(57)【要約】【課題】簡易な構成で十分な通信可能範囲を確保し、さらに、フェージングの影響が少なく、安定した通信を可能とする屋内移動通信装置を提案する。【解決手段】本発明の屋内移動通信装置は、電波放射方向及び半値角などの指向特性が固定のアンテナを具備し、屋内空間内での位置及び方向を自在に変えながら移動通信可能な屋内移動通信装置であって、半値角が１８０度以内であり、かつ最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルが最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない指向性を有し、直線偏波の電波を送受信するアンテナと、前記アンテナを介して送受信される電波に重畳された信号の変復調を行う無線部を備える。【選択図】　　　図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電波放射方向及び半値角などの指向特性が固定のアンテナを具備し、屋内空間内での位置及び方向を自在に変えながら移動通信可能な屋内移動通信装置であって、
半値角が１８０度以内であり、かつ最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルが最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない指向性を有し、直線偏波の電波を送受信するアンテナと、
前記アンテナを介して送受信される電波に重畳された信号の変復調を行う無線部を備える、屋内移動通信装置。
【請求項２】
前記アンテナは、板状逆Ｆアンテナ又はマイクロストリップアンテナである、請求項１に記載の屋内移動通信装置。
【請求項３】
前記アンテナのグランドプレーンを、前記無線部が実装されているプリント配線基板の回路実装面の裏面に設置する、請求項１又は請求項２に記載の屋内移動通信装置。
【請求項４】
互いに直交する直線偏波を放射する２基の前記アンテナと、これらのアンテナの接続切り替えを行い、ダイバーシチ送受信を行うアンテナ切替回路とをさらに備える、請求項１乃至請求項３のうち何れか１項に記載の屋内移動通信装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はコードレス電話機などの屋内移動通信装置に関し、特に、簡易な構成でフェージングの影響が少なく、安定した通信を可能とする改良技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
コードレス電話機などの屋内移動通信装置においては、通信相手の位置が一定でなく、また、部屋の広狭など屋内環境も変わりうるため、様々な方向から到来する電波を受信でき、かつ全方向へ電波を放射できるように構成する必要がある。このため、従来では水平面無指向性の垂直型線状アンテナが広く使用されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、高い周波数を用いた屋内移動通信装置においては、その波長が短いためアンテナが小型になる反面、無指向性アンテナの実効長が短くなり、通信可能範囲が狭くなる。また、屋内環境下でさまざまな伝播経路を経た電波を受信すると、フェージングの影響を受けるため、安定した通信を行うことが困難となる。また、指向性を切り替えて通信を行うシステムも提案されているが、システムが複雑かつ高価となる。
【０００４】
そこで、本発明は簡易な構成で十分な通信可能範囲を確保し、さらに、フェージングの影響が少なく、安定した通信を可能とする屋内移動通信装置を提案することを課題とする。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するため、本発明の屋内移動通信装置は、電波放射方向及び半値角などの指向特性が固定のアンテナを具備し、屋内空間内での位置及び方向を自在に変えながら移動通信可能な屋内移動通信装置であって、半値角が１８０度以内であり、かつ最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルが最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない指向性を有し、直線偏波の電波を送受信するアンテナと、前記アンテナを介して送受信される電波に重畳された信号の変復調を行う無線部を備える。かかる構成により、十分な通信可能範囲を確保しつつ、屋内の反射波を利用して良好な通信を行うことができるとともに、フェージングの影響を受けにくい安定した通信を可能にできる。
【０００６】
好ましくは、前記アンテナは、板状逆Ｆアンテナ又はマイクロストリップアンテナである。板状逆Ｆアンテナ又はマイクロストリップアンテナを用いれば、構成の簡易化、通信装置の小型化、及び低コスト化を実現できる。
【０００７】
好ましくは、前記アンテナのグランドプレーンを、前記無線部が実装されているプリント配線基板の回路実装面の裏面に設置する。かかる構成により、部品点数の削減、製造工程数の削減、高周波損失の低減を実現できる上に、通信装置筺体内のアンテナ配置の自由度を高めることができる。
【０００８】
好ましくは、互いに直交する直線偏波を放射する２基の前記アンテナと、これらのアンテナの接続切り替えを行い、ダイバーシチ送受信を行うアンテナ切替回路とをさらに備える。ダイバーシチ送受信を行うことにより、安定した通信が可能となる。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、各図を参照して本実施形態について説明する。
【００１０】
図１は本実施形態に係わるアンテナの自由空間における水平面内の指向性の一例を示すグラフである。同図に示すように、本実施形態のアンテナは半値角１８０度以内に設計されており、最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルは最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない特性を有している。
【００１１】
このように、最大放射方向±９０度の範囲内に効率よく電波を放射すると、無指向性アンテナを用いて全方向に電波を放射する場合に比べて、約２倍（約３ｄＢ）の利得が得られ、通話可能範囲を広げることができる。また、アンテナの指向性を全方向のおよそ１／２に絞ることで、指向性利得が低い方向からの電波を捕捉しにくくなるが、屋内通信では通信装置の近辺に家具や壁などがあるため、これらに反射した反射波を利用することで、通信相手の方向に指向性が向いてなくても、良好な通信を行うことができる。
【００１２】
図８は本実施形態のアンテナ８０を装備したコードレス電話の子機５０と、親機４０とが壁７１〜７４で囲まれた屋内空間で通信しているときの電波伝搬状態を示すものである。アンテナ８０の指向性が上述した特性を備えているものとすると、アンテナ８０の指向方向に親機４０が位置していなくても、壁７１，７２で反射した電波が親機４０に到達し、また、親機４０からの電波もこれらの壁を反射して子機５０に到達するため、反射波をうまく利用することで、安定した通信を行うことができる。
【００１３】
さらに、図１に示すように、本実施形態のアンテナは、全方向から到来する電波のうち最大放射方向を基準にして９０度〜２７０度の範囲では指向性利得が低いため、直接波又は反射波などの複数の経路で到来する電波の干渉により生じ得るフェージングの影響を低減できる。このように、屋内通信では、全方向からの電波を捕捉できるよう無指向性アンテナを用いるよりも、ある程度の指向性をもたせることで、通信可能範囲を容易に拡大できるとともに、通信相手の方向に指向性が向いてなくても反射波を利用することで良好な通信を確保できる。アンテナの指向性を狭い範囲に絞れば、アンテナ利得は増大し、指向方向から到来する弱い反射波も捕捉でき、さらに、多くの反射波を捕らえることがないため、フェージングは少ないが、その反面、指向方向から到来する直接波又は反射波を捕捉する確率が低下する。一方、アンテナの指向性を広い範囲に広げれば、直接波又は反射波を捕捉する確率が増加するが、アンテナ利得は低下し、また、多くの反射波による干渉でフェージングが生じる。
【００１４】
つまり、アンテナの向きによる受信レベル変動とフェージングによる受信レベル変動は、トレードオフの関係にあり、アンテナの向きにかかわらず電波を確実に捕捉しつつ、フェージングが少ない安定した通信を可能とするには、屋内通信に最適なアンテナ指向性を検討する必要がある。本発明者の研究によれば、屋内移動通信装置のアンテナの特性として、半値角を１８０度以内に設計し、全方向のおよそ１／２につき放射レベルを高くすれば、適度なアンテナ利得を確保しつつ、家具や壁などからの反射波をうまく捕捉でき、フェージングの影響が少ない良好な通信を確保できることが確認できている。これらの特長は、特に、５ＧＨｚ以上の周波数を使用する屋内移動通信装置において有効に発揮される。図９乃至図１２は屋内空間での移動通信時のフェージングのシミュレーション結果を示すグラフの一例である。図１３はフェージングのシミュレーションを行うための電波受信環境を示している。同図に示すように、シミュレーションでは、５メートル四方の正方形屋内空間を想定して、当該空間の中心点Ｑより無指向性アンテナで５．８ＧＨｚの電波を放射し、電波の受信点Ｐを壁から５０センチメートル離れたＡ点から壁に平行に移動し、２メートル先のＢ点に至るまでの受信信号のレベルを計算した。シミュレーション条件として、壁の反射係数を−０．９、天井及び床の反射を考慮せず、壁での反射を３回までとした。また、アンテナの垂直面指向性は変化させず、水平面指向性のみを変化させている。指向角が狭くなるに従い、アンテナ利得は増大し、効率は一定としている。
【００１５】
図９は、受信点Ｐが上記のＡ点からＢ点に至るまでの１ミリメートル毎の各点（合計２０００点）での直接波及び反射波の合成波の受信レベルを計算して得られたグラフの一例である。横軸はＡ点の座標を−１メートルとし、Ｂ点の座標を１メートルとしている。縦軸は受信信号レベルを表している。また、計算上、指向性アンテナの指向角を１４０度とし、受信点Ｐの移動方向と最大放射方向は同方向と仮定している。指向角の範囲内に到来する直接波及び反射波は重み付け無しで合成されるが、指向角の角度範囲外に到来する電波は合成していない。シミュレーションでは、無指向性アンテナの受信レベルも計算した。同図に示すように、無指向性アンテナよりも指向性アンテナの方がフェージングの周期が長いことが判る。これは、無指向性アンテナは全方向からの到来電波を捕捉するのに対し、指向性アンテナでは受信できる電波の到来方向が限られるためである。この結果から、指向性アンテナの方がフェージングに対する影響が少ない点で、屋内通信用のアンテナとして好適であることが判明した。
【００１６】
図１０は図９に示した２０００点の受信レベルの累積確率分布のグラフである。横軸は受信信号レベルを表し、縦軸は累積確率分布を表している。上述の指向性アンテナと無指向性アンテナについて統計を求めた。累積確率分布が５０％となる受信レベルはフェージングの中央値、累積確率分布が５０％と１０％の差はｆａｄｉｎｇ　ｄｅｐｔｈ、累積確率分布が５０％と９０％の差はｆａｄｉｎｇ　ｒｉｓｅである。ここでは、上記のＡ点からＢ点に至る経路での受信レベルを計算したが、図１３に示す屋内空間の対象性より、壁に平行して移動し、全周した場合も同様の結果が得られる。
【００１７】
図１１は受信点Ｐにおけるアンテナ角度を１度ずつ変えながら全方向について図１０と同様のシミュレーションを３６０回行い、各方向での累積確率分布が１０％、５０％、及び９０％となる受信レベルを計算したグラフの一例である。横軸は受信点Ｐにおけるアンテナ角度を表し、縦軸は受信信号レベルを表している。同図より、指向性アンテナを用いると、アンテナ角度によっては、受信レベルが増大したり、或いは低下したりすることが判る。指向性が狭い場合には、特定方向から到来する電波のみを捕捉するためである。無指向性アンテナの場合には、アンテナ角度に関係なく受信レベルが一定であることはいうまでもないが、指向性の範囲を広げる程、アンテナ角度による受信レベルの変動が少なくなる。
【００１８】
図１２は、受信点Ｐにおける指向角を０度から３６０度までの範囲に変化させて上述の図１１と同様のシミュレーションを繰り返し計算した結果のグラフである。同図より、指向角１４０度では累積確率分布が５０％となる受信レベルは無指向性の場合より０．２ｄＢ低下するものの、累積確率分布が１０％となる受信レベルが無指向性の場合よりも０．７ｄＢ増大する。これは、屋内移動通信において、途切れ・雑音が減少することを意味している。一方、累積確率分布が５０％となる受信レベルの０．２ｄＢ低下が通信の品質に与える影響は少ない。また、指向角が３０度以下のように狭い場合には、直接波や反射波を捕捉できない方向が増えるため、受信レベルの変動が大きくなる。このような場合には、アンテナ方向により通信の途切れが発生すると考えられる。但し、今回のシミュレーションでは、反射回数を３回以内に限定しているため、４回以上の反射波を考慮すれば、指向性の狭いアンテナの受信レベル変動はやや小さくなる可能性がある。
【００１９】
また、コードレス電話の子機などの場合、無指向性アンテナを使用すると、人体頭部による吸収や反射があり、アンテナ効率が低下することを考えれば、屋内通信において、無指向性アンテナを利用するよりも、頭部の向きと逆の向きに指向性を与えた指向性アンテナを利用した方がより効果的である。上記のシミュレーション結果を考慮すれば、指向角としては、１８０度以内が好ましく、６０度〜１８０度の範囲がより好ましい。
【００２０】
尚、屋内通信に用いるアンテナとしては、直線偏波を用いることが望ましい。円偏波を用いると、進行波に対して反射波が逆旋回となるため、受信できなくなるが、直線偏波を用いることで反射波を有効に利用できる。また、上述した指向性を有するアンテナを備える屋内移動通信装置によれば、放射方向や半値角などを切り替え又は変更することなく安定した通信を行うことができるため、システム設計が容易となり、アンテナ切り替えによる損失低減及び通信装置の低コスト化を実現できる。
【００２１】
本発明の屋内通信用アンテナは板状逆Ｆアンテナや、マイクロストリップアンテナなどの平面アンテナを利用することで、上述の特性を備えつつ、比較的小型かつ容易に形成することが可能となる。特に、コードレス電話などの移動通信装置については、筺体の小型化、薄型化が要求されるため、これらの平面アンテナを利用することで、良好な通信品質を維持しつつ、筺体の薄型化に対応できるメリットがある。さらに、マイクロストリップアンテナは作製が容易であるというメリットもある。
【００２２】
図３は本発明の実施形態であるマイクロストリップアンテナの斜視図、図４は同アンテナの平面図である。ここでは、方形パッチアンテナを例示して説明するが、これに限られるものではなく、円形パッチアンテナであってもよい。図３に示すように、マイクロストリップアンテナ６０は、グランドプレーン（接地板）２０と、グランドプレーン２０に対して略平行に一定の間隔をおいて配置された方形状の放射板１０とを備えた構成となっている。５．８ＧＨｚ帯を使用するコードレス電話の場合、放射板１０のサイズは、２１ｍｍ×３０ｍｍとし、放射板１０とグランドプレーン２０の間隔は２ｍｍとすればよい。同図に示すように、直角３方向にＸＹＺ座標を定めると、放射板１０のＹ方向に平行して互いに向かい合った２つ辺１１，１２の長さは、波長の約１／２となるよう設計されており、それぞれの辺１１，１２の中央部には、板金の折り曲げ加工によって、支持ピン１３，１４が形成され、放射板１０とグランドプレーン２０との間隔が一定に保持されている。
【００２３】
図５はマイクロストリップアンテナ６０のＹ方向の電界分布をグラフに表したものである。同図に示すように、Ｙ方向に共振して同方向に直線偏波を放射している状態では、辺１１，１２の中央の電界強度が０となるため、辺１１，１２の中央に支持ピン１３，１４などの導体を形成しても電界分布が変化しない。Ｙ方向の電界強度が０となる辺１１，１２の中央部に支持ピン１３，１４を形成し、グランドプレーン２０と電気的に接続することで、放射板１０とグランドプレーン２０との間隔を一定に保つための所望の機械的強度を得ることが可能となる上に、Ｘ方向の共振を抑えることができ、交差偏波の発生を抑制できる。また、Ｙ方向の偶モード共振を抑え、偶数次高調波を抑制できることもできる。
【００２４】
図３、図４に示すように、放射板１０の略中心部には、Ｙ方向に細長く、Ｘ方向に短いスリット状の開口１７部が形成され、その開口縁から略垂直に板金を折り曲げることによって、グランドプレーン２０の方向に延出する支持ピン１５が形成されている。Ｙ方向の中央部に形成された支持ピン１５とグランドプレーン２０を電気的に接続しても、電界分布が変化しないため、支持ピン１５を追加することが可能となる。また、放射板１０上を流れる電流はＹ方向にのみ流れるため、Ｙ方向に細長く、Ｘ方向に短いスリット状の開口部１７を形成しても、電界分布にほとんど影響はない。このように、放射板１０の略中心部において、支持ピン１５を形成することで、アンテナの機械的強度を高めることが可能となる。
【００２５】
また、放射板１０とグランドプレーン２０の間隔が狭いときは、アンテナのインピーダンスが低くなり、回路との整合性をとるために給電点はＸ方向に平行な辺１８からやや面内側に設けるのが望ましい。このため、同図に示すように、辺１８の略中央部には、切り欠きが形成され、この切り欠きをグランドプレーン２０側に略垂直に折り曲げることで、給電ピン１６が形成されている。切り欠きはわずかであるから、アンテナの放射特性に与える影響はほとんど無視できる範囲である。また、板金を折り曲げるだけで給電ピン１６を作製できるため、部品点数を削減でき、組み立ての容易化及び機械強度の向上を図ることができる。
【００２６】
また、支持ピン１３，１４，１５、及び給電ピン１６の先端はくびれのある形状となっており、グランドプレーン２０に予め穿孔された孔に挿通するだけで簡単に放射板１０を固定できるため、組み立てが容易となる。このように、本実施形態のマイクロストリップアンテナ６０は、簡単な加工を施して板金を折り曲げるだけで簡易に組み立てることが可能となるため、低コストで経済的である。図２は上述したマイクロストリップアンテナ６０の自由空間における水平面内の指向性を示すグラフである。同図に示すように、マイクロストリップアンテナ６０は半値角１８０度以内に設計されており、かつ放射電波のほとんどは最大放射方向±７０度以内に収まっている。
【００２７】
図６はマイクロストリップアンテナ６０の側面図である。プリント配線基板３０の回路実装面３１には、電波に重畳された信号の変復調を行う無線部を構成する高周波回路部品３３が実装されており、その裏面には、グランドプレーン２０として機能する銅箔が絶縁層を間に介して積層されている。プリント配線基板３０には、給電ピン１６を挿通するための孔が穿孔されており、当該孔を貫挿して回路実装面３１に露出した給電ピン１６はアンテナ給電部３２において、半田付けされ、コードレス電話の無線部に接続される。このように、マイクロストリップアンテナ６０をプリント配線基板３０上に設置することにより、給電線を用いる必要がなく、部品点数の削減、製造工程数の削減を実現できる。
【００２８】
また、プリント配線基板３０からマイクロストリップアンテナ６０に高周波ケーブルを引き回す必要がないため、高周波損失を気にする必要がなく、マイクロストリップアンテナ６０をコードレス電話の筺体内の適切な位置に配置することができる。これにより、周囲の障害物の影響を考慮して、マイクロストリップアンテナ６０を筺体内の高い位置に設置することも可能である。また、壁際にコードレス電話が置かれた場合に、壁からの影響を受けないよう筺体背面から十分な距離（例えば、１波長）離した位置に設置するような配慮が可能となる。
【００２９】
また、従来では、プリント配線基板とアンテナが別体である場合には、その位置関係によりアンテナ特性に影響がでるため、アンテナは他の回路部品から十分に離す必要があり、さらに、無指向性のアンテナの場合には、アンテナより上に回路部品等の金属部品を配置できないなどの制約があった。しかし、本発明によれば、プリント配線基板３０上にマイクロストリップアンテナ６０を配置することにより、これらの制約がなく、マイクロストリップアンテナ６０の取付け位置の自由度を高めることができる。
【００３０】
図７は本発明のアンテナを用いたダイバーシチ送受信装置の構成図である。同図において、６１，６２は互いに直交する直線偏波を放射するアンテナであり、半値角が１８０度以内に設計され、かつ最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルが最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない指向性を有している。アンテナ６１，６２で受信された受信信号はアンテナ切替回路６３，６４を介して受信回路６５に送られる。受信回路６５での受信品質により、アンテナ選択部６７によりアンテナの選択が行われ、選択信号がアンテナ切替回路６３に出力される。送信時には、アンテナ切替回路６４によって送受信系統を切り替え、受信時に選択したアンテナを用いて送信が行われる。屋内通信の場合には、壁、家具、天井などで反射する電波は反射物との位置関係において、偏波の方向が変化することがある。このような場合に、互いに直交する直線偏波を放射する２基のアンテナ６１，６２を用意して、通信に有効な方を選択することにより、より安定した通信が可能となる。
【００３１】
【発明の効果】
本発明の屋内移動通信装置によれば、半値角が１８０度以内であり、かつ最大放射方向を基準にして９０度から２７０度の範囲での放射レベルが最大放射レベルよりも１０ｄＢ以上少ない指向性を有するアンテナを備えているため、十分な通信可能範囲を確保しつつ、屋内の反射波を利用して良好な通信を行うことができるとともに、フェージングの影響を受けにくい安定した通信を可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施形態のアンテナの自由空間における水平面内の指向性を示すグラフである。
【図２】本実施形態のマイクロストリップアンテナの自由空間における水平面内の指向性を示すグラフである。
【図３】本実施形態に係わるマイクロストリップアンテナの構成図である。
【図４】本実施形態に係わるマイクロストリップアンテナの放射板の平面図である。
【図５】マイクロストリップアンテナのＹ方向の電界分布を示すグラフである。
【図６】マイクロストリップアンテナを実装したプリント配線基板の側面図である。
【図７】本実施形態のアンテナを用いたダイバーシチ受信装置の構成図である。
【図８】屋内移動通信における電波伝搬経路の説明図である。
【図９】フェージングのシミュレーション結果のグラフである。
【図１０】受信レベルの累積確率分布のグラフである。
【図１１】アンテナ角度を変えたときの受信レベルのグラフである。
【図１２】アンテナの指向角を変えたときの受信レベルのグラフである。
【図１３】シミュレーションに使用する無線環境の説明図である。
【符号の説明】
１０…放射板
１１，１２，１８…辺
１３，１４，１５…支持ピン
１６…給電ピン
２０…グランドプレーン
３０…プリント配線基板
３１…回路実装面
３２…アンテナ給電部
３３…高周波回路部品
４０…親機
５０…子機
６３…アンテナ切替回路
６０…マイクロストリップアンテナ
８０…アンテナ
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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