(57)【要約】【課題】ＵＷＢ通信方式では広帯域であるために回路素子やアンテナの設計が困難で機器の小型化が難しかった。【解決手段】本発明の通信装置は、基本図形に所定の変換ψを繰り返し実行して得られる自己相似図形のアンテナと比帯域が２５％以上または帯域幅が５００ＭＨｚ以上の信号を使用する送受信手段により構成されることを特徴とする。【選択図】    図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基本図形に所定の変換ψを繰り返し実行して得られる自己相似図形のアンテナと比帯域が２５％以上または帯域幅が５００ＭＨｚ以上の信号を使用する送受信手段により構成されることを特徴とする通信装置。
【請求項２】
相似比が公比ｒによって等比級数的に表される自己相似図形を用いたアンテナを用いることを特徴とする前記請求項記載の通信装置。
【請求項３】
帯域幅が公比Ｒの等比級数的に配置された複数のチャネルで送受信することを特徴とする通信システム。
【請求項４】
比帯域が２５％以上または帯域幅が５００ＭＨｚ以上の信号を使用する事を特徴とする前記請求項３記載の通信システム。
【請求項５】
アンテナゲインの周波数特性とチャネルの間隔が一致するようにｒとＲを調整したことを特徴とする前記請求項１乃至４の通信装置または通信システム。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は比帯域（帯域幅と中心周波数の比）が２５％以上の信号または帯域が５００ＭＨｚ以上の信号を用いて通信するＵＷＢ（Ｕｌｔｒａ  Ｗｉｄｅ  Ｂａｎｄ）による通信装置および通信システム方式に関する。
【０００２】
【従来の技術】
ＵＷＢはパルス幅が非常に狭く従って非常に広帯域のパルス信号を用いる通信方式で単位周波数当たりのエネルギー密度を低く抑えて既存通信システムに妨害を与えることなく高速高容量の通信が可能であるとされ近年大いに注目を浴びている。特に米国において連邦通信委員会（ＦＣＣ）が３．１ＧＨｚ〜１０．６ＧＨｚをこの通信に解放してから利用機運が高まっている。この通信では信号が広帯域であるため実施には広帯域の素子が必要であるが特にアンテナに関しては円錐型などの進行波型のアンテナや対数周期型アンテナあるいはパッチアンテナなどが使用されている。また、アンテナの形状として自己相似図形を使用するいわゆるフラクタルアンテナは小型でかつ広帯域特性が得られるとされている。（特許文献１、特許文献２、非特許文献１参照）
【特許文献１】
スペイン公開特許広報  ＥＳ２１１２１６３
【特許文献２】
特表２００３‐５１０８７１Ａ
【非特許文献１】
ＩＥＥＥ  ＴＲＡＮＳ．ＡＮＴＥＮＮＡＳ  ＡＮＤ  ＰＲＯＰＡＧＡＴＩＯＮ、  ＶＯＬ．  ４６、  Ｎｏ．  ４、  ＡＰＲＩＬ  １９９８  ｐｐ５１７‐５２３
【０００３】
またさらに広帯域であるため広い周波数範囲に渡って他システムへの干渉や他システムからの妨害排除をしつつ高速な無線通信も課題となり、使用帯域をいくつかに等分割し各チャネル毎に最適な通信パラメータを設定する適応型の方式も提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ＵＷＢ通信方式では広帯域のパルス信号を使用し高速のデータ通信を目指すものであるが広帯域であるため既存の通信システムに影響を与えやすい。そこで、既存システムへの影響を最小化するためにいくつかにチャネルを分割して使用チャネルを選択することにより既存システムへの影響を回避する。これはマルチバンドＵＷＢと呼ばれている。図６は従来のマルチバンドＵＷＢの構成を例示する図である。ＵＷＢのパルスはパルス発生器６０７で発生され６０８で発生される副搬送波に乗算されベースバンドパルスが作られる。このパルスは変調器６０４にて端子６０９より入力される送信データにより変調される。変調はパルス位置を変更するＰＰＭ（Ｐｕｌｓｅ  Ｐｏｓｉｓｉｏｎ  Ｍｏｄｕｒａｔｉｏｎ）などが使用される。変調器６０４出力は局部発振回路６０５によって発生された局部発振信号と乗算され周波数変換後、増幅器６０２により増幅されアンテナ６０１から放射される。アンテナ６０１により受信された信号は増幅器６０３で増幅後周波数変換され復調器６０６に送られる。復調器６０６ではベースバンドパルスとの相関を計算し復調し受信出力データ端子６１０に出力する。従来のマルチバンドＵＷＢでは各チャネルのチャネル幅が等間隔であるためこのように周波数変換が必要であり、変換後の不用測波を取り除くためにバンドパスフィルタ６１２、６１３が必要となる。
【０００５】
また、ＵＷＢ通信方式は広帯域の信号を使用するためにアンテナにも広帯域特性が要求される。従来ＵＷＢに用いられているアンテナは円錐型などの進行波型のアンテナや対数周期型アンテナあるいはパッチアンテナなどが用いられている。これらのアンテナは広い帯域にわたって一様な特性を得ようとすると一般に大型化する。また、フラクタルアンテナはそこそこ小型化で広帯域特性を実現できるものの、帯域内での特性が一様でなく、一様な特性を得ようとすると大型化する。図４、５図にフラクタルアンテナの一例としてシェルピンスキー図形を用いた例を示す。図５（Ａ）にシェルピンスキーアンテナの基本的な構造を示す。シェルピンスキー図形と呼ばれる自己相似三角形のラジエータ５０１とグランドプレーン５０２、給電源５０３より構成される。シェルピンスキー図形は図５（Ｂ）、（Ｃ）、（Ｄ）に示すように三角形の中央を順次取り除く変換を繰り返して得られる図形である。この変換は図５（Ｂ）に示すように座標軸を取り原点Ｏと点Ｐ（ａ，ｂ）と点Ｑ（−ａ、ｂ）によって囲まれた領域内の任意の点Ｓ（ｘ，ｙ）を以下の操作によって３つの点Ｓ０（ｘ０，ｙ０）、Ｓ１（ｘ１，ｙ１）、Ｓ２（ｘ２，ｙ２）へ写像する作業である。
【０００６】
［数１］
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【０００７】
ここでｒは変換の公比をあらわす。図５（Ｂ）はｒ＝１／２、Ｐ（１，√３）、Ｑ（‐１，√３）の場合を例示している。この変換をくりかえすと図５（Ｃ）、（Ｄ）のように変化していく。この変換は繰り返して行われるため自己相似形となり公比倍に拡大するともとの図形に重なる。自己相似図形を用いてアンテナを構成すると自己相似という特徴的な形状によりその周波数特性が等比級数的に繰り返される。図４（Ａ）はｒ＝３／４、図４（Ｂ）はｒ＝２／３の場合を示し、ｒ＝１／２、２／３、３／５の場合の周波数特性を図４（Ｄ）に示す。給電点から遠いところでは高い周波数成分はそこに達するまでに放射されてしまうため細かい構造は無視できる、すなわち図４（Ａ）の形状は同図（Ｃ）のように先のほうの小さな空隙を埋めてしまってかまわない。
【０００８】
先に述べたように、ＵＷＢ通信方式でのチャネルプランはそのチャネル分割法が等分割であるために高域になるほど比帯域が小さくなる。このことはチャネル毎に同一な特性を得るための設計を難しくしている。また、例えばフィルタのＱ値やアンテナの帯域などは一般に比帯域によりパラメータが定まりこのことが設計を困難にする。さらにアンテナには全チャネルに渡って平坦な特性が要求されこの使用を満たすために一般にアンテナのサイズが大型化する。
【０００９】
そこで本発明ではＵＷＢ通信において使用される機器の小型化を目的とし、特に、機器に使用されるデバイスへの要求仕様を緩和し小型アンテナでも特性の良い通信方式の提供を目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明のＵＷＢ通信装置は基本図形に所定の変換ψを繰り返し実行して得られる自己相似図形のアンテナと比帯域が２５％以上または帯域幅が５００ＭＨｚ以上の信号を使用する送受信手段により構成されることを特徴とする。自己相似型のアンテナはその周波数特性が周期的に繰り替えられる特徴があり小型で広帯域であるためＵＷＢのような帯域の広い信号を使用する通信でも小型の通信装置が実現できる。
【００１１】
また本発明のＵＷＢ通信装置には相似比が公比ｒによって等比級数的に表される自己相似図形を用いたアンテナを用いることを特徴とする。この構成によって帯域特性が等比級数的に変化し信号の比帯域が一定となるため通信装置を構成する素子の設計が容易となる。
【００１２】
さらに本発明の通信システムでは比帯域が２５％以上または帯域幅が５００ＭＨｚ以上の信号を使用するチャネルを複数具備し各チャネルの帯域幅が公比Ｒの等比級数的に配置された複数のチャネルで送受信することを特徴とする。これによって前記同様にチャネルの比帯域が一定となり機器を構成する素子の設計が容易となる。
【００１３】
また、さらに本発明の通信装置または通信システムではアンテナゲインの周波数特性とチャネルの間隔が一致するようにＲとｒを調整したことを特徴としており、これによって小型のアンテナで広い帯域で良好な特性の機器を提供できる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施形態を図表を用いて説明する。
（実施例１）
図１（Ａ）は本発明によるＵＷＢ通信システムに供する送受信器のブロックダイアグラムを例示する図である。本発明によるＵＷＢ通信システムはそのチャネル分割が等間隔でなく等比級数的に配置することを特徴とする。図１（Ｂ）にチャネルプランの一例を示す。チャネル幅を等比級数的にｎチャネルに分割するには以下のようにする。
【００１５】
［数２］  Ｂｗｉ＝（Ｒｉ‐Ｒｉ−１）ＦＬ
［数３］  Ｆｃｉ＝（Ｒｉ＋Ｒｉ−１）ＦＬ／２
ここで、Ｂｗｉ：チャネル番号ｉのバンド幅
Ｆｃｉ：チャネル番号ｉの中心周波数
ＦＬ：分割する周波数帯域の下限
ＦＨ：分割する周波数帯域の上限
である。また公比Ｒは以下のようにして決める。
［数４］  ｗ＝（ｌｏｇＦＨ‐ｌｏｇＦＬ）／ｎ
［数５］  Ｒ＝１０ｗ
【００１６】
図１（Ｂ）の表は周波数帯域３．１ＧＨｚから１０．６ＧＨｚを５チャネルに分割した場合を例示している。この場合公比Ｒは約１．２７８７５である。［数２］、［数３］より各チャネルのバンド幅、中心周波数は公比Ｒの等比級数となっていることがわかる。このようなチャネル分割法によって送受信器の回路構成や使用するパルス波形が単純化されることを以下に説明する。
【００１７】
本発明によるＵＷＢ通信システムの送受信器では図１に示すようにパルス発生器１０７によって発生されるＵＷＢパルスと発振回路１０６によって発生される搬送波を乗算してＲＦパルスを生成する。この場合、パルス発生器１０７によって発生されるＵＷＢパルスのパルス幅はチャネルのバンド幅に関係しパルス幅の逆数の約半分がそのバンド幅となる。また搬送波はチャネルの中心周波数である。図２は図１（Ｂ）に例示したチャネル分割にしたがって発生させたＵＷＢパルス発生器１０７の発生パルス（図２（Ａ））とＲＦパルス（図２（Ｂ））である。図２（Ｂ）から分かるように各チャネルのＲＦパルス内の副搬送波のパルス数が同じである。すなわち適当に時間軸上で圧縮伸張すれば各チャネルのＲＦパルスは一致する。このことはＲＦパルスの発生を容易にする。すなわち、パルス発生器１０７と搬送波発生器１０６は共通のクロック信号から容易に発生可能であり周波数変換を伴わず直接高周波信号を発生することができる。このような構成では不用側波も発生しないからバンドパスフィルタも不要となる。このようにして得たＲＦパルスは変調器１０４によってパルス位置変調などで変調され増幅器１０２で適宜増幅されアンテナ１０１から放射される。またアンテナ１０１で受信された信号は増幅回路１０３で増幅された後、復調器１０５で回路１０７、１０６で発生されたＲＦパルスをテンプレートとして相関計算され復調される。
【００１８】
また、本発明によるＵＷＢ通信システムではチャネルが等間隔でなく等比級数的に分割されるため上述のフラクタルアンテナのようなその共振点が周波数軸上に等比級数的に分布するアンテナと相性が良い。特にＲとｒを互いに一致するように調整すればチャネルの中央に各共振点を持ってくることができ能率の良いシステムが構築できる。図３（Ａ）は図１（Ｂ）に示すチャネルプランにしたがってｒ＝１．２７８７５で［数１］にしたがって５回変換して作成した図形を用いたアンテナを図示している。同図では給電点やグランドプレーンを省略している。また図３（Ｂ）は給電点から遠いところの細かい構造を省略した図形である。高い周波数成分はアンテナ素子の先端に達する前に放射してしまうのでこのようにしても差し支えない。
【００１９】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明に従えば複数のチャネルに分割されているのでアンテナに要求される周波数特性は全帯域に渡って平坦である必要が無く各チャネル内で平坦であればよい。しかもチャネルの分割のし方が等比級数的であるので、自己相似特性が等比級数的なフラクタルアンテナと相性が良い。そのため小型のアンテナを使用して機器全体を小型にできる。また、チャネル分割が等比級数的であるため、フィルタなどの設計も双対性を利用して複数のチャネルの設計を一度ででき容易である。さらに既に述べたように、各チャネルで使用されるパルスは時間軸を適当に圧伸すれば互いに重なるために同一のクロックを用いてその時間標準を変更するのみで各チャネルの信号を生成できる。このことにより周波数変換回路を省くことができ機器の簡素化が可能となる。また、各チャネルは使用するパルスのパルス幅が異なり、高いチャネル番号のチャネルほどパルス幅が狭くなる。これによって高いチャネル番号のチャネルほどパルスを密に伝送でき従って伝送速度を上げることができる。すなわち各チャネル毎に種種の伝送速度に設定されるため、システム利用上都合が良い。
【図面の簡単な説明】
【図１】（Ａ）は本発明による通信システムの送受信器のブロックダイヤグラムを例示する図、（Ｂ）は本発明による通信システムのチャネル分割を例示する表である。
【図２】本発明で用いられるパルスを説明する図で（Ａ）はＵＷＢパルス、（Ｂ）はＲＦパルスを示す。
【図３】本発明の通信システムで用いられるアンテナを例示する図。（Ａ）は細かい構造まで残したもの、（Ｂ）は先端の細かい構造を省略したもの。
【図４】従来のシェルピンスキーアンテナを変形したアンテナを示す図とその特性。（Ａ）は公比３／４、（Ｂ）は公比２／３、（Ｃ）は（Ａ）の細かい構造を省いたもの、（Ｄ）はそれらの特性を表す図。
【図５】従来のシェルピンスキーアンテナを説明する図、（Ａ）はその構造を示す図、（Ｂ），（Ｃ），（Ｄ）はその図形を得るための変換を説明する図。
【図６】従来のＵＷＢ通信の送受信器のブロックダイヤグラムを示す図。
【符号の説明】
１０４・・変調器
１０５・・復調器
１０７・・ＵＷＢパルス発生器
１０８・・搬送波発生回路
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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