JP5025739B2 - 無線通信システム - Google Patents

Description

この発明は、受信した電波を利用する無線通信システムに関する。

無線通信システムは各種の分野で用いられている。例えば電力会社は、電力保安通信を目的とする無線局の免許を受け、電力保安通信設備を構築し、無線によるサービスエリア（通話範囲）を拡充している。これにより、電力会社は、車載無線機や携帯無線機を使用して、電力保安の業務を行っている。

このような無線通信システムは広い通信範囲を持ち、山間部を含む場合もある。しかし、山間部においては、電波伝搬状況が複雑である。つまり、Ｖ／ＵＨＦ（Ｖｅｒｙ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ／Ｕｌｔｒａ Ｈｉｇｈ Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ）帯の電波は、光の性質に近い特性を持ち、地形などにより遮蔽された部分には電波が到達しにくくなる。このために、山間部の電力供給区域については、無線の十分なサービスエリアを確保しているとはいえない。こうした問題を解決するために、主要となる無線局のサービスエリア周辺部に、例えば前進基地局を設置したり、無給電中継装置を設置したりするなどして、不感地帯を解消すると共にサービスエリアの充実を行っている（例えば、特許文献１参照。）。

一方、例えば前述の電力保安通信設備において、無線通信により固定通信路を設ける場合、その空中線には十分な利得と満足な指向特性とを備えておく必要がある。このために、電力会社は、これらの要求に応じた空中線を設置している。

特開２００８−１３１３７１号公報

先に述べた従来の技術には次の課題がある。通信設備において無給電中継装置を設置する場合、従来技術では送電用鉄塔を利用したり、既存の建物等を利用したりする。しかし、鉄塔等が設置されていない場合には、無給電中継装置を設けることが困難である。このために、新たに前進基地局を設置すると、前進基地局を設置するためのコストが高くなり、しかも、高コストの新たな設備が必要になる。

また、通信設備において固定通信路を設ける場合、一般的に、十分な利得と満足な指向特性とを両立させると、空中線が大型化し、高コストな設備が必要である。また、大型の空中線は強風等の自然災害による被害を受けやすくなる。さらに、新たに固定通信路を設ける必要が生じた場合、または既存の固定通信路の設備老朽化による建て替えを行う場合、固定局周辺に既設の他の無線局があるときには、既存無線局に影響を与えず、かつ、既設の他の無線局による影響を受けない設備が要求される。

この発明の目的は、前記の課題を解決し、高コストな設備を不要にし、既設の他の無線局による影響を防ぎ、また、他の無線局に影響を与えることを防ぐことができる無線通信システムを提供することにある。

前記の課題を解決するために、請求項１の発明は、通話範囲を拡充するための、無線の無給電中継装置として用いられる無線通信システムであって、各素子の長手方向がＺ軸に沿うように配置されたアンテナであり、互いに離れて配列され、電波を受信して高周波信号を出力する空中線と、第１と第３のポート、第１と第４のポートおよび第２と第３のポートの間に、電波の４分の１波長の電気的な長さの伝送路が接続されていると共に第２と第４のポートの間に、電波の４分の３波長の電気的な長さの伝送路が接続され、第１および第２のポートが、各素子の配列方向である受信方向が受信対象の基地局に正対するように配置された前記空中線にそれぞれ接続され、同相の高周波信号を合成して第３のポートから出力すると共に逆相の高周波信号を合成して第４のポートから出力するラットレース回路と、ラットレース回路の第３のポートに接続されていると共に合成された高周波信号を受けて、サービスエリアに向けて電波を放射する指向性が尖鋭なアンテナである空中線と、ラットレース回路の第４のポートに接続されていると共に少なくとも１つの抵抗からなる抵抗回路と、を備えることを特徴とする無線通信システムである。

請求項１の発明では、互いに離れて配列された空中線が電波を受信して高周波信号を出力する。ラットレース回路は、基地局に正対する空中線から第１および第２のポートを経て高周波信号を受け取ると、互いに同相の高周波信号を合成した信号を第３のポートから出力し、互いに逆相の高周波信号を合成した信号を第４のポートから出力する。空中線は、第３のポートを経て送られて来る、合成された高周波信号を受けて、サービスエリアに向けて電波を放射する。同時に、抵抗回路は、第４のポートを経て送られて来る、合成された高周波信号を吸収する。

請求項２の発明は、請求項１に記載の無線通信システムにおいて、抵抗回路は、ラットレース回路の第４のポートのインピーダンスと整合されている、ことを特徴とする。

請求項１の発明によれば、空中線の正面から到来してきた電波つまり目的とする基地局からの電波を受信して発生する高周波信号のみを、同相で合成して空中線に出力することができ、かつ、空中線の側面近傍方向から到来した電波つまり不要な別の無線局からの電波を受信して発生する高周波信号を、逆相で合成して抵抗回路で吸収するので、空中線に出力する信号から不要な信号を排除することができる。

また、ラットレース回路からは目的方向からの同相の高周波信号のみが送られて来るので、他の無線局からの電波の影響を受けない良好な電波を空中線から放出して、無給電による中継を可能にする。かつ、無給電中継に際して、他の無線局からの電波を受信して発生する不要な高周波信号を抵抗回路で吸収するので、他の無線局からの電波の再放射を行うことなく、他の無線局に影響を与えない、良好な中継を可能にする。

請求項２の発明によれば、抵抗回路のインピーダンスがラットレース回路のインピーダンスと整合しているので、抵抗回路は、ラットレース回路から出力される合成された高周波信号つまり不要な信号をラットレース回路に反射して再放出することなく、すべて吸収することができる。

実施の形態１による無線通信システムを示す構成図である。 空中線を説明するための説明図である。 ラットレース回路およびそれに対する接続を示す構成図である。 実施の形態１の無線通信システムによる指向性を説明する図であり、図４（ａ）はアンテナ単体の指向性を示す図、図４（ｂ）は同相における指向性を示す図、図４（ｃ）は逆相における指向性を示す図である。 実施の形態２による無線通信システムのラットレース回路およびそれに対する接続を示す構成図である。 実施の形態１の無線通信システムによる指向性を説明する図であり、図６（ａ）はアンテナ単体の指向性を示す図、図６（ｂ）は別のアンテナ単体の指向性を示す図、図６（ｃ）は同相における指向性を示す図、図６（ｄ）は逆相における指向性を示す図である。

次に、この発明の各実施の形態について、図面を用いて詳しく説明する。

（実施の形態１）
この実施の形態による無線通信システムは、通話範囲を拡充するための、無線の無給電中継装置として用いられている。この無線通信システムの構成を図１に示す。この無線通信システムは、空中線１０、２０、４０と、ハイブリッド回路であるラットレース回路３０と、抵抗回路５０とを備えている。

空中線１０、２０は指向性が尖鋭であり高利得のアンテナである。この実施の形態では、ＸＹ平面を水平面とした図２に示すように、空中線１０、２０は１２素子の八木型空中線である。そして、基地局からの電波の垂直偏波を受信するために、各素子の長手方向がＺ軸に沿うように、空中線１０、２０が配置されている。また、各素子の配列方向（Ｘ軸方向）つまり空中線１０、２０の受信方向が基地局に正対するように、空中線１０、２０が配置されている。さらに、空中線１０は空中線２０に対して、受信する電波の１／２波長またはその奇数倍の間隔でＹ軸方向に配列されている。

空中線１０、２０は電波を受信すると、高周波信号をラットレース回路３０にそれぞれ出力する。先に述べたように、空中線１０と空中線２０とはＹ軸方向に離れて配置されているので、Ｘ軸に沿って到来した電波、つまり基地局からの電波を受信すると、空中線１０、２０は同相の高周波信号をラットレース回路３０に出力する。基地局とは異なる方向から目的としない別の無線局からの電波を受信すると、空中線１０、２０は、位相が異なる２つの高周波信号つまり逆相の高周波信号をラットレース回路３０に出力する。

ラットレース回路３０は、同軸構造の伝送路などを用いて形成されている。この実施の形態では、図３に示すラットレース回路３０を用いる。このラットレース回路３０は、４つのポートＰ１〜Ｐ４を持っている。ポートＰ１、Ｐ２は入力端子であり、ポートＰ３、Ｐ４は出力端子である。ポートＰ１は空中線１０に接続され、ポートＰ２は空中線２０に接続されている。また、ポートＰ３は空中線４０に接続され、ポートＰ４は抵抗回路５０に接続されている。

ラットレース回路３０のポートＰ１とポートＰ３との間に、目的とする信号の波長λの、λ／４の電気的な長さの同軸構造の伝送路３０Ａが接続され、ポートＰ１とポートＰ４との間にλ／４の電気的な長さの同軸構造の伝送路３０Ｂが接続されている。また、ポートＰ２とポートＰ３との間にλ／４の電気的な長さの同軸構造の伝送路３０Ｃが接続され、ポートＰ２とポートＰ４との間に３λ／４の電気的な長さの同軸構造の伝送路３０Ｄが接続されている。各同軸構造の伝送路３０Ａ〜３０Ｄには、空中線１０、２０からの高周波信号が流れる。また、空中線１０からポートＰ１までの伝送路と、空中線２０からポートＰ２までの伝送路の長さは同じ長さ、あるいは、λの整数倍の差を持った長さとする。

ラットレース回路３０は次のように動作する。図３で時計回りを矢印Ａの方向とし、反時計回りを矢印Ｂの方向とすると、ポートＰ１に入力された空中線１０からの高周波信号は、
時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ａ）
反時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｂ）、３λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｄ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｃ）
の両経路を経てポートＰ３に到達する。このとき、時計回りの信号はλ／４だけ遅延し、反時計回りの信号は５λ／４つまりλ／４だけ遅延する。この結果、ポートＰ１に入力された高周波信号により、ポートＰ３からはλ／４だけ遅延した高周波信号が出力される。

また、ポートＰ２に入力された空中線２０からの高周波信号は、
時計回り…３λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｄ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｂ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ａ）
反時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｃ）
の両経路を経てポートＰ３に到達する。このとき、時計回りの信号は５λ／４つまりλ／４だけ遅延し、反時計回りの信号はλ／４だけ遅延する。この結果、ポートＰ２に入力された高周波信号により、ポートＰ３からはλ／４だけ遅延した高周波信号が出力される。

したがって、ポートＰ３では、ポートＰ１に対する入力で生じた、λ／４だけ遅延した高周波信号と、ポートＰ２に対する入力で生じた、λ／４だけ遅延した高周波信号との合成（以下、「正相合成」という）により、合成高周波信号が生成される。

一方、ポートＰ１に入力された空中線１０からの高周波信号は、
時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ａ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｃ）、３λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｄ）
反時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｂ）
の両経路を経てポートＰ４に到達する。このとき、時計回りの信号は５λ／４つまりλ／４だけ遅延し、反時計回りの信号はλ／４だけ遅延する。この結果、ポートＰ１に入力された高周波信号により、ポートＰ４からはλ／４だけ遅延した高周波信号が出力される。

また、ポートＰ２に入力された空中線２０からの高周波信号は、
時計回り…３λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｄ）
反時計回り…λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｃ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ａ）、λ／４（同軸構造の伝送路３０Ｂ）
の両経路を経てポートＰ４に到達する。このとき、時計回りの信号は３λ／４だけ遅延し、反時計回りの信号は３λ／４だけ遅延する。この結果、ポートＰ２に入力された高周波信号により、ポートＰ４からは３λ／４だけ遅延した高周波信号が出力される。

したがって、ポートＰ４では、ポートＰ１に対する入力で生じた、λ／４だけ遅延した高周波信号と、ポートＰ２に対する入力で生じた、３λ／４だけ遅延した高周波信号との合成（以下、「逆相合成」という）により、合成高周波信号が生成される。

ラットレース回路３０はこのように動作するので、空中線１０、２０からの高周波信号に応じて、次の合成高周波信号を出力する。空中線１０、２０が同相の高周波信号を出力すると、ポートＰ３では、ポートＰ１に対する入力信号（高周波信号）と、ポートＰ２に対する入力信号（高周波信号）とが正相合成をされる。一方、ポートＰ４では、ポートＰ１に対する入力信号と、ポートＰ２に対する入力信号とが逆相合成をされ、ポートＰ４からの出力はゼロになる。また、空中線１０、２０が逆相の高周波信号を出力すると、ポートＰ３では、ポートＰ１に対する入力信号（高周波信号）と、ポートＰ２に対する入力信号（高周波信号）とが正相合成をされる。これにより、ポートＰ３からの出力はゼロになる。一方、ポートＰ４では、ポートＰ１に対する入力信号と、ポートＰ２に対する入力信号とが逆相合成をされ、ポートＰ４からの出力は正相合成をされる。

具体的に、空中線１０、２０が３７０ＭＨｚで設計したものであって、指向性（垂直偏波）を持つ１２素子の八木型空中線である場合、図４（ａ）に示すように、前方利得が２０．０１ｄＢｉ、前方半値角は約３０度である。これらの空中線１０、２０を互いに例えば１．５波長の間隔で設置すると、正相合成をされた合成高周波信号を出力する、ラットレース回路３０のポートＰ３において、図４（ｂ）に示すように、前方利得は２２．８３ｄＢｉになり、前方半値角は約１５度になる。つまり、１本の八木型空中線に比べて、利得が向上し、かつ、指向性が尖鋭になる。一方、逆相合成をされた合成高周波信号を出力する、ラットレース回路３０のポートＰ４においては、図４（ｃ）に示すように、前方利得は全く無く、側方１５度方向の各利得は２０．６７ｄＢｉである。

空中線４０は、空中線１０、２０と同様に指向性が尖鋭であり高利得の、送信用のアンテナである。空中線４０は、ラットレース回路３０のポートＰ３に接続され、ポートＰ３から合成された高周波信号を受け取ると、サービスエリアに向けて電波を放射する。

抵抗回路５０は、１つ以上の抵抗を用いて形成され、ラットレース回路３０のポートＰ４におけるインピーダンスに整合されている。抵抗回路５０は、ポートＰ４から合成された高周波信号を受け取ると、インピーダンス整合により、この信号をラットレース回路３０に向けて反射することなく、すべて吸収する。つまり、抵抗回路５０は、高周波信号の抵抗負荷として作用する。

次に、この実施の形態による無線通信システムの動作について説明する。基地局からの電波は、無線通信システムの空中線１０、２０で受信される。この電波はＸ軸（図２）に沿う方向から到来するので、空中線１０、２０は同相の高周波信号をラットレース回路３０に出力する。ラットレース回路３０は、ポートＰ１、Ｐ２で空中線１０、２０からの同相の高周波信号を受け取ると、これらの信号の正相合成を行い、空中線４０に対してポートＰ３から合成高周波信号を送る。空中線４０は、合成高周波信号を受け取ると、この信号により、新たなサービスエリアに向けて電波を放射する。一方、ラットレース回路３０は、空中線１０、２０から同相の高周波信号を受け取ると、これらの信号の逆相合成を行い、レベルがゼロまたはゼロに近い低レベルの合成高周波信号を、ポートＰ４に出力する。

ところで、基地局とは異なる方向から、目的としない他の無線局からの電波が到来すると、空中線１０、２０は逆相の高周波信号をラットレース回路３０に出力する。ラットレース回路３０は、ポートＰ１、Ｐ２で空中線１０、２０からの逆相の高周波信号を受け取ると、これらの信号の正相合成を行い、ポートＰ３のレベルをゼロにする。これにより、空中線４０からは電波を放射しない。一方、ラットレース回路３０は、空中線１０、２０から逆相の高周波信号を受け取ると、これらの信号の逆相合成を行い、高レベルの合成高周波信号をポートＰ４から抵抗回路５０に送る。抵抗回路５０は、この高レベルの合成高周波信号をすべて吸収して、ラットレース回路３０に影響を与えることを防いでいる。

こうして、この実施の形態により、空中線１０、２０の側面近傍方向に存在する、別の無線局から到来した信号をすべて抵抗回路５０で吸収するので、不要な信号を積極的に、かつ、効率的に排除した無給電中継を可能にする。また、この実施の形態により、ラットレース回路３０が単一の周波数であれば、総計が１．５波長の電気的な長さを有する伝送線路で構成することが可能であり、低コストで低損失の無給電中継装置を形成することができる。これにより、前進基地局を補完する機能を、必要に応じて低コストで多数設置することができ、サービスエリアの拡大と無線サービスの向上を可能にする。また、この実施の形態によれば、無給電で電波を中継すると共に中継する高周波信号から不要な信号を排除するので、無給電中継に際して、既設の他の無線局による影響を受けないようにすることができ、良好なサービスエリアの確保を可能にする。さらに、他の無線局に影響を与えることを防ぐことができる。これにより、良好な無給電中継を可能にする。

（実施の形態２）
この実施の形態による無線通信システムを図５に示す。なお、この実施の形態では、先に説明した実施の形態１と同一もしくは同一と見なされる構成要素には、それと同じ参照符号を付けて、その説明を省略する。この実施の形態では、実施の形態１の空中線４０の代わりに受信機６０を用いている。つまり、ラットレース回路３０のポートＰ３には、受信機６０の入力が接続されている。

この実施の形態では、正相合成をされてポートＰ３から出力される高利得の高周波信号を受信機６０で復調する。具体的に、空中線１０、２０が１５０ＭＨｚで設計したものであって、指向性（垂直偏波）を持つ３素子八木型空中線である場合、図６（ａ）に示すように、空中線の前後長は６１．４ｃｍであり、前方利得は１３．３５ｄＢｉである。また、空中線１０、２０が１５０ＭＨｚで設計したものであって、指向性（垂直偏波）を持つ６素子八木型空中線である場合、図６（ｂ）に示すように、空中線の前後長は２１５．５ｃｍであり、前方利得は１６．４８ｄＢｉである。６素子八木型空中線は、３素子八木型空中線に比べて指向性は鋭くなり利得も向上するが、形状が大きくなった結果、受風面積が増大し、強風や豪雪時に不利となる。

これに対して、空中線１０、２０として３素子八木型空中線を互いに例えば０．５波長の間隔で設置すると、正相合成をされた合成高周波信号を出力する、ラットレース回路３０のポートＰ３において、図６（ｃ）に示すように、前方利得は１６．１ｄＢｉになる。つまり、１本の八木型空中線に比べて、利得が向上し、かつ、図６（ａ）に比べて指向性が尖鋭になる。一方、逆相合成をされた合成高周波信号を出力する、ラットレース回路３０のポートＰ４においては、図６（ｄ）に示すように、前方利得は全く無く、側方４０度方向の利得は１３．３８ｄＢｉである。こうした信号が抵抗回路５０と受信機６０とに送られる。

受信機６０は、ラットレース回路３０から高周波信号を受け取ると、この信号を復調して音声信号を再生する無線設備である。

この実施の形態によれば、不要な信号を積極的に、かつ、効率的に排除するので、受信機６０により、良好な音声信号を得ることができる。

この発明は、無線の無給電中継や受信設備に限らず、各種の高周波信号を扱う設備や回路に利用可能である。

１０、２０、４０ 空中線
３０ ラットレース回路
３０Ａ〜３０Ｄ 伝送路
Ｐ１〜Ｐ４ ポート
５０ 抵抗回路（無線設備）
６０ 受信機（無線設備）

Claims (2)

1. 通話範囲を拡充するための、無線の無給電中継装置として用いられる無線通信システムであって、
   各素子の長手方向がＺ軸に沿うように配置されたアンテナであり、互いに離れて配列され、電波を受信して高周波信号を出力する空中線と、
   第１と第３のポート、第１と第４のポートおよび第２と第３のポートの間に、電波の４分の１波長の電気的な長さの伝送路が接続されていると共に第２と第４のポートの間に、電波の４分の３波長の電気的な長さの伝送路が接続され、第１および第２のポートが、各素子の配列方向である受信方向が受信対象の基地局に正対するように配置された前記空中線にそれぞれ接続され、同相の高周波信号を合成して第３のポートから出力すると共に逆相の高周波信号を合成して第４のポートから出力するラットレース回路と、
   ラットレース回路の第３のポートに接続されていると共に合成された高周波信号を受けて、サービスエリアに向けて電波を放射する指向性が尖鋭なアンテナである空中線と、
   ラットレース回路の第４のポートに接続されていると共に少なくとも１つの抵抗からなる抵抗回路と、
   を備えることを特徴とする無線通信システム。
2. 抵抗回路は、ラットレース回路の第４のポートのインピーダンスと整合されている、
   ことを特徴とする請求項１に記載の無線通信システム。
   

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