JP2015103898A - リーダ・ライタアンテナ - Google Patents

Abstract

【課題】ＲＦＩＤタグと通信を行うリーダ・ライタ用のアンテナであって、不感知帯が生じない、または不感知帯のエリアに簡単に対応できるリーダ・ライタ用のアンテナを提供する。
【解決手段】筒型レドームの内部に、中心軸に平行に、複数のダイポールアンテナが同軸上に設けられ、ダイポールアンテナと対向した反射板を設けられたリーダ・ライタアンテナにおいて、半値幅が６０°であり、複数のレドームが、電磁波の波長λの１／２λの間隔で設けられたことを特徴とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＲＦＩＤとリーダ・ライタとの間で送受信を行うための、リーダ・ライタのアンテナに関し、特にゲート状に設置されるリーダ・ライタのアンテナに関する。

ＲＦＩＤ（Radio Frequency Identification）タグは、電磁気エネルギーをリーダ・ライタ（ＲＷ：Ｒｅａｄｅｒ／Ｗｒｉｔｅｒ）との間でやり取りを行い、データ通信するものである。そして、現在いろいろの用途に利用されるようになっている。その用途は、電磁気エネルギーのやり取りの形態、すなわち電磁誘導方式とマイクロ波方式とで異なる。電磁誘導方式は、１２５ｋ〜１３５ｋＨｚ帯や１３．５６ＭＨｚ帯の周波数帯域で利用されている。一方、マイクロ波方式は、２．４５ＧＨｚ帯などの周波数帯域で利用されており、８００ＭＨｚ〜９６０ＭＨｚ前後のいわゆるＵＨＦ帯で利用されている。したがって、電磁誘導方式では、電磁気エネルギーが短距離でのやり取りとなり、マイクロ波方式では遠距離通信が主流となる。当初は、主に電磁誘導方式のＲＦＩＤタグが利用されていたが、マイクロ波方式のものも利用されるようになった。

このマイクロ波方式のものとして、物や人が通り抜ける場所で、物や人が有するＲＦＩＤタグとリーダ・ライタとの間でマイクロ波による通信を行う形態についての発明が、開示されるようになった。この場合、リーダ・ライタのアンテナは、主としてゲート状に設置して運用される。

このようなリーダ・ライタ用のアンテナとして、平面アンテナが開示されている（特許文献１）。この平面アンテナは、接地板に対向して、所定の距離で放射導体が備えられている。放射導体の端部は、所定の距離より小さい距離で接地板と対向し、インピーダンスマッチングのための整合部を形成している。また、整合部の端面から放射導体に給電を行う給電部を備えている。このような構成から、インピーダンスマッチングの取れた、送受信周波数帯の広い、また製造しやすく品質の安定した平面アンテナとしている。

そして、この平面アンテナを複数備えたゲートアンテナが開示されている。複数のアンテナを、ゲート内部の両側に設けた構成としている。物品の流通管理現場等に設置され、物品を搬送する運搬機器が、このゲートアンテナを通過することによって、物品の搬入や搬出の情報を管理することが出来る。ゲートアンテナが接続されたリーダ・ライタと、物品に備えられたＲＦＩＤタグとで送受信を行い、管理が出来る。本平面アンテナを利用することにより、送受信周波数帯の広い通信が出来る。

特開２００６−１９７２６５号公報 特開２００８−２８９１９２号公報

このようなアンテナを通信に利用する場合、次のような問題が発生する。リーダ・ライタ用のアンテナとしては、指向性が決まっているために、ＲＦＩＤタグが置かれている環境により、不感知帯が生じ、読み取れないＲＦＩＤタグが発生してしまう場合がある。

図８は、このような平面アンテナを備えたゲートアンテナ間を、ＲＦＩＤを具備した物品を搬送する状態の例を模式的に示した説明図である。支柱にリーダ・ライタアンテナを具備したゲートアンテナを、搬送方向の両側に２本づつ、搬送方向に対して垂直方向に対として並置している。ＲＦＩＤタグを備えた物品は、向きがバラバラで幾重にも重ねられている。

図９は、ゲートアンテナから出射した電波の状態を模式的に示した説明図である。図では、メインローブのみを模式的に示している。図９（ａ）は、図８のようにリーダ・ライタアンテナを４つ共、水平方向に対として並置した例で、図９（ｂ）は、水平方向と垂直方向に並置した例である。通常、このようなＲＦＩＤの読み取りに使われるリーダー・ライターアンテナは、平面型で広い半値幅（約70°）をもつパッチ型のアンテナが使用される。

このようにしてアンテナを設置し電波を送受信した場合、平面パッチアンテナは固定チルトであるために、設置方法によっては不感知帯が生じる。

また、リーダ・ライタアンテナの設置位置が固定されると、電波の方向が決まるため、電波の向きを変える場合は設置向きもかえる必要がある。

リーダ・ライタの出力電力と、アンテナの位置から、増幅利得の最大値は、アンテナ正対面のみであるため、正対位置から外れた位置では、ICタグに到達する電力値は減少する。

また、リーダ・ライタアンテナの配置と位相差によっては、アンテナから近距離でも不感知帯が生じる。図９（ａ）、（ｂ）のいずれの場合でも、図８のような搬送例でも示されるように、対方向からの電波の重なるところでは、位相条件によっては不感知帯が生じてしまう。

本発明は、このような問題に対してなされたもので、ゲート状に設置される、ＲＦＩＤタグと通信を行うリーダ・ライタ用のアンテナであって、不感知帯が生じない、または不感知帯のエリアに簡単に対応できるリーダ・ライタ用のアンテナを提供することを課題とする。

本発明は係る課題に鑑みなされたものであり、請求項１の発明は、
ＲＦＩＤタグと通信を行うリーダ・ライタ用のアンテナであって、
筒型レドームの内部に、中心軸に平行に、複数のダイポールアンテナが同軸上に設けられ、ダイポールアンテナと対向した反射板を設けられたリーダ・ライタアンテナにおいて、半値幅が６０°であることを特徴とするリーダ・ライタアンテナとしたものである。

本発明の請求項２の発明は、
複数のダイポールアンテナは、放射する電磁波の位相が、ダイポールアンテナごとに順次ずれることを特徴とする請求項１に記載のリーダ・ライタアンテナとしたものである。

本発明の請求項３の発明は、
可変位相器により、順次ずれることを特徴とする請求項２に記載のリーダ・ライタアンテナとしたものである。

本発明の請求項４の発明は、
反射板の中心軸と、複数のダイポールアンテナの同軸との最短距離が、１／４λであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリーダ・ライタアンテナとしたものである。

本発明の請求項５の発明は、
筒型レドームを複数有し、それぞれ並列に設けられ、複数のレドームが、電磁波の波長λの１／２λの間隔で設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリーダ・ライタアンテナとしたものである。

本発明のリーダ・ライタ用アンテナは以上のような構成であって、
半値幅を６０°としたことにより、従来よりも最大方向の利得が増加し、さらに、複数のレドームを、電磁波の波長λの１／２λの間隔で設けたことにより、確実に不感知帯が生じない、リーダ・ライタ用のアンテナとすることが出来る。
また、複数のダイポールアンテナは、放射する電磁波の位相が、ダイポールアンテナごとに順次ずれるようにしたことで、垂直面内指向性のチルト角を任意に設定できる。
さらに、複数のレドームを、電磁波の波長λの１／２λの間隔で設けたことにより、それぞれのリーダ・ライタアンテナの位相差をつけることで、水平面内指向性を変えることができる。
以上のように、本発明のリーダ・ライタ用アンテナは、従来よりも最大方向の利得が増加し、地面に対して垂直方向および水平方向の電波に対し、不感知帯が生じない、または不感知帯のエリアに対応できるリーダ・ライタ用のアンテナとすることが出来る。

本発明のリーダ・ライタ用アンテナの第一の実施形態例を示す説明図である。 本実施形態例のリーダ・ライタアンテナの具体的な構成を示す説明図である。 チルト角θで電磁波を出射する例で、各可変位相器を設定する方法を説明する図である。 本発明の第二の実施形態例を示す説明図である。 筒状レドームを４列並列に設けたリーダ・ライタアンテナの具体的な例を示した説明図である。 筒状レドームを４列並列に設けたリーダ・ライタアンテナの指向性の異なる具体的な例を示した説明図である。 図２ｂのリーダ・ライタアンテナの具体的な構造の例を断面で示した説明図である。 平面アンテナを備えたゲートアンテナ間を、ＲＦＩＤを具備した物品を搬送する状態の例を模式的に示した説明図である。 ゲートアンテナから出射した電波の状態を模式的に示した説明図である。

以下本発明を実施するための形態につき説明する。図１は、本発明のリーダ・ライタ用アンテナの第一の実施形態例を示す説明図である。

本形態例のリーダ・ライタアンテナは、ＲＦＩＤタグと通信を行うリーダ・ライタ用のアンテナであって、筒型レドームの内部に、中心軸に平行に、複数のダイポールアンテナが同軸上に設けられ、ダイポールアンテナと対向した反射板を設けられ、半値幅が６０°であるコーナレフレクト型アンテナである。

図２は、本実施形態例のリーダ・ライタアンテナの具体的な構成を示す説明図で、図２（ａ）はダイポールアンテナと反射板との１つの組み合わせ、図２（ｂ）はリーダ・ライタアンテナを断面で見た説明図である。

本形態例のリーダ・ライタアンテナ１００は、筒型レドーム３の内部に、中心軸に平行にダイポールアンテナ１と、ダイポールアンテナ１と対向した反射板２と、を設けている。そして、ダイポールアンテナ１と対向した反射板２とは、複数の組合わせで、垂直方向に、同軸に設けられているコーナレフレクト型アンテナである。

反射板の中心軸と、複数のダイポールアンテナの同軸との最短距離が、電磁波の波長λの１／４λであることが好ましい。ダイポールアンテナを基本素子（無指向性）として、１／４λ離れたところに反射板を置くことで、指向性を持たせることができる。このようなアンテナの特徴としては、反射板の形状によって任意の指向性パターンを形成することが可能である。この方法を用いて、従来のパッチアンテナの半値幅70°以外の半値幅で、指向性パターンを形成することができる。本発明のコーナレフレクトアンテナは、半値幅を６０°としている。

図２（ａ）のダイポールアンテナと反射板との組み合わせでは、半値幅を８０°としている。これを図１（ａ）に示すように、複数の組合わせを、垂直方向に、同軸にして設けることによって、ダイポールアンテナ間の相互結合により、半値幅６０°のコーナレフレクトアンテナ型のリーダ・ライタアンテナとしている。図２（ｂ）に、このような半値幅６０°となる組み合わせを具体的に例示した。この組み合わせの解析をした結果を図１（ａ）に示している。

さらに、複数のダイポールアンテナは、放射する電磁波の位相が、ダイポールアンテナごとに順次ずれる。

本実施形態例では、図１（ａ）に示すように、複数のダイポールアンテナが同軸上に設けられているので、出射される電波はこれらの合成波となる。そして、放射する電磁波の位相が、ダイポールアンテナごとに順次ずれることによって、リーダ・ライタアンテナより出射する電波のチルト角を垂直方向に、−θ〜０〜＋θと、変えることができる。なお図では、メインローブのみを模式的に示している。

図１（ｂ）は、可変位相器を用いて、ダイポールアンテナの位相を順次ずらす構成例である。それぞれのダイポールアンテナに可変位相器を接続し、可変位相器で位相を制御してダイポールアンテナに出力している。このように、４素子で１つのアンテナを構成した場合、最大放射利得の点から素子間隔は０．７λで固定する。また、１素子毎に可変位相器をつけることで、各素子の位相制御でアンテナの放射方向を任意の向きにする（チルト制御）ことができる。チルト角は第１素子と第４素子の位相差の大きさによって決まる。差異が大きいほどチルト角は大きくなる。

図３は、チルト角θで出射する例で、各可変位相器を設定する方法を説明する図である。最上位のダイポールアンテナから最下位のダイポールアンテナまでの距離をｄとすると、チルト角θとするための最下位の波面の距離Ｌは、最上位の波面に対して、
Ｌ＝ｄ・Ｓｉｎθ
となればよい。最上位からｄｋの距離にあるダイポールアンテナの波面の距離Ｌｋは、
Ｌｋ＝ｄｋ・Ｓｉｎθ
これから位相差Ｐｋは、波長をλとすれば、
Ｐｋ＝２π（Ｌｋ／λ）＝２π（ｄｋ／λ）Ｓｉｎθ
となる。このように位相がずれるように各位相器を設定すれば、合成された電磁波をチルト角θで出射できる。

このようにして本願発明のリーダ・ライタアンテナは、チルト角を変えることによって不感知帯が生じない、または不感知帯のエリアに対応できるリーダ・ライタ用のアンテナとすることが出来る。

また、コーナーレフレクト型アンテナによって半値幅を従来よりも狭くし(６０°)、且つ指向性制御することにより、不感知帯を少なくし、アンテナ利得の増加（半値幅を狭くすることで、最大放射方向の利得を増加する）によって、リーダ・ライタ本体の出力電力を少なくすることができる。

図４には、本発明の第二の実施形態例を示す説明図である。アンテナを並列に置いた状態での水平面内指向性について示している。本例のリーダ・ライタアンテナは、複数のダイポールアンテナが同軸に設けられた筒型レドームを複数有し、それぞれ並列に設けられている。
筒形レドームのアンテナは、半値幅は６０°である。さらに、複数のレドームが、電磁波の波長λの１／２λの固定値の間隔で設けられている。図４（ａ）は、筒状レドームを４列並列に設けたリーダ・ライタアンテナの例である。それぞれ、上から見たＦＲＩＤタグの読み取りエリアを同時に例示した。

図４の読み取りエリアは、位相をずらした場合のメインローブを模式的に示した図である。

第二の実施形態では、図４（ｂ）に例示するように、筒状レドームに、ダイポールアンテナ用とは別に、可変位相器を設け、筒状レドーム間でも位相をずらすことによって、水平方向（方位角方向）エリアを広くできる。図では、電源から電力分配器により各課変異早期に電力を分配し、それぞれ可変位相器により位相をずらし、リーダ・ライタアンテナに出力している。このため、確実に不感知帯が生じない、アンテナとすることができる。

図５は、筒状レドームを４列並列に設けたリーダ・ライタアンテナの指向性の具体的な例である。半値幅６０°ビームのコーナーレフレクト型アンテナとしている。

指向性アンテナのビームチルトについては以下の式で表されるのが一般的に知られている。

Ｎの素子数が４の場合の解析結果を以下に示す。

図５（ｂ）は、図５（ａ）のリーダ・ライタアンテナに対し、それぞれアンテナ間の位相差が＋６０°、０°、−６０°の場合のフィールドパターンを示している。また図のパターンは、抑角が９０°固定で方位角面の電場の分布を示す。図５（ｂ）で、垂直面のチルト角については、同位相としている。

参考例として、各アンテナに位相差をつけた指向性パターンを図６に示す（双方向ビーム型）。本例では、アンテナ間の位相差を＋９０、−９０の場合について、指向性パターンを示している。

以上に例示されるように、筒状レドームを並列に設けたリーダ・ライタアンテナでは、垂直方向にチルト角を変え、水平方向（方位角方向）にも位相を変えることによって、読み取りエリアを広くでき、さらに不感知帯が生じない、または不感知帯のエリアに対応できる。

なお、本発明のリーダ・ライタアンテナの具体的な構造として、図２の第一の実施形態で例示する。

図７は、図２ｂのリーダ・ライタアンテナの具体的な構造の例を断面で示した説明図である。ダイポールアンテナや反射板はプリント配線板を利用して作製できる。反射板は、長方形の基板に長手方向に反射板用導体２２を形成し、プリント配線板Ｂ４２とする。プリント配線板Ｂ４２の両端を樹脂Ｂ５２でレドーム３２に取り付ける。また中央には他のプリント配線板Ａを挟み込むように樹脂Ａ５１で長手方向に長い凹部を形製する。ダイポールアンテナは、反射板の中央部からレドーム３２までの幅を持つ基板を用意し、その長手方向の一方の端部にダイポールアンテナ用導体１２のラインを形製してダイポールアンテナとしたプリント配線板Ａ４１を作製する。プリント配線板Ａ４１の他端は反射板の樹脂Ａ５１で形製した凹部に合わせる。２つのプリント配線板は、各樹脂で脱着可能に形製しても良い。このようにして本実施形態例のリーダ・ライタアンテナを作製できる。

１００・・・リーダ・ライタアンテナ
１・・・ダイポールアンテナ
２・・・反射板
３・・・レドーム
２００・・・リーダ・ライタアンテナ
１２・・・ダイポールアンテナ用導体
２２・・・反射板用導体
３２・・・レドーム
４１・・・プリント配線板Ａ
４２・・・プリント配線板Ｂ
５１・・・樹脂Ａ
５２・・・樹脂Ｂ

Claims (5)

1. ＲＦＩＤタグと通信を行うリーダ・ライタ用のアンテナであって、
   筒型レドームの内部に、中心軸に平行に、複数のダイポールアンテナが同軸上に設けられ、ダイポールアンテナと対向した反射板を設けられたリーダ・ライタアンテナにおいて、半値幅が６０°であることを特徴とするリーダ・ライタアンテナ。
2. 複数のダイポールアンテナは、放射する電磁波の位相が、ダイポールアンテナごとに順次ずれることを特徴とする請求項１に記載のリーダ・ライタアンテナ。
3. 可変位相器により、順次ずれることを特徴とする請求項２に記載のリーダ・ライタアンテナ。
4. 反射板の中心軸と、複数のダイポールアンテナの同軸との最短距離が、１／４λであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載のリーダ・ライタアンテナ。
5. 筒型レドームを複数有し、それぞれ並列に設けられ、複数のレドームが、電磁波の波長λの１／２λの間隔で設けられたことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載のリーダ・ライタアンテナ。