JP2008306611A - １周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナおよび１周波複直交偏波通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】電波資源をできるだけ無駄なく活用しつつ交差偏波通信の２重化を行うことができるアンテナおよびそれを用いた通信システムの実現。
【解決手段】アンテナは、４個の導波管スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄを、それらの開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列し、各アンテナの偏波面は行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、使用周波は同一周波数とし、このアンテナを無線局間で互いに偏波面が揃うようにして対向させて設け、一方の無線局が送信アンテナとして用いる偏波面の異なる２つのアンテナの偏波面と他方の無線局が受信アンテナとして用いる２つのアンテナの偏波面とが同じであり、他方の無線局が送信アンテナとして用いる偏波面の異なる２つのアンテナと一方の無線局が受信アンテナとして用いる偏波面の異なる２つのアンテナについても同様であるように送信装置および受信装置を接続する。
【選択図】図２

Description

本発明は、送信と受信が同じ周波数で同時併行交信できる直交偏波交信を同じ周波数で２回線同時に行うことのできる１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナとそれを用いた通信システムの技術に関する。

一方の無線局と他方の無線局とが同じ周波数で送信と受信が同時併行でできるシステムとしては以下のような直交偏波通信システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
即ち、図４に示すように、両側の無線局（基地局Ａ、Ｂ）はそれぞれ、同じ周波数で動作し偏波面が交差する送信アンテナと受信アンテナを具備し、一方側の無線局（基地局Ａ）の送信アンテナ４Ａの偏波面と他方側の無線局（基地局Ｂ）の受信アンテナ３Ｂの偏波面が垂直偏波で揃うようにし、他方側の無線局（基地局Ｂ）の送信アンテナ４Ｂの偏波面と一方側の無線局（基地局Ａ）の受信アンテナ３Ａの偏波面が水平偏波で揃うようにして設けられているシステムである。

そのため、アンテナの周波数特性自体が同じであっても、送信アンテナから送信した電波は自局の受信アンテナでは偏波面が異なるから受信されにくい。即ち、送信アンテナから受信アンテナへの回り込みは抑制される。

これに対して、一方側の無線局の送信アンテナの偏波面と他方側の無線局の受信アンテナの偏波面が揃えられ、他方側の無線局の送信アンテナの偏波面と一方側の受信アンテナの偏波面が揃えられているので互いに、相手方無線局からの送信波は受信アンテナで良く受信される。
偏波面を上記のように揃えた結果、両無線局の送信アンテナ同士の偏波面は、揃っていないので相手方無線局からの送信電波は送信アンテナでは受信されにくい。

以上の結果、一方側の無線局と他方側の無線局が同一の周波数で送信しても、自局の受信アンテナは、自局の送信電波の受信を抑制し、相手局の送信電波を良く受信するということになる。
従って、自局と相手局の送信周波数が同じであっても、換言すれば、それぞれの無線局において、送信周波数と受信周波数が同じであっても送受同時併行の双方向交信が可能となる。
特開２００６−２０３５４１号公報（［０００９］〜［００１４］、図１）

以上のような直交偏波通信システムは、有限の電波資源の有効活用上極めて効果的なシステムであるため、本願発明者、出願人らは、上記直交偏波通信システムを２重化することを考えた。
その第１の構成は、基地局Ａも基地局Ｂも図４の構成に同じ構成を追加して単純に２倍の構成としたものであり、第２の構成は、基地局Ａにおいては追加した受信アンテナは垂直偏波、追加した送信アンテナは水平偏波とし、基地局Ｂにおいては追加した送信アンテナは垂直偏波、追加した受信アンテナは水平偏波とする構成である。

しかしながら、上記の各構成では以下の問題を生ずる。
まず、上記第１の構成においては、いずれの基地局においても送信アンテナと受信アンテナの偏波面は交差しているが２つの送信アンテナの偏波面は同じであるし、２つの受信アンテナの偏波面は同じである。
従って、いずれかの基地局の各別の送信装置に接続されている２つの送信アンテナから送信した２つの電波は相手方基地局の各別の受信機に接続されている２つの受信アンテナでともに受信され混合した状態で２つの受信機へ入力されることになり、いわゆる混信状態になるという問題がある。

また、前記第２の構成においては、基地局Ａでは追加受信アンテナが垂直偏波で、図４の送信アンテナ４Ａが垂直偏波であるから同じ偏波であり、追加受信アンテナが自局の送信アンテナ４Ａからの電波を受けてしまい、また、追加送信アンテナは水平偏波であるから、これから送信した電波が図４の受信アンテナ３Ａに受信されてしまうという自局内での回り込みという問題がある。

これらの問題は、図４の元々の構成で用いる周波数と追加構成が用いる周波数を大きく離してしまえば解決される問題であるが、それでは電波資源の無駄のない活用という点から見れば好ましい解決策ではない。

本発明の課題は、上記背景技術の問題点に鑑みて、電波資源をできるだけ無駄なく活用しつつ、交差偏波通信の２重化を行うことができるアンテナおよびそれを用いた通信システムを実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の各構成を有する。
本発明の第１の構成は、４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、各アンテナの偏波面は、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、使用周波数は１周波数であることを特徴とする１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナである。

本発明の第２の構成は、一方の無線局と他方の無線局のそれぞれに前記第１の構成の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを有し、両アンテナは互いに偏波面が揃うようにして対向しており、それぞれの無線局は、偏波面の異なる２個の導波管スロットアレーアンテナを送信アンテナとして用い、他の２個を受信アンテナとして用い、送信アンテナおよび受信アンテナにはそれぞれ送信装置および受信装置が接続されていることを特徴とする１周波複直交偏波通信システムである。

本発明の第１の構成は、周波数が同じ４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、各アンテナの偏波面は、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、その結果対角線方向に並ぶアンテナ間では同じ偏波面となり、周波数は皆同じというものである。

図３は、その１個について開口面を見た図である。ほぼ正方形をしている。このような導波管スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄについて、図示した各方向についてそのサイドローブレベルの試算をして見てみると、Ａ方向，Ａ′方向（即ち、上下方向）では約−５０ｄＢ、Ｂ方向，Ｂ′方向（即ち、左右方向）では約−４３ｄＢ、これに対して、Ｃ方向，Ｃ′方向、Ｄ方向，Ｄ′方向（即ち、対角線方向）では約−６５ｄＢとなり、前記上下方向や左右方向に較べて対角線方向のサイドローブレベルが１５ｄＢ〜２２ｄＢ低くなっている。
その理由は、例えばＣ−Ｃ′の線をＤ方向に移動させて行った場合を想定すると、移動が進むにつれてＣ−Ｃ′の線にかかるスロット２の数は減少して行く。これはＣ−Ｃ′の線をＤ′の方向へ移動させた場合、Ｄ−Ｄ′の線をＣ方向、或いはＣ′方向に移動させた場合も同じである。
これに対して、Ｂ−Ｂ′の線をＡ方向やＡ′方向へ移動させた場合およびＡ−Ａ′の線をＢ方向やＢ′方向へ移動させた場合、その線にかかるスロットの数は変化しない。

このように直線を移動させた場合、その直線にかかるスロットの数が減少して行く方向でのサイドローブは減少し、数が減少しない方向でのサイドローブレベルより低くなるというのがアンテナ工学の教えるところである。
要するに、図３の場合Ｃ方向，Ｃ′方向、Ｄ方向およびＤ′方向（いわゆる対角線方向）におけるサイドローブレベルは、Ａ方向，Ａ′方向、Ｂ方向およびＢ′方向（いわゆる上下、左右方向）におけるサイドローブレベルより低い。

本発明では、このような導波管スロットアンテナを４個田の字状に並べ、その行方向および列方向（図でいうと上下左右）に隣り合うアンテナ間では偏波面が直交するように配列されているので上下左右方向のサイドローブレベルが大きくともアイソレーションが確保できるし、対角線方向に隣り合うアンテナは、偏波面は同じとなるが、対角線方向でのサイドローブレベルが低いので、やはりアイソレーションが確保できるということになる。

このように、本発明第１の構成の田の字状に配列された４個の導波管スロットアレーアンテナは、周波数が同じであっても各アンテナ相互間のアイソレーションが確保されるというものである。
従って、本発明第１の構成の複直交偏波スロットアレーアンテナは、１つの周波で２組の直交偏波通信システムを成立させることができ、有限の電波資源の有効活用に資することができるという効果がある。

本発明第２の構成の複直交偏波通信システムにおいては、一方の無線局、他方の無線局ともに、第１の構成の複直交偏波スロットアレーアンテナを用い、偏波面が互いに直交する２つの導波管スロットアレーアンテナを送信アンテナとして用い、偏波面が互いに直交する他の２個を受信アンテナとして用いており、送信アンテナおよび受信アンテナにはそれぞれ送信装置および受信装置が接続され、両無線局とも送信装置が２台、受信装置が２台ということになり、両無線局間では偏波面が一致した送信装置と受信装置との間で通信が行われる。
それぞれの無線局内においては、偏波面の一致する送信装置と受信装置の組が２組存在することになるが、偏波面の同じ導波管スロットアレーアンテナは、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間で偏波面が直交するようにした当然の結果として、対角線方向の配置となっており、この方向のサイドローブは前述のように小さいのでアイソレーションが確保でき、無線局自局内での送信装置から受信装置への回り込み受信は実用上無視し得る。

このように本発明第２の構成は、本発明の第１の構成の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを用いることにより、１つの周波数で、２組の直交偏波通信を行うことができ有限の電波資源の有効活用に資することができるという効果がある。

本発明の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナの形成に当たっては、４個のアンテナの開口面が同一寸法の正方形になるようにし、この正方形が田の字状に並んだ形になるように一体形成するものとし、導波管の形成は、アンテナ４個分大の基体の一面側を田の字に区分し、各区分領域毎にその部分の偏波面に合わせた給電導波路および放射用導波路となる溝を設け、この基体に、各給電導波路に対応させてスロットが打ち抜かれたスロットアレー板を被せて固定し、４個のアンテナが一体となった導波管スロットアレーアンテナを形成するのが最良の実施形態である。
このように構成することにより、基体をダイカストで製造することができ大量生産低価格が実現できることになる。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナの開口面を示す正面図である。
この正面図ではスロット２が設けられたスロットアレー板３が見えているのみであるが、この背後には給電導波路および放射用導波路用の溝が設けられた基体が密着されている。
基体は、図に示すように区切られた田の字状の４つの領域となっており、各領域毎にその部分で構成される各スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄの偏波面に対応した給電導波路溝および放射用導波路溝が形成されている。

スロットアレー板３の各領域に対応する部分のスロット２の列は、この放射用導波路溝に対応して設けられている。図中、各スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄの中央に示された実直線はそのスロットアレーアンテナの偏波面を示す線であり、ｆ_１は各スロットアレーアンテナの使用周波数を示している。
具体的には、図１の左右方向を水平方向と仮定するなら、スロットアレーアンテナ１ａは水平偏波で使用周波数はｆ_１、スロットアレーアンテナ１ｂは垂直偏波で使用周波数は同じくｆ_１、従って、この２つのアンテナが１組の直交偏波スロットアレーアンテナを構成する。

同様に、スロットアレーアンテナ１ｃは垂直偏波で使用周波数はｆ_１、スロットアレーアンテナ１ｄは水平偏波で使用周波数は同じくｆ_１であり、この２つのアンテナでもう１組の直交偏波スロットアレーアンテナを構成している。

本発明の１周波複直交偏波スロットアレーアンテナは、このように４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列された構成となっており、各アンテナの偏波面は行方向および列方向で隣り合うアンテナ間で直交するようになっている。

また、スロットアレーアンテナ１ａと１ｄ同士、および１ｂと１ｃ同士は偏波面は同じであるが、対角状に配置されることになり、対角線方向のサイドローブレベルが低いのでアイソレーションが得られることになる。
このとき、隣り合うアンテナのスロット配列の対称中心線同士を一致させることにより直交偏波間のアイソレーションを向上できる。

図２は、図１の１周波複直交偏波導波管スロットアンテナ１を一方の無線局と他方の無線局に設置し、それぞれに送信装置および受信装置を接続した図である。
両アンテナは互いに偏波面が揃うようにして対向させて設けられている。一方の無線局の送信装置４から周波数ｆ_１で出力された信号はスロットアレーアンテナ１ａから送信され、他方の無線局の同一偏波面のスロットアレーアンテナ１ａで受信され、受信装置１０へ入力される。同様に送信装置５から周波数ｆ_１で出力された信号は受信装置１１へ入力される。

そして、送信装置４からの信号が受信装置１１に入力したり、送信装置５からの信号が受信装置１０へ入力したりすることはない。偏波面が異なるからである。
このとき、スロットアレーアンテナ１ａから送信された電波は、スロットアレーアンテナ１ｂの偏波面が異なるから受信装置８へは回り込まないし、スロットアレーアンテナ１ｄへは偏波面が同じであっても対角線方向のサイドローブレベルが低いので受信装置９へも回り込まない。同様に送信装置５の送信信号は、スロットアレーアンテナ１ｂへは偏波面が同じであっても対角線方向のサイドローブレベルが低いから受信装置８へは回り込まず、スロットアレーアンテナ１ｄへは、周波数が同じであっても偏波面が異なるから受信装置９へは回り込まない。

以上の送受信関係および、回り込みが生じないことについては他方の無線局における送信装置６、７からの送信についても全く同様である。
そして、両無線局間の偏波が同じ送信アンテナ間では相手の電波は受波されるがそのレベルは微弱であり、悪影響をもたらすことはない。

こうして、送信装置４から受信装置１０への送信および送信装置６から受信装置８への送信、送信装置５から受信装置１１への送信および送信装置７から受信装置９への送信は同一周波数であっても混信のない同時送受信が可能となる。
このように、１周波数で２組の直交偏波通信を行うことができるので、周波数帯の無駄のない活用に資することができる。

また、各送信装置および受信装置を小型化することにより接続すべき導波管スロットアレーアンテナの背面に密着実装することができ、伝送線路を極限的に短くすることができるとともに、アンテナが送信装置や受信装置の放熱器の役割を果すことになり極めて良好な結果を得ることができる。

本発明の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナの開口面を示す正面図である。 本発明の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを一方の無線局と他方の無線局に設置し、それぞれに送信装置および受信装置を接続した１周波複直交偏波通信システムを示すブロック図である。 複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを構成する導波管スロットアレーアンテナの各方向におけるサイドローブレベルの高低を説明する図である。 従来知られた１周波直交偏波通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１ １周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナ
１Ａ、１Ｂ 受信装置
１ａ〜１ｄ スロットアレーアンテナ
２ スロット
２Ａ、２Ｂ 送信装置
３ スロットアレー板
３Ａ、３Ｂ 受信アンテナ
４〜７ 送信装置
４Ａ、４Ｂ 送信アンテナ
８〜１１ 受信装置

Claims (2)

1. ４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、各アンテナの偏波面は、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、使用周波数は１周波数であることを特徴とする１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナ。
2. 一方の無線局と他方の無線局のそれぞれに請求項１記載の１周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを有し、両アンテナは互いに偏波面が揃うようにして対向しており、それぞれの無線局は、偏波面の異なる２個の導波管スロットアレーアンテナを送信アンテナとして用い、他の２個を受信アンテナとして用い、送信アンテナおよび受信アンテナにはそれぞれ送信装置および受信装置が接続されていることを特徴とする１周波複直交偏波通信システム。

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