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 - Google Patents
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Description
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。
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)。
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Exa及び位相測定データPxa、並びに、Y軸成分の振幅測定データEya及び位相測定データPya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Exa、Pxa、Eya、Pyaが入力され、次式より波数スペクトラムのX軸成分fxとY軸成分fyを演算する(S94)。
C.A.Balanis , "ANTENNA THEORY 2nd ed.", John Wiley & Sons Inc. ,1982
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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ExaとY軸成分振幅測定データEyaとが入力され、これらから関数Eexa=fex(x)、Eeya=fey(x)を求める。そして、関数fex(x)、fey(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Eexa、Y軸成分振幅外挿データEeyaを演算し、振幅測定データExa、Eyaとともに、X軸X成分振幅データEfxa(y=0)(=ExaとEexaの全データ)、X軸Y成分振幅データEfya(y=0)(=EyaとEeya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。
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。
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Pxa、Y軸成分位相測定データPyaが入力され、これらから関数Ppxa=fpx(x)、Ppya=fpy(x)を求める。そして、関数fpx(x)、fpy(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Ppxa、Y軸成分位相外挿データPpyaを演算し、位相測定データPxa、PyaとともにX軸X成分位相データPfxa(y=0)(=PxaとPpxaの全データ)、X軸Y成分位相データPfya(y=0)(=PyaとPpya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。
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Efxa(y=0)とX軸Y成分振幅データEfya(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Pfxa(y=0)とX軸Y成分位相データPfya(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Efxa(y=0)、Efya(y=0)、Pfxa(y=0)、Pfya(y=0)に加え、XY面上のy≠0の範囲についてEfxa(y≠0)=0、Efya(y≠0)=0、Pfxa(y≠0)=0、Pfya(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Exa´、Eya´、Pxa´、Pya´として出力する。
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。
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。
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、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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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)。
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。
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。
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。
Claims (9)
- 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。
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