JP5748835B2 - アンテナ装置 - Google Patents

Description

本発明は、ＦＰＵアンテナの回転方向に主ビームの方向を変化させることが可能なアンテナ装置に関するものである。

テレビ放送の局外中継では、ヘリコプタ等の移動体に搭載された無線中継伝送装置であるＦＰＵ（FieldPickupUnit）のアンテナから音声、映像等の素材が電波によって基地局に向けて伝送される。基地局では、鉄塔や屋上に配置されたＦＰＵのアンテナによって移動体からの電波が受信される。（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１３４９１５号公報

上記移動体と基地局間では、無指向性アンテナを用いた無線通信回線による業務通信も行われるが、通信距離が長くなった場合に、この無線通信回線が安定に成立しなくなることがある。
そこで、本発明は、通信距離が長い場合であっても移動体と基地局間での無線通信回線を安定に維持することができるアンテナ装置を提供することを目的としている。

本発明は、ＦＰＵアンテナが配置された回転台の回転角度を制御して、該ＦＰＵアンテナを通信対象のアンテナの方向に向けるように構成されたＦＰＵに併設されるアンテナ装置であって、前記回転台の回転軸線を中心とする円周に沿って複数のアンテナ素子を所定間隔で配列させたアレーアンテナと、前記回転台の回転角度に基づいて、該回転角度に対応した方向のビーム指向性が実現されるように前記アレーアンテナの各アンテナ素子に対する給電、非給電を制御する給電制御手段と、を備えることによって上記の目的を達成している。

前記給電制御手段には、例えば、前記回転台の回転角度に基づいて前記アレーアンテナのアンテナ素子の中から隣接する少なくとも２個の給電対象アンテナ素子を選択する素子選択手段と、前記各給電対象アンテナ素子についての給電位相を調整する位相調整手段と、が備えられる。

前記素子選択手段は、前記給電対象アンテナ素子をピンダイオードスイッチによって選択するように構成することができる。
本発明は、無指向性アンテナと、この無指向性アンテナと前記アレーアンテナとを切替えるアンテナ切替手段とを更に備えることができる。
なお、前記アンテナ素子としては、ダイポールアンテナ素子や双ループアンテナ素子等を適用することができる。

本発明によれば、ＦＰＵアンテナの回転角度に対応した方向のビーム指向性が実現されるので、送信時には不要輻射を抑制することができ、また、受信時には安定した受信電界を確保することができる。しかも、ＦＰＵのアンテナ回転台の回転軸線を中心とする円周に沿って複数のアンテナ素子を配列させたアレーアンテナを用い、このアレーアンテナの指向性をＦＰＵアンテナの回転角度に基づいて制御するようにしているので、コンパクトかつ簡易に構成することができる。したがって、中継放送時における移動体と基地局間の業務通信に用いて有効である。

本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示すブロック図である。 本発明に係るアンテナ装置におけるアレーアンテナの構成を示す側面図である。 図２のＡ−Ａ線による断面図である。 指向性制御部の構成例を示すブロック図である。 アレーアンテナの指向性を例示したグラフである。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について説明する。
図１に本発明に係るアンテナ装置の一実施形態を示す。本実施形態に係るアンテナ装置ＡＮは、地上の基地局に無線中継伝送装置として配置されたＦＰＵ（FieldPickupUnit）に併設して、この基地局と中継用移動体（ヘリコプタや車両等）との間の業務通信に使用するものであり、アレーアンテナ１、無指向性アンテナ３、給電・位相切替部５、指向性制御部７、無線機９及びリモコン装置１３を備えている。

図２に示すように、アレーアンテナ１は、鉄塔上に配置されたＦＰＵのレドーム１５の下方に配置されている。レドーム１５内には、図示していないＦＰＵのアンテナと、このＦＰＵアンテナが配置されたＦＰＵ回転台１７が配置されている。なお、ＦＰＵ回転台１７を回転駆動するための機構等は図示を省略している。
図３に図２のＡ−Ａ断面図を示す。この図３に示すように、アレーアンテナ１は、円筒状の反射板１９と、この反射板１９の外周面にブラケット２１を介して取り付けられた８個のアンテナ素子１Ａ〜１Ｈとを備えている。アンテナ素子１Ａ〜１Ｈは、ＦＰＵアンテナ回転台１７の回転軸線２３を中心とする円周上に等角度間隔（本実施形態では４５°間隔）で配列している。アンテナ素子１Ａ〜１Ｈとしては、ダイポールアンテナ素子や双ループアンテナ素子等が使用される。なお、アンテナ素子１Ａ〜１Ｈの周囲には円筒状のカバー２５が配置されている。

次に、給電・位相切替部５について説明する。図４に示すように、給電・位相切替部５は、分配・合成器２７、切替ユニット２９，３１，３３，３５，３７及び切替ユニット２９´，３１´，３３´，３５´，３７´を備えている。
分配・合成器２７は、ケーブル４７を介して図１に示す指向性制御部７に接続されるとともに、切替ユニット２９，２９´に接続されている。
切替ユニット２９にはピンダイオードスイッチＤ１，Ｄ２が、切替ユニット３１にはピンダイオードスイッチＤ３，Ｄ４が、切替ユニット３３にはピンダイオードスイッチＤ５，Ｄ６が、切替ユニット３５にはピンダイオードスイッチＤ７，Ｄ８が、切替ユニット３７にはピンダイオードスイッチＤ９，Ｄ１０がそれぞれ設けられている。そして、切替ユニット２９，３１間には位相調整用の同軸ケーブル３９，４１が設けられている。同軸ケーブル３９は通過する高周波信号に対しての位相量が０°となるようにその長さが設定され、また、同軸ケーブル４１は同位相量が−１１０°となるようにその長さが設定されている。

切替ユニット２９´，３１´，３３´，３５´，３７´は、それぞれ切替ユニット２９，３１，３３，３５，３７と同等の構成を有するので、それについての説明を省略する。
切替ユニット３５はアレスタ４３を介してアンテナ素子１Ａ及びアンテナ素子１Ｃに接続され、また、切替ユニット３７はアレスタ４３を介してアンテナ素子１Ｅ及びアンテナ素子１Ｇに接続されている。
一方、切替ユニット３５´はアレスタ４３´を介してアンテナ素子１Ｂ及びアンテナ素子１Ｄに接続され、また、切替ユニット３７´はアレスタ４３´を介してアンテナ素子１Ｆ及びアンテナ素子１Ｈに接続されている。

次に、本実施形態に係るアンテナ装置の動作について説明する。
図１において、ＦＰＵ受信機４は図示していないＦＰＵアンテナに接続され、また、回転制御部１１はＦＰＵ回転台１７に接続されている。

ＦＰＵ受信機４は、ＦＰＵアンテナによって受信される中継用移動体からの電波、つまり、中継用移動体の位置データ（ＧＰＳデータ）を含む電波と、音声、映像等の素材データを含む電波に基づいて、位置データ及び素材データを取得し、位置データを回転制御部１１に出力する。回転制御部１１は、上記位置データと予め知られるＦＰＵアンテナの配置位置を示すデータとに基づいて、ＦＰＵアンテナから見た水平面における中継用移動体の方位を計算し、その方位に基づいてＦＰＵアンテナが中継用移動体の方向に向くようにＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度を制御する。
これにより、ＦＰＵアンテナは、中継用移動体を追尾しながら該移動体から送信される音声、映像等の素材についての電波を継続して受信することになる。

指向性制御部７は、上記移動体の方位を示すＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度を回転制御部１１から入力し、該回転角度に対応した方向のビーム指向性を実現するための給電・位相制御信号を給電・位相切替部５にケーブル４５を介して出力する。そこで、給電・位相切替部５は、アレーアンテナ１のアンテナ素子１Ａ〜１Ｈの中から隣接する２個の給電対象アンテナ素子を選択するともに、その選択したアンテナ素子についての給電位相を調整する。

すなわち、中継用移動体の方向を示すＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度が例えば図５に示す０°もしくはその近傍である場合には、指向性制御部７から図４のピンダイオードスイッチＤ２，Ｄ４，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ１´，Ｄ３´，Ｄ５´，Ｄ７´をオン状態にする給電・位相制御信号が給電・位相切替部５に出力される。この場合、給電対象アンテナ素子としてアンテナ素子１Ａ，１Ｂが選択され、かつ、該アンテナ素子１Ａについての信号の位相量が同軸ケーブル４１によって調整されるとともに、アンテナ素子１Ｂについての信号の位相量が同軸ケーブル３９´によって調整される。この結果、アンテナ素子１Ａ、１Ｂによって図５に実線で示したような合成指向性、つまり、ＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度に対応した方向のビーム指向性が実現される。

一方、中継用移動体の方向を示すＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度が例えば図５に示す２２．５°もしくはその近傍である場合には、指向性制御部７から図４のピンダイオードスイッチＤ１，Ｄ３，Ｄ５，Ｄ７，Ｄ１´，Ｄ３´，Ｄ５´，Ｄ７´をオン状態にする給電・位相制御信号が給電・位相切替部５に出力される。この場合、給電対象アンテナ素子としてアンテナ素子１Ａ，１Ｂが選択され、かつ、該アンテナ素子１Ａについての信号の位相量が同軸ケーブル３９によって調整されるとともに、アンテナ素子１Ｂについての信号の位相量が同軸ケーブル３９´によって調整される。この結果、アンテナ素子１Ａ、１Ｂによって図５に点線で示したような合成指向性、つまり、ＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度に対応した方向のビーム指向性が実現される。

このように、本実施形態では、指向性制御部７からの制御信号によるピンダイオードスイッチＤ１〜Ｄ１０，Ｄ１´〜Ｄ１０´のオンオフ制御によってアレーアンテナ１のアンテナ素子１Ａ〜１Ｈの中から隣接する２個のアンテナ素子の組（１Ａ，１Ｂ）、（１Ｂ，１Ｃ）、（１Ｃ，１Ｄ）、（１Ｄ，１Ｅ）、（１Ｅ，１Ｆ）、（１Ｆ，１Ｇ）、（１Ｇ，１Ｈ）、（１Ｈ，１Ａ）の内のいずれかが選択され、かつ、各組のアンテナ素子に対する位相量が選択される。

なお、指向性制御部７は、ＦＰＵアンテナ回転台１７の複数の回転角度範囲に対応するピンダイオードスイッチＤ１〜Ｄ１０，Ｄ１´〜Ｄ１０´のオンオフ制御データを格納したメモリを内蔵し、ＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度が含まれる角度範囲に対応したダイオードスイッチオンオフ制御データをこのメモリから読み出して、上記給電・位相切替部５に制御信号として出力する。なお、同軸ケーブル３９，４１による位相量は、シミュレーションによって決定することができる。

アレーアンテナ１が送信アンテナとして使用されるときには、図１の無線機９から出力される高周波電力（例えば、４００ＭＨｚの中心周波数を有する）が指向性制御部７及びケーブル４７を介して給電・位相切替部５の分配・合成器２７に供給される。したがって、ピンダイオードスイッチＤ１〜Ｄ１０，Ｄ１´〜Ｄ１０´のオンオフ制御によって選択されたアンテナ素子から業務通信用の電波が中継用移動体に向けて送信される。
一方、アレーアンテナ１が受信アンテナとして使用されるときには、上記選択されたアンテナ素子による受信信号（中継移動体からの業務通信信号）が給電・位相切替部５の分配・合成器２７と指向性制御部７を介して無線機９に入力される。

指向性制御部７は、次のような処理も実行する。すなわち、アレーアンテナ１による送受信が山陰や周囲の建物等によって阻害される方向は予め知られる。そこで、ＦＰＵアンテナ回転台１７の回転角度が上記送受信の阻害を生じる方向の角度範囲になった場合に、アレーアンテナ１を無指向性アンテナ３に切替える処理を実行して、通信を安定に維持する。
なお、アレーアンテナ１と無指向性アンテナ３の切替えを手動／自動のいずれで行うかの指示をリモコン装置１３によって行うことも可能である。

一方、無線機９は、アレーアンテナ１で受信される中継用移動体からの位置データを含む電波から該位置データを取得して、このデータを回転制御部１１に伝送する処理も実行する。回転制御部１１は、ＦＰＵ受信機４からの位置データが何らかの要因で途絶えるなどした場合に、モデム１１ａを介して取り込んだ無線機９からの位置データを代用する処理を実行し、これによって追尾動作が維持される。

本発明は、上記実施形態に限定されず、種々の変形態様を含み得るものである。以下にその一例を示す。
（ａ）実施形態では、アンテナ素子の選択だけでなく位相量の選択も行っているが、単に、アンテナ素子の選択のみによっても実施可能である。
（ｂ）本発明は、基地局だけではなく、中継用移動体にも適用することができる。もちろん、基地局と中継用移動体の双方に適用することも可能である。
（ｃ）電気的な性能（指向性、利得等）を向上するために、アレーアンテナ１のアンテナ素子数を増加させることも可能である。その場合、位相量を規定するための同軸ケーブルの本数も必要に応じて増加される。
（ｄ）位相量を移相器を用いて調整することも可能である。
（ｅ）ピンダイオードスイッチに代えて同軸スイッチを使用することも可能である。
（ｆ）実施形態では、給電対象アンテナ素子として隣接する２つのアンテナ素子を選択しているが、隣接する３つ以上のアンテナ素子を給電対象アンテナ素子として選択するように構成することも可能である。

１ アレーアンテナ
１Ａ〜１Ｈ アンテナ素子
３ 無指向性アンテナ
４ ＦＰＵ受信機
５ 給電・位相切替部
７ 指向性制御部
９ 無線機
１１ 回転制御部
１３ リモコン装置
１５ レドーム
１７ ＦＰＵ回転台
１９ 反射板
２１ ブラケット
２３ 回転軸線
２５ カバー
２７ 分配・合成器
２９，３１，３３，３５，３７ 切替ユニット
２９´，３１´，３３´，３５´，３７´ 切替ユニット
Ｄ１〜Ｄ１０ ピンダイオードスイッチ
Ｄ１´〜Ｄ１０´ ピンダイオードスイッチ
３９，４１，３９´，４１´ 同軸ケーブル
４３，４３´ アレスタ
４５，４７ ケーブル

Claims (5)

1. ＦＰＵアンテナが配置された回転台の回転角度を制御して、該ＦＰＵアンテナを通信対象のアンテナの方向に向けるように構成されたＦＰＵに併設されるアンテナ装置であって、
   前記回転台の回転軸線を中心とする円周に沿って複数のアンテナ素子を所定間隔で配列させたアレーアンテナと、
   前記回転台の回転角度に基づいて、該回転角度に対応した方向のビーム指向性が実現されるように前記アレーアンテナの各アンテナ素子に対する給電、非給電を制御する給電制御手段と、
   を備えることを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記給電制御手段は、
   前記回転台の回転角度に基づいて前記アレーアンテナのアンテナ素子の中から隣接する少なくとも２個の給電対象アンテナ素子を選択する素子選択手段と、
   前記各給電対象アンテナ素子についての給電位相を調整する位相調整手段と、
   を備えることを特徴とする請求項1に記載のアンテナ装置。
3. 前記素子選択手段は、前記給電対象アンテナ素子をピンダイオードスイッチによって選択するように構成されていることを特徴とする請求項２に記載のアンテナ装置。
4. 無指向性アンテナと、この無指向性アンテナと前記アレーアンテナとを切替えるアンテナ切替え手段とを更に備えることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
5. 前記アンテナ素子がダイポールアンテナ素子または双ループアンテナ素子であることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。

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