JP2007068089A

JP2007068089A - 応答器

Info

Publication number: JP2007068089A
Application number: JP2005254540A
Authority: JP
Inventors: 健治 ▲高▼橋; Kenji Takahashi; Kazuya Toki; 和哉鴇
Original assignee: Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2005-09-02
Filing date: 2005-09-02
Publication date: 2007-03-15

Abstract

【課題】質問器とのレトロディレクティブ方式による通信機能に加えて他の応答器と直接通信するマルチホップ通信機能も装備した応答器を得ること。
【解決手段】信号処理部１１２が移相手段１１０（ａ〜ｄ）における各移相量を全て等値に設定する場合は、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）による指向性は、質問信号の受信方向に向かって形成されるので、質問器とレトロディレクティブ方式による１対１の通信が行える。一方、信号処理部１１２が移相手段１１０（ａ〜ｄ）における各移相量を互いに異なる値に設定する場合は、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）による指向性は、全方向性となるので、通信相手は質問器に限定されず、周辺に存する他の応答器との直接通信であるマルチホップ通信も可能になる。
【選択図】図１

Description

本発明は、質問器が無線送信する質問信号に応答する応答器に関し、特にＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムなどで用いる応答器に関する。

ＲＦＩＤシステムは、質問器からの要求に応じて、応答器に情報を書き込んだり、応答器から情報を読み出したりするワイヤレス方式の非接触自動識別管理システムであり、近年、ユビキタスネットワーク用の無線デバイスとして注目されている。この種の応答器では、質問器との通信距離の拡大が課題の一つになっている。

この質問器との通信距離の拡大を図る方法として、例えば特許文献１では、バンアッタアレーアンテナを応答器に適用した例が開示されている（図６）。バンアッタアレーアンテナは、例えばマイクロ波送電のような電力エネルギーの送電で採用されるレトロディレクティブ方式を実現するアレーアンテナの一種であり、対のアンテナ素子をアレーの中心を挟んで対称に配置することにより、受信電波の方向に自動的に送信ビームを向ける特性を実現している。

図６は、バンアッタアレーアンテナを適用した従来の応答器の構成例を示すブロック図である。図６において、３組のアンテナ素子対「６０１ａ，６０１ｂ」「６０２ａ，６０２ｂ」「６０３ａ，６０３ｂ」がアレーの中心を挟んで対称に配置されている。アンテナ素子対「６０１ａ，６０１ｂ」は、それぞれ伝送線路６０４ａ，６０４ｂを介して双方向変調器６０５に接続されている。アンテナ素子対「６０２ａ，６０２ｂ」は、それぞれ伝送線路６０６ａ，６０６ｂを介して双方向変調器６０７に接続されている。アンテナ素子対「６０３ａ，６０３ｂ」は、それぞれ伝送線路６０８ａ，６０８ｂを介して双方向変調器６０９に接続されている。そして、双方向変調器６０５，６０７，６０９は、応答器固有のビット発生器６１０と接続されている。

ここで、伝送線路６０４ａ，６０６ａ，６０８ａは互いに等長であり、伝送線路６０４ｂ，６０６ｂ，６０８ｂは互いに等長である。双方向変調器６０５，６０７，６０９は、アンテナ素子６０１ａ，６０２ａ，６０３ａによる質問信号の受信捕捉・変調、及びアンテナ素子６０１ｂ，６０２ｂ，６０３ｂからの再送信、またはその逆を可能にする。

図６に示す応答器は、以上の構成により、質問器の方向に送信ビームを自動的に向けて応答信号を送信することができるので、通信距離の拡大が可能となる。なお、非特許文献１では、レトロディレクティブ方式を適用した送受信機の構成例が紹介されている。

ところで、ＲＦＩＤシステムでは、さらに高機能化が進んでおり、応答器同士が通信を行うマルチホップ方式も考えられている。応答器同士が通信を行うことにより、電力節減や通信エリア拡大といった効果が得られる。

このマルチホップ方式に対応するには、応答器に受信機能もしくは中継機能を付加する必要がある。しかし、図６に示したような反射型パッシブ応答器には、受信機能もしくは中継機能が無いので、マルチホップ方式に対応できない。

そこで、通信相手の方向に送信ビームを自動的に向ける機能を有するレトロディレクティブ方式を応答器に適用することが考えられる。即ち、応答器を例えば非特許文献１に紹介されているようなレトロディレクティブ方式を適用した送受信機を用いて構成するのである。
特開平６−２１４０１９号公報 Leo D. DiDomenico, and Gabriel M. Rebeiz, "Digital Communications Using Self-Phased Arrays" IEEE Trans. on Microwave Theory Tech., vol. 49, No. 4, pp.677-684, April 2001

しかしながら、非特許文献１に紹介されているようなレトロディレクティブ方式送受信機をＲＦＩＤシステムの応答器に適用した場合、レトロディレクティブ方式の特性によって質問器の方向にのみ送信ビームを向けることになるので、マルチホップ方式に対応することができないという問題がある。

本発明は、かかる点に鑑みてなされたものであり、質問器とのレトロディレクティブ方式による通信機能に加えて他の応答器と直接通信するマルチホップ通信機能も装備した応答器を提供することを目的とする。

かかる課題を解決するため、本発明に係る応答器は、送受信兼用の複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子毎に設けられ、送信処理系に送信信号の位相を変化させる移相手段を備える複数の送受信処理回路と、前記複数の送受信処理回路の各受信処理系での受信信号を復調する復調手段と、前記複数の送受信処理回路の各送信処理系に送信データを分配する送信データ処理手段と、前記複数の移相手段における各移相量を全て等値にするか、互いに異なる値にするかの設定制御を行う制御手段と、を具備する構成を採る。

この構成によれば、複数の移相手段における各移相量を全て等値に設定する場合は、複数の送受信処理回路のそれぞれは、送信信号の位相を受信信号の位相と共役にする位相共役回路となる。これにより、送信信号を受信信号の受信方向に向けて送信するレトロディレクティブ方式での質問器との１対１の送受信が行える。一方、複数の移相手段における各移相量を互いに異なる値に設定する場合は、複数のアンテナ素子による指向性は全方向性となるので、通信相手は質問器に限定にされず、周辺に存する他の応答器との直接通信であるマルチホップ通信も可能になる。

本発明によれば、質問器とのレトロディレクティブ方式による通信機能に加えて他の応答器と直接通信するマルチホップ通信機能も装備した応答器を提供することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して詳細に説明する。

（実施の形態）
図１は、本発明の一実施の形態に係る応答器の構成を示すブロック図である。図１に示す応答器は、送受信兼用のアンテナ素子１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄと、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）にそれぞれ接続される送受切替器としてのサーキュレータ１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄと、サーキュレータ１０２（ａ〜ｄ）の各出力ポートに現れる受信ＲＦ信号を受けるダウンミキサ１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄと、サーキュレータ１０２（ａ〜ｄ）の各入力ポートに送信ＲＦ信号を与えるアップミキサ１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄと、アッパーローカルとなる周波数を持つダウンコンバート用ローカル信号を発生するローカル発振器１０５ａと、ロワーローカルとなる周波数を持つアップコンバート用ローカル信号を発生するローカル発振器１０５ｂと、ローカル発振器１０５ａが出力するダウンコンバート用ローカル信号をダウンミキサ１０３（ａ〜ｄ）に分配供給する分配回路１０６ａと、ローカル発振器１０５ｂが出力するアップコンバート用ローカル信号をアップミキサ１０４（ａ〜ｄ）に分配供給する分配回路１０６ｂとを備えている。

さらに、図１に示す応答器は、ダウンミキサ１０３（ａ〜ｄ）の出力信号（受信ＩＦ信号）から搬送波を再生する搬送波再生器１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄと、ダウンミキサ１０３（ａ〜ｄ）の出力信号（受信ＩＦ信号）と搬送波再生器１０７（ａ〜ｄ）の出力信号（再生搬送波信号）とを乗算する乗算器１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄと、搬送波再生器１０７（ａ〜ｄ）の出力信号（再生搬送波信号）を用いて送信データの変調動作を行う変調器１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄと、変調器１０９（ａ〜ｄ）の各出力端とアップミキサ１０４（ａ〜ｄ）の各入力端との間に設けられる移相器１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄと、乗算器１０８（ａ〜ｄ）の各出力信号から復調動作を行う復調部１１１と、復調部１１１での復調結果に所定の信号処理を施して送信データを生成するとともに、移相器１１０（ａ〜ｄ）での移相量を個別に設定制御する信号処理部１１２と、信号処理部１１２が生成した送信データを記憶保持し変調器１０９（ａ〜ｄ）に分配する送信データ処理部１１３とを備えている。

以上の構成において、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）での受信ＲＦ信号は、サーキュレータ１０２（ａ〜ｄ）を介してダウンミキサ１０３（ａ〜ｄ）に入力し、中間周波数帯の信号（受信ＩＦ信号）にダウンコンバートされる。搬送波再生器１０７（ａ〜ｄ）は、この受信ＩＦ信号の搬送波と同期して搬送波信号を再生する。そして、ダウンミキサ１０３（ａ〜ｄ）が出力する受信ＩＦ信号は、乗算器１０８（ａ〜ｄ）にて、再生された搬送波信号とを乗算されてベースバンド信号となり、復調部１１１にて復調される。

一方、送信データ処理部１１３が分配出力する送信データは、変調部１０９（ａ〜ｄ）にて、搬送波再生器１０７（ａ〜ｄ）が再生した搬送波信号を用いて変調されて送信ＩＦ信号となり、移相器１１０（ａ〜ｄ）を介してアップコンバータ１０４（ａ〜ｄ）に入力し、アップコンバートされて送信ＲＦ信号となる。この送信ＲＦ信号は、サーキュレータ１０２（ａ〜ｄ）を介してアンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）から送信される。

本実施の形態に係る応答器は、以上のように、４系統の独立した送受信系を備えるが、この構成によって、レトロディレクティブ方式による特定方向に指向性を有して送受信を行う機能と、レトロディレクティブ方式によらず全方向に指向性を有して送受信を行う機能とを実現するようになっている。前者は、質問器との１対１の通信を実現する機能であり、後者は、他の応答器とのマルチホップ通信を実現する機能である。

まず、レトロディレクティブ方式による送受信機能ついて説明する。この場合には、移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量は、等値に設定される。つまり、移相器１１０（ａ〜ｄ）は、機能しない。このように移相器１１０（ａ〜ｄ）が機能しない場合には、アッパーローカルなダウンコンバート用ローカル信号とロワーローカルなアップコンバート用ローカル信号とを用いて送信ＲＦ信号の位相を受信ＲＦ信号の位相に対して共役にする。この意味で、４系統の独立した送受信系をそれぞれ位相共役回路と称すれば、図２と図３に示す動作が行われる。

図２は、レトロディレクティブ方式による送受信機能を実現する位相共役回路の動作を説明する概念図である。図２において、受信ＲＦ信号２０１の周波数に対して、ダウンコンバート用ローカル信号２０２の周波数が高いので、受信ＩＦ信号２０３の位相は受信ＲＦ信号２０１の位相に対して共役となる。この受信ＩＦ信号２０３を搬送波再生器１０７（ａ〜ｄ）に入力し、生成された搬送波を利用して変調器１０９（ａ〜ｄ）にて送信ＩＦ信号が作られる。アップコンバート用ローカル信号２０４は、ロワーローカルとなる周波数である。これによって、送信ＲＦ信号２０５の位相は受信ＲＦ信号２０１の位相に対して共役となる。

図３は、レトロディレクティブ方式による送受信動作を説明する概念図である。図１に示す構成では、図２に示すように動作する位相共役回路が４個（図３では３０１〜３０４で示す）あるが、ダウンコンバート用ローカル信号２０２とアップコンバート用ローカル信号２０４との位相を位相共役回路間で同じにすれば、図３に示すように、受信ＲＦ信号２０１の位相に対して、送信ＲＦ信号２０５の位相が共役となるので、レトロディレクティブ方式が実現できる。なお、ローカル信号の位相を位相共役回路３０１〜３０４間で同じにすることを、図１では、分配回路１０６ａでのローカル分配後の４本の伝送線路１１５ａ同士の線路長を同じにし、分配回路１０６ｂでのローカル分配後の４本の伝送線路１１５ｂ同士の線路長を同じにすることで実現している。

次に、レトロディレクティブ方式によらず全方向に指向性を有して送受信を行う機能は移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量を互いに異なる値に設定することで実現される。信号処理部１１２は、復調部１１１から入力される質問信号の指示に従って、移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量を等値に設定するか、互いに異なる値に設定するかの設定動作を行い、両機能の切り替えを実現している。

図４は、本実施の形態によるアンテナ指向性を説明する図である。図４では、質問器４０１と応答器（＃０）４０２，応答器（＃１）４０３とが示されている。そのうち、応答器（＃０）４０２は、本実施の形態に係る応答器であり、応答器（＃１）４０３は、レトロディレクティブ方式による送受信機能のみを有する応答器である。即ち、応答器（＃１）４０３は、図１において、移相器１１０（ａ〜ｂ）を除いた構成を有する。質問器４０１のアンテナ指向性４１０は全方向性である。応答器（＃０）４０２は質問器４０１のカバーエリア内に存在しているが、応答器（＃１）４０３は質問器４０１のカバーエリアから外れた場所に存在している。

図４（ａ）は、質問器が応答器（＃０）４０２と１対１の通信を行う場合のアンテナ指向性を示す。図４（ａ）において、応答器（＃０）４０２は、質問器４０１から質問信号を受信して、質問器４０１と１対１の通信を行う場合、移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量を等値に設定する。これによって、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）から放射される送信信号の位相が質問信号の受信方向に揃うので、質問器４０１の方向に向かう鋭いアンテナ指向性４１１が形成される。応答器（＃１）４０３は、質問信号を受信しないので、送信動作は行わない。

図４（ｂ）は、応答器（＃０）４０２がマルチホップ通信を行う場合のアンテナ指向性を示す。図４（ｂ）において、応答器（＃０）４０２は、マルチホップ通信を行う場合、移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量を互いに異なる値に設定する。例えば、移相器１１０ａでの位相を１０度と設定し、移相器１１０ｂでの位相を２０度と設定し、移相器１１０ｃでの位相を３０度と設定し、移相器１１０ｄでの位相を４０度と設定する。これによって、アンテナ素子１０１（ａ〜ｄ）から放射される送信信号の位相は揃わなくなり、全方向性のアンテナ指向性４１２が形成される。この場合には、通信相手は質問器に限定されない。

即ち、応答器（＃１）４０３は、応答器（＃０）４０２の送信信号を受信すると、レトロディレクティブ方式による鋭いアンテナ指向性４１３を応答器（＃０）４０２の方向に向けて形成するので、応答器（＃０）４０２と応答器（＃１）４０３との間での通信が可能になる。

以上説明した動作をまとめると、図５に示すようになる。図５は、本実施の形態に係る応答器の動作を説明するフローチャートである。図５において、初期状態では、信号処理部１１２は、移相器１１０（ａ〜ｄ）の移相量を同じ値に設定している（ＳＴ５０１）。したがって、質問信号を受信すると（ＳＴ５０２）、応答器は、図４（ａ）に示す状態となり、レトロディレクティブ方式で質問器と１対１の通信行う。

そして、信号処理部１１２は、質問器との通信過程で受信する質問信号に、マルチホップ接続を指示するコマンドが含まれているか否かを判断し（ＳＴ５０３）質問信号にマルチホップ接続を指示するコマンドが含まれていない場合は（ＳＴ５０３：Ｎｏ）、移相器１１０（ａ〜ｄ）の設定を初期状態（ＳＴ５０１）のままとする。

一方、信号処理部１１２は、質問信号にマルチホップ接続を指示するコマンドが含まれている場合は（ＳＴ５０３：Ｙｅｓ）、移相器１１０（ａ〜ｄ）での各移相量を互いに異なる値に設定する（ＳＴ５０４）。その結果、応答器は、図４（ｂ）に示す状態となり、質問器との通信に加えて他の応答器との間でも通信が行えるようになる（ＳＴ５０５）。

このように、本実施の形態によれば、応答器は、アンテナ指向性を、受信方向に向けて形成する場合と、全方向に向けて形成する場合とを切り替えることができるので、質問器との１対１の通信に加えて他の応答器とのマルチホップ通信も行えるようになる。質問器との１対１の通信では、レトロディレクティブ方式の性質によりアンテナ指向性利得が得られるので、通信距離を拡大できる。

なお、本実施の形態では、受信ＲＦ信号の周波数と送信ＲＦ信号の周波数とが同じ場合を想定しているが、ダウンコンバート用ローカル信号及びアップコンバート用ローカル信号の周波数を適当に選び、受信ＲＦ信号の周波数と送信ＲＦ信号の周波数を少しずらす、所謂副搬送波を用いた変調方法を採用しても良い。このようにすれば、質問器は搬送波の影響を避けることができる。

本発明に係る応答器は、応答器同士が直接通信を行うマルチホップ方式の採用を考慮しているＲＦＩＤシステムで用いるのに有用である。

本発明の一実施の形態に係る応答器の構成を示すブロック図レトロディレクティブ方式による送受信機能を実現する位相共役回路の動作を説明する概念図レトロディレクティブ方式による送受信動作を説明する概念図本実施の形態によるアンテナ指向性を説明する図本実施の形態に係る応答器の動作を説明するフローチャートバンアッタアレーアンテナを適用した従来の応答器の構成例を示すブロック図

符号の説明

１０１ａ，１０１ｂ，１０１ｃ，１０１ｄアンテナ素子
１０２ａ，１０２ｂ，１０２ｃ，１０２ｄサーキュレータ
１０３ａ，１０３ｂ，１０３ｃ，１０３ｄダウンミキサ
１０４ａ，１０４ｂ，１０４ｃ，１０４ｄアップミキサ
１０５ａダウンコンバート用ローカル信号の発振器
１０５ｂアップコンバート用ローカル信号の発振器
１０６ａ，１０６ｂ分配回路
１０７ａ，１０７ｂ，１０７ｃ，１０７ｄ搬送波再生器
１０８ａ，１０８ｂ，１０８ｃ，１０８ｄ乗算器
１０９ａ，１０９ｂ，１０９ｃ，１０９ｄ変調器
１１０ａ，１１０ｂ，１１０ｃ，１１０ｄ移相器
１１１復調部
１１２信号処理部
１１３送信データ処理部
１１５ａダウンコンバート用ローカル信号の伝送線路
１１５ｂアップコンバート用ローカル信号の伝送線路
２０１受信ＲＦ信号
２０２ダウンコンバート用ローカル信号
２０３受信ＩＦ信号
２０４アップコンバート用ローカル信号
２０５送信ＲＦ信号
３０１〜３０４位相共役回路
４０１質問器
４０２本実施の形態に係る応答器（＃０）
４０３レトロディレクティブ方式のみを装備する応答器（＃１）
４１０質問器のアンテナ指向性
４１１，４１２応答器（＃０）のアンテナ指向性
４１３応答器（＃１）のアンテナ指向性

Claims

送受信兼用の複数のアンテナ素子と、
前記複数のアンテナ素子毎に設けられ、送信処理系に送信信号の位相を変化させる移相手段を備える複数の送受信処理回路と、
前記複数の送受信処理回路の各受信処理系での受信信号を復調する復調手段と、
前記複数の送受信処理回路の各送信処理系に送信データを分配する送信データ処理手段と、
前記複数の移相手段における各移相量を全て等値にするか、互いに異なる値にするかの設定制御を行う制御手段と、を具備する応答器。
前記制御手段は、前記復調手段が復調した質問信号に含まれるコマンドが、マルチホップ接続を指示していない場合は前記複数の移相手段における各移相量を全て等値に設定し、マルチホップ接続を指示している場合は前記複数の移相手段における各移相量を互いに異なる値に設定する請求項１記載の応答器。
質問信号を無線送信する質問器と、無線受信した前記質問信号を含む電波信号に応答する第１及び第２の応答器とで構成されるＲＦＩＤシステムであって、
前記第１の応答器は、請求項１記載の応答器であり、
前記第２の応答器は、送受信兼用の複数のアンテナ素子と、前記複数のアンテナ素子毎に設けられる送受信処理回路であって送信信号の位相を受信信号の位相と共役にする複数の送受信処理回路と、前記複数の送受信処理回路の各受信処理系での受信信号を復調する復調手段と、前記複数の送受信処理回路の各送信処理系に送信データを分配する送信データ処理手段とを具備することを特徴とするＲＦＩＤシステム。