JP2006101486A - 無線通信モジュール及び無線通信装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 通信品質が良好となるアンテナの配置位置を調整する必要がなく、取り扱いが便利な無線通信モジュール及び無線通信装置を提供する。
【解決手段】 ローディング逆Ｆアンテナにより電波の送受信を行うアンテナ回路１と、無線通信の制御を行う制御回路、周波数の変調を行う変復調回路、周波数の変換を行う周波数変換回路、データの入出力を行うインタフェース回路のうち、少なくとも１つ以上の回路により構成される無線通信回路１４とを有する。また、無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、ローディング逆Ｆアンテナのローディング部６と無線通信回路１４との距離を、ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離して基板上に実装する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、無線通信を行うための逆Ｆローディングアンテナを実装した無線通信モジュール及び無線通信装置に関する。

従来、筐体の小型化を図るとともに、利得が低下することを防止した無線通信装置として特許文献１に記載されている技術が知られている。この無線通信装置は、筐体にアンテナを２本設置することにより、利得の向上を図っている。
しかし、この無線通信装置では、筐体にアンテナを２本設置する必要があったため、無線通信装置を設計するのが煩雑であり、この無線通信装置を利用して携帯電話等を製造するメーカなどが、２本のアンテナの最適な配置を調整しなければならないという問題があった。
特許第３２７５６３２号公報

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的は、通信品質が良好となるアンテナの配置位置を調整する必要がなく、取り扱いが便利な無線通信モジュール及び無線通信装置を提供することにある。

請求項１に記載の発明は、第１の基板上に実装されるローディング逆Ｆアンテナを使用して無線の送受信を行う無線通信モジュールであって、前記ローディング逆Ｆアンテナにより電波の送受信を行うアンテナ回路と、無線通信の制御を行う制御回路、周波数の変調を行う変復調回路、周波数の変換を行う周波数変換回路、データの入出力を行うインタフェース回路のうち、少なくとも１つ以上の回路により構成される無線通信回路とを有し、無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする無線通信モジュールである。

また、請求項２に記載の発明は、４０８．５ＭＨｚ〜４５１．５ＭＨｚの周波数を使用して無線通信を行う場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、１０ｍｍ以上離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする請求項１に記載の無線通信モジュールである。

また、請求項３に記載の発明は、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの周波数を使用して無線通信を行う場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、４ｍｍ以上離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする請求項１に記載の無線通信モジュールである。

また、請求項４に記載の発明は、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を確保するための絶縁性のケースを更に設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の無線通信モジュールである。

また、請求項５に記載の発明は、第２の基板上に実装される無線通信装置であって、前記請求項１〜４のいずれかの項に記載の無線通信モジュールと、前記制御回路、前記変復調回路、前記周波数変換回路、前記インタフェース回路のうち、前記無線通信回路に含まれていない回路を前記第２の基板上に実装したことを特徴とする無線通信装置である。

また、請求項６に記載の発明は、被測定物に取り付けられる無線通信装置であって、前記請求項１〜４のいずれかの項に記載の無線通信モジュールと、前記制御回路、前記変復調回路、前記周波数変換回路、前記インタフェース回路のうち、前記無線通信回路に含まれていない回路と、前記無線通信モジュールから前記被測定物の情報を送信するセンサとを有し、無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記被測定物との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離したことを特徴とする無線通信装置である。

請求項１に記載の無線通信モジュールによれば、ローディング逆Ｆアンテナのローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離して無線通信回路を配置するようにした。よって、無線通信回路が存在することによるローディング逆Ｆアンテナの放射・受信特性の低下を防止することが可能となる。

また、請求項２に記載の無線通信モジュールによれば、ローディング逆Ｆアンテナのローディング部の長手方向に直交する方向に、１０ｍｍ以上離して無線通信回路を配置するようにした。よって、４０８．５ＭＨｚ〜４５１．５ＭＨｚの周波数を使用して通信を行う場合に良好な通信品質を得ることができる。

また、請求項３に記載の無線通信モジュールによれば、ローディング逆Ｆアンテナのローディング部の長手方向に直交する方向に、４ｍｍ以上離して無線通信回路を配置するようにした。よって、２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの周波数を使用して通信を行う場合に良好な通信品質を得ることができる。

また、請求項４に記載の無線通信モジュールによれば、無線通信モジュールの周囲にケースを設けて、ローディング逆Ｆアンテナのローディング部の径方向に所定距離を確保するようにした。よって、その所定距離内に導電体や誘電体が入り込むのを防止することが可能となり、常に安定な通信品質を得ることができる。

また、請求項５に記載の無線通信装置によれば、ローディング逆Ｆアンテナの位置を調整しなくても安定した通信品質を得ることができる。よって、無線通信装置を利用するユーザは、無線通信モジュールと他の回路との配置を考慮することなく、通信品質の良好な無線通信装置を製造することができる。

また、請求項６に記載の無線通信装置では、被測定物の情報を送信するセンサを設けるとともに、被測定物とローディング部との距離を、ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離すようにした。よって、被測定物が金属ケースにより構成されているような場合でも、電磁的影響を受けずにセンサが測定した被測定物の情報を送信することができる。

以下、図面を参照し、本発明の実施形態による無線通信モジュール３０について説明する。
図２は、無線通信を行う無線通信装置２０の一般的な構成を示すブロック図である。無線通信装置２０には、アンテナ回路１、周波数変換回路２、変復調回路３、制御回路４、インタフェース回路５が、基板ｂ１上に実装される。
アンテナ回路１は、ローディング逆Ｆアンテナであり、無線によりデータを送信あるいは受信する際に利用される。本実施形態で用いるアンテナ回路１の構成については、後に図３を参照して具体的に説明する。

アンテナ回路１が電波を受信すると、その電波に応じた信号が周波数変換回路２に出力される。周波数変換回路２では、アンテナ回路１が出力する信号を高周波から低周波の信号に変換する。
変復調回路３では、周波数変換回路２で高周波から低周波に変換された信号が復調される。また、インタフェース回路５では、変復調回路３により復調された信号がデータに変換されて外部に出力される。制御回路４は、周波数変換回路２、変復調回路３、インタフェース回路５などの制御を行う。
一方、無線通信装置２０によりデータを送信する場合には、電波を受信する場合と逆の処理が行われる。つまり、無線通信装置２０に入力されるデータが、インタフェース回路５、変復調回路３、周波数変換回路２を介してアンテナ回路１から無線により外部に送信される。

次に、図３（ａ）、（ｂ）を参照して、本実施形態によるアンテナ回路１の構成を説明する。図３（ａ）は、アンテナ回路１の平面図であり、図３（ｂ）は、アンテナ回路１の分解斜視図である。本実施形態では、アンテナ回路１にローディング逆Ｆアンテナを実装する場合について説明する。
図３（ａ）に示すようにアンテナ回路１は、樹脂などの絶縁性材料からなる基板ｂ２と、基板ｂ２の一方の面上に配されるローディング部６と、インダクタ部７と、キャパシタ部８と、アンテナ回路１の外部に実装される周波数変換回路２（図２参照）に接続される給電点Ｐを有する。

ローディング部６は、例えば、アルミナなどの誘電材料からなる直方体状の素体６ａの表面の長手方向Ｄ１に対して、導体パターン６ｂを螺旋形状に形成することにより構成される。
この導体パターン６ｂの両端は、基板ｂ２の表面に設けられる矩形の設置導体９ａ、９ｂ（図３（ｂ））と電気的に接続されるように、素体６ａの裏面に設けられた接続電極１０ａ、１０ｂ（図３（ｂ））にそれぞれ接続される。また、導体パターン６ｂは、一端が設置導体９ｂを介してインダクタ部７及びキャパシタ部８と電気的に接続され、他端が開放端とされる。

インダクタ部７は、チップインダクタ７ａを有し、このチップインダクタ７ａの一端が、基板ｂ１の表面に設けられる線状の導電性パターン１１ａを介して設置導体９ｂに接続される。また、チップインダクタ７ａの他端は、基板ｂ２の表面に設けられる線状の導電性パターン１１ｂを介してアース（図示省略）に接続される。
導体パターン１１ａは、端辺１２ｂが長手方向Ｄ１と平行になるように形成される。

キャパシタ部８は、チップコンデンサ８ａを有し、このチップコンデンサ８ａの一端が、基板ｂ１の表面に設けられる線状の導体パターン１１ｃを介して設置導体９ｂに接続される。また、チップコンデンサ８ａの他端は、キャパシタ部８は、基板ｂ２の表面に設けられる線状の導体パターン１１ｄを介して給電点Ｐと接続される。
チップコンデンサ８ａのキャパシタンスは、給電点Ｐにおける周波数変換回路２の入力インピーダンスと整合が取れるように調整される。
なお、本実施形態によるアンテナ回路１では、寸法Ｌ１〜Ｌ４として、以下の値を用いた。すなわち、ローディング部６と、基板ｂ１の一方の端辺１２ａとの距離Ｌ１を１０ｍｍとした。また、ローディング部６の長手方向Ｄ１の長さＬ２を１６ｍｍとした。また、長手方向Ｄ１と平行な部分における導体パターン１１ａの端辺１２ｂの寸法を２．５ｍｍとした。また、基板ｂ１の一方の端辺１２ａと平行なアンテナエレメントの物理長Ｌ４を１８．５ｍｍとした。

次に、本発明の実施形態による無線通信モジュール３０について図４を参照して説明する。無線通信モジュール３０には、基板ｂ２上にアンテナ回路１（図２）と無線通信回路１４が実装してモジュール化される。
無線通信回路１４は、周波数の変換を行う周波数変換回路２により構成される回路である。

なお、本実施形態では、無線通信回路１４が周波数変換回路２により構成されている場合について説明するが、これに限定されるものではない。すなわち、無線通信回路１４を、周波数変換回路２、変復調回路３、制御回路４、インタフェース回路５の少なくとも１つ以上の回路により構成することもできる。この場合、周波数変換回路２、変復調回路３、制御回路４のうち、無線通信回路１４に含まれていない回路については、無線通信モジュール３０を実装する基板上に別途実装される。

図５（ａ）は、本実施形態による無線通信モジュール３０（図４）の断面図である。図５（ａ）は、無線通信装置２０の基板ｂ１上に、無線通信モジュール３０が実装されている様子を示したものである。
無線通信モジュール３０の周囲は、絶縁性のケース１３により覆われる。ケース１３内に設置される基板ｂ２上には、アンテナ回路１のローディング部６などが実装される。ケース１３からは、基板ｂ２上に実装される周波数変換回路２などに接続される配線１５が引き出される。ローディング部６からケース１３の上面、下面までの距離Ｌ５、Ｌ６は、通信品質の低下を防止するために、それぞれ所定距離だけ離すことが望ましい。例えば、距離Ｌ５、Ｌ６として、１０ｍｍ以上の値を用いることが望ましい。

無線の送受信を行うローディング部６に対して、ケース１３を設けることにより、基板ｂ２と垂直な上下方向に所定の領域を確保できるため、導電体や誘電体がローディング部６に接近することを防止することができる。よって、無線通信モジュール３０の通信品質が劣化することを防止することができる。
また、ケース１３によって、無線通信モジュール３０を覆うことにより、ケース１３内に実装されるアンテナ回路１や周波数変換回路２を外部の衝撃から保護することもできる。

なお、何らかの方法により、ローディング部６の近傍に導電体や誘電体が接近するのを防止することができれば、ケース１３（図５（ａ））を設けなくてもよい。例えば、図５（ｂ）に示すように、基板ｂ１から引き出される配線１５にストッパ１６を形成して、ローディング部６と無線通信装置２０の基板ｂ１との間に距離Ｌ６を確保すれば、基板ｂ１上に実装される他の回路からの影響を遮蔽することができる。

次に、本実施形態による無線通信モジュール３０を使用した場合の効果について説明する。効果を確認するにあたり、図１に示す無線通信モジュール３０を使用した。
図１の無線通信モジュール３０では、基板ｂ２上には、ローディング部６などにより構成されるアンテナ回路１と、無線通信回路１４が実装されている。
なお、図１に示した無線通信モジュール３０の各部の寸法Ｌ８〜Ｌ１１は、Ｌ８＝８６ｍｍ、Ｌ９＝５４ｍｍ、Ｌ１０＝７０ｍｍ、Ｌ１１＝３０ｍｍのものを使用した。

無線通信モジュール３０の通信品質が、アンテナ回路１のローディング部６と、導電体や誘電体との距離との関係でどのように変動するかについて実験を行った。その結果、ローディング部６の長手方向Ｄ１の方向に導電体や誘電体を近づけても通信品質はあまり劣化しなかった。よって、ローディング部６の長手方向Ｄ１には、数ｍｍの間隔を空けて他の回路等を実装することができる。

一方、アンテナ回路１のローディング部６の長手方向Ｄ１に直交する方向に導電体や誘電体を近づけた場合の通信品質の変動は大きかった。
アンテナ回路１により電波を送受信する際に、通信品質に最も影響を与えるのは、導電体や誘電体などにより構成される無線通信回路１４であると考えられる。そこで、ローディング部６と無線通信回路１４との距離Ｌ７に応じて通信品質がどのように変動するかについて実験を行った。

図６（ａ）、（ｂ）は、周波数ｆ＝４３４ＭＨｚ（波長λ＝６９ｃｍ）の電波を使用した場合に、ローディング部６と無線通信回路１４との距離Ｌ７（図１）に応じて、通信品質がどのように変動するかについて示したグラフである。
図６（ａ）は、距離Ｌ７と、ＸＹ面における垂直偏波の平均利得との関係を示したグラフである。距離Ｌ７を、５ｍｍから１５ｍｍと増加させるに従って、平均利得は向上している。その中でも距離Ｌ７が１０ｍｍ付近において、平均利得の変化が小さく安定している。

一方、図６（ｂ）は、距離Ｌ７と、ＶＳＷＲ（Voltage Standing Wave Ratio）が周波数ｆ＝４３４ＭＨｚにおける帯域幅との関係を示したグラフである。距離Ｌ７を、５ｍｍから１５ｍｍと増加させるに従って、帯域幅は上昇している。その中でも距離Ｌ７が１０ｍｍ〜１２．５ｍｍ付近において、平均利得の変化が小さく安定している。
周波数ｆ＝４３０ＭＨｚ付近の４０８．５ＭＨｚ〜４５１．５ＭＨｚの周波数を無線通信に使用した場合にも、アンテナ回路１のローディング部６と無線通信回路１４との距離Ｌ７を１０ｍｍ以上離すことにより、安定した通信品質を保ちながら無線通信を行うことが可能であった。
なお、図６（ａ）、（ｂ）は、４３４ＭＨｚの周波数ｆを使用して無線通信を行った場合の結果について説明したが、周波数ｆ＝２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚ（波長λ＝１２〜１２．５ｃｍ）の電波を使用して上記と同じ実験を行ったところ、ローディング部６と無線通信回路１４との距離Ｌ７との距離を４ｍｍ以上離せば、安定した通信品質を保ちながら無線通信を行うことができることがわかった。
以上の実験結果から、無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ、ローディング部６と無線通信回路１４との距離Ｌ７として確保すれば、安定した通信品質を保ちながら無線通信を行うことができると考えられる。なお、ここで、ｃは光速を示しており、３×１０^８（ｍ／ｓ）とした。

本実施形態による無線通信モジュール３０を使用すれば、図７（ａ）、（ｂ）に示したように、基板ｂ１上に無線通信モジュール３０を実装する位置や、基板ｂ１の形状にかかわらず、通信品質が良好な状態で無線通信を行うことが可能となる。
つまり、アンテナ回路１のローディング部６の径方向に所定距離だけ離れて、導電体や誘電体を含むインタフェース回路５などを配置すれば、それらの影響を受けることなく常に安定した通信を行うことが可能となる。

なお、図５（ａ）、（ｂ）の説明では、基板ｂ２上にローディング部６を実装し、その他の周波数変換回路２などは基板ｂ１上に実装する場合について説明したが、このような構成に限定されるものではない。例えば、図８に示すように、無線通信装置２０を構成することもできる。この無線通信装置２０は、金属ケース１７で覆われた被測定物である機器等に取り付けられ、その機器の温度等を測定し、その温度の情報等を無線通信により送信する。無線通信装置２０のケース１３に内蔵される基板ｂ２上には、周波数変換回路２、変復調回路３、制御回路４、インタフェース回路５（図示省略）が実装される。また、アンテナ回路１のローディング部６は、周波数変換回路２、変復調回路３、制御回路４、インタフェース回路５、及び、被測定物（ここでは、金属ケース１７）から、ローディング部６の長手方向に直交する方向に距離Ｌ６だけ離して基板ｂ２上に実装される。
このようにすれば、無線通信装置２０を取り付ける被対象物である機器等の金属ケース１７などの温度を測定する際に、その金属ケース１７による電磁的な影響を受けずに、外部と無線通信を行うことができる。

以上、本発明の実施の形態について図面を参照して説明したが、具体的な構成についてはこれらの実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等が可能である。

小型化が必要であるとともに、良好な通信品質が要求される携帯端末の内部に本発明の無線通信モジュールを実装することが可能である。

本実施形態による無線通信モジュール３０の平面図である。 無線通信装置２０の一般的な構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態によるアンテナ回路１の構成を示す図である。 ローディング逆Ｆアンテナを実装したアンテナ回路１の構成を示す図である。 本実施形態による無線通信モジュール３０の断面図である。 ローディング部６と無線通信回路１４の距離Ｌ７と、平均利得及び帯域幅との関係を示したグラフである。 無線通信モジュール３０を、無線通信装置１４の基板ｂ１上に実装した様子を示す平面図である。 本実施形態による無線通信装置２０の構成例を示す断面図である。

符号の説明

１・・・アンテナ回路、２・・・周波数変換回路、３・・・変復調回路、４・・・制御回路、５・・・インタフェース回路、６・・・ローディング部、７・・・インダクタ部、８・・・キャパシタ部、１３・・・ケース、１４・・・無線通信回路、１７・・・金属ケース、２０・・・無線通信装置、３０・・・無線通信モジュール、ｂ１、ｂ２・・・基板

Claims (6)

1. 第１の基板上に実装されるローディング逆Ｆアンテナを使用して無線の送受信を行う無線通信モジュールであって、
   前記ローディング逆Ｆアンテナにより電波の送受信を行うアンテナ回路と、
   無線通信の制御を行う制御回路、周波数の変調を行う変復調回路、周波数の変換を行う周波数変換回路、データの入出力を行うインタフェース回路のうち、少なくとも１つ以上の回路により構成される無線通信回路とを有し、
   無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする無線通信モジュール。
2. ４０８．５ＭＨｚ〜４５１．５ＭＨｚの周波数を使用して無線通信を行う場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、１０ｍｍ以上離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする請求項１に記載の無線通信モジュール。
3. ２．４ＧＨｚ〜２．５ＧＨｚの周波数を使用して無線通信を行う場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、４ｍｍ以上離して前記第１の基板上に実装したことを特徴とする請求項１に記載の無線通信モジュール。
4. 前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記無線通信回路との距離を確保するための絶縁性のケースを更に設けたことを特徴とする請求項１から３のいずれかの項に記載の無線通信モジュール。
5. 第２の基板上に実装される無線通信装置であって、
   前記請求項１〜４のいずれかの項に記載の無線通信モジュールと、
   前記制御回路、前記変復調回路、前記周波数変換回路、前記インタフェース回路のうち、前記無線通信回路に含まれていない回路を前記第２の基板上に実装したことを特徴とする無線通信装置。
6. 被測定物に取り付けられる無線通信装置であって、
   前記請求項１〜４のいずれかの項に記載の無線通信モジュールと、
   前記制御回路、前記変復調回路、前記周波数変換回路、前記インタフェース回路のうち、前記無線通信回路に含まれていない回路と、
   前記無線通信モジュールから前記被測定物の情報を送信するセンサとを有し、
   無線通信に使用する電波の波長をλ（ｍ）、周波数をｆ（Ｈｚ）、光速をｃ（ｍ／ｓ）、係数ａ＝７０〜１３０とした場合に、前記ローディング逆Ｆアンテナのローディング部と前記被測定物との距離を、前記ローディング部の長手方向に直交する方向に、ｘ＝λ×（√（ｆ／ｃ））／ａ以上の距離ｘ（ｍ）だけ離したことを特徴とする無線通信装置。
   

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