JP2012005140A - タグ用アンテナ及びそれを用いたタグ - Google Patents

Abstract

【課題】常に変化の少ない通信距離を維持でき且つ小型化が可能なタグ用アンテナを提供する。
【解決手段】同一平面内に導体により形成されたダイポールアンテナ（ダイポール部９）と給電部（チップ搭載部８）とインダクタンス部１２とを有するタグ用アンテナ１０であって、給電部（８）は、ダイポールアンテナ（９）の中心にチップを搭載可能に形成され、インダクタンス部１２は、給電部（８）に対しダイポールアンテナ（９）の双極と並列に接続され、ダイポールアンテナ（９）は、前記双極を曲げ部１１−１〜４にて両側から曲げて形成され、曲げ部１１−１〜４を直線に伸ばしたときの全長が、使用する周波数に対応する波長であるアンテナ共振波長の１／２よりも短くなりインピーダンスがアンテナ最適値に近くなるようにアンテナ全長およびインダクタンス部１２が調整されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、無線高周波信号を用いてリーダライタとタグ間で情報の通信を行うことができるＲＦＩＤ（radio frequency identification）システムに用いられるＬＳＩ（large-scale integration）チップ用の極めて小型のタグ用アンテナ及びそれを用いたタグに関する。

ＲＦＩＤシステムは、８６０〜９６０ＭＨｚのＵＨＦ（Ultra High Frequency）を用いて、リーダライタ（以下、単にＲＷという）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ＲＷ側へ応答信号を送り返すことにより、タグ内の情報をＲＷで読み取ることができるシステムである。

タグは、厚さ０．１ｍｍ程度のシートやフィルム等の平面上に形成された金属のタグ用アンテナと、このタグ用アンテナの給電点に接続されたＬＳＩチップから構成される。通常、ＬＳＩチップはゴマ粒よりも小さく、その実際の大きさは、厚さが０．２ｍｍ程度、面積が１ｍｍ角程度のものである。

ＲＷとタグとの通信距離は、タグ用アンテナのゲイン、ＬＳＩチップの動作電圧、周囲の環境等にもよるが、およそ３〜５ｍとされている。

図６(a),(b),(c) は、従来のＲＦＩＤシステムに用いられるタグ用アンテナを説明する図である。同図(a) は、給電部１の両横に伸びるダイポール部２から成るタグ用アンテナを示し、同図(b) は、同図(a) の両端部が折り返された折り返しダイポール部３を有するタグ用アンテナを示し、同図(c) は、同図(b) の給電部１にダイポール部２と並列に接続されたインダクタンス部４を有するタグ用アンテナを示している。

図７は、ＲＦＩＤシステムに用いられるタグ用アンテナとＬＳＩチップの等価回路を示す図である。同図は、左にタグ用アンテナの等価回路５を示し、右にＬＳＩチップの等価回路６を示している。

図８は、従来のタグ用アンテナを用いたタグのアドミタンスチャートによる解析例を示す図である。アドミタンスチャートはチャートの円を上下に二分する純抵抗線の左端が０Ω、右端が∞Ωで表される。

図７に示すように、タグ用アンテナは、放射抵抗Ｒａと、インダクタンスＬａの並列接続で等価的に示すことができ、他方のＬＳＩチップは、抵抗Ｒｃと、キャパシタンスＣｃの並列接続で等価的に示すことができる。

そして、このようなタグ用アンテナとＬＳＩチップとが並列接続されることにより、インダクタンスＬａとキャパシタンスＣｃとが共振し、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で整合し、タグ用アンテナでの受信パワーがＬＳＩチップ側へ十分供給されることになる。

つまり、上記タグ用アンテナの放射抵抗Ｒａを例えば４００Ωとし、ＬＳＩチップの抵抗Ｒｃを例えば５００Ωとして、ほぼ双方の抵抗が相殺される構成としたとき、上記の共振周波数を表す式で、Ｌ＝Ｌａ＝２０（ｎＨ）、Ｃ＝Ｃｃ＝１．４（ｐＦ）とすれば、ＲＦＩＤシステムに必要な所望の共振周波数ｆ０＝９５３ＭＨｚが得られる。

タグ用アンテナに用いられる基本的なアンテナとしては、先ず、図６(a) に示す給電部１の両横に伸びるダイポール部２から成る全長約１４５ｍｍのダイポールアンテナが考えられる。

この構成は、ダイポール部２に接続されている給電部１が、ダイポール部２で受けた信号から電力を抽出し、この電力を給電部１に搭載されているＬＳＩチップに給電すると共に信号自身をＬＳＩチップに転送する。しかしこのダイポールアンテナの構成は、実測で放射抵抗Ｒａ＝７２Ωである。

ところで上述した抵抗Ｒｃ＝５００Ω、キャパシタンスＣｃ＝１．４ｐＦのＬＳＩチップのインピーダンスは、アドミタンスチャート上では、図８に示すように、ωＣ領域の約「−４０度」方向の斜め右下の位置で表される（図８では単に「チップ」として示す丸形のプロットで表している）。

この場合、上記のＬＳＩチップと共振するダイポールアンテナのアドミタンスチャート上での最適位置は、ＬＳＩチップの位置をアドミタンスチャートの純抵抗線に対して対称に反転させた位置であり、図８に示すように、ωＬ領域の約「＋４０度」方向の斜め右上の位置になる。

この位置は、放射抵抗Ｒａ＝５００Ω、インダクタンスＬａ＝２０ｎＨのときのインピーダンスの位置である（図８では「最適化位置」として示す丸形のプロットで表している）。

このように、抵抗Ｒｃ＝５００Ω、キャパシタンスＣｃ＝１．４ｐＦのＬＳＩチップに対応するＲＦＩＤのタグ用アンテナに必要な放射抵抗Ｒａは、５００Ω程度と非常に高いため、図６(a) に示すダイポールアンテナの放射抵抗Ｒａ＝７２Ωでは、とうてい小さすぎる。

したがって、ダイポールアンテナの構成を工夫して、放射抵抗Ｒａを５００Ω近くまで上げる必要がある。そこで、図６(b) に示すように、同図(a) の両端から折り返す全長１４５ｍｍ程度の折り返しダイポール部３を有する折り返しダイポールアンテナ（folded dipole antenna)が考え出された。

これで放射抵抗Ｒａを大きくすることができる。この構成であると、放射抵抗Ｒａは、折り返し部の線幅によっても異なるが、およそ３００Ω〜１５００Ωの範囲で大きく設定できることが知られている。

図８には、放射抵抗Ｒａを４００Ωとしたときの、折り返しダイポールのインピーダンス位置が、純抵抗線上に三角で示されている。

ここで、更に、その放射抵抗Ｒａを４００Ωのまま、図６(c) に示すように、同図(b) の給電部１にダイポール部２と並列にインダクタンス部４を接続すると、アンテナ特性はアドミタンスチャート上で左回転する。

そして、図８のωＬ領域に、Ｌ付き（インダクタンス付き）折り返しダイポールとして三角で示すように、共振周波数が９５３ＭＨｚのときにおけるＬ付き折り返しダイポールアンテナのアンテナ特性（インピーダンス）が最適化位置の近傍に位置するようになる。

図８のアドミタンスチャートは、７００ＭＨｚ〜１２００ＭＨｚまでの特性例を示しているが、この共振周波数の範囲で、Ｌ付き折り返しダイポールアンテナのアンテナ特性軌跡７は、共振最適値（最適化位置、Ｒａ＝５００Ω、Ｌａ＝２０ｎＨ）の周囲を回っていることがわかる。

すなわち、図６(c) に示すＬ付き折り返しダイポールアンテナの構成によれば、ＬＳＩチップと共振する周波数帯域が広くなることがわかる。

ところで、ＲＦＩＤは、タグとして様々な物体に貼り付けて用いられるが、ＲＦＩＤを貼り付けられる物体が、発泡スチロールの場合、その誘電率εｒは、εｒ＝１．１程度で空気中の値（εｒ＝１）とほぼ同じである。

つまり、発泡スチロールにタグを貼り付けた場合は、空気中にタグを浮かした場合とほぼ同じ状態である。

しかし、ＲＦＩＤを貼り付けられる物体が例えばプラスチックの場合は、プラスチックの誘電率εｒは、εｒ＝３程度であって、プラスチックの厚さ２ｍｍとすると、アンテナ周囲の実効誘電率が大きくなってしまう。

また、ＲＦＩＤと通信するＲＷの動作周波数９５３ＭＨｚでの振舞いは、空気中での９５３ＭＨｚでの特性を約１００ＭＨｚずらした時の特性とほぼ同じであることが実験的に判明している。

このように、様々な物体に貼り付けたとき、つまり動作周波数がずれたとき、アンテナの通信距離が変化してしまっては実用にならないので、様々な物体に貼り付けた場合でも通信距離が大きく変化しなりアンテナが望まれる。

したがって、周波数帯域特性を広くとれるアンテナ、換言すれば、周波数特性が広いアンテナが、ＲＦＩＤにとって良好なアンテナであるといえる。

図８に示すようなアンテナ特性を有する図６(c) のＬ付き折り返しダイポールアンテナは、十分に帯域が広く、例えば図８のアンテナ特性軌跡７で１回転する部分７ａの帯域幅は約２００ＭＨｚであり、貼り付ける物体によって通信距離が変化しにくい（貼り付ける物体にによって左右されない）良好なアンテナであるといえる。（なお、ダイポールアンテナについては、非特許文献１参照。）
「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、ＲＦＩＤはユーザから小型化の要望が強い。縦１５ｍｍ、横１４５ｍｍもあるアンテナは、タグ用としては大きすぎる。例えば書籍の管理用に用いること位は可能であろうが、その他の実用面では用途に制約を受けて自由度がなく、もっと小型化する必要がある。

ところで、例えば、アンテナ全体の大きさを８０×２０ｍｍに収めようとすると、アンテナ線路をくねくねと曲げてメアンダ化するなどして、長くした線路長を狭い面積内に収めなければならない。

ところが、アンテナを小型化すると、図８に示す１回転している特性部分（特性軌跡７ａ）の周波数間隔が広くなる（例えば、１回転する帯域幅がわずか約１０ＭＨｚしかないようになる）ことが判明している。

つまりアンテナを小型化すると、周波数帯域が狭くなる。換言すれば、そのように小型化したアンテナから成るＲＦＩＤは、貼り付けられる物体によって通信距離の変化が激しくなる。これでは実用面で問題がある。

本発明の課題は、上記従来の実情に鑑み、常に変化の少ない通信距離を維持でき小型化が可能なタグ用アンテナを提供することである。

本発明のタグ用アンテナは、同一平面内に導体により形成されたダイポールアンテナと給電部とインダクタンス部とを有するタグ用アンテナであって、上記給電部は、上記ダイポールアンテナの中心にチップを搭載可能に形成され、上記インダクタンス部は、上記給電部に対し上記ダイポールアンテナの双極と並列に接続され、上記ダイポールアンテナは、上記双極を曲げ部にて両側から曲げて形成され、上記曲げ部を直線に伸ばしたときの全長が、使用する周波数に対応する波長であるアンテナ共振波長の１／２よりも短くなりインピーダンスがアンテナ最適値に近くなるようにアンテナ全長およびインダクタンス部が調整されている。

この、タグ用アンテナにおいて、上記インダクタンス部は、例えば、上記ダイポールアンテナの中心近傍に形成され、該ダイポールアンテナの上記双極の中間に配置されるように構成される。また、上記導体は、例えば、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌで構成される。

また、このタグ用アンテナにおいては、上記給電部にＬＳＩ（large-scale integration）チップを接続・搭載される。この場合、上記タグ用アンテナを、例えば、このタグ用アンテナの両面から樹脂又は紙で挟んで構成してもよい。また、タグ用アンテナは、このタグ用アンテナの両面から樹脂で挟まれ、上記樹脂は、例えば、テレフタル酸エチレン・フイルムであることが好ましい。

本発明によれば、極めて小型なアンテナで且つ貼り付ける物体によって通信距離が変化することの少ないタグ用アンテナを提供することが出来る。

一実施の形態における極めて小型のタグ用アンテナの構成を示す斜視図である。 一実施の形態におけるタグ用アンテナのインピーダンス特性を示すアドミタンスチャートである。 一実施の形態におけるタグ用アンテナの電磁界シミュレータで計算した反射の周波数特性を示す図である。 一実施の形態におけるタグ用アンテナの電磁界シミュレータで計算したアンテナゲイン計算値を示す図である。 一実施の形態におけるタグ用アンテナの反射特性及びゲイン特性をＥｘｃｅｌ上で合わせて得られる通信距離特性図である。 (a),(b),(c) は従来のＲＦＩＤシステムに用いられるタグ用アンテナを説明する図である。 ＲＦＩＤシステムに用いられるタグ用アンテナとＬＳＩチップの等価回路を示す図である。 従来のタグ用アンテナを用いたタグのアドミッタンスチャートによる解析例を示す図である。

以下、本発明の実施の形態を図面を参照しながら説明する。

図１は、一実施の形態における極めて小型のタグ用アンテナの構成を示す斜視図である。同図に示すタグ用アンテナ１０の全体の大きさは、横５３ｍｍ×縦７ｍｍである。

このタグ用アンテナ１０は、同一平面内に導体により形成されたダイポールアンテナと給電部とインダクタンス部とを備えている。尚、上記の導体には、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌを用いるのが好ましい。

給電部はダイポールアンテナの中心にＬＳＩチップを搭載可能に形成され、同図に示すように、チップ搭載部８を構成している。このチップ搭載部８を中心として、その両側に線路幅１ｍｍのダイボール部９が形成されて、全体としてダイポールアンテナを形成している。

両側のダイボール部９からなるこのダイポールアンテナは、双極をそれぞれ、少なくとも４箇所の内側に曲がる曲げ部１１（１１−１、１１−２、１１−３、１１−４）により両側から曲げ込まれて角形の渦巻き状に形成されている。すなわち、本例では、片側４回の曲げ部を持っている。

これら、それぞれ４箇所の曲げ部１１を直線に伸ばしたときのダイポールアンテナの全長は、詳しくは後述するように、アンテナ共振波長の１／２よりも短くなるように形成されている。

また、このダイポールアンテナの中心近傍には、上記角形の渦巻き状に形成された両ダイポール部９及び９の中間に、インダクタンス部１２が形成されている。このインダクタンス部１２は、チップ搭載部８すなわちこのアンテナの給電部に対して、両ダイポール部９及び９と並列に接続されている。

このダイポールアンテナ（タグ用アンテナ１０）は、給電部（チップ搭載部８）に例えばＲｃ＝５００Ω、Ｃｃ＝１．４ｐＦのＬＳＩチップを接続・搭載されてタグとして構成され、その両面（図では上下の面）を、誘電率εｒ＝３、厚さｔ＝０．７５ｍｍの樹脂１３で挟むようにして被覆される。

この樹脂１３には、例えば、テレフタル酸エチレン・フイルムなどが用いられる。また、樹脂１３の代わりに適宜の紙で両面から被覆するようにしていもよい。

図２は、このタグ用アンテナ１０のアンテナ特性すなわちインピーダンス特性を示すアドミタンスチャートである。尚、図２において、チップの位置とアンテナ最適位置は、図８の場合と同一である。

図２に示すアドミタンスチャートは、タグ用アンテナ１０の図７に示したようなＲａ、Ｌａ、Ｒｃ、Ｃｃの値を市販の電磁界シミュレータに入力し、８００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚまでの周波数帯域でのインピーダンスを計算した結果のアンテナ特性を示す軌跡１４を示している。

このアンテナ特性軌跡１４は、アンテナ最適値の周りに回転しているが、図の破線楕円１５で囲んで示すＲＷ動作周波数の９５３ＭＨｚから１０００ＭＨｚ付近で、最もアンテナ最適値に近い値となっている。つまり、ＬＳＩチップとダイポールアンテナとの反射が小さい。

さらに周波数が高くなって、図の破線楕円１６で示す１０５０ＭＨｚを超える位置になると、アンテナ最適値から遠くなるため、ＬＳＩチップとダイポールアンテナとの反射が大きくなる。

図３は、上記の電磁界シミュレータで計算したタグ用アンテナ１０の反射Ｓ１１の周波数特性を示す図である。同図は横軸に周波数（８００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚ）を示し、縦軸に反射Ｓ１１（−５ｄＢ〜０ｄＢ）を示している。同図にも判るように、９７５ＭＨｚ付近で反射Ｓ１１が最も小さくなっている。

図４は、上記の電磁界シミュレータで計算したタグ用アンテナ１０のアンテナゲイン計算値を示す図である。同図は横軸に周波数（８００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚ）を示し、縦軸にアンテナゲイン（−４ｄＢｉ〜２ｄＢｉ）を示している。同図に示すアンテナゲインは、１０５０ＭＨｚ付近で最大となっている。

つまり、１０５０ＭＨｚ付近では、図２のアドミタンスチャートで示したように反射が大きくなる欠点はあるが、この１０５０ＭＨｚ付近では図４で判るようにアンテナゲインが大きいため、この大きいアンテナゲインで反射の大きい欠点を補う形となっている。

図５は、タグ用アンテナ１０の上記の反射特性及びゲイン特性をＥｘｃｅｌ上で合わせて得られる通信距離特性図である。同図は横軸に周波数（８００ＭＨｚ〜１１００ＭＨｚ）を示し、縦軸に、最大距離で規格化した相対通信距離を示している。

このように、タグ用アンテナ１０が持つ通信距離特性は、ＲＷ動作周波数９５３ＭＨｚに対して左右非対称となっているが、ＲＷ動作周波数９５３ＭＨｚよりも高い周波数側では変化が緩やかであり、通信距離が比較的安定した特性となっている。

上記の電磁界シミュレータでの計算は、図１に示した樹脂１３の上下は空気として設定しているため、ＲＷ動作周波数９５３ＭＨｚでの通信距離は、タグ用アンテナ１０が空気中にあるときの距離である。空気中での通信距離は、図５に示すように規格化された最大距離に対して０．９５の距離である。つまり最大距離の９５％が確保されている。

このタグ用アンテナ１０を、例えばεｒ＝３、厚さ２ｍｍのプラスチックに貼り付けると、アンテナ周囲の実効誘電率が大きくなって帯域が約１０％シフトする。つまり、図５の波形が低周波数側に約１００ＭＨｚずれる。

換言すれば、図５の波形で、９５３ＭＨｚよりも約１０％ほど高い周波数１０５０ＭＨｚでの相対通信距離の値が、タグ用アンテナ１０を厚さ２ｍｍのプラスチックに貼り付けたときの通信距離になる。このときの通信距離は、図５に示すように規格化された最大距離に対して０．８の距離であり、最大距離の８０％が確保されている。

このように、図５からも判明するように、本例のタグ用アンテナ１０は、空気中でも、発泡スチロールに貼り付けても、厚さ２ｍｍのプラスチックに貼り付けても、最大通信距離の８０％以内の距離を常に確保でき、極めて高い距離安定性を有しているということになる。

本例のタグ用アンテナ１０の特徴は、ＲＷ動作周波数の９５３ＭＨｚ付近では、アンテナ最適値にできるだけ近づくようにダイポール部とインダクタンス部からなるアンテナパターンが調整されており、９５３ＭＨｚよりも高い周波数では、アンテナ最適値からは遠ざかって反射が大きくなるが、アンテナゲインが高くなることで通信距離を大きく劣化させることがないということである。

９５３ＭＨｚよりも高い周波数でアンテナゲインが高くなるようにするには、アンテナの全長を、ゲイン効率の良いアンテナ共振波長の１／２に近づけるようにする。

本例のタグ用アンテナ１０のアンテナパターンの特徴は、曲げ部１１をまっすぐに伸ばした時のアンテナ全長がアンテナ共振波長λの１／２よりもやや短くなるようにしていることである。

図１に示す例では、曲げ部１１をまっすぐに伸ばした時のアンテナ全長が約１２０ｍｍ、アンテナ共振波長λの１／２は約１３０〜１４０ｍｍである。このアンテナ共振波長λの１０ｍｍの許容幅は上下の樹脂１３を考慮したものである。

また、ダイポール部は、なるべく直線に近づくように端部側から内側に曲げ込んでいく。また、両ダイポール部は近づかない方がよいため、両ダイポール部の間にインダクタンス部を形成するのが望ましい。

この構成によって、９５３ＭＨｚでのインピーダンスが、図２に示すように、アンテナ最適値に近くなるように設定され、１０５０ＭＨｚ近傍ではアンテナゲインが最も大きくなるように設定される。

これにより、空気中、発泡スチロール上、厚さ２ｍｍのプラスチック上に在っても、最大通信距離の８０％以内の距離を常に確保できる極めて高い距離安定性を有するタグ用アンテナが実現する。

尚、本発明において、タグ用アンテナ（Ｌ付きダイポールアンテナ）の全体の大きさは、横３０〜８０ｍｍ、縦６〜１５ｍｍ程度を想定している。

図１に示したように、横５３ｍｍ、縦７ｍｍの大きさでは、両ダイポール部の片側で４回の曲げ部を形成するが、アンテナが小さくなるほど片側５回又は６回というように曲げ部の数を増やしていけばよい。

このように、本発明によれば、極めて小型なアンテナで且つ貼り付ける物体によって通信距離が変化することの少ないタグ用アンテナを提供することが出来る。

１ 給電部
２ ダイポール部
３ 折り返しダイポール部
４ インダクタンス部
５ タグ用アンテナの等価回路
６ ＬＳＩチップの等価回路
７ Ｌ付き折り返しダイポールアンテナの特性軌跡
７ａ 軌跡回転部
８ ＬＳＩチップ搭載部
９ ダイボール部
１０ タグ用アンテナ
１１（１１−１、１１−２、１１−３、１１−４） 曲げ部
１２ インダクタンス部
１３ 樹脂
１４ アンテナ特性軌跡
１５、１６ 或る範囲を示す破線楕円

Claims (6)

1. 同一平面内に導体により形成されたダイポールアンテナと給電部とインダクタンス部とを有するタグ用アンテナであって、
   前記給電部は、前記ダイポールアンテナの中心にチップを搭載可能に形成され、
   前記インダクタンス部は、前記給電部に対し前記ダイポールアンテナの双極と並列に接続され、
   前記ダイポールアンテナは、前記双極を曲げ部にて両側から曲げて形成され、前記曲げ部を直線に伸ばしたときの全長が、使用する周波数に対応する波長であるアンテナ共振波長の１／２よりも短くなりインピーダンスがアンテナ最適値に近くなるようにアンテナ全長およびインダクタンス部が調整されている、
   ことを特徴とするタグ用アンテナ。
2. 前記インダクタンス部は、前記ダイポールアンテナの中心近傍に形成され、該ダイポールアンテナの前記双極の中間に配置される、ことを特徴とする請求項１記載のタグ用アンテナ。
3. 前記導体は、Ｃｕ、Ａｇ、またはＡｌである、ことを特徴とする請求項１記載のタグ用アンテナ。
4. 前記給電部にＬＳＩ（large-scale integration）チップを接続・搭載された、ことを特徴とする請求項１記載のタグ用アンテナ。
5. 請求項４記載のタグ用アンテナを該タグ用アンテナの両面から樹脂又は紙で挟んだ、ことを特徴とするタグ。
6. 前記タグ用アンテナは、該タグ用アンテナの両面から前記樹脂で挟まれ、
   前記樹脂は、テレフタル酸エチレン・フイルムである、ことを特徴とした請求項５記載のタグ。