JP5666241B2

JP5666241B2 - 近傍無線通信装置

Info

Publication number: JP5666241B2
Application number: JP2010236015A
Authority: JP
Inventors: 堀内　晴宏; 晴宏堀内
Original assignee: Yazaki Corp
Current assignee: Yazaki Corp
Priority date: 2010-10-21
Filing date: 2010-10-21
Publication date: 2015-02-12
Anticipated expiration: 2030-10-21
Also published as: JP2012090123A

Description

本発明は、電磁波の放射により近接間で通信を行なう近接通信システムに関し、特に近傍無線通信装置に関する。

従来、電磁波をシート内に伝播させてシート近傍に電磁波を放射させることにより通信を行なう装置は、例えば特許文献１に開示されている。

尚、本発明に関連する、誘電体近傍の電磁界の放射量については非特許文献１に記載されている。

特開２００７−２８１６７８号公報

小西良弘、「実用マイクロ波講座理論と実際」、ケイラボ出版、２００１／０２／２１、ＩＳＢＮ９７８４５２６０４７１１４

特許文献１に記載の信号伝達システムは、導体層、誘電体層、メッシュ層から構成されるシートと、該シートに電磁波を注入する電極からなるシステムであり、電磁波の放射をシート近傍のみに抑えることができ、電極とシート近傍に設置されたアンテナ間で通信を行なうものである。

前記シート内に入射された電磁波はシート表面から電磁波として放射される。放射された電磁波の電力は入射位置から離れるに従い減衰する。又、シート端部では反射し放射量が大きくなる。放射量が電磁波の放射源からの距離に対して不均一或いは制御できないため電磁波の不要輻射や電力の無駄が生じる。

本発明は上記課題を解決するものであり、その目的は電波の干渉や電磁波の不要輻射を防止するため最小の電力で電波の到達範囲を制御することができる近傍無線通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するための請求項１に記載の近傍無線通信装置は、シート状の導体上に設けられた第１の誘電体と、前記第１の誘電体上に設けられ、該第１の誘電体よりも高い比誘電率を有し、電磁波が入射される第２の誘電体を有した信号伝達シートを備え、前記第１の誘電体内にはアンテナが設けられ、該アンテナ周辺の誘電体部位の膜厚をその他の誘電体部位の膜厚より厚く構成されていることを特徴としている。

上記構成によれば、第１の誘電体の比誘電率が第２の誘電体のそれよりも低いため、誘電正接、すなわちエネルギー損失は少なく電磁波の伝播特性が良好となり、第２の誘電体の高い比誘電率によって、入射された電磁波を閉じ込めることができる。これによって、電磁波の伝播特性と電磁波の閉じ込め機能を両立させることができ、小電力で電磁波の到達範囲を制御することができる。
また、放射電界の到達範囲を調整することができる。

また請求項２に記載の近傍無線通信装置は、前記第１又は第２の誘電体には複数の空孔が設けられ、前記誘電体の比誘電率が所望の比誘電率となるように前記空孔の形成密度が決定されていることを特徴としている。

上記構成によれば、誘電体の比誘電率を任意に制御して放射電界の到達範囲を調整することができる。

また請求項３に記載の近傍無線通信装置は、前記誘電体の比誘電率εが、信号伝達シートの中央を中心とする同心円の最大半径Ｒに対する半径ｒの変化率ｒ／Ｒに対して、ε＝２−（ｒ／Ｒ）²となるように、前記空孔の形成密度が決定されていることを特徴としている。

上記構成によれば、全ての方向から同一感度で受信可能な誘電体レンズ（ルーネベルグ誘電体レンズ）を形成することができ、信号伝達シート側面からの電磁波の漏洩を防止し伝播距離を長くすることができる。

（１）請求項１〜３に記載の発明によれば、電磁波の伝播特性と電磁波の閉じ込め機能を両立させることができ、小電力で電磁波の到達範囲を制御することができる。また、放射電界の到達範囲を調整することができる。
（２）また請求項２に記載の発明によれば、誘電体の比誘電率を任意に制御して放射電界の到達範囲を調整することができる。
（３）また請求項３に記載の発明によれば、全ての方向から同一感度で受信可能な誘電体レンズ（ルーネベルグ誘電体レンズ）を形成することができ、信号伝達シート側面からの電磁波の漏洩を防止し伝播距離を長くすることができる。

本発明の一実施形態例を示し、（ａ）は信号伝達シートの断面構成図、（ｂ）は誘電体近傍の電磁界のようすを表す説明図。導体上に誘電体を付着させた信号伝達シートにおける放射源からの垂直方向距離と電界の減衰率の関係を示す特性図。導体上に誘電体を付着させた信号伝達シートに電磁波を入射させ、該シート上でアンテナを垂直方向に動かして受信電力を測定したときの垂直方向距離と受信レベルの特性図。本発明の他の実施形態例における信号伝達シートの平面図。本発明の他の実施形態例における信号伝達シートの断面構成図。誘電体に設けた空孔の空孔率と比誘電率の関係を示す特性図。ルーネベルグ誘電体レンズの原理図。本発明の他の実施形態例を説明するための、空孔によって形成したルーネベルグ誘電体レンズの径変化率と空孔率の関係を示す特性図。本発明の他の実施形態例を説明するための、空孔によって形成したルーネベルグ誘電体レンズの径変化率と比誘電率の関係を示す特性図。本発明と従来例における電磁波の入射位置からの距離と電力の関係を示す特性図。

以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明するが、本発明は下記の実施形態例に限定されるものではない。本発明では、信号伝達シートから放射される電磁波を誘電体の膜厚や誘電率の分布を調整することにより、電磁波の放射量を調整することができるように構成した。

図１（ａ）は本発明の一実施形態例による信号伝達シート１００の構成を示している。図１（ａ）において、１０は直方体状の導体であり、その一方の面には同一形状の第１の誘電体１１が積層されている。

第１の誘電体１１には、該誘電体１１と同一形状に形成され、誘電体１１よりも高い比誘電率を有した第２の誘電体１２が積層されている。

前記誘電体１１中の両端部にはアンテナ１３ａ，１３ｂが設けられている。尚、第２の誘電体１２の面には電極（図示省略）を設けても良い。前記誘電体１１，１２は例えば樹脂で構成される。

第２の誘電体１２に対向し、該誘電体１２から所定距離隔てた部位には外部アンテナ２３が配設されている。この外部アンテナ２３は、第２の誘電体１２に接触して設けられても良く、前後、左右、上下に自由に空間を動くことができるように構成されている。

前記信号伝達シート１００には電磁波が入射され、その電磁波はシート内を伝播し、シートから放射することによって信号が伝達される（近傍通信が行なわれる）。

すなわち、一端側のアンテナ１３ａから放射された電磁波は、第１の誘電体１１を通って他端側のアンテナ１３ｂに直接到達するか、又は第１および第２の誘電体１１、１２の界面層や電極（金属）層で乱反射を繰り返しながらアンテナ１３ｂに到達する。この際、電磁波の一部は第２の誘電体１２を通り抜けて（透過して）外部アンテナ２３に到達する。

これら電磁波の反射、透過は、スネルの法則によって第１および第２の誘電体１１、１２の比誘電率の差によって定められる。

ここで放射電磁界の比誘電率と膜厚の影響を説明する。グランド板に誘電体を付着させた場合誘電体近傍の電磁界のようすは図１（ｂ）のとおりであり、その放射量は一般的に以下の式で表すことができる。導体の上に誘電体を付着させた場合空気中での電界は、非特許文献１に開示されているように次の式（１）で与えられる。

但しμ：誘電体の透磁率、εｒ：誘電体の比誘電率、λ：波長、ｈ：誘電体の厚さである。

ここで、εｒ：２．１又はεｒ：４、ｈ＝１．７ｍｍ又は０．８ｍｍ、λ＝１２．４ｃｍ（２．４ＧＨｚ）、λ＝５．８ｃｍ（５．２ＧＨｚ）の時、減衰率ｅ^-vzを計算すると、放射源からの垂直方向距離との関係は図２のとおりである。尚、図２中のｔは誘電体の厚さｈを示している。

この図２によれば、誘電体に入射された電磁波の周波数を低く（高く）する、誘電体の膜厚を薄く（厚く）する。若しくは比誘電率を小さく（大きく）すると大気中の減衰率が小さく（大きく）なることがわかる。

周波数、膜厚や比誘電率が大きくなると誘電体内に電磁波エネルギーが集まる。逆に、空間中に放出される電界が大きくなると誘電体内を伝播する電磁波エネルギーが低下することになる。

一般的に誘電率は結晶構造における電荷の非対称性によって発生する特性である。しかし、損失（誘電正接Ｔａｎδ）は対称性が良く、規則正しい結晶ほど小さくなる。つまり誘電率と損失は相反する特性で、誘電率の高い材料ほど損失は大きくなっていく。従って低損失高誘電率の材料は技術的に難しく高価である。

比誘電率を高めることにより電磁波を閉じ込めることができるが、損失も高くなり伝播特性が悪化する。

信号伝達シートにおいて、放射源からの水平方向距離をｒ、垂直方向距離をｚとすると、電力は水平方向及び垂直方向共に指数関数的に減衰すると想定される。

Ｐ（ｒ，ｚ）＝ｆ（ｘ）Ｇ（ｚ）
ｆ（ｒ）＝ｋｅ^-αr
Ｇ（ｚ）＝Ｋｅ^-2vz
・α→大ｖ→小
・α→小ｖ→大
従って信号伝達シートの設計については放射電界の到達範囲やシート内の伝播に比誘電率、膜厚が密接に絡み、そのバランスをとることが重要である。

次に受信レベルについて実測値と理論計算値の比較を説明する。５．６６ＧＨｚの−２０ｄＢｍ電磁波を比誘電率が２．３のシートに入射させ、シート上でアンテナを５〜１１ｃｍ垂直方向に動かし受信電力を測定した。

周波数５．６ＧＨｚ、厚さ１．５ｍｍで比誘電率を１．５〜５の間で変化させながら基準点から減衰量を算出した。その結果を図３に示す。

図３によれば、実測値と理論計算がよく一致していることがわかる。従って比誘電率と膜厚を制御することによってシート内の電磁波の伝播とシートからの電磁波の放射を制御することができる。

そこで本実施形態例では図１（ａ）に示すように、放射面に比誘電率の高い第２の誘電体１２を配置し、下層に比誘電率の低い第１の誘電体１１を配置した。

第１の誘電体１１の比誘電率が第２の誘電体１２のそれよりも低いため、誘電正接、すなわちエネルギー損失は少なく電磁波の伝播特性が良好となり、また第２の誘電体１２の高い比誘電率によって、入射された電磁波を閉じ込めることができる。これによって、電磁波の伝播特性と電磁波の閉じ込め機能を両立させることができ、小電力で電磁波の到達範囲を制御することができる。

また他の実施例としては、前記誘電体１１，１２内に設けた発信用のアンテナの周辺の誘電体の膜厚を厚くすることにより、伝播と放射を制御する。これによって放射電界の到達範囲を調整することができる。

樹脂製の誘電体の比誘電率を変える方法として、誘電率制御用フィラーの添加率や発泡率を変えることが挙げられる。しかしながら部分的に誘電率を変えるためにはこれらを組み合わせる必要がある。

そこで、本発明の他の実施形態例として、図４に示すように第１、第２の誘電体１１，１２に、例えばレーザーやドリル等で複数の空孔１４…を設けることによって、誘電率を変化させるように構成した。図４において図１（ａ）と同一部分は同一符号をもって示している。

空孔１４の直径は入射される電磁波の波長λの１／１０以下程度が望ましい。さらに比誘電率は誘電体に占める体積比によって決定される。

ここで、ｖｒ：誘電体の体積、ｖｈ：空孔の体積、ε：誘電率、ｒ：空孔半径、ｎ：空孔数、ｈ：誘電体の高さ（厚さ）とすると、
ε＝（ε₀・（ｖｒ−ｖｈ）＋ｖｈ）／ｖｒ）…（２）
ｖｈ＝ｎ・ｈ・πｒ²
である。

ε₀＝２の一辺が１００ｍｍ、高さ１．５ｍｍの直方体状誘電体に半径１ｍｍの空孔を空けた場合、空孔率に対する比誘電率は図６のようになる。

図６からわかるように、体積あたりの空孔数が増大する（空孔率の増大）に従い誘電率が低下する。

そこで本実施形態例では、誘電体の比誘電率が所望の比誘電率となるように、図４（ａ）に示す空孔１４の形成密度を決定するものである。これによって放射電界の到達範囲を任意に調整することができる。

さらに他の実施形態例としては、図４の空孔１４によって、図７のルーネベルグ誘電体レンズの原理を利用したルーネベルグレンズを作成する（図４（ｂ），図５）。

図７において、ＰｏｉｎｔＳｏｕｒｃｅは電磁波の放射源、ＬｅｎｓＳｕｒｆａｃｅはレンズ表面、ＰｌａｃｅＷａｖｅｆｒｏｎｔは波面位置を示している。

ルーネベルグ誘電体レンズは全ての方向から同一感度で受信することができ、電磁波の放射源としてアンテナを形成することによりシート側面からの電磁波の漏洩を抑止し、伝播距離を長くすることができる。

すなわち例えば図４（ｂ）に示すように、誘電体１１，１２中の電磁波の放射アンテナ１３ａ，１３ｂ（図４（ｂ）では図示省略）の前に体積に対する空孔１４の形成比率を中心から徐々に増やして同心円状に誘電率を変化させ、最大半径Ｒに対する半径ｒの変化率ρ＝ｒ／Ｒに対して比誘電率ε＝２−（ｒ／Ｒ）²（比誘電率が２の樹脂の場合）となるように調整する。

具体的には比誘電率２の樹脂に半径１ｍｍの空孔１４を空け半径Ｒ＝２０ｍｍのルーネベルグレンズを作成する。

また図５は、第１の誘電体１１の外周側のアンテナ１３ａ，１３ｂに隣接する部位に、前記複数の空孔１４を備えたルーネベルグレンズによってルーネベルグレンズアンテナ１５を形成した実施例の断面構成を示している。

図５において図１（ａ）と同一部分は同一符号をもって示している。図５において、一端側のアンテナ１３ａから放射された電磁波は、ルーネベルグレンズアンテナ１５および第１の誘電体１１を通って他端側のアンテナ１３ｂに直接到達するか、又は第１および第２の誘電体１１、１２の界面層や電極（金属）層で乱反射を繰り返しながらアンテナ１３ｂに到達する。この際、電磁波の一部は第２の誘電体１２を通り抜けて（透過して）外部アンテナ２３に到達する。

上記のように複数の空孔１４によってルーネベルグ誘電体レンズを構成した場合の径変化率ρ（ｒ／Ｒ）に対する空孔率（ｖｈ／ｖｒ）の関係を図８に、径変化率ρに対する誘電率εの変化を図９に各々示す。

空孔をより小径化し多層化すれば理論値（ｔｈｅｏｒｙ）に近づけることができる。

尚、前記空孔１４の密度を変更するに限らず、誘電体１１，１２をダンボールのようなトラス構造や蜂の巣構造に形成し、それらトラス構造や蜂の巣構造の各仕切り壁の密度を変更することにより、前記と同様の効果を期待することができる。

前記実施例のように、下層の誘電体１１の比誘電率を上層の誘電体１２の比誘電率より小さくして電磁波を閉じ込め、細孔（空孔１４）の密度を電磁波の入射付近では大きく中央付近では小さく入射側とは反対側の端部では大きくした場合の距離と受信電力（ＲＳＳＩ）の関係を図１０に示す。但し電磁波入射位置を０とした。

図１０によれば、（２）の従来例では端部で反射し中央部で電力が低くなっているが、（１）の本発明によれば均一になっていることがわかる。

１０…導体
１１…第１の誘電体
１２…第２の誘電体
１３ａ，１３ｂ…アンテナ
１４…空孔
１５…ルーネベルグレンズアンテナ
２３…外部アンテナ
１００…信号伝達シート

Claims

シート状の導体上に設けられた第１の誘電体と、前記第１の誘電体上に設けられ、該第１の誘電体よりも高い比誘電率を有し、電磁波が入射される第２の誘電体を有した信号伝達シートを備え、
前記第１の誘電体内にはアンテナが設けられ、該アンテナ周辺の誘電体部位の膜厚をその他の誘電体部位の膜厚より厚く構成されていることを特徴とする近傍無線通信装置。
前記第１又は第２の誘電体には複数の空孔が設けられ、前記誘電体の比誘電率が所望の比誘電率となるように前記空孔の形成密度が決定されていることを特徴とする請求項１に記載の近傍無線通信装置。
前記誘電体の比誘電率εが、信号伝達シートの中央を中心とする同心円の最大半径Ｒに対する半径ｒの変化率ｒ／Ｒに対して、ε＝２−（ｒ／Ｒ）²となるように、前記空孔の形成密度が決定されていることを特徴とする請求項２に記載の近傍無線通信装置。