JP3831206B2

JP3831206B2 - 電波中継装置及び電波中継システム

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Publication number: JP3831206B2
Application number: JP2001127195A
Authority: JP
Inventors: 和美鈴木
Original assignee: Azbil Corp
Current assignee: Azbil Corp
Priority date: 2001-04-25
Filing date: 2001-04-25
Publication date: 2006-10-11
Anticipated expiration: 2021-04-25
Also published as: JP2002325057A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、仕切りにより隔てられた複数の空間の１つから他の１つへ電波を中継する電波中継装置及び電波中継システムに関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＬＡＮ（Local Area Network）の一種に、無線伝送を用いた無線ＬＡＮがある。この無線ＬＡＮには、配線工事が不要であり、設置場所の変更が容易であるという特徴がある。
しかし、図８（ａ）に示すように、壁１０１により隔てられた部屋１０２Ａから部屋１０２Ｂへ向けて通信を行う場合、部屋１０２Ａに設置された送受信器１０７Ａから放射された電波は、壁１０１で減衰する。壁１０１が例えばコンクリートブロックで作られている場合には、その減衰量は約１３〜２０ｄＢと大きい。無線ＬＡＮでは出力電力の上限が０．２６Ｗと決められており、微弱な電波しか使用できないので、壁１０１での減衰が大きいと、隣の部屋１０２Ｂに設置された送受信器１０７Ｂは電波を受信できない。
【０００３】
その対策として、従来は、図８（ｂ）に示すように、リピータ機能を有する電波中継装置１０８が利用されていた。この電波中継装置１０８は、部屋１０２Ａ，１０２Ｂ内の壁面にそれぞれ取り付けられた２個の送受信器１０８Ａ，１０８Ｂと、送受信器１０８Ａ，１０８Ｂ間を接続する壁１０１に挿通されたケーブル１０８Ｃとから構成されている。
部屋１０２Ａから隣の部屋１０２Ｂへ向けて通信を行う場合、送受信器１０８Ａは電波を受信すると、受信信号を増幅、波形整形、変調して、ケーブル１０８Ｃを介して送受信器１０８Ｂに送信する。そして、送受信器１０８Ｂは、受信した信号を復調、波形整形、増幅して、部屋１０２Ｂ内に再度放射する。これにより、隣の部屋１０２Ｂに設置された送受信器１０７Ｂは、壁１０１による電波減衰の影響を受けずに、電波を受信できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、図８（ｂ）に示した従来の電波中継装置は、増幅回路、波形整形回路、変調・復調回路を有し、さらにこれらの回路を動作させるための電源が必要となるので、装置自体の価格が高いという問題がある。また、電波中継装置を設置する際に配線工事が必要となるので、設置コストが高いという問題がある。これらの問題は、無線ＬＡＮの普及を妨げる障害となっている。
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、装置価格が安く、設置コストも低い、電波中継装置及び電波中継システムを提供することを目的とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
このような目的を達成するために、本発明の電波中継装置は、互いに共通の周波数帯で共振する２つのアンテナを備え、これら２つのアンテナは、互いに電気的に接続され、かつ、一方のアンテナが受信した電波の方向を略９０゜変更して他方のアンテナから送信されるように配置され、一方のアンテナは、誘電体板と、誘電体板の一方の面に形成され接地された導体板と、誘電体板の他方の面に形成され接地されていない導体板とを備えたパッチアンテナであり、他方のアンテナは、モノポールアンテナであって、接地された導体板及び誘電体板にそれぞれ設けられた開口部を通して接地されていない導体板に接続されていることを特徴とする。この電波中継装置は、従来の電波中継装置と異なり、電源などが不要であるので装置価格が安く、また配線工事が不要であるので設置コストも低くすることができる。
また、この電波中継装置は、２つのアンテナを設置個所に固定する取付手段を更に備えていてもよい。
【０００６】
また、本発明の電波中継システムは、仕切りにより隔てられた第１の空間から第２の空間へ、これら第１及び第２の空間の両方と隣接する第３の空間を経由して電波を送信する電波中継システムであって、第１の空間と第３の空間との境に設置され、第１の空間からの電波の方向を略９０゜変更する第１の電波方向変更手段と、第２の空間と第３の空間との境に設置され、第１の電波方向変更手段からの電波の方向を略９０゜変更する第２の電波方向変更手段とを備え、第１及び第２の電波方向変更手段は、互いに共通の周波数帯で共振する２つのアンテナを備え、２つのアンテナは、互いに電気的に接続され、かつ、一方のアンテナが受信した電波の方向を略９０゜変更して他方のアンテナから送信されるように配置され、一方のアンテナは、誘電体板と、誘電体板の一方の面に形成され接地された導体板と、誘電体板の他方の面に形成され接地されていない導体板とを備えたパッチアンテナであり、他方のアンテナはモノポールアンテナであって、接地された導体板及び誘電体板にそれぞれ設けられた開口部を通して接地されていない導体板に接続接続されている電波中継装置、または、この電波中継装置に更に２つのアンテナを設置個所に固定する取付手段を具備した装置であることを特徴とする。第３の空間には第１の空間と第２の空間とを隔てる仕切りに相当するものがないので、第１の空間から仕切りを通って第２の空間に直接電波を送信する場合と比較して、電波の減衰が小さい。その一方、第１及び第２の電波方向変更手段は電源などが不要であるので装置価格が安く、また配線工事が不要であるので設置コストも低くすることができる。
また、第１及び第２の空間が建物の部屋である場合には、第１及び第２の電波方向変更手段は、各部屋の窓に設置してもよいし、各部屋の出入口に設置してもよい。
【０００７】
【発明の実施の形態】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を詳細に説明する。
（第１の実施の形態）
図１は、本発明の電波中継システムを病院に適用したときの第１の実施の形態の全体構成を示す図である。
病院の建物内部は、壁（仕切り）１によってナースステーション（第１の空間）２Ａ及び病室（第２の空間）２Ｂ，２Ｃなどの部屋と、廊下（第３の空間）３とに仕切られている。各部屋２Ａ，２Ｂ，２Ｃは、その部屋の出入口４Ａ，４Ｂ，４Ｃによって廊下３と繋がっている。各部屋２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、それぞれ送受信器７Ａ，７Ｂ，７Ｃが設置されている。
【０００８】
また、各部屋２Ａ，２Ｂ，２Ｃには、その部屋２Ａ，２Ｂ，２Ｃから建物の外部空間（第３の空間）６を臨む窓５Ａ，５Ｂ，５Ｃがあり、各窓５Ａ，５Ｂ，５Ｃの外側に、電波中継装置８Ａ，８Ｂ，８Ｃがそれぞれ取り付けられている。この電波中継装置８Ａ〜８Ｃは、受信した電波の方向を略９０゜変更して送信するものであり、すべて同じ構成をしている。
【０００９】
次に、電波中継装置８Ａ〜８Ｃの構成を、電波中継装置８Ａを例にして説明する。図２は、電波中継装置８Ａの構成を示す断面図である。また、図３は、電波中継装置８Ａを図２の下方からみた透視図である。
図２に示すように、電波中継装置８Ａは、パッチアンテナ１０とモノポールアンテナ２０とを組み合わせたものである。
パッチアンテナ１０は、誘電体板１１の２つの対向面のそれぞれに形成された２つの導体板１２，１３から構成されている。誘電体板１１は、例えば厚さ０．８ｍｍのテフロン基板（比誘電率εr₁＝２．５９；テフロンは登録商標）で形成される。
【００１０】
この誘電体板１１の一方の面の全域に形成された導体板１２は、接地されて地板として機能する（以下、導体板１２を地板１２という）。また、誘電体板１１の他方の面に形成された導体板１３は、図３に示すように、例えば一辺が約λg₁／２の平面視正方形をしており、共振器として機能する（以下、導体板１３を共振器１３という）。ここで、λg₁は、誘電体板１１を伝搬する電磁波の波長であり、自由空間における波長をλ0 とすると、λg₁＝λ0/(εr₁)^1/2 で表される。地板１２，１３は例えば銅又はアルミニウムで形成される。
このパッチアンテナ１０の地板１２が形成された面及び側面は、樹脂製のカバー３２で覆われ、保護されている。また、パッチアンテナ１０の共振器１３が形成された面は、共振器１３と接触しないように配置された板３１で保護されている。この板３１は例えばガラスやエポキシ樹脂で形成される。
【００１１】
モノポールアンテナ２０は、同軸線路２０Ａを利用して形成されている。同軸線路２０Ａは、内部導体２１、誘電体２２、外部導体２３及びジャケット２４が同心円状に形成された伝送線路である。その寸法の一例を図４に示す。内部導体２１及び外部導体２３は例えば銅で形成され、誘電体２２は例えばテフロン（比誘電率εr₂＝２．０１）で形成される。誘電体２２としてテフロンを用いることにより、優れた高周波特性が得られ、また通常の同軸線路よりも外径を小さくすることができる。この同軸線路２０Ａの特性インピーダンスは５０Ωである。
【００１２】
モノポールアンテナ２０では、同軸線路２０Ａの内部導体２１が約λ0/４だけ突出している。同軸線路２０Ａ自体の長さは約λg₂／４である。また、同軸線路２０Ａの内部導体２１が突出している上端で外部導体２３を折り返し、同軸線路２０Ａの下端まで外部導体２３でジャケット２４を覆っている。これにより、同軸線路２０Ａの外部導体２３に不平衡電流が発生することを防止できる。なお、外部導体２３でジャケット２４を覆う代わりに、ジャケット２４の周りに長さ約λg₂／４の金属管をかぶせ、同軸線路２０Ａの上端で金属管を外部導体２３に接続しても、同様の効果を得られる。
ここで、λg₂は、同軸線路２０Ａの誘電体２２を伝搬する電磁波の波長であり、λg₂＝λ0/(εr₂)^1/2 で表される。
【００１３】
そして、同軸線路２０Ａの下端からのびる外部導体２３が、パッチアンテナ１０の地板１２に接続され、同じく内部導体２１が、地板１２の開口部及び誘電体板１１を通って、共振器１３に接続されている。同軸線路２０Ａの内部導体２１とパッチアンテナ１０の共振器１３との接続点を給電点Ｐと呼ぶ。
図３において、共振器１３の中心を原点Ｏとし、共振器１３の各辺と平行にＸ軸及びＹ軸を設定すると、給電点Ｐは、共振器１３のＸ軸方向を１：１に分割し、Ｙ軸方向を１：５に分割する位置に設けられる。これにより、パッチアンテナ１０の入力インピーダンスが５０Ωとなるので、特性インピーダンスが５０Ωである同軸線路２０Ａとパッチアンテナ１０とのインピーダンスマッチングを図れ、伝送損失を抑制できる。この場合、Ｙ軸上に給電点Ｐが設けられているので、共振器１３のＸ軸に平行な２辺から電波が放射される。
【００１４】
また、モノポールアンテナ２０は、パッチアンテナ１０のカバー３２に形成された貫通孔に挿入される構造となっている。このとき、モノポールアンテナ２０の長手方向が、パッチアンテナ１０の法線方向と一致するように配置される。より正確に言えば、モノポールアンテナ２０の内部導体２１が、パッチアンテナ１０の地板１２，１３に対して垂直となるように配置される。
また、板３１の表面には、電波中継装置８Ａを窓ガラスに固定する取付手段として、両面接着テープが取り付けられている。
【００１５】
ここで、電波中継装置８Ａの各部の寸法を例示する。無線ＬＡＮで通常使用される周波数は２．４５ＧＨｚであるから、この例ではλg₁＝122/(2.59)^1/2 ＝76.1ｍｍ、λg₂＝122/(2.01)^1/2 ＝86.4ｍｍとなる。したがって、パッチアンテナ１０の共振器１３の一辺の長さは単純に計算すると約３８ｍｍ（＝λg₁／２）、モノポールアンテナ２０において同軸線路２０Ａから内部導体２１が突出している長さは約３０ｍｍ（＝λ0/４）、同軸線路２０Ａ自体の長さは約２２ｍｍ（＝λg₂／４）となる。しかし実際の設計では、アンテナ端での電界漏れを考慮して、上述の計算値よりもやや短い寸法になる（共振器１３の一辺の長さは、37.04 ｍｍ）。
【００１６】
図５は、電波中継装置８Ａを図３に示すＹ軸方向からみたときの側面形状を模式的に示す図である。この図で更に、モノポールアンテナ２０の長手方向と平行な方向にＺ軸を設定する。
Ｘ軸方向から周波数が２．４５ＧＨｚの電波が到来したとする。モノポールアンテナ１０の指向性は、このモノポールアンテナ２０の長手方向に対して垂直な方向、すなわちＺ軸に垂直な方向である。したがって、Ｘ軸方向から電波が到来すると、モノポールアンテナ２０が共振して電波が受信される。
受信した電力がモノポール２０から給電点Ｐに供給されると、パッチアンテナ２０が共振して、共振器１３のＸ軸に平行な２辺から電波が放射される。パッチアンテナ１０の指向性は、共振器１３の法線方向、すなわちＺ軸方向である。したがって、パッチアンテナ１０からはＺ軸方向に電波が放射される。
【００１７】
パッチアンテナ１０及びモノポールアンテナ２０は可逆性を有しているので、逆にＺ軸方向から周波数が２．４５ＧＨｚの電波が到来すると、パッチアンテナ１０で受信され、モノポールアンテナ２０からＺ軸に垂直な方向に電波が放射される。このように、電波中継装置８Ａは、電波の伝搬方向を９０゜変更することができる。
上述したように、他の電波中継装置８Ｂ，８Ｃは電波中継装置８Ａと同じ構成を有しているので、同様に動作する。
【００１８】
このような電波中継装置８Ａ〜８Ｃを用いて構成した図１の電波中継システムの動作を説明する。
ナースステーション２Ａから病室２Ｂ，２Ｃに通信する場合を説明する。ナースステーション２Ａに設置された送受信器７Ａから電波が放射されると、ナースステーション２Ａの窓５Ａの外側に取り付けられた電波中継装置８Ａにより、電波の伝搬方向が９０゜変更される。この電波中継装置８Ａにより９０゜方向を変更された電波は、建物の外部空間６を伝搬する。そして、病室２Ｂ，２Ｃの窓５Ｂ，５Ｃの外側に取り付けられた電波中継装置８Ｂ，８Ｃにより、再度伝搬方向が９０゜変更されて病室２Ｂ，２Ｃ内に送られる。
【００１９】
このように、電波中継装置８Ａ〜８Ｃを用いることにより、ナースステーション２Ａからの電波を、建物の外部空間６を迂回させて、病室２Ｂ、２Ｃに送ることができる。外部空間６には、ナースステーション２Ａと病室２Ｂ、２Ｃとを隔てる壁１に相当するものがないので、ナースステーション２Ａから壁１を通って病室２Ｂ、２Ｃに電波を送信する場合と比較して、電波の減衰が小さい。このため、病室２Ｂ，２Ｃにおける電波は十分強度が大きいので、病室２Ｂ，２Ｃに設置された送受信器７Ｂ，７Ｃで電波を受信することができる。
電波中継装置８Ａ〜８Ｃは、電波の送信及び受信の両方に使用できるので、病室２Ｂ，２Ｃからナースステーション２Ａへ通信することも、もちろん可能である。
【００２０】
上述したように、電波中継装置８Ａ〜８Ｃに増幅機能がなくても部屋２Ａ〜２Ｃ間で通信可能であり、外部電源などを個別に設ける必要がないので、電波中継装置８Ａ〜８Ｃは低価格で作成できる。また、電波中継装置８Ａ〜８Ｃの設置は、両面接着テープで窓ガラスに接着するだけでよいので、配線工事が不要であり、設置コストを格段に低減することができる。
以上では、電波中継装置８Ａ〜８Ｃが電波の伝搬方向を９０゜変更する場合を説明したが、９０゜とは異なる角度変更する場合には、その角度に応じてモノポールアンテナ２０とパッチアンテナ１０とのなす角度を調整すればよい。
また、パッチアンテナ１０の共振器１３の平面形状は、正方形に限られず、長方形又は円形であってもよい。
【００２１】
（第２の実施の形態）
図６は、本発明の電波中継システムを病院に適用したときの第２の実施の形態の構成を示す図である。この図において、図１と同一部分を同一符号をもって示し、適宜その説明を省略する。
図１に示した電波中継システムでは、電波中継装置８Ａ，８Ｂを各部屋２Ａ，２Ｂの窓５Ａ，５Ｂに設置するようにしたが、各部屋２Ａ，２Ｂの出入口４Ａ，４Ｂに設置してもよい。この場合、入退室の邪魔にならないように、取付補助具４０を用いて出入口４Ａ，４Ｂの上壁面に電波中継装置８ＡＡ，８ＢＢを取り付けるとよい。電波中継装置８ＡＡ，８ＢＢは、図２に示した電波中継装置８Ａから両面接着テープ３６を除いた構成をしている。
【００２２】
図７は、取付補助具４０の構成を示す斜視図である。
この取付補助具４０は、電波中継装置８ＡＡ，８ＢＢのパッチアンテナ部を収容する容器４１を有している。この容器４１には、パッチアンテナ１０の共振器１３及び地板１２が垂直となるように、パッチアンテナ部が挿入される穴４１Ａが形成されている。容器４１の一側面は、電波中継装置８ＡＡ，８ＢＢのモノポールアンテナ部が容器４１の外部に突出できるように、部分的に切り欠かれている。
容器４１の上記一側面と対向する側面の上部には、水平方向に延びる平板４２が、容器４１と一体形成されている。容器４１及び平板４２は、電波が透過するように、誘電体で形成される。平板４２の上面には、この平板４２及び容器４１の一体構造を壁面に固定するための吸盤４３が取り付けられている。
【００２３】
この取付補助具４０を用いて電波中継装置８ＡＡ，８ＢＢをナースステーション２Ａ及び病室２Ｂの出入口４Ａ，４Ｂに設置した場合、電波は廊下３を迂回して伝搬することになるが、壁１を通して電波を送受信した場合と比較して電波の減衰が小さいことは、図１に示した電波中継システムと同様である。したがって、図６に示した電波中継システムにおいても、従来より装置価格が安くすることができる。また、配線工事が不要であるので、設置コストを低減することができる。
以上では、電波中継装置を各部屋の窓又は出入口に設置する例を示したが、部屋の壁２よりも電波の減衰率が十分に小さい領域に電波中継装置を設置すればよい。また、本発明の電波中継システムを病院に適用した例を説明したが、本発明を病院以外の機関に適用してもよいことは言うまでもない。
【００２４】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明の電波中継装置は、互いに共通の周波数帯で共振する２つのアンテナを備え、一方のアンテナが受信した電波の方向を略９０゜変更して他方のアンテナから送信するようにしたものである。この電波中継装置は、電源などが不要であるので装置価格が安く、また配線工事が不要であるので設置コストも低くすることができる。
また、本発明の電波中継システムは、電波の方向を略９０゜変更する複数の電波方向変更手段を用い、仕切りにより隔てられた第１の空間から第２の空間へ電波を送信する際に、第１及び第２の空間の両方と隣接する第３の空間を経由して電波を送信するものである。第３の空間を迂回させることにより、電波の減衰が小さくなる。また、電波方向変更手段は、電源などが不要であるので装置価格が安く、また配線工事が不要であるので設置コストも低い。したがって、仕切りにより隔てられた２空間の間での無線通信を低コストで実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の電波中継システムを病院に適用したときの第１の実施の形態の全体構成を示す図である。
【図２】図１に示した電波中継装置の構成を示す断面図である。
【図３】電波中継装置を図２の下方からみた透視図である。
【図４】図２に示した IV部の拡大断面図である。
【図５】電波中継装置を図２に示すＹ軸方向からみたときの側面形状を模式的に示す図である。
【図６】本発明の電波中継システムを病院に適用したときの第２の実施の形態の構成を示す図である。
【図７】図６に示した取付補助具の構成を示す斜視図である。
【図８】従来の無線ＬＡＮの構成例を示す図である。
【符号の説明】
１…壁（仕切り）、２Ａ…ナースステーション（第１の空間）、２Ｂ，２Ｃ…病室（第２の空間）、３…廊下（第３の空間）、４Ａ〜４Ｃ…出入口（境）、５Ａ〜５Ｃ…窓（境）、６…外部空間（第３の空間）、７Ａ〜７Ｃ…送受信器、８Ａ〜８Ｃ，８ＡＡ，８ＢＢ…電波中継装置（電波方向変更手段）、１０…パッチアンテナ、１１…誘電体板、１２…地板、１３…共振器、２０…モノポールアンテナ、２０Ａ…同軸線路、２１…内部導体、２２…誘電体、２３…外部導体、２４…ジャケット、３１…板、３２…カバー、３６…両面接着テープ（取付手段）、４０…取付補助具（取付手段）、４１…容器、４１Ａ…穴、４２…平板、４３…吸盤、Ｐ…給電点。

Claims

互いに共通の周波数帯で共振する２つのアンテナを備え、
前記２つのアンテナは、互いに電気的に接続され、かつ、一方のアンテナが受信した電波の方向を略９０゜変更して他方のアンテナから送信されるように配置され、
前記一方のアンテナは、誘電体板と、前記誘電体板の一方の面に形成され接地された導体板と、前記誘電体板の他方の面に形成され接地されていない導体板とを備えたパッチアンテナであり、
前記他方のアンテナは、モノポールアンテナであって、
前記接地された導体板及び前記誘電体板にそれぞれ設けられた開口部を通して前記接地されていない導体板に接続されることを特徴とする電波中継装置。
請求項１記載の電波中継装置において、
前記２つのアンテナを設置個所に固定する取付手段を更に備えたことを特徴とする電波中継装置。
仕切りにより隔てられた第１の空間から第２の空間へ、これら第１及び第２の空間の両方と隣接する第３の空間を経由して、電波を送信する電波中継システムであって、
前記第１の空間と前記第３の空間との境に設置され、前記第１の空間からの電波の方向を略９０゜変更する第１の電波方向変更手段と、
前記第２の空間と前記第３の空間との境に設置され、前記第１の電波方向変更手段からの電波の方向を略９０゜変更する第２の電波方向変更手段と
を備え、
前記第１及び第２の電波方向変更手段は、互いに共通の周波数帯で共振する２つのアンテナを備え、前記２つのアンテナは、互いに電気的に接続され、かつ、一方のアンテナが受信した電波の方向を略９０゜変更して他方のアンテナから送信されるように配置され、前記一方のアンテナは、誘電体板と、前記誘電体板の一方の面に形成され接地された導体板と、前記誘電体板の他方の面に形成され接地されていない導体板とを備えたパッチアンテナであり、前記他方のアンテナはモノポールアンテナであって、前記接地された導体板及び前記誘電体板にそれぞれ設けられた開口部を通して前記接地されていない導体板に接続されている電波中継装置、または、前記電波中継装置に更に前記２つのアンテナを設置個所に固定する取付手段を具備した装置であることを特徴とする電波中継システム。