JP2013051474A

JP2013051474A - 組み合わせ空中線装置

Info

Publication number: JP2013051474A
Application number: JP2011187032A
Authority: JP
Inventors: Yoshiyuki Matsuda; 佳之松田
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2011-08-30
Filing date: 2011-08-30
Publication date: 2013-03-14

Abstract

【課題】高い性能を実現した組み合わせ空中線装置を提供する。
【解決手段】複数の空中線素子１２Ａ〜１２Ｅ、２２Ａ〜２２Ｅが前後に配列された空中線１０、２０と、空中線１０用の高周波信号の位相を遅延させる、給電線３０の調整長３１とを備え、空中線１０および空中線２０の配列方向が互いに同じになるように、かつ、空中線１０は空中線２０に対して所定長だけ前方に配置されている。
【選択図】図１

Description

この発明は、無線通信に用いられる組み合わせ空中線装置に関する。

メガヘルツ帯の電波を用いた無線通信は、各種の分野で用いられている。例えば電力会社は、一般の需要家に対する配電設備の状態を巡視し、また不調となった配電設備の修理を迅速に行って、需要家に対して電気を安定して供給する。このために、営業所は営業区域内を巡回するための自動車を所持し、営業所と自動車との間で連絡や指令などのために、電波による通信が行われている。営業所は移動する自動車と通信するので、広範囲での通信を確保するために、高い建物や山などに基地局が設置されている。営業所と自動車とは、基地局を介在して通信を行う。このために、営業所の親局である固定局と、子局である基地局との間は、通常、有線で接続されるが、基地局が山の中などにある場合、ケーブルの敷設が困難なときに、６０ＭＨｚ帯の電波を用いた固定回線で、営業所の固定局と基地局（無線局）とが結ばれている。

無線局の固定回線の空中線としては、垂直偏波を受信する５素子八木型アンテナ（５素子八木型垂直偏波）が使用され、さらに、横方向に２配列して垂直偏波を受信する形式が採用されている。これにより、目的指向方向に対して高利得で先鋭な指向性を構成し、目的指向方向以外からの雑音排除特性も高いものとなっている（例えば、特許文献１参照。）。

ところで、無線局の監視方法は、営業所に設置してある固定局から無線局に向けて、１５分に１回の割合でポーリングを行う。これにより、固定局は無線局の状態把握を行っている。

特開２００９−４９４７８号公報

しかし、無線局の監視を行っていると、次の課題が発生する。１年間の無線局の運用状況のうち、おおむね２月から５月にかけて、無線局の監視不良が正午前後の時間帯に発生し、数時間から場合によっては６時間以上も無線局の監視状態の把握ができない現象が起きている。無線局の監視方法は、営業所に設置してある固定局から無線局に向けて、１５分に１回の割合でポーリングを行う。これにより、固定局は無線局の状態把握を行っている。

無線局の監視状態の把握ができない現象を解明するため、本発明者らは、営業所からの送信信号を無線局で受信・自動記録する装置を設置し、正常時、異常発生直前、異常発生継続中、異常状態からの復帰時などの復調信号を記録し、解析を行った。この解析結果から、監視不良状態の発生前後を含む障害発生時には、アナログＦＭ方式の固定回線に重畳する雑音成分が増大し、この雑音により、受信機において正常な信号の復調が妨害された結果、監視状態不良が発生しているものと、本発明者らは判断した。

この雑音発生時においては、営業所からの送信信号に雑音が重畳し、受信機において正常な復調信号が得られていないことから、営業所の配電関係作業でも、電力保安通信を使用する際に通話不良が生ずるものと、本発明者らは判断する。この結果、電力保安通信が正常に機能維持できない状態となり、場合によっては配電線事故復旧作業に支障を与えることも懸念される。

本事象の問題は、アナログ変調を使用している固定無線回線に雑音が重畳していることが原因であり、根本的な問題解決は伝送路を光ファイバ等の有線伝送路にすればよい。しかし、台風や大雨による土砂災害発生時に通信回線が途絶するという可能性を考えれば、無線伝送路の優位性も十分に評価ができる。

そこで、雑音成分の排除能力の高い空中線を使用すれば本問題解決が図れるものと考える。しかし、雑音成分の排除能力が高い空中線は、一般的に尖鋭な指向特性を有し、空中線は長大化する。この結果、強風や台風時の空中線設備損壊の危険性が高まるため、雑音成分の排除能力の高い空中線の使用は適切な問題解決方法とはいえない。

もし、雑音の発生原因が人工的なものであれば、その原因排除に注力すればよい。しかし、統計的手法を用いた障害発生パターンの分析によれば、曜日による関連性も無く、また毎日一定時間に発生・停止を繰り返すという周期性も見受けられない。

そして、発明者らによる種々の調査の結果、季節・天候・気温等との関連が優位であると見受けられ、主に晴天で気温上昇の変化量が激しい時期に発生頻度が高い傾向がみうけられた。これは太陽活動による電離層の変化からなる異常伝搬と自然雑音による関連が高いものとして、研究者の間において理解がなされている。

現在、無線局の固定回線の空中線は、先に述べたように、５素子八木型垂直偏波を横方向に２配列した形式を採用しており、一般的に目的指向方向に対して高利得で先鋭な指向性を構成し、目的指向方向以外からの雑音排除特性も高いものとなっている。しかし、無線局の条件においては、なお改良の余地があるものといえる。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、さらに改良を行って、高い性能を実現した組み合わせ空中線装置を提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、複数の空中線素子が前後に配列された第１および第２の空中線と、前記第１の空中線用の高周波信号の位相を遅延させる遅延手段と、を備え、前記第１の空中線の前記各空中線素子の配列方向と前記第２の空中線の前記各空中線素子の配列方向とが互いに同じになるように、かつ、該第１の空中線は該第２の空中線に対して所定長だけ前方に配置されている、ことを特徴とする組み合わせ空中線装置である。

請求項１の発明は２つの空中線と、第１の空中線用の高周波信号の位相を遅延させる遅延手段とを備えている。そして、第１の空中線の各空中線素子の配列方向と第２の空中線の配列方向とが互いに同じになるように、かつ、第１の空中線は第２の空中線に対して所定長だけ前方に配置されている。

請求項２の発明は、請求項１に記載の組み合わせ空中線装置において、前記遅延手段は、前記第２の空中線に接続されている給電線に比べて前記所定長だけ長いと共に前記第１の空中線に接続されている給電線である、ことを特徴とする。

請求項３の発明は、請求項１または２に記載の組み合わせ空中線装置において、前記第１の空中線および前記第２の空中線は垂直偏波用の空中線であり、前記第２の空中線は前記第１の空中線に対して横方向に配置されている、ことを特徴とする。

請求項４の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の組み合わせ空中線装置において、前記第１の空中線および前記第２の空中線は水平偏波用の空中線であり、前記第２の空中線は前記第１の空中線に対して縦方向に配置されている、ことを特徴とする。

請求項５の発明は、請求項１〜４のいずれか１項に記載の組み合わせ空中線装置において、前記第２の空中線に対して配列された複数の空中線を備え、前記各空中線の空中線素子の配列方向が互いに同じになるように、かつ、該各空中線の中の前方の空中線は、後方の空中線に対して所定長だけ前方に配置されている、ことを特徴とする。

請求項１および請求項４の発明によれば、第２の空中線に対して前方（配列方向）に位置する第１の空中線から前方に出力される高周波信号は、第２の空中線から出力される高周波信号に比べて位相が進む。しかし、第１の空中線に接続されている遅延手段は第１の空中線に入力される高周波信号の位相を遅らせる。これにより、第１の空中線および第２の空中線の高周波信号の位相が同じ状態になるため、第１の空中線が第２の空中線に対して所定長だけ前に配置したことによる影響は発生しない。また、配列方向の反対方向に対しては、各空中線からの高周波信号の位相が異なる状態になるために、第１の空中線から後方向に出力される高周波信号が、第２の空中線から出力される高周波信号を打ち消すことができるので、スタック構成の従来のアンテナ装置に比べて、性能を向上させることができる。さらに、請求項５の発明によれば、第２の空中線に対して複数のアンテナを設けることにより、これらの効果を高めることができる。

請求項２の発明によれば、給電線の長さを調整するだけで、遅延手段を構成することができる。

請求項３の発明によれば、垂直偏波用として２列に配置された、スタック構成の従来の空中線装置に比べて、性能を向上させることができる。

この発明の実施の形態１による組み合わせ空中線装置を示す斜視図である。組み合わせ空中線装置の設置の様子を示す正面図である。１本の５素子八木型垂直偏波の指向特性を表す図であり、図３（ａ）は水平面内の指向特性を表す図、図３（ｂ）は垂直面内の指向特性を表す図である。５素子八木型垂直偏波による水平スタックを示す斜視図である。水平スタックを組んだ５素子八木型垂直偏波の指向特性を表す図であり、図５（ａ）は水平面内の指向特性を表す図、図５（ｂ）は垂直面内の指向特性を表す図である。空中線と給電線の様子を示す図である。位相シフトした組み合わせ空中線の指向特性を表す図であり、図７（ａ）は水平面内の指向特性を表す図、図７（ｂ）は垂直面内の指向特性を表す図である。

次に、この発明の実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態による組み合わせ空中線装置を図１に示す。この組み合わせ空中線装置は、２本の空中線１０、２０と、空中線１０、２０に接続されている給電線３０、４０とを備えている。そして、空中線１０、２０は、図２に示すように、金属等の支持具１１０により、所定間隔Ｌ１だけ離れて設置され、さらに、支持具１１０は、地表面に設置されている支柱１２０に、固定具（図示を省略）で固定されている。なお、図２では、給電線３０、４０を省略している。

空中線１０は、５素子八木型垂直偏波であり、パイプ状のブーム１１を備えている。所定長のブーム１１には、空中線素子１２Ａ〜１２Ｅが、互いに離れて、かつ、ブーム１１の軸方向Ａと直交する方向に、それぞれ配列されて固定されている。つまり、ブーム１１の軸方向Ａが、空中線素子１２Ａ〜１２Ｅの配列方向になっている。空中線素子１２Ｄは導波用であり、空中線素子１２Ｄには給電部１３を介在して、給電線３０が接続されている。給電部１３は、空中線素子１２Ｄと給電線３０とを電気的に接続する。給電線３０は、空中線１０を受信機等に接続するための同軸ケーブルである。

このように、ブーム１１と空中線素子１２Ａ〜１２Ｅと給電部１３とで空中線１０が構成されている。空中線１０は、図３（ａ）に示すように、空中線１０の軸方向Ａつまり前方向を中心に、地表面に対して水平面内で、広範囲の指向特性を持つ。また、空中線１０は、軸方向Ａとは逆の後方向にも利得を持つ。さらに、空中線１０は、図３（ｂ）に示すように、地表面に対して垂直面内では、主に軸方向Ａに指向特性を持つ。なお、図３では、符号Ｇａは利得を表し、符号Ｆ／Ｂは前方対後方比（ＦｒｏｎｔｔｏＢａｃｋｒａｔｉｏ）を表す。また、符号Ｚはインピーダンスを表し、符号ＳＷＲは定在波比を表す。さらに、図３は、コンピュータシミュレーションにより指向特性を模擬した図である。

図３に示す特性を改善するために、図４に示すように、空中線１０Ａ、１０Ｂを横に並べて設置する方式がある。つまり、図４では、空中線１０Ａ、１０Ｂにより水平スタックが組まれている。なお、図４では、空中線１０と同等の空中線を、空中線１０Ａと空中線１０Ｂとしている。空中線１０Ａと空中線１０Ｂでは、互いの軸方向Ａが平行になるように、空中線１０Ａと空中線１０Ｂとが配置されている。かつ、空中線１０Ａと空中線１０Ｂとは、軸方向Ａに直交する横方向に、つまり、空中線１０Ａのブーム１１と空中線１０Ｂのブーム１１とが横に並ぶように配置されている。

このように、空中線１０で水平スタックを組むと、図５（ａ）と図５（ｂ）とに示すように、地表面に対して水平面内で、１本の空中線１０に比べて、前方向（軸方向Ａ）に指向性が強く高い利得（符号Ｂ１の部分）を持つ。また、後方向にも、１本の空中線１０に比べて、強い指向性ではあるが低い利得（符号Ｂ２の部分）を持つ。そして、空中線を２つ横に並べて使用した効果により、前方利得（符号Ｂ１の部分）は理論的最大である３ｄＢ近く増加しているが、前方対後方比は逆に１．８７ｄＢ悪化している。なお、図５は、図３と同様に、コンピュータシミュレーションにより指向特性を模擬した図である。

この実施の形態による組み合わせ空中線装置では、図４に示す水平スタックの空中線に対して位相シフトを行っている。つまり、この組み合わせ空中線装置は、先の図１に示すように、空中線１０と、空中線１０と同等の空中線２０とを備えている。そして、空中線１０のブーム１１と空中線素子１２Ａ〜１２Ｅと給電部１３とが、空中線２０のブーム２１と空中線素子２２Ａ〜２２Ｅと給電部２３とにそれぞれ対応している。

この実施の形態による組み合わせ空中線装置では、空中線１０と空中線２０の互いの軸方向Ａが平行になるように、空中線１０と空中線２０とが配置されている。かつ、空中線１０は、空中線２０に対して軸方向Ａに、所定距離Ｌ２だけ前方にずらして配置する。つまり、この実施の形態による組み合わせ空中線装置では、５素子八木型垂直偏波を横方向に２つ配列した形式の空中線の片側空中線を、軸方向Ａ（指向方向）に機械的に使用周波数の４分の１波長（＝Ｌ２）オフセットして配置する。

組み合わせ空中線装置では、２本の空中線である空中線１０、２０にそれぞれ給電する給電線３０、４０の長さについては、電気的に使用周波数の４分の１波長の位相差を設ける。この様子を図６に示す。空中線２０の給電部２３に接続されている給電線４０に比べて、空中線１０の給電部１３に接続されている給電線３０を、電気的に使用周波数の４分の１波長に相当する調整長３１だけ長くしている。この調整長３１が高周波信号の位相を４分の１波長遅延させる遅延手段である。

このように、組み合わせ空中線装置は、５素子八木型垂直偏波を２つ横に並べて、機械的・電気的に位相を各々４分の１波長ずらし、こうした状態で組み合わせ空中線装置に給電して使用する。

これにより、空中線２０に対して指向方向（軸方向Ａ）の前方に位置する空中線１０から、指向方向に出力される高周波信号は、空中線２０から出力される高周波信号に比べて、４分の１波長だけ位相が進む。しかし、空中線１０に接続されている給電線３０は、使用周波数の４分の１波長に相当する調整長３１だけ長くしてあるので、空中線１０に入力される高周波信号の位相は、４分の１波長だけ遅れる。この結果、空中線１０から指向方向に出力される高周波信号の位相は、空中線２０から指向方向に出力される高周波信号の位相と同じになる。高周波信号が組み合わせ空中線装置に入力された場合も同様であり、給電線３０、４０から出力される高周波信号の位相は同じになる。

つまり、空中線１０、２０の指向方向に対しては、高周波信号の位相が位相シフト対策の前と同じ状態になるため、位相シフトした組み合わせ空中線装置は、無線回線設計に何らの影響も与えないことになる。

一方、空中線１０から後方向（軸方向Ａの逆方向）に出力される高周波信号は、空中線２０から出力される高周波信号に比べて、４分の１波長だけ位相が遅れる。さらに、空中線１０に接続されている給電線３０は、使用周波数の４分の１波長に相当する調整長３１だけ長くしてあるので、空中線１０に入力される高周波信号の位相は、４分の１波長だけ遅れる。この結果、空中線１０から後方向に出力される高周波信号の位相は、空中線２０から後方向に出力される高周波信号の位相に比べて、１８０度逆になる。

つまり、空中線指向方向の反対方向に対しては、横方向に２配列してある各々の空中線からの高周波信号が逆位相で放射されることとなり、空中線１０から後方向に出力される高周波信号が、空中線２０から出力される高周波信号を完全に打ち消す。

これにより、図７（ａ）と図７（ｂ）とに示すように、組合せ空中線の指向方向以外からの信号を大幅に減衰させることができる。同時に、空中線の指向方向以外から到来する雑音信号や不要信号の受信機への入力も低減させることができる。その結果、固定無線回線のＳ／Ｎが向上し、回線品質が安定する。この場合、前方利得は、先の図５に示すように、水平スタックを組んだ５素子八木型垂直偏波とほぼ同等の値となっている。そして、前方対後方比は、図５の例に比べて、０．９１ｄＢ向上している。こうしたコンピュータシミュレーションにより指向特性を模擬した図を見ても、この実施の形態による組み合わせ空中線装置は、後方の利得が大きく減少していることが分かる。つまり、同じ空中線を２つ横配列した場合に、機械的・電気的に位相を各々４分の１波長ずらして使用することで、前方利得は同等であり、前方対後方比を向上させることができる、という優れた特性を持っていることが分かる。この高い特性を得るために、特殊な空中線や装置等を不要にし、従来から使用されているスタック構成の、垂直偏波用の空中線の位置調整と、片方空中線に接続されている給電線の長さ調整とを必要とするだけである。

なお、この実施の形態では、送信信号に着目して本発明の構成・作用を説明したが、受信信号に対しても本発明の構成・作用はまったく同様であることは自明である。

さらに、この実施の形態によれば、次のような利点も発生する。
１．固定無線回線、特にＶＨＦ帯の低い周波数を使用している回線の品質安定を図ることができる。
２．目的方向以外の電波の放射を大幅に抑えることができることから、混信の低減、ひいては無線回線の秘密の保護を高めることができる。
３．無線通信のみならず、ＶＨＦ帯の低い周波数を使用している同報型放送、例えば地方自治体が設置している防災行政無線の回線安定度を高めることで、災害時の確実な情報伝達に寄与することができる。
４．無線通信のみならず、ＨＦ・ＶＨＦ帯の周波数を使用し、電離層反射を利用して可視範囲を超えた地域の状態を探索する超地平線（ＯｖｅｒＴｈｅＨｏｒｉｚｏｎ）レーダー装置の空中線としても使用可能であり、良好な前方対後方比により精度の高いレーダー観測に寄与することができる。

（実施の形態２）
実施の形態１では、空中線１０に入力される高周波信号の位相を、給電線３０の長さを調節することで、使用周波数の４分の１波長オフセットしたが、この実施の形態では、次のようにしている。

この実施の形態では、給電線３０と給電線４０の長さを同じにする。そして、コンデンサやインダクタンスの回路素子の組み合わせにより、使用周波数の４分の１波長オフセットする回路を、給電線３０に設置する。つまり、この実施の形態では、回路素子により遅延手段を構成する。

このようにすると、実施の形態１の組み合わせ空中線装置と同じような作用・効果を得ることができる。

（実施の形態３）
先に述べた実施の形態では、空中線１０、２０が垂直偏波用であった。これに対して、この実施の形態では、空中線は水平偏波用である。この場合、先の実施の形態による空中線１０、２０を９０度回転させた状態、つまり、先の実施の形態による空中線１０、２０を縦方向に配置して、空中線が配列されている。

この実施の形態によれば、水平偏波に対しても、実施の形態１の組み合わせ空中線装置と同じような作用・効果を得ることができる。

（実施の形態４）
この実施の形態では、実施の形態１、２で述べた組み合わせ空中線装置の空中線１０、２０の中の、空中線２０に続いて複数の空中線を階段状に配列する。このとき、空中線２０に続く各空中線、例えば空中線２０の次の空中線は、空中線１０と空中線２０と同様に、機械的・電気的に位相を各々４分の１波長ずらす。

このようにしてｎ本の空中線を配列した場合には、信号を分割する際に、前にずらした空中線列と後ろにずらした空中線列には、まず、給電エネルギーが均等になるように１／２分割し、さらに、１／２分割のエネルギーを、それぞれ前にずらした空中線列の本数で分割したもの、後ろにずらした空中線列で分割したものとする必要がある。

このように、ｎ本の空中線を前後の位置を半波長ずらして交互に配列し、前方にずらした空中線には半波長遅延する給電方式とすることで、さらに本発明の効果を高めることができる。

なお、実施の形態３の水平用の組み合わせ空中線装置についても、同様に空中線をｎ本とすることが可能であることは自明である。

１０、２０空中線
３０、４０給電線
３１調整長（遅延手段）

Claims

複数の空中線素子が前後に配列された第１および第２の空中線と、
前記第１の空中線用の高周波信号の位相を遅延させる遅延手段と、
を備え、
前記第１の空中線の前記各空中線素子の配列方向と前記第２の空中線の前記各空中線素子の配列方向とが互いに同じになるように、かつ、該第１の空中線は該第２の空中線に対して所定長だけ前方に配置されている、
ことを特徴とする組み合わせ空中線装置。
前記遅延手段は、前記第２の空中線に接続されている給電線に比べて前記所定長だけ長いと共に前記第１の空中線に接続されている給電線である、
ことを特徴とする請求項１に記載の組み合わせ空中線装置。
前記第１の空中線および前記第２の空中線は垂直偏波用の空中線であり、前記第２の空中線は前記第１の空中線に対して横方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項１または２に記載の組み合わせ空中線装置。
前記第１の空中線および前記第２の空中線は水平偏波用の空中線であり、前記第２の空中線は前記第１の空中線に対して縦方向に配置されている、
ことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の組み合わせ空中線装置。
前記第２の空中線に対して配列された複数の空中線を備え、
前記各空中線の空中線素子の配列方向が互いに同じになるように、かつ、該各空中線の中の前方の空中線は、後方の空中線に対して所定長だけ前方に配置されている、
ことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の組み合わせ空中線装置。