JP2023183670A - 無給電中継装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 特定の指向性が得られて不要な放射が抑制でき、小型化・低背化を図ることが可能であると共に、１つで２方向の放射が可能な無給電中継装置を提供すること。【解決手段】 一対の開口部５ａを両端に有して導電体で形成されていると共に上下に対向した天板部２及び地板部３と左右に対向した一対の側壁部４とを有した断面矩形状のアンテナ本体５を備え、天板部が、開口部の開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔Ｓを有している。【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話等の端末と基地局との通信において、通信容量や通信距離を増大させる無給電中継装置に関する。

一般に、携帯電話等の端末と基地局との通信において、通信容量や通信距離を増大させるために、基地局（光ファイバー網含む）の出力電力の増加や密な設置（建屋内外）等の対応が行われてきた。また、特定の通信においては、設置コストを考慮して基地局の代わりに無給電反射板や大型の無給電中継装置などが、山の斜面や鉄塔頭頂部などに設置されている。

端末と基地局との通信において、基地局の出力電力の増加、あるいは基地局自体の施設の増加は、通信に必要とするコストの上昇，エネルギーの浪費，電磁波の不要放射などが課題となるが、従来、ダイポールアンテナ，ループアンテナ，パッチアンテナや八木アンテナを使用した無給電中継装置が提案されている。

例えば、特許文献１では、入射波に直交する面を開口面積とする受信アンテナと、反射板を有し送信方向である反射方向に平行な面を開口面積とする送信アンテナと、送信アンテナと受信アンテナの構造の一部を共有していると共に送信アンテナと受信アンテナとが同一平面内に設けられたデュアルアンテナ装置が記載されている。

特開２０１３－１９７７５８号公報

しかしながら、上記従来の技術においても、以下の課題が残されている。
近年、５Ｇミリ波において自由空間減衰の増大や狭ビーム化により、建物と建物との間などのブラインドスポット（電波不感地帯）の通信品質を改善することが要望されている。特に、５Ｇミリ波の広まりに応じて屋内の不感地帯対策として、基地局の電波を光ファイバで中継し、天井等に設置された多数のアンテナから送受信を行うＤＡＳ（分散アンテナシステム）用のアンテナ（無給電中継装置）が検討されている。そのため、屋内の電波不感地帯となりやすい廊下等のＴ字路や十字路では２方向の放射が要求される。
しかしながら、特許文献１の技術では、一方向しかカバーできないため、２方向をカバーするために２つのユニットを設置する必要があり、アンテナの設置数が増大してしまうという問題があった。また、パッチアンテナエリアと八木アンテナエリアとが分かれているため、アンテナ全体の面積が大きくなってしまう不都合があった。

本発明は、前述の課題に鑑みてなされたもので、特定の指向性が得られて不要な放射が抑制でき、小型化・低背化を図ることが可能であると共に、１つで２方向の放射が可能な無給電中継装置を提供することを目的とする。

本発明は、前記課題を解決するために以下の構成を採用した。すなわち、第１の発明に係る無給電中継装置は、一対の開口部を両端に有して導電体で形成されていると共に上下に対向した天板部及び地板部と左右に対向した一対の側壁部とを有した断面矩形状のアンテナ本体を備え、前記天板部が、前記開口部の開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔を有していることを特徴とする。

この無給電中継装置では、天板部が、開口部の開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔を有しているので、天板部の正面から例えば垂直偏波の入射波がスロット状貫通孔を介して入力されると、帯状ループアンテナとして機能するアンテナ本体の一対の開口部から両側の開口方向に向けて水平偏波の送信波を再放射することができる。このように、送信用の帯状ループアンテナとなるアンテナ本体の天板部に、スロット状貫通孔により受信用のスロットアンテナが構成されていることで、受信した電磁波を別の２方向に送信することができ、不要な放射も抑制することができる。例えば、２方向の指向性を有する本発明の無給電中継装置を、構造物の構内のＴ字路において、その中央に設置することで、Ｔ字路を構成する１つの通路方向から別の２つの通路方向へ効率的に再放射することが可能になる。
また、本発明の無給電中継装置では、アンテナ本体が断面矩形状であるため、小型化かつ低背化が可能である。さらに、放射の効率化及び小型化等ができるため、パッシブリピータとしてアンテナの設置数を減らすことができ、低コスト化が可能である。

第２の発明に係る無給電中継装置は、第１の発明において、前記天板部の上方に間隔を空けて設置された導電性パッチ板部を備えていることを特徴とする。
すなわち、この無給電中継装置では、天板部の上方に間隔を空けて設置された導電性パッチ板部を備えているので、帯状ループアンテナとして機能するアンテナ本体の天板部が、パッチアンテナとして機能する導電性パッチ板部の地板と共有することで、２つのアンテナ構成がスロット状貫通孔を介して結合され、不要な放射をより抑制して、さらに効率的に再放射動作させることができる。

第３の発明に係る無給電中継装置は、第２の発明において、前記天板部が、矩形状とされ、前記導電性パッチ板部が、前記天板部の外形に沿った矩形状のうち互いに対向する一対の角部が切り欠かれた形状とされていることを特徴とする。
すなわち、この無給電中継装置では、導電性パッチ板部が、天板部の外形に沿った矩形状のうち互いに対向する一対の角部が切り欠かれた形状とされているので、一対の角部が切り欠かれた導電性パッチ板部により円偏波化することができ、垂直偏波と水平偏波との両偏波の受信が可能になる。

第４の発明に係る無給電中継装置は、第１から第３の発明のいずれかにおいて、前記側壁部が、前記天板部の縁に沿って並んで立設された複数の壁用導電体ピンで構成されていることを特徴とする。
すなわち、この無給電中継装置では、側壁部が、天板部の縁に沿って並んで立設された複数の壁用導電体ピンで構成されているので、壁用導電体ピンが側壁部の側板の代わりとなって断面矩形状のアンテナ本体を構成することができる。

第５の発明に係る無給電中継装置は、第１から第４の発明のいずれかにおいて、前記アンテナ本体で構成された単位アンテナが、前記開口部を同じ方向に向けて複数設置されていることを特徴とする。
すなわち、この無給電中継装置では、アンテナ本体で構成された単位アンテナが、開口部を同じ方向に向けて複数設置されているので、単位アンテナのアレイ化により利得を向上させることができると共に、開口部の開口方向の指向性をさらに増幅して鋭い指向性を得ることができる。したがって、想定設置面での指向性が非常に小さくでき、構造物に近接させて設置することも可能になる。
なお、単位アンテナのアレイ数（設置数）が多い程、利得を向上させることができる。

本発明によれば、以下の効果を奏する。
本発明の無給電中継装置によれば、天板部が、開口部の開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔を有しているので、天板部の正面からの入射波がスロット状貫通孔を介して入力されると、帯状ループアンテナとして機能するアンテナ本体の一対の開口部から両側の開口方向の２方向に向けて送信波を効率的かつ低コストで再放射することができる。
したがって、本発明の無給電中継装置は、携帯電話や無線ＬＡＮ等の通信の中継装置として好適であり、特に構造物内やその近傍において目立たずに設置可能な程度まで小型化・低背化を図ることができる。

本発明に係る無給電中継装置の第１実施形態を示す斜視図である。 第１実施形態において、無給電中継装置の指向性を示すグラフである。 本発明に係る無給電中継装置の第２実施形態を示す平面図（ａ）及び側面図（ｂ）である。 第２実施形態において、無給電中継装置の指向性を示すグラフである。 本発明に係る無給電中継装置の第３実施形態を示す平面図である。 第３実施形態において、無給電中継装置の指向性を示すグラフである。 本発明に係る無給電中継装置の第４実施形態を示す斜視図である。 第４実施形態において、無給電中継装置の指向性を示すグラフである。 本発明に係る無給電中継装置の第５実施形態を示す斜視図である。 第５実施形態において、無給電中継装置の指向性を示すグラフである。 単位アンテナ１つと第５実施形態とにおける無給電中継装置のＲＣＳ（レーダー反射断面積）の周波数特性を示すグラフである。 本発明に係る無給電中継装置の第４実施形態において他の例を示す斜視図である。 本発明に係る無給電中継装置の第５実施形態において他の例を示す斜視図である。

以下、本発明に係る無給電中継装置の第１実施形態を、図１及び図２を参照しながら説明する。

本実施形態における無給電中継装置１は、いわゆるパッシブリピータであって、図１及び図２に示すように、一対の開口部５ａを両端に有して金属等の導電体で形成されていると共に上下に対向した天板部２及び地板部３と左右に対向した一対の側壁部４とを有した断面矩形状のアンテナ本体５を備えている。
上記天板部２は、開口部５ａの開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔Ｓを有している。
すなわち、スロット状貫通孔Ｓは、開口部５ａの開口方向に沿った方向として、一対の開口部５ａを結ぶ方向（一対の側壁部４の延在方向であり、図１中のｘ方向）に沿って延在している。

上記天板部２と地板部３とは、互いに同サイズの矩形状に形成されている。
また、上記天板部２と地板部３と側壁部４との各構成は、板金で形成されている。
上記スロット状貫通孔Ｓは、天板部２の一辺２ａ側に寄って前記一辺２ａに平行に延在したスリットである。
なお、スロット状貫通孔Ｓは、天板部２の中心点又は中心線Ｃから離間した位置に形成されている。
本実施形態では、天板部２及び地板部３が平面視で正方形状であり、アンテナ本体５は、縦断面形状が横長で低背かつ薄い形状となっている。

本実施形態では、各部の寸法が例えば以下のように設定されている。
天板部２及び地板部３の一辺の長さｘ１：４．９ｍｍ
開口部５ａの開口幅ｘ２：０．５ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの幅ｘ３：０．２ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの長さｘ４：４．１ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの天板部２の中心線Ｃからの距離ｘ５：０．９ｍｍ

本実施形態の無給電中継装置１による指向性を図２に示す。
なお、図２に示す指向性のグラフは、図１におけるｚ軸方向からの入射波λ１（垂直偏波の到来波）に対する送信波λ２（水平偏波）の再放射をシミュレーションしたものである。この指向性のグラフは、水平偏波のみをシミュレーションした結果である。なお、以下の各実施形態では、いずれも２７．５ＧＨｚでシミュレーションしている。
本実施形態の無給電中継装置１では、図３に示すように、ｘｙ平面で２方向の指向性を有し、互いに対向する２方向（一対の開口部５ａの開口方向）で同等レベルに再放射されている。

このように本実施形態の無給電中継装置１では、天板部２が、開口部５ａの開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔Ｓを有しているので、天板部２の正面から例えば垂直偏波の入射波λ１がスロット状貫通孔Ｓを介して入力されると、帯状ループアンテナとして機能するアンテナ本体５の一対の開口部５ａから両側の開口方向に向けて水平偏波の送信波λ２を再放射することができる。

すなわち、送信用の帯状ループアンテナとなるアンテナ本体５の天板部２に、スロット状貫通孔Ｓにより受信用のスロットアンテナが構成されていることで、受信した電磁波を別の２方向に送信することができ、不要な放射も抑制することができる。例えば、２方向の指向性を有する本実施形態の無給電中継装置１を、構造物の構内のＴ字路において、その中央に設置することで、Ｔ字路を構成する１つの通路方向から別の２つの通路方向へ効率的に再放射することが可能になる。
また、アンテナ本体５が断面矩形状であるため、小型化かつ低背化が可能である。さらに、放射の効率化及び小型化等ができるため、パッシブリピータとしてアンテナの設置数を減らすことができ、低コスト化が可能である。

次に、本発明に係る無給電中継装置の第２から第５実施形態について、図３から図１３を参照して以下に説明する。なお、以下の各実施形態の説明において、上記実施形態において説明した同一の構成要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。

第２実施形態と第１実施形態との異なる点は、第１実施形態では、アンテナ本体２の天板部２に形成されたスロット状貫通孔Ｓで入射波λ１を直接受信するのに対し、第２実施形態の無給電中継装置２１では、図３に示すように、天板部２の上方に間隔を空けて設置された導電性パッチ板部２６を備え、導電性パッチ板部２６を介してスロット状貫通孔Ｓが入射波λ１を受信している点である。

第２実施形態では、導電性パッチ板部２６と天板部２との間に樹脂製等の絶縁性スペーサ２６ａが設置されており、天板部２と導電性パッチ板部２６とを離間させている。
なお、本実施形態では、導電性パッチ板部２６が矩形状の金属板で形成され、その四隅に設けられた棒状の絶縁性スペーサ２６ａにより導電性パッチ板部２６が天板部２上に支持されている。
導電性パッチ板部２６は、天板部２よりも若干小さな正方形状で中心軸を同じくして形成され、スロット状貫通孔Ｓの直上を覆うように設置されている。

第２実施形態の無給電中継装置２１による指向性を図４に示す。
第２実施形態の無給電中継装置２１では、図４に示すように、ｘｙ平面で２方向の指向性を有し、互いに対向する２方向（一対の開口部５ａの開口方向）で同等レベルに再放射されている。この指向性のグラフは、水平偏波のみをシミュレーションした結果である。
また、第２実施形態では、図４の（ａ）に示すように、第１実施形態に比べて９０°方向の不要な放射が抑制され、利得が向上していることがわかる。

なお、本実施形態では、各部の寸法が例えば以下のように設定されている。
天板部２及び地板部３の一辺の長さｘ１：５．３７ｍｍ
開口部５ａの開口幅ｘ２：０．５ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの幅ｘ３：０．２ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの長さｘ４：２．０ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの天板部２の中心線Ｃからの距離ｘ５：２．０ｍｍ
導電性パッチ板部２６の一辺の長さｘ６：４．７ｍｍ
導電性パッチ板部２６と天板部２との間隔ｘ７：０．２５ｍｍ

このように無給電中継装置２１では、天板部２の上方に間隔を空けて設置された導電性パッチ板部２６を備えているので、帯状ループアンテナとして機能するアンテナ本体５の天板部２が、パッチアンテナとして機能する導電性パッチ板部２６の地板と共有することで、２つのアンテナ構成がスロット状貫通孔Ｓを介して結合され、不要な放射をより抑制して、さらに効率的に再放射動作させることができる。

次に、第３実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、矩形状の導電性パッチ板部３６が天板部２上に間隔を空けて設置されているのに対し、第３実施形態の無給電中継装置３１では、図５に示すように、導電性パッチ板部３６が、天板部２の外形に沿った矩形状のうち互いに対向する一対の角部が切り欠かれた形状とされている点である。
すなわち、第３実施形態の無給電中継装置３１は、互いに対向した一対の角部が切り欠かれた切り欠き部３６ｂを有した６角形状の導電性パッチ板部２６を備えている。なお、本実施形態では、正方形状の導電性パッチ板部２６から切り欠かれた角部の切り欠き部３６ｂは、垂直二等辺三角形状となっている。

第３実施形態の無給電中継装置３１による指向性を図６に示す。
第３実施形態の無給電中継装置３１では、図６に示すように、垂直偏波と水平偏波との両偏波を受信し２方向に再放射がされている。

なお、本実施形態では、各部の寸法が例えば以下のように設定されている。
天板部２及び地板部３の一辺の長さｘ１：５．３ｍｍ
開口部５ａの開口幅ｘ２：０．５ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの幅ｘ３：０．２ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの長さｘ４：２．５ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの天板部２の中心線Ｃからの距離ｘ５：１．４ｍｍ
導電性パッチ板部２６の横幅・縦幅ｘ６：４．８ｍｍ
導電性パッチ板部２６と天板部２との間隔ｘ７：０．２５ｍｍ
切り欠き部３６ｂの二等辺のうち一辺の長さｘ８：２．０ｍｍ

このように無給電中継装置３１では、導電性パッチ板部２６が、天板部２の外形に沿った矩形状のうち互いに対向する一対の角部が切り欠かれた形状とされているので、一対の角部が切り欠かれた導電性パッチ板部２６により円偏波化することができ、垂直偏波と水平偏波との両偏波の受信が可能になる。

次に、第４実施形態と第２実施形態との異なる点は、第２実施形態では、側壁部４が天板部２及び地板部３から連続した金属の側板で形成されているのに対し、第４実施形態の無給電中継装置４１では、図７に示すように、側壁部４４が、天板部２の縁に沿って並んで立設された複数の壁用導電体ピンＰで構成されている。
上記壁用導電体ピンＰは、例えば銅等の金属棒で形成されている。

第４実施形態の無給電中継装置４１による指向性を図７に示す。
第４実施形態の無給電中継装置４１では、図７に示すように、第２実施形態と同様に、ｘｙ平面で２方向の指向性を有し、互いに対向する２方向（一対の開口部５ａの開口方向）で同等レベルに再放射されている。この指向性のグラフは、水平偏波のみをシミュレーションした結果である。

なお、本実施形態では、各部の寸法が例えば以下のように設定されている。
天板部２及び地板部３の一辺の長さｘ１：５．９ｍｍ
開口部５ａの開口幅ｘ２：０．５ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの幅ｘ３：０．２ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの長さｘ４：４．０ｍｍ
スロット状貫通孔Ｓの天板部２の中心線Ｃからの距離ｘ５：１．５ｍｍ
導電性パッチ板部２６の一辺の長さｘ６：４．７ｍｍ
導電性パッチ板部２６と天板部２との間隔ｘ７：０．２５ｍｍ

このように無給電中継装置４１では、側壁部４４が、天板部２の縁に沿って並んで立設された複数の壁用導電体ピンＰで構成されているので、壁用導電体ピンＰが第１実施形態における側壁部４の側板の代わりとなって断面矩形状のアンテナ本体４５を構成することができる。

次に、第５実施形態と第２実施形態との異なる点は、第１実施形態では、１つの無給電中継装置１だけであるのに対し、第５実施形態の無給電中継装置５１では、図９に示すように、アンテナ本体５で構成された単位アンテナ５１Ａが、開口部５ａを同じ方向に向けて複数設置されている点である。
第５実施形態では、例えば単位アンテナ５１Ａが同一平面上に互いの間隔ｘ９が１０．８ｍｍとされて４×４の行列状に配列されている。

第５実施形態の無給電中継装置５１による指向性について、第１実施形態と同様にシミュレーションした結果を図１０に示す。
第５実施形態の無給電中継装置５１においても、図１０に示すように、ｚｘ平面で２方向の指向性を有すると共にｘｙ平面で２方向により強い指向性を有し、互いに対向する２方向で同等レベルにより強く再放射されている。

また、１つの単位アンテナ５１Ａと第５実施形態の無給電中継装置５１とにおけるＲＣＳ（レーダー反射断面積）の周波数特性を図１１に示す。
これらから分かるように、１つの単位アンテナ５１Ａの場合（図中、「単素子」と記載）に比べ、複数の単位アンテナ５１Ａを並べた本実施形態の無給電中継装置５１（図中、「４×４素子」と記載）は利得が向上している。

このように第５実施形態の無給電中継装置５１では、アンテナ本体５で構成された単位アンテナ５１Ａが、開口部５ａを同じ方向に向けて複数設置されているので、単位アンテナ５１Ａのアレイ化により利得を向上させることができると共に、開口部５ａの開口方向の指向性をさらに増幅して鋭い指向性を得ることができる。したがって、想定設置面での指向性が非常に小さくでき、構造物に近接させて設置することも可能になる。

なお、単位アンテナ５１Ａのアレイ数（設置数）が多い程、利得を向上させることができる。
また、本実施形態では、単位アンテナ５１Ａを同一平面上に配列しているが、複数の単位アンテナ５１Ａを、上下方向に間隔を空けた異なる複数の平面上にそれぞれ複数設置しても構わない。
例えば、上下方向に間隔を空けた２つの平面上にそれぞれ４×４の行列状に複数の単位アンテナ５１Ａを配列しても良い。
この場合、２つの平面に異なる動作周波数の単位アンテナ５１Ａを分けて積層配列することで、利得が向上すると共に異なる動作周波数で中継を行うことができ、波数帯域を拡大させることができる。

なお、本発明は上記各実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることができる。

例えば、上記第２実施形態の無給電中継装置２１は、板金を用いて作製されているが、フッ素樹脂等の絶縁材料である誘電体を使用したＰＴＦＥ等の多層リジッド基板に銅箔等を板金の代わりに形成して作製しても構わない。例えば、第２実施形態の他の例として、図１２に示すように、下側リジッド基板２７と上側リジッド基板２８とを重ねた無給電中継装置２１Ｂとしても構わない。

この無給電中継装置２１Ｂでは、下側リジッド基板２７の下面に矩形状の銅箔等の導電体膜で地板部２３Ｂを形成すると共に、下側リジッド基板２７の上面に矩形状の銅箔で天板部２２Ｂを形成する。また、上側リジッド基板２８の上面にも矩形状の銅箔等の導電体膜で導電性パッチ板部２６Ｂを形成する。
上記天板部２２Ｂは、スロット状貫通孔Ｓを空けてパターン形成されている。

さらに、下側リジッド基板２７には、地板部２３Ｂと天板部２２Ｂとを接続する金属等の導電体が埋め込まれた複数のビアホールＰ２が設けられて一対の側壁部２４Ｂを構成している。
このように第２実施形態の他の例である無給電中継装置２１Ｂでは、板金の代わりに銅箔等の導電体箔を用いると共に、壁用導電体ピンとしてビアホールＰ２を用いることで、第２実施形態の無給電中継装置２１と同様に、スロット状貫通孔Ｓと導電性パッチ板部２６Ｂとを備えると共に両端に開口部を有する矩形筒状構造を構成することができる。

また、第５実施形態の他の例として、図１３に示すように、上記無給電中継装置２１Ｂを単位アンテナとして、開口部５ａを同じ方向に向けて複数設置することで、上記第５実施形態の無給電中継装置と同様の構成となる無給電中継装置５１Ｂを得ることができる。
この無給電中継装置５１Ｂでは、大判の下側リジッド基板２７及び上側リジッド基板２８を用いることで、下側リジッド基板２７及び上側リジッド基板２８内に単位アンテナとして複数の無給電中継装置２１Ｂを形成することができる。

１，２１，２１Ｂ，４１，５１，５１Ｂ…無給電中継装置、２…天板部、３…地板部、４，４４…側壁部、５，４５…アンテナ本体、５ａ…開口部、２６，３６…導電性パッチ板部、５１Ａ…単位アンテナ、Ｐ…壁用導電体ピン、Ｓ…スロット状貫通孔

Claims (5)

1. 一対の開口部を両端に有して導電体で形成されていると共に上下に対向した天板部及び地板部と左右に対向した一対の側壁部とを有した断面矩形状のアンテナ本体を備え、
   前記天板部が、前記開口部の開口方向に沿って延在したスロット状貫通孔を有していることを特徴とする無給電中継装置。
2. 請求項１に記載の無給電中継装置において、
   前記天板部の上方に間隔を空けて設置された導電性パッチ板部を備えていることを特徴とする無給電中継装置。
3. 請求項２に記載の無給電中継装置において、
   前記天板部が、矩形状とされ、
   前記導電性パッチ板部が、前記天板部の外形に沿った矩形状のうち互いに対向する一対の角部が切り欠かれた形状とされていることを特徴とする無給電中継装置。
4. 請求項１から３のいずれか一項に記載の無給電中継装置において、
   前記側壁部が、前記天板部の縁に沿って並んで立設された複数の壁用導電体ピンで構成されていることを特徴とする無給電中継装置。
5. 請求項１から４のいずれか一項に記載の無給電中継装置において、
   前記アンテナ本体で構成された単位アンテナが、前記開口部を同じ方向に向けて複数設置されていることを特徴とする無給電中継装置。

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