Zig-Zag type also Y-axis direction in this situation, the central portion If the electric field can be concentrated, there may be a Zig-Zag type slot structure. In this case, however, it is desirable to cut it with a straight line.
つぎに、図9(e)のようなレエントラント形のような構造のスロットSと、図9(f)に蝶形(ボータイの形)のようなスロットSの構造を示す。スロット形状が斜めとなるため、短絡板M3,M4が直線であると、スロットSの電界ESとこれによる線路の電界ET全体に対して完全な無限大インピーダンスの伝送線路を構成することは難しい。スロット中心部に電界が集中するためこの先よりλe/4の距離とするか、平均的な線路長となり、仮にスロットSの周波数特性が広く得られたとしても、短絡線路による無限大インピーダンスの伝送線路の特性抵抗ROを大きくしない限り難しくなる。 Next, the structure of a slot S having a reentrant structure as shown in FIG. 9E and the structure of a slot S having a butterfly shape (bowtie shape) are shown in FIG. 9F. Because slot-shaped is diagonally short-circuiting plate M 3, M 4 constitutes When it is a straight line, the transmission line of the complete infinite impedance to the electric field E S and the total electric field E T of the line by which the slots S It ’s difficult. Since the electric field concentrates in the center of the slot, the distance is set to λe / 4 from this point onward, or even if the average line length is obtained and the frequency characteristics of the slot S are widely obtained, an infinite impedance transmission line using a short-circuited line difficult unless a large characteristic resistance R O.
図9(g)にはH字形スロット(スリット)の翼の長さl12を長くし、線路の端部まで伸ばした場合で平行板線路の長さとスリット長l12がほぼ同じになる場合を示す。図7(h)と同様である。線路幅Wと線路長2Xとの関係により適宜H形スロットの形や長さを選ぶようにするとよい。図9(h)にはX軸方向に折り曲げる場合、片方の+X軸方向のみに形成した場合で、多少対称性を失うが、実質的にはほぼ同様な性能が得られる。電界も1/2にならないので給電や素子を載せるには都合がいい場合がある。
The Figure 9 (g) a longer blade length l 12 of the H-shaped slot (slit), a case where the length of the parallel plate line in the case where extended to the end of the line and the slit length l 12 is approximately the same Show. This is the same as FIG. The shape and length of the H-shaped slot may be appropriately selected according to the relationship between the line width W and the
図9(i)には図9(g)のH形スロット(スリット)の片側の線路のみで構成したアンテナを給電した図を示す。同軸ケーブルによる給電を行っているが、この位置にICを取り付けたものはICタグとなる。他の図においても同様である。図9(j)には図9(h)の構造の両側に対象となる線路の片側のみを用いた1/4波長スロットアンテナの場合を示す。図9(k)は、図9(a)、(c)等の1/2波長スロットを1/4スリットにより構成に副線路を設けて線路の電界の乱れを抑え、金属面とプラスチック面との特性の差をなくすようにした場合であって、同軸ケーブル等で給電を行う場合を示す。この場合は、純抵抗で50Ωに整合することが望ましい。図9(l)は、給電部にICを取り付けICの容量とスリットのLとが同調をとるようにした場合を示す。 FIG. 9 (i) shows a diagram in which an antenna constituted by only one line of the H-shaped slot (slit) in FIG. 9 (g) is fed. Power is supplied by a coaxial cable, but an IC tag attached to this position is an IC tag. The same applies to the other drawings. FIG. 9 (j) shows a case of a quarter wavelength slot antenna using only one side of the target line on both sides of the structure of FIG. 9 (h). FIG. 9 (k) shows the structure of the half-wave slots shown in FIGS. 9 (a), 9 (c), etc. with a 1/4 slit to provide a sub line to suppress disturbance of the electric field of the line. This is a case where the difference in characteristics is eliminated, and the case where power is fed by a coaxial cable or the like is shown. In this case, it is desirable to match 50Ω with a pure resistance. FIG. 9 (l) shows a case where an IC is attached to the power feeding unit so that the capacitance of the IC and the L of the slit are synchronized.
つぎに金属面上でも動作し、かつ金属面がないときは表、裏両面で動作する両面にスロットが形成された万能スロットアンテナの例を図10に示す。金属面M1,M2共にスロットが切ってあり、中空に下げて使用する場合には、両面の金属面から放射を行い、金属面の上に裏の金属板M2が乗せられるときは、M2の面のスロットは金属で塞がれ放射インピーダンスは1スロット分の約半分となるが、表面からの放射が行われる。この金属面では正常に動作し、金属面から離すと平等に放射するようにする調整も可能である。 Next, FIG. 10 shows an example of a universal slot antenna in which slots are formed on both the front and back surfaces which operate on the metal surface and when there is no metal surface. When the metal surfaces M 1 and M 2 are both slotted and lowered into a hollow space, radiation is performed from both metal surfaces, and when the back metal plate M 2 is placed on the metal surface, radiation impedance slot surface of M 2 is closed with the metal is about half of one slot, the radiation from the surface is performed. Adjustments can be made to operate normally on this metal surface and to radiate evenly away from the metal surface.
図10(a)は上面の金属面のスロットS1に給電部3が取付けられ、下方金属板M2にも電界が分配され共振するスロットS2や開放端OEが切られている場合の断面図である。この場合、給電部はスロットではなく破線のように伝送線路の間の比較的電圧の高いインピーダンス整合が取り易い位置に取付けることもできる。何れの場合も上下両面の放射が得られ、金属面の上に載せられた場合は、片面のみの放射となる。
10 (a) shows the
図10(b)は図10(a)の斜視図である。上部の金属面M1にスロットS1が切られ、このスロットS1に給電部が接続されている。下方の金属面M2にはスロットによる共振回路が構成されている。表面ではスロットS1による放射と線路の電圧による励振により裏面のスロットS2による放射が行われる。給電部の取付け場所も伝送線路間に取付けて、両スロットを励振することができる。 FIG. 10B is a perspective view of FIG. A slot S 1 is cut in the upper metal surface M 1 , and a power feeding unit is connected to the slot S 1 . The metal surface M 2 of the lower resonance circuit of the slot is formed. The surface radiation from the back surface of the slot S 2 by excitation due to the voltage of the radiation and the line according to the slot S 1 is performed. Both the slots can be excited by attaching the power supply portion between the transmission lines.
図10(c)はモノポールアンテナに対する相似的スロットアンテナで、図1(g)で述べたように、1/4波長スロットのインピーダンスは1000Ω以上と非常に高いので、整合(抵抗成分とリアクタンス成分)を取るのが難しい。従って、下方にも放射が得られるように共振アンテナS2hあるいは開放端OEを設けてある。整合については、既に説明しているのでここでは省略する。 FIG. 10 (c) is a similar slot antenna to a monopole antenna. As described in FIG. 1 (g), the impedance of the quarter wavelength slot is as high as 1000Ω or more, so matching (resistance component and reactance component). ) Difficult to take. Therefore, the resonant antenna S2h or the open end OE is provided so that radiation can be obtained downward. Since matching has already been described, it is omitted here.
この平行板線路の構造のスロットS1,S2は上下のみならず、一部は開放口OMの方向にも電界の漏れがあるので、側方でも漏洩電界を僅かに受信することができる。然し乍ら単層の伝送線路では表面の金属面M1側を金属面等で閉がれるとスロットアンテナとしては動作しなくなるし、重ねた場合でも上下のスロットアンテナで閉がれたり妨害されたりするので使用に限度がある。上下に重ねたスロットアンテナの場合については、図11で後述する。 The slots S 1 and S 2 of this parallel plate line structure have not only the upper and lower sides, but also some leaks in the direction of the opening OM, so that the leaked electric field can be slightly received also on the side. However It will not work the metal surface M 1 side of the surface in the transmission line of the single-layer as a slot antenna when closed is a metal surface or the like, so or is disturbed or closed is at the top and bottom of the slot antenna even in the case of overlapping There is a limit to use. The case of slot antennas stacked one above the other will be described later with reference to FIG.
そこで、本発明のもう一つの実施例について説明する。 Therefore, another embodiment of the present invention will be described.
図10(d),(e)は、上下のスロットS1,S2を別々に給電した場合の接続を示す。 FIGS. 10D and 10E show connections when the upper and lower slots S 1 and S 2 are separately fed.
図10(d)は、上下のスロットS1,S2が無限大線路によって分離されていることを利用したものである。図10(d)には上下面のスロットS1,S2に別々の給電部を取付け、表と裏で別々の動作をさせることのより表裏で別々の信号を扱ったり、使い分けたりすることができる。この方法では上下のスロットは完全に分離できない。従ってつぎの図10(e)に分離する方法を示す。 FIG. 10D utilizes the fact that the upper and lower slots S 1 and S 2 are separated by an infinite line. In FIG. 10 (d), separate power feeding portions are attached to the slots S 1 and S 2 on the upper and lower surfaces, and different signals are handled and used separately on the front and back sides by operating differently on the front and back sides. it can. With this method, the upper and lower slots cannot be completely separated. Therefore, the separation method is shown in FIG.
図10(e)は伝送線路とスロットS1,S2を2つに分けて合わせたもので、夫々の伝送線路のスペースを有効に利用している。図10(e)には両面のスロットS1,S2に別々に給電部を取付け、片側構造線路による組み合わせを行い、スロットを完全に分離して表裏別々のアンテナとして用いる場合を示す。 FIG. 10E shows the transmission line and the slots S 1 and S 2 divided into two, and effectively uses the space of each transmission line. FIG. 10 (e) shows a case where power feeding portions are separately attached to the slots S 1 and S 2 on both sides, and the combination is performed using one-side structure lines, and the slots are completely separated and used as separate antennas.
図11は2層以上の多層の伝送線路を用いた本発明の万能スロットアンテナの実施例である。図11(a)は今迄述べた実施例の万能スロットアンテナに更に下方にスロットの代わりに平行板線路M5を加え、その平行板線路M5に開放端OE(Open End)を設けた構造のものである。これにより、#1の万能スロットアンテナの下に#2の万能スロットアンテナが来た場合でも#2のスロットS12の上方が短絡され、#2のスロットS12が動作しなくなることを防止できる。#2のスロットS12から上方をみた場合、#1のλe/4線路により上方は無限大となり、#2のスロットS12は短絡されず、給電部が接続され、生きたままとなる。#2のスロットS12が直線のときはこの方法が適用できるが、#2のスロットS12がH形のスロットの場合には、重ね合わせとして、スロット面を閉ざさないようにするためには下方もH形の開放端OEとする方が良い。
FIG. 11 shows an embodiment of the universal slot antenna of the present invention using a multilayer transmission line having two or more layers. 11 (a) is further parallel plate line M 5 instead of the slot downward addition to universal slot antenna embodiment described until now, it provided an open end OE (Open End) to the parallel plate line M 5 structure belongs to. This will upward shorting # 2 slot S 12 even if the # 2 universal slot antenna came under # 1 universal slot antenna, slot S 12 of # 2 can be prevented from becoming inoperative. # When viewed upward from second slot S 12, upwardly becomes infinite
若し、この線路を側方等から励振するならスロットS1,S12は動作し、信号を出すことができるので、スロットアンテナを重ね合わせる場合等に役立つ。電界ET1,ET2…ETnを受信する場合には、スロットアンテナの上方、下方あるいは側方の電界の強い部分に検出用アンテナを取付ければよい。また電流や磁界を利用する場合は端部電流の大きい所がよい。 If this line is excited from the side or the like, the slots S 1 and S 12 operate and can output signals, which is useful when overlapping slot antennas. When receiving the electric fields E T1 , E T2, ... E Tn , a detection antenna may be attached to a portion where the electric field is strong above, below or on the side of the slot antenna. When using a current or a magnetic field, it is preferable that the end current is large.
図11(b)には図11(a)の斜視図を示す。一層目の平行板線路No.1LはスロットS1に対して無限大のインピーダンスを提供し、2層目の平行板線路No.2Lは下方の#2万能スロットアンテナのスロットS12の給電部から放射される信号を無限大インピーダンス線路で受けとめるので、#2万能スロットアンテナは上の#1万能スロットアンテナの裏面によって無効にされたり、塞がれたりすることはない。多数の万能スロットアンテナを重ねた場合も同様である。斜視図(b)は複雑になるので#2万能スロットアンテナ以降を省略してある。基本的な方法はこのような方法であるが、この考えを応用したものを後述する。 FIG. 11B shows a perspective view of FIG. The first parallel plate line No. 1L provides infinite impedance to the slot S 1, 2-layer parallel plate line No. Since 2L is receiving a signal radiated from the feeding part of the slot S 12 below the # 2 universal slot antenna in infinite impedance line, # 2 universal slot antenna is disabled by the rear surface of the # 1 universal slot antenna above or It wo n’t be blocked. The same is true when multiple universal slot antennas are stacked. Since the perspective view (b) is complicated, the portion after the # 2 universal slot antenna is omitted. Although the basic method is such a method, an application of this idea will be described later.
つぎに図11(c)には上面金属面M1,下面金属面M2の両金属面にスロットを切り、上面金属面M1のスロットS1に給電部を乗せ下面のスロットは寄生のスロットS2のみとする場合である。このスロットS2は使い方によって共振を行われたり、使用途によっては単なる結合穴として用いたりすることができる。 Next, in FIG. 11C, slots are cut in both the metal surfaces of the upper surface metal surface M 1 and the lower surface metal surface M 2 , and a feeding portion is placed in the slot S 1 of the upper surface metal surface M 1 , and the slot on the lower surface is a parasitic slot. In this case, only S 2 is used. Or the slot S 2 is performed resonance by use, it can be by using Application or used as a mere coupling hole.
更に下方に金属板M5を設け、この金属面はスロットの代わりに開放端OEとする。即ち、下方の#2以下の万能スロットアンテナに対してほぼ無限大に近いインピーダンスを提供し、スロットS2に対しては非共振の開放端であるため、殆どが影響を与えない平衝線路となる。図11(a),(b)に対して、金属面M2にスロットや開放端が施されている場合の実施例である。 Further provided metal plate M 5 downwardly, the metal surface is an open end OE, instead of the slot. That is, to provide an impedance nearly infinite against the lower of the # 2 following universal slot antenna, since for the slot S 2 is an open end of the non-resonant, and equilibrium line almost does not affect Become. 11 (a) and 11 (b) is an embodiment in the case where the metal surface M2 is provided with a slot or an open end.
図11(d)には、この2層線路と2重スロット部S1,S2と開放端OE部が金属面M1,M2,M5によって構成されている斜視図を示す。給電部は上面金属面M1のスロットS1に取付けられている。 FIG. 11D shows a perspective view in which the two-layer line, the double slot portions S 1 and S 2, and the open end OE portion are configured by metal surfaces M 1 , M 2 , and M 5 . Feeding unit is mounted in slot S 1 of the upper surface metal surface M 1.
図11(e)には#1万能スロットアンテナと#2万能スロットアンテナとの結合を示し、金属面M2に明けられた共振または非共振形スロットS2により、給電部が取付けられたスロットS1の信号が結合され、更に下層に伝送されて下方の金属板M5の開放端OEを介して放射または伝送されることを示す。伝送線路間に給電部が取付けられた場合、スロットの片側が短絡されている。上下放射形スロットについても同様である。 11 (e) of showed binding to # 1 universal slot antenna and # 2 universal slot antenna, the resonant or non-resonant slot S 2 bored in the metal surface M 2, slot S which feed unit is attached 1 signals are combined, is meant to be further transmitted by radiation or transmitted via the open end OE of the lower metal plate M 5 in the lower layer. When a power feeding part is attached between the transmission lines, one side of the slot is short-circuited. The same applies to the upper and lower radial slots.
#2万能スロットアンテナ以下に万能スロットアンテナを更に重ねた場合でも、スロットや開放端を設けることで、相互結合m1,m2,m3…によって#1万能アンテナの信号は伝えられる。また下方の万能スロットアンテナの信号も同様に結合を介して上方に伝えられるので、上方または下方に検出用のアンテナDAあるいは側方に検出用アンテナDAsを備えれば多数重ね合わせた万能スロットアンテナの信号も読み取ることができる。 Even when the universal slot antenna is further overlapped below the # 2 universal slot antenna, the signal of the # 1 universal antenna can be transmitted by mutual coupling m 1 , m 2 , m 3 ... Similarly, the signal of the lower universal slot antenna is also transmitted upward through the coupling. Therefore, if the detection antenna DA or the detection antenna DAs is provided on the upper or lower side, a large number of superimposed universal slot antennas are provided. Signals can also be read.
裏側の開放があまり不要な場合にはM2に切られたスロットS2は非共振とし、相互結合m1やm2,m3を弱めたほうがスロットS1の共振を妨害する割合が少なくて済む。ここまでは約半波長共振スロットについて述べて来た。 If it is not necessary to open the back side very much, the slot S 2 cut into M 2 is made non-resonant, and weakening the mutual coupling m 1 , m 2 , m 3 is less likely to disturb the resonance of the slot S 1. That's it. So far we have described about half-wave resonant slots.
図11(f)(g)では約1/4波長λe/4スロットの場合について述べる。図11(f)は図11(c)の場合と同じように重なった場合で、1/4波長スロットによる2層スロットアンテナを構成し、この場合の放射と結合を図示している。図11(f)は断面図で図11(g)はこの斜視図である。1/4波長スロットの場合にはスロットが半分になっているので、片側のスロットが開放されており、この方向には電界が漏洩するので、この方向でも検出アンテナDAを置けば万能スロットアンテナの信号を受信することができる。従って側方でも万能スロットアンテナの信号を拾い易いので、積み重ねの万能スロットアンテナの信号を側方で検出するには、このアンテナの方が小形で、信号がとり易い。然し乍ら放射インピーダンスが高く小形になり過ぎて放射効率が悪くなったり、側方の放射があったりして、指向性利得も落ちる場合がある。給電部が接続されているスロットは整合回路や付加したキャパシタとスロットのインダクタンスが共振するので問題ないが、給電部が接続されてない金属面M2のスロットにはキャパシタCを接続し共振をとる必要がある。このように下方のスロットや開放端OEを組み合わせを行うことにより、重ね合わせを可能にする。 11 (f) and 11 (g), the case of about ¼ wavelength λe / 4 slot will be described. FIG. 11 (f) shows a case of overlapping as in FIG. 11 (c), which forms a two-layer slot antenna with quarter-wave slots, and illustrates the radiation and coupling in this case. FIG. 11 (f) is a sectional view and FIG. 11 (g) is a perspective view thereof. In the case of a quarter wavelength slot, since the slot is halved, the slot on one side is open, and the electric field leaks in this direction. Therefore, if the detection antenna DA is also placed in this direction, the universal slot antenna A signal can be received. Therefore, since the signals of the universal slot antenna can be easily picked up at the side, this antenna is smaller in size and easier to take signals to detect the signals of the stacked universal slot antennas at the side. However, the radiation impedance is too high and the size becomes too small, and the radiation efficiency may be deteriorated, or there may be side radiation, and the directivity gain may be lowered. Slot feeding part is connected is no problem since the resonance inductance of the matching circuit and the added capacitor and slot, taking resonant connect the capacitor C to the metal surface M 2 the feeding unit is not connected slots There is a need. By combining the lower slot and the open end OE in this way, superposition is possible.
図11(h)はスロットを#1,#2,…#Nと多段にスロットを重ねた場合のスロットの結合を示す。金属面M2に切られたスロットS2とCは共振状態となって、給電を行なっているスロットS1と干渉するので、スロットS1を生かしてスロットS12,S22は下方スロットとの結合用に用いることもできる。
FIG. 11 (h) shows the slot combination when slots are stacked in
図11(i)(j)は金属面M2のスロットS2に給電部を接続し、金属面M1には共振形スロットや開放端部を用い、放射を行わせる場合である。下方の金属板M5はスロットを切ってある場合は給電部が中間に挟まれる構造となり、上下に対称にスロットS1,S3により放射が行われる。給電部は中間に置かれ保護される構造となり、上のスロットS1または下のスロットS3が塞がれた場合でも塞がれない側で放射が行われるので、このような目的のスロットアンテナの組み合わせには好都合である。 Figure 11 (i) (j) connects the power supply unit into the slot S 2 of the metal surface M 2, it is used resonant slots and the open end to the metal surface M 1, a case to perform radiation. The metal plate M 5 below If you have cut slot becomes a structure in which the feeding portion is sandwiched between, the radiation is performed symmetrically up and down by the slot S 1, S 3. Since the feeding section is placed in the middle and protected, and the upper slot S 1 or the lower slot S 3 is closed, radiation is performed on the side that is not blocked. This combination is convenient.
また、下方の金属面M5にスロットではなく、開放端OEとなっている場合には、重ねた場合でも下方に重なるスロットを塞ぐことはない。従って、金属面M5の切り口はスロットSとするか開放端OEとするかは、目的によって使い分けることができる。図11(j)には金属面M5に開放端OEを切った場合を示す。この場合には対称に上下(表裏)に放射が行われる。図11(j′)は、金属面M5にスロットS3を切った場合を示す。先にも述べたように使用する目的が何れのようにもできる。 Also, rather than below the metal surface M 5 in the slot, if that is the open end OE is never block the slots overlapping the lower even when stacked. Therefore, cut metal surface M 5 is either whether open end OE and slots S, can be selectively used depending on the purpose. The Figure 11 (j) shows the case where the cut open end OE metal surface M 5. In this case, radiation is performed symmetrically up and down (front and back). Figure 11 (j ') indicates the case where the cut slot S 3 metal surface M 5. As stated above, the purpose of use can be any.
図11(i)は重ねた場合でも上下の検出アンテナDAに放射電界ESが受信されることを示す。図11(j)は斜視図で、万能スロットアンテナの上下に電界が放射され、これを検出アンテナDAが受信する場合を示す。 Figure 11 (i) indicates that the radiation field E S and below the detection antenna DA even when superimposed is received. FIG. 11J is a perspective view showing a case where an electric field is radiated above and below the universal slot antenna and this is received by the detection antenna DA.
図11(k)(l)は1/4波長アンテナの場合を示す。構成は1/2波長スロットの場合と同様である。金属面M1の1/4波長スロットの寄生共振を行うときは、もともとスロットはインダクティブであるのでキャパシタCを接続し、共振状態を作る必要がある。 FIGS. 11 (k) and 11 (l) show the case of a quarter wavelength antenna. The configuration is the same as in the case of a half-wave slot. When performing the parasitic resonant quarter wavelength slot of the metal surfaces M 1 is originally slot connects the capacitor C since it is inductive, it is necessary to create a resonant condition.
図11(m)(n)には各スロットに対して3層および4層平行板線路構造の万能スロットアンテナとした場合の断面を示す。 FIGS. 11 (m) and 11 (n) show cross sections in the case of a universal slot antenna having a three-layer and four-layer parallel plate line structure for each slot.
3層の構造にしたのは、図11(a)(f)の構造の万能スロットアンテナで、特に上面,下面ともにスロットS1,S3が取付けられている場合で、万能スロットアンテナを重ねた場合、上の#1万能スロットアンテナの下面のスロットにより、下に重なった#2万能スロットアンテナのスロットS1が塞がれないように開放端OEの平行板線路の層を追加したものである。これにより#2万能スロットアンテナが上に重なった#1万能スロットアンテナにより塞がれる等の妨害を受けることはなくなる。
The three-layer structure is a universal slot antenna having the structure shown in FIGS. 11 (a) and 11 (f). In particular, when the slots S 1 and S 3 are attached to the upper and lower surfaces, the universal slot antennas are overlapped. If, by the lower surface of the
従って、万能スロットアンテナを何枚も重ねてもスロット面が他の重なって来る万能スロットアンテナによって塞がれることがなく、上方または下方からスロット面を励振した場合でも上から下へまたは下から上へスロットが結合をしながら励振をし、スロットに接続された素子の信号を読みとることができる。一般にタグとして用いた場合には、アンティコリジョンの機能が付いているので、100個程度積み重ねても信号を読み取り選別することができる。 Therefore, even if multiple universal slot antennas are stacked, the slot surface is not blocked by other overlapping universal slot antennas, and even when the slot surface is excited from above or below, the slot surface is excited from top to bottom or from bottom to top. The slot can be excited while being coupled, and the signal of the element connected to the slot can be read. In general, when used as a tag, since it has an anti-collision function, signals can be read and selected even when about 100 are stacked.
然し、万能スロットアンテナ同士の結合を強くし過ぎると干渉を起こし、共振周波数がずれて、返って読みづらくなるので、この相互結合は小さくしておいた方が干渉は発生し難い。図11では給電部はスロットに載せる側で説明して来たが、図8、図10で説明したように伝送線路間の電界や電圧、電流を利用して重ね積みができるようにすることもできる。 However, if the coupling between the universal slot antennas is made too strong, interference occurs and the resonance frequency shifts, making it difficult to read back. Therefore, interference is less likely to occur if this mutual coupling is made small. In FIG. 11, the power feeding unit has been described on the side where it is placed in the slot. However, as described in FIGS. 8 and 10, it is also possible to perform stacking using the electric field, voltage, and current between the transmission lines. it can.
つぎに、万能スロットアンテナを名刺サイズやカードサイズに小さくする場合の実施例について図12に示す。 Next, an embodiment in which the universal slot antenna is reduced to a business card size or a card size is shown in FIG.
カードの標準サイズは55×85×(0.76±10%)[mm]であるので、カードサイズに収める場合、これにより小さく構成しなければならない。1/2波長スロットによるスロット長は図1,図2等で説明したように1/2波長に短縮率を乗じた値で920MHz帯の場合、スロット長lは約107mmとなった。このスロット長l≒107mmを更に短くするためにスロット部をH形に構成し、更にZig−Zag線路を主スロットの両翼のスロットに用いることで短縮を加えるようにして、Y軸方向のスロット長を30〜50mm以下に押えることができる。 Since the standard size of the card is 55 × 85 × (0.76 ± 10%) [mm], it is necessary to make it smaller to fit in the card size. As described with reference to FIGS. 1 and 2 and the like, the slot length by the 1/2 wavelength slot is a value obtained by multiplying the 1/2 wavelength by the shortening rate. In the case of the 920 MHz band, the slot length l is about 107 mm. In order to further shorten this slot length l≈107 mm, the slot portion is formed in an H shape, and the Zig-Zag line is used for the slots of both wings of the main slot so as to shorten the slot length. Can be suppressed to 30 to 50 mm or less.
更に、今度はスロットを励振する電界方向、即ち、X軸方向をカードの長辺85mm程度に短くしなければならないので、半波長の107〜160mm以下に構成しなければならない。カード長の85mmは約1/4波長程度であり、電界を励振する距離が短くスロットに誘起させる電圧は電界強度に長さを乗じたものであるから、E×0.085ボルトと小さい値となる。 Furthermore, since the direction of the electric field for exciting the slot, that is, the X-axis direction must be shortened to about 85 mm on the long side of the card, the half-wavelength must be 107 to 160 mm or less. The card length of 85 mm is about ¼ wavelength, and the voltage for exciting the electric field is short and the voltage induced in the slot is obtained by multiplying the electric field strength by the length. Become.
従って、カードサイズの万能スロットアンテナは通信距離が短くなるため、図18(a),(b)に示すように金属面Mの上に載せて、直接導電電流を多く供給し放射電界や受信電界を励振するか、あるいはキャパシティブショートにより、放射電界を増強することにより短絡部分を補うことができる。そのため、スロットの下方の平行板線路のインピーダンスを無限大にさせることはスロットから短縮端部までλe/4が必要なので、平行板線路を折り曲げ2重(2層)にすることによって達成することができる。 Accordingly, since the card-sized universal slot antenna has a short communication distance, it is placed on the metal surface M as shown in FIGS. 18 (a) and 18 (b), and a large conductive current is directly supplied to radiate and receive electric fields. The short circuit portion can be compensated by enhancing the radiation electric field by exciting the capacitor or by capacitive short circuit. Therefore, infinite impedance of the parallel plate line below the slot requires λe / 4 from the slot to the shortened end, and can be achieved by folding the parallel plate line into two layers (two layers). it can.
この実施例を図12に示す。カードのほぼ中心部に給電部が接続されているY座標において、X軸方向のカードの長辺方向に切った断面図を図12(a)に示す。スロット中心部から短絡部迄の電気長はλe/4であるので、約54mmである85mmの1/2はx1=42.5mmで実効1/4波長は54mmの長さでなければ動作しないにも拘らず、伝送距離x1が42.5mmしかないので、54−42.5≒11.3mmの長さが足りない。従って、x2=11.3mmの長さを折り曲げて線路長を補充しなければならない。即ち1/4波長の線路を両側に得るためには、1層のx1の伝送距離と2層のx2の伝送距離の合計x1+x2=53.8mmで構成する。カード厚は0.76±10%で約8mmであるので、折り曲げによる2層構造の場合には、絶縁体の厚み、即ちスペーサの厚みは0.2〜0.3mm程度で作らなければならない。金属板の厚みを通常流通する0.01〜0.05mmとすると、3枚で0.03〜0.15mmとなり、0.2tの厚さの絶縁体の場合、全体の厚みは0.4+(0.09〜0.15)mm、(0.25〜0.03)tの厚さの絶縁体の場合、全体の厚みは(0.5〜0.6)+(0.09〜0.15)≒0.75mmとなり、カード厚の長に納めることができる。実際に製造するときは通常のサイズの長辺方向が107mm程度カードを、全長が約85mmの所で図のように両端を折り曲げるようにしてもよいし、m2を最初から短く切って絶縁体のみ折り曲げる構造としてもよい。従って、上下の絶縁体は同じ厚みとなる。 This embodiment is shown in FIG. FIG. 12A shows a cross-sectional view taken along the long side of the card in the X-axis direction at the Y coordinate where the power feeding unit is connected to the approximate center of the card. Since the electrical length from the slot center to the short-circuited portion is λe / 4, 1/2 of 85 mm, which is about 54 mm, is x 1 = 42.5 mm, and the effective quarter wavelength does not work unless the length is 54 mm. despite, since there is only 42.5mm transmission distance x 1, is insufficient length of 54-42.5 ≒ 11.3mm. Therefore, the length of x 2 = 11.3 mm must be bent to supplement the line length. In other words, in order to obtain a 1/4 wavelength line on both sides, the total of x 1 + x 2 = 53.8 mm of the transmission distance of x 1 of the first layer and the transmission distance of x 2 of the second layer is configured. Since the card thickness is 0.76 ± 10%, which is about 8 mm, in the case of a two-layer structure by bending, the thickness of the insulator, that is, the thickness of the spacer must be about 0.2 to 0.3 mm. If the thickness of the metal plate is 0.01 to 0.05 mm that normally circulates, the thickness of the three sheets is 0.03 to 0.15 mm. In the case of an insulator having a thickness of 0.2 t, the total thickness is 0.4+ ( In the case of an insulator having a thickness of 0.09 to 0.15) mm and (0.25 to 0.03) t, the overall thickness is (0.5 to 0.6) + (0.09 to 0. 0. 15) ≈0.75 mm, which can be accommodated in the length of the card. When actually manufacturing, a card with a normal size of about 107 mm in the long side direction may be bent at both ends as shown in the figure at a total length of about 85 mm, or m 2 may be cut short from the beginning to make an insulator. It is good also as a structure which bends only. Therefore, the upper and lower insulators have the same thickness.
920MHzの場合、アルミや銅のスキンデプスは2μ(0.002mm)であるので、多少のロスがあっても動作するのは1〜10μ(0.001〜0.01mm)程度の金属箔や金属コーディングがプラスチックフィルムに金属コーディングを用い薄く作ることができる。ICチップを載せる場合や給電する部分を除き金属面をむきだしにはせず、全体を薄いプラスチックフィルムで覆うなり、薄いプラスチック板を貼り付けて仕上げてもよい。 In the case of 920 MHz, the skin depth of aluminum or copper is 2 μ (0.002 mm), so that even if there is some loss, the metal foil or metal of about 1 to 10 μ (0.001 to 0.01 mm) operates. Coding can be made thin using metal coding on plastic film. The metal surface may be covered with a thin plastic film except for the case where an IC chip is mounted or a portion to which power is supplied, and may be finished by attaching a thin plastic plate.
つぎに、図12(b)には下方の金属面M2にスロットS2を切り、下方からも放射が行われるように構成した場合を示す。 Next, FIG. 12B shows a case where the slot S 2 is cut in the lower metal surface M 2 and radiation is performed from below.
図12(c)にはカードを積み重ねた場合にも下方のカードや隣接のカードのスロットが塞がれないようにもう一層の伝送線路を増やし、2層とし、加えた金属板M5は開放端OEとする方式を示す。カード長にあわせるために、カードを折曲げ4層となるようにしている。折曲げ部の作り方については、図12(b)の場合と同じ方法によればよい。斜線の部分はプラスチックP等で充填平面にする。 Figure 12 (c) To increase the another layer of the transmission line as below the card and the adjacent card slot is not blocked even when stacked card, a two-layer, the added metal plate M 5 is opened A method of setting the end OE is shown. In order to match the card length, the card is folded into four layers. About how to make a bending part, what is necessary is just to use the same method as the case of FIG.12 (b). The hatched portion is made a filling plane with plastic P or the like.
図12(d)は給電部を一番上の金属板M1に接続せず、中間の金属面M2に接続し、金属板M1のスロットS1が受信したエネルギーを受けて中間の金属面M2に切られたスロットS2を励振し、ここに接続された給電部を励振する方式で図11(i)(h)(m)(n)で説明する方式によってカード形に組み上げた場合の構成を示す。 Figure 12 (d) is not connected to the metal plate M 1 on top of the power supply unit, connected to the middle of the metal surface M 2, an intermediate metal undergoing energy slot S 1 of the metal plate M 1 is received exciting the slot S 2 cut into the surface M 2, is assembled to the card-shaped by methods described in Figure 11 in a manner to excite the power sources connected here (i) (h) (m ) (n) The structure of the case is shown.
図12(e)は更に下方に金属面M6を加え、この間にもう一層の絶縁層を加える層とし、下方の金属板の中心を開放端OEとした場合を示す。長さをカードサイズとするためと、伝送路の1/4波長の電気長を確保するため端部を曲線で折り曲げ、6層になるように構成している。 Figure 12 (e) is further a metal surface M 6 In addition to the downward, and a layer to add another layer of the insulating layer during this time, a case where the center of the lower metal plate and the open end OE. In order to make the length a card size and to secure an electrical length of a quarter wavelength of the transmission line, the end portion is bent along a curved line so as to have six layers.
図12(f)はカード形万能スロットアンテナの実施例の斜視図である。長辺が85mm、短辺が55mmであるので、このサイズの中にスロット長を納め、共振特性、放射特性、線路の伝送特性を納めなければならない。 FIG. 12F is a perspective view of an embodiment of the card-type universal slot antenna. Since the long side is 85 mm and the short side is 55 mm, the slot length must be stored in this size, and the resonance characteristics, radiation characteristics, and transmission characteristics of the line must be stored.
スロット長を確保するためにY軸方向にスロット長が1/3程度しかないので、X軸方向にスロットを延ばすH形のスロットとして構成しなければならず、先のスロットの形状で説明したH形のスロットを示してある。 Since the slot length is only about 1/3 in the Y-axis direction in order to secure the slot length, it must be configured as an H-shaped slot extending in the X-axis direction. The shape slot is shown.
寸法構成例としては、図に示すように、Y軸方向に連続スロット40mm、X軸方向に67mm(±33.5mm)として全長で約107mmのスロット長として約半波長共振長を構成している。 As an example of dimensional configuration, as shown in the figure, a continuous slot of 40 mm in the Y-axis direction and 67 mm (± 33.5 mm) in the X-axis direction constitute a slot length of about 107 mm in total length, and a half-wave resonance length is configured. .
線路長も1/4波長53.5mmを構成しなければならないので、線路の一部を折り曲げる構造としている。カードの全長が85mmであり、線路長が107.5mm程度なければならないので、この差107.5−85=22.5mmが折り曲がる部分の長さとなる。従って、この半分1/2の長11.3mmが両端の折り曲げ部分となる。カード厚は0.8mm〜1mm程度であるので、絶縁体厚が0.2〜0.3tで2層となり、0.4〜0.6tとなり金属面とカード表面のプラスチックフィルムあるいはプラスチック板を含め0.8mm厚程度に仕上げなければならない。 Since the line length must also constitute a quarter wavelength of 53.5 mm, a part of the line is bent. Since the total length of the card is 85 mm and the line length must be about 107.5 mm, the difference 107.5−85 = 22.5 mm is the length of the bent portion. Accordingly, this half ½ length of 11.3 mm is the bent portion at both ends. Since the card thickness is about 0.8 mm to 1 mm, the insulator thickness becomes 0.2 to 0.3 t, so that it becomes two layers and becomes 0.4 to 0.6 t, including the metal surface and the plastic film or plastic plate on the card surface. It must be finished to a thickness of about 0.8 mm.
実際の構造では、この上下に仕上げる印刷を行うためのプラスチック面PFが接着またはラミネートされる。 In an actual structure, the plastic surface PF for performing printing that is finished up and down is bonded or laminated.
図12(g)は図12(f)のカードに更にもう一層追加した場合とX軸方向のスロット長をX軸方向に切る長さを短くするため、Zig−Zagに切ってスロット部の共振長を確保する場合の両方の選択の違いの実施例を示す。組み合わせはいくつもあるので、ここではその中から代表的な実施例として挙げている。 FIG. 12 (g) shows the case where the card is further added to the card of FIG. 12 (f) and the slot length in the X-axis direction is cut to Zig-Zag to reduce the slot length in the X-axis direction. An example of the difference between both selections when securing the length is shown. Since there are many combinations, here are listed as typical examples.
図12(h)に示すように、X軸方向のスロット長は40〜65mmと短くなり、また伝送線路の端部の折り曲げにより4層の厚みとなっており、例えば0.2tの絶縁シートを用いた場合は4×0.2=0.8tこれにアルミ蒸着膜の厚さ0.001tが5〜6層加わったとして0.006t全体で0.81t、更に上下のカバーが貼られると1mm厚程度となる。 As shown in FIG. 12 (h), the slot length in the X-axis direction is as short as 40 to 65 mm, and the thickness of the four layers is obtained by bending the end of the transmission line. When used, 4 × 0.2 = 0.8t Assuming that 5 to 6 layers of 0.001t thickness of aluminum vapor deposition film is added to this, 0.006t is 0.81t as a whole, and 1mm when upper and lower covers are pasted Thickness.
若し、0.15tの絶縁シートを用いる場合には4×0.15=0.6tでアルミを0.001tの厚さでシートに蒸着したとして00606≒0.61t、この上下に0.1tのプラスチックフィルムを貼り合わせると0.61+0.2=0.81tとなり、カード厚に納めることができる。但し、金属面をあまりに薄くした場合や、抵抗値の高い蒸着フィルムを用いた場合には特性を悪化させるので、導電率の良い材料を持ちなければならない。 If an insulating sheet of 0.15 t is used, it is assumed that 4 × 0.15 = 0.6 t and aluminum is vapor-deposited on the sheet with a thickness of 0.001 t. When the plastic film is bonded, 0.61 + 0.2 = 0.81t, which can be accommodated in the card thickness. However, when the metal surface is made too thin or when a vapor deposition film having a high resistance value is used, the characteristics are deteriorated, so a material having good conductivity must be provided.
図12(h)は、図12(g)の一番下方の金属面M5にもスロットが切られて、中心の金属面M2に切られたスロットに給電部が接続され、対称に上下に寄生スロットが切られており、上下対称にスロットからの放射がある場合を示す。 Figure 12 (h), as shown in FIG. 12 (g) Most also cut slots under the metal surface M 5 of the power supply unit is connected to the cut in the metal surface M 2 of the central slot, vertically symmetrically Fig. 5 shows a case where the parasitic slot is cut and there is radiation from the slot symmetrically in the vertical direction.
この万能スロットアンテナの特徴は金属面の上に乗せても他方のスロットが動作し、また中心の金属面M2に接続された給電部は、下方が無限大インピーダンスを呈することから動作して中空状態(真空状態)でも金属面上でも動作することである。 Feeding unit features be placed on a metal surface work the other slot, also connected to the metal surface M 2 of the center of the universal slot antenna is hollow and operates from the lower exhibits infinite impedance It works in both the state (vacuum state) and on the metal surface.
図12(i)には1/4波長スロットをカードに乗せた場合の例を示す。1/4波長であるため小形に作れるが、無給電共振をおこさせるためにはキャパシタが必要である。単なる帯状金属を用いた場合とは異なる。 FIG. 12 (i) shows an example in which a quarter-wave slot is placed on the card. Since it is a quarter wavelength, it can be made small, but a capacitor is required to cause parasitic resonance. This is different from the case where a simple band metal is used.
給電部が取付けられているスロットには、整合回路やキャパシティーが付随しているので、微調整を行う以外は不要である。 Since the matching circuit and the capacity are attached to the slot in which the power feeding unit is attached, it is unnecessary except for fine adjustment.
つぎの図13でも述べるようにX軸方向の長さを短くすることは、スロットSに誘起される電界が少なくなるので単体で動作させたときには、感度が悪くなるが金属面上で動作させるときは、この金属面に流れる電流による電圧とカードの表面電流がつながり、返って誘起電圧も増え放射効率が良くなる。 As will be described in FIG. 13 below, shortening the length in the X-axis direction reduces the electric field induced in the slot S. Therefore, when operating alone, the sensitivity decreases, but when operating on a metal surface. In this case, the voltage caused by the current flowing on the metal surface is connected to the surface current of the card, and the induced voltage is increased and the radiation efficiency is improved.
図13には、更に小形化する場合の構成を示す。X軸方向の長辺を短くするために、折り曲げによる重ね合わせ部を長くし、片側の伝送路が2層で全長λe/4となるように、構成,即ちλe/8とする長さでタグ全長が約λe/4(920MHz帯で約54mm、1000MHz帯で約49.5mm)となる長さにした場合を示す。単体で動作させた場合にはスロットに発生する電圧は920MHzの場合には、更に低くなり、放射効率は下がるが、小形化には役立つ。Y軸方向のスロット長もZig−Zag方式等により短縮し、20〜40mmとし、線路幅も30〜50mmと縮小している。 FIG. 13 shows a configuration for further downsizing. In order to shorten the long side in the X-axis direction, the overlapped part by bending is lengthened, and the transmission line on one side is configured to have a total length of λe / 4 with two layers, that is, with a length of λe / 8 The case where the total length is about λe / 4 (about 54 mm in the 920 MHz band and about 49.5 mm in the 1000 MHz band) is shown. When operating alone, the voltage generated in the slot is even lower in the case of 920 MHz, and the radiation efficiency is lowered, but it is useful for miniaturization. The slot length in the Y-axis direction is also shortened by the Zig-Zag method or the like, 20-40 mm, and the line width is also reduced, 30-50 mm.
更に、3層になるように折り曲げると更に小形化を進めることができる。先に述べたように磁性体シートによると、更に短縮を行うことができる。金属面に置くと図8(a)で説明したように金属面との電流が連続し、誘導電流が加算され、小形化して失った誘導電流や誘導電界を補うこともできる。図13(b)には平板線路のλ/2よりやや小さめのH形スロットによるアンテナの構成例を示す。図13(a)とは基本的な構成の違いはないがジグザグスロットを用いずとも十分に動作させることができる。図13(c)に示すように、直接金属面に接する場合もあるが、薄いプラスチィクフィルムを介してキャパシティブショートさせ、高周波的な短絡も可能である。 Further, the size can be further reduced by bending the three layers. As described above, the magnetic material sheet can be further shortened. When placed on the metal surface, as described with reference to FIG. 8A, the current with the metal surface continues, the induced current is added, and the induced current and the induced electric field lost due to the miniaturization can be compensated. FIG. 13B shows an example of the configuration of an antenna using an H-shaped slot slightly smaller than λ / 2 of a flat line. Although there is no difference in the basic configuration from FIG. 13A, it can be operated sufficiently without using a zigzag slot. As shown in FIG. 13 (c), the metal surface may be directly contacted. However, a capacitive short circuit is possible through a thin plastic film, and a high-frequency short circuit is possible.
キャパシタンスC=εS/dであり、d=0.01〜0.1×10−3m、S=50×30×10−6m2とし、比誘電率εr=2.3とすると、Cは数百pFで容量リアクタンス成分1/ωCΩは非常に小さい値となり小数点以下の短絡に近い値となる。
Capacitance C = εS / d, where d = 0.01 to 0.1 × 10 −3 m, S = 50 × 30 × 10 −6 m 2 and relative permittivity εr = 2.3, C is At several hundred pF, the
図13(c)には、取付金具がアンテナの外側を囲む金属面に取付けられているので、この取付金具を伝わって取り付けられている金属面Mに直接電流が流れるため、小型短縮されていてもアンテナの効率を落とすことはない。 In FIG. 13 (c), since the mounting bracket is attached to the metal surface surrounding the outside of the antenna, a current flows directly through the mounting bracket and is attached to the metal surface M, so that the size is shortened. Even without reducing the efficiency of the antenna.
図14には本発明の万能スロットアンテナ1の外観の例を3例挙げている。PETシート(PF1)にアルミが蒸着あるいは金属箔がラミネートされた金属面M1にエッチングされたスロットSに給電部3,3′が接続され、中央部に給電の対象とするもの(IC等)を収納する窪みをもつ0.2〜0.3mm厚のポリエチレン(PE)、あるいは磁性体シート10のポリエチレン(PE)に上部より接着され、更に下から囲むようにアルミ蒸着またはラミネートされたPETシート(PF2)を接着し、伝送線路端部で上下面のアルミ面が圧着や融着等の手段によって短絡(cont)された構造を示す。絶縁体シート10の窪みは下方の金属面M2に直接接触しないように薄く残し、上下金属面M1,M2が絶縁されるように構成している。ラミネートの端は接着による耳を安定にするように丸めて、端部に接着させてある。これにより全体で0.3〜0.5t厚の万能スロットアンテナ1を構成できる。
FIG. 14 shows three examples of the appearance of the
図14(a)には、万能スロットアンテナの金属面M1の側面の金属面M3,M4に金属棒が設置され励振電界Eを補っている Cylindrieal antenna と Slot Antennaの統合アンテナを示す。図中では丸棒ではなく薄い板状の棒(Arm1、Arm2)を示してある。 FIG. 14A shows an integrated antenna of Cylindrial antenna and Slot Antenna in which metal rods are installed on the metal surfaces M 3 and M 4 on the side surface of the metal surface M 1 of the universal slot antenna to supplement the excitation electric field E. In the drawing, thin plate-like bars (Arm1, Arm2) are shown instead of round bars.
特徴としては万能スロットアンテナ1の励振面の長さを短くした場合に、金属面M1を励振する電流路の長さが短くなり、放射がうまく行われなくなる障害をなくす方法である。受信の場合で考えると、受信電界Eの積分値が小さいため誘起電圧Vが低くなりそれだけアンテナの受信効率が悪くなるのを防ぐ方式である。即ち自由空間に置かれているときは電流IRの流れる方向の金属面M3,M4に棒状の腕(Arm1、Arm2)を付け足し、この棒状の腕が約半波長の棒アンテナと同様な動作で棒状の腕にも電流を流して、放射電界を励振する様子を示す。
If the features that shorten the length of the excitation surface of the
つぎに、図14(b)には図14(a)の統合アンテナを金属面Mの上に置かれた場合の断面図を示す。付属する棒状アンテナは、金属面Mの影響を受けて電流が打ち消されて動作しないが、図8(a),(b)で説明したようにスロットアンテナ下面の金属面M2あるいは側面の金属面M3,M4が金属面Mに接触している場合、あるいはキャパシティブショートしている場合は、スロット面を励振する電流IRが直接金属面Mにも流れ、通常の大きさのスロットアンテナあるいは自由空間に置かれた場合の図14(a)に示した統合アンテナと同様の動作をし、かつ金属面M上に置かれているため放射指向性はスロットSが切られている方向のみに放射Pが行われ、アンテナ利得としては約二倍の3〜4dBの利得が得られる。 Next, FIG. 14B shows a cross-sectional view when the integrated antenna of FIG. 14A is placed on the metal surface M. FIG. Accompanying the rod-shaped antenna does not operate current is canceled by the influence of metal surface M, FIG. 8 (a), the metal surface of the slot antenna the lower surface of the metal surface M 2 or side as described in (b) If M 3, M 4 is in contact with the metal surface M, or if the capacitive are short-circuited, even flow in the current I R is directly metal surface M to excite the slot plane, or normal size of the slot antenna The antenna operates in the same manner as the integrated antenna shown in FIG. 14A when placed in free space, and because it is placed on the metal surface M, the radiation directivity is only in the direction in which the slot S is cut. Radiation P is performed, and an antenna gain of about 3 to 4 dB, which is about double, is obtained.
アンテナとしてみると、全体を金属板で構成するのとは異なり小型に構成できるため、自由空間に置かれている場合と金属面上に置かれている場合の両方で、アンテナ特性を損なうことなく無理のない放射特性が得られ、ダイポールアンテナや棒状アンテナ等を利用した一般のアンテナやICタグと異なり、特に金属面において更によい特性を発揮させることができる。 When viewed as an antenna, unlike the metal plate, the entire antenna can be made compact, so that it can be placed in free space or on a metal surface without compromising antenna characteristics. Reasonable radiation characteristics can be obtained and, unlike general antennas and IC tags using dipole antennas, rod-shaped antennas, etc., even better characteristics can be exhibited particularly on metal surfaces.
図14(c)には図14(a)より金属面M1,M2の大きさをより小さくした統合アンテナを示す。金属面M1の放射電流が流れる方向が短くなるため、棒の長さが長くなり、この棒に電流が流れて励振電流が流れることを示している。 FIG. 14C shows an integrated antenna in which the sizes of the metal surfaces M 1 and M 2 are smaller than those in FIG. Since the direction of the radiation current flow of the metal surfaces M 1 is reduced, indicating that it may increase the length of the rod, the excitation current flows current flows in the rod.
このようにスロットアンテナの励振電流IRが励振され難くなるのを金属棒の部分で補うことができる。金属棒は、平板でもバネ性の板でもスプリングでもよい。 Thus from the excitation current I R of the slot antenna it is less likely to be excited can be compensated by the portion of the metal rod. The metal bar may be a flat plate, a spring plate or a spring.
スロットSを構成する金属M1と下方にある金属面M2による平行線路は、図12に説明してあるように伝送線路を折曲げ山形にしているものを用いてもよいし、後述する集中定数による小型化でもよい。 Intensive metal M 1 and the parallel line with metal surfaces M 2 at the bottom which constitutes the slot S may be used those a transmission line in the bent chevron as documented in Figure 12, to be described later It may be downsized by a constant.
図14(b),(d)には、下方の金属面M2に切り欠きを作っていない構造であるが、下方の金属面に切り欠きを作った構造のアンテナでも同様に構成できる。アンテナを使用する状況や目的に対応して組み合わせを行なうことができる。 FIG. 14 (b), the (d), but a structure not making a notch on the metal surface M 2 below, can be similarly configured in an antenna structure made notched metal surface of the lower. Combinations can be made according to the situation and purpose of using the antenna.
図14(d)には、図14(c)のアンテナを金属面Mの上に乗せた場合の断面図を示す。両側に備えた腕状(Arm1、Arm2)の棒状アンテナが取付けられた統合アンテナが金属面Mの上に乗せられ動作をしている場合を示す。棒状アンテナは金属面M上では役に立たず動作しないが、スロットSを励振する電流IRは直接金属面上に流れ、スロットSの放射電界Eや誘起電圧Vを助け、金属面上でも高い特性を発揮することができ、小型化による誘起電力量の低下や放射電界の低下をなくし、かつ金属面から離した場合でも、側面や表面や裏面等に取付けられた腕状アンテナ(Arm1、Arm2)、あるいは棒状アンテナにより励振電流がまかなわれアンテナ特性が発揮できる。図中には示していないが、スロットSあるいは伝送線路のインピーダンスが整合する部分にICを取付けることによりICタグとして用いることもできる。このことについては、図14(l)にて述べる。 FIG. 14D shows a cross-sectional view when the antenna of FIG. 14C is placed on the metal surface M. The case where the integrated antenna to which the arm-shaped (Arm 1 , Arm 2 ) rod-shaped antenna provided on both sides is mounted is placed on the metal surface M and is in operation is shown. Although the rod-shaped antenna does not operate without useless on metal surface M, the current I R for exciting a slot S flows directly on the metal surface, helping radiated electric field E and the induced voltage V of the slots S, the high characteristics even on a metal surface The arm-shaped antennas (Arm 1 , Arm 2) attached to the side surface, the front surface, the back surface, etc., even when separated from the metal surface, even when the induced power amount and the radiation electric field are not decreased due to miniaturization. ), Or a rod-shaped antenna can provide excitation current and exhibit antenna characteristics. Although not shown in the figure, it can also be used as an IC tag by attaching an IC to a slot S or a portion where the impedance of the transmission line matches. This will be described with reference to FIG.
図14(e)には、1/4波長の主線路による放射と副線路による放射の両方の効果を備えながら金属面Mの上に置いても絶縁体の上でもインピーダンスや周波数のズレを生じない構造の小形アンテナの例を示す。下方の金属板M2の長さは1/2波長以下の長さで電気長1/4波長以上の長さである。 FIG. 14 (e) shows a difference in impedance and frequency on both the metal surface M and the insulator while providing the effects of both radiation by the ¼ wavelength main line and radiation by the sub line. An example of a small antenna with no structure is shown. The length of the lower metal plate M2 is ½ wavelength or less and the electrical length ¼ wavelength or more.
図14(f)には、同様に1/4波長主線路と副線路が約1/2波長以下となるように構成された小形アンテナの場合を示す。 FIG. 14 (f) shows a case of a small antenna similarly configured so that the quarter-wavelength main line and the sub-line are about ½ wavelength or less.
副線路は、主線路の放射を助け、更に下面の金属Mによる側部の電界の乱れを吸収し、特性が変わるのを抑える特徴を備えている。 The sub line has a feature that helps the radiation of the main line, absorbs the disturbance of the electric field on the side due to the metal M on the lower surface, and suppresses the change in characteristics.
図14(g),(h)はキャパシティーとして集中定数や金属壁Kと窓Capによるスリットを設けて、部分的に変位電流を流してキャパシティーとして短縮を行う場合を示す。これにより線路長やスロット長も短縮できる。折曲げ方法と組み合わせ線路長を単に短縮してもよいし、スロット長もZig−Zag線路等と組み合わせて、更に短縮することも可能である。追加した腕の部分は、伸縮アンテナを利用した場合を示す。金属腕や棒、板状アンテナは可撓性に適したあるいは小型化に適した構造やユニット長にする方がよい。 FIGS. 14 (g) and 14 (h) show a case where the capacity is shortened by providing a lumped constant as a capacity and a slit formed by a metal wall K and a window Cap, and partially passing a displacement current. As a result, the line length and slot length can be shortened. The bending method and the combined line length may be simply shortened, and the slot length may be further shortened by combining with a Zig-Zag line or the like. The added arm portion shows the case where the telescopic antenna is used. The metal arm, bar, and plate antenna should have a structure and unit length suitable for flexibility or suitable for miniaturization.
図14(h)には図14(g)を横から見た断面図を示す。集中容量を作るために線路内には金属片Kを用い、上下金属面間に少しの隙間を設けこれに電界を集中させて集中容量(Capacity)を構成している。 FIG. 14H shows a cross-sectional view of FIG. 14G viewed from the side. In order to create a concentrated capacity, a metal piece K is used in the line, a small gap is provided between the upper and lower metal surfaces, and an electric field is concentrated on this to form a concentrated capacity (Capacity).
スロットSについては、スロットSの切り欠きの途中に両側あるいは片側から金属突起を出して集中容量が同様に発生するようにしている。これらの容量で足りないときは、高周波損失の少ない容量を添加して目的を達してもよい。周波数が低くなりアンテナ構造が大きくなるUHF帯の低い所やVHF帯等でこのようなスロットアンテナ構造を作ることは、金属面が大きくなるので集中定数のアンテナ構造とすることが必要な場合がある。 As for the slot S, metal protrusions are projected from both sides or one side in the middle of the notch of the slot S so that concentrated capacity is similarly generated. If these capacities are insufficient, a capacity with a low high-frequency loss may be added to achieve the object. Making such a slot antenna structure in a low UHF band or a VHF band where the frequency is low and the antenna structure is large may require a lumped-constant antenna structure because the metal surface becomes large. .
また、金属腕や棒を適切に使ってアンテナを小型にしながらも金属対応のアンテナとすることが可能となる。 In addition, it is possible to make a metal-compatible antenna while appropriately reducing the size of the antenna by appropriately using metal arms and bars.
図14(i)には、等価的な集中容量(Capacity)が挿入されている場合の解説図である。また伝送線路内の電流ITとスロットSによる放射を活用する金属面の外側と腕部、即ち棒状の金属部を流れる電流放射を行なう電流(R,Current)の分布を示す。 FIG. 14 (i) is an explanatory diagram when an equivalent concentrated capacitance (Capacity) is inserted. Also the distribution of the outer and the arm portion of the metal surface utilizing emission by current I T and the slot S in the transmission line, i.e. the current to perform the current radiation through the metal portion of the rod-shaped (R, Current).
図14(j)には別の集中定数を用いた場合の小型化の例を示す。平行板線路の内側の短絡部はインダクタンスを与えるので磁性体(MagM)にコイル(Coil)を巻いたインダクタンスで代替えし、また一部に集中容量を挿入して伝送路の短縮を行なう例を示している。コイルの端部は上面と下面のほぼ中心部に接続されている。 FIG. 14J shows an example of downsizing when another lumped constant is used. An example is shown in which the short circuit inside the parallel plate line provides inductance, so that the inductance can be replaced by an inductance in which a coil (Coil) is wound around a magnetic material (MagM), and a transmission line can be shortened by inserting a concentrated capacitor in part. ing. The end of the coil is connected to substantially the center of the upper and lower surfaces.
磁性体(MagM)に巻かれたコイル(Coil)平板に挟まれており上面の平板に金属腕(Arm)が取付けられている。またスロットの途中には集中インダクタンスや集中容量が挿入されスロットも短縮されている。このようにして平行板線路の短縮を行なっており、放射用アンテナの長さは棒状のアンテナで補っている。 It is sandwiched between coil (Coil) flat plates wound around a magnetic body (MagM), and a metal arm (Arm) is attached to the upper flat plate. A concentrated inductance and a concentrated capacity are inserted in the middle of the slot, and the slot is shortened. In this way, the parallel plate line is shortened, and the length of the radiation antenna is supplemented by a rod-shaped antenna.
図14(k)には、伝送線路とスロット及び棒状アンテナが取付けられている等価回路を示す。 FIG. 14 (k) shows an equivalent circuit in which a transmission line, a slot, and a rod antenna are attached.
図14(l)には、本発明の万能スロットアンテナ1にICを取付けることでICタグとして用いられる場合の例を示している。装着されるICは、スロットSの50Ωのインピーダンスが取れる端部に近い部分で、ICのキャパシタンスと共振が取れるインダクタンスが得られる部分に取付けられている。
FIG. 14 (l) shows an example in which an IC is attached to the
図15は屋外や汚れのある環境の悪い場所(高温の場所、塗装等の場所)で使用する場合を示し、カバー(Cov.)に万能スロットアンテナ1を収納したあと、プラスチックやセラミック等の絶縁体で封印モールドまたは充填し、耐候性や耐熱性を持たせる場合を示す。金属体Mへの取付けはカバーの耳Rの部分をボルトB等で止める。防水のためOリングやガスケットを当てた方がよい。
FIG. 15 shows the case where it is used outdoors or in a dirty place (high temperature place, paint place, etc.). After the
図15(a−1)は特殊な材料で一体成形する場合と、図15(a−2)はカバーを特殊な材料で作り、耐候性や耐熱性等を持たせ使用環境に合うようにしている。 Fig. 15 (a-1) shows the case where it is integrally molded with a special material, and Fig. 15 (a-2) shows that the cover is made of a special material and has weather resistance, heat resistance, etc. so as to suit the use environment. Yes.
図15(b)は金属面Mと面一にし、万能スロットアンテナ本体の突起により破損が生じたり、余分な抵抗が発生しないように、万能スロットアンテナ1を埋め込むための窪みを金属面Mに設け、万能スロットアンテナ1を埋めた後にモールドあるいはプラスチック板やセラミック板のカバー(Cov.)で保護するようにした場合を示す。このように作ることで金属体と一体で構成できる。更に航空機、ロケット等の製品と一体化したりするには最適である。
FIG. 15 (b) is flush with the metal surface M, and a recess for embedding the
図16(a)には金属面M1の表面に2個のスロットS1,S2を切り、左側の一方のNo.1スロットS1にのみ給電部3を接続している。右側のNo.2スロットS2は給電部が接続されていないスロットである。特性インピーダンスZOの伝送線路により、この伝送線路を伝ってスロット部にエネルギーが伝送される。先にも述べたように、伝送線路の特性インピーダンスは低くて、スロット部のインピーダンスは逆に高くなり、整合がとり難く隣の右スロットに給電することは難しい。
In FIG. 16A, two slots S 1 and S 2 are cut on the surface of the metal surface M 1 , and one of the left side No.s. Connecting the feeding
然し乍ら、特性インピーダンスZOが大きかろうが小さかろうが、線路長λe/2,λe,3λe/2,…2λeとλe/2の整数倍の長さでは、同一のインピーダンスが並列に接続される構成になるので、この原理を使って、図16(b)に示すように実効線路長1が波長λe離れた所にNo.2スロットS2に配置し、スロット部が2個平列に接続されたインピーダンスを持つ、即ちZS/2で整合をとれればNo.1スロットS1とNo.2スロットS2は同一の効果を持つスロットとして動作し、かつ正面Z軸方向には同相のスロットとして励振されるので、単体スロットの時の指向性より3dB近くのアンテナ利得を稼ぐことができるため、VSWRの劣化と反射による損失はこの場合小さい。ICや給電部の位置を少しずらして整合を取ることもできる。また、スロットを同じ条件で追加しても並列にスロット部が接続されるだけである。これが伝送線路を用いる大きな利点の一つである。 However, whether the characteristic impedance Z O is large or small, the same impedance is connected in parallel at line lengths λe / 2, λe, 3λe / 2,... 2λe and a length that is an integral multiple of λe / 2. Because of this configuration, using this principle, as shown in FIG. If it is arranged in two slots S2 and has an impedance in which two slot portions are connected in parallel, that is, if matching is achieved at Z S / 2, No. 1 slot S 1 and No. 1 2 slot S 2 operate as a slot having the same effect, and since the front Z-axis direction are excited as in-phase slot, it is possible to earn 3dB near the antenna gain than the directivity of the case of a single slot The loss due to VSWR degradation and reflection is small in this case. It is also possible to achieve alignment by slightly shifting the position of the IC and the power feeding unit. Moreover, even if slots are added under the same conditions, only the slot portions are connected in parallel. This is one of the great advantages of using a transmission line.
No.1スロットS1とNo.2スロットS2が同相に給電され、かつ実効一波長の間隔で配置される場合は、図16(e)に示すようにZ軸方向のみでなくX軸方向の放射も多少伴うようになるが、気にならない放射である。 No. 1 slot S 1 and No. 1 2 slot S 2 is powered in-phase, and when placed at intervals of effective wave is so involving some also radiation in the Z-axis direction alone, not the X-axis direction as shown in FIG. 16 (e) This is radiation that does n’t matter.
つぎにスロットではなく、給電線路の間に給電部を接続し、電力を給電線内に集めて給電部に電力を供給する場合の例を図16(c)に示す。この場合には伝送線路のインピーダンスZOを適度な値に選び、充分にスロットに電力が供給できるようにインピーダンス整合が取れるように構成するとよい。 Next, FIG. 16C illustrates an example in which a power feeding unit is connected between power feeding lines instead of slots, and power is collected in the power feeding line to supply power to the power feeding unit. In this case, it is preferable that the impedance Z O of the transmission line is selected to an appropriate value so that impedance matching can be obtained so that power can be sufficiently supplied to the slot.
例えばスロットのインピーダンスZSを100Ωとすると、ZO=100ΩになるICや給電部の取付け位置は100/2=50Ωとなるので整合がとれる。インピーダンス整合のためλ/4波長線路でZic・Zs/2=ZO 2として給電線路を構成しても良い。 For example, assuming that the impedance Z S of the slot is 100Ω, the IC and the feeding portion where Z O = 100Ω are attached, and the mounting position is 100/2 = 50Ω. For impedance matching, the feed line may be configured as Zic · Zs / 2 = Z O 2 with a λ / 4 wavelength line.
また、スロット部の幅、長さ、および給電線路長xl、端部の線路長X、給電部周辺の整合回路によって、目的が達せられる。 Further, the purpose is achieved by the width and length of the slot portion, the feed line length x 1 , the line length X at the end, and the matching circuit around the feed portion.
図16(c)では、仮にNo.1スロットS1とNo.2スロットS2との間の空間長をλとしている。 In FIG. 1 slot S 1 and No. 1 The space length between the two slots S 2 is set to lambda.
図16(d)は3個のスロットが並列に接続されている場合を示す。3個のスロットS1,S2,S3の真中のスロット、左から2番目のスロットS2に給電部を取付けた場合は、左右のスロット、即ち1番目と3番目のスロットS1,S3は、平行板線路による伝送線路を介して給電され、前述のスロット配置と同じように実効長で一波長離れた距離に1番目のスロットS1も2番目のスロットS2も接続されているので給電部に対してはスロットが3個並列に接続されているのと同じ効果となり、スロット1個のインピーダンスをZsとすると3個の並列スロットにより1/3のインピーダンスとなり、IC3はZs/3インピーダンスで整合を取れば3個のスロットS1,S2,S3には平等に給電部の信号が分けられ、この信号が図16(d)や図16(i)に示すように同相となる方向に強い指向性を持つことになり、特性インピーダンスが低い薄い伝送線路による電力伝送でも、伝送線路との整合のことをあまり考慮しなくとも簡単にアンテナ利得(gain)の高い万能スロットアンテナを構成することができる。無論、放射抵抗が全部同一となるようにするため、伝送線路にトランスフォーマを構成しインピーダンス整合を取ればよい。 FIG. 16D shows a case where three slots are connected in parallel. When a power feeding unit is attached to the middle slot of the three slots S 1 , S 2 , S 3 and the second slot S 2 from the left, the left and right slots, ie, the first and third slots S 1 , S 3 is fed through a transmission line by a parallel plate line, and the first slot S 1 and the second slot S 2 are connected at a distance of one wavelength apart with an effective length in the same manner as the slot arrangement described above. Therefore, the effect is the same as when three slots are connected in parallel to the power supply unit. If the impedance of one slot is Zs, the impedance is 1 / due to the three parallel slots, and IC3 is Zs / 3. If matching is performed by impedance, the signals of the power feeding unit are equally divided into the three slots S 1 , S 2 , and S 3 , and these signals are in-phase as shown in FIGS. 16 (d) and 16 (i). In the direction Even in power transmission using a thin transmission line with low directivity and low characteristic impedance, a universal slot antenna with high antenna gain can be easily configured without much consideration for matching with the transmission line. Can do. Of course, in order to make the radiation resistances all the same, it is only necessary to configure a transformer on the transmission line to achieve impedance matching.
図16(e)には同相に励振されるスロットのZx面内の指向性である。スロットの両側の金属面が有限長であるので多少X軸方向、即ち正面Z軸方向から90°方向にも放射があり、かつ一波長で同相のスロットの励振があるので放射が発生する。Z軸方向の放射は、スロットが同相で励振されればスロット数に応じた係数となるが、一波長毎に同相のスロットが配列されるとX軸方向にも放射が加算される。 FIG. 16E shows the directivity in the Zx plane of slots excited in the same phase. Since the metal surfaces on both sides of the slot have a finite length, there is some radiation in the X-axis direction, that is, 90 ° direction from the front Z-axis direction, and radiation occurs because there is excitation of the in-phase slot at one wavelength. The radiation in the Z-axis direction has a coefficient corresponding to the number of slots if the slots are excited in the same phase, but if the in-phase slots are arranged for each wavelength, the radiation is also added in the X-axis direction.
図16(f)には、λ/2波長スロットが1個の場合で、金属面内のX軸方向の全長、即ち2Xがλ/2波長から一波長長い場合のZ,X軸面内の指向性でZ軸方向に最大の放射を行う。−Z軸方向と±X軸方向には金属面が有限長であるためスピルオーバーする放射が行われる。 FIG. 16 (f) shows the case where there is one λ / 2 wavelength slot, and the total length in the X-axis direction in the metal surface, that is, in the Z and X-axis surfaces when 2X is one wavelength longer than λ / 2 wavelength. Radiates with maximum directivity in the Z-axis direction. In the −Z-axis direction and the ± X-axis direction, since the metal surface has a finite length, radiation that spills over is performed.
図16(g)には4個のスロットが配列されている場合を示す。ICまたは給電部はZ02の特性インピーダンスを持つ2番目の伝送線路で線路のほぼ中央部にM2とM5の金属面の間に接続されている。金属面M2には左右に一つずつ窓となる開放端OEがあり、この部分が1番目の伝送線路の給電点FPとなっている。 FIG. 16G shows a case where four slots are arranged. IC or power supply unit is connected between the metal surface of the M 2 and M 5 in a substantially central portion of the line in the second transmission line having a characteristic impedance of Z 02. The metal surface M 2 has an open end OE of the one by one window to the left and right, this portion has a feeding point FP of the first transmission line.
この4個のスロットS1,S2,S3,S4が同相に励振されるので、受信の場合は受信エネルギーが伝送線路を介して給電部に同相に供給される場合の例を示す。即ち、No.1スロットS1、No.2スロットS2、No.3スロットS3、No.4スロットS4で受信された電力は第一層目のZo1伝送線路を介して伝送され、更に第2層目のZo2の伝送線で同相に集められ、Zo2の線路間に接続された給電部に印加、供給されるように構成する。図16(h),(k)にはその伝送線路の断面図を示す。第2層目から第1層目への給電部Fは開放端OEでもスリット等の切り欠きでもよい。図16(a)の場合のように単に並列に接続されるようにスロットの配列を行っても良い。 Since these four slots S 1 , S 2 , S 3 , S 4 are excited in the same phase, in the case of reception, an example in which the received energy is supplied in the same phase to the power feeding unit via the transmission line is shown. That is, no. 1 slot S 1 , No. 1 2 slots S 2 , No. 2 3 slots S 3 , No. 3 The power received in the 4 slot S 4 is transmitted through the first-layer Zo 1 transmission line, collected in the same phase by the second-layer Zo 2 transmission line, and connected between the Zo 2 lines. The power supply unit is configured to be applied and supplied. FIGS. 16H and 16K are cross-sectional views of the transmission line. The feeding part F from the second layer to the first layer may be an open end OE or a notch such as a slit. The slots may be arranged so that they are simply connected in parallel as in the case of FIG.
図16(h)や(k)には給電部は線路間に接続されたが、後述のように線路のスロットSや開口端部OEに接続してもよい。図16(h)には4個のスロットS1,S2,S3,S4が同相で励振された場合、かなりの指向性が得られ、単体のスロットの場合より、指向性利得が5〜6dB高く得られる場合を示す。本発明の万能スロットアンテナの利得はダイポールに比べ3〜5dB高いので全体で10dB近く利得が上がり、製品や場所の管理が容易にできるようになる。 In FIGS. 16H and 16K, the power feeding unit is connected between the lines, but may be connected to the slot S of the line or the open end OE as described later. In FIG. 16 (h), when the four slots S 1 , S 2 , S 3 , S 4 are excited in the same phase, considerable directivity is obtained, and the directivity gain is 5 as compared with the case of a single slot. The case where -6 dB is obtained is shown. The gain of the universal slot antenna of the present invention is 3 to 5 dB higher than that of the dipole, so that the gain is increased nearly 10 dB as a whole, and the management of products and places can be easily performed.
図16(k)にはスロットSからの放射指向性を、正面のZ軸方向ではなく斜方向、Z軸方向よりθ1方向に傾いて放射させたり受信させたりする位相差給電の場合を示す。 The radiation directivity of the slot S in FIG. 16 (k), shows the case of a Phased to or oblique, to receive or to emit inclined in theta 1 direction than the Z-axis direction rather than the Z axis direction of the front .
これにより、垂直な平面に万能アンテナを取付けても斜め上方と通信ができたりするので、固定アンテナが真横になくても天井や斜め上方からのアンテナ(USA)と通信することが可能となる。指向性の組み合わせについてはアンテナの組み方であるので、ここでは一例にとどめる。 Thereby, even if a universal antenna is mounted on a vertical plane, communication can be performed diagonally upward, and therefore, communication with an antenna (USA) from the ceiling or diagonally upward is possible even if the fixed antenna is not directly beside. Since the combination of directivities is a way of assembling antennas, only an example is given here.
図16(k)の放射指向性の場合、例えばスロットS1を中心としてスロットS2はδだけ遅れ、給電を行いスロットS3は2δ、スロットS4は3δだけ遅れ、給電を行ったとする。夫々のスロットのX軸方向の空間の間隔を同じにする。 For radiation directivity in FIG 16 (k), for example, slot slot S 2 around the S 1 is delayed by [delta], the slot S 3 performs feeding 2.delta., Slot S 4 is delayed by 3Deruta, and was powered. The space spacing in the X axis direction of each slot is made the same.
スロットの配列間隔が異なった場合には、それだけの位相補償を行えばよい。スロットや給電部のインピーダンス整合についてはインピーダンス整合回路や端部条件を考慮して行うと良い。 When slots are arranged at different intervals, it is sufficient to perform phase compensation accordingly. The impedance matching of the slot and the power feeding unit may be performed in consideration of the impedance matching circuit and the end condition.
図16(i)には、図16(g),(h)の配列スロットによるZX平面内の指向性でZ軸方向に対し強い利得を持つスロットアンテナを示している。スロットと給電部のインピーダンス整合については、スロットの特性インピーダンスZ01,Z02の大きさや線路長等を考慮して設計を行わなければならない。 FIG. 16 (i) shows a slot antenna having a strong gain in the Z-axis direction with directivity in the ZX plane by the arrangement slots of FIGS. 16 (g) and 16 (h). The impedance matching between the slot and the power feeding unit must be designed in consideration of the size of the characteristic impedances Z 01 and Z 02 of the slot, the line length, and the like.
線路の特性インピーダンスZ01やZ02と関係なく、即ち線路インピーダンスが低い場合でも、図16(j)のような線路長でスロット同士を接続すると、第1線路の特性インピーダンスZ01や第2線路の特性インピーダンスZ02とに関係なく、つぎのようなインピーダンス関係が成立し、給電部が接続される給電点がスロット1個のインピーダンスZsとなることを示している。即ち、スロット1個に対する給電部の抵抗ZICとの整合を行ったと同じ方法により整合を行えば良いことを示している。 Regardless of the characteristic impedance Z 01 or Z 02 of the line, that is, even when the line impedance is low, if the slots are connected with the line length as shown in FIG. 16 (j), the characteristic impedance Z 01 or the second line of the first line regardless the characteristic impedance Z 02 of the impedance relationship is established as follows, feeding point feeding portion is connected indicates that the slot one impedance Zs. That is, it is shown that matching may be performed by the same method as that for matching with the resistance Z IC of the power feeding unit for one slot.
これを説明すると、スロットS1とスロットS2を線路の電波長でλe/4波長、即ちλe/4の長さだけ離して接続し、この中心部のインピーダンスZFP1は両側のスロットに接続されているので1/2となり、ZFP1=Z01 2/2Zsとなる。 To explain this, .lambda.e / 4 wavelength slot S 1 and slot S 2 in Telecommunications length of the line, i.e. .lambda.e / 4 of apart by a length and connected, the impedance Z FP1 of the central portion is connected to each side of the slot Therefore, it becomes 1/2, and Z FP1 = Z 01 2 / 2Zs.
また、スロットS3とスロットS4についても同様の電波長で構成されているため、ZFP2=Z01 2/2Zsとなる。 Further, since the slot S 3 and the slot S 4 are also configured with the same electric wavelength, Z FP2 = Z 01 2 / 2Zs.
更に、電波長で1/4波長離れた第2線路の左側の給電部FP3については、つぎの式が成立する。 Furthermore, the following equation is established for the power feeding unit FP3 on the left side of the second line that is a quarter wavelength away from the electric wavelength.
ZFP3=Z02 2/ZFP1=2Zs・Z02 2/Z01 2
尚、特性インピーダンスZ01とZ02が同じ構造であればZ02 2/Z01 2=1となり給電点FP3のインピーダンスは、ZFP3=2Zsとなる。
Z FP3 = Z 02 2 / Z FP1 = 2Zs · Z 02 2 / Z 01 2
If the characteristic impedances Z 01 and Z 02 have the same structure, Z 02 2 / Z 01 2 = 1, and the impedance of the feeding point FP3 is Z FP3 = 2Zs.
同様に第2線路の右側の給電部FP4においても、つぎのような式が成立する。 Similarly, the following equation is also established in the power supply unit FP4 on the right side of the second line.
ZFP4=Z02 2/ZFP2=2Zs・Z02 2/Z01 2
同様にZ02=Z01とすると、給電点FP4のインピーダンスも、ZFP4=2Zsとなる。
Z FP4 = Z 02 2 / Z FP2 = 2Zs · Z 02 2 / Z 01 2
Similarly, assuming that Z 02 = Z 01 , the impedance of the feed point FP4 is also Z FP4 = 2Zs.
第2線路内の左側の第3給電点FP3と右側の給電点FP4におけるインピーダンスZFP3とZFP4が求まった。この各給電部より電波長で1/2波長、即ちλe/2離れた中心部の第5給電点FP5では左側のインピーダンスは1/2波長の線路のインピーダンスであるので、同一のインピーダンスが得られるので左側を足したインピーダンスは2Zsとなり、同給電点に対して右側をみたインピーダンスも同様に2Zsとなるので、この給電点FP5では、左右並列に2Zsのインピーダンスが接続されているのと同じとなるので、ZFP5=2Zs/2=Zsとなる。 Impedances Z FP3 and Z FP4 at the left third feed point FP3 and the right feed point FP4 in the second line were obtained. At the fifth feed point FP5 in the central portion that is ½ wavelength in electrical wavelength from each of the feed portions, that is, λe / 2, the left impedance is the impedance of the ½ wavelength line, so the same impedance is obtained. Therefore, the impedance when the left side is added is 2Zs, and the impedance when the right side is viewed with respect to the same feeding point is also 2Zs. Therefore, at this feeding point FP5, the impedance is the same as that of 2Zs being connected in parallel on the left and right. Therefore, Z FP5 = 2Zs / 2 = Zs.
即ち、先に説明したように同じ特性インピーダンスZ01とZ02が同一であれば、その大きさに限らず線路長を合わせるだけでインピーダンス整合を簡単に行い、4段配列のスロットアレイを組むことができる。 That is, as described above, if the same characteristic impedances Z 01 and Z 02 are the same, impedance matching is simply performed by matching the line length, not limited to its size, and a four-stage slot array is formed. Can do.
Z02/Z01の比あるいはZ02 2/Z01 2の比を用いることにより更にスロットの抵抗成分Zsと給電部の抵抗成分ZICの整合を取ることもできる。 By using the ratio of Z 02 / Z 01 or the ratio of Z 02 2 / Z 01 2 , it is possible to further match the resistance component Zs of the slot and the resistance component Z IC of the power feeding unit.
つぎに、X軸方向のスロットアレイ配列の直角方向のZ軸方向の放射を最大にするのではなく、図16(k),(l)で述べたようにスロットを励振する電界や電流に位相差をつけZ軸方向より図16(m)のような指向性のθ1方向に斜めの放射を最大にする方法について述べる。 Next, instead of maximizing the radiation in the Z-axis direction perpendicular to the X-axis slot array arrangement, the electric field or current exciting the slot is affected as described in FIGS. 16 (k) and 16 (l). the directivity of the theta 1 direction oblique radiation, such as FIG. 16 (m) than the Z-axis direction with the phase difference will be described how to maximize.
万能スロットアンテナが並列に取付けられたり、水平に取付けられたりするとき、これを送受信するアンテナが真横にあったり、真上にあったりするとは限らない。即ち、アンテナの指向性が斜めを向いていた方が好都合な場合があり、またこの一定の方向に放射があるように構成した方が便利な場合がある。 When universal slot antennas are mounted in parallel or horizontally, the antenna for transmitting and receiving them is not always beside or directly above. In other words, it may be more convenient for the antenna directivity to be oblique, and it may be more convenient to configure the antenna so that there is radiation in a certain direction.
図16(k)には給電点FP1に対してスロットS1とスロットS2は等距離にはなく、スロットS1よりスロットS2の方が距離xが長く、遅れて給電されることになる。即ち、給電部から発せられた信号は給電点FP1より左右に分かれて伝播するとき、スロットS1に早く到達し、スロットS1の方を早く励振する。スロットS2の方がδ=βXssinθ1だけ遅れて励振されるとする。するとスロットS1からの放射電波は先に進むので、スロットルS2から放射される電波は後から放射されるので同相となる電波は右側にずれた所で同相となる。 Figure 16 (k) slots S 1 and slot S 2 with respect to the feeding FP1 in is not equidistant, it from the slot S 1 in slot S 2 is the distance x is longer, will be powered with a delay . That is, the signal emitted from the power when propagating divided into right and left from the feed point FP1, reached early in slot S 1, excited quickly towards the slot S 1. Assume that slot S 2 is excited with a delay of δ = βX s sin θ 1 . Then since radio wave radiated from the slot S 1 is proceeding, radio waves radiated from the throttle S 2 is the radio waves in phase so emitted from later in phase where shifted to the right.
給電点FPは、左側ではスロットS1とスロットS2とのほほ中央にあり、右側ではスロットS3とスロットS4のほぼ中央にあり、左右に分かれて同じ距離に位置するので各スロットには同相で励振されることになる。受信で考えると同相で入って来た信号や電波は同相で給電点FPに集まり、この給電点FPを介して第二層に取付けられた給電部に同相で電力を供給することができる。 Feed point FP is on the left side is in the cheek center of the slot S 1 and slot S 2, on the right side is in substantially the center of the slot S 3 and the slot S 4, since the position the same distance is divided into right and left on each slot It will be excited in the same phase. Considering reception, signals and radio waves that have entered in the same phase gather at the feeding point FP in the same phase, and power can be supplied in phase to the feeding unit attached to the second layer via the feeding point FP.
スロットS1の左側、スロットS2の右側は、ほぼ電気長でλe/4で短絡されている。スロットS3、スロットS4についても同様である。夫々の端部は無限大インピーダンスとなり、それ以上電波は伝播せずスロットに全電力が給電される。 The left side of the slot S 1 and the right side of the slot S 2 are short-circuited by λe / 4 in terms of electrical length. The same applies to the slot S 3 and the slot S 4 . Each end has an infinite impedance, and no further radio waves propagate, and all power is supplied to the slot.
スロットS1とスロットS2とがθ1方向で位相が合うと同時にスロットS3とスロットS4はθ1方向で位相が合わなければならない。そしてスロットS1、スロットS2、スロットS3、スロットS4から放射された電波が総てθ方向で位相がそろわなければならないので、等間隔にスロットが配置されていたとすれば各スロットを励振する電圧や電流の位相はδだけずれていかなければならず、図16(k)に示すように、給電部即ち信号発生部を基準にして、左X11の距離に第1給電部があり、右にX11+2δの距離に第2給電部があるように構成しておけば、スロットS1に対しスロットS2はδの位相差で給電され、スロットS3は2δの位相差でされ、スロットS4は3δの位相差で給電されることは、図をみて理解できる。即ち伝送線路による電波の伝送距離をうまく使い、位相差給電を行う場合を示す。受信の場合も各スロットにδづつずれた位相の電波が到着した場合でも電波の伝送距離の違いを利用して給電部の接続点では同相になるように伝送路の内部で位相調整を行えることを示している。これにより図16(m)のように右側にθ1°傾いた指向性とするためスロット配列間隔Xsの正弦長sinθ1、即ちXs・Sinθ1によって生ずる位相差δ=βXs・sinθ1の位相を内部の伝送線路で補償すれば良い。 Slot S 1 and slot S 2 and the slot S 3 and at the same time in phase with each in the theta 1 direction slot S 4 must match the phase at theta 1 direction. Since all the radio waves radiated from the slot S 1 , the slot S 2 , the slot S 3 , and the slot S 4 must have the same phase in the θ direction, if the slots are arranged at equal intervals, the slots are excited. voltage and current of a phase that has to unless we shifted by [delta], as shown in FIG. 16 (k), based on the power supply unit or signal generator, there is a first feeding portion to the distance of the left X 11 If, on the right side, the second feeding unit is located at a distance of X 11 + 2δ, the slot S 2 is fed with a phase difference of δ with respect to the slot S 1 , and the slot S 3 is fed with a phase difference of 2δ. it slot S 4 is fed with a phase difference of 3δ can be understood from FIG. That is, the case where the transmission distance of the radio wave by the transmission line is used well and phase difference feeding is performed is shown. Even in the case of reception, even if a radio wave with a phase shifted by δ arrives at each slot, the phase adjustment can be performed inside the transmission line so that the phase at the connection point of the power feeding unit is in phase using the difference in radio wave transmission distance Is shown. This by a phase difference δ = βXs · sinθ 1 phase caused by the sine length sin [theta 1, i.e. Xs · sin [theta 1 slot arrangement interval Xs to the theta 1 ° tilted directivity to the right as shown in FIG. 16 (m) What is necessary is to compensate by an internal transmission line.
放射指向性の簡単なベクトル計算行うとつぎのようになる。
E(θ)=F(θ){1+e-jβXs(sinθ-sinθ1)+e-j2βXs(sinθ-sinθ1)+e-j3βXs(sinθ-sinθ1)}
=F(θ)・{1−e-j4βXs(sinθ-sinθ1)}/{1−e-jβXs(sinθ-sinθ1)}
=F(θ)・sin{4βXs・sin(θ−θ1)/2・cos(θ−θ1)/2}
この式から、θがθ1に近い所では、
sin(θ−θ1)/2=(θ−θ1)/2
となり、
E(θ)=F(θ)・{4βXs・(θ−θ1)/2}/{βXs・(θ−θ1)/2}
=4
となり、θ=θ1で最大値を示すことが分かる。
A simple vector calculation of radiation directivity is as follows.
E (θ) = F (θ) {1 + e −jβXs (sinθ− sinθ1) + e −j2βXs (sinθ−sinθ1 ) + e −j3βXs (sinθ−sinθ1) }
= F (θ) · {1-e− j4βXs (sinθ−sinθ1) } / {1-e− jβXs (sinθ−sinθ1) }
= F (θ) · sin {4βXs · sin (θ−θ 1 ) / 2 · cos (θ−θ 1 ) / 2}
From this equation, where θ is close to θ 1 ,
sin (θ−θ 1 ) / 2 = (θ−θ 1 ) / 2
And
E (θ) = F (θ) · {4βXs · (θ−θ 1 ) / 2} / {βXs · (θ−θ 1 ) / 2}
= 4
Thus, it can be seen that θ = θ 1 indicates the maximum value.
図16(l)には線路間に給電部を接続するのではなく、金属面間に給電部を接続する第3金属面M5にスロットSを切るか開放端OEも切り、ここに給電部3を接続する場合を示す。この場合には更に下方に金属面M6を要する。前述の図16(c)においても同様な方式が可能である。 Instead of connecting the feeding portion between the lines in FIG. 16 (l), also cut open end OE or the third metal surface M 5 for connecting the feeding portion between the metal surface cuts a slot S, wherein the power source The case where 3 is connected is shown. Further requires metal surface M 6 downward in this case. A similar method is also possible in FIG.
つぎに、図16(o),(p)には、ハ字またはT字にスロットS1,S2を金属面M1の端部から約λe/4波長の間隔で配列することで、円偏波を発生させる場合を示す。 Next, in FIGS. 16 (o) and (p), slots S 1 and S 2 are arranged in a letter C or a letter T at intervals of about λe / 4 wavelength from the end of the metal surface M 1. The case where polarization is generated is shown.
図16(o)には、ハ字またはT字にスロットS1,S2の距離をXだけ離して強制的に直角に配列し、夫々のスロットには給電線(50Ω同軸ケーブル)で90°の位相の遅れあるいは進みの位相差をかけて夫々に給電することで、右廻りまたは左廻りの円偏波の電波を放射させる場合を示す。スロットS1,S2は、平行伝送線路に対し斜めに配置されるが、夫々のスロット中心部から金属面M1の端部まで電気長で約λe/4波長離れた位置に短絡金属面M3,M4があり、基本的にはスロットがY軸方向に切られている場合と同じように、電気長でλe/4波長で短絡金属面M3,M4を動作させることができる。 In FIG. 16 (o), the slots S 1 and S 2 are forcibly arranged at right angles by separating the distance between the slots S 1 and S 2 by X, and each slot has a feed line (50Ω coaxial cable) of 90 °. This shows a case where a clockwise or counterclockwise circularly polarized radio wave is radiated by supplying power to each with a phase delay or a phase difference of. Although the slots S 1 and S 2 are arranged obliquely with respect to the parallel transmission line, the short-circuit metal surface M is located at a position that is about λe / 4 wavelength away from the center of each slot to the end of the metal surface M 1. 3 , M 4 , and basically, the short-circuited metal surfaces M 3 , M 4 can be operated with an electrical length of λe / 4 wavelength as in the case where the slot is cut in the Y-axis direction.
図16(p)には、左側のスロットS1にのみ給電し、右側のスロットS2には平行板伝送線路の伝送線路を用いて給電する構成である。図に示すようにスロットS1,S2の距離を電気長でλe/4波長だけ離し、スロットS2には90°の位相差をつけた電力が給電されることで円偏波を放射させる場合を示している。図16(p)の場合は、送信側から見て右廻りの円偏波となり、左廻りの円偏波にする場合は、ハ字を逆さにすればよい。 FIG 16 (p), and feeding only the left side of the slot S 1, on the right side of the slot S2 as a configuration to power using the transmission line of the parallel plate transmission line. As shown in the figure, when the distance between the slots S 1 and S 2 is separated by λe / 4 wavelength in terms of electrical length, and circularly polarized light is radiated by supplying power with a phase difference of 90 ° to the slot S 2 Is shown. In the case of FIG. 16 (p), the circularly polarized wave is clockwise when viewed from the transmission side, and when the circularly polarized wave is counterclockwise, the letter C may be reversed.
図17(a),(b)には携帯電話の表面に、本発明の薄型の万能スロットアンテナ1を取付ける場合を示す。携帯電話の周波数は、900MHz帯や1400MHz帯、1600MHz帯等の夫々キャリアによって分けられているので、夫々のキャリアや周波数に合わせたアンテナを取付ければよいので特定はしない。また、2.45GHz帯のLANやブルートゥス、TV等の電波が受信できるアンテナの要求があり、金属面が多く使用されている環境において、薄くて小型軽量のスロットアンテナは最適である。スマートフォン等も液正面の反対側は金属のシャーシの上にアンテナを載せなければならず、金属カバーを用いているものは、この金属カバーをアンテナの一部として利用することもできる。
FIGS. 17A and 17B show a case where the thin
最近電波による目や脳への障害が話題となっており、ダイポールアンテナや一枚の金属板を利用した無指向性アンテナより、内側には殆んど放射がない本発明の万能スロットアンテナ1は最適である。図17(a)には液晶の裏の金属部に垂直偏波アンテナ(V.P.A)を取付けている場合で、点線が平行板線路部でH部がスロットアンテナである。図17(b)は上側が垂直偏波アンテナ(V.P.A)と、下側が水平偏波アンテナ(H.P.A)を組み合わせた場合を示す。
Recently, damage to eyes and brain due to radio waves has become a hot topic, and the
つぎに、本発明の万能スロットアンテナ1を用いた通信システムについて述べる。図18には、パーソナルコンピュータ(PC)の蓋部、液晶面の裏面の金属面に万能スロットアンテナを構築する例で、Wi−Fi、Wi−Max、ブルートゥス、無線LAN、携帯電話、TV等各種の無線のアンテナを、筐体側面やPC本体の底面に設置することができる。スカイプ以外にも携帯電話がPCに入っていた場合でも、このアンテナを用いることができる。
Next, a communication system using the
最近ではテーブルに放射をしない、漏洩型のシートによる結合アンテナが机に取付けられており、無線LANの通信が可能な所もある。このような所では、底面にアンテナを取付けた方が、より伝送シートとの結合が取れる場合がある。図18(a)には水平偏波アンテナ(H.P.A)と垂直偏波アンテナ(V.P.A)の二種類を配置した場合と、図18(b)には水平偏波アンテナ(H.P.A)が二種類、垂直偏波アンテナ(V.P.A)が三種類を配置した場合を示す。 Recently, a coupling antenna using a leaky sheet that does not radiate the table is attached to a desk, and there is a place where wireless LAN communication is possible. In such a place, when the antenna is attached to the bottom surface, the coupling with the transmission sheet may be more possible. 18A shows a case where two types of a horizontally polarized antenna (HPA) and a vertically polarized antenna (VPA) are arranged, and FIG. 18B shows a horizontally polarized antenna. The case where two types (HPA) and three types of vertically polarized antennas (VPA) are arranged is shown.
図19にはカメラのボディに万能スロットアンテナ1を取付けた場合を示す。これにより自動的にカメラのIDや、カメラのデジタルデータを送受信することもでき、更にカメラの管理や所在管理をおこなうことができる。
FIG. 19 shows a case where the
図20は万能スロットアンテナ1をスロットアレイアンテナとして構成する場合の例で、ICタグ等が上に載せられている場合に、X軸方向の電界Exや、Y軸方向の電界Eyを励振する方法を示す。
FIG. 20 shows an example in which the
図20(a),(b)の斜視図では、2本の線路に約1波長置きにスロットを配列し、途中にλ/4波長離れたハ字あるいはT字のスロットSを並べて、このハ字あるいはT字のスロットSにより、X軸方向やY軸方向に電界Ex,Eyを作る方法である。但し、連続した何の場所でも、電界Ex,Eyを発生させる方式は、図20(a),(b)に示すように1/2波長スロットをλ/4波長ずらして2列以上並べると、電界Ex,Eyは何の場所でも途切れずに発生させることができ、棚に置くセンサアンテナとしても使用することができる。また、金属棚の上に直にスロットアレイアンテナを置ける特徴がある。 In the perspective views of FIGS. 20 (a) and 20 (b), slots are arranged at intervals of about one wavelength on two lines, and half-shaped or T-shaped slots S separated by λ / 4 wavelength are arranged in the middle. This is a method of creating electric fields Ex and Ey in the X-axis direction and the Y-axis direction by means of the letter S or T-shaped slot S. However, the method of generating the electric fields Ex and Ey in any continuous place is as follows. When the half-wave slots are shifted by λ / 4 wavelengths and arranged in two or more rows as shown in FIGS. 20 (a) and 20 (b), The electric fields Ex and Ey can be generated without interruption at any place and can be used as a sensor antenna placed on a shelf. Another feature is that the slot array antenna can be placed directly on the metal shelf.
図20(c)には、2列に並んだ棚用スロットセンサーアンテナの給電部を示す。最初のスロットに給電し電力を右に伝送させながら、スロットSに給電を行う場合を示す。真中のスロットに給電をし、両側に伝送させる方式でもよい。その場合には、図20(c)の側面の金属面M3は不要となり、最後の両端のスロットSの傍に取付けられることになる。 FIG. 20 (c) shows the power feeding portions of the slot sensor antennas for shelves arranged in two rows. The case where power is supplied to the slot S while supplying power to the first slot and transmitting power to the right is shown. A method may be used in which power is supplied to the middle slot and transmitted to both sides. In that case, the metal surface M 3 aspect shown in FIG. 20 (c) is not required, will be mounted near the slot S of the last two ends.
図20(d)には、同軸線路、ストリップライン(Strip Line)、トリプレート(Triplate)線路の断面の側面構造を示す。給電部は同軸で示してきたが、ストリップライン、またはトリプレート等を用いてもよく、これらの線路を用いてまた整合用のトランスフォーマを同時に作ってもよい。 FIG. 20D shows a side structure of a cross section of a coaxial line, a strip line, and a triprate line. Although the feeding portion has been shown as being coaxial, a strip line, a triplate, or the like may be used, and a matching transformer may be simultaneously formed using these lines.
図20(e)には、線路ZOに1波長置きにスロットの放射インピーダンスZsが挿入されるとき、λ/4波長離れた位置に、更に同一のスロット放射インピーダンスZsが挿入されると、線路内で同一の大きさ反射を起こし、λ/4波長離れているため往復でλ/2波長となり、反射が打ち消されて、反射のない線路を構築できる例を示す。 FIG 20 (e), when the radiation impedance Zs of the slot is inserted every one wavelength line Z O, the lambda / 4 wavelength away, further the same slot radiating impedance Zs is inserted, the line An example in which a reflection-free line can be constructed by causing reflections of the same magnitude within the range and being λ / 4 wavelengths away from each other, resulting in a λ / 2 wavelength in a round trip, and canceling the reflections.
従って適当なスロットとの結合や放射による減衰量をスロットの数に合わせて設計すれば、配列したスロットに全電力を供給でき、線路の反射も心配せずにこのような棚用の万能スロットアンテナの伝送線路を構築できる。 Therefore, if the coupling with an appropriate slot and the amount of attenuation by radiation are designed according to the number of slots, all the power can be supplied to the arranged slots, and the universal slot antenna for such a shelf without worrying about the reflection of the line. The transmission line can be constructed.
図20(f)は、上記の場合を示し図20(b)の場合のようにハ字またはT字形スロットSが、λ/4波長間隔で並べられ無反射線路が構築され、この線路がλ/2波長ずれて励振されて並列に並べられている場合を示す。従って、先にも述べたように何の位置でもスロットアンテナの上面では、X軸、Y軸方向共に電界Exおよび電界Eyが存在するため、何の方向に向いているタグが置かれても結合することができるセンサアンテナとすることができ、かつ無反射の線路とすることができる。スロット長は線路の長さによって定まり、スロットと線路との結合量と減衰量とが定まり、全スロットに均一に電力を送ることができる。 FIG. 20 (f) shows the above case, and as shown in FIG. 20 (b), the H-shaped or T-shaped slots S are arranged at λ / 4 wavelength intervals to construct a non-reflective line. A case where the laser beam is excited with a shift of two wavelengths and arranged in parallel is shown. Therefore, as described above, the electric field Ex and the electric field Ey exist in both the X-axis and Y-axis directions on the upper surface of the slot antenna at any position, so that any direction tag can be coupled. It can be set as a sensor antenna which can be made, and it can be set as a non-reflection line. The slot length is determined by the length of the line, and the coupling amount and attenuation amount between the slot and the line are determined, so that power can be sent uniformly to all slots.
また、スロットアンテナに結合する電力量を一様に分配するために、n個のスロットとすると1/nの電力の分配量となるように結合を定めればよい。これはスロットの長さによってほぼ定めることができる。即ち給電部に近い所のスロット長は短めに放射を少なくし、だんだん長くしてスロットと線路との結合量を増やし、最後のスロットで残りの電力全部放射させる方法をとればよい。 Further, in order to uniformly distribute the amount of power to be coupled to the slot antenna, the coupling may be determined so that the distribution amount of power is 1 / n when n slots are provided. This can be roughly determined by the length of the slot. In other words, the length of the slot near the power supply section should be shortened to reduce radiation, and gradually increase to increase the coupling amount between the slot and the line, and radiate all the remaining power in the last slot.
図20には、棚用にスロットアンテナの構成を用いたもので、上下の金属板の上面のみにスロットが切られており、左側の初めの給電スロットから伝送線路の電気長λeの内側の一波長λe/4離れた所では短絡され、右方は無限大インピーダンスとなるので右方のみしか電磁波は伝送されない。右方に伝送される電磁波は、上方のハ字スロットあるいはT字スロットを励振して棚の長さまで右方に伝送される。右方の最終端では同様に最終端スロットより電気長で約λe/4波長離れた線路の端部を短絡することにより、最終スロットの右方を無限大インピーダンスとして、これより右方には電波を伝送させないようにする。一列の伝送線路の上面に並ぶスロットの数をn個とする時、一列の伝送線路に加えられる電力をPとすると、各スロットで放射される電力をP/nとすることにより全電力は均等に放射される。 In FIG. 20, a slot antenna configuration is used for the shelf, and the slot is cut only on the upper surfaces of the upper and lower metal plates, and the inner part of the electrical length λe of the transmission line from the first feeding slot on the left side is shown. Short-circuited at a wavelength λe / 4 away, and the right side has an infinite impedance, so that electromagnetic waves are transmitted only to the right side. The electromagnetic wave transmitted to the right is transmitted to the right up to the length of the shelf by exciting the upper C-shaped slot or T-shaped slot. Similarly, by short-circuiting the end of the line that is about λe / 4 wavelength apart in electrical length from the final end slot at the right end, the right end of the final slot is set to infinite impedance, and the radio wave is transmitted to the right. Is not transmitted. When the number of slots arranged on the upper surface of a row of transmission lines is n, and the power applied to the row of transmission lines is P, the total power is equalized by setting the power radiated in each slot to P / n. To be emitted.
この方法については、スロットと伝送線路の結合係数をスロットの数nに変えることによって達成でき、最初に励振されるスロットはP/nの電力を放射し、つぎのスロットはP/n−1の電力を放射するように設計すればよい。具体的には最初はスロット長が1/2波長より小さめに設計し、あまり電力が放射されないようにして、徐々にスロット長を長くして最終段のスロット長は略1/2波長の共振スロットとして残りの全電力を放射できるように設計すればよく、この方式は円形偏波線路等で確立した技術となっている。 This method can be achieved by changing the coupling coefficient between the slot and the transmission line to the number of slots n, where the first excited slot radiates P / n power and the next slot is P / n−1. It may be designed to radiate electric power. Specifically, the slot length is initially designed to be smaller than 1/2 wavelength, so that less power is radiated, the slot length is gradually increased, and the final slot length is approximately 1/2 wavelength resonant slot. As long as it can be designed to radiate all the remaining power, this method has been established with a circular polarization line or the like.
棚の奥行によって、平行板線路の数を増やしたり、R/Wや通信機の送信電力を増やしたり、また別々に給電を行なうか、電力を分岐分配して給電を行なうかは、必要な電力や受信感度を得るための条件によって異なる。 Depending on the depth of the shelf, it is necessary to increase the number of parallel plate lines, increase the transmission power of R / W and communication equipment, or supply power separately, or distribute power by branching and distributing power. And the conditions for obtaining reception sensitivity.
本実施例では、二列の伝送線路に電力を二分岐して分配する方式を示している。図16のハ字スロットを多数設けた場合に相当するものである。 In the present embodiment, a system is shown in which power is divided into two branches and distributed to two rows of transmission lines. This corresponds to the case where a large number of C-shaped slots in FIG. 16 are provided.
棚アンテナの場合には、下方が金属棚であったり、木製であったりするが、本発明の万能スロットアンテナを用いることにより、何かような用途にも用いることができる。場合によっては、水平として用いられるのみでなく、垂直に用いる場合もある。 In the case of a shelf antenna, the lower part may be a metal shelf or wooden, but by using the universal slot antenna of the present invention, it can be used for any purpose. In some cases, it is not only used as horizontal but also used vertically.
一般に棚用のアンテナの上に商品が重ねられ、これにICタグが取り付けられているので、ICタグの向きは、Y軸方向に向いたり、X軸方向に向いたりするが、棚アンテナからは円偏波の電磁波が放射されるため、360°何れの方向を向いたICタグであっても電磁界で結合することができる。図20(a)の上に置かれているICタグ1,2は、一般の棒状タグであり、ICタグ3,4は金属面にスロットやスリットを切ったICタグ(USAT)の例を示している。棚アンテナの上にはプラスチックの金属(または樹脂)カバー(Cover)を載せており、直接ICタグや棚上の商品が金属製の棚アンテナに載せられることはない。 Generally, products are stacked on a shelf antenna and an IC tag is attached to the shelf antenna. Therefore, the IC tag is oriented in the Y-axis direction or the X-axis direction. Since circularly polarized electromagnetic waves are radiated, even an IC tag oriented in any direction of 360 ° can be coupled by an electromagnetic field. The IC tags 1 and 2 placed on FIG. 20A are general rod-shaped tags, and the IC tags 3 and 4 are examples of IC tags (USAT) in which slots and slits are cut on a metal surface. ing. A plastic metal (or resin) cover (Cover) is placed on the shelf antenna, so that IC tags and products on the shelf are not directly placed on the metal shelf antenna.
このように平行板線路の端部を短絡し、これに一番近いスロットアンテナとの距離を約1/4波長ずらしてアンテナを構成する所は、同様な方式と考えられる。 In this way, it is considered that the antenna is constructed by short-circuiting the end of the parallel plate line and shifting the distance from the nearest slot antenna by about ¼ wavelength.
然し乍ら、電力を伝送するためには、平行板線路の特定インピーダンスを少し大きめに作らなければならず、万能タグで構成するような0.5mm厚以下の伝送線路用いたのでは、特性インピーダンスが低くなりすぎるので、平王板線路の高さ(厚み)hは、5〜20mm程度の厚みが必要である。図16では、薄い平行板線路でも使える方式を説明したが、スロット数が増え電力を伝送することになる伝送線路の特性インピーダンスは数Ωから数拾Ω程度は望ましく、伝送損失も減り、整合回路も組みやすくなる。 However, in order to transmit electric power, the specific impedance of the parallel plate line must be made a little larger, and if a transmission line of 0.5 mm thickness or less such as a universal tag is used, the characteristic impedance is low. Since it becomes too much, the height (thickness) h of the Heio board line needs the thickness of about 5-20 mm. In FIG. 16, a method that can be used with a thin parallel plate line has been described. However, the characteristic impedance of the transmission line that increases the number of slots and transmits power is preferably several Ω to several pick-up Ω, the transmission loss is reduced, and the matching circuit is reduced. It becomes easy to assemble.
つぎに図21にはスロットの代わりにダイポールアンテナDAを追加して、X軸方向の電界Exを励振する方法を示している。ダイポールアンテナDAは金属棚や反射板から約0.2〜0.25波長離れて設置されている。従って上方Z軸方向に電界Ezを伴う電波が放射される。若し図21(c)のようにダイポールアンテナDAをハ字あるいはT字型に配列し、同様に1/4波長の間隔で伝送線路を励振するならば電界ExもEyも励振することができる。ここではダイポールでも構成できる棚用アンテナの例を示す。 FIG. 21 shows a method of exciting the electric field Ex in the X-axis direction by adding a dipole antenna DA instead of the slot. The dipole antenna DA is installed at a distance of about 0.2 to 0.25 wavelength from a metal shelf or a reflector. Accordingly, a radio wave with an electric field Ez is radiated in the upper Z-axis direction. If the dipole antenna DA is arranged in a C-shape or a T-shape as shown in FIG. 21C and the transmission line is similarly excited at intervals of ¼ wavelength, both the electric field Ex and Ey can be excited. . Here, an example of a shelf antenna that can be configured by a dipole is shown.
図21(b)にはダイポールアンテナDAが2本平行線路に接続され、1/4波長離れて一ユニットとして1波長おきに給電されている場合を示す。 FIG. 21B shows a case where two dipole antennas DA are connected to two parallel lines and are fed every other wavelength as a unit with a quarter wavelength apart.
例えば、アンテナはプリント基板にエッチングされて構成され、平行線路も同様に伴ってもよいし、別の基板に平行線路をエッチングし、これからアンテナと垂直な線路で接続を行ってもよいし、両面基板を用いて下面を平行線路、上面をアンテナ端子としてスルーホールと配線を同時に行う方法で作ってもよい。図12(b)では、ダイポールアンテナDAを2段に並べた例を示している。 For example, an antenna is formed by etching a printed circuit board, and a parallel line may be accompanied in the same manner. Alternatively, a parallel line may be etched on another board, and then a connection with a line perpendicular to the antenna may be performed. You may make by the method of performing a through-hole and wiring simultaneously by making a lower surface into a parallel track and using an upper surface as an antenna terminal using a board | substrate. FIG. 12B shows an example in which dipole antennas DA are arranged in two stages.
図21(d)には図21(b)の等価回路を示している。図に示す通り、1/4波長おきに同じインピーダンスZDが接続されているので、先の場合と同じように反射が打ち消されたダイポールアンテナに周期的に挿入されても、伝送線路のインピーダンスとの違いにより伝送線路に反射波が発生し、インピーダンス特性が遅れたり、電力伝送がうまく行かなかったり、不整合が発生したりすることはない。
FIG. 21 (d) shows an equivalent circuit of FIG. 21 (b). As shown in the figure, since the
図22には本発明の万能スロットアンテナ1(USA)を種々の物に取付けた場合に同定アンテナや固定リーダ、ハンディターミナル、無線LAN端末機能を備えたアンテナやリーダによって読み込まれ、記録されたり制御されたり、管理されたり、データ伝送管理されたりする場合を示している。 In FIG. 22, when the universal slot antenna 1 (USA) of the present invention is mounted on various objects, it is read by an identification antenna, a fixed reader, a handy terminal, an antenna or reader having a wireless LAN terminal function, and recorded or controlled. In this case, the data transmission, management, and data transmission management are illustrated.
図22(a)は管理を要する機器本体に直接取付けるもので、金属シャーシに取付ける場合、本発明の万能スロットアンテナ1(USA)を直接糊付けやビス止めする方法で、被取付機器を何もしないで取付ける方法と点線で示すように、機器に同じ大きさ以上のスロットSを切り、本発明の万能スロットアンテナ1をこの穴に合わせて取付ける場合を示す。直接金属面にスロットを切ることもできるし、本発明のあらかじめ作ったスロットアンテナを取り付けることもできる。
FIG. 22 (a) is for direct attachment to a device body that requires management. When attaching to a metal chassis, the universal slot antenna 1 (USA) of the present invention is directly glued or screwed to do nothing with the attached device. As shown by the dotted line and the method of mounting, the slot S of the same size or larger is cut in the device, and the
同じ大きさのスロットの場合には、できるだけ給電部の取付けられている金属面Mと接触している方がよい。そうでないと、機器のスロットSは無給電共振器として動作し、逆に本体の給電部が接続されているスロットSに対して放射を阻止する働きをする。また同じ大きさあるいは無線のように少し大きくしていないと、今度は本体スロットSの共振を崩す働きをする。若し、本体の万能スロットアンテナを絶縁されているならばスロットのインピーダンスは大きくて共振状態(同調状態)から外れ、万能スロットアンテナ1(USA)に妨害を与えないで済む。金属面一致の万能スロットアンテナ1を用いる時は、このような注意が必要である。機器に積んだ通信用機器ユニットと万能スロットアンテナを接続している。図に示すように機器のシャーシに直接スロットやスロットダイポールを切りこれに直接給電したり、ICのインレットを直接取り付けることもできる。図22(a)、(ロ)に示すように機器の内部の情報を載せるPCBのICの情報をICのインターフェースを持つICチップによるUHFタグの機能を用いて機器の内部情報をICを介して入手、管理することができる。例えば、記録情報、表示情報、正常・エラー等の情報、管理情報等を外部から取得できるので便利である。
In the case of slots of the same size, it is better to be in contact with the metal surface M to which the power feeding unit is attached as much as possible. Otherwise, the slot S of the device operates as a parasitic resonator, and conversely functions to block radiation to the slot S to which the power feeding unit of the main body is connected. If they are not the same size or slightly larger as in the case of radio, this time, the resonance of the main body slot S is broken. If the universal slot antenna of the main body is insulated, the impedance of the slot is so large that it deviates from the resonance state (tuned state), and the universal slot antenna 1 (USA) can be prevented from being disturbed. Such cautions are necessary when using the
上述の条件で取付けられている万能スロットアンテナと固定円偏波アンテナ(C.Ant)と通信を行い、固定用通信機器との間で通信を行う。PCで記録、制御する通信システムを示す。この場合、PC(パーソナルコンピュータ)に接続されたインターネットや専用回線でデータを伝送し、サーバでその記録管理をすることができる。円偏波アンテナは、ダイポールを十字に組み90度位相を加えた偏波アンテナや、ヘリカル面リングアンテナ、パッチアンテナや90°位相のハ字スロットによる円偏波アンテナであっても良いので特定しない。 Communication is performed with a universal slot antenna and a fixed circularly polarized antenna (C. Ant) mounted under the above-described conditions, and communication with a fixed communication device. The communication system which records and controls with PC is shown. In this case, data can be transmitted via the Internet or a dedicated line connected to a PC (personal computer), and the server can manage the recording. The circularly polarized antenna is not specified because it may be a polarized antenna in which dipoles are crossed and a 90-degree phase is added, a helical ring antenna, a patch antenna, or a circularly polarized antenna with a 90-degree C-shaped slot. .
また、専用の制御を行ったり、Zig Bee、Blue Tooth(登録商標)のような無線を用いたりローカルエリアネットワーク(LAN)等を構築するための制御器(Cont)が必要な場合には、破線で示す制御器とPCを設置して同様のネットワークを構築することができる。ターミナルとの通信は無線LAN(Wireless LAN)、WiFiを使い、データをすぐにホストコンピュータに送るようにすれば良い。 In addition, when a dedicated controller is used, a controller (Cont) for using a radio such as Zig Bee or Blue Tooth (registered trademark) or constructing a local area network (LAN) or the like is necessary, a broken line A similar network can be constructed by installing a controller and a PC. For communication with the terminal, wireless LAN (Wireless LAN) or WiFi may be used so that data is immediately sent to the host computer.
またタグのデータを、ハンディターミナルやリーダ機能の備わった携帯電話端末MPhで読み取り、データの収録を行うことができる。 The tag data can be read and recorded by a handy terminal or a mobile phone terminal MPh having a reader function.
図22(b)は車輌やトロッコに万能スロットアンテナ1(USA)を取付けた場合を示す。金属面を持つあらゆる機器や物体Mに本発明の万能スロットアンテナ1(USA)を取付け、この信号をハ字のスロットによる円偏波アンテナ(C.Ant)機能を備えた万能スロットアンテナ1(USA)と通信し、通信機を介して万能スロットアンテナ1(USA)が取付けられている機器との通信を行い、PCで記録や管理を行う通信システムを示している。 FIG. 22B shows a case where the universal slot antenna 1 (USA) is attached to a vehicle or a truck. Universal slot antenna 1 (USA) of the present invention is attached to any device or object M having a metal surface, and this signal is used as a universal slot antenna 1 (USA) having a circularly polarized antenna (C. Ant) function using a C-shaped slot. ), And communicates with a device to which universal slot antenna 1 (USA) is attached via a communication device, and performs recording and management with a PC.
左側に示す破線の部分は別に制御器(Cont)を備え、記録や制御を行う場合を示している。この場合はLANを組んだり、他の機器を制御したりする場合に用いることができる。また無線LANによるネットワークを利用してもよい。 A broken line portion on the left side shows a case where a controller (Cont) is separately provided to perform recording and control. In this case, it can be used when a LAN is constructed or other devices are controlled. Further, a wireless LAN network may be used.
制御器のプログラムはPCにより制御でき、またデータの転送も行うことができる。万能スロットアンテナを備えたUSAのデータは、通信機能機器等によって収録することも可能で、また制御器(Cont)やPCに備えられたリーダによってもデータの交換が可能である。PCはLANやインターネットに接続されているので、特定のサーバとの通信や記録、制御等の対応が可能となる。 The controller program can be controlled by a PC and can also transfer data. USA data provided with a universal slot antenna can be recorded by a communication function device or the like, and can be exchanged by a controller (Cont) or a reader provided in a PC. Since the PC is connected to the LAN or the Internet, it is possible to cope with communication, recording, control, and the like with a specific server.
従って、本発明の万能スロットアンテナ1を用いることによって、あらゆる物や人がネットワークのもとに管理することが可能となる。
Therefore, by using the
つぎに車や飛行機のような移動物や部品の管理や通信用に万能スロットアンテナ1(USA)を用い管理を行う場合を図23に示す。 Next, FIG. 23 shows a case where a universal slot antenna 1 (USA) is used for management and communication of moving objects and parts such as cars and airplanes.
図23に示すように、万能スロットアンテナ1(USA)は自動車や航空機に積みこまれている通信機との通信用アンテナとして、小型薄型軽量で構築できるので最適である。 As shown in FIG. 23, the universal slot antenna 1 (USA) is optimal because it can be constructed as a small, thin and light antenna as a communication antenna with a communication device mounted on an automobile or an aircraft.
図23(a)には、車両のボンネット、屋根、側面等に本発明の万能スロットアンテナ1(USA)を貼り付けて管理を行う場合を示し、同様に車の部品の管理も行うことができる。ブルドーザ、クレーン等の特殊車輌も車庫や、レンタル置き場からの出入、レンタル等の管理をするには最適である。また、駐車場の管理にも車両のみならず、出入り口に万能スロットアンテナ1(USA)を設置して管理を行い、今迄通信距離の問題で使えなかったRFIDとの通信等に使用できることになる。 FIG. 23 (a) shows a case where the universal slot antenna 1 (USA) of the present invention is attached to the hood, roof, side surface, etc. of the vehicle for management, and car parts can be similarly managed. . Special vehicles such as bulldozers and cranes are also optimal for managing entry / exit and rental from the garage and rental storage. In addition to managing the parking lot, the universal slot antenna 1 (USA) is installed at the doorway to manage the parking lot and can be used for communications with RFIDs that could not be used until now due to the problem of communication distance. .
図23(b)には、飛行機本体や飛行機の部品の管理に用いる場合を示している。飛行機の部品のメンテナンスでは使用時間制限等を厳重に行われなければならないが、装着したまま部品状態を検査できることで、部品の状態を把握する上で最適な管理が行える。また、万能スロットアンテナ1(USA)を設置する場所が、外部の空気抵抗を受けたりしないように軽くて薄いものでなければならない。万能スロットアンテナ1(USA)は、そのような目的のものには最適で、温度の高い所で用いる場合には絶縁体等や表面をセラミックで熱の遮断を行うこともできる。通信用の万能スロットアンテナ1(USA)により、飛行機本体と地上との通信用のスロットアンテナにも同じ抵抗が増えることなく使える特徴がある。 FIG. 23B shows a case where it is used for management of an airplane body and airplane parts. In the maintenance of airplane parts, it is necessary to strictly limit the use time, etc., but by checking the state of the parts while they are mounted, optimal management can be performed for grasping the state of the parts. The place where the universal slot antenna 1 (USA) is installed must be light and thin so as not to receive external air resistance. The universal slot antenna 1 (USA) is most suitable for such a purpose, and when used at a high temperature, the insulator or the like or the surface can be cut off with ceramic. With the universal slot antenna 1 (USA) for communication, the slot antenna for communication between the airplane body and the ground has the feature that it can be used without increasing the same resistance.
つぎに動物の管理とロケーションに、万能スロットアンテナ1(USA)を用いた場合を図24に示す。動物には万能スロットアンテナ1をバンド等で取付けている。長距離を移動する動物に発信機を取付け、移動を捕捉したり、追跡データを取ったり、習性を調査したりする場合のアンテナに最適である。
Next, FIG. 24 shows a case where the universal slot antenna 1 (USA) is used for animal management and location. The
一般に用いられているダイポールアンテナやモノポールアンテナは、その形状からエレメントが引っかかり易く動物の行動を制限する可能性が高いが、本発明の万能スロットアンテナ1(USA)は首や体に巻きつけて使用できるので、動物や鳥に悪影響を与えず、自然な形で使用することができる。 Generally used dipole antennas and monopole antennas tend to catch elements due to their shape, and there is a high possibility of restricting animal behavior, but the universal slot antenna 1 (USA) of the present invention is wrapped around the neck or body. Since it can be used, it can be used in natural form without adversely affecting animals and birds.
図24(a)には0.3〜1mm厚程度の可撓性(フレキシブル)な万能スロットアンテナ1の性質をいかして、曲面になるように丸めて用いる場合の実施例を示す。
FIG. 24 (a) shows an embodiment in the case of using the flexible
万能スロットアンテナ1を取付ける物体の曲面に合わせて、本発明の万能スロットアンテナ1を取付けられるように、万能スロットアンテナの両端Ed1とEd2にはバンド(Band)が取付くような加工が施されており、本発明の万能スロットアンテナ1を巻きつけるように構成する場合を示す。スロットSは、曲面の周に沿う方向に切られている場合を示し、従って電界Eは円筒形の軸方向(座標で言えばY軸方向)に励振され磁界Hは円周方向に励振され、放射電力は円筒の径方向に進むことになり、スロットが円筒の周囲にほぼ一様になるように放射をするのでそのような目的の場合に適している。金属体や人や動物等に巻きつけて用いる用途に適している。
In order to be able to mount the
スリットアンテナの両側の帯部の端に長穴が開けられ、バンドが通るように構成されており、バンドを通すことでかなり太い物体でも巻きつけることができる。この構造を生かして、本発明の万能スロットアンテナはタグとしても構成することができる。 Slots are formed at the ends of the band on both sides of the slit antenna to allow the band to pass through. Even a thick object can be wound by passing the band. Taking advantage of this structure, the universal slot antenna of the present invention can also be configured as a tag.
図24(b)には、図24(a)の場合と比較し電界と磁界が入れ換わるようにスロットSの方向が直角となって場合を示す。即ち電界の方向は円筒の周方向で磁界の方向が円筒の軸方向となり、円筒の半径方向に放射が行われる構造となる。
両側とも筒の軸方向の長さを短くしているが、充分な長さを持つように構成すれば、図24(a)のスロットSの電界や電流の励振距離も充分に得られるし、キャパシティブショートのような金属体に流れる電流を利用すれば、性能を落となく高性能な放射を行なうバンド形の万能スロットアンテナ1を構成できる。
FIG. 24B shows a case where the direction of the slot S is perpendicular so that the electric field and the magnetic field are interchanged as compared with the case of FIG. That is, the direction of the electric field is the circumferential direction of the cylinder, the direction of the magnetic field is the axial direction of the cylinder, and radiation is performed in the radial direction of the cylinder.
Although the length in the axial direction of the cylinder is shortened on both sides, if it is configured to have a sufficient length, the excitation distance of the electric field and current in the slot S of FIG. By using a current flowing through a metal body such as a capacitive short, a band-type
図24(b)のH形のスロットSのバンド形の万能スロットアンテナ1についても、円筒軸長が電界や電流の励振長となるので、この距離を充分に取る方がよい。円筒の軸方向の長さは、スロット長lにも関係するのである程度の長さ、例えば30〜50mm程度あった方がよい。
Also in the band-shaped
可撓性の薄い0.5mm厚程度の帯状の万能スロットアンテナ1が丸い物体に巻かれて取付けられる構造を示す。スロットSの端部には、更に金属部あるいはプラスチック部を連結して構成し、これを巻きつけるようにする。この帯部を巻きつけてもよいし、更にステンレスバンド、ナイロンバンド等で取付けられるように構成している。
1 shows a structure in which a flexible thin strip-shaped
図の説明は円筒形で説明しているが、円、楕円、平柱、三角、四角、多角等の帰属棒でも、水分を含む筒や動物であってもよい。 The description of the figure is in the form of a cylinder, but it may be a circle, an ellipse, a flat column, a triangle, a square, a polygon, etc.
図24(c1),(c2),(c3),(c4)には牛、鶏、豚等の家畜、犬、猫、鳥等のペット等の動物の体や首巻にきつけて万能スロットアンテナ1(USA)を取付ける場合を示す。 24 (c1), (c2), (c3), and (c4) are universal slot antennas that are attached to the body and neck of animals such as domestic animals such as cattle, chickens and pigs, and pets such as dogs, cats and birds. The case where 1 (USA) is attached is shown.
ゲートにおいて両面万能スロットアンテナ1(USA)を首に取付けるようにして動物の動行管理や出入り管理を、動物が近くを通った時に固定の万能スロットアンテナ1(USA)により円偏波アンテナ(C.Ant)が動物との通信やIDやデータを捕捉するので、所在管理や導線、動行管理、所在管理を自動的に行うことができる。 At the gate, the double-sided universal slot antenna 1 (USA) is attached to the neck to control the movement and entry / exit of the animal. When the animal passes nearby, the fixed universal slot antenna 1 (USA) uses a circularly polarized antenna (C Ant) captures communications with animals, IDs, and data, so location management, conductors, behavior management, and location management can be performed automatically.
以上、本発明の万能スロットアンテナを巻きつける構成の場合、スロットは曲面の周に沿う方向に形成することで、電界は円筒形の軸方向(座標で言えばY軸方向)に励振され磁界は円周方向に励振されるため、放射電力は円筒の径方向に進むことになり、スロットが円筒の周囲にほぼ一様に放射されるので、金属体や人や動物等に巻きつけて用いる用途に適した万能スロットアンテナを提供できる。 As described above, in the case of the configuration in which the universal slot antenna of the present invention is wound, the slot is formed in the direction along the circumference of the curved surface, so that the electric field is excited in the cylindrical axial direction (Y-axis direction in terms of coordinates) and the magnetic field is Because it is excited in the circumferential direction, the radiated power travels in the radial direction of the cylinder, and the slots are radiated almost uniformly around the cylinder. Can provide a universal slot antenna.
1 万能スロットアンテナ
2 スロット
3 給電部
4 基板(PCB,FPC)
5 基板の接続端子(給電部)
6 トランスフォーマ部
7 給電部との基盤の接続端子
8 給電部のリード端子
9 給電部のリード端子
10 絶縁体シート
11 スロット部の金属部より給電部への給電ピン
12 スロット部の金属部より給電部への給電ピン
13 スロット部の金属部より給電部への給電ピン
C キャパシタンス
CE 送受信機、R/W等
E 電界
Es スロットの電界
Esr スロットよりの放射電界
ET 平行板線路の電界
Er 放射電界
H 磁界
h 平行板線路の高さ(絶縁体の厚み)
IS スロットの励振電流
IC IC
IT 線路の電流
l スロット長
L インダクタンス
M 対象物の金属面
Ms スロットが切られている金属面
M1 表面の金属面
M2 タグの表面の次に来る金属面
M3 平行板線路の短絡用の金属面(側面の短絡面)
M4 平行板線路の短絡用の金属面(側面の短絡面)
M5 線路の表面の2番目の金属面
M6 線路の表面の3番目の金属面
M7 線路の表面の4番目の金属面
m1 スロット同士の相互結合係数
m2 スロット同士の相互結合係数
m3 スロット同士の相互結合係数
m4 スロット同士の相互結合係数
m5 スロット同士の相互結合係数
ms スロットを切ってある金属板
OE 平板線路の開放端(中心部)
PC パーソナルコンピュータ
Pf 伝送線路の端部への電力
Pr 端部からの反射電力
Ps スロットからの放射電力
R 抵抗値
R/W リーダライタ
S スロット
S1 第一面スロット
S2 第二面スロット(中間スロット)
S3 第三面スロット
V 電圧
VA 線路の給電部の電圧
VS スロットの電圧
VT 伝送線路の電圧
W 平行板線路幅(Y軸方向の金属面の幅)
W′ 平行板線路幅(Y軸方向の金属面の幅)
W″ 平行板線路幅(Y軸方向の金属面の幅)
X1 伝送線路の線路長(約λ/4)
X 平行板伝送線路の線路長(約λ/4)
ZS スロットのインピーダンス
ZA スロット部より線路の両端をみたインピーダンス
ZB 線路の端部のインピーダンス
ZO 特性インピーダンス
ε 物質の誘電率(=ε0・εr)
ε0 真空中の誘電率(=1/36π×109F/m)
εr 比誘電率
μ 物質の透磁率(=μ0・μr)
μ0 真空中の透磁率(=4π×10−7H/m)
μr 比透磁率
Vc 電磁場の伝搬速度(光速:1/√ε0・μ0=3×108)
ω スロット幅(=4ρ)
ρ ダイポールアンテナ棒半径
1
5 PCB connection terminals (feeding section)
6
Excitation current IC IC of I S slot
Short-circuit of I T line current l slot length L inductance M objects metal surface Ms slot comes next cut is to have a metal surface M 1 surface of the metal surface M 2 tag surface metal surface M 3 parallel plate line Metal side (short-circuit side)
M 4 metal surface for short-circuiting the parallel plate line (short-circuit surface of the side)
Mutual coupling coefficient m of mutual coupling coefficient m 2 slots each other between the fourth metal surface m 1 slot of the third metal surface M 7 line of the surface of the second metal surface M 6 lines of the surface of the surface of the M 5 lines Mutual coupling coefficient between 3 slots m Mutual coupling coefficient between 4 slots m Mutual coupling coefficient between 5 slots ms Metal plate OE with cut slots Open end (central part) of flat line
PC Personal computer Pf Power Pr to the end of the transmission line Reflected power Ps from the end Ps Radiated power from the slot R Resistance value R / W Reader / writer S Slot S 1 First surface slot S 2 Second surface slot (intermediate slot) )
S 3 Third surface slot V Voltage V A Line feed voltage V S Slot voltage V T Transmission line voltage W Parallel plate line width (width of metal plane in Y-axis direction)
W 'Parallel plate line width (width of the metal surface in the Y-axis direction)
W ″ parallel plate line width (width of the metal surface in the Y-axis direction)
Line length of X 1 transmission line (approximately lambda / 4)
X Line length of parallel plate transmission line (approximately λ / 4)
Z S slot impedance Z A slot impedance seen both ends of the line from Z B line permittivity of the impedance Z O characteristic impedance epsilon material of the end of the (= ε 0 · ε r)
ε 0 Dielectric constant in vacuum (= 1 / 36π × 10 9 F / m)
ε r relative dielectric constant μ Permeability of material (= μ 0 · μ r )
μ 0 Permeability in vacuum (= 4π × 10 −7 H / m)
propagation speed of μ r relative permeability Vc electromagnetic field (speed of light: 1 / √ε 0 · μ 0 = 3 × 10 8)
ω Slot width (= 4ρ)
ρ Dipole antenna rod radius
Claims (29)
前記複数の金属面の任意の金属面に約1/2波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのH形、コの字形となる開放部が切抜かれ、
前記スロットやスリットに対し前記伝送線路の給電部で下方のインピーダンスで無限大インピーダンスとなるように、前記複数の金属面の両端部が短絡金属面で短絡され、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有することを特徴とするアンテナ。 A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured with the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces,
A slot having a slot length of about ½ wavelength, an appropriate length H-shape, or an open portion having a U-shape is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces,
Both ends of the plurality of metal surfaces are short-circuited by a short-circuited metal surface so that the lower impedance at the power supply unit of the transmission line becomes infinite impedance with respect to the slot or slit, and further supplied to a predetermined position of the slot. An antenna having a power feeding portion for connecting an electric wire.
前記複数の金属面の任意の金属面に1/2波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのスリットが切抜かれ、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有し、
前記スロットに対して、他の前記金属面の平行板伝送線路が無限大のインピーダンスとなるように配置されることを特徴とするアンテナ。 A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured with the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces,
A slot having a ½ wavelength slot length or a slit having an appropriate length is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces, and a power feeding unit for connecting a power feeding line to a predetermined position of the slot is further provided. ,
The antenna, wherein the other parallel-plate transmission line on the metal surface is disposed so as to have an infinite impedance with respect to the slot.
前記複数の金属面の任意の金属面に1/4波長のスロット長を有するスロットや適当な長さのスリットが切抜かれ、前記スロットに対し前記伝送線路の両端で無限大インピーダンスとなるように、前記複数の金属面の両端部が短絡金属面で短絡され、更に前記スロットの所定の位置に給電線を接続する給電部を有することを特徴とするアンテナ。 A plurality of metal surfaces are arranged opposite to each other, and a parallel plate transmission line is configured with the plurality of metal surfaces by sandwiching an insulator having a predetermined thickness between the plurality of metal surfaces,
A slot having a 1/4 wavelength slot length or a slit having an appropriate length is cut out on an arbitrary metal surface of the plurality of metal surfaces, and an infinite impedance is provided at both ends of the transmission line with respect to the slot. An antenna, comprising: a power feeding portion for connecting both ends of the plurality of metal surfaces to each other at a predetermined position of the slot;
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