JP2008104094A - Radio tag of passive system, and radio tag system - Google Patents

Radio tag of passive system, and radio tag system Download PDF

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To obtain a radio tag of a passive system (battery exchange unnecessary) with a detection distance of several meters (capable of remotely detecting a moving person or object) and weak radio wave use (without the need of legal utilization procedure and without influence upon human bodies and medial equipment). <P>SOLUTION: A radio tag 20 comprises a receiving antenna unit 21, an impedance conversion matching unit 22, a High-Q resonance circuit 23, a double wave rectifier circuit 24, an impedance adjusting unit 25, a smoothing circuit 26, an ID transmitting unit 27 and a transmitting antenna unit 28. In order to achieve the detection distance of 1m or longer, the transmitting antenna unit and the receiving antenna unit are separately structured and as regards the gain of the receiving antenna unit, by employing the receiving antenna unit of a type having a higher gain than that of the transmitting antenna unit, the detection distance can be made longer within the specific value of weak radio wave. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、電池を搭載しないパッシブ方式の無線タグ及びこの無線タグを用いたシステムに関する。   The present invention relates to a passive wireless tag not equipped with a battery and a system using the wireless tag.

図5は従来のアクティブ無線タグシステムの概略構成図である。図6は従来のパッシブ無線タグシステムの概略構成図である。   FIG. 5 is a schematic configuration diagram of a conventional active wireless tag system. FIG. 6 is a schematic configuration diagram of a conventional passive wireless tag system.

従来の無線タグ1には電池2が設けられており、この電池2の電源によってID送信部3が起動してID信号を送信アンテナ4(磁界ループアンテナ)から発射させる。このID信号を受信アンテナ5で受信(磁界ループアンテナ)し、無線タグリーダ6によって読み込まれて、受信アンテナ5からID応答信号が発射されていた。   The conventional wireless tag 1 is provided with a battery 2, and the ID transmitter 3 is activated by the power supply of the battery 2 to emit an ID signal from the transmission antenna 4 (magnetic field loop antenna). This ID signal was received by the receiving antenna 5 (magnetic loop antenna), read by the wireless tag reader 6, and an ID response signal was emitted from the receiving antenna 5.

すなわち、パッシブ無線タグシステムは、無線タグリーダー・ライター12からパッシブ無線タグ10に向かって電力供給用に電波を送信し、パッシブ無線タグ10はこの電波を受信して直流電力に変換し、これを電源としてIDをリーダライター12に向けて送信する。   That is, the passive wireless tag system transmits a radio wave for power supply from the wireless tag reader / writer 12 toward the passive wireless tag 10, and the passive wireless tag 10 receives the radio wave and converts it into DC power, The ID is transmitted to the reader / writer 12 as a power source.

つまり、アクティブ無線タグ方式は無線タグ内部に電池を内蔵しており、無線タグから無線タグリーダに向かい、一方向へ電波によりID信号を送信する方式であり、少ない送信出力でも、検知距離を長くとれる利点がある。   In other words, the active RFID tag system has a built-in battery inside the RFID tag, and transmits the ID signal by radio waves in one direction from the RFID tag to the RFID tag reader. The detection distance can be extended even with a small transmission output. There are advantages.

具体的には微弱電波(電波法執行規則第6上で規定しているとおり、3mの距離で500μV以下、アンテナ利得0dBiと仮定した場合の送信出力値で−43dBm程度)でも通常10m程度の検知距離を実現できる。   Specifically, even a weak radio wave (as defined in the Radio Law Enforcement Regulation No. 6) is normally detected at about 10 m even with a transmission output value of about -43 dBm when assuming a 500 mV or less at a distance of 3 m and an antenna gain of 0 dBi Distance can be realized.

また、一方で電池が消耗するので定期的に電池交換が必要である欠点がある。   On the other hand, since the battery is consumed, there is a drawback that the battery needs to be replaced periodically.

図6のパッシブ無線タグシステムは、無線タグリーダー・ライター12によって送受信アンテナ11(ループアンテナ)を駆動して電力供給送信波を送信し、パッシブ無線タグ10の送受信アンテナ(ループアンテナ)で受けて、この受信信号を電力源受信部14が電源とし、この電源でID送信部15がID応答信号を送受信アンテナ13によって発射させる。つまり、パッシブ無線タグシステムは、電池は搭載していないので小型薄型であり、かつ電池交換を必要としない。   The passive wireless tag system of FIG. 6 drives the transmission / reception antenna 11 (loop antenna) by the wireless tag reader / writer 12 to transmit a power supply transmission wave, and receives it by the transmission / reception antenna (loop antenna) of the passive wireless tag 10. The power source receiver 14 uses this received signal as a power source, and the ID transmitter 15 causes the transmission / reception antenna 13 to emit an ID response signal. That is, since the passive wireless tag system is not equipped with a battery, it is small and thin, and does not require battery replacement.

パッシブ無線タグ方式は、無線タグ内部に電池を内蔵しておらず、無線タグリーダーライターから無線タグへエネルギーを供給する方式であるので、無線タグリーダー・ライターは大きな出力を必要とするにもかかわらず、検知距離が短いという欠点がある。   The passive RFID tag system does not have a battery inside the RFID tag and supplies energy from the RFID tag reader / writer to the RFID tag. Therefore, the RFID tag reader / writer needs a large output. However, there is a drawback that the detection distance is short.

具体的には、特定小電力方式(約−10dBm出力)で約数10cm程度、構内無線局方式(約1W出力)でも最大数メートルの検知距離が限界となっている。   Specifically, the detection distance of about several tens of centimeters is limited in the specific low power method (about -10 dBm output), and the maximum distance of several meters is also limited in the local wireless station method (about 1 W output).

一方、アクティブ方式は無線タグ内部に電池を内蔵しており、無線タグから無線タグリーダへ向かい一方向へ電波によりID信号を送信する方式であるので、無線タグ自身がエネルギー源を内部に持っているため、エネルギー効率が高い。   On the other hand, since the active method has a battery built in the wireless tag and transmits an ID signal by radio waves in one direction from the wireless tag to the wireless tag reader, the wireless tag itself has an energy source inside. Therefore, energy efficiency is high.

そのため、微弱電波出力でも比較的長い検知距離を確保できる。しかし、最大でも10m程度が限界となっている。   Therefore, a relatively long detection distance can be secured even with weak radio wave output. However, the maximum is about 10m.

これを、更にのばそうとすると、無線タグからの送信出力を上げる必要があり、そのサイズ内に電池が収まらない等の問題がある。   If this is further extended, it is necessary to increase the transmission output from the wireless tag, and there is a problem that the battery does not fit within the size.

また、特開2004−85277号公報(特許文献1)のように前述の無線タグを衣類に取付て検知装置がアンテナ部で無線タグからの電波を受けて衣類が濡れてきたことを検知するものもある。このアンテナ部は、送信用コイルと受信用コイルとを有している。
特開2004−85277号公報
In addition, as described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2004-85277 (Patent Document 1), the above-described wireless tag is attached to clothing, and the detection device receives the radio wave from the wireless tag at the antenna portion to detect that the clothing is wet. There is also. The antenna unit has a transmission coil and a reception coil.
JP 2004-85277 A

一般に、無線タグリーダーライターの送信出力は電波法の規制で制限されている。   In general, the transmission output of a wireless tag reader / writer is limited by regulations of the Radio Law.

現在日本で使用できる無線タグは概略して下記の4種類がある。     There are roughly four types of wireless tags currently available in Japan.

(1)124KHz、135KHz帯
(2)13.56MHz帯(波長約13m)
(3)900MHz帯(950MHz帯)
(4)2.45GHz帯
(5)300MHz帯(微弱電波)
この内(1)と(2)とは、パッシブ方式で10cm程度であり、アクティブ方式でも数10cm程度の検知距離が一般的となっている。従って、タグを数m以上の離れた距離から検知することは不可能である。
(1) 124 KHz, 135 KHz band (2) 13.56 MHz band (wavelength of about 13 m)
(3) 900 MHz band (950 MHz band)
(4) 2.45 GHz band (5) 300 MHz band (weak radio wave)
Among these, (1) and (2) are about 10 cm in the passive method, and a detection distance of about several tens of centimeters is common even in the active method. Therefore, it is impossible to detect the tag from a distance of several meters or more.

一方、数m〜数十m以上の遠距離で検索を行う場合には(3)、(4)、(5)が適している。   On the other hand, (3), (4), and (5) are suitable when searching at a long distance of several meters to several tens of meters.

このうち(3)は現時点ではもっぱらパッシブ方式の規格整備が進められており、数m程度検知距離が確保できるので、パッシブ方式においては最も検知距離が長くとれるものである。   Among them, (3) is currently being developed exclusively for the passive system, and can detect a distance of several meters, so that the passive system has the longest detection distance.

しかし、リーダ・ライターは1W程度の大出力が必要で電波法的には構内小電力無線局方式に該当する。このため、製造者のみならず、利用者も電波法第4条の規定により、監督官庁への使用手続きが必要となる。   However, the reader / writer needs a large output of about 1 W, and the radio law corresponds to the local low power radio station system. For this reason, not only the manufacturer but also the user must follow the procedures for use with the supervisory authorities in accordance with Article 4 of the Radio Law.

また、(4)はパッシブ方式で1m程度、アクティブ方式でも数m程度の検知距離である。   Further, (4) is a detection distance of about 1 m in the passive method, and a few meters in the active method.

しかしながら、電波伝搬特性上、直進性が強いため、物陰等の検知が不可能となり、導電体である水分を含有する人体などの電波吸収の影響も受ける欠点がある。   However, because of its strong radio wave propagation characteristics, it is difficult to detect objects and the like, and there is a drawback that it is also affected by radio wave absorption of a human body containing moisture as a conductor.

最後に(5)はもっぱらアクティブ方式が一般的で、検知距離は最も長く、方法によっては10m以上も可能である。しかも微弱電波(電波法施行規則第6条の規定以下の電界強度の電波)により実現可能であるため、法規制(電波法第4条)を受けないばかりか、人体への影響などを一切考慮する必要がなく、使いかってに優れている。   Finally, (5) is generally the active method, and the detection distance is the longest, and depending on the method, it can be 10 m or more. Moreover, since it can be realized by weak radio waves (radio waves with electric field strengths below the provisions of Article 6 of the Radio Law Enforcement Regulations), it is not only subject to laws and regulations (Article 4 of the Radio Law), but it also takes into account the effects on the human body. There is no need to do it, and it is excellent to use.

これらを総合的に考慮すると、検知距離数mを確保して、しかも電池を使用せず、電池交換の保守を不要とし、且つ、微弱電波を使用することができる方式が存在しない、空白の領域であることが分かる。   Considering these comprehensively, a blank area where a detection distance of several meters is secured, no battery is used, maintenance of battery replacement is unnecessary, and there is no system that can use weak radio waves. It turns out that it is.

例えば、電波利用が制限されている医療現場などで、数10cm〜数mの距離から患者に装着した無線タグを検知するニーズがある。一例として、徘徊患者の監視や、移動する入院患者の自動識別などがある。徘徊患者が病院内を歩いていても外科、内科等の担当医は、徘徊患者かどうかは分からない。つまり、徘徊患者を見かけたとしても、その患者を担当している医師や看護士でなければ分からない。   For example, there is a need to detect a wireless tag attached to a patient from a distance of several tens of centimeters to several meters at a medical site where use of radio waves is restricted. Examples include monitoring of epileptic patients and automatic identification of moving inpatients. Even if a hemorrhoid patient walks in the hospital, the doctor in charge of surgery or internal medicine does not know whether it is a hemorrhoid patient. In other words, even if a vaginal patient is seen, it can be understood only by the doctor or nurse in charge of the patient.

このような徘徊患者に対して、(5)の300MHz微弱電波のアクティブタグを使用すると実現は可能であるが、患者へ装置したタグ内部の電池残量を常に確認しておく必要があり、消耗に応じて定期的に電池の交換、保守を行わなければならず、使いかってが非常に悪いという問題点がある。   This can be achieved by using the 300 MHz weak radio wave active tag (5) for such patients, but it is necessary to always check the remaining battery power inside the tag attached to the patient. The battery must be replaced and maintained regularly according to the situation, and there is a problem that it is very bad to use.

この電池交換の問題を解決するたには、タグに電池を搭載しないパッシブ方式を採用すればよい。   In order to solve this problem of battery replacement, a passive method in which no battery is mounted on the tag may be employed.

そこで、(1)〜(4)によるパッシブ方式を考えた場合、検知距離数mを実現できるものは(3)の950MHzパッシング方式のみとなる。   Therefore, when considering the passive method according to (1) to (4), only the 950 MHz passing method of (3) can realize the detection distance number m.

しかし、(3)の方式は無線タグシステムでは最も出力の大きい約1W出力の構内小電力無線局に該当するものである。   However, the method (3) corresponds to a local low-power radio station with about 1 W output, which is the largest output in the wireless tag system.

このため、行政当局への手続きが必要であり、病院内などで使用するには、電波出力が大きいため、医療機器等への影響を十分配慮する必要がある。   For this reason, procedures to the administrative authorities are necessary, and for use in hospitals or the like, the radio wave output is large, so it is necessary to fully consider the influence on medical devices and the like.

従って、設置場所などに制限があり、都度現場での調査と個別考慮が必要となるという問題点があった。   Therefore, there is a problem that there are restrictions on the installation location, and it is necessary to conduct on-site investigations and individual considerations each time.

今、仮に検知距離の条件を緩めて1m程度まで短縮することを許容したとする。この場合は(4)の2.45GHzパッシング方式でも理論的には実現可能である。   Suppose now that the detection distance condition is relaxed and allowed to be shortened to about 1 m. In this case, the 2.45 GHz passing method (4) can be theoretically realized.

しかし、2.45GHzはISM帯に属する周波数であるため、医療現場での医療機器と全く同一周波数であり、医療機器システムに影響するという問題点がある。   However, since 2.45 GHz is a frequency belonging to the ISM band, there is a problem that it is exactly the same frequency as a medical device in a medical field and affects a medical device system.

しかも、電波伝搬上の性質から直線性が強いため、物陰や人影になる位置にあるタグの検知は不可能であるという問題点があった。   In addition, since the linearity is strong due to the nature of radio wave propagation, there is a problem that it is impossible to detect a tag in a position that becomes a shadow or a human shadow.

加えて、水分による吸収減衰が大きいため、液体状の薬剤などに電波が吸収減衰される問題もある。   In addition, since the absorption attenuation due to moisture is large, there is also a problem that radio waves are absorbed and attenuated by liquid drugs and the like.

さらに、法律的にも出力は10mW程度の特定小電力無線局に該当するため、製造者は電波法第4条の規定により、管轄官庁への手続きが必要となる。   Furthermore, since the output corresponds to a specific low-power radio station of about 10 mW legally, the manufacturer is required to proceed to the competent authority in accordance with Article 4 of the Radio Law.

本発明は、検知距離数m(遠方から移動する人や物を検知できる)、微弱電波使用(法的な利用手続きが不要で、人体、医療機器への影響無し)でパッシブ方式(電池交換不要)の無線タグを得ることを目的とする。   The present invention is a passive method (no battery replacement required) with a detection distance of several meters (capable of detecting people and objects moving from a distance), weak radio waves (no need for legal use procedures, no impact on human body, medical equipment) ) Wireless tag.

本発明のパッシブ方式の無線タグは、受信アンテナ部で受信電波を受信し、無線タグのID信号を生成するID送信部を有して300MHz帯の電波で送信アンテナ部から送信するパッシブ方式の無線タグにおいて、
前記受信アンテナ部のリンクコイルに低インピーダンスで整合され、該リンクコイルが取り出した信号を取り出すインピーダンス変換整合部と、前記インピーダンス変換整合部で取り出された信号を蓄積するタンク回路と、前記タンク回路からの高周波数エネルギーを整流して平滑し、この平滑された直流電力を前記ID送信部の電源端子に供給する整流・平滑回路とを備えたことを要旨とする。
The passive wireless tag of the present invention has an ID transmitter that receives a received radio wave at the receiving antenna unit and generates an ID signal of the wireless tag, and transmits from the transmitting antenna unit with a 300 MHz band radio wave. In the tag,
From the tank circuit, an impedance conversion matching unit that is matched to the link coil of the receiving antenna unit with low impedance and extracts a signal extracted by the link coil, a tank circuit that accumulates the signal extracted by the impedance conversion matching unit, and And a rectifying / smoothing circuit for supplying the smoothed DC power to the power supply terminal of the ID transmitter.

また、本発明の無線タグシステムは、300MHz帯の無線タグリーダ・ライターとパッシブ方式の無線タグとからなり、前記無線タグリーダ・ライターからの前記無線タグのID及び前記無線タグリーダ・ライターのIDを含むデータを通信ネットワークを介して受信する監視センターのサーバとを備えた無線タグシステムである。   The wireless tag system of the present invention includes a 300 MHz band wireless tag reader / writer and a passive wireless tag, and includes data including the wireless tag ID from the wireless tag reader / writer and the wireless tag reader / writer ID. Is a wireless tag system including a monitoring center server that receives a message via a communication network.

前記無線タグリーダ・ライターは、
前記無線タグの電源となる信号を生成して出力する電力送信部と、前記電力送信部からの信号を電波にして送信する第1の送信アンテナ部と、前記第1の送信アンテナ部より高効率な前記無線タグからの電波を受信する第1の受信アンテナ部と、前記第1の受信アンテナ部が受信した前記無線タグのID信号を解読し、該ID信号に当該リーダのIDを付加して前記サーバに送信する無線タグリーダとを備える。
The wireless tag reader / writer is
A power transmission unit that generates and outputs a signal to be a power source of the wireless tag, a first transmission antenna unit that transmits a signal from the power transmission unit as a radio wave, and higher efficiency than the first transmission antenna unit A first receiving antenna unit that receives radio waves from the wireless tag, and an ID signal of the wireless tag received by the first receiving antenna unit, and adds an ID of the reader to the ID signal A wireless tag reader for transmitting to the server.

前記無線タグは、
前記無線タグリーダ・ライターの第1の送信アンテナ部に対して、高効率にされ該第1の送信アンテナ部からの電波を受信する第2の受信アンテナ部と、前記第2の受信アンテナ部のリンクコイルに低インピーダンスで整合され、該リンクコイルが取り出した信号を取り出すインピーダンス変換整合部と、前記インピーダンス変換整合部で取り出された信号を蓄積するタンク回路と、前記タンク回路からの電力を整流して平滑する整流・平滑回路と、前記整流・平滑回路で平滑された直流電力を電源とし、該電源によって当該無線タグのID信号を生成して出力するID送信部と、前記第2の受信アンテナ部より、磁界ループアンテナが小型にされ、前記ID送信部からのID信号を300MHz帯の電波にして送信する第2の送信アンテナ部とを備えたことを要旨とする。
The wireless tag is
A link between the second receiving antenna unit and the second receiving antenna unit that is highly efficient with respect to the first transmitting antenna unit of the wireless tag reader / writer and receives radio waves from the first transmitting antenna unit The impedance conversion matching unit that is matched with the coil at low impedance and extracts the signal extracted by the link coil, the tank circuit that accumulates the signal extracted by the impedance conversion matching unit, and the power from the tank circuit is rectified A rectifying / smoothing circuit for smoothing, an ID transmitting unit for generating and outputting an ID signal of the wireless tag by the DC power smoothed by the rectifying / smoothing circuit, and the second receiving antenna unit Accordingly, the magnetic field loop antenna is reduced in size, and the second transmission antenna transmits the ID signal from the ID transmission unit as a radio wave of 300 MHz band. And summarized in that with and.

以上のように本発明の無線タグは、微弱電波を使用するので、電波法第4条に基づく監督官庁への電波利用に関する手続きが一切不要であり、時間、コスト、利便性が極めて優れている。また、300MHz微弱電波方式を採用していることから、他の周波数帯を使用したタグに電池を搭載しないパッシブ方式に比べて検知距離を長くできる最大の長所がある。   As described above, since the wireless tag of the present invention uses weak radio waves, there is no need for any procedures for using radio waves to the supervisory authorities based on Article 4 of the Radio Law, and the time, cost, and convenience are extremely excellent. . In addition, since the 300 MHz weak radio wave system is adopted, there is a maximum advantage that the detection distance can be increased as compared with a passive system in which a battery is not mounted on a tag using another frequency band.

さらに、微弱電波は極めて電界強度が低いので、人体、精密電子機器に影響がない。また、設置場所、使用方法などの制限がなく、電波を使用しているということを殆ど意識しないで、あらゆる環境へ適用可能なシステム構築ができる。   Furthermore, since the weak electric field has extremely low electric field strength, it does not affect the human body or precision electronic equipment. In addition, there is no restriction on the installation location, usage method, and the like, and it is possible to construct a system that can be applied to any environment with little awareness of using radio waves.

特に、電波利用上の制限が厳しい病院、介護施設などへの電磁界暴露安全上の規制を受けずにに導入できる。   In particular, it can be introduced without being restricted by electromagnetic field exposure safety in hospitals, nursing homes, etc., where radio wave usage is severely restricted.

しかも、無線タグ内部に電池を搭載していないため、システム稼働中に電池の消耗加減を管理する必要がなく、定期的に面倒な電池交換も一切必要である。   In addition, since the battery is not mounted inside the wireless tag, it is not necessary to manage the consumption of the battery during the operation of the system, and it is also necessary to periodically replace the battery.

このため、電池が消耗することによって無線タグの読み取り率が低下してシステムの信頼性が低下することも皆無となる。   For this reason, when the battery is consumed, the reading rate of the wireless tag is lowered, and the reliability of the system is not lowered at all.

さらに、本発明の無線タグシステムは、300MHz帯の微弱電波であるため、その波電に対するアンテナサイズから高効率化が計れて、しかも電波伝搬特性も、LHF帯の長所を生かせるため、より離れた距離からの検知が可能なので従来のパッシブ方式では適用できなかった応用への適用が可能となり、可用性が飛躍的に向上する。微弱電波は極めて電界強度が低いので、人体、精密電子機器に影響がない。また、設置場所、使用方法などの制限がなく、電波を使用しているということを殆ど意識しないで、あらゆる環境へ適用可能なシステム構築ができる。   Furthermore, since the RFID tag system of the present invention is a weak radio wave in the 300 MHz band, it is possible to improve the efficiency from the antenna size with respect to the wave power, and the radio wave propagation characteristics are further away in order to take advantage of the LHF band. Since detection from a distance is possible, it can be applied to applications that could not be applied by the conventional passive method, and the availability is dramatically improved. Weak radio waves have extremely low electric field strength, so there is no effect on the human body or precision electronic equipment. In addition, there is no restriction on the installation location, usage method, and the like, and it is possible to construct a system that can be applied to any environment with little awareness of using radio waves.

特に、電波利用上の制限が厳しい病院、介護施設などへの電磁界暴露安全上の規制を受けずにに導入できる。   In particular, it can be introduced without being restricted by electromagnetic field exposure safety in hospitals, nursing homes, etc., where radio wave usage is severely restricted.

<実施の形態1>
図1は本実施の形態の無線タグの概略構成図である。本実施の形態は電池を搭載しないパッシブ方式を採用する。使用する周波数帯は微弱電波の法規制値(電波施行規則第6条)で500μV/m以下を許容している320MHz以下の300MHz帯を使用する。
<Embodiment 1>
FIG. 1 is a schematic configuration diagram of a wireless tag according to the present embodiment. This embodiment employs a passive system without a battery. The frequency band to be used is a 300 MHz band of 320 MHz or less, which allows a value of 500 μV / m or less as a legally regulated value of radio waves (Article 6).

本実施の形態は、電波出力は微弱電波の規制内として人体や医療機器への影響の問題を解決するものであり、検知距離を1m以上を実現するため、送信アンテナ部と、受信アンテナ部とを別構造とし、受信アンテナ部の効率は、送信アンテナ部よりも高いタイプを採用することにより、微弱電波の規正値内でより検知距離を長くできるようにする。   In this embodiment, the radio wave output is within the limits of weak radio waves and solves the problem of influence on the human body and medical equipment. In order to realize a detection distance of 1 m or more, the transmission antenna unit, the reception antenna unit, By adopting a type in which the efficiency of the receiving antenna unit is higher than that of the transmitting antenna unit, the detection distance can be made longer within the regulation value of the weak radio wave.

図1に示すように、本実施の形態の無線タグ20は、受信アンテナ部21と、インピーダンス変換整合部22と、High−Q共振回路23と、両波整流回路24と、インピーダンス調整部25と、平滑回路26と、ID送信部27と、送信アンテナ部28を備えている。   As shown in FIG. 1, the wireless tag 20 of the present embodiment includes a receiving antenna unit 21, an impedance conversion matching unit 22, a High-Q resonance circuit 23, a two-wave rectifier circuit 24, and an impedance adjustment unit 25. , A smoothing circuit 26, an ID transmission unit 27, and a transmission antenna unit 28.

受信アンテナ部21は、小型でありながら効率が高く、しかも周辺物体の電磁的影響を受けがたい磁界ループコイル21aとコンデンサ21b(3PF〜5PF)とリンクコイル21cとを備えている。リンクコイル21cと磁界ループコイル21aとは非接触となるようにガラスエポキシ等で固着されている。   The receiving antenna unit 21 includes a magnetic field loop coil 21a, a capacitor 21b (3PF to 5PF), and a link coil 21c that are small in size, high in efficiency, and hardly affected by electromagnetic influences from surrounding objects. The link coil 21c and the magnetic field loop coil 21a are fixed with glass epoxy or the like so as not to contact each other.

また、磁界ループコイル21aの長さは、
(λ/0.3)>磁界ループコイル21aの円周長
としている。
The length of the magnetic field loop coil 21a is
(Λ / 0.3)> circumferential length of magnetic field loop coil 21a
It is said.

この磁界ループコイル21aとコンデンサ21bによって300MHz帯のパッシブ方式を実現している。   A 300 MHz band passive system is realized by the magnetic field loop coil 21a and the capacitor 21b.

また、リンクコイル21cの両端は、インピーダンス変換整合部22に接続されている。インピーダンス変換整合部22は、磁界ループコイル21a(以下単にリンクコイルという)の円周長/10程度の巻き数のリンクコイル21cを接続(リンクコイル21cとリンクコイル22aとの間には出力抵抗を設けてもよい:必要に応じて)することで、出力抵抗が50Ωになるような給電方式にしている。このインピーダンス変換整合部22を設けるのは、一般的なパッシブ無線タグ方式であると、従来はアンテナ部と回路部のインピーダンス整合が不十分で、アンテナ側から回路側へ効率良くエネルギーを伝送されなかった。これを解消するために、アンテナと共振回路の間にはインピーダンス整合部を設けた。   Further, both ends of the link coil 21 c are connected to the impedance conversion matching unit 22. The impedance conversion matching unit 22 connects a link coil 21c having a number of turns of about 10 circumference of a magnetic field loop coil 21a (hereinafter simply referred to as a link coil) (output resistance is connected between the link coil 21c and the link coil 22a). It may be provided (if necessary), so that the output resistance is 50Ω. In the conventional passive wireless tag system, the impedance conversion matching unit 22 is provided with insufficient impedance matching between the antenna unit and the circuit unit, and energy cannot be efficiently transmitted from the antenna side to the circuit side. It was. In order to solve this problem, an impedance matching unit is provided between the antenna and the resonance circuit.

また、リンクコイル22aはHigh−Q共振回路23の共振コイル23aと電気的に結合させるリンクコイルである。   The link coil 22 a is a link coil that is electrically coupled to the resonance coil 23 a of the High-Q resonance circuit 23.

つまり、インピーダンス変換整合部22によって受信アンテナ部21で得られた最大エネルギーを低いインピーダンスで取り出している。   That is, the maximum energy obtained by the receiving antenna unit 21 by the impedance conversion matching unit 22 is extracted with low impedance.

High−Q共振回路23は、共振コイル23aとコンデンサ23b(3PF〜5PF)等を備えた共振回路(300MHz帯)を構成して、より高い出力電圧を得るようにしている。   The High-Q resonance circuit 23 constitutes a resonance circuit (300 MHz band) including a resonance coil 23a, a capacitor 23b (3PF to 5PF), and the like so as to obtain a higher output voltage.

High−Q共振回路23は両波整流回路24(D1、D2、D3、D4)に接続されている。   The High-Q resonance circuit 23 is connected to the double-wave rectification circuit 24 (D1, D2, D3, D4).

両波整流回路24は、インピーダンス調整部25(インピーダンスをステップダウンさせるためのもの)に接続され、インピーダンス調整部25は平滑回路26(抵抗26a、コンデンサ26b)に接続されている。   The two-wave rectifier circuit 24 is connected to an impedance adjustment unit 25 (for stepping down the impedance), and the impedance adjustment unit 25 is connected to a smoothing circuit 26 (a resistor 26a and a capacitor 26b).

また、平滑回路26はID送信部27に接続されている。ID送信部27は送信アンテナ部28の磁界ループアンテナ28a(受信アンテナ部21のループコイルより円周が短い)とコンデンサ28b(3PF〜5PF)を有して、300MHz帯の電波を発射する。   The smoothing circuit 26 is connected to the ID transmission unit 27. The ID transmission unit 27 includes a magnetic field loop antenna 28a of the transmission antenna unit 28 (having a shorter circumference than the loop coil of the reception antenna unit 21) and a capacitor 28b (3PF to 5PF), and emits a 300 MHz band radio wave.

なお、前述の送信アンテナ部と受信アンテナ部とは、一つの筐体(プラスチックケース)に重ねられて内蔵されている。また、インピーダンス変換整合部22、High−Q共振回路23、両波整流回路24、インピーダンス調整部24、ID送信部27も一つの筐体内に納められている。   The transmission antenna unit and the reception antenna unit described above are built in a single casing (plastic case). Further, the impedance conversion matching unit 22, the High-Q resonance circuit 23, the both-wave rectification circuit 24, the impedance adjustment unit 24, and the ID transmission unit 27 are also housed in one casing.

上記のように構成された無線タグ20について以下に動作を説明する。本実施の形態では無線タグへ電源を供給するためにライター側から送信する電波については途切れることなく常時送信とする。   The operation of the wireless tag 20 configured as described above will be described below. In this embodiment mode, radio waves transmitted from the writer in order to supply power to the wireless tag are always transmitted without interruption.

リーダ・ライター(図示せず)からの電波(300MHz帯)は、受信アンテナ部21のループアンテナ21aによって受信され、リンクコイル21cによって、受信電力が取り出されてインピーダンス変換整合部22に給電される。   A radio wave (300 MHz band) from a reader / writer (not shown) is received by the loop antenna 21a of the receiving antenna unit 21, and received power is extracted by the link coil 21c and supplied to the impedance conversion matching unit 22.

このインピーダンス変換整合部22を介しての受信電力がリンクコイル22aによって、High−Q共振回路23に伝わり、高周波成分が高いQ値によって共振されて効率良く受信電力が回路内に蓄えられる。   The received power via the impedance conversion matching unit 22 is transmitted to the High-Q resonance circuit 23 by the link coil 22a, and the high frequency component is resonated by a high Q value, and the received power is efficiently stored in the circuit.

次に、High−Q共振回路23内に蓄積した高周波数エネルギーが両波整流回路24によって直流成分に整流される。この両波整流回路24で得た直流成分の電圧が低いときは倍電圧整流を用いてもよい。   Next, the high-frequency energy accumulated in the High-Q resonance circuit 23 is rectified into a DC component by the double-wave rectification circuit 24. When the voltage of the DC component obtained by the two-wave rectifier circuit 24 is low, voltage doubler rectification may be used.

次に、両波整流回路24のの直流成分はインピーダンス調整部25(非常に低いインピーダンス:50Ω)によってインピーダンスが調整されて、平滑回路26によって平滑されてID送信部27のVcc端子に適切な電圧と電流値となった直流電力(電源)が得られる。   Next, the DC component of the both-wave rectifier circuit 24 is adjusted in impedance by the impedance adjustment unit 25 (very low impedance: 50Ω), smoothed by the smoothing circuit 26, and an appropriate voltage is applied to the Vcc terminal of the ID transmission unit 27. DC power (power supply) having a current value is obtained.

この直流電力によって、ID送信部27が起動して、無線タグ20のID信号を送信アンテナ部28に出力する。   With this DC power, the ID transmission unit 27 is activated and outputs the ID signal of the wireless tag 20 to the transmission antenna unit 28.

送信アンテナ部28は、コンデンサ28b、ループコイル28aによって300MHz帯の電波を発射する。   The transmitting antenna unit 28 emits a 300 MHz band radio wave by the capacitor 28b and the loop coil 28a.

すなわち、本実施の形態は、各段ともにより高効率なエネルギーが得られる回路方式を、段間毎に最適なインピーダンス整合を取ることによって高い効率でエネルギー伝送ができるようにしている。   In other words, in this embodiment, a circuit system capable of obtaining high-efficiency energy at each stage enables energy transmission with high efficiency by obtaining optimum impedance matching between stages.

このような高効率なパッシブタグを構成して微弱電波を使用してリーダ・ライターと無線タグ間を空間伝搬させた場合の信号レベルダイヤグラムを検討した結果を図2に示す。   FIG. 2 shows a result of studying a signal level diagram in the case where such a high-efficiency passive tag is configured and spatially propagated between a reader / writer and a wireless tag using weak radio waves.

実験に使用した無線タグ信号受信部(受信アンテナ部)の最小受信電力感度は−138dBmであったので、図2に示すように、300MHz帯微弱電波で送信・受信アンテナを共通の0dB利得の同一で実現すると、リーダ・ライターと無線タグ間の距離2mの場合、受信レベルは−152dBmとなってしまい実現不可能となる。   Since the minimum received power sensitivity of the RFID tag signal receiving unit (receiving antenna unit) used in the experiment was -138 dBm, the same transmission / reception antenna with the same 0 dB gain was used for the 300 MHz band weak radio wave as shown in FIG. If the distance between the reader / writer and the wireless tag is 2 m, the reception level becomes −152 dBm, which cannot be realized.

さらに、リーダ・ライター側だけ、受信アンテナのみ6dBの利得がある。実用的な大きさで比較的高利得なアンテナ(例えば3素子八木アンテナや、2素子ループアンテナ等)としても、受信信号レベルは−146dBm程度までしか上昇しない。   Furthermore, only the reader / writer side and the receiving antenna have a gain of 6 dB. Even with an antenna having a practical size and a relatively high gain (for example, a three-element Yagi antenna or a two-element loop antenna), the received signal level only rises to about -146 dBm.

そこで、リーダ・ライター及び無線タグ側いずれでも、受信アンテナ側だけ送信アンテナよりも高効率なものを使用すると−138dBm以上の信号レベルが得られる、システムを実現することができる。   Therefore, a system that can obtain a signal level of −138 dBm or more can be realized by using a reader / writer and a wireless tag that are more efficient than the transmitting antenna only on the receiving antenna side.

この場合、タグ側は小型化を必要としないため、送信アンテナ効率は−10dBで受信側のみ0dB(例えば小型磁界ループアンテナ)としている。   In this case, since the tag side does not need to be downsized, the transmission antenna efficiency is −10 dB and only the reception side is 0 dB (for example, a small magnetic field loop antenna).

本実施の形態1は、受信アンテナ部21を高利得にしているので、無線タグリーダ・ライターに対して無線タグ20が遠方にあって受信電波が弱い場合でも高利得な受信アンテナ部21によって受信可能となる。また、送信アンテナ部28のループコイル28aの円周長を受信アンテナ部21のループアンテナより短くしている。   In the first embodiment, since the receiving antenna unit 21 has a high gain, even when the wireless tag 20 is far away from the wireless tag reader / writer and the received radio wave is weak, reception is possible by the high gain receiving antenna unit 21. It becomes. Further, the circumferential length of the loop coil 28 a of the transmission antenna unit 28 is made shorter than the loop antenna of the reception antenna unit 21.

従って、本実施の形態の無線タグ20は、微弱電波を使用するので、電波法第4条に基づく監督官庁への電波利用に関する手続きが一切不要であり、時間、コスト、利便性が極めて優れている。また、300MHz微弱電波方式を採用していることから、他の周波数帯を使用したタグに電池を搭載しないパッシブ方式に比べて検知距離を長くできる最大の長所がある。     Therefore, since the wireless tag 20 of the present embodiment uses weak radio waves, there is no need for any procedures for using radio waves to the supervisory authorities based on Article 4 of the Radio Law, and the time, cost, and convenience are extremely excellent. Yes. In addition, since the 300 MHz weak radio wave system is adopted, there is a maximum advantage that the detection distance can be increased as compared with a passive system in which a battery is not mounted on a tag using another frequency band.

さらに、微弱電波は極めて電界強度が低いので、人体、精密電子機器に影響がない。また、設置場所、使用方法などの制限がなく、電波を使用しているということを殆ど意識しないで、あらゆる環境へ適用可能なシステム構築ができる。   Furthermore, since the weak electric field has extremely low electric field strength, it does not affect the human body or precision electronic equipment. In addition, there is no restriction on the installation location, usage method, and the like, and it is possible to construct a system that can be applied to any environment with little awareness of using radio waves.

特に、電波利用上の制限が厳しい病院、介護施設などへの電磁界暴露安全上の規制を受けずにに導入できる。   In particular, it can be introduced without being restricted by electromagnetic field exposure safety in hospitals, nursing homes, etc., where radio wave usage is severely restricted.

しかも、無線タグ内部に電池を搭載していないため、システム稼働中に電池の消耗加減を管理する必要がなく、定期的に面倒な電池交換も一切必要である。   In addition, since the battery is not mounted inside the wireless tag, it is not necessary to manage the consumption of the battery during the operation of the system, and it is also necessary to periodically replace the battery.

このため、電池が消耗することによって無線タグの読み取り率が低下してシステムの信頼性が低下することも皆無となる。   For this reason, when the battery is consumed, the reading rate of the wireless tag is lowered, and the reliability of the system is not lowered at all.

なお、無線タグリーダ・ライターからの電波の周波数と、無線タグ20からの電波の周波数とが同じ場合には、無線タグ20の受信アンテナ部21を300MHz、送信アンテナ部28からの電波の周波数を303MHzと異ならせて、混信を防止できるようにしてもよい。   When the frequency of the radio wave from the wireless tag reader / writer and the frequency of the radio wave from the wireless tag 20 are the same, the reception antenna unit 21 of the wireless tag 20 is set to 300 MHz, and the frequency of the radio wave from the transmission antenna unit 28 is set to 303 MHz. Different from the above, it may be possible to prevent interference.

<実施の形態2>
実施の形態2は300MHz帯のパッシブタグ方式を採用し、タグに電池を搭載しないで、電波出力は微弱電波の規制内として人体や医療機器への影響を考慮したシステムである。本実施の形態では病院内で本システムを適用した場合を説明する。
<Embodiment 2>
The second embodiment employs a 300 MHz band passive tag system, does not mount a battery on the tag, and the radio wave output is within the regulation of weak radio waves and considers the influence on the human body and medical equipment. In this embodiment, a case where the present system is applied in a hospital will be described.

図3は実施の形態2の無線タグシステムの概略構成図である。   FIG. 3 is a schematic configuration diagram of the wireless tag system according to the second embodiment.

図3に示すように、実施の形態2は無線タグリーダ・ライター31を病院以内の廊下、ドア、玄関、部屋に設け、これらの無線タグリーダ・ライター31とシステムサーバ38と通信ネットワーク37を介して接続している。また、患者には実施の形態1と同様な無線タグ20を備えさせる。無線タグ20の構成は実施の形態1と同様であるから説明を省略する。   As shown in FIG. 3, in the second embodiment, a wireless tag reader / writer 31 is provided in a corridor, door, entrance, or room within a hospital, and the wireless tag reader / writer 31 is connected to a system server 38 via a communication network 37. is doing. The patient is provided with the same wireless tag 20 as in the first embodiment. Since the configuration of the wireless tag 20 is the same as that of the first embodiment, description thereof is omitted.

無線タグリーダ・ライター31は、電力源送信部32と送信アンテナ33と無線タグリーダ35と受信アンテナ部34とを備えている。電力源送信部32は300MHz帯の信号を送信アンテナ部33に送出する。この送出タイミングは、後述する無線タグ20の送信アンテナ部からの電波の送出タイミングとずらしている。   The wireless tag reader / writer 31 includes a power source transmission unit 32, a transmission antenna 33, a wireless tag reader 35, and a reception antenna unit 34. The power source transmission unit 32 sends a signal in the 300 MHz band to the transmission antenna unit 33. This transmission timing is shifted from the transmission timing of radio waves from the transmission antenna portion of the wireless tag 20 described later.

送信アンテナ部33のループコイルは、円周5cm程度のものを用いる(−10dBi)。そして、ループコイルには、コンデンサを接続し、301MHz程度の電波を発射可能としている。   The loop coil of the transmission antenna unit 33 has a circumference of about 5 cm (−10 dBi). A capacitor is connected to the loop coil so that a radio wave of about 301 MHz can be emitted.

また、受信アンテナ部34は、送信アンテナ部33より大きなループコイルを備え(円周長が30cm程度)。   The receiving antenna unit 34 includes a loop coil larger than the transmitting antenna unit 33 (circumferential length is about 30 cm).

無線タグリーダ35は、受信アンテナ部34が受信した信号を解読して、通信ネットワーク37を介して監視センターのシステムサーバ38に送信する。   The wireless tag reader 35 decodes the signal received by the receiving antenna unit 34 and transmits it to the system server 38 of the monitoring center via the communication network 37.

すなわち、本実施の形態2は、送信側(無線タグリーダ・ライター)の送信アンテナ部33のループアンテナの円周を小さくし、受信側(患者側の無線タグ)の受信アンテナ部21のループアンテナの円周を大きくすることで、送信側の電波が微弱であっても受信可能としている。これらは、筐体(プラスチックケース)に内蔵されている。   That is, in the second embodiment, the circumference of the loop antenna of the transmission antenna unit 33 on the transmission side (wireless tag reader / writer) is reduced, and the loop antenna of the reception antenna unit 21 on the reception side (patient side wireless tag) is reduced. By enlarging the circumference, reception is possible even if the radio wave on the transmission side is weak. These are built in a housing (plastic case).

そして、無線タグ20は、実施の形態1と同様に、受信アンテナ部21と、インピーダンス変換整合部22と、High−Q共振回路23と、両波整流回路24と、インピーダンス調整部25と、平滑回路26と、ID送信部27と、送信アンテナ部28を備えているので、受信部アンテナ部21によって受信された電波のエネルギーがインピーダンス変換整合部22を介してHigh−共振回路23に蓄えられ、両波整流回路24によって整流させて、平滑回路26で整流された直流電力がID送信部27の電源となる。   As in the first embodiment, the wireless tag 20 includes a receiving antenna unit 21, an impedance conversion matching unit 22, a High-Q resonance circuit 23, a both-wave rectifier circuit 24, an impedance adjustment unit 25, a smoothing Since the circuit 26, the ID transmission unit 27, and the transmission antenna unit 28 are provided, the energy of the radio wave received by the reception unit antenna unit 21 is stored in the high-resonance circuit 23 via the impedance conversion matching unit 22, The DC power rectified by the both-wave rectifier circuit 24 and rectified by the smoothing circuit 26 serves as a power source for the ID transmitter 27.

ID送信部27は、この電源によって起動してID信号を送信アンテナ部28に送出する。送信アンテナ部28は、例えば送信側の周波数と若干異ならせている。例えば、303MHz〜315MHzの電波を発射する。   The ID transmission unit 27 is activated by this power source and sends an ID signal to the transmission antenna unit 28. The transmission antenna unit 28 is slightly different from the frequency on the transmission side, for example. For example, radio waves of 303 MHz to 315 MHz are emitted.

この電波が無線タグリーダ・ライター31の受信アンテナ部34に受信されて、無線タグリーダ35によってIDコードが解読されてサーバ38に送出される。   This radio wave is received by the receiving antenna unit 34 of the wireless tag reader / writer 31, and the ID code is decoded by the wireless tag reader 35 and transmitted to the server 38.

これによって、監視センター側では、無線タグリーダ・ライターの病院内位置(ドア、廊下番号、・・)と無線タグリーダ・ライターの番号とを対応させていた場合は、患者がどこを現在通過しているかが把握できることになる。   As a result, if the position of the RFID tag reader / writer in the hospital (door, corridor number, etc.) and the number of the RFID tag reader / writer correspond to each other on the monitoring center side, where the patient is currently passing Can be grasped.

実施の形態2の効果を更に説明する。 The effects of the second embodiment will be further described.

実施の形態2はライターから無線タグへエネルギーを送る周波数と、無線タグからリーダへID信号を返す周波数が同じ場合には、混信となってしまうので、時分割でエネルギー供給とID返信を交互に行う必要がある。つまり、エネルギーを途切れ途切れに供給する結果となる。     In the second embodiment, when the frequency at which energy is transmitted from the writer to the wireless tag and the frequency at which the ID signal is returned from the wireless tag to the reader is the same, interference occurs, so energy supply and ID reply are alternately performed in time division. There is a need to do. That is, it results in supplying energy intermittently.

そこで、本実施の形態2で用いる無線タグリーダ・ライターは送信アンテナ部33の周波数と受信アンテナ部34の2つの周波数を異なるようにして、かつ無線タグ20から無線タグリーダ・ライター側へIDの応答を返す電波の周波数を異ならせる双方向二重方式を用いることで混信を防止している。   Therefore, the wireless tag reader / writer used in the second embodiment makes the ID response from the wireless tag 20 to the wireless tag reader / writer side so that the frequency of the transmitting antenna unit 33 and the frequency of the receiving antenna unit 34 are different. Interference is prevented by using a bi-directional duplex system that varies the frequency of the radio waves to be returned.

また、送信アンテナ部33から常時無線タグ20へ電源エネルギー(電波)を供給し続けるようにしてエネルギー効率を上げている。   In addition, energy efficiency is increased by continuously supplying power energy (radio waves) from the transmitting antenna unit 33 to the wireless tag 20.

さらに、無線タグリーダ・ライター31の送信用、受信用アンテナを分離して受信アンテナ部34の利得を送信アンテナ部33の利得よりも大きくしている。送信アンテナ部33の利得が高いと電波法の微弱電波の規正値をオーバーしてしまう。   Further, the transmission and reception antennas of the wireless tag reader / writer 31 are separated, and the gain of the reception antenna unit 34 is made larger than the gain of the transmission antenna unit 33. If the gain of the transmission antenna unit 33 is high, the standard value of weak radio waves in the Radio Law is exceeded.

このため、受信アンテナ部33だけ利得を高くして無線タグ20がより遠方にあって受信電波が弱い場合でも高利得な受信アンテナ部34によって受信可能となるようにしている。   For this reason, the gain is increased only by the receiving antenna unit 33 so that the radio antenna 20 can be received by the high gain receiving antenna unit 34 even when the radio tag 20 is farther away and the received radio wave is weak.

これと、同じ理由で必要に応じて無線タグ20側も送受信のアンテナを分離して受信側だけアンテナ利得をあげれば、同様の効果が相乗される。   For the same reason, if the wireless tag 20 side separates the transmission / reception antenna and raises the antenna gain only on the reception side for the same reason, the same effect is synergized.

従って、本実施の形態の無線タグシステムは、微弱電波を使用しているため、電波法第4条に基づく監督官庁ねの電波利用に関する手続きが一切不要であり、時間、コスト、利便性が極めて優れている。   Therefore, since the wireless tag system of the present embodiment uses weak radio waves, there is no need for any procedures related to radio wave use by supervisory authorities based on Article 4 of the Radio Law, and time, cost, and convenience are extremely high. Are better.

さらに、微弱電波は極めて電界強度が低いので、人体、精密電子機器に影響がない。また、設置場所、使用方法などの制限がなく、電波を使用しているということを殆ど意識しないで、あらゆる環境へ適用可能なシステム構築ができる。   Furthermore, since the weak electric field has extremely low electric field strength, it does not affect the human body or precision electronic equipment. In addition, there is no restriction on the installation location, usage method, etc., and it is possible to construct a system that can be applied to any environment with little awareness of using radio waves.

特に、電波利用上の制限が厳しい病院、介護施設などへの電磁界暴露安全上の規制を受けずにに導入できる。   In particular, it can be introduced without being restricted by electromagnetic field exposure safety in hospitals, nursing homes, etc., where radio wave usage is severely restricted.

以上のように本システムは、電波行政手続き不要で、製造、販売、使用できるため、広く誰でも無線タグシステムを利用可能となる。   As described above, since this system can be manufactured, sold, and used without requiring radio wave administrative procedures, anyone can use the RFID tag system widely.

さらに、電磁界暴露の規制を意識せず、設置場所を選ばず、しかも人体、精密電子機器など電波に対してデリケートな対象に対しても装着できるため、どこでも取付使用できる。   Furthermore, it is not conscious of restrictions on electromagnetic field exposure, can be installed anywhere, because it can be installed on any object that is sensitive to radio waves, such as the human body and precision electronic equipment.

しかも、300MHz帯微弱電波であるため、検知距離を通常のパッシブタグよりも長くできるため、より離れた距離からの検知が可能なので従来のパッシブ方式では適用できなかった応用への適用が可能となり、可用性が飛躍的に向上する。   Moreover, because it is a 300 MHz band weak radio wave, the detection distance can be made longer than that of a normal passive tag, so detection from a greater distance is possible, making it possible to apply to applications that could not be applied with the conventional passive method, Availability improves dramatically.

次に、受信アンテナ部、送信アンテナ部について図4及び下記の式を用いて説明を補充する。   Next, the description of the receiving antenna unit and the transmitting antenna unit will be supplemented using FIG. 4 and the following formula.

このような、300MHz帯のアンテナが建物の中等で最適な性能を発揮するには、最適な設計パラメータを規定する必要がある。   In order for such a 300 MHz band antenna to exhibit optimum performance in a building or the like, it is necessary to define optimum design parameters.

以下に設計パラメータ(コンデンサの容量、ループコイル長、幅等を含む)について説明する。     The design parameters (including capacitor capacity, loop coil length, width, etc.) will be described below.

まず、以下にアンテナから輻射される電磁波の発信源からの距離と電磁波の強度の関係について示す。     First, the relationship between the distance from the source of the electromagnetic wave radiated from the antenna and the intensity of the electromagnetic wave will be shown below.

ある空間の原点にある長さ1の電気ダイポールから距離rだけ離れた場所Pにおける電荷量をq(t)(tは時刻)とすると、電荷量の変化の割合が電流であるので、

Figure 2008104094
Assuming that the amount of charge at a place P that is a distance r away from an electric dipole having a length of 1 at the origin of a certain space is q (t) (t is time), the rate of change in the amount of charge is current.
Figure 2008104094

と微分の形で書き表すことができる。   And can be expressed in the form of differentiation.

原点にz軸方向を向いた微小ダイポールがあったとき、図4に示す点Pにおける微小ダイポールの電界E(t)および磁界H(t)を電荷量の変化q(t)で表現すると、

Figure 2008104094
Figure 2008104094
When there is a minute dipole facing the z-axis direction at the origin, the electric field E (t) and magnetic field H (t) of the minute dipole at the point P shown in FIG.
Figure 2008104094
Figure 2008104094

となる。これらの式は極座標に基づいて表記されており、er、eθ、eΦは各々e方向、θ方向、Φ方向単位ベクトルである。またcは空間中の電磁波の伝搬速度である。   It becomes. These equations are expressed based on polar coordinates, and er, eθ, and eΦ are e-direction, θ-direction, and Φ-direction unit vectors, respectively. C is the propagation speed of electromagnetic waves in space.

これらの式でr−3に比例する項は静電磁場を作り出す項で、電気ダイポールの場合電界のにみ存在する。     In these equations, the term proportional to r-3 is a term that creates an electrostatic magnetic field, and in the case of an electric dipole, it exists only in the electric field.

r−2の項は誘導電磁場を発生させる項である。r−1項は放射界を作り出す項である。充分遠方であれば静電項、誘導項は放射項と比べてはるかに小さくなる。ゆえにダイポールから充分離れた場所における電界・磁界(遠方界という)は

Figure 2008104094
Figure 2008104094
The term r-2 is a term that generates an induction electromagnetic field. The r-1 term is a term that creates a radiation field. If it is far enough, the electrostatic term and the induction term are much smaller than the radiation term. Therefore, the electric field / magnetic field (far field) in a place sufficiently away from the dipole is
Figure 2008104094
Figure 2008104094

となる。方向単位ベクトルは直交しているので、遠方界では電界と磁界は直交し、波の進行方向に電界・磁界の成分がない。   It becomes. Since the direction unit vectors are orthogonal, the electric field and the magnetic field are orthogonal in the far field, and there is no electric / magnetic field component in the wave traveling direction.

周波数領域表示では遠方界電界・磁界の成分は

Figure 2008104094
Figure 2008104094
In the frequency domain display, the far-field electric and magnetic field components are
Figure 2008104094
Figure 2008104094

となる。 It becomes.

ここで、遠方電界と磁界の比ξを波動インピーダンスといい、以下の式で表される。

Figure 2008104094
Here, the ratio ξ between the far electric field and the magnetic field is called wave impedance, and is expressed by the following equation.
Figure 2008104094

〔数6〕、〔数7〕より、近傍界領域では波原との距離rが短くなるほど波動インピーダンスξが大きくなることから、近傍界領域(フレネル領域)では電磁界のうち磁界成分が強く、遠方界領域(フラウンフォーファー領域)で電界成分が強くなって行くと言える。     From [Equation 6] and [Equation 7], since the wave impedance ξ increases as the distance r from the wave field decreases in the near field region, the magnetic field component of the electromagnetic field is strong in the near field region (Fresnel region). It can be said that the electric field component becomes stronger in the far field region (Fraun for Far region).

以上より、アンテナ近傍の磁界成分だけを検知する為には、アンテナ自体を電流モードで動作させ、アンテナ導線(ループコイル)への大きな電流を生じさせ、その電流から磁界成分がまず、空間に輻射されるようにアンテナの物理的構成を決定すればよい。     From the above, in order to detect only the magnetic field component near the antenna, the antenna itself is operated in the current mode, generating a large current to the antenna conductor (loop coil), and the magnetic field component is first radiated into the space from the current. The physical configuration of the antenna may be determined as described.

これを実現させるには、アンテナ自体を使用周波数である300MHz帯で、直列共振する回路として形成し、アンテナ導線とそれを含む構造体に大きな直列共振電流が流れるようにすればよい。     In order to realize this, the antenna itself may be formed as a circuit that is in series resonance in the 300 MHz band that is the use frequency so that a large series resonance current flows through the antenna conductor and the structure including the antenna conductor.

具体的には、アンテナ導線によりインダクタンスが構成されるので、それ自体を閉ループとして、そのインダクタンスに共振するコンデンサの値を決定し、それらを直列に電気的に接続する。     Specifically, since the inductance is constituted by the antenna conductive wire, the value of the capacitor that resonates with the inductance is determined using itself as a closed loop, and they are electrically connected in series.

この共振ループと給電用の同軸ケーブルに対してエネルギーを送受する方法は、リンクコイル方式、インピーダンスタップ方式など、どのような方法を採用しても差し支えない。     As a method for transmitting and receiving energy to the resonance loop and the coaxial cable for feeding, any method such as a link coil method and an impedance tap method may be adopted.

こうすることにより、磁界ループアンテナが形成され、その動作インピーダンスは直列共振回路の共振インピーダンスとなる。     By doing so, a magnetic loop antenna is formed, and its operating impedance becomes the resonant impedance of the series resonant circuit.

つまり、導体のインダクタンスによる誘導リアクタンス分と、コンデンサのキャパシタンスによる静電リアクタンス分はお互いに打ち消しあって0となり、閉ループのインピーダンスは原理的には導体の純抵抗分だけの、1Ω以下の非常に低い値となる。     That is, the inductive reactance due to the inductance of the conductor and the electrostatic reactance due to the capacitance of the capacitor cancel each other out to zero, and the closed-loop impedance is theoretically very low, less than 1Ω, which is only the net resistance of the conductor. Value.

従って、大きな電流が閉ループ内を流れる。そして、アンテナの近傍領域の磁界成分だけに反応して、そのエネルギーを空間とアンテナの間で効率良く送受信することができる。すなわち、アンテナは極めて低いインピーダンスの電流モードで動作するため、アンテナ直近に電磁波の電界成分を乱すような金属やコンクリートといった物質が存在しても、磁界ループアンテナの特性に対しては殆ど影響を与えることはない。     Therefore, a large current flows in the closed loop. And it reacts only with the magnetic field component of the area | region of the vicinity of an antenna, The energy can be efficiently transmitted / received between space and an antenna. In other words, since the antenna operates in a current mode with a very low impedance, even if a substance such as metal or concrete that disturbs the electric field component of the electromagnetic wave is present in the immediate vicinity of the antenna, the characteristics of the magnetic loop antenna are almost affected. There is nothing.

定量的な数値例を示すと、以下のようになる。       A quantitative numerical example is shown below.

いま近接した導体のサイズについて
N:ループ状導体のターン数(回)
W:導体の1辺の長さ(m)(形状が正方形の場合を仮定)
a:導体の半径(m)(導体が線状と仮定)
μs:比透磁率
とすると、このインダクタンスは下式で定義される。

Figure 2008104094
About the size of conductors close to each other N: Number of turns of loop conductor (times)
W: Length of one side of the conductor (m) (assuming a square shape)
a: Radius of conductor (m) (assuming conductor is linear)
Assuming μs: relative permeability, this inductance is defined by the following equation.
Figure 2008104094

この式に実際のシステムに適用する各種無線タグサイズを考慮して、適切な値を代入して導体サイズと、コンデンサの値を決定すればよい。     In consideration of various wireless tag sizes applied to the actual system, an appropriate value may be substituted into this equation to determine the conductor size and the capacitor value.

例えば、
L=約40(nH)
となるサイズの導体構造とした場合には、C=約7(PF)のコンデンサを接続すれば、
f=1/2π√LC
の関係より約300MHZに共振することになる。
For example,
L = about 40 (nH)
If a conductor structure of the size is given, if a capacitor of C = about 7 (PF) is connected,
f = 1 / 2π√LC
Therefore, resonance occurs at about 300 MHZ.

空間の電磁波エネルギーをいかに効率良くアンテナとの間で送受信するかは、ループの面積が広いほど、アンテナの利得は高くなる。     As to how efficiently the electromagnetic wave energy in space is transmitted to and received from the antenna, the gain of the antenna increases as the loop area increases.

すなわち、
h:アンテナの相対利得(実行高)
A:ループの面積
N:ループの巻数
とすれば、
h=(2π/λ)NA
となる。
That is,
h: Relative gain of antenna (effective height)
A: loop area N: number of loop turns
h = (2π / λ) NA
It becomes.

そこで、アンテナの利得を上げるべく、ループをどんどん大型化すると、ループのインダクタンスもどんどん増加してしまう。そのため、その大きなインダクタンスを打ち消して、ループを300MHZ帯に共振させるためにはコンデンサの値をどんどん小さくしなければならなくなる。     Therefore, if the loop is made larger and larger in order to increase the gain of the antenna, the inductance of the loop will also increase. Therefore, in order to cancel the large inductance and cause the loop to resonate in the 300 MHz band, the value of the capacitor must be made smaller and smaller.

計算と実験によれば、ループの材料に安価で入手しやすく、加工も容易な銅を使用した場合、ループ全長は20cm程度(ループ直径5〜6cm程度)で、共振用コンデンサの値は数PFである。この場合のアンテナ利得は通常の1/2波長ダイポールアンテナに対して−数〜−10dB程度であり充分実用的な利得が得られる。   According to calculations and experiments, when copper is used as the material for the loop, which is cheap and easy to obtain and easy to process, the total length of the loop is about 20 cm (loop diameter is about 5 to 6 cm), and the value of the resonance capacitor is several PF. It is. The antenna gain in this case is about −several to −10 dB with respect to a normal half-wave dipole antenna, and a sufficiently practical gain can be obtained.

これ以上、アンテナ利得を上げようとして、ループ長を大きくすると、コンデンサの値は計算上1PF以下となってしまい、実際にアンテナを製作しようとしても、物理的に実現不可能なコンデンサ静電容量値となってしまう。     If the loop length is increased to further increase the antenna gain, the value of the capacitor becomes 1PF or less in the calculation, and even if an antenna is actually manufactured, the capacitance value of the capacitor that cannot be physically realized. End up.

更に、ループが磁界モードで動作する理論的限界は全周0.5波長以下(300MHZ帯の場合は50cm以下)であり、これ以上の長さとなると、ループ導体上の電流分布が一定でなくなり、定在波が発生してしまう。     Furthermore, the theoretical limit for the loop to operate in the magnetic field mode is 0.5 wavelength or less in the entire circumference (50 cm or less in the case of 300 MHZ band), and if the length is longer than this, the current distribution on the loop conductor is not constant, Standing waves are generated.

この定在波によって、ループは必然的に電界型アンテナとしての動作にモードが替わり、もはや磁界ループアンテナではなくなってしまう。     This standing wave inevitably changes the mode to operate as an electric field antenna, and is no longer a magnetic field loop antenna.

一方で、コンデンサの値を10PF程度より大きくして、製作や調整を容易ならしめようとすると、ループ長(ループの面積)がどんどん小さくなり、アンテナ利得が低下してしまう。     On the other hand, if the value of the capacitor is made larger than about 10 PF so as to facilitate manufacture and adjustment, the loop length (loop area) becomes smaller and the antenna gain decreases.

しかも、ループ長が小さくなればなるほど、ループの導体インピーダンスがどんどん低くなり、ループを形成している材料(この場合は銅)の直流抵抗が無視できなくなり、300MHZの高周波による表皮効果ともあいまって、導体抵抗損失によるアンテナ効率の低下が顕著となる。     Moreover, the smaller the loop length, the lower the conductor impedance of the loop, and the DC resistance of the material forming the loop (in this case copper) cannot be ignored, combined with the skin effect due to the high frequency of 300 MHZ, The decrease in antenna efficiency due to conductor resistance loss becomes significant.

これを防ぐ為には銅の表面に高周波抵抗の低い材料である金メッキを施し、表皮効果によるオーム損失を低減させるなどの対策が必要となり、非常にコストが上がってしまう。     In order to prevent this, it is necessary to take measures such as applying gold plating, which is a material having a low high-frequency resistance, to the surface of copper to reduce the ohmic loss due to the skin effect, resulting in a very high cost.

従って、300MHZ帯の無線タグ用磁界ループアンテナの実用的なサイズは、全周0.5波長以下で、共振用コンデンサの値は10PF以下が適切となる。     Therefore, the practical size of the magnetic loop magnetic field loop antenna for the 300 MHZ band is 0.5 wavelength or less on the entire circumference, and the value of the resonance capacitor is 10 PF or less.

本実施の形態1の無線タグの概略構成図である。1 is a schematic configuration diagram of a wireless tag according to a first embodiment. 本実施の形態のレベルダイヤグラムの説明図である。It is explanatory drawing of the level diagram of this Embodiment. 実施の形態2の無線タグシステムの概略構成図である。3 is a schematic configuration diagram of a wireless tag system according to a second embodiment. FIG. アンテナ部の特性を補充するための説明図である。It is explanatory drawing for supplementing the characteristic of an antenna part. 従来のアクティブ無線タグシステムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional active wireless tag system. 従来のパッシブ無線タグシステムの概略構成図である。It is a schematic block diagram of the conventional passive wireless tag system.

符号の説明Explanation of symbols

20 無線タグ
21 受信アンテナ部
22 インピーダンス変換整合部
23 High−Q共振回路
24 両波整流回路
25 インピーダンス調整部
26 平滑回路
27 ID送信部
28 送信アンテナ部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 20 Radio tag 21 Reception antenna part 22 Impedance conversion matching part 23 High-Q resonance circuit 24 Both-wave rectification circuit 25 Impedance adjustment part 26 Smoothing circuit 27 ID transmission part 28 Transmission antenna part

Claims (8)

受信アンテナ部で受信電波を受信し、無線タグのID信号を生成するID送信部を有して300MHz帯の電波で送信アンテナ部から送信するパッシブ方式の無線タグにおいて、
前記受信アンテナ部のリンクコイルに低インピーダンスで整合され、該リンクコイルが取り出した信号を取り出すインピーダンス変換整合部と、
前記インピーダンス変換整合部で取り出された信号を蓄積するタンク回路と、
前記タンク回路からの高周波数エネルギーを整流して平滑し、この平滑された直流電力を前記ID送信部の電源端子に供給する整流・平滑回路と
を有することを特徴とするパッシブ方式の無線タグ。
In a passive type wireless tag that has an ID transmission unit that receives a reception radio wave at the reception antenna unit and generates an ID signal of the radio tag and transmits from the transmission antenna unit with a radio wave of 300 MHz band,
An impedance conversion matching unit that is matched with a low impedance to the link coil of the receiving antenna unit and extracts a signal extracted by the link coil;
A tank circuit for accumulating signals taken out by the impedance conversion matching unit;
A passive wireless tag, comprising: a rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes high-frequency energy from the tank circuit and supplies the smoothed DC power to a power supply terminal of the ID transmitter.
前記受信アンテナ部の磁界ループアンテナ効率は、前記送信アンテナの磁界ループアンテナ効率に対して約1dB以上高利得特性であることを特徴とする請求項1記載のパッシブ方式の無線タグ。   The passive radio tag according to claim 1, wherein the magnetic field loop antenna efficiency of the receiving antenna unit has a high gain characteristic of about 1 dB or more with respect to the magnetic field loop antenna efficiency of the transmitting antenna. 前記受信アンテナ部が受ける電波の周波数と送信アンテナ部から発射する電波の周波数とはそれぞれ異なる300MHz帯の周波数であることを特徴とする請求項1又は2記載のパッシブ方式の無線タグ。   3. The passive radio tag according to claim 1, wherein the frequency of the radio wave received by the reception antenna unit and the frequency of the radio wave emitted from the transmission antenna unit are different from each other in a 300 MHz band. 300MHz帯の無線タグリーダ・ライターとパッシブ方式の無線タグとからなり、前記無線タグリーダ・ライターからの前記無線タグのID及び前記無線タグリーダ・ライターのIDを含むデータを通信ネットワークを介して受信する監視センターのサーバとを備えた無線タグシステムであって、
前記無線タグリーダ・ライターは、
前記無線タグの電源となる信号を生成して出力する電力送信部と、
前記電力送信部からの信号を電波にして送信する第1の送信アンテナ部と、
前記第1の送信アンテナ部より高効率な前記無線タグからの電波を受信する第1の受信アンテナ部と、
前記第1の受信アンテナ部が受信した前記無線タグのID信号を解読し、該ID信号に当該リーダのIDを付加して前記サーバに送信する無線タグリーダと
を備え、
前記無線タグは、
前記無線タグリーダ・ライターの第1の送信アンテナ部に対して、高効率にされ該第1の送信アンテナ部からの電波を受信する第2の受信アンテナ部と、
前記第2の受信アンテナ部のリンクコイルに低インピーダンスで整合され、該リンクコイルが取り出した信号を取り出すインピーダンス変換整合部と、
前記インピーダンス変換整合部で取り出された信号を蓄積するタンク回路と、
前記タンク回路からの電力を整流して平滑する整流・平滑回路と、
前記整流・平滑回路で平滑された直流電力を電源とし、該電源によって当該無線タグのID信号を生成して出力するID送信部と、
前記第2の受信アンテナ部より、磁界ループアンテナが小型にされ、前記ID送信部からのID信号を300MHz帯の電波にして送信する第2の送信アンテナ部と
を有することを特徴とする無線タグシステム。
A monitoring center comprising a wireless tag reader / writer of 300 MHz band and a passive wireless tag, and receiving data including the wireless tag ID and the wireless tag reader / writer ID from the wireless tag reader / writer via a communication network A wireless tag system comprising:
The wireless tag reader / writer is
A power transmitter that generates and outputs a signal to be a power source of the wireless tag;
A first transmission antenna unit that transmits a signal from the power transmission unit as a radio wave;
A first receiving antenna unit that receives radio waves from the wireless tag that is more efficient than the first transmitting antenna unit;
A wireless tag reader that decodes the ID signal of the wireless tag received by the first receiving antenna unit, adds the ID of the reader to the ID signal, and transmits the ID signal to the server;
The wireless tag is
A second receiving antenna unit that is highly efficient with respect to the first transmitting antenna unit of the wireless tag reader / writer and receives radio waves from the first transmitting antenna unit;
An impedance conversion matching unit that is matched with a low impedance to the link coil of the second receiving antenna unit and extracts a signal extracted by the link coil;
A tank circuit for accumulating signals taken out by the impedance conversion matching unit;
A rectifying / smoothing circuit that rectifies and smoothes the electric power from the tank circuit;
An ID transmitter that uses DC power smoothed by the rectifying / smoothing circuit as a power source, and generates and outputs an ID signal of the wireless tag by the power source;
A radio tag comprising: a second transmission antenna unit configured such that a magnetic field loop antenna is made smaller than the second reception antenna unit, and an ID signal from the ID transmission unit is transmitted as a 300 MHz band radio wave. system.
前記無線タグの第2の受信アンテナ部の磁界ループコイルは、前記無線タグリーダ・ライターの第1の送信アンテナ部の磁界ループコイルよりも、円周長を長くし、実効面積を増すことにより、高効率にされていることを特徴とする請求項4記載の無線タグシステム。   The magnetic field loop coil of the second receiving antenna portion of the wireless tag has a longer circumferential length and a larger effective area than the magnetic field loop coil of the first transmission antenna portion of the wireless tag reader / writer. 5. The RFID tag system according to claim 4, wherein the RFID tag system is efficient. 前記無線タグリーダ・ライターからの電波の送信と、前記無線タグからの前記無線タグリーダ・ライターへの電波の送信は、それぞれタイミングを異ならせて送信していることを特徴とする請求項4又は5記載の無線タグシステム。   6. The transmission of radio waves from the wireless tag reader / writer and the transmission of radio waves from the wireless tag to the wireless tag reader / writer are performed at different timings, respectively. Wireless tag system. 前記無線タグリーダ・ライターからの電波の周波数と、前記無線タグからの前記無線タグリーダ・ライターへの電波の周波数は、それぞれ異なる300MHz帯の周波数であることを特徴とする請求項4、5又は6記載の無線タグシステム。   7. The frequency of the radio wave from the wireless tag reader / writer and the frequency of the radio wave from the wireless tag to the wireless tag reader / writer are different frequencies in the 300 MHz band, respectively. Wireless tag system. 前記無線タグへ電源を供給するための電波を、連続搬送波として常時、前記無線タグへ電波を供給し続けることを特徴とした請求項4、5、6又は7記載の無線タグシステム。   The radio tag system according to claim 4, 5, 6, or 7, wherein a radio wave for supplying power to the radio tag is continuously supplied as a continuous carrier wave to the radio tag.
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