JP2012502535A - 多重入出力アナライザー - Google Patents

Abstract

この発明は一個の多モード共鳴箱内での電磁場の精密な制御を可能にする。この多モード共鳴箱は 個以上の空洞共振器（cavity）。この多重入出力アナライザー（以下「MIMO アナライザー」と言う）を特徴付ける構成エレメントは：広帯域アンテナ、溝付き金属板、金属製又は非金属製の数種のレンズおよびかくはん器である。これらエレメントは、下段空洞共振器内での供試エレメントの正確な位置取り等のプロシージャとの調和的利用により空洞共振器内部の電磁場の制御を可能にする。この制御能力は、屋内、屋外のさまざまなフェーディング.シナリオの下での無線通信端末の挙動のエミュレーションを可能にする。MIMOアナライザー内部に設定されたエレメントとプロシージャの一部は、電子レンジという別名でも知られている材料の乾燥/硬化を目的とする工業用マイクロ波加熱工程でも使用可能であり、工程により高い効率と均質化とをもたらす。

Description

信号の多重入出力（MIMO）を伴う無線システムは、当初問題視されていた多重伝搬を、限りある伝送容量に対するひとつのソリューションへと変える。こういうわけで、送信アンテナ数および/または受信アンテナ数を増やすことによりパラレル伝送チャンネルが利用可能となる。その結果、無線チャンネル上で高スペクトル効率の達成が可能となり、来る第四世代（G4）モバイル通信とさらにその先の通信の高い要求を満たす極めて有能な方法となる。伝送チャンネルが、高電力供給を使用することにより情報のかわりにエネルギーを輸送するとき、我々は材料の加熱、乾燥、硬化といった他効果をも取得できるのである。

MIMOアナライザーは高いQ係数と非常に不均質な電界磁界の空間分布をもつ多モード共鳴箱である。電磁場を均質化するエレメントしては次のようなものがある： モードかくはん器、溝を穿った金属エレメント、あるいは共鳴箱内の非試験体（DUT）の動作である。現在に至るまで、すべてのモードかくはん器は金属材料で製作すべきと提案されてきた。なかにはWO200054365 documentで見られるように、特別形状をもたせて製作すべきという提案もある。また一方、WO2008031964 documentにおいては航空機産業への応用に限定しているものの溝を穿った金属片の使用に関する記述もある。

多モード共鳴空洞は、検査室測定用無線通信アプリケーションで使用されている。検査室測定とは、受けとられた電力の等方性分布を伴うレイリー伝播シナリオにおける、モバイル端末用に製造されたもののエミュレーションである。測定可能なパラメータとしては次のものがある：ダイバーシティ利得、MIMO容量、アンテナ効率、吸収された電力、アンテナ間の相関関係、特異吸収率、アンテナ感度、ビットエラーレート（BER）確率（最後の二つについて米国パテント7.286.961は残響室への使用に関し特許を請求している。）このように、多モード共鳴空洞を利用する場合、現在に至るまで測定は等方性分布レイリー.フェーディング環境に対してしか行えなかった。

無線通信は様々の異なる環境に取り囲まれているが、異なる確率関数を使用することでこうした環境のモデリングが可能である。このような環境のモデリングで最も一般的に使用される二つの関数がある。K因数をもつレイリーおよびリシアン関数である。K因数はリシアン環境下での様々なシナリオを定義するパラメータである。これらの伝搬環境がその環境下で使用される無線通信システムの性能を決定する。一般的法則として、マクロセルはマイクロセルと比較してより高いリシアンK因数をもつ。すなわち、見通し線（LOS）成分がより支配的なのである。さらに言えば、携帯電話機においては、K因数は送信器までの距離が増すにつれ減少する。対照的に、都市環境およびビル内環境はしばしば豊富な多経路散乱をもつ。このことは直視の優越性を阻止するに足る重要要素であり、この環境の統計的分布をレイリー環境の統計的分布に変えるのである。現在に至るまで、レイリー.フェーディング環境のみが多モード共振空洞によるエミュレーションが可能なのであった。これは問題である。なぜなら、他環境下での端末の適切な評価が要望されるとき、異なる場所ごとの厄介な野外測定活動という別法が必要とされるからである。こうした測定活動は時間、費用の両面で高くつく。

多モード共振空洞のもう一つのアプリケーションはマイクロ波加熱、乾燥、硬化である。すなわち、こうした共振空洞はある材料サンプル内で熱を発生させるため高電力、高周波電磁場を放射するすべてのプロセスで利用可能である。電子レンジの場合、加熱の対象物は固定場所もしくは熱を可能な限りブレンドするためのターンテーブル上に置かれる。サンプル内部で起こり得る電磁場のいかんによって加熱は多少の効率性をもつであろう。ES 2246183 documentは電磁場におけるサンプルの最適な加熱位置を得るプロシージャを記述している。その目標は可能な最高加熱効率、最高加熱均質性を求めることにある。この目標を達成するには電磁場をサンプル中に均一に集結させなければならない。しかし既存手法では、加熱効率は電磁場分布に応じて20%から90%変動するので問題がある。サンプル材料のサイズ、特性のいずれかが変化するとき、電磁場に変更を加える可能性がないため加熱効率は減少する。

当発明の対象であるMIMOアナライザーは、あらゆる種類の伝搬環境における複数アンテナ付き端末の挙動のエミュレーション、もしくは、内部に置かれたサンプル材料の温度上昇を提供する。したがってMIMOアナライザーは等方性、非等方性の両環境における測定を再生/再現できるのみならず、検査室においては異なる分布（レイリーおよびリシアン）をエミュレートできる。なおかつMIMOアナライザーはある手順を使って一個の測定環境を別の測定環境に変換することもできる。それゆえMIMOアナライザーは複数のアンテ型端末のために様々な伝搬環境をエミュレートできるのみならず現前する人間の頭部、手といったものの効果をもそこに含めることができる。同様に、高電源が使用されれば特定の熱分布均一性の制御能力をもってアナライザー内部におかれたサンプル材料を加熱することができる。

MIMOアナライザーはその内部の電磁場をダイナミックに制御するエレメントとプロシージャを包含する一種の多モード共鳴箱である。MIMOアナライザーに含まれるエレメント−それらは当発明の対象である−は下記のとおりである。

MIMOアナライザーに含まれる第一のエレメントは溝を穿たれた金属片1個と複数個の金属片のセットである。複数個の金属片は溝の開閉を担い以下「スイッチング片」と称する。これらエレメントは上段共振空洞器内に固定された一個又は複数個のソースもしくはアンテナの電磁場分布を、溝の開閉を担う「スイッチング片」に応じて活性/不活性と切り替る別ソースをもつ分布に変換することができる。さらに言えば「スイッチング片」は異なる材料で製作が可能である。「スイッチング片」が金属である場合、スイッチング機能はオン、オフの2選択肢のみである。なぜなら信号は溝導かれるか金属片にブロックされるかのいずれかであるから。スイッチング片を他の非金属材料で製作した場合ソースは部分的にのみ活性化される。同様に、ソースは溝を部分的にのみ開にしておくことで部分的に活性化できる。ソースの部分的活性化は電磁場制御において著しい利点を提供する新機軸である。

MIMOアナライザーの第二のエレメントは、金属又は非金属材料製の、もしくは二つを用いて製作されたモードかくはん器の使用である。材料のいずれかにより、電磁波は金属製かくはん器内で反射され、非金属かくはん器内では屈折させられる。この種のかくはん器を使用することにより多様なアプリケーションにおいて高い利用可能性をもつ電磁気分散モードを創出することができる。

MIMOアナライザーの第三のエレメントは信号源と被試験体との間へのレンズの挿入である。これらのレンズは、例えば、エミュレートされた環境のK因数の修正又は所定領域内のサンプルにより吸収され熱の特定方法による凝縮である。

MIMOアナライザーの第四のエレメントは、一揃いの伝送アンテナである。これらのアンテナは広周波数帯域で稼働できるよう特殊形状をしている。この機能ゆえにMIMOアナライザーは無線通信の広大な領域で使用可能となる。

MIMOアナライザーの第五のエレメントは、多モード下段共振空洞器の壁上に設置された吸収コーン等の損失含みエレメント又は損失含み液（設置位置を問わない）の採用である。これによって等方性環境が非等方性環境に変換され、材料による電力吸収がエミュレートできるのである。

MIMOアナライザーが行う第一のプロシージャは、上記6エレメント中の任意のエレメントを単独実装すること、もしくは複数エレメントを組合せ実装することでテストゾーン内で特定の電磁場分布を取得することである。このプロシージャはどのアプリケーションにも有益な電磁場分布を提供する。

MIMOアナライザーが行う第二のプロシージャは被試験体を下段共振空洞器の外側に配置することである。下段共振空洞器の内部と外部のリンクは、異なる開口角を使用しドアを部分的開の状態にして置くか、もしくは共鳴箱外部と共振空洞器内部とをカプリングしている異なる形状、サイズの溝を使用するかのいずれかで達成される。このようにして、伝搬環境はティピカルな等方性分布（これは考えられるすべての到着角度での受信電力の画一的分布である）を遺棄し、非等方性環境となる。なぜなら信号の主要部分は部分的に開かれたドアまたは下段共振空洞器内の溝を通して伝搬するからである。

MIMOアナライザーが行う第三のプロシージャは、レイリー.フェーディング分布の一度の測定から得られる異なるリシアン.フェーディング環境の評価である。すなわちMIMOアナライザーはただ一度の測定でK因数の全範囲をエミュレートでき、結果として時間と費用を節約するのである。

この発明はマイクロ波加熱、特に材料の加熱、乾燥、硬化において有用であろう。以下のパラグラフではこの分野でのMIMOアナライザーの潜在的利用可能性につき記述する。

第一のエレメント − 即ち溝つき金属片とスイッチング片 − により電磁場分布がより均一化され、材料サンプルの種類に応じて放射効率が最大化される。従ってあるグループの溝はサンプルの特性に応じてオープンおよび/またはクローズされ、結果として異なる材料の加熱、乾燥、硬化における高効率を達成させる。従って当エレメントはマイクロ波照射装置の多用途性を増大させ、他設計に対し明らかな優位性を示す。

第二エレメントは非金属材料で製作したかくはん器の使用である。このエレメントは電磁場の均質化を可能にするのみならずソースやマグネトロンへの好ましくない反射を最小化する、即ち、処理効率を極限まで増大させる。

第三エレメント −レンズの使用−は収束レンズ使用の場合サンプルへの電磁場の集中が可能になり処理効率を大幅にアップする。一方、発散レンズを使用すると電磁場の分散行われサンプル内での電磁場の均質化が実現する。従ってこれらのレンズはサンプルのより均一な加熱、乾燥、硬化を実現する。

前述エレメントによりサンプル内電磁場の制御、修正が可能となり、patent ES 2246183において記述されたものに類似するプロシージャの開発が可能となる。第一エレメントとかくはん器の特定位置との組み合わせおよび一個又は複数レンズの使用は最適な加熱効率を提供でき、サンプル全体の電磁場分布が均質化できる。

下記例はこの発明を説明する一助であるが、決してこの発明の性能/機能に制限を加えるものと解してはならない。

例1. 無線通信のためのMIMOアナライザー
MIMOアナライザー(1)の格好の実現モデルにおける金属片(2)の溝(3)数は16である。16個の溝は金属片(2)の上部および下部に位置する金属片(4)によってオープン、クローズできる。このMIMOアナライザー(1)の格好の実現モデルにおいては、16個の溝(7)の内一個の内部に円形レンズ(3)が設置されている。モードかくはん器(6)は金属片(2)の下側に位置する。信号発生エレメント(8)はMIMOアナライザー上部に設置された広帯域アンテナである。液体を満たしたレセプタクルと吸湿材はテスト.ボリューム(9)で導入できるほか、ダミー又は人間をエミュレートする他エレメント導入可能である。このMIMOアナライザーは下記の新規性を提示する：

オープン/クローズされる溝を備えた金属片(2)の使用によりレイリー.フェーディング環境のエミュレーションし、同機能と異なるレンズの使用によりテスト.ボリューム上に電界分布を発生させる可能性(7)。

さまざまなK因数および下記手法を用いてリシアン.フェーディング環境をエミュレーションできる可能性：
- 直射光線または見通し線（LOS）を収束レンズで凝縮する。
- テストボリューム上の電磁場発生率をコントロールするサンプル選択プロシージャを実施して直射光線/反射光線の割合を管理する。

下記のさまざまな手法を使用し非等方性環境をエミュレーションできる可能性：
- 共鳴箱外で被試験体を測定、
- 電磁場の一部吸収を目的として下段共振空洞器内に損失含み材料を配置、
- 被試験体への電磁場の到来角の変更、
- 採用された共振空洞器コレクションの品質係数（Q）を変化させることにより共鳴モードとは異なる複数電磁場モードの共存の許可。

下記プロシージャを通してどのようなフェーディング環境のエミュレーションをも実現できる可能性。

レイリー.フェーディング環境の測定からリシアン.フェーディング環境をエミュレートする可能性。

無線通信分野への利用を目指しMIMOアナライザーの格好のモードが設計された。この格好のモードは様々な手法を駆使しどのようなフェーディング環境でもエミュレーションできるので到来電力の等方性分布を有するレイリー.フェーディング環境しかエミュレートできなかった従来の多モード・シングル共振空洞器への競争的優位性をもつ。一例として、異なるリシアン.フェーディング環境における複数個の3入力4出力アンテナアレーからのダイバーシティ利得分析を図5と図6に示す。異なるアレーにおける隣接エレメント間の空間的隔離は： アレーAは0.01 d/λ 、アレーBは 0.05 d/λ、アレーCは 0.1 d/λである。

図5および図6はMIMOアナライザーの格好モードで行ったダイバーシティ利得分析である。図5はダイバーシティ利得対リシアンK因数（アレーA、B、Cならびに1%~10%の累積確率）である。この数字からアレー間の性能比較を推論することができる。例えば、確率1%について見ると、K=0.001(DG=5.8dB)のアレーAのダイバーシティ利得はK=2のアレーBのそれ、K=3.5のアレーCのそれと等しい。確率10%については、ダイバーシティ利得の観点から見ると、K=3のアレーBの性能はK=6(DG=2.2dB)のアレーCのそれと等しい。もうひとつの同等状況が見られるのは確率1%におけるK=0.001のアレーBとK=0.8のアレーCである。上記比較からどの因数が最終的ダイバーシティ利得性能により強い影響をおよぼすのかを推論できる： 伝搬環境タイプなのか受け取りアレー.コンフィギュレーションなのか。

図6は測定ダイバーシティ利得対累積確率（いくつかのリシアンK因数値および測定3アレーすべてにおける）を示す。一方、K=10000のときすべてのアレー、すべての累積確率値において同一結果が得られることが観察される。どのダイバーシティ利得値についても性能比較が可能である。例えば、もしわれわれが全てのアレーにおいて8dBのダイバーシティ利得達成を望む場合、下記組み合わせを採用しなければならない:
- アレーA、p=0.18%、K=0.001に対してオプションは一つだけであり、
- アレーB、p=4.1%、K=0.001に対しては二つオプションがあり、
- アレーC、p=3.5%、K=0.001 or K=1に対してはもう二つオプションがある。

これらの比較からどのファクターが最終ダイバーシティ利得性能により強い影響を及ぼすかを推論できる：比較のもととなった確率水準か、もしくは伝搬環境タイプごとのさまざまなアレーか。

よく知られているように、ダイバーシティ利得はアレーのタイプ、ダイバーシティ利得の評価基準である確率水準、そして伝搬環境に依存する。システム.デザイナーはこれら3要素の最適な組み合わせを案出し、利用可能なリソースに最大限の能力を発揮させなければならない。MIMOアナライザーはこのような理由で無線通信アプリケーションに関わるMIMOシステム.デザイナーにとって非常に有用なツールである。

例2. マイクロ波加熱のためのMIMOアナライザー
MIMOアナライザーの独創的エレメントの乾燥、硬化、加熱への応用例を格好モード2で示す。格好モードは、アプリケーター(12)に基づく。アプリケーターはフィールド(2)を濃縮し効率を最大化する金属片を備えているのみならず、処理下にある材料のフィールドの効率、均質化を最大化する非金属製モードかくはん器(6)を備えている。加熱対象材料、材料の位置、サイズに応じてある特定の溝がオープンし、プロシージャ1を経て上述の効率最大化および加熱、乾燥、硬化の均質化という目的を達成する。このMIMOアナライザー.アプリケーターは工業分野での使用を意図されており、他アプリケーターと比較して次のような利点を有する：
- 効率の最大化を実現できるので大きなコスト節減につながる。
- 加熱、乾燥、硬化における均質化を実現できるのでほとんどすべての製品の品質改善が可能である。
- 材料の種類に応じてセットアップできるのでより優れた機能性、多用途性をもつ。

一例として、異なる含水率をもつレザー材料の均質化分析の結果をMIMOアナライザーのさまざまな電力レベルとの対比で示す。これら材料の初期含水率は次のとおりであった：
材料01=1.85、材料02=1.81、材料03=0.73、材料04=0.46、材料05=1.40、材料06=0.58、材料07=0.32。

図7と図8の均質化分析をMIMOアナライザーの格好モード2による測定に基づいて行った。図7はドライベースでの各材料の含水率の乾燥カーブと材料01、02、03、04ならびにソース電力700Wに対する所要時間との関係を示す。この図から我々は含水量の均質化がたった7分で完了すると結論できる。すべての材料は前述時間で同一含水率に到達できる、ただし材料の初期含水率の観点から見ると異なる速度での到達である。シミュレーションは緊密測定値を追随する。

図8はドライベースでの各材料の含水率の乾燥カーブと材料05、06、03、07およびソース電力540Wへの所要時間との関係を示す。この場合、含水率の均質化は10分で完了する。繰り返すが、すべての材料は同一含水率に到達するが初期含水率の観点に立てば異なる速度での到達である。

よく知られているのは、マイクロ波加熱は材料上の電磁場分布、材料の損失係数、含水率に大きく左右されることである。システムデザイナーはこれら3要素の最適な組み合わせを案出し、利用できるリソースの使用効率を最適化しなければならない。MIMOアナライザーはこうした理由で工業用マイクロ波加熱工程アプリケーターのデザイナーにとって非常に有用なツールである。

図1はMIMOアナライザー(1)を示す。MIMOアナライザーは下記エレメントで構成される：- 共鳴室をふたつの共振空洞に分割する溝付き金属片(2)、- モバイル.スイッチング片(4)、- モバイル.スイッチング片のアクス(5)、- 上述アクスは金属片(2)の様々な溝(3)をオープン/クローズにしておく、- 非金属性かくはん器(6)、- レンズ(7)は円形溝の一個と広帯域アンテナ(8)とに埋め込まれる。図中、被試験体(9)設置ゾーンともマーキングされている。ゾーン(9)にはユーザが及ぼす影響を研究するため実在しない頭部/手(10)等他エレメントの設置も可能である。 図2は第一エレメントのより詳細な図示である。すなわち溝を穿たれた金属片(2)、異なる溝(4)をムーヴ、オープン、またはクローズするスイッチング片(3)、およびスイッチング片がその中を通るアクス(5)。 図3は送信エレメントの特定形状またはMIMOアナライザーのアンテナ(8)及びアンテナなのフィード.ポイント(10)を示す。 図4はマイクロ波加熱アプリケーション(12)で利用される予定のMIMOアナライザーであり下記エレメントをもつ：3個のソース又はマグネトロン(13)、いくつかのサンプル(14)、モードかくはん器(6)、溝を穿たれた金属片(2)。 図5はいくつかのアンテナアレーにおけるダイバーシティ利得対リシアンK因数を示す。確率水準をパラメータとしている。これはMIMOアナライザーが実施できる性能分析および評価である。 図6はさまざまなアンテナアレー.サブセットにおけるダイバーシティ利得対累積確率水準を示す。これはMIMOアナライザーが実施できる性能解析および評価の一例である。 図7は電力ソース700W、ドライベースでの含水量対時間の乾燥カーブを示す。対象サンプル材料は01,02,03および04。 図8は電力ソース540W、ドライベースでの含水量対時間の乾燥カーブを示す。対象サンプル材料は05, 06,および07。

信号の多重入出力（MIMO）を伴う無線システムは、当初問題視されていた多重伝搬を、限りある伝送容量に対するひとつのソリューションへと変える。こういうわけで、送信アンテナ数および/または受信アンテナ数を増やすことによりパラレル伝送チャンネルが利用可能となる。その結果、無線チャンネル上で高スペクトル効率の達成が可能となり、来る第四世代（G4）モバイル通信とさらにその先の通信の高い要求を満たす極めて有能な方法となる。伝送チャンネルが、高電力供給を使用することにより情報のかわりにエネルギーを輸送するとき、我々は材料の加熱、乾燥、硬化といった他効果をも取得できるのである。

特許出願の関連データ
この特許出願は、2008年9月3日出願のPatent Application Number ESP200802584に基づいて優先権を主張する。前述Patent Applicationはこの特許出願において全体が開示され参照されることによりこの特許出願の一部をなすものである。

MIMOアナライザーは高いQ係数と非常に不均質な電界磁界の空間分布をもつ多モード共鳴箱である。この多モード共鳴箱は一般的には上段下段の2個の空洞共振器で構成されている。2個の空洞共振器は溝または導波管を備えた金属板を通してカプリングされており、導波管は遮蔽されたドアでアクセス可能となる。電磁場を均質化するエレメントしては次のようなものがある： モードかくはん器、溝を穿った金属エレメント、あるいは共鳴箱内の非試験体（DUT）の動作である。現在に至るまで、すべてのモードかくはん器は金属材料で製作すべきと提案されてきた。なかにはWO200054365 documentで見られるように、特別形状をもたせて製作すべきという提案もある。また一方、WO2008031964 documentにおいては航空機産業への応用に限定しているものの溝を穿った金属片の使用に関する記述もある。

多モード共鳴空洞は、検査室測定用無線通信アプリケーションで使用されている。検査室測定とは、受けとられた電力の等方性分布を伴うレイリー伝播シナリオにおける、モバイル端末用に製造されたもののエミュレーションである。測定可能なパラメータとしては次のものがある：ダイバーシティ利得、MIMO容量、アンテナ効率、吸収された電力、アンテナ間の相関関係、特異吸収率、アンテナ感度、ビットエラーレート（BER）確率（最後の二つについて米国パテント7.286.961は残響室への使用に関し特許を請求している。）このように、多モード共鳴空洞を利用する場合、現在に至るまで測定は等方性分布レイリー.フェーディング環境に対してしか行えなかった。さらに、被試験体のエネルギー吸収メカニズムおよびこれに伴う被試験体の放射効率の減少の観察を目的として、損失含み液を満たした種々のダミーの使用による測定も可能である。これは人間の面前に置かれたデバイスの挙動に類似するものであり、例えば、ユーザの頭部がモバイル端末に及ぼす影響の研究を可能にする。

無線通信は様々の異なる環境に取り囲まれているが、異なる確率関数を使用することでこうした環境のモデリングが可能である。このような環境のモデリングで最も一般的に使用される二つの関数がある。K因数をもつレイリーおよびリシアン関数である。K因数はリシアン環境下での様々なシナリオを定義するパラメータである。これらの伝搬環境がその環境下で使用される無線通信システムの性能を決定する。一般的法則として、マクロセルはマイクロセルと比較してより高いリシアンK因数をもつ。すなわち、見通し線（LOS）成分がより支配的なのである。さらに言えば、携帯電話機においては、K因数は送信器までの距離が増すにつれ減少する。対照的に、都市環境およびビル内環境はしばしば豊富な多経路散乱をもつ。このことは直視の優越性を阻止するに足る重要要素であり、この環境の統計的分布をレイリー環境の統計的分布に変えるのである。現在に至るまで、レイリー.フェーディング環境のみが多モード共振空洞によるエミュレーションが可能なのであった。これは問題である。なぜなら、他環境下での端末の適切な評価が要望されるとき、異なる場所ごとの厄介な野外測定活動という別法が必要とされるからである。こうした測定活動は時間、費用の両面で高くつく。

多モード共振空洞のもう一つのアプリケーションはマイクロ波加熱、乾燥、硬化である。すなわち、こうした共振空洞はある材料サンプル内で熱を発生させるため高電力、高周波電磁場を放射するすべてのプロセスで利用可能である。電子レンジの場合、加熱の対象物は固定場所もしくは熱を可能な限りブレンドするためのターンテーブル上に置かれる。サンプル内部で起こり得る電磁場のいかんによって加熱は多少の効率性をもつであろう。ES 2246183 documentは電磁場におけるサンプルの最適な加熱位置を得るプロシージャを記述している。その目標は可能な最高加熱効率、最高加熱均質性を求めることにある。この目標を達成するには電磁場をサンプル中に均一に集結させなければならない。しかし既存手法では、加熱効率は電磁場分布に応じて20%から90%変動するので問題がある。サンプル材料のサイズ、特性のいずれかが変化するとき、電磁場に変更を加える可能性がないため加熱効率は減少する。

この発明は一個の多モード共鳴箱内での電磁場の精密な制御を可能にする。この多モード共鳴箱は2個以上の空洞共振器（cavity）を備えており、空洞共振器は精密な方法で溝又は導波管を備えた金属板を貫いてカプリングされている。この多重入出力アナライザー（以下「MIMO アナライザー」と言う）を特徴付ける構成エレメントは：広帯域アンテナ、溝付き金属板、金属製又は非金属製の数種のレンズおよびかくはん器である。これらエレメントは、下段空洞共振器内での供試エレメントの正確な位置取り等のプロシージャとの調和的利用により空洞共振器内部の電磁場の制御を可能にする。この制御能力は、屋内、屋外のさまざまなフェーディング.シナリオの下での無線通信端末の挙動のエミュレーションを可能にする。MIMOアナライザー内部に設定されたエレメントとプロシージャの一部は、電子レンジという別名でも知られている材料の乾燥/硬化を目的とする工業用マイクロ波加熱工程でも使用可能であり、工程により高い効率と均質化とをもたらす。

当発明の対象であるMIMOアナライザーは、あらゆる種類の伝搬環境における複数アンテナ付き端末の挙動のエミュレーション、もしくは、内部に置かれたサンプル材料の温度上昇を提供する。したがってMIMOアナライザーは等方性、非等方性の両環境における測定を再生/再現できるのみならず、検査室においては異なる分布（レイリーおよびリシアン）をエミュレートできる。なおかつMIMOアナライザーはある手順を使って一個の測定環境を別の測定環境に変換することもできる。それゆえMIMOアナライザーは複数のアンテ型端末のために様々な伝搬環境をエミュレートできるのみならず現前する人間の頭部、手といったものの効果をもそこに含めることができる。同様に、高電源が使用されれば特定の熱分布均一性の制御能力をもってアナライザー内部におかれたサンプル材料を加熱することができる。

MIMOアナライザーはその内部の電磁場をダイナミックに制御するエレメントとプロシージャを包含する一種の多モード共鳴箱である。MIMOアナライザーに含まれるエレメント−それらは当発明の対象である−は下記のとおりである。

MIMOアナライザーに含まれる第一のエレメントは溝を穿たれた金属片1個と複数個の金属片のセットである。複数個の金属片は溝の開閉を担い以下「スイッチング片」と称する。これらエレメントは上段共振空洞器内に固定された一個又は複数個のソースもしくはアンテナの電磁場分布を、溝の開閉を担う「スイッチング片」に応じて活性/不活性と切り替る別ソースをもつ分布に変換することができる。さらに言えば「スイッチング片」は異なる材料で製作が可能である。「スイッチング片」が金属である場合、スイッチング機能はオン、オフの2選択肢のみである。なぜなら信号は溝をに導かれるか金属片にブロックされるかのいずれかであるから。スイッチング片を他の非金属材料で製作した場合ソースは部分的にのみ活性化される。同様に、ソースは溝を部分的にのみ開にしておくことで部分的に活性化できる。ソースの部分的活性化は電磁場制御において著しい利点を提供する新機軸である。

MIMOアナライザーの第二のエレメントは、金属又は非金属材料製の、もしくは二つを用いて製作されたモードかくはん器の使用である。材料のいずれかにより、電磁波は金属製かくはん器内で反射され、非金属かくはん器内では屈折させられる。この種のかくはん器を使用することにより多様なアプリケーションにおいて高い利用可能性をもつ電磁気分散モードを創出することができる。

MIMOアナライザーの第三のエレメントは信号源と被試験体との間へのレンズの挿入である。これらのレンズは、例えば、エミュレートされた環境のK因数の修正又は所定領域内のサンプルにより吸収され熱の特定方法による凝縮である。

MIMOアナライザーの第四のエレメントは、一揃いの伝送アンテナである。これらのアンテナは広周波数帯域で稼働できるよう特殊形状をしている。この機能ゆえにMIMOアナライザーは無線通信の広大な領域で使用可能となる。

MIMOアナライザーの第五のエレメントは、多モード下段共振空洞器の壁上に設置された吸収コーン等の損失含みエレメント又は損失含み液（設置位置を問わない）の採用である。これによって等方性環境が非等方性環境に変換され、材料による電力吸収がエミュレートできるのである。

MIMOアナライザーの第六のエレメントはドアである。ドアが閉じられたときドアは下段共振空洞器内に電気の壁を創る。ドアは部分的に開にしておくことも可能で、この場合下段共振空洞器内で磁気の壁を創る。反響多モード共振空洞器内でドアを部分的に開にしておく発想は電磁場の制御に大きな利点をもたらす新機軸である。なぜなら共振空洞器の電気の壁内で反響又は共鳴する（反響モード）モードの共振空洞器内での存在のみならず、ドア（伝搬モード）の部分的開口部を通して伝搬しょうとする他モードの存在を可能にするからである。

MIMOアナライザーが行う第一のプロシージャは、上記6エレメント中の任意のエレメントを単独実装すること、もしくは複数エレメントを組合せ実装することでテストゾーン内で特定の電磁場分布を取得することである。このプロシージャはどのアプリケーションにも有益な電磁場分布を提供する。

MIMOアナライザーが行う第二のプロシージャは被試験体を下段共振空洞器の外側に配置することである。下段共振空洞器の内部と外部のリンクは、異なる開口角を使用しドアを部分的開の状態にして置くか、もしくは共鳴箱外部と共振空洞器内部とをカプリングしている異なる形状、サイズの溝を使用するかのいずれかで達成される。このようにして、伝搬環境はティピカルな等方性分布（これは考えられるすべての到着角度での受信電力の画一的分布である）を遺棄し、非等方性環境となる。なぜなら信号の主要部分は部分的に開かれたドアまたは下段共振空洞器内の溝を通して伝搬するからである。

MIMOアナライザーが行う第三のプロシージャは、レイリー.フェーディング分布の一度の測定から得られる異なるリシアン.フェーディング環境の評価である。すなわちMIMOアナライザーはただ一度の測定でK因数の全範囲をエミュレートでき、結果として時間と費用を節約するのである。信号処理および信号中の重要サンプルの選定によって、このサンプル選択プロシージャはただ一度のレイリー.フェーディング分布測定から任意の伝搬環境の評価することを可能にする。

この発明はマイクロ波加熱、特に材料の加熱、乾燥、硬化において有用であろう。以下のパラグラフではこの分野でのMIMOアナライザーの潜在的利用可能性につき記述する。

第一のエレメント − 即ち溝つき金属片とスイッチング片 − により電磁場分布がより均一化され、材料サンプルの種類に応じて放射効率が最大化される。従ってあるグループの溝はサンプルの特性に応じてオープンおよび/またはクローズされ、結果として異なる材料の加熱、乾燥、硬化における高効率を達成させる。従って当エレメントはマイクロ波照射装置の多用途性を増大させ、他設計に対し明らかな優位性を示す。

第二エレメントは非金属材料で製作したかくはん器の使用である。このエレメントは電磁場の均質化を可能にするのみならずソースやマグネトロンへの好ましくない反射を最小化する、即ち、処理効率を極限まで増大させる。

第三エレメント −レンズの使用−は収束レンズ使用の場合サンプルへの電磁場の集中が可能になり処理効率を大幅にアップする。一方、発散レンズを使用すると電磁場の分散行われサンプル内での電磁場の均質化が実現する。従ってこれらのレンズはサンプルのより均一な加熱、乾燥、硬化を実現する。

前述エレメントによりサンプル内電磁場の制御、修正が可能となり、patent ES 2246183において記述されたものに類似するプロシージャの開発が可能となる。第一エレメントとかくはん器の特定位置との組み合わせおよび一個又は複数レンズの使用は最適な加熱効率を提供でき、サンプル全体の電磁場分布が均質化できる。

発明の実現モデル
下記例はこの発明を説明する一助であるが、決してこの発明の性能/機能に制限を加えるものと解してはならない。

例1. 無線通信のためのMIMOアナライザー
MIMOアナライザー(1)の格好の実現モデルにおける金属片(2)の溝(7)数は16である。16個の溝は金属片(2)の上部および下部に位置する金属片(5)によってオープン、クローズできる。このMIMOアナライザー(1)の格好の実現モデルにおいては、16個の溝(7)の内一個の内部に円形レンズ(9)が設置されている。モードかくはん器(8)は金属片(2)の下側に位置する。信号発生エレメント(10)はMIMOアナライザー上部に設置された広帯域アンテナである。液体を満たしたレセプタクルと吸湿材はテスト.ボリューム(4)で導入できるほか、ダミー(13)又は人間をエミュレートする他エレメント導入可能である。このMIMOアナライザーは下記の新規性を提示する：

オープン/クローズされる溝を備えた金属片(2)の使用によりレイリー.フェーディング環境のエミュレーションし、同機能と異なるレンズの使用によりテスト.ボリューム上に電界分布を発生させる可能性(9)。

さまざまなK因数および下記手法を用いてリシアン.フェーディング環境をエミュレーションできる可能性：
- 直射光線または見通し線（LOS）を収束レンズで凝縮する。
- テストボリューム上の電磁場発生率をコントロールするサンプル選択プロシージャを実施して直射光線/反射光線の割合を管理する。

下記のさまざまな手法を使用し非等方性環境をエミュレーションできる可能性：
- 共鳴箱外で被試験体を測定、
- 電磁場の一部吸収を目的として下段共振空洞器内に損失含み材料を配置、
- 被試験体への電磁場の到来角の変更、
- 採用された共振空洞器コレクションの品質係数（Q）を変化させることにより共鳴モードとは異なる複数電磁場モードの共存の許可。

下記プロシージャを通してどのようなフェーディング環境のエミュレーションをも実現できる可能性：
- サンプルの適切な選択によりテスト.ボリューム上の電磁場分布を制御するプロシージャ、
- 即ち、サンプルの選択は、選択されたサンプル.サブセットの挙動がデバイス測定を行なうためエミュレートを企てている伝搬環境の挙動と統計的類似性をもつようにするプロシージャ。

レイリー.フェーディング環境の測定からリシアン.フェーディング環境をエミュレートする可能性。

無線通信分野への利用を目指しMIMOアナライザーの格好のモードが設計された。この格好のモードは様々な手法を駆使しどのようなフェーディング環境でもエミュレーションできるので到来電力の等方性分布を有するレイリー.フェーディング環境しかエミュレートできなかった従来の多モード・シングル共振空洞器への競争的優位性をもつ。一例として、異なるリシアン.フェーディング環境における複数個の3入力4出力アンテナアレーからのダイバーシティ利得分析を図5と図6に示す。異なるアレーにおける隣接エレメント間の空間的隔離は： アレーAは0.01 d/λ 、アレーBは 0.05 d/λ、アレーCは 0.1 d/λである。

図5および図6はMIMOアナライザーの格好モードで行ったダイバーシティ利得分析である。図5はダイバーシティ利得対リシアンK因数（アレーA、B、Cならびに1%~10%の累積確率）である。この数字からアレー間の性能比較を推論することができる。例えば、確率1%について見ると、K=0.001(DG=5.8dB)のアレーAのダイバーシティ利得はK=2のアレーBのそれ、K=3.5のアレーCのそれと等しい。確率10%については、ダイバーシティ利得の観点から見ると、K=3のアレーBの性能はK=6(DG=2.2dB)のアレーCのそれと等しい。もうひとつの同等状況が見られるのは確率1%におけるK=0.001のアレーBとK=0.8のアレーCである。上記比較からどの因数が最終的ダイバーシティ利得性能により強い影響をおよぼすのかを推論できる： 伝搬環境タイプなのか受け取りアレー.コンフィギュレーションなのか。

図6は測定ダイバーシティ利得対累積確率（いくつかのリシアンK因数値および測定3アレーすべてにおける）を示す。一方、K=10000のときすべてのアレー、すべての累積確率値において同一結果が得られることが観察される。どのダイバーシティ利得値についても性能比較が可能である。例えば、もしわれわれが全てのアレーにおいて8dBのダイバーシティ利得達成を望む場合、下記組み合わせを採用しなければならない:
- アレーA、p=0.18%、K=0.001に対してオプションは一つだけであり、
- アレーB、p=4.1%、K=0.001に対しては二つオプションがあり、
- アレーC、p=3.5%、K=0.001 or K=1に対してはもう二つオプションがある。

これらの比較からどのファクターが最終ダイバーシティ利得性能により強い影響を及ぼすかを推論できる：比較のもととなった確率水準か、もしくは伝搬環境タイプごとのさまざまなアレーか。

よく知られているように、ダイバーシティ利得はアレーのタイプ、ダイバーシティ利得の評価基準である確率水準、そして伝搬環境に依存する。システム.デザイナーはこれら3要素の最適な組み合わせを案出し、利用可能なリソースに最大限の能力を発揮させなければならない。MIMOアナライザーはこのような理由で無線通信アプリケーションに関わるMIMOシステム.デザイナーにとって非常に有用なツールである。

例2. マイクロ波加熱のためのMIMOアナライザー
MIMOアナライザーの独創的エレメントの乾燥、硬化、加熱への応用例を格好モード2で示す。格好モードは、アプリケーター(15)に基づく。アプリケーターはフィールド(2)を濃縮し効率を最大化する金属片を備えているのみならず、処理下にある材料のフィールドの効率、均質化を最大化する非金属製モードかくはん器(8)を備えている。加熱対象材料、材料の位置、サイズに応じてある特定の溝がオープンし、プロシージャ1を経て上述の効率最大化および加熱、乾燥、硬化の均質化という目的を達成する。このMIMOアナライザー.アプリケーターは工業分野での使用を意図されており、他アプリケーターと比較して次のような利点を有する：
- 効率の最大化を実現できるので大きなコスト節減につながる。
- 加熱、乾燥、硬化における均質化を実現できるのでほとんどすべての製品の品質改善が可能である。
- 材料の種類に応じてセットアップできるのでより優れた機能性、多用途性をもつ。

一例として、異なる含水率をもつレザー材料の均質化分析の結果をMIMOアナライザーのさまざまな電力レベルとの対比で示す。これら材料の初期含水率は次のとおりであった：
材料01=1.85、材料02=1.81、材料03=0.73、材料04=0.46、材料05=1.40、材料06=0.58、材料07=0.32。

図7と図8の均質化分析をMIMOアナライザーの格好モード2による測定に基づいて行った。図7はドライベースでの各材料の含水率の乾燥カーブと材料01、02、03、04ならびにソース電力700Wに対する所要時間との関係を示す。この図から我々は含水量の均質化がたった7分で完了すると結論できる。すべての材料は前述時間で同一含水率に到達できる、ただし材料の初期含水率の観点から見ると異なる速度での到達である。シミュレーションは緊密測定値を追随する。

図8はドライベースでの各材料の含水率の乾燥カーブと材料05、06、03、07およびソース電力540Wへの所要時間との関係を示す。この場合、含水率の均質化は10分で完了する。繰り返すが、すべての材料は同一含水率に到達するが初期含水率の観点に立てば異なる速度での到達である。

よく知られているのは、マイクロ波加熱は材料上の電磁場分布、材料の損失係数、含水率に大きく左右されることである。システムデザイナーはこれら3要素の最適な組み合わせを案出し、利用できるリソースの使用効率を最適化しなければならない。MIMOアナライザーはこうした理由で工業用マイクロ波加熱工程アプリケーターのデザイナーにとって非常に有用なツールである。

図1はMIMOアナライザー(1)を示す。MIMOアナライザーは下記エレメントで構成される：- 共鳴室をふたつの共振空洞に分割する溝付き金属片(2)、- 1個又は複数発信器が設置された共振空洞上段(3)、- 1個又は複数の受信器が設置された共振空洞下段(4)、- モバイル.スイッチング片(5)、- モバイル.スイッチング片のアクス(6)、- 上述アクスは金属片(2)の様々な溝(7)をオープン/クローズにしておく、- 非金属性かくはん器(8)、- レンズ(9)は円形溝の一個と広帯域アンテナ(10)とに埋め込まれる。図中、被試験体(11)設置ゾーンとドア(12)もマーキングされている。ゾーン(11)にはユーザが及ぼす影響を研究するため実在しない頭部/手(13)等他エレメントの設置も可能である。 図2は第一エレメントのより詳細な図示である。すなわち溝を穿たれた金属片(2)、異なる溝(7)をムーヴ、オープン、またはクローズするスイッチング片(5)、およびスイッチング片がその中を通るアクス(6)。 図3は送信エレメントの特定形状またはMIMOアナライザーのアンテナ(10)及びアンテナなのフィード.ポイント(14)を示す。 図4はマイクロ波加熱アプリケーション(15)で利用される予定のMIMOアナライザーであり下記エレメントをもつ：3個のソース又はマグネトロン(16)、いくつかのサンプル(17)、モードかくはん器(8)、溝を穿たれた金属片(2)。 図5はいくつかのアンテナアレーにおけるダイバーシティ利得対リシアンK因数を示す。確率水準をパラメータとしている。これはMIMOアナライザーが実施できる性能分析および評価である。 図6はさまざまなアンテナアレー.サブセットにおけるダイバーシティ利得対累積確率水準を示す。これはMIMOアナライザーが実施できる性能解析および評価の一例である。 図7は電力ソース700W、ドライベースでの含水量対時間の乾燥カーブを示す。対象サンプル材料は01,02,03および04。 図8は電力ソース540W、ドライベースでの含水量対時間の乾燥カーブを示す。対象サンプル材料は05, 06,および07。

Claims (16)

1. MIMOアナライザー(1)は下記エレメントにより構成される多モード共鳴箱であって：
   溝を穿った金属片(2)は共鳴箱と、
   モバイル.スイッチング片(4)と、
   アクス(6)と、
   一個又は複数のモードかくはん器(6)と、
   一個又は複数のレンズ(7)と、
   一個のドア(12)と、
   を備え、
   溝を穿った金属片(2)は共鳴箱を2つの共振空洞器に仕切り、には信号受信器が設置されており、
   モバイル.スイッチング片(4)は金属片(2)のさまざまな溝を部分的又は全体的に開閉する
   MIMOアナライザー(1)。
2. 信号受信サブシステムから信号発生サブシステムを分割するエレメントを有しており、信号受信システムは複数の異なる形状の溝を有し、溝は複数個の共振空洞器で構成される共鳴箱の内部の電磁場を変えることができる
   請求項１に記載のMIMOアナライザー(1)。
3. 電磁場がその中を部分的にのみ貫通できるよう非金属材料で組み立てられている
   請求項２に記載のMIMOアナライザー(1)。
4. いくつかの溝は同時的に開閉でき、溝は開、閉、半開のいずれかの状態にしておくことができる
   請求項２に記載のMIMOアナライザー(1)。
5. 電磁場が部分的にのみ貫通できる非金属製モードかくはん器(6)を備えている
   請求項１に記載のMIMOアナライザー(1)。
6. 共振空洞内部の電磁場を修正するための1個のレンズ(7)を有する
   請求項１に記載のMIMOアナライザー(1)。
7. 広帯域アンテナ（8）をもつ
   請求項１に記載のMIMOアナライザー(1)。
8. 請求項１に記載のMIMOアナライザーのエレメントを単独もしくは組み合わせで使用するための使用方法であり、エレメント使用目的は試験が実施されている周波数にて信号を発信することにより無線通信システム用の種々伝搬環境をエミュレーションすること、加えて、MIMOアナライザーエレメントの組み合わせ具合で異なる影響を受けるモバイルスイッチング片の動作、モードかくはん器の動作、被試験体による信号受信のシミュレーション、そして被試験体が受信する信号のサンプリングと数量化である
   使用方法。
9. 無線通信システム用の種々伝搬環境をエミュレーションするために請求項１に記載のMIMOアナライザーを使用する使用方法であって、
   被試験体の信号受信の前段に損失含み材料を導入する
   使用方法。
10. 無線通信システム用の種々伝搬環境をエミュレーションするために請求項１に記載のMIMOアナライザーを使用する使用方法であって、
    信号受信エレメントを共鳴箱外側に配置する
    使用方法。
11. 異なる開口度で開口され得るドアを通して信号発生メディと信号受信メディア間にコミュニケーションを確立する
    請求項１０に記載の使用方法。
12. 信号発生エレメントと信号受信エレメント間にコミュニケーションを確立することであり、コミュニケーションは多モード共鳴共振空洞器の壁に穿たれた一個または複数個の溝を通して行われることである
    請求項１０に記載の使用方法。
13. . 無線通信システム用の種々伝搬環境をエミュレーションするために請求項１に記載のMIMOアナライザーを使用する使用方法であって、
    エミュレーションされたひとつの伝搬環境を測定サンプルの適切なる選択を通じて一個の別の環境に変換できる
    使用方法。
14. 無線通信システム用の種々伝搬環境をエミュレーションするために請求項１に記載のMIMOアナライザーを使用する使用方法であって、
    例えば液体を充填したダミー通して人間の存在をエミュレーションするエレメントをもつ
    使用方法。
15. 材料の加熱、乾燥、硬化を目的とするマイクロ波支援型工程用のMIMOアナライザーであって、
    請求項１に記載のMIMOアナライザーの任意のエレメントを使用する
    MIMOアナライザー。
16. 材料の加熱、乾燥、硬化を目的とするマイクロ波支援型工程用に請求項１に記載のMIMOアナライザーの任意のエレメントを使用する使用方法であって、
    マイクロ波エネルギーを使用し、加熱、乾燥、硬化工程における作業効率と均質化の増大を実現できる
    使用方法。

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