JP2009111510A - Ｒｆｉｄ用無指向性アンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ＩＣタグの偏波に依存せず、アンテナの全周囲で読取りが可能なＲＦＩＤ用無指向性アンテナを提供する。
【解決手段】基台１１上に筒状ケース１２を設け、この筒状ケース１２内に例えば垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３及び水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４を同一軸上に約λ／２の中心間隔で設ける。第１のアンテナ素子１３の給電部１５及び第２のアンテナ素子１４の給電部２４にＲＦＩＤリーダライタ３１から位相制御器３３及び給電ケーブル３２ａ、３２ｂを介して給電する。ＲＦＩＤリーダライタ３１は、位相制御器３３により第１のアンテナ素子１３及び第２のアンテナ素子１４に対する給電位相差を時間的に変化させて円偏波の放射方向を制御する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）リーダライタに使用されるＲＦＩＤ用無指向性アンテナに関する。

従来、商品や物品等に非接触ＩＣタグを取り付け、ＲＦＩＤリーダライタのアンテナから上記ＩＣタグに無線電波による質問波を送信し、ＩＣタグからの応答波を受信して固有のデータを読取ることにより商品や物品等の管理を行う非接触ＩＣタグシステムが一般に知られている。

上記ＲＦＩＤリーダライタで使用されるＲＦＩＤ用アンテナとしては、一般的にパッチアンテナが使用されている（例えば、特許文献１参照。）。このパッチアンテナは指向性を持っているため、設置方法や読取方向が限定されてしまうという問題がある。そこで、アンテナの全周囲でＩＣタグのデータを読取ることが可能な無指向性のＲＦＩＤ用アンテナが望まれている。
特開２００５−３９７５６号公報

無指向性アンテナとしては、従来、水平偏波無指向性アンテナや垂直偏波無指向性アンテナが用いられているので、これら水平偏波無指向性アンテナと垂直偏波無指向性アンテナを１つの素子上に形成して無指向性の偏波ダイバーシチアンテナとすることが考えられる。

しかし、上記水平偏波無指向性アンテナと垂直偏波無指向性アンテナを１つの素子上に形成した偏波ダイバーシチアンテナを送受一体型のＲＦＩＤ用アンテナとして利用した場合、各偏波のアイソレーションが十分でなく、水平偏波無指向性アンテナと垂直偏波無指向性アンテナとが干渉し、アンテナとして十分な機能を発揮することができない。

すなわち、上記複数のアンテナポートを備えた従来のリーダライタは、図１１に示すように構成されている。図１１において、１１１はリーダライタで、このリーダライタ１１１は、非接触ＩＣタグシステムを管理するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）１００やクライアント端末（図示せず）にＩ／Ｆ（インタフェース）を経由して接続されている。

上記リーダライタ１１１内には、上記パーソナルコンピュータ１００から送られてくる動作指令に従って動作する処理制御部１１２が設けられると共に、この処理制御部１１２に接続される送信部１１３及び受信部１１４が設けられる。上記送信部１１３は、処理制御部１１２からの制御命令に従って質問波を生成する。この質問波は、サーキュレータ１１５の端子１→２を通り、切替スイッチ１１６により順次切替えられて例えば２つのアンテナポートＰＡ、ＰＢへ送られる。上記切替スイッチ１１６は、処理制御部１１２のアンテナ切替えの自動制御シーケンスに従って一定の周期で切替え動作し、送信部１１３からサーキュレータ１１５を介して送られてくる質問波をアンテナポートＰＡ、ＰＢに選択的に出力する。

上記各アンテナポートＰＡ、ＰＢには、ケーブル１１７を介してアンテナ１１８、１１９が接続される。上記アンテナ１１８、１１９としては、例えばダイポールアンテナが使用される。

上記２つのアンテナ１１８、１１９は、偏波方向が直交するように配置し、ＩＣタグ１２０のアンテナの向きに対して、垂直、水平偏波の何れに対しても対応可能にする。

上記アンテナ１１８、１１９は、送信部１１３から送られてくる質問波ＴｘをＩＣタグ１２０に向けて送信し、ＩＣタグ１２０からの応答波Ｒｘを受信してケーブル１１７を介してリーダライタ１１１へ戻す。上記アンテナ１１８からのＩＣタグ１２０の応答波Ｒｘは、リーダライタ１１１のアンテナポートＰＡを経由し、切替スイッチ１１６及びサーキュレータ１１５の端子２−３を通って受信部１１４に入力されて検波される。この検波されたＩＣタグ１２０のデータは、処理制御部１１２で復号化され、上記パーソナルコンピュータ１００やクライアント端末へ送られる。

次に切替スイッチ１１６は処理制御部１１２のアンテナ切替え自動制御シーケンスによりアンテナポートＰＢに接続され、アンテナ１１９がＩＣタグ１２０との通信に使用される。アンテナ１１９が接続された場合も上記と同様にＩＣタグ１２０との通信が行われ、ＩＣタグ１２０のデータを得ることができる。

このように２つのアンテナ１１８、１１９を切替えてダイバシティで使用する場合、例えばアンテナポートＰＡが選択されてアンテナ１１８が送受信アンテナとなっている場合、他方のアンテナ１１９の信号は、切替スイッチ１１６のアイソレーションにより受信部には与えられない。

しかしながら、アンテナ１１８とアンテナ１１９との間のアイソレーションが不十分な場合、アンテナ１１８から送信された送信電力Ｔｘが高いレベルでアンテナ１１９でＴｘ’として受信され、切替スイッチ１１６のアイソレーションだけでは、アンテナ１１９からの漏洩電力Ｔｘ’が十分に阻止されず、受信部１１４まで達することで当該電力Ｔｘ’により受信部１１４がマスキングされ、アンテナ１１８で受信されたＩＣタグ１２０からの応答波Ｒｘが受信不能に陥る問題がある。

一般的にＩＣタグ１２０との通信距離を得るために受信部１１４が極めて高感度に設計される。これに対してアンテナ１１８の送信電力は通信距離を得るために許容される最大限の電力、数ｍＷ程度で送信する。この際、アンテナ１１８とアンテナ１１９とのアイソレーションが不十分な場合は、上記したようにアンテナ１１８からの送信電力がアンテナ１１９で受信され、アンテナポートＰＢから切替スイッチ１１６のアイソレーションを漏洩して受信部１１４に供給され、当該電力が通常のアンテナ１１８で受信される応答波の電力を数桁上回る電力の場合、受信部１１４を機能不全もしくは感度を著しく低下させるという事態が生じる。

また、上記偏波ダイバーシチアンテナは、水平偏波及び垂直偏波に対して４５°傾いた偏波ではＩＣタグ１２０との通信可能距離が十分得らず、不安定な読取りエリアが生ずるという問題もあった。

本発明は上記の課題を解決するためになされたもので、ＩＣタグの偏波に依存せず、アンテナの全周囲で読取りが可能なＲＦＩＤ用無指向性アンテナを提供することを目的とする。

第１の発明に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナは、垂直偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と同一軸上に約λ／２の中心間隔を保って配置され、水平偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第２のアンテナ素子とを具備することを特徴とする。

第２の発明に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナは、垂直偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と同一軸上に約λ／２の中心間隔を保って配置され、水平偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間の給電位相差を時間的に変化させて前記第１及び第２のアンテナ素子により円偏波を発生させる給電手段とを具備することを特徴とする。

第３の発明は、前記第１の発明に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナを多段に構成したことを特徴とする。

本発明によれば、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間アイソレーションを十分に確保することができ、ＲＦＩＤ用無指向性アンテナの全周囲でＩＣタグのデータを読取ることが可能になる。

また、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間の給電位相差を時間的に変化させて第１及び第２のアンテナ素子から円偏波を発生させることにより、ＩＣタグの偏波に依存しない通信が可能となり、アンテナの全周囲でＩＣタグの情報を安定して読取ることができる。

また、ＲＦＩＤ用無指向性アンテナを多段に構成することにより垂直方向の読取りエリアが広くなり、高い位置のＩＣタグでも読取りが可能となる。

以下、図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

（第１実施形態）
図１は本発明の第１実施形態に係る据置型ＲＦＩＤ用無指向性アンテナの概略構成を示す正面図、図２は同実施形態におけるアンテナ素子部分の構成を示す斜視図、図３は同実施形態における第２のアンテナ素子を平面状に展開して示す正面図である。

図１において、１０は本発明の第１実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナで、基台１１上に筒状ケース１２を設けている。この筒状ケース１２は、非導電性の素材例えば合成樹脂を用いて円筒状に形成したもので、直径Ｄ１が約λ／４に設定され、高さＨが約０．９５λに設定される。上記λは使用周波数における波長を示している。

上記筒状ケース１２内には、垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３及び水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４が同一軸上で上下方向に所定の間隔を保って設けられる。この場合、例えば第１のアンテナ素子１３が上方部位に配設され、その下方に第２のアンテナ素子１４が設けられ、実験の結果、アンテナ間の回り込みによる受信障害が発生しないアイソレションレベルが得られるアンテナ間隔として、その中心間隔Ｄ２を約λ／２に設定される。なお上記アンテナは商品としての観点からは出来る限りコンパクトにすることが求められるので、上記中心間隔Ｄ２を例えば１λ以上に設定することは、その結果得られるアイソレーションの性能とアンテナサイズの兼ね合いからみて現実的でない。

そして、図２に示すように第１のアンテナ素子１３の給電部１５及び第２のアンテナ素子１４の給電部２４にＲＦＩＤリーダライタ３１から給電ケーブル３２ａ、３２ｂを介して給電される。ＲＦＩＤリーダライタ３１は、ＩＣタグからの応答波を受信した際にその受信レベルを検知する受信レベル検知機能を備えている。

上記垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３としては、例えば図２に示すようにダイポールアンテナが用いられ、垂直に配置される。上記ダイポールアンテナは、全長Ｌ１が約λ／２に設定され、その中心部分に給電部１５が設けられる。上記ダイポールアンテナを垂直に配置した場合、図５（ａ）に示すように垂直偏波水平面無指向性の特性が得られる。

また、水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４としては、例えば図２及び図３に示すようなスロットアンテナが用いられる。すなわち、第２のアンテナ素子１４は、詳細を図４の展開図に示すように例えば横幅Ｌ１１が約０．４８λ、高さＨ１１が約０．２９λの板状放射素子２１を使用したもので、上辺及び下辺と平行にそれぞれ第１のスリット２２ａ、２２ｂが設けられると共に、中央部に第２のスリット２３が垂直に設けられる。上記第２のスリット２３は、上下両端が第１のスリット２２ａ、２２ｂに連通している。また、第２のスリット２３の中央部両側に給電部２４が設けられる。上記第１のスリット２２ａ、２２ｂは、長さＬ１２が約０．３９λに設定され、第１のスリット２２ａ、２２ｂ間の間隔Ｄ１１が約０．２０λに設定される。また、第１のスリット２２ａ、２２ｂ及び第２のスリット２３の幅Ｄ１２は、約０．０１λに設定される。

第２のアンテナ素子１４は、上記したように板状放射素子２１を折曲げて角筒状に形成するが、その際、前面の幅Ｗ１及び横幅Ｗ２を約０．１４λに設定すると共に、背面両側の折曲げ幅Ｗ３を約０．０３λに設定し、背面中央部に間隙を設けている。

上記スロットアンテナは、図５（ｂ）に示すように水平偏波水平面無指向性の特性を有している。

図６は上記ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０の周波数９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚにおけるリターンロスとアイソレーションを示したもので、実線ａはダイポールアンテナを用いた第１のアンテナ素子１３のリターンロス、破線ｂはスロットアンテナを用いた第２のアンテナ素子１４のリターンロスを示し、一点鎖線ｃは第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４のアイソレーションを示している。

上記ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０における第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４のアイソレーションは、９５３ＭＨｚの周波数において、−５５ｄＢと非常に良好である。

上記第１実施形態に示すように垂直偏波水平面無指向性の第１のアンテナ素子１３と水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４を垂直方向に配置すると共に、第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４との間隔を広くとって十分なアイソレーションを確保することにより、図７に示すようにＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０の全周囲でＩＣタグ３０のデータを読取ることが可能になる。

なお、上記第１実施形態では、垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３を上側に配置し、水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４を下側に配置した場合について示したが、その配置を逆に、すなわち垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３を下側に配置し、水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４を上側に配置しても良い。

（第２実施形態）
次に本発明の第２実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナについて図８を参照して説明する。図８は、本発明の第２実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナの構成図である。この第２実施形態におけるＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０は、第１実施形態に示したものと同じであるので、詳細な説明は省略する。なお、図８では、ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０の基台１１及び筒状ケース１２を省略して示している。

第２実施形態では、ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０を構成する第１のアンテナ素子１３の給電部１５及び第２のアンテナ素子１４の給電部２４にＲＦＩＤリーダライタ３１から位相制御器３３及び給電ケーブル３２ａ、３２ｂを介して給電する。上記位相制御器３３は、第１のアンテナ素子１３及び第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を０°〜３６０°の範囲で時間的に変化させる機能を備えている。

上記のようにＲＦＩＤリーダライタ３１に位相制御器３３を接続し、第１のアンテナ素子１３及び第２のアンテナ素子１４に対する給電位相差を与え、第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４の電界の合成により円偏波を得ると同時に、当該給電位相差を時間的に変化させることにより、円偏波の放射方向を制御する。

上記位相制御器３３の具体的な構成例を示したものである。位相制御器３３は、ＲＦＩＤリーダライタ３１から出力される問い合わせ信号を２分配する分配器４１及び給電位相差を０°〜３６０°の範囲で時間的に変化させる可変移相器４２からなり、分配器４１で２分配された一方の信号を給電ケーブル３２ａを介して第１のアンテナ素子１３に給電すると共に、分配器４１で２分配された他方の信号を可変移相器４２を介して第２のアンテナ素子１４に給電する。また、上記可変移相器４２は、ＰＣ（パーソナルコンピュータ）４３により制御し、第２のアンテナ素子１４の給電位相を０°〜３６０°の範囲で時間的に変化させる。これにより第１のアンテナ素子１３及び第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を０°〜３６０°の範囲で時間的に変化させることができる。なお、上記ＰＣ４３は、ＲＦＩＤリーダライタ３１の動作を制御するために設けられているものである。なお、上記可変移相器としては、例えば特開２００３−２４３９５９に記載されているものが利用できる。

上記のように位相制御器３３を使用し、第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を時間的に変化させることにより、アンテナの周囲に円偏波が発生する。ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０における軸比３ｄＢ以下（円偏波とみなせる）の電界の指向性を図９に示す。

図９は第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を変化させた場合の周波数９５３ＭＨｚにおける軸比３ｄＢ以下の電界の指向性を示したもので、（ａ）は給電位相差０度、（ｂ）は給電位相差９０度、（ｃ）は給電位相差１８０度、（ｄ）は給電位相差２７０度の場合の軸比３ｄＢ以下の電界の指向性である。

上記のように第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を制御することで、円偏波の放射方向が変化し、ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０の周囲に円偏波が発生する。この結果、ＩＣタグの偏波に依存しない、すなわちＩＣタグ３０が水平偏波及び垂直偏波に対して４５°傾いた状態においても十分な通信距離を保つことが可能となり、アンテナの全周囲でＩＣタグの情報を安定して読取ることができる。 また、ＲＦＩＤリーダライタ３１に受信レベル検知機能を搭載することで、最適な給電位相を把握し、ＩＣタグの読取りを最適化、または不要ＩＣタグの読取りを避ける制御が可能になる。

（第３実施形態）
次に本発明の第３実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナについて図１０を参照して説明する。図１０は、本発明の第３実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナの構成図を示す正面図である。

この第３実施形態におけるＲＦＩＤ用無指向性アンテナは、第１実施形態で示したＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０を垂直方向に複数配置したもの、すなわち、垂直偏波無指向性の第１のアンテナ素子１３と水平偏波無指向性の第２のアンテナ素子１４とを上下方向に所定の間隔を保って設けてなるＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０ａ、１０ｂを垂直方向に配置したものである。この場合、各アンテナ１０ａ、１０ｂ間を結合部材５１により結合しても、あるいは１つの筒状ケース１２を共有し、その内部に各アンテナ１０ａ、１０ｂを構成しているアンテナ素子を配設するようにしても良い。

上記のように複数のＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０ａ、１０ｂを垂直方向に設けることにより、垂直方向の読取りエリアが広くなり、高い位置のＩＣタグでも読取りが可能となる。

なお、上記第３実施形態では、２つのＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０ａ、１０ｂを垂直方向に設けた場合について示したが、更に多数のアンテナを垂直方向に配置するようにしても良い。

また、上記第３実施形態において、各ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ１０ａ、１０ｂに対し、第２実施形態に示したように第１のアンテナ素子１３と第２のアンテナ素子１４との間の給電位相差を時間的に変化させるようにしても良い。

また、本発明は、上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できるものである。

第１実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナの概略構成を示す正面図である。 同実施形態における第１及び第２のアンテナ素子部分の構成例を示す斜視図である。 同実施形態における第２のアンテナ素子の具体的な構成例を示す斜視図である。 同実施形態における第２のアンテナ素子を平面状に展開して示す正面図である。 （ａ）は同実施形態における第１のアンテナ素子の垂直偏波水平面指向性を示す図、（ｂ）は同第２のアンテナ素子の水平偏波水平面指向性を示す図である。 同実施形態におけるＲＦＩＤ用無指向性アンテナの周波数９００ＭＨｚ〜１ＧＨｚにおけるリターンロス及びアイソレーションを示す図である。 同実施形態におけるＲＦＩＤ用無指向性アンテナのＩＣタグに対するデータ読取り範囲を説明するための図である。 本発明の第２実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナの構成図である。 同実施形態において、第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間の給電位相差を変化させた場合の周波数９５３ＭＨｚにおける軸比３ｄＢ以下の電界の指向性を示す図である。 本発明の第３実施形態に係るＲＦＩＤ用無指向性アンテナの構成図を示す正面図である。 従来のリーダライタの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１０、１０ａ、１０ｂ…ＲＦＩＤ用無指向性アンテナ、１１…基台、１２…筒状ケース、１３…第１のアンテナ素子、１４…第２のアンテナ素子、１５…給電部、２１…板状放射素子、２２ａ、２２ｂ…第１のスリット、２３…第２のスリット、２４…給電部、３０…ＩＣタグ、３１…ＲＦＩＤリーダライタ、３２ａ、３２ｂ…給電ケーブル、３３…位相制御器、４１…分配器、４２…可変移相器、４３…ＰＣ（パーソナルコンピュータ）、５１…結合部材。

Claims (3)

1. 垂直偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と同一軸上に約λ／２の中心間隔を保って配置され、水平偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第２のアンテナ素子とを具備することを特徴とするＲＦＩＤ用無指向性アンテナ。
2. 垂直偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第１のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と同一軸上に約λ／２の中心間隔を保って配置され、水平偏波無指向性の特性を有するＲＦＩＤ用の第２のアンテナ素子と、前記第１のアンテナ素子と第２のアンテナ素子との間の給電位相差を時間的に変化させて前記第１及び第２のアンテナ素子により円偏波を発生させる給電手段とを具備することを特徴とするＲＦＩＤ用無指向性アンテナ。
3. 請求項１に記載のＲＦＩＤ用無指向性アンテナを多段に構成したことを特徴とするＲＦＩＤ用無指向性アンテナ。

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