JP7293066B2

JP7293066B2 - アンテナ装置

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Publication number: JP7293066B2
Application number: JP2019171391A
Authority: JP
Inventors: 正己大西
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 2019-09-20
Filing date: 2019-09-20
Publication date: 2023-06-19
Anticipated expiration: 2039-09-20
Also published as: JP2021048547A; US11264705B2; US20210091458A1

Description

本発明は、中継装置を設けたアンテナ装置に関する。

ＩｏＴ(Internet of Things)サービスを支えるネットワークインフラでは、基地局と多数の無線端末装置との間での安定した通信が必須である。このような通信において、基地局と無線端末装置との間に金属の壁などの電波障害物が存在すると電波が届きにくくなり、良好な通信ができなくなる。最近では、冷蔵倉庫、冷凍車内にある物品の温度や湿度などの情報を無線端末装置から基地局に向けて通信し、基地局を経由して配送センター等に通知する配送サービスシステムなども出現している。このような場合、荷物及び無線端末装置は、金属の壁で囲まれた閉空間内に配設されているので、無線端末装置と基地局との間での通信状態は極めて悪い状態になる。つまり、基地局から無線端末装置への通信、無線端末装置から基地局への通信において、壁（電波障害物）による電波の減衰が大きく、長距離通信ができない等の電波通信障害が存在する。

このような場合、従来から、基地局と閉空間内の多数の無線端末装置との電波の送受信を良好にするために、基地局と無線端末装置との間に中継装置を設けることが行われてきている。例えば、特開２００４－７２１５４号公報（特許文献１）には、地下室、金属構造物で囲まれた場所等にある携帯電話と外部空間に設置される基地局との間で電波通信を良好にするために、外部側と内部側に夫々アンテナを設け、それらのアンテナ間を同軸ケーブルにより接続した無給電型の中継装置（中継アンテナ装置）が開示されている。

特開２００４－７２１５４号公報

特許文献１の技術は、中継装置を無給電で実現しているため電力を供給するための設備が不要であり、構造が簡単で保守も容易であるなどのメリットを有している。

しかし、せっかく中継装置を設置した場合であっても、冷蔵倉庫、冷凍車などの閉空間内では、電磁波が反射を繰返すことで強め合う位置と弱め合う位置の発生による受信電力の低下や、電磁波の偏波が回転し固定されたアンテナに偏波面が変化した信号が入ることで、信号を良好に受信できないという課題があった。
そこで、本発明の目的は、壁により基地局と無線端末装置とが隔てられたような場合でも、基地局と無線端末装置の電波の送受信を良好にするアンテナ装置を提供することである。

上記課題を解決するために、本発明は、その一例を挙げると、第１の空間と第２の空間を仕切る壁と、前記第１の空間に設置される基地局と、前記第２の空間に設置される多数の無線端末と、前記壁に取付けられており、前記基地局と前記無線端末との間の通信電波を中継する中継装置とを有するアンテナ装置であって、前記中継装置は、第１の空間側に設ける第１アンテナと、第２の空間側に設ける第２アンテナと、前記第１アンテナと前記第２アンテナとを接続する伝送線とで構成するとともに、前記第２アンテナを円偏波または複数の偏波面を受信できる特性を持たせたものを用いたアンテナ装置である。

本発明によれば、第１の空間からの電波を第２の空間に導き無線端末装置の電波受信を良好にし、また無線端末装置から出力された電波を外部空間に良好に送信することができる。

本発明の実施例１におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。実施例１における中継装置の伝送線の構成例を示す図である。本発明の実施例２におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。本発明の実施例３におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。本発明の実施例４におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。本発明の実施例５におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。本発明の実施例６におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。

以下、図面を参照して、本発明を具体的な実施例により詳細に説明する。なお、本発明は以下説明する実施例に限定されるものではない。また、各図において、同様の構成要素については、同一の符号を付し、すでに説明した構成要素の重複する説明を省略する場合がある。

≪実施例１≫
まず、本発明の実施例１について、図１、図２を用いて説明する。図1は、実施例1におけるアンテナ装置の構成を示す図である。また、図２は、図1における中継装置の伝送線の一部を詳細に示す図である。

図１において、１は、無線端末装置３１～３６との間の無線通信を行うための基地局であり、第１の空間である外部空間に設置される。２は、基地局１と無線端末装置３１～３６との間で通信を行うための電波を中継する中継装置である。４は、冷蔵庫、冷凍庫などの壁であり、この壁により第２の空間である閉空間１０が形成される。

中継装置２は、外部空間（第１の空間）側に設置される第１アンテナ２１と、閉空間１０（第２の空間）に設置される２組の第２アンテナ２２１，２２２と、第１アンテナ２１と２組の第２アンテナ（２２１、２２２）とを通信可能に接続する伝送線２３とで構成される。この実施例において、第１アンテナ２１、２組の第２アンテナ２２１および２２２は、パッシブアンテナを採用しており、動作時の電力は必要としない。なお、第２アンテナはこの例では２組用いているが、３組以上であっても良い。

無線端末装置３１～３６は、閉空間１０内に設置されており、中継装置２を経由して外部空間の基地局１との間で無線通信を実行する。

無線端末装置３１～３６は、この実施例ではLPWA（(Low-Power Wide-Area Network)システム、無線LANを使用したシステム等を使用する。なお、無線端末装置は、ここでは６台設置した例としているが、その台数は必要に応じた台数であれば何台でも構わない。

ところで、閉空間１０を形成する壁４は、鉄やアルミニウム等の金属が用いられており、電波の伝搬を遮る（減衰させる）性質を有する。この壁４の材料や厚さにもよるが、閉空間１０の内部から外部空間への電波伝搬は、-40～-80dBもの非常に大きな減衰が発生しており、基地局１への信号の到達を困難にしている。そのため、その減衰を抑制するために、言いかえると内部の閉空間（第２の空間）から外部空間（第１の空間）に電波を良好に送信させるため、及び反対に外部空間（第１の空間）から内部の閉空間（第２の空間）に電波を良好に送信させるために、中継装置２を設け電波の減衰を抑制している。無線携帯装置３１～３６から放出された電波は、第２アンテナ２２１および２２２に受信され、伝送線２３を経由して第１アンテナ２１から電波が放射され、基地局１に届く。また、基地局１からの電波は、中継装置２の第１アンテナ２１で受信し、伝送線２３を経由して第２アンテナ２２１および２２２により電波が放射され、無線端末装置３１～３６が受信できる。

しかし、図１のように閉空間１０の内部に多くの無線端末装置３１～３６が無作為に設置されている場合には、アンテナの偏波面が様々な方向に向くことになる。更には、無線端末装置から出力された信号が、電磁波的な閉空間１０の内部で電磁波が反射を繰返すことで偏波面が回転してしまう。

そのため、この実施例１における中継装置の第２アンテナ２２１および２２２は、各アンテナの偏波面を互いに異なるように配置させている。このように、第２アンテナ２２１と第２アンテナ２２２の偏波面を異ならせておくことで、多くの無線端末装置３１～３６から送信された信号の偏波面が一致すれば減衰量が少ない状態で伝播可能となる。使用されるアンテナ特性にもよるが、図１のような構成により、約-10～-16dB程度の減衰量まで最大で約70dB改善されることが確認できた。この実施例では、２組の第２アンテナ２２１および２２２で構成しているが、更に多くの偏波面を受信できる第２アンテナを追加すれば、減衰量を更に少なくすることができる。

次に、図２を用いて、中継装置２の伝送線２３の具体的な構成を説明する。なお、図２では第１アンテナおよび第２アンテナは省略している。この図２における伝送線２３は、不要な周波数の信号の通過を抑制するためのフィルタ機能を有している。また、中継装置を壁４に取付ける作業を容易にするために伝送線を２分割し、それらの伝送線をコネクタで接続するようにしている。

まず、フィルタ機能について説明する。中継装置における第１アンテナは、本来の基地局からの所定周波数の電波信号を受信するだけでなく、全く関係のない他の周波数の電波信号も受信する。この不要な電波信号を内第２アンテナに伝送すると、内部の複数の端末にその電波信号が伝送されるので、正常な通信ができなくなるリスクが高くなる。そのため、伝送線２３では、伝送線のインピーダンスを調整して不要な電波信号が通過することを阻止するようなフィルタ機能を持たせている。すなわち、図２において、伝送線２３１の一部に直径の異なる部分２３４を設け、インピーダンスを調整する構造とし、このインピーダンス調整により必要な周波数の信号を通過させ、不要な周波数の信号の通過を抑制する。ここでは、伝送線の直径を変更しインピーダンスを調整しているが、これに限らず他の方法でも良い。例えば、断面の直径を変えるのではなく、インピーダンスの異なる部材を組み合わせて使用することでも良い。

次に、図２において、中継装置を取付ける作業を容易にするための構成を説明する。中継装置２は、壁４の一部に小さな取付用の穴４０をあけて、その穴に伝送線２３を通して、伝送線２３の一端に外第１アンテナを接続し、他端に第２アンテナを接続する。例えば、冷凍トラックの冷凍庫の壁４の横面に小さな穴４０を開けて、そこに伝送線を通し、更にその両端にアンテナを取付けるのはなかなか困難な作業となる。そこで、この例では、伝送線２３を、伝送線２３１と、伝送線２３２とに分割し、それら伝送線を壁４の外部でコネクタ２３３により接続するようにしている。つまり、１つの伝送線に第１アンテナを接続し、もう１本の伝送線に第２アンテナを接続する。続いて、１本の伝送線を穴に通し、壁４の外側で他方の伝送線をコネクタで接続する。この構造を採用することで、取付け作業が容易になる。

このように、本発明の実施例１によれば、中継装置の第２アンテナの偏波面が異なるように設置して第２アンテナと無線端末装置との間の送受信を良好にすることができるので、中継装置を介して基地局と無線端末装置との間の送受信を良好にすることができる。また、中継装置に用いるアンテナをパッシブアンテナにしたので電力供給が不要となり、構造が簡単で低コストにすることができる。更に、中継装置の伝送線のインピーダンス調整により不要な電波が無線端末装置に送信されることを防ぐことができる。また、中継装置の取付け作業も軽減することができる。

≪実施例２≫
次に、本発明の実施例２について説明する。図３は、本発明の実施例におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
この実施例２は、上述した実施例１と多くの点で共通の構成となっており、すでに説明した内容についての説明は省略し、異なる内容を中心に説明する。

この実施例２では、中継装置２の第２アンテナの設置位置を、使用する周波数の波長をλに対し、λ/４（1/4波長）異ならせて設置している点で、実施例１と異なる。このような構成により、無線端末装置３１～３６から送信された信号が２組の第２アンテナ２２１，２２２のどちらかで送受信可能となる。つまり、偏波面を異ならせるだけでなく、２つの第２アンテナの設置位置を1/4波長異ならせて設置することにより、より送受信性能が向上する。この実施例においても、第２アンテナを更に多く設置することにより、第２アンテナと無線端末装置間でのよりよい送受信を実現することができる。なお、この実施例２においても、伝送線は図２のような構成を採用することができる。

≪実施例３≫
次に、本発明の実施例３について説明する。図４は、本発明の実施例３におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
この実施例３は、上述した実施例２と多くの点で共通の構成となっており、すでに説明した内容についての説明は省略し、異なる内容を中心に説明する。

実施例２では第２アンテナを２組設置していたのに対し、実施例３では第２アンテナを２２１、２２１、…２２Ｎとして示すように、Ｎ組設置している点で異なる。そして、第２アンテナの設置位置間の距離は1/4波長異ならせている。この1/4波長異ならせて設置するのは、全ての内部アンテナについて、1/4波長となるようにするということではなく、設置間の距離が1/4波長となるセットをできるだけ多く実現するという意味である。図４では、縦方向に沿って一直線に設置しているが、これを横方向への設置、縦と横方向の混在、更には、斜め方向に設置することにより、図４中の縦、横方向に生じた強め合う位置での受信がＮ個の第２アンテナのいずれかで送受信可能となり、電磁波的な閉空間１０の内部に置かれた多くの無線端末装置３１～３６が、外部空間に設置された基地局１との通信距離を拡大及び安定した送受信を可能にする。なお、この実施例２においても、伝送線は図２のような構成を採用することができる。

≪実施例４≫
次に、本発明の実施例４について説明する。図５は、本発明の実施例４におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
この実施例４は、上述した実施例２と多くの点で共通の構成となっており、すでに説明した内容についての説明は省略し、異なる内容を中心に説明する。

上述した実施例２では第１アンテナ２１を１組設置していたのに対し、この実施例４では２組の第１アンテナ２１１と２１２を設置している点で異なる。その他は、実施例２と同様である。

２組の第１アンテナ２１１と２１２を設置することにより、外部空間において電磁波が反射を繰返すことで、強め合う位置と弱め合う位置が発生および、電磁波が反射を繰返すことで生じる偏波面の回転に対応することができる。その結果、閉空間１０の内部（第２空間）に置かれた無線端末装置３１～３６が、外部空間（第１空間）に設置された基地局１との間で通信可能な距離を拡大すること、及び安定した送受信が可能になる。なお、この実施例２においても、伝送線は図２のような構成を採用することができる。

≪実施例５≫
次に、本発明の実施例５について説明する。図６は、本発明の実施例５におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
この実施例５は、上述した実施例１と殆どの点で共通の構成となっており、すでに説明した内容についての説明は省略し、異なる内容を中心に説明する。

両実施例の違いは、実施例１では壁４により閉空間１０を形成していたのに対し、この実施例５では２つの空間を壁４で仕切っている点である。本発明は、外部空間と閉空間との間に中継装置２を設置する構成に対して適用できるだけでなく、このような２つの空間を仕切る壁が設けられている場合にも適用することができる。この実施例５においても、基地局１と無線端末装置３１～３６との間の通信を良好にすることができる。なお、この実施例２においても、伝送線は図２のような構成を採用することができる。

≪実施例６≫
次に、本発明の実施例６について説明する。図７は、本発明の実施例６におけるアンテナ装置の構成例を示す図である。
この実施例５は、上述した実施例１と殆どの点で共通の構成となっており、すでに説明した内容についての説明は省略し、異なる内容を中心に説明する。

第２アンテナ２２の偏波面と多くの無線端末装置３１～３６から送信された信号の偏波面が一致すれば最低の減衰量で伝播可能となるが、偏波面の角度が90度ずれた場合には極めて大きな減衰量となり、信号を伝播することは非常に困難となる。そこで、この実施例では、第２アンテナ２２を円偏波アンテナにすることで、無線端末装置３１～３６と、基地局１との通信可能な距離を拡大することができ、安定した送受信を可能にする。なお、この実施例２においても、伝送線は図２のような構成を採用することができる。

≪その他の実施例≫
本発明は、上述した本発明の一実施例限定されるものではなく、本発明の技術思想の範囲内において種々の変形が含まれる。また、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、他の構成を加えることも可能である。

１…基地局、２…中継装置、４…壁、１０…閉空間、２１…第１アンテナ、２２…第２アンテナ、２３…伝送線、３１～３６…無線端末装置、４０…穴、２１１…第１アンテナ、２１２…第１アンテナ、２２１…第２アンテナ、２２２…第２アンテナ、２２Ｎ…第２アンテナ、２３１…伝送線、２３２…伝送線、２３３…コネクタ、２３４…直径の異なる伝送線

Claims

第１の空間と第２の空間を仕切る壁と、前記第１の空間に設置される基地局と、前記第２の空間に設置される複数の無線端末と、前記壁に取付けられており、前記基地局と前記無線端末との間の通信電波を中継する中継装置とを有するアンテナ装置であって、
前記中継装置は、第１の空間側に設ける第１アンテナと、第２の空間側に設ける第２アンテナと、前記第１アンテナと前記第２アンテナとを接続する伝送線とで構成するとともに、
前記第２アンテナを円偏波または複数の偏波面を受信できる特性を持たせたものを用い、
前記伝送線は、前記伝送線の一部に断面の直径の異なる部分を設けてインピーダンスを調整する構造を有し、
前記伝送線は、前記第１アンテナと接続される第１の伝送線と前記第２アンテナと接続される第２の伝送線とに分割され、前記壁の一部に設けられた取付用穴を介して前記第１の伝送線と前記第２の伝送線とが前記壁の外側においてコネクタで接続される構造を有するアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置において、
前記第１アンテナ及び前記第２アンテナはパッシブアンテナで構成したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置において、
前記第２アンテナは、複数組設け、前記複数の前記第２アンテナの偏波面が互いに異なるように設置したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置において、
前記第１アンテナ及び前記第２アンテナをパッシブアンテナとし、前記第２アンテナは複数組設置し、隣接する前記第２アンテナ間の距離を通信周波数の１／４波長分離して設置したことを特徴とするアンテナ装置。
請求項１記載のアンテナ装置において、
前記第２アンテナを円偏波アンテナとしたことを特徴とするアンテナ装置。