JP2009524363A - Ｒｆｉｄ用アンテナ - Google Patents

Abstract

無線発信機識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用するために特に好適なアンテナに関する。第１及び第２のハーフ部分はそれぞれ、主に放射特性を規定するほぼ直線状の導電性部分と、アンテナの正のリアクティブ特性を作るためのほぼ螺旋状の導電性部分とを備えている。この直線状の導電性部分は、アンテナをＲＦＩＤ用トランスポンダに接続するための給電点を有し、さらにそれぞれの螺旋状の導電性部分と接続する。第１及び第２にハーフ部分は、アンテナをダイポール形として特徴付け、また直線状の導電性部分を接続する選択自由のループ部分を加えることにより、アンテナをさらに折返しダイポール形として特徴付けることができる。

Description

本発明は全体的に電話通信に関し、さらに詳細には条件−応答表示システム、なおさらに詳細には検出可能な装置又はタグ、そしてさらに詳細には信号を送受信するために特定のアンテナ波コレクタ構造体（aerial wave collector structure）を有する検出可能な装置又はタブに関する。

無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムは、今日ではますます広く使用されるようになっている。図１（従来技術）は、インテロゲータ（interrogator）及びトランスポンダを含む実施例のＲＦＩＤシステムを図示している概略図である。幾つかのＲＦＩＤシステムでは、「識別」情報は製造する間にトランスポンダに書き込まれて、変更されることはないため、インテロゲータを単なるリーダにする。しかしながら、別のシステムでは、トランスポンダの中の識別情報を変えることができ、使用されるインテロゲータはその時リーダ及びライタの両方になることができる。これに鑑みて、「インテロゲータ」という用語は本願では、一般にリーダ、ライタ、又はその両方を意味するように使用される。「トランスポンダ」及び「タグ」という用語はほとんど同義語になっていて、本願ではそのように使用される。

ＲＦＩＤタグは一般に、能動的であるか又は受動的であるかに従って分類される。受動形のＲＦＩＤタグはトランスポンダ回路及びアンテナを備えており、一方で能動形のＲＦＩＤタグは、その上に電池、燃料電池、又は何らかの同等品などの電源を備えている。トランスポンダの中の回路は今日では通常、１つの集積回路の中に組み込まれるため、「トランスポンダ用チップ」という用語がよく使用される。

図１は、受動形のＲＦＩＤタグを示す。そのようなタグは、今日では最も一般的に使用される型式であり、かつ本発明と使用することによってより大きな恩恵を受けるため、この説明では主に実施例として使用される。それにもかかわらず、多くの能動形のＲＦＩＤ設計も、本発明と使用することによって恩恵を受けることは理解されよう。

受動形のＲＦＩＤタグは、エネルギーを外部から供給された無線周波数（ＲＦ）波から抽出する。一般にこのＲＦ波は、タグの中の信号を読み書きするようにアンテナを励起するために使用される呼掛け信号である。エネルギー源が組み込まれていないため、受動形のＲＦＩＤタグは製造するのに安価で、長寿命、かつ信頼性が一層高くなる。このため受動形のＲＦＩＤタグはまた、一般に電源で使用される環境に悪い物質を含んでいないため、環境に優しいものになる。しかしながら、エネルギー源が組み込まれていないことにより、呼掛け信号の中の所定のエネルギーに関する受動形のＲＦＩＤタグの有効動作範囲が限定される。例えば、動作範囲を増加するため、又はインテロゲータとタグとの間の信号の伝搬が何らかの形で制限される場合は、受動形のＲＦＩＤタグと一緒に使用されるインテロゲータは仕事を直ちに行うためにより高い電力レベルで呼掛け信号を放射する必要があることが分かる。

残念なことに、インテロゲータ−タグ間の通信が確実にうまく行くようにするために呼掛け信号の電力レベルをただ単に増加することは、常に実現可能であるとは限らない。例えば、単純な非能率な動作により、電池の寿命やインテロゲータ内の熱放散などの問題を悪化させる可能性がある。より大きな懸念は、１つのシステム用に意図されたＲＦエネルギー放射が、他の電子システムと干渉する可能性があり、また極端な場合は、例えば人間、動物、植物などの生物学的なシステムに対して安全でないことがある。このため、大部分の政府はＲＦエネルギーの放射レベルを制限しており、米国及び欧州は両方ともこの点で顕著である。

再度図１を参照すると、図示された例示的な受動形のＲＦＩＤタグには、アンテナ、マッチング回路、変調器、整流器、及び論理サブ回路が含まれる。アンテナは、今日のＲＦＩＤシステムではよく用いられるようにダイポール形である。
マッチング回路は選択自由であるため、破線の外形線で示されている。図１のマッチング回路の中に図示された回路、変調器、及び整流器は、単に代表的な図面であり、また論理サブ回路の中には、相当に変わる可能性があり、またこの説明には特に密接な関係がないため、回路は示されていない。アンテナ及びマッチング回路は通常は別個の素子で実現される必要があるが、変調器、整流器、及び論理サブ回路は、今日ではたいてい１つの集積回路の「トランスポンダ用チップ」として実現される。

マッチング回路を一時的に脇に置いておくと、アンテナはトランスポンダ用チップの「前端部」に接続され、アンテナに入射する呼掛け信号の電磁界は、トランスポンダ用チップがそれを整流することができる前に所定のしきい値より大きい電圧を有する出力信号を発生する必要がある。

受信した呼掛け信号を整流することは、複数の目的の役に立つ。受動形のＲＦＩＤタグでは、それは論理サブ回路及び最終的には変調器を動作するために必要な電力を供給し、トランスポンダがその識別情報を後方散乱による放射としてインテロゲータに「送り」戻すことを可能にする。さらに、呼掛け信号がトランスポンダに情報を提供する場合は、整流することにより呼掛け信号が復調される。論理サブ回路が、トランスポンダが後で読まれたときに「応答する」識別情報又は論理サブ回路が受け入れることができる任意の他のプログラミングのいずれかを用いてプログラムされる場合はその通りである。さらに、読取り信号のＲＦ搬送波は、例えば特定の副搬送波周波数といった有効な呼掛け信号である場合はトランスポンダが動作するというような、トランスポンダへの何らかの指示を含むことができる。これにより、トランスポンダは他の無効なＲＦ信号によって電圧を加えられる場合は、何も動作しないでいることができる。

アンテナが発生した電圧を最大にするために、そしてこれによりトランスポンダに提供されるエネルギーを増加するために、アンテナとトランスポンダとの間のインピーダンスは使用される特定の呼掛け信号の動作周波数において整合する必要がある。このインピーダンス整合を改良するための１つの周知の方法は、例えばインダクタ及びコンデンサによるネットワークなどの別個の部品、又はマイクロストリップ構造体などの分布素子のいずれかによる回路を使用することである。図１に示したインダクタ及びコンデンサによる整合回路は、１つの実施例である。残念なことに、これらの方法は、費用、複雑性、及びＲＦＩＤタグの寸法を増大すると共にその効率を減少させるため、望ましくないことが多い。

受信されるたいていの呼掛け信号を作るために、またＲＦＩＤタグと一緒に使用されるインテロゲータとの間の可能な動作範囲を増加させるために、アンテナを用いてトランスポンダ用チップのＲＦ回路に直接整合されるＲＦＩＤタグを作ることができることは明らかに極めて望ましい。残念なことに、これは現在までのところ、他の望ましくない結果を受け入れずに可能になることはなかった。

最適なインピーダンス整合を実現するために、トランスポンダ用アンテナはトランスポンダ用チップのインピーダンスの共役である必要がある。しかしながら、ダイオード及びコンデンサを使用するため、トランスポンダ用チップの前端部の整流器は、ほぼ全ての場合にわたって正の実数成分と負の虚数成分とを含む複素値の入力インピーダンスを有する。このため、アンテナのインピーダンスは、同じ実数成分と正の虚数成分とを有する必要がある。このことは通常、共振ダイポール形アンテナと比較するとアンテナの寸法を大きくする必要があり、全体的なトランスポンダの大きさ及び費用を低減するという通常の設計の目標と特に対立することになる。

従って、本発明の目的は、改良されたアンテナ構造体及びそれを無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダ（又は「タグ」）の中で使用する方法を提供することである。

手短に言えば、本発明の１つの好ましい実施形態は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用するアンテナである。それぞれが直線状の導電性部分及び螺旋状の導電性部分を含む第１及び第２の半分の部分が提供される。

直線状の導電性部分は主にアンテナの放射特性を規定し、螺旋状の導電性部分はアンテナの正のリアクティブ特性（reactive characteristic）を作る。直線状の導電性部分はそれぞれ、アンテナをＲＦＩＤ用トランスポンダに接続できる給電点（feed point）を有している。直線状の導電性部分は自身のそれぞれの螺旋状の導電性部分と接続するため、第１及び第２の半分の部分はアンテナをダイポール形として特徴付ける。

手短に言えば、本発明の別の好ましい実施形態はまた、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用するアンテナであり、今列挙した実施形態の全ての素子を有すると共に、第１及び第２の半分の部分の直線状の導電性部分を接続するループ部分をさらに有し、これによりアンテナを折返しダイポール形（folded dipole type）として特徴付ける。

本発明の利点は、その効率が高いために、本発明を受動形のＲＦＩＤタグの中で使用するのに特に好適であることである。けれど、本発明は、多くの能動形のＲＦＩＤタグの設計の中でも非常に好適でかつ有益である。

本発明の別の利点は、本発明は小形の簡単な構造体として実現できるため、寸法に制限があるような用途で動作するのに適合させることができ、またその製造や材料に関する要求事項を極めて経済的なものにすることができることである。

本発明の別の利点は、多くの既存の設計よりも全方向性のアンテナのパターンを可能にするため、ばらつきなく確実にトランスポンダを検出することを助長することである。

さらに、本発明の別の利点は、本発明が、付加的な別個の回路素子を用いることなく使用される、ＲＦＩＤ装置の整流器に良く適合することである。

本発明のこれら及び他の目的及び利点は、本発明を実行する最良の現在周知のモードについての説明、及び本願で説明されるようなまた図面で例示されるような好ましい実施形態の産業上の利用可能性に鑑みて、当業者には明らかになるであろう。

本発明の目的及び利点は、添付した図面と併せて、以下の詳細な説明から明らかになるであろう。

種々の図面の中で、同じ参照番号は、同じ又は同様の素子又はステップを表すために使用される。

本発明の好ましい実施形態は、無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用されるアンテナである。本願の様々な図面の中で、特に図２〜図５で例示されるように、本発明の好ましい実施形態は一般的な参照文字１０、３０、５０、及び７０によって表される。

図２は、２つの部分１２、１４を含む、本発明によるアンテナ１０を示す。第１の部分１２は主に放射素子、ここでは直線状の導電性トレース１６で構成され、一方第２の部分１４は概ねリアクティブな素子、ここでは螺旋状の導電性トレース１８で構成される。本願の図面で示された螺旋は代表的なものであり、巻き数、長さ、幅、などは任意とすることができる。

ダイポール形アンテナの独特の態様では、本願のアンテナ１０は右側ダイポール・ハーフ（right dipole half）２２によってミラーリングされた左側ダイポール・ハーフ２０を有する。アンテナ１０のこれら半分は一致せず、また部分１２、１４と混同されてはならない。アンテナ１０の左側ダイポール・ハーフ２０は、右側ダイポール・ハーフ２２と同様に第１の部分１２及び第２の部分１４の両方を備えている。各第１の部分１２は、アンテナ１０をトランスポンダ用チップ（図示せず）に接続するための給電点２４を備えている。図のように、各第１の部分１２はまた、直接的又は間接的にそのそれぞれの第２の部分１４に接続する。

使用に当たっては、第２の部分１４の螺旋構造体（図２の螺旋状の導電性トレース１８）は、アンテナ１０のインピーダンスの虚数部をかなり増加させる。そのような螺旋構造体を使用することにより、その螺旋構造体がより小さな寸法の中で正のインピーダンスのリアクティブ素子を作るため、従来の曲折した線の構造体に対して特定の利点が得られる。

図３は、図２のアンテナ１０のダイポール形の原理を拡張した別のアンテナ３０を示している。アンテナ３０も２つの部分１２、１４から構成しているが、この第２の部分１４は２つの部分、すなわちサブセクション１４ａ及びサブセクション１４ｂを有して、４つの螺旋状の導電性トレース１８を具備している。

図４は、本発明による、同様に２つの部分５２、５４を備えたアンテナ５０を示している。第１の部分５２は、主に放射素子（直線状の導電性トレース５６）を具備し、また第２の部分５４はかなりリアクティブな素子（螺旋状の導電性トレース５８）を備えている。アンテナ５０はこの図では左側折返しダイポール・ハーフ６０及びミラーリングされた右側折返しダイポール・ハーフ６２を具備し、各第１の部分５２はトランスポンダ用チップに接続するための給電点６４を含み、また各第１の部分５２は直接又は間接的にそのそれぞれの第２の部分５４に接続している。しかしながら、図２のダイポール形アンテナとは異なり、図３のアンテナ５０は、従来より導電性のループが折返しダイポール形アンテナを作るために使用されるような態様で、ダイポール・ハーフ６０、６２を連結するループ部分６６を有する。

使用に当たっては、この図では同様に、第２の部分５４の螺旋状の構造体（図３の螺旋状の導電性トレース５８）は、アンテナ５０のインピーダンスの虚数部分を著しく増加させ、それを曲折した線ベースの設計のような従来の構造体上で識別する。

図５は、図４のアンテナ５０に関する折返しダイポール形の原理を延長した別のアンテナ７０を示している。アンテナ７０も２つの部分５２、５４から構成しているが、この第２の部分５４はこの図では２つの部分、すなわちサブセクション５４ａ及びサブセクション５４ｂを有して、４つの螺旋状の導電性トレース５８を具備している。

本発明により提供される利点は相当な数になる。例えば、９１５ＭＨｚの入力インピーダンスに対して６３オームの虚数部分を有する標準的な（直線状の）ダイポール形アンテナでは、長さは１６０ｍｍより大きくすべきである。しかしながら、図２の実施形態（アンテナ１０）を使用すると、長さがわずか５０ｍｍ、幅がわずか８ｍｍで同じ値を実現でき、このことは標準的なダイポールに対する相当な改良である。

要約すると、本発明は無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムに関し、より詳細には、インピーダンスがトランスポンダ用チップ内の関連する無線周波数（ＲＦ）回路により最適に適合するＲＦＩＤ装置の中で使用するアンテナに関する。２つの主要な部分がアンテナを形成し、その１つは例えば導電性の金属トレースなどの主に放射素子で構成され、もう片方は例えば螺旋状の金属トレースから成る概ねリアクティブな素子である。これらの部分は直接的又は間接的に、トランスポンダ用チップに接続するための適当な給電点を有する主に放射素子に接続される。必要に応じて、ループアンテナの特性をループ部分を設けることによって主として従来の方法で、今説明した本発明のアンテナの折返しダイポール構造体に加えることができる。

種々の実施形態をこれまで説明してきたが、それらの実施形態は実施例としてのみ示したのであって限定するものではないことは理解されよう。本発明の大きさと範囲はいかなる前述した具体例としての実施形態にも限定されるものではなく、次の特許請求の範囲及びその等価なもののみに基づいて定義されるべきである。

（従来技術）インテロゲータ、トランスポンダ、及び代表的な回路を含む実施例のＲＦＩＤシステムを示す概略図である。 本発明によるダイポール形のアンテナを示す図である。 本発明による別のダイポール形のアンテナを示す図である。 本発明による折返しダイポール形のアンテナを示す図である。 本発明による別の折返しダイポール形のアンテナを示す図である。

Claims (16)

1. 無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用するアンテナであって、
   第１のハーフ部分と第２のハーフ部分のそれぞれが、
   主に前記アンテナの放射特性を規定する直線状の導電性部分と、
   前記アンテナの正のリアクティブ特性を作る螺旋状の導電性部分と、を含み、
   前記直線状の導電性部分が、前記アンテナを前記ＲＦＩＤ用トランスポンダに接続できる給電点を有し、
   前記直線状の導電性部分が前記螺旋状の導電性部分と有効的に接続し、これにより前記第１のハーフ部分と前記第２のハーフ部分とがダイポール形として前記アンテナを特徴付ける、
   ことを特徴とするアンテナ。
2. 前記第１のハーフ部分及び前記第２のハーフ部分が、平面内に存在するミラーリングされた反対側の部分である、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
3. 前記第１のハーフ部分及び前記第２のハーフ部分が印刷回路基板のトレースから形成される、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
4. 前記螺旋状の導電性部分がそれぞれ２つの対向した螺旋状のサブセクションを含む、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
5. 前記第１のハーフ部分及び前記第２のハーフ部分の前記直線状の導電性部分を接続するループ部分をさらに備えて、これにより前記アンテナを折返しダイポール形としてさらに特徴付ける、ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ。
6. 前記第１のハーフ部分及び前記第２のハーフ部分が、平面内に存在するミラーリングされた反対側の部分である、ことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
7. 前記第１のハーフ部分及び前記第２のハーフ部分が印刷回路基板のトレースから形成される、ことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
8. 前記螺旋状の導電性部分がそれぞれ２つの対向した螺旋状のサブセクションを含む、ことを特徴とする請求項５に記載のアンテナ。
9. 無線周波数（ＲＦ）のエネルギーを放射する又は受け取るための第１及び第２のダイポール手段を具備し、
   前記第１及び第２のダイポール手段がそれぞれ主にアンテナの放射特性を規定する直線状の導電性手段を具備し、
   前記第１及び第２のダイポール手段がそれぞれ前記アンテナの正のリアクティブ特性を作るために螺旋状の導電性手段をさらに具備し、
   前記直線状の導電性手段がそれぞれ一方の端部でそれぞれの前記螺旋状の導電性手段と有効的に接続し、その他方の端部で前記アンテナをＲＦＩＤ用トランスポンダに接続するための給電点を具備する、
   ことを特徴とする無線周波数識別（ＲＦＩＤ）用トランスポンダの中で使用するアンテナ。
10. 前記第１及び第２ダイポール手段が、平面内に存在するミラーリングされた反対側の手段である、ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
11. 前記第１及び第２ダイポール手段が印刷回路基板のトレースから形成される、ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
12. 前記螺旋状の導電性手段がそれぞれ２つの対向した螺旋状のサブセクションを含む、ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
13. 前記第１のダイポール手段及び前記第２のダイポール手段の前記直線状の導電性手段を接続するループ手段をさらに備えて、これにより前記アンテナを折返しダイポール形としてさらに特徴付ける、ことを特徴とする請求項９に記載のアンテナ。
14. 前記第１及び第２ダイポール手段が、平面内に存在するミラーリングされた反対側の手段である、ことを特徴とする請求項１３に記載のアンテナ。
15. 前記第１及び第２ダイポール手段が印刷回路基板のトレースから形成される、ことを特徴とする請求項１３に記載のアンテナ。
16. 前記螺旋状の導電性手段がそれぞれ２つの対向した螺旋状のサブセクションを含む、ことを特徴とする請求項１３に記載のアンテナ。

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