JP4662070B2

JP4662070B2 - ２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナおよび複直交偏波通信システム

Info

Publication number: JP4662070B2
Application number: JP2006322798A
Authority: JP
Inventors: 賢吉平出; 庸平三浦; 康弘常光; 真安藤; 二郎廣川; 尚久後藤
Original assignee: Japan Radio Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Current assignee: Japan Radio Co Ltd; Tokyo Institute of Technology NUC
Priority date: 2006-11-30
Filing date: 2006-11-30
Publication date: 2011-03-30
Anticipated expiration: 2026-11-30
Also published as: JP2008141273A

Description

本発明は、送信と受信が同じ周波数で同時併行交信できる直交偏波交信を２回線同時に行うことのできる直交偏波導波管スロットアレーアンテナとそれを用いた通信システムの技術に関する。

一方の無線局と他方の無線局とが同じ周波数で送信と受信が同時併行でできるシステムとしては以下のような直交偏波通信システムが知られている（例えば特許文献１参照）。
即ち、図４に示すように、両側の無線局（基地局Ａ、Ｂ）はそれぞれ、同じ周波数で動作し偏波面が交差する送信アンテナと受信アンテナを具備し、一方側の無線局（基地局Ａ）の送信アンテナ４Ａの偏波面と他方側の無線局（基地局Ｂ）の受信アンテナ３Ｂの偏波面が垂直偏波で揃うようにし、他方側の無線局（基地局Ｂ）の送信アンテナ４Ｂの偏波面と一方側の無線局（基地局Ａ）の受信アンテナ３Ａの偏波面が水平偏波で揃うようにして設けられているシステムである。

そのため、アンテナの周波数特性自体が同じであっても、送信アンテナから送信した電波は自局の受信アンテナでは受信されにくい。即ち、送信アンテナから受信アンテナへの回り込みは抑制される。

これに対して、一方側の無線局の送信アンテナの偏波面と他方側の無線局の受信アンテナの偏波面が揃えられ、他方側の無線局の送信アンテナの偏波面と一方側の受信アンテナの偏波面が揃えられているので互いに、相手方無線局からの送信波は受信アンテナで良く受信される。
偏波面を上記のように揃えた結果、両無線局の送信アンテナ同士の偏波面は、揃っていないので相手方無線局からの送信電波は送信アンテナでは受信されにくい。

以上の結果、一方側の無線局と他方側の無線局が同一の周波数で送信しても、自局の受信アンテナは、自局の送信電波の受信を抑制し、相手局の送信電波を良く受信するということになる。
従って、自局と相手局の送信周波数が同じであっても、換言すれば、それぞれの無線局において、送信周波数と受信周波数が同じであっても送受同時併行の双方向交信が可能となる。
特開２００６−２０３５４１号公報（［０００９］〜［００１４］、図１）

以上のような直交偏波通信システムは、有限の電波資源の有効活用上極めて効果的なシステムであるため、本願発明者、出願人らは、上記直交偏波通信システムを２重化することを考えた。
その第１の構成は、基地局Ａも基地局Ｂも図４の構成に同じ構成を追加して単純に２倍の構成としたものであり、第２の構成は、基地局Ａにおいては追加した受信アンテナは垂直偏波、追加した送信アンテナは水平偏波とし、基地局Ｂにおいては追加した送信アンテナは垂直偏波、追加した受信アンテナは水平偏波とする構成である。

しかしながら、上記の各構成では以下の問題を生ずる。
まず、上記第１の構成においては、いずれの基地局においても送信アンテナと受信アンテナの偏波面は交差しているが２つの送信アンテナの偏波面は同じであるし、２つの受信アンテナの偏波面は同じである。
従って、いずれかの基地局の各別の送信装置に接続されている２つの送信アンテナから送信した２つの電波は相手方基地局の各別の受信機に接続されている２つの受信アンテナでともに受信され混合した状態で２つの受信機へ入力されることになり、いわゆる混信状態になるという問題がある。

また、前記第２の構成においては、基地局Ａでは追加受信アンテナが垂直偏波で、図４の送信アンテナ４Ａが垂直偏波であるから同じ偏波であり、追加受信アンテナが自局の送信アンテナ４Ａからの電波を受けてしまい、また、追加送信アンテナは水平偏波であるから、これから送信した電波が図４の受信アンテナ３Ａに受信されてしまうという自局内での回り込みという問題がある。

これらの問題は、図４の元々の構成で用いる周波数と追加構成が用いる周波数を大きく離してしまえば解決される問題であるが、それでは電波資源の無駄のない活用という点から見れば好ましい解決策ではない。

本発明の課題は、上記背景技術の問題点に鑑みて、電波資源をできるだけ無駄なく活用しつつ、交差偏波通信の２重化を行うことができるアンテナおよびそれを用いた通信システムを実現することにある。

本発明は、上記の課題を解決するために、以下の各構成を有する。
本発明の第１の構成は、４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、各アンテナの偏波面は、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、使用周波数は行間又は列間で異なっていることを特徴とする２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナである。

本発明の第２の構成は、一方の無線局と他方の無線局のそれぞれに前記第１の構成の２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを有し、両アンテナは対向しており、一方の無線局が送信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面と他方の無線局が受信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面とが使用周波数毎に同じであり、一方の無線局が受信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面と他方の無線局が送信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面とが使用周波数毎に同じであり、両無線局の各２ずつの送信アンテナおよび受信アンテナにはそれぞれアンテナの使用周波数に対応する送信装置および受信装置が接続されていることを特徴とする複直交偏波通信システムである。

本発明第１の構成では、４個の導波管スロットアレーアンテナを用いているが、この導波管スロットアレーアンテナは、他のアンテナに較べて周波数帯域特性が狭いという特性がある。即ち、情報伝送に必要な帯域は充分確保できるが、その帯域から外れると急峻に減衰するという特性がある。

このような導波管スロットアレーアンテナが、開口面を同じ方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、行方向および列方向に隣り合うアンテナの偏波面が直交するように配列されているのでアイソレーションがとれるとともに、同じ偏波のもの同士でも対角線状の配置となり、縦或いは横並びの場合よりもアイソレーションがとれ、且つ行ごと或いは列ごとに使用周波数がずれているので、行或いは列単位で２組の直交偏波アンテナが構成でき、前記周波数のずれは、導波管スロットアレーアンテナの周波数帯域特性が狭いところから、他のアンテナを２個用いて使用周波数を離して両周波数信号間のアイソレーションを得ようする場合の周波数離間幅に較べて離間幅が小さくて済み、周波数占有幅が小さくて済むので、電波資源の有効活用に資すると言う効果がある。

本発明第２の構成は、第１の構成のアンテナを一方の無線局と他方の無線局に用いた複直交偏波通信システムであって、２組の直交偏波通信システムを構成しているが、両者間では使用周波数が異なるため、各無線局内において、偏波面が同じである送信アンテナから自局受信アンテナへの回り込みは実用上無視し得るし、相手局の２つの送信アンテナからの送信に対する受信に対しては、偏波面が同じであっても使用周波数が異なる電波は受信しないので混信は事実上無視することができ、２組の直交偏波通信システムが成立し、且つ第１の構成のアンテナを用いていることによる、電波資源の有効活用に資すると言う効果がある。

本発明の２周波直交偏波導波管スロットアレーアンテナの形成に当たっては、４個のアンテナの開口面が同一寸法の正方形になるようにしこの正方形が田の字状に並んだ形になるように一体形成するものとし、導波管の形成は、アンテナ４個分大の基体の一面側を田の字に区分し、各区分領域毎にその部分の偏波と周波数に合わせた給電導波路および放射用導波路となる溝を設け、この基体に、各給電導波路に対応させてスロットが打ち抜かれたスロットアレー板を被せて固定し、４個のアンテナが一体となった導波管スロットアレーアンテナを形成するのが最良の実施形態である。

このように構成することにより、基体をダイカストで製造することができ大量生産低価格が実現できることになる。
また、２つの使用周波数の間隔は、導波管スロットアレーアンテナの狭帯域性を活用して、自局内での回り込みや、交信の際の混信が事実上無視し得る限度でできる限り狭く設定することが、有限の周波数帯を無駄なく活用するうえで最良の実施形態である。

以下、本発明の実施例を図面を参照して説明する。
図１は、本発明の２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナの開口面を示す正面図である。
この正面図ではスロット２が設けられたスロットアレー板３が見えているのみであるが、この背後には給電導波路および放射用導波路用の溝が設けられた基体が密着されている。
基体は、図に示すように区切られた田の字状の４つの領域となっており、各領域毎にその部分で構成される各スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄの偏波面および使用周波数に対応した給電導波路溝および放射用導波路溝が形成されている。

スロットアレー板３の各領域に対応する部分のスロット２の列は、この放射用導波路溝に対応して設けられている。図中、各スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄの中央に示された実直線はそのスロットアレーアンテナの偏波面を示す線であり、ｆ_１、ｆ_２は各スロットアレーアンテナの使用周波数を示している。
具体的には、図１の左右方向を水平方向と仮定するなら、スロットアレーアンテナ１ａは水平偏波で使用周波数はｆ_１、スロットアレーアンテナ１ｂは垂直偏波で使用周波数は同じくｆ_１、従って、この２つのアンテナが１組の直交偏波スロットアレーアンテナを構成する。

同様に、スロットアレーアンテナ１ｃは垂直偏波で使用周波数はｆ_２、スロットアレーアンテナ１ｄは水平偏波で使用周波数は同じくｆ_２であり、この２つのアンテナでもう１組の直交偏波スロットアレーアンテナを構成している。

本発明の２周波複直交偏波スロットアレーアンテナは、このように４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列された構成となっており、各アンテナの偏波面は行方向および列方向で隣り合うアンテナ間で直交するようになっている。

また、偏波面の同じスロットアレーアンテナ１ａと１ｄ同士、および１ｂと１ｃ同士は対角状に配置されることになり、縦並び或いは横並びの場合よりもアイソレーションが得られることになる。
このとき、隣り合うアンテナのスロット配列の対称中心線同士を一致させることにより直交偏波間のアイソレーションを向上できる。
周波数は、図１では行間で異なっているが、列間で異ならせるようにしてもよい。

図２は、図１の２周波複直交偏波導波管スロットアンテナ１を一方の無線局と他方の無線局に設置し、それぞれに送信装置および受信装置を接続した図である。
両アンテナは対向させて設けられている。一方の無線局の送信装置４から周波数ｆ_１で出力された信号はスロットアレーアンテナ１ａから送信され、他方の無線局の同一偏波面のスロットアレーアンテナ１ａで受信され、受信装置１０へ入力される。同様に送信装置５から周波数ｆ_２で出力された信号は受信装置１１へ入力される。

そして、送信装置４からの信号が受信装置１１に入力したり、送信装置５からの信号が受信装置１０へ入力したりすることはない。偏波面が異なるからである。
このとき、スロットアレーアンテナ１ａから送信された電波は、スロットアレーアンテナ１ｂの偏波面が異なるから受信装置８へは回り込まないし、スロットアレーアンテナ１ｄは周波数が異なっているので受信装置９へも回り込まない。同様に送信装置５の送信信号は、スロットアレーアンテナ１ｂへは偏波面が同じであっても周波数が異なるから受信装置８へは回り込まず、スロットアレーアンテナ１ｄへは、周波数が同じであっても偏波面が異なるから受信装置９へは回り込まない。
以上の送受信関係および、回り込みが生じないことについては他方の無線局における送信装置６、７からの送信についても全く同様である。

こうして、送信装置４から受信装置１０への送信および送信装置６から受信装置８への送信は周波数ｆ_１１波で同時送受信が可能であり、送信装置５から受信装置１１への送信および送信装置７から受信装置９への送信は周波数ｆ_２１波で同時送受信が可能となる。
そして、周波数ｆ_１とｆ_２との回り込みや混信を実用上無視し得るための間隔は、導波管スロットアレーアンテナが他のアンテナに較べて狭帯域であるので、小さくすることができ、全体での必要周波数帯域幅は小さくできるので周波数帯の無駄のない活用に資することができる。
以上、図２の場合は、１つの無線局における２つの送信の偏波を異ならせた場合であるが、２つの送信の偏波を同じにしても図２の場合と同様な効果が得られる。

図３は、無線局における２つの送信の偏波を同じにし、これに応じて２つの受信の偏波を同じにした場合の接続を示す図である。
この場合、自局内における送信アンテナと受信アンテナ間では、２組とも偏波が異なるので自局内の回り込みの問題は生じない。
また、２つの受信アンテナは同じ偏波ではあるが、使用周波数がｆ_１とｆ_２というように異なるから相手局からの受信に際し混信のおそれもない。
従って、各スロットアレーアンテナ１ａ〜１ｄと送信装置、受信装置の接続関係は図２および図３のいずれでもよいことになる。

また、各送信装置および受信装置を小型化することにより接続すべき導波管スロットアレーアンテナの背面に密着実装することができ、伝送線路を極限的に短くすることができるとともに、アンテナが送信装置や受信装置の放熱器の役割を果すことになり極めて良好な結果を得ることができる。

本発明の２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナの開口面を示す正面図である。本発明の２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを一方の無線局と他方の無線局に設置し、それぞれに送信装置および受信装置を接続した２周波直交偏波通信システムを示すブロック図である。図２の接続に対し、周波数ｆ_２の導波管スロットアレーアンテナに対する送信装置と受信装置の接続を入れ替えたブロック図である。従来知られた１周波直交偏波通信システムの構成を示すブロック図である。

符号の説明

１２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナ
１Ａ、１Ｂ受信装置
１ａ〜１ｄスロットアレーアンテナ
２スロット
２Ａ、２Ｂ送信装置
３スロットアレー板
３Ａ、３Ｂ受信アンテナ
４〜７送信装置
４Ａ、４Ｂ送信アンテナ
８〜１１受信装置

Claims

４個の導波管スロットアレーアンテナが開口面を同一方向に向けて２行２列の田の字状に配列され、各アンテナの偏波面は、行方向および列方向で隣り合うアンテナ間では直交し、使用周波数は行間又は列間で異なっていることを特徴とする２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナ。
一方の無線局と他方の無線局のそれぞれに請求項１記載の２周波複直交偏波導波管スロットアレーアンテナを有し、両アンテナは対向しており、一方の無線局が送信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面と他方の無線局が受信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面とが使用周波数毎に同じであり、一方の無線局が受信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面と他方の無線局が送信アンテナとして用いる周波数の異なる２つのアンテナの偏波面とが使用周波数毎に同じであり、両無線局の各２ずつの送信アンテナおよび受信アンテナにはそれぞれアンテナの使用周波数に対応する送信装置および受信装置が接続されていることを特徴とする複直交偏波通信システム。