JP2014175893A

JP2014175893A - 漏洩同軸ケーブル

Info

Publication number: JP2014175893A
Application number: JP2013047628A
Authority: JP
Inventors: Fumio Suzuki; 文生鈴木
Original assignee: Fujikura Ltd
Current assignee: Fujikura Ltd
Priority date: 2013-03-11
Filing date: 2013-03-11
Publication date: 2014-09-22
Anticipated expiration: 2033-03-11
Also published as: JP5622881B2

Abstract

【課題】終端側での放射波を抑制することが可能な漏洩同軸ケーブルを提供する。
【解決手段】信号が伝搬する線状の中心導体３と、中心導体３を覆う絶縁体５と、絶縁体５を覆い、中心導体３の軸方向に沿って一定のピッチＰで複数のスロット１０が配列された外部導体７と、外部導体７の外周を覆うシース９とを備える漏洩同軸ケーブル１である。複数のスロット１０の長手方向が、軸方向に対して同一の角度γで配列され、信号の伝搬波長をλg、絶縁体の比誘電率をεr、［（εr）^1/2／｛１＋（εr）^1/2｝］をＡとして、ピッチＰは、Ａλg＜Ｐ＜λgの範囲である。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナとして用いる漏洩同軸ケーブルに関する。

漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）は、通常の同軸ケーブルの外部導体に複数のスロットが設けられたものである（非特許文献１参照）。このようなスロットを通じて、ケーブル内部の電磁波信号を外部に放射したり、ケーブル外部の電磁波信号をケーブル内部に取り込むことができる。即ち、ＬＣＸはケーブル型アンテナであり、特殊な細長い送受信アンテナと言える。

ＬＣＸは、通信領域が細長い環境におけるアンテナとして有効である。特に、曲がりくねったトンネル内や金属体が多数存在する場所では、電磁波の不感地帯が生じやすい。このような場所では、一般のアンテナを用いると、多数のアンテナを設置しなければならない。しかし、ＬＣＸではそれぞれのスロットがアンテナとして働くので、ＬＣＸに沿って多数のアンテナが配置されることになる。したがって、１本のＬＣＸを布設するだけで、細長い通信領域でも電磁波不感地帯の発生がし難くなる。布設工事も、一般のアンテナを個別に取り付けて電気配線する必要がなく、ＬＣＸを延線するだけでよく非常に簡単に実施できる。

通常使用されているＬＣＸでは、スロットがジグザグ配列されている。このようなＬＣＸからの電磁波の放射モードには、電界が円周方向及び軸方向のＥφ偏波及びＥｚ偏波がある。Ｅφ偏波及びＥｚ偏波の放射角度は、使用周波数、スロットのピッチ、及び内部導体と外部導体間の絶縁体の比誘電率から定められる（非特許文献１参照）。

従来のＬＣＸでは、放射電磁波の強度の安定性を確保するため、Ｅφ偏波単一となる放射モードが採用される。この場合、Ｅφ偏波の放射角度がＬＣＸの終端側に向かう方向に対して負、即ち給電側に向くバックファイア型アンテナとして使用されることが多い。ＬＣＸは複数のスロットの各スロットから電磁波が放射されるので、ＬＣＸに沿って安定な通信領域を実現できる。しかも、ＬＣＸへの入力電力を適当に弱くすれば、ＬＣＸ近傍だけに安定な通信領域が得られる。そのため、ＬＣＸ本体周辺のみに通信対象領域を限定でき、情報漏洩を防止して通信セキュリティを確保するためのアンテナとして使用されている。また、会議室などの机に対してＬＣＸを垂直に配置して、狭い空間だけに無線通信を限定することが提案されている（特許文献１参照）。提案された方法では、ＬＣＸからの放射波の放射方向を机側に向かせて、机付近にいる人だけに無線通信を可能とさせている。

特開２０１２−２０９６３６号公報

岸本俊彦、佐々木伸著「ＬＣＸ通信システム」電子通信学会、コロナ社出版、昭和５７年８月２０日出版

しかし、ＬＣＸの終端側近傍を詳細に調査すると、実際にはＥｚ偏波の放射が存在していることが判明した。このようなＬＣＸ終端側近傍での意図していないＥｚ偏波の放射は不要であり、情報漏洩を防止して通信セキュリティ確保のためには抑制する必要がある。

上記問題点を鑑み、本発明の目的は、終端側での放射波を抑制することが可能な漏洩同軸ケーブルを提供することにある。

本発明の一態様によれば、信号が伝搬する線状の中心導体と、中心導体を覆う絶縁体と、絶縁体を覆い、中心導体の軸方向に沿って一定のピッチで複数のスロットが配列された外部導体と、外部導体の外周を覆うシースとを備え、複数のスロットの長手方向が、軸方向に対して同一の角度で配列され、信号の伝搬波長をλg、絶縁体の比誘電率をεr、［（εr）^1/2／｛１＋（εr）^1/2｝］をＡとして、ピッチＰが、Ａλg＜Ｐ＜λgの範囲である漏洩同軸ケーブルが提供される。

本発明の一態様において、ピッチＰが、０．６λg〜０．９λgの範囲であることが望ましい。また、複数のスロットの長手方向が、軸方向に対して傾斜した角度で配列されてもよく、あるいは、軸方向に対して垂直な角度で配列されてもよい。

本発明によれば、終端側での放射波を抑制することが可能な漏洩同軸ケーブルを提供することが可能となる。

本発明の実施の形態に係るＬＣＸの一例を示す概略図である。ＬＣＸからの放射の測定系の一例を示す側面概略図である。従来のジグザグ型ＬＣＸの一例を示す概略図である。従来のジグザグ型ＬＣＸの放射モード及び放射方向の測定結果の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係るＬＣＸの放射モード及び放射方向の測定結果の一例を示す図である。図１に示したＬＣＸの結合損失分布の一例を示す図である。Ｐ＜０．５λgでのＬＣＸの結合損失分布の一例を示す図である。０．５λg＜Ｐ＜ＡλgでのＬＣＸの結合損失分布の一例を示す図である。１λg＜ＰでのＬＣＸの結合損失分布の一例を示す図である。本発明の実施の形態に係るＬＣＸの他の例を示す概略図である。図１０に示したＬＣＸの結合損失分布の一例を示す図である。

以下図面を参照して、本発明の形態について説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には同一または類似の符号が付してある。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。

又、以下に示す本発明の実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。

本発明の実施の形態に係るＬＣＸ１は、図１に示すように、中心導体３、絶縁体５、外部導体７、及びシース９を有する。中心導体３は、高周波信号が供給される給電側から終端側に向かう軸方向（ｚ軸方向）に延伸する。絶縁体５は、中心導体３を覆うように設けられる。外部導体７は、絶縁体５を覆うように設けられる。シース９は、外部導体７の外周を覆うように設けられる。外部導体７には、ＬＣＸの軸方向に沿って複数のスロット１０が一定のピッチＰで設けられる。スロット１０は、長手方向をｚ軸方向に対して角度γで傾けて配列された斜めスロットである。

例えば、ＬＣＸ１には、直径２ｍｍの銅線製の中心導体３、比誘電率εrが１．５で外径５ｍｍの発泡ポリエチレン製の絶縁体５、厚さ０．０１ｍｍの銅箔製の外部導体７、及び外径７ｍｍのシース９が用いられる。ＬＣＸ１の特性インピーダンスは、例えば５０Ωである。スロット１０は、長さ１２ｍｍ、幅２ｍｍで、ｚ軸方向に対する角度γは３０度である。

実施の形態の説明では、図２に示すように、ＬＣＸ１を通信領域としての会議机などの天板３０に垂直に設置した構成を用いている。座標系として、ＬＣＸ１の軸方向をｚ、ＬＣＸ１を軸にして円周方向をφとする。ＬＣＸ１からの放射波の放射角θは、ｚ軸の直交方向ｘを０度として、給電側に向かう場合を負（−）、終端側に向かう場合を正（＋）とする。ＬＣＸ１の給電側に同軸ケーブル１６を介して、入力電力Ｐinの信号を供給する給電部１４が接続される。終端側には、ＬＣＸ１の特性インピーダンス、例えば５０Ωの終端器１２が接続される。ＬＣＸ１からの放射波は、半波長標準ダイポールアンテナなどの受信アンテナ２０で受信される。受信アンテナ２０は、同軸ケーブル２２を介して、放射波の受信電力Ｐoutを検出する受信部２４に接続される。

非特許文献１に記載のように、ＬＣＸからの放射波には複数の放射モードが存在する。各放射モードをｍ次の放射モードと呼ぶ。ここで、ｍは負の整数である。ｍ次放射モードの放射角θmは、スロットのピッチ、ＬＣＸの絶縁体の比誘電率、及び使用する周波数の波長により計算される。

図３に示すように、一般のＬＣＸ１ａでは、ｚ軸に沿って複数のスロット１０ａ、１０ｂが一定のピッチＰでジグザグ状に設けられる。スロット１０ａは、長手方向がｚ軸方向に対して鋭角の角度αで傾けて配置される。スロット１０ａに隣接するスロット１０ｂは、長手方向がｚ軸方向に対して鈍角の角度βで傾けて設けられる。角度α、βは互いに補角をなす。

ジグザグ型のＬＣＸ１ａにおいて、絶縁体５の比誘電率εr及び信号の周波数を一定とすると、ピッチＰが短い場合は放射波は存在せず、ピッチＰが長くなるにしたがい放射が発生する。ピッチＰを長くすると、まず最低次モードとして電界がφ方向の偏波のＥφ,-1モードが、−９０度の放射角θから発生する。ピッチＰを増加すると、放射波はｚ軸に対して垂直方向、即ち０度の放射角θとなる。更にピッチＰを増加させると、Ｅφ,-1モードの偏波は、放射角θが＋９０度の方向に向かう。また、ピッチＰの増加に伴い、２番目の放射モードとして電界がｚ方向のＥｚ,-2モード、次いで、３番目の放射モードとしてＥφ,-3モードなど、高次の放射モードが次々に発生する。

同一の偏波において複数の放射モードが存在すると、各モードの放射波間の干渉によって放射強度が不安定になる。そのため、単一放射モード領域となるピッチＰの範囲で使用することが望ましい。従来使用されている単一放射モード領域とは、Ｅｚ,-2モードが発生する前のＥφ,-1モードだけが存在する領域である。ここで、信号のＬＣＸ内の伝搬波長をλg、絶縁体５の比誘電率をεr、［（εr）^1/2／｛１＋（εr）^1/2｝］をＡとすると、単一放射モードとなるピッチＰは、０．５Ａλg＜Ｐ＜Ａλgの範囲である。例えば、図２に示した構成で使用する場合、放射角θは負、即ちバックファイア型アンテナとして用いることにより、通信領域を机の天板３０上に限定することができる。バックファイア型とするには、ピッチＰを、０．５Ａλg＜Ｐ＜０．５λgの範囲とすればよい。なお、放射角θが約０度となるＰ≒０．５λgの近傍は、スロット１０ａ、１０ｂによる共振が生じて給電側における反射波が増加するので使用されない。

しかしながら、従来Ｅφ,-1の単一放射モード領域と考えられていたピッチＰの範囲のジグザグ型ＬＣＸ１ａを用いたところ、終端側及び給電側から想定外の放射が、ＬＣＸ１ａの垂直方向に発生していることが確認されている。終端側及び給電側からの放射は不要放射であり、通信情報の漏洩を生じる恐れがある。図２に示した構成により、ＬＣＸ１ａのスロット１０ａ、１０ｂのピッチＰを変化させて放射波の測定を行った結果を、図４に示す。

図４に示すように、Ｅφ,-1モードの放射は、Ｐ＜０．５Ａλgで給電側、０．５Ａλg＜Ｐ＜０．５λgで放射角θが−９０度〜０度、Ｐ＞０．５λgで放射角θが０度〜＋９０度である。なお、ピッチＰが、０．５λg及び１λgでは共振が生じる。Ｅｚ,-2モードの放射は、Ｐ＜０．５λgで終端側、０．５λg＜Ｐ＜Ａλgで給電側、Ａλg＜Ｐ＜１λgで放射角θが−９０度〜０度、Ｐ＞１λgで放射角θが０度〜＋９０度である。Ｅφ,-3モードの放射は、Ｐ＜１．５Ａλgで放射無し、Ｐ＞１．５Ａλgで放射角θが−９０度〜０度である。このように、従来単一放射モード領域といわれていた０．５Ａλg＜Ｐ＜Ａλgの範囲でも、終端側や給電側に放射が存在する。特に、バックファイア型アンテナとして用いる０．５Ａλg＜Ｐ＜０．５λgの範囲では、終端側への放射が存在する。図４に示すように、ジグザグ型ＬＣＸ１ａでは、単一放射モード領域のバックファイア型アンテナを実現することはできず、終端側からの不要放射が存在することがわかる。

図１に示した斜めスロットを有するＬＣＸ１を用いて、図２に示した構成により、スロット１０のピッチＰを変化させて放射波の測定を行った結果を、図５に示す。図５に示すように、スロット１０が同一形状であるので、偶数モードの放射だけが存在する。図５に示すような斜めスロットを有するＬＣＸ１では、Ｅｚ,-2モード及びＥφ,-2モードの放射は、Ｐ＜０．５λgで終端側、０．５λg＜Ｐ＜Ａλgで給電側、Ａλg＜Ｐ＜１λgで放射角θが−９０度〜０度、Ｐ＞１λgで放射角θが０度〜＋９０度である。なお、ピッチＰが、１λgでは共振が生じる。Ｅｚ,-4モード及びＥφ,-4モードの放射は、Ｐ＜２Ａλgで放射無し、Ｐ＞２Ａλgで放射角θが−９０度〜０度である。なお、ピッチＰが、２λgでは共振が生じる。

このように、スロット１０として、長手方向がｚ軸に対して同一の角度で配列された斜めスロットを用いることにより、Ａλg＜Ｐ＜１λgの範囲で、Ｅｚ,-2モード及びＥφ,-2モードの偏波によるバックファイア型アンテナを実現することができる。斜めスロットの場合、Ｅｚ,-2モード及びＥφ,-2モードの偏波が混在するが、方向が互いに直交するため干渉は生じない。

図６に、スロット１０のピッチＰが８０ｍｍで、全長１ｍのＬＣＸ１を、幅約３ｍの机の天板３０の中央に垂直に立てて設置して、ＬＣＸ１の周辺の結合損失を測定した結果を示す。図２に示したように、給電部１４から入力電力Ｐinの信号が供給され、ＬＣＸ１からの放射波が受信アンテナ２０で受信される。受信部２４で放射波の受信電力Ｐoutが検出される。結合損失Ｌｃは、次式で計算される。

Ｌｃ＝ −１０ｌｏｇ（Ｐout／Ｐin）（ｄＢ）・・・（１）

例えば、周波数が２．４ＧＨｚで入力電力Ｐinの信号がＬＣＸ１の給電部から供給される場合、絶縁体５の比誘電率εrが１．５では、Ａは０．５５、λgは１０２ｍｍであるので、ピッチＰは、Ａλg＜Ｐ＜１λgの範囲となる。

図６に示すように、放射波は、設置面、即ち天板３０に向かって放射角θが−２０度で放射されている。放射波には、Ｅz偏波とＥφ偏波が混在している。これらの放射波は、それぞれＥｚ,-2モードのＥz偏波及びＥφ,-2モードのＥφ偏波である。Ｅz偏波及びＥφ偏波の結合損失Ｌｃは、天板３０上のＬＣＸ１から約１．５ｍ離れた位置で、それぞれ約６５ｄＢ及び約７０ｄＢである。

また、終端側からの放射も、Ｅz偏波とＥφ偏波が観察されている。終端側でのＥz偏波及びＥφ偏波の結合損失Ｌｃは、終端器１２から約１．５ｍ離れた位置で、それぞれ約７５ｄＢ及び約８５ｄＢである。

次に、図６の同様の構成で、ピッチＰをＰ＜０．５λgの範囲として、ＬＣＸ１の終端側の放射を確認している。例えば、ピッチＰをＰ＝０．４λg、即ち４１ｍｍとして、ＬＣＸ１の周辺の結合損失分布を測定した。図７に示すように、放射波は、終端側からＬＣＸ１の半径方向であるｘ軸方向に放射されていることがわかる。放射波には、Ｅｚ偏波とＥφ偏波が混在している。

同様に、ピッチＰを、０．５λg＜Ｐ＜Ａλgの範囲として、ＬＣＸ１の給電側の放射を確認している。例えば、ピッチＰをＰ＝０．５３λg、即ち５４ｍｍとして、ＬＣＸ１の周辺の結合損失分布を測定した。図８に示すように、放射波は、給電側からＬＣＸ１の半径方向であるｘ軸方向に放射されていることがわかる。放射波には、Ｅｚ偏波とＥφ偏波が混在している。

更に、ピッチＰを１λg＜Ｐの範囲として、ＬＣＸ１からの放射角θが０度＜θ＜９０度の方向への放射となることを確認している。例えば、ピッチＰをＰ＝１．２λg、即ち１２２ｍｍとして、ＬＣＸ１の周辺の結合損失分布を測定した。図９に示すように、放射波は、ＬＣＸ１から放射角θが＋１２度で放射されていることがわかる。放射波には、Ｅｚ偏波とＥφ偏波が混在している。

このように、斜めスロットを用いたＬＣＸ１は、ピッチＰがＡλg＜Ｐ＜１λgの範囲で、終端側からの不要放射を抑制したバックファイア型アンテナとして用いることができる。その結果、会議机などの天板３０上の狭い空間を通信領域に限定することができ、通信セキュリティを確保することが可能である。また、斜めスロットを用いたＬＣＸ１では、Ｅｚ,-2モード及びＥφ,-2モードの偏波が混在するため、使用する受信アンテナの自由度を高くすることができる。

なお、スロット１０として、長手方向のｚ軸方向に対する角度γが３０度の斜めスロットを用いている。角度γは３０度に限定されず、任意の傾斜角であってもよい。また、図１０に示すように、長手方向の角度γがｚ軸方向に垂直な形状のスロット１０を用いてもよい。垂直形状のスロット１０を有するＬＣＸ１を用いて、図２に示した構成により、スロット１０のピッチＰを変化させて放射波の測定を行った結果を、図５に示す。図５に示すように、スロット１０が同一の垂直形状であるので、偶数モードのＥz偏波の放射だけが存在する。Ｅｚ,-2モードの放射は、Ｐ＜０．５λgで終端側、０．５λg＜Ｐ＜Ａλgで給電側、Ａλg＜Ｐ＜１λgで放射角θが−９０度〜０度、Ｐ＞１λgで放射角θが０度〜＋９０度である。なお、ピッチＰが、１λgでは共振が生じる。Ｅｚ,-4モードの放射は、Ｐ＜２Ａλgで放射無し、Ｐ＞２Ａλgで放射角θが−９０度〜０度である。なお、ピッチＰが、２λgでは共振が生じる。このように、垂直形状のスロット１０を有するＬＣＸ１では、Ａλg＜Ｐ＜１λgの範囲で、Ｅz偏波だけの単一放射モードのバックファイア型アンテナを実現することができる。

図１１に、長さが５ｍｍで、幅が２ｍｍの垂直形状で、ピッチＰが８０ｍｍのスロット１０を有する全長１ｍのＬＣＸ１を、幅約３ｍの机の天板３０の中央に垂直に立てて設置して、ＬＣＸ１の周辺の結合損失を測定した結果を示す。図１１に示すように、放射波は、設置面、即ち天板３０に向かって放射角θが−２０度で放射されている。放射波は、Ｅｚ,-2モードのＥz偏波が主であり、Ｅφ偏波は弱い。Ｅz偏波の結合損失Ｌｃは、天板３０上のＬＣＸ１から約１．５ｍ離れた位置で、約７３ｄＢである。

また、終端側からの放射も、Ｅz偏波とＥφ偏波が観察されている。終端側でのＥz偏波及びＥφ偏波の結合損失Ｌｃは、終端器１２から約１．５ｍ離れた位置で、それぞれ約８５ｄＢ及び約１００ｄＢである。このように、垂直形状のスロット１０を用いたＬＣＸ１は、終端側からの不要放射を抑制したバックファイア型アンテナとして用いることができる。その結果、会議机などの天板３０上の狭い空間を通信領域に限定することができ、通信セキュリティを確保することが可能である。

また、上記説明では、ＬＣＸ１の長さを１ｍ、放射角θを約−２０度として、約３ｍの通信領域を確保しているが、ＬＣＸ１の長さ及び放射角θは限定されない。例えば、ＬＣＸ１の長さは、０．５ｍ〜３ｍの範囲が実用的である。また、会議室などの机上の通信領域としては、約１ｍ〜約６ｍの空間を考えればよい。このような場合、放射角θとしては、約−１０度〜約−８０度の範囲とすればよい。ｍ次放射モード偏波の放射角θmは、ピッチＰ、絶縁体５の比誘電率εr、及び信号のＬＣＸ１内の伝搬波長λgより、次式で計算される。

ｓｉｎθm ＝ｍλg（εr）^1/2／（２Ｐ）＋（εr）^1/2 ・・・（２）

ピッチＰは次式で表される。

Ｐ＝［ｍ（εr）^1/2λg／｛（εr）^1/2−ｓｉｎθm｝］／２・・・（３）

例えば、Ｅｚ,-2モード及びＥφ,-2モードの偏波について、絶縁体５の比誘電率εrを１．５とすると、放射角θ-2を−１０度〜−８０度の範囲とするには、式（３）よりピッチＰを０．６λg〜０．９λgの範囲にすればよい。

また、スロット１０の形状として、角丸長方形を用いているが、形状は限定されない。例えば、スロット１０は、矩形状であってもよく、あるいは、円状、楕円状、正方形状であってもよい。

（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態を記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者にはさまざまな代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係わる発明特定事項によってのみ定められるものである。

１…漏洩同軸ケーブル（ＬＣＸ）
３…中心導体
５…絶縁体
７…外部導体
９…シース
１０…スロット
１２…終端器

本発明の一態様によれば、机の天板上に垂直に設置したアンテナとして用いる漏洩同軸ケーブルであって、周波数が一定である高周波信号が伝搬する線状の中心導体と、中心導体を覆う絶縁体と、絶縁体を覆い、中心導体の軸方向に沿って一定のピッチで複数のスロットが配列された外部導体と、外部導体の外周を覆うシースとを備え、複数のスロットの長手方向が、軸方向に対して同一の角度で配列され、高周波信号の伝搬波長をλg、絶縁体の比誘電率をεr、［（εr）^1/2／｛１＋（εr）^1/2｝］をＡとして、ピッチＰが、Ａλg＜Ｐ＜λgの範囲である漏洩同軸ケーブルが提供される。

Claims

信号が伝搬する線状の中心導体と、
前記中心導体を覆う絶縁体と、
前記絶縁体を覆い、前記中心導体の軸方向に沿って一定のピッチで複数のスロットが配列された外部導体と、
前記外部導体の外周を覆うシース
とを備え、
前記複数のスロットの長手方向が、前記軸方向に対して同一の角度で配列され、
前記信号の伝搬波長をλg、前記絶縁体の比誘電率をεr、［（εr）^1/2／｛１＋（εr）^1/2｝］をＡとして、前記ピッチＰが、Ａλg＜Ｐ＜λgの範囲であることを特徴とする漏洩同軸ケーブル。
前記ピッチＰが、０．６λg〜０．９λgの範囲であることを特徴とする請求項１に記載の漏洩同軸ケーブル。
前記複数のスロットの長手方向が、前記軸方向に対して傾斜した角度で配列されることを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩同軸ケーブル。
前記複数のスロットの長手方向が、前記軸方向に対して垂直な角度で配列されることを特徴とする請求項１又は２に記載の漏洩同軸ケーブル。