WO2015008483A1

WO2015008483A1 - 無線装置

Info

Publication number: WO2015008483A1
Application number: PCT/JP2014/003740
Authority: WO
Inventors: 佐藤　賢治
Original assignee: パナソニックＩｐマネジメント株式会社
Priority date: 2013-07-17
Filing date: 2014-07-15
Publication date: 2015-01-22
Also published as: EP3024091A4; EP3024091A1; CN105247733A; JPWO2015008483A1

Abstract

　本発明のある実施形態によれば、無線装置１００が小さくても、アンテナ１、回路基板２、導電線３全体をアンテナとして動作させて、高効率なアンテナ性能を得ることができる。本発明のある実施形態における無線装置１００は、波長λの電波を送受信するためのアンテナ１と、アンテナ１に接続された回路基板２と、電源４と、回路基板２と電源４とを接続する導電線３とを備え、アンテナ１の長さと、回路基板２の長さと、導電線３の長さとの和は略λ／２である。

Description

無線装置

　本発明は、無線装置に関する。例えば、ガスメーターや電力メーターなどの計測ユニットに取り付けられる無線装置、それら計測ユニットの電波の送受信を中継する無線装置に関する。また、例えば、アンテナおよび回路基板の小型化が要求される無線装置に関する。

　近年、戸建やマンションなどの建造物に設置されたガスメーターや電力メーターにおいて、それらの使用量を検針者が各家庭に訪問することなく、無線通信によってデータ収集を可能とした自動検針システムが普及してきている。この自動検針システムは、無線機器の送信パワー、受信感度およびアンテナ性能により、通信可能な範囲が決まるため、高性能な無線特性が求められる。また、無線性能を担保するために、アンテナ、無線部およびマイコンを備えた中継器を途中で介して、安価に且つより遠くへ検針データを送信するシステムの導入も始まっている。一方で、メーターおよび中継器は、設置作業の単純化および設置場所確保の必要性を考慮すると、軽量且つ小型化が求められている。

　特許文献１では、金属デバイスとメイン基板との電気的な接続を変更し、アンテナ性能劣化を回避しつつ、装置を小型化する技術が提案されている。

　特許文献１のアンテナは、アンテナ以外の金属デバイスによる不要共振を、メイン基板と金属デバイスとを電気的に接続する接続パターンの長さを変えて、帯域外に移動させ、アンテナ性能劣化を回避している。さらに、デバイスにシールドを施すことがないため、アンテナへのグランド近接によるアンテナ放射特性の劣化がなく、無線装置の小型化に寄与している。

特開２０１２－２５３５８８号公報

　しかしながら、使用する電波の波長をλとしたとき、特許文献１の無線装置では、アンテナとして用いる接続パターンはλ／２の整数倍に近い長さが必要であるため、接続パターンが配置されるメイン基板と金属デバイスとの間に大きなスペースが必要となり、無線装置が大きくなってしまうという課題がある。例えば、使用する電波の周波数が５００ＭＨｚの場合は、接続パターンは３０センチメートルの整数倍に近い長さが必要となり、それに対応したスペースをメイン基板と金属デバイスとの間に設ける必要があるため、無線装置が大型化してしまう。

　本発明は、高効率なアンテナ特性を有する小型の無線装置を提供する。

　本発明のある実施の形態における無線装置は、波長λの電波を送受信するためのアンテナと、アンテナに接続された回路基板と、電源と、回路基板と電源とを接続する導電線とを備え、アンテナの長さと、回路基板の長さと、導電線の長さとの和は略λ／２である。

　本発明のある実施形態における無線装置によれば、アンテナの長さと、回路基板の長さと、導電線の長さとの和は略λ／２である。本発明のある実施形態における無線装置によれば、アンテナ、回路基板および導電線が一体となってその全体がアンテナとして動作する。回路基板、および回路基板と電源を接続する導電線をアンテナの一部として動作させることにより、無線装置の小型化を実現することができる。また、アンテナおよび回路基板の長さが短くても、導電線の長さを調整することで、高効率なアンテナ特性を実現することができる。例えば、アンテナ、回路基板および導電線が一体となったその全体の長さがλ／２を満たすことにより、高効率なアンテナ特性を実現することができる。

本発明の第１の実施の形態における無線装置を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるアンテナを示す図である。本発明の第１の実施の形態における回路基板を示す図である。本発明の第１の実施の形態における電池を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるアンテナ、回路基板、導電線の全体長をλ／２にした場合のアンテナ電流分布を示す図である。本発明の第１の実施の形態におけるアンテナ、回路基板、導電線の全体長を変化させた場合のアンテナ放射効率を示す図である。本発明の第２の実施の形態における無線装置を示す図である。本発明の第２の実施の形態における受動部品を示す図である。本発明の第２の実施の形態における受動部品を示す図である。本発明の第２の実施の形態における電池から電源供給するための導電線の接続状態を変化させた場合のアンテナ放射効率を示す図である。

　本発明のある実施の形態における無線装置は、波長λの電波を送受信するためのアンテナと、アンテナに接続された回路基板と、電源と、回路基板と電源とを接続する導電線とを備え、アンテナの長さと、回路基板の長さと、導電線の長さとの和は略λ／２である。これにより、無線装置全体がダイポールアンテナとして動作し、全体から電磁波を放射することができる。

　ある実施の形態において、アンテナの長さは略λ／４であってもよい。これにより、回路基板からアンテナへ給電する給電点での電流値が最大となり、無線装置全体が共振して、効率よく電磁波を放射することができる。

　ある実施の形態において、回路基板の長さと導電線の長さとの和は略λ／４であってもよい。これにより、回路基板からアンテナへ給電する給電点での電流値が最大となり、無線装置全体が共振して、効率よく電磁波を放射することができる。

　ある実施の形態において、電源は電池であり、導電線は電池から延びる導電線であり、導電線に設けられたコネクタにより回路基板に接続されてもよい。電池から延びる導電線をアンテナの一部として動作させることにより、無線装置を小型化することができる。

　ある実施の形態において、回路基板にはグランドが設けられており、回路基板の長さは、回路基板とアンテナの接続位置と、回路基板と導電線との接続位置との間のグランドの長さであってもよい。また、ある実施の形態において、回路基板は長方形状であり、回路基板の長さは、回路基板の長辺の長さであってもよい。導電線とともに回路基板をアンテナの一部として動作させることにより、無線装置を小型化することができる。

　ある実施の形態において、回路基板の面積は、アンテナの面積の半分以下であってもよい。本発明の実施の形態における構成では、回路基板の面積をアンテナの面積よりも小さくすることができるので、無線装置を小型化することができる。

　ある実施の形態において、アンテナは板状逆Ｆアンテナであり、アンテナの長さは、アンテナの周囲長さの半分の長さであってもよい。例えばこのようなアンテナの長さと、回路基板の長さと、導電線の長さとの和を略λ／２とすることにより、無線装置全体がダイポールアンテナとして動作し、全体から電磁波を放射することができる。

　ある実施の形態において、導電線のプラス極側は高周波的に未接続であってもよい。これにより、導電線のプラス側の線とマイナス側の線とで打ち消し合っていたアンテナ電流が一方向に流れるので、放射する電磁波がさらに強くなって、アンテナ効率をさらに向上させることができる。

　ある実施の形態において、無線装置は導電線のプラス極側の高周波信号成分をカットする受動部品をさらに備えてもよい。例えば、受動部品は、周波数がｃ／λ（ｃは電磁波の伝搬速度）の信号成分をカットしてもよい。また、例えば、受動部品は、インダクタを含んでもよい。また、例えば、受動部品は、インダクタと、インダクタと並列に接続されたキャパシタとを含んでもよい。上記のような受動部品を無線装置が備えることにより、導電線のプラス側の線とマイナス側の線とで打ち消し合っていたアンテナ電流が一方向に流れるので、放射する電磁波がさらに強くなって、アンテナ効率をさらに向上させることができる。

　本発明のある実施の形態における無線装置は、波長λの電波を送受信するためのアンテナと、アンテナに接続された回路基板とを備え、回路基板に電源から電力を供給する導電線の長さと、回路基板の長さと、アンテナの長さとの和は略λ／２である。これにより、無線装置全体がダイポールアンテナとして動作し、全体から電磁波を放射することができる。

　以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。なお、以下に説明する実施の形態は例示であり、本発明を限定するものではない。

　（実施の形態１）
　図１は、本発明の第１の実施の形態における無線装置１００を示す図である。無線装置１００は、波長λの電波を送受信するためのアンテナ１と、アンテナ１に接続された回路基板２と、電源４と、回路基板１と電源４とを接続する導電線３と、樹脂筐体１０を備える。

　アンテナ１は、例えば、逆Ｆタイプのアンテナであって、図１のような板状アンテナの構造を有している。ただし、本発明に用いられるアンテナは、逆Ｆタイプのアンテナに限定されず、例えば、モノポールタイプおよび逆Ｌタイプのアンテナでもよい。本実施の形態のアンテナとして、線状アンテナ、板状アンテナ、平面アンテナ等の各種アンテナを使用することができる。

　回路基板２には、電磁波の送受信を行う無線部２２（図７）と、それを制御するマイコン２１（図７）が搭載されており、それらの電子部品に電源４から電力を供給するための接続する端子８が搭載されている。アンテナ１は、給電線６を介して回路基板２の給電点２に接続されるとともに、短絡線７を介して回路基板２のグランドに接続されている。

　導電線３は、電源４に接続されている被膜に覆われた導電線であり、その先端に回路基板２に接続するためのコネクタ１３（図４）が設けられている。

　電源４は例えば電池である。この電池４では、例えば、並列に接続された複数のリチウム電池がパッケージになっており、その１本の電池のプラス側とマイナス側から導電線３が延びている。本実施形態では、先端にコネクタ１３（図４）が設けられた導電線３が一体にパッケージされた電池４が用いられる。コネクタ１３が回路基板２の端子８に接続されることにより、回路基板２に電力が供給される。なお、図１に示す本実施の形態の電池４は、５本のリチウム電池を含んでいるが、この構成は一例であり、電池の種類や本数は任意に選択できる。例えば、リチウム電池の代わりに乾電池が用いられてもよい。

　樹脂筐体１０は、ＡＥＳ樹脂やＡＢＳ樹脂などの非金属材料から形成されている。

　本実施の形態では、アンテナ１と、λ／４以下の長さの回路基板２と、導電線３が一体化された電池４とを備える無線装置において、アンテナ１と回路基板２と導電線３の合計の長さを調整することによって、これら全体がアンテナとして動作し、高効率なアンテナ特性を生み出す。

　ここで、各構成要素の長さについて説明する。図２は、本実施の形態のアンテナ１を示す図である。アンテナ１が板状逆Ｆアンテナである場合、そのアンテナ１の長さは、アンテナ１の周囲長さの半分の長さである。例えば、図２のようにアンテナ１が長方形の逆Ｆアンテナである場合、長辺長さＬａと短辺長さＬｂとの和がアンテナ１の長さとなる。

　図３は、回路基板２を示す図である。回路基板２にはグランドとして機能する導電体１２が所定のパターンで設けられている。回路基板２の給電点５および端子８は、グランド１２を介して電気的に接続されている。本実施形態における回路基板２の長さは、アンテナ１への給電点５と端子８との間のグランド１２の長さである。言い換えると、回路基板２の長さは、給電点５から導電線３までのグランド１２の長さである。このグランド１２の長さがアンテナ特性に寄与する。給電点５と端子８とがグランド１２により直線的に接続されている場合は、その直線の長さＬｃが回路基板２の長さとなる。また、迂回したグランド１２のパターンにより給電点５と端子８とが接続されている場合は、その迂回したグランド１２のパターンの長さが回路基板２の長さとなる。また、図３の例のように、回路基板２が長方形であり、給電点５および端子８が長辺方向の両端部付近に設けられている場合は、回路基板２の長さは、回路基板２の長辺の長さと言うこともできる。

　図４は、電池４を示す図である。電池４における複数のリチウム電池を並列に配置した本体部分から導電線３が延びており、この導電線３の長さＬｃが、アンテナ特性に寄与する導電線３の長さである。なお、回路基板２の端子８に接続されるコネクタ１３のサイズが大きい場合は、コネクタ１３の長さを導電線３の長さに含めてもよい。また、導電線３に電子部品が設けられている場合は、その電子部品も導電線３の長さに含めてもよい。

　導電線３のプラス側の線とマイナス側の線とは長さは設計上ほぼ同じであるが、双方の長さが異なる場合には、長い方の線がアンテナ特性に寄与する。なお、電池本体部分（リチウム電池部分）の長さは、アンテナ特性に寄与しない。

　アンテナ１、回路基板２および電池４は、商品の外観デザインや商品性能に大きく関わってくるため、ある程度定められた寸法で設計をしなければならないが、それら寸法によってアンテナ特性は大きく変動する。

　そこで、アンテナ１、回路基板２および電池４の導電線３を一体にして全体をアンテナとして動作させることで、無線装置１００は小型化でき、且つ高効率なアンテナ特性が得られる。

　特に、使用する電波の波長をλとしたとき、アンテナ１の長さを略λ／４にし、回路基板２の長さと導電線３の長さの和を略λ／４にすると、あたかもλ／２のダイポールアンテナのような動作をする。

　図５は、無線装置１００の各構成要素を上述の寸法で形成した場合のアンテナ電流振幅の分布を示している。アンテナ１、回路基板２および電池４の導電線３は、見かけ上、λ／２のダイポールアンテナとなっているため、アンテナ電流振幅は、図５のアンテナ電流分布３０のようになる。アンテナ１の先端と電池４は開放端のため電流はゼロであり、回路基板２上のアンテナ１への給電点５付近でアンテナ電流の振幅は最大となる。すなわち、共振現象が起きており、高効率なアンテナ特性が望める。

　したがって、見かけ上λ／２のダイポールアンテナを実現させるために、導電線３の長さを調整することで、アンテナ特性が向上できる。

　図６はアンテナ１と回路基板２の長さを一定とし、導電線３の長さを変更させた場合のアンテナ放射効率を示している。

　λ／４の長さをしたアンテナ１を用い、導電線３の長さを調整して回路基板２と導電線３の合計の長さをλ／４とした場合、全体長さはλ／２となり、アンテナ放射効率は－３．６ｄＢが得られた。

　アンテナ１を含めた全体長さをλ／３とした場合は、共振現象が起こらないため、アンテナ放射効率は－９ｄＢとなった。

　このように、アンテナ１の長さと、回路基板２の長さと、導電線３の長さとの和である全体長さを略λ／２とすることで、高効率なアンテナ特性を得ることができる。

　また、一般に、逆Ｆタイプのアンテナを用いる無線装置では、アンテナよりも回路基板の面積の方が大きくなる。一方、本実施形態では、回路基板２の面積をアンテナ１の面積よりも小さくすることができるので、無線装置１００を小型化することができる。例えば、回路基板２の面積をアンテナ１の面積の半分以下にすることができる。

　（実施の形態２）
　図７は、本発明の第２の実施の形態における無線装置１００を示す図である。図８は、回路基板２に設けられた受動部品２３を示す図である。本実施の形態における導電線３のプラス側の線は、受動部品２３によって、高周波数帯またはある特定の周波数に対して見かけ上未接続状態になり、さらに高効率なアンテナ特性を得ることができる。

　受動部品２３は、例えば、インダクタ２５を含む。受動部品２３は、例えば、回路基板２上のマイコン２１と端子８との間に接続される。この場合、無線部２２にはマイコン２１を介して電力が供給されてもよい。また、受動部品２３は、無線部２２と端子８との間に接続されてもよく、この場合は、無線部２２を介してマイコン２１に電力が供給されてもよい。また、受動部品２３は端子８に接続され、その受動部品２３からマイコン２１および無線部２２のそれぞれに延びる配線により、マイコン２１および無線部２２と受動部品２３とが接続されてもよい。なお、マイコン２１と無線部２２とは一体に形成されていてもよい。受動部品２３は、導電線３のプラス側の線と接続され、導電線３のプラス側の線の高周波信号成分をカットする。例えば、受動部品２３は、周波数がｃ／λの信号成分をカットする。ここで、ｃは電磁波の伝搬速度である。すなわち、受動部品２３は、使用する電波の周波数の信号成分をカットする。

　ここで、周波数をｆとし、インダクタ値をＬとすると、インダクタ２５のインピーダンスＺは、以下の式（１）で表される。

　カットしたい周波数において回路基板２側があたかも未接続にみえる高インピーダンスになるようにインダクタ２５を選定することで、カットしたい周波数の信号成分をカットすることができ、高効率なアンテナ特性を得ることができる。

　また、図９に示すように、受動部品２３は、インダクタ２５と、インダクタ２５と並列に接続されたキャパシタ２６とを含んでいてもよい。このような回路構成によっても、上記と同様に、導電線３のプラス側の線の高周波信号成分をカットし、アンテナ効率を高くすることができる。

　ここで、キャパシタ値をＣとしたとき、周波数ｆ、インダクタ値Ｌおよびキャパシタ値Ｃの関係は、以下の式（２）で表される。

　周波数ｆがカットしたい周波数になるようにインダクタ値Ｌおよびキャパシタ値Ｃを選定することで、カットしたい周波数の信号成分をカットすることができ、高効率なアンテナ特性を得ることができる。

　導電線３のプラス側の線が回路基板２に高周波的に接続されている場合、そこに流れるアンテナ電流が導電線３のマイナス側の線に流れる電流を打ち消す作用が発生してしまうため、アンテナ特性に悪影響を及ぼすことになる。

　図１０は、長さλ／４のアンテナ１を用いた場合において、導電線３のプラス側の線を高周波的に接続したときのアンテナ効率と、未接続のときのアンテナ効率を示した図である。

　回路基板２と導電線３のプラス側の線とが、高周波的に接続されている場合、アンテナ効率は－１０ｄＢであった。

　一方、使用周波数に対して、見かけ上、未接続のように見せるため、回路基板２上のマイコン２１および／または無線部２２と導電線３のプラス側の線との間にインダクタ２５を挿入すると、アンテナ効率は－５．３ｄＢとなり、高周波的に接続されている場合よりアンテナ効率は４．７ｄＢ向上した。

　本発明の実施の形態の構成は、使用する電波の波長λが長い場合に特に有用である。例えば、λ＝５００ＭＨｚの場合、λ／２は約３０センチメートルとなり、アンテナ１および回路基板２でλ／２を達成しようとすると物理的に樹脂筐体１０は大きくなってしまう。しかし、本発明の実施の形態によれば、アンテナ１の長さをλ／４（約１５センチメートル）、回路基板２および電池４の導電線３の長さの和をλ／４として同性能を達成できるため、樹脂筐体１０は前者比約３０％小さくすることができる。

　本発明の実施の形態にかかる無線装置１００は、回路基板２の長さが短くても、導電線３の長さを調整することで、高効率なアンテナ特性を実現できる。また、回路基板２や導電線３をアンテナの一部として動作させるため、無線装置１００の小型化を実現することができる。

　本発明の実施の形態によれば、無線装置１００が小さくても、全体をアンテナとして動作させて、高効率なアンテナ性能を得ることができる。アンテナ１、回路基板２、導電線３の全体をアンテナとして動作させることで、高効率なアンテナ特性を生み出すことができる。アンテナ１および回路基板２は商品の特徴により寸法が決まってくるため、導電線３の長さを調整し、特に全体長さをλ／２にすることで、高効率なアンテナ性能を得ることができる。アンテナ１、回路基板２、導電線３の全体がアンテナとして動作しているため、無線装置１００の小型化を実現することができる。

　本発明は、無線装置の小型化が要求される技術分野において特に有用である。

　１　アンテナ
　２　回路基板
　３　導電線
　４　電池
　１０　樹脂筐体
　２３　受動部品
　１００　無線装置

Claims

　波長λの電波を送受信するためのアンテナと、
　前記アンテナに接続された回路基板と、
　電源と、
　前記回路基板と前記電源とを接続する導電線と、
　を備え、
　前記アンテナの長さと、前記回路基板の長さと、前記導電線の長さとの和は略λ／２である、無線装置。
　前記アンテナの長さは略λ／４である、請求項１に記載の無線装置。
　前記回路基板の長さと前記導電線の長さとの和は略λ／４である、請求項１または２に記載の無線装置。
　前記電源は電池であり、
　前記導電線は前記電池から延びる導電線であり、
　前記導電線に設けられたコネクタにより前記回路基板に接続される、請求項１から３のいずれかに記載の無線装置。
　前記回路基板にはグランドが設けられており、
　前記回路基板の長さは、前記回路基板と前記アンテナの接続位置と、前記回路基板と前記導電線との接続位置との間のグランドの長さである、請求項１から４のいずれかに記載の無線装置。
　前記回路基板は長方形状であり、
　前記回路基板の長さは、前記回路基板の長辺の長さである、請求項１から５のいずれかに記載の無線装置。
　前記回路基板の面積は、前記アンテナの面積の半分以下である、請求項１から６のいずれかに記載の無線装置。
　前記アンテナは板状逆Ｆアンテナであり、前記アンテナの長さは、前記アンテナの周囲長さの半分の長さである、請求項１から７のいずれかに記載の無線装置。
　前記導電線のプラス極側は高周波的に未接続である、請求項１から８のいずれかに記載の無線装置。
　前記導電線のプラス極側の高周波信号成分をカットする受動部品をさらに備える、請求項１から９のいずれかに記載の無線装置。
　前記受動部品は、周波数がｃ／λ（ｃは電磁波の伝搬速度）の信号成分をカットする、請求項１０に記載の無線装置。
　前記受動部品は、インダクタを含む、請求項１０または１１に記載の無線装置。
　前記受動部品は、インダクタと、前記インダクタと並列に接続されたキャパシタとを含む、請求項１０または１１に記載の無線装置。
　波長λの電波を送受信するためのアンテナと、
　前記アンテナに接続された回路基板と、
　を備え、
　前記回路基板に電源から電力を供給する導電線の長さと、前記回路基板の長さと、前記アンテナの長さとの和は略λ／２である、無線装置。
　前記アンテナの長さは略λ／４である、請求項１４に記載の無線装置。