JP2006513594A - Ｒｆｉｄタグ広帯域幅対数螺旋アンテナの方法及びシステム - Google Patents

Abstract

電波方式認識(RFID)タグアンテナシステムは、適切には小さな形態のファクターでの、平面の2つのアームの対数螺旋アンテナを備える。基板上に張られた導電性の箔か又はエッチングされた銅の、2つのアームが存在する。該2つのアームは、中心から対数的な様式で外側に向かって延在する。前記2つのアームは互いに同一であるが、平面内において互いに180度だけ回転させられている。前記アームはまた、それらが外側に向けて延びるにつれ、幅に比例して次第に広がるが、前記中心からの任意の所与の距離において、両アームの幅は、互いに等しく、且つ、好適には、該アーム間の間隔と等しい。インピーダンス整合ネットワークは、その2つの螺旋アンテナによって受け取られたRF信号を受信し、そのRF信号を電子回路に提供する。該電子回路は、コンデンサを充電するDC信号を形成するために、その信号を整流し、増大させる。前記電子回路を、前記平面アンテナと同じ基板上に構築することができるが、好適には、該電気回路は、実装される第2の基板上に構築され、基板を支えているアンテナに適切な電気的接続がなされる。

Description

本発明は、電波方式認識（ＲＦＩＤ）に関し、特に、広帯域幅螺旋アンテナ、無線周波数（ＲＦ）トランスポンダ（応答器）タグ回路構成、及びインピーダンス整合ネットワークに関する。

電波方式認識（ＲＦＩＤ）は、受動トランスポンダ（パッシブトランスポンダ）及び能動トランスポンダ（アクティブトランスポンダ）に対してそれぞれ、１２５KＨｚ及び１３．５６ＭＨｚを使用することが周知である。受動トランスポンダは、受信した信号から電力を受け取り、認識信号を送り返す。能動トランスポンダは、電源を備え、受信した信号から電力供給される必要が無い。従って、受動トランスポンダは、より強い信号強度を必要とするが、能動トランスポンダは、電源を犠牲にするが、はるかに信号強度を必要としない。

問題となる別の領域は、連邦通信委員会（ＦＣＣ）が放射を規制することである。従って、先行技術の設計は、狭範囲において強電力をもたらすが、広範囲のＦＣＣ規制を遵守するためにキャンセリング技法を用いる。

ＲＦＩＤタグの設備は、現在、約０．７６２ｍ（３０インチ）の範囲内において使用されており、それらのＲＦＩＤ設備は、典型的には、小売り店において見ることができる。より広いレンジ（範囲）を有する回路が研究されてきており、特に、９００ＭＨｚから２．５０ＧＨｚの範囲内におけるトランスポンダが研究されている。Ｉｎｔｅｒｍｅｃという名の会社は、高価な９１５ＭＨｚのタグシステムを販売している。

Ｋｕｄｕｋｕｌａ他による米国特許第６，１１８，３７９号と、Ｂｒａｄｙ他による米国特許第６，２８５，３４２Ｂ１号とが、本分野における２つの特許である。

米国特許第６，１１８，３７９号は、一定間隔に置かれた接地面と共に、部分的な螺旋（一辺）を使用し、その要約において、最大範囲を主張している。２．４５GHzの搬送周波数が記載されているが、その範囲は、インチの範囲内（２５．４ｍｍの範囲内）のように思われる。更には、その部分的な螺旋は、本特許において望まれている帯域幅を制限し、一定間隔に置かれた接地面は、コストがかかる。米国特許第６，２８５，３４２Ｂ１号は、ボタンサイズにされたパッケージ内において、より大きなアンテナを得るために、歪んだ螺旋を使用し、インピーダンスの整合をとるために負荷をかけるバーとスタブとをもまた使用するが、複雑さが加わり、コストがかかる。しかしながら、上述の０．７６２ｍ（３０インチ）を超えて、使用可能な範囲を拡大するようには思えない。
米国特許第６，１１８，３７９号明細書 米国特許第６，２８５，３４２（Ｂ１）号明細書 Ｊｅｓｐｅｒ Ｔｈａｙｓｅｎ他著「A Logarithmic Spiral antenna for 0.4 to 3.8 GHz」

畜牛を追跡するための、手荷物トランスポンダのための、車か又はそのような乗り物を識別するための、及び倉庫を探知するためのＲＦＩＤシステムに対するニーズがある。そのようなシステムは、３．０４８ｍ（１０フィート）オーダーの範囲のＲＦＩＤシステムを必要とするであろう。そのようなＲＦＩＤシステムについて、米国と欧州との両方の要件を満たす必要性もある。米国のシステムは、９１５ＭＨｚで動作し、類似した欧州のシステムは、８６９ＭＨｚで動作する。両方のそのような３．０４８ｍ（１０フィート）の範囲における標準規格を満たすために、ＲＦＩＤタグシステムは、改善されたアンテナと、既知の従来技術におけるシステムよりも比較的広い帯域幅とを必要とするであろう。

Ｊｅｓｐｅｒ Ｔｈａｙｓｅｎ他著による「A Logarithmic Spiral antenna for 0.4 to 3.8 GHz」と題する、応用されるマイクロ波＆無線における記事は、バランと空洞（キャビティ）と共に実装された螺旋アンテナを説明している。この記事は、螺旋アンテナの一般的な分野に関連するいくつかの技術的な説明を提示しており、参照により本明細書において組み込まれる。その記事は、用途には言及していない。記事内における図１から、螺旋アーム（スパイラルアーム）に関連する同軸コネクタが示されている。この図から、同軸が約８．４６７mm（１／３インチ）〜１２．７ｍｍ（１／２インチ）の幅と仮定すると、螺旋アーム上の最も遠い地点の間の距離は、少なくとも０．４０６４ｍ（１６インチ）になると推定される。明らかに、このアンテナは、ＲＦＩＤの用途には適していない。

３．０４８ｍ（１０フィート）を超える、より広い範囲（レンジ）のＲＦＩＤタグシステムに、欧州及び米国の要件を満たす、小さなタグ形態のファクターを、提供することが本発明の目的である。

前述の背景の説明を考慮して、本発明は、ＲＦＩＤタグアンテナシステムに、螺旋状に配置された、２つの対称に置かれた同一平面アームを提供する。ここで、そのアームの幅は、アームが中心から放射状に広がるにつれて次第に拡大する。そのアームの拡がりは、好適には、中心から等しい距離における同等の幅と間隔とを提供する。そのアームの幅の拡がりは、対数関数（ｌｏｇ関数）に従って、内部及び外部の放射状の螺旋を画定することによって配置される。

そのアンテナシステムは、好適には、用途から決定されるタグ形態ファクターにおいて適合させるためにフレキシブルに配置される。

好適な一実施形態において、平面の螺旋アンテナと同じ基板上にパッケージ化されたインピーダンス整合ネットワークが存在する。タグ形態のファクターを維持するサンドイッチ状に挟まれたパッケージを形成している基板であってアンテナを搭載している該基板に対して接合された別個の基板上に、入力回路は、好ましくは提供される。整流するショットキーダイオードは、入力回路の部分を形成して、ＤＣ信号を形成する。好適な一実施形態において、該入力回路は、ＲＦ信号の強度がある時には前記ＤＣ信号からの電荷を格納するために、当該技術分野において既知のように（例えば、逆バイアスをかけられたダイオード）、チップ内へと構築されるコンデンサを含むことができる。入力ＲＦ信号がより低い時には、タグ回路が応答することとなるように、そのようなコンデンサにおける電荷を使用することができる。

典型的には、タグの存在は、ＲＦ送出によってか、又は固有識別符号により識別する局（インタロゲーティング・ステーション）によって増加させられた電源に注目することによって感知される。

好適には、アンテナのアームは、基板上にわたるエッチングされた銅によって、及び／又は、導電ペイントか又は銀、アルミニウム、又は半田のような他の導電金属を使用することによって、形成される。そのアームは、中心を画定する。その中心において、２つのアームが、互いに最も近接する地点のギャップ（間隔）を画定する。整合ネットワークは、このギャップでアンテナのアームに接続される。

当業者であれば理解されるように、後述の詳細な説明は、例示的な実施形態、図面、及び使用方法に参照がなされることによって進められるが、本発明は、これらの実施形態及び使用方法に限定されることが意図されていない。むしろ、本発明は、広範囲にわたっており、添付の特許請求の範囲における記載によってのみ画定されることが意図されている。

本発明の後述の説明は、添付の図面を参照する。

図１は、例示的なＲＦＩＤタグシステムの基本ブロック図である。ここで、固有識別符号により識別する局（インタロゲーティング・ステーション）１００は、ＲＦ信号１０８を生成する。該ＲＦ信号１０８は、通常、論理回路１０４によって生成されたパルス信号である。該パルス信号は、アンテナ１１２を経由してタグシステム１０２へと（１１０）伝達される。そのＲＦパルスは、アンテナ１１４と、当該技術分野において既知のようなＲＦインピーダンス整合回路１１６と、入力回路１１８とによって受け取られる。ＲＦ信号が十分に強度がある場合には、その入力回路構成は、そのＲＦ信号を整流し、コンデンサを充電する。該コンデンサは、該ＲＦ信号が低い時に、タグシステムに電力供給するために使用される。当該技術分野において既知のように、タグ回路は、ＲＦ送信器に負荷を提示する。該ＲＦ送信器によって、タグの存在中に、ＲＦ送信器の電力が増加する。一実施形態において、当該技術分野において既知のように、駆動するＲＦ電圧信号が上昇させられる。タグの存在を指示するため、そのＲＦ電圧信号の上昇を、論理回路構成１０４によって検知することができる。他の既知の技法を、タグの生成及び検出のために使用することもできる。

図２は、欧州内と米国内とにおいて動作するのに適したトランスポンダのための周波数特性を示す。９１５ＭＨｚが、米国の周波数の選択を表しており、８６９ＭＨｚが、欧州の周波数の選択を表している。これらの周波数において、米国は、読み出し装置から最大１ワットの電力出力を可能にするが、欧州の最大電力出力は、８６９ＭＨｚにおいて０．５ワットである。

図２を調べることにより、アンテナは、これらの２つの要件を満たすために、Ｑが１９での４７ＭＨｚの帯域幅を必要とする。そのようなシステムを、効果的に実施することができるが、そのことに限定されない。手荷物タグシステムにおいて、そのシステムは、米国と欧州との両方の標準規格をパスする。

図３は、ｒ１＝ｒ０ｅ^αθに従って作られた外側螺旋半径ｒ１（２００）と、ｒ２＝ｒ０ｅ^θ−θ０に従って作られた内側螺旋半径ｒ２（２０２）とを有する螺旋アンテナの１アームを示す。ここで、ｒ０は、初期位置を表し、角度位置０の、ｒ１とｒ２との間の角度オフセットと、「１つ」の拡大率とを表す。

第２のアーム（図６内において示される）を、１つのアームの面内において、その１つのアームを１８０度回転することによって、作ることができる。２つの螺旋アームの開始地点において、小さなギャップが該２つの螺旋アームの間に残る。図４のインピーダンス整合回路構成が、このギャップに対して適用される。アンテナの周波数インピーダンスを達成するためには、アームが放射状に広がり、外側に向けて拡大する時に、アームの幅が、アーム間の間隔に対して等しくさせられる。

図４は、９１５ＭＨｚにおいて１６−ｊ１０のインピーダンスで測定されるアンテナ３００の一例と、インピーダンス整合回路ネットワーク３０２とを示す。抵抗器Ｒ１とコンデンサＣ１とは、アンテナのインピーダンスを表し、実際の構成要素ではない。整合回路ネットワーク３０２は、アンテナインピーダンスの静電性のリアクタンスを無効にする。抵抗素子が、入力回路構成側における３Ｋオームの抵抗器によって上昇させられ、コンデンサＣ３を充電するために使用される。入力回路構成チップ３０４は、２つのショットキーダイオードと、抵抗器Ｒ２と、コンデンサＣ３とを備える。ダイオードＤ１は、Ｄ２とは負の向きに電圧を制限する。Ｄ２は、コンデンサＣ３を充電するためのＤＣ電圧／電流を提供するための、順方向におけるピーク検出器として動作している。充電されたコンデンサは、例えば読み出し装置が遠方にある時に、該読み出し装置から小さな振幅のパルスを受け取る時には、装置に電力を供給する。

入力回路構成チップ３０４は、好適な一実施形態において、アンテナと整合ネットワークとを収容している基板上へと実装される別個のチップ上にそれがパッケージ化されるために、そのように呼ばれる。

図５は、９１５ＭＨｚで動作するＲＦＩＤタグシステムの特定の好適な一実施形態のための適用可能な計算を示す。

図６Ａは、本発明の螺旋アンテナのアーム５００、５０２の基板の好適な一実施形態を示す。その螺旋アームは、５０．８μｍ（２ミル）の銅テープと、１２７μｍ（５ミル）厚のポリイミド基板５０４上の導電ペイントとを使用して構築される。その基板は、約５９ｍｍ（すなわち２．３２インチ）幅×４０ｍｍ（すなわち１．５７インチ）である。その２つの対称なアームは、５００と５０２とに示され、整合回路ネットワーク３０２が、その基板上に構築される。入力回路構成チップ３０４が、ボールグリッドアレイのＩＣパッケージにおけるように、起き上がった半田ボールによって取り付けられる（図６Ｂを参照のこと）。当然、アンテナ基板上へと入力回路構成チップを構築することを含む他の取り付け方法を使用することもできる。好適な一例において、９１５ＭＨｚで動作する図４のコンデンサＣ３は、３．９ボルトに電荷を蓄電する。直線偏光された読み出し装置のＲＦ信号を使用する読み出し距離は、３．６６ｍ（１２フィート）であり、円偏光された読み出し装置のＲＦ信号では、１．８３ｍ（６フィート）である。

図６Ａに示された好適実施形態において、螺旋アンテナそれ自体の長さ寸法は、約５８．４２ｍｍ（２．３インチ）未満の幅（５０８）×約２０．３２ｍｍ（０．８インチ）未満の高さ（５１０）である。

図６Ｂは、入力回路構成チップ３０４を収容している第２の基板５２０が、ノードか又はボール５０６を介して整合ネットワークに電気的に接続している好適な一実施形態を示す。

上述の実施形態は、例として本明細書において提示されており、その多くの改変と代替とが可能であることが理解されるべきである。従って、本発明は、添付の特許請求の範囲内の記載によってのみ画定されるものとして、広範囲にとらえられるべきである。

ＲＦＩＤタグシステムのシステムブロック図である。 欧州内と米国内とにおいて解釈されることに適したトランスポンダのための好適な一実施形態の周波数のグラフである。 好適な一螺旋アンテナの一脚の図である。 受動トランスポンダ（パッシブトランスポンダ）のインピーダンス整合ネットワークの回路図である。 好適な一実施形態のための計算を示す図である。 本発明に従って構築されたフル螺旋アンテナ、及び整合ネットワークの図である。 本発明に従って構築されたフル螺旋アンテナ、整合ネットワーク、及び入力回路構成の図である。

Claims (22)

1. ＲＦ信号を受信するのに適したＲＦＩＤタグアンテナシステムであって、
   前記ＲＦ信号を受信するために配置された、平面の２つのアーム螺旋構造であって、前記２つのアームは、互いに電気的に絶縁されているが、前記２つのアーム間のギャップを画定するように配置されていることからなる、平面の２つのアーム螺旋構造と、
   前記ギャップにまたがっている前記アームに電気的に接続され、且つ、前記平面の２つのアーム螺旋アンテナから前記ＲＦ信号を受信するために配置された、電子回路と、
   前記電子回路によって、前記ＲＦ信号の受信を検出するための手段
   とを備える、システム。
2. 前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームは、一方が他方に対して前記平面を１８０度だけ回転させられていることを除いて、他方と同一である、請求項１に記載のシステム。
3. 中心は、前記ギャップの中央において画定され、
   前記平面の２つの螺旋構造の各アームは、前記アームが前記中心から更に遠くに放射状に広がるにつれ、各アームの幅が次第に広がるように配置される内側の放射状の螺旋と外側の放射状の螺旋とを画定することからなる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記内側の放射状の螺旋と前記外側の放射状の螺旋とは、対数関数に従っている、請求項３に記載のシステム。
5. 前記中心から等距離の任意の地点において、各アームの前記幅は、互いに等しく、且つ、各アーム間の間隔に等しい、請求項３に記載のシステム。
6. 前記平面の２つの螺旋アーム構造の側部の寸法は、約１２７ｍｍ（５インチ）未満×約５０．８ｍｍ（２インチ）未満である、請求項１に記載のシステム。
7. 前記平面の２つの螺旋アーム構造の側部の寸法は、約５０．８ｍｍ（２インチ）未満×約２５．４ｍｍ（１インチ）未満である、請求項１に記載のシステム。
8. 前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームは、基板上に構築された薄い導電層を含む、請求項１に記載のシステム。
9. 前記電子回路は、
   前記螺旋アンテナの電気的なインピーダンスを整合し、且つ、前記平面の２つのアーム螺旋アンテナから前記ＲＦ信号を受信してＲＦ出力信号を提供する、ネットワークと、
   ＤＣ信号を形成する前記出力ＲＦ信号を受信し且つ整流する入力回路であって、前記ＤＣ信号からのエネルギーを格納するコンデンサを含む、入力回路
   とを備えることからなる、請求項１に記載のシステム。
10. 前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームは、基板上に構築された薄い導電層を含み、
    前記整合と前記入力回路とは、前記基板上に構築されることからなる、請求項９に記載のシステム。
11. 第２の基板が、第１の基板に実装され、
    前記入力回路構成は、前記第２の基板上に構築され、
    電気的な接続は、整合する前記ネットワークと、前記入力回路とから構築されることを更に含むことからなる、請求項１０に記載のシステム。
12. ＲＦＩＤタグシステムの一部として生成されたＲＦ信号を受信するための方法であって、
    前記ＲＦ信号を受信するために、平面の２つのアーム螺旋構造を配置するステップと、
    ２つの電気的に絶縁された前記アームの間のギャップを画定するステップと、
    前記ギャップにまたがる電子回路を電気的に接続するステップであって、該電子回路は、前記平面の２つのアーム螺旋アンテナから前記ＲＦ信号を受信するように構成されることからなる、ステップと、
    前記電子回路によって、前記ＲＦ信号の受信を検出するステップ
    とを含む、方法。
13. 前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームを、前記平面内における一方のアームが、他方と１８０度回転させられることを除いて、他方に対して同一となるよう形成するステップと、
    前記平面内の１つのアームを、他方と１８０度回転させるステップ
    とを更に含むことからなる、請求項１２に記載の方法。
14. 前記ギャップの中央において、中心を画定するステップと、
    内側の放射状の螺旋と、外側の放射状の螺旋とを有する、前記平面の２つの螺旋構造の各アームを形成するステップと、
    前記アームが前記中心から遠くに放射状に広がるにつれて、各アームの幅が次第に広がるように、各アームの該幅を配置するステップ
    とを更に含むことからなる、請求項１２に記載の方法。
15. 各アームを形成する前記ステップは、内側の放射状の螺旋と外側の放射状の螺旋ととを形成するために対数関数を使用するステップを含むことからなる、請求項１４に記載の方法。
16. 前記中心から等距離の任意の地点において、各アームの前記幅が、互いに等しくなり、且つ、各アーム間の間隔に等しくなるように、各アームを形成するステップを更に含む、請求項１４に記載の方法。
17. 約１２７ｍｍ（５インチ）未満×約５０．８ｍｍ（２インチ）未満である寸法であって、前記平面の２つの螺旋アーム構造の側部の該寸法を、形成するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
18. 約５０．８ｍｍ（２インチ）未満×約２５．４ｍｍ（１インチ）未満である寸法であって、前記平面の２つの螺旋アーム構造の側部の該寸法を、形成するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
19. 基板上に構築された薄い導電層を有する前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームを形成するステップを更に含む、請求項１２に記載の方法。
20. ネットワークを提供するステップであって、該ネットワークは、前記螺旋アンテナの電気的なインピーダンスを整合し、且つ、前記平面の２つのアーム螺旋アンテナから前記ＲＦ信号を受信してＲＦ出力信号を提供することからなる、ステップと、
    ＤＣ信号を形成する前記ＲＦ出力信号を受信し且つ整流する入力回路であって、前記ＤＣ信号からのエネルギーを格納するコンデンサを含む入力回路を、提供するステップ
    とを更に含む、請求項１２に記載の方法。
21. 基板上に構築された薄い導電層を有する、前記平面の２つのアーム螺旋構造の各アームを構築するステップと、
    前記ネットワークと前記入力回路とを基板上に構築するステップ
    とを更に含む、請求項２０に記載の方法。
22. 第２の基板上に構築された前記入力回路構成を実装するステップと、
    整合する前記ネットワークから、前記入力回路に、電気的に接続するステップ
    とを更に含む、請求項２１に記載の方法。
    

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