リーダおよびRFIDリーダ

本出願は、2014年10月13日に出願された台湾特許出願番号第103135325号についての優先権を主張するものであり、これらの全ては引用によって本願に援用される。

本発明は、無線通信技術に関し、特に、無線周波数識別(RFID)システムのリーダに関するものである。

無線周波数識別(RFID)は、無線通信技術であり、識別システムと特定対象との間に機械的または光学的接触を必要としないRFIDリーダによって、特定対象を識別する無線信号を送信してデータを読み書きする。

現在、RFIDリーダは、通常、受信端と送信端を絶縁するのに、方向性結合器を用いており、信号を受信端でかなり減衰させるため、受信端の感度が不十分となっている。

従って、RFIDリーダは、送信端と受信端との間に良好な絶縁を提供しながら、受信端の感度を向上させることが必要となる。

リーダが開示されている本発明の1つの態様では、パワーアンプ、低ノイズアンプ、サーキュレータ、自動整合同調回路、および制御回路を含む。パワーアンプは、第1の無線周波(RF)送信信号を出力するように構成される。低ノイズアンプは、第1のRF送信信号に対応した第1のRF応答信号を送信するように構成される。サーキュレータは、パワーアンプと低ノイズアンプとの間に接続され、第1のRF送信信号をRF接続ノードに送信するように構成されるか、第1のRF応答信号をRF接続ノードから受信するように構成される。自動整合同調回路は、サーキュレータに接続され、RF接続ノードとサーキュレータとの間のインピーダンス整合を行うように構成される。制御回路は、自動整合同調回路に接続され、自動整合同調回路を調整してRF接続ノードとサーキュレータとの間のインピーダンス整合を行うように構成される。

RFIDリーダが提供されている本発明のもう1つの態様では、パワーアンプ、低ノイズアンプ、ミキサー、選択可能フィルター、サーキュレータ、自動整合同調回路、および制御回路を含む。パワーアンプは、第1の無線周波(RF)送信信号を出力するように構成される。低ノイズアンプは、第1のRF送信信号に対応した第1のRF応答信号を送信し、第1のRF応答信号は、上タグ信号と下タグ信号を搬送し、第1のRF送信信号は、第1のRF応答信号と同じRF周波数を有するように構成される。ミキサーは、低ノイズアンプに接続され、第1のRF応答信号をダウンコンバートするように構成される。選択可能フィルターは、ミキサーに接続され、ダウンコンバートされた上タグと下タグ信号をフィルタリングし、フィルタリングされた上タグと下タグ信号から、クリアな信号を選び、出力するように構成される。サーキュレータは、パワーアンプと低ノイズアンプとの間に接続され、第1のRF送信信号をRF接続ノードに送信するように構成されるか、第1のRF応答信号をRF接続ノードから受信するように構成される。自動整合同調回路は、サーキュレータに接続され、RF接続ノードとサーキュレータとの間のインピーダンス整合を行うように構成される。制御回路は、自動整合同調回路に接続され、自動整合同調回路を調整してRF接続ノードとサーキュレータとの間のインピーダンス整合を行うように構成される。

添付の図面とともに以下の本発明の様々な実施形態の詳細な説明を検討することで、本発明はより完全に理解できる。

本発明の実施形態に係る、RFIDシステム1のブロック図である。

本発明の実施形態に係る、RFIDシステム2のブロック図である。

選択可能フィルター212がどのように動作するかの波形を示している。

選択可能フィルター212がどのように動作するかの波形を示している。

以下の説明は、本発明を実施するベストモードが開示されている。この説明は、本発明の一般原理を例示する目的のためのもので本発明を限定するものではない。

図1は、本発明の実施形態に係る、RFIDリーダ10とRFIDタグ12を含む、無線周波数識別(RFID)システム1のブロック図である。RFIDタグ12は、内部電源のない受動部品であり、内部集積回路は、受けた電磁波によって駆動される。まず、RFIDリーダ10は、電磁波を放出し、RFIDタグ12が十分な電磁エネルギーを受けたとき、タグデータをRFIDリーダ10に発する。タグデータは、固有のタグシリアル番号を含むことができるか、または例えば、ストック番号、ロットもしくはバッチ番号、製造日、または他の特定の情報などの製品関連の情報であることができる。また、タグデータは、RFIDの電気的消去可能なプログラマブル読み取り専用メモリ(EEPROM)に予め保存されたデータを含むことができる。パッシブタグは、低コスト且つどの電源も必要としない利点を有する。市場に出ているRFIDタグは、主に受動型である。

RFIDリーダ10は、トランシーバ100、パワーアンプ(PA)102、低ノイズアンプ(LNA)104、方向性結合器105、およびアンテナ106を含む。RFIDタグ12は、アンテナ122およびパッシブタグ120を含む。

RFIDリーダ10は、PA102とアンテナ106によって電磁波を空中に送信する。RFIDタグ12のアンテナ122は、RF応答信号を生成する十分なエネルギーを含む電磁波を受信し、次いで生成したRF応答信号に対応して、RFIDリーダ10に応答する。RFIDタグ12で送信されたRF応答信号は、RFIDリーダ10で送信された電磁波のRF応答信号と同じ周波数を有し、且つパッシブタグ120に保存されたタグ情報を含む。方向性カプラ105は、送信端と受信端間で優れた電気的絶縁を有し、送信端と受信端で同時に動作させることができるが、しかしながら、方向性カプラ105は、受信端で受信した信号をかなり減衰させる。また、電気的絶縁が乏しい方向性結合器105は、自己妨害(self−jamming)と隣接/同一チャネル干渉が起こる。

RFIDリーダ10は、図2のRFIDリーダ2によって実施され、図2は、本発明の実施形態に係る、RFIDリーダ2のブロック図を示している。RFIDリーダ2は、パワーアンプ(PA)200、サーキュレータ202、自動整合同調回路(automatic−matching−and−tuning circuit)204、制御回路206、低ノイズアンプ(LNA)208、ミキサー210、選択可能フィルター212、およびアナログデジタル変換器(ADC)214を含む。

パワーアンプ200は、サーキュレータ202を介して出力信号Soutの電力を増幅し、増幅された出力信号Sout’(第1のRF送信信号)をRF接続ノードに送信する。RF接続ノードは、RFルーティング(RF routing)、RFスイッチ、RFケーブル、巻線、またはアンテナなどを含む。増幅された出力信号Sout’は、巻線またはアンテナを介して空中に伝播されるRF送信信号であるため、近接している1つ以上のRFIDタグ(図示されていない)を感知して読み出す。低ノイズアンプ208は、RF接続ノードから増幅された出力信号Sout’に対応するRF応答信号Sin’(第1のRF応答信号)を受信し、増幅された受信信号Sinを出力する。RF応答信号Sin’は、RFIDタグ情報を含む上タグ信号と下タグ信号を搬送する。サーキュレータ202は、パワーアンプ200と低ノイズアンプ208との間に接続され、RF接続ノードのインピーダンスに整合する。制御回路206は、自動整合同調回路204に接続され、自動整合同調回路204を調整してRF接続ノードとサーキュレータ202にインピーダンス整合を行う。

RFIDリーダ2は、サーキュレータ202を用いて、パワーアンプ200からRF接続ノードに出力信号Sout’を送信し、RF接続ノードから低ノイズアンプ208へのRF応答信号Sin’を受ける。サーキュレータ202は、送信端と受信端との間に好ましい絶縁を有し、且つわずかな挿入損失しかないため、受信経路損失(receiving path loss)は、最小化されることができ、受信感度を効果的に向上させることができる。挿入損失は、減少されるため、自動整合同調回路204がサーキュレータ202と前端のRF接続ノードとの好ましい整合を提供するように用いられ、出力信号Sout’の送信のときに、部分信号反射によって起こる自己妨害信号を減少する。

また、超高周波(UHF)のRFIDチャネルは、周波数ホッピング機構を用いており、且つ、前端のRFルーティンのインピーダンスが固定されておらず、RF接続ノードのインピーダンスがプリント回路板(PCB)の部品のプロセス変動、RFケーブル切替、またはアンテナ切替によって変わる可能性があるため、固定の整合方式を用いることができない。自動整合同調回路204は、自己妨害の影響を効果的に低減するように組み込まれる。自動整合同調回路204は、可変容量素子、誘導性素子、抵抗素子を含む。制御回路206は、最小の自己妨害に達するまで、増幅された受信信号Sinに応じて自動整合同調回路204を調整することができる。

インピーダンス整合のとき、送信端のパワーアンプ200は、単一トーン信号を送信することができ、低ノイズアンプ208は、対応する増幅された出力信号Sinを出力することができる。インピーダンス整合が不十分なとき、低ノイズアンプ208は、増加した数の単一トーン信号の反射信号を受信し、対応する増幅された出力信号Sinを出力する。制御回路206は、増幅された出力信号Sinの値に基づいて自動インピーダンス整合調整アルゴリズム(automatic−impedance matching adjustment algorithm)を用いて、自動整合同調回路204内の可調整容量素子、誘導性素子、抵抗素子を調整し、増幅された出力信号Sinを低減することができる。制御回路206は、複数の調整を行って増幅された出力信号Sinを低減し、サーキュレータ202とRF接続ノードとの間のインピーダンス不整合を取り除くことができるため、自己妨害を大幅に低減させる。従って、自動整合同調回路204、制御回路206、およびサーキュレータ202は、効果的に感度を向上させることができる。

ミキサー210は、低ノイズアンプ208から増幅された出力信号Sinを受信し、増幅された出力信号Sinを中間周波数(IF)またはゼロ周波数(ZF)の範囲にダウンコンバートする。ダウンコンバートされたRF応答信号Sin‘は、同一のRFIDタグ情報を含むダウンコンバートされた上タグ信号とダウンコンバートされた下タグ信号を搬送する。選択可能フィルター212は、ミキサー210に接続され、ダウンコンバートされた上タグと下タグ信号をフィルタリングし、フィルタリングされた上タグと下タグ信号から、出力用によりクリアな信号を選ぶ。アナログデジタル変換器214は、選択可能フィルター212に接続され、フィルタリングされた上タグと下タグ信号をデジタル信号に変換する。次いで、コントローラまたはプロセッサは、デジタル化された上タグと下タグ信号のどちらがよりクリアであるかを判定し、よりクリアなタグ信号を選んで、信号処理を行い、RFIDタグ情報を得ることができる。図3Aと図3Bは、上タグ信号と下タグ信号を選ぶ選択方法を示している。

選択可能フィルター212は、近接するチャネル干渉を低減するのに用いられる。上述のように、複数の伝送チャネルRFIDリーダによって用いられた伝送チャネルとタグ応答チャネルの周波帯域は、互いに近接しているため、信号干渉は相当なものである。従来の単一のフィルターは、信号干渉を効果的に除去できず、本実施形態の選択可能フィルター212が近接するチャネル干渉を低減または除去するように提供される。

UHFのRFIDは、周波数ホッピング機構を用いているため、RFIDリーダが左右2つの近接するチャネルから干渉される確率は、RFIDリーダが単一の近接するチャネルから干渉される確率よりもはるかに低い。図3Aと図3Bは、選択可能フィルター212がどのように動作するかの波形を示している。図3Aと図3Bに示されるように、応答した上タグ信号T_Uと応答した下タグ信号T_Lは、周波数領域のキャリア周波数に対して左右に配置されるため、左右の上タグ信号T_Uと下タグ信号T_Lは、中間周波数にダウンコンバートされ、次いで選択可能フィルター212によってフィルタリングされ、フィルタリングされた出力は、アナログデジタル変換器214によってデジタル化され、次いでよりクリアな信号は、比較後、よりクリアな信号から選ばれる。この手順は、近接するチャネル干渉を効果的に低減することができる。

図3Aに示されるように、干渉信号がより高い周波数に近接するチャネルS_{up_adj_ch}からである場合、比較後、デジタルコントローラまたはプロセッサは、下タグ信号T_Lが上タグ信号T_Uよりクリアかどうかを判定し、キャリア周波数Cの左にあるフィルタリングされた範囲BPF1、またはフィルタリングした結果を用いた、選択可能フィルター212によって生成された下タグ信号T_Lを選ぶ。反対に、図3Bに示されるように、干渉信号がより低い周波数に近接するチャネルS_{lo_adj_ch}からである場合、比較後、デジタルコントローラまたはプロセッサは、上タグ信号T_Uが下タグ信号T_Lよりクリアかどうかを判定し、キャリア周波数Cの右にあるフィルタリングされた範囲BPF2、またはフィルタリングした結果を用いた、選択可能フィルター212によって生成された上タグ信号T_Uを選ぶ。

本実施形態のRFIDリーダは、サーキュレータを用いて、RF信号を送信端と受信端との間に伝送し、送信端と受信端との間に良好な絶縁を提供しながら、受信端の感度を向上させる。また、サーキュレータとRF接続端との間のインピーダンス整合は、自動整合同調回路と制御回路によって実行されることができるため、自己妨害を減少または除去する。選択可能フィルターは、フィルタリングされた上タグと下タグ信号から、出力用によりクリアな信号を選ぶことができるため、近接するチャネル干渉を低減または除去する。

図1、図2、図3A、および図3Bの実施形態は、RFIDシステムとRFIDリーダの動作を説明しているが、本発明はこれを限定するものではない。当業者は、他のマイクロ波の単一周波数トランシーバシステム、例えばレーザーシステムも本発明の原理を逸脱せずに、行い得る。

ここに用いられる“判定(determining)”という用語は、計算(calculating)、演算(computing)、処理 (processing)、取得(deriving)、調査(investigating)、検索(looking up)(例えば、表、データベース、または他のデータ構造の検索)、確定(ascertaining)などを含む。また、“判定 (determining)”は、解決(resolving)、選択(selecting)、選出(choosing)、確立などを含んでもよい。

ここで開示された態様に関連して記述される種々の例示の論理ブロック、モジュール、および回路は、汎用プロセッサ、デジタル信号プロセッサ(DSP)、特 定用途向け集積回路(ASIC)、フィールドプログラマブルゲートアレイ(FPGA)または他のプログラマブルロジックデバイス、個別のゲートまたはトラ ンジスタロジック、個別のハードウェア構成機器、またはここに記述された機能を行うことを目指した任意のそれらの組み合わせを具備してもよい。汎用プロ セッサはマイクロプロセッサでもよいが、代わりに、プロセッサは任意の商用のプロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラまたは状態機械でもよい。

ここに述べられた種々のロジカルブロック、モジュール、及び回路の動作及び機能は、回路ハードウェア、またはプロセッサによってアクセスされ、実行され得る埋め込みソフトウェアコードに実装され得る。

本発明は、実施例の方法及び望ましい実施の形態によって記述されているが、本発明は開示された実施形態に限定されるものではない。逆に、当業者には自明の種々の変更及び同様の配置をカバーするものである。よって、添付の請求の範囲は、最も広義な解釈が与えられ、全てのこのような変更及び同様の配置を含むべきである。

1 RFIDシステム 10 RFIDリーダ 100 トランシーバ 102 パワーアンプ(PA) 104 低ノイズアンプ(LNA) 105 方向性結合器 106 アンテナ 12 RFIDタグ 120 パッシブタグ 122 アンテナ 2 RFIDリーダ 200 パワーアンプ(PA) 202 サーキュレータ 204 自動整合同調回路 206 制御回路 208 低ノイズアンプ(LNA) 210 ミキサー 212 選択可能フィルター 214 アナログデジタル変換器(ADC) Sctrl 制御信号 Sout、Sout’ 出力信号 Sin 受信信号 Sin’ RF応答信号 C キャリア周波数 BPF1、BPF2 フィルタリングされた範囲 T_U 上タグ信号 T_L 下タグ信号 S_{up_adj_ch} より高い周波数に近接するチャネル S_{lo_adj_ch} より低い周波数に近接するチャネル