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

RFID技術のニアフィールド(近距離)とファーフィールド(遠距離)の違いは、タグのサイズだけではありません。このガイドでは、ニアフィールドタグの読み取りパフォーマンスを向上させるためのアンテナとパラメータの調整について、専門的な知識を提供します。

RFIDリーダーアンテナとタグアンテナ間のエネルギー伝送は、ファーフィールドとニアフィールドの2つの主要なカテゴリに分かれます。ファーフィールドは電波を利用し、ニアフィールドは磁場を活用します。

ニアフィールドの基本原理

ニアフィールドでは、リーダーアンテナとタグアンテナの間の距離が伸びるにつれて、磁場の強度が急激に減少します。これがニアフィールドタグの読み取り範囲が狭い理由です。

通常、ニアフィールドのUHF帯RFIDは約1波長(約30cmまたは12インチ)の距離が理想的です。これを超えると、タグは電磁波を捕捉するための大きなアンテナ構造が必要となります。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のタグサイズをかなり大きくします。

ニアフィールドタグのコンパクトなサイズは、UHF帯RFIDを使用する新しい市場を切り開いています。これにより、非常に小さなアイテムにもタグを取り付けることが可能になり、特に小売業の化粧品や宝飾品分野で革新が進んでいます。

アンテナパラメータの最適化

UHF帯RFIDリーダーアンテナの設計では、タグの種類に応じて、ゲイン(利得)、SWVR(電圧定在波比)、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重要です。

これらのパラメータは主にファーフィールドの性能を最適化するために使用されますが、ニアフィールドでの使用を考慮する場合、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どれだけ均等に分布するかが重要な要因となります。

磁場が均一に分布すると、アンテナ表面全体でニアフィールドタグを効果的に読み取ることができます。これは、タグが密集して配置されている場合に、読み取りの信頼性を向上させるのに役立ちます。

ファーフィールドでの読取デッドスポットを回避するためのアンテナの修正

以下の図1は、従来のループアンテナの磁場分布を示しています。ループワイヤ/トラックの位置(緑色の領域)では磁場が強いですが、アンテナ表面の中央(青色の領域)では弱くなります。図2は、パッチアンテナの磁場分布を示しており、これは固定RFIDリーダーで一般的に使用されるアンテナタイプです。
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。

従来のループアンテナの磁場分布

図1:従来のループアンテナの磁場分布

従来のパッチ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

ニアフィールドアンテナの性能向上:均一な磁場分布の実現

ニアフィールドアンテナの性能を向上させるためには、磁場を均一に分布させることが重要です。これを実現するための一般的な方法は、ループアンテナの構造を改良することです。

従来のループアンテナでは、磁場のフェージングが構造の中心で生じるため、磁場の分布が不均一になります。これは、導体線の電流の方向が波長の4分の1ごとに反対に変わるためです。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。

従来のループアンテナの電流の方向

図3:従来のループアンテナの電流の方向

ループアンテナの構造を改良するには、電流の方向が一定である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、直列キャパシタンスを追加することで実現できます。

導体を均等に切断し、静電容量を追加することで、ループの電気的な長さを短くすることができます。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。

セグメント化されたループアンテナの電流の方向

図4:セグメント化されたループアンテナの電流の方向

電流の方向が一定であるため、中央の磁場はキャンセルされず、アンテナ構造の表面に沿って均一に分布します。これにより、表面の任意の位置でニアフィールドタグを効率的に読み取ることができ、デッドスポットが解消されます。

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。図から図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。

セグメント化されたループアンテナの磁場分布

図5:セグメント化されたループアンテナの磁場分布

理論から実践へ:Nordic ID製品のテスト結果

Nordic ID社のニアフィールドアンテナ製品Nordic ID Sampoを実際にテストし、この理論が実際の環境でどのように機能するかを確認しました。

Nordic ID Sampo ニアフィールドアンテナ

改良されたアンテナを使用することで、ニアフィールドタグの読み取り精度が向上し、インベントリ管理がより迅速かつ正確に行えることが確認されました。また、デッドスポットがなくなり、タグの読み取りがスムーズに行えることが分かりました。

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