JP3045861B2 - 構造物内簡易通信方式 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、トンネルや地下街など
構造上電波の空間伝搬が制約された構造物内の簡易通信
方式に関し、特に、構造物の内壁面やその構造の影響を
おさえ、構造物内の移動体通信機と間の良好な通信状態
を確保するのに好適なものである。

【０００２】

【従来の技術】遠隔地との交信のため地下にトンネルを
設けて電線やケーブル類を敷設したり、交通の便をはか
るため道路が山間部を通るとき一部にトンネルを設ける
等、現代社会においては、トンネルの存在は非常に大き
くなっている。それによって、トンネル内を人々が通行
し或いはメンテナンスのためトンネル内で仕事をするな
ど、人々がトンネル内で活動するような事態が通常に起
こるようになってきている。

【０００３】トンネル内を通行したり、内部で仕事をし
たりする場合、相互に離れた人々の間で通信を行う必要
の生ずることは、しばしばである。このような場合、図
１３（ａ）に示すように、トンネル２００内の適当なと
ころに固定通信装置（固定電話機１２１１等）を置き、
分岐ケーブル１２１２，通信ケーブル１２１３，分岐器
１２１４，交換器１２１５等をつないで通信機端末間で
通話を行う方法がある。この方法では、通信装置端末の
数が非常に多くない限り端末へ届く時間を要し、実用的
なメリットはほとんどない。通話相手が適当な端末位置
にいることも約束されておらず、通話が成立する可能性
は極めて低い。人々の位置は定まっておらず不定である
ので、特定の場所間の固定通信装置を利用するのは誠に
不便である。図１３（ｂ）は、これに対し、固定通信端
末にコードレスフォーン１２１６のごときものを用いて
若干の移動を可能にしたものであるが移動可能範囲は極
めて狭く、前述の欠点を解決できない。

【０００４】ここで、トランシーバなどの簡易型移動通
信機を用いて相互に通信できれば実用上非常に有意義で
あり、それにより非常に便利に通信できるようになる。
ところが実際によく経験するように、トンネル内でトラ
ンシーバを用いて通信しようとすると、相互に直視の状
態にある場合は、なんとか通話可能であるが、トンネル
がまがって相手が見えない状態になるとたちまち通話不
能になってしまう。

【０００５】このため、いろいろな方法が考えられてい
る。例えば、図１４（ａ）に示すように、トンネル２０
０内の壁面に沿って長さ方向に１条のアンテナ線１３１
１を張り、トンネル２００内の任意の位置でアンテナ線
１３１１を介してトランシーバー２０１Ａ，２０１Ｂ間
の通信を行う方法がある。しかし、この方法では、アン
テナ線１３１１に沿っての減衰が大きく、実用的に通信
できない。そこで、これを改良して、図１４（ｂ）に示
すように、例えば管理センター１３１４からアンテナ線
１３１１に情報を乗せて受信器２０１Ｃで受信させるこ
とによって放送を行うものがある。この方法では、管理
センターからアンテナ線に大きな電力を供給できるの
で、数メガヘルツの周波数以下での実用例がある。

【０００６】また、図１５（ａ）に示すように、新幹線
の電話通信などで実用化されているＬＣＸを用いる方法
がある。ＬＣＸは、同軸ケーブルの外部導体に適当な穴
が設けられ、これに電波を通すことによってその一部が
外へ漏れて、その近辺に漏洩電磁界を発生させるもので
ある。これによりＬＣＸ１５１１を介して電車１５０１
の通信装置１５１２と中継装置１５１３との間の通信が
なされている。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】図１４（ｂ）に示した
アンテナ線１３１１を張る方法では、管理センターから
トンネル内の人間に一方向に行われているだけであり、
トンネル内の人間相互の通信は、非常に大きな電力が必
要なため通信機が大型化し、携帯性を著しくそこねる。
実用的には、トンネル内の人間相互の通信は無理であ
る。また、図１５（ａ）に示したＬＣＸを用いる方法で
は、ＬＣＸの技術的制約から８０〜２０００ＭＨｚ程度
の周波数が用いられ、ケーブルの持つ大きな損失により
通信装置の出力を２００Ｗ前後の大きな値にして通信品
質を確保している。これを図１５（ｂ）に示すように、
移動者間（トランシーバー２０１Ａ，２０１Ｂ間）の通
信に用いると、さらにＬＣＸと通信機（トランシーバー
２０１Ａ，２０１Ｂなど）の間の結合損失が加わるた
め、図１４（ａ），（ｂ）に示したアンテナ線１３１１
を張る方法と同様の問題を生じ、実用的には、トンネル
内の人間相互の通信は無理である。このように、トンネ
ル内で相互に無線通信を行い得るようにするため、種々
の工夫，努力がなされているのが現状である。

【０００８】本発明では、トンネル内でトランシーバー
などの簡易型移動通信機を用いて良質な通信を行い得る
方式を提案する。本発明の方式では、単にトンネル内で
の無線通信のみならずその応用分野は広い。

【０００９】

【課題を解決するための手段】請求項１記載の構造物内
簡易通信方式の発明は、構造上電波の空間伝搬が制約さ
れた構造物内に、少なくとも２本の導体からなるアンテ
ナ線路を設け、構造物内の第１の通信機からの電波をア
ンテナ線路に結合伝搬させ、アンテナ線路を伝搬した電
波を第２の通信機に受信させて、各通信機間の通信を行
う構造物内簡易通信方式であって、アンテナ線路は、一
端から電波の１／４波長の奇数倍程度離れた位置に直列
に設けられた給電点と、他端から電波の１／４波長の奇
数倍程度離れた位置に直列に設けられた整合抵抗と、を
有する第１の導体と、他端から電波の１／４波長の奇数
倍程度離れた位置に直列に設けられた整合抵抗を有する
第２の導体と、を備え、第１および第２の導体の両端が
互いに短絡されることによって構成されたローディング
型アンテナである構成を採る。

【００１０】このように、本発明の構造物内簡易通信方
式では、第１の通信機からの電波は、アンテナ線路を結
合伝搬して第２の通信機に受信される。アンテナ線路は
少なくとも２本の導体からなり、電波はこれらの導体の
間で結合するので、構造物の内壁面の影響が小さくなっ
て伝搬距離が長くなる。構造上電波が伝搬しずらい領域
にアンテナ線路を設けることで、この領域にも伝搬す
る。また、アンテナ線路がローディング型アンテナであ
るので、アンテナ線路の感度が向上し、伝送品質がより
向上する。

【００１１】請求項２記載の発明は、請求項１記載の構
造物内簡易通信方式において、構造物内部が複数の領域
に区分され、この区分された各領域にローディング型ア
ンテナがそれぞれ設けられ、各ローディング型アンテナ
の給電点同士が接続され、各ローディング型アンテナが
構造物外に設けられた中央通信装置に接続され、第１又
は第２の通信機からのローディング型アンテナに結合伝
搬した電波を中央通信装置に受信させ、又は、中央通信
装置の出力をローディング型アンテナで伝搬させて第２
又は第１の通信機に受信させ、中央通信装置と各通信機
との間の通信をさらに行う構成を採る。

【００１２】このように、構造物内の区分された各領域
に、ローディング型アンテナがそれぞれ設けられた場
合、構造物内の構造に合わせて電波を伝搬させることが
でき、感度がより向上する。

【００１３】

【実施例】本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１には、本発明の構造物内簡易通信方式の基本構成が
示されている。

【００１４】この構造物内簡易通信方式は、トンネル２
００内に、導体線２０３Ａ，２０３Ｂを近接して２本ほ
ぼ平行に張り往復線路２０３（アンテナ線路）とし、こ
の２本の導体線からなる往復線路２０３に、送り手のト
ランシーバー２０１Ａの出力を結合させて伝搬させ、受
け手のトランシーバー２０１Ｂで送られてきた電波を受
信して通信を成立させ、移動者間の無線通信を容易にお
こなわしむるものである。図１では、１つの導体線２０
３のルートに沿った通信を行う場合のものが示されてい
る。

【００１５】この構造物内簡易通信方式が有効であるこ
とについて、図１４（ａ），（ｂ）に示した１条のアン
テナ線を張る方法との比較によって、つぎのように考察
される。図１４（ａ），（ｂ）において、移動者の間で
通信が成立するのは、送り手のトランシーバー２０１Ａ
から出た電波が、アンテナ線１３１１に結合し、このア
ンテナ線１３１１に沿って伝搬し、アンテナ線１３１１
の張られている領域にある受け手のトランシーバー２０
１Ｂに伝搬した電波が結合し、受信されて通信が成立す
るものと考えられる。ここで、アンテナ線１３１１に沿
っての波（電磁波）の伝搬モードは、図２に示すよう
に、その電界がアンテナ線１３１１からでてトンネル２
００の壁面で終端するようになっていて、アンテナ線１
３１１を往路、トンネル２００の壁面を復路とする伝送
路を形成するようになっていると考えられる。トンネル
の壁面は、コンクリートなどの導電性の悪い材料で構成
されているので、壁面における高損失，壁面の伝送性の
悪さによる高次モードの発生及びこれによる放射損失の
増大、さらにはトンネル内にある物品による電磁界の散
乱に起因する損失の増加などにより、このようなトンネ
ル２００の壁面を伝送路とするような伝搬は非常に損失
の大きなものとなっている。このため、図１４（ａ），
（ｂ）のような場合においては、通信者間の距離が少し
大きくなると、電波が届かなくなり、期待に反して通信
距離が延びなくなるのである。

【００１６】これに対し、図１に示した２本の導体線２
０３Ａ，２０３Ｂからなる往復線路２０３を設けた場
合、図３（ａ），（ｂ）のような二つの伝搬モードが考
えられる。図３（ａ）では、往復線路２０３に沿っての
波の伝搬モードは、その電界が２本の導体線２０３Ａ，
２０３Ｂを結ぶようになっており、それらを往復路とす
る伝送路を形成するような往復線路モードとなってい
る。この往復線路モードでは、往復路がともに導体とな
っているので、減衰が小さく遠方まで伝搬する。また、
その電磁界は導体線２０３Ａ，２０３Ｂ近傍に集まって
いるため、トンネル内にある物品による散乱の影響も小
さい。図３（ｂ）では、前述の図２のモードが２つ集ま
ったようになっており、減衰が大きく遠くへは伝搬しな
い。図１の往復線路２０３では、これらのモードが重な
りあっており、図３（ａ）の往復線路モードの成分が遠
くへ伝わり通信を成立させる。

【００１７】この往復線路モードの成分をいかに良好に
とるかが、図１の往復線路２０３による通信距離を左右
する。導体線２０３Ａ，２０３Ｂの線間間隔が大きすぎ
ると、それら導体線が個々に存在する場合（例えば、図
３（ｂ）のモード）に近くなり、効果がなくなってしま
う。一方、線間間隔を小さくし過ぎると往復線路モード
の励振効率が悪くなり、効果が小さくなってしまう。実
測によるとこの効果の大きい範囲は線間間隔が数センチ
から数十センチの間のようであった。さらに、導体線２
０３Ａ，２０３Ｂとトンネル２００の壁面との距離も重
要なファクターである。この距離が線間間隔よりも小さ
くなると、前述の導体線が個々に存在する場合に近くな
って、特性が悪くなってくる。この現象は、図４（ａ）
に示したように、導体線２０３Ａ，２０３Ｂのトンネル
２００の壁面までの距離が同程度の場合に大きくあらわ
れ、図４（ｂ）のように一方の導体線のみが壁面に近付
く場合はあまり目立たない。

【００１８】これらを換言すると、線間間隔については
励振効率を大きくかつ両方の導体線とトンネルの壁面と
の電気的結合を小さくなるようにとり、トンネルの壁面
までの距離については線間間隔より大きくし、また、一
方の導体線を壁面に近く配置してトンネルの壁面に対し
遮蔽効果を持たせるようにすることで、電波を遠方まで
伝搬させることができる。このように、所定の線間間隔
及びトンネルの壁面までの距離をとって、遮蔽効果を持
たせるように導体を配置すれば良いので、往復線路２０
３の構成について変形が可能である。例えば、図４
（ｂ）の配置において、遮蔽効果を大きくするように、
壁面に近く配置する導体線２０３Ａを複数にしても良
い。また、壁面から遠い方の導体線２０３Ｂを複数にし
て電気的結合のバリエーションをもたすことができる。
さらに、壁面に近く配置する導体線について、電気的に
等価的に板状の導体（板状，メッシュ状，格子状などの
機械的形状を含む）で遮蔽するように配置してもよい。

【００１９】つぎに、図１の基本方式において、往復線
路２０３の終端をどの様に処理すれば良いかについて説
明する。

【００２０】終端処理法としては、図５（ａ）の開放、
図５（ｂ）の短絡、図５（ｃ）の抵抗終端の３種類があ
る。開放及び短絡の場合は、往復線路２０３に結合する
電波が図６（ａ），（ｂ）のように定在波状に分布する
ことになり、理論上は定在波の谷では受信器への結合が
弱くなり、通信が行ないにくくなる（実際には若干移動
すれば通信できるようになるので大きな問題ではないか
もしれない）。これに対して、往復線路２０３の一端或
いは両端を抵抗終端にした場合は、特に整合抵抗Ｒの値
を往復線路モードに対する特性インピーダンスに近い値
にすれば、インピーダンスマッチング（整合）がとれ
て、往復線路上の結合した電波の強度変動が小さくなり
場所による通信困難点がなくなって、良好な通信状態が
確保される。図６（ｃ）には整合がとれていない場合、
図６（ｄ）には整合がとられている場合が示されてい
る。なお、整合が取られていると、往復線路上に沿った
電波の強度分布は理論上は一様になるが、実際には線路
の不均一性、線路支持物の影響や周囲の物品の影響など
により若干の変動が生ずることになる。

【００２１】これまでは、トンネルが一本であるものと
して、その壁面から適当な距離の位置に、トンネルの長
さ方向に一対の往復線路を架設してそれを介して無線通
信を行う方式について説明した。しかし、実際には、ト
ンネルが複雑なネットワーク状に構成されている場合が
ある。

【００２２】このような場合には、トンネルの分岐構造
に合わせて往復線路をネットワーク状に構成し、トンネ
ルの各分岐に少なくとも一対の往復線路が存在するよう
にしてトンネル内に張り巡らせる。図７は、このように
してトンネルの構造に応じて往復線路２０４をトリー状
に分岐させたものである。これらの往復線路２０４の終
端はすべて整合抵抗Ｒで終端されている。図８に示すよ
うに、終端を短絡した往復線路２０４Ａとした場合、終
端の反射波ｒによりこの往復線路２０４Ａは長さによっ
てそのインピーダンスが変動し、送り手から分岐点２０
５よりも先にある各往復線路において往復線路と無線器
との結合が安定しないことになる。最悪の場合（往復線
路の長さが電波の１／２波長の整数倍程度のとき）、分
岐点２０５に不整合終端線路（往復線路２０４Ａ）の定
在波の谷がくることになり、分岐点２０５で短絡された
のと等価になり、分岐点２０５を跨いだシステムの動作
は不確実になる。場合によっては、その分岐点の先の部
分と手前の部分との間の通信が不能になることもあり得
る。図７では、整合抵抗Ｒで終端することによって、こ
のような定在波が生じるのを防ぎ、往復線路２０４を任
意の長さで用い得るようにしている。

【００２３】これまでは、トンネル内に存在する移動無
線器間の通信のみを行う場合について説明した。ここ
で、移動無線器と中央通信装置との間或いはトンネル内
と外部との間の通信が可能になることによって実用性の
高いシステムになる。これには、図９に示すように、中
央通信装置２０９を往復線路２０３に接続するようにす
ることで達成される。中央通信装置２０９とトランシー
バー２０１Ａとは往復線路２０３を介して通信がなされ
ている。また、中央通信装置２０９に代えて、トンネル
外部からの電波を送受信する空中線を用いても良い。

【００２４】このような移動無線器と中央通信装置との
間或いはトンネル内と外部との間の通信を行う場合で
は、往復線路２０３から中央通信装置２０９或いは空中
線間での距離は比較的長くなるのが普通である。そのた
め、途中の伝送線路などの減衰があり、それを補償する
ために往復線路２０３から取り出せる信号ができるだけ
大きいほうが望ましい。この場合は、往復線路２０３を
伝送線として用いるのではなく、アンテナとして用いて
いるので、アンテナとしての感度をできるだけ高いもの
が適当である。

【００２５】アンテナとしての感度をあげる構成とし
て、往復線路２０３にかえて、図１０に示すようなロー
ディング型アンテナが適している。このローディング型
アンテナは、導体線の端から使用周波数の約１／４波長
（１／４λ）離れた点に給電点１０１が導体線に直列に
設けられ、反対側の端から使用周波数の約１／４波長離
れた点に整合抵抗１０２Ａが導体線に直列に接続されて
いる。さらに、略平行にもう一つの導体線が設けられ、
約１／４波長離れた点に整合抵抗１０２Ｂがアンテナ用
線条に直列に接続されている。これら２本の導体線の両
端は、それぞれ短絡されている。

【００２６】図１１は、図１０のローディング型アンテ
ナの受信電力分布（図１１（ａ））と、前述の往復線路
２０３の図１１（ｂ）の受信電力分布（図１１（ｂ））
とについてそれらの実測結果を示したものである。ここ
で、ローディング型アンテナは、使用周波数２０ＭＨｚ
（λ／４は約３ｍ＜波長短縮を考慮＞）とし、給電点−
整合抵抗間の長さを５０ｍとして製作されている。磁界
を発生する発振器を給電点から整合抵抗の方へアンテナ
に沿って移動させて測定している。給電点を原点とした
その移動距離を図１１の横軸に、給電点の受信電力レベ
ルを縦軸にとっている。図１１（ａ）では受信電力分布
がおよそ−８０ｄＢｍ付近となっており、図１１（ｂ）
では受信電力分布がおよそ−９０ｄＢｍ付近であること
から、図１０のローディング型アンテナの方が、１０ｄ
Ｂ以上感度が向上しているのが認められる。このローデ
ィング型アンテナも、前述の往復線路２０３同様、導体
線をそれぞれ複数で構成しても良い。また、電気的に等
価的に板状の導体（板状，メッシュ状，格子状などの機
械的形状を含む）で構成しても良い。

【００２７】図１０のローディング型アンテナにて、前
述の図７，図９のような構成が可能である。

【００２８】図１２には、ローディング型アンテナを用
いて、複雑な分岐を持ったトンネル内において中央通信
装置との通信を可能にした構成が示されている。ローデ
ィング型アンテナは、それ自体で閉じた構造になってい
るため、トンネル内部全体ををカバーできるように工夫
がなされている。トンネル２００の内部を適当な区域に
分け、これらの各区域にローディング型アンテナ２０８
が設置されている。各ローディング型アンテナ２０８を
つなぐ伝送線路２０７が，トンネルの構造に応じてネッ
トワーク状に設けられ、中央通信装置２０９に接続され
ている。これによって、各区域内の移動通信端末とその
区域のローディング型アンテナ２０８との間で、信号の
授受が行われ、その移動通信端末とトンネル内の他の移
動通信端末または中央通信装置２０９との間の通信が行
われている。ローディング型アンテナによって、感度が
向上し、より良好な通信が可能になっている。

【００２９】

【発明の効果】以上の通り本発明の構造物内簡易通信方
式によれば、第１の通信機からの電波は、アンテナ線路
を結合伝搬して第２の通信機に受信される。アンテナ線
路は少なくとも２本の導体からなり、電波はこれらの導
体の間で結合するので、構造物の内壁面の影響が小さく
なって伝搬距離が長くなる。構造上電波が伝搬しずらい
領域にアンテナ線路を設けることで、この領域にも伝搬
する。また、アンテナ線路がローディング型アンテナで
あるので、アンテナ線路の感度が向上し、伝送品質がよ
り向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の構造物内簡易通信方式の基本構成図。

【図２】１条のアンテナ線を張る場合の電波の結合の様
子をあらわす図。

【図３】往復線路を設けた場合の電波の結合の様子をあ
らわす図。

【図４】往復線路を設けた場合の電波の結合の様子をあ
らわす図。

【図５】終端処理法を示す図。

【図６】往復線路に結合する電波の分布図。

【図７】トンネルの分岐構造に合わせた往復線路の構成
図。

【図８】分岐の終端を短絡した場合の説明図。

【図９】中央通信装置をさらに設けたときの基本構成
図。

【図１０】ローディング型アンテナの基本構成図。

【図１１】受信電力分布の比較を示す図。

【図１２】ローディング型アンテナを用いたシステム構
成図。

【図１３】固定通信装置による方式の説明図。

【図１４】従来の通信方式の説明図。

【図１５】ＬＣＸを用いる方法の説明図。

【符号の説明】

１０１…給電点，１０２Ａ，１０２Ｂ…整合抵抗，２０
０…トンネル，２０１Ａ，２０１Ｂ…トランシーバー，
２０３，２０４…往復線路，２０３Ａ，２０３Ｂ…導体
線，２０５…分岐点，２０９…中央通信装置，２０８…
ローディング型アンテナ，Ｒ…整合抵抗。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 大本 勝美 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社 横浜製作所内 (72)発明者 龍頭 正博 神奈川県横浜市栄区田谷町１番地 住友 電気工業株式会社 横浜製作所内 (72)発明者 芝野 儀三 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社 大阪製作所内 (72)発明者 樋口 晴一 大阪府大阪市此花区島屋一丁目１番３号 住友電気工業株式会社 大阪製作所内 (72)発明者 村上 虎一 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 向井 保紀 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 島原 孝幸 東京都千代田区内幸町一丁目１番６号 日本電信電話株式会社内 (72)発明者 東郷 幸夫 東京都大田区大森西七丁目６番31号 住 電オプコム株式会社内 審査官 板橋 通孝 (56)参考文献 特開 昭63−267028（ＪＰ，Ａ) 特公 昭51−24210（ＪＰ，Ｂ１) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04B 5/00 H01Q 1/00 H04B 7/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 構造上電波の空間伝搬が制約された構造
   物内に、少なくとも２本の導体からなるアンテナ線路を
   設け、前記構造物内の第１の通信機からの電波を前記ア
   ンテナ線路に結合伝搬させ、前記アンテナ線路を伝搬し
   た電波を第２の通信機に受信させて、前記各通信機間の
   通信を行う構造物内簡易通信方式であって、 前記アンテナ線路は、 一端から前記電波の１／４波長の奇数倍程度離れた位置
   に直列に設けられた給電点と、他端から前記電波の１／
   ４波長の奇数倍程度離れた位置に直列に設けられた整合
   抵抗と、を有する第１の導体と、 他端から前記電波の１／４波長の奇数倍程度離れた位置
   に直列に設けられた整合抵抗を有する第２の導体と、を
   備え、 前記第１および第２の導体の両端が互いに短絡されるこ
   とによって構成されたローディング型アンテナであるこ
   とを特徴とする構造物内簡易通信方式。
2. 【請求項２】 前記構造物内部が複数の領域に区分さ
   れ、この区分された各領域に前記ローディング型アンテ
   ナがそれぞれ設けられ、前記各ローディング型アンテナ
   の前記給電点同士が接続され、前記各ローディング型ア
   ンテナが前記構造物外に設けられた中央通信装置に接続
   され、 前記第１又は第２の通信機からの前記ローディング型ア
   ンテナに結合伝搬した前記電波を前記中央通信装置に受
   信させ、又は、前記中央通信装置の出力を前記ローディ
   ング型アンテナで伝搬させて前記第２又は第１の通信機
   に受信させ、前記中央通信装置と前記各通信機との間の
   通信をさらに行うことを特徴とする請求項１記載の構造
   物内簡易通信方式。