JP2004241832A

JP2004241832A - 無線ユニットおよび無線装置

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Publication number: JP2004241832A
Application number: JP2003026269A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Suguro; 明弘勝呂; Takayuki Nehashi; 孝幸根橋
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2003-02-03
Filing date: 2003-02-03
Publication date: 2004-08-26

Abstract

【課題】配置に自由度があり、無線ユニットに内蔵されたアンテナの指向性を広角化できる無線ユニットおよび無線装置を提供することを目的とする。
【解決手段】機器の検針データを無線送信する無線装置であって、該無線装置が電波を送受信するダイポールアンテナを実装したアンテナ基板と無線回路を実装した無線基板とを有し、前記アンテナ基板が高周波的な長さが前記無線通信に用いる電波の波長λの略λ／２に相当する給電線により、ダイポールアンテナの実装されている面と反対側の面で前記無線基板と接続されている構造とすることにより、アンテナの指向性を広角化できる無線ユニットを提供する。
【選択図】図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、アンテナの指向性の広角化に最適な無線ユニットおよび無線装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、電話回線等を利用して、メータで計測したガス、電気、水道等の使用量の積算値を遠隔地において取得できる、いわゆる自動検針システムが導入され始めている。さらに、メータ装置と電話回線間の通信を無線によって行うことも試みられており、この種の無線装置としては、例えば、ガスメータ装置の上部や前部に無線装置が取り付けられたものがある。
【０００３】
しかし、無線装置をガスメータ金属筐体の上部に取り付けた場合には、無線装置がガスメータ金属筐体、ガス配管、金属板からなる金属物で周囲を取り囲まれてしまうとともに、無線装置のグランド板が金属板とも高周波的に結合してしまうため、アンテナの放射特性が著しく劣化するという問題があった。また、無線装置をガスメータ金属筐体の前部に取り付けた場合には、無線装置に対して筐体の体積が小型であるため、アンテナの放射特性が著しく劣化するという問題があった。
【０００４】
こうした問題に対応するために、ガスメータ金属筐体上部のガス配管の間に配置された金属板の下側に設けられた無線装置筐体内に、アンテナとして線状逆Ｆアンテナを使用するとともに、線状逆Ｆアンテナを金属板から避けるように配設し、かつ線状逆Ｆアンテナのアンテナグランド板と無線回路の無線回路グランド板とを離して配設して、一点にて接続し、両者の高周波的結合力を弱め、線状逆Ｆアンテナのグランドとガスメータ金属筐体との高周波的に結合を強めることによって、放射利得の高いアンテナ放射特性を得る方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００５】
また、配線処理により、無線の高周波性能の向上を図ったものとしては、無線ＬＡＮ装置において、筐体本体の上下両面に蓋を備えた回路筐体の上面蓋の上側に設けられたアンテナ基板と、筐体下面に設けられた高周波基板とを接続するために、筐体本体、モデム基板および高周波基板に同軸ケーブル配線用の孔を設けたものが提案されている。（例えば、特許文献２参照。）。
【０００６】
【特許文献１】
特開平１１−０８６１７４号公報（第２−４頁、第１図）
【特許文献２】
特開平１１−１２２１３６号公報（第２−３頁、第２図）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、特許文献１に係る発明においては、ガスメータに配置する無線装置に取り付けの自由度がないという問題がある。また、特許文献２に係る発明においては、無線の高周波性能の向上を図ることにより、感度の向上を目的とするものであるが、アンテナの指向性に関しては、何ら言及されていない。
【０００８】
そこで、本発明は、上述した問題点に鑑みてなされたものであって、配置に自由度があり、無線ユニットに内蔵されたアンテナの指向性を広角化できる無線ユニットおよび無線装置を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するため、本発明は、以下の手段を提案している。
請求項１に係る発明は、無線回路を実装した無線基板と、該無線基板に対して略直交して配置され、電波を送受信するダイポールアンテナを実装したアンテナ基板とを有し、高周波的な長さが前記無線回路に用いる電波の波長λの略λ／２に相当する給電線の一端が前記アンテナ基板のダイポールアンテナが実装されている面と反対側の面に接続されるとともに、もう一端が前記無線基板を迂回して前記無線基板に接続されている無線ユニットを提案している。
【００１０】
この発明によれば、後述する実験結果から明らかなように、無線ユニットに内蔵されたアンテナの指向性の広角化を実現できる。
【００１１】
また、請求項２に係る発明は、請求項１に記載された無線ユニットについて、前記給電線が同軸ケーブルであって、その配線形態が略Ｓ字状である無線ユニットを提案している。
【００１２】
この発明によれば、後述する実験結果から明らかなように、給電線を同軸ケーブルとし、その配線形態を略Ｓ字状とすることにより、無線ユニットに内蔵されたアンテナの指向性の広角化をさらに実現できる。
【００１３】
また、請求項３に係る発明は、請求項１または請求項２に記載された無線ユニットについて、前記無線基板にシールドカバーが設けられ、前記ダイポールアンテナが前記シールドカバーよりも高い位置に実装されている無線ユニットを提案している。
【００１４】
この発明によれば、アンテナ素子をシールドカバーに覆われた無線基板よりも高く配置することにより、周囲の金属や電気部品との相互干渉を軽減させることができる。
【００１５】
また、請求項４に係る発明は、筐体内に、バッテリーと、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載された無線ユニットとを収納した無線装置であって、前記筐体内に平坦なプラスチック樹脂製の仕切り部を設けるとともに、該仕切り部の一方の側に前記無線ユニットを収納し、該仕切り部の他方の側に前記バッテリーを前記仕切り部に対して前記無線ユニット内に設けられたアンテナ基板の後方部以外の部分に収納した無線装置を提案している。
【００１６】
この発明によれば、筐体内にプラスチック樹脂製の仕切り部を設け、その一方に無線ユニットを配置したため、アンテナ基板に対して、電波を通しやすい構成とすることができる。また、バッテリーの配置場所を限定し、アンテナ基板の後方に空間を設けたことから、無線性能の劣化を防止することができる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態に係る無線ユニットおよび無線装置について図１から図７を参照して詳細に説明する。
本実施形態に係る無線装置は、図５に示すように、ガスメータの筐体部分に取付ネジにより固定される無線装置である。図７に示すように、無線装置１０は、無線基板１と、アンテナ基板４と、シールドカバー２と、給電線５とから構成される無線ユニットと、バッテリー１５とを筐体１４内に配置し、ガスメータ８に対して、取付ネジ９により固定された構造となっている。無線ユニットとバッテリー１５との間には、仕切り部が設けられており、この仕切り部には、電波を通しやすくするために、プラスチック樹脂が用いられている。また、アンテナ基板４の後方部分には、無線性能の劣化を防止するため、アンテナ基板４がガスメータ９の筐体等、金属部分と著しく接近しないように、約２０ｍｍの空間が設けられている。さらに、バッテリー１５は、仕切り部１６に対して、アンテナ基板４の後方部分以外の部分に配置されている。
【００１８】
図１は、本発明の実施形態に係る無線ユニットの回路基板上の配置を示す配置図である。
図１に示すように、本発明の実施形態に係る無線ユニットは、無線基板１と、シールドカバー２と、ダイポールアンテナ３と、アンテナ基板４と、給電線５とにより構成されている。
【００１９】
無線基板１は、無線回路が搭載されている基板であって、本実施形態においては、機器の検針メータの読みを無線信号に変換し、これをダイポールアンテナ３を介して送信する。なお、本実施形態における周波数帯域としては、簡易型携帯電話機に用いられる１．９ＧＨｚ帯を想定している。
【００２０】
また、無線回路は、外部への高周波の輻射を抑制するために、金属製のシールドカバー２が設けられており、このシールドカバー２は、高周波のインピーダンスを下げるために、無線基板のグランド７に接続されている。
【００２１】
ダイポールアンテナ３は、２本のポールを並べた形態のアンテナである。アンテナの電気的な長さは用いる電波の波長の１／２波長に相当する長さであり、一般に、普通の電線で構成でき、電波の給電には特別なマッチング回路は必要ないという特色をもっている。アンテナ基板４は、ダイポールアンテナ３を搭載する基板であり、本実施形態においては、無線基板とは別の基板で構成されている。
【００２２】
また、アンテナ基板４におけるダイポールアンテナ３の実装位置は、アンテナ基板４を無線基板１に対して、略直交して配置したときに、無線回路に設けられたシールドカバー２よりも高くなるよう配置されている。これは、周囲の金属や電気部品との相互作用を軽減させるためのものである。
【００２３】
給電線５は、ダイポールアンテナ３で受信した電波を無線基板に供給するための線材であり、本実施形態においては、その高周波的な長さが使用する電波の波長λのλ／２に相当する同軸ケーブルが用いられている。
【００２４】
上記のような要素からなる本実施形態に係る無線ユニットにおいて、水平面および垂直面でのアンテナ利得を向上させるための最適な構成を検証するために、簡易型携帯電話機において用いられる１．９ＧＨｚ帯において、以下の実験を行った。なお、変化させるパラメータとしては、給電線５の種類と長さ、アンテナ基板４の配置方法および給電線５の配置形態である。
【００２５】
上記パラメータの有効性を判断するために、具体的には、以下の３つの方式で実験を行った。なお、同軸ケーブルには、１．５Ｄ−２Ｖを、アンテナ素子には、２×２×９ｍｍサイズのチップ多層アンテナを、アンテナ基板には、０．７×８×２５ｍｍサイズのものを用いた。
１）無線基板１上に直接ダイポールアンテナ３を実装し、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）を給電線５として、最短距離でダイポールアンテナ３に給電する場合（図６（ｂ）を参照）。
２）ガラスエポキシを基材するアンテナ基板４にダイポールアンテナ３を実装し、これを無線基板１に対して、略垂直に配置し、マイクロストリップライン（ＭＳＬ）を給電線として、最短距離でダイポールアンテナ３に給電する場合。
３）ガラスエポキシを基材するアンテナ基板４にダイポールアンテナ３を実装し、これを無線基板１に対して、略垂直に配置し、同軸ケーブルを給電線５として、無線基板１の脇を迂回させて、アンテナ基板４のダイポールアンテナ３が実装されている面と反対側の面から無線基板１に配線した場合（図６（ａ）を参照）。
【００２６】
上記の実験の結果、ダイポールアンテナ３の指向性に関する水平面内パターンとしては図３、垂直面内パターンとしては図４のような結果が得られた。なお、図中、いずれも、細い実線が１）の構成、点線が２）の構成、太い実線が３）の構成を示している。この結果から、３）の構成のものが、最も広角の指向性特性を示し、ダイポールアンテナ３の指向性に関し、最もよい特性を有することがわかった。なお、実験結果は示さないが、３）の構成に変えて、図６（ａ）のように、給電線５を引き回すことも考えられるが、この方式では、十分な指向特性は得られない。
【００２７】
すなわち、１）ダイポールアンテナ３は、無線基板１に直接実装するよりも、個別にアンテナ基板４を設け、これを無線基板１に対して、略直交して配置した方がよいこと。２）給電線５としては、マイクロストリップラインよりも同軸ケーブルが有利であり、配線方法も無線基板１の脇を迂回させて、アンテナ基板４のダイポールアンテナ３が実装されている面と反対側の面から無線基板１に配線した方がよいことがわかった。
【００２８】
そこで、次に、構成をそのままに維持した状態で、給電線５として用いる同軸ケーブルの長さと引き回しを変えて、再度、実験を行った。具体的には、同軸ケーブルの長さを４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍの３種類とするとともに、引き回し形状を略右括弧状、略Ｓ字状（図２参照）として、同様の評価を行った。
【００２９】
その結果、同軸ケーブルの長さをそれぞれ、４０ｍｍ、４５ｍｍ、５０ｍｍとした場合の垂直面内での半値角を測定したところ、それぞれ、８６．９度、９１．０度、８６．３度の結果を得た。なお、このときの引き回し形状は、いずれも、略Ｓ字状である。さらに、長さが４５ｍｍの同軸ケーブルについて、引き回し形状を略Ｓ字状から略右括弧状に変更したところ、垂直面内での半値角が８０．９度となり、略右括弧状の引き回しは、略Ｓ字状の引き回しに比べて、測定値が約１０度も悪化することがわかった。
【００３０】
これらの実験結果から、無線基板１とダイポールアンテナ３との位置関係は、ダイポールアンテナ３を実装したアンテナ基板４を、無線基板に略垂直に配置するのがよいことがわかる。また、給電線５の種類としては、マイクロストリップラインよりも同軸ケーブルの方がよく、ケーブルの長さは、４５ｍｍが最適である。
【００３１】
なお、４５ｍｍのケーブル長は、同軸ケーブルの内部誘電体による波長短縮率（約６７％）を考慮すると、その高周波的な長さが約１／２波長に相当する長さである。すなわち、アンテナのエレメント全長と給電線の各々とが電気的に給電する電波の１／２波長の時、最大の電力効率を得ることが知られている。これをケーブルの長さと給電する電波の波長との関係で表すと式（１）に示す関係になる。
ケーブル長＝（光速／給電する電波の周波数）×１／２×波長短縮率（１）本実施形態においては、給電する電波の周波数が１．９ＧＨｚ、波長短縮率が６７％（０．６７）であることから、ケーブル長は、（１）式から、５２ｍｍとなる。実際には、アンテナ側の同軸ケーブル端からアンテナ素子までは、数ｍｍあることから、これを勘案すると、本実施形態における同軸ケーブル長としては、約４５ｍｍが最適であったことがわかる。また、同軸ケーブルを用いることにより、同軸ケーブルの放射を積極的に利用して水平面内および垂直面内の放射を改善することができる。
【００３２】
また、同軸ケーブルの引き回し形状については、逆Ｕ字状よりも、略Ｓ字状の方がよい。さらに、アンテナ素子６と同軸ケーブルとは、約１／１０〜１／２０波長距離離すことで、インピーダンスずれを起こさず、かつ、八木アンテナにおける反射器の役割を果たすことが実験により確認できた。なお、ＦＢ比（ＦｒｏｎｔＢａｃｋＲａｔｉｏ）は、無線装置単体において、４ｄＢ以上が得られている。
【００３３】
【発明の効果】
以上のように、この発明によれば、アンテナの配置場所やアンテナと無線回路との結線に関する線材の種別および配線形状を最適化することにより、アンテナを内蔵した無線装置の指向性を３次元的に広角化することができるという効果がある。
【００３４】
また、アンテナと無線回路とを接続する線材に同軸ケーブルを用いることによって、同軸ケーブルの放射を積極的に利用することにより、水平面内および垂直面内の放射を改善することもできるという効果がある。
【００３５】
さらに、アンテナの配置場所やアンテナと無線回路との結線に関する線材の種別および配線形状を最適化することにより、アンテナを内蔵した無線ユニットの指向性の広角化を実現したことから、設置場所に制限がなく、取付の自由度が高いという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施形態に係るアンテナ基板等の配置を示した構造図である。
【図２】本発明の実施形態に係るアンテナ基板と無線基板とを接続する給電線の配線形態を示した図である。
【図３】本発明の実施形態に係る水平面内におけるダイポールアンテナの指向性パターンを示す図であり、無線装置をガスメータ前面に取り付けた時のもので、−９０°をガスメータの前面方向とした図である。
【図４】本発明の実施形態に係る垂直面内におけるダイポールアンテナの指向性パターンを示す図であり、無線装置をガスメータ前面に取り付けた時のもので、−９０°をガスメータの前面方向とした図である。
【図５】本発明の実施形態に係る無線装置をガスメータに取り付けた場合の形態図である。
【図６】本実施形態に係るダイポールアンテナと無線基板との接続に関して、ダイポールアンテナの配置方法や結線方法を変えた場合の断面図である。
【図７】本実施形態に係る無線装置をガスメータに配置した場合の断面図である。
【符号の説明】
１・・・無線基板、２・・・シールドカバー、３・・・ダイポールアンテナ、４・・・アンテナ基板、５・・・給電線、６ａ、６ｂ・・・アンテナ素子、７・・・無線基板のグランド、８・・・ガスメータ、９・・・取付けネジ、１０・・・無線装置、１１・・・表示器、１２・・・配管、１３・・・ＭＳＬ（マイクロストリップライン）、１４・・・筐体、１５・・・バッテリー、１６・・・仕切り部、

Claims

無線回路を実装した無線基板と、該無線基板に対して略直交して配置され、電波を送受信するダイポールアンテナを実装したアンテナ基板とを有し、高周波的な長さが前記無線回路に用いる電波の波長λの略λ／２に相当する給電線の一端が前記アンテナ基板のダイポールアンテナが実装されている面と反対側の面に接続されるとともに、もう一端が前記アンテナ基板を実装している前記無線基板の面と反対側の面に接続されている無線ユニット。
前記給電線が同軸ケーブルであって、その配線形態が略Ｓ字状である請求項１に記載された無線ユニット。
前記無線基板にシールドカバーが設けられ、前記ダイポールアンテナが前記シールドカバーよりも高い位置に実装されている請求項１または請求項２に記載された無線ユニット。
筐体内に、バッテリーと、前記請求項１から請求項３のいずれかに記載された無線ユニットとを収納した無線装置であって、前記筐体内に平坦なプラスチック樹脂製の仕切り部を設けるとともに、該仕切り部の一方の側に前記無線ユニットを収納し、該仕切り部の他方の側に前記バッテリーを前記仕切り部に対して前記無線ユニット内に設けられたアンテナ基板の後方部以外の部分に収納した無線装置。