JP4451125B2

JP4451125B2 - 小型アンテナ

Info

Publication number: JP4451125B2
Application number: JP2003399731A
Authority: JP
Inventors: 裕彦津田; 智三太田
Original assignee: Sharp Corp
Current assignee: Sharp Corp
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2010-04-14
Anticipated expiration: 2023-11-28
Also published as: JP2005167327A

Description

本発明は、例えばＲＦＩＤ（ＲａｄｉｏＦｒｅｑｕｅｎｃｙＩｄｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ）システムなどに用いられる小型アンテナに関する。

ＲＦＩＤシステムは、通常、書き込み・読み出し機能を持つリーダと無線タグから構成される。従来、特にマイクロ波領域では、無線タグとして、バッテリを内蔵したタグがＦＡ分野等でよく利用されている。また、最近では、リーダからの送信電波を検波し、それを駆動電力としてタグ動作を行わせるバッテリレスタグが登場し、多くの分野で様々な活用が検討されており、ＦＡのほか、物流・流通関連などの分野で大きな活用展開が予定されている。

ＲＦＩＤシステムは、例えば図７に示すように、リーダＲＷ、アンテナＡ、無線タグＴとから構成されており、リーダＲＷは電波信号を送出し、このリーダＲＷからの送出電波信号を無線タグＴが受け、タグ内のメモリに蓄積された情報で、入力信号に反射変調を与えてリーダＲＷに返送する。そして、無線タグＴから返送された信号をリーダＲＷにて復調してタグ情報を取り出すようになっている。なお、ＲＦＩＤシステムにおいては、１３．５６ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯、２．５４ＧＨｚ帯などの周波数帯域が使用されている。

ＲＦＩＤシステムに利用される無線タグとして、機器（装置）等に実装する平面状のタグが現在までに商用化されている。その一例として、ダイポールアンテナを有する無線タグがある。その無線タグを図８に示す。

図８に示す無線タグＴ３０は、誘電体基板３０２の上に、信号を電波として送受信するダイポールアンテナ３０１を形成するとともに、タグ処理機能をもつタグＩＣ３０３を組み込んで一体化したものである。このようなダイポールアンテナを有する無線タグＴ３０では、ダイポールアンテナ３０１のアンテナ長を通信周波数の波長λの半波長（λ／２）に設定することにより、良好な利得を得ることができるとともに、インピーダンスの整合を比較的容易にとることができる。

ところで、最近では、ＲＦＩＤシステム等に使用される無線タグの小型化の要求が一段と強くなってきている。

図８に示すような無線タグにおいて、タグの小型化をはかる場合、ダイポールアンテナのアンテナ長を短くすることが考えられるが、アンテナ長をλ／２よりも短くすると、利得はそれほど急激に低下しないが、インピーダンスが急激に低下する。また、抵抗が０Ωに近づき、リアクタンスがマイナス無限大に近づいていくので、タグＩＣとのチューニングが困難になることがある。

このような問題を解消する方法として、ダイポールアンテナをメアンダライン形状にすることで、アンテナ長を長くする方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。

また、小型化の他の方法として、無線タグの全体をガラスエポキシ等の誘電体材料にて封止することで、電磁波の波長を自由空間の１／√εｒ（εｒは誘電体の比誘電率）に短縮してタグの小型化をはかる方法が提案されている（例えば、特許文献２参照。）。
特開２００２−１４１７２７号公報特開２００２−２２２３９８号公報

ところで、前記した２つの方法のうち、ダイポールアンテナをメアンダライン形状にする方法では、アンテナ長が長くなるのでインピーダンスの調整はし易くなるが、パターン相互の距離が接近するために、アンテナパターン間の干渉が起こり利得の低下が大きくなる。

また、無線タグを誘電体材料にて封止する方法においても、封止材料である誘電体の誘電損失（ｔａｎδ）によって利得が低下する。

本発明はそのような実情に鑑みてなされたもので、利得の低下を最小限に抑えながら小型化をはかることができ、しかも、インピーダンスの整合が容易な構造の小型アンテナを提供することを目的とする。

本発明の小型アンテナは、通信周波数の波長に比べて十分に小さい間隔で互いに平行にかつ対称配置で形成された２本の導体線の各一端部にそれぞれアンテナ導体が接続されているとともに、２本の導体線の他端部にＩＣチップが搭載される小型アンテナである。本発明の小型アンテナは、２本のアンテナ導体が、それぞれ、少なくとも、導体線と交差する方向に延びる第１の導体と、この第１の導体の先端から折れ曲り導体線と平行な方向に延びる第２の導体と、この第２の導体の先端から折れ曲り導体線と交差する方向に延びる第３の導体とを有する折れ曲りパターンであるとともに、第１の導体、第２の導体、及び、第３の導体において、それぞれ２本の導体が同じ方向で互いに逆向きに延びる形状に形成されており、２本の導体線の一方の一端部に接続されているアンテナ導体は、２本の導体線、及び、搭載されるＩＣチップを囲む形状に形成されているとともに、２本の導体線の各一端部にそれぞれ接続されている２本のアンテナ導体の他方の端部は、開放端であることによって特徴づけられる。

本発明の小型アンテナにおいて、２本の平行な導体線が、通信周波数の波長に比べて十分に小さい間隔で対称配置されているので、各導体線には電流は流れるが、それぞれの電界は相互に打ち消し合うので利得が生じることがなく、インピーダンスのみ変化するという効果が得られる。また、２本の平行な導体線は、相互に非常に接近しているので、アンテナの利得に影響を与えることが少ない。従って、このような２本の平行な導体線の一端部にそれぞれアンテナ導体を接続することにより、それら２本のアンテナ導体の長さつまりダイポールアンテナのアンテナ長を短くしても、２本の平行な導体線の長さを調整することで、インピーダンスの整合を容易に行うことが可能となり、アンテナ全体の小型化を達成できる。

ここで、ダイポールアンテナのアンテナ長を短くすると利得は低下するが、前記したように利得の低下はそれほど急激ではないので、実使用に十分に応えることができる程度の利得を確保することは可能である。

また、アンテナ導体を折れ曲りパターンとすることにより、アンテナ全体の小型化を達成しながら、ダイポールアンテナのアンテナ長を長くすることができ、利得を高めることができる。

また、アンテナ導体を折れ曲りパターンとする場合、折れ曲りの回数は２本のアンテナ導体において必ずしも同じである必要はなく、いずれか一方の折れ曲り回数が多い形態であってもよい。

本発明の小型アンテナにおいて、前記２本の平行な導体線の間隔を、当該導体線の他端部に搭載するＩＣチップの一対の接続パッドの間隔に合わせた間隔としておけば、導体線の長さ方向の任意の位置にＩＣチップを搭載することが可能となり、そのＩＣチップを搭載する位置（導体線の長さ方向の位置）を調節することにより、ＩＣチップとアンテナ導体の端部との間の導体線の長さを調整することができ、インピーダンスを整合することができる。

本発明の小型アンテナにおいて、前記２本の導体線の他端部に、ＩＣチップ接続用の複数のパッドを、当該導体線の長さ方向に所定のピッチで配置しておけば、それら複数のパッドのうち、ＩＣチップを接続するパッドを適宜選択することにより、ＩＣチップとアンテナ導体の端部との間の導体線の長さを調整することができ、インピーダンスを整合することができる。

本発明の無線タグは、前記した特徴を持つ小型アンテナとＩＣチップを備え、前記小型アンテナの２本の導体線の他端部に前記ＩＣチップを搭載しているので、タグの小型化を達成することができる。

本発明によれば、通信周波数の波長に比べて十分に小さい間隔で互いに平行にかつ対称配置で形成された２本の導体線の各一端部にそれぞれアンテナ導体を接続してダイポールアンテナを構成するとともに、それら２本のアンテナ導体を同じ方向で互いに逆向きに延びるパターンとしているので、利得の低下を最小限に抑えながらアンテナ全体の小型化を達成することができる。さらにアンテナパターンを変更することなしに、ＩＣチップの搭載位置を微調整することにより、ＩＣチップとアンテナのインピーダンスの整合を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の小型アンテナの一例を示す平面図である。図２は図１のＸ−Ｘ線拡大断面図（ａ）及びＹ−Ｙ線拡大断面図（ｂ）である。

この例の小型アンテナＡＮは、誘電体基板（例えばガラスエポキシ基板）６上に互いに平行な２本の導体線３，４と、２本のアンテナ導体１，２とが形成されてなる平面構造のダイポールアンテナである。

２本の平行な導体線３，４は、通信周波数の波長λ（例えば２．５４ＧＨｚ：λ＝１２０ｍｍ）に比べて十分に小さい間隔で対称配置されている。従って、各導体線３，４には電流は流れるが、それぞれの電界は相互に打ち消し合うので利得は生じない。これら２本の導体線３，４の各一端部にそれぞれアンテナ導体１，２が接続されており、導体線３，４の他端部がタグＩＣ等のＩＣチップのＩＣ搭載部５となっている。

２本の導体線３，４のうち、一方の導体線３に接続されたアンテナ導体１は、導体線３の一端から直角に折れ曲る第１の導体１１と、第１の導体１１の先端から直角に折れ曲り、導体線３と平行な方向で導体線３に対して遠ざかる向きに延びる第２の導体１２と、第２の導体１２の先端から直角に折れ曲り、導体線３と直交する方向で第１の導体１１と逆向きに延びる第３の導体１３と、第３の導体１３の先端から直角に折れ曲り、導体線３と平行な方向で第２の導体１２と逆向きに延びる第４の導体１４とが連続して形成されてなる折れ曲りパターンである。

他方の導体線４に接続されたアンテナ導体２は、導体線４の一端から直角に折れ曲る第１の導体２１と、第１の導体２１の先端からＩＣ搭載部５に向けて直角に折れ曲り、導体線４と平行な方向に延びるとともに、先端部がＩＣ搭載部５の後側に臨む第２の導体２２と、第２の導体２２の先端から直角に折れ曲り、導体線４と直交する方向で第１の導体２１と逆向きに延びる第３の導体２３と、第３の導体２３の先端から直角に折れ曲り、導体線４と平行な方向で第２の導体２２と逆向きに延びる第４の導体２４とが連続して形成されてなる折れ曲りパターンである。

以上の２つの折れ曲りパターンのアンテナ導体１，２において、一方のアンテナ導体１の第１の導体１１と他方のアンテナ導体２の第１の導体２１とは同じ方向で互いに逆向きに延びており、また、一方のアンテナ導体１の第２の導体１２と他方のアンテナ導体２の第２の導体２２とは同じ方向で互いに逆向きに延びている。さらに、一方のアンテナ導体１の第３の導体１３と他方のアンテナ導体２の第３の導体２３とは同じ方向で互いに逆向きに延びており、また、一方のアンテナ導体１の第４の導体１４と他方のアンテナ導体２の第４の導体２４とは同じ方向で互いに逆向きに延びている。

従って、アンテナ導体１，２を、このような折れ曲りパターンとすることにより、アンテナ全体の小型化を実現しながらアンテナ長を長くすることでき、しかも、電界を打ち消し合う部分を少なくすることができるので、利得を高めることができる。

図１に示す小型アンテナＡＮによれば、通信周波数の波長λに比べて十分に小さい間隔で互いに平行に対称配置された２本の平行な導体線３，４を給電部とし、その導体線３，４の各一端部にそれぞれアンテナ導体１，２を接続しているので、給電部である各導体線３，４には電流は流れるが、それぞれの電界は相互に打ち消し合うので利得が生じることがなく、インピーダンスが上昇するという効果が得られる。また、２本の平行な導体線３，４は相互に非常に接近しているので、アンテナの利得に影響を与えることが少ない。

従って、このような２本の平行な導体線３，４の一端部に接続した２本のアンテナ導体１，２の長さつまりダイポールアンテナのアンテナ長を短くしても、導体線３，４の長さを調整することで、インピーダンスの整合を容易に行うことができる。ここで、ダイポールアンテナのアンテナ長を短くすると利得は低下するが、前記したように利得の低下はそれほど急激ではないので、実使用に十分に応えることができる程度の利得を確保することができる。

そして、このような特徴を有する小型アンテナＡＮの２本の平行な導体線３，４の他端のＩＣ搭載部５に、図３に示すようにタグＩＣ７を実装することにより、小型の無線タグＴ０を実現することができる。

ここで、図１の小型アンテナＡＮにおいて、２本の平行な導体線３，４の間隔を、タグＩＣ７（もしくは他のＩＣチップ）の一対の接続パッド（図示せず）の間隔に合わせた間隔としておけば、導体線３，４の長さ方向の任意の位置にタグＩＣ７を搭載することが可能となり、図４に示すように、タグＩＣ７を搭載する位置（導体線３，４の長さ方向の位置）を調節することにより、タグＩＣ７とアンテナ導体１，２の端部との間の導体線３，４の長さを調整することができ、インピーダンスを容易に整合することができる。従って、小型アンテナＡＮに搭載するタグＩＣ７の特性（インピーダンス）にバラツキがあっても、タグＩＣ７の導体線３，４への搭載位置を調整することにより、ＩＣ特性のバラツキを吸収することができる。しかも、この例の場合、タグＩＣ７の搭載位置を無段階で調節することができるので、インピーダンスの微調整も可能になる。

図５は本発明の小型アンテナの他の例の要部構造を示す平面図である。

この例では、図５（ａ）に示すように、２本の導体線１０３，１０４の他端部に、それぞれ、ＩＣチップ接続用の複数のパッド１３１・・１３１，１４１・・１４１が、各導体線１０３，１０４の長さ方向に所定のピッチで配置されている点に特徴がある。

この例の小型アンテナＡＮ１によれば、タグＩＣの実装工程において、図５（ｂ）に示すように、タグＩＣ７を接続するパッド１３１，１４１を適宜選択することにより、タグＩＣ７とアンテナ導体１，２の端部との間の導体線３，４の長さを調整することができ、インピーダンスを整合することができる。従って、この例においても、小型アンテナＡＮ１に搭載するタグＩＣ７の特性（インピーダンス）にバラツキがあっても、タグＩＣ７の導体線１０３，１０４への搭載位置を調整することにより、ＩＣ特性のバラツキを吸収することが可能になる。

ここで、以上の各例では、２本のアンテナ導体１，２を、それぞれ、第１の導体１１〜第４の導体１４、第１の導体２１〜第４の導体２４からなる折れ曲りパターンとしているが、アンテナ導体の折れ曲りの回数・パターン等は特に限定されず、例えば図６に示すように、アンテナ導体２０１，２０２を、それぞれ、第１の導体２１１，２２１と第２の導体２１２，２２２からなる折れ曲りパターンとしてもよい。ただし、この場合も、一方のアンテナ導体２０１の第１の導体２１１と他方のアンテナ導体２０２の第１の導体２２１とは同じ方向で互いに逆向きに延びる形状とし、一方のアンテナ導体２０１の第２の導体２１２と他方のアンテナ導体２０２の第２の導体２０２とは同じ方向で互いに逆向きに延びる形状とする。なお、図４の小型アンテナＡＮ２を用いて、導体線３，４の他端のＩＣ搭載部５にタグＩＣ７を搭載することにより小型無線タグを得ることができる。

本発明の小型アンテナの一例を示す平面図である。図１のＸ−Ｘ線拡大断面図（ａ）及びＹ−Ｙ線拡大断面図（ｂ）を併記して示す図である。図１の小型アンテナを使用した無線タグの一例を示す平面図である。図１の小型アンテナの更に具体的な構成を示す平面図である。本発明の小型アンテナの他の例を示す要部平面図である。本発明の小型アンテナの別の例を示す平面図である。ＲＦＩＤシステムの基本構成を示す図である。従来の無線タグの一例を示す平面図である。

符号の説明

ＡＮ小型アンテナ
Ｔ０無線タグ
１アンテナ導体
１１第１の導体
１２第２の導体
１３第３の導体
１４第４の導体
２アンテナ導体
２１第１の導体
２２第２の導体
２３第３の導体
２４第４の導体
３，１０３導体線
４，１０４導体線
１３１，１４１パッド
５ＩＣ搭載部
６誘電体基板
７タグＩＣ

Claims

通信周波数の波長に比べて十分に小さい間隔で互いに平行にかつ対称配置で形成された２本の導体線の各一端部にそれぞれアンテナ導体が接続されているとともに、前記２本の導体線の他端部にＩＣチップが搭載される小型アンテナであって、
前記２本のアンテナ導体が、それぞれ、少なくとも、前記導体線と交差する方向に延びる第１の導体と、この第１の導体の先端から折れ曲り前記導体線と平行な方向に延びる第２の導体と、この第２の導体の先端から折れ曲り前記導体線と交差する方向に延びる第３の導体とを有する折れ曲りパターンであるとともに、
前記第１の導体、前記第２の導体、及び、前記第３の導体において、それぞれ２本の導体が同じ方向で互いに逆向きに延びる形状に形成されており、
前記２本の導体線の一方の一端部に接続されている前記アンテナ導体は、前記２本の導体線、及び、搭載される前記ＩＣチップを囲む形状に形成されているとともに、
前記２本の導体線の各一端部にそれぞれ接続されている前記２本のアンテナ導体の他方の端部は、開放端であることを特徴とする小型アンテナ。
前記２本の導体線の他端部に、それぞれ、前記ＩＣチップ接続用の複数のパッドが当該導体線の長さ方向に所定のピッチで配置されていることを特徴とする請求項１記載の小型アンテナ。