JP2012189538A - 無線センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】無線規格を満たしながら、バースト・ｓｉｎ波よりも測定時間を短く、かつ実用帯域幅を広くした無線センサシステムを提供する。
【解決手段】制御部１２は、発振器１１から入力したｓｉｎ波の振幅（ゲイン）を制御し、最大振幅から振幅０まで変化する所要時間（立ち下がり時間）を０より長く設定する。同じ信号長であれば、包絡線の形状が台形の場合、矩形の場合よりもＯＢＷ、ＡＣＰ、スプリアスの全ての値において小さくなり、無線通信規格を満たすための信号長を短く設定することができる。さらに、同じ信号長であれば、包絡線の形状が矩形よりも台形のほうが実効帯域幅を広くできる。さらに、立ち下がり時間が共振子の残響時間よりも短かければ、信号を解析可能な程度（例えば−１００ｄＢｍ程度）に受信できる。
【選択図】 図２

Description

この発明は、送信機から無線信号を送信し、この無線信号に共振する共振子からの応答信号を解析することで、物理量の変化を検知する無線センサシステムに関するものである。

従来、無線センサシステムにおいて、ＳＡＷ共振子を用いたものが知られている（例えば非特許文献１を参照）。非特許文献１の無線センサシステムでは、送信機から無線信号（問い合わせ信号）として、時間軸上の包絡線が矩形状であるバースト・ｓｉｎ波を出力する。共振子は、送信機から出力された問い合わせ信号によって振動が励起される。共振子は、問い合わせ信号が停止した後にもしばらく振動が継続する。送信機は、この残響波を受信して周波数を解析する。

Small meandered PIFA associated with SAW passive sensor formonitoring inner temperature of a car exhaust header（Antenna Technology, 2009.iWAT 2009. IEEE International Workshop on,page1-4）

通信距離を確保するためには、問い合わせ信号の出力を増大させることが考えられる。しかし、無線には、規格上、種々の制限がある。例えば、占有帯域幅（ＯＢＷ：全出力の９９％のエネルギを占める帯域幅）や隣接チャネル漏洩電力（ＡＣＰ）等の制限がある。これらの制限を満たしながら通信距離を確保するためには、信号長を長くすることも考えられるが、信号長を長くすると、次の問い合わせ信号を送信するまでの時間が長くなるため、測定時間が長くなってしまう。また、非特許文献１のようなバースト・ｓｉｎ波で信号長を長くすると、実効帯域幅（例えば−３ｄＢ幅）が狭くなるため、１回の送信で共振子の振動を励起可能な帯域が狭くなってしまう。

そこで、この発明は、無線規格を満たしながら、上記バースト・ｓｉｎ波よりも測定時間を短く、かつ実用帯域幅を広くした無線センサシステムを提供することを目的とする。

本発明の無線センサシステムは、無線信号を送信する送信機と、前記無線信号に共振する共振子と、を備えている。そして、無線信号は、最大振幅から振幅０までの立ち下がり時間が０よりも長く、かつ共振子の残響時間（残響波が最大振幅から振幅０まで自然減衰する時間）よりも短く設定されていることを特徴とする。

このように、無線信号の時間軸上の包絡線を矩形状ではなく、立ち下がり時間を０より長くして、バースト・ｓｉｎ波よりも実効帯域幅を広くする。ただし、立ち下がり中は、未だ無線信号を送信している状態であるため、共振子の残響波を受信して解析することができない。共振子の振動は、指数関数的に減衰するため、立ち下がり時間が長くなると、その間に共振子の残響波が減衰して、解析可能な程度（例えば−１００ｄＢｍ程度）の信号を受信できなくなる。そこで、立ち下がり時間は、共振子の残響時間よりも短く設定することで、十分に解析可能な程度の残響波を受信できるようにする。なお、理想的には、無線規格を満たす範囲で最も短い立ち下がり時間に設定し、できるだけ長く残響波を受信できるようにすることが好ましい。

また、無線信号は、実効帯域幅が隣接チャネルとの周波数間隔以上となるような立ち下がり時間が設定されていることが好ましい。無線信号が隣接チャンネルとの周波数間隔以上の実効帯域幅を有していれば、隣接チャンネル間で共振子の振動を励起できない周波数がなくなるため、連続的な周波数変化も検知することが可能となる。

なお、無線信号は、共振子が定常状態となるように最大振幅継続時間が設定されていることが好ましい。無線センサシステムでは、共振子が振幅一定の定在波を発する状態（定常状態）からの残響波を検知することが理想的である。ただし、無線信号が最大振幅となってから共振子の振動が最大振幅に達するまでの時間は、共振子の時定数によって決まり、共振子の時定数が大きければ最大振幅継続時間も長くする必要がある。ここで言う時定数τは、一般的に共振子を等価回路として、抵抗Ｒ１、インダクタＬ１、容量Ｃ１の直列共振回路に並列に容量Ｃ０が付加された形で表すと、τ＝２Ｌ１／（Ｒ１＋５０Ω）で表される（ただし、Ｒ１＾２＜４Ｌ１／Ｃ１、５０Ωは、特性インピーダンス）。例えば、共振子の時定数の８０％程度の最大振幅継続時間を設定すれば、共振子が定常状態に達するまで十分な時間となる。

また、無線信号の立ち下がり時間を０より長くするには、無線信号の包絡線の形状を矩形窓以外の窓関数に応じた形状とすればよい。例えば、バートレット窓、ハミング窓、ハニング窓、ブラックマン窓、フラットトップ窓、カイザー窓等を用いることが可能である。また、理想的には、無線信号の時間軸上の包絡線の形状が台形、すなわち、台形窓であることが好ましい。

なお、無線信号は、立ち下がり時間と同一の立ち上がり時間が設定されていることが好ましい。立ち上がり時間は、立ち下がり時間以上に長ければよいが、立ち上がり時間が長くなると、無線信号全体の時間が長くなる。そのため、次の問い合わせ信号を送信するまでの時間間隔が長くなる。よって、立ち上がり時間と立ち下がり時間とを同一とすれば、無線信号全体の時間長が短くできるため好ましい。

この発明によれば、無線規格を満たしながら、バースト・ｓｉｎ波よりも測定時間を短く、かつ実用帯域幅を広くすることができる。

無線センサシステムの構成を示したブロック図である。 制御部１２が送信する問い合わせ信号、および共振子２２の振動を示した図である。 問い合わせ信号の包絡線の形状が矩形の場合と、台形の場合と、の特性を比較した図である。 問い合わせ信号の包絡線の形状が矩形の場合と、台形の場合と、の実効帯域幅を比較した図である。 最大振幅信号長と残響信号の強度変化を示した図である。

図１は、本発明の実施形態に係る無線センサシステムの構成を示したブロック図である。無線センサシステムは、送信機１と応答機２とからなる。応答機２は、無給電であり、本実施形態の無線センサシステムは、パッシブセンサシステムとなっている。

送信機１は、発振器１１、制御部１２、および送信アンテナ１３を備えている。応答機２は、受信アンテナ２１、および共振子２２を備えている。

送信機１の制御部１２は、発振器１１で発生した振動（ｓｉｎ波）を入力し、問い合わせ信号として送信アンテナ１３から外部に送信する。制御部１２は、問い合わせ信号の出力タイミングと振幅を制御する。

共振子２２は、受信アンテナ２１を介して問い合わせ信号を受信する。共振子２２は、ＳＡＷ共振子であり、受信した問い合わせ信号によって振動が励起される。共振子２２の振動波は、受信アンテナ２１を介して放射される。送信機１は、送信アンテナ１３を介して共振子２２の振動波を受信する。制御部１２は、受信した共振子２２の振動波（受信信号）を解析することで、共振子２２の振動周波数を検知する。ただし、送信アンテナ１３から問い合わせ信号が出力されている時間帯では、この問い合わせ信号と共振子２２の振動波とが混在するため、制御部１２は、残響波（残響信号）のうち、問い合わせ信号を停止した後に受信する残響信号の周波数を検知する。

共振子２２は、外部の物理量（例えば、温度、磁気、圧力、湿度等）の変動に応じて共振周波数が変動するように設定されている。したがって、制御部１２は、受信した残響信号の周波数変化を検知することで物理量の変化を検知することができる。このようにして、無線センサシステムを構成する。

図２は、制御部１２が送信する問い合わせ信号、および共振子２２の振動波を示した図である。同図の横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。なお、同図における時間軸波形は、説明のために一例として示したものであり、実際の問い合わせ信号や共振子２２の振動波を測定したものではない。

同図に示すように、本実施形態の無線センサシステムでは、送信機１が送信する問い合わせ信号は、時間軸上の包絡線の形状が台形になるように設定されている。すなわち、制御部１２は、発振器１１から入力したｓｉｎ波の振幅（ゲイン）を制御し、振幅０から最大振幅まで変化する所要時間（立ち上がり時間）を０より長く、かつ、振幅が直線状に変化するように設定する。また、制御部１２は、最大振幅から振幅０まで変化する所要時間（立ち下がり時間）を０より長く、かつ、振幅が直線状に変化するように設定する。

共振子２２は、問い合わせ信号を受信すると振動が励起される。共振子２２は、振幅が一定の問い合わせ信号（最大振幅の問い合わせ信号）を受信して、ある程度の時間が経過すると振幅一定の定在波を発する状態（定常状態）となる（図５を参照）。また、共振子２２は、問い合わせ信号が停止した後もしばらく振動を継続する。この残響振動の振幅は、指数関数的に減衰し、共振子の時定数に応じた一定の時間（例えば１０μｓｅｃ）で振幅０となる。問い合わせ信号を完全に停止してから残響振動の振幅が０になるまでの時間が受信可能残響時間となるため、立ち下がり時間は、できるだけ短い方が好ましい。したがって、従来は、問い合わせ信号の包絡線の形状が矩形に設定されていた。

しかし、包絡線の形状を矩形に設定すると、無線通信規格を満たしながら通信距離を確保するために長い信号長が必要になり、実効帯域幅（３ｄＢＢＷ）も狭くなる。そこで、本実施形態の無線通信システムは、問い合わせ信号の包絡線の形状を台形に設定することで、無線通信規格を満たしながら矩形よりも信号長を短く、かつ実効帯域幅を広くすることができる。

図３は、包絡線の形状が矩形の場合と、台形の場合とで、特性を比較した図である。図３（Ａ）は、占有帯域幅（ＯＢＷ：全出力の９９％のエネルギを占める帯域幅）と信号長の関係を示した図である。図３（Ｂ）は、実効帯域幅と信号長の関係を示した図である。図３（Ｃ）は、隣接チャネル漏洩電力（ＡＣＰ）と信号長の関係を示した図である。図３（Ｄ）は、帯域近傍スプリアス強度（以下、単にスプリアスと言う。）と信号長の関係を示した図である。

図３（Ａ）、図３（Ｃ）、および図３（Ｄ）に示すように、包絡線の形状が矩形、台形の場合も、信号長が長くなるほど、ＯＢＷ、ＡＣＰ、スプリアスの値が小さくなる。本実施形態では、無線規格の例として、ＳＴＤ−Ｔ９０規格を満たす条件について説明する。図３（Ａ）、図３（Ｃ）、および図３（Ｄ）に示すように、問い合わせ信号の包絡線の形状が矩形の場合、上記ＳＴＤ−Ｔ９０の規格（ＯＢＷ＝６００ｋＨｚ、ＡＣＰ＝−１８ｄＢｍ、スプリアス＝−３９ｄＢｍ）を満たすためには、４９μｓｅｃの信号長が必要である。また、ＯＢＷ＝２００ｋＨｚの条件においては、２３０μｓｅｃの信号長が必要であり、ＯＢＷ＝４００ｋＨｚの条件においては、９０μｓｅｃの信号長が必要である。各ＯＢＷにおける信号長および実効帯域幅をまとめると、表１のようになる。

これに対し、包絡線の形状が台形の場合、ＯＢＷ、ＡＣＰ、およびスプリアスの全ての値が、矩形よりも小さくなっていることがわかる。包絡線の形状が台形の場合、ＯＢＷ＝２００ｋＨｚ、ＯＢＷ＝４００ｋＨｚ、ＯＢＷ＝６００ｋＨｚにおける信号長および実効帯域幅をまとめると、表２のようになる。

例えば、包絡線の形状が台形であれば、ＯＢＷ＝６００ｋＨｚの信号長を、５μｓｅｃに設定することで、上記ＳＴＤ−Ｔ９０の規格を満足できる。したがって、１回の測定に要する時間は、包絡線の形状が矩形である場合、問い合わせ信号の信号長４９μｓｅｃと残響信号の信号長１０μｓｅｃとを合わせた全信号長が５９μｓｅｃ必要であるのに対し、包絡線の形状が台形である場合、問い合わせ信号の信号長５μと残響信号の信号長１０μｓｅｃとを合わせた全信号長が１５μｓｅｃとなる。すなわち、問い合わせ信号の包絡線の形状を台形にすることにより、矩形の場合に比較して、１回の測定に要する時間は、約１／４で済み、約４倍の早さで測定することが可能となる。

さらに、図３（Ｂ）に示すように、全信号長が同じであれば、包絡線の形状が矩形よりも台形のときに実効帯域幅が広くなることがわかる。特に、表１および表２に示すように、ＯＢＷ＝６００ｋＨｚにおいて、包絡線の形状が矩形である場合、信号長が４９μｓｅｃ、実効帯域幅が１８ｋＨｚであるのに対し、包絡線の形状が台形である場合、信号長が５μｓｅｃ、実効帯域幅が２６０ｋＨｚであることがわかる。

図４は、問い合わせ信号の包絡線の形状が矩形の場合と、台形の場合と、の実効帯域幅を比較した図である。同図においては、ＯＢＷ＝６００ｋＨｚにおいて、隣接する２チャネルの問い合わせ信号を示している。チャネル毎の中心周波数の間隔は、上記ＳＴＤ−Ｔ９０の規格によって、２００ｋＨｚと定められている。

同図に示すように、ＳＴＤ−Ｔ９０の規格を満たす条件では、包絡線の形状が矩形である場合、中心周波数において包絡線の形状が台形である場合よりも高レベルの特性を示し、約１０ｄＢ特性の値が高くなる。しかし、中心周波数付近の主成分（メインローブ）の実効帯域幅は１８ｋＨｚであるため、中心周波数±９ｋＨｚの範囲でしか残響信号を受信することができない。さらに、ピークレベルとの差が３０ｄＢ以上となるような急激にレベルが低くなる帯域（極）が多数存在するため、残響信号の周波数が連続的に変化した場合、検知することができない帯域が多数発生する。

これに対し、包絡線の形状が台形である場合、実効帯域幅は２６０ｋＨｚであり、隣接チャネルとの間隔である２００ｋＨｚ以上の帯域を有する。したがって、隣接チャンネル間で共振子の振動を励起できない周波数がなくなるため、連続的な周波数変化も検知することが可能となる。

なお、包絡線の形状が台形である場合、立ち下がり時間が長いほどＯＢＷ、ＡＣＰ、およびスプリアスの値が小さくなり、かつ実効帯域幅が広くなる。しかし一方で、立ち下がり時間が長くなると、その間に共振子の残響波が減衰して、解析可能な程度（例えば−１００ｄＢｍ程度）の信号を受信できなくなる可能性がある。そのため、共振子の残響時間よりも立ち下がり時間を短く設定する必要がある。実質的には、残響信号を−１００ｄＢｍ以上のレベルで受信する必要がある。したがって、問い合わせ信号の立ち下がり時間は、無線規格を満たす範囲で最も短い時間に設定し、できるだけ長く残響信号を受信できるようにすることが好ましい。

また、できるだけ高レベルの残響信号を受信するために、送信機１の制御部１２は、共振子２２が振幅一定の定在波を発する状態（定常状態）から減衰する残響信号を検知することが理想的である。図５は、最大振幅信号長と残響信号の強度変化を示した図である。最大振幅信号長とは、問い合わせ信号の包絡線における台形の上底の時間長を示している。

図５に示すように、共振子２２は、最大振幅の問い合わせ信号を受信してから、ある時定数で振幅一定の定在波を発する状態（定常状態）となる。ここで言う時定数τは、一般的に共振子を等価回路として、抵抗Ｒ１、インダクタＬ１、容量Ｃ１の直列共振回路に並列に容量Ｃ０が付加された形で表すと、τ＝２Ｌ１／（Ｒ１＋５０Ω）で表される（ただし、Ｒ１＾２＜４Ｌ１／Ｃ１、５０Ωは、特性インピーダンス）。制御部１２は、このように共振子２２が定在波を発する状態となるまでの最大振幅信号長を設定することが好ましい。共振子の時定数が大きければ最大振幅信号長も長くする必要があり、共振子の時定数が小さければ最大振幅信号長も短くてすむ。例えば、共振子の時定数の８０％程度の最大振幅信号長を設定すれば、共振子が定常状態に達するまで十分な時間となる。

また、本実施形態においては、立ち上がり時間と立ち下がり時間が同一であり、台形の形状が左右対称である例を示したが、立ち上がり時間は、立ち下がり時間以上であればよい。ただし、立ち上がり時間が長くなると、無線信号全体の時間長が長くなる。そのため、次の問い合わせ信号を送信するまでの時間間隔が長くなる。よって、立ち上がり時間と立ち下がり時間とを同一とすれば、無線信号全体の時間長が短くできるため好ましい。

また、本実施形態においては、立ち上がり時間および立ち下がり時間における振幅が直線状に変化する例、すなわち包絡線の形状が台形である例（台形窓に準じた形状）を示したが、バートレット窓、ハミング窓、ハニング窓、ブラックマン窓、フラットトップ窓、カイザー窓、等他の窓関数に準じた包絡線の形状を用いることも可能である。これら窓関数を用いた場合も、ＯＢＷ、ＡＣＰ、およびスプリアスの値が小さくなるため、信号長を短く、かつ実効帯域幅を広くすることができる。

例えば、バートレット窓の包絡線形状では、表３のような特性となり、やはり矩形窓よりも信号長が短く、実効帯域幅も広くなることがわかる。

また、ハミング窓の包絡線形状においても、表４のような特性となり、同じく矩形窓よりも信号長が短く、実効帯域幅も広くなることがわかる。

また、ハニング窓の包絡線形状においても、表５のような特性となり、同じく矩形窓よりも信号長が短く、実効帯域幅も広くなることがわかる。

表２ないし表５に示すように、理想的には、包絡線の形状が台形であることが好ましい。ただし、他の窓関数に準じた形状であっても。矩形窓よりも信号長を短く、実効帯域幅を広くすることができ、１回の測定に要する時間を短く、かつ隣接チャンネル間で共振子の振動を励起できない周波数を少なく（あるいはゼロと）することができる。

１…送信機
２…応答機
１１…発振器
１２…制御部
１３…送信アンテナ
２１…受信アンテナ
２２…共振子

Claims (6)

1. 無線信号を送信する送信機と、
   前記無線信号により振動が励起される共振子と、
   を備えた無線センサシステムであって、
   前記無線信号は、最大振幅から振幅０までの立ち下がり時間が０よりも長く、かつ前記共振子の残響時間よりも短く設定されていることを特徴とする無線センサシステム。
2. 前記無線信号は、実効帯域幅が隣接チャネルとの周波数間隔以上となるように立ち下がり時間が設定されていることを特徴とする請求項１に記載の無線センサシステム。
3. 前記無線信号は、前記共振子の振動が定常状態になるように最大振幅継続時間が設定されている請求項１または請求項２に記載の無線センサシステム。
4. 前記無線信号は、時間軸上の包絡線の立ち下がり形状が、矩形窓以外の窓関数に応じた形状である請求項１ないし請求項３のいずれかに記載の無線センサシステム。
5. 前記無線信号は、時間軸上の包絡線の形状が台形である請求項１ないし請求項４のいずれかに記載の無線センサシステム。
6. 前記無線信号は、前記立ち下がり時間と同一の立ち上がり時間が設定されている請求項１ないし請求項５のいずれかに記載の無線センサシステム。

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