JP6589103B2

JP6589103B2 - 情報通信装置

Info

Publication number: JP6589103B2
Application number: JP2015133091A
Authority: JP
Inventors: 洋司小塚
Original assignee: 洋司小塚
Priority date: 2015-06-15
Filing date: 2015-06-15
Publication date: 2019-10-16
Anticipated expiration: 2035-06-15
Also published as: JP2017005670A

Description

発明の詳細な説明

近年急速に普及し始めているドローン（Ｄｒｏｎｅ）などの無人飛行体や、自動運行する自動車等における確実な位置の特定や局所場からの時々刻々変化する情報提供が、情報通信分野、セキュリティの面などから求められている。本発明は、主として移動体一般を対象とした局所場における位置の正確な特定や、局所場のからの情報を正確に送受出来、かつ電気的に瞬時に情報変更の書き換えが可能で、秘匿性が高い情報通信装置に関する。この情報通信装置を実現するための構造体として、電気的に電磁波吸収および反射制御が可能な電波吸収体（以後、「電気制御型電波吸収体」と略称する）を用い、これに特異な電磁波吸収特性をもたせる手段で上記目的を達成している。

従来、電気的に電磁波（以後、「電波」と略称する）を吸収したり反射したりできる電波吸収体が、電磁界感応機能体として発明されすでに公知である（特許第４５８１１０５、特許第４５４２８２７、特許第４７６１２４６）。また、マイクロチップ構成のコンピュータ、センサ、その他の測定機能などを電磁界感応機能体と一体化して、同一基板上に構成するという考えに立つ電磁界感応機能体を基本構造体とする自律制御型メタマテリアル（文献：１．Ｐｒｏｃ．ＥＭＣ’０４Ｓｅｎｄａｉ，Ｖｏｌ．１，ｐｐ．３０１−３０４，Ｍａｙ，２００４、“ＡＮｅｗＥＭ−ｗａｖｅＡｂｓｏｒｂｅｒｕｓｉｎｇＦｕｎｃｔｉｏｎａｌＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｅｌｌＭａｔｅｒｉａｌ，” ２．ＩＥＥＥＥＭＣＴｒａｎｓ．，Ｖｏｌ．５２，Ｎｏ．３，ｐｐ．５５６−５６５，Ａｕｇ．２０１０．“ＮｏｖｅｌＲｉｇｈｔ−ｈａｎｄｅｄＭｅｔａｍａｔｅｒｉａｌＢａｓｅｄｏｎｔｈｅＣｏｎｃｅｐｔｏｆ“ＡｕｔｏｎｏｍｏｕｓＣｏｎｔｒｏｌＳｙｓｔｅｍｏｆＬｉｖｉｎｇＣｅｌｌｓａｎｄＩｔｓＡｂｓｏｒｂｅｒＡｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”、３．電子情報通信学会会誌小特集、ｐｐ．４３５−４３９，平成２２年６月号）も公知である。さらに、この種の電磁界感応機能体や自律制御型メタマテリアルの機能を移動体通信に応用することも公知である（文献：自律制御型メタマテリアルによる通信環境の制御性について、電子情報通信学会，短距離無線通信研究会技法［招待講演］，ＳＲＷＮｏ．１０２０１２‐１〜９，ｐｐ．１〜９，２０１２年６月）。

まず、上記、公知の電磁界感応能機能体を応用した従来の情報通信装置の動作原理と本発明の相違点につき記す。電磁界感応能機能体を電波吸収体として使用する場合は、この高周波回路に装荷された能動素子へのバイアス電圧を変化させることによって、あらかじめ設計されている電波吸収周波数の下で、電波を吸収させたり、反射させたりする特性が実現できる。したがって、この状態の電波吸収体に信号が変調されていない無変調の連続波（以後、「無変調波」と略称する）を入射させた場合、バイアス電圧をＯＮ，ＯＦＦと交互に変化させることによって、この入射した電波が振幅変調され、ある情報をもった変調波として送信側に送信される。送信側では、この変調波を受信してあらかじめメモリに保存されている情報と照合して所定の情報を得ることができる。この種の通信方式をコードセンシング通信方式（文献：１．特許第３２７７２５３，２．電子情報通信学会技術報告書、ＥＭＣＪ９２−２６，ｐｐ．２３−３０，１９９２年６月）と称している。コードセンシング通信方式とは、移動体や移動者側がバーコードのような情報配列群をセンサやアンテナで読み取り、移動体や移動者側の受信機にあらかじめ記憶されているメモリ情報と照合して、局所場の各種情報を受信するという通信方式である。この通信方式に対して、公知の電磁界感応能機能体（例えば、特許第４７６１２４６）の電波吸収体を利用する場合、斜入射した送信波も吸収する特性を持つため、送信波が電磁界感応能機能体に斜入射した場合も電気制御型電波吸収体の電波吸収および反射特性を所定の速度で切り替えても変調波が発生し、当該電磁界感応能機能体から情報が変調された変調波が送信され、斜入射時でも情報を送信してしまうことになる。また、一般に送受信に利用するアンテナの放射指向性は、単一ビーム波の実現が困難である。したがって、この従来型電磁界感応能機能体の考え方に基づく電波吸収体を利用する場合、情報通信装置の誤動作対策のために電波吸収体などを必要とし、局所場の特定を精度よく確定するための構成が複雑化するという課題があった。

前記のように従来型の電磁界感応能機能体の電波吸収特性に基づく考えで構成したこの種の情報通信装置では、斜入射特性によっても電波吸収周波数が変動しないという本来電波吸収体が具備すべき特性に基づいた情報通信装置の提案であった。この電波入射角度が変化しても、電波吸収周波数が変化しないという特性は、一般の電波吸収体では必然的に要求されている特性である。これに対して、本発明は、電波の送受信に関し、情報通信装置の基本構造体である電気制御型電波吸収体において、斜入射電波に対しては情報が変調出来ぬよう当該電波吸収体の特性に特異性を与えて、送信側電波が本情報通信装置に垂直、または状況によって、これに近い角度で入射する場合に限り、送信側に所定の情報が変調された電波を再送信するという原理に基づく。この結果、受信された変調波情報を送信側のメモリ情報と照合して、正確な局所場情報を提供出来る情報通信装置の構成が可能となる。
近年、移動体の自動運転や自動操縦化が進み、これらの誤動作対策などの防止、情報セキュリティ面などからも秘匿性の高い通信方式の実現、位置の正確な特定や、局所場からの時々刻々と変化する正確な情報取得などの技術課題が益々重要となっている。本発明は、こうした技術課題を解決することに関する。

具体的には、例えば、飛行体が現在位置の情報を上空から正確に把握するために、本発明の情報通信装置の丁度真上に到来したときだけ、飛行体が発している送信波が、情報通信装置によって所定の情報で変調されて飛行体側で受信できれば、正確な位置情報を掌握することが出来る。これは、通常のアンテナを使用する方法では、アンテナ固有のサイドローブなどの影響を受け、単一ビーム波放射できないことから、この特性を実現することは一般に困難となる。また、地上の移動体においては、この情報通信装置を一種のバーコードシステムとして利用する場合、複数個の情報通信装置からなる各コード面に対して移動体側の送信電波が垂直入射するときだけ、この複数個の情報通信装置から変調された情報電波が、移動体側で受信でき、コードセンシング通信方式時における受信精度が確保でき、また混信対策などが大幅に軽減される。
したがって、本発明の課題は、送信波を受信し、変調波として再送信する側の情報通信装置としてアンテナを使用せず、平板状や円筒状、多面体等から成る電気制御型電波吸収体を基本構造体として用い、この構造体の電波吸収特性に特異性を持たせるという手段で、従来原理による情報通信装置における位置決めや、情報収集精度の不正確さなどの欠点を排除し、秘匿性を高めた局所場における正確な情報通信装置を簡易な方法で実現することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、電気制御型電波吸収体へ電波が斜入射した場合、垂直入射時の電波吸収中心周波数が変化するように当該電波吸収体を設計しておき、この特性を活用することで解決している。例えば、４．８ＧＨｚで垂直入射時において、−３０ｄＢ以上の電波吸収特性を保持している電波吸収体において、これに電波が４５度で斜入射した場合は、能動素子を装荷した高周波回路からなる当該電波吸収体への印加電圧を調整しても、４．８ＧＨｚでは最早電波吸収出来ず、電波吸収周波数は３．６５ＧＨｚ帯に変化する。このため、斜入射時は、当該電波吸収体への印加電圧を調整しても電波吸収することなく、反射体として動作する。この結果、電波斜入射時では、当該電波吸収体の能動素子の電圧を交互にＯＮ、ＯＦ、つまり振幅変調しても、この入射した電波が振幅変調されず、本発明の情報通信装置から変調波が送出できない。
したがって、送信側から、この情報通信装置への垂直入射時、または、これに近い角度入射のときだけ、変調波を送信側に送信することが出来る。本発明はこの手段で、簡易で電磁環境保全の立場らも優れた情報通信装置を実現している。以下、請求項別に解決するための課題、解決手段、実施例について具体的に記す。

請求項１は、本発明の構成基本原理および応用領域が多領域にわたるため、これらの事実を統括して記述したものである。前記、課題を解決するための手段で記した原理によれば、例えば、２．４５ＧＨｚの周波数の電波が、平板状または多面体などから成る本情報通信装置面に４５度で入射した場合、当該電波吸収体の能動素子のバイアス電圧を交互にＯＮ、ＯＦすれば、１．５ＧＨｚに周波数変換された振幅変調波を４５度方向に送信するようなことも可能となる。このように通信空間において一種の周波数変換器の機能を持たせることも出来る。この結果、秘匿性の高い通信システムを構築できるという特徴も持ち合わせている。
なお、本発明の電気制御型電波吸収体に対して、所定の角度の入射波だけを能動素子のバイアス電圧を交互にＯＮ、ＯＦして変調する場合、必ずしも完全な反射状態が当該電波吸収体に実現されなくてもよい。これは、当該電波吸収体の吸収特性は、基本的に高周波回路の共振に基づいているため、電波吸収特性が優れており、最適化することによって反射係数で−数十ｄＢ以上の吸収が可能となる。このため、電気制御型電波吸収体に装荷されている能動素子のバイアス電圧を所定の周波数で切り替えれば、最大吸収量と最小吸収量を利用するだけで、入射電波を十分変調することが出来る。この場合、最大振幅波選択回路などを併用すれば、斜入射電波には応答出来ない一層信頼性の高い通信も可能となる。
本発明は、使用する送信側からの送信電波は何らかの変調波および無変調であってよく、必ずしも無変調波だけに限定されるものではない。請求項１は、これら技術内容の統括に関する。なお、斜入射電波に応答しない変調方式は、電波が当該電波吸収体に斜入射した場合、本発明のように垂直入射時に対して電波吸収中心周波数が変化するように電波吸収体を設計しなくても、斜入射波に対するセンサを搭載したシステムなどでも実現できることは勿論である。

請求項２は、送信波として無変調波を送信する場合に関する発明である。
本発明の情報通信装置の基本構造体である電気制御型電波吸収体を、入射電波が垂直入射から斜入射に移行すると、電波吸収中心周波数が変動するように設計しておくことは請求項１の場合と同じである。この場合、斜入射時において、ＴＥ波入射とＴＭ波では、電波吸収中心周波数の変化方向が周波数軸上で異なる場合が生じるが、いずれにしても、斜入射時では、あらかじめ設定した垂直入射時と同一の周波数では電波吸収が不可能となる。
この特性を利用すれば、電波送信側からの所定の周波数の無変調波を情報通信装置に斜入射させても、この送信側無変調波に対して、情報通信装置の当該電波吸収体の能動素子のバイアス電圧を交互にＯＮ、ＯＦしても、変調波の発生は不可能となる。この結果、垂直無変調入射電波に対してのみ、情報が変調された電波を送信側へ送信出来る情報通信装置の構成が可能となる。この無変調波を送信波として使用すること、またコードセンシング通信方式では、あらかじめメモリに記憶させてあるメモリ情報と照合するという通信方式であること、これら両者が相俟って秘匿性の高い通信方式を実現している。
このように、本発明の装置は、送信側の送信電波として無変調波を使用できるため情報通信の秘匿性が優れ、しかもこれは周波数共用通信となっており、電波割当て周波数が枯渇している現状に適応できる条件を具え、かつ、送信側は無変調波送信であるため混信などの電波障害を抑制でき、電磁環境保全の立場からも有効である。

請求項３は、本情報通信装置の縦長のものを複数個横に配列し、この縦方向と直交する方向に送信波を放射しながら送信機側を移動させれば、個々の情報通信装置からは所定の情報に変調された一連の情報を受信できる。これは、バ―コード情報に対応し、全体としてバーコードシステムと類似の機能を持つ情報通信装置の構成が可能となる。この機能を移動体などに適用すれば、コードセンシング通信方式の構成が簡易化され読み取り精度が向上する。
本発明は、電気的な制御に依っているため、通常のバーコードシステムとは異なり、時々刻々変動する情報が得られる機能を実現できる。現状のバーコードは、光の反射を使うため至近距離からの情報検出である。これに対して、本発明のシステムは、個々の情報通信装置への垂直入射電波に対する情報変調波を受信して所定の情報を得ることが出来るため、個々の受信波の分解能が優れ、秘匿性に優れ、風雨に依存せず、屋外でも利用可能である。また、遠方に情報通信装置を配置しても情報の取得が可能となる特徴を備えている。

以下、本発明の実施例について記す。
まず、図１および図２に、本発明原理の根拠となる電波が垂直入射した場合と、斜入射した場合において、電波吸収周波数が変化できるように設計した電気制御型電波吸収体の特性変化の様子を実測した結果を示す。図１の垂直入射では、測定用ホーンアンテナ寸法の制約を受け、入射角度５度を垂直入射と見立てたときの電気制御型電波吸収体の周波数に対する電波吸収特性を反射係数で表わしたものである。図中の曲線群に付した数字は能動素子１個に印加するバイアス電圧値である。また、「スペーサの厚さ」とは、電波入射側の高周波回路基板と背面側の導体板との間の間隔を意味している。図２は、４５度斜入射時の電波吸収周波数の変化状況を示す。図１と比較すると垂直入射では、４．８ＧＨｚで、バイアス電圧を調節すると−４０ｄＢ以上の優れた電波吸収特性を示す。しかし、同図２では、バイアス電圧を調節しても最早４．８ＧＨｚでは電波吸収されず、低周波側に移動し、３．６５ＧＨｚ近傍で−３０ｄＢ以上の十分な電波吸収特性を示す。なお、この場合２５度斜入射では、垂直入射時４．８ＧＨｚの電波吸収周波数は４．０ＧＨｚに変化している。この電波吸収周波数変動の特性は、ＴＭ，ＴＥそれぞれの波の斜入射状況によって、低周波側や高周波に変動するという違いがある。図１、図２は、ＴＭ波の例である。なお、本発明を実現するには、固定されて設置されている情報通信装置に対して、電波がいかなる方向から到来しても電波吸収周波数が不変であることが必要である。この一例として、電波到来方向を固定し、情報通信装置を回転させた場合の電波吸収特性を図３および図４に示す。回転角０度の図３に対して、図４は、４５度情報通信装置を回転させた場合のＴＥ波の垂直入射時の測定データである。これらのデータから明らかなように電波吸収周波数は電波到来方向によらず安定し４．７ＧＨｚに留まっている。

図５は、請求項１、２に関する本発明の基本構成を具体的に説明するための一実施例である。情報通信装置（１）には、高周波回路基板（２）上に構成された矩形高周波回路に能動素子（３）が装荷さている。ここでは情報通信装置（１）に対し、移動体として飛行体（７）を例にとり、この飛行体（７）のアンテナ（６）から無変調波の電波が情報通信装置（１）に斜入射している状態（４）と、垂直入射（５）している場合をそれぞれ表している。飛行体（７）がアンテナ（６）から送信電波を放射ながら上空を飛行してきたとき、情報通信装置（１）の丁度真上に到来した時だけ、本発明の動作原理に基づいて、情報が変調された電波（１０）を受信できる。同図の飛行体（７）からの送信波が情報通信装置（１）に斜入射するときは、情報提供装は単に反射体として動作するため飛行体（７）は情報が変調された電波（１０）を受信できない。したがって、飛行体（７）は、垂直入射電波（５）のときだけ情報を受信できるため、この情報をあらかじめ記憶させてある受信側のメモリ情報と照合して、正確な位置や局所場の情報を得ることが出来る。なお、こうした機能は、現在ＧＰＳでも可能となっているが、位置の特定に関してはなお誤差を生じ、また、トンネル内、地下街などでは、十分機能を利用できないという問題があるうえ、局所場の時間的に変動する情報通信には不向きである。
本発明は、位置の特定が正確化されること、また送信には無変調波を利用出来るため、無変調波が情報通信装置（１）に入射したときだけ、変調波が送信される原理に基づいており、電波共用通信を可能としている。このため電波の有効利用に寄与し、また無変調波を使用することから秘匿性が優れ、電波障害なども低減でき電磁環境保全の立場からも有効な通信手段となる。

図６は、請求項３に関する本発明の実施例である。これは本発明の情報通信装置（１）を複数個配置し、無変調波（８）を各情報通信装置（１）の面に対し垂直方向に放射しながら移動体（９）が移動して、情報が変調された電波（１０）を受信する場合の一実施例である。すなわち、各情報通信装置において、それぞれ異なった情報をもつ変調波を送信できるように、電気制御できる電波吸収体の能動素子におけるバイアス電圧の吸収、反射のスイッチング時間を変えておく。この結果、例えば移動体（９）が、この各情報通信装置面に垂直な無変調波を送信しながら移動すれば、各情報通信装置面から放射される情報が変調された電波（１０）を受信出来、混信対策などが軽減され、コードセンシング通信方式のシステム構成が簡易化され、局所場からの時々刻々と変動する情報を高精度に受信できる。

図７は、請求項３に関する別の一実施例である。情報通信装置（１）は平面状だけでなく円筒状にも、また多面体形状構造にも構成できる。多面体構造に構成すれば、移動体または移動者の位置から送信した垂直、またはこれに近い入射角度の無変調波（８）に対してのみ、情報が変調された電波（１０）を受信できるように情報通信装置を構成できるため、局所場における固有な情報を提供することができる。また、本発明は、今後ますます自動化が進む移動体制御に対して、風雪などの天候に影響されない電波制御型の信号機としても応用できる。

すでに公知（特許第３２７７２５３，）のコードセンシング通信方式の場合は、情報通信装置側から、異なった周波数もつ電波や光をビーム状に放射して、これを移動体側が受信して移動しながら受信するという方式であった。これに対して、本発明は、移動体側は、無変調波を送信し、情報通信装置によって変調された電波を受信して、局所場固有の情報が受信できるよう構成されている。

図８は、本発明の原理に基づき電気制御型電波吸収体の能動素子を１ＫＨｚでＯＮ，ＯＦすることによって振幅変調できる状態に設定した情報通信装置に、無変調波である１．４ＧＨｚの搬送波を垂直に入射させた場合、情報通信装置から送信される変調波（復調信号波）を実測した実施例である。図８に示すように、１ＫＨＺで変調された矩形波が情報通信装置から送出されていることが分かる。このように、本発明の情報通信装置は、とくにコードセンシング通信方式への応用を企図した場合、比較低周波の振幅変調波で十分通信目的が達成できるため、この点においても周波数割り当てや電波障害の問題を克服できる利点を有している。

近年、移動体の自動運転化進み、これらの誤動作対策やセキュリティの面からも位置の正確な特定や、局所場からの正確で秘匿性の優れた情報通信装置の実現が益々重要視されている。本発明は、最近急速に実用化が進みつつあるドローンなどの飛行体の自律制御や、今後益々自動化が進展する自動車など、各種自動運転型の移動体における安全性を確保する上で、位置制御、位置の特定、また局所場からの固有の情報通信などに関する精度の向上を目的としたものである。これは、従来技術だけに頼る通信システムから脱却した手段を提供するものであって、通信分野の技術概念の転換をはかる立場からも、利用効果は各分野に及ぶことが予測され、本発明の意義は大きい。
本装置は比較的簡易で、安価に製作できるため、一般家庭などへの導入も容易となる。最近、物流分野で配送にドローンを使用する案が出ているが、本情報通信装置を設置すれば、広い工場敷地内や、山間や狭い領地に対しても確実な配送が可能となる。また、本情報通信装置を複数個縦方向に配列し、この縦方向と直交する方向に送信波を放射しながら送信側を移動させれば、個々の情報通信装置は、バ―コード列に対応し、時々刻々と変動する局所場からの情報提供が可能となりコードセンシング通信方式のセンシング精度を向上させると共に、電波制御型の移動体用信号機などにも応用できる。本発明は送信側で無変調の電波を使うこと、またコードセンシング通信方式として利用することによって、秘匿性に優れ、天候に依存せず、屋外でも利用可能である。また、遠方に情報通信装置を配置しても情報の取得が可能となり、従来の通信概念とは全く異なる新しい通信概念にとしての特徴を備えている。
送信側が無変調波を放射する場合、これは周波数共用通信であり、振幅変調する場合１ＫＨｚ以下の低周波が利用できるため混信などの電波障害が低減され、電波有効利用や電磁環境保全の立場からも好ましいシステム構成となっており、実施して産業上、工業上の効果は大である。本発明の応用領域は広く、種々の変形実施が考えられることは勿論である。

入射角度５度の場合の電波吸収周波数の実測特性。

入射角度４５度の場合の電波吸収周波数の実測特性。

入射電波到来方向依存特性を示す基準となる実測図。

入射電波到来方向が４５度時の実測図。

情報通信装置の原理と応用を示す一実施例。

情報通信装置の原理と応用を示す他の実施例。

多角形形状に構成した情報通信装置。

情報通信装置による変調波実現の実測例。

１――情報通信装置、
２――高周波回路基板、
３――能動素子、
４――斜入射電波、
５――垂直入射電波、
６――アンテナ、
７−−飛行体、
８――無変調波
９――移動体
１０――情報が変調された電波。

Claims

電気的に電磁波を吸収したり反射したりできる公知の電磁界感応機能体に対して、電磁波が垂直入射したときだけ電波を吸収し、斜入射したときは入射波と同一周波数では電波吸収が出来ない特性を実現しておき、当該構造体の電磁波吸収および反射特性を電気的に高速でＯＮ，ＯＦする手段を用いて、当該構造体へ垂直入射した所定の無変調周波数の電磁波だけがＯＮ，ＯＦの変調を受け、送信側にこの変調波を再送信できるように構成した情報通信装置を用いて通信を可能にした情報通信装置。
請求項１記載の構成方法に基づく情報通信装置を、複数個配列し、これら各情報通信装置配列群へ、所定の周波数による無変調波を垂直入射またはその近傍の角度で放射した場合のみ、それぞれ異なった変調周波数の再放射電磁波を受信できるという構成手段を用いて、これら一連の変調波をコード情報として移動しながら読み取り、配列された各コード情報を電気的に書き換えられることを特徴とする局所場における秘匿性を高めた情報通信装置。