JP3645239B2

JP3645239B2 - ダイポールアンテナ、それを用いたタグ及び移動体識別システム

Info

Publication number: JP3645239B2
Application number: JP2002261697A
Authority: JP
Inventors: 裕彦津田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2002-09-06
Filing date: 2002-09-06
Publication date: 2005-05-11
Anticipated expiration: 2022-09-06
Also published as: JP2004104344A; CN1287535C; CN1496019A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信用のダイポールアンテナ、それを用いたタグ及び移動体識別システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ダイポールアンテナとしては、例えば一対のアンテナエレメントを誘電体基板上のパターンとして形成した小型のものがある。この小型のダイポールアンテナは、物品等の検出に用いられるタグや携帯電子機器等に内蔵される。
【０００３】
この様なダイポールアンテナでは、そのインピーダンスを調整するために、誘電体基板の誘電率や厚みを変更したり、ダイポールアンテナのパターンの幅や長さを変更したり、あるいは、電気的に全く絶縁された別のパターンをダイポールアンテナと平行に配置していた。
【０００４】
また、特許文献１には、アンテナエレメントの先端を屈曲させることによりインピーダンスを調整するという技術が開示されている。
【０００５】
更に、特許文献２には、ダイポールアンテナと接続線間にスタブを設けることによりインピーダンスを調整するという技術が開示されている。
【０００６】
【特許文献１】
特公平４−１２０４３号公報
【特許文献２】
特公平３−７１８０７号公報
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記従来のいずれの方法においても、ダイポールアンテナのインピーダンスを随時調整することが困難であって、手軽な調整方法とは言えず、またインピーダンスの微調整も困難であった。
【０００８】
また、別のパターンをダイポールアンテナと平行に配置する方法及び特許文献１や特許文献２の方法では、インピーダンスの調整に伴い、アンテナの指向特性も変化してしまう可能性があり、アンテナの指向特性を維持しつつ、インピーダンスの調整を行うことは極めて困難であった。
【０００９】
そこで、本発明は、上記従来の問題点に鑑みてなされたものであり、アンテナの指向特性を維持しつつ、インピーダンスの調整を容易に行うことが可能なダイポールアンテナを提供することを目的とする。
【００１０】
また、本発明は、その様な本発明のダイポールアンテナを用いたタグ及び移動体識別システムを提供することを目的とする。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、一対のアンテナエレメントを誘電体上にパターンとして形成したダイポールアンテナにおいて、各アンテナエレメントの少なくとも一方に、アンテナエレメントの中間点よりも給電点から離間した位置に接続され、この接続位置からアンテナエレメントの縁にライン状に沿う、アンテナエレメントよりも狭い幅のインピーダンス調整用パターンを配置している。
【００１２】
この様な構成の本発明のダイポールアンテナによれば、インピーダンス調整用パターンをその途中で切断して、その長さを変更することにより、このダイポールアンテナのインピーダンスを調節することができる。インピーダンス調整用パターンは、アンテナエレメントよりも狭い幅のライン状のものであるため、その切断が容易であり、かつその長さが変更されても、アンテナの指向特性に影響を殆ど与えずに済む。
【００１４】
また、給電点から離間する程、アンテナエレメントの電位が高くなる。このため、インピーダンス調整用パターンの接続位置が給電点から離間する程、インピーダンス調整用パターンの長さの変更に対するインピーダンスの変化が明確なものとなり、インピーダンスの調整が容易となる。
【００１６】
更に、インピーダンス調整用パターンの接続位置が給電点から離間したアンテナエレメントの中間点よりも先端側にあれば、インピーダンスの調整が極めて容易となる。
【００１９】
また、本発明においては、インピーダンス調整用パターンを誘電体上でアンテナエレメントに沿って配置している。
【００２０】
この様にインピーダンス調整用パターンを配置すれば、インピーダンス調整用パターンの占有面積を小さくして、ダイポールアンテナの大型化を抑えることができる。
【００２１】
また、本発明においては、インピーダンス調整用パターンの近傍に切断調整用マークを施しているため、インピーダンス調整用パターンの長さを調整することが容易にできる。
【００２２】
一方、本発明のタグは、本発明のダイポールアンテナの給電点に、データを該ダイポールアンテナを通じて通信する半導体チップを接続している。
【００２３】
この様な構成の本発明のタグによれば、本発明のダイポールアンテナの給電点に半導体チップを接続してなる。先に述べた様にダイポールアンテナのインピーダンスを容易に調整することができるため、ダイポールアンテナと半導体チップ間のインピーダンスマッチングを容易に実現することができ、タグの送受信性能を高く維持することができる。
【００２４】
また、本発明の移動体識別システムは、本発明のタグと、データを該タグとの間で送受信する読み書き端末装置とを備えている。
【００２５】
この様な構成の本発明の移動体識別システムによれば、本発明のタグを用いているため、タグの送受信性能に優れ、延いては該システムとしての性能にも優れる。
【００２６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を添付図面を参照して詳細に説明する。
【００２７】
図１は、本発明のダイポールアンテナの一実施形態を示す平面図である。また、図２は、該ダイポールアンテナを示す側面図である。
【００２８】
本実施形態のダイポールアンテナ１１は、例えば誘電体基板１２表面全体を被覆する金属膜をエッチング等によりパターン化して、誘電体基板１２上に一対のアンテナエレメント１３，１４及びインピーダンス調整用パターン１５を形成したものである。
【００２９】
誘電体基板１２は、比誘電率Ｅrを有する厚さＴのものである。また、誘電体基板１２の裏面全体を金属膜１６により被覆している。
【００３０】
各アンテナエレメント１３，１４は、長さＬ及び幅Ｗのサイズをそれぞれ有する。インピーダンス調整用パターン１５は、アンテナエレメント１４よりも狭い幅のライン状のものであって、アンテナエレメント１４の先端角に接続され、その途中で屈曲されてアンテナエレメント１４と平行に配置されている。
【００３１】
また、このダイポールアンテナ１１では、ＩＣチップ１７を付加しており、このＩＣチップ１７を各アンテナエレメント１３，１４間の給電点に搭載して接続している。このＩＣチップ１７は、ダイポールアンテナ１１を通じてデータ通信を行うものである。これらのダイポールアンテナ１１とＩＣチップ１７をパッケージ（図示せず）に収納して、例えばタグを構成する。このタグは、後で述べる移動体識別システムで用いられる。
【００３２】
さて、ＩＣチップ１７の入出力電力を最大にするには、ダイポールアンテナ１１とＩＣチップ１７間のインピーダンスマッチングを図る必要がある。すなわち、ＩＣチップ１７の固有インピーダンスＺc（＝Ｒc−ｊＸc(Ω)）に対する共役インピーダンスをＺc＊（＝Ｒc＋ｊＸc(Ω)）とし、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスをＺ（＝Ｒ＋ｊＸ（Ω））とすると、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺを共役インピーダンスＺc＊に一致させる必要がある。このため、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺを調整する。
【００３３】
ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺの調整は、インピーダンス調整用パターン１５をその途中で切断して、アンテナエレメント１４に対するインピーダンス調整用パターン１５の接続部分の長さを変更することにより行われる。
【００３４】
図３は、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺとインピーダンス調整用パターン１５の長さｔの関係を示すグラフである。このグラフにおいては、入力インピーダンスＺの抵抗成分Ｒ（Ω）をＸ軸に示し、入力インピーダンスＺのリアクタンス成分Ｘ（Ω）をＹ軸に示しており、インピーダンス調整用パターン１５の長さｔの変化に伴う抵抗成分Ｒ（Ω）及びリアクタンス成分Ｘ（Ω）の変化を示している。
【００３５】
図３のグラフに示す様にインピーダンス調整用パターン１５の長さｔを０から徐々に長くしていくと、抵抗成分Ｒ（Ω）及びリアクタンス成分Ｘ（Ω）が徐々に増加する。抵抗成分Ｒ（Ω）は、インピーダンス調整用パターン１５の長さｔの延長に伴って、最大値となってから減少に転じる。同様に、リアクタンス成分Ｘ（Ω）も、最大値となってから減少に転じる。ただし、このグラフ上では、Ａ１方向での抵抗成分Ｒ（Ω）及びリアクタンス成分Ｘ（Ω）の増大を表し切れないので、Ａ２方向からの減少に転じた抵抗成分Ｒ（Ω）及びリアクタンス成分Ｘ（Ω）を引き続いて表している。更に、抵抗成分Ｒ（Ω）及びリアクタンス成分Ｘ（Ω）は、インピーダンス調整用パターン１５の長さｔの延長に伴って、長さｔ＝０のときのそれぞれの値近くまで戻り、再び最初の軌跡の内側を通って徐々に増大していく。
【００３６】
このグラフからも明らかな様にインピーダンス調整用パターン１５の長さｔを変更すれば、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺを調整することができる。
【００３７】
そこで、インピーダンス調整用パターン１５をその途中で切断して、長さｔを少しずつ短くし、これにより入力インピーダンスＺを少しずつ変更して共役インピーダンスＺc＊に一致させ、ダイポールアンテナ１１とＩＣチップ１７間のインピーダンスをマッチングさせる。
【００３８】
図４は、インピーダンス調整用パターン１５をその途中で切断した状態を例示する平面図である。インピーダンス調整用パターン１５は、位置Ｐで切断されており、元の長さｔ1から長さｔ2に変更されている。元の長さｔ1では、入力インピーダンスＺが大きく、かつダイポールアンテナ１１の感度が低い。変更後の長さｔ2では、入力インピーダンスＺが小さくなり、かつダイポールアンテナ１１の感度が高くなる。
【００３９】
この様に本実施形態では、インピーダンス調整用パターン１５を切断して、その長さを変更し、ダイポールアンテナ１１とＩＣチップ１７間のインピーダンスをマッチングさせている。ここで、インピーダンス調整用パターン１５が狭い幅のライン状のものであるから、その切断を容易に行うことができ、入力インピーダンスＺの調整も容易である。また、インピーダンス調整用パターン１５をアンテナエレメント１４の上側縁に沿って配置しているため、誘電体基板１２を格別に大きくする必要がなく、ダイポールアンテナ１１の大型化を招かずに済む。
【００４０】
また、インピーダンス調整用パターン１５が狭い幅のライン状のものであることから、その長さｔが変更されても、ダイポールアンテナ１１の指向特性が殆ど変動しなくて済む。
【００４１】
図５は、ダイポールアンテナ１１の指向特性を示すグラフである。インピーダンス調整用パターン１５がアンテナエレメント１４よりも十分に細いことから、インピーダンス調整用パターン１５の長さが変更されても、このグラフの指向特性が変わることはない。
【００４２】
更に、図４に示す様にダイポールアンテナ１１に目盛り状の切断調整用マークＱを予め施しても良い。この様な切断調整用マークＱを予め施しておくことによって、複数のダイポールアンテナのインピーダンス調整用パターンの長さを均一に調整することが容易にできる。あるいは、ダイポールアンテナ１１の感度がほぼ「０」となる位置Ｒに予め切断調整用マークを施しておくと、インピーダンス調整用パターン１５を位置Ｒで切断することでダイポールアンテナ１１の感度がほぼ「０」となる調整が容易にできる。
【００４３】
尚、インピーダンス調整用パターン１５を切断しても、この切断箇所を半田付け等により接続すれば、インピーダンス調整用パターン１５の長さを元に戻して、入力インピーダンスＺを復元することができる。
【００４４】
また、アンテナエレメント１４の長さＬ及び幅Ｗの比Ｌ／Ｗを小さくすれば、図３のグラフに示す様に入力インピーダンスＺの特性曲線が矢印Ｃの内側方向に移行し、また長さＬ及び幅Ｗの比Ｌ／Ｗを大きくすれば、入力インピーダンスＺの特性曲線が矢印Ｂの外側方向に移行する。従って、インピーダンス調整用パターン１５の長さの変更だけで入力インピーダンスＺを最適化することができなければ、アンテナエレメント１４の長さＬ及び幅Ｗの比Ｌ／Ｗを変更して、入力インピーダンスＺを大幅に変更してから、インピーダンス調整用パターン１５の長さの変更による入力インピーダンスＺの微調整を再度行えば良い。
【００４５】
図６は、図１のダイポールアンテナの変形例を示している。ここでは、アンテナエレメント１４の上側縁に沿ってインピーダンス調整用パターン１５ａを配置している。
【００４６】
図７は、図１のダイポールアンテナの他の変形例を示している。ここでは、各アンテナエレメント１３，１４の幅を広げ、アンテナエレメント１４の右側縁に沿ってインピーダンス調整用パターン１５ｂを配置している。
【００４７】
図８は、図１のダイポールアンテナの別の変形例を示している。ここでは、インピーダンス調整用パターン１５ｃを複数回屈曲させて配置している。
【００４８】
図６、図７、及び図８のいずれの変形例においても、インピーダンス調整用パターンの占有面積が狭く、このために誘電体基板１２を格別に大きくする必要がなく、ダイポールアンテナ１１の大型化を招かずに済む。
【００４９】
図９は、図１のダイポールアンテナの更に他の変形例を示している。ここでは、誘電体基板１２の代わりに、誘電体フィルム１２ａを用いている。誘電体フィルム１２ａの代わりに、紙材やガラス材等を用いても構わない。
【００５０】
尚、インピーダンス調整用パターンをアンテナエレメント１３に設けても、あるいはインピーダンス調整用パターンを各アンテナエレメント１３，１４に共に設けても、同様の効果を達成することができる。また、複数のインピーダンス調整用パターンを各アンテナエレメント１３，１４の少なくとも一方に接続し、各インピーダンス調整用パターンの長さを選択的に変更して、ダイポールアンテナ１１の入力インピーダンスＺを調整しても構わない。
【００５１】
また、インピーダンス調整用パターンの方向や、インピーダンス調整用パターンとアンテナエレメント間の距離にかかわらず、インピーダンス調整用パターンの長さに応じて入力インピーダンスＺが決定されるので、インピーダンス調整用パターンの配置を自在に変更しても良い。あるは、インピーダンス調整用パターンを誘電体基板１２の裏面に配置しても構わない。
【００５２】
更に、各アンテナエレメント１３，１４の形状を多様に変形させても良い。
【００５３】
また、インピーダンス調整用パターンとして、複数のパターン小片を間隔を開けて配列しておき、各パターン小片を半田付け等で接続することにより、インピーダンス調整用パターンをアンテナエレメントに接続して形成しつつ、インピーダンス調整用パターンの長さを調整しても構わない。
【００５４】
更に、アンテナエレメントに対するインピーダンス調整用パターンの接続位置を変更しても構わない。ただし、各アンテナエレメント１３，１４の給電点近傍部分の電位が低いため、この部分にインピーダンス調整用パターンを接続して、インピーダンス調整用パターンの長さを変更しても、入力インピーダンスＺが僅かに変化するだけである。このため、インピーダンス調整用パターンを給電点から離間したアンテナエレメントの部分に接続することが好ましい。特に、インピーダンス調整用パターンを給電点から離間したアンテナエレメントの中間点よりも先端側に接続すれば、インピーダンス調整用パターンの長さの変更に対する入力インピーダンスＺの変化が大きくなり、入力インピーダンスＺの調整が極めて容易になる。
【００５５】
また、ダイポールアンテナ１１の給電点にＩＣチップ１７を搭載して接続する代わりに、この給電点に同軸ケーブル等を介して他の送受信回路等を接続しても構わない。携帯電子機器等においては、ダイポールアンテナ１１の給電点にＩＣチップ１７を直接搭載するよりも、給電点から同軸ケーブル等を引き出すという方法がより汎用性がある。
【００５６】
図１０は、本発明の移動体識別システムの一実施形態を示すブロック図である。本実施形態のシステムは、複数のタグ２１-1〜２１-nと、それぞれのデータを各タグ２１-1〜２１-nとの間で送受信する読み書き端末装置２２とを備えている。
【００５７】
各タグ２１-1〜２１-nは、図１のダイポールアンテナ１１及びＩＣチップ１７をパッケージに内蔵したものである。ＩＣチップ１７は、ダイポールアンテナ１１を通じて無線通信を行い、データを読み書き端末装置２２との間で送受信する。また、ＩＣチップ１７は、演算機能及びメモリ機能を有しており、データを処理したり記憶することができる。
【００５８】
この様なシステムにおいては、各タグ２１-1〜２１-nをそれぞれの物品（図示せず）に添付しておき、各物品別に、物品の固有データを読み書き端末装置２２から該物品に添付されているタグのＩＣチップ１７へと送信し、この物品の個有情報をＩＣチップ１７に記憶させる。また、各物品別に、読み書き端末装置２２から物品に添付されているタグのＩＣチップ１７を呼び出し、この呼び出したタグのＩＣチップ１７から該物品の固有データを送信させて、この物品の個有情報を読み書き端末装置２２で受信する。
【００５９】
こうして各物品の固有データを各タグ２１-1〜２１-nと読み書き端末装置２２間で送受信することにより、各物品を管理する。
【００６０】
また、各タグ２１-1〜２１-nにおいては、インピーダンス調整用パターンの長さを調整して、ダイポールアンテナ１１とＩＣチップ１７間のインピーダンスマッチングを実施し、ＩＣチップ１７の入出力電力を最大にしておく。これにより、各タグ２１-1〜２１-nと読み書き端末装置２２間のデータ通信を良好に行うことが可能になる。
【００６１】
尚、ＩＣチップ１７としては、電力供給を電池から受けるものと、電磁波信号を受信して、この受信入力を電力に変換して用いるものとがある。
【００６２】
【発明の効果】
以上説明した様に本発明によれば、インピーダンス調整用パターンをその途中で切断して、その長さを変更することにより、ダイポールアンテナのインピーダンスを調節することができる。インピーダンス調整用パターンは、アンテナエレメントよりも狭い幅のライン状のものであるため、その切断が容易であり、かつその長さが変更されても、アンテナの指向特性に影響を殆ど与えずに済む。
【００６３】
また、インピーダンス調整用パターンを給電点から離間した位置でアンテナエレメントに接続しているので、インピーダンス調整用パターンの長さの変更に対するインピーダンスの変化が明確なものとなり、インピーダンスの調整が容易となる。
【００６４】
更に、インピーダンス調整用パターンを誘電体上でアンテナエレメントに沿って配置したり、インピーダンス調整用パターンを誘電体上で複数回屈曲させて配置しているので、インピーダンス調整用パターンの占有面積が小さく、ダイポールアンテナの大型化を抑えることができる。
【００６５】
また、インピーダンス調整用パターンの近傍に切断調整用マークを施しているので、複数のダイポールアンテナのインピーダンス調整用パターンの長さを均一に調整することや、ダイポールアンテナの感度がほぼ「０」となる調整が容易にできる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のダイポールアンテナの一実施形態を示す平面図である。
【図２】図１のダイポールアンテナを示す側面図である。
【図３】図１のダイポールアンテナの入力インピーダンスＺとインピーダンス調整用パターンの長さｔの関係を示すグラフである。
【図４】図１のダイポールアンテナのインピーダンス調整用パターンをその途中で切断した状態を例示する平面図である。
【図５】図１のダイポールアンテナの指向特性を示すグラフである。
【図６】図１のダイポールアンテナの変形例を示す平面図である。
【図７】図１のダイポールアンテナの他の変形例を示す平面図である。
【図８】図１のダイポールアンテナの別の変形例を示す平面図である。
【図９】図１のダイポールアンテナの更に他の変形例を示す図である。
【図１０】本発明の移動体識別システムの一実施形態を示すブロック図である。
【符号の説明】
１１ダイポールアンテナ
１２誘電体基板
１３，１４アンテナエレメント
１５インピーダンス調整用パターン
１６金属膜
１７ＩＣチップ
２１-1〜２１-n タグ
２２読み書き端末装置

Claims

一対のアンテナエレメントを誘電体上にパターンとして形成したダイポールアンテナにおいて、
各アンテナエレメントの少なくとも一方に、アンテナエレメントの中間点よりも給電点から離間した位置に接続され、この接続位置からアンテナエレメントの縁にライン状に沿う、アンテナエレメントよりも狭い幅のインピーダンス調整用パターンを配置したことを特徴とするダイポールアンテナ。
インピーダンス調整用パターンの近傍に切断調整用マークを施したことを特徴とする請求項１に記載のダイポールアンテナ。
請求項１又は２のいずれかのダイポールアンテナの給電点に、データを該ダイポールアンテナを通じて通信する半導体チップを接続したことを特徴とするダイポールアンテナを用いたタグ。
請求項３に記載のタグと、データを該タグとの間で送受信する読み書き端末装置とを備えることを特徴とする移動体識別システム。