JP5145077B2

JP5145077B2 - 無線装置

Info

Publication number: JP5145077B2
Application number: JP2008043215A
Authority: JP
Inventors: 武志興梠; 秀生鍋嶋; 一弘松本; 真理竹田
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-02-25
Filing date: 2008-02-25
Publication date: 2013-02-13
Anticipated expiration: 2028-02-25
Also published as: JP2009201047A

Description

本発明は、無線通信を行う無線回路とアンテナとを備えた無線装置に関する。

従来の技術を図７〜図１１を用いて説明する。図７は、従来の無線装置を示す斜視図である。図７に示す無線装置１００は、略箱状の筐体１０１に、回路基板１０２が収容されている。また、筐体１０１の外部には、側面上部から突出するように線状アンテナ１０３が取り付けられている。線状アンテナ１０３と回路基板１０２とは、ケーブル１０４で接続されている。

線状アンテナ１０３は、無線電波を送信または受信する為の線状アンテナである。回路基板１０２には、無線装置全体を制御する制御部や、無線信号のチャネル制御や誤り訂正および変復調処理を行うＲＦ回路部等が構成されている。

無線装置は、自身および無線による通信相手が固定されていない状況で使用されることが多いため、どの様な方向であっても無線電波の送受信が良好に行えることが望ましい。
そのため、従来の無線装置では、図７に示すように、線状アンテナ１０３を回路基板１０２の側面上側に取り付けて上方向に配置することで、水平面内でほぼ無指向性の放射指向性を実現している。

図８は、図７に示すように、線状アンテナ１０３を回路基板１０２の側面上側に取り付けた場合における回路基板１０２の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図８（ａ）は回路基板１０２の電流分布を示す模式図であり、図８（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。図８（ａ）では、アンテナの給電点を符号Ｅで示している。

図８（ａ）に示すように、線状アンテナ１０３を回路基板１０２の側面上側に取り付けたアンテナ配置では、ある位相において、線状アンテナ１０３に電流Ｉａが流れると、回路基板１０２にも等価的に電流Ｉａと同方向の電流Ｉｂが流れることが知られている。この場合の放射指向性は、図８（ｂ）に示すように、水平面内でほぼ無指向性となる。

しかし、このような無線装置１００は、線状アンテナ１０３が筐体１０１から突出する形状であるため、無線装置全体の形状が大きくなったり、線状アンテナ１０３が破損し易くなったりする等の欠点がある。これらの形状的な問題を解決するために、図９に示すように、線状アンテナ１０３を回路基板１０２の側面下側に取り付けて回路基板の側面に沿うよう配置し、回路基板１０２と共に線状アンテナ１０３も筐体１０１の内部に配置する方法がある。

図１０は、図９に示すアンテナ配置における回路基板１０２の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図１０（ａ）は回路基板１０２の電流分布を示す模式図であり、図１０（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。

図１０（ａ）に示すように、図９に示すアンテナ配置では、ある位相において、線状アンテナ１０３に電流Ｉａが流れると、回路基板１０２には等価的に電流Ｉａと逆方向の電流Ｉｃが流れることが知られている。この場合の放射指向性は、図１０（ｂ）に示すように、水平面内において前方と後方の指向性にヌルポイントが発生する。

図１１に、図９に示すアンテナ配置における放射指向性のシミュレーション結果を示す。このように、図９に示すアンテナ配置では、無線による通信相手がこれらヌルポイントの方向にいる場合は良好な通信を行うことが出来なくなるという問題が発生する。

そこで、回路基板と、回路基板に沿って配置されたヘリカルアンテナとの間の角度を調節することで、回路基板により得られる等価的なアンテナ及びヘリカルアンテナの指向性を補うことにより、無線装置の放射特性を改善する技術が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
特開２０００−８２９１３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、回路基板により得られる等価的なアンテナの特性によって、無線装置の放射指向性を改善するものであるため、アンテナとして機能する回路基板のグラウンドパターンの形状が、所望のアンテナ特性を得る必要から制約されるおそれがあるという、不都合があった。

本発明は、このような事情に鑑みて為された発明であり、アンテナを回路基板の側面に沿わせて配置しつつ、回路基板におけるグラウンドパターンの形状の制約を低減することができる無線装置を提供することを目的とする。

本発明に係る無線装置は、無線回路が構成される回路基板と、前記回路基板の一辺に沿って配設された線状アンテナと、略矩形のループ状導体とを備え、前記線状アンテナと前記ループ状導体の一辺とが略平行に近接して配設され、前記回路基板、前記線状アンテナ、及び前記ループ状導体とが、同一平面内に配設され、前記ループ状導体は、前記線状アンテナ及び前記回路基板と電気的に接続されていない。

この構成によれば、線状アンテナに電流が流れると、ループ状導体にも、略矩形の対角付近をそれぞれ節とする定在波が生じる。そうすると、線状アンテナと略平行なループ状導体の二辺を流れる電流の向きが互いに同一方向となる結果、ほぼ無指向性の放射特性が得られる。また、特許文献１に記載の技術のように、回路基板により得られる等価的なアンテナの特性によって、無線装置の放射指向性を改善するものではないので、特許文献１に記載の技術と比べて回路基板におけるグラウンドパターンの形状の制約を低減することができる。また、回路基板、線状アンテナ、及びループ状導体を流れる電流が、略同一平面内を流れる結果、放射特性が改善される。

また、前記回路基板には、略面状のグラウンドパターンが設けられていることが好ましい。

この構成によれば、回路基板に、線状アンテナと略平行に、ループ状導体の二辺を流れる電流と同一方向に等価な電流が流れる結果、放射特性が改善される。

また、前記ループ状導体の１周の長さが、前記無線回路が取り扱う電波の波長と略等しいことが好ましい。

この構成によれば、ループ状導体の略矩形の対角付近をそれぞれ節とする定在波が生じ易くなるので、線状アンテナと略平行なループ状導体の二辺を、互いに同一方向に電流が流れやすくなる結果、放射特性が改善される。

また、本発明に係る無線装置は、無線回路が構成される回路基板と、前記回路基板の一辺に沿って配設された線状アンテナと、略矩形のループ状導体と、前記回路基板と前記線状アンテナとを収容すると共に壁面に設けられる埋込穴に後部を埋め込む形で配設される筐体とを備え、前記線状アンテナと前記ループ状導体の一辺とが略平行に近接して配設され、前記ループ状導体は、前記筐体の回りに配設される取付け枠であり、前記取付け枠の内周の長さが、前記無線回路が取り扱う電波の波長と略等しい。

この構成によれば、取付け枠がループ状導体として機能するので、壁面取り付け型の無線装置において、別途ループ状導体を配置する必要が無く、構成を簡素化することができる。

この構成によれば、取付け枠の略矩形の対角付近をそれぞれ節とする定在波が生じ易くなるので、線状アンテナと略平行な取付け枠の二辺を、互いに同一方向に電流が流れやすくなる結果、放射特性が改善される。

また、本発明に係る無線装置は、無線回路が構成される回路基板と、前記回路基板の一辺に沿って配設された線状アンテナと、略矩形のループ状導体とを備え、前記線状アンテナと前記ループ状導体の一辺とが略平行に近接して配設され、前記ループ状導体は、交流磁界を空間に送出するためのループアンテナである。

この構成によれば、ループアンテナがループ状導体として機能するので、線状アンテナを介して行う無線通信方式に加えてループアンテナを用いる誘導磁界方式の無線方式を同時に備える無線装置では、別途ループ状導体を配置する必要が無く、構成を簡素化することができる。

このような構成の無線装置では、線状アンテナに電流が流れると、ループ状導体にも、略矩形の対角付近をそれぞれ節とする定在波が生じる。そうすると、線状アンテナと略平行なループ状導体の二辺を流れる電流の向きが互いに同一方向となる結果、ほぼ無指向性の放射特性が得られる。また、特許文献１に記載の技術のように、回路基板により得られる等価的なアンテナの特性によって、無線装置の放射指向性を改善するものではないので、特許文献１に記載の技術と比べて回路基板におけるグラウンドパターンの形状の制約を低減することができる。

以下、本発明に係る実施形態を図面に基づいて説明する。なお、各図において同一の符号を付した構成は、同一の構成であることを示し、その説明を省略する。

（第１実施形態）
図１は、本発明の第１実施形態に係る無線装置の構成の一例を示す斜視図である。図１に示す無線装置１は、回路基板２、線状アンテナ３、ループ状導体４、及び筐体５を備えている。線状アンテナ３は、無線電波を送信または受信する為の線状アンテナである。線状アンテナ３としては、モノポールアンテナ、逆Ｆアンテナ、ヘリカルアンテナ等一般的なアンテナが使用可能である。

回路基板２には、無線装置全体を制御する制御部や、無線信号のチャネル制御や誤り訂正および変復調処理を行うＲＦ回路部等が構成されている。そして、回路基板２の内層、あるいは表面に、これらの回路の電源グラウンドとなるグラウンドパターンが面状に形成されている。グラウンドパターンは、例えばスルーホール、部品取付け穴等の孔が開いていてもよく、信号線で切断されていてもよく、網状であってもよいが、回路基板２全体では、おおよそ面状に拡がったグラウンドパターンが等価的に得られるようになっている。

線状アンテナ３は、回路基板２の側面下側に取り付けられており、回路基板２の側面に沿うように配置されている。そして、回路基板２と線状アンテナ３とが、略箱状の筐体５に収容されている。

ループ状導体４は、鉄や銅などの導電性の材料で構成されている。ループ状導体４は、略矩形形状のループ状導体である。そして、ループ状導体４の周囲長が、無線通信に使用する周波数における波長とほぼ同じ長さになるようにされている。回路基板２、線状アンテナ３、及びループ状導体４は、略同一平面内に配設されている。そして、ループ状導体４の一辺と、線状アンテナ３とが略平行に近接して、例えば２ｃｍ以下の距離で、より望ましくは１ｃｍ以下の距離で配設されている。ループ状導体４は、線状アンテナ３や回路基板２とは電気的に接続されていない。

ループ状導体４は、電気的に何れにも接続されないので、筐体５の内部に配置してもよく、筐体５の外部に筐体を囲むように取り付けられていてもよく、筐体５に埋め込まれていてもよい。また、線状アンテナ３と回路基板２との間、及び線状アンテナ３とループ状導体４との間の距離が、例えば２ｃｍ以下、より望ましくは１ｃｍ以下で近接して配設されていれば、回路基板２、線状アンテナ３、及びループ状導体４が、同一平面からずれて配設されていてもよい。

図２は、図１に示すアンテナ配置における回路基板２の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図２（ａ）は回路基板２の電流分布を示す模式図であり、図２（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。

図２（ａ）に示すように、図１に示すアンテナ配置では、ある位相において、線状アンテナ３に電流Ｉａが流れると、回路基板２には等価的に電流Ｉａと逆方向の電流Ｉｃが流れる。このとき、ループ状導体４にも、電流Ｉｄ、Ｉｅが流れる。ループ状導体４を流れる電流は、ループ状導体４の頂点４１及び頂点４２の付近をそれぞれ節とする定在波となっており、ループ状導体４の右側面を流れる電流Ｉｄと左側面を流れる電流Ｉｅの向きは常に互いに同一方向となる。

このため、上記の２辺を流れる電流Ｉｄ，Ｉｅにより、水平面内（ＸＹ平面内）の垂直偏波成分の放射指向性は、図２（ｂ）に示すようにほぼ無指向性となる。図３に、図１に示すアンテナ配置における放射指向性のシミュレーション結果を示す。

以上のように、図１に示す無線装置１では、線状アンテナ３を回路基板２の側面に沿わせて配置し、線状アンテナ３が回路基板２から突出しないようにすることで、線状アンテナ３が破損するおそれを低減することができる。また、無線装置１全体の形状が大きくなるおそれを低減しつつ、回路基板２と線状アンテナ３とを筐体に収容することが容易となる。

そして、線状アンテナ３を回路基板２及び筐体５から突出しないように配置した場合においても、水平面内で放射指向性が無指向となり、全方位に対して良好な無線通信特性を得ることが可能となる。また、特許文献１に記載の技術のように、回路基板により得られる等価的なアンテナの特性によって、無線装置の放射指向性を改善するものではないので、特許文献１に記載の技術と比べて回路基板におけるグラウンドパターンの形状の制約を低減することができる。

（第２実施形態）
次に、本発明の第２実施形態に係る無線装置について説明する。図４は、本発明の第２実施形態に係る無線装置１ａの構成の一例を示す斜視図である。また、図５は、筐体５から取付け枠４ａを取り外した状態を示す斜視図である。図４に示す無線装置１ａは、図１に示す無線装置１とは、ループ状導体４が、取付け枠４ａに変更されている点で異なる。その他の構成は図１に示す無線装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。

取付け枠４ａは、線状アンテナ３および回路基板２が収められる筐体５を壁面Ｗに固定するためのものである。無線装置１ａは、取付け枠４ａによって、筐体５の後部が壁面Ｗに設けられる埋込穴に埋め込まれる形で壁面Ｗに取り付けられるようになっている。また、取付け枠４ａには、筐体５を保持する機構と壁面Ｗにネジ等で固定する為の孔とが設けられている。また、取付け枠４ａは、筐体５の側面を取り囲むようなループ形状をしている。取付け枠４ａの材質は、例えば鉄、銅、アルミ等の導電性の金属である。

したがって、取付け枠４ａで筐体５を保持すると、取付け枠４ａの開口部の一辺と線状アンテナ３とは互いに平行に近接するように配置される。これにより、取付け枠４ａが、図１に示すループ状導体４と同様の役割を果たす。そうすると、取付け枠４ａにおける電流分布は、開口部右上の頂点４１付近、及び開口部左下の頂点４２付近をそれぞれ節とする定在波となり、無線装置１の場合と同様に水平面内の指向性がほぼ無指向性となる。

このとき、電流は最短距離で流れようとするので、取付け枠４ａの内周４３付近に集中して流れる。そのため、取付け枠４ａの内周４３の長さが、無線回路が送受信する電波の波長と略等しくなるように、されている。

この場合、取付け枠４ａは、ループ状導体の一例に相当している。

以上のように、図４に示す無線装置１ａは、線状アンテナ３を回路基板２の側面に沿わせて配置し、線状アンテナ３が回路基板２及び筐体５から突出しないようにすることで、線状アンテナ３が破損するおそれを低減することができる。また、無線装置１ａ全体の形状が大きくなるおそれを低減しつつ、回路基板２と線状アンテナ３とを筐体５に収容することが容易となる。

さらに、取付け枠４ａが図１に示す無線装置１におけるループ状導体４として機能するので、壁面取り付け型の無線装置において、別途ループ状導体を配置する必要が無く、構成をより簡単にすることができる。

（第３実施形態）
次に、本発明の第３実施形態に係る無線装置について説明する。図６は、本発明の第３実施形態に係る無線装置１ｂの構成の一例を示す概念図である。図６に示す無線装置１ｂは、図１に示す無線装置１とは、ループ状導体４が、ループアンテナ４ｂに変更されている点で異なる。図６では、筐体５の図示を省略している。その他の構成は図１に示す無線装置１と同様であるのでその説明を省略し、以下本実施形態の特徴的な点について説明する。

ループアンテナ４ｂは、交流磁界を空間に送出することで、誘導磁界により無線通信を行うためのアンテナであり、線状アンテナ３を介して行われる無線通信方式とは通信方式および使用周波数が異なっている。その為、それぞれの無線通信がお互いに干渉し合う事はない。ループアンテナ４ｂは、例えば非接触ＩＣカードリーダにおける、１３０ｋＨｚのＬＦ帯用アンテナとして用いられる。また、線状アンテナ３は、例えば特定小電力無線機における、４００ＭＨｚ帯用アンテナとして用いられる。

また、ループアンテナ４ｂの１周の長さが、無線回路が送受信する電波の波長と略等しくなるように、されている。

そして、ループアンテナ４ｂの一辺と線状アンテナ３とは、互いに略平行に近接するように配置されている。そのため、ループアンテナ４ｂが、図１に示すループ状導体４と同様の役割を果たす。そうすると、ループアンテナ４ｂにおける電流分布は、右上の頂点４１付近、及び左下の頂点４２付近をそれぞれ節とする定在波となり、無線装置１の場合と同様に水平面内の指向性がほぼ無指向性となる。

この場合、ループアンテナ４ｂは、ループ状導体の一例に相当している。

以上のように、図６に示す無線装置１ｂは、線状アンテナ３を回路基板２の側面に沿わせて配置し、線状アンテナ３が回路基板２及び筐体５から突出しないようにすることで、線状アンテナ３が破損するおそれを低減することができる。また、無線装置１ｂ全体の形状が大きくなるおそれを低減しつつ、回路基板２と線状アンテナ３とを筐体５に収容することが容易となる。

さらに、ループアンテナ４ｂが図１に示す無線装置１におけるループ状導体４として機能するので、線状アンテナ３を介して行う無線通信方式に加えてループアンテナ４ｂを用いる誘導磁界方式の無線方式を同時に備える無線装置１ｂでは、別途ループ状導体を配置する必要が無く、構成をより簡単にすることができる。

本発明の第１実施形態に係る無線装置の構成の一例を示す斜視図である。図１に示すアンテナ配置における回路基板の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図２（ａ）は回路基板の電流分布を示す模式図であり、図２（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。図１に示すアンテナ配置における放射指向性のシミュレーション結果を示すレーダーチャートである。本発明の第２実施形態に係る無線装置の構成の一例を示す斜視図である。図４に示す筐体から取付け枠を取り外した状態を示す斜視図である。本発明の第３実施形態に係る無線装置の構成の一例を示す概念図である。従来の無線装置を示す斜視図である。線状アンテナを回路基板の側面上側に取り付けた場合における回路基板の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図８（ａ）は回路基板の電流分布を示す模式図であり、図８（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。従来の無線装置を示す斜視図である。図９に示すアンテナ配置における回路基板の電流分布と放射指向性を説明するための説明図である。図１０（ａ）は回路基板の電流分布を示す模式図であり、図１０（ｂ）はこの場合の放射指向性を示すレーダーチャートである。図９に示すアンテナ配置における放射指向性のシミュレーション結果を示すレーダーチャートである。

符号の説明

１，１ａ，１ｂ無線装置
２回路基板
３線状アンテナ
４ループ状導体
４ａ取付け枠
４ｂループアンテナ
５筐体
４３内周
Ｗ壁面

Claims

無線回路が構成される回路基板と、
前記回路基板の一辺に沿って配設された線状アンテナと、
略矩形のループ状導体と、
前記回路基板と前記線状アンテナとを収容すると共に壁面に設けられる埋込穴に後部を埋め込む形で配設される筐体とを備え、
前記線状アンテナと前記ループ状導体の一辺とが略平行に近接して配設され、
前記ループ状導体は、前記筐体の回りに配設される取付け枠であり、
前記取付け枠の内周の長さが、前記無線回路が取り扱う電波の波長と略等しいこと
を特徴とする無線装置。
前記回路基板には、略面状のグラウンドパターンが設けられていること
を特徴とする請求項１記載の無線装置。