JP4944636B2

JP4944636B2 - リニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置、及びその方法

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Publication number: JP4944636B2
Application number: JP2007038601A
Authority: JP
Inventors: 潤司東山; 芳明垂澤
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2007-02-19
Filing date: 2007-02-19
Publication date: 2012-06-06
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Also published as: JP2008203047A

Description

本発明は、リニアアレーアンテナの放射近傍領域の電界強度を測定するための装置、及びその方法に関する。

リニアアレーアンテナは携帯電話の無線基地局のアンテナとして多く使用されている。基地局のアンテナをアンテナタワーやビル屋上に設置する場合、電波法で規定する電波の強度の基準値と一致する境界に関する情報が必要となる。
図１２は従来技術によるアンテナ放射近傍領域の電界測定装置６００の構成例を示す図である。また、図１３は処理フロー例である。
この測定方法においては、任意の範囲においてＸＹ平面上の電界強度の測定を行い、その測定結果からＸＺ平面上の電界強度の計算推定を行う。そのため、ＸＹ平面上のアンテナ近傍の電界強度からＸＺ平面上の遠方の電界強度を把握することができる。

電界測定装置６００は、電界センサ１０、センサ位置決め手段６１０、振幅／位相検出回路３０、フーリエ変換回路４０、Ｚ軸変換回路５０、逆フーリエ変換回路６０及び表示回路７０から構成される。
なお、各軸については、上記リニアアレーアンテナの中心軸と平行な軸をＸ軸、上記リニアアレーアンテナの中心軸の中間点からＸ軸におろした法線の方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸の双方に直交する軸をＹ軸と定義する。
電界センサ１０は、測定対象となるリニアアレーアンテナが励起するＸ軸成分とＹ軸成分とを含む高周波電界を検知して電気信号として出力する（Ｓ９１）。

センサ位置決め手段６１０は、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の、所定の測定範囲及び所定の測定間隔に基づき、ＸＹ平面上において電界センサ１０を移動させるとともに、測定点における電界センサ１０のＸ軸座標値ｘ及びＹ軸座標値ｙを出力する（Ｓ９３）。
振幅／位相検出回路３０は、電界センサ１０から出力された電気信号とセンサ位置決め手段２０から出力された各測定点の座標値ｘ、ｙとが入力され、測定点ごとに上記高周波電界のＸ軸成分の振幅測定データＥ_ｘａ及び位相測定データＰ_ｘａ、並びに、Ｙ軸成分の振幅測定データＥ_ｙａ及び位相測定データＰ_ｙａを生成し出力する（Ｓ９２）。
フーリエ変換回路４０は、振幅／位相検出回路３０から出力されたＥ_ｘａ、Ｐ_ｘａ、Ｅ_ｙａ、Ｐ_ｙａが入力され、次式より波数スペクトラムのＸ軸成分ｆ_ｘとＹ軸成分ｆ_ｙを演算する（Ｓ９４）。

なお、ａ、ｂはそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向の測定範囲長である。また、Ｅ_Ｘ´、Ｅ_ｙ´は電界ベクトルで、Ｅ_Ｘ´が振幅Ｅ_ｘａと位相Ｐ_ｘａを要素とするＸ軸成分、Ｅ_ｙ´が振幅Ｅ_ｙａと位相Ｐ_ｙａを要素とするＹ軸成分である。そして、ｋ_ｘ、ｋ_ｙはそれぞれ波数のＸ軸成分、Ｙ軸成分である。

Ｚ軸変換回路５０は、フーリエ変換回路４０から出力されたｆ_ｘとｆ_ｙとが入力され、次式によりＺ軸変換を行い、変換結果ε_ｘとε_ｙを出力する（Ｓ９５）。

逆フーリエ変換回路６０は、Ｚ軸変換回路５０から出力されたε_ｘとε_ｙとが入力され、次式によりＸＺ平面の電界強度のＸ軸成分Ｅ_ｘ、Ｙ軸成分Ｅ_ｙ及びＺ軸成分Ｅ_ｚを演算して出力する（Ｓ９６）。

表示回路７０は、逆フーリエ変換回路６０から出力されたＥ_ｘ、Ｅ_ｙ及びＥ_ｚが入力され、これらに基づき電界強度の分布を画面等に表示する（Ｓ９７）。
C.A.Balanis , "ANTENNA THEORY 2nd ed.", John Wiley & Sons Inc. ，1982

従来技術による方法によれば、確かにＺ軸空間の測定をせずしてＺ軸空間の電界強度データを推定することができる。
しかし、放射近傍領域を含む遠方まで電界強度を正確に計算推定するためはＸＹ平面の電界強度はＸ軸、Ｙ軸に沿ってより遠方まで測定する必要がある。
また、測定を各軸方向につき同じ点数でとる場合、推定精度向上のために測定点数を増やすと、二乗で測定点数が増加することになる。
以上のように、従来技術による方法では、推定精度を向上しようとすると測定稼動が増大するという問題があった。

本発明によるリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置は、電界センサ、センサ位置決め手段、振幅／位相検出回路、振幅外挿演算回路、位相外挿演算回路、ＸＹ面電界データ生成回路、フーリエ変換回路、Ｚ軸変換回路、逆フーリエ変換回路及び表示回路から構成される。
電界センサは、リニアアレーアンテナが励起するＸ軸成分とＹ軸成分とを含む高周波電界を検知して電気信号として出力する。
センサ位置決め手段は、所定の測定範囲及び所定の測定間隔で、Ｘ軸に沿って上記電界センサを移動させるとともに上記電界センサのＸ軸座標値を出力する。つまり、測定はＸ軸上（ｙ＝０）のみにおいて行い、それ以外の領域（ｙ≠０）の領域の測定は行わない。

振幅／位相検出回路は、上記電気信号と上記Ｘ軸座標値とが入力され、上記所定の測定範囲における上記所定の測定間隔ごとの上記高周波電界の振幅測定データと位相測定データとを検出し出力する。
振幅外挿演算回路は、上記振幅測定データが入力され、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記振幅測定データとからｘと振幅との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに振幅を推定し、推定結果を上記振幅測定データとともにＸ軸振幅データとして出力する。つまり、測定をアンテナの長さに近い特定の範囲に限定して行い、測定範囲外については測定を行わずに推定データを挿入する。

位相外挿演算回路は、上記位相測定データが入力され、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記位相測定データとからｘと位相との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに位相を推定し、推定結果を上記位相測定データとともにＸ軸位相データとして出力する。つまり、測定をアンテナの長さに近い特定の範囲に限定して行い、測定範囲外については測定を行わずに推定データを挿入する。
ＸＹ面電界データ生成回路は、上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとが入力され、ＸＹ面の電界データをｙ＝０については上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとし、ｙ≠０の範囲はゼロとして求めて出力する。

フーリエ変換回路は、上記ＸＹ面の電界データが入力され、これをフーリエ変換により波数スペクトラムを演算して出力する。
Ｚ軸変換回路は、上記波数スペクトラムが入力され、Ｚ軸座標値ｚの値を含む関数を乗算して求めたＺ軸変換値を出力する。
逆フーリエ変換回路は、上記Ｚ軸変換値が入力され、これを逆フーリエ変換によりＸＺ面電界データを求めて出力する。
表示回路は、上記ＸＺ面データが入力され、このデータに基づき電界強度分布を表示する。

本発明によるリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置においては、Ｘ軸上のみにおいて測定を行い、かつ測定範囲をアンテナの長さに近い特定の範囲に限定して行う。
そのため、従来技術のようにＸＹ平面上で二次元かつ広範囲に測定するよりも、測定時間を大幅に短縮することができ、また小さな電波暗室でも測定を実施できる。

〔第１実施形態〕
図１は、本発明のアンテナ放射近傍領域の電界測定装置１００の構成例を示す図である。
電界測定装置１００は、電界センサ１０、センサ位置決め手段２０、振幅／位相検出回路３０、振幅外挿演算回路１１０、位相外挿演算回路１２０、ＸＹ面電界データ生成回路１３０、フーリエ変換回路４０、Ｚ軸変換回路５０、逆フーリエ変換回路６０及び表示回路７０から構成される。電界センサ１０、振幅／位相検出回路３０、フーリエ変換回路４０、Ｚ軸変換回路５０、逆フーリエ変換回路６０及び表示回路７０は図１２に示した従来技術と同じ構成である。そこで、図１の中で図１２と対応する部分については同一参照番号を付け、説明は省略する。その他の図面についても同様とする。

センサ位置決め手段２０は、所定の測定範囲及び所定の測定間隔で、Ｘ軸上において電界センサ１０を移動させるとともに、測定点における電界センサ１０のＸ軸座標値ｘ及びＹ軸座標値ｙ＝０を出力する。
ＸＺ面の電界分布を推定する従来の技術は、ＸＹ面上の電界の振幅、位相の測定値を必要とする方法である。この推定方法は、どのようなアンテナに対しても適用可能である。
しかし、携帯電話の無線基地局のアンテナとして多く使用されているリニアアレーアンテナは、アンテナ素子がＸ軸上に一直線に配置されており、このような場合には、あるＸＺ面の電界を推定する際にｙ＝０以外におけるＸＹ面上の電界分布、つまりｙ≠０における電界分布は０とみなして構わない。

そこで本発明では、リニアアレーアンテナの電界強度測定の迅速化を主たる目的として、Ｘ軸上のみの電界強度測定によりＸＺ面の電界分布の推定を実現するものである。
Ｘ軸上における測定範囲は、測定対象であるリニアアレーアンテナの長さに依存し、具体的にはアンテナ長の２倍の長さを測定すれば十分である。また、測定範囲における測定点の間隔は、細かいほど推定精度を向上できると考えられるが、測定稼動とのトレードオフからλ／２（半波長）程度が最適であると考えられる。例えば、周波数２ＧＨｚで１ｍのリニアアレーアンテナを測定する場合、測定範囲は２ｍ（アンテナ中間点から±１ｍ）となり、測定間隔はλ＝０．１５ｍであるため０．０７５ｍとなる。従って、この場合は２８測定点にて測定を行うことになる。

また、リニアアレーアンテナと電界センサとの間の距離については、λ／２〜２λの間が望ましく、λが最も望ましい距離であると考えられる。
振幅外挿演算回路１１０は、まず、振幅／位相検出回路３０から出力されるＸ軸上の複数の測定点座標（ｘ、０）におけるＸ軸成分振幅測定データＥ_xaとＹ軸成分振幅測定データＥ_yaとが入力され、これらから関数Ｅ_exa＝ｆ_ex（ｘ）、Ｅ_eya＝ｆ_ey（ｘ）を求める。そして、関数ｆ_ex（ｘ）、ｆ_ey（ｘ）により上記所定の測定範囲の外であってＸＺ面における電界強度の推定に必要となるＸ軸上の所定の範囲（外挿範囲）について、所定の間隔でＸ軸成分振幅外挿データＥ_exa、Ｙ軸成分振幅外挿データＥ_eyaを演算し、振幅測定データＥ_xa、Ｅ_yaとともに、Ｘ軸Ｘ成分振幅データＥ_fxa（y=0）（＝Ｅ_xaとＥ_exaの全データ）、Ｘ軸Ｙ成分振幅データＥ_fya（y=0）（＝Ｅ_yaとＥ_eyaの全データ）を出力する。このような外挿のイメージを図２に示す。

推定のために必要となるＸ軸上における演算範囲は、電界強度分布を推定したいＸＺ面の範囲を画す矩形の長辺の長さに比例して広くなり、また、許容する推定誤差が小さいほど広くなる。従って演算範囲は、電界強度分布を推定したいＸＺ面の範囲を画す矩形の長辺の長さと、許容する推定誤差に応じて決定すればよい。
例えば、ＸＺ面の電界強度分布を±３ｄＢ以内の推定誤差で測定したい場合には、長辺の長さの３倍程度の範囲を、また±１ｄＢ以内の測定誤差で測定したい場合には、長辺の長さの５倍程度の範囲について外挿データを演算する。

より具体的には、アンテナ中間点のＸ座標を基準としてＸ方向で−１０ｍ〜＋５ｍ、Ｚ方向で０〜２０ｍのＸＺ面における電界強度分布を必要とし、±１ｄＢの誤差で推定を行いたい場合には、長辺２０ｍの５倍、つまり１００ｍ程度が外挿データの演算範囲となる。
なお、演算点の間隔については、測定点の間隔と同様、λ／２（半波長）が最適であると考えられる。
位相外挿演算回路１２０は、まず、振幅／位相検出回路３０から出力されるＸ軸上の複数の測定点座標（ｘ、０）におけるＸ軸成分位相測定データＰ_ｘａ、Ｙ軸成分位相測定データＰ_ｙａが入力され、これらから関数Ｐ_pxa＝ｆ_px（ｘ）、Ｐ_pya＝ｆ_py（ｘ）を求める。そして、関数ｆ_px（ｘ）、ｆ_py（ｘ）により上記所定の測定範囲の外であってＸＺ面における電界強度の推定に必要となるＸ軸上の所定の範囲（外挿範囲）について、所定の間隔でＸ軸成分位相外挿データＰ_pxa、Ｙ軸成分位相外挿データＰ_pyaを演算し、位相測定データＰ_xa、Ｐ_yaとともにＸ軸Ｘ成分位相データＰ_fxa（y=0）（＝Ｐ_xaとＰ_pxaの全データ）、Ｘ軸Ｙ成分位相データＰ_fya（y=0）（＝Ｐ_yaとＰ_pyaの全データ）を出力する。このような外挿のイメージを図２に示す。

なお、演算範囲と演算点の間隔に関しては、振幅外挿演算回路１１０における設定内容と同じである。
ＸＹ面電界データ生成回路１３０は、振幅外挿演算回路１１０から出力されたＸ軸Ｘ成分振幅データＥ_fxa（y=0）とＸ軸Ｙ成分振幅データＥ_fya（y=0）、及び、位相外挿演算回路１２０から出力されたＸ軸Ｘ成分位相データＰ_fxa（y=0）とＸ軸Ｙ成分位相データＰ_fya（y=0）がそれぞれ入力される。
ＸＹ面上の電界強度からＸＺ面の電界強度を推定する際、リニアアレーアンテナの場合は、上記のとおりｙ≠０におけるＸＹ面上の電界分布は０とみなして構わない。そこで、本発明ではｙ≠０の領域については測定を行わないこととしたが、推定のための演算処理は背景技術に示すｙ≠０の領域も測定することを前提とした(1)〜(3)式により行うため、ｙ≠０の領域の値についてもフーリエ変換回路４０に入力する必要がある。そこで、ＸＹ面電界データ生成回路１３０では、入力されたＸ軸上、つまりｙ＝０における測定データＥ_fxa（y=0）、Ｅ_fya（y=0）、Ｐ_fxa（y=0）、Ｐ_fya（y=0）に加え、ＸＹ面上のｙ≠０の範囲についてＥ_{fxa（y≠0）}＝０、Ｅ_{fya（y≠0）}＝０、Ｐ_{fxa（y≠0）}＝０、Ｐ_{fya（y≠0）}＝０としてダミーデータを生成して、これらをそれぞれ合わせてＸＹ面電界データＥ_xa´、Ｅ_ya´、Ｐ_xa´、Ｐ_ya´として出力する。

そしてフーリエ変換回路４０での(1)式の処理においては、電界ベクトルＥ_Ｘ´、Ｅ_ｙ´について、Ｅ_Ｘ´が振幅Ｅ_xa´と位相Ｐ_xa´を要素とするＸ軸成分、Ｅ_ｙ´が振幅Ｅ_ya´と位相Ｐ_xa´を要素とするＹ軸成分であるとして演算を行う。
なお、ＸＺ面における電界強度の推定にあたり設定するｙ≠０のダミーデータを生成するyの範囲は、便宜上Ｘ軸上の所定の範囲と同じ値とする。
従って、(1)式では、ｂ＝aとして演算する。また、このことから、(1)式におけるＸ軸方向の測定範囲長ａにあたるＸ軸上における外挿の演算範囲を、電界強度分布を推定したいＸＺ面の範囲を画す矩形の長辺の長さＬとして設定した場合には、実際に電界強度分布が推定されるＸＺ面の範囲は長方形ではなく、Ｌ×Ｌの正方形の範囲となる。

第１実施形態における処理フロー例を図３に従い説明する。
リニアアレーアンテナから放射された高周波電界を電界センサ１０が検知する（Ｓ１）。次に、検知された信号から振幅／位相検出回路３０は振幅・位相測定データをＸ軸成分・Ｙ軸成分それぞれについて生成する（Ｓ２）。ここで、所定の測定範囲の各測定点の測定が終了していなければ、センサ位置決め手段２０により電界センサ１０をＸ軸方向に所定の距離だけ移動させつつ（Ｓ３）、所定の測定範囲の測定が終了するまでＳ３→Ｓ１→Ｓ２→・・・のステップを繰り返す。

所定の測定範囲の測定完了後、振幅／位相検出回路３０から出力された各測定点の振幅測定データに基づき振幅外挿演算回路１１０において、Ｘ軸座標と振幅との関数を生成し、その関数を用いて測定範囲の外側であってＸＺ平面の電界推定のためにデータが必要なＸ軸上の所定の範囲（外挿範囲）について振幅データを演算する。そして、測定したデータと、外挿のために演算したデータとの集合を、Ｘ軸上の所定の範囲の振幅データとして出力する（Ｓ４）。
また、位相外挿演算回路１２０においても振幅外挿演算回路１１０と同様に、Ｘ軸座標と位相との関数を生成し、その関数を用いて測定範囲の外側であってＸＺ平面の位相推定のためにデータが必要なＸ軸上の所定の範囲（外挿範囲）について位相データを演算する。そして、測定したデータと、外挿のために演算したデータとの集合を、Ｘ軸上の所定の範囲の位相データとして出力する（Ｓ５）。なお、Ｓ４とＳ５は並行処理が可能である。

次に、ＸＹ面電界データ生成回路１３０にて、外挿後の振幅データと位相データそれぞれについてＸＹ面電界データを生成する（Ｓ６）。
次に、フーリエ変換回路４０にて、ＸＹ面電界データをフーリエ変換し、波数スペクトラムを演算する（Ｓ７）。
次に、Ｚ軸変換回路５０にて、波数スペクトラムにＺ軸値ｚの関数を乗算してＺ軸変換値を求める（Ｓ８）。
次に、逆フーリエ変換回路６０にて、Ｚ軸変換値を逆フーリエ変換し、ＸＺ面電界データを演算する（Ｓ９）。

最後に、表示回路７０にて、ＸＺ面電界データを表示する（Ｓ１０）。
以上のように、電界の測定をＸ軸上のみにおいて行い、かつ測定範囲をアンテナの長さに近い、狭い範囲に限定して行うため、従来より測定時間を大幅に短縮することができ、かつ小さな測定空間での測定も可能になる。

〔第２実施形態〕
図４は、本発明のアンテナ放射近傍領域の電界測定装置２００の構成例を示す図である。
電界測定装置２００は、電界測定装置１００に回転装置２１０を加えたものである。
回転装置２１０は、リニアアレーアンテナの中心軸を中心に上記リニアアレーアンテナを回転する機能を具備する。Ｘ軸上の電界測定によりＸＺ面の電界強度分布を平面的に得ることができるが、Ｘ軸上の電界測定とこの回転装置を用いたリニアアレーアンテナの任意の角度での回転とを交互に行うことで、実質的にリニアアンテナの全周にわたる立体的な電界強度分布を推定することができる。
回転角度を細かくすることで、より詳細な推定が可能となるが、実用上は例えば１５度おき（２４回／３６０°）の測定で十分であると考えられる。

第２実施形態における処理フロー例を図５に従い説明する。
Ｓ１〜Ｓ１０については、第１実施形態と同様であることから省略する。
あるＸＺ面データの測定が完了した後、もし所定の面数の測定が終了していなければ、回転装置２１０によりリニアアレーアンテナを所定の角度だけ回転させつつ（Ｓ１１）、所定の測定面数の測定が終了するまでＳ１１→Ｓ１〜Ｓ１０→・・・のステップを繰り返す。

〔第３実施形態〕
図６は、本発明のアンテナ放射近傍領域の電界測定装置３００における電界測定装置１００との相違部分を示す図である。
電界測定装置３００は、電界測定装置１００の構成において、２個以上の電界センサがリニアアレーアンテナの中心軸を中心とする円上に配置されることに加え、各電界センサからの出力信号から１個の電界センサの出力信号を選択して、それを出力する電界センサ切替回路３１０を具備するものである。
Ｘ軸上の電界測定によりＸＺ面の電界強度分布を平面的に得ることができるが、Ｘ軸上の電界測定を複数の電界センサごとに電界センサ切替回路３１０を順次切り替えて行うことで、第２実施形態と同様、実質的にリニアアンテナの全周にわたる立体的な電界強度分布を推定することができる。

電界センサの配置個数を多くすることで、より詳細な推定が可能となるが、実用上は例えば１５度おき（２４個／３６０°）の配置で十分であると考えられる。
第３実施形態における処理フロー例を図７に従い説明する。
Ｓ１〜Ｓ１０については、第１実施形態と同様であることから省略する。
あるＸＺ面データの測定が完了した後、もし全センサによる測定が終了していなければ、電界センサ切替回路３１０により測定に用いる電界センサを切り替えつつ（Ｓ１２）、全センサによる測定が終了するまでＳ１２→Ｓ１〜Ｓ１０→・・・のステップを繰り返す。

〔第４実施形態〕
図８は、本発明のアンテナ放射近傍領域の電界測定装置４００の構成例を示す図である。
電界測定装置４００は、電界測定装置１００に校正用電界センサ４１０と校正回路４２０を加えたものである。
校正用電界センサ４１０は、リニアアレーアンテナの中心軸から見て、電界センサ１０より遠方で、かつ電界強度の推定を行う範囲内のＸＺ面上に配置され、リニアアレーアンテナが励起する高周波電界を検知して電界データを出力する。
校正回路４２０は、逆フーリエ変換回路６０から出力された推定によるＸＺ面電界データと、校正用電界センサ４１０によりＸＺ面上で実測された電界データとが入力され、校正用電界センサの位置におけるＸＺ面推定データと実測データとの相違から校正係数を求めて、各ＸＺ面推定データにこの校正係数を乗算した上で出力する。

校正を行うことで、計算推定した電界強度の確度を向上することができる。
なお、校正を適切に行うため、校正用電界センサ４１０は、電界センサ１０に比べて絶対確度の高いものを用いる。
第４実施形態における処理フロー例を図９に従い説明する。
Ｓ１〜Ｓ１０については第１実施形態と同様であることから省略する。
Ｓ９においてＸＺ面電界データの推定をした後、またはそれと並行して、ＸＺ面電界データの推定空間範囲内に設置された校正用電界センサ４１０により校正用電界データを検知する（Ｓ１３）。
次に校正回路４２０にて、検知した校正用電界データと、校正用電界センサ４１０の設置位置に該当するＸＺ面電界データの推定値とから、校正係数を求め、この校正係数によりＸＺ面電界データの各推定値を校正して出力する（Ｓ１４）。

〔第５実施形態〕
図１０は、本発明のアンテナ放射近傍領域の電界測定装置５００における電界センサ５１０の構成例を示す図である。
電界センサ５１０は、レーザダイオード５１１、光分波器５１２、Ｘ軸用微小ダイポールエレメント５１３、Ｘ軸用マッハツェンダ型光変調器５１４、Ｘ軸用光電気変換器５１５、Ｙ軸用微小ダイポールエレメント５１６、Ｙ軸用マッハツェンダ型光変調器５１７、Ｙ軸用光電気変換器５１８及び支持治具５１９から構成される。

レーザダイオード５１１から発出された光信号は光分波器５１２で２分割され、それぞれＸ軸用マッハツェンダ型光変調器５１４、Ｙ軸用マッハツェンダ型光変調器５１７に入力される。一方、支持治具５１９により直交配置されたＸ軸用微小ダイポールエレメント５１３とＹ軸用微小ダイポールエレメント５１６における電界から誘起された電圧が、それぞれＸ軸用マッハツェンダ型光変調器５１４、Ｙ軸用マッハツェンダ型光変調器５１７に入力される。そして、Ｘ軸用マッハツェンダ型光変調器５１４及びＹ軸用マッハツェンダ型光変調器５１７において、それぞれ光の強度を電界強度に比例した誘起電圧で変調し、変調後の光信号をそれぞれＸ軸用光電気変換器５１５、Ｙ軸用光電気変換器５１８において電気信号に変換し、それぞれＸ軸成分信号とＹ軸成分信号として出力する。

マッハツェンダ型の光変調器は入力抵抗が高く、また光ファイバ線路を利用するため、被測定電界への影響を限りなく抑えることができる。また、微小ダイポールを用いることで位相と振幅の位置分解能を高めることができる。
なお、微小ダイポールの長さは、測定する電波の波長に対して１／４波長以下にする。

＜本発明を適用した測定例＞
８００ＭＨｚ帯の１２素子垂直ダイポールリニアアレーアンテナの測定例を図１１に示す。アンテナの長さは２．５ｍである。アンテナ放射素子から約１波長離れたＸ軸上で電界の振幅と位相を実測した。実測したＸ軸の範囲は６ｍである。図１１の破線の±３６ｍの部分の電界の振幅と位相は上記の方法により外挿した。またｙ＝０を除くｙ軸の±３６ｍの範囲の電界強度は全てゼロとした。
このＺ軸方向の計算推定結果はアンテナの主ビームと副ビームの様子を表せている。放射近傍領域の測定について、２次元的に電界センサを掃引する方法に比べて本方法は、電界センサをＸ軸上のみで掃引するので、測定時間を大幅に短縮できる。

本発明は、リニアアレーアンテナを使用する携帯電話の無線基地局において把握が必要となる、電波法で規定する電波の強度の基準値と一致する境界を求める場合に特に有用である。

本発明による電界測定装置１００の構成例。外挿のイメージ図。本発明による電界測定装置１００を用いた処理フロー例。本発明による電界測定装置２００の構成例。本発明による電界測定装置２００を用いた処理フロー例。本発明による電界測定装置３００における電界測定装置１００との相違部分を示す構成例。本発明による電界測定装置３００を用いた処理フロー例。本発明による電界測定装置４００の構成例。本発明による電界測定装置４００を用いた処理フロー例。本発明による電界測定装置５００における電界センサ５１０の構成例。本発明を適用した測定例におけるＸＺ面の電界強度分布図。従来技術による電界測定装置６００の構成例。従来技術による電界測定装置６００を用いた処理フロー例。

Claims

リニアアレーアンテナの近傍で１個以上の電界センサを用いて当該リニアアレーアンテナ周辺の電界強度分布を測定するリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置であって、
上記電界センサごとに、上記リニアアレーアンテナの中心軸と平行な軸をＸ軸、上記電界センサから上記リニアアレーアンテナの中心軸におろした法線の方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸の双方に直交する軸をＹ軸とし、
上記リニアアレーアンテナが励起するＸ軸成分とＹ軸成分とを含む高周波電界を検知して電気信号として出力する上記電界センサと、
所定の測定範囲及び所定の測定間隔で、Ｘ軸に沿って上記電界センサを移動させるとともに上記電界センサのＸ軸座標値を出力するセンサ位置決め手段と、
上記電気信号と上記Ｘ軸座標値とが入力され、上記所定の測定範囲における上記所定の測定間隔ごとの上記高周波電界の振幅測定データと位相測定データとを生成し出力する振幅／位相検出回路と、
上記振幅測定データが入力され、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記振幅測定データとからｘと振幅との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに振幅を推定し、推定結果を上記振幅測定データとともにＸ軸振幅データとして出力する振幅外挿演算回路と、
上記位相測定データが入力され、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記位相測定データとからｘと位相との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに位相を推定し、推定結果を上記位相測定データとともにＸ軸位相データとして出力する位相外挿演算回路と、
上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとが入力され、ＸＹ面の電界データを、ｙ＝０については上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとし、ｙ≠０の範囲はゼロとして求めて出力するＸＹ面電界データ生成回路と、
上記ＸＹ面電界データが入力され、これをフーリエ変換により波数スペクトラムを演算して出力するフーリエ変換回路と、
上記波数スペクトラムが入力され、これにＺ軸座標値ｚの値を含む関数を乗算して求めたＺ軸変換値を出力するＺ軸変換回路と、
上記Ｚ軸変換値が入力され、これを逆フーリエ変換によりＸＺ面電界データを求めて出力する逆フーリエ変換回路と、
上記ＸＺ面データが入力され、このデータに基づき電界強度分布を表示する表示回路と、
を具備するリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置。
請求項１に記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置であって、
更に、上記リニアアレーアンテナの中心軸を中心に上記リニアアレーアンテナを回転する回転装置を具備することを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置。
請求項１に記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置であって、
２個以上の上記電界センサが上記リニアアレーアンテナの中心軸を中心とする円上に配置され、
更に、上記２個以上の電界センサの出力信号から１個の電界センサの出力信号を選択して、それを出力する電界センサ切替回路を具備することを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置。
請求項１〜３のいずれかに記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置であって、更に、
上記リニアアレーアンテナの中心軸から見て、上記電界センサより遠方に設置され、リニアアレーアンテナが励起する高周波電界を検知して電界データを出力する校正用電界センサと、
上記逆フーリエ変換回路からのＸＺ面電界データと、上記校正用電界センサからの電界データとが入力され、上記ＸＺ面電界データを校正して出力する校正回路と、
を具備することを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置。
請求項１〜４のいずれかに記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置であって、
上記電界センサは、
光信号を発生し出力するレーザダイオードと、
上記光信号が入力され、２つの光信号に分波して出力する光分波器と、
電界のＸ軸成分を検知するＸ軸用微小ダイポールエレメントと、
上記分波された一方の光信号が入力され、当該光信号の位相を上記Ｘ軸用微小ダイポールエレメントに誘起された電圧で変調し、当該Ｘ軸成分変調光信号を出力するＸ軸用マッハツェンダ型光変調器と、
上記Ｘ軸成分変調光信号が入力され、これを電気信号に変換したＸ軸成分信号を出力するＸ軸用光電気変換器と、
電界のＹ軸成分を検知するＹ軸用微小ダイポールエレメントと、
上記分波されたもう一方の光信号が入力され、当該光信号の位相を上記Ｙ軸用微小ダイポールエレメントに誘起された電圧で変調し、当該Ｙ軸成分変調光信号を出力するＹ軸用マッハツェンダ型光変調器と、
上記Ｙ軸成分変調光信号が入力され、これを電気信号に変換したＹ軸成分信号を出力するＹ軸用光電気変換器と、
上記Ｘ軸用微小ダイポールエレメントと上記Ｙ軸用微小ダイポールエレメントとをそれぞれＸ軸方向とＹ軸方向に固定する支持治具と、
を具備することを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定装置。
リニアアレーアンテナの近傍で１個以上の電界センサを用いて当該リニアアレーアンテナ周辺の電界強度分布を測定するリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法であって、
上記電界センサごとに、上記リニアアレーアンテナの中心軸と平行な軸をＸ軸、上記電界センサから上記リニアアレーアンテナの中心軸におろした法線の方向をＺ軸、Ｘ軸とＺ軸の双方に直交する軸をＹ軸とし、
上記電界センサが、上記リニアアレーアンテナが励起するＸ軸成分とＹ軸成分とを含む高周波電界を検知して電気信号として出力するステップと、
センサ位置決め手段が、所定の測定範囲及び所定の測定間隔で、Ｘ軸に沿って上記電界センサを移動させるとともに上記電界センサのＸ軸座標値を出力するステップと、
振幅／位相検出回路が、上記電気信号と上記Ｘ軸座標値とから、上記所定の測定範囲における上記所定の測定間隔ごとの上記高周波電界の振幅測定データと位相測定データとを生成し出力するステップと、
振幅外挿演算回路が、上記振幅測定データから、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記振幅測定データとからｘと振幅との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに振幅を推定し、推定結果を上記振幅測定データとともにＸ軸振幅データとして出力するステップと、
位相外挿演算回路が、上記位相測定データから、上記Ｘ軸座標値ｘと対応する上記位相測定データとからｘと位相との関数を求め、その関数により上記所定の測定範囲の外であって、Ｘ軸上の所定の範囲について所定の間隔ごとに位相を推定し、推定結果を上記位相測定データとともにＸ軸位相データとして出力するステップと、
ＸＹ面電界データ生成回路が、上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとから、ＸＹ面の電界データをｙ＝０については上記Ｘ軸振幅データと上記Ｘ軸位相データとし、ｙ≠０の範囲はゼロとして求めて出力するステップと、
フーリエ変換回路が、上記ＸＹ面の電界データから、これをフーリエ変換により波数スペクトラムを演算して出力するステップと、
Ｚ軸変換回路が、上記波数スペクトラムにＺ軸座標値ｚの値を含む関数を乗算して求めたＺ軸変換値を出力するステップと、
逆フーリエ変換回路が、上記Ｚ軸変換値から逆フーリエ変換によりＸＺ面電界データを求めて出力するステップと、
表示回路が、上記ＸＺ面データに基づき電界強度分布を表示するステップと、
を実行するリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法。
請求項６に記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法であって、
更に、回転装置が、上記リニアアレーアンテナの中心軸を中心に上記リニアアレーアンテナを回転するステップの実行を含むことを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法。
請求項６に記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法であって、
２個以上の上記電界センサが上記リニアアレーアンテナの中心軸を中心とする円上に配置され、
更に、電界センサ切替回路が、上記２個以上の電界センサの出力信号から１個の電界センサの出力信号を選択してそれを出力するステップの実行を含むことを特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法。
請求項６〜８のいずれかに記載のリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法であって、更に、
校正用電界センサが、上記リニアアレーアンテナの中心軸から見て、上記電界センサより遠方において、リニアアレーアンテナが励起する高周波電界を検知して電界データを出力するステップと、
校正回路が、上記逆フーリエ変換回路からのＸＺ面電界データと、上記校正用電界センサの測定値とから、上記ＸＺ面電界データを校正して出力するステップと、
を実行することを含むこと特徴とするリニアアレーアンテナ放射近傍電界測定方法。