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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改良ＦＯＭＡパッシブ・リピート・アンテナの実験

2005.12.27

こんにちは、電波太郎です。

今回は、改良したＦＯＭＡパッシブ・リピート・アンテナで、地下の圏外を解消する実験を行いました。【図１】

今回の改良は、屋外アンテナの受信感度の向上と、指向性の改良（干渉波対策）がテーマです。

【図１】パッシブ・リピート・アンテナを実験した環境（前回と同じ場所）

前回のアンテナでは、ビルの地下通路に設置した屋内用のアンテナから５ｍ先まで使えるように、FOMAのエリアを改善できました。

＜前回の実験はこちら→http://www.k-taispot.com/blog/2005/10/post_37.php＞

電波太郎：

今回作成したアンテナは四角い箱のようですね。

【写真１】試作したFOMA用平面アンテナ（屋外用）16dBi

本体サイズ　高さ440mm　幅225mm　奥行き85mm

【写真２】試作したFOMA用再放射アンテナ（屋内用）9dBi

本体サイズ　高さ106mm　幅116mm　奥行き27mm

開発担当：

屋外用のアンテナは、ビルの側面に設置するケースが多くなると思い、壁面から出っ張ったものにならないよう平面アンテナで設計しました。設置したときの外観、基地局方向の調整のしやすさ、受信性能などに重点を置き、改良しました。

電波太郎：

そうですね、八木アンテナやパラボラアンテナの形だと、建物から出っ張ってしまって景観がイマイチですね。平面だと違和感はないですね。

で、性能のほうはどうですか？

開発担当：

前回の実験では、コーナーリフレクターアンテナというパラボラアンテナに近い形のアンテナを使用しました。今回のアンテナは前回のものより受信感度が２ｄB高い１６ｄBｉの平面アンテナです。

アンテナの受信感度を上げ、指向性が狭くなったので、設置調整がシビアになるかと思いましたが、意外と簡単でした。

電波太郎：

受信感度も上がり、調整しやすくなってＧＯＯＤ！ＧＯＯＤ！

ところで、指向性を狭くしたってどういうことですか？

開発担当：

今回のアンテナは、基地局が見通せる場所（たとえば高層階）などで、遠くから飛んでくるほかの干渉電波を受けないようにするため、垂直方向の指向性を鋭く設計しました。また、水平方向の指向性の角度を前回のアンテナより多くとり、方向調整を行いやすくしました。

電波太郎：

肝心の携帯通話はどうなったのですか？

開発担当：

テストは基地局が見通せる場所に屋外アンテナ【写真１】を設置し、同軸ケーブルを35ｍ引き伸ばして、屋内のアンテナ【写真２】で再放射しました。【図１】

テストの結果は、屋内のアンテナから７ｍ先まで通話が可能になりました。

前回のアンテナより、2ｍ伸ばすことができました。【図２】【図３】

また、前回は８ｍ以上先（D、E地点）での通話は全く不可能だったのに比べ、今回は途切れはあったものの、通話は8ｍのところでも可能でした。

【図２】アンテナ改良前の効果

【図３】アンテナ改良後の効果

電波太郎：

前回より良い結果が出たってことですよね。

開発担当：

はい、そうです。体感出来るレベルで改善できていました。

ただし、今回は基地局を見通せる環境での実験です。基地局が見通せない環境で、どれだけ改善できるかも今後調べていかなければいけません。

電波太郎：

効果が良くなったことはわかりましたが、アンテナの形は？

なんか無骨に感じるのですが・・・。

開発担当：

あくまでも試作機なので、こんな色ですが、商品化の時には設置環境にフィットするような色合いにしていくつもりです。アンテナの軽量化も予定しています。

電波太郎：

待ち遠しいですね。いつですか？

開発担当：

準備して近々、発表します。

タワーマンション超高層階でのFOMA電波感度の改善テスト

2005.11.29

前回まで48階の超高層階で、FOMAを実際に使用しながら電波測定を行い、高層階独特の電波状態を把握しました。

高層階では見通しが良いために、多くの基地局の電波が届いてしまい、電波が干渉したり、到来した電波が部屋の奥では弱くなるなど、電波環境が悪くなっていることがわかりました。

基地局は、地上で最適に通信できるよう、アンテナを下向きに設定してあるため、高層階では電波が弱くなっていました。【図１】

また、障害となる建物がないので遠方の基地局からの電波や反射した電波も届いていました。

【図１】超高層ビルの電波状態

【図２】改善イメージ

パッシブ・リピート・アンテナを使って、このような状態を改善するため

１．高利得の指向性アンテナを最勢力の電波が来ている基地局に向けて、

　　より強い電波として受信するようにする。【図２】

２．室内のアンテナから再放射した電波レベルを他の干渉波よりも抜き立たせる。

３．希望波を抜き出させることでEc/No値を向上させる【図３】

　　　以上のポイントで、どれだけ電波環境の改善ができるものかを、実験してみました。

【図３】希望波を抜き出すことにより、Ec/No値を向上

【テストの概要】

・基地局の見通せる48階の窓際に屋外用の指向性アンテナを設置。

・同軸ケーブルを使って再放射アンテナに接続。

・通路の奥へ向かって再放射。【図４】

・使用した携帯：　FOMA　N900iS　P901iS　

・測定機：アンリツＷ−CDMAエリアテスタ

【図４】窓際にて指向性アンテナで受信、屋内へ再放射

【アンテナ設置】

アンテナを設置した窓際の電波環境は

RSCP　−74.8dBm　Ec/No　−8.4ｄB　でした。

窓際では、FOMAはスムーズに発信ができ、音質も良好でしたが、アンテナピクトが「3本」であるにもかかわらず、時々着信しないことがあったところです。（5回中２回失敗）希望波の値は正常だが、キャッチする電波が大きく変動して安定していませんでした。

アンテナを設置してFOMA端末にて確認しました。

通話の途切れや通話の不安定感の解消は2ｍ程度までは体感できましたが、２ｍを超えてしまうと、通話が不安定になりました。

再放射アンテナからの希望波と他の干渉波とのEc/Noの差が少なくなり

結果としてアンテナの作用効果が弱まってしまう結果となっていました。【図5】

【図５】再放射した電波のEc/Noの変化イメージ

■アンテナのすぐそば　

接続率　　　　　　：発信100％　着信100％

アンテナピクト　　：３本

品質　　　　　　　：発着信がスムーズで通話の音質も安定していた。

RSCP：−73.8【dBm】　←設置前−74.8【dBm】

Ec/No：−５.３（dB）　　 ←設置前−８.４（dB）

■アンテナから１ｍのところ　

接続率　　　　　　：発信100％　着信100％

アンテナピクト　　：３本

品質　　　　　　　：発着信がスムーズで通話の音質も安定していた。

RSCP：−75.1【dBm】　←設置前−77.4【dBm】

Ec/No：−6.4【dB】　　 ←設置前−8.5【dB】

■アンテナから2ｍのところ　

接続率　　　　　　：発信80％　着信100％

アンテナピクト　　：１〜２本

品質　　　　　　　：発信着信まで7〜10秒ぐらいかかり通話もできるが

効果をハッキリ体感できているというほどではなかった。

RSCP：−77.2【dBm】　←設置前−77.2【dBm】

Ec/No：−7.8【dB】　　 ←設置前−8.5【dB】

■まとめ

今回は試作アンテナを使った実験で、電波干渉が起こっている高層階で、屋内の再放射アンテナから2ｍまでのところまで効果を確認できましたが、それ以上では元々飛来してきている電波とアンテナからの再放射電波の差がなくなり、干渉障害の改善には至らないという結果になりました。

この実験の結果から様々なデータが入手できました。

高層階の干渉を解決するためには、

設計におけるアンテナ性能、機能の向上とともに「パッシブ・リピート・アンテナ」の“システム”としての対処が必要と捉えて現在、開発しております。

近々その試作が完成予定です。

天候によるタワーマンション超高層階でのFOMAの電波状態の変化

2005.11.24

高層階での電波測定の2日目は雨、少し肌寒く外気温は12℃前後でした。加えて、霧がかかっていて2キロほど先までしか見通せませんでした。従って、初日と同じ場所で測定しているにもかかわらず、測定値が少し違っていることに気づきました。通話テストをしても快晴だった初日よりもこの日はなんとなく電波の調子が良いような感じでした。【写真１】

【写真１】雨の日の景観

今回も、電波の干渉や建物内部への電波の到達具合などの測定調査を、FOMAの実際の使用感とともに実施しました。【図１】

【図１】高層ビル内の環境

【測定機による測定の結果】

アンリツ製Ｗ−CDMAエリアテスタML8720Bを使用し測定を行いました。

定点を決め、アンテナを垂直にした状態で測定しました。【写真２】

【写真２】エリアテスタでの測定

【雨の日、電波が良くなったところ】

場所：①位置

快晴だった初日は、この場所はFOMAの発信はできるけれども、着信がしにくい状態でした。

雨模様のこの日は着信も正常できていました。希望波受信電力（RSCP）は晴天のとき（ｂ）に比べ雨天のとき（ａ）の方が悪くなってはいますが、他の電波（干渉波）を受信していないためか、Ec/Noは変化していませんでした。また初日と比べて電波（希望波）の変動幅が比較的小さくて安定しているように感じました。

【表1】窓際①位置での測定値

場所：③位置

この場所は晴天のときは弱い電波が互いに干渉し、５回のうち２回しかつながらなかったところです。測定上では初日と同じように干渉はしていますが、着信はほぼできる状態でした。１０秒以上かかっていた接続も、１０秒以内でつながりました。初日は通話中の音の途切れや品質アラームが鳴ることもありましたが、この日は少し良くなり通話は普通にできました。

雨の日のほうが良い使用感となりました。

【表２】③位置での測定値

【雨の日、電波が悪くなったところ】

場所：②位置

快晴のときにはこのあたりまでは「繋がってしまえば安定するぞ！」といった場所だったのですが、雨の日では通話が途切れたり発信に時間がかかったりしました。希望波のRSCPが低下しそれに伴いEc/Noも悪くなっていました。つまり、電波の品質（RSCP、Ec/No）が悪くなっていたのです。

【表３】②位置での測定値

【まとめ】

今回、快晴と雨の日にテストを行い、天候により電波環境が微妙に違うことが分かりました。

一般的に周波数の高い電波は大気中を伝わるとき、雨、雪、霧などに含まれる大気中の水分によって吸収・散乱され減衰するといわれています。2000MHｚ（2GHz）の周波数を使っているFOMAの電波も、天候や気温によって状態が微妙に変化していることが今回の実験で改めてわかりました。

1日目（晴天）：

・大気が乾燥し降雨減衰の影響がなく遠い基地局からの電波が届いていた。

・電波が良く飛んでおり干渉波も多く飛来していた。

２日目（雨天）：

・降雨減衰によって、遠方の基地局から飛んでくる電波が減衰し弱くなって届くので、携帯電話がそのような電波を干渉波としてキャッチすることがなくなり、環境としてはかえって良くなった。

・①の位置のように干渉波の受信・レベルが低くなった結果、希望波を受信しやすくなって通話が安定したと考えられます。

・逆にもともと電波が飛んできにくい弱電界の場所では雨の日などでは受信レベルが全体的に低くなるので、さらに使えなくなってしまうかもしれない。

タワーマンションでは部屋や場所にによって、使えないようなこともあるかと思います。

いつもは使える場所でも天候などにより電波環境が変化して使えなくなってしまうようなことがあるかも知れないですね。高層マンションにお住まいでこのような体験をされている方でこのような体験をされた方はおられませんか？

天候によって部屋の中で電波を追いかける生活は不便ですよね。

「ケータイが使えないタワーマンションでストレスなく携帯が使えるようにしたい」と

今回のテストで改めて感じました。

次回は、超高層階でのアンテナ実験の結果と課題をまとめてみます。

（追記）

私の家では「このようなときに携帯が使えなくなる」「雨の日などに携帯が繋がりにくくなった、繋がりやすくなった…」「こんな事をしたら使えるようになった」といったさまざま体験のコメントなどいただければありがたいです。

超高層階の電波干渉と建物内部への電波浸透

2005.11.21

大阪市内の地上200ｍを超えるタワービルの48階で実験を行いました。

高層マンションや高層ビルで、ケータイの発着信ができない、メールが使えない、通話中に音が途切れたり切れてしまったりする、というような電波障害をよく聞きます。高層階では見通しが良いために、多くの基地局の電波が届いてしまったり、部屋の奥では到来した電波が弱くなっていたりして電波環境が悪くなってしまうためです。

今回、FOMAを使い電波の干渉や建物内部への電波の到達具合などの調査とFOMAの実際の使用感を調査しました。【図１】

調査初日は快晴。少し霞がかかっていましたが、10キロほど先まで見通せる天候でした。