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JP4399007B2 - Rfid近距離場マイクロストリップアンテナ - Google Patents

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Description

本発明は、RFIDラベルを読み取る近距離場アンテナに関する。
関連出願への相互参照
本願は、シェイファー他により「近接範囲においてRFIDタグ及びラベルを読み取る近距離場プローブ」の発明の名称で2004年11月2日に出願された米国仮特許出願第60/624,402号と、コープランド他により「線形モノポールマイクロストリップRFID近距離場アンテナ」の発明の名称で2005年3月7日に出願された米国仮特許出願第60/659,289号の優先権を主張するものであり、これらの両方の出願の全内容は、参照のためにここに組み入れられる。
FIDラベル読み取るための既存の手法は、RFIDラベルの大きい読み取りレンジを提供する伝統的なアンテナを用いる。この手法は、遠方場で使用されるアンテナエネルギの大部分を提供する。遠方場領域は距離d>>λ/2πとして定められる。ここで、λは波長である。UHF周波数915MHzの場合、この値は約5cmである。それ故、915MHzでの遠方場領域はほぼ5cmを超え、同様に、近距離場領域がほぼ5cm以下であるということである。ほとんどのRFID読取装置アンテナは、例えば、数メータという最も高い距離でラベルを読むように設計されており、その距離はもちろん遠方場領域内である。
ある応用例、即ち、RFIDラベルアプリケータとプログラマでは、互いに近接して位置する1グループのRFIDラベルのうち1つのRFIDラベルだけを読み書きすることが望ましい。例えば、ラベルアプリケータマシンに関して、ラベルは、マシンでの処理を容易にするためにリールの上に置かれる。ラベルはリール上で並列状態又は端と端が近接した状態で置かれる。しかしながら、伝統的なUHFアンテナは一般に広い放射パターンを持ちエネルギを十分に遠方場に向けることから、伝統的なUHFアンテナが一度に1個のラベルだけにエネルギを指向させることは難しい。広い放射パターンはアンテナレンジ内のすべてのRFIDラベルにエネルギを照射する。製品コードか通し番号を1個のラベルに書き込むことを試みるなら、照射されたすべてのラベルは同じコードか通し番号がプログラムされる(書き込まれる)。
そのようなRFIDのUHF応用例で使用される伝統的な遠方場送信アンテナはパッチアンテナである。送信パッチ部は通常、RFID電子部によって通電されるコネクタを介して給電される。通常、背面に導体板が取り付けられ、それは送信パッチ部からわずかな距離離間される。
前記のような応用例の場合であって、一時に1個のラベルがプログラムされ、テストされ、取り付けられるようなラベルアプリケータのように、非常に近い距離にあるRFIDラベルに対して情報の読書きすることが望ましい場合、伝統的な遠方場アンテナの働きは不十分である。伝統的な送信アンテナは、複数の製品が同時に読まれ又はプログラムされるのを防ぐために、タグ付けされた製品がかなりの距離離間されることが必要であり、あるいは、プログラムされ又は読み取られるラベルを除いたすべてのラベルを遮蔽(シールド)するためにメタルウィンドウを使用することを必要とする。
しかしながら、そのような遮蔽テクニックは適切に問題を解決することができない。なぜなら、ラベルがさらに離間されるならば、アプリケータの処理能力が下がり、与えられたリールサイズに対するラベルの数が限定されるからである。遮蔽テクニックが使用されるならば、異なったラベル形及び離間距離に応じてそれぞれの異なったシールドが必要である。したがって、アプリケータライン上で異なるラベルを処理するための変更を必要とし、また、事実上、処理能力を下げることになる。
本発明の開示はRFIDラベルを読み取るように構成される近距離場アンテナに関する。アンテナは、該アンテナによって動作波長で放射された局在電場が近距離場により形成されたゾーン(近距離場ゾーン)の中に実質的に存するように構成される。局在電場は半波長乃至全波長構造に相当するアンテナの実効長に沿って電流分布を指向させる。1実施の形態では、アンテナは、近距離場ゾーンがアンテナからの距離がλ/2πである距離まで形成されるように構成される。ここで、λは動作波長である。別の実施の形態では、近距離場アンテナは、近距離場ゾーン距離が約5cmとなるように約915MHzの周波数で作動する。
本発明の開示はまた、RFIDラベルを読み取る方法であって、近距離場アンテナアセンブリによって動作波長で放射された局在電場が近距離場で形成されたゾーンの中に実質的に存するように、かつ、局在電場が半波長乃至全波長構造に相当するアンテナの実効長に沿って電流分布を指向させるように構成した前記近距離場アンテナアセンブリを提供するステップを含む方法に関する。方法はまた、近距離場アンテナアセンブリの局在電場を近距離場ゾーン内に配置されたRFIDラベルと結合するステップを含む。
1実施の形態では、方法は、近距離場ゾーンがアンテナアセンブリからの距離がλ/2π(λはアンテナアセンブリの動作波長)と等しいところまで形成されるように構成するステップをさらに含む。方法は、近距離場ゾーン距離が約5cmとなるように約915MHzの周波数でアンテナアセンブリを操作するステップをさらに含むことができる。
本発明の開示はまた、RFIDラベルを読むための近距離場アンテナアセンブリであって、単一の連続体の導体として構成されたアンテナを含むものに関する。アンテナは送り込み点を形成する一端から終端点を形成する他端まで延伸する。終端点は抵抗を介してグラウンド層に連結される。アンテナアセンブリは比誘電率を含み、かつ、アンテナによって動作波長で放射された局在電場が近距離場によって形成されたゾーンの中に実質的に存するように構成される。局在電場は半波長乃至全波長構造に相当するアンテナの実効長に沿って電流分布を指向させる。
1実施の形態では、アンテナアセンブリの実効長は、アンテナを介して指向させた電流分布がnv/fに比例する波長を有する波形を生じさせるものである。nv/fにおいて、vは光速をアンテナアセンブリの比誘電率の平方根で除した値に等しい伝播波速であり、fは周波数(Hz)であり、nは半波長の場合の約0.5から全波長の場合の1.0の範囲である。別の実施の形態では、アンテナはマイクロストリップトレースアンテナであり、そして、近距離場アンテナアセンブリは、第1表面と、第2表面と、それらの両表面間に形成された厚みを有する基板を含み、該基板の第1表面上に前記マイクロストリップトレースアンテナが配置され、基板の第2表面上にグラウンド層が配置されている。
別の実施の形態では、アンテナアセンブリは、該アンテナアセンブリによって伝播された局在電場がアンテナアセンブリの実効長に沿って縦方向に指向されるRFIDラベルに結合されるように構成される。
発明を実施するための好ましい実施の形態
実施の形態の内容の特に指摘される部分は、明細書の結論的部分である特許請求の範囲において明瞭に請求される。しかしながら、発明の装置の構成と運転方法の両方に関する実施の形態は、その目的、特徴及び利点と共に、以下の詳細な説明を添付図面と共に読むことにより、より良く理解されるであろう。
本発明の開示は、以下の詳細な説明及び発明の特定の実施例に関する添付図面からより完全に理解されるが、説明及び添付図面は、発明を特定の実施の形態に制限するものとして取るべきでなく、説明の目的のためのものである。
多数の特定の詳細がここに詳しく説明され、本発明の開示の多くの可能な実施の形態の万全な理解を提供する。しかしながら、実施の形態がこれらの特定の詳細なしで実施されるかもしれないことが当業者によって理解される。例えば、よく知られる方法、手順、構成要素及び回路は、実施の形態を不鮮明にしないようにするため、詳細には説明されていない。開示された特定の構造的で機能的な詳細はここで代表的なものかもしれないが、必ずしも実施の形態の範囲を制限するというわけではないことが理解できる。
いくつかの実施の形態は、用語「結合され(語はcoupled)」、「連結(又は接続)され(語はconnected)」、あるいは、それらの派生語表現を使用して説明されるかもしれない。例えば、いくつかの実施の形態は、2つ以上の要素が互いと直接物理的又は電気的に接触することを示すために用語「連結(接続)され(語はconnected)」を使用することで説明されるかもしれない。別の例では、いくつかの実施の形態は、2つ以上の要素が直接物理的又は電気的に接触することを示すために用語「結合され(語はcoupled)」を使用することで説明されるかもしれない。しかしながら、用語「結合され(語はcoupled)」はまた、2つ以上の要素が互いに直接的に接触しないが、互いに協力し又は相互作用することを意味することがある。ここで開示された実施の形態は必ずしもこのような関係に制限されるというわけではない。
明細書における「1実施の形態」又は「実施の形態」は該実施の形態に関して説明される特定の特徴、構造又は特性が少なくとも1つの実施の形態に含まれることを意味することに留意されたい。明細書の様々な箇所にでてくる「1実施の形態」という語句は必ずしも同じ実施の形態のことを意味することとは限らない。
ここで、本発明の開示の詳細を説明すると、図1はパッチ送信アンテナアセンブリ10を示し、該アセンブリはパッチアンテナ12と、それからある距離離れたRFIDラベル20を含む。RFIDラベル20の双極子(ダイポール)の向きに沿ったパッチアンテナ電場成分はRFIDラベル20に電力を与え、アンテナアセンブリ10からZ1離れた距離でRFIDラベル20の情報を読むことを可能にする。Z1はλ/2π(λは波長)よりかなり大きい。
送信アンテナであるパッチアンテナ12は、通常、アンテナインピーダンスが本質的に実であり、かつ、主として送信インピーダンスから成るように設計されている。実インピーダンス値は本質的に送り込みシステムからの通常50オームである信号源インピーダンスにマッチする。アンテナインピーダンスは主として実であり、かつ、主として送信抵抗である。本発明の開示は、故意に遠方場での送信を抑え、近距離場領域での局在電場を向上させる近距離場アンテナアセンブリに関する。特に、そのような近距離場アンテナアセンブリは、アンテナの近くの領域、即ち、近距離場ゾーンへのエネルギを制限し、遠方場ゾーンにおける送信を防ぐ。したがって、近距離場アンテナに物理的に近くにあるRFIDラベルは尋問されるが、近距離場ゾーンの外に位置するものは尋問されない。915MHzの運用周波数の場合には、近距離場ゾーンはアンテナから約5cm離れたところにある。5cmの範囲の外におけるラベルに対する読み書きはできない。
当該技術分野において、ここに使用されるように一般的にアンテナと呼ばれるが、アンテナアセンブリはいくつかの部品のアセンブリであり、それらの部品のうちの少なくとも1つは、電磁エネルギ、即ち、信号を直接送受するアンテナを含む。
本発明の開示の1実施の形態において、図2は、近接した上方に大きなRFIDラベル120を備えるトレース線素マイクロストリップアンテナ112を含む近距離場アンテナアセンブリ110を示す。また、図3と4に図示すように、近距離場アンテナアセンブリ110は厚さ「t」を有するマイクロストリップアンテナ112を含み、該アンテナはケーブル114に電気的に接続され、そのケーブルは、通常、このことに限定されるものではないが、送り込み点端116では同軸ケーブルであり、反対側の端部即ち終端118では通常50オームの終端抵抗「R1」で終わる。ケーブル114は第1端子(信号端子114a)と、第2端子(基準接地端子114b)を持っている。送り込みシステム124を介してケーブル114から送り込み点端116で信号を与える。通常、信号は50オームである。
1実施の形態では、インピーダンスマッチングのため、典型的に、反射を最小にするために、50オームの終端118において、線形アンテナ112に容量性マッチングパッチ122(図3)を電気的に結合することができる。
図3と4に最もよく示すように、線形のマイクロストリップアセンブリ110はほぼ長方形のマイクロストリップトレース112を含み、このストリップトレースは、対向する第1表面(表の面)140aと第2表面(裏の面)140bを有する基板140を備える。対向する第1表面140aと第2表面140bの間の距離は基板140の厚み「H」を定める。
マイクロストリップアセンブリ110はまたグラウンド層150を含み、マイクロストリップライン112が基板140の第1表面140aに配置され、グラウンド層150が基板140の第2表面140bに配置されるように構成される。1実施の形態では、グラウンド層150は誘電体スペーサ164(これは空気ギャップであってもよい)により第2表面140bから離間される(適切な構造的サポートは図示省略する)。ケーブル114の第1端子114aはマイクロストリップアンテナ112と電気的に結合され、第2端子114bはグラウンド層150と電気的に結合される。
1実施の形態では、マイクロストリップライン112はほぼ長方形であり、幅「W」を持っている。アンテナアセンブリ110の長さ「L」は送り込み点116から終端抵抗R1を含み、その終端抵抗「R1」までである。線形マイクロストリップライン112は、これに限定されるものではないが、通常、銅のような細い導体である。厚み「t」は、UHF(極超短波)の範囲の周波数の場合、通常、約10ミクロン乃至約30ミクロンの範囲である。
基板140は典型的にセラミック又はFR−4誘電材料を含むことができる誘電材料であり、厚み「H」と全幅「Ws」を有し、その下にグラウンド層150が配置されている。線形マイクロストリップ112の終端118において、終端抵抗R1は線形マイクロストリップライン112の端部118をグラウンド層150に電気的に結合する。
送り込み点116における線形マイクロストリップアンテナ112の入力インピーダンス「Z」は、読取装置からの電力結合を最大にするために送り込み信号を提供するケーブル114の特性インピーダンスにおよそ等しくなるように設計されている。(読取装置は送り込みシステム124の一部であり、かつ、ケーブル114又は伝送網から分離した電子システムである。アンテナアセンブリ110はケーブル114を介して読取装置システムへ接続されている。)W/H比は通常1以上であり、特に、約1乃至約5である。
この場合、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110の入力インピーダンス「Z」オームは以下の式で与えられる。
式1
Figure 0004399007
それ故、マイクロストリップ幅Wと基板高さHが主としてインピーダンス「Z」を決定する。
1実施の形態では、基板比誘電率εは約2乃至12の範囲である。別の実施の形態では、線形マイクロストリップ近距離場アンテナアセンブリ110の長さ「L」は、次式により近似される物理的相当長さを有する半波長乃至全波長デバイスの相当長さ又は実効長に相当する。
式2
Figure 0004399007
ここで、「c」は光速(約3x10m/s)、「f」は運用周波数(Hz)、εは基板比誘電率、「n」は同等な半波長ダイポールアンテナの場合の約0.5から同等な全波長ダイポールアンテナの場合の約1.0の範囲である。
1実施の形態では、終端抵抗「R1」は、送り込み点116での入力インピーダンスが約50オーム又は送り込みケーブル114の特性インピーダンスとなるように調整される。
別の実施の形態では、線形マイクロストリップアンテナ112は第1縦縁112aと第2縦縁112bを有し、マイクロストリップアンテナ112は基板140とグラウンド層150の実質的に中心に置かれ、基板140の縦側縁142a,142bと、グラウンド層150の縦側縁152a,152bがそれぞれ第1縦縁112aと第2縦縁112bから少なくとも幅「W」の2倍(「2W」)の距離延伸する。その結果、基板140とグラウンド層150がそれぞれ少なくとも「W」の5倍(「5W」)の全幅「Ws」を有する。基板140はさらに、送り込み点116が配置される横側縁142cと、終端抵抗R1が配置される横側縁142dを含む。同様に、グラウンド層150はさらに、送り込み点116が配置される横側縁152cと、終端抵抗R1が配置される横側縁152dを含む。
近距離場アンテナアセンブリ110は、故意に遠方場を減少させて、近距離場領域を向上させる。特に、近距離場RFIDアンテナアセンブリ110は要素アンテナ112を含み、該アンテナ112は、それによって放射された局在電場が近距離場によって形成されたゾーンの中に実質的に存するように構成され、アンテナ112によって放射された送信電磁界はアンテナ112に関する遠方場によって形成されたゾーンの中に実質的に存する。したがって、近距離場アンテナアセンブリ110は、規定の目的のための多くの利点を有する。50オームの終端インピーダンスを持たないようなアンテナアセンブリの実インピーダンスは非常に低い。したがって、送信抵抗は低い。ケーブル114を介して電力を供給する送り込みシステム124に整合するために、通常50オームの終端インピーダンスR1が加えられる。この構成と運転方法はまた、非常に低いアンテナ「Q」係数をもたらす。これはアンテナを広帯域にする。
理想的には、マイクロストリップアンテナ112は、図5に示されるようなマイクロストリップアンテナ112の長さに沿って電流分布を有する半波長(「λ/2」)」アンテナである。
電流は送り込み点116でピークに達し、本質的には送り込みシステム124からの印加電圧と同調してある。電流は、マイクロストリップアンテナ112の中点でゼロまで減少し、終端における負のピークまで減少し続ける。
図5に図示すように、半波長双極子構成において動作するそのような電流分布の線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110は、送り込み端116では正の電場を生成し、終端118では負の電場を生成する。
図6は、近距離場電場を近距離場マイクロストリップアンテナ112の上方に結合することを図示する。詳しく言うと、図6は、半波長の場合のマイクロストリップアンテナ112の上方に位置する正規化された時間に関する瞬間の時変電場をプロットしたグラフである。送り込み点116で電場は最大である。マイクロストリップアンテナ112の中点で電場はゼロまで減少する。終端118では、電場が負のピーク、即ち、最小値まで減少する。RFIDラベル120がそのようなアンテナのすぐ上に置かれるのので(図2参照)、マイクロストリップアンテナ112からのディファレンシャル電場は電流をRFIDラベルアンテナ120にその長さに渡って駆動し(即ち、指向させ)、その結果、RFIDラベル120を活性化させてRFID読取装置、即ち、近距離場アンテナアセンブリ112によってそれに読み書きすることができる。
その結果、マイクロストリップアンテナ112の上方に置かれマイクロストリップアンテナアセンブリ110の長さ「L」に沿って指向されたRFIDラベル120は、次に、マイクロストリップアンテナ112に情報を伝える。基板140の素材に依存して、基板140は、以下の式によって表される総アンテナ長「L」をもたらす低速波構造を生成することに注意されたい。
式3
Figure 0004399007
ここで、「c」は真空中の光の速さ、「f」は運用周波数、εは半波長ダイポールアンテナ構造の基板素材の比誘電率である。このように、基板140の比誘電率εが増加するにつれ、総アンテナアセンブリ長「L」は減少するので、より小さいRFIDラベルにそのようなアンテナアセンブリを使用することができる。例えば、誘電率12.5、総マイクロストリップ長4.7cmを有するセラミック基板を使用して、実験的に理論長4.6cmが達成された。このより小さいアンテナアセンブリは、より小さい物品レベルのRFIDラベルの読み取り又は検出に役に立つ。
1実施の形態では、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110の長さは全波長に相当する長さまで達する。図7と8は、全波長マイクロストリップアンテナアセンブリ、例えば、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110の上方に位置する時間に関する瞬間の時変電場を位相がゼロと、90度の場合をそれぞれ示す。
送り込み点116においてケーブル114を介して提供された送り信号が360度の全位相に渡って通るとき、ディファレンシャル(差)電場の時間的瞬間の2つの特定のスナップショットを観測することができる。位相が0のとき、2組のディファレンシャル電場が存在し、位相が90度のとき、1組のディファレンシャル電場が存在する。上方のRFIDラベル120と結合する実際のディファレンシャル電場は線形マイクロストリップアンテナ112の長さ「L」に沿って這う。これは線形マイクロストリップアンテナ112とRFIDラベル120の整合に関して有利である。基板140の素材の絶縁耐力(又は比誘電率「ε」)を大きくすることは、総アンテナ長「L」を大きくする必要性を少なくとも部分的に償う。
図9に言及し、一連のRFIDラベル120a乃至120eがギャップ距離「d」離間され、1つのRFIDラベル120cは単一の線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110の上方に置かれている。RFIDラベル120a乃至120eは、それらの双極子が線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110の長さ「L」に沿った縦方向に指向されるように指向されている。
処理されているラベル120cの近くにあるラベル120b又は120dに対して近距離場線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110が読み書きすることを防ぐために、マイクロストリップの幅「W」、長さ「L」及び総板幅「Ws」を調整することとしても良い。RFIDラベル120a乃至120eのラベル間のギャップ「d」が減少するので、マイクロストリップ幅「W」を約「5W」である全基板幅「W」と共に減少させなければならない。ギャップ「d」の大きさが隣接するラベル120a、120b、120d、120eを線形マイクロストリップアンテナ112の基板140の横側縁142a、142bをかなり超えるように位置させるので、マイクロストリップアンテナアセンブリ110は隣接するRFIDラベル120a、120b、120d、120eの存在を検出しない。トレース幅W、長さL及び基板パラメータHとεは、半波長乃至全波長構造に相当する電流分布が有効に達成されるように整される。
図10と11に示す1実施の形態において、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110’は延伸した又は巻き上げられたグラウンド層を含む。より詳しく言えば、形マイクロストリップアンテナアセンブリ110’は、グラウンド層150に代えて、マイクロストリップライン112が基板140の第1表面140a上に置かれ、グラウンド層150’は基板140の第1表面140aの少なくとも一部の上に配置されマイクロストリップライン112に接触していない点を除いて、線形マイクロストリップ110と同じである。グラウンド層150’はまた、基板140の第1及び第2縁142a、142bに接しかつ基板140の第2表面140bにも接する。グラウンド層150’をまた誘電体スペーサ164’を介して第2表面140bから離間させることができる。
グラウンド層150’はまた、端部部分(フラップ)180a,180bを含み、これらのフラップは第1表面140aに重なり、それぞれ縁112aと112bに向かって内側に距離「W」延伸するが、マイクロストリップトレース112に接触しない。
図11に示すように、RFIDラベル120a乃至120eを近接させてアンテナアセンブリ110’の上方に配置させ、1つのラベル120cをトレース線形マイクロストリップ112の上方に位置させ、他の隣接するるラベル120bと120dをそれぞれグラウンド層150’の前記フラップ180aと180bのほぼ上方に位置させることができる。図12に示すように、アンテナアセンブリ110’は、近距離場エネルギを伝播することにより、かつ、縁112aと112bに向かって内側に距離W延伸するそれぞれのフラップ(端部部分)180aと180bを巻き付けたグラウンド層150’により、無線周波エネルギの位置を制御するが、トレースマイクロストリップ112には接しない。したがって、電場はトレースマイクロストリップ112からフラップ(端部部分)180aと180bまでのみ実質的に延伸し、その結果、電場を効果的に終端させ、アンテナアセンブリ110の電場への結合を防止する。
図13は、アンテナアセンブリ110’のグラウンド層150’の側縁152bなどの側縁の1つから見たときのアンテナアセンブリ110’の近距離場マイクロストリップアンテナ112にその上方に位置する時変近距離場電場Eを結合させる瞬間的に起こっていることを図示する。詳しく言うと、図13は半波長の場合の正規化された電場のプロットを示すグラフである。図6に示すのと同じように、電場は送り込み点116において最大である。長さ「L」に沿ったマイクロストリップアンテナ112の中点で電場はゼロまで減少する。終端118で電場は負のピーク(負の最大値)まで減少する。
図12に示すように、RFIDラベル120がアンテナアセンブリ110’のすぐ上に置かれるので、マイクロストリップアンテナ112からのディファレンシャル電場はRFIDラベルアンテナ120の長さに沿って電流を駆動即ち指向させてRFIDラベル120を活性化させ、それをRFID読取装置、即ち、近距離場アンテナアセンブリ112によって読み書きすることができるようになる。その結果、マイクロストリップアンテナ112の上方に置かれマイクロストリップアンテナアセンブリ110’の長さLに沿って指向されたRFIDラベル120cはまた、マイクロストリップアンテナ112にうまく結合される。ここでも、トレース幅W、長さL及び基板パラメータHとεが調整され、半波長乃至全波長構造に相当するように実効電流分布は有効に達成される。
1実施の形態では、図14と15を参照すると、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110(又は110’)を伝導ハウジング160の上又はその中に設けることができる。伝導ハウジング160はベース162と、通常2つの縦側壁162a,162bと、通常それらの縦側壁に直角に連結した2つの横側壁162c,162dを含んでいる。グラウンド層150の底部面154は、伝導ハウジング160をグラウンド層150と電気的に結合するためにベース162に配置される。したがって、伝導ハウジング160はグラウンド層150を介して接地される。
壁162a乃至162dを基板140の縁142a乃至142dから離間することとしても良い。縁142a乃至142dは伝導ハウジング160に接しても良いが、アンテナアセンブリ110(又は110’)をハウジング160に合わせるのにトレランスとしてのスペースが必要であるかもしれない。壁162a乃至162dも誘電体スペーサ材料170を介して線形マイクロストリップアンテナ112から離間させて、伝導ハウジング160を線形マイクロストリップアンテナ112、容量性負荷122及び終端抵抗R1から電気的に分離させるようにしても良い。誘電体スペーサ素材は空気ギャップを含むことができる。伝導ハウジング160の素材はアルミ、銅、真鍮、ステンレス鋼、又は同様の金属物質を含むことができる。マイクロストリップアンテナアセンブリ110の基板140の側縁142a乃至142dに隣接する側壁162a乃至162dによって作用する延伸側面を備える伝導ハウジング160を追加することにより、線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110に対する望まれない隣接RFIDラベル120の結合をさらに減少させることができる。
図16−18に示す本発明の開示の1実施の形態において、蛇行線素マイクロストリップアンテナアセンブリ210を使用して、例えば、小さいRFIDラベルの読み取りに適用される任意の総アンテナサイズに対して、見かけのアンテナ長さ「L」をより長くすることができる。蛇行線アンテナアセンブリ210は、あらゆる点で線素マイクロストリップアンテナアセンブリ110と同様であるので、ここでは、構造と動作で差を特定するのに必要な範囲でのみ説明を行う。
詳しく言えば、図16−18は、蛇行線状要素のマイクロストリップアンテナ212を含む近距離場アンテナアセンブリ210を示す。蛇行線状要素のアンテナトレース212は、送り込み点116から終端118の終端抵抗R1までの長さ「L」に沿って続くので、基板140の幅「Ws」を横切るように「迂曲」する。蛇行線状マイクロストリップアンテナトレース212は、厚み「t」を持ち、送り込み点端116でケーブル114と電気的に結合され、終端118において通常50オームの終端抵抗R1で終端する。
蛇行線状マイクロストリップアンテナ212は、それが電流を二次元に指向させるという点において線形マイクロストリップアンテナ112と異なっている。詳しく言えば、蛇行線状マイクロストリップアセンブリ210は、1実施の形態において、蛇行線状マイクロストリップトレースアンテナ212を構成するために直角に曲がった波形パターンに形成された多数の交互に直角に交わる伝導セグメント214,216を含む。伝導セグメント214は直線的に配列されて長さ「L」を持ち、基板140の縦側縁142a,142bの少なくともの1つと実質的に平行である。伝導セグメント216は横方向に配列され、直線的に並べられたセグメント214に接して方形波パターンを形成する。各伝導セグメント216は、その長さLsに沿って伝導セグメントの幅を2等分割する中心軸線C−Cの向きに指向されている。交差伝導セグメント214と216は単一の一体的マイクロストリップトレースとして形成されうる。蛇行線状アンテナ212を方形波パターンに従わない他のパターンで形成することができ、そこでは、交互に交わる伝導セグメント214と216は直角ではない。但し、実施の形態はこのような関係には制限されない。セグメント214と216の構成は、局在電場か電流を二次元で駆動又は指向させることを可能にする。
基板140は長さ「L」を有する少なくとも1つの縁142a,142bを備え、直角交差伝導セグメント214、216は、前記少なくとも1つの縁142a,142bに関して交互に横と縦の向きに配置されている。
図17に図示すように、伝導セグメント214は縦向きに配置され、全体で、送り込み点116から終端118の終端抵抗R1を含め終端118まで延伸する蛇行線状マイクロストリップトレース212の全長「L」を形成している。蛇行線状トレース212の幅「W」は縦方向に指向する伝導セグメント214の1つのものの幅として定義される。
線形マイクロストリップアンテナアセンブリ110と同様に、蛇行線状マイクロストリップアセンブリ210の長さ「L」は、半波長ダイポールアンテナの長さに実質的に等しい長さ乃至全波長ダイポールアンテナの長さに実質的に等しい長さの範囲の全体寸法を有する。結果の電場分布は、線形アンテナアセンブリ110に関して説明した図6−8に図示するもののと同じである。
1実施の形態では、蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210は「W/H」比を持ち、この比は1以上であり、特に、約1〜約5の範囲に及ぶかもしれない。基板140は約2〜約12の比誘電率を有するかもしれない。基板140の少なくとも1つの縁142a、142bは、縦向きに指向された伝導セグメント214から蛇行線状マイクロストリップトレース212の幅「W」の2倍(「2W」)以上に実質的に等しい距離横方向に延伸するように構成されうる。別の実施の形態では、グラウンド層150の少なくとも1つの縁152a,152bは、縦向きに指向された伝導セグメント214から蛇行線状マイクロストリップトレース212の幅「W」以上の値に実質的に等しい距離横方向に延伸する。蛇行線状アンテナアセンブリ210は、通常、終端抵抗R1に近接して該アンテナアセンブリに結合される容量性負荷122を含むことができる。
図17−19に示すように(また、図9に示す線形アンテナアセンブリ110に関して同様に説明されるように)、一連のRFIDラベル120a乃至120eはギャップ距離「d」離間され、1つのRFIDラベル120cが単一の蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210上に置かれる。蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210は、蛇行線状アンテナ212が蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210に沿って縦方向に指向された1つのRFlDタグ又はラベル120に結合するように構成される。局在電場は、アンテナ212に沿った二次元で電流を駆動し即ち指向させる。
処理されているラベル120cの近くに位置するラベル120b又は120dに対して蛇行線状近距離場マイクロストリップアンテナアセンブリ210が読み書きすることを防止するために、マイクロストリップ幅「W」、長さ「L」及び総基板幅「Ws」を調整することができる。RFIDラベル120a乃至120eの間のギャップ「d」を減少させるので、マイクロストリップ幅「W」を総基板幅「Ws」と共に減少させる。所定サイズのギャップ「d」により、隣接するラベル120a、120b、120d及び120eが蛇行線状マイクロストリップアンテナ212の基板140の横側縁142a,142bの充分向こう側に位置されるので、マイクロストリップアンテナアセンブリ210は隣接RFIDラベル120a、120b、120d及び120eの存在を検出しない。蛇行線マイクロストリップアンテナの場合、半波長乃至全波長構造に相当する実効電流分布が達成されるようにトレース幅W、総実効長L及び基板パラメータが調整される。これは、与えられた固定長Lあたりの蛇行回線トレースのピリオド数L’Mを増やすことによって達成されうる。
図20と21に示す実施の形態のような1実施の形態において、蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210’は延長され又は巻き上げられたグラウンド層を含む。詳しく言えば、蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210’は、グラウンド層150に代えて、マイクロストリップライン212が基板140の第1表面140a上に配置され、グラウンド層150’が基板140の第1表面140aの少なくとも一部の上に配置されマイクロストリップライン212に接触しない点を除き、蛇行線状マイクロストリップ210と同じである。線形マイクロストリップ110’と同じように、グラウンド層150’は基板140の第1及び第2縁142a,142bに接しかつ基板140の第2表面140b上に配置される。グラウンド層150’は1個以上の誘電体スペーサ164を介して基板と離間されうる。
グラウンド層150’はフラップ又は端部部分180a,180bを含み、これらのフラップは第1表面140aにオーバーラップし、それぞれ縁212aと212bに向かって距離「W」内側に延伸するが、トレースマイクロストリップ212には接しない。
図21に示すように、RFIDラベル120a乃至120eを近接させてアンテナアセンブリ210’の上方に配置し、1つのラベル120cが蛇行線状マイクロストリップトレース212上に存し、隣接ラベル120b及び120dがグラウンド層150’のほぼフラップ又は端部部分180aと180bの上方に位置することができる。
さらに、図22と23に示すように、また、図14と15に示す実施の形態と同様に、蛇行線状マイクロストリップアンテナアセンブリ210(又は210’)のグラウンド層150を伝導ハウジングと電気的に結合することとしも良い。壁162a乃至162dを基板140の縁142a乃至142dから離間させても良い。縁142a,142dは伝導ハウジング160に接するかもしれないが、アンテナアセンブリ110(又は110’)にハウジング160を合わせるのにトレランスのためのスペースが必要であるかもしれない。蛇行線状マイクロストリップアンテナ212、容量性負荷122及び終端抵抗R1から伝導ハウジング160を電気的に分離させるために、壁162a乃至162dをまた、誘電体スペーサ物質170を介して蛇行線状マイクロストリップアンテナ212から離間させることができる。伝導ハウジング160の素材はアルミ、銅、真鍮、ステンレス又は同様の金属物質を含むことができる。
以前に議論したように、実効電流分布が半波長乃至全波長構造に相当することを達成するために、トレース幅W、総実効長L及び基板パラメータ調整する。これは、与えられた固定長Lあたりの蛇行回線トレースのピリオド数L’Mを増やすことによって達成されうる。
近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’に関して開示された以上の実施の形態は、ケーブル114と終端抵抗R1を介する要素構成で供給される電力を有する。当業者は、変圧器を含む双極子構成によってもまた近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’に給電することが可能であることを理解できる。但し、実施の形態はこれに制限されるものではない。
以上説明したように、本発明の開示の実施の形態は、RFIDラベルを読み取る近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’に関し、該アンテナアセンブリ110、110’、210、210’は、それによって動作波長「λ」で放射された局在電場が近距離場によって形成されたゾーンの中に実質的に存し、かつ、アンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって動作波長「λ」で放射された送信電磁界がアンテナアセンブリ110、110’、210、210’に関して遠方場によって形成されたゾーンの中に実質的に存するように構成されている。
ここに開示された様々な実施の形態は、局在電場の大きさが送信電磁界の大きさに対して増大され、かつ、RFIDタグ又はラベル120cが、それが近距離場ゾーンの中に位置するときだけアンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読み取られる(RFIDタグ又はラベル120cが遠方場ゾーンの中にあるときはアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読み取られない)ように設計されている。そのうえ、RFIDタグ又はラベル120cが近距離場ゾーンの中に位置するときだけアンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読み取られる(RFIDタグ又はラベル120cが遠方場ゾーンの中にあるときはアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読み取られない)ように、送信電磁界の大きさは局在電場の大きさに関して減少する。アンテナアセンブリ110、110’、210、210’は比誘電率「ε」を有する。
アンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’は、アンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’からの距離が「λ/2π」のところまで近距離場ゾーンが形成されるように構成される。ここで、「λ」はアンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’の動作波長である。1実施の形態では、近距離場ゾーン距離が約5cmとなるように、近距離場アンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’は約915MHzの周波数で作動する。
RFIDタグ又はラベル120cを読み取り又はそれに書き込む方法をまた開示する。該方法は、近距離場アンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって動作波長「λ」で放射された局在電場が近距離場によって形成されるゾーンの中に実質的に存するように、かつ、近距離場アンテナ又はアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって動作波長「λ」で放射された送信電磁界が近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’に関して遠方場によって形成されるゾーンの中に存するよう構成した前記近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’を提供し;前記近距離場アンテナアセンブリ110、110’、210、210’の局在電場を前記近距離場ゾーンの中に位置するRFIDタグ又はラベル120cと結合する;ことを含んでなる。
アンテナアセンブリ110、110’、210、210’の実効長L又はLは、アンテナに通した電流分布がnv/fに比例する波長を有する波形を生じさせる長さである。ここで、vは光速をアンテナアセンブリ110、110’、210、210’の比誘電率の平方根で除した値に等しい伝播波速、fは周波数[Hz]、nは半波長の場合の約0.5乃至全波長の場合の1.0までの範囲である。
方法はまた、RFIDタグ又はラベル120cが近距離場ゾーンの中に位置しているときのみ、それがアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読まれ、RFIDタグ又はラベル120cが遠方場ゾーンの中に位置しているときにそれはアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読まれないように、送信電磁場の大きさに対して局在電場の大きさを増大させるステップを含む。
方法はまた、RFIDタグ又はラベル120cが近距離場ゾーンの中に位置しているときのみ、それがアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読まれ、RFIDタグ又はラベル120cが遠方場ゾーンの中に位置しているときにそれがアンテナアセンブリ110、110’、210、210’によって読まれないように、局在電場の大きさに対して送信電磁場の大きさを減少させるステップを含む。方法は、近距離場ゾーンがアンテナアセンブリ110、110’、210、210’からの距離が「λ/2π」(λはアンテナの動作波長)の値に等しいころまで形成されるようにアンテナアセンブリ110、110’、210、210’を構成するステップを含むことができる。方法はまた、近距離場ゾーン距離が約5cmとなうるように約915MHzの周波数で近距離場アンテナを動作させるテップを含むことができる。アンテナアセンブリ110、110’、210、210’の実効長L又はLMは、アンテナに与える電流分布がnv/fに比例する波長を有する波形を形成するように設けた長さである。ここで、vは光速をアンテナアセンブリ110、110’、210、210’の比誘電率の平方根で除した値に等しい伝播波速、fは周波数(単位はHz)、nは半波長の場合の約0.5から全波長の場合の1.0までの範囲である。
ここで開示する近距離場アンテナアセンブリの利点である特性は以下を含む:
(1)RFIDラベル120a乃至120eへの読み書き範囲が近距離場距離d<<λ/2πに制限されている
(2)近距離場アンテナ112又は212の電磁界エネルギの大くが終端負荷抵抗R1で消散する
(3)近距離場アンテナアセンブリが送信遠方場アンテナアセンブリと比べて低Q値を示す
(4)低Q値から生じる広い操作バンド幅が広帯域の世界的なUHF(極超短波)応用例に役立つ
(5)広い操作バンド幅と低Q値は、読取装置どうしがが互いに干渉することを防ぐ周波数ホップ必要性がなく、簡易型RFID読取電子装置を可能にする
(6)近距離場アンテナアセンブリは、送信アンテナアセンブリと比べて、低送信抵抗と、送信効率を示す。したがって、遠方場送信はかなり抑えられる
(7)トレース寸法、基板特性及びグラウンド層を有するマイクロストリップ型アンテナで構成された近距離場アンテナアセンブリは、半波長アンテナ乃至全波長アンテナの範囲で作動するように設計されている
(8)電気入力又はケーブルがマイクロストリップアンテナの開始点に直接取り付けられ、かつ、コネクタの接地が基板のグラウンド層に直接取り付けられた要素送り込み構成は、変圧器を必要とするかもしれない代替のディファレンシャル送り込み構成と比べて、より簡単で、費用効率がよりよい送り込み構成を提供する
(9)近距離場アンテナアセンブリが置かれる上部開放型伝導ハウジングが設けられ、アンテナアセンブリのグラウンド層に接地される。伝導ハウジングは、マイクロストリップアンテナの真上に配置されたRFIDラベルに隣接する隣接RFIDラベルと結合する傾向がある漂遊電磁界を最小にすることを助ける。
(10)放射された電場を近距離場ゾーンに局在させることは規制要求事項へのコンプライアンスを容易にする。
以上の結果、本発明の開示の実施の形態は、互いに極めて接近したRFIDラベルをプログラムすることを可能にする。例えば、複数のRFIDラベルが互いにわずかな離間距離でロール上に置かれるという特徴を有する。本発明の開示の実施の形態は、複数のラベルをかなりの距離離間させて配設することを必要としないし、また、複数のラベルが一緒に読まれプログラムされることを防止する。本発明の開示の実施の形態はまた、適切に機能しているラベルの横で配置される不良ラベルの識別を容易にする。
上記説明は多くの詳細を含むが、これらの詳細は本発明の開示の範囲をそれに限定するものと解するべきでなく、単にそれらの好ましい実施の形態の例示としてこれらの詳細を解すべきである。当業者は本発明の開示の範囲と技術的思想の中にある他の多くの可能な変形例が可能であることを理解できる。
先行技術に従った距離でRFIDラベルを備えるパッチ送信アンテナアセンブリの斜視図である。 大きなRFIDラベルオーバヘッドを備える本発明の開示による線形モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの1実施の形態の上面斜視図である。 図2の線形アンテナアセンブリの平面図である。 図3の4−4線断面図である。 図3と4のアンテナアセンブリの線形マイクロストリップアンテナトレースに沿った電流を示すグラフである。 図4の線形アンテナアセンブリ上の半波長電場の分布を示すグラフである。 図4の線形アンテナアセンブリ上の位相が0°の全波長電場分布を示すグラフである。 図4の線形アンテナアセンブリ上の位相が90°の全波長電場分布を示すグラフである。 線形アンテナアセンブリの長さに沿って指向されかつギャップによって離間された複数のRFIDラベルを備える図4の線形アンテナアセンブリの平面図である。 拡張されたグラウンド層を有する線形モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの本発明の開示に従う1実施の形態の平面図である。 図10の11−11線端面断面図である。 電場分布を示す図10のアンテナアセンブリの端面図である。 電場分布を示す図10のアンテナアセンブリの側面図である。 伝導性ハウジングを有する線形モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの本発明の開示に従う1実施の形態の平面図である。 図14の15−15線端部断面図である。 蛇行線モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの本発明の開示に従う1実施の形態の上面斜視図である。 図16の蛇行線アンテナアセンブリの平面図である。 図17の18−18線断面正面図である。 蛇行線アンテナアセンブリの長さに沿って指向されかつギャップによって離間された複数のRFIDラベルを備える図17の蛇行線アンテナアセンブリの平面図である。 拡張されグラウンド層を有する蛇行線モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの本発明の開示に従う1実施の形態の平面図である。 図20の21−21線端部断面図である。 伝導性ハウジングを有する蛇行線モノポールマイクロストリップアンテナアセンブリの本発明の開示に従う1実施の形態の平面図である。 図22の23−23線断面図である。

Claims (4)

  1. RFIDラベルを読み取る方法であって:
    近距離場アンテナアセンブリであって、第1表面と第2表面とを有する基板を備え、前記第1表面にマイクロストリップトレースアンテナが配置され、前記第2表面にグラウンド層が配置され、前記アンテナは動作波長の半波長乃至全波長に相当する実効長を有し、ケーブルと同等なインピーダンスとなるようにケーブルが接続する端部とは反対側の端部にて終端抵抗を介して前記グラウンド層に接続される、近距離場アンテナアセンブリを供給するステップと
    前記近距離場アンテナアセンブリからの距離がλ/2π(ここで、λは前記近距離場アンテナの動作波長)のところにRFIDラベルを配置するステップとを含んでなる
    RFIDラベルを読み取る方法。
  2. 請求項1に記載のRFIDラベルを読み取る方法であって、前記アンテナアセンブリを約915MHzの周波数で操作するステップをさらに含んでなるRFIDラベルを読み取る方法。
  3. RFIDラベルを読み取る近距離場アンテナアセンブリであって:
    単一の連続体の導体として構成されたアンテナであって、送り込み点を形成する一端から終端点を形成する他端まで延伸するアンテナを含んでなり、
    前記終端点は抵抗を介してグラウンド層に連結され、
    前記アンテナがマイクロストリップトレースアンテナであり、前記近距離場アンテナアセンブリは、第1表面と、第2表面と、前記第1表面と第2表面によって定められる厚みとを有する基板を含み、
    前記マイクロストリップトレースアンテナは前記基板の前記第1表面に配置され、かつ、グラウンド層が記基板の前記第2表面に配置され、かつ、前記アンテナの実効長が動作波長の半波長乃至全波長に相当する、近距離場アンテナアセンブリ。
  4. 請求項3に記載の近距離場アンテナアセンブリであって、前記アンテナアセンブリの実効長は、nv/f(ここで、vは光速を前記基板の比誘電率の平方根で除したものに等しい伝播波速、fは周波数[Hz]、nは半波長の場合の約0.5から全波長の場合の1.0までの範囲)に比例する波長の波形を生じさせる電流分布を有する長さである、近距離場アンテナアセンブリ。
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