JP5025688B2

JP5025688B2 - マイクロ波無線システム

Info

Publication number: JP5025688B2
Application number: JP2009147688A
Authority: JP
Inventors: 光雄森永
Original assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Current assignee: Chugoku Electric Power Co Inc
Priority date: 2009-06-22
Filing date: 2009-06-22
Publication date: 2012-09-12
Anticipated expiration: 2029-06-22
Also published as: JP2011004331A

Description

本発明は、マイクロ波無線システムに関し、さらに詳しくは、導波管に被雷した雷サージ電流がマイクロ波無線機に入来しないように構成した導波管の構成技術に関するものである。

従来からマイクロ波無線システムにおいて、パラボラアンテナ等の空中線系からの雷サージ電流によりマイクロ波無線システムが損傷して通信が停止するといった災害が発生していた。この対策として、パラボラアンテナとマイクロ波無線機とを接続する導波管の一部から大地へアース線を設けて雷サージ電流を大地へ逃がすといった方策が採られていた。しかし、従来の落雷障害対策では雷サージ電流が全て大地に逃げず、雷サージ電流の一部はマイクロ波無線機内に浸入して装置を破壊するといった問題があった。
そこで、このような問題を解決する従来技術として特許文献１には、導波管を接続する部分に、マイクロ波は通過させるが、雷サージ電流は遮断する絶縁性シートを備えた耐雷用導波管について開示されている。図３は特許文献１に開示されている耐雷用導波管を使用したマイクロ波無線システムの概要を示す図である。このマイクロ波無線システム１１０は、鉄塔５８に備えられたパラボラアンテナ５２と、マイクロ波の送受信を行なうマイクロ波無線機６０と、パラボラアンテナ５２とマイクロ波無線機６０とを接続してマイクロ波の伝送を司る導波管５３と、を備えたマイクロ波無線システム１１０であって、導波管５３の途中に導波管５３に被雷した雷サージ電流を遮断する耐雷用導波管５４を少なくとも１つ配設している。そして導波管５３はアース線５６により大地５７に接地されている。

特許第２９２６０００号

しかしながら、特許文献１に開示されている従来技術は、耐雷用導波管５４の絶縁性シートの絶縁耐力に限界があるばかりでなく、絶縁性シートの厚み分しか沿面距離がとれないため、非常に大きな雷サージ電流の浸入まで防止できないといった問題がある。
本発明は、かかる課題に鑑みてなされたものであり、導波管の途中にマイクロ波は通過させるが雷サージ電流は遮断する絶縁導波管を配設し、この絶縁導波管の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子を対向配置することにより、大きな沿面距離を確保して絶縁耐力を増加すると共に、雷サージ電流がマイクロ波無線機に浸入することを阻止してマイクロ波無線機の破損を防止するマイクロ波無線システムを提供することを目的とする。

本発明はかかる課題を解決するために、請求項１は、鉄塔に備えられたパラボラアンテナと、マイクロ波の送受信を行なうマイクロ波無線機と、前記パラボラアンテナと前記マイクロ波無線機とを接続してマイクロ波の伝送を司る導波管と、を備えたマイクロ波無線システムにおいて、前記導波管の途中に該導波管に被雷した雷サージ電流を遮断する絶縁導波管を少なくとも１つ配設し、前記絶縁導波管は、断面が矩形状の管体の絶縁体と、該絶縁体の内面に配置され漏洩マイクロ波を遮蔽するシールド板と、前記絶縁体の軸方向にマイクロ波を送受するための第１送受信素子及び第２送受信素子と、を備え、前記パラボラアンテナ側からの導波管を第１導波管とし、前記マイクロ波無線機側からの導波管を第２導波管とし、前記各導波管には前記絶縁体に固定させるためのフランジが設けられており、該フランジに設けたボルト穴により前記第１導波管と前記第２導波管とを前記絶縁体の両端に夫々固定し、前記絶縁体の軸方向に前記マイクロ波を送受するための前記第１送受信素子と前記第２送受信素子を対向配置し、該対向配置した前記第１送受信素子及び前記第２送受信素子の間隔を前記導波管に直接被雷した場合でも前記雷サージ電流が前記マイクロ波無線機側の導波管に被雷しない距離とすると共に、前記シールド板をアース線により大地に接地したことを特徴とする。
マイクロ波無線システムのパラボラアンテナや導波管は、落雷による雷サージ電流から無線装置類を防護するために、アース線により大地に接地されている。しかし、全ての雷サージ電流が大地に流れるとは限らず、一部の雷サージ電流が導波管を介して無線装置内に浸入して装置を破壊することがある。そこで本発明では、導波管の途中に雷サージ電流を遮断する絶縁導波管を少なくとも１つ配設する。しかし、導波管の一部を絶縁材質により構成すると、マイクロ波が伝播しなくなるので、絶縁導波管の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子を対向配置した。これにより、大きな沿面距離を確保しつつマイクロ波の伝送を可能として、雷サージ電流を確実に遮断することができる。
絶縁導波管の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子を対向配置した場合、夫々の送受信素子の距離が短ければマイクロ波が外部に漏洩することは少ないが、沿面距離を確保するためには可能な限り絶縁導波管を大きくする必要がある。その結果、マイクロ波が絶縁導波管の外部に漏洩する確率が高くなる。そこで本発明では、マイクロ波が絶縁導波管の外部に漏洩しないように遮蔽部を備える。これにより、雷サージ電流を遮断しつつマイクロ波の漏洩を防止することができる。
また、遮蔽部は一般に金属等の導体により構成されている。従って、マイクロ波を遮蔽するのであれば、絶縁導波管の外壁に備えても構わないが、外壁は同じ導体である導波管に近いため、遮蔽部を介して雷サージ電流が浸入する危険性がある。そこで本発明では、遮蔽部を絶縁導波管の内壁を覆うように配設する。これにより、マイクロ波の漏洩を防止しながら雷サージ電流の浸入を防ぐことができる。
また、マイクロ波は波長が短いため、遮蔽するためには遮蔽部の厚みは薄くても構わない。そこで、例えば絶縁導波管の内壁に密着するように遮蔽部を貼り付けておくことにより、絶縁導波管と一体的に構成することができる。これにより、製造工程が簡略化でき、且つ絶縁導波管を小型に構成することができる。
また、漏洩したマイクロ波は遮蔽部に吸収されると渦電流によりエネルギを減衰させて遮蔽の効果を果たす。そのため、遮蔽だけを目的であれば遮蔽部を接地する必要はないが、接地しない場合は、電気的にフローティング状態のため安定しない。そこで本発明では、遮蔽部を大地に接地する。これにより、遮蔽部の電位を安定化させることができる。
また、対向配置した送受信素子間の間隔は広いほど雷サージ電流に対する耐性が大きくなる。しかし、大きくするほどマイクロ波の減衰も大きくなるので、適度な距離に設定する必要がある。そこで本発明では、導波管に直接被雷した場合でも雷サージ電流がマイクロ波無線機側の導波管に被雷しない距離とする。これにより、雷サージ電流の耐性を最大限にしながら、マイクロ波の減衰を最小限に抑えることができる。

請求項２は、前記絶縁導波管を、可能な限り建物引き込み口付近に配置することを特徴とする。
本発明の最も重要な目的は、雷サージ電流がマイクロ波無線機に浸入することを防止して、マイクロ波無線機を破損から防護することである。つまり、パラボラアンテナに接続されている導波管に被雷した雷サージ電流は、絶縁導波管により遮断されて大地にアースされるが、マイクロ波無線機に接続された導波管に被雷した雷サージ電流は、マイクロ波無線機に浸入する虞があるので、極力その可能性を減らす構成にする必要がある。そこで本発明では、絶縁導波管を可能な限り建物引き込み口付近に配置し、建物内への雷サージの浸入を防ぐ。これにより、雷サージ電流がパラボラアンテナや導波管に被雷しても、雷サージ電流が直接マイクロ波無線機に浸入する確率を低減することができる。
請求項３は、前記送受信素子は、メタルレンズアンテナ、又は電磁ホーンアンテナであることを特徴とする。
本発明の送受信素子は比較的短い距離でマイクロ波の送受信を行なう。メタルレンズアンテナは、導波管の位相速度が自由空間の速度より大きい原理を応用して、電界に平行な金属板で凹型レンズを作って球面波がレンズを通過する間に波面を揃え、レンズ前面で平面波になって放射されるようにしたものである。また、電磁ホーンアンテナは、導波管内の電磁波が外に出るに従って管内波長がしだいに短くなり、また導波管のインピーダンスもしだいに自由空間に近づいていき、導波管と自由空間との整合作用をおこなう。これにより、絶縁導波管の大きさに応じて最適なアンテナを選択することができる。

請求項４は、前記絶縁導波管から見て前記パラボラアンテナに接続されている導波管を少なくとも接地することを特徴とする。
基本的に本発明の絶縁導波管は、マイクロ波無線機の近傍に配置される。その結果、絶縁導波管から見てパラボラアンテナに接続されている導波管の長さは必然的に長くなり、被雷の可能性が高くなる。そこで本発明では、その導波管に被雷した雷サージ電流を大地にアースするために導波管を接地する。これにより、導波管に被雷した雷サージ電流の多くを大地に逃がすことができる。

本発明によれば、導波管の途中に雷サージ電流を遮断する絶縁導波管を少なくとも１つ配設し、絶縁導波管の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子を対向配置したので、大きな沿面距離を確保しつつマイクロ波の伝送を可能として、雷サージ電流を確実に遮断することができる。
また、漏洩したマイクロ波を遮蔽するために遮蔽部を備えるので、雷サージ電流を遮断しつつマイクロ波の漏洩を防止することができる。
また、遮蔽部を絶縁導波管の内壁を覆うように配設するので、マイクロ波の漏洩を防止しながら雷サージ電流の浸入を防ぐことができる。
また、絶縁導波管の内壁に密着するように遮蔽部を貼り付けておくことにより、絶縁導波管と一体的に構成することができるので、製造工程が簡略化でき、且つ絶縁導波管を小型に構成することができる。

また、遮蔽部を大地に接地するので、遮蔽部の電位を安定化させることができる。
また、導波管に直接被雷した場合でも雷サージ電流がマイクロ波無線機側の導波管に被雷しない距離とするので、雷サージ電流の耐性を最大限にしながら、マイクロ波の減衰を最小限に抑えることができる。
また、絶縁導波管を可能な限り建物引き込み口付近に配置するので、マイクロ波無線機に接続された導波管に被雷する可能性を低減することができる。
また、送受信素子としてメタルレンズアンテナ、又は電磁ホーンアンテナを使用するので、絶縁導波管の大きさに応じて最適なアンテナを選択することができる。
また、導波管に被雷した雷サージ電流を大地にアースするために導波管を接地するので、導波管に被雷した雷サージ電流の多くを大地に逃がすことができる。

本発明の実施形態に係るマイクロ波無線システムの構成を示す図である。本発明に係る絶縁導波管の構成を示す図である。特許文献１に開示されている耐雷用導波管を使用したマイクロ波無線システムの概要を示す図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。
図１は本発明の実施形態に係るマイクロ波無線システムの構成を示す図である。このマイクロ波無線システム１００は、鉄塔９に備えられたパラボラアンテナ２、７と、マイクロ波の送受信を行なうマイクロ波無線機１５と、パラボラアンテナ２、７とマイクロ波無線機１５とを接続してマイクロ波の伝送を司る導波管６、８と、を備えたマイクロ波無線システム１００において、導波管６、８の途中に導波管６、８に被雷した雷サージ電流を遮断する絶縁導波管１１を少なくとも１つずつ配設し、絶縁導波管１１の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子を対向配置した（詳細は後述する）。図１では、鉄塔９の頂上に２本の避雷針１を備え、避雷針１に落雷した雷サージ電流をアース線４を介して大地２４に逃がす構成になっている。また、パラボラアンテナ２、７は夫々アース線３、３ａで大地２４に接地され、夫々のマイクロ波は導波管６、８を伝送して絶縁導波管１１の一方に接続され、絶縁導波管１１の他方から同じく導波管１９、１８を介して夫々のマイクロ波無線機１５に接続される。また、絶縁導波管１１に備えられた図示しない遮蔽部はアース線１７により大地に接地される（詳細は後述する）。更に、パラボラアンテナ２、７に接続される導波管６、８は図示を省略するが夫々大地に接地されている。
即ち、マイクロ波無線システム１００のパラボラアンテナ２、７や導波管６、８は、落雷による雷サージ電流からマイクロ波無線機１５を防護するために、アース線により大地に接地されている。しかし、全ての雷サージ電流が大地に流れるとは限らず、一部の雷サージ電流が導波管１８、１９を介してマイクロ波無線機１５内に浸入して装置を破壊することがある。そこで本実施形態では、導波管の途中に雷サージ電流を遮断する絶縁導波管１１を少なくとも１つ配設する。しかし、導波管の一部を絶縁材質（例えば、フェノール樹脂等）により構成すると、マイクロ波が伝播しなくなるので、絶縁導波管１１の軸方向にマイクロ波を送受するための送受信素子２５、２９（図２参照）を対向配置した。これにより、大きな沿面距離を確保しつつマイクロ波の伝送を可能として、雷サージ電流を確実に遮断することができる。

尚、絶縁導波管１１を、可能な限り建物（局舎・通信機械室１２）引き込み口付近に配置することが好ましい。即ち、本発明の最も重要な目的は、雷サージ電流がマイクロ波無線機１５に浸入することを防止して、マイクロ波無線機１５を破損から防護することである。つまり、パラボラアンテナ２、７に接続されている導波管６、８に被雷した雷サージ電流は、絶縁導波管１１により遮断されて大地にアースされるが、マイクロ波無線機１５に接続された導波管１８、１９に被雷した雷サージ電流は、マイクロ波無線機１５に浸入する虞があるので、極力その可能性を減らす構成にする必要がある。そこで本実施形態では、絶縁導波管１１を可能な限り建物引き込み口付近に配置する。これにより、マイクロ波無線機１５に接続された導波管１８、１９に被雷する可能性を低減することができる。従って、絶縁導波管１１を局舎・建物引き込み口付近に配置するのがよい。
また、絶縁導波管１１から見てパラボラアンテナ２、７に接続されている導波管６、８を接地する。即ち、基本的に本発明の絶縁導波管１１は、マイクロ波無線機１５の近傍に配置される。その結果、絶縁導波管１１から見てパラボラアンテナ２、７に接続されている導波管６、８の長さは必然的に長くなり、被雷の可能性が高くなる。そこで本実施形態では、その導波管６、８に被雷した雷サージ電流を大地にアースするために導波管６、８を接地する。これにより、導波管６、８に被雷した雷サージ電流の多くを大地に逃がすことができる。

図２は本発明に係る絶縁導波管の構成を示す図である。図２（ａ）は側断面図、図２（ｂ）はＡ視から見た図である、この絶縁導波管１１は、断面が矩形状の管体の絶縁体２３と、漏洩マイクロ波を遮蔽するシールド板（遮蔽部）２６と、絶縁体２３の軸方向にマイクロ波を送受するための第１及び第２送受信素子２５、２９と、を備えて構成されている。
即ち、パラボラアンテナ側からの導波管を第１導波管２０とし、マイクロ波無線機側からの導波管を第２導波管３０とする。各導波管には絶縁体２３に固定させるためのフランジ２１が設けられており、フランジに設けたボルト穴３１により導波管と絶縁体２３を固定する。また、絶縁体２３の軸方向にマイクロ波２７を送受するための送受信素子を対向配置した。第１導波管２０側には第１送受信素子２５を備え、第２導波管３０側には第２送受信素子２９を備える。また、絶縁体２３内に第１送受信素子２５及び第２送受信素子２９から放射されたマイクロ波２７が絶縁体２３の外部に漏洩するのを防止するためのシールド板（遮蔽部）２６を備え、アース線２２により大地２４に接地する。

ここで本発明の絶縁導波管１１の機能について説明する。例えば、受信動作の場合について説明する。パラボラアンテナ２から受信したマイクロ波は、第１の導波管２０を伝播して第１送受信素子２５に到達する。第１送受信素子２５はメタルレンズアンテナ、又は電磁ホーンアンテナで構成されているので、第１送受信素子２５の送受信面３２からマイクロ波が放射され、絶縁体２３内を伝播して第２送受信面２８に到達する。そして第２送受信素子２９により受信して、第２導波管３０内を伝播してマイクロ波無線機１５に入力される。また、第１送受信素子２５から放射されたマイクロ波２７が絶縁体２３の外に漏洩するのを防止するために、シールド板２６を備えている。この過程で例えば第１導波管に雷サージ電流が流れた場合、第１導波管と第２導波管は電気的に絶縁されているため、雷サージ電流はアース線３３を介して大地２４に流れる。その結果、第２導波管には雷サージ電流は流れることはない。
即ち、絶縁導波管１１の軸方向にマイクロ波を送受するための第１送受信素子２５及び第２送受信素子２９を対向配置した場合、夫々の送受信素子の距離Ｌが短ければマイクロ波２７が外部に漏洩することは少ないが、沿面距離を確保するためには可能な限り絶縁導波管１１を大きくする必要がある。その結果、マイクロ波２７が絶縁導波管１１の外部に漏洩する可能性が大きくなる。そこで本実施形態では、この漏洩したマイクロ波を遮蔽するためにシールド板（遮蔽部）２６を備える。これにより、雷サージ電流を遮断しつつマイクロ波２７の漏洩を防止することができる。

尚、シールド板２６は、絶縁体２３の内壁を覆うように配設された導体（銅、アルミ等）により構成されている。即ち、シールド板２６は一般に金属等の導体により構成されている。従って、マイクロ波２７を遮蔽するのであれば、絶縁体２３の外壁に備えても構わないが、外壁は同じ導体である導波管２０、３０に近いため、シールド板を介して雷サージ電流が浸入する危険性がある。そこで本実施形態では、シールド板２６を絶縁体２３の内壁を覆うように配設する。これにより、マイクロ波２７の漏洩を防止しながら雷サージ電流の浸入を防ぐことができる。また、シールド板２６は絶縁体２３の内壁に密着して構成しても構わない。即ち、マイクロ波２７を遮蔽するには、波長が短いのでシールド板２６の厚みは薄くても構わない。そこで、例えば絶縁体２３の内壁に密着するようにシールド部材を貼り付けておくことにより、絶縁体２３と一体的に構成することができる。これにより、製造工程が簡略化でき、且つ絶縁導波管１１を小型に構成することができる。そして、漏洩したマイクロ波はシールド板２６に吸収されると渦電流によりエネルギが減衰するため、シールド板２６を接地する必要はないが、接地しない場合は、電気的にフローティング状態のため安定しない。そこで本実施形態では、シールド板２６をアース線２２により大地２４に接地する。これにより、シールド板２６の電位を安定化させることができる。

また、第１送受信素子２５と第２送受信素子２９間の間隔Ｌを第１導波管２０に直接被雷した場合でも雷サージ電流がマイクロ波無線機１５側の第２導波管３０に被雷しない距離とする。即ち、対向配置した送受信素子間の間隔Ｌは広いほど雷サージ電流に対する耐性が大きくなる。しかし、大きくするほどマイクロ波の減衰も大きくなるので、適度な距離に設定する必要がある。そこで本実施形態では、第１導波管２０に直接被雷した場合でも雷サージ電流がマイクロ波無線機１５側の第２導波管３０に被雷しない距離とする。これにより、雷サージ電流の耐性を最大限にしながら、マイクロ波２７の減衰を最小限に抑えることができる。

１避雷針、２パラボラアンテナ、３アース線、４アース線、６導波管、７パラボラアンテナ、８導波管、９鉄塔、１０同軸ケーブル、１１絶縁導波管、１２局舎・通信機械室、１４同軸避雷器、１５マイクロ波無線機、１６アース母線、１７アース線、１８導波管、１９導波管、２０第１導波管、２１フランジ、２２アース線、２３絶縁体、２４大地、２５第１送受信素子、２６シールド板、２７マイクロ波、２８送受信面、２９第２送受信素子、３０第２導波管、３１ボルト穴、３２送受信面、３３アース線、１００、１１０マイクロ波無線システム

Claims

鉄塔に備えられたパラボラアンテナと、マイクロ波の送受信を行なうマイクロ波無線機と、前記パラボラアンテナと前記マイクロ波無線機とを接続してマイクロ波の伝送を司る導波管と、を備えたマイクロ波無線システムにおいて、
前記導波管の途中に該導波管に被雷した雷サージ電流を遮断する絶縁導波管を少なくとも１つ配設し、
前記絶縁導波管は、断面が矩形状の管体の絶縁体と、該絶縁体の内面に配置され漏洩マイクロ波を遮蔽するシールド板と、前記絶縁体の軸方向にマイクロ波を送受するための第１送受信素子及び第２送受信素子と、を備え、
前記パラボラアンテナ側からの導波管を第１導波管とし、前記マイクロ波無線機側からの導波管を第２導波管とし、前記各導波管には前記絶縁体に固定させるためのフランジが設けられており、該フランジに設けたボルト穴により前記第１導波管と前記第２導波管とを前記絶縁体の両端に夫々固定し、前記絶縁体の軸方向に前記マイクロ波を送受するための前記第１送受信素子と前記第２送受信素子を対向配置し、該対向配置した前記第１送受信素子及び前記第２送受信素子の間隔を前記導波管に直接被雷した場合でも前記雷サージ電流が前記マイクロ波無線機側の導波管に被雷しない距離とすると共に、前記シールド板をアース線により大地に接地したことを特徴とするマイクロ波無線システム。
前記絶縁導波管を、可能な限り建物引き込み口付近に配置することを特徴とする請求項１に記載のマイクロ波無線システム。
前記第１送受信素子及び第２送受信素子は、メタルレンズアンテナ、又は電磁ホーンアンテナであることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ波無線システム。
前記第１導波管を少なくとも接地することを特徴とする請求項１乃至３の何れか一項に記載のマイクロ波無線システム。