JP6030601B2 - アンテナ - Google Patents

Description

本発明は、請求項１のプレアンブルに記載の、マザーボード及びスリットを有するアンテナ、及び該アンテナに対する電磁信号の送信及び／又は受信方法に関する。

この種のアンテナは、例えばＲＦＩＤ読み取り装置（無線自動識別装置）に必要である。このようなＲＦＩＤ読み取り装置は物体や商品の識別に用いられており、なかでも物流の自動化のために導入されている。識別の時点、特に商品の所有者や運搬手段が変わる際に、物品に固定されたＲＦＩＤトランスポンダ（応答器）が読み取られ、場合によってはトランスポンダに情報が返信される。これにより迅速且つ追跡可能な物流が達成される。得られた情報は貨物や製品の転送や選別を制御するために用いられる。自動識別が用いられる重要な場所としては荷物発送業者等の物流配送センターや空港の手荷物チェックインがある。

ＲＦＩＤ読み取り装置は、物品を搬送するベルトコンベアのそばや、いわゆる「読み取りゲート」の内部に取り付けて使用されることが多い。ここで「読み取りゲート」とは、一又は複数のＲＦＩＤ読み取り装置と、場合によっては更に別のセンサが装備された、任意の通路を含むものと理解すべきである。物体がベルトコンベア、運搬車両（フォークリフト等）又は人の手で運ばれ、読み取りゲートを通過する際、ＲＦＩＤトランスポンダからの情報に基づいてその物体が識別される。

原理的には、ＲＦＩＤトランスポンダは、自らエネルギー供給部を備える能動的（アクティブ）なものでもよく、また受動的（パッシブ）に構成されたものでもよい。能動型か受動型かに関わらず、後方散乱の原理に従って動作するＲＦＩＤトランスポンダは、読み取り器からの信号を反射し、その際に該信号を振幅変調させるという特徴がある。その際、トランスポンダが自ら高周波信号を発生させることはない。実際には、能動型トランスポンダは物流にあまり適していない。なぜなら、エネルギー供給部が必要であるため、大量販売にとって必須の低価格を実現できないからである。そのため、ほとんどの場合、自らのエネルギー供給部を持たない受動型トランスポンダが用いられる。いずれにせよ、トランスポンダは読み取り器からの電磁放射により励起され、中に保存された情報を含む電磁波を放射するが、受動型トランスポンダはその放射に必要なエネルギーを読み取り装置の送信エネルギーから受け取る。極超短波（ＵＨＦ）の標準規格ＩＳＯ１８０００−６では後方散乱法による受動型トランスポンダが採用されている。

利用可能なトランスポンダの大部分が直線偏波型であること、そして読み取り器のアンテナに対してトランスポンダの向きを明確に規定できないような用途が多いことから、ＲＦＩＤ読み取り器には円偏波アンテナが好んで用いられる。

ＲＦＩＤ読み取り装置のように電磁波を送受信する機器をできるだけコンパクトに構成できるようにするため、それに見合ったコンパクトなアンテナが望まれている。必要とされるアンテナの大きさは周波数に依存する。一方、周波数は自由に決められるパラメータではない。例えば、ＵＨＦの波数領域は８５０ＭＨｚから９５０ＭＨｚまでと定められ、その範囲内で各国に固有の周波数が用いられる。

従来より、スリットを通じた容量結合により給電を行うマイクロストリップ型のアンテナが知られている。例えば非特許文献１にこの種のアンテナが開示されている。しかし、同文献に記載のアンテナに設けられたスリットはいずれも直線的に長く延びており、それがアンテナの小型化の可能性を制限している。

特許文献１は３層を有する積層型パッチアンテナを開示している。その中間の層には給電線に近接してスリットが設けられている。また、その別の実施形態では、互いに分離された水平偏波信号及び垂直偏波信号、又は円偏波信号を送信又は受信するために、互いに直交又は交差した２本のスリットが設けられている。しかし、いずれの実施形態においても、それらのスリットはやはり直線的に長く延びている。

特許文献２には少なくとも１つのパッチ素子を有するコンパクトなアンテナ装置が記載されている。この装置では、マザーボードにおいて、アンテナ信号の結合のための複数のスリットがパッチと給電線の間に設けられている。これらのスリットも細長い形であるが、両端に円形の拡大部を設けた形（「犬用の骨」のような形状）にもできるとされている。ここでもやはりスリットの細長い形状が小型化を制限している。

非特許文献２では、ストリップライン（マイクロストリップ）技術において、アンテナへの給電手段として複数の環状セグメントの網目パターンから成るネットワークが提案されている。しかし、この文献はスリットを通じた結合に関するものではない。

国際公開第０２／０６５５８１号 米国特許第６８９７８０９号明細書

デイビッド・ポザー（David Pozar）、「ア・レビュー・オブ・アパーチャ・カップルド・マイクロストリップ・アンテナズ：ヒストリー、オペレイション、ディベロップメント・アンド・アプリケイションズ（A Review of Aperture Coupled Microstrip Antennas: History, Operation, Development, and Applications）」、エレクトリカル・アンド・コンピュータ・エンジニアリング（Electrical and Computer Engineering）、（米国）、ユニバーシティ・オブ・マサチューセッツ・アット・アマースト（University of Massachusetts at Amherst）、1996年5月 アレクサンダー・ポプガエフ他（Alexander Popugaev et al.）、「ア・ノベル・ミニアチュアライゼイション・テクニーク・イン・マイクロストリップ・フィード・ネットワーク・デザイン（A Novel Miniaturization Technique in Microstrip Feed Network Design）」、（ドイツ）、EuCAP 2009 サード・ユーロピアン・カンファレンス・オン・アンテナズ・アンド・プロパゲイション（EuCAP 2009, 3rd European Conference on Antennas and Propagation）、2009年3月、p.23-27、

以上の技術背景に鑑みて成された本発明の課題は、できるだけコンパクトなアンテナ形状を見いだすことである。

この課題は、請求項１のプレアンブルに記載の、マザーボード及びスリットを有するアンテナ、及び該アンテナに対する電磁信号の送信及び／又は受信方法により解決される。本発明の基礎を成す技術思想は、アンテナ信号を結合するためのスリットを折り畳むということにある。スリットの長さは所望の共鳴周波数を持つ電磁波の半波長にほぼ一致するから、その長さは伝送すべき信号の波長とともに増大する。スリットを折り畳むことにより、同じ実効長を持つスリットをより小さな寸法のボード上に収めることが可能となる。従って、スリット構造の全体としての外形寸法を、所望の共鳴周波数を持つ電磁波の半波長よりも小さくすることができる。あるいは、本発明によるスリット構造の外周を取り囲む矩形は従来の直線状のスリットよりも短くて幅が広い、という言い方もできる。

このように、本発明には、アンテナ信号の結合のためのマザーボードを格段に小さいサイズに維持できるという利点がある。これにより、アンテナの構造を非常にコンパクトにすることが可能となる。

前記アンテナはマザーボードに平行な平たい形状の共振器を備えることが好ましい。通常「パッチ」と呼ばれるこの種の共振器は導電性材料（通常は金属）の薄い層であり、ボード上での集積に特に適している。信号は接触部からスリットを通じて容量的に共振器内へと（あるいはその逆方向に）結合される。共振器はマザーボード上に設けてもよいし、専用のボード上に設けてもよい。このボードは追加の空隙又は誘電体によってマザーボードから分離することもできる。原理的には単なるスリット型のアンテナも考えられるが、共振器を設ければアンテナ特性が著しく向上する。

前記スリットは複数の湾曲部を有することが好ましい。これは、折り畳みにより２次元的なパターンを得る簡単な方法の１つである。湾曲部には、結合を妨げる可能性がある切れ目等の不規則な部分が存在しないようにする。

前記湾曲部は、中央の湾曲部が最も高く、その両側にある湾曲部が前記中央の湾曲部からの距離の増大に従って低くなっていることが好ましい。最大の高さを有する中央の湾曲部は、互いに隣接した２つの最大高さの中央湾曲部から成るものであってもよい。湾曲部の高さは一様に減少していることが好ましい。これは、湾曲部の包絡線が直線的に下降しているということである。また、各湾曲部が共通の基線上で終わるような形状や、該基線を中心として振動する正弦波のような形状も考えられる。複数の湾曲部から成る２次元的なパターンは、その中央の軸に対して対称であることが好ましい。

前記スリットは末端が大きくなっていることが好ましい。つまり、スリットの末端部に該スリットの幅よりも大きな（好ましくは円形の）開口を形成するのである。これによりエッジ効果が補償され、一様で効率的な結合が達成される。

前記マザーボードは２つのスリットを有することが好ましい。これらのスリットは既述のどの幾何形状にも仕上げることができる。各スリットは、電磁信号の送り込み及び／又は取り出しのための接触部を備えている。２つのスリットは互いに対して曲がった位置関係にあり、好ましくは直角を成している。このようなスリットにより、互いに斜めに又は直角に偏波した信号を結合することができる。

好ましい一実施形態においては、前記２つのスリットが互いに交差している。これにより、マザーボードの平面をより効果的に利用することができる。２つのスリットの接触や近接をできるだけ少なくするため、両者が互いに交差する領域においては、スリットの折り畳みを小さくするか、折り畳みを完全に無くすことが有利である。

前記２つのスリットは１本のストリップラインから成る接触部をそれぞれ有することが好ましい。この形態では、信号の送り込みもストリップライン技術（マイクロストリップ）により行われる。接触部の末端には拡大領域を設けることができる。接触は各スリットの中央にて行われることが好ましい。スリットが湾曲構造を有している場合は、各ストリップラインが、対応するスリットの中央の湾曲部の内側において、該湾曲部の両側部に平行な細長い配線領域で終端に達することが好ましい。２つのストリップラインを通じて、独立した２つの異なる直線偏波信号の送り込みや取り出し、あるいは円偏波信号の送り込みや取り出しを行うことができる。

前記ストリップラインはパワー分割器を形成していることが好ましい。パワー分割器に送り込まれた信号は、円偏波のために、同じエネルギー量で９０度の位相差を持つ２つのの信号成分に分割される。これはストリップラインに適当な幾何形状を与えることにより達成可能であるため、パワー分割器のための専用の部品は不要である。

前記ストリップラインは折り畳まれ、前記マザーボード上で２次元的なパターンを形成していることが好ましい。このような蛇行構造にすれば、ストリップラインのために必要なスペースを小さくできる。

前記ストリップラインの基本形状は、長辺に複数の湾曲部を有する矩形であることが特に好ましい。特にこれらの湾曲部は互いに同一の寸法を有するものとする。

前記ストリップラインは、前記矩形の短辺において、前記湾曲部よりも大きく内側へ張り出した湾入部を有することが好ましい。このようにすれば、湾曲部の形成によりストリップラインに必要なスペースを小さくした上で、更に矩形の内側の領域も利用できる。

好ましい発展形態においては、ＲＦＩＤ読み取り装置が、ＲＦＩＤトランスポンダへのＲＦＩＤ信号の送信及び／又はＲＦＩＤトランスポンダからのＲＦＩＤ信号の受信を行うための少なくとも１つの本発明に係るアンテナを備え、更に該ＲＦＩＤ読み取り装置が、ＲＦＩＤ情報のＲＦＩＤ信号への符号化及び／又はＲＦＩＤ信号からのＲＦＩＤ情報の読み取りを行うための評価ユニットを備える。本発明に係るアンテナは、ＲＦＩＤ読み取り装置の構造を非常にコンパクトにしつつ、例えばＵＨＦ領域において必要な周波数帯をカバーすることを可能にする。このようなＲＦＩＤ読み取り装置は、ベルコトンベアで搬送されたり読み取りゲートに通されたりする少なくとも１つのＲＦＩＤトランスポンダから情報を読み取るために、ベルトコンベア又は読み取りゲートの読み取り領域のそばに固定的に設置されることが好ましい。

本発明に係る方法は、前記と同様のやり方で仕上げていくことが可能であり、それにより同様の効果を奏する。そのような効果をもたらす特徴は、例えば本願の独立請求項に続く従属請求項に記載されているが、それらに限定されるものではない。

以下、本発明について、更なる特徴及び利点をも考慮しつつ、模範的な実施形態に基づき、添付の図面を参照ながら詳しく説明する。図面の内容は以下の通りである。

ＲＦＩＤリーダをベルトコンベアに配備した様子を示す概略的な立体斜視図。 ＲＦＩＤリーダのブロック図。 アンテナの層構造の概略図。 本発明の一実施例における折り畳み型スリット構造を有するマザーボードの平面図。 本発明の別の実施例における折り畳み型スリット構造を有するマザーボードの平面図。 パワー分割器を形成する折り畳み型給電線の上に折り畳み型スリット構造を有するマザーボードの底面図。

図１はベルトコンベヤ１２のそばに据え付けられたＲＦＩＤリーダ１０の概略斜視図である。ＲＦＩＤトランスポンダ１６を備える物体１４がベルトコンベヤ１２に乗ってＲＦＩＤリーダ１０のそばを通過する。ＲＦＩＤリーダ１０の成すべきことは、ＲＦＩＤトランスポンダ１６に記録された情報を読み出すために、該トランスポンダからの信号を受信することである。用途によっては、逆にＲＦＩＤリーダ１０からＲＦＩＤトランスポンダ１６へ情報を格納するようにすることも可能である。

上記目的のため、ＲＦＩＤリーダ１０はＲＦＩＤ信号を受信するための読み取り受信アンテナ１８を備えている。なお、このアンテナ１８は、ＲＦＩＤトランスポンダ１６上での書き込み処理やＲＦＩＤトランスポンダ１６への搬送信号の供給を行うための送信アンテナとしても利用できる。なお、図示しないが、本例では送信アンテナが別途設けられている。ＲＦＩＤリーダ１０及びトランスポンダ１６の正確な構造並びにその相互の通信方法は当業者に周知の事項であるので、ここでは詳しく説明しない。

図２はＲＦＩＤリーダ１０を非常に簡略に示したブロック図である。アンテナ１８で受信されたＲＦＩＤ信号を評価したり、情報をＲＦＩＤ信号としてトランスポンダへ送信したりするために、ＲＦＩＤリーダ１０の制御・評価ユニット２０がアンテナ１８に接続されている。制御・評価ユニット２０は更に、データ交換やパラメータ設定等を行うために有線又は無線のインタフェース２２と接続されている。

既知のＲＦＩＤリーダ１０と比べて改良された要素はアンテナ１８である（図２では概略的にしか示していない）。アンテナ１８は、円偏波を発信するために２点で給電されることが好ましい。もっとも、１点のみ又は３つ以上の点で給電を行う場合でも円偏波を実現することは可能である。また、１点のみの給電で単一方向の直線偏波を行ったり、２点の給電で様々な方向に直線偏波を行ったりするアンテナ構成も適宜考えられる。更に、製造を簡単にするため、アンテナ１８を、薄い金属層で形成された共振器を有するパッチアンテナとして構成することが好ましい。ここではアンテナ１８をＲＦＩＤリーダ１０に導入した例を挙げているが、このアンテナは他の種類の機器でも使用できる。

図３はアンテナ１８の層構造を示している。多数の層が描かれているが、全ての層が必須というわけではない。例えば、最小の構成では、マザーボード２４が、配線基板としても利用される１枚の基板から成り、該基板にスリット２６が設けられ、その下方に無終端の（つまり開放端を有する）給電線が配置される。寸法を適切に定めれば、スリット２６はそれだけで発信素子又はアンテナとして作用する。

アンテナ１８のバンド幅と指向性を改善するために、導体から成る平らな形状の共振器３０をスリット２６の上に配置してもよい。この共振器３０はしばしばパッチ素子と呼ばれ、アンテナ１８の所望の共鳴周波数に合うように調整される。

共振器３０とマザーボード２４の間の隙間、及びマザーボード２４と給電線２８との間の隙間は、空隙３２、３４又は誘電体３６により形成することができる。その場合、空隙のみ、誘電体のみ、あるいは多層基板のように両者を様々な材料とともに多層的に重ねたものなど、あらゆる混合形態が考えられる。

アンテナ１８の指向性を高めるため、マザーボード２４の下に別のボード３８を用いることができる。この別のボード３８と給電線２８との間の隙間は、他の隙間と同様、空隙４０及び／又は誘電体で埋めることができる。誘電体を追加せずに空隙のみにすることの利点は、誘電率の許容誤差によるアンテナ１８のバンド幅の制限や指向性の変化が生じないことである。

図４は２つのスリット２６ａ〜ｂを有するマザーボード２４の平面図である。スリットに対応する給電線２８ａ〜ｂはマザーボード２４の裏側にあるため、破線で描かれている。この実施形態では、円偏波信号や、互いに直交する方向に直線偏波されて分離された２つの信号を発生させるために、アンテナを２つの平面で励起することができる。なお、図示しないが、スリットを１つだけ設けてもよい。この場合は単一の直線偏波信号が発生する。

例えば８６５〜８６８ＭＨｚや９０２〜９２８ＭＨｚの波長領域のような長い波長に対応したスリット２６ａ〜ｂをできるだけ小型のマザーボード２４の上に収めるため、スリット２６ａ〜ｂは折り畳まれ、２次元的なパターンを形成している。図４では模範例として、このパターンが複数の湾曲部から成り、そのうち中央の湾曲部が最も高く、両側の湾曲部が該中央の湾曲部からの距離の増大に応じて低くなっている。また湾曲部の数は、その具体的な寸法と同様、所望の共鳴周波数に対応したアンテナを設計する際の変数の１つであって、図はあくまで模範例と理解すべきである。スリット２６ａ〜ｂは全体として中央の軸に対して対称なパターンを成しており、その中央の軸に沿って給電線２８ａ〜ｂが配置されている。図４の実施形態ではこれらの湾曲部が共通の基線上で終わっている。代わりに、基線を中心として上下に振動しながら減衰する波状の湾曲部も考えられる。更に、図とは違って、スリット２６ａ〜ｂの終端を広げた形にしてもよい。

図５は２つの交差し合うスリット２６ａ〜ｂを有する別の実施形態のマザーボード２４の平面図である。この形態では、両方のスリット２６ａ〜ｂをコンパクトに収めることが可能であって、両者に共通の交差点を無視すれば、それらはなおも事実上２つのスリット２６ａ〜ｂとして作用する。湾曲部の構造を図４から変えたのは、まずスリット２６ａ〜ｂの折り畳みにより形成される２次元的なパターンの別の例を示すためであり、更にはスリットの交差が１点だけで済むようにするためである。図５ではスリット２６ａ〜ｂの終端が広がっているが、この構成を任意に選択できることは既に図４について説明した通りである。

図６は、図４で既に説明したスリット２６ａ〜ｂを持つマザーボード２４を再び示しているが、給電線２８ａ〜ｂの可能な構成例を説明するため、今度は底面側から見た様子を示している。図示した実施形態では、給電線がストリップライン技術により構成されたパワー分割器を成しており、送り込まれた信号は、この分割器により、同じエネルギー量で９０度の位相差を持つ２つの信号成分に分割される。これらの信号成分は両方の開放端４４ａ〜ｂへと移動する。通常なら開放端では信号の全反射が生じるが、この例では開放端４４ａ〜ｂにおける反射箇所の真上に共振構造としてのスリット２６ａ〜ｂが存在するため、信号はその上方にある共振器３０に結合する。更に、９０度の位相差を持つ信号成分が２つのスリット２６ａ〜ｂに供給されるため、共振器３０は全体として円偏波を放射する。

スリット２６ａ〜ｂと同様、給電線２８ａ〜ｂも折り畳まれ、２次元的なパターンを成すことが好ましい。このようにすれば、９００ＭＨｚ付近の周波数領域において、マザーボード２４上で必要となる給電線２８ａ〜ｂのためのスペースが６０％以上減少する。

図示した給電線２８ａ〜ｂも湾曲部により折り畳まれているが、ここでは全ての湾曲部が円形で同じサイズである。この給電線２８ａ〜ｂの基本形状は矩形であり、その長辺の実効長が湾曲部により非常に長くなっている。加えて、矩形の短辺には内側に張り出した湾入部があり、これにも同様に湾曲部が重畳されている。共通の接触点４６から長さの異なる配線を敷設することにより、２つの信号成分に所望の位相差が与えられる。給電線２８ａ〜ｂの厚みを等しくすることで、両者の抵抗を等しくし、以て均等なエネルギー分割が行われるようにしている。なお、配線構造のうち導線として接続されていない脚や目のような部分には技術的な意味はない。

給電線２８ａ〜ｂにより形成されている矩形は、全体としてスリット２６ａ〜ｂに対して４５度の角度を成しており、後者に対してマザーボード２４上でずれて配置されている。これにより、結合のために必要な接触部を除いて、マザーボード２４上での要素同士の重なりを無くし、その平面を最大限に活用している。

アンテナ１８にはいくつもの長所がある。２つのスリット２６ａ〜ｂは平面内で空間的に分離され、しかも折り畳みの結果、その配置領域の外形寸法は明らかに小さくなっている。２つの給電線２８ａ〜ｂが同一平面にあるため、それらを分離するための空隙や誘電体といった追加的な中間層が不要である。基板平面上でパワー分割器と給電線２８ａ〜ｂが非常に小さな設置面積で組み合わされる。更に共振器３０も、面積縮小のために、例えば基本パターンを折り重ねた形状やフラクタル形状にすることができる。これによりアンテナ１８は一層コンパクトになる。

Claims (13)

1. 少なくとも１つのスリット（２６）と、電磁信号の送り込み及び／又は読み出しのために前記スリット（２６）のそばに設けられた１つの接触部（２８）とを有するマザーボード（２４）を備えるアンテナ（１８）であって、前記スリット（２６）が折り畳まれ、前記マザーボード（２４）上で２次元的なパターンを形成しており、該スリット（２６）の２つの端部（４２）の幅が該スリット（２６）本体の幅よりも広く、
   前記スリットは複数の弧状部と複数の平行な直線部を備え、該直線部の両端が異なる弧状部に接続されており、前記複数の直線部のうちの中央に位置する直線部が最も長く、該中央に位置する直線部からの距離が遠くなるにつれて該直線部の両側に位置する直線部の長さが短くなることを特徴とするアンテナ（１８）。
2. 前記マザーボード（２４）に平行な平たい形状の共振器（３０）を備えることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ（１８）。
3. 前記スリット（２６）の末端が円形であることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載のアンテナ（１８）。
4. 前記マザーボード（２４）が２つのスリット（２６ａ〜ｂ）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ（１８）。
5. 前記２つのスリット（２６ａ〜ｂ）が互いに交差していることを特徴とする請求項４に記載のアンテナ（１８）。
6. 前記２つのスリット（２６ａ〜ｂ）が１本のストリップライン（２８ａ〜ｂ）から成る接触部をそれぞれ有することを特徴とする請求項４又は５に記載のアンテナ（１８）。
7. 前記ストリップライン（２８ａ〜ｂ）がパワー分割器を形成していることを特徴とする請求項６に記載のアンテナ（１８）。
8. 前記ストリップライン（２８ａ〜ｂ）が折り畳まれ、前記マザーボード（２４）上で２次元的なパターンを形成していることを特徴とする請求項６又は７に記載のアンテナ（１８）。
9. 前記ストリップライン（２８ａ〜ｂ）の基本形状が、長辺に複数の湾曲部を有する矩形であることを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載のアンテナ（１８）。
10. 前記ストリップライン（２８ａ〜ｂ）が、前記矩形の短辺において、前記湾曲部よりも大きく内側へ張り出した湾入部を有することを特徴とする請求項９に記載のアンテナ（１８）。
11. ＲＦＩＤトランスポンダ（１６）へのＲＦＩＤ信号の送信及び／又はＲＦＩＤトランスポンダ（１６）からのＲＦＩＤ信号の受信を行うための、請求項１〜１０のいずれかに記載の少なくとも１つのアンテナ（１８）と、ＲＦＩＤ情報のＲＦＩＤ信号への符号化及び／又はＲＦＩＤ信号からのＲＦＩＤ情報の読み取りを行うための評価ユニット（２０）とを備えるＲＦＩＤ読み取り装置（１０）。
12. ベルトコンベア（１２）で搬送されたり読み取りゲートに通されたりする少なくとも１つのＲＦＩＤトランスポンダ（１６）から情報を読み取るために、前記ベルトコンベア（１２）又は読み取りゲートの読み取り領域のそばに固定的に設置されることを特徴とする請求項１１に記載のＲＦＩＤ読み取り装置（１０）。
13. 請求項１〜１０のいずれかに記載のアンテナ（１８）を用いて電磁信号、特にＲＦＩＤ信号の送信及び／又は受信を行うことを特徴とする方法。

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