CN109923733A - 无线通信装置 - Google Patents

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Abstract

本公开的无线通信装置被输入在连接有电源侧电力线和负载侧电力线的电力测量部中测量出的电力测量值，该无线通信装置具备对电波进行发送和接收的第一天线元件以及与所述第一天线元件连接的无线电路。而且，所述第一天线元件以所述第一天线元件的长边方向与所述电源侧电力线及所述负载侧电力线的布线方向的延长方向正交的方式配置。

Description

无线通信装置
技术领域
本公开涉及一种无线通信装置，其内置于电力仪表以对电力仪表搭载无线通信功能。
背景技术
在家庭用及工业用的耗电量的测量中使用电力仪表。以往的电力仪表是仅仅进行电量的测量及显示的单功能电力仪表，近年来，内置通信功能的电力仪表成为主流。这是因为，从节能和环境保护的观点出发，需要通过能量管理来管理电力消耗，从而构建出将电力仪表的测量数据实时地传输到管理服务器并进行收集的能量管理系统。作为搭载于仪表的通信方式，有使用电力线传输的PLC方式或者使用电波的无线方式。在无线方式中，根据各国的不同，使用400MHz频段、900MHz频段以及2.4GHz频段等无线频带，在电力仪表的壳体内内置有与各国的无线频率相应的天线。而且，为了进行稳定的无线通信，需要良好的辐射性能的内置天线。
在以上那样的状况下，关于将天线内置于电力仪表或者燃气表的方法，已经进行了几种提案(参照专利文献1～3)。
图5是表示内置有天线的电力仪表的以往的例子的图。在图5中，天线元件112配置在沿着电力线103、106的布线方向的方向上，配置一个天线元件112。
然而，以往的提案存在如下问题。
第一个问题是，天线辐射的指向特性容易变得不均。电力仪表与从屋外的电线杆拉入的电源侧电力线及向建筑物内拉入的负载侧电力线连接。电力线由金属线形成，受到该电力线的影响，天线辐射指向性不为各向同性，辐射方向不均匀。原因是，由从天线辐射的电波在电力线上激励出高频信号，由此发生电波的反射。而且，在天线配置于电力仪表内的前表面侧的情况下，成为电波向电力仪表的前方进行强辐射的指向性，向后方以及左右方向的辐射相对变弱。
作为电力仪表的无线通信方式，使用网状网络。即，在多个电力仪表之间中转数据来进行传输并将数据集中于集中器(母机)的方式。在网状网络通信中，在电力仪表之间不断地转发数据。此时，无法确定各电力仪表之间的相对的位置关系。因此，优选天线具有能够从整个周围各向同性地接收电波的辐射指向性。在产生天线辐射变弱的方向的情况下，该方向上的通信距离减小，电力仪表之间的通信变得不稳定或者无法进行通信。
第二个问题是，电力仪表的设置场所处于产生多径衰落的恶劣环境中。例如，在集体住宅的情况下，电力仪表设置于被称作管道井的、由混凝土壁围成的狭窄的空间。而且，电力仪表之间的无线通信成为通过多个混凝土壁的通信，成为存在大幅度的电波衰减和多径来波的恶劣环境。因此，由于多径衰落而在局部产生接收电场强度的下降场所，产生得不到所需的接收电场强度的情况。在专利文献2中，为了避免局部的下降，使用搭载有多个天线的分集天线方式。但是，天线之间的辐射特性的相关系数没有下降，因此得不到足够的分集增益。因此，需要使各天线的辐射特性不同，降低辐射特性的相关系数来改善分集增益。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011-81518号公报
专利文献2：日本特开2002-109672号公报
专利文献3：日本特开2009-253788号公报
发明内容
本公开的无线通信装置被输入在连接有电源侧电力线及负载侧电力线的电力测量部中测量出的电力测量值，该无线通信装置具备对电波进行发送和接收的第一天线元件以及与所述第一天线元件连接的无线电路。而且，所述第一天线元件以所述第一天线元件的长边方向与所述电源侧电力线及所述负载侧电力线的布线方向的延长方向正交的方式配置。
通过这样的结构，本公开的无线通信装置能够遍及整个周围地改善辐射指向性的不均。特别地，在无线通信装置之间进行通信的网格网络中，能够进行更稳定的通信。
附图说明
图1A是表示搭载有实施方式1中的无线通信装置的电力仪表的结构的外观图。
图1B是表示搭载有实施方式1中的无线通信装置的电力仪表的结构的外观图。
图2是表示搭载有实施方式1中的无线通信装置的电力仪表的外观的立体图。
图3A是表示作为实施方式1的结构要素的切换部的结构的结构图。
图3B是表示作为实施方式1的结构要素的切换部的结构的结构图。
图4是表示实施方式1中的阻抗调整部的电路例的图。
图5是表示搭载有以往的无线通信装置的电力仪表的外观的立体图。
具体实施方式
作为第一方式的无线通信装置被输入在连接有电源侧电力线和负载侧电力线的电力测量部中测量出的电力测量值，该无线通信装置具备对电波进行发送和接收的第一天线元件以及与第一天线元件连接的无线电路。而且，第一天线元件以第一天线元件的长边方向与电源侧电力线及负载侧电力线的布线方向的延长方向正交的方式配置。
根据该配置，天线辐射的偏振面方向与电力线正交，由此能够使电波不被电力线反射且不受电力线影响地向仪表的后方辐射。
根据第一方式，第二方式的无线通信装置还具备对电波进行发送和接收的第二天线元件，无线电路与第二天线元件连接。而且，第二天线元件以第二天线元件的长边方向与第一天线元件的长边方向正交的方式配置。
根据该配置，具有从第二天线元件辐射的电波的偏振面方向与从第一天线元件辐射的电波的偏振面方向正交的特性，由此能够改善分集增益。并且，第一天线元件的辐射指向性为向仪表的后方也进行强辐射，与此相对地，第二天线元件的辐射的偏振面方向与电力线平行，因此在电力线上流动抵消辐射的方向的高频电流，电波被反射。其结果，第二天线元件的辐射指向性示出向仪表的前表面方向的辐射变强的特性。由此，能够使第一天线辐射指向性与第二天线辐射指向性互不相同。即，能够降低天线辐射指向性的相关性，能够进一步改善2分支分集天线的分集增益。
根据第二方式，第三方式的无线通信装置的无线电路具有向第一天线元件或者第二天线元件供给高频电力的供电电路。而且，无线通信装置构成为还具备切换部，所述切换部将第一天线元件和第二天线元件中的一方与供电电路电连接，将另一方接地。
根据该结构，使接地的天线元件作为虚拟地线进行动作。由此，在被供电的天线元件与接地的天线元件之间产生电场。因此，两个天线元件进行与一个偶极天线相当的动作。
另外，高频电流集中在两个天线元件上，在仪表基板上的电路图案、仪表基板上的各种部件、以及与仪表基板连接的束线之类的外围部件上激励出的高频电流变小。因此，能够避免高频能量被这些外围部件等的电阻成分消耗而导致天线的辐射效率降低。
根据第三方式，第四方式的无线通信装置还具备进行相位校正的阻抗调整部。而且，切换部构成为，将第一天线元件和第二天线元件中的一方与供电电路电连接，将另一个方经由阻抗调整部接地。
根据该结构，即使在第一天线元件的供电点与第二天线元件的供电点离开一些距离的情况下，也能够通过利用阻抗调整部对相位关系进行调整来使两个元件进行与一个偶极天线相当的动作。由此，与上述第三方式同样具有能够降低在电路基板以及外围部件中流动的高频电流的优点。
下面，适当地参照附图来详细地说明实施方式。但是，有时省略非必要的详细说明。例如，有时省略对已经熟知的事项的详细说明以及对实质上相同的结构的重复说明。这是为了避免下面的说明过于冗长，使本领域技术人员容易理解。
此外，附图和下面的说明是为了使本领域技术人员充分理解本公开而提供的，并不意图利用这些附图和说明来限定权利要求书中记载的主题。
(实施方式1)
下面，设基于实施方式1的无线通信装置200(参照图3A、图3B)搭载于具有电力测量部(未图示)的电力仪表(电力测定装置)300(参照图1A、图1B、图2)来进行例示。但是，例如无线通信装置200也可以搭载于无线式火灾警报器、无线式燃气泄漏警报器、手持终端等其它电子设备。
无线通信装置200配置在电力仪表300内。无线通信装置200至少具备第一天线元件12和无线电路17。此外，电力测量部与电源侧电力线3及负载侧电力线6连接。而且，在电力测量部中测量电力，电力测量部的电力测量值被输入到无线通信装置200。
另外，基于本实施方式的无线通信装置200也能够用于与母机直接进行通信的星形网络。但是，优选构成无线通信装置之间以组桶方式进行通信的所谓的网状型网络。
说明其理由。在网状网络中，采用仪表与仪表之间(子机与子机之间)直接进行通信的方式，因此无法借助母机的高的无线性能。因此，为了使通信可靠地相连接，需要最大限度地提高各仪表的无线性能。
在此，考虑提高仪表的性能的方法。在网状通信中，各无线通信装置的通信次数增加。因此，随意地增大无线的发送输出将导致消耗电力增大，因此不是最佳方法。因此，最佳方法是，代替提高发送输出，提高天线的性能来确保足够的通信距离。
图1A、图1B是表示搭载有基于本实施方式的无线通信装置200的电力仪表300的结构的外观图。在图1A、图1B中，电力仪表300具备第一壳体1、第一开口部2、第一端子对4、连接电极5、第二开口部7、第二端子对8、连接电极9、第二壳体10、仪表基板11、第一天线元件12、第二天线元件13、无线电路17以及显示画面19。此外，在本实施方式中，关于图1A、图1B，将图的纸面上侧设为上方向(Z方向)、将纸面近前侧设为前方向(X方向)、将纸面背侧设为后方向(―X方向)且将纸面右侧设为Y方向来进行说明。
电力仪表300的壳体是由第一壳体1和第二壳体10组合而成的。
如图1A所示，使从屋外的电线杆拉入的电源侧电力线3穿过设置于第一壳体1的第一开口部2后被插入。而且，与设置在第一壳体1内的第一端子对4连接。第一端子对4与连接电极5相连。另外，使向建筑物内拉入的负载侧电力线6穿过设置于第一壳体1的第二开口部7后被插入。而且，负载侧电力线6与设置于第一壳体1的第二端子对8连接。第二端子对8与连接电极9相连。
如图1B所示，在第二壳体10内内置有仪表基板11。在仪表基板11上配置有用于测量电量的测量电路(未图示)和无线电路(供电电路)17。另外，无线电路(供电电路)17的高频输入输出端子与第一天线元件12连接。在本实施方式中，天线元件使用倒L型天线。另外，在仪表基板11配置用于显示电力测量值的显示画面19。
图2是表示搭载有实施方式1中的无线通信装置200的电力仪表300的外观的立体图。如图2所示，在电力仪表300的设置现场，使第一壳体1和第二壳体10重叠来进行组装。此时，图1A所示的第一壳体1的连接电极5、9与设置于第二壳体10的仪表基板11的连接电极(未图示)以接触的形式电连接。由此，电源侧电力线3及负载侧电力线6与仪表基板11连接。电力仪表300安装于建筑物的安装壁的表面18。
在此，电力仪表300的特征性构造在于第一天线元件12的配置方向以及第一开口部2与第二开口部7的配置关系(参照图1A)。第二开口部7的位置被选在第一壳体1的与第一开口部2的位置正相反(相差180度的方向)的位置。由此，成为电源侧电力线3的布线方向的延长方向与负载侧电力线6的布线方向的延长方向位于一条直线上的配置。该方向是图1A、图1B中示出的电源侧电力线3和负载侧电力线6的布线方向的延长方向14，在本实施方式中为Z方向。另一方面，第一天线元件12的长边方向15配置在与Z方向正交的Y方向上。
通过上述的配置，产生第一天线元件12能够向电力仪表300的后方辐射电波的特点。即，从第一天线元件12辐射的电波的偏振面方向是图1B中示出的偏振方向D1即Y方向。而且，该偏振方向D1与电源侧电力线3及负载侧电力线6的布线方向的延长方向14正交。通过该配置，在电源侧电力线3和负载侧电力线6中不产生高频信号的电动势。
到达电波的偏振方向、即电场作用于电力线的直径方向。但是，电源侧电力线3及负载侧电力线6的直径方向与布线方向相比非常短，因此空间电位差小，在电力线中激励出的高频反向电流非常小。因此，电波脱离电力线，向电力仪表300的后方、即-X方向辐射。而且，第一天线元件12能够得到接近各向同性的辐射指向特性。
并且，在本实施方式中，在第二壳体10内具备第二天线元件13。为了得到稳定的无线通信，优选使用以针对接收和发送来说分别是最佳的方式对天线进行切换的分集天线方式。在本实施方式中，以在第一天线元件12与第二天线元件13之间进行切换的方式构成分集天线。
在此，如图1B所示，第二天线元件13的长边方向16配置在与第一天线元件12的长边方向15正交的方向即Z方向上。从第二天线元件13辐射的电波的偏振方向是图1B中示出的偏振方向D2即Z方向。在此，偏振方向D1与D2正交，即，第一天线元件12的偏振方向与第二天线元件13的偏振方向正交，能够得到极化分集天线的效果。
而且，偏振方向D2与电源侧电力线3及负载侧电力线6的布线方向的延长方向14平行，在电力线上激励出高频反向电流。其结果，电波被电力线反射，因此向电力仪表300的前方(X方向)的辐射变强，向后方(-X方向)的辐射变弱。由此，能够使第一天线元件12的辐射指向特性与第二天线元件13的辐射指向特性不同。因而，能够减小天线之间的辐射指向特性的相关系数，因此能够改善分集增益。
在本实施方式中，第一天线元件12的配置方向与第二天线元件13的配置方向彼此正交。并且，以使第一天线元件12的长边方向与电源侧电力线3及负载侧电力线6的布线方向正交的方式配置第一开口部2及第二开口部7。因而，具有以下优点：能够确保向电力仪表300的后方进行强辐射，同时能够提高分集天线的分集增益。
并且，本实施方式的特征在于分集天线的切换电路。
图3A、图3B是表示分集天线中使用的天线切换电路的结构的图。在图3A、图3B中，无线通信装置200具备第一天线元件12、第二天线元件13、无线电路17、切换部20以及阻抗调整部21。其中，第二天线元件13、切换部20以及阻抗调整部21不是必需的。
第一天线元件12和第二天线元件13各自的一端与构成在仪表基板11的切换部20所具有的两个天线端子连接。切换部20所具有的其它两个端子中的一方与无线电路17的高频端子连接，另一方经由阻抗调整部21而与仪表基板11的地连接。切换部20在图3A所示的状态与图3B所示的状态之间进行切换。
在图3A中，处于切换部20进行切换以使第一天线元件12与无线电路17的高频端子连接且第二天线元件13经由阻抗调整部21而与仪表基板11的地连接的状态。另外，在图3B中，处于切换部20进行切换以使第二天线元件13与无线电路17的高频端子连接且第一天线元件12经由阻抗调整部21而与仪表基板11的地连接的状态。
在分集天线中，以在两根天线之间进行切换的方式进行发送和接收动作。在此，阻抗调整部21具有对与未连接于无线电路17的天线连接的负载阻抗进行设定的作用。
在向第一天线元件12和第二天线元件13中的一方供电来将天线整体用作进行与偶极天线类似的动作的天线的情况下，或者在将两个天线元件的供电点接近地配置的情况下，将另一方直接与地连接来进行接地即可。
但是，在实际的结构中，多数情况下两个天线元件的供电点之间离开某种程度的距离。在该情况下，由于空间的相位延迟，导致两个天线因相反相位而不再进行动作。因此，通过设置阻抗调整部21来进行相位校正，由此能够确保天线性能。
图4是表示实施方式1中的阻抗调整部的电路例的图。如图4所示，作为阻抗调整部21的电路常数，能够使用电感、电容、短路以及开路中的任一方。关于使用哪个常数，考虑天线元件之间的距离、天线之间的相对角度、以及在电路基板上激励出的高频电流的影响等，使用最佳的常数即可。另外，也能够设为使常数可变的结构，也切换天线时以及针对周围环境的变化应用。
优选将第一天线元件12的供电点与第二天线元件13的供电点之间的距离设为从第一天线元件12或者第二天线元件13输出的电波的波长的1/4以下，最好设为1/8以下。通过使两个天线元件的供电点接近，更容易作为进行与偶极天线类似的动作的天线来使用。
在本实施方式中，无线电路17具备供电电路。供电电路是向第一天线元件12或者第二天线元件13供给高频电力的电路。
此外，在本实施方式中，将第一天线元件12和第二天线元件13构成在表基板11上，但是也可以仅将天线元件配置在远离仪表基板的位置。在该情况下也同样，通过以使天线元件的长边方向与电力线的布线方向正交的方式设置壳体的开口部，能够得到向后表面方向辐射电波的效果。
另外，将天线元件结构设为倒L型天线，但是也可以采用倒F型天线或者贴片天线等任意的天线元件结构。在该情况下，设计为呈从第一天线元件12辐射的电波的偏振面方向与电力线的布线方向正交的朝向。另外，设计为从第二天线元件13辐射的电波的偏振面方向与由第一天线元件12辐射的电波的偏振面方向正交，并且从第二天线元件13辐射的电波的偏振面方向与电力线的布线方向平行。
另外，第一天线元件12配置在仪表基板11上的靠近电源侧电力线3或者负载侧电力线6的位置。具体而言，优选电源侧电力线3及负载侧电力线6中的任一电力线与第一天线元件12之间的距离为波长的1/2以下，最好在1/4以下。通过配置在靠近的位置，能够使从第一天线元件12辐射出的电波的从电力仪表向后方辐射的电波的强度增大。
在无线通信装置被用于终端之间直接进行通信的网状网络的情况下，本实施方式中的无线通信装置的天线结构是有效的。即，在网状网络中，无法确定进行通信的其它无线通信装置的方向。因此，优选在整个周向上以各向同性的指向性来辐射电波。在本实施方式中，得到通过电力线后向后表面方向的辐射。由此，能够在整个周向上具有各向同性的辐射指向性。
另外，作为无线通信装置的具体的无线频率，当在Sub-GHz频段即900MHz附近的频率下进行应用时是有效的。900MHz的波长约为32cm，在将天线元件的长度设为波长的1/4左右时，得到大的共振从而特性变得良好。波长的1/4约为8cm，大概为比第一壳体1和第二壳体10的外形尺寸(直径10cm～15cm)稍小的尺寸。因而，能够内置8cm左右的具有良好的辐射效率的天线元件。另一方面，当频率更高时，天线元件变得小型，容易对其进行内置，但是作为弊病，用波长标尺观察天线元件与电力线之间的距离所得到的距离远。在该情况下，电力线的反射变得比较大，得到向壳体的后方向(-X方向)的辐射这样的效果稍小。而且，示出向壳体的前方向(X方向)的辐射变强的指向性特性。如上所述，作为无线频率，900MHz左右良好，无论是高于还是低于900MHz左右的频率，都示出效果稍许受限的趋势。
另外，在本实施方式中，设为第一天线元件的长边方向与电力线正交的配置。但是，也可以配置为以90度以外的某种程度倾斜。具体而言，即使相对于90度偏移±20度左右，也能够充分地得到效果。也就是说，在本实施方式中，正交不限于以90度交叉的状态，包括在70度～110度的范围内交叉的状态。
另外，即使在作为设置方式将电源侧电力线3或者负载侧电力线6收容在金属管内的情况下，也能够应用本结构。即，只要以第一天线元件12的长边方向15与金属管的配置方向正交的方式设置第一开口部2及第二开口部7即可。
另外，即使在第一开口部2和第二开口部7未配置于第一壳体1上的方向彼此相反(180度)的位置的情况下，也能够应用本结构。例如，考虑在第一壳体1上的互成90度的方向上配置第一开口部2和第二开口部7的情况。在该情况下，以穿过靠近第一天线元件12的开口部的电力线的布线方向与第一天线元件12的长边方向正交的方式配置第一天线元件12。通过这样的配置，能够得到向电力仪表的后方辐射的特性。此外，上述的方向不限于90度，在以任意的方向进行了配置的情况下也能够同样地进行应用。
另外，在第一开口部2和第二开口部7设置于第一壳体1上的相同方向(0度)的情况下，或者在构成为在第一开口部2中插入电源侧电力线和负载侧电力线这两方的情况下也是，第一天线元件12以第一天线元件12的配置方向与穿过开口部的电力线的布线方向正交的方式配置即可。
产业上的可利用性
如上所述，本公开所涉及的无线通信装置应用于连接有电力线的电量测量器，通过使内置天线的天线辐射的偏振面方向与电力线的布线方向正交，能够使电波以不被电力线反射的方式向仪表的后方向辐射，能够改善辐射指向性的各向同性。
附图标记说明
1：第一壳体；2：第一开口部；3：电源侧电力线；4：第一端子对；5：连接电极；6：负载侧电力线；7：第二开口部；8：第二端子对；9：连接电极；10：第二壳体；11：仪表基板；12：第一天线元件；13：第二天线元件；17：无线电路(供电电路)；20：切换部；21：阻抗调整部；200：无线通信装置；300：电力仪表(电力测定装置)。

Claims (4)

1.一种无线通信装置，被输入在连接有电源侧电力线和负载侧电力线的电力测量部中测量出的电力测量值，所述无线通信装置具备：
第一天线元件，其对电波进行发送和接收；以及
无线电路，其与所述第一天线元件连接，
其中，所述第一天线元件以所述第一天线元件的长边方向与所述电源侧电力线及所述负载侧电力线的布线方向的延长方向正交的方式配置。
2.根据权利要求1所述的无线通信装置，其特征在于，
还具备对电波进行发送和接收的第二天线元件，
所述无线电路与所述第二天线元件连接，
所述第二天线元件以所述第二天线元件的长边方向与所述第一天线元件的长边方向正交的方式配置。
3.根据权利要求2所述的无线通信装置，其特征在于，
所述无线电路具有向所述第一天线元件或者所述第二天线元件供给高频电力的供电电路，
所述无线通信装置还具备切换部，所述切换部将所述第一天线元件和所述第二天线元件中的一方与所述供电电路电连接，将另一方接地。
4.根据权利要求3所述的无线通信装置，其特征在于，
还具备进行相位校正的阻抗调整部，
所述切换部构成为，将所述第一天线元件和所述第二天线元件中的一方与所述供电电路电连接，将另一方经由所述阻抗调整部接地。
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