JP2007194903A - Antenna structure for in-pipe wireless communications device and wireless lan system - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は,送信したい情報を無線に載せ,工場その他ビル内や各種の施設内にある配管内を伝搬させ,離れた場所間を通信できるようにするための無線通信システムに関するものである。 The present invention relates to a wireless communication system for placing information to be transmitted wirelessly and propagating it in pipes in factories and other buildings and various facilities so that communication can be made between distant places.
地下空間施設に設けられた換気ダクトや工事用トンネル内に配置された中空の金属配管の両端に送受信機を配置し,金属配管を電磁波の導波管として利用して,例えば地下工事現場と地上部との間で無線通信するようにした無線通信システムが特許文献1に開示されている。
このような配管を利用して無線通信を行うために配管ダクト壁面に取り付けるアンテナ装置に関する従来技術として特許文献2が知られている。
ところで無線LANとして使用する周波数は,現在一般に2.4GHz帯のシステムが普及している。2.4GHz帯の無線を伝搬させるために効率の良い規格として,JIS規格やEIAJ規格により導波管形状が決まっている。例えば,JISではWRJ-2という規格があり,109.2mm×54.6mmの内径を有する方形導波管となる。
しかしながら,一般の建物や工場内の配管形状は,高周波を伝搬させることを主目的に設計されていないため,上記したような方形導波管の規格形状とは異なっている。また,配管の断面形状は一定ではなく,途中で形状の変化(段差や分岐等)がある。
By the way, as a frequency used as a wireless LAN, a 2.4 GHz band system is currently widely used. The waveguide shape is determined by the JIS standard and EIAJ standard as efficient standards for propagating 2.4 GHz band radio. For example, JIS has a standard called WRJ-2, which results in a rectangular waveguide having an inner diameter of 109.2 mm x 54.6 mm.
However, piping shapes in general buildings and factories are not designed mainly for the purpose of propagating high frequencies, and thus differ from the standard shapes of rectangular waveguides as described above. In addition, the cross-sectional shape of the pipe is not constant, and there is a change in shape (step, branching, etc.) in the middle.
円筒形状の配管でも同様である。円筒導波管形状は規格にて決まっているが,方形導波管の規格とは異なる。例えば,藤澤和男「改版マイクロ波回路」(電子通信学会編,コロナ社)には,79頁に100mmφの円筒導波管(円筒配管)内を伝搬する主要な伝搬モードの周波数に対する減衰特性が示されている。これによると,与えられた配管形状に対して,通信用周波数を有する無線は,様々な伝搬モードを持ち,配管内を伝搬することが分かる。
従って,上記のように通常の工場などに敷設されている多種多様な配管に柔軟に適用できて,効率良く伝播させることのできるシステムの構築が重要である。
The same applies to cylindrical pipes. The cylindrical waveguide shape is determined by the standard, but is different from the standard of the rectangular waveguide. For example, Kazuo Fujisawa “Revised Microwave Circuit” (edited by the Institute of Electronics and Communication Engineers, Corona) shows on page 79 the attenuation characteristics of main propagation modes propagating in a 100 mmφ cylindrical waveguide (cylindrical pipe). Has been. According to this, for a given pipe shape, it can be seen that a radio having a communication frequency has various propagation modes and propagates in the pipe.
Therefore, it is important to construct a system that can be flexibly applied to a wide variety of pipes installed in ordinary factories as described above and can be efficiently propagated.
しかしながら,配管内での無線通信の場合には,前記特許文献2に記載されたアンテナ装置は,単に配管内にアンテナを挿入して無線通信を行うという基本概念を示すにとどまり,どのようにすれば配管の大きさや形状の異なる多種多様な配管に柔軟に適用できて,効率良く伝播させることが出来るかという具体的課題に応えるものではなかった。
However, in the case of wireless communication within a pipe, the antenna device described in
このように,与えられた配管経路内を,与えられた通信用周波数の無線を伝搬させるためには,無線特性の変換が必要であるが,かかる変換はアンテナ部で行うことが経済的である。 As described above, in order to propagate radio of a given communication frequency in a given piping route, it is necessary to convert radio characteristics, but it is economical to perform such conversion at the antenna unit. .
また,与えられた配管経路内を,与えられた通信用周波数の無線を伝搬させるために,その配管内を小さな減衰係数で伝搬するモードに変換する必要があるが,上記特許文献2に記載のアンテナ装置では,電磁波の導波経路をふさぐようにアンテナを配管中心部に挿入しているので,アンテナ自身により電磁波が吸収される構造となっている。そのため,この特許文献2に示されたアンテナでは,電磁波が遠くまで届かない構造となっている。
すなわち,このようなアンテナ構造では,電磁波を配管系路上の多くの部分から取り出すようなシステムには適用できないという問題があった。
Further, in order to propagate radio of a given communication frequency in a given pipe path, it is necessary to convert the mode to propagate in the pipe with a small attenuation coefficient. In the antenna device, since the antenna is inserted into the center of the pipe so as to block the electromagnetic wave guide path, the antenna itself is structured to absorb the electromagnetic wave. For this reason, the antenna disclosed in
That is, such an antenna structure has a problem that it cannot be applied to a system in which electromagnetic waves are extracted from many parts on the piping system.
本発明にかかる無線LANシステムは,このような問題点の解決を目指し,配管の大きさや形状に関係なく,配管内を伝搬する電磁波伝搬モードと,アンテナ素子から送信,受信する電磁波との結合度を調整することが可能な構造を提供すること,及び配管内を伝搬する無線(電磁波)に影響を与えず,配管内に無線を送受信させることにより1つの配管の多くの部分から電磁波を経済的に取り出せるようにすることができるアンテナ構造を基本コンセプトに成り立っており,以下に示す解決手段から構成される。 The wireless LAN system according to the present invention aims at solving such problems, and the degree of coupling between the electromagnetic wave propagation mode propagating in the pipe and the electromagnetic wave transmitted and received from the antenna element regardless of the size and shape of the pipe. It is economical to provide electromagnetic wave from many parts of one pipe by providing a structure capable of adjusting the frequency and transmitting and receiving radio in the pipe without affecting the radio (electromagnetic wave) propagating in the pipe. The antenna structure that can be taken out is based on the basic concept and consists of the following solutions.
上記コンセプトに従った本発明は,配管内に設置したアンテナ間で無線通信を行うための配管内無線通信装置用アンテナ構造であって,アンテナ構造として,上記アンテナを同軸棒状で,端部に同軸コネクタを設けたアンテナとするものである。また上記アンテナを取り付ける構造として,配管側に上記アンテナを配管内面に沿って挿入しうると共に,上記アンテナの配管内への挿入量を調整しうるアンテナ取り付け部を形成したものである。
上記のようなアンテナは可撓性を有して外部の同軸ケーブルを自在に接続可能であること,或いは円筒形配管のように内面が局面である場合に,上記曲面に沿って配置できるようにすることが望ましい。
The present invention in accordance with the above concept is an antenna structure for a wireless communication device in a pipe for performing wireless communication between antennas installed in the pipe. The antenna structure has a coaxial rod shape and is coaxial with the end. The antenna is provided with a connector. Further, as a structure for mounting the antenna, an antenna mounting portion is formed on the pipe side so that the antenna can be inserted along the inner surface of the pipe and the amount of insertion of the antenna into the pipe can be adjusted.
The antenna as described above has flexibility so that an external coaxial cable can be freely connected, or when the inner surface is a situation like a cylindrical pipe, it can be arranged along the curved surface. It is desirable to do.
通常配管自身が金属で構成されていることとも関連し,本発明では,アンテナが配管内面に沿って取り付けられているので,アンテナ自身が配管内を伝播する電磁波を吸収することがほとんどなく,遠くまで電磁波のが届くのをアンテナ自身が阻害することがない。また上記のように電磁波を吸収することがないので,電磁波を供給する側としては,経済的である。
この場合,アンテナが同軸ケーブルにより構成されているので,アンテナによる電磁波の吸収が少なくなるという効果も期待される。
更に,上記のようにアンテナの配管への挿入長が調整自在であるので,多種多様な形状や材質の配管に柔軟に適合することが出来,最も結合度(配管内を伝搬する電磁波の電力と,その電磁波からアンテナを介して引き出す電力の比)の高い状態を作り出すことが出来るので,電磁波の有効利用が可能で経済的なシステムを構成することが出来る。
しかもその調整は単にアンテナの挿入量を変えるだけであるので,極めて簡単な操作で実行可能である。
In general, the pipe itself is made of metal. In the present invention, since the antenna is mounted along the inner surface of the pipe, the antenna itself hardly absorbs electromagnetic waves propagating in the pipe. The antenna itself does not hinder the electromagnetic wave from reaching. Moreover, since it does not absorb electromagnetic waves as described above, it is economical for the side supplying electromagnetic waves.
In this case, since the antenna is constituted by a coaxial cable, an effect of reducing electromagnetic wave absorption by the antenna is also expected.
Furthermore, since the insertion length of the antenna into the piping is adjustable as described above, it can be flexibly adapted to piping of various shapes and materials, and the coupling degree (the power of electromagnetic waves propagating in the piping and Therefore, it is possible to create an economical system in which electromagnetic waves can be effectively used.
Moreover, the adjustment can be performed with a very simple operation because it merely changes the amount of insertion of the antenna.
上記のようなアンテナ構造は,上記のように1つの配管に複数の無線アンテナを取り付けても各アンテナにおける電磁波の結合度を低下させない。また,長い配管に沿ってアンテナを複数配置して,複数のエリアに電磁波を伝達する場合には,アンテナの設置場所に応じて,配管内の伝搬電力が異なるため(配管内の伝搬長の違いにより,減衰量が異なるため),配管内から同じ電力を引き出す場合,アンテナと配管との結合度を調整する必要がある。 The antenna structure as described above does not reduce the degree of electromagnetic wave coupling in each antenna even if a plurality of wireless antennas are attached to one pipe as described above. In addition, when multiple antennas are arranged along a long pipe and electromagnetic waves are transmitted to multiple areas, the propagation power in the pipe varies depending on the location of the antenna (difference in propagation length in the pipe). Therefore, when drawing the same power from inside the pipe, it is necessary to adjust the degree of coupling between the antenna and the pipe.
この点についても,本発明にかかるアンテナ構造は,アンテナ自身による電磁波の吸収度合いが低いので,1つの配管内に設置した多くのアンテナに電磁波を伝播させることが出来,更にアンテナの挿入量を変えることで,簡単に電磁波電力を調整することが出来るので,例えば,特開2002−204240号公報に開示されているような,配管の長手方向に複数配設されてなる無線LANシステムに適用して極めて効果的である。 Also in this respect, the antenna structure according to the present invention has a low degree of electromagnetic wave absorption by the antenna itself, so that the electromagnetic wave can be propagated to many antennas installed in one pipe, and the insertion amount of the antenna is changed. Therefore, the electromagnetic wave power can be easily adjusted. For example, it is applied to a wireless LAN system in which a plurality of pipes are arranged in the longitudinal direction of a pipe as disclosed in JP-A-2002-204240. It is extremely effective.
続いて添付した図面を参照して本発明を具体化した実施形態について説明し,本発明の理解に供する。
ここに図1は,矩形配管に対して,本発明を適用した場合の実施形態例を,図2は,円筒配管に対して,本発明を適用した場合の実施形態例を示す。
まず矩形配管1内に設置したアンテナ2間で無線通信を行うための配管内無線通信装置用アンテナ構造の場合から説明する。
Next, an embodiment of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings for understanding of the present invention.
FIG. 1 shows an embodiment when the present invention is applied to a rectangular pipe, and FIG. 2 shows an embodiment when the present invention is applied to a cylindrical pipe.
First, the case of the antenna structure for a wireless communication device in a pipe for performing wireless communication between the
伝搬モードのうち,最も効率的な,即ち,減衰特性の小さな伝搬モードと結合させるため,図1に示すように,対象となる配管1の側面の,挿入したアンテナ2が,配管内面に沿うような位置にアンテナ取り付け孔3が設けられている。
アンテナ2は上記アンテナ取り付け孔3に挿入されて,図外のネジ,或いは適宜のクリップにより固定される。ネジなどを緩めることによって,アンテナ2の配管1内への挿入長さは自在に調整可能である。アンテナ取り付け孔3には,当然ならが適宜のアンテナ取り付けブラケットやアダプタが設けられているが,図示は省略されている。
Of the propagation modes, in order to couple with the most efficient propagation mode, that is, the attenuation mode having a small attenuation characteristic, as shown in FIG. 1, the inserted
The
破線で図示されたアンテナ2は,電界結合型のロッドアンテナである。具体的には,同軸構造(中心導体とその周りを取り囲む金属筒から構成される)により構成されており,先端の金属筒から突出したロッド(金属棒状部)が伝搬モードの電界と結合する。
このようなアンテナ2は,上記したように同軸構造からなっているので,配管内を伝播する電磁波の吸収性については最小限に抑えられる。更に,アンテナ2を挿入することにより,伝搬モードに与える影響を最小化するため,アンテナ取り付け孔3は,アンテナ2を配管1の内壁面に沿って挿入できるように,配管1の角部に形成されている。
このようなアンテナ2は,アンテナの同軸構造が金属製であり,かつ配管が通常は金属で構成されているので,アンテナの外形が配管1の内径に比べて,十分に小さければ電磁波の伝搬モードに与える影響はほとんど無視できる。
The
Since such an
In such an
上記アンテナ2の挿入部とは反対側の端部には,同軸コネクタ4が取り付けられ,無線モデム,高周波電力計5a,同軸導波管変換器5b,ホーンアンテナ5c,平面アンテナ5dなどの各種アンテナが接続可能である。
各種のアンテナや変換器は,通常配管1側に固定的に取り付けられるので,アンテナ2の配管1への挿入量を変えても同軸ケーブルが接続可能なように,ロッドアンテナ2をフレキシブルな可撓性のもので構成することが望ましい。
A
Since various antennas and converters are usually fixedly attached to the
配管1が円筒形である場合には,図2に示すように円筒配管1aの壁面にその円周方向にアンテナ取り付け孔3aを形成し,これに沿って設けたアンテナ取り付けブラケットなどにアンテナ2aを固定することが望ましい。このようにアンテナ取り付け孔3aを形成することで,アンテナ2aを円筒配管1aの内面に沿って円弧状に配設し,配管内を伝播する電磁波の吸収性を小さく設定することが可能である。
上記いずれの場合においても,上記アンテナ2或いは2aの挿入長を調整することで,アンテナの結合度を調整することが出来るが,その操作の一例は次の通りである。
When the
In either case, the coupling degree of the antenna can be adjusted by adjusting the insertion length of the
すなわち,例えば結合度を最大に設定する場合には,配管1,1a内に,2つのアンテナ2(あるいは2a)を挿入し,一方に無線送信モデムを,他方に高周波電力計を接続し,2つのアンテナの挿入量を変えて,両者間を伝搬する電力を最大化するような位置にアンテナを固定する。この時,配管内を伝わる伝播モードのうち,最も減衰の少ないモードに2つのアンテナが電界結合したことになる。
That is, for example, when setting the coupling degree to the maximum, two antennas 2 (or 2a) are inserted into the
この状態で,高周波電力計を外し,例えば,ホーンアンテナ5dやダイポールアンテナ等の高周波アンテナを接続すれば,上記無線送信モデムから配管内を伝わってロッドアンテナ2,2aにより受信した電磁波を上記ホーンアンテ5dナなどから室内に向けて送信することが可能である。
図4に実配管を使って実験した結果を示す。配管として,外形40cm×30cmの矩形ダクトを使用した。その底面(40cmの面)に沿って,本発明の同軸ケーブル型のアンテナ(同軸外径約10mm,ロッド突き出し量30mm)を配管 内に配管長手方向に対して垂直に挿入し,その挿入量と矩形ダクト内を伝搬する高周波信号との結合度を求めた結果を図4に示す。横軸にアンテナの挿入量を,縦軸に結合度を示す。配管内には,様々なモードの高周波信号が伝搬しており,その影響を受け,結合度は単純な増減傾向を示していないが,結合度が挿入量によって変化することが分かる。例えば,強い結合度を得るためには,挿入量を6cmとする。この場合,10dBの結合度となる。一方,弱くするには,挿入量を例えば16cmとする。これにより23dBの結合度となる。このように,必要な結合度が,アンテナ挿入量を変化させることにより容易に得られる。
In this state, the high frequency wattmeter is removed and, for example, a high frequency antenna such as a
Fig. 4 shows the results of experiments using actual piping. A rectangular duct with an external dimension of 40cm x 30cm was used as the piping. Along the bottom surface (40 cm surface), the coaxial cable type antenna of the present invention (coaxial outer diameter: about 10 mm, rod protrusion: 30 mm) is inserted into the pipe perpendicular to the longitudinal direction of the pipe. The result of obtaining the degree of coupling with the high-frequency signal propagating through the rectangular duct is shown in FIG. The horizontal axis shows the amount of antenna insertion, and the vertical axis shows the degree of coupling. It can be seen that high-frequency signals of various modes are propagated in the pipe, and the degree of coupling does not show a simple increase / decrease trend, but the degree of coupling varies depending on the amount of insertion. For example, to obtain a strong degree of coupling, the insertion amount is 6 cm. In this case, the coupling degree is 10 dB. On the other hand, to make it weaker, the insertion amount is, for example, 16 cm. As a result, the degree of coupling is 23 dB. Thus, the required degree of coupling can be easily obtained by changing the amount of antenna insertion.
図3はそのような無線システムへの応用例である。この例は,特開2002−204240号公報に記載された事例にも適用可能である。
配管1は,オフィス等の天井裏にある空調用配管或いは,工場内の屋根下に位置する空調用配管である。その配管1の1ヶ所より,無線アクセスポイント5の信号をロッドアンテナ2経由で配管1内に入力する。配管1内を伝搬する電磁波を配管の複数箇所に設けたロッドアンテナ2により受信し,配管の外に設けたアンテナ5c(ホーンアンテナ,平面アンテナなど)にて床面に向けて放射する。
FIG. 3 shows an application example to such a wireless system. This example is also applicable to the case described in Japanese Patent Laid-Open No. 2002-204240.
The
これにより,オフィスや工場内に対して,壁やパーティションなどの影響を受けず,隈なく無線を放射できる。放射された無線を無線端末モデム(図示せず)にて受け,データを復調する。
また,無線端末モデムから送信した無線は,逆方向に伝搬する。まず,配管1の外に設けたアンテナ5cにて受け,配管1内のアンテナ2に導かれ,配管1内を伝搬し,無線LANアクセスポイント5で受信され,復調される。これにより双方向の通信が可能となり,オフィス内や工場内に対して,有線の配線工事を伴わず,既存の配管を用いて,比較的簡単にイントラネットを空間内に構築することができる。
As a result, it is possible to radiate radio waves to the office or factory without being affected by walls or partitions. The radiated radio is received by a radio terminal modem (not shown), and data is demodulated.
The radio transmitted from the radio terminal modem propagates in the reverse direction. First, it is received by an
1,1a…配管
2,2a…アンテナ
3,3a…アンテナ取り付け孔
4…同軸コネクタ
5…無線LANアクセスポイント
DESCRIPTION OF
Claims (3)
上記アンテナを同軸棒状で端部に同軸コネクタを設けたアンテナとし,
配管側に上記アンテナを配管内面に沿って挿入しうると共に,上記アンテナの配管内への挿入量を調整しうるアンテナ取り付け部を形成したことを特徴とする配管内無線通信装置用アンテナ構造。 In an antenna structure for a wireless communication device in a pipe for performing wireless communication between antennas installed in the pipe,
The antenna is a coaxial rod-shaped antenna with a coaxial connector at the end,
An antenna structure for an in-pipe wireless communication apparatus, wherein an antenna attachment portion is formed on the pipe side so that the antenna can be inserted along the inner surface of the pipe and the amount of the antenna inserted into the pipe can be adjusted.
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