RFIDはインピーダンスマッチングをとっているの？

質問

現在、RFIDの中身がどのような回路構成になっているのかについて勉強しています。
RFIDは単体では電源を持っていないため、まず入ってきた高周波信号から電源となるDCを
作り出すため整流回路を通していると思います。
色々な整流回路を調べてみたのですが、ほとんどがダイオードとキャパシタから構成されていると理解しております。
ここで質問なのですが、整流回路はダイオードとキャパシタから構成されているため、
インピーダンスマッチングをとるのは無理なように思えるのですが、
一般的なRFIDはインピーダンスマッチングを行っているのでしょうか？
どなたかご存知の方いらっしゃいましたら、教えていただけると幸いです。

回答No.3

Vidohunir · ベストアンサー

いろいろ言いたいことはあるのですが文字だとわずらわしいですね。

＞これはどういうことでしょうか？確かに、入力電圧と入力電流で考えれば入力インピーダンスを定義することも可能のように思えるのですが、ダイオードは非線形素子であり、順方向ではほぼ短絡、逆方向では開放状態とみなせると思います。つまり、基本波において振幅が上に最大のときと、下に最大のときでは、ダイオードのインピーダンスはまったく違うと思うのですが、その点についてはどうお考えでしょうか？

入力インピーダンスを求めるために出力インピーダンス０の電圧源を整流回路に繋いだ回路を考えます。整流回路の入力は電圧源が直接繋がれているので綺麗な正弦波が入力されます。おっしゃるとおり、電流は半周期は流れるがもう半周期は０という波形になります。しかし、非線形素子による波形は基本的には基本波＋高調波の重ねあわせであらわすことができます。その電流の基本波成分のみと電圧においてインピーダンスが定義できるのではないかと。

＞こちらの説明文でそれまで述べていただいとことを否定しているようにも思えるのですが…。動作点によってはインピーダンスが変化しますが、これが変化しない部分では、結局ダイオード自体が動作していない範囲だと思われるのですがどうでしょうか？（つまり、もし半波整流をするのだとしたら、どうしても非線形性のある範囲で使わなければいけない。）ですので、整流を行うのだとしたら、どうしてもダイオードのインピーダンスが変化する範囲で使用しなければいけないのだと私は考えております。

すいません、動作点ということで誤解されたかもしませんが、インピーダンスというのはあくまで繰り返し波形の電圧と電流の振幅比と位相差で定義されるものです。なので、電流が流れているときのインピーダンス、電流が流れていないときのインピーダンス、といったように時間変化するものではないと私は考えています。

＞過去の論文を読んだところ（まだ二つですが…）、すべてマッチングはとっていないようでした。しかも、マッチングに関してはまったく触れられておらず、とらないことが当たり前なのかと思いましたで、今回この質問を投稿させていただきました。

論文を読める環境にはいるようですね。どういった論文を読んでいるのでしょうか。RFIDの要素回路などではなく、製品を作りました、という論文なら何かしら書いてあるように思いますが。
しかし、"A Passive UHF RF Identification CMOS Tag IC Using Ferroelectric RAM in 0.35um Technology" Hiroyuki Nakamoto,et al なんかはちょっと考えが違うようで。負荷の容量成分をアンテナの誘導成分で打ち消し、負荷のインピーダンスが高いのでアンテナのインピーダンスを高くして高い電圧を作る、という考えで作っているようです。マッチングを取ったほうが効率はいいと思うんですけどね。もしかしたらマッチングとるのが大変なので設計しやすさを優先したのかも？

お礼

回答ありがとうございます。
まだまだ分からない部分が多そうですので、もっと論文を読み、
色々と勉強したいと思います。

回答No.2

tance

常時インピーダンスマッチングを保つことは無理なのではないでしょうか。
マクロ的に見て、入出力（RF -> DC）の効率が最も良いところを探すだけ
だと思います。

マイクロ波をアンテナで受けて、整流することで、非接触で電気自動車の
充電をする、なんていうプロジェクトも現にあります。パワーが大きいので
マッチングはシビアなのだろうと思いますが、結局トータルで「最もよい」
設計、というところに落ち着いているようです。

この分野では、回路が簡単な割にはシミュレータが大活躍しています。
きっと厳密な理論は難しいのではないかと想像しています。

お礼

回答ありがとうございます。
＞回路が簡単な割にはシミュレータが大活躍しています
なるほど。つまりシミュレータで色々パラメータを振ってみて、
一番電力効率がよくなるところを探すということですね。
これならば、仮にインピーダンスマッチングが保てなくても、
一番最適な点を見つけることができそうです。
ありがとうございます。

回答No.1

Vidohunir

回答がつかないようなので参考意見を。私も疑問に思い、このあたりを考えたことがあるのですが自信はないです。
インピーダンスマッチングと言うのは信号源の出力インピーダンスと整流回路の入力インピーダンスを複素共役の関係にし、最大の電力を伝える方法です。但し、電圧と電流の周波数は同じ周波数でなければなりません。

そして整流回路の入力インピーダンスは入力される電圧を電流で割った値になります(複素数)。高調波が発生するダイオードなどの非線形素子では、一見すると、インピーダンスが定義できないような気もするのですが、基本波についてのみ、整流回路の入力電圧と入力電流で考えれば定義することができ、インピーダンスマッチングを行うこともできます。ですので、高調波が発生する場合でも電力が伝わるか伝わらないかの目安としてはインピーダンスマッチングの考えが適用できるのではないかと考えています。（非線形素子なので動作点によってはインピーダンスは変わるため入力の振幅依存性もあり、伝わった電力は高調波に変換されたりもしますが。）

と言う説明で直感的に納得できないでしょうか。私の考えでは一般的にRFIDはマッチングとったほうがよいと思うんですけどね。詳しくは忘れましたが他の考え方もあるようです。それは過去の論文などでご自身で判断してください。

お礼

回答ありがとうございます。
何点か質問があるのですが、
＞基本波についてのみ、整流回路の入力電圧と入力電流で考えれば定義することができ、インピーダンスマッチングを行うこともできます
これはどういうことでしょうか？確かに、入力電圧と入力電流で考えれば入力インピーダンスを定義することも可能のように思えるのですが、
ダイオードは非線形素子であり、順方向ではほぼ短絡、逆方向では開放状態とみなせると思います。
つまり、基本波において振幅が上に最大のときと、下に最大のときでは、ダイオードのインピーダンスはまったく違うと思うのですが、その点についてはどうお考えでしょうか？

＞非線形素子なので動作点によってはインピーダンスは変わるため入力の振幅依存性もあり、伝わった電力は高調波に変換されたりもしますが
こちらの説明文でそれまで述べていただいとことを否定しているようにも思えるのですが…。
動作点によってはインピーダンスが変化しますが、これが変化しない部分では、結局ダイオード自体が動作していない範囲だと思われるのですがどうでしょうか？
（つまり、もし半波整流をするのだとしたら、どうしても非線形性のある範囲で使わなければいけない。）
ですので、整流を行うのだとしたら、どうしてもダイオードのインピーダンスが変化する範囲で使用しなければいけないのだと私は考えております。

＞私の考えでは一般的にRFIDはマッチングとったほうがよいと思うんですけどね。
私もそう思います。マッチングをとることができれば電力を効率よく伝えることができるので、
RFIDの使用可能距離も長くすることができるのではないかと思います。

＞それは過去の論文などでご自身で判断してください。
過去の論文を読んだところ（まだ二つですが…）、すべてマッチングはとっていないようでした。
しかも、マッチングに関してはまったく触れられておらず、とらないことが当たり前なのかと思いましたので、今回この質問を投稿させていただきました。

たいした知識もないのに色々と偉そうなことを言ってしまい大変申し訳ありません。
質問の回答に対し、質問を返すような形となってしまいましたが、
もしお時間がありましたらさらなる回答をよろしくお願いいたします。