デッドスポットの回避とニアフィールドUHF RFID読み取りの最適化

14.01.2020
Expert article

タグのサイズはファーフィールドおよびニアフィールドRFID技術の唯一の違いではありません。この記事では、ニアフィールドタグの読み取りパフォーマンスを最適化するためにパラメータとアンテナを変更する方法について詳しく説明します。

リーダーアンテナからタグアンテナにエネルギーが送信されるメカニズムは、2つのカテゴリに大まかに分けることができます。これらのメカニズムは、ファーフィールド(遠距離)およびニアフィールド(近距離)です。ファーフィールドは電波を使用しますが、ニアフィールドは磁場を使用しています。

カーテンの背後にある理論

ニアフィールドでは、リーダーアンテナとタグアンテナ間の距離が長くなると、磁場の強度が急速に低下します。これによって、近距離のタグの読取範囲が非常に制限されます。

経験則では、近距離UHF帯RFIDは約1波長の距離までで十分であり、UHF周波数では約30 cmまたは12インチに相当します。読取距離がそれを超える場合、タグには電磁放射を捕捉するアンテナ構造が必要です。必要なアンテナ構造はタグのサイズに影響を与え、ファーフィールド用タグをかなり大きくします。

ニアフィールドタグの非常に小さな形状により、UHF帯RFIDを使用する新しい市場と機会ができました。きわめて小さいアイテムでもタグを付けられるようになりました。特に小売業で化粧品および宝飾品業界は、ニアフィールドRFIDテクノロジーのパイオニアです。タグのサイズが大きいため、以前はアイテムレベルでタグ付けすることはほとんど不可能でした。

アンテナパラメータの最適化

UHF帯RFIDリーダーアンテナを設計する際、選択したタグタイプに合わせて、ゲイン、SWVR、放射パターン、偏波などの特定のパラメータを最適化することができます。

これらのパラメータのほとんどはファーフィールドの伝送のパフォーマンスを説明および最適化するために使用されます。アンテナをニアフィールドに最適化する場合、変更するパラメータは通常、磁場の強さ、特に磁場がアンテナの表面に沿ってどれだけ均等に分布するかになります。

磁場が均等に分散されると、アンテナ表面に沿ったすべての場所でニアフィールドタグを読み取ることができます。これにより、特にタグが互いに非常に近接して配置されている場合に、大きなタググループを読み取る際の読み取りの信頼性が向上します。

アンテナを修正して、ファーフィールドでの読取デッドスポットを回避する

下の図1は、従来のループアンテナの磁界分布を示しています。図のように、ループワイヤ/トラックが配置されている場所(緑の領域)で電界は強くなりますが、アンテナ表面の中心(青の領域)に行くにつれて弱くなります。同様に、図2はパッチアンテナの電界分布を示しています。パッチアンテナは、固定RFIDリーダーで最も一般的なアンテナタイプです。アンテナ表面の中央部で小さなニアフィールドタグを読み取れないのか疑問に思ったことがあるかもしれませんが、これが理由です。

図1:従来のループアンテナの磁場分布

図2:従来のパッチアンテナの磁場分布

ニアフィールドパフォーマンスの改善

ニアフィールドの性能を改善し、磁場をより均一に分布させる方法はいくつかあります。

一般的な方法は、従来のループアンテナを変更することです。従来のループアンテナでは、構造の中心での磁場のフェージングはこれにより引き起こされます。導体線の電流の方向は、波長の4分の1ごとに反対方向に変わります。また同様に、電流によって生成される中心の磁場ベクトルの方向が変化します。アンテナの中央にあるこれらの反対の電界ベクトルは互いに打ち消し合い、中心でフェージングを引き起こします。図3は、従来のループアンテナの電流の方向を示しています。

図3:従来のループアンテナの電流の方向

ループ構造を変更して、電流の方向がループ導体を変更しないようにする必要があります。キャパシタンスを追加するとループが電気的な観点から短くなるため、ループを4分の1波長よりも短くするか、ループコンダクタに直列キャパシタンスを追加することができます。

導体を均等に切断することにより、静電容量を追加できます。2つの金属板がコンデンサを生成します。キャパシタンスが正しく追加されると、ループは物理的な長さよりも電気的に短くなります。図4は、この種のセグメント化されたループアンテナの電流の流れを示しています。方向は途中で変化しないことに注意してください。

図4:セグメント化されたループアンテナの電流の方向

方向が絶えず変化していないため、中央の磁場はキャンセルされず、その結果としてアンテナ構造の表面に沿って非常に均一に分布します。これにより、表面のあらゆる場所でニアフィールドタグを読み取ることができます。デッドスポットがなくなります。

セグメント化されたループアンテナの磁場分布を図5に示します。ご覧の通り、図1と図2に示す従来のループアンテナとパッチアンテナの磁場と比較すると、磁場分布に大きな違いがあります。

図5:セグメント化されたループアンテナの磁場分布

理論から応用へ

実際にNordicID社製品Nordic ID Sampoのニアフィールドアンテナをテストしました。ここで説明した理論は、実際の状況でも起きることが分かりました。

変更したアンテナを使用することで、小さなニアフィールドタグを読み取りながら、インベントリをより速くより正確に実行できます。また、ニアフィールドタグを読み取ることができない「デッドスポット」がなくなったことを確認しました。

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