JP4748277B1 - アンテナシステム、アンテナシステムを取り付ける方法、及び鉄塔 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】 無指向性となるように給電されるスーパーターンスタイルアンテナ9a〜9fと、前記スーパーターンスタイルアンテナ9a〜9f単独の場合よりも、少なくとも一の方向における利得を低下させる一又は複数の利得低下用指向性アンテナ15a,16bと、を備えていることを特徴とするアンテナシステムである。
【選択図】図4
Description
STAは、超短波(VHF帯、30MHz〜300MHz)のテレビ(FM)放送用アンテナとして広く利用されている。
スーパーターンスタイルアンテナは、支柱の周囲に取り付ける必要があるため、鉄塔のトラス部に設けることはできないが、指向性アンテナは、トラス部の周囲に配置できるため、支柱にアンテナを追加する余裕がなくても、スーパーターンスタイルアンテナの下方のトラス部の周囲において、アンテナシステムの段数を増加させることができる。
(5)前記支柱は、その下部範囲が前記トラス部内に挿入されており、前記トラス部の内部に位置する前記支柱下部範囲の周囲は、前記複数の給電用分岐ケーブルの配置部となっており、前記指向性アンテナは、前記支柱下部範囲の周囲である前記配置部の外周側に配置されているのが好ましい。
(6)前記支柱は、その下部範囲が前記トラス部内に挿入されているとともに、前記トラス部の最上部及びトラス部の上下方向中途部における支持部の2点で支持されており、
前記1又は複数の指向性アンテナは、前記トラス部の最上部と、トラス部の上下方向中途部における支持部と、の間の範囲における、トラス部の周囲に配置されているにのが好ましい。
(11)利得を低下させる方向において、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び前記利得低下用指向性アンテナの放射電波が、ほぼ逆相となるように、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び/又は前記利得低下用指向性アンテナに給電される電力の位相が設定されているのが好ましい。
(13)利得を向上させる方向において、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び前記利得向上用指向性アンテナの放射電波が、ほぼ同相となるように、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び/又は前記利得向上用指向性アンテナに給電される電力の位相が設定されているのが好ましい。
[鉄塔の構造]
図1は、スーパーターンスタイルアンテナ9が搭載された鉄塔1の正面図である。
図1に示すように、この鉄塔1は、鉄骨製のトラス構造物であり、例えば、給電設備を有する建物2の天井部分に立設されている。この鉄塔1は、下から順に、第1トラス部3、第2トラス部4、第3トラス部5、及び支柱6を備えている。なお、支柱6は、円筒形状であるが、その形状が特に限定されるものではなく、断面が矩形状であってもよい。
また、この第2トラス部4の上端に、トラス幅が最も小さい第3トラス部5が立設されている。従って、図1の鉄塔1では、支柱6が当該鉄塔1の最上部に配置されている。
STA9a〜9fは、図3に示すように、4つのバットウィング素子12a,12b,12c,12dを平面視で、十字状となるように、中央支柱6の周囲に周方向で90°間隔おきに配置することによって構成され、この4つのバットウィング素子12a,12b,12c,12dよりなるSTA9a〜9fは、支柱6に対して、上下方向で一定間隔おきに複数段(図例では合計6段)設けられている。
なお、ここでは、各STA9a〜9fの4個のバットウィング素子12a〜12dは、それぞれ、北(N)、東(E)、南(S)、西(W)を向いているものとするが、方位が特に限定されるものではない。
図4は、第1実施形態に係るアンテナシステム10を示している。図1及び図2においては、支柱6に組み付けられていた6段のSTA9a〜9fだけが設けられていたのに対し、図4に示すアンテナシステム10では、アンテナ利得調整のために、6段のSTA9a〜9fに加えて、指向性アンテナ15,16を、STA9a〜9fの下方に、2段配置して構成されている。これらの指向性アンテナ15,16を設けることで、図1及び図2のようにSTA単独の場合に比べてアンテナ利得が変化するように、調整することができる(詳細は後述する)。
本実施形態の指向性アンテナは、給電線の配置部17よりも外周側に配置されており、給電線配置部17との干渉を避けている。このため、STAの給電線の配置をさほど変更することなく、指向性アンテナを追加的に設けることが可能である。また、給電線配置部17付近は、アンテナが設けられていないデッドスペースとなっていたが、本実施形態のアンテナシステム10では、配置部17付近が有効活用できる。
なお、以下では、6段のSTA9a〜9fのうちの上側4段のSTA9a〜9dを、総称して「上段」といい、下側2段のSTA9e,9f及び2段の無指向性アンテナ15,16を総称して「下段」という。
これらの3dBカプラ31a,31bは、各アンテナへ給電される送信信号に90°の位相差を生じさせるものである。
各3dBカプラ31a,31bは、2入力2出力であり、2入力In1,In2のうちの一つIn1は、送信機30に接続され、他方In2は、ダミーロード32が接続されている。
各3dBカプラ31a,31bの2出力Out1,Out2からは、互いに90°の位相差を持つ信号が出力される。位相差は、給電線(ケーブル)の長さの調整によって確保することもできるが、給電線の長さの調整で位相差を確保する場合、周波数(波長)によって位相差がやや異なることになるが、3dBカプラ31a,31bを用いて位相差を実現すると、広帯域で正確に90°の位相差を生じさせることができる。
また、第1の3dBカプラ31aの第2出力Out2には、上段の各東向きバットウィング素子12b及び各西向きバットウィング素子12dに接続されるE−W上段系給電線33bが接続されている。
上記給電線33d,33bには、互いに90°の位相差が生じる。
また、第2の3dBカプラ31bの第1出力Out1には、下段の各北向き指向性アンテナ15a,16a及び各南向き指向性アンテナ15c,16cに接続されるN−S下段系給電線33eも接続されている。
また、第2の3dBカプラ31bの第2出力Out2には、下段の各東向き指向性アンテナ15b,16b及び各西向き指向性アンテナ15d,16dに接続されるE−W下段系給電線33fも接続されている。
なお、上記位相調整部34a〜34bの詳細な役割については、後述する。
N−S下段系給電線33cは、4分岐の分岐ケーブル(分岐給電線)35cを介して、下の2個の北向きバットウィング素子12aの給電点及び下段の2個の南向きバットウィング素子12cの給電点に接続されている。
これに対し、南向きバットウィング素子(第3バットウィング素子)12cには、同軸ケーブル(第3同軸給電線)35d,35cの外導体が接続され、その同軸ケーブル(第3同軸給電線)35d,35cの内導体は、支柱6(グランド電位)に接続される。
E−W下段系給電線33cは、4分岐の分岐ケーブル(分岐給電線)35aを介して、下段の2個の東向きバットウィング素子12bの給電点及び下段の2個の西向きバットウィング素子12dの給電点に接続されている。
これに対し、西向きバットウィング素子(第4バットウィング素子)12dの給電点には、同軸ケーブル(第4同軸給電線)35b,35aの外導体が接続され、その同軸ケーブル(第4同軸給電線)35b,35aの内導体は、支柱6(グランド電位)に接続される。
このように、4つの各バットウィング素子12a〜12dには、90°の位相差で給電される。
したがって、STA9a〜9fは、無指向性アンテナとして機能する。なお、本実施形態においては、STAの各段間において、位相差は生じないように設定されている。本実施形態のように、各段間において、位相差がない場合には、チルト角が0°となるが、チルト角の設定などの垂直面指向性の設計によっては、必要に応じて、段間で位相差を設けても良い。
また、E−W下段系給電線33fは、4分岐の分岐ケーブル(分岐給電線)35fを介して、下段の2個の東向き指向性アンテナ15bの給電点及び下段の2個の西向き指向性アンテナ15dの給電点に接続されている。
2L双ループアンテナの場合、2つのループ部22,22のうち、一方のループ部22が上側に位置し、他方のループ部22が下側に位置する場合を「上向き」とした場合、前記一方のループ部22が下側に位置し、前記他方のループ部22が上側に位置するように上下逆向にした場合を「下向き」ということができる。
なお、図7では、指向性アンテナ15bが上向きであることを「上向き矢印」で示し、指向性アンテナ15a,15c,15dが下向きであることを「下向き矢印」で示した。
このように、上下逆向きにすることで、放射位相を180°異ならせることができる。
このように、上下逆向き(アンテナを180°回転対称に設置)することで、アンテナ15,16に設けられたバルンの同軸給電点を左右入れ替えて設置することになり、放射位相を180°異ならせることができる。
つまり、「上向き」の北向き指向性アンテナ15aの放射位相を0°を基準とすると、「下向き」の北向き指向性アンテナ15aには180°の位相差が生じ、「上向き」の東向き指向性アンテナ15bの放射位相には90°の位相差が生じ、「下向き」の南向き指向性アンテナ15cの放射位相には180°の位相差が生じ、「下向き」の西向き指向性アンテナ15dの放射位相には270°の位相差が生じる。
ここで、放送用アンテナでは、一般に、アンテナ設置位置から全方向に電波を放射する必要があるため、無指向性アンテナが望まれる。
しかし、アンテナ設置位置からみてある特定の一方向に海が存在する場合など、当該特定の一方向に電波を放射する必要がない場合がある。また、ある特定の一方向に同一又は隣接周波数の電波を使用している地域があり、その地域での混信を避けるため、当該特定の一の方向への電波放射を抑制したい場合がある。
ここで、STAは、指向性アンテナとして使用することも可能である。すなわち、隣り合うバットウィング同士の給電位相差を90°から変化させていくと、図18に示すように、STA90を、水平面指向性が「8の字状」である指向性アンテナとして使用することができる。
したがって、ある方向への電波放射の抑制が望まれる場合、各バットウィング素子の給電位相を調整して、STAを指向性アンテナとして使用することで対応可能である。
ところが、指向性アンテナとしてのSTAは、図18に示すように、指向性が「8の字状」であるため、ある一の方向(図18では左上方)の電波を抑制すると、それと反対側(180°反対側)の方向(図18では右下方)の電波放射も抑制されるという問題がある。
つまり、ある一の方向への電波放射の抑制が望まれるが、それと反対側(180°反対側)の方向へは電波放射を積極的に行いたい場合には、指向性アンテナとしてのSTAでは対応が困難である。
そこで、本実施形態では、STAを用いつつも、所望の方向だけの電波放射抑制を可能とした。
また、他の方向(方位90°、180°、270°)では、他の指向性アンテナ15b,15c,15dによって、STA単独の場合よりも利得を高める。つまり、東向き、南向き、及び西向きの各指向性アンテナ15b〜15dは、利得向上用指向性アンテナとして機能するものである。
上記のように、利得低下用指向性アンテナ15aを設けることで、北方向(方位0°)に、同一周波数又は近い周波数でサービスする局が存在しても、北方向の電波放射を抑えて、混信を避けることができる。しかも、他の方向には、利得向上用指向性アンテナ15b〜15dが設けられているため、利得を向上することができる。
具体的には、+30°の位相差が生じるように、各位相調整部34a〜34dを構成する給電線の長さを設定すればよい。
なお、本実施形態では、STA9a〜9fに接続される給電線33a〜33dに位相調整部34a〜34dを設けたが、これに代えて/加えて、指向性アンテナに接続される給電線33e,33fに位相調整部を設けても良い。
また、放射位相差は、実測してもよいが、シミュレーションによって求めるのが簡便である。
したがって、本実施形態の複数の指向性アンテナは、北向きをのぞくと、STAと同様に、放射方向に応じて放射電波の位相が異なったものとなっている。
つまり、本実施形態の指向性アンテナ15a〜15d,16a〜16dでは、北方向の放射位相を180°とすると、東方向の放射位相は90°、南方向の放射位相は180°、西方向の放射位相は270°である。
例えば、本実施形態では、チルト角が0°の場合を前提としているが、所定のチルト角α°(例えば、1°)を設ける場合には、当該チルト角α°に対応した位相差を各段15,16間に生じさせてもよい。また、チルト角に対応した位相差は、指向性アンテナの各段15,16だけでなく、各段のSTA9a〜9f及び指向性アンテナ15,16それぞれに対し生じさせても良い。なお、チルト角に対応した位相差は、位相調整部に代えて/又は加えて、ケーブル長の調整で調整を行っても良い。
また、本実施形態のようにチルト角が0°の場合、前述のように、水平面における一つの基準方向において、ほぼ同相となるように位相調整部34a〜34dによる位相調整量が設定され、チルト角がα°の場合には、そのα°の面における一つの基準方向においてほぼ逆相又はほぼ同相となるように位相調整部34a〜34dによる位相調整量を設定してもよい。
このように、利得を低下又は向上させるほか、所望の垂直面指向性を得ることを目的として、各段のSTA9a〜9f及び指向性アンテナ15,16それぞれに対して位相差を設けても良い。また、前記目的のため、各段のSTA9a〜9f及び指向性アンテナ15,16それぞれに給電する電力を変更してもよい。
なお、放射電波の周波数は、80MHzであり、指向性アンテナの張り出し距離(アンテナシステム中心(支柱6の中心)からの距離)は、0.9mであり、これららの点については、後述の各実施形態及び参考例において共通である。
なお、後述の実施形態等を含めた各実施形態及び各参考例の条件および結果を下記表1に示す。
図11は、第2実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図11(a))及び水平面指向性(図11(b))を示している。第2実施形態は、第1実施形態に係るアンテナシステム(スキュー配置)10の指向性アンテナ15,16の位置を、周方向に45°回転させたものであり、その他の点は、第1実施形態と同様である。
ただし、給電位相の条件は、第2実施形態においても、第1実施形態と同様である。
第2実施形態に係るアンテナシステム10では、北東以外の方向の利得として9.7dBdが得られた。
図12は、第3実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図12(a))及び水平面指向性(図12(b))を示している。第3実施形態では、第2実施形態とアンテナ配置等が共通しており、相違する点は、指向性アンテナ15,16の位相だけである。
つまり、例えば、第1バットウィング素子12aを基準バットウィング素子とし、前記基準バットウィング素子12aが向く方向を基準方向(基準方位:0°;北方向)とし、前記基準方向の遠方界におけるSTA(第1〜第4バットウィング素子)の放射位相を基準放射位相(0°)としたときに、前記利得低下用指向性アンテナ15a,16aは、前記利得低下用指向性アンテナ15a,16aが向く方向における放射位相が、前記基準放射位相(0°)に対して逆相となる位相差(180°)に、前記利得低下用指向性アンテナが向く方向と前記基準方向との角度差に対応した位相差(45°)を加えた位相差(225°)を基準放射位相(0°)に対して持つように、給電される電力の位相が調整されている。
なお、第3実施形態では、北東以外の方向の利得として9.7dBdが得られた。
図13は、第4実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図13(a))及び水平面指向性(図13(b))を示している。
第4実施形態は、第1実施形態に係るアンテナシステム(スキュー配置)10の指向性アンテナ15,16の向きを、周方向に20°回転させたものであり、その他の点は、第1実施形態と同様である。換言すると、第4実施形態は、第2実施形態における指向性アンテナの45°回転配置から、指向性アンテナを−25°回転させた配置である。
第4実施形態では、指向性アンテナの最大レベル方向を、STAの落ち込み方向(45°、135°、225°、315°)とを、ほぼ一致させるべく、指向性アンテナの向きを、第1実施形態の向きから周方向20°回転させたものである。
ただし、給電位相の条件は、第4実施形態においても、第1実施形態と同様である。
第4実施形態に係るアンテナシステム10では、方位20°以外の方向の利得として10.2dBdが得られた。
図14は、第5実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図14(a))及び水平面指向性(図14(b)を示している。第5実施形態では、第4実施形態とアンテナ配置等が共通しており、相違する点は、指向性アンテナ15,16の位相だけである。
つまり、例えば、第1バットウィング素子12aを基準バットウィング素子とし、前記基準バットウィング素子12aが向く方向を基準方向(基準方位:0°;北方向)とし、前記基準方向の遠方界におけるSTA(第1〜第4バットウィング素子)の放射位相を基準放射位相(0°)としたときに、前記利得低下用指向性アンテナ15a,16aは、前記利得低下用指向性アンテナ15a,16aが向く方向における放射位相(200°)が、前記基準放射位相(0°)に対して逆相となる位相差(180°)に、前記利得低下用指向性アンテナが向く方向と前記基準方向との角度差に対応した位相差(20°)を加えた位相差(200°)を基準放射位相(0°)に対して持つように、給電される電力の位相が調整されている。
第5実施形態に係るアンテナシステム10では、方位20°以外の方向の利得として10.2dBdが得られた。
図15は、第6実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図15(a))、水平面指向性(図15(b))を示している。第6実施形態では、STAの配置・位相等は、第1実施形態と同様であるが、各段15,16の指向性アンテナの数が、6個になっている。また、6個の指向性アンテナ15a〜15fは、スキューなし配置となっている。
図16は、第7実施形態に係るアンテナシステム10の概略配置(図16(a))、水平面指向性(図16(b))を示している。第7実施形態では、STAの配置・位相等は、第1実施形態と同様であるが、各段15,16の指向性アンテナの数が、利得低下用指向性アンテナ15a,16aだけの1個になっている。
なお、第7実施形態に係るアンテナシステム10では、北方向以外の方向の利得として7.7dBdが得られ、STA単独の第1参考例の利得(7.8dBd)とほぼ同様であった。
図17は、第8実施形態を示している。図17は、図6に示す給電回路の変形例であり、送信機として、互いに異なる周波数(チャンネル)で送信する2つの送信機30a,30bが設けられている。第14実施形態において、第1の送信機30aは、図6の送信機30と同様に、各3dBカプラ31a,31bの第1入力In1に接続されており、第2の送信機30bは、各3dBカプラ31a,31bの第2入力In2に接続されている。
したがって、アンテナシステム10を、二つの異なる周波数(チャンネル)の送信機30a,30bで共用することができる。
9a〜9f スーパーターンスタイルアンテナ(無指向性アンテナ)
12a 第1バットウィング素子
12b 第2バットウィング素子
12c 第3バットウィング素子
12d 第4バットウィング素子
15a,16a 利得低下用1指向性アンテナ
15b,16b 第1利得向上用指向性アンテナ
15c,16c 第2利得向上用指向性アンテナ
15d,16d 第3利得向上用指向性アンテナ
17 給電線配置部
31a,31b 3dBカプラ
34a〜34d 位相調整部
Claims (16)
- トラス構造を持つトラス部の上部に支柱を備えている鉄塔に対して、取り付けられるアンテナシステムであって、
スーパーターンスタイルアンテナが前記支柱に組み付けられ、
前記スーパーターンスタイルアンテナに給電される送信信号と同じ送信信号が給電される1又は複数の指向性アンテナが、前記スーパーターンスタイルアンテナの下方のトラス部の周囲に配置されている
ことを特徴とするアンテナシステム。 - 前記アンテナシステムのアンテナ段数が、前記スーパーターンスタイルアンテナを前記支柱に取り付けることが可能な段数を超えた段数である
請求項1記載のアンテナシステム。 - 前記スーパーターンスタイルアンテナの段数が6段であり、前記指向性アンテナの段数が2段である
請求項2記載のアンテナシステム。 - 前記スーパーターンスタイルアンテナを構成する複数のバットウィング素子それぞれに接続される複数の給電用分岐ケーブルが、前記トラス部の内部に配置されており、
前記指向性アンテナは、前記スーパーターンスタイルアンテナの下方のトラス部の周囲であって、かつ、前記複数の給電用分岐ケーブルが配置されている範囲の外周側に配置されている
請求項1〜3のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 前記支柱は、その下部範囲が前記トラス部内に挿入されており、
前記トラス部の内部に位置する前記支柱下部範囲の周囲は、前記複数の給電用分岐ケーブルの配置部となっており、
前記指向性アンテナは、前記支柱下部範囲の周囲である前記配置部の外周側に配置されている
請求項4記載のアンテナシステム。 - 前記支柱は、その下部範囲が前記トラス部内に挿入されているとともに、前記トラス部の最上部及びトラス部の上下方向中途部における支持部の2点で支持されており、
前記1又は複数の指向性アンテナは、前記トラス部の最上部と、トラス部の上下方向中途部における支持部と、の間の範囲における、トラス部の周囲に配置されている
請求項1〜5のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 前記指向性アンテナは、2L双ループアンテナ又はダイポールアンテナである
請求項1〜6のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 前記スーパーターンスタイルアンテナは、第1バットウィング素子、第2バットウィング素子、第3バットウィング素子、及び第4バットウィング素子が、90°間隔で配置されており、
前記指向性アンテナは、前記第1乃至第4バットウィング素子が向く方向に対して、45°ずれた方向を向くように配置されている
請求項1〜7のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 前記指向性アンテナは、前記スーパーターンスタイルアンテナ単独の場合に比べてアンテナ利得を変化させるアンテナ利得調整用指向性アンテナである
請求項1〜8のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 前記1又は複数の指向性アンテナには、前記アンテナ利得低下が所望される方向のアンテナ利得を低下させる利得低下用指向性アンテナが含まれる
請求項9記載のアンテナシステム。 - 利得を低下させる方向において、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び前記利得低下用指向性アンテナの放射電波が、ほぼ逆相となるように、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び/又は前記利得低下用指向性アンテナに給電される電力の位相が設定されている
請求項10記載のアンテナシステム。 - 前記1又は複数の指向性アンテナには、前記アンテナ利得向上が所望される方向のアンテナ利得を向上させる利得向上用指向性アンテナが含まれる
請求項9〜11のいずれか1項に記載のアンテナシステム。 - 利得を向上させる方向において、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び前記利得向上用指向性アンテナの放射電波が、ほぼ同相となるように、前記スーパーターンスタイルアンテナ及び/又は前記利得向上用指向性アンテナに給電される電力の位相が設定されている
請求項12記載のアンテナシステム。 - 請求項1記載のアンテナシステムを、トラス構造を持つトラス部の上部に支柱を備えている鉄塔に対して取り付ける
ことを特徴とする方法。 - 鉄塔に備わった支柱に対して取り付けられるスーパーターンスタイルアンテナを有するアンテナシステムのアンテナ段数が、前記スーパーターンスタイルアンテナを前記支柱に取り付けることが可能な段数を超えた段数であるアンテナシステムを取り付ける方法であって、
前記スーパーターンスタイルアンテナを前記支柱に組み付ける工程、及び
前記スーパーターンスタイルアンテナに給電される送信信号と同じ送信信号が給電される指向性アンテナを、前記鉄塔において前記支柱を支持するトラス部の周囲に配置する工程、
を含む方法。 - スーパーターンスタイルアンテナが搭載された鉄塔であって、
トラス構造を持つトラス部の上部に備わった支柱と、
前記支柱に組み付けられた前記スーパーターンスタイルアンテナと、
前記スーパーターンスタイルアンテナに給電される送信信号と同じ送信信号が給電されるとともに、前記スーパーターンスタイルアンテナの下方のトラス部の周囲に配置されている1又は複数の指向性アンテナと、
を備えている鉄塔。
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