JP5377140B2 - 双方向無線接続システム - Google Patents
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Description
本発明は、Wi-Fi などの最新無線通信ネットワークによってカバーされている都市内の領域でコンクリート壁等で分離される２つの空間（例えば屋内・外）における双方向無線接続システムに関する。
さらに、詳しく言えば、本発明による双方向無線接続システムは、前記コンクリート壁等の一部を通信経路の一部として用いる双方向無線接続システムに関する。
さらに、詳しく言えば、本発明による双方向無線接続システムは、前記コンクリート壁等の一部を通信経路の一部として用いる双方向無線接続システムに関する。
Wi-Fi などの最新無線通信ネットワークによってカバーされている都市内の領域では、建物内ネットワークと建物外ネットワークは屋上に設置されたアンテナなどを介して接続されている。すなわち通常は、建物のコンクリート壁を反射・散乱体として取り扱い、通信路を設計する（非特許文献１，２）。壁の損失は大きいものとして取り扱われ、壁を透過した電波による無線接続はこれまで検討の対象となっていない。
特許文献１記載のアンテナ装置は壁または電波の通過には適していない壁で分けられる空間において、一方の空間で受信し、他方の空間に増幅して電波として放出するアンテナ装置を提案している。
特許文献２記載の発明は壁に穴を開けて両方の空間にあるアンテナ間の通信を可能にしたものである。
特許文献１記載のアンテナ装置は壁または電波の通過には適していない壁で分けられる空間において、一方の空間で受信し、他方の空間に増幅して電波として放出するアンテナ装置を提案している。
特許文献２記載の発明は壁に穴を開けて両方の空間にあるアンテナ間の通信を可能にしたものである。
コンクリート壁を通して無線接続できれば、屋上にアンテナなど設置する必要がなくなるので極めて便利である。
Amir Adler and Moshe Salhov, "A Carrier-Grade Wireless LAN Network Implementation", IEEE Microwave Magazine, Vol.9, No.4, pp.108-119, August 2008.
Simon R. Saunders, "Antennas and Propagation for Wireless Communication Systems", Chapter 1 Introduction, pp.7-8 and Chapter 13 Picocells, pp.272-273, John Wiely & Sons, Ltd., 1998.
従来の無線通信ネットワークはコンクリート壁等を通信の障害としてとらえ、壁に電波透過用窓を設けるか、壁を迂回して壁内空間と壁外空間を接続する通信経路等を設けている。壁内空間と壁外空間の通信経路、屋外空間への電波の再生放出に関連する設備は、電波法に関連する許認可の対象となり、誰でも簡単に利用できるものではない。
本発明の目的は、必然的に存在する壁による電波伝搬損失の影響を考慮し、特定の利用が許容されている搬送周波数（例えばｆ1 ＝２．４ＧＨｚ）において、壁の一部をそれ自体に特殊な加工を施すことなく、壁外から壁内の端末ヘの通信経路（ダウンリンク）および壁内から壁外ヘの通信経路（アップリンク）の一部として利用する双方向無線接続システムを提供することにある。
本発明のさらに他の詳細な目的は、中継器には特定小電力無線局以外の免許を要しない無線局（IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b に準拠）を使用し、増幅器利得は外部への放射電界が規定値以下となるように設定し、壁外への放射電界も規定値以下となるような双方向無線接続システムを構成することにある。
本発明の目的は、必然的に存在する壁による電波伝搬損失の影響を考慮し、特定の利用が許容されている搬送周波数（例えばｆ1 ＝２．４ＧＨｚ）において、壁の一部をそれ自体に特殊な加工を施すことなく、壁外から壁内の端末ヘの通信経路（ダウンリンク）および壁内から壁外ヘの通信経路（アップリンク）の一部として利用する双方向無線接続システムを提供することにある。
本発明のさらに他の詳細な目的は、中継器には特定小電力無線局以外の免許を要しない無線局（IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b に準拠）を使用し、増幅器利得は外部への放射電界が規定値以下となるように設定し、壁外への放射電界も規定値以下となるような双方向無線接続システムを構成することにある。
前記目的を達成するために本発明による請求項１記載の双方向無線接続システムは、
壁で分けられる壁前方空間−壁後方空間（ＦＡＳ−ＢＡＳ）における双方向無線接続システムであって、
壁前方空間（ＦＡＳ）に配置され第１の搬送周波数（ｆ1 ）で動作する壁前方空間送受信局と、
前記壁の壁後方空間（ＢＡＳ）露出面に設置され、前記壁を透過した電波を収拾する大開口面ホーン型反射器と第１アンテナを有する第１アンテナ組立体と、
前記第１アンテナの出力が線路を介して直接接続される第２アンテナと反射板からなる第２アンテナ組立体と、
壁後方空間（ＢＡＳ）に配置され第３アンテナを含み第１の搬送周波数（ｆ1 ）で動作する壁後方空間送受信局と、
第２アンテナの受信出力を増幅して第１アンテナに接続する増幅接続手段と、を含み、
前記壁を透過した壁前方空間送受信局の発信出力を第１アンテナ組立体で受信し第２アンテナ組立体の第２アンテナから放射し、第２アンテナ組立体の近接場を含む領域で第３アンテナで受信するダウンリンクと、
第３アンテナからの電波を第２アンテナで受信し、前記壁から放射される電力が前記壁後方空間送受信局に許容される最大出力を越えないことを限度に前記増幅接続手段の増幅器で増幅して第１アンテナから前記壁前方空間（ＦＡＳ）へ放射するアップリンクと、
を形成したことを特徴とする。
壁で分けられる壁前方空間−壁後方空間（ＦＡＳ−ＢＡＳ）における双方向無線接続システムであって、
壁前方空間（ＦＡＳ）に配置され第１の搬送周波数（ｆ1 ）で動作する壁前方空間送受信局と、
前記壁の壁後方空間（ＢＡＳ）露出面に設置され、前記壁を透過した電波を収拾する大開口面ホーン型反射器と第１アンテナを有する第１アンテナ組立体と、
前記第１アンテナの出力が線路を介して直接接続される第２アンテナと反射板からなる第２アンテナ組立体と、
壁後方空間（ＢＡＳ）に配置され第３アンテナを含み第１の搬送周波数（ｆ1 ）で動作する壁後方空間送受信局と、
第２アンテナの受信出力を増幅して第１アンテナに接続する増幅接続手段と、を含み、
前記壁を透過した壁前方空間送受信局の発信出力を第１アンテナ組立体で受信し第２アンテナ組立体の第２アンテナから放射し、第２アンテナ組立体の近接場を含む領域で第３アンテナで受信するダウンリンクと、
第３アンテナからの電波を第２アンテナで受信し、前記壁から放射される電力が前記壁後方空間送受信局に許容される最大出力を越えないことを限度に前記増幅接続手段の増幅器で増幅して第１アンテナから前記壁前方空間（ＦＡＳ）へ放射するアップリンクと、
を形成したことを特徴とする。
本発明による請求項２記載の双方向無線接続システムは、請求項１記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１，第２および第３アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする。
本発明による請求項３記載の双方向無線接続システムは、請求項２記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１アンテナ組立体の第１アンテナは、送受信方向を除き前記壁後方空間内で遮蔽されており、増幅された電波を前記壁後方空間内に漏出させないことを特徴とする。
この漏出があると、システムに好ましくない障害を与えるので、完全な漏出防止構造を用いる。
第１，第２および第３アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする。
本発明による請求項３記載の双方向無線接続システムは、請求項２記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１アンテナ組立体の第１アンテナは、送受信方向を除き前記壁後方空間内で遮蔽されており、増幅された電波を前記壁後方空間内に漏出させないことを特徴とする。
この漏出があると、システムに好ましくない障害を与えるので、完全な漏出防止構造を用いる。
本発明による請求項４記載の双方向無線接続システムは、請求項１記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記壁後方空間送受信局は前記壁後方空間中の１以上の局と第１の搬送周波数とは異なる第２の搬送周波数（ｆ2 ）で通信する中継装置であり、前記１以上の局と前記壁前方空間送受信局との双方向通信を可能にすることを特徴とする。
本発明による請求項５記載の双方向無線接続システムは、請求項４記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１の搬送周波数は２．４ＧＨｚ、第２の搬送周波数は５．２ＧＨｚであることを特徴とする。
前記壁後方空間送受信局は前記壁後方空間中の１以上の局と第１の搬送周波数とは異なる第２の搬送周波数（ｆ2 ）で通信する中継装置であり、前記１以上の局と前記壁前方空間送受信局との双方向通信を可能にすることを特徴とする。
本発明による請求項５記載の双方向無線接続システムは、請求項４記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１の搬送周波数は２．４ＧＨｚ、第２の搬送周波数は５．２ＧＨｚであることを特徴とする。
本発明による請求項６記載の双方向無線接続システムは、請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
第３アンテナは第２アンテナの近接場に配置され第３アンテナへの入力電波をコンクリート壁への入射波とほぼ同じ強度で受信できるようにしたことを特徴とする。
本発明による請求項７記載の双方向無線接続システムは、請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記増幅器の増幅度Ｇamp はアップリンクの伝搬損失をＬU total としたとき、
ＬU total ＋Ｇamp ＝０ を満たすように設定することを特徴とする。
本発明による請求項８記載の双方向無線接続システムは、請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記中継装置には免許不要な特定小電力装置を使うことを特徴とする。
第３アンテナは第２アンテナの近接場に配置され第３アンテナへの入力電波をコンクリート壁への入射波とほぼ同じ強度で受信できるようにしたことを特徴とする。
本発明による請求項７記載の双方向無線接続システムは、請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記増幅器の増幅度Ｇamp はアップリンクの伝搬損失をＬU total としたとき、
ＬU total ＋Ｇamp ＝０ を満たすように設定することを特徴とする。
本発明による請求項８記載の双方向無線接続システムは、請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記中継装置には免許不要な特定小電力装置を使うことを特徴とする。
本発明によれば、壁（例えばコンクリート壁）透過双方向無線接続システムを提供できる。例えばコンクリート壁の厚さＷ（＝１０ｃｍの場合）で第１の周波数ｆ1 （＝２．４ＧＨｚ）における伝搬損失は、実験とシミュレーションから約−８．９ｄＢであり、ダウンリンクでは、減衰した電波を壁背後に配置した大開口ホーンアンテナで集め、同軸線路を介して第２のアンテナに送り、室内空間へ再放射する。再放射電界の強度が入射波に近い領域をつくることができる。この領域に中継装置を配置する。
アップリンクでは、中継装置からの電波を第２アンテナで受信、増幅器と大開口ホーンアンテナを介して屋外空間へ放射することができる。
アップリンクでは、中継装置からの電波を第２アンテナで受信、増幅器と大開口ホーンアンテナを介して屋外空間へ放射することができる。
以下、図面等を参照して本発明による双方向無線接続システムの実施の形態を詳しく説明する。
先ず始めに全体の構成を示す図３を参照して本発明の双方向無線接続システムの概略を示し、次いでこのシステムの原理と作用を項分けして説明する。その後、各部の構成を詳細に説明する。
先ず始めに全体の構成を示す図３を参照して本発明の双方向無線接続システムの概略を示し、次いでこのシステムの原理と作用を項分けして説明する。その後、各部の構成を詳細に説明する。
〔本願システムの概略構成〕
図３は、本発明による双方向無線接続システムのブロック図である。
本発明による双方向無線接続システムが適用される空間はＦＡＳ（コンクリート壁前方空間）７とＢＡＳ（コンクリート壁後方空間）８がコンクリート壁１０で分離されている。コンクリート壁１０背面（ＢＡＳ８側）に第１アンテナ組立体１００の開口を密着配置する。第１アンテナ組立体１００は、大開口面を持つホーン型反射器と前記反射器で集められた第１の周波数の電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信する第１アンテナ（第１ダイポールアンテナ１：図４参照）を備えている。
第２アンテナ組立体２００は、平板反射器と前記平板反射器で集められた電波を受信する第２アンテナ（第２ダイポールアンテナ２：図４参照）を備えている。
ダウンリンクでは、第１ダイポールアンテナ１の出力（同軸の出力）はサーキュレータ４、同軸線路、他のサーキュレータ５を介して第２ダイポールアンテナ２の同軸入力端（アップリンクでは出力端となる）に直接接続される。すなわち第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２は、ダウンリンクでは、直接背中合わせに接続される。
アップリンクでは、第２ダイポールアンテナ２の同軸出力端をサーキュレータ５を介して増幅器（Ｇamp ）６に接続して増幅し、増幅器６の出力はサーキュレータ４を介して第１ダイポールアンテナ１の同軸入力端（ダウンリンクでは出力端）に接続される。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に近接してルータ付リレーステーションである中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３が配置されている。中継装置３００は、ＢＡＳ８内の例えばユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）と他の周波数ｆ2 （５．２ＧＨｚ）の電波で通信する。
なお中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３は、第２ダイポールアンテナ２との送受信アンテナとして使用される他、ユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）の図示しないアンテナとの送受信アンテナとしても使用される。
第３ダイポールアンテナ３には、通常、２周波共用アンテナが使われる。ダウンリンク動作では、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２からの電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信し、中継装置３００内で増幅して他の周波数の電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）でユーザＰＣに伝達する。アップリンク動作では、２周波共用アンテナを介してユーザＰＣからの電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）を受信した後、周波数ｆ1 （２．４ＧＨｚ）に変換し、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に伝達する。第２アンテナ組立体２００で受信された電波は増幅器６により増幅され、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から放射される。そしてコンクリート壁１０を透過してＦＡＳ７に放出され、ＦＡＳ空間の送受信設備５００（例えばベースステーション）に送信される。中継装置３００には、免許が不要な特定小電力装置の使用を想定する。
図３は、本発明による双方向無線接続システムのブロック図である。
本発明による双方向無線接続システムが適用される空間はＦＡＳ（コンクリート壁前方空間）７とＢＡＳ（コンクリート壁後方空間）８がコンクリート壁１０で分離されている。コンクリート壁１０背面（ＢＡＳ８側）に第１アンテナ組立体１００の開口を密着配置する。第１アンテナ組立体１００は、大開口面を持つホーン型反射器と前記反射器で集められた第１の周波数の電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信する第１アンテナ（第１ダイポールアンテナ１：図４参照）を備えている。
第２アンテナ組立体２００は、平板反射器と前記平板反射器で集められた電波を受信する第２アンテナ（第２ダイポールアンテナ２：図４参照）を備えている。
ダウンリンクでは、第１ダイポールアンテナ１の出力（同軸の出力）はサーキュレータ４、同軸線路、他のサーキュレータ５を介して第２ダイポールアンテナ２の同軸入力端（アップリンクでは出力端となる）に直接接続される。すなわち第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２は、ダウンリンクでは、直接背中合わせに接続される。
アップリンクでは、第２ダイポールアンテナ２の同軸出力端をサーキュレータ５を介して増幅器（Ｇamp ）６に接続して増幅し、増幅器６の出力はサーキュレータ４を介して第１ダイポールアンテナ１の同軸入力端（ダウンリンクでは出力端）に接続される。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に近接してルータ付リレーステーションである中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３が配置されている。中継装置３００は、ＢＡＳ８内の例えばユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）と他の周波数ｆ2 （５．２ＧＨｚ）の電波で通信する。
なお中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３は、第２ダイポールアンテナ２との送受信アンテナとして使用される他、ユーザＰＣ（４００−１〜４００−ｎ）の図示しないアンテナとの送受信アンテナとしても使用される。
第３ダイポールアンテナ３には、通常、２周波共用アンテナが使われる。ダウンリンク動作では、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２からの電波ｆ1 （２．４ＧＨｚ）を受信し、中継装置３００内で増幅して他の周波数の電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）でユーザＰＣに伝達する。アップリンク動作では、２周波共用アンテナを介してユーザＰＣからの電波ｆ2 （５．２ＧＨｚ）を受信した後、周波数ｆ1 （２．４ＧＨｚ）に変換し、第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２に伝達する。第２アンテナ組立体２００で受信された電波は増幅器６により増幅され、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から放射される。そしてコンクリート壁１０を透過してＦＡＳ７に放出され、ＦＡＳ空間の送受信設備５００（例えばベースステーション）に送信される。中継装置３００には、免許が不要な特定小電力装置の使用を想定する。
〔前記システムの原理と作用〕
次に、前記システムの原理と作用を項分けして説明する。
（１）本願発明で実施例として示すコンクリート壁１０は電波を弱める。しかし、約１０％のエネルギーは透過する。電界強度比にして０．３６が透過する。
本願発明ではこのコンクリート壁１０の壁面の一部を電波の経路（アップリンク・ダウンリンク）の一部として用いる。
（２）コンクリート壁１０で減衰した電波を、屋内空間（ＢＡＳ８）で大きい開口のアンテナ組立体（第１アンテナ組立体１００）を使って広い面積にわたって集める。
（３）収集した電力を屋内の第２アンテナ組立体２００へ送り、第２アンテナ（第２ダイポールアンテナ２）から狭い断面積のビームとして屋内（ＢＡＳ８）に再放射する。コンクリート壁によって低下した電界強度を回復した電波空間を室内空間に作ることができる。言い換えれば、第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００を適切に設計することによって、コンクリート壁１０に入射した電波と同等な電界強度を有する空間を屋内空間（ＢＡＳ８）に作り出すことができる。
（４）この領域内に中継装置３００の第３アンテナ（第３ダイポールアンテナ３）を配置して第２ダイポールアンテナ２に近接結合させる。
中継装置３００として特定小電力無線局以外の免許を要しない無線局（IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b に準拠）に対応する市販の装置を使用できる。中継装置３００の増幅器利得は外部への放射電界が規定値以下となるように設定する。
（註：IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b ：無線通信ネットワーク接続手順の国際標準規格）
（５）第２ダイポールアンテナ２と第３ダイポールアンテナ３を近接して結合させ、第３ダイポールアンテナ３への入力電界は壁がないときの仮想の電界強度とほぼ同じとすることが好ましい。
（６）この第２ダイポールアンテナ２と第３ダイポールアンテナ３のアンテナ結合は、双方向通信（ダウンリンク・アップリンク）で共用する。
すなわち、ダウンリンクの信号は、第２ダイポールアンテナ２→第３ダイポールアンテナ３→中継装置３００→ユーザＰＣ４００−１〜４００−ｎの流れで伝達される。
またアップリンクの信号は、ユーザＰＣ４００−１〜４００−ｎ→中継装置３００→第３ダイポールアンテナ３→第２ダイポールアンテナ２の流れで伝達される。
（７）第２ダイポールアンテナ２は第３ダイポールアンテナ３から受信した電波（中継装置３００がユーザＰＣ４００−１，・・，４００−ｎからのアップリンク信号ｆ2 をアップリンク用のｆ1 に変換した電波）を第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１に向けて送信する。
（８）第１アンテナ組立体１００は、この電波エネルギーをコンクリート壁１０の背面（室内空間ＢＡＳ側の面）に照射する。照射面積はダウンリンクで受信に使った面積と同じ面積である。コンクリート壁１０の背面に、ダウンリンクとは逆に拡大されて入射させられるから、密度は小さくなる。
（９）この弱い入射波が壁によってさらに弱くなるから、これを補うために、アップリンクには、増幅器６を挿入する。
（１０）増幅器６の利得は次の要領で設定される。
コンクリート壁１０の前方空間（ＦＡＳ）７（＝壁の表面）に放射された電力を中継装置３００に許容される最大出力電力を超えない値に設定する必要がある。
すなわち増幅器６の利得は、
（ｉ）中継装置３００のアンテナ（第３ダイポールアンテナ３）から第２ダイポールアンテナ２への電力伝送率損失、
（ii) 第１ダイポールアンテナ１への入力が壁背面につくる電界強度との関係を与える第１ダイポールアンテナ１の逆利得、
(iii) コンクリート壁１０による電界強度の減衰量
の和（（ｉ）＋（ii) ＋(iii) ）、つまり全減衰量を打ち消す値に正確に決める。
次に、前記システムの原理と作用を項分けして説明する。
（１）本願発明で実施例として示すコンクリート壁１０は電波を弱める。しかし、約１０％のエネルギーは透過する。電界強度比にして０．３６が透過する。
本願発明ではこのコンクリート壁１０の壁面の一部を電波の経路（アップリンク・ダウンリンク）の一部として用いる。
（２）コンクリート壁１０で減衰した電波を、屋内空間（ＢＡＳ８）で大きい開口のアンテナ組立体（第１アンテナ組立体１００）を使って広い面積にわたって集める。
（３）収集した電力を屋内の第２アンテナ組立体２００へ送り、第２アンテナ（第２ダイポールアンテナ２）から狭い断面積のビームとして屋内（ＢＡＳ８）に再放射する。コンクリート壁によって低下した電界強度を回復した電波空間を室内空間に作ることができる。言い換えれば、第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００を適切に設計することによって、コンクリート壁１０に入射した電波と同等な電界強度を有する空間を屋内空間（ＢＡＳ８）に作り出すことができる。
（４）この領域内に中継装置３００の第３アンテナ（第３ダイポールアンテナ３）を配置して第２ダイポールアンテナ２に近接結合させる。
中継装置３００として特定小電力無線局以外の免許を要しない無線局（IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b に準拠）に対応する市販の装置を使用できる。中継装置３００の増幅器利得は外部への放射電界が規定値以下となるように設定する。
（註：IEEE802.1.1g/IEEE802.1.1b ：無線通信ネットワーク接続手順の国際標準規格）
（５）第２ダイポールアンテナ２と第３ダイポールアンテナ３を近接して結合させ、第３ダイポールアンテナ３への入力電界は壁がないときの仮想の電界強度とほぼ同じとすることが好ましい。
（６）この第２ダイポールアンテナ２と第３ダイポールアンテナ３のアンテナ結合は、双方向通信（ダウンリンク・アップリンク）で共用する。
すなわち、ダウンリンクの信号は、第２ダイポールアンテナ２→第３ダイポールアンテナ３→中継装置３００→ユーザＰＣ４００−１〜４００−ｎの流れで伝達される。
またアップリンクの信号は、ユーザＰＣ４００−１〜４００−ｎ→中継装置３００→第３ダイポールアンテナ３→第２ダイポールアンテナ２の流れで伝達される。
（７）第２ダイポールアンテナ２は第３ダイポールアンテナ３から受信した電波（中継装置３００がユーザＰＣ４００−１，・・，４００−ｎからのアップリンク信号ｆ2 をアップリンク用のｆ1 に変換した電波）を第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１に向けて送信する。
（８）第１アンテナ組立体１００は、この電波エネルギーをコンクリート壁１０の背面（室内空間ＢＡＳ側の面）に照射する。照射面積はダウンリンクで受信に使った面積と同じ面積である。コンクリート壁１０の背面に、ダウンリンクとは逆に拡大されて入射させられるから、密度は小さくなる。
（９）この弱い入射波が壁によってさらに弱くなるから、これを補うために、アップリンクには、増幅器６を挿入する。
（１０）増幅器６の利得は次の要領で設定される。
コンクリート壁１０の前方空間（ＦＡＳ）７（＝壁の表面）に放射された電力を中継装置３００に許容される最大出力電力を超えない値に設定する必要がある。
すなわち増幅器６の利得は、
（ｉ）中継装置３００のアンテナ（第３ダイポールアンテナ３）から第２ダイポールアンテナ２への電力伝送率損失、
（ii) 第１ダイポールアンテナ１への入力が壁背面につくる電界強度との関係を与える第１ダイポールアンテナ１の逆利得、
(iii) コンクリート壁１０による電界強度の減衰量
の和（（ｉ）＋（ii) ＋(iii) ）、つまり全減衰量を打ち消す値に正確に決める。
〔その他の重要な原理（近接領域内動作 アンテナファクタ）の概念を導入など〕
（１１）第３ダイポールアンテナ３と第２ダイポールアンテナ２は互いの近傍領域内で動作している。
この近傍領域内でのアンテナ動作に一般的に適用される解析（放射電磁界を適用できない）は知られていないから、本発明では、３次元電磁界シミュレーション技術を用いて正確に解析した。なお近接場結合については後出（１５）参照。
数値解析結果の理解を助けるために、さらに事後解析(post processing）する。
（１２）事後解析過程にアンテナファクタＡＦ(Antenna Factor)の概念を導入する。
アンテナファクタは、近傍領域で動作しているアンテナの性能を定量的に表示するのに適している。アンテナファクタは、アンテナが置かれている開放領域空間内の電界強度とアンテナの入力同軸線路あるいは出力同軸線路上の電圧とを結びつける係数であり、次の式で定義される。
ＡＦ＝Ｅ／Ｖi （単位は１／ｍ。）
Ｅ＝電界（ Electric field in Volts per meter）
Ｖi ＝アンテナに誘起された電圧（Voltage at the antenna terminal in Volts）
（１３）壁前方空間７（空気）、壁１０、λ／４インピーダンス整合層１１、第１ダイポールアンテナ１、同軸線路、第２ダイポールアンテナ２、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３を結ぶ電波伝搬路に沿った電界強度を、３次元電磁界シミュレーションによって算出し、３次元電磁界シミュレーション結果から、アンテナファクタの概念を使って、アンテナシステム全体の動作性能を導く。
（１４）アップリンク動作では、増幅器６によって増幅された電波が第１アンテナ組立体１００に送り込まれ、ホーン型反射器、コンクリート壁１０を通って壁前方空間７に放射される。その際、第１アンテナ組立体１００の側壁あるいはホーンとコンクリート壁１０の接続部から電波が室内空間に漏洩すると、増幅器入力の元となる電波と干渉し、システム全体の動作が不安定となる。これを避けるために、通常は周波数を変えて出力する。本発明では、上下左右に金属板を使ったホーン型反射器を使い、かつ、ホーン型反射器とコンクリート壁を密着させ、接合部を電波吸収材で覆う、あるいは、１／４波長チョークフランジを使用するなどの方法によって、室内に漏洩する電波を抑え、周波数変換の必要性を回避する。
（１５）近接場結合について
近接場（Near field region および Antenna region ）内では、静電効果、静磁効果が強い。
静電効果：アンテナ（ダイポール）上に存在する電荷が周囲空間に電界を誘起する効果。静磁効果：アンテナ（ダイポール）上に存在する電流が周囲空間に磁界を誘起する効果。電荷、電流が時間的に変化すると静電効果及び静磁効果が時間的に変化する。
静電効果及び静磁効果が時間的に変化することによって、放射電磁界が形成される。
遠方では放射電磁界成分が主成分となる。解析が容易となる。
静電効果、静磁効果が放射電磁界に変換されてゆく領域が、Antenna regionであり、Near field region である。解析的数式で表現することが難しいので、３次元数値シミュレーションが必要となる。
（１１）第３ダイポールアンテナ３と第２ダイポールアンテナ２は互いの近傍領域内で動作している。
この近傍領域内でのアンテナ動作に一般的に適用される解析（放射電磁界を適用できない）は知られていないから、本発明では、３次元電磁界シミュレーション技術を用いて正確に解析した。なお近接場結合については後出（１５）参照。
数値解析結果の理解を助けるために、さらに事後解析(post processing）する。
（１２）事後解析過程にアンテナファクタＡＦ(Antenna Factor)の概念を導入する。
アンテナファクタは、近傍領域で動作しているアンテナの性能を定量的に表示するのに適している。アンテナファクタは、アンテナが置かれている開放領域空間内の電界強度とアンテナの入力同軸線路あるいは出力同軸線路上の電圧とを結びつける係数であり、次の式で定義される。
ＡＦ＝Ｅ／Ｖi （単位は１／ｍ。）
Ｅ＝電界（ Electric field in Volts per meter）
Ｖi ＝アンテナに誘起された電圧（Voltage at the antenna terminal in Volts）
（１３）壁前方空間７（空気）、壁１０、λ／４インピーダンス整合層１１、第１ダイポールアンテナ１、同軸線路、第２ダイポールアンテナ２、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３を結ぶ電波伝搬路に沿った電界強度を、３次元電磁界シミュレーションによって算出し、３次元電磁界シミュレーション結果から、アンテナファクタの概念を使って、アンテナシステム全体の動作性能を導く。
（１４）アップリンク動作では、増幅器６によって増幅された電波が第１アンテナ組立体１００に送り込まれ、ホーン型反射器、コンクリート壁１０を通って壁前方空間７に放射される。その際、第１アンテナ組立体１００の側壁あるいはホーンとコンクリート壁１０の接続部から電波が室内空間に漏洩すると、増幅器入力の元となる電波と干渉し、システム全体の動作が不安定となる。これを避けるために、通常は周波数を変えて出力する。本発明では、上下左右に金属板を使ったホーン型反射器を使い、かつ、ホーン型反射器とコンクリート壁を密着させ、接合部を電波吸収材で覆う、あるいは、１／４波長チョークフランジを使用するなどの方法によって、室内に漏洩する電波を抑え、周波数変換の必要性を回避する。
（１５）近接場結合について
近接場（Near field region および Antenna region ）内では、静電効果、静磁効果が強い。
静電効果：アンテナ（ダイポール）上に存在する電荷が周囲空間に電界を誘起する効果。静磁効果：アンテナ（ダイポール）上に存在する電流が周囲空間に磁界を誘起する効果。電荷、電流が時間的に変化すると静電効果及び静磁効果が時間的に変化する。
静電効果及び静磁効果が時間的に変化することによって、放射電磁界が形成される。
遠方では放射電磁界成分が主成分となる。解析が容易となる。
静電効果、静磁効果が放射電磁界に変換されてゆく領域が、Antenna regionであり、Near field region である。解析的数式で表現することが難しいので、３次元数値シミュレーションが必要となる。
以上説明した本発明によるシステムは、壁で分けられるＦＡＳ−ＢＡＳにおける双方向無線接続システムであり、システムの構成は壁の電波に対する特性に対応して変える必要がある。そこで先ず典型的なコンクリート壁について振る舞いを明らかにし、さらに本願システムの適用の対象となる整合壁について説明し、これに対する実施形態について説明する。
〔コンクリート壁による電波伝搬損失〕
壁前方空間（ＦＡＳ）と壁後方空間（ＢＡＳ）とを隔てるコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）に２．４ＧＨｚの平面波が入射する場合を考える。
伝搬軸（壁に垂直な直線）に沿っての電界強度分布のシミュレーション結果を図１に示す。
このシミュレーションには有限積分法(Finite Integration Method, Microwave Studio Ver.5.1, CST 社) を使った。コンクリートの誘電特性は、εr ＝９．８１，tan δ＝０．０９１とした。
これらの値は、後述する実験で使用した試料コンクリートの測定値である。
図１は、入射波（入射平面波強度Ｅincidentは１Ｖ／ｍ、周波数２．４ＧＨｚ）が、左から厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０に入射した時の伝搬軸上の電界強度プロフィルを示している。壁透過波電界強度Ｅtransmitted は０．３６Ｖ／ｍとなっていることが分かる。
壁伝送係数（ＷＦ) を（１）式のように定義する。
ＷＦ＝（Ｅtransmitted ／Ｅincident）＝０．３６ （１）
壁による電波伝搬損失Ｌw は
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10ＷＦ＝２０ｌｏｇ10０．３６＝−８．８７ｄＢ （２）
壁前方空間（ＦＡＳ）と壁後方空間（ＢＡＳ）とを隔てるコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）に２．４ＧＨｚの平面波が入射する場合を考える。
伝搬軸（壁に垂直な直線）に沿っての電界強度分布のシミュレーション結果を図１に示す。
このシミュレーションには有限積分法(Finite Integration Method, Microwave Studio Ver.5.1, CST 社) を使った。コンクリートの誘電特性は、εr ＝９．８１，tan δ＝０．０９１とした。
これらの値は、後述する実験で使用した試料コンクリートの測定値である。
図１は、入射波（入射平面波強度Ｅincidentは１Ｖ／ｍ、周波数２．４ＧＨｚ）が、左から厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０に入射した時の伝搬軸上の電界強度プロフィルを示している。壁透過波電界強度Ｅtransmitted は０．３６Ｖ／ｍとなっていることが分かる。
壁伝送係数（ＷＦ) を（１）式のように定義する。
ＷＦ＝（Ｅtransmitted ／Ｅincident）＝０．３６ （１）
壁による電波伝搬損失Ｌw は
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10ＷＦ＝２０ｌｏｇ10０．３６＝−８．８７ｄＢ （２）
〔整合壁による電波伝搬損失〕
次に、λ／４のインピーダンス整合用誘電体層を前述のコンクリート壁の背後（ＢＡＳ側）に装着した整合壁を用いた場合の伝搬軸上の電界強度分布のシミュレーション結果を図２に示す。
透過電界強度は０．４１Ｖ／ｍに改善される。λ／４誘電体層１１によってコンクリート壁１０の背面からの反射が抑えられ、壁内部の多重反射が抑圧された。その結果、壁による伝搬損失が
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10０．４１＝−７．７４ｄＢ （３）
となり、１．１３ｄＢ改善された。
図２に示すように、コンクリート壁１０の前面（ＦＡＳ７）と空気の境界面における反射係数は０．５１である。この反射係数からコンクリートの誘電率εr を近似計算すると
（４）
このεr 値は元の値９．８１に近い。
図２に示すように、１Ｖ／ｍの平面波が左から厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０に入射させられる。コンクリート壁１０背面（ＢＡＳ８側）に厚さ１．８ｃｍの誘電体（ＰＥＴ）層１１が装着されている。この条件下での伝搬軸上の電界強度プロフィルであり、透過波電界強度は０．４１Ｖ／ｍとなる。入射波の周波数２．４ＧＨｚ、コンクリート誘電特性εr ＝９．８１，tan δ＝０．０９１は前述の典型壁と同じであり、厚さ１．８ｃｍの誘電体（ＰＥＴ）層１１の比誘電率εrm＝３．１４である。
次に、λ／４のインピーダンス整合用誘電体層を前述のコンクリート壁の背後（ＢＡＳ側）に装着した整合壁を用いた場合の伝搬軸上の電界強度分布のシミュレーション結果を図２に示す。
透過電界強度は０．４１Ｖ／ｍに改善される。λ／４誘電体層１１によってコンクリート壁１０の背面からの反射が抑えられ、壁内部の多重反射が抑圧された。その結果、壁による伝搬損失が
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10０．４１＝−７．７４ｄＢ （３）
となり、１．１３ｄＢ改善された。
図２に示すように、コンクリート壁１０の前面（ＦＡＳ７）と空気の境界面における反射係数は０．５１である。この反射係数からコンクリートの誘電率εr を近似計算すると
このεr 値は元の値９．８１に近い。
図２に示すように、１Ｖ／ｍの平面波が左から厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０に入射させられる。コンクリート壁１０背面（ＢＡＳ８側）に厚さ１．８ｃｍの誘電体（ＰＥＴ）層１１が装着されている。この条件下での伝搬軸上の電界強度プロフィルであり、透過波電界強度は０．４１Ｖ／ｍとなる。入射波の周波数２．４ＧＨｚ、コンクリート誘電特性εr ＝９．８１，tan δ＝０．０９１は前述の典型壁と同じであり、厚さ１．８ｃｍの誘電体（ＰＥＴ）層１１の比誘電率εrm＝３．１４である。
さらに、壁背面に加えて前面上にも誘電体層を装着すると、伝搬損失は
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10０．４８＝−６．３８ｄＢ （５）
に低減する。しかし、実際には壁外側（前面）の工作は難しいので、本発明による双方向無線接続システムでは壁内側（背面）の工作だけで実現できる方法について述べる。−６．３８ｄＢがコンクリートの吸収による伝搬損失、残りの（−８．８７＋６．３８）＝−２．４９ｄＢは境界面における反射の寄与分である。
Ｌw ＝２０ｌｏｇ10０．４８＝−６．３８ｄＢ （５）
に低減する。しかし、実際には壁外側（前面）の工作は難しいので、本発明による双方向無線接続システムでは壁内側（背面）の工作だけで実現できる方法について述べる。−６．３８ｄＢがコンクリートの吸収による伝搬損失、残りの（−８．８７＋６．３８）＝−２．４９ｄＢは境界面における反射の寄与分である。
〔第１アンテナ組立体、第２アンテナ組立体〕
図４は第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００の実施例を示す斜視図である。
第１アンテナ組立体１００は、図４（ａ）に示すように、大開口面ホーン型反射器と第１ダイポールアンテナ１および入出力同軸線路で構成されている。
大開口面ホーン型反射器は、ホーン１０１と上下金属板１０２，１０３よりなる。
大開口面ホーン型反射器の、コンクリート壁１０背面上に直接または誘電体層１１を介して密着させられる開口１０４は、２５ｃｍ×３６ｃｍであり、上下に配置されている金属板１０２，１０３は、それぞれ２５．５ｃｍ×３６ｃｍである。
第１，第２および第３ダイポールアンテナの基本的構成は共通している。
第１ダイポールアンテナ１の１ａとギャップと１ｂ（図示を省略。図７の３ａとギャップと３ｂに対応）からなる全長は４．１７ｃｍで、ホーンの底（反射器頂角）から４．５３ｃｍの位置に配置されている。第１ダイポールアンテナ１の一方１ａ（図７の３ａに対応）は５０Ω同軸線の中心導体１ｄ（図示を省略。図７の３ｄに対応）に他方１ｂ（図７の３ｂに対応）は外導体１ｃ（図示を省略。図７の３ｃに対応）に接続されている。
第２アンテナ組立体２００は、図４（ｂ）に示すように、平板反射器２０１（１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍ）と第２ダイポールアンテナ２および第１ダイポールアンテナ１に接続される同軸線路で構成されている。第２ダイポールアンテナ２の全長（２ａとギャップと２ｂ）は４．６７ｃｍで平板反射器２０１から２．３２ｃｍの位置に配置されている。
アップリンク動作では、サーキュレータ５を介して接続され、増幅器６により増幅された電波は、同軸線路入力端面から第１アンテナ組立体１００に入り、同軸線路、第１ダイポールアンテナ１、ホーン型反射器内部、ホーン型反射器の開口面、コンクリート壁１０を通り、壁前方空間７に放射される。その際、第１アンテナ組立体１００の側面およびコンクリート壁１０との接合部から壁後方空間８に電波を漏出させないようにする必要がある。そのため、ホーン先端部（開口面）とコンクリート壁１０の接合部を電波吸収材（図示せず）で覆う、あるいは、１／４波長チョーク付フランジを取り付けるなどの方法により、接合部からの漏洩電波を抑える。
図４は第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００の実施例を示す斜視図である。
第１アンテナ組立体１００は、図４（ａ）に示すように、大開口面ホーン型反射器と第１ダイポールアンテナ１および入出力同軸線路で構成されている。
大開口面ホーン型反射器は、ホーン１０１と上下金属板１０２，１０３よりなる。
大開口面ホーン型反射器の、コンクリート壁１０背面上に直接または誘電体層１１を介して密着させられる開口１０４は、２５ｃｍ×３６ｃｍであり、上下に配置されている金属板１０２，１０３は、それぞれ２５．５ｃｍ×３６ｃｍである。
第１，第２および第３ダイポールアンテナの基本的構成は共通している。
第１ダイポールアンテナ１の１ａとギャップと１ｂ（図示を省略。図７の３ａとギャップと３ｂに対応）からなる全長は４．１７ｃｍで、ホーンの底（反射器頂角）から４．５３ｃｍの位置に配置されている。第１ダイポールアンテナ１の一方１ａ（図７の３ａに対応）は５０Ω同軸線の中心導体１ｄ（図示を省略。図７の３ｄに対応）に他方１ｂ（図７の３ｂに対応）は外導体１ｃ（図示を省略。図７の３ｃに対応）に接続されている。
第２アンテナ組立体２００は、図４（ｂ）に示すように、平板反射器２０１（１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍ）と第２ダイポールアンテナ２および第１ダイポールアンテナ１に接続される同軸線路で構成されている。第２ダイポールアンテナ２の全長（２ａとギャップと２ｂ）は４．６７ｃｍで平板反射器２０１から２．３２ｃｍの位置に配置されている。
アップリンク動作では、サーキュレータ５を介して接続され、増幅器６により増幅された電波は、同軸線路入力端面から第１アンテナ組立体１００に入り、同軸線路、第１ダイポールアンテナ１、ホーン型反射器内部、ホーン型反射器の開口面、コンクリート壁１０を通り、壁前方空間７に放射される。その際、第１アンテナ組立体１００の側面およびコンクリート壁１０との接合部から壁後方空間８に電波を漏出させないようにする必要がある。そのため、ホーン先端部（開口面）とコンクリート壁１０の接合部を電波吸収材（図示せず）で覆う、あるいは、１／４波長チョーク付フランジを取り付けるなどの方法により、接合部からの漏洩電波を抑える。
〔第１アンテナ組立体、第２アンテナ組立体，第２アンテナと第３アンテナ〕
図５はコンクリート壁背面に第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００を配置した状態を示す斜視図である。
第１アンテナ組立体１００は、前述したように、大開口面ホーン型反射器とダイポールアンテナを含み、第２アンテナ組立体２００は、平板反射器とダイポールアンテナを含んでいる。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２と、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３間の距離は３ｃｍである。
このコンクリート壁背面アンテナ組立のダウンリンクにおける役割は、コンクリート壁１０を透過減衰した電波を広い面積で第１ダイポールアンテナ１に集めて第２ダイポールアンテナ２に送り、第２ダイポールアンテナ２のダイポール近傍に電界強度の高い領域を作り、そこに配置された中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３に結合することである。
図５はコンクリート壁背面に第１アンテナ組立体１００と第２アンテナ組立体２００を配置した状態を示す斜視図である。
第１アンテナ組立体１００は、前述したように、大開口面ホーン型反射器とダイポールアンテナを含み、第２アンテナ組立体２００は、平板反射器とダイポールアンテナを含んでいる。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２と、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３間の距離は３ｃｍである。
このコンクリート壁背面アンテナ組立のダウンリンクにおける役割は、コンクリート壁１０を透過減衰した電波を広い面積で第１ダイポールアンテナ１に集めて第２ダイポールアンテナ２に送り、第２ダイポールアンテナ２のダイポール近傍に電界強度の高い領域を作り、そこに配置された中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３に結合することである。
〔ダウンリンクシミュレーション〕
図５のモデルで、左から２．４ＧＨｚ平面波（１Ｖ／ｍ）を照射した場合の電波伝搬を３Ｄシミュレーションにより解析した。電界強度モニタ線上の電界強度プロフィルを図６に示す。図６は下部の縦軸尺度を拡大表示し、同軸線路上では電圧に換算した値を併せて表示している。
図６から、コンクリート壁前面に入射する平面波電界強度はＥincident＝１．０Ｖ／ｍ，壁透過後の電波の強度はＥtransmitted ＝０．３６Ｖ／ｍ，第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２に向かって同軸線路上を進行する波の電圧はＶcoax12＝０．０２５７Ｖ，中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３が配置されている位置（第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍ）の放射電界強度はＥ（３ｃｍ）＝０．９６１Ｖ／ｍ，中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３に接続された同軸線路電圧はＶcoaxRep ＝０．０１４７Ｖであることが理解できる。
図６から、
（６）
と書ける。ｋ＝９．９２０×１０-4は同軸線路内モニタ線上の電界強度を電圧に変換する係数である。
ここで、
ＡＦD 1 はダウンリンクでの第１ダイポールアンテナ１のアンテナファクタ
ＡＦD 2 はダウンリンクでの第２ダイポールアンテナ２のアンテナファクタ
である。
同軸線路内の電界強度Ｅρはモニタ線の中心軸からの距離に依存し一意的には決まらないので、同軸線路上の電圧Ｖcoaxに換算した値を併せて示した。換算過程を図７に示す。
図５のモデルで、左から２．４ＧＨｚ平面波（１Ｖ／ｍ）を照射した場合の電波伝搬を３Ｄシミュレーションにより解析した。電界強度モニタ線上の電界強度プロフィルを図６に示す。図６は下部の縦軸尺度を拡大表示し、同軸線路上では電圧に換算した値を併せて表示している。
図６から、コンクリート壁前面に入射する平面波電界強度はＥincident＝１．０Ｖ／ｍ，壁透過後の電波の強度はＥtransmitted ＝０．３６Ｖ／ｍ，第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２に向かって同軸線路上を進行する波の電圧はＶcoax12＝０．０２５７Ｖ，中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３が配置されている位置（第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍ）の放射電界強度はＥ（３ｃｍ）＝０．９６１Ｖ／ｍ，中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３に接続された同軸線路電圧はＶcoaxRep ＝０．０１４７Ｖであることが理解できる。
図６から、
と書ける。ｋ＝９．９２０×１０-4は同軸線路内モニタ線上の電界強度を電圧に変換する係数である。
ここで、
ＡＦD 1 はダウンリンクでの第１ダイポールアンテナ１のアンテナファクタ
ＡＦD 2 はダウンリンクでの第２ダイポールアンテナ２のアンテナファクタ
である。
同軸線路内の電界強度Ｅρはモニタ線の中心軸からの距離に依存し一意的には決まらないので、同軸線路上の電圧Ｖcoaxに換算した値を併せて示した。換算過程を図７に示す。
図７に、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３の構造及び同軸線路内の電界モニタ線の位置を示す。
第３ダイポールアンテナ３の３ａおよび３ｂはそれぞれ２．４ｃｍである。
同軸線路内の電界モニタ線の位置は、同軸線中心軸から０．０８３ｃｍとする。電界モニタ線上電界と同軸線路電圧の換算式を図上部に記載して示してある。
（６）式で
（７）
である。ダウンリンクに要求される設計条件は、
ＷＦ＝０．３６ （８）
の条件の下で、
Ｅ（３ｃｍ）／Ｅincident≒１ （９）
を実現することである。
図５の設計例では、壁によって減衰した電波を開口面の大きいホーン型反射器を持つ第１アンテナ組立体１００によって広い面積から収集して高い出力電圧Ｖcoax12をつくる。これを第２アンテナ組立体２００に給電、再放射してその近傍に（９）式を満たす領域をつくる。
この領域に中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３を配置する。第２アンテナ組立体２００は前述したように平板反射器２０１と第２ダイポールアンテナ２を備えている。中継装置３００の第３ダイポールアンテナは５．２ＧＨｚ帯の送受信アンテナをも兼ねるので、平板反射器を採用した。さて、（６）−（８）式から、
ＷＦ×ＡＦD 2 ≒ＡＦD 1 （１０）
ならば、（９）式が満たされる。
第３ダイポールアンテナ３の３ａおよび３ｂはそれぞれ２．４ｃｍである。
同軸線路内の電界モニタ線の位置は、同軸線中心軸から０．０８３ｃｍとする。電界モニタ線上電界と同軸線路電圧の換算式を図上部に記載して示してある。
（６）式で
である。ダウンリンクに要求される設計条件は、
ＷＦ＝０．３６ （８）
の条件の下で、
Ｅ（３ｃｍ）／Ｅincident≒１ （９）
を実現することである。
図５の設計例では、壁によって減衰した電波を開口面の大きいホーン型反射器を持つ第１アンテナ組立体１００によって広い面積から収集して高い出力電圧Ｖcoax12をつくる。これを第２アンテナ組立体２００に給電、再放射してその近傍に（９）式を満たす領域をつくる。
この領域に中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３を配置する。第２アンテナ組立体２００は前述したように平板反射器２０１と第２ダイポールアンテナ２を備えている。中継装置３００の第３ダイポールアンテナは５．２ＧＨｚ帯の送受信アンテナをも兼ねるので、平板反射器を採用した。さて、（６）−（８）式から、
ＷＦ×ＡＦD 2 ≒ＡＦD 1 （１０）
ならば、（９）式が満たされる。
第２ダイポールアンテナと第３ダイポールアンテナの近接結合についてさらに説明する。前述したように図６は、図５のシミュレーションモデルを使い、ダウンリンク動作を解析した結果を示している。まず、壁後方空間の電界の状況を説明する。
図６は、壁前方から平面波を照射し、壁後方の室内空間へ電波が伝搬する状態を、電界モニタ線に沿った電界強度分布として示している。図６中の横軸はモニタ線上の距離ｃｍ（起点はモデルの左端）、縦軸は電界強度Ｖ／ｍである。縦軸のスケールが途中で変更されていることに注意する。
図６で、領域７は壁前方空間、領域１０はコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）、領域８は壁後方空間を指す。第１ダイポールアンテナ１、第２ダイポールアンテナ２、第３ダイポールアンテナ３の位置をそれぞれ１，２，３で示した。壁後面と第１ダイポールアンテナ１の間はホーン型反射器で囲われた領域、第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２の間は５０Ωの同軸線路内部の空間、第２ダイポールアンテナ２は後方室内空間（ＢＡＳ８）へ電波を再放射し、その近傍３の位置に第３ダイポールアンテナ３が配置されている。第３ダイポールアンテナ３には、受信信号出力線路として、短い５０Ωの同軸線路が接続されている。
領域７の波形は、入射平面波（１Ｖ／ｍ）と壁前面で反射された反射波がつくる定在波である。
領域１０の波形は、壁内部を左から右へ減衰しながら伝搬する波と壁後面で反射され右から左へ減衰しながら伝搬する波の干渉によって生じた定在波である。
１と２の間の波形は、第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝送される波の上に僅かなインピーダンス不整合によって生じた定在波が重畳した波形である。２と３の間の波形は、ＢＡＳ８へ放射された電波の電界強度を示している。
３後方の短い水平線は、第３ダイポールアンテナ３の５０Ω受信信号出力同軸線路内の電界強度分布を示す波形である。同軸線路は５０Ωで整合終端されているので、定在波成分はゼロである。
同軸線路は内導体半径０．０４５７ｃｍ、外導体内径０．１５１ｃｍ、外導体外径０．１８ｃｍ、誘電体内径０．０４５７ｃｍ、誘電体外径０．１５１ｃｍである。電界モニタ線は同軸線路の中心から半径０．０８３ｃｍの位置にある。
領域７の波形の平均値から、入射波電界強度は１Ｖ／ｍであり、領域１０の波形の平均値及び図１の結果から、壁透過後の電界強度は０．３６Ｖ／ｍ、１と２の間の波形の平均値から、同軸線路を通って第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝搬する波の電界強度は２５．９３Ｖ／ｍ（同軸線路電圧に換算して０．０２５７Ｖ）となった。
第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度を算出するために、第３ダイポールアンテナ３を電界強度測定用標準アンテナとして使う。第３ダイポールアンテナ３の出力同軸線路内の電界強度は、図６から１４．７７Ｖ／ｍで、同軸線路電圧に換算して０．０１４７Ｖである。
図８は、標準ダイポールアンテナとして使用された第３ダイポールアンテナ近傍の電界強度分布を拡大して示している。
図８に示すように、この標準ダイポールアンテナを電界強度１Ｖ／ｍの平面波が伝搬している空間に配置した時、５０Ω出力同軸線路に誘起される電圧は０．０１５３Ｖとなる。この標準ダイポールアンテナのアンテナファクタ（ＡＦ）は
ＡＦstandard＝Ｅincident／Ｖcoax＝１／０．０１５３＝６５．３６ （１１）
となる。
上記２つの関係を併せると、第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度は
Ｅ（３ｃｍ）＝６５．３６×０．０１４７＝０．９６１Ｖ／ｍ （１２）
と算出される。
図６は、壁前方から平面波を照射し、壁後方の室内空間へ電波が伝搬する状態を、電界モニタ線に沿った電界強度分布として示している。図６中の横軸はモニタ線上の距離ｃｍ（起点はモデルの左端）、縦軸は電界強度Ｖ／ｍである。縦軸のスケールが途中で変更されていることに注意する。
図６で、領域７は壁前方空間、領域１０はコンクリート壁（厚さ１０ｃｍ）、領域８は壁後方空間を指す。第１ダイポールアンテナ１、第２ダイポールアンテナ２、第３ダイポールアンテナ３の位置をそれぞれ１，２，３で示した。壁後面と第１ダイポールアンテナ１の間はホーン型反射器で囲われた領域、第１ダイポールアンテナ１と第２ダイポールアンテナ２の間は５０Ωの同軸線路内部の空間、第２ダイポールアンテナ２は後方室内空間（ＢＡＳ８）へ電波を再放射し、その近傍３の位置に第３ダイポールアンテナ３が配置されている。第３ダイポールアンテナ３には、受信信号出力線路として、短い５０Ωの同軸線路が接続されている。
領域７の波形は、入射平面波（１Ｖ／ｍ）と壁前面で反射された反射波がつくる定在波である。
領域１０の波形は、壁内部を左から右へ減衰しながら伝搬する波と壁後面で反射され右から左へ減衰しながら伝搬する波の干渉によって生じた定在波である。
１と２の間の波形は、第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝送される波の上に僅かなインピーダンス不整合によって生じた定在波が重畳した波形である。２と３の間の波形は、ＢＡＳ８へ放射された電波の電界強度を示している。
３後方の短い水平線は、第３ダイポールアンテナ３の５０Ω受信信号出力同軸線路内の電界強度分布を示す波形である。同軸線路は５０Ωで整合終端されているので、定在波成分はゼロである。
同軸線路は内導体半径０．０４５７ｃｍ、外導体内径０．１５１ｃｍ、外導体外径０．１８ｃｍ、誘電体内径０．０４５７ｃｍ、誘電体外径０．１５１ｃｍである。電界モニタ線は同軸線路の中心から半径０．０８３ｃｍの位置にある。
領域７の波形の平均値から、入射波電界強度は１Ｖ／ｍであり、領域１０の波形の平均値及び図１の結果から、壁透過後の電界強度は０．３６Ｖ／ｍ、１と２の間の波形の平均値から、同軸線路を通って第１ダイポールアンテナ１から第２ダイポールアンテナ２へ伝搬する波の電界強度は２５．９３Ｖ／ｍ（同軸線路電圧に換算して０．０２５７Ｖ）となった。
第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度を算出するために、第３ダイポールアンテナ３を電界強度測定用標準アンテナとして使う。第３ダイポールアンテナ３の出力同軸線路内の電界強度は、図６から１４．７７Ｖ／ｍで、同軸線路電圧に換算して０．０１４７Ｖである。
図８は、標準ダイポールアンテナとして使用された第３ダイポールアンテナ近傍の電界強度分布を拡大して示している。
図８に示すように、この標準ダイポールアンテナを電界強度１Ｖ／ｍの平面波が伝搬している空間に配置した時、５０Ω出力同軸線路に誘起される電圧は０．０１５３Ｖとなる。この標準ダイポールアンテナのアンテナファクタ（ＡＦ）は
ＡＦstandard＝Ｅincident／Ｖcoax＝１／０．０１５３＝６５．３６ （１１）
となる。
上記２つの関係を併せると、第２ダイポールアンテナ２から３ｃｍの位置における放射電界強度は
Ｅ（３ｃｍ）＝６５．３６×０．０１４７＝０．９６１Ｖ／ｍ （１２）
と算出される。
〔アップリンクシミュレーション全体〕
アップリンクシミュレーションは、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬と、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から屋外の空間（ＦＡＳ７）への電波伝搬の２段階に分けて行う。
アップリンクシミュレーションは、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬と、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から屋外の空間（ＦＡＳ７）への電波伝搬の２段階に分けて行う。
〔中継装置から第２ダイポールアンテナへのアップリンクシミュレーション〕
図９に中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬シミュレーションに使うモデルを示す。
中継装置３００の同軸線路入力ポートに２．４ＧＨｚ，１Ｗを印加し、第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬をシミュレートする。
図１０に電界モニタ線上の電界強度プロフィルを示す。
図１０に示すようにＶcoaxRep ＝６．７９１Ｖ、Ｖcoax2 ＝３．６８９Ｖ となる。
図１０から、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３への入力は
Ｐin（第３ダイポールアンテナ３）＝（６．７９１2 ／５０）＝０．９２２Ｗ （１３）
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２の出力は
Ｐout （第２ダイポールアンテナ２）＝（３．６９８2 ／５０）＝０．２７４Ｗ（１４）
中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から３ｃｍ離れた第２ダイポールアンテナ２へ伝送される電力の比率ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）は
ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）＝（０．２７４／０．９２２）＝０．２９７ （１５）
である。
ここではこれを見かけ上の電波伝搬損失ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）として取り扱う。電波伝搬損失は
ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）＝ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）＝０．２９７
or （１６）
ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．２９７＝−５．２８ｄＢ
となる。
ちなみに、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３と第２ダイポールアンテナ２の距離を１２ｃｍとした場合の電波伝搬損失は
ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）＝０．０４６５
or （１７）
ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．０４６５＝−１３．３３ｄＢ
となる。後述する実験では距離を１２ｃｍに設定した。
図９に中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬シミュレーションに使うモデルを示す。
中継装置３００の同軸線路入力ポートに２．４ＧＨｚ，１Ｗを印加し、第２ダイポールアンテナ２への電波伝搬をシミュレートする。
図１０に電界モニタ線上の電界強度プロフィルを示す。
図１０に示すようにＶcoaxRep ＝６．７９１Ｖ、Ｖcoax2 ＝３．６８９Ｖ となる。
図１０から、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３への入力は
Ｐin（第３ダイポールアンテナ３）＝（６．７９１2 ／５０）＝０．９２２Ｗ （１３）
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２の出力は
Ｐout （第２ダイポールアンテナ２）＝（３．６９８2 ／５０）＝０．２７４Ｗ（１４）
中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３から３ｃｍ離れた第２ダイポールアンテナ２へ伝送される電力の比率ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）は
ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）＝（０．２７４／０．９２２）＝０．２９７ （１５）
である。
ここではこれを見かけ上の電波伝搬損失ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）として取り扱う。電波伝搬損失は
ＴRepToAnt2 （３ｃｍ）＝ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）＝０．２９７
or （１６）
ＬRepToAnt2 （３ｃｍ）（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．２９７＝−５．２８ｄＢ
となる。
ちなみに、中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３と第２ダイポールアンテナ２の距離を１２ｃｍとした場合の電波伝搬損失は
ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）＝０．０４６５
or （１７）
ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）（ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．０４６５＝−１３．３３ｄＢ
となる。後述する実験では距離を１２ｃｍに設定した。
〔第１ダイポールアンテナから壁前方空間へのアップリンクシュミュレーション〕
図１１は、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７への電波伝搬シミュレーションに用いたモデルの斜視図であり、厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０を通しての第１ダイポールアンテナ１の放射特性シミュレーションモデルである。
第１ダイポールアンテナ１に接続した５０Ω同軸線路の入力ポートに２．４ＧＨｚ, １Ｗを印加し電波を励振した。
図１２は３直交面内の電界垂直成分分布スナップショットであり、図１３は図１２の電界モニタ線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３上の電界強度プロフィルを示すグラフである。
図１１は、第１アンテナ組立体１００の第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７への電波伝搬シミュレーションに用いたモデルの斜視図であり、厚さ１０ｃｍのコンクリート壁１０を通しての第１ダイポールアンテナ１の放射特性シミュレーションモデルである。
第１ダイポールアンテナ１に接続した５０Ω同軸線路の入力ポートに２．４ＧＨｚ, １Ｗを印加し電波を励振した。
図１２は３直交面内の電界垂直成分分布スナップショットであり、図１３は図１２の電界モニタ線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３上の電界強度プロフィルを示すグラフである。
図１４に入力ポートから第１ダイポールアンテナ１を見込んだＳ１１周波数軌跡を示す。図１４の整合状態のもとで、入力同軸線路上の電圧Ｖcoax1 は６．０１５Ｖ, 第１ダイポールアンテナ１の入力電力は
Ｐin（第１ダイポールアンテナ１）
＝（６．０１５2 ／４３．４１）＝０．８３３Ｗ （１８）
この数値計算での基準インピーダンスは４３．４１Ωであった。
遠方指向性パターン（リニアスケール）を図１５に示す。
図１５で、放射効率は第１ダイポールアンテナ１の入力ポートに印加された電力に対する放射電力の比率である。従って、放射効率＝０．１６６６は第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの伝搬損失（Ｌant1 To Air ）を与える。
Ｌant1ToAir ＝０．１６６６
or （１９）
Ｌant1ToAir （ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．１６６６＝−７．７８ｄＢ
となる。
放射効率＝０．１６６６はコンクリート壁の透過係数０．４０７に相当し、０．３６よりやや高い。壁背面と第１アンテナ組立体１００の間に挿入したλ／４誘電体層１１による反射抑制効果であると考えられる（図２参照）。
Ｐin（第１ダイポールアンテナ１）
＝（６．０１５2 ／４３．４１）＝０．８３３Ｗ （１８）
この数値計算での基準インピーダンスは４３．４１Ωであった。
遠方指向性パターン（リニアスケール）を図１５に示す。
図１５で、放射効率は第１ダイポールアンテナ１の入力ポートに印加された電力に対する放射電力の比率である。従って、放射効率＝０．１６６６は第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの伝搬損失（Ｌant1 To Air ）を与える。
Ｌant1ToAir ＝０．１６６６
or （１９）
Ｌant1ToAir （ｄＢ）＝１０ｌｏｇ10０．１６６６＝−７．７８ｄＢ
となる。
放射効率＝０．１６６６はコンクリート壁の透過係数０．４０７に相当し、０．３６よりやや高い。壁背面と第１アンテナ組立体１００の間に挿入したλ／４誘電体層１１による反射抑制効果であると考えられる（図２参照）。
〔アップリンクの設計条件の詳細〕
中継装置３００から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの電波伝搬損失（ＬU total ）は中継装置３００から第２ダイポールアンテナ２への伝搬損失（（１６）式参照）と第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの伝搬損失（（１９）式参照）の和で与えられる。つまり、
ＬU total （ｄＢ）＝ＬRepToAnt2 （ｄＢ）＋Ｌant1ToAir （ｄＢ）
＝−５．２８−７．７８＝−１３．０６ｄＢ （２０）
となる。アップリンク経路に利得Ｇamp （ｄＢ）の増幅器を挿入して、
ＬU total ＋Ｇamp ＝０ （２１）
を満たすように利得を設定する。これをアップリンク設計条件とする。
この設計条件の下では、壁の外部空間に放射される電界強度が、室内で中継装置が放射する電界の強度を超えることはない。
さらに、第１アンテナ組立体１００ではホーン型反射器を使用し、その開口部１０４を壁１０背面に誘電体層１１介して密着して使用する。
増幅された電波はホーン内部に閉じ込められ、室内空間に放射されることはない。
ホーン開口寸法を大きくとれば、指向性の高いビームを室外空間に形成できる。
本設計例では指向性（直線スケール）＝３４．２２である。
中継装置３００から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの電波伝搬損失（ＬU total ）は中継装置３００から第２ダイポールアンテナ２への伝搬損失（（１６）式参照）と第１ダイポールアンテナ１から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの伝搬損失（（１９）式参照）の和で与えられる。つまり、
ＬU total （ｄＢ）＝ＬRepToAnt2 （ｄＢ）＋Ｌant1ToAir （ｄＢ）
＝−５．２８−７．７８＝−１３．０６ｄＢ （２０）
となる。アップリンク経路に利得Ｇamp （ｄＢ）の増幅器を挿入して、
ＬU total ＋Ｇamp ＝０ （２１）
を満たすように利得を設定する。これをアップリンク設計条件とする。
この設計条件の下では、壁の外部空間に放射される電界強度が、室内で中継装置が放射する電界の強度を超えることはない。
さらに、第１アンテナ組立体１００ではホーン型反射器を使用し、その開口部１０４を壁１０背面に誘電体層１１介して密着して使用する。
増幅された電波はホーン内部に閉じ込められ、室内空間に放射されることはない。
ホーン開口寸法を大きくとれば、指向性の高いビームを室外空間に形成できる。
本設計例では指向性（直線スケール）＝３４．２２である。
〔設計システムの性能評価実験 伝搬損失測定〕
図１６に、伝搬損失実験の配置図を示す。同図において上部（ａ）は平面図、下部（ｂ）は側面図である。伝搬損失実験で用いた電波暗箱の形状寸法は以下のとおりである。
左電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１００ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
右電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１５０ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
典型的な建築用コンクリート（２．３×１０3 ｋｇ／ｍ3 ）を使った壁サンプル（７０ｃｍ×７０ｃｍ×１０ｃｍ）を用いて伝搬損失を測定する。
壁サンプル（１１２．７ｋｇ）を図１６に示すように左側と右側の電波暗箱で挟み垂直に保持した。電波暗箱はアルミ板の表面に厚さ２ｍｍの電波吸収板を貼った構造である。この電波吸収板は導体板で裏打ちした状態で２．５ＧＨｚで無反射面として機能するよう設計されている。コンクリート板上に貼った状態では無反射面として機能しなかった。
この問題を回避するために、電界に平行なコンクリート壁縦側面上にはアルミ板を装着せず、かつ、壁中央部分だけを電波照射して、伝搬損失を測定した。左側電波暗箱内の反射板付きダイポールアンテナを励振源からの入力信号２．４ＧＨｚ，０ｄＢｍで励振した。この状態で、標準ダイポールアンテナを電波暗箱中心軸上で走査して電界強度分布を測定した。電界強度測定にはスペクトラムアナライザ（Spectrum Master, MS2721, Anritsu）を使用した。測定結果を図１７に示す。
図１６に、伝搬損失実験の配置図を示す。同図において上部（ａ）は平面図、下部（ｂ）は側面図である。伝搬損失実験で用いた電波暗箱の形状寸法は以下のとおりである。
左電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１００ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
右電波暗箱の長さ×幅×高さ＝１５０ｃｍ×６５ｃｍ×６５ｃｍ
典型的な建築用コンクリート（２．３×１０3 ｋｇ／ｍ3 ）を使った壁サンプル（７０ｃｍ×７０ｃｍ×１０ｃｍ）を用いて伝搬損失を測定する。
壁サンプル（１１２．７ｋｇ）を図１６に示すように左側と右側の電波暗箱で挟み垂直に保持した。電波暗箱はアルミ板の表面に厚さ２ｍｍの電波吸収板を貼った構造である。この電波吸収板は導体板で裏打ちした状態で２．５ＧＨｚで無反射面として機能するよう設計されている。コンクリート板上に貼った状態では無反射面として機能しなかった。
この問題を回避するために、電界に平行なコンクリート壁縦側面上にはアルミ板を装着せず、かつ、壁中央部分だけを電波照射して、伝搬損失を測定した。左側電波暗箱内の反射板付きダイポールアンテナを励振源からの入力信号２．４ＧＨｚ，０ｄＢｍで励振した。この状態で、標準ダイポールアンテナを電波暗箱中心軸上で走査して電界強度分布を測定した。電界強度測定にはスペクトラムアナライザ（Spectrum Master, MS2721, Anritsu）を使用した。測定結果を図１７に示す。
図１７は電波暗箱中心軸上の電界強度分布測定結果を示すグラフである。
コンクリート壁厚さは１０ｃｍ、縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）、横軸は軸上の距離（ｃｍ）を示している。
図１７から、伝搬損失Ｌw は
Ｌw （ｄＢ）＝２０ｌｏｇ10（５．００／１３．８５）＝−８．８５ｄＢ （２２）
壁前面における反射係数Γは
Γ＝（２１．００−１３．８５）／１３．８５＝０．５１６ （２３）
壁後面からの反射の影響を無視して、コンクリート壁の比誘電率を近似計算すると
εr ＝（（１＋０．５１６）／（１−０．５１６））2 ＝９．８１ （２４）
この様にして求めた比誘電率をシミュレーションに用いた。
コンクリート壁厚さは１０ｃｍ、縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）、横軸は軸上の距離（ｃｍ）を示している。
図１７から、伝搬損失Ｌw は
Ｌw （ｄＢ）＝２０ｌｏｇ10（５．００／１３．８５）＝−８．８５ｄＢ （２２）
壁前面における反射係数Γは
Γ＝（２１．００−１３．８５）／１３．８５＝０．５１６ （２３）
壁後面からの反射の影響を無視して、コンクリート壁の比誘電率を近似計算すると
εr ＝（（１＋０．５１６）／（１−０．５１６））2 ＝９．８１ （２４）
この様にして求めた比誘電率をシミュレーションに用いた。
〔設計システムの性能評価実験 ダウンリンク電波伝搬実験〕
ダウンリンク電波伝搬実験の装置の配置を図１８に示す。図１８の上部（ａ）は平面図、下部（ｂ）は側面図である。
電波暗箱の形状寸法は前述したとおりである。
第１アンテナ組立体１００の構造は図４（ａ）に示したとおりである。すなわち、第１アンテナ組立体１００の開口は横３６ｃｍ×縦２５ｃｍである。コーナーレフレクタ上辺と下辺に金属板を装着してホーン型反射器とした。全長４．１７ｃｍの第１ダイポールアンテナ１とレフレクタ頂角（ホーンの底）の距離は４．５３ｃｍである。給電線は５０Ωセミリッジド同軸線路である。図４（ｂ）に示したように、第２アンテナ組立体２００は１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍ平板レフレクタダイポールアンテナ（平板反射器２０１と第２ダイポールアンテナ２）である。
図１８に示すようにダウンリンク無線接続実験の装置の配置では、コンクリート壁後面に厚さ１．８ｃｍのＰＥＴ（ polyethylene terephthalate ）（εr ＝３．０５）層（λ／４インピーダンス整合層）を装着してある。右側電波暗箱内に第１アンテナ組立体１００（高利得の第１ダイポールアンテナ１を含む）と第２アンテナ組立体２００（低利得の第２ダイポールアンテナ２を含む）を背中合わせに直接接続した。
コンクリート壁と第１アンテナ組立体１００の間に前述のλ／４インピーダンス整合層を挿入した。整合層は２ｍｍと３ｍｍ厚のＰＥＴ板を積層して構成したものである。
層の厚さ１．２，１．８，２．０，２．２ｃｍとして定在波を測定した。１．８ｃｍで定在波比が最少となった。この測定結果からＰＥＴ層内波長λPET と比誘電率εPET を求めた。
１２．５／（εPET ）1/2 ＝７．２ or εPET ＝（１２．５／７．２）2 ＝３．０１
（２５）
この値はλ／４インピーダンス整合層に要求される値
（２６）
に近い。上記の配置の下で、左側電波暗箱中のアンテナを励振し、左右電波暗箱の中心軸上の電界強度分布を測定した。測定結果を図１９に示す。
図１９はダウンリンク電波伝搬実験の結果を示すグラフである。
同図は電波暗箱の中心軸上の電界強度分布を示しており、縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）で横軸は電波暗箱の中心軸上の距離（ｃｍ）である。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２近傍の電界強度は１３．８５ｍＶ／ｍ以上であり、コンクリート壁前面入射電界強度は１３．８５ｍＶ／ｍであった。
つまり、この実験結果は、第２ダイポールアンテナ２の近傍で、電界強度がコンクリート壁入射波の電界強度１３．８５ｍＶ／ｍを越えることを示した。
ダウンリンク電波伝搬実験の装置の配置を図１８に示す。図１８の上部（ａ）は平面図、下部（ｂ）は側面図である。
電波暗箱の形状寸法は前述したとおりである。
第１アンテナ組立体１００の構造は図４（ａ）に示したとおりである。すなわち、第１アンテナ組立体１００の開口は横３６ｃｍ×縦２５ｃｍである。コーナーレフレクタ上辺と下辺に金属板を装着してホーン型反射器とした。全長４．１７ｃｍの第１ダイポールアンテナ１とレフレクタ頂角（ホーンの底）の距離は４．５３ｃｍである。給電線は５０Ωセミリッジド同軸線路である。図４（ｂ）に示したように、第２アンテナ組立体２００は１２．５ｃｍ×１２．５ｃｍ平板レフレクタダイポールアンテナ（平板反射器２０１と第２ダイポールアンテナ２）である。
図１８に示すようにダウンリンク無線接続実験の装置の配置では、コンクリート壁後面に厚さ１．８ｃｍのＰＥＴ（ polyethylene terephthalate ）（εr ＝３．０５）層（λ／４インピーダンス整合層）を装着してある。右側電波暗箱内に第１アンテナ組立体１００（高利得の第１ダイポールアンテナ１を含む）と第２アンテナ組立体２００（低利得の第２ダイポールアンテナ２を含む）を背中合わせに直接接続した。
コンクリート壁と第１アンテナ組立体１００の間に前述のλ／４インピーダンス整合層を挿入した。整合層は２ｍｍと３ｍｍ厚のＰＥＴ板を積層して構成したものである。
層の厚さ１．２，１．８，２．０，２．２ｃｍとして定在波を測定した。１．８ｃｍで定在波比が最少となった。この測定結果からＰＥＴ層内波長λPET と比誘電率εPET を求めた。
１２．５／（εPET ）1/2 ＝７．２ or εPET ＝（１２．５／７．２）2 ＝３．０１
（２５）
この値はλ／４インピーダンス整合層に要求される値
に近い。上記の配置の下で、左側電波暗箱中のアンテナを励振し、左右電波暗箱の中心軸上の電界強度分布を測定した。測定結果を図１９に示す。
図１９はダウンリンク電波伝搬実験の結果を示すグラフである。
同図は電波暗箱の中心軸上の電界強度分布を示しており、縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）で横軸は電波暗箱の中心軸上の距離（ｃｍ）である。
第２アンテナ組立体２００の第２ダイポールアンテナ２近傍の電界強度は１３．８５ｍＶ／ｍ以上であり、コンクリート壁前面入射電界強度は１３．８５ｍＶ／ｍであった。
つまり、この実験結果は、第２ダイポールアンテナ２の近傍で、電界強度がコンクリート壁入射波の電界強度１３．８５ｍＶ／ｍを越えることを示した。
〔アップリンク電波伝搬実験〕
アップリンク動作に関する実験は、第１アンテナ組立体１００の逆方向（室内から室外）の電波伝搬特性を確認することを主目的として実施した。
アップリンク電波伝搬実験では図１８の左側電波暗箱から励振用アンテナを取り除き、右側電波暗箱中の第２ダイポールアンテナ２から１２ｃｍの位置に裸のダイポールアンテナを配置した。このダイポールアンテナに０ｄＢｍ, ２．４ＧＨｚを印加して、左側電波暗箱中心軸上の電界強度分布を測定した。測定結果を図２０に示す。
図２０は、アップリンク無線接続実験の結果を示すグラフである。
縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）、横軸は伝搬軸上の壁表面からの距離（ｃｍ）、第２ダイポールアンテナ２のダイポール位置における電界強度測定値は１７．１２ｍＶ／ｍ、コンクリート壁前面から２５ｃｍにおける電界強度測定値は１．９２ｍＶ／ｍになっている。
図２０の結果からアップリンクの伝搬損失ＬU overall を概算すると
ＬU total （ｄＢ）＝２０ｌｏｇ10（１．９２／１７．１２）＝−１９．０ｄＢ（２７）となる。
中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３との距離を１２ｃｍとした場合のシミュレーションによる電波伝搬損失ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）（ｄＢ）は（１７）式で示したように、−１３．３３ｄＢであった。
第１ダイポールアンテナ１の入力端子への入力電力と壁前方空間（ＦＡＳ）７へ放射される電力の比率＝０．１６６６（図１５の説明文 放射効率＝０．１６６６参照）。これをｄＢに変換すると−７．７８ｄＢ（（１９）式参照）である。
第３ダイポールアンテナ３から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの電力伝搬損失はそれらの合計で与えられる。
従って、
ＬU total （ｄＢ）＝−１３．３３−７．７８＝−２１．１１ｄＢ （２８）
となり、実験で得た値−１９．０ｄＢに近い値となる。
これは先にアップリンクシミュレーションで述べた設計方法の妥当性を示したと言える。
アップリンク動作に関する実験は、第１アンテナ組立体１００の逆方向（室内から室外）の電波伝搬特性を確認することを主目的として実施した。
アップリンク電波伝搬実験では図１８の左側電波暗箱から励振用アンテナを取り除き、右側電波暗箱中の第２ダイポールアンテナ２から１２ｃｍの位置に裸のダイポールアンテナを配置した。このダイポールアンテナに０ｄＢｍ, ２．４ＧＨｚを印加して、左側電波暗箱中心軸上の電界強度分布を測定した。測定結果を図２０に示す。
図２０は、アップリンク無線接続実験の結果を示すグラフである。
縦軸は電界強度（ｍＶ／ｍ）、横軸は伝搬軸上の壁表面からの距離（ｃｍ）、第２ダイポールアンテナ２のダイポール位置における電界強度測定値は１７．１２ｍＶ／ｍ、コンクリート壁前面から２５ｃｍにおける電界強度測定値は１．９２ｍＶ／ｍになっている。
図２０の結果からアップリンクの伝搬損失ＬU overall を概算すると
ＬU total （ｄＢ）＝２０ｌｏｇ10（１．９２／１７．１２）＝−１９．０ｄＢ（２７）となる。
中継装置３００の第３ダイポールアンテナ３との距離を１２ｃｍとした場合のシミュレーションによる電波伝搬損失ＬRepToAnt2 （１２ｃｍ）（ｄＢ）は（１７）式で示したように、−１３．３３ｄＢであった。
第１ダイポールアンテナ１の入力端子への入力電力と壁前方空間（ＦＡＳ）７へ放射される電力の比率＝０．１６６６（図１５の説明文 放射効率＝０．１６６６参照）。これをｄＢに変換すると−７．７８ｄＢ（（１９）式参照）である。
第３ダイポールアンテナ３から壁前方空間（ＦＡＳ）７までの電力伝搬損失はそれらの合計で与えられる。
従って、
ＬU total （ｄＢ）＝−１３．３３−７．７８＝−２１．１１ｄＢ （２８）
となり、実験で得た値−１９．０ｄＢに近い値となる。
これは先にアップリンクシミュレーションで述べた設計方法の妥当性を示したと言える。
以上詳しく説明した実施例につき本発明の範囲内で種々の変形を施すことができる。
実施例として、壁背後空間でダイポールアンテナをリンク内に用いる例を示したが、ａ．導波管型ホーンアンテナ、ｂ．各種の平面アンテナ（ただし、適切なホーン型反射器との組み合わせ）を使用することも可能である。第１アンテナ組立体１００で大口径反射板として、ホーン型のコーナーリフレクタを用いたが、パラボラ反射鏡を用いることもできる。
実施例として、壁背後空間でダイポールアンテナをリンク内に用いる例を示したが、ａ．導波管型ホーンアンテナ、ｂ．各種の平面アンテナ（ただし、適切なホーン型反射器との組み合わせ）を使用することも可能である。第１アンテナ組立体１００で大口径反射板として、ホーン型のコーナーリフレクタを用いたが、パラボラ反射鏡を用いることもできる。
１ 第１アンテナ（ダイポール）
２ 第２アンテナ（ダイポール）
３ 第３アンテナ（ダイポール）
２ａ，３ａ ダイポールの一方
２ｂ，３ｂ ダイポールの他方
２ｃ，３ｃ 同軸の外導体
２ｄ，３ｄ 同軸の中心導体
４，５ サーキュレータ
６ 増幅器
７ 壁前方空間（ＦＡＳ）
８ 壁後方空間（ＢＡＳ）
１０ コンクリート壁
１１ 誘電体層
１００ 第１アンテナ組立体
１０１ ホーン
１０２ 上金属板
１０３ 下金属板
２００ 第２アンテナ組立体
２０１ 平板反射器
３００ 中継装置（ルータ付リレーステーション）
４００−１〜４００−ｎ ユーザＰＣ
５００ 送受信設備（ベースステーション）
２ 第２アンテナ（ダイポール）
３ 第３アンテナ（ダイポール）
２ａ，３ａ ダイポールの一方
２ｂ，３ｂ ダイポールの他方
２ｃ，３ｃ 同軸の外導体
２ｄ，３ｄ 同軸の中心導体
４，５ サーキュレータ
６ 増幅器
７ 壁前方空間（ＦＡＳ）
８ 壁後方空間（ＢＡＳ）
１０ コンクリート壁
１１ 誘電体層
１００ 第１アンテナ組立体
１０１ ホーン
１０２ 上金属板
１０３ 下金属板
２００ 第２アンテナ組立体
２０１ 平板反射器
３００ 中継装置（ルータ付リレーステーション）
４００−１〜４００−ｎ ユーザＰＣ
５００ 送受信設備（ベースステーション）
Claims (7)
- 壁で分けられる壁前方空間−壁後方空間における双方向無線接続システムであって、
壁前方空間に配置され第１の搬送周波数で動作する壁前方空間送受信局と、
前記壁の壁後方空間露出面に設置され、前記壁を透過した電波を収拾する大開口面ホーン型反射器と第１アンテナを有する第１アンテナ組立体と、
前記第１アンテナの出力が線路を介して直接接続される第２アンテナと反射板からなる第２アンテナ組立体と、
壁後方空間に配置され第３アンテナを含み第１の搬送周波数で動作する壁後方空間送受信局と、
第２アンテナの受信出力を増幅して第１アンテナに接続する増幅接続手段と、を含み、 前記壁を透過した壁前方空間送受信局の発信出力を第１アンテナ組立体で受信し第２アンテナ組立体の第２アンテナから放射し、第２アンテナ組立体の近接場を含む領域で第３アンテナで受信するダウンリンクと、
第３アンテナからの電波を第２アンテナで受信し、前記壁から放射される電力が前記壁後方空間送受信局に許容される最大出力を越えないことを限度に前記増幅接続手段の増幅器で増幅して第１アンテナから前記壁前方空間へ放射するアップリンクと、
を形成したことを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項１記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１，第２および第３アンテナはダイポールアンテナであることを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項２記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１アンテナ組立体の第１アンテナは、送受信方向を除き壁後方空間内で遮蔽されており、増幅された電波を壁後方空間内に漏出させないことを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項１記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記壁後方空間送受信局は前記壁後方空間中の１以上の局と第１の搬送周波数とは異なる第２の搬送周波数で通信する中継装置であり、前記１以上の局と前記壁前方空間送受信局との双方向通信を可能にすることを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項４記載の双方向無線接続システムにおいて、
第１の搬送周波数は２．４ＧＨｚ、第２の搬送周波数は５．２ＧＨｚであることを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記増幅器の増幅度Ｇamp はアップリンクの伝搬損失をＬU total としたとき、
ＬU total ＋Ｇamp ＝０ を満たすように設定することを特徴とする双方向無線接続システム。 - 請求項５記載の双方向無線接続システムにおいて、
前記中継装置には免許不要な特定小電力装置を使うことを特徴とする双方向無線接続システム。
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|---|---|---|---|
| JP2009174319A JP5377140B2 (ja) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | 双方向無線接続システム |
Applications Claiming Priority (1)
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| JP2009174319A JP5377140B2 (ja) | 2009-07-27 | 2009-07-27 | 双方向無線接続システム |
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| JP2011029992A JP2011029992A (ja) | 2011-02-10 |
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