(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
送信アンテナ（４１０）および受信アンテナ（４６０）を有する質問機（３１０）を含む無線周波数識別システムにおいて、
前記送信アンテナのアンテナ利得は、前記受信アンテナのアンテナ利得よりも小さく、前記受信アンテナの垂直方向ビーム幅は、前記受信アンテナの水平方向ビーム幅よりも大きい
ことを特徴とする無線周波数識別システム。
【請求項２】
前記受信アンテナは、１×Ｎアレイに構成されたＮ個の平面アンテナエレメントからなり、Ｎは、２，４および８のうちの１つである
ことを特徴とする請求項１記載の無線周波数識別システム。
【請求項３】
前記送信アンテナは、単一の平面アンテナである
ことを特徴とする請求項１記載の無線周波数識別システム。
【請求項４】
前記送信および受信アンテナは、少なくとも５．０８ｃｍ（２インチ）離れている
ことを特徴とする請求項１記載の無線周波数識別システム。
【請求項５】
前記送信および受信アンテナは、線形分極されている
ことを特徴とする請求項１記載の無線周波数識別システム。
【請求項６】
前記Ｎ個の平面アンテナエレメントは、それぞれ少なくとも５．０８ｃｍ（２インチ）離れている
ことを特徴とする請求項２記載の無線周波数識別システム。
【請求項７】
前記Ｎ個の平面アンテナエレメントからの信号が、同相電力結合器を使用して結合される
ことを特徴とする請求項２記載の無線周波数識別システム。
【請求項８】
前記同相電力結合器が、その端部に沿って電気的にシールドされている
ことを特徴とする請求項７記載の無線周波数識別システム。
【請求項９】
前記Ｎは４であり、
前記同相電力結合器が、カスケード接続された３個のバイナリー結合器である
ことを特徴とする請求項７記載の無線周波数識別システム。
【請求項１０】
前記４個の平面アンテナエレメントが、前記同相電力結合器と背中合わせに取り付けられている
ことを特徴とする請求項９記載の無線周波数識別システム。
【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、無線周波数識別通信システムにおいて使用されるアンテナ技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
無線周波数識別（ＲＦＩＤ）システムは、装置、在庫品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およびタグまたはトランスポンダと呼ばれる多数の安価なデバイスとの間を通信する無線通信システムである。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してタグと通信し、タグは、この変調された無線信号に応答する。
【０００３】
図１は、変調後方散乱（ＭＢＳ）システムを示す。ＭＢＳシステムにおいて、タグへのメッセージの送信（ダウンリンクと呼ぶ）の後に、質問機は、連続波（ＣＷ）無線信号をタグに送信する。そして、タグは、このＣＷ信号をＭＢＳを使用して変調し、アンテナは、変調信号により、ＲＦ放射の吸収体からＲＦ放射の反射体へ電気的に切り換えられる。変調後方散乱は、タグから質問機に戻る通信（アップリンクと呼ぶ）を許容する。別のタイプのＲＦＩＤシステムは、アクティブアップリンク（ＡＵ）を使用する。
【０００４】
図２は、アクティブアップリンクＲＦＩＤシステムを示す。ＡＵシステムにおいて、ＲＦＩＤタグは、到来するＣＷ信号を変調および反射せずに、ＲＦ搬送波を合成し、このＲＦ搬送波を変調し、この変調搬送波を質問機へ送信する。いくつかのＡＵシステムにおいて、アップリンクにおいて使用されるＲＦ搬送波は、ダウンリンクにおいて使用されるＲＦ搬送波と同じかまたはその近傍の周波数であるが、他のＡＵシステムにおいては、アップリンクにおいて使用されるＲＦ搬送波は、ダウンリンクにおいて使用されるＲＦ搬送波とは周波数が異なる。
【０００５】
従来のＲＦＩＤシステムは、ａ）質問機の有効範囲を通過する対象物を識別するため、かつｂ）タグ上にデータを格納し、在庫品を管理するためまたはいくつかの他の有用な適用例を実行するために、後の時点において、タグからそのデータを検索するように設計されている。いくつかのＲＦＩＤ適用例において、指向性アンテナが使用される。
【０００６】
例えば、ＲＦＩＤ電子通行料金集金システムにおいて、図３に示すように、質問機は、高速道路の上に張り出している。この適用例において、送信アンテナおよび受信アンテナは、同じビーム幅を有する。事実、送信周波数および受信周波数は、送信パスおよび受信パスを分離するために、サーキュレータを使用して、同じアンテナを共用する。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、小型、軽量かつ低価格で用途に適したビーム幅を提供することが可能な送信および受信アンテナを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の一実施形態によれば、一般的なアンテナシステムが、ＲＦＩＤタグが質問機のそばを通過する適用例に適切なものとして開示される。そして、送信のために単一の平面アンテナおよび受信のためにマルチエレメント平面アンテナを使用する一実施形態を開示する。マルチエレメント平面アンテナアレイは、平面アンテナのそれぞれが中心間隔で１０．１６ｃｍ（４インチ）離れており、水平面において狭い３０゜の受信ビーム幅を定義するように配置される。
【０００９】
垂直方向の受信帯域幅は、３０゜よりもはるかに大きく、質問機が様々な大きさにおける信号を受信することを容易にする。また、マルチウェイマイクロストリップ結合器が、平面アンテナのそれぞれから受信される信号を加算するために使用される。送信アンテナからの干渉をブロックするために、かつ受信感度を改善するために、このマルチウェイマイクロストリップ結合器は、一実施形態において、その端部に沿って銅テープを使用してシールドされる。別の具体的な実施形態において、４エレメント受信アンテナ設計が開示される。
【００１０】
この適用例において、我々は貨物コンテナを追跡するためのＲＦＩＤシステムである貨物タグシステムに適したアンテナ技術を開示する。この適用例は、説明の１つのポイントとして使用されるが、ここで説明される方法は、貨物タグシステムに限定されるものではない。貨物タグシステムの目的は、貨物コンテナが質問機の有効範囲内に入った時に、貨物コンテナに固定されたタグの内容を識別することである。
【００１１】
貨物コンテナは、倉庫のゲートを所定の速度、例えば１０メータ／秒で通過し、通路の後方であってその側面に配置された質問機は、そのタグを読み取ることを要求される。タグ中の電池の寿命を延ばすために、タグのマイクロプロセッサのような電子部品は、ほとんどの時間「眠った状態」にある。したがって、タグは、質問機とタグとの間の通信が開始できるように、質問機によって起こされなければならない。タグが起こされた後に、アンテナシステムは、最適な通信のために、設計されなければならない。
【００１２】
この開示において、我々は、ＲＦＩＤタグが質問機のそばを通過する適用例に適した一般的なアンテナシステムを説明する。そして貨物タグ適用例によく適した一般的なアンテナシステムの設計に基づいて、具体的なアンテナシステム設計を開示する。このアンテナシステムは、小型、軽量、低コストである送信および受信アンテナを提供し、これらの適用例に対して適切なビーム幅を提供する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
まず、貨物タグ適用例のためのアンテナシステムの望ましい特性を考慮する。図４において、タグ２２０は、貨物コンテナ２３０に取り付けられ、ゲート２４０を通り質問機２１０を通過する。
【００１４】
質問機２１０は、ＲＦ信号をタグ２２０に規則的に送信する。このＲＦ信号は、タグが質問機との時間的な同期を達成できるように、少なくともタイミング情報を含む。一般に、少なくとも２つのタイプの時間的な同期が必要とされる。それは、ビットおよびフレームである。ビット同期は、各ダウンリンクビットの開始がいつであるかを予測するために十分なタイミング情報をタグが有することを意味する。
【００１５】
フレーム同期は、アップリンクデータをいつ送信し始めるかを知るための十分なタイミング情報をタグが有することを意味する。したがって、質問機は、最初にタグ２２０に信号を送信しなければならない。この信号は、タグを起こさせ、タグにビットおよびフレームの両方の同期を獲得させる。最適な性能のために、タグが質問機の受信アンテナパターンを通過するときまでに、完全に起こされていなければならず、かつ時間的に同期されていなければならない。
【００１６】
一般に、ビットおよびフレーム同期を得るためのタグについてのダウンリンク信号体雑音比は、データを正確に受信するために通信機に要求されるアップリンク信号体雑音比程大きくはない。したがって、我々は、アップリンク通信パスが信頼性のあるアップリンクデータ送信のために十分に明瞭である時点の前であっても、タグを最初に起こさせ、ビットおよびフレーム同期を達成することを望む。
【００１７】
したがって、ダウンリンク送信ビーム２５０は、アップリンク受信ビーム２６０よりも水平平面において、より広いビーム幅を有しなければならない。これは、データのアップリンク通信が始まる前に、タグが質問機２１０に関してビットおよびフレーム同期を達成することを可能にする。
【００１８】
図４は、この一般的な原理の具体的な実施形態を示す。質問機は、比較的広い送信ビーム２５０、この実施形態においては±３０゜を使用して送信する。このためタグ２２０は、タグが質問機の前で最適な読み取り量に達する前に、そのクロックを質問機２１０に同期させることができる。起きた後に、タグ２２０は、この実施形態において水平ビーム幅±１５゜を有する受信ビーム２６０に入る。
【００１９】
ＡＵシステムにおいて、タグは上述したようにデータを質問機に返信し、ＭＢＳシステムにおいて、タグは、質問機２１０により送信されたＣＷマイクロ波信号を変調かつ反射することにより応答する。したがって、アップリンク（即ち、タグ２２０から質問機２１０への）通信が行われ、タグ２２０は、受信ビーム中に位置される。受信ビーム２６０は、狭い帯域幅およびしたがってより大きなアンテナ利得を有するので、この追加的な利得は、アップリンク信号の性能を向上させ、アップリンク通信パスの信頼性を強化する。
【００２０】
受信ビーム２６０の必要とされる特性をさらに検査する。貨物タグのような適用例に対して、タグ２２０は、多数の異なる高さにおいて質問機のそばを通る可能性がある。例えば、この特定の貨物タグ２２０が取り付けられた貨物コンテナ２３０が質問機２１０のそばを非常に接近して通過すると仮定する。質問機２１０は、地面から１メートルの高さに位置していると仮定する。
【００２１】
そして、貨物タグ２２０が貨物コンテナ２３０の底部またはその近傍に取り付けられている場合、貨物タグ２２０は、質問機の高さよりも低くなり得る高さにおいて質問機２１０のそばを通ることになる。この場合は、図５にすぐ近くのタグ３２０として示されている。別の場合は、質問機２１０を最大の有効範囲において通過する貨物コンテナ２３０に貨物タグ２２０が取り付けられている場合であり、この場合は図５において、遠方のタグ３３０として示されている。
【００２２】
さらに別の場合は、複数の貨物コンテナ２３０が互いに積み重ねられており、質問機２１０を最大の有効範囲で通過する遠方の積み重ねタグ３４０の場合である。すぐ近くのタグ３２０は、質問機３１０から１メートル未満にあり、遠方の積み重ねタグ３４０は、２メートルの高さで質問機から５メートルであり得る。したがって、この例において、最小の垂直方向ビーム幅３５０は、５６゜であり、さらに極端な状況に対して保護するために、垂直方向ビーム幅はさらに大きくなければならない。したがって、我々は、垂直方向受信ビーム幅は、水平方向受信ビーム幅よりも大きくなければならないと結論づけた。
【００２３】
送信および受信アンテナとして使用できる様々なアンテナのタイプを考える。狭い受信ビーム２６０を得るために、パラボラ状の円盤、矩形導波管ホーンまたは平面アンテナアレイを含む多くの候補がある。パラボラ、即ち最もポピュラーなマイクロ波アンテナは、放物面の形状の金属円盤を含み、典型的にはその焦点に位置された低雑音受信器（ＬＮＲ）を有する。選択された放物面の部分に依存して、パラボラの軸は、放物面軸に対して中心を合わせるかまたはオフセットさせることができる。
【００２４】
典型的な円形の中心を合わされた放物面パラボラに対して、そのビーム幅は、円盤の直径および搬送波周波数の積に逆比例する。２．４５ＧＨｚにおいて、３０゜（即ち、±１５゜）のビーム幅を有する放物面円盤を得るために、円盤の直径は、２８．５７ｃｍ、即ち１１．２５インチでなければならない。したがって、直径が１フィートよりも小さい放物面円盤が、実用的である。しかし、その焦点に受信器および送信器を取り付ける機械的な構造は、複雑であり、したがって高価となる。また、放物面円盤は、水平方向および垂直方向に対象のアンテナパターンを生じ、これは上述の要求に反する。
【００２５】
矩形導波管アンテナホーンは、高利得で狭いビームアンテナの別の候補である。断面積が１４”×１０．５”および１６．７５”の長さを有する標準的な導波管ホーンは、１８ｄＢｉの指向性を有し、したがって狭いビーム幅を有する。しかし、その１．５フィートの長さは、非常に大きく結果としての質問機の設計は、扱いにくくなる。隆起導波管を使用した小さなホーンであっても、依然として大きく、約１フィートの長さである。そのような大きく、重い金属性の導波管ホーンは、大きなスペースが利用できかつ重量が問題とならない固定ターミナルまたは基地局として適している。ポータブルな基地局のためには、それらは大きすぎかつ重すぎる。
【００２６】
最終的に、我々は、アンテナアレイ中のエレメントとして平面アンテナを考える。商業的に入手可能なスロットフェドパッチアンテナ（ｓｌｏｔ−ｆｅｄ  ｐａｔｃｈ  ａｎｔｅｎｎａ）は、８．５ｄＢｉアンテナ利得、７５゜水平方向ビーム幅および８％の帯域幅を有するものが入手可能である。したがって、このアンテナは、２３００ＭＨｚから２５００ＭＨｚまでをカバーし、２４００から２４８３．５ＭＨｚＩＳＭ帯域まで容易に包含する。また、このアンテナは、１０．１ｃｍ×９．５ｃｍ×３．２ｃｍと小さく、１００ｇと軽量である。
【００２７】
別の魅力的な平面アンテナは、ＦＲ−４，デュロイド（Ｄｕｒｏｉｄまたはセラミックのような回路基板上にエッチングされたアンテナパッチからなるマイクロストリップパッチアンテナアレイである。一般に、狭帯域デバイス（典型的には１％帯域幅）のパッチアンテナは、４％の帯域幅を得るために、厚い基板（＞３．１７５ｍｍ、即ち＞１２５ミル）を必要とする。大きなデュロイドの基板（ここに示される１×４アレイに対して、例えば４”×１６”）は、高価であるが、パッチアレイで可能であるアンテナおよび結合器の集積は、それを魅力的な代替手段にする。
【００２８】
平面アンテナは、様々な分極で開発され得る。即ち、右側円形分極（ＲＣＰ）、左側円形分極（ＬＣＰ）および線形分極（ＬＰ）である。一般に、送信アンテナと受信アンテナとの間の分極は、整合された対でなければならない。即ち、ＲＣＰ送信アンテナは、ＲＣＰ受信アンテナと通信しなければならず、ＬＣＰアンテナは、ＬＣＰアンテナと通信しなければならない。
【００２９】
しかし、ＬＣＰまたはＲＣＰアンテナは、３ｄＢの損失を有するＬＰアンテナと通信する。即ち、信号の１つの直交成分のみが、ＬＰアンテナを励起する。同様に、線形分極された送信アンテナは、線形分極された受信アンテナと通信しなければならない。一実施形態において、タグは、線形分極（ＬＰ）４分の１波長パッチアンテナを使用する。結果として線形分極（ＬＰ）送信および受信アンテナは、質問機として望ましい選択である。
【００３０】
移動する貨物コンテナ２３０に取り付けられたタグ２２０は、その方位を連続的に変化させ、アンテナの方位を一致させる。これは、分極、即ち困難な仕事に直接的に関連している。円形の分極アンテナは、線形分極（ＬＰ）タグアンテナが使用される場合、３ｄＢの利得損失を受けるにもかかわらず、タグの方向に慣用である。３つの分極アンテナの全てが研究された。
【００３１】
実際には、線形分極（ＬＰ）アンテナが、質問機として最適な選択であることが分かった。円形に分極されたアンテナについて、方位に対して低減された感度は、ＬＰタグアンテナと共に使用される場合、固有の３ｄＢ損失を補償すると思われない。結果として、線形分極平面アンテナは、質問機２１０中の送信アンテナおよび受信アンテナの双方に適切である。
【００３２】
所望の広い送信ビーム２５０および狭い受信ビーム２６０を得るために、我々は、１つの平面アンテナを送信アンテナとして使用し、１×４線形アレイ中の４個の平面アンテナを受信アンテナとして使用する。フバーアンドシューナー（Ｈｕｂｅｒ  ＆  Ｓｕｈｎｅｒ）ＡＧ社のスロットフィードパッチアンテナのような平面アンテナが使用できる。全てのアンテナは、垂直方向に分極されている。
【００３３】
図６に示されているように、送信アンテナ４１０は、１×４受信アンテナアレイ４２０〜４５０の１０．１６ｃｍ（４インチ）上方の右上角に取り付けられる。この１０．１６ｃｍ（４インチ）の間隔は、送信アンテナと受信アンテナアレイとの間の分離をサポートするために選ばれた。送信および受信ビームは、表面４５２の面から垂直に延びる。１×４線形アレイは、１０．１６ｃｍ（４インチ）の間隔で分離された４個のアンテナ４２０，４３０，４４０および４５０を有する。各アンテナは、同軸コネクタ４５５を有する。
【００３４】
１０．１６ｃｍ（４インチ）の間隔は、必要とされる±１５゜の水平方向受信ビーム幅を生じるために選ばれた。この間隔が５．０８ｃｍ（２インチ）以下に狭められたとしたら、ビーム幅は、単一の平面アンテナのビーム幅よりもかなり小さくなる可能性はなく、アレイを使用するインセンティブはなくなる。この１×４アレイは、狭い水平方向ビーム幅を形成すると同時に広いビーム幅が垂直面において維持されるという利点を有する。したがって、この設計は上述の要求に合う。１×４線形アレイの後ろ側に、この４個の受信信号の和をとるための４ウェイ同相マイクロストリップ電力結合器４６０がある。
【００３５】
図７は、図６のアンテナアレイの断面図である。４個の平面アンテナパッケージ４２０，４３０，４４０および４５０は、基板４８０に取り付けられる。回路基板４８０は、ＦＲ−４、Ｄｕｒｉｏｄまたはセラミックのような材料から作ることができる。基板４８０の表面４５２は、銅のような導電性表面であり、接地面として使用される。
【００３６】
内部平面アンテナパッケージ４２０，４３０，４４０および４５０は、それぞれパッチアンテナ４８２，４８４，４８６および４８８である。マイクロストリップ電力結合器４６０は、回路基板４８０の表面４９４上でエッチングされる。各パッチアンテナは、貫通孔４９２を通る同軸ピン接続４９０によりマイクロストリップ電力結合器４６０に電気的に接続される。
【００３７】
図８の実施形態に示されているように、この４ウェイマイクロストリップ結合器は、回路基板上でエッチングされた３個のバイナリー結合器５１０，５２０および５３０からできている。一実施形態において、回路基板は、ＦＲ−４材料を使用する。４個の貫通孔は、エンドチップにおいてエッチングされ、基板の他の側の４個の平面アンテナへの同軸ピン接続を可能にする。
【００３８】
この４個のアンテナは、４ウェイ結合器の接地面に直接的に取り付けられる。したがって、４ウェイマイクロストリップ電力結合器は、前面の４個の平面アンテナと背中合わせに取り付けられる。このようにして、結合器は、接地面だけではなく、１×４線形アンテナアレイに対する間隔および機械的な構造も提供する。
【００３９】
また、送信アンテナと受信アンテナとの間のクロストークを低減するために、４ウェイマイクロストリップ結合器をその４個の端部に沿ってシールドすることにより受信アンテナアレイがよりよく動作することがわかった。一実施形態において、図６および７に示されているように、このシールディングは、マイクロストリップ結合器アンテナアッセンブリの４つの端部（５０２，５０４，５０６および５０８）の全ての間に取り付けられた接着銅テープ５００を使用する。この銅テープシールディングは、送信アンテナから放射されるＣＷ電力が結合器に漏洩することおよび低雑音増幅器（ＬＮＡ）を飽和させることを防止する。銅テープシールディングにより、受信感度が相当に改善されることが分かった。
【００４０】
上述した１×４線形受信アンテナアレイのアンテナパターンは、水平方向即ち方位平面で測定された。メインローブは、±１２゜で３ｄＢのビーム幅を有し、±１６゜において第１のゼロ点を有する。いくつかのサイドローブが観測されたが、それらの振幅は、メインローブの振幅よりも少なくとも１３ｄＢ低かった。図９は、メインローブ全体について、方位角−２０゜から＋２０゜までスイープされた時のシステム性能６１０を示す。図９に示されているように、システム性能は、３０゜（−１５゜から＋１５゜）ビーム幅の中においてほとんど平坦である。システム性能は、タグがビームの外側に移動したときに、急激に低下する。
【００４１】
上記の開示において、我々は、４エレメントアレイの平面アンテナを使用した。別の実施形態において、異なる数のアンテナも使用可能である。この実施形態は、２エレメントアレイに対しても適用可能である。図８のマイクロストリップ結合器は、２つの平面アンテナからの信号を結合するために、５２０のような１つの結合エレメントを有するように単純化され得る。２つの平面アンテナ間の距離は、方位アンテナパターンを最適化するために選択される。
【００４２】
さらに、８個のアンテナ平面アレイも使用可能であり、マイクロストリップ結合器は、図８に示された２段ではなく３段の２エレメント結合を有するように拡張され得る。アンテナの数を８個に拡張することは、ビーム幅をさらに減少することを可能にするが、同じ目標は、上述した４エレメント平面アンテナアレイの各エレメント間の間隔を増大させることによっても達成可能である。また、８個のアンテナを使用することは、質問機の幅が大きくなるので、扱いにくくなる。
【００４３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、小型、軽量かつ低価格で用途に適したビーム幅を提供することが可能な送信および受信アンテナを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】変調後方散乱ＲＦＩＤシステムの一例を示す図。
【図２】アクティブアップリンクＲＦＩＤシステムを示す図。
【図３】通行料金集金ＲＦＩＤシステムを示す平面図。
【図４】貨物タグＲＦＩＤシステムを示す平面図。
【図５】貨物タグが質問機を通り過ぎるときの質問機と貨物タグとの間の関係を示す図。
【図６】貨物タグアンテナシステムを示す図。
【図７】図６のアンテナシステムの断面図。
【図８】貨物タグアンテナシステムにおいて使用されるマイクロストリップ電力結合器を示す図。
【図９】方位角に対する測定されたシステム性能を示す図。
【符号の説明】
４１０  送信アンテナ
４２０−４５０  １×４受信アンテナアレイ
４５２  表面
４５５  同軸コネクタ
４６０  ４ウェイ同相マイクロストリップ電力結合器
４８０  回路基板
５００  接着銅テープ
５０２，５０４，５０６，５０８  端部
【図１】
0003561133.tif 000002
【図２】
0003561133.tif 000003
【図３】
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【図４】
0003561133.tif 000005
【図５】
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【図６】
0003561133.tif 000007
【図７】
0003561133.tif 000008
【図８】
0003561133.tif 000009
【図９】
0003561133.tif 000010