(57)【要約】【課題】様々な曲面状の設備物に据え付けられ低いマイクロ波電力であっても動作可能なフレキシブルなアンテナを備えたマイクロ波トランスポンダの提供【解決手段】アンテナを含む導体板と、前記導体板の中央に設けられた端末のギャップ内に設けられた半導体チップと、を含み、前記導体板は、前記端末のギャップから前記導体板の一方側に向けて延長し所定の形状を有するウィンドウを含むマイクロ波トランスポンダを提供する。これにより、マイクロ波トランスポンダ自体がどのような形状になっても、インピーダンス整合を取ることができ、電磁気電力の損失を従来よりも低減できる。更に、トランスポンダに送られるエネルギーを最大化することができる。【選択図】      図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナを含む導体板と、
前記導体板の中央に設けられた端末のギャップ内に設けられた半導体チップと、を含み、前記導体板は、
前記端末のギャップから前記導体板の一方側に向けて延長し所定の形状を有するウィンドウを含むことを特徴とするマイクロ波トランスポンダ。
【請求項２】
前記導体板は柔軟性を持つ材質からなることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項３】
前記導体板の長さは、自由空間におけるマイクロ波の動作波長の４５％であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項４】
前記導体板の幅は、前記導体板の長さの５％であることを特徴とする、請求項３に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項５】
前記ウィンドウの前記所定の形状は、前記アンテナのインピーダンスと前記半導体チップのインピーダンスとを整合するように調整されていることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項６】
前記ウィンドウの前記所定の形状は円形であることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項７】
前記ウィンドウの前記所定の形状は、楕円形、多角形、および曲線形のうちいずれか１つであることを特徴とする、請求項１に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項８】
前記ウィンドウは、前記導体板のたわみ度合いに対応して動作範囲を最適化する特性規格を有することを特徴とする、請求項６に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【請求項９】
前記特性規格は、前記ウィンドウの直径を含むことを特徴とする、請求項８に記載のマイクロ波トランスポンダ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ波トランスポンダに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロ波トランスポンダは、各種のアプリケーションにおいて用いられる。そのアプリケーションの一種である非接触近距離通信の無線認識（Ｒａｄｉｏ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃ
ｙ  ＩＤｅｎｔｉｆｉｃａｔｉｏｎ：ＲＦ  ＩＤ）方式が産業全般にわたって広く普及し常用化されつつある。
図１は、一般の無線認識システムの概略的なブロック図である。図１に示すように、無線認識システムは、トランスポンダ１０と、リーダー２０と、メインコンピュータ３０とを含む。リーダー２０は、送信部と受信部とに分けられる。リーダー２０は、内部に組み込まれたアンテナ（以下、リーダーアンテナと言う）を介して質問信号をトランスポンダ１０に送り、トランスポンダ１０は必要なデータリーダー２０へ送信される。トランスポンダ１０は、電源を内蔵する能動型とリーダー２０から電源を供給される受動型とに分けられる。能動型トランスポンダは、電源を内蔵しているため長い通信距離にも対応できるが、内蔵している電源の分高さを有する。また、能動型トランスポンダは、内蔵する電源の分コストがかかってしまう。これに対し、受動型トランスポンダでは、リーダー２０より発生するエネルギーを受けてシステムが動作するため送受信距離が能動型トランスポンダより短い。一方、受動型トランスポンダは、電源を持たないため小型化が可能であり、その分コストもかからない。
【０００３】
受動型トランスポンダ１０は、必要なすべてのエネルギーをリーダー２０からの質問信号と共に得る。トランスポンダ１０は、受信したエネルギーを利用しバックスキャター方式を用いてデータをリーダー２０に送信することで応答する。リーダー２０は、トランスポンダ１０からの当該データを読み取り、メインコンピュータ３０はこのデータを解析する。このようにして無線認識が行われる。
【０００４】
図２は、特許文献１に開示されたトランスポンダの概略図である。図２のトランスポンダ８は、アンテナを構成する矩形の金属薄板２と、端末のギャップ４内または近傍に配された半導体チップ３と、端末のギャップ４から金属板２の外側に向けて延在する細長いスリット５とを含む。スリット５は、主に半導体チップ３のインピーダンスとアンテナのインピーダンスとを整合させる役割を果たす。
【０００５】
【特許文献１】米国特許第２００３／００６３００１Ａ１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年では、シリンダー状や球状のような曲線状表面または物体の隅部の近くにトランスポンダを据え付けることが多い。これに対応してトランスポンダがたわむような構造を有する場合、アンテナはフレキシブルな基板上に配設される。しかし、このアンテナは、フレキシブルな基板の歪曲による影響を受ける。即ち、半導体チップのインピーダンスはトランスポンダの基板の変形からはインピーダンスの影響を受けないが、アンテナのインピーダンスはトランスポンダの基板の変形に大きく依存する。この結果、アンテナのインピーダンスと半導体チップのインピーダンスとが整合しなくなり、無線認識の動作範囲がさらに縮まる。即ち、従来のトランスポンダは、曲面状の設備物に据え付けられる際にたわむ構造を有する場合、動作範囲が縮まってしまうため、トランスポンダの性能の劣化や、或いは全く動作しない等といった問題点が発生する。
【０００７】
逆に、動作範囲をより大きくする場合、リーダーにより放射された超高周波電力を増大させる必要がある。しかし、リーダーが放射する超高周波電力を増大させることは、安全法規やその他の法令により厳しく制限されているため、困難である。
そこで、本発明は、半導体チップとのインピーダンスの整合により動作範囲を増大させるか、または様々な曲面状の設備物に据え付けられ低いマイクロ波電力であっても動作可能なフレキシブルなアンテナを備えたマイクロ波トランスポンダを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するために、本発明１は、アンテナを含む導体板と、前記導体板の中央に設けられた端末のギャップ内に設けられた半導体チップとを含む。前記導体板は、前記端末のギャップから前記導体板の一方側に向けて延長し所定の形状を有するウィンドウを含むマイクロ波トランスポンダを提供する。
これにより、トランスポンダがたわむような構造をはじめ、様々な構造を有する場合であっても、トランスポンダは完璧なインピーダンス整合をとることができる。また、インピーダンス整合を通じて反射電力の損失を従来に比べて１／４程度に下げることができ、トランスポンダに送られるエネルギーが最大化できる。
【０００９】
発明２は、前記発明１において、前記導体板は柔軟性を持つ材質からなるマイクロ波トランスポンダを提供する。
発明３は、前記発明１において、前記導体板の長さは、自由空間におけるマイクロ波の動作波長の４５％であるマイクロ波トランスポンダを提供する。
発明４は、前記発明３において、前記導体板の幅は、前記導体板の長さの５％であるマイクロ波トランスポンダを提供する。
【００１０】
発明５は、前記発明１において、前記ウィンドウの前記所定の形状は、前記アンテナのインピーダンスと前記半導体チップのインピーダンスとを整合するように決定されたマイクロ波トランスポンダを提供する。
発明６は、前記発明１において、前記ウィンドウの前記所定の形状は円形であるマイクロ波トランスポンダを提供する。
【００１１】
これにより、半導体チップとアンテナのインピーダンスが整合される。また、従来のトランスポンダよりもたわんだ構造に影響されにくい。
発明７は、前記発明１において、前記ウィンドウの前記所定の形状は、楕円形、多角形、および曲線形のうちいずれか１つであるマイクロ波トランスポンダを提供する。
発明８は、前記発明６において、前記ウィンドウは、前記導体板のたわみ度合いに対応して動作範囲を最適化する特性規格を有するマイクロ波トランスポンダを提供する。
【００１２】
これにより、無線認識の動作範囲は更に増大する。従って、無線認識システム（ＲＦＩＤ）の動作範囲は、トランスポンダのたわみによる影響を受け難い。
発明９は、前記発明８において、前記特性規格は、前記ウィンドウの直径を含むマイクロ波トランスポンダを提供する。
これにより、マイクロ波トランスポンダが据え付けられる設備物の様々な形態に応じてマイクロ波トランスポンダの円形ウィンドウの直径を調整することにより、インピーダンスの不整合度が変化する。即ち、マイクロ波トランスポンダがたわみ構造が様々に変わる場合にも、ウィンドウの最適化された直径を用いて完全なインピーダンス整合をとることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、トランスポンダがたわむような構造をはじめ、様々な構造を有する場合であっても、トランスポンダは完璧なインピーダンス整合をとることができる。
また、本発明によれば、インピーダンス整合を通じて反射電力の損失を従来に比べて１／４程度に下げることができ、トランスポンダに送られるエネルギーが最大化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施例）
以下より、添付した図面に基づいて本発明について説明する。
図３は、本発明に係るマイクロ波トランスポンダの構成を示す平面図である。図３のマイクロ波トランスポンダ１００は、導体板７０と、半導体チップ６０と、ウィンドウ５０とを含む。導体板７０は薄型でフレキシブル性を持ち、アンテナの本体（図示せず）を含む。半導体チップ６０は、従来と同様に端末のギャップ４０の近傍またはその内部に配置され、整流器（図示せず）を含む。端末のギャップ４０は、導体板７０の中央近傍に設けられる。ウィンドウ５０は、端末のギャップ４０から延在し、端末のギャップ４０と部分的に重なり合う。
【００１５】
導体板７０の長さＬは、自由空間におけるリーダー１０（図１参照）が放射するマイクロ波信号の半波長よりも約１０％短く、導体板７０の幅Ｗは、導体板７０の長さＬの約５％程度であることが好ましい。
一般に、リーダー１０からマイクロ波トランスポンダ１００の半導体チップ６０に送られるエネルギーを最大化するためには、マイクロ波トランスポンダ１００のアンテナと半導体チップ６０とのインピーダンス整合が必須である。与えられた周波数におけるインピーダンス整合を行うためには、半導体チップ６０の実際の複素インピーダンスをアンテナの複素共役入力インピーダンスに合わせる必要がある。半導体チップ６０の複素インピーダンスは、負のリアクタンス成分を有する。即ち電気容量性である。
【００１６】
本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００では、図３に示すように、実質的に円形の幾何学的構造を有するウィンドウ５０により半導体チップ６０とアンテナのインピーダンスが整合される。
図４（ａ）（ｂ）は、図２および図３のトランスポンダがそれぞれ同程度に撓んだ場合における、仮想の中心点から測定したスリットの角度Ａｓおよび円形ウィンドウの角度Ａｗをそれぞれ示す図である。
【００１７】
本発明に係るトランスポンダである図４（ｂ）のようにウィンドウ５０が円形の場合、中心点Ｃ２から測定した角度Ａｗは、従来のトランスポンダである図４（ａ）に対応する従来のスリット５の角度Ａｓに比べて相対的に小さい。従って、本発明のマイクロ波トランスポンダ１００が曲面状の設備物に据え付けられてたわむ場合、ウィンドウ５０の構造は、従来のトランスポンダのスリット５を有する構造よりも変形が小さい。そのため、本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００の円形を有するウィンドウ５０の構造は、従来のトランスポンダ８よりもたわんだ構造に影響されにくい。
【００１８】
円形のウィンドウ５０を有するアンテナの入力インピーダンスは、曲率半径Ｒに依存する。しかし、本発明に係る円形ウィンドウ５０の構造では、臨界電場は実質的にアンテナの中央近傍、即ち半導体チップ６０の近くに集中する。従って、マイクロ波トランスポンダ１００が曲面状の設備物に据え付けられてもアンテナ及び半導体チップ６０のインピーダンス整合への影響は影響しにくい。
【００１９】
また、本発明では、４％以上の動作帯域幅を有するトランスポンダを提供する。無線認識システムのためには４％程度の帯域幅を有すればよい。
図５は、図２に係る従来のトランスポンダ８と本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００とがそれぞれ平面状の設備物および半円状の設備物に据え付けられた場合の、それぞれの反射電力の損失特性を示す図である。図５において、○で表す線は、本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００の反射損失特性を示しており、×で表す線は、図２係る従来のトランスポンダ８の反射損失特性を示している。また、図中の（ａ）は、各トンランスポンダが曲面状の設備物に据え付けられた場合を示し、（ｂ）は、各トランスポンダが平面状の設備物に据え付けられた場合を示す。ここで、横軸は周波数（ＧＨｚ）であって、縦軸は反射損失（ｄＢ）である。
【００２０】
各トランスポンダが半円状の設備物に据え付けられて半円形に撓んだ場合について説明する。本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００の反射損失は、図２に係る従来のトランスポンダ８の反射損失に比べて約４倍程度（＝６ｄＢ）小さい。従って、リーダー２０から供給されたマイクロ波信号が小さくても、マイクロ波トランスポンダ１００は動作することができる。
【００２１】
図６は、本発明のマイクロ波トランスポンダ１００に係るウィンドウ５０の構造の様々な実施例である。図６に示すように、円形ウィンドウ５０の構造は、特定の技術的要素に対応して楕円形、多角形、および曲線形に製作されることが好ましい。しかし、理想的な円の独特な特性から、円形のウィンドウが一番インピーダンス整合に優れた構造である。
トランスポンダ１００が曲面状を有する設備物に据え付けられた場合、ウィンドウ５０の形体の面積が小さくなればなるほど、無線認識の動作範囲は更に増大する。理想的な円形ウィンドウ５０が変形しても変形前と同一の面積となるためには、対応する特性規格が増大する必要がある。従って、ウィンドウの形体は、理想的な円形が最も好適である。また、図６に示すデータは一例にすぎない。本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００のインピーダンスの整合は、他のＲＦおよびマイクロ波周波数範囲でも適用可能である。
【００２２】
上述したように、マイクロ波トランスポンダ１００のアンテナと半導体チップ５０とのインピーダンス整合に係るウィンドウの円形の幾何学的構造は、マイクロ波トランスポンダ１００のたわみに対して従来例よりも影響を受けない。従って、無線認識システム（ＲＦＩＤ）の動作範囲は、トランスポンダのたわみによる影響を受け難い。
一般的に、トランスポンダが平面状の設備物に据え付けられる場合は、アンテナのインピーダンスが半導体チップ６０のインピーダンスと複素共役、即ちアンテナと半導体チップ６０とが完全にインピーダンス整合をとれば、トランスポンダの撓みにより生じる動作範囲の減少は、従来に比べて軽減する。
【００２３】
反面、半円形のアークのような曲面状の設備物にマイクロ波トランスポンダ１００が据え付けた後、マイクロ波トランスポンダ１００のアンテナと半導体チップ６０とが完全にインピーダンス整合をとれば、マイクロ波トランスポンダ１００が伸ばされることによりインピーダンスの不整合が生じ、動作範囲が減少してしまう。
従って、無線認識システムの全般的な性能向上のために、マイクロ波トランスポンダ１００が据え付けられる設備物の様々な形態に応じて最適化が求められる。このような最適化にあたって核心とされる構造的パラメーター、即ち特性規格は、円形ウィンドウ５０の直径Ｄである。即ち、マイクロ波トランスポンダ１００が据え付けられる設備物の様々な形態に応じてマイクロ波トランスポンダ１００の円形ウィンドウ５０の直径Ｄを調整することにより、インピーダンスの不整合度が変化する。
【００２４】
図７は、本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００が様々にたわむ実施例を示す図である。図７に示すように、マイクロ波トランスポンダ１００の撓み度合いが、１８０°アークの半円形状から０°アークの平面状になるまでの範囲で連続して変わるとすると、最適な条件は、９０°アークのアンテナにおけるウィンドウの直径Ｄである。この直径Ｄにより、インピーダンスの整合が完全にとられる。
【００２５】
このように、マイクロ波トランスポンダ１００がたわみ構造が様々に変わる場合にも、ウィンドウの最適化された直径を用いて完全なインピーダンス整合をとることができる。
上述したように、本発明によれば、トランスポンダがたわむ様々な構造を有する場合にも、インピーダンス整合をとることができる。
また、本発明によれば、インピーダンス整合により電磁気電力の損失を少なくとも従来に比べて１／４程度に低減することができ、トランスポンダに送られるエネルギーを最大化することができる。
【００２６】
以上、本発明の好適な実施例について図示し説明したが、本発明は、上述した特定の実施例に限定されるものではなく、特許請求の範囲で請求する本発明の要旨を逸脱することなく当該発明の属する技術分野における通常の知識を有する者により種々の変形実施が可能であることはもとより、かかる変更は特許請求の範囲の記載範囲内にあることは自明である。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】一般の無線認識システムの概略的なブロック図である。
【図２】特許文献１に係るトランスポンダの概略図である。
【図３】本発明に係るマイクロ波トランスポンダ１００の構成を示す図である。
【図４】図２および図３のトランスポンダがそれぞれ同程度に撓んだ場合における、仮想の中心点から測定したスリットの角度Ａｓおよび円形ウィンドウの角度Ａｗを示す図である。
【図５】図２に示すトランスポンダと本発明に係るトランスポンダがそれぞれ平面状設備物および半円状設備物に据え付けられた場合における反射電力の損失特性を示す図である。
【図６】本発明に係るマイクロ波トランスポンダにおけるウィンドウの構造の様々な実施例を示す図である。
【図７】本発明に係るマイクロ波トランスポンダが様々に撓む実施例を示す図である。
【符号の説明】
【００２８】
４０  端末のギャップ
５０  ウィンドウ
６０  半導体チップ
７０  導体板
１００  マイクロ波トランスポンダ
【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】
2005312058.tif 000008
【図７】
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