JP2008089567A

JP2008089567A - 放射効率測定装置

Info

Publication number: JP2008089567A
Application number: JP2007056285A
Authority: JP
Inventors: Yoshihiro Kuga; 宣裕久我; Hiroyuki Arai; 宏之新井
Original assignee: Yokohama National University NUC
Current assignee: Yokohama National University NUC
Priority date: 2006-09-06
Filing date: 2007-03-06
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2027-03-06
Also published as: JP5396601B2

Abstract

【課題】アンテナの放射効率を部分的な球面走査で測定する方法および装置を提供する。
【解決手段】本発明による放射効率測定装置は、方位角方向に回転する支持部１０と、支持部上に設置された反射板６０と、反射板から離間して設置された被測定アンテナ２０と、被測定アンテナからの信号を一定の距離で受信する受信アンテナ３０とから構成されている。反射板により被測定アンテナからの放射電力を上半球面に集中させることによって、反射板および被測定アンテナの上方の半球面を走査するだけで、効果的な放射効率測定が可能となる。
【選択図】図３

Description

本発明は、アンテナの放射効率測定技術に関する。より詳しくは、本発明は、部分的な球面走査でアンテナの放射効率を効果的に測定する技術に関する。

従来、アンテナの放射効率測定は、球面走査（ＳＳ）により行われている。この測定は、アンテナの放射電界を球面積分して、放射電力を求めることにより行われる。

図１に、球面走査によるアンテナの放射効率測定系の構成例を示す。この測定系は、方位角方向にステップΔφで回転する支持部１０と、支持部上に設置された被測定アンテナ２０と、被測定アンテナから半径ｒの距離で信号を受信する受信プローブアンテナ３０から構成されている。この測定系では、支持部１０の方位角をステップΔφで３６０°回転させ、各方位角において、受信プローブアンテナ１４を方位角に直交する方向にステップΔθでθ＝０〜θｍの範囲を走査して、受信電力を計測する。

実際の測定は、電磁波の反射による影響を低減するため、図２に示すように、電波暗室５０の中で行われる。この電波暗室の内部には、支持部１０と、被測定アンテナ２０と、受信プローブアンテナ３０と、受信プローブアンテナを中心とする球面上での位置を決める球面ポジショナ４０とが設置されている。また、電波暗室の外部には、被測定アンテナに信号を供給する信号発生器１１０と、受信プローブアンテナからの信号の解析を行うスペクトルアナライザ１２０と、信号発生器およびスペクトルアナライザからの信号に基づいて被測定アンテナの放射効率を算出するコンピュータ１３０とが備えられている。

アンテナの放射効率ηは、次式で定義される。

ここで、Ｐ_inは信号発生器から被測定アンテナへ入力する信号電力であり、Ｐｒは受信プローブアンテナにおける受信電力を走査球面上で積分した受信電力であり、次式により求めることができる。

ここで、ｒは、被測定アンテナから受信プローブアンテナまでの距離、Ａは、受信プローブアンテナの開口面積である。また、走査角θは、上式のように０からπの範囲で走査できることが理想であるが、実際の測定では、被測定アンテナを支持する支持部により最大走査角θｍ（θｍ＜π）に限定されることになる。

Q.Chen, et.al, IEICE Trans. Commun., vol.E80-B, No.5, pp.709-711, May 1997. 広川, 久我, 信学総大,B-1-52,pp.52,March 2004

このように、従来の球面走査によるアンテナの放射効率測定では、受信プローブアンテナの走査不能範囲やＤＵＴ（ＤｅｖｉｃｅＵｎｄｅｒＴｅｓｔ）への給電線が測定誤差の要因となりうる。具体的には、支持部が被測定アンテナからの放射に影響することがある。また、支持部が邪魔になって、受信プローブアンテナによる走査が０〜θｍの範囲に限定されてしまう。そのため、発泡剤で構成した方位角回転台を側面から支持したり、発信機をＤＵＴに組み込むなどの工夫がなされているが、いずれも特殊な装置を必要とし、また装置が高価になるという問題がある。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、被測定アンテナの放射電界を上半球面に集中させることで、放射効率を部分的な球面走査で測定可能にする方法および装置を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、球面走査によりアンテナの放射効率を測定する装置であって、支持部と、前記支持部に設置された反射板と、前記反射板から離間して設置された被測定アンテナと、前記被測定アンテナからの信号を一定の距離で受信する受信アンテナとを備えたことを特徴とする。

また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の装置であって、前記支持部が方位角方向に回転し、前記受信アンテナが前記方位角方向に直交する平面内で移動することによって、前記反射板および被測定アンテナの上方の球面を走査するように構成されたことを特徴とする。

また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の装置であって、前記受信アンテナが前記方位角方向に直交する平面内で移動することは、前記反射板および被測定アンテナの上部から少なくとも１２０°の範囲を走査するように構成されたことを特徴とする。

また、請求項４に記載の発明は、請求項１から３のいずれかに記載の装置であって、前記反射板と被測定アンテナとの距離ｄは、測定信号波長をλとして、ｄ≦０．７λであることを特徴とする。

また、請求項５に記載の発明は、請求項１から４のいずれかに記載の装置であって、前記反射板の直径２ａは、２ａ≧２．６６λであることを特徴とする。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。

図３に、本発明によるアンテナの放射効率測定系の構成例を示す。この測定系は、方位角方向にステップΔφで回転する支持部１０と、支持部上に設置された円形の反射板６０と、反射板から距離ｄだけ離して設置された被測定アンテナ２０と、被測定アンテナから半径ｒの距離で信号を受信する受信プローブアンテナ３０とから構成されている。この測定系では、支持部１０の方位角をステップΔφで３６０°回転させ、各方位角において、受信プローブアンテナ１４を方位角に直交する方向にステップΔθでθ＝０〜θｍの範囲を走査して、受信電力を計測する。また、実際の測定は、従来技術の場合と同様に、図２に示すような電波暗室５０の中で行われる。

本発明によれば、被測定アンテナから下方への放射を反射板により抑制することができるので、放射効率測定における支持部の影響を低減することができる。また、被測定アンテナからの放射を反射板により上方へ反射するので、反射板より上の半球面などの部分的な走査で充分な放射効率測定が可能となる。

図４に、被測定アンテナから下方への放射が反射板により抑制される様子を示す。ここで、図４は、ダイポールアンテナを用いた場合に結果である。

図４（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、従来の球面走査（すなわち、反射板なし）によるＨ面およびＥ面のアンテナパターンであり、走査角θを０から１６５°まで変化させている。図４（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、本発明（すなわち、反射板あり）によるＨ面およびＥ面のアンテナパターンであり、同じく走査角θを０から１６５°まで変化させている。図４（ａ）と（ｃ）、（ｂ）と（ｄ）をそれぞれ比べると、反射板を用いた場合、被測定アンテナから下方への放射が抑制されていることが分かる。ここで、Ｈ面およびＥ面は、図１および図３において、方位角φが９０°異なる場合のアンテナパターンの観測面であり、それぞれφ＝９０°およびφ＝０°のときの観測面である。

次に、被測定アンテナと反射板のサイズとの距離ｄについて検討する。図５は、図３の構成において、被測定アンテナおよび受信プローブアンテナとも標準ダイポールアンテナ（２ＧＨｚ）を採用し、測定信号波長をλとして距離ｄ／λに対する放射効率を示し、図５（ａ）は、反射板の半径ａがａ＝０．７λの場合、図５（ｂ）は、ａ＝１．３λの場合を示している。

一般に、反射板の直径が大きくなると、反射板による反射量が増加し、放射効率は最大走査角θｍに対して依存性が小さくなると考えられる。つまり、反射板により電力が上半球面に集中し、上半球のみの走査で放射効率を効果的に測定することができるようになる。図５（ａ）および（ｂ）の結果から、半径ａ＝１．３λの場合、最大走査角θｍに対する依存性が小さくなり、反射板の効果が確認できた。

また、一般に、アンテナと反射板の距離ｄが近接すると、反射板による反射量が増加し、放射効率は最大走査角θｍに対して依存性が小さくなると考えられる。つまり、反射板により電力が上半球面に集中し、上半球のみの走査で放射効率を効果的に測定することができるようになる。図５（ｂ）の結果から、ｄ≦０．７λの範囲で、最大走査角θｍに対する依存性が小さくなり、この範囲において、反射板の効果が確認できた。

次に、パラメータの最適値の決定について検討する。図６は、図３の構成において、被測定アンテナおよび受信プローブアンテナとも標準ダイポールアンテナ（２ＧＨｚ）を採用し、測定信号波長をλとして距離ｄおよび反射板の半径ａをパラメータとした場合の放射効率を示している。具体的には、半径ａをパラメータとして、最大走査角θｍに対する放射効率ηの計算値（点線）と実測値（実線）を示し、図６（ａ）はｄ＝０．３λの場合であり、図６（ｂ）はｄ＝０．６λの場合である。

図６（ａ）の実測値は、図６（ｂ）のそれに比べて、距離ｄが小さいにも関わらず、全体的に放射効率が低下している。これは給電線外部に巻かれた電波吸収体により漏洩電流が吸収されたことにより生じたもので、ＶＳＷＲ（ＶｏｌｔａｇｅＳｔａｎｄｉｎｇＷａｖｅＲａｔｉｏ）の劣化が原因となり生ずる。また、図６（ａ）および（ｂ）より、最大走査角θｍが１２０°以上であれば、放射効率は、距離ｄおよび半径ａにそれほど影響されず、ほぼ一定とみなすことができる。さらに、図６（ａ）および（ｂ）より、反射板の半径ａが大きいほど、電波の回り込みが少なく、反射効率が安定している。以上より、この測定条件においては、距離ｄ＝０．６λ、θｍ＝１２０°、半径ａ＝２．３λが最適なパラメータ設定といえる。なお、計算値と実測値の差は、約１０〜１５％であり、数値積分誤差、銅損、製作誤差、給電線外部に巻かれた吸収体などでの電力吸収などが考えられる。

次に、偏波に対する反射板の効果の差について検討する。図７は、反射板に対する被測定アンテナの設置状態と、それぞれのアンテナパターンを示し、図８は、それぞれの設置状態における最大走査角θｍに対する放射効率を示している。具体的には、図７（ａ）は、反射板と被測定アンテナの偏波面が水平に設置された状態を示し、図７（ｂ）は、反射板と被測定アンテナの偏波面が垂直に設置された状態を示している。また、図７（ｃ）は、図７（ａ）の状態における被測定アンテナのアンテナパターンを示し、図７（ｄ）は、図７（ｂ）の状態における被測定アンテナのアンテナパターンを示している。図８は、水平設置状態、垂直設置状態および反射板なしの状態における最大走査角θｍに対する放射効率を示している。このときの反射板の半径ａは、ａ＝２．３λ、距離ｄは、ｄ＝０．６λであり、ＤＵＴには、２．４５ＧＨｚのダイポールアンテナを使用した。

図８より、垂直設置状態の方が水平設置状態に比べて、放射効率の落ち込みが大きい。これは、垂直設置状態の方が電波の回り込みが大きいことを示唆している。そして、最大走査角θｍは、水平設置状態であれば１２０°以上、垂直設置状態であれば９０°以上とすると、放射効率の劣化がほとんどない。したがって、最大走査角θｍを１２０°とすれば、偏波によらず充分な放射効率の測定が可能となる。

最後に、本発明による放射効率測定法の妥当性を検討するために、導波管法による放射効率測定との比較結果を示す。図９は、いくつかの被測定アンテナについて、導波管法による場合と、本発明による場合の放射効率測定の結果を示している。被測定アンテナとしては、３種類のチップアンテナ（アンテナ番号１〜３）と１種類のプリントダイポールアンテナ（アンテナ番号４）を用いた。図に示すように、導波管法の方が本発明による方法よりも測定結果が高く、その差は、１０〜１５％程度である。これは、チップアンテナの場合は給電線の外皮に施した吸収材での損失と、プリントダイポールアンテナの場合はバランの損失によるものと考えられる。しかし、両測定法とも測定結果の傾向は一致しており、本発明による放射効率の測定は、妥当であることがわかる。

以上のように、反射板を用いることにより、被測定アンテナからの放射電力を上半球面に集中させ、上半球の部分的な走査のみで放射効率を測定することができる。そして、被測定アンテナと反射板との距離、反射板のサイズおよび最大走査角を適切に設定することにより、アンテナの放射効率を充分な精度で測定することができる。これにより、放射効率測定における支持部の影響を低減し、狭い走査範囲で効果的な放射効率測定が可能となる。

本発明について、具体的な実施の形態について説明したが、本発明の原理を適用できる多くの実施可能な形態に鑑みて、ここに記載した実施形態は、単に例示に過ぎず、本発明の範囲を限定するものではない。例えば、本発明は、アンテナの放射効率測定に限らず、無線装置等の放射電力の測定にも適用することができる。このように、ここに例示した実施形態は、本発明の趣旨から逸脱することなくその構成と詳細を変更することができる。さらに、説明のための構成要素および手順は、本発明の趣旨から逸脱することなく変更、補足、またはその順序を変えてもよい。

従来の球面走査によるアンテナの放射効率測定系の構成を示す図である。アンテナの放射効率測定を行う環境全体を示す図である。本発明によるアンテナの放射効率測定系の構成を示す図である。ダイポールアンテナを用いた場合のアンテナパターンを示し、図４（ａ）および（ｂ）はそれぞれ、反射板がない場合のＨ面およびＥ面でのアンテナパターンであり、図４（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、反射板がある場合のＨ面およびＥ面でのアンテナパターンである。図３の構成において距離ｄ／λに対する放射効率を示すグラフであり、図５（ａ）は、ａ＝０．７λの場合であり、図５（ｂ）は、ａ＝１．３λの場合である。図３の構成において、距離ｄおよび反射板の半径ａをパラメータとした場合の放射効率を示すグラフであり、図６（ａ）は、ｄ＝０．３λの場合の結果であり、図６（ｂ）は、ｄ＝０．６λの場合の結果である。反射板に対する被測定アンテナの設置状態と、それぞれのアンテナパターンを示す図であり、図７（ａ）および（ｂ）は、反射板と被測定アンテナの偏波面がそれぞれ水平および垂直に設置された状態を示し、図７（ｃ）および（ｄ）はそれぞれ、図７（ａ）および（ｂ）の状態における被測定アンテナのアンテナパターンを示している。水平設置状態、垂直設置状態および反射板なしの状態における最大走査角θｍに対する放射効率を示すグラフである。いくつかの被測定アンテナについて、導波管法による場合と、本発明による場合の放射効率測定の結果を示すグラフである。

符号の説明

１０支持部
２０被測定アンテナ
３０受信プローブアンテナ
４０球面ポジショナ
５０電波暗室
６０反射板
１１０信号発生器
１２０スペクトルアナライザ
１３０コンピュータ

Claims

球面走査によりアンテナの放射効率を測定する装置であって、
支持部と、
前記支持部に設置された反射板と、
前記反射板から離間して設置された被測定アンテナと、
前記被測定アンテナからの信号を一定の距離で受信する受信アンテナと
を備えたことを特徴とする装置。
請求項１に記載の装置であって、
前記支持部が方位角方向に回転し、前記受信アンテナが前記方位角方向に直交する平面内で移動することによって、前記反射板および被測定アンテナの上方の球面を走査するように構成されたことを特徴とする装置。
請求項２に記載の装置であって、
前記受信アンテナが前記方位角方向に直交する平面内で移動することは、前記反射板および被測定アンテナの上部から少なくとも１２０°の範囲を走査するように構成されたことを特徴とする装置。
請求項１から３のいずれかに記載の装置であって、
前記反射板と被測定アンテナとの距離ｄは、測定信号波長をλとして、ｄ≦０．７λであることを特徴とする装置。
請求項１から４のいずれかに記載の装置であって、
前記反射板の直径２ａは、２ａ≧２．６６λであることを特徴とする装置。