JP2017195547A

JP2017195547A - 通信装置

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Publication number: JP2017195547A
Application number: JP2016085504A
Authority: JP
Inventors: 洋平白川; Yohei Shirakawa; 健太木村; Kenta Kimura; 平野　光樹; Mitsuki Hirano; 光樹平野; 芳丈揚石; Yoshitake Ageishi; 杉山　剛博; Takehiro Sugiyama; 剛博杉山
Original assignee: Hitachi Metals Ltd
Current assignee: Proterial Ltd
Priority date: 2016-04-21
Filing date: 2016-04-21
Publication date: 2017-10-26

Abstract

【課題】導波管を用いて他の通信装置と通信を行う通信装置において、可撓性を有する導波管を用いる場合であっても通信が成功しやすくするための技術を提供する。【解決手段】通信装置においては、円偏波アンテナと、送受信部と、を備えている。円偏波アンテナは、導波管内において、円偏波の送受信が可能に構成されている。送受信部は、円偏波アンテナを介して円偏波の送信および円偏波の受信の少なくとも一方を行う。【選択図】図２

Description

本発明は、導波管内において電磁波を送受信することによって通信を行う技術に関する。

上記の技術として、例えば特許文献１に記載のように、導波管内において電磁波を送受信することによって通信を行う通信装置が知られている。このような一般的な通信装置では、モノポールアンテナやダイポールアンテナ等を用いてある方向の偏波面を有する電磁波の送受信を行っているもの考えられる。

特開２００５−１７６１２３号公報

しかしながら、近年においては可撓性を有する導波管が開発されている。可撓性を有する導波管を用いる場合には、導波管の曲げ等により電磁波の偏波面の向きが不定となりやすいため、偏波面の向きによっては電磁波の受信が困難となり、正常な通信ができなくなる虞があった。

そこで上記問題点に鑑み、導波管を用いて他の通信装置と通信を行う通信装置において、可撓性を有する導波管を用いる場合であっても通信が成功しやすくするための技術を提供することを本開示の目的とする。

本開示の一側面の通信装置では、円偏波アンテナと、送受信部と、を備えている。円偏波アンテナは、導波管内において、円偏波の送受信が可能に構成されている。送受信部は、円偏波アンテナを介して円偏波の送信および円偏波の受信の少なくとも一方を行う。

このような通信装置によれば、円偏波を円偏波アンテナを介して通信するので、偏波面の向きによらず電磁波を送信または受信することができる。よって、通信が成功しやすくすることができる。

通信システムの構成を示すブロック図である。プリント基板の表面側を示す鳥瞰図である。第１実施形態における円偏波アンテナを示す平面図である。プリント基板におけるIV−IV断面図である。中間層の配線パターンを示す平面図である。裏面の配線パターンを示す平面図である。プリント基板の裏面側を示す鳥瞰図である。第１実施形態における組み付け例を示す中央断面図である。第２実施形態における組み付け例を示す中央断面図である。その他の実施形態（その１）における組み付け例（組み付け前）を示す中央断面図である。その他の実施形態（その１）における組み付け例（組み付け後）を示す中央断面図である。その他の実施形態（その２）における組み付け例を示す鳥瞰図である。その他の実施形態における円偏波アンテナを示す平面図である。

以下、図面を参照しながら、発明を実施するための形態を説明する。
［１．第１実施形態］
［１−１．構成］
図１に示す導波管通信システム１は、複数の通信装置１０，３０が円形導波管５を媒体として互いに通信を行うシステムである。導波管通信システム１では、複数の通信装置として、通信装置Ａ１０と通信装置Ｂ３０とを備える。円形導波管５は、円形導波管５の長手方向と直交する任意の平面にて円形導波管５を切断したときの断面が円形かつ中空に構成されている。

通信装置Ａ１０および通信装置Ｂ３０は、それぞれ、通信制御部Ａ１１，Ｂ３１、コネクタオスＡ１２，Ｂ３２、プリント基板Ａ２０，Ｂ４０を備えている。プリント基板２０，４０は、それぞれ、給電部Ａ２１，Ｂ４１、送受信モジュールＡ２２，Ｂ４２、コネクタメスＡ２３，Ｂ４３を備えている。

通信装置Ａ１０および通信装置Ｂ３０は、同様の構成であるため、以下、通信装置Ａ１０についてのみ説明し、通信装置Ｂ３０については説明を省略する。なお、通信装置Ａ１０および通信装置Ｂ３０は、同様の構成である必要はなく、本開示の技術範囲に属する限り任意の態様を採用しうる。

通信制御部Ａ１１は、円形導波管５を通じて送信しようとするデータに基づく電気信号を生成し、送受信モジュールＡ２２に向けて送信する。また、通信制御部Ａ１１は、送受信モジュールＡ２２から得られる電気信号に基づいてデータを復元する。

コネクタオスＡ１２およびコネクタメスＡ２３は、周知のコネクタとして構成され、通信制御部Ａ１１とプリント基板２０とを電気的に接続するために用いられる。コネクタオス１２とコネクタメス２３とが結合されると、通信制御部Ａ１１と送受信モジュールＡ２２とが通信可能に接続される。

送受信モジュールＡ２２は、通信装置における周知の送信機能および受信機能を備えている。送信機能とは、所定の搬送波に対して通信制御部Ａ１１から得られた電気信号に応じた変調を行うことによって送信波を生成して給電部Ａ２１に送る機能をいう。また、受信機能とは、給電部Ａ２１から得られた受信波から搬送波の成分を除去した電気信号を生成して通信制御部Ａ１１に送る機能をいう。

給電部Ａ２１は、送受信モジュールＡ２２にて送受信される送信波および受信波を円形導波管５内に送受信するための構成である。具体的には、配線およびアンテナを備える。
次に、アンテナを含めたプリント基板２０の詳細について図２以下の図面を用いて説明する。プリント基板２０は、図２に示すように、表面２０１において、複数の接続穴２５と、円偏波アンテナ２６Ａとを備えている。

接続穴２５は、円形導波管５または円形導波管５に固定された部材（例えば、後述する樹脂部材５０Ａ等）に設けられた突起部が挿入されることでプリント基板２０と円形導波管５とを位置決め固定するために用いられる。

円偏波アンテナ２６Ａは、図３に示すように、二対のダイポールアンテナ２６１，２６２を備えている。これらのダイポールアンテナ２６１，２６２は、銅箔等から成る配線パターンで形成されている。

なお、配線パターンとは、プリント基板２０の製造工程においてエッチング等の処理にて形成される金属の模様をいう。各ダイポールアンテナ２６１，２６２には、それぞれ一対のビア２６３が設けられており、このビア２６３を介して給電される。

ある１つのダイポールアンテナ２６１は、他のダイポールアンテナ２６２に対して偏波面が直交するよう配置される。これらのダイポールアンテナ２６１，２６２に対して（２ｎ−１）π／２だけ位相がずれた送信波を供給することによって、偏波面が時系列に従って回転する円偏波が実現される。

なお、ｎは１または２の整数である。また、図３および後述する図６、図７等においては、接続穴２５の図示を省略している。
また、プリント基板２０は、図４に示すように、多層板として構成されている。すなわち、厚みＨ１，Ｈ２を有する各板の間に、中間層２０２が形成されている。

表面２０１はアンテナパターンが形成された層である。中間層２０２および裏面２０３は、配線パターンが形成された層である。
なお、前述の接続穴２５は、プリント基板２０を構成する全ての層を貫通して形成されている。また、ビア２６３は、表面２０１と裏面２０３とを電気的に接続している。

中間層２０２は、例えば図５に示すように、反射板２７を備える。反射板２７は、ビア２６３を通過させるためのビア領域２８を除く領域の全てが金属膜で形成されている。反射板２７は、表面２０１から裏面２０３側に放射される電磁波を反射する機能を有する。

電磁波を有効に反射させるために、プリント基板２０における厚みＨ１は、下記条件を満たすよう設定される。

ただし、搬送波の中心周波数ｆ_０、中心周波数における波長λ_０、厚みＨ１が対応する部位の誘電率εｒとしている。
裏面２０３は、例えば図６に示すように、電磁波を伝達するための経路であるマイクロストリップライン２９を備えている。なお、図６においてはマイクロストリップライン２９の一例のみを表示し、他の構成については記載を省略している。

マイクロストリップライン２９においては、あるダイポールアンテナ２６１へ給電するためのビア２６３から他のダイポールアンテナ２６２へ給電するためのビア２６３までの配線２９Ａの長さΔＬが下記式を満たすよう設定される。マイクロストリップライン２９Ａの端部２６４において差動励振することにより給電を行う。

プリント基板２０は、図７に示すように、裏面２０３において、送受信モジュールＡ２２とコネクタメスＡ２３とマイクロストリップライン２９が配置される。なお、図７においては、送受信モジュールＡ２２やマイクロストリップライン２９の形状を簡素化して表示している。

送受信モジュールＡ２２は、例えばＩＣチップとして構成され、プリント基板２０に対してワイヤボンディングされることで配置される。コネクタメスＡ２３は、例えば樹脂成型されており、プリント基板２０に対して接着されることで配置される。なおコネクタメスＡ２３がプリント基板２０に対して接着されると、コネクタメスＡ２３に設けられた端子と、送受信モジュールＡ２２との電気的な導通（以下、単に「導通」ともいう）が確保される。

円形導波管５には、図８に示すように、樹脂部材５０Ａが備えられている。樹脂部材５０Ａは、例えば電磁波を通過可能な樹脂により形成されており、複数の円筒を組み合わせた形状を有する。具体的には、円形導波管５は、小径部５１Ａと、大径部５２Ａと、複数の突起部５３Ａとを備える。

小径部５１Ａは、円形導波管５の内径と概ね一致する外径を有し、大径部５２Ａとの接続部位において段差部５４Ａを構成する。すなわち、段差部５４Ａは、異なる外径を有する部位の接続部分にできる段差を示す。

小径部５１Ａは、円形導波管５の内部に挿入され、円形導波管５の端面５Ａが段差部５４Ａに接触した状態で保持される。つまり、樹脂部材５０Ａは、円形導波管５の端部を閉塞する。なお、図８に示す例では、円形導波管５を外部から加締める加締部材６０を備えている。加締部材６０により樹脂部材５０Ａが円形導波管５から脱落することを抑制する。

大径部５２Ａは、円形導波管５の内径よりも大きな外径を有し、小径部５１Ａとは反対側に複数の突起部５３Ａを備える。大径部５２Ａは、円形導波管５とプリント基板２０との間に位置する。

複数の突起部５３Ａは、プリント基板２０に設けられた接続穴２５に対応する位置および間隔を有して配置されており、複数の接続穴２５に複数の突起部５３Ａが挿入されることによってプリント基板２０に対して位置決め固定される。なお、樹脂部材５０Ａとプリント基板２０との固定に際して、接着剤や粘着テープ等の固定を補助する部材を用いることを妨げない。

このようにして樹脂部材５０Ａの大径部５２Ａにおける突起部５３Ａが形成された面とプリント基板２０の円偏波アンテナ２６Ａが形成された部位とは密着した状態で固定されることになる。

［１−２．効果］
以上詳述した第１実施形態によれば、以下の効果が得られる。
（１ａ）上記の導波管通信システム１においては、円形導波管５を用いて他の通信装置と通信を行う通信装置Ａ１０，Ｂ３０を備える。特に通信装置Ａ１０は、円偏波アンテナ２６Ａと、送受信モジュールＡ２２と、を備える。円偏波アンテナ２６Ａは、円形導波管５内において、円偏波の送受信が可能に構成されている。送受信モジュールＡ２２は、円偏波アンテナ２６Ａを介して円偏波の送信および円偏波の受信を行う。

このような導波管通信システム１によれば、円偏波を円偏波アンテナ２６Ａを介して通信するので、偏波面の向きによらず電磁波を送信または受信することができる。よって、円偏波アンテナ２６Ａを用いない構成と比較して、通信が成功しやすくすることができる。

（１ｂ）また、上記の導波管通信システム１においてプリント基板２０は、円偏波アンテナ２６Ａが該プリント基板における配線パターンとして形成されている。
このような導波管通信システム１によれば、円偏波アンテナ２６Ａが配線パターンで形成されているのでアンテナ部分を小型化することができる。また、アンテナ部分がプリント基板によって構成されているので、装置を小型軽量化することができる。

（１ｃ）また、上記の導波管通信システム１においてプリント基板２０は、円形導波管５および円形導波管５を固定された樹脂部材５０Ａの少なくとも一方が接続される１または複数の接続穴２５を有する。

このような導波管通信システム１によれば、プリント基板２０において接続穴２５と円偏波アンテナ２６Ａとを有するので、円偏波アンテナ２６Ａと円形導波管５との組み付けを容易に行うことができる。

（１ｄ）上記の導波管通信システム１において接続穴２５には、樹脂製の樹脂部材５０Ａが接続されている。
このような導波管通信システム１によれば、プリント基板２０と円形導波管５とを樹脂製の樹脂部材５０Ａを介して接続するので、プリント基板２０と円形導波管５とを直接接続する場合と比較して、プリント基板２０との密着性を向上させやすくすることができる。よって、円形導波管５の外部に電磁波を漏れにくくすることができる。また、樹脂内にて電磁波を通過させることによって、樹脂外に電磁波を漏れにくくすることができる。また、円形導波管５の一部の機能を樹脂からなる部材で置換することができるので、装置を小型軽量化することができる。

（１ｅ）また、上記の導波管通信システム１において円偏波アンテナ２６Ａは、複数のダイポールアンテナとして構成される。
このような導波管通信システム１によれば、コニカルアンテナやコニカルホーンアンテナ等を用いる構成と比較して装置を小型化することができる。

［２．第２実施形態］
［２−１．第１実施形態との相違点］
第２実施形態は、基本的な構成は第１実施形態と同様であるため、共通する構成については説明を省略し、相違点を中心に説明する。なお、第１実施形態と同じ符号は、同一の構成を示すものであって、先行する説明を参照する。

前述した第１実施形態では、円形導波管５に設けられた樹脂部材５０Ａをプリント基板２０に固定するよう構成した。これに対し、第２実施形態では、プリント基板２０を樹脂部材５０Ｂに組み付けた上でこの樹脂部材５０Ｂを円形導波管５に固定する点で、第１実施形態と相違する。

［２−２．構成］
第２実施形態の構成では、図９に示すように、樹脂部材５０Ａに換えて、円形導波管５に固定される樹脂部材５０Ｂを備えている。樹脂部材５０Ｂは、小径部５１Ｂと、大径部５２Ｂとを備えている。

小径部５１Ｂには、内部にプリント基板２０を配置するための空間が形成された基板配置部５１１を備えている。プリント基板２０は、基板配置部５１１に収容された状態で樹脂部材５０Ｂに対して固定される。この際、プリント基板２０における円偏波アンテナ２６Ａが大径部５２Ｂとは反対側に向くよう配置される。

また、小径部５１Ｂは、円形導波管５の内径と概ね一致する外径を有し、大径部５２Ｂとの接続部位において段差部５４Ｂを構成する。
大径部５２Ｂは、円形導波管５の内径よりも大きな外径を有し、小径部５１Ｂとは反対側に複数のコネクタ部５５Ｂが形成されている。コネクタ部５５Ｂの内部には、送受信モジュールＡ２２と導通された複数の端子５６Ｂを備える。なお、コネクタ部５５Ｂは、前述のコネクタメスＡ２３として機能する。

樹脂部材５０Ｂは、プリント基板２０が基板配置部５１１に配置された状態で、小径部５１Ｂが円形導波管５の内部に挿入され、円形導波管５の端面５Ａが段差部５４Ｂに接触した状態で保持され固定される。つまり、樹脂部材５０Ｂは、円形導波管５の端部を閉塞する。

［２−３．効果］
以上詳述した第２実施形態によれば、前述した第１実施形態の効果（１ａ）に加え、以下の効果が得られる。

（２ａ）上記の導波管通信システム１においては、樹脂部材５０Ｂを備える。樹脂部材５０Ｂは、円形導波管５を係合させる段差部５４Ｂを有し、円形導波管５の端部を閉塞する。

このような導波管通信システム１によれば、プリント基板２０を樹脂部材５０Ｂに組み付けた状態で、段差部５４Ｂを円形導波管５に係合させるだけで、円形導波管５への組み付けと円形導波管５の端部の閉塞とを完結させることができる。

（２ｂ）また、上記の導波管通信システム１においては、円形導波管５の内径よりも小さな外径であり、プリント基板２０を配置する基板配置部５１１を有する小径部５１Ｂと、円形導波管５の内径よりも大きな外径であり、小径部５１Ｂとの接続部位に段差部５４Ｂを有する大径部５２Ｂと、を備え、小径部５１Ｂが円形導波管５に挿入された状態で円形導波管５と組み付けられる。

このような導波管通信システム１によれば、小径部５１Ｂを円形導波管５に挿入した状態で円形導波管５と組み付けられるので、小径部５１Ｂおよび段差部５４Ｂにて円形導波管５との位置決めを確実に行うことができる。

［３．他の実施形態］
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、本発明は上述の実施形態に限定されることなく、種々変形して実施することができる。

（３ａ）プリント基板２０と円形導波管５とを固定する際には、これらをねじ止めしてもよい。例えば、図１０に示すように、プリント基板２０の表面２０１に雄ネジ部７１を形成し、円形導波管５において雄ネジ部７１と係合可能な雌ネジ部７２を設けておく。これらを蝶合することによってプリント基板２０と円形導波管５と位置決め固定する。

このような導波管通信システムによれば、樹脂部材５０Ｂと円形導波管５とをねじ止めによって確実に位置決めすることができる。
（３ｂ）なお、図１０に示すように、プリント基板２０と円形導波管５との組み付け前に、円形導波管５の端部に該端部を閉塞する樹脂部材５０Ｃを配置し、プリント基板２０と円形導波管５との組み付け時には、図１１に示すように、この樹脂部材５０Ｃが円偏波アンテナ２６Ａに密着するようにするとよい。

このようにすれば、円偏波アンテナ２６Ａから放出された電磁波は樹脂部材５０Ｃの内部で反射されつつ円形導波管５に導かれるため、導波管通信システム１からの電磁波漏れを抑制することができる。また、樹脂部材５０Ｃが円形導波管５の端部を閉塞するので、円形導波管５へ異物が混入することを抑制することができる。

（３ｃ）また、図１２に示すように、円形導波管５の端部には、複数のスリット５７が形成された樹脂部材５０Ｄを備えていてもよい。この場合、プリント基板２０においてスリット５７に対応する位置に複数の係合部７１を設けておき、スリット５７にプリント基板２０の少なくとも一部を挿入することによってプリント基板２０と円形導波管５とを位置決め固定してもよい。

この際、プリント基板２０は、係合部７１においてスリット５７に挟み込まれることで樹脂部材５０Ｄに保持される。なお、プリント基板２０は、円形導波管５に設けられたスリットに挟まれて固定されてもよい。また、このようにプリント基板２０を配置する場合には、円偏波アンテナ２６Ａから放出された電磁波が円形導波管５側に向くように、電磁波の位相を調整するとよい。

このような導波管通信システムによれば、プリント基板２０を円形導波管５や樹脂部材５０Ｄに設けられたスリット５７に挟めばよいので、より簡素な構成でプリント基板２０の位置決めを行うことができる。

（３ｄ）また、上記実施形態において円偏波アンテナ２６Ａは、直線形状であるダイポールアンテナ２６１，２６２を用いたが、図１３に示すように、それぞれ屈曲部２６８を有するダイポールアンテナ２６６，２６７としてもよい。屈曲部２６８とは、アンテナを構成する金属部分が曲げられている部位を示す。

この構成では、プリント基板２０の表面においてダイポールアンテナ２６６，２６７が占有する面積を小さくすることができるので、プリント基板を小型化することができる。
（３ｅ）また、上記実施形態では、導波管を長手方向とは直交する方向で輪切りにしたときの断面の形状が円形である円形導波管５としたが、導波管の断面形状は矩形等、任意の形状を採用できる。

（３ｆ）上記実施形態における１つの構成要素が有する機能を複数の構成要素として分散させたり、複数の構成要素が有する機能を１つの構成要素に統合させたりしてもよい。また、上記実施形態の構成の一部を省略してもよい。また、上記実施形態の構成の少なくとも一部を、他の上記実施形態の構成に対して付加又は置換してもよい。なお、特許請求の範囲に記載した文言のみによって特定される技術思想に含まれるあらゆる態様が本発明の実施形態である。

（３ｇ）上述した導波管通信システムの他、当該導波管通信システムの構成要素となる装置、当該導波管通信システムとしてコンピュータを機能させるためのプログラム、このプログラムを記録した半導体メモリ等の非遷移的実態的記録媒体、導波管通信方法など、種々の形態で本発明を実現することもできる。

［４．本開示の構成と実施形態の構成との関係］
上記実施形態における送受信モジュール２２，４２は本開示でいう送受信部に相当し、上記実施形態におけるプリント基板２０，４０は本開示でいう基板部材に相当する。また、上記実施形態における接続穴２５は本開示でいう接続部に相当し、段差部５４Ｂは本開示でいう係合部に相当し、上記実施形態における樹脂部材５０Ｂは本開示でいう閉塞部材に相当する。また、上記実施形態における雄ネジ部７１は本開示でいう被ネジ部に相当し、上記実施形態における雌ネジ部７２は本開示でいうネジ部に相当する。

１…導波管通信システム、５…円形導波管、５Ａ…端面、１０…通信装置、１２…コネクタオス、２０…プリント基板、２２…送受信モジュール、２３…コネクタメス、２５…接続穴、２６Ａ…円偏波アンテナ、２７…反射板、２８…ビア領域、２９…マイクロストリップライン、２９Ａ…配線、５０Ａ，５０Ｂ，５０Ｃ，５０Ｄ…樹脂部材、５３Ａ…突起部、５４Ａ，５４Ｂ…段差部、５７…スリット、６０…加締部材、７１…雄ネジ部、７１…係合部、７２…雌ネジ部、２０１…表面、２０２…中間層、２０３…裏面、２６１，２６２，２６６，２６７…ダイポールアンテナ、２６３…ビア、２６８…屈曲部、５１１…基板配置部。

Claims

導波管を用いて他の通信装置と通信を行う通信装置であって、
前記導波管内において、円偏波の送受信が可能な円偏波アンテナと、
前記円偏波アンテナを介して円偏波の送信および円偏波の受信の少なくとも一方を行う送受信部と、
を備える通信装置。
請求項１に記載の通信装置であって、
プリント基板として構成され、前記円偏波アンテナが該プリント基板における配線パターンとして形成された基板部材
を更に備える通信装置。
請求項２に記載の通信装置であって、
前記基板部材は、前記導波管および前記導波管を固定された固定部材の少なくとも一方が接続される１または複数の接続部を有する
通信装置。
請求項３に記載の通信装置であって、
前記接続部には、樹脂製の固定部材が接続されている
通信装置。
請求項２に記載の通信装置であって、
前記導波管を係合させる係合部を有し、前記導波管の端部を閉塞する閉塞部材、
をさらに備えた通信装置。
請求項５に記載の通信装置であって、
前記閉塞部材は、
前記導波管の内径よりも小さな外径であり、前記基板部材を配置する基板配置部を有する小径部と、
前記導波管の内径よりも大きな外径であり、前記小径部との接続部位に前記係合部を有する大径部と、
を備え、前記小径部が前記導波管に挿入された状態で前記導波管と組み付けられる
通信装置。
請求項５または請求項６に記載の通信装置であって、
前記係合部は、前記導波管および前記導波管を固定された固定部材の少なくとも一方に設けられた被ネジ部と係合するネジ部として構成されている
通信装置。
請求項２または請求項３に記載の通信装置であって、
前記基板部材は、前記導波管に設けられたスリットに挟まれて固定される
通信装置。
請求項１〜請求項８の何れか１項に記載の通信装置であって、
前記円偏波アンテナは、複数のダイポールアンテナとして構成される
通信装置。
請求項９に記載の通信装置であって、
前記ダイポールアンテナは、それぞれ屈曲部を有する
通信装置。