WO2018142995A1 - 無線通信装置 - Google Patents

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WO2018142995A1
WO2018142995A1 PCT/JP2018/001856 JP2018001856W WO2018142995A1 WO 2018142995 A1 WO2018142995 A1 WO 2018142995A1 JP 2018001856 W JP2018001856 W JP 2018001856W WO 2018142995 A1 WO2018142995 A1 WO 2018142995A1
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power line
antenna
wireless communication
power
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吉川　嘉茂
崇士 渡邊
祥太 寺本
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • Y02D30/00—Reducing energy consumption in communication networks
    • Y02D30/70—Reducing energy consumption in communication networks in wireless communication networks

Definitions

  • the present disclosure relates to a wireless communication device built in a power meter for mounting a wireless communication function.
  • a power meter is used for measuring household and industrial power consumption.
  • Conventional power meters have only a single function of measuring and displaying the amount of power, but recently, power meters with built-in communication functions have become mainstream. This means that, from the viewpoint of energy saving and environmental protection, it is necessary to manage power consumption by energy management, and an energy management system has been constructed that transmits and aggregates power meter measurement data to a management server in real time. Because.
  • As a communication method mounted on the meter there is a PLC method using power line transmission or a wireless method using radio waves.
  • radio frequency bands such as 400 MHz band, 900 MHz band, and 2.4 GHz band are used in each country, and an antenna corresponding to the radio frequency of each country is built in the casing of the power meter. And in order to perform stable radio
  • FIG. 5 is a diagram showing a conventional example of a power meter with a built-in antenna.
  • the antenna element 112 is arranged in a direction along the wiring direction of the power lines 103 and 106, and there is one antenna element 112.
  • the first problem is that the directivity of antenna radiation is easily offset.
  • the power meter is connected to a power supply side power line drawn from an outdoor power pole and a load side power line drawn into the building.
  • the power line is made of a metal line.
  • the antenna radiation directivity does not become isotropic, and the radiation direction becomes non-uniform. This is because the radio wave radiated from the antenna excites a high-frequency signal on the power line, thereby reflecting the radio wave.
  • an antenna is arrange
  • a mesh network is used as a wireless communication mode of the power meter.
  • the data is relayed and transmitted between a plurality of power meters, and the data is collected in a concentrator (master unit).
  • mesh network communication data is successively transferred between power meters.
  • the relative positional relationship between the power meters cannot be specified. Therefore, it is desirable that the antenna has radiation directivity capable of receiving radio waves from the entire circumference in the same direction. When a direction in which antenna radiation becomes weaker occurs, the communication distance in that direction decreases, and communication between power meters becomes unstable or impossible.
  • the second problem is that the installation location of the power meter is in a severe environment where multipath fading occurs.
  • the power meter in the case of a housing complex, the power meter is installed in a narrow space surrounded by a concrete wall called a pipe shaft.
  • the wireless communication between electric power meters becomes communication which passed through a plurality of concrete walls, and becomes an environment where a large electric wave attenuation and a severe multipath arrival wave exist.
  • a location where the received electric field strength falls locally due to multipath fading, and a necessary received electric field strength may not be obtained.
  • a diversity antenna system equipped with a plurality of antennas is used to avoid a local drop.
  • the correlation coefficient of the radiation characteristics between the antennas has not decreased, a sufficient diversity gain cannot be obtained. Therefore, it is necessary to improve the diversity gain by making the radiation characteristics of each antenna different and lowering the correlation coefficient of the radiation characteristics.
  • a wireless communication device of the present disclosure to which a power measurement value measured in a power measurement unit to which a power supply side power line and a load side power line are connected is input to a first antenna element that transmits and receives radio waves, and the first antenna element.
  • the first antenna element is arranged so that the longitudinal direction of the first antenna element is orthogonal to the extending direction of the power direction of the power supply side power line and the load side power line.
  • the wireless communication device of the present disclosure can improve the deviation of the radiation directivity over the entire periphery.
  • more stable communication can be performed in a mesh network that performs communication between wireless communication devices.
  • FIG. 1A is an external view showing a configuration of a power meter on which the wireless communication apparatus according to Embodiment 1 is mounted.
  • 1B is an external view illustrating a configuration of a power meter on which the wireless communication device according to Embodiment 1 is mounted.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an external appearance of a power meter on which the wireless communication apparatus according to Embodiment 1 is mounted.
  • FIG. 3A is a configuration diagram illustrating a configuration of a switching unit that is a component of the first embodiment.
  • FIG. 3B is a configuration diagram illustrating a configuration of a switching unit that is a component of the first exemplary embodiment.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit example of the impedance adjustment unit in the first embodiment.
  • FIG. 5 is a perspective view showing the appearance of a power meter equipped with a conventional wireless communication device.
  • a wireless communication apparatus to which a power measurement value measured in a power measurement unit to which a power supply side power line and a load side power line are connected is a first antenna element that transmits and receives radio waves, and a first antenna. And a radio circuit connected to the element. And the 1st antenna element is arrange
  • the wireless communication device further includes a second antenna element that transmits and receives radio waves in the first aspect, and the wireless circuit is connected to the second antenna element.
  • the second antenna element is arranged so that its longitudinal direction is orthogonal to the longitudinal direction of the first antenna element.
  • the polarization direction of the radio wave radiated from the second antenna element is orthogonal to the polarization plane direction of the radio wave radiated from the first antenna element, thereby improving a good diversity gain.
  • the radiation directivity of the first antenna element greatly radiates to the rear of the meter, whereas the second antenna element has a radiation polarization plane direction parallel to the power line, and thus cancels radiation onto the power line.
  • the high frequency current flows and the radio waves are reflected.
  • the radiation directivity of the second antenna element shows a characteristic that the radiation toward the front surface of the meter becomes stronger.
  • the first antenna radiation directivity and the second antenna radiation directivity can be made different from each other. That is, it is possible to lower the correlation of the antenna radiation directivity, and the diversity gain of the two-branch diversity antenna can be further improved.
  • the wireless circuit includes a power feeding circuit that supplies high-frequency power to the first antenna element or the second antenna element. And it is set as the structure further provided with the switching part which electrically connects either one among a 1st antenna element and a 2nd antenna element to a electric power feeding circuit, and earth
  • the grounded antenna element operates as a dummy ground wire.
  • an electric field is generated between the antenna element that is fed and the antenna element that is grounded. For this reason, the two antenna elements operate corresponding to one dipole antenna.
  • the high-frequency current is concentrated on the two antenna elements, and the high-frequency current excited by peripheral components such as the circuit pattern on the meter board, various parts on the meter board, and the harness wire connected to the meter board is small. Become. Therefore, it can be avoided that high-frequency energy is consumed by resistance components such as these peripheral components and the radiation efficiency of the antenna is lowered.
  • the wireless communication apparatus further includes an impedance adjustment unit that performs phase correction in the third aspect.
  • the switching unit has a configuration in which one of the first antenna element and the second antenna element is electrically connected to the power feeding circuit and the other is grounded via the impedance adjustment unit.
  • radio communication apparatus 200 (see FIGS. 3A and 3B) according to Embodiment 1 includes power meter (power measurement apparatus) 300 (see FIGS. 1A, 1B, and 2) having a power measurement unit (not shown). It is illustrated as what is mounted on. However, for example, the wireless communication device 200 may be mounted on other electronic devices such as a wireless fire alarm, a wireless gas leak alarm, and a handy terminal.
  • the wireless communication device 200 is disposed in the power meter 300.
  • the wireless communication device 200 includes at least the first antenna element 12 and the wireless circuit 17.
  • the power measurement unit is connected to the power supply side power line 3 and the load side power line 6. Then, in the power measurement unit, power is measured, and the measured power value is input to the wireless communication device 200.
  • the wireless communication apparatus 200 can be used for a star network that communicates directly with the parent device. However, it is desirable to configure a so-called mesh network that performs bucket relay communication between wireless communication devices.
  • FIGS. 1A and 1B are external views showing a configuration of a power meter 300 equipped with a wireless communication apparatus 200 according to the present embodiment.
  • the power meter 300 includes a first housing 1, a first opening 2, a first terminal pair 4, a connection electrode 5, a second opening 7, and a second terminal pair 8.
  • the upper side of the drawing is the upward direction (Z direction)
  • the front side of the drawing is the front direction (X direction)
  • the back side of the drawing is the rear direction ( ⁇ X direction)
  • the right side of the drawing will be described as the Y direction.
  • the casing of the power meter 300 is configured by combining the first casing 1 and the second casing 10.
  • a power supply side power line 3 drawn from an outdoor utility pole is inserted through a first opening 2 provided in the first housing 1.
  • the first terminal pair 4 provided in the first housing 1 is connected.
  • the first terminal pair 4 is connected to the connection electrode 5.
  • the load-side power line 6 drawn into the building is inserted through the second opening 7 provided in the first housing 1.
  • the load-side power line 6 is connected to a second terminal pair 8 provided in the first housing 1.
  • the second terminal pair 8 is connected to the connection electrode 9.
  • a meter substrate 11 is built in the second housing 10.
  • a measurement circuit (not shown) for measuring the amount of electric power and a wireless circuit (feeding circuit) 17 are arranged on the meter substrate 11.
  • the high frequency input / output terminal of the radio circuit (feed circuit) 17 is connected to the first antenna element 12.
  • the antenna element uses an inverted L antenna.
  • a display screen 19 for displaying the power measurement value is arranged on the meter board 11.
  • FIG. 2 is a perspective view showing an external appearance of a power meter 300 on which the wireless communication apparatus 200 according to Embodiment 1 is mounted.
  • the first casing 1 and the second casing 10 are assembled in an overlapping manner.
  • the connection electrodes 5 and 9 of the first housing 1 shown in FIG. 1A are in contact with the connection electrodes (not shown) provided on the meter substrate 11 of the second housing 10. Electrically connected.
  • the power supply side power line 3 and the load side power line 6 are connected to the meter substrate 11.
  • the power meter 300 is mounted on the surface 18 of the building mounting wall.
  • the characteristic structure of the power meter 300 is the arrangement direction of the first antenna element 12 and the arrangement relationship between the first opening 2 and the second opening 7 (see FIG. 1A).
  • the position of the second opening 7 is selected as the position opposite to the position of the first opening 2 of the first housing 1 (direction different by 180 degrees).
  • the extending direction in the wiring direction of the power supply side power line 3 and the extending direction in the wiring direction of the load side power line 6 are arranged on a straight line.
  • This direction is an extending direction 14 in the wiring direction of the power supply side power line 3 and the load side power line 6 shown in FIGS. 1A and 1B, and is the Z direction in the present embodiment.
  • the first antenna element 12 is arranged such that its longitudinal direction 15 is in the Y direction orthogonal thereto.
  • the above arrangement has the advantage that the first antenna element 12 can radiate radio waves to the back of the power meter 300. That is, the polarization plane direction of the radio wave radiated from the first antenna element 12 is the Y direction which is the polarization direction D1 shown in FIG. 1B.
  • the polarization direction D1 and the extending direction 14 in the wiring direction of the power supply side power line 3 and the load side power line 6 are orthogonal to each other. With this arrangement, no electromotive force of a high-frequency signal is generated in the power supply side power line 3 and the load side power line 6.
  • the polarization direction of the incoming radio wave that is, the electric field is applied in the diameter direction of the power line.
  • the diameter direction of the power supply side power line 3 and the load side power line 6 is very short compared to the wiring direction, the space potential difference is small, and the high-frequency reverse current excited on the power line is very small. Therefore, the radio wave passes through the power line and is radiated behind the power meter 300, that is, in the ⁇ X direction. And the 1st antenna element 12 can acquire the radiation directivity characteristic close
  • a second antenna element 13 is provided in the second housing 10.
  • the diversity antenna is configured by switching the first antenna element 12 and the second antenna element 13.
  • the second antenna element 13 is arranged in the Z direction whose longitudinal direction 16 is perpendicular to the longitudinal direction 15 of the first antenna element 12.
  • the polarization direction of the radio wave radiated from the second antenna element 13 is the Z direction which is the polarization direction D2 shown in FIG. 1B.
  • the polarization directions D1 and D2 are orthogonal to each other, that is, the polarization direction of the first antenna element 12 and the polarization direction of the second antenna element 13 are orthogonal, and the polarization diversity antenna An effect can be obtained.
  • the polarization direction D2 is parallel to the extending direction 14 of the wiring direction of the power supply side power line 3 and the load side power line 6, and a high frequency reverse current is excited on the power line.
  • the radiation in the front (X direction) of the power meter 300 becomes stronger and the radiation in the rear ( ⁇ X direction) becomes weaker.
  • the radiation directivity characteristics of the first antenna element 12 and the radiation directivity characteristics of the second antenna element 13 can be made different. Therefore, since the correlation coefficient of the radiation directivity characteristics between the antennas can be lowered, the diversity gain can be improved.
  • the arrangement direction of the first antenna element 12 and the arrangement direction of the second antenna element 13 are orthogonal to each other. Further, the first opening 2 and the second opening 7 are arranged so that the longitudinal direction of the first antenna element 12 and the wiring direction of the power supply side power line 3 and the load side power line 6 are orthogonal to each other. Therefore, there is a merit that strong radiation to the rear of the power meter 300 can be secured, and at the same time, the diversity gain of the diversity antenna can be increased.
  • the present embodiment is characterized by a diversity antenna switching circuit.
  • 3A and 3B are diagrams showing the configuration of an antenna switching circuit used for a diversity antenna.
  • the wireless communication device 200 includes a first antenna element 12, a second antenna element 13, a wireless circuit 17, a switching unit 20, and an impedance adjusting unit 21.
  • the second antenna element 13, the switching unit 20, and the impedance adjustment unit 21 are not essential.
  • each of the first antenna element 12 and the second antenna element 13 is connected to two antenna terminals of the switching unit 20 configured on the meter substrate 11.
  • One of the other two terminals of the switching unit 20 is connected to the high frequency terminal of the radio circuit 17, and the other is connected to the ground of the meter substrate 11 via the impedance adjustment unit 21.
  • the switching unit 20 switches between the state illustrated in FIG. 3A and the state illustrated in FIG. 3B.
  • the switching unit 20 is connected so that the first antenna element 12 is connected to the high frequency terminal of the radio circuit 17 and the second antenna element 13 is connected to the ground of the meter board 11 via the impedance adjustment unit 21. It is in a switched state. Further, in FIG. 3B, the switching unit so that the second antenna element 13 is connected to the high frequency terminal of the radio circuit 17 and the first antenna element 12 is connected to the ground of the meter substrate 11 via the impedance adjustment unit 21. 20 is a switched state.
  • the impedance adjusting unit 21 has a role of setting a load impedance connected to the antenna that is not connected to the radio circuit 17.
  • the other antenna element When feeding one of the first antenna element 12 and the second antenna element 13 and using the whole antenna as an antenna that operates like a dipole antenna, or when the feeding points of the two antenna elements are close to each other When arranged, the other antenna element may be directly connected to the ground and grounded.
  • the feeding points of the two antenna elements are often separated to some extent.
  • the two antennas do not operate in opposite phases due to the spatial phase delay.
  • antenna performance can be ensured by providing phase adjustment by providing the impedance adjustment unit 21.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating a circuit example of the impedance adjustment unit in the first embodiment.
  • any one of an inductance, a capacitor, a short circuit, and an open circuit can be used as the circuit constant of the impedance adjustment unit 21.
  • an optimum constant may be used in consideration of the distance between the antenna elements, the relative angle between the antennas, the influence of the high-frequency current excited on the circuit board, and the like.
  • the constant is variable, it can be applied to antenna change and changes in the surrounding environment.
  • the distance between the feeding point of the first antenna element 12 and the feeding point of the second antenna element 13 is 1 ⁇ 4 or less of the wavelength of the radio wave output from the first antenna element 12 or the second antenna element 13, preferably 1 / It is desirable to set it to 8 or less.
  • the radio circuit 17 includes a power feeding circuit in the present embodiment.
  • the power feeding circuit is a circuit that supplies high-frequency power to the first antenna element 12 or the second antenna element 13.
  • the first antenna element 12 and the second antenna element 13 are configured on the meter substrate 11, but only the antenna element may be disposed at a position away from the meter substrate.
  • the effect of radiating radio waves toward the rear surface can be obtained by providing the opening of the housing so that the longitudinal direction of the antenna element is orthogonal to the wiring direction of the power line.
  • the antenna element configuration is an inverted L antenna
  • an arbitrary antenna element configuration such as an inverted F antenna or a patch antenna may be used.
  • the design is made so that the polarization plane direction of the radio wave radiated from the first antenna element 12 and the wiring direction of the power line are orthogonal to each other.
  • the polarization plane of the radio wave radiated from the second antenna element 13 is orthogonal to the polarization plane direction of the radio wave radiated from the second antenna element 13 and the plane of polarization of the radio wave radiated from the first antenna element 12.
  • the direction is designed to be parallel to the wiring direction of the power line.
  • the first antenna element 12 is disposed at a position close to the power supply side power line 3 or the load side power line 6 on the meter substrate 11.
  • the distance between any one of the power supply side power line 3 and the load side power line 6 and the first antenna element 12 is preferably 1 ⁇ 2 or less of the wavelength, preferably 1 ⁇ 4 or less. .
  • the antenna configuration of the wireless communication device in this embodiment is effective when the wireless communication device is used in a mesh network that performs direct communication between terminals. That is, in the mesh network, the direction of another wireless communication device that communicates cannot be specified. Therefore, it is desirable to radiate radio waves with isotropic directivity in the entire circumferential direction. In the present embodiment, radiation in the rear surface direction is obtained through the power line. As a result, isotropic radiation directivity can be provided in the entire circumferential direction.
  • the wavelength of 900 MHz is about 32 cm.
  • 1/4 of the wavelength is about 8 cm, which is a little smaller than the outer dimensions (diameter 10 to 15 cm) of the first casing 1 and the second casing 10. Therefore, an antenna element having good radiation efficiency of about 8 cm can be incorporated.
  • the frequency is higher, the antenna element becomes smaller and easy to incorporate, but as a detrimental effect, the distance when the distance between the antenna element and the power line is viewed on the wavelength scale is increased.
  • the reflection on the power line becomes relatively large, and the effect of obtaining radiation in the rear direction ( ⁇ X direction) of the housing is slightly reduced.
  • casing becomes strong is shown.
  • the radio frequency is preferably about 900 MHz, and the effect tends to be somewhat limited regardless of whether the frequency is higher or lower.
  • the first antenna element is arranged so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the power line. However, it may be inclined to some extent other than 90 degrees. Specifically, it is possible to obtain a sufficient effect even if it is shifted by about ⁇ 20 degrees with respect to 90 degrees.
  • the term “orthogonal” is not limited to the state of intersecting at 90 degrees, but includes those intersecting within a range of 70 to 110 degrees.
  • this configuration can also be applied when the power supply side power line 3 or the load side power line 6 is accommodated in a metal pipe as an installation form. That is, the first opening 2 and the second opening 7 may be provided so that the longitudinal direction 15 of the first antenna element 12 is orthogonal to the arrangement direction of the metal pipe.
  • this configuration can also be applied when the first opening 2 and the second opening 7 are not arranged at positions opposite to each other in the first housing 1 (180 degrees).
  • the first opening 2 and the second opening 7 are arranged in the direction of 90 degrees of the first housing 1.
  • the first antenna element 12 is arranged such that the wiring direction of the power line passing through the opening closer to the first antenna element 12 is orthogonal to the longitudinal direction of the first antenna element 12. With such an arrangement, it is possible to obtain a characteristic of radiating behind the power meter.
  • said direction is not limited to 90 degree
  • the first antenna element 12 may be arranged so that the arrangement direction thereof is orthogonal to the wiring direction of the power line passing through the opening.
  • the wireless communication device is applied to a power amount measuring instrument connected with a power line, and the polarization plane direction of the antenna radiation of the built-in antenna is orthogonal to the wiring direction of the power line. Is not reflected by the power line, can obtain radiation in the backward direction of the meter, and can improve the isotropic directionality of radiation.

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Abstract

電源側電力線と負荷側電力線とが接続された電力計測部において計測された電力計測値が入力される本開示の無線通信装置は、電波を送受信する第１アンテナエレメントと、前記第１アンテナエレメントに接続される無線回路と、を備える。そして、前記第１アンテナエレメントは、前記第１アンテナエレメントの長手方向が、前記電源側電力線および前記負荷側電力線の配線方向の延長方向に対して、直交するように配置される。

Description

無線通信装置
　本開示は、無線通信機能を搭載するために電力メータに内蔵される無線通信装置に関する。
　家庭用および工業用の電力消費量の計測には電力メータが用いられる。従来の電力メータは、電力量の計測を行って表示するだけの単機能であったが、近年になって、通信機能を内蔵した電力メータが主流になってきた。これは、省エネおよび環境保護の観点から、エネルギーマネージメントによって、電力消費を管理することが必要となり、電力メータの計測データをリアルタイムに管理サーバへ伝送して集約する、エネルギーマネージメントシステムが構築されているからである。メータに搭載される通信方式としては、電力線伝送を用いるＰＬＣ方式または電波を用いる無線方式がある。無線方式では、各国によって、４００ＭＨｚ帯、９００ＭＨｚ帯および２．４ＧＨｚ帯などの無線周波数バンドが用いられており、電力メータの筐体内に、各国の無線周波数に応じたアンテナが内蔵されている。そして、安定な無線通信を行うために、良好な放射性能を持った内蔵アンテナが必要である。
　以上のような状況において、電力メータまたはガスメータへアンテナを内蔵する方法について、既にいくつかの提案がなされている（特許文献１～３参照）。
　図５は、アンテナが内蔵された電力メータの従来例を示す図である。図５において、アンテナエレメント１１２は、電力線１０３、１０６の配線方向に沿った方向に配置され、アンテナエレメント１１２は一つである。
　しかしながら、従来の提案では以下のような課題がある。
　第一の課題は、アンテナ放射の指向特性が片寄りやすいことである。電力メータには、屋外の電柱から引き込んだ電源側電力線と、建物内に引き込まれる負荷側電力線とが、接続される。電力線は金属線で出来ており、この電力線の影響を受けて、アンテナ放射指向性が等方性とはならず、放射方向が不均一になってしまう。アンテナから放射された電波によって、電力線上に高周波信号が励起され、これによって、電波の反射が起こるからである。そして、アンテナが電力メータ内の前面側に配置された場合には、電波が電力メータの前方へ強く放射する指向性となり、後方および左右方向への放射は相対的に弱くなる。
　電力メータの無線通信形態としては、メッシュネットワークが用いられている。すなわち、複数の電力メータ間でデータを中継して伝送し、コンセントレータ(親機)にデータを集める形態である。メッシュネットワーク通信では、電力メータ間で、次々にデータが転送される。この時、各電力メータ間の相対的な位置関係は特定できない。そのため、アンテナは、全周囲から等方向的に電波を受信できる放射指向性を持つことが望ましい。アンテナ放射の弱くなる方向が生じた場合は、その方向への通信距離が低下し、電力メータ間の通信が不安定になる、または通信不可能になる。
　第二の課題は、電力メータの設置場所が、マルチパスフェージングの生じる厳しい環境にあることである。例えば、集合住宅の場合、電力メータは、パイプシャフトと呼ばれる、コンクリート壁に囲まれた狭い空間に設置される。そして、電力メータ間の無線通信は、複数のコンクリート壁を通過した通信となり、大きな電波減衰と、厳しいマルチパス到来波が存在する環境となる。そのため、マルチパスフェージングにより、局所的に受信電界強度の落ち込み場所が生じ、必要な受信電界強度が得られない場合が発生する。特許文献２では、局所的な落ち込みを回避するために、複数のアンテナを搭載したダイバーシティアンテナ方式が用いられている。しかし、アンテナ間の放射特性の相関係数が下がっていないために、十分なダイバーシティ利得が得られていない。そこで、各アンテナの放射特性を異なったものとし、放射特性の相関係数を下げて、ダイバーシティ利得を改善する必要がある。
特開２０１１－８１５１８号公報 特開２００２－１０９６７２号公報 特開２００９－２５３７８８号公報
　電源側電力線と負荷側電力線とが接続された電力計測部において計測された電力計測値が入力される本開示の無線通信装置は、電波を送受信する第１アンテナエレメントと、前記第１アンテナエレメントに接続される無線回路と、を備える。そして、前記第１アンテナエレメントは、前記第１アンテナエレメントの長手方向が、前記電源側電力線および前記負荷側電力線の配線方向の延長方向に対して、直交するように配置されたものである。
　このような構成により、本開示の無線通信装置は、全周囲にわたって放射指向性の片寄りを改善できる。特に、無線通信装置間で通信を行うメッシュネットワークにおいて、より安定した通信を行うことができる。
図１Ａは実施の形態１における無線通信装置を搭載した電力メータの構成を示す外観図である。 図１Ｂは実施の形態１における無線通信装置を搭載した電力メータの構成を示す外観図である。 図２は実施の形態１における無線通信装置を搭載した電力メータの外観を示す斜視図である。 図３Ａは実施の形態１の構成要素である切替部の構成を示す構成図である。 図３Ｂは実施の形態１の構成要素である切替部の構成を示す構成図である。 図４は実施の形態１におけるインピーダンス調整部の回路例を示す図である。 図５は従来の無線通信装置を搭載した電力メータの外観を示す斜視図である。
　第１の態様である電源側電力線と負荷側電力線とが接続された電力計測部において計測された電力計測値が入力される無線通信装置は、電波を送受信する第１アンテナエレメントと、第１アンテナエレメントに接続される無線回路と、を備える。そして、第１アンテナエレメントは、その長手方向が、電源側電力線および負荷側電力線の配線方向の延長方向に対して、直交するように配置されたものである。
　本配置によれば、アンテナ放射の偏波面方向が電力線と直交することにより、電波は電力線で反射されることがなく、および、電力線に影響されることなく、メータの後方への放射を得ることができる。
　第２の態様である無線通信装置は、第１の態様において、電波を送受信する第２アンテナエレメントをさらに備え、無線回路は、第２アンテナエレメントに接続される。そして、第２アンテナエレメントは、その長手方向が、第１アンテナエレメントの長手方向に対して、直交するように配置されたものである。
　本配置によれば、第２アンテナエレメントから放射される電波の偏波面方向が、第１アンテナエレメントから放射される電波の偏波面方向と、直交する特性を持つことにより、良好なダイバーシティ利得を改善することができる。さらに、第１アンテナエレメントの放射指向性が、メータの後方へも大きく放射するのに対し、第２アンテナエレメントは、放射の偏波面方向が電力線と平行となるので、電力線上に放射を打ち消す方向の高周波電流が流れて、電波が反射する。その結果、第２アンテナエレメントの放射指向性は、メータ前面方向への放射が強くなる特性を示す。これにより、第１のアンテナ放射指向性と第２のアンテナ放射指向性とは、互いに異なったものにできる。すなわち、アンテナ放射指向性の相関を下げることが可能となり、２ブランチダイバーシティアンテナのダイバーシティ利得を、更に改善することができる。
　第３の態様である無線通信装置は、第２の態様において、無線回路は、第１アンテナエレメントまたは第２アンテナエレメントに高周波電力を供給する給電回路を有する。そして、第１アンテナエレメントと第２アンテナエレメントののうち、いずれか一方を、給電回路に電気的に接続し、他方を接地する切替部を、さらに備える構成としたものである。
　本構成によれば、接地した方のアンテナエレメントがダミー地線として動作する。これにより、給電した方のアンテナエレメントと接地した方のアンテナエレメントとの間に、電界が発生する。このため、２つのアンテナエレメントは、１つのダイポールアンテナに相当する動作をする。
　また、高周波電流が２つのアンテナエレメント上に集中し、メータ基板上の回路パターン、メータ基板上の各種部品、および、メータ基板に接続されるハーネス線といった周辺部品に励起される高周波電流が、小さくなる。そのため、これら周辺部品等の抵抗成分で高周波エネルギーが消費されて、アンテナの放射効率が低下することを避けることができる。
　第４の態様である無線通信装置は、第３の態様において、位相補正を行うインピーダンス調整部をさらに備える。そして、切替部は、第１アンテナエレメントおよび第２アンテナエレメントのうち、いずれか一方を、給電回路に電気的に接続し、他方を、インピーダンス調整部を介して接地する構成としたものである。
　本構成によれば、第１アンテナエレメントの給電点と第２アンテナエレメントの給電点とが、若干離れている場合でも、インピーダンス調整部で位相関係を調整することにより、２つのエレメントが１つのダイポールアンテナに相当する動作を得ることができる。これにより、回路基板および周辺部品に流れる高周波電流を低減できるメリットは、上記第３の態様と同様である。
　以下、適宜図面を参照しながら、実施の形態を詳細に説明する。但し、必要以上に詳細な説明は省略する場合がある。例えば、既によく知られた事項の詳細説明および実質的に同一の構成に対する重複説明を省略する場合がある。これは、以下の説明が不必要に冗長になるのを避け、当業者の理解を容易にするためである。
　なお、添付図面および以下の説明は、当業者が本開示を十分に理解するために、提供されるのであって、これらにより特許請求の範囲に記載の主題を限定することは意図されていない。
　（実施の形態１）
　以下、実施の形態１による無線通信装置２００（図３Ａ、図３Ｂ参照）は、電力計測部（図示せず）を有する電力メータ（電力測定装置）３００（図１Ａ、図１Ｂ、図２参照）に搭載されるものとして例示する。しかし、例えば、無線通信装置２００は、無線式火災警報器、無線式ガス漏れ警報器、ハンディターミナルなど、他の電子機器に搭載されてもよい。
　無線通信装置２００は、電力メータ３００内に配置される。無線通信装置２００は、少なくとも、第１アンテナエレメント１２および無線回路１７を備える。なお、電力計測部には、電源側電力線３と負荷側電力線６とが接続される。そして、電力計測部において、電力が計測され、その電力計測値が無線通信装置２００に入力される。
　また、本実施の形態による無線通信装置２００は、親機と直接通信するスター型ネットワークに用いることもできる。しかし、無線通信装置間でバケツリレー式に通信を行う、いわゆるメッシュ型ネットワークを構成することが望ましい。
　その理由を説明する。メッシュネットワークでは、メータとメータ間(子機と子機間)で直接通信する形態となるため、親機の、高い無線性能に頼ることができない。確実に通信を繋げていくために、各メータの無線性能を最大限に向上させる必要がある。
　ここで、その性能向上手法について考える。メッシュ通信では、各無線通信装置の通信回数が増加する。そのため、無線の送信出力をむやみに大きくすることは、消費電力が増大するため、得策ではない。そこで、送信出力を上げる代わりに、アンテナの性能を向上させて、十分な通信距離を確保することが得策となる。
　図１Ａ、図１Ｂは、本実施の形態による無線通信装置２００を搭載した電力メータ３００の構成を示す外観図である。図１Ａ、図１Ｂにおいて、電力メータ３００は、第１の筐体１、第１の開口部２、第１の端子対４、接続電極５、第２の開口部７、第２の端子対８、接続電極９、第２の筐体１０、メータ基板１１、第１アンテナエレメント１２、第２アンテナエレメント１３、無線回路１７及び表示画面１９を備えている。なお、本実施の形態では、図１Ａ、図１Ｂについて、図面の紙面上側を上方向（Ｚ方向）、紙面手前側を前方向（Ｘ方向）、紙面奥側を後方向（―Ｘ方向）、そして、紙面右側をＹ方向として説明する。
　電力メータ３００の筐体は、第１の筐体１と第２の筐体１０を組み合わせて構成されている。
　図１Ａに示すように、屋外の電柱から引き込まれた電源側電力線３が、第１の筐体１に設けられた第１の開口部２を通って挿入される。そして、第１の筐体１内に設けられた第１の端子対４に接続される。第１の端子対４は、接続電極５に繋がっている。また、建物内に引き込まれる負荷側電力線６が、第１の筐体１に設けられた第２の開口部７を通って挿入される。そして、負荷側電力線６は、第１の筐体１に設けられた第２の端子対８に接続される。第２の端子対８は、接続電極９に繋がっている。
　図１Ｂに示すように、第２の筐体１０内には、メータ基板１１が内蔵されている。メータ基板１１上には、電力量を計測するための計測回路（図示せず）と無線回路(給電回路)１７が配置されている。また、無線回路(給電回路)１７の高周波入出力端子は、第１アンテナエレメント１２に接続される。本実施の形態では、アンテナエレメントは、逆Ｌアンテナを用いている。また、メータ基板１１には、電力計測値を表示する表示画面１９が配置される。
　図２は実施の形態１における無線通信装置２００を搭載した電力メータ３００の外観を示す斜視図である。図２に示すように、電力メータ３００の設置現場において、第１の筐体１と第２の筐体１０は、重ねて組み立てられる。このとき、図１Ａに示された第１の筐体１の接続電極５、９が、第２の筐体１０のメータ基板１１に設けられた接続電極(図示せず)に接触する形で、電気的に接続される。これにより、電源側電力線３および負荷側電力線６が、メータ基板１１に接続される。電力メータ３００は、建物の取り付け壁の表面１８に取り付けられる。
　ここで、電力メータ３００の特徴的な構造は、第１アンテナエレメント１２の配置方向、および、第１の開口部２と第２の開口部７の配置関係にある（図１Ａ参照）。第２の開口部７の位置が、第１の筐体１の第１の開口部２の位置と、正反対(１８０度異なる方向)の位置に選ばれている。これにより、電源側電力線３の配線方向の延長方向と、負荷側電力線６の配線方向の延長方向とが、一直線上に位置する配置となる。この方向は、図１Ａ、図１Ｂに示す、電源側電力線３および負荷側電力線６の配線方向の延長方向１４であり、本実施の形態では、Ｚ方向になっている。一方、第１アンテナエレメント１２は、その長手方向１５が、これに直交するＹ方向に、配置される。
　上記の配置によって、第１アンテナエレメント１２が電力メータ３００の後方へ電波を放射できる、という特長が生じる。すなわち、第１アンテナエレメント１２から放射される電波の偏波面方向は、図１Ｂに示す偏波方向Ｄ１であるＹ方向である。そして、この偏波方向Ｄ１と、電源側電力線３および負荷側電力線６の配線方向の延長方向１４とが、直交する。この配置により、電源側電力線３および負荷側電力線６には、高周波信号の起電力が発生しない。
　到来電波の偏波方向、すなわち、電界が、電力線の直径方向にかかる。しかし、電源側電力線３および負荷側電力線６の直径方向は、配線方向に比べて非常に短いため、空間電位差が小さく、電力線に励起する高周波逆電流は、非常に小さい。そのため、電波は電力線をすり抜けて、電力メータ３００の後方、すなわち、－Ｘ方向へ放射される。そして、第１アンテナエレメント１２は、等方向に近い放射指向特性を得ることができる。
　更に、本実施の形態では、第２の筐体１０内に、第２アンテナエレメント１３を備えている。安定な無線通信を得るために、受信と送信でそれぞれ最適になるように、アンテナを切り替えるダイバーシティアンテナ方式を用いることが望ましい。本実施の形態では、第１アンテナエレメント１２および第２アンテナエレメント１３を切替えて、ダイバーシティアンテナを構成している。
　ここで、図１Ｂに示すように、第２アンテナエレメント１３は、その長手方向１６が、第１アンテナエレメント１２の長手方向１５に対して直交する方向であるＺ方向に、配置されている。第２アンテナエレメント１３から放射される電波の偏波方向は、図１Ｂに示す偏波方向Ｄ２であるＺ方向である。ここで、偏波方向Ｄ１とＤ２とが、直交している、すなわち、第１アンテナエレメント１２の偏波方向と第２アンテナエレメント１３の偏波方向とが直交しており、偏波ダイバーシティアンテナの効果を得ることができる。
　そして、偏波方向Ｄ２が、電源側電力線３および負荷側電力線６の配線方向の延長方向１４に平行となっており、電力線上に高周波逆電流が励起される。その結果、電波は電力線で反射されるので、電力メータ３００の前方(Ｘ方向)の放射が強くなり、後方（－Ｘ方向）の放射が弱くなる。これにより、第１アンテナエレメント１２の放射指向特性と第２アンテナエレメント１３の放射指向特性とを、異なったものにできる。したがって、アンテナ間の放射指向特性の相関係数を下げることができるため、ダイバーシティ利得を改善できる。
　本実施の形態では、第１アンテナエレメント１２の配置方向と第２アンテナエレメント１３の配置方向とが、互いに直交している。更に、第１アンテナエレメント１２の長手方向と、電源側電力線３および負荷側電力線６の配線方向とが直交するように、第１の開口部２および第２の開口部７が配置されている。従って、電力メータ３００の後方への強い放射を確保でき、同時に、ダイバーシティアンテナのダイバーシティ利得を高めることができる、というメリットがある。
　更に、本実施の形態では、ダイバーシティアンテナの切り替え回路に、特徴がある。
　図３Ａ、図３Ｂは、ダイバーシティアンテナに用いるアンテナ切換え回路の構成を示す図である。図３Ａ、図３Ｂにおいて、無線通信装置２００は、第１アンテナエレメント１２、第２アンテナエレメント１３、無線回路１７、切替部２０、およびインピーダンス調整部２１を備える。しかし、第２アンテナエレメント１３、切替部２０、および、インピーダンス調整部２１は、必須ではない。
　第１アンテナエレメント１２および第２アンテナエレメント１３のそれぞれの一端が、メータ基板１１に構成された切替部２０が有する２つのアンテナ端子に接続される。切替部２０の有する他の２つの端子のうち一方は、無線回路１７の高周波端子に接続され、他方は、インピーダンス調整部２１を介してメータ基板１１のグランドに接続される。切替部２０は、図３Ａに示す状態と、図３Ｂに示す状態とを切り替える。
　図３Ａでは、第１アンテナエレメント１２が無線回路１７の高周波端子に接続され、第２アンテナエレメント１３がインピーダンス調整部２１を介して、メータ基板１１のグランドに接続されるように、切替部２０が切り替えられた状態である。また、図３Ｂでは、第２アンテナエレメント１３が無線回路１７の高周波端子に接続され、第１アンテナエレメント１２がインピーダンス調整部２１を介して、メータ基板１１のグランドに接続されるように、切替部２０が切り替えられた状態である。
　ダイバーシティアンテナでは、２本のアンテナを切り替えて送信および受信動作を行う。ここで、インピーダンス調整部２１は、無線回路１７に接続されていない方のアンテナに接続される負荷インピーダンスを設定する役割を持っている。
　第１アンテナエレメント１２と第２アンテナエレメント１３のうちの一方に給電して、アンテナ全体を、ダイポールアンテナ類似の動作をするアンテナとして使用する場合、または、２つのアンテナエレメントの給電点が近接して配置される場合には、他方のアンテナエレメントを直接グランドに接続して接地すればよい。
　しかし、実際の構成では、２つのアンテナエレメントの給電点間がある程度離れている場合が多い。この場合には、空間の位相遅延により、２つのアンテナが逆位相で動作しなくなる。そこで、インピーダンス調整部２１を設けることで位相補正をとることにより、アンテナ性能を確保できる。
　図４は実施の形態１におけるインピーダンス調整部の回路例を示す図である。図４に示すように、インピーダンス調整部２１の回路定数としては、インダクタンス、コンデンサー、短絡、および開放のうち、いずれか１つを用いることができる。どの定数を用いるかは、アンテナエレメント間の距離、アンテナ間の相対角度、および、回路基板上に励起する高周波電流の影響などを考慮して、最適な定数を用いればよい。また、定数を可変する構成として、アンテナ切り替え時および周囲環境の変化に対して適用させることも可能である。
　第１アンテナエレメント１２の給電点と第２アンテナエレメント１３の給電点との距離は、第１アンテナエレメント１２または第２アンテナエレメント１３から出力される電波の波長の１／４以下、できれば、１／８以下とすることが望ましい。２つのアンテナエレメントの給電点が近接することにより、ダイポールアンテナ類似の動作をするアンテナとしての使用が、より容易となる。
　無線回路１７は、本実施の形態において給電回路を備える。給電回路は、第１アンテナエレメント１２または第２アンテナエレメント１３に高周波電力を供給する回路である。
　なお、本実施の形態では、第１アンテナエレメント１２および第２アンテナエレメント１３をメータ基板１１上に構成したが、メータ基板から離れた位置にアンテナエレメントのみを配置しても良い。この場合でも同様に、アンテナエレメントの長手方向が電力線の配線方向に対して直交するように、筐体の開口部を設けることにより、後面向へ電波を放射する効果を得ることができる。
　また、アンテナエレメント構成を逆Ｌアンテナとしたが、逆Ｆアンテナまたはパッチアンテナなど任意のアンテナエレメント構成をとってもよい。この場合、第１アンテナエレメント１２から放射される電波の偏波面方向と、電力線の配線方向とが、直交する向きになるように設計する。また、第２アンテナエレメント１３から放射される電波の偏波面方向と、第１アンテナエレメント１２が放射する電波の偏波面方向とが直交して、第２アンテナエレメント１３から放射される電波の偏波面方向が、電力線の配線方向に平行になるように設計する。
　また、第１アンテナエレメント１２は、メータ基板１１上の電源側電力線３または負荷側電力線６に近い位置に、配置される。具体的には、電源側電力線３および負荷側電力線６のうち、いずれかの電力線と第１アンテナエレメント１２との距離は、波長の１／２以下、できれば、１／４以下であることが望ましい。近い位置に配置することにより、第１アンテナエレメント１２から放射した電波が、電力メータから後方へ放射される電波の強度を大きくすることができる。
　本実施の形態における無線通信装置のアンテナ構成は、無線通信装置が、端末間で直接通信を行うメッシュネットワークに用いられる場合に、有効である。すなわち、メッシュネットワークでは、通信する他の無線通信装置の方向を特定できない。そのため、全周方向に等方的な指向性で電波を放射することが望ましい。本実施の形態では、電力線を通過して後面方向への放射が得られる。これにより、全周方向に等方的な放射指向性を持たせることができる。
　また、無線通信装置の具体的な無線周波数として、Ｓｕｂ－ＧＨｚ帯すなわち９００ＭＨｚ付近の周波数に適用すると、効果的である。９００ＭＨｚの波長は約３２ｃｍであり、アンテナエレメントの長さとして波長の１／４前後としたときに、大きな共振が得られて特性が良好になる。波長の１／４は約８ｃｍであり、おおよそ第１の筐体１および第２の筐体１０の外形寸法（直径１０～１５ｃｍ）より少し小さい寸法となる。したがって、８ｃｍ前後の良好な放射効率を持ったアンテナエレメントを、内蔵することができる。一方、更に周波数が高いと、アンテナエレメントは小型になり、その内蔵は容易になるが、弊害として、アンテナエレメントと電力線の距離を波長スケールで見た距離が、離れてしまう。この場合、電力線での反射が比較的大きくなり、筐体の後方向（―Ｘ方向）への放射を得るという効果が、やや小さくなる。そして、筐体の前方向（Ｘ方向）への放射が強くなる指向性特性を示す。以上のように、無線周波数としては、９００ＭＨｚ前後が良好であり、これより周波数が高くても低くても、効果がやや限定的になる傾向を示す。
　また、本実施の形態では、電力線に対して、第１アンテナエレメントは、その長手方向が直交する配置とした。しかし、９０度以外にある程度傾いて配置してもよい。具体的には、９０度に対して±２０度程度ずれていても十分に効果を得ることが可能である。つまり、本実施の形態において、直交とは、９０度で交差する状態に限定されるものではなく、７０～１１０度の範囲で交差するものを含む。
　また、設置形態として、電源側電力線３または負荷側電力線６を金属パイプ内に収容した場合にも、本構成を適用することができる。すなわち、金属パイプの配置方向に対して、第１アンテナエレメント１２の長手方向１５が直交するように、第１の開口部２および第２の開口部７を設ければよい。
　また、第１の開口部２と第２の開口部７が、互いに第１の筐体１の反対方向（１８０度）の位置に配置されていない場合にも、本構成を適用することができる。例えば、第１の開口部２と第２の開口部７が、互いに第１の筐体１の９０度の方向で配置される場合を考える。この場合には、第１アンテナエレメント１２に近い方の開口部を通る電力線の配線方向が、第１アンテナエレメント１２の長手方向に対して直交するように、第１アンテナエレメント１２が配置される。このような配置により、電力メータの後方に放射する特性を得ることができる。なお、上記の方向は９０度に限定されるものではなく、任意の方向に配置した場合でも、同様に適用できる。
　また、第１の開口部２と第２の開口部７が第１の筐体１の同じ方向（０度）に設けられた場合、または、第１の開口部２に電源側電力線と負荷側電力線の両方を挿入する構成とした場合でも、第１アンテナエレメント１２は、その配置方向が、開口部を通る電力線の配線方向に対して直交するように配置されればよい。
　以上のように、本開示にかかる無線通信装置は、電力線を接続した電力量計測器に適用し、内蔵アンテナのアンテナ放射の偏波面方向が、電力線の配線方向に対して直交することにより、電波は電力線で反射されることがなく、メータの後方向への放射を得ることができ、放射指向性の等方向性を改善できる。
　１　第１の筐体
　２　第１の開口部
　３　電源側電力線
　４　第１の端子対
　５　接続電極
　６　負荷側電力線
　７　第２の開口部
　８　第２の端子対
　９　接続電極
　１０　第２の筐体
　１１　メータ基板
　１２　第１アンテナエレメント
　１３　第２アンテナエレメント
　１７　無線回路（給電回路）
　２０　切替部
　２１　インピーダンス調整部
　２００　無線通信装置
　３００　電力メータ（電力測定装置）

Claims (4)

  1. 　電源側電力線と負荷側電力線とが接続された電力計測部において計測された電力計測値が入力される無線通信装置において、
    　電波を送受信する第１アンテナエレメントと、
    　前記第１アンテナエレメントに接続される無線回路と、を備え、
    　前記第１アンテナエレメントは、前記第１アンテナエレメントの長手方向が、前記電源側電力線および前記負荷側電力線の配線方向の延長方向に対して、直交するように配置された、
    無線通信装置。
  2. 　電波を送受信する第２アンテナエレメントをさらに備え、
    　前記無線回路は、前記第２アンテナエレメントに接続され、
    　前記第２アンテナエレメントは、前記第２アンテナエレメントの長手方向が、前記第１アンテナエレメントの長手方向に対して、直交するように配置された、
    請求項１に記載の無線通信装置。
  3. 　前記無線回路は、前記第１アンテナエレメントまたは前記第２アンテナエレメントに高周波電力を供給する給電回路を有し、
    　前記第１アンテナエレメントと前記第２アンテナエレメントのうち、いずれか一方を、前記給電回路に電気的に接続し、他方を接地する切替部を、さらに備える
    請求項２に記載の無線通信装置。
  4. 　位相補正を行うインピーダンス調整部をさらに備え、
    　前記切替部は、前記第１アンテナエレメントおよび前記第２アンテナエレメントのうち、いずれか一方を、前記給電回路に電気的に接続し、他方を、前記インピーダンス調整部を介して接地するように構成された、
    請求項３に記載の無線通信装置。
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