JP3990335B2

JP3990335B2 - 電力分配器及びアンテナ装置

Info

Publication number: JP3990335B2
Application number: JP2003328440A
Authority: JP
Inventors: 俊幸高野; 亮滋松原; 正彦有城; 一三野上; 芳樹江畠; 浩藤田; 隆之山下; 朋和武田
Original assignee: Hitachi Cable Ltd; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Hitachi Cable Ltd; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2003-09-19
Filing date: 2003-09-19
Publication date: 2007-10-10
Anticipated expiration: 2023-09-19
Also published as: JP2005094654A

Description

本発明は、給電電力を複数面の送信アンテナに分配する電力分配器及びアンテナ装置に係り、特に、停波することなくアンテナのメンテナンスや交換作業を容易に実施できる安価な電力分配器及びアンテナ装置に関するものである。

ＦＭ放送、テレビ放送における送信所のアンテナシステム、とりわけ送信アンテナを複数面用い所望の指向性を得る多面合成アンテナシステムにおいては、送信アンテナへの給電回路の一部として各送信アンテナに分配給電するための電力分配器が設けられている。

図６（ａ）及び図６（ｂ）に、従来の電力分配器６０を示す。この電力分配器６０は、銅管により形成される外部導体とその銅管内中心軸に設けられた内部導体により構成される銅管同軸２の一端に、給電源側の給電線フランジ（図示せず）と接続するための入力端１を備え、銅管同軸２の反対端には送信アンテナ（図示せず）に分配、給電するための分岐部材６３を備えている。分岐部材６３の出力側には、アンテナ側の分岐給電線インピーダンスと同インピーダンスの同軸線路にて形成された複数の分岐出力部６４が設けられている。従来の電力分配器６０は、送信機（図示せず）から給電された高周波電力を分岐部材６３で分岐して、各分岐出力部６４より鉄塔頂部に固定されている送信アンテナ（図示せず）に同軸線路からなる分岐給電線（図示せず）を介し給電している。

一般に、送信所では、サービスエリアにあわせた指向性を形成するため、送信アンテナを複数面配置している。これらの送信アンテナに分配給電するため、送信機からの同軸給電線の先端に、アンテナ面数分の出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄを備えた電力分配器６０を配置し、これら出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのそれぞれに送信アンテナへ繋がる分岐給電線を接続することで、各アンテナに分岐給電線を介して給電している。送信アンテナのメンテナンスや交換作業時は、全停波となる夜間放送休止時間内で分岐出力部６４から分岐給電線をはずした後、実施している。

特開平１１−１６８３０８号公報

非常時の緊急放送も実施される公共性の高いテレビ放送波は、常時連続放送が必要であると共に、特にデジタル放送においては、一旦電波が切れると受像機側では再同期に時間が掛かるという問題点も懸念されるため、安易に停波できないという制約を受けている。

しかし、従来技術では、停波をしないで送信アンテナのメンテナンスや交換作業を行うことは困難であった。

このため、夜間の放送休止時間帯内に送信アンテナのメンテナンスや交換作業を完了するようにしていた。しかし、夜間は効率的な作業が行なえないばかりでなく、鉄塔頂部の高所作業であることも加わって、昼間作業に比べ作業が非常に困難であった。

これらの制約を軽減する方法として、主系統と同様な予備系統を設置し、予備系統に切り替え後に主系統のメンテナンスや交換作業を昼間に実施する方法（２条給電）も用いられているが、２系統が必要となるため給電線の布設部が繁雑になる。また、２条給電では、鉄塔の受風荷重や自重が増大するため鉄塔の高強度化が必要となってくる。さらに、２条給電では、２系統を切替えるための設備も必要となる。このため、２条給電の設備は、前記した停波をしないで送信アンテナのメンテナンスや交換作業を行うための設備としては非常に高価なものとなっていた。

また、放送においては、自局が他局に混信妨害等を与えることが判明した場合には、自局の指向性を特定方向のみ抑制制御することが効果的である。しかしながらこの指向性変更は、分岐給電線を長さの異なる分岐給電線に交換したり、各アンテナへの分配比を変更することで実現される。これらの指向性変更には、電力分配器６０を交換する等、停波中での交換作業が必要であり、停波せずに指向性を変更したり元の指向性に復帰させることは困難だった。

そこで、本発明の目的は、上記課題を解決し、停波することなくアンテナのメンテナンスや交換作業を容易に実施できる安価な電力分配器及びアンテナ装置を提供することにある。

上記目的を達成するために本発明の電力分配器は、電力が入力される１つの入力端と、入力された電力を複数に分配する分岐部と、分配された電力を出力する複数の出力端とを有し、出力端にはアンテナが接続される電力分配器において、前記複数の出力端のインピーダンスは、前記複数の出力端に接続されるアンテナの数が前記複数の出力端の総数よりも１つ少ない時の電圧定在波比に対して、前記複数の出力端に接続されるアンテナの数が前記複数の出力端の総数と同じ時の電圧定在波比の変化が最小限となるよう設定されているものである。

分岐部から出力端までの電気的長さを所望周波数における波長λに対しλ/ ２の整数倍としてもよい。

分岐部から出力端までの間に電気的長さをλ/ ４としたインピーダンス変換回路を設けてもよい。

本発明のアンテナ装置は、前記電力分配器を備え、前記電力分配器の出力端にアンテナを接続したものである。

本発明によれば、停波することなくアンテナのメンテナンスや交換作業が実施できるため、従来夜間の放送休止時間にて実施していたメンテナンス・交換作業などを昼間作業にて安全かつ効率的に実施することができる。

また、本発明によれば、２条給電等による副系統を敷設する必要がなくなるため、鉄塔の高強度化や２系統を切替えるための設備が不要となりシステム全体を安価に実現できる。

また、本発明によれば、アンテナを停波せずに、特定方向の自局指向性を変更したり元の指向性に復帰させることが可能となる。

以下、本発明の一実施形態を添付図面に基づいて詳述する。

図１（ａ）に示されるように、本発明に係る電力分配器１０は、銅管により形成される外部導体２１とその銅管内中心軸に設けられた内部導体（図示せず）により構成される銅管同軸２の一端に、給電源側の給電線フランジ（図示せず）と接続するための入力端１を備え、この銅管同軸２の反対端に、アンテナ（図示せず）に分配、給電するための分岐部材１３を備えている。分岐部材１３の出力側には、分岐された複数の、ここでは５つの分岐出力部１４が設けられている。分岐出力部１４は、この分岐出力部１４に接続する分岐給電線（図示せず）の分岐給電線インピーダンスと整合をとるためのインピーダンス変換回路４（図２参照）を兼ねている。分岐出力部１４は、前記銅管同軸２と同様に内外部導体によって構成される同軸線路にて形成されている。

図１（ｂ）に示されるように、５つの分岐出力部１４の先端には、同軸線路を軸に直交する平面で切るようにして出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅが形成されている。分岐部材１３は、外周が断面正五角形に形成されており、出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅはその正五角形の各辺に位置している。

図２は、図１の電力分配器１０の電気的構成を示したものである。即ち、この電力分配器１０は、１つの入力端１から分岐部３を介して電力が分配される５つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを有する。分岐部３は、図１（ａ）に示した分岐部材１３の中の実際に分岐している箇所に相当する。分岐部３から各出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅまでの長さは、所望周波数における波長λに対し電気的長さがλ/ ２の整数倍であり、ここでは１倍となっている。

分岐出力部１４によって構成されているインピーダンス変換回路４は、分岐部３から出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅまでの間に、インピーダンス変換素子４₁ ，４₂ を直列に配置したものである。各インピーダンス変換素子４₁ ，４₂ は、所望周波数における波長λに対し電気的長さがλ/ ４となっている。

入力端１に接続される入力側主給電線（図示せず）のインピーダンス、及び出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅに接続される送信アンテナ（図示せず）のインピーダンスは、それぞれ５０Ωであるので、電力分配器１０においても、入力側主給電線から入力端１を見込んだインピーダンス及び送信アンテナから出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅを見込んだインピーダンスは、それぞれ５０Ωになるよう構成されている。

以下、動作・交換手順の説明のため、図３に示されるように、送信アンテナを同一高さで水平方向に４面配置し等電力で励振する無指向性を必要とする送信所（アンテナ装置）３０を例として説明する。

局舎３１内の送信機３２は、局舎３１から送信塔（図示せず）の頂部付近まで布設された入力側主給電線９に接続され、更にその入力側主給電線９は、入力側主給電線９の先端に設置された電力分配器１０に接続されている。

電力分配器１０は、送信塔の頂部に４面配置された送信アンテナ（この例では送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ）のそれぞれに電力を供給するための４つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ（図１、図２参照）と仮設用アンテナ６ｅを接続するために普段は開放される１つの出力端５ｅを備えた５分配の電力分配器１０である。即ち、出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅのうちの任意の４つに対し、送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに接続された分岐給電線７を接続し、出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅのうちの残った１つは未接続の開放状態とする。

図３の構成において、複数面配置された送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄに接続されている出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに分配供給される高周波電力は、送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄより自由空間に放射されるため、これらの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄから分岐部３に戻る電力はごく小さなものである。

一方、送信アンテナに接続されていない出力端５ｅへ向けて分岐部３から分配供給される高周波電力は、出力端５ｅまで進行波として伝送される。出力端５ｅは、分岐出力部１４を構成する同軸線路の開口部先端を開放状態としたものであるため、自由空間のインピーダンスとの不整合性が大きい。このため、出力端５ｅからはほぼ全電力が分岐部３に反射してくる。このとき、分岐部３から出力端５ｅまでの電気的長さがλ/ ２であるため、進行波と反射波との間には１８０゜の位相差が生じ、進行波と反射波が相互に相殺し合い、当該分岐出力部１４には高周波電流が流れないことになる。よって、分岐部３側から見た当該分岐出力部１４（インピーダンス変換回路４）のインピーダンスは無限大となる。

従って、分岐部３は、送信アンテナに未接続である出力端５ｅの影響を受けることなく、分岐部３から送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄが接続されている出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのみに高周波電力を供給することができる。

この送信所３０における送信アンテナ交換の手順と、その手順中での送信状況を説明する。

一般的に使用される入力側主給電線９や分岐給電線７、送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ等のインピーダンスは５０Ωである。分岐部３を構成する電力分配器１０に接続されている５つの分岐出力部１４の各先端である出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅのインピーダンスをそれぞれＺ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃ 、Ｚ₄ 、Ｚ₅ とし、分岐部３のインピーダンスをＺ_P とすると、

の関係が成り立つ。

ここで、出力端５ｅを開放状態とすると、出力端５ｅのインピーダンスＺ₅ が無限大となり、Ｚ₁ 、Ｚ₂ 、Ｚ₃ 、Ｚ₄ によりＺ_P が決定される。いまＺ_P を入力側主給電線９のインピーダンスと同じ５０Ωとする。このとき、図４（ａ）の左に示したように各出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄのインピーダンスが２００Ωであれば、これら４つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを接続した場合の電圧定在波比（以下ＶＳＷＲと示す）が１となる。つまり、出力端５ｅを開放した普段時は、反射のない良好な状態で送信をすることができる。

この状態で、さらに出力端５ｅに仮設アンテナ６ｅを接続した場合、図４（ａ）の右に示すように出力端５ｅのインピーダンスＺ₅ も２００Ωであるから、Ｚ_P は４０Ωとなり不整合によるＶＳＷＲは１．２５となる。つまり、仮設アンテナの追加時は、ＶＳＷＲがわずかだけ劣化する。

その後、交換する送信アンテナ（６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄのいずれか１つ；例えば、６ａ）に給電する分岐給電線７を出力端５ａから取り外すと、Ｚ_P が５０Ωにもどるので、その時点で再びＶＳＷＲは１に戻る。

分岐給電線７を出力端５ａから取り外した状態で、交換する送信アンテナ６ａを取り外し、新しい送信アンテナを同位置に固定し、分岐給電線７を出力端５ａに接続する。その後、仮設アンテナ６ｅの接続をはずせば送信アンテナの交換作業を終了することができる。

上記のアンテナ交換作業の間、他の送信アンテナ６ｂ，６ｃ，６ｄ及び仮設アンテナ６ｅは常時電波を放射しており停波状態とはならず、短時間だけＶＳＷＲが劣化する程度で交換作業を終了することができる。仮設アンテナ６ｅは、交換する送信アンテナ６ａと同一方向を向かせ、送信アンテナ６ａの上方若しくは下方に設置すると共に、仮設アンテナ６ｅが交換する送信アンテナ６ａと逆相励振とならないよう、接続する分岐ケーブル長を適宜選定すれば、指向性に対する影響も最小限に抑えることができる。

以上の作業を各々の送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄについて順に実施すれば、その都度、仮設アンテナ６ｅが作業中の送信アンテナの代わりに電波を放射するので、全送信アンテナを無停波にしたのと同等の状態で全送信アンテナについてメンテナンス・交換作業を実施することができる。

以上の説明は、４つの出力端５ａ〜５ｄに送信アンテナ６ａ〜６ｄを接続した状態でＶＳＷＲが最小となるようにインピーダンスを２００Ωとしたが、４つの送信アンテナのみ接続されている普段時と、一時的に仮設アンテナ６ｅを追加した５つのアンテナ接続時（追加時）とのＶＳＷＲ変化を最小限に抑えるよう各端子のインピーダンスを２２４Ωに設定すれば、普段時・追加時共にＶＳＷＲ１．１２と良好な状態を維持することもできる。この場合のインピーダンス構成を図４（ｂ）に示す。

なお、各送信アンテナ６ａ〜６ｄのインピーダンスが５０Ωであるため、図２のように、分岐部３から出力端５ａ〜５ｅまでの間に、内部導体などの電気的長さを所望周波数におけるλ/ ４としたインピーダンス変換素子４₁ ，４₂ を多段に接続したインピーダンス変換回路４を設けることによりインピーダンスの整合を行なっている。

インピーダンス整合は、インピーダンス変換素子４₁ ，４₂ において内部導体径を段階的に変更して段階的にインピーダンスを変化させることにより実現している。異なるインピーダンスを接続した面からは、インピーダンスの不整合により、入力側に戻る反射波を発生する。次段に進行した電力は更に次の異なるインピーダンス接続面においても反射波を発生する。これらの反射波間位相をλ/ ２の逆相とすることで、反射波同士を相殺させることができる。この目的で、各インピーダンス変換素子４₁ ，４₂ の電気的長さをλ/ ４としている。各段からの反射波同士が相殺し合うことで、入力側から見たＶＳＷＲが良好となる。

図５（ａ）に、前記した４つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを接続した状態でＶＳＷＲが最小となるよう各出力端のインピーダンスを２００Ωにした本発明における５分配の電力分配器１０のＶＳＷＲ特性の一例を示す。５つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び仮設用アンテナ６ｅを接続した場合のＶＳＷＲは、特性５１で示される。出力端５ｅには仮設用アンテナ６ｅを接続せず開放とした場合のＶＳＷＲは、特性５２で示される。図示のように、特性５１では、中心周波数６２５ＭＨｚを含む帯域でＶＳＷＲは、ほぼ１．２５である。また、特性５２では、上記より広い帯域でＶＳＷＲは、ほぼ１である。これらの値は、図４（ａ）の条件で計算したＶＳＷＲの値とほぼ一致している。

また、図５（ｂ）に、４つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄを接続して出力端５ｅを開放とした状態と、５つの端子５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び仮設用アンテナ６ｅを接続した状態とで、ＶＳＷＲ変化が最小限となるよう各端子のインピーダンスを２２４Ωとした本発明における５電力分配器のＶＳＷＲ特性の一例を示す。５つの出力端５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅに送信アンテナ６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ及び仮設用アンテナ６ｅを接続した場合のＶＳＷＲは、特性５３で示される。出力端５ｅには仮設用アンテナ６ｅを接続せず開放とした場合のＶＳＷＲは、特性５４で示される。図示のように、特性５３では、中心周波数６２５ＭＨｚを含む帯域でＶＳＷＲは、ほぼ１．１５である。また、特性５２では、上記と同じ帯域でＶＳＷＲは、ほぼ１．１である。これらの値は、図４（ｂ）の条件で計算したＶＳＷＲ＝１．１２とは多少異なるが、誤差の範囲である。

なお、本例はアンテナインピーダンスのＶＳＷＲが１の場合であるが、各アンテナのＶＳＷＲが大きくなれば総合のＶＳＷＲも劣化していく。

以上実施形態に即して本発明を説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。例えば、電力分配器１０はテレビ放送送信システムで用いられる銅管同軸を有する電力分配器１０としたが、プリント基板を用いたマイクロストリップ線路にて構成した電力分配器でも本発明は実施可能である。また、本発明は通信方式や用途に限定されるものではないため、テレビ放送送信システム以外にも携帯電話基地局等他の通信アンテナシステムにも本発明を広く応用することができる。

また、上記実施形態では、出力端を５つ有する５分配の電力分配器１０に４面アンテナを接続するものとしたが、出力端の数は普段使用する送信アンテナの個数より大きければよい。よって、アンテナ面数に制約は無く、１面ないし複数面のどの場合でも本発明は実現することができる。

また、上記実施形態では、送信アンテナ系の給電回路に電力分配器１０を設けたが、送受に可逆性があるので、受信アンテナ系の給電回路に本発明の電力分配器１０を設けることにより、停波することなく、受信アンテナの点検・交換作業を実施することができる。

また、上記実施形態では、普段時に使用しない出力端５ｅを開放したが、この出力端５ｅに無反射終端器を接続しても同等の効果が得られる。

本発明の一実施形態を示す電力分配器の機械的構造図であり、（ａ）は側面、（ｂ）は平面を表す。図１の電力分配器の電気的構成を示した図である。図１の電力分配器を備えた送信所における給電系統図である。図１の電力分配器における普段時及び仮設アンテナ追加時のインピーダンス構成図であり、（ａ）は普段時優先仕様でのインピーダンス構成、（ｂ）仮設アンテナ追加時優先仕様でのインピーダンス構成を表す。図１の電力分配器における普段時及び仮設アンテナ追加時のＶＳＷＲ特性図であり、（ａ）は普段時優先仕様でのインピーダンス構成としたときのＶＳＷＲ特性、（ｂ）仮設アンテナ追加時優先仕様でのインピーダンス構成としたときのＶＳＷＲ特性を表す。従来の電力分配器の機械的構造図であり、（ａ）は側面、（ｂ）は平面を表す。

符号の説明

１入力端
２銅管同軸
３分岐部
４インピーダンス変換回路
４₁ ，４₂ インピーダンス変換素子
５ａ，５ｂ，５ｃ，５ｄ，５ｅ出力端
６ａ，６ｂ，６ｃ，６ｄ送信アンテナ
１３分岐部材
１４分岐出力部
３０アンテナ装置

Claims

電力が入力される１つの入力端と、入力された電力を複数に分配する分岐部と、分配された電力を出力する複数の出力端とを有し、出力端にはアンテナが接続される電力分配器において、
前記複数の出力端のインピーダンスは、前記複数の出力端に接続されるアンテナの数が前記複数の出力端の総数よりも１つ少ない時の電圧定在波比に対して、前記複数の出力端に接続されるアンテナの数が前記複数の出力端の総数と同じ時の電圧定在波比の変化が最小限となるよう設定されていることを特徴とする電力分配器。
分岐部から出力端までの電気的長さを所望周波数における波長λに対しλ/２の整数倍としたことを特徴とする請求項１記載の電力分配器。
分岐部から出力端までの間に電気的長さをλ/４としたインピーダンス変換回路を設けたことを特徴とする請求項１または２記載の電力分配器。
請求項１〜３いずれか１項記載の電力分配器を備え、前記電力分配器の出力端にアンテナを接続したことを特徴とするアンテナ装置。