JP6769817B2

JP6769817B2 - アンテナ特性測定装置

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Publication number: JP6769817B2
Application number: JP2016198869A
Authority: JP
Inventors: 陽史川井; 平田　真一; 真一平田; 浩一郎今村; 杉本　智彦; 智彦杉本; 良和鳥羽; 淳濱田
Original assignee: Seikoh Giken Co Ltd; Japan Broadcasting Corp
Current assignee: Seikoh Giken Co Ltd; Japan Broadcasting Corp
Priority date: 2016-10-07
Filing date: 2016-10-07
Publication date: 2020-10-14
Anticipated expiration: 2036-10-07
Also published as: JP2018059862A

Description

本発明は、送信アンテナの近くに配置された光電界センサにより、送信アンテナから放射される電波の強度または位相を測定するアンテナ特性測定装置に関する。

放送用または通信用の送信アンテナの特性の変動などを測定及び監視するための手段として、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調して光ファイバにより出力する光電界センサヘッドと、その出力光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器とを用い、そのＯ／Ｅ変換された電気信号により送信アンテナの近傍の電界強度を測定する光電界センサが使用されている。主として誘電体材料で構成され、電波周波数での応答が可能な広帯域特性を有する光電界センサヘッドを送信アンテナの近傍の測定箇所に設置し、それと光源およびＯ／Ｅ変換器などの測定機器との間を光ファイバで接続することにより、送信アンテナの特性に及ぼす影響を除き、落雷などによる誘導の影響を受けないで、送信電波の強度や位相特性を測定することができる。

このような光電界センサを用いたアンテナ監視システムの一例が特許文献１に記載されている。また、複数個所の電波の位相を高い信頼性と高い測定精度で測定することが可能な複数の光電界センサヘッドを用いたシステムが特許文献２に記載され、光電界センサを用いて複数のアンテナの電力レベルや位相差を計測するアンテナの特性測定システムが特許文献３に記載されている。

特開２００５−８６３４７号公報特開２０１４−２００５号公報特開２０１４−３５２６８号公報

放送用の送信アンテナでは、放送エリアに合わせた空中線利得と指向性を形成するために、双ループアンテナなどを複数個、多段に、また多面に配置して送信アンテナシステムを構成する場合が多い。このような複数のアンテナを用いた送信アンテナシステムでは、合成された放射電波が設計通りの利得と指向性を得るためには、個々のアンテナが設計通りの強度特性や位相特性で電波を放射することが必要である。しかし、実際には、施工工事の際の不備や故障などにより設計通りの特性となっていない場合がある。特に位相特性は各アンテナ間の相対的な位相差を詳細に調整する必要であるので、個々のアンテナごとの位相特性の測定や監視が必須となる。

通常、鉄塔などの高所に設置されるアンテナの近傍に置かれた光電界センサヘッドと、測定機器等と共に屋内に置かれるＯ／Ｅ変換器との間は、数十ｍ〜数百ｍの光ファイバ伝送路で接続される。アンテナより放射された電波の位相を測定する場合、電波信号を光信号に変換した後、光ファイバにより伝送され、Ｏ／Ｅ変換して得られる電波信号の位相は、それぞれの光電界センサヘッドに接続された光ファイバの長さに依存し、さらにその光ファイバの温度にも依存する。このため、個々のアンテナから放射される電波の相対的な位相差を正確に測定するためには何らかの工夫が必要となる。例えば、特許文献２においては、光電界センサヘッドをそれぞれ複数のアンテナの近傍に設置し、すべての光電界センサヘッドに接続する光ファイバの長さを許容される設定値内に調整する方法が示されている。また、特許文献３においては、光ファイバに接続された１つの光電界センサヘッドを用い、それを個々のアンテナの近傍に順次着脱して設置して測定し、それらの測定データを比較することにより相対的な位相差を測定している。

しかし、送信アンテナシステムを構成する個々のアンテナの設置場所が離れている場合や光電界センサヘッドや光ファイバの設置の自由度が制限される場合には、特許文献２のように、個々のアンテナの近傍に配置する光電界センサヘッドとＯ／Ｅ変換器との間を接続する光ファイバの長さを正確に測定し、調整することは容易ではない。また、外部環境によっては光電界センサヘッドを着脱して設置することが難しい場合や、光電界センサヘッドの着脱や光ファイバの敷設に大きな工数を要する場合があり、このような場合は特許文献３の方法を用いることは容易ではない。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、光電界センサヘッドとＯ／Ｅ変換器とを接続する光ファイバの長さの詳細な測定や調整、及び光電界センサヘッドの着脱を必要としないで、複数のアンテナの相対的な位相差を測定することが可能なアンテナ特性測定装置を提供することにある。

上記課題を解決するため、第１の観点では、本発明によるアンテナ特性測定装置は、複数のアンテナを用いて電波を放射する送信アンテナシステムにおいて、少なくとも２つの前記アンテナの近傍にそれぞれ配置され、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調した変調光を出力する少なくとも２つの光電界センサヘッドと、前記光電界センサヘッドに前記入力光を供給する変調用光源と、前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記入力光を前記変調用光源からそれぞれの前記光電界センサヘッドに伝送する少なくとも２つの入力光ファイバと、それぞれの前記光電界センサヘッドからの前記変調光を前記Ｏ／Ｅ変換器に伝送する少なくとも２つの出力光ファイバとを有し、前記Ｏ／Ｅ変換された電気信号に基づいて前記電界強度を測定することにより少なくとも２つの前記アンテナから放射される電波の位相を測定するアンテナ特性測定装置であって、前記変調用光源とは異なる波長を有する補正用光源と、前記光電界センサヘッドと前記出力光ファイバとの間にそれぞれ設置された前記変調用光源の波長を通過し前記補正用光源の波長を反射する反射型回折格子とを有し、前記補正用光源の強度を基準信号で変調して得られる補正用光信号を前記Ｏ／Ｅ変換器側より前記出力光ファイバに入力し、前記反射型回折格子により反射して前記Ｏ／Ｅ変換器側に戻る前記補正用光信号を検出して前記基準信号と比較することにより、それぞれの前記出力光ファイバに依存する電波の位相の測定値を補正することを特徴とする。

上記のように、本発明においては、光電界センサヘッドと出力光ファイバとの間に反射型回折格子を挿入し、補正用光信号をＯ／Ｅ変換器側より出力光ファイバに入力し、反射型回折格子により反射してＯ／Ｅ変換器側に戻るその補正用光信号を検出することにより、出力光ファイバに依存する電波信号の位相シフト量を検出することができる。上記の検出される補正用光信号の位相シフト量は補正用光信号を変調している基準信号に対する相対的な位相シフト量であり、出力光ファイバの往復により生ずる位相シフト量である。この値は、光信号に変換された電波信号が通過する出力光ファイバの長さや温度に依存する位相シフト量に対応している。そこで、各光電界センサヘッドの出力光ファイバについて、同一の基準信号に対する相対的な位相シフト量を検出しそれらを比較することにより、各光電界センサヘッドの電波の位相の測定値の出力光ファイバに依存する部分を把握することができる。すなわち、各アンテナから放射された電波の相対的な位相差の部分と、出力光ファイバの違いに依存する位相差の部分を切り分けて把握することができる。この検出された出力光ファイバに依存する位相差を用いて、各光電界センサヘッドの位相の測定値を補正することにより、各アンテナから放射された電波の相対的な位相を高精度に測定することができる。

ここで、補正用光源は変調用光源とは異なる波長を有し、光電界センサヘッドと出力光ファイバとの間に設置する反射型回折格子は変調用光源の波長を通過し補正用光源の波長のみを反射するように設定している。これにより、変調光は光電界センサヘッドから出力光ファイバを通過してＯ／Ｅ変換器に入力させることができる。なお、各出力光ファイバに対する補正用のデータを測定する場合、基準信号をアンテナから放射する電波信号の周波数と同一の周波数とすれば、光信号に変換された電波信号の出力光ファイバによる位相のシフト量の違いが直接的に把握可能となる。また、基準信号の周波数をより高くすれば出力光ファイバの長さ等の違いに対する位相シフト量の変化が大きくなるので、より高精度の位相の測定値の補正が可能となる。

また、本発明に使用する光電界センサヘッドとしては、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、その基板に形成された光導波路と、その光導波路近傍に設置された電極アンテナとを備え、前記光導波路は、光の入射側から延びる入力光導波路と、その入力光導波路から二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路と、その２本の位相シフト光導波路が合流して光の出射側につながる出力光導波路とから形成され、前記電極アンテナは、前記位相シフト導波路に並行して前記延伸方向へ延びるとともに、アンテナから放射される電波により該電極アンテナに誘起された電気信号を前記位相シフト導波路に印加し該位相シフト光導波路の屈折率を変化させる駆動電極部分を有する分岐干渉型光変調器を用いることができる。基板材料としてはニオブ酸リチウム結晶が従来から用いられており、小型、高効率、広帯域の光変調器が得られるので、本発明の光電界センサヘッドに用いるのに適している。この光変調器には駆動電極と一体となった電界検出用の電極アンテナが設置され、電極アンテナに誘起された電圧が駆動電極部分を介して位相シフト導波路に印加されて位相シフト光導波路の屈折率を変化させる。

第２の観点では、本発明は、前記第１の観点のアンテナ特性測定装置において、前記反射型回折格子は光ファイバ・ブラッグ・グレーティングであることを特徴とする。本発明に用いる反射型回折格子は、回折格子やコリメータ等の個別部品を組み合わせても構成可能であるが、光ファイバ中に埋め込まれた回折格子を有する光ファイバ・ブラッグ・グレーティング（ＦＢＧ）を用いる方が小型かつ低コストで実現可能である。

第３の観点では、本発明は、前記第１又は第２の観点のアンテナ特性測定装置において、前記補正用光源からの前記補正用光信号は光サーキュレータを介して前記出力光ファイバに入力し、前記変調光及び前記反射型回折格子により反射された前記補正用光信号は前記光サーキュレータを介して前記Ｏ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする。光サーキュレータを用いることにより、出力光ファイバに入力する補正用光信号と、出力光ファイバから出力する変調光及び補正用光信号の反射光とを容易に分離して処理することができる。この場合、出力光ファイバから出力する変調光及び補正用光信号の反射光はＷＤＭカプラを用いて分離し、その後、別々のＯ／Ｅ変換器に入力してもよい。または、補正用光信号を検出するときに変調用光源からの入力光を遮断して、変調光と補正用光信号とを同時に検出しないようにすれば、変調光と補正用光信号の反射光とを分離しないでＯ／Ｅ変換器に入力することができる。

第４の観点では、本発明は、前記第１または第２の観点のアンテナ特性測定装置において、前記光電界センサヘッドは前記入力光を変調し反射して戻す反射型光電界センサヘッドであり、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは同一の光ファイバであって、前記補正用光源からの前記補正用光信号と前記変調用光源からの入力光とをＷＤＭカプラにより合波した後、光サーキュレータを介して前記入力光ファイバに入力し、前記変調光及び前記反射型回折格子により反射された前記補正用光信号は前記光サーキュレータを介して前記Ｏ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする。

反射型光電界センサヘッドを用いることにより入力光と出力光は光サーキュレータにより分離して入出力する。この場合、光サーキュレータから出力する変調光及び補正用光信号の反射光はＷＤＭカプラを用いて分離し、その後、別々のＯ／Ｅ変換器に入力してもよい。または、補正用光信号を検出するときに変調用光源からの入力光を遮断して、変調光と補正用光信号とを同時に検出しないようにすれば、変調光と補正用光信号の反射光とを分離しないでＯ／Ｅ変換器に入力することができる。

反射型光電界センサヘッドとしては、電気光学効果を有する材料から作られた基板と、その基板に形成された光導波路と、前記基板上に設置されて前記光導波路を伝播する光を反射する光反射部と、前記光導波路近傍に設置された電極アンテナとを備え、前記光導波路が、光の入出射側から延びる入出力光導波路と、前記入出力光導波路から二股に分岐して延びて前記光反射部に達する２本の位相シフト導波路とから形成され、前記電極アンテナは、前記位相シフト導波路に並行して前記延伸方向へ延びるとともに、アンテナから放射される電波により該電極アンテナに誘起された電気信号を前記位相シフト導波路に印加し該位相シフト光導波路の屈折率を変化させる駆動電極部分を有する反射型の分岐干渉型光変調器を用いることができる。このような反射型の光変調器の構成を用いることにより、透過型の光変調器に比べて同じ電極長に対して２倍の長さ光が透過するので、光電界センサヘッドのより高効率化、広帯域化が可能となり、かつ小型化が可能となる。

第５の観点では、本発明は、前記第３又は第４の観点のアンテナ特性測定装置において、前記補正用光信号を検出するときには前記変調用光源からの入力光を遮断することを特徴とする。このように補正用光信号を検出するときに変調用光源からの入力光を遮断して、変調光と補正用光信号とを同時に検出しないようにすれば、変調光と補正用光信号の反射光とを同じＯ／Ｅ変換器に入力して検出することができる。

第６の観点では、本発明は、前記第１乃至第５の観点のアンテナ特性測定装置において、前記Ｏ／Ｅ変換された電気信号に基づいて前記電界強度を測定することにより前記アンテナから放射される電波の強度を測定する手段を有することを特徴とする。光電界センサヘッドにおいて光信号に変換された電波信号の強度又は振幅はその場の電界強度に依存するため、検出された電波信号の強度又は振幅を比較器などを用いて計測すれば、そのアンテナから放射された電波の強度を測定することができる。すなわち、本観点のアンテナ特性測定装置では、複数のアンテナから放射される電波の相対的な位相の測定と同時に電波の強度の測定が可能となる。

第７の観点では、本発明は、前記第６の観点のアンテナ特性測定装置において、前記反射型回折格子により反射して前記Ｏ／Ｅ変換器側に戻る前記補正用光信号の光強度を測定し、その測定された光強度に基づいて、前記出力光ファイバに依存する電波の強度の測定値を補正することを特徴とする。光ファイバ伝送路には、通過する光信号を減衰させる伝搬損失、および光ファイバ間の接続部での接続損失、コネクタ損失などが存在し、光電界センサヘッドからの変調光は光ファイバを通過することにより何らかの減衰が生ずる。上記の損失は光ファイバの長さ、接続状態などに依存するので、測定される電波信号の強度も光電界センサヘッドに接続された出力光ファイバの損失によって変わってしまい、正確な電波の強度の測定が得られない。そこで、本観点の発明では、変調光と同じ出力光ファイバを往復して通過する補正用光信号の光強度を測定することにより、出力光ファイバの損失に依存する測定値を補正することができる。すなわち、一定の強度で出力光ファイバに入力される補正用光信号の光強度が変化すれば、出力光ファイバの損失が変化したことになり、この変化量を基に、電波の強度の測定値を補正できる。これにより、複数のアンテナから放射される電波の相対的な位相の測定と同時に電波の強度の正確な測定が可能となる。

上記のように、本発明により、光電界センサヘッドとＯ／Ｅ変換器とを接続する光ファイバの長さの詳細な測定や調整、及び光電界センサヘッドの着脱を必要としないで、複数のアンテナの相対的な位相差を測定することが可能なアンテナ特性測定装置が得られる。

実施例１に係るアンテナ特性測定装置を用いた測定システムのブロック構成図。実施例１の測定対象の送信アンテナシステムの一例を示す斜視図。送信アンテナへの光電界センサヘッドの設置方法の一例を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図。光電界センサヘッドの送信アンテナへの取付構造の一例を示す図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は裏面図。光電界センサヘッドに内蔵される反射型の光変調器の構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図。光電界センサヘッドの構成を示す平面図。実施例２に係るアンテナ特性測定装置を用いた測定システムのブロック構成図。

以下、図面を参照して本発明のアンテナ特性測定装置を実施例により詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一符号を付し、その重複した説明を省略する。

図１は実施例１に係るアンテナ特性測定装置を用いた測定システムのブロック構成図である。本実施例の測定システム１０は、複数の送信アンテナから放射される電波の相対的な位相差を測定するシステムである。図１に示すように、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調した変調光を出力する複数個の光電界センサヘッド１２を有し、各光電界センサヘッド１２はそれぞれ送信アンテナの近傍に設置される。送受信装置１１は、光電界センサヘッド１２に入力光を供給する変調用光源１４と、変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器１５とを備えている。本実施例に使用する光電界センサヘッド１２は反射型光電界センサヘッドであり、光電界センサヘッド１２と送受信装置が複数本の入出力光ファイバ２１により接続されている。これらの入出力光ファイバ２１により変調用光源１４からの入力光がそれぞれの光電界センサヘッド１２に伝送され、かつ、それぞれの光電界センサヘッドからの変調光がＯ／Ｅ変換器１５に伝送される。なお、変調用光源１４は、互いに直交する偏光を出力する２つのレーザ光源とそれらの偏光を合成するために偏波保持光ファイバを介して接続された偏波合成器とを備え、その偏波合成器からの互いに直交する偏光成分を有する光を光電界センサヘッド１２への入力光として出力する。また、Ｏ／Ｅ変換器１５はアンプを備えている。

本実施例において、送受信装置１１は、変調用光源１４とは異なる波長を有する補正用光源１６を備えている。補正用光源１６はレーザ光源であり、その強度が基準信号源２２より発生した基準信号により変調された補正用光信号を出力する。さらに、補正用光源１６からの補正用光信号と変調用光源１４からの入力光とがＷＤＭカプラ１７により合波された後、光サーキュレータ１８を介して光スイッチ１９に入力する。光スイッチ１９は入力された光を順次、切り替えて、それぞれの光電界センサヘッド１２に接続された入出力光ファイバ２１に結合する。

光電界センサヘッド１２と入出力光ファイバ２１との間には変調用光源１４の波長λ１を通過し、補正用光源１６の波長λ２を反射する反射型回折格子としてＦＢＧ（光ファイバ・ブラッグ・グレーティング）２０がそれぞれ設置されている。すなわち、ＦＢＧ２０は光電界センサヘッド１２への入力光及び変調光は通過させ、補正用光信号は反射する。変調光及びＦＢＧ２０により反射された補正用光信号は入出力光ファイバ２１を経由して送受信装置１１に戻り、光スイッチ１９を通過して、光サーキュレータ１８を介してＯ／Ｅ変換器１５に入力する。

本実施例においては、各送信アンテナへのそれぞれの光電界センサヘッド１２の設置を行った後、各送信アンテナに対する位相の測定値の補正を行う。この時には、変調用光源１４からの入力光を遮断し、Ｏ／Ｅ変換器１５に入力する補正用光信号を検出する。基準信号源２２からの基準信号は、分波器２３において２つに分波され、一方が補正用光源１６の変調に使用され、他方は送信アンテナから放射される電波の強度及び位相を監視する空中線監視装置２４の参照ポートＰ１に入力される。Ｏ／Ｅ変換器１５により出力された補正用光信号は空中線監視装置２４の測定ポートＰ２に入力され、参照ポートＰ１に入力された基準信号と比較され、その間の相対的な位相差が検出される。

光スイッチ１９により、順次切り替えて、各送信アンテナに設置された入出力光ファイバ２１について測定を行うことにより、それぞれ基準信号との間の相対的な位相差が検出される。この相対的な位相差がそれぞれの入出力光ファイバ２１の長さや温度、応力等の違いにより生じた位相差であり、各アンテナの電波の位相の測定値に対する補正値となる。

上記の補正値を把握後、補正用光源１６からの出力を遮断し、変調用光源１４を駆動し、各送信アンテナから放射される電波の位相の測定を行う。光スイッチ１９を順次切り替えることにより、各送信アンテナの光電界センサヘッド１２への入出力光ファイバ２１に入力光を供給し、光電界センサヘッド１２からの変調光を光サーキュレータ１８を介してＯ／Ｅ変換器１５に入力する。Ｏ／Ｅ変換器１５により出力された電波信号は空中線監視装置２４の測定ポートＰ２に入力され、参照ポートＰ１に入力された基準信号と比較され、その間の相対的な位相差が検出される。この検出された位相差は上記の補正値により補正される。各送信アンテナについて測定することにより、送信アンテナ間の電波の相対的な位相差を測定することができる。

本実施例のアンテナ特性測定装置を用いた測定結果の一例を表１に示す。表中の相対位相差測定値は、２つの送信アンテナにそれぞれ設置された光電界センサヘッド１２に接続された入出力光ファイバ２１の長さに０．０２３ｍ及び１．０７６ｍの違いがある場合について、検出された波長λ２の補正用光信号を基準信号と比較した結果を用いて、波長λ１の変調光による測定値を補正した値である。なお、実際に放射される電波の相対位相差は設計値通りであることが確認されている。表１に示すように、周波数４７３．１４３ＭＨｚ又は４８５．１４３ＭＨｚの電波信号の場合、測定値の補正により、入出力光ファイバ１２の長さの差が０．０２３〜１．０７６ｍに対して、相対的な位相差は−０．１〜０．６度という高い測定精度が得られた。

図２は、本実施例の測定対象の送信アンテナシステムの一例を示す斜視図である。この送信アンテナシステムはそれぞれ異なる方角を向いた４つの送信アンテナ３０を上下２段に用いて全方位に電波を放射するものである。光電界センサヘッド１２は、各送信アンテナ３０に対して相対的に同じ位置に設置される。図３は送信アンテナへの光電界センサヘッドの設置方法の一例を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は側面図である。図３に示すように、送信アンテナ３０は、電波を放射するアンテナ本体３１の裏面に反射板３２を有し、前面および側面が防水カバーであるレドーム３３に覆われた送信アンテナである。なお、図３においてはアンテナ本体３１として４Ｌ形双ループアンテナ素子を用いている。光電界センサヘッド１２は、反射板３２に設けた穴３４よりアンテナ本体３１と反射板３２との間の所定の位置に挿入される。

図３において、光電界センサヘッド１２は、光電界センサヘッド１２に接続された入出力光ファイバピッグテイルの一部と共に絶縁体材料で構成された筐体に収納され、その筐体が反射板３２の外側に設置された固定ボックスに着脱可能に固定される。

図４は光電界センサヘッドの送信アンテナへの取付構造の一例を示す図であり、図４（ａ）は側面図、図４（ｂ）は裏面図である。図４において、円筒状の筐体３５は光電界センサヘッド１２と光電界センサヘッドに接続された入出力光ファイバピッグテイル３６の一部を内蔵し、反射板３２の裏面に固定された固定ボックス３７の取り付け部３８に固定される。固定ボックス３７には反射板３２の穴３４に対応した穴を有し、その穴の裏側に取り付け部３８が形成されている。また、光電界センサヘッド１２が目的とするアンテナ本体３１と反射板３２の間の位置で、目的とする電界成分に対して感度が得られるように、穴３４の位置が設定され、かつ、筐体３５が反射板３２に対して斜めに挿入されるように構成されている。筐体３５は固定されたときに反射板３２より内側に突出する部分の大部分はフッ素樹脂などの絶縁体材料で構成され、取り付け部３８と結合する結合部３５Ａは金属で構成されている。結合部３５Ａの端部の外周にはねじが形成され、取り付け部３８はそのねじに嵌め合うねじが内周に形成された円筒部分を有している。また、光ファイバピッグテイル３６の先端には光ファイバコネクタが形成され、取り付け部３８の底部を通って固定ボックス３７の側面に設置された受け側の光ファイバコネクタ３９に挿入される。固定ボックス３７は光電界センサヘッド１２を固定後、裏側より蓋３７Ａにより密封され、蓋３７Ａの周囲をねじにより固定する。

ここで、図４の構成において、ＦＢＧ２０は光ファイバコネクタ３９に挿入された光接続コネクタ４０に内蔵されている。光接続コネクタ４０の外側に入出力光ファイバ２１が接続される。このような構成により、光電界センサヘッド１２と入出力光ファイバ２１との間に余分なスペースを必要としないでＦＢＧ２０をコンパクトに挿入することができる。

なお、本実施例の送信アンテナはＵＨＦ帯、すなわち周波数４７０〜７１０ＭＨｚの電波を放射し、穴３４の直径は２０〜５０ｍｍ程度であるので、穴３４の直径は電波の波長の１／１０程度以下となり、穴３４の存在によるアンテナ特性への影響は非常に小さい。

図５は本実施例の光電界センサヘッドに内蔵される反射型の光変調器の構成を模式的に示す図であり、図５（ａ）は平面図、図５（ｂ）は断面図である。図５において、
光変調器２５は、電気光学効果を有する結晶基板であるＸカットのニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ_３）結晶から作られた基板２６と、基板２６の上面側にＴｉ拡散によって作られた分岐干渉型光導波路２７と、基板２６の上面側に成膜されたバッファ層２８と、バッファ層２８の上に成膜された電極アンテナ２９と、基板２６の一方の端部に設置された光反射部４３とから構成されている。

分岐干渉型光導波路２７は、入力光の入射側に延びる１本の入出力光導波路２７ａと、入出力光導波路２７ａから二股に分岐して延びる２本の位相シフト導波路２７ｂ，２７ｃとから形成されている。入出力光導波路２７ａや位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃは、延伸方向に垂直な方向の幅寸法Ｗが等しい。位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃは、それらの延伸方向の長さ寸法がほぼ等しい。

光導波路２７ａ〜２７ｃの幅寸法Ｗは、５〜１０μｍの範囲にある。各位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの延伸方向の長さ寸法は、１０〜３０ｍｍの範囲にある。位相シフト光導波路２７ｂと２７ｃは、その中央部分が幅方向へ所定寸法で離間し、互いに平行に延びている。中央部分における光導波路２７ｂと２７ｃの間の離間寸法は、２０〜５０μｍの範囲にある。なお、光導波路２７ａ〜２７ｃの幅寸法Ｗや各位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃの長さ寸法、光導波路２７ｂ，２７ｃの離間寸法について特に限定はなく、それら寸法を任意に設定することができる。

バッファ層２８は、光導波路２７を伝播する光の一部が電極アンテナ２９に吸収されることを防止する目的で設けられる。バッファ層２８は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ_２）から作られ、その厚さ寸法は１００〜１０００ｎｍ程度である。ダイポールアンテナと類似の検出アンテナとして機能する電極アンテナ２９は、一方が入出力光導波路２７ａの側に位置し、他方が光反射部４３の側に位置するように、延伸方向へ並んでいる。それらの電極アンテナ２９は、スパッタリング等によって成膜されたクロム（Ｃｒ）と金（Ａｕ）の２層膜である。電極アンテナ２９は、空間を伝播する電波を受け、その電波の電界強度に比例した電気信号を誘起する。

光反射部４３の側に位置する電極アンテナ２９は位相シフト光導波路２７ｂと２７ｃの間に配置された駆動電極部２９ａを有し、入出力光導波路２７ａの側に位置する電極アンテナ２９は、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを挟んで駆動電極部２９ａの両側に配置された駆動電極部２９ｂ，２９ｃを有する。それら駆動電極部２９ａ，２９ｂ，２９ｃは、光導波路２７ｂ，２７ｃと平行に延伸方向へ延びている。電極アンテナ２９の延伸方向の両端間の長さは５〜１０ｍｍ程度である。

基板２６の一方の端部に入出力光導波路２７ａの光入出射端が形成され、他方の端部に光反射部４３が設置されている。入出力光導波路２７ａの光入出射端には光ファイバ４１の入出射端面が結合している。光反射部４３は、入出力光導波路２７ａから入射して位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃを伝播した光を反射し、位相シフト光導波路２７ｂ，２７ｃから入出力光導波路２７ａへ戻して伝播させる。電極アンテナ２９が電波を受けたことにより誘起された電圧が駆動電極部２９ａと２９ｂ、２９ｃとの間に互いに逆向きに印加されることにより位相シフト光導波路２７ｂと２７ｃには互いに逆向きの屈折率変化が生じ、それらを通過する光に互いに逆極性の位相シフトが生ずることにより、それらの光が合流するときに互いに干渉して強度変化が生ずる。これにより電極アンテナ２９で受けた電波の電界強度変化に対応した光強度変化を有する変調光が得られる。

なお、本実施例においては反射型の光変調器を用いており、同じ駆動電極部を折り返して２回光が通過するので、より高い変調効率が得られる。または、同じ変調効率を得るための駆動電極部の長さが短くてよいので電極容量を低減でき、より広帯域化が可能となる。また、出力光導波路を入力光導波路と一体化でき、位相シフト光導波路の長さを短くできるので光電界センサヘッドの小型化が可能となる。

図６は光電界センサヘッドの構成を示す平面図である。光変調器２５と光ファイバ４１との結合部がセンサパッケージ４２に内蔵され、密封されている。図６はセンサパッケージ４２の蓋を被せる前の状態を示している。なお、センサパッケージ４２は検出する電界に影響を及ぼさないようにガラスやフッ素樹脂などの絶縁体材料で構成され、その形状は、幅及び高さが１０〜２０ｍｍ程度、長さは５０〜１００ｍｍ程度である。

本実施例において、変調用光源１４のレーザ光源としては、例えば、１．５５μｍの波長を有し、出力５０ｍＷの半導体レーザ光源を使用できる。光電界センサヘッドに使用するレーザ光は、その波長が１．２６〜１．６８μｍの範囲にあればよく、その電力量が１〜１００ｍＷの範囲にあればよい。レーザ光の波長が１．６８μｍを超過すると、光ファイバにおいて不要なノイズが発生し、光ファイバを伝搬することにより損失が生ずるからである。レーザ光の電力量が１００ｍＷを超過すると、不必要な電力量を有するレーザ光を光電界センサヘッド１２に供給することになり、その結果、送受信装置１１の消費電力を低減することができない。

また、補正用光源１６としては、例えば、変調用光源の波長λ１が１．５５μｍの場合、波長１．５３μｍの半導体レーザ光源を使用できる。一般的なＷＤＭカプラによって変調用光源の入力光と合成し、一般的なＦＢＧで変調光と分離する場合、補正用光源１６の波長λ２は変調用光源１４の波長λ１と０．０１〜０．０５μｍ程度離れていればよい。また、補正用光源１６の出力は１〜１０ｍＷ程度であればよい。

図７は実施例２に係るアンテナ特性測定装置を用いた測定システムのブロック構成図である。図７において、本実施例の測定システム５０は、Ｏ／Ｅ変換された電気信号に基づいて電界強度を測定することにより送信アンテナから放射される電波の強度を測定することが可能なアンテナ特性測定装置である。本実施例の測定システム５０の基本的な構成は実施例１の測定システム１０と同様である。但し、本実施例においては、送受信装置５１において、光サーキュレータ１８からの変調光と補正用光信号をＷＤＭカプラ５２により分離し、補正用光信号をＯ／Ｅ変換器５３に入力してその光強度を検出する。検出された補正用光信号の光強度信号は、レベル測定器５４に入力され、予め補正用光源の出力に対して設定された基準の光強度と比較されて補正値が算出され、空中線監視装置２４に送られて電波信号の強度の測定値が補正される。

変調光に含まれる電波信号の振幅又は強度はその場の電界強度に依存するため、検出された電波信号の強度又は振幅を計測すれば、そのアンテナから放射された電波の強度を測定することができる。本実施例においては、空中線監視装置２４に電波の強度の測定回路が含まれており、Ｏ／Ｅ変換器１５により検出された電波信号により電波の強度が測定される。Ｏ／Ｅ変換器５３に入力する補正用光信号の強度は、補正用光源１６の出力が一定であれば、それぞれの入出力光ファイバ２１の損失と対応する。そこで、補正用光信号の光強度に基づいて、入出力光ファイバ２１の損失に依存する電波の強度の測定値に対する補正値を算出することができる。

光ファイバ伝送路の損失は、光ファイバ間の接続部での接続損失、コネクタ損失などが存在し、それらは故障や劣化などにより変動する可能性があるので、本実施例の電波の強度の測定における補正は、光電界センサヘッドの設置時のみでなく、定常的に行うように設定してもよい。この場合、入出力光ファイバの損失変動を常に測定し、その値によって測定された電波信号の強度を自動的に補正して出力するような回路構成も可能である。

なお、補正用光源１６を変調する基準信号の強度が一定であれば、上記のように補正用光信号の光強度を測定するのではなく、補正用光信号に含まれる基準信号の強度を測定して、その変動より入出力光ファイバ２１の損失変動量を求め、電波の強度の測定値の補正を行うことも可能である。また、補正用光信号の光強度を測定することにより、電波の強度の測定値のみ補正する場合には、補正用光源を基準信号で変調することは不要となる。

本発明は上記の実施例に限定されるものではないことは言うまでもなく、測定システムの構成や使用する光電界センサヘッドの構成など様々な変形が可能である。

上記の実施例では、各光電界センサヘッド１２に接続された入出力光ファイバ２１と送受信装置１１又は５１との間を光スイッチ１９により順次切り替えて接続したが、測定する送信アンテナの数が少ない場合は、変調用光源１４や補正用光源１６を複数設けるか、または変調用光源１４の光や補正用光源１６の光を分配して各光電界センサヘッドに供給してもよい。

上記の実施例では光電界センサヘッド１２の光変調器として反射型の光変調器２５を用いたが、透過型の光変調器を用いてもよい。透過型の光変調器の構成例としては、例えば上記の光変調器２５と同じ基板を用い、その基板に同様の形状の光導波路や電極アンテナを形成して構成できる。但し、透過型の光変調器の場合、図５（ａ）において、光反射部４３の代わりに入射側と対称に位相シフト光導波路２７から合流する出力光導波路を設け、その出力端面に出力光ファイバを結合して出力する。また、透過型の光変調器を用いる場合、入力光ファイバと出力光ファイバはそれぞれ別個に分離されて設置されるので、変調用光源１４からの入力光が入力光ファイバに結合され、補正用光信号のみが光サーキュレータ１８を介して出力光ファイバに入力される。出力光ファイバからの変調光及び補正用光信号の反射光が光サーキュレータを介してＯ／Ｅ変換器１５に入射する。この構成で光スイッチを用いる場合、入力光ファイバと出力光ファイバとを同時に切り替える機能を有する光スイッチが必要である。

上記の実施例では光電界センサヘッド１２は送信アンテナ３０の反射板３２の穴３４に挿入して設置したが、光電界センサヘッド１２の設置場所は、送信アンテナから放射される電波によるある程度の大きさの電界が存在する場所であれば他の場所であってもよい。

反射型回折格子としては、ＦＢＧだけでなく、回折格子やコリメータ等の個別部品を組み合わせても構成可能である。また、その設置場所は、コネクタ内蔵に限らず、光電界センサヘッドの光ファイバピッグテイルの入射端または出射端等に設置してもよい。

１０、５０測定システム
１１、５１送受信装置
１２光電界センサヘッド
１４変調用光源
１５、５３Ｏ／Ｅ変換器
１６補正用光源
１７、５２ＷＤＭカプラ
１８光サーキュレータ
１９光スイッチ
２０ＦＢＧ
２１入出力光ファイバ
２２基準信号源
２３分波器
２４空中線監視装置
２５光変調器
２６基板
２７分岐干渉型光導波路
２７ａ入出力光導波路
２７ｂ、２７ｃ位相シフト光導波路
２８バッファ層
２９電極アンテナ
２９ａ、２９ｂ、２９ｃ駆動電極部
３０送信アンテナ
３１アンテナ本体
３２反射板
３３レドーム
３４穴
３５筐体
３５Ａ結合部
３６光ファイバピッグテイル
３７固定ボックス
３７Ａ蓋
３８取り付け部
３９光ファイバコネクタ
４０光接続コネクタ
４１光ファイバ
４２センサパッケージ
４３光反射部
５４レベル測定器

Claims

複数のアンテナを用いて電波を放射する送信アンテナシステムにおいて、少なくとも２つの前記アンテナの近傍にそれぞれ配置され、光ファイバにより入力された入力光の強度をその場の電界強度に応じて変調した変調光を出力する少なくとも２つの光電界センサヘッドと、前記光電界センサヘッドに前記入力光を供給する変調用光源と、前記変調光を電気信号に変換するＯ／Ｅ変換器と、前記入力光を前記変調用光源からそれぞれの前記光電界センサヘッドに伝送する少なくとも２つの入力光ファイバと、それぞれの前記光電界センサヘッドからの前記変調光を前記Ｏ／Ｅ変換器に伝送する少なくとも２つの出力光ファイバとを有し、前記Ｏ／Ｅ変換された電気信号に基づいて前記電界強度を測定することにより少なくとも２つの前記アンテナから放射される電波の位相を測定するアンテナ特性測定装置であって、
前記変調用光源とは異なる波長を有する補正用光源と、前記光電界センサヘッドと前記出力光ファイバとの間にそれぞれ設置された前記変調用光源の波長を通過し前記補正用光源の波長を反射する反射型回折格子とを有し、
前記補正用光源の強度を基準信号で変調して得られる補正用光信号を前記Ｏ／Ｅ変換器側より前記出力光ファイバに入力し、前記反射型回折格子により反射して前記Ｏ／Ｅ変換器側に戻る前記補正用光信号を検出して前記基準信号と比較することにより、それぞれの前記出力光ファイバに依存する電波の位相の測定値を補正することを特徴とするアンテナ特性測定装置。
前記反射型回折格子は光ファイバ・ブラッグ・グレーティングであることを特徴とする請求項１に記載のアンテナ特性測定装置。
前記補正用光源からの前記補正用光信号は光サーキュレータを介して前記出力光ファイバに入力し、前記変調光及び前記反射型回折格子により反射された前記補正用光信号は前記光サーキュレータを介して前記Ｏ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ特性測定装置。
前記光電界センサヘッドは前記入力光を変調し反射して戻す反射型光電界センサヘッドであり、前記入力光ファイバと前記出力光ファイバとは同一の光ファイバであって、前記補正用光源からの前記補正用光信号と前記変調用光源からの入力光とをＷＤＭカプラにより合波した後、光サーキュレータを介して前記入力光ファイバに入力し、前記変調光及び前記反射型回折格子により反射された前記補正用光信号は前記光サーキュレータを介して前記Ｏ／Ｅ変換器に入力することを特徴とする請求項１又は２に記載のアンテナ特性測定装置。
前記補正用光信号を検出するときには前記変調用光源からの入力光を遮断することを特徴とする請求項３又は４に記載のアンテナ特性測定装置。
前記Ｏ／Ｅ変換された電気信号に基づいて前記電界強度を測定することにより前記アンテナから放射される電波の強度を測定する手段を有することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載のアンテナ特性測定装置。
前記反射型回折格子により反射して前記Ｏ／Ｅ変換器側に戻る前記補正用光信号の光強度を測定し、その測定された光強度に基づいて、前記出力光ファイバに依存する電波の強度の測定値を補正することを特徴とする請求項６に記載のアンテナ特性測定装置。