UHF RFIDアンテナ設計技術の研究

0 まえがき

RFID 無線周波数識別技術 (Radio Frequency Identification、RFID) の応用には長い歴史があります。 その起源は、第二次世界大戦中にイギリス空軍の航空機で使用された航空機識別システムに遡ります。 最近、RFID 無線周波数識別技術は、物品管理、車両の測位、地下職員の測位に広く使用されています。 本技術は、高周波信号を利用し、空間結合（交流磁場または電磁場）による非接触の情報伝達を実現し、伝達された情報により自動識別の目的を達成する非接触自動識別技術です。

1 RFID高周波技術の概要

1.1 RFID無線識別システムの基本構成

RFID 無線識別システムは、主に RFID 電子タグ、RFID リーダー、アンテナ、ホスト コンピューター管理システムで構成されています。 RFID電子タグとRFIDリーダー間の情報は無線で送信されるため、両者の間には無線送受信モジュールとアンテナ（誘導コイル）が存在します。 効果図を図 1 に示します。

UHF RFIDアンテナ設計技術の研究

(1) RFID 電子タグ (Tag): RFID 電子タグは、無線周波数識別システムのデータ キャリアです。 結合要素とチップで構成される各 RFID 電子タグは、対象物体を識別するために物体に取り付けられる固有の EPC (Electronic ProductCode) 電子コードを持っています。 従来のバーコードと比較して、EPC コードは特定の種類の製品を反映するだけでなく、特定の製品に固有のものにすることもできます。

(2) RFID リーダー（Reader）： リーダーは、電子タグ情報を読み書きできる装置です。 その基本的な機能は、タグを使用してデータを送信することです。 ハンドヘルドリーダーまたは固定リーダーとして設計できます。

(3) アンテナ (Antenna): タグとリーダーの間で無線周波数信号を送信します。

1.2 RFIDシステムの動作原理

RFID 電子タグは、RFID リーダーが発する磁場に入ると、リーダーから送信された無線周波数信号を受信し、チップに保存されている製品情報 (パッシブ タグ、パッシブ タグ、またはパッシブ タグ) を送信します。 誘導電流によって得られるエネルギー、または タグが特定の周波数の信号 (アクティブ タグ、アクティブ タグ、またはアクティブ タグ) をアクティブに送信し、デコーダが情報を読み取ってデコードし、関連データを取得するために中央情報システムに送信します。 処理。 無線周波数識別プロセスの概略図を図 2 に示します。

2 RFIDタグのアンテナ性能指数

RFID システムの識別プロセスから、アンテナは、RFID 電子タグを感知するプロセスにおいて、RFID 電子タグと RFID リーダーの間で無線周波数信号を送信するための RFID リーダーのブリッジとして重要な役割を果たすことを理解するのは難しくありません。 鬼ごっこ。 RFID リーダー アンテナ、RFID 電子タグ アンテナの性能は、識別システム全体の性能を向上させるために非常に重要です。 ＲＦＩＤ電子タグはマーキング対象物に取り付けられるため、ＲＦＩＤ電子タグのアンテナはマーキング対象物の形状や物理的特性の影響を受ける。 影響する要因には、マークされたオブジェクトの材質、マークされたアイテムの作業環境などが含まれます。さらに、RFID 高周波デバイスでは、動作周波数がマイクロ波領域まで増加すると、アンテナと RFID 電子回路間のマッチングの問題が発生します。 タグチップがより深刻になります。 これらの要因により、RFID 電子タグ アンテナの設計に対する要求が高まっていますが、同時に大きな課題ももたらしています。

アンテナは、フロントエンド無線周波数信号の電力を電磁波の形で受信または放射するデバイスです。 回路と空間の境界にあるデバイスで、誘導波と自由空間波の間のエネルギー変換を実現するために使用されます。 現在の RFID ワイヤレス無線周波数システムは、主に低周波、高周波、超短波、およびマイクロ波周波数帯域に集中しています。 異なる動作周波数帯域における RFID システム アンテナの原理と設計は根本的に異なります。

(1) 指向特性

アンテナの放射には指向性があります。 放射の振幅と方向の関係曲線n フィールドは方向ダイアグラムと呼ばれ、実際には同じ方向の遠距離フィールドの任意の方向の点におけるフィールド強度の関係曲線です。 方向図は一般に、正規化された方向図、つまり、同じ距離にある最大磁場に対する遠距離場の任意の方向の点における磁場強度の比と同じ方向の関係曲線を指します。

(2) 指向性係数

指向性係数とは、アンテナが特定の方向に電磁波を放射する度合いを示すパラメータです。 指向性アンテナの指向性係数とは、受信点の電界強度が等しい条件下での、指向性アンテナの総放射電力に対する無指向性アンテナの総放射電力の比を指します。 この定義によれば、指向性アンテナの放射強度は全方向に変化するため、アンテナの指向係数も観測点の位置に応じて変化することになる。 放射電界が最も大きくなる方向では、指向性係数も最も大きくなる。 一般に、指向性アンテナの指向性係数は最大放射方向の指向性係数です。つまり、アンテナから一定の距離では、アンテナの最大放射方向の放射電力束密度 Smax と同じになります。 同じ放射電力を持つ理想的な無指向性アンテナの同じ距離での放射電力束密度 So の比を D で示します。

(3) アンテナ効率

アンテナ効率は、エネルギー変換におけるアンテナの効率を測定するために使用される指標です。 アンテナ効率はすべて 1 未満です。これは、アンテナの入力電力の一部が放射電力に変換され、電力の一部が失われることを意味します。 アンテナ効率は、入力電力に対するアンテナ放射電力の比として定義され、ηA で示されます。

(4) アンテナ利得

アンテナ係数はアンテナ放射エネルギーの最も集中度のみを反映し、アンテナ利得はアンテナの放射能力を反映するだけでなく、アンテナの損失係数も考慮します。 同じ入力電力の条件下で、空間内の特定の方向 (θ, φ) における指向性アンテナの放射電力密度 S(θ, φ) と、無損失点源アンテナの放射電力密度 So の比は、 この方向はアンテナのゲインと呼ばれ、G(θ, φ) で表されます。

ゲイン係数は太線路のエネルギー変換と指向特性を総合的に測定するパラメータです。 これは、指向性係数とアンテナ効率の積であり、G で示されます。つまり、次のようになります。

G=D・ηA

UHF およびマイクロ波 RFID 無線周波数識別システムの場合、RFID 電子タグ アンテナの面積が小さいため、アンテナの利得は制限されます。 ゲインの量は、アンテナの放射パターンのタイプによって異なります。

(5) インピーダンス特性

アンテナの入力インピーダンスは、アンテナ給電点における電圧と電流の比として、通常は周波数の関数として表すことができます。 従来の給電線とのインピーダンス整合を図るには、RFIDアンテナのインピーダンスを50Ωまたは70Ωに設計する必要があります。 RFIDアンテナはリーダの端子負荷と電子タグの出力に相当し、入力インピーダンスZinはアンテナ入力電圧と入力電流Ioの比として定義されます。

RFID アンテナの放射電力 P∑ は、等価インピーダンスにおける損失に相当します。 この等価インピーダンスは放射インピーダンス Z∑ と呼ばれます。

3 結論

RFID無線高周波技術の応用要件の継続的な明確化と応用分野の継続的な拡大に伴い、RFIDシステムの重要なコンポーネントとしてのアンテナの設計と研究は非常に緊急かつ緊急になっています。 アンテナ技術は RFID システムの主要な技術の 1 つであり、RFID 技術の成熟と幅広い応用にとって理論的重要性と実用的価値があります。