(57)【要約】  本発明の一観点によれば、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うためのダイポール型の送信アンテナと、信号をデジタル信号処理して送信アンテナに出力する信号処理部と、を備える電波通信装置が提供される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うためのダイポール型の送信アンテナと、
信号をデジタル信号処理して前記送信アンテナに出力する信号処理部と、
を備える電波通信装置。
【請求項２】
前記送信アンテナは、アレイアンテナである
請求項１に記載の電波通信装置。
【請求項３】
前記送信アンテナは、垂直偏波したダイポール素子を用いたコリニアアレイアンテナである
請求項２に記載の電波通信装置。
【請求項４】
前記送信アンテナは、垂直面におけるビーム半値半幅が１６°以下である
請求項１から３のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【請求項５】
１００ｋｍ以上離れた電波受信装置との間で見通し外通信を行う
請求項１から４のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【請求項６】
見通し外通信に用いる電波の周波数が２００ＭＨｚ以上３０００ＭＨｚ以下である
請求項１から５のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【請求項７】
前記送信アンテナを駆動する駆動回路を更に備え、
前記駆動回路の供給電力が３０Ｗ以下である
請求項１から６のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【請求項８】
請求項１から７のいずれか１項に記載の電波通信装置から送信される電波を受信するパラボラ型の受信アンテナと、
前記受信アンテナを用いて受信した信号をデジタル信号処理する信号処理部と、
を備える電波受信装置。
【請求項９】
複数の前記受信アンテナを備え、
前記信号処理部は、複数の前記受信アンテナが受信した信号を切り替え又は合成する
請求項８に記載の電波受信装置。
【請求項１０】
対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うための、ダイポール型の送信アンテナ及びパラボラ型の受信アンテナと、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナにより送受信する信号をデジタル信号処理する信号処理部と、
を備える電波通信システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電波通信装置、電波受信装置、及び電波通信システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
対流圏による散乱又は回折を利用した長距離の見通し外通信（ＯＨ通信：Ｏｖｅｒ−ｔｈｅ−Ｈｏｒｉｚｏｎ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）は伝搬損失が大きい。Ｃ／Ｎ比（Ｃａｒｒｉｅｒ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）を安定させるために、引用文献１に記載の装置は、見通し外通信においてパラボラアンテナを用いて伝送電波のビーム幅を限定している。これによって、引用文献１に記載の装置は、伝搬損失の大きい電波伝搬経路を介した長距離の通信を行っている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開昭６１−２４０７２１号公報
【特許文献２】特開２０００−１０１５０７号公報
【発明の概要】
【０００４】
しかしながら、パラボラアンテナは指向性が鋭いため、通信する範囲が限定されてしまう。例えば、多数の受信局に対して電波を送信するためには中継基地が必要となる。また、パラボラアンテナの方向を正確に受信局に向ける必要があり、指向性の柔軟性がないため、移動体等を相手にすることができない。また、スペースダイバーシチやルートダイバーシチが、パラボラアンテナのビーム幅に応じた狭い範囲に限定されてしまう。さらに、パラボラアンテナは、大きく重く高価であり、かつ放熱しにくいため、設置スペースや放熱用の周辺装置を必要とする。このため、電波通信装置が高コストとなってしまう。
【０００５】
本発明は、上述の課題に鑑みてなされたものであって、パラボラアンテナを用いずに、広範囲に見通し外通信を行うことができる電波通信装置、電波受信装置、及び電波通信システムを提供することを目的とする。
【０００６】
本発明の一観点によれば、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うためのダイポール型の送信アンテナと、信号をデジタル信号処理して送信アンテナに出力する信号処理部と、を備える電波通信装置が提供される。
【０００７】
また、本発明の別観点によれば、上述の電波通信装置から送信される電波を受信するパラボラ型の受信アンテナと、受信アンテナを用いて受信した信号をデジタル信号処理する信号処理部と、を備える電波受信装置が提供される。
【０００８】
また、本発明の更に別観点によれば、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うための、ダイポール型の送信アンテナ及びパラボラ型の受信アンテナと、送信アンテナ及び受信アンテナにより送受信する信号をデジタル信号処理する信号処理部と、を備える電波通信システムが提供される。
【０００９】
本発明によれば、広範囲に見通し外通信を行うことができる電波通信装置、電波受信装置、及び電波通信システムを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を説明するための図である。
【図２】第１実施形態に係る電波通信装置を用いた電波通信システムの構成を概略的に示す図である。
【図３Ａ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図３Ｂ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図４Ａ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図４Ｂ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図５Ａ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図５Ｂ】第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナの指向性を示す図である。
【図６】第１実施形態に係る電波通信装置の送信アンテナの垂直面におけるビーム幅を示す図である。
【図７】第１実施形態に係る電波通信システムの構成例を示す図である。
【図８】第１実施形態に係る電波受信装置の例を示す図である。
【図９】第１実施形態に係る電波受信装置の例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
図１は、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を説明するための図である。図１は、パラボラアンテナを送信アンテナとして用いた従来の見通し外通信を示している。ここで、見通し外通信とは、互いに見通せないような長距離を隔てて配置された送受信アンテナ間で、対流圏による散乱又は回折を利用した電波伝搬経路を介して行う通信のことをいう。見通し外通信は、ＯＨ通信（Ｏｖｅｒ−ｔｈｅ−Ｈｏｒｉｚｏｎ  ｃｏｍｍｕｎｉｃａｔｉｏｎ）とも称される。
【００１２】
なお、単に建物等の遮蔽物等によって相互に見通せないに過ぎないような短距離における電波通信は、ここでいう見通し外通信とは区別される。対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信では、送信アンテナと受信アンテナとが互いに１００ｋｍ以上の長距離を隔てて配置されることが一般的である。見通し外通信の伝搬損失は非常に大きいため、利得を大きくとる必要がある。したがって、通常は、開口直径が３メートルを超える大型アンテナや、３０Ｗを超える駆動回路、及び好感度の受信アンテナを用いて電波通信システムを構成する必要がある。
【００１３】
見通し外通信は、ＴＶ放送、衛星放送などの代替通信、災害派遣、有線と比べて素早く通信整備できる海上・陸上自衛隊の展開のための広帯域無線通信、ＥＣＭ（電子対抗手段）等の用途に用いられる。また、広範囲に分布する複数の離島への通信放送にも用いられる。
【００１４】
しかし前述のように、パラボラアンテナを送信アンテナとして用いて見通し外通信を行う場合には、指向性が鋭いため通信する範囲が限定されてしまう。このため、従来の見通し外通信は、図１に示すように一対一の通信とならざるを得なかった。そこで、以下の実施形態では、より広範囲に見通し外通信を行う方法について検討を行う。
【００１５】
以下、本発明の好適な実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明は以下の実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において適宜変更可能である。また、各図において同一、又は相当する機能を有するものは、同一符号を付し、その説明を省略又は簡潔にすることもある。
【００１６】
（第１実施形態）
図２は、第１実施形態に係る電波通信装置を用いた電波通信システムの構成を概略的に示す図である。図２の中央に示す送信局内に配置された本実施形態の電波通信装置は、送信アンテナ１０を備えて構成される。送信局は送信アンテナ１０を用いて、互いに見通せないような長距離の受信局に配置された受信アンテナ２０と、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行う。
【００１７】
図３Ａ〜図５Ｂは、第１実施形態に係る電波通信装置が備える送信アンテナ１０の指向性を示す図である。図３Ａ〜図５Ｂに示す指向性はシミュレーションによって求めたものであり、アイソトロピックアンテナを基準にした絶対利得（ｄＢｉ）を示している。見通し外通信に用いる電波の周波数は１０００ＭＨｚとした。
【００１８】
図３Ａ、図３Ｂ及び図４Ａ、図４Ｂは、送信アンテナ１０をダイポール型のアンテナとした場合の指向性のシミュレーション結果を示している。図３Ａ、図３Ｂは、垂直偏波した複数のダイポール素子を用いた場合の送信アンテナ１０の指向性を示しており、図４Ａ、図４Ｂは、垂直偏波した単一のダイポール素子を用いた場合の送信アンテナ１０の指向性を示している。ここで垂直偏波とは、ダイポール素子の出力する電場の振動方向が地表面に対して垂直であることをいう。それぞれ図３Ａ及び図４Ａには、水平面における指向性パターンを示し、図３Ｂ及び図４Ｂには、垂直面における指向性パターンを示している。
【００１９】
本実施形態の送信アンテナ１０の水平面における指向性は、パラボラアンテナとは異なり、図３Ａ及び図４Ａに示すように鋭くない。したがって、このようなダイポール型の送信アンテナ１０によれば、より広範囲に見通し外通信を行うことができる。特に、垂直偏波したダイポール素子を用いて送信アンテナ１０を構成した場合は、水平面におけるビームの指向性パターンは概ね無指向となる。またダイポール型のアンテナでは、反射板を配置して指向性を調整することも可能である。
【００２０】
更に多くのダイポール素子を用いて、直列型コリニアアレイアンテナ等のアレイアンテナを構成することで、更に利得の高い無指向性のアンテナを得ることができる。図５Ａ、図５Ｂは、垂直偏波した１３個のダイポール素子を、同一直線上（垂直方向）に配置して、直列型コリニアアレイアンテナを構成した場合の送信アンテナ１０の指向性のシミュレーション結果を示している。図５Ａは、水平面における指向性パターンを示し、図５Ｂは、垂直面における指向性パターンを示している。
【００２１】
図５Ａに示すように、送信アンテナ１０をアレイアンテナとした場合でも、水平面におけるビームの指向性パターンは無指向のままである。したがって、このようなアレイアンテナによれば、更に長距離で広範囲に見通し外通信を行うことができる。
【００２２】
次に、ダイポール型の送信アンテナ１０のビーム幅について検討する。図６は、先の図３Ｂと同じ図であり、垂直偏波したダイポール素子を用いて送信アンテナ１０を構成した場合の垂直面におけるビーム幅を示している。
【００２３】
アンテナのビーム半値半幅θは、水平面と垂直面の両方において定義される。いずれの面においてもビーム半値半幅θは、アンテナの指向性パターンにおける利得が最大値の半分（−３ｄＢ）となる角度幅として定義される。例えば、図６に示す本実施形態の送信アンテナ１０の垂直面におけるビーム半値半幅θは約１６°である。ダイポール型の送信アンテナ１０の垂直面におけるビーム幅は、理論的には下式（１）で近似される。
ビーム幅＝５０．６°×λ／アンテナ長    （１）
【００２４】
送信アンテナ１０の垂直面におけるビーム幅は、図５Ａ、図５Ｂに示したように、アレイアンテナを構成するダイポール素子の個数を増やすほど狭くなる。このため、送信アンテナ１０をアレイアンテナとした場合には、送信アンテナ１０の垂直面におけるビーム幅を、アンテナ長やダイポール素子の個数を変えて調整することができる。したがって、対流圏の状態、通信距離、通信範囲等の条件に応じて、送信アンテナ１０のビーム幅を所望の値に設定することができる。また、チェビシェフアレー分布や、テイラーアレー分布を用いてアンテナを配列させて、サイドローブを小さくするとメインローブのビーム幅が広がる特徴等にも留意されたい。
【００２５】
他方、パラボラアンテナの垂直面及び水平面におけるビーム幅は、理論的には下式（２）で近似される。
ビーム幅＝７０°×λ／アンテナ直径    （２）
【００２６】
見通し通信に用いられるパラボラアンテナの開口直径は３ｍを超えることが一般的である。例えば、周波数１０００ＭＨｚ（波長λ＝０．３ｍ）で直径３ｍのアンテナでは、上式（２）で算出されるビーム幅は７°となる。このように、パラボラアンテナは水平面における指向性が鋭く、かつ前方のみに電波を出力するため、通信範囲が限定されてしまう。
【００２７】
次に、パラボラアンテナの代わりにダイポール型の送信アンテナ１０を用いた場合でも、伝搬損失の大きい見通し通信の電波伝搬経路を介して通信を行うことができるかについて、シミュレーションによる検討を行った。送信アンテナ１０から受信アンテナ２０までの距離は１００ｋｍを想定し、シミュレーションに用いる式等は、ＩＴＵ−Ｒ−ＲＥＣ−Ｐ．６１７−３を引用した。
【００２８】
Ｃ／Ｎ比（Ｃａｒｒｉｅｒ  ｔｏ  Ｎｏｉｓｅ  ｒａｔｉｏ）は、ＴＶデジタル放送の２２ｄＢを指標とする。見通し外通信に用いる電波の周波数ｆは１０００ＭＨｚとした。送信アンテナ１０はアレイアンテナとし、空中線利得Ｇｔを１４（ｄＢｉ）とした。受信アンテナ２０は、開口効率７０％、開口径１９ｍφのパラボラ型とし、空中線利得Ｇｒを４５（ｄＢｉ）とした。また、その他のバラメータ値を下記のように仮定した。
・伝送容量：  １７Ｍｂｐｓ
・干渉雑音：  ３０ｄＢ
・定常雑音：  ３０ｄＢ
・雑音指数：  １．５ｄＢ
・伝搬距離：  １００ｋｍ
・送受信局の地上高：  双方１００ｍ
・フィーダ損失  ２ｄＢ
【００２９】
対流圏散乱における基本伝搬損失Ｌ（ｑ）は下式（３）で算出した。
Ｌ（ｑ）＝Ｍ＋３０ｌｏｇｆ＋１０ｌｏｇθ
＋ＬＮ＋ＬＣ−Ｇｔ−Ｇｒ−Ｙ（ｑ）    （３）
ここで、Ｍ：気象パラメータによる損失、ｆ：周波数、ＬＮ：散乱領域の高さによる損失、ＬＣ：空中線結合損失、Ｇｔ：送信側の空中線利得、Ｇｒ：受信側の空中線利得、Ｙ（ｑ）：回線品質に依るパラメータである。
【００３０】
標準受信入力レベルＣ／Ｎ比＝２２（ｄＢ）、回線品質９９．９％の条件下での基本伝搬損失Ｌ（ｑ）は１６７．２ｄＢであり、各パラメータを考慮して必要な送信電力を算出した値は、４３．７（ｄＢ）であった。電力に直すと２４Ｗとなり、これは、供給電力が３０Ｗ以下の駆動回路又は電力増幅器（ＰＡ：Ｐｏｗｅｒ  Ａｍｐｌｉｆｉｅｒ）でも実現可能である。
【００３１】
更に伝搬距離を１１０ｋｍと仮定し、算出した結果は２２４Ｗの所要送信電力、１２０ｋｍでは８００Ｗと、１ｋＷ未満のＰＡで広範囲において高いＣ／Ｎ比を満たしたまま電波伝搬を行える。もちろん、長距離電波伝搬といった面では近いＢＳ放送でのＣ／Ｎ比、１１ｄＢでシミュレーションを行えば、更に通信範囲を広げられる。また、垂直面でのビーム幅の広さを考慮し、仰角俯角のパラメータを１°〜で変化させつつ計算を行った場合でも１ｋＷ未満で〜１２０ｋｍのブロードバンド通信は可能だという結果となった。したがって、パラボラアンテナの代わりにダイポール型の送信アンテナ１０を用いる場合でも、伝搬損失の大きい見通し通信の電波伝搬経路を介して通信を行うことができることが分かった。
【００３２】
図７は、第１実施形態に係る電波通信装置を用いた電波通信システムの構成例を示す図である。ダイポール型の送信アンテナ１０を備えた送信局と、パラボラ型の受信アンテナ２０を備えた受信局を、図７に示すように構成することで、広範囲に見通し外通信を行う電波通信システムを実現することができる。これにより、例えば、ダイバーシチ（スペースダイバーシチ、ルートダイバーシチ）や、広範囲に分布する複数の離島への通信放送を実現できる。
【００３３】
また、図７に示すように、誤り訂正符号、ＦＥＴ、デジタルフィルタリング等のデジタル信号処理を行う信号処理部１１、２１を、それぞれ送信局と受信局に設けることで、電波伝搬経路における伝搬損失を補ってＣ／Ｎ比を向上させることができる。
【００３４】
パラボラアンテナを送信アンテナとして用いた従来の見通し外通信では、図１に示したように一対一の通信とならざるを得なかった。しかし、ダイポール型の送信アンテナ１０を用いた本実施形態の電波通信装置では、広範囲に見通し外通信を行うことができる。図８及び図９は、第１実施形態に係る電波受信装置の例を示す図である。
【００３５】
本実施形態では、例えば、図８に示すように、複数の移動体に対して同時に見通し外通信を行うことができる。また、図９に示すように、スペースダイバーシチやルートダイバーシチを行う範囲が狭い範囲に限定されることがない。具体的には、受信局は、送信局の送信アンテナ１０から送信される電波を複数の受信アンテナ２０を用いて受信する。そして、複数の受信アンテナ２０が受信した信号を切り替え又は合成することによってダイバーシチを実現する。
【００３６】
以上のように、本実施形態の電波通信装置は、対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うためのダイポール型の送信アンテナと、信号をデジタル信号処理して送信アンテナに出力する信号処理部と、を備える。これにより、広範囲に見通し外通信を行うことができる電波通信装置、電波受信装置、及び電波通信システムを提供することができる。また、送信アンテナがパラボラ型に限定されず、電波通信装置を低コスト化することができる。
【００３７】
なお、上述の実施形態は、いずれも本発明を実施するにあたっての具体化の例を示したものに過ぎず、これらによって本発明の技術的範囲が限定的に解釈されてはならないものである。すなわち、本発明はその技術思想、又はその主要な特徴から逸脱することなく、様々な形で実施することができる。例えば、図５Ａ、図５Ｂには、ダイポール型のアレイアンテナの例として、コリニアアレイアンテナの指向性パターンを示したが、ダイポール型のアレイアンテナとしてグランドプレーンアンテナ、セクタアンテナ、八木アンテナ、ループアンテナ等を用いることも可能である。
【００３８】
また、上述の実施形態では、見通し外通信に用いる電波の周波数を１０００ＭＨｚとしたが、これに限定されない。見通し外通信に用いる電波の周波数は対流圏により散乱又は回折される５０００ＭＨｚ以下の周波数であればよく、２００ＭＨｚ以上３０００ＭＨｚ以下であることが望ましい。
【００３９】
上述の実施形態の一部又は全部は、以下の付記のようにも記載され得るが、以下には限られない。
【００４０】
（付記１）
対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うためのダイポール型の送信アンテナと、
信号をデジタル信号処理して前記送信アンテナに出力する信号処理部と、
を備える電波通信装置。
【００４１】
（付記２）
前記送信アンテナは、アレイアンテナである
付記１に記載の電波通信装置。
【００４２】
（付記３）
前記送信アンテナは、垂直偏波したダイポール素子を用いたコリニアアレイアンテナである
付記２に記載の電波通信装置。
【００４３】
（付記４）
前記送信アンテナは、垂直面におけるビーム半値半幅が１６°以下である
付記１から３のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【００４４】
（付記５）
１００ｋｍ以上離れた電波受信装置との間で見通し外通信を行う
付記１から４のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【００４５】
（付記６）
見通し外通信に用いる電波の周波数が２００ＭＨｚ以上３０００ＭＨｚ以下である
付記１から５のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【００４６】
（付記７）
前記送信アンテナを駆動する駆動回路を更に備え、
前記駆動回路の供給電力が３０Ｗ以下である
付記１から６のいずれか１項に記載の電波通信装置。
【００４７】
（付記８）
付記１から７のいずれか１項に記載の電波通信装置から送信される電波を受信するパラボラ型の受信アンテナと、
前記受信アンテナを用いて受信した信号をデジタル信号処理する信号処理部と、
を備える電波受信装置。
【００４８】
（付記９）
複数の前記受信アンテナを備え、
前記信号処理部は、複数の前記受信アンテナが受信した信号を切り替え又は合成する
付記８に記載の電波受信装置。
【００４９】
（付記１０）
対流圏による散乱又は回折を利用した見通し外通信を行うための、ダイポール型の送信アンテナ及びパラボラ型の受信アンテナと、
前記送信アンテナ及び前記受信アンテナにより送受信する信号をデジタル信号処理する信号処理部と、
を備える電波通信システム。
【００５０】
この出願は、２０１７年４月２７日に出願された日本出願特願２０１７−０８８１８４を基礎とする優先権を主張し、その開示のすべてをここに取り込む。
【図１】
2018198987.tif 000003
【図２】
2018198987.tif 000004
【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2018198987.tif 000007
【図４Ｂ】
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【図５Ａ】
2018198987.tif 000009
【図５Ｂ】
2018198987.tif 000010
【図６】
2018198987.tif 000011
【図７】
2018198987.tif 000012
【図８】
2018198987.tif 000013
【図９】
2018198987.tif 000014
【国際調査報告】
2018198987.tif 000015
2018198987.tif 000016
2018198987.tif 000017
2018198987.tif 000018