JPWO2013065257A1 - 無線端末 - Google Patents

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Abstract

放射導体（１０４）への給電端子（１０５）を回路基板（１０３）に接続し、給電端子（１０５）の近傍にて第１の接地端子（１０８）を介して回路基板（１０３）上のグラウンドを接地導体（１０７）に電気的に接続するとともに、第１の接地端子（１０８）から大きく離れた位置にて第２の接地端子（１０９）を介して回路基板（１０３）上のグラウンドを接地導体（１０７）に電気的に接続する。また、接地導体（１０７）がガスメータの金属筐体に近接するように無線端末（１００）を設置する。これにより、動作周波数にて１波長に対して十分に小さな無線端末（１００）でありながら、高い放射効率を得る。

Description

本発明は、金属筐体で構成されたメータ機器類に搭載され、高いアンテナ性能を有する小型の無線端末に関するものである。
近年、家屋、ビル等の建造物に設置されたガス、電気等の使用量を計測するメータに無線端末を搭載して、無線通信によってデータを収集する自動検針システムが導入されている。このような自動検針システムではメータに取り付けられる無線端末のアンテナの性能によって通信範囲が決定されるため、高効率なアンテナの性能の確保が大きな課題となる。また、メータへの設置のしやすさからアンテナの小型化と内蔵化が求められている。
このような無線端末に搭載されるアンテナとして、接地導体板をアンテナのグラウンドとして利用した基板実装形の板状アンテナが提案されている（特許文献１参照）。このアンテナは、接地導体板と板状アンテナの短絡導体とをプリント回路基板の配線パターンを介して接続することにより、接地導体板をアンテナのグラウンドとして利用するものである。接地導体板は放射導体板とプリント回路基板との間に設けられ、接地導体板とプリント回路基板との間のプリント回路基板の面上に無線回路が配置できることから無線端末の小型化が可能となる。また、無線端末内に反射導体板を配置したり、あるいは反射導体としてメータ等の金属筐体を利用したりすることにより、高いアンテナ性能を実現することができる。
特開平１０−３１３２１２号公報
しかしながら、上記特許文献１に記載の板状アンテナでは、高いアンテナ性能を実現するために、反射導体板が必要となり、部品点数が増加するという課題があった。また、メータの金属筐体を反射導体板の代わりに利用する場合には、接地導体板と金属筐体との間隔が大きくなるために、アンテナ性能の改善量が小さいという問題があった。
本発明は、上述した問題を解決するためになされたものであり、ガスメータ等の金属筐体を設置した場合において高いアンテナ性能を実現することができる、簡易かつ小型の構造を有する無線端末を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明に係る第１の無線端末は、無線通信のための無線端末であって、動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下の周囲長を有する無線回路基板と、前記無線回路基板の一方の面側に前記無線回路基板と対向して配置されたアンテナ素子と、前記無線回路基板の他方の面側に前記無線回路基板と対向して配置された接地導体と、前記無線回路基板と前記接地導体とを電気的に接続する複数の接地端子とを備え、前記複数の接地端子のうちの第１の接地端子を、前記無線回路基板から前記アンテナ素子への給電部の近傍に配置し、前記複数の接地端子のうちの第２の接地端子を、前記第１の接地端子から前記動作周波数にて１／４波長以上の距離を隔てて前記無線回路基板の縁部に配置したものである。
また、本発明に係る第２の無線端末は、無線通信のための無線端末であって、動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下の周囲長を有する無線回路基板と、前記無線回路基板の一方の面側に前記無線回路基板と対向に配置された第１及び第２のアンテナ素子と、前記無線回路基板の他方の面側に前記無線回路基板と対向して配置された接地導体と、前記無線回路基板と前記接地導体とを電気的に接続する複数の接地端子とを備え、前記複数の接地端子のうちの第１の接地端子を、前記無線回路基板から前記第１のアンテナ素子への給電部の近傍に配置し、前記複数の接地端子のうちの第２の接地端子を、前記無線回路基板から前記第２のアンテナ素子への給電部の近傍に配置したものである。
本発明によれば、動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下の周囲長を有する無線回路基板上に配置されるアンテナ構成を有する無線端末において、無線回路基板と平行に接地導体を配置し、無線回路基板と接地導体とを所定の位置で電気的に接続することにより、高効率で小型のアンテナ構成を有する無線端末を実現することができる。
本発明の第１の実施形態に係る無線端末の構成を示す分解斜視図である。 図１の無線端末の放射効率を３つの比較例の場合とともに示す図である。 図１の無線端末の変形例を示す斜視図である。 本発明の第２の実施形態に係る無線端末の構成を示す斜視図である。 図４の無線端末の放射効率を変形例の場合とともに示す図である。
以下、本発明に係る好適な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。
《第１の実施形態》
図１は、本発明の第１の実施形態に係る無線端末１００を示している。図１に示す無線端末１００は、第１の樹脂筐体１０１と、第２の樹脂筐体１０２と、回路基板１０３と、放射導体１０４と、給電端子１０５と、短絡端子１０６と、接地導体１０７と、第１の接地端子１０８と、第２の接地端子１０９とから構成される。
第１の樹脂筐体１０１及び第２の樹脂筐体１０２は、例えば、低損失材料であるポリプロピレン、ＡＢＳ等の樹脂材料で形成された凹形状の筐体であり、お互いの開口を重ね合わせ、ビス止め、溶着等することによりボックス形状の筐体が構成される。
回路基板１０３は、例えば、長さＬｒ１で、幅Ｌｒ２の両面銅張基板であり、基板表面には無線回路、制御回路等が実装されている。このとき、長さＬｒ１と幅Ｌｒ２とは、回路基板１０３の周囲長が動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下となるように設定される。放射導体１０４は、例えば、銅等の導体で構成された面状の板金であり、回路基板１０３と対向して平行に配置される。給電端子１０５は、放射導体１０４の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板１０３上に配置された無線回路と電気的に接続され、他端は放射導体１０４と電気的に接続される。短絡端子１０６は、給電端子１０５と同様に、放射導体１０４の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板１０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドと電気的に接続され、他端は放射導体１０４と電気的に接続される。このような構成とすることにより、放射導体１０４、給電端子１０５及び短絡端子１０６は、板状逆Ｆアンテナを構成する。ここで、給電端子１０５及び短絡端子１０６の各々の幅と、給電端子１０５と短絡端子１０６との間隔とは、インピーダンス整合が取れるような値に設定される。
接地導体１０７は、例えば、銅等の導体で構成された長さＬｓ１で、幅Ｌｓ２の面状の板金であり、回路基板１０３の裏面、すなわち放射導体１０４が配置されている面に対して逆側の面に回路基板１０３と平行に配置される。この接地導体１０７は、回路基板１０３よりも平面寸法が大きく設定される。
第１の接地端子１０８は、接地導体１０７の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板１０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドと電気的に接続され、他端は接地導体１０７と電気的に接続される。しかも、第１の接地端子１０８は、給電端子１０５が回路基板１０３に接続される位置から距離Ｓ１だけ離して回路基板１０３の縁部に配置される。このとき、距離Ｓ１は、例えば、動作周波数にて１／１６波長以下であることが望ましい。すなわち、第１の接地端子１０８は、放射導体１０４への給電部の近傍に位置する。
第２の接地端子１０９は、第１の接地端子１０８と同様に、接地導体１０７の面方向と直交して配置されており、一端が回路基板１０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドに電気的に接続され、他端は接地導体１０７と電気的に接続される。しかも、第２の接地端子１０９は、第１の接地端子１０８が回路基板１０３に接続される位置から距離Ｓ２だけ離して回路基板１０３の縁部に配置される。このとき、距離Ｓ２は、例えば、動作周波数にて１／４波長以上であることが望ましい。
次に、上記のように構成された図１の無線装置１００における板状逆Ｆアンテナの性能について説明する。ここでは、動作周波数が８６８ＭＨｚであり、したがって１波長が３４５ｍｍであるものとする。図１の無線装置１００の具体的な寸法について説明すると、回路基板１０３の長さＬｒ１を２８．５ｍｍ（０．０８２波長）、幅Ｌｒ２を６９．５ｍｍ（０．２波長）、接地導体１０７の長さＬｓ１を６０ｍｍ（０．１７３波長）、幅Ｌｓ２を６７．５ｍｍ（０．１９５波長）、給電端子１０５と第１の接地端子１０８との距離Ｓ１を７ｍｍ（０．０２波長）、第１の接地端子１０８と第２の接地端子１０９との距離Ｓ２を８９ｍｍ（０．２５７波長）、接地導体１０７とガスメータ等の金属筐体との距離を２ｍｍ（０．００５波長）とする。ここに、回路基板１０３の周囲長は、１９６ｍｍ（０．５６４波長）であって、１／２波長以上かつ１波長以下である。また、第１の接地端子１０８と第２の接地端子１０９との距離Ｓ２は、８９ｍｍ（０．２５７波長）であって、１／４波長以上である。
図２は、図１の無線端末１００の放射効率を３つの比較例の場合とともに示している。図２において、条件（１）は、回路基板１０３の周囲長を１／２波長未満とし、かつ給電点近傍の第１の接地端子１０８のみを実装した、第１の比較例の場合の放射効率を示している。条件（２）は、回路基板１０３の周囲長を１／２波長以上かつ１波長以下とし、かつ給電点近傍の第１の接地端子１０８のみを実装した、第２の比較例の場合の放射効率を示している。条件（３）は、回路基板１０３の周囲長を１／２波長以上かつ１波長以下とし、かつ第１の接地端子１０８と第２の接地端子１０９との距離Ｓ２を１／４波長未満とした、第３の比較例の場合の放射効率を示している。条件（４）は、回路基板１０３の周囲長を１／２波長以上かつ１波長以下とし、かつ第１の接地端子１０８と第２の接地端子１０９との距離Ｓ２を１／４波長以上とした、本実施形態の場合の放射効率を示している。
条件（１）及び（２）より、回路基板１０３の周囲長が１／２波長未満の場合には、接地端子が１つでも高い放射効率が得られるが、周囲長が１／２波長以上かつ１波長以下とした場合には、接地端子が１つでは放射効率が低下することが分かる。
また、条件（２）、（３）及び（４）より、回路基板１０３の周囲長が１／２波長以上かつ１波長以下の場合には、回路基板１０３と接地導体１０７とを接続する複数の接地端子１０８，１０９を設け、かつその距離Ｓ２を１／４波長以上に設定することにより、回路基板１０３と接地導体１０７とが１つの大きなグラウンドとして動作し、高い放射効率を有するアンテナ性能を実現できることが分かる。
また、無線端末１００が、例えば、ガスメータ等の金属筐体に配置される場合、接地導体１０７と金属筐体とが近接するように配置することで、接地導体１０７と金属筐体とが電磁界的に容量結合し、金属筐体がアンテナのグラウンドとして動作することになり、更に放射効率を改善することができ、高いアンテナ性能を実現することができる。
なお、本実施形態では、放射導体１０４及び接地導体１０７を各々導体による板金で構成したが、プリント基板上の銅箔パターンで構成しても同様の効果を得ることができる。
また、図３に変形例を示すように、放射導体３０４を線状素子とした線状逆Ｌアンテナ構成を採用した無線端末３００においても、図１に示す板状逆Ｆアンテナの場合と同様に、高い放射効率を得ることができる。なお、ここでは樹脂筐体の図示を省略している。
《第２の実施形態》
図４は、本発明の第２の実施形態に係る無線端末４００を示している。図４に示す無線端末４００は、回路基板４０３と、第１の放射導体４０４と、第２の放射導体４０５と、接地導体４０６と、第１の接地端子４０７と、第２の接地端子４０８と、第３の接地端子４０９とから構成される。なお、ここでは樹脂筐体の図示を省略している。
回路基板４０３は、例えば、長さＬｆ１で、幅Ｌｆ２の両面銅張基板であり、基板表面には無線回路、制御回路等が実装されている。このとき、長さＬｆ１と幅Ｌｆ２とは、回路基板４０３の周囲長が動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下となるように設定される。第１の放射導体４０４は、例えば、Ｌ字型に構成された線状の導体であり、回路基板４０３の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板４０３上に配置された無線回路と電気的に接続され、他端は回路基板４０３と対向して平行に配置される。第２の放射導体４０５は、第１の放射導体４０４と同様に、例えば、Ｌ字型に構成された線状の導体であり、回路基板４０３の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板４０３上に配置された無線回路と電気的に接続され、他端は回路基板４０３と対向して平行に配置される。
接地導体４０６は、例えば、銅等の導体で構成された長さＬｇ１で、幅Ｌｇ２の面状の板金であり、回路基板４０３の裏面、すなわち第１の放射導体４０４と第２の放射導体４０５とが配置されている面と対向する面側に回路基板４０３と平行に配置される。
第１の接地端子４０７は、接地導体４０６の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板４０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドと電気的に接続され、他端は接地導体４０６と電気的に接続される。しかも、第１の接地端子４０７は、第１の放射導体４０４が回路基板４０３に接続される位置から距離Ｓ３だけ離して回路基板４０３の縁部に配置される。このとき、距離Ｓ３は、例えば、動作周波数にて１／１６波長以下であることが望ましい。すなわち、第１の接地端子４０７は、第１の放射導体４０４への給電部の近傍に位置する。
第２の接地端子４０８は、第１の接地端子４０７と同様に、接地導体４０６の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板４０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドに電気的に接続され、他端は接地導体４０６と電気的に接続される。しかも、第２の接地端子４０８は、第２の放射導体４０５が回路基板４０３に接続される位置から距離Ｓ４だけ離して回路基板４０３の縁部に配置される。このとき、距離Ｓ４は、例えば、動作周波数にて１／１６波長以下であることが望ましい。すなわち、第２の接地端子４０８は、第２の放射導体４０５への給電部の近傍に位置する。
第３の接地端子４０９は、第１の接地端子４０７及び第２の接地端子４０８と同様に、接地導体４０６の面方向と直交して配置されており、一端は回路基板４０３上の銅箔パターンで形成されたグラウンドに電気的に接続され、他端は接地導体４０６と電気的に接続される。しかも、第３の接地端子４０９は、第１の接地端子４０７又は第２の接地端子４０８のいずれか一方の接地端子、例えば第２の接地端子４０８から、距離Ｓ５だけ離して回路基板４０３の縁部に配置される。このとき、距離Ｓ５は、例えば、動作周波数にて１／８波長以上、１／４波長以下であることが望ましい。
次に、上記のように構成された図４の無線装置４００におけるダイバーシチアンテナ構成の線状逆Ｌアンテナの性能について説明する。ここでは、動作周波数が８６８ＭＨｚであり、したがって１波長が３４５ｍｍであるものとする。図４の無線装置４００の具体的な寸法について説明すると、回路基板４０３の長さＬｆ１を５６ｍｍ（０．１６２波長）、幅Ｌｆ２を９３ｍｍ（０．２６９波長）、接地導体４０６の長さＬｇ１を８０ｍｍ（０．２３１波長）、幅Ｌｇ２を８９．５ｍｍ（０．２５９波長）、第１の放射導体４０４と第１の接地端子４０７との距離Ｓ３を７ｍｍ（０．０２波長）、第２の放射導体４０５と第２の接地端子４０８との距離Ｓ４を７ｍｍ（０．０２波長）、第２の接地端子４０８と第３の接地端子４０９との距離Ｓ５を５４ｍｍ（０．１５６波長）、接地導体４０６とガスメータ等の金属筐体との距離を２ｍｍ（０．００５波長）とする。ここに、回路基板４０３の周囲長は、２９８ｍｍ（０．８６２波長）であって、１／２波長以上かつ１波長以下である。また、第２の接地端子４０８と第３の接地端子４０９との距離Ｓ５は、５４ｍｍ（０．１５６波長）であって、１／８波長以上かつ１／４波長以下である。
図５は、図４の無線端末４００の放射効率を変形例の場合とともに示している。図５において、条件（５）は、回路基板４０３の周囲長を１／２波長かつ１波長以下とし、かつ図４中の第３の接地端子４０９の実装を省略した、変形例の場合の放射効率を示している。条件（６）は、回路基板４０３の周囲長を１／２波長かつ１波長以下とし、かつ第２の接地端子４０８と第３の接地端子４０９との距離Ｓ５を１／８波長以上かつ１／４波長以下とした、本実施形態の場合の放射効率を示している。
条件（５）より、ダイバーシチアンテナ構成において回路基板４０３の周囲長が１／２波長以上かつ１波長以下の場合には、第１及び第２の放射導体４０４，４０５の近傍にて回路基板４０３と接地導体４０６とを接続する複数の接地端子４０７，４０８を設けることにより、第１の実施形態の場合と同等の高い放射効率を有するアンテナ性能を実現できることが分かる。
また、条件（５）及び（６）より、ダイバーシチアンテナ構成において回路基板４０３の周囲長が１／２波長以上かつ１波長以下の場合には、回路基板４０３と接地導体４０６とを接続する第１、第２及び第３の接地端子４０７，４０８，４０９を設け、第１及び第２の放射導体４０４，４０５の近傍以外に配置される第３の接地端子４０９と、第１及び第２の接地端子４０７，４０８のうちのいずれか一方の接地端子（例えば、第２の接地端子４０８）との距離Ｓ５を１／８波長以上かつ１／４波長以下に設定することにより、回路基板４０３と接地導体４０６とが大きなグラウンドとして動作し、高い放射効率を有するアンテナ性能を実現できることが分かる。
また、無線端末４００が、例えば、ガスメータ等の金属筐体に配置される場合、接地導体４０６と金属筐体とが近接するように配置することで、接地導体４０６と金属筐体とが電磁界的に容量結合し、金属筐体がアンテナのグラウンドとして動作することになり、更に放射効率を改善することができ、高いアンテナ性能を実現することができる。
なお、本実施形態では、第１及び第２の放射導体４０４，４０５を線状アンテナ素子で構成したが、各々を板状アンテナ素子で構成しても同様の効率を得ることができる。
また、接地導体４０６を導体による板金で構成したが、プリント基板上の銅箔パターンで構成しても同様の効果を得ることができる。
本発明の無線端末は、ガスメータ等の金属筐体に設置された状態において、小型の構造にも関わらず高い放射効率が得られるという効果を有し、ガスメータ等の自動検針システム用の無線端末として有用である。
１００ 無線端末
１０１ 第１の樹脂筐体
１０２ 第２の樹脂筐体
１０３ 回路基板
１０４ 放射導体
１０５ 給電端子
１０６ 短絡端子
１０７ 接地導体
１０８ 第１の接地端子
１０９ 第２の接地端子
３００ 無線端末
３０４ 放射導体
４００ 無線端末
４０３ 回路基板
４０４ 第１の放射導体
４０５ 第２の放射導体
４０６ 接地導体
４０７ 第１の接地端子
４０８ 第２の接地端子
４０９ 第３の接地端子

Claims (3)

  1. 無線通信のための無線端末であって、
    動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下の周囲長を有する無線回路基板と、
    前記無線回路基板の一方の面側に前記無線回路基板と対向して配置されたアンテナ素子と、
    前記無線回路基板の他方の面側に前記無線回路基板と対向して配置された接地導体と、
    前記無線回路基板と前記接地導体とを電気的に接続する複数の接地端子とを備え、
    前記複数の接地端子のうちの第１の接地端子を、前記無線回路基板から前記アンテナ素子への給電部の近傍に配置し、
    前記複数の接地端子のうちの第２の接地端子を、前記第１の接地端子から前記動作周波数にて１／４波長以上の距離を隔てて前記無線回路基板の縁部に配置したことを特徴とする無線端末。
  2. 無線通信のための無線端末であって、
    動作周波数にて１／２波長以上かつ１波長以下の周囲長を有する無線回路基板と、
    前記無線回路基板の一方の面側に前記無線回路基板と対向に配置された第１及び第２のアンテナ素子と、
    前記無線回路基板の他方の面側に前記無線回路基板と対向して配置された接地導体と、
    前記無線回路基板と前記接地導体とを電気的に接続する複数の接地端子とを備え、
    前記複数の接地端子のうちの第１の接地端子を、前記無線回路基板から前記第１のアンテナ素子への給電部の近傍に配置し、
    前記複数の接地端子のうちの第２の接地端子を、前記無線回路基板から前記第２のアンテナ素子への給電部の近傍に配置したことを特徴とする無線端末。
  3. 請求項２記載の無線端末において、
    前記複数の接地端子のうちの第３の接地端子を、前記第１又は第２の接地端子から前記動作周波数にて１／８波長以上かつ１／４波長以下の距離を隔てて前記無線回路基板の縁部に配置したことを特徴とする無線端末。
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