JP2010537486A - 受動ｒｆｉｄタグ用アンテナシステム - Google Patents

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Abstract

受動電波方式認識(ＲＦＩＤ)タグ用アンテナシステム。アンテナシステムは非常に小さなフォームファクターを、別のアンテナが近接している際の良好な電力取込み及び良好な性能とともに有する。アンテナシステムは少なくとも１つ、好ましくは２つの、アンテナ基板上に形成されるか、そうではなくともアンテナ基板に支持される、平行な蛇行アンテナ素子を、ＲＦＩＤタグ集積回路(ＩＣ)をアンテナ基板の一端においてアンテナシステムに電気的に接触させ得るように、備える。少なくとも一方の蛇行アンテナ素子と同じ方向に延びる導電ワイアが、アンテナとＩＣの間のインピーダンス整合並びにアンテナ性能及び電力の流れの強化のために用いられる。アンテナとＩＣの間のオンピーダンス整合を助長するため、導電ワイアの代わりにインピーダンス整合回路を用いることができる。

Description

本発明は全般的には電波方式認識(ＲＦＩＤ)技術に関し、特に、受動ＲＦＩＤタグ用アンテナシステムに関する。
電波方式認識(ＲＦＩＤ)は、情報がその中に、通常は集積回路(ＩＣ)に、格納されている、ＲＦＩＤタグを利用する遠隔認識手法である。格納された情報はＲＦＩＤタグとＲＦＩＤリーダーの間の電波通信によって検索することができる。ＲＦＩＤリーダーは１つ以上のＲＦＩＤタグと交信するデバイスであり、別の物体上におくかまたは別の物体に取り付けることができる。ＲＦＩＤシステムは、ＲＦＩＤタグに十分近づけられると、タグが発するかまたはタグから後方散乱されるＲＦＩＤタグ信号を読むことができる、携帯ＲＦＩＤリーダーを利用することができる。ＲＦＩＤシステムは、多くの様々な商工業における在庫管理及び製品追跡を含む、様々な応用に用いられ、また図書館及び病院においても用いられる。
ＲＦＩＤタグは一般に、受動、半受動及び能動の、３つのタイプに分類される。受動ＲＦＩＤタグはそれ自体のエネルギー源または電力源をもたず、ＲＦＩＤリーダーのＲＦ電磁場からエネルギーを取り込むことによって動作する。受動タグはＲＦＩＤリーダーが発するＲＦ輻射を変調するかまたは後方散乱することによってＲＦＩＤリーダーと交信する。
受動ＲＦＩＤタグは集積回路(ＩＣ)に接続されたアンテナを基本的に有する。アンテナはＲＦＩＤレーダー動作周波数ｆ(波長λ)で動作し、ＩＣに電力を供給してＩＣを動作させるためにリーダーのＲＦ電磁場から電力を取り込む目的、及び認識番号のような情報を通信するように変調された態様で入射ＲＦＩＤ電磁場のいくらかをＲＦＩＤリーダーに送り返す目的の、２つの目的のためにはたらくように設計される。
アンテナは、その寸法及び形状に関する多くの設計及びシステム上の制約を満たさなければならず、同時に、それでも、その機能を果たすに必要なレベルの性能を提供しなければならない。受動ＲＦＩＤタグに現在用いられているアンテナは一般に、大きすぎる、アンテナアームが互いに離れる方向に延びる、及び、いくつかのＲＦＩＤタグが互いに近接している場合の、すなわちＲＦＩＤリーダーが用いるＲＦ波長λより相互間隔がかなり短い場合の許容できない性能感応性、のような、適当ではない特性を１つ以上有する。
本発明の一態様は、集積回路(ＩＣ)を有する電波方式認識(ＲＦＩＤ)タグ用のアンテナシステムである。システムは、近端及び遠端を有し、近端がＩＣに隣接して配された、アンテナ基板を備える。システムは、アンテナ基板上に形成され、近端がＩＣに電気的に接続された、第１の蛇行アンテナ素子も備える。第２のアンテナ素子がＩＣから第１の蛇行アンテナ素子と同じ方向に延び、近端がＩＣに接続される。第２のアンテナ素子はアンテナ基板上に形成された第２の蛇行アンテナ素子であるかまたは導電ワイアである。シャントが第１と第２のアンテナ素子を電気的に接続し、アンテナシステムとＩＣの間のインピーダンス整合を助長するように構成される。第２のアンテナ素子が第２の蛇行アンテナ素子である場合、システムは第１及び第２のアンテナ素子の少なくとも一方に電気的に接続されたインピーダンス整合回路をさらに備える。
本発明の別の態様はＩＣを有するＲＦＩＤタグ用のアンテナシステムである。システムは近端及び遠端を有するアンテナ基板を備える。システムは、それぞれがアンテナ基板によって支持され、それぞれが近端及び遠端を有する、第１及び第２の蛇行アンテナ素子も備える。システムは、アンテナ基板近端に隣接して配されたＩＣとの電気接続を与えるために、アンテナ基板近端に配置され、第１及び第２の蛇行アンテナ素子のそれぞれの近端に接続された、第１及び第２の給電点も備える。システムは、蛇行アンテナ素子のどちらかにまたはアンテナ給電点の一方に、電気的に接続された導電ワイアをさらに備え、導電ワイアは蛇行アンテナ素子と同じ方向に延び、アンテナシステムとＩＣの間のインピーダンス整合及び電流を助長するように構成される。システムは、第１及び第２の蛇行アンテナ素子に、あるいは蛇行アンテナ素子の一方及び導電ワイアに、電気的に接続されたシャントも備える。シャントは、アンテナシステムとＩＣの間のインピーダンス整合を容易にするように構成される。
本発明の別の態様はＩＣを有するＲＦＩＤタグ用のアンテナシステムである。システムは、近端及び遠端を有し、長寸がＬＭである、アンテナ基板を備え、アンテナ基板に支持され、それぞれが近端及び遠端を有し、同じ方向に延びる、第１及び第２の蛇行アンテナ素子を備える。システムは、アンテナ基板近端に隣接して配されたＩＣとの電気接続を提供するために、アンテナ基板近端に配され、第１及び第２の蛇行アンテナ素子のそれぞれの近端に電気的に接続された、第１及び第２の給電点も備える。システムは、第１及び第２の蛇行アンテナ素子の一方に電気的に接続され、アンテナシステムとＩＣの間のインピーダンス整合及び電流を助長するように構成された、インピーダンス整合回路も備える。システムは、第１及び第２の蛇行アンテナ素子に電気的に接続され、アンテナシステムとＩＣの間のインピーダンス整合を助長するように構成された、シャントをさらに備える。
本発明のＲＦＩＤアンテナを利用するＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステムも開示される。
本発明のさらなる特徴及び利点は以下の詳細な説明に述べられ、ある程度は、当業者にはその説明から容易に明らかであろうし、あるいは以下の詳細な説明及び添付される特許得請求の範囲を含み、添付図面も含む、本明細書に説明されるように本発明を実施することによって認められるであろう。
上述の全般的説明及び以下の詳細な説明はいずれも本発明の実施形態を提示し、特許請求されるような本発明の本質及び特質の理解のための概要または枠組みの提供が目的とされていることは当然である。添付図面は本発明のさらに深い理解を提供するために含められ、本明細書に組み入れられて、本明細書の一部をなす。図面は本発明の様々な実施形態を示し、記述とともに本発明の原理及び動作の説明に役立つ。
図１は本発明にしたがうＲＦＩＤタグの一実施形態例の基本コンポーネントを示す略図である。 図２は、ＲＦＩＤリーダー及び図１に示されるタイプの２つの受動ＲＦＩＤタグを備える、本発明にしたがう汎用ＲＦＩＤシステムの略図である。 図３は、受動ＲＦＩＤタグに用いられるような、本発明にしたがうアンテナの第１の実施形態例の簡略な平面図であり、アンテナは２つの蛇行アンテナ素子及び導電ワイアを有する。 図４は、蛇行アンテナ素子のアンテナパッド並びにアンテナパッド及び導電線の寸法を示す、蛇行アンテナ素子の１つの遠端の拡大図である。 図５は図３の、ただし導電ワイアが多くの屈曲を有する、ＲＦＩＤタグ及びアンテナの簡略な平面図である。 図６は図３と同様の、ただし導電ワイアがアンテナ基板で支持されていない実施形態例を示す、簡略な平面図である。 図７は、一方の蛇行アンテナ素子の遠端に導電ワイアが電気的に接続されている実施形態例を示す、図６と同様の略図である。 図８は、蛇行アンテナ素子の一方が導電ワイアで置き換えられている実施形態例を示す、図３と同様の略図である。 図９は、アンテナが導電ワイアを有しておらず、インピーダンス整合を達成するためにインピーダンス整合回路を用いている一実施形態を示す、図３と同様の略図である。 図１０は、インピーダンス整合回路が単一コンデンサである実施形態例を示す、図９のインピーダンス整合回路の拡大図である。 図１１は、異なる３つのアンテナ設計構造についての、近接している２つの同等のＲＦＩＤタグに対するアンテナからＩＣへのインピーダンス不整合による電力伝送損失のシミュレート値に関する、電力伝送損失(ｄＢ)対アンテナ間隔(ｍｍ)のグラフである。
それらの例が添付図面に示される、本発明のいくつかの例示実施形態をここで詳細に参照する。可能であれば必ず、図面を通して同じ参照数字が同じかまたは同様の要素を指すために用いられる。
汎用ＲＦＩＤタグ及びＲＦＩＤシステム
図１は本発明にしたがう受動ＲＦＩＤタグ１０の実施形態例の基本コンポーネントを示す略図である。ＲＦＩＤタグ１０はアンテナ給電点３２(２つの給電点３２Ａ及び３２Ｂが図示されている)において集積回路(ＩＣ)３０に電気的に結合されているアンテナシステム(「アンテナ」)２０を有する。アンテナ２０は少なくとも１つの蛇行アンテナ素子２２を有する。２つの蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂが図１に示され、説明のための直下の議論において言及される。例示実施形態において、蛇行素子２２Ａ及び２２Ｂのそれぞれの長寸はＬＭである。図１には、アンテナシステム２０の例示実施形態に関連して以下で導入され、論じられる、長さがＬＣの導電ワイア６０も示される。
それぞれの蛇行アンテナ素子２２は近端２２Ｐ(例えば２２ＡＰ及び２２ＢＰ)及び遠端２２Ｄ(例えば２２ＡＤ及び２２ＢＤ)を有する。それぞれの蛇行アンテナ素子２２は、長寸ＬＳ，近端２５Ｐ，隣接ＩＣ３０及び遠端２５Ｄを有する、アンテナ基板２４に支持される。一例示実施形態において、アンテナ基板２４は可撓である(例えばマイラーまたは紙)かまたは硬質である(例えば、セラミック、ガラスまたはプラスチック)誘電材料でつくられるか、そうではなくともそのような誘電材料を含む。一例示実施形態において、アンテナ基板２４は長方形である。アンテナ２０及びＩＣ３０はタグ基板４０に支持される。
図２は、ＲＦＩＤタグリーダー(「ＲＦＩＤリーダー」)１１０及び図１に示されるタイプの２つの受動ＲＦＩＤタグ１０を備える、本発明にしたがう汎用ＲＦＩＤシステム１００の略図である。ＲＦＩＤリーダー１１０はＲＦ信号処理エレクトロニクス１３０に電気的に接続されたリーダーアンテナ１２０を有する。ＲＦＩＤシステム１００は、有線接続１５０(例えば光ファイバケーブルまたはイーサネット（登録商標）ケーブル)を介するかまたは、ＲＦ信号処理エレクトロニクス１３０に電気的に接続された無線アンテナ１６２を用いる、無線接続(信号)１６０を介してＲＦＩＤリーダー１１０にリンクされるデータベースユニット１４０を備えることもできる。
動作において、ＲＦＩＤリーダー１１０は周波数ｆ及び対応する波長λを有するＲＦ呼掛け信号ＳＩを発信する。ＲＦＩＤリーダーの読取距離ＤＲ内にあるＲＦＩＤタグ１０は、ＩＣ３０に電力を供給して、タグ信号ＳＴとして変調された態様で信号ＳＩの一部をＲＦＩＤリーダーに送り返すに十分な電力を呼掛け信号ＳＩから取り込むことができる。タグ信号ＳＴは、ＲＦＩＤタグ認識番号またはＲＦＩＤタグが取り付けられているであろう品物(図示せず)に関する情報のような、ＩＣに格納されている情報を送信する。タグ信号ＳＴはＲＦＩＤリーダー１１０に受信され、情報を復元及び格納するため及び／または情報をデータベースユニット１４０に送信するために、ＲＦ信号処理エレクトロニクス１３０によって処理される。
アンテナ設計要件
本発明は、ＩＣ３０を有し、極超短波(ＵＨＦ)帯ないしさらに高い周波数帯の周波数で動作する、受動ＲＦＩＤタグ１０用のアンテナ２０に向けられる。本発明のＲＦＩＤタグが最善に適するＲＦＩＤ ＵＨＦ帯の例には、８６６ＭＨｚ，９１５ＭＨｚ及び２.４５ＧＨｚのＵＨＦ帯がある。
いくつかの実施形態のＲＦＩＤタグ１０のアンテナ２０は多くの設計要件を満たす。第１の要件はアンテナ２０の主要部分は少なくとも１つの蛇行アンテナ素子２２で構成されるべきことである。一実施形態例において、少なくとも１つの蛇行アンテナ素子２２は誘電体アンテナ基板２４に支持される(例えば誘電体アンテナ基板２４上に形成される)少なくとも１本の金属導電線の形態にある。一例において、少なくとも１つの蛇行アンテナ素子の長寸ＬＭは用いられるＲＦ波長λの半波長よりかなり短い。一例示実施形態において、ＬＭ≦０.２５(λ/２)である。
第２の要件は、ＩＣ３０はアンテナ基板近端２５Ｐに配置されるべきことである。これはアンテナ給電点３２をアンテナ基板近端に配置することによって達成される。
第３の設計要件は複数の長寸アンテナ素子が同じ方向に延びる(例えば互いに平行に配置される)ことである。
第４の設計要件は、タグ間隔ＤＴが小さい場合には、アンテナ２０の読取距離(ＤＲ)感応性が低められる(すなわち、他の同様のアンテナに近接して(≪１波長間隔で)配置された場合に、読取距離短縮に対するアンテナの感応性が最小限に抑えられるべきである)ことである。
第５の設計要件は、アンテナ２０はその負荷に、すなわちＩＣ３０に、インピーダンス整合されることである。
アンテナ２０に対する上記要件により、与えられた動作周波数に対して、そうでなければ従来技術のＲＦＩＤタグで可能であるような大きさよりもかなり小さいＲＦＩＤタグが可能となる、(以下で論じられる)コンパクトなフォームファクターＦＦが得られる。ＩＣ３０のアンテナ給電点３２をアンテナ基板２４の同じ端に設けることにより、従来の中央給電アンテナ構成のような中間にではなく、タグの一端にＩＣ３０を様々な異なる目的のために配置することが可能になる。長寸アンテナコンポーネントを同じ方向に互いに平行に延ばすことを必要とするアンテナ構造の特徴により、この機能が可能になる。タグ近接効果に対して低められた感応性はタグが近接していても良好な性能の保持が必要な応用に重要である。インピーダンス整合要件により、ＲＦＩＤリーダーからのＲＦ電磁場の強度が弱まったとしてもＩＣに電力が供給され得るように、アンテナ２０を介してＩＣ３０に供給されるＲＦ電力量を最適化することが可能になる。これは読取距離ＤＲを大きくするに役立つ。
アンテナの実施形態例
図３は、本発明にしたがう受動ＲＦＩＤタグ１０に用いられるような、本発明にしたがうアンテナ２０の一実施形態例の簡略な平面図である。一般にアンテナ２０は少なくとも１つの蛇行アンテナ素子を有し、図３の実施形態例は２つの蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂを有する。一実施形態例において、蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂは同じ方向に(この意味において「平行」に)、すなわちアンテナ２４の長寸方向で、対応するアンテナ給電点から離れる方向に、延びるプリントアンテナ(例えば金属導電線)の形態にある。一実施形態例において、アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂは、導電性インク、金属、等のような導電性金属材料で、標準の手法を用いて、形成される。
一実施形態例において、アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂはそれぞれ平坦なコンタクト領域(「アンテナパッド」)ＰＡ及びＰＢをそれぞれの遠端２２ＡＤ及び２２ＢＤに有する。図４は、アンテナパッドＰＡの、蛇行アンテナ素子２２Ａの対応する導電線の線幅に対する相対寸法を示す、蛇行アンテナ素子２２Ａの遠端２２ＡＤの拡大図である。蛇行アンテナ素子２２Ａは線幅ＷＬを有し、アンテナパッドＰＡは直交する幅ＷＰＸ及びＷＰＹを有する。一実施形態例において、アンテナパッドＰＡ及びＰＢは長方形であり、アンテナ素子の残りをなす付帯導電線の約２倍の寸法(幅)または２倍よりかなり大きい寸法(幅)を有する。アンテナパッドＰＡ及びＰＢは、総アンテナ長の短縮を可能とする大きな金属領域を提供する。アンテナパッドＰＡ及びＰＢは、アンテナ電力取込効率を高め、アンテナ帯域幅を広げるにも役立つ。
蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂは、それぞれの近端２２ＰＡ及び２２ＢＰにおいて、いずれもアンテナ基板２４の近端２５Ｐに隣接して配置された、それぞれのアンテナ給電点３２Ａ及び３２Ｂに電気的に接触させられる。アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂの蛇行アンテナパターンにより、全半波長ダイポール構造よりコンパクトなアンテナが可能になる。蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂは長さがＬＭで幅がＷＭの主アンテナ体２００を構成する。
アンテナ２０は付随するフォームファクターＦＦ＝ＬＭ/λを有する。ここでλはアンテナ２０の動作波長である。一実施形態例において、ＦＦ≦λ/２である。一実施形態例において、ＬＭ＝４０ｍｍ＜０.２５・(λ/２)である。
インピーダンス整合シャント
受動ＲＦＩＤタグにおいては、アンテナ２０で受け取られたＲＦエネルギーによりＩＣ３０に電力が供給される。アンテナ２０からＩＣ３０に伝送されるＲＦ電力量を最大化するためには、アンテナとＩＣの間でインピーダンスが整合される必要がある。すなわち、アンテナ２０の複素インピーダンスがＺ２０であり、ＩＣ３０の複素インピーダンスがＺ３０であれば、Ｚ２０＝Ｚ＊ ３０のときにインピーダンス整合がおこる。ここで ‘＊’は複素共役を表す。
インピーダンス整合を助長するため、アンテナ３０の一実施形態例は、アンテナ素子２２Ａと２２Ｂを電気的に接続し、例えばアンテナ素子近端２２ＡＰ及び２２ＢＰの近くに配置することができる、シャント５４を有する。シャント５４はアンテナ２０とＩＣ３０の間で(複素)インピーダンスの虚数部(すなわちリアクタンス)の整合を補助する。本発明におけるシャント５４の使用の目的は、所望の複素インピーダンス整合を達成すると同時にアンテナのフットプリント(すなわちフォームファクター)を可能な限り小さく維持することである。該当するシャントパラメータには、当業者には理解されるであろうように、シャントが蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂに取り付く場所及びアンテナ給電点３２Ａ及び３２Ｂからの距離があり、いずれのパラメータもシャントループの下の面積、したがってアンテナのインダクタンスを定めるに役立つ。
蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂへのシャント取付点はアンテナ２０のインピーダンスの虚数部(すなわちインダクタンス)を大きくするかまたは小さくするために調節することができる。シャント５４は、高電圧放電(ＥＳＤ)によるＩＣ３０の損傷を排除するに役立つ、ＤＣ短絡抵抗としても作用する。シャントインピーダンス及びＩＣキャパシタンスは近接場ＵＨＦ ＲＦＩＤ用途に有用な共振回路を形成する。
導電ワイア
一実施形態例において、アンテナ２０は長さがＬＣの導電ワイア６０も有する。一実施形態例において、導電ワイア６０は蛇行アンテナ素子の一方に(例えば、図示されるように、アンテナ素子２２Ａに)対応するアンテナ給電点(例えば、図示されるように、給電点３２Ａ)の近傍で取り付けられる。導電ワイア６０はアンテナ２０とＩＣ３０の間のインピーダンス整合を助長し、ＩＣへの及びＩＣからのアンテナ電流を(例えば最適点に)改善するような寸法につくられる。導電ワイア６０はアンテナ２０の総寸を縮めるにも役立つ。
導電ワイア６０の長さはアンテナ２０のインピーダンスをＩＣに最善に整合させ、同時に、実施形態例では９００ＭＨｚから９３０ＭＨｚである、与えられた周波数帯にわたって電力取込効率を高めるように選ばれる。一実施形態例において、導電ワイア６０の長さの選択は、与えられた周波数及び入力インピーダンスに対する最適導電ワイア長を決定するためのアンテナシミュレーションソフトウエアを用いるコンピュータシミュレーションによって実施される。導電ワイア長は固定入力インピーダンスをとる(波長に対する)周波数と釣り合う。
上で論じたように、アンテナ２０とＩＣ３０の間の良好なインピーダンス整合により、ＲＦ呼掛け信号(電磁場)ＳＩからの良好なＲＦ電力取込み、したがって相対的に大きな読取距離ＤＲが保証される。導電ワイア６０も「アンテナ素子」と見なすことができるが、本明細書では少なくとも１つの蛇行アンテナ素子と区別するために「導電ワイア」と称される。
一実施形態例において導電ワイア６０は真直である。しかし、導電ワイア６０は真直である必要はなく、一例示実施形態においてはかなり曲げるかまたは湾曲させることができ、それでも有効に機能する。いずれかの方向に９０°もの大きさの曲りをもつ導電ワイア６０を有するアンテナ２０のシミュレーション及び試験では、小さな性能効果しか見られなかった。導電ワイアが導電ワイア自体に巻き付かない限り、及び／またはそうではなくとも導電ワイア自体と結合しない限り、導電ワイア６０の直線性からのさらに大きな偏差も可能である。別の近隣アンテナの別の導電ワイアに近接している、及び／またはそのような別の導電ワイアとねじり合わされている導電ワイア６０による試験では、性能に極めて僅かな効果しか見られなかった。図５は、図３に示される実施形態例と同様であるが、導電ワイア６０に多くの屈曲がある一実施形態例を示す。そのような屈曲により、アンテナ２０をさらに一層コンパクトにすることが可能になる。
コネクタ付光ファイバケーブルとともに用いられる一実施形態例において、アンテナ２０は１/２波長ダイポールアンテナよりかなり短く、同時に理論ダイポールアンテナと同程度の電力を取り込む。導電ワイア６０が同様に蛇行形状であれば、アンテナ長はさらに短くなる。アンテナ性能に関して有意な長さは、蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂはコネクタに内蔵され、一方導電ワイア６０はそのように内蔵はされないが、本発明のいくつかの実施形態において、例えばファイバケーブル(図示せず)に内蔵させることができるから、蛇行アンテナ素子２２Ａ及び２２Ｂの長さでしかない。
一実施形態例において、送電ワイア６０は、図３に示されるように、プリント導体として形成されてアンテナ基板２４に支持される必要はなく、従来の無支持ワイアとすることができる。一実施形態例において、導電ワイア６０は、図６に示されるように、アンテナ基板遠端２５Ｄより先まで延びる。図６のＲＦＩＤタグ１０の実施形態例において、必要であれば、アンテナ基板２４の支持がない場合にタグ基板４０を導電ワイア６０の支持に用い得ることに注意されたい。本発明のさらに別の実施形態は、基板上に形成された導電路またはその他のタイプの導電リードを含む導電ワイアを有する。
発明者等が実施したシミュレーション及び実験は、ＲＦＩＤシステム１００に用いられた場合のＲＦＩＤタグ１０の総合性能が主アンテナ体２００に対する導電ワイア６０の正確な位置または角度に対して特に感応しないことを示した。
図３，図５及び図６のアンテナ２０の実施形態例は、ＩＣ３０近傍の一点において蛇行アンテナ素子２２の一方に取り付けられた導電ワイア６０を示す。しかし、この配置は、以下の実施形態例に示されるように、必須ではない。図７は、導電ワイア６０が蛇行アンテナ素子２２Ａの遠端２２ＡＤに電気的に接続されている実施形態例を示す、図６と同様の略図である。
図８は、一方の蛇行アンテナ素子２２Ｂが導電ワイア６０に置き換えられているアンテナ２０の一実施形態を示す、図３と同様の略図である。発明者等が実施したシミュレーションは、図７及び図８のアンテナ２０の実施形態例が、少なくとも与えられたＩＣインピーダンスへのインピーダンス整合に関しては、図３の実施形態例と同様に、またはさらに良好に、はたらくことを示す。
アンテナ設計パラメータ例
一実施形態例において、図３のアンテナ２０は９１５ＭＨｚ帯で動作するように設計され、ＬＭ＝４０ｍｍ，ＷＭ＝９ｍｍ及びＬＣ＝１０５ｍｍの寸法を有する。フォームファクターはＦＦ＝４０ｍｍ/３２８ｍｍ＝０.１２である。この場合、アンテナ２０の全長はほぼＬＣに等しく、約(１/３)λであり、一方ＬＭは約(１/８)λである。
シャント５４は、一般的なＩＣ３０の容量性リアクタンスに整合させるため、アンテナ２０のインピーダンスが約１００Ωの無効分を有するような態様で配置され、形成される。２つの異なる市販ＩＣ(Texas Instruments, Inc.及びImpinj, Inc.の、EPC global Class 1, Gen2 RFID IC)と組み合わされたこの特定のアンテナ形状例を用いた発明者等による実験は、ほぼ４０フィート(約１１.８ｍ)までの読取距離ＤＲに対してＲＦＩＤタグ読取可能であることを実証した。入力インピーダンスが異なるＩＣ３０を用いた場合には、真直導電ワイア６０の最適長ＬＣは１０５ｍｍと異なるであろうし、シャント５４の精確な配置も変わるであろうことに注意すべきである。
インピーダンス整合回路付アンテナ
上で論じたように、導電ワイア６０及びシャント５４はアンテナ入力インピーダンスの制御を補助し、したがってアンテナとＩＣの間のＲＦ電流最適化に寄与する。アンテナ２０の別の実施形態例においては、蛇行アンテナ素子の一方に取り付けられた導電ワイア６０の使用ではなく、個別電子コンポーネント(例えばコンデンサ及びインダクタ)で構成されたインピーダンス整合回路７０が用いられる。一実施形態例において、インピーダンス整合回路７０は、アンテナのインピーダンス整合に一般に用いられる、直列インダクタ及びシャントコンデンサの標準構成を有する。しかし、これは必須な構成ではない。一実施形態例において、リアクタンスを調整してより良いインピーダンス整合を得るために、インピーダンス整合回路７０における個別のコンデンサ及び／またはインダクタの既知の配置が本発明に用いられる。
図９は、ＩＣ３０とアンテナ２０の間に動作可能な態様で配されたインピーダンス整合回路７０を有するＲＦＩＤタグ１０の一実施形態を示す、図３と同様の略図である。回路７０を構成する個別電子コンポーネントは、アンテナ性能を最大化する、アンテナ２０上のどこかに配置することができる。
例として、図１０は、ＩＣ３０とシャント５４に間に直列に配された単一コンデンサ７２を有する、インピーダンス整合回路７０の一実施形態例を示す拡大図である。シミュレーション結果は、数ｐＦの容量を有するコンデンサ７２で図９に示されるアンテナ実施形態のインピーダンス整合が改善されることを示す。
弱められたタグ近接効果
上述したように、アンテナ２０の特徴の１つは、２つ以上のＲＦＩＤタグ１０が近接してＲＦＩＤリーダー１１０の読取距離ＤＲ内にある場合の、ＲＦＩＤシステム性能低下の防止に役立つことである。一般に、近接している(例えばλよりかなり近くにある)２つのアンテナには、それぞれの性能を低下させ得る相互インピーダンス効果の問題がおこり得る。この場合、それぞれのＲＦＩＤタグ１０のアンテナ２０のインピーダンスが変わり、アンテナ２０と負荷、すなわちＩＣ３０の間の不整合が生じる。発明者等は、本発明のアンテナ２０に対してこの近接効果により予想される低下が理論的ダイポールまたはいくつかの市販ＲＦＩＤタグより小さく見えることを見いだした。発明者等による調査は、１５ｍｍ離された本発明のＲＦＩＤタグについて読取距離ＤＲは１２％〜２５％短縮され得るが、これは理論ダイポール及び中央給電アンテナを有する市販ＲＦＩＤタグについての、対応する約５０％の読取距離短縮よりもかなり小さい。
図１１は、近接して配置された同等の２つのＲＦＩＤタグについての、インピーダンス不整合によるアンテナ２０からＩＣ３０への電力伝送損失シミュレーション値に関する、電力伝送損失(ｄＢ)対アンテナ間隔(ｍｍ)のグラフである。図１１のグラフには３つの曲線があり、曲線Ａは図３のアンテナ２０に対応し、曲線Ｂは従来のＲＦＩＤタグのアンテナに対応し、曲線Ｃはダイポールアンテナに対応する。小ＲＦＩＤタグ間隔におけるアンテナ２０の電力伝送損失は他のアンテナよりかなり小さい。
本発明の精神及び範囲を逸脱することなく本発明に様々な改変及び変形がなされ得ることが当業者には明らかであろう。したがって、本発明の改変及び変形が添付される特許請求項及びそれらの等価物の範囲内に入れば、本発明はそのような改変及び変形を包含すると目される。
１０ 受動ＲＦＩＤタグ
２０ アンテナシステム
２２，２２Ａ，２２Ｂ 蛇行アンテナ素子
２２Ｄ，２２ＡＤ，２２ＢＤ アンテナ素子遠端
２２Ｐ，２２ＡＰ，２２ＢＰ アンテナ素子近端
２４ アンテナ基板
２５Ｄ アンテナ基板遠端
２５Ｐ アンテナ基板近端
３０ 集積回路(ＩＣ)
３２，３２Ａ，３２Ｂ 給電点
４０ タグ基板
５４ シャント
６０ 導電ワイア
７０ インピーダンス整合回路
１００ ＲＦＩＤシステム
１１０ ＲＦＩＤタグリーダー
１２０ リーダーアンテナ
１３０ ＲＦ信号処理エレクトロニクス
１４０ データベースユニット
１５０ 有線接続
１６０ 無線接続
１６２ ＲＦＩＤタグリーダー無線アンテナ
ＰＡ，ＰＢ アンテナパッド
ＳＩ ＲＦ呼掛け信号
ＳＴ タグ信号

Claims (9)

  1. 集積回路(ＩＣ)を有する電波方式識別(ＲＦＩＤ)タグ用のアンテナシステムにおいて、
    前記ＩＣに隣接して配置された近端を有し、遠端を有する、アンテナ基板、
    前記アンテナ基板上に形成され、前記ＩＣに電気的に接続された近端を有する、第１の蛇行アンテナ素子、
    前記ＩＣから前記第１の蛇行アンテナ素子と同じ方向に延び、前記ＩＣに接続された近端を有する、第２のアンテナ素子であって、前記アンテナ基板上に形成された第２の蛇行アンテナ素子及び導電ワイアの内の少なくとも一方を含む第２のアンテナ素子、及び
    前記第１の蛇行アンテナ素子と前記第２のアンテナ素子に電気的に接続されたシャントであって、前記アンテナシステムと前記ＩＣの間のインピーダンス整合を助長するように構成されたシャント、
    を備え、
    前記第２のアンテナ素子が前記第２の蛇行アンテナ素子を含む場合には、前記第１の蛇行アンテナ素子及び前記第２の蛇行アンテナ素子の内の少なくとも一方に電気的に接続されたインピーダンス整合回路をさらに備える、
    ことを特徴とするアンテナシステム。
  2. 前記第２のアンテナ素子が前記導電ワイアを含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
  3. 前記第２のアンテナ素子が前記第２の蛇行アンテナ素子を含むことを特徴とする請求項１に記載のアンテナシステム。
  4. 前記第２のアンテナ素子が前記第２の蛇行アンテナ素子を含み、前記アンテナシステムが、前記第１の蛇行アンテナ素子または前記第２のアンテナ素子に電気的に接続された導電ワイアをさらに備えることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のアンテナシステム。
  5. 集積回路(ＩＣ)を有する電波方式識別(ＲＦＩＤ)タグ用のアンテナシステムにおいて、
    近端及び遠端を有するアンテナ基板、
    それぞれが前記アンテナ基板に支持され、それぞれが近端及び遠端を有する、第１の蛇行アンテナ素子及び第２の蛇行アンテナ素子、
    前記アンテナ基板の前記近端に隣接されて配置された前記ＩＣへの電気的接続を与えるために、前記アンテナ基板の前記近端に配置され、前記第１の蛇行アンテナ素子及び前記第２の蛇行アンテナ素子のそれぞれの前記近端に接続された、第１の給電点及び第２の給電点、
    前記蛇行アンテナ素子及び前記給電点の内の少なくとも１つに電気的に接続された導電ワイアであって、前記蛇行アンテナ素子と同じ方向に延び、前記アンテナシステムと前記ＩＣの間のインピーダンス整合及び電流を助長するように構成された導電ワイア、及び
    前記第１の蛇行アンテナ素子と前記第２の蛇行アンテナ素子に、または前記蛇行アンテナ素子の内の少なくとも一方と前記導電ワイアに、電気的に接続されたシャントであって、前記アンテナシステムと前記ＩＣの間のインピーダンス整合を助長するように構成されたシャント、
    を備えることを特徴とするアンテナシステム。
  6. 前記第１の蛇行アンテナ素子及び前記第２の蛇行アンテナ素子のそれぞれの前記遠端に第１のアンテナパッド及び第２のアンテナパッドをさらに備えることを特徴とする請求項１または５に記載のアンテナシステム。
  7. 前記第１の蛇行アンテナ素子及び前記第２の蛇行アンテナ素子並びに前記導電ワイアが前記アンテナ基板上に形成された金属導電線で形成されることを特徴とする請求項５または６に記載のアンテナシステム。
  8. 前記アンテナ基板が長さＬＭを有し、前記アンテナシステムが動作波長λ及びフォームファクターＦＦ＝ＬＭ＜λ/２を有することを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のアンテナシステム。
  9. ＲＦＩＤシステムにおいて、
    請求項１から８のいずれか１項に記載の、少なくとも１つのＲＦＩＤタグ、及び
    前記少なくとも１つのＲＦＩＤタグとＲＦ通信するように構成されたＲＦＩＤリーダー、
    を備えることを特徴とするＲＦＩＤシステム。
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