JP6283913B2

JP6283913B2 - 無線ユニット

Info

Publication number: JP6283913B2
Application number: JP2014096034A
Authority: JP
Inventors: 藤田　卓; 卓藤田; 真木中村; 健太郎渡邊
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2014-05-07
Filing date: 2014-05-07
Publication date: 2018-02-28
Anticipated expiration: 2034-05-07
Also published as: JP2015213285A

Description

本開示は、マイクロ波又はミリ波にて通信を行う無線ユニットに関する。

マイクロ波やミリ波は光に近い波長であることから直進性が高いため、この波長を用いた通信で使用するアンテナの指向性設定は重要である。当該アンテナの指向性を任意に設定できるようにした従来技術として、例えば特許文献１〜３に記載されているものがある。これらの特許文献には、レンズを用いて指向性の設定を行う技術が開示されている。

特開２０１２−１４７１３５号公報特開平１１−００４１１８号公報米国特許出願公開第２０１２／０２４９３８８号明細書

しかしながら、特許文献１に記載の発明では、アンテナとレンズとの間の距離を可変とすることで、焦点距離を変えて利得を変化させるようにしているものであって、レンズ位置を変更することによる指向性可変は半値角のみであり、主ビーム方向を変更することはできない。

また、特許文献２に記載の発明では、レンズの形状を変更することで指向性を可変するようにしているが、予め指向性を決めて、それに見合った形状のレンズを用意しなければならず、指向性の仕様に変更があると、レンズを設計し直し精度の高い曲率を有するレンズを製造し直さなければならない。

また、特許文献３に記載の発明では、アンテナの上方にレンズを配置することで指向性を変化させるようにしているが、レンズの固定方法の記載は見当たらない。レンズの取り付け精度が指向性の特性に大きく影響するが、その記載が見当たらない。

本開示は、係る事情に鑑みてなされたものであり、指向性可変範囲を広くとることができるとともに、部品の設計変更をできるだけ少なくでき、さらに、レンズを使用する場合には、その取り付けに高い精度を要することのない無線ユニットを提供する。

本開示の無線ユニットは、第１の筐体と、前記第１の筐体内に設けられたアンテナ素子と、前記第１の筐体に取り付けられ、前記アンテナ素子に対応する位置にテーパ状に形成された開口部を有する第２の筐体と、前記第２の筐体の開口部を塞ぐように前記第２の筐体の外側に装着された誘電体シートとを備え、前記誘電体シートは、前記第２の筐体の開口部の一部に対応する位置に、前記誘電体シートとは誘電率が異なる誘電体部を有する。

本開示によれば、第２の筐体の開口部の大きさを変更するだけで指向性を可変できるので、指向性可変範囲を広くとることができる。また、指向性の仕様に変更があっても、第２の筐体の開口部をそれに見合った大きさにするだけでよいので、レンズを設計し直す場合と比べて部品の設計変更をできるだけ少なくできる。また、レンズを使用する場合、第２の筐体の開口部に嵌合する形状のレンズを用意し、そのレンズを第２の筐体の開口部に収容するだけで高精度な取り付けが可能となる。

実施の形態１に係る無線ユニットの構成を示す側断面図図１の無線ユニットを上方から見た平面図実施の形態２に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態３に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態４に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態５に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態６に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態７に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態８に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態９に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態１０に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態１１に係る無線ユニットの構成を示す側断面図実施の形態１２に係る無線ユニットの構成を示す側断面図

以下、本開示の実施の形態について、図面を参照して説明する。

（本開示の一形態を得るに至った経緯）
特許文献１には、電波を放射するアンテナ、該アンテナから放射された電波の指向性を変更するレンズアンテナ、該レンズアンテナを保持する筒状のレンズアンテナ保持部、及び前記レンズアンテナの前記レンズアンテナ保持部に対する取り付け位置を変更できるねじが記載されている。また、特許文献２には、基板上に形成されたアンテナ素子、及び前記アンテナ素子の上方に配置された取り換え可能なレンズである気密封止手段が記載されている。また、特許文献３には、平面アンテナ、及び前記平面アンテナの上方に配置される反射板又はレンズアンテナが記載されている。

特許文献１に記載の技術では、アンテナとレンズアンテナとの間の距離を可変とすることで焦点距離を変えてレンズアンテナの利得が変化するようにしている。特許文献２に記載の技術では、レンズの形状を変更することで電波の指向性を任意に設定できるようにしている。特許文献３に記載の技術では、平面アンテナの上方にレンズアンテナ又は反射板を配置することで電波の放射パターンを変更できるようにしている。

しかしながら、特許文献１に記載の技術では、ねじでレンズアンテナの位置を変更することで指向性を可変可能としているが、指向性可変範囲は小さい。また、特許文献２に記載の技術では、レンズの形状を変更することで指向性を可変としているが、レンズの形状を事前に指向性に応じて決めておく必要があり、指向性の仕様が変更になった場合にレンズを再設計する必要がある。また、特許文献３に記載の技術では、レンズ及び反射板の固定方法の記載はない。即ち、レンズ及び反射板の取り付け精度が特性に大きく影響するが、その記載がない。

以下、指向性可変範囲を広くとることができるとともに、部品の設計変更をできるだけ少なくでき、さらに、レンズを使用する場合には、その取り付けに高い精度を要することのない無線ユニットについて説明する。

（実施の形態１）
図１は、実施の形態１に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。また、図２は、図１の無線ユニットを上方から見た平面図である。図１及び図２において、本実施の形態に係る無線ユニット１は、長方形状で、かつ断面がコ字状に形成された第１の筐体２と、第１の筐体２内に収容され、第１の筐体２の開口側に向いた面の一部分にミリ波帯で動作するアンテナ素子３を有する無線モジュール４が実装された無線ユニット基板５と、第１の筐体２に開口側に取り付け可能な長方形板状に形成され、無線モジュール４のアンテナ素子３に対応する位置に開口部６ａを有する第２の筐体６と、を備える。

第１の筐体２は、無線ユニット１を無線通信機等の対象物に取り付ける側の取り付け面となり、第２の筐体６は、電波を放射する側の放射面となる。第１の筐体２と第２の筐体６は共に金属で造られる。無線ユニット基板５に実装された無線モジュール４は、例えばＩＣの配線がなされた多層基板を用いたモジュール基板（図示略）に、アンテナ素子３及び無線用ＩＣモジュール（図示略）が実装されたものである。本実施の形態では、無線モジュール４には８個のアンテナ素子３が実装されるが、それらは、図２に示すように４個ずつ２列に配置される。

図２に示すように、無線ユニット基板５の４つの角部分には、それぞれ無線ユニット基板５を第１の筐体２に取り付けるための基板固定ねじ用穴５ａが開けられている。これらの基板固定ねじ用穴５ａに基板固定ねじ７を通して、無線ユニット基板５が第１の筐体２に取り付けられる。基板固定ねじ７の取り付け位置の第１の筐体２と無線ユニット基板５との間にはスペーサ８が介挿され、無線ユニット基板５を第１の筐体２から離している。スペーサ８は金属又は樹脂で造られる。第２の筐体６も同様にその４つの角部分に、第２の筐体６を第１の筐体２に固定するための筐体嵌め合わせねじ用穴６ｂが開けられており、これらの筐体嵌め合わせねじ用穴６ｂに筐体嵌め合わせねじ９を通して、第２の筐体６が第１の筐体２に取り付けられる。

第２の筐体６の開口部６ａは、略正方形状で、第２の筐体６が第１の筐体２に取り付けられたときに、その中心が８個のアンテナ素子３の中心と一致する位置に形成されている。第２の筐体６の開口部６ａは、第２の筐体６の上面側の開口面積が下面側の開口面積より大きくなったテーパ状に形成されている。なお、第２の筐体６の開口部６ａはアンテナ素子３のアンテナ放射パターン（図１で斜線を引いた部分）Ｒｐに影響がでない範囲であれば、どのような形状を採ってもよい。また、第２の筐体６の開口部６ａの端が各アンテナ素子３から１／２波長以上離れるようにしてもよい。第２の筐体６の開口部６ａからは８個のアンテナ素子３それぞれからの電波が放射される。第２の筐体６の開口部６aからのアンテナ放射パターンＲｐは、図１に示すような楕円形となる。このアンテナ放射パターンＲｐは、第２の筐体６の開口部６ａが広がる方向で円形に近い形になり、狭まる方向で縦長の楕円形になる。電波の指向性は、アンテナ放射パターンＲｐが円形に近い形になるに従って弱くなり、逆に縦長の形になるに従って強くなる。

このように、本実施の形態に係る無線ユニット１によれば、第２の筐体６の開口部６ａのテーパ形状を変更するだけで指向性を可変できるので、指向性可変範囲を広くとることができる。また、指向性の仕様に変更があっても、第２の筐体６の開口部６ａを、それに見合った形状にするだけで済むので、レンズを設計し直す場合と比べて部品の設計変更をできるだけ少なくできる。

（実施の形態２）
図３は、実施の形態２に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図３において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３０は、第２の筐体６の上面にアンテナ素子３の指向性を変更するための金属製の筐体カバー１１を装着したものである。筐体カバー１１には開口部１１ａが設けられている。この開口部１１ａは、筐体カバー１１を第２の筐体６に取り付けたときに、その中心が第２の筐体６の開口部６ａの中心と一致する位置に形成される。筐体カバー１１の開口部１１ａは正方形状に形成されており、その大きさが、テーパ状に形成された第２の筐体６の開口部６ａの小さい方（開口部６ａの第２の筐体６の下面側）と同じになっている。電波を放射するための開口部１１ａを小さくすることで、電波の指向性を狭めることができる。このように、第２の筐体６の上面にアンテナ素子３の指向性を変更するための筐体カバー１１を装着することで、容易に指向性を変えることができる。

（実施の形態３）
図４は、実施の形態３に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図４において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３１は、第２の筐体６の上面に、アンテナ素子３の指向性を変更するための金属製の筐体カバー１２を装着したものである。前述した図３に示す筐体カバー１１と異なる点は、薄く形成されていることと、筐体カバー１２に設けられた開口部１２ａがアンテナ素子３の上方で四方に対して均等ではないことである。図４に示すように、本実施の形態の場合、筐体カバー１２は、その開口部１２ａが第２の筐体６の開口部６ａに対して右に寄っていて、その左側部分（即ち、図４に向かって左側部分）１２ｂがアンテナ素子３の上方に大きく被さっている。このような形状を採ることにより、アンテナ放射パターンＲｐは右方向に傾くことになる。このように、第２の筐体６の上面にアンテナ素子３の指向性を変更するための筐体カバー１２を装着することで、容易に指向性を変えることができる。

（実施の形態４）
図５は、実施の形態４に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図５において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３２は、第２の筐体６の下面に、アンテナ素子３の指向性を変更するための金属製の筐体スペーサ１３を装着したものである。筐体スペーサ１３は、図４に示す筐体カバー１２と同程度の薄さに形成されている。筐体スペーサ１３には開口部１３ａが設けられており、この開口部１３ａを前述した実施の形態３の筐体カバー１２と同様に、アンテナ素子３の上方で四方に対して均等にならないようにして、アンテナ素子３の指向性を変更している。図５では、筐体スペーサ１３の左側部分（図５に向かって左側部分）１３ｂがアンテナ素子３の上方に被さるようにしているため、アンテナ放射パターンＲｐは右方向に傾くことになる。

（実施の形態５）
図６は、実施の形態５に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図６において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３３は、第２の筐体６の下面に、アンテナ素子３の指向性を変更するための樹脂製（例えばＡＢＳ樹脂）の誘電体シート１４を装着したものである。アンテナ素子３の上方の空間及び第２の筐体６の開口部６aの空間には空気が存在しているが、これらの間に比誘電率が「１」ではない誘電体シート１４を設けることにより、アンテナ素子３から放射された電波が誘電体シート１４の表面で屈折するため指向性が変化する。その変化はアンテナ素子３と誘電体シート１４の間隔、厚さ、誘電率に依存し、半値角を狭めたり広めたりすることができる。なお、誘電体シート１４を設けることで、無線ユニット３３の内部への雨や汚れの浸入を防ぐこともできる。

（実施の形態６）
図７は、実施の形態６に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図７において前述した図１及び図６と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３４は、第２の筐体６の上面に、アンテナ素子３の指向性を変更するための誘電体シート１４を装着したものである。前述した実施の形態５では誘電体シート１４を第２の筐体６の下面に装着したが、第２の筐体６の上面に装着しても同様の効果が得られる。なお、本実施の形態でも誘電体シート１４を設けたことで、無線ユニット３４の内部への雨や汚れの浸入を防ぐことができる。

（実施の形態７）
図８は、実施の形態７に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図８において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３５は、第２の筐体６の上面に、誘電率の異なる誘電体部１６を有する樹脂製（例えばＡＢＳ樹脂）の誘電体シート１５を装着したものである。誘電体シート１５もアンテナ素子３の指向性を変更するためのものである。誘電体シート１５は、第２の筐体６の開口部６aに対応する部分の一部分に、誘電体シート１５と誘電率の異なる誘電体部１６を有している。誘電体部１６も樹脂製（例えばＡＢＳ樹脂）であるが、誘電率は誘電体シート１５より高くなっている。本実施の形態では、第２の筐体６の開口部６ａの中央に誘電体部１６が来るように、誘電体部１６を誘電体シート１５に設けている。このように配置することで正面方向の利得を小さくできる。誘電体部１６は、誘電体シート１５そのものと異なる電波の通過特性とするので、一部に金属粒子を混ぜたり、誘電正接の異なる誘電体を使用したり、小さな空気穴をあけることによって誘電率を下げるようにしてもよい。なお、本実施の形態でも誘電体シート１５を設けたことで、無線ユニット３５の内部への雨や汚れの浸入を防ぐことができる。

（実施の形態８）
図９は、実施の形態８に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図９において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３６は、第２の筐体６の上面に、開口部１７ａをアンテナ素子３の上方からモジュール平面方向に曲げた金属製の筐体カバー１７を装着したものである。このような形状の筐体カバー１７を用いることで、アンテナ素子３からの電波がモジュール平面方向に放射される。アンテナ素子３の指向性は、開口部１７ａの大きさが同じである図３の筐体カバー１１の開口部１１ａと同程度である。開口部１７ａを小さく形成することで指向性が狭まり、大きく形成することで指向性が広くなる。このように、第２の筐体６の上面にアンテナ素子３の指向性を変更するための筐体カバー１７を装着することで、容易に指向性を変えることができる。

なお、本実施の形態では、モジュール平面方向に開口部１７ａの方向を変えているが、斜め方向や裏面方向に変えてもよい。

（実施の形態９）
図１０は、実施の形態９に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図１０において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３７は、第２の筐体６の上面に、開口部１８ａをツイスト導波管またはサーキュライザ導波管とした金属製の筐体カバー１８を装着したものである。この場合、筐体カバー１８の開口部１８ａをツイスト導波管とすることで、アンテナ素子３から放射される偏波を回転させることができる。また、筐体カバー１８の開口部１８ａをサーキュライザ導波管とすることで、直線偏波を円偏波に変えることができる。偏波を変更することによって周辺からの反射波の影響を変更することができるのは言うまでもない。

（実施の形態１０）
図１１は、実施の形態１０に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図１１において前述した図１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３８は、第２の筐体１９の開口部１９ａに凸状のレンズ２０を装着したものである。第２の筐体１９の開口部１９ａは、第２の筐体１９の上面側と下面側の双方で同じ大きさの筒状に形成されたものである。この開口部１９ａにレンズ２０が装着されている。なお、説明するまでもないが、第２の筐体１９の開口部１９ａは、無線モジュール４のアンテナ素子３に対応する位置に設けられている。レンズ２０は、アンテナ素子３から放射された電波の経路を変更することができるため、その厚さ、曲率、使用する誘電体の誘電率を変更することによって任意の指向性を得ることができる。

（実施の形態１１）
図１２は、実施の形態１１に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図１２において前述した図１及び図１１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット３９は、前述した実施の形態１０と同様の構成に加えて、第２の筐体１９の上面に金属製の筐体カバー２１を装着したものである。筐体カバー２１には、無線モジュール４のアンテナ素子３に対応する位置に開口部２１ａが形成されており、その大きさは第２の筐体１９の開口部１９ａより小さくなっている。この筐体カバー２１により、アンテナ素子３から放射された電波の経路（ａ）は通信に使用されるが、アンテナ素子３から放射された電波の経路（ｂ）は筐体カバー２１で遮られることから通信相手には届かない。指向性としては細く絞られたことになる。

（実施の形態１２）
図１３は、実施の形態１２に係る無線ユニットの構成を示す側断面図である。なお、図１３において前述した図１及び図１１と共通する部分には同一の符号を付けて、その説明を省略する。同図において、本実施の形態に係る無線ユニット４０は、第２の筐体１９の下面に樹脂製（例えばＡＢＳ樹脂）の誘電体シート２２を装着したものである。図１１のようなレンズ２０のみの場合を初期の放射パターンとすると、誘電体シート２２を設けることで、アンテナ素子３から放射された電波の経路を経路（ｃ）に示すように変更することができる。本実施の形態では、図１１に示す放射パターンを初期の設定であるとすると、ビームを広げる形へ変更するようにしている。

なお、上述した実施の形態１〜４，８，９において、第２の筐体６の開口部６ａを中空としたが、開口部６ａは電波を通過させるだけのものであることから、例えば空気以外の誘電体（例えばＡＢＳ樹脂）を充填又は一部を封じることで気密構造としてもよい。上述した実施の形態５〜７では、誘電体１４，１５によって第２の筐体６の開口部６ａを塞いで気密構造としている。また、上述した実施の形態１０，１１では、レンズ２０によって第２の筐体１９の開口部１９ａを塞いでおり、上述した実施の形態１２では、レンズ２０と誘電体シート２２によって第２の筐体１９の開口部１９ａを塞いでいる。

以上、図面を参照しながら実施の形態１〜１２について説明したが、本開示はかかる例に限定されものではないことは言うまでもない。当業者であれば、特許請求の範囲に記載された範疇内において、各種の変更例又は修正例に想到し得ることは明らかであり、それらについても当然に本開示の技術的範囲に属するものと了解される。

（本開示の一態様の概要）
本開示の第１の無線ユニットは、第１の筐体と、前記第１の筐体内に設けられたアンテナ素子と、前記第１の筐体に取り付けられ、前記アンテナ素子に対応する位置に開口部を有する第２の筐体と、を備える。

また、本開示の第２の無線ユニットは、第１の無線ユニットであって、前記第２の筐体の開口部は、テーパ状に形成されている。

また、本開示の第３の無線ユニットは、第１の無線ユニット又は第２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の外側に装着され、前記第２の筐体の開口部とは大きさが異なる開口部を有する筐体カバーを備える。

また、本開示の第４の無線ユニットは、第３の無線ユニットであって、前記筐体カバーの開口部は、前記第２の筐体の開口部とは中心位置が異なる。

また、本開示の第５の無線ユニットは、第１の無線ユニット又は第２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の内側に装着され、前記第２の筐体の開口部とは大きさが異なる開口部を有する筐体スペーサを備える。

また、本開示の第６の無線ユニットは、第５の無線ユニットであって、前記筐体スペーサの開口部は、前記第２の筐体の開口部とは中心位置が異なる。

また、本開示の第７の無線ユニットは、第１の無線ユニット又は第２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の開口部を塞ぐように前記第２の筐体の内側に装着された誘電体シートを備える。

また、本開示の第８の無線ユニットは、第１の無線ユニット又は第２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の開口部を塞ぐように前記第２の筐体の外側に装着された誘電体シートを備える。

また、本開示の第９の無線ユニットは、第８の無線ユニットであって、前記誘電体シートの、前記第２の筐体の開口部の一部に対応する位置に、前記誘電体シートとは誘電率が異なる誘電体部を設けた。

また、本開示の第１０の無線ユニットは、第３の無線ユニットであって、前記筐体カバーの開口部は、該開口部の開放端が水平方向に向くように曲げて形成されている。

また、本開示の第１１の無線ユニットは、第３の無線ユニットであって、前記筐体カバーの開口部は、ツイスト導波管又はサーキュライザ導波管として形成されている。

また、本開示の第１２の無線ユニットは、第１の無線ユニットであって、前記第２の筐体の開口部に、レンズを設けた。

また、本開示の第１３の無線ユニットは、第１２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の外側に、前記レンズの一部を覆うように装着された筐体カバーを備える。

また、本開示の第１４の無線ユニットは、第１２の無線ユニットであって、前記第２の筐体の開口部に設けられた前記レンズを覆うように前記第２の筐体の内側に装着された誘電体シートを備える。

また、本開示の第１５の無線ユニットは、第１ないし第１４のいずれか１つの無線ユニットであって、前記アンテナ素子は、ミリ波帯で動作する。

本開示は、マイクロ波又はミリ波にて通信を行う無線通信機器などに有用である。

１，３０〜４０無線ユニット
２第１の筐体
３アンテナ素子
４無線モジュール
５無線ユニット基板
５a 基板固定ねじ用穴
６，１９第２の筐体
６ａ開口部
６ｂ筐体嵌め合わせねじ用穴
７基板固定ねじ
８スペーサ
９筐体嵌め合わせねじ
１１，１２，１７，１８，２１筐体カバー
１１ａ，１２ａ，１３ａ，１７ａ，１８ａ，１９ａ，２１ａ開口部
１３筐体スペーサ
１４，１５，２２誘電体シート
１６誘電体部
２０レンズ

Claims

第１の筐体と、
前記第１の筐体内に設けられたアンテナ素子と、
前記第１の筐体に取り付けられ、前記アンテナ素子に対応する位置にテーパ状に形成された開口部を有する第２の筐体と、
前記第２の筐体の開口部を塞ぐように前記第２の筐体の外側に装着された誘電体シートとを備え、
前記誘電体シートは、前記第２の筐体の開口部の一部に対応する位置に、前記誘電体シートとは誘電率が異なる誘電体部を有する、無線ユニット。
前記アンテナ素子は、ミリ波帯で動作する請求項１に記載の無線ユニット。