JPH104313A - アンテナ装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】導水路、トンネル内においても、安定した高品
質な無線中継を行なうことができ、且つ、小型軽量化を
可能とする。 【解決手段】受信用アンテナ２１，２３、送信用アンテ
ナ２２、アンテナ取付板２４、及び送信用アンテナ２２
の高さを調整する球座２５、調整ボルト２６、ガイド２
７からなる高さ調整機構２８を備えている。受信用アン
テナ２１及び送信用アンテナ２２は、２素子右旋円偏波
マイクロストリップパッチ素子により構成し、受信用ア
ンテナ２３は、２素子左旋円偏波マイクロストリップパ
ッチ素子により構成している。上記受信用アンテナ２
１，２３は、右旋円偏波、左旋円偏波による円偏波ダイ
バーシティ受信を行なう。送信用アンテナ２２は、高さ
調整機構２８を介して約１／４λの高さで取付けられ
る。また、上記受信用アンテナ２１，２３及び送信用ア
ンテナ２２は、各々給電コネクタ２９が設けられる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、導水路、トンネル
等の周囲を壁面で囲まれた環境下での無線中継装置に使
用されるアンテナ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、導水路、トンネル等の周囲を壁面
で囲まれた環境下において、地上との間で通信を行ない
たい場合がある。上記導水路とは、主に水力発電所にお
いて、ダムによってせき止められた発電用の水を発電所
まで引くトンネル状の水路のことである。通常、導水路
内は、上記のように水によって満たされているが、導水
路の保守点検の際には、導水路内の水を抜き、作業員が
その内部に入って保守点検を行なうものである。この保
守点検の作業時、導水路から地上へ保守点検の状況を連
絡する必要がある。

【０００３】このように導水路、トンネル等の周囲を壁
面で囲まれた環境下における通信には、従来、図１１に
示す無線通信方式、あるいは図１２に示す漏洩同軸線路
による有線通信方式が用いられている。

【０００４】上記図１１、図１２において、１１は導水
路（またはトンネル）、１２は地上に設けられた固定局
装置、１３は導水路１１内に設置される固定局送受信ア
ンテナ、１４は導水路１１内に設置される漏洩同軸線
路、１８は移動機である。

【０００５】そして、導水路１１の保守点検を行なう場
合、作業員が移動機１８を持って導水路１１内に入り、
固定局送受信アンテナ１３あるいは漏洩同軸線路１４を
介して地上の固定局装置１２との間で通信を行なう。

【０００６】しかし、導水路、トンネル等の周囲を壁面
で囲まれた環境下においては、自由空間と比較して伝搬
損失、短区間受信レベル変動とも大きく、図１１に示す
無線を用いた通信では、伝搬距離、安定性の面で満足な
性能が得られず、また、図１２に示す漏洩同軸線路１４
による有線方式では、漏洩同軸線路１４の敷設、回収に
多大な費用と労力が必要となる。また、導水路、トンネ
ル坑内での緊急災害発生時には、有効な地上への連絡方
法が無いのが実情である。

【０００７】近年、上記のように問題を解決すべく、図
１に示す無線中継システムが研究開発されている。図１
において、１５ａ，１５ｂ，…は、導水路１１内に所定
間隔で設置される複数の無線中継機で、それぞれ中継用
アンテナ装置１６及び対移動機用アンテナ１７を備え、
導水路１１の出入口近傍に設置された無線中継機１５ａ
が地上の固定局装置１２にケーブル１９を介して接続さ
れる。上記無線中継機１５ａ，１５ｂ，…、中継用アン
テナ装置１６、対移動機用アンテナ１７は、一体化され
て無線中継装置を構成し、作業員が保守点検を行なう際
に無線中継装置を携行して順次導水路１１内に設置して
無線中継システムを構築する。

【０００８】そして、上記各無線中継機１５ａ，１５
ｂ，…間は、中継用アンテナ装置１６を介して無線によ
る信号の送受信が行なわれ、各無線中継機１５ａ，１５
ｂ，…と移動機１８との間は、対移動機用アンテナ１７
により信号の送受信が行なわれる。すなわち、固定局装
置１２から発せられた信号は、複数の無線中継機１５
ａ，１５ｂ，…及び中継用アンテナ装置１６により導水
路１１内を中継され、対移動機用アンテナ１７を介して
移動機１８に送信される。また、移動機１８から発せら
れた信号は、上記の場合と逆の経路で固定局装置１２へ
送られる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記のような無線中継
システムでは、作業員が保守点検を行なう際に無線中継
装置を携行して順次導水路１１内に設置するので、無線
中継装置、特に中継用アンテナ装置１６は小型軽量で、
且つ、安定した高品質な無線中継を行ない得ることが要
件となる。安定した高品質な無線中継とは、導水路、ト
ンネル内の場所及び時間的な受信レベルの変動が少ない
ことを意味する。また、導水路、トンネル内の伝搬損失
も重要な要因の一つである。すなわち、伝搬損失が少な
いほど中継可能となる距離は長くなり、無線中継装置の
総数を減らすことが可能となる。これは、無線中継シス
テム全体のコストダウンにつながるものである。

【００１０】本発明は上記の課題を解決するためになさ
れたもので、導水路、トンネル内においても、安定した
高品質な無線中継を行なうことができ、且つ、小型軽量
なアンテナ装置を提供することを目的とする。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、無線中継装置
用のアンテナ装置において、基板上に設けられた右旋円
偏波マイクロストリップパッチ素子及び左旋円偏波マイ
クロストリップパッチ素子からなり、円偏波ダイバーシ
ティ受信を行なう受信用アンテナと、上記基板上に上記
受信用アンテナとは高さの異なる位置に配置される円偏
波マイクロストリップパッチ素子からなる送信用アンテ
ナとを具備したことを特徴とする。

【００１２】また、本発明は、無線中継装置用のアンテ
ナ装置において、基板上に設けられた右旋円偏波マイク
ロストリップパッチ素子及び左旋円偏波マイクロストリ
ップパッチ素子からなり、円偏波ダイバーシティ受信を
行なう受信用アンテナと、上記基板上に設けられる円偏
波マイクロストリップパッチ素子からなる送信用アンテ
ナと、上記送信用アンテナを上記受信用アンテナとは異
なる高さ位置に保持すると共に、その高さ位置を調整す
る機能を備えた高さ調整機構とを具備したことを特徴と
する。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、図面を参照して本発明の一
実施形態を説明する。図２は本発明の一実施形態に係る
アンテナ装置の構成を示す図で、（ａ）は正面図、
（ｂ）は側面図である。図２に示すように、本実施形態
におけるアンテナ装置は、受信用アンテナ２１、送信用
アンテナ２２、受信用アンテナ２３、アンテナ取付板２
４、及び送信用アンテナ２２の高さによりアンテナ結合
量を調整するための球座２５、調整ボルト２６、ガイド
２７からなる高さ調整機構２８を備えている。

【００１４】上記受信用アンテナ２１及び送信用アンテ
ナ２２は、２素子右旋円偏波マイクロストリップパッチ
素子により構成し、受信用アンテナ２３は、２素子左旋
円偏波マイクロストリップパッチ素子により構成してい
る。上記受信用アンテナ２１，２３により、右旋円偏
波、左旋円偏波による円偏波ダイバーシティ受信を行な
うようにしている。

【００１５】上記受信用アンテナ２１，２３及び送信用
アンテナ２２は、各々１λの間隔でアンテナ取付板２４
に直接取り付けられ、送信用アンテナ２２は、高さ調整
機構２８を介して約１／４λの高さで取付けられて１基
のアンテナ装置を構成している。また、上記受信用アン
テナ２１，２３及び送信用アンテナ２２は、各々給電コ
ネクタ２９が設けられ、独立した入出力ができるように
なっている。そして、上記アンテナ装置は、１基ないし
２基で送信機、受信機等と共に、取付架台３０に取付け
られて無線中継装置を構成する。

【００１６】図３（ａ），（ｂ）は、上記高さ調整機構
２８の詳細な構成例を示す側面図である。送信用アンテ
ナ２２は、球座２５及び調整ボルト２６を介してアンテ
ナ取付板２４に取付けられる。調整ボルト２６には、高
さ調整兼固定用にネジが切られ、調整ボルト２６あるい
は固定ナット３１の一方を回転することによって送信用
アンテナ２２の高さを可変できる。また、送信用アンテ
ナ２２には、ガイド２７が設けられ、アンテナが傾くの
を防止している。

【００１７】なお、アンテナの最適高さは、周波数によ
って決定されるので、高さ調整機構２８を省略してアン
テナ高さを固定式としても、周波数を可変調整すること
により、最適の条件に設定することができる。

【００１８】次に上記アンテナ装置の作用効果について
説明する。本実施形態におけるアンテナ装置では、その
周波数帯域を例えば５〜６ＧＨｚとしている。図４に示
す導水路における周波数特性から、導水路内の電波伝搬
では周波数が低くなる程、その伝搬損失は増大する傾向
にあり、電波の伝搬距離は短くなる。一方、受信レベル
の安定性を表す短区間レベル変動は、周波数が高くなる
程増大する傾向にある。従って、周波数が低い場合、所
定の伝搬距離を確保することができないために中継数が
増加してコスト高となり、実用的でない。また、周波数
が高い場合は伝搬距離は確保できるものの、レベル変動
が大きいために中継回線の瞬断、フェージングの発生に
より無線中継システムの安定性、信頼性が低下して実用
的でない。本実施形態におけるアンテナ装置で使用する
５〜６ＧＨｚ帯の周波数は、導水路やトンネルのような
周囲を壁面で囲まれた領域における無線中継に最も適し
ており、高い信頼性の無線中継システムを構築すること
が可能となる。

【００１９】また、本実施形態におけるアンテナ装置で
は、アンテナ形式をマイクロストリップパッチアンテナ
としている。マイクロストリップパッチアンテナは、プ
リント基板にフォトエッチング等によって構成される。
このためマイクロストリップパッチアンテナは、非常に
低姿勢で薄いアンテナを実現することができる。

【００２０】本実施形態における受信用アンテナ２１，
２３、送信用アンテナ２２は、例えば厚さ０．０３λの
プリント基板上にマイクロストリップパッチ素子が、こ
れらの素子を結合するマイクロストリップラインと共に
フォトエッチングされ、２素子マイクロストリップパッ
チアンテナを構成している。このようにして構成したマ
イクロストリップパッチアンテナの厚さは、プリント基
板を保持するためのベース板の厚みを含めても約０．１
５λ程度となり、薄型化を実現することができる。

【００２１】また、マイクロストリップパッチ素子の形
状は単純円形ではなく、素子の一部を変形することによ
って円偏波を発生している。マイクロストリップパッチ
アンテナで円偏波を発生するには、２電力分配器、９０
°位相器を使用してマイクロストリップパッチ素子の互
いに直交した２点に給電するのが一般的である。図２で
は、円偏波発生の一例として、切欠きを設ける方法を示
している。また、偏波の旋回方向は、給電点に対する切
欠きの方向によって実現でき、図２では受信用アンテナ
２１及び送信用アンテナ２２が右旋偏波、受信用アンテ
ナ２３が左旋偏波を発生している。これによって本実施
形態では、電力分配器、９０°位相器等を全く必要とせ
ず、低コスト化に貢献している。

【００２２】更に、ほぼ同等の性能を有する反射板付き
ダイポールアンテナに代表される線状アンテナは、同軸
線路と整合させる場合にバルン等の平衡−不平衡変換回
路が必要となるが、マイクロストリップパッチアンテナ
では、この平衡−不平衡変換回路を必要としないという
特徴があり、これもアンテナ装置の低コスト化に貢献し
ている。

【００２３】次に、円偏波ダイバーシティ受信について
説明する。導水路、トンネル等の周囲を壁面で囲まれた
環境では、円偏波を使用することにより安定した通信を
行なう方法は、有効な手段であることが例えば特公昭５
７−９２５９号公報等で既に報告されている。

【００２４】また、地上における移動体無線通信では、
ビル等による反射波が存在し通信品質を損ねるため、ダ
イバーシティ受信によって改善を図るのが一般的であ
る。地上における移動体無線通信は、複数の垂直偏波ア
ンテナを０．５〜数λ程度の間隔で設置するスペースダ
イバーシティ方式で、良好な受信を行なっている。

【００２５】しかし、導水路、トンネル等の周囲を壁面
で囲まれた環境では、偏波面は容易に回転してしまうた
め、スペースダイバーシティ方式では良好な受信は殆ど
望めない。また、垂直偏波、水平偏波の直線偏波による
偏波ダイバーシティ方式では、直線偏波での伝搬自体が
安定性に欠けるため効果は少ない。

【００２６】図５（ａ）及び（ｂ）に導水路内における
直線偏波での伝搬特性を示す。図５（ａ）は垂直偏波で
送信した電波を垂直偏波アンテナで受信した場合、図５
（ｂ）は水平偏波アンテナで受信した場合の一測定例で
ある。この時のダイバーシティ効果の指針となるＺ変換
した相関係数の平均値は約０．５であり、ダイバーシテ
ィ効果はあるものの良好な結果ではない。

【００２７】以上のことから、本実施形態におけるアン
テナ装置では右旋円偏波、左旋円偏波による円偏波ダイ
バーシティ受信方式を実施している。図６（ａ）及び
（ｂ）に導水路内における円偏波での伝搬特性を示す。

【００２８】図６（ａ）は右旋円偏波で送信した電波を
右旋円偏波アンテナで受信した場合、図６（ｂ）は左旋
円偏波アンテナで受信した場合の一測定例である。この
時のＺ変換した相関係数の平均値は約０．０２であり、
ダイバーシティ効果は非常に大きく、導水路、トンネル
等の周囲を壁面で囲まれた環境での無線中継に有効な手
段になり、安定した高品質の無線中継システムを構築す
ることが可能となる。

【００２９】次に、送信アンテナ、受信アンテナを別々
にした場合の効果について説明する。図７（ａ）に一般
的な中継装置の系統図を示す。アンテナ共用装置４４
は、送信機４１及び受信機４２を１基の送受信共用アン
テナ４３ａに接続するためのものであり、方向性結合器
等で構成される。

【００３０】図７（ｂ）は、アンテナを別々に構成した
場合の系統図である。送信機４１は送信用アンテナ４３
ｂに、また、受信機４２は受信用アンテナ４３ｃに同軸
ケーブル等で直接接続される。このように送信用アンテ
ナ４３ｂと受信用アンテナ４３ｃを別々に構成すること
により、アンテナ共用装置が不要となり、アンテナから
送受信機に至る経路が簡素化され、小型軽量化を図るこ
とができる。また、給電経路が簡素化されることによ
り、給電系の損失を減少することができる。

【００３１】図８及び図９は、送受信アンテナを別々に
設けて偏波ダイバーシティ受信方式を行なう場合の構成
例を示したものである。図８（ａ）、図９（ａ）は正面
図、図８（ｂ）、図９（ｂ）は側面図である。

【００３２】図８において、２２は送信用アンテナ、２
１，２３は受信用アンテナで偏波が異なる。また、２９
は給電コネクタである。そして、中央部に受信用アンテ
ナ２１が設けられ、その両側に送信用アンテナ２２と受
信用アンテナ２３が配置される。この場合の例では、ア
ンテナ間の結合が生じることを避けるために、各アンテ
ナの間隔は２λ以上に設定される。

【００３３】一方、図９に示す例では、中央部に送信用
アンテナ２２が設けられ、その両側に受信用アンテナ２
１，２３が配置される。そして、送信用アンテナ２２に
は、高さ調整機構２８が設けられる。上記のように高さ
調整機構２８を設けた場合は、アンテナ間の結合を最適
化でき、各アンテナの間隔、すなわち、送信アンテナ４
２と受信アンテナ４１，４３との間隔を１λ程度とする
ことが可能となる。一方、受信用アンテナ２１及び２３
の間隔は２λが確保されているので、高さ調整機構を設
けることなく所定の結合量を確保することができる。

【００３４】また、図８のように送信用アンテナ２２の
周辺の構造を非対称とした場合、送信用アンテナ２２の
指向特性は、周辺の構造物の影響を受けて非対象にな
り、あるいは主ビーム方向が偏向するが、図９の例のよ
うに送信用アンテナ２２を中央部に配置することによ
り、その周辺の構造物の影響を防止することができる。

【００３５】次に、送信、受信アンテナの結合量の最適
化の方法について説明する。送信アンテナと受信アンテ
ナを近接して配置する場合、アンテナ間に結合が生じ、
送信アンテナから放射された電波が直接受信アンテナで
受信され、無線中継に悪影響を及ぼす。この結合は、ア
ンテナ間の位相差によって変化し、位相差がλ／４の時
に極小値をとる。

【００３６】図１０にアンテナ間の位相差を変化させた
時の結合量の変化を示す。アンテナ間の位相差を変化さ
せるには、アンテナ間の距離を変化させることにより実
現可能である。

【００３７】アンテナ間の距離は、電波の放射軸に直交
する方向に変化させるのが一般的であるが、同時に広い
スペースを必要とする。本実施形態では、放射軸に平行
な方向に距離を変化させて同様の効果を得ている。更
に、使用する周波数によって結合量が変化するので、高
さ調整機構２８を設けることにより、結合量を最適化す
ることができる。

【００３８】

【発明の効果】以上詳記したように本発明によれば、導
水路、トンネル等の周囲を壁面で囲まれた環境下におい
て、安定した高品質な無線中継を行なうことができると
共に、小型軽量化が可能で、且つ、安価に構成し得るア
ンテナ装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明が適用される導水路、トンネルにおける
無線中継方式を示す図。

【図２】本発明の一実施形態に係るアンテナ装置の構成
を示す図。

【図３】同実施形態における高さ調整機構の詳細を示す
側面図。

【図４】導水路、トンネルにおける円偏波での伝搬損失
及び短区間レベル変動の周波数特性を示す図。

【図５】導水路、トンネルにおける直線偏波での電界強
度距離特性を示す図。

【図６】導水路、トンネルにおける円偏波での電界強度
距離特性を示す図。

【図７】中継装置の概略構成を示す系統図。

【図８】偏波ダイバーシティ受信方式を行なう場合の構
成例を示す図。

【図９】偏波ダイバーシティ受信方式を行なう場合の他
の構成例を示す図。

【図１０】アンテナ間の位相差を変化させた時の結合量
の変化を示す図。

【図１１】従来の導水路、トンネルにおける無線中継方
式を示す図。

【図１２】従来の導水路、トンネルにおける漏洩同軸線
路による中継方式を示す図。

【符号の説明】

２１，２３ 受信用アンテナ ２２ 受信用アンテナ ２４ アンテナ取付板 ２５ 球座 ２６ 調整ボルト ２７ ガイド ２８ 高さ調整機構 ２９ 給電コネクタ ３０ 取付架台 ３１ 固定ナット ４１ 送信機 ４２ 受信機 ４３ａ 送受信共用アンテナ ４３ｂ 送信用アンテナ ４３ｃ 受信用アンテナ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 渋谷 隆雄 青森県青森市港町二丁目12番19号 東北電 力株式会社青森支店内 (72)発明者 笠原 浩 埼玉県大宮市蓮沼1406番地 八木アンテナ 株式会社大宮工場内 (72)発明者 佐伯 博 埼玉県大宮市蓮沼1406番地 八木アンテナ 株式会社大宮工場内

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 無線中継装置用のアンテナ装置におい
   て、 基板上に設けられた右旋円偏波マイクロストリップパッ
   チ素子及び左旋円偏波マイクロストリップパッチ素子か
   らなり、円偏波ダイバーシティ受信を行なう受信用アン
   テナと、 上記基板上に上記受信用アンテナとは高さの異なる位置
   に配置される円偏波マイクロストリップパッチ素子から
   なる送信用アンテナとを具備したことを特徴とするアン
   テナ装置。
2. 【請求項２】 無線中継装置用のアンテナ装置におい
   て、 基板上に設けられた右旋円偏波マイクロストリップパッ
   チ素子及び左旋円偏波マイクロストリップパッチ素子か
   らなり、円偏波ダイバーシティ受信を行なう受信用アン
   テナと、 上記基板上に設けられる円偏波マイクロストリップパッ
   チ素子からなる送信用アンテナと、 上記送信用アンテナを上記受信用アンテナとは異なる高
   さ位置に保持すると共に、その高さ位置を調整する機能
   を備えた高さ調整機構とを具備したことを特徴とするア
   ンテナ装置。
3. 【請求項３】 受信用アンテナ及び送信用アンテナの使
   用周波数を５〜６ＧＨｚ帯に設定したことを特徴とする
   請求項１又は２記載のアンテナ装置。
4. 【請求項４】受信用アンテナの右旋円偏波用素子と左旋
   円偏波用素子との間に送信用アンテナを配置したことを
   特徴とする請求項１又は２記載のアンテナ装置。
5. 【請求項５】送信用アンテナを一方の側部に配置し、中
   央及び他方の側部に受信用アンテナの右旋円偏波用素子
   及び左旋円偏波用素子を配置したことを特徴とする請求
   項１又は２記載のアンテナ装置。