JP6030991B2 - 逆相二重ループアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、磁界を利用したアンテナの技術に関する。

通信エリアを意図的に限定した無線通信に対する要望がある。これについて、特許文献１の電界通信システムを利用することも考えられる。しかし、通信エリア近傍の電界分布は周囲の影響（導体や誘電体によるノイズの影響）を強く受けるため、安定性や信頼性の高い無線通信を実現することは難しい。

一方、約１０ＭＨｚ以下の低周波磁界は、周囲との相互作用が電界と比べて著しく低いため、無線通信の通信媒体として利用される。そこで、前述の無線通信を実現するため、通信エリアと非通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような「シャープな磁界分布」を生成できるアンテナが求められている。

このようなアンテナとして逆相二重ループアンテナがある。従来の逆相二重ループアンテナの回路構成を図１０に示す。径の異なる２つのループアンテナ１０，２０が同心状に配置され、それら２つのループアンテナ１０，２０にそれぞれ流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２は互いに逆回りに進行する。

一般に、ループアンテナが遠方に生成する磁界強度は、ループアンテナが囲むループ内の面積Ｓとループアンテナに流れる電流Ｉとの積である磁気モーメントｍに比例する。

同一平面上に配置された２つのループアンテナ１０，２０を流れる電流Ｉ_１，Ｉ_２の進行方向が互いに逆回りで、各ループアンテナ１０，２０の磁気モーメントｍ_１，ｍ_２の大きさが同程度の場合、各磁気モーメントｍ_１，ｍ_２は互いに打ち消し合うため、遠方の磁界強度は極めて小さくなる。

一方、中心近傍の磁界強度は、内側のループアンテナ２０に流れる電流Ｉ_２の影響を強く受けるため、たとえ２つのループアンテナ１０，２０の磁気モーメントｍ_１，ｍ_２が打ち消し合うような関係にあったとしても、中心点付近の磁界が小さくなることはない。

その結果、逆相二重ループアンテナは、図１１に示すように、単一のループアンテナを用いた場合に比べて、遠方での磁界強度を急激に減衰させることができる。

また、各磁気モーメントｍ_１，ｍ_２の絶対値の比をγ＝｜ｍ_２｜／｜ｍ_１｜とすると、２つのループアンテナ１０，２０に流れる電流の比を変化させることにより、通信エリア境界の位置を制御することができる。

例えば、図１０に示したように、外側のループアンテナ１０の半径が内側の２倍である場合、可変抵抗体Ｒ_３の抵抗値を調整してＩ_１：Ｉ_２＝１：４とし、γ＝１とすれば、図１１に示した遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。また、例えば、Ｉ_１：Ｉ_２＝１：２とすれば、図１１におけるγ＝０．５の曲線で表した磁界分布特性を得ることができる。

特開２００７−１７４５７０号公報 特開２００５−３３５８７号公報 特開２００１−１６０２５号公報

しかしながら、図１０に示した従来の逆相二重ループアンテナによれば、２つのループアンテナ１０，２０が信号源１００に対して並列に接続されているため、アンテナ近傍の磁界強度を単一のループアンテナを用いた場合と同程度に保つには、消費電流が大きくなってしまう。

本発明は、上記事情を鑑みてなされたものであり、逆相二重ループアンテナの消費電力を低減することを目的とする。

請求項１記載の逆相二重ループアンテナは、１回又は複数回巻回された外側の第一ループアンテナと、１回又は複数回巻回され、前記第一ループアンテナと同心状に配置され、前記第一ループアンテナに直列に接続され、前記第一ループアンテナに入力された電流の進行方向とは逆回りに電流が流れる内側の第二ループアンテナと、前記第二ループアンテナの両端間に接続された抵抗体と、前記第一ループアンテナ及び前記第二ループアンテナに並列に接続され、前記第二ループアンテナに内包され又は前記第二ループアンテナを内包し、前記第二ループアンテナに流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れる第三ループアンテナと、を有することを要旨とする。

本発明によれば、互いに逆回りに電流が流れる同心状の２つのループアンテナが直列に接続されているため、逆相二重ループアンテナの消費電力を低減できる。また、本発明によれば、内側のループアンテナの両端間に抵抗体が接続されているため、外側のループアンテナの電流と内側のループアンテナの電流の比を変化させることができる。さらに、本発明によれば、外側のループアンテナ及び内側のループアンテナに並列に接続され、内側のループアンテナに流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れるループアンテナが、内側のループアンテナに内包され又は内側のループアンテナを内包するため、内側のループアンテナを流れる電流の増大に作用することから、少ない電流量で大電流量と等価な磁界強度を得ることができる。

請求項２記載の逆相二重ループアンテナは、請求項１に記載の逆相二重ループアンテナにおいて、前記第三ループアンテナに対して直列接続された抵抗体を更に有することを要旨とする。

請求項３記載の逆相二重ループアンテナは、請求項１又は２に記載の逆相二重ループアンテナにおいて、前記第一ループアンテナと前記第二ループアンテナについて巻回数と中心からループアンテナまでの距離の二乗とをそれぞれ積算した２つの積算値が等しいことを要旨とする。

本発明によれば、第一ループアンテナと第二ループアンテナについて巻回数と中心からループアンテナまでの距離の二乗とをそれぞれ積算した２つの積算値が等しいため、逆相二重ループアンテナの遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

本発明によれば、逆相二重ループアンテナの消費電力を低減することができる。

第１の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第２の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第３の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第４の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第５の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第６の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第６の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第７の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 第８の実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 従来の逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。 電界強度分布を示す図である。

以下、本発明を実施する一実施の形態について図面を用いて説明する。

〔第１の実施の形態〕
図１は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、２つのループアンテナ１０，２０と、３つのフィード線３０，４０，５０と、１つの抵抗体Ｒ_１とで構成される。

２つのループアンテナ１０，２０は、導線を環状に径を異にして１回巻回することにより構成・形成され、同一平面上で同心状に配置され、１つの信号源１００又は電流入力端子Ｔ_ｉｎに対して直列に接続される。

具体的には、径の大きい外側のループアンテナ１０の巻回開始端を、第１のフィード線３０を用いて電流入力端子Ｔ_ｉｎに接続し、その巻回終了端を、第２のフィード線４０を用いて内側のループアンテナ２０の巻回開始端に接続する。そして、内側のループアンテナ２０の巻回終了端を、第３のフィード線５０を用いて、グランドに接続されている電流出力端子Ｔ_ｇｎｄに接続する。

尚、第３のフィード線５０の一端（内側のループアンテナ２０との非接続端）と電流出力端子Ｔ_ｇｎｄとの間には、抵抗体Ｒ_１を挿入して接続する。この抵抗体Ｒ_１は、直列に接続された２つのループアンテナ１０，２０に流れる電流Ｉ_Ｔの値を調整するためのものである。コンデンサ、インダクタ、又は抵抗体を組み合わせたものを用いても構わない。

次に、逆相二重ループアンテナを流れる電流について説明する。電流入力端子Ｔ_ｉｎと電流出力端子Ｔ_ｇｎｄとの間に信号源１００が接続されると、その信号源１００から出力された電流Ｉ_Ｔは、第１のフィード線３０を経由して分岐することなく外側のループアンテナ１０に給電され、紙面上空から見て右回りに流れる。

そして、外側のループアンテナ１０を１周した電流Ｉ_Ｔは、第２のフィード線４０を経由して内側のループアンテナ２０に給電され、外側のループアンテナ１０での電流の進行方向とは逆回り（左回り）に流れる。

その後、第３のフィード線５０を経由し、電流調整用の抵抗体Ｒ_１を通過して信号源１００に戻る。

以上より、本実施の形態によれば、互いに逆回りに電流が流れる同心状の２つのループアンテナ１０，２０が直列に接続されているので、逆相二重ループアンテナの消費電力を低減できる。すなわち、図１０に示した従来の逆相二重ループアンテナに比べて、少ない電流で同程度の磁界強度を得ることができる。

〔第２の実施の形態〕
図２は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、内側のループアンテナ２０の巻回数を１回から４回に増加している。それ以外は、第１の実施の形態と同じである。

前述したように、２つのループアンテナ１０，２０の各磁気モーメントｍ_１，ｍ_２の比γ＝｜ｍ_２｜／｜ｍ_１｜に応じて逆相二重ループアンテナの磁界分布が変化するため、この逆相二重ループアンテナを利用するアプリケーションに併せて当該γ値を適切に設計する必要がある。

本実施の形態では、γ値を増大させる１つの方法として、外側のループアンテナ１０を流れる外環電流を増大させずに、内側のループアンテナ２０を流れる内環電流のみを増大させる。

具体的には、内側のループアンテナ２０のみを渦巻き状に４回巻回して内環電流を等価的に増大させる。これにより、内環電流が等価的にＩ_Ｔから４Ｉ_Ｔに増大するため、γ値を増大させることができる。

以上より、本実施の形態によれば、内側のループアンテナ２０のみを複数回巻回したので、内環電流の等価的な増大によりγ値を増大でき、少ない電流量で大電流量と同等な磁界強度を得ることができる。

〔第３の実施の形態〕
図３は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、外側のループアンテナ１０の巻回数を１回から２回に増加し、内側のループアンテナ２０の巻回数を１回から８回に増加している。それ以外は、第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態では、γ値を増大させる他の方法として、外側のループアンテナ１０を流れる外環電流と、内側のループアンテナ２０を流れる内環電流との両方を増大させる。

具体的には、外側のループアンテナ１０を渦巻き状に２回巻回して外環電流を等価的に増大させる。また、内側のループアンテナ２０を渦巻き状に８回巻回して内環電流を等価的に増大する。これにより、外環電流はＩ_Ｔから２Ｉ_Ｔに増大するが、内環電流の増大値はそれよりも大きい（Ｉ_Ｔから８Ｉ_Ｔに増大）ため、γ値を増大させることができる。

以上より、本実施の形態によれば、外側のループアンテナ１０を２回巻回し、内側のループアンテナ２０を８回巻回したので、内環電流の等価的な増大によりγ値を増大でき、少ない電流量で大電流量と同等な磁界強度を得ることができる。

尚、本実施の形態や第２の実施の形態で述べた各ループアンテナ１０，２０の巻回数は一例である。また、外側のループアンテナ１０の巻回数を内側のループアンテナ２０の巻回数よりも少なくすることにより、γ値を減少させるように設計することも可能である。

〔第４の実施の形態〕
図４は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、外側のループアンテナ１０の半径ａ_１を１０ｃｍとし、内側のループアンテナ２０の二乗平均半径ａ_２を５ｃｍとしている。それ以外は、第２の実施の形態と同じである。

内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎは４回であることから、このとき、ａ_１ ^２＝Ｎａ_２ ^２が成立する。すなわち、２つのループアンテナ１０，２０の各磁気モーメントｍ_１，ｍ_２は同等となり、γ値は１となるので、前述したように、遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

以上より、本実施の形態によれば、外側のループアンテナ１０の半径ａ_１を二乗した値と、内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎとその二乗平均半径ａ_２の二乗とを積算した積算値とが等しいので、逆相二重ループアンテナの遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

尚、本実施の形態で述べた、外側のループアンテナ１０の半径ａ_１と、内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎとその二乗平均半径ａ_２とは一例である。ａ_１ ^２＝Ｎａ_２ ^２が成立していれば、各半径の値と巻回数を任意に設計しても、γ値は１となり、遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

〔第５の実施の形態〕
図５は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、外側のループアンテナ１０の二乗平均半径ａ_１を１０ｃｍとし、内側のループアンテナ２０の二乗平均半径ａ_２を５ｃｍとしている。それ以外は、第３の実施の形態と同じである。

外側のループアンテナ１０の巻回数Ｍは２回であり、内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎは８回であることから、このとき、Ｍａ_１ ^２＝Ｎａ_２ ^２が成立する。すなわち、２つのループアンテナ１０，２０の各磁気モーメントｍ_１，ｍ_２は同等となり、γ値は１となるので、第４の実施の形態と同様に、遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

以上より、本実施の形態によれば、外側のループアンテナ１０の巻回数Ｍとその二乗平均半径ａ_１の二乗とを積算した積算値と、内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎとその二乗平均半径ａ_２の二乗とを積算した積算値とが等しいので、逆相二重ループアンテナの遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

尚、本実施の形態で述べた、外側のループアンテナ１０の巻回数Ｎとその二乗平均半径ａ_１と、内側のループアンテナ２０の巻回数Ｎとその二乗平均半径ａ_２とは一例である。Ｍａ_１ ^２＝Ｎａ_２ ^２が成立していれば、各半径の値と各巻回数を任意に設計しても、γ値は１となり、遠方で１００ｄＢ／ｄｅｃの減衰率を得ることができる。

〔第６の実施の形態〕
図６と図７は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。これらの逆相二重ループアンテナは、外側のループアンテナ１０の巻回終了端と第３のフィード線５０上の任意接点との間に接続された抵抗体Ｒ_２を更に備えている。それ以外は、第２の実施の形態や第３の実施の形態とそれぞれ同じである。

これまでの実施の形態では、外側のループアンテナ１０に流れる外環電流と、内側のループアンテナ２０に流れる内環電流とが必然的に等しく、外環電流と内環電流との比を連続的に変化させることは難しい。しかし、アプリケーションによっては、通信エリアの境界を精密に又は連続的に制御する必要がある。

そこで、本実施の形態では、外側のループアンテナ１０の巻回終了端と第３のフィード線５０上の任意接点との間に抵抗体Ｒ_２を接続する。これにより、内環電流を、その抵抗体Ｒ_２へ分岐した電流ΔＩ分小さくすることが可能となり、内外環電流の比を変化させることができる。

以上より、本実施の形態によれば、外側のループアンテナ１０の巻回終了端と第３のフィード線５０上の任意接点との間に抵抗体Ｒ_２が接続されているので、外環電流と内環電流の各電流値を調整でき、その電流比を変化させることができる。

尚、本実施の形態で述べた抵抗体Ｒ_２の接続方法は一例である。内環電流を外環電流よりも小さくできればよいことから、内側のループアンテナ２０の巻回開始端と巻回終了端との間に接続されていればよい。例えば、第２のフィード線４０上の任意接点と第３のフィード線５０上の任意接点との間に接続しても構わない。

〔第７の実施の形態〕
図８は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、第１のフィード線３０から分岐した分岐ループアンテナ６０が、内側のループアンテナ２０に内包されるように接続している。

この分岐ループアンテナ６０は、２つのループアンテナ１０，２０と同一平面上で同心状に配置され、内側のループアンテナ２０に内包され、内側のループアンテナ２０に流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れるように、外側のループアンテナ１０及び内側のループアンテナ２０に並列に接続される。

具体的には、分岐ループアンテナ６０を内側のループアンテナ２０の内側に配置し、その巻回開始端を、第４のフィード線７０を用いて外側のループアンテナ１０の巻回開始端に接続し、その巻回終了端を、第５のフィード線８０を用いて電流出力端子Ｔ_ｇｎｄに接続する。尚、第５のフィード線８０の一端（分岐ループアンテナ６０との非接続端）と電流出力端子Ｔ_ｇｎｄとの間には、電流調整用の可変抵抗体Ｒ_３を挿入して接続する。

本実施の形態の場合、信号源１００から供給された電流は２つの並列接続経路に分岐され、一方の電流Ｉ_１は外側のループアンテナ１０と内側のループアンテナ２０を流れ、他方の電流Ｉ_２は分岐ループアンテナ６０を流れる。分岐ループアンテナ６０を周回した電流Ｉ_２は、可変抵抗体Ｒ_３を通過した後に電流Ｉ_１と合流し、共に信号源１００に戻る。

以上より、本実施の形態によれば、内側のループアンテナ２０に流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れる分岐ループアンテナ６０が、内側のループアンテナに内包されているので、内側のループアンテナ２０を流れる電流の増大に作用することから、内側のループアンテナ２０の巻回数を増やさずとも大きなγ値を得ることができる。

〔第８の実施の形態〕
図９は、本実施の形態に係る逆相二重ループアンテナの回路構成を示す図である。この逆相二重ループアンテナは、第１のフィード線３０から分岐した分岐ループアンテナ６０が、内側のループアンテナ２０を内包するように接続している。それ以外は、第７の実施の形態と同じである。

以上より、本実施の形態によれば、内側のループアンテナ２０に流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れる分岐ループアンテナ６０が、内側のループアンテナを内包しているので、内側のループアンテナ２０を流れる電流の増大に作用することから、内側のループアンテナ２０の巻回数を増やさずとも大きなγ値を得ることができる。

最後に、全ての実施の形態で共通する効果について再度述べる。各実施の形態によれば、径の異なる同心状の２つのループアンテナ１０，２０が直列に接続され、互いに逆回りに電流が流れるので、少ない消費電流でシャープな磁界分布を生成可能な逆相二重ループアンテナを提供できる。

また、各実施の形態では、円状のループアンテナを例に説明したが、そのような円状のループアンテナ以外に、円状に近い正十二角形のアンテナや、それほど円状に近くない正方形や長方形のループアンテナを同心状に配置した場合でも、同様の効果を得ることができる。

１０…外側のループアンテナ
２０…内側のループアンテナ
３０…第１のフィード線
４０…第２のフィード線
５０…第３のフィード線
６０…分岐ループアンテナ
７０…第４のフィード線
８０…第５のフィード線
Ｒ_１，Ｒ_２…抵抗体
Ｒ_３…可変抵抗体

Claims (3)

1. １回又は複数回巻回された外側の第一ループアンテナと、
   １回又は複数回巻回され、前記第一ループアンテナと同心状に配置され、前記第一ループアンテナに直列に接続され、前記第一ループアンテナに入力された電流の進行方向とは逆回りに電流が流れる内側の第二ループアンテナと、
   前記第二ループアンテナの両端間に接続された抵抗体と、
   前記第一ループアンテナ及び前記第二ループアンテナに並列に接続され、前記第二ループアンテナに内包され又は前記第二ループアンテナを内包し、前記第二ループアンテナに流れる電流の進行方向と同じ方向に電流が流れる第三ループアンテナと、
   を有することを特徴とする逆相二重ループアンテナ。
2. 前記第三ループアンテナに対して直列接続された抵抗体を更に有することを特徴とする請求項１に記載の逆相二重ループアンテナ。
3. 前記第一ループアンテナと前記第二ループアンテナについて巻回数と中心からループアンテナまでの距離の二乗とをそれぞれ積算した２つの積算値が等しいことを特徴とする請求項１又は２に記載の逆相二重ループアンテナ。

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