RFIDアンテナを選択する方法

5.1.2020
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アンテナを正しく選択するために

アンテナを簡単に説明しますと、RFIDアンテナはRFIDリーダーからのエネルギーを電波に変えてRFIDタグに放射します。電波の送信に加えて、アンテナはタグからの情報を受信し、リーダーはそれをデコードします。アンテナには多くの種類があり、正しくアンテナを選択することが非常に重要になります。プロジェクトのアプリケーションに対するアンテナを選択するために以下のことを確認してください。

1.周波数帯

RFIDリーダーやRFIDタグと同様に、RFIDアンテナは特定の周波数帯で使用するように設計されています。特定の周波数の範囲に調整されていないと、アンテナはリーダーからの情報を送信またはタグから情報を受信できません。

日本周波数(TELEC)(916.7~923.5MHz)
北米周波数(FCC)(902~928 MHz)
欧州周波数(ETSI)(865~868MHz)
グローバル対応周波数(860~960MHz)

グローバル対応周波数は、複数の国でシステムを使用する場合や日本とヨーロッパの両方でテストする場合に有用です。このような場合以外で、特定の国だけで使用する場合、その国にあった周波数帯のアンテナを選択することをお勧めします。 最適なアンテナを使用することでパフォーマンスが向上し、周波数帯がすべて同じになると読取範囲が広くなります。システムで連携して動作するすべてのRFID機器を同じ周波数帯に調整することは重要です。

RFIDシステムのすべての機器(タグ、リーダー、およびアンテナ)を動作させる国内ですべて技適に準拠していることを確認してください。

システムを日本以外で運用する場合、 各国固有の規制ガイドを確認してください。

2. サイズ

RFIDアンテナのサイズは、数cmの大きさから1m大くらいのものまであります。通常、サイズの違いは読取範囲に影響し、アンテナが大きいほど利得が大きくなり読取範囲が広くなります。ただし、特別に設計されたアンテナは特殊な読取範囲になります。

アンテナのサイズは、アプリケーション環境で使用可能なスペースに合わせて選択します。

3. 利得

アンテナ利得はデシベル(dB)で表され、2つのパワーの比の測定の対数単位です。ゲインは、dB、dBi、dBd、dBm、dBWなどのいくつかの異なる測定単位として表すことができ、定義が少し複雑になります。アンテナ利得は、2つの異なる測定単位では適切に比較することはできません。

アンテナ利得はデシベル(dB)で表されます。dB、dBi、dBd、dBm、dBWなどのいくつかの異なる測定単位として表すことができ、定義が少し複雑になります。

アンテナ利得の比較技法

プロジェクトの要件を満たすために必要な読取範囲を決定します。要件に応じてアンテナ利得を考慮してください。

4. 指向性

指向性は、利得とビーム幅の両方に密接に関連しており、エネルギーを送信または受信するために特定の方向に焦点を合わせるアンテナの能力として定義されます。指向性に関連して、指向性および無指向性(全方向性)の2種類のアンテナが存在します。指向性アンテナは、名前が示すように一方向に集中したビームを持っています。ビーム幅が30度でも100度でも、指向性アンテナはタグの読み取りを行うために特定の方向に電波を集中させます。

無指向性アンテナは、1つの平面で広範囲の読取範囲になります。指向性アンテナのような円錐状のビームを生成する代わりに無指向性アンテナは通常1つの平面全体をカバーします。この3D放射パターンは1つの平面で360度、反対のフィールドで20〜65度の範囲をカバーするためドーナツ型に似ています。これらのアンテナは、タグがすべて同じ高さある環境用に作られていますが、異なる角度でアンテナを通過することもできます。

指向性アンテナは一方向に読み取り、円錐型のようなフィールドを生成しますが、無指向性アンテナは1つの平面で360度読み取ります。

5. 偏波

RFIDアンテナは電波を放射および受信するため、分極はRFIDアンテナを選択する際に考慮すべき重要な要素です。電波は一般に、直線の単一の方向、または円形の回転パターンで振動します。

RFIDアプリケーションにとって重要なのは、電波がどのように放射され、RFIDタグのアンテナと並ぶかです。円偏波アンテナは、タグがあるアイテムの位置がわからない場合や、角度や高さが異なる場合に適しています。直線偏光アンテナは、タグの角度と高さに対して柔軟性がありません。直線偏光アンテナが水平面で波を放射している場合、受信タグも水平で一定の高さである必要があります。

円偏波には2種類のアンテナが存在し、回転する方法によって区別されます。右旋円偏波(RHCP)アンテナは反時計回りに回転し、左旋円偏波(LHCP)アンテナは時計回りに回転します。LHCPとRHCPの選択は、狭い領域に2つの個別のRFIDリーダーを使用した2つのRFIDシステムがある場合に重要です。2つの別々のシステムで2つのRHCPアンテナが互いに向かい合っている場合、波が衝突して、中央に大きなヌルゾーンが生じ、タグが読み取れない可能性があります。この場合、最適な電波環境を作成するために、1つのLHCPと1つのRHCPを選択することが重要です。

直線偏波アンテナまたは円偏波アンテナの選択は、使用する環境とタグがあるアイテムが特定のアンテナを通過する方法によって異なります。タグが一定の高さと方向にある場合、直線偏波はうまく機能しますが、高さと角度が不明な場合は、円偏波アンテナが適しています。わからない場合、円偏波アンテナを選択してください。

6. ビーム幅

ビーム幅は利得と非常に密接に関連しており、その名の通り、電波のビームの幅または無線フィールドです。方位角と仰角の2つのフィールドがあり、それぞれに電波の方向を理解するために重要なビーム幅があります。直線偏波アンテナのビーム幅は、一方のフィールドでは比較的小さく、もう一方のフィールドでは利得によって30度から360度の間になります。ほとんどの直線偏波アンテナの仕様では、反対側のビーム幅を表示するためにアンテナを物理的に90度回転できるため、仰角と方位角のビーム幅は同じ程度です。

一般的に利得が高いほどビーム幅は小さくなります。アプリケーションにとって何が重要か、ビーム幅を小さくして読み取りの長さを長くするか、読み取りの長さを短くして電波フィールドの幅を広くするか選択する必要があります。

以下にいくつかの例を示します。

2Dおよび3D放射グラフは、メーカーが提供する図であり、アンテナによって生成される電波フィールドの「マップ」です。これらのマップは、特定のアプリケーションのアンテナを選択する際に非常に役立ちます。2D放射グラフには2つの画像があります。1つは水平面または方位角面、もう1つは垂直面または仰角面です。3D放射グラフは、両方のフィールドの正確なビームパターンの3Dマップ画像を提供します。

ビーム幅が広いアンテナは一般に利得が低く、垂直方向または水平方向(あるいはその両方)により広い領域をカバーします。 一方、狭いビーム幅は一般に利得が高く、読み取り距離は長くなりますが、カバーする領域は小さくなります。

7. 屋内仕様または屋外仕様

RFIDシステムでは、水やほこりに対する侵入保護のためにテストする必要があります。すべての電子機器は、IP 00からIP 69の範囲の米国IEC規格60529および英国規格EN 60529により、埃や水からの侵入保護等級(IP)で評価されています。

2つの数字でIPの省略形を表現します。第1の数字は、人体及び固形異物に対する保護を表わします。第2の数字は、水の侵入に対する保護について表わします。経年変化、温度変化や同様のものの影響を考慮しません。

アンテナの動作温度範囲は、極端な温度のアプリケーションにとって重要なだけでなく、屋外または非空調制御の屋内アプリケーションについても確認する必要があります。すべてのRFID機器には、厳密に従うべき動作温度範囲があります。そうしないと、機器の動作が遅くなったり、動作が停止したり、指定範囲外の温度に反応したりする可能性があります。

極端な温度のアプリケーションの場合、回避策として、例えば耐候性筐体や温度制御筐体などがあります。

人体及び固形異物に対する保護。

第一記号説明
0 = 無保護
1 = 直径50mmより大きい固形物に対する保護
2 = 直径12mmより大きい固形物に対する保護
3 = 直径2.5mmより大きい固形物に対する保護
4 = 直径1.0mmより大きい固形物に対する保護
5 = 塵挨の侵入の制限 (正常な動作や安全性を阻害するような粉塵の侵入に対する保護)
6 = 防塵 (塵挨に対する完全な保護)

水の侵入に対する保護

第二記号説明
0 =無保護
1 =鉛直に滴下する水に対する保護
2 =鉛直から 15°以内から滴下する水に対する保護
3 =鉛直から 60°以内からの散水に対する保護
4 =任意の方向からの散水に対する保護
5 =任意の方向からの水の噴流に対する保護
6 =任意の方向からの水の強い噴流に対する保護
7 =一時的な水没に対する保護
8 =加圧条件下での長時間の水没に対する保護

例として:
IP54 =塵挨の侵入の制限と任意の方向からの散水に対する保護
IP65 =防塵 (塵挨に対する完全な保護)と任意の方向からの水の噴流に対する保護

屋外、屋内、および極端な温度状況のアプリケーションでは、高いIP保護等級および/または広い動作温度範囲を持つアンテナが必要になります。

8. 価格

小さいアンテナで数千円から、大きいアンテナですと20数万円になります。
よく使用されるアンテナは3~5万円程度のものが多いです。

9. ニアフィールドまたはファーフィールド

ユーザーの観点からRFIDアンテナの最も重要な特性は、通常、読み取り範囲、つまり電波が幾何学的なフィールドにどれだけ放射されるかです。ただし、リーダーの送信電力、ケーブル損失、アンテナ利得、アンテナビーム幅、偏波など、RFIDアンテナによって生成される読み取り範囲を決定する要因はいくつかあります。

RFIDアンテナには、遠距離(ファーフィールド)アンテナか近距離(ニアフィールド)アンテナがあります。

近距離用RFIDアンテナは、通常、磁気または電磁誘導を使用して、タグが近くにある場合にタグと通信します。近接場アンテナは、通常、磁場とタグアンテナの磁場が情報を送受信するために十分に近くなければならないため、通常30cm以上離れて読むことができません。

遠距離用アンテナは平面波として伝わります。遠距離用アンテナは、最適な環境ではパッシブRFIDタグと最大10m以上で通信できます。

長い読取範囲が常に最適であるとは限りません。スペースが限られている場合、読み取り範囲を大きくすると、特定のタグまたはタグのグループだけではなく一度に多くのタグを読み取るために問題が発生する可能性もあります。

10. 内蔵型または外付け型

RFIDアンテナは、1つのデバイスとしてリーダーに内蔵することも、外部ハードウェアとして個別に購入することもできます。アンテナ内蔵型は、スペースを節約しケーブル接続を心配することなく、よりよいモバイルシステムを提供できます。内蔵型リーダーアンテナは、通常コンパクトで使いやすいため、小売またはデスクトップアプリケーションにも最適です。

2つのかさばる外部デバイスよりも視覚的に魅力的です。

一方、外部アンテナは、特定のアプリケーションでより多くのオプションと柔軟性を提供します。

使用する環境に合わせて、どのアンテナを使用することでメリットが得られるかを判断します。

シェン・ヒーローは最適なアンテナをリーダーやシステムとともにご提案します。

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