(57)【要約】【目的】使用周波数が異なる複数の地域で利用可能なRFIDタグを提供する。【構成】タグアンテナとタグLSIを備えたRFIDタグであり、給電パターン部にタグLSIが搭載された給電素子、タグアンテナとして動作し、且つサイズが異なる複数のパッチアンテナ、給電素子と各パッチアンテナ間を高周波結合する高周波結合部を備えている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
タグアンテナとタグLSIを備えたRFIDタグにおいて、
給電パターン部にタグLSIが搭載された給電素子、
タグアンテナとして動作し、且つサイズが異なる複数のパッチアンテナ、
前記給電素子と前記各パッチアンテナ間を高周波結合する高周波結合部、
を備えたことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項２】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記給電パターン部はループパターンを備え、前記高周波結合部は該ループパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する、
ことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項３】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記給電パターン部は線状アンテナパターンを備え、前記高周波結合部は該線状アンテナパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する、
ことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項４】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記給電パターン部はループパターンと線状アンテナパターンの組み合わせパターンを備え、前記高周波結合部は該ループパターンあるいは線状アンテナパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する、
ことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項５】
請求項３乃至４記載のRFIDタグにおいて、前記線状アンテナパターンはダイポールパターンあるいはモノポールパターンである、
ことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項６】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記パッチアンテナの一部を切り欠いてH型あるいはC型パッチ形状にしたことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項７】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記パッチアンテナの角部を斜めに切り欠くことで円偏波を受信、放射可能にした構造を備えたことを特徴とするRFIDタグ。
【請求項８】
請求項１記載のRFIDタグにおいて、
前記パッチアンテナに斜めにスリットを設けることで円偏波を受信、放射可能にした構造を備えたことを特徴とするRFIDタグ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、タグアンテナとタグLSIを備えたRFIDタグに関わり、特に、サイズが異なる複数のパッチアンテナをタグアンテナとして設けることによりマルチバンド化して使用周波数が異なる複数の地域で使用可能なRFIDタグに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、流通業界、運送業界等において、個々の製品情報を管理する方法として、製品自体に、あるいは製品の箱にバーコードを印刷あるいは貼付し、このバーコードをバーコードリーダによって読取る方法が広く用いられている。しかし、かかるバーコード処理方法では、バーコードを読取る際、バーコードリーダをバーコードに接触させなければならず、読み取り作業が面倒であった。また従来のバーコード処理方法では、バーコード自体に新たな情報を追加あるいは更新することができない問題があった。このため、近年、バーコードに替わって物品等にRFID（Radio Frequency Identification）タグをつけ、物品の情報を無線（電磁結合）により非接触で読み取ることが要求され、実用化されつつある。RFIDタグは、ICカードの機能に情報の無線通信機能を追加したもので、情報記録可能な不揮発性メモリを備えているが電池(電源部)を有していない。このため、タグ読み取り装置はRFIDタグのメモリから情報を非接触で読み取る際、電磁波でRFIDタグに電力を供給し、該メモリから情報を読み取るようになっている。かかるRFIDタグによれば、作業性の大幅な向上を図ることができ、しかも、RFIDタグとの間で認証機能、暗号化等の技術を用いることにより、優れたセキュリティを確保することができる。
【０００３】
図２１はRFIDタグの説明図であり、読み取り装置１はアンテナ２より送信データで変調した無線信号（電磁波）をRFIDタグ３に送信する。無線タグ３のアンテナ３ａは受信信号を整流回路３ｂと変復調回路３ｃに入力する。整流回路３ｂは無線信号を直流電圧に変換して変復調回路３ｃと論理回路３ｄに供給し、電源として動作する。変復調回路３ｃは読み取り装置1から送られてきた制御データを復調し、論理回路３ｄに入力する。論理回路３ｄは該制御データ(コマンド)に応じた論理処理を行なって、例えば内蔵のメモリに記憶されている情報を読み取って変復調回路３ｃに入力する。変復調回路３ｃは論理回路から入力された情報を用いて搬送波を変調して無線でアンテナ３ａから読み取り装置1に送信する。
【０００４】
RFIDタグとして種々のタイプが提案されている。その１つとして本出願人は、タグLSIが搭載された給電パターン部、タグアンテナとして動作するパッチアンテナ、給電パターン部とパッチアンテナ間を高周波結合する高周波結合部を備えたUHF帯のRFIDタグを提案している(特許文献１)。このUHF帯RFIDタグによれば、金属や液体を含む物体に貼り付けても通信距離が劣化せず、また、給電のためにパッチアンテナに孔を明ける必要がなく、更にはインピーダンス変換回路が不要であり、小型、薄型構造とすることができる利点があるが、周波数帯域が狭く、パッチアンテナの共振を外れると利得が急激に劣化する問題がある。
このため、上記提案済みのRFIDタグは広い周数帯域が要求される場合に使用できない問題がある。すなわち、UHF帯RFIDタグと言っても国によって使用周波数が異なり、日本における使用周波数は952−954MHｚ、米国における使用周波数は902−928MHｚ、欧州における使用周波数は869.4-869.65MHｚであり、周波数帯域が狭い上記のRFIDタグはこれら複数国で利用される製品、部品に装着して製品情報を管理するために使用できない。
【０００５】
従来技術として、複数周波数に使用可能なマルチバンド対応RFIDタグがある(特許文献２参照)。このRFIDタグは図２２(A）に示すように、１枚のH型パッチアンテナ５を(B)に示すように多数のライン素子６で置き換えた構成を備え、ライン素子６ａ，６ｂの長さを変えることにより(C)に示すように複数周波数（７.8GHZ,10.8GHz）に対応可能とするものである。しかし、この従来技術のRFIDタグでは、複数周波数が互いに十分に離れている必要があり、周波数が比較的近い場合に利用できない問題がある。すなわち、上記の日本、米国、欧州における使用周波数のように周波数が比較的近い場合に利用できない問題がある。
【特許文献１】特願２００６−２１６７２７号
【特許文献２】特開平１０−７０４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従って、本発明の目的は、周波数帯域が広いRFIDタグを提供することである。
本発明の別の目的は、使用周波数が異なる複数の地域で利用可能なRFIDタグを提供することである。
本発明の別の目的は、使用周波数が比較的近い場合でも利用可能なRFIDタグを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明は、タグアンテナとタグLSIを備えたRFIDタグであり、給電パターン部にタグLSIが搭載された給電素子、タグアンテナとして動作し、且つサイズが異なる複数のパッチアンテナ、前記給電素子と前記各パッチアンテナ間を高周波結合する高周波結合部を備えている。
前記RFIDタグの給電パターン部はループパターンを備え、前記高周波結合部は該ループパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する。あるいは、前記RFIDタグの給電パターン部は線状アンテナパターンを備え、前記高周波結合部は該線状アンテナパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する。あるいは、前記RFIDタグの給電パターン部はループパターンと線状アンテナパターンの組み合わせパターンを備え、前記高周波結合部は該ループパターンあるいは線状アンテナパターンと各パッチアンテナ間を高周波結合する。
【発明の効果】
【０００８】
本発明によれば、タグアンテナとして動作し且つサイズが異なる複数のパッチアンテナを設けたから、周波数帯域を広くでき、しかも、日本、米国、欧州におけるRFIDタグの使用周波数における利得を大きくでき、これら使用周波数が異なる複数の地域（日本、米国、欧州）で利用可能なRFIDタグを提供することができる。
本発明によれば、給電パターン部と各パッチアンテナ間を高周波結合するようにしたから、給電のためにパッチアンテナに孔を明ける必要がなく、しかも、給電部の構造を簡単にできる。
本発明によれば、ループパターンあるいは線状アンテナパターンの長さを調整し、あるいは、これら長さとパッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なうことができる。したがって、インピーダンス変換回路が不要であり、小型、薄型構造とすることができる。
本発明によれば、パッチアンテナの一部を切り欠いてH型あるいはC型パッチ形状にしてRFIDタグの小型化を図ることができる。本発明によれば、パッチアンテナの角部を斜めに切り欠くことで、あるいは、パッチアンテナに斜めにスリットを設けることで円偏波を受信および放射することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（Ａ）第１実施例
（ａ）構造
図１は第１実施例のRFIDタグの説明図であり、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）要部拡大図である。
第１実施例のRFIDタグは、両面プリント基板１１の表面をエッチングしてタグアンテナとして動作する３つのパッチアンテナ１２ａ〜１２ｃと給電パターン部１４とを形成し、該給電パターン部１４にタグLSI１５をチップボンディング技術により実装して作成される。給電パターン部１４とタグLSI１５は給電素子１３を構成する。プリント基板１１の図示しない裏面の導電パターンはベタグランド(全面金属)として使用される。
パッチアンテナ１２ａ〜１２ｃのサイズL0〜L2は共振周波数が欧州、米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるように決められている。給電パターン１４は、ループパターン１４ａと微小モノポールアンテナとして動作するモノポールパターン１４ｂを備え、これらパターンが各パッチアンテナ１２ａ〜１２ｃに高周波結合し、この高周波結合部を介してタグLSI１５より各パッチアンテナに信号が入力し、あるいは各パッチアンテナで受信した信号が各パターンに伝わってタグLSI１５に入力する。微小モノポールアンテナとは波長λに比べてきわめて短い長さのモノポールアンテナのことを意味し、ここではモノポールパターンあるいはモノポールアンテナパターンという。
【００１０】
パッチアンテナ１２ａの左側端部には浅い切り欠き１２ａ-１が形成され、この切り欠きにループパターン１４ａの一部が配置され、該切り欠きを介してループパターン１４ａとパッチアンテナ１２ａ間が高周波的に接続される。すなわち、ループパターン１４ａよりパッチアンテナ１２ａに高周波的に給電するようになっている。パッチアンテナ１２ｂにはループパターン１４ａの一部とモノポールパターン１４ｂが直線状に所定の隙間をおいて並行配置され、該ループパターン１４ａ、モノポールパターン１４ｂとパッチアンテナ１２ｂ間が高周波的に接続され、パッチアンテナ１２ｂに高周波的に給電するようになっている。また、パッチアンテナ１２ｃにはループパターン１４ａの一部が所定の隙間をおいて並行配置され、該ループパターン１４ａとパッチアンテナ１２ｃ間が高周波的に接続され、パッチアンテナ１２ｃに高周波的に給電するようになっている。なお、パッチアンテナ１２ｂ、パッチアンテナ１２ｃに切り欠きが形成されていないが、パッチアンテナ１２ａと同様に切り欠きを形成し、該切り欠きにループパターン１４ａの一部およびモノポールパターン１４ｂを配置するように構成することもできる。
【００１１】
かかるRFIDタグのパッチアンテナ１２の１辺の電気的長さを図２（Ａ）に示すようにλ／２にして所定周波数で該パッチアンテナを共振、すなわち、電流Ｊをパッチアンテナ表面で往復させる。すると、図２（Ｂ）に示すようにＹ軸（水平）方向に偏波を持つ電波がパッチアンテナに垂直方向（Ｚ軸方向）に放射する。この電波はパッチアンテナのグランド側の物資の特性に影響されない。したがって、図１の各パッチアンテナ１２ａ〜１２ｃの共振周波数がそれぞれ欧州、米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるようにサイズL0〜L2を決めると該共振周波数でRFIDタグの利得が大きくなる。
図３（Ａ），（Ｂ）は図１のRFIDタグの実際の寸法を示すもので、ループパターンの片側の長さS0を26mm、モノポールパターンの長さ（S1-S0）を6mm、すなわちS1=32ｍｍとしている。また、パッチアンテナ１２ａ〜１２ｃの一辺のサイズL0〜L2はそれぞれ82mm,79mm,75mmとし、860MHz、910MHz、950MHz付近でそれぞれ共振するようになっている。基板特性、すなわち、誘電体特性は、比誘電率=4.5、誘電損失=0.009とし、基板厚さを1．2mmとしている。
【００１２】
（ｂ）各種特性
図３の寸法および前述の基板特性を備えるRFIDタグにおいて、パッチアンテナに加える周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの各種特性をシミュレーションした。
・整合特性
図４の（A）はタグアンテナのインピーダンスを示すスミスチャートであり、（B）は一部拡大図である。周波数を820MHzから1000MHz まで変化するとタグアンテナのインピーダンスはIPTで示すように丸を描くように変化する。しかし、インピーダンスは大きく変動していないことがわかる。これは、広い帯域に亘ってタグLSIとタグアンテナの整合がとりやすいことを意味している。
図５はタグLSIとタグアンテナで構成されるRFIDタグの等価回路である。等価回路はタグLSIとタグアンテナの並列回路で表わされ、タグLSIは抵抗Rcp（Ω）とキャパシタンスCc（pF）の並列回路で表わされ、タグアンテナは抵抗Rap（Ω）とインダクタンスLap（H）の並列回路で表わされる。なお、タグLSIのリアクタンスXcは1/ｊωCcp、タグアンテナのリアクタンスXaはjωLであり、RFIDタグにおける整合の条件はRc=Ra、｜Xc｜=｜Xa｜である。
【００１３】
・利得特性
図６は周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときのタグアンテナの利得を示している。EUは欧州におけるRFIDタグの使用周波数（869.4-869.65MHｚ）での利得であり、USは米国におけるRFIDタグの使用周波数（902−928MHｚ）での利得であり、JPは日本におけるRFIDタグの使用周波数（952−954MHｚ）での利得であり、日米欧で使用される周波数帯で利得が高いことが分かる。
【００１４】
・S11特性及び通信距離
表1に示すようにタグLSIが動作するために必要な最小パワーを−７.00dBm、タグLSIの抵抗Rcpを2000.0Ω、キャパシタンスCcpを0.55pF、リーダライターのアンテナに供給されるパワーを27.00dBm、リーダライタアンテナ利得を9.00dBiとしてS11特性及び通信距離をシミュレーションした。
【表１】
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図７は周波数を820MHzから1000MHz まで変化したときのSパラメータS11のシミュレーション結果である。SパラメータS11はタグLSIとタグアンテナとのインピーダンスマッチングの度合を表わすものであり、基準インピーダンスを50Ωではなく、タグLSIのインピーダンスとしている。図７より日米欧の3つのRFIDタグ使用周波数帯で整合が取れていることが分かる。
【００１５】
図８は周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの通信距離を示し、リーダライターのアンテナに直線偏波のアンテナを使った場合であり、日米欧の3つのRFIDタグ使用周波数帯で通信距離を長くできることが分る。RFIDタグの通信距離ｒは概略以下の式で与えられる。
【数１】
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ここで、λは波長、Ptはリーダライタアンテナに加えたパワー、Gtはリーダライタアンテナのアンテナゲイン、Ｇｒはタグアンテナのアンテナゲイン、qは整合係数、PthはタグLSIが動作するために必要なパワーの最小値である。また、ZcおよびZaはそれぞれ、タグLSIとタグアンテナの複素インピーダンスであり、Zc=Rcp+j・Xc、Za＝Rap+j・Xaである。
【００１６】
・整合調整
タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングが取れない場合がある。かかる場合にはループパターンあるいはモノポールパターンの長さを調整し、あるいは、パッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なう。整合調整については第２実施例において詳述する。
【００１７】
（ｃ）効果
第１実施例によれば、タグアンテナとして動作し且つサイズが異なる複数のパッチアンテナを備えたから、周波数帯域を広くでき、しかも、日本、米国、欧州におけるRFIDタグ使用周波数における利得を大きくでき、これら使用周波数が異なる複数の地域（日本、米国、欧州）で利用可能なRFIDタグを提供することができる。また、第１実施例によれば、給電パターン部と各パッチアンテナ間を高周波結合するようにしたから、給電のためにパッチアンテナに孔を明ける必要がなく、しかも、給電部の構造を簡単にできる。
また、第１実施例によれば、ループパターンあるいは線状アンテナパターン(モノポールパターン)の長さを調整し、あるいは、これら長さとパッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なうことができる。したがって、インピーダンス変換回路が不要であり、小型、薄型構造とすることができる。
【００１８】
（Ｂ）第２実施例
（ａ）構造
図９は第２実施例のRFIDタグの説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）要部拡大図である。
第２実施例のRFIDタグは、両面プリント基板２１の表面をエッチングしてタグアンテナとして動作する２つのパッチアンテナ２２ａ〜２２ｂと給電パターン部２４をそれぞれ形成し、該給電パターン部２４にタグLSI２５をチップボンディング技術により実装することにより作成される。給電パターン部２４とタグLSI２５は給電素子２３を構成する。プリント基板２１の図示しない裏面の導電パターンはベタグランド(全面金属)として使用される。
パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂのサイズL１〜L2は、共振周波数が例えば米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるように決められている。給電パターン２４は、ループパターン２４ａと微小ダイポールアンテナとして動作するダイポールパターン２４ｂ、２４ｃを備え、ダイポールパターン２４ｂ，２４ｃが各パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂに高周波結合し、この高周波結合部を介してタグLSI２５より各パッチアンテナに信号が入力し、あるいはパッチアンテナで受信した信号が各パターンに伝わってタグLSI２５に入力する。微小ダイポールアンテナとは波長λに比べてきわめて短い長さのダイポールアンテナのことを意味し、ここではダイポールパターンあるいはダイポールアンテナパターンという。ダイポールアンテナやモノポールアンテナは線状アンテナの一種である。
各パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂの端部中央に細長の切り欠き２６ａ，２６ｂが形成され、ダイポールパターン２４ｂ、２４ｃが該切り欠きの中に設けられている。ダイポールパターンの上側にはインピーダンス調整用のループパターン（並列インダクタ）２４ａがダイポールパターンと一体に形成され、その長さは後述するようにタグアンテナがLSIチップ２５にインピーダンスマッチングするように調整される。ダイポールパターン２４ｂ，２４ｃは、パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂに形成した細長の切り欠き２６ａ，２６ｂに挿入され、該切り欠きを介してパッチアンテナ２２ａ〜２２ｂに高周波的に給電するようになっている。
【００１９】
かかるRFIDタグのパッチアンテナの１辺の電気的長さをλ／２にし、該パッチアンテナを該サイズに応じた所定周波数で共振、すなわち、電流Ｊをパッチアンテナ表面で往復させると、図２で説明したようにＹ軸（水平）方向に偏波を持つ電波がパッチアンテナに垂直方向（Z軸方向）に放射する。したがって、図９の各パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂの共振周波数がそれぞれ米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるようにサイズL1〜L2を決めると該共振周波数でRFIDタグの利得が大きくなる。
図１０（Ａ），（Ｂ）は図９のRFIDタグの実際の寸法を示すもので、パッチアンテナ２２ａ〜２２ｂの一辺のサイズL１〜L2はそれぞれ77.5mm,74mmとし、910MHz、950MHz付近でそれぞれ共振するようになっている。基板特性、すなわち、誘電体特性は、比誘電率=4.5、誘電損失=0.0１とし、基板厚さは2mmとしている。
【００２０】
（ｂ）各種特性
図１０の寸法および基板特性を備えるRFIDタグにおいて、パッチアンテナに加える周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの各種特性をシミュレーションした。
・整合特性
図１１の（A）はタグアンテナのインピーダンスを示すスミスチャートであり、（B）は一部拡大図である。周波数を820MHzから1000MHz まで変化するとタグアンテナのインピーダンスはIPTで示すように丸を描くように変化するが、インピーダンスは大きく変動していないことがわかる。これは、広い帯域に亘ってタグLSIとタグアンテナの整合がとりやすいことを意味している。
・利得特性
図１２は周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときのタグアンテナの利得を示しており、２枚のパッチ２２ａ，２２ｂの共振周波数が異なるため利得も２つの周波数でピークを持ち、それぞれのピークが米国でのRFIDタグの使用周波数（902−928MHｚ）、日本でのRFIDタグの使用周波数（952−954MHｚ）付近にあることが分かる。
【００２１】
・S11特性および通信距離
表2に示すようにタグLSIが動作するために必要な最小パワーを−７.00dBm、タグLSIの抵抗Rcpを1400.0Ω、キャパシタンスCcpを0.55pF、リーダライターのアンテナに供給されるパワーを27.00dBm、リーダライタアンテナ利得を9.00dBiとしてS11特性及び通信距離をシミュレーションした。
【表２】
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図１３は周波数を820MHzから1000MHz まで変化したときのSパラメータS11のシミュレーション結果である。SパラメータS11はタグLSIとのインピーダンスマッチングの度合を表わすものであり、基準インピーダンスを50Ωではなく、タグLSIのインピーダンスとしている。図１３より日米の２つのRFIDタグ使用周波数帯で整合が取れていることが分かる。
図１４は周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの通信距離を示し、リーダライターのアンテナに直線偏波のアンテナを使った場合であり、日米の２つのRFIDタグ使用周波数帯で通信距離を長くできることが分る。RFIDタグの通信距離ｒは（１）式により計算した。
【００２２】
(ｃ)整合調整
タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングが取れない場合がある。かかる場合にはループパターンの長さS2(図１０参照)を調整し、あるいは、パッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なう。
(1) ループパターン長S2の調整による整合
図１５はループパターン長S2を5ｍｍ、15ｍｍ、25ｍｍ、35ｍｍと変化させ、それぞれのループパターン長において周波数を800MHｚから1000MHzまで変化させた場合のスミスチャート上のインピーダンスを示す。ただし、ループパターン長S2以外のアンテナ寸法は図１０に示すとおりであり、また、基板の誘電特性は、比誘電率=4.5、誘電損失=0.0１とし、基板厚さは2mmである。ループパターン長S2が大きくなるにつれてインピーダンス変化を示すループが大きくなり、このループが大きくなるにつれ、インピーダンスはスミスチャート上を時計回りに移動する。これは主にタグアンテナのサセプタンスが変化していることを意味する。
タグLSIとタグアンテナの整合を考えるとき、コンダクタンスおよびサセプタンス共に最も整合の取れた状態にする必要がある。そして、タグLSIとタグアンテナのコンダクタンスが等しいとき、タグLSIとタグアンテナのサセプタンスは、符合が逆で絶対値が等しい場合に、最も整合が取れた状態になる。第２実施例においてアンテナサセプタンスを調整したい場合、S2の長さを変えるのが有効な手段であることが分かる。
また、第１、第２実施例のようにループにダイポールパターンあるいはモノポールパターンを組み合わせた給電パターンにおいて、ダイポールパターンやモノポールパターンの長さを変えることでも同様にアンテナのサセプタンスを変えることができる。すなわち、波長に比べて十分短いダイポールパターンやモノポールパターンの長さを大きくすると、インピーダンスはスミスチャート上を時計回りに回転する。
【００２３】
(2) パッチアンテナ間の相対位置の調整による整合
図１６はパッチアンテナと給電パターンの相対的な位置を変化させてインピーダンスマッチングする方法の説明図である。(Ａ)に示すように第２実施例のRFIDタグにおいてダイポールパターン長S5を48mmに固定し、パッチアンテナ間距離S3を変化させた場合のインピーダンス変化をシミュレーションした。ただし、L1=77mm、L2=74.5mm、W=50mm、誘電体厚さ2.0mm、比誘電率4.5としている。(Ｂ)はS3=７mmにおいて、周波数を800MHｚから1000MHzまで変化させた場合のスミスチャート上のインピーダンス変化を示し、（Ｃ）はS3=37ｍｍにおいて、周波数を800MHｚから1000MHzまで変化させた場合のスミスチャート上のインピーダンス変化を示す。
(Ｂ)、（Ｃ）のシミュレーション結果から分かるように、S3を小さくすると共振周波数付近（一回転する部分）でのインピーダンスはスミスチャートの中心方向に向かう。これは主にタグアンテナのコンダクタンスが小さくなったことに対応している。タグアンテナとタグLSIのサセプタンスの整合が取れているとき、タグアンテナとタグLSIのコンダクタンスが等しい場合に整合は最適な状態になる。タグアンテナのコンダクタンスを最適化したい場合には、パッチアンテナと給電パターンの位置関係を変えることが有効な手法になる。
【００２４】
(ｄ)効果
第２実施例によれば、タグアンテナとして動作し且つサイズが異なる２つのパッチアンテナを設けたから、周波数帯域を広くでき、例えば、日本、米国におけるRFIDタグ使用周波数における利得を大きくでき、これら使用周波数が異なる複数の地域で利用可能なRFIDタグを提供することができる。また、第２実施例によれば、給電パターン部と各パッチアンテナ間を高周波結合するようにしたから、給電のためにパッチアンテナに孔を明ける必要がなく、しかも、給電部の構造を簡単にできる。
また、第２実施例によれば、ループパターンあるいは線状アンテナパターンの長さを調整し、あるいは、パッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なうことができる。したがって、インピーダンス変換回路が不要であり、小型、薄型構造とすることができる。
【００２５】
（Ｃ）第３実施例
（ａ）構造
図１７は第３実施例のRFIDタグの説明図であり、（Ａ）は平面図、（Ｂ）要部拡大図である。
第３実施例のRFIDタグは、両面プリント基板の表面をエッチングしてタグアンテナとして動作する２つのパッチアンテナ３２ａ〜３２ｂと給電パターン部３４をそれぞれ形成し、該給電パターン部３４にタグLSI３５をチップボンディング技術により実装することにより作成される。給電パターン部３４とタグLSI３５は給電素子３３を構成する。プリント基板の図示しない裏面の導電パターンはベタグランド(全面金属)として使用される。
パッチアンテナ３２ａ〜３２ｂのサイズL１〜L2は、共振周波数が例えば米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるように決められている。給電パターン部３４は、ループパターンを備え、該ループパターンが各パッチアンテナ３２ａ〜３２ｂに高周波結合し、この高周波結合部を介してタグLSI３５より各パッチアンテナに信号が入力し、あるいはパッチアンテナで受信した信号が各パターンに伝わってタグLSI３５に入力する。すなわち、パッチアンテナ３２ａ〜３２ｂの端部に浅い切り欠き３６ａ，３６ｂが形成され、この切り欠きにループパターンの一部が配置され、該切り欠きを介してループパターン３４とパッチアンテナ３２ａ〜３２ｂ間が高周波的に接続され、ループパターンよりパッチアンテナ３２ａ〜３２ｂに高周波的に給電するようになっている。
【００２６】
かかるRFIDタグのパッチアンテナの１辺の電気的長さをλ／２にし、該パッチアンテナを該サイズに応じた所定周波数で共振、すなわち、電流Ｊをパッチアンテナ表面で往復させると、図２で説明したようにＹ軸（水平）方向に偏波を持つ電波がパッチアンテナに垂直方向（Z軸方向）に放射する。したがって、図１７の各パッチアンテナ３２ａ〜３２ｂの共振周波数がそれぞれ米国、日本のUHF帯RFIDタグの使用周波数となるようにサイズL1〜L2を決めると該共振周波数でRFIDタグの利得が大きくなる。
【００２７】
（ｂ）通信距離
表３に示すようにタグLSIが動作するために必要な最小パワーを−７.00dBm、タグLSIの抵抗Rcpを1500.0Ω、キャパシタンスCcpを1.0pF、リーダライターのアンテナに供給されるパワーを27.00dBm、リーダライタアンテナ利得を9.00dBiとして通信距離を（１）式によりシミュレーションした。
【表３】
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図１８は周波数を800MHzから1000MHz まで変化したときの通信距離を示し、リーダライターのアンテナに直線偏波のアンテナを使った場合であり、日米の２つのRFIDタグ使用周波数帯で通信距離を長くできることが分る。ただし、パッチアンテナ３２ａ〜３２ｂの一辺のサイズL１〜L2はそれぞれ77.5mm、74mmとし、920MHz、950MHz付近でそれぞれ共振するようにした。また、基板の誘電体特性は比誘電率=4.5、誘電損失=0.0１とし、基板厚さを2mmとしている。
【００２８】
（ｃ）効果
第３実施例によれば、タグアンテナとして動作し且つサイズが異なる２つのパッチアンテナを設けたから、周波数帯域を広くでき、例えば、日本、米国におけるRFIDタグ使用周波数における利得を大きくでき、これら使用周波数が異なる複数の地域で利用可能なRFIDタグを提供することができる。また、第２実施例によれば、給電パターン部と各パッチアンテナ間を高周波結合するようにしたから、給電のためにパッチアンテナに孔を明ける必要がなく、しかも、給電部の構造を簡単にできる。
また、第３実施例によれば、第２実施例と同様にループパターンの長さを調整し、あるいは、パッチアンテナ間の相対位置を調整することで、タグアンテナとタグLSIのインピーダンスマッチングの調整を行なうことができる。したがって、インピーダンス変換回路が不要であり、小型、薄型構造とすることができる。
【００２９】
（Ｄ）パッチアンテナの小型化
図２を参照すると、パッチアンテナ１２の１辺の電気的長さを半波長（＝λ／２）にすることにより、波長λに応じた周波数で該パッチアンテナを共振させることができる。
また、図１９(Ａ)，（Ｂ）に示すようにパッチアンテナ１２の片側端部あるいは両側端部に切り欠き４１，４２を形成し、Ｃ型パッチ形状あるいはＨ型パッチ形状とし、（a1+a2+a3+2×a4）の電気長がλ/2と概略等しくなるようにしても波長λに応じた周波数で該パッチアンテナを共振させることができる。したがって、パッチアンテナの小型化を図るためにＣ型パッチ形状あるいはＨ型パッチ形状とする。
【００３０】
（Ｅ）円偏波を受信、放射可能とする構造
第１〜第３実施例のタグアンテナは、図２に示すようにＹ軸方向に直線偏波する電波を水平面（パッチアンテナ面）に垂直方向に放射するものであり、当然、Ｙ軸方向に直線偏波し、かつ、パッチアンテナ面に垂直方向から入射する電波を最も効率よく受信できる。しかし、Ｘ軸方向に直線偏波する電波が入射した場合には受信できない。そこで、円偏波の電波を発射し、かつ、任意の方向に直線偏波する電波が入射しても受信できるようにする。
図２０は円偏波の電波の放射及び受信が可能なパッチアンテナの構成例である。図２０（Ａ）は電流Ｊが往復する方向に斜めにパッチアンテナPATTの角部５１，５２を切断した例、図２０（Ｂ）は電流Ｊが往復する方向に斜めにパッチアンテナPATTにスロット５３を形成した例である。
【図面の簡単な説明】
【００３１】
【図１】第１実施例のRFIDタグの説明図である。
【図２】パッチアンテナの受信、放射原理説明図である。
【図３】第１実施例のRFIDタグの寸法例である。
【図４】第１実施例のタグアンテナのインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図５】タグLSIとタグアンテナで構成されるRFIDタグの等価回路である。
【図６】周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの第１実施例のタグアンテナの利得である。
【図７】周波数を820MHzから1000MHz まで変化したときの第１実施例のSパラメータS11のシミュレーション結果である。
【図８】周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの第１実施例の通信距離である。
【図９】第２実施例のRFIDタグの説明図である。
【図１０】第２実施例のRFIDタグの寸法例である。
【図１１】第２実施例のタグアンテナのインピーダンスを示すスミスチャートである。
【図１２】周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの第２実施例のRFIDタグの利得である。
【図１３】周波数を820MHzから1000MHz まで変化したときの第２実施例のRFIDタグのSパラメータS11のシミュレーション結果である。
【図１４】周波数を820MHzから1000MHzまで変化したときの第２実施例のRFIDタグの通信距離である。
【図１５】第２実施例のループパターン長S2を変化させ、それぞれのループパターン長S2において周波数を800MHｚから1000MHzまで変化させた場合のスミスチャート上のインピーダンスである。
【図１６】パッチアンテナと給電パターンの相対的な位置を変化させてインピーダンスマッチングする方法の説明図である。
【図１７】第３実施例のRFIDタグの説明図である。
【図１８】周波数を800MHzから1000MHz まで変化したときの第３実施例のRFIDタグの通信距離である。
【図１９】パッチアンテナの小型化を実現する構成説明図である。
【図２０】円偏波の電波の放射及び受信が可能なパッチアンテナの構成例である。
【図２１】RFIDタグの説明図である。
【図２２】複数周波数に使用可能なマルチバンド対応RFIDタグの従来例説明図である。
【符号の説明】
【００３２】
１１  両面プリント基板
１２ａ〜１２ｃ  パッチアンテナ
１３  給電素子
１４  給電パターン部
１４ａ  ループパターン
１４ｂ  モノポールパターン
１５  タグLSI
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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