JP2007027902A - アンテナ装置、電界強度測定システム - Google Patents

Abstract

【課題】定在波の影響を極力小さくした、場所依存性の小さな電界強度測定を実現できるアンテナ装置、電界強度測定システムを提供する。
【解決手段】正６面体の立体中心点Ｐを対称点とし、対称点からの距離が互いに等しい線対称位置に、前方対後方比が所定基準値（例えば、２０ｄＢ）より大きな直交マイクロストリップアンテナＡ１〜Ｆ１、Ａ２〜Ｆ２を配置し、各アンテナＡ１〜Ｆ１、Ａ２〜Ｆ２によってマルチビームを構成する。アンテナ装置１の各各アンテナＡ１〜Ｆ１、Ａ２〜Ｆ２の出力を、１２チャネルスイッチ部で切り替えて出力し、この切り替え出力についてネットワークアナライザによる分析を行う。
【選択図】 図２

Description

本発明はアンテナ装置、電界強度測定システムに関し、特に電界強度測定に用いるアンテナ装置、電界強度測定システムに関する。

移動通信などの基地局から発生される電波の強度（電界強度）は、防護指針を満足する必要があり、その測定法が規定されている（例えば、非特許文献１参照）。
一般に、電界強度測定においては、ダイポールアンテナやログペリオディックアンテナなどが用いられていることが多い。回線設計等の電波伝搬測定においては特定偏波における電界強度自体が重要であるが、防護指針に関連する測定においては偏波によらずその位置での最大電界強度を測定することが求められている。したがって、電界強度測定においては、３軸直交ダイポールアンテナ等が用いられていることが多い。この測定法では、定在波環境下での電界強度測定となるため、λ／１０程度以下の間隔で測定する必要がある。したがって、膨大なデータおよび測定時間が必要となり、広い範囲での測定は困難であった。

例として、定在波環境を１軸ダイポールアンテナで受信した様子を計算した結果が図８に示されている。同図中の横軸は距離（Distance[ｍｍ]）、縦軸は受信レベル（Reception level[ｄＢｍ]）である。同図を参照すると、位置により電界強度が大きく変化している様子、すなわち場所依存性が確認できる。
"電波防護基準規格"、ARIB RCR STD−38 2.0、平成１１年１０月

また、３軸直交ダイポールアンテナによる計算結果および３軸成分を合成した結果が図９に示されている。同図の横軸は距離[ｍｍ]、縦軸は受信レベル[ｄＢｍ]である。同図においては、Ｘ軸方向の電界強度Ｅｘ、Ｙ軸方向の電界強度Ｅｙ、Ｚ軸方向の電界強度Ｅｚを合成したものが電界強度Ｅtotalとして示されている。同図を参照すると、Ｘ軸、Ｙ軸及びＺ軸の３軸成分を合成したことにより、場所依存性は、１軸ダイポールアンテナによる結果（図８）よりも小さくなっているものの依然大きいことがわかる。そのため、最大電界強度を求める際には、定在波全体を把握する必要が生じ、測定時間は長くなってしまう。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は定在波の影響を極力小さくした、場所依存性の小さな電界強度測定を実現できるアンテナ装置、電界強度測定システムを提供することである。

本発明の請求項１によるアンテナ装置は、対称点からの距離が互いに等しい線対称位置に配置され、前方対後方比が所定基準値より大きなアンテナ素子の組を複数含み、各アンテナ素子によってマルチビームを構成することを特徴とする。このようにアンテナ装置を構成してマルチビームを構成すれば、定在波の影響を極力小さくした、場所依存性の小さな電界強度測定を実現できる。なお、所定基準値は、例えば２０ｄＢである。

本発明の請求項２によるアンテナ装置は、請求項１において、前記対称点は立体の中心点であり、該中心点からの距離が互いに等しい平行面によって構成される立体において、その各面に前記アンテナ素子が設けられていることを特徴とする。正６面体や正２０面体の各面にアンテナ素子を配置する構成を採用すれば、より容易にアンテナ装置を作成できる。

本発明の請求項３によるアンテナ装置は、請求項１において、前記対称点は球体の中心点であり、前記球体の表面に前記アンテナ素子が設けられていることを特徴とする。球体の表面にアンテナ素子を配置する構成を採用すれば、定在波の影響による場所依存性をより小さくすることができる。
本発明の請求項４によるアンテナ装置は、請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記アンテナ素子は、直交マイクロストリップアンテナであることを特徴とする。直交マイクロストリップアンテナを用いれば、比較的シンプルな構造で、水平・垂直偏波を受信することができる。また、直交マイクロストリップアンテナは、動作原理が既知であり、前方対後方比が大きくかつシンプルな構成であるため、これを採用すれば装置の作成が容易になるという利点がある。

本発明の請求項５による電界強度測定システムは、請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置と、該アンテナ装置の各アンテナ素子の出力を切り替えて出力するスイッチ手段とを含み、このスイッチ手段による切り替え出力について分析を行うようにしたことを特徴とする。このようにアンテナ装置を構成してマルチビームを構成すれば、定在波の影響を極力小さくした、場所依存性の小さな電界強度測定を実現できる。

以上説明したように本発明は、対称点からの距離が互いに等しい線対称位置に、前方対後方比が所定基準値（例えば２０ｄＢ）より大きなアンテナ素子の組を複数配置し、各アンテナ素子によってマルチビームを構成することにより、場所依存性の小さな測定ができるため、高速な測定ができるという効果がある。
また、立体各面の受信レベルの大きさから、その測定位置における到来波の方向を分離できる（例えば、立方体の場合は６方向に分離できる）。分離できる方向の数は、多面体に依存する（例えば、２０面体では分離できる方向は２０方向である）。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（電界強度測定システムの構成）
本実施形態では、F／B（Front to Back ratio）比の大きな狭ビームアンテナを複数立体配置し、立体マルチビームアンテナ構成を用いた測定を行う。

図１は、本実施形態のアンテナ装置を用いた電界強度測定システムの構成例を示す図である。同図においては、直交マイクロストリップアンテナを、立方体の各面に配置し、マルチビーム構成としたアンテナ装置を採用している。直交マイクロストリップアンテナを採用しているのは、動作原理が既知であり、前方対後方比が大きくかつシンプルな構成であるため、これを採用すれば装置の作成が容易になるからである。

同図において、本システムは、１２チャネル出力のアンテナ装置１と、スイッチ部２とから構成されている。スイッチ部２は、アンテナ装置１の出力１２チャネルを切り替えて出力する１２チャネルスイッチ部２１と、１２チャネルスイッチ部２１のスイッチングタイミングを制御するための制御信号を発生する任意波形発生器２２と、１２チャネルスイッチ部２１によって切り替え出力されるアンテナ装置１の出力について分析を行うためのネットワークアナライザ２３と、これら各部を制御するパーソナルコンピュータ（ＰＣ）２４とを含んで構成されている。

このような構成において、１２チャネルスイッチ部２１は、４bitの制御信号が入力されることにより、出力されるチャネルが切り替わる。その４bitの制御信号は、任意波形発生器２２から出力される。また、その４bitの制御信号に対応するタイミング信号を任意波形発生器で発生させ、この信号をネットワークアナライザにトリガとして入力する。これにより、ネットワークアナライザ２３の動作と１２チャネルスイッチ部２１の動作との同期がとれることになる。なお、ネットワークアナライザ２３は、ヒュレーットパッカード製ネットワークアナライザ（ｈｐ ８５１０Ｃ）を用い、そのＦＡＳＴ ＣＷ（Continuous Wave）モードを利用することにより、１２チャネルのデータを約６[ｍｓ]で取り込むことが可能である。

（アンテナ装置の構成）
図２は、図１中のアンテナ装置１の構成例を示す図である。同図において、１２チャネル出力のアンテナ装置１は、Ｆ／Ｂ比が所定基準値（例えば２０ｄＢ）より大きなアンテナとして直交マイクロストリップアンテナを、立方体（すなわち正６面体）の各面に配置することにより構成される。直交マイクロストリップアンテナを採用するのは、水平・垂直偏波を受信すること、比較的シンプルな構造であることを考慮している。

同図を参照すると、面Ａ〜面Ｆによって立方体すなわち正６面体が構成されている。この正６面体においては、面Ａと面Ｃとが平行、面Ｂと面Ｅとが平行、面Ｄと面Ｆとが平行、である。そして、面ＡにはマイクロストリップアンテナＡ１、Ａ２が、面ＢにはマイクロストリップアンテナＢ１、Ｂ２が、面ＣにはマイクロストリップアンテナＣ１、Ｃ２が、面ＤにはマイクロストリップアンテナＤ１、Ｄ２が、面ＥにはマイクロストリップアンテナＥ１、Ｅ２が、面ＦにはマイクロストリップアンテナＦ１、Ｆ２が、それぞれ正６面体の外側を向いて配置されている。つまり、正６面体の立体中心点Ｐを対称点とし、その対称点からの距離が互いに等しい線対称位置に、１組のアンテナ素子が設けられ、そのアンテナ素子の組を複数設けることによって、アンテナ装置１が構成される。

アンテナ装置１の各面の構成例が図３に示されている。同図には、面Ａの構成例が示されている。同図を参照すると、面Ａは、縦横２００[ｍｍ]×２００[ｍｍ]で厚さ１．６[ｍｍ]の基板の中央部に、縦横４．８[ｍｍ]×４．８[ｍｍ]のマイクロストリップアンテナが形成されている。そして、そのマイクロストリップアンテナの上辺中央から１５[ｍｍ]の位置にアンテナＡ１の給電点が、その左辺中央から１５[ｍｍ]の位置にアンテナＡ２の給電点が、それぞれ設けられている。このように、面Ａは、２点給電パッチアンテナになっており、各給電点が垂直偏波および水平偏波を送信なお、同図に示されている給電位置に設定することで、整合の取れたアンテナを構成することができる。

（システムの有効性についての検証）
発明者は、本システムの有効性を検証するために、実験を行った。本例では、１．５ＧＨｚ帯における検証を行った。
（１）２波到来による定在波環境における電界強度測定
発明者は、まず、２波が到来することによって形成される定在波環境における電界強度測定を行った。電波暗室内において、２組のダイポールアンテナを正反対の位置に配置し、その間の電界強度を本システムにより測定した。表１は、２波形成定在波環境における実験諸元の内容を示す表である。

また、図４は２波形成定在波環境における実験構成を示す図である。同図を参照すると、長さ３８００[ｍｍ]、高さ２９００[ｍｍ]の電波暗室内において、中央に本システムを設け、その両側の高さ１８００[ｍｍ]の位置にダイポールアンテナ１０ａ及び１０ｂを設けている。２つのダイポールアンテナ１０ａ、１０ｂの距離は、３０００[ｍｍ]である。これら２つのダイポールアンテナには、電力分配器３から電力を供給している。

図５は、本システムの代表的なチャネル（アンテナＢ２及びアンテナＥ２）における受信電力の様子を示す図であり、その比較としてダイポールアンテナによる受信電力の様子（破線部分）が示されている。同図の横軸は距離[ｍｍ]、縦軸は受信レベル[ｄＢｍ]である。
これらの図を参照すると、ダイポールアンテナを用いて測定した場合、１／２波長の間隔で定在波が形成されている様子が確認できる。一方、本システムで測定すると、定在波の影響をほぼ受けずに測定していることが確認できる。また、同図には全チャネルの電力を合成した結果が太い実線で示されている。全チャネルの電力を合成すると、ほぼ一定の電力値が得られることが確認できた。
この結果は、２波で形成される定在波環境において、測定位置に依存していないことを示している。したがって、本システムを採用すれば、微細間隔による測定をせずに、最大電界強度を測定することができると思われる。

（２）実多重波環境における電界強度測定
さらなる本システムの有効性を検証するために、発明者は、実多重波環境における電界強度測定を行った。１素子モノポールアンテナ１１を屋内天井（シールド実験室）に取り付け、本システムの各チャネルにおける受信電力を測定した。表２は、実多重波環境における実験諸元の内容を示す表である。

また、図６は実験の構成を示す図である。同図を参照すると、長さ２０[ｍ]、幅１３[ｍ]、高さ３[ｍ]の電波暗室内において、床からの高さ１．５[ｍ]の位置に本システムのアンテナ装置１、同じく高さ２．９[ｍ]の位置にモノポールアンテナ１１を設けている。
同図において、本システムは、１２チャネル出力のアンテナ装置１と、１２チャネルスイッチ部２１と、任意波形発生器２２と、ネットワークアナライザ２３と、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）２４とを含んで構成されている。

図７は、図６のシステムによる測定結果および全チャネル合成結果を示す図であり（実線部分）、その比較としてダイポールアンテナによる受信電力の様子（破線部分）が示されている。同図の横軸は距離[ｍｍ]、縦軸は受信レベル[ｄＢｍ]である。
これらの図を参照すると、ダイポールアンテナによる測定結果と比較すると、１２チャネルの電力を合成した結果は、定在波の影響による場所依存性が小さく、ほぼ一定の電力値であることを示している。この結果は、実環境で存在する定在波環境において、測定位置に依存していないことを示している。したがって、本システムを採用すれば、微細間隔による測定をせずに、最大電界強度を測定することができると思われる。
以上の検証より、本システムを採用すれば、定在波環境下において場所依存性の小さな電界強度測定を行うことが可能であり、測定時間を短縮することができる。

（変形例）
上記の説明では、本アンテナ装置は電界強度測定に用いているが、通常の受信アンテナとして用いても良い。この場合、アンテナ装置の出力をスイッチ素子で切り替えるのではなく、その出力を合成する合成器を用意すれば良い。
また、上記の説明では、正６面体の表面にマイクロストリップアンテナを設けているが、これに限らず他の面数の多面体（例えば、正２０面体）の表面にマイクロストリップアンテナを設けても良い。この場合でも上記と同様の効果が得られる。多面体の面数が多くなればなるほど、１つのマイクロストリップアンテナのカバーする範囲が小さくなる。

なお、直方体の表面にマイクロストリップアンテナを設けることも考えられる。その場合、立体中心点からの距離は、平行する面同士では等しいが、平行でない面とは等しくないため、アンテナ装置からの出力について補正する処理が必要になると考えられる。
さらに、多面体に限らず、球体の表面にマイクロストリップアンテナを設けても良い。この場合でも上記と同様の効果が得られる。この場合、球体の中心点を対称点とし、その記球体の表面にアンテナ素子が設けられることになる。球体の表面にアンテナ素子を配置する構成を採用すれば、定在波の影響による場所依存性をより小さくすることができる。

本発明は、電界強度測定などに利用することができる。

本発明の実施形態によるアンテナ装置を用いたアンテナシステムの構成例を示す図である。 図１中のアンテナ装置の構成例を示す図である。 図２のアンテナ装置の各面の構成例を示す図である。 図１のシステムを用いた、２波形成定在波環境における実験構成を示す図である。 図４の実験構成による測定結果を示す図である。 図１のシステムを用いた、実多重波環境における実験構成を示す図である。 図６の実験構成による測定結果を示す図である。 定在波環境を一般的な１軸ダイポールアンテナで受信した様子の計算結果を示す図である。 定在波環境を一般的な３軸ダイポールアンテナで受信した様子の計算結果を示す図である。

符号の説明

１ アンテナ装置
２ スイッチ部
３ 電力分配器
１０ａ、１０ｂ ダイポールアンテナ
１１ モノポールアンテナ
２１ チャネルスイッチ部
２２ 任意波形発生器
２３ ネットワークアナライザ
２４ パーソナルコンピュータ
Ａ〜Ｆ 面
Ａ１〜Ｆ１、Ａ２〜Ｆ２ マイクロストリップアンテナ

Claims (5)

1. 対称点からの距離が互いに等しい線対称位置に配置され、前方対後方比が所定基準値より大きなアンテナ素子の組を複数含み、各アンテナ素子によってマルチビームを構成することを特徴とするアンテナ装置。
2. 前記対称点は立体の中心点であり、該中心点からの距離が互いに等しい平行面によって構成される立体において、その各面に前記アンテナ素子が設けられていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
3. 前記対称点は球体の中心点であり、前記球体の表面に前記アンテナ素子が設けられていることを特徴とする請求項１記載のアンテナ装置。
4. 前記アンテナ素子は、直交マイクロストリップアンテナであることを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載のアンテナ装置。
5. 請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載のアンテナ装置と、該アンテナ装置の各アンテナ素子の出力を切り替えて出力するスイッチ手段とを含み、このスイッチ手段による切り替え出力について分析を行うようにしたことを特徴とする電界強度測定システム。

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