全世代にむけた産学人無線通信技術講座～その 4

基礎技術で説明できる RFID は、本当はハイテク技術～

私の 35 年間の無線通信機器設計、開発の仕事を通して記憶に残っている物の中に、RFID（Radio Frequency IDentification）の開発がある。現在、RFID も広く知られるようになったが、ユー
ザーは、劣悪な電源環境で用いる RFID を、性能の良い他の近距離無線システムと混同し、RFID に過大な期待をかけてしまった
結果、一部のユーザーの導入後の失望へとつながった。今回は、シンプルな基礎技術でありながら、それらを組み合わせて活用すると、すばらしいハイテク技術となる RFID について解説する。
みなさまに、RFID の特徴を理解していただき、導入を検討されるときの参考になれば幸いである。

株式会社 アンプレット
根日屋 英之はじめに
RFID は、物を識別する無線タグで、短距離用の13.56MHz RFID と、長距離用の UHF 帯（920MHz 帯）RFID に大別される。本稿は、後者の UHF 帯 RFIDに関する技術を説明する。
私が RFID の開発に着手したのは、今から約 30 年前の 1984 年であった。当時、自動車会社では、製造ラインの生産効率を高めたいニーズがあった。そこで
私は、自動車の構成部品にタグを取り付け、そこからの部品情報を無線による読み出しを実現するために、レーダ技術を応用しようと考えた。この RFID の開発の背景と技術について、本誌 2014 年 11 月号（No.301）の P.26 ～ P.29 にも記事を書いたが、電波技術協会殿のご好意により、http://www.amplet.co.jp/forn.html
から、この記事を無償でダウンロードできるので、併せてご参照いただきたい。

RFID システムの構成
RFID 無線通信システムは、図 1 に示すように、質問器と応答器（以下、RFID と記す）から構成され、離れた場所にある物の情報を、電波を介して得る［1，2］。
質問器は、物に取り付けられた RFID に搭載されたメモリに、その情報を書き込んだり、また、その書き込まれた情報を読み出したりするための装置である。
まず、質問器から RFID への情報の書き込みについて 説 明 す る。 質 問 器 か ら RFID に 向 け、 搬 送 波 をRFID に書き込みたい情報により振幅変調（ASK）し

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質問器の試作機 (2.45GHz 用）（株式会社 アンプレットと株式会社 A.C.S. の共同開発）て送出する。その電波を受ける RFID は、アンテナに取り付けられた検波用ダイオードで ASK 変調波を検波し、情報を得て、これを内部のメモリに書き込む。
次に、その書き込まれた情報を、質問器が RFID から読み出す方法を説明する。質問器から RFID に向けて搬送波（無変調波）を送出すると、その搬送波を受けた RFID は、搬送波から自らが動作するための電源を再生する。その電源で RFID 内の電子回路が起動する。RFID 内のメモリに書き込まれた情報を用いて、RFID のアンテナ給電点で、受信した搬送波を変調（ASK または PSK）してから、質問器に向けて反射することにより、質問器に対し情報を伝送することができる。
現在の UHF 帯 RFID は、電池を搭載せず、質問器か ら 送 出 さ れ る 電 波 の 一 部 を RFID 内 で 整 流 し、RFID が動作するための電源を再生する「パッシブ型RFID」が主流である。私が RFID の開発に着手した
1984 年当時は、まだ、半導体の低消費電力化も発展途上であったため、高周波回路以外のメモリとロジッ

図1

RFID 無線通信システムの構成

電波技術協会報 FORN － 2015.3 No.303

ク回路のみに必要最小限の電源をまかなうための電池を搭載した「セミパッシブ型 RFID」を設計した。
最近では、高周波回路まで含めた RFID 内の全ての電子回路に、電池で電源を供給している、質問器を必要としない「アクティブ型 RFID」も注目されている。
♦応答器（RFID）の内部構成
図 2 に 私 た ち が 2003 年 に 開 発 し た パ ッ シ ブ 型
RFID の内部構成を示す。高周波回路、電源再生回路、メモリ制御回路、メモリより構成されている。
RFID 内の高周波回路は、以下の二つの機能を有する回路により構成される。
① RFID が、その内部のメモリに記憶された情報を質問器からの問いかけに対し返送するときに、質問器からの UHF 帯の搬送波を RFID のアンテナ給電点で変調する回路。
② RFID に情報を書き込むときに、質問器から送出される ASK（振幅変調）信号の包絡線検波を行う回路。

図2

RFID の高周波回路♦送信部の変調回路
パッシブ型 RFID は電池を搭載せず、質問器から送出される搬送波の一部を整流し、動作するために必要な電源を再生するシステムなので、RFID の回路は消費電力を極力小さくする必要がある。ロジック回路は非常に低消費電力化が進んでいるが、高周波回路は大きな電力を消費する。そこで、高周波回路の規模は必要最小限にする必要がある。
RFID は、搬送波の局部発振器は有しておらず、質問器から送出される搬送波を、RFID 内のメモリに書き込まれた情報で変調し、その信号を質問器に対して反射することにより情報を伝送する。この目的を達成する変調の原理を図 4 に示す。アンテナから入力された搬送波は、アンテナと伝送線路と終端に取り付けられた負荷が、等しいインピーダンスであれば、反射が起こらない。しかし、伝送線路の終端を開放すると同相で、また短絡すると逆相で、終端で搬送波は全反射を起こす。このインピーダンスの不整合を利用した、位相の異なる反射特性に着目すると、そこで変調して情報を送れることがわかる。
実際の変調回路は、図 5 に示すように、伝送線路のアンテナとは反対側の端に、RFID 内のメモリに記憶された情報に応じて短絡／開放となるスイッチを設けることにより、搬送波は伝送線路端で位相変調（PSK）回路が構成できる。

RFID の内部構成♦質問器（リーダ／ライタ）の内部構成
図 3 に私たちが開発した質問器（リーダ／ライタ）の内部構成を示す。高周波回路、周波数制御回路、通信を確立するためのプロトコルを制御する回路、情報を暗号化する回路、外部装置との通信を行うための外部インターフェース回路、電源回路から構成されている。

図3質問器の内部構成

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図4図5RFID の変調の原理

RFID の位相変調（PSK）回路の一例

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図6

RFID の振幅変調（ASK）回路の一例
図8

図7FET による高周波スイッチ

また、図 6 に示すように、スイッチが開放の状態のときに、アンテナのインピーダンスと等しい終端負荷を付けると反射が起こらないので、この原理で、振幅変調（ASK）も実現できる。
実際の RFID は、その回路上では伝送線路の長さはほとんどなく、アンテナとその給電点にスイッチを設けただけと考えてよい。高周波スイッチは、図 7 に示すような簡単な FET 回路で実現できる。
♦ RFID 内のメモリ電池を搭載していないパッシブ型 RFID が、通信距離を延ばし、通信品質を保つためには、RFID 内の電子回路の消費電力を低く抑えなければならない。
そのため、RFID に内蔵する電子回路は必要最小限に抑えるため、メモリの容量も小さくなる。私たちが2003 年に開発した RFID を例にとると、RFID 内のメモリとして、書込み、読出しが可能な 1k ビットのFlash メモリを RFID に搭載していた。
♦電源再生回路（レクテナ）
パッシブ型 RFID は、電池を搭載していない。そこ
で、RFID が動作するためには、質問器から送出される電波（搬送波）により、RFID が動作するための直流電源を RFID 内で自らが再生する必要がある。この電源再生は、
図 8 に示すアンテナに整流回路（レクティファイア）を設けたレクテナにより実現する。レクテ

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電源再生回路（レクテナ）

ナの設計では、高周波側と回路（負荷）側の双方のインピーダンスを整合させる必要があるが、高周波側のインピーダンスが電力レベルで変化するので、最適な設計はかなり難しい。
ま た、RFID は、 レ ク テ ナ の 出 力 直 流 電 圧 値 がRFID 内部の電子回路が動作できる電源電圧まで達しないと、RFID 自体が動作できない。レクテナの直流再生能力向上（高効率レクテナ）は、今でも RFID 設計における大きな技術課題となっている。
♦受信部の検波回路
RFID は、質問器からの情報をメモリに書き込むときには、ASK 信号を復調しなければならない。ここには、昔風にいう無電源で動作する鉱石ラジオ（ゲルマラジオ）の技術が活かされている。アンテナに取り付けられた検波用ダイオードで ASK 変調波を、直接、検波し、質問器から送られる情報を復調する。

アンテナ
私たちの開発した RFID での価格配分は、2003 年当時で、RFID の IC チップが 2 割、アンテナが 4 割、IC チップとアンテナの接続が 4 割であった。そこで、費用を抑えるために、図 9 に示すように、IC チップのウェハ上にアンテナまで作りこんだ微細 RFID チップの試作も行った。当然のことながら、アンテナは非常に小形になるので、通信距離は短くなる。そこで、
1 回巻きのループアンテナを小形化してゆくときに、どのあたりの寸法までが実用に供するかを、韓国・忠南国立大学の禹鍾明教授と検討したところ、感覚的な評価による実験から、図 10 に示すような傾向を得た
ので、1 回巻きループアンテナの 1 辺の寸法（電気長）は、1/60 波長程度までに留めたいという検討結果に至った［3］。

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今だからこそ、知っておきたいこと

図9

図 10

図 11

試作した微細 RFID チップ

IC ウェハ上に構成したアンテナの性能

外付けアンテナを用いた試作 RFID（2.45GHz用）

IC チップのウェハは誘電体なので、その誘電率による波長短縮でアンテナも小さくなるが、それでも、UHF 帯において一辺の長さが 1/60 波長の IC は、チップサイズが大きくなり価格が高くなる。そこで、チップサイズを小さくするために、ループアンテナを数回巻くと、IC のウェハ上でビアホールを用いた多層基板化が必要となるので、これも価格が高くなる。価格を重視し、小さな RFID チップを作っても、実用的な通信ができなければ、RFID としての価値は無い。そこで、私たちの RFID は、結果的に、図 11 に示すような外付けアンテナを用いた RFID を試作し、実用的な通信距離を得た。

電波技術協会報 FORN － 2015.3 No.303♦電池不要のパッシブ型 RFID
パッシブ型 RFID は、質問器から RFID に向けて送出される電波の一部を、RFID が動作するための電源として用いるので、RFID を無線端末と見た場合、電源環境は決して良いとはいえない。そこで、電子回路の低消費電力化を徹底的に行った RFID ゆえ、RFIDには大容量のメモリは搭載していない。RFID が取り付けられている物の詳細な情報は、RFID から得られる識別情報（ID 情報）を用い、質問器に接続されたコンピュータやネットワークから、ID 情報と紐付けされた詳細な情報を得ることを前提に考える。
♦ RFID vs. 2 次元バーコード
RFID が世の中に注目された 1990 年代は、「競合するバーコードシステムの ID 割り当て数に限りがあるので、バーコードシステムの後継として RFID システ
ムが普及する。」と言われていた。しかし、バーコー
ドも 1 次元から 2 次元のバーコードが出現し、その読み取り用の高価だった CCD カメラも低価格化が加速してくると、2 次元バーコードへの注目も高まってきた。最近では、スマートフォンのカメラで 2 次元バーコードを簡単に読み込み、そのままネットワークに情報を送ることも行えるようになってきた。
♦ RFID システムと個人情報保護の関係［4］UHF 帯 RFID は、その通信距離が長いので、人の情報を、その人が気づかぬうちに読み取られてしまう危険性が存在する。そこで、人の識別には、人が質問器に RFID カードをかざすというアクション（個人情報 を 差 し 出 す 行 為 ） を 併 用 し た、 近 距 離 用 の13.56MHz RFID が用いられている。長距離用の UHF
帯 RFID は、物の識別を行うことが主流となっている。
RFID は、その特徴を知ると便利に使うことができる。RFID については書きたいことがたくさんあるが、誌面の制限もあるので、私の RFID のホームページ（http://amplet.com/rfid）も読んでいただきたい。

参考文献［1］根日屋 英之、植竹 古都美、
「ユビキタス無線通信の基礎と RFID について（連載）」、月刊 バーコード 2003 年 11 月号～ 2004 年 2 月号、日本工業出版［2］根日屋 英之、植竹 古都美、
「ユビキタス無線工学と微細 RFID」、ISBN978-450132420-9、東京電機大学出版局［3］根日屋 英之、小川 真紀、「ユビキタス無線ディバイス」、ISBN 978450132450-6、東京電機大学出版局［4］根日屋 英之、平成 19 年度 YRP 情報通信技術研修 テキスト35