JP5582940B2 - 近接給電・通信装置 - Google Patents

Description

本発明は、近接給電・通信装置に関し、特に、基地局側から携帯機側へ近接給電を行うと共に、基地局と携帯機間の通信速度や通信可能エリアを向上させることができる近接給電・通信装置に関する。

基地局から送信される電磁波が持つ放射磁界に基づく電磁誘導エネルギを携帯機の動作エネルギとする装置、すなわち携帯機の動作エネルギを基地局側から近接給電により得る装置が知られている。

このような装置として、従来、自動車用キーレスエントリ装置、RFIDタグ装置、ICカード装置などが実用化されている。これらの装置では、近接給電と通信に使用する周波数を同一とするのが一般的であり、基地局と携帯機は、近接給電に使用する電磁波と同一の周波数を用いて通信を行う。

例えば、自動車用キーレスエントリ装置の場合、自動車側の基地局およびキー側の携帯機はそれぞれ、LF(Low Frequency)送信機とLF受信機を備え、LF信号を使用して近接給電と通信を行う。この場合、基地局から携帯機へ近接給電を行うタイミングと携帯機から基地局へ応答信号を送信するタイミングを異ならせる。これは、同一の周波数では送信と受信を同時に行うことができないためである。

同一の周波数のLF信号を使用する方式では、まず、基地局のLF送信機から近接給電用LF信号を送信する。携帯機では、基地局から送信された近接給電用LF信号を受信し、その電磁波が持つ放射磁界に基づいて電力を生成し、その電力によりLF受信機とLF送信機を動作させてLF応答信号を送信する。基地局は、近接給電用LF信号の送信が完了した後、携帯機のLF送信機から送信されるLF応答信号をLF受信機で受信する。

RFIDタグ装置の場合も同様であり、ICタグリーダ側の基地局およびICタグ側の携帯機はそれぞれ、RF(Radio Frequency)送信機とRF受信機を備え、RF信号を使用して近接給電と通信を行う。この場合でも、同一の周波数では送信と受信を同時に行うことができないので、基地局から携帯機へ近接給電を行うタイミングと携帯機から基地局へ応答信号を送信するタイミングを異ならせる。

同一の周波数のRF信号を使用する方式では、まず、基地局のRF送信機から近接給電用RF信号を送信する。携帯機では、基地局から送信された近接給電用RF信号を受信し、その電磁波が持つ放射磁界に基づいて電力を生成し、その電力によりRF受信機とRF送信機を動作させてRF応答信号を送信する。基地局は、近接給電用RF信号の送信を完了した後、携帯機のRF送信機から送信されるRF応答信号をRF受信機で受信する。RF信号を使用して近接給電と通信を行うICカード装置の場合も同様である。

非特許文献１には、LF信号を使用して携帯機を起動し、UHF信号を使用して携帯機から基地局へ応答信号を送信する入退室管理システムが記載されている。この入退室管理システムは、タグリーダ、外部アンテナおよびアクティブタグから構成される。ここで、タグリーダは、LF送受信アンテナ、LF送受信回路、UHFアンテナ、UHF受信回路、制御回路(CPU)を備え、外部アンテナは、LFアンテナおよびLF送信回路を備え、アクティブタグは、LF送受信アンテナ、LF送受信回路、UHFアンテナ、UHF送信回路、制御回路(CPU)および電池を備える。アクティブタグは、電池が消耗していなければ、タグリーダからのLF信号の起動パターンにより起動され、ID番号を含むUHF応答信号をUHF送信回路を通じてタグリーダに送信する。しかし、電池が消耗している場合、アクティブタグは、タグリーダからのLF信号により誘起される電力により動作し、LF送信回路から2値のFSK(Frequency Shift Keying)変調したLF信号をタグリーダへ送信し、タグリーダはLF受信回路でこのLF信号を受信する。

鍋嶋 秀夫 他著，"アクティブタグによるハンズフリー入退室管理システム" パナソニック電工技報(Vol.57 No.2)，52-57頁

基地局から携帯機にLF信号を送信して近接給電する装置では、携帯機は、LF信号の電磁波が持つ放射磁界に基づく電磁誘導エネルギを動作エネルギとするので、基地局側のLF送信アンテナと携帯機のＬＦ受信アンテナ間の距離、つまりサービスエリアは、電波法で許容される電磁波の特性からみて、基地局のLF送信アンテナから半径数ｍ以内に制限される。

一方、サービスエリアを拡大するために、基地局側のLF送信回路に接続されたLF送信アンテナをケーブルで単純に延長すると、LF送信回路とLFアンテナ、ケーブル間のインピーダンスマッチングが困難になるという問題が生じる。また、LF送信回路とLF送信アンテナ間での伝送効率が低下したり、LF送信アンテナへ外来ノイズが重畳されやすくなり、さらに、ＥＭＣ発生の原因になるなど、回路構成上の問題も増大し、安定な動作を得ることが困難になるという問題も生じる。

また、サービスエリアを拡大するために、携帯機側にパワーアンプ回路を設けて受信感度を上げると、受信側の感度を上げることの弊害として、基地局側のLF送信回路からLF送信アンテナまでのインピーダンスマッチングのばらつきやインピーダンスマッチング不整合、基地局から送信されるLF信号の出力や周波数のばらつきなどの影響や、外来不安定性要素によるフェージング現象などの各種不安定性要素に対する利得や周波数ばらつき、位相変動、信号ノイズ比など受信特性を決める要素に対して回路が過度に敏感となり、結果として、基地局のLF送信回路および携帯機のLF受信側回路を構成する部品や素子間のばらつき範囲を厳しく制限しないと安定した動作が得られないという問題が顕在化する。同時に、外来電磁波による電磁放射の影響を受けやすくなり、結果として基地局と携帯機間の通信がこれらの影響を受けやすくなるという意味でノイズに敏感になりやすいという問題が生じる。

本発明の目的は、インピーダンスマッチング不整合の問題や不要輻射発生の問題など、高周波伝送および回路設計上の諸問題を生じることなしに、基地局における送信アンテナと基地局の設置面および配置上の自由度を高めることができ、サービスエリアを自由に設定できる近接給電・通信装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明は、基地局制御回路を備える基地局側から携帯機制御回路を備える携帯機側へ近接給電を行うと共に、基地局と携帯機間で通信を行う近接給電・通信装置において、基地局側の送信回路を基地局制御回路が送出する信号をデジタル信号にして送出する機能を有する送信回路前段部と該デジタル信号を送信信号に高周波変調して送出する機能を有する送信回路後段部に分離し、前記送信回路前段部と前記送信回路後段部の間を送信バッファ、デジタル信号伝送路および受信バッファで接続し、前記受信バッファ、前記送信回路後段部、パワーアンプおよび送信アンテナをパワーアンプ内蔵送信アンテナユニットとして構成し、前記基地局から前記携帯機にLF信号が送信され、前記携帯機から前記基地局にUHF信号が送信され、前記基地局制御回路および前記携帯機制御回路は、LF信号送信期間、LF信号受信期間、UHF信号送信期間およびUHF信号受信期間を規定するとともに、LF信号送信期間に対してLF信号受信期間が、LF信号の空間的伝播遅延分に相当する第1の時間τ1だけ遅延するようにタイミング制御し、UHF信号送信期間に対してUHF信号受信期間が、UHF信号の空間的伝播遅延分に相当する第3の時間τ3だけ遅延するようにタイミング制御し、さらに、前記携帯機制御回路は、LF信号受信期間の終了時点に対してUHF信号送信期間の開始時点が、携帯機側でUHF信号がLF信号により影響されるのを回避できる第2の時間τ2だけ遅延するようにタイミング制御し、基地局でのUHF信号受信期間の開始時点は、LF信号送信期間の終了時点より上記第1、第2および第3の時間の合計時間(τ1＋τ2＋τ3)だけ遅延していることを特徴としている。

また、本発明は、前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニットが、さらに出力調整ボリュームまたは出力調整減衰器を有することを特徴としている。

また、本発明は、複数の前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニットをアレイ化してパワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を構成し、該パワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を使用して１つのサービスエリアに対してＬＦ信号を送信することを特徴としている。

また、本発明は、前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を複数使用し、複数のサービスエリアに対して信号を送信することを特徴としている。

さらに、本発明は、前記送信回路前段部が、前記基地局制御回路が送出する信号をマンチェスタ符号化し、デジタル信号として送出することを特徴としている。

本発明では、基地局側の送信回路を送信回路前段部と送信回路後段部に分離し、受信バッファ、送信回路後段部、パワーアンプおよび送信アンテナをパワーアンプ内蔵送信アンテナユニットとして構成し、該パワーアンプ内蔵送信アンテナユニットにデジタル信号を伝送するので、基地局内の制御回路部分とLF送信アンテナ間の配線長によるインピーダンスマッチング不整合の問題やアナログ伝送に伴う不要輻射発生の問題など、高周波伝送および回路設計上の諸問題を解消できる。これにより、送信アンテナと基地局の設置面および配置上の自由度を高めることができ、また、サービスエリア(送信信号の電磁波放射空間)を自由に設定できる。

また、複数のアンプ内蔵LF送信アンテナユニットをアレイ化してアンプ内蔵LF送信アンテナユニット群を構成することにより、サービスエリアを拡大し、また、複数のLF送信アンテナによりサービスエリアを自由に形成することができる。さらに、アンプ内蔵LF送信アンテナユニット群を複数使用することにより、サービスエリアをさらに拡大することができる。サービスエリアの拡大やサービスエリアの形成が自由にできる結果、移動中の利用者が所持する携帯機と基地局間の通信における安定性を高めることができる。

また、基地局から携帯機にLF帯の信号を送信し、携帯機から基地局にUHF帯の信号を送信することにより、基地局から携帯機への近接給電を受ける事のできるエリアが拡大することで、実質的に給電サービスを実現できるエリアを拡げることができる。

本発明に係る近接給電・通信装置を構成する基地局の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る近接給電・通信装置を構成する携帯機の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る近接給電・通信装置全体の実施形態を示すブロック図である。 本発明の基地局と携帯機間の送信および受信のタイミングの一例を示すタイムチャートである。 本発明における基本的な動作を示すフローチャートである。 本発明に係る近接給電・通信装置全体の他の実施形態を示すブロック図である。 本発明に係る近接給電・通信装置全体のさらに他の実施形態を示すブロック図である。

以下、図面を参照して本発明を説明する。以下では、基地局から携帯機に送信される信号をLF帯とし、携帯機から基地局に送信される信号をUHF帯とするが、本発明において、基地局から携帯機へ送信される信号、携帯機から基地局へ送信される信号は、この例に限定されない。ただし、基地局から携帯機へ送信される信号は、近接給電の給電効率からLF帯とするのが好ましい。

図１は、本発明に係る近接給電・通信装置を構成する基地局の実施形態を示すブロック図である。

本実施形態の基地局は、LF送信アンテナ1、出力調整ボリューム2、パワーアンプ3、LF送信回路後段部4、受信バッファ5、デジタル信号伝送路6、送信バッファ7、LF送信回路前段部8、基地局制御回路9、UHF受信回路10およびUHF受信アンテナ11を備える。出力調整ボリューム2は、出力調整減衰器であってもよい。

LF送信アンテナ1〜LF送信回路前段部8の部分は、LF信号をLFアンテナ1から送信するための構成であり、LF信号の電磁波が持つ放射磁界により携帯機に近接給電を行う近接給電用LF送信手段として機能する。LF信号には、例えば携帯機起動用信号や認証用信号などの通信用LF信号を含ませることができ、この場合には、LF送信アンテナ1〜LF送信回路前段部8の部分は、携帯機に通信用LF信号を送信する通信用LF送信手段としても機能する。LF送信回路前段部8は、基地局制御回路9が送出する信号をデジタル信号にして送出する機能を有し、LF送信回路後段部4は、このデジタル信号を高周波変調し、LF帯の送信信号として送出する機能を有する。出力ボリューム2は、LF送信アンテナ1から送信される出力を調整するものであるが、省略されることもある。

LF送信アンテナ1、出力調整ボリューム2、パワーアンプ3、LF送信回路後段部4および受信バッファ5は、アンプ内蔵LF送信アンテナユニット100として構成される。アンプ内蔵LF送信アンテナユニット100は、基地局制御回路9が送出する信号をLF送信回路前段部8、送信バッファ7およびデジタル信号伝送路6を介して受信する。アンプ内蔵LF送信アンテナユニット100が受信する信号は、LF送信回路前段部8でデジタル信号に変換されている。このデジタル信号は、例えば、マンチェスタ符号化された信号であり、送信バッファ7およびデジタル信号伝送路6を介してアンプ内蔵LF送信アンテナユニット100に伝送される。マンチェスタ符号化は、高電位から低電位への遷移で「1」が表現され、低電位から高電位への遷移で「0」が表現されるものであり、比較的簡単な回路構成で実現可能である。

アンプ内蔵LF送信アンテナユニット100において、受信バッファ5は、デジタル信号伝送路6の伝送途中で寄生容量などの影響により劣化したデジタル信号の波形を整形して元の1,0のデジタル信号に補償する機能を有する。波形の劣化が補償されたデジタル信号は、LF送信回路後段4で高周波変調され、LF帯の送信信号になる。このLF信号は、さらにパワーアンプ3で増幅され、さらに出力調整ボリューム2でレベル調整された後、LF送信アンテナ1から送信される。

UHF受信アンテナ11とUHF受信回路10は、携帯機から送信されるUHF応答信号を受信するUHF受信手段として機能する。UHF受信回路10は、携帯機から送信されるUHF応答信号が暗号化されていれば、UHF応答信号を復号する機能も有する。UHF受信アンテナ11とUHF受信回路10で受信されたUHF応答信号は、基地局制御回路9へ送出される。

基地局制御回路9は、UHF受信アンテナ11とUHF受信回路10で受信されたUHF応答信号に従って必要な制御、例えば、入退室管理装置の場合には、室入口ドアのロック開閉を制御する。このために、基地局制御回路9は、外部機器との間でデータをやり取りするインタフェースを備えている。

また、基地局制御回路9は、LF送信回路前段8 やLF送信回路後段4を含むLF送信回路とUHF受信回路10が動作するタイミングを制御する。このタイミングの制御については、後で詳細に説明するが、基地局がLF信号を送信するタイミングとUHF応答信号を受信するタイミングとが重ならないようにする。この際、LF信号の空間的伝播遅延分も考慮する。

以上のように、基地局において、LF送信回路をLF送信回路前段部8とLF送信回路後段部4に分割し、その間を送信バッファ7、デジタル信号伝送路6および受信バッファ5を介して接続し、基地局制御回路9が送出する信号をデジタル信号として伝送し、アンプ内蔵LF送信アンテナユニット100において、高周波変調してLF信号し、さらに増幅してLF送信アンテナ1に送出するようにしているので、アンテナと送信回路間のインピーダンスマッチング不整合の問題や不要輻射発生の問題など、高周波伝送および回路設計上の諸問題を解消することができる。したがって、LF送信アンテナ1の配置の都度あるいはLF送信アンテナ1の配置変更の都度、インピーダンスマッチング不整合の問題や不要輻射の問題などを個別に考慮、対策しないで、LF信号をLF送信アンテナ1まで伝送するためのデジタル伝送路の配線長を自由に決めることができる。また結果として、LF送信アンテナ1の配置の自由度を高めることができるので、サービスエリア(LF信号の電磁波放射空間)を自由に設定でき、システムの設置・設定が容易になる。また、アンプ内蔵型アンテナユニット100が備える出力調整ボリューム2を調整することにより、より細かいサービスエリアの環境整備が可能となる。

図２は、本発明に係る近接給電・通信装置を構成する携帯機の実施形態を示すブロック図である。

本実施形態の携帯機18は、LF受信アンテナ12、LF受信回路13、携帯機制御回路14、UHF送信回路15およびUHF送信アンテナ16を備える。

LF受信アンテナ12およびLF受信回路13は、基地局から送信されるLF信号を受信し、受信したLF信号を復調する機能を有する。また、LF受信回路13は、基地局から送信されるLF信号が暗号化されていれば、その信号を復号する機能を有し、さらにLF受信アンテナ12で受信された放射磁界による電磁誘導により電力を生成する機能も有する。そのため、LF受信回路13は、LF受信アンテナ12からの電力を整流する整流回路および電力を蓄えるコンデンサを含む。これにより生成された電力は、携帯機各部の動作エネルギとされる。

携帯機制御回路14は、LF受信回路13とUHF送信回路15が動作するタイミングを制御し、また、LF受信アンテナ12およびLF受信回路13を介して受信されたLF信号に従って携帯機内部の回路の起動や表示部の表示などの処理を行う。また、UHF送信回路15およびUHF送信アンテナ16を介して基地局に所定のコマンドやIDデータなどを含むUHF信号を送信する。

LF受信回路13とUHF送信回路15が動作するタイミング制御では、基地局と同様に、UHF応答信号を送信するタイミングとLF信号を受信するタイミングとが重ならないようにする。この際、UHF応答信号の空間的伝播遅延分も考慮する。具体的には、携帯機制御回路14によるタイミング制御を、基地局制御回路9でのタイミング制御に対応して行う。このタイミング制御は、基地局から送信される信号が携帯機で受信されるタイミングに基づいて、例えば、カウンタを用いて制御することで実現することができる。

図３は、本発明に係る近接給電・通信装置全体の実施形態を示すブロック図である。本実施形態は、図１の基地局と図２の携帯機を組み合わせて近接給電・通信装置を構成したものである。

本実施形態によれば、LF送信アンテナ1の配置の都度あるいはLF送信アンテナ1の配置変更の都度、インピーダンスマッチング不整合の問題や不要輻射の問題などを個別に考慮、対策しないで、基地局制御回路9〜送信バッファ7の部分とアンプ内蔵型アンテナユニット100を接続するデジタル信号伝送路6の長さを自由に決めることができる。これにより、LF送信アンテナ1の配置上の自由度を高めることができ、サービスエリア17（LF信号の電磁波放射空間）を自由に設定することができるので、システムの設置・設定が容易になる。

また、上記実施形態では、LF帯とUHF帯といった周波数が大きく異なる周波数帯を使用して基地局から携帯機への近接給電および携帯機から基地局への応答信号の送信を行っている。これによれば、基地局から携帯機への近接給電の際の給電効率を高めることができると共に、携帯機から基地局への通信の速度を高めることができる。また、暗号化の適用も容易になり、さらに、高調波による電磁界雑音効果を下げることができる。

さらに、後述するように、基地局において、LF信号を送信するタイミングとUHF応答信号を受信するタイミングとが重ならないようにすることにより、LF送信回路からLF送信アンテナを通して送信されるLF信号の電磁波が持つ放射磁界がUHF応答信号に入り込むことによる雑音、LF送信アンテナのアンテナループとUHF受信アンテナのアンテナループ相互間での導体パターン上に誘起する互いの電磁界によるアンテナ効果による雑音を抑制することができる。これにより、基地局において、LF送信アンテナから送信されるLF信号の電磁波が持つ放射磁界によりUHF受信アンテナによるUHF応答信号の受信が妨害されるのを防ぐことができ、携帯機から送信される応答信号の受信が不安定になるのを防ぐことができる。

また、携帯機において、UHF応答信号を送信するタイミングとLF信号を受信するタイミングとが重ならないようにすることにより、LF受信アンテナが受信する放射磁界により携帯機内部に発生する電源雑音によるUHF送信回路への影響、LF信号によるUHF送信回路への影響を抑制することができる。これにより、携帯機においては、携帯機のUHF送信アンテナから送信されるUHF応答信号によりLF受信アンテナによるLF信号の受信が妨害されるのを防ぐことができ、また、基地局のLF送信アンテナから送信されるLF信号によりUHF応答信号の送信が不安定になるのを防ぐことができる。

以上のように送受信のタイミングを制御すれば、基地局と携帯機間の有効通信距離の低下を最大限抑制して通信可能距離を拡大し、安定した通信を実現することができる。なお、このタイミング制御に際しては、LF信号やUHF応答信号の空間的伝播遅延分も考慮する。

基地局のLF送信アンテナから送信されるLF信号の電磁波が持つ放射磁界によるUHF受信アンテナでの受信妨害は、LF送信アンテナとUHF受信アンテナを空間的に分離して形成することにより、さらに効果的に防ぐことができる。具体的には、LF送信アンテナとUHF受信アンテナを同一の導体パターン上に形成せずに、分離して形成すればよい。

図４は、本発明の基地局と携帯機間の送信および受信のタイミングの一例を示すタイムチャートである。

基地局は、LF送信タイミングと休止を繰り返す。また、休止の期間内の予め設定された期間にUHF応答受信タイミングを設定する。LF送信タイミングでは、携帯機へ近接給電用バースト信号(LF信号)と通信用信号(LF信号)を送信し、UHF応答受信タイミングでは、携帯機からのUHF応答信号を待つ。休止は、１つの周波数を継続して占有しないようにするために設けるものである(電波法の規定に従う)。

LF送信タイミングの期間(TSL)は、携帯機において近接給電によりその動作エネルギが確保されるまでの時間により規定される。近接給電は、近接給電用バースト信号だけでなく、LF送信データによっても行われる。逆に、近接給電用バースト信号を全てLF送信データで代用することも可能である。

例えば、LF送信タイミングの期間(TSL)は、携帯機が全くの初期状態にあるとし、その状態から携帯機各部の起動に必要な動作エネルギが生成されるまでの時間を予め求めることにより得ることができる。

携帯機は、LF受信タイミングと休止を繰り返す。また、休止の期間内の予め設定された期間にUHF応答送信タイミングを設定する。LF受信タイミング、休止、UHF応答送信タイミングはそれぞれ、基地局でのLF送信タイミング、休止、UHF応答受信タイミングに対応する。

しかし、LF受信タイミング、休止の期間は、基地局側のLF送信タイミング、休止の期間に対し遅延補正量τ１だけ遅らせ、UHF応答受信タイミングは、UHF応答送信タイミングに対し遅延補正量τ３だけ遅らせる。τ１、τ３は、LF信号、UHF応答信号の空間的伝播遅延分に相当する時間に設定する。また、UHF応答送信タイミングの開始時点を、LF受信タイミングの終了時点より遅延補正量τ２だけ遅らせる。遅延補正量τ２は、携帯機側でUHF応答信号がLF信号の受信から影響されるのを確実に回避するために、例えば、LF信号(データ)の１ビット相当分などの値に設定する。さらに、基地局側は、LF送信とUHF受信を連続して動作させる際にも、携帯機からのUHF応答信号がLF送信回路側に回り込んで次のLF送信が妨害されないように、基地局側のLF送信タイミングの開始時点より前に間隔(例えば、数msec〜数十msec)をあけてUHF受信タイミングを終了できるように、携帯機側のUHF送信タイミングを設定する。このことにより、基地局においては、LF送信タイミングとUHF応答受信タイミングとの間に間隔を持つので、LF信号がUHF受信回路側に回り込むことによる妨害も生じない。

携帯機は、LF受信タイミングで、基地局からLF送信タイミングで送信される近接給電用バースト信号を受信し、電磁誘導による電力を生成する。また、必要に応じてLF送信データに対する応答信号を生成する。

LF受信を行うLF受信タイミングの期間(TRL)は、携帯機の動作エネルギが確保されるまでの時間により規定される。具体的には、LF受信タイミングの期間(TRL)は、LF送信タイミングの期間(TSL)と同一に設定される。

携帯機は、基地局からの近接給電により生成された電力を動作エネルギとし、必要に応じて、UHF応答送信タイミング内にUHF応答信号を送信する。UHF応答送信タイミングの期間(TSU)は、携帯機の動作可能時間により規定される。すなわち、UHF応答送信タイミングの期間(TSU)の期間は、基地局からの近接給電による動作エネルギにより携帯機が動作可能な時間を越えない時間内に予め設定される。

基地局は、携帯機から送信されるUHF応答信号をUHF応答受信タイミングで待つ。UHF応答受信タイミングの期間(TRU)は、携帯機の動作可能な時間により規定されるUHF応答送信タイミングの期間(TSU)を基準に規定される。具体的には、UHF応答受信タイミングの期間(TRU)の最大値は、携帯機側からのUHF応答信号の再送を考慮した場合のUHF応答送信タイミングの期間(TSU)の最大値と同一とされる。

図４は、基地局からLF信号を２回繰り返して送信をする場合のタイムチャートを示すが、実際には、基地局から携帯機にLF信号を送信し、該LF信号を受信して近接給電される携帯機からUHF応答信号を送信し、該UHF応答信号を基地局で受信するという動作を1回で終了させてもよいし、３回以上繰り返してもよい。

図４のタイムチャートのように、基地局と携帯機間でのLF信号やUHF信号の送受信に際し、送受信タイミングに遅延補正量τ１、τ２、τ３を持たせることにより、基地局においては、LF送信アンテナから送信されるLF信号の電磁波が持つ放射磁界がUHF受信回路側へ回り込むことによる雑音、LF送信アンテナのアンテナループとUHF受信アンテナのアンテナループ相互間での導体パターン上に誘起する互いの電磁界によるアンテナ効果による雑音を抑制することができる。また、携帯機においては、UHF送信アンテナから送信されるUHF応答信号がLF受信回路側へ回り込むことによる雑音、LF受信アンテナのアンテナループとUHF送信アンテナのアンテナループ相互間での導体パターン上に誘起する互いの電磁界によるアンテナ効果による雑音を抑制することができる。これにより、基地局と携帯機間の有効通信距離を最大限拡大することができる。

通信に際してのセキュリティ性を確保するために、基地局および携帯機にその機能を持たせるのが好ましい。セキュリティ性の確保には、例えば、基地局と携帯機を個別に識別する方法と通信用LF信号を暗号化する方法の一方あるいは両方を利用することができる。

基地局と携帯機を個別に識別する方法では、予め基地局と携帯機それぞれに個別のIDを付与しておき、そのIDを基にグループ内での通信を可能にする。通信が可能なグループに属する基地局と複数の携帯機を識別するために、グループとなる基地局IDと複数の携帯機IDの組み合わせテーブルを基地局のメモリと携帯機のメモリにそれぞれ登録しておき、それらのIDを使用して基地局と携帯機を個別に識別する。

具体的には、近接給電時に基地局からその基地局IDを含むLF信号を送信する。携帯機は、受信したLF信号に含まれる基地局IDが自携帯機を含む通信可能なグループ内の基地局IDであれば、正常に起動して自携帯機IDを含むUHF応答信号を送信する。該当する基地局IDでない場合には、携帯機は応答しないので、不要なUHF電波を出力しない。基地局は、携帯機から送信されるUHF応答信号を受信し、それに含まれる携帯機IDが自基地局を含む通信可能なグループ内の携帯機IDであれば、正しいUHF応答信号と認識する。

通信用LF信号を暗号化する方法では、一般的なM系列カウンタを用いたローリングコード方式を採用することができる。送信するLF信号のデータ配列や有効データの配置・抽出において、グループに属する基地局と携帯機でユニークな対応関係と初期値を用い、単純なローリングコード方式とは異なる方法で通信用LF信号の暗号化、復合化を行なうようにしてもよい。

図５は、本発明における基本的な動作を示すフローチャートである。ここでは、基地局と携帯機を個別に識別する方法を採用して、セキュリティ性を確保するようにしている。

まず、基地局においてトリガが与えられたか否かを判定する(S11)。トリガは、基地局の電源がオンであれば、LF送信タイミング(TSL)が開始する各タイミングで与えられる。トリガが与えられなければ、トリガが与えられるまで待つ。トリガが与えられれば、LF送信タイミング(TSL)となり、基地局は、自基地局IDを含むLF信号を送信する(S12)。LF信号の送信は、LF送信タイミングの期間(TSL)中で継続して行われ、LF送信タイミングの期間(TSL)が経過すれば終了する。

携帯機は、基地局から送信されたLF信号の電磁波の放射磁界による電磁誘導で電力を生成する(S13)。携帯機は、これにより生成された電力を動作エネルギとし、各部(LF受信回路、携帯機側制御回路、UHF送信回路)を起動させる(S14〜S16)。この起動に起動用コード信号のような特別な信号が必要ならば、その信号もLF信号に含ませる。

次に、携帯機は、基地局から送信されるIF信号に基づいて正当性認証を行う(S17)。ここで正当性が認証されれば、携帯機は、UHF応答信号を送信する(S18)。正当性認証は、具体的には、上述したように、グループを構成する基地局IDに基づいて行い、受信したLF信号に含まれる基地局IDが自携帯機を含む通信可能なグループ内の基地局IDであれば、正常に起動して自携帯機のIDを含むUHF応答信号を送信する。しかし、正当性が認証されなければ、S11のステップに戻る。

携帯機は、UHF応答送信タイミングの期間(TSU)内においてUHF応答信号を送信する(S18)。このUHF応答信号は、自携帯機IDを含む。基地局は、UHF応答受信タイミングの期間(TRU)内においてUHF応答信号を受信する(S19)。ここでは、UHF応答信号に含まれる基地局IDにより携帯機の正当性認証も行う。その後、必要に応じてS11からのステップを繰り返す。

図６は、本発明に係る近接給電・通信装置全体の他の実施形態を示すブロック図である。

本実施形態では、サービスエリアを拡張するために、2つのアンプ内蔵型アンテナユニットを使用し、これらのアンプ内蔵型アンテナユニットを別々のエリアに配設したものである。

ここでは、ここでは、アンプ内蔵型アンテナユニット100-1、100-2を用い、基地局制御回路9およびLF送信回路前段部8から送信バッファ7-1、7-2およびデジタル信号伝送路6-1、6-2を介して各アンプ内蔵型アンテナユニット100-1、100-2にデジタル信号を伝送するようにしている。なお、アンプ内蔵型アンテナユニット100-1、100-2へのるデジタル信号の伝送は、共通(1個)の送信バッファおよびデジタル伝送路でも可能である。アンプ内蔵型アンテナユニット100-1、100-2はそれぞれ、サービスエリア21-1、21-2に対してLF信号を送信する。より多くのアンプ内蔵型アンテナユニットを用いれば、全体としてのサービスエリアをさらに広くすることができる。

本実施形態によれば、互いに距離が離れているエリアにそれぞれアンプ内蔵型アンテナユニットを配設し、各アンプ内蔵型アンテナユニットから各エリアにLF信号を送信することができるので、全体としてのサービスエリアを拡大することができる。その際、各アンプ内蔵型アンテナユニットへはLF信号を良好に伝送することができ、デジタル信号伝送路の長さは、インピーダンスマッチング不整合の問題や不要輻射の問題などを個別に考慮、対策しないで設定可能であるので、LF送信アンテナの設置工事や再配置を自由に行うことができる。このように、複数のアンプ内蔵型アンテナユニットを使用することにより、サービスエリアを拡張することができ、広いエリアを移動する携帯機18に対する通信が可能になる。

図７は、本発明に係る近接給電・通信装置全体のさらに他の実施形態を示すブロック図である。

本実施形態は、複数のアンプ内蔵型アンテナユニットをアレイ化してアンプ内蔵型アンテナユニット群を構成し、アンプ内蔵型アンテナユニット群で１つのサービスエリアに対してLF信号を送信するように構成したものである。

ここでは、アンプ内蔵型アンテナユニット100-1〜100-3、100-4〜100-6をそれぞれアレイ化して2つのアンプ内蔵型アンテナユニット群200-1、200-2を構成し、基地局制御回路9から送信バッファ7-1、7-2およびデジタル信号伝送路6-1、6-2を介して各アンプ内蔵型アンテナユニット群200-1、200-2にデジタル信号を伝送するようにしている。なお、アンプ内蔵型アンテナユニット群200-1、200-2に対するデジタル信号の伝送は、共通(1個)の送信バッファおよびデジタル伝送路でも可能である。アンプ内蔵型アンテナユニット群200-1、200-2はそれぞれ、サービスエリア21-1、21-2に対してLF信号を送信する。より多くのアンプ内蔵型アンテナユニット群を用いれば、全体としてのサービスエリアをさらに広くすることができる。

本実施形態によれば、LF送信アンテナの指向性による制限を補う面でもサービスエリアの拡張が可能になり、移動中の携帯機に対する通信の安定性が向上する。また、アンプ内蔵型アンテナユニットが備える出力調整ボリュームを調整することにより、より細かいサービスエリアの環境整備が可能になる。

以上実施形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々に変形されたものも含む。

例えば、図１の基地局は、１組のLF送信アンテナ1とLF送信回路2を備え、これを近接給電と通信に兼用する構成であるが、近接給電用LF送信アンテナと近接給電用LF送信回路、通信用LF送信アンテナと通信用LF送信回路を備え、近接給電用送信手段と通信用送信手段を別々にした構成にすることもできる。この構成によれば、近接給電用LF送信アンテナとして低インピーダンスのアンテナを用いることができるので、基地局と携帯機間の近接給電の効率を高めることができ、また、通信用LF信号の周波数と近接給電用LF信号の周波数を異ならせることもできる。

また、図２の携帯機は、1つだけのLF受信アンテナを備え、これを近接給電と通信に兼用する構成であるが、近接給電用LF受信アンテナと通信用LF受信アンテナを別々に備えた構成にすることもできる。一般に、放射磁界による電磁誘導には低インピーダンスのアンテナが電力効率がよく、通信用信号の受信には高インピーダンスのアンテナが受信効率がよいことが知られている。そこで、低インピーダンスの近接給電用LF受信アンテナと高インピーダンスの通信用LF受信アンテナを別々に備えることも好ましい。この場合、通信用LF受信アンテナは、その指向性をよくするため、X軸、Y軸の２軸構成の２次元方式のアンテナあるいはX軸、Y軸、Z軸の３軸構成の３次元方式のアンテナが好ましい。

1,1-1〜1-6・・・LF送信アンテナ、2・・・出力ボリューム、3・・・パワーアンプ、4・・・LF送信回路後段部、5・・・受信バッファ、6,6-1,6-2・・・デジタル信号伝送路、7,7-1,7-2・・・送信バッファ、8・・・LF送信回路前段部、9・・・基地局制御回路、10・・・UHF受信回路、11・・・UHF受信アンテナ、12・・・LF受信アンテナ、13・・・LF受信回路、14・・・携帯機制御回路、15・・・UHF送信回路、16・・・UHF送信アンテナ、17,17-1,17-2・・・サービスエリア、18・・・携帯機、100,100-1〜100-6・・・アンプ内蔵LF送信アンテナユニット、200-1,200-2・・・アンプ内蔵LF送信アンテナユニット群

Claims (5)

1. 基地局制御回路を備える基地局側から携帯機制御回路を備える携帯機側へ近接給電を行うと共に、基地局と携帯機間で通信を行う近接給電・通信装置において、
   基地局側の送信回路を前記基地局制御回路が送出する信号をデジタル信号にして送出する機能を有する送信回路前段部と該デジタル信号を送信信号に高周波変調して送出する機能を有する送信回路後段部に分離し、
   前記送信回路前段部と前記送信回路後段部の間を送信バッファ、デジタル信号伝送路および受信バッファで接続し、
   前記受信バッファ、前記送信回路後段部、パワーアンプおよび送信アンテナをパワーアンプ内蔵送信アンテナユニットとして構成し、
   前記基地局から前記携帯機にＬＦ信号が送信され、前記携帯機から前記基地局にＵＨＦ信号が送信され、
   前記基地局制御回路および前記携帯機制御回路は、ＬＦ信号送信期間、ＬＦ信号受信期間、ＵＨＦ信号送信期間およびＵＨＦ信号受信期間を規定するとともに、ＬＦ信号送信期間に対してＬＦ信号受信期間が、ＬＦ信号の空間的伝播遅延分に相当する第１の時間τ１だけ遅延するようにタイミング制御し、ＵＨＦ信号送信期間に対してＵＨＦ信号受信期間が、ＵＨＦ信号の空間的伝播遅延分に相当する第３の時間τ３だけ遅延するようにタイミング制御し、さらに、前記携帯機制御回路は、ＬＦ信号受信期間の終了時点に対してＵＨＦ信号送信期間の開始時点が、携帯機側でＵＨＦ信号がＬＦ信号により影響されるのを回避できる第２の時間τ２だけ遅延するようにタイミング制御し、基地局でのＵＨＦ信号受信期間の開始時点は、ＬＦ信号送信期間の終了時点より上記第１、第２および第３の時間の合計時間(τ１＋τ２＋τ３)だけ遅延していることを特徴とする近接給電・通信装置。
2. 前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニットは、さらに出力調整ボリュームまたは出力調整減衰器を有することを特徴とする請求項１に記載の近接給電・通信装置。
3. 複数の前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニットをアレイ化してパワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を構成し、該パワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を使用して１つのサービスエリアに対してＬＦ信号を送信することを特徴とする請求項１または２に記載の近接給電・通信装置。
4. 前記パワーアンプ内蔵送信アンテナユニット群を複数使用し、複数のサービスエリアに対して信号を送信することを特徴とする請求項３に記載の近接給電・通信装置。
5. 前記送信回路前段部は、前記基地局制御回路が送出する信号をマンチェスタ符号化し、デジタル信号として送出することを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の近接給電・通信装置。

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