JP6243569B1

JP6243569B1 - ループアンテナ

Info

Publication number: JP6243569B1
Application number: JP2017120196A
Authority: JP
Inventors: 佐々木　愛一郎; 愛一郎佐々木; 淳一小舘
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2017-06-20
Filing date: 2017-06-20
Publication date: 2017-12-06
Anticipated expiration: 2037-06-20
Also published as: EP3644439A4; JP2019004436A; EP3644439B1; US20200203832A1; EP3644439A1; WO2018235631A1; CN110537293A; CN110537293B; US10720706B2

Abstract

【課題】アンテナに付随したコンデンサの容量値が最適値に完全に一致せずとも比較的大きな磁界を得る。【解決手段】メインループ１に接続された容量Ｃ１と増幅用ループ２に接続された容量Ｃ２の少なくともいずれかを最適値に設定できない場合であっても、容量Ｃ１，Ｃ２の値と電流Ｉ２の大きさとの関係を示す図において、容量Ｃ１，Ｃ２の最適点（Ｃ１opt，Ｃ２opt）を通り、電流Ｉ２の大きさが等しい点を結んだ等高線の尾根に沿った最善Ｃ２曲線、最善Ｃ１曲線、又は最善Ｃ１直線に基づき、容量Ｃ１，Ｃ２を設定することにより、増幅用ループに流れる電流Ｉ２の電流値を十分に大きくできる。【選択図】図３

Description

本発明は、磁界を用いた無線システムのエリア拡大に寄与できるループアンテナに関する。

近年、ＮＦＣ（ＮｅａｒＦｉｅｌｄＣｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）等の無線通信技術を用いた認証システムにおいて、認証エリアを意図的に限定してユーザの意思や行動に連動したサービスが行われている（特許文献１〜３）。磁界を用いて認証エリアを形成する場合には、ループアンテナ（コイル）が用いられ、アンテナに電流を通じることによりアンテナ面上に球状の磁界分布を形成する。磁界の距離減衰特性は、電波に比べて急峻であり、無線エリアの境界を明確に区別できるという利点がある。

無線エリアを拡大するという観点においては、磁界の急峻な距離減衰特性は欠点でもある。磁界を利用した無線システムにおいて無線エリアを拡大する場合、アンテナに大きな電流を与える必要があり、消費電力が非常に大きくなる。

このような課題を解決する手段として、磁界共鳴効果を利用することで消費電流を増やさずに磁界を増幅する手法が提案されている（特許文献４，５）。

特許第５６８４６９５号公報特許第５９１４３６８号公報特許第５８１３６７２号公報特許第６０７７０３６号公報特許第６０７７１４８号公報

共鳴を利用して磁界を増幅するには、強く結合した２つのループアンテナにそれぞれ取り付けられたコンデンサの容量を適切な値に設定する必要がある。コンデンサの容量を最適値に設定するには可変コンデンサが便利である。実用面を考慮した場合には、信頼性と低コスト化が求められるため、固定コンデンサの利用が求められる。

しかしながら、固定コンデンサでは容量を最適値に設定することは困難である。そのため、コンデンサの容量が最適値と完全に一致せずとも比較的大きな磁界を得る方法が求められていた。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、アンテナに付随したコンデンサの容量値が最適値に完全に一致せずとも比較的大きな磁界を得ることを目的とする。

本発明に係るループアンテナは、信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループと、前記メインループに接続された第１容量と、前記増幅用ループに接続された第２容量と、を備え、前記メインループと前記増幅用ループは自己インダクタンスが等しく、前記第１容量と前記第２容量の少なくともいずれかは固定容量であって、前記第１容量と前記第２容量は、前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値と前記増幅用ループに流れる電流の大きさとの関係を示した図において、前記電流の大きさを最大化するときの前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値で示される最適点を通り、前記電流の大きさが等しい点を結んだ等高線の尾根に沿った最善曲線又は最善直線に基づいて決定されていることを特徴とする。

本発明によれば、アンテナに付随したコンデンサの容量値が最適値に完全に一致せずとも比較的大きな磁界を得ることができる。

図１は、本実施の形態におけるループアンテナの構成を示す図である。図２は、図１のループアンテナの等価回路を示す図である。図３は、メインループと増幅用ループに接続した容量の容量値と増幅用ループに流れる電流との関係を示す図である。図４は、メインループに固定容量を接続したときの増幅用ループの容量の最善の容量値を示す曲線を示す図である。図５は、増幅用ループに固定容量を接続したときのメインループの容量の最善の容量値を示す曲線を示す図である。図６は、図５の曲線を近似した直線を示す図である。図７は、本実施の形態における別のループアンテナの構成を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を用いて説明する。

図１は、本実施の形態におけるループアンテナの構成を示す図である。

図１に示すループアンテナは、共鳴型のループアンテナであり、メインループ１と増幅用ループ２を備える。

メインループ１は、磁性体又は絶縁体で形成された棒状のロッド３に巻かれたコイルである。メインループ１の巻き数は１以上であり、図１の例では巻き数は５である。メインループ１には、抵抗Ｒ１と容量Ｃ１が直列に接続されている。メインループ１は、信号源５又は受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ，Ｔを有する開ループである。

増幅用ループ２は、メインループ１から離れた位置でロッド３に巻かれたコイルである。増幅用ループ２の巻き数は１以上であり、図１の例では巻き数は５である。増幅用ループ２には、抵抗Ｒ２と容量Ｃ２が直列に接続されている。増幅用ループ２は、端子を備えない閉ループである。

メインループ１と増幅用ループ２の幾何学的形状は同一であり、したがって、双方の自己インダクタンスＬは等しい。また、メインループ１と増幅用ループ２は、ロッド３上の同じ位置に巻かれてもよい。

信号源５からメインループ１に交流の電流Ｉ１が供給されると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスにより、増幅用ループ２に交流の電流Ｉ２が流れる。抵抗Ｒ２の抵抗値を抵抗Ｒ１の抵抗値より小さくすると、電流Ｉ２の大きさは電流Ｉ１の大きさより大きくなる。よって、ループアンテナにより発生する磁界のエリアを拡大できる。

なお、図１は、メインループ１の端子Ｔ，Ｔに信号源５を接続し、ループアンテナを送信アンテナとして用いる構成を示しているが、信号源５の代わりに受信回路を端子Ｔ，Ｔに接続し、ループアンテナを受信アンテナとして用いてもよい。この場合、外部から受信する磁界により、増幅用ループ２に大きな電流Ｉ２が蓄積される。相互インダクタンスがあるために、メインループ１を流れる電流Ｉ１も、増幅用ループ２が存在しない場合に比べて大きくなる。よって、送信側からみた場合、磁界のエリアが拡大したことになる。

次に、電流Ｉ２を最大化するための容量Ｃ１，Ｃ２の最適値について説明する。

電流Ｉ２の大きさは、信号源５が発生する信号の周波数ｆ、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量Ｃ２、及びループ形状など複数の要素に依存する。そのため、抵抗Ｒ１、抵抗Ｒ２、容量Ｃ１、容量Ｃ２の各値を調整し、電流Ｉ２を最大化するのが好ましい。

抵抗Ｒ２の値が抵抗Ｒ１の値より小さい場合、容量Ｃ１，Ｃ２の値を、次式（１），（２）で求められる最適値Ｃ１^opt，Ｃ２^optに設定すると電流Ｉ２を最大化できる。

ただし、ωは信号源５が発生する信号の角周波数である。

電流Ｉ２の大きさは、図１のループアンテナの等価回路を解析もしくはシミュレーションすることで容易に求めることができる。図２に、図１のループアンテナの等価回路を示す。

図３に、図２の等価回路を解析して得られた容量Ｃ１，Ｃ２の値と電流Ｉ２の大きさとの関係を示す。図３は、信号源５から発生する信号の周波数ｆを１０ＭＨｚ、電圧Ｖｉｎを１Ｖ、メインループ１と増幅用ループ２の自己インダクタンスＬを１μＨ、抵抗Ｒ１を１００Ω、抵抗Ｒ２を１Ωとして、等価回路を解析した結果を描画したものである。図３では、容量Ｃ１，Ｃ２の値をそれぞれ横軸と縦軸にとり、電流Ｉ２の大きさが等しい点を結んだ等高線(電流Ｉ２の等高線)で容量Ｃ１，Ｃ２の値と電流Ｉ２の大きさとの関係を示した。

上記の条件を式（１），（２）に用いると、次式（３）に示す容量Ｃ１，Ｃ２の最適値Ｃ１^opt，Ｃ２^optを得られる。

図３を見ると、容量Ｃ１，Ｃ２の値が式（３）を満たす時に、確かに電流Ｉ２が最大（５０ｍＡ）になっていることがわかる。つまり、電流Ｉ２を最大化するためには、容量Ｃ１，Ｃ２の双方に可変容量を用い、微調整を行って容量Ｃ１，Ｃ２の容量値を式（３）の値に完全に一致させる必要がある。

しかしながら、容量Ｃ１，Ｃ２の少なくともいずれかに固定容量を使用した場合、容量Ｃ１，Ｃ２を最適値Ｃ１^opt，Ｃ２^optに設定できないことがある。本実施形態では、容量Ｃ１，Ｃ２の少なくともいずれかに固定容量を使用した場合に電流Ｉ２を極大化できる最善の値を求め、最善の値に基づいて容量Ｃ１，Ｃ２の容量値を決定する。

まず、容量Ｃ１を固定容量、容量Ｃ２を可変容量としたケースを考える。つまり、容量Ｃ１の値は微調整できないが、容量Ｃ２の値は微調整できる。

図２の等価回路を解析することにより、電流Ｉ２を容量Ｃ１，Ｃ２の関数として表すことができる。そこで、次式（４）の方程式を考える。

式（４）を具体的に計算し、容量Ｃ２について解くと次式（５）を得る。

ただし、関数ｆ（Ｃ；ω，Ｌ，Ｒ）を次式（６）と定義した。

式（５）で表される曲線を最善Ｃ２曲線と呼ぶことにする。図４は、図３に示す等高線に最善Ｃ２曲線をプロットした図である。最善Ｃ２曲線は、容量値を調整できない容量Ｃ１の値に応じた、最善の容量Ｃ２の値を表している。つまり、容量Ｃ１が固定容量であって、容量Ｃ１の値を式（３）に示した最適値に調整できなくても、容量Ｃ２の値を式（５）によって求められる値に微調整することにより、電流Ｉ２の大きさを極大化できる。

続いて、容量Ｃ１を可変容量、容量Ｃ２を固定容量としたケースを考える。つまり、前述のケースとは逆に、容量Ｃ１の値は微調整できるが、容量Ｃ２の値は微調整できない。

本ケースでは、次式（７）の方程式を考える。

式（７）を具体的に計算し、容量Ｃ１について解くと次式（８）を得る。

関数ｆ（Ｃ；ω，Ｌ，Ｒ）は式（６）に定義されている。

式（８）で表される曲線を最善Ｃ１曲線と呼ぶことにする。図５は、図３に示す等高線に最善Ｃ１曲線をプロットした図である。最善Ｃ１曲線は、容量値を調整できない容量Ｃ２の値に応じた、最善の容量Ｃ１の値を表している。容量Ｃ２が固定容量であっても、容量Ｃ１の値を式（８）によって求められる値に微調整することにより、電流Ｉ２の大きさを極大化できる。

図４，５を見ると、最善Ｃ２曲線及び最善Ｃ１曲線のいずれの曲線も、電流Ｉ２の大きさを最大化する容量Ｃ１，Ｃ２の最適点（Ｃ１^opt，Ｃ２^opt）を通り、電流Ｉ２の等高線の尾根に沿った曲線である。

また、図５を見ると、最善Ｃ１曲線は、最適点（Ｃ１^opt，Ｃ２^opt）を通り、傾き−１の直線で近似できることがわかる。このような直線は次式（９）で表される。

式（９）で表される直線を最善Ｃ１直線と呼ぶことにする。図６は、図３に示す等高線に最善Ｃ１直線をプロットした図である。図６を見ると、最善Ｃ１直線は、図５に示した最善Ｃ１曲線をよく近似していることがわかる。したがって、最善Ｃ１曲線は、最善Ｃ１直線で代用できる。容量Ｃ２が固定容量であっても、容量Ｃ１の値を式（９）によって求められる値に微調整することにより、電流Ｉ２の大きさを極大化できる。最善Ｃ１直線を用いると、設定すべき容量Ｃ１の値を容易に求めることができる。最善Ｃ１直線は、容量Ｃ１の値を自動制御する場合に有用である。

続いて、容量Ｃ１，Ｃ２のいずれも固定容量としたケースを考える。

低コスト化を図る目的で、可変容量を一切利用しないことが考えられる。固定容量は、Ｅ３系列からＥ１９２系列まで、メーカ間で統一されたラインナップから選択可能である。しかしながら、離散的な値の固定容量から容量Ｃ１，Ｃ２を選択しなければならず、容量Ｃ１，Ｃ２の最適値に完全に一致する固定容量を選択することは不可能に近い。また、先に説明した最善曲線上又は最善直線上に容量Ｃ１，Ｃ２の値が位置するように、容量Ｃ１，Ｃ２に利用する固定容量を得ることも非常に難しい。

そこで、本実施形態では、容量Ｃ１，Ｃ２の両方に固定容量を利用する場合、候補となる容量の組み合わせ（Ｃ１⁰，Ｃ２⁰）のうち、最善曲線又は最善直線からの距離ｄ（Ｃ１⁰，Ｃ２⁰）が最短となる組み合わせを採用する。最善曲線及び最善直線を表す関数は、式（５），（６），（８），（９）で与えられているので、距離ｄ（Ｃ１⁰，Ｃ２⁰）を求めることは可能である。特に、式（９）に示した最善Ｃ１直線との距離は、次式（１０）で容易に求めることができる。

次に、本実施の形態における別のループアンテナについて説明する。

図７は、本実施の形態における別のループアンテナの構成を示す図である。

図７に示すループアンテナは、共鳴型のループアンテナであり、メインループ１と増幅用ループ２を備える。

図７に示すループアンテナは、図１に示すループアンテナとは、平面基板（図示せず）上にメインループ１と増幅用ループを形成した点で相違する。

メインループ１は、絶縁体で形成された平面基板上に配置される。メインループ１には、抵抗Ｒ１と容量Ｃ１が直列に接続されている。メインループ１は、信号源５又は受信回路（図示せず）を接続するための端子Ｔ，Ｔを有する開ループである。

増幅用ループ２は、同一平面基板上に、メインループ１に極めて近接して配置される。増幅用ループ２には、抵抗Ｒ２と容量Ｃ２が直列に接続されている。増幅用ループ２は、端子を備えない閉ループである。

メインループ１と増幅用ループ２の幾何学的形状は同一であり、したがって、双方の自己インダクタンスＬは等しい。

信号源５からメインループ１に交流の電流Ｉ１が供給されると、メインループ１と増幅用ループ２の間の相互インダクタンスにより、増幅用ループ２に交流の電流Ｉ２が流れる。抵抗Ｒ２の抵抗値を抵抗Ｒ１の抵抗値より小さくすると、電流Ｉ２の大きさは電流Ｉ１の大きさより大きくなる。

図７のループアンテナの容量Ｃ１，Ｃ２の少なくともいずれかに固定容量を用いた場合であっても、図１のループアンテナと同様に最善な容量値に設定することで、電流Ｉ２の大きさを極大化できる。

なお、図７では、メインループ１の内側に増幅用ループ２を配置したが、メインループ１の外側に増幅用ループ２を配置してもよいし、平面基板を挟んだ両面にメインループ１と増幅用ループ２を配置してもよい。メインループ１と増幅用ループ２の巻き数を２以上としてもよい。巻き数を２以上とする場合、メインループ１と増幅用ループ２の巻き数を等しくする。

図７のループアンテナにおいても、受信回路を端子Ｔ，Ｔに接続して受信アンテナとして用いてもよい。

以上説明したように、本実施の形態によれば、メインループ１に接続された容量Ｃ１と増幅用ループ２に接続された容量Ｃ２の少なくともいずれかを最適値に設定できない場合であっても、容量Ｃ１，Ｃ２の値と電流Ｉ２の大きさとの関係を示す図において、容量Ｃ１，Ｃ２の最適点を通り、電流Ｉ２の大きさが等しい点を結んだ等高線の尾根に沿った最善Ｃ２曲線、最善Ｃ１曲線、又は最善Ｃ１直線に基づき、容量Ｃ１，Ｃ２を設定することにより、増幅用ループに流れる電流Ｉ２の電流値を十分に大きくできる。それゆえに、容量Ｃ１，Ｃ２の少なくともいずれかに安価な固定容量を用いても大きな磁界増幅効果を得ることができる。

１…メインループ
２…増幅用ループ
３…ロッド
５…信号源

Claims

信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループと、
前記メインループに接続された第１容量と、
前記増幅用ループに接続された第２容量と、を備え、
前記メインループと前記増幅用ループは自己インダクタンスが等しく、前記第１容量と前記第２容量の少なくともいずれかは固定容量であって、
前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値は、前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値と前記増幅用ループに流れる電流の大きさとの関係を示した図において、前記電流の大きさを最大化するときの前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値で示される最適点を通り、前記電流の大きさが等しい点を結んだ等高線の尾根に沿った最善曲線又は最善直線に基づいて決定されていることを特徴とするループアンテナ。
前記第１容量は固定容量であって、
前記最善曲線は、次式

（ただし、Ｃ１は前記第１容量の値、Ｃ２は前記第２容量の値、Ｌは前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、ωは前記メインループに印加する信号の角周波数、Ｒ１はメインループの抵抗である）
で表されることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
前記第２容量は固定容量であって、
前記最善曲線は、次式

（ただし、Ｃ１は前記第１容量の値、Ｃ２は前記第２容量の値、Ｌは前記メインループと前記増幅用ループの自己インダクタンス、ωは前記メインループに印加する信号の角周波数、Ｒ２はメインループの抵抗である）
で表されることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
前記第２容量は固定容量であって、
前記最善直線は、前記最適点を通り、傾きが−１の直線であることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
固定容量でない前記第１容量又は第２容量は可変容量であって、当該可変容量の容量値は、前記固定容量の容量値と前記最善曲線又は前記最善直線によって求められる値に調整されることを特徴とする請求項２乃至４のいずれかに記載のループアンテナ。
前記第１容量と前記第２容量はいずれも固定容量であって、
前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値は、前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値と前記増幅用ループに流れる電流の大きさとの関係を示した図において、前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値で示される点から前記最善曲線又は前記最善直線への距離が最短となる組み合わせであることを特徴とする請求項１に記載のループアンテナ。
信号源または受信回路に接続される開ループであるメインループと、
前記メインループと同じ形状を有する閉ループである増幅用ループと、
前記メインループに接続された第１容量と、
前記増幅用ループに接続された第２容量と、を備え、
前記メインループと前記増幅用ループは自己インダクタンスが等しく、前記第１容量と前記第２容量の少なくともいずれかは固定容量であって、
前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値は、前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値と前記増幅用ループに流れる電流の大きさとの関係を示した図において、前記電流の大きさを最大化するときの前記第１容量の容量値と前記第２容量の容量値で示される最適点を通り、前記電流の大きさが等しい点を結んだ等高線の尾根に沿った最善曲線上又は最善直線上の値であることを特徴とするループアンテナ。