JP6320974B2 - ループアンテナ - Google Patents

Description

本発明は、通信エリアの境界を明確に設定可能なループアンテナに関する。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信（エリア限定無線）に対するニーズが高まっている。例えば、特許文献１に開示された電界通信システムは、エリア限定無線を実現するための一手段である。

一方、低周波（およそ10MHz）の磁界は、人体や周囲環境との相互作用が電界と比べて著しく低いという特徴を有する。例えば、特許文献２に開示されたループアンテナは、限定した空間に磁界を発生させる。

特開２００７−１７４５７０号公報 特開２０１３−２２３１１７号公報

電界通信では、環境に設置されたアクセスポイント装置の近傍のエリアに存在する端末装置だけが、アクセスポイント装置との通信を行うことができる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は、設置環境や利用者の姿勢などに大きく依存するため、明確な近傍のエリアを電界によって実現することが困難である。したがって、通信すべき位置に存在している端末装置が通信不能になる場合や、その逆の場合などが生じ、安定で信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することが難しい。

そこで、特許文献２に開示されているように低周波磁界を通信媒体として用いることが考えられる。通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するような磁界部分を創り出すことができれば、信頼性の高いエリア限定無線システムを構築することができる。

しかし、特許文献２に開示されているループアンテナの外形は円であるため、その円の直径以上の幅が設置スペースに要求される。したがって、例えば柱や溝といった幅の狭いスペースにループアンテナを設置するのは困難であるという課題がある。

本発明は、この課題に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、幅の狭いスペースでも設置可能で、通信エリアの境界を明確に設定可能なループアンテナを提供することである。

本発明のループアンテナは、同一面の面内に配置された第１導体ループと第２導体ループとで構成され、前記第１導体ループは前記第２導体ループを互いの重心が一致するように内包し、前記同一面は縦寸法よりも横寸法が大きな外形形状であり、前記第１導体ループと前記第２導体ループは縦寸法よりも横寸法が大きな形状であり、前記第１導体ループを流れる電流Ｉ_１と、前記第２導体ループを流れる電流Ｉ_２とは、互いに逆向きに流れ、かつ、電流Ｉ _１ と電流Ｉ _２ との和が一定であり、前記第１導体ループが囲む面積をＳ_１、前記第２導体ループが囲む面積をＳ_２とした場合に、次式を満たしており、かつ、面積比（Ｓ _２ /Ｓ _１ ）が0.17〜0.71であることを要旨とする。

本発明のループアンテナによれば、幅の狭いスペースでも設置可能で、通信エリアの境界を明確に設定可能なループアンテナを提供することができる。

第１実施形態のループアンテナ１の構成例を示す図である。 ループアンテナアレイ１の変形例を示す図である。 ループアンテナアレイ１の変形例を示す図である。 ループアンテナアレイ１の変形例を示す図である。 評価関数の特性例を示すグラフである。 第２実施形態のループアンテナ２の構成例を示す図である。 磁界分布シミュレーションのシミュレーション条件を示す図である。 磁界分布シミュレーションのシミュレーション結果を示す図である。

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。複数の図面中同一のものに
は同じ参照符号を付し、説明は繰り返さない。

〔第１実施形態〕
図１に、第１実施形態のループアンテナ１の構成例を示す。本実施形態のループアンテナ１は、絶縁体基板１０と、第１導体ループ１１と、第２導体ループ１２と、第１給電点１３ａ，１３ｂと、第２給電点１４ａ，１４ｂとを具備する。第１導体ループ１１は、第２導体ループ１２を内包している。

第１給電点１３ａ，１３ｂは、第１導体ループ１１を給電する。第２給電点１４ａ，１４ｂは、第２導体ループ１２を給電する。

第１給電点１３ａは正極（＋）であり、長方形の絶縁体基板１０の一方の長辺の中央部分の外縁近くに配置される。第１導体ループ１１は、第１給電点１３ａから絶縁体基板１０の外縁に沿って時計方向に延長され、第１給電点１３ａの手前に配置された第１給電点１３ｂ（−）に接続する導電パターンによって構成される。なお、この例の導電パターンと絶縁体基板１０の外縁との距離は、不規則に変化する。したがって、第１導体ループ１１の形状は歪な形状である。第１導体ループ１１には、第１給電点１３ａから第１給電点１３ｂに向けて時計方向に電流が流れる。

第２給電点１４ａは正極（＋）であり、第１導体ループ１１の内側に配置される。第２導体ループ１２は、第２給電点１４ａから、第１導体ループ１１の内側において反時計方向に延長され、第２給電点１４ａの手前の位置に配置された第２給電点１４ｂ（−）に接続する導電パターンによって構成される。第２導体ループ１２には、第２給電点１４ａから第２給電点１４ｂに向けて反時計方向に電流が流れる。つまり、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とに流れる電流は、互いに逆向きである。

第１導体ループ１１が囲む面積をＳ_１、第１導体ループ１１に流れる電流をＩ_１とする。また、第２導体ループ１２が囲む面積をＳ_２、第２導体ループ１２に流れる電流をＩ_２とする。そして、次式に示す条件を満たすＩ_１とＩ_２とに調整する。

式（１）によれば、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とで構成されるループアンテナの磁気双極子モーメントの和を零にするので、ループアンテナ１の遠方磁界が急激に減衰するシャープな磁界分布を形成することができる。式（１）の条件は、第１給電点１３ａと第２給電点１４ａの信号電圧を調整することで容易に満たすことができる。

ループアンテナ１の磁界分布の形状は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２の形状にほとんど依存しない。具体的な磁界分布については後述する。

このように、長方形の絶縁体基板の同一面内に配置された第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを式（１）の条件で使用することで、柱や溝等の幅が狭いスペースに設置でき、且つ、シャープな磁界分布を創り出せるループアンテナ１を実現できる。

〔変形例〕
図２に、第１実施形態のループアンテナ１の変形例の構成を示す。図２（ａ）は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを、長方形の形状にしたものである。また、図２（ｂ）は、第１導体ループ１１を長方形、第２導体ループ１２を楕円の形状にしたものである。

このように第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを、長方形や楕円等の規則性や対称性を有する形状にすることで、ループアンテナ１の製造を容易にすることができる。

図３に、第１実施形態のループアンテナ１の他の変形例を示す。図３は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との重心を一致させたものである。なお重心は、中心と言い換えても良い。

図３（ａ）は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを長方形にし、且つ、それぞれのループの重心を一致させた例である。図３（ｂ）は、第１導体ループ１１を長方形、第２導体ループ１２を楕円にした例である。このように、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との重心を一致させることで、ループアンテナ１からより近い距離において磁界の急減衰特性を得ることができる。

図４に、第１実施形態のループアンテナ１の他の変形例を示す。図４は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを相似形にしたものである。図４（ａ）は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを長方形の相似形にしたものである。図４（ｂ）は、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とを楕円の相似形にしたものである。

図４に示す様に２つの導体ループを相似形の関係にすることで、上記の変形例よりも対称性の高い構成にすることができる。また、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との間の距離を近付けることで、ループアンテナ１からより近い距離において磁界の急減衰特性を得ることができる。

なお、遠方における磁界強度を最大にする面積比λ（λ＝Ｓ_２/Ｓ_１）が存在する。磁界強度を最大にする面積比に設定することで、消費電流を最小化できる。次に、その消費電流を最小化する条件について説明する。

図３と図４に示した第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との重心を一致させたループアンテナ１が、遠方に生成する磁界Ｈ（ｚ）は、近似的に次式で表せる。

ここでｚは、重心から観測点までの距離である。ｃ_１＝1/２π，ｃ_２＝３/４π^２である。導体ループの面積比λを次式で定義する。

更に、２つの導体ループに流れる電流の和をＩ_ｔとおく。

急減衰特性を得るためには、式（２）の右辺第一項が０になるように電流を調整すれば良い。

式（３）〜式（５）より次式を得る。

実用的には、急減衰特性を満たしつつ、遠方磁界を最大にするのが望ましい。したがって式（２）の第一項は０を満たしつつ、第二項を最大化するのが望ましい。右辺第二項に式（３）と式（６）とを代入すると次式が得られる。

したがって、Ｉ_ｔとＳ_１とを一定とした場合、式（２）の第二項を最大にするには、次式で定義する評価関数ｆ（λ）を最大化すれば良い。

評価関数ｆ（λ）が最大になるλをλｃとおく。λｃを求めるには次式を解けば良い。

式（９）を解くと次式を得る。

また、評価関数ｆ（λ）の値が最大値から３dB以内となるための面積比λの範囲は、次式で求められる。

式（１１）を解くと、3dB以内となるための面積比λの範囲は、次式に示す様に決定できる。

つまり、Ｉ_ｔを一定とした場合に、面積比λ（Ｓ_２/Ｓ_１）を0.17〜0.71の範囲にすることで、ループアンテナ１が遠方に生成する磁界Ｈ（ｚ）の値を、最大値−3dBの範囲にすることができる。

図５に、面積比λと評価関数ｆ（λ）の関係を示す。図５の横軸は面積比λ、縦軸は評価関数ｆ（λ）である。Ｉ_ｔを一定とした場合に遠方における磁界強度を最大にする面積比λは、約0.41である。また、磁界の最大強度−3dBの範囲の面積比は、λ＝0.17〜0.71の範囲である。

〔第２実施形態〕
図６に、第２実施形態のループアンテナ２の構成例を示す。本実施形態のループアンテナ２は、図３（ａ）に示したループアンテナ１の第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とのループの巻き数を複数回にしたものである。

第１導体ループ１１の巻き数をＮ_１、第２導体ループ１２の巻き数をＮ_２とすると、上記の式（１）は拡張されて次式となる。

図６は、Ｎ_１＝3、Ｎ_２＝2とした例である。式（１３）から明らかなように、それぞれの巻き数が1の場合よりも電流値Ｉ_１，Ｉ_２を小さくすることができる。つまり、ループアンテナ２は、Ｎ_１＝1、Ｎ_２＝1の場合にループアンテナ１が発生する磁界と同じ強さの磁界を、少ない電流で発生することができる。

〔磁界分布のシミュレーション〕
本発明の作用効果を確認する目的で、磁界分布のシミュレーションを行った。図７と図８とを参照して、そのシミュレーション結果を説明する。

図７は、シミュレーション条件を示す図である。シミュレーションは、図４（ｂ）に示した第１実施形態のループアンテナ１の他の変形例について行った。

第１導体ループ１１は、その長軸を0.4ｍ、短軸を0.1ｍとする楕円とした。また、第２導体ループ１２は、その長軸を0.2ｍ、短軸を0.05ｍとする楕円とした。図７では、絶縁体基板の表記を省略しているが、第１導体ループ１１の形状から明らかなように、その形状は例えば楕円の長軸方向に長い長方形である。

また、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との中心の位置は一致させた。そして、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とに同位相の交流電流を給電して発生する磁界をシミュレーションした。

図８に、ｚ−ｘ面のシミュレーション結果を示す。図中の数値の単位はdBμA/mであり、一本の等高線は10dBの差分を表す。

座標（x=0.0，z=−0.5）の磁界の強さは、約70dBμA/mであり、原点付近の最も強度の強い部分から0.5ｍ離れた位置で60dBダウンである。この減衰量は、従来の単一のループアンテナよりも減衰量が約22dB大きい。

このように本発明のループアンテナは、通信エリアの境界を明確に設定可能なシャープな磁界部分を生成することができる。また、本発明のループアンテナは、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２とが配置される絶縁体基板の形状は、例えば長方形である。したがって、幅の狭いスペースでも設置可能である。

以上、実施形態に沿って本発明の内容を説明したが、本発明はこれらの記載に限定されるものではなく、種々の変形及び改良が可能であることは、当業者には自明である。例えば、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との形状は、異なっていてもよい。

また、第１導体ループ１１と第２導体ループ１２との形状は、不規則な形状であってもよい。つまり、中心から左右対称な形状で無くてもよい。また、上記の実施形態では、第１導体ループ１１に流れる電流の向きを時計方向、第２導体ループ１２に流れる電流の向きを反時計方向の例を示したが、電流の向きはその逆であっても構わない。

また、長方形の例で示した絶縁体基板１０は、長方形に限定されない。その形状は、縦寸法よりも横寸法が大きな外形形状で有れば何でもよい。要するに、絶縁体基板１０の形状は、ループアンテナを配置可能な形状に整合する基板形状であればどのような形状で有っても構わない。このように本発明は、上記した実施例に限定されるものではなく、その要旨の範囲内で数々の変形が可能である。

１,２：ループアンテナ
１０：絶縁体基板
１１：第１導体ループ
１２：第２導体ループ
１３ａ，１３ｂ：第１給電点
１４ａ，１４ｂ：第２給電点

Claims (1)

1. 同一面の面内に第１導体ループと第２導体ループを配置したループアンテナを用いた通信エリア境界の設定方法であって、
   前記第１導体ループは、前記第１導体ループとは形状が異なる前記第２導体ループを互いの重心が一致するように内包し、前記同一面は縦寸法より横寸法が大きな外形形状であり、前記第１導体ループと前記第２導体ループは縦寸法より横寸法が大きな形状であり、前記第１導体ループが囲む面積をＳ _１ 、前記第２導体ループが囲む面積をＳ _２ とした場合に、面積比（Ｓ _２ /Ｓ _１ ）が0.17〜0.71であるループアンテナにおいて、
   前記第１導体ループを流れる電流Ｉ_１と、前記第２導体ループを流れる電流Ｉ_２とは、互いに逆向きの流れとし、かつ、電流Ｉ_１と電流Ｉ_２との和を一定とし、ループアンテナを流れる電流Ｉ _１ と電流Ｉ _２ を次式を満たすように流すことを特徴とするループアンテナを用いた通信エリア境界の設定方法。
   
   

   

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