JP4808440B2

JP4808440B2 - リーダ／ライタ装置及びデータキャリアシステム

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Publication number: JP4808440B2
Application number: JP2005156244A
Authority: JP
Inventors: 英一石井
Original assignee: 吉川アールエフシステム株式会社
Priority date: 2005-05-27
Filing date: 2005-05-27
Publication date: 2011-11-02
Anticipated expiration: 2025-05-27
Also published as: JP2006331223A

Description

本発明はリーダ／ライタ装置及びデータキャリアシステムに関し、特に、遠距離通信を行うデータキャリアシステムに用いて好適な技術に関する。

従来、タグ（データキャリア）とリーダ／ライタ装置とからなり、上記タグと上記リーダ／ライタ装置との間でデータを非接触で授受するようにしたデータキャリアシステムが種々の分野で実用化されている。このようなデータキャリアシステムにおいては、タグは内蔵するアンテナでリーダ／ライタ装置がアンテナを介して供給するキャリア周波数の交番磁界を受けて動作電力を得ている。

また、リーダ／ライタ装置が供給する磁界に変調を掛けてコマンドやデータを送り、タグはこれを復調してリーダ／ライタ装置から送信されるコマンドやデータを受け取るように構成されている（例えば、特許文献１を参照）。

一方、上記タグから上記リーダ／ライタ装置にデータを送信する場合には、返信する信号に応じて、内蔵するアンテナに繋がる負荷を、公知のロードスイッチをオンーオフ動作させて返事を返すようにしている。このようにしてタグから返事を返す周波数として、リーダ／ライタ装置のアンテナ回路から供給される交番磁界のキャリア周波数に対して、両サイドバンドのサブキャリアを使うように構成されている。

図６に、密着型データキャリアシステムにおいて、リーダ／ライタ装置のアンテナ回路（図示せず）に誘起されるスペクトルを示す。
図６（ａ）は、リーダ／ライタ装置がキャリア周波数ｆ₀（１３．５６ＭＨｚ）で変調している状態を示し、ｆ₁は下側サブキャリア周波数（１３．１３６２５ＭＨｚ）であり、ｆ₂は上側サブキャリア周波数（１３．９８３７５ＭＨｚ）である。

図６（ｂ）は、リーダ／ライタ装置がキャリア周波数ｆ₀を変調していない状態を示している。この状態においては、原理的にはリーダ／ライタ装置のアンテナ回路からはキャリア周波数ｆ₀以外の交番磁界は放射されない。しかしながら、リーダ／ライタ装置にはデータ処理のための論理回路等が含まれており、これらの回路が動作すると出力信号にノイズが混じってしまう。これらのノイズ成分を充分に押さえるように設計している、現実には、図６（ｂ）に示したように、アンテナ回路にはキャリア周波数ｆ₀以外の周波数成分の交番磁界が発生してしまう。

図６（ｃ）は、リーダ／ライタ装置がキャリア周波数ｆ₀を変調していない状態において、図示しないタグから応答信号を受信している際にアンテナ回路に誘起されるスペクトルを示している。この場合、下側サブキャリア周波数ｆ₁及び上側サブキャリア周波数ｆ₂近傍においても、リーダ／ライタ装置のノイズ成分が発生しているので、タグからの応答信号を受信する際のＳ／Ｎ比は低下しているが信号が強いため充分なＳ／Ｎ比が得られている。

図７に、遠距離用データキャリアシステムにおいて、リーダ／ライタ装置のアンテナ回路に誘起されるスペクトルを示す。
このようなデータキャリアシステムにおいては、図７（ａ）に示すように、リーダ／ライタ装置はアンテナを強く駆動して遠くのタグまで駆動しなければならない。したがって、図７（ｂ）に示すように、ノイズ成分も多く発生する。このような条件下において、遠くに存在しているタグから送信される弱い信号を受信しなければならない。したがって、図７（ｃ）に示すように、遠距離用データキャリアシステムにおいては、Ｓ／Ｎ比が大幅に減少してしまう問題点があった。

このような問題点を解決するために、従来は図８及び図９に示すようなバンドパスフィルタを用いていた。
図８のコンデンサＣ及びコイルＬよりなる第１の狭帯域フィルタ８１と、第２の狭帯域フィルタ８２とをコンデンサＣ８０を介して直列に接続して構成しており、キャリア周波数ｆ₀を無損失（低損失）で通過させるようにしている。

図９は、第１の狭帯域フィルタ９１、及び第２の狭帯域フィルタ９２の入出力の構成をインピーダンス変換付きにして、使うコイルＬの値を設計する際の自由度を向上させるようにした例である。

特開２００２―３６６９０７号公報

図８及び図９に示したバンドパスフィルタを用いた場合、狭帯域の同調回路を組み合わせた構成なので、信号のグループディレイ（ＧＤ）の周波数特性が大きくなってしまう問題点があった。

また、アンテナ回路から入力される、タグから送信されたる信号を反射させて送信系側に入り込まないようにして、受信系側に伝送される信号成分を大きくすることはできなかった。更に、キャリア周波数ｆ₀以外の周波数を減衰させる作用を有しているが、タグからの応答信号の周波数帯域のノイズ成分を重点的に減衰させるものではなかった。

したがって、従来のリーダ／ライタ装置を用いて遠距離用のデータキャリアシステムを構成した場合、Ｓ／Ｎ比を向上させるのに限界が生じていた。

本発明は上述の問題点にかんがみ、タグから返信される信号の受信特性を改善できるようにすることを目的としている。

本発明のリーダ／ライタ装置は、所定のキャリア周波数の交番磁界に変調を掛けてコマンド及びデータをタグに送信するとともに、上記キャリア周波数に対して、両サイドバンドのサブキャリア周波数を使用して上記タグから送信される応答信号を受信して、上記タグとの間で情報データの送受信を行うリーダ／ライタ装置であって、上記リーダ／ライタ装置に設けられている送信手段とアンテナ回路との間に、上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に同調してＬ性を示す第１の並列共振回路と、上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に同調してＣ性を示す第２の並列共振回路とを直列に接続してなるフィルタ回路を設け、上記第１の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止し、上記第２の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止するとともに、上記フィルタ回路が全体としてＬＣ直列共振条件を満たして、上記キャリア周波数に対しては低インピーダンスとなるようにして、上記キャリア周波数の伝送ロスが無くなるようにしたことを特徴とする。

本発明のデータキャリアシステムは、所定のキャリア周波数の交番磁界に変調を掛けてコマンド及びデータを送信するリーダ／ライタ装置と、上記リーダ／ライタ装置から送信されるキャリア周波数に対して、両サイドバンドのサブキャリア周波数を使用して応答信号を送信するタグとを用いて行うデータキャリアシステムにおいて、上記リーダ／ライタ装置に設けられている送信手段とアンテナ回路との間に、上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に同調してＬ性を示す第１の並列共振回路と、上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に同調してＣ性を示す第２の並列共振回路とを直列に接続してなるフィルタ回路を設け、上記第１の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止し、上記第２の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止するとともに、上記フィルタ回路が全体としてＬＣ直列共振条件を満たして、上記キャリア周波数に対しては低インピーダンスとなるようにして、上記キャリア周波数の伝送ロスが無くなるようにしたことを特徴とする。

本発明によれば、リーダ／ライタ装置に設けられている送信手段とアンテナ回路との間に、キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に同調する第１の並列共振回路と、上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に同調する第２の並列共振回路とを直列に接続してなるフィルタ回路を設けたので、キャリア周波数よりも高い側のサブキャリア周波数帯域においては第１の並列共振回路が高インピーダンスとなり、上記キャリア周波数よりも低い側のサブキャリア周波数帯域に対しては第２の並列共振回路が高インピーダンスとなって、送信手段からアンテナ回路に不要な電圧成分が伝送されるのを阻止することができるとともに、上記フィルタ回路が全体としてＬＣ直列共振条件を満たして、上記キャリア周波数に対しては低インピーダンスとなるようにして、上記キャリア周波数の伝送ロスが無くなるようにすることができる。
また、キャリア周波数においては、第１の並列共振回路がＬ性を示し、第２の並列共振回路がＣ性を示すので、これらの共振回路を直列に接続したフィルタ回路は全体としては直列共振条件を満たすことができる。これにより、キャリア周波数に対しては、フィルタ回路の全体で低インピーダンスとなり、送信手段からアンテナ回路に信号を伝送する際のロスを低減することができる。さらに、このときこの直列共振特性は、フィルタ回路の前後の特性インピーダンスでダンピングされるので、穏やかで伝送歪みが少ない位相特性を得ることができる。
以上により、タグから返信される応答信号の受信特性を大幅に改善することができる。

（第１の実施の形態）
以下、図面を参照しながら本発明のデータキャリアシステムの実施の形態を説明する。
図１に示すように、本実施の形態のデータキャリアシステムは、リーダ／ライタ装置１０とタグ２０とにより構成されている。
リーダ／ライタ装置１０は、送信部１１、受信部１２、アンテナ回路１４、及びフィルタ回路１５等によって構成されている。そして、アンテナ回路１４からコマンドやデータをタグ２０に送信し、リーダ／ライタ装置１０とタグ２０との間で送受信を行う。

送信部１１は、タグ２０に送信するコマンドやデータを生成するためのものであり、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭなどのコンピュータシステム等で所定のキャリア周波数ｆ₀（１３．５６ＭＨｚ）を変調して送信信号を生成している。

受信部１２は、タグ２０から送信されてきた上側サブキャリア周波数ｆ₂（１３．９８３７５ＭＨｚ）、下側サブキャリア周波数ｆ₁（１３．１３６２５ＭＨｚ）を復号してデータを復調する。

アンテナ回路１４は、送信部１１から出力される送信信号をタグ２０に送信するとともに、タグ２０から送信された応答信号を受信する。以上の構成は、リーダ／ライタ装置の一般的な構成であるが、本実施の形態のリーダ／ライタ装置１０においては、フィルタ回路１５の構成に特徴を有している。

以下、図２を参照しながらフィルタ回路１５の第１の構成例を説明する。この例の場合は、第１のコイルＬ₁、第１のコンデンサＣ₁で構成した第１の並列共振回路１５ａと、第２のコイルＬ₂、第２のコンデンサＣ₂で構成した第２の並列共振回路１５ｂとを直列に接続してフィルタ回路１５を構成した例を示している。

次に、図２を参照しながら本実施の形態のフィルタ回路１５の動作例を説明する。
図に示したように、本実施の形態のフィルタ回路１５は、第１の並列共振回路（高い側の信号周波数に同調）１５ａと、第２の並列共振回路（低い側の信号周波数に同調）１５ｂとを直列に接続して構成されている。

第１の並列共振回路１５ａは、「ｆｃａｒｒｙ＋ｆｓｕｂｃａｒｒｙ」周波数に共振し、第２の並列共振回路１５ｂは、「ｆｃａｒｒｙ−ｆｓｕｂｃａｒｒｙ」に共振する。よって、高い側の信号周波数成分に対しては第１の並列共振回路１５ａが高インピーダンスとなって伝送を阻止し、低い側の信号周波数成分に対しては第２の並列共振回路１５ｂが高インピーダンスとなって伝送を阻止する。

一方、中心周波数、すなわち、キャリア周波数ｆ₀においては、第１の並列共振回路１５ａがＬ性を示し、第２の並列共振回路１５ｂがＣ性を示している。したがって、フィルタ回路１５は全体として直列共振条件を満たす。これにより、キャリア周波数ｆ₀に対しては、フィルタ回路１５の全体でインピーダンスが下がって伝送ロスが無くなる。しかも、このときこの直列共振特性は、フィルタ回路１５の前後の特性インピーダンスでダンピングされるので、位相特性は穏やかで伝送歪みが少ないものとなる。

コイルＬの値は、「２πｆ₀Ｌ」が伝送路の特性インピーダンスよりも充分に小さく、かつ「Ｑπｆ₀Ｌ」が伝送路の特性インピーダンスよりも充分に大きくなる様にＱが高いコイルを使う必要がある。本実施の形態においては、伝送路の特性インピーダンスは一般的な５０Ωとし、「２πｆ₀Ｌ＝１．５Ω」、「Ｑ２πｆ₀Ｌ＝３１３Ω」としている。

このように構成した本実施の形態のフィルタ回路１５は、以下に示すような種々の優れた特性を有している。
すなわち、本実施の形態のようなデータキャリアシステムにおいて、特に、通信距離が遠いリーダ／ライタ装置とか、タグとの間の磁界結合が取りにくい環境で使われるリーダ／ライタ装置において、送信部１１とアンテナ回路１４との間に挿入されるフィルタ回路１５に要求される特性は、以下のように(１)〜（５）の特性に大別される。

［送信部１１→アンテナ回路１４に送信信号を伝送する場合］
(１)として、送信部１１とアンテナ回路１４との間でキャリア周波数ｆ₀を減衰させないようにすること。
（２−１）として、リーダ／ライタ装置１０からタグ２０にコマンドやデータを送るために行う変調により生じたサイドバンド信号成分の振幅を減衰させず、かつ
（２−２）として、波形が歪まない様にすること。すなわち、位相特性がリニアーであること（グループディレイが小さい）ことである。

（３）として、タグ２０からの応答信号周波数帯に存在するノイズ成分を減衰させること。これは、タグ２０からの応答信号の周波数帯域においては、本来、リーダ／ライタ装置で発生させる周波数帯域でないが、送信部１１には、データ処理のための論理回路等が含まれており、これらの回路が動作すると送信信号にノイズが混じってしまい、このノイズ成分がキャリア周波数ｆ₀に重畳すると受信の妨害になる。

当然、これらの不要な成分は充分押さえる設計がされているが、しかるに、通信距離を伸ばす応用ではリーダ／ライタ装置１０はアンテナを強く駆動して遠くのタグまで駆動して、遠くのタグからの弱い信号を受信しなければならない。

例えば、リーダ／ライタ装置１０側のアンテナ回路１４ヘの駆動出力を３５ｄＢｍ（３Ｗ）、伝送損失を３２ｄＢとすると、タグ２０には３ｄＢｍ（２ｍＷ）の電力が届き、振幅で半分（電力で１／４：−３ｄＢｍ）で返事を返してくると、リーダ／ライタ装置１０側のアンテナ回路１４には、−３５ｄＢｍの受信信号が返ってくる。

現実には、リーダ／ライタ装置側１０及びタグ２０側においては、アンテナの共振特性の中心周波数より外れたサブキャリア周波数で返信されるため、さらに１０ｄＢは小さくなって−４５ｄＢｍの信号が返ってくる。

そこで、良好な受信特性を得るために、この点でのＳ／Ｎ比を２０ｄＢとすると、送信信号の純度は、
（３５−（−４５）十２０）＝１００ｄＢ以上必要である。
この要求レベルは、無変調のキャリア周波数ｆ₀だけを単に発生させる信号源ならば充分に可能なレベルである。しかしながら、前述したようにリーダ／ライタ装置には変調信号を発生したり、受信信号を処理したりするために他の回路も設けているので難しいレベルとなる。

［アンテナ回路１４で受信した応答信号を→受信部１２へ伝送する場合］
（４）として、アンテナ回路１４から送信部１１へ入り込む信号成分を反射させて、アンテナ回路１４で受信したタグ２０からの応答信号が受信部１２へ伝送される成分を大きくすること。

（５）として、キャリア周波数ｆ₀と整合を取って、駆動キャリア周波数信号の電圧振幅が大きくならない様にすること。これは、タグ２０からの応答信号を検出する際に、大きな駆動キャリア周波数信号が重畳していると検出し難いから、検波回路の受け入れられる許容最大振幅を大きくすることは、検出感度を上げるのとは相反する要求である。

本実施の形態のフィルタ回路１５は、上述した(１)〜（５）の要件を充分に満足させるようにしたものである。従来技術の一例として示した図８及び図９のバンドパスフィルタは、狭帯域のバンドパスフィルタであるから、上述した各特性(１)、（２−１）及び（５）等を或る程度は満足させることは可能であるが、（２−２）及び（４）を満足させることは困難であり、さらに（３）の実現レベルが問題であった。

さらに、従来のバンドパスフィルタは狭帯域フィルタなので、当然ながらＱの高いコイルとコンデンサを用いることになる。この場合、同程度に高いＱで構成した回路の比較を行った結果を以下に示す。なお、ここでは、Ｑ＝２００のコイルで検討する。

（イ）駆動出力信号振幅の周波数特性について、
キャリア周波数ｆ₀である１３．５６ＭＨｚの減衰は小さい方が良く、キャリア周波数に対して±３００ＫＨｚ程度では、中心より−３ｄＢ以内が目処である。
また、サブキャリア周波数ｆ₁、ｆ₂である１３.５６ＭＨｚ／３２＝４２３．７５ＫＨｚとして、「１３．５６±０．４２３７５＝１３．１３６２５／１３．９８３７５ＭＨｚ」の周波数での減衰が大きいことが重要である。

これらを検討した結果、本実施の形態のフィルタ回路１５の方が良い周波数特性を得ることができる。ちなみに、従来のバンドパス特性の方が、キャリア周波数ｆ₀から更に外れると大きく減衰させることができる。しかしながら、ここで問題としているのは、タグ２０から送信される、サブキャリア周波数ｆ₁、ｆ₂を使用した応答信号を受信する際の受信特性の改善ということで評価しているので、本実施の形態のフィルタ回路１５の方が良いのは明白である。

（ロ）駆動出力信号振幅のＧＤ（グループディレイ）の周波数特性について、
本実施の形態のフィルタ回路１５の方が信号帯域内のＧＤが小さく、歪みを小さくすることができる。従来回路では、狭帯域の同調回路を組み合わせた構成なのでＧＤは悪くなってしまう。

（ハ）受信信号振幅の周波数特性について、
本実施の形態のフィルタ回路１５においては、出力側から（すなわち、アンテナ回路１４側）からきた信号のうち、タグ２０から送信された応答信号の信号周波数帯域で大きくなっているので、本実施の形態のフィルタ回路１５の方が従来の「バンドパスフィルタ」と比較して有利である。

（ニ）受信信号振幅の位相特性について、
本実施の形態のフィルタ回路１５においては、出力側から（すなわち、アンテナ回路１４側）からきた信号の位相廻りが小さいので、本実施の形態のフィルタ回路１５の方が従来の「バンドパスフィルタ」と比較して有利である。

上述したような特性を有するので、本実施の形態のフィルタ回路１５においては、図３（ａ）〜（ｃ）に示したような周波数特性を得ることができる。図３から明らかなように、リーダ／ライタ装置１０が無変調な状態を示す図３（ｂ）において、下側サブキャリア周波数（１３．１３６２５ＭＨｚ）ｆ₁、上側サブキャリア周波数（１３．９８３７５ＭＨｚ）ｆ₂近傍の周波数帯域におけるノイズ成分を抑圧することができる。

これにより、図３（ｃ）に示すように、タグ２０からの応答信号を受信する際に充分なＳ／Ｎ比を確保することが可能となり、遠距離通信を行うデータキャリアシステムに用いて好適なリーダ／ライタ装置１０を得ることができる。

次に、図４及び図５を参照しながら、フィルタ回路１５の変形例を説明する。
図４に示したフィルタ回路４０は、コイルＬ₁、Ｌ₂を選択する際の自由度を上げるために、容量タップで構成した例を示している。容量タップの構成例として、本実施の形態においては、コンデンサＣ₁₁とＣ₁₂との間、及びＣ₂₁とＣ₂₂との間からタップを出すようにしている。

本実施の形態のように、タップ比を変えることにより、減衰量と伝送帯域のバランスを取ることができる。
図５に、本実施の形態のフィルタ回路４０の特性曲線を示す。破線５１は、Ｃ₁₂（Ｃ₂₂）を大きくした場合の特性を示し、実線５２は、Ｃ₁₂（Ｃ₂₂）を小さくした場合の特性を示している。なお、原理的にはコイルＬにタップを出すことも可能だが、コイルＬの特性が悪化しやすいので容量タップで構成した方が有利である。

本発明の実施の形態を示し、リーダ／ライタ装置及びタグとにより構成されるデータキャリアシステムの概略構成を説明する図である。実施の形態のリーダ／ライタ装置で用いられるフィルタ回路の実施の形態を説明する図である。実施の形態のフィルタ回路を用いた場合の周波数特性の一例を示す図である。フィルタ回路の変形例を説明する図である。変形例のフィルタ回路の周波数特性を示す図である。従来のリーダ／ライタ装置を用いて密着型の通信を行った場合における周波数特性の一例を示す図である。従来のリーダ／ライタ装置を用いて遠距離用の通信を行った場合における周波数特性の一例を示す図である。従来例を示し、バンドパスフィルタの第１の構成例を示す図である。従来例を示し、バンドパスフィルタの第２の構成例を示す図である。

符号の説明

１０リーダ／ライタ装置
１１送信部
１２受信部
１３切り換え部
１４アンテナ回路
１５フィルタ回路
１５ａ第１の並列共振回路
１５ｂ第２の並列共振回路
２０タグ

Claims

所定のキャリア周波数の交番磁界に変調を掛けてコマンド及びデータをタグに送信するとともに、上記キャリア周波数に対して、両サイドバンドのサブキャリア周波数を使用して上記タグから送信される応答信号を受信して、上記タグとの間で情報データの送受信を行うリーダ／ライタ装置であって、
上記リーダ／ライタ装置に設けられている送信手段とアンテナ回路との間に、上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に同調してＬ性を示す第１の並列共振回路と、上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に同調してＣ性を示す第２の並列共振回路とを直列に接続してなるフィルタ回路を設け、
上記第１の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止し、上記第２の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止するとともに、
上記フィルタ回路が全体としてＬＣ直列共振条件を満たして、上記キャリア周波数に対しては低インピーダンスとなるようにして、上記キャリア周波数の伝送ロスが無くなるようにしたことを特徴とするリーダ／ライタ装置。
所定のキャリア周波数の交番磁界に変調を掛けてコマンド及びデータを送信するリーダ／ライタ装置と、上記リーダ／ライタ装置から送信されるキャリア周波数に対して、両サイドバンドのサブキャリア周波数を使用して応答信号を送信するタグとを用いて行うデータキャリアシステムにおいて、
上記リーダ／ライタ装置に設けられている送信手段とアンテナ回路との間に、上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に同調してＬ性を示す第１の並列共振回路と、上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に同調してＣ性を示す第２の並列共振回路とを直列に接続してなるフィルタ回路を設け、
上記第１の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して高い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止し、上記第２の並列共振回路が上記キャリア周波数に対して低い側のサブキャリア信号周波数に対しては高インピーダンスとなって伝送を阻止するとともに、
上記フィルタ回路が全体としてＬＣ直列共振条件を満たして、上記キャリア周波数に対しては低インピーダンスとなるようにして、上記キャリア周波数の伝送ロスが無くなるようにしたことを特徴とするデータキャリアシステム。