デッドスポットの回避とニアフィールドUHF帯RFID読み取りの最適化

RFID技術におけるニアフィールド（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設計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、タグサイズが大きくなります。

ニアフィールドタグのコンパクトなサイズは、新しい市場を切り開いており、特に小売業の化粧品や宝飾品分野で革新をもたらしています。

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性能の最適化に使用されますが、ニアフィールドでは磁場の強さとその均一な分布が重要です。均一な磁場分布は、タグが密集している場合でも読み取りの信頼性を向上させます。

ファーフィールドでのデッドスポットを回避するアンテナ調整

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）では磁場が強く、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、固定RFIDリーダーで一般的に使用されます。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。

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。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ことで、ループを4分の1波長よりも短くするか、電気的に短くすることが可能です。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。

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、アンテナ表面全体に均一に分布します。これにより、ニアフィールドタグの効率的な読み取りが可能になり、デッドスポットが解消されます。

図5：セグメント化されたループアンテナの磁場分布

理論から実践へ：Nordic ID製品のテスト結果

Nordic ID社のNordic ID Sampoニアフィールドアンテナをテストし、改良されたアンテナが実際の環境でどのように機能するかを確認しました。結果として、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迅速かつ正確に行えることが確認されました。