アンテナの配置と最適化

アンテナの配置は、RFIDシステムのパフォーマンスにおける最大の要因であり、タグの感度やリーダの出力よりも重要です。アンテナの配置が不適切な5,000ドルのリーダは、適切に配置された500ドルのリーダよりも性能が劣ります。目標は、対象エリア外からの誤読取を最小限に抑えつつ、明確に定義された読取領域（タグが確実に読み取られる3D空間）を作成することです。

実例として、ある大規模な物流拠点での導入において、ドックドアのアンテナの高さを2.5mから2.0mに変更し、下向きに15°傾けたところ、読み取り率が87%から99.2%に向上しました。RF信号強度は逆二乗の法則に従うため、わずかな位置の変更がパフォーマンスに大きな差を生みます。距離が2倍になると、信号強度は4分の1になります。

アンテナの偏波は電磁波の向きを決定します。これは、さまざまな向きにあるタグが読み取り可能かどうかを直接制御するため、システム設計において最も重要な決定事項の1つです。

読み取りゾーンとは、タグを確実に読み取ることができる3次元の空間です。アンテナ面から伸びる円錐形またはローブのような形状をしており、その寸法はアンテナ利得、リーダーの送信出力、およびタグの感度によって決まります。30 dBmの出力で9 dBicのアンテナを使用し、NXP UCODE 9タグ（感度-22.1 dBm）を使用した場合、奥行き約8〜10メートル、先端の幅が約3〜4メートルの読み取りゾーンが形成されます。

近傍界 vs 遠方界：UHF RFIDアンテナは2つの領域で動作します。近傍界（920 MHzで約35cm以内）は磁界結合を利用し、非常に短距離で制御された読み取りを行います。これは、カウンター上の商品のみを読み取りたいPOSステーションに最適です。遠方界（35cm以上）は電磁波の伝搬を利用し、ほとんどのRFIDアプリケーションで使用されます。近傍界アンテナは、アイテムレベルのエンコードやPOS向けに、限定された読み取りゾーンを持つように特別に設計されています。

出力ガイドライン：最大距離（約10m、ドックドア）は33 dBm。標準距離（約6〜8m、一般用途）は30 dBm。中距離（約3〜5m、コンベアベルト）は25 dBm。短距離（約1〜2m、POS）は20 dBm。近傍界（約0.5m、棚リーダー）は15 dBm。常に低い出力から開始し、目標の読み取り率を達成するまで出力を上げてください。過剰な出力は誤読み取りの原因となります。

33 dBm → ~10m   dock doors, max range
30 dBm → ~6-8m  general warehouse
25 dBm → ~3-5m  conveyor belts
20 dBm → ~1-2m  point-of-sale
15 dBm → ~0.5m  shelf / near-field

VSWR（電圧定在波比）は、リーダーからアンテナへ電力がどれだけ効率的に伝送されているかを測定する指標です。理想的な状態は1:1（すべての電力が放射される状態）です。2:1を超えると、かなりの電力がリーダーに反射され、パフォーマンスが低下するだけでなく、長期的にはPAアンプを損傷させる可能性があります。ほとんどの商用RFIDアンテナは、動作帯域全体で1.2〜1.5:1のVSWRを実現しています。

一般的なVSWRの問題：RFケーブルの損傷やよじれ（VSWRが2:1を超える場合は交換してください）。コネクタタイプの誤り（指定通りRP-TNCまたはSMAを使用してください）。スペーサーなしでアンテナを金属面に直接取り付けた場合（15mm以上のスタンドオフを使用してください）。屋外コネクタへの浸水（ブーツ付きの耐候性RP-TNCを使用してください）。低損失ケーブルを使用せずにケーブル長が10mを超える場合（5mを超える配線にはLMR-400または同等品を使用してください）。

常に動作帯域全体（ベトナムの場合は920〜925 MHz）でVSWRを確認してください。アンテナによっては、920 MHzで1.2:1という優れたVSWRを示しても、925 MHzでは2.5:1まで悪化することがあります。これは、FHSSチャネルの半分でパフォーマンスが低下することを意味します。

ほとんどの本番環境の導入では、リーダー1台につき複数のアンテナを使用します。Nextwavesのリーダーは最大32個のアンテナポートをサポートしています。主な考慮事項：間隔 — ドックドアの場合、通常は1〜2メートル離し、完全なカバレッジのためにビームを15〜20%重ねます。取り付け角度 — ポータルアプリケーションでは、読み取りゾーンをドア口に集中させるため、内側に15〜45°傾けます。アンテナシーケンス — 重複するゾーンからの同時送信を防ぐため、リーダーはアンテナを自動的に切り替えます。

ポータル構成例（ドックドア）：4つのアンテナを設置します。ドアの両側に、高さ1.5mと2.5mの位置に2つずつ、内側に30°傾けて取り付けます。パレットの面に向けて直線偏波を使用します。動きの速いフォークリフトの場合は、リーダーをSession S2、Q=6に設定します。これにより、48〜100個のタグ付きケースが積まれた標準的なパレットで99%以上の読み取り率が得られます。

コンベアトンネルの例：ベルトの周囲（上下左右）に4つの円偏波アンテナを正方形に配置します。シングルパス読み取り用にSession S1を設定します。読み取りゾーンをトンネル内に限定するため、出力を25 dBmに設定します。これにより、隣接するコンベア上のタグの読み取りを防止します。

CONFIGURE_ANTENNA_ENABLE payload (4 bytes):

Ports 1-4:    0x0F 0x00 0x00 0x00  (0b00001111)
Ports 1,3:    0x05 0x00 0x00 0x00  (0b00000101)
Port 1 only:  0x01 0x00 0x00 0x00  (0b00000001)

Bit 0=ANT1  Bit 1=ANT2  ...  Bit 31=ANT32

金属面は倉庫における最大の干渉源です。RF信号を反射し、デッドゾーンやマルチパス干渉を引き起こします。解決策：アンテナを非金属面に取り付けるか、金属構造物から50mm以上のスタンドオフを使用してください。メインローブが金属製の壁やラックに直接当たらないようにアンテナの向きを調整してください。

水や液体はUHF電波を激しく吸収します。アンテナとタグ付きパレットの間に水ボトルのケースがあると、読み取りが完全に遮断されることがあります。解決策：RFパスが液体容器を避けるようにアンテナを配置するか、吸収損失を補うために出力を3〜6 dB上げてください。

近くで動作している他のリーダーが干渉を引き起こす可能性があります。Dense Reader Mode (DRM) や FHSS が役立ちますが、追加の対策として、隣接するリーダー間で重複しないチャネルマスクを設定する、指向性アンテナを使用して電波の漏れを制限する、ミドルウェアがサポートしている場合は TDMA スケジューリングを実装する、などがあります。

アンテナは蛍光灯（RFノイズ源）から1m以上、Wi-Fiアクセスポイントから2m以上離してください。Wi-Fiは2.4/5 GHz（UHF 920 MHzとは異なります）で動作しますが、シールドが不十分な機器は広帯域の高調波を発生させる可能性があります。