JP2003332959A - 無線通信機及び自動改札装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】至近距離に限定された通信エリアで確実に情報
交換可能な無線通信機を提供すること。 【解決手段】位相出力方向が統一された複数のアンテナ
（２）と、前記複数のアンテナに対する出力信号を分配
するとともに、前記複数のアンテナからの入力信号を合
成する分配合成手段（３）とを備えている。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、数十センチ程度
を通信エリアとする無線通信機に関する。特に、数十セ
ンチ程度のエリアでかざされる乗車券から情報を読み取
り改札処理を実行する自動改札装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、様々な分野で自動料金システムの
導入が進んでいる。例えば、高速道路の自動料金システ
ムである。これは手渡しによる支払い手段に代わり、車
両に搭載する車載器と、料金所ゲートに設置されたアン
テナとの間で車両の通行や料金の関する必要情報を無線
通信する事により通行料金が後日銀行口座から自動引き
落としされるというものである。こういうシステムがど
んどん普及していくと非常に便利になる。

【０００３】また、鉄道分野では現在一部の駅でICカー
ドを利用した非接触型自動改札機の試験が始まってい
る。これは利用者が定期券やカードを改札機に投入せ
ず、かざすだけでよく、煩わしさが解消でき、乗車券の
購入や乗り越し清算などの手間も省くことができるとい
うメリットがある。

【０００４】そうした中、活発に研究が進められている
のは、自動料金システムを導入した自動改札機である。
これは、Bluetoothを搭載した携帯電話を利用し、携帯
電話をかざすだけで簡単に改札機を通過することがで
き、後日料金を自動引き落としされるというものであ
る。現在携帯電話の普及率は約40%といわれている。こ
の普及率から考えると、携帯電話を利用したこのシステ
ムは非常に効果的である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかし、上記したよう
な非接触型自動改札機では、通信エリアを数十センチ程
度の範囲に限定し、対象外の携帯電話と交信しないよう
にする必要がある。これに伴い、至近距離に限定された
通信エリアで確実に情報交換可能な無線通信機が要求さ
れている。この発明の目的は、至近距離に限定された通
信エリアで確実に情報交換可能な無線通信機及びこの無
線通信機を搭載した自動改札装置を提供することにあ
る。

【０００６】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決し目的を
達成するために、この発明の無線通信機及び自動改札装
置は、以下のように構成されている。 （１）この発明の無線通信機は、位相出力方向が統一さ
れた複数のアンテナと、前記複数のアンテナに対する出
力信号を分配するとともに、前記複数のアンテナからの
入力信号を合成する分配合成手段と、を備えている。

【０００７】（２）この発明は、無線通信により乗車券
に記録された情報を読み取り改札処理を行う無線式の自
動改札装置であって、位相出力方向が統一された複数の
アンテナと、前記複数のアンテナに対する出力信号を分
配するとともに、前記複数のアンテナからの入力信号を
合成する分配合成手段と、前記分配合成手段により合成
された入力信号に基づき改札処理を実行する改札処理手
段と、を備えている。

【０００８】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の形態につ
いて図面を参照して説明する。携帯電話を利用した自動
料金システムでは、自動改札機と携帯電話との間で確実
に通信できるアンテナが要求される。以下、自動改札機
に搭載される送受信アンテナについて説明する。このア
ンテナには2種類のアンテナが必要とされ、一つ目は通
信用のアレーアンテナである。このアンテナでは、改札
機を通過時に一定の通信レベルを維持できることが重要
である。二つ目は確実に1台のBluetoothとリンクを確立
することができるリンク用アンテナである。これはアン
テナの指向性を絞り隣との干渉をできるだけ抑えること
が必要となる。これらのアンテナの製作、及び特性評価
について説明する。

【０００９】以下、（１）非接触型自動改札機とBlueto
oth、（２）単素子スロットアンテナ、（３）通信用ア
レーアンテナ、の順に説明する。 （１）非接触型自動改札機とBluetooth まず、非接触型自動改札機の概要について説明する。磁
気式乗車券を用いた自動改札機では、改札機を通過時に
定期券や乗車券を改札機に差し込まなければならないた
め、利用客に負担がかかっている。特に定期券の場合、
パス入れからの出し入れが煩雑で、傘や荷物をもつ利用
客が一旦停止するなど、改札口が混雑する一因となって
いると考えられる。そこで非接触ICカードを使用した自
動改札機の研究がすすめられており、実際に一部の鉄道
では試験もおこなっている。これは、電磁波を利用する
ことにより、乗車券となるカードをパスケースに入れた
まま改札機のセンサー部にかざすだけで改札口を簡単に
通過できるシステムである。そして現在、Bluetoothを
用いた携帯電話と自動改札機の通信による自動チケット
ゲートシステムの開発が進められている。これは現在の
ICカードを用いた自動改札機システムよりもさらに利便
性が増している。

【００１０】自動チケットゲートシステムは、自動改札
機と携帯電話との通信により自動で銀行から乗車運賃が
引き落とされ乗車券を購入する必要も無く、乗越し清算
などの面倒な手間も省くことができる。現在では携帯電
話の普及率は非常に高い時代であり、今後ますます利用
者も増えることが予測される。その点からしても携帯電
話を利用するというのはとても効果的である。この携帯
電話を用いたシステムを利用した場合、利用者のとって
非常に大きな利点がある。以下に主なものを示す。 ・乗車券を購入する必要がなく、購入時、清算時の混雑
が解消される。 ・携帯電話で複数の交通機関を利用できる。

【００１１】図１は自動チケットゲートシステムの概念
及び自動チケットゲートシステムに適用される自動改札
機の概略構成を示す図であり、図２は自動チケットゲー
トシステムに適用される自動改札機の外観を示す図であ
る。図１及び図２に示すように、自動改札機は、リンク
用アンテナ１、通信用アレイアンテナ２、合成・分配器
３、Bluetooth無線部４、無線制御部５、改札判定処理
部６を備えている。

【００１２】リンク用アンテナ１及び通信用アレイアン
テナ２は、携帯電話等の端末７とBluetooth機能により
通信する。つまり、端末７はBluetooth機能を搭載して
いる。通信用アレイアンテナ２は、互いに直列配置され
た複数のアンテナから構成されている。また、通信用ア
レイアンテナ２を構成する複数のアンテナの位相出力方
向は統一されており、これら複数のアンテナ個々は互い
に直交配置されたアンテナ部材で構成されている。さら
に、これら複数のアンテナの位相成分は、円偏波であ
る。合成・分配器３は、リンク用アンテナ１及び通信用
アレイアンテナ２（複数のアンテナ）に対する出力信号
を分配するとともに、リンク用アンテナ１及び通信用ア
レイアンテナ２（複数のアンテナ）からの入力信号を合
成する。Bluetooth無線部４は、Bluetoothによる無線を
実現する。無線制御部５は、無線通信全般を制御する。
改札判定処理部６は、合成・分配器３により合成された
入力信号、つまり端末７からの情報に基づき改札判定処
理を実行する。

【００１３】続いて、Bluetoothについて説明する。Blu
etoothとはモバイルPCまたは通常の固定PC、携帯電話、
及びその他の周辺機器との間を無線でつなぐ新しい技術
である。Bluetoothの性能にはいくつかレベルがある
が、最低のもので半径10mの距離まで届く。Bluetoothの
理念は小型化、省電力化、低価格化である。Bluetooth
のモジュールは1cm四方の小さなチップで距離を犠牲に
して小型化、省電力化している。Bluetoothの基本仕様
について以下に示す。 ・使用周波数 2,400〜2,483.5MHz ・到達距離 約10ｍ(高出力タイプは最大約100m) ・スリープ時消費電流 30μA ・待機時消費電流 300μA ・送信出力時消費電流 最大800μA ・出力 1mw（最大100mw） 2.4GHz帯の使用には免許が不要で、比較的あいている周
波数帯である。また世界共通なので世界中のどこでも使
用することができるというのも大きなメリットといえ
る。無線LANとの違いは、無線LANは、「IEEE802.11b」規
格に準拠したネットワーク技術で、10Base−Ｔの有線LA
Nとほぼ同等の通信速度、最大11Mbpsでデータを伝送で
きる。無線LANは有線イーサネット（登録商標）の補完
または代替としての活用が中心となるのに対し、Blueto
othはPCや携帯電話、PDA、周辺機器にワイヤレスで手軽
に接続することを前提に考えられている。したがって、
Bluetoothは無線LANと比較して消費電力が小さく、バッ
テリ容量が小さいモバイル機器に実装しやすい、さらに
不必要時にはSleepすることができる低消費電力・省エ
ネの利点を持っている。LAN接続と異なり、事前の準備
なしにその場で簡単に機器同士を接続できる。Bluetoot
hは無線LANと同じ2.4GHz帯の電波を利用しているため、
同一エリアで使用したときには電波干渉が起こる場合が
ある。しかしBluetoothと無線LANとの機器間の距離をあ
る程度離して使用すれば干渉は小さくなる。またBlueto
othの通信方式は周波数ホッピング方式でデータをパケ
ット化して1秒間に1600回の送受信行うにあたり、７９M
Hｚ幅を１MHｚ単位で変化させながら、ランダムに行っ
ている。そのためある周波数帯を他の機器が使用もしく
は、ノイズ干渉しても通信が中断される確率は少ない
し、すぐに他の周波数で送りなおしてリカバリーを行
う。

【００１４】将来性は、以下の通りである。 ・自宅なら電話線のないところでも線をひかずにインタ
ーネットができる。 ・プリンターケーブルの除去や、USBケーブルを使わず
にデジタルカメラの画像を転送できる。 ・携帯電話を用いて自動販売機で商品を購入することが
できる。

【００１５】続いて、直線偏波と円偏波について説明す
る。偏波とは振動方向と進行方向を含む面が、ある定ま
った変化をする波である。通信するときはこの偏波を合
わせる必要がある。偏波には垂直偏波と水平偏波があ
り、これらの電波を受信する際に垂直偏波同士、または
水平偏波同士なら効率良く受信することができる。しか
し、垂直偏波の電波を水平偏波のアンテナで受信する
と、理論上は受信することはできないが実際は極端に信
号強度が下がり約−20dB（約１％）受信できる。

【００１６】図３の(a)は垂直偏波を示し、図３の(b)は
水平偏波を示し、図３の(c)は、円偏波を示す図であ
る。垂直偏波アンテナ及び水平偏波アンテナに対して円
偏波アンテナをもちいると、利得は減少するものの偏波
面に問わず安定した電力を供給することができる。円偏
波アンテナは水平偏波アンテナと垂直偏波アンテナとの
位相を90°ずらすだけで簡単に製作できる。このため、
携帯電話からの直線偏波の信号を受けるアンテナとして
円偏波アンテナを用いるのが良いと考えられる。携帯電
話（Bluetoothのアンテナ）がどの方向に差し出されて
も十分な感度を維持するためである。通信用のアンテナ
はアレー化するときにいかに電力を一定に保つかがポイ
ントとなる。この理論からいくと円偏波アンテナを用い
るのが良いと考えられる。

【００１７】（２）通信アンテナ用単素子スロットアン
テナ ここでは、自動チケットゲートシステムに適用される非
接触型自動改札機のアンテナについて実験的検証を行う
ために製作した単素子アンテナとそのアンテナの特性に
ついて示す。また、次の（３）では、この（２）で検討
したアンテナを用いてアレー化を行う。

【００１８】まず、図４を参照して、円偏波で受信した
場合の論理計算について説明する。直線偏波のBluetoot
hに対して円偏波アンテナで受信した場合の理論計算を
以下に示す。

【数１】

【００１９】すなわち直線偏波を円偏波のアンテナで受
けると携帯の差し出す角度は単に受信の位相が変化する
だけとなる。以上より携帯電話の差し出す角度の問題は
円偏波アンテナで受けることで解決される。

【００２０】続いて、アンテナの設計と特性評価につい
て説明する。第１に、スロットアンテナの設計について
説明する。自動改札機用のアンテナは、自動改札機を通
過時に妨げにならないように薄型のアンテナが必要とさ
れる。この条件を満たすものとしてマイクロストリップ
アンテナがある。これは一般にプリントアンテナと呼ば
れ、基板上に製作できる。この中にスロットアンテナが
ある。スロットアンテナは非常に薄いものが製作でき、
広帯域でアレイアンテナも容易に製作することができ
る。こういう面からみてスロットアンテナはBluetooth
との通信用アンテナとして適していると考えられる。こ
の実施形態では、スロットアンテナを用いることにす
る。

【００２１】図５は、マイクロストリップスロットアン
テナの一例を示す図である。図５の(a)は正面図、(b)は
断面図である。誘電体基板２０（ε=20）の表面にスロ
ット２１、裏面に特性インピーダンス50Ωのマイクロス
トリップライン２２の給電線という構造の電磁結合アン
テナである。コネクタから裏面の給電線を通して表面の
スロットよりマイクロ波を放射する。マイクロストリッ
プライン２２に電流が流れると図６の（ａ）（ｂ）に示
すようにスロットを横切るような電流とは逆向きに電界
が生じる。スロットの長さを約半波長にすると共振して
強い電界が発生し、電磁波が放射される。

【００２２】ここで基板２０は、理論上無限平板なので
設計するときになるべく大きめに設計する方が良い。

【数２】

【００２３】本実施形態では、一例としてARLON社製
（ε=2.6, h=0.6mm）の基板を使用する。前述の式よ
り、50Ωの特性インピーダンスの時は、w=1.67mm、λ_g
＝83.7mmとなる。ラインの長さについては任意で良い。
今回設計するにあたってBluetoothの帯域（2400MHｚか
ら2483.5MHｚ）の中心の2441MHzで設計する。理論上で
は、スロット長がλ_g/2の時が最も強く電磁波を放射す
る。またこの時スロットの縦の長さはλ/10が理想であ
る。この値をもとにアンテナを設計し、製作する。スロ
ットのサイズはカットアンドトライで調節し、VSWRを測
定する。

【００２４】第２に、スロットアンテナのVSWR特性につ
いて説明する。

【００２５】アンテナのVSWR(電圧定在波比)をNetwork
Analyzerを使用して測定する。製作したスロットアンテ
ナのVSWR特性を図７に示す。電圧定在波比(VSWR)とは電
圧定在波の最大値と最小値の比である。発振器からの入
力波はすべて放射されず、電源側の入力インピーダンス
と負荷の特性インピーダンスの不整合により、一部は反
射するので定在波が発生する。入射波と反射の比ΓとVS
WRの間には、以下の関係がある。

【数３】

【００２６】VSWRは1以上の値をとり、1に近いほど送電
された電力が効率よく放射されている。Bluetooth用の
アンテナは帯域が83.5MHｚ(2400MHｚから2483.5まで)と
広帯域だが、このアンテナはVSWRがこの帯域では1.01か
ら1.21とアンテナとしては十分な値が得られており、こ
のアンテナによる反射損はほとんど無いといえる。

【００２７】続いて、円偏波アンテナについて説明す
る。第１に、円偏波アンテナの設計について説明する。
円偏波アンテナは、2つの直交する直線偏波アンテナの
位相を90°ずらして給電することにより実現できる。ス
ロットアンテナは構造上直交させることは不可能なので
少し横にずらした位置に配置して設計する。図８は円偏
波アンテナの一例を示す図である。図８に示すスロット
のサイズは、図５に示すスロットと同じとする。2分配
部分では、λ/4インピーダンス変成器を用いることによ
り、50Ωのまま等分配している。また分配後のラインを
21mm（1/4波長）ずらすことにより位相を90°ずらして
いる。この後、この円偏波アンテナのVSWRと偏波特性の
測定について説明する。

【００２８】第２に、測定系について説明する。図９
は、円偏波アンテナの偏波特性の測定系を示す図であ
る。図９に示すように、アンテナ３１とネットワークア
ナライザー（Network Analyzer）３２を接続する。送信
用のアンテナ３１として、2.45GHｚ用ダイポールアンテ
ナを用い、送信側のアンテナ３１を180°回転させた時
の電力レベルを測定する。

【００２９】第３に、円偏波アンテナのVSWR特性につい
て説明する。図１０は、スロットアンテナのVSWR特性を
示す図である。円偏波アンテナはBluetoothの帯域で1.1
7から1.27という値を得ることができる。2素子のアンテ
ナを分配器を用いて1点で給電しているため、多少は単
素子よりは値が悪くなるが十分な値だといえる。基板裏
面のストリップラインはスロットとある程度の間隔を空
けて配置しなければ整合が取れなくなってしまう。これ
は、スロットとストリップラインが近すぎるとアンテナ
周辺の電磁界に影響がでてしまっているためと考えられ
る。このため、スロットアンテナで円偏波を製作する場
合、ストリップラインを余分に大きめに設計する方が良
いので、スロット部分の大きさに対してアンテナ全体の
大きさが非常に大きくなってしまうという欠点がある。
そのためアレー化する際には給電回路を工夫して、アン
テナ全体の小型化を図る必要がある。

【００３０】第４に、円偏波アンテナの偏波特性につい
て説明する。図１１は、円偏波アンテナの偏波特性を示
す図である。この測定には、送信側にダイポールアンテ
ナ、受信側にスロットアンテナを用い、送信側のアンテ
ナの角度を180°回転させて電力レベルを測定する。比
較のため直線偏波スロットアンテナでも同様の測定を行
う。図１２は、直線偏波アンテナの偏波特性を示す図で
ある。円偏波アンテナの方は送信側のアンテナの向きに
依存せず電力レベルを一定に保つことが出来ている。一
方、直線偏波の方は角度により15dB以上もの差が生じて
いることが分かる。電力に換算すると最大時の約3％に
なっている。この測定結果によると直線偏波アンテナで
は安定した電力を維持できないことが容易にわかる。し
たがって、携帯電話がどの方向にあっても同レベルの電
力を受信できるアンテナ素子として円偏波アンテナを用
いるとよいことがいえる。この円偏波アンテナを用いて
以後アレー化を行う。

【００３１】（３）通信用アレーアンテナ 円偏波アンテナのアレー化及び評価評価、並びに給電回
路の小型化及び簡素化について説明する。まず、アレー
条件の理論計算について説明する。改札機を通過すると
きに携帯電話と良好な通信状態を維持するためには、複
数のアンテナを並べることが考えられる。ただし、複数
のBluetoothの送受信機を接続したのでは構成が複雑と
なり、コスト面でも問題である。そこで、複数のアンテ
ナ素子をアレー接続し、かつアンテナ素子によりお互い
に打ち消し合うことの無いアレー条件を計算により検討
する。この計算によりアンテナ素子間隔、要求されるア
ンテナ素子の特性を検討しアンテナ素子の配置方法によ
り、どのような分布波形になるかをシミュレートする。
まず、計算によって最適なアンテナ間隔を検証する。今
回検討するにあたって電場の減衰とアンテナの指向性を
考慮に入れる。計算式ではアンテナの指向性は配置方法
や角度により変化するのでD(θ)と表し、一般化する。
指向性とはアンテナから放射される電波の強さを放射さ
れる方向の関数として表したものである。携帯電話の位
置(x,z)からアンテナへの各距離をγ_m(1≦m≦n)で表
し、また指向性を考慮に入れることにより、角度θ_m(1
≦m≦n)を図１３に示すように定義する。図１３に示す
ように、アンテナ間隔をLとし、アンテナの位置をNo.1
からNo.mとする。

【数４】

【００３２】指向性を考えるうえでE面とH面の概念は非
常に重要である。スロットのE面というのは給電線と平
行な断面のことで、H面というのは給電線に垂直な断面
のことである。直線偏波アンテナにおいてE面とH面では
指向性は異なり、一般的にE面では8の字特性を示し、H
面では等方的な形状を示す。円偏波アンテナにおいて、
指向性はE面、H面ともに8の字特性を示す。このため、D
(θ)を以下のように定める。

【数５】

【００３３】図１４、図１５、及び図１６は、アンテナ
間隔、携帯の通過位置などのパラメーターを変化させた
ときの計算結果を示す図である。アンテナ素子は全て4
つで計算してある。図１４は、アンテナ間隔を半波長で
ある6cmで計算した結果を示す図である。図１５は、ア
ンテナ間隔を半波長である8cmで計算した結果を示す図
である。図１６は、アンテナ間隔を半波長である10cmで
計算した結果を示す図である。ｈが携帯電話の通過する
高さ（単位:m）である。また、横軸はアンテナを配置し
ている面を表しており、各図中の黒点がアンテナ位置を
示している。縦軸に合成電界をとっており、各ポイント
での値は以下の式によって導き出したものである。

【００３４】P=20log10（そのポイントでの電場／全デ
ータの最大値） 計算結果によると理論通りアンテナ間隔が半波長の時に
一番電力分布が安定しており、距離がまた、自動改札機
上のアンテナと携帯電話の距離が離れるほど安定してい
る。NULL点がない間隔といってもアンテナ間の距離が非
常に近いと電力分布に変動が生じている。実際はアンテ
ナの指向性も影響してくるため、製作する際にいかに変
動を小さくするかがポイントとなる。次に、この計算結
果に基づいて実際にアレーアンテナを製作し検証する。

【００３５】続いて、アレーアンテナの測定結果につい
て説明する。第１に、アンテナ間隔による電力分布の実
験的検証について説明する。上記説明した円偏波アンテ
ナを用いて2素子のアレーアンテナを製作し、最適なア
ンテナ間隔について検証する。この検証はアンテナ間隔
が半波長のときが最適だといわれているが、その間隔で
固定してしまうと実際に製作するときに給電回路を同位
相給電にすると設計が複雑になってしまい、ストリップ
ラインをかなり曲げるはめになり、位相を調整するのが
困難になるし、無駄なロスも出てきてしまう。そのため
にアンテナ間隔を半波長間隔以上にするとどのような影
響がでるかを検討する。図１７は、2素子のアレーアン
テナの概略構成を示す図である。図１７に示すように、
円編波アンテナを2分配器を用いて電力分配し2素子アレ
ーを実現する。実際に様々な間隔のアンテナを製作しそ
の時の電力レベルを測定し検討する。

【００３６】図１８及び図１９は、アンテナ間隔毎の電
力レベルを示す図である。今回検討するにあたって6c
m、7cm、8cm、9cm間隔で検討する。送信側と受信側のア
ンテナを6cm離したときはほとんど変化は見られなかっ
たが、3cmまで接近させると、9cm間隔には明らかにグラ
フに歪が生じているのがわかる。計算結果を見ても明ら
かなように送信側と受信側の距離が近いほど影響がでる
傾向にある。アンテナの中心部で電力の低下が見られな
いのは7cm間隔までだが、8cm間隔でも多少の歪は生じて
いるが安定しているといえる。アンテナ間隔をあけると
アンテナとアンテナの間の電力が少し低下してしまうが
アンテナ間隔が蜜にならないし、分配数を減らすことに
より電力ロスを減らし構造を簡単にすることが出来る。

【００３７】第２に、素子アレーアンテナについて説明
する。前述した2素子アレーアンテナをさらに2分配する
ことにより4分配アレーを実現する。図２０は、４分配
アレーアンテナの特性を示す図である。図２０は、送信
側と受信側のアンテナ間を6cm離し測定したものであ
る。送信側のアンテナを0°から30°間隔で回転させて
いき、その都度アレーアンテナの上部を通過させたとき
の電力をプロットしたものである。図の黒点がアンテナ
位置を表している。角度による電力差は単素子に比べる
と劣っているがアレー化をするとVSWRも低下し整合も取
れにくくなってしまうのが原因の一つにあげられる。グ
ラフの曲線はほぼ計算に近い軌道を描いている。4素子
のアンテナ内の範囲において送信アンテナの傾き、通過
位置をすべてを考慮して約5dB以内の変動に収まってい
る。

【００３８】以上のような分配方法を用いると多段アレ
ーは容易に作ることができ、アンテナ間隔も自由に変え
つつ同位相給電が可能である。しかしアンテナ部分に対
して給電回路が大きくなりすぎるという欠点がある。今
回製作した4素子アレーアンテナに関してはアンテナ部
分の縦の長さが36mmなのに対して全体の縦の長さは160m
mにもなる。自動改札機は最大でも縦幅は150mmに収めた
い。4素子アレーですでにこの制限をオーバーしている
ため更なるアレー化は困難になる。よって給電回路の小
型化が必要となる。この後、小型化した分配器を用いた
アレーアンテナの設計、測定結果について述べる。

【００３９】第３に、給電回路の小型化について説明す
る。今までのようにアレー化をする際に2分配器を多用
する形式にするとアンテナ部分に対する全体の面積が非
常に大きくなってしまう。このような分配方法は自動改
札機のように搭載できるアンテナの大きさに制限がある
ようなケースでは不適切である。従って、給電回路を小
型化する必要がある。そこで、図２１に示すような分配
器を用いる。この分配器を利用し、前述したような4素
子アレーアンテナを製作する。このように素子アンテナ
を並列接続してスロットアレイアンテナを設計する場
合、アンテナ全体のインピーダンスは、素子数と各素子
アンテナのインピーダンスによって決定される。この分
配器だと50Ωから4分配するのに一つ一つのラインが200
Ωの特性インピーダンスのラインが必要となる。しかし
200Ωラインは非常に細いため実際に製作するのは不可
能である。そこで、図２１に示すように、一旦12.5Ωの
ラインに変換して分配することにより、4分配を実現可
能なものになる。またアンテナ間は管内波長において一
波長あけており、同位相給電している。12.5Ωラインの
一波長は79mmであり、この分配方法でいくとアンテナ間
隔も79mmになる。しかし先程のアンテナ間隔と電力分布
の検証において80mm間隔までは電力レベルが低下しない
ことが実験的にわかっている。この分配器を用いて製作
したアンテナを図２２（ａ）及び図２２（ｂ）に示す。

【００４０】この方式により、給電回路をコンパクトに
収めることができアンテナ部分も中央に配置することが
出来るが、メインのラインのインピーダンスを下げてい
るため、有限の分配のみにしか利用できない可能性もあ
る。送信アンテナを様々な角度で通過させその時の電力
レベルを測定する。その結果を図２３に示す。送信アン
テナと受信アンテナの距離が6cmで測定する。この分配
方式でも同様に変動が5dB以内に抑えることができる。
かつ給電回路も縦の長さが130mmとなり、30mmも小さく
することができる。これはほぼ計算と同様の奇跡を描い
ていることがわかる。さらに4素子以上のアレー化に関
しても縦の長さが増大することはなく、多段アレーも可
能である。また、Bluetoothの出力は約1mWなので5dB以
内の電力差はかなり小さいものであるといえる。また傾
きにより電力が急激に落ちる点もなくなり、安定度があ
るといえる。

【００４１】ここで、上記説明した携帯電話を用いた自
動改札機用のアンテナの設計及び製作についてまとめ
る。Bluetoothが80MHzの帯域を必要とするなかでその帯
域において1.3以下というスロット単素子アンテナとそ
れを用いて円偏波アンテナを製作する。円偏波に関して
はBluetoothがどの角度に差し出されても安定した電力
を供給できる。電力にすると2.4dB以内に抑えることが
できる。さらに円偏波アンテナをアレー化する。自動改
札機という限られた範囲内にアンテナを収めるためにラ
インのインピーダンスを下げてやることによってアンテ
ナ全体を小型化する。特性については送信側と受信側の
アンテナ間の距離を6cmで検討する。アレーアンテナを
通過する際の電力レベルの変動を5dB以内に抑えること
ができる。さらに近距離になるとこの変動が多少大きく
なる。

【００４２】なお、本願発明は、上記実施形態に限定さ
れるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない
範囲で種々に変形することが可能である。また、各実施
形態は可能な限り適宜組み合わせて実施してもよく、そ
の場合組み合わせた効果が得られる。更に、上記実施形
態には種々の段階の発明が含まれており、開示される複
数の構成要件における適当な組み合わせにより種々の発
明が抽出され得る。例えば、実施形態に示される全構成
要件からいくつかの構成要件が削除されても、発明が解
決しようとする課題の欄で述べた課題が解決でき、発明
の効果の欄で述べられている効果が得られる場合には、
この構成要件が削除された構成が発明として抽出され得
る。

【００４３】

【発明の効果】この発明によれば、至近距離に限定され
た通信エリアで確実に情報交換可能な無線通信機及びこ
の無線通信機を搭載した自動改札装置を提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】自動チケットゲートシステムの概念及び自動チ
ケットゲートシステムに適用される自動改札機の概略構
成を示す図である。

【図２】自動チケットゲートシステムに適用される自動
改札機の外観を示す図である。

【図３】垂直偏波、水平偏波、円偏波を説明するための
図である。

【図４】円偏波で信号を受信したときの論理計算の説明
を補足するための図である。

【図５】マイクロストリップスロットアンテナの一例を
示す図である。

【図６】マイクロストリップラインに電流が流れたとき
の電界を説明するための図である。

【図７】スロットアンテナのVSWR特性の一例を説明する
ための図である。

【図８】円偏波アンテナの一例を示す図である。

【図９】円偏波アンテナの偏波特性の測定系の一例を示
す図である。

【図１０】スロットアンテナのVSWR特性の一例を示す図
である。

【図１１】円偏波アンテナの偏波特性の一例を示す図で
ある。

【図１２】直線偏波アンテナの偏波特性の一例を示す図
である。

【図１３】携帯電話とアンテナとの距離及び角度を定義
するための図である。

【図１４】アンテナ間隔が6cmのときのアンテナと携帯
電話との距離別の合成電界の一例を示す図である。

【図１５】アンテナ間隔が8cmのときのアンテナと携帯
電話との距離別の合成電界の一例を示す図である。

【図１６】アンテナ間隔が10cmのときのアンテナと携帯
電話との距離別の合成電界の一例を示す図である。

【図１７】2素子のアレーアンテナの概略構成の一例を
示す図である。

【図１８】アンテナ間隔毎の電力レベルの一例を示す図
である。

【図１９】アンテナ間隔毎の電力レベルの一例を示す図
である。

【図２０】４分配アレーアンテナの特性の一例を示す図
である。

【図２１】分配器の一例を示す図である。

【図２２】図２１に示す分配器を用いて製作したアンテ
ナの一例を示す図である。

【図２３】コンパクトな４分配アレーアンテナの特性の
一例を示す図である。

【符号の説明】

１…リンク用アンテナ、２…通信用アレイアンテナ、３
…合成・分配器、４…Bluetooth無線部、５…無線制御
部、６…改札判定処理部

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｇ０７Ｂ 15/00 ５１０ Ｇ０７Ｂ 15/00 ５１０ Ｈ０１Ｑ 13/10 Ｈ０１Ｑ 13/10 21/24 21/24 Ｆターム(参考） 3E027 CA07 EA01 EB02 EC07 5B058 CA17 KA24 YA20 5J021 AA04 AA07 AA11 AB05 CA03 FA32 GA03 HA06 JA06 5J045 AA06 CA04 DA06 EA07 FA02 FA04 GA01 HA03 JA04 JA12 JA15 NA01 5K059 CC03 DD37

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】位相出力方向が統一された複数のアンテナ
   と、 前記複数のアンテナに対する出力信号を分配するととも
   に、前記複数のアンテナからの入力信号を合成する分配
   合成手段と、 を備えたことを特徴とする無線通信機。
2. 【請求項２】前記複数のアンテナは、互いに直列配置さ
   れていることを特徴とする請求項１に記載の無線通信
   機。
3. 【請求項３】前記複数のアンテナの個々は、互いに直交
   配置されたアンテナ部材で構成されていることを特徴と
   する請求項１に記載の無線通信機。
4. 【請求項４】前記複数のアンテナの位相成分は、円偏波
   であることを特徴とする請求項１に記載の無線通信機。
5. 【請求項５】無線通信により乗車券に記録された情報を
   読み取り改札処理を行う無線式の自動改札装置であっ
   て、 位相出力方向が統一された複数のアンテナと、 前記複数のアンテナに対する出力信号を分配するととも
   に、前記複数のアンテナからの入力信号を合成する分配
   合成手段と、 前記分配合成手段により合成された入力信号に基づき改
   札処理を実行する改札処理手段と、 を備えたことを特徴とする自動改札装置。