JP2009135651A

JP2009135651A - 送受信装置

Info

Publication number: JP2009135651A
Application number: JP2007308621A
Authority: JP
Inventors: Shigemi Kurashima; 茂美倉島
Original assignee: Fujitsu Component Ltd
Current assignee: Fujitsu Component Ltd
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2009-06-18
Anticipated expiration: 2027-11-29
Also published as: US8253632B2; US20090140932A1; JP5027630B2

Abstract

【課題】本発明は電池をエレメントパターンの横側に配置したＵＷＢアンテナであって、満足できるアンテナ特性を有するようにすることを課題とする。
【解決手段】ホームプレート形状のエレメントパターン６１と、グランドパターン６２とを有するＵＷＢアンテナ６０と、エレメントパターン６１の横側に配置されるボタン電池８０を有する。エレメントパターンは、幅が略１６ｍｍ、高さが略１５ｍｍである。エレメントパターン６１とボタン電池８０との間の距離Ａは７ｍｍである
【選択図】図３

Description

本発明は送受信装置に係り、特に、アンテナ及び電池等がケース内に組み込まれた構造の、携帯して使用される小型の送受信装置に関する。

現在、広範囲な電波を利用できる超広帯域(Ultra Wide Band)無線技術を用いて精度を上げた測位システムが研究されている。例えば、店舗等の所定の空間に複数の通信装置（基地局）を離して設置しておき、顧客が送受信装置（ＵＷＢタグ）を携帯し或いはカートに送受信装置を取り付け、顧客が送受信装置と固定の通信装置との間での信号の送信受信によって、顧客の位置を測位する測位システムが研究されている。

この場合に、送受信装置は例えばストラップを人が首にかけて首からさげるように携帯して使用することを予定しているため、薄型で小型であることが望ましい。

本出願人は、ＵＷＢ用のアンテナとして、先にホームベース形状のエレメントパターンと略正方形のグランドパターンとを接近させて配置した構成の平面状のアンテナを出願した。このアンテナは、送受信装置を薄型に構成する上で好適である。また、送受信装置の薄型化のためには、電池としては、ボタン形状のボタン電池が好ましい。

従来、ＵＷＢ用のアンテナを上記のように携帯型とした場合において、エレメントパターンとボタン電池との配置がアンテナの特性にどのように影響するかの研究がなされていなかった。

そこで、本発明は、上記の点に鑑みてなされた送受信装置を提供することを目的とする。

本発明は、高さ方向の一端に三角形の部分を有するホームプレート形状のエレメントパターンと、該エレメントパターンの前記三角形の部分の頂点の側に配されるグランドパターンとを有するＵＷＢアンテナと、
前記エレメントパターンの横側に配置される電池を有する送受信装置であって、
前記電池を、前記エレメントパターンから、前記ＵＷＢアンテナの特性への影響が許容できる所定の距離、離して配置したことを特徴とする。

本発明によれば、満足できるアンテナ特性を有する。

次に本発明の実施の形態について説明する。

図１は本発明の実施例１になる携帯型の送受信装置（ＵＷＢタグ）１０を分解して示す斜視図である。図２は送受信装置１０の内部を透視して示す斜視図である。図３（Ａ）は送受信装置１０の内部を透視して示す平面図、同図（Ｂ）は送受信装置１０をＹ２側からみた正面図である。Ｘ１−Ｘ２は幅方向、Ｙ１−Ｙ２は長さ方向（高さ方向）、Ｚ１−Ｚ２は厚さ方向である。

送受信装置１０は、共に合成樹脂製である上側ハーフケース２０と下側ハーフケース３０とが組み合わされてなる扁平なケース１１の内部に送受信機能を備えた送受信モジュール５０が組み込まれており、且つ、ケース１１の内部のボタン電池装着部７０にボタン電池８０が収容されて装着されている構成であり、平面図では略正方形であり、厚さがＴ１０である薄型である形状である。幅Ｌ１０は約４０ｍｍ、高さＬ１１は約４５ｍｍ、厚さＴ１０は約８ｍｍである。

送受信装置１０は、ストラップを人が首にかけて首からさげるように携帯して使用された場合に、Ｙ１−Ｙ２が垂直の向き（高さ方向）となる。

送受信モジュール５０は、ＵＷＢアンテナ装置６０が作りこんである回路基板５１と、回路基板５１上に実装してあるＩＣ部品等と、回路基板５１の縁の近くに固定してある陰極端子部材５５及び陽極端子部材５６を有する。

回路基板５１は、略正方形のうちＸ１側とＹ１側とのなすコーナ部に、ボタン電池８０に対応する大きさの分の切り欠き部５２を有する。

ＵＷＢアンテナ６０は、図４に併せて示すように、Ｙ２側に三角形の部分６１ｂを有するホームプレート形状のエレメントパターン６１と、略Ｌ字形状のグランドパターン６２と、後述するボタン電池８０が形成するグランドパターン部６４を有する。グランドパターン６２とグランドパターン部６４とを合わせて実質グランドパターン６３という。エレメントパターン６１はその中心線６１ＣＬに関して左右対称な形状である。エレメントパターン６１がＹ１側、グランドパターン６２がＹ２側であり、エレメントパターン６１のＹ２側の三角形の部分６１ｂの頂点６１ａの箇所がグランドパターン６２のＹ１側の縁に接近している。エレメントパターン６１はＸ２側の縁が回路基板５１のＸ２側の縁と一致して、切り欠き部５２よりＸ２方向に最大に離れて配置してある。また、エレメントパターン６１とグランドパターン６２とは回路基板５１の上面にエッチングによって作り込まれている。また、エレメントパターン６１とグランドパターン６２との表面は、絶縁膜で覆われている。また、同軸コネクタ６５が、回路基板５１の上面に、エレメントパターン６１とグランドパターン６２とにまたがって表面実装してある。

このＵＷＢアンテナ６０は、送受信の中心周波数が例えば４．５ＧＨｚであり、エレメントパターン６１は、幅Ｗが略１６ｍｍであり、高さＨが略１５ｍｍである。

陰極端子部材５５及び陽極端子部材５６は、切り欠き部５２に突き出ている。

ボタン電池装着部７０は、上記の切り欠き部５２によってケース１１の内部に形成された空間７１と、この空間７１内に突き出ている陰極端子部材５５及び陽極端子部材５６を有する構成である。

ボタン電池８０は、図１に示すように、ボタン形状であり、Ｚ１側に陰極面８１を有し、周側及びＺ２側に陽極面８２を有する。このボタン電池８０は、陰極面８１が陰極端子部材５５と接触し、陽極端子部材５６が陽極端子部材５６に接触した状態で、ボタン電池装着部７０に装着される。

上記の送受信装置１０において、ＵＷＢアンテナ６０とボタン電池装着部７０（ボタン電池８０）とは、エレメントパターン６１のＸ１側である横側に、ボタン電池装着部７０（ボタン電池８０）が配置された構成となっており、この配置によって、送受信装置１０は合理的に小型の構成となっている。ＵＷＢアンテナ装置６０に関してみると、装着されたボタン電池８０の陰極面８１及び陽極面８２は共に高周波的には共にグランドパターンとして機能する。

エレメントパターン６１のＸ１側の端とボタン電池装着部７０（ボタン電池８０の周側のＸ２側の端（ボタン電池８０の周側面）との間の距離Ａは、７ｍｍである。ボタン電池８０が装着された状態では、ボタン電池８０は、その周側面がエレメントパターン６１のＸ１側の端６１Ｘ１に７ｍｍ離れて対向して、陰極面８１がエレメントパターン６１を延長した面に略位置して、エレメントパターン６１と並ぶように配置してある。距離Ａが７ｍｍであることによって、ＵＷＢアンテナ６０は支障のないアンテナ特性を有する。より具体的には、ボタン電池８０側の特性のゲインの低下が許容できる程度であって、満足できるアンテナ特性を有する。

なお、記のＵＷＢアンテナ６０は、約５ナノ秒の非常に短い時間幅のインパルスを送受信する。

次に、ＵＷＢアンテナ装置６０のアンテナ特性（指向特性）について説明する。
[シミュレーション]
図４（Ａ），（Ｂ）は、ホームプレート形状のエレメントパターン６１と、略正方形のグランドパターン６２Ｂとを有する標準的なＵＷＢアンテナ６０Ｂのアンテナ特性を示す。ＵＷＢアンテナ６０Ｂのアンテナ特性は立体的であり略りんごの形状である。図４（Ｂ）の線１００はＵＷＢアンテナ６０Ｂを含むＸ−Ｙ面で切断したときの指向性、即ち、Ｘ−Ｙ面指向性を示す。図４（Ａ）の線１１０はエレメントパターン６１の頂点６１ａを含むＸ−Ｚ面Ｓで切断したときの指向性を示し、略円形である。

ＵＷＢアンテナ装置６０は、概略的には、図５に示すように、エレメントパターン６１と、ハッチングを付した実質グランドパターン６３とを有する構成となる。実質グランドパターン６３は、パターニングしてあるグランドパターン６２とボタン電池８０が形成するグランドパターン部６４を有する。

先ず、シミュレーションによって解析を行った。図６に示す、上記のＵＷＢアンテナ６０に似せた解析モデル２００を作成した。図５に示す部分と対応する部分には添字Ａを付した同じ符号を付す。

グランドパターン部６４ＡのＸ２側の縁を移動させて、グランドパターン部６４Ａとエレメントパターン６１Ａとの間の距離Ａを３ｍｍから開始し、徐々に長くして、２６ｍｍまで長くした場合の、即ち、グランドパターン部６４Ａとエレメントパターン６１Ａとの間の間隔を徐々に広げた場合の、周波数を４．５ＧＨｚとした場合のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を計算で求めた。

図７中、線１１０Ａは、距離Ａが３ｍｍである場合のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。線１１０Ｂは、距離Ａが７ｍｍである場合のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。線１１０Ｃは、距離Ａが無限大である場合のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。線１１０Ｄは、略円であるＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示し、距離Ａが２３ｍｍである場合である。

図７の９０度付近をみると、グランドパターン部６４が存在することによって、エレメントパターン６１ＡよりＸ１側のゲインが低下してアンテナ特性が悪い影響を受けていることが分かる。

図８の線Ｉはエレメントパターン６１ＡのＸ１側（９０度の方向）のアンテナ特性を示す。横軸はＡの距離、縦軸は９０度の方向のゲインである。距離Ａが２３ｍｍである場合のＸ１側のゲインを０ｄＢｉとした場合、距離Ａが７ｍｍである場合にはゲインは−１ｄＢｉであり、距離Ａが３ｍｍである場合にはゲインは−４ｄＢｉとなる。

線Ｉを見ると、ゲインは距離Ａが短くなると低下する傾向であって、特に、距離Ａが７ｍｍより短くなると急に低下することが分かる。

一般に、アンテナのアンテナ特性においては、ゲインの低下の許容限度は、理想のゲインの７０％までの低下、換言すれば、理想のゲインより−３ｄＢｉまでの低下が許容限度である。

図８を参照するに、ゲインの低下が−３ｄＢｉである場合の距離Ａは、４ｍｍである。

よって、ＵＷＢアンテナ６０において、距離Ａは４ｍｍより長いこと、換言すれば、距離Ａは４ｍｍより短くないことが、必要であることがわかる。
[実測]
図９は、図１に示す送受信装置１０において、ボタン電池８０が装着されていない場合のＵＷＢアンテナ６０のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。図１０は、ボタン電池８０が装着されている場合のＵＷＢアンテナ６０のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。

図９（Ａ）は、ボタン電池８０が装着されていない送受信装置１０を示し、同図（Ｂ）、（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は夫々周波数を３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、４．５ＧＨｚ、５ＧＨｚとした場合のＵＷＢアンテナ６０のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。

図１０（Ａ）は、ボタン電池８０が装着されている送受信装置１０を示し、同図（Ｂ）、（Ｃ），（Ｄ），（Ｅ）は夫々周波数を３ＧＨｚ、４ＧＨｚ、４．５ＧＨｚ、５ＧＨｚとした場合のＵＷＢアンテナ６０のＺ−Ｘ面のアンテナ特性を示す。

周波数が４．５ＧＨｚである場合の図９（Ｄ）と、図１０（Ｄ）とを、Ｘ１（９０度）方向のゲインについて比較すると、図１０（Ｄ）のゲインＧ２は、図９（Ｄ）のゲインＧ１とほとんど同じであることが分かる。

これは上記のシミュレーションで得た結果が正しいことを示している。

また、周波数が３ＧＨｚである場合の図９（Ｂ）と、図１０（Ｂ）とを、Ｘ１（９０度）方向のゲインについて比較すると、図１０（Ｂ）のゲインＥ２は、図９（Ｂ）のゲインＥ１とほとんど同じであることが分かる。周波数が４ＧＨｚである場合の図９（Ｃ）と、図１０（Ｃ）とを、Ｘ１（９０度）方向のゲインについて比較すると、図１０（Ｃ）のゲインF２は、図９（Ｃ）のゲインF１とほとんど同じであることが分かる。周波数が５ＧＨｚである場合の図９（Ｅ）と、図１０（Ｅ）とを、Ｘ１（９０度）方向のゲインについて比較すると、図１０（Ｅ）のゲインＨ２は、図９（Ｅ）のゲインＨ１とほとんど同じであることが分かる。
[変形例]
送受信装置１０は、前記の距離Ａを、最小４ｍｍとして実施することも可能である。

また、送受信装置１０は、ボタン電池８０以外の形状の電池を使用する構造に出来る。

本発明の実施例１になる送受信装置を、分解した状態と併せて示す斜視図である。内部を透視して示す送受信装置の透視斜視図である。（Ａ）は送受信装置の透視平面図、（Ｂ）は送受信装置の透視正面図である。標準的なＵＷＢアンテナ及びそのアンテナ特性を示す図である。図１の送受信装置内に組み込んであるＵＷＢアンテナを概略的に示す図である。ＵＷＢアンテナの解析モデルを示す図である。図６の解析モデルを利用したシミュレーションによって得たアンテナ特性を示す図である。図６の解析モデルを利用したシミュレーションによって得た、９０度方向の距離とゲインとの関係を示す図である。図１の送受信装置内に組み込んであるＵＷＢアンテナ（電池無し）の実測のアンテナ特性を示す図である。図１の送受信装置内に組み込んであるＵＷＢアンテナ（電池有り）の実測のアンテナ特性を示す図である。

符号の説明

１０携帯型の送受信装置
１１ケース
２０上側ハーフケース
３０下側ハーフケース
５０送受信モジュール
５１回路基板
５２切り欠き部
５５陰極端子部材
５６陽極端子部材
６０ＵＷＢアンテナ装置
６１エレメントパターン
６２グランドパターン
７０ボタン電池装着部
８０ボタン電池
８１陰極面
８２陽極面

Claims

高さ方向の一端に三角形の部分を有するホームプレート形状のエレメントパターンと、該エレメントパターンの前記三角形の部分の頂点の側に配されるグランドパターンとを有するＵＷＢアンテナと、
前記エレメントパターンの横側に配置される電池を有する送受信装置であって、
前記電池を、前記エレメントパターンから、前記ＵＷＢアンテナの特性への影響が許容できる所定の距離、離して配置した送受信装置。
前記エレメントパターンは、幅が略１６ｍｍ、高さが略１５ｍｍであり、
前記所定の距離は、４ｍｍ以上である請求項１に記載の送受信装置。
前記電池は、ボタン形状であり、厚さ方向の一方が陰極面であり、周側面及び反対側の面が陽極面であるボタン電池であり、
前記ボタン電池は、その周側面が前記エレメントパターンの端より前記所定の距離離れて、前記前記陰極面が前記エレメントパターンと並ぶように配置してある請求項２に記載の送受信装置。