JP2015509295A - Ｒｆｉｄ及びその装置と方法 - Google Patents

Abstract

ＲＦＩＤタグ（３０）を読み取る方法は、前記タグから構造モード（５４）及びアンテナモード（５６）を含む信号（５０）を受信し、そして前記アンテナモードに対応する前記受信した信号の期間を選択的に解析する、ことを含む。【選択図】 図３

Description

本発明は、高周波識別（ＲＦＩＤ）及びその装置と方法に関する。

ＲＦＩＤとは、高周波（ＲＦ）を使用して、遠隔配置タグからエンコードされたデータを抽出するためのワイヤレスデータ捕捉技術である。ＲＦＩＤシステムは、２つの主たる要素、即ちデータがエンコードされたＲＦＩＤタグと、タグからエンコードされたデータを抽出するのに使用されるＲＦＩＤリーダーとを有する。「タグ」とは、データがエンコードされた装置を指し、その装置の物理的サイズや形状に何ら制約を課すものではない。

「能動的」なＲＦＩＤタグは、バッテリを組み込んでおり、一方、「受動的」なＲＦＩＤタグは、そのエネルギーを質問信号から取り出す。

ＲＦＩＤタグは、バーコードと同様に、それが取り付けられた品目を識別し且つ特徴付けるのに使用される。少なくとも、ＲＦＩＤの好ましい形態は、読み取り距離が長く、見通し外の読み取りができ、且つ識別及び追跡が自動であることを含めて、バーコードに勝る多数の利点を有している。

ＲＦＩＤタグは、バーコードに比して価格が高いので、低コストの用途には適していないと考えられている。広く使用されている受動的なタグのコストは、主として、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）に起因する。プリント可能なチップレスのＲＦＩＤタグは、低コストのオプションである。チップレスのＲＦＩＤタグは、集積回路（チップ）を有しておらず、本質的に、電磁放射の受動的な反射器又は吸収器である。しかしながら、タグからチップを除去すると、小さなタグ内により多数のビットをエンコードする上で融通性がなくなってしまう。所与のサイズのＲＦＩＤタグにより搬送できる情報の量を最大にすると共に、それが読み取ることのできる距離を最長にすることが望まれる。

「周波数シグネチャベースタグ」は、所定セットの周波数から選択された周波数で、識別可能な特徴を含むリターン信号をリーダーへ反射する。予想される周波数に特徴が存在することは、情報のビットを搬送し、それによって、タグは、周波数の選択によりエンコードされる情報を保持する。対照的に、「時間ドメイン反射測定法（ＴＤＲ）」ベースのタグは、時間的に離間した識別可能な特徴を有するリターン信号を発生する。予想される時間に特徴が存在することは、情報のビットを搬送する。

周波数シグネチャベースタグは、ＴＤＲタグより多くの情報を記憶できるが、長い読み取り距離で周波数シグネチャベースタグを動作させる場合は、クラッタ及びアンテナ結合による干渉の影響を除去するため適切な配向及び校正タグが必要になる。ＴＤＲベースタグは、これらの制約には直面せず、長い距離で動作する。

本発明の目的は、ＲＦＩＤにおける及びＲＦＩＤのための改良を提供するか、又は少なくとも、ＲＦＩＤに関連した別の改良を提供することである。

本特許明細書中の情報が共通の一般的な知識であり、或いは当業者が優先日にそれを確認又は理解し、それを関連物とみなし又はそれを何らかの仕方で結合することを合理的に予想できたとすることは、認められない。

本発明者は、チップレスＲＦＩＤタグからのリターン信号が２つの主たる成分からなることを認識した。第１の成分は、質問信号によりタグアンテナの表面に誘起される表面電流によって生じる「構造モード」である。この構造モードは、ＲＦ信号を捕捉又は送信するその能力に関わらず、タグアンテナの形状、そのサイズ及び材料特性に依存する。第２の成分は、タグによって捕捉された放射による「アンテナモード」である。

本発明者は、タグにエンコードされた情報がアンテナモードによって保持されることを認識した。従って、本発明は、その種々の態様において、構造モードに優先してアンテナモードを解析し、そしてアンテナモードを遅延させて、構造モードとは容易に区別できるようにすることに関する。

本発明の１つの態様は、ＲＦＩＤタグを読み取る方法において、構造モード及びアンテナモードを含む信号をタグから受信することと、アンテナモードに対応するその受信した信号の期間を選択的に解析することと、を含む方法を提供する。

選択的に解析することは、好ましくは、所定セットの周波数のうちの選択された周波数における特徴をその受信信号内で識別することを含む。

この方法は、その受信信号の一部分からその受信信号の他の部分への所定の遅延を識別して、期間を識別することを含んでもよい。例えば、その一部分は、その受信信号の構造モードであり、他の部分は、アンテナモードである。

本発明の好ましい態様は、望ましからぬ信号内容の推定を差し引いて、その受信信号を識別することを含む。その推定は、タグが存在しないときの信号に対応してもよい。

選択的な解析は、フーリエ解析を含んでもよい。

質問信号をタグへ送信して、タグから信号を生成してもよい。質問信号は、好ましくは、広い周波数帯域を含むパルスである。最も好ましくは、質問信号は、持続時間がナノ秒未満である。

好ましくは、タグは、チップレスである。

本発明の別の態様は、ＲＦＩＤタグを読み取るリーダーにおいて、構造モード及びアンテナモードを含む信号をタグから受信するためのアンテナと、その受信した信号のアンテナモードに対応するその受信した信号の期間を選択的に解析するように構成されたロジック構成体と、を備えたリーダーを提供する。

本発明の別の態様は、質問信号に応答してリターン信号のアンテナモードにおいて選択された周波数の特徴を生成する１つ以上の構造体と、リターン信号の構造モードからアンテナモードを遅延させるように上記構造体と協働可能な少なくとも１つの細長い導電性経路と、を備えたチップレスＲＦＩＤタグを提供する。

好ましくは、タグは、所定セットの周波数からの周波数の選択によりエンコードされた情報を保持する。好ましくは、所定周波数は、各々、少なくとも約２００ＭＨｚ分離される。

経路は、好ましくは、アンテナモードと構造モードとの間の遅延が少なくとも約０．６ｎｓであるか又は更に好ましくは少なくとも約３ｎｓであるように構造モードからアンテナモードを遅延させる大きさにされる。

１つ以上の構造体が経路に沿って配置されてもよい。

タグの幾つかの変形例は、１つ以上の構造体を含む周波数選択性アンテナを有してもよい。

１つ以上の構造体は、受動フィルタ、例えば、スパイラルフィルタであってもよい。

任意であるが、アンテナは、質問信号を受信するとともにリターン信号を送信し、経路の一端は、アンテナからエネルギーを受け取るように構成され、経路の他端は、アンテナに向かってエネルギーを反射するように構成される。

好ましくは、経路は、経路のある部分が経路の他の部分に沿って延びるような形状にされる。

添付図面は、種々の例示的な特徴を示す。

（ａ）は、ＲＦＩＤシステムを概略的に示す。（ｂ）は、伝送線及びスパイラルフィルタの斜視図である。 ＲＦＩＤタグの斜視図である。 図２のＲＦＩＤタグの動作を概略的に示す。 別のＲＦＩＤタグの動作を概略的に示す。 （ａ）は、ＲＦＩＤタグから受信した信号を表わすチャートである。（ｂ）は、図５（ａ）の一部分５ｂの拡大図である。 スパイラルフィルタの拡大図である。 選択されたスパイラルフィルタを含ませることによってエンコードされた情報を搬送する伝送線の一部分を示す。 受動フィルタのリターンロス及び順方向伝送パラメータの振幅及び位相を示すグラフである。 受信信号のスペクトル内容を示すグラフである。 ＲＦＩＤシステムを概略的に示す。 ＵＷＢ質問パルス及びその周波数スペクトルを示すグラフである。 （ａ）は、ＲＦＩＤタグ及びそのパッチを詳細に示す。（ｂ）は、図１２（ａ）の各パッチのリターンロスプロフィールのグラフである。 （ａ）は、受信信号を示すグラフである。（ｂ）は、図１３（ａ）の一部分の拡大図である。 図１３（ｂ）の信号の正規化された振幅スペクトルのグラフである。 （ａ）は、構造モードの正規化された振幅スペクトルである。（ｂ）は、アンテナモードの正規化された振幅スペクトルのグラフである。 （ａ）は、送信／受信アンテナの前面図である。（ｂ）は、ＲＦＩＤタグの前面図である。 （ａ）は、図１６（ａ）のアンテナの正規化された測定Ｅフィールド放射パターンのグラフである。（ｂ）は、図１６（ａ）のアンテナの測定リターンロスのグラフである。 リーダーアンテナの前方３０ｃｍに配置された異なるＲＦＩＤタグの周波数スペクトルのグラフである。 リーダーアンテナから種々の距離にあるＲＦＩＤタグの周波数スペクトルのグラフである。 リーダーに対して種々の方向にあるＲＦＩＤタグの周波数スペクトルである。 レイズドコサイン窓のグラフである。

ＲＦＩＤシステム１０は、リーダー２０及びＲＦＩＤタグ３０を備えている。リーダー２０は、アンテナ２２、２４及びロジック構成体２６を備えている。アンテナ２２は、質問信号４０を送信するようにロジック構成体２６によって制御される。アンテナ２４は、受信信号５０を受信し、そしてその受信信号５０をロジック構成体２６へ搬送する。

ここで使用する「ロジック構成体」とは、データを処理することのできるメカニズムを指す。この用語は、集積回路及びコンピュータを意味する。ロジック構成体は、固定配線を通して又はソフトウェアにより構成される。

タグ３０は、タグアンテナ３２、フィルタ３４、及び曲がりくねった伝送線３６を備えている。タグアンテナ３２は、質問信号４０を受信し、その信号をフィルタ３４及び伝送線３６へ搬送し、フィルタ３４及び伝送線３６から反射された信号を受信し、そして構造モード５４及びアンテナモード５６を含むリターン信号を送信する。タグアンテナは、ＵＷＢ単極アンテナである。フィルタ３４は、質問信号のスペクトルを変換してそこに情報をエンコードするための受動マイクロ波フィルタである。受信信号５０は、次の３つの主たる成分を含む。
●アンテナ結合による干渉５２（即ち、アンテナ２２からアンテナ２４へ直接進行する信号）；
●構造モード５４；及び
●アンテナモード５６。

干渉５２とは異なり、構造モード５４及びアンテナモード５６は、タグ３０から後方散乱されるリターン信号の部分である。

受信信号５０は、図５（ａ）及び５（ｂ）では、時間ドメインでプロットされている。リターン信号５４、５６の振幅は、大きさが干渉５２の振幅より約２桁も小さい。

例示的なタグ３０は、周波数ドメインでエンコードされた情報を保持するが、ここに開示する方法の変形例は、周波数ドメイン以外の仕方で情報を保持するＲＦＩＤタグに適用されることが意図される。フィルタ３４は、所定の周波数で共振するように構成されている。この共振は、質問信号からのエネルギーを吸収し、従って、アンテナモード５６は、周波数ドメインでプロットされたとき、その周波数において局部的最小値を含む。これらの局部的最小値は、アンテナモード５６の検出可能な特徴である。所定セットの周波数の各１つに対応する共振をもつ受動フィルタを選択的に含むタグを形成することにより、タグにおいて情報をエンコードすることができる。

図６は、フィルタ３４を含む伝送線３６の一部分の拡大図である。伝送線は、幅（次元Ａ）が約２．９ｍｍで、その各側に沿って延びる幅（次元Ｂ）０．３ｍｍの各スロットにより接地平面３８ａから分離されている。フィルタ３４は、伝送線３６に形成されたスパイラル状のスロットよりなる。スロット３４は、幅（次元Ｃ）が０．４ｍｍである。スロットの隣接渦巻は、幅（次元Ｄ）０．３ｍｍの導電性材料の部分により分離されている。フィルタ３４は、伝送線において幅（次元Ｗ）２．５ｍｍ×長さＬｍｍの長方形スペースを占有する。フィルタ３４の共振周波数は、長さＬにより制御される。

フィルタ３４は、リターン信号５４、５６からそれらの共振周波数をフィルタし、即ちその強度を検出可能に減少させるように働く。従って、フィルタを含ませることで、強度対周波数のグラフにおいて局部的最小値の形態でリターン信号５４、５６の検出可能な特徴が発生される。そのような特徴には、０のバイナリ値が指定され、従って、選択されたフィルタを含ませることでタグがエンコードされる。例えば、
●図７（ａ）は、メッセージ“０００”でエンコードされたタグのフィルタ３４を示し、
●図７（ｂ）は、メッセージ“０１０”でエンコードされたタグのフィルタ３４を示し、
●図７（ｃ）は、メッセージ“１００”でエンコードされたタグのフィルタ３４を示す。

曲がりくねった伝送線３６は、アンテナモード５６を構造モード５４から所定の遅延で遅延させるように働く。この実施形態では、ロジック構成体２６は、アンテナモード５６を識別するため時間ドメインベースの技術を適用する。ロジック構成体２６は、受信信号５０を受信して記録する。干渉５２は、「タグなし」受信信号に対応し、従って、予め定めることができる。この予め定められた値を受信信号から差し引くことで、リターン信号５４、５６を分離することができる。次いで、リターン信号５４、５６が解析されて、強度ピークを識別する。２つの強度ピークが時間的に所定の間隔で識別されるときには、後者の強い部分がアンテナモードとして識別される。

アンテナモードが識別されると、それが、干渉５２及び構造モード５４とは切り離して解析される。従って、ＲＦＩＤタグ３０の好ましい形態は、既存の周波数ドメインＲＦＩＤタグより長い読み取り距離にわたって読み取られ得る。解析は、周波数ドメインで行われるのが好ましい。

図１（ｂ）から図４を参照して、例示的なＲＦＩＤタグの構造及び動作を詳細に説明する。タグ３０は、適当な不活性基板３８ｂの上に導電性インク３８ａで形成される。便利なことに、基板３８ｂは、単に、タグ付けされる物品でよく、即ちインク３８ａが物品（又はそのパッケージング）に直接プリントされる。

基板３８ｂは、６０ｍｍ×１２８ｍｍの長方形である。タグアンテナ３２は、直径５０ｍｍの円板が基板３８ｂの長い中心線上で基板３８ｂの一端に向かって配置されたものである。

曲がりくねった伝送線３６は、タグアンテナ３２から延びて、導電性インクの長方形パッチ内の蛇行路をたどる導電性経路である。

曲がりくねった伝送線３６は、その側部に沿って延びる細いギャップによって画成され且つ導電性インクの長方形パッチの他の部分から分離される。線３６の部分が線３６の他の部分に沿って延びる（例えば、部分３６ａが部分３６ｂに沿って延びる）蛇行路は、小さくて便利なサイズのチップに長い導電性経路を形成できるコンパクトな構成である。

図３に矢印Ａで示唆されたように、タグアンテナ３２によって質問信号４０が受信される。システム１０のこの変形例では、質問信号は、幅がサブナノ秒の超広帯域幅パルスである。パルスの強度は、広い周波数帯域にわたって少なくともほぼ均一である。アンテナ３２は、受け取ったエネルギーを伝送線３６の端３６ｃへ搬送する。ここから、エネルギーは、図３に矢印Ｂで示唆されたように、曲がりくねった伝送線によりスパイラルフィルタ３４を通して搬送される。スパイラルフィルタ３４は、各所定周波数のエネルギーを選択的に吸収するために伝送線３６に沿ってマウントされる。ここで、スパイラルフィルタ３４によりフィルタリングされ且つ情報がエンコードされた上記受け取ったエネルギーは、フィルタ３４から、伝送線３６に沿って進み続けて、伝送線３６の端３６ｄに到達する。端３６ｄにおいて、信号は、伝送線に沿って反発して戻る（即ち、反射される）。その反射されたエネルギーは、伝送線３６に沿って戻り、スパイラルフィルタ３４を通して再びフィルタリングされた後に、タグアンテナ３２へ戻ってそれを励振し、リターン信号５４、５６のうちのアンテナモード５６部分を送信する。

受け取られたエネルギーは、伝送線３６に沿ってある有限の速度で進行し、伝送線３６を含ませたことで、アンテナモード３２は、曲がりくねった伝送線３６の長さに比例する量だけ遅延される。構造モード５４とアンテナモード５６との間の約３ナノ秒の遅延に対応する長さが、タグサイズと、アンテナモード５６を容易に識別するために充分な遅延との間の便利な妥協であることが分かった。

コントロールされた遅延を導入する他の解決策も考えられる。例えば、受動マイクロ波フィルタを異なるアンテナと組み合わせることで、伝送線を使用せずに、コントロールされた遅延を発生することもできる。

スパイラル共振器は、質問信号に応答してリターン信号のアンテナモードにおいて選択的周波数に特徴を生成する構造体の一例に過ぎない。例えば、スパイラル共振器３４を省略し、そしてアンテナ３２を、（図４に示唆される）応答性構造体を含む周波数選択性タグアンテナ３２’と置き換えることができる。周波数選択性アンテナとは、選択された周波数のみを捕捉するアンテナである。従って、周波数選択性アンテナを構成することは、周波数ドメインの情報でタグをエンコードするための別の解決策の一例である。

図４において、タグ３０’のアンテナ３２’は、１組の所定周波数のうちの選択された周波数のみを伝送線３６へ搬送する。受け取ったエネルギーがアンテナ３２’から線３６の端へ進行しそしてそこから戻るための時間が経過した後に、選択された周波数がアンテナ３２’により送信される。従って、タグ３０’からのリターン信号は、局部的最大値の形態で周波数ドメインにおいて識別可能な特徴を保持する。また、種々のタグがリターン信号内に他の識別可能な特徴（例えば、局部的最小値又は一般的に局部的極値）を生成するようにリターン信号をスペクトル的に整形することも意図される。

概して言えば、チップレスＲＦＩＤタグから情報を読み取り且つ処理するための新規な解決策が開示される。この解決策は、非常に短い時間幅（サブナノ秒）の高電力高周波インパルスを使用する。このインパルスは、１つのアンテナを使用して送信され、そしてチップレスタグから生じる反射が別のアンテナによって捕捉される。アンテナで受信された信号は、信号処理技術を使用して時間ドメインにおいて処理されて、チップレスタグでエンコードされた情報を与える共振周波数又は周波数シグネチャを正確に推定する。

チップレスＲＦＩＤタグは、集積回路（チップ）を有さず、本質的に電磁放射の受動的反射器又は吸収器である。電子回路もインテリジェントな信号処理もないために、チップレスＲＦＩＤは、本質的に、通常の光学的バーコードの高周波の対応物である。これは、これらのタグを光学的バーコードと同等の非常に低いコストで大量生産できるようにする。

例示的な装置及び方法、並びに概念の証拠について、更に詳細に説明する。

例１
タグ３６、特に、そのフィルタ３４は、２．４２及び２．６６ＧＨｚに共振周波数を有するように、全波ＥＭソフトウェア“Computer Simulation Technology (CST)”を使用して設計され、シミュレーションされた。Ｔａｃｏｎｉｃ ＴＬＸ０（ε＝２．４５）が基板材料として使用された。基板厚み０．５ｍｍ及び銅層厚み１８μｍがシミュレーションに使用された。

１．４から４ＧＨｚで動作する共平面導波路（ＣＰＷ）円板装荷単極アンテナが設計された。これらのアンテナは、ＲＦＩＤリーダーの送信及び受信アンテナとして及びチップレスＲＦＩＤタグの受信アンテナとして使用される。完全なチップレスタグにおける曲がりくねった伝送線の、接続点から単極までの全長は、３０４ｍｍである。これは、アンテナモードを、後方散乱の構造モードよりもほぼ３．２ｎｓ遅らせるラウンドトリップ遅延を導入する。

フィルタの順方向伝達Ｓ^ｆ _２１及びリターンロスＳ^ｆ _１１が図８に示されている。スパイラルフィルタは、ほぼ１１０ＭＨｚの３ｄＢ帯域幅で２．４２及び２．６６ＧＨｚに先鋭な共振を発生する。

図５は、タグとリーダーとの間の距離を４５ｃｍにセットしたときのＲＦＩＤリーダーにおけるシミュレーションされた受信信号を示す。３つのケース、即ちタグが存在しない場合、タグが開放回路により終端された場合、及びタグが短絡回路により終端された場合、について考えた。これら３つのケース全部について、第１の最も強い成分、干渉５２又は“ｙ_ｃ(ｔ)”が存在する。後方散乱成分５４、５６は、図の下部に示すように、タグが使用される２つのケースについてのみ存在する。後方散乱の第１成分は、開放及び短絡の両方のケースについて同一である。「開放」（Γ_Ｌ＝１）は、伝送線３６の端３６ｄが接地平面３８ａから分離されることを意味する。「短絡」（Γ_Ｌ＝−１）は、端３６ｄが接地平面３８ａと直接導通する別の場合である。

図５は、線３６の終端状態Γ_Ｌとは独立した後方散乱信号の構造モード５４を実証する。しかしながら、後方散乱の第２成分５６は、タグが存在する２つのケースに対して１８０°の位相差を示し、これは、Γ_Ｌ＝±１の効果を明確に強化すると共に、この成分をアンテナモードとして識別できるようにする。また、シミュレーション結果において、曲がりくねった伝送線によるｙ_ｓ(ｔ)及びｙ_ａ(ｔ)を分離する時間遅延も観察される。

負荷Γ_Ｌ以外の全ての条件（距離、方向、等）を一定に保持することにより、アンテナモードによる成分を抽出することができる。タグが開放（Γ_Ｌ＝１）にされたとき及び短絡（Γ_Ｌ＝−１）されたときのリーダーの合計受信信号を、各々、ｙ_ｏｃ(ｔ)及びｙ_ｓｃ(ｔ)とする。これらの信号を差し引くと、次のようになる。

受信信号５０の望ましからぬ結合、構造モード５４による後方散乱、及び第１成分５２は、全て、差し引きにより除去され、成分を保持する情報だけが残される。図９（ａ）及び９（ｃ）は、高速フーリエ変換を行うことにより得たｕ(ｔ)のスペクトル内容のシミュレーション結果を示す。図８と比較すると、ｕ(ｔ)は、タグのシグネチャを含むことが明らかである。

実際には、タグのシグネチャは、先ず、タグなし受信信号をｙ_ｏｃ(ｔ)又はｙ_ｓｃ(ｔ)から差し引くことにより結合の影響ｙ_ｃ(ｔ)を除去し、次いで、アンテナモードを含む部分を窓で除去して、そのスペクトル内容を得ることにより、推定される。図９（ｂ）及び９（ｄ）は、ｙ_ｏｃのそのような窓処理部分のスペクトル内容を示す。この推定もまたタグの周波数シグネチャを明らかにするが、観察される共振は、図９（ａ）及び９（ｃ）のように先鋭ではない。これは、ｙ_ｓ(ｔ)により生じる干渉の影響が、ｕ(ｔ)のように完全に除去されないからである。この方法では、アンテナモード５６がｙ_ｏｃ(ｔ)又はｙ_ｓｃ(ｔ)のいずれかだけで推定されるので、校正タグの必要性が除去される。

このように、時間ドメイン後方散乱の一部分を保持する情報を窓処理してそのスペクトルシグネチャを得ることにより、チップレスタグの周波数シグネチャを得ることができる。ここに提案する解決策は、適切な動作のために校正タグに依存するものではない。

例２Ａ
図１０は、ＲＦＩＤシステム１０’を示す。ＲＦＩＤリーダー２０’は、送信器及び受信器の両方として働く単一アンテナ２２’よりなる。タグ３０’は、ｉ＝１、・・・Ｎとすれば、ｆ_ｉで各々共振するＮ個のインセットフィードパッチアンテナ３４’よりなる。信号ｘ(ｔ)は、チップレスＲＦＩＤタグに質問するのに使用されるＵＷＢインパルスである。（アンテナ２２’からロジック構成体２６’で受信された）合計受信信号ｙ(ｔ)は、３つの成分で構成される。

最も大きな第１の受信成分ｙ_ｒ(ｔ)は、アンテナのリターンロスプロファイルによる送信パルスｘ(ｔ)の除去である。除去ｙ_ｒ(ｔ)は、干渉５２と同様の望ましからぬ信号内容である。これは、過渡的に徐々にゼロまで減衰する。その瞬間に、アンテナは、ｘ(ｔ)を完全に送信し、タグ３０’から到来する後方散乱を受信する。第２の受信成分ｙ_ｓ(ｔ)は、後方散乱の構造モードである。その後に、後方散乱のアンテナモードｙ_ａ(ｔ)が続き、これは、最も弱い最後の受信成分である。Ｓ_１，１(ｆ)をアンテナのリターンロスプロファイルとする。リターンロスの定義から、アンテナに入力されるパルスの除去部分ｙ_ｒ(ｔ)は、次のように書き表される。

但し、Ｆ^−１(．）は、逆フーリエ変換を表わす。ここで、小文字は、時間ドメイン信号を表わし、そして大文字は、各周波数ドメイン信号を表す。即ちＸ(ｆ)＝Ｆ［ｘ(ｔ)］である。送信／受信アンテナの前にタグが存在するため、アンテナの元のリターンロスＳ_１，１(ｆ)が若干変化する。アンテナのリターンロスは、アンテナに入射する後方散乱によって影響され、そしてチップレスタグにより電磁的に負荷がかけられると考えられる。アンテナの変更又は影響されるリターンロスをＳ_１，１ ^{Ｌｏａｄｅｄ}（ｆ）とする。Ｓ_１，１ ^{Ｌｏａｄｅｄ}（ｆ）を使用すると、式(１)は、次のように書き直すことができる。

式(１)、(３)及び(２)から、アンテナに電磁負荷を導入するｙ_ｓ(ｔ)及びｙ_ａ(ｔ)の式を次のように書き表すことができる。

現実的な状態に近い後方散乱信号を得るために、図１０に示す全システムは、computer Simulation Technology（ＣＳＴ）Microwave Studio（登録商標）において３Ｄモデルとして構築され、そして全波電磁シミュレーションが実行された。

シミュレーションに使用したＵＷＢパルスは、６ＧＨｚの帯域幅を有するガウスパルスである。図１１（ａ）は、送信パルスの形状を示し、図１１（ｂ）は、その周波数スペクトルを示す。パルスは、２から７．３ＧＨｚで動作する共平面円形単極アンテナを使用して送信される。

図１２は、タグ３０’を示す。これは、４つのインセットフィードマイクロストリップパッチアンテナのアレイを含む。各個々のパッチアンテナは、個別の周波数で共振する。パッチの寸法を変えることにより、タグは、１組の共振で特徴付けられる独特のスペクトルシグネチャ又は伝達関数をもつように設計される。このシグネチャを使用して、情報を記憶することができる。図１２に示すタグは、幅が２０、１８、１６及び１５ｍｍの４つの方形パッチアンテナ３４’よりなり、それらは、各々、４．６４、５．１６、５．８及び６．２ＧＨｚで共振する。この例では、位相スペクトルではなく振幅スペクトルが焦点である。送信されたＵＷＢパルスがタグと相互作用するときには、その一部分が、タグを構成する個々のパッチアンテナ３４’により捕捉され、そしてその他の部分は、直ちに反射される。最初の反射ｙ_ｓ(ｔ)は、パッチの共振特性に関わりなく、タグの金属構造体のサイズ及び形状によって生じる。この最初の後方散乱に続いて、二次の後方散乱、即ちアンテナモードｙ_ａ(ｔ)が生じ、これは、個々のパッチによりその各共振周波数において捕捉された信号で形成される。この再放射信号の強度は、各パッチの負荷状態によって決定される。この例は、アンテナモードの後方散乱を最大にするための開放負荷状態を含む。

各パッチ３４’の大きさＬは、その共振周波数を決定する。タグは、ε＝２．５５及び厚み０．５ｍｍのＴａｃｏｎｉｃ ＴＬＸ−８の基板を含む。図１２（ｂ）は、各パッチアンテナのＳ_１，１特性のグラフである。

図１３は、タグがアンテナから３０ｃｍ離れて配置されたときの完全な受信信号ｙ(ｔ)を示す。初期の除去ｙ_ｒ(ｔ)が次第に消えると、２．５５ｎｓの伝播遅延の後にアンテナがタグからの後方散乱をピックアップすることが明確に観察される。後方散乱は、大きな成分の後に過渡状態が続くものよりなる。大きな成分は、構造モードｙ_ｓ(ｔ)であり、そして過渡状態は、ｙ_ａ(ｔ)を形成すると考えられる。

図１４は、高速フーリエ変換（ＦＦＴ）を使用して得られる窓処理された構造モード及び窓処理されたアンテナモードのスペクトル内容を示す。ｙ_ｓ(ｔ)及びｙ_ａ(ｔ)をほぼ窓除去するためにレイズドコサイン窓が使用された。ｙ_ｓ(ｔ)、即ち後方散乱の大きな第１の部分は、送信されたＵＷＢパルスのスペクトルと同様のガウス振幅スペクトルを有し、パッチの共振周波数の情報を含んでいない。他方、窓処理されたｙ_ａ(ｔ)のスペクトル内容は、個々のパッチアンテナの共振周波数（４．６、５．１、５．７及び６．１ＧＨｚ）を明確に表わす。それゆえ、初期の強力な後方散乱（ｙ_ｓ(ｔ)）に続く過渡状態（ｙ_ａ(ｔ)）は、チップレスタグにおけるパッチの共振周波数を推定するのに必要な情報を保持することが明らかである。また、共振に対応するピークの高さは、ガウス振幅スペクトルの輪郭を厳密にたどることも観察される。これは、一部分は、送信パルスの振幅スペクトルが図１１（ｂ）に見られるようにガウス的だからである。アンテナモードは、単に、送信信号のフィルタされた形態よりなり、共振に対応する信号しか存在しない。また、共振情報は、タグからの後方散乱を使用することによってのみ得られ、校正タグによる付加的な校正を要求しないことにも注意されたい。

例２Ｂ−実験による確認
この章では、例２Ａのシミュレーション結果の実験による確認について概説する。

実験は、無響室環境で行われた。実験は、ベクトルネットワークアナライザ（Ａｇｉｌｅｎｔ ＰＮＡ Ｅ８３６１Ａ）を使用して行われ、周波数ドメインで測定がなされた。それらの測定データは、次いで、信号処理技術を使用して時間ドメインへ変換された。

質問信号は、単一の共平面単極アンテナを使用して送信及び受信された。図１６（ａ）は、実験に使用したアンテナを示す。アンテナは、厚みが０．５ｍｍ、銅クラッドの厚みが１７μｍ及び誘電率が２．５５のＴａｃｏｎｉｃ ＴＬＸ−８基板材料上に製造された。アンテナの測定されたリターンロス及びＥ−フィールド放射パターンが、各々、図１７（ａ）及び１７（ｂ）に示されている。アンテナは、１．５ＧＨｚから５ＧＨｚで良好に機能する。リターンロスプロフィールは、５ＧＨｚの後に低下する。放射パターンは、低い周波数では無指向性であり、高い周波数では指向性となる。実験に使用したチップレスＲＦＩＤタグが図１６（ｂ）に示されている。

無響室において測定が行われ、ベクトルネットワークアナライザで単一ポート測定が実行された。実験は、２つのステップを含むものであった。先ず、アンテナの、負荷のかかったリターンロスプロフィールＳ_１，１ ^{Ｌｏａｄｅｄ}が測定された。ここでは、タグの存在がアンテナのリターンロスプロフィールに影響を及ぼす。次いで、アンテナの、負荷のかからないリターンロスが、タグなしに空の部屋で行われた。これら実験の周波数ドメイン測定値に式(４)を適用することにより、タグからの時間ドメイン後方散乱ｙ_ｓ(ｔ)＋ｙ_ａ(ｔ)が得られた。レイズドコサイン窓を使用して、例２Ａと同様に、ｙ_ｓ(ｔ)及びｙ_ａ(ｔ)が窓処理された。これは、後方散乱（ｙ_ｓ(ｔ)＋ｙ_ａ(ｔ)）にｗ(ｔ)を乗算することを含む。ここで、

τは、正弦波形状で窓が上昇又は下降するところのロールオフ期間（又は窓のロールオフ部分）であり、Ｔは、窓の期間であり、そしてｔ_０は、窓のスタート時間である。図２１は、ｗ(ｔ)を示す。

窓処理されたｙ_ｓ(ｔ)及びｙ_ａ(ｔ)の振幅スペクトルが、図１５に示されている。また、図１５は、半解析近似の結果も示している。半解析近似では、全システムを構成するエンティティ（タグのアンテナ、ワイヤレスチャンネル及びパッチ）は、その各々が、特定の伝達関数を使用して完全に説明することができる線型時不変（ＬＴＩ）サブシステムとして近似される。測定結果は、シミュレーション結果及び半解析結果に従うことが明らかである。得られた結果は、校正タグの使用に依存しないことに注意されたい。

ここに提案された技術の性能は、タグをリーダーアンテナに対して異なる方向及び位置に置いて実験的にテストした。図１８は、共振パッチの異なる組み合わせを有するチップレスタグの周波数スペクトルを示す（ｆ_１＝４．６ＧＨｚ、ｆ_２＝５．１ＧＨｚ、ｆ_３＝５．７ＧＨｚ、及びｆ_４＝６．１ＧＨｚ）。その結果、チップレスタグに共振パッチアンテナが存在することで、チップレスタグのスペクトルシグネチャに対応ピークが生じることが確認される。４つの個別のパッチアンテナよりなる原型タグでは、４つのデータビットをエンコードすることができ、パッチの存在は、“１”ビットを表わし、その不存在は、“０”ビットを意味する。異なる距離におけるチップレスＲＦＩＤシステムの性能が図１９に示されている。距離が増加するにつれて、信号対雑音比が低下して、高い周波数ではスペクトルシグネチャにおける共振ピークの検出に曖昧さを生じる。チップレスタグの周波数スペクトルは、ネットワークアナライザによって１ｍＷの送信電力が使用された場合に、５０ｃｍの距離まで首尾良く推定された。

図２０は、回転状態のもとでの共振パッチｆ_１、ｆ_２及びｆ_３を有するチップレスタグの性能を示す。その結果から明らかなように、４５°未満の回転の場合、チップレスタグのスペクトルシグネチャは、付加的な信号処理なしに、ここに提案する技術を使用して推定することができる。タグの３つの共振周波数全部を明確に区別することができる。しかしながら、タグが４５°を越えて回転されると、性能が低下すると共に、高い共振周波数の幾つかが推定周波数スペクトルに現れなくなる。ここでは、回転は、高い周波数に対応するパッチがリーダーアンテナから離れる方を向き、一方、低い周波数に対応するパッチがリーダーアンテナの方を向くものであった。これは、なぜ高い共振周波数が性能低下となる一方、低い共振周波数は回転による影響が依然少なく見えるか説明するものである。特に、ｆ_１に対応するピークでは、周波数シフトも観察される。図１７に示すように、高い周波数における送信／受信アンテナの指向性放射パターンも、回転のもとでのこの振る舞いの理由である。共振周波数間に充分大きな保護帯域（２００ＭＨｚ）が使用されるときには、検出性能に対するこのシフトの影響を打ち消すことができる。

１０…ＲＦＩＤシステム、２０…リーダー、２２、２４…アンテナ、２６…ロジック構成体、３０、３０’…ＲＦＩＤタグ、３２、３２’…タグアンテナ、３４…フィルタ、３６…曲がりくねった伝送線、３８ａ…接地平面、３８ｂ…基板、４０…質問信号、５０…受信信号、５２…干渉、５４…構造モード、５６…アンテナモード。

Claims (33)

1. ＲＦＩＤタグを読み取る方法において、
   構造モード及びアンテナモードを含む信号をタグから受信することと、
   前記アンテナモードに対応する前記受信した信号の期間を選択的に解析することと、
   を含む方法。
2. 前記選択的に解析することは、所定セットの周波数のうちの選択された周波数における特徴を前記受信した信号内で識別することを含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記受信した信号の一部分から前記受信した信号の他の部分への所定遅延を識別して、前記期間を識別することを含む、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記一部分は、前記受信した信号の構造モードであり、そして前記他の部分は、アンテナモードである、請求項３に記載の方法。
5. 望ましからぬ信号内容の推定を差し引いて、前記受信した信号を識別することを更に含む、請求項１から４のいずれか１項に記載の方法。
6. 前記推定は、タグが存在しないときの信号に対応する、請求項５に記載の方法。
7. 前記選択的な解析は、フーリエ解析を含む、請求項１から６のいずれか１項に記載の方法。
8. 質問信号をタグへ送信して、タグから信号を生成することを更に含む、請求項１から７のいずれか１項に記載の方法。
9. 前記質問信号は、広い周波数帯域を含むパルスである、請求項８に記載の方法。
10. 前記質問信号は、持続時間がナノ秒未満である、請求項８又は９に記載の方法。
11. 前記タグは、チップレスである、請求項１から１０のいずれか１項に記載の方法。
12. ＲＦＩＤタグを読み取るリーダーにおいて、
    構造モード及びアンテナモードを含む信号をタグから受信するためのアンテナと、
    受信した信号のアンテナモードに対応するその受信した信号の期間を選択的に解析するように構成されたロジック構成体と、
    を備えたリーダー。
13. 前記解析は、所定セットの周波数の各周波数における特徴を前記受信した信号内で識別することである、請求項１２に記載のリーダー。
14. 前記ロジック構成体は、前記受信した信号の一部分から前記受信した信号の他の部分への所定遅延を識別して、前記期間を識別するように構成される、請求項１２又は１３に記載のリーダー。
15. 前記一部分は、前記受信した信号の構造モードであり、前記他の部分は、アンテナモードである、請求項１４に記載のリーダー。
16. 前記ロジック構成体は、望ましからぬ信号内容の推定を差し引いて、前記受信した信号を識別するように構成される、請求項１２から１５のいずれか１項に記載のリーダー。
17. 前記推定は、タグが存在しないときの信号に対応する、請求項１６に記載のリーダー。
18. 前記選択的な解析は、フーリエ解析を含む、請求項１２から１７のいずれか１項に記載のリーダー。
19. 質問信号をタグへ送信して、タグから信号を生成するためのアンテナを更に含む、請求項１２から１８のいずれか１項に記載のリーダー。
20. 前記質問信号は、広い周波数帯域を含むパルスである、請求項１９に記載のリーダー。
21. 前記質問信号は、持続時間がナノ秒未満である、請求項１９又は２０に記載のリーダー。
22. 前記タグはチップレスである、請求項１２から２１のいずれか１項に記載のリーダー。
23. 質問信号に応答してリターン信号のアンテナモードにおいて選択された周波数の特徴を生成する１つ以上の構造体と、
    リターン信号の構造モードからアンテナモードを遅延させるように前記構造体と協働可能な少なくとも１つの細長い導電性経路と、
    を備えたチップレスＲＦＩＤタグ。
24. 前記タグは、所定セットの周波数からの周波数の選択によりエンコードされた情報を保持する、請求項２３に記載のタグ。
25. 前記所定周波数は、各々、少なくとも約２００ＭＨｚ分離される、請求項２４に記載のタグ。
26. 前記経路は、前記アンテナモードと前記構造モードとの間の遅延が少なくとも約０．６ｎｓであるように前記構造モードから前記アンテナモードを遅延させる大きさにされる、請求項２３又は２４に記載のタグ。
27. 前記アンテナモードと前記構造モードとの間の前記遅延は、少なくとも約３ｎｓである、請求項２３又は２４に記載のタグ。
28. １つ以上の前記構造体が前記経路に沿って配置される、請求項２３から２７のいずれか１項に記載のタグ。
29. １つ以上の前記構造体を含む周波数選択性アンテナを備える、請求項２３から２８のいずれか１項に記載のタグ。
30. １つ以上の前記構造体は、受動フィルタである、請求項２３から２９のいずれか１項に記載のタグ。
31. １つ以上の前記構造体は、スパイラルフィルタである、請求項３０に記載のタグ。
32. 前記アンテナは、前記質問信号を受信するとともに前記リターン信号を送信し、前記経路の一端は、前記アンテナからエネルギーを受け取るように構成され、前記経路の他端は、前記アンテナに向かってエネルギーを反射するように構成される、請求項２３から３１のいずれか１項に記載のタグ。
33. 前記経路は、前記経路のある部分が前記経路の他の部分に沿って延びるような形状にされる、請求項２３から３２のいずれか１項に記載のタグ。

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