JP6132971B2 - 回転偏波アンテナ、送受信モジュール、昇降機制御システムおよび変電所制御システム - Google Patents
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Description
社会インフラ機器の制御・監視ネットワークでは、通信サービスエリアがインフラシステム内に限定されることと、同インフラシステムを構成する機器の動作を妨げない為に、この機器に無線機を設置し、無線機ごとに通信するメッシュネットワークの構成が望まれている。
電磁波は散乱体により反射されるときに、この散乱体表面の法線ベクトルの方向と散乱体に入射する偏波ベクトルの方向の両者に関係して固有な偏波ベクトルの回転を受けるという特性がある。この特性に着目して、受信局が送信局の放射する電磁波の偏波の方向を知り、この受信局に到来する複数の反射伝搬路を受信した電磁波の偏波方向をも知ることができる。両者の方向から、この複数の伝搬路の識別あるいは選択を行なう特殊な通信を実現することができる。
特許文献1の要約の課題には、「送信用円偏波パッチアンテナと受信用円偏波パッチアンテナを備え、送信端子と受信端子間のアイソレーションが大きく、しかも給電回路の構成が簡単な2周波共用マイクロストリップアンテナを提供する。」と記載されている。
第3の発明は、前記回転偏波アンテナを具備した無線機を適用した昇降機制御システムとした。
第4の発明は、前記回転偏波アンテナを具備した無線機を適用した変電所制御システムとした。
その他の手段については、発明を実施するための形態のなかで説明する。
(第1の実施形態)
本実施形態は、回転偏波を送受信可能なアンテナ1に係るものである。本実施形態のアンテナ1の構成と動作を図1から図3を用いて説明する。
図1は、第1の実施形態の回転偏波を送受信可能なアンテナ1の構成図の例である。
薄型のアンテナ1は、あらかじめ定められた矩形領域が矩形微小領域で分割されている。この領域に微小導体セグメント10が存在するか否かによりアンテナ1の構造が定まる。特定の隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成され、この空隙が給電点3となる。異なる箇所の隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成され、この空隙が給電点4となる。なお、図1に示したアンテナ1の構成は、発明の概念を示すための簡略例であって、実際の微小導体セグメント10の配置を示すものではない。
給電点3では周波数f1およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ1に高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。給電点4では、周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ1に高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。ここで、所定周波数帯域で高周波回路と良好なインピーダンス整合状態であるということは、所定のリターンロスRmよりも小さな周波数特性を示すことをいう。
複数の微小セグメントで構成される一体の導体構造上には、二次元の電流分布が発生する。具体的な分布は、各種導体パターンと給電点の位置に固有なものとなる。円偏波は伝播する電磁波の直交する成分が互いに90度の位相差を持つことを特徴とする。該導体構造上の電流分布の直交する成分と、同成分が形成する遠方放射界は比例の関係にあるから、該導体構造上の電流分布の直交する成分が互いに90度の位相差を持てば、円偏波が空中に放射されることになる。
図3(a)は、周波数f1で右方向に旋回する円偏波を示す図である。この円偏波は、式(1)で表現される。
従って、電流分布の直交する成分が互いに90度の位相差を持つような、導体パターンと給電点の位置を見出せば、その見出した構造が求めるべきアンテナ構造となる。そのような構造は、あらかじめ定められた有限の矩形領域を微小矩形セグメントで分割して、該セグメントのあるなしの全組み合わせから適当な探索アルゴリズム(例えば総当り法)で見出すことが具体的に可能である。本発明によれば、インフラ機器の表面に設置可能な小型無線機を提供可能な薄型板状構造で、搬送波の周波数よりオーダーレベルで低い周波数で偏波が回転する電磁波を実現可能なので、商用デジタル信号処理デバイスを用いて、送信電磁波の偏波角度に対して、受信電磁波の偏波角度の偏移を検出できるので、送受信間で多重反射により形成される複数の伝搬路を用いた、高信頼・高セキュアな無線通信を実現する効果がある。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構成例を、図4と図5を用いて説明する。
アンテナ1A(回転偏波アンテナ)は、あらかじめ定められた正方形の矩形領域が矩形微小領域で分割され、この領域に微小導体セグメント10が存在するか否かにより構成が定まる。
隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成され、この空隙が給電点3となる。複数の微小導体セグメント10が形成する特徴的な導体パターンと給電点3とにより、この矩形領域内に直交する電流分布の成分Ix,Iyが形成される。電流分布の成分Ix,Iyは、周波数f1(第1周波数)で振幅が概略同じ且つ位相が+90度異なり、かつ周波数f2(第2周波数)で振幅が概略同じ且つ位相が−90度異なる。
給電点3では、周波数f1と周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域においてアンテナ1Aに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構成例を、図6と図7を用いて説明する。
図6は、第3の実施形態における回転偏波を送受信可能なアンテナ1Bの構成図である。
アンテナ1Bは、あらかじめ定められた矩形領域が二つの部分矩形領域に分けられ、夫々が矩形微小領域で分割されている。一方の部分矩形利用域に微小導体セグメント10が存在するか否かによりアンテナ構造11が定まる。アンテナ構造11の特定の隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成され、この空隙が給電点3となる。他方の部分矩形領域に微小導体セグメント10が存在するか否かによりアンテナ構造12が定まる。アンテナ構造12の特定の隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成され、この空隙が給電点4となる。
給電点3から周波数f1の高周波信号がアンテナ1Bに入力されることで、振幅が概略同じ且つ位相が+90度異なる電流分布の成分Ix1,Iy1が形成される。給電点4から周波数f2の高周波信号がアンテナ1Bに入力されることで、振幅が概略同じ且つ位相が−90度異なる電流分布の成分Ix2,Iy2が形成される。
給電点3では、周波数f1およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ1Bに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されており、給電点4では周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ1Bに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの具体的な設計例を、図8を用いて説明する。
アンテナ1Cに供給される高周波信号の周波数f1は、426[MHz]である。この高周波信号の周波数f2は、429[MHz]である。微小導体セグメント10の形状は、一辺が5[mm]の正方形である。
本設計例では、両者の周波数においてVSWR(Voltage Standing Wave Ratio)が2未満の良好なインピーダンス整合条件が実現される。本実施形態により、あらかじめ定められた有限の矩形領域を微小導体セグメント10で分割して、このセグメントの有無の全組み合わせから適切な探索アルゴリズム(例えば総当り法)で見出すことにより、偏波の回転周波数が電波伝搬の周波数より低い周波数で回転する電磁波を空間に放射するアンテナ1Cを具体的に設計することができる。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構成例を、図9を用いて説明する。
図9は、第4の実施形態における回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構成図の例である。
太実線aで示すように、給電点3では、周波数f1およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ構造11Dに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
太破線cで示すように、給電点4では、周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ構造11Dに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
細破線dで示すように、給電点6では、周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域において、アンテナ構造12Dに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構成例を、図11を用いて説明する。
アンテナ1Eは、あらかじめ定められた矩形領域が中心部に位置する中心矩形領域と、中心矩形領域を取り囲むロの字形周辺領域に分けられ夫々が矩形微小領域で分割されている。
中心矩形領域に微小導体セグメント10が存在するか否かによりアンテナ構造12Eが定まる。存在し隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成される。この空隙が給電点4となる。他の部分矩形利用域に微小導体セグメント10が存在するか否かによりアンテナ構造11Eが定まる。隣接する2個の微小導体セグメント10の中間辺が電気的に切断されて空隙が形成される。この空隙が給電点3となる。アンテナ構造11Eおよびアンテナ構造12Eは、誘電体シート7の上にアンテナ構造11Eがアンテナ構造12Eを電気的に接触することなく取り囲むように配置されてアンテナ1Eを形成する。
給電点3では、周波数f1およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域においてアンテナ1Eに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。給電点4では、周波数f2およびこれらの周波数の電磁波に重畳される信号の周波数帯域(2Δf)を含む全領域においてアンテナ1Eに高周波信号を供給する高周波回路と良好なインピーダンス整合状態が実現されている。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの構造例を、図12を用いて説明する。
アンテナ1Fは、一体平板構造である上部構造13と、一体平板構造である下部構造14とを含んでいる。この上部構造13と下部構造14とは、複数の正方形状の微小導体セグメント10によって構成される。この上部構造13と下部構造14とは、空間的に対向して給電点31で励振される。この給電点31は、励振波長に対して十分に狭い間隙である必要がある。なお図12では、上部構造13と下部構造14の関係を明瞭に示すため、離間して図示している。
ここで給電点31の間隙は、励振波長に対して100分の1未満である。そのため、上部構造13と下部構造14が離れていて、この条件を満たさない場合は、線状導体によって、給電点31と上部構造13および下部構造14とを電気的に接続するとよい。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構造例を、図13を用いて説明する。
一体平板構造であるアンテナ1Gは、複数の正方形状の微小導体セグメント10によって構成される。アンテナ1Gは、導体板15に対向して設置される。この導体板15は、給電孔151を有し、この給電孔151を介して同軸線路32の内導体を形成する線状導体17が貫通する。
アンテナ1Gの特定の隣接する2個の微小導体セグメント10間に形成される間隙が給電点3となり、給電点3に接続する一方の微小導体セグメント10に、同軸線路32の内導体を形成する線状導体17が電気的に接続される。給電点3に接続する他方の微小導体セグメント10が、この導体板15と線状導体16により接続され、同軸線路32の外部導体は導体板15の給電孔151の縁で電気的に接続される。この同軸線路32によって、高周波信号発生回路31の信号がアンテナ1Gに供給される。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構造例を、図14を用いて説明する。
図14は、本実施形態の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構造図の例である。
一体平板構造であるアンテナ1Hは、複数の正方形状の微小導体セグメント10によって構成される。このアンテナ1Hは、導体板15に対向して設置される。この導体板15は給電孔151を有し、このアンテナ1Hの特定の隣接する2個の微小導体セグメント10間に形成される間隙が、給電点3となる。この導体板15は、アンテナ1Hと対向しない面が誘電体層により裏打ちされる。この誘電体層の導体板15と対向する基板2に、平面合成回路21が形成される。この平面合成回路21の合成出力点は、線状導体17によって、給電点3に接続する一方の微小導体セグメント10に電気的に接続される。給電点3に接続する他方の微小導体セグメント10は、線状導体16によって、導体板15と接続される。この平面合成回路21の二つの入力点には、周波数f1の高周波信号を発生する高周波信号発生回路31(第1回路)と、周波数f2の高周波信号を発生する高周波信号発生回路41(第2回路)とが接続される。このアンテナ1Hと、平面合成回路21と、高周波信号発生回路31,41とは、送受信モジュール24を構成する。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構造例を、図15を用いて説明する。
図15は、本実施形態の回転偏波を送受信可能なアンテナの他の構造図の例である。
一体平板構造であるアンテナ構造13Jは、複数の正方形状の微小導体セグメント10によって構成される。このアンテナ構造13Jは、導体板15aに対向して設置される。この導体板15aには、給電孔151aが形成されている。このアンテナ構造13Jの特定の隣接する2個の微小導体セグメント10間に形成される間隙が給電点3aとなる。
一体平板構造であるアンテナ構造14Jは、複数の正方形状の微小導体セグメント10によって構成される。このアンテナ構造14Jは、導体板15bに対向して設置される。この導体板15bは、給電孔151bを有している。このアンテナ構造14Jの特定の隣接する2個の微小導体セグメント10間に形成される間隙が、給電点3bとなる。
この導体板15aと導体板15bとは、対向して並置されその中間に平面状の中間層18が形成される。この中間層18には、給電ストリップ線路19aと給電ストリップ線路19bとが形成される。
給電ストリップ線路19bは、給電点3bに接続する一方の微小導体セグメント10に線状導体17によって電気的に接続される。給電点3bに接続する他方の微小導体セグメント10は、線状導体16によって導体板15bに接続される。
更に導体板15aと導体板15bとは、電気的に同電位になるように接続される。中間層18は、導体板15aと導体板15bの間が誘電体層で充填されて内層となる。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナを具備する回転偏波の電磁波を用いる無線通信システムの構成例を説明する。
昇降機システム8は、建物82の内部を昇降カゴ83が昇降する。建物82の内部の天井部および床部には、本発明の回転偏波を送受信可能な回転偏波アンテナ1H−1,1H−4と、これを用いる基地局の無線機23−1,23−2が設置される。
昇降カゴ83の外部天井と外部床面には、回転偏波を送受信可能な回転偏波アンテナ1H−2,1H−3が設置され、高周波ケーブル84を用いて端末局の無線機22に結合している。
基地局の無線機23−1,23−2と端末局の無線機22は、建物82の内部を無線伝送媒体とするので、建物82の内壁およびこの昇降カゴ83の外壁により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。
本実施形態では、多重波干渉環境下で複数の反射波を用いて送受信間の通信品質の低下を補償する高品質の無線伝送が実現可能となるので、同無線機を用いた無線接続手段を用いて、昇降機システム8の制御・監視を建物82より有線接続手段を用いずに遠隔で実施できるので、ケーブル等の有線接続手段を削除可能で、同一の輸送能力をより小さい建物体積で実現でき、あるいは同一の建物体積で昇降機寸法を増大させることによる輸送能力向上を実現できる。
本実施形態では、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナを具備する回転偏波の電磁波を用いる無線通信システムの他の構成例を説明する。
本実施形態の変電設備監視システム9は、複数の変電機91と、複数の基地局装置92とを含んで構成される。変電機91には、本発明の回転偏波を送受信可能なアンテナ1Jを具備する回転偏波の電磁波を用いる無線通信システムの送信機および受信機を具備する端末局の無線機22と端末局の回転偏波アンテナ1J−1が結合し設置される。複数の変電機91の近傍に、この変電機91の数よりも少ない数の複数の回転偏波を送受信可能なアンテナを具備する回転偏波の電磁波を用いる無線通信システムの送信機および受信機を具備する基地局装置92が設営される。
基地局装置92は、回転偏波を送受信可能なアンテナを具備する回転偏波の電磁波を用いる基地局の無線機23と基地局の回転偏波アンテナ1J−2が結合し設置される。変電機91の寸法は数mのオーダーであり無線機が使用する電磁波の周波数である数百MHzから数GHzに対応する波長に比べ圧倒的に大きい。よって、これら複数の変電機91により電磁波は多重反射を受け、多重波干渉環境が形成される。
本実施形態では多重波干渉環境下で複数の反射波を用いて送受信間の通信品質の低下を補償する高品質の無線伝送が実現可能となるので、これらの無線機を用いた無線接続手段を用いて、変電機91の制御・監視を複数の基地局装置92により有線接続手段を用いずに遠隔で実施できる。これにより、ケーブル等の有線接続手段を用いる場合に問題となる高圧誘導電力の問題を解決でき、同ケーブルの敷設コストを削除できるので、変電機91の制御・監視システムの安全性向上およびコスト削減に効果がある。
複数の微小導体セグメントは、正方形に限定されず、平面を埋める形状であればよく、例えば長方形や三角形や六角形などであってもよい。
10 微小導体セグメント
11 アンテナ構造 (第1領域)
12 アンテナ構造 (第2領域)
13 上部構造
14 下部構造
13J,14J アンテナ
15,15a,15b 導体板
151 給電孔
16,17 線状導体
18 中間層
19a,19b 給電ストリップ線路
21 平面合成回路
31 高周波信号発生回路 (第1回路)
41 高周波信号発生回路 (第2回路)
3,4,5,6,31 給電点
7 誘電体シート
8 昇降機システム
82 建物
83 昇降カゴ
84 高周波ケーブル
9 変電設備監視システム
91 変電機
92 基地局装置
Claims (14)
- 一体の平板の導体に給電点を設けて第1周波数および当該第1周波数とは異なる第2周波数で励振した際に、前記第1周波数を含む周波数帯と前記第2周波数を含む周波数帯の両方で給電回路と整合し、前記第1周波数で前記平板上に形成される直交する方向の電流分布の振幅が等しく位相が90度異なり、前記第2周波数で前記平板上に形成される互いに直交する同一の方向の電流分布の振幅が等しく位相が90度異なり、かつ、前記第1周波数の電流分布の位相と前記第2周波数の電流分布の位相とは逆方向となる、
ことを特徴とする回転偏波アンテナ。 - 前記平板に設けられる給電点は2点であり、一方の給電点は前記第1周波数で励振され、他方の給電点は前記第2周波数で励振される、
ことを特徴とする請求項1に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記平板は、第1領域および前記第1領域に並置される第2領域で構成され、
前記一方の給電点は、前記第1領域に設けられ、
前記他方の給電点は、前記第2領域に設けられる、
ことを特徴とする請求項2に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記平板は、第1領域および前記第1領域を取り囲む第2領域で構成され、
前記一方の給電点は、前記第1領域に設けられ、
前記他方の給電点は、前記第2領域に設けられる、
ことを特徴とする請求項2に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記平板に設けられる給電点は1点であり、当該1点の給電点が前記第1周波数および前記第2周波数で励振される、
ことを特徴とする請求項1に記載の回転偏波アンテナ。 - 2枚の前記平板が並置されて構成され、
一方の平板上に形成される直交する電流の位相と、他方の平板上に形成される直交する電流の位相とが互いに反転する、
ことを特徴とする請求項1に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記平板は、複数の微小導体セグメントで構成される、
ことを特徴とする請求項1ないし請求項6の何れか1項に記載の回転偏波アンテナ。 - 2枚の前記平板が同方向かつ平行に設置され、各前記平板を構成する特定の微小導体セグメント間で給電が行われる、
ことを特徴とする請求項7に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記平板に平行に設置され、かつ前記平板を構成する特定の微小導体セグメントに給電する導体板を有する、
ことを特徴とする請求項7に記載の回転偏波アンテナ。 - 前記導体板上の前記平板とは異なる方向に平面合成回路が形成されており、
該平面合成回路の各入力端子に、それぞれ異なる周波数の変調波を入力する、
ことを特徴とする請求項9に記載の回転偏波アンテナ。 - 第1導体板と第2導体板とが中間層を形成し、前記平板である第1平板が第1導体板の一方に対向し間隔を置いて設置され、前記平板である第2平板が第2導体板の他方に対向し間隔を置いて設置され、かつ前記第1導体板と前記第2導体板の高周波電位を同一とし、前記中間層には前記第1導体板を貫通する第1給電線と前記第2導体板を貫通する第2給電線とが形成され、
前記第1給電線が前記第1平板を構成する特定の微小導体セグメントと結合し、
前記第2給電線が前記第2平板を構成する特定の微小導体セグメントと結合する、
ことを特徴とする請求項7に記載の回転偏波アンテナ。 - 請求項1に記載の回転偏波アンテナと、
前記第1周波数で励振する第1回路と、
前記第2周波数で励振する第2回路と、
を備えたことを特徴とする送受信モジュール。 - 請求項1に記載の回転偏波アンテナを具備した無線機を適用した昇降機制御システム。
- 請求項1に記載の回転偏波アンテナを具備した無線機を適用した変電所制御システム。
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