JP4783904B2 - 通信装置、通信用シート、および通信用ストリップ - Google Patents

Description

本発明は、短距離間を無線通信に適した短距離ワイヤレス伝送路に関する。

インターネット等のコンピュータ通信網や、種々の形態の情報ネットワークが利用されている。このような種々のネットワークにおいて一般的な利用形態として、例えば１０ＢＡＳＥ−Ｔ規格や１００ＢＡＳＥ−Ｔ規格のＬＡＮケーブルを直接接続したり、ＩＥＥＥ８０２．１１規格等の無線を用いて接続することによってＬＡＮを形成し、ルータ等を介してＬＡＮ内に接続するコンピュータと外部との通信を行う構成が知られている。

ＬＡＮケーブルを用いてコンピュータとの接続を行う場合、ＬＡＮケーブルを引き回して敷設する必要がある。このＬＡＮケーブルによる通信では、ＬＡＮケーブルの敷設に伴って、歩行や他の装置の配置等の物理的な影響や、美観の問題、あるいはコスト面での問題が指摘されている。

一方、このような有線によるＬＡＮケーブルの他に、無線ＬＡＮを用いる通信も利用されている。しかしながら、この無線ＬＡＮでは、電波の放射を利用して通信を行うため、情報の漏洩や侵入等の可能性があり、セキュリティの面で問題がある他、他の電気機器との間で生じる電磁波干渉の問題がある。

近距離通信においては、情報の漏洩、侵入や電磁波干渉の影響を低減するには、電波を一部の領域内に閉じ込め、他との干渉を抑制するとともに、領域内での装置間の通信を容易に行うことが求められる。

無線装置間の干渉は、他の装置からの電波強度を下げる、あるいは自装置に強度を増加することによって解消することができるが、このためには、送信電力の調整が必要であり、各装置の送信電力を調整する装置を新たに加える必要があり、装置構成が複雑化することになる。

また、電波はその性質上空間に広がるため、電波を閉じ込めるには遮断領域が必要となるため大型の装置が必要となる。この電磁波の閉じ込めを近似的に実現するものとして、例えば、漏洩同軸線を張り巡らし、この漏洩同軸線の近傍に電波の結合素子を配置することによって端末装置の近距離通信を行うことが考えられるが、漏洩同軸線の配設位置の近傍にある装置としか通信を行うことができず、装置を任意の位置に配置することができない等の実用上の点で問題がある。

また、漏洩同軸ケーブルをスパイラル状に配置することによって、装置との通信領域を拡大することが考えられるが、漏洩同軸ケーブルは取り扱いの点で難があるという問題がある。

また、上記した有線ＬＡＮによるコードの敷設等の問題や、無線ＬＡＮによる情報漏洩等の問題を、２次元状の通信用シートを用いることで解決することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

この特許文献１には、複数の近接結合部と複数の中継通信部とを平面上に配置する通信用シートが開示されており、近接接合部は、他の情報通信機器と接触又は近接した場合に通信を行い、中継通信部は、隣り合う中継通信部と通信する。この構成によって情報通信器が近接結合部に接触又は近接した場合、この近接結合部を介して情報通信機器との間で通信を行う。

ここで、この特許文献１に記載される近接接合部は、一種のコンデンサを形成する容量結合、一種のトランスを形成する誘導結合、あるいは光信号で通信を行う光結合等を用いることで、電波放射による情報漏洩を解決するものであり、アンテナを用いる電波放射による無線結合や、ケーブルを用いる有線結合と異なるものであると説明されている。
特開２００６−１９９７９号公報 "Proximity Coupled Power Combiner/Divider Using Parasitic Element", Hiroyuki Arai and Tasuto Itoh, 1997 Asia-Pacific Microwave Conference Proceedings, Vol. II of III, December 2 - 5, 1997, Hong Kong, PRC, 5P16-3, p1133 - p1136

近距離通信において、情報の漏洩や侵入、電磁波干渉の影響等を低減するものとして、上記したように、漏洩同軸ケーブルを利用する構成や、２次元状の通信用シートを用いる構成が提案されている。

しかしながら、漏洩同軸ケーブルを利用する構成では、装置を設置する位置が制限されたり、取り扱いに難がある等の問題がある。

また、特許文献１において提案される２次元状の通信用シートを用いる構成では、電波放射による無線結合やケーブルによる有線結合に代えて、容量結合、誘導結合、あるいは光結合によって通信を行うものであるため、この通信に用いる近接接合部を平面上に複数配置する必要があり、さらに、これらの近接接合部を複数の中継通信部によって繋ぐ必要がある。

そのため、多数の近接接合部や中継通信部が必要となるという問題があり、また、容量結合や誘導結合では、通信用シート上に複数の装置を載せたとき、目的とする装置以外の容量素子がう誘電素子との間においても結合が行われる可能性があるため、目的としない信号が侵入してノイズ分となるおそれがある等の問題がある。

また、近接接合部からはずれた位置では通信が困難となるため、近接接合部の配置密度を高める必要があり、コストの上昇を招く要因となる。

そこで、本発明は前記した従来の問題点を解決し、電波を一部の領域内に閉じ込め、他との干渉を抑制するとともに、領域内での装置間の通信を容易に行うことを目的とする。

本発明は、面状の共振器を２次元配列する構成とすることで、面内において電波を伝搬させると共に、外部の無線装置の受信アンテナを共振器に近接させることで、外部の無線装置から放射される電波の面内への取り込み、および無線装置への電波の取り出しを、１次元あるいは２次元配列の任意の位置で行う。

本発明の構成は、通信を行おうとする既存の装置に対して新たな装置を追加することが不要であり、単に通信装置を備えるシートやストリップ等のパッシブな部材を配置し、この部材に近接させるだけで、装置間の通信を行うことができる。

また、本発明の通信装置は、共振器を用いて通信を行うものであって、この共振器の共振帯域を絞ることによって、他の通信システムとの干渉を減少させ、情報の漏洩や侵入を簡易な構成で防ぐことができる。

本発明の通信装置は、導電板により共振器を形成し、複数の共振器を所定間隔を開けて１次元又は２次元に分散配列させ、この分散配列させた共振器間の高周波電流結合、および共振器と外部に設けた通信素子との間の高周波電流結合によって、電磁波による無線通信を行う。

また、本発明の通信装置は、共振器の分散配列を層状に配置し、第１の層は導電板を互いに所定の間隔を１次元又は２次元に互いに間隔を開けて配列し、第２の層は導電板を互いに所定の間隔を１次元又は２次元に互いに間隔を開けて配列するとともに、第１の層の導電板と配列方向に位置をずらして配列する。なお、共振器を配列した層の最上層には絶縁層を設けてもよい。

本発明の複数の共振器の分散配列は、通信装置内において共振器の配列方向の無線通信を行うとともに、外部に配置する機器との間で無線通信を行う。この２つの無線通信において、共振器の配列方向の無線通信は、互いに隣接する共振器間の高周波電流結合により行う。一方、外部機器との無線通信は、各層の共振器と外部に設けた通信素子と間の高周波電流結合により行う。各共振器の層は、誘電体層に導電板を配置して形成することができる。

層状に形成する共振器において、第１の層および第２の導電板は矩形状のパッチ共振板とすることができる。この第１の層のパッチ共振板の寸法は共振器の共振周波数の波長に基づいて定める。例えば、共振器の共振周波数によって定まる波長を整数で除算することで得られる長さとすることができる。例えば、共振波長λの半波長、あるいは１／４波長とすることができる。

一方、第２のパッチ共振板の寸法は、前記した共振周波数における挿入損失を少なくするように定める。

本発明の通信装置が備える共振器は、複数の共振周波数を有する多重共振特性を備え、これにより複数の周波数による伝送を行う。

また、本発明の通信装置が備える共振器は、複数の共振周波数を有する多重共振特性を備え、この多重共振特性で定まる複数の周波数により多重通信を行うことができる。共振器の多重共振特性は、共振器を構成する矩形状のパッチ共振板の形状によって持たせることができる。例えば、パッチ共振板の導電板にスリットを形成し、このスリットにより複数の共振周波数を形成し、これにより通信装置に多重共振特性を持たせることができる。

また、共振器の層と対向してグラウンド層を備え、このグラウンド層と共振器の層との間で形成する導波路は、第２の層に配列される導電板の間隔を通して外界に開放した開放導波路を形成する。

さらに、本発明は通信用シートあるいは、通信用ストリップの形態とすることができる。

本発明の通信用シートは、本発明の通信装置を備え、この通信装置を形成する層材、又は支持部材を、柔軟性を有するシート材により形成する。このシート材上に外部の通信素子を近接させることで２次元の通信を行う。

通信用シートは、ほぼ平面状の形態であって、その形状は矩形に限らず任意の形状とすることができる。また、通信用シートに柔軟性を持たせることで、机上に載置して使用する使用形態に限らず、凹凸がある立体形状の物体に載置あるいは貼り付けて使用する使用形態とすることもできる。

また、本発明の通信用ストリップは、本発明の通信装置を備え、この通信装置を形成する各層の層材、又は支持部材を、柔軟性を有するストリップ材により形成し、このストリップ上に外部の通信素子を近接させることで１次元での通信を行う。

なお、ここでは、１次元の通信で云う１次元は、必ずしも直線状の構成に限らず曲線状であってもよく、また、同一平面に配列される構成に限らず湾曲した曲面に配列され線状配列であってもよい。

また、２次元の通信で云う２次元についても、必ずしも同一平面に配列される構成に限らず湾曲した曲面に配列されるものであってもよい。

本発明の通信装置を備える通信用シートによれば、例えば、マウスやキーボード等のオフィスで使用するＰＣ（パーソナルコンピュータ）用無線機器を通信用シート上に置き、共振周波数を用いて通信を行うことで、各無線機器間の通信を簡易に行うことができ、さらに、他装置との干渉や、情報漏洩を防ぐことができる。

また、本発明の通信装置を備える通信用シートや通信用ストリップによれば、人体等の複雑であり、また形状が変形するようない対象体であっても、この対象物上に通信用シートや通信用ストリップを貼り付け、この通信用シートや通信用ストリップの任意の位置に外部通信装置を近接させるだけで通信を行うことができ、例えば、人体に取り付けたセンサの形成信号を簡易に取り出すことができる。また、この構成によれば、通信機器を取り付けることなく、また、コードを懸架させることになるため、取り扱いが極めて容易である。

また、本発明の通信装置は、医療分野にも好適であり、前記したように、使用者に取り付けたセンサの測定信号をコードレスで取り出すことができる。また、通信用シートをベッド上に敷き、人体に取り付けたセンサの検出信号を通信用シートに取り出し、さらに、通信用シートの任意の位置に外部通信機器のアンテナを近接させることで、検出信号を通信用シートから取り出すことができる。特に、背中に取り付けたセンサなど、人体に姿勢によって検出信号の取り出しが難しい場合であっても、容易に行うことができる。

なお、本発明の発明者は、本発明の通信装置に類似する構成を備えた結合器および分配器を非特許文献１に開示している。この非特許文献１に開示する結合器および分配器は、パッチ電極間を結合して共振器を構成し、これによって固定ポート間における電磁波の結合、あるいは固定ポート間における電磁波の分配を行うものである。

この非特許文献１では、固定ポート間において、電磁波を結合あるいは分配することは開示するものの、本発明のように、共振器と外部の通信素子との間において、高周波電流によって無線通信を行う構成や技術思想については開示していない。また、これによって、電波を一部の領域内に閉じ込め、他との干渉を抑制して情報の漏洩や侵入を防ぐ点についても、領域内の任意の位置において通信を容易に行うという作用効果についても開示するものではない。

また、本発明の通信装置は、共振器の共振帯域を制限することで、他の通信装置との干渉を制限することができるという格別な作用効果を有するが、上記した特許文献１や非特許文献１には、この点について開示も示唆もされていない。

以上説明したように、本発明によれば、電波を一部の領域内に閉じ込め、他との干渉を抑制するとともに、領域内での装置間の通信を容易に行うことができる。

以下、本発明の実施の形態について、図を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の通信装置の概略を説明するための概略図である。なお、ここでは、２次元構成の通信装置について示しているが、１次元構成の通信装置についても適用することができる。

この通信装置１は、無線通信を行う外部装置２０が備えるアンテナ（図示していない）と、通信装置１が備える共振器間の高周波電流による結合、および共振器と外部の通信機器が備える通信素子（アンテナ）との間の高周波電流による結合によって行うものであり、自由空間における伝搬損失よりも低い伝搬損失で伝送を行うことができる。そして、この通信装置１によれば、通信に用いる周波数は、共振器の共振周波数の帯域内に制限することができるため、情報漏洩や侵入を良好に抑制することができるとともに、センサモニタやウエアラブルなネットワーク等の無線通信を行う通信機器との間で高周波通信を行うことができる。

本発明の通信装置１は、互いに強く結合した複数のマイクロストリップの共振器を備え、これらの共振器を層状にアレイ配置することによって構成するものであり、電磁波の分布を面（２次元の場合）あるいは線（１次元の場合）の近傍に集中的させ、これによって、これら共振器に近接して配置された無線機器の通信素子（アンテナ）との間のアクセスを容易として、これによって無線機器との近距離通信を行わせるものである。また、通信装置１と無線機器との間は、共振器と通信素子（アンテナ）との間の高周波電流による結合によるものであり、通信周波数は共振器の共振周波数の帯域内で行い、この帯域外の周波数では大きく減衰するため、この共振器の共振帯域を制限することで、他の通信装置との干渉を制限することができる。

図１において、通信装置１は、１次元で実現する場合にはストリップ状の通信用ストリップの形態とすることができ、また、２次元で実現する場合にはシート状の通信用シート１０の形態とすることができる。図１は通信用シート１０の形態の例を示している。

通信用シート１０は、テーブル５０等の上に敷いて用いることができる。この通信用シート１０上には、互いに通信を行う外部装置２０ａ〜２０ｅを配置することができる。外部装置としては、例えば、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２０ａ、ディスプレイ装置２０ｂ、マウス２０ｃ、プリンタ装置２０ｄ、スキャナ２０ｅがある。なお、これらの外部装置は一例を例示したに過ぎず、これらに限られるものではなく、また、必ずしもパーソナルコンピュータに関連する装置である必要もない。要は、互いに通信を行う装置であればよい。

これらの外部装置２０ａ〜２０ｅ間の通信は、通信用シート１０が備える通信装置１を介して行う。例えば、外部装置２０ａから外部装置２０ｂに信号を送信する場合には、外部装置２０ａのアンテナから通信用シート１０が備える通信装置１に送信し、通信装置１は通信用シート１０内を伝送する。外部装置２０ｂは、外部装置２０ｂのアンテナを介して通信装置１から信号を受信する。また、外部装置２０ｂから外部装置２０ａへの送信も同様に行うことができ、通信用シート１０上に載置される外部装置２０間であれば同様に送受信を行うことができる。

なお、各外部装置２０ａ〜２０ｅは、通信装置１が備える共振器との間で高周波電流結合を行うために、共振器の共振帯域を含む帯域の信号を授受することができる通信素子（アンテナ）を備える。また、その帯域の信号を信号処理する信号回路によって、通信装置１を介して外部装置間の通信を行う。

また、図１に示す構成において、テーブル５０上において、通信用シート１０から外れた位置に配置される外部装置２０ｆは、通信用シート１０が備える通信装置１からの距離が大きいため、外部装置２０ｆのアンテナと通信装置１が備える共振器との結合が小さくなる。そのため、外部装置２０ｆは通信装置１との間で伝送を行うことはできない。

したがって、本発明の通信装置１によれば、通信用シート１０上に載置する外部装置であって、共振器の共振周波数の帯域を含む通信素子を有するものに限って伝送を行うことができ、通信用シート１０上に載置されない外部装置や、共振器の共振周波数の帯域を含む通信素子との干渉を抑制し、情報の漏洩や侵入を防ぐことができる。

図２は、本発明の通信装置１を備える通信用シート１０の一構成例を示す図である。図２において、通信用シート１０は、重ねられた２つの層（第１の層３および第２の層４）を備え、層にはマイクロストリップの共振器２が、所定間隔を開けてアレイ状に配置されている。なお、図２では、第１の層３の上に第２の層４を重ね、第１の層３には共振器を構成するパッチ共振板２ａの導電板がアレイ配置され、第２の層４にはパッチ共振板２ｂを構成する導電板がアレイ配置されている。なお、第２の層４の上層には絶縁体層（図示していない）を設けてもよい。

層状に配置されたパッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂは高周波的に結合することで、１次元あるいは２次元に配置された複数のパッチ共振板全体が結合された状態となる。また、層状に配置されたパッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂとの間には開放された導波路が形成される。この開放導波路は、上層に配置されるパッチ共振板２ｂの間に形成される離隔部分を通して外部に露出している。

図３は、本発明の通信装置１が構成する開放導波路を説明するための概略図である。図３において、第１の層３にはパッチ共振板２ａの導電板がアレイ配置されて共振器が形成され、第２の層４にはパッチ共振板２ｂを構成する導電板がアレイ配置される。第２の層４は第１の層３の上に所定距離を離して重ねることで層が形成される。

ここで、パッチ共振板２ａの導電板の大きさは、共振器の共振周波数に基づいて定められる。共振周波数による波長λに対して、共振器を構成する導電板の大きさａ（又はｂ）は例えばｎａ（又はｎｂ）＝λの関係から定めることができる。なお、ｎは整数であり、ｎが２の場合には導電板の大きさａ（又はｂ）は半波長λ／２に相当し、ｎが４の場合には導電板の大きさａ（又はｂ）は４分の１半波長λ／４に相当する。なお、導電板の大きさａおよび大きさｂは、導電板への高周波電流の供給端の接続位置によるＥplaneあるいはＨplaneでの励振によって異なる。

また、パッチ共振板２ｂの寸法は、このパッチ共振板２ｂ挿入したことによる挿入損失が少なくなるように設定することができる。

図３において、パッチ共振板２ａの導電板は所定距離を開けてアレイ状に配列され、また、パッチ共振板２ｂを構成する導電板についても所定距離を開けてアレイ状に配列される。このパッチ共振板２ｂのアレイ配列において、隣接するパッチ共振板２ａの一部が積層方向で重なるようにパッチ共振板２ａの導電板の間に配置される。この配置によって、第２の層４のパッチ共振板２ｂ間の離隔部分を通して、第１の層３のパッチ共振板２ａの導電板が外部に露出するように形成される。

上記構成において、例えば、パッチ共振板２ａの導電板の一つに高周波信号を供給すると、高周波電流結合によって隣接するパッチ共振板２ａの導電板に同じ共振周波数の高周波信号が流れる。なお、このとき、第２の層のパッチ共振板２ｂは、第１の層のパッチ共振板２ａと一部が重なるように配置されているため、第１の層のパッチ共振板２ａは第２の層のパッチ共振板２ｂとの高周波電流結合し、次に、この第２の層のパッチ共振板２ｂは隣接する第１のパッチ共振板２ａと高周波電流結合する。

さらに、このパッチ共振板に隣接するパッチ共振板２ａについても同様に同じ共振周波数の高周波信号が流れ、アレイ状（あるいは１次元では直線状）に配置された複数の共振器全体が高周波電流結合される。

なお、第１の層のパッチ共振板２ａの導電板と、第２の層のパッチ共振板２ｂの導電板間の空間には、下層に設けたグラウンド層との間の電界によって導波路が形成される。この導波路は、第１の層３と第２の層４との間の空間内に閉じ込められが、隣接するパッチ共振板２ｂの導電板は間隔を開けて配置されているため、この導電板間に隙間によって開放導波路を形成することになる。

外部装置が備えるアンテナ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃは、層状に形成された通信装置１の上方に近接させて配置され、共振器を構成するパッチ共振板２ａ，２ｂとの間で高周波電流結合することで通信を行う。

図３では、ダイポールアンテナ２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃを、第２の層４のパッチ共振板２ｂ、第１の層のパッチ共振板２ｂの導電板の上方に配置した例を示している。なお、ここでは、通信素子としてダイポールアンテナの例を示している。

本発明の通信装置１では、外部の通信素子はパッチ共振板との間の高周波電流結合することで通信を行うため、通信素子は通信装置１に対して任意の位置で通信を行うことができ、通信装置１に対して配置する位置が制限されることはない。。

以下、本発明の形態について、図４〜図１６を用いて説明する。なお、図４〜図６は共振器の配列の基本構成を示し、図７〜図９は共振器の一次元配列の構成を示し、図１０〜図１６は共振器の二次元配列の構成を示している。なお、図１０〜図１３は、第１の層の導電板を４枚とし第２の層の導電板を１枚とした構成例であり、図１３，１４は、第１の層の導電板を９枚とし第２の層の導電板を４枚とした構成例であり、図１５，１６は、第１の層の導電板を１６枚とし第２の層の導電板を９枚とした構成例である。

はじめに、図４〜図６を用いて共振器の配列の基本構成を説明する。図４に示す通信装置１Ａの構成は１次元配列の例であり、第１の層３に配列する一対のパッチ共振板２ａと、この第１の層３の上方に誘電体を介して上層に設ける第２の層４に配列するパッチ共振板２ｂとを備える。パッチ共振板２ａ及びパッチ共振板２ｂは、所定の大きさの導電板で構成することができる。第２の層４の上層には絶縁体層７を設ける。また、誘電体の下層にグラウンド層を設けてもよい。なお、以下に説明する図面では、絶縁体層、グラウンド層は省略して示す。

図４（ａ）は絶縁体層７を示し、図４（ｂ）は第２の層４を示し、図４（ｃ）は第１の層３を示し、図４（ｄ）は第１の層３と第２の層４と絶縁体層７とを積層した状態を示し、図４（ｅ）は通信装置１Ａの断面を示している。

なお、図４に示すパッチ共振板２ａの寸法は、共振周波数を５ＧＨｚとしたときの設計値を示し、また、パッチ共振板２ｂとの寸法は、このときの挿入損失が低くなるように設定する。また、パッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂとの間に設ける誘電体は、誘電率εｒを２．６とし、厚さを０．８ｍｍとし、パッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂとの間のｚ方向の間隔は８．４ｍｍとしている。

また、図４中に示すＬはポート間の最短距離であり、パッチ共振板２ａのアレイ配列において、パッチ共振板２ａの枚数が２枚の場合には４０．４ｍｍとなる。また、パッチ共振板２ａの枚数が３、４，８枚の場合には、このポート間の最短距離Ｌは、それぞれ６０．８ｍｍ，８９．２ｍｍ，１８６．８ｍｍとなる。

この構成において、ポート１からポート２への伝搬損失特性を表すＳ21パラメータを図５に示す。図５において、符号Ａと符号ａで示す特性は、それぞれパッチ共振板２ａが２枚のときの、本発明のアレイ配置による通信装置のＳ21パラメータと自由空間伝搬損失のＳ21パラメータとを示している。また、同様に、符号Ｂと符号ｂ、符号Ｃと符号ｃ、および符号Ｄと符号ｄで示す特性は、それぞれパッチ共振板２ａが３枚、４枚、および８枚のときの、本発明のアレイ配置による通信装置のＳ21パラメータと自由空間伝搬損失のＳ21パラメータとをそれぞれ示している。

なお、ここでは、入力ポートと出力ポートは、それぞれパッチ共振板２ａに対して整合が十分にとられ、反射損失はないものとする。

この設計例では、共振周波数は５ＧＨｚとする例であり、この共振周波数付近での伝搬損失を、本発明の通信装置による伝搬と自由空間を通したとき伝搬とで比較すると、自由空間伝搬損失ＰLは１５ｄＢ以上であるのに対して、本発明の通信装置による伝搬損失Ｐwは３ｄＢ以下である。

図６は、共振周波数５ＧＨｚにおける伝搬損失の差ΔＬ＝Ｐw−ＰLは示している。図６のシミュレーション結果は、本発明の通信装置は十分に有効な伝送特性を示している。また、共振周波数５ＧＨｚにおいて、伝搬損失が放射損失よりも少なくなるバンド幅は７６．８％である。

図４〜図６を用いて示した構成における伝搬損失は、各ポートにおける結合が理想的な場合を想定している。

本発明の通信装置を用いて外部の通信機器と無線通信を行う場合には、本発明の通信装置の導波路と外部通信機器のアンテナとの間の結合を考慮する必要がある。図７〜図９を用いて、本発明の通信装置と外部通信機器のアンテナとの間の結合について説明する。

ここでは、図７に示すように、入力ポート及び出力ポートとして２つのダイポールアンテナ２２Ａ，２２Ｂを用い、このダイポールアンテナ２２Ａ，２２Ｂを５つのパッチ共振板２ａを配列してなる開放導波路の通信装置１Ｂ上に配置する。ここで、ダイポールアンテナ２２Ａ，２２Ｂの共振周波数は５ＧＨｚとし、開放導波路の両端の端部に配置したパッチ共振板２ａの上方に距離ｈを開けて配置するものとする。

図７（ａ）は第２の層４を示し、図７（ｂ）は第１の層３を示し、図７（ｃ）は第１の層３と第２の層４とを積層した状態を示し、図７（ｄ）は通信装置１Ｂの断面を示している。

上記構成において、ダイポールアンテナ２２Ａ，２２Ｂ間のＳ21パラメータをシミュレートした結果を図８，図９に示す。図８は、アンテナとの共振器との距離ｈ＝５〜３０ｍｍにおける伝搬損失特性（Ｓ21パラメータ）を示し、図９は各距離ｈにおける伝搬損失の差ΔＬ＝Ｐw−ＰLを示している。なお、図８において、破線は自由空間伝搬損失ＰLを示している。伝搬損失特性（Ｓ21パラメータ）の増加は、およそ５ｄＢであることを示している。

次に、２次元配列の例について示す。図１０〜図１２は、共振器を二次元配列する場合の基本構成を示している。図１０に示す通信装置１Ｃは２次元配列の基本構成であり、第１の層３に配列する４つのパッチ共振板２ａと、この第１の層３の上方に誘電体を介して上層に設ける第２の層４に配列する１つのパッチ共振板２ｂとを備える。パッチ共振板２ａ及びパッチ共振板２ｂは、所定の大きさの導電板で構成することができる。

なお、図１０に示すパッチ共振板２ａの寸法（１８ｍｍ）は、共振周波数を５ＧＨｚとしたときの設計値を示し、また、パッチ共振板２ｂとの寸法（２４ｍｍ）は、このときの挿入損失が低くなるように設定する。また、パッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂとの間に設ける誘電体は、誘電率εｒを２．６とし、厚さを０．８ｍｍとし、パッチ共振板２ａとパッチ共振板２ｂとの重なり部分は３．８ｍｍとし、隣接するパッチ共振板２ａ間の距離は１６．４ｍｍとしている。

図１０（ａ）は第１の層３と第２の層４とが分離した状態を示し、図１０（ｂ）は第１の層３と第２の層４とを積層した状態を示し、図１０（ｃ）は通信装置の断面を示している。

また、図１０において、Ｌは２つのポート（ポート１とポート２）の間の最短距離であり、パッチ共振板２ａのアレイ配列において、パッチ共振板２ａを１×２で配列した場合には５２．４ｍｍとなる。また、パッチ共振板２ａを２×２、３×３、４×４で配列した場合には、このポート間の最短距離Ｌは、それぞれ６２．７ｍｍ，１０３．９ｍｍ，１５９．２ｍｍとなる。

この構成において、ポート１からポート２への伝搬損失特性を表すＳ21パラメータを図１１に示す。図１１において、符号Ｅと符号ｅで示す特性は、それぞれパッチ共振板２ａを１×２配列したときの、本発明のアレイ配置による通信装置のＳ21パラメータと自由空間伝搬損失のＳ21パラメータとを示している。また、同様に、符号Ｆと符号ｆ、符号Ｇと符号ｇ、および符号Ｈと符号ｈで示す特性は、それぞれパッチ共振板２ａを２×２、３×３、４×４で配列したときの、本発明のアレイ配置による通信装置のＳ21パラメータと自由空間伝搬損失のＳ21パラメータとをそれぞれ示している。なお、ここでは、アンテナ損失は無視している。

この２次元配列の例では、１次元配列における伝搬損失よりは大きくなるものの自由空間伝搬損失よりは小さくすることができる。

また、共振周波数５ＧＨｚにおいて、伝搬損失が放射損失よりも少なくなるバンド幅は、２×２、３×３、４×４の各配列において、それぞれ２８．１％、２２．１％、１９．８％である。また、図１２に示すように、各ポート間距離Ｌにおける伝搬損失の差ΔＬ＝Ｐw−ＰLは、ポート間の最短距離Ｌが５２．４ｍｍ（１×２配列），６２．７ｍｍ（２×２配列），１０３．９ｍｍ（３×３配列），１５９．２ｍｍ（４×４配列）に対して、それぞれ２１，１５，１５，１６ｄＢとなる。なお、１×２配列と２×２配列との伝搬損失の差は、導波路内の円筒状の波の伝搬によるものである。

図１２に示すシミュレーション結果から、配列数の増加と伝搬損失の差（通信装置のＳ21パラメータと自由空間伝搬損失の差）との傾向は、二次元配列においてポート間の距離Ｌが長いほど、通信装置は自由空間伝搬よりも伝搬損失の点で有効であることを示している。

上記した各例では、出力ポートは入力ポートと平行である場合を示しているが、出力ポートは入力ポートと直交する場合であっても、ほぼ同様の効果を奏することができる。図１３，図１４は、３×３の二次元配列の通信装置１Ｄにおいて、入力ポート（ポート１）に対して、平行なポート２と垂直なポート３の２つの出力ポートを示している。

図１３（ａ）は第１の層３と第２の層４とが分離した状態を示し、図１３（ｂ）は第１の層３と第２の層４とを積層した状態を示し、図１３（ｃ）は通信装置の断面を示している。

図１４は、入力ポート１に対する出力ポート２のＳパラメータＳ21と、入力ポート１に対する出力ポート３のＳパラメータＳ31の周波数特性を示しており、伝搬損失特性は、入力ポートに対する出力ポートの方向は依存しないといえる。

次に、図１５，図１６を用いて、二次元配列の通信装置において、開放導波路と外部通信機器のアンテナとの結合について説明する。図１５は、パッチ共振板２ａを４×４配列するとともに、５ｍｍの間隔を開けて３×３配列のパッチ共振板２ｂを層状に配列してなる二次元配列の通信装置１Ｅを示している。また、４×４配列の最も離れた両隅のパッチ共振板２ａ上にバイポーラアンテナ２２Ａ，２２Ｂを配置する。

図１５（ａ）は第１の層３と第２の層４とが分離した状態を示し、図１５（ｂ）は第１の層３と第２の層４とを積層した状態を示し、図１５（ｃ）は通信装置の断面を示している。

この構成により、図１６は、ポート１，２間のＳパラメータ（図中のＩで示す）、１つのバイポーラアンテナとポートとの間のＳパラメータ（図中のＪで示す）、２つのバイポーラアンテナ間を本発明の通信装置を介して伝搬させたときのＳパラメータ（図中のＫで示す）、および、２つのバイポーラアンテナ間を自由空間を介して伝搬させたときのＳパラメータ（図中のＬで示す）をそれぞれ示している。なお、ここでは、伝搬距離Ｌは１４５．９５ｍｍの場合を示している。

また、伝搬損失の差ΔＬは、１０，１６，１６ｄＢであり、バンド幅は８．１％、２０．０％、２０．７％である。なお、この数値は、４．８ＧＨｚで規格化された数値である。

本発明の通信装置は、上記したように単一の共振周波数によって伝搬を行う構成の他に、複数の共振周波数で伝搬を行う構成とすることができる。この複数の共振周波数による伝搬は、共振器に多重共振特性を持たせることで構成することができる。

図１７は、この多重共振特性を持たせた共振器の一構成例である。図１７（ａ）、（ｂ）は、共振器を構成するパッチ共振板の導電板にスリット６を形成することで多重共振特性を持たせる。図１７（ａ）に示す構成は、導電板の中央位置に１つのスリット６を形成して、導電板に流れる電流部分を同等の大きさに２分する構成例であり、図１７（ｂ）に示す構成は、導電板の中央位置に複数の（図では４つ）のスリット６を形成して、導電板に流れる電流部分を中央部分と外周部分に２分する構成である。

これによって、導電板を流れる電流の経路長が変わり、一つの導電板で複数の共振周波数を持つことができる。

なお、多重とする共振周波数を如何なる周波数とするかは、スリットを入れる位置や、スリットの形状で設定することができる。

本発明の通信装置は、上記したように１次元配列あるいは２次元配列とすることができ、この通信装置によって外部機器との間で通信を行う構成として、誘電体とこの誘電体に貼り付けた導電板とによって、一次元であれば通信用ストリップを構成し、２次元であれば通信用シートを構成することができる。通信用ストリップあるいは通信用シートを支持する部材としては、誘電体のみで行うことも、グランド層を形成する導電極シートを誘電体に貼り合わせたものを用いることもできる。また、各導電板を含む各素材は、柔軟性を有した素材や、繊維素材を用いることで、通信用ストリップあるいは通信用シートに柔軟性を持たせることができる。

図１８は、本発明の通信装置による通信用ストリップ１１あるいは通信用シート１０の一適用例を示すものであり、ここでは、医療関係の分野に使用する例を示している。

図１８では、ベッド４０上に通信用シート１０を敷設したり、使用者の衣服に通信用ストリップ１１を貼る付け、この通信用シート１０あるいは通信用ストリップ１１を介して、使用者に取り付けたセンサ出力を取り出す例を示している。

例えば、使用者の身体に、心拍計や体温計等の身体センサ３０を取り付け、この身体センサ３０を通信用シート１０あるいは通信用ストリップ１１に近接させることで、身体センサ３０の検出出力を通信装置に取り出す。一方、通信用シート１０あるいは通信用ストリップ１１の任意の位置に外部通信機器２１を近接させる。この外部通信機器２１は、通信用シート１０あるいは通信用ストリップ１１の通信装置からセンサ３０の検出出力を受信する。

この構成によれば、例えば、身体センサ３０が背中側に取り付けられるなど、外に直接取り出せない場合であっても、コード等を用いることなく、通信用シート１０や通信用ストリップ１１を介して信号を取り出すことができる。また、このとき、外部通信機器２１は、通信用シート１０や通信用ストリップ１１上の任意の位置とすることができるため、使用者の姿勢に影響されることなく行うことができる。

なお、通信用シート１０自体で衣服を構成してもよい。また、通信用シート１０自体で衣服は医療分野に限らず、種々の分野に適用することができる。例えば、火災現場等の高温環境や、ガスや放射線が存在さる環境下において、作業者の身体状態を観察するには、心拍計や体温計等の身体センサ３０を取り付ける必要があるが、身体センサの信号を取り出すため巡らされるコードは身体の動きを妨げる。このような環境において、本発明の通信用シートや通信用ストリップを作業服に組み込ませることで、コードを用いることなくため、身体センサの信号を外部に取り出すことができる。

本発明は、パーソナルコンピュータとともに用いるマウスや、キーボード等のＰＣ用無線機器に適用し、通信用シート等の形態で使用する他、医療機器を使用する環境や悪環境下において使用することができる。

本発明の通信装置の概略を説明するための概略図である。 本発明の通信装置を備える通信用シートの一構成例を示す図である。 本発明の通信装置が構成する開放導波路を説明するための概略図である。 本発明の通信装置の共振器の配列の基本構成を説明するための概略図である。 本発明の通信装置の共振器の配列のＳパラメータを説明するための図である。 本発明の通信装置の共振器の配列の伝搬損失を説明するための図である。 本発明の通信装置の導波路と外部通信機器のアンテナとの間の結合を説明するための概略図である。 本発明の通信装置の導波路と外部通信機器のアンテナとの間の結合のＳパラメータを説明するための図である。 本発明の通信装置の導波路と外部通信機器のアンテナとの間の結合の伝搬損失を説明するための図である。 本発明の二次元配列の通信装置の構成を説明するための概略図である。 本発明の二次元配列の通信装置のＳパラメータを説明するための図である。 本発明の二次元配列の通信装置の伝搬損失を説明するための図である。 本発明の３×３の二次元配列の通信装置の構成を説明するための概略図である。 本発明の３×３の二次元配列の通信装置のＳパラメータを説明するための図である。 本発明の４×４の二次元配列の通信装置の構成を説明するための概略図である。 本発明の４×４の二次元配列の通信装置のＳパラメータを説明するための図である。 本発明の通信装置の多重共振特性を持たせた共振器の一構成を説明するための概略図である。 本発明の通信装置による通信用ストリップあるいは通信用シートの一適用例を説明するための図である。

符号の説明

１…通信装置
２…共振器
２ａ、２ｂ…パッチ共振板
３…第１の層
４…第２の層
５…誘電体
６…スリット
７…絶縁体層
１０…通信用シート
１１…通信用ストリップ
２０…外部装置
２１Ａ，２１Ｂ…外部通信機器
２２…アンテナ
３０…身体センサ
４０…ベッド
５０…テーブル

Claims (10)

1. 導電板により共振器を形成し、
   当該複数の共振器を所定間隔を開けて１次元又は２次元に分散配列させ、
   当該分散配列させた共振器間、および当該共振器と外部に設けた通信素子との間の高周波電流結合によって無線通信を行うことを特徴とする、通信装置。
2. 前記共振器の分散配列は層状であり、
   第１の層は導電板を１次元又は２次元に互いに間隔を開けて配列し、第２の層は導電板を１次元又は２次元に互いに間隔を開けて配列するとともに、前記第１の層の導電板と配列方向に位置をずらして配列することを特徴とする、請求項１に記載の通信装置。
3. 前記複数の共振器の分散配列において、
   互いに隣接する共振器間の高周波電流結合により、共振器の配列方向の無線通信を行い、
   各層の共振器と外部に設けた通信素子との間の高周波電流結合により、外部との無線通信を行うことを特徴とする、請求項１又は２に記載の通信装置。
4. 前記各共振器の層は、誘電体層に導電板を配置して形成されることを特徴とする、請求項２から請求項３の何れか一つに記載の通信装置。
5. 第１の層および第２の層の導電板は矩形状のパッチ共振板であり、
   第１の層のパッチ共振板の寸法は共振器の共振周波数の波長に基づいて定め、第２の層のパッチ共振板の寸法は、同共振周波数における挿入損失を少なくするように定めることを特徴とする、請求項２から請求項４の何れか一つに記載の通信装置。
6. 前記共振器は複数の共振周波数を有する多重共振特性を備え、当該多重共振特性で定まる複数の周波数により多重通信を行うことを特徴とする、請求項１から請求項５の何れか一つに記載の通信装置。
7. 前記共振器を構成する矩形状のパッチ共振板は導電板にスリットを有し、
   当該スリットにより複数の共振周波数を有する多重共振特性を備えることを特徴とする、請求項６に記載の通信装置。
8. 前記共振器の層と対向してグラウンド層を備え、このグラウンド層と共振器の層との間で形成する導波路は、第２の層に配列される導電板の間隔を通して外界に開放状態であることを特徴とする、請求項１から請求項７の何れか一つに記載の通信装置。
9. 請求項１から請求項８の何れかの一つに記載の通信装置を備え、
   当通信装置を形成する層材、又は支持部材を柔軟性を有するシート材とすることを特徴とする通信用シート。
10. 請求項１から請求項８の何れか一つに記載の通信装置を備え、
    当該通信装置を形成する層材、又は支持部材を柔軟性を有するストリップ材とすることを特徴とする通信用ストリップ。
    
    

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