JP2022020462A - 漏洩同軸ケーブル - Google Patents

Abstract

【課題】結合損失を抑制した漏洩同軸ケーブルを提供する。【解決手段】漏洩同軸ケーブルは、内部導体と、内部導体を覆う絶縁体と、絶縁体を覆い、少なくとも１つのスロットが形成された外部導体と、を備え、長手方向における全長が１０ｍ以下であり、スロットの長手寸法は１０ｍｍ以上であり、スロットの周寸法は、外部導体の全周に対して３５～９５％の範囲内であり、絶縁体の外径が５ｍｍ以上である。【選択図】図１

Description

本発明は、漏洩同軸ケーブルに関する。

特許文献１には、内部導体と、絶縁体と、スロットが形成された外部導体と、を備えた漏洩同軸ケーブルが開示されている。漏洩同軸ケーブルは、無線通信を行うための送受信アンテナとして用いられる。

特許第５１６２７１３号公報

例えばパッシブ型ＲＦＩＤタグとの間で通信を効果的に行うには、漏洩同軸ケーブルの結合損失を十分に小さくすることが求められる。

本発明はこのような事情を考慮してなされ、結合損失を抑制した漏洩同軸ケーブルを提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明の一態様に係る漏洩同軸ケーブルは、内部導体と、前記内部導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体を覆い、少なくとも１つのスロットが形成された外部導体と、を備え、長手方向における全長が１０ｍ以下であり、前記スロットの長手寸法は１０ｍｍ以上であり、前記スロットの周寸法は、前記外部導体の全周に対して３５～９５％の範囲内であり、前記絶縁体の外径が５ｍｍ以上である。

上記態様によれば、長手方向における少なくとも一部において結合損失を４０ｄＢ以内とし、パッシブ型ＲＦＩＤタグとの間でＵＨＦ帯の無線通信を行うアンテナとして利用可能な漏洩同軸ケーブルを提供することが可能となる。

ここで、前記外部導体には、前記スロットを含む複数のスロットが、前記長手方向に間隔を空けて形成され、前記複数のスロットのそれぞれの周寸法は、信号の伝搬方向の終端側に向かうに従って大きくなっていてもよい。

この場合、結合損失を長手方向においてより均等にすることができる。

また、前記外部導体には、前記スロットを含む複数のスロットが、前記長手方向に間隔を空けて形成され、前記複数のスロットの前記長手方向における配置の繰り返し寸法をＰとし、前記複数のスロットの長手寸法をＷ１とし、伝送する信号の波長をλとし、波長短縮率をνとするとき、０．９７×λν≦Ｐ≦１．０３×λνおよび０．９７×Ｐ／２≦Ｗ１≦１．０３×Ｐ／２を満たしてもよい。

この場合、漏洩同軸ケーブルからの－１次の輻射を長手方向に対して垂直にすることができ、長手方向に変動の少ない電界を得ることができる。

本発明の上記態様によれば、結合損失を抑制した漏洩同軸ケーブルを提供することができる。

本実施形態に係る漏洩同軸ケーブルの斜視図である。 本実施形態の変形例に係る漏洩同軸ケーブルの斜視図である。 本実施形態の他の変形例に係る漏洩同軸ケーブルの斜視図である。 試験例１－１、１－２の結果を示すグラフである。 試験例２の結果を示すグラフである。 試験例３－１、３－２、３－３の結果を示すグラフである。 試験例４－１、４－２の結果を示すグラフである。

（第１実施形態）
以下、第１実施形態の漏洩同軸ケーブルについて図面に基づいて説明する。
図１に示すように、漏洩同軸ケーブル１は、内部導体２と、絶縁体３と、外部導体４と、を備える。絶縁体３は内部導体２を覆っており、外部導体４は絶縁体３を覆っている。外部導体４には、複数のスロット４ａが形成されている。なお、外部導体４に形成されるスロット４ａの数は１つでもよい。外部導体４等を保護するため、漏洩同軸ケーブル１は、外部導体４を被覆する不図示のシース（ゴム、樹脂など）を備えてもよい。

（方向定義）
本実施形態では、内部導体２の中心軸線Ｏに沿う方向を長手方向といい、Ｚ軸によって表す。長手方向から見て、中心軸線Ｏに交差する方向を径方向といい、中心軸線Ｏ回りに周回する方向を周方向という。長手方向は、漏洩同軸ケーブル１に信号が伝搬する方向でもある。信号が伝搬する方向における終端側を＋Ｚ側とし、信号源側を－Ｚ側とする。すなわち、信号は＋Ｚ側に向けて伝搬する。

内部導体２は、銅などの金属により形成されており、長手方向に沿って延びている。内部導体２は、複数の導体の細線を撚り合わせることで形成された撚線であってもよい。
絶縁体３は、内部導体２を径方向外側から覆っている。絶縁体３としては、発泡ポリエチレンなどの絶縁性を有する樹脂が用いられる。

内部導体２は、外部の信号源に電気的に接続され、信号源から供給される高周波信号を伝搬させる。高周波信号の伝搬に伴い、外部導体４に形成されたスロット４ａを通して電磁波が漏洩同軸ケーブル１の外部に漏洩する。

外部導体４は、絶縁体３を径方向外側から覆っている。外部導体４は、例えば、金属（銅等）のテープを絶縁体３に巻き付けることで形成される。このため、外部導体４の内径は、絶縁体３の外径と略同じ、あるいは、絶縁体３の外径よりわずかに大きくなる。絶縁体３と外部導体４との間に、空気の層があってもよい。スロット４ａとなる貫通孔を、外部導体４となるテープに予め形成しておくことで、任意の配置および形状のスロット４ａを容易に形成できる。外部導体４の厚さは、例えば０．０１～０．０２ｍｍである。

外部導体４の内周面には、絶縁性基材と、絶縁性基材を外部導体４に接着させる接着層と、が設けられてもよい。絶縁性基材としては、例えばポリエチレンテレフタレート（ＰＥＴ）等のポリエステル樹脂、あるいは、ポリプロピレンやポリエチレン等のポリオレフィン樹脂を採用できる。接着層としては、例えばエチレン系アイオノマー樹脂を採用できる。絶縁性基材および接着層には、スロット４ａに対応した開口が形成されていなくてもよい。

複数のスロット４ａは、長手方向に間隔を空けて形成されている。各スロット４ａは、長手方向および周方向に沿って延びており、径方向外側から見ると矩形状となっている。または、スロット４ａは長円形状、平行四辺形状であってもよい。また、外部導体４となるテープを絶縁体３に巻き付ける前の、テープが平らな状態においても、各スロット４ａは矩形状となっている。図１に示すように、本明細書では、長手方向におけるスロット４ａの寸法を長手寸法Ｗ１といい、周方向におけるスロット４ａの寸法を周寸法Ｗ２という。

本実施形態では、終端側（＋Ｚ側）に位置するスロット４ａほど、周寸法Ｗ２が大きくなっている。詳細は後述するが、このように複数のスロット４ａを形成することで、長手方向において結合損失をより均一にすることができる。終端側に位置するスロット４ａほど周寸法Ｗ２が大きくなる構成としては、図２のような構成も採用できる。図２の漏洩同軸ケーブル１では、周寸法Ｗ２が同様の２つのスロット４ａが長手方向に隣接して形成され、その終端側に、周寸法Ｗ２がより大きい２つのスロット４ａが配置されている。

なお、上記のように各スロット４ａの周寸法Ｗ２を異ならせることは必須ではない。つまり、図３に示すように、外部導体４に形成されるスロット４ａのそれぞれの周寸法Ｗ２は互いに同じであってもよい。また、各スロット４ａの長手寸法Ｗ１は互いに同じであってもよいし、互いに異なっていてもよい。

ここで、本実施形態の漏洩同軸ケーブル１は、例えばパッシブ型ＲＦＩＤタグとの間で通信を行うためのアンテナとして使用される。パッシブ型ＲＦＩＤタグでは、一般的に、ＵＨＦ帯（例えば９２０ＭＨｚ程度）の高周波信号が用いられる。このような高周波信号を用いて、漏洩同軸ケーブル１とパッシブ型ＲＦＩＤタグとの間の間隔を例えば１ｍ程度空けた状態で良好な通信状態を保つには、結合損失を４０ｄＢ以内とすることが求められる。結合損失を小さくするには、漏洩同軸ケーブル１から放出される電磁波のエネルギーを高めることが求められる。また、上記のように、本実施形態の漏洩同軸ケーブル１は放出される電磁波のエネルギーを高めて用いるため、例えば１００ｍを超えるような長距離の伝送には適さない。パッシブ型ＲＦＩＤタグとの間で通信を行うという用途を考慮すると、漏洩同軸ケーブル１の全長は、例えば１０ｍ以下であってもよい。

漏洩同軸ケーブル１は、ＴＥＭモードと呼ばれる電界により、エネルギーを伝搬する。外部導体４には長手方向に電流が流れる。周方向および長手方向に延びるスロット４ａを外部導体４に形成することで、外部導体４に流れる電流が部分的に切られてスロット４ａの信号源側と終端側との間で電位差が生じ、電界となって漏洩同軸ケーブル１の外部にエネルギーが放出される。このエネルギーを大きくすることは、スロット４ａの長手寸法Ｗ１および周寸法Ｗ２を大きくすることで実現できる。本願発明者らが鋭意検討した結果によれば、長手寸法Ｗ１を１０ｍｍ以上とし、周寸法Ｗ２を外部導体４の全周の３５％以上とすることが好ましい。以下、より詳しく説明する。

図４に、長手寸法Ｗ１と結合損失との関係を示す。試験例１－１、１－２の条件は下記表１に示す通りである。表１における「外部導体の周長」は、外部導体４のスロット４ａが形成されていない部分の周方向の全長を示している。「周開口率Ｒ」は、周寸法Ｗ２の外部導体の周長に対する率である。

図４に示すように、試験例１－１、１－２ともに、スロット４ａの長手寸法Ｗ１を異ならせて、結合損失を測定した。試験例１－１、１－２ともに、長手寸法Ｗ１が５０ｍｍ以下の領域では、長手寸法Ｗ１が大きいほど結合損失が小さくなる。これは、長手寸法Ｗ１が大きいほどスロット４ａから漏洩する電磁波の量が大きくなるためである。また、試験例１－１のほうが、試験例１－２よりも、結合損失が小さい傾向となった。これは、試験例１－１のほうが試験例１－２よりも周寸法Ｗ２および周開口率Ｒが大きいためである。

試験例１－１の条件（Ｒ＝８３％）では、長手寸法Ｗ１を１０ｍｍ以上とすることで、結合損失を４０ｄＢ以内とすることができた。試験例１－２の条件（Ｒ＝７０％）では、長手寸法Ｗ１を３０ｍｍ以上とすることで、結合損失を４０ｄＢ以内とすることができた。なお、長手寸法Ｗ１の上限値については任意であるが、例えば複数のスロット４ａを形成する場合に、スロット４ａ同士が長手方向に間隔を空けて形成されるように設定するとよい。

図５に、周開口率Ｒと結合損失との関係を示す。試験例２では、外部導体４の外径を１０ｍｍとし、スロットの数を１つとし、長手寸法Ｗ１を１００ｍｍとした。そして、周寸法Ｗ２（周開口率Ｒ）を異ならせて、結合損失を測定した。図５に示すように、周開口率Ｒが大きいほど、結合損失が小さくなる。試験例２の条件では、周開口率Ｒを３５％以上とすることで、結合損失を４０ｄＢ以内とすることができた。

スロット４ａの数が１つのみの漏洩同軸ケーブルにおいて結合損失を低下させるという観点では周開口率Ｒが大きいほど好ましい。一方、スロット４ａ数が複数である漏洩同軸ケーブルにおいては、スロット４ａの周開口率Ｒが大きすぎると、スロット４ａが形成された部分における伝送損失が大きくなり、終端側のスロット４ａに供給される信号エネルギーが極端に少なくなる。目安として、周開口率Ｒは９５％以下とすることが好ましい。周開口率Ｒが９５％以下であれば、終端側のスロット４ａにも適度な信号エネルギーが供給され、漏洩同軸ケーブル全体として結合損失を低くできる。

図６に、外部導体４の内径（絶縁体３の外径）と結合損失との関係を示す。試験例３－１～３－３は、それぞれ、内部導体２の外径を０．６ｍｍ、１ｍｍ、および２ｍｍとしている。また、絶縁体３の外径（Ｄ）を１．５ｍｍ、２．５ｍｍ、および５ｍｍとしている。なお、外部導体４の外径は、絶縁体３の外径に、外部導体４の厚さの２倍を足した値とほぼ同じになる。試験例３－１～３－３の以下の条件は共通とした。
漏洩同軸ケーブル１の全長：５ｍ
絶縁体３の材質：発泡ポリエチレン（波長短縮率０．８）
長手寸法Ｗ１：１１０ｍｍ
周開口率Ｒ：８０％
側方からみたスロット４ａの形状：矩形状
スロット４ａの数：２１
長手方向におけるスロット４ａ同士の間の間隔：１２８ｍｍ
周波数：９２０ＭＨｚ

なお、結合損失の測定は、測定器（ダイポールアンテナ）を各漏洩同軸ケーブル１から１．５ｍ離して配置し、測定器を漏洩同軸ケーブル１に対して長手方向に移動させることで行った。図６において、横軸（測定位置）は漏洩同軸ケーブル１の長手方向における位置を示している。具体的に、横軸が０ｍのポイントが漏洩同軸ケーブル１の信号源側の端部に対応し、横軸が５ｍのポイントが漏洩同軸ケーブル１の終端側の端部に対応している。

図６に示すように、絶縁体３の外径Ｄが大きいほど、結合損失が小さくなる結果となった。特に、絶縁体３の外径Ｄが５ｍｍである試験例３－３では、長手方向におけるほとんどの領域で、結合損失が４０ｄＢ以内となった。なお、試験例３－３のように、長手方向における一部の領域で結合損失が４０ｄＢを超えても、パッシブ型ＲＦＩＤタグとの間で通信を行うことは可能である。例えば、漏洩同軸ケーブル１のうち結合損失が４０ｄＢ以内の領域（試験例３－３では横軸が０～４．７ｍの領域）だけを通信用アンテナとして使用すれば足りるためである。あるいは、漏洩同軸ケーブル１とパッシブ型ＲＦＩＤタグとの間の間隔を、１．５ｍよりも小さくすれば、漏洩同軸ケーブル１の長手方向の全長にわたって結合損失が４０ｄＢ以内に調整できるためである。

ここで、一般的な理屈でいえば、長手寸法Ｗ１が同じ場合、絶縁体３の外径Ｄとスロット４ａのうち周方向に延びるエッジの長さの比率で結合損失が決まるため、結合損失は外径Ｄに依存しないと考えられる。しかし、試験例３－１～３－３ではそのような結果とならず、絶縁体３の外径Ｄが大きいほど結合損失が小さくなった。その理由として、前記エッジが、外部導体４の他の部分と結合して、インピーダンスが上がらないことが考えられる。例えば、試験例３－１～３－３におけるスロット４ａは矩形状であるため、角部が略直角に曲がっているが、容量結合して電流が外部導体４を通らず絶縁体３中を進むことが考えられる。あるいは、前記エッジの中間部分は内部導体２と結合することが考えられる。このような現象が生じると、外径Ｄが大きくても実効的なエッジ部長が短くなり、結合損失が下がらないと考えられる。

図４～図６の結果を総合すると、結合損失を４０ｄＢ以内に抑制するためには、以下の条件Ａまたは条件Ｂを満たすことが好ましい。
条件Ａ：長手寸法Ｗ１を１０ｍｍ以上とし、周開口率Ｒを３５～９５％の範囲内とし、絶縁体３の外径Ｄを５ｍｍ以上とする。
条件Ｂ：長手寸法Ｗ１を３０ｍｍ以上とし、周開口率Ｒを７０～９５％の範囲内とし、絶縁体３の外径Ｄを５ｍｍ以上とする。

次に、図７を用いて、終端側（＋Ｚ側）に位置するスロット４ａほど周寸法Ｗ２を大きくすることの効果について説明する。図７に示す試験例４－１、４－２は、以下の条件については共通である。なお、試験例４－１、４－２では、絶縁体３の材質である発泡ポリエチレンの発泡率が試験例３－１等とは異なっているため、波長短縮率も異なっている。
漏洩同軸ケーブル１の長さ：１ｍ
内部導体２の外径：４．３ｍｍ
絶縁体３の外径Ｄ：１０ｍｍ
絶縁体３の材質：発泡ポリエチレン（波長短縮率０．８７）
長手寸法Ｗ１：１００ｍｍ
側方からみたスロット４ａの形状：矩形状
スロット４ａの数：５
長手方向におけるスロット４ａ同士の間の間隔：１２８ｍｍ
周波数：９２０ＭＨｚ

一方、試験例４－１と試験例４－２とでは、表２に示すように、周寸法Ｗ２が異なっている。試験例４－１は、５つのスロット４ａの全ての周寸法Ｗ２が共通（２８ｍｍ）である。試験例４－２は、図２に示すように、終端側に位置するスロット４ａほど周寸法Ｗ２が大きくなっている。より詳しくは、信号源側から１番目および２番目のスロット４ａの周寸法Ｗ２が１７ｍｍであり、信号源側から３番目および４番目のスロット４ａの周寸法Ｗ２が２０ｍｍであり、信号源側から５番目（最も終端側）のスロット４ａの周寸法Ｗ２が２８ｍｍである。

図７に示した試験例４－１、４－２に係る結合損失は、シミュレーションに基づいている。図７の横軸は長手方向における位置である。図７に示すように、試験例４－１、４－２ともに、結合損失を４０ｄＢ以内とすることができた。ただし、試験例４－１については、終端側（＋Ｚ側）に向かうに従い、結合損失が低下している。これは、終端側に向かうに従って電磁波が漏洩し、外部導体４内を流れる信号の強度が減衰するためである。一方、試験例４－２については、長手方向において結合損失をより均等にすることができた。これは、終端側に位置するスロット４ａほど周寸法Ｗ２を大きくして電磁波を漏洩させやすくすることで、外部導体４を流れる信号の強度が終端側に向かうに従って減衰することを打ち消したためである。このように、終端側に位置するスロット４ａほど周寸法Ｗ２を大きくすることで、長手方向において結合損失をより均等にすることができる。

次に、外部導体４に複数のスロット４ａを設ける場合における、好ましいスロットピッチＰの範囲について説明する。本明細書において「スロットピッチＰ」とは、長手方向におけるスロット４ａの配置の繰り返し寸法である。より詳しくは、スロットピッチＰは、長手寸法Ｗ１およびスロット４ａ同士の間の間隔の和である。例えば先述の試験例４－１では、長手寸法Ｗ１が１００ｍｍでスロット４ａ間の間隔が１２８ｍｍのため、Ｐ＝１００＋１２８＝２２８ｍｍである。

一般に、漏洩同軸ケーブル１からの電磁波の方射角θｎは、中心軸線Ｏに直角な方射角を０として、終端側に傾いた放射方向を正とすれば、以下の式（１）で表される。
θｎ＝ｓｉｎ^－１（ｎλ／Ｐ＋１／ν） …（１）
ただし、ｎは放射モード（負の整数）、λは自由空間での波長、νは漏洩同軸ケーブル１の波長短縮率である。波長短縮率νは、内部導体２と外部導体４との間の絶縁体３および中空部分の体積比から求めた実効比誘電率εｓに基づき、以下の式（２）で表される。
ν＝１／（εｓ）^１／２ …（２）

通常は、ｎ＝－１のいわゆる－１次モードだけが使用されることが多い。経験的に、－１次モードの方射角は、－５０°～＋３０°が実用的な限界角度である。したがって、スロットピッチＰは、以下の式（３）の範囲が好ましい。
λｇ／（１＋０．７７６ν）＜Ｐ＜３λｇ／（１＋ν） …（３）
ここで、λｇは漏洩同軸ケーブル１内での伝搬波長であり、λｇ＝νλである。
例えば、信号の周波数が９２０ＭＨｚ（λ≒３２５．９ｍｍ）、波長短縮率νが０．８においては、スロットピッチＰの範囲は、１６１ｍｍ～４３４ｍｍの範囲が好ましい。

以上説明したように、漏洩同軸ケーブル１は、内部導体２と、内部導体２を覆う絶縁体３と、絶縁体３を覆い、少なくとも１つのスロット４ａが形成された外部導体４と、を備える。そして、長手方向における漏洩同軸ケーブル１の全長を１０ｍ以下とし、スロット４ａの長手寸法Ｗ１を１０ｍｍ以上とし、スロット４ａの周寸法Ｗ２を外部導体４の全周に対して３５～９５％の範囲内とし、絶縁体３の外径Ｄを５ｍｍ以上とすることで、結合損失を４０ｄＢ以内とすることができる。これにより、ＵＨＦ帯のＲＦＩＤ通信を行うアンテナとして利用可能な漏洩同軸ケーブル１を提供することが可能となる。

また、外部導体４には、複数のスロット４ａが長手方向に間隔を空けて形成されていてもよい。この場合、長手方向においてより広い範囲でＲＦＩＤ通信を行うことが可能な漏洩同軸ケーブル１を提供することができる。

また、複数のスロット４ａのそれぞれの周寸法は、信号の伝搬方向の終端側に向かうに従って大きくなっていてもよい。この場合、結合損失を長手方向においてより均等にすることができる。

また、外部導体４には複数のスロット４ａが形成され、スロット４ａの長手方向における配置の繰り返し寸法（スロットピッチ）をＰとし、スロット４ａの長手寸法をＷ１とし、伝送する信号の波長をλとし、波長短縮率をνとするとき、０．９７×λν≦Ｐ≦１．０３×λνおよび０．９７×Ｐ／２≦Ｗ１≦１．０３×Ｐ／２を満たしてもよい。この場合、漏洩同軸ケーブルからの－１次の輻射を長手方向に対して垂直にすることができ、長手方向に変動の少ない電界を得ることができる。

なお、本発明の技術的範囲は前記実施形態に限定されず、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。

例えば、前記実施形態では、漏洩同軸ケーブル１がパッシブ型ＲＦＩＤタグとの通信を行うアンテナとして利用されると説明した。しかしながら、このような用途に限らず、通信対象物との間である程度（例えば０．５ｍ以上）の距離を空けた状態で結合損失を４０ｄＢ以内とすることが求められる用途に、本実施形態の漏洩同軸ケーブル１を好適に利用できる。漏洩同軸ケーブル１の用途に合わせて、内部導体２、絶縁体３、外部導体４、およびシース以外の構成を漏洩同軸ケーブル１が備えてもよい。

その他、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で、上記した実施形態における構成要素を周知の構成要素に置き換えることは適宜可能であり、また、上記した実施形態や変形例を適宜組み合わせてもよい。

１…漏洩同軸ケーブル ２…内部導体 ３…絶縁体 ４…外部導体 ４ａ…スロット Ｄ…絶縁体の外径 Ｗ１…長手寸法 Ｗ２…周寸法

Claims (3)

1. 内部導体と、
   前記内部導体を覆う絶縁体と、
   前記絶縁体を覆い、少なくとも１つのスロットが形成された外部導体と、を備え、
   長手方向における全長が１０ｍ以下であり、
   前記スロットの長手寸法は１０ｍｍ以上であり、
   前記スロットの周寸法は、前記外部導体の全周に対して３５～９５％の範囲内であり、
   前記絶縁体の外径が５ｍｍ以上である、漏洩同軸ケーブル。
2. 前記外部導体には、前記スロットを含む複数のスロットが、前記長手方向に間隔を空けて形成され、
   前記複数のスロットのそれぞれの周寸法は、信号の伝搬方向の終端側に向かうに従って大きくなっている、請求項１に記載の漏洩同軸ケーブル。
3. 前記外部導体には、前記スロットを含む複数のスロットが、前記長手方向に間隔を空けて形成され、
   前記複数のスロットの前記長手方向における配置の繰り返し寸法をＰとし、前記複数のスロットの長手寸法をＷ１とし、伝送する信号の波長をλとし、波長短縮率をνとするとき、０．９７×λν≦Ｐ≦１．０３×λνおよび０．９７×Ｐ／２≦Ｗ１≦１．０３×Ｐ／２を満たす、請求項１または２に記載の漏洩同軸ケーブル。

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