(57)【要約】【課題】空中浮揚型の通信中継装置におけるアンテナに用いることができ、軽量化を図りつつ大開口化が可能なアレイアンテナを提供する。【解決手段】アレイアンテナは、導電性を有するメッシュ構造の導電性部材と、前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置にアレイ状に配列した複数のアンテナ素子と、を備える。前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、ダイポールアンテナ、又は、第１ダイポールアンテナと第２ダイポールアンテナとが互いに交差したクロスダイポールアンテナであってもよい。前記アレイアンテナは、前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置に前記複数のアンテナ素子をそれぞれ位置決めして支持する複数の支持部を備えてもよい。【選択図】図２
2020178276.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
メッシュ構造の導電性部材と、
前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置にアレイ状に配列した複数のアンテナ素子と、
を備えることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項２】
請求項１のアレイアンテナにおいて、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、ダイポールアンテナであることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項３】
請求項１のアレイアンテナにおいて、
前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、第１ダイポールアンテナと第２ダイポールアンテナとが互いに交差したクロスダイポールアンテナであることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項４】
請求項１乃至３のいずれかのアレイアンテナにおいて、
前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置に前記複数のアンテナ素子をそれぞれ位置決めして支持する複数の支持部を備えることを特徴とするアレイアンテナ。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかのアレイアンテナを複数備えることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項６】
請求項５のアンテナ装置において、
前記複数のアレイアンテナは、角錐台状、円錐台状、角錐状、円錐状、角筒状又は円筒状の本体フレームに配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項７】
請求項６のアンテナ装置において、
前記アレイアンテナは、前記本体フレームの下方端部に形成した底面部に更に配置されていることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項８】
請求項６又は７のアンテナ装置において、
前記本体フレームに配置された前記アレイアンテナの複数のアンテナ素子の少なくとも一部は、前記本体フレームの外周側壁部における仮想鉛直面と交差する線に沿った方向に配列していることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項９】
端末装置の無線通信を中継する中継通信局を備える空中滞在型の通信中継装置であって、
前記端末装置との間のサービスリンクの無線通信に用いられるサービスリンク用アンテナと、
地上又は海上に設けられたゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信に用いられるフィーダリンク用アンテナと、を備え、
前記サービスリンク用アンテナ及び前記フィーダリンク用アンテナの少なくとも一方は、請求項５乃至８のいずれかのアンテナ装置であることを特徴とする通信中継装置。
【請求項１０】
請求項９の通信中継装置と、地上又は水上に設けられ前記通信中継装置との間でフィーダリンクの無線通信を行うゲートウェイ局と、を含むことを特徴とする通信システム。
【請求項１１】
請求項９の通信中継装置と、前記通信中継装置との間でサービスリンクの無線通信を行う端末装置と、を含むことを特徴とする通信システム。
【請求項１２】
請求項９の通信中継装置と、地上又は水上に設けられ前記通信中継装置との間でフィーダリンクの無線通信を行うゲートウェイ局と、前記通信中継装置との間でサービスリンクの無線通信を行う端末装置と、を含むことを特徴とする通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、複数のアンテナ素子が配列したアレイアンテナ、並びに、そのアレイアンテナを有するアンテナ装置、通信中継装置及び通信システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、空中に浮揚して滞在可能なドローン局や高高度プラットフォーム局（ＨＡＰＳ）（「高高度疑似衛星」ともいう。）等の通信中継装置が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１６／００４６３８７号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
上記空中浮揚型の通信中継装置（以下「上空中継装置」という。）のサービスリンクにおいて地上の広いエリアをカバーするために複数のセルを形成するマルチセル形成を行う場合がある。このようなマルチセル形成には、地上に向けて指向性を有するアンテナがセルごとに必要になるため、サービスリンク用のアンテナの大開口化が避けられない。また、上空中継装置が移動しても、地上におけるサービスリンクのセルのフットプリントが固定されるようにするには、サービスリンク用のアンテナは、指向性ビームの方向を変化させるビームステアリング可能な大開口のアレイ構成にする必要がある。このようなマルチセル形成及びビームステアリングのためのアレイ構成により、サービスリンク用のアンテナの大開口化が避けられず、軽量化が難しいという課題がある。また、上空中継装置のフィーダリンクにおいても、地上に向かう下方の全方向をカバーするために上記アレイ構成を採用する場合、上記サービスリンクの場合と同様にアンテナの大開口化が避けられず軽量化が難しいという課題がある。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本発明の一態様に係るアレイアンテナは、メッシュ構造の導電性部材と、前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置にアレイ状に配列した複数のアンテナ素子と、を備える。
前記アレイアンテナにおいて、前記複数のアンテナ素子はそれぞれ、ダイポールアンテナであってもよいし、又は、第１ダイポールアンテナと第２ダイポールアンテナとが互いに交差したクロスダイポールアンテナであってもよい。
前記アレイアンテナにおいて、前記導電性部材から所定距離だけ離れた位置に前記複数のアンテナ素子をそれぞれ位置決めして支持する複数の支持部を備えてもよい。前記支持部は絶縁性であってもよい。
また、前記複数のアンテナ素子はメッシュ構造の導電性部材のフレームに沿って設置してもよい。これにより、アレイアンテナの強度を保ちつつ軽量化が可能である。
【０００６】
本発明の他の態様に係るアンテナ装置は、前記いずれかのアレイアンテナを複数備える。
前記アンテナ装置において、前記複数のアレイアンテナは、角錐台状、円錐台状、角錐状、円錐状、角筒状又は円筒状の本体フレームに配置してもよい。
前記アンテナ装置において、前記アレイアンテナは、前記本体フレームの下方端部に形成した底面部に更に配置してもよい。
前記アンテナ装置において、前記本体フレームに配置された前記アレイアンテナの複数のアンテナ素子は、前記本体フレームの外周側壁部（外周側面部）における仮想鉛直面と交差する線に沿った方向に配列していてもよい。
【０００７】
本発明の更に他の態様に係る通信中継装置は、端末装置の無線通信を中継する中継通信局を備える空中滞在型の通信中継装置である。前記通信中継装置において、前記端末装置との間のサービスリンクの無線通信に用いられるサービスリンク用アンテナと、地上又は海上に設けられたゲートウェイ局との間のフィーダリンクの無線通信に用いられるフィーダリンク用アンテナと、を備え、前記サービスリンク用アンテナ及び前記フィーダリンク用アンテナの少なくとも一方は、前記いずれかのアンテナ装置である。
【０００８】
本発明の更に他の態様に係る通信システムは、前記通信中継装置と、地上又は水上（例えば海上）に設けられ前記通信中継装置との間でフィーダリンクの通信を行うゲートウェイ局とを含む。
本発明の更に他の態様に係る通信システムは、前記通信中継装置と、前記通信中継装置との間でサービスリンクの無線通信を行う端末装置と、を含む。
本発明の更に他の態様に係る通信システムは、前記通信中継装置と、地上又は水上（例えば海上）に設けられ前記通信中継装置との間でフィーダリンクの無線通信を行うゲートウェイ局と、前記通信中継装置との間でサービスリンクの無線通信を行う端末装置とを含む。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、空中浮揚型の通信中継装置におけるアンテナに用いることができるアレイアンテナの軽量化を図りつつ大開口化が可能になる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】本発明の一実施形態に係る通信システムにおける上空中継装置のセル構成の一例を示す説明図。
【図２】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るアレイアンテナの一例を示す斜視図、平面図及び底面図。
【図３】（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るアレイアンテナのアンテナ素子の一例を示す部分断面側面図、部分斜視図及び平面図。
【図４】（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係るサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）の一例を示す底面図及び斜視図。
【図５】図４のサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）の各アレイアンテナにおけるビームフォーミングの一例を示す説明図。
【図６】実施形態に係るサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）の他の例を示す底面図。
【図７】本実施形態に係る上空中継装置の中継通信局の主要構成の一例を示す説明図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る通信システムにおける上空中継装置２０のセル構成の一例を示す説明図である。本実施形態に係る通信システムは、多数の端末装置への同時接続や低遅延化などに対応する第５世代又はそれ以降の次世代の移動通信の３次元化ネットワークの実現に適する。
【００１２】
図１に示すように、通信システムは、複数の空中浮揚型の通信中継装置としての上空中継装置２０を備えている。なお、本実施形態の通信システムは、地上又は海上に設けられ上空中継装置２０との間でフィーダリンクの通信を行うゲートウェイ局（ＧＷ局）７０を含んでもよいし、上空中継装置２０との間でサービスリンクの無線通信を行う端末装置６１を含んでもよいし、ゲートウェイ局（ＧＷ局）７０及び端末装置６１の両方を含んでもよい。
【００１３】
上空中継装置２０は、所定高度の空域に位置して、所定高度のセル形成目標空域に３次元セル（３次元エリア）を形成する。上空中継装置２０は、自律制御又は外部から制御により地面又は海面から１００［ｋｍ］以下の高高度の空域（浮揚空域）に浮遊あるいは飛行して位置するように制御される浮揚体としてのドローン又は飛行船に、中継通信局２１が搭載されたものである。
【００１４】
上空中継装置２０の位置する空域は、例えば、地上（又は海や湖などの水上）の高度が１１［ｋｍ］以上及び５０［ｋｍ］以下の成層圏の空域であってもよい。この空域は、気象条件が比較的安定している高度１５［ｋｍ］以上２５［ｋｍ］以下の空域であってもよく、特に高度がほぼ２０［ｋｍ］の空域であってもよい。
【００１５】
本実施形態の通信システムにおける１又は２以上の上空中継装置で３次元セルを形成する目標の空域であるセル形成目標空域は、上空中継装置２０が位置する空域と従来のマクロセル基地局等の基地局（例えばＬＴＥのｅＮｏｄｅＢ）がカバーする地面近傍のセル形成領域との間に位置する、所定高度範囲（例えば、５０［ｍ］以上１０００［ｍ］以下の高度範囲）の空域である。
【００１６】
なお、本実施形態の３次元セルが形成されるセル形成目標空域は、海、川又は湖の上空であってもよい。また、上空中継装置２０で形成する３次元セルは、地上又は海上に位置する端末装置６１との間でも通信できるよう地面又は海面に達するように形成してもよい。
【００１７】
上空中継装置２０の中継通信局２１はそれぞれ、サービスリンクのアンテナ装置であるサービスリンク用アンテナ（以下「ＳＬアンテナ」という。）２１５により、移動局である端末装置６１と無線通信するための複数のビームを地面に向けて形成する。端末装置６１は、遠隔操縦可能な小型のヘリコプター等の航空機であるドローンに組み込まれた通信端末モジュールでもよいし、飛行機の中でユーザが使用するユーザ装置であってもよい。セル形成目標空域においてビームが通過する領域が３次元セルである。セル形成目標空域において互いに隣り合う複数のビームは部分的に重なってもよい。
【００１８】
上空中継装置２０の中継通信局２１はそれぞれ、例えば、地上（又は海上等の水上）側のコアネットワークに接続された中継局としてのゲートウェイ局（「フィーダ局」ともいう。）７０と無線通信する基地局、又は、地上（又は海上等の水上）側の基地局に接続された中継局としてのフィーダ局（リピーター親機）７０と無線通信するリピーター子機である。
【００１９】
上空中継装置２０の中継通信局２１は、フィーダリンク用アンテナ（以下「ＦＬアンテナ」という。）２１１により無線通信可能な地上又は海上に設置されたフィーダ局７０を介して、移動通信網のコアネットワークに接続されている。上空中継装置２０とフィーダ局７０との間のフィーダリンクの通信は、マイクロ波などの電波による無線通信で行ってもよいし、レーザ光などを用いた光通信で行ってもよい。
【００２０】
上空中継装置２０はそれぞれ、内部に組み込まれたコンピュータ等で構成された制御部が制御プログラムを実行することにより、自身の浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。例えば、上空中継装置２０はそれぞれ、自身の現在位置情報（例えばＧＰＳ位置情報）、予め記憶した位置制御情報（例えば、飛行スケジュール情報）、周辺に位置する他の上空中継装置の位置情報などを取得し、それらの情報に基づいて浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理を自律制御してもよい。
【００２１】
また、上空中継装置２０それぞれの浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理は、移動通信網の通信センター等に設けられた管理装置としての管理装置（「遠隔制御装置」ともいう。）によって制御できるようにしてもよい。管理装置は、例えば、ＰＣなどのコンピュータ装置やサーバ等で構成することができる。この場合、上空中継装置２０は、管理装置からの制御情報を受信したり管理装置に監視情報などの各種情報を送信したりできるように制御用通信端末装置（例えば、移動通信モジュール）が組み込まれ、管理装置８ら識別できるように端末識別情報（例えば、ＩＰアドレス、電話番号など）が割り当てられるようにしてもよい。制御用通信端末装置の識別には通信インターフェースのＭＡＣアドレスを用いてもよい。
【００２２】
また、上空中継装置２０はそれぞれ、自身又は周辺の上空中継装置の浮揚移動（飛行）や中継通信局２１での処理に関する情報、上空中継装置２０の状態に関する情報や各種センサなどで取得した観測データなどの監視情報を、管理装置等の所定の送信先に送信するようにしてもよい。制御情報は、上空中継装置の目標飛行ルート情報を含んでもよい。監視情報は、上空中継装置２０の現在位置、飛行ルート履歴情報、対気速度、対地速度及び推進方向、上空中継装置２０の周辺の気流の風速及び風向、並びに、上空中継装置２０の周辺の気圧及び気温の少なくとも一つの情報を含んでもよい。
【００２３】
中継通信局２１と端末装置６１との無線通信の上りリンク及び下りリンクの複信方式は、特定の方式に限定されず、例えば、時分割複信（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ：ＴＤＤ）方式でもよいし、周波数分割複信（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｄｕｐｌｅｘ：ＦＤＤ）方式でもよい。また、中継通信局２１と端末装置６１との無線通信のアクセス方式は、特定の方式に限定されず、例えば、ＦＤＭＡ（Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＴＤＭＡ（Ｔｉｍｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式、ＣＤＭＡ（Ｃｏｄｅ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）方式、又は、ＯＦＤＭＡ（Ｏｒｔｈｏｇｏｎａｌ  Ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅ  Ａｃｃｅｓｓ）であってもよい。また、前記無線通信には、ダイバーシティ・コーディング、送信ビームフォーミング、空間分割多重化（ＳＤＭ：Ｓｐａｔｉａｌ  Ｄｉｖｉｓｉｏｎ  Ｍｕｌｔｉｐｌｅｘｉｎｇ）等の機能を有し、送受信両方で複数のアンテナを同時に利用することにより、単位周波数当たりの伝送容量を増やすことができるＭＩＭＯ（多入力多出力：Ｍｕｌｔｉ−Ｉｎｐｕｔ  ａｎｄ  Ｍｕｌｔｉ−Ｏｕｔｐｕｔ）技術を用いてもよい。また、前記ＭＩＭＯ技術は、１つの基地局が１つの端末装置と同一時刻・同一周波数で複数の信号を送信するＳＵ−ＭＩＭＯ（Ｓｉｎｇｌｅ−Ｕｓｅｒ  ＭＩＭＯ）技術でもよいし、１つの基地局が複数の異なる端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信又は複数の異なる基地局が１つの端末装置に同一時刻・同一周波数で信号を送信するＭＵ−ＭＩＭＯ（Ｍｕｌｔｉ−Ｕｓｅｒ  ＭＩＭＯ）技術であってもよい。
【００２４】
なお、以下の実施形態では、端末装置６１と無線通信する中継通信局２１を有する通信中継装置が、ドローンタイプの上空中継装置２０の場合について図示して説明するが、通信中継装置は無人飛行船タイプ、ソーラープレーンタイプ又は他のタイプの上空中継装置であってもよい。
【００２５】
ここで、ドローンは、操縦者が搭乗しないで外部からの遠隔制御又は自律制御により飛行が制御される航空機等の移動体である。ドローンは、例えば、トライコプター（ローター３個）、クアッドコプター(ローター４個)、ヘキサコプター(ローター６個)、オクトコプター(ローター８個)等のマルチコプター（マルチローター）型ドローンのほか、一般的なヘリコプター、固定翼型ドローンでもよい。ドローンは、上空（大気圏外の宇宙空間を含む）を飛行して移動するものほか、地上、地中、水上、水中等を移動するものであってもよい。また、ドローンは一般的には無人であるが、有人であってもよい。
【００２６】
また、上空中継装置２０とフィーダ局としてのゲートウェイ局（以下「ＧＷ局」と略す。）７０を介した基地局（例えば、ｅＮｏｄｅＢ、ｇＮｏｄｅＢ）９０との間のリンクを「フィーダリンク」といい、上空中継装置２０と端末装置６１の間のリンクを「サービスリンク」という。特に、上空中継装置２０とＧＷ局７０との間の区間を「フィーダリンクの無線区間」という。また、ＧＷ局７０から上空中継装置２０を経由して端末装置６１に向かう通信のダウンリンクを「フォワードリンク」といい、端末装置６１から上空中継装置２０を経由してＧＷ局７０に向かう通信のアップリンクを「リバースリンク」ともいう。
【００２７】
図１の例において、上空中継装置２０は、例えば高度が約２０ｋｍの成層圏に位置し、複数のセル２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（４）を形成し、その複数セル（４セル）構成のセル２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（４）のフットプリント２００Ｆ（１）〜２００Ｆ（４）が地上（又は海や湖などの水上）のサービスエリアになるが、これらの構成に限定されるものではない。例えば、上空中継装置２０で形成するセルの数は３以下又は５以上であってもよい。
【００２８】
上記構成の通信システムにおいて、サービスリンクの地上（又は水上）の広いエリアをカバーするために複数のセル２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（４）を形成するマルチセル形成を行っている。このようなマルチセル形成には、上空から地上（又は水上）に向いた指向性を有するアンテナがセルごとに必要になるため、ＳＬアンテナ２１５の大開口化が避けられない。また、上空中継装置２０が上空で移動してもサービスリンクのフットプリント２００Ｆ（１）〜２００Ｆ（４）が固定されるようにするには、ＳＬアンテナ２１５は、指向性ビームの方向を変化させるビームステアリング可能な大開口のアレイ構成にする必要がある。このようなマルチセル形成及びビームステアリングのためのアレイ構成により、ＳＬアンテナ２１５の大開口化が避けられず軽量化が難しい。
【００２９】
そこで、本実施形態では、以下に示すように、マルチセル形成及びビームステアリングが可能なＳＬアンテナ２１５を、大開口化及び軽量化が可能なメッシュリフレクタ部材とクロスダイポールとを組み合わせたアレイアンテナで構成している。
【００３０】
図２（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るＳＬアンテナ２１５に適用可能なアレイアンテナ２１６の一例を示す斜視図、平面図及び底面図である。図２において、アレイアンテナ２１６は、アンテナフレーム２１６Ｆに設けられたメッシュ構造の導電性部材であるメッシュリフレクタ部材２１７と、メッシュリフレクタ部材２１７からマイクロ波の自由空間波長λ０の１／４だけ離れた位置にアレイ状に配列した導電性材料（例えば金属）からなる複数のアンテナ素子２１８と、を備える。アンテナフレーム２１６Ｆは、外枠フレームと対角線状に設けた内側フレームとを有する。本実施形態では、複数のアンテナ素子２１８をアンテナフレーム２１６Ｆ（図示の例では、対角線状の内側フレーム）に沿って設置することにより、アレイアンテナ２１６の強度を保ちつつ軽量化を図っている。なお、複数のアンテナ素子２１８は、１次元的に配列してもよいし、２次元的に配列してもよい。
【００３１】
複数のアンテナ素子２１８はそれぞれ、第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２と第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２とが互いに交差したクロスダイポールアンテナである。第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２は、水平偏波の電波を送受信するためのアンテナ素子である。第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２は、垂直偏波の電波を送受信するためのアンテナ素子である。複数のアンテナ素子２１８はそれぞれ、単体のアンテナ素子としては、メッシュリフレクタ部材２１７とは反対側に向いた方向（図中の上方向）に対して主ビームの指向性を有する。
【００３２】
なお、複数のアンテナ素子２１８はそれぞれ、単一のダイポールアンテナであってもよいし、又は、ダイポールアンテナ以外の形状を有するアンテナ素子であってもよい。
【００３３】
メッシュリフレクタ部材２１７は、例えば図示のように複数の金属ワイヤ２１７ａ，２１７ｂを編み込んで互いに交差するように形成することができる。本実施形態のメッシュリフレクタ部材２１７は、多数の孔を有する構造であるため、孔のない板状部材を用いた場合とは異なり、アレイアンテナ２１６の軽量化、並びに、それを用いたＳＬアンテナ２１５及び上空中継装置２０の軽量化に寄与することができる。
【００３４】
なお、メッシュリフレクタ部材２１７には、第１ダイポールアンテナの一方の素子（ＧＮＤ側素子）２１８ｈ２を接続し、第２ダイポールアンテナの一方の素子（ＧＮＤ側素子）２１８ｖ２を接続してもよい。また、メッシュリフレクタ部材２１７は、複数のアンテナ素子２１８それぞれにおいて送受信される電波を反射する反射部材として機能するものであってもよい。
【００３５】
第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２の各素子の長さ及び第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２の各素子の長さは、例えば、送受信する電波の自由空間波長λ０の１／４である。この場合、第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２の全体の長さ、及び、第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２の全体の長さは、１／２λ０の長さになる。また、複数のアンテナ素子２１８それぞれとメッシュリフレクタ部材２１７との間隔は、例えば０．２５λ０程度の長さである。
【００３６】
図３（ａ），（ｂ）及び（ｃ）はそれぞれ、実施形態に係るアレイアンテナ２１６のアンテナ素子２１８の一例を示す部分断面側面図、部分斜視図及び平面図である。図３において、アレイアンテナ２１６は、メッシュリフレクタ部材２１７から所定距離（間隙）だけ離れた位置に複数のアンテナ素子２１８をそれぞれ位置決めして支持する複数の支持部（支柱部）２１９を備える。支持部２１９は絶縁体であってもよいし導電性材料（例えば、金属）で形成されたものであってもよい。支持部２１９が導電性材料で形成されている場合、支持部２１９の高さは波長λ０の１／４であってもよい。支持部２１９の一方の端部は、メッシュリフレクタ部材２１７上の所定の配列位置に固定されている。また、支持部２１９のもう一方の端部に、第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２及び第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２が固定されている。
【００３７】
支持部２１９に形成された貫通孔２１９ｈ，２１９ｖにはそれぞれ、第１ダイポールアンテナ２１８ｈ１，２１８ｈ２の送受信信号を伝送する金属ワイヤ２２０ｈと、第２ダイポールアンテナ２１８ｖ１，２１８ｖ２の送受信信号を伝送する金属ワイヤ２２０ｖとが挿入される。貫通孔２１９ｈと金属ワイヤ２２０ｈ、および貫通孔２１９ｖと金属ワイヤ２２０ｖにより各ダイポールアンテナ支持部内に同軸構造が形成され、信号が伝搬される。金属ワイヤ２２０ｈ，２２０ｖそれぞれの一方の端部のフィードワイヤは、第１ダイポールアンテナ及び第２ダイポールアンテナそれぞれの一方の素子２１８ｈ１，２１８ｖ１に接続されている。また、金属ワイヤ２２０ｈ，２２０ｖそれぞれの他方の端部は、メッシュリフレクタ部材２１７の下面に設けられている高周波コネクタ２２１ｈ，２２１ｖに接続されている。なお、信号ケーブル２２０ｈ，２２０ｖはそれぞれ、同軸ケーブルなどの不平衡型のケーブルでもよいし、平衡型のケーブルであってもよい。また、信号ケーブル２２０ｈ，２２０ｖおよび２１９ｈ，２１９ｖから形成される同軸給電部の代わりに、支持部２１９の側面に信号線路を配置してもよい。
【００３８】
図４（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ、実施形態に係るサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）２１５の一例を示す底面図及び斜視図である。図４において、ＳＬアンテナ２１５は、中空の角錐台状の本体である枠構造体（本体フレーム）２２１を備えている。ここで、角錐台や円錐台などの錐台は、錐体から、頂点を共有し相似に縮小した錐体を取り除いた立体図形であり、錐体面と２つの平行な平面によって囲まれる立体図形である。ＳＬアンテナ２１５の本体フレーム２２１は、中空構造であってもよい。また、本体フレーム２２１は、円錐台状、角錐状、円錐状、円筒状又は角柱状の枠構造体であってもよい。本体フレーム２２１の外周側壁部（外周側面部）２２２には、複数のアレイアンテナ２１６Ｓ（１），２１６Ｓ（２），２１６Ｓ（３），２１６Ｓ（４）が配置されている。本体フレーム２２１の外周側壁部２２２に配置された複数のアレイアンテナ２１６Ｓ（１）〜２１６Ｓ（４）それぞれにおいて、複数のアンテナ素子２１８は、本体フレーム２２１の外周側壁部２２２における仮想鉛直面と交差する線に沿った方向（図４（ｂ）中の上下斜め方向）に２列ずつ配列している。
【００３９】
なお、図示のアレイアンテナ２１６Ｓ（１）〜２１６Ｓ（４）は、アンテナ素子２１８が２次元的に配列した２列のアレイアンテナを用いているが、アンテナ素子２１８が上下方向に一列に配列したリニアアレイアンテナを用いてもよい。
【００４０】
また、図４では、アレイアンテナ２１６の数が１６個であり、中心軸に垂直な仮想水平面における外周側壁部２２２の外縁の断面形状が四角形である例であるが、アレイアンテナの数は１５個以下又は１７個以上であってもよく、前記外周側壁部２２２の外縁の断面形状は三角形、五角形以上の多角形であってもよい。
【００４１】
図５は、図４のサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）２１５の各アレイアンテナ２１６におけるビームフォーミングの一例を示す説明図である。アレイアンテナ２１６の斜め上下方向に配列した複数のアンテナ素子（クロスダイポールアンテナ）２１８に対する送信信号及び受信信号のそれぞれについて位相及び振幅を制御することにより、ＳＬアンテナ２１５から地上（又は水上）に向かう指向性ビームＢｍの方向、すなわち、ＳＬアンテナ２１５の指向性ビームＢｍの水平方向Ｈを基準にした下向きの角度である俯角θを調整することができる。また、アレイアンテナ２１６の水平方向（図5の紙面に垂直な方向）に配列した複数のアンテナ素子（クロスダイポールアンテナ）２１８に対する送信信号及び受信信号のそれぞれについて位相及び振幅を制御することにより、ＳＬアンテナ２１５の指向性ビームＢｍの垂直面（メッシュリフレクタ部材２１７の表面に垂直な線を含む鉛直面。図５の紙面に平行な面）からの傾き角度であるアジマス角（方位角）ψを調整することができる。このように指向性ビームＢｍの俯角θ及びアジマス角（方位角）ψを調整することにより、地上（又は水上）の所定エリアに向けてサービスリンクのセルを形成することができる。
【００４２】
図６は、実施形態に係るサービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）の他の例を示す底面図である。図６に示すように、ＳＬアンテナ２１５の本体フレーム２２１の底面部２２３に、アレイアンテナ２１６Ｂを更に配置してもよい。アレイアンテナ２１６Ｂは、図４の外周側壁部２２２に設けたアレイアンテナ２１６（１）２１６（４）と同様なアレイアンテナである。アレイアンテナ２１６Ｂは、ＳＬアンテナ２１５の真下方向（図４（ｂ）の下方向）に位置するサービスエリアに向けて主ビームの指向性を有するようにビームフォーミング制御され、当該サービスエリアに向いたセルを効率よく形成することができる。
【００４３】
なお、本実施形態では、図２〜図６に示した複数のアレイアンテナ２１６を備えたアンテナ装置がＳＬアンテナ２１５である場合について説明したが、図２〜図６に示した複数のアレイアンテナ２１６を備えたアンテナ装置は、ＦＬアンテナ２１１に適用してもよいし、ＳＬアンテナ２１５及びＦＬアンテナ２１１の両方に適用してもよい。
【００４４】
図７、実施形態に係る上空中継装置２０の中継通信局２１の主要構成の一例を示す説明図である。図７において、中継通信局２１は、フィーダリンク通信部２３１とサービスリンク通信部２３２と周波数変換部２３３と各部を制御する制御部２３４とを備える。
【００４５】
フィーダリンク通信部２３１は、ＦＬアンテナ２１１を介してＧＷ局７０との間でフィーダリンク用の第１周波数Ｆ１の無線信号を送受信する。サービスリンク通信部２３２は、サービスリンク用アンテナ１１５を介して端末装置６１との間でサービスリンク用の第２周波数Ｆ２の無線信号を送受信する。サービスリンク通信部２３２は、複数のアレイアンテナ２１６それぞれについて、アレイアンテナ２１６の複数のアンテナ素子（クロスダイポールアンテナ）２１８に対する送信信号及び受信信号のそれぞれの位相及び振幅を調整する機能を有する。
【００４６】
周波数変換部２３３は、フィーダリンク通信部２３１とサービスリンク通信部２３２との間で第１周波数Ｆ１と第２周波数Ｆ２との周波数変換を行う。中継通信局２１で中継される無線信号は、例えば、ＬＴＥ又はＬＴＥ−Ａｄｖａｎｃｅｄの標準規格に準拠したＯＦＭＤＡ通信方式を用いて送受信してもよい。この場合は、無線信号の遅延が異なるマルチパスが発生しても良好な通信品質を維持できる。
【００４７】
制御部２３４は、予め組み込まれたプログラムを実行することにより各部を制御することができる。例えば、制御部２３４は、上空中継装置２０の現在位置、飛行ルート、回転、姿勢（例えば水平面からの傾き）等に基づいて、ＳＬアンテナ２１５の各アレイアンテナ２１６のビームによって形成するセルが所定位置に位置するように、サービスリンク通信部２３２を制御する。
【００４８】
なお、移動通信網の通信オペレータの遠隔制御装置（制御元）からの制御情報を受信したり遠隔制御装置に情報を送信したりする場合は、制御部２３４に接続されたユーザ端末（移動局）２３６を備えてもよい。制御部２３４は、例えば、遠隔制御装置から送信されてきた制御情報をユーザ端末（移動局）２３６で受信し、その制御情報に基づいて各部を制御してもよい。ここで、遠隔制御装置とユーザ端末（移動局）２３６との間の通信は、例えば遠隔制御装置及びユーザ端末（移動局）２３６それぞれに割り当てられたＩＰアドレス（又は電話番号）を用いて行ってもよい。
【００４９】
以上、本実施形態によれば、マルチセル形成及びビームステアリングが可能なＳＬアンテナ２１５に用いるアレイアンテナ２１６を、メッシュリフレクタ部材２１７とクロスダイポール２１８とを組み合わせて構成することにより、アレイアンテナ２１６の軽量化を図りつつ大開口化が可能になる。
【００５０】
特に、本実施形態によれば、ＳＬアンテナ２１５に用いるアレイアンテナ２１６に用いたメッシュリフレクタ部材２１７及びクロスダイポール２１８は軽量化に有利であるだけでなく、空気が通過しやすい構造を有するため、上空で風の影響を受けにくい。
【００５１】
更に、本実施形態によれば、各アレイアンテナ２１６のアンテナ素子としてクロスダイポール２１８を用いることにより、各セルのサービスリンクにおいて水平偏波及び垂直偏波それぞれの電波を同時に用いて端末装置６１と無線通信することができる。
【００５２】
また、本実施形態によれば、各アレイアンテナ２１６においてメッシュリフレクタ部材２１７上にクロスダイポール２１８を支持部２１９で支持することにより、メッシュリフレクタ部材２１７上にクロスダイポールアンテナを固定可能である。
【００５３】
また、本実施形態によれば、ＳＬアンテナ２１５の複数のアレイアンテナ２１６を、角錐台状（円錐台状、角錐状、円錐状、円筒状又は角筒状）の本体フレーム（枠構造体）２２１の外周側壁部２２２に分散させて配置することにより、ＳＬアンテナ２１５の外周側壁部２２２から互いに異なる複数の方向に向けて指向性ビームを形成して複数のセルを形成することができる。
【００５４】
また、本実施形態によれば、アレイアンテナ２１６の複数のアンテナ素子２１８は、本体フレーム（枠構造体）２２１の外周側壁部２２２に２次元的に配列しているので、ＳＬアンテナ２１５の指向性ビームＢｍのビームフォーミングにおいて、水平面を基準にした下向きの角度である俯角θ及び垂直面からの傾き角度であるアジマス角（方位角）ψの調整が容易になる。
【００５５】
また、本実施形態によれば、ＳＬアンテナ２１５の本体フレーム（枠構造体）２２１の軸方向端部である底面部２２３に、アレイアンテナ２１６Ｂを更に配置することにより、ＳＬアンテナ２１５の真下方向（図１の下方向。図６の−ｚ方向（図の紙面手前方向）に位置するサービスエリアに向いたセルを効率よく形成することができる。
【００５６】
なお、本明細書で説明された処理工程並びに上空中継装置等の通信中継装置の中継通信局、フィーダ局、ゲートウェイ局、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、基地局及び基地局装置の構成要素は、様々な手段によって実装することができる。例えば、これらの工程及び構成要素は、ハードウェア、ファームウェア、ソフトウェア、又は、それらの組み合わせで実装されてもよい。
【００５７】
ハードウェア実装については、実体（例えば、無線中継局、フィーダ局、ゲートウェイ局、基地局、基地局装置、無線中継局装置、端末装置（ユーザ装置、移動局、通信端末）、管理装置、監視装置、遠隔制御装置、サーバ、ハードディスクドライブ装置、又は、光ディスクドライブ装置）において前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、１つ又は複数の、特定用途向けＩＣ（ＡＳＩＣ）、デジタルシグナルプロセッサ（ＤＳＰ）、デジタル信号処理装置（ＤＳＰＤ）、プログラマブル・ロジック・デバイス（ＰＬＤ）、フィールド・プログラマブル・ゲート・アレイ（ＦＰＧＡ）、プロセッサ、コントローラ、マイクロコントローラ、マイクロプロセッサ、電子デバイス、本明細書で説明された機能を実行するようにデザインされた他の電子ユニット、コンピュータ、又は、それらの組み合わせの中に実装されてもよい。
【００５８】
また、ファームウェア及び／又はソフトウェア実装については、前記構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段は、本明細書で説明された機能を実行するプログラム（例えば、プロシージャ、関数、モジュール、インストラクション、などのコード）で実装されてもよい。一般に、ファームウェア及び／又はソフトウェアのコードを明確に具体化する任意のコンピュータ／プロセッサ読み取り可能な媒体が、本明細書で説明された前記工程及び構成要素を実現するために用いられる処理ユニット等の手段の実装に利用されてもよい。例えば、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば制御装置において、メモリに記憶され、コンピュータやプロセッサにより実行されてもよい。そのメモリは、コンピュータやプロセッサの内部に実装されてもよいし、又は、プロセッサの外部に実装されてもよい。また、ファームウェア及び／又はソフトウェアコードは、例えば、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、リードオンリーメモリ（ＲＯＭ）、不揮発性ランダムアクセスメモリ（ＮＶＲＡＭ）、プログラマブルリードオンリーメモリ（ＰＲＯＭ）、電気的消去可能ＰＲＯＭ（ＥＥＰＲＯＭ）、ＦＬＡＳＨメモリ、フロッピー（登録商標）ディスク、コンパクトディスク（ＣＤ）、デジタルバーサタイルディスク（ＤＶＤ）、磁気又は光データ記憶装置、などのような、コンピュータやプロセッサで読み取り可能な媒体に記憶されてもよい。そのコードは、１又は複数のコンピュータやプロセッサにより実行されてもよく、また、コンピュータやプロセッサに、本明細書で説明された機能性のある態様を実行させてもよい。
【００５９】
また、前記媒体は非一時的な記録媒体であってもよい。また、前記プログラムのコードは、コンピュータ、プロセッサ、又は他のデバイス若しくは装置機械で読み込んで実行可能であれよく、その形式は特定の形式に限定されない。例えば、前記プログラムのコードは、ソースコード、オブジェクトコード及びバイナリコードのいずれでもよく、また、それらのコードの２以上が混在したものであってもよい。
【００６０】
また、本明細書で開示された実施形態の説明は、当業者が本開示を製造又は使用するのを可能にするために提供される。本開示に対するさまざまな修正は当業者には容易に明白になり、本明細書で定義される一般的原理は、本開示の趣旨又は範囲から逸脱することなく、他のバリエーションに適用可能である。それゆえ、本開示は、本明細書で説明される例及びデザインに限定されるものではなく、本明細書で開示された原理及び新規な特徴に合致する最も広い範囲に認められるべきである。
【符号の説明】
【００６１】
２０  上空中継装置（通信中継装置）
２１  中継通信局
６１  端末装置
７０  ゲートウェイ局（ＧＷ局）
７１  フィーダリンク用アンテナ（ＧＷアンテナ）
９０  基地局
２００Ｃ，２００Ｃ（１）〜２００Ｃ（４）  ３次元セル
２００Ｆ，２００Ｆ（１）〜２００Ｆ（４）  フットプリント
２１１  フィーダリンク用アンテナ（ＦＬアンテナ）
２１５  サービスリンク用アンテナ（ＳＬアンテナ）
２１６  アレイアンテナ
２１６Ｓ（１），２１６Ｓ（２），２１６Ｓ（３），２１６Ｓ（４）  外周側壁部のアレイアンテナ
２１６Ｂ  底面部のアレイアンテナ
２１７  メッシュリフレクタ部材（導電性部材）
２１７ａ，２１７ｂ  金属ワイヤ
２１８  クロスダイポールアンテナ
２１８ｈ１  第１ダイポールアンテナ（水平偏波）の第１アンテナ素子
２１８ｈ２  第１ダイポールアンテナ（水平偏波）の第２アンテナ素子
２１８ｖ１  第２ダイポールアンテナ（垂直偏波）の第１アンテナ素子
２１８ｖ２  第２ダイポールアンテナ（垂直偏波）の第２アンテナ素子
２１９  支持部
２２０ｈ  第１ダイポールアンテナ（水平偏波）のフィードワイヤ
２２０ｖ  第２ダイポールアンテナ（垂直偏波）のフィードワイヤ
２２１  本体フレーム（枠構造体）
２２２  外周側壁部
２２３  底面部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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