JPH10224262A - 無線周波数識別通信システムのためのタグ - Google Patents

無線周波数識別通信システムのためのタグ

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JPH10224262A
JPH10224262A JP9354394A JP35439497A JPH10224262A JP H10224262 A JPH10224262 A JP H10224262A JP 9354394 A JP9354394 A JP 9354394A JP 35439497 A JP35439497 A JP 35439497A JP H10224262 A JPH10224262 A JP H10224262A
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JP
Japan
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tag
antenna
gate
signal
variable impedance
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JP9354394A
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R Anthony Shober
ショバー アール．アンソニー
Eric Sweetman
スィートマン エリク
Gregory Alan Wright
アラン ライト グレゴリー
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Nokia of America Corp
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Lucent Technologies Inc
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Publication date
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Abstract

(57)【要約】 【課題】 高い感度および長い有効範囲があまり重要で
ないＲＦＩＤシステムアプリケーションのための比較的
安価なタグの設計を提供する。 【解決手段】 本発明は、安価な後方散乱変調器を使用
するＲＦＩＤタグ設計を提供する。この変調器は、変調
信号を含むシフトレジスタ（２０３）により駆動される
単純なＣＭＯＳゲート（２０２）である。ＣＭＯＳゲー
トは、変調信号に従ってアンテナの反射率を変調するよ
うに、アンテナ（２０１）に接続されている。第２の実
施形態において、タグは、アンテナを除く安価な読みだ
し専用ＲＦＩＤタグを具現化するために必要な全ての構
成要素を含む単一のＣＭＯＳ集積回路に収容される。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、ワイヤレス通信シ
ステムに係り、特に、変調された後方散乱技術を使用す
るワイヤレス通信システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システム
は、装置、在庫または生物の識別および／または追跡の
ために使用される。ＲＦＩＤシステムは、質問機と呼ば
れる無線トランシーバとタグと呼ばれる多数の安価な装
置との間で通信する無線通信システムである。変調後方
散乱（ＭＢＳ）を使用するＲＦＩＤシステムにおいて、
質問機は、変調された無線信号を使用することによりタ
グと通信する。
【０００３】タグは、連続波（ＣＷ）、即ち質問機から
もともと送信された搬送波信号を質問機に反射（後方散
乱）することにより質問機と通信する。質問機から発せ
られタグへ送信される通信は、ダウンリンクと呼ばれ
る。タグから質問機への通信は、アップリンクと呼ばれ
る。タグは、質問機からのメッセージを受信し、かつメ
ッセージを質問機へ反射して戻すために使用するアンテ
ナを有する。
【０００４】メッセージをタグに送信した後に、質問機
は、ＣＷ搬送波信号をタグへ送信する。タグは、ＣＷ搬
送波信号を使用して、変調された副搬送波信号と共にＣ
Ｗ搬送波信号を反射または後方散乱させることにより質
問機メッセージに応答する。ＣＷ搬送波信号は、典型的
には、マイクロ波周波数帯中の信号である。反射された
即ち後方散乱されたＣＷ搬送波信号は、タグにおいて生
成される変調信号でタグにより変調される。
【０００５】ＭＢＳを使用するほとんどのＲＦＩＤシス
テムにおいて、タグアンテナレーダ断面積、即ちアンテ
ナの有効反射領域は、アンテナに取り付けられた高品質
マイクロ波ダイオードを交互にバイアスするおよびバイ
アスしないことにより変調される。ダイオードが導通状
態である場合、即ちダイオードがオン状態にバイアスさ
れている場合、ダイオードはＲＦ短絡回路として働く。
オフ状態にある場合、ダイオードはＲＦ開放回路として
働く。
【０００６】この場合において、アンテナのインピーダ
ンス即ち反射率は、変調されて、衝突するＣＷ搬送波信
号をアンテナに交互に反射および吸収させる。アンテナ
の給電点のようなアンテナ上の正しい位置に接続される
と、導通しているダイオードは、同調しているアンテナ
を非同調のアンテナに変えて、アンテナに衝突するＣＷ
ＲＦ信号を吸収させるのではなく反射させる。
【０００７】変調された後方散乱ＲＦＩＤタグは、時
々、受動無線タグと呼ばれ、太陽からの光を離れた場所
にいる観測者に対して光らせることにより通信に使用さ
れ得る鏡と類似した方法で照射される連続波（ＣＷ）無
線信号を反射しかつ変調する。図１は、質問機１０５お
よびタグ１０１を含む典型的な読み出し専用変調後方散
乱ＲＦＩＤシステムを示す。
【０００８】タグ１０１は、マイクロプロセッサ１０
２、変調器１０３およびアンテナ１０４を含む。質問機
１０５の中において、読み出し器ＲＦユニット１０８
は、送信アンテナ１０６により、ＣＷ信号を生成しかつ
送信する。アンテナの反射係数または反射率、即ち所定
の周波数範囲内でエネルギを反射するアンテナの能力を
示すアンテナ設計の分野において当業者によく知られた
パラメータは、変調信号により直接的に変調される。
【０００９】タグアンテナ１０４の反射係数は、タグメ
モリ中に格納されたデータにより決定される時間変化す
るパターン（変調信号）で、エネルギの良好な吸収体と
良好な反射体との間で切り換えられる。タグアンテナ１
０４の可変の反射係数は、後方散乱ＲＦ信号を変調す
る。後方散乱信号は、質問機の受信アンテナ１０７によ
りとらえられ、読み出し器ＲＦユニット１０８により増
幅されかつ低域変換されて、復調器１０９，デジタル信
号処理プロセッサ（存在する場合にはＤＳＰ１１０）お
よびマイクロプロセッサ（μＰ）１１１によりデータが
復元される。
【００１０】ＲＦＩＤシステムの総合的な感度に直接的
に影響を与えるより重要なファクタのうちの１つは、タ
グアンテナ１０４が反射されたＲＦ信号を変調する効率
である。これは、タグアンテナ１０４の読み取り断面
積、タグアンテナ１０４とタグ変調器１０３との間のイ
ンピーダンス整合、およびタグ変調器１０３の品質に依
存する。タグ変調器１０３は、最適なシステム性能のた
めに、通常は高品質のマイクロ波半導体であり、しばし
ばスイッチングダイオードである。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】安価なタグ１０１に対
して、このデバイスだけで、タグ全体のコストの主要部
をなす。したがって、タグの製造コストを相当に低減す
るために、許容されるシステム感度および有効範囲を維
持しつつ、変調器１０３のコストは低減されなければな
らない。高い感度および長い有効範囲が、低コストより
も重要でないＲＦＩＤシステムアプリケーションがあ
る。そのようなアプリケーションのうちの１つは、航空
会社の荷物追跡を含む。したがって、そのようなシステ
ムに対する比較的安価なタグの設計についてのニーズが
ある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明による安価なタグ
設計は、ＭＢＳを使用するＲＦＩＤ通信システムにおい
て使用される。このタグは、データ記憶装置、格納され
た情報を受け取るために、データ記憶装置に電気的に接
続された可変インピーダンス半導体ゲートおよび所定の
反射率を有するアンテナからなる。このアンテナは、受
信された情報に従って、アンテナの反射率を変調する可
変インピーダンスデバイスに電気的に接続されている。
別の実施形態において、タグの全ての部品は、アンテナ
の反射率を変調する１つの集積回路中に収容される。
【００１３】
【発明の実施の形態】本発明は、短い有効範囲のアプリ
ケーションに対するＲＦＩＤシステムのための安価な変
調器に関する。安価な相補型金属酸化物半導体（ＣＭＯ
Ｓ）ゲートが、ＭＢＳアンテナの反射率またはインピー
ダンスを変調するために、典型的に使用される高品質ダ
イオードの代わりに使用されて、タグの設計を単純化
し、タグの製造コストおよびシステム全体のコストをか
なり低減する。
【００１４】図２は、本発明の一実施形態による、航空
会社の荷物追跡のようなアプリケーションのための単純
な読み出し専用タグを示すブロック図である。タグシフ
トレジスタ２０３に格納された符号化されたデータのよ
うな情報が、可変インピーダンスデバイス２０２、即ち
この実施形態において、タグアンテナ２０１に結合され
たＣＭＯＳゲートを駆動するために使用される。
【００１５】リードオンリメモリ（ＲＯＭ）または同様
のデバイスのような他のデータ記憶装置が、可変インピ
ーダンスデバイス２０２を駆動するために、シフトレジ
スタの代わりに使用され得る。可変インピーダンスデバ
イス２０２は、符号化されたデータを受信し、この符号
化されたデータに従って、アンテナ２０１の反射率を変
調する。
【００１６】この実施形態において、パワーモジュール
２０４は、安価なバッテリまたは照射されるＲＦからの
電力を引き出す整流器のいずれかである。本発明は、航
空会社の荷物追跡のような短い有効範囲のアプリケーシ
ョンのための低コスト読み出し専用ＲＦＩＤタグの重要
な構成要素を構成する。この目的のためにＣＭＯＳゲー
ト２０２を使用することは、他の低コストかつ低電力消
費の変調スキームよりも利点を有する。
【００１７】このタイプのタグは、効率的でない可変イ
ンピーダンスデバイスのため、かつタグがＲＦ電力によ
るものである場合に、ＲＦ電力が質問機からの距離によ
り急速に低下するために、短い有効範囲（２メートル未
満）のアプリケーションに対して使用される。図１に示
されているような変調後方散乱ＲＦＩＤタグのための変
調エレメントとしての安価なＣＭＯＳゲート２０２を使
用することについて説明する。
【００１８】図３は、単純なＣＭＯＳ反転ゲート３０２
が、図２に示されているようなＭＢＳタグ中の変調エレ
メントとしてどのように使用され得るかを示す単純な検
査回路を示すブロック図である。この場合において、７
４ＨＣ０４高速ＣＭＯＳ集積回路３０１の反転ゲート３
０２が使用され、この場合に信号生成器からの方形波信
号であるベースバンド信号３０４により駆動される。こ
の場合、反転ゲート３０２の出力は、１／４波パッチア
ンテナ３０６の給電点に接続される。他のアンテナは、
ボータイ、ループおよび１／２波ダイポール構成を含む
この回路で検査された。
【００１９】図３の回路を評価するために使用されたテ
ストベンチは、図４に示されるその後の実験においても
使用された。２．４５ＧＨｚＣＷ周波数において動作す
るマイクロ波掃引発振器（ＨＰ８３５０Ｂ）４０１は、
＋３０ｄＢｍ（１ワット）の出力で電力増幅器（ＰＭ２
１０４）４０２を駆動する。この信号は、８．５ｄＢｉ
の利得で平面アンテナ４０３により送信され、テスト中
の回路４１２（タグ回路）を照射する。回路４１２の出
力は、反転ゲート４１０によりバッファされて、アンテ
ナ４１１を駆動する。
【００２０】後方散乱信号は、受信アンテナ４０４によ
り受信されて、低雑音増幅器（ＬＮＡ）４０５により増
幅される。ＬＮＡ出力は、直交ＩＦミキサ（ＱＩＦＭ）
４０６中のもとのＣＷ送信信号の減衰された（−２０ｄ
Ｂ）サンプル４０９と混合される。ＱＩＦＭ４０６の出
力は、検査回路即ちタグのアンテナの反射率を変調する
信号のベースバンドの複製物である。この弱いベースバ
ンド信号は、増幅されて、スペクトルアナライザ（ＨＰ
３５６２Ａ）４０８に表示される。
【００２１】図５は、図３の回路により実行される検査
のうちの１つのスペクトルアナライザのプロット５０１
を示す。この場合において、駆動信号、即ちベースバン
ド信号３０４は、１０ｋＨｚのレートにおいて６０ｋＨ
ｚと８０ｋＨｚとの間で交番する周波数シフトキー（Ｆ
ＳＫ）方形波であった。
【００２２】このプロットは、６０および８０ｋＨｚに
おけるピーク５０２および５０３だけでなく、スイッチ
ングレートにより生成される１００ｋＨｚのサイドバン
ドにおけるピーク５０４も示す。追加的な検査が、反転
回路の代わりに排他的ＯＲ（ＸＯＲ）ゲートで、かつ異
なる駆動信号で行われた。全ての検査は類似の結果を生
じた。本発明による図３の回路は、ＡＮＤ，ＯＲ，ＮＯ
Ｒ，ＮＡＮＤゲート等のような他の論理ゲートで具現化
され得る。
【００２３】図６は、関係するマイクロ波周波数範囲に
おける７４ＨＣ０４高速ＣＭＯＳ集積回路６０１のＣＭ
ＯＳ反転ゲートのインピーダンス変化を直接的に測定す
るために設計されたバッテリ電源の検査回路を示す。Ｃ
ＭＯＳ反転ゲート６０２の出力は、ＲＦ同軸コネクタ
（ＳＭＡ）に接続されている。ゲート入力６０９は、入
力バイアスをハイレベルからローレベルに変化させるた
めのバイアススイッチ６０３に接続されている。
【００２４】抵抗器６０４の一端は、ゲート６０２の入
力６０９に接続されており、抵抗器６０４の他端は、デ
ジタル接地６０６に接続されている。バイアススイッチ
６０３の一端は、＋Ｖボルトに接続されており、ここで
Ｖは、ＣＭＯＳゲートにより論理ハイレベルとして認識
される電圧レベルに等しい。Ｖは、典型的には＋５ボル
トである。ゲート出力を接地に引っ張ることを防止する
ために、この回路は、ＤＣブロッキングキャパシタ６０
７を使用して、ネットワークアナライザ６０８の出力ポ
ートに接続される。
【００２５】図７に示されている単一ポート散乱パラメ
ータ（Ｓ１１）は、２つの曲線７０１および７０２を比
べて、ゲート出力ハイおよびローで１〜３ＧＨｚが測定
された。Ｓ１１は、信号源、即ちネットワークアナライ
ザに向かって反射して戻される信号量の測定値である。
ネットワークアナライザと検査回路との間の結合を最適
化する試みはなされていないが、出力状態が切り換えら
れるとき、２．４５ＧＨｚにおいて、Ｓ１１は、２〜３
ｄＢの変化を示す。別の測定がＸＯＲゲート（７４ＨＣ
８６）で、類似の結果を伴ってなされた。
【００２６】この２〜３ｄＢの変化は高品質バイアスダ
イオードにより生成されるものよりも小さい影響である
が、この観測される影響は、短い有効範囲のＲＦＩＤア
プリケーションに対して十分に大きい。より重要なこと
に、コストは、十分に小さい。さらに、漏れ電流の他
に、ＣＭＯＳゲートは、変化する場合にのみ電流を引き
出し、低消費電力バッテリ駆動タグにとってクリティカ
ルな電力の要求をより低くする。
【００２７】図８は、個別の７４ＨＣ集積回路で組み立
てられたシミュレーションされる単一チップＣＭＯＳＲ
ＦＩＤタグのブロック図である。これは、手動プログラ
ミングスイッチ８０７および図示しないオンボードバッ
テリを有し、完全機能タグ１０１と異なる。この回路
は、副搬送波８０２を生成する２７．７ｋＨｚクロック
８０１を含む。
【００２８】この周波数は、その出力が図示しないＤフ
リップフロップを切り換える回路８０３により１６個に
分割され、プログラマブルシフトレジスタ８０６を駆動
する８７０Ｈｚクロック８０４を生じる。リセットクロ
ック回路８０５は、タグの電源が最初に入れられたとき
に、回路８０６および８０２をリセットするために使用
される。
【００２９】プログラマブルシフトレジスタ８０６の出
力データストリーム８０８および搬送波８０２は、ＸＯ
Ｒゲート８０９の２つの入力に与えられて、その位相が
データストリームのそれぞれの交番と共に交番する出力
キャリアを生じる。二相位相偏移変調（ＢＰＳＫ）を使
用するこのゲート出力信号は、約２．５ＧＨｚに同調さ
れたボータイアンテナ８１２の１つの枝部分に接続され
た単一の反転ゲート８１０によりバッファされる。
【００３０】他のアンテナの枝部分は、図３中の回路に
おいて実行される前述した検査と同様に、図４に示され
ているように検査される。送信アンテナ４０３からの＋
３０ｄＢｍのＣＷ２．４５ＧＨｚ信号がボータイアンテ
ナ４１１に照射される。ＣＭＯＳゲート／アンテナの組
み合わせによりＢＰＳＫ変調された後方散乱信号が、受
信アンテナ４０４によりピックアップされ、混合されて
副搬送波周波数となる。増幅後のこの信号は、スペクト
ルアナライザ４０８において表示される。
【００３１】図９は、図８に示されているように変調器
としてＸＯＲゲートを使用して２７．７ｋＨｚのクロッ
ク周波数において動作するシミュレーションされるタグ
中で生成される信号を示す。一番上のものは、変調され
ていない生のクロック９０１である。その下は、１６で
わり算された第１の周波数である第２のクロック信号９
０２である。この二番目のクロック９０２は、シフトレ
ジスタのデータ出力をＸＯＲ変調器ゲートにストローブ
するために使用される。
【００３２】三番目の部分的な変調シーケンス９０３
は、２つの変化を示すこのデータシーケンスの一部分で
ある。一番下の変調された搬送波９０４は、ＸＯＲゲー
トからのＢＰＳＫ変調された搬送波出力である。位相の
変化は、データのそれぞれの変化に対応している。これ
は、その出力がタグアンテナ８１２に接続された変調エ
レメントである図８のＣＭＯＳ反転ゲート８１０を駆動
する信号である。
【００３３】図１０は、低域変換されたＭＢＳ信号のス
ペクトルアナライザ出力である。図２に示されたタグユ
ニットの変調データストリーム８０８（図８）により生
成される副搬送波周波数（２７．７ｋＨｚ）１００１お
よび８７０Ｈｚの奇数倍の間隔でのサイドバンド１００
２が、はっきりとわかる。
【００３４】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
高い感度および長い有効範囲があまり重要でないＲＦＩ
Ｄシステムアプリケーションのための比較的安価なタグ
の設計を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムの一例を
示すブロック図。
【図２】図１のＲＦＩＤシステムにおいて使用するため
の本発明の一実施形態による安価なタグユニットの構成
を示すブロック図。
【図３】ボータイアンテナを変調するために、７４ＨＣ
０４の相補型金属酸化物（ＣＭＯＳ）反転出力ゲートを
使用する構成例を示すブロック図。
【図４】図３および８に示された回路を評価するための
検査回路の構成図。
【図５】図３における回路から検出された変調後方散乱
信号を示す図。
【図６】ゲート入力がローレベルからハイレベルへ変化
した場合のシーモス反転ゲート７４ＨＣ０４）の出力イ
ンピーダンスにおける変化を測定するための回路構成
図。
【図７】図６に示された回路のネットワークアナライザ
測定の結果を示す図。
【図８】図２に示されたタグユニットをシミュレーショ
ンする検査回路のブロック図
【図９】図８の回路中の信号を示す図。
【図１０】図４の検査回路から受信された信号のスペク
トルアナライザ出力を示す図
【符号の説明】
２０１ タグアンテナ ２０２ 可変インピーダンスデバイス ２０３ タグシフトレジスタ ２０４ パワーモジュール
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (71)出願人 596077259 600 Ｍｏｕｎｔａｉｎ Ａｖｅｎｕｅ, Ｍｕｒｒａｙ Ｈｉｌｌ， Ｎｅｗ Ｊｅ ｒｓｅｙ 07974−0636Ｕ．Ｓ．Ａ. (72)発明者 エリク スィートマン アメリカ合衆国、08540 ニュージャージ ー、プリンストン、キャナル ロード 1273 (72)発明者 グレゴリー アラン ライト アメリカ合衆国、07722 ニュージャージ ー、コルツ ネック、カウンティ ロード イースト 161

Claims (7)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 変調後方散乱を使用する無線周波数識別
    通信システムのためのタグであって、 情報を含むデータ記憶装置（２０３）と、 前記情報を受信することを可能にするために、前記デー
    タ記憶装置に電気的に接続された可変インピーダンスデ
    バイス（２０２）と、 所定の反射率を有し、前記可変インピーダンスデバイス
    に接続されたアンテナ（２０１）とを有し、 前記可変インピーダンスデバイスが、前記受信された情
    報に従って前記反射率を変調することを特徴とするタ
    グ。
  2. 【請求項２】 前記可変インピーダンスデバイスが、Ｃ
    ＭＯＳゲートであることを特徴とする請求項１記載のタ
    グ。
  3. 【請求項３】 前記データ記憶装置が、シフトレジスタ
    であることを特徴とする請求項１記載のタグ。
  4. 【請求項４】 前記ＣＭＯＳゲートが、反転ゲート、Ｘ
    ＯＲゲート、ＯＲゲートおよびＡＮＤゲートからなる群
    から選択されるゲートであることを特徴とする請求項２
    記載のタグ。
  5. 【請求項５】 変調後方散乱を使用する無線周波数識別
    通信システムのためのタグであって、 所定の反射率を有するアンテナ（２０１，３０６）と、 前記アンテナに電気的に接続されており、格納された情
    報に従って、前記アンテナの反射率を変調する集積回路
    とを有することを特徴とするタグ。
  6. 【請求項６】 前記集積回路は、前記情報を格納するた
    めのデータ記憶装置（２０３）と、前記データ記憶装置
    に接続されており、格納された情報に従って前記アンテ
    ナの反射率を変調する可変インピーダンスデバイス（２
    ０２）とを含むことを特徴とする請求項５記載のタグ。
  7. 【請求項７】 前記データ記憶装置および可変インピー
    ダンスデバイスが、ゲートであることを特徴とする請求
    項６記載のタグ。
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