JP2011109698A - タグアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】小型化が可能な小型タグアンテナを提供する。
【解決手段】アンテナ共振波長の２分の１より短いダイポール部を丸めるようにして配置し、給電部１１からチップに給電可能とする。給電部１１を挟むようにアンテナのインダクタンスを調整するためのインダクタンス部１２を設ける。インダクタンス部１２は、丸め込まれたダイポール部の内側の空間を利用して設ける。インダクタンス部１２を設けることによって、アンテナのインダクタンスを給電部１１に接続されるチップの容量と所定の周波数で共振するように調整する。このとき、アンテナの放射抵抗は、計算上非常に大きくなるが、実際には、損失によりチップの抵抗とほぼ同程度となり、アンテナから受信した電力をチップに供給できるようになる。
【選択図】図４

Description

ＲＦＩＤリーダライタと送受信する非接触型タグアンテナに関する。

ＵＨＦ帯（860〜960ＭＨｚ）の無線信号を用いて、リーダライタから約1Ｗの信号を送信し、タグ側でその信号を受信し、再びリーダライタ側へ応答信号を送り返すことにより、タグ内の情報をリーダライタで読み取ることができるシステムをＲＦＩＤシステムと呼ぶ。その通信距離はタグアンテナのゲイン、チップの動作電圧や周囲環境にもよるが、およそ3ｍ前後である。タグは、厚さ10〜30ミクロン程度のアンテナとアンテナ給電点に接続されるLSIチップから構成される。

図１９は、従来のＲＦＩＤシステムに使うタグアンテナを説明する図である。図２０は、ＲＦＩＤタグアンテナの等価回路を示す図である。図２１は、従来のタグアンテナのアドミッタンスチャートによる解析例を示した図である。

LSIチップは、図２０に示したように、抵抗Rc（たとえば1200Ω）と、キャパシタンスCc（例えば0.7pF）の並列接続で等価的に示すことができる。アドミタンスチャート上では、図２１中の丸で示した位置で表される。一方、アンテナは、抵抗Ra（例えば1000Ω）と、インダクタンスLa（例えば40nH）の並列接続で等価的に示すことができる。両者を並列接続することにより、キャパシタンスとインダクタンスが共振し、共振周波数を表す式ｆ０＝１／（２π√（ＬＣ））から分かるように、所望の共振周波数f0でアンテナとチップが整合し、アンテナでの受信パワーがチップ側へ十分供給されることになる。

タグアンテナに用いる基本的なアンテナとして、図１９（ａ）の全長145ｍｍダイポールアンテナが考えられる。このアンテナは、ダイポール部１０が給電部１１に接続され、ダイポール部１０で受けた信号から電力を抽出し、給電部１１からチップに給電すると共に、信号自身をチップに転送する。しかし、図２１に三角で示したように、f=953MHzでRa=72Ω、虚部=0となる。しかし、ＲＦＩＤタグアンテナに必要なアンテナの放射抵抗Raは1000Ω程度と非常に高いため、Raを上げる必要がある。そこで、図１９（ｂ）に示したような、全長145ｍｍ程度の折り返しダイポールアンテナ（folded dipole antenna）が用いられ、線幅によって異なるが、およそ300Ω〜1500Ω程度まで上げられることがよく知られている。図１９（ｂ）では、図１９（ａ）のダイポール部１０が折り返しダイポール部１０ａになっているほかは同じである。図２１では、Ra=1000Ωの例を示している。さらに、図１９（ｃ）に示したように、この折り返しダイポールアンテナに並列にインダクタンス部１２を接続することにより、アドミタンスチャート上で左回転させ、チップ(Bc=ωCc)と同じ絶対値の虚数成分（Ba= -1/ωLa）を持たせる。インダクタンス長が短いほど、La値が小さくなり、回転量が大きくなる。これにより、チップの虚数成分Bcとアンテナの虚数成分Baが同じ大きさを持ち、キャンセルされ、共振することになる。

この虚数成分キャンセルがＲＦＩＤタグアンテナ設計で最も重要な要素である。一方、チップの抵抗Rcとアンテナ放射抵抗Raは一致するのが望ましいが、厳密に一致させることは必要でなく、両者の比が２倍程度以下なら問題なくアンテナ受信パワーがチップへと供給される。

以上が、ＲＦＩＤタグアンテナの基本的設計方法であり、設計周波数f=953MHzで虚部=0となる点でRa=1000Ω程度になるように基本アンテナを設計し、チップのサセプタンス(Bc=ωCc；Cc=0.7pF)と同じ絶対値をもつインダクタンス（Ba=1/ωLa；La=40nH）を並列接続させることが必要である。

ダイポールアンテナについては、非特許文献１を参照されたい。

「アンテナ工学ハンドブック」 社団法人 電子情報通信学会 編集 株式会社 オーム社 発行 ＩＳＢＮ ４−２７４−０２６７７−９

しかしながら、縦15mm横145ｍｍ程度もあるアンテナは大きすぎて実用的でなく、小型化する必要がある。例えば、カードサイズ（86ｍｍ×54ｍｍ）の半分、あるいは４分の１程度に小型化させたアンテナのほうが実用的である。しかしながら、小型化した場合、上記のような設計方法でアンテナ設計をすると、アンテナの小型化に反比例して虚部＝0となる共振周波数が大きくなってしまうため、共振させるべきチップとうまく共振条件を整合させることができない。

本発明の課題は、小型化が可能なタグアンテナを提供することである。

本発明のタグアンテナは、ダイポールアンテナとチップが実装される給電部とで構成されるタグアンテナにおいて、アンテナ共振波長の２分の１よりも短い長さのダイポール部と、該ダイポール部の中央に設けられた給電部と、該ダイポール部の両端に、該ダイポール部の線路幅より広い領域を設けた端部とを有することを特徴とする

λ/2（アンテナ共振波長をλとする）よりも小さいアンテナ長で小型のタグアンテナを形成することができ、λ/2長の標準的な折り返しアンテナの60〜75％程度の通信距離を保つことができる。また、更に、不要な金属部分を取り除くことにより、アンテナのコストを大幅に抑えることができる。

本発明の第１の実施形態を説明する図（その１）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その２）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その３）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その４）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その５）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その６）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その７）である。 本発明の第１の実施形態を説明する図（その８）である。 本発明の第２の実施形態を説明する図（その１）である。 本発明の第２の実施形態を説明する図（その２）である。 本発明の第２の実施形態を説明する図（その３）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その１）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その２）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その３）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その４）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その５）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その６）である。 本発明の第３の実施形態を説明する図（その７）である。 従来のＲＦＩＤシステムに使うタグアンテナを説明する図である。 ＲＦＩＤタグアンテナの等価回路を示す図である。 従来のタグアンテナのアドミッタンスチャートによる解析例を示した図である。

本発明の実施形態においては、アンテナ共振波長をλとして、λ/2長よりも短いアンテナ長を持つＲＦＩＤタグ用アンテナに並列にインダクタを接続することにより、アドミタンスチャート上で虚部=0となるアンテナ共振周波数( =所望の周波数よりも高い周波数)よりも低い周波数（ =所望の周波数）のポイントをLSIチップと整合する点まで左回転させることにより、ＬＳＩチップと整合させる。そのアンテナ長は、3/8λ〜λ/6程度とするのが良い。また、アンテナは、内側に回りこむように折り曲げていくのがよい。インダクタンスは、内側の空きスペースに形成することによりアンテナ長を限られた面積内でできるだけ長くすることができる。アンテナの線幅を部分的に広くし、面積を広げてもよい。また、貼り付け物体の比誘電率、厚さを考慮して適切なインダクタンス長を選択するのが良い。また、アンテナ部の電流密度の低い部分を部分的に取り除いてもよい。取り除く形状は、スリット状が望ましい。また、取り除いた後のアンテナ部分の形状が３角形または４角形の環となるのが望ましい。シート（紙、フィルム、ＰＥＴ）上にCu, Ag, Alを主成分とする金属でアンテナを形成するのが良い。

これらは、ＵＨＦ帯で用いることを前提とする。（2.45ＧＨｚだと、小型化する意味合いが薄れてくる）

図１〜図８は、本発明の第１の実施形態を説明する図である。
図３に示したように、カードサイズの４分の１以下の大きさを想定して、縦15ｍｍ横48ｍｍの大きさ（実効全長約116ｍｍ＝3/8λ）でダイポールを形成した。図３のアンテナは、丸めた形のダイポール部１０を有している。このアンテナ構成で、電磁界シミュレーションを行い、f=700MHzから3000MHzまでの計算結果をアドミッタンスチャートにプロットすると図１の細線のような軌跡（Ｌなしアンテナ）を描く。虚部＝0となるのは、小型化しているため、f=1340MHzと大きくなり、Ra=16Ωとなる。一般的に、ダイポールを曲げると、直線状態の通常ダイポールのRa=72Ωよりも放射抵抗Raが小さくなる。このとき、f=953MHzの点は、図１中のＬなしアンテナとして示された三角で示した位置にある。そこで、このダイポールに図４のようにインダクタンス部（S2=30mm）１２を並列接続することにより、アドミタンスチャート上で軌跡を全体的に左回転する。すると、周波数特性は図１の太線で示されたような軌跡（Ｌ付きアンテナ）を描く。 この時、電磁界シミュレーションをすると、f=953MHzの点は、Ra=8100Ω、La=40nHとなる。この点は、虚部（インダクタンス）に関しては、整合が取れているが、アンテナ放射抵抗Ra=8100Ωは、チップのRc=1200Ωに対して大きすぎるため、通常は、反射が大きすぎてアンテナ受信電力がほとんど空気中へ跳ね返ってしまうと考える。

ところが、実際にこのアンテナを試作し（銅を用いて、厚さ35ミクロンのアンテナを形成し）、アドミタンスを実測すると、導体には損失があるため、図２に示したように、Ｌ付きアンテナのアドミッタンスチャート上の位置が内側へかなり入り込むことがわかった。この時、実測Ra=1300Ω、La=40nHとなることが分かった。つまり、Laに関しては、ほぼ電磁界シミュレータの値と一致し、Raは、チップのRc=1200Ωに近い値となることを経験的に得ることができた。このことにより、小型アンテナとチップは整合し、アンテナ受信電力を十分にチップ側へ供給できることが分かる。

ここで、本実施形態のアンテナのアンテナ長（3/8λ）が、最も放射効率が良いλ/2長アンテナよりも短いため、放射効率は若干落ち、λ/2長の折り返しダイポールのゲイン=約2dBiに対し、本アンテナは、電磁界シミュレータの計算値でゲイン=約 -2.7dBiである。実際に両アンテナを試作し、通信距離を比較した結果、λ/2長折り返しダイポールの60％の通信距離が得られた。しかしながら、48ｍｍ×15ｍｍという小型アンテナの割に、60％という通信距離が得られるということは極めて実用的に意味がある。

このインダクタンス長S2をS2=24mm〜33ｍｍまで変化させてみると、図５に示したように、La値は、シミュレーション値と実測値が良く一致し、図６に示したようにRaは実測でS2に関係なくほぼ一定の1200Ω〜1300Ωとなった。また、ゲイン値は、図６に示したように、シミュレーション値で -3〜-2.5dBi程度であることが分かる。したがって、これらの事実から、チップの種類によってCc値が異なる場合は、その値に応じてS2値を適切に選択すれば、Ccと整合するLaが得られ、しかも、適切なRaが得られ、実用的なゲインを持ったアンテナを製造することが出来る。

以上をまとめると、λ/2波長以下の小型アンテナに並列にインダクタンスLaを接続し、そのインダクタンスの長さS2をチップのCc値に応じて共振するように適切な長さS2とすることにより虚数成分をキャンセルさせ、一方、アンテナ放射抵抗Raは、アンテナの導体損失によってチップ抵抗Rcとほぼ近い値となるため、チップとうまく整合させることができる、ということである。電磁界シミュレーションの結果だけから判断すると、アンテナ放射抵抗Raが大きすぎてチップと整合しないと推測され、通常は本アンテナ設計法は思いつかないが、数々の試作結果から得られた経験的データから、本製造方法が発明された。ここで、本製造方法において重要なのは、チップのRcが1000〜2000Ωと大きいことである。ＲＦＩＤタグに用いられるチップは、受信した放射電界から駆動電力も抽出しているため、チップの動作電圧を得るために、抵抗Rcが大きく設定される。チップの抵抗Rcが小さい場合には、アンテナ放射抵抗Raは、アンテナの導体損失のみによっては、共振が発生するような、チップの抵抗Rcと整合するような値にはならないと考えられる。

また、ダイポール形状は上記に限らず、縦15ｍｍ、横48mmというサイズ内で図８（ａ）、図８（ｂ）のようなダイポール形状が考えられる。ただし、これらの場合、それぞれゲインが-3.6dBi, -3.0dBiとなり、図４のアンテナの方がゲインがやや高いことが分かる。

図９〜図１１は、本発明の第２の実施形態を説明する図である。
ＲＦＩＤにおいては、タグアンテナを、対象とする物体に貼り付けて用いる場合がある。その場合、貼り付けた物体の比誘電率(εr)によって、共振波の波長が変化してしまうため、最適なインダクタンス長をより厳密に選択する必要がある。

図９（ａ）に示したように、縦10ｍｍ横60ｍｍの大きさ（実効全長約75ｍｍ＝λ/4）でダイポールを形成し、第１の実施形態と同様な考えで電磁界シミュレーションと試作測定を用いて設計を行った。アンテナは、貼り付けた物体の厚さをt=１ｍｍ、比誘電率をεr=1, 3, 5と仮定する。（空気がεr=1, プラスチックでεr=3〜4、ゴムでεr=4〜5）その結果、インダクタンス長S2に対して、アンテナのインダクタンスLaは、図１０に示すような値となった。実測とシミュレーション値はほぼ一致することが第１の実施形態から分かっているので、このシミュレーション値は信頼性がある。また、アンテナ試作結果から、アンテナ放射抵抗は、S2値に関係なくRa=1270Ωとなった。また、ゲインのシミュレーション値は図１１に示すような値となる。ここで、εｒが大きいほどゲインが大きくなるのは、εｒが大きいほど波長短縮され、その短縮された波長から見たアンテナ長が大きく見え、放射効率の良いλ/2長に近づくからである。ただし、ここでの計算は、誘電率の誘電損は、tanδ=0.001と仮定しているので、誘電損はアンテナゲインにほとんど影響しない。誘電損が大きい場合、逆にゲインが下がることも考えられる。

図１０より、アンテナのインダクタンス値LaがCc＝0.7pFであるチップと整合する40nHとなるのは、単独でアンテナを用いる場合、つまり、何も貼り付けない場合は、εr=1の曲線からS2=22mmを選択すればよい。 εr=3、厚さ1ｍｍの物体に貼り付ける場合、S2=20mm, また、εr=5、厚さ1ｍｍの物体に貼り付ける場合、S2=18mmを選択すればよい。

実際に、S2=20mmとしてアンテナを試作し、厚さ1ｍｍのプラスチック製品に貼り付けて通信距離を測定した結果、λ/2長折り返しダイポールの65％の通信距離が得られた。通信距離は小さくなっているものの、10ｍｍ×60ｍｍという小型アンテナの割に、65％という通信距離は極めて実用的であるといえる。

本実施形態では、アンテナの片面に貼り付ける場合を想定したが、例えば、アンテナが樹脂で包み込まれる場合等は、アンテナの両面に誘電体が存在するので、本実施形態と同様に電磁界シミュレータでアンテナ両面に誘電体があると想定したLa値対S2値データを取っておけば、同様な方法でアンテナ設計可能である。また、厚さは1ｍｍを想定したが、厚みが厚くなってもその厚さを想定して電磁界シミュレータを用いて計算すればよい。

また、本実施形態に用いるアンテナ形状は、第１の実施形態で用いたような図４、図８の形状のようなアンテナでも良い。

図１２〜図１８は、本発明の第３の実施形態を説明する図である。
図１２に示したように、カードのハーフサイズを想定し、縦37ｍｍ横48ｍｍの大きさ（実効全長約110ｍｍ＝3/8λ）でBowTie形状ダイポール（BowTie部１３）を形成し、第１の実施形態と同様な考えで電磁界シミュレーションと試作測定を用いて設計を行った。その結果、インダクタンス長S1に対して、図１３に示すようなLa値となった。実測とシミュレーション値はほぼ一致することが第１の実施形態から分かっているので、このシミュレーション値は信頼性がある。また、アンテナ試作結果から、アンテナ放射抵抗は、S1値に関係なくRa=1150Ωとなった。また、ゲインのシミュレーション値は図１４に示すような値となる。第１及び第２の実施形態で示してきたアンテナよりもダイポール部分の面積が大きいため、ゲインはそれらより高めになっている。

図１３より、La=40nHとするためには、S1=12.7mmを選択すればよい。
実際に、S1=12.7mmとしてアンテナを試作し、通信距離を測定した結果、λ/2長折り返しダイポールの75％の通信距離が得られた。通信距離が短くなっているが、37ｍｍ×48ｍｍという小型アンテナの割に、75％という通信距離は極めて実用的であるといえる。

ここで、アンテナを形成する場合、Agペーストを混合した導電性インクをフィルム等に印刷する方法がある。この場合、Agペーストの量が多いと、アンテナ１個あたりのコストが高くなる。そこで、図１５に示したように、電流があまり流れないアンテナの一部分をくり抜くようにしてアンテナを形成することが考えられる。図１５では、BowTie部１３がくり抜かれている。一般的に、高周波電流は、導電体のエッジ部分に集中するので、金属面積が大きい場合、中心付近の金属を取り除いてもアンテナ特性にさほど影響しない。特に、このような金属面積の大きいBowTie形状のアンテナの場合には非常に有効である。これまでと同様にLa値、gainを求めると、図１６及び図１７のようになる。インダクタンス部分の金属は十分に残しているため、La値は３角形にくり抜く前の図１２のアンテナとほぼ同じ値を取ることが分かる。ゲイン値は、0.2ｄＢ程度小さくなるだけであるので問題ない。この３角形のくり抜きによって、金属部分面積は、920[mm²]から540[ｍｍ²]に削減され、導電性インクの量を大幅に減らしつつも、元のアンテナ特性をほぼ同等に保つことができる。

実際に、S2=12.5mmとしてアンテナを試作し、通信距離を測定した結果、λ/2長折り返しダイポールの70％の通信距離が得られた。通信距離が短くなっているが、37ｍｍ×48ｍｍという小型で金属面積の少ないアンテナの割に、70％という通信距離は極めて実用的であるといえる。

また、本実施形態では、３角形の環になるように金属部分をくり抜いたが、図１８のようにスリット状にくり抜いても良い。図１８では、BowTie部１３の部分を完全にくり抜く代わりに、スリット状にくり抜いてゲインを確保するという方法を取っている。

また、電流の集中しない部分を取り除く方法は、図４、図９（ａ）にようなアンテナにも有効である。また、実施形態で示したようなアンテナ形状に限らず、電流の集中しない部分を取り除く方法は、極めて有効である。

導電性インクをフィルムに印刷する製造方法の場合、シート（紙、フィルム、ＰＥＴ）上にCu, Ag, Alを主成分とする金属でアンテナを形成する。詳細な製造方法については、米国特許第６、２５９、４０８号明細書を参照されたい。

（付記１）
ダイポールアンテナとチップが実装される給電部とで構成されるタグアンテナにおいて、
アンテナ共振波長の２分の１よりも短い長さのダイポール部と、
該ダイポール部の中央に設けられた給電部と、
該ダイポール部の両端に、該タイポール部の線路幅より広い領域を設けた端部とを有することを特徴とするタグアンテナ。
（付記２）
ダイポールアンテナとチップが実装される給電部とで構成されるタグアンテナにおいて、
アンテナ共振波長の２分の１よりも短い長さのダイポール部と、
該ダイポール部の中央に設けられた給電部と、
該給電部を中心に囲むように形成され、且つ両端がダイポール部に接続されているインダクタンス部と、
該ダイポール部の両端に、該タイポール部の線路幅より広い領域を設けた端部とを有することを特徴とするタグアンテナ。
（付記３）
前記ダイポール部の両端を折り曲げることを特徴とする付記１乃至２のダグアンテナ。
（付記４）
前記ダイポール部の両端双方が近づくように折り曲げることを特徴とする付記１乃至２のダグアンテナ。
（付記５）
前記ダイポール部を蝶の羽根のような形状としたことを特徴とする付記１乃至２のダクアンテナ。
（付記６）
チップに接続されて、該チップへの信号と電力の供給を行うタグアンテナであって、
アンテナ共振波長の２分の１よりも短い長さのダイポール部と、
該ダイポール部に、該タグアンテナのアドミッタンスの虚部が該チップのアドミッタンスの虚部と同等の絶対値を持つように、該タグアンテナのアドミッタンスを調整する長さを持ったインダクタンス部を設け、
該ダイポール部の放射抵抗が、該ダイポール部の損失によって、該チップの抵抗と同程度となるようにすることを特徴とするタグアンテナ。
（付記７）
前記ダイポール部は、内側に回りこむように折り曲げて形成することを特徴とする付記６に記載のタグアンテナ。
（付記８）
前記インダクタンス部は、前記ダイポール部の内側の空きスペースに形成することを特徴とする付記７に記載のタグアンテナ。
（付記９）
前記ダイポール部の長さは、インダクタンス部よりも長いことを特徴とする付記８に記載のタグアンテナ。
（付記１０）
前記インダクタンス部の長さは、前記タグアンテナが貼り付けられる物体の比誘電率及び厚さにしたがって決定されることを特徴とする付記６に記載のタグアンテナ。
（付記１１）
前記ダイポール部の線幅を部分的に広くしたことを特徴とする付記１に記載のタグアンテナ。
（付記１２）
前記ダイポール部の電流密度の低い部分を部分的にくり抜いたように該ダイポール部を形成することを特徴とする付記１１に記載のタグアンテナ。
（付記１３）
前記ダイポール部をスリット状にくり抜くことを特徴とする付記１２に記載のタグアンテナ。
（付記１４）
紙、フィルム、あるいは、ＰＥＴからなるシートに銅、銀、あるいは、金を主成分とする金属を含む液体を使って、印刷と同様の手法で前記ダイポール部とインダクタンス部を形成することを特徴とする付記１に記載のタグアンテナ。

１０ ダイポール部
１１ 給電部
１２ インダクタンス部
１３ BowTie部

Claims (2)

1. ダイポールアンテナとチップが実装される給電部とで構成されるタグアンテナにおいて、
   アンテナ共振波長の２分の１波長よりも短い実効長のダイポール部と、
   該ダイポール部の中央に設けられた給電部と、
   該ダイポール部に、該タグアンテナのアドミッタンスの虚部が該チップのアドミッタンスの虚部と同等の絶対値を持つように、該タグアンテナのアドミッタンスを調整する長さを持ったインダクタンス部とを有することを特徴とするタグアンテナ。
2. ダイポールアンテナとチップが実装される給電部とで構成されるタグアンテナにおいて、
   アンテナ共振波長の２分の１波長よりも短い実効長のダイポール部と、
   該ダイポール部の中央に設けられた給電部と、
   該給電部を中心に囲むように形成され、且つ両端がダイポール部に接続されているインダクタンス部とを有することを特徴とするタグアンテナ。