無線通信システム及び無線通信装置
【課題】 エバネセント通信技術において改良された無線通信システム及び装置を提供する。
【解決手段】 無線通信装置は、コントローラＩＣと、識別符号その他の通信に必要なデータを保持するＥＥＰＲＯＭと、ＲＦ回路などのアナログ回路部と、アンテナコネクタとを備えている。この装置が親機側（基地局側）で使用される場合にはアンテナコネクタには後述する励振器が使用され、子機側（端末側）で使用される場合にはロッドアンテナが使用される。
【解決手段】 無線通信装置は、コントローラＩＣと、識別符号その他の通信に必要なデータを保持するＥＥＰＲＯＭと、ＲＦ回路などのアナログ回路部と、アンテナコネクタとを備えている。この装置が親機側（基地局側）で使用される場合にはアンテナコネクタには後述する励振器が使用され、子機側（端末側）で使用される場合にはロッドアンテナが使用される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信システム及び無線通信装置に関する。特に、エバネセント通信技術を利用した無線通信システム及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高度に情報ネットワークが構築された現代社会において、無線通信技術は必要不可欠なものとなっている。無線通信には、船舶無線、アマチュア無線を始めとした大電力通信ばかりでなく、携帯電話通信、トランシーバ通信、無線ＬＡＮ通信等の比較的省電力な通信もある。
【０００３】
省電力通信の中でも微弱電波を用いた無線通信機器は、発射する電波が著しく微弱であるため、（１）誰でも、何時でも、どこでも、自由に使用でき、（２）無線通信機器を使用する人が試験を受けて免許資格（無線従事者免許証）を取る必要がなく、（３）特定省電力無線機器や陸上移動局と違い周波数を自由に選択することができ、混信のない周波数を選択して使用することができ、（４）アンテナを無線機器本体から切り離して設置することも可能である。これらのメリットから、家庭用コードレス電話、トランシーバを始め、様々なタイプの無線通信機器が実用化されている。
【０００４】
しかしながら、従来の無線通信機器においては、使用する電波が極めて微弱であるが故に、通信距離の目安は見通しで約３０ｍ程度であり、到達距離が十分ではなく、また混信妨害を受けやすい等の欠点があった。
【０００５】
また、従来の無線通信機器においては、使用する電波が極めて微弱であるとはいえ、無線通信空間での電波（電磁気信号）が外部に漏れ、他の無線通信機器に対する妨害電波となりうるため、通信範囲が非常に限定されてしまい、その使用は事情に限定されたものとなり、上述したメリットを必ずしも最大限に活かすことができなかった。
【０００６】
また、一般的に、従来の有線通信と比較し、無線通信空間は安価で簡単に作り上げることができるが、通信中に人や障害物により中断される、また通信スピードが遅い等の問題がある。また、無線通信による電波は直進する性質を有しており、通信中に送信機と受信機の間を人や物が遮る場合は通信が遮断されるという欠点を有している。また無線電波の減衰は距離の二乗に反比例するので、無線通信を行える範囲は限定されるのが実情である。
【０００７】
このような事情から、本願発明者らは、ビルなどの構造物内から外部へ電波が漏洩することを防止し、あるいは通信・通話の到達距離を十分に確保することが可能なエバネセント波を利用して通信を行う、いわゆるエバネセント通信技術を発明しているが（特許文献１乃至３参照）、実用化するにはなお改良の余地がある（特許文献１乃至３参照）。
【特許文献１】ＷＯ０３１０３１９５
【特許文献２】ＷＯ０３００９５０１
【特許文献３】ＷＯ０３００９５００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、改良された無線通信システム及び無線通信装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、励振器が接続された無線通信装置の親機と、棒状アンテナが接続された無線通信装置の子機とを備え、前記無線通信装置の親機は、前記励振器を介して前記構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を生成し、前記無線通信装置の子機は、前記棒状アンテナを介して前記無線通信装置の親機からの無線信号を受信し、或いは前記無線通信装置の親機へ無線信号を送信する無線通信システムである。
【００１０】
本発明によれば、励振器が接続された無線通信装置の親機によってビルや住宅などの構造物内に生成された準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間（エバネセント空間）を利用して、構造物内でワイヤレスネットワークを実現することができる。無線通信装置の子機は、ホイップアンテナやロッドアンテナなどの単純な棒状アンテナを使用して、微弱電波により通信することができる。
【００１１】
前記無線通信装置は、送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、前記励振器又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタとを有することが好ましい。これによれば、無線通信装置が親機及び子機ともに共通の構成であり、無線通信装置のアンテナコネクタに励振器を接続することで親機となり、棒状アンテナを接続することで子機となるので、無線通信装置の汎用性及び利便性を高めることができ、無線通信システムを構築する際のコストを大幅に低減することができる。
【００１２】
また、前記無線通信装置は、手動又は前記受信データのビットエラーレートに基づいて送信出力を最適化する出力調整部をさらに有することが好ましい。ビルや住居などの構造物の大きさは、無線信号の波長や出力レベルと密接に関連するが、本発明によれば、構造物の大きさに合わせて無線信号の出力レベルを最適化するので、無線通信空間を形成する構造物の大きさに適した出力で無線信号を送信することができる。
【００１３】
さらにまた、前記無線通信装置の前記アンテナコネクタは、前記励振器又は前記棒状アンテナを着脱可能に構成されていることが好ましい。これによれば、無線通信装置を親機及び子機のいずれにも使用することができ、励振器から棒状アンテナへ、或いは棒状アンテナから励振器へいつでも変更することができるので、システム構築の自由度をより一層高めることができる。
【００１４】
さらにまた、前記無線通信装置は、コンピュータに接続可能なカード型の無線通信アダプタであることが好ましい。これによれば、無線通信装置がカード型の無線通信アダプタであることから、パーソナルコンピュータのカードスロットに接続することができ、小型且つ汎用性の高い無線通信装置として使用することができる。
【００１５】
前記無線信号の周波数としては、３〜３０ＭＨｚの短波帯（ＨＦ）、３０〜３００ＭＨｚの超短波帯（ＶＨＦ）、或いは３００〜３０００ＭＨｚの極超短波帯（ＵＨＦ）の下方帯域が使用されることが好ましい。短波（ＨＦ）の波長は１００〜１０ｍ、超短波（ＶＨＦ）は１０〜１ｍであり、これらは電磁界が発生するビルや住居の大きさと同程度であるから、これらの帯域を、ビルディングや構造物内に電磁界を発生させるために利用することができる。
【００１６】
さらに、前記構造物は、トンネル、船、建物、潜水艦、航空機、建築現場、工場、又はスポーツスタジアム又はこれらの構内であり、前記構造物内の導体は、導線、配管、又は構造部材の少なくとも何れかである。
【００１７】
本発明はまた、励振器を介して構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を形成する無線通信装置であって、送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、前記励振器又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタとを有する無線通信装置でもある。
【００１８】
前記無線通信装置には、前記アナログ回路部と前記アンテナコネクタとの間に挿入され、抵抗とキャパシタの直列回路からなる励振回路が設けられていることが好ましい。これによれば、前記無線通信装置を備えた端末機器同士をケーブル接続する場合に、ケーブル全体が励振し、それ自体がエバネセント空間を構成することになる。そのため、最も遠い端末機器間の距離を２ｋｍ程度まで伸ばすことができ、比較的長距離な有線通信をきわめて簡単な構成で実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の無線通信システムによれば、音声、画像その他のデータを送信する場合に、励振器により励振された構造物内の無線通信空間内で電磁信号は構造物内の導体を伝わり、受信機の直ぐ近くまで導体を通じて伝播するために、送信出力を法的規制のない微弱電力の範囲に抑えているにも拘らず通信することができる。また、本発明において通信に用いる電波は、擬似静電磁界を利用した電波であるために、微弱電波の放射を抑制でき、微弱電波が無線通信空間外に漏れないという効果を有している。
【００２０】
また、本発明の無線通信システムによれば、無線通信装置が親機及び子機ともに共通の構成であり、無線通信装置のアンテナコネクタに励振器を接続することで親機となり、ホイップアンテナやロッドアンテナなどの単純な棒状アンテナを接続することで子機となるので、無線通信装置の汎用性及び利便性を高めることができ、無線通信システムを構築する際のコストを大幅に低減することができる。特に無線通信装置の子機においては、棒状アンテナを使用して、無線通信空間内で微弱電波により通信することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態を説明するに先立ち、本発明の原理について添付図面を参照しながら簡単に説明する。
【００２２】
図１は、従来の無線放送局ＲＳを簡略化して表した模式図である。放送される情報を含んだ無線信号は、ケーブルＣＢＬを介して金属製の高いアンテナ塔Ｔに送られる。その塔は導電性の金属で形成されており、電波Ｗを発生させる。この電波Ｗは大気中を遠方まで伝搬して、住宅Ｈの内部にある無線受信機Ｒに到達する。無線受信機Ｒが電波Ｗを検知し、人が聞ける音声や音楽に変換することで、聴衆者はそれらを楽しむことができる。
【００２３】
図１で使用されている従来からの電波は、アンテナ塔Ｔから遠くまで送り出され、遥か彼方の無線受信機Ｒで受信することが可能であるため、「遠方界（far-field）」と呼ばれる界を作り出す。移動する電波Ｗは、よく知られた電波伝搬理論に従って伝わってゆくが、素人目には石を落とせばかき乱されてしまう静かな池の水面に広がる波紋のように見える。一般的な無線通信機器は、遥か彼方の遠方まで移動する電波を使って遠隔地の受信機に電磁的エネルギーを送信する。
【００２４】
図２は、これとは全く異なる電磁界を示す模式図である。この界は「準静的界」、あるいは「エバネセント空間」と呼ばれる。このような電磁界を発生させるには、図２に示された矩形状の金属筐体Ｅに接続された導体を介して、あるいは後述する励振器（エキサイタ）と呼ばれる機器を用いて信号Ｓを供給する。エネルギーが筐体Ｅ内の空洞に結合されると、空洞に電磁界が生じる。空洞は、金属体の表面、あるいは導線の格子により形成することができる。金属筐体Ｅの内部には、図１に示した「遠方界」とは全く異なる界が形成される。図２の金属筐体Ｅの内部において、伝播し、あるいは移動する電波は存在しない。筐体Ｅに囲われた内部のあらゆる点がエネルギーレベルあるいは電圧レベルと関連している。それらのポイント毎の電圧レベルは、筐体にエネルギーを与える入力信号の周波数や筐体の大きさに基づいて変化する。この電磁界が「準静的」界と呼ばれるのは、遠方の受信機まで届くような電波を生み出さないからである。図２に示す筐体Ｅの内部におかれた受信機は信号Ｓを検知するが、従来型の無線機とは異なるのは、受信機が準静的な非伝播波（これをエバネセント波と呼ぶ）の「内部」に存在していてもよいことである。なお、限定された電磁界を発生させるようにエネルギーを与えられた導電性の筐体の一般的な技術用語は「空洞共振器」である。
【００２５】
本発明では、図２に示されるような電磁界現象を、筐体内に領域または「バブル」を発生させることに利用する。この電磁界は配線なしでたくさんの異なる無線機器を接続するのに用いられ、さらに重要なのは、他の既存の無線機器に対する干渉なしで使用できることである。本発明の好ましい実施形態のうちの一つは、３〜３０MHｚの周波数範囲である超短波（ＶＨＦ）帯域で信号を生成し、また、極超短波（ＵＨＦ）の下方帯域（少なくとも４００ＭＨｚまで）で信号を生成することもできる。
【００２６】
これら特定の周波数帯を選択することが重要なのは、それらの周波数の波長が、一般的に、電磁界を生成するビルや住宅などの構造物（筐体）のサイズと同程度の大きさだからである。構造物が大きすぎると遠方界を生成するアンテナとなり、散乱もマルチパスも生ずるため、この関係は極めて重要なのである。
【００２７】
また、短波（ＨＦ）や超短波（ＶＨＦ）は、一般的に、従来の無線通信を利用するユーザーが敬遠するので、本発明を実施するには特に有用である。それは、これらの周波数帯で伝播する信号は、タイプの異なるさまざまな大気中雑音や人為的雑音に影響されやすいために当然のことである。
【００２８】
次に、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
図３は、本発明の好ましい実施形態に係る無線通信システムに利用される構造物を示す模式図である。
【００３０】
通常、ビルや住宅などの建造物その他の構造物（以下、構造物という）１０は壁１２を有し、壁１２の内部には鉄骨（導電性の骨組み）その他の構造部材、電気の接地遮蔽（シールド）、配線、水道管その他の配管、その他種々の公共の導体１４が存在している。構造物１０内の見えない部分にある既存のあらゆる導体１２は、構造物１０の内部２０に電磁界を発生させる空洞アンテナとして利用される。それらの導体１４は、励振器（エキサイタ）１６から放射される電磁エネルギーによって励振され、通電される。これにより、受信機２２などの多種多様な機器は、配線なしでＬＡＮに接続することが可能となる。このＬＡＮはさらに、公共あるいは私設の電話線、衛星放送受信機、あるいは外部に対する他のインターフェースに接続することができる。
【００３１】
図４は、本実施の形態に係る無線通信システムの概要を示す模式図である。
【００３２】
図４に示すように、このシステムは、ビルなどの構造物４０１内に無線通信装置（ハブ）の親機４０２a及び子機４０２ｂを有している。無線通信装置の親機４０２ａと子機４０２ｂの基本的構成は同じである。無線通信装置の親機４０２ａは同軸ケーブルまたは他の適当な方法で励振器４０３に接続される。これらの無線通信装置４０２ａ，４０２ｂは独立した基地局（サーバ）４０４内に実装され、あるいはパーソナルコンピュータなどの端末機器４０５中に組み込まれる。無線通信機器の親機４０２ａは、構造物４０１内を励振させるため、励振器４０３を介して構造物４０１の内部にある既存の導体に接続される。こうして、無線通信装置４０２ａからの信号は導体を伝って構造物４０１内の多数の機器に送られ、さらには他のネットワークと接続される。本実施の形態においては、無線通信装置の親機４０２ａに含まれるルータ機能が種々の帯域幅または変調形式の信号を分離し、それらの信号の指定されたターゲットまで導いてもよい。もし機器が監視されている場合やＶＣＲやＴＶからデータを受信するビデオ受信機のような遠隔操作の機器であれば、ターゲットはプロセッサ自身であってもよく、ターゲットの設定を変更することができるリモート装置であってもよい。３００ＭＨｚ未満の周波数では、送信機、受信機およびその他すべてのハードウェアはデジタル方式で操作される。事実、このシステムの大きな利点の一つは、周波数用のハードウェアが２．４ＧＨｚを超える帯域用のものよりもかなり安価なことである。
【００３３】
図５は、本実施の形態に係る無線通信装置の回路構成を示すブロック図である。
【００３４】
図５に示すように、この無線通信装置５００は、コントローラＩＣ５０１と、識別符号その他の通信に必要なデータを保持するＥＥＰＲＯＭ５３０と、ＲＦ回路などのアナログ回路部５４０と、コネクタ５５０とを備えている。コントローラＩＣ５０１には、外部電源５６０から所定の電圧（例えば１．８Ｖ)が供給され、水晶発振器５７０から高精度な基準クロックが供給される。
【００３５】
コントローラＩＣ５０１の内部は、ＣＰＵ５０２、物理制御部５０３、デジタル変調部（ＭＯＤ）５０４、Ｄ／Ａ変換部５０５、デジタル復調部（ＤＥＭ）５０６、Ａ／Ｄ変換部５０７などで構成されている。ＣＰＵ５０２は入出力インターフェースを介してコンピュータなどの外部装置のコネクタに接続されており、物理制御部５０３とともにＭＡＣ制御、送信時間制御、空き状態判定などの通信制御を行う。入出力インターフェースを介して入力されたデジタルデータは、ＣＰＵ５０２及び物理制御部５０３を介してデジタル変調部５０４に入力される。デジタル変調部では、所定の変調方式に従ってデジタルデータを変調し、ベースバンド信号を生成する。変調方式としては、ＢＰＳＫやＱＰＳＫなどの位相変調方式、あるいは１６ＱＡＭや６４ＱＡＭなどの振幅変調方式を用いることが好ましい。
【００３６】
このようにして変調されたデータは、Ｄ／Ａ変換部５０５でアナログ信号に変換された後、スイッチ（ＳＷ）５０８及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０９を介してミキサ（ＭＩＸ）５１０に入力される。ここで、スイッチ５０８は、物理制御部５０３からの指示のもと、後述するＡＧＣアンプと協働して送受信の切り替えを行うものであり、送信時には送信側ラインがオン、受信側ラインがオフの状態となる。また、ローパスフィルタ５０９は、所定の周波数（例えば３３ＭＨｚ）よりも高い高周波ノイズ成分を除去する。ミキサ５１０は、ベースバンド信号とキャリア信号とを混合して所定の周波数（例えば３５ＭＨｚ）のＲＦ信号を生成する。このときのキャリア信号の生成には所定の周波数信号（例えば５０ＭＨｚ）を生成する局部発振器（ＯＳＣ）５１１が用いられる。
【００３７】
ＲＦ信号はバンドパスフィルタ５１２によりノイズ成分が除去された後、アッテネータ５１３を介して送信用ローノイズアンプ５１４に入力される。アッテネータ５１３は、後段の増幅で波形が歪んでしまうことがないようにＲＦ信号を所定のレベルまで減衰させることに用いる。ＲＦ信号は送信用ローノイズアンプ５１４によって所定の出力レベル（例えば２．８５Ｖ）まで増幅された後、送信用パワーアンプ５１５によって所定のレベル（例えば３．３Ｖ）までさらに増幅される。このＲＦ信号は、インピーダンスマッチング用アッテネータ（ＡＴＴ）５１６、高周波スイッチ５１７及びバンドパスフィルタ５１８を介してアンテナコネクタ５１９に接続されたアンテナ（図示せず）に供給されて、微弱電波（送信周波数３２２MHｚ以下において、送信機から３ｍ離れた地点で送信出力の最大電界強度が５００μV／ｍとなる電波）として送信される。ここで、この装置が親機（基地局側）に使用される場合、アンテナコネクタ５１９には後述する励振器が同軸ケーブルを介して接続され、子機側（端末側）に使用される場合にはロッドアンテナが接続される。
【００３８】
データ受信ではデータ送信とほぼ逆の手順をたどる。すなわち、アンテナ（図示せず）で受信したＲＦ信号は、バンドパスフィルタ５１８、高周波スイッチ５１７およびインピーダンスマッチング用アッテネータ５２０を介して前段の受信用リニアアンプ５２１に入力される。ＲＦ信号は前段の受信用リニアアンプ５２１によって所定のレベルまで増幅され、後段の受信用リニアアンプ５２２によってさらに増幅された後、ミキサ５２３によってキャリア検波されてベースバンド信号が生成される。このベースバンド信号はローパスフィルタ５２４を介してＡＧＣアンプ５２５に入力され、そのゲインが調整された後、コントローラＩＣ５０１内に入力される。なお、送信時には、このＡＧＣアンプ５２５のゲインがゼロに設定されることにより、受信側ラインがオフの状態となる。受信信号はコントローラＩＣ５０１内のＡ／Ｄ変換部５０７によってまずデジタル信号に変換された後、デジタル変調部５０６に入力される。デジタル変調部５０６では、上述した変調方式に対応する所定の復調方式に従ってデジタル信号を復調し、デジタルデータを再生する。デジタルデータは物理制御部５０３およびＣＰＵ５０２を介してコンピュータなどの外部装置に転送される。
【００３９】
なお、データ受信時には、最初にＡＧＣアンプ５２５のゲインの調整が行われる。ゲイン調整では、まずＡＧＣアンプ５２５のゲインを最大にしておき、受信パケットのプリアンブル同期の段階で得られる信号の電力レベルを物理制御部５０３が受け取り、この信号レベルに基づいてＡＧＣアンプ５２５のゲインを収束させる。このときの信号は、上述した通常の受信側ラインとは別のラインから供給される。詳細には、通常の受信ライン上の受信用リニアアンプ５２１の出力が分岐され、その一方の出力が受信用リニアアンプ５２６、バンドパスフィルタ５２７及び受信電力検波器５２８を介して物理制御部５０６に供給される。ここで、バンドパスフィルタ５２７は、コンピュータなどの外部装置から放出される３５ＭＨｚ付近のクロックノイズを除去するために用いられ、受信電力検波器５２８は、受信信号を検波してキャリア信号を生成するために用いられる。このようにして得られたキャリア信号の電力レベルが初期のＡＧＣ調整の基準として用いられる。
【００４０】
次に、親機側の無線通信装置に接続される励振器について説明する。
【００４１】
図６は、励振器の構成の一例を示す図であって、図６（Ａ）はその側面図、図６（Ｂ）はその拡大側面図、図６（Ｃ）はその斜視図を示している。
【００４２】
図６に示すように、この励振器は、半球状の励振器本体６００と、この励振器本体６００の姿勢を保持する物理的な支持体６０１とによって構成されている。励振器本体６００が半球状であることから、この励振器は「三次元励振器」である。三次元励振器の場合、構造は複雑であるが、通信の安定性は高い。
【００４３】
通信を行うのに必要な出力は、要求される信号の品質とも関連するが、無線通信空間を形成する構造物又は構内の全面積に比例する。一方、微弱電波の生成にとって最も重要な寸法は、構造物又は構内の向かい合った導体の最小距離である。この最小距離が構造物に対する遮断周波数を定義し、励振器の機能が発揮されるときに閉空間内で微弱電波が生成されるかどうかを決定づける。
【００４４】
励振器本体６００の姿勢は支持体６０１によって保持されている。最適な効果を得るため、半球状の励振器本体６００は、導体で囲われた空間の内部に設置され、図６（Ａ）示すとおり、壁６２０に対して併置されるのが好ましい。また、励振器本体６００は、床６２１と天井６２２のほぼ真ん中に設置するのが好ましく、導体（導電性要素）と直接対向させて設置するのが好ましい。
【００４５】
本実施の形態において、支持体６０１は支柱６０２及びスペーサ６０３によって構成されている。支柱６０２及びスペーサ６０３は共に導電性物質で構成される。支柱６０２は支持体６０１の一部分である。支柱６０２及びスペーサ６０３は励振器本体６００と構造物の電気用アースとの間が導電路となることを避けるため、特定の場所（本実施の形態において、支柱６０２は床６２１に隣接する場所、スペーサ６０３は励振器本体６１０に接続する場所）に誘電体の絶縁物（図示せず）を備えている。好ましくは、支柱６０２は中空且つ導体で構成され、またスペーサ６０３は強度を増強するため公知のブラケットで構成される。
【００４６】
励振器本体６００の設置場所と大きさに関する空間的寸法は非常に重要である。励振器を効率的に使用するためには、一番高い使用周波数をλとすると、壁の導電性要素からλ／８よりも近くに励振器本体６００を設置しなければならない。
【００４７】
励振器本体６００は上述の無線通信装置により制御され、電力が与えられる。送信モードにおいては、励振器本体６００は、導体（導電性要素）６２３にエネルギーを与える。
【００４８】
導体６２３を「励振させる」ために、無線通信装置からの電磁エネルギーが同軸ケーブル６０４に注入される。同軸ケーブル６０４の中心導体６０５は、半球状の励振器本体６００に取り付けられ、同軸ケーブル６０４のシールド６０６は、スペーサ６０３、導体６２３および壁６２０に電気的に接続される。図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、シールド６０６は壁６２０の中の導体６２３に電気的に接続される。
【００４９】
一番高い使用周波数をλとすると、半球状の励振器本体６００の実行直径がλ／８未満であり、入力伝送路に対して測定可能な分留リアクタンスを形成するのに十分な大きさであれば、その構造にはさほど厳密さを要求されない。
【００５０】
半球状の励振器本体６００は、中空の半球状部材６０７を有している。中空の半球状部材６０７は導体で形成され、その端部にリム部６０８を有する。支柱６０２は、中空の半球状部材６０７に直接接続されている。所定の角度を有する一組の扇形部材６０９が中空の半球状部材６０７から外側且つ前方に広がり、その尖端で結合し、そして端部に沿ってリム部６０８に接続されている。非導電性の隔壁６１０は例えばアクリル樹脂からなり、中空の半球状部材６０７の内側において横方向に広がり、扇形部材６０９の内側表面に接触してその構造を支持すると共に、中空の半球状部材６０７の内側６１１を上半分と下半分に分離している。
【００５１】
非導電性の隔壁６１０の表面には、整合用回路ブロック６１２が取り付けられている。整合用回路ブロック６１２はスペーサ６０３に沿って張られた同軸ケーブル６０４に接続される。同軸ケーブル６０４の他端は、上述した無線通信装置のアンテナコネクタに接続され、無線通信装置からの出力は励振器６００及び整合用回路ブロック６１２に直接供給される。
【００５２】
中心導体６０５又はその延長は、無線通信装置から励振器本体６００まで、導体を用いて電気信号を伝えるために、扇形部材６０９の尖端に位置する供給ポイントまで張り渡される。供給ポイントまで伝えられたエネルギーは、伝えられた信号の実効帯域を横断して放射するように「ねらう」ために導体を励起させる方法でもって、励振器本体の導電部分、扇形部材６０９及び中空の半球状部材６０７を励起させる。同軸ケーブル６０４のシールド６０６のアース及び壁６２０内の導体６２３への接続に照らせば、選択された周波数での励振器の性質は、通常の伝搬性放射だけではなく、バブル（「ファラデーの籠」に類似する電磁的仮想空間を形成する要素）の生成、又は導体内の微弱波及び近微弱波の生成がその正味の効果である。
【００５３】
以上のように構成された励振器が接続された無線通信装置によれば、送信出力を微弱電力の範囲に抑えても、励振器により励振された構造物内の無線通信空間内で電磁信号は導体を伝わり、受信機のすぐ近くまで導体を通じて伝播するため、微弱電波を用いているにも拘わらず、数ｋｍと非常に長い通信距離を実現できる。
【００５４】
また、通信に用いる電波は、擬似静電界を利用した電波であるため、微弱電波の放射を抑制することができ、微弱電波が無線通信空間外に漏れないという効果を奏する。
【００５５】
上述の無線通信装置は、周波数用のハードウェアが２．４ＧＨｚを超える帯域用のものよりもかなり安価であり、さらには小型化も容易であるから、例えばＣａｒｄＢｕｓスロット用の無線通信カードとして提供することができる。あるいは、ＵＳＢインターフェースを実装したスティック状の機器として提供することも可能である。
【００５６】
次に、励振器の別の例について説明する。
【００５７】
図７は、励振器の構成の一例を示す図であって、図３（Ａ）はその上面図、図３（Ｂ）はその側面図を示している。なお、図２の励振器と同じ構成要素については同じ符号を付してあるので、ここでは改めて説明しない。
【００５８】
図７に示すように、この励振器は、平面扇形の励振器本体６５０と、この励振器本体の姿勢を保持する物理的な支持体６０１とによって構成されている。励振器本体６５０が平面扇形であることから、この励振器は「二次元励振器」である。二次元励振器の場合、構造は単純であるが、通信の安定性は高い。
【００５９】
平面扇形の励振器本体６５０は、半球状の励振器における中空の半球状部材６０７及び扇形部材６０９の隔壁６１０の平面に沿った断面にほぼ一致する導電性トレース６５１を有している。導電性トレース６５１は、非導電性物質で形成される平面状の構造板６５２の上に配置され、支持される。導電性トレース６５２の内側にある中心ゾーン６５３は中空又は構造板６５２の延長部分である。構造板６５２は、図６に示す半球状の励振器６００への支持の仕方と同様の方法でスペーサ６０３によって支持され、壁６２０から所定の間隔を保っている。
【００６０】
本実施の形態における励振器本体６５０は、構造板６５２上に取り付けられた整合用回路ブロック６１２を含み、同軸ケーブル６０４の中心導体６０５から供給ポイント６１３にエネルギーを伝搬する一方、シールド６０６がスペーサ６０３に沿って壁６２０内に存在する導体６５４に電気的に接続される点で、半球状の励振器と類似している。
【００６１】
図８は、本発明に係る無線通信システムの他の実施形態を示す模式図である。
【００６２】
図８に示すように、本実施形態の特徴は、複数の構造物内のエバネセント空間の生成を１つの基地局（サーバ）４０４で実現している点にある。基地局４０４に内蔵された無線通信機器の親機４０２ａは、構造物４０１Ｐ，４０１Ｑを共に励振させるため、同軸ケーブル４１０を介して励振器４０３Ｐ，４０３Ｑに接続される。同軸ケーブル４１０は分配器４１１によって二分岐され、一方が構造物４０１Ｐ内に配線され、他方が構造物４０１Ｑ内に配線される。そして、励振器４０３Ｐを介して構造物４０１Ｐの内部にある既存の導体に接続され、励振器４０３Ｑを介して構造物４０１Ｑの内部にある既存の導体に接続される。こうして、無線通信装置４０２ａからの信号は導体を伝って構造物４０１Ｐ内の多数の機器（図示せず）に送られ、さらには構造物４０１Ｑ内の機器、例えば図示の端末機器４０５Ｑに送られる。
【００６３】
また、本実施形態においては、励振器４０３Ｐ，４０３Ｑにそれぞれ張り巡らされた銅線のループ４０６Ｐ，４０６Qが各構造物４０１Ｐ，４０１Ｑの天井の周縁にそれぞれ配線されている。これによってもエバネセント空間が形成されるので、構造物４０１Ｐ，４０１Ｑ内の導体が十分でない場合でも確実なエバネセント通信が可能となる。
【００６４】
図８に示した実施形態においては、二つの構造物４０１Ｐ，４０１Ｑに対応させて同軸ケーブル４１０を二分岐させる場合について説明したが、同軸ケーブルをより多く分岐さて、また端末機器間を同軸ケーブルで接続する形態も考えられる。
【００６５】
図９は、本発明に係る無線通信システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【００６６】
図９に示すように、このシステムは、無線通信機器４０２を備えた端末機器４０５間をケーブル接続したものである。その際、無線通信機器４０２の出力端と同軸ケーブル４１０の接続部分には「ミニエキサイタ」と呼ばれる励振回路４２０が挿入されている。励振回路４２０は、抵抗とキャパシタの直列回路（ＲＣ直列回路）で構成されており、本実施形態においてはＲ＝５１Ω、Ｃ＝０．１μＦに設定されている。そして、このように励振回路４２０が接続された端末機器同士を図示のように同軸ケーブル４１０で接続した場合には、同軸ケーブル４１０全体が励振し、それ自体がエバネセント空間を構成することになる。そのため、最も遠い端末機器間の距離を２ｋｍ程度まで伸ばすことができ、比較的長距離な有線通信をきわめて簡単な構成で実現することができる。
【００６７】
図１０は、励振器（ミニエキサイタ）の構成の他の例を示す回路図である。
【００６８】
図１０に示すように、この励振器は、５つのコンデンサＣ１〜Ｃ５並びに２つのインダクタＬ２及びＬ４を有している。図１０に示す励振器は、ローパスフィルタの一種である。図１０に示すように、この励振器は、インダクタＬ２とコンデンサＣ２とが並列接続された回路Ａと、インダクタＬ４とコンデンサＣ４が並列接続された回路Ｂとが直列接続され、回路Ａ、Ｂそれぞれの端部にコンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５の一端が接続され、且つコンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５の他端は共通電位となるように接続されるように構成されている。図１０に示すように、この励振器において、コンデンサＣ１の端部を「ポート１」とし、コンデンサＣ５の端部をポート２とし、ポート１の特性インピーダンスをＺin（入力インピーダンス）、ポート２の特性インピーダンスをＺout（出力インピーダンス）とする。
【００６９】
本実施形態においては、カットオフ周波数をｆｃとし、Ｚin＝Ｚoutとし、以下の数式（１）〜（３）を用いてコンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の設計値を求める。なお、ＦＳＦは、周波数スケーリング係数である。
ＦＳＦ＝２π・ｆｃ ・・・（１）
Ｃ＝Ｃｎ／（ＦＳＦ・Ｚin） ・・・（２）
Ｌ＝（Ｌｎ・Ｚin）／ＦＳＦ ・・・（３）
【００７０】
図１０に示す励振器は、図１１に示す周波数特性を有することが分かっている。ここで、周波数Ω２、Ω４には、以下の数式（４）及び（５）が成立する。また、Ａｍｉｎは、最大減衰量である。
Ω２＝３ｆｃ・Ｌ２／Ｃ２ ・・・（４）
Ω４＝２ｆｃ・Ｌ４／Ｃ４ ・・・（５）
【００７１】
本実施形態においては、入出力インピーダンスをＺin＝Ｚout＝５０Ωとし、カットオフ周波数ｆｃを３.５〜１００ＭＨｚまで変化させて、Ω２の周波数、Ω４の周波数で減衰の谷となるようにし、コンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の設計値を求めたところ、以下の表１及び表２に示す結果が得られた。
【００７２】
【表１】
【００７３】
【表２】
【００７４】
表１及び表２に示すように、カットオフ周波数ｆｃを適時変更した場合であっても、コンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の値を適当に選択することによって、励振器の接続先（送受信機、ボディの車軸部）とのマッチングをとる（入出力インピーダンスＺin、Zoutを接続先のインピーダンスと同じにする）ことができることがわかる。
【００７５】
次に、表３を参照する。表３に示すのは、図１０に示す励振器の散乱パラメータ（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ、：Ｓパラメータ）の周波数依存特性を求めたものである。この周波数依存特性は、表２におけるｆｃ＝４５ＭＨｚの素子定数（Ｃ１＝７５ＰＦ、Ｃ２＝５.５ＰＦ、Ｃ３＝１１０ＰＦ、Ｃ４＝１５ＰＦ、Ｃ５＝７０ＰＦ、Ｌ２＝０.２６μＨ、Ｌ４＝０.２１μＨ）を用いたものである。
【００７６】
【表３】
【００７７】
図１２は、この表３に示すＳパラメータの周波数依存をグラフにしたものである。図１２において、「◆」はＳパラメータＳ２１（順方向インピーダンス特性）、「■」はＳパラメータＳ１１（入力側インピーダンス特性）、「△」はＳパラメータＳ２２（出力側インピーダンス特性）を示している。
【００７８】
以上、本発明における好ましい実施の形態について詳細に説明したが、本発明に関係する一般的技術を有する当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に従い、様々な改善や改良が可能であろう。すなわち、上述したシステム及び装置は、好ましい実施の形態を示したものであり、本発明または特許請求の範囲の限定を強要することを意図したものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、短波（ＨＦ）、超短波（ＶＨＦ）、または極超短波（ＵＨＦ）の下方帯域を使用して、ビルや住宅などの構造物内に電磁界を発生させて、構造物内の導体を、局所的な準静的電磁界を発生させる共振器として用い、その電磁界を通信に用いることで、配線なしで、しかも外部雑音の不当な干渉に煩わされることなく、コンピュータやプリンタなどのＯＡ機器、テレビ、洗濯機、冷蔵庫などの家電製品、照明機器、冷暖房システム、警報装置など、種々の電子機器を接続することが可能となる。本発明は、地域商業的、住宅内部のワイヤレスネットワークの構築を含め、広範な用途に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、従来の無線放送局ＲＳを簡略化して表した模式図である。
【図２】図２は、これとは全く異なる電磁界を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施形態に係る無線通信システムに利用される構造物を示す模式図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る無線通信システムの概要を示す模式図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る無線通信装置の回路構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、励振器の構成の一例を示す図であって、図６（Ａ）はその側面図、図６（Ｂ）はその拡大側面図、図６（Ｃ）はその斜視図を示している。
【図７】図７は、励振器の構成の一例を示す図であって、図３（Ａ）はその上面図、図３（Ｂ）はその側面図を示している。
【図８】図８は、本発明に係る無線通信システムの他の実施形態を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明に係る無線通信システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【図１０】図１０は、励振器の構成の他の例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す励振器の周波数特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、表３に示すＳパラメータの周波数依存を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
ＣＢＬ ケーブル
Ｈ 住宅
Ｒ 無線受信機
ＲＳ 無線放送局
Ｓ 信号
Ｔ アンテナ塔
Ｗ 電波
１０ 構造物
１２ 壁
１４ 導体
１６ 励振器（エキサイタ）
１８ ライト
２０ 構造物の内部
２２ 受信機
４０１ 構造物
４０１Ｐ，４０１Ｑ 構造物
４０２（４０２ａ，４０２ｂ） 無線通信装置
４０２ａ 無線通信装置の親機
４０２ａ 無線通信装置の子機
４０３ 励振器（エキサイタ）
４０３Ｐ，４０３Ｑ 励振器（エキサイタ）
４０４ 基地局（サーバ）
４０５ 端末機器
４０５Ｑ 端末機器
４０６Ｐ，４０６Q 銅線のループ
４１０ 同軸ケーブル
４１１ 分配器
４２０ 励振回路
５００ 無線通信装置
５０１ コントローラＩＣ
５０２ ＣＰＵ
５０３ 物理制御部
５０４ デジタル変調部
５０５ Ｄ／Ａ変換部
５０６ デジタル変調部
５０７ Ａ／Ｄ変換部
５０８ スイッチ
５０９ ローパスフィルタ
５１０ ミキサ
５１２ バンドパスフィルタ
５１３ アッテネータ
５１４ 送信用ローノイズアンプ
５１５ 送信用パワーアンプ
５１７ 高周波スイッチ
５１８ バンドパスフィルタ
５１９ アンテナコネクタ
５２０ インピーダンスマッチング用アッテネータ
５２１ 受信用リニアアンプ
５２２ 受信用リニアアンプ
５２３ ミキサ
５２４ ローパスフィルタ
５２５ アンプ
５２６ 受信用リニアアンプ
５２７ バンドパスフィルタ
５２８ 受信電力検波器
５３０ ＥＥＰＲＯＭ
５４０ アナログ回路部
５５０ コネクタ
５６０ 外部電源
５７０ 水晶発振器
６００ 励振器
６０１ 支持体
６０２ 支柱
６０３ スペーサ
６０４ 同軸ケーブル
６０５ 中心導体
６０６ シールド
６０７ 中空の半球状部材
６０８ リム部
６０９ 扇形部材
６１０ 非導電性の隔壁
６１１ 内側
６２０ 壁
６２２ 天井
６２３ 導体
６５０ 平面扇形の励振器本体
６５１ 導電性トレース
６５２ 平面状の構造板
６５３ 中心ゾーン
６５４ 導体
【技術分野】
【０００１】
本発明は無線通信システム及び無線通信装置に関する。特に、エバネセント通信技術を利用した無線通信システム及び無線通信装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
高度に情報ネットワークが構築された現代社会において、無線通信技術は必要不可欠なものとなっている。無線通信には、船舶無線、アマチュア無線を始めとした大電力通信ばかりでなく、携帯電話通信、トランシーバ通信、無線ＬＡＮ通信等の比較的省電力な通信もある。
【０００３】
省電力通信の中でも微弱電波を用いた無線通信機器は、発射する電波が著しく微弱であるため、（１）誰でも、何時でも、どこでも、自由に使用でき、（２）無線通信機器を使用する人が試験を受けて免許資格（無線従事者免許証）を取る必要がなく、（３）特定省電力無線機器や陸上移動局と違い周波数を自由に選択することができ、混信のない周波数を選択して使用することができ、（４）アンテナを無線機器本体から切り離して設置することも可能である。これらのメリットから、家庭用コードレス電話、トランシーバを始め、様々なタイプの無線通信機器が実用化されている。
【０００４】
しかしながら、従来の無線通信機器においては、使用する電波が極めて微弱であるが故に、通信距離の目安は見通しで約３０ｍ程度であり、到達距離が十分ではなく、また混信妨害を受けやすい等の欠点があった。
【０００５】
また、従来の無線通信機器においては、使用する電波が極めて微弱であるとはいえ、無線通信空間での電波（電磁気信号）が外部に漏れ、他の無線通信機器に対する妨害電波となりうるため、通信範囲が非常に限定されてしまい、その使用は事情に限定されたものとなり、上述したメリットを必ずしも最大限に活かすことができなかった。
【０００６】
また、一般的に、従来の有線通信と比較し、無線通信空間は安価で簡単に作り上げることができるが、通信中に人や障害物により中断される、また通信スピードが遅い等の問題がある。また、無線通信による電波は直進する性質を有しており、通信中に送信機と受信機の間を人や物が遮る場合は通信が遮断されるという欠点を有している。また無線電波の減衰は距離の二乗に反比例するので、無線通信を行える範囲は限定されるのが実情である。
【０００７】
このような事情から、本願発明者らは、ビルなどの構造物内から外部へ電波が漏洩することを防止し、あるいは通信・通話の到達距離を十分に確保することが可能なエバネセント波を利用して通信を行う、いわゆるエバネセント通信技術を発明しているが（特許文献１乃至３参照）、実用化するにはなお改良の余地がある（特許文献１乃至３参照）。
【特許文献１】ＷＯ０３１０３１９５
【特許文献２】ＷＯ０３００９５０１
【特許文献３】ＷＯ０３００９５００
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明は、上述の問題に鑑みてなされたものであり、改良された無線通信システム及び無線通信装置を提供することを課題とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、励振器が接続された無線通信装置の親機と、棒状アンテナが接続された無線通信装置の子機とを備え、前記無線通信装置の親機は、前記励振器を介して前記構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を生成し、前記無線通信装置の子機は、前記棒状アンテナを介して前記無線通信装置の親機からの無線信号を受信し、或いは前記無線通信装置の親機へ無線信号を送信する無線通信システムである。
【００１０】
本発明によれば、励振器が接続された無線通信装置の親機によってビルや住宅などの構造物内に生成された準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間（エバネセント空間）を利用して、構造物内でワイヤレスネットワークを実現することができる。無線通信装置の子機は、ホイップアンテナやロッドアンテナなどの単純な棒状アンテナを使用して、微弱電波により通信することができる。
【００１１】
前記無線通信装置は、送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、前記励振器又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタとを有することが好ましい。これによれば、無線通信装置が親機及び子機ともに共通の構成であり、無線通信装置のアンテナコネクタに励振器を接続することで親機となり、棒状アンテナを接続することで子機となるので、無線通信装置の汎用性及び利便性を高めることができ、無線通信システムを構築する際のコストを大幅に低減することができる。
【００１２】
また、前記無線通信装置は、手動又は前記受信データのビットエラーレートに基づいて送信出力を最適化する出力調整部をさらに有することが好ましい。ビルや住居などの構造物の大きさは、無線信号の波長や出力レベルと密接に関連するが、本発明によれば、構造物の大きさに合わせて無線信号の出力レベルを最適化するので、無線通信空間を形成する構造物の大きさに適した出力で無線信号を送信することができる。
【００１３】
さらにまた、前記無線通信装置の前記アンテナコネクタは、前記励振器又は前記棒状アンテナを着脱可能に構成されていることが好ましい。これによれば、無線通信装置を親機及び子機のいずれにも使用することができ、励振器から棒状アンテナへ、或いは棒状アンテナから励振器へいつでも変更することができるので、システム構築の自由度をより一層高めることができる。
【００１４】
さらにまた、前記無線通信装置は、コンピュータに接続可能なカード型の無線通信アダプタであることが好ましい。これによれば、無線通信装置がカード型の無線通信アダプタであることから、パーソナルコンピュータのカードスロットに接続することができ、小型且つ汎用性の高い無線通信装置として使用することができる。
【００１５】
前記無線信号の周波数としては、３〜３０ＭＨｚの短波帯（ＨＦ）、３０〜３００ＭＨｚの超短波帯（ＶＨＦ）、或いは３００〜３０００ＭＨｚの極超短波帯（ＵＨＦ）の下方帯域が使用されることが好ましい。短波（ＨＦ）の波長は１００〜１０ｍ、超短波（ＶＨＦ）は１０〜１ｍであり、これらは電磁界が発生するビルや住居の大きさと同程度であるから、これらの帯域を、ビルディングや構造物内に電磁界を発生させるために利用することができる。
【００１６】
さらに、前記構造物は、トンネル、船、建物、潜水艦、航空機、建築現場、工場、又はスポーツスタジアム又はこれらの構内であり、前記構造物内の導体は、導線、配管、又は構造部材の少なくとも何れかである。
【００１７】
本発明はまた、励振器を介して構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を形成する無線通信装置であって、送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、前記励振器又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタとを有する無線通信装置でもある。
【００１８】
前記無線通信装置には、前記アナログ回路部と前記アンテナコネクタとの間に挿入され、抵抗とキャパシタの直列回路からなる励振回路が設けられていることが好ましい。これによれば、前記無線通信装置を備えた端末機器同士をケーブル接続する場合に、ケーブル全体が励振し、それ自体がエバネセント空間を構成することになる。そのため、最も遠い端末機器間の距離を２ｋｍ程度まで伸ばすことができ、比較的長距離な有線通信をきわめて簡単な構成で実現することができる。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の無線通信システムによれば、音声、画像その他のデータを送信する場合に、励振器により励振された構造物内の無線通信空間内で電磁信号は構造物内の導体を伝わり、受信機の直ぐ近くまで導体を通じて伝播するために、送信出力を法的規制のない微弱電力の範囲に抑えているにも拘らず通信することができる。また、本発明において通信に用いる電波は、擬似静電磁界を利用した電波であるために、微弱電波の放射を抑制でき、微弱電波が無線通信空間外に漏れないという効果を有している。
【００２０】
また、本発明の無線通信システムによれば、無線通信装置が親機及び子機ともに共通の構成であり、無線通信装置のアンテナコネクタに励振器を接続することで親機となり、ホイップアンテナやロッドアンテナなどの単純な棒状アンテナを接続することで子機となるので、無線通信装置の汎用性及び利便性を高めることができ、無線通信システムを構築する際のコストを大幅に低減することができる。特に無線通信装置の子機においては、棒状アンテナを使用して、無線通信空間内で微弱電波により通信することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２１】
本発明の実施の形態を説明するに先立ち、本発明の原理について添付図面を参照しながら簡単に説明する。
【００２２】
図１は、従来の無線放送局ＲＳを簡略化して表した模式図である。放送される情報を含んだ無線信号は、ケーブルＣＢＬを介して金属製の高いアンテナ塔Ｔに送られる。その塔は導電性の金属で形成されており、電波Ｗを発生させる。この電波Ｗは大気中を遠方まで伝搬して、住宅Ｈの内部にある無線受信機Ｒに到達する。無線受信機Ｒが電波Ｗを検知し、人が聞ける音声や音楽に変換することで、聴衆者はそれらを楽しむことができる。
【００２３】
図１で使用されている従来からの電波は、アンテナ塔Ｔから遠くまで送り出され、遥か彼方の無線受信機Ｒで受信することが可能であるため、「遠方界（far-field）」と呼ばれる界を作り出す。移動する電波Ｗは、よく知られた電波伝搬理論に従って伝わってゆくが、素人目には石を落とせばかき乱されてしまう静かな池の水面に広がる波紋のように見える。一般的な無線通信機器は、遥か彼方の遠方まで移動する電波を使って遠隔地の受信機に電磁的エネルギーを送信する。
【００２４】
図２は、これとは全く異なる電磁界を示す模式図である。この界は「準静的界」、あるいは「エバネセント空間」と呼ばれる。このような電磁界を発生させるには、図２に示された矩形状の金属筐体Ｅに接続された導体を介して、あるいは後述する励振器（エキサイタ）と呼ばれる機器を用いて信号Ｓを供給する。エネルギーが筐体Ｅ内の空洞に結合されると、空洞に電磁界が生じる。空洞は、金属体の表面、あるいは導線の格子により形成することができる。金属筐体Ｅの内部には、図１に示した「遠方界」とは全く異なる界が形成される。図２の金属筐体Ｅの内部において、伝播し、あるいは移動する電波は存在しない。筐体Ｅに囲われた内部のあらゆる点がエネルギーレベルあるいは電圧レベルと関連している。それらのポイント毎の電圧レベルは、筐体にエネルギーを与える入力信号の周波数や筐体の大きさに基づいて変化する。この電磁界が「準静的」界と呼ばれるのは、遠方の受信機まで届くような電波を生み出さないからである。図２に示す筐体Ｅの内部におかれた受信機は信号Ｓを検知するが、従来型の無線機とは異なるのは、受信機が準静的な非伝播波（これをエバネセント波と呼ぶ）の「内部」に存在していてもよいことである。なお、限定された電磁界を発生させるようにエネルギーを与えられた導電性の筐体の一般的な技術用語は「空洞共振器」である。
【００２５】
本発明では、図２に示されるような電磁界現象を、筐体内に領域または「バブル」を発生させることに利用する。この電磁界は配線なしでたくさんの異なる無線機器を接続するのに用いられ、さらに重要なのは、他の既存の無線機器に対する干渉なしで使用できることである。本発明の好ましい実施形態のうちの一つは、３〜３０MHｚの周波数範囲である超短波（ＶＨＦ）帯域で信号を生成し、また、極超短波（ＵＨＦ）の下方帯域（少なくとも４００ＭＨｚまで）で信号を生成することもできる。
【００２６】
これら特定の周波数帯を選択することが重要なのは、それらの周波数の波長が、一般的に、電磁界を生成するビルや住宅などの構造物（筐体）のサイズと同程度の大きさだからである。構造物が大きすぎると遠方界を生成するアンテナとなり、散乱もマルチパスも生ずるため、この関係は極めて重要なのである。
【００２７】
また、短波（ＨＦ）や超短波（ＶＨＦ）は、一般的に、従来の無線通信を利用するユーザーが敬遠するので、本発明を実施するには特に有用である。それは、これらの周波数帯で伝播する信号は、タイプの異なるさまざまな大気中雑音や人為的雑音に影響されやすいために当然のことである。
【００２８】
次に、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
【００２９】
図３は、本発明の好ましい実施形態に係る無線通信システムに利用される構造物を示す模式図である。
【００３０】
通常、ビルや住宅などの建造物その他の構造物（以下、構造物という）１０は壁１２を有し、壁１２の内部には鉄骨（導電性の骨組み）その他の構造部材、電気の接地遮蔽（シールド）、配線、水道管その他の配管、その他種々の公共の導体１４が存在している。構造物１０内の見えない部分にある既存のあらゆる導体１２は、構造物１０の内部２０に電磁界を発生させる空洞アンテナとして利用される。それらの導体１４は、励振器（エキサイタ）１６から放射される電磁エネルギーによって励振され、通電される。これにより、受信機２２などの多種多様な機器は、配線なしでＬＡＮに接続することが可能となる。このＬＡＮはさらに、公共あるいは私設の電話線、衛星放送受信機、あるいは外部に対する他のインターフェースに接続することができる。
【００３１】
図４は、本実施の形態に係る無線通信システムの概要を示す模式図である。
【００３２】
図４に示すように、このシステムは、ビルなどの構造物４０１内に無線通信装置（ハブ）の親機４０２a及び子機４０２ｂを有している。無線通信装置の親機４０２ａと子機４０２ｂの基本的構成は同じである。無線通信装置の親機４０２ａは同軸ケーブルまたは他の適当な方法で励振器４０３に接続される。これらの無線通信装置４０２ａ，４０２ｂは独立した基地局（サーバ）４０４内に実装され、あるいはパーソナルコンピュータなどの端末機器４０５中に組み込まれる。無線通信機器の親機４０２ａは、構造物４０１内を励振させるため、励振器４０３を介して構造物４０１の内部にある既存の導体に接続される。こうして、無線通信装置４０２ａからの信号は導体を伝って構造物４０１内の多数の機器に送られ、さらには他のネットワークと接続される。本実施の形態においては、無線通信装置の親機４０２ａに含まれるルータ機能が種々の帯域幅または変調形式の信号を分離し、それらの信号の指定されたターゲットまで導いてもよい。もし機器が監視されている場合やＶＣＲやＴＶからデータを受信するビデオ受信機のような遠隔操作の機器であれば、ターゲットはプロセッサ自身であってもよく、ターゲットの設定を変更することができるリモート装置であってもよい。３００ＭＨｚ未満の周波数では、送信機、受信機およびその他すべてのハードウェアはデジタル方式で操作される。事実、このシステムの大きな利点の一つは、周波数用のハードウェアが２．４ＧＨｚを超える帯域用のものよりもかなり安価なことである。
【００３３】
図５は、本実施の形態に係る無線通信装置の回路構成を示すブロック図である。
【００３４】
図５に示すように、この無線通信装置５００は、コントローラＩＣ５０１と、識別符号その他の通信に必要なデータを保持するＥＥＰＲＯＭ５３０と、ＲＦ回路などのアナログ回路部５４０と、コネクタ５５０とを備えている。コントローラＩＣ５０１には、外部電源５６０から所定の電圧（例えば１．８Ｖ)が供給され、水晶発振器５７０から高精度な基準クロックが供給される。
【００３５】
コントローラＩＣ５０１の内部は、ＣＰＵ５０２、物理制御部５０３、デジタル変調部（ＭＯＤ）５０４、Ｄ／Ａ変換部５０５、デジタル復調部（ＤＥＭ）５０６、Ａ／Ｄ変換部５０７などで構成されている。ＣＰＵ５０２は入出力インターフェースを介してコンピュータなどの外部装置のコネクタに接続されており、物理制御部５０３とともにＭＡＣ制御、送信時間制御、空き状態判定などの通信制御を行う。入出力インターフェースを介して入力されたデジタルデータは、ＣＰＵ５０２及び物理制御部５０３を介してデジタル変調部５０４に入力される。デジタル変調部では、所定の変調方式に従ってデジタルデータを変調し、ベースバンド信号を生成する。変調方式としては、ＢＰＳＫやＱＰＳＫなどの位相変調方式、あるいは１６ＱＡＭや６４ＱＡＭなどの振幅変調方式を用いることが好ましい。
【００３６】
このようにして変調されたデータは、Ｄ／Ａ変換部５０５でアナログ信号に変換された後、スイッチ（ＳＷ）５０８及びローパスフィルタ（ＬＰＦ）５０９を介してミキサ（ＭＩＸ）５１０に入力される。ここで、スイッチ５０８は、物理制御部５０３からの指示のもと、後述するＡＧＣアンプと協働して送受信の切り替えを行うものであり、送信時には送信側ラインがオン、受信側ラインがオフの状態となる。また、ローパスフィルタ５０９は、所定の周波数（例えば３３ＭＨｚ）よりも高い高周波ノイズ成分を除去する。ミキサ５１０は、ベースバンド信号とキャリア信号とを混合して所定の周波数（例えば３５ＭＨｚ）のＲＦ信号を生成する。このときのキャリア信号の生成には所定の周波数信号（例えば５０ＭＨｚ）を生成する局部発振器（ＯＳＣ）５１１が用いられる。
【００３７】
ＲＦ信号はバンドパスフィルタ５１２によりノイズ成分が除去された後、アッテネータ５１３を介して送信用ローノイズアンプ５１４に入力される。アッテネータ５１３は、後段の増幅で波形が歪んでしまうことがないようにＲＦ信号を所定のレベルまで減衰させることに用いる。ＲＦ信号は送信用ローノイズアンプ５１４によって所定の出力レベル（例えば２．８５Ｖ）まで増幅された後、送信用パワーアンプ５１５によって所定のレベル（例えば３．３Ｖ）までさらに増幅される。このＲＦ信号は、インピーダンスマッチング用アッテネータ（ＡＴＴ）５１６、高周波スイッチ５１７及びバンドパスフィルタ５１８を介してアンテナコネクタ５１９に接続されたアンテナ（図示せず）に供給されて、微弱電波（送信周波数３２２MHｚ以下において、送信機から３ｍ離れた地点で送信出力の最大電界強度が５００μV／ｍとなる電波）として送信される。ここで、この装置が親機（基地局側）に使用される場合、アンテナコネクタ５１９には後述する励振器が同軸ケーブルを介して接続され、子機側（端末側）に使用される場合にはロッドアンテナが接続される。
【００３８】
データ受信ではデータ送信とほぼ逆の手順をたどる。すなわち、アンテナ（図示せず）で受信したＲＦ信号は、バンドパスフィルタ５１８、高周波スイッチ５１７およびインピーダンスマッチング用アッテネータ５２０を介して前段の受信用リニアアンプ５２１に入力される。ＲＦ信号は前段の受信用リニアアンプ５２１によって所定のレベルまで増幅され、後段の受信用リニアアンプ５２２によってさらに増幅された後、ミキサ５２３によってキャリア検波されてベースバンド信号が生成される。このベースバンド信号はローパスフィルタ５２４を介してＡＧＣアンプ５２５に入力され、そのゲインが調整された後、コントローラＩＣ５０１内に入力される。なお、送信時には、このＡＧＣアンプ５２５のゲインがゼロに設定されることにより、受信側ラインがオフの状態となる。受信信号はコントローラＩＣ５０１内のＡ／Ｄ変換部５０７によってまずデジタル信号に変換された後、デジタル変調部５０６に入力される。デジタル変調部５０６では、上述した変調方式に対応する所定の復調方式に従ってデジタル信号を復調し、デジタルデータを再生する。デジタルデータは物理制御部５０３およびＣＰＵ５０２を介してコンピュータなどの外部装置に転送される。
【００３９】
なお、データ受信時には、最初にＡＧＣアンプ５２５のゲインの調整が行われる。ゲイン調整では、まずＡＧＣアンプ５２５のゲインを最大にしておき、受信パケットのプリアンブル同期の段階で得られる信号の電力レベルを物理制御部５０３が受け取り、この信号レベルに基づいてＡＧＣアンプ５２５のゲインを収束させる。このときの信号は、上述した通常の受信側ラインとは別のラインから供給される。詳細には、通常の受信ライン上の受信用リニアアンプ５２１の出力が分岐され、その一方の出力が受信用リニアアンプ５２６、バンドパスフィルタ５２７及び受信電力検波器５２８を介して物理制御部５０６に供給される。ここで、バンドパスフィルタ５２７は、コンピュータなどの外部装置から放出される３５ＭＨｚ付近のクロックノイズを除去するために用いられ、受信電力検波器５２８は、受信信号を検波してキャリア信号を生成するために用いられる。このようにして得られたキャリア信号の電力レベルが初期のＡＧＣ調整の基準として用いられる。
【００４０】
次に、親機側の無線通信装置に接続される励振器について説明する。
【００４１】
図６は、励振器の構成の一例を示す図であって、図６（Ａ）はその側面図、図６（Ｂ）はその拡大側面図、図６（Ｃ）はその斜視図を示している。
【００４２】
図６に示すように、この励振器は、半球状の励振器本体６００と、この励振器本体６００の姿勢を保持する物理的な支持体６０１とによって構成されている。励振器本体６００が半球状であることから、この励振器は「三次元励振器」である。三次元励振器の場合、構造は複雑であるが、通信の安定性は高い。
【００４３】
通信を行うのに必要な出力は、要求される信号の品質とも関連するが、無線通信空間を形成する構造物又は構内の全面積に比例する。一方、微弱電波の生成にとって最も重要な寸法は、構造物又は構内の向かい合った導体の最小距離である。この最小距離が構造物に対する遮断周波数を定義し、励振器の機能が発揮されるときに閉空間内で微弱電波が生成されるかどうかを決定づける。
【００４４】
励振器本体６００の姿勢は支持体６０１によって保持されている。最適な効果を得るため、半球状の励振器本体６００は、導体で囲われた空間の内部に設置され、図６（Ａ）示すとおり、壁６２０に対して併置されるのが好ましい。また、励振器本体６００は、床６２１と天井６２２のほぼ真ん中に設置するのが好ましく、導体（導電性要素）と直接対向させて設置するのが好ましい。
【００４５】
本実施の形態において、支持体６０１は支柱６０２及びスペーサ６０３によって構成されている。支柱６０２及びスペーサ６０３は共に導電性物質で構成される。支柱６０２は支持体６０１の一部分である。支柱６０２及びスペーサ６０３は励振器本体６００と構造物の電気用アースとの間が導電路となることを避けるため、特定の場所（本実施の形態において、支柱６０２は床６２１に隣接する場所、スペーサ６０３は励振器本体６１０に接続する場所）に誘電体の絶縁物（図示せず）を備えている。好ましくは、支柱６０２は中空且つ導体で構成され、またスペーサ６０３は強度を増強するため公知のブラケットで構成される。
【００４６】
励振器本体６００の設置場所と大きさに関する空間的寸法は非常に重要である。励振器を効率的に使用するためには、一番高い使用周波数をλとすると、壁の導電性要素からλ／８よりも近くに励振器本体６００を設置しなければならない。
【００４７】
励振器本体６００は上述の無線通信装置により制御され、電力が与えられる。送信モードにおいては、励振器本体６００は、導体（導電性要素）６２３にエネルギーを与える。
【００４８】
導体６２３を「励振させる」ために、無線通信装置からの電磁エネルギーが同軸ケーブル６０４に注入される。同軸ケーブル６０４の中心導体６０５は、半球状の励振器本体６００に取り付けられ、同軸ケーブル６０４のシールド６０６は、スペーサ６０３、導体６２３および壁６２０に電気的に接続される。図６（Ｂ）及び（Ｃ）に示されるように、シールド６０６は壁６２０の中の導体６２３に電気的に接続される。
【００４９】
一番高い使用周波数をλとすると、半球状の励振器本体６００の実行直径がλ／８未満であり、入力伝送路に対して測定可能な分留リアクタンスを形成するのに十分な大きさであれば、その構造にはさほど厳密さを要求されない。
【００５０】
半球状の励振器本体６００は、中空の半球状部材６０７を有している。中空の半球状部材６０７は導体で形成され、その端部にリム部６０８を有する。支柱６０２は、中空の半球状部材６０７に直接接続されている。所定の角度を有する一組の扇形部材６０９が中空の半球状部材６０７から外側且つ前方に広がり、その尖端で結合し、そして端部に沿ってリム部６０８に接続されている。非導電性の隔壁６１０は例えばアクリル樹脂からなり、中空の半球状部材６０７の内側において横方向に広がり、扇形部材６０９の内側表面に接触してその構造を支持すると共に、中空の半球状部材６０７の内側６１１を上半分と下半分に分離している。
【００５１】
非導電性の隔壁６１０の表面には、整合用回路ブロック６１２が取り付けられている。整合用回路ブロック６１２はスペーサ６０３に沿って張られた同軸ケーブル６０４に接続される。同軸ケーブル６０４の他端は、上述した無線通信装置のアンテナコネクタに接続され、無線通信装置からの出力は励振器６００及び整合用回路ブロック６１２に直接供給される。
【００５２】
中心導体６０５又はその延長は、無線通信装置から励振器本体６００まで、導体を用いて電気信号を伝えるために、扇形部材６０９の尖端に位置する供給ポイントまで張り渡される。供給ポイントまで伝えられたエネルギーは、伝えられた信号の実効帯域を横断して放射するように「ねらう」ために導体を励起させる方法でもって、励振器本体の導電部分、扇形部材６０９及び中空の半球状部材６０７を励起させる。同軸ケーブル６０４のシールド６０６のアース及び壁６２０内の導体６２３への接続に照らせば、選択された周波数での励振器の性質は、通常の伝搬性放射だけではなく、バブル（「ファラデーの籠」に類似する電磁的仮想空間を形成する要素）の生成、又は導体内の微弱波及び近微弱波の生成がその正味の効果である。
【００５３】
以上のように構成された励振器が接続された無線通信装置によれば、送信出力を微弱電力の範囲に抑えても、励振器により励振された構造物内の無線通信空間内で電磁信号は導体を伝わり、受信機のすぐ近くまで導体を通じて伝播するため、微弱電波を用いているにも拘わらず、数ｋｍと非常に長い通信距離を実現できる。
【００５４】
また、通信に用いる電波は、擬似静電界を利用した電波であるため、微弱電波の放射を抑制することができ、微弱電波が無線通信空間外に漏れないという効果を奏する。
【００５５】
上述の無線通信装置は、周波数用のハードウェアが２．４ＧＨｚを超える帯域用のものよりもかなり安価であり、さらには小型化も容易であるから、例えばＣａｒｄＢｕｓスロット用の無線通信カードとして提供することができる。あるいは、ＵＳＢインターフェースを実装したスティック状の機器として提供することも可能である。
【００５６】
次に、励振器の別の例について説明する。
【００５７】
図７は、励振器の構成の一例を示す図であって、図３（Ａ）はその上面図、図３（Ｂ）はその側面図を示している。なお、図２の励振器と同じ構成要素については同じ符号を付してあるので、ここでは改めて説明しない。
【００５８】
図７に示すように、この励振器は、平面扇形の励振器本体６５０と、この励振器本体の姿勢を保持する物理的な支持体６０１とによって構成されている。励振器本体６５０が平面扇形であることから、この励振器は「二次元励振器」である。二次元励振器の場合、構造は単純であるが、通信の安定性は高い。
【００５９】
平面扇形の励振器本体６５０は、半球状の励振器における中空の半球状部材６０７及び扇形部材６０９の隔壁６１０の平面に沿った断面にほぼ一致する導電性トレース６５１を有している。導電性トレース６５１は、非導電性物質で形成される平面状の構造板６５２の上に配置され、支持される。導電性トレース６５２の内側にある中心ゾーン６５３は中空又は構造板６５２の延長部分である。構造板６５２は、図６に示す半球状の励振器６００への支持の仕方と同様の方法でスペーサ６０３によって支持され、壁６２０から所定の間隔を保っている。
【００６０】
本実施の形態における励振器本体６５０は、構造板６５２上に取り付けられた整合用回路ブロック６１２を含み、同軸ケーブル６０４の中心導体６０５から供給ポイント６１３にエネルギーを伝搬する一方、シールド６０６がスペーサ６０３に沿って壁６２０内に存在する導体６５４に電気的に接続される点で、半球状の励振器と類似している。
【００６１】
図８は、本発明に係る無線通信システムの他の実施形態を示す模式図である。
【００６２】
図８に示すように、本実施形態の特徴は、複数の構造物内のエバネセント空間の生成を１つの基地局（サーバ）４０４で実現している点にある。基地局４０４に内蔵された無線通信機器の親機４０２ａは、構造物４０１Ｐ，４０１Ｑを共に励振させるため、同軸ケーブル４１０を介して励振器４０３Ｐ，４０３Ｑに接続される。同軸ケーブル４１０は分配器４１１によって二分岐され、一方が構造物４０１Ｐ内に配線され、他方が構造物４０１Ｑ内に配線される。そして、励振器４０３Ｐを介して構造物４０１Ｐの内部にある既存の導体に接続され、励振器４０３Ｑを介して構造物４０１Ｑの内部にある既存の導体に接続される。こうして、無線通信装置４０２ａからの信号は導体を伝って構造物４０１Ｐ内の多数の機器（図示せず）に送られ、さらには構造物４０１Ｑ内の機器、例えば図示の端末機器４０５Ｑに送られる。
【００６３】
また、本実施形態においては、励振器４０３Ｐ，４０３Ｑにそれぞれ張り巡らされた銅線のループ４０６Ｐ，４０６Qが各構造物４０１Ｐ，４０１Ｑの天井の周縁にそれぞれ配線されている。これによってもエバネセント空間が形成されるので、構造物４０１Ｐ，４０１Ｑ内の導体が十分でない場合でも確実なエバネセント通信が可能となる。
【００６４】
図８に示した実施形態においては、二つの構造物４０１Ｐ，４０１Ｑに対応させて同軸ケーブル４１０を二分岐させる場合について説明したが、同軸ケーブルをより多く分岐さて、また端末機器間を同軸ケーブルで接続する形態も考えられる。
【００６５】
図９は、本発明に係る無線通信システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【００６６】
図９に示すように、このシステムは、無線通信機器４０２を備えた端末機器４０５間をケーブル接続したものである。その際、無線通信機器４０２の出力端と同軸ケーブル４１０の接続部分には「ミニエキサイタ」と呼ばれる励振回路４２０が挿入されている。励振回路４２０は、抵抗とキャパシタの直列回路（ＲＣ直列回路）で構成されており、本実施形態においてはＲ＝５１Ω、Ｃ＝０．１μＦに設定されている。そして、このように励振回路４２０が接続された端末機器同士を図示のように同軸ケーブル４１０で接続した場合には、同軸ケーブル４１０全体が励振し、それ自体がエバネセント空間を構成することになる。そのため、最も遠い端末機器間の距離を２ｋｍ程度まで伸ばすことができ、比較的長距離な有線通信をきわめて簡単な構成で実現することができる。
【００６７】
図１０は、励振器（ミニエキサイタ）の構成の他の例を示す回路図である。
【００６８】
図１０に示すように、この励振器は、５つのコンデンサＣ１〜Ｃ５並びに２つのインダクタＬ２及びＬ４を有している。図１０に示す励振器は、ローパスフィルタの一種である。図１０に示すように、この励振器は、インダクタＬ２とコンデンサＣ２とが並列接続された回路Ａと、インダクタＬ４とコンデンサＣ４が並列接続された回路Ｂとが直列接続され、回路Ａ、Ｂそれぞれの端部にコンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５の一端が接続され、且つコンデンサＣ１、Ｃ３、Ｃ５の他端は共通電位となるように接続されるように構成されている。図１０に示すように、この励振器において、コンデンサＣ１の端部を「ポート１」とし、コンデンサＣ５の端部をポート２とし、ポート１の特性インピーダンスをＺin（入力インピーダンス）、ポート２の特性インピーダンスをＺout（出力インピーダンス）とする。
【００６９】
本実施形態においては、カットオフ周波数をｆｃとし、Ｚin＝Ｚoutとし、以下の数式（１）〜（３）を用いてコンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の設計値を求める。なお、ＦＳＦは、周波数スケーリング係数である。
ＦＳＦ＝２π・ｆｃ ・・・（１）
Ｃ＝Ｃｎ／（ＦＳＦ・Ｚin） ・・・（２）
Ｌ＝（Ｌｎ・Ｚin）／ＦＳＦ ・・・（３）
【００７０】
図１０に示す励振器は、図１１に示す周波数特性を有することが分かっている。ここで、周波数Ω２、Ω４には、以下の数式（４）及び（５）が成立する。また、Ａｍｉｎは、最大減衰量である。
Ω２＝３ｆｃ・Ｌ２／Ｃ２ ・・・（４）
Ω４＝２ｆｃ・Ｌ４／Ｃ４ ・・・（５）
【００７１】
本実施形態においては、入出力インピーダンスをＺin＝Ｚout＝５０Ωとし、カットオフ周波数ｆｃを３.５〜１００ＭＨｚまで変化させて、Ω２の周波数、Ω４の周波数で減衰の谷となるようにし、コンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の設計値を求めたところ、以下の表１及び表２に示す結果が得られた。
【００７２】
【表１】
【００７３】
【表２】
【００７４】
表１及び表２に示すように、カットオフ周波数ｆｃを適時変更した場合であっても、コンデンサＣ１〜Ｃ５並びにインダクタＬ２及びＬ４の値を適当に選択することによって、励振器の接続先（送受信機、ボディの車軸部）とのマッチングをとる（入出力インピーダンスＺin、Zoutを接続先のインピーダンスと同じにする）ことができることがわかる。
【００７５】
次に、表３を参照する。表３に示すのは、図１０に示す励振器の散乱パラメータ（Ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ、：Ｓパラメータ）の周波数依存特性を求めたものである。この周波数依存特性は、表２におけるｆｃ＝４５ＭＨｚの素子定数（Ｃ１＝７５ＰＦ、Ｃ２＝５.５ＰＦ、Ｃ３＝１１０ＰＦ、Ｃ４＝１５ＰＦ、Ｃ５＝７０ＰＦ、Ｌ２＝０.２６μＨ、Ｌ４＝０.２１μＨ）を用いたものである。
【００７６】
【表３】
【００７７】
図１２は、この表３に示すＳパラメータの周波数依存をグラフにしたものである。図１２において、「◆」はＳパラメータＳ２１（順方向インピーダンス特性）、「■」はＳパラメータＳ１１（入力側インピーダンス特性）、「△」はＳパラメータＳ２２（出力側インピーダンス特性）を示している。
【００７８】
以上、本発明における好ましい実施の形態について詳細に説明したが、本発明に関係する一般的技術を有する当業者であれば、特許請求の範囲に記載された発明の趣旨に従い、様々な改善や改良が可能であろう。すなわち、上述したシステム及び装置は、好ましい実施の形態を示したものであり、本発明または特許請求の範囲の限定を強要することを意図したものではない。
【産業上の利用可能性】
【００７９】
本発明は、短波（ＨＦ）、超短波（ＶＨＦ）、または極超短波（ＵＨＦ）の下方帯域を使用して、ビルや住宅などの構造物内に電磁界を発生させて、構造物内の導体を、局所的な準静的電磁界を発生させる共振器として用い、その電磁界を通信に用いることで、配線なしで、しかも外部雑音の不当な干渉に煩わされることなく、コンピュータやプリンタなどのＯＡ機器、テレビ、洗濯機、冷蔵庫などの家電製品、照明機器、冷暖房システム、警報装置など、種々の電子機器を接続することが可能となる。本発明は、地域商業的、住宅内部のワイヤレスネットワークの構築を含め、広範な用途に適用可能である。
【図面の簡単な説明】
【００８０】
【図１】図１は、従来の無線放送局ＲＳを簡略化して表した模式図である。
【図２】図２は、これとは全く異なる電磁界を示す模式図である。
【図３】図３は、本発明の好ましい実施形態に係る無線通信システムに利用される構造物を示す模式図である。
【図４】図４は、本実施の形態に係る無線通信システムの概要を示す模式図である。
【図５】図５は、本実施の形態に係る無線通信装置の回路構成を示すブロック図である。
【図６】図６は、励振器の構成の一例を示す図であって、図６（Ａ）はその側面図、図６（Ｂ）はその拡大側面図、図６（Ｃ）はその斜視図を示している。
【図７】図７は、励振器の構成の一例を示す図であって、図３（Ａ）はその上面図、図３（Ｂ）はその側面図を示している。
【図８】図８は、本発明に係る無線通信システムの他の実施形態を示す模式図である。
【図９】図９は、本発明に係る無線通信システムのさらに他の実施形態を示す模式図である。
【図１０】図１０は、励振器の構成の他の例を示す回路図である。
【図１１】図１１は、図１０に示す励振器の周波数特性を示すグラフである。
【図１２】図１２は、表３に示すＳパラメータの周波数依存を示すグラフである。
【符号の説明】
【００８１】
ＣＢＬ ケーブル
Ｈ 住宅
Ｒ 無線受信機
ＲＳ 無線放送局
Ｓ 信号
Ｔ アンテナ塔
Ｗ 電波
１０ 構造物
１２ 壁
１４ 導体
１６ 励振器（エキサイタ）
１８ ライト
２０ 構造物の内部
２２ 受信機
４０１ 構造物
４０１Ｐ，４０１Ｑ 構造物
４０２（４０２ａ，４０２ｂ） 無線通信装置
４０２ａ 無線通信装置の親機
４０２ａ 無線通信装置の子機
４０３ 励振器（エキサイタ）
４０３Ｐ，４０３Ｑ 励振器（エキサイタ）
４０４ 基地局（サーバ）
４０５ 端末機器
４０５Ｑ 端末機器
４０６Ｐ，４０６Q 銅線のループ
４１０ 同軸ケーブル
４１１ 分配器
４２０ 励振回路
５００ 無線通信装置
５０１ コントローラＩＣ
５０２ ＣＰＵ
５０３ 物理制御部
５０４ デジタル変調部
５０５ Ｄ／Ａ変換部
５０６ デジタル変調部
５０７ Ａ／Ｄ変換部
５０８ スイッチ
５０９ ローパスフィルタ
５１０ ミキサ
５１２ バンドパスフィルタ
５１３ アッテネータ
５１４ 送信用ローノイズアンプ
５１５ 送信用パワーアンプ
５１７ 高周波スイッチ
５１８ バンドパスフィルタ
５１９ アンテナコネクタ
５２０ インピーダンスマッチング用アッテネータ
５２１ 受信用リニアアンプ
５２２ 受信用リニアアンプ
５２３ ミキサ
５２４ ローパスフィルタ
５２５ アンプ
５２６ 受信用リニアアンプ
５２７ バンドパスフィルタ
５２８ 受信電力検波器
５３０ ＥＥＰＲＯＭ
５４０ アナログ回路部
５５０ コネクタ
５６０ 外部電源
５７０ 水晶発振器
６００ 励振器
６０１ 支持体
６０２ 支柱
６０３ スペーサ
６０４ 同軸ケーブル
６０５ 中心導体
６０６ シールド
６０７ 中空の半球状部材
６０８ リム部
６０９ 扇形部材
６１０ 非導電性の隔壁
６１１ 内側
６２０ 壁
６２２ 天井
６２３ 導体
６５０ 平面扇形の励振器本体
６５１ 導電性トレース
６５２ 平面状の構造板
６５３ 中心ゾーン
６５４ 導体
【特許請求の範囲】
【請求項１】
励振器が接続された無線通信装置の親機と、棒状アンテナが接続された無線通信装置の子機とを備え、
前記無線通信装置の親機は、前記励振器を介して前記構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を生成し、
前記無線通信装置の子機は、前記棒状アンテナを介して前記無線通信装置の親機と通信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記無線通信装置は、
送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、
送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、
前記励振器に接続するためのケーブル又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタと、を有する請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記無線通信装置は、手動又は前記受信データのビットエラーレートに基づいて送信出力を最適化する出力調整部をさらに有する請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記無線通信装置の前記アンテナコネクタは、前記ケーブル又は前記棒状アンテナを着脱可能に構成されている請求項１乃至３の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記無線通信装置は、コンピュータに接続可能なカード型の無線通信アダプタである請求項1乃至４の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記無線信号は、短波帯である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記無線信号は、超短波帯である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記無線信号は、極超短波帯の下方帯域である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記導体は、導線、配管、又は構造部材の少なくとも何れかである請求項１乃至８の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記構造物は、トンネル、船、建物、潜水艦、航空機、建築現場、工場、又はスポーツスタジアム又はこれらの構内である請求項１乃至９の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
励振器を介して構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を形成する無線通信装置であって、
送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、
送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、
前記励振器に接続するためのケーブル又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタと、を有する無線通信装置。
【請求項１２】
前記アナログ回路部と前記アンテナコネクタとの間に挿入され、抵抗とキャパシタの直列回路からなる励振回路が設けられていることを特徴とする無線通信装置。
【請求項１】
励振器が接続された無線通信装置の親機と、棒状アンテナが接続された無線通信装置の子機とを備え、
前記無線通信装置の親機は、前記励振器を介して前記構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を生成し、
前記無線通信装置の子機は、前記棒状アンテナを介して前記無線通信装置の親機と通信することを特徴とする無線通信システム。
【請求項２】
前記無線通信装置は、
送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、
送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、
前記励振器に接続するためのケーブル又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタと、を有する請求項１に記載の無線通信システム。
【請求項３】
前記無線通信装置は、手動又は前記受信データのビットエラーレートに基づいて送信出力を最適化する出力調整部をさらに有する請求項２に記載の無線通信システム。
【請求項４】
前記無線通信装置の前記アンテナコネクタは、前記ケーブル又は前記棒状アンテナを着脱可能に構成されている請求項１乃至３の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項５】
前記無線通信装置は、コンピュータに接続可能なカード型の無線通信アダプタである請求項1乃至４の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項６】
前記無線信号は、短波帯である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項７】
前記無線信号は、超短波帯である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項８】
前記無線信号は、極超短波帯の下方帯域である請求項１乃至５の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項９】
前記導体は、導線、配管、又は構造部材の少なくとも何れかである請求項１乃至８の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項１０】
前記構造物は、トンネル、船、建物、潜水艦、航空機、建築現場、工場、又はスポーツスタジアム又はこれらの構内である請求項１乃至９の何れか一に記載の無線通信システム。
【請求項１１】
励振器を介して構造物内の導体に無線信号を注入することにより、前記構造物内に準静的な非伝播性の電磁界による無線通信空間を形成する無線通信装置であって、
送信時には送信データを所定の変調方式で変調してベースバンド信号を生成し、受信時にはベースバンド信号を所定の復調方式で復調して受信データを生成する変復調部を含むコントローラと、
送信時にはベースバンド信号を所定の局部発信周波数に基づいて混合して無線信号を生成した後、当該無線信号を所定のレベルに増幅して出力し、受信時には受信信号を所定のレベルに増幅した後、当該受信信号を前記局部発信周波数に基づいて検波してベースバンド信号を再生するアナログ回路部と、
前記励振器に接続するためのケーブル又は前記棒状アンテナと前記アナログ回路部とを接続するアンテナコネクタと、を有する無線通信装置。
【請求項１２】
前記アナログ回路部と前記アンテナコネクタとの間に挿入され、抵抗とキャパシタの直列回路からなる励振回路が設けられていることを特徴とする無線通信装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２００７−２８１１１（Ｐ２００７−２８１１１Ａ）
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００５−２０６２３４（Ｐ２００５−２０６２３４）
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【出願人】（３０１０４９４２３）株式会社ココモ・エムビー・コミュニケーションズ (9)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年２月１日（２００７．２．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成１７年７月１４日（２００５．７．１４）
【出願人】（３０１０４９４２３）株式会社ココモ・エムビー・コミュニケーションズ (9)
【Ｆターム（参考）】
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