JP2010212853A - Booster antenna for rfid tag - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、RFID(Radio Frequency Identification)タグシステムにおける質問器のリーダと応答器のRFIDタグ間の通信距離を延長させるためのRFIDタグ用ブースタアンテナに関するものである。 The present invention relates to a booster antenna for an RFID tag for extending a communication distance between a reader of an interrogator and an RFID tag of a responder in an RFID (Radio Frequency Identification) tag system.
近年、製品や部品等の物品の情報を自動認識する手段として、物品や物品を収納したケースにRFIDタグを装着し、RFIDタグに記録された物品情報を、リーダから電波で電力を供給して読み取るRFIDタグシステムが実用化されている。このRFIDタグシステムは、物品情報をバーコードから光学的に読み取るバーコードシステムに較べて、多くの情報を記録でき、情報を書き換えることもできるので、製造業、流通サービス業等の広い分野に普及しつつある。 In recent years, as means for automatically recognizing information on articles such as products and parts, an RFID tag is attached to a case containing the article or article, and the article information recorded on the RFID tag is supplied with electric power from a reader by radio waves. RFID tag systems for reading have been put into practical use. Compared with barcode systems that optically read article information from barcodes, this RFID tag system can record more information and can rewrite information, so it is widely used in a wide range of fields such as manufacturing and distribution service industries. I am doing.
リーダのアンテナから電波で電力を供給するRFIDタグシステムの通信方式には、周波数が135kHz以下の長波や4.915MHz、13.56MHz等の短波を使用する電磁誘導方式と、周波数が数百MHz以上の極超短波や2.45GHz等のマイクロ波を使用する電波方式とがある。波長の長い電波を使用する電磁誘導方式は、アンテナの指向性が広く、水を透過する特徴を有するが、通常、その通信距離は数十cm以下である。これに対して、波長の短い電波を使用する電波方式は、水の透過性が悪いが、アンテナの指向性が高く、通常、その通信距離は0.2〜5m程度である。これらの通信方式は、使用環境や物品が水等の液体を含むものであるか否か等によって使い分けられている。 The RFID tag system communication system that supplies power by radio waves from the antenna of the reader includes an electromagnetic induction system that uses a long wave with a frequency of 135 kHz or less or a short wave such as 4.915 MHz or 13.56 MHz, and a frequency of several hundred MHz or more. And a radio wave system using microwaves such as 2.45 GHz. An electromagnetic induction method using radio waves having a long wavelength has a feature that the directivity of the antenna is wide and allows water to pass through. However, the communication distance is usually several tens of centimeters or less. On the other hand, a radio wave system using a short wavelength radio wave has poor water permeability, but has a high antenna directivity, and its communication distance is usually about 0.2 to 5 m. These communication methods are selectively used depending on the usage environment and whether the article contains a liquid such as water.
前記電磁誘導方式のRFIDタグシステムには、RFIDタグの前方に、リーダからの電波のキャリア周波数と同調させたブースタアンテナをリーダと対面させて配置し、通信距離を延長するようにしたものがある(例えば、特許文献1参照)。 In the electromagnetic induction type RFID tag system, a booster antenna tuned to a carrier frequency of a radio wave from a reader is disposed in front of the RFID tag so as to face the reader, thereby extending a communication distance. (For example, refer to Patent Document 1).
また、前記電波方式のRFIDタグには、半導体回路に接続したアンテナ素子の他に、導波用や反射用のアンテナ素子を配列し、これらのアンテナ素子の長さをリーダからの電波の半波長λ/2の整数倍として、通信距離を延長するようにしたものがある(例えば、特許文献2参照)。 In addition to the antenna elements connected to the semiconductor circuit, the radio frequency RFID tag is arranged with waveguide and reflection antenna elements, and the length of these antenna elements is set to the half wavelength of the radio wave from the reader. There is one in which the communication distance is extended as an integral multiple of λ / 2 (for example, see Patent Document 2).
特許文献2に記載された電波方式のRFIDタグは、半導体回路に接続したアンテナ素子の他に導波用や反射用のアンテナ素子を配列する必要があるので、個々の物品またはその包装物に装着されるRFIDタグが高価で寸法の大きなものとなる問題がある。また、RFIDタグに配列できる導波用や反射用のアンテナ素子の本数は制約されるので、通信距離もそれほど延長することはできない。
The RFID tag of the radio wave system described in
そこで、本発明の課題は、電波方式のRFIDタグシステムにおける通信距離を大幅に延長できるようにすることである。 Accordingly, an object of the present invention is to greatly extend the communication distance in a radio frequency RFID tag system.
上記の課題を解決するために、本発明のRFIDタグ用ブースタアンテナは、質問器であるリーダのアンテナからの電波を受けて応答する電波方式のRFIDタグのアンテナの前方に離間させて、前記リーダのアンテナと対面するように配置される少なくとも1個の直線、開曲線、閉曲線またはこれらの直線もしくは曲線が交叉したものとした線状のアンテナ素子からなり、この線状のアンテナ素子の長さLを下記のように定義したときに、アンテナ素子の長さLと前記リーダのアンテナからの電波の波長λとの比L/λが0.15〜0.44の範囲に入るようにした構成を採用した。
(定義)
線状のアンテナ素子上に任意の2点i、jを選び、点iから点jに向かうベクトルVijに対して、アンテナ素子に沿う点iから点jへの経路の進行方向の向きとベクトルVijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±90°以内であるときに、点iと点jは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の2点i、jの組み合わせのうち、2点i、j間の直線距離が最も長くなる2点をアンテナ素子の両端の点a、bとして、この両端の点a、b間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さLとする。
In order to solve the above-described problems, the RFID tag booster antenna according to the present invention is separated from the front of the antenna of the radio frequency RFID tag that receives and responds to the radio wave from the antenna of the reader as an interrogator. At least one straight line, an open curve, a closed curve, or a linear antenna element obtained by crossing these straight lines or curves, and the length L of the linear antenna element. Is defined as follows, the ratio L / λ of the length L of the antenna element and the wavelength λ of the radio wave from the antenna of the reader is in the range of 0.15 to 0.44. Adopted.
(Definition)
Arbitrary two points i and j are selected on the linear antenna element, and the direction of the traveling direction of the path from the point i to the point j along the antenna element and the vector Vij with respect to the vector Vij from the point i to the point j. Point i and point j are connected without returning when all the angles in the path are within ± 90 °, and two arbitrary points i connected without returning in this way , J, the two points where the linear distance between the two points i and j is the longest are the points a and b at both ends of the antenna element, and the shortest path along the antenna element between the points a and b at both ends Let the length be the length L of the antenna element.
図6(a)〜(f)は、各種の線状のアンテナ素子について、前記長さLの定義を具体的に説明する。(a)は、最も単純な直線のアンテナ素子であり、直線の両端の点がアンテナ素子の両端の点a、bとなり、直線の長さがそのままアンテナ素子の長さLとなる。(b)は、円弧の開曲線のアンテナ素子であり、円弧曲線の両端の点がアンテナ素子の両端の点a、bとなり、円弧曲線に沿った長さがアンテナ素子の長さLとなる。(c)は、U字状の開曲線のアンテナ素子であり、U字の両端の2点が点a、U字の底の点が点bとなり、いずれかの点aからU字の片側に沿って点bに至る経路の長さがアンテナ素子の長さLとなる。(d)は、円の閉曲線のアンテナ素子であり、180°の位相で対向する任意の2点がアンテナ素子の両端の点a、bとなり、半円弧の長さがアンテナ素子の長さLとなる。(e)は、長円の閉曲線のアンテナ素子であり、長円の長軸上の2点がアンテナ素子の両端の点a、bとなり、点aから点bに至る2つの等しい経路の長さがアンテナ素子の長さLとなる。(f)は、3本の同じ長さの直線を60°の交叉角で交叉させたアンテナ素子であり、各直線の両端がアンテナ素子の両端の点a、bとなり、各直線の点aから点bに至る3つの等しい経路の長さがアンテナ素子の長さLとなる。 6A to 6F specifically explain the definition of the length L for various linear antenna elements. (A) is the simplest straight antenna element, the points at both ends of the straight line become the points a and b at both ends of the antenna element, and the length of the straight line becomes the length L of the antenna element as it is. (B) is an antenna element with an open arc of a circular arc, points at both ends of the circular arc curve are points a and b at both ends of the antenna element, and a length along the circular arc curve is a length L of the antenna element. (C) is a U-shaped open-curve antenna element, two points at both ends of the U-shape are points a, and the bottom point of the U-shape is a point b, from any point a to one side of the U-shape. The length of the path along the point b is the length L of the antenna element. (D) is an antenna element having a closed circular curve, and two arbitrary points facing each other at a phase of 180 ° are points a and b at both ends of the antenna element, and the length of the semicircular arc is the length L of the antenna element. Become. (E) is an antenna element of an oval closed curve, and two points on the major axis of the ellipse become points a and b at both ends of the antenna element, and the lengths of two equal paths from point a to point b Is the length L of the antenna element. (F) is an antenna element in which three straight lines of the same length are crossed at a crossing angle of 60 °, and both ends of each straight line become points a and b at both ends of the antenna element. The length of three equal paths reaching point b is the length L of the antenna element.
本発明者は、種々の長さのアンテナ素子を電波方式のRFIDタグのアンテナの前方に離間させて、リーダのアンテナと対面するように配置し、その通信距離を調査した。この結果、上記のように定義されるアンテナ素子の長さLとリーダのアンテナからの電波の波長λとの比L/λを0.15〜0.44の範囲、好ましくは0.24〜0.44の範囲とすると、通信距離が明らかに延長されることを知見した。この知見に基づいて上記構成を採用し、電波方式のRFIDタグシステムにおける通信距離を大幅に延長できるようにした。 The inventor has arranged antenna elements of various lengths in front of the antenna of the radio frequency RFID tag so as to face the antenna of the reader, and investigated the communication distance. As a result, the ratio L / λ between the length L of the antenna element defined as described above and the wavelength λ of the radio wave from the antenna of the reader is in the range of 0.15 to 0.44, preferably 0.24 to 0. It was found that the communication distance is obviously extended when the range is .44. Based on this knowledge, the above configuration is adopted so that the communication distance in the radio frequency RFID tag system can be greatly extended.
一般的に、電波を増幅するブースタアンテナの長さは、電波の半波長の整数倍とすることが効果的であることが知られているが、上述したように、アンテナ素子の長さLと電波の波長λとの比L/λが、半波長と等しくなる0.5よりも小さい0.15〜0.44の範囲で、通信距離を延長できた理由は、以下のように考えられる。 In general, it is known that the length of a booster antenna that amplifies radio waves is effectively an integral multiple of a half wavelength of radio waves, but as described above, the length L of the antenna element The reason why the communication distance can be extended in the range of 0.15 to 0.44 smaller than 0.5 where the ratio L / λ of the radio wave to the wavelength λ is equal to the half wavelength is considered as follows.
ブースタアンテナをRFIDタグのアンテナの前方に離間させて配置すると、リーダのアンテナから直接RFIDタグのアンテナに到達する1次電波と、ブースタアンテナを経由してRFIDタグのアンテナに到達する2次電波との間には位相差が生じ、この位相差が零に近い場合は、1次電波と2次電波の山同士が重なり合って電波が強くなり、通信距離が長くなる。一方、位相差が電波の周期の半分に近い場合は、1次電波と2次電波の山と谷が重なり合って電波が却って弱くなり、通信距離が短くなる。 When the booster antenna is disposed in front of the RFID tag antenna, the primary radio wave that reaches the RFID tag antenna directly from the reader antenna, and the secondary radio wave that reaches the RFID tag antenna via the booster antenna If the phase difference is close to zero, the peaks of the primary radio wave and the secondary radio wave overlap each other and the radio wave becomes stronger and the communication distance becomes longer. On the other hand, when the phase difference is close to half of the period of the radio wave, the peaks and valleys of the primary radio wave and the secondary radio wave overlap each other and the radio wave is weakened, and the communication distance is shortened.
前記位相差が生じる一般的な原因としては、電波の光路差による位相ずれと、アンテナ素子の長さLによるブースタアンテナの受信波と発信波の位相ずれがあるが、電波の光路差による位相ずれは、ブースタアンテナをRFIDタグのアンテナの前方に配置した場合はそれほど大きくなく、電波の周期の0.1倍以下程度である。後述するように、リーダのアンテナから送信される電波が、通常よく用いられるように、放射軸と直交する面内で回転する円偏波や楕円偏波である場合は、この電波の回転方向へのブースタアンテナのアンテナ素子とRFIDタグのアンテナの傾斜角度の差によっても位相差が生じる。 Common causes of the phase difference include a phase shift due to the optical path difference of the radio wave and a phase shift between the received wave and the outgoing wave of the booster antenna due to the length L of the antenna element. Is not so large when the booster antenna is arranged in front of the antenna of the RFID tag, and is about 0.1 times or less of the period of the radio wave. As will be described later, when the radio wave transmitted from the antenna of the reader is a circularly polarized wave or an elliptically polarized wave that rotates in a plane orthogonal to the radiation axis, as is often used, the direction of rotation of this radio wave A phase difference is also caused by a difference in inclination angle between the antenna element of the booster antenna and the antenna of the RFID tag.
本発明者は、前記アンテナ素子の長さLによるブースタアンテナの受信波と発信波の位相ずれδを調査するために、アンテナ素子の長さLを変化させて位相ずれδを測定し、その測定結果から、位相ずれδを、長さLと電波の波長λとの比L/λをパラメータとした(1)、(2)式で近似した。
δ=−0.024/(L/λ−0.52)−0.06 (L/λ≦0.44) (1)
δ=−0.024/(L/λ−0.36)+0.54 (L/λ>0.44) (2)
これらの(1)、(2)式より、L/λ=0.15のときにδはほぼ零となり、L/λ=0.44のときにδ=0.24、L/λ=0.5のときにδ=0.37となる。
The present inventor measured the phase shift δ by changing the length L of the antenna element in order to investigate the phase shift δ of the received wave and the transmitted wave of the booster antenna due to the length L of the antenna element. From the results, the phase shift δ was approximated by the equations (1) and (2) using the ratio L / λ of the length L and the wavelength λ of the radio wave as a parameter.
δ = −0.024 / (L / λ−0.52) −0.06 (L / λ ≦ 0.44) (1)
δ = −0.024 / (L / λ−0.36) +0.54 (L / λ> 0.44) (2)
From these equations (1) and (2), δ is substantially zero when L / λ = 0.15, δ = 0.24, and L / λ = 0 .4 when L / λ = 0.44. When it is 5, δ = 0.37.
前記位相ずれδは、電波の周期の±0.25倍の範囲であれば、1次電波と2次電波の山同士の重なり代が多くなって電波が強められるが、この範囲を越えると、むしろ山と谷の重なり代が多くなって電波が弱められるので、アンテナ素子の長さLと電波の波長λとの比L/λが、0.15〜0.44の範囲で通信距離を延長できたものと考えられる。なお、比L/λが0.15未満で通信距離が長くならないのは、ブースタアンテナのアンテナ素子が短すぎるためと思われ、通信距離を顕著に延長できるアンテナ素子の長さLを確保するためには、比L/λを0.24以上とすることが好ましい。 If the phase shift δ is in the range of ± 0.25 times the period of the radio wave, the overlap between the peaks of the primary radio wave and the secondary radio wave increases and the radio wave is strengthened. Rather, the overlapping distance between the peaks and valleys increases and the radio wave is weakened, so the ratio L / λ between the length L of the antenna element and the wavelength λ of the radio wave extends from 0.15 to 0.44 to extend the communication distance. It is thought that it was made. The reason why the communication distance does not become long when the ratio L / λ is less than 0.15 is considered to be because the antenna element of the booster antenna is too short, so as to secure the length L of the antenna element that can significantly extend the communication distance. In this case, the ratio L / λ is preferably 0.24 or more.
前記少なくとも1個のアンテナ素子は、前記両端の点a、bが1組だけ存在するものとして、これらの点a、bを結ぶ直線を前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された直線の対向面内での傾斜角度をアンテナ素子の傾斜角度θとして一義的に決定できるものとすることができる。 The at least one antenna element has only one set of points a and b at both ends, and a straight line connecting the points a and b is opposed to the radiation direction of the radio wave from the antenna of the reader at a right angle. The inclination angle of the projected straight line within the opposing surface when projected onto the opposing surface can be uniquely determined as the inclination angle θ of the antenna element.
前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記RFIDタグのアンテナが長手方向を有するものとする場合は、このアンテナを前記リーダのアンテナからの電波の放射方向と直角に対向する対向面に投影したときの、投影された長手方向の対向面内での傾斜角度を前記RFIDタグのアンテナの傾斜角度φとしたときに、前記リーダのアンテナからの電波の回転方向への前記アンテナ素子の傾斜角度θと前記RFIDタグのアンテナの傾斜角度φとの差θ−φ(°)が、前記比L/λをパラメータとして次の(3)式を満足するようにするとよい。
−75≦θ−φ≦−180L/λ+60 (3)
なお、差θ−φの符号は、電波の回転方向へのアンテナ素子の傾斜角度θがRFIDタグのアンテナの傾斜角度φよりも大きいとき、すなわち、電波の回転角度が先にRFIDタグのアンテナの傾斜角度φと重なるときに正、傾斜角度θが傾斜角度φよりも小さいとき、すなわち、電波の回転角度が先にブースタアンテナのアンテナ素子の傾斜角度θと重なるときに負となる。
When the radio wave from the reader antenna is a circularly polarized wave or an elliptically polarized wave, and the RFID tag antenna has a longitudinal direction, this antenna is defined as the radiation direction of the radio wave from the reader antenna. The direction of rotation of radio waves from the antenna of the reader when the angle of inclination in the opposed surface in the projected longitudinal direction is the angle of inclination φ of the antenna of the RFID tag when projected onto a facing surface facing at a right angle When the difference θ−φ (°) between the inclination angle θ of the antenna element and the inclination angle φ of the antenna of the RFID tag satisfies the following expression (3) using the ratio L / λ as a parameter: Good.
−75 ≦ θ−φ ≦ −180 L / λ + 60 (3)
Note that the sign of the difference θ−φ indicates that when the inclination angle θ of the antenna element in the rotation direction of the radio wave is larger than the inclination angle φ of the antenna of the RFID tag, that is, the rotation angle of the radio wave is the first of the It is positive when it overlaps with the tilt angle φ, and becomes negative when the tilt angle θ is smaller than the tilt angle φ, that is, when the rotation angle of the radio wave first overlaps with the tilt angle θ of the antenna element of the booster antenna.
前記リーダのアンテナからの電波が円偏波や楕円偏波である場合は、アンテナ素子とRFIDタグのアンテナの傾斜角度の差θ−φによっても、1次電波と2次電波との間に位相差が生じる。アンテナ素子とRFIDタグのアンテナに正負の向きはないので、差θ−φは−90°〜+90°の範囲の値となる。一方、円偏波や楕円偏波の電波の1周期は360°であるので、差θ−φによる位相ずれは、電波の周期の±0.25倍の範囲で変化する。したがって、差θ−φによる位相ずれのみであれば、上述したように、1次電波と2次電波の山同士の重なり代が多くなって電波が強められるが、電波の光路差による位相ずれや、アンテナ素子の長さLによる位相ずれが存在すると、これらの位相ずれの総和が±0.25倍の範囲を越える恐れがある。このため、(3)式で差θ−φの範囲を規制し、差θ−φによる位相ずれの下限を電波の周期の−0.2倍、上限を−0.05倍(L/λ=0.44のとき)〜+0.09倍(L/λ=0.15のとき)とすることにより、位相ずれの総和が±0.25倍の範囲を越えずに0倍に近づくようにし、電波が強められるようにした。 When the radio wave from the reader antenna is circularly polarized wave or elliptically polarized wave, the difference between the tilt angle θ−φ of the antenna element and the RFID tag antenna is between the primary radio wave and the secondary radio wave. A phase difference occurs. Since there is no positive or negative direction between the antenna element and the antenna of the RFID tag, the difference θ−φ is a value in the range of −90 ° to + 90 °. On the other hand, since one cycle of a circularly polarized wave or an elliptically polarized wave is 360 °, the phase shift due to the difference θ−φ changes in a range of ± 0.25 times the cycle of the radio wave. Therefore, if only the phase shift due to the difference θ−φ is present, as described above, the overlap between the peaks of the primary radio wave and the secondary radio wave increases and the radio wave is strengthened. If there is a phase shift due to the length L of the antenna element, the sum of these phase shifts may exceed the range of ± 0.25 times. Therefore, the range of the difference θ−φ is restricted by the expression (3), the lower limit of the phase shift due to the difference θ−φ is −0.2 times the radio wave period, and the upper limit is −0.05 times (L / λ = 0.44) to +0.09 times (when L / λ = 0.15), so that the total phase shift approaches 0 times without exceeding the range of ± 0.25 times, The radio wave was strengthened.
前記リーダのアンテナからの電波が回転する円偏波または楕円偏波であり、前記アンテナ素子を複数個設ける場合は、少なくとも2個のアンテナ素子の間の前記傾斜角度θの差Δθを45°〜90°とするとよい。 When the radio wave from the reader antenna is a circularly polarized wave or an elliptically polarized wave and a plurality of the antenna elements are provided, the difference Δθ in the inclination angle θ between at least two antenna elements is set to 45 ° to 45 °. 90 ° is recommended.
本発明者は、図7に示すように、マイクロ波を送信するリーダのアンテナ(図示省略)と対向するRFIDタグのアンテナ1aの前方に、長さLが40mm(L/λ=0.32)の2個のブースタアンテナのアンテナ素子2aに傾斜角度θの差Δθを付与して配置し、この差Δθとアンテナ1aの傾斜角度φを変化させて通信距離を調査する予備通信試験を行った。図7は、傾斜角度φを分かりやすくするために、アンテナ1aを各アンテナ素子2aと同一平面上に表示している。マイクロ波は反時計回りに回転する円偏波とし、右側のアンテナ素子2aの傾斜角度θを−45°(鉛直方向から時計回りに45°)に固定して、左側のアンテナ素子2aの傾斜角度θを変化させた。また、アンテナ1aの傾斜角度φは、鉛直方向を0°として、反時計回りのプラス方向と時計回りのマイナス方向に変化させた。
As shown in FIG. 7, the inventor has a length L of 40 mm (L / λ = 0.32) in front of the
表8に、上記予備通信試験の結果を示す。表中の○印の評価は、ブースタアンテナがない場合に対して、通信距離を3%以上延長できたもの、×印の評価は、通信距離を延長できなかったものである。この試験結果より、傾斜角度θの差Δθを45°〜90°の範囲としたものは、RFIDタグのアンテナ1aの傾斜角度φに関らず、通信距離を延長できたが、傾斜角度θの差Δθが30°と40°のものは、傾斜角度φが−60°と90°のときに通信距離を延長できなかった。この理由は、傾斜角度θの差Δθが小さいと、2個のアンテナ素子2aの各傾斜角度θとアンテナ1aの傾斜角度φとの差θ−φが互いに近い値となり、いずれのアンテナ素子2aについても差θ−φが、上述した(3)式を満足しない場合が生じるためと考えられる。
Table 8 shows the result of the preliminary communication test. In the table, the evaluation with a circle indicates that the communication distance can be extended by 3% or more compared to the case without the booster antenna, and the evaluation with a cross indicates that the communication distance cannot be extended. According to this test result, when the difference Δθ of the inclination angle θ is in the range of 45 ° to 90 °, the communication distance can be extended regardless of the inclination angle φ of the
前記RFIDタグが電波を透過するケースに収納された物品または前記ケースの内面に装着される場合は、前記アンテナ素子を前記ケースの内面もしくは外面、またはケースの壁の内部に配置されるものとすることができる。 When the RFID tag is attached to an article housed in a case that transmits radio waves or the inner surface of the case, the antenna element is disposed on the inner surface or outer surface of the case, or inside the wall of the case. be able to.
本発明のRFIDタグ用ブースタアンテナは、質問器であるリーダのアンテナからの電波を受けて応答する電波方式のRFIDタグのアンテナの前方に離間させて、リーダのアンテナと対面するように配置される少なくとも1個の直線、開曲線、閉曲線またはこれらの直線もしくは曲線が交叉したものとした線状のアンテナ素子からなり、この線状のアンテナ素子の長さLを下記のように定義したときに、アンテナ素子の長さLとリーダのアンテナからの電波の波長λとの比L/λが0.15〜0.44の範囲に入るようにしたので、電波方式のRFIDタグシステムにおける通信距離を大幅に延長することができる。
(定義)
線状のアンテナ素子上に任意の2点i、jを選び、点iから点jに向かうベクトルVijに対して、アンテナ素子に沿う点iから点jへの経路の進行方向の向きとベクトルVijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±90°以内であるときに、点iと点jは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の2点i、jの組み合わせのうち、2点i、j間の直線距離が最も長くなる2点をアンテナ素子の両端の点a、bとして、この両端の点a、b間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さLとする。
The booster antenna for an RFID tag according to the present invention is disposed so as to face the reader antenna while being separated in front of the antenna of the radio frequency RFID tag that receives and responds to the radio wave from the antenna of the interrogator. At least one straight line, an open curve, a closed curve, or a linear antenna element formed by intersecting these straight lines or curves, and when the length L of the linear antenna element is defined as follows, The ratio L / λ between the length L of the antenna element and the wavelength λ of the radio wave from the antenna of the reader is in the range of 0.15 to 0.44, so the communication distance in the radio frequency RFID tag system is greatly increased. Can be extended to
(Definition)
Arbitrary two points i and j are selected on the linear antenna element, and the direction of the traveling direction of the path from the point i to the point j along the antenna element and the vector Vij with respect to the vector Vij from the point i to the point j. Point i and point j are connected without returning when all the angles in the path are within ± 90 °, and two arbitrary points i connected without returning in this way , J, the two points where the linear distance between the two points i and j is the longest are the points a and b at both ends of the antenna element, and the shortest path along the antenna element between the points a and b at both ends Let the length be the length L of the antenna element.
以下、図面に基づき、本発明の実施形態を説明する。図1乃至図3は、第1の実施形態を示す。図1は、RFIDタグ1が装着された物品11を収納し、ケース12の外面に、本発明に係るRFIDタグ用ブースタアンテナ2を配置した電波方式のRFIDタグシステムの概略図である。この概略図は、説明を分かりやすくするために、ケース12の中に1つの物品11のみを表示し、RFIDタグ1のアンテナ1aは、リーダ3のアンテナ3aからの電波の放射方向と直角に対向する物品11の前面側に装着され、ブースタアンテナ2は、同じく電波の放射方向と直角に対向するケース12の前側の外面12aに貼付されて配置されている。リーダ3のアンテナ3aからは、周波数が2.4GHzのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてRFIDタグ1に向けて送信される。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. 1 to 3 show a first embodiment. FIG. 1 is a schematic view of a radio frequency RFID tag system in which an
前記ケース12は中芯に表裏のライナ紙を貼付した段ボールで形成され、ブースタアンテナ2は幅が0.5mmの線状のものとされている。ケース12は電波を透過するものであればよく、樹脂、木、紙等で形成されたものでもよい。また、ブースタアンテナ2は導電体であればよく、アルミニウム等の金属や導電性インキの塗布等で形成してもよい。さらに、ブースタアンテナ2は、ケース12の内面またはケース12の壁の内部、例えば、段ボールの中芯に貼付して配置してもよい。
The
図2に拡大して示すように、前記ブースタアンテナ2は、複数個の同じ長さLの直線のアンテナ素子2aで形成され、3個1組のアンテナ素子2aが、リーダ3のアンテナ3aからのマイクロ波の放射方向と直角に対向するケース12の外面12aに、それぞれの傾斜角度θの差Δθを60°とするように正三角形状に配置されている。アンテナ素子2aの長さLは、リーダ3のアンテナ3aからのマイクロ波の波長λ(=125mm)に対する比L/λが0.15〜0.44の範囲に入るように設定されている。
As shown in FIG. 2 in an enlarged manner, the
[実施例A]
まず、図2に示したように、ケース12の外面12aにブースタアンテナ2の9個のアンテナ素子2aを3つの正三角形状に配置し、その長さLを変化させて、リーダ3とRFIDタグ1間の通信距離を調査する第1通信試験を行った。隣接する正三角形状配置間の間隔Δd1は3mm、正三角形状配置の突き合わせ頂部でのアンテナ素子2a間の間隔Δd2は2mmとした。通信試験は、アンテナ素子2aの長さLとマイクロ波の波長λとの比L/λが0.15〜0.44の範囲に入るもの(実施例)と、この範囲に入らないもの(比較例)とについて行った。また、通信試験に際しては、図1に示したように、RFIDタグ1のアンテナ1aを前面側に装着した物品11を、ケース12の中で、幅方向のx方向に−40〜40mm、上下方向のy方向に0〜40mm、奥行方向のz方向に5〜200mmの範囲で移動させるとともに、物品11の前面側でのアンテナ1aのxy平面内での傾斜角度φも鉛直方向の0°と30°とに変化させ、これらの物品11の各移動位置とアンテナ1aの傾斜角度φを変化させたときの通信距離の平均値を求めた。通信距離は、求めた平均値のブースタアンテナがない場合に対する向上率で評価した。
[Example A]
First, as shown in FIG. 2, the nine
表1に、上記第1通信試験の結果を示す。この試験結果より、比L/λを0.15〜0.44の範囲に入れるように、各アンテナ素子2aの長さLを20〜50mmとした各実施例のものは通信距離が延長され、このうち特に長さLを30mm(L/λ=0.24)以上としたものは顕著に通信距離が延長されている。これに対して、長さLを10mm(L/λ=0.08)と短くした比較例のものは通信距離がほとんど変わらず、長さLを60mm(L/λ=0.48)と長くした比較例のものは、通信距離が却って短くなっている。これは、前述したように、1次電波と2次電波の位相差が電波の周期の0.25倍よりも大きくなって、1次電波と2次電波の山と谷が重なり合い、電波が弱くなったためと考えられる。なお、この通信試験では、アンテナ素子2aの幅を0.18〜3.0mmの範囲で変化させたものについても試験したが、これらの範囲では幅を変化させても、通信距離の延長の程度はほとんど変わらなかった。
Table 1 shows the results of the first communication test. From this test result, the communication distance is extended in each example in which the length L of each
つぎに、前記アンテナ素子2aの長さLを40mm(L/λ=0.32)一定とし、図2に示した各間隔Δd1、Δd2、すなわちアンテナ素子2aの配置密度を変化させた第2通信試験を行った。間隔Δd1は3mm〜100mmの間で5段階に変化させ、間隔Δd2は2mmと10mmの2段階に変化させた。その他の試験条件は第1通信試験と同じであり、アンテナ1aを前面側に装着した物品11をx方向、y方向およびz方向に移動させるとともに、物品11の前面側でのアンテナ1aのxy平面内での傾斜角度φも変化させた。また、通信距離向上率の評価方法も第1通信試験と同じである。
Next, the length L of the
表2に、上記第2通信試験の結果を示す。表中には、9個のアンテナ素子2aを配置した配置領域と、マイクロ波の波長λを単位長さとする単位面積λ2当たりのアンテナ素子2aの配置密度(個/λ2)を併せて示す。この試験結果より、傾斜角度を変えた複数個のアンテナ素子2aを配置し、アンテナ1aをxy平面内で平行移動や回転移動させる場合は、アンテナ素子2aの配置密度を7個/λ2以上にすると通信距離が延長され、好ましくは12個/λ2以上、さらに好ましくは19個/λ2以上にするとよいことが分かる。なお、後の第6通信試験での表6に示すように、アンテナ1aをxy平面内で移動させない場合は、必ずしもアンテナ素子2aの配置密度を7個/λ2以上とする必要はなく、1個のアンテナ素子2aでも通信距離が延長される。
Table 2 shows the results of the second communication test. In the table, the arrangement area in which nine
さらに、図3(a)、(b)、(c)、(d)、(e)に示すように、アンテナ素子2aの長さLを40mm(L/λ=0.32)一定とし、アンテナ素子2aの正三角形状配置の配列を変化させた第3通信試験を行った。図3(a)〜(c)、(e)は、第1および第2通信試験と同様の配列で正三角形状配置の数を変えたものであり、前記間隔Δd1は10mm、間隔Δd2は2mmとした。図3(d)は、アンテナ素子2aを亀甲状に6つの正三角形を形成するように配置した配列であり、正三角形状配置の突き合わせ頂部でのアンテナ素子2a間の間隔Δd2は2mmとした。また、第3通信試験でも、その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第1通信試験と同じとし、正三角形状配置の数を13と多くした図3(e)のものについてのみ、前記アンテナ1aを装着した物品11のx方向への移動範囲を−120〜120mmと広くした。
Further, as shown in FIGS. 3A, 3B, 3C, 3D, and 3E, the length L of the
表3に、上記第3通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子2aの個数とその配置領域を併せて示す。この試験結果より、正三角形状配置の数は1(アンテナ素子3個)以上であると通信距離が向上し、好ましくは3(アンテナ素子9個)以上にするとよいことが分かる。
Table 3 shows the results of the third communication test. In the table, the number of
上述した第1の実施形態では、アンテナ素子2aを3個1組として、これらの3個全てのアンテナ素子2a間の傾斜角度θの差Δθを45°〜90°の範囲にある60°とするように正三角形状に配置したが、2個または4個以上のアンテナ素子2aを1組として、これらの傾斜角度θの差Δθが45°〜90°の範囲にあるように配置してもよい。例えば、2個1組とする場合はV字状の配置とすることができ、4個1組とする場合は正方形状の配置とすることができる。なお、1組のアンテナ素子2a間の傾斜角度θの差Δθは、必ずしも全てのものが45°〜90°の範囲にある必要はなく、好ましくは1/2以上、さらに好ましくは2/3以上の傾斜角度θの差Δθを45°〜90°の範囲とするとよい。
In the first embodiment described above, three
図4は、第2の実施形態を示す。この実施形態では、前記ケース12の外面12aに配置されたブースタアンテナ2が、平行で等間隔の複数の直線上に2個ずつ直列に配列された同じ長さLの直線のアンテナ素子2aで形成され、各アンテナ素子2aの傾斜角度θが同一に揃えられている。図示は省略するが、第1の実施形態と同様に、RFIDタグはケース12に収納された物品の前面側に装着され、リーダのアンテナからは、周波数が2.4GHzのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてRFIDタグに向けて送信される。なお、図4には、後方のRFIDタグのアンテナ1aを点線で示すが、この実施形態では、アンテナ1aは鉛直方向に向けられ、その傾斜角度φは0°とされている。
FIG. 4 shows a second embodiment. In this embodiment, the
[実施例B]
図4に示したように、ケース12の外面12aに、平行で等間隔の複数の各直線上に2個ずつのアンテナ素子2aを直列に配列し、各アンテナ素子2aの長さLとマイクロ波の波長λとの比L/λが0.15〜0.44の範囲に入るものについて、各アンテナ素子2aの傾斜角度θとアンテナ1aの傾斜角度φとの差θ−φを変化させ、リーダとRFIDタグ間の通信距離を調査する第4通信試験を行った。なお、第4通信試験では、アンテナ1aを前面側に装着した物品を、ケース12の中で奥行方向のz方向のみに5〜200mmの範囲で移動させて、これらの物品の各移動位置を変化させたときの通信距離の平均値を求め、求めた平均値のブースタアンテナがない場合に対する向上率で通信距離を評価した。
[Example B]
As shown in FIG. 4, on the
上記第4通信試験の具体的な試験条件を表4に示す。アンテナ素子2aの長さLは、20、30、40、50mmの4段階に変化させ、長さLの短いものはアンテナ素子2aの本数を多くした。なお、平行なアンテナ素子2a間の間隔Δd3は、長さLが30mmのものだけ15mmとし、それ以外のものは20mmとし、直列に配列した2本のアンテナ素子2aの間隔Δd4は1mmとした。
Table 4 shows specific test conditions for the fourth communication test. The length L of the
表4に、第4通信試験の試験結果を併せて示す。表4には、前述した(3)式における差θ−φの上限(−180L/λ+60°)と、差θ−φがこれらの上限と下限(−75°一定)との範囲内か否かの判定を○×で併記する。この試験結果より、いずれの長さLのものについても、差θ−φが(3)式の範囲から外れるものは、通信距離がむしろ短くなっているものが多いのに対して、差θ−φが(3)式の範囲に入るものは通信距離が延長され、特に、長さLが40mmと50mmのもので、差θ−φが(3)式の範囲の中央値に近いものは、通信距離が30%以上延長されている。この理由は、差θ−φが(3)式の範囲の中央値に近い場合は、この差θ−φに起因する1次電波と2次電波の位相ずれが、前記長さLによる位相ずれを相殺し、1次電波と2次電波の位相差が零に近くなるためと考えられる。したがって、RFIDタグのアンテナ1aの傾斜角度φが確定している場合は、複数本のアンテナ素子2aの傾斜角度θを揃えて、差θ−φが(3)式の範囲に入るようにするとよい。
Table 4 also shows the test results of the fourth communication test. Table 4 shows whether or not the upper limit (−180 L / λ + 60 °) of the difference θ−φ and the difference θ−φ are within the range between the upper limit and the lower limit (constant −75 °) in the above-described equation (3). Is marked with ○ ×. From this test result, for any length L, the difference θ−φ deviates from the range of the expression (3), whereas the communication distance is rather short, whereas the difference θ−φ When φ falls within the range of the formula (3), the communication distance is extended. Especially, when the length L is 40 mm and 50 mm and the difference θ−φ is close to the median of the range of the formula (3), The communication distance has been extended by 30% or more. This is because when the difference θ−φ is close to the median of the range of the expression (3), the phase shift between the primary radio wave and the secondary radio wave due to the difference θ−φ is the phase shift due to the length L. This is considered to be because the phase difference between the primary radio wave and the secondary radio wave is close to zero. Therefore, when the inclination angle φ of the
つぎに、前記アンテナ素子2aの長さLを40mm(L/λ=0.32)一定、アンテナ素子2aの傾斜角度θを−45°一定、すなわち前記差θ−φを−45°一定とし、前記間隔Δd3、Δd4を変化させた第5通信試験を行った。その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第4通信試験と同じである。
Next, the length L of the
表5に、上記第5通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子2aの個数および配置領域と、マイクロ波の波長λを単位長さとする単位面積λ2当たりのアンテナ素子2aの配置密度(個/λ2)を併せて示す。この試験結果より、アンテナ素子2aの配置密度は、7個/λ2以上であると通信距離が向上し、好ましくは10個/λ2以上にするとよいことが分かる。
Table 5 shows the results of the fifth communication test. In the table, the number and arrangement region of the
さらに、上記第5通信試験と同様に、アンテナ素子2aの長さLを40mm(L/λ=0.32)一定、差θ−φを−45°一定とし、図4に示したアンテナ素子2aの個数を1〜120個に変化させた第6通信試験を行った。なお、アンテナ素子2aの個数を60個と120個と多くしたものでは、後の表6に示すように、アンテナ1aを装着した物品を幅方向のx方向と上下方向のy方向にも移動させた試験も行い、このとき、120個としたものはz方向の移動範囲も広くした。その他の試験条件と通信距離向上率の評価方法は、第4通信試験と同じであり、アンテナ素子2aの個数を複数個としたときの間隔Δd3は20mm、間隔Δd4は1mmとした。
Further, similarly to the fifth communication test, the length L of the
表6に、上記第6通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子2aの配置領域と、アンテナ1aを装着した物品の移動領域を併せて示す。この試験結果より、アンテナ素子2aの個数は1個でも通信距離が向上し、好ましくは3個以上、さらに好ましくは5個以上にするとよいことが分かる。また、アンテナ素子2aの個数を60個以上と多くしたものは、アンテナ1aを装着した物品が広い範囲で移動しても、通信距離を良好に向上させることができる。
Table 6 shows the result of the sixth communication test. In the table, the arrangement area of the
図5(a)、(b)、(c)、(d)は、それぞれ第3の実施形態を示す。この実施形態では、前記ケースの外面に配置されたブースタアンテナ2が、両端の点が複数組存在する円の閉曲線のアンテナ素子2b、または3本の同じ長さの直線を60°の交叉角で交叉させたアンテナ素子2c(d)で形成されており、図5(a)、(b)、(c)のアンテナ素子2bは、それぞれ7個、13個、19個のものが千鳥状に複数列に配列され、図5(d)のアンテナ素子2cは縦横に4個配列されている。図示は省略するが、第1の実施形態と同様に、RFIDタグはケースに収納された物品の前面側に装着され、リーダのアンテナからは、周波数が2.4GHzのマイクロ波が、反時計回りに回転する円偏波としてRFIDタグに向けて送信される。なお、図5の各図には、後方のRFIDタグのアンテナ1aを点線で示す。
FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D show a third embodiment, respectively. In this embodiment, the
[実施例C]
図5(a)、(b)、(c)、(d)に示したように、ケースの外面に、円の閉曲線のアンテナ素子2bまたは3本の同じ長さの直線を交叉させたアンテナ素子2cを配列したものについて、各アンテナ素子2b、2cの長さLとマイクロ波の波長λとの比L/λを変化させ、リーダとRFIDタグ間の通信距離を調査する第7通信試験を行った。なお、第7通信試験では、アンテナ1aを前面側に装着した物品を、奥行方向のz方向に5〜200mmの範囲で移動させるとともに、物品11の前面側でのアンテナ1aの傾斜角度φも0〜360°の範囲で30°または45°ピッチで変化させ、一部のものは幅方向のx方向と上下方向のy方向にも物品を移動させて、これらの物品の各移動位置とアンテナ1aの傾斜角度φを変化させたときの通信距離の平均値を求めた。通信距離向上率の評価方法は第1通信試験と同じである。
[Example C]
As shown in FIGS. 5A, 5B, 5C, and 5D, the
表7に、上記第7通信試験の結果を示す。表中には、アンテナ素子2b、2cの配置領域とアンテナ1aを装着した物品の移動領域も併せて示す。この試験結果より、第1通信試験の結果と同様に、比L/λが0.15〜0.44の範囲に入る実施例のものは通信距離が延長され、このうち特に比L/λが0.24以上のものは顕著に通信距離が延長されている。これに対して、上記範囲を外れる比較例のものは通信距離が延長されないか、または低下している。したがって、両端の点が複数組存在するアンテナ素子2b、2cでも、比L/λを0.15〜0.44の範囲に入れることにより通信距離を延長でき、比L/λを0.24以上とすることにより、顕著に通信距離を延長できることが分かる。
Table 7 shows the results of the seventh communication test. In the table, the arrangement area of the
なお、この第3の実施形態のものについては、別のリーダのアンテナから、周波数が2.4GHzのマイクロ波を時計回りに回転する円偏波、および回転しない直線偏波として、それぞれRFIDタグに向けて送信する場合についても、通信試験を行ったが、第7通信試験と同様の結果が得られた。 For the third embodiment, the RFID tag is used as a circularly polarized wave rotating clockwise and a non-rotating linearly polarized wave with a 2.4 GHz frequency from another reader antenna. Also in the case of transmitting to the destination, a communication test was performed, and the same result as in the seventh communication test was obtained.
上述した各実施形態では、ブースタアンテナをRFIDタグが装着された物品を収納するケースの外面に配置したが、ブースタアンテナはリーダに対向するRFIDタグのアンテナの前方に配置すればよく、実施形態の配置形態に限定されることはない。 In each of the embodiments described above, the booster antenna is arranged on the outer surface of the case for storing the article with the RFID tag attached. However, the booster antenna may be arranged in front of the RFID tag antenna facing the reader. The arrangement form is not limited.
また、リーダのアンテナからの電波をマイクロ波としたが、この電波は周波数が数百MHz以上の極超短波とすることもできる。 In addition, although the radio wave from the reader antenna is a microwave, the radio wave can be an ultra-short wave having a frequency of several hundred MHz or more.
1 RFIDタグ
1a アンテナ
2 ブースタアンテナ
2a、2b、2c アンテナ素子
3 リーダ
3a アンテナ
11 物品
12 ケース
12a 外面
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1
Claims (5)
(定義)
線状のアンテナ素子上に任意の2点i、jを選び、点iから点jに向かうベクトルVijに対して、アンテナ素子に沿う点iから点jへの経路の進行方向の向きとベクトルVijの向きのなす角度が経路内の全ての点で±90°以内であるときに、点iと点jは戻らずに繋がっているとし、このように戻らずに繋がっている任意の2点i、jの組み合わせのうち、2点i、j間の直線距離が最も長くなる2点をアンテナ素子の両端の点a、bとして、この両端の点a、b間のアンテナ素子に沿う最短経路の長さをアンテナ素子の長さLとする。 At least one straight line, an open curve, arranged to face the reader antenna, separated from the front of the antenna of the radio frequency RFID tag that receives and responds to radio waves from the reader antenna that is an interrogator, When the length L of the linear antenna element is defined as follows, the length L of the antenna element and the reader A booster antenna for an RFID tag in which a ratio L / λ to a wavelength λ of a radio wave from the antenna is in a range of 0.15 to 0.44.
(Definition)
Arbitrary two points i and j are selected on the linear antenna element, and the direction of the traveling direction of the path from the point i to the point j along the antenna element and the vector Vij with respect to the vector Vij from the point i to the point j. Point i and point j are connected without returning when all the angles in the path are within ± 90 °, and two arbitrary points i connected without returning in this way , J, the two points where the linear distance between the two points i and j is the longest are the points a and b at both ends of the antenna element, and the shortest path along the antenna element between the points a and b at both ends Let the length be the length L of the antenna element.
−75≦θ−φ≦−180L/λ+60 The radio wave from the reader antenna is a circularly polarized wave or an elliptically polarized wave, and the RFID tag antenna has a longitudinal direction, and this antenna is opposed at right angles to the radio wave radiation direction from the reader antenna. When the tilt angle in the projected surface in the longitudinal direction when projected onto the facing surface is the tilt angle φ of the antenna of the RFID tag, the direction of the radio wave from the antenna of the reader in the rotation direction 3. The RFID according to claim 2, wherein a difference θ−φ (°) between an inclination angle θ of the antenna element and an inclination angle φ of the antenna of the RFID tag satisfies the following equation using the ratio L / λ as a parameter. Tag booster antenna.
−75 ≦ θ−φ ≦ −180 L / λ + 60
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