電波感度をよくするケータイ・スポット・アンテナの開発Blog

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1本のアンテナで複数の携帯が同時に使用可能！

2006.06.29

こんにちは、電波太郎です。
家族で同じ携帯電話会社の携帯電話を契約すれば、ケータイの料金が大幅に安くなる割引サービスを使われている方が多いと思います。自宅で携帯の電波が不安定だったり弱かったりだと、家で皆がストレスなく使うことができませんよね。
 
携帯電話の電波が不安定になったり弱くなる原因に、「基地局からの距離による減衰」
「建築物などの透過による減衰」「反射や回折、フェージングによる減衰」などがあることは、以前にこのブログで取り上げました。
現在、自宅などでのケータイの不感を解決する様々なアンテナが市販されていますが、それらには共通して次のような問題点があります。
 
１． 1本のアンテナで1台の携帯電話しか使えない
２． ケーブルの長さが最長で５ｍ（アンテナによって変わりますが）
３． ほとんどが窓に取り付けるタイプ
４． 電波の安定している窓に複数のアンテナを取り付けると美観を損なう
 
【図１】市販されているアンテナの使用イメージ
 
窓際での電波が良好で、かつアンテナから５ｍ以内で1人で使用するには問題ないですが、複数人で使用することはできません。また、電波状態の良い部屋（アンテナを置く場所）と携帯電話を使用したい部屋が離れている場合も使えません。
 
今回は、このような問題の解決を目的に実験してみました。
実験した環境イメージは【図２】です。
この居間では携帯電話の電波が弱く、アンテナマークは「1本」ないし「0本」で、時には圏外を表示することもあります。まったく通話ができないわけではなく、通話中に突然切れてしまったり、メールの送受信、ｉモードがなかなか接続できなかったりという状態です。
また居間から寝室（アンテナマーク3本）に携帯電話を持っていくと、居間で受信できなかったメールが一度に受信することもありました。
 
【図２】実験した住宅でのアンテナ分配イメージ
 
まず、電波の状態が良い窓際（寝室）にアンテナを設置し（アンテナマーク3本）、同軸ケーブルを電波が不安定な居間まで引き込み（15ｍ）、4分配器で4台の携帯電話に接続しました。
 
この居間では電波が弱く、前述したように、アンテナマークは「1本」ないし「0本」で、時には圏外を表示するところです。分配器からのケーブルをFOMA携帯につなぎました。
すると、アンテナマークが「0〜1本」から「3本」に変わりました。
メールの送受信もスムーズで、通話音声も良好でした。グッドです！
今回、分配器を経由して同時に4台の携帯電話が正常に動作することも確認できました。
 
電波太郎：
一度に2人以上の人が発信をして使えるの？
 
開発担当：
はい。1本のケーブルを4本に切り替えているものでなく、４本に分けているものなので、4人同時に使うことが確認できました。
 
電波太郎：
これって単純に、10分配とか100分配とかはできるの？
 
開発担当：
分配の数が多くなると、受信した電波が各携帯電話に伝わるまでに弱くなってしまい使えなくなります。今回は4分配で実験を行いましたが、それ以上の分配は実験をしていませんので、どれくらいまで分配できるのかは、受信電力次第です。できるだけ電波状態の良いところに置くことが基本です。
 
電波太郎：
最近は、家族割引のようなプランが各社でありますね。多くの人がその割引を利用していると考えられるので、アンテナも家族で分け合えますね。
 
開発担当：
家族（個人）で使うだけでなく、会社（法人）でも携帯電話会社は携帯電話料金の請求などの管理上同じ電話会社にしていることも多く、今回のような分配が便利だと思います。
今、色々な人の意見を聞いています。ご意見いただければ嬉しいです。

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携帯の電波の種類と電波の飛び

2006.06.20

こんにちは、電波太郎です。
週末にレジャーで郊外に出かける機会が多くなってきました。つい先日、鈴鹿国定公園に行きましたが、800MHzの電波を使用する携帯電話は使えるのに、友人の2GHzの携帯は「圏外」です。車で走行中に見た時、基地局はそれぞれ同じような場所にあったのに・・・。
 
現在、国内の携帯電話で使用されている周波数は、800MHzの「mova」と「cdma1x」、1500ＭHｚの「vodafone2Ｇ」、そして2000ＭHｚでは「FOMA」と「vodafone3G」があります。
 
一般的に携帯電話の電波が弱くなる（電波の品質が劣化する）原因には、
１． 基地局からの距離による減衰　　
２． 建築物などの透過による減衰　　
３． 反射や回折、フェージングによる減衰　　があります。
携帯電話の電波状態はこれら「伝搬するときの損失」、「電波の到来する方向」、「電波の到達遅延」などで大きく変化します。最適な通信環境を提供できるよう携帯電話会社は基地局の配置などを常に保守しています。
 
１．基地局からの距離による減衰
基地局のアンテナから放射された電波は、携帯電話に到達するまでの飛来距離があります。単純に基地局と携帯電話のアンテナ間に電波の進行を妨げるものがない場合、下記のような自由空間伝搬損失となります。【図１】
 
【図１】距離による自由空間伝搬損失
FOMAやVodafone3Gの2GHzの電波とmovaやcdma1xの800MHｚの電波を比較すると、2GHzのほうが800MHzに比べて約8dB※（6.3〜6.4倍）伝搬損失が大きいことになります。基地局が同じ場所にあった場合、800MHｚでは使えても2GHｚでは使えないといったことがあるのは、このようなことが原因です。
また、到来する距離に関わらず、自由空間ではその差は約8ｄBとなっています。
Vodafone2Gの1.5GHzは800MHzと2GHzの間のような特性を持っています。
 
※【dB】＝（デシベル）電気回路などで２つの値を比較する場合などに使用されます。
電気回路では千分の一とか一万分の一とかの値を表すことがあり、そのまま表示すると桁数が非常に多くなるのでｄＢで表しており、ここでは８ｄＢと表記しましたが、大体6.3〜6.4倍に相当する数値となります。
 
２．建築物などを透過するときの減衰
携帯電話の通信は、常に基地局が見通せているとは限りません。
以前このブログにも取り上げましたが、基地局が見通せない建物の中などでは、
建物の壁を通過する際のロスがあります。
 
【図２】建築材における伝搬損失（出典：西尾、加冶：昭５９信学光・電波全大、No35）
 
電波は透過する建築素材によって、損失が大きく異なります。
例えば、断熱用グラスウールは800MHz、2GHzにかかわらず36〜37dBの損失で、電波が約5000分の１程度になってしまいます。
壁や天井に断熱用グラスウールが使われている建物では、携帯電話の電波は、特に伝わりにくくなっています。
また、建築材の透過損失に関しては、800MHｚより2GHzの方が約1dBから約7dB程度（1ｄB＝約1.25倍　7ｄB＝約5倍）損失が大きくなっています。
 
３．反射や回折、フェージングによる減衰
「じゃぁ２GHzの電波はあまり良くないのか？」というとそうではありません。
携帯電話の電波は、反射や回折などで様々な経路で到来します。
到来する方向や時間的なズレで、フェージングや電波の遅延が起こります。
それぞれの波長の中で（800MHzで約37cm、2GHz15cm）複数の電波が打ち消しあったりして、電界がきわめて小さくなる所が連続的ないしは一様に発生します。
FOMAとVodafone3Gの採用している2GHzのW-CDMA方式は一つの電波の幅が5MHｚ（mova（PDC方式）の200倍の幅）広いため、PDC方式に比べてフェージングの影響は小さくなり安定した通話になります。
また、Cdma1xは一つの電波の幅が1.25MHｚ（mova（PDC方式）の50倍の幅）になっていて、800MHzの電波の特徴を持ちつつcdmaで電波の幅が広いため、フェージングにも強くなっています。
 
電波太郎：
携帯電話の電波は周波数によって伝わり方が変わってくるのですね。
 
開発担当：
場所にもよりますが、800MHzに比べて2GHzの携帯電話の電波は障害物を透過したり、廻り込んだりして浸透するのがあまり得意でないようですね。
その代わりに、CDMA方式によってフェージングの影響を受けにくくなっています。
CDMAの電波は幅が広いので、データ通信も高速になっています。
携帯通話エリアの拡大や音質向上は、携帯電話会社の最も大切な仕事であり、基地局もどんどん強化され、通話エリアの改善がどんどん進んでいます。
しかしながら一方では、自宅やタワーマンションやオフィスビルで電波の届かず、困っているユーザーも少なくありません。
多くの方からのご意見や応援、激励のメールを頂戴するにつけ、ユーザー自身が解決できる「法に準拠したアンテナ」を早く商品化できるよう頑張っていきます。
 
このブログがビジネスblog情報サイト「ビジネスブログ」事例として紹介されました。

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自宅で携帯が使えない！

2006.06.09

前回は「オフィスの奥まったところにあるために電波が届きにくくなっているミーテイングルーム」で、アンテナの効果実験をしました。今回は、一般の住宅で実験行いました。
実験した部屋は、通話中に音が途切れたり、着信を受けてもすぐに通話が切れたりする状況で、アンテナマークは通常「1本〜2本」です。加えて、部屋の中の場所によりアンテナマークが0〜1本に変化し電波状態が不安定な部屋でした。（部屋B）
 
部屋Aでアンテナピクトが「3本」のところを探し、そこに外部アンテナを置き、部屋Bまで同軸ケーブルを伸ばして（10ｍ）携帯電話に接続し、通話テストを実施しました。
 
【図１】電波環境
実験を行った部屋のアンテナマークの色分けをしました。【図１】
部屋A、部屋B共にアンテナマーク0本から2本のところが多く、部屋Aの窓側の限られたところで3本に（アンテナを置いた位置）なっていました。
今回実験したのは木造住宅の部屋ですが、電波が安定する所とそうでない所が狭い部屋の中に併存していました。
【図1】のようにアンテナを設置し通話状態を確認しました。
 
【写真１】実験をした部屋B
 
部屋Aに置いたアンテナからケーブルを経由して部屋Bの携帯に接続したところ、アンテナマークが1〜2本から3本に変わりました。さっそく発信し、通話をしてみました。
数分間会話を続けましたが、途切れる気配はありません。
3分経過・・・特に途切れなどもでません。
5分近く経っても、安定して使えています。
 
電波が安定している所にアンテナを固定して受信し、同軸ケーブルを経由して
電波がそのまま携帯電話に入ってきているので、通話が安定しました。
携帯電話にケーブルをつないだアンテナの効果を、はっきり確認することができました。
 
同じ部屋なのに、場所によってアンテナマークにこれほどの違いがでるのは、なぜでしょう？
 
一般的に基地局から発射された電波は、距離が遠くなるにつれ弱くなっていきます。
また、携帯電話を使う所から基地局が見通せるということはあまりありません。
携帯電話が受信するまで電波は建物や障害物などに反射したり回折をして伝わってきます。結果として様々な方向から到来した多くの電波を携帯電話は受信しています。
そのとき反射した電波同士で重畳して強くなったり、逆に打ち消しあったりして受信電波の強さが激しく変動します。
 
【図２】移動伝搬路におけるフェージング
出典：奥村，進士監修「移動通信の基礎」電子情報通信学会
 
電波伝搬を長い距離で見ると、【図２】の一番下のグラフのように距離が遠くなるに従って漸次弱まっていきます。
そして、その中の少し短い区間を表したものが短区間中央値にグラフで
更に細かく見るとある瞬間の変動を表した瞬時値変動という変化があります。
干渉や構造物等による影響は中央値変動でとらえることができ、携帯電話を受信している狭い部屋では瞬時値変動のような状態になっていると考えられます。
 
電波太郎：
反射したり回折した電波がお互いぶつかったりして、電波が不安定になるのですね。
 
開発担当：
建物などに反射して届いた電波は部屋のような狭い環境では受信レベルが大きく変動しています。【図２】の一番上のグラフ。
 
電波太郎：
電波状態の良い所でアンテナが固定されて動かないことも通話を安定させることになっているんですね。
アンテナから同軸ケーブルを経由して受信電波を携帯電話に伝えると、空気中を伝わるよりも遥かに電波の減衰が少なくなるので安定するんですね。
ケーブルを繋ぐアンテナの良さはこんなところにあるんですね。

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オフィスの奥まった部屋でケータイが使いにくい！

2006.05.26

こんにちは、電波太郎です。
前回、オフィスフロアの奥まったところにある電波の届かない部屋まで、ＦＯＭＡ（2GHz）用アンテナのケーブルを延長して、そのスポットで携帯電話を使用できるよう改善テストを行いました。
今回実験したスポットも、オフィスフロアの奥側に配置されたミーテイングルームで、電波が弱くて通話が不安定なところです。今回はｍｏｖａとａｕの携帯（800MHz）で実験を行いました。
実験が仕事の邪魔にならないよう、電波状態の良い窓際から不安定な部屋までケーブルを敷くと約30ｍほどになりました。
 
写真１のように電波が入る窓際にアンテナを置きました。
 
【写真１】800MHz携帯電話用外部アンテナ
奥の部屋までは、窓際から直線距離では10ｍ〜15ｍほどです。しかし、パーテーションやキャビネット、ロッカーなどがあって、電波の侵入の邪魔をしているようです。
問題の部屋のアンテナマークは「1本」です。
その部屋では、発信や着信が出来ない事も多く、通話中に途切れたり、切れてしまったりするようです。
またメールも送受信できないことが多く見受けられたりするそうです。「圏外」ではありませんが、快適に使えるといった状況ではありません。この部屋で打ち合わせ中に携帯をかけたり、着信があった時は一旦、部屋を出て電波がいいところに移動するような状況です。
 
　そこで、窓際にアンテナを設置し、30ｍの同軸ケーブル（損失約5ｄB）を使い、電波が届きにくいオフィス奥の部屋に引っ張って携帯電話につなぎました。【写真２】
 
【写真２】電波入らないオフィス奥での携帯電話
 
アンテナとケーブルを使って携帯電話につなぐことによって、アンテナマークが「3本」になり、発信着信もスムーズかつ通話も安定しました。メールもバッチリです。
 
【写真３】実験に使用した800MHz携帯電話（左：ドコモmova、右：auCDMA１X）
 
さて、なぜ、アンテナの効果があったのでしょうか？
電波は空気中を伝わるとき次第に弱まり、伝わる途中に障害物があると、さらに弱くなる性質を持っています。
実験では、アンテナから携帯電話までケーブルでつなぐことで、空中を伝わるよりもロスをはるかに少なくできたため、奥の部屋でも安定して使えるようになったのです。
電波がビルなどの建物に入ってくるときにはまず建物侵入損(penetration loss)というものがあります。
建物侵入損というのは、建物内と屋外の境目付近と建物内中央部における受信レベルの差のことをいいます。侵入損はビルの大きさ、構造により変化しますが、
都市部における測定結果によれば、平均値は20ｄB程度の損失※１
また、800MHｚの携帯電話の電波の侵入損はビル入り口からビル中央に向かう通路では、屋外のレベルに比べて1ｍあたり約2ｄBで損失が増加します。※２
（参考文献）
※ １）森永隆広監修「移動通信−理論と設計−」電子情報学会編
※ ２）明山哲「複局同時送信時のゾーン間相関特性」昭63信学全大
 
実際実験したこのオフィスでも、ビル窓から中に入った電波が奥の部屋までを伝わっていくとき、パーテーション、ロッカー、キャビネットなど様々な障害物がありました。
オフィス内部の構造が複雑であればあるほど弱くなっていくんですね。
 
【図１】実験した環境（都市部のオフィス）
 
電波太郎：
うーん、少し説明が難しかったけど、ビル内では屋外に比べて格段に電波のロスが大きいって事ですよね。そこをロスの少ないケーブルで電波を伝えると、今まで携帯電話が使えなかったものが使えるようになりました。
当然のことですが、今回の実験アンテナも無線設備規則に準拠したものになっています。
 
 
開発担当：
そうです、以前も、屋内で人や壁で電波がどれくらいロスするかも実験しました。
電波太郎：
電波は建物の中が苦手なんだね、部屋の奥でも快適にケータイが使えるようにしたいです。

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アンテナケーブルの長さが足りない！

2006.05.15

「携帯電話の電波状態が悪いのでアンテナを買おうと思ったけど、“ケーブルが短かくて使えない！“」という声が、併設のネットショップに時々寄せられてきます。
 
電波太郎：
FOMA室内アンテナは５ｍですが、短くて使えないのですか？
 
お客様：
そうなんです。
 
電波太郎：
どんな環境ですか？
 
お客様：
私の部屋は、携帯が使える部屋と廊下を挟んだ奥側にあるんです。
携帯が使える部屋はアンテナマークが「3本〜１本」ですが、
廊下の奥にある私の部屋は時々「圏外」が表示されるほど、電波が弱いんです。
通話中、音が途切れたり、メールがなかなか送れなくてイライラすることが
よくあります。
外部アンテナを調べたのですが、FOMA のアンテナケーブルでは長さが足りないんですね。
 
【図１】お客様の環境
 
電波太郎：
各キャリアから出ている純正アンテナは、「アンテナを置く所」と「携帯を使う所」を同じ部屋を想定しているのでしょう。長いものでも５ｍになっています。
また付属でケーブルを延長できるようなものもありません。
そこで、今回試作したコーリニアアンテナ（無指向性アンテナ）に15ｍのケーブルをつないで、電波感度の良い部屋から奥の部屋に引き込んでみました。
コーリニアアンテナは、FOMAアンテナより少し感度がいいものになっています。【図２】
 
お客様：
うわぁ。アンテナマークが「3本」に！
発信もスムーズにできるうえ、通話中の途切れもないですね！
メールもすぐ送れるし、これならストレスなく使えるね。
１５ｍでも大丈夫なんですね。
 
【図２】ケーブルを延ばした場合の改善イメージ
 
電波太郎：
受信する電波の状態次第では、もっと伸ばすことも可能ですよ。
ケーブルが長くなれば距離に比例して電波が途中で減衰してしまうので限界はありますが…。
ケーブルを伝わる方が空中を伝わるよりはずっと電波の減衰は少ないので、
奥の部屋でも携帯電話が使えるようになったんです。
このシステムを使えば、窓際から離れて電波感度の悪くなっているオフィスや、地下でもケーブルを
引き込んで使うことも可能になります。
 
お客様：
受信性能のよいアンテナなら、もっと距離を伸ばせるということですね？
 
電波太郎：
いえいえ。単純にアンテナの利得性能を上げてもダメなんですよ。
前回も取り上げましたが、「無線設備規則49条6項の4、2−4」でアンテナを携帯
電話に直接繋いで使う場合のコネクタ端の上限利得は決められています。
それは、外部アンテナの受信電波レベル、アンテナ利得、ケーブルの減衰、携帯電話へ
入る最終的な受信感度レベルなどの条件で決まるんですね。
だから、闇雲に利得だけ上げてもダメなんです。
 
お客様：
そうなんですか！？
でも、ケーブルを伸ばしても使えるようにしたいという人、結構いると思いますよ。
 
電波太郎：
ご意見、有難うございます。
今後ともよろしくお願いします。

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