JP5073455B2 - 高表面インピーダンス構造体を備えたアンテナ装置及びｒｆｉｄタグ - Google Patents

Description

本発明は、高い表面インピーダンスを有するシート状構造体を利用したアンテナ装置及びＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグに関する。

近年の機器の小型化により、例えば、グランドプレーン等の金属面とアンテナとの距離が短くなってきており、それによるアンテナ特性の劣化が懸念されている。また、ＲＦＩＤタグを金属面に貼付すると、ＲＦＩＤタグに含まれるアンテナの特性が著しく劣化し、ＲＦＩＤタグが適切に機能しなくなることも知られている。これらの問題は、いずれも金属面の表面インピーダンスが低いことに起因している。逆に、表面インピーダンスの高いものをアンテナ近傍に配置すると、その高い表面インピーダンスによりインピーダンス面に入射したエネルギーが同相反射され、アンテナ性能を向上させることが知られている。

高いインピーダンスを有するシート状構造体としては、従来、ビアを有する所謂マッシュルーム状導体を備えるものが知られている（例えば、特許文献１参照）。これに対して、アンテナ用途に限られない左手系媒質としてビアを不要としビア密度の縛りを超えたスケーラビリティを持たせてなるもの（例えば、特許文献２参照）なども提案されている。

米国特許第６，５３８，６２１号公報 特開２００６−２４５９８４号公報

本発明は、新たなシート状構造体とアンテナの組み合わせからなるアンテナ装置及びＲＦＩＤタグを提供することを目的とする。

本発明の第１の態様によれば、シート状構造体と、アンテナ導体パターンを有するアンテナ層と、前記シート状構造体に形成された誘電体とからなるアンテナ支持層とを備えたアンテナ装置において、
前記シート状構造体は、単位構造を所定方向に繰り返し並べてなる周期構造により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するものであり、
前記単位構造は、グランド層と、前記グランド層から垂直に延びるビアと、前記ビアにより前記グランド層と接続されたトップ層と、前記トップ層と前記グランド層の間に満たされた誘電体層と、前記誘電体層内にフローティング状態で保持された浮遊キャパシタ層からなり、前記グランド層、前記ビア、前記トップ層、前記浮遊キャパシタ層は導体であるアンテナ装置が得られる。

本発明の第２の態様によれば、インダクタンス成分を増やすためのスリットを前記単位構造の一部に設けてなる、第１の態様に記載のアンテナ装置が得られる。

本発明の第３の態様によれば、前記スリットを前記浮遊キャパシタ層に設けてなる、第２の態様に記載のアンテナ装置が得られる。

本発明の第４の態様によれば、前記スリットは前記浮遊キャパシタ層の一辺から内面に向かって延びるように形成されている、第３の態様に記載のアンテナ装置が得られる。

本発明の第５の態様によれば、第１乃至第４の態様のいずれかに記載のアンテナ装置と、前記アンテナ支持層上において前記アンテナ導体パターンに接続されたＩＣを備え、前記シート状構造体をタグ基体の一部としてなるＲＦＩＤ（Ｒａｄｉｏ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ Ｉｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）タグが得られる。

本発明によれば、良好なアンテナ性能を有するアンテナ装置を得ることができる。

特に、単位構造にスリットを設けた場合、単位構造におけるインダクタンスを増やすことができる。これは即ち、単位構造を主面に垂直な方向から見た場合の等価回路であるＬＣ並列共振回路の共振周波数が低くなることを意味する。よって、スケール則を考慮すれば理解されるように、シート状構造体の小型化を図ることが出来る。

加えて、共振周波数が同じ場合には、インダクタンス成分が大きくキャパシタンス成分が小さいほど、表面インピーダンスが大きくなり、同相反射の得られる周波数範囲が広くなる。

（第１の実施の形態）
図１及び図２を参照して、本発明の第１の実施の形態によるアンテナ装置を適用したＲＦＩＤタグは、シート状構造体１と、シート状構造体１に形成されたアンテナ支持層２と、アンテナ支持層２の上面において所定のアンテナ導体パターン３ａを有するアンテナ素子３と、アンテナ導体パターン３ａに接続されたＩＣ４を有する。このシート状構造体例は２次元的に単位構造が配置されているが、単位構造が１次元的に一列に配置されていてもよい。

図２から理解されるように、本発明の実施の形態によるＲＦＩＤタグにおけるアンテナ素子３は、ＩＣ４を中心とし、シート状構造体１の長手方向に対称に延びるアンテナ導体パターン３ａからなるダイポールアンテナである。本実施の形態におけるアンテナ素子３には、対称に延びるアンテナ導体パターン３ａを接続する梁部導体３ｂがインピーダンスマッチング用として更に設けられている。なお、図１及び図２において、実際の誘電体材料としては比較的透明なもの（少なくとも内部を透視しうるもの）を用いる場合もあるが、簡略化するため、透過しないものとして描いてある。

アンテナ支持層２の材料としては、ＰＥＴ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ）、ＰＥＴ−Ｇ（Ｐｏｌｙｅｔｈｙｌｅｎｅ ｔｅｒｅｐｈｔｈａｌａｔｅ Ｇｌｙｃｏｌ）など一般的な樹脂やプラスチックなどの誘電体が使用できるが、できるだけ誘電率の低い樹脂や、空気分を含む発泡材、スポンジ、ウレタン、繊維、発泡ポリエチレン、アクリルフォームなどが好ましい。特に、空気層や空孔は空気中に電界を集中させ、材料内の電界を下げるので、損失の低減に有効である。

本実施の形態によるシート状構造体１は、概略、図４に示されるような単位構造を図３に示されるように繰り返し並べてなる周期構造により特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するものである。

詳しくは、本実施の形態におけるシート状構造体１は、図３乃至図５から理解されるように、ベタ導体パターンを有するグランド層１０と、グランド層１０から垂直に延びる導体からなるビア２０と、ビア２０によりグランド層と電気的に接続された所定導体パターンからなるトップ層３０と、トップ層３０とグランド層１０との間に満たされた誘電体層４０と、容量増加のために誘電体層４０内にフローティング状態で保持された所定導体パターンからなる浮遊キャパシタ層５０とを備えている。なお、図３及び図４においては、構成要素の関係を明確にするため、誘電体層４０が省略されている。

（第２の実施の形態）
本発明の第２の実施の形態によるアンテナ装置は、シート状構造体、特に浮遊キャパシタ層の構造が異なる点を除き、上述した第１の実施の形態とほぼ同様の構造を有する。従って、第１の実施の形態と同じ構成要素については図面内において同一の符号を付すこととし、説明を省略することとする。

図６及び図７から理解されるように、本実施の形態における浮遊キャパシタ層５０ａにはスリット５２ａが設けられている。詳しくは、図７により理解されるように、浮遊キャパシタ層５０ａの対向する二辺にそれぞれスリット５２ａを入れたことにより、ミアンダ形状を形成してある。この形状によって電流の流れる経路がより長くなるため、より多くのインダクタンス成分を得ることができる。尚、スリットはインダクタンス成分を増大させるものであればよく、スリットの形状等は本実施の形態に限定されない。

以下に、インダクタンス成分の増大とその効果について説明する。

図８は、上述した単位構造を等価回路で表現したものである。周期を半分ずらして、図９に示されるような等価回路で上述した単位構造を表現することとしても良い。

トップ層３０の上面からこの単位構造に入射する平面波から見た場合、図８、図９に示される等価回路は、適切な周波数範囲ではＬＣ並列共振回路に簡略近似することができる。

ここで、インダクタンスＬ，キャパシタンスＣを有するＬＣ並列共振回路で近似される表面の表面アドミタンスＹｓ（表面インピーダンスＺｓの逆数）は、下記式（１）にて表すことができる。ωは角周波数、ｊは虚数単位である。

式（１）をωで微分すると、下記式（２）が得られる。

ここで、ＬＣ並列回路の共振角周波数をω_０として、下記式（３）を用いて式（２）を変形すると、式（４）が得られる。

式（４）からω_０近傍における表面アドミタンスＹｓのωの変化に対する変化量は式（５）のように求められる。

式（５）から明らかなように、ＬＣ並列共振回路において、共振周波数での表面アドミタンスの周波数変化に対する変化量は、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）小さく、ｊ２Ｃになる。即ち、表面アドミタンスＹｓの逆数である表面インピーダンスＺｓも、Ｃが小さいほど（Ｌが大きいほど）周波数に対する変化は小さくなる（図１０参照）。

図１０に、式（１）に示す表面アドミタンスの逆数である表面インピーダンスＺｓの周波数特性を示す。

図１０に示されるように、表面インピーダンスＺｓの絶対値の大きな周波数範囲は、ＬＣの積が一定、すなわち、共振周波数ω₀が一定（Ｌ×Ｃが一定）なら、Ｌが大きくＣが小さいほど広くなることがわかる。

従って、ＬＣ並列共振回路を図１１に示されるような小キャパシタンスと大インダクタンスの組み合わせてなるものとすれば、広帯域な同相反射効果を得ることができる。

本実施の形態によれば、浮遊キャパシタ層５０ａにインダクタンス成分を増大させるためのスリットを設けたことから、高表面インピーダンスを呈する周波数領域を比較的広くとることができる。

（第３の実施の形態）
本発明の第３の実施の形態によるアンテナ装置は、シート状構造体、特に浮遊キャパシタ層の構造が異なる点を除き、上述した第１の実施の形態とほぼ同様の構造を有する。従って、第１の実施の形態と同じ構成要素については図面内において同一の符号を付すこととし、説明を省略することとする。

図１２及び図１３から理解されるように、本実施の形態における浮遊キャパシタ層５０ｂは四角形形状を有する。上述の第１及び第２の実施例においては、単位構造を直交する２方向の電界に共振するように構成していたため、浮遊キャパシタ層の形状を台形や三角形状としていた。そのため、一電界方向あたりの浮遊キャパシタ層の面積をあまり大きくとることはできなかった。しかし、例えば、図１３に示されたアンテナ３のように偏波方向（放射電界の向き）が一方向の場合（図１３の例では左右方向：即ち、アンテナ３の長手方向）、単位構造の共振する電界の向きをアンテナ３の放射電界の向きに合わせることにより、アンテナ３の長手方向の放射電界に対する浮遊キャパシタンスを増やして同相反射周波数を下げることができる。即ち、スケーリング則を考慮すると、より小型の単位周期構造でアンテナ３の共振周波数における同相反射効果を得ることができる。

なお、図１３の例においては、単位構造をアンテナ３の長手方向に一列のみ並べてなるシート状構造体にてアンテナ支持層２を構成しているが、例えば、図１４に示されるように、アンテナ３の長手方向に複数の単位構造を並べてなる単位構造列を複数列用いてもよい。この場合も、アンテナ３の短手方向における浮遊容量よりもアンテナ３の長手方向における浮遊容量を大きくすることができることから、図１３の場合と同様の効果を得ることができる。

また、第２の実施の形態に示したようなスリットを、本実施の形態における浮遊キャパシタ層５０ｂに設けることによってインダクタンスを増加させて、小型化や同相反射周波数帯域幅の広帯域化を図ることも可能である。スリットはインダクタンス成分を増大させるものであればよく、スリットの形状等は上述の第２の実施の形態に限定されない。

本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体をＲＦＩＤタグに適用した例を示す図である。 図１に示されるＲＦＩＤタグの上面図である。 本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体における単位構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の第１の実施の形態によるシート状構造体の断面図である。 本発明の第２の実施の形態によるシート状構造体における単位構造を概略的に示す斜視図である。 本発明の第２の実施の形態による浮遊キャパシタ層を周期的に並べた構造を概略的に示す図である 図６に示される単位構造を上方から見た場合の等価回路を示す図である。 図６の等価回路と置き換え可能な等価回路を示す図である。 インダクタンスを増加させることにより高インピーダンス領域の広帯域化が図れることを説明するための図である。 高インピーダンス領域を広帯域化するための等価回路上の条件を示す図である。 本発明の第３の実施の形態によるシート状構造体を概略的に示す斜視図である。 本発明の第３の実施の形態による浮遊キャパシタ層を周期的に一列に並べた構造を概略的に示す図である。 本発明の第３の実施の形態による浮遊キャパシタ層を周期的に複数列並べた構造を概略的に示す図である。

符号の説明

１ シート状構造体
２ アンテナ支持層
３ アンテナ素子
３ａ アンテナ導体パターン
３ｂ 梁部
１０ グランド層
２０ ビア
３０ トップ層
４０ 誘電体層
５０ 浮遊キャパシタ層
５０ａ 浮遊キャパシタ層
５２ａ スリット

Claims (3)

1. シート状構造体と、アンテナ導体パターンを有するアンテナ層と、前記シート状構造体に形成された誘電体からなるアンテナ支持層とを備えたアンテナ装置において、
   前記シート状構造体は、単位構造を所定方向に繰り返し並べてなる周期構造により、特定の周波数帯域に対する表面インピーダンスを高め、それにより当該特定の周波数帯域に属する周波数を有する入射波を同相反射するものであり、
   前記単位構造は、グランド層と、前記グランド層から垂直に延びるビアと、前記ビアにより前記グランド層と接続されたトップ層と、前記トップ層と前記グランド層の間に満たされた誘電体層と、前記誘電体層内にフローティング状態で保持された浮遊キャパシタ層からなり、
   前記グランド層、前記ビア、前記トップ層、前記浮遊キャパシタ層は導体からなり、
   インダクタンス成分を増やすためのスリットを前記単位構造の一部に設けてなり、
   前記スリットを前記浮遊キャパシタ層に設けてなる
   アンテナ装置。
2. 前記スリットは前記浮遊キャパシタ層の一辺から内面に向かって延びるように形成されている、請求項１記載のアンテナ装置。
3. 請求項１又は請求項２記載のアンテナ装置と、前記アンテナ支持層上において前記アンテナ導体パターンに接続されたＩＣを備え、前記シート状構造体をタグ基体の一部としてなるＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグ。

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