(57)【要約】  【課題】  電波の伝送経路における減衰度合いが変化しても，相手側無線アンテナとの距離に関わらずほぼ一定信号レベルの無線信号伝送を行うことが可能な無線アンテナを提供すること。  【解決手段】  水平方向を０°方向，鉛直下方向を９０°方向とした略コセカント２乗の利得分布を有する無線アンテナ１を，相手側アンテナより高い位置において，晴天時には水平方向に向け，降雨時には下方へ５°傾けた方向に向ける。或いは，無線アンテナを複数配列されたアンテナ素子を備えたアレーアンテナとし，降雨情報等に基づいて，複数のアンテナ素子に対する位相分配特性を変化させることにより水平方向（前記基準方向）から鉛直下方向の間における利得分布を変化させる。【選択図】図１
2005064934.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
所定の基準方向から該基準方向に略直角の方向である基準直角方向となるにつれて利得が小さくなる利得分布を有する無線アンテナを具備するアンテナ装置において，
無線信号の伝搬経路における減衰度合いに関する伝搬経路情報に基づいて前記基準方向から前記基準直角方向の間における前記無線アンテナの利得分布を変化させる利得分布変更手段を具備してなることを特徴とするアンテナ装置。
【請求項２】
前記基準方向が略水平方向であり，前記基準直角方向が略鉛直下方向である請求項１に記載のアンテナ装置。
【請求項３】
前記利得分布変更手段が，前記無線アンテナの利得分布を前記基準方向を０°方向とした略コセカント２乗の分布である第１の利得分布と，前記略コセカント２乗特性の利得分布に対して前記基準直角方向から前記基準方向へ向かうほどより利得が大きくなる第２の利得分布との間で或いは前記第１の利得分布と前記第２の利得分布とを切り替えて変化させてなる請求項１又は２に記載のアンテナ装置。
【請求項４】
前記伝搬経路情報が，前記伝搬経路における降雨状態に関する情報である請求項１〜３のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項５】
前記利得分布変更手段が，一定の利得分布を有する無線アンテナの設置角度を変化させることにより前記基準方向から前記基準直角方向の間における利得分布を変化させてなる請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【請求項６】
前記無線アンテナが複数配列されたアンテナ素子を備えたアレーアンテナであり，
前記利得分布変更手段が，複数の前記アンテナ素子に対する位相分配特性を変化させることにより前記基準方向から前記基準直角方向の間における利得分布を変化させてなる請求項１〜４のいずれかに記載のアンテナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は，方向に対する利得分布を有する無線アンテナを用いることにより，相手側無線アンテナと間の通信空間の状況に関わらずほぼ一定信号レベルの無線信号伝送を行うことを目的としたアンテナ装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
複数の加入者に対して電波を送信或いは送受信する放送システムや無線通信システムでは，１つの基地局の無線アンテナ（以下，基地局アンテナという）と該基地局アンテナとの距離が各々異なる位置にある複数の子局（加入者局）の無線アンテナ（以下，子局アンテナという）との間で電波（無線信号）の伝送が行われる。ここで，電波は伝搬距離の２乗に反比例したレベルに減衰するため，基地局アンテナが子局アンテナの全てに対して一定の信号レベル（強度）で電波を送信した場合，各子局アンテナへ到達する電波の信号レベルが大きく異なることとなり，各子局アンテナ側の無線装置を非常に広範囲の信号レベルに対応できる高機能な（高価な）装置とすることが必要となる。例えば，基地局アンテナから100mの子局アンテナと，無線通信システムにおける通常サービスエリア半径としてよく想定される1kmの子局アンテナとを比較すると，1km地点では100m地点に対して1/100の電波強度（20dBの減衰）になってしまう。かといって，基地局アンテナを子局アンテナごとに設けることは非現実的である。
従来，このような問題に対し，略水平方向（基準方向の一例）から略鉛直下方向となるにつれて利得が小さくなる利得分布を有する基地局無線アンテナを用いることが知られている。例えば，非特許文献１等では，基地局アンテナの指向特性をコセカント２乗特性とすることが示されている。
これは，基地局アンテナを各子局アンテナよりも高い位置に設置し，その基地局アンテナの利得分布を，略水平方向を０°方向とした略コセカント２乗の利得分布としたものである。
【０００３】
図９は，基地局アンテナの位置Ａを各子局アンテナの位置Ｂに対して高さＨ（各子局アンテナは同じ高さに設定されるものとする）の位置とし，水平方向を０°方向としたときの角度をθ（鉛直下方向をθ＝９０°）としたときの模式図である。ここで，基地局アンテナとそのθ方向に存在する子局アンテナとの距離ｄは次の（１）式で表される。
【数１】
2005064934.tif 000003
また，電波の到達強度は，距離ｄの２乗に反比例するので，基地局アンテナの直下（鉛直下方向）の位置（距離Ｈ）と距離ｄの位置（θ方向子局アンテナの位置）との電波の到達強度の比は次の（２）式で表される。
【数２】
2005064934.tif 000004
この（２）式から，各子局アンテナへ到達する電波強度は，θのコセカント２乗に反比例することがわかる。例えば，θ＝１°（ｄ＝５７．３Ｈ）の方向（位置）の子局アンテナの位置では，θ＝９０°（ｄ＝Ｈ）の方向（鉛直下方向）の子局アンテナの位置の約３．０５×１０-4倍（約３５ｄＢの減衰）の電波強度となり，無線装置の受信入力許容範囲の多くをこの距離による減衰で消費してしまう。
そこで，基地局アンテナの利得分布を（２）式の減衰を打ち消すコセカント２乗（ｃｏｓｅｃ2θ）の分布或いはそれに近い分布とすれば，各子局アンテナでほぼ同レベルの電波を受信できることとなる。
【０００４】
一方，電波の周波数が高くなるほど，降雨減衰という現象が顕著になることが知られており，このことは，例えば衛星放送の受信に関する非特許文献２等で指摘されている。
この降雨減衰は，電波の伝搬経路の空間に存在する雨滴の散乱，吸収によるものであり，同一雨量下において降雨領域を通過する距離に比例して減衰量が増す（減衰量をｄＢ計算した場合）。
非特許文献３によれば，例えば20GHz付近の電波では，85mm/hの降雨の場合は9.91dB/km，46mm/hの降雨の場合は4.99dB/kmの減衰となる。従って，基地局アンテナからの距離が1kmの地点では降雨時（85mm/hの降雨）と晴天時で減衰量が約10dB（≒9.91dB）異なることになる。この降雨強度を非特許文献３に従って降水確率に換算すると，それぞれ0.003%（年間で15.8分），0.02%弱（年間で105分）に相当する。
このように，電波（無線信号）の伝搬経路における減衰度合いを左右する降雨等（降雨の他，霧等も同様）が発生すると，遠方の位置ほど降雨等による減衰が大きくなり，前述したコセカント２乗特性だけでは各子局アンテナにおける電波強度を平坦化（均一化）できないという問題点があった。
例えば，非特許文献１には，21GHzの電波を用いる場合，降雨まで考慮するとコセカント3.5乗が適すると言及されている。また，特許文献１には，大気減衰，降雨減衰を加算したアンテナ放射特性（利得分布）にすると悪天候時でも均一性を保てると言及されている。
【特許文献１】特開２０００−４１１８号公報
【非特許文献１】野本真一，渡辺文夫：“端末系広帯域無線基地局用成形ビームアンテナ“，電子情報通信学会技術研究報告ＡＰ88-42（1988年7月）
【非特許文献２】衛星放送受信の手引き  p36〜38，金原晃，渡邊浩  共著，コロナ社
【非特許文献３】電波伝搬ハンドブック  ｐ42〜46，「電波伝搬ハンドブック」編集委員会編，リアライズ社
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
図１０のグラフは，図９における基地局アンテナの地上高さＨを100mとして，子局アンテナまでの水平距離Ｄ（横軸）に対する電波の強度（縦軸）を相対減衰量（ｄＢ）により表したものである。
図１０において，一点鎖線ｇ１１は水平距離Ｄの変化のみによる（晴天時の）減衰量の変化，破線ｇ１２は10dB/kmに相当する降雨減衰量の変化，実線ｇ１３は距離減衰と降雨減衰とを加えた総減衰量の変化を表す。
また，図１１は，コセカント２乗特性の基地局アンテナを使用した場合の子局アンテナまでの水平距離Ｄ（横軸）に対する電波の到達強度（縦軸）を相対レベル（ｄＢ）により表したものであり，晴天時を実線ｇ２１で，降雨時を破線ｇ２２で表している。
さらに，二点鎖線ｇ２３は方向θを水平距離Ｄに換算したときの基地局アンテナの利得分布（アンテナ特性）を，一点鎖線ｇ２４は水平距離Ｄの変化のみによる（晴天時の）減衰量の変化（図１０のｇ１１と同じ），破線ｇ２５は距離減衰と降雨減衰とを加えた総減衰量の変化（図１０のｇ１３と同じ）を表す。
基地局アンテナをコセカント２乗特性とすると，実線ｇ２１で示すように，晴天時は水平距離Ｄに関わらず一定の到達強度となる。
しかしながら，降雨時には，破線ｇ２２で示すように，基地局アンテナによる電波強度の補償は不足し，Ｄ＝1kmの地点で10dB減衰してしまう。
【０００６】
一方，図１２は，基地局アンテナの特性（利得分布）をコセカント３．５乗特性（ｇ２３’）とした場合における図１１のグラフに対応するグラフである。対応するグラフ線の記号に”’”を付加して表している。
基地局アンテナをコセカント３．５乗特性とすると，降雨時には，図１２に破線ｇ２２’で示されるように，水平距離Ｄ＝0.6kmあたりで6dB程度，基準レベル（直下でのレベル）より高くなるが，概ね平坦化（均一化）されることが分かる。
しかしながら，晴天時には，実線ｇ２１’で示されるように，アンテナ特性による補正が過剰となり，Ｄ＝1kmの地点で基準レベルより15dBも電波の到達レベルが大きくなってしまう。
このように，電波（無線信号）の伝搬経路での減衰度合いのいずれかの状態（晴天時又は降雨時）のうちのいずれか一つの状態に適したアンテナ特性（利得分布）とすると，他の状態である場合に電波の到達レベルの均一化が図れないという問題点があった。
従って，本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり，その目的とするところは，電波の伝送経路における減衰度合いが変化しても，相手側無線アンテナとほぼ一定信号レベルの無線信号伝送を行うことが可能な無線アンテナを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するために本発明は，所定の基準方向から該基準方向に略直角の方向である基準直角方向となるにつれて利得が小さくなる利得分布を有する無線アンテナを具備するアンテナ装置において，無線信号の伝搬経路における減衰度合いに関する伝搬経路情報に基づいて前記基準方向から前記基準直角方向の間における前記無線アンテナの利得分布を変化させる利得分布変更手段を具備してなることを特徴とするアンテナ装置として構成されるものである。
ここで，例えば，前記基準方向が略水平方向であり，前記基準直角方向が略鉛直下方向であるものが考えられる。
これにより，無線信号の伝搬経路における減衰度合いの変化に応じて，相手側無線アンテナに対してほぼ一定の信号到達レベルとなるように前記無線アンテナの利得分布を変化させることが可能となる。
例えば，前記利得分布変更手段が，前記無線アンテナの利得分布を前記基準方向を０°方向とした略コセカント２乗の分布である第１の利得分布と，前記略コセカント２乗特性の利得分布に対して前記基準直角方向から前記基準方向へ向かうほどより利得が大きくなる第２の利得分布との間で或いは前記第１の利得分布と前記第２の利得分布とを切り替えて変化させてなるもの等である。
前記第２の利得分布としては，例えば，前記基準方向を０°方向とした略コセカント３．５乗の分布とすること等が考えられる。
【０００８】
また，前記伝搬経路情報が，前記伝搬経路における降雨状態に関する情報（降雨計の検出結果等）であるものが考えられる。その他にも，例えば，空気中の湿度（湿度計の検出結果）や霧の発生状況，相手側無線アンテナで受信された信号レベル等を前記伝搬経路情報として用いること等も考えられる。
これにより，例えば，晴天時（降雨なし時）に前記第１の利得分布（略コセカント２乗特性）とし，降雨等の発生時に前記第２の利得分布（略コセカント３．５乗特性等）とすること等が可能となり，降雨減衰の変化及び相手側無線アンテナとの距離に関わらず，各相手側無線アンテナへほぼ一定のレベルで無線信号を到達させることが可能となる。
【０００９】
また，前記利得分布変更手段としては，一定の利得分布を有する無線アンテナの設置角度を変化させることにより前記基準方向から前記基準直角方向の間における利得分布を変化させるものや，前記無線アンテナを複数配列されたアンテナ素子を備えたアレーアンテナとし，複数の前記アンテナ素子に対する位相分配特性を変化させることにより前記基準方向から前記基準直角方向の間における利得分布を変化させるもの等が考えられる。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば，所定の基準方向から該基準方向に略直角の方向である基準直角方向となるにつれて利得が小さくなる利得分布を有する無線アンテナを具備するアンテナ装置において，無線信号の伝搬経路における減衰度合いに関する伝搬経路情報に基づいて前記基準方向から前記基準直角方向の間における前記無線アンテナの利得分布を変化させる利得分布変更手段を具備するので，電波の伝送経路における減衰度合いが変化しても，相手側無線アンテナとの距離に関わらずほぼ一定信号レベルの無線信号伝送を行うことが可能となる。その結果，相手側の無線装置を比較的狭い範囲の信号レベルにしか対応できない低機能な（安価な）装置としても高品質の無線信号伝送を行うことが可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下添付図面を参照しながら，本発明の実施の形態について説明し，本発明の理解に供する。尚，以下の実施の形態は，本発明を具体化した一例であって，本発明の技術的範囲を限定する性格のものではない。
ここに，図１は本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ１の概略構成を表すブロック図，図２はアンテナ装置Ｘ１のアンテナ特性（利得分布）を相対利得により表したグラフ，図３はアンテナ装置Ｘ１における相手側無線アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の強度を相対減衰量により表したグラフ，図４は本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ２の概略構成図，図５はアンテナ装置Ｘ２が備える分配回路の概略構成を表すブロック図，図６はアンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性を第１の特性とするときの複数のアンテナ素子（放射素子）の振幅及び位相の分配を表すグラフ，図７はアンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性を第２の特性とするときの複数のアンテナ素子の振幅及び位相の分配を表すグラフ，図８はアンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性（利得分布）を相対利得により表したグラフ，図９は基地局アンテナの位置を各子局アンテナの位置に対して高さＨの位置に配置した状態を表す模式図，図１０は基地局アンテナの地上高さＨを100mとしたときの子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の強度を相対減衰量により表したグラフ，図１１はコセカント２乗特性の基地局アンテナを使用した場合の子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の到達強度を相対レベルにより表したグラフ，図１２はコセカント３．５乗特性の基地局アンテナを使用した場合の子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の到達強度を相対レベルにより表したグラフ，図１３は本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の適用対象の一例である地上アンテナと移動する列車上の車上アンテナとの間の位置関係を模式的に表した平面図である。
【００１２】
（第１の実施の形態）
まず，図１を用いて，本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ１の構成について説明する。
アンテナ装置Ｘ１は，方向に対する所定の利得分布特性を有する無線アンテナ１と，該無線アンテナ１の設置角度（指向性の方向）を変化させる（傾斜させる）アンテナ傾斜機構２と，該アンテナ傾斜機構２による前記無線アンテナ１の設定角度（傾斜角度）を制御するアンテナ制御装置４と，電波の伝搬経路における降雨量（降雨状態に関する情報）を検出する降雨量検出センサ３とを具備している。
前記無線アンテナ１は，複数の加入者に対して電波を送信或いは送受信する放送システムや無線通信システムにおける基地局側の無線アンテナとして用いられるものであり，その相手側の無線アンテナ（子局アンテナ）よりも高い位置に設定され，比較的近くの子局アンテナ（鉛直下方に近い方向に存在する子局アンテナ）から遠方の子局アンテナ（水平方向に近い方向に存在する子局アンテナ）までの複数の子局アンテナとの間で無線信号の伝送（送信又は送受信）を行うものである。
さらに，前記無線アンテナ１は，その正面方向ｕから該正面方向ｕに略直角な下方向ｖとなるにつれて利得が小さくなる利得分布を有し，その利得分布は前記正面方向ｕを０°方向，それに直角な下方向ｖを９０°方向としたときの略コセカント２乗の分布である。
前記アンテナ制御装置４は，前記降雨量検出センサ３の検出結果に基づいて，前記アンテナ傾斜機構２を通じて，前記無線アンテナ１の正面方向ｕを水平方向ｕ0（基準方向の一例）に一致させる第１方向（このとき，ｖは鉛直下方向ｖ0に一致）と，前記正面方向ｕを水平方向ｕ0から鉛直下方向ｖ0側への角度θを５°傾斜させた第２方向とのいずれに前記無線アンテナ１を向けるか（いずれの設置方向（傾斜角度θ）を変化させるか）の切り替え制御を行う。
ここで，前記アンテナ傾斜機構２及び前記アンテナ制御装置４が，前記利得分布変更手段の一例である。
【００１３】
図２に示すグラフは，方向θ（水平方向がθ＝０°，鉛直下方向がθ＝９０°）に対する前記無線アンテナ１のアンテナ特性（利得分布）を相対利得（ｄＢ）により表したグラフであり，実線ｇ３１が前記無線アンテナ１を前記第１方向（θ＝０°）に向けた場合のアンテナ特性，一点鎖線ｇ３２が前記第２方向（θ＝５°）に向けた場合のアンテナ特性を表す。
図２に示すように，前記無線アンテナ１を前記第１方向（θ＝０°）に向けた場合，その利得分布は，水平方向を０°方向としたコセカント２乗（cosec2θ）の分布（第１の利得分布）となり，前記第２方向（θ＝５°）に向けた場合，前記コセカント２乗特性の利得分布に対してθ＝９０°の方向（基準直角方向）からθ＝０°の方向へ向かうほどより利得が大きくなる利得分布（第２の利得分布）となる。
これにより，前記無線アンテナ１を前記第２方向へ向けた場合，前記第１方向へ向けた場合よりも，より遠方側の子局アンテナに対するほど大きな利得で（高い信号レベルで）電波が放射される。
【００１４】
図３は，アンテナ装置Ｘ１における相手側無線アンテナ（子局アンテナ）までの水平距離Ｄ（横軸）に対する電波の強度（縦軸）を相対減衰量（ｄＢ）により表したグラフである。
図３において，実線ｇ４１は晴天時に前記無線アンテナ１を前記第１方向（θ＝０°）に向けた場合，破線ｇ４２は降雨時（約85mm/hの降雨で10dB/kmの降雨減衰がある状態）に前記第１方向に向けた場合，一点鎖線ｇ４３は晴天時に前記第２方向（θ＝５°）に向けた状態，二点鎖線ｇ４４は前記降雨時に前記第２方向に向けた状態を表す。
前記無線アンテナ１はコセカント２乗（cosec2θ）の利得分布を有しているので，実線ｇ４１に示すように，晴天時に前記第１方向（θ＝０°）へ向けた状態では，各子局アンテナとの距離に関わらずほぼ一定信号レベル（信号到達レベル）での無線信号伝送が行われることがわかる。
これに対し，破線ｇ４２に示すように，前記降雨時に前記第１方向へ向けた状態では，遠方の子局アンテナに対するほどより信号レベルが低下し，Ｄ＝1kmを超えると-10dB未満まで下がる。
一方，一点鎖線ｇ４３に示すように，晴天時に前記第２方向（θ＝５°）へ向けた状態では，遠方の子局アンテナに対するほどより信号レベルが上昇し，Ｄ＝1kmを超えると+10dBを超えるまで上昇する。
これに対し，二点鎖線ｇ４４に示すように，前記降雨時に前記第２方向へ向けた状態では，子局アンテナまでの距離に対する信号レベルに若干の変化はあるが，Ｄ＝1.2kmまでの各子局アンテナに対してほぼ-1dB〜+3dBの範囲内の信号レベル変化に抑えられることがわかる。
【００１５】
以上のことから，前記アンテナ制御装置４は，前記降雨量検出センサ３によって降雨が検出されない場合（電波の伝搬経路の単位距離当たりの減衰量が小さい場合）には，前記無線アンテナ１を前記第１方向（θ＝０°）へ向け，前記降雨量検出センサ３により検出された降雨量が所定の設定量を超えた場合に，前記第２方向（θ＝５°）へ向ける切り替え制御を行う。
これにより，降雨減衰の変化及び相手側無線アンテナとの距離に関わらず，各相手側無線アンテナ（子局アンテナ）へほぼ一定のレベルで無線信号を到達させることが可能となる。
もちろん，前記降雨量検出センサ３の検出量に応じてアナログ的に或いは多段階に前記無線アンテナ１の方向を制御してもよい。
但し，前記無線アンテナ１の方向を頻繁に変化させると無線信号の伝送品質に影響が生じうる。このため，単位時間当たりの方向（θ）の変化に制限を設けたり，前記降雨量センサ３の検出値の移動平均値を用いたり，前記第１方向から前記第２方向への切り替えに用いる前記降雨量センサ３の設定量（ｓ1）とその逆方向への切り替えに用いる同設定量（ｓ2）とを異なる値（ｓ1＜ｓ2）とする等により，前記無線アンテナ１の方向を頻繁に或いは急激に変化しないよう制御することが望ましい。
ところで，前記無線アンテナ１を前記第２方向へ傾斜させると，θ＝０°に近い方向では，前記第１方向に向けたときよりもかえって利得が小さくなる。従って，θ＝０°に近い（本実施の形態では，０°＜θ＜５°の範囲の）遠方の通信相手が存在する場合には，前記第１方向を水平方向より若干上向きの方向とすることも考えられる。
【００１６】
（第２の実施の形態）
前記アンテナ装置Ｘ１は，一定の利得分布を有する前記無線アンテナ１の設置角度を変化させることによりθ＝０〜９０°の間における利得分布を変化させるものであったが，無線アンテナを，複数配列されたアンテナ素子を備えたアレーアンテナとし，複数の前記アンテナ素子に対する位相分配特性を変化させることによりθ＝０〜９０°の間における利得分布を変化させる第２の実施の形態も考えられる。
図４は，このような第２の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ２の概略構成を表す図である。
アンテナ装置Ｘ２は，平面パッチアンテナをアンテナ素子１１（放射素子）とし，このアンテナ素子１１を複数配列して構成されたアレーアンテナにより無線アンテナ１’を構成するものである。図４では，簡便化のために７素子のアレーアンテナを示したが，要求される特性に従い素子数は適切に選ばれる。また，図４はアレーアンテナの一例を示したもので，複数の放射素子（アンテナ素子）と，その放射素子に分配される電力・位相を規定する機構とから構成されていれば，素子の形態，大きさなどは種々可能である。
このようなアレーアンテナを用いることにより，コンパクトな平面状アンテナとなるので設置場所の自由度が高まり有効である。
【００１７】
前記無線アンテナ１’は，複数のアンテナ素子１１（放射素子）が所定の基材１５上に配列され，各アンテナ素子１１が給電線路１４及び分配回路１２により接続されている。そして，伝送信号の入力及び／又は出力を行う無線機が接続される所定の給電部１３から給電された電力（即ち，伝送信号）は，所定の電力・位相の配分で分配するための前記分配回路１２及び前記給電線路１４を通じて前記各アンテナ素子１１に伝送され，各アンテナ素子１１から電波が放射される。
また，相手側無線アンテナからの放射電波が前記アンテナ素子１１により受信されると，受信電力（伝送信号）が前記分配回路１２及び前記給電線路１４を通じて前記給電部１３に伝送され，該給電部１３に接続された無線機に入力される。
前記給電部１３に入力された伝送信号は，前記給電線路１４の経路長及び前記分配回路１２の機能により，前記アンテナ素子１１ごとにそれぞれ所望の励振振幅及び位相になるよう調節されて伝送される。この励振振幅及び位相の設定により，前記アンテナ素子１１の表面側における，その配列方向を含む前記アンテナ素子１１の面（前記基材１４の面）に直交する面におけるアンテナの指向特性（即ち，利得分布）を所望の特性に設定することが可能である。
従って，前記無線アンテナ１’（アレーアンテナ）における前記アンテナ素子１１の励振振幅及び位相を適切に設定することにより，理論上のコセカント２乗（cosec2θ）の利得分布特性と非常に近似した利得分布特性を有するアンテナを構成することができる。さらに，１８０°＜θ＜３６０°の方向において，ほぼ電波放射がないよう指向性を設定することも可能である。
また，図４に示すような１次元の配列構成を複数列にして２次元に配列された前記アンテナ素子１１を有するアレーアンテナとすれば，コセカント２乗の利得分布を一定の厚みをもって形成することができる。この厚みを適切に設定することにより，相手側無線アンテナが存在し得る範囲をカバーする指向角度を設定することができる。
【００１８】
さらに，アンテナ装置Ｘ２は，前記降雨量検出センサ３の検出結果に基づいて前記分配回路３に対して制御信号を出力するアンテナ制御装置４’を具備しており，該アンテナ制御装置４’は，前記基材１５上の制御信号入力部１６を介して，前記分配回路３それぞれに接続されている。
図５は，前記分配回路３の概略構成を表すブロック図である。
前記分配回路３は，隣接する他の前記分配回路３から入力された電気信号を前記放射素子１１（アンテナ素子）側と他の隣接する前記分配回路３側とへ電力分配する電力分配器３０と，電気信号を他の隣接する前記分配回路３側へ出力する前に電気信号の位相調節を行う２つの位相規定素子３１，３２と，該２つの位相規定素子３１，３２のいずれを用いるかを切り替えるスイッチ３３とを具備している。前記スイッチ３３は，前記アンテナ制御回路４’からの制御信号によって切り替えられ，晴天時には一方の前記位相規定素子３１側に，降雨時には他方の前記位相規定素子３２側に切り替えられる。以下，晴天時の前記位相規定素子３１を用いた場合の前記無線アンテナ１’のアンテナ特性を第１の特性，降雨時の前記位相規定素子３２を用いた場合の前記無線アンテナ１’のアンテナ特性を第２の特性という。
【００１９】
アレーアンテナは，その放射素子の分配電力の大きさ，位相を変えればアンテナ特性が変化し，特に位相関係だけを一定の規則に従い変えるとアンテナ放射パターンの形を変化させずに放射方向を変えられることが知られている。
図６は，晴天時の前記位相規定素子３１を用いたときの前記放射素子１１の振幅及び位相の分配を表すグラフ（前記第１の特性のグラフ），図７は，降雨時の前記位相規定素子３２を用いたときの前記放射素子１１の振幅及び位相の分配を表すグラフ（前記第２の特性のグラフ）である。図４では，前記放射素子１１の数が７素子である例を示したが，図６及び図７は，２１素子（横軸）の例を示している。
また，図６及び図７は，電力に対応する指標を振幅（左縦軸）で表しているが，電力分配比は振幅の２乗になる。
ここで，図６に示す前記アンテナ素子１’の前記第１の特性は，コセカント２乗特性を実現するための位相分配特性を表し，素子数は２１個，素子間隔は使用電波の２分の１波長である。
また，図７に示す前記アンテナ素子１’の前記第２の特性は，電力分布（振幅分布）を変えずに，位相関係を変えたものであり，前記第１の特性よりも隣接する素子間の位相差を大きくしたものである。
【００２０】
図８は，図６及び図７に示した前記第１及び第２の特性（アンテナ特性）を相対利得により表したグラフである。図８中，実線ｇ５１が前記第１の特性（即ち，略コセカント２乗特性），一点鎖線ｇ５２が前記第２の特性及び破線ｇ５３が理論上のコセカント２乗特性を表す。
実線ｇ５１が示すように，晴天時用の前記位相規定素子３１により，理論上のコセカント２乗特性に非常に近似した利得分布（第１の利得分布の一例）を実現できている。
また，前記第１の特性（実線ｇ５１）と前記第２の特性（一点鎖線ｇ５２）とを比較すると，特性曲線の形が変わらずに横軸上を移動した関係になっており，放射パターンの形が変わらず方向だけが変化している。従って，前記第２の特性（ｇ５２）の利得分布は，前記第１の特性（ｇ５１）の利得分布に対してθ＝９０°側からθ＝０°側へ向かうほどより利得が大きくなる分布（第２の利得分布の一例）となっている。
このような特性から，晴天時と降雨時とで前記位相規定素子３１，３２を切り替えることにより，前記第１の実施の形態において図３に示したのと同様に，降雨減衰の変化及び相手側無線アンテナとの距離に関わらず，各相手側無線アンテナ（子局アンテナ）へほぼ一定のレベルで無線信号を到達させることが可能となる。
また，このアンテナ装置Ｘ２は，前記アンテナ装置Ｘ１の前記アンテナ傾斜機構２のように機械的可動部を有するものに比べ，耐久性が高く，高速に切り替えられる等のメリットがある。
【００２１】
（その他の実施の形態）
以上説明した実施の形態は，本発明に係るアンテナ装置Ｘ１，Ｘ２を相手側無線アンテナよりも高所に設置し，その無線アンテナが，略水平方向と鉛直下方向との間でコセカント２乗の利得分布を有するものでり，高所の基地局と地上における複数の加入者局との間の放送システムや無線通信システム等への適用が想定されるものであった。
しかし，本発明に係るアンテナ装置の適用対象はそのようなシステムに限らず，例えば，地上アンテナ（前記基地局アンテナに相当）と所定方向へ移動する列車等の車両に設けられた車上アンテナ（前記子局アンテナに相当）との間の無線伝送システム等への適用も考えられる。
図１３は，列車の線路沿いに設置された地上アンテナ１”と，線路上を移動する列車に設けられた車上アンテナ５との間の位置関係を模式的に表した平面図である。
列車の移動経路ｙから所定距離Ｈだけ離れた位置に前記地上アンテナ１”を設置した場合，該地上アンテナ１”と列車上の前記車上アンテナ５との距離ｄは列車の移動に伴って変化する。
ここで，前記アンテナ装置Ｘ１（又はＸ２）における前記無線アンテナ１（又は１’）を，図１３における前記地上アンテナ１”として適用し，該地上アンテナ１”の位置において，列車の移動経路ｙ方向に略並行な方向をθ＝０°，列車の移動経路ｙ方向に略直角の方向をθ＝９０°として前記無線アンテナ１（又は１’）を配置する。
これにより，晴天時には前記地上アンテナ１”が略コセカント２乗特性を有するので，前記車上アンテナ５の移動によって両アンテナ１”，５間の距離ｄが変化してもほぼ一定の信号レベルで無線信号を前記車上アンテナ５へ到達させることができる。さらに，降雨時に前記地上アンテナ１”の利得分布を変化させることにより，電波の降雨減衰の影響を除去することができる。このような無線伝送システムも本発明に係るアンテナ装置の適用対象の一例である。
【００２２】
また，前記第１の実施の形態において相手側無線アンテナが１つである場合，１対１の無線信号伝送システムとなる。このような場合でも，降雨状況により前記無線アンテナ１の利得分布を変化させることで，降雨状況にかかわらず相手側無線アンテナへの無線信号の到達レベルをほぼ一定に維持することができる。即ち，相手側無線アンテナとの距離が一定の場合においても，本発明を適用することにより，降雨等の信号伝搬経路の状況にかかわらず，相手側無線アンテナへの無線信号の到達レベルをほぼ一定に維持することができるので有効である。
【産業上の利用可能性】
【００２３】
本発明は，無線信号を伝送するアンテナ装置への利用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の第１の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ１の概略構成を表すブロック図。
【図２】アンテナ装置Ｘ１のアンテナ特性（利得分布）を相対利得により表したグラフ。
【図３】アンテナ装置Ｘ１における相手側無線アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の強度を相対減衰量により表したグラフ。
【図４】本発明の第２の実施の形態に係るアンテナ装置Ｘ２の概略構成図。
【図５】アンテナ装置Ｘ２が備える分配回路の概略構成を表すブロック図。
【図６】アンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性を第１の特性とするときの複数のアンテナ素子（放射素子）の振幅及び位相の分配を表すグラフ。
【図７】アンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性を第２の特性とするときの複数のアンテナ素子の振幅及び位相の分配を表すグラフ。
【図８】アンテナ装置Ｘ２のアンテナ特性（利得分布）を相対利得により表したグラフ。
【図９】基地局アンテナの位置を各子局アンテナの位置に対して高さＨの位置に配置した状態を表す模式図。
【図１０】基地局アンテナの地上高さＨを100mとしたときの子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の強度を相対減衰量により表したグラフ。
【図１１】コセカント２乗特性の基地局アンテナを使用した場合の子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の到達強度を相対レベルにより表したグラフ。
【図１２】コセカント３．５乗特性の基地局アンテナを使用した場合の子局アンテナまでの水平距離Ｄに対する電波の到達強度を相対レベルにより表したグラフ。
【図１３】本発明の実施の形態に係るアンテナ装置の適用対象の一例である地上アンテナと移動する列車上の車上アンテナとの間の位置関係を模式的に表した平面図。
【符号の説明】
【００２５】
１…無線アンテナ
１’…無線アンテナ（アレーアンテナ）
２…アンテナ傾斜機構
３…降雨量検出センサ
４，４’…アンテナ制御装置（利得分布変更手段）
１１…放射素子（アンテナ素子）
１２…分配回路
１３…給電部
１４…給電線路
１５…基材
１６…制御信号入力部
３０…電力分配器
３１…位相規定素子（晴天時用）
３２…位相規定素子（降雨時用）
３３…スイッチ
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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