機器部品
電波吸収体による UHF 帯 RFID 電磁環境制御方法の開発
Adjusting the Interrogation Area of the UHF RFID with Electromagnetic Wave
Absorbers
佐川印刷株式会社 佐川印刷株式会社 技術本部 総合研究所 技術本部 総合研究所 機器部品事業部 技術開発部 機器部品事業部 電波吸収体事業室西田 伸克
佐々木 清幸
柏原 一之
工藤 敏夫
細谷 勝宣
福井 政博
■ N. Nishida ■ K. Sasaki ■ K. Kashihara ■ T. Kudo ■ K. Hosotani ■ M. Fukui
UHF 帯 RFID（Radio-Frequency Identifi cation）は，従来のシステムに比べ，広い通信エリアとともに多数の IC タ グが一括読み取りできるという特長から，物流，製造その他の様々な分野で SCM（Supply Chain Management）へ の応用が期待されている。一方，その広い通信エリアに起因して，近接する同種システム間の電波干渉やマルチパスの影 響など，実用化における課題も残されている。本報では，これらの課題に対する解決策のひとつとして，所望の通信エリ アを確保することを目的とした，電波吸収体による電磁環境制御の実証試験結果について紹介する。
〔キーワード〕 UHF 帯，RFID ，IC タグ，電波吸収体，通信エリア
UHF RFID (Radio-Frequency Identification) systems operating in the 860 to 960 MHz band can read/write a large number of IC tags at the same time and have a wider interrogation area than other previous systems. They are expected to be applied to SCM (Supply Chain Management) in various field such as logistics, manufacturing and retail. However, interference with neighboring systems and/or multipath radio waves from surroundings may occur as the propagation area of their radio waves are so wide. In this report, we describe the experimental results on adjusting the electromagnetic environment with electromagnetic wave absorbers.
〔Key words〕 UHF band, RFID, IC tags, Electromagnetic Wave Absorber, Interrogation Area
1 まえがき ユビキタス社会実現のキーデバイスとして注目され る RFID は，近年，流通，製造，医療ほか，様々な業種・ 業界において，サプライチェーンに大きな変革をもたら す新たな技術として期待されている。とりわけ UHF 帯 RFIDは 2005 年 4 月および 2006 年 1 月の電波法改正に よる 950 MHz 帯の開放に伴い，日本国内においても実 用化への気運が高まりつつある。 この UHF 帯 RFID は，電波方式による通信であるた め，電磁結合方式による 13 .56 MHz 帯に比べ，その通信 距離は長く，また，2 .45 GHz 帯の電波を用いる従来シ ステムとの比較でも，キャリアの波長が長い分，より広 い通信エリアとともに，一度に多数の IC タグを認識で きるという利点がある。このような UHF 帯 RFID の特 長から，通信距離の延伸化が求められる物流分野におい て，その実用化には大きな期待が寄せられている。 しかしながら，通信エリアが広い反面，近接するリー ダー／ライター（以下，R/W）間との干渉の問題や， 壁面や什器等からの反射波と直接波が合成されて生じる 不感領域（いわゆる Null 点）の問題など，実用化にあ たり解決すべき課題事項も報告されている。これら課題 事項の対策として，R/W 間の干渉問題については，離れ たチャネルを使用するというチャネルの振り分けや，電 波を送信する前に使用するチャネルの電波がないことを 確認する，いわゆる LBT（Listen Before Talk）など，ソ
フト面での対策技術が存在するが，前者の場合，日本で は割り当て周波数帯が 952 ∼ 954 MHz（高出力型）と狭 く，チャネルの選択・組合せが限られていること ，， また後者については，キャリアセンスに要する時間が必 要となるため，IC タグが R/W アンテナゲートを高速で 通過するコンベアラインなど，瞬時の応答が要求される 用途に適用することが難しいなどの問題もある。また， Null 点の問題については，R/Wの出力レベルの調整や R/Wアンテナを複数設置するなどの対症療法的な対策は 考えられているものの，決定的な解決策は見出されてい ないのが実情である。 このような背景から本報では，これら課題事項の解消 を目的としたひとつの試みとして，電波吸収体による通 信エリア制御の可能性について実験的に検討した。 2 マルチパス波による ICタグ読取への影響 マルチパス波による ICタグ（以下，タグ）読取への影響 を検討するに当たり，直接波と大地反射波（マルチパス波） の合成が通信エリアに及ぼす影響を調査した（図 1）。
図 2 は市販の R/W およびタグを使用し，什器などのな い十分に広いスペースでタグの読取領域を調査した結果 である。この図において，黒塗り部分はタグが認識でき た場所，その他の白い部分はタグが読めなかった場所を 示している。また，図 3 には RFID 用 R/W アンテナ（以下， アンテナ）からの距離（主放射方向）に対する電界強度 変化の計算結果を示す図であり，Γは大地の反射係数を 示す。図 3 によれば，直接波および大地反射波（マルチ パス波）の合成により，理論上，2 .6 m ，3 .8 m ，6 .1 m 付近で電波が弱め合っていることがわかる。 タグ 直接波 大地反射波 ［単位：mm］ RFID用アンテナ 1350 1500 図 1 通信エリアに及ぼすマルチパスの影響
Schematic illustration of interference between direct waves and multipath waves タグ 直接波 大地反射波 ［単位：mm］ RFID用アンテナ 1350 1500 図 1 通信エリアに及ぼすマルチパスの影響
Schematic illustration of interference between direct waves and multipath waves RFID用 アンテナ 2.6 m 3.8 m 6.1 m 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8 5.4 6 6.6 7.2 7.8 8.4 9 X［m］ ー3.4 ー3 ー2.6 ー2.2 ー1.8 ー1.4 ー1 ー0.6 ー0.2 0.2 0.6 1 1.4 1.8 2.2 2.6 3 3.4 Y ［ m ］ 読取可 読取不可 図 2 タグ読取可能エリア
A measurement result of the readability area of IC tags RFID用 アンテナ 2.6 m 3.8 m 6.1 m 0 0.6 1.2 1.8 2.4 3 3.6 4.2 4.8 5.4 6 6.6 7.2 7.8 8.4 9 X［m］ ー3.4 ー3 ー2.6 ー2.2 ー1.8 ー1.4 ー1 ー0.6 ー0.2 0.2 0.6 1 1.4 1.8 2.2 2.6 3 3.4 Y ［ m ］ 読取可 読取不可 図 2 タグ読取可能エリア
A measurement result of the readability area of IC tags
自由空間 ＝0 大地反射係数 ＝0.5 大地反射係数 ＝1 実測値 50 40 30 20 10 0 ー10 ー20 受信電力［dBm］ 距離［m］ 2.6 m 3.8 m 6.1 m 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 図 3 直接波，大地反射波の合成による電界強度
Field strength of synthetic waves
自由空間 ＝0 大地反射係数 ＝0.5 大地反射係数 ＝1 実測値 50 40 30 20 10 0 ー10 ー20 受信電力［dBm］ 距離［m］ 2.6 m 3.8 m 6.1 m 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 図 3 直接波，大地反射波の合成による電界強度
Field strength of synthetic waves
これら図 2 および図 3 の結果を比較すると，直接波と 大地反射波の合成により，電界強度が落ち込む 3 .8 m 付 近では，まばらにタグの認識できない点（Null 点）が生 じていることがわかる。また，約 6 m 以上の距離では， 読取可能な場所が斑点状に散在しており，この領域では 意図しないタグまで読んでしまう可能性が懸念される。 これらの結果は什器など，反射体のない理想的な平面 での測定結果であるが，RFID システムの導入される実 際の現場には，様々な什器や柱，壁面のほか，人間の出 入りなど，システム周辺に反射波を生じる要因が複雑雑 多に存在するため，有効な通信エリアあるいは Null 点の 発生箇所を予測･特定することは，現実的には不可能に 近いものと思われる。 したがってアンテナから放射される電波の伝播領域その ものを意図的に制御し得るならば，システム構築にあたっ て，干渉あるいは通信エリアの設定に関するさまざまな問 題に対して有効な対策になり得るものと考えられる。 3 電波吸収体の仕様および適用方法 本検討では高出力型 R/W 向けに開放された 952 ∼ 954 MHz 帯の中心周波数である 953 MHz に設計した 透明な λ/4 型電波吸収体を使用した。使用した電波吸収 体の外観および電波吸収性能を図 4 ，図 5 に示す。この 電波吸収体を①アンテナ対向面，および②アンテナの 両サイドに配置し，周囲の電力分布を調査した。アンテ ナおよび電波吸収体（遮へい体＝アルミ板）の設置方法 を図 6 に示す。なお，図中の記号 L は電波吸収体のアン テナ前方への張り出し部の長さを示す。また，アンテナ 対向面に設置する電波吸収体までの距離は図 2 に示し たタグの読取領域の調査結果をふまえ，確実に読み取 れるであろう 3 m とした。 表 1 に電界強度分布の測定 条件を示す。 図 4 UHF 帯 RFID 用透明電波吸収体
Photograph of a transparent electromagnetic wave absorber for RFID systems
図 4 UHF 帯 RFID 用透明電波吸収体
Photograph of a transparent electromagnetic wave absorber for RFID systems
4 電波吸収体による通信エリアの制御 4 .1 対向面電波吸収体の効果 （アンテナ対向面にのみ設置した場合） 本節では，RFID システム周辺の反射体に対する電波 吸収体の有効性を確認するため，アンテナ正面に電波遮 へい体と電波吸収体をそれぞれ設置した場合における電 力分布の比較を行った。各電力分布の測定結果を図 7 に 示す。図中の○点は，正常にタグの読み取りが行われた 場所を示している。なお，本節以降，電力分布を示す図 では，アンテナと対向する電波吸収体を結ぶ中心線両側 の電力分布は，図 2 の結果からもほぼ対称と仮定し，電 波吸収体に向かって右側のみの測定結果を示している。 図 7（a）に示すようにアンテナ正面に電波遮へい体を 設置した場合，アンテナからの直接波と電波遮へい体か らの反射波との合成により，通信エリアは縞状に強弱を 生じる複雑な電力分布となっていることがわかる。また， 電波遮へい体からの反射波はアンテナ後方まで及んでお り，アンテナ背面の意図しない場所までタグが読み取ら れている。一方，電波吸収体を設置した場合には，当然 ながら，前者の反射波の影響は著しく小さくなるため， 反射の影響は認められない。また，図 7（b）においてタ グを正常に読み取ることのできた場所と電力分布は比較 的良く一致しており，今回実験を行った測定系では で 示される領域の電力まで，タグはほぼ正常に認識されて いることがわかった。 4 .2 アンテナ両サイドの電波吸収体の効果 （アンテナ対向面および両サイドに設置） 続いて，対向面に設置した電波吸収体に加え，さらに アンテナの両側にも電波吸収体を設置し，前節と同様に アンテナから送信された電波の電力分布を評価した。こ こで，両サイドに設置した電波吸収体は張り出し部の長 さ L を 0 .5 λ ∼ 2 .5 λ（λ は波長＝ 0 .315 m）の間で変化 X［m］ （b）電波吸収体設置時 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波遮へい体 X［m］ （a）電波遮へい体設置時 RFID用アンテナ 電波吸収体 RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 図 7 電波吸収体または遮へい体設置時の電力分布
Mapping results of electrical power with electromagnetic wave absorbers or shielding materials facing an antenna
X［m］ （b）電波吸収体設置時 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波遮へい体 X［m］ （a）電波遮へい体設置時 RFID用アンテナ 電波吸収体 RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 図 7 電波吸収体または遮へい体設置時の電力分布
Mapping results of electrical power with electromagnetic wave absorbers or shielding materials facing an antenna
①アンテナ対向面 （電波吸収体or遮へい体） ②アンテナ両脇 （電波吸収体or遮へい体） RFID用 アンテナ ［単位：mm］ L 3000 2000 2000 1300 1300 ダイポール アンテナ 図 6 電力分布測定方法
Schematic illustration of an experimental method for mapping electrical power
表 1 電力分布測定条件
Instruments and conditions for mapping electrical power
送信系 シグナルジェネレータ 8648 C （Agilent Technology） RFID用アンテナ 市販機材 発振周波数／偏波 953 MHz／円偏波 出力 0 dBm 受信系 スペクトラムアナライザ MA2721 A（Anritsu） ダイポールアンテナ MP627 A（Anritsu） 偏波 垂直偏波 水平偏波 垂直偏波 953 MHz 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000 周波数［MHz］ 反射減衰量［dB］ 0 ー5 ー10 ー15 ー20 ー25 ー30 ー35 ー40 ー45 ー50 図 5 電波吸収特性（周波数特性）
Characteristics of a transparent electromagnetic wave absorber for RFID systems
させ，その効果を比較した。結果を図 8 に示す。図 8 に 示すように，電波吸収体の張り出し部 L が大きくなる につれ，Y 方向の電波の拡がりは抑制されていることが わかる。これに対し，アンテナ両サイドに電波遮へい体 を設置した場合の電力分布は図 9 のようになり，アン テナ左側に設置した電波遮へい体（非表示）からの反射 電波吸収体 X［m］ （a）L＝約0.5 l RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 X［m］ （b）L＝約1.0 l RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 X［m］ （c）L＝約1.5 l RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 X［m］ （d）L＝約2.5 l RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 電波吸収体 電波吸収体 電波吸収体 図 8 電波吸収体設置時の電力分布
Mapping results of electrical power with electromagnetic wave absorber on the side of an antenna
波と考えられる電力の大きい部分（X=1 .5 ∼ 2 .5 m ， Y=0 .5 ∼ 1 .0 m）が右側に張り出していることがわかる。 これらの結果から，アンテナ両サイドに設置した電波 吸収体は電波の拡がりを絞り込むという目的に対して， 有効に機能していることがわかった。 また，タグを読み取ることのできる領域が で示され る領域までであることを考慮すると（図７（b）），アンテ ナ対向面および両サイド（L ＞ 1 .5 λ）に電波吸収体を適 切に配置することによって，タグの読み取りに必要な電 力が及ぶ領域をアンテナと対向面電波吸収体の両端を結 ぶ三角形内部に限定し得る可能性を示唆する結果と言え る（図 10）。 5 む す び 本検討では，UHF 帯 RFID 設置環境における電波環境 改善策のひとつとして，電波吸収体の有効性に関する実 験的な評価を行った。その結果，アンテナ両側の電波吸 収体により，水平面内の電波の拡がりを絞り込み，さら に対向面に設置した電波吸収体で反射波を抑制すること で，タグの読み取り領域を意図的に制限し得る可能性を 見出すことができた。なお，今回使用した電波吸収体は， 本来，遠方界用に設計したものであるが，電波遮へい体 電波遮へい体 X［m］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 図 9 電波遮蔽体設置時の電力分布（L ＝約 1 .5λ）
A Mapping result of electrical power with electromagnetic shielding material on the side of an antenna
電波遮へい体 X［m］ 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 電波吸収体 RFID用アンテナ 大 小 2.5 2.25 2 1.75 1.5 1.25 1 0.75 0.5 0.25 0 Y ［ m ］ 図 9 電波遮蔽体設置時の電力分布（L ＝約 1 .5λ）
A Mapping result of electrical power with electromagnetic shielding material on the side of an antenna
電波吸収体 （対向面へ配置） RFID用アンテナ 電波吸収体 （アンテナ両脇へ配置） タグ読み取り可能域 図 10 タグ読み取り可能領域
Illustration of an adjusted interrogation area 電波吸収体 （対向面へ配置） RFID用アンテナ 電波吸収体 （アンテナ両脇へ配置） タグ読み取り可能域 図 10 タグ読み取り可能領域
をアンテナ両サイドに設置した場合には反射波の影響が 生じることを考慮すると，電波の拡がりを抑え，絞り込 むという観点からは，十分にその効果および有効性を確 認できる結果が得られているといえる。 実際の RFID システムでは，R/W およびタグの仕様だ けでなく，その設置環境周囲の状況により，電磁環境は 様々に変化すると考えられる。したがって，今後は本検 討結果を踏まえ，どのような環境下でも対応できるよう， 通信エリアの制御に必要な電波吸収体のサイズや配置， その他の条件について最適化を進め，より汎用的な形態 で電磁環境を整える手法を鋭意検討してゆく予定であ る。 参考文献 総務省. 情報通信審議会情報通信分科会小電力無線 システム委員会報告. 2005. 上坂ほか. 無線ICタグにおけるアンテナ技術. 電子 情報通信学会論文誌B. Vol.89-B. 2006, p.1548∼ 1557. 丸亀. UHF帯ICタグシステムの干渉実験と回避策. 最新技術と事例に学ぶ無線ICタグ活用のポイント. 日経RFIDテクノロジ講演資料. 2006. 安藤. UHF帯ICタグ実機テストレポート（１）. 日経 RFIDテクノロジ2005.10. 2005, p.9∼13. 立石. UHF帯ICタグシステム導入のポイント（第1 回）. 日経RFIDテクノロジ2006.1. 2006, p.22∼25. 三次. UHF帯ICタグシステムの干渉問題とその回避 策（最終回）. 日経RFIDテクノロジ2007.1. 2007, p.23 ∼26. 安藤. UHF帯リーダーは同時に1∼3台しか動かせな い場合も. 日経RFIDテクノロジ2006.6. 2006, p.6∼7.
