JP6769818B2

JP6769818B2 - アンテナ特性測定装置

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Publication number: JP6769818B2
Application number: JP2016198876A
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: JP2018059864A

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

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設置される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。一般的に、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、光ファイバ間の接続部での接続損失、コネクタ損失、光ファイバへの曲げ応力による損失などが存在するので、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上記の損失による減衰が生ずる。そこで、故障などの何らかの原因で上記の損失の変化が生ずると、Ｏ／Ｅ変換器で検出される変調光の強度が変化し、その結果、変調光に含まれる電波信号の振幅が変化し、正確な電波の強度の測定を妨げてしまう。

従来、光電界センサヘッドを設置後の経時的な光ファイバ損失の変化に応じて電波の強度の測定値を補正するためには、光ファイバ伝送路の損失の変化を定常的に測定する必要があった。このためにはＯＴＤＲ等の特殊な損失測定器を常に備え、光ファイバ伝送路を電波の強度の測定装置から切り離して損失を測定する必要があった。

本発明の目的は、上記の課題を解決し、定常的に電波の強度の測定とともに光ファイバ伝送路の損失の変化を測定し、電波の強度の測定値を補正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、電波を放射するアンテナの近傍に配置され、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前記光電界センサヘッドに伝送する入力光ファイバと、前記変調光を前記光電界センサヘッドから前記Ｏ／Ｅ変換器に伝送する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前記アンテナから放射される電波の強度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基準用光源と、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設置された前記変調用光源の波長を通過し前記基準用光源の波長を反射する反射型回折格子とを有し、前記基準用光源から出力される基準光を前記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基準光の強度を測定し、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前記電波の強度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、基準光を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基準光の強度を測定する。基準光源の出力を一定に保てば、上記の強度を測定することにより、出力光ファイバの損失の変化の有無及びその変化量を検出することができる。これにより、出力光ファイバの損失の変化による変調光の強度の変化を把握でき、測定された電波の強度の測定値を補正することができる。これにより、アンテナから放射された電波の強度を高精度に測定することができる。

ここで、基準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基準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。

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、前記基準用光源からの前記基準光は、第１の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、前記反射型回折格子により反射された前記基準光は、前記第１の光サーキュレータを介して出力した後、出力用のＷＤＭカプラにより分波して第１の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力することにより前記基準光の強度を検出し、前記変調用光源とは異なる波長を有する第２の基準用光源と、前記光電界センサヘッドと前記入力光ファイバとの間に設置された前記変調用光源の波長を通過し前記第２の基準用光源の波長を反射する第２の反射型回折格子とを有し、前記第２の基準用光源からの第２の基準光と前記変調用光源からの入力光は入力用のＷＤＭカプラにより合波した後、第２の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、前記第２の反射型回折格子により反射して前記変調用光源側に戻る前記第２の基準光を前記第２の光サーキュレータを介して第２の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力することにより前記第２の基準光の強度を測定し、その測定された光強度に基づいて、前記入力光ファイバに依存する前記電波の強度の測定値を補正することを特徴とする。

本観点の発明では、第１の観点の発明のように出力光ファイバの損失変動に依存する電波の強度の測定値を補正することに加えて、第２の基準光及び第２の反射型回折格子を用いることにより、入力光ファイバの損失変動に依存する電波の強度の測定値を補正することも可能としている。すなわち、光電界センサヘッドとして、入力光ファイバと出力光ファイバとが接続された透過型光電界センサヘッドを用いる場合、本観点の発明は有効である。さらに、本観点の発明では、光サーキュレータを用いることにより、入力光ファイバより入射する変調光及び第２の基準光と反射して戻る第２の基準光との分離、または、出力光ファイバより入射する基準光と反射して戻る基準光及び変調光との分離を容易にしている。
第１の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基準光と、出力光ファイバから出力する変調光及び基準光の反射光とを容易に分離して処理することができる。出力光ファイバから出力する変調光及び基準光の反射光は出力用のＷＤＭカプラを用いて分離し、基準光は第１の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力しその強度が検出される。さらに、入力光ファイバと光電界センサヘッドの間にも第２の反射型回折格子を設け、入力光ファイバの損失の変化による変調光の強度の変化も補正可能としている。このため、第２の光サーキュレータを用いることにより、入力光ファイバに入力する変調光及び第２の基準光と、入力光ファイバから出力する第２の基準光の反射光とを容易に分離して処理している。入力光ファイバから出力する第２の基準光の反射光は第２の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力してその強度が測定され、その測定された光強度に基づいて、入力光ファイバの損失の変化による変調光の強度の変化を把握する。これにより測定された電波の強度の測定値を補正することができる。以上より、アンテナから放射された電波の強度をさらに高精度に測定することができる。

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、前記基準用光源からの基準光と前記変調用光源からの入力光とを入力用の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された前記基準光は前記光サーキュレータを介して出力した後、出力用のＷＤＭカプラにより分波して、その強度を測定することを特徴とする。

反射型の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基準光の反射光はＷＤＭカプラを用いて分離する。基準光は基準光用のＯ／Ｅ変換器などによりその光強度が測定される。

反射型の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１乃至第４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位相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からの光信号には電波信号の振幅と位相がそのまま含まれるので電波信号の位相の測定が可能である。通常は、基準信号源等を設けて、その基準信号との比較により電波信号の位相が検出される。光信号に含まれる電波信号の位相は光ファイバを通過する間に変化するので、絶対的な位相の測定のためには何らかの工夫が必要であるが、時間的な位相特性の変動は測定することができる。また、複数のアンテナに光電界センサヘッドを設置してそれらのアンテナ間の相対的な位相差を検出することも可能である。この場合は、各光電界センサヘッドに接続される出力光ファイバの長さに応じて測定値を補正する必要がある。本観点のアンテナ特性測定装置では、アンテナから放射される電波の強度の測定と同時に電波の位相の測定が可能となる。

第６の観点では、本発明は、前記第５の観点のアンテナ特性測定装置において、前記基準光の強度を基準信号で変調して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基準光の信号を検出して前記基準信号と比較することにより、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。

前述のように、変調光を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出力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。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調整することは容易ではない。本観点の発明において、基準信号で変調された基準光をＯ／Ｅ変換して得られる信号の基準信号に対する相対的な位相シフト量は、出力光ファイバの往復により生ずる位相シフト量を含んでいる。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、基準光の位相を把握することにより、測定値に対する出力光ファイバの影響を補正することができる。さらに、複数のアンテナに光電界センサヘッドを設置してそれらのアンテナ間の相対的な位相差を検出する場合、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。以上のように、本観点の発明では、アンテナから放射される電波の強度の正確な測定と同時に電波の相対的な位相の測定が可能となる。

上記のように、本発明により、定常的に電波の強度の測定とともに光ファイバ伝送路の損失の変化を測定し、電波の強度の測定値を補正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強度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基準用光源１６を備えている。基準用光源１６はレーザ光源であり、基準光を出力する。さらに、基準用光源１６からの基準光と変調用光源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に接続する。

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、基準用光源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、基準光は反射する。変調光及びＦＢＧ２０により反射された基準光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ＷＤＭカップラ２２に入力して波長λ１の変調光と波長λ２の基準光に分離される。その後、変調光はＯ／Ｅ変換器１５に入力して電波信号が検出され、波長λ２の基準光はＯ／Ｅ変換器２３に入力してその光強度が検出される。それらの電波信号及び光強度信号は空中線監視装置２４に入力する。

空中線監視装置２４において、基準光の光強度が予め基準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、接続されている入出力光ファイバ２１の損失に依存する補正値が算出される。一方、Ｏ／Ｅ変換器１５から得られた電波信号から、その強度又は振幅に基づいて測定された電波の強度が算出される。このとき、電波の強度の算出値に対して、上記の補正値に応じた補正がなされる。測定システム１０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、入出力光ファイバ２１の損失の変動に起因する補正値を算出し、定期的に、または定常的に各送信アンテナに対する電波の強度の測定値の補正を行う。上記の補正値の算出においては、基準となる基準用光源１６の光出力強度を常に一定に保つか、または、基準用光源１６の光出力強度を常にモニタしてそのモニタ値を基準としてもよい。

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、それぞれ反射して戻る基準光の光強度が検出され、それぞれの入出力光ファイバ２１の接続部の劣化や変動、応力等により生じた損失に依存して、各アンテナの電波の強度の測定値に対する補正値が得られる。

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。測定に使用した電波信号の周波数は４７３．１４３ＭＨｚである。ここでは、入出力光ファイバ２１にアッテネータを挿入して０〜７ｄＢの損失を与えて測定を行った。表中の受光レベルが波長λ１の変調光のＯ／Ｅ変換器１５における受光レベルであり、ＲＦ出力レベル測定値が入出力光ファイバ２１の損失を考慮しないときの波長λ１の変調光のＯ／Ｅ変換器１５からのＲＦ出力値、すなわち電波強度に対応する測定値である。ＲＦ出力基準値が受光レベルを考慮して求めた電波強度の基準となる値である。ＲＦ出力測定値補正結果は、波長λ２の基準光のＯ／Ｅ変換器２３における光強度を用いて算出された補正値により、ＲＦ出力レベル測定値を補正した結果である。
表１に示すように、ＲＦ出力測定値補正結果とＲＦ出力基準値との比較により、入出力光ファイバ２１の損失変動に対して、測定値の補正により、電波強度の測定精度は０．０９〜０．１７ｄＢ度という高い値が得られた。

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。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、基準用光源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、基準用光源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、基準用光源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。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位相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、空中線監視装置５４には検出された電波信号により、電波の強度の測定回路と共に電波の相対的な位相の測定回路も含まれている。また、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ため、基準用光源１６の光強度は、基準信号源５２より発生した基準信号により変調される。基準信号源５２からの基準信号は、分波器５３において２つに分波され、一方が基準用光源１６の変調に使用され、他方は参照基準として空中線監視装置５４の位相の測定回路に入力される。基準光が入射するＯ／Ｅ変換器２３は、基準光の光強度の検出と同時に基準光に含まれる基準信号を検出する。検出された基準信号は空中線監視装置５４の位相の測定回路に入力され、分波器５３より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。

変調光に含まれる電波信号はその場の電界強度の時間変化を忠実に含むため、検出された電波信号の位相を計測すれば、そのアンテナから放射された電波の位相を測定することができる。ここでは、変調光に含まれる電波信号の位相と分波器５３より入力された基準信号との間の相対的な位相差が検出される。上記の基準光から検出された基準信号は、基準信号源５２の位相特性が安定であれば、それぞれの入出力光ファイバ２１を往復する際に生じた位相変化に対応する位相特性を有している。分波器５３より入力された基準信号と基準光から検出された基準信号との間の相対的な位相差の違いが、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る。この相対的な位相差の違いが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。

上記のように、本実施例においては、送信アンテナから放射される電波の強度の正確な測定と同時に電波の相対的な位相の測定が可能となる。

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１つ又は少ない場合は、光スイッチ１９は必須部品ではない。変調用光源１４や基準用光源１６を複数設けるか、または変調用光源１４の光や基準用光源１６の光を分配して各光電界センサヘッド１２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、基準光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基準光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。なお、透過型の光変調器を用いる場合、前述の第３の観点の発明のように、変調用光源とは異なる波長を有する第２の基準用光源と、光電界センサヘッドと入力光ファイバとの間に設置された第２の反射型回折格子と、変調光と第２の基準光を合波して入力光ファイバに入力するための入力用のＷＤＭカプラ及び第２の光サーキュレータを用いることにより、入力光ファイバの損失変動に依存する電波の強度の測定値を同時に補正することが望ましい。また、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、２３Ｏ／Ｅ変換器
１６基準用光源
１７、２２ＷＤＭ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
２４、５４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
５２基準信号源
５３分波器

Claims

電波を放射するアンテナの近傍に配置され、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前記光電界センサヘッドに伝送する入力光ファイバと、前記変調光を前記光電界センサヘッドから前記Ｏ／Ｅ変換器に伝送する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前記アンテナから放射される電波の強度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基準用光源と、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設置された前記変調用光源の波長を通過し前記基準用光源の波長を反射する反射型回折格子とを有し、
前記基準用光源から出力される基準光を前記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基準光の強度を測定し、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前記電波の強度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。
前記基準用光源からの前記基準光は、第１の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、前記反射型回折格子により反射された前記基準光は、前記第１の光サーキュレータを介して出力した後、出力用のＷＤＭカプラにより分波して第１の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力することにより前記基準光の強度を検出し、
前記変調用光源とは異なる波長を有する第２の基準用光源と、前記光電界センサヘッドと前記入力光ファイバとの間に設置された前記変調用光源の波長を通過し前記第２の基準用光源の波長を反射する第２の反射型回折格子とを有し、
前記第２の基準用光源からの第２の基準光と前記変調用光源からの入力光は入力用のＷＤＭカプラにより合波した後、第２の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、前記第２の反射型回折格子により反射して前記変調用光源側に戻る前記第２の基準光を前記第２の光サーキュレータを介して第２の基準光用のＯ／Ｅ変換器に入力することにより前記第２の基準光の強度を測定し、その測定された光強度に基づいて、前記入力光ファイバに依存する前記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、前記基準用光源からの基準光と前記変調用光源からの入力光とを入力用の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された前記基準光は、前記光サーキュレータを介して出力した後、出力用のＷＤＭカプラにより分波して、その強度を測定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位相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４のいずれか１項に記載のアンテナ特性測定装置。
前記基準光の強度を基準信号で変調して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基準光の信号を検出して前記基準信号と比較することにより、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請求項５に記載のアンテナ特性測定装置。