JP4987840B2 - アンテナ装置および無線通信システム - Google Patents

Description

この発明は、たとえば周囲への漏洩電波の少ない通信を行うために用いて好適なアンテナ装置および無線通信システムに関する。

従来技術において、認証情報（たとえば暗号化に必要な暗号情報）のやり取り（送受信）の方法として、秘密漏洩を防ぐため、送信電力または受信利得を抑制するものがある（例えば特許文献１、２参照）。また、通信エリアの狭い認証情報通信専用のアンテナを使って、認証情報のやり取りを行う方法もある（例えば、特許文献３参照）。
特開２００５−３２３１４９号公報 特開２００６−６０４７０号公報 特許第３６６９２９３号

前者の方法では、認証情報のやり取りのために送信電力または受信利得を制御しなければならず、回路構成が複雑化するという問題があった。また、後者の方法では、認証情報通信専用のアンテナを含む複数のアンテナが必要になるためアンテナ構成が複雑化するという問題があった。

この発明は、簡易な構成により安全に秘匿情報を送受信することを可能とするアンテナ装置および無線通信システムを提供する。

本発明の一態様としてのアンテナ装置は、
地板と、
前記地板からｍ×λ／２−λ／４（ｍは１以上の任意の整数、λは動作周波数の波長）離れた位置に配置されたアンテナ素子と、
前記アンテナ素子の周囲を囲み、一端が前記地板に接続された、ｎ×λ／２（ｎはｍ以上の任意の整数）の高さを有する金属壁と、
を備える。

本発明の一態様としての無線通信システムは、
上記アンテナ装置を有する第１および第２の無線機器を備え、前記第１および第２の無線機器が互いに無線通信を行う無線通信システムであって、
前記第１および第２の無線機器が、各々のアンテナ装置における前記金属壁の開放面を互いに重ね合わせて、各々のアンテナ素子を介して無線通信を行う秘匿通信モードと、
前記第１および第２の無線機器が、前記各々のアンテナ装置における前記金属壁の開放面を互いに分離し、前記各々のアンテナ素子を介して無線通信を行う通常通信モードと、
を備える。

本発明により、簡易な構成により安全に秘匿情報を送受信することが可能になる。

以下、図面を参照しながら本実施の形態について詳細に説明する。

（第１の実施形態）
図１は本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成を示す図である。

このアンテナ装置は、金属による地板１０１と、アンテナ素子１０２と、アンテナ素子１０２を囲む金属壁１０３とを備える。

アンテナ素子１０２は、地板１０１の表面からｍ×λ／２−λ／４（ｍは１以上の任意の整数、λは動作周波数の波長）離れた位置に配置されている。アンテナ素子１０２としては、地板１０１と平行な面に電界を導くようなものであれば特にその種類は制限されない。例えばダイポールアンテナやパッチアンテナ、マイクロストリップアンテナ等を用いることができる。

金属壁１０３はアンテナ素子１０２の周囲を囲むように地板１０１に立設され、一端が地板１０１に接続されている。金属壁１０３の高さ（地板１０１に接続した辺と垂直な方向の長さ）は、ｎ×λ／２（ｎはｍ以上の整数）である。以降の説明では、ｍ＝１、ｎ＝１として、最も簡単な例を説明する。すなわち、アンテナ素子１０２は地板１０１から、動作周波数の略４分の１波長の高さに配置され、金属壁１０３は動作周波数の略２分の１波長の高さを有するものとする。

金属壁１０３は、地板１０１に垂直に立設された４つの金属板によって形成されている。ただし本発明は各金属板が地板１０１に垂直であることに限定されず、たとえば地板１０１表面と鈍角を形成するように各金属板を設けてもよい。ただし、この場合も、各金属板の高さは上述した制約を満たすものとする。また金属壁１０３は必ずしも板状に形成されている必要はなく、たとえば後述するビアホールのように他の手段によって形成することも可能である。従って、本実施例では、板状である金属壁１０３の一端とは、辺を意味するが、ビアホールで形成された金属壁の一端とは、ビアホールの端部を意味する。後述する金属壁１０３の他端とは、板状の金属壁の場合、地板に接続された辺（一端）と平行な辺を意味し、ビアホールの場合、地板に接続された端部と向かい合った他端部を意味する。

金属壁１０３の内部は空間でも良いし、または誘電体基板が配置されてもよい。後者の場合アンテナ素子１０２は誘電体基板の内部に、地板１０１から上述した高さに配置する。

また、金属壁１０３を地板１０１に垂直な方向から見たときの形状は図１の例では矩形であるが、本発明はこれに限定されず、他の多角形、円、楕円等、任意の形状であってもよい。

図１のアンテナ装置を用いた通信では、一組の無線機器がそれぞれ図１のアンテナ装置を備え、認証情報等の秘匿情報の送受信を行う秘匿通信時は、互いのアンテナ装置の金属壁１０３の開放面を重ね合わせるようにして（たとえば金属壁１０３の他端を向かい合わせに接触させて）、電波漏れをできるだけ防いだ状態で通信を行う（秘匿通信モード）。秘匿でない情報の送受信を行うときは、金属壁１０３の開放面を互いに遠ざけるように離し（たとえば金属壁１０３の他端を接触状態から分離状態にし）、互いに離れた状態で、通信を行う（通常通信モード）。以下では、通常通信モードおよび秘匿通信モードのそれぞれについて詳細に説明する。

図２は、通常通信モードを説明する図であり、一組の無線機器が備えるアンテナ装置１００Ａ、１００Ｂをそれぞれ示す。各アンテナ装置の図は、図１のＡ１−Ａ２線の断面図である。

通常通信モードでは、たとえば無線機器が互いに離れて、金属壁１０３の他端が接触から開放された状態で通信を行う。このときアンテナ装置１００Ａ、１００Ｂは、反射板付きアンテナとして動作する。すなわち、各アンテナ装置において、地板１０１とアンテナ素子１０２の間隔ｈは、略４分の１波長であるため、アンテナ素子１０２からの直接波と地板１０１による反射波が地板１０１の上方で強め合う。これにより、両者が離れていても良好な通信を行うことができる。

図３は、秘匿通信モードを説明する斜視図である。図２に示した一組のアンテナ装置１００Ａ、１００Ｂの他端同士を、各々の開放面を重ね合わせるように接触させた状態が示される。

この状態では、各アンテナ装置のアンテナ素子１０２の全方位が、２つの地板１０１と２つの金属壁１０３で囲まれた密閉空間で覆われ、外部に電波が漏れない。この密閉空間中で、向き合った地板１０１の間隔Ｈは、動作周波数の略１波長となるため、図４のように腹が二つの電界定在波が立つ。両アンテナ素子１０２は定在波の腹に位置するため、好適な通信性能が得られる。この際、金属壁１０３上部の接触面４０４は定在波の節に位置するため、図５のように、接触位置が地板と平行方向に多少ずれても外に漏れる電波は小さい。よって、情報漏洩の小さい好適な通信を行うことができ、認証情報の通信などを安全に行うことができる。このような好適な通信を行うための腹と節の関係は、上述したアンテナ素子の高さ制約と金属壁の高さ制約を満たす限り維持される。すなわち、アンテナ素子が地板１０１からｍ×λ／２−λ／４（ｍは１以上の整数、λは動作周波数の波長）離れた位置に配置され、金属壁１０３の高さがｎ×λ／２（ｎはｍ以上の整数）であれば、上記のような腹と節の関係が保たれる。

以上より、本実施形態に係わる一組のアンテナ装置を用いることで、従来のような認証用のアンテナを設けたり、送信電力制御を行ったりすることなく、近距離での秘匿通信と、遠距離での高速通信との両方を行うことが可能になる。

（第２の実施形態）
図６は、図１のアンテナ装置の金属壁１０３の他端（開放端）に金属製のフランジ１０５を接続したものである。すなわち、図６のアンテナ装置２００では、金属壁１０３の外側にせり出すように、金属壁１０３の上部に、金属フランジ１０５が設けられている。

図７は、一組の図６のアンテナ装置を、金属壁１０３の開放面を互いに重ね合わせるように接触させた状態を示す。金属フランジ１０５によって、接触位置が地板１０１と水平方向に多少（フランジ１０５の幅範囲で）ずれても、アンテナ素子１０２の周囲を囲む閉領域が維持され、接触位置ずれに対する許容量が大きくなる。

このように本実施形態によれば、接触位置のずれに対してより柔軟なアンテナ装置を実現できる。

（第３の実施形態）
図８は、図１のアンテナ装置１００を地板１０１と平行な方向に複数並べたアンテナ装置３００である。

地板１０１は各アンテナ装置１００で互いに共通であり、隣接するアンテナ装置１００同士では、金属壁１０３の一部（側壁）を互いに共有している。つまり１つの地板の上方に複数のアンテナ素子を設け、各アンテナ素子を囲む金属壁を、隣接するアンテナ素子同士で側壁を共有するように、地板１０１に立設したものである。ここでは地板１０１に垂直な方向から見て、各金属壁１０３は矩形を有するが、他の形状を有してもよく、また各金属壁１０３の形状がそれぞれ異なっていてもよい。このようなアンテナ装置３００はたとえば半導体プロセスにより容易に作製可能である。

図９は、一組の図８のアンテナ装置３００Ａ、３００Ｂを、金属壁１０３の開放面側を互いに重ね合わせるように接触させた状態を示す。簡単のため、各アンテナ素子の図示は省略している。

このとき、アンテナ装置３００Ａ、３００Ｂ全体での接触位置は大きくずれているが、たとえば斜線のアンテナ装置の金属壁で囲まれた内側のアンテナ素子間であれば、第１の実施形態に説明したように外に漏れる電波は小さく、秘匿通信可能である。この場合、このアンテナ装置３００Ａ、３００Ｂをそれぞれ搭載した一組の無線機器は、互いに電波漏れの小さいアンテナ素子の組を探索し、見つけたアンテナ素子同士で通信を行うことが考えられる。

以上のように、本実施形態によれば、接触位置ずれに対してより柔軟なアンテナ装置を実現できる。

（第４の実施形態）
第１の実施形態において図１のアンテナ装置の金属壁１０３の内部は誘電体基板であってもよいと述べたが、本実施形態ではこのようなアンテナ装置の一例について説明する。誘電体基板としては、たとえば多層誘電体基板を用いることができ、以下ではこの例を説明する。

図１０は多層誘電体基板を用いて作製したアンテナ装置の分解図である。下層基板１００４の表面と、上層基板１００５の表面との間にアンテナ素子１００２を挟むことでアンテナ装置が形成されている。

下層基板１００４の下面には地板１００１、各側面にはそれぞれ金属板（金属壁）１００３が形成されている。また上層基板１００５の各側面には金属板（金属壁）１００３が形成されている。金属板は、金属メッキやエッチング、蒸着といった一般的な加工プロセスを用いて作製できる。下層基板１００４および上層基板１００５の厚さｈはいずれも動作周波数の略４分の１波長である。下層基板１００４の上面にアンテナ素子１００２を形成した上、下層基板１００４および上層基板１００５を重ねることでアンテナ装置を作製できる。

以上のように、本実施形態によれば、多層基板を用いることで金属メッキやエッチング、蒸着といった一般的な加工プロセスを用いてアンテナ装置を作製することが可能になり、製作コスト削減やアンテナ装置の性能ばらつきを抑制することができる。また、アンテナ素子が誘電体基板内部に配置されるため、誘電体基板の比誘電率ε_rに応じて波長短縮効果によりアンテナを小型化することができる。

（第５の実施形態）
第４の実施形態におけるアンテナ装置（図１０参照）は金属板によって金属壁が形成されていたが、本実施の形態では、複数のビアホールによって金属壁を形成したことを特徴とする。

図１１は、本実施形態に係わるアンテナ装置の分解図である。このアンテナ装置は、第４の実施形態と同様に多層誘電体基板を用いて作製されている。

下層基板１１０４の下面には地板１１０１が形成され、下層基板１１０４の上面にはアンテナ素子１１０２が形成されている。下層基板１１０４と上層基板１１０５を貼り合わせた後、ビアホール１１０６を基板周囲に約１０分の１波長以下の間隔で打つことで、本アンテナ装置は作製される。なおビアホール１１０６の内面にメッキされている金属は地板１１０１に電気的に接続されている。誘電体基板の側面に金属板を形成するよりも、誘電体基板周囲にビアホールを打つ方が製作上容易なため、本実施形態によれば製作コストを一層抑制することができる。

（第６の実施形態）
図１２は、第１〜第５の実施形態のいずれかのアンテナ装置１２０１、１２５１を搭載した端末装置（無線機器）１２００、１２５０を示す。アンテナ装置１２０１は無線機１２０２に接続され、アンテナ装置１２５１は無線機１２５２に接続されている。以下、これらの端末装置１２００、１２５０が互いに無線通信を行う例を示す。

図１３は端末装置１２００、１２５０をアンテナ装置１２０１、１２５１が重なるように接触させた状態を示す図である。簡単のため無線機の図示は省略している。

この状態では、周囲への漏洩電波が小さいため、認証情報または個人情報などの秘匿通信を行うのに好適な状態といえる。また、第１の実施形態で図４を用いて説明したとおり、アンテナ素子も通信に好適な位置に配置されているため、安定した通信を行うことができる。

図１４は端末装置１２００、１２５０が離れた位置で通信を行う様子を示す図である。簡単のため無線機の図示は省略している。

この状態では、第１の実施形態で図２を用いて説明したとおり、アンテナ装置１２０１、１２５１はそれぞれ反射板付きアンテナとして動作するため、遠方への通信も好適に行うことができる。

アンテナ装置のこれらの特性を踏まえて、たとえば通信の初期段階に図１３に示す近接通信によって個人の認証情報および暗号鍵情報をやりとりし、認証が完了した後は端末装置１２５０を置きやすい場所に移して、暗号化されたデータ通信を端末装置１２００との間で行うといった使い方ができる。もちろん、近接状態でデータ通信を行っても良い。

以上のように、本実施形態によれば、認証用のアンテナを設けたり、送信電力制御を行ったりすることなく、簡易な構成の一組のアンテナ装置を用いて、認証情報の通信（秘匿通信モード）と一般の高速無線通信（通常通信モード）との両方を行うことができる。

本発明は、無線通信の他、センシング、認証システム、商品管理システム、トレーサビリティシステムなど、近距離通信を行う分野で有効である。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係るアンテナ装置の構成図。 図１の一組のアンテナ装置が十分離れている状態を示す図。 図１の一組のアンテナ装置が近接している状態を示す図。 図１の一組のアンテナ装置が近接している場合の定在波を示す図。 図１の一組のアンテナ装置が位置ずれを持って近接している場合の定在波を示す図。 本発明の第２の実施形態に係るアンテナ装置の構成図。 図６の一組のアンテナ装置が位置ずれを持って近接している場合の定在波を示す図。 本発明の第３の実施形態に係るアンテナ装置の構成図。 図８の一組のアンテナ装置が位置ずれを持って近接している状態を示す図。 本発明の第４の実施形態に係るアンテナ装置の構成図。 本発明の第５の実施形態に係るアンテナ装置の構成図。 本発明の第６の実施形態に係る無線通信システムの構成図。 一組の無線機器同士が近接通信を行っている様子を示す図。 一組の無線機器同士が遠方通信を行っている様子を示す図。

符号の説明

１００、１００Ａ、１００Ｂ：アンテナ装置
１０１：地板
１０２：アンテナ素子
１０３：金属壁
１０５：フランジ
２００：アンテナ装置
３００、３００Ａ、３００Ｂ：アンテナ装置
１００１：金属板
１００２：アンテナ素子
１００３：金属壁（金属板）
１００４：下層基板
１００５：上層基板
１１０１：地板
１１０２：アンテナ素子
１１０４：下層基板
１１０５：上層基板
１１０６：ビアホール
１２００、１２５０：端末装置（無線機器）
１２０１、１２５１：アンテナ装置
１２０２、１２５２：無線機

Claims (7)

1. 地板と、
   前記地板からｍ×λ／２−λ／４（ｍは１以上の任意の整数、λは動作周波数の波長）離れた位置に配置されたアンテナ素子と、
   前記アンテナ素子の周囲を囲み、一端が前記地板に接続された、ｎ×λ／２（ｎはｍ以上の任意の整数）の高さを有する金属壁と、
   を備えたアンテナ装置。
2. 前記金属壁の他端に取り付けられた金属製のフランジをさらに備えた
   ことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
3. 前記金属壁と側壁を共有するように、一端が前記地板に接続された、前記ｎ×λ／２（ｎはｍ以上の整数）の高さを有する１つ以上の第２の前記金属壁と、
   各前記第２の金属壁で囲まれた内側にそれぞれ前記地板からｍ×λ−λ／４の高さに配置された第２のアンテナ素子と
   をさらに備えたことを特徴とする請求項１に記載のアンテナ装置。
4. 前記地板上に前記金属壁で囲まれた内側に誘電体基板が設けられ、
   前記アンテナ素子は前記誘電体基板の内部に配置された
   ことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか一項に記載のアンテナ装置。
5. 前記誘電体基板の各側面に複数の金属板が前記金属壁として形成された
   ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
6. 前記誘電体基板の周辺部に沿って複数のビアホールが前記金属壁として形成された
   ことを特徴とする請求項４に記載のアンテナ装置。
7. 請求項１ないし６のいずれか一項に記載のアンテナ装置を有する第１および第２の無線機器を備え、前記第１および第２の無線機器が互いに無線通信を行う無線通信システムであって、
   前記第１および第２の無線機器が、各々のアンテナ装置における前記金属壁の開放面を互いに重ね合わせて、各々のアンテナ素子を介して無線通信を行う秘匿通信モードと、
   前記第１および第２の無線機器が、前記各々のアンテナ装置における前記金属壁の開放面を互いに分離し、前記各々のアンテナ素子を介して無線通信を行う通常通信モードと、
   を備えた無線通信システム。

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