JP2005244283A

JP2005244283A - アンテナおよびｒｆタグ

Info

Publication number: JP2005244283A
Application number: JP2004047390A
Authority: JP
Inventors: Shinichiro Okamura; 慎一郎岡村
Original assignee: Omron Corp; Omron Tateisi Electronics Co
Current assignee: Omron Corp
Priority date: 2004-02-24
Filing date: 2004-02-24
Publication date: 2005-09-08
Also published as: WO2005081362A1

Abstract

【課題】全方位的な無指向性をもち、かつ、インピーダンスマッチングの容易なアンテナおよびＲＦタグを提供する。
【解決手段】アンテナ２は、概ね等しい線長の２本の線状導体５，６からなる。線状導体５は、給電部７から延びる辺５０と、辺５１と、からなるＬ字形状を呈しており、また、線状導体６は、給電部７から辺５０とは反対側に延びる辺６０と、辺５１とほぼ平行に向かい合う辺６１と、この辺６１の端から辺５１に向かって延びる辺６２と、からなるコ字形状を呈する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦタグに好適に用いることができるアンテナに関する。

近年、ＲＦＩＤシステム（Radio Frequency Identification System）が注目を集めて
いる。ＲＦＩＤシステムでは、ＲＦタグ（以下、単に「タグ」ともいう。）とよばれる媒体に対し、電波を用いてデータの記録や読み出しを行う。ＲＦＩＤシステムは、非接触という利点を生かし、たとえば、出改札清算や入退場管理などのＩＣカードシステム、荷札や商品タグを用いた商品物流（追跡）システムをはじめとして、多方面への利用が期待されている。

ＲＦタグは、主に、データの記憶やプログラムの実行を行う微小なＩＣ（集積回路）チップと無線通信のためのアンテナとを有して構成され、カード型のものやタグ型のものなどが存在する。タグ用アンテナとしては、構造が単純で安定した特性をもつダイポールアンテナが採用されることが多い。

図６に基本的なダイポールアンテナの構造を示す。ダイポールアンテナは同一線上に２本の線状導体を並べた構造であり、両線状導体の間に給電部が設けられている。図７（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、ダイポールアンテナをＹ軸上に設置したときのＸＹ平面、ＹＺ平面、ＸＺ平面における放射指向性を示している。これらの図からわかるように、ダイポールアンテナの放射指向性は、±Ｙ方向にヌル（利得の落ち込み）が存在する、いわゆる８の字形となる。

アンテナがこのような指向性を持つと、ヌルの向きとリーダの方向とが一致した時に通信不能となる。この問題への対処法としては、たとえば、リーダとアンテナの向きとが整合しやすいようにタグの形状を工夫したり、リーダを通過させるタグの向きを予め整列させておくなどの方法が考えられる。

しかしながら、図８に示すように、工場や物流倉庫などにおいては、数十〜百個程度の大量の製品に付されたタグ１００を、ゲート１０１に設けられたリーダ１０２で一括して読み取るような利用態様も想定される。このような場合には、すべての製品（タグ）の向きをいちいち揃えるのは現実的とは言いがたい。したがって、タグの向きによらずリーダとの通信を可能にするために、タグ用アンテナのヌルを小さくすることが重要となる。

指向性を一様にする目的で考案された汎用アンテナとしては、Ｌ字形状の２本の線状導体を対称配置した半波長Ｕ形ダイポールアンテナ（以下、単に「Ｕ形アンテナ」という。）が知られている（非特許文献１参照）。Ｕ形アンテナでは、利得の落ち込み（最大利得と最小利得の差）は６ｄＢ程度に抑えられる。また、これによく似た形状をもつものとして、２箇所または４箇所の屈曲部をもつ２本の線状導体を対称配置した構成の自動車用アンテナも知られている（特許文献１参照）。さらに、４ないし５つの辺からなる疑似矩形状の線状導体を入れ子に組み合わせたＲＦタグ用アンテナも提案されている（特許文献２参照）。
電子情報通信学会編，「アンテナ工学ハンドブック」，オーム社，１９８０年１０月，ｐ．５７特開平１１−３４６１１４号公報国際公開第ＷＯ０３／０４４８９２Ａ１号パンフレット

理想的には、タグとリーダとの通信安定性を高めるために、アンテナの放射指向性が無指向（全方位の利得が同じ）であることが望ましい。

しかしながら、上述したＵ形アンテナでは、普通のダイポールアンテナほどの利得の落ち込みはないものの、最大放射方向と最小放射方向の利得差は約６ｄＢある。リーダとタグの通信可能距離はアンテナ利得（真数）の平方根に比例するため、利得差が６ｄＢ（４倍）ならば、通信距離にして２倍の差が生じることになり、好ましくない。なお、本発明者のシミュレーションの結果、他の従来アンテナについてもＵ形アンテナと同程度の利得の落ち込みがあることが確認されている。

また、ＲＦタグ用アンテナの場合は、アンテナとＩＣチップとのインピーダンスマッチングも重要な課題となる。すなわち、ＩＣチップとアンテナとの間で効率的に電力の受け渡しが行われるように、アンテナの入力インピーダンスとＩＣチップのインピーダンスとの整合をとるのである。

一般的なアンテナ装置では、アンテナの給電に定格の５０Ω（または７５Ω）ケーブルを用い、ケーブル−アンテナ間に整合回路を挿入して両者のインピーダンスの整合をとる。しかし、ＲＦタグでは、低コスト化や量産性の観点から、整合回路は実装せず、アンテナ構造の最適化のみで整合をとることが望ましい。

アンテナ構造の最適化によりタグ用ＩＣチップとのインピーダンスマッチングをとるためには、アンテナの入力インピーダンスのＲ（抵抗分）を小さく、Ｘ（リアクタンス分）を極端に大きくすることが要求される。ところが、従来のＵ形アンテナでは、Ｘが概ね１０〜２０Ωと小さな値をとるため、良好な整合状態を作ることができず、満足な通信距離が得られないという問題がある。

本発明は上記実情に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、全方位的な無指向性をもち、かつ、インピーダンスマッチングの容易なアンテナおよびＲＦタグを提供することにある。

また、本発明のさらなる目的は、全方位的な無指向性の向上とインピーダンスマッチングの容易化を、アンテナ形状の最適化により実現する技術を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明者はシミュレーションと実験を重ね、下記のアンテナ形状により優れた特性が得られることを見出した。

本発明の一態様に係るアンテナは、概ね等しい線長の２本の線状導体からなる。給電部は、両線状導体の間に設けられる。そして、一方の線状導体は、給電部から延びる第１の辺と、第２の辺と、からなるＬ字形状を呈しており、また、他方の線状導体は、給電部から前記第１の辺とは反対側に延びる第３の辺と、前記第２の辺とほぼ平行に向かい合う第４の辺と、この第４の辺の端から前記第２の辺に向かって延びる第５の辺と、からなるコ字形状（Ｃ字形状）を呈するものである。

この構成において、第５の辺の長さを変化させると、アンテナの入力インピーダンスのＲ（抵抗分）がほぼ一定に保たれたまま、Ｘ（リアクタンス分）だけが増加／減少する。よって、第５の辺の長さを調整することで、インピーダンスマッチングを容易に実現することができ、電力損失の低減ひいては通信可能距離の拡大を図ることが可能となる。

また、上記構成によると、利得の落ち込みがきわめて小さくなり、全方位的に無指向に近い放射指向性をもつようになる。

ここで、２本の線状導体の線長の差が１５％以下であることが好ましい。また、２本の線状導体の総線長が約０．６〜０．７λ／√εｒ（λ：空気中における電波の波長、εｒ：比誘電率）であるとよい。さらには、第１の辺の線長が０．１５〜０．１８λ／√εｒであり、第２の辺の線長が０．１３〜０．１６λ／√εｒであり、第３の辺の線長が０．０５〜０．０７λ／√εｒであり、第４の辺の線長が前記第２の辺の線長にほぼ等しいとよい。

このように各辺の長さを最適化することにより、利得の落ち込みを１ｄＢ程度まで抑えることが可能となり、最大放射方向と最小放射方向の通信可能距離の差を１．１倍程度まで小さくできる。

また、本発明の一態様に係るＲＦタグは、上述したアンテナと、このアンテナの給電部に接続されたＩＣチップと、を備える。ＲＦタグはカード型でもタグ型でもよい。アンテナの線状導体は基材上に形成された金属導体パターンであることが好ましい。

本発明によれば、上記のようなアンテナ形状を採用することにより、全方位的な無指向性の向上とインピーダンスマッチングの容易化を図ることができる。

以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係るＲＦタグの構造を模式的に示している。このＲＦタグ１は、アンテナ２とＩＣチップ３とから構成される。なお、実際の製品ではＲＦタグ１はハウジング４でパッケージされており、その外側からアンテナ２やＩＣチップ３を観察することができない場合が多い。

（アンテナ構造）
アンテナ２は、概ね等しい線長の２本の線状導体５，６からなる。そして、線状導体５，６の間に給電部（給電点）７が設けられている。この点からすれば、アンテナ２は変形ダイポールアンテナということもできる。以下、このアンテナ２をその形状に由来して「Ｇ形アンテナ」とよぶこととする。

Ｇ形アンテナ２のそれぞれの線状導体５，６は、金属導体パターンであって、スクリーン印刷方式などによりハウジング４の基材層（樹脂材などからなる。）の上に形成されたものである。ＩＣチップ３は、給電部７に電気的に接続される。なお、Ｇ形アンテナ２とＩＣチップ３とは直接接続されており、その間に整合回路は挿入されていない。

線状導体５と線状導体６とは非対称な形状を有する。具体的には、線状導体５は、給電部７から延びる辺５０（第１の辺）と、辺５１（第２の辺）と、からなるＬ字形状を呈している。一方、線状導体６は、給電部７から辺５０とは反対側に延びる辺６０（第３の辺）と、辺５１とほぼ平行に向かい合う辺６１（第４の辺）と、この辺６１の端から辺５１に向かって延びる辺６２（第５の辺）と、からなるコ字形状を呈している。線状導体５，６の先端（給電部７とは反対側の端）は開放端になっている。

言い換えれば、線状導体５はほぼ直角の屈曲部を１つ持つ形状であり、線状導体６はほ
ぼ直角の屈曲部を２つ持つ形状であり、辺５０と辺６０とはほぼ同一線上にあり、辺５１と辺６１とはほぼ平行に向かい合い、辺６２は辺６０とほぼ平行に向かい合うように配置されている、ということもできる。

線状導体５，６を合わせた総線長は約０．６〜０．７λ／√εｒ（λ：空気中における電波の波長、εｒ：比誘電率）のうちから設定し、両線状導体５，６の線長の差は１５％以下にするとよい。さらには、辺５０の線長を０．１５〜０．１８λ／√εｒのうちから選び、辺５１の線長を０．１３〜０．１６λ／√εｒのうちから選び、辺６０の線長を０．０５〜０．０７λ／√εｒのうちから選び、辺６１と辺５１の線長をほぼ等しく設定するとよい。このとき、辺６２の線長は０．１〜０．１７λ／√εｒから選ばれる。εｒは比誘電率であり、線状導体を実装する基板によって固有の値である。さらにεｒのルートの逆数は波長短縮率であり、比誘電率の高い基板を使用することによりアンテナ全体の大きさを小型化することができる。

（入力インピーダンス）
このような条件下で辺６２（延長線）の線長を変化させた場合の、Ｇ形アンテナ２の入力インピーダンスの変化の一例を図２に示す。図２のグラフでは、横軸が辺６２の線長を表し、縦軸が入力インピーダンスを表している。また、黒四角（■）が入力インピーダンスのＸ（リアクタンス分）を表し、黒丸（●）がＲ（抵抗分）を表している。

さらにここでは、比較例として、図３のような変形Ｕ形アンテナの特性変化も示す。変形Ｕ形アンテナは、Ｇ形アンテナ２の辺６２を辺６１から真っ直ぐ延長したものに相当する。つまり、Ｇ形アンテナ２と変形Ｕ形アンテナを比較することによって、一方の線状導体６の先端部分（辺６２）のみを他方の線状導体５に向けて折り曲げたという構成による効果を検証することができる。なお、変形Ｕ形アンテナの入力インピーダンス変化については、図２のグラフ中、Ｘが白四角（□）、Ｒが白丸（○）で示されている。

図２のグラフをみると、変形Ｕ形アンテナでは、辺６２（に対応する部分）を長くするほどＸ，Ｒが共に増加する傾向にあるのに対して、Ｇ形アンテナ２では、Ｘは増加するがＲはほぼ一定の値を保っていることがわかる。

図４に、辺６２の線長に対するＸ／Ｒ比の変化を示す。Ｘ／Ｒ比が大きいほど、Ｒの増分に対してＸの増分が大きいことを意味する。図４のグラフ中、黒丸（●）がＧ形アンテナ２、白丸（○）が変形Ｕ形アンテナを示している。

このグラフからわかるように、変形Ｕ形アンテナに比べてＧ形アンテナ２のほうが、Ｘ／Ｒ比が大きく、Ｒを小さく抑えたままＸだけを大きくできることがわかる。しかも、Ｇ形アンテナ２では、辺６０の線長に対してＸおよびＸ／Ｒ比がほぼリニアに増加するので、Ｘを要求値に合わせることがたやすく、インピーダンスマッチングを考慮したアンテナ形状の設計を容易に行うことが可能である。

（放射指向性）
次に、Ｇ形アンテナ２の放射指向性について説明する。

図５（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、Ｇ形アンテナ２の辺５０と辺６０をＹ軸上に配置したときのＸＹ平面、ＹＺ平面、ＸＺ平面における放射指向性を示している。なお、Ｇ形アンテナ２の総線長はεｒを１とし、０．６５λに設定した。

これらの図をみると、Ｇ形アンテナ２は、利得の落ち込みがきわめて小さく、全方位的に無指向に近い放射指向性を有していることがわかる。この例では、利得の落ち込みが１
ｄＢ程度まで抑えられており、最大放射方向と最小放射方向の通信可能距離の差が１．１倍程度まで小さくなっている。

以上述べた本実施形態のＧ形アンテナ２によれば、辺６２の線長を変えるだけで入力インピーダンスのリアクタンス分を調整することができるので、整合回路を挿入することなく、ＩＣチップ特有のインピーダンスとの良好な整合状態を容易に作ることができる。

そして、アンテナ−チップ間の良好なインピーダンスマッチングを実現することにより、電力損失の低減ひいては通信可能距離の拡大を図ることが可能となる。

また、Ｇ形アンテナ２は全方位的な無指向性を有するので、タグの向きによらずリーダとの安定した通信が可能となる。特に、ランダムな向きで荷詰めされた大量の商品タグを一括して読み取る場合などに効果的である。

さらに、Ｇ形アンテナ２はＬ字形状とコ字形状の２本の線状導体５，６からなる非常に簡易な構成のため、設計および製造の容易化、低コスト化を図ることもできる。しかも、コ字形状に折り曲げているのでアンテナを小型化できるとともに、平面形状であるためタグの薄肉化を図れ、様々な用途への適用が可能である。

本発明の一実施形態に係るＲＦタグの構造を模式的に示す図である。Ｇ形アンテナの入力インピーダンスの一例を示す図である。比較例である変形Ｕ形アンテナの構造を模式的に示す図である。Ｇ形アンテナの入力インピーダンスのＸ／Ｒ比の一例を示す図である。Ｇ形アンテナの放射指向性の一例を示す図である。ダイポールアンテナの構造を模式的に示す図である。ダイポールアンテナの放射指向性の一例を示す図である。ＲＦタグの利用態様の一例を示す図である。

符号の説明

１ＲＦタグ
２Ｇ形アンテナ
３ＩＣチップ
４ハウジング
５，６線状導体
７給電部
５０辺（第１の辺）
５１辺（第２の辺）
６０辺（第３の辺）
６１辺（第４の辺）
６２辺（第５の辺）

Claims

概ね等しい線長の２本の線状導体からなるアンテナであって、
一方の線状導体は、給電部から延びる第１の辺と、第２の辺と、からなるＬ字形状を呈し、
他方の線状導体は、前記給電部から前記第１の辺とは反対側に延びる第３の辺と、前記第２の辺とほぼ平行に向かい合う第４の辺と、この第４の辺の端から前記第２の辺に向かって延びる第５の辺と、からなるコ字形状を呈する
アンテナ。
前記２本の線状導体の線長の差が１５％以下である請求項１記載のアンテナ。
前記２本の線状導体の総線長が約０．６〜０．７λ／√εｒ（λ：空気中における電波の波長、εｒ：比誘電率）である請求項１または２記載のアンテナ。
前記第１の辺の線長が０．１５〜０．１８λ／√εｒであり、
前記第２の辺の線長が０．１３〜０．１６λ／√εｒであり、
前記第３の辺の線長が０．０５〜０．０７λ／√εｒであり、
前記第４の辺の線長が前記第２の辺の線長にほぼ等しい請求項３記載のアンテナ。
請求項１〜４のうちいずれか１項記載のアンテナと、
このアンテナの給電部に接続されたＩＣチップと、
を備えるＲＦタグ。