阅读说明：本技术 环形天线以及环形天线的设计方法 (The design method of loop aerial and loop aerial ) 是由 佐佐木爱一郎 小馆淳一 于 2018-06-08 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种环形天线和环形天线的设计方法,即使在无法将与主环路(1)连接的电容(C<Sub>1</Sub>)以及与放大用环路(2)连接的电容(C<Sub>2</Sub>)的至少任意一个设定为最佳值的情况下,通过根据在表示电容(C<Sub>1</Sub>、C<Sub>2</Sub>)的值与电流(I<Sub>2</Sub>)的大小的关系的图中穿过电容(C<Sub>1</Sub>、C<Sub>2</Sub>)的最佳点(C<Sub>1</Sub><Sup>opt</Sup>、C<Sub>2</Sub><Sup>opt</Sup>)并沿着连接电流(I<Sub>2</Sub>)的大小相等的点的等高线的脊的最优C2曲线、最优C1曲线或最优C1直线,设定电容(C<Sub>1</Sub>、C<Sub>2</Sub>),也能够充分地增大流过放大用环路的电流(I<Sub>2</Sub>)的电流值。(The present invention provides the design method of a kind of loop aerial and loop aerial, even if in the capacitor (C that can not will be connect with major loop (1) 1 ) and the capacitor (C that is connect with amplification with loop (2) 2 ) in the case that at least any one is set as optimum value, by according to indicating capacitor (C 1 、C 2 ) value and electric current (I 2 ) size relationship figure in pass through capacitor (C 1 、C 2 ) Best Point (C 1 opt 、C 2 opt ) and along connection electric current (I 2 ) equal-sized point contour ridge optimal C2 curve, optimal C1 curve or optimal C1 straight line, set capacitor (C 1 、C 2 ), it also can fully increase the electric current (I for flowing through amplification loop 2 ) current value.)

环形天线以及环形天线的设计方法

技术领域

本发明涉及能够有助于扩大使用了磁场的无线系统的区域的环形天线。

背景技术

近年来，在利用了NFC(Near Field Communication：近场通信)等无线通信技术的认证系统中，有意地限制认证区域来进行与用户的意图和行动联动的服务(专利文献1～3)。在利用磁场形成认证区域的情况下，使用环形天线(线圈：coil)，通过在天线中通过电流而在天线面上形成球状的磁场分布。磁场的距离衰减特性比电波急剧，具有能够明确地区别无线区域的边界的优点。

从扩大无线区域的观点出发，磁场的急剧的距离衰减特性也是缺点。在利用了磁场的无线系统中扩大无线区域的情况下，需要向天线提供大的电流，消耗功率非常大。

作为解决这样的问题的手段，提出了通过利用磁共振效应，不增加消耗电流地放大磁场的方法(专利文献4、5)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5684695号公报

专利文献2：日本专利第5914368号公报

专利文献3：日本专利第5813672号公报

专利文献4：日本专利第6077036号公报

专利文献5：日本专利第6077148号公报

发明内容

发明要解决的问题

为了利用共振来放大磁场，需要将分别安装在强耦合的2个环形天线上的电容的电容值设定为适当的值。为了将电容的电容值设定为最佳值，可变电容是方便的。在考虑到实用方面的情况下，要求可靠性和低成本化，因此要求利用固定电容。

但是，对于固定电容来说，难以将电容值设定为最佳值。因此，要求一种即使电容的电容值不完全与最佳值一致也得到比较大的磁场的方法。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于：即使天线所附带的电容的电容值不完全与最佳值一致，也得到比较大的磁场。

用于解决问题的手段

本发明的一个方式的环形天线的特征在于，具备：主环路，其是与信号源或接收电路连接的开放环路；放大用环路，其是具有与上述主环路相同的形状的闭合环路；第一电阻，其与上述主环路串联连接；第一电容，其与上述主环路串联连接；第二电阻，其与上述放大用环路串联连接；第二电容，其与上述放大用环路串联连接，其中，上述主环路与上述放大用环路的自感相等，上述第一电阻的电阻值是比上述第二电阻的电阻值大的值，上述第一电容和上述第二电容的至少任意一个是固定电容，通过上述第一电阻的电阻值、上述第二电阻的电阻值、上述第一电容的电容值、上述第二电容的电容值以及上述自感来表示流过上述放大用环路的电流的大小，在以上述第一电容的电容值和上述第二电容的电容值为轴的正交坐标中，上述电流的大小为极大的上述第一电容的电容值与上述第二电容的电容值的组合被表示为穿过使上述电流的大小最大化时的上述第一电容的电容值和上述第二电容的电容值所示的最佳点的最优曲线或最优直线，根据上述最优曲线或上述最优直线决定上述第一电容的电容值和上述第二电容的电容值的组合。

发明效果

根据本发明，即使天线所附带的电容的电容值不完全与最佳值一致，也能够得到比较大的磁场。

附图说明

图1是表示本实施方式的环形天线的结构的图。

图2是表示图1的环形天线的等价电路的图。

图3是表示与主环路和放大用环路连接的电容的电容值与流过放大用环路的电流的关系的图。

图4是表示显示出将固定电容与主环路连接时的放大用环路的电容的最优电容值的曲线的图。

图5是表示显示出将固定电容与放大用环路连接时的主环路的电容的最优电容值的曲线的图。

图6是表示对图5的曲线进行近似所得的直线的图。

图7是表示本实施方式的其他环形天线的结构的图。

具体实施方式

以下，使用附图说明本发明的实施方式。

图1是表示本实施方式的环形天线的结构的图。

图1所示的环形天线是共振型的环形天线，具备主环路1和放大用环路2。

主环路1是卷绕在由磁性体或绝缘体形成的棒状的杆3上的线圈。主环路1的匝数是1以上，在图1的例子中，匝数是5。电阻R₁和电容C₁与主环路1串联连接。主环路1是具有用于连接信号源5或接收电路(未图示)的端子T、T的开放环路。

放大用环路2是在从主环路1离开的位置处卷绕在杆3上的线圈。放大用环路2的匝数是1以上，在图1的例子中，匝数是5。电阻R₂和电容C₂与放大用环路2串联连接。放大用环路2是不具备端子的闭合环路。

主环路1和放大用环路2的几何形状相同。因此，双方的自感L相等。另外，主环路1和放大用环路2也可以被卷绕在杆3上的相同位置。

如果从信号源5向主环路1供给交流的电流I₁，则由于主环路1和放大用环路2之间的互感，在放大用环路2中流过交流的电流I₂。如果使电阻R₂的电阻值小于电阻R₁的电阻值，则电流I₂的大小变得比电流I₁的大小更大。由此，能够扩大通过环形天线产生的磁场的区域。

此外，图1表示将信号源5与主环路1的端子T、T连接并将环形天线用作发送天线的结构，但也可以代替信号源5而将接收电路与端子T、T连接，将环形天线用作接收天线。在该情况下，由于从外部接收的磁场，在放大用环路2中积蓄大的电流I₂。由于存在互感，所以流过主环路1的电流I₁也比不存在放大用环路2的情况大。因此，从发送侧看来，磁场的区域扩大了。

接着，说明用于使电流I₂最大化的电容C₁、C₂的最佳值。

电流I₂的大小依存于信号源5产生的信号的频率f、电阻R₁、电阻R₂、电容C₁、电容C₂以及环路形状等多个要素。因此，理想的是调整电阻R₁、电阻R₂、电容C₁、电容C₂的各值，使电流I₂最大化。

在电阻R₂的值比电阻R₁的值小的情况下，如果将电容C₁、C₂的值设定为根据以下公式(1)、(2)求出的最佳值C₁ ^opt、C₂ ^opt，则能够使电流I₂最大化。

[公式1]

[公式2]

其中，ω是信号源5产生的信号的角频率。

通过对图1的环形天线的等价电路进行分析或模拟，能够容易地求出电流I₂的大小。在图2中，表示图1的环形天线的等价电路。

在图3中，表示分析图2的等价电路而得到的电容C₁、C₂的值与电流I₂的大小的关系。图3将从信号源5产生的信号的频率f设为10MHz，将电压Vin设为1V，将主环路1和放大用环路2的自感L设为1为感，将电阻R₁设为100Ω，将电阻R₂设为1Ω，描绘出分析等价电路而得的结果。在图3中，分别将电容C₁、C₂的值作为横轴和纵轴，用连接电流I₂的大小相等的点的等高线(电流I₂的等高线)表示电容C₁、C₂的值与电流I₂的大小的关系。

如果将上述条件用于公式(1)、(2)，则能够得到以下公式(3)所示的电容C₁、C₂的最佳值C₁ ^opt、C₂ ^opt。

[公式3]

如果观察图3，则可知在电容C₁、C₂的值满足公式(3)时，电流I₂确实成为最大(50mA)。即，为了使电流I₂最大化，需要对电容C₁、C₂的双方使用可变电容，并进行微调来使电容C₁、C₂的电容值与公式(3)的值完全一致。

但是，在对电容C₁、C₂的至少任意一个使用固定电容的情况下，有时无法将电容C₁、C₂设定为最佳值C₁ ^opt、C₂ ^opt。在本实施方式中，在对电容C₁、C₂的至少任意一个使用了固定电容的情况下，求出能够使电流I₂极大化的最优值，根据最优值决定电容C₁、C₂的电容值。

首先，考虑将电容C₁设为固定电容，将电容C₂设为可变电容的情况。即，无法对电容C₁的值进行微调，但能够对电容C₂的值进行微调。

通过分析图2的等价电路，能够将电流I₂表示为电容C₁、C₂的函数。因此，考虑以下公式(4)的方程式。

[公式4]

如果具体计算公式(4)，求解电容C₂，则得到以下公式(5)。

[公式5]

C₂＝f(C₁；ω，L，R₁) (5)

其中，将函数f(C；ω，L，R)定义为以下公式(6)。

[公式6]

将公式(5)所示的曲线称为最优C2曲线。图4是在图3所示的等高线上标绘出最优C2曲线的图。最优C2曲线表示与无法调整电容值的电容C₁的值对应的最优的电容C₂的值。即，即使电容C₁是固定电容而无法将电容C₁的值调整为公式(3)所示的最佳值，通过将电容C₂的值微调为根据公式(5)求出的值，也能够使电流I₂的大小极大化。

接着，考虑将电容C₁设为可变电容，将电容C₂设为固定电容的情况。即，与上述情况相反，能够对电容C₁的值进行微调，但无法对电容C₂的值进行微调。

在本情况下，考虑以下公式(7)的方程式。

[公式7]

如果具体计算公式(7)，求解电容C₁，则得到以下公式(8)。

[公式8]

C₁＝f(C₂；ω，L，R₂) (8)

将函数f(C；ω，L，R)定义为公式(6)。

将公式(8)所示的曲线称为最优C1曲线。图5是在图3所示的等高线上标绘出最优C1曲线的图。最优C1曲线表示与无法调整电容值的电容C₂的值对应的最优的C₁的值。即使电容C₂是固定电容，通过将电容C₁的值微调为根据公式(8)求出的值，也能够使电流I₂的大小极大化。

如果观察图4、图5，则最优C2曲线和最优C1曲线的任意一个曲线都是穿过使电流I₂的大小最大化的电容C₁、C₂的最佳点(C₁ ^opt、C₂ ^opt)并沿着电流I₂的等高线的脊的曲线。

另外，如果观察图5，则可知最优C1曲线能够用穿过最佳点(C₁ ^opt、C₂ ^opt)，斜率为-1的直线近似。用以下公式(9)表示这样的直线。

[公式9]

将公式(9)所示的直线称为最优C1曲线。图6是在图3所示的等高线上标绘最优C1直线的图。如果观察图6，则可知最优C1直线很好地近似了图5所示的最优C1曲线。因此，可以用最优C1直线代用最优C1曲线。即使电容C₂是固定电容，通过将电容C₁的值微调为根据公式(9)求出的值，也能够使电流I₂的大小极大化。如果使用最优C1直线，则能够容易地求出应该设定的电容C₁的值。在对电容C₁的值进行自动控制的情况下，最优C1直线是有用的。

接着，考虑电容C₁、C₂的任意一个都为固定电容的情况。

以谋求降低成本为目的，考虑完全不使用可变电容的情况。从E3系列到E192系列，可以从在制造商之间统一了的产品系列中选择固定电容。但是，必须从离散的值的固定电容中选择电容C₁、C₂，几乎不可能选择与电容C₁、C₂的最佳值完全一致的固定电容。另外，也非常难以得到使电容C₁、C₂的值位于先前说明的最优曲线上或最优直线上的用于电容C₁、C₂的固定电容。

因此，在本实施方式中，在电容C₁、C₂的双方利用固定电容的情况下，采用成为候选的电容的组合(C₁ ⁰、C₂ ⁰)中的离开最优曲线或最优直线的距离d(C₁ ⁰、C₂ ⁰)为最短的组合。通过公式(5)、(6)、(8)、(9)给出表示最优曲线和最优直线的函数，因此能够求出d(C₁ ⁰、C₂ ⁰)。尤其是能够根据以下公式(10)容易地求出与公式(9)所示的最优C1直线的距离。

[公式10]

接着，说明本实施方式的其他环形天线。

图7是表示本实施方式的其他环形天线的结构的图。

图7所示的环形天线是共振型的环形天线，具备主环路1和放大用环路2。

图7所示的环形天线在将主环路1和放大用环路2形成在平面基板(未图示)上这一点，与图1所示的环形天线不同。

主环路1被配置在由绝缘体形成的平面基板上。电阻R₁和电容C₁与主环路1串联连接。主环路1是具有用于连接信号源5或接收电路(未图示)的端子T、T的开放环路。

放大用环路2与主环路1极其接近地配置在同一平面基板上。电阻R₂和电容C₂与放大用环路2串联连接。放大用环路2是不具备端子的闭合环路。

主环路1和放大用环路2的几何形状相同，因此，双方的自感L相等。

如果从信号源5向主环路1供给交流的电流I₁，则由于主环路1和放大用环路2之间的互感，在放大用环路2中流过交流的电流I₂。如果使电阻R₂的电阻值小于电阻R₁的电阻值，则电流I₂的大小变得比电流I₁的大小大。

在对图7的环形天线的电容C₁、C₂的至少任意一个使用了固定电容的情况下，也与图1的环形天线同样地，通过设定为最优电容值，能够使电流I₂的大小极大化。

此外，在图7中，将放大用环路2配置在主环路1的内侧，但既可以将放大用环路2配置在主环路1的外侧，也可以将主环路1和放大用环路2配置在夹着平面基板的两个面上。也可以将主环路1和放大用环路2的匝数设为2以上。在将匝数设为2以上的情况下，使主环路1和放大用环路2的匝数相等。

在图7的环形天线中，也可以将接收电路与端子T、T连接而用作接收天线。

如以上说明的那样，根据本实施方式，在无法将与主环路1连接的电容C₁和与放大用环路2连接的电容C₂的至少任意一个设定为最佳值的情况下，根据在表示电容C₁、C₂的值与电流I₂的大小的关系的图中穿过电容C₁、C₂的最佳点并沿着连接电流I₂的大小相等的点的等高线的脊的最优C2曲线、最优C1曲线或最优C1直线，设定电容C₁、C₂，由此也能够充分地增大流过放大用环路的电流I₂的电流值。由此，即使对电容C₁、C₂的至少任意一个使用廉价的固定电容，也能够得到大的磁场放大效果。

附图标记说明

1：主环路；2：放大用环路；3：杆；5：信号源。