JP2012239160A - 電磁波放射同軸ケーブル及び通信システム - Google Patents

Abstract

【課題】高周波信号が入力されたときに、円偏波の電磁波を放射可能な電磁波放射同軸ケーブル、及び、該電磁波放射同軸ケーブルを備える通信システムを提供する。
【解決手段】電磁波放射同軸ケーブル(10)は、導体からなり、軸線に沿って延びる内部導体(20)と、内部導体(20)を覆う絶縁体(22)と、絶縁体(22)の周囲に、絶縁体(22)の一部が露出させられるギャップ(30)を形成するように、一定のピッチの一重螺旋状にて巻回された外部導体(24)とを備える。送信又は受信される高周波信号の波長、当該波長での絶縁体(22)の比誘電率、及び、軸線に沿う方向における外部導体(24)の巻回のピッチは、所定の関係を満たす。
【選択図】図２

Description

本発明は、電磁波放射同軸ケーブル及び通信システムに関する。

従来より、移動体通信のための送信アンテナとして、開放同軸ケーブル及び漏洩同軸ケーブルが提案されている（例えば特許文献１及び特許文献２参照）。

特許文献１の図１０（Ａ）及び（Ｂ）に示された開放同軸ケーブルは螺旋状の開口溝を有し、開放同軸ケーブルに高周波信号を供給すると、開口溝を通じて電磁界が漏れ出す。外部の受信アンテナは、この漏れ出した電磁界を、誘導結合により検出する。

一方、特許文献１の図７や特許文献２の図１に記載された漏洩同軸ケーブルはスロットを有し、開放同軸ケーブルに高周波信号を供給すると、スロットを通じて電磁波が放射される。外部の受信アンテナは、この放射された電磁波を受信する。

特開平９−１９８９４１号公報 特開２０１０−１０３６８５号公報

特許文献１の図１０（Ａ）及び（Ｂ）に記載された螺旋型の開放同軸ケーブルは誘導結合型であり、これらの開放同軸ケーブルを送信アンテナとして用いた場合、受信アンテナまでの距離や、開放同軸ケーブル自体の汚れ等に応じて、伝送損失や結合損失等の特性が大きく変化してしまう。

また、特許文献１の図７や特許文献２の図１に記載されたスロット型の漏洩同軸ケーブルは直線偏波の電磁波しか放射できない。このため、この漏洩同軸ケーブルを送信アンテナとして用いた場合、受信アンテナを、直線偏波の振幅方向に合わせて設置しなければ、結合損失が悪化してしまうという問題がある。

本発明は、上記事情に鑑みて成されたものであり、高周波信号が入力されたときに、円偏波の電磁波を放射可能な電磁波放射同軸ケーブル、及び、該電磁波放射同軸ケーブルを備える通信システムを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の一態様によれば、導体からなり、軸線に沿って延びる内部導体と、前記内部導体を覆う絶縁体と、前記絶縁体の周囲に、前記絶縁体の一部が露出させられるギャップを形成するように、一定のピッチの一重螺旋状にて巻回された外部導体とを備え、送信又は受信される高周波信号の波長をλとし、前記波長での前記絶縁体の比誘電率をεｒとし、前記軸線に沿う方向における前記外部導体の巻回のピッチをＰとするとき、次式：

で示される関係を満たす、ことを特徴とする電磁波放射同軸ケーブルが提供される（請求項１）。

好ましい態様として、前記外部導体の前記絶縁体の表面における占有率は５０％以上である、（請求項２）。

好ましい態様として、前記軸線を含む平面に前記ギャップを投影したとき、前記外部導体の側縁と直交する方向での前記ギャップの幅は、０．５ｍｍ以上である（請求項３）。

好ましい態様として、前記外部導体は、箔又は複数の導線からなる（請求項４）。

好ましい態様として、電磁波放射同軸ケーブルは、前記内部導体に前記高周波信号が印加されたときに、円偏波の電磁波を放射する（請求項５）。

好ましい態様として、前記高周波信号の周波数は、８００ＭＨｚ以上２４００ＭＨｚ以下の範囲内にある（請求項６）。

また、本発明の一態様によれば、上記電磁波放射同軸ケーブルを備える通信システムが提供される（請求項７）。

本発明によれば、高周波信号が入力されたときに、円偏波の電磁波を放射可能な電磁波放射同軸ケーブル、及び、該電磁波放射同軸ケーブルを備える通信システムが提供される。

第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブルを備える送信システムの構成を概略的に示す図である。 図１中の電磁波放射同軸ケーブルの構成を概略的に示す側面図である。 図１中の電磁波放射同軸ケーブルの構成を概略的に示す横断面図である。 図４は、シミュレーションに用いたモデルを概略的に示す図である。 実施例１（８００ＭＨｚ）について、左旋円偏波及び右旋円偏波の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例２（１８００ＭＨｚ）について、左旋円偏波及び右旋円偏波の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例１（２４００ＭＨ）について、左旋円偏波及び右旋円偏波の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例１（８００ＭＨｚ）について、主軸及副軸の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例２（１８００ＭＨｚ）について、主軸及副軸の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例３（２４００ＭＨｚ）について、主軸及副軸の強度の放射角依存性を示すグラフである。 実施例４（２４００ＭＨｚ）について、軸方向偏波及び周方向偏波の結合損失の位置特性を示すグラフである。 実施例５〜８（５Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲でのメタルカバー率（占有率）とＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係を示すグラフである。 実施例９〜１２（１０Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲でのメタルカバー率（占有率）とＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係を示すグラフである。 実施例１３〜１６（５Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲での、周方向偏波の結合損失とギャップ幅Ｗｇとの関係を示すグラフである。 実施例１７〜２１（１０Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲での、周方向偏波の結合損失とギャップ幅Ｗｇとの関係を示すグラフである。 実施例１３〜１６（５Ｄ）及び実施例１７〜２１（１０Ｄ）について、周波数８００ＭＨｚでの周方向偏波の結合損失とギャップ幅Ｗｇとの関係を示すグラフである。 第２実施形態の電磁波放射同軸ケーブルの構成を概略的に示す側面図である。 図１７の電磁波放射同軸ケーブルの構成を概略的に示す横断面図である。

〔第１実施形態〕
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０を備える送信システム１２の概略的な構成を示している。

送信システム１２は、高周波信号を生成して出力する送信器１４を備え、送信器１４は高周波信号を出力する。送信器１４は、給電線を介して、接栓（給電点）１６に接続され、接栓１６は、電磁波放射同軸ケーブル１０の一端に接続されている。また、送信システム１２は、電磁波放射同軸ケーブル１０の他端に接続された終端器（ダミー抵抗）１８を有する。

図２は、電磁波放射同軸ケーブル１０の構成を概略的に示す側面図であり、図３は、電磁波放射同軸ケーブル１０の構成を概略的に示す横断面図である。
図２及び図３に示したように、電磁波放射同軸ケーブル１０は、例えば銅線からなり、軸線１９に沿って延びる線状の内部導体２０を有する。内部導体２０の外周面は、同心上に設けられた円筒形状の絶縁体２２によって覆われている。

絶縁体２２の材料としては、例えば、ポリエチレン、ポリテトラフルオロエチレン、塩化ビニル、又は、これらの発泡体を用いることができる。絶縁体２２の比誘電率εｒは、例えば１．０以上３．０以下である。

絶縁体２２の外周面には外部導体２４が設けられている。外部導体２４の内径Ｄは、例えば３ｍｍ以上５０ｍｍ以下である。また、例えば、電磁波放射同軸ケーブル１０の特性インピーダンスが５０Ω又は７５Ωとなるように、内部導体２０の外径ｄは、絶縁体の比誘電率εｒを考慮して適宜調整される。

外部導体２４の外周面は電気絶縁性を有する外皮２６によって覆われている。外皮２６の材料としては、例えばポリエチレン、塩化ビニル、又は、ノンハロゲン系難燃材を用いることができる。

本実施形態では、外部導体２４として、１つの帯状の金属箔２８が、絶縁体２２の周囲に一重の螺旋状にて巻回されている。金属箔２８の材料としては、例えば、銅、アルミニウム、又は、銀を用いることができる。例えば、金属箔２８は５０μｍ以上３００μｍ以下の厚さを有する。なお、外部導体２４の幅（外部導体幅）Ｗｍは、内部導体２０の軸線１９に沿う方向（軸線方向）での金属箔２８の長さである。

金属箔２８は、一定のピッチＰにて、一重螺旋にて巻回されている。ピッチＰは、電磁波放射同軸ケーブル１０の軸線方向での金属箔２８の巻回周期であって、金属箔２８が絶縁体２２の回りを１周したときに、金属箔２８が内部導体２０の軸線方向に進む長さである。

ピッチＰは、外部導体幅Ｗｍよりも大きい。従って、金属箔２８は、一重の螺旋状の溝（ギャップ）３０を形成しながら、絶縁体２２の外周面に巻回されている。
ギャップ３０の幅（ギャップ幅）Ｗｇは、例えば、０．９ｍｍ以上６ｍｍ以下である。なお、ギャップ幅Ｗｇは、軸線１９を含む平面にギャップ３０を投影したときの、金属箔２８の側縁と直交する方向での、隣り合う巻き（ターン）同士の間隔である。

本実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０では、次式（１）で示される関係が成立している。式（１）中、εｒは絶縁体２２の比誘電率であり、λは印加される高周波信号の波長（設計波長）であり、Ｐは金属箔２８の巻回のピッチである。なお、絶縁体２２の比誘電率εｒは、周波数依存性を有するが、当然のことながら、印加される高周波信号の周波数における値である。高周波信号は、携帯電話等の移動体通信、テレビ放送、無線ＬＡＮ等で用いられる周波数帯の信号を意味し、例えば、周波数が、数１００ＭＨｚ以上数ＧＨｚ以下の信号である。

そして、本実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０では、好ましい態様として、絶縁体２２の外周面における、金属箔２８の占有率（メタルカバー率）が５０％以上に設定される。つまり、外部導体幅ＷｍをピッチＰで除して得られる値Ｗｍ／Ｐが０．５以上に設定されている。
また、本実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０では、好ましい態様として、ギャップ幅Ｗｇが０．５ｍｍ以上に設定されている。

上述した第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０は、例えば、内部導体２０を覆う絶縁体２２の外周面に金属箔２８を巻回し、それから外皮２６で覆うことによって、製造可能である。

上述した第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０によれば、式（１）の条件が満たされることによって、内部導体２０に高周波信号が入力されたときに、外部導体２４の螺旋巻方向に応じた円偏波の電磁波が安定して放射される。
従って、送信システム１２と通信を行う受信システムは、電磁波放射同軸ケーブル１０に対する受信アンテナの向きに関係なく、安定して高周波信号を受信可能である。

このため、電磁波放射同軸ケーブル１０は、偏波ダイバーシティ用放射ケーブル、ＧＰＳ送受信用放射ケーブル、及び、対モバイル機器用放射ケーブルに好適である。
なお、電磁波放射同軸ケーブル１０は、受信アンテナとして用いても、方向に依存せずに良好な受信感度を有するので、受信システムにも適用可能である。つまり、電磁波放射同軸ケーブル１０は、通信システムの送信側及び受信側に適用可能である。

また、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０によれば、通常の開放同軸型ケーブルと異なり、電磁波が放射されるため、伝送損失や結合損失等の電磁界の特性が安定する（すなわち、変化が小さい）。よって、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０は、外皮２６の表面の汚れなどの影響が少ない。

更に、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０は、従来のスロット型の漏洩同軸ケーブルに比べ、製造が容易である。

以下、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０の実施例として、シミュレーション結果を示す。シミュレータには、電磁界シミュレータＷＩＰＬ−Ｄ（ＷＩＰＬ−Ｄ，Ｉｎｃ．製）を用いた。図４は、シミュレーションに用いたモデルを概略的に示す図である。

１．実施例１，実施例２，実施例３
１−１．パラメータ
外部導体内径Ｄ：５ｍｍ
内部導体外径ｄ：２ｍｍ
ピッチＰ：２００ｍｍ
外部導体幅Ｗｍ：１３７．５ｍｍ
メタルカバー率：６９％
ギャップ幅Ｗｇ：４．９ｍｍ
絶縁体比誘電率εｒ：１．２７７
ケーブル長Ｌ：２ｍ
高周波信号周波数：８００ＭＨｚ（実施例１）／１８００ＭＨｚ（実施例２）／２４００ＭＨｚ（実施例３）

１−２．指向性評価結果
（１）左旋円偏波及び右旋円偏波の強度の周波数別放射角依存性
実施例１、実施例２及び実施例３について、左旋円偏波及び右旋円偏波の強度の放射角依存性を図５、図６及び図７にそれぞれ示す。放射角は、軸線方向と直交する方向を０°としている。

図５〜図７に示すように、８００ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ及び２４００ＭＨｚのいずれにおいても、主モードと示した放射角にて、左旋円偏波の放射が認められる。これより、実施例１乃至実施例３の電磁波放射同軸ケーブル１０によれば、特定の方向に対して、電磁波を放射可能であることがわかる。
なお、放射される電磁波が左旋円偏波であるのは、モデルでは、金属箔２８が右巻きであるからであり、図２のように金属箔２８が左巻きであれば、右旋円偏波が放射される。

（２）主軸及び副軸の強度の周波数別放射角依存性
実施例１、実施例２及び実施例３について、主軸及副軸の強度の放射角依存性を図８、図９及び図１０にそれぞれ示す。なお、副軸は、電磁波放射同軸ケーブルの周方向に平行な方向（以下、周方向と記載）にほぼ一致し、主軸は、放射方向及び周方向と直交する方向（以下、軸方向と記載）にほぼ一致している。

図８〜図１０に示すように、８００ＭＨｚ、１８００ＭＨｚ及び２４００ＭＨｚのいずれにおいても、主モードと示した放射角にて、電磁波の軸比が１ｄＢ以下である。
これより、実施例１乃至実施例３の電磁波放射同軸ケーブルによって放射された電磁波をダイポールアンテナで受信する場合、ダイポールアンテナの方位にかかわらず、一定の強度を得られることがわかる。

２．実施例４
２−１．パラメータ
外部導体内径Ｄ：５ｍｍ
内部導体外径ｄ：２ｍｍ
ピッチＰ：２００ｍｍ
外部導体幅Ｗｍ：１３７．５ｍｍ
メタルカバー率：６９％
ギャップ幅Ｗｇ：４．９ｍｍ
絶縁体比誘電率εｒ：１．２７７
ケーブル長Ｌ：２ｍ
高周波周波数：２４００ＭＨｚ
ケーブルとダイポールアンテナの距離：２ｍ

２−２．軸方向偏波及び周方向偏波の結合損失の位置特性評価結果
実施例４について、軸方向偏波及び周方向偏波の結合損失の位置依存性を図１１に示す。なお、横軸の０ｍｍの位置が給電点に対応する。
図１１に示すように、軸方向偏波及び周方向偏波ともに、約１５００ｍｍ〜２０００ｍｍの範囲では、安定に放射されている。一方、指向性の関係で、１５００ｍｍよりも０ｍｍ側では、結合損失が増大している。

３．実施例５〜８及び実施例９〜１２
３−１．パラメータ
外部導体内径Ｄ：５ｍｍ（実施例５〜８）／１０ｍｍ（実施例９〜１２）
内部導体外径ｄ：２ｍｍ（実施例５〜８）／４ｍｍ（実施例９〜１２）
ピッチＰ：２００ｍｍ
メタルカバー率：９５％（実施例５，９）／６９％（実施例６，１０）／５０％（実施例７，１１）／２５％（実施例８，１２）
絶縁体比誘電率εｒ：１．２７７
ケーブル長Ｌ：２ｍ
高周波周波数：８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚ

３−２．メタルカバー率とＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係の評価結果
実施例５〜８（５Ｄ）及び実施例９〜１２（１０Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲でのメタルカバー率（占有率）とＶＳＷＲ（電圧定在波比）の関係を、図１２及び図１３にそれぞれ示す。
ＶＳＷＲは２．０以下であることが望ましく、これを実現するには、図１２及び図１３から、メタルカバー率は５０％以上であるのが望ましく、６９％以上であるのがより望ましいことがわかる。

４．実施例１３〜１６及び実施例１７〜２１
４−１．パラメータ
外部導体内径Ｄ：５ｍｍ（実施例１３〜１６）／１０ｍｍ（実施例１７〜２１）
内部導体外径ｄ：２ｍｍ（実施例１３〜１６）／４ｍｍ（実施例１７〜２１）
ピッチＰ：２００ｍｍ
ギャップ幅Ｗｇ：０．８ｍｍ，１．６ｍｍ，４．９ｍｍ，７．８ｍｍ（実施例１３〜１６）／０．８ｍｍ，１．６ｍｍ，３．９ｍｍ，９．７ｍｍ，１５．５ｍｍ（実施例１７〜２１）
絶縁体比誘電率εｒ：１．２７７
ケーブル長Ｌ：２ｍ
高周波周波数：８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚ
ケーブルとダイポールアンテナの距離：２ｍ

４−２．周方向偏波の結合損失のギャップ幅依存性評価結果
実施例１３〜１６（５Ｄ）及び実施例１７〜２１（１０Ｄ）について、８００ＭＨｚ〜２４００ＭＨｚの範囲での、周方向偏波の結合損失とギャップ幅Ｗｇとの関係を、図１４及び図１５にそれぞれ示す。また、実施例１３〜１６（５Ｄ）及び実施例１７〜２１（１０Ｄ）について、周波数８００ＭＨｚでの周方向偏波の結合損失とギャップ幅Ｗｇとの関係を図１６に示す。

周方向偏波の結合損失は９０ｄＢ以下であることが望ましく、これを実現するには、図１４、図１５及び図１６から、ギャップ幅Ｗｇは０．５ｍｍ以上であるのが望ましく、０．８ｍｍ以上であるのがより望ましいことがわかる。
また、周方向偏波の結合損失は５５ｄＢ以上８０ｄＢ以下の範囲であることがより望ましく、これを実現するには、図１４、図１５及び図１６から、ギャップ幅Ｗｇは０．９ｍｍ以上６ｍｍ以下の範囲であるのがより望ましいことがわかる。

〔第２実施形態〕
以下、第２実施形態について説明する。
なお、第１実施形態と同一又は類似の構成については、同一の名称又は符号を付して詳細な説明を省略する。

図１７は、電磁波放射同軸ケーブル４０の構成を概略的に示す側面図であり、図１８は、電磁波放射同軸ケーブル４０の構成を概略的に示す横断面図である。
図１７及び図１８に示したように、電磁波放射同軸ケーブル４０は、外部導体２４として、金属箔２８の代わりに、複数の導線４２を有する。

複数の導線４２は、互いに平行に配列されて帯状をなしながら、一定のピッチＰにて、絶縁体２２の表面に螺旋状に巻回されている。複数の導線４２もギャップ３０を形成している。複数の外部導線４２は、全体として、一重の螺旋状にて絶縁体２２の周囲に巻回されている。換言すれば、電磁波放射同軸ケーブル４０は、電磁波放射同軸ケーブル１０の金属箔２８を短冊状に分割したような構成を有する。

第２実施形態の電磁波放射同軸ケーブル４０は、第１実施形態の電磁波放射同軸ケーブル１０と同様に、内部導体２０に高周波信号が入力されたときに、円偏波の電磁波を安定に放射する。
一方、電磁波放射同軸ケーブル４０は、外部導体２４が複数の導線４２からなるので、曲げに強い。

本発明は、上述した第１実施形態、第１実施形態の実施例及び第２実施形態に限定されることはなく、第１及び第２実施形態に変更を加えた形態も含む。

例えば、上述した第１実施形態の送信システム１２においては、１本の電磁波放射同軸ケーブル１０を備えていたが、複数本の電磁波放射同軸ケーブル１０を備えていてもよい。
また、電磁波放射同軸ケーブル１０の設置位置は特に限定されることはなく、用途に応じて、屋外、屋内、あるいは、地下にも設置可能である。

１０ 電磁波放射同軸ケーブル
１２ 送信システム
２０ 内部導体
２２ 絶縁体
２４ 外部導体
２６ 外皮
２８ 金属箔
３０ ギャップ

Claims (7)

1. 導体からなり、軸線に沿って延びる内部導体と、
   前記内部導体を覆う絶縁体と、
   前記絶縁体の周囲に、前記絶縁体の一部が露出させられるギャップを形成するように、一定のピッチの一重螺旋状にて巻回された外部導体とを備え、
   送信又は受信される高周波信号の波長をλとし、前記波長での前記絶縁体の比誘電率をεｒとし、前記軸線に沿う方向における前記外部導体の巻回のピッチをＰとするとき、次式：
   

   

   で示される関係を満たす、
   ことを特徴とする電磁波放射同軸ケーブル。
2. 前記外部導体の前記絶縁体の表面における占有率は５０％以上である、
   ことを特徴とする請求項１に記載の電磁波放射同軸ケーブル。
3. 前記軸線を含む平面に前記ギャップを投影したとき、前記外部導体の側縁と直交する方向での前記ギャップの幅は、０．５ｍｍ以上である、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載の電磁波放射同軸ケーブル。
4. 前記外部導体は、箔又は複数の導線からなる、
   ことを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載の電磁波放射同軸ケーブル。
5. 前記内部導体に前記高周波信号が印加されたときに、円偏波の電磁波を放射する、
   ことを特徴とする請求項１乃至４の何れか一項に記載の電磁波放射同軸ケーブル。
6. 前記高周波信号の周波数は、８００ＭＨｚ以上２４００ＭＨｚ以下の範囲内にある、
   ことを特徴とする請求項１乃至５の何れか一項に記載の電磁波放射同軸ケーブル。
7. 請求項１乃至６の何れか一項に記載の電磁波放射同軸ケーブルをアンテナとして備える通信システム。

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