JP2008283391A - 電波遮蔽板及びこれを用いた送受信アンテナシステム - Google Patents

Abstract

【課題】送受信アンテナ間の電波の回り込みを抑制する電波遮蔽板を提供する。
【解決手段】電波遮蔽板７は、同一送信柱にて電波を放射する送信アンテナ２と中継用の電波を受信する受信アンテナ４との間に設けられる電波遮蔽板７であって、電波遮蔽板７の寸法及び設置位置が、送信アンテナ２による放射パターンのヌル方向に基づいて規定されている。
【選択図】図１３

Description

本発明は、放送、通信及びＥＭＣに係るアンテナ装置において、飛来する電波の影響を回避するための電波遮蔽に関し、特に、送受信アンテナ間で電波の回り込みを抑制する電波遮蔽板及びこれを用いた送受信アンテナシステムに関する。

一般に、飛来する電波による干渉妨害を回避するために、送信アンテナと受信アンテナとの間に十分なアイソレーションを確保する必要がある。そのため、送信アンテナから発射された電波を受信電波に影響を与えないレベルまで下げる何らかの工夫が必要となる。その方法の一つとして、図１に示すように、受信場所（即ち、周波数ｆの電波を受信する受信アンテナ装置１３）と送信場所（即ち、周波数ｆの電波を中継し、送信する中継放送局１５）を分離し、送受分離局として受信アンテナ１４と送信アンテナ１２との間の距離を十分に離して所要のアイソレーション（即ち、周波数ｆの電波の回り込み抑制）を確保することが考えられる。或いは、図２に示すように、送信アンテナ２２と受信アンテナ２４との間に電波遮蔽板２７を有する送受信アンテナシステム２１を中継放送局２５に設けて、所要のアイソレーションを確保することが知られている（例えば、特許文献１参照）。

現在において、地上デジタル放送の全国展開においては、高価な専用回線を用いる中継方式より大幅な低廉化が期待できるＳＦＮ（Single Frequency Network）放送波中継が多数予定されている。しかし、ＳＦＮ放送波中継局では、当然のことながら受信した周波数と送信周波数が同じであるため、送信アンテナから発射された電波の一部は受信アンテナから直接中継器内に入り込み、極端な場合には中継器が発振するという現象が起こり、放送波中継ができなくなる。そのため前述したように、送信アンテナと受信アンテナとの間に十分なアイソレーションを確保し、送信アンテナから発射された電波を受信電波に影響を与えないレベルまで下げる工夫が必要であった。

アナログ放送時代には、このようなＳＦＮ放送波中継局は存在しないため同一チャンネル妨害はなく、また隣接チャンネルによる妨害波はフィルタを使用することによって除去することができた。しかし、地上デジタル放送ではＳＦＮによるチャンネルプラン化も検討されており、そのため送信アンテナ及び受信アンテナ間に十分なアイソレーションを確保し、送信信号と受信信号との間のレベルを所要のレベル差以上にする必要がある。

自明の事であるが同一周波数ではフィルタを使用できない。そのため、送受信の信号間で所要のレベル差が確保できるか否かについて、即ち現地において送信アンテナ及び受信アンテナ間で十分なアイソレーションが取れるか否かについて、事前に調査する必要がある。極めて大きなアイソレーションが要求される場合、或いは周囲の山岳による反射波が大きい場合には、図１に示すような送受アンテナ分離による放送波中継システムにすることが不可欠となっている。比較的少ないアイソレーションでよい場合には、図２に示すような電波遮蔽板の追加で済む場合もある。

特開２００２−２４６８３３号公報

しかしながら、電波遮蔽板を送信アンテナと受信アンテナとの間に配置する際に、限られた大きさの電波遮蔽板を用いて効率の良い遮蔽効果を得るためには、事前に電波遮蔽板の大きさ、配置する位置を特定できる有効、且つ、共通して使える技術手段を持っておくことが望まれている。さもなければ必要なアイソレーションを確保するために現地でその都度、送受信間のアイソレーションを測定・調整するという作業が要求され、中継局建設コスト増につながるといった問題があった。

このような状況において、簡単な構造で、且つ、所要のアイソレーションを簡単に設定できる標準の電波遮蔽システムの実現が求められていた。

本発明の目的は、図２に示すような同一の取り付け柱（鉄柱又は鉄塔など、総括して送信柱と称することとする）に送信アンテナ及び受信アンテナを設置する場合において、前述の問題を改善するために、送信アンテナ及び受信アンテナ間で電波の回り込みを抑制する電波遮蔽板及びこれを用いた送受信アンテナシステムを提供することである。

本発明は、図２に示すような送受信アンテナシステムにおいて、送信アンテナと受信アンテナとの間に１枚の面積の大きな電波遮蔽板を用いることを基本とし、送信アンテナや受信アンテナの主方向の放射パターンを乱さないような範囲において、極力外形寸法（面積）の小さな電波遮蔽板を用いながら最大限の遮蔽効果を可能とするものである。尚、電波遮蔽板自体のコストを考慮する場合には、外形形状をより実際的な形状とする。

即ち、本発明による電波遮蔽板は、同一送信柱に設けられた電波を放射する送信アンテナと中継用の電波を受信する受信アンテナとの間に設けられる電波遮蔽板であって、円形状で、且つ、前記送信柱の断面径中心を中心点とし、該電波遮蔽板がなす平面が前記送信アンテナの放射パターンのヌル方向と交わる点までの距離を半径として構成されていることを特徴とする。

また、前記電波遮蔽板は、円形状に代えて等価的な面積を有する正多角形形状であることを特徴とする。

また、前記電波遮蔽板は、導体板、メッシュ構造、又は、グリッド構造のいずれかで構成されていることを特徴とする。

更に、本発明による送受信アンテナシステムは、電波を放射する送信アンテナと、中継用の電波を受信する受信アンテナと、前記電波遮蔽板と、を同一送信柱に備えていることを特徴とする。

本発明によれば、送受信アンテナ間の電波の回り込みを極めて効果的に抑制することができるようになる。

まず、本発明による実施例１の電波遮蔽板について説明する。尚、同様な構成要素には、同一の参照番号を付して説明する。

（実施例１）
実施例１の電波遮蔽板は、電波を放射する送信アンテナと中継用の電波を受信する受信アンテナとの間に設けられ、電波遮蔽板の寸法及び設置位置は、電波遮蔽板の半径が、その設置位置における送信アンテナによる放射パターンのヌル方向と電波遮蔽板がなす平面が交わる点までの距離に基づいて決定されている。

以下、電波遮蔽板の寸法及び設置位置が如何にして決定されるかについて説明する。

まず、ＵＨＦ帯で一般的に使用されている送信アンテナが送信柱に取り付けられた場合のシミュレーションモデルの一例を図３に示す。図３では、理解を容易とするために、送信アンテナ２を有する送受信アンテナシステム１を図示しており、受信アンテナの図示を省略している。図３において、送信アンテナ２は、ダイポールアンテナ素子（水平偏波）を４段スタック構成として、本実施例では４Ｌ双ループアンテナを想定している（本発明は、この構成に限定するものではない）。尚、送信アンテナ内の放射素子は、送受信アンテナシステム１における送信柱の断面径の中心から水平方向に約０．３ｍ離れた位置にあるものと仮定している。従って、この場合、送信アンテナの放射パターンは、送信柱の断面径の中心から水平方向に約０．３ｍ離れた位置を中心点として形成される。尚、後述する電波遮蔽板の形状（円形又は正多角形）の中心点は、送信柱の断面径の中心である。

まず、ヌルが生じる角度を一般的に考察する。いま、ｋ個のループ素子（ｋは、任意の自然数）が垂直方向に等間隔（各ループ素子の素子間距離ｄ）、等位相で励振されているとし、水平方向を０°としてその水平方向から傾いた角度をθとすると、アンテナ配列による指向性Ｄ（θ）は、２Ｌアンテナの場合（Ｄ（θ）２Ｌと表す）、４Ｌアンテナの場合（Ｄ（θ）４Ｌと表す）及び６Ｌアンテナの場合の場合（Ｄ（θ）６Ｌと表す）のそれぞれについて、式（１）〜（３）のように表すことができる。

Ｄ（θ）２Ｌ＝｜ｃｏｓ（ｋ・ｄ／２・ｓｉｎθ）｜ （１）

Ｄ（θ）４Ｌ＝｜ｃｏｓ（ｋ・ｄ／２・ｓｉｎθ）・
ｃｏｓ（ｋ・ｄ・ｓｉｎθ）｜ （２）

Ｄ（θ）６Ｌ＝｜｛１＋２・ｃｏｓ（ｋ・ｄ・ｓｉｎθ）｝・
ｃｏｓ（ｋ・３／２・ｄ・ｓｉｎθ）｜／３ （３）

図４に、図３に示す送受信アンテナシステムにおける、送信アンテナから放射される電波の電界強度分布（ｙ＝０の面）の一例を示す。尚、本電界強度分布の計算は、市販されているソフトウェア「ＰＬＡＮＣ−ＦＤＴＤ」（「ＰＬＡＮＣ」（登録商標）（株）情報数理研究所）によるものである。図４において、濃度が濃いほど電界強度が小さいことを意味している。尚、一般に、図４に示すような空間領域の電界強度分布を表す場合、電界強度が小さいほど青い色相で表し、電界強度が大きいほど赤い色相で表すカラー表示がよく用いられる。

図４を参照して、濃度が濃くなって伸びていく方向が放射パターンのヌルとなる方向（以下、ヌル方向又は単にヌルとも称する）である。つまり、ヌルは電界強度の極小点である。図４には、ヌル方向が、それぞれ第１ヌル方向（θ_１＝１８°）、第２ヌル方向（θ_２＝４１°）、第３ヌル方向（θ_３＝６２°）、第４ヌル方向（θ_４＝１２４°）として示されている。即ち、この放射パターンにおいては、主方向（紙面右方向）から下側をみて、約２０度、約４０度、約６０度及び約１２０度の方向にヌルがあるのが分かる。ここで、送信アンテナ２のほぼ真下方向のヌル（即ち、約９０度）は、送受信装置１の送信柱での反射波の影響で生じている。

尚、実際の指向性は、Ｄ（θ）の値に単体のループアンテナの垂直指向性を乗じたものとなる。例えば、４Ｌアンテナについて、送受信アンテナシステムの対応帯域波長（λ）において、各ループ素子の素子間距離ｄを０．８λとしたとき、式（２）から、
Ｄ（θ）４Ｌ＝｜ｃｏｓ（４／５・π・ｓｉｎθ）・
ｃｏｓ（８／５・π・ｓｉｎθ）｜
となり、ヌルを生じる角度（Ｄ（θ）４Ｌが極小値を持つ角度）は、θ_１＝１８．２°（第１ヌル方向）、θ_２＝３８．７°（第２ヌル方向）、θ_３＝６９．７°（第３ヌル方向）と算出できる。また、素子間距離ｄが大きくなれば、ヌルが生じる角度はより小さい方向にずれ、素子間距離ｄが小さくなれば、ヌルが生じる角度はより大きい方向にずれることになる。

電波遮蔽板の寸法及び設置位置を決定するために、この複数あるヌル方向のいずれかに着目して、まず、電波遮蔽板の寸法を決定し、次に電波遮蔽板の設置位置を決定する。或いは又、電波遮蔽板の寸法及び設置位置を決定するために、この複数あるヌル方向のいずれかに着目して、まず、電波遮蔽板の設置位置を決定し、次に電波遮蔽板の形状を決定する。

より具体的には、電波遮蔽板をなるべく小さくすることを条件に、受信アンテナ端と送信アンテナ設置中心（垂直方向）を結ぶ線に最も近いヌル方向（この例では約６０度方向）に対して電波遮蔽板の端がくるように、その外形寸法と送信アンテナからの距離を決定する。例えば、ヌル方向の線について送信柱を中心に回転させれば円錐形状となるが、電波遮蔽板はその円錐形状の底面を形成するような大きさとする。これにより、電波遮蔽板の端に誘起される電流を最小に抑えることができ、電波遮蔽板の端から再放射される電波（回折波）を抑え、電波遮蔽板の下部の電界磁界強度を下げる効果を更に有することになる。

このように、送信アンテナ及び受信アンテナ間で確実に所望のアイソレーションを保持することができるようになる。尚、電波遮蔽板は必ずしも導体板（例えば金属板）である必要はなく、メッシュ又はグリッド構造でもよい。また、図３では送信アンテナが受信アンテナより上側に配置されることを意味しているが（送信高を高くしてエリアの見通しを確保する必要性から、通常このような配置が用いられている）、その上下関係に拘る必要性はない。

図５は、実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルの一例を示す図である。図５では、理解を容易とするために、送信アンテナ２及び電波遮蔽板７を有する送受信アンテナシステム１を図示しており、受信アンテナの図示を省略している。図５に示すシミュレーションモデルでは、送信アンテナ２の中心位置をｚ＝２．５ｍに固定し、電波遮蔽板７の外形を直径２．６ｍ円形として設定しており、電波遮蔽板７の位置をＺ軸上に上下させた場合の遮蔽効果をシミュレーションする。尚、送信アンテナ２内の放射素子は、図３と同様に、送受信アンテナシステム１の送信柱の中心から約０．３ｍ離れた位置にあるものと仮定している。

図６〜１２は、実施例１のアンテナ装置のシミュレーションモデルにおける、シミュレーション結果を示す図であり、それぞれ送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を１．５〜３ｍまで増加させた場合の電界強度分布を示している。これら各図の対応関係は、電波遮蔽板７と送信アンテナ２との間の距離を１．５ｍから３ｍまで０．２５ｍステップずつ増加させたものとなっている。各図において、図示（ａ）はｙ＝０ｍの面、図示（ｂ）はｚ＝−４．５ｍの面での電界強度分布である。即ち、直径２．６ｍ円形の電波遮蔽板７に対して、本シミュレーション結果は、表１の関係がある。

図６〜１２において、図示（ａ）では、電波遮蔽板７の上部にある送信アンテナ２から放射された電波が、電波遮蔽板７の下部で如何に遮断されているかが示されており、図示（ａ）の電波遮蔽板７の下部において、濃度が濃いほど電界強度が小さいことを意味している。図示（ｂ）においても同様に、濃度が濃いほど電界強度が小さいことを意味している。尚、一般に、図６〜１２に示すような空間領域の電界強度を表す場合、電界強度が小さいほど青い色相で表し、電界強度が大きいほど赤い色相で表すカラー表示がよく用いられる。

図６〜１２を参照して、送信アンテナ２と電波遮蔽板７との間の距離が１．５〜３ｍの範囲において、１．５〜２ｍではその距離が長くなるほど、電界強度が小さいことを意味する濃い領域がより多くなり、逆に２〜３ｍではその距離が長くなるほど、濃い領域がより少なくなっていくことが分かる。即ち、図８に示す距離２ｍの位置に電波遮蔽板を置くことが最も遮蔽効果が大きいことが分かる。従って、送信アンテナからの電波の放射角度６２〜６３度方向に対して、電波遮蔽板の端が合致するように設けることが好ましいことが分かり、このシミュレーション結果は、本発明の効果を裏付けている。

このシミュレーションを更に裏付けるために実機による遮蔽効果の実測を行った。図１３に、実測に用いた、４段双ループアンテナ１段１面を使用した送受信アンテナシステムを示す。送信アンテナ２内の放射素子の位置は、送受信アンテナシステム１の送信柱の中心から約０．３ｍ離れた位置にある。ここでは、測定周波数を６５０ＭＨｚとし、アンテナ放射パターンのヌル方向は主方向に対して約６６度（実測値）方向を対象とした。また、受信アンテナ４には、８素子リングアンテナを使用した。尚、これは、金属パイプを円形に加工することが困難な場合である。正多角形で代用する場合には、少なくとも六角形以上、好ましくは八角形以上の正多角形を用いる。本実測における電波遮蔽板７には、面積が直径２．６５ｍの円形に相当する正八角形のものを使用した。

表２に、図１３に示す送受信アンテナシステム１において、送信アンテナ及び電波遮蔽板間の距離１．８５〜２．７５ｍでの電波遮蔽板７による減衰量を実測した測定結果を示す。

表２から、送信アンテナ２に対して２．４５ｍ離した電波遮蔽板を設置した場合(約６７度方向に相当)が最も減衰量が大きくなることが示された。即ち、電波遮蔽板７の外形を固定した場合、送信アンテナ２から特定の距離で最も高い遮蔽効果が得られることが示された。このように、送信アンテナ２の放射パターンに関連して送信アンテナ２の放射パターンのヌル方向の位置に電波遮蔽板の端が合致するように、電波遮蔽板７の寸法、及び、送信アンテナ２と電波遮蔽板７の間隔を規定することが有効であることについて実測でも確認できた。

次に、本発明による実施例２の電波遮蔽板について説明する。

（実施例２）
図１４は、本発明による別の実施例の送受信アンテナ間における、メッシュ構造を有する電波遮蔽板の一例を示す図である。また、図１５は、本発明による更に別の実施例の送受信アンテナ間における、グリッド構造を有する電波遮蔽板の一例を示す図である。上述した実施例１の電波遮蔽板（図１３参照）において、導体板で形成した電波遮蔽板７の代わりに、図１４又は図１５にそれぞれ示すような、メッシュ構造の電波遮蔽板８又はグリッド構造の電波遮蔽板９を用いることができる。図１４及び図１５において、所定の直径を有する電波遮蔽板に対し、例えば１００ｍｍの側辺又は径を有するメッシュ又はグリッドを設けた例を示しているが、メッシュ又はグリッドの形状、及び、それらと電波遮蔽板の外形との関係は、これに限定するものではない。

また、上述した実施例において、メッシュ又はグリッドの寸法及び形状を随意、定めることができる。従って、電波遮蔽板を、導体板構造、メッシュ構造、又は、グリッド構造のいずれかで構成させることができる。更に、導体板構造、メッシュ構造及びグリッド構造の各々は、金属板（又は、金属材料）で構成させる以外に、樹脂等で電波遮蔽板形状を成形させ、電波遮蔽板表面に、電波吸収剤を塗布、添付又は付着して構成させることができる。

上述の実施例では、ＵＨＦ帯の波長の電波を放射する送信アンテナについて説明したが、本発明によれば、放射パターンから生じるヌル方向に応じて、電波遮蔽板の形状又は設置位置を定めることができるので、如何なる波長の電波であってもよい。

上述の実施例については代表的な例として説明したが、本発明の趣旨及び範囲内で、多くの変形及び置換することができることは当業者に明らかである。例えば、電波遮蔽板の形状は、真円又は正八角形でなくともよく、電波遮蔽板の形状を特定すれば、遮蔽効果の好適な電波遮蔽板の設置位置をシミュレーションで規定できる。或いは又、遮蔽効果の電波遮蔽板の設置位置を特定すれば、遮蔽効果の好適な電波遮蔽板の形状をシミュレーションで規定できる。従って、本発明は、上述の実施例によって制限するものと解するべきではなく、特許請求の範囲によってのみ制限される。

送信アンテナ及び受信アンテナ間で電波の回り込みを極めて効果的に抑制できるので、送受信アンテナシステムを設けた中継放送局に有用である。

受信場所と送信場所とを分離した電波の中継システムの一例を示す図である。 送信アンテナと受信アンテナとの間に電波遮蔽板を設けた構成の送受信アンテナシステムの一例を示す図である。 ＵＨＦ帯で一般的に使用されている送信アンテナが送信柱に取り付けられた場合のシミュレーションモデルの一例を示す図である。 図３に示す送受信アンテナシステムにおける、送信アンテナから放射される電波の電界強度分布(ｙ＝０の面)の一例を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルの一例を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を１．５ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を１．７５ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を２ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を２．２５ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を２．５ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を２．７５ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 本発明による実施例１の電波遮蔽板に係るシミュレーションモデルにおいて、送信アンテナと電波遮蔽板との間の距離を３ｍとした場合の電界強度分布を示す図である。 ４段双ループアンテナ１段１面を使用した測定システムを示す図である。 本発明による別の実施例の電波遮蔽板における、メッシュ構造を有する電波遮蔽板の一例を示す図である。 本発明による更に別の実施例の電波遮蔽板における、グリッド構造を有する電波遮蔽板の一例を示す図である。

符号の説明

１ 送受信アンテナシステム
２ 送信アンテナ
４ 受信アンテナ
７ 電波遮蔽板
８ 電波遮蔽板
９ 電波遮蔽板
１２ 送信アンテナ
１３ 受信アンテナ装置
１４ 受信アンテナ
１５ 中継放送局
２１ 送受信アンテナシステム
２２ 送信アンテナ
２４ 受信アンテナ
２５ 中継放送局
２７ 電波遮蔽板

Claims (4)

1. 同一送信柱に設けられた電波を放射する送信アンテナと中継用の電波を受信する受信アンテナとの間に設けられる電波遮蔽板であって、
   円形状で、且つ、前記送信柱の断面径中心を中心点とし、該電波遮蔽板がなす平面が前記送信アンテナの放射パターンのヌル方向と交わる点までの距離を半径として構成されていることを特徴とする電波遮蔽板。
2. 前記電波遮蔽板は、円形状に代えて等価的な面積を有する正多角形形状であることを特徴とする請求項１に記載の電波遮蔽板。
3. 前記電波遮蔽板は、導体板、メッシュ構造、又は、グリッド構造のいずれかで構成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の電波遮蔽板。
4. 電波を放射する送信アンテナと、
   中継用の電波を受信する受信アンテナと、
   請求項１〜３のいずれか１項に記載の電波遮蔽板と、
   を同一送信柱に備えていることを特徴とする送受信アンテナシステム。