JP2017169194A - ループアンテナアレイ - Google Patents

Abstract

【課題】明瞭な通信エリアの境界を形成できるループアンテナアレイを提供する。【解決手段】磁界を用いた無線通信における通信エリアの境界を形成するループアンテナアレイであって、３つのループアンテナ１〜３を備え、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆であり、両端に配置された各ループアンテナ１，３の磁気モーメントの大きさは等しく、中央に配置されたループアンテナ２の磁気モーメントの大きさは、両端に配置された各ループアンテナ１、３の磁気モーメントの大きさの２倍である。【選択図】 図６

Description

本発明は、明瞭な通信エリアの境界を形成できるループアンテナアレイに関する。

近年では、意図的に通信エリアを限定した無線通信システムに対する要望が高まっている。特許文献１には、このような無線通信システムとして、電界を利用した電界通信システムが開示されている。

特開２００７−１７４５７０号公報

電界通信システムでは、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通信できる。しかし、アクセスポイント装置の近傍の電界分布は、設置環境または端末装置を所持するユーザの姿勢などに大きく依存する。そのため、電界通信システムによって明瞭な通信エリアの境界を形成することが困難であった。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できなかったり、その逆のケースも生じたり、安定で信頼性の高い無線通信システムを構築できなかった。

このような困難が生じる原因の一つは、通信媒体として電界を用いていることであると考えられる。なぜならば、電界分布は、周囲に存在する導体または誘電体の影響を強く受けるためである。

本発明は、上記の課題に鑑みてなされたものであり、明瞭な通信エリアの境界を形成できるループアンテナアレイを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明のループアンテナアレイは、磁界を用いた無線通信における通信エリアの境界を形成するループアンテナアレイであって、３つのループアンテナを備え、中央に配置された前記ループアンテナに流れる電流の向きと、両端に配置された前記各ループアンテナに流れる電流の向きとが逆であり、前記両端に配置された各ループアンテナの磁気モーメントの大きさは等しく、前記中央に配置されたループアンテナの磁気モーメントの大きさは、前記両端に配置された各ループアンテナの磁気モーメントの大きさの２倍であることを特徴とする。

本発明のループアンテナアレイによれば、明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

巻数が１のループアンテナの一例を示す図である。 ループアンテナからｚ軸方向に離れた距離と磁界強度の関係を示す図である。 巻数が１のループアンテナが形成する磁界強度の分布を示す図である。 １００ｄＢ／ｄｅｃの磁界強度の減衰率を得るためのループアンテナアレイの一例を示す図である。 ４つのループアンテナが形成する磁界強度の分布を示す図である。 第１の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。 第１の実施の形態のループアンテナアレイが形成する磁界強度の分布を示す図である。 ループアンテナの形状を変えたループアンテナアレイの一例を示す図である。 第１の実施の形態の変形例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 第１の実施の形態における磁界強度の減衰率とｚ軸方向の規格化距離の関係を示す図である。 図１１（ａ）は、第２の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１１（ｂ）は、第２の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 図１２（ａ）は、第３の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態の変形例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 第４の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。 図１４（ａ）は、第５の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１４（ｂ）は、第５の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 図１５（ａ）は、第６の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１５（ｂ）は、第６の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。 第７の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

本実施の形態のループアンテナアレイは、磁界アンテナの一種であるループアンテナを複数備えるものである。

ループアンテナアレイが形成する低周波磁界(およそ１０ＭＨｚ以下の磁界）は、人体または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。したがって、明瞭な通信エリアの境界を形成するための通信媒体に適している。ループアンテナアレイを用いて、通信エリアの境界で磁界強度が急激に減衰するようなシャープな磁界強度の分布を形成できれば、通信エリアを限定した無線通信システムの信頼性を高めることができる。

一般的に磁界エリアの形成に使用されている磁界アンテナは、巻数が１のループアンテナである。

図１は、巻数が１のループアンテナの一例を示す図である。例えば、ループアンテナの＋端子は交流電源Ｅの信号端子に接続され、−端子は交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。これにより、ループアンテナには交流の電流が流れる。

図２は、ループアンテナからｚ軸方向に離れた距離（ｚ［ｃｍ］）と磁界強度［ｄＢμＶ／ｍ］の関係を示す図である。

図２にシングルループとして示す特性は、巻数が１のループアンテナが形成する磁界強度の特性であり、磁界強度の減衰率は、６０ｄＢ／ｄｅｃである。磁界強度の減衰率は、通信エリアの境界の明瞭さを表す指標であり、磁界強度の減衰率が高いほど、通信エリアの境界は明瞭と言える。

図３は、巻数が１のループアンテナが形成する磁界強度の分布を示す図であり、横軸は図１のｘ軸方向、縦軸は図１のｚ軸方向を示す。磁界強度の等高線は、５ｄＢ（詳しくは、５ｄＢμＶ／ｍ）の間隔（５ｄＢ／ｄｉｖ）で記載されている。

図３に示すように磁界強度の等高線は曲線状である。つまり、磁界エリアの形状が曲面になってしまう。このため、巻数が１のループアンテナでは、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成することが困難である。

直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成するには、例えば、図２に示す１００ｄＢ／ｄｅｃの磁界強度の減衰率が必要である。

図４は、１００ｄＢ／ｄｅｃの磁界強度の減衰率を得るためのループアンテナアレイの一例を示す図である。

このような磁界強度の減衰率は、図４に示すように４つのループアンテナ１、２Ａ、２Ｂ、３を備えるループアンテナアレイにより得ることができる。ループアンテナ１、２Ａ、２Ｂ、３は直線上に配置され、中央に配置された２つのループアンテナ２Ａ、２Ｂには同じ向きの電流が流れ、両端に配置された２つのループアンテナ１、３には、中央に配置されたループアンテナ２Ａ、２Ｂとは逆向きの電流が流れる。

１つのループアンテナは磁気双極子とみなせる。双極子であるループアンテナ１と２Ａには等量かつ逆向きの電流が流れるので、ループアンテナ１と２Ａは全体として４重極子とみなせる。また同様に、ループアンテナ２Ｂと３も全体として４重極子とみなせる。このような考えを推し進めると、図４のループアンテナアレイは、２つの４重極子を逆向きに並べているので、８重極子とみなすことができる。

図２にクワッドループとして示す特性は、図４に示すループアンテナアレイの特性であり、磁界強度の減衰率は、１００ｄＢ／ｄｅｃである。

図５は、このような４つのループアンテナが形成する磁界強度の分布を示す図である。磁界強度の等高線は、５ｄＢの間隔（５ｄＢ／ｄｉｖ）で記載されている。

図５は、図３の分布と比べ、磁界強度の等高線の一部が直線的になっている。すなわち、直線的かつ明瞭な磁界エリアが形成されていることがわかる。よって、図４のループアンテナアレイにより、直線的かつ明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

しかし、図４のループアンテナアレイの構成では、４つものループアンテナが必要になるため、ループアンテナアレイが複雑かつ高価になるという問題がある。

［第１の実施の形態］
図６は、第１の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。

図６に示すように、第１の実施の形態のループアンテナアレイは、両端に配置されたループアンテナ１、３と、中央に配置されたループアンテナ２とを備える。各ループアンテナ１〜３の中心は、例えば同一直線上に配置され、ループアンテナ１、２の中心間の距離と、ループアンテナ２、３の中心間の距離は同一となっている。つまり、隣接するループアンテナの中心間の距離は同一となっている。

各ループアンテナ１〜３は、導体をループ状に形成したものであり、例えば、図示しない平面基板の同一面、すなわち同一平面（図のｘｙ平面）上に形成される。後述のループアンテナアレイも同様に同一平面上に形成することができる。

各ループアンテナ１〜３は、例えば、同一形状であり、形状は円である。なお、形状は、同一でなくてもよく、形状は円以外でもよい。これは後述のループアンテナアレイでも同様である。

各ループアンテナ１〜３の巻数は同一であり、例えば、巻数は１である。なお、巻数は２以上でもよい。

例えば、両端に配置されたループアンテナ１、３に囲まれた領域の面積は同一であり、中央に配置されたループアンテナ２に囲まれた領域の面積は、両端に配置された各ループアンテナ１、３に囲まれた領域の面積の２倍である。

ループアンテナ１〜３は、例えば、連続した導線ＬＮで形成される。導線ＬＮの一方端である＋端子は、交流電源Ｅの信号端子に接続され、導線ＬＮの他方端である−端子は、交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。このように全てのループアンテナ１〜３が連続した導線で形成されているので、１つの交流電源Ｅにより全てのループアンテナに電流を供給できる。なお、電流の大きさは任意であり、必要な通信エリアの大きさなどに応じて設定すればよい。

例えば、ループアンテナ１、２間の導線ＬＮは交差し、ループアンテナ２、３間の導線ＬＮは交差し、これにより、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆となっている。

つまり、交流電源Ｅの信号端子がプラス電圧のタイミングでは、各ループアンテナ１〜３を貫通する方向、つまりｚ軸方向に見て、ループアンテナ１、３に時計回りの電流が流れ、ループアンテナ２には反時計回りの電流が流れる。逆に、交流電源Ｅの信号端子がマイナス電圧のタイミングでは、ループアンテナ１、３に反時計回りの電流が流れ、ループアンテナ２には時計回りの電流が流れる。

なお、全てのループアンテナ１〜３が、連続した導線ＬＮで形成されているので、各ループアンテナ１〜３に流れる電流の大きさは同一である。

一般に、ループアンテナが遠方に生成する磁界強度の振幅は、磁気双極子モーメントベクトル（以下、磁気モーメントという）の大きさ（絶対値）ｍに比例する。ｍは次式で与えられる。

ｍ＝Ｎ・Ｉ・Ｓ
Ｎはループアンテナの巻数、Ｉはループアンテナに流れる電流の大きさ、Ｓはループアンテナに囲まれた領域の面積であり、ｍの方向は、電流の回転方向に対して右ネジの方向である。

第１の実施の形態では、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆で、各ループアンテナ１〜３に流れる電流の大きさが同一であり、各ループアンテナ１〜３の巻数が同一であり、中央に配置されたループアンテナ２に囲まれた領域の面積が、両端に配置された各ループアンテナ１、３に囲まれた領域の面積の２倍である。よって、中央に配置されたループアンテナ２の磁気モーメントの大きさｍは、両端に配置された各ループアンテナ１、３の磁気モーメントの大きさｍの２倍である。中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆なので、中央に配置されたループアンテナ２の磁気モーメントの方向と、両端に配置された各ループアンテナ１、３の磁気モーメントの方向は逆である。つまり、方向を考慮すると、各ループアンテナ１〜３の磁気モーメントの総和はゼロとなる。このように、ループアンテナアレイ全体の磁気モーメントの総和をゼロにすることにより、遠方での磁界強度を小さくすることができる。言い換えると、遠方での磁界を急激に減衰させることができる。

第１の実施の形態のループアンテナアレイは、図４に示すループアンテナアレイのループアンテナ２Ａ、２Ｂをループアンテナ２に置き換えたものと考えることができる。つまり、第１の実施の形態のループアンテナアレイは、図４のループアンテナアレイ、つまり２つの４重極子を逆向きに並べた８重極子と同等であり、図４のループアンテナアレイの効果と同等の効果が得られる。

図２にトリプルループとして示す特性は、第１の実施の形態のループアンテナアレイが形成する磁界強度の特性であり、磁界強度の減衰率は、１００ｄＢ／ｄｅｃである。つまり、その磁界強度の減衰率は、クワッドループとして示す、図４のループアンテナアレイの磁界強度の減衰率と同等である。つまり、図４のループアンテナアレイと同様に、明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

図７は、第１の実施の形態のループアンテナアレイが形成する磁界強度の分布を示す図であり、横軸は図６のｘ軸方向、縦軸は図６のｚ軸方向を示す。磁界強度の等高線は、５ｄＢの間隔（５ｄＢ／ｄｉｖ）で記載されている。図５に示す磁界強度の分布と比較すると、第１の実施の形態のループアンテナアレイが形成する磁界強度の分布は、図５に示す磁界強度の分布とほぼ同等であり、磁界強度の等高線の一部は直線的になっている。

図４に示すループアンテナアレイのアンテナ数は４であるが、図６に示す第１の実施の形態のループアンテナアレイのアンテナ数は３である。

アンテナ数が少ないながらも、第１の実施の形態のループアンテナアレイは、図４に示すループアンテナアレイと同様に、明瞭な通信エリアの境界を形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。すなわち、巻数が１のループアンテナでは形成できない明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。

以上のように、第１の実施の形態のループアンテナアレイによれば、巻数が１のループアンテナでは形成できない明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

なお、磁界強度の分布の形状は、ループアンテナの形状には依存しない。よって、ループアンテナの形状は、例えば、円形、正方形、長方形、楕円形、扇形、三角形、半円形、螺旋形、弦巻線形のいずれかであってもよい。ループアンテナの形状は、電流を流した際に磁気モーメントが形成されるものであればよい。これは後述のループアンテナアレイでも同様である。

例えば、図８に示すように、円形（例えば、ループアンテナ１）、正方形（例えば、ループアンテナ２）、長方形（例えば、ループアンテナ３）を混在させたループアンテナアレイとしてもよい。すなわち、３つのループアンテナ１〜３は全て同じ形状であっても、異なる形状であってもよい。

（第１の実施の形態の変形例１）
また、全てのループアンテナを、連続した導線で形成しなくてもよい。これは後述のループアンテナアレイでも同様である。例えば、第１の実施の形態において、ループアンテナ１〜３は、連続した導線ＬＮで形成しなくてもよい。例えば、図９（ａ）に示すように、各ループアンテナ１、２、３に＋端子と−端子を設ける。そして、ループアンテナ１、３の＋端子とループアンテナ２の−端子を交流電源Ｅの信号端子に接続し、ループアンテナ１、３の−端子とループアンテナ２の＋端子を交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続する。これにより、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆になる。そして、磁気モーメントの総和はゼロになる。

（第１の実施の形態の変形例２）
または、図９（ｂ）に示すように、各ループアンテナ１、２、３に＋端子と−端子を設けるとともに、２つの交流電源Ｅ１、Ｅ２を設ける。そして、ループアンテナ１、３の＋端子と−端子をそれぞれ交流電源Ｅ１の信号端子とＧＮＤ端子に接続し、ループアンテナ２の＋端子と−端子をそれぞれ交流電源Ｅ２の信号端子とＧＮＤ端子に接続する。そして、交流電源Ｅ１の信号端子がプラス電圧のとき、交流電源Ｅ２の信号端子がマイナス電圧となるように同期をとる。これにより、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆になる。そして、磁気モーメントの総和はゼロになる。

（第１の実施の形態の変形例３）
図１０は、第１の実施の形態における磁界強度の減衰率とｚ軸方向の規格化距離の関係を示す図である。縦軸は、磁界強度の減衰率[ｄＢ／ｄｅｃ]であり、横軸は、図６のｚ軸方向の規格化距離ｚ／ａである。

ｚは、図６の中央に配置されたループアンテナ２の中心からｚ軸方向に離れた位置までの距離（所定の距離）であり、ａは、中央に配置されたループアンテナ２の中心から両端に配置された各ループアンテナ１、３の中心との距離である。すなわち、上記所定の距離をｚとする。ａは、隣り合うループアンテナの中心間の距離である。ｚ／ａをここでは規格化距離という。

図１０に示すように、ｚ／ａが小さいと、すなわち、ループアンテナアレイの近傍では、図１のループアンテナと同様に、６０ｄＢ／ｄｅｃ程度の磁界強度の減衰率しか得られない。ｚ／ａが大きくなると、すなわち、ループアンテナアレイの中心から遠ざかるにつれて、磁界強度の減衰率が増加し、やがては１００ｄＢ／ｄｅｃに漸近する。

図１０に示すように、ｚ／ａ≧２．５０の範囲で、９０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率が得られる。また、ｚ／ａ≧１．０６の範囲で、７０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率が得られる。よって、９０ｄＢ／ｄｅｃ以上、７０ｄＢ／ｄｅｃ以上の要求がある場合は、それぞれｚ／ａ≧２．５０、ｚ／ａ≧１．０６となるようにａを設定すべきで
ある。

図１のループアンテナを２個備えるループアンテナアレイ（ダブルループ）では、磁界強度の減衰率は８０ｄＢ／ｄｅｃに漸近することが知られている。すなわち、ダブルループでは、磁界強度の減衰率を８０ｄＢ／ｄｅｃより高くできない。

この８０ｄＢ／ｄｅｃの磁界強度の減衰率は、第１の実施の形態のループアンテナアレイでは、ｚ／ａ＝１．５６の場合に得られる。つまり、少なくともｚ／ａ≧１．６となるようにａを設定すれば、ダブルループで得られる磁界強度の減衰率の最大値、つまり８０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率を得ることができる。

よって、第１の実施の形態において、中央に配置されたループアンテナ２の中心から所定の距離ｚ、離れた位置で８０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率が必要な場合において、ｚ／ａ≧１．６となるようにａを設定すればよい。これにより、上記位置で８０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率が得られる。すなわち、より明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

なお、後述のループアンテナアレイにおいても、８０ｄＢ／ｄｅｃ以上の磁界強度の減衰率が必要な場合は、この関係（ｚ／ａ≧１．６）が成立するようにａを設定するのが好ましい。

［第２の実施の形態］
図１１（ａ）は、第２の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１１（ｂ）は、第２の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。

第１の実施の形態では、中央に配置されたループアンテナ２に囲まれた領域の面積を、両端に配置された各ループアンテナ１、２に囲まれた領域の面積の２倍とすることで、磁気モーメントの総和をゼロとした。

一方、図１１（ａ）に示す第２の実施の形態のループアンテナアレイでは、中央に配置されたループアンテナ２の巻数を、両端に配置された各ループアンテナ１、３の巻数の和とすることで、磁気モーメントの総和をゼロとする。

中央に配置されたループアンテナ２の巻数は例えば２であり、両端に配置された各ループアンテナ１、３の巻数は１である。なお、中央に配置されたループアンテナ２の巻数が、両端に配置された各ループアンテナ１、３の巻数の和であれば、巻数は上記の値に限らない。

このように、第２の実施の形態では、各ループアンテナ１〜３に囲まれた領域の面積が同一であり、各ループアンテナ１〜３に流れる電流の大きさが同一であり、中央に配置されたループアンテナ２の巻数が、両端に配置された各ループアンテナ１、３の巻数の和となっている。その結果、磁気モーメントの総和はゼロになる。

各ループアンテナの形状は、例えば、正方形であるが、別の形状でもよい。また、各ループアンテナ１〜３に囲まれた領域の面積が同一であれば、面積の値は任意である。

また、各ループアンテナ１〜３に流れる電流の大きさが同一であれば、電流の大きさは任意である。

第２の実施の形態のループアンテナアレイは、図１１（ｂ）に示すループアンテナアレイのループアンテナ２Ａ、２Ｂをループアンテナ２に置き換えたものと考えることができる。図１１（ｂ）に示すループアンテナアレイのアンテナ数は４であるが、図１１（ａ）に示す第２の実施の形態のループアンテナアレイのアンテナ数は３である。

アンテナ数が少ないながらも、第２の実施の形態では、磁気モーメントの総和はゼロであり、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。よって、巻数が１のループアンテナでは形成できない明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

［第３の実施の形態］
図１２（ａ）は、第３の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１２（ｂ）は、第３の実施の形態の変形例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。

第１の実施の形態では、中央に配置されたループアンテナ２に囲まれた領域の面積を、両端に配置された各ループアンテナ１、２に囲まれた領域の面積の２倍とすることで、磁気モーメントの総和をゼロとした。

一方、図１２（ａ）に示す第３の実施の形態のループアンテナアレイでは、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の大きさを、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の大きさの２倍とすることで、磁気モーメントの総和をゼロとする。

図１２（ａ）に示すように、第３の実施の形態では、例えば、各ループアンテナ１、２、３に＋端子と−端子を設けるとともに、２つの交流電源Ｅ１、Ｅ２を設ける。ループアンテナ１、３の＋端子と−端子をそれぞれ交流電源Ｅ１の信号端子とＧＮＤ端子に接続し、ループアンテナ２の＋端子と−端子をそれぞれ交流電源Ｅ２の信号端子とＧＮＤ端子に接続する。そして、交流電源Ｅ１の信号端子がプラス電圧のとき、交流電源Ｅ２の信号端子がマイナス電圧となるように同期をとる。これにより、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の向きと、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の向きとが逆になる。

例えば、ループアンテナ２に大きさＩの電流が流れると、各ループアンテナ１、３には大きさ０．５Ｉの電流が流れる。これにより、磁気モーメントの総和はゼロになる。

すなわち、第３の実施の形態では、各ループアンテナ１〜３の巻数が同一であり、各ループアンテナ１〜３に囲まれた領域の面積が同一であり、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の大きさが、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の大きさの２倍である。

なお、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の大きさが、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の大きさの２倍であれば、電流の大きさは任意である。

また、各ループアンテナ１〜３に囲まれた領域の面積とが同一であれば、面積の値は任意である。

また、各ループアンテナ１〜３の巻数が同一であれば、巻数は任意である。

第３の実施の形態のループアンテナアレイによれば、磁気モーメントの総和はゼロであり、第１の実施の形態と同様の作用効果が得られる。すなわち、巻数が１のループアンテナでは形成できない明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

（第３の実施の形態の変形例）
なお、図１２（ｂ）に示すように、ループアンテナ１、３は、例えば、連続した導線で形成してもよい。導線の一方端である＋端子は、交流電源Ｅ１の信号端子に接続され、導線の他方端である−端子は、交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。

[第４の実施の形態]
図１３は、第４の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。

第３の実施の形態では、交流電源Ｅ１が、両端に配置されたループアンテナ１、３に電流を供給し、交流電源Ｅ２が、中央に配置されたループアンテナ２に電流を供給する。

一方、第４の実施の形態では、交流電源Ｅが、中央に配置されたループアンテナ２に電流を供給し、ループアンテナ２を流れた電流が分岐して、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる。

例えば、各ループアンテナ１、２、３に＋端子と−端子を設けるとともに、交流電源Ｅを設ける。そして、交流電源Ｅの信号端子にループアンテナ２の＋端子を接続し、ループアンテナ２の−端子をループアンテナ１、３の＋端子に接続する。そして、ループアンテナ１、３の−端子を交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続する。

例えば、ループアンテナ２に大きさＩの電流が流れると、この電流が各ループアンテナ１、３に分岐し、各ループアンテナ１、３には大きさ０．５Ｉの電流が流れる。すなわち、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流の大きさが両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れる電流の大きさの２倍となる。

第４の実施の形態では、磁気モーメントの総和はゼロであり、第２の実施の形態と同様の作用効果が得られる。すなわち、巻数が１のループアンテナでは形成できない明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

また、中央に配置されたループアンテナ２に流れる電流が分岐して、両端に配置された各ループアンテナ１、３に流れることで、１つの交流電源Ｅからループアンテナに電流を供給できる。

[第５の実施の形態]
図１４（ａ）は、第５の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１４（ｂ）は、第５の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。

図１４（ａ）に示すように、第５の実施の形態のループアンテナアレイは、第２の実施の形態のループアンテナアレイ（３個のループアンテナ１〜３）を２個備える。

すなわち、第５の実施の形態のループアンテナアレイは、第２の実施の形態のループアンテナアレイを２の１乗個備える。ｎを１以上の整数とすれば、ループアンテナアレイの数は、２のｎ乗個であり、ｎ＝１である。例えば、各ループアンテナは同一線上に配置される。

各ループアンテナは、例えば、連続した導線ＬＮで形成される。導線ＬＮの一方端である＋端子は、交流電源Ｅの信号端子に接続され、導線ＬＮの他方端である−端子は、交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。全てのループアンテナが連続した導線ＬＮで形成されているので、１つの交流電源Ｅによりループアンテナに電流を供給できる。

ここで、２の（ｎ−１）乗個（ｎ＝１）のループアンテナアレイのまとまり、すなわち２の０乗個（１個）のループアンテナアレイを単位ループアンテナアレイとする。例えば、図の左側のループアンテナアレイ（ループアンテナ１〜３）を第１の単位ループアンテナアレイＡ１、図の右側のループアンテナアレイ（ループアンテナ１〜３）を第２の単位ループアンテナアレイＡ２という。第１、第２の単位ループアンテナアレイが逆でもよい。

第１の単位ループアンテナアレイＡ１において、その一方端に配置されたループアンテナ（例えば左端のループアンテナ１）に流れる電流の方向と、第２の単位ループアンテナアレイＡ２において、一方端と同じ位置（同じ左端）に配置されたループアンテナ１に流れる電流の方向とが互いに逆である。第５の実施の形態でも磁気モーメントの総和はゼロとなる。

第５の実施の形態のループアンテナアレイは、図６のループアンテナアレイのような８重極子を逆向きに並べた１６重極子と同等であり、その磁界強度の減衰率は８重極子により得られる１００ｄＢ／ｄｅｃを超え、１２０ｄＢ／ｄｅｃとなる。

すなわち、第５の実施の形態のループアンテナアレイによれば、第１〜第４の実施の形態のループアンテナアレイが形成する通信エリアの境界よりも明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

第５の実施の形態のループアンテナアレイは、図１４（ｂ）に示すループアンテナアレイのループアンテナ２Ａ、２Ｂをループアンテナ２に置き換えたものと考えることができる。

図１４（ｂ）に示すループアンテナアレイのアンテナ数は８であるが、図１４（ａ）に示す第５の実施の形態のループアンテナアレイのアンテナ数は６である。

アンテナ数が少ないながらも、第５の実施の形態では、磁気モーメントの総和はゼロであり、図１４（ｂ）に示すループアンテナアレイと同様の作用効果が得られる。よって、明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

[第６の実施の形態]
図１５（ａ）は、第６の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図であり、図１５（ｂ）は、第６の実施の形態の比較例であるループアンテナアレイの一例を示す図である。

図１５（ａ）に示すように、第６の実施の形態のループアンテナアレイは、第２の実施の形態のループアンテナアレイ（３個のループアンテナ）を４個備える。

すなわち、第６の実施の形態のループアンテナアレイは、第２の実施の形態のループアンテナアレイを２の２乗個備える。ｎを１以上の整数とすれば、ループアンテナアレイの数は、２のｎ乗個であり、ｎ＝２である。例えば、各ループアンテナは同一線上に配置される。

また、第６の実施の形態のループアンテナアレイは、第５の実施の形態のループアンテナアレイ（６個のループアンテナ）を２個備えるとも言える。

各ループアンテナは、例えば、連続した導線ＬＮで形成される。導線ＬＮの一方端である＋端子は、交流電源Ｅの信号端子に接続され、導線ＬＮの他方端である−端子は、交流電源ＥのＧＮＤ端子に接続される。全てのループアンテナが連続した導線ＬＮで形成されているので、１つの交流電源Ｅによりループアンテナに電流を流すことができる。

第５の実施の形態と同様に、２の（ｎ−１）乗個（第６の実施の形態では、ｎ＝２）のループアンテナアレイのまとまり、すなわち２の１乗個（２個）のループアンテナアレイを単位ループアンテナアレイとする。例えば、図の左側のループアンテナアレイ（６個のループアンテナ）を第１の単位ループアンテナアレイＢ１、図の右側のループアンテナアレイ（６個のループアンテナ）を第２の単位ループアンテナアレイＢ２という。第１、第２の単位ループアンテナアレイが逆でもよい。

第１の単位ループアンテナアレイＢ１において、その一方端のループアンテナ（例えば左端のループアンテナ１）に流れる電流の方向と、第２の単位ループアンテナアレイＢ２において、一方端と同じ位置（同じ左端）に配置されたループアンテナ１に流れる電流の方向とが互いに逆である。第６の実施の形態でも磁気モーメントの総和はゼロとなる。

第６の実施の形態のループアンテナアレイは、第５の実施の形態のループアンテナアレイと同等１６重極子を逆向きに並べた３２重極子と同等であり、その磁界強度の減衰率は第５の実施の形態の磁界強度の減衰率１２０ｄＢ／ｄｅｃを超え、１４０ｄＢ／ｄｅｃとなる。

すなわち、第６の実施の形態のループアンテナアレイによれば、第５の実施の形態のループアンテナアレイが形成する通信エリアの境界よりも明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

第６の実施の形態のループアンテナアレイは、図１５（ｂ）に示すループアンテナアレイのループアンテナ２Ａ、２Ｂをループアンテナ２に置き換えたものと考えることができる。

図１５（ｂ）に示すループアンテナアレイのアンテナ数は１６であるが、図１５（ａ）に示す第６の実施の形態のループアンテナアレイのアンテナ数は１２である。

アンテナ数が少ないながらも、第６の実施の形態では、磁気モーメントの総和はゼロであり、図１５（ｂ）に示すループアンテナアレイと同様の作用効果が得られる。よって、明瞭な通信エリアの境界を比較的少ない数のループアンテナにより形成できる。また、直線的な通信エリアの境界を形成できる。

なお、第５の実施の形態ではｎ＝１、第６の実施の形態ではｎ＝２としたが、ｎを３以上の整数としてもよい。この場合でも、ループアンテナアレイを２のｎ乗個設け、２の（ｎ−１）乗個のループアンテナアレイのまとまりを単位ループアンテナアレイとした場合、第１の単位ループアンテナアレイにおいて一方端に配置されたループアンテナに流れる電流の方向と、第２の単位ループアンテナアレイにおいて、一方側と同じ位置に配置されたループアンテナに流れる電流の方向とが互いに逆であればよい。

[第７の実施の形態]
図１６は、第７の実施の形態のループアンテナアレイの一例を示す図である。

第７の実施の形態のループアンテナアレイは、第６の実施の形態のループアンテナアレイにおいて、電流の向きが同じである２つの隣り合うループアンテナに代えて、その電流の向きと同じ向きの電流が流れ、かつ、隣り合う各ループアンテナの磁気モーメントの２倍の磁気モーメントを有する１つのループアンテナを設けたものである。

例えば、図１５（ａ）において、単位ループアンテナアレイＢ１の右端のループアンテナ３と、単位ループアンテナアレイＢ２の左端のループアンテナ１は隣り合い、しかも、電流の向きが同じである。

第７の実施の形態のループアンテナアレイは、これらループアンテナ１、３に代えて、図１６に示すように、同じ向きの電流が流れ、かつ、各ループアンテナ１、３の磁気モーメントの２倍の磁気モーメントを有する１つのループアンテナ２１を備える。

例えば、図１６に示すように、ループアンテナ２１の巻数は、各ループアンテナ１、３の巻数の和であり、各ループアンテナ１、３、２１に囲まれた領域の面積は同一であり、各ループアンテナ１、３、２１に流れる電流の大きさは同一である。

これにより、ループアンテナ２１の磁気モーメントは、ループアンテナ１、３の磁気モーメントの和となる。第７の実施の形態でも磁気モーメントの総和はゼロとなる。

第７の実施の形態のループアンテナアレイは、１６重極子を逆向きに並べた３２重極子と同等であり、その磁界強度の減衰率は第５の実施の形態における磁界強度の減衰率より高くなる。

すなわち、第７の実施の形態のループアンテナアレイによれば、第５の実施の形態のループアンテナアレイが形成する通信エリアの境界よりも明瞭な通信エリアの境界を形成できる。

また、ループアンテナ１、３をループアンテナ２１に置き換えたので、ループアンテナの数を少なくできる。

なお、このようなループアンテナの置き換えは、ｎ＝２に対応する第６の実施の形態のループアンテナアレイにおいてだけでなく、ｎが３以上の実施の形態で行ってもよい。

また、第５〜第７の実施の形態において、各ループアンテナは、例えば、連続した導線で形成せず、図９などのように導線を分けてもよい。

また、各ループアンテナ１〜３に流れる電流の大きさを同一とし、各ループアンテナ１〜３の巻数を同一とし、ループアンテナ２に囲まれた領域の面積を、各ループアンテナ１、３に囲まれた領域の面積の２倍としてもよい。

また、ループアンテナ２に流れる電流の大きさを、各ループアンテナ１、３に流れる電流の大きさの２倍とし、各ループアンテナ１〜３の巻数を同一とし、各ループアンテナ１〜３に囲まれた領域の面積を同一としてもよい。

上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。

１、２、２Ａ、２Ｂ、２１、３ ループアンテナ
Ａ１、Ａ２、Ｂ１、Ｂ２ 単位ループアンテアレイ
Ｅ、Ｅ１、Ｅ２ 交流電源
ＬＮ 導線
ｚ／ａ 規格化距離

Claims (11)

1. 磁界を用いた無線通信における通信エリアの境界を形成するループアンテナアレイであって、
   ３つのループアンテナを備え、中央に配置された前記ループアンテナに流れる電流の向きと、両端に配置された前記各ループアンテナに流れる電流の向きとが逆であり、前記両端に配置された各ループアンテナの磁気モーメントの大きさは等しく、前記中央に配置されたループアンテナの磁気モーメントの大きさは、前記両端に配置された各ループアンテナの磁気モーメントの大きさの２倍である
   ことを特徴とするループアンテナアレイ。
2. 両端に配置された前記各ループアンテナに囲まれた領域の面積は同一であり、中央に配置された前記ループアンテナに囲まれた領域の面積は、両端に配置された前記各ループアンテナに囲まれた領域の面積の２倍である
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナアレイ。
3. 前記各ループアンテナに囲まれた領域の面積は同一であり、中央に配置された前記ループアンテナの巻数は、両端に配置された前記各ループアンテナの巻数の和である
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナアレイ。
4. 前記各ループアンテナに囲まれた領域の面積は同一であり、中央に配置された前記ループアンテナに流れる電流の大きさは、両端に配置された前記各ループアンテナに流れる電流の大きさの２倍である
   ことを特徴とする請求項１記載のループアンテナアレイ。
5. 中央に配置された前記ループアンテナに流れる電流が分岐して、両端に配置された前記各ループアンテナに流れる
   ことを特徴とする請求項４記載のループアンテナアレイ。
6. 請求項１ないし５のいずれかに記載のループアンテナアレイを２のｎ（ｎは１以上の整数）乗個備え、２の（ｎ−１）乗個の前記ループアンテナアレイのまとまりを単位ループアンテナアレイとした場合、第１の単位ループアンテナアレイにおいて一方端に配置されたループアンテナに流れる電流の方向と第２の単位ループアンテナアレイにおいて前記一方端と同じ位置に配置されたループアンテナに流れる電流の方向とが互いに逆である
   ことを特徴とするループアンテナアレイ。
7. 請求項６記載のループアンテナアレイにおいて、電流の向きが同じである２つの隣り合うループアンテナに代えて、当該電流の向きと同じ向きの電流が流れ、かつ、隣り合う前記各ループアンテナの磁気モーメントの２倍の磁気モーメントを有する１つのループアンテナを備える
   ことを特徴とするループアンテナアレイ。
8. 中央に配置された前記ループアンテナの中心から所定の距離、離れた位置で８０ｄＢ／ｄｅｃ以上磁界強度の減衰率が必要な場合において、前記所定の距離をｚ、中央に配置された前記ループアンテナの中心と両端に配置された前記各ループアンテナの中心との距離をａとすると、ｚ／ａ≧１．６となるようにａを設定した
   ことを特徴とする請求項１ないし７のいずれかに記載のループアンテナアレイ。
9. 全ての前記ループアンテナが同一平面上に配置されている
   ことを特徴とする請求項１ないし８のいずれかに記載のループアンテナアレイ。
10. 前記各ループアンテナアレイの形状が正方形、円形、長方形、楕円形、扇形、三角形、半円形、螺旋形、弦巻線形のいずれかである
    ことを特徴とする請求項１ないし９のいずれかに記載のループアンテナアレイ。
11. 全ての前記ループアンテナが連続した導線で形成されている
    ことを特徴とする請求項１ないし１０のいずれかに記載のループアンテナアレイ。
    

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