JP2011196763A - 電界強度分布測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】変調された無線信号を送信しているアンテナ周辺の電界強度分布を、当該アンテナに測定用の連続正弦波を印加することなく測定可能とする。
【解決手段】測定位置が可変である信号用電界センサにより検知した無線信号から抽出したパイロットチャネルの信号成分に基づき近傍電界の振幅情報を求め、また、信号用電界センサで検知した無線信号の位相と測定位置が固定である参照用電界センサで検知した無線信号の位相との位相差を近傍電界の位相情報として求め、信号用電界センサの位置情報と近傍電界の振幅情報と近傍電界の位相情報とから遠方の電界強度を計算する。
【選択図】図１

Description

本発明は、アンテナの指向特性やアンテナ周辺の電界強度特性の測定装置に関し、特に、アンテナと無線送信回路の切り離しが困難な状況において、変調されたキャリアの送信中に上記の特性の測定を可能とする電界強度分布測定装置に関する。

アンテナの指向特性やアンテナ周辺の電界強度特性は、通常、送信側の信号源として振幅と位相が既知の連続正弦波を使用し、受信側においてその振幅と位相の変化を測定することで得ることができる。この測定方法の具体例の一つとして、近傍界／遠方界変換法を用いた方法が挙げられる。この方法においては、受信側で測定された振幅と位相の変化からアンテナ近傍の電界強度分布を得た上で、更にこれを用いて近傍界／遠方界変換法の数値計算によってより広い空間（遠方）の電界強度分布を得る。また、この電界強度分布から指向特性を得る。

このような測定に用いる電界強度分布測定装置の従来例を図６に示す。図６の電界強度分布測定装置５００は、電界センサ部５１０と振幅位相検出部５２０と遠方電界計算部１４０とを備える。電界センサ部５１０は、信号用電界センサ１１１と位置決め治具１１２とから構成される。信号用電界センサ１１１は、位置決め治具１１２に取り付けられ、位置決め治具１１２の動作を介して位置決め制御回路１２１により制御された位置に移動可能とされている。信号用電界センサ１１１は、電界を検知可能なショートダイポール等により構成され、連続正弦波の印加により励振された被測定アンテナ１０近傍の電界を検知する。振幅位相検出部５２０は、位置決め制御回路１２１と振幅検出回路５２２と位相検出回路５２３と発振回路５２４とから構成される。位置決め制御回路１２１は、位置決め治具１１２を動作させることで信号用電界センサ１１１の位置を制御するとともに、当該信号用電界センサ１１１の位置を示す位置情報を出力する。振幅検出回路５２２は、信号用電界センサ１１１が位置決め制御回路１２１により制御された位置で検知した電界の振幅を検出し、それを振幅情報として出力する。発振回路５２４は、被測定アンテナ１０に振幅と位相が一定である測定用の連続正弦波を印加する。位相検出回路５２３は、発振回路５２４が被測定アンテナ１０に印加した測定用の連続正弦波をモニタし、これを基準として信号用電界センサ１１１が位置決め制御回路１２１により制御された位置で検知した電界の位相の変化を検出して、それを位相情報として出力する。遠方電界計算部１４０は、振幅位相検出部５２０で得られた振幅情報、位相情報、および信号用電界センサ１１１の位置情報に基づき、公知の近傍界／遠方界変換法の数値計算により遠方の電界強度分布を計算推定する。この電界強度分布から指向特性を求めることができる。

マイクロ波計測分野で一般に普及しているネットワークアナライザは、振幅検出回路５２２、位相検出回路５２３、および発振回路５２４の機能を実現しており、容易に電界の振幅と位相を測定することができる。

前記のとおり、従来の測定方法においては信号源として振幅と位相が一定である連続正弦波を使用し、受信側において振幅と位相の変化を測定する。しかし、小型の装置などアンテナと無線送信回路とが一体となっている送信装置の場合には、測定のための連続正弦波をアンテナに印加することは困難である。また、サービス運用中の無線基地局において、アンテナの指向特性を確認する必要が生じた場合も、連続正弦波のアンテナへの印加はサービスを一旦停止することになるため困難である。従って、そのような場合にアンテナ周辺の電界強度分布や指向特性を測定評価することは事実上困難であった。

本発明の目的は、被測定アンテナに測定用の連続正弦波を印加することなくアンテナ周辺の電界強度分布を測定可能な電界強度分布測定装置を提供することにある。

本発明の電界強度分布測定装置は、物理チャネルがパイロットチャネルとトラヒックチャネルとからなる変調された無線信号を送信しているアンテナ周辺の電界強度分布を測定する電界強度分布測定装置であり、測定位置が可変である信号用電界センサにより、或る測定位置で検知した前記無線信号から抽出したパイロットチャネルの成分に基づき近傍電界の振幅情報を求め、また、前記信号用電界センサで検知した前記無線信号の位相と測定位置が固定である参照用電界センサで検知した前記無線信号の位相との位相差を近傍電界の位相情報として求め、前記信号用電界センサの位置情報と前記近傍電界の振幅情報と前記近傍電界の位相情報とから遠方の電界強度を計算する。

本発明の電界強度分布測定装置によれば、サービス等に用いる変調された無線信号自体を電界強度分布測定に利用するため、それとは別の測定用の連続正弦波を印加することなくアンテナ周辺の電界強度分布を測定することができる。また、この分布からアンテナの指向特性を得ることができる。そのため、アンテナと無線送信回路とが一体となっている送信装置やサービス運用中の無線基地局においても、アンテナの特性の確認や電波防護指針の適合確認を実施することができる。

実施例１の電界強度分布測定装置の構成例を示すブロック図。 被測定アンテナと信号用電界センサとの位置関係を表す座標系を説明する図。 実施例２の電界強度分布測定装置の構成例を示すブロック図。 実施例３の電界強度分布測定装置の構成例を示すブロック図。 実施例４の電界強度分布測定装置の構成例を示すブロック図。 従来の電界強度分布測定装置の構成例を示すブロック図。

以下、本発明の実施の形態について、詳細に説明する。

図１は、本発明の電界強度分布測定装置１００の構成例を示すブロック図である。電界強度分布測定装置１００は、送信器２０により生成された変調された無線信号によって励振された被測定アンテナ１０周辺の電界強度分布を測定する装置である。ここで被測定アンテナ１０は、例えば垂直リニアアレーアンテナ等である。移動通信システムにおいて、送信器２０で生成される無線信号はパイロットチャネルとトラヒックチャネルとからなる。パイロットチャネルの振幅は時間変動が無く一定である。一方、トラヒックチャネルの振幅はその基地局にアクセスする移動端末の数に依存する。無線アクセス方法としてＷ−ＣＤＭＡを用いるＩＭＴ−２０００移動通信システムの場合、パイロットチャネルはＣＰＩＣＨである。以下では、パイロットチャネルがＣＰＩＣＨであるとして説明するが、その他のパイロットチャネルの場合でも処理内容は同様である。

電界強度分布測定装置１００は、電界センサ部１１０と振幅位相検出部１２０と遠方電界計算部１４０とから構成され、遠方電界計算部１４０は、背景技術で説明した電界強度分布測定装置１００の遠方電界計算部１４０と共通である。以下、先に説明した構成要素と共通の構成要素については同じ符号を付し、必要な場合以外は具体的な説明は省略する。

電界センサ部１１０は、信号用電界センサ１１１と位置決め治具１１２と参照用電界センサ１１３とを含む。信号用電界センサ１１１は、位置決め治具１１２に取り付けられ、位置決め治具１１２の動作を介して位置決め制御回路１２１により制御された位置(ρ₀,φ,ｚ)において前記無線信号の電界を検知し、検知した電界Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)に係る信号を振幅位相検出部１２０の信号用Ａ／Ｄ変換回路１２１に入力する。ここで、(ρ₀,φ,ｚ)は被測定アンテナ１０と信号用電界センサ１１１との位置関係を表し、図２に示すようにρ₀は被測定アンテナ１０を中心軸とした信号用電界センサ１１１の回転半径として観念される両者間の距離、φは被測定アンテナ１０を中心軸とした信号用電界センサ１１１の所定の基準位置からの回転角度、ｚは被測定アンテナ１０をＺ軸とした場合の信号用電界センサ１１１のＺ軸座標値を表す。参照用電界センサ１１３は、被測定アンテナ１０の近傍に固定され、前記無線信号の電界を検知し、検知した電界Ｅ_refに係る信号を振幅位相検出部１２０の参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６に入力する。信号用電界センサ１１１と参照用電界センサ１１３には、電界を検知可能なショートダイポール等を用いる。

振幅位相検出部１２０は、位置決め制御回路１２１と信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２とパイロットデコーダ１２３と信号用ＦＦＴ回路１２４と位相差回路１２５と参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６と参照用ＦＦＴ回路１２７とを含む。信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２は、前記信号用電界センサ１１１が検知した電界Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)に係るアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２のサンプリング周期は、無線信号の情報が失われることがないようサンプリングの定理を満足するように設定する。パイロットデコーダ１２３は、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２から出力されたデジタル信号からパイロットチャネルの電界成分Ｅ_CPICH(ρ₀,φ,ｚ)を検出し、近傍電界の振幅情報|Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)|を、
|Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)|＝β^1/2|Ｅ_CPICH(ρ₀,φ,ｚ)|
により求めて出力する。ここで、βはパイロットチャネルとトラヒックチャネルの電力比であり、移動無線基地局においてβはトラヒックに依存して時間的に変動している。βを被測定アンテナ１０に係る基地局で設定された最大値とすれば、最大アンテナ入力時のアンテナ周辺電界強度を評価できる。信号用ＦＦＴ回路１２４は、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換することにより電界Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)の位相∠Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)を求めて出力する。参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６は、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２と同じサンプリング周期にて、参照用電界センサ１１３が検知した電界Ｅ_refに係るアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する。参照用ＦＦＴ回路１２７は、参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換することにより電界Ｅ_refの位相∠Ｅ_refを求めて出力する。位相差回路１２５は、信号用ＦＦＴ回路１２４から出力された信号の位相∠Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)と参照用ＦＦＴ回路１２７から出力された信号の位相∠Ｅ_refとの位相差φ_defを
φ_def＝∠Ｅ_trans(ρ₀,φ,ｚ)−∠Ｅ_ref
により計算しその位相差φ_defを近傍電界の位相情報∠Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)として出力する。

遠方電界計算部１４０は、振幅位相検出部１２０で得られた位置情報(ρ₀,φ,ｚ)と近傍電界の振幅情報|Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)|と近傍電界の位相情報∠Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)とから、ρ₀より遠方（被測定アンテナ１０から距離ρの位置）の電界強度Ｅ_t(ρ,φ,ｚ)を以下のように計算する。

ここで、Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)は近傍電界の振幅情報|Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)|と近傍電界の位相情報∠Ｅ_t(ρ₀,φ,ｚ)とをまとめて表記したものである。また、Ｔ_mはＥ_t(ρ₀,φ,ｚ)のフーリエ変換、Ｈ_m()はｍ次のハンケル関数、ｋは自由空間の波数、ｋ_cはρ方向の波数、ｋ_zはＺ軸方向の波数である。

以上のように電界強度分布測定装置１００によれば、サービス等に用いる変調された無線信号自体を利用して、被測定アンテナ周辺の電界強度分布を測定することができる。また、その電界強度分布からアンテナの指向特性を得ることができる。そのため、アンテナと無線送信回路とが一体となっている送信装置やサービス運用中の無線基地局においても、アンテナの特性の確認や電波防護指針の適合確認を実施できる。

図３は、本発明の電界強度分布測定装置２００の構成例を示すブロック図である。電界強度分布測定装置２００は、電界センサ部１１０と振幅位相検出部２２０と遠方電界計算部１４０とを備える。つまり、実施例１の電界強度分布測定装置１００とは振幅位相検出部が異なる。振幅位相検出部２２０は、実施例１の振幅位相検出部１２０の構成要素である信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２、パイロットデコーダ１２３、信号用ＦＦＴ回路１２４、位相差回路１２５、参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６、及び参照用ＦＦＴ回路１２７に加え、信号用ミクサ２３１、信号用バンドバスフィルタ２３２、参照用ミクサ２３３、参照用バンドバスフィルタ２３４、及び局部発振回路２３５を備える。信号用ミクサ２３１と信号用バンドバスフィルタ２３２は、信号用電界センサ１１１と信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２との間に、参照用ミクサ２３３と参照用バンドバスフィルタ２３４は、参照用電界センサ１１３と参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６との間に、それぞれ設けられる。また、局部発振回路２３５は、信号用ミクサ２３１と参照用ミクサ２３３に対し、共通の局部発振信号を供給する。

信号用ミクサ２３１は、局部発振回路２３５から供給される局部発振信号を用い、信号用電界センサ１１１で検知した信号の周波数をそれより低い中間周波数に変換する。信号用バンドパスフィルタ２３２は信号用ミクサ２３１で変換された中間周波数成分のみを選択的に通過し、イメージ信号成分、無線周波数成分、局部発振回路の出力成分の通過を阻止する。参照用ミクサ２３３は、局部発振回路２３５から供給される局部発振信号を用い、参照用電界センサ１１３で検知した信号の周波数をそれより低い中間周波数に変換する。参照用バンドパスフィルタ２３４は参照用ミクサ２３３で変換された中間周波数成分のみを選択的に通過し、イメージ信号成分、無線周波数成分、局部発振回路の出力成分の通過を阻止する。Ａ／Ｄ変換以降の処理は実施例１と同様である。

このように、信号の周波数をそれより低い中間周波数に変換することで、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２及び参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６のサンプリング周波数を低く設定できるため、実際に使用するＡ／Ｄ変換回路のサンプリング周波数の上限が制限されていても、無線周波数が高い信号を送信するアンテナの測定が可能である。

図４は、本発明の電界強度分布測定装置３００の構成例を示すブロック図である。電界強度分布測定装置３００は、電界センサ部３１０と振幅位相検出部３２０と遠方電界計算部１４０とを備える。実施例１の電界強度分布測定装置１００とは電界センサ部と振幅位相検出部が異なる。

電界センサ部３１０は、信号用電界センサ３１１と位置決め治具１１２と参照用電界センサ１１３とを備える。つまり、信号用電界センサが実施例１と異なる。信号用電界センサ３１１は、それぞれ直交する電界のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を独立に検知し、これら３つの電界成分を各々出力する。

振幅位相検出部３２０は、実施例１の振幅位相検出部１２０の構成要素である位置決め制御回路１２１、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２、パイロットデコーダ１２３、信号用ＦＦＴ回路１２４、位相差回路１２５、参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６、及び参照用ＦＦＴ回路１２７に加え、切替スイッチ３３６を備える。切替スイッチ３３６は、位置決め制御回路１２１が指定した座標(ρ₀,φ,ｚ)において信号用電界センサ３１１が検知した３つの電界成分がＥ_trans,x(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,y(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,z(ρ₀,φ,ｚ)であるとき、これらの電界成分のうち一つを選択し、信号用Ａ／Ｄ変換回路１２２に入力する。以降の処理は実施例１と同様である。

実施例３の構成をとることで、切替スイッチ３３６を順次切り替えて処理を行うことにより、独立した３つの電界成分Ｅ_trans,x(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,y(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,z(ρ₀,φ,ｚ)のそれぞれについて遠方の電界強度Ｅ_t(ρ,φ,ｚ)を得ることができる。

図５は、本発明の電界強度分布測定装置４００の構成例を示すブロック図である。電界強度分布測定装置４００は、電界センサ部３１０と振幅位相検出部４２０と遠方電界計算部４４０とを備える。電界センサ部３１０は実施例３と同様であり、検知した３つの電界成分を各々出力する。

振幅位相検出部４２０は、実施例１の振幅位相検出部１２０のＡ／Ｄ変換回路とパイロットデコーダと信号用ＦＦＴ回路と位相差回路を、信号用電界センサ３１１で検知された３つの電界成分に対応して３系統備える構成である。具体的には、位置決め制御回路１２１とｘ軸信号用Ａ／Ｄ変換回路４２２ｘとｘ軸パイロットデコーダ４２３ｘとｘ軸信号用ＦＦＴ回路４２４ｘとｘ軸位相差回路４２５ｘとｙ軸信号用Ａ／Ｄ変換回路４２２ｙとｙ軸パイロットデコーダ４２３ｙとｙ軸信号用ＦＦＴ回路４２４ｙとｙ軸位相差回路４２５ｙとｚ軸信号用Ａ／Ｄ変換回路４２２ｚとｚ軸パイロットデコーダ４２３ｚとｚ軸信号用ＦＦＴ回路４２４ｚとｚ軸位相差回路４２５ｚと参照用Ａ／Ｄ変換回路１２６と参照用ＦＦＴ回路１２７とを備える。振幅位相検出部４２０は、各電界成分について実施例１と同様の処理を行い、信号用電界センサ３１１の位置情報(ρ₀,φ,ｚ)を出力するとともに、信号用電界センサ３１１で検知された振幅情報及び位相情報を３つの電界成分Ｅ_trans,x(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,y(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,z(ρ₀,φ,ｚ)について同時に出力する。

遠方電界計算部４４０は、信号用電界センサ３１１の位置情報(ρ₀,φ,ｚ)と３つの電界成分Ｅ_trans,x(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,y(ρ₀,φ,ｚ)、Ｅ_trans,z(ρ₀,φ,ｚ)のそれぞれについての振幅情報及び位相情報とから、各電界成分について遠方の電界強度Ｅ_t(ρ,φ,ｚ)を並列的に計算する。

実施例４は、独立した３つの電界成分のそれぞれについて電界強度を測定できるという点において実施例３と共通するが、実施例４の構成によれば各電界成分に対する処理を並列して行うことができ、かつ、遠方電界の計算も並列して行うため、実施例３より短時間で各電界成分の電界強度分布を測定することができる。

以上で説明した本発明の電界強度分布測定装置の各構成要素の機能分担は、各実施例に示す機能分担に限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲で適宜変更が可能である。また、各実施例に示した処理は記載の順に従った時系列において実行されるのみならず、処理を実行する各構成要素の処理能力あるいは必要に応じて並列的にあるいは個別に実行することとしてもよい。

Claims (5)

1. 変調された無線信号を送信しているアンテナ周辺の電界強度分布を測定する電界強度分布測定装置であって、
   前記無線信号の物理チャネルはパイロットチャネルとトラヒックチャネルとからなり、
   測定位置が可変である信号用電界センサにより或る測定位置で検知した前記無線信号から抽出したパイロットチャネルの成分に基づき近傍電界の振幅情報を求め、また、前記信号用電界センサで検知した前記無線信号の位相と測定位置が固定である参照用電界センサで検知した前記無線信号の位相との位相差を近傍電界の位相情報として求め、前記信号用電界センサの位置情報と前記近傍電界の振幅情報と前記近傍電界の位相情報とから遠方の電界強度を計算する電界強度分布測定装置。
2. 請求項１に記載の電界強度分布測定装置において、
   前記無線信号の電界を検知する信号用電界センサと、前記アンテナ近傍に固定され前記無線信号の電界を検知する参照用電界センサと、前記信号用電界センサが移動可能に取り付けられた位置決め治具と、を含む電界センサ部と、
   前記位置決め治具を制御し前記信号用電界センサを任意の位置に移動させるとともにその位置情報を出力する位置決め制御回路と、前記信号用電界センサが前記位置決め制御回路により制御された位置で検知した電界に係るアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する信号用Ａ／Ｄ変換回路と、前記信号用Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル信号から前記パイロットチャネルの成分を検出しそれに基づき近傍電界の振幅情報を求めて出力するパイロットデコーダと、前記信号用Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換する信号用ＦＦＴ回路と、前記参照用電界センサが検知した電界に係るアナログ信号をデジタル信号に変換して出力する参照用Ａ／Ｄ変換回路と、前記参照用Ａ／Ｄ変換回路から出力されたデジタル信号を高速フーリエ変換する参照用ＦＦＴ回路と、前記信号用ＦＦＴ回路から出力された信号の位相と前記参照用ＦＦＴ回路から出力された信号の位相との位相差を計算しその位相差を近傍電界の位相情報として出力する位相差回路と、を含む振幅位相検出部と、
   前記位置情報と前記振幅情報と前記位相情報とから遠方の電界強度を計算する遠方電界計算部と、
   を備えることを特徴とする電界強度分布測定装置。
3. 請求項２に記載の電界強度分布測定装置において、
   前記振幅位相検出部は更に、
   前記信号用電界センサと前記信号用Ａ／Ｄ変換回路との間に信号用ミクサと信号用バンドパスフィルタとを備え、前記参照用電界センサと前記参照用Ａ／Ｄ変換回路との間に参照用ミクサと参照用バンドパスフィルタとを備え、前記信号用ミクサと前記参照用ミクサとに共通の局部発振信号を供給する局部発振回路を備え、
   前記信号用ミクサと前記参照用ミクサは、それぞれ前記信号用電界センサと前記参照用電界センサで検知した信号の周波数をそれより低い中間周波数に変換し、前記信号用バンドパスフィルタと前記参照用バンドパスフィルタは、それぞれ前記中間周波数の成分のみを選択的に通過する
   ことを特徴とする電界強度分布測定装置。
4. 請求項２に記載の電界強度分布測定装置において、
   前記信号用電界センサは、それぞれ直交する電界のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を独立に検知してこれら３つの電界成分を各々出力し、
   前記振幅位相検出部は、前記３つの電界成分のうち１つを選択して信号用Ａ／Ｄ変換回路に入力する切替スイッチを更に備える
   ことを特徴とする電界強度分布測定装置。
5. 請求項２に記載の電界強度分布測定装置において、
   前記信号用電界センサは、それぞれ直交する電界のｘ成分、ｙ成分、ｚ成分を独立に検知してこれら３つの電界成分をそれぞれ出力し、
   前記振幅位相検出部は、前記信号用Ａ／Ｄ変換回路と前記パイロットデコーダと前記信号用ＦＦＴ回路と前記位相差回路を、前記３つの電界成分に対応して３系統備え、
   前記遠方電界計算部は、前記位置情報と、前記３つの電界成分に対応する３組の前記振幅情報及び前記位置情報とから、前記３つの電界成分に対応する遠方の電界強度をそれぞれ計算する
   ことを特徴とする電界強度分布測定装置。

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