JP2011029992A5

JP2011029992A5 -

Info

Publication number: JP2011029992A5
Application number: JP2009174319A
Authority: JP
Filing date: 2009-07-27
Publication date: 2012-06-07
Anticipated expiration: 2029-07-27

Description

本発明による双方向無線接続システムの壁（インピーダンス整合用誘電体層なし）の伝搬軸（壁に垂直な直線）に沿っての電界強度分布のシミュレーション結果を示すグラフである。 λ／４のインピーダンス整合用誘電体層を図１に示した壁の背後（ＢＡＳ側）に装着した場合のシミュレーション結果を示すグラフである。本発明による双方向無線接続システムのブロック図である。第１アンテナ組立体と第２アンテナ組立体の実施形態を示す斜視図である。コンクリート壁背面に第１アンテナ組立体と第２アンテナ組立体を配置した状態を示す斜視図である。図５に示した実施形態で左から２．４ＧＨｚ平面波（１Ｖ／ｍ）を照射した場合の電波伝搬を３Ｄシミュレーションにより解析し、結果を電界強度モニタ線上の電界強度のプロフィルとして示すグラフである。中継装置の第３ダイポールアンテナの構造及び同軸線路内の電界モニタ線の位置を示し、さらに同軸線路内の電界強度Ｅρと同軸線路上の電圧Ｖ_coaxとの関係式を示す図である。第２ダイポールアンテナから３ｃｍの位置に図７に示した構造の第３ダイポールアンテナを配置して、電界強度測定用の標準アンテナとして使った場合のシミュレーション結果を示すグラフである。中継装置の第３ダイポールアンテナから第２アンテナ組立体の第２ダイポールアンテナへの電波伝搬シミュレーションに使うモデルを示す。図９に示した電界モニタ線上の電界強度プロフィルを示すグラフである。第１アンテナ組立体から壁前方空間への電波伝搬のシミュレーションに用いたモデルの斜視図である。図１１に示したモデルにおける電界垂直成分分布スナップショットを示す斜視図である。図１２に示した電界モニタ線上の電界強度プロフィルを示すグラフである。図１１に示したモデルの入力ポートから第１ダイポールアンテナを見込んだＳ１１を示すグラフである。図１１に示したモデルにおける壁前方空間の遠方指向性パターンを示すグラフである。伝搬損失実験の装置の配置を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。電波暗箱中心軸上の電界強度分布測定結果を示すグラフである。ダウンリンク無線接続実験の装置の配置を示す平面図（ａ）と側面図（ｂ）である。ダウンリンク電波伝搬実験の結果を示しており、電波暗箱の中心軸上の電界強度分布を示すグラフである。アップリンク無線接続実験の結果を示すグラフである。

〔本願システムの概略構成〕
図３は、本発明による双方向無線接続システムのブロック図である。
本発明による双方向無線接続システムが適用される空間はＦＡＳ（コンクリート壁前方空間）７とＢＡＳ（コンクリート壁後方空間）８がコンクリート壁１０で分離されている。コンクリート壁１０背面（ＢＡＳ８側）に第１アンテナ組立体１００の開口を密着配置する。第１アンテナ組立体１００は、大開口面を持つホーン型反射器と前記反射器で集められた第１の周波数の電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信する第１アンテナ（第１ダイポールアンテナ１：図４参照）を備えている。
第２アンテナ組立体２００は、平板反射器と前記平板反射器で集められた電波を受信する第２アンテナ（第２ダイポールアンテナ２：図４参照）を備えている。
ダウンリンクでは、第１ダイポールアンテナ１の出力（同軸の出力）はサーキュレータ４、同軸線路、他のサーキュレータ５を介して第２ダイポールアンテナ２の同軸入力端（アップリンクでは出力端となる）に直接接続される。すなわち第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２は、ダウンリンクでは、直接背中合わせに接続される。
アップリンクでは、第２ダイポールアンテナ２の同軸出力端をサーキュレータ５を介して増幅器（Ｇ_amp ）６に接続して増幅し、増幅器６の出力はサーキュレータ４を介して第１ダイポールアンテナ１の同軸入力端（ダウンリンクでは出力端）に接続される。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に近接してルータ付リレーステーションである中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３が配置されている。中継装置３００は、ＢＡＳ８内の例えばユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）と他の周波数ｆ2 （５．２ＧＨｚ）の電波で通信する。
なお中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３は、第２ダイポールアンテナ２との送受信アンテナとして使用される他、ユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）の図示しないアンテナとの送受信アンテナとしても使用される。
第３ダイポールアンテナ３には、通常、２周波共用アンテナが使われる。ダウンリンク動作では、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２からの電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信し、中継装置３００内で増幅して他の周波数の電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）でユーザＰＣに伝達する。アップリンク動作では、２周波共用アンテナを介してユーザＰＣからの電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）を受信した後、周波数ｆ1 （２．４ＧＨｚ）に変換し、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に伝達する。第２アンテナ組立体２００で受信された電波は増幅器６により増幅され、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から放射される。そしてコンクリート壁１０を透過してＦＡＳ７に放出され、ＦＡＳ空間の送受信設備５００（例えばベースステーション）に送信される。中継装置３００には、免許が不要な特定小電力装置の使用を想定する。

〔コンクリート壁による電波伝搬損失〕
壁前方空間（ＦＡＳ）と壁後方空間（ＢＡＳ）とを隔てるコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）に２．４ＧＨｚの平面波が入射する場合を考える。
伝搬軸（壁に垂直な直線）に沿っての電界強度分布のシミュレーション結果を図１に示す。
このシミュレーションには有限積分法(Finite Integration Method, Microwave Studio Ver.5.1, CST 社) を使った。コンクリートの誘電特性は、ε_r ＝９．８１，tan δ＝０．０９１とした。
これらの値は、後述する実験で使用した試料コンクリートの測定値である。
図１は、入射波（入射平面波強度Ｅ_incidentは１Ｖ／ｍ、周波数２．４ＧＨｚ）が、左から厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０に入射した時の伝搬軸上の電界強度プロフィルを示している。壁透過波電界強度Ｅ_transmitted は０．３６Ｖ／ｍとなっていることが分かる。
壁伝送係数（ＷＦ) を（１）式のように定義する。
ＷＦ＝（Ｅ_transmitted ／Ｅ_incident）＝０．３６（１）
壁による電波伝搬損失Ｌ_w は
Ｌ_w ＝２０ｌｏｇ₁₀ＷＦ＝２０ｌｏｇ₁₀０．３６＝−８．８７ｄＢ（２）

第２ダイポールアンテナと第３ダイポールアンテナの近接結合についてさらに説明する。前述したように図６は、図５のシミュレーションモデルを使い、ダウンリンク動作を解析した結果を示している。まず、壁後方空間の電界の状況を説明する。
図６は、壁前方から平面波を照射し、壁後方の室内空間へ電波が伝搬する状態を、電界モニタ線に沿った電界強度分布として示している。図６中の横軸はモニタ線上の距離ｃｍ（起点はモデルの左端）、縦軸は電界強度Ｖ／ｍである。縦軸のスケールが途中で変更されていることに注意する。
図６で、領域７は壁前方空間、領域１０はコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）、領域８は壁後方空間を指す。第１ダイポールアンテナ１、第２ダイポールアンテナ２、第３ダイポールアンテナ３の位置をそれぞれ１，２，３で示した。壁後面と第１ダイポールアンテナ１の間はホーン型反射器で囲われた領域、第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２の間は５０Ωの同軸線路内部の空間、第２ダイポールアンテナ２は後方室内空間（ＢＡＳ８）へ電波を再放射し、その近傍３の位置に第３ダイポールアンテナ３が配置されている。第３ダイポールアンテナ３には、受信信号出力線路として、短い５０Ωの同軸線路が接続されている。
領域７の波形は、入射平面波（１Ｖ／ｍ）と壁前面で反射された反射波がつくる定在波である。
領域１０の波形は、壁内部を左から右へ減衰しながら伝搬する波と壁後面で反射され右から左へ減衰しながら伝搬する波の干渉によって生じた定在波である。
１と２の間の波形は、第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝送される波の上に僅かなインピーダンス不整合によって生じた定在波が重畳した波形である。２と３の間の波形は、ＢＡＳ８へ放射された電波の電界強度を示している。
３後方の短い水平線は、第３ダイポールアンテナ３の５０Ω受信信号出力同軸線路内の電界強度分布を示す波形である。同軸線路は５０Ωで整合終端されているので、定在波成分はゼロである。
同軸線路は内導体半径０．０４５７ｃｍ、外導体内径０．１５１ｃｍ、外導体外径０．１８ｃｍ、誘電体内径０．０４５７ｃｍ、誘電体外径０．１５１ｃｍである。電界モニタ線は同軸線路の中心から半径０．０８３ｃｍの位置にある。
領域７の波形の平均値から、入射波電界強度は１Ｖ／ｍであり、領域１０の波形の平均値及び図１の結果から、壁透過後の電界強度は０．３６Ｖ／ｍ、１と２の間の波形の平均値から、同軸線路を通って第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝搬する波の電界強度は２５．９３Ｖ／ｍ（同軸線路電圧に換算して０．０２５７Ｖ）となった。
第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度を算出するために、第３ダイポールアンテナ３を電界強度測定用標準アンテナとして使う。第３ダイポールアンテナ３の出力同軸線路内の電界強度は、図６から１４．７７Ｖ／ｍで、同軸線路電圧に換算して０．０１４７Ｖである。
図８は、標準ダイポールアンテナとして使用された第３ダイポールアンテナ近傍の電界強度分布を拡大して示している。
図８に示すように、この標準ダイポールアンテナを電界強度１Ｖ／ｍの平面波が伝搬している空間に配置した時、５０Ω出力同軸線路に誘起される電圧は０．０１５３Ｖとなる。この標準ダイポールアンテナのアンテナファクタ（ＡＦ）は
ＡＦ_standard＝Ｅ_incident／Ｖ_coax＝１／０．０１５３＝６５．３６（１１）
となる。
上記２つの関係を併せると、第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度は
Ｅ（３ｃｍ）＝６５．３６×０．０１４７＝０．９６１Ｖ／ｍ（１２）
と算出される。

〔第１ダイポールアンテナから壁前方空間へのアップリンクシュミュレーション〕
図１１は、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７への電波伝搬シミュレーションに用いたモデルの斜視図であり、厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０を通しての第１ダイポールアンテナ１の放射特性シミュレーションモデルである。
第１ダイポールアンテナ１に接続した５０Ω同軸線路の入力ポートに２．４ＧＨｚ, １Ｗを印加し電波を励振した。
図１２は３直交面内の電界垂直成分分布スナップショットであり、図１３は図１２の電界モニタ線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３上の電界強度プロフィルを示すグラフである。

〔設計システムの性能評価実験伝搬損失測定〕
図１６に、伝搬損失実験の配置図を示す。同図において上部（ａ）は平面図、下部（ｂ）は側面図である。伝搬損失実験で用いた電波暗箱の形状寸法は以下のとおりである。
左電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１００ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
右電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１５０ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
典型的な建築用コンクリート（２．３×１０³ ｋｇ／ｍ³ ）を使った壁サンプル（７０ｃｍ×７０ｃｍ×１０ｃｍ）を用いて伝搬損失を測定する。
壁サンプル（１１２．７ｋｇ）を図１６に示すように左側と右側の電波暗箱で挟み垂直に保持した。電波暗箱はアルミ板の表面に厚さ２ｍｍの電波吸収板を貼った構造である。この電波吸収板は導体板で裏打ちした状態で２．５ＧＨｚで無反射面として機能するよう設計されている。コンクリート板上に貼った状態では無反射面として機能しなかった。
この問題を回避するために、電界に平行なコンクリート壁縦側面上にはアルミ板を装着せず、かつ、壁中央部分だけを電波照射して、伝搬損失を測定した。左側電波暗箱内の反射板付きダイポールアンテナを励振源からの入力信号２．４ＧＨｚ，０ｄＢｍで励振した。この状態で、標準ダイポールアンテナを電波暗箱中心軸上で走査して電界強度分布を測定した。電界強度測定にはスペクトラムアナライザ（Spectrum Master, MS2721, Anritsu）を使用した。測定結果を図１７に示す。

〔アップリンク電波伝搬実験〕
アップリンク動作に関する実験は、第１アンテナ組立体１００の逆方向（室内から室外）の電波伝搬特性を確認することを主目的として実施した。
アップリンク電波伝搬実験では図１８の左側電波暗箱から励振用アンテナを取り除き、右側電波暗箱中の第２ダイポールアンテナ２から１２ｃｍの位置に裸のダイポールアンテナを配置した。このダイポールアンテナに０ｄＢｍ, ２．４ＧＨｚを印加して、左側電波暗箱中心軸上の電界強度分布を測定した。測定結果を図２０に示す。
図２０は、アップリンク無線接続実験の結果を示すグラフである。
縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）、横軸は伝搬軸上の壁表面からの距離（ｃｍ）、第２ダイポールアンテナ２のダイポール位置における電界強度測定値は１７．１２ｍＶ／ｍ、コンクリート壁前面から２５ｃｍにおける電界強度測定値は１．９２ｍＶ／ｍになっている。
図２０の結果からアップリンクの伝搬損失Ｌ^U _overall を概算すると
Ｌ^U _total （ｄＢ）＝２０ｌｏｇ₁₀（１．９２／１７．１２）＝−１９．０ｄＢ（２７）となる。
中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３との距離を１２ｃｍとした場合のシミュレーションによる電波伝搬損失Ｌ_RepToAnt2 （１２ｃｍ）（ｄＢ）は（１７）式で示したように、−１３．３３ｄＢであった。
第１ダイポールアンテナ１の入力端子への入力電力と壁前方空間（ＦＡＳ）７へ放射される電力の比率＝０．１６６６（図１５の説明文放射効率＝０．１６６６参照）。これをｄＢに変換すると−７．７８ｄＢ（（１９）式参照）である。
第３ダイポールアンテナ３から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの電力伝搬損失はそれらの合計で与えられる。
従って、
Ｌ^U _total （ｄＢ）＝−１３．３３−７．７８＝−２１．１１ｄＢ（２８）
となり、実験で得た値−１９．０ｄＢに近い値となる。
これは先にアップリンクシミュレーションで述べた設計方法の妥当性を示したと言える。