JP2007221756A - Signal transmission apparatus - Google Patents
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Abstract
Description
この発明は、比較的に誘電率の高い液体中において、電磁波信号を低損失で伝送するための信号伝送装置に関するものである。
The present invention relates to a signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid having a relatively high dielectric constant.
図５は、非特許文献１に記載されている従来の「淡水中の５０ＭＨｚ帯電磁波伝搬特性の検討」の実施例である。 図５において、送信機１０は５０ＭＨｚ帯の電磁波信号を発生しており、当該電磁波信号は水面１１１より下部に設置されたアンテナ１１から水中に放射され、アンテナ１２により受信された当該電磁波信号は受信機１３によって受信された信号の強度が測定される。
当該アンテナ１１が水面１１１の下部６０ｃｍと１１０ｃｍの位置に設置されたときのアンテナ１１とアンテナ１２間の垂直方向と水平方向の伝搬損失が測定されている。測定結果からは、アンテナ１１から１０ｍ程度離れた位置での伝搬損失が４０ｄＢから６０ｄＢ程度であり、高品質の通信が可能であることを示唆しているが、使用したアンテナが半波長ダイポールアンテナであるため大型となり、移動体に装着することが難しい問題点があり、特に、水中に生息する生物などに装着するバイオテレメトリなどの目的には適さない問題点がある。
一方、特許文献１に記載されている従来の「水中における無線通信装置」では、固定局無線装置に漏洩同軸ケーブルを接続し、移動局無線装置には広帯域ダブレット空中線が接続されており、前記と同様な問題点がある。
また、特許文献２に記載されている従来の「魚ロボット及び水中通信」では、水中での通信にＦＭ変調された電波を用いるとされているが、アンテナの種類および利用する周波数帯あるいは伝送損失を最適にするための条件についての特段の記述がされていない問題点がある。
The vertical and horizontal propagation losses between the
On the other hand, in the conventional “underwater wireless communication device” described in Patent Document 1, a leaky coaxial cable is connected to a fixed station wireless device, and a broadband doublet antenna is connected to the mobile station wireless device. There are similar problems.
In addition, in the conventional “fish robot and underwater communication” described in Patent Document 2, it is said that FM-modulated radio waves are used for underwater communication, but the type of antenna and the frequency band to be used or transmission loss are used. There is a problem that there is no specific description about the conditions for optimizing the above.
この発明は、比較的に誘電率の高い液体中において、電磁波信号を低損失で伝送するために用いるアンテナを小型化し、液体中に生息する生物あるいは液体中に存在する小型の移動体に装着して使用できる信号伝送装置を実現するためのものである。
The present invention reduces the size of an antenna used for transmitting an electromagnetic wave signal with a low loss in a liquid having a relatively high dielectric constant, and attaches it to a living organism living in the liquid or a small moving body existing in the liquid. It is for realizing a signal transmission device that can be used in the future.
この発明に係わる信号伝送装置は、誘電率が比較的に高い液体中で、３２０ＭＨｚ以下の周波数帯の電磁波信号を用い、発信手段および受信手段に小型のループアンテナを接続し、当該ループアンテナが当該液体中で共振状態あるいはマッチング状態となるように設定することによって、当該電磁波信号を効率良く放射しあるいは受信することができる。
The signal transmission device according to the present invention uses an electromagnetic wave signal having a frequency band of 320 MHz or less in a liquid having a relatively high dielectric constant, and connects a small loop antenna to the transmitting means and the receiving means. By setting the resonance state or the matching state in the liquid, the electromagnetic wave signal can be efficiently emitted or received.
従来の水中での信号伝送装置では、音波あるいは超音波が用いられ、あるいは例えばＶＬＦ帯等の比較的に低い周波数帯の電磁波信号を用いることが一般的であり、比較的に高い周波数帯の電磁波信号を用いる場合でもアンテナに半波長のダイポールを用いるため大型となる問題点があった。
本発明の信号伝送装置では、小型のループアンテナを用い、当該液体中における共振現象あるいはマッチング現象を利用することによって、小型・軽量化および低コスト化が可能となり、水中に生息する小動物などにも装着できるので、バイオテレメトリなどに活用することができる。
In conventional underwater signal transmission devices, sound waves or ultrasonic waves are used, or electromagnetic wave signals in a relatively low frequency band such as a VLF band are generally used, and electromagnetic waves in a relatively high frequency band are used. Even when a signal is used, there is a problem that the antenna becomes large because a half-wave dipole is used for the antenna.
In the signal transmission device of the present invention, a small loop antenna is used, and a resonance phenomenon or a matching phenomenon in the liquid is used, so that the size and weight can be reduced and the cost can be reduced. Since it can be attached, it can be used for biotelemetry.
この発明に係わる信号伝送装置は、図１に示すように、発信手段２１が、例えば、２７ＭＨｚ帯の送信機２１２であり、当該送信機２１２から発信される電磁波信号を、小型のループアンテナ２１３によって、比較的に高い誘電率の液体中に効率よく放射し、当該放射された電磁波信号を小型のループアンテナ２１４によって受信し、受信手段２２の、例えば、２７ＭＨｚの受信機２１５によって受信される。
図２では、発信手段２１がパッシブタグであり、受信手段２２がタグリーダである。当該パッシブタグ２２には小型のループアンテナ２１３が内臓され、防水処理が施されて液体中の小動物などに装着され、タグリーダ２２に接続された小型のループアンテナ２１４によってパッシブタグ２１の識別符号を読み取ることができる。
図３に、当該液体の誘電率とループアンテナ２１３および２１４の内径寸法と巻数によって決まる共振周波数あるいはマッチング周波数の発生状況を示す。電磁波信号の周波数が共振周波数あるいはマッチング周波数３１４において共振現象あるいはマッチング現象が最も顕著に現れる。従って、当該共振現象あるいはマッチング現象が生じる周波数帯を利用することによって当該液体中で、良好な伝送特性を利用した信号伝送装置を実現することができる。
In the signal transmission apparatus according to the present invention, as shown in FIG. 1, the transmitting means 21 is, for example, a transmitter 212 in the 27 MHz band, and an electromagnetic wave signal transmitted from the transmitter 212 is transmitted by a small loop antenna 213. The electromagnetic wave signal is efficiently radiated into a liquid having a relatively high dielectric constant, and the radiated electromagnetic wave signal is received by the small loop antenna 214 and received by the receiver 215 of the receiving means 22, for example, 27 MHz.
In FIG. 2, the transmission means 21 is a passive tag, and the reception means 22 is a tag reader. The passive tag 22 includes a small loop antenna 213 that is waterproofed and attached to a small animal in a liquid. The identification code of the passive tag 21 is read by the small loop antenna 214 connected to the tag reader 22. be able to.
FIG. 3 shows the generation state of the resonance frequency or matching frequency determined by the dielectric constant of the liquid, the inner diameter dimensions of the loop antennas 213 and 214, and the number of turns. When the frequency of the electromagnetic wave signal is the resonance frequency or the matching
図１は、本発明の一実施例を示すシステム構成図であり、伝送媒体に液体を用いる場合である。図１において、２１は発信手段、２１１は制御部、２１２は、例えば、２７ＭＨｚ帯の送信機、２１３は小型のループアンテナ、２２は受信手段、２２１は制御部、２２２は、例えば、２７ＭＨｚ帯の受信機、２２３は小型のループアンテナ、２２４はインターフエイス部、２２５は接続端子、１１１は水面あるいは液面である。
制御部２１１により制御される２７ＭＨｚ帯の送信機２１２からは、識別符号等を含む信号によって変調された電磁波信号が発信され、液面１１１の下部に設けられた小型のループアンテナ２１３によって当該電磁波信号を効率よく放射する。
ここで、当該ループアンテナ２１３の内径寸法および巻数を選択して当該液体中で共振状態あるいはマッチング状態とし、当該電磁波信号を効率よく放射するようにする。この場合、液体の誘電率は空気の誘電率に比較して一般に高い値を示すため、当該ループアンテナ２１３は液体中では放射効率が良いのに対して、空気中では放射効率が極端に低い状態となる。
液体中に放射された電磁波信号は、液面１１１の下部に設けられた小型のループアンテナ２２３で受信され、制御部２２１によって制御される２７ＭＨｚ帯の受信機２２２によって受信され、検出データがインターフエイス部２２４および接続端子２２５により外部に出力される。
当該ループアンテナ２１３と２２３を真水のような高い誘電率（ε＝８１）の液体中に浸すと、図３に示すように共振現象あるいはマッチング現象が生じ、電磁波信号の周波数が共振周波数あるいはマッチング周波数３１４において共振現象あるいはマッチング現象が最も顕著に現れ、小型のループアンテナ２１３と２２３の間の結合損が減少する。従って、上記の共振現象あるいはマッチング現象が生じる周波数帯を利用することによって、当該真水中で低損失の信号伝送装置が実現できる。
一方、海水などでは誘電率が更に高くなり、当該ループアンテナ２１３と２２３を更に小型化することが可能となり、同一の形状の場合には共振周波数あるいはマッチング周波数が低くなるので、伝送損失が低くなるなどのメリットがある。
FIG. 1 is a system configuration diagram showing an embodiment of the present invention, in which a liquid is used as a transmission medium. In FIG. 1, 21 is a transmission means, 211 is a control unit, 212 is a transmitter in a 27 MHz band, for example, 213 is a small loop antenna, 22 is a reception means, 221 is a control unit, and 222 is a control unit in the 27 MHz band, for example. A
An electromagnetic wave signal modulated by a signal including an identification code or the like is transmitted from the transmitter 212 in the 27 MHz band controlled by the control unit 211, and the electromagnetic wave signal is transmitted by a small loop antenna 213 provided below the
Here, the inner diameter dimension and the number of turns of the loop antenna 213 are selected to be in a resonance state or a matching state in the liquid so as to efficiently radiate the electromagnetic wave signal. In this case, since the dielectric constant of the liquid generally shows a higher value than the dielectric constant of air, the loop antenna 213 has good radiation efficiency in the liquid, whereas the radiation efficiency is extremely low in the air. It becomes.
The electromagnetic wave signal radiated into the liquid is received by a
When the
On the other hand, the permittivity of seawater and the like is further increased, so that the
ここで、当該ループアンテナ２１３と２２３として、幅が０．２５ｍｍであり間隔が０．２５ｍｍ程度のループを３０ｍｍ×３０ｍｍ程度の大きさのプリント基板上に形成し、巻数を４０回程度とすることで、真水中において２７ＭＨｚ程度の周波数で共振現象あるいはマッチング現象を生じる。
上記のループアンテナ２１３と２２３を用いると、真水中で間隔を１ｍとした場合、伝送損失が２１ｄＢ程度であった。
また、ループアンテナ２１３と２２３の巻数を一定とした場合、ループアンテナ２１３と２２３と直列に外部インピーダンスを挿入することで上記の共振周波数あるいはマッチング現象を調整できることが実験で確認されている。
なお、液体の誘電率がε＝８１の場合、当該電磁波信号の波長は９分の１に短縮され、２７ＭＨｚ帯では波長が約１．３ｍとなるので、ループアンテナ２１３と２２３の間の結合損をＬ＝２２＋２０ｌｏｇ（間隔／波長）（ｄＢ）から求めると、ループアンテナ２１３と２２３の間隔が１ｍでは、結合損が約２０ｄＢとなることから、上記の実験結果とほぼ合致し、真水中では伝搬波長が短縮される以外は、空間での電磁波信号の伝搬と同様な減衰曲線を描くものと考えられる。
また、当該受信手段に複数のループアンテナがアンテナ切替器を介して接続され、周期的に切り替えられ、当該複数のアンテナ毎に受信した当該電磁波信号の搬送波信号あるいは副搬送波信号の周波数あるいは位相あるいはこれらの組合わせの差を測定することによって、当該発信手段が位置する方向を高い精度で検知することができる。
また、液体の誘電率が、温度、液体の濃度、その他の条件で変化すので、誘電率の変化に応じて伝送する電磁波信号の周波数をアダプテイブに変化させることによって伝送損失を低く保つことができる。
また、電磁波信号の周波数は低いほど伝送損失が少ないメリットがあるが、低くなりすぎるとループアンテナの形状が大きくなるデメリットがある。結局、電磁波信号の周波数は３２０ＭＨｚ程度以下の比較的に低い周波数帯が有利であり、１ＭＨｚ〜５０ＭＨｚ帯が適している。ただし、液体中の大型の移動体に対しては、アンテナのある程度の大型化が許容されることから、１ＭＨｚ以下の周波数帯を利用することも可能である。
また、誘電率が高い液体中ではその境界面で電磁波信号が全反射する確率が高く、電磁波信号が当該液体中に閉じ込められることから、開空間への電磁波信号の漏洩は極くわずかであるので、電波法が規定する微弱な電波が、開空間で３ｍ離れた地点での電界値で規定されるとすれば、液体中で１ワットの送信出力は開空間では微弱な電波として許容されるものと考える。
また、当該発信手段２１に電池を内臓させることによって、液体中のアクテイブタグとして機能させることができる。
Here, as the
When the
Further, it has been experimentally confirmed that when the number of turns of the
When the dielectric constant of the liquid is ε = 81, the wavelength of the electromagnetic wave signal is shortened to 1/9 and the wavelength is about 1.3 m in the 27 MHz band, so that the coupling loss between the
In addition, a plurality of loop antennas are connected to the receiving means via an antenna switch and are periodically switched, and the frequency or phase of the carrier wave signal or subcarrier signal of the electromagnetic wave signal received for each of the plurality of antennas, or these By measuring the difference in combination, the direction in which the transmitting means is located can be detected with high accuracy.
In addition, since the dielectric constant of the liquid changes depending on the temperature, the concentration of the liquid, and other conditions, the transmission loss can be kept low by adaptively changing the frequency of the electromagnetic wave signal transmitted according to the change of the dielectric constant. .
Further, the lower the frequency of the electromagnetic wave signal is, the lower the transmission loss is. However, when the frequency is too low, there is a disadvantage that the shape of the loop antenna is increased. After all, the frequency of the electromagnetic wave signal is advantageously a relatively low frequency band of about 320 MHz or less, and the 1 MHz to 50 MHz band is suitable. However, for a large moving body in liquid, it is possible to use a frequency band of 1 MHz or less because the antenna can be enlarged to some extent.
In addition, in a liquid with a high dielectric constant, there is a high probability that the electromagnetic wave signal is totally reflected at the boundary surface, and the electromagnetic wave signal is confined in the liquid, so that the leakage of the electromagnetic wave signal to the open space is negligible. If a weak radio wave regulated by the Radio Law is defined by an electric field value at a point 3 m away in an open space, a transmission output of 1 watt in a liquid is allowed as a weak radio wave in the open space. I think.
Further, by incorporating a battery in the transmitting means 21, it can function as an active tag in the liquid.
図２は、本発明の他の実施例を示すシステム構成図である。図２において、２１はパッシブタグ、２１１は制御部、２１２は、例えば、２７ＭＨｚ帯の送信機、２１３は小型のループアンテナ、２１４はアンテナ切替器、２１５は整流・受信機、２２はタグリーダ、２２１は制御部、２２２ａは、例えば、２７ＭＨｚ帯の受信機、２２２ｂは、例えば、２７ＭＨｚ帯の送信機、２２３ａ、２２３ｂは小型のループアンテナ、２２４はインターフエイス部、２２５は接続端子、１１１は水面あるいは液面である。
タグリーダ２２の送信機２２１ｂからは、例えば、２７ＭＨｚ帯の比較的に高出力の電磁波信号が発信され、小型のループアンテナ２２３ａから液体中に放射され、パッシブタグ２１において小型のループアンテナ２１３により受信され、アンテナ切替器２１４によって切替えられ、整流・受信機によって電磁波信号が整流されて直流電力に変換されるとともに電磁波信号が検波されてタグリーダ２２からの読出信号を受信する。
当該タグリーダ２２から発信された読出信号が自局を呼び出すものであると、当該直流電力を用いて自らの識別信号を含む電磁波信号を２７ＭＨｚ帯の送信機２２２から発信する。当該送信機２２２から発信された電磁波信号は、タグリーダ２２の受信機２１２ａにより受信されて検波され、制御部２２３によって当該パッシブタグ２１の識別情報を検知し、ＲＳ２３２Ｃインターフエイス２２４により外部に出力される。
ここで、タグリーダ２２のアンテナ２１３ａと２１３ｂは、例えば、河川を魚などが遡上するための水路などに間隔をおいて設置され、パッシブタグ２１を装着された魚などの水生動物が当該アンテナ２１３ａと２１３ｂの中間部分を通過するとき、当該水生動物の識別番号を検知することができる。
当該ループアンテナ２１３ａと２１３ｂは水路の水平方向あるいは垂直方向に間隔をおいて設置され、あるいは液面に設置する場合にはフロータあるいは浮きに装着することにより、当該ループアンテナ２１３ａと２１３ｂを常に液面下に保つことができる。
当該タグリーダ２２から発信する電磁波信号の周波数を例えば２７ＭＨｚとし、発信電力を１ワットとすると、約10m離れた位置にあるパッシブタグ２１を識別しあるいは識別符号を検知することができる。
なお、パッシブタグ２１は小型・軽量化が可能であるため、水中に生息する小動物などに装着することが可能であり、タグリーダ２２の送信アンテナ２１３ｂから１ｍ程度以内の位置に存在するパッシブタグ２１を識別しあるいは識別符号を検知することができる。
また、当該パッシブタグ２１を遊泳中の人体に装着し、あるいは水中の任意の移動体あるいは固定された物体などに装着しても同様な効果が得られる。
FIG. 2 is a system configuration diagram showing another embodiment of the present invention. In FIG. 2, 21 is a passive tag, 211 is a control unit, 212 is a 27 MHz transmitter, 213 is a small loop antenna, 214 is an antenna switch, 215 is a rectifier / receiver, 22 is a tag reader, 221 Is a control unit, 222a is, for example, a 27 MHz band receiver, 222b is, for example, a 27 MHz band transmitter, 223a and 223b are small loop antennas, 224 is an interface unit, 225 is a connection terminal, and 111 is a water surface or It is a liquid level.
From the transmitter 221b of the tag reader 22, for example, a relatively high output electromagnetic wave signal of 27 MHz band is transmitted, radiated into the liquid from the small loop antenna 223a, and received by the small loop antenna 213 in the passive tag 21. The electromagnetic wave signal is rectified by the rectifier / receiver and converted into DC power by the rectifier / receiver 214, and the electromagnetic wave signal is detected and the read signal from the tag reader 22 is received.
If the readout signal transmitted from the tag reader 22 calls the local station, an electromagnetic wave signal including its own identification signal is transmitted from the transmitter 222 in the 27 MHz band using the direct current power. The electromagnetic wave signal transmitted from the transmitter 222 is received and detected by the receiver 212 a of the tag reader 22, the identification information of the passive tag 21 is detected by the
Here, the antennas 213a and 213b of the tag reader 22 are installed, for example, at intervals in a water channel for fish and the like going up the river, and aquatic animals such as fish to which the passive tag 21 is attached are connected to the antenna 213a. And 213b, the identification number of the aquatic animal can be detected.
The loop antennas 213a and 213b are installed at intervals in the horizontal direction or vertical direction of the water channel, or when installed on the liquid surface, the loop antennas 213a and 213b are always mounted on the liquid surface by attaching them to a floater or a float. Can be kept down.
If the frequency of the electromagnetic wave signal transmitted from the tag reader 22 is 27 MHz, for example, and the transmitted power is 1 watt, the passive tag 21 located at a position about 10 m away can be identified or the identification code can be detected.
Since the passive tag 21 can be reduced in size and weight, it can be attached to a small animal or the like that inhabits the water. The passive tag 21 located within about 1 m from the transmission antenna 213b of the tag reader 22 can be attached. Identification or identification code can be detected.
Further, the same effect can be obtained even when the passive tag 21 is attached to a swimming human body or attached to an arbitrary moving body in water or a fixed object.
図３は本発明の実施例のループアンテナの共振現象あるいはマッチング現象の例を示す図であり、３０１は共振現象あるいはマッチング現象を示す曲線、３１１は周波数軸、、３１２は減衰量、３１３は減衰量０ｄＢを示す線、３１４は共振周波数あるいはマッチング周波数である。
例えば、真水中に２基のループアンテナを対向して設置し、ループアンテナ間の結合損失を測定した結果、共振現象あるいはマッチング現象を示す曲線３０１が、共振周波数あるいはマッチング周波数３１４において結合損失が最低となる共振現象あるいはマッチング現象が最も顕著に現れることが分かる。
上記の共振周波数あるいはマッチング周波数は、ループアンテナの内径寸法、巻数、液体の誘電率などによって決まる。
従って、これらの共振現象あるいはマッチング現象を生じる周波数帯を利用することによって、当該液体中での伝送損失を低くすることができる。
また、塩分を含む塩水中の場合、ループアンテナの内径および巻数を同じとしても、塩分の濃度の上昇につれて上記の共振周波数あるいはマッチング周波数が急激に低下し、塩分濃度がある値を超えると、共振周波数あるいはマッチング周波数の低下が下げ止まる（実験では１０ＭＨｚ程度で）傾向にある。真水中に比べ塩水中の結合損失が減少（実験では７ｄＢ低下）し、安定な伝送媒体となることが実験的に確かめられたことから、海水を伝送媒体として用いることで更に伝送損失の少ない信号伝送装置が実現できることを発見した。
また、真水あるいは海水以外にも、液状の高誘電体物質あるいはこれらを含む液体でも同様な共振現象あるいはマッチング現象が生じることが期待できる。
また、真水あるいは海水のように高い誘電率の液体が限られた容積の容器あるいは池あるいは川などに区切られている場合には、境界面で電磁波信号が全反射する確率が高くなり、当該液体中での伝搬損失が低くなる傾向にあることが実験で確かめられている。
また、河川の下流で真水と海水が混ざり合う場合あるいは当該伝送媒体が液体の混合物あるいは固体が溶解された液体等の場合に温度あるいは混合割合あるいは溶解割合が変化する場合に前記の共振周波数あるいはマッチング周波数が変化することから、当該伝送媒体の特性の変化に応じて当該発信手段から発信される高周波信号の周波数を予め設定し、あるいは予め設定した周波数を含めて連続的にあるいは段階的に変化させ、あるいは当該受信手段において当該高周波信号の周波数に追随しあるいは追跡して受信することで最適な周波数を選択できる。
FIG. 3 is a diagram showing an example of the resonance phenomenon or matching phenomenon of the loop antenna according to the embodiment of the present invention. 301 is a curve showing the resonance phenomenon or matching phenomenon, 311 is the frequency axis, 312 is the attenuation, and 313 is the attenuation. A line indicating the amount 0 dB, 314 is a resonance frequency or a matching frequency.
For example, when two loop antennas are installed facing each other in fresh water and the coupling loss between the loop antennas is measured, the
The resonance frequency or matching frequency is determined by the inner diameter of the loop antenna, the number of turns, the dielectric constant of the liquid, and the like.
Therefore, the transmission loss in the liquid can be reduced by using a frequency band that causes these resonance phenomenon or matching phenomenon.
In the case of salt water containing salt, even if the inner diameter and the number of turns of the loop antenna are the same, the resonance frequency or matching frequency suddenly decreases as the salt concentration increases. There is a tendency that the decrease of the frequency or the matching frequency stops (at about 10 MHz in the experiment). The coupling loss in salt water is reduced compared to fresh water (7 dB lower in the experiment), and it has been experimentally confirmed that it becomes a stable transmission medium. I discovered that a transmission device can be realized.
In addition to fresh water or seawater, it is expected that a similar resonance phenomenon or matching phenomenon will occur even in a liquid high-dielectric material or a liquid containing these.
In addition, when a liquid with a high dielectric constant, such as fresh water or seawater, is partitioned into a container with a limited volume, a pond, or a river, the probability that an electromagnetic wave signal is totally reflected at the boundary surface increases, and the liquid Experiments have confirmed that the propagation loss tends to be low.
In addition, when the fresh water and seawater are mixed in the downstream of the river, or when the transmission medium is a liquid mixture or a solid-dissolved liquid, etc., the temperature or the mixing ratio or the dissolution ratio changes as described above. Since the frequency changes, the frequency of the high-frequency signal transmitted from the transmitting means is set in advance according to the change in the characteristics of the transmission medium, or is changed continuously or stepwise including the preset frequency. Alternatively, an optimum frequency can be selected by receiving or tracking the frequency of the high-frequency signal in the receiving means.
図４は本発明の実施例のループアンテナの構造の例を示す図であり、４０１はループアンテナ、４０２はプリント基板、４０３は外部インピーダンス、４０４は防水ケース、４０５ａ、４０５ｂはアンテナ端子である。
ループアンテナ４０１を絶縁電線を用いて構成する場合、直接液体中に浸して用いることができるが、ループアンテナ４０１をプリント基板４０２上に構成した場合には、防水ケース４０４の中に収納しあるいはコーテング剤を塗布するなどの処理が必要となる。
ループアンテナ４０１を直接液体中に浸さず、防止ケース４０４などに収納すると、上記の共振周波数あるいはマッチング周波数が高くなるので、外部インピーダンス４０３を直列に接続することによって、共振周波数あるいはマッチング周波数を低くすることができる。
ループアンテナ４０１の出力は、接続端子４０５ａ、４０５ｂを介して送信機あるいは受信機に接続される。
ここで、プリント基板４０２の誘電率を液体の誘電率に近づけることによって、上記の共振現象あるいはマッチング現象を生じる周波数の低下を補うことができる。
FIG. 4 is a diagram showing an example of the structure of the loop antenna according to the embodiment of the present invention. 401 is a loop antenna, 402 is a printed circuit board, 403 is an external impedance, 404 is a waterproof case, and 405a and 405b are antenna terminals.
When the
If the
The output of the
Here, by making the dielectric constant of the printed
以上の説明では、真水中を伝送する場合に２７ＭＨｚ帯に最も顕著に共振現象あるいはマッチング現象が現れ、塩分濃度の高い塩水中を伝送する場合には１０ＭＨｚ付近に最も顕著に共振現象あるいはマッチング現象が現れるとしたが、ループアンテナの内径と巻数を変化させ、あるいは外部インピーダンスを付加することによって、上記の共振現象あるいはマッチング現象が生じる周波数を変化させあるいは任意の周波数に調整することができる。
また、真水中あるいは塩水中以外にも、比較的に誘電率が高い液体中でも同様な効果が得られる。
また、塩分を含む海水中では、上記の共振現象あるいはマッチング現象を生じる周波数を下げる効果が大きいので、比較的に小さな形状のループアンテナを用いても、数十ｋＨｚから数１０ＭＨｚまでの比較的に低い周波数帯の電磁波信号を利用して長スパンの信号伝送が可能となる。
また、前記の共振現象あるいはマッチング現象が、当該液体を構成する誘電体の特性によっては、当該誘電体の分極現象あるいは当該誘電体の原子あるいは分子の共鳴現象により引き起こされる場合が考えられる。
また、アンテナがループアンテナの場合について述べたが、ループアンテナと同様に液体中で共振現象あるいはマッチング現象を強く生じる小型・軽量のアンテナを用いても同様な効果が得られる。
また、当該電磁波信号を液体中あるいは地中に設けたループアンテナから放射し、反射物により反射した電磁波信号を液体中あるいは地中に設けたループアンテナを用いて受信することにより、液体中あるいは地中の探査において探査距離を延長することが可能である。
また、当該発信手段が電池を内蔵しあるいは発電手段を内蔵しあるいは外部からの電磁波信号を受けて整流しあるいはこれらの組合わせで動作させることで長時間あるいは繰返して利用することができる。
また、当該発信手段あるいはパッシブタグを人体を循環させてテレメトリングするなどナノテクの分野では、ＵＨＦ帯以上の高い周波数帯の電磁波信号を用いることで、ループアンテナを含め小型化することが可能となる。
In the above description, the resonance phenomenon or matching phenomenon appears most prominently in the 27 MHz band when transmitting in fresh water, and the resonance phenomenon or matching phenomenon is most prominent in the vicinity of 10 MHz when transmitting saltwater with a high salt concentration. Although it appears, by changing the inner diameter and the number of turns of the loop antenna or adding an external impedance, the frequency at which the resonance phenomenon or the matching phenomenon occurs can be changed or adjusted to an arbitrary frequency.
Further, the same effect can be obtained in a liquid having a relatively high dielectric constant other than fresh water or salt water.
Also, in seawater containing salt, the effect of lowering the frequency that causes the above resonance phenomenon or matching phenomenon is great, so even if a relatively small loop antenna is used, the frequency is relatively high from several tens of kHz to several tens of MHz. Long span signal transmission is possible using an electromagnetic wave signal in a low frequency band.
The resonance phenomenon or the matching phenomenon may be caused by the polarization phenomenon of the dielectric or the resonance phenomenon of atoms or molecules of the dielectric depending on the characteristics of the dielectric constituting the liquid.
Although the case where the antenna is a loop antenna has been described, the same effect can be obtained by using a small and light antenna that strongly generates a resonance phenomenon or a matching phenomenon in a liquid as in the case of the loop antenna.
In addition, the electromagnetic wave signal is radiated from a loop antenna provided in the liquid or in the ground, and the electromagnetic wave signal reflected by the reflector is received by using the loop antenna provided in the liquid or in the ground. It is possible to extend the exploration distance during exploration inside.
Further, the transmitting means can be used for a long time or repeatedly by incorporating a battery, a power generating means, receiving an electromagnetic wave signal from the outside, rectifying it, or operating it by a combination thereof.
Also, in the field of nanotechnology, such as telemetry by circulating the human body through the transmitting means or the passive tag, it is possible to reduce the size including the loop antenna by using an electromagnetic wave signal in a high frequency band higher than the UHF band. .
本発明は、上記のように構成されているため小型・軽量・低コストであり、真水中あるいは海水中あるいは液状の高誘電体物質中あるいはこれらを含む液体中を、低い伝送損失で電磁波信号を伝送することができることから、バイオテレメトリ、ダイバー間の通信、ダイバーの位置の検知、ＲＦタグなど、液体中で電磁波信号を伝送する装置に広く利用することができる。
Since the present invention is configured as described above, it is small, light, and low in cost, and can transmit an electromagnetic wave signal with low transmission loss in fresh water, seawater, a liquid high-dielectric substance, or a liquid containing these. Since it can be transmitted, it can be widely used in devices that transmit electromagnetic wave signals in liquids, such as biotelemetry, communication between divers, detection of diver positions, and RF tags.
１０ ５０ＭＨｚ帯送信機
１１ アンテナ
１２ アンテナ
１３ ５０ＭＨｚ帯受信機
２１ 発信手段またはパッシブタグ
２２ 受信手段またはタグリーダ
１１１ 水面あるいは液面
２１１ 制御部
２１２ ２７ＭＨｚ帯の送信機
２１３ ループアンテナ
２１４ アンテナ切替器
２１５ 整流・受信機
２２１ 制御部
２２２、２２２ａ ２７ＭＨｚ帯受信機
２２２ｂ ２７ＭＨｚ帯送信機
２２３、２２３ａ、２２３ｂ ループアンテナ
２２４ インターフエイス部
２２５ 接続端子
３０１ 結合損失を示す曲線
３１１ 周波数軸
３１２ 結合損失
３１３ 結合損失０ｄＢを示す線
３１４ 結合損失が最低となる周波数
４０１ ループアンテナ
４０２ プリント基板
４０３ 外部インピーダンス
４０４ 防水ケース
４０５ａ、４０５ｂ アンテナ端子
10 50
Claims (12)
当該液体中で電磁波信号を発信するための発信手段と、当該発信手段から発信される電磁波信号を当該液体中で受信するための受信手段から構成され、
当該発信手段が電磁波信号を当該液体中において効率よく放射するためのループアンテナを有し、当該受信手段が当該発信手段のループアンテナから放射された電磁波信号を当該液体中において効率よく受信するためのループアンテナを有し、
当該ループアンテナが当該液体の高い誘電率に起因した共振現象あるいはマッチング現象を呈することを利用して、当該電磁波信号を効率よく発信しおよび／あるいは低い伝送損失で効率よく受信することを特徴とする液体中で電磁波信号を低損失で伝送するための信号伝送装置
In a signal transmission system for transmitting an electromagnetic wave signal in a liquid having a relatively high dielectric constant,
The transmitting means for transmitting an electromagnetic wave signal in the liquid, and a receiving means for receiving the electromagnetic wave signal transmitted from the transmitting means in the liquid,
The transmitting means has a loop antenna for efficiently radiating an electromagnetic wave signal in the liquid, and the receiving means for efficiently receiving the electromagnetic wave signal radiated from the loop antenna of the transmitting means in the liquid Having a loop antenna,
Utilizing the fact that the loop antenna exhibits a resonance phenomenon or a matching phenomenon caused by the high dielectric constant of the liquid, the electromagnetic wave signal is efficiently transmitted and / or received with low transmission loss. A signal transmission device for transmitting electromagnetic wave signals in liquids with low loss
2. The electromagnetic wave signal in the liquid according to claim 1, wherein the resonance phenomenon or the matching phenomenon is caused by a polarization phenomenon of a dielectric constituting the liquid or a resonance phenomenon of atoms or molecules of the dielectric. Transmission device for low-loss transmission
When the inner diameter or the number of turns of the loop antenna or the dielectric constant of the liquid is fixed, an external impedance is added in series and / or in parallel with the loop antenna in order to ensure a resonance phenomenon or a matching phenomenon with the liquid. The signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in the liquid according to claim 1
2. The electromagnetic wave signal in the liquid according to claim 1, wherein an antenna that exhibits a small resonance phenomenon or a strong matching phenomenon in the target liquid is used instead of the loop antenna. Transmission device for low-loss transmission
2. The signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in the liquid according to claim 1, wherein the target liquid is fresh water, seawater, or a mixed water thereof.
The frequency of the electromagnetic wave signal transmitted from the transmitting means is set in advance according to the target liquid, or is changed continuously or stepwise including the preset frequency, or the optimum frequency is adaptively selected. The reception means follows the frequency of the electromagnetic wave signal transmitted from the transmission means or receives the tracking signal, or selects an optimum frequency by mutual communication between the transmission means and the reception means. A signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal in the liquid according to claim 1 with low loss.
The transmitting means has a built-in battery and is attached to a living organism living in the target liquid and used as biotelemetry, or attached to a moving body existing in the target liquid and used as moving body telemetry. 2. A signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid according to claim 1
The transmitting means is a passive tag, the receiving means is a tag reader, the tag reader transmits an electromagnetic wave signal at a level that can supply power to the passive tag, and the passive tag emits an electromagnetic wave signal emitted from the tag reader. The received electromagnetic wave signal is modulated and re-radiated by the identification signal of the passive tag and re-radiated, and the tag reader receives and detects the re-radiated electromagnetic wave signal from the passive tag. 2. A signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid according to claim 1, wherein the passive tag is detected and / or identified.
The first loop antenna connected to the transmitter of the tag reader and the second loop antenna connected to the receiver are arranged at an interval, and are located in the middle of the first loop antenna and the second loop antenna. 9. A signal transmission device for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid according to claim 8, wherein a passive tag existing or passing through an intermediate part is detected and / or identified.
A plurality of loop antennas are connected to the receiving means via an antenna switch, periodically switched, and when the plurality of loop antennas are switched, a carrier wave signal of the electromagnetic wave signal received for each individual loop antenna or 2. The signal for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid according to claim 1, wherein the direction in which the transmitting means is located is detected by measuring a phase difference of the subcarrier signal. Transmission equipment
By transmitting an ultrasonic signal in synchronization with the electromagnetic wave signal transmitted from the transmission means, and measuring the difference between the propagation time of the electromagnetic wave signal and the propagation time of the ultrasonic signal, the transmission means and the reception means 2. A signal transmission apparatus for transmitting an electromagnetic wave signal with low loss in a liquid according to claim 1, wherein a distance between the two is detected.
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