JP2011114633A - アンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステム - Google Patents

アンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステム Download PDF

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Abstract

【課題】 通信可能な領域が広く、近距離通信に適したアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムを提供すること。
【解決手段】 識別タグと通信を行うアンテナ装置であって、給電を受ける第1給電部と、前記第1給電部に電磁界結合され、前記識別タグの読み取りに使用される周波数を含む所定の帯域幅を有する共振器と、前記共振器に電磁界結合されるとともに、所定の抵抗値で終端されるか又は他の電子素子にインピーダンス整合が取れた状態で接続される第2給電部とを含む。
【選択図】図1

Description

リーダライタから供給される電力で識別タグに読み取り用の信号を送り、識別情報を読み取るアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムに関する。
従来より、RFID(Radio Frequency Identification)タグに代表される識別タグを用いたシステムが様々な物品等の管理に利用されている。
RFIDタグは、識別情報を格納するIC(Integrated Circuit:集積回路)チップを含んでおり、リーダライタからRF(Radio Frequency)帯域の読み取り用の信号を受信すると、受信信号の電力でICチップが作動し、識別情報をリーダライタに返信する。これにより、リーダライタでRFIDタグの識別情報を読み取ることができる。
RFIDタグには、電源を内蔵する能動型と、電源を含まずに外部から供給される電界又は磁界を電力源として動作する受動型とがある。受動型は、電源を含まないため、長距離の通信には適さないが、小型で低価格にすることができるという利点がある。
RFIDタグの無線通信に用いる周波数は、各国で定められている。例えば、UHF(Ultra High Frequency:極超短波)帯の場合、日本では、952MHz〜954MHz、又は2.45GHzが代表的である。また、米国では915MHz、欧州(EU)では868MHzが代表的な周波数として割り当てられている。
また、通信距離は、リーダライタに接続するアンテナ装置の種類とRFIDタグに用いるICチップの最小動作電力によるが、例えば、UHF帯の953MHzを使用周波数とするパッチアンテナ装置と受動型のRFIDタグで通信する場合で、約3m〜5mである。
RFIDタグと通信を行うリーダライタに用いられるアンテナ装置としては、パッチアンテナ装置が挙げられるが、パッチアンテナ装置のパッチ導体には高価な銅箔等が用いられるため、製造コストは高い。
ところで、RFIDタグを用いて物品等を管理するシステムには、3m〜5mも通信距離を必要とせず、例えば10センチ以下程度の近距離で物品等の存在の有無を管理するシステムがある。
例えば、RFIDタグを取り付けた物品等をアンテナ装置の上に配設し、物品等の存在の有無を管理するシステムには、物品等がアンテナ装置から離れたことを管理するために、通信距離の短い(近距離通信用の)アンテナ装置が必要になる。
このような近距離通信用のアンテナ装置として、給電部と終端抵抗器の間に配設される連続的な伝送路と、伝送路から分岐する分岐線路とを含み、伝送路又は分岐線路の近傍にだけ電磁又は磁界を発生させることにより、通信距離を短くしたアンテナ装置がある。
また、分岐線路を含まずに、伝送路をミアンダ形状に形成した近距離通信用のアンテナ装置もある。
近距離通信用のアンテナ装置は、高価なパッチ導体を用いないため、製造コストを大幅に低くすることができる。
特開2007−306438号公報 特表2008−519571号公報
ところで、従来の近距離通信用のアンテナ装置は、給電部と終端抵抗器の間が伝送路で接続されているため、伝送損失が大きく、RFIDタグとの通信に必要な電力を十分に得られない場合があった。
このため、アンテナ装置の真上でも、RFIDタグと通信を行えず、識別情報を読み取れない領域が生じる場合があった。このような傾向は、特に、終端抵抗器に近い側で顕著であった。
また、分岐線路を有するアンテナ装置において、RFIDタグと通信可能な領域を拡大しようとして分岐線路を増やすと、伝送路をさらに長くする必要が生じるため、伝送損失がさらに増大し、終端抵抗器に近い側で電力が低下する場合があった。このため、分岐線路を増やしても、RFIDタグと通信可能な領域が拡大されない場合があった。
また、伝送路をミアンダ形状に形成したアンテナ装置においても、伝送損失の増大は同様に生じるため、アンテナ装置の真上でも、RFIDタグの識別情報を読み取れない領域が生じる場合があった。このような場合に、識別情報を読み取れない領域を減らそうとしてミアンダ形状の折り返し部の数を増やすと、伝送路がさらに長くなるため、さらに伝送損失が増大するという問題が生じていた。このため、ミアンダ形状の折り返し部の数を増やしても、RFIDタグと通信可能な領域が拡大されない場合があった。
そこで、通信可能な領域が広く、近距離通信に適したアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムを提供することを目的とする。
本発明の実施の形態の一観点のアンテナ装置は、識別タグと通信を行うアンテナ装置であって、給電を受ける第1給電部と、前記第1給電部に電磁界結合され、前記識別タグの読み取りに使用される周波数を含む所定の帯域幅を有する共振器と、前記共振器に電磁界結合されるとともに、所定の抵抗値で終端されるか又は他の電子素子にインピーダンス整合が取れた状態で接続される第2給電部とを含む。
通信可能な領域が広く、近距離通信に適したアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムを提供できる。
実施の形態1のアンテナ装置を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A'矢視断面図、(c)は底面図である。 実施の形態1のアンテナ装置と通信を行うRFIDタグを示す図であり、(a)は平面図、(b)はRFIDタグの等価回路図である。 実施の形態1のアンテナ装置100にリーダライタを接続した状態を示す図である。 実施の形態1のアンテナ装置の共振器上に設置されたRFIDタグに発生する電力の周波数特性を示すシミュレーション結果である。 (a)は、比較用のアンテナ装置をリーダライタ60に接続した状態を示す図、(b)は(a)のアンテナ装置の上に設置したRFIDタグに発生する電力の周波数特性を示すシミュレーション結果である。 (a)は、実施の形態2のアンテナ装置200を示す平面図、(b)はアンテナ装置200をリーダライタ60に接続した状態を示す図である。 実施の形態3のアンテナ装置300を示す斜視図である。 実施の形態4のアンテナ装置400を示す図であり、(a)は平面図、(b)は底面図である。 実施の形態5のアンテナ装置500を示す斜視図である。 実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムを示す図である。 実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムで用いる識別IDと物品データとの関係を表すテーブルを示す図である。 実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムによる物品管理処理の手順を示す図である。 実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムにおいてアンテナ装置の上に物品を置いた状態を示す斜視図である。
以下、本発明のアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムを適用した実施の形態について説明する。
[実施の形態1]
図1は、実施の形態1のアンテナ装置を示す図であり、(a)は平面図、(b)は(a)のA−A'矢視断面図、(c)は底面図である。実施の形態1のアンテナ装置100は、RFIDタグの識別情報を読み取るためのリーダライタに接続され、近接されるRFIDタグと通信を行うアンテナ装置である。ここでは、まず、アンテナ装置100についての説明を行い、RFIDタグ及びリーダライタについては、図2及び図3を用いて後述する。
実施の形態1のアンテナ装置100は、プリント基板10、プリント基板10の表面10Aに形成された給電線11、12、共振器20、及びプリント基板10の裏面10Bに形成された地板30を含む。
プリント基板10は、例えばFR4(ガラス布基材エポキシ樹脂基板)であり、例えば、誘電率εr=4.4、誘電正接tanδ=0.002のものを用いることができる。プリント基板10は、表面10Aに、給電線11、12、及び共振器20が形成されるとともに、裏面10Bには地板30となる銅箔が一面に形成されている(図1(b)、(c)参照)。なお、プリント基板10のサイズは、例えば、長さ(図1(a)中縦方向の長さ)80mm、幅(図1(a)中横方向の幅)80mm、厚さ1mmである。
給電線11、12、及び共振器20は、プリント基板10の表面10Aの一面に形成した銅箔を、例えば、レジストを用いたエッチング処理によってパターニングすることによって形成される。
実施の形態1では、給電線11、12、及び共振器20には、すべて同一線幅のマイクロストリップラインを用いる。マイクロストリップラインの厚さは、例えば、0.03mmであり、これは、例えば、プリント基板10の裏面10Bに形成される地板30と同一の厚さに設定される。
なお、実施の形態1では、給電線11、12、及び共振器20は、例えば、プリント基板10の表面10A上で、剥き出しの状態である。
給電線11は、両端が開放されたマイクロストリップラインを長手方向に対して平面視で直角に折り曲げて逆L字型にした形状を有する第1給電部であり、端部11A、端部11B、折り曲げ部11C、直線部11D、及び直線部11Eを含む。直線部11Dは、端部11Aと折り曲げ部11Cとの間の直線部であり、直線部11Eは、折り曲げ部11Cと端部11Bとの間の直線部である。実施の形態1では、RFIDタグを読み取るためのリーダライタが端部11Aに接続され、端部11Aを介して給電線11に給電が行われる。
給電線11は、後述する共振器20の共振素子21とインピーダンス整合が取れるように、直線部11Eと共振素子21との間隔、マイクロストリップラインの線幅と厚さ、及び直線部11Eの長さ等が調整されて表面10A上に形成されている。このため、給電線11は、共振素子21とインピーダンス整合が取られた状態で電磁界結合されている。
これは、給電線11と共振素子21との間を略無反射の状態にすることにより、給電線11から共振素子21に電力を供給する際の電力損失を略零にするためである。
給電線12は、両端が開放されたマイクロストリップラインを長手方向に対して平面視で直角に折り曲げてL字型にした形状を有する第2給電部であり、端部12A、端部12B、折り曲げ部12C、直線部12D、及び直線部12Eを含む。直線部12Dは、端部12Aと折り曲げ部12Cとの間の直線部であり、直線部12Eは、折り曲げ部12Cと端部12Bの間の直線部である。実施の形態1では、端部12Aには、終端抵抗器40が接続される。
給電線12は、後述する共振器20の共振素子25とインピーダンス整合が取れるように、直線部12Eと共振素子25との間隔、マイクロストリップラインの線幅と厚さ、及び直線部12Eの長さ等が調整されて表面10A上に形成されている。このため、給電線12は、共振素子25とインピーダンス整合が取られた状態で電磁界結合されている。
これは、給電線12と共振素子25との間を略無反射の状態にすることにより、給電線12から共振素子25に電力を供給する際の電力損失を略零にするためである。
ここで、終端抵抗器40のインピーダンスは、終端抵抗器40を取り外した状態で、端部12Aから給電線12、共振器20、及び給電線11を見た場合の入力インピーダンスと一致するように設定すればよい。実施の形態1のアンテナ装置100の入力インピーダンスは50(Ω)に設定するため、終端抵抗器40のインピーダンスは、50(Ω)に設定すればよい。これにより、給電線12の端部12Aは、所定の抵抗値で終端されることになる。
なお、実施の形態1のアンテナ装置100は、図1(a)に示すように、左右対称に形成されるため、給電線11と12を入れ替えて用いてもよい。すなわち、端部11Aに終端抵抗器40を接続するとともに、端部12Aにリーダライタを接続してもよい。
共振器20は、共振素子21、22、23、24、及び25を含む。共振素子21〜25は、電磁波が所定の周波数帯域で共振する線路であり、共振器20は、共振素子21〜25間の電磁界結合により、所定の周波数帯域の電磁波を通過させる。共振素子21〜25は、すべて同一形状に形成されている。共振素子21〜25の各々は、両端が開放されたマイクロストリップラインを長手方向の中心点で折り返して平面視でヘアピン型にした形状を有する共振素子である。共振素子21〜25の長さは、例えば、共振素子21〜25内での使用周波数における波長λの略半波長分(λ/2)に設定される。このように、実施の形態1では、共振素子21〜25がヘアピン型なので、アンテナ装置100の小型化を図ることができる。
ここで、使用周波数とは、後述するリーダライタが出力するRF帯域の搬送波の周波数である。実施の形態1では、一例として、使用周波数が953MHzの場合について説明を行う。
このため、プリント基板10の表面10A上に形成され、上面が剥き出しとなる共振素子21〜25の長さは、プリント基板10の厚さ及び誘電率(εr=4.4)と空気の誘電率(εs=1.00058)等を考慮して決定される。
共振素子21〜25内での半波長(λ/2)は、例えば、約92.8mmに設定される。共振素子21〜25の長さは、電磁界シミュレータで導出することができる。
共振素子21は、開放端21A、短絡端21B、及び一対の直線部21Cを有する。同様に、共振素子22〜25は、それぞれ、開放端22A〜25A、短絡端22B〜25B、及び一対の直線部22C〜25Cを有する。
共振素子21〜25は、一対の直線部21C〜25Cの長さ方向の位置を揃えた状態で、互いに等間隔で平行に並べられている。
なお、一対の直線部同士の間隔について共振素子21を用いて説明すると、直線部21C同士の間隔は、例えば、共振素子21のマイクロストリップラインの線幅の2倍に設定することができる。
図1(a)に示すように、共振素子21は、一対の直線部21Cのうちの一方(図1(a)中左側の直線部21C)が逆L字型の給電線11の直線部11Eと平行になるように配設される。
共振素子21は、給電線11とインピーダンス整合が取れるように、直線部11Eと図1(a)中左側の直線部21Cとの間隔が調整されて表面10A上に形成されている。このため、共振素子21は、給電線11とインピーダンス整合が取られた状態で電磁界結合されている。
共振素子21〜25の各々は、開放端21A〜25Aと短絡端21B〜25Bが互い違いになるように形成される。
共振素子21は、開放端21Aが給電線11の折り曲げ部11Cに近い側に位置するとともに、短絡端21Bが給電線11の端部11Bに近い側に位置するように形成される。
共振素子22は、開放端22Aが共振素子21の短絡端21Bに近い側に位置するとともに、短絡端22Bが共振素子21の開放端21Aに近い側に位置するように形成される。
共振素子23は、開放端23Aが共振素子22の短絡端22Bに近い側に位置するとともに、短絡端23Bが共振素子22の開放端22Aに近い側に位置するように形成される。
共振素子24は、開放端24Aが共振素子23の短絡端23Bに近い側に位置するとともに、短絡端24Bが共振素子23の開放端23Aに近い側に位置するように形成される。
共振素子25は、開放端25Aが共振素子24の短絡端24Bに近い側に位置するとともに、短絡端25Bが共振素子24の開放端24Aに近い側に位置するように形成される。
これにより、共振素子25は、開放端25Aが給電線路12の折り曲げ部12Cに近い側に位置するとともに、短絡端25Bが給電線路12の端部12Bに近い側に位置するように配設されている。
このような共振素子21〜25では、共振素子21は共振素子22と電磁界結合され、共振素子22は共振素子23と電磁界結合され、共振素子23は共振素子24と電磁界結合され、共振素子24は共振素子25と電磁界結合される。このように、共振素子21〜25の各々は、隣り合う共振素子同士で電磁界結合している。
ここで、共振素子21〜25は、上述のように共振素子21〜25内での使用周波数の波長λの半波長の長さに設定されているため、給電線11又は12を介して使用周波数の電力が供給されると、使用周波数を中心周波数とする共振を生じる。
また、共振素子21〜25は、上述のように隣り合う共振素子同士で電磁界結合しているため、中心周波数から拡がる所定の帯域幅を有する。
帯域幅は、共振素子21〜25の結合係数によって決まり、結合係数は、隣り合う共振素子同士の間隔によって決まる。
このため、共振素子21〜25の隣り合う共振素子同士の間隔は、使用周波数を共振の中心周波数として所定の帯域幅を有するように設定されている。
なお、共振素子25は、一対の直線部25Cのうちの一方(図1(a)中右側の直線部25C)がL字型の給電線12の直線部12Eと平行になるように配設されており、給電線12とインピーダンス整合が取られた状態で電磁界結合されている。
以上のように、実施の形態1のアンテナ装置100では、給電線11、12、共振素子21、22、23、24、及び25は、隣り合う素子同士で電磁界結合している。
また、共振素子21〜25は、RFIDタグの識別情報を読み取るための使用周波数における波長λの半波長(λ/2)の長さに設定されるとともに、使用周波数を中心周波数として所定の帯域幅を有するように共振素子同士の間隔が設定されている。
共振素子21〜25の各々は、給電線11又は12を介して使用周波数(953MHz)の電波が供給されると、使用周波数を中心周波数とする共振を生じ、中心周波数を中心として結合係数によって決定される所定の帯域幅を有する。共振素子21〜25の帯域幅については、シミュレーション結果を用いて後述する。
なお、給電線11、共振素子21〜25、及び給電線12について、間にある共振素子を飛び越しての電磁界結合は無視できるため、ここでは無視して検討を行う。
図2は、実施の形態1のアンテナ装置と通信を行うRFIDタグを示す図であり、(a)は平面図、(b)はRFIDタグの等価回路図である。
図2(a)に示すように、実施の形態1のアンテナ装置100と通信を行うRFIDタグ50は、樹脂製のシート51、ループアンテナ部52、バイパス線路部53、及びICチップ54を含む。RFIDタグ50は、電源を含まず、外部から供給される電力によって動作する受動型のRFIDタグである。
シート51は、例えば、幅w=16mm、長さl=16mm、厚さ0.1mmの平面視正方形の樹脂フィルムである。
ループアンテナ部52は、シート51の表面上に形成される矩形環状のループアンテナ部であり、ICチップ54に接続するための端子52A及び52Bを有する。端子52Aと52Bの間には、ループアンテナ部52は形成されておらず、ICチップ54によって接続される。なお、ループアンテナ部52の寸法は、例えば、辺Aの長さa=12mm、辺Bの長さb=15mm、幅w1=1mmである。
なお、ここに示すループアンテナ部52のループの寸法は、実施の形態1のアンテナ装置100の共振素子21〜25のサイズに合わせて選択した一例としての寸法であり、この数値以外を除外する趣旨ではない。
バイパス線路部53は、シート51の表面上に形成され、ループアンテナ部52のループの一部をバイパスすることにより、ループアンテナ部52に高周波電流が通流した場合におけるインダクタンス成分を調節するためのバイパス部である。インダクタンスは、ループアンテナ部52のループ内におけるバイパス線路部53の位置で決まる。図2(a)に示すRFIDタグ50では、バイパス線路部53は、ループアンテナ部52の矩形状のループの辺Aに平行に挿入され、辺Bの長さbに対する"c"で示す寸法で挿入される位置が決定される。
なお、ループアンテナ部52及びバイパス線路部53としては、例えば、銀ペースト又は銅薄膜を用いることができる。銀ペーストの場合は、例えば、インクトナーに銀粉を混合してインクジェット方式で印刷することによって形成することができる。また、銅薄膜の場合は、例えば、シート51の表面に形成された銅薄膜をウェットエッチングすることによって形成することができる。
ICチップ54は、シート51の表面上に配設され、例えば256byte程度の容量のROM(Read Only Memory)を含むICチップであり、2つの端子54A及び54Bを有する。端子54Aは、ループアンテナ部52の端子52Aに半田によって接続され、端子54Bは、ループアンテナ部52の端子52Bに半田によって接続される。このように、ICチップ54がループアンテナ部52の端子52Aと52Bとの間に挿入されることにより、ループアンテナ部52の矩形状のループが閉じられる。
図2(b)の等価回路図に示すように、ループアンテナ部52及びバイパス線路部53は、抵抗器R1とインダクタL1を含み、ICチップ54は、抵抗器R2とキャパシタC1を含む。上述したように、ループアンテナ部52の端子52Aと、ICチップ54の端子54Aは接続され、ループアンテナ部52の端子52Bと、ICチップ54の端子54Bは接続されている。
ここで、図2(b)に示すインダクタL1のインダクタンスは、ループアンテナ部52内におけるバイパス線路部53の位置(図2(a)参照)によって決定される。
また、図2(b)に示すキャパシタC1の静電容量は、ICチップ54の種類(主にROM等のメモリの容量)によって決定される。
このため、図2(a)に示す長さ"c"は、アンテナ装置100から放射される電波によってループアンテナ部52を貫く磁界が変化したときに、図2(b)に示す左右の回路のインピーダンス整合が取れ、ループアンテナ部52に共振電流が得られるように値が設定されている。
図3は、実施の形態1のアンテナ装置100にリーダライタを接続した状態を示す図である。
図3では、実施の形態1のアンテナ装置100の給電線11の端部11Aが読取装置としてのリーダライタ(RW:Reader Writer)60に接続され、RFIDタグ50は、共振素子24の短絡部24Bの上に置かれている。また、リーダライタ60には、PC(Personal Computer:パーソナルコンピュータ)70が接続されている。
リーダライタ60は、アンテナ装置100からRFIDタグ50に識別情報を読み取るための読み取り信号を搬送波に重畳して送信し、RFIDタグ50から返信される識別情報を復調して読み取る読取装置である。
PC70は、リーダライタ60が読み取る識別情報に基づき、RFIDタグ50の有無を判定し、判定結果に基づき所定の処理を実行する演算処理装置である。PC70が実行する処理については、実施の形態6で説明する。
リーダライタ60がアンテナ装置100を介して読み取り信号を搬送波に重畳して送信すると、RFIDタグ50内のループアンテナ部52を貫く磁界が変化し、ループアンテナ部52に共振電流が流れる。これにより、ICチップ54に十分な電力が供給され、ICチップ54は動作が可能になる。なお、このとき、RFIDタグ50は共振器20と電磁界結合されている。
ICチップ54は、ループアンテナ部52を介して電力が供給されると、ROM内の識別情報を読み出し、ループアンテナ部52を介して識別情報を発信(返信)する。
RFIDタグ50から発信された識別情報は、アンテナ装置100で受信され、リーダライタ60で読み取られる。リーダライタ60で読み取った識別情報は、PC70に入力されるので、PC70では所定のプログラムを実行することにより、RFIDタグ50の存在の有無を判定することができる。
図4は、実施の形態1のアンテナ装置の共振器上に設置されたRFIDタグに発生する電力の周波数特性を示すシミュレーション結果である。これは、図3に示すリーダライタ60からアンテナ装置100に10dBmの電力を供給した場合に、RFIDタグ50に発生する電力の周波数特性を表すシミュレーション結果であり、電磁界シミュレータによって導出した結果である。
図4(a)は開放端21A〜25AにRFIDタグ50を設置した場合の電力の周波数特性、(b)は短絡端21B〜25BにRFIDタグ50を設置した場合の電力の周波数特性を示す。
なお、一般に、RFIDタグと通信を行い、正常に動作させて識別情報を発信させるためには、−12.5dBm程度の電力がRFIDタグに供給されることが必要となる。このため、図4(a)、(b)には、判断指標とする−12.5dBmのレベルを破線で示す。
図4(a)に示すように、開放端については、開放端21A〜25Aのすべてについて、約940MHz前後から約970MHz前後にわたって、−12.5dBm以上の出力が得られた。
中心周波数となる953MHzでは、開放端21A〜25Aのすべてで、約−8dBm以上の出力が得られ、開放端22Aと24Aでは、約4dBm程度の非常に高い出力が得られた。
また、終端点である端部12Aに近い側の開放端(例えば、24A、25A)の出力の方が低いという傾向は開放端21A〜25Aについては特に見られなかった。これより、端部12Aに近い側の開放端においても、RFIDタグ50のICチップ54を動作させるのに十分な電力を得られることが分かった。
また、図4(b)に示すように、短絡端については、短絡端21B〜25Bのすべてについて、約920MHz前後から約970MHz前後にわたって、−12.5dBm以上の出力が得られた。
中心周波数となる953MHzでは、短絡端21B〜25Bのすべてで、約−6dBm以上の出力が得られ、短絡端21Bでは約9dBm程度、短絡端22Bでは約7dBm程度の非常に高い出力が得られた。
また、終端点である端部12Aに近い側の短絡端23B、24B、25Bの出力は、給電点である端部11Aに近い側の短絡端21B、22Bより若干低いが、それでも約940MHz前後から約960MHz前後にかけて、−5dBm以上の非常に高い出力が得られた。これより、端部12Aに近い側の短絡端においても、RFIDタグ50のICチップ54を動作させるのに十分な電力を得られることが分かった。
次に、比較例として、共振器20と給電線11及び12の代わりに、ミアンダ状に折り曲げたマイクロストリップラインをプリント基板10の表面10A上に形成した比較用のアンテナ素子にRFIDタグ50を設置した場合の出力特性について説明する。
図5(a)は、比較用のアンテナ装置をリーダライタ60及びPC70に接続した状態を示す図、図5(b)は(a)のアンテナ装置の上に設置したRFIDタグに発生する電力の周波数特性を示すシミュレーション結果である。図5(b)に示す結果は、図4に示す結果と同様に、リーダライタ60から比較用のアンテナ装置に10dBmの電力を供給した場合に、RFIDタグ50に発生する電力の周波数特性を表すシミュレーション結果であり、電磁界シミュレータによって導出した結果である。
図5(a)に示す比較用のアンテナ装置は、図1及び図3に示す端部11A及び12Aの間の共振器20と給電線11及び12の代わりに、ミアンダ形状のマイクロストリップライン80で端部80A(給電点)と端部80A(終端点)を接続したアンテナ装置である。
ミアンダ形状のマイクロストリップライン80は、レジストを用いたエッチング処理によって銅箔をパターニングすることによって形成することができ、端部80Aと80Bの間の線路長及びミアンダの数は、設計に応じて任意に設定することができる。
RFIDタグ50は、図5(a)に示すように、マイクロストリップライン80のミアンダ部のうち、給電点である端部80Aに一番近い部位に設置した。
図5(b)に示すように、900MHzから1000MHzにわたって−8dBm以上の出力が得られた。
しかしながら、図5(b)に示す結果は、ミアンダ形状のマイクロストリップライン80のうち、給電点である端部11Aに一番近い場所で得られた出力である。伝送路の長いミアンダ形状のマイクロストリップライン80では、終端点である端部12Aに近い側では、7dBm〜10dBm程度の低下が予想されるため、端部12Aに近い側では、RFIDタグ50が動作できない可能性が高い。
また、今回は、RFIDタグ50を読み取るために、無線局免許状が不要な電力の最大値(10dBm)の電力をリーダライタから供給する条件でシミュレーションを行ったが、実際には、10dBmよりも低い電力を用いて通信を行う場合がある。このような場合にも、特に終端点側ではRFIDタグ50が動作できない可能性が高い。
これに対して、実施の形態1のアンテナ装置100は、比較用のアンテナ装置と比べると、図4に示すように、約7dBm〜10dBm程度高い出力が得られる。
実施の形態1のアンテナ装置100では、共振素子21〜25の長さが使用周波数における波長の半波長分に設定されているため、共振素子21〜25の各々で共振が生じ、開放端21A〜25Aで電圧値が最大となり、短絡端21B〜25Bで電流値が最大になる。
このため、比較用のアンテナ装置と比べて、開放端21A〜25Aでは電界が大きくなり、また、短絡端21B〜25Bでは磁界が大きくなり、上述のように高い出力が得られたことと考えられる。
なお、開放端21A〜25Aと短絡端21B〜25Bで上述のように高い出力が得られるため、開放端21A〜25Aと短絡端21B〜25Bの間においても、比較的高い電圧値及び電流値が得られることと考えられる。
以上より、実施の形態1のアンテナ装置100によれば、共振器20の上の全領域A(図3参照)において、RFIDタグ50に通信に必要な十分な電力を供給できるので、共振器20の上の全領域Aで識別情報を読み取ることができる。
また、RFIDタグ50に付着物がある場合、又は共振器20の表面に付着物がある場合には、通信周波数が使用周波数(953MHz)からずれる場合がある。このような場合でも、実施の形態1のアンテナ装置100は、共振の中心周波数となる953MHzを含む約20MHz〜30MHz以上の帯域幅を有するので、安定的にRFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
また、実際の利用で、リーダライタから供給される電力が10dBmよりも低くなっても、比較用のアンテナ装置よりも−12.5dBm(判断指標)までの余裕が大きいため、共振器20の上面の全領域でRFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
以上のように、実施の形態1によれば、共振器20の上の全領域でRFIDタグ50の識別情報を読み取ることができ、従来のアンテナ装置よりも通信可能な領域を拡大したアンテナ装置100を提供することができる。
また、実施の形態1では、共振素子21〜25の開放端21A〜25Aと短絡端21B〜25Bを互い違いに配列したので、共振器20の全領域内における電界と磁界の分布が平準化され、全領域での通信状態を平準化することができる。
また、上述のように、共振器20の上面の全領域でRFIDタグ50を読み取ることができるので、終端側又は分岐線路同士の間で読み取りにくい従来のアンテナ装置に比べて、利用者にとって使い勝手の非常に良いアンテナ装置100を提供することができる。
なお、実施の形態1のアンテナ装置100は、プリント基板10の表面10A上に形成した給電線11、12、共振器20、及び裏面に形成した地板30で実現されるので、パッチアンテナ装置に比べると非常に安価に作製することができる。
また、以上では、アンテナ装置100の共振器20の上にRFIDタグ50を直接置いた場合について説明したが、実施の形態1のアンテナ装置100は、RFIDタグ50が共振器20の表面から約10センチ程度離れていても識別情報を読み取ることができる。
また、以上では、共振器20に含まれるヘアピン型の共振素子21〜25が互い違いに配列される形態について説明したが、共振素子21〜25の並べ方は、図1(a)に示す並べ方に限定されるものではない。給電線11と共振素子21、及び共振素子25と給電線12のインピーダンス整合が取れ、かつ、共振器20の全領域が通信可能になれば、共振素子21〜25は、図1(a)の並べ方とは開放端21A〜25Aと短絡端21B〜25Bが逆であってもよく、又はランダムな並べ方であってもよい。
また、以上では、共振器20が5つの共振素子21〜25を含む形態について説明したが、共振素子の数は5つに限られるものではない。共振素子の数は、例えば、アンテナ装置100の用途に応じて必要な帯域幅を得るために最適な数に設定すればよく、少なくとも1つあればよい。
また、以上では、給電線11及び12が逆L字型及びL字型に折り曲げられたマイクロストリップラインである形態について説明した。しかしながら、給電線11及び12は、それぞれ、共振素子21及び25とインピーダンス整合が取れる形状及び寸法であれば、上述の形状及び寸法のものに限定されるものではない。
また、給電線11、12は、マイクロストリップラインではなく、コプレーナ導波路であってもよい。
また、以上では、給電線12の端部12Aに終端抵抗器40が直接接続される形態について説明したが、端部12Aには、例えば、インピーダンスが50(Ω)の同軸ケーブルを介して終端抵抗器40が接続されてもよい。また、端部12Aに、従来のパッチアンテナ装置が接続されてもよい。ここで、端部12Aにインピーダンスが50(Ω)のパッチアンテナ装置が接続される場合は、給電線12の端部12Aは、他の電子素子(パッチアンテナ装置)にインピーダンス整合が取られた状態で接続されることになる。
また、以上では、リーダライタ60の使用周波数が日本国規格用のUHF帯の953MHzであり、共振素子21〜25の寸法を953MHzにおける波長に合わせた形態について説明した。しかしながら、日本以外の国又は地域で用いる場合には、共振素子21〜25の寸法を仕向先で定められている周波数に合わせて作製すればよい。例えば、米国又は欧州(EU)においてUHF帯で用いる場合には、共振素子21〜25の長さを米国規格用の915MHz又は欧州(EU)規格用の868MHzにおける波長λの半波長分の長さに設定すればよい。
また、以上では、リーダライタの使用周波数がUHF帯の953MHzである場合について説明したが、マイクロ波帯(例えば、2.45GHz)を用いる場合には、マイクロ波帯の周波数に合わせて共振素子21〜25の寸法を設定すればよい。
また、以上では、RFIDタグ50のICチップ54が識別情報の読み出しだけを行うことができるICチップである形態について説明したが、リーダライタ60から受信したデータを書き込めるICチップであってもよい。
また、以上では、アンテナ装置100に接続される読取装置がリーダライタ60である形態について説明したが、アンテナ装置100に接続される読取装置は、識別情報の読み取りができればよいため、書き込み(ライト)は行えなくてもよい。
[実施の形態2]
図6(a)は、実施の形態2のアンテナ装置200を示す平面図、図6(b)はアンテナ装置200をリーダライタ60に接続した状態を示す図である。
実施の形態2のアンテナ装置200は、プリント基板10の表面10A上に形成される共振器220と給電線211、212の形状が実施の形態1のアンテナ装置100と異なる。その他の要素は、実施の形態1のアンテナ装置100と同一であるため、同一の要素には同一符号を付し、その説明を省略する。また、以下では、実施の形態1との相違点を中心に説明を行う。
図6(a)に示すように、共振器220は、直線状の5つの共振素子221、222、223、224、及び225を有する。
共振素子221〜225は、すべて同一形状に形成されており、両端が開放された直線状のマイクロストリップラインである。共振素子221〜225の長さは、例えば、共振素子221〜225での使用周波数における波長λの略半波長分(λ/2)に設定される。
なお、実施の形態2では使用周波数を953MHzとする。
このため、プリント基板10の表面10A上に形成され、上面が剥き出しとなる共振素子221〜225の長さは、プリント基板10の厚さ及び誘電率(εr=4.4)と空気の誘電率(εs=1.00058)等を考慮して決定される。
共振素子221〜225内での半波長(λ/2)は、例えば、約92.8mmに設定される。共振素子221〜225の長さは、電磁界シミュレータで導出することができる。
共振素子221〜225は、プリント基板10の表面10Aに等間隔で互いに平行に、かつ、平面視で長方形の表面10Aの四辺に対して斜めに配設されるように配列されている。
共振素子221〜225の一方の端部221A〜225Aは、すべてプリント基板10の辺Xと平行な同一直線l1上に位置するように配列されている。このため、共振素子221〜225の他方の端部221B〜225Bも、辺Xと平行な同一直線l2上に位置するように配列されている。なお、共振素子221〜225と直線l1のなす角θは、例えば、45度に設定されている。
また、共振素子221〜225は、例えば、5本の共振素子221〜225のうちの中央に配設される共振素子223の長手方向における中心点223Cが表面10Aの中心と一致するように配列されている。この場合、中心点223Cを対称の中心として共振素子221〜225を点対称に形成することができる。
また、図6(a)に示すように、実施の形態2の給電線211、212は、両端が開放された直線状のマイクロストリップラインである。
給電線211の長さは、隣り合う共振素子221とのインピーダンス整合を得るために、共振素子221との間隔を考慮して、最適な長さに設定すればよいが、図6(a)には、一例として、共振素子221〜225と同一の長さ(λ/2)である場合を示す。
同様に、給電線212の長さは、隣り合う共振素子225とのインピーダンス整合を得るために、共振素子225との間隔を考慮して、最適な長さに設定すればよいが、図6(a)には、一例として、共振素子221〜225と同一の長さ(λ/2)である場合を示す。
給電線211は、プリント基板10の表面10A上において、共振素子221の隣に平行に形成されている。
給電線211は、一端に給電点となる端部211Aを有する。端部211Aは、プリント基板10の端に位置する。給電線211は、共振素子221〜225と同一の長さを有するため、他端211Bは、直線l2からオフセットしている。
また、給電線211と共振素子221との間隔は、給電線211と共振素子221とのインピーダンス整合が取れるように調整されている。
このため、給電線211は、共振素子221とインピーダンス整合が取られた状態で、共振素子221と電磁界結合されている。
これは、給電線211と共振素子221との間を略無反射の状態にすることにより、給電線211から共振素子221に電力を供給する際の電力損失を略零にするためである。
なお、給電線211と共振素子21との間隔、給電線211の長さ、線幅、及び厚さ等は、給電線211と共振素子221とのインピーダンス整合が取れるように設定されていればよく、上述した間隔、長さ、線幅、厚さに限られるものではない。
給電線212は、プリント基板10の表面10A上において、共振素子225の隣に平行に形成されている。
給電線212は、一端に終端点となる端部212Aを有する。端部212Aは、プリント基板10の端に位置する。端部212Aには、終端抵抗器40が接続される。
給電線212は、共振素子221〜225と同一の長さを有するため、他端212Bは、直線l1からオフセットしている。
また、給電線212と共振素子225との間隔は、給電線212と共振素子225とのインピーダンス整合が取れるように調整されている。
このため、給電線212は、共振素子225とインピーダンス整合が取られた状態で、共振素子225と電磁界結合されている。
これは、給電線212と共振素子225との間を略無反射の状態にすることにより、給電線212から共振素子225に電力を供給する際の電力損失を略零にするためである。
なお、給電線212と共振素子25との間隔、給電線212の長さ、線幅、及び厚さ等は、給電線212と共振素子225とのインピーダンス整合が取れるように設定されていればよく、上述した間隔、長さ、線幅、厚さに限られるものではない。
ここで、終端抵抗器40のインピーダンスは、終端抵抗器40を取り外した状態で、端部212Aから給電線212、共振器220、及び給電線211を見た場合の入力インピーダンスと一致するように設定されればよい。実施の形態2のアンテナ装置200の入力インピーダンスは50(Ω)に設定するため、終端抵抗器40のインピーダンスは、50(Ω)に設定すればよい。
このような共振素子221〜225では、共振素子221は共振素子222と電磁界結合され、共振素子222は共振素子223と電磁界結合され、共振素子223は共振素子224と電磁界結合され、共振素子224は共振素子225と電磁界結合される。このように、共振素子221〜225の各々は、隣り合う共振素子同士で電磁界結合する。
ここで、共振素子221〜225は、上述のように共振素子221〜225内での使用周波数の波長のλ/2の長さに設定されているため、使用周波数の電波が供給されると、使用周波数を中心周波数とする共振を生じる。
また、共振素子221〜225は、上述のように電磁界結合しているため、中心周波数から拡がる所定の帯域幅を有する。
帯域幅は、共振素子221〜225の結合係数によって決まり、結合係数は、隣り合う共振素子同士の間隔によって決まる。
このため、共振素子221〜225の隣り合う共振素子同士の間隔は、使用周波数を共振の中心周波数として所定の帯域幅を有するように設定されている。
なお、共振素子225は、給電線212とインピーダンス整合が取られた状態で、給電線212と電磁界結合されている。
以上のように、実施の形態2のアンテナ装置200では、給電線211、212、共振素子221、222、223、224、及び225は、隣り合う素子同士で電磁界結合している。
また、共振素子221〜225は、RFIDタグの識別情報を読み取るための使用周波数における波長λの半波長(λ/2)の長さに設定されるとともに、使用周波数を共振の中心周波数として所定の帯域幅を有するように共振素子同士の間隔が設定されている。
このため、共振素子221〜225の各々は、給電線211又は212を介して使用周波数(953MHz)の電波が供給されると、使用周波数を中心周波数とする共振を生じ、中心周波数を中心として結合係数によって決定される所定の帯域幅を有する。これは、実施の形態1の共振器20に含まれる共振素子21〜25と同一である。
実施の形態2のアンテナ装置200では、共振素子221〜225の長さが使用周波数における波長の半波長に設定されている。このため、共振素子221〜225の各々で共振が生じ、端部221A〜225Aと端部221B〜225Bで電圧値が最大となり、共振素子221〜225の各々の中央部で電流値が最大になる。
これにより、端部221A〜225Aと端部221B〜225Bでは電界が大きくなり、共振素子221〜225の各々の中央部では磁界が大きくなる。
従って、実施の形態1のアンテナ装置100と同様に、共振器220の上面の全領域でRFIDタグの識別情報を読み取ることができ、従来のアンテナ装置よりも通信可能な領域を拡大したアンテナ装置200を提供することができる。
また、以上のように、実施の形態2のアンテナ装置200では、直線状の共振素子221〜225と給電線路211及び212をプリント基板10の辺Xに対して平面視で斜めに配列してあるため、アンテナ装置200の幅を狭めることができる。
また、実施の形態2のアンテナ装置200は、図6(a)に示すように、中心点223Cを対称の中心として点対称に形成されるため、給電線211と212を入れ替えて用いてもよい。すなわち、端部211Aに終端抵抗器40を接続するとともに、端部212Aにリーダライタを接続してもよい。
また、実施の形態2では、共振器220が5つの直線状の共振素子221〜225を含む形態について説明したが、共振素子の数は5つに限られるものではない。共振素子の数は、例えば、アンテナ装置200の用途に応じて必要な帯域幅を得るために最適な数に設定すればよく、少なくとも1つあればよい。
また、実施の形態2では、共振器220が直線状の共振素子221〜225を含む形態について説明したが、直線状の共振素子に加えて、実施の形態1で用いたヘアピン型の共振素子を含めてもよい。この場合、隣り合う素子間でインピーダンス整合が取れれば、共振素子の個数及び組み合わせは任意に選択することができる。
[実施の形態3]
図7は、実施の形態3のアンテナ装置300を示す斜視図である。
実施の形態3のアンテナ装置300は、実施の形態1のアンテナ装置100を3つ直列に接続したものである。ここでは、3つのアンテナ装置100を区別するために、符号100A、100B、100Cを用いるが、アンテナ装置100A、100B、及び100Cは、いずれも実施の形態1のアンテナ装置100と同一である。従って、アンテナ装置100A、100B、及び100Cは、それぞれ、共振器20を含む。
アンテナ装置100Aの端部11Aは、リーダライタに接続され、給電点となる。アンテナ装置100Aの端部12Aは、アンテナ装置100Bの端部11Aと接続される。アンテナ装置100Bは、アンテナ装置100Aを介して給電を受ける。
アンテナ装置100Bの端部12Aは、アンテナ装置100Cの端部11Aと接続される。アンテナ装置100Cの端部12Aには、終端抵抗器40が接続される。アンテナ装置100Cは、アンテナ装置100A及び100Bを介して給電を受ける。
なお、アンテナ装置100A、100B、及び100Cの接続は、インピーダンスが50(Ω)のコネクタで行ってもよいし、インピーダンス整合が取れるように、半田で接続してもよい。
ここで、アンテナ装置100A、100B、及び100Cは、いずれも同一のインピーダンス(50(Ω))を有するので、3つのアンテナ装置100A、100B、及び100Cを直列に接続しても、インピーダンス整合を取ることができる。
また、実施の形態1において、図4を用いて説明した通り、アンテナ装置100は、共振器20上の全領域において、給電点に近い側であるか終端点に近い側であるかにかかわらず、RFIDタグ50の動作に必要な電力を十分に供給することができる。
このため、図7に示すように3つを直列に接続しても、給電点となるアンテナ装置100Aの端部11Aから一番遠いアンテナ装置100Cの端部12Aに近い側においても、共振器20上でRFIDタグ50を読み取ることができる。
従って、3つのアンテナ装置100A、100B、及び100Cの共振器20の上面の全領域がRFIDタグ50と通信可能な領域になる。
以上より、実施の形態3のアンテナ装置300をリーダライタに接続すれば、3つのアンテナ装置100A、100B、及び100Cの共振器20の上面の全領域で、RFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
なお、実施の形態3では、実施の形態1のアンテナ装置100を3つ直列に接続する形態について説明したが、直列接続する場合のアンテナ装置100の数は3つに限られるものではない。
[実施の形態4]
図8は、実施の形態4のアンテナ装置400を示す図であり、(a)は平面図、(b)は底面図である。
アンテナ装置400は、実施の形態1のアンテナ装置100を2つ並列に配置したものである。なお、並列に配置するにあたり、給電線の形状は実施の形態1のアンテナ装置100と異なる。また、並列配置した状態でインピーダンス整合を取るために、給電線と共振素子の線幅が実施の形態1のアンテナ装置100とは異なる。
図8(a)に示すように、アンテナ装置400は、プリント基板410、プリント基板410の表面410Aに形成された給電線411、412、共振器420A及び420Bを含む。給電線411、412、共振器420A及び420Bには、すべて同一線幅のマイクロストリップラインを用いる。
プリント基板410は、例えばFR4(ガラス布基材エポキシ樹脂基板)であり、例えば、誘電率εr=4.4、誘電正接tanδ=0.002のものを用いることができる。プリント基板410は、実施の形態1のプリント基板10の表面10Aの面積を略2倍にしたものであり、図8(b)に示すように底面には実施の形態1のプリント基板10と同様に地板430が一面に形成されている。
図8(a)に示すように、給電線411は、T字型の給電線であり、端部411A、端部411B、直線部411C、端部411D、及び直線部411Eを有する。端部411Bと411Dは、直線部411C及び411Eを挟んで一直線上に存在する。また、端部411Aは、直線部411Cと411Eの間からT字の基部を形成するように引き出されている。
給電線412は、給電線411と同一形状を有するT字型の給電線であり、端部412A、端部412B、直線部412C、端部412D、及び直線部412Eを有する。端部412Bと412Dは、直線部412C及び412Eを挟んで一直線上に存在する。また、端部412Aは、直線部412Cと412Eの間からT字の基部を形成するように引き出されている。
給電線411と412は、端部411Aと412Aがプリント基板410の中心線l3上に位置してT字が向き合うように配設されている。
共振器420A及び420Bは、それぞれ、共振素子21〜25を含む。共振器420A及び420Bの共振素子21〜25の構造は、実施の形態1の共振素子21〜25と基本的に同一であるが、並列配置でインピーダンス整合を取るために線幅が異なる。
共振器420Aと420Bは、プリント基板410の中心線l3を対称軸として線対称に配列されている。すなわち、共振器420Aに含まれる共振素子21〜25と、共振器420Bに含まれる共振素子21〜25とは、中心線l3を対称軸として線対称に配列されている。
共振器420A及び420Bの各々に含まれる共振素子21〜25では、共振素子21は共振素子22と電磁界結合され、共振素子22は共振素子23と電磁界結合され、共振素子23は共振素子24と電磁界結合され、共振素子24は共振素子25と電磁界結合される。このように、共振素子21〜25の各々は、隣り合う共振素子同士で電磁界結合する。
ここで、共振素子21〜25は、実施の形態1と同様に、共振素子21〜25内での使用周波数の波長λの半波長(λ/2)の長さに設定されているため、給電線11又は12を介して使用周波数の電力が供給されると、使用周波数を中心周波数とする共振を生じる。
また、共振素子21〜25は、上述のように電磁界結合しているため、中心周波数から拡がる所定の帯域幅を有する。
帯域幅は、共振素子21〜25の結合係数によって決まり、結合係数は、隣り合う共振素子同士の間隔によって決まる。
このため、共振素子21〜25の隣り合う共振素子同士の間隔は、使用周波数を共振の中心周波数として所定の帯域幅を有するように設定されている。
給電線411の直線部411Cは、共振器420Aの共振素子21とインピーダンス整合が取れるように調整されて表面410A上に形成されている。具体的には、共振器420Aの共振素子21との間隔、直線部411Cの長さ、線幅、及び厚さ等が調整されている。
同様に、給電線411の直線部411Eは、共振器420Bの共振素子21とインピーダンス整合が取れるように調整されて表面410A上に形成されている。具体的には、共振器420Bの共振素子21との間隔、直線部411Eの長さ、線幅、及び厚さ等が調整されている。
このため、給電線411は、共振器420A及び420Bの両方の共振素子21とインピーダンス整合が取られた状態で、共振素子21と電磁界結合されている。
また、給電線412の直線部412Cは、共振器420Aの共振素子25とインピーダンス整合が取れるように調整されて表面410A上に形成されている。具体的には、共振器420Aの共振素子25との間隔、直線部412Cの長さ、線幅、及び厚さ等が調整されている。
同様に、給電線412の直線部412Eは、共振器420Bの共振素子25とインピーダンス整合が取れるように調整されて表面410A上に形成されている。具体的には、共振器420Bの共振素子25との間隔、直線部412Eの長さ、線幅、及び厚さ等が調整されている。
このため、給電線412は、共振器420A及び420Bの両方の共振素子25とインピーダンス整合が取られた状態で、共振素子25と電磁界結合されている。
従って、共振器420Aと420Bは、給電線411と412に互いに並列に電磁界結合されている。
給電線411、共振器420A、共振器420B、及び給電線412は、例えば、端部411Aから見て、給電線411、共振器420A、共振器420B、及び給電線412の入力インピーダンスが約50(Ω)になるようにインピーダンス整合が取られていればよい。これは、給電線411、共振器420A、共振器420B、及び給電線412の間を略無反射の状態にすることにより、給電線411から共振器420A及び420Bを経て給電線412に電力を供給する際の電力損失を略零にするためである。
なお、実施の形態4のアンテナ装置400は、端部411Aと412Aの間で給電線411、共振器420A、420B、及び給電線312が左右対称にされている。このため、上述のようにインピーダンス整合を取れば、端部412Aから見て、給電線412、共振器420A、共振器420B、及び給電線411の入力インピーダンスが約50(Ω)になるようにインピーダンス整合が取られることになる。
このため、給電線411、共振器420Aに含まれる共振素子21〜25、共振器420B、及び給電線412に含まれる共振素子21〜25は、インピーダンス整合が取られた状態で、隣り合う素子同士が電磁界結合されている。
以上より、実施の形態4のアンテナ装置400をリーダライタに接続すれば、実施の形態1のアンテナ装置100と同様に、RFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
実施の形態1において、図4を用いて説明した通り、アンテナ装置100は、共振器20の上面の全領域においてRFIDタグ50の動作に必要な電力を十分に供給することができる。このため、図8に示すように、2つを並列に接続しても、共振器420A及び420Bの上面の全領域がRFIDタグ50と通信可能な領域になる。
以上より、実施の形態4のアンテナ装置400をリーダライタに接続すれば、共振器420A及び420Bの上面の全領域で、RFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
なお、実施の形態4では、実施の形態1のアンテナ装置100を2つ並列に配置する形態について説明したが、並列配置する個数は、2つに限られるものではない。
[実施の形態5]
図9は、実施の形態5のアンテナ装置500を示す斜視図である。
実施の形態5のアンテナ装置500は、実施の形態4のアンテナ装置400を3つ直列に接続したものである。
ここでは、3つのアンテナ装置400を区別するために、符号400A、400B、400Cを用いるが、アンテナ装置400A、400B、及び400Cは、いずれも実施の形態4のアンテナ装置400と同一である。
アンテナ装置400Aの端部411Aは、リーダライタに接続され、給電点となる。アンテナ装置400Aの端部412Aは、アンテナ装置400Bの端部411Aと接続される。アンテナ装置400Bは、アンテナ装置400Aを介して給電を受ける。
アンテナ装置400Bの端部412Aは、アンテナ装置400Cの端部411Aと接続される。アンテナ装置400Cの端部412Aには、終端抵抗器40が接続される。アンテナ装置400Cは、アンテナ装置400A及び400Bを介して給電を受ける。
なお、アンテナ装置400A、400B、及び400Cの接続は、インピーダンスが50(Ω)のコネクタで行ってもよいし、インピーダンス整合が取れるように、半田で接続してもよい。
ここで、アンテナ装置400A、400B、及び400Cは、いずれも同一のインピーダンス(50(Ω))を有するので、3つのアンテナ装置400A、400B、及び400Cを直列に接続しても、インピーダンス整合を取ることができる。
また、実施の形態1において、図4を用いて説明した通り、アンテナ装置100は、共振器20上の全領域において、給電点に近い側であるか終端点に近い側であるかにかかわらず、RFIDタグ50の動作に必要な電力を十分に供給することができる。これは、実施の形態4のように実施の形態1のアンテナ装置100を2つ並列に配置したアンテナ装置400においても同様である。
このため、実施の形態4のアンテナ装置400を3つ直列に接続しても、給電点となるアンテナ装置400Aの端部411Aから一番遠いアンテナ装置400Cの端部412Aに近い側においても、共振器420A及び420B上でRFIDタグ50を読み取ることができる。
従って、3つのアンテナ装置400A、400B、及び400Cの共振器420A及び420Bの上面の全領域がRFIDタグ50と通信可能な領域になる。
以上より、実施の形態5のアンテナ装置500をリーダライタに接続すれば、実施の形態4のアンテナ装置400と同様に、RFIDタグ50の識別情報を読み取ることができる。
なお、実施の形態5では、実施の形態4のアンテナ装置400を3つ直列に接続する形態について説明したが、直列接続するアンテナ装置400の個数は3つに限られるものではない。
[実施の形態6]
図10は、実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムを示す図である。
実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムは、実施の形態1のアンテナ装置100、を用いた物品の管理を行うシステムである。このため、実施の形態6では、アンテナ装置100の説明については、図1を援用する。
また、実施の形態6のシステムは、アンテナ装置100に加えて、リーダライタ60、PC70、及びパッチアンテナ装置90を含むが、このうち、高価なパッチアンテナ装置90は、システムの用途を広げるための一例として追加したに過ぎず、含まなくてもよい。
アンテナ装置100とリーダライタ60は、保管庫600の内部の棚600Aに設置されている。保管庫600は、パッチアンテナ装置90から放射される電波を遮蔽できる金属で作製されている。
アンテナ装置100の端部12Aには、同軸ケーブル91を介してパッチ導体を有するパッチアンテナ装置90が接続されている。すなわち、リーダライタ60には、アンテナ装置100とパッチアンテナ装置90が直列に接続されている。同軸ケーブル91のインピーダンスは50(Ω)であり、パッチアンテナ装置90のインピーダンスは、同軸ケーブル91とインピーダンス整合が取れるように、50(Ω)に設定されている。このため、パッチアンテナ装置90には、アンテナ装置100及び同軸ケーブル91を介して、略無反射で搬送波に重畳された読み取り信号が入力される。
パッチアンテナ装置90は、例えば3m程度の通信距離を有しており、保管庫600の近傍に設置される作業台601の作業面601A上に配設される。パッチアンテナ装置90の通信可能な領域は、少なくとも作業面601Aの全体を含んでいる。
また、作業台601の作業面601Aは、例えば、2m四方の正方形の作業面であればよい。
このような実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムでは、物品610(610A〜610E)の管理を行う。物品610A〜610Eには、RFIDタグ50A〜50Eが貼着されている。このため、リーダライタ60では、アンテナ装置100及びパッチアンテナ装置90の通信可能領域内にある物品610A〜610EのRFIDタグ50A〜50Eの識別情報を読み取ることができる。
ここで、RFIDタグ50が貼着された物品610(610A〜610E)は、通常、保管庫600内のアンテナ装置100の上に設置された状態で保管される。
ところが、図10に示す状態では、4個の物品610A、610B、610C、及び610Dはアンテナ装置100の真上に置かれており、物品610Eは、作業台601の作業面601Aに置かれている。作業面601Aは、パッチアンテナ装置90によって識別情報を読み取ることができる通信領域である。
このため、図10に示す状態では、リーダライタ60は、アンテナ装置100を介して、物品610A、610B、610C、及び610Dに貼着されたRFIDタグ50A、50B、50C、及び50Dの識別情報を読み取ることができる。また、リーダライタ60は、パッチアンテナ装置90を介して、物品610Eに貼着されたRFIDタグ50Eの識別情報を読み取ることができる。
このため、物品610A〜610Eが、保管庫600の内部、又は作業面601Aの上のどちらかに存在していることを把握することができる。
実施の形態6のアンテナ装置100を用いたシステムでは、PC70が後述する処理を実行してリーダライタ60を動作させることにより、物品610(610A〜610E)の管理を行う。
このため、PC70は、物品の管理を行う処理部として物品管理部70Aを含む。この物品管理部は、PC70のCPU(Central Processing Unit:中央演算装置)の一機能として実現され、物品管理のための処理を実行する際に必要なプログラムを実行する。
また、PC70は、物品管理部70Aが実行するプログラムと、プログラムの実行に必要なデータを格納するHDD(Hard Disc Drive:ハードディスクドライブ)70Bを有する。
さらに、PC70には、モニタ70Cが接続されている。
物品管理部70Aは、物品610A〜610Eのいずれかの識別情報をアンテナ装置100を介して読み取ることができず、かつ、パッチアンテナ装置90を介しても読み取ることができない場合に、物品610A〜610Eのいずれかが紛失したと判定する。この判定処理については、図12を用いて後述する。
次に、PC70が実行する処理について説明する前に、RFIDタグ50A〜50Eの識別情報(識別ID)と、物品610A〜610Eの種類を表す物品データとの関係について、図11を用いて説明する。
図11は、実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムで用いる識別IDと物品データとの関係を表すテーブルを示す図である。
識別ID(Identification)は、RFIDタグ50A〜50Eの各々に含まれる識別情報を表す識別子である。識別IDは、RFIDタグ50A〜50Eの各々について異なる識別子が割り当てられている。
物品データは、物品610A〜610Eの各々の物品の名称を表すデータである。
物品610A〜610Eの各々を表す物品データは、物品610A〜610Eに貼着されるRFIDタグ50A〜50Eの識別IDと関連付けられ、図11に示すテーブルとしてHDD70Bに格納されている。
図12は、実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムによる物品管理処理の手順を示す図である。この処理は、リーダライタ60、PC70、及びパッチアンテナ90の電源が投入された状態で、物品管理部70Aによって実行される。
なお、リーダライタ60には、アンテナ装置100又はパッチアンテナ装置90によって読み取られるRFIDタグ50A〜50Eのすべての識別情報が一度に入力されるため、図12に示す処理は、物品610A〜610Eのすべてについて同時に実行される。
物品管理部70Aは、リーダライタ60、PC70、及びパッチアンテナ90の電源が投入された状態で処理を開始する(スタート)。
物品管理部70Aは、アンテナ装置100及びパッチアンテナ装置90によって、すべての物品610A〜610Eに貼着されたRFIDタグ50A〜50Eの識別情報を読み取ったか否かを判定する(ステップS1)。
物品管理部70Aは、ステップS1において、アンテナ装置100によってRFIDタグ50Aの識別情報を読み取れなかった場合は、読み取れなかったRFIDタグが貼着された物品が紛失したと判定する(ステップS2)。例えば、物品610AのRFIDタグ50Aの識別情報がアンテナ装置100及びパッチアンテナ装置90によって読み取れない場合は、物品610Aは、保管庫600内にも作業面601Aの上にも無いと考えられるからである。
次いで、物品管理部70Aは、物品管理部70Aは、紛失した物品の識別情報を表す識別データと関連付けられた物品データをHDD70Bから読み出し、紛失したと物品の名称と識別情報をモニタ70Cに表示する(ステップS3)。物品610Aが紛失したことをモニタ70Cを通じて報知するためである。
物品管理部70Aは、ステップS3の処理が終了すると、物品管理部70Aは、手順を終了する(エンド)。
なお、物品管理部70Aは、ステップS1において、すべての物品610A〜610EのRFIDタグ50A〜50Eの識別情報を読み取った場合は、ステップS1の判定処理を繰り返し実行する。繰り返し実行することにより、物品を管理し、紛失を発見するためである。
以上、実施の形態6によれば、共振器20の上面の全領域でRFIDタグを読み取ることのできるアンテナ装置100を用いているので、RFIDタグが貼着された物品の置き場所によらず、物品の存在の有無を正確に判定できる物品管理用のシステムを提供できる。
この場合に、共振器20の上面の全領域でRFIDタグを読み取ることができるので、終端側で読み取りにくい従来のアンテナ装置に比べて、利用者にとって使い勝手の非常に良いシステムを提供することができる。
また、安価で通信可能領域の広いアンテナ装置100を用いているので、物品の存在有無の判定精度の高いシステムを安価に提供することができる。
なお、図10に示したようなシステムは、様々な用途に利用が可能であるが、例えば、持ち出しが禁止されている物品(例えば、有毒物質又は劇薬等)の管理に用いることができる。
また、以上では、実施の形態6のシステムとして、実施の形態1のアンテナ装置100を用いたシステムについて説明したが、実施の形態2〜5のいずれかのアンテナ装置を用いてもよい。
図13は、実施の形態6のアンテナ装置を含むシステムにおいてアンテナ装置の上に物品を置いた状態を示す斜視図である。図13には、実施の形態3のアンテナ装置300の上に物品610を多数並べた状態を示す。なお、図13に示す物品610は、底面にRFIDタグ50が貼着されている。
このように、多数の物品610をアンテナ装置300の上に置いても、アンテナ装置100A〜100Cは、実施の形態1のアンテナ装置100と同様に、全領域でRFIDタグを読み取ることができる。
従来のアンテナ装置は、特に終端側でRFIDタグの読み取りが困難であったため、複数のアンテナ装置を接続することは困難であったが、図13に示すアンテナ装置300を用いれば、リーダライタ60から一番遠い側においてもRFIDタグを読み取ることができる。
以上、本発明の例示的な実施の形態のアンテナ装置、及びアンテナ装置を含むシステムについて説明したが、本発明は、具体的に開示された実施の形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲から逸脱することなく、種々の変形や変更が可能である。
以上の実施の形態1〜6に関し、さらに以下の付記を開示する。
(付記1)
識別タグの識別情報を読み取る読取装置に接続され、前記識別タグと通信を行うアンテナ装置であって、
前記読取装置から給電を受ける第1給電部と、
前記第1給電部に電磁界結合され、前記読取装置の使用周波数を含む所定の帯域幅を有する共振器と、
前記共振器に電磁界結合されるとともに、所定の抵抗値で終端される第2給電部と
を含む、アンテナ装置。
(付記2)
前記共振器は、前記読取装置の使用周波数を含む所定の帯域幅を有する複数の共振素子を含む、付記1に記載のアンテナ装置。
(付記3)
前記共振素子は、互いに並行に配列される直線型の共振素子である、付記2に記載のアンテナ装置。
(付記4)
前記直線型の共振素子は、平面視で基板の辺に対して斜めに配列される、付記3に記載のアンテナ装置。
(付記5)
前記共振素子は、一対の直線部と、前記一対の直線部を接続する折り曲げ部とを有するヘアピン型の共振素子である、付記2に記載のアンテナ装置。
(付記6)
前記ヘアピン型の共振素子は、隣り合う共振素子同士が互い違いの向きに配列される、付記5に記載のアンテナ装置。
(付記7)
前記ヘアピン型の共振素子は、隣り合う共振素子同士の前記直線部の長さ方向の位置が揃えられている、付記5又は6に記載のアンテナ装置。
(付記8)
前記共振器を複数含み、当該複数の共振器は、前記第1給電部及び前記第2給電部に互いに並列に電磁界結合される、付記1乃至7のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
(付記9)
前記読取装置と、
付記1乃至8のいずれか一項に記載のアンテナ装置と
を含むシステム。
(付記10)
付記1乃至8のアンテナ装置によって読み取られる識別タグ。
10 プリント基板
10A 表面
10B 裏面
11、12、211、212、411、412 給電線
11A、11B、12A、12B、211A、212A、411A、411B、412A、412B、412D 端部
11C、12C 折り曲げ部
11D、11E、12D、12E、411C、411D、411E、412C、412E 直線部
20、220、420A、420B 共振器
21、22、23、24、25、221、222、223、224、225 共振素子
21A、22A、23A、24A、25A 開放端
21B、22B、23B、24B、25B 短絡端
21C、22C、23C、24C、25C 直線部
30 地板
40 終端抵抗器
50、50A、50B、50C、50D、50E RFIDタグ
51 シート
52 ループアンテナ部
53 バイパス線路部
54 ICチップ
60 リーダライタ
70 PC
70A 物品管理部
70B HDD
70C モニタ
80 マイクロストリップライン
90 パッチアンテナ装置
91 同軸ケーブル
100、100A、100B、100C、200、300、400A、400B、400C、500 アンテナ装置
211B、212B 他端
221A、222A、223A、224A、225A 端部
221B、222B、223B、224B、225B 端部
223C 中心点
600 保管庫
600A 棚
601 作業台
601A 作業面
610、610A、610B、610C、610D、610E 物品

Claims (7)

  1. 識別タグと通信を行うアンテナ装置であって、
    給電を受ける第1給電部と、
    前記第1給電部に電磁界結合され、前記識別タグの読み取りに使用される周波数を含む所定の帯域幅を有する共振器と、
    前記共振器に電磁界結合されるとともに、所定の抵抗値で終端されるか又は他の電子素子にインピーダンス整合が取れた状態で接続される第2給電部と
    を含む、アンテナ装置。
  2. 前記共振器は、前記読取装置の使用周波数を含む所定の帯域幅を有する複数の共振素子を含む、請求項1に記載のアンテナ装置。
  3. 前記共振素子は、互いに並行に配列される直線型の共振素子である、請求項2に記載のアンテナ装置。
  4. 前記共振素子は、一対の直線部と、前記一対の直線部を接続する折り曲げ部とを有するヘアピン型の共振素子である、請求項2に記載のアンテナ装置。
  5. 前記ヘアピン型の共振素子は、隣り合う共振素子同士が互い違いの向きに配列される、請求項4に記載のアンテナ装置。
  6. 前記共振器を複数含み、当該複数の共振器は、前記第1給電部及び前記第2給電部に互いに並列に電磁界結合される、請求項1乃至5のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
  7. 前記読取装置と、
    請求項1乃至6のいずれか一項に記載のアンテナ装置と、
    前記第1給電部に給電し、前記周波数で前記識別タグの識別情報を読み取る読取装置と、
    を含むシステム。
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