JP2012195649A - 無給電アンテナ及び無線通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】従来のものよりも結合損失を低減することができる無給電アンテナ及び無線通信システムを提供する。
【解決手段】無給電アンテナ１は、無線装置２の背面パネル２ａに取り付けられたプリント基板１０を備え、プリント基板１０は、無線装置２のアンテナ２０と静電結合する導体パターン１２と、アンテナ２０を貫通させる貫通孔１１と、この貫通孔１１の外周に設けられアンテナ２０と磁気結合する導体パターン１３と、を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば、特定小電力無線装置の通信範囲を拡張するために用いられる無給電アンテナ及び無線通信システムに関する。

近年、比較的狭いサービスエリアにおける無線通信の需要が増加している。この種の無線通信を行う手段として、例えば、特定小電力無線装置が用いられる。特定小電力無線装置は、無線従事者資格も無線局免許も不要であるため、広く一般の人々が利用できる。

ところで、特定小電力無線装置は、電波法により、「給電線及び接地装置を有しないこと」と規定されている（無線設備規則第４９条の１４）。したがって、特定小電力無線装置には、その通信範囲を拡張するために無給電アンテナが用いられることがある（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１記載の無給電アンテナは、特定小電力無線装置のアンテナに近接させる第１のアンテナと、この第１のアンテナを支持する支持台と、第１のアンテナに接続された給電線と、この給電線に接続された第２のアンテナとを有する。この構成により、支持台に搭載された特定小電力無線装置のアンテナと第１のアンテナとが静電結合されることとなる。その結果、特許文献１記載の無給電アンテナは、特定小電力無線装置の送信時には第２のアンテナから無線信号を出力し、特定小電力無線装置の受信時には第２のアンテナから無線信号を入力することができる。

特開２０００−２１６６２８号公報

しかしながら、本発明の発明者が特許文献１記載の無給電アンテナについて検討した結果では、特定小電力無線装置のアンテナと第１のアンテナとの間の結合損失が比較的大きく、さらなる改善が必要であることが判明した。

本発明は、前述のような事情に鑑みてなされたものであり、従来のものよりも結合損失を低減することができる無給電アンテナ及び無線通信システムを提供することを目的とする。

本発明の請求項１に係る無給電アンテナは、無線アンテナ（２１、２２）を有する無線装置（２）に付加され、無線信号を送受信する無給電アンテナ（１）であって、前記無線アンテナと静電結合する静電結合部（１２）と、前記無線アンテナと磁気結合する磁気結合部（１３）と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項１に係る無給電アンテナは、静電結合部及び磁気結合部を備えるので、従来のものよりも結合損失を低減することができる。

本発明の請求項２に係る無給電アンテナは、誘電体基板に設けられた導体パターン（１２、１３）と、前記無線アンテナを貫通させる貫通孔（１１）とが設けられたプリント基板（１０）をさらに備え、前記静電結合部は、前記無線アンテナの少なくとも一部と対向するよう設けられた第１の導体パターン（１２）で形成され、前記磁気結合部は、前記貫通孔の外周に設けられた第２の導体パターン（１３）で形成された構成を有している。

この構成により、本発明の請求項２に係る無給電アンテナは、無線アンテナと静電結合する第１の導体パターン及び無線アンテナと磁気結合する第２の導体パターンを備えるので、従来のものよりも結合損失を低減することができる。

本発明の請求項３に係る無給電アンテナは、前記無線装置が、前記無線アンテナの一端（２２ａ）が接続される回路基板（２ｂ）を備えたものであって、前記磁気結合部は、前記無線アンテナの他端（２１ａ）から前記一端までの中間点から前記一端までの間に設けられ、前記静電結合部は、前記磁気結合部よりも前記他端側に設けられた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項３に係る無給電アンテナは、無給電アンテナの電圧が高い側において静電結合させ、無給電アンテナの磁界が強い側において磁界結合させることとなるので、合理的な静電結合状態及び磁気結合状態が得られる。

本発明の請求項４に係る無給電アンテナは、前記無線アンテナが、Ｌ字状の形状を有し、前記磁気結合部は、前記Ｌ字状の屈曲部（２５ａ）よりも前記回路基板側に設けられ、前記静電結合部は、前記Ｌ字状の屈曲部よりも前記無線アンテナの他端側に設けられた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項４に係る無給電アンテナは、無給電アンテナの電圧が高い側において静電結合させ、無給電アンテナの磁界が強い側において磁界結合させることとなるので、合理的な静電結合状態及び磁気結合状態が得られる。

本発明の請求項５に係る無給電アンテナは、前記無線アンテナの他端と前記プリント基板とを固定する固定手段（３２）を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項５に係る無給電アンテナは、無線アンテナの他端と前記プリント基板とが固定されるので、安定した静電結合状態及び磁気結合状態が得られる。

本発明の請求項６に係る無線通信システムは、請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無給電アンテナと、前記無給電アンテナを付加することができる前記無線装置と、を備えた構成を有している。

この構成により、本発明の請求項６に係る無線通信システムは、静電結合部及び磁気結合部を有する無給電アンテナを備えるので、従来のものよりも結合損失を低減することができる。

本発明は、従来のものよりも結合損失を低減することができるという効果を有する無給電アンテナ及び無線通信システムを提供することができるものである。

本発明に係る無給電アンテナの一実施形態における構成図である。 本発明に係る無給電アンテナの一実施形態におけるプリント基板と、無線装置のアンテナの構成断面図である。 本発明に係る無給電アンテナの一実施形態におけるプリント基板の構成図である。 本発明に係る無給電アンテナの一実施形態における結合損失に関する実験データを示す図である。 本発明に係る無給電アンテナの一実施形態における他の態様を示す図である。

以下、本発明に係る無給電アンテナの一実施形態について図面を用いて説明する。

まず、本実施形態における無給電アンテナの全体的な構成について図１に基づき説明する。図１（ａ）は本実施形態における無給電アンテナが取り付けられた無線装置の平面図、図１（ｂ）は無線装置の背面側から見た図である。

図１に示すように、本実施形態における無給電アンテナ１は、無線装置２に取り付けられるものである。無線装置２は、背面パネル２ａ、アンテナ２０を備えている。この無線装置２は、例えば、特定小電力無線装置として動作するものである。ここで、無給電アンテナ１及び無線装置２は、本発明に係る無線通信システムを構成する。

無給電アンテナ１は、プリント基板１０、コネクタ１６、給電線１７、外部アンテナ１８を備えている。ここで、コネクタ１６、給電線１７及び外部アンテナ１８の各特性インピーダンスは、例えば５０Ωで構成されている。なお、コネクタ１６は、詳細な図示を省略したが、コネクタジャック（プリント基板１０側）及びコネクタプラグ（給電線１７側）を含む。

プリント基板１０は、例えば、誘電体基板で構成される。このプリント基板１０には、アンテナ２０を貫通させる貫通孔１１が形成されている。アンテナ２０は、この貫通孔１１を貫通して、Ｌ字状に曲げられている。また、プリント基板１０は、ねじ３１によって背面パネル２ａに固定されている。さらに、プリント基板１０は、キャップ３２によってアンテナ２０の先端側と固定されている。ここで、キャップ３２は、本発明に係る固定手段を構成する。

図２は、プリント基板１０とアンテナ２０との取付関係を模式的な断面図で示したものである。図２に示すように、アンテナ２０は、アンテナ素子２１、金属リード線２２、アンテナカバー２３、保持部２４、根元部２５、基板コネクタ２６を有する。

アンテナ素子２１は、例えば、棒状の金属体や、プリント基板に形成した導体パターンで構成され、先端部２１ａを有する。また、アンテナ素子２１は、金属リード線２２の一端に電気的に接続されている。

金属リード線２２の他端は、無線装置２が有する回路基板２ｂに取り付けられる基板コネクタ２６に接続されている。この金属リード線２２は、他端の先端部２２ａを有する。

本実施形態において、アンテナ２０におけるアンテナ長、すなわち、アンテナ素子２１の先端部２１ａから金属リード線２２の他端の先端部２２ａまでの長さは、使用する電波の波長λの１／４としている。なお、アンテナ素子２１及び金属リード線２２は、本発明に係る無線アンテナを構成する。

アンテナカバー２３は、アンテナ素子２１の全体を覆う構成を有し、保持部２４に挿入されて保持されている。

保持部２４は、根元部２５が有する支点部２５ａを介して根元部２５に接続されている。この支点部２５ａを支点として、アンテナ２０は、図示のＬ字形状から破線で示す直線形状までの範囲内の任意の位置に位置決めできるようになっている。ここで、支点部２５ａは、本発明に係る屈曲部に相当する。また、アンテナ２０は、根元部２５の中心軸を中心として回転する機構（図示省略）も有し、任意の回転位置に位置決めできるようになっている。

次に、プリント基板１０の構成について説明する。図３に示すように、プリント基板１０は、アンテナ２０の根元部２５（図２参照）が挿入される貫通孔１１と、アンテナ２０と対向する面上に形成された導体パターン１２及び１３と、コネクタ１６（図１（ｂ）参照）を構成するコネクタジャック（図示省略）が取り付けられるコネクタ取付部１４と、ねじ３１（図１（ｂ）参照）を貫通させる貫通孔１５と、を有する。

導体パターン１２は、アンテナ素子２１（図２参照）と対向する位置に形成された直線状の導体パターンである。この導体パターン１２からアンテナ素子２１までは例えば数ミリメートルの間隔であり、両者が静電結合する構成となっている。すなわち、導体パターン１２は、本発明に係る静電結合部及び第１の導体パターンを構成する。

導体パターン１３は、貫通孔１１の外周に設けられている。さらに詳細には、導体パターン１３は、貫通孔１１の全周縁の９０％を囲む形状で形成されている。すなわち、導体パターン１３は、金属リード線２２（図２参照）に０．９ターンの巻き数で巻かれたコイルと同等の機能を有し、金属リード線２２に発生する磁束に応じた電流を発生させるものである。この導体パターン１３は、本発明に係る磁気結合部及び第２の導体パターンを構成する。

導体パターン１２及び１３のパターン形状や、導体パターン１２とアンテナ素子２１との間隔、アンテナ素子２１の形状及び位置等は、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio：電圧定在波比）特性に基づいて、例えば、ＶＳＷＲ特性の実用的な値である３以下の特性が得られる形状で決定されている。

ここで、アンテナ素子２１の先端部２１ａから金属リード線２２の先端部２２ａまでをアンテナ全長と呼び、その中間点に対してアンテナ素子２１の先端部２１ａ側をアンテナ２０の先端側と呼び、金属リード線２２の先端部２２ａ側をアンテナ２０の根元側と呼ぶこととする。すると、本実施形態では、磁気結合部としての導体パターン１３が、アンテナ全長の中間点よりも根元側であって、金属リード線２２の先端部２２ａからアンテナ全長の概略１／３の長さの位置（支点部２５ａよりも先端部２２ａ側）に設けられている。そして、静電結合部としての導体パターン１２が、アンテナ全長の中間点よりも先端側であって、アンテナ素子２１の先端部２１ａからアンテナ全長の概略２／３の長さの位置（支点部２５ａよりも先端部２１ａ側）に設けられている。

この構成は、アンテナの先端側は、アンテナの根元側よりも電圧が高く、磁界が弱いという理論に適合したものである。すなわち、本実施形態における無給電アンテナ１は、アンテナの電圧が高い側において導体パターン１２とアンテナ素子２１とを静電結合させ、アンテナの磁界が強い側において導体パターン１３とアンテナ素子２１とを磁界結合させる構成を有している。したがって、本実施形態における無給電アンテナ１では、合理的な静電結合状態及び磁気結合状態が得られることとなる。

以上のように、本実施形態における無給電アンテナ１は、従来のものよりも簡易な構成を有する。

具体的には、背景技術で説明した従来の無給電アンテナを無線装置２に適用させようとすると、アンテナ２０と静電結合させるアンテナが別途必要であり、かつ、このアンテナを支持する支持台を要するとともに、この支持台に設置する無線装置２の位置調整が必要となる。

これに対し、本実施形態における無給電アンテナ１では、アンテナ２０と静電結合させるアンテナも支持台も不要であり、無線装置２の位置調整も不要である。したがって、無給電アンテナ１は、従来のものよりも簡易に構成することができる。

さらに、本実施形態における無給電アンテナ１は、無線装置２の背面パネル２ａとアンテナ２０との間にプリント基板１０を取り付けて静電結合及び磁気結合を行う構成としている。そのため、無給電アンテナ１は、無線装置２にプリント基板１０等が追加されても、無線装置２の利用者に違和感を与えない。

次に、本実施形態における無給電アンテナ１の結合損失に関する実験データについて図４に基づき説明する。

図４に示すように、無給電アンテナ１において、導体パターン１２とアンテナ素子２１との静電結合のみの構成では、結合損失は−５．５ｄＢであった。一方、無給電アンテナ１において、導体パターン１２とアンテナ素子２１との静電結合に、導体パターン１３と金属リード線２２との磁気結合を加えた構成では、結合損失は−４．８ｄＢであった。したがって、本実施形態における無給電アンテナ１では、結合損失を０．７ｄＢも改善することが可能となった。

次に、実施形態における無給電アンテナ１を無線装置２に取り付ける工程について図１〜図３を適宜参照しながら説明する。なお、無線装置２にはアンテナ２０がＬ字状に折り曲げられて取り付けられているものとする（図１参照）。

まず、コネクタ１６のコネクタジャックがコネクタ取付部１４に取り付けられたプリント基板１０を用意する。また、給電線１７の一端を外部アンテナ１８に接続し、この給電線１７の他端にコネクタ１６のコネクタプラグを接続した組立体を用意する。

次に、アンテナ２０を背面パネル２ａに対して垂直方向に起こし、アンテナ２０をプリント基板１０の貫通孔１１に挿入する。

続いて、ねじ３１を用いて、プリント基板１０を背面パネル２ａに固定する。ねじ止めは１箇所であるが、アンテナ２０の根元部２５がプリント基板１０の貫通孔１１に挿入されているため、正確な位置決めが簡単に行える。

次に、アンテナ２０をＬ字状に折り曲げ、その先端部にキャップ３２を被せてアンテナ２０をプリント基板１０に固定する。これにより、安定した静電結合状態及び磁気結合状態が得られる。

そして、コネクタ１６のコネクタプラグを、プリント基板１０上のコネクタジャックに取り付ける。

前述のように、無給電アンテナ１を無線装置２に取り付ける工程は非常に簡単である。また、無給電アンテナ１を無線装置２から取り外す工程は、前述の工程と逆であり、非常に簡単に行える。

したがって、例えば、無線装置２の利用者宅にサービスマンが訪れて無給電アンテナ１を無線装置２に増設する作業を行う場合、サービスマンは特別な技術や知識を要することなく、短時間で容易に増設作業を行うことができる。また、例えば、無線装置２の工場出荷時に無給電アンテナ１を無線装置２に作業者が取り付ける場合でも同様である。

以上のように、本実施形態における無給電アンテナ１は、アンテナ素子２１と静電結合する導体パターン１２と、アンテナ素子２１と磁気結合する導体パターン１３と、を備える構成としたので、従来のものよりも簡易な構成で結合損失を低減することができる。

なお、前述の実施形態では、磁気結合部としての導体パターン１３が、貫通孔１１の全周縁の９０％を囲む形状で形成した例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、磁気結合特性及びＶＳＷＲ特性を考慮して導体パターン１３の形状を任意に決定することができる。例えば、導体パターン１３が、貫通孔１１の全周縁の５０％を囲む形状であってもよい。また、例えば、プリント基板１０に代えて多層基板を用いて、磁気結合部としての導体パターンが、金属リード線２２に１ターン以上の巻き数で巻かれたコイルと同等の機能を持つ構成としてもよい。

次に、本実施形態の他の態様について説明する。前述の実施形態では、無給電アンテナ１をＬ字状の形状を有するアンテナ２０に結合させる例を挙げて説明したが、本発明はこれに限定されず、例えば、図５に示す直線状の無線アンテナにも適用可能である。

図５に示す直線状のアンテナ５０は、アンテナ素子５１、アンテナ素子５１を覆うカバー部５２、アンテナ素子５１に電気的に接続された金属リード線５３を有する。この構成に対して、無給電アンテナがプリント基板４１及び４２を有する構成とする。

すなわち、プリント基板４１は、前述のプリント基板１０と同様に、プリント基板４１にアンテナ素子５１と静電結合させる導体パターン（図示省略）を有する。また、プリント基板４２は、直線状のアンテナ５０を貫通させる貫通孔４２ａと、アンテナ素子５１と磁気結合する導体パターンが形成された基板面４２ｂと、を有する。この構成の無給電アンテナは、前述と同様な効果が得られる。なお、基板面４２ｂに形成された導体パターンが金属リード線５３と磁気結合する構成としてもよい。

以上のように、本発明に係る無給電アンテナ及び無線通信システムは、従来のものよりも結合損失を低減することができるという効果を有し、特定小電力無線装置の通信範囲を拡張する無給電アンテナ及び無線通信システムとして有用である。

１ 無給電アンテナ（無線通信システム）
２ 無線装置（無線通信システム）
２ａ 背面パネル
２ｂ 回路基板
１０、４１、４２ プリント基板
１１、１５、４２ａ 貫通孔
１２ 導体パターン（静電結合部、第１の導体パターン）
１３ 導体パターン（磁気結合部、第２の導体パターン）
１４ コネクタ取付部
１６ コネクタ
１７ 給電線
１８ 外部アンテナ
２０、５０ アンテナ
２１、５１ アンテナ素子（無線アンテナ）
２１ａ 先端部（無線アンテナの他端）
２２、５３ 金属リード線（無線アンテナ）
２２ａ 先端部（無線アンテナの一端）
２３ アンテナカバー
２４ 保持部
２５ 根元部
２５ａ 支点部（屈曲部）
２６ 基板コネクタ
３２ キャップ（固定手段）
４２ｂ 基板面

Claims (6)

1. 無線アンテナ（２１、２２）を有する無線装置（２）に付加され、無線信号を送受信する無給電アンテナ（１）であって、
   前記無線アンテナと静電結合する静電結合部（１２）と、
   前記無線アンテナと磁気結合する磁気結合部（１３）と、を備えたことを特徴とする無給電アンテナ。
2. 誘電体基板に設けられた導体パターン（１２、１３）と、前記無線アンテナを貫通させる貫通孔（１１）とが設けられたプリント基板（１０）をさらに備え、
   前記静電結合部は、前記無線アンテナの少なくとも一部と対向するよう設けられた第１の導体パターン（１２）で形成され、
   前記磁気結合部は、前記貫通孔の外周に設けられた第２の導体パターン（１３）で形成されたことを特徴とする請求項１に記載の無給電アンテナ。
3. 前記無線装置は、前記無線アンテナの一端（２２ａ）が接続される回路基板（２ｂ）を備えたものであって、
   前記磁気結合部は、前記無線アンテナの他端（２１ａ）から前記一端までの中間点から前記一端までの間に設けられ、
   前記静電結合部は、前記磁気結合部よりも前記他端側に設けられたことを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の無給電アンテナ。
4. 前記無線アンテナは、Ｌ字状の形状を有し、
   前記磁気結合部は、前記Ｌ字状の屈曲部（２５ａ）よりも前記回路基板側に設けられ、
   前記静電結合部は、前記Ｌ字状の屈曲部よりも前記無線アンテナの他端側に設けられたことを特徴とする請求項３に記載の無給電アンテナ。
5. 前記無線アンテナの他端と前記プリント基板とを固定する固定手段（３２）を備えたことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の無給電アンテナ。
6. 請求項１から請求項５までのいずれか１項に記載の無給電アンテナと、
   前記無給電アンテナを付加することができる前記無線装置と、を備えたことを特徴とする無線通信システム。

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