アンテナ装置及び無線伝送システム
【課題】 無線伝送システムの仕様数を減少させ、かつ無線伝送システムの通信可能範囲を拡大する。
【解決手段】 アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナ２の受信信号が供給されている高周波受信回路６の出力信号を、受信品質判定回路１２に供給する。受信品質判定回路１２は、アンテナ２の受信信号の受信品質を判定し、アンテナ利得切換装置４を介してアンテナ２の利得を調整する。受信品質判定回路１２は、受信信号のＣ／Ｎを測定して、受信品質を判定する。
【解決手段】 アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナ２の受信信号が供給されている高周波受信回路６の出力信号を、受信品質判定回路１２に供給する。受信品質判定回路１２は、アンテナ２の受信信号の受信品質を判定し、アンテナ利得切換装置４を介してアンテナ２の利得を調整する。受信品質判定回路１２は、受信信号のＣ／Ｎを測定して、受信品質を判定する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置及びこのアンテナ装置を使用した無線伝送システムに関し、特にアンテナ装置のアンテナ利得を調整することが可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばミリ波帯の電波を長距離伝送する場合、高利得アンテナを使用して電波を受信することがある。ミリ波帯の高利得アンテナとしては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７８９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高利得アンテナを受信に使用したまま、無線通信で短距離伝送を行った場合、高利得アンテナに接続された受信機が過入力となり、受信機において信号歪みが発生し、受信品質が劣化していた。従って、希望無線伝送距離に応じて、高利得アンテナと低利得アンテナとを使い分けており、無線伝送システムの仕様数が増加していた。
【０００５】
また、同じ伝送距離を伝送させる場合でも、晴天時と雨天時とでは空間での電波減衰量が異なり、必要とされるアンテナ利得が異なる。例えば、晴天時に最良のアンテナ利得を有するアンテナを設置した場合、雨天時には電波減衰量が大きく、充分な電界強度が受信アンテナで得られず、受信品質が劣化する。また、雨天時に最良のアンテナ利得を有するアンテナを設置した場合、晴天時には電波減衰量が小さく、電界強度が受信アンテナで大きくなり、受信機が過入力となり、信号歪みが発生し、受信品質が劣化する。無線通信システムとしては、天候に拘わらず、良好な通信をすることが必須であり、従って、アンテナ利得が固定されている場合には、晴天でも雨天でも良好に通信が可能な距離に通信距離が制限されていた。
【０００６】
本発明は、無線伝送システムの仕様数を減少させ、かつ無線伝送システムの通信可能距離範囲を拡大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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様のアンテナ装置は、アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナを有している。このアンテナとしては、利得が異なる複数のアンテナ素子からなるものを使用することができる。このアンテナの受信信号の受信品質を判定手段が判定し、前記アンテナの利得を調整する。判定手段は、例えば受信信号のＣ／Ｎを測定して、受信品質を判定することができる。利得が異なる複数のアンテナ素子からアンテナが構成される場合には、前記判定手段の判定結果に従って、前記複数のアンテナ素子が切り換えられる。
【０００８】
このように構成されたアンテナ装置では、アンテナの利得を調整することができるので、天候が変化して、電波減衰量が変化しても、その電波減衰量に対応した利得にアンテナを自動的に調整することができるので、１台の無線伝送システムで、長い伝送距離範囲を確保することができる。また、長距離伝送用及び短距離伝送用いずれの無線伝送システムにも同一の構成のアンテナ装置を使用することができる。
【０００９】
前記複数のアンテナ素子は、ミリ波帯用の電波レンズと、この電波レンズを介して伝搬されたミリ波帯の電波を受信するアンテナ部とを、それぞれが有するレンズアンテナとすることができる。この場合、レンズアンテナは、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置に位置するものと、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置以外の位置に位置するものとを、含んでいる。このように構成すると、電波レンズの焦点位置にアンテナ部を配置させることによって高利得のアンテナ素子を構成することができ、電波レンズの焦点位置以外の位置にアンテナ部を配置させることによって低利得のアンテナ素子を構成することができる。
【００１０】
また、上述したいずれかのアンテナ装置は、ミリ波帯信号を送信する送信機と、この送信機から離れて配置され、送信機から送信されたミリ波帯信号を受信する受信機とを備えた無線伝送システムにおいて、前記受信機の受信アンテナとして使用することができる。このように構成した無線伝送システムでは、どのような天候状態でも無線伝送可能な距離を伸ばすことができるし、また様々な伝送距離に対しても１台の無線伝送システムを使用することができ、無線伝送システムの仕様数を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によるアンテナ装置を使用することによって、無線伝送システムの仕様数を減少させ、かつ無線伝送システムの通信可能距離範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態のアンテナ装置のブロック図である。
【図２】図１のアンテナ装置のアンテナ及びアンテナ切換装置の詳細なブロック図である。
【図３】図１のアンテナ装置を受信アンテナとして使用した無線伝送システムのブロック図である。
【図４】図１のアンテナ装置と従来のアンテナ装置との使用可能距離を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のアンテナ装置のブロック図である。
【図６】図５のアンテナ装置のアンテナ素子の詳細な構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の第１の実施形態のアンテナ装置は、図３に示すような無線伝送システムに使用されている。この無線伝送システムは、予め定めた距離を隔てて配置された送信機１ａと、受信機１ｂとから構成されている。これら送信機１ａ及び受信機１ｂは、例えばミリ波帯の信号を送受信するものである。送信機１ａは、送信アンテナ２ａからミリ波帯の信号を送信し、受信機１ｂは、受信アンテナ２ｂによって、このミリ波帯の信号を受信する。この受信アンテナ２ｂに、本発明の第１の実施形態のアンテナ装置が使用されている。
【００１４】
本発明の第１の実施形態のアンテナ装置は、図１に示すように、ミリ波帯受信用の利得可変アンテナ３を有している。この利得可変アンテナ３は、アンテナ利得切換装置４によって、その利得が、複数段階、例えば３段階に切り換えられる。この利得可変アンテナ３は、送信機１ａの送信アンテナ２ａから送信された例えばデジタル信号で変調されたミリ波帯の送信信号を受信し、この送信信号に対応した受信信号を出力する。この受信信号は、高周波（ＲＦ）受信回路６に供給され、増幅及び中間周波信号への周波数変換等の信号処理が行われる。この高周波受信回路６の出力は、復調回路８に供給され、ここでデジタル信号に復調される。復調されたデジタル信号は誤り訂正回路１０で誤り訂正が行われ、後続の処理回路に供給される。
【００１５】
アンテナ利得切換装置４によりアンテナ切換を行うために、高周波受信回路６の出力が、受信品質判定回路１２に供給される。受信品質判定回路１２は、高周波受信回路６の出力の受信品質を判定する。受信品質判定回路１２は、例えばこの出力のＣ／Ｎを測定し、これを予め定めた基準値と比較し、Ｃ／Ｎが基準値以上の場合には、アンテナ利得切換装置４によって現在の利得が維持される。Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合には、過入力となっているか若しくは受信信号が低下している可能性があるので、Ｃ／Ｎが最も大きくなるようにアンテナ利得切換装置４によって利得可変アンテナ３の利得が調整される。
【００１６】
図２に、利得可変アンテナ３とアンテナ利得切換装置４の詳細な構成を示す。利得可変アンテナ３は、例えば絶対利得が４５ｄＢｉの高利得アンテナ素子３ａと、絶対利得が３０ｄＢｉの中利得アンテナ素子３ｂと、絶対利得が２０ｄＢｉの低利得アンテナ素子３ｃとからなる。アンテナ利得切換装置４は、各アンテナ素子３ａ、３ｂ、３ｃの受信信号のうち１つを選択して、高周波受信回路６に供給する切換スイッチである。このアンテナ利得切換装置４によるアンテナの切換は、受信品質判定回路１２の指示によって行われる。そのため、上述したように高周波受信回路６の出力が受信品質判定回路１２に供給されている。そして、受信品質判定回路１２によって測定されたＣ／Ｎと予め定めた基準値との比較が行われる。
【００１７】
例えば、このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとが予め定めた距離をおいて設置されている場合、その距離が比較的長くて、アンテナ利得が小さいアンテナ素子３ｃがアンテナ利得切換装置４によって選択されているとすると、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ素子３ｃからアンテナ素子３ｂに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続された状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６に接続しても、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さい場合、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ａに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。
【００１８】
逆に、このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとの距離が比較的短い場合であって、アンテナ素子３ａがアンテナ利得切換装置４によって選択されているとする。この場合、高周波受信回路６が過入力となり、歪みが発生し、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ素子３ａからアンテナ素子３ｂに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続された状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６に接続しても、過入力による歪みが発生し、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さい場合、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ｃに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。
【００１９】
このように、このアンテナ装置を使用することによって、長い無線伝送距離であっても、短い無線伝送距離であっても、１台のアンテナ装置を使用することができ、このアンテナ装置の使用可能距離に幅を持たせることができ、この幅は、従来の１つのアンテナのみを使用していた場合に可能な使用可能距離よりも格段に広い。
【００２０】
このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとが予め定めた距離をおいて野外に設置されている場合を考える。この状態で、天候が悪化して、空間での電波減衰量が大きくなった場合、例えばアンテナ素子３ｃがアンテナ利得切換装置４によって選択されていると、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ利得切換装置４が、受信品質判定回路１２からの指示によって、アンテナ素子３ｃからアンテナ素子３ｂに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続される状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６へ接続しても、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合、アンテナ利得切換装置４が、受信品質判定回路１２からの指示によって、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ａに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を切り換える。
【００２１】
このように悪天候で、高利得のアンテナ素子３ａが高周波受信回路６に接続されている状態から、天候が回復して、空間電波減衰量が小さくなると、受信機が過入力となり、歪みが発生し、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さくなる。この場合、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、アンテナ素子３ａからアンテナ素子３ｂに、アンテナ利得切換装置４が受信品質判定回路１２からの指示によって切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続される状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６へ接続しても、過入力により歪みが発生し、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ｃに、アンテナ利得切換装置４が受信品質判定回路１２からの指示によって切り換える。
【００２２】
なお、受信品質判定回路１２において基準値を２つ使用することもできる。この場合、１つの基準値は、上述したのと同様に、Ｃ／Ｎを判断するのに使用するためのＣ／Ｎ用の基準値である。もう１つの基準値は、送信される送信信号のレベルを判断するのに使用するレベル用の基準値である。Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも小さく、送信信号のレベルがレベル用の基準値よりも小さいと受信品質判定回路１２において判定された場合、現在選択されているアンテナ素子よりも利得の大きいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するように受信品質判定回路１２がアンテナ利得切換回路４に指示する。これによってＣ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも大きくなると、現在選択されているアンテナ素子が高周波受信回路６に接続されている状態が維持される。しかし、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用基準値よりもまだ小さい場合と受信品質判定回路１２において判定されると、さらに利得が大きいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。また、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも小さく、送信信号のレベルがレベル用の基準値よりも大きいと受信品質判定回路１２が判定すると、現在選択されているアンテナ素子よりも利得の小さいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。これによってＣ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも大きくなると、現在選択されているアンテナ素子が高周波受信回路６に接続されている状態が維持される。しかし、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用基準値よりもまだ小さい場合には、さらに利得が小さいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、例えば従来のように１つのアンテナのみを使用していた場合、晴天時に、この１つのアンテナによって受信できる範囲が、送信機に近い受信点ｄ１から、送信機から遠い受信点ｄ２までの範囲であるとする。なお送信機から受信点ｄ１までの距離よりも送信機からの距離が短い受信点では、上述したように高周波受信回路６が過入力となり受信品質が低下する。送信機から受信点ｄ２までの距離よりも送信機からの距離が長い受信点では、受信レベルが低く受信品質が低下する。また、雨天時に、この１つのアンテナによって受信できる範囲が、送信機からの距離が短い受信点ｄ３から受信機からの距離が長い受信点ｄ４であるとする。この場合、送信機から受信点ｄ３までの距離は送信機から受信点ｄ１までの距離よりも短く、送信機から受信点ｄ４までの距離は送信機から受信点ｄ２までの距離よりも短い。従って、晴天でも雨天でも（全天候で）良好に１つのアンテナで受信できる範囲（使用可能距離範囲）は受信点ｄ１から受信点ｄ４までの範囲となる。
【００２４】
これに対し、晴天時に第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる距離範囲は、同図（ｂ）に示すように、送信機からの距離が短い受信点Ｄ１から、送信機からの距離が長い受信点Ｄ２までであるとする。この場合、送信機から受信点Ｄ１までの距離は送信機から受信点ｄ１までの距離より短い。これは、アンテナ利得を低下させることによって過入力を防止できるからである。また送信機から受信点Ｄ２までの距離は送信機から受信点ｄ２までの距離よりも長い。これは、アンテナ利得を大きくすることによって受信品質の低下を防止できるからである。同様に雨天時に第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる範囲は、送信機からの距離が短い受信点Ｄ３から、送信機からの距離が長い受信点Ｄ４までの範囲である。送信機から受信点Ｄ３までの距離は、送信機から受信点ｄ３までの距離よりも短く、送信機から受信点Ｄ４までの距離は送信機から受信点ｄ４よりも長い。従って、晴天でも雨天でも（全天候で）第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる距離範囲（使用可能距離範囲）は受信点Ｄ１から受信点Ｄ４までとなる。これは、図４（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、従来の１つのアンテナを使用する場合よりも長い距離範囲となる。従って、このアンテナ装置を使用すると、雨天及び晴天を考慮して、いずれの場合でも使用できる伝送距離範囲を従来のものよりも広げることができる。
【００２５】
なお、低利得の１つのアンテナを設置し、高周波受信回路６を自動利得制御回路を備えたものとすることも考えられるが、この場合、低利得アンテナでの受信信号が低レベルであると、高周波受信回路において大きな利得で増幅されるが、その際にノイズも大きく増幅され、その結果Ｃ／Ｎが低下するので、１つの低利得アンテナと自動利得制御回路との組合せの使用は望ましくない。また高利得の１つのアンテナを設置し、このアンテナと高周波受信回路６との間に可変減衰器を備え、この可変減衰器の減衰量を例えば受信品質判定回路１２の判定結果に従って調整することも考えられるが、例えば高利得アンテナの受信レベルが大きい場合に、可変減衰器によって減衰させることによって波形が歪むことがあり、この場合、受信品質が低下するので、１つの高利得アンテナの使用は望ましくない。
【００２６】
本発明の第２の実施形態のアンテナ装置を図５及び図６に示す。この実施形態のアンテナ装置では、図５に示すように、アンテナ２０が複数、例えば３台のミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって構成されている。これらアンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力のうち、アンテナ切換装置４によって選択された１つが高周波受信回路６に供給されている。また、各アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力が受信品質判定回路１２ａに供給されている。受信品質判定回路１２ａでは、各アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力それぞれについてＣ／Ｎを測定し、最も良好なＣ／Ｎを持つアンテナ素子の出力が高周波受信回路６に供給されるように、受信品質判定回路１２ａがアンテナ切換装置４を切り換える。
【００２７】
ミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、図６に示すように、同一構造のレンズアンテナである。これらミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、筒状体、例えば外円筒部２８を有している。この外円筒部２８の中心軸線上に、受信部、例えばパッチアンテナ３０が位置している。このパッチアンテナ素子３０は、基板３２に支持されている。この外円筒部２８の先端部は開口され、その先端部の内周面には、雌ねじ３４が形成されている。この外円筒部２８の先端部の開口から突出するように、誘電体レンズ３６が配置されている。この誘電体レンズ３６の後部に一体に筒状部、例えば内円筒部３８が形成されている。この内円筒部３８は、外円筒部２８内に進入している。この誘電体レンズ３６、内円筒部３８及び外円筒部２８の中心軸は、それぞれ一致している。内円筒部３８の外周面には、雄ねじ４０が形成され、この雄ねじ４０は、雌ねじ３４に螺合している。従って、雄ねじ４０の雌ねじ３４への螺合位置を調整することによって、誘電体レンズ３６とパッチアンテナ３０との距離を調整することができる。
【００２８】
この距離の調整により、ミリ波アンテナ素子２０ａでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がパッチアンテナ３０上に位置させられ、高利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。同様に、ミリ波帯アンテナ素子２０ｂでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がパッチアンテナ素子３０の幾分前方に位置させられ、中利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。ミリ波帯アンテナ素子２０ｃでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がミリ波帯アンテナ素子２０ｂの焦点位置よりもさらにパッチアンテナ素子３０の前方に位置させられ、低利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。このように焦点位置の調整によって、様々な異なる利得を有するミリ波帯アンテナ素子を容易に得ることができる。
【００２９】
なお、符号４２で示すのは、内円筒部３８の固定用ネジ、符号４４で示すのは、電波通過用の窓である。このアンテナ装置も、第１の実施形態のアンテナ装置と同様に使用される。
【００３０】
第１の実施形態では、高周波受信回路６の出力を受信品質判定回路１２に供給するように構成したが、第２の実施形態と同様に、各アンテナ素子３ａ、３ｂ、３ｃの出力を受信品質判定回路１２ａに供給するように構成することもできる。また、逆に、第２の実施形態において、高周波受信回路６の出力を受信品質判定回路１２に供給するように構成することもできる。上記の両実施形態では、受信品質の判定にＣ／Ｎを使用したが、これに限ったものではなく、例えば復調回路８の出力から各アンテナ素子に対応するビットエラーレートを算出し、算出されたビットエラーレートが許容基準範囲内であれば、アンテナの現在の状態を維持し、許容基準範囲外であれば、ビットエラーレートが許容基準範囲内になるようにアンテナを切り換えるようアンテナ利得切換装置４を制御する受信品質判定回路を使用することもできる。或いは各アンテナの受信レベルを検出し、各受信レベルのうち最大のものに対応するアンテナ素子を選択するようにアンテナ利得切換装置４を制御する受信品質判定回路を使用することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
２ ２０ 利得可変アンテナ
２ａ ２ｂ ２ｃ ２０ａ ２０ｂ、２０ｃ アンテナ素子
１２ １２ａ 受信品質判定回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ装置及びこのアンテナ装置を使用した無線伝送システムに関し、特にアンテナ装置のアンテナ利得を調整することが可能なものに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、例えばミリ波帯の電波を長距離伝送する場合、高利得アンテナを使用して電波を受信することがある。ミリ波帯の高利得アンテナとしては、例えば特許文献１に開示されているようなものがある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１０−２７８９７６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかし、高利得アンテナを受信に使用したまま、無線通信で短距離伝送を行った場合、高利得アンテナに接続された受信機が過入力となり、受信機において信号歪みが発生し、受信品質が劣化していた。従って、希望無線伝送距離に応じて、高利得アンテナと低利得アンテナとを使い分けており、無線伝送システムの仕様数が増加していた。
【０００５】
また、同じ伝送距離を伝送させる場合でも、晴天時と雨天時とでは空間での電波減衰量が異なり、必要とされるアンテナ利得が異なる。例えば、晴天時に最良のアンテナ利得を有するアンテナを設置した場合、雨天時には電波減衰量が大きく、充分な電界強度が受信アンテナで得られず、受信品質が劣化する。また、雨天時に最良のアンテナ利得を有するアンテナを設置した場合、晴天時には電波減衰量が小さく、電界強度が受信アンテナで大きくなり、受信機が過入力となり、信号歪みが発生し、受信品質が劣化する。無線通信システムとしては、天候に拘わらず、良好な通信をすることが必須であり、従って、アンテナ利得が固定されている場合には、晴天でも雨天でも良好に通信が可能な距離に通信距離が制限されていた。
【０００６】
本発明は、無線伝送システムの仕様数を減少させ、かつ無線伝送システムの通信可能距離範囲を拡大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する。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の一態様のアンテナ装置は、アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナを有している。このアンテナとしては、利得が異なる複数のアンテナ素子からなるものを使用することができる。このアンテナの受信信号の受信品質を判定手段が判定し、前記アンテナの利得を調整する。判定手段は、例えば受信信号のＣ／Ｎを測定して、受信品質を判定することができる。利得が異なる複数のアンテナ素子からアンテナが構成される場合には、前記判定手段の判定結果に従って、前記複数のアンテナ素子が切り換えられる。
【０００８】
このように構成されたアンテナ装置では、アンテナの利得を調整することができるので、天候が変化して、電波減衰量が変化しても、その電波減衰量に対応した利得にアンテナを自動的に調整することができるので、１台の無線伝送システムで、長い伝送距離範囲を確保することができる。また、長距離伝送用及び短距離伝送用いずれの無線伝送システムにも同一の構成のアンテナ装置を使用することができる。
【０００９】
前記複数のアンテナ素子は、ミリ波帯用の電波レンズと、この電波レンズを介して伝搬されたミリ波帯の電波を受信するアンテナ部とを、それぞれが有するレンズアンテナとすることができる。この場合、レンズアンテナは、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置に位置するものと、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置以外の位置に位置するものとを、含んでいる。このように構成すると、電波レンズの焦点位置にアンテナ部を配置させることによって高利得のアンテナ素子を構成することができ、電波レンズの焦点位置以外の位置にアンテナ部を配置させることによって低利得のアンテナ素子を構成することができる。
【００１０】
また、上述したいずれかのアンテナ装置は、ミリ波帯信号を送信する送信機と、この送信機から離れて配置され、送信機から送信されたミリ波帯信号を受信する受信機とを備えた無線伝送システムにおいて、前記受信機の受信アンテナとして使用することができる。このように構成した無線伝送システムでは、どのような天候状態でも無線伝送可能な距離を伸ばすことができるし、また様々な伝送距離に対しても１台の無線伝送システムを使用することができ、無線伝送システムの仕様数を減少させることができる。
【発明の効果】
【００１１】
以上のように、本発明によるアンテナ装置を使用することによって、無線伝送システムの仕様数を減少させ、かつ無線伝送システムの通信可能距離範囲を拡大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の第１の実施形態のアンテナ装置のブロック図である。
【図２】図１のアンテナ装置のアンテナ及びアンテナ切換装置の詳細なブロック図である。
【図３】図１のアンテナ装置を受信アンテナとして使用した無線伝送システムのブロック図である。
【図４】図１のアンテナ装置と従来のアンテナ装置との使用可能距離を示す図である。
【図５】本発明の第２の実施形態のアンテナ装置のブロック図である。
【図６】図５のアンテナ装置のアンテナ素子の詳細な構成を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の第１の実施形態のアンテナ装置は、図３に示すような無線伝送システムに使用されている。この無線伝送システムは、予め定めた距離を隔てて配置された送信機１ａと、受信機１ｂとから構成されている。これら送信機１ａ及び受信機１ｂは、例えばミリ波帯の信号を送受信するものである。送信機１ａは、送信アンテナ２ａからミリ波帯の信号を送信し、受信機１ｂは、受信アンテナ２ｂによって、このミリ波帯の信号を受信する。この受信アンテナ２ｂに、本発明の第１の実施形態のアンテナ装置が使用されている。
【００１４】
本発明の第１の実施形態のアンテナ装置は、図１に示すように、ミリ波帯受信用の利得可変アンテナ３を有している。この利得可変アンテナ３は、アンテナ利得切換装置４によって、その利得が、複数段階、例えば３段階に切り換えられる。この利得可変アンテナ３は、送信機１ａの送信アンテナ２ａから送信された例えばデジタル信号で変調されたミリ波帯の送信信号を受信し、この送信信号に対応した受信信号を出力する。この受信信号は、高周波（ＲＦ）受信回路６に供給され、増幅及び中間周波信号への周波数変換等の信号処理が行われる。この高周波受信回路６の出力は、復調回路８に供給され、ここでデジタル信号に復調される。復調されたデジタル信号は誤り訂正回路１０で誤り訂正が行われ、後続の処理回路に供給される。
【００１５】
アンテナ利得切換装置４によりアンテナ切換を行うために、高周波受信回路６の出力が、受信品質判定回路１２に供給される。受信品質判定回路１２は、高周波受信回路６の出力の受信品質を判定する。受信品質判定回路１２は、例えばこの出力のＣ／Ｎを測定し、これを予め定めた基準値と比較し、Ｃ／Ｎが基準値以上の場合には、アンテナ利得切換装置４によって現在の利得が維持される。Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合には、過入力となっているか若しくは受信信号が低下している可能性があるので、Ｃ／Ｎが最も大きくなるようにアンテナ利得切換装置４によって利得可変アンテナ３の利得が調整される。
【００１６】
図２に、利得可変アンテナ３とアンテナ利得切換装置４の詳細な構成を示す。利得可変アンテナ３は、例えば絶対利得が４５ｄＢｉの高利得アンテナ素子３ａと、絶対利得が３０ｄＢｉの中利得アンテナ素子３ｂと、絶対利得が２０ｄＢｉの低利得アンテナ素子３ｃとからなる。アンテナ利得切換装置４は、各アンテナ素子３ａ、３ｂ、３ｃの受信信号のうち１つを選択して、高周波受信回路６に供給する切換スイッチである。このアンテナ利得切換装置４によるアンテナの切換は、受信品質判定回路１２の指示によって行われる。そのため、上述したように高周波受信回路６の出力が受信品質判定回路１２に供給されている。そして、受信品質判定回路１２によって測定されたＣ／Ｎと予め定めた基準値との比較が行われる。
【００１７】
例えば、このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとが予め定めた距離をおいて設置されている場合、その距離が比較的長くて、アンテナ利得が小さいアンテナ素子３ｃがアンテナ利得切換装置４によって選択されているとすると、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ素子３ｃからアンテナ素子３ｂに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続された状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６に接続しても、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さい場合、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ａに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。
【００１８】
逆に、このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとの距離が比較的短い場合であって、アンテナ素子３ａがアンテナ利得切換装置４によって選択されているとする。この場合、高周波受信回路６が過入力となり、歪みが発生し、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ素子３ａからアンテナ素子３ｂに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続された状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６に接続しても、過入力による歪みが発生し、Ｃ／Ｎが予め定めた基準値よりも小さい場合、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ｃに高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、受信品質判定回路１２の指示によってアンテナ利得切換装置４が切り換える。
【００１９】
このように、このアンテナ装置を使用することによって、長い無線伝送距離であっても、短い無線伝送距離であっても、１台のアンテナ装置を使用することができ、このアンテナ装置の使用可能距離に幅を持たせることができ、この幅は、従来の１つのアンテナのみを使用していた場合に可能な使用可能距離よりも格段に広い。
【００２０】
このアンテナ装置を受信アンテナ２ｂとした受信機１ｂと、送信機１ａとが予め定めた距離をおいて野外に設置されている場合を考える。この状態で、天候が悪化して、空間での電波減衰量が大きくなった場合、例えばアンテナ素子３ｃがアンテナ利得切換装置４によって選択されていると、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さくなる。この場合、アンテナ利得切換装置４が、受信品質判定回路１２からの指示によって、アンテナ素子３ｃからアンテナ素子３ｂに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続される状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６へ接続しても、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合、アンテナ利得切換装置４が、受信品質判定回路１２からの指示によって、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ａに、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を切り換える。
【００２１】
このように悪天候で、高利得のアンテナ素子３ａが高周波受信回路６に接続されている状態から、天候が回復して、空間電波減衰量が小さくなると、受信機が過入力となり、歪みが発生し、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さくなる。この場合、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、アンテナ素子３ａからアンテナ素子３ｂに、アンテナ利得切換装置４が受信品質判定回路１２からの指示によって切り換える。この切換によって、Ｃ／Ｎが基準値以上であれば、アンテナ素子３ｂが高周波受信回路６に接続される状態が維持される。しかし、アンテナ素子３ｂを高周波受信回路６へ接続しても、過入力により歪みが発生し、Ｃ／Ｎが基準値よりも小さい場合、高周波受信回路６に接続されるアンテナ素子を、アンテナ素子３ｂからアンテナ素子３ｃに、アンテナ利得切換装置４が受信品質判定回路１２からの指示によって切り換える。
【００２２】
なお、受信品質判定回路１２において基準値を２つ使用することもできる。この場合、１つの基準値は、上述したのと同様に、Ｃ／Ｎを判断するのに使用するためのＣ／Ｎ用の基準値である。もう１つの基準値は、送信される送信信号のレベルを判断するのに使用するレベル用の基準値である。Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも小さく、送信信号のレベルがレベル用の基準値よりも小さいと受信品質判定回路１２において判定された場合、現在選択されているアンテナ素子よりも利得の大きいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するように受信品質判定回路１２がアンテナ利得切換回路４に指示する。これによってＣ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも大きくなると、現在選択されているアンテナ素子が高周波受信回路６に接続されている状態が維持される。しかし、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用基準値よりもまだ小さい場合と受信品質判定回路１２において判定されると、さらに利得が大きいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。また、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも小さく、送信信号のレベルがレベル用の基準値よりも大きいと受信品質判定回路１２が判定すると、現在選択されているアンテナ素子よりも利得の小さいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。これによってＣ／ＮがＣ／Ｎ用の基準値よりも大きくなると、現在選択されているアンテナ素子が高周波受信回路６に接続されている状態が維持される。しかし、Ｃ／ＮがＣ／Ｎ用基準値よりもまだ小さい場合には、さらに利得が小さいアンテナ素子を高周波受信回路６に接続するようにアンテナ利得切換回路４に受信品質判定回路１２から指示する。
【００２３】
図４（ａ）に示すように、例えば従来のように１つのアンテナのみを使用していた場合、晴天時に、この１つのアンテナによって受信できる範囲が、送信機に近い受信点ｄ１から、送信機から遠い受信点ｄ２までの範囲であるとする。なお送信機から受信点ｄ１までの距離よりも送信機からの距離が短い受信点では、上述したように高周波受信回路６が過入力となり受信品質が低下する。送信機から受信点ｄ２までの距離よりも送信機からの距離が長い受信点では、受信レベルが低く受信品質が低下する。また、雨天時に、この１つのアンテナによって受信できる範囲が、送信機からの距離が短い受信点ｄ３から受信機からの距離が長い受信点ｄ４であるとする。この場合、送信機から受信点ｄ３までの距離は送信機から受信点ｄ１までの距離よりも短く、送信機から受信点ｄ４までの距離は送信機から受信点ｄ２までの距離よりも短い。従って、晴天でも雨天でも（全天候で）良好に１つのアンテナで受信できる範囲（使用可能距離範囲）は受信点ｄ１から受信点ｄ４までの範囲となる。
【００２４】
これに対し、晴天時に第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる距離範囲は、同図（ｂ）に示すように、送信機からの距離が短い受信点Ｄ１から、送信機からの距離が長い受信点Ｄ２までであるとする。この場合、送信機から受信点Ｄ１までの距離は送信機から受信点ｄ１までの距離より短い。これは、アンテナ利得を低下させることによって過入力を防止できるからである。また送信機から受信点Ｄ２までの距離は送信機から受信点ｄ２までの距離よりも長い。これは、アンテナ利得を大きくすることによって受信品質の低下を防止できるからである。同様に雨天時に第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる範囲は、送信機からの距離が短い受信点Ｄ３から、送信機からの距離が長い受信点Ｄ４までの範囲である。送信機から受信点Ｄ３までの距離は、送信機から受信点ｄ３までの距離よりも短く、送信機から受信点Ｄ４までの距離は送信機から受信点ｄ４よりも長い。従って、晴天でも雨天でも（全天候で）第１の実施形態のアンテナ装置で受信できる距離範囲（使用可能距離範囲）は受信点Ｄ１から受信点Ｄ４までとなる。これは、図４（ａ）、（ｂ）の比較から明らかなように、従来の１つのアンテナを使用する場合よりも長い距離範囲となる。従って、このアンテナ装置を使用すると、雨天及び晴天を考慮して、いずれの場合でも使用できる伝送距離範囲を従来のものよりも広げることができる。
【００２５】
なお、低利得の１つのアンテナを設置し、高周波受信回路６を自動利得制御回路を備えたものとすることも考えられるが、この場合、低利得アンテナでの受信信号が低レベルであると、高周波受信回路において大きな利得で増幅されるが、その際にノイズも大きく増幅され、その結果Ｃ／Ｎが低下するので、１つの低利得アンテナと自動利得制御回路との組合せの使用は望ましくない。また高利得の１つのアンテナを設置し、このアンテナと高周波受信回路６との間に可変減衰器を備え、この可変減衰器の減衰量を例えば受信品質判定回路１２の判定結果に従って調整することも考えられるが、例えば高利得アンテナの受信レベルが大きい場合に、可変減衰器によって減衰させることによって波形が歪むことがあり、この場合、受信品質が低下するので、１つの高利得アンテナの使用は望ましくない。
【００２６】
本発明の第２の実施形態のアンテナ装置を図５及び図６に示す。この実施形態のアンテナ装置では、図５に示すように、アンテナ２０が複数、例えば３台のミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃによって構成されている。これらアンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力のうち、アンテナ切換装置４によって選択された１つが高周波受信回路６に供給されている。また、各アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力が受信品質判定回路１２ａに供給されている。受信品質判定回路１２ａでは、各アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃの出力それぞれについてＣ／Ｎを測定し、最も良好なＣ／Ｎを持つアンテナ素子の出力が高周波受信回路６に供給されるように、受信品質判定回路１２ａがアンテナ切換装置４を切り換える。
【００２７】
ミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、図６に示すように、同一構造のレンズアンテナである。これらミリ波帯アンテナ素子２０ａ、２０ｂ、２０ｃは、筒状体、例えば外円筒部２８を有している。この外円筒部２８の中心軸線上に、受信部、例えばパッチアンテナ３０が位置している。このパッチアンテナ素子３０は、基板３２に支持されている。この外円筒部２８の先端部は開口され、その先端部の内周面には、雌ねじ３４が形成されている。この外円筒部２８の先端部の開口から突出するように、誘電体レンズ３６が配置されている。この誘電体レンズ３６の後部に一体に筒状部、例えば内円筒部３８が形成されている。この内円筒部３８は、外円筒部２８内に進入している。この誘電体レンズ３６、内円筒部３８及び外円筒部２８の中心軸は、それぞれ一致している。内円筒部３８の外周面には、雄ねじ４０が形成され、この雄ねじ４０は、雌ねじ３４に螺合している。従って、雄ねじ４０の雌ねじ３４への螺合位置を調整することによって、誘電体レンズ３６とパッチアンテナ３０との距離を調整することができる。
【００２８】
この距離の調整により、ミリ波アンテナ素子２０ａでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がパッチアンテナ３０上に位置させられ、高利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。同様に、ミリ波帯アンテナ素子２０ｂでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がパッチアンテナ素子３０の幾分前方に位置させられ、中利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。ミリ波帯アンテナ素子２０ｃでは、誘電体レンズ３６の焦点位置がミリ波帯アンテナ素子２０ｂの焦点位置よりもさらにパッチアンテナ素子３０の前方に位置させられ、低利得のミリ波帯アンテナ素子とされている。このように焦点位置の調整によって、様々な異なる利得を有するミリ波帯アンテナ素子を容易に得ることができる。
【００２９】
なお、符号４２で示すのは、内円筒部３８の固定用ネジ、符号４４で示すのは、電波通過用の窓である。このアンテナ装置も、第１の実施形態のアンテナ装置と同様に使用される。
【００３０】
第１の実施形態では、高周波受信回路６の出力を受信品質判定回路１２に供給するように構成したが、第２の実施形態と同様に、各アンテナ素子３ａ、３ｂ、３ｃの出力を受信品質判定回路１２ａに供給するように構成することもできる。また、逆に、第２の実施形態において、高周波受信回路６の出力を受信品質判定回路１２に供給するように構成することもできる。上記の両実施形態では、受信品質の判定にＣ／Ｎを使用したが、これに限ったものではなく、例えば復調回路８の出力から各アンテナ素子に対応するビットエラーレートを算出し、算出されたビットエラーレートが許容基準範囲内であれば、アンテナの現在の状態を維持し、許容基準範囲外であれば、ビットエラーレートが許容基準範囲内になるようにアンテナを切り換えるようアンテナ利得切換装置４を制御する受信品質判定回路を使用することもできる。或いは各アンテナの受信レベルを検出し、各受信レベルのうち最大のものに対応するアンテナ素子を選択するようにアンテナ利得切換装置４を制御する受信品質判定回路を使用することもできる。
【符号の説明】
【００３１】
２ ２０ 利得可変アンテナ
２ａ ２ｂ ２ｃ ２０ａ ２０ｂ、２０ｃ アンテナ素子
１２ １２ａ 受信品質判定回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナと、
このアンテナの受信信号の受信品質を判定し、前記アンテナの利得を調整する判定手段とを、
具備するアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１記載のアンテナ装置において、前記アンテナは、利得が異なる複数のアンテナ素子からなり、前記判定手段の判定結果に従って、前記複数のアンテナ素子が切り換えられるアンテナ装置。
【請求項３】
請求項２記載のアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子は、ミリ波帯用の電波レンズと、この電波レンズを介して伝搬されたミリ波帯の電波を受信するアンテナ部とを、それぞれが有するレンズアンテナであって、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置に位置するものと、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置以外の位置に位置するものとを、含むアンテナ装置。
【請求項４】
ミリ波帯信号を送信する送信機と、この送信機から離れて配置され、前記ミリ波帯信号を受信する受信機とを、具備し、前記受信機は、請求項１乃至３いずれか記載のアンテナ装置を、受信アンテナとして備える無線伝送システム。
【請求項１】
アンテナ利得を変化させることが可能なアンテナと、
このアンテナの受信信号の受信品質を判定し、前記アンテナの利得を調整する判定手段とを、
具備するアンテナ装置。
【請求項２】
請求項１記載のアンテナ装置において、前記アンテナは、利得が異なる複数のアンテナ素子からなり、前記判定手段の判定結果に従って、前記複数のアンテナ素子が切り換えられるアンテナ装置。
【請求項３】
請求項２記載のアンテナ装置において、前記複数のアンテナ素子は、ミリ波帯用の電波レンズと、この電波レンズを介して伝搬されたミリ波帯の電波を受信するアンテナ部とを、それぞれが有するレンズアンテナであって、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置に位置するものと、前記アンテナ部が前記電波レンズの焦点位置以外の位置に位置するものとを、含むアンテナ装置。
【請求項４】
ミリ波帯信号を送信する送信機と、この送信機から離れて配置され、前記ミリ波帯信号を受信する受信機とを、具備し、前記受信機は、請求項１乃至３いずれか記載のアンテナ装置を、受信アンテナとして備える無線伝送システム。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１４７１３５（Ｐ２０１２−１４７１３５Ａ）
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２５０６（Ｐ２０１１−２５０６）
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００１０９６６８）ＤＸアンテナ株式会社 (394)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月２日（２０１２．８．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１月７日（２０１１．１．７）
【出願人】（０００１０９６６８）ＤＸアンテナ株式会社 (394)
【Ｆターム（参考）】
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