JP4739362B2 - 通信用アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、無線通信に用いられる通信用アンテナ装置に関し、特に振動に起因する通信品質の低下を改善した通信用アンテナ装置に関するものである。

移動経路に沿って移動する移動体と、当該移動体の移動経路に沿って配設された漏洩伝送路を用いて前記移動体との間で無線通信を行う基地局とを備えた無線通信システムは一般に知られている。

このような無線通信システムにおいては、前記移動体が前記漏洩伝送路から一定間隔を保って移動しながら、これら移動体と基地局との間で通信が行われる。

この無線通信システムの例としては特許文献１がある。
特開２０００−１１２９４号公報

このような従来の無線通信システムでは、漏洩伝送路に並走する車両等の移動体に設置されたアンテナと漏洩伝送路との間で通信が行われるが、通常の使用状態では、特に通信品質が低下することはない。

しかし、パケット通信において、移動体が移動する際にアンテナが高周波振動を起こすと、通信エラーを生じることがある。この点について以下に説明する。

パケット通信においては、図２に示すようなフレーム構成のパケットが用いられる。なお、図２は８０２．１１ａのフレーム構成の例である。図示するように、パケットは、プリアンブル部とペイロード部とから構成されている。ここでは、リンク速度が５４Mbpsのときの時間として、１パケットが約２５０μｓとなっている。なお、この１パケットの時間長はリンク速度とデータサイズによって異なる。

プリアンブル部は、STS(ショートトレーニングシンボル)とLTS(ロングトレーニングシンボル)から構成されている。ペイロード部は、信号長や変調方式情報等を含むシグナル部と、伝送したい情報の本体を含むデータ部とから構成されている。

前記フレーム構成のパケットを用いたパケット通信においては、プリアンブル部を用いて、パケット信号検出、タイミング検出（同期）、キャリア周波数の誤差補正、基準振幅や位相の補正が行われる。

一方、前記移動体のアンテナは、前記漏洩伝送路に対して、一定間隔を保って平行移動されるが、移動体の移動に伴ってアンテナが振動すると、このアンテナと漏洩伝送路との間隔がアンテナの高周波振動によって変化することがある。この場合において、アンテナが高周波振動を起こしているときにパケット通信が行われると、このアンテナで受信する信号の振幅や周波数が変動することがある。そして、この信号の振幅や周波数の変動によって、受信信号と前記プリアンブル部の値との間で誤差が生じて、復調エラーを生じることがある。この復調エラーが生じると、通信品質が低下するという問題がある。

前記課題を解決するために本発明は、相対的に移動する第１通信装置及び第２通信装置と、一方の前記通信装置に設けられた漏洩伝送路とを有する無線通信システムの、前記漏洩伝送路に対向して他方の前記通信装置に設けられて無線通信を行う通信用アンテナ装置において、近接した前記漏洩伝送路との間で信号の送受信を行うアンテナ本体と、当該アンテナ本体を支持する前記通信装置のベース側部材と、当該ベース側部材及び前記アンテナ本体の間に設けられ前記無線通信に影響する前記アンテナ本体の、前記漏洩伝送路の電波輻射方向への高周波振動を抑制する制振機構とを備え、前記制振機構が、前記無線通信に影響する高周波振動を吸収する弾性部材を備えて構成され、前記弾性部材は、前記漏洩伝送路からの送信信号の振幅又は周波数が、前記アンテナ本体で受信される際に復調エラーを生じる程度の、前記漏洩伝送路と前記アンテナ本体との間隔の変動を起こす前記アンテナ本体の高周波振動を目標振動数としてそれ以上の振動を吸収して高い周波数で振動することができない特性を備えて構成されたことを特徴とする。

前記弾性部材は、弾性を有するチューブ状の部材にジェルや高分子ゲル等の部材を充填して構成されたことを特徴とする通信用アンテナ装置。

移動体の移動に伴う振動に起因する通信品質の低下を防止することができる。

以下、本発明の一実施形態について添付図面を参照して説明する。本実施形態に係る通信用アンテナ装置は無線通信システムに用いられる装置である。以下では、通信用アンテナ装置を含む無線通信システム全体について説明する。

この無線通信システム１１は図３に示すように主に、移動体１２、基地局（ＡＰ：Access Point）１３、漏洩伝送路１４（１４−１及び１４−２）、漏洩伝送路１４（１４−１及び１４−２）に接続する終端器１５（１５−１及び１５−２）、を有して構成される。なお、移動体１２と基地局１３とで、相対的に移動する第１通信装置及び第２通信装置を構成している。

移動体１２は、所定の経路に沿って移動するもので、この移動体１２の移動経路に沿って漏洩伝送路１４−１及び１４−２が延設されている。これにより、移動体１２は漏洩伝送路１４−１及び１４−２に沿って移動する。移動体１２としては例えば、無線搬送車等の車両、移動可能ロボットなどを適用することができる。

移動体１２は、指向性アンテナ１７及び１８と、無線通信端末１９とを少なくとも有して構成される。移動体１２において、無線通信端末１９は、各指向性アンテナ１７及び１８とそれぞれ接続されている。さらに、無線通信端末１９は、２個の指向性アンテナ１７及び１８の受信電波を調整する合成器２０（例えば、合成ダイバーシティなど）を備える。これにより、２個の指向性アンテナ１７及び１８の受信電波を合成することができるので、受信レベルの揺れを少なくすることができる。指向性アンテナ１７及び１８は、それぞれ指向性が異なるアンテナ部であり、例えば、平面アンテナ、八木アンテナなどを適用することができる。無線通信端末１９は、既存のシステムで用いられるものを適用することができる。合成器２０は、種々の既存技術を広く適用することができる。

指向性アンテナ１７は、漏洩伝送路１４−１の電波輻射方向に対向する指向性を有するものであり、また指向性アンテナ１８は、漏洩伝送路１４−２の電波輻射方向に対向する指向性を有するものである。さらに、これらの指向性アンテナ１７及び１８は、漏洩伝送路１４−１、１４−２に対して、例えば５０ｃｍ〜１ｍ程度の間隔を保って平行移動される。

ここで、指向性アンテナの指向方向が、漏洩伝送路の電波輻射方向と対向する場合と対向しないの場合との受信レベルの違いについて図４及び図５を参照しながら説明する。

図４及び図５は、移動体１２の指向性アンテナ２１での受信レベルを説明する説明図である。なお、図４及び図５では、説明便宜上、移動体１２が１個の指向性アンテナのみを備えた場合の受信レベルの変化を示す。

図４は、指向性アンテナ２１の指向方向が漏洩伝送路１４からの電波輻射方向に対向する場合を示す図である。また、図５は、指向性アンテナ２１の指向方向が漏洩伝送路１４からの電波輻射方向に対向しない場合を示す図である。

図４（Ａ）及び図５（Ａ）を参照すると、図４（Ａ）のように指向性アンテナ２１の指向性が漏洩伝送路１４の電波輻射方向と対向する場合、漏洩伝送路１４に平行に移動体１２が移動するときでも、移動体１２における受信レベルは比較的高く、かつ、受信レベルの変動幅は比較的少ない。これに対して、図５（Ａ）のように指向性アンテナ２１の指向性が漏洩伝送路１４の電波輻射方向と対向しない場合、受信レベルが比較的低く、かつ、受信レベルの変動幅は比較的大きくなる。

従って、漏洩伝送路１４−１及び漏洩伝送路１４−２のそれぞれの電波輻射方向に対向する指向性を有する２個の指向性アンテナ１７及び１８を備えることにより、漏洩伝送路１４−１を介する区間では移動体１２の指向性アンテナ１７の指向方向が漏洩伝送路１４−１の電波輻射方向と対向し、漏洩伝送路１４−２を介する区間では移動体１２の指向性アンテナ１８の指向方向が漏洩伝送路１４−２の電波輻射方向と対向するので、良好な通信が可能となる。

なおここでは、２個の指向性アンテナ１７及び１８を備える場合を例示したが、漏洩伝搬路１４−１及び１４−２の延設状況や適用状況等に応じて、３個以上の指向性アンテナを備えるようにしてもよい。

これらの指向性アンテナ１７及び１８は、後述する制振機構２３で支持されている。

基地局１３は、移動体１２が備える無線通信端末１９との間で通信を行う局装置であり、２本の漏洩伝送路１４−１及び１４−２のそれぞれの一端に接続されるものである。つまり、基地局１３は、２本の漏洩伝送路１４−１及び１４−２の両方と接続するものである。このように、複数の漏洩伝送路１４−１及び１４−２に基地局１３が接続することにより、１台の基地局１３が漏洩伝送路１４−１及び１４−２を介して無線通信する通信エリアを拡大することができる。勿論、基地局１３は３本以上の漏洩伝送路と接続するようにしてもよい。

各漏洩伝送路１４−１及び１４−２は、前記のように一端には共通の基地局１３が接続され、他端には終端器１５−１及び１５−２が接続されるものである。各漏洩伝送路１４−１及び１４−２は、例えば漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ；Leaky CoaXial Cable）や、漏洩導波管など既存のシステムに使用される漏洩伝送路を適用することができる。

また、２本の漏洩伝送路１４−１及び１４−２は、基本的にはそれぞれ同種類の漏洩伝送路を用いるが、使用態様によっては異なる種類の漏洩伝送路を適用してもよい。さらに、各漏洩伝送路１４−１及び１４−２は、移動体１２が備える漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）２と同種類のものであってもよいし、又は異なるものであってもよい。

基地局１３に接続する２本の漏洩伝送路１４−１及び１４−２は、基地局１３から反対方向に水平に延設されるものとして説明する。なお、各漏洩伝送路１４−１及び１４−２が反対方向に水平に延設される場合に限らず、ある漏洩伝送路に対して垂直方向に別の漏洩伝送路を延設したり、又はある漏洩伝送路に対して所定の角度をもって別の漏洩伝送路を延設したりしてもよい。

前記指向性アンテナ１７及び１８は、後述する制振機構２３と、支持金具２５とで、ベース側部材２４側に支持されている。なお、ベース側部材２４は、指向性アンテナ１７及び１８を支持するための移動体１２側の部材であって、移動体１２の本体フレーム等である。

制振機構２３は、指向性アンテナ１７及び１８の振動を制御するための機構である。具体的には、漏洩伝送路１４−１の電波輻射方向への指向性アンテナ１７及び１８の高周波振動を制御するための機構である。この制振機構２３の構成を以下に詳述する。

指向性アンテナ１７及び１８は、図１に示すように、制振機構２３を介してベース側部材２４に取り付けられている。即ち、これまでは図６に示すように、ベース側部材２４に指向性アンテナ１７及び１８が支持金具２５を用いて取り付けられていたが、本実施形態ではベース側部材２４と指向性アンテナ１７及び１８との間に制振機構２３を設け、この制振機構２３で指向性アンテナ１７及び１８の高周波振動を問題にならない程度まで抑える構成にした。

制振機構２３は、ベース側部材２４と指向性アンテナ１７及び１８との間に設けられたベース部材としての支持金具２５の中間位置に設けられている。即ち、制振機構２３は、支持金具２５の基端側部材２５Ａと先端側部材２５Ｂとの間に設けられている。制振機構２３は具体的には、支持金具２５の基端側部材２５Ａの先端部に取り付けられた基端側板部２７と、先端側部材２５Ｂの基端部に取り付けられた先端側板部２８と、これら基端側板部２７と先端側板部２８との間に取り付けられた弾性部材２９とから構成されている。

前記弾性部材２９としては、高周波振動を吸収できる部材を用いる。即ち、弾性部材２９としては、前記漏洩伝送路１４からの送信信号の振幅又は周波数がアンテナ本体である指向性アンテナ１７及び１８で受信される際に、復調エラーを生じる程度の変動を起こす前記指向性アンテナ１７及び１８の高周波振動を吸収する特性を備えた部材を用いる。この弾性部材２９は具体的には、天然ゴム系の部材、弾性を有する合成樹脂、ジェル、高分子ゲル等の高周波振動を吸収する機能の高い材料を用いる。これらの部材の成分調整等によって、目標振動数（復調エラーを生じる程度の指向性アンテナ１７及び１８の変動を起こす高周波振動）以上の振動を吸収して、この目標振動数よりも高い振動数で振動することができない特性に設定する。なお、ジェルや高分子ゲル等の部材の場合は、その部材単体で弾性部材２９を構成するのは難しい場合がある。この場合は、弾性を有するチューブ状の部材にジェル等を充填させて弾性部材２９を構成する。このチューブ状の部材は、伸縮性のあるゴム等の材料を用いる。

なおここでは、前記指向性アンテナ１７及び１８と、制振機構２３と、支持金具２５とで、通信用アンテナ装置が構成されている。

以上のように構成された無線通信システムは次のように動作する。なお、システム全体の動作は従来の無線通信システムと同様であるため、ここでは通信用アンテナ装置の部分を中心に説明する。

無線搬送車等の車両や移動可能ロボットなどである移動体１２は、基地局１３の漏洩伝送路１４−１及び１４−２に沿って移動しながら、荷物を搬送したり、ロボットアームで作業をしたりする。これと同時に、移動体１２は、漏洩伝送路１４−１及び１４−２に沿って移動しながら、通信も行う。

この移動体１２の移動中に通信において、移動体１２の移動に伴う移動体１２の振動で、指向性アンテナ１７及び１８も振動することがある。

この振動は、移動体１２のベース側部材２４から支持金具２５を伝って指向性アンテナ１７及び１８に伝わり、この指向性アンテナ１７及び１８を振動させる。このとき、支持金具２５では、基端側部材２５Ａから制振機構２３に伝わり、この制振機構２３で振動が問題にならない程度まで抑えられて先端側部材２５Ｂに伝わり、指向性アンテナ１７及び１８に伝わる。

制振機構２３では、支持金具２５の基端側部材２５Ａから伝わった振動は、基端側板部２７を介して弾性部材２９に伝わり、この弾性部材２９で問題にならない周波数まで減衰されて先端側板部２８に伝わり、支持金具２５の先端側部材２５Ｂを介して指向性アンテナ１７及び１８を問題にならない周波数で振動させる。

以上により、指向性アンテナ１７及び１８が高周波振動を起こしても、受信信号とパケットのプリアンブル部の値との間で誤差が生じることはなく、復調エラーによる通信品質の低下を防止することができる。この結果、良好な通信品質を保つことができる。

［試験例］
ここで、平面アンテナの振動周波数とスループットとの関係を試験した結果を説明する。ここでは、平面アンテナを振動試験機で振動させて、スループットを測定した。具体的には図７に示すように主に、対向して配設された２つの平面アンテナ１，２と、振動試験機３とを備えた。一方の平面アンテナ１は、基地局（ＡＰ）である漏洩伝送路に対応するものであって、装置内に固定されている。この平面アンテナ１は、基地局（ＡＰ）を介してコンピュータ４に接続され、試験信号が発信される。

他方の平面アンテナ２は、子局（クライアント）である移動体に対応するもので、振動試験機３に取り付けられている。この平面アンテナ２は子局（クライアント）を介してコンピュータ５に接続され、平面アンテナ２で受信した信号がコンピュータ５で処理される。

振動試験機３は、他方の平面アンテナ２を支持して高周波で振動させる装置である。この振動試験機３は、振動部６と、電力増幅器兼発信器７と、ブロワ８とを備えて構成されている。振動部６は、平面アンテナ２を直接振動させるための振動源である。電力増幅器兼発信器７は、振動部６を振動させる周波数の信号を発生させると共に、その信号を増幅するための装置である。ブロワ８は、振動部６に冷却用空気を送風して冷却するための装置である。この振動試験機３によって、他方の平面アンテナ２が高周波で振動される。

前記平面アンテナ１，２及び振動試験機３は、外部からのノイズ電波を除去するために電波暗室９内に収納されている。

この試験装置において、２つの平面アンテナ１，２の間隔は、５０ｃｍ、他方の平面アンテナ２の振幅は１．５ｍｍ、送信データサイズは１４００bytes、リンク速度は自動、送信方向は下り（基地局→子局）、測定時間は３００秒とした。そして、振動なし、振動周波数ｆ₁Hz、振動周波数ｆ_２Hzの３つのパターンでアンテナを振動させて試験した。その結果を図８〜図１０に示す。具体的な振動数は、移動体１２の使用環境等の諸条件によって異なるため、ここではランダムに設定した３つのパターンで試験した。

この試験の結果、振動がない場合、スループットは、図８に示すように、一定値に保たれ、良好な通信品質を保った。振動がｆ₁Hzの場合、スループットは、図９に示すように、試験開始当初から低い状態を１７０秒ほど維持した後、急に乱れて不安定になり、良好な通信品質が得られなかった。振動がｆ_２Hzの場合、スループットは、図１０に示すように、試験開始当初から乱れて不安定になり、良好な通信品質を得られなかった。

この試験結果から分かるように、理想的には平面アンテナ２が振動しないのが望ましい。しかし、移動体は移動するため、平面アンテナ２は必ず振動し、振動しない状態は考えられない。また、振動周波数ｆ_２Hzの場合は、試験開始当初からスループットの値が乱れて不安定であった。振動周波数ｆ₁Hzの場合は、当初から１７０秒間くらいはスループットの値が低くかったが、その後乱れて不安定になった。このことから分かるように、振動周波数ｆ_２Hz前後で平面アンテナ２が振動すると、通信品質が大きく悪化することが分かる。

このように、アンテナが高周波振動を起こすと、パケット構造等に起因して通信品質が悪化する。

なお、ここでは３つの振動周波数パターンでアンテナを振動させて試験したが、多数の振動周波数パターンでアンテナを振動させて試験することが望ましい。これにより、各アンテナの特性に応じて、通信品質に悪影響を及ぼす振動周波数を特定して、アンテナの振動が前記振動周波数よりも低い振動周波数になるように、制振機構２３の弾性部材２９の特性を設定する。

このように、弾性部材２９として、前記漏洩伝送路１４からの送信信号の振幅又は周波数がアンテナ本体である指向性アンテナ１７及び１８で受信される際に、復調エラーを生じる程度の変動を起こす前記指向性アンテナ１７及び１８の高周波振動を吸収する特性を備えた部材を用いると、通信品質の悪化を防止できる。

［変形例］
前記実施形態では、制振機構２３として図１に示す構成例を説明したが、本発明はこれに限らず、図１１や図１２のように構成でもよい。図１１の制振機構３１は、ベース側部材２４と指向性アンテナ１７及び１８との間に設けられた、側面形状が四角形の中実の弾性部材３２で構成されている。この弾性部材３２としては、前記実施形態の弾性部材２９と同様の材料を用いることができる。

また、図１２の制振機構３３は、ベース側部材２４と指向性アンテナ１７及び１８との間に設けられた、側面形状が棒状の２つの弾性部材３４で２点支持する構成となっている。この弾性部材３４としては、前記実施形態の弾性部材２９と同様の材料を用いることができる。

前記実施形態では、制振機構２３を指向性アンテナ１７及び１８の振動を抑制するために用いたが、本発明の制振機構２３は、これに限らず、振動を抑制する必要のある全てのアンテナに適用することができる。

また、図１３に示すように、指向性アンテナ１７及び１８を弾性紐３６で弾性的に吊り下げるようにしてもよい。弾性紐３６は、４本のベース側部材２４で支持され、指向性アンテナ１７及び１８を８方向から弾性的に支持する。また、弾性紐３６は、電磁波に影響を及ぼさない非金属製のコイルスプリングやゴム紐等を用いる。これによっても、高周波振動が指向性アンテナ１７及び１８に伝わるのを防止することができる。なお、ベース側部材２４を２本、弾性紐３６を４本又は２本で支持しても良い。これによっても、指向性アンテナ１７及び１８を弾性的に支持することができる。

また、図１４に示すように、指向性アンテナ１７及び１８を弾性部材３７に埋め込んでもよい。弾性部材３７は容器３８に充填されている。弾性部材３７としては、容器３８に充填されるジェルや高分子ゲル等の流動体や、シリコンゴム等の弾性体等を用いることができる。なお、シリコンゴム等の弾性体を用いる場合は、シリコンゴム等で指向性アンテナ１７及び１８の周囲を覆った状態で、容器３８を設けずに、シリコンゴム等を直接支持するようにしてもよい。ジェルや高分子ゲル等の流動体を用いる場合は、この流動体を容器３８に充填して指向性アンテナ１７及び１８を流動体の中に浸して吊り下げることになる。この場合、前記弾性体や流動体は、電磁波の伝搬に影響を及ぼさない特性を備えたものを用いる。

本発明の実施形態に係る通信用アンテナ装置を示す側面図である。 無線通信に用いられるパケットのフレーム構成例を示す模式図である。 本発明の実施形態に係る無線通信システムを示す概略構成図である。 指向性アンテナの指向方向が漏洩伝送路からの電波輻射方向に対向する場合の受信レベルを示す図である。 指向性アンテナの指向方向が漏洩伝送路からの電波輻射方向に対向しない場合の受信レベルを示す図である。 指向性アンテナをベース側部材に直付けした状態を示す側面図である。 振動試験装置を示す構成図である。 指向性アンテナに振動を与えないで試験した場合のスループットと測定時間との関係を示すグラフである。 指向性アンテナにｆ₁Ｈｚの振動を与えて試験した場合のスループットと測定時間との関係を示すグラフである。 指向性アンテナにｆ_２Ｈｚの振動を与えて試験した場合のスループットと測定時間との関係を示すグラフである。 本発明の第１変形例に係る通信用アンテナ装置を示す側面図である。 本発明の第２変形例に係る通信用アンテナ装置を示す側面図である。 本発明の第３変形例に係る通信用アンテナ装置を示す側面図である。 本発明の第４変形例に係る通信用アンテナ装置を示す側面図である。

符号の説明

１１：無線通信システム、１２：移動体、１３：基地局、１４：漏洩伝送路、１５:終端器、１７、１８：指向性アンテナ、１９：無線通信端末、２０：合成器、２１：指向性アンテナ、２３、制振機構、２４：ベース側部材、２５：支持金具、２５Ａ：基端側部材、２５Ｂ：先端側部材、２７：基端側板部、２８：先端側板部、２９：弾性部材。

Claims (2)

1. 相対的に移動する第１通信装置及び第２通信装置と、一方の前記通信装置に設けられた漏洩伝送路とを有する無線通信システムの、前記漏洩伝送路に対向して他方の前記通信装置に設けられて無線通信を行う通信用アンテナ装置において、
   近接した前記漏洩伝送路との間で信号の送受信を行うアンテナ本体と、当該アンテナ本体を支持する前記通信装置のベース側部材と、当該ベース側部材及び前記アンテナ本体の間に設けられ前記無線通信に影響する前記アンテナ本体の、前記漏洩伝送路の電波輻射方向への高周波振動を抑制する制振機構とを備え、
   前記制振機構が、前記無線通信に影響する高周波振動を吸収する弾性部材を備えて構成され、
   前記弾性部材は、前記漏洩伝送路からの送信信号の振幅又は周波数が、前記アンテナ本体で受信される際に復調エラーを生じる程度の、前記漏洩伝送路と前記アンテナ本体との間隔の変動を起こす前記アンテナ本体の高周波振動を目標振動数としてそれ以上の振動を吸収して高い周波数で振動することができない特性を備えて構成されたことを特徴とする通信用アンテナ装置。
2. 請求項１に記載の通信用アンテナ装置において、
   前記弾性部材が、弾性を有するチューブ状の部材にジェルや高分子ゲル等の部材を充填して構成されたことを特徴とする通信用アンテナ装置。

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