JP2014178783A - 通信装置及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】広範囲にある他の通信装置に対して通信可能であり、消費電力の低減と、利得の向上との両立を可能にする。
【解決手段】鉛直方向に設けられた第１ダイポール及び水平方向に設けられた第２ダイポールからなるクロスダイポールと、第１ダイポールに交流電流を供給する第１給電部と、第１給電部とは略９０度異なる位相の交流電流を前記第２ダイポールに供給する第２給電部と、第１給電部及び第２給電部を任意の組合せで個別にオンオフさせるスイッチとを有する。また、クロスダイポールに円偏波を発生させて検出部が円偏波に対する応答が有ることを検出した場合、第１ダイポール及び第２ダイポールに垂直偏波及び水平偏波を順次に発生させ、検出部が検出した応答の強度が相対的に強い垂直偏波又は水平偏波を第１ダイポール又は第２ダイポールが発生させるようにスイッチを制御する。
【選択図】図３

Description

本発明は、通信装置及び通信システムに関する。

ＵＨＦ帯のＲＦＩＤ（Radio Frequency IDentification）システムは、ＵＨＦ帯の無線周波数信号を用いて、ＲＦＩＤタグ内の情報をリーダライタで読み取る。ＲＦＩＤタグには、一般に直線偏波が用いられる。また、リーダライタ側には、一般に広範囲のＲＦＩＤタグに対して通信可能なように、円偏波が用いられる。

また、特許文献１には、送信用のパッチアンテナ及び受信用のパッチアンテナを備えて偏波面を切替える偏波切替アンテナを有するＲＦＩＤリーダが開示されている。

しかしながら、パッチアンテナが用いられることにより、消費電力が大きくなること、利得が低いこと、通信距離が短いことなどの問題があった。

本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、広範囲にある他の通信装置に対して通信可能であり、消費電力の低減と、利得の向上との両立を可能にすることができる通信装置及び通信システムを提供することを目的とする。

上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明は、鉛直方向に設けられた第１ダイポール及び水平方向に設けられた第２ダイポールからなるクロスダイポールと、前記第１ダイポールに交流電流を供給する第１給電部と、前記第１給電部とは略９０度異なる位相の交流電流を前記第２ダイポールに供給する第２給電部と、前記第１給電部及び前記第２給電部を任意の組合せで個別にオンオフさせることにより、前記クロスダイポールに円偏波、垂直偏波及び水平偏波のいずれかの偏波を切替えて発生させるスイッチと、前記クロスダイポールが発生させる円偏波に対する応答の有無、並びに垂直偏波及び水平偏波の強度を検出する検出部と、前記検出部の検出結果を示す情報を出力する出力部、又は前記スイッチを予め定められた手順に従って制御する制御部と、を有し、前記制御部は、前記クロスダイポールに円偏波を発生させて前記検出部が円偏波に対する応答が有ることを検出した場合、前記第１ダイポール及び前記第２ダイポールに垂直偏波及び水平偏波を順次に発生させ、前記検出部が検出した応答の強度が相対的に強い垂直偏波又は水平偏波を前記第１ダイポール又は前記第２ダイポールが発生させるように前記スイッチを制御することを特徴とする。

本発明によれば、広範囲にある他の通信装置に対して通信可能であり、消費電力の低減と、利得の向上との両立を可能にすることができるという効果を奏する。

図１は、２つのダイポールを有するクロスダイポールアンテナのダイポールの概要を示す図である。 図２は、半波長ダイポールアンテナの偏波の方向を示す図である。 図３は、クロスダイポールアンテナの概略を示す図である。 図４は、クロスダイポールアンテナが発生させる円偏波を示す図である。 図５は、第１実施形態にかかる通信システムの構成を示す構成図である。 図６は、ユーザの操作による通信システムの動作例を示すフローチャートである。 図７は、第２実施形態にかかる通信システムの構成を示す構成図である。

まず、実施形態にかかる通信装置が有するクロスダイポールアンテナの概要について説明する。図１は、２つのダイポールを有するクロスダイポールアンテナのダイポールの概要を示す図である。クロスダイポールアンテナは、図１に示した半波長ダイポールアンテナ１１を直交させることによって構成される。

半波長ダイポールアンテナ１１は、アンテナのエレメント全長を波長λの１／２としたダイポールアンテナである。例えば、ＵＨＦ帯ＲＦＩＤに用いる周波数を９５０ＭＨｚとすると、エレメントの長さは１５８ｍｍとなる。ここで、波長λは、下式１によって示される。

λ＝Ｃ／ｆ ・・・（１）

なお、Ｃは電波の伝搬速度であり、ｆは周波数である。半波長ダイポールアンテナ１１は、中間点（給電点）に給電部１２が設けられている。給電部１２は、半波長ダイポールアンテナ１１に対して交流電流を供給する交流電源である。

給電部１２が半波長ダイポールアンテナ１１に供給する電流は周期的に変化する。半波長ダイポールアンテナ１１に供給される電流が周期的に変化すると、半波長ダイポールアンテナ１１における電界及び磁界の方向が周期的に変化し、その結果として半波長ダイポールアンテナ１１から電波が発生する。

図２は、半波長ダイポールアンテナ１１の偏波の方向を示す図である。電界の振動方向が偏波である。図２に示すように、振動方向が一定の波を直線偏波という。また、地面に対して電界が垂直な偏波のことを垂直偏波、地面に対して電界が水平な偏波のことを水平偏波という。無線通信においては、送信側と受信側がアンテナの偏波面を一致させなければ良好な通信ができないことがある。

図３は、クロスダイポールアンテナの概略を示す図である。クロスダイポールアンテナは、例えば鉛直方向に設けられた第１ダイポール１３と、水平方向に設けられた第２ダイポール１４とが直交するように配置されることによって構成される。

第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４は、それぞれ目的周波数に共振するように長さが同一にされている。第１ダイポール１３は、第１給電部１５によって中間点から交流電流（ｉ１＝Ｉｓｉｎωｔ）が供給される。また、第２ダイポール１４は、第１給電部１５とは位相が略９０度異なる交流電流（ｉ２＝Ｉｃｏｓωｔ）が第２給電部１６によって中間点から供給される。これにより、クロスダイポールアンテナは、円偏波を発生させるので、通信の対象となる他の通信装置に対し、偏波面を合わせなくても通信が可能である。

図４は、クロスダイポールアンテナが発生させる円偏波を示す図である。第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４がそれぞれ発生させる偏波は合成される。第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４が直交し、それぞれに供給される電流の位相が９０度異なるので、合成された偏波は回転して円偏波となる。

円偏波は、広範囲の偏波面と良好な通信を可能にする。一方、水平偏波及び垂直偏波などの直線偏波は、同じ通信距離であれば円偏波よりも省電力通信を可能にする。また、直線偏波は、同じ消費電力での通信であれば円偏波よりも通信距離を伸ばすことが可能である。

（第１実施形態）
図５は、第１実施形態にかかる通信システム１の構成を示す構成図である。通信システム１は、例えば通信装置１０及びＲＦＩＤタグ２，３を有する。通信装置１０は、例えば第１ダイポール１３、第２ダイポール１４、第１給電部１５、第２給電部１６、スイッチ１７、リーダライタ１８、パワーモニタ（出力部）１９及び検出部２０を有する。

第１ダイポール１３、第２ダイポール１４、第１給電部１５及び第２給電部１６は、図３，４を用いて上述した機能を具備する。スイッチ１７は、第１ダイポール１３、第２ダイポール１４、第１給電部１５及び第２給電部１６と、リーダライタ１８とをユーザの操作又は制御信号のいずれかに応じて接続する。具体的には、スイッチ１７は、ユーザの操作又は制御信号のいずれかに応じて、第１給電部１５及び第２給電部１６を任意の組合せで個別にオンオフさせる。そして、スイッチ１７は、第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４からなるクロスダイポールに円偏波、垂直偏波及び水平偏波のいずれかの偏波を切替えて順次に発生させる。

リーダライタ１８は、スイッチ１７などを介して例えばＲＦＩＤタグ２，３が有する情報の読み取り、及びＲＦＩＤタグ２，３に対する情報の書込みを行う。

パワーモニタ（出力部）１９は、検出部２０が検出した結果をユーザに対して例えば表示する出力を行う表示装置である。検出部２０は、クロスダイポールが発生させる円偏波に対する応答の有無、並びに垂直偏波及び水平偏波の強度を検出する。なお、検出部２０は、アンテナなどであってもよいし、電波の強度を検出する専用のセンサなどであってもよい。

次に、通信システム１の動作について説明する。図４に示したように、互いに直行する第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４に対して位相が９０度異なる交流電流を第１給電部１５及び第２給電部１６が供給すると、円偏波が発生する。スイッチ１７が切替えられて第２給電部１６がオンであり、第１給電部１５がオフである場合、第２ダイポール１４のみが作用し、第１ダイポール１３が作用しないため、水平偏波が発生する。また、スイッチ１７が切替えられて第２給電部１６がオフであり、第１給電部１５がオンである場合、第１ダイポール１３のみが作用し、第２ダイポール１４が作用しないため、垂直偏波が発生する。

このように、例えばユーザがスイッチ１７を切替えることにより、通信システム１は、円偏波、水平偏波又は垂直偏波を発生させる。なお、Ｔｘは送信信号を示し、Ｒｘは受信信号を示している。

図６は、ユーザの操作による通信システム１の動作例を示すフローチャートである。ここでは、ＲＦＩＤタグ２が水平偏波に対して強く応答するものとして通信システム１の動作例を説明する。

ステップ１００（Ｓ１００）において、ユーザは、まず始めに、第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４によって円偏波を発生させるために、第１給電部１５及び第２給電部１６をオンにする。

ステップ１０２（Ｓ１０２）において、第１給電部１５及び第２給電部１６がオンにされた結果として、第１ダイポール１３が発生させた垂直偏波と、第２ダイポール１４が発生させた水平偏波とが合成され、円偏波が発生する。

ステップ１０４（Ｓ１０４）において、リーダライタ１８は、ＲＦＩＤタグが応答したか否かを判定する。リーダライタ１８は、ＲＦＩＤタグ（例えばＲＦＩＤタグ２）が応答したと判定した場合（Ｓ１０４：Ｙｅｓ）には、Ｓ１０６の処理に進む。また、リーダライタ１８は、ＲＦＩＤタグが応答しないと判定した場合（Ｓ１０４：Ｎｏ）には、Ｓ１０２の処理に進む。つまり、リーダライタ１８は、円偏波に対する応答によってＲＦＩＤタグが近くに存在するか否かを確認している。

ステップ１０６（Ｓ１０６）において、ユーザは、スイッチ１７を切替えることによって水平偏波及び垂直偏波を個別に発生させ、いずれの偏波に対する応答が強いかを、パワーモニタ１９の表示結果に応じて判定する。即ち、ユーザは、パワーモニタ１９を目視して応答の強い偏波を確認する。

ステップ１０８（Ｓ１０８）において、ユーザは、水平偏波に対する応答が垂直偏波に対する応答よりも強いか否かを判定する。ユーザは、水平偏波に対する応答が垂直偏波に対する応答よりも強いと判定した場合（Ｓ１０８：Ｙｅｓ）には、Ｓ１１０の処理に進む。また、ユーザは、水平偏波に対する応答が垂直偏波に対する応答よりも強くないと判定した場合（Ｓ１０８：Ｎｏ）には、Ｓ１１２の処理に進む。ＲＦＩＤタグ２が水平偏波に対して強く応答する場合には、Ｓ１１０の処理に進むこととなる。

ステップ１１０（Ｓ１１０）において、ユーザは、第２給電部１６がオン、第１給電部１５がオフとなるようにスイッチ１７を切替え、水平偏波による通信をさせる。

ステップ１１２（Ｓ１１２）において、ユーザは、第１給電部１５がオン、第２給電部１６がオフとなるようにスイッチ１７を切替え、垂直偏波による通信をさせる。

ステップ１１４（Ｓ１１４）において、リーダライタ１８は、他のＲＦＩＤタグが応答（通信）しているか否かを判定する。リーダライタ１８は、他のＲＦＩＤタグが応答（通信）していると判定した場合（Ｓ１１４：Ｙｅｓ）には、Ｓ１００の処理に進む。また、リーダライタ１８は、他のＲＦＩＤタグが応答（通信）していないと判定した場合（Ｓ１１４：Ｎｏ）には、処理を終了する。

（第２実施形態）
図７は、第２実施形態にかかる通信システム１ａの構成を示す構成図である。通信システム１ａは、例えば通信装置１０ａ及びＲＦＩＤタグ２，３を有する。通信装置１０ａは、例えば第１ダイポール１３、第２ダイポール１４、第１給電部１５、第２給電部１６、スイッチ１７、リーダライタ１８、制御回路（制御部）４０及び検出部２０を有する。なお、図７に示した通信システム１ａの構成部分のうち、図５に示した通信システム１の構成要素と実質的に同じものには、同一の符号が付してある。

制御回路４０は、例えば図示しないＣＰＵ及びメモリ５０を有し、スイッチ１７に対して制御信号を出力する。そして、制御回路４０は、予め定められた手順及び検出部２０の検出結果に応じて、第１ダイポール１３及び第２ダイポール１４からなるクロスダイポールに円偏波、垂直偏波及び水平偏波のいずれかの偏波を切替えて発生させるように制御する。また、制御回路４０は、円偏波に対して応答するＲＦＩＤタグの有無を判定し、応答したＲＦＩＤタグがあった場合には、スイッチ１７を制御して応答の強い水平偏波又は垂直偏波を選択する。

つまり、通信システム１ａは、図６に示した通信システム１の動作と同様にＲＦＩＤタグの存在を円偏波を用いて確認し、制御回路４０の制御によって水平偏波又は垂直偏波による通信を行う。このように、通信システム１ａは、図６に示したユーザが行う操作に替えて、制御回路４０がスイッチ１７を制御している。

具体的には、円偏波に対する応答を検出部２０が取得し、その応答パワーを制御回路４０内部のメモリ５０が記憶する。また、検出部２０は水平偏波に対する応答を取得し、その強度を制御回路４０内部のメモリ５０が記憶する。その後、検出部２０は垂直偏波に対する応答を取得する。応答するＲＦＩＤタグの存在を確認した制御回路４０は、スイッチ１７を制御することによって水平偏波及び垂直偏波に対するＲＦＩＤタグの応答の強度を比較する。そして、制御回路４０は、応答の強度が相対的に強い偏波による通信が行われるようにスイッチ１７を制御する。

このように、通信装置１０又は通信装置１０ａは、円偏波によって広範囲からのＲＦＩＤタグの応答を確認し、その後に効率のよい直線偏波のいずれかを選択して通信を行うことが可能となる。

よって、通信システム１及び通信システム１ａは、同じ通信距離であれば、円偏波を用いる場合に比べて省電力通信が可能である。また、通信システム１及び通信システム１ａは、同じ消費電力で通信を行う場合、円偏波を用いる場合に比べて通信距離を伸ばすことが可能である。

１、１ａ 通信システム
２、３ ＲＦＩＤタグ
１０、１０ａ 通信装置
１３ 第１ダイポール
１４ 第２ダイポール
１５ 第１給電部
１６ 第２給電部
１７ スイッチ
１８ リーダライタ
１９ パワーモニタ
２０ 検出部
４０ 制御回路
５０ メモリ

特開２００９−２８２６６２号公報

Claims (4)

1. 鉛直方向に設けられた第１ダイポール及び水平方向に設けられた第２ダイポールからなるクロスダイポールと、
   前記第１ダイポールに交流電流を供給する第１給電部と、
   前記第１給電部とは略９０度異なる位相の交流電流を前記第２ダイポールに供給する第２給電部と、
   前記第１給電部及び前記第２給電部を任意の組合せで個別にオンオフさせることにより、前記クロスダイポールに円偏波、垂直偏波及び水平偏波のいずれかの偏波を切替えて発生させるスイッチと、
   前記クロスダイポールが発生させる円偏波に対する応答の有無、並びに垂直偏波及び水平偏波の強度を検出する検出部と、
   前記検出部の検出結果を示す情報を出力する出力部、又は前記スイッチを予め定められた手順に従って制御する制御部と、
   を有し、
   前記制御部は、
   前記クロスダイポールに円偏波を発生させて前記検出部が円偏波に対する応答が有ることを検出した場合、前記第１ダイポール及び前記第２ダイポールに垂直偏波及び水平偏波を順次に発生させ、前記検出部が検出した応答の強度が相対的に強い垂直偏波又は水平偏波を前記第１ダイポール又は前記第２ダイポールが発生させるように前記スイッチを制御すること
   を特徴とする通信装置。
2. 前記クロスダイポールが発生させる円偏波、垂直偏波及び水平偏波に対して応答する１つ以上のＲＦＩＤタグとの間で通信を行うリーダライタを有すること
   を特徴とする請求項１に記載の通信装置。
3. 請求項１に記載の通信装置と、
   前記クロスダイポールが発生させる円偏波、垂直偏波及び水平偏波に対して応答する１つ以上の他の通信装置と、
   を有することを特徴とする通信システム。
4. 請求項２に記載の通信装置と、
   前記クロスダイポールが発生させる円偏波、垂直偏波及び水平偏波に対して応答する１つ以上のＲＦＩＤタグと、
   を有することを特徴とする通信システム。

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