JP5370388B2 - クロスダイポールアンテナ、これを用いるタグ - Google Patents

Description

本発明は、無線高周波信号を用いてリーダライタ（Ｒ／Ｗ）とタグ間で情報の通信を行うＲＦＩＤ（無線周波数ＩＤ）システムに適用されるクロスダイポールアンテナ、及びこれを用いるタグに関する。

ＲＦＩＤ（無線周波数ＩＤ）システムは、ＵＨＦ帯（860〜960ＭＨｚ）の無線周波数信号を用いて、リーダライタから約１Ｗの搬送波信号を送信する。タグ側でその搬送波信号を受信し、再びリーダライタ側へタグ情報で前記搬送波信号を変調して、応答信号として送り返すことにより、タグ内の情報をリーダライタで読み取ることができるシステムとして、その適用分野は広がっている。

その通信距離はタグに備えられるアンテナのゲイン、信号処理のためのＬＳＩチップの動作電圧、更に周囲環境に依存するが、およそ３〜５ｍである。タグは、厚さ０．１ｍｍ程度のシート、フィルム等の基体に形成された導電体のアンテナパターンと、アンテナ給電点に接続されるＬＳＩチップ（約１ｍｍ角、厚さ０．２ｍｍ程度）から構成される。

図１に示すように、ＬＳＩチップ２は抵抗Ｒc（たとえば５００Ω）と、キャパシタンスＣc（例えば、１．４ ｐＦ）の並列接続で等価的に示すことができる。一方、タグアンテナ１は、放射抵抗Ｒa（例えば４００Ω）と、インダクタンスＬa（例えば２０ｎＨ）の並列接続で等価的に示すことができる。

両者を並列接続することにより、キャパシタンスとインダクタンスが共振し、式１から分かるように、所望の共振周波数ｆ0で整合し、アンテナ１での受信パワーがチップ２側へ十分供給されることになる。

ここで、図２Ａに基本的なダイポールアンテナを示す。アンテナ全体の長さは、使用波長λの１／２であるから、９５３ＭＨzではλ/２波長＝１４５ｍｍ程度である。それぞれλ／４のアンテナ素子の給電点にＬＳＩチップ２が接続される。

このアンテナ全体の長さをλ／２にすることにより、９５３ＭＨｚでアンテナが共振するが、図１に示したＬa成分を持たない。そこで、図２Ｂに示したように、λ/２よりも長い１８０ｍｍ程度にすることにより、アンテナ１がＬa成分を持つようになり、ＬＳＩチップ２と共振させることができる。

このような、ＲＦＩＤタグに形成されるダイポールアンテナとしてλ/２よりも大きいアンテナ長とすることは、例えば、非特許文献１において知られている。

また、このタグアンテナ１は直線偏波であるため、図示していないリーダライタ（Ｒ／Ｗ）側のアンテナは、通常、円偏波を用いる。これは、タグを紙面に平行な面で回転させてもほぼ同一距離で送受信できるようにするためである。仮にＲ／Ｗ側に直線偏波アンテナを用いた時、偏波の方向がタグと一致する場合は、通信距離は円偏波の約１．４倍に延びるが、垂直方向になれば、通信距離は激減してしまう。

ところで、チップは通常、図１に示したような２端子であるが、図３に示すように並列に２系統接続されて４端子を持つものも市販されている。接地側（ＧＮＤ）同士は直流（ＤＣ）的に接続されているものが多い。そこで、アンテナを２系統構成にして、例えば図１のダイポールアンテナを十字に構成すれば、Ｒ／Ｗ側のアンテナが直線偏波であっても通信距離を高く保つことができる。しかし、縦横それぞれが１８０ｍｍとなり、タグアンテナとしては、巨大なものとなり実用的でない。

Nikitin， P.V.; Lam， S.;Rao， K.V.S.，"Low cost silver ink RFID tag antennas" Antennas and Propagation Society International Symposium， 2005 IEEE vol. 2B，pages 353-356 July 2005

かかる点から本発明の課題は、リーダライタ（Ｒ／Ｗ）側が直線偏波アンテナを用いる場合であっても、タグの向きによらない無指向に近いコンパクトなアンテナ構成および、かかるアンテナ構成を適用するタグを提供することにある。

上記の課題を達成する本発明に従う第１の側面は、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ＲＦＩＤシステムに適用されるクロスダイポールアンテナであって、
一対のダイポールアンテナを有し、
前記一対のダイポールアンテナは、互いに十字に交差する給電点から延びた直線線路と、前記直線線路を折り曲げた部分が先に３角形状に広がる線路を形成し、
さらに、前記３角形状に広がる線路の先端部に直線の延長部を有し、
前記一対のダイポールアンテナのそれぞれの全長が使用波長λの１/２よりも長い
ことを特徴とする。

上記の課題を達成する本発明に従う第２の側面は、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ＲＦＩＤシステムに適用されるタグであって、
基体と、
前記基体に導体で形成され、前記無線高周波信号の送受信機能を備えるＬＳＩチップに接続された一対のダイポールアンテナと、
前記一対のダイポールアンテナの互いに十字に交差する給電点に接続されたＬＳＩチップを有し、
前記一対のダイポールアンテナは、互いに十字に交差する給電点から延びた直線線路と、前記直線線路を折り曲げた部分が３角形状に広がる線路を形成し、
さらに、前記３角形状に広がる線路の先端部に直線の延長部を有し、
前記一対のダイポールアンテナのそれぞれの全長が使用波長λの１/２よりも長い
ことを特徴とする。

本発明により、Ｒ／Ｗ側が直線偏波アンテナを用いる場合であっても、タグの向きによらない無指向に近い、コンパクトなくダイポールアンテナが提供されるので、これにより、タグ自身が大きくなることを回避できる。

抵抗ＲcとキャパシタンスＣcの並列接続で等価的に示すＬＳＩチップの説明図である。 基本的なダイポールアンテナを示す図である。 λ/２よりも長い、インダクタＬa成分を有するダイポールアンテナを示す図である。 並列に２系統接続されて４端子を持つ等価的に示すＬＳＩチップの説明図である。 本発明に従う第１の実施例のアンテナパターンを示す。 インピーダンス調整部の長さＬをパラメータに、インダクタンス成分Ｌaを市販の電磁界シミュレータで計算した結果を示す図である。 インピーダンス調整部の長さＬをパラメータに、アンテナの放射抵抗Ｒaを市販の電磁界シミュレータで計算した結果を示す図である。 Ｒ/Ｗアンテナが直線偏波１００とした場合のタグの動作を示している。 図７Ａにおいて、タグの回転核と通信距離の関係を示す図である。 本発明に従う第２の実施例のアンテナパターンを示す図である。 第２の実施の形態例における導電バーの接続される点の距離Ｌ２とアンテナ放射抵抗Ｒaの関係を示す図である。 第２の実施の形態例における導電バーの接続される点の距離Ｌ２とインダクタンス成分Ｌaの関係を示す図である。 本発明に従う第３の実施例のアンテナパターンを示す図である。

以下に実施例図面を参照して、本発明の実施の形態例を説明する。なお、実施の形態例は、本発明の理解のためのものであり本発明の技術的範囲がこれに限定されるものではない。

図４に本発明に従う第１の実施例のアンテナパターン構造を示す。アンテナパターンは、タグの基体となるＰＥＴ、フィルム或いは紙材上に、Ｃｕ、Ａｇ、又は、Ａｌ等の導電材料を用いて形成される。

一対のダイポールアンテナ１ａ、１ｂが、給電点２０で並列接続され、ダイポールアンテナ１ａ、１ｂのそれぞれに対応する接地側アンテナ素子ＧＮＤ１ａ、ＧＮＤ１ｂが図３に示したように、導体１２により共通接続される。

一対のダイポールアンテナ１ａ、１ｂは、給電点２０から十字形状にアンテナ線路が延び、端に達したところで直角に折り曲がり、更に３角形形状に線路が広がっている。アンテナパターンの全体の大きさは、縦７８ｍｍ、横７８ｍｍであり、十字形状の中心位置である給電点２０にＬＳＩチップ２の搭載部を持つ。

前記の３角形状に広がる線路により、様々な長さのアンテナ全長を有することができ、これによりアンテナの周波数特性を広帯域にすることができる。

かかる構成において、十字状にアンテナ１ａ、１ｂが存在し、それぞれの全長は約１８０ｍｍ（＞λ／２）であるので、先に図２Ｂについて説明した様にインダクタンス成分Ｌａを持つことができる。

さらに、図４の実施の形態例において、３角形領域の先端に長さＬのインピーダンス調整部１０ａ、１０ｂ及び１１ａ、１１ｂが延びている。

図５、図６は、インピーダンス調整部１０ａ、１０ｂ及び１１ａ、１１ｂの長さＬをパラメータに、インダクタンス成分Ｌa及びアンテナの放射抵抗Ｒaを市販の電磁界シミュレータで計算した結果を示す図である。

ここで、ＲＦＩＤシステムに用いるタグは、基体にアンテナ導体を貼り付けて使用するため、基体の誘電率εr、 厚さｔを考慮することが望ましい。したがって、図５、図６のシミュレーション計算では、タグ基体をプラスチックと考え、εr＝３とし、厚さｔ＝１、２、 ４ｍｍと仮定した。

例えば、ＬＳＩチップ２のキャパシタンスＣc＝１．４ｐＦとすると、これと共振するのはＬa＝２０ｎＨである。図５のデータから、厚さｔ＝１ｍｍのプラスチック（εr=3）基体に貼り付けるならばＬ＝０、紐でぶら下げてアンテナ周囲が空気（εr=1）の場合はＬ＝１３ｍｍが最適値である。このとき、図６に示すように、アンテナの放射抵抗Ｒaはチップ抵抗５００Ωに近くになっており、ほぼ整合している。

なお、周囲条件に応じた最適値を選択しなくとも、通信距離が若干落ちるだけで、全く通信できなくなるわけではない。

図７Ａ、図７Ｂには、Ｒ/Ｗアンテナが直線偏波１００とした場合のタグの動作を示している。図７Ａにおいてアンテナ１ａの偏波面１００ａは、左右方向(水平方向)から約３０°回転した方向にあり、アンテナ１ｂはそれと９０°異なる。

Ｒ/Ｗアンテナ直線偏波面１００とタグ偏波面が一致したとき、最も通信距離が大きくなり、それらが９０°異なる時、最も通信距離が小さくなる。したがって、アンテナ１ａだけに注目すると、図７Ａに示すように３０°左回転させると、アンテナ直線偏波面１００とタグ偏波面１００ａが一致し、通信距離最大となり、更に９０°回転して、１２０°回転位置で通信距離が最小になる。この様子は、図７Ｂにおいて、破線１ａで示される。図７Ｂにおいて、横軸に回転角、縦軸に通信距離を示している。

一方、アンテナ１ｂに注目すると、アンテナ１ａと９０°位相が異なる。そして、図７Ｂにおいて回転角と通信距離との関係は一点鎖線１ｂで示される。したがって、アンテナ１ａと１ｂの特性を合成すると、図７Ｂに（１ａ＋１ｂ）で示される実線で示すように、全体として通信距離が大きく劣化することのないタグが実現できることが理解できる。

このときの、最大距離は、Ｒ/Ｗアンテナが円偏波、タグが通常の直線偏波とした場合の約１．４倍であるため、ＲＦＩＤシステムの通信距離を伸ばすことができる。

図８は、本発明に従う第２の実施例のアンテナパターンを示す図である。図８に示す実施の形態は、アンテナインピーダンスの調整方法として、導電バー１３を設けた構成である。導電バー１３の配置される位置の特定を、アンテナ１ａ、１ｂの交差中心点で、ＬＳＩチップ２の搭載される位置からＬ２の距離に導電バー１３が接続されると考える。

このときの導電バー１３の接続される点の距離Ｌ２とアンテナ放射抵抗Ｒaとインダクタンス成分Ｌaの関係を図９、図１０に示した。先に説明したＬＳＩチップ２のキャパシタンスＣc＝１．４ｐＦと共振するためにインダクタンスＬa＝２０ｎＨにするには、Ｌ２＝２２ｍｍが最適値であることが分かる。

図１１は、更に本発明に従う第３の実施例のアンテナパターンを示す図である。
それぞれのアンテナ１ａ、１ｂから延びる３角形部分に流れる電流は、３角形の周辺部分に偏り、中心付近には電流は集中しない。このため、電流の流れにくい中央部分は、刳り抜いても良い。例えば、Ａｇペーストでアンテナ１ａ、１ｂを形成する場合、使用する金属部分はなるべく少ない方がコスト減になる。

よって、図１１に示すように、 アンテナ１ａ、１ｂの折り曲げ部分に形成される３角形は、その輪郭部の導体２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、及び２１ａ、２１ｂ、２１ｃで形成する。他の部分は、図４に示した第１の実施の形態例と同様である。

１、１ａ、１ｂ ダイポールアンテナ
２、２ａ、２ｂ ＬＳＩチップ

Claims (2)

1. 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ＲＦＩＤシステムに適用されるクロスダイポールアンテナであって、
   一対のダイポールアンテナを有し、
   前記一対のダイポールアンテナは、互いに十字に交差する給電点から延びた直線線路と、前記直線線路を折り曲げた部分が３角形状に広がる線路を形成し、
   さらに、前記３角形状に広がる線路の先端部に、長さによりインピーダンスを調整するための直線の延長部を有し、
   前記一対のダイポールアンテナのそれぞれの全長が使用波長λの１/２よりも長い
   ことを特徴とするクロスダイポールアンテナ。
2. 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ＲＦＩＤシステムに適用されるタグであって、
   基体と、
   前記基体に導体で形成され、前記無線高周波信号の送受信機能を備えるＬＳＩチップに接続された一対のダイポールアンテナと、
   前記一対のダイポールアンテナの互いに十字に交差する給電点に接続されたＬＳＩチップを有し、
   前記一対のダイポールアンテナは、互いに十字に交差する給電点から延びた直線線路と、前記直線線路を折り曲げた部分が３角形状に広がる線路を形成し、
   さらに、前記３角形状に広がる線路の先端部に、長さによりインピーダンスを調整するための直線の延長部を有し、
   前記一対のダイポールアンテナのそれぞれの全長が使用波長λの１/２よりも長い
   ことを特徴とするタグ。

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