JP2015062273A - 無線通信モジュール、無線通信システム、及び通信方法 - Google Patents

無線通信モジュール、無線通信システム、及び通信方法 Download PDF

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Abstract

【課題】導電壁で囲まれた閉空間における通信性能を改善した無線通信モジュールを提供する。
【解決手段】無線通信モジュールは、閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、アンテナを介して閉空間内に存在するRFIDタグを読み取るタグリーダと、第１導電壁と、対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部とを含み、閉空間は、反射部によって、第１導電壁側の第１空間と、第２導電壁側の第２空間とに分けられており、タグリーダから出力され、アンテナから放射される電波が反射部によって反射されて第１空間を伝播する第１反射波と、アンテナから放射される電波が反射部を透過して第２空間を伝搬して第２導電壁によって反射され、反射部を透過して第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、第１導電壁と第２導電壁との間における反射部の位置が決定される。
【選択図】図１

Description

実施の形態は、無線通信モジュール、無線通信システム、及び通信方法等に関連する。
1つ以上の管理対象を管理する技術の一例として、バーコードを利用するバーコードシステムがある。管理対象は物品、商品、書類その他の任意の対象であってよい。バーコードシステムは、管理対象の各々に付随するバーコードをバーコードリーダで読み取り、バーコードが表現する情報を取得する。しかしながら、バーコードシステムの場合、バーコードを1つずつ読み取る必要があり、一度にたくさんの管理対象を一括して管理又は処理することは容易でない。
RFID(Radio Frequency IDentification)タグを利用するRFIDタグシステムは、理論上、そのような懸念に対処できる。RFIDタグは、RFIC(Radio Frequency Integrated Circuit)タグ又は無線タグ等とも称す。RFIDタグシステムでは、RFIDタグリーダが電波を送信し、その電波を受信したRFIDタグが自身のメモリに保存されている情報を送信する。RFIDタグリーダは、多数のRFIDタグから送信された情報を取得し、多数のRFIDタグを一括管理することができる(非特許文献1、2)。
王鵬 他４名、「2.45GHz帯パッシブRFIDタグの背後に金属が存在する場合のデッドスポットに関する解析」、電子情報通信学会論文誌、電子情報通信学会2010、Vol.J93-B、No.11、pp.1531-1540 Taguchi Mitsuo, et al.,"Analysis of Dead Zone of RFID System", 2006 IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, Albuquerque, 558.8, pp.4759-4762, July 2006
しかしながら、従来のRFIDタグシステムは、使用される環境によっては、多数の管理対象を必ずしも一括して管理することができないという問題を有する。例えば、書類、書類が入った封筒、又は書類フォルダ(以下、書類等と称す)にRFIDタグが付されており、その書類等が、金属のような導電壁１１により閉空間が形成されている書類棚に収納されていたとする。この場合、書類棚の一端に設けられたRFIDタグリーダのアンテナから電波が送信されると、書類棚の導電壁１１による反射に起因して定在波が生じ、定在波の節の場所で電波強度が局所的に低下する。局所的に電波強度が弱い場所は、デッドスポット(dead spot)又はデッドゾーン(dead zone)と称され、デッドスポットに存在する書類等に付されたRFIDタグは、適切な強度の電波を受信しないので、RFIDタグリーダに応答できない。その結果、RFIDタグリーダは、書類棚にある全てのRFIDタグに保存されている情報を適切に取得できず、局所的な通信不良に起因して、書類棚に収納されている書類等を一括して管理することができなくなってしまう。
そこで、導電壁で囲まれた閉空間における通信性能を改善した無線通信モジュールを提供することを目的とする。
実施の形態による無線通信モジュールは、閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、前記アンテナに接続され、前記アンテナを介して前記閉空間内に存在するRFIDタグを読み取るタグリーダと、前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射率ｒの反射部とを含み、前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定される。
導電壁により形成された閉空間に配置されたアンテナと1つ以上のタグとの間で電波が送受信される通信システムにおいて、通信性能を改善することである。
実施の形態１で使用される無線通信システムを示す図。 無線通信システムの誘電体１０４の付近を詳細に示す図。 管内波長λgと導波管の縦又は横の長さWとの関係を915MHz及び955MHzのそれぞれの場合について示す図。 誘電体１０４が存在しなかった場合に定在波が生じる様子を説明するための図。 定在波の様々な位相の波形を模式的に示す図。 定在波の様々な位相の波形を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 第１反射波Er1を計算するためのモデルを示す図。 第２反射波Er2を計算するためのモデルを示す図。 第１空間V1において第１反射波Er1と第２反射波Er2とが相殺され、第２空間V2において定在波が生じている様子を示す図。 x=0及びz=0に関し、進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 x=110及びz=0に関し、進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 x=0及びz=110に関し、進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 無線通信モジュール１０１にRFIDタグ５０を配置した無線通信システムを示す図。 誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置しなかった場合におけるRFIDタグの読取率[個/秒]に関する実験結果を示す図。 誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置した場合におけるRFIDタグの読取率[個/秒]に関する実験結果を示す図。 図14及び図15に示す実験結果を、RFIDタグの3種類の位置の各々について示す図。 誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置しなかった場合におけるRFIDタグの読取率[個/秒]の実験結果を示す図。 誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置した場合におけるRFIDタグの読取率[個/秒]の実験結果を示す図。 液体材料の比誘電率εr及び誘電損失tanδを示す図。 固体材料の比誘電率εr及び誘電損失tanδを示す図。 第１空間V1の中で第1、第２反射波Er1,Er2が適切に相殺される条件を満たす誘電体１０４の厚さDs及び比誘電率εrの関係を示す図。 反射波Er1,Er2が適切に相殺される条件を満たす比誘電率εr及び誘電体１０４の厚さDsとλd/2の比較図。 比誘電率εrが81である誘電体１０４が使用された場合における誘電体１０４の厚さDs[mm]、反射波の大きさEr[V/m]及び反射係数S(=Er/Ei)の相互関係を示す図。 誘電損失tanδが0．08である誘電体１０４が使用された場合に生じる進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 誘電損失tanδが0.1である誘電体１０４が使用された場合に生じる進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 誘電損失tanδが0.16である誘電体１０４が使用された場合に生じる進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 Ls=λg×2/2の位置に誘電体１０４を設けた無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 Ls=λg×3/2の位置に誘電体１０４を設けた無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 第２空間V2を狭くする変形例を説明するための図。 第２空間V2を誘電体材料で充填することで、第２空間V2の体積を小さくした様子を示す図。 1種類の誘電体で第２空間V2を充填した無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す図。 無線通信システムにおける通信方法のフローチャートを示す図。 実施の形態２の無線通信システム２００を示す。 図３３の一部を拡大して示す図である。 図３３の一部を拡大して示す図である。 反射率r01に対する、合成反射波Er20と反射係数Sの計算結果を示す図である。 導電率（比抵抗）σ、密度、抵抗率ρ、表皮深さδsの比較表を示す図である。 膜厚Dtの試算結果を示す図である。 テフロン(登録商標)製の基板２０４ＡにZnO_AL(2w%)の導電薄膜２０４を形成した反射板を含む無線通信モジュールの一部分を示す図である。 電解分布を示す図である。 位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sの特性を示す図である。 実施の形態２の変形例による電解分布のシミュレーション結果を示す図である。 電解分布を示す図である。 位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sの特性を示す図である。
添付図面を参照しながら以下の観点から実施形態を説明する。図中、同様な要素には同じ参照番号又は参照符号が付されている。
＜実施の形態１＞
実施の形態１を以下の順に説明する。
A. 定在波の低減
A1. 構成
A2. 反射波の相殺
A2.1 第１反射波Er1
A2.2 第２反射波Er2
A3. 効果
A4. 応用例
A5. パラメータ値
B. 誘電体の位置に関する変形例
C. 第２空間を縮小する変形例
D. 通信方法
これらの項目の区分けは開示される実施の形態に本質的ではなく、2つ以上の項目に記載された事項が必要に応じて組み合わせて使用されてよいし、ある項目に記載された事項が、別の項目に記載された事項に(矛盾しない限り)適用されてよい。
＜A. 定在波の低減＞
＜＜A1. 構成＞＞
図1は、実施の形態１の無線通信システム１００を示す。無線通信システム１００は、無線通信モジュール１０１と、無線通信モジュール１０１が規定する閉空間１０Ａに配置されたRFIDタグ５０とを有する。無線通信システム１００は、導電構造体１０に取り付けられる。なお、無線通信システム１００は、導電構造体１０を含んでもよい。説明の便宜上、図１では、全体を無線通信システム１００として示す。
導電構造体１０は、閉空間１０Ａを形成する６つの導電壁１１を有する。６つの導電壁１１には、第１導電壁１１M1と第２導電壁１１M2とが含まれる。図1に示す例では、閉空間１０Ａは、xz面内で四角形(矩形)の断面を有する。導電構造体１０は、上下左右前後の6つの面を規定する6枚の導電壁１１により、y軸方向に管状に伸びる導波管を形成している。図1に示す導電構造体１０が形成している導波管又は閉空間は、x軸方向にWx、z軸方向にWz、及びy軸方向に(Ys+Ls)の長さを有する。閉空間１０Ａは6枚の導電壁１１で囲まれている。図1に示す例では導波管は矩形の断面を有しているが、実施の形態１では、矩形の断面に限定されず、導波管は円形断面等のような他の断面形状を有していてもよい。また、閉空間１０Ａを形成する導電壁１１の数は、６つに限られるものではない。導電構造体１０は、例えば、金属製で蓋付きの棚、金属製の収納容器、又は、導電壁１１で覆われた倉庫または部屋等でも良い。また、導電壁１１はメッシュ構造であってもよい。
無線通信モジュール１０１は、RFIDタグリーダ１０２、アンテナ１０３、及び誘電体１０４を有する。
RFIDタグリーダ１０２は、RFIDタグ５０から取得した情報を分析し、RFIDタグ５０が付されている管理対象を管理する。管理対象は物品、商品、書類その他の任意の対象であってよい。RFIDタグリーダ１０２は、アンテナ１０３に接続されており、アンテナ１０３を通じてRFIDタグ５０との間で電波を送受信する。図1に示す例では、RFIDタグリーダ１０２は、導波管を形成する導電壁１１の1つに接して設けられているが、例えば導電壁１１から隔てられた他の場所に設けられてもよい。
アンテナ１０３は、導波管の一端にある第１導電壁１１M1に設けられている。アンテナ１０３は、所定の周波数の電波を送信及び受信する任意のアンテナとすることが可能である。アンテナは、一例として、ダイポールアンテナ、スロットアンテナ、パッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ等である。所定の周波数は、RFIDタグと通信するための何らかの通信プロトコルで決定されている任意の値とすることが可能である。アンテナ１０３が送受信する電波の周波数は、一例として、13.56MHz、900MHz帯及び2.45GHz等である。特に、後述のシミュレーション結果では915MHzの電波が想定されている。アンテナ１０３が送受信する電波は、垂直偏波、水平偏波又は円偏波であってもよい。垂直偏波は電界がz軸方向に沿っている直線偏波である。水平偏波は電界がx軸方向に沿っている直線偏波である。円偏波は電界の方向が時間と共に回転する電波である。アンテナ１０３から送信される電波は、RFIDタグ５０に入射するので、「入射波」と称してもよいし、或いはy軸プラス方向に進行するので「進行波」と称してもよい。
RFIDタグ５０は、図1では不図示の管理対象に付随し、管理対象に関する情報(例えば、識別情報等)を保存し、RFIDタグリーダ１０２から所定の電波を受信したことに応答して、保存している情報を電波で送信する。従って、RFIDタグ５０は、電波を送信するための電力がRFIDタグリーダ１０２から供給されるパッシブ型のタグである。一例として、RFIDタグ５０は、所定の期間にわたってプリアンブル信号を受信した後に所定のコマンド信号を受信すると、図1には不図示のメモリから読み取った情報を、応答信号として送信する。図示の簡明化のため、図1にはRFIDタグ５０は1つしか描かれていないが、実際には多数のRFIDタグ５０が閉空間１０Ａ内に存在してよい。
誘電体１０４は、閉空間１０Ａを第１空間V1と第２空間V2に分割する。誘電体１０４は、x軸方向に約Wx及びz軸方向に約Wzの長さを有し、y軸方向にDsの厚さを有する。誘電体１０４は、誘電体製の板状部材の一例である。実際には、導波管を形成する導電壁１１の厚さ等を考慮する必要があるので、誘電体１０４のy軸に垂直な面(xz面)における断面は、x軸方向にWxより若干短い長さ及びz軸方向にWzより若干短い長さを有する。誘電体１０４は、導波管の一端にある第１導電壁１１M1に設けられたアンテナ１０３と、導波管の他端にある第２導電壁１１M2との間に配置されている。説明の便宜上、アンテナ１０３と誘電体１０４との間の空間が「第１空間V1」であり、誘電体１０４と第２導電壁１１M2との間の空間が「第２空間V2」であるとする。図1に示す例の場合、第１空間V1はy軸方向にYsの長さを有し、第２空間V2はy軸方向に(Ls-Ds)の長さを有する。なお、以下では、説明の便宜上、誘電体１０４の位置は、第２導電壁１１M2を基準位置として、第２導電壁１１M2から誘電体１０４の第１空間V1側の面までの距離で表し、誘電体１０４の位置Lsと称す。
図２は図1のうち誘電体１０４の付近を詳細に示す。図1及び図２に示すように、アンテナ１０３から送信された電波の一部は、誘電体１０４で反射され、第１空間V1を伝播する第１反射波Er1となる。誘電体１０４は、反射部の一例である。アンテナ１０３から送信された電波の別の部分は、第２空間V2を経て第２導電壁１１M2で反射した後、第１空間V1を伝播する第２反射波Er2となる。第１反射波Er1と第２反射波Er2との間の位相差は、誘電体１０４の位置Ls及び厚さDsに依存する。そこで、第１空間V1の中で第１反射波Er1と第２反射波Er2との合成波が0になるように、又は、十分に小さくなるように、誘電体１０４の位置Ls及び厚さDsが決定される。言い換えれば、第１空間V1の中で第１反射波Er1と第２反射波Er2とが相殺されるように、誘電体１０４の位置Ls及び厚さDsが決定される。具体的には「A2. 反射波の相殺」の欄において説明するが、誘電体１０４はy軸方向において第２導電壁１１M2から距離Lsの位置(第１導電壁１１M1から長さYsの位置)に設けられる。距離Lsは、λg×n/2により表現され、nは自然数である。典型的にはn=1であるが、nが2以上である場合については、「B. 誘電体の位置に関する変形例」において説明する。λgは、導波管の内部を伝播する電波の管内波長(guide wave length)であり、真空中を伝播する電波の波長λとの間には次式が成立する。
λg=λ/cosθ
cosθ=[1-(λ/2W)2]1/2
ただし、アンテナ１０３から送信される電波が水平偏波の場合は、W=Wzである。一方、垂直偏波の場合はW=Wxである。Ls≒λg×n/2という条件は、長さLsを有する第２空間V2の中で定在波(波長は、2Ls/n)が生じるための条件を表す。ただし、誘電体１０４及び第２導電壁１１M2の2箇所が節となる定在波を第２空間V2において形成できればよいので、距離Lsは、λg×n/2から若干ずれていてもよく、実質的にλg×n/2であればよい。一例として、距離Lsは、λg×n/2のプラスマイナス5％の範囲内にあればよい。
誘電体１０４の厚さDsはλd×β/2により表現され、βは1より小さな定数であり、一例として0.85〜0.95の範囲内の値をとる。λdは、誘電体１０４の中を伝播する電波の波長であり、λd=λ/√εrにより表現される。λは、真空中を伝播する電波の波長であり、εrは、誘電体１０４の比誘電率である。
図３は、管内波長λgと導波管の縦又は横の長さWとの関係を、電波の周波数が915MHz及び955MHzの場合についてそれぞれ示している。図３に示すシミュレーション結果においては、W=Wx=Wyであることが仮定されている。図３に示されているように、915MHz及び955MHzの何れの周波数についても、導波管の断面の面積(W2)が広くなるにつれて、管内波長(管内波長の半分λg/2)は減少していることが分かる。従って、導波管の断面の面積が広くなるにつれて、第２空間V2(誘電体１０４と第２導電壁１１M2との間の空間)は狭くなり、第１空間V1(第１導電壁１１M1と誘電体１０４との間の空間)は広くなる。
＜＜A2. 反射波の相殺＞＞
図1に示すアンテナ１０３から送信された電波は、y軸方向に進行するので「進行波」と称してもよいし、RFIDタグに入射するので「入射波」と称してもよい。進行波(又は入射波)のうち一部は、誘電体１０４により反射され、一部は第２導電壁１１M2により反射される。実施の形態１により設けられる誘電体１０４を説明するために、先ず、そのような誘電体１０４が存在しなかった場合を考察する。
図４は、図1に示すような誘電体１０４が存在しなかった場合を示す。この場合、アンテナ１０３から送信された後にy軸のプラス方向に伝播する入射波(進行波)と、第２導電壁１１M2により反射してy軸のマイナス方向に伝播する反射波とが同程度に大きな振幅で存在する。入射波と反射波は異なる方向に同じ速度で進むので、y軸上に節及び腹を有する定在波が形成される。すなわち、y軸上に沿ってλg/2毎に定在波の節ノード(node)が生じ、節と節の間に腹(antinode)が生じる。
図５は、そのような定在波のうち4種類の位相に関する波形を模式的に示す。すなわち、図５における4つの波形は、時間経過と共に、ST1→ST2→ST3→ST4のように順に変化し、その後、ST4→ST3→ST2→ST1のように逆の順に変化する。λg/2毎に節(node)が生じ、隣接する節の間に腹(antinode)が生じている。節の位置では電波強度が常にゼロであり、腹の位置では電波強度が最も大きく変化する。
図６は、定在波の様々な位相の波形を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す。シミュレーションは、HFSS(high frequency structure simulator)電磁解析ツールを用いて行われた。図６に示す例では、図４に示すような導波管において、アンテナ１０３から水平偏波(電界成分がx軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合の電界の大きさ｜Ex｜(ScalarX_Vector_E)がy座標と共に示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が(y=880mm)の位置にある。λg/2毎に生じる節の付近にRFIDタグが配置された場合、そのRFIDタグは、アンテナ１０３からの電波を十分に強く受信できず、RFIDタグリーダ１０２に応答することができない。
これに対して、実施の形態１では、図1に示すようにy軸上の所定の場所に誘電体１０４が配置されている。実施の形態１では、図２に示すように、アンテナ１０３から送信された入射波Eiのうち、一部は誘電体１０４により反射され第１空間V1を伝播する第１反射波Er1となり、一部は第２空間V2に透過して第２導電壁１１M2により反射された後に第１空間V1の側に透過する第２反射波Er2となる。従って、反射波Erは第１反射波Er1及び第２反射波Er2の合計である。
Er=Er1＋Er2
なお、厳密には、管内波長λgを決定する角度θに応じて変化する成分Eicosθを考察する必要があるが、説明の簡明化を図るためθを省略している点に留意を要する。
＜＜＜A2.1 第１反射波Er1＞＞＞
第１反射波Er1は、誘電体１０４により反射された電波であるが、より正確に言えば、アンテナ１０３から送信された入射波Eiが誘電体１０４の表面A1により反射された反射波と、表面A1を透過し、誘電体１０４の中で1回以上反射した後に、表面A1を透過して第１空間V1に戻った反射波との合成波である。
図7は、第１反射波Er1を計算するための簡易モデルを示す。便宜上、第１空間V1は「領域0」と称し、誘電体１０４の中の領域は「領域1」と称し、第２空間V2は「領域2」と称している。以下の説明において、領域0から領域1へ向かう電波が反射/透過する場合の反射率/透過率はそれぞれr01/t01により表現される。領域1から領域2へ向かう電波が反射/透過する場合の反射率/透過率はそれぞれr12/t12により表現される。逆に、領域1から領域0へ向かう電波が反射/透過する場合の反射率/透過率はそれぞれr10/t10により表現される。領域2から領域1へ向かう電波が反射/透過する場合の反射率/透過率はそれぞれr21/t21により表現される。なお、第２空間V2における第２導電壁１１M2による反射は完全反射であり、反射率r2bはr2b=-1である。
図7に示されているように、先ず、入射波Eiが誘電体１０４の表面A1において反射することで、1番目の反射成分Er1 (1)が得られる。
Er1 (1)=r01Ei
n番目の反射成分はEr1 (n)により表現される。入射波Eiが表面A1を透過し、裏面A2で反射した後に、表面A1を透過した2番目の反射成分Er1 (2)は、
Er1 (2)=t01r12t10Eicos[2φ1]
となる。位相φ1は電波が誘電体１０４の表面A1から裏面A2へ(又はその逆方向へ)進行した場合の位相の変化量を表し、φ1=2πDs/λdである。1番目の反射成分Er1 (1)(又は入射波Ei)と2番目の反射成分Er1 (2)との間の位相差は、2φ1(1往復分)であるので、cos[2φ1]が乗算されている。なお、位相の変化量を余弦関数で表現することは必須ではなく、位相変化量は複素数exp(j2φ1)により表現されてもよい。入射波Eiが表面A1を透過した後、裏面A2における2回の反射、及び表面A1における1回の反射の後に、表面A1を透過した3番目の反射成分Er1 (3)は、
Er1 (3)=t01r12 2r10t10Eicos[4φ1]
となる。入射波Eiが表面A1を透過した後、裏面A2における3回の反射、及び表面A1における2回の反射の後に、表面A1を透過した4番目の反射成分Er1 (4)は、
Er1 (4)=t01r12 3r10 2t10Eicos[6φ1]
となる。以下同様な考察を行うことで、n番目の反射成分Er1 (n)を求めることができる。
Er1 (n)=t01r12 (n-1)r10 (n-2)t10Eicos[2(n-1)φ1]
ただし、この数式ではn≧2である。n=1については、Er1 (1)=r01Eiである。実際にはnは無限に大きくなるが、実用上は適切なnの最大値nMAXを決定し、1番目ないしnMAX番目の反射成分を合計することで、第１反射波Er1を見積もることができる。従って、第１反射波Er1は次のように表現できる。
Er1=Er1 (1)+Er1 (2)+...+ Er1 (nMAX)
＜＜＜A2.2 第２反射波Er2＞＞＞
第２反射波Er2は、入射波Eiが領域1から領域2(第２空間V2)の側に透過し、第２導電壁１１M2で反射した後に、再び領域0へ透過した電波である。先ず、領域0で生じた入射波Eiが誘電体１０４の表面A1を透過し、反射せずに裏面A2を透過した1番目の透過成分Et (1)は、
Et (1)=t01t12Eicos[φ1]
となる。Et (s)は、領域2に透過してきた透過波Etのうちs番目の透過成分を表す。位相φ1は電波が誘電体１０４の表面A1から裏面A2へ(又はその逆方向へ)進行した場合の位相の変化量を表し、φ1=2πDs/λdである。入射波Eiと1番目の透過成分Et (1)との間の位相差は、φ1(片道分)であるので、cos[φ1]が乗算されている。なお、位相の変化量を余弦関数で表現することは必須ではなく、位相変化量は複素数exp(j2φ1)により表現されてもよい。
入射波Eiが表面A1を透過し、裏面A2における1回の反射、及び表面A1における1回の反射の後に、裏面A2を透過した2番目の透過成分Et (2)は、
Et (2)=t01r12r10t12Eicos[3φ1]
となる。入射波Eiが表面A1を透過し、裏面A2における2回の反射、及び表面A1における2回の反射の後に、裏面A2を透過した3番目の透過成分Et (3)は、
Et (3)=t01r12 2r10 2t12Eicos[5φ1]
となる。以下同様な考察を行うことで、s番目の透過成分Et (s)を求めることができる。
Et (s)=t01r12 (s-1)r10 (s-1)t12Eicos[2(s-1)φ1]
ただし、s≧1である。実際にはsは無限に大きくなるが、実用上は適切なsの最大値sMAXを決定し、1番目ないしsMAX番目の透過成分を考慮することで、領域2の側に透過してきた透過波Etを見積もることができる。
図8に示すように、領域2の側に透過してきたs番目(s≧1)の透過成分Et (s)は、誘電体１０４の裏面A2及び第２導電壁１１M2により多重反射した後に、領域1を透過して領域0(第１空間V1)に入る。
領域2の側に透過してきたs番目の透過成分Et (s)が、第２導電壁１１M2において反射し、裏面A2に至る1番目の反射成分EM1 (s)は、
EM1 (s)=r2bEt (s)cos[2φ2]
となる。EMm (s)は、領域2に透過してきたs番目の透過成分Et (s)が、領域2(第２空間V2)の中でm回反射して生じた成分を表す。位相φ2は電波が、領域2(裏面A2から第２導電壁１１M2まで又はその逆)を進行した場合の位相の変化量を表し、φ2=2π(Ls-Ds)/λgである。s番目の透過成分Et (s)と1番目の反射成分EM1 (s)との間の位相差は、φ2(1往復分)であるので、cos[φ2]が乗算されている。なお、位相の変化量を余弦関数で表現することは必須ではなく、位相変化量は複素数exp(j2φ1)により表現されてもよい。
s番目の透過成分Et (s)が、第２導電壁１１M2における2回の反射、及び裏面A2における1回の反射の後に、裏面A2に至る2番目の反射成分EM2 (s)は、
EM2 (s)=r2b 2r21Et (s)cos[4φ2]
となるs番目の透過成分Et (s)が、第２導電壁１１M2における3回の反射、及び裏面A2における2回の反射の後に、裏面A2に至る3番目の反射成分EM3 (s)は、
EM3 (s)=r2b 3r21 2Et (s)cos[6φ2]
となる。以下同様な考察を行うことで、m番目の反射成分EMm (s)を求めることができる。
EMm (s)=r2b mr21 (m-1)Et (s)cos[2mφ2]
ただし、m≧1である。実際にはmは無限に大きくなるが、実用上は適切なmの最大値mMAXを決定することで、s番目の透過成分Et (s)の多重反射の影響を見積もることができる。
領域0(第１空間V1)で生じた入射波Eiが領域1を経由して領域2(第２空間V2)の側に透過した透過波は、Et (s)(s=1,2,...,sMAX)、すなわち｛Et (1),Et (2),...,Et (sMAX)｝の透過成分を有する。これらの透過成分の各々が領域2(第２空間V2)においてm回多重反射した後に、領域1を透過することで、第２反射成分Er2が得られる。
Er2=t21t10(EMm (1)+EMm (2)+...+ EMm (sMAX))cos[φ1]
上述したように、領域0(第１空間V1)において、第１反射波Er1と第２反射波Er2とが相殺される又は十分に小さくなるように、距離Ls及び厚さDsを設定する必要がある。
上記の図7及び図8の簡易モデルに基づく第１反射波Er1及び第２反射波Er2とその合成である反射波Erと関係式をまとめると次のようになる。
Er=Er1+Er2 （0になるべき合成波の大きさ）
Er1=Er1 (1)+Er1 (2)+...+ Er1 (nMAX)
Er2=t21t10(EMm (1)+EMm (2)+...+ EMm (sMAX))cos[φ1]
EMm (s)=r2b mr21 (m-1)Et (s)cos[2mφ2]
φ1=2πDs/λd
φ2=2π(Ls-Ds)/λg
一例として、以下の数値例に基づいて、第１反射波Er1及び第２反射波Er2を計算し、反射波Er、反射係数Sを求めた。
Ds=16mm、Ls=(λg/2)=197mm、
λd=λ/√εr=43.5mm、f=c/λ=915MHz、Ei=40V/m、
φ1=132.2度、φ2=166.2度、nMAX=40、sMAX=5、m=40、
r01=-0.8、t01=0.2、
r12=0.8、t12=1.8、
r10=0.8、t10=1.8、
r21=-0.8、t21=0.2、
r2b=-1
これらの数値例の場合、
Er1=-37.53 [V/m]、
Er2=38.3 [V/m]、
Er=Er1+Er2=0.77 [V/m]
となり、第１反射波Er1及び第２反射波Er2の合成電界Erは、僅か0.77[V/m]という極めて小さな値となった。この条件では、第１反射波Er1と第２反射波Er2が互いに逆位相となり、誘電体１０４で合成電界Erが相殺・吸収されていることに起因している（≪A5.パラメータ値≫（比誘電率εr）、図23参照）。尚、この場合の反射係数Sは、S=Er/Ei=0.019(=1.9％)という極めて低い値となった。
正確な電界分布、効果は、簡易モデル試算では困難であるため、下記のようにHFSSシミュレーションにより解析をした。
＜＜A3. 効果＞＞
第１空間V1において、第１反射波Er1と第２反射波Er2とが相殺される場合、図9に示すように、第１空間V1において0でない大きさを有する電波は、アンテナ１０３から放射された進行波又は入射波のみである。第１空間V1において、定在波は生じない。
図9に示す例では、アンテナ１０３から送信された進行波の様々な位相のうち、TR1、TR2、TR3の3つの波形が模式的に示されている。進行波は、時間経過と共に、TR1→TR2→TR3のように順に変化する。進行波が誘電体１０４に達すると、反射波が生じるが、この反射波は相殺されるので、第１空間V1では定在波は生じない。
第２空間V2においては、進行波又は入射波が誘電体１０４を透過した透過波と、その透過波が第２導電壁１１M2により反射した反射波とが存在するので、定在波が生じる。図9に示す例では、透過波の様々な位相のうち、ST1、ST2、ST3、ST4の4つの波形が模式的に示されている。定在波は、時間経過と共に、ST1→ST2→ST3→ST4のように順に変化し、その後はST4→ST3→ST2→ST1のように逆の順に変化する。第２空間V2はy軸に沿ってLs=λg/2(厳密には、Ls-Ds)の長さを有するので、第２空間V2に生じる定在波の節又はノードは、誘電体１０４及び第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じない。Lsが管内波長のほぼ半分に選択されているからである。
従って、第１空間V1及び第２空間V2の何れの場所にRFIDタグが存在したとしても、RFIDタグは適切な強度の電波を受信し、RFIDタグリーダに適切に応答することができる。
以上より、実施の形態の無線通信システム１００及び無線通信モジュール１０１によれば、誘電体１０４を第２導電壁１１M2からLs=λg/2の位置に配置することにより、導電壁１１で囲まれた閉空間１０Ａにおける通信性能を改善することができる。Ls=λg/2は、Ls=λg×n/2におけるnが１の場合の値である。
なお、上述したように、距離Lsは、λg×n/2から若干ずれていてもよく、実質的にλg×n/2であればよい。一例として、距離Lsは、λg×n/2のプラスマイナス5％の範囲内にあればよい。
以下、図10、図11、図12により実際のシミュレーション結果を示す。シミュレーションでは図1に示すような無線通信システム１００において、以下のようなパラメータの値が使用された。
導波管のx軸方向の幅Wx=300mm、
導波管のz軸方向の幅Wz=300mm、
導波管のy軸方向に沿う全長(Ys+Ls)=880mm、
誘電体１０４の厚さDs=16mm、
誘電体１０４のx軸方向の幅=300mm、
誘電体１０４のz軸方向の幅=300mm、
誘電体１０４の比誘電率εr=81、
誘電体１０４の誘電損失tanδ=0.08、
誘電体１０４の位置Ls=197mm≒λg/2
電波の周波数f=915MHz
図10は進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す。図10に示す例では、図1に示すアンテナ１０３から垂直偏波(電界成分がz軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)が示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が導波管の他端(y=880mm)の位置にある。誘電体１０４は、y=880-197=683mmの位置にあり、表面A1及び裏面A2に対応する2つの破線が描かれている。図10に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じているが、節は誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じていない。従って、第１空間V1及び第２空間V2の何れの場所においても、RFIDタグは、十分に高い強度の電波を受信できる。
図11も図10と同様に、進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示すが、x=110mm及びz=0mmの位置における電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)がy軸上の座標と共に示されている。図11に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じているが、節は誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じていない。しかしながら、図11に示す例では、電界の大きさが図10に示す場合と比べて小さくなっている。
これは、導波管内の電波が垂直偏波の場合には、水平（X軸）方向の電界強度は、中心から左右の導波管の境界(x=-150,150mm)に近づくにつれて低下し、導波管の境界の導電壁１１(x=-150,150mm)で電界強度は0になる為であり、図11に示す例では、図10に示す例の場合(x=0mm)よりも、導波管の境界(x=150mm)に近い場所の電界の大きさが測定されているからである。因みに、導波管内の電波が水平偏波の場合には、垂直（Z軸）方向の電界強度が中心から上下の導波管の境界に近づくにつれて低下し、導波管の境界の導電壁１１で電界強度は0になる。
図12も図10と同様に、進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示すが、x=0mm及びz=110mmの位置における電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)がy軸上の座標と共に示されている。図12に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じているが、節は誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じていない。図11に示す例とは異なり、図12に示す例では、電界の大きさが図10に示す例に匹敵するほど大きくなっている。図12に示す例においても、図10に示す例の場合(x=0mm)よりも、導波管の境界(z=150mm)に近い場所の電界の大きさが測定されている。導波管内の電波が垂直偏波の場合には、垂直（Z軸）方向の電界強度は一定となる為であり、この位置であっても十分に強い電界が生じているのである。因みに、導波管内の電波が水平偏波の場合には、水平（X軸）方向の電界強度は一定となる。
＜＜A4. 応用例＞＞
第１空間V1及び第２空間V2にRFIDタグを実際に配置し、アンテナから電波を送信することで、RFIDタグから情報を読み取る実証実験を行った。図13は、そのような無線通信システム１００Aを示す。概して図1に示す無線通信システム１００と同様であるが、図13に示す無線通信システム１００Aでは、RFIDタグ５０がそれぞれに付された44個の封筒６０−１〜６０−４４が閉空間内に設けられている。封筒には書類が入っており、多数の書類を管理することが意図されている。無線通信システム１００Aは、x軸方向に300mm、z軸方向に300mm及びy軸方向に880mmの寸法の導波管を形成している。
44個の封筒の各々は、z軸に沿って(垂直に)配置され、y軸方向に44個の封筒が並べられている。RFIDタグ５０は、79mm×11mmの大きさを有し、封筒の下から150mmの高さ(z=150mm)に設けられている。RFIDタグ５０のx軸方向の場所は、x=150mm(S=150mm)、x=230mm(S=70mm)又はx=280mm(S=20mm)であり、それぞれの場合について実験が行われた。Sはx=300mmの場所にある導電壁１１(境界)からの距離を表す。RFIDタグ５０は、-10dBm(最小動作電力)以上の電力に応答することができる。
誘電体１０４は水で満たされた厚さ2mmのアクリル水槽で形成されている。アクリル水槽内部の寸法は、x軸方向に290mm、z軸方向に290mm、y軸方向にDs=16mmである。このアクリル水槽は、第２導電壁１１M2から198mm(y=682〜702mm)に設置した。従って、アクリル樹脂の厚さが2mmであるので、水は第２導電壁１１M2からLs=196mmの距離だけ隔たった位置(y=684〜700mm)に設置されていることとなる。尚、アクリルの比誘電率は、水に対して十分小さいεr=2.7〜4.5であるため、アクリルによる影響は少なく、水で満たされたアクリル水槽は、比誘電率εr=81、Ds=16mmの誘電体１０４と見なされる。
アンテナ１０３は送信電力が14〜30.3dBmであるダイポールアンテナであり、2.14dBiのアンテナ利得を有する。
図14は、閉空間１０Ａ内に誘電体１０４(アクリル水槽)を配置しなかった場合における実験結果を示し、アンテナ１０３からの垂直偏波(電界がz軸方向に沿っている直線偏波)の電力を変えながら、y軸上の様々な位置におけるRFIDタグの読取率[個/秒]が測定された。電波の周波数は915MHzである。読取率は、1秒当たり何個のRFIDタグを読み取ることができたかを示す。y=100mmの場所は、1番目の封筒６０−１に付されたRFIDタグ５０に対応し、y=800cmの場所は44番目の封筒６０−４４に付されたRFIDタグ５０に対応する。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、24.3dBmであった場合、17番目、18番目、29番目、30番目の封筒６０−１７、６０−１８、６０−２９、６０−３０にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い22.4dBmであった場合、読取率はかなり向上しているが、それでも17番目及び29番目の封筒６０−１７及び６０−２９にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。この場合も、y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い24.3dBmであった場合、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。従って、アクリル水槽が設けられていない場合、書類を適切に管理するには、RFIDタグリーダは24.3dBm以上の強度の電波を送信する必要がある。
図15は、図1及び図13に示すように閉空間１０Ａ内に誘電体１０４(アクリル水槽)を配置した場合における実験結果を示し、アンテナ１０３からの垂直偏波の電力を変えながら、y軸上の様々な位置におけるRFIDタグの読取率[個/秒]が測定された。電波の周波数は915MHzである。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、18.7dBmであった場合、17番目、30番目、31番目の封筒６０−１７、６０−３０、６０−３１にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い19.6dBmであった場合、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い20.5dBmであった場合も、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。従って、アクリル水槽を設けた場合、書類を適切に管理するには、RFIDタグリーダは19.6dBm以上の強度の電波を送信すればよい。
図16は、図14及び図15に関する実験結果を、RFIDタグの3種類の位置の各々について比較している。Hはz軸方向の座標あり、RFIDタグ５０が設けられている場所の高さを示す。Sはx=300mmの場所に設けられている導電壁１１からRFIDタグ５０がどれだけ隔たっているかを示す。先ず、RFIDタグ５０の位置(H/S)が(150mm/20mm)であった場合(x=280mm)において、誘電体１０４を設けなかった場合、書類を適切に管理することはできない。これに対して、誘電体１０４を設けた場合、26.5dBm以上強く電波を送信すれば、書類を適切に管理することができる。
RFIDタグ５０の位置(H/S)が(150mm/70mm)であった場合(x=230mm)において、誘電体１０４を設けなかった場合、書類を適切に管理するには24.3dBm以上強く電波を送信する必要がある。これに対して、誘電体１０４を設けた場合、19.6dBm以上強く電波を送信すれば、書類を適切に管理することができる。この場合、4.7dBmもの電力(ΔPmin)を節約できる。
RFIDタグ５０の位置(H/S)が(150mm/150mm)であった場合(x=150mm)において、誘電体１０４を設けなかった場合、書類を適切に管理するには22.4dBm以上強く電波を送信する必要がある。これに対して、誘電体１０４を設けた場合、19.6dBm以上強く電波を送信すれば、書類を適切に管理することができる。この場合、2.8dBmの電力(ΔPmin)を節約できる。
図17及び図18は、図14及び図15と同様な実験結果を示すが、図17及び図18に示す例では電波が水平偏波(電界がx軸方向に沿っている直線偏波)である点が異なる。
図17は、誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置しなかった場合における実験結果を示し、アンテナ１０３からの水平偏波の電力を変えながら、y軸上の様々な位置におけるRFIDタグの読取率[個/秒]が測定された。
アンテナ１０３から送信された電力が、18.7dBmであった場合、17番目、18番目、19番目、28番目、29番目、30番目の封筒６０−１７、６０−１８、６０−１９、６０−２８、６０−２９、６０−３０にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
アンテナ１０３から送信された電力が、更に高い22.4dBmであった場合、読取率はかなり向上しているが、それでも29番目及び30番目の封筒６０−２９及び６０−３０にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。この場合も、y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
アンテナ１０３から送信された電力が、更に高い24.3dBmであった場合、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。従って、アクリル水槽が設けられていない場合、書類を適切に管理するには、RFIDタグリーダは24.3dBm以上の強度の電波を送信する必要がある。
図18は、誘電体１０４(アクリル水槽)を閉空間内に配置した場合における実験結果を示し、アンテナ１０３からの水平偏波の電力を変えながら、y軸上の様々な位置におけるRFIDタグの読取率[個/秒]が測定された。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、16.3dBmであった場合、17番目、18番目、19番目、20番目、27番目、28番目、29番目の封筒６０−１７、６０−１８、６０−１９、６０−２０、６０−２７、６０−２８、６０−２９にそれぞれ付されたRFIDタグについての読取率が、他の場所よりも低下している。y軸上の場所によって(封筒を置く場所によって)RFIDタグの読取率が異なるので、封筒及び書類を適切に管理する観点からは好ましくない。
RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い18.7dBmであった場合、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。RFIDタグリーダのアンテナ１０３から送信された電力が、更に高い20.5dBmであった場合も、y軸上の何れの場所においても同じ読取率が実現されている。従って、アクリル水槽が設けられていない場合、書類を適切に管理するには、RFIDタグリーダは18.7dBm以上の強度の電波を送信すればよい。
図17に示す例及び図18に示す例から、閉空間１０Ａ内に誘電体１０４を設けると、RFIDタグリーダから送信する電波の送信電力を、24.3-18.7=5.6dBmも節約できることが分かる。このように実施の形態１によれば、閉空間１０Ａ内に誘電体１０４を設けることで、誘電体１０４を設けない場合よりも低い電力で書類を管理できる。
＜＜A5. パラメータ値＞＞
（比誘電率εr）
誘電体１０４は用途に応じて当該技術分野で既知の適切な如何なる材料を用いて形成されてもよい。図19、図20は、様々な比誘電率を示す材料を例示的に示している。図19は液体材料の一例として、エチレングリコール濃度(EG濃度)に応じて異なる比誘電率εr及び誘電損失tanδ(1GHzの周波数に対する値)を示す。図20は固体材料の例を示す。
（厚さDs及び比誘電率εrの関係）
図21は、図1に示す無線通信システム１００において、第２導電壁１１M2からLs=λg/2の位置に誘電体１０４を配置した場合において、第１空間V1の中で第1、第２反射波Er1,Er2が適切に相殺される条件を満たす誘電体１０４の厚さDs及び比誘電率εrをHFSSシミュレーションより求めた結果を示している。
図21に示されているように、誘電体１０４の比誘電率εrが小さかった場合、誘電体１０４の厚さDsは厚くなければならず、誘電体１０４の比誘電率εrが大きかった場合、誘電体１０４の厚さDsは薄くてよい。誘電体１０４の厚さDsの厚さが厚いと、その分だけRFIDタグを配置する領域が狭くなるので、RFIDタグを配置できる領域を大きくする等の観点からは、誘電体１０４の比誘電率εrは大きいことが好ましい。一方、比誘電率が高い材料は高価である場合が多いので、実用上の観点を加味すると、比誘電率εrは約40以上であることが好ましい。
なお、図21には、λd/2の値もプロットされている。誘電体１０４の内部で定在波が生じるには、理論上、誘電体１０４の厚さが誘電体１０４内部での波長λdの半分(厳密には、反整数倍)になっている必要があるからである。実際にDsの値としてプロットされている点と、λd/2の値としてプロットされている点とを比較すると、反射波を適切に相殺するためのDsの値は概ねλd/2であるが、より正確には、λd/2の値よりも若干小さくしなければならないことが分かる。すなわち、Ds=(λd/2)βである(0＜β＜1)。
（βの最適化）
図22は、図21のHFSSシミュレーションより求めた、反射波Er1,Er2が相殺される条件を満たす比誘電率εr及び誘電体１０４の厚さDsとλd/2の値を比較し、Ds=(λd/2)βとなるβを計算した結果である。0.85≦β≦0.95であった。
図23は、比誘電率εrが81である誘電体１０４が使用された場合における誘電体１０４の厚さDs[mm]、反射波の大きさEr[V/m]、及び反射係数S(=Er/Ei)の相互関係を図7、８の簡易モデル計算により求めた結果を示している。図23に示されているように、厚さDsが14mmから19mmの範囲内にある場合に、反射波の大きさErは-12ないし+19[V/m]の大きさを有し、かつ反射係数は-0.3ないし+0.5の値を示す。そして、厚さDsが16mm程度である場合に、反射波の大きさEr及び反射係数は0に最も近づいている。このεr=81及びDs=16mmの組み合わせは、図21における点Qに対応する。この場合、誘電体１０４内を進行する電波の波長λd/2は18.2mmであるので、厚さDs=0.88λdとも表現できる。尚、誘電体１０４により反射した反射波と、第２導電壁１１M2で反射した反射波との位相差2(φ1＋φ2)＝3.31πであり、逆位相に近い状態である為、互いの電界は相殺されることが簡易モデル計算からわかった。
図21、図22、図23に示す結果を総合すると、Ds=λd×β/2と表現した場合に、0＜β＜1であり、更に好ましくは、0.85≦β≦0.95であることが分かる。
（誘電損失tanδ）
誘電体１０４の誘電損失又は誘電正接tanδが大きいと、電波の電力損失や、位相のずれが生じやすくなる。従って、誘電損失tanδは小さいことが好ましく、理想的には0である。
図24は、図1に示すような無線通信システム１００において、誘電損失tanδが0．08である誘電体１０４が使用された場合に生じる進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す。図24に示す例では、図1に示すアンテナ１０３から水平偏波(電界成分がx軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ex｜(ScalarX_Vector_E)が示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が導波管の他端(y=880mm)の位置にある。誘電体１０４は、Ls=197mmの位置にあり、表面A1及び裏面A2に対応する2つの破線が描かれている。図24に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じているが、節は誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じていない。従って、第１空間V1及び第２空間V2の何れの場所においても、RFIDタグは、十分に高い強度の電波を受信できる。
図25は、図24と同様なシミュレーション結果を示すが、誘電体１０４の誘電損失tanδが0.1である点が異なる。図25に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じているが、節は誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所にしか生じていない。しかしながら、誘電損失tanδが図24に示す場合よりも大きいことに起因して、第１空間V1において、電波の強度が周期的に低くなっている箇所が生じている。電波の強度が場所によって異なると、電波の強度が弱い場所でRFIDタグは応答しにくくなるが、図25に示す程度の強度劣化であれば、第１空間V1及び第２空間V2の何れの場所においても、RFIDタグは、十分に高い強度の電波を受信できる。
図26は、図24と同様なシミュレーション結果を示すが、誘電体１０４の誘電損失tanδが0.16である点が異なる。図26に示されているように、誘電損失tanδが図24及び図25に示す場合よりも大きいことに起因して、第１空間V1において、電波の強度が周期的に更に低くなっている箇所が生じている。電波の強度が場所によって異なることに起因して、電波の強度が弱い場所でRFIDタグは応答しにくくなる。これ程大きく強度が劣化すると、受信感度が高いRFIDタグは、RFIDタグリーダに依然として適切に応答できるかもしれないが、受信感度が高くないRFIDタグは、RFIDタグリーダに応答できないことが懸念される。図24、図25及び図26に示す結果を総合すると、誘電損失tanδは0以上0.2以下の範囲内にあることが好ましく、更には、0以上0.1以下の範囲内にあることが好ましい。
＜B. 誘電体の位置に関する変形例＞
図9ないし図18等を参照しながら説明した例においては、図1に示すような無線通信システム１００において、誘電体１０４は第２導電壁１１M2から距離Lsの距離を隔てて設けられ、距離LsはLs≒λg/2であった。誘電体１０４により反射した反射波と、第２導電壁１１M2で反射した反射波との位相差2(φ1＋φ2) ≒ 3π は逆位相となとなっている。この位相差が逆位相となる条件は、他にもあり、3π, 5π,7π.. = 2(n-1) πとしても良い。即ち、実施の形態１はLs≒λg/2に限定されず、Ls≒ λg(1/2), λg(2/2), λg(3/2) … = λg×n/2とすることが可能である。
図27は、Ls=λg×2/2(n=2の場合)の位置に誘電体１０４を設けた無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す。図27に示す例では、図1に示すアンテナ１０３から垂直偏波(電界成分がz軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)が示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が導波管の他端(y=880mm)の位置にある。誘電体１０４は、y=880-(196×2)=488mmの位置にあり(Ls=196×2=392mm)、表面A1及び裏面A2に対応する2つの破線が描かれている。
図27に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じており、誘電体１０４と第２導電壁１１M2の2箇所だけでなく、それらの中央にも節が生じている。節同士の間隔はλg/2=196mmである。第１空間V1では任意の場所でRFIDタグは十分に高い強度の電波を受信できる。しかしながら、第２空間V2では中央付近に定在波の節が1つ生じているので、この付近に設けられたRFIDタグは十分に高い強度の電波を受信できない。したがって、第２空間にRFIDタグを配置する場合には、電界が極端に低下する定在波の節を避けた配置をしなければならず、利用範囲の制限、利便性が低下する。従って、RFIDタグを設置領域としては、第１空間V1が好ましい。
図28は、Ls=λg×3/2(n=3の場合)の位置に誘電体１０４を設けた無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したシミュレーション結果を示す。図28に示す例でも、図1に示すアンテナ１０３から垂直偏波(電界成分がz軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)が示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が導波管の他端(y=880mm)の位置にある。誘電体１０４は、y=880-(196×3)=292mmの位置にあり(Ls=196×3=588mm)、表面A1及び裏面A2に対応する2つの破線が描かれている。
図28に示されているように、アンテナ１０３から誘電体１０４までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。誘電体１０４から第２導電壁１１M2までの第２空間では、定在波が生じており、誘電体１０４と第２導電壁１１M2との2箇所だけでなく、それらの間の2箇所にも節が生じている。節同士の間隔はλg/2=196mmである。第１空間V1では任意の場所でRFIDタグは十分に高い強度の電波を受信できる。しかしながら、第２空間V2では中央付近に定在波の節が2つ生じているので、この付近に設けられたRFIDタグは十分に高い強度の電波を受信できない。したがって、第２空間にRFIDタグを配置する場合には、電界が極端に低下する定在波の節を避けた配置をしなければならず、利用範囲の制限、利便性が低下する。従って、RFIDタグを設置領域としては、第１空間V1が好ましい。
図10に示す例(Ls=λg/2)、図27に示す例(Ls=λg×2/2)、及び図28に示す例(Ls=λg×3/2)から分かるように、誘電体１０４の距離Lsが(λg/2)の2倍以上である場合(n≧2の場合)には、第２空間V2には定在波の節が生じるので、RFIDタグは、第１空間V1に設置して使用することが望ましい。
以上より、誘電体１０４を第２導電壁１１M2からLs=λg×n/2の位置に配置することにより、導電壁１１で囲まれた閉空間１０Ａにおける通信性能を改善することができる。
なお、誘電体１０４の位置は、Ls（=λg×n/2）から若干ずれていてもよく、実質的にλg×n/2であればよい。一例として、距離Lsは、λg×n/2のプラスマイナス5％の範囲内にあればよい。
＜C. 第２空間を縮小する変形例＞
実施の形態１は管状の導波管の途中に誘電体１０４を設け、第１空間V1と第２空間V2とを形成する。第１空間V1はRFIDタグを配置する領域として常に利用可能である。第２空間は、RFIDタグを配置する領域として利用されてもよいし或いは利用されなくてもよい。第２空間V2を、RFIDタグを配置する領域として利用しない場合、第２空間V2の体積が大きいと、スペースが無駄になってしまう。従って、第２空間V2を、RFIDタグを配置する領域として利用しない場合、第２空間V2の体積は小さい方が好ましい。
図29は、第２空間V2を狭くする変形例を説明するための図を示す。図29は、図２と同様に、誘電体１０４付近の様子を示す。第１空間V1は空気で満たされているので、第１空間の誘電率は真空の誘電率ε0にほぼ等しい(比誘電率は1)。誘電体１０４は比誘電率がεrの材料で形成されている。第２空間V2も空気で満たされているので、第２空間の誘電率は真空の誘電率ε0にほぼ等しい(比誘電率は1)。
図30は、第２空間V2を誘電体材料で充填することで、第２空間V2の体積を小さくした様子を示す。図30に示されているように、厚さがDs1であり比誘電率がεr1である第１誘電体１０４−１と第２導電壁１１M2との間に、厚さがDs2であり比誘電率がεr2である第２誘電体１０４−２が設けられている。第１誘電体１０４−１は図29における誘電体１０４と同じであり、εr1=εrである。第１誘電体１０４−１は、誘電体製の板状部材の一例である。第２誘電体１０４−２の比誘電率εr2は第１誘電体１０４−１の比誘電率εr1と同じであっても異なっていてもよい。図30に示す例では、第２空間V2は、比誘電率がεr2である第２誘電体１０４−２により占められている。第２誘電体１０４−２は、誘電体の一例である。
第２空間V2で生じている管内波長λgの定在波を誘電体１０４−２に押し込めることとなるので、その厚さDs2はλg/(2√εr2)程度必要である（誘電体１０４−１との相互関係にも左右される）。このように第２空間V2を誘電体材料で充填することで、第２空間V2の体積を小さくすることが可能となる。
図31は、図30に示すように1つの誘電体で第２空間V2を充填した無線通信システムにおける進行波の様々な位相を重ね合わせて表示したHFSSシミュレーション結果を示す。図31に示す例では、図1に示すアンテナ１０３から垂直偏波(電界成分がz軸方向に沿っている直線偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ez｜(ScalarZ_Vector_E)が示されている。電波の周波数は915MHzである。第１導電壁１１M1が導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2が導波管の他端(y=880mm)の位置にある。
第１誘電体１０４−１は、y=849.2mmないし865.2mmの16mmの厚さにわたって存在する。第１誘電体１０４−１は、図１を参照しながら説明したように水に相当する誘電体であり、第１誘電体１０４−１の比誘電率εr1は81であり、誘電損失tanδは0.08とした。第２誘電体１０４−２は、y=865.2mmないし880mmの14.8mmの厚さにわたって存在する。第２誘電体１０４−２は、例えばチタン酸ストロンチウム(SrTiO3)により形成され、比誘電率εr2は300であり、誘電損失tanδは0.005である。
図31に示されているように、アンテナ１０３から第１誘電体１０４−１までの第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。従って、第１空間V1の何れの場所においても、RFIDタグは、十分に高い強度の電波を受信できる。第１誘電体１０４−１から第２導電壁１１M2までの第２空間V2は第２誘電体１０４−２で占められているので、RFIDタグを配置することはできない。第２空間V2では定在波が生じている。第２空間V2は14.8mmという極めて薄い空間しか占めていない点に留意を要する。
＜D. 通信方法＞
図32は、無線通信システムにおける通信方法のフローチャートを示す。フローはステップ331から始まる。ステップ331において、図1に示すような無線通信システムが用意される。無線通信システムに含まれている無線通信モジュール１０１は、閉空間１０Ａをなす管状の導波管を形成し、一端の導電壁１１に、RFIDタグリーダ１０２のアンテナ１０３を配置し、アンテナ１０３と他端の導電壁１１との間に誘電体１０４を配置することで、第１空間V1及び第２空間V2を形成している。
ステップ332において、無線通信モジュール１０１が形成する閉空間１０Ａの中に、1つ以上緒RFIDタグ５０を配置する。一例として、図13に示すような管理対象である書類の封筒６０−１〜６０−４４が、閉空間１０Ａ内に並べられる。
ステップ333において、アンテナ１０３から電波が送信される。この電波は、一例として、プリアンブル信号及びコマンド信号を含む。アンテナ１０３から送信された電波は誘電体１０４及び第２導電壁１１M2により反射される。誘電体１０４により反射して第１空間V1を伝播する第１反射波Er1と、第２導電壁１１M2で反射して第１空間V1を伝播する第２反射波Er2とは、第１空間V1において互いに相殺される。その結果、第１空間V1、又は第1及び第２空間V1,V2に配置されたRFIDタグは、アンテナ１０３から送信された進行波のみを受信することになる。
ステップ334において、アンテナ１０３から送信された電波(進行波)を適切な強度で受信したRFIDタグは、自身のメモリに保存している情報を取得し、その情報を含む送信信号を生成し、送信信号を電波で送信する。
ステップ335において、RFIDタグリーダ１０２は、1つ以上のRFIDタグから受信した情報を分析し、RFIDタグが付随している管理対象を管理する。そして、フローはステップ336に進み、終了する。
なお、以上の実施の形態１では、RFIDタグリーダ１０２がRFIDタグ５０を読み取る形態について説明した。しかしながら、実施の形態１の無線通信システム１００は、例えば、Zigbee（登録商標）又はWifi等の電波をアンテナ１０３から放射し、子機を読み取るような環境に適用されてもよい。
＜実施の形態２＞
＜＜E1.構成＞＞
図３３は、実施の形態２の無線通信システム２００を示す。図３４は、図３３の一部を拡大して示す図である。無線通信システム２００は、導電構造体１０に配設される無線通信モジュール２０１と、導電構造体１０が規定する閉空間１０Ａに配置されるRFIDタグ５０とを有する。無線通信システム２００は、導電構造体１０に配設される。なお、無線通信システム２００は、導電構造体１０を含んでもよい。説明の便宜上、図３３では、全体を無線通信システム２００として示す。
無線通信モジュール２０１は、RFIDタグリーダ１０２、アンテナ１０３、導電薄膜２０４を含む。無線通信モジュール２０１は、実施の形態１の無線通信モジュール１０１の誘電体１０４を導電薄膜２０４に置き換えたものである。導電薄膜２０４を配置する場所は、誘電体１０４を配置する場所とは異なる。
その他の構成は、実施の形態１における各構成と同様であるため、同様の構成要素には同一符号を付し、その説明を省略する。
導電薄膜２０４は、閉空間１０Ａを第１空間V1と第２空間V2に分割する。導電薄膜２０４には、電磁波の一部を透過しかつ一部を反射する条件の薄膜を用いる。導電薄膜２０４は、反射部の一例である。導電薄膜２０４は、例えば、グラファイト薄膜、アルミニウムを添加した酸化亜鉛薄膜、ボロンを添加した酸化亜鉛薄膜、ガリウムを添加した酸化亜鉛薄膜等を用いることができる。導電薄膜２０４の厚さは、例えば、0.1mm以下である。
導電薄膜２０４は、x軸方向に約Wx及びz軸方向に約Wzの長さを有し、y軸方向にDtの厚さを有する。実際には、導波管を形成する導電壁１１の厚さ等を考慮する必要があるので、導電薄膜２０４のy軸に垂直な面(xz面)における断面形状はx軸方向にWxより若干短い長さ及びz軸方向にWzより若干短い長さを有する。
導電薄膜２０４は、導波管の一端にある第１導電壁１１M1に設けられたアンテナ１０３と、導波管の他端にある第２導電壁１１M2との間に配置されている。説明の便宜上、アンテナ１０３と導電薄膜２０４との間の空間が「第１空間V1」であり、導電薄膜２０４と第２導電壁１１M2との間の空間が「第２空間V2」であるとする。図３３に示す例の場合、導電薄膜２０４が0.1mm以下となる場合が多いので、第１空間V1はy軸方向にYs2の長さを有し、第２空間V2はy軸方向にLs2(≒Ls2-Dt)の長さを有する。図３３及び図３４では省略しているが、実際には導電薄膜２０４は基板等の表面に形成される。機械的強度を持たせるためである。基板としては、誘電率の低い材料製のものが好ましい。
なお、以下では、説明の便宜上、導電薄膜２０４の位置は、第２導電壁１１M2を基準位置として、第２導電壁１１M2から導電薄膜２０４の第１空間V1側の面までの距離で表し、導電薄膜２０４の位置Ls2と称す。
アンテナ１０３から送信された電波の一部は、導電薄膜２０４で反射し、第１空間V1を伝播する第１反射波Er21となる。透過した電波の一部は、第２空間V2を経て第２導電壁１１M2で反射した後、第１空間V1を伝播する第２反射波Er2となる。
第１反射波Er21と第２反射波Er22との位相差は導電薄膜２０４の位置Ls2に依存する。導電薄膜２０４を第１反射波Er21と第２反射波Er22の合成波（合成反射波）の振幅がゼロになるように、又は、振幅が十分に小さくなるように、導電薄膜２０４の位置Ls2を設定することで、第１空間V1の内部における定在波を低減することができる。
具体的には「E2.反射波の相殺」の欄において説明するが、導電薄膜２０４は、y軸方向において第２導電壁１１M2から距離Ls2の位置に設けられる。 距離Ls2=λg×(2n-1)/4により表現され、nは自然数(n>=1)である。
典型的なn=1の場合、すなわちLs2=λg/4の場合の反射波の次のように反射波が相殺される。
導電薄膜２０４を透過して第２空間V2に入った電波は、導電壁１１M2に達するまでに位相が90°変化し、かつ導電壁１１M2で反射されて位相が180°反転するので、この時点で位相が270°変化している。導電壁１１M2から導電薄膜２０４に到達するまでにさらに90°位相が変化するので、第１空間V1から導電薄膜２０４を透過した第２反射波Er22は、導電壁１１M2で反射されて導電薄膜２０４に到達するまでに、位相が360°変化している。
一方、第１反射波Er21は、導電薄膜２０４で反射される際に、位相が180°変化する。すなわち、第１反射波Er21は、導電薄膜２０４で反射される際に、位相が反転する。このため、第１反射波Er21と第２反射波Er22は逆位相となり、導電薄膜２０４の第１空間V1側の表面で電界が相殺される。すなわち、第１反射波Er21と第２反射波Er22は、導電薄膜２０４の第１空間V1側の表面で相殺される。
尚、nが2 以上である場合については、「E5.導電薄膜２０４の位置に関する変形例」において説明する。
＜＜E2.反射波の相殺＞＞
実施の形態２では、図３３に示すようにy軸上の所定の場所に導電薄膜２０４が配置されている。アンテナ１０３から入射波Eiが送信される。図３４において、入射波Eiのうちの一部は、導電薄膜２０４によって反射され、第１空間V1を伝播する第１反射波Er21となる。また、入射波Eiのうちの一部は、導電薄膜２０４を透過して第２空間V2に入り、第２導電壁１１M2によって反射され、再び導電薄膜２０４を透過して第１空間V1に入る。このように第２導電壁１１M2によって反射され、導電薄膜２０４を透過して第１空間V1に戻る反射波を第２反射波Er22と称す。
従って、導電薄膜２０４の第１空間V1側の表面における合成反射波Er20は、第１反射波Er21と第２反射波Er22の合計で表される。
Er20=Er21＋Er22
なお、厳密には、管内波長λgを決定する角度θに応じて変化する成分Eicosθを考察する必要があるが、説明の簡明化を図るためθを省略している点に留意を要する。
ここで、図３５に示す単純なモデルを使って合成反射波Er20を計算して、定在波が最少となる条件について検討する。図３５は、図３３の一部を拡大して示す図である。
アンテナ１０３から送信された入射波Eiは、導電薄膜２０４で一部が反射され、一部が透過されるものとする。また、導電薄膜２０４の反射率をr01、導電薄膜２０４を第１空間V1から第２空間V2の方向に透過する際の透過率t01(= 1 + r01 )とする。導電壁１１M2での反射は完全反射とし、その反射率rbはrb = -1 とした。また、反射率r01は-1<r01<0を満たす負の値である。また、導電薄膜２０４を第２空間V2から第１空間V1の方向に透過する際の透過率t10は、透過率t01に等しい。
導電薄膜２０４で反射される反射波Er21は、式(1)で表される。
Er21 = r01Ei （1）
導電薄膜２０４を透過した電波は、第２導電壁１１M2によって反射された後に再び導電薄膜２０４を透過して第１空間V1に戻り、第２反射波Er22になる。Ls2=λg/4による位相差φ1は、φ1=2π(Ls2/λg)=π/2で表される。このため、距離Ls2を往復移動した第２反射波Er22の第１反射波Er21に対する位相差は、2φ1=πとなる。
第２導電壁１１M2での反射も考慮した位相変化Bは、B=rb*cos(2φ1)=1となる。このため、第２反射波Er22は次式(2)で表される。
Er22= Bt01t10 Ei = t01^2 Ei （2）
式(1),(2)から、合成反射波Er20は、次式(3)で表される。
Er20 = (r01 + t01^2)Ei （3）
式(3)により、導電薄膜２０４の反射率r01を調整して、合成反射波Er20、反射係数Sを計算した。
図３６は、反射率r01に対する、合成反射波Er20と反射係数Sの計算結果を示す図である。
図３６に示すように、反射率r01=-0.38の場合に、反射係数Sが最も小さくなることがわかった。なお、計算条件は、導電構造体１０による導波管の断面の寸法Wx、Wyが、Wx=Wy=300mm、入射波Eiの周波数f=915MHz、Ei=40V/m、Ls2=98 mm である。このLs2の長さは、λg/4に略等しい。
簡易モデル計算で導電薄膜２０４の反射率条件が絞り込めたが、正確な電界分布、効果の推定は困難である。詳細解析については、"E4.実施例" において説明する。
＜＜E3.導電薄膜＞＞
上述の結果より、反射率r01=0.38程度の導電薄膜２０４が必要である。HFSS電磁解析ツールを用いて材料の反射率を検討した。図３７は、導電率（比抵抗）σ、密度、抵抗率ρ、表皮深さδsの比較表を示す図である。なお、表皮深さδsは、９１５MHzにおける値である。
図３７の比較表に基づき、Graphiteの薄膜と、アルミニウムを添加した酸化亜鉛（ZnO-AL(2wt%)の薄膜について反射率を試算することとした。なお、酸化亜鉛（ZnO-AL(2wt%)の導電率（比抵抗）は、JJAP_vol.24_No10_1985_L781-L784に記載された値を用いた。酸化亜鉛は、透明電極用に開発された材料である。
なお、酸化亜鉛（ZnO-AL(2wt%)以外にも、ボロンを添加したZnO-B、又は、ガリウムを添加した酸化亜鉛ZnO-Gaを用いてもよい。
GraphiteとZnO-ALの表皮深さδs（＝√(2/(ωσμ))は62.9μm/2293umであるので、これよりも薄い薄膜であれば電磁波を透過及び反射できることが推測される。そこで、導電率の異なる導電薄膜の反射率の膜厚依存性をHFSS電磁解析ツールで試算した。図３８は、膜厚Dtの試算結果を示す図であり、（A）は、導電率及び反射率とともに示す図であり、（B）、（C）は、GraphiteとZnO-ALの膜厚に対する反射率(Reflectance)の特性を示す図である。GraphiteとZnO-ALにおいては、表皮深さδsよりも膜厚Dtが薄い場合に、反射率rを0.3〜0.45に調整できることがわかった。
＜＜E4.実施例＞＞
図３９は、テフロン製の基板２０４ＡにZnO_AL(2w%)の導電薄膜２０４を形成した反射板を含む無線通信モジュールの一部分を示す図である。この無線通信モジュールは、図３３に示す無線通信モジュール２０１に、基板２０４Ａを追加した構成を有する。
ここでは、上述の説明で有用性が確認されたZrO_ALを導電薄膜２０４として用いる形態について説明する。テフロン製の基板にZnO_AL(2w%)の薄膜を形成した反射板を作製し、システムを構築した。
なお、ZnO_AL(2w%)の薄膜の膜厚は40μmであり、テフロン製の基板２０４Ａの比誘電率(er)は2.08、tanδは0.001である。テフロン製の基板２０４Ａは、実施の形態１で誘電体１０４として用いた水等に比べると、比誘電率が無視できるほど小さいため、テフロン製の基板２０４Ａを用いることの影響は無視できる。また、テフロン製の基板２０４Ａの代わりに、フェノール、エポキシ、ポリイミド等の樹脂基板を用いてもよい。
HFSS電磁解析ツールを用いて、詳細に電界分布を検討した。図４０は、電解分布を示す図である。なお、入射波Eiは９１５MHzの水平偏波であり、ZnO_AL(2w%)の膜厚は40μm、反射率は0.34、導電率は53S/m、比誘電率er=1、Ls2=96ｍｍである。テフロン製の基板２０４Aの厚さは４mmである。
図４０（Ａ）は、閉空間１０Ａの中心軸(X=0/Z=0)上の電界分布を示す図である。図４０（Ａ）に示すように、第１空間V1、第２の空間V2の進行波に近い電界分布になった。電界の最大値Emaxが４２Ｖ／ｍ、電界の最小値Eminが４０Ｖ／ｍである。また、このときの反射係数はS=0.02と良好である。
図４０（Ｂ）、（Ｃ）は、中心から(X=0/Z=11cm),(X=11cm/Z=0)の電界分布であり、単体誘電体を用いた場合と同様な分布となった。
また、導電薄膜２０４の位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sを試算した。
図４１は、位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sの特性を示す図である。
導電薄膜２０４の位置Ls2は、８０ｍｍ〜１０８ｍｍまで変化させた。入射波Eiの周波数が９１５MHzである場合に、管内波長λｇの１／４の長さは約９８ｍｍである。
また、導電薄膜２０４の厚さDtは、２０μｍ〜８０μｍの範囲で変化させた。この範囲は、反射率ｒが０．２７〜０．４０になる範囲である。
なお、その他の条件は、図４０に示す電解分布を求める際の条件と同様である。また、反射係数Ｓが０．１５以下であれば、良好な進行波モードが維持されていると判断した。
図４１（Ａ）に示すように、導電薄膜２０４の位置Ls2は、８０ｍｍ〜１０６ｍｍまでの範囲で良好な反射率の値を示した。８０ｍｍ〜１０６ｍｍまでの長さは、λｇ／４に近い値である。
また、図４１（Ｂ）に示すように、導電薄膜２０４の厚さDtは、３０μｍ〜５５μｍの範囲で良好な反射率の値を示した。この範囲は、反射率ｒが０．２７〜０．４１になる範囲である。
＜＜E5.導電薄膜２０４の位置に関する変形例＞＞
図３９で説明した形態においては、導電薄膜２０４は、第２導電壁１１M2から距離Ls2（=λg/4）の位置に設けられていた。ここでは、Ls2=λg×(2n-1)/4で表される位置に導電薄膜２０４を配置する変形例について説明する。
nが２以上の場合、Ls2=λg×(2n-1)/4で表される距離Ls2は、図３９に示す距離Ls2に比べて、第２空間V2における第２反射波Er22の伝搬路がλg×(n-1)だけ長くなるので、第１反射波Er21と第２反射波Er22が打ち消し合う関係は、図３９に示す場合と同様である。
図４２は、実施の形態２の変形例による電解分布のシミュレーション結果を示す図である。導電薄膜２０４を配置する位置は、図４２（Ａ）ではn=3, 図４２（Ｂ）ではn=2、図４２（Ｃ）ではn=1である。図４２（Ｃ）は、図４０（Ａ）と同様のものを比較用に示す。図４２（Ｃ）では、図４０（Ａ）とは電界の最小値Eminが異なる。
図４２（Ａ）〜図４２（Ｃ）は、Ls2=λg×(2n-1)/4 [nは自然数] の位置に導電薄膜２０４を設けた無線通信システムにおける様々な位相の電波を重ね合わせた場合の電界分布を示している。
図４２（Ａ）〜図４２（Ｃ）には、アンテナ１０３（図３３参照）から水平偏波(電界成分がx軸方向に沿っている水平偏波)が送信された場合におけるy軸上(x=0及びz=0)での電界の大きさ｜Ex｜(ScalarX_Vector_E)を示す。電波の周波数は915MHzである。
第１導電壁１１M1は、導波管の一端である原点(y=0)にあり、第２導電壁１１M2は、導波管の他端(y=880mm)の位置にある。導電薄膜２０４は、図４２（Ａ）ではLs2=294mm(=3λg/4)の位置にあり,図４２（Ｂ）ではLs2=490mm(=5λg/4)の位置にあり、それぞれ破線で位置を示す。
図４２（Ａ）、（Ｂ）に示すように、第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じていない。図４２（Ａ）では、導電薄膜２０４と第２導電壁１１M2との間の第２空間V2に定在波が生じており、節は３つである。節同士の間隔はλg/2=196mmである。図４２（Ｂ）では、第２空間V2に定在波が生じており、節は２つである。節同士の間隔はλg/2=196mmである。
なお、図４２（Ｃ）に示すように、破線の位置に導電薄膜２０４を配置した場合は、第１空間V1では、進行波のみが存在し、定在波は生じておらず、第２空間V2に生じる定在波の節は１つである。
図４２（Ａ）〜図４２（Ｃ）に示す電界分布が得られている場合は、第１空間V1では任意の場所でRFIDタグ５０（図３３参照）は十分に高い強度の電波を受信できる。しかしながら、第２空間V2では定在波の節が生じているので、この付近に設けられたRFIDタグ５０は十分に高い強度の電波を受信できない。
したがって、第２空間にRFIDタグを配置する場合には、電界が極端に低下する定在波の節を避けた配置をしなければならず、利用範囲の制限、利便性が低下する。従って、RFIDタグ５０を設置領域としては、第１空間V1が好ましい。
但し、節が生じている位置以外の場所であれば通信は可能であるので、設置位置に注意するならば、第２空間V2にRFIDタグ５０を設置して通信を行っても良い。
以上より、実施の形態２によれば、誘電体１０４を第２導電壁１１M2からLs2=λg×(2n-1)/4の位置に配置することにより、導電壁１１で囲まれた閉空間１０Ａにおける通信性能を改善することができる。
なお、誘電体１０４の位置は、Ls2=λg×(2n-1)/4から若干ずれていてもよく、実質的にλg×(2n-1)/4であればよい。一例として、距離Ls2は、λg×(2n-1)/4のプラスマイナス5％の範囲内にあればよい。
次に、図４３及び図４４を用いて、グラファイト製の導電薄膜２０４をテフロン製の基板２０４Ａ（図３９参照）に形成した場合の電界分布と反射係数のシミュレーション結果について説明する。
グラファイト製の導電薄膜２０４は、厚さDtが０．１６μｍ、導電率は７００００S/m、比誘電率er=1である。また、導電薄膜２０４の位置は、Ls2=96ｍｍである。テフロン製の基板２０４Aの厚さは４mmであり、比誘電率は2.08、tanδは0.001である。
図４３（Ａ）は、閉空間１０Ａの中心軸(X=0/Z=0)上の電界分布を示す図である。図４３（Ａ）に示すように、第１空間V1、第２の空間V2の進行波に近い電界分布になった。電界の最大値Emaxが４４Ｖ／ｍ、電界の最小値Eminが３９．５Ｖ／ｍである。また、このときの反射係数はS=0.05と良好である。
図４３（Ｂ）、（Ｃ）は、中心から(X=0/Z=11cm),(X=11cm/Z=0)の電界分布であり、単体誘電体を用いた場合と同様な分布となった。
また、導電薄膜２０４の位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sを試算した。
図４４は、位置Ls2と厚さDtを調整した場合の反射係数Sの特性を示す図である。
導電薄膜２０４の位置Ls2は、８０ｍｍ〜１１０ｍｍまで変化させた。入射波Eiの周波数が９１５MHzである場合に、管内波長λｇの１／４の長さは約９８ｍｍである。
また、導電薄膜２０４の厚さDtは、０．１２μｍ〜０．２０μｍの範囲で変化させた。この範囲は、反射率ｒが０．２９〜０．４０になる範囲である。
なお、その他の条件は、図４３に示す電解分布を求める際の条件と同様である。また、反射係数Ｓが０．１５以下であれば、良好な進行波モードが維持されていると判断した。
図４４（Ａ）に示すように、導電薄膜２０４の位置Ls2は、８０ｍｍ〜１０６ｍｍまでの範囲で良好な反射率の値を示した。８０ｍｍ〜１０６ｍｍまでの長さは、λｇ／４に近い値である。
また、図４４（Ｂ）に示すように、導電薄膜２０４の厚さDtは、０．１２μｍ〜０．１９μｍの範囲で良好な反射率の値を示した。この範囲は、反射率ｒが０．２９〜０．３９になる範囲である。
以上のように、グラファイト製の導電薄膜２０４を用いた場合でも、誘電体１０４を第２導電壁１１M2からLs2=λg×(2n-1)/4の位置に配置することにより、導電壁１１で囲まれた閉空間１０Ａにおける通信性能を改善することができる。
以上、通信性能を改善する無線通信モジュール、無線通信システム及び通信方法を説明してきたが、実施の形態は、説明された具体的な形態に限定されず、当業者は様々な変形例、修正例、代替例、置換例等を認めるであろう。
実施の形態の理解を促すため具体的な数値例が使用されたが、特に断りのない限り、それらの数値は単なる一例に過ぎず適切な如何なる値が使用されてもよい。また、実施の形態の理解を促すため具体的な数式が使用されたが、特に断りのない限り、それらの数式は単なる一例に過ぎず、同様な結果をもたらす他の数式が使用されてもよい。上記の説明における項目の区分けは実施の形態に本質的ではなく、2つ以上の項目に記載された事項が必要に応じて組み合わせて使用されてもよいし、ある1つの項目に記載された事項が、別の項目に記載された事項に(矛盾しない限り)適用されてよい。様々な変形例、修正例、代替例、置換例等が当業者にとって明らかであり、そのような変形例、修正例、代替例、置換例等は添付の特許請求の範囲に包含されることが意図されている。
以上の実施形態に関し、更に以下の付記を開示する。
（付記１）
閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
前記アンテナに接続され、前記アンテナを介して前記閉空間内に存在するRFIDタグを読み取るタグリーダと、
前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部とを含み、
前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定される、無線通信モジュール。
（付記２）
前記反射部は、誘電体製の板状部材である、付記１記載の無線通信モジュール。
（付記３）
λｇを前記閉空間を伝播する電波の管内波長、ｎを自然数とすると、前記反射部は、前記第２導電壁からλｇ×ｎ／２の距離を隔てて配置される、付記１又は２記載の無線通信モジュール。
（付記４）
λｄを前記反射部の中を伝播する電波の波長とすると、前記反射部の厚さがλｄ／２より薄い、付記１乃至３のいずれか一項記載の無線通信モジュール。
（付記５）
前記第２空間の少なくとも一部に配設される誘電体をさらに含み、
前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間及び前記誘電体の内部を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定される、付記１乃至４のいずれか一項記載の無線通信モジュール。
（付記６）
前記誘電体は、誘電率が異なる２種類以上の誘電体で形成される、付記５記載の無線通信モジュール。
（付記７）
前記アンテナから送信される電波は、垂直偏波、水平偏波、又は円偏波である、付記１乃至６の何れか一項記載の無線通信モジュール。
（付記８）
前記複数の導電壁は、矩形断面又は円形断面を有する導波管を形成する、付記１乃至７の何れか一項記載の無線通信モジュール。
（付記９）
前記複数の導電壁は、窓を有する、又は、メッシュ構造であり、通信に使用する周波数の電波においては定在波が発生する導波管として機能する、付記１乃至８の何れか一項記載の無線通信モジュール。
（付記１０）
前記反射部は、導電薄膜である、付記１記載の無線通信モジュール。
（付記１１）
前記導電薄膜の反射率は、０．３０〜０．４０である、付記１０記載の無線通信モジュール。
（付記１２）
前記閉空間を伝播する電波の波長をλｇ、ｎを自然数とすると、前記導電薄膜と前記第２導電壁との間の距離は、λｇ×(2n-1)／4である、付記１０又は１１記載の無線通信モジュール。
（付記１３）
前記導電薄膜は、グラファイト製薄膜、又は、アルミニウムを添加した酸化亜鉛製の薄膜であり、付記１０乃至１２のいずれか一項の無線通信モジュール。
（付記１４）
前記導電薄膜は、テフロン、フェノール、エポキシ、ポリイミド等の樹脂基板に形成される、付記１０乃至１３のいずれか一項の無線通信モジュール。
（付記１５）
閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
前記アンテナに接続されるタグリーダと、
前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部と、
前記第１空間又は前記第２空間の内部に配設されるRFIDタグと
を含み、
前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定されており、
前記タグリーダは、前記アンテナを介して前記閉空間内に存在するRFIDタグを読み取る、無線通信システム。
（付記１６）
閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
前記アンテナに接続される読み取り装置と、
前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部と、
前記第１空間又は前記第２空間の内部に配設される子機と
を含み、
前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
前記読み取り装置から出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定されており、
前記読み取り装置は、前記アンテナを介して前記閉空間内に存在する子機を読み取る、無線通信システム。
（付記１７）
閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
前記アンテナに接続されるタグリーダと、
前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部と、
前記第１空間又は前記第２空間の内部に配設されるRFIDタグと
を含み、
前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定されている、無線通信システムにおける通信方法であって、
前記タグリーダが、前記アンテナを介して前記第１空間に前記電波を放射する工程と、
前記タグリーダが、前記RFIDタグから送信される応答信号を受信する工程と
を含む、無線通信システムにおける通信方法。
１００、２００ 無線通信システム
５０ RFIDタグ
１０ 導電構造体
１０Ａ 閉空間
１１ 導電壁
１１M1 第１導電壁
１１M2 第２導電壁
１０１ 無線通信モジュール
１０２ RFIDタグリーダ
１０３ アンテナ
１０４、１０４−１、１０４−２ 誘電体
２０４ 導電薄膜

Claims (10)

  1. 閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
    前記アンテナに接続され、前記アンテナを介して前記閉空間内に存在するRFIDタグを読み取るタグリーダと、
    前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の所定の反射率を有する反射部と
    を含み、
    前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
    前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定される、無線通信モジュール。
  2. 前記反射部は、誘電体製の板状部材である、請求項１記載の無線通信モジュール。
  3. λｇを前記閉空間を伝播する電波の管内波長、ｎを自然数とすると、前記反射部は、前記第２導電壁からλｇ×ｎ／２の距離を隔てて配置される、請求項１又は２記載の無線通信モジュール。
  4. λｄを前記反射部の中を伝播する電波の波長とすると、前記反射部の厚さがλｄ／２より薄い、請求項１乃至３のいずれか一項記載の無線通信モジュール。
  5. 前記第２空間の少なくとも一部に配設される誘電体をさらに含み、
    前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間及び前記誘電体の内部を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定される、請求項１乃至４のいずれか一項記載の無線通信モジュール。
  6. 前記反射部は、導電薄膜である、請求項１記載の無線通信モジュール。
  7. 前記導電薄膜の反射率は、０．３０〜０．４０である、請求項６記載の無線通信モジュール。
  8. 前記閉空間を伝播する電波の波長をλｇ、ｎを自然数とすると、前記導電薄膜と前記第２導電壁との間の距離は、λｇ×(2n-1)／4である、請求項６又は７記載の無線通信モジュール。
  9. 閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
    前記アンテナに接続されるタグリーダと、
    前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部と、
    前記閉空間の内部に配設されるRFIDタグと
    を含み、
    前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
    前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定されており、
    前記タグリーダは、前記アンテナを介して前記第１空間又は前記第２空間の内部に存在するRFIDタグを読み取る、無線通信システム。
  10. 閉空間を囲む複数の導電壁のうちの第１導電壁に配設されるアンテナと、
    前記アンテナに接続されるタグリーダと、
    前記第１導電壁と、前記第１導電壁に対向する第２導電壁との間に配設される、薄膜状又は板状の反射部と、
    前記閉空間の内部に配設されるRFIDタグと
    を含み、
    前記閉空間は、前記反射部によって、前記第１導電壁側の第１空間と、前記第２導電壁側の第２空間とに分けられており、
    前記タグリーダから出力され、前記アンテナから放射される電波が前記反射部によって反射されて前記第１空間を伝播する第１反射波と、前記アンテナから放射される電波が前記反射部を透過して前記第２空間を伝搬して前記第２導電壁によって反射され、前記反射部を透過して前記第１空間を伝播する第２反射波とが相殺されるように、前記第１導電壁と前記第２導電壁との間における前記反射部の位置が決定されている、無線通信システムにおける通信方法であって、
    前記タグリーダが、前記アンテナを介して前記第１空間に前記電波を放射する工程と、
    前記タグリーダが、前記第１空間又は前記第２空間の内部に存在する前記RFIDタグから送信される応答信号を受信する工程と
    を含む、無線通信システムにおける通信方法。
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