JP2016065757A

JP2016065757A - 減衰量測定試験方法

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Publication number: JP2016065757A
Application number: JP2014193879A
Authority: JP
Inventors: 堀部　雅弘; Masahiro Horibe; 雅弘堀部; ペレグリヌスアントンウィダルタ; Peregrinus Widarta Anton
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2014-09-24
Filing date: 2014-09-24
Publication date: 2016-04-28

Abstract

【課題】ミリ波以上の高周波の減衰量を安定して精度よく測定できる試験方法を提供する。
【解決手段】円形導波管１２の中心軸Ｓの線上に変換器１４、抵抗板１６、偏波フィルタ１８が並んだ構成であり、抵抗板１６を中心軸Ｓの線上で回転させ中心軸Ｓに沿って与えられた入力電磁波を可変減衰させる回転翼型可変減衰器１０を用い、入力電磁波として円形導波管における基本モード周波数帯に対して高次モード周波数帯を与えるステップを含んでいる。
【選択図】図１

Description

本発明は、高周波(ＲＦ)回路の特性評価における減衰量の測定試験方法に関し、特に、入力電磁波を可変減衰させる回転翼型可変減衰器を用いたミリ波以上の高周波の減衰量測定試験方法に関する。

減衰器、増幅器、光伝送線路、及び、アンテナなどの高周波回路における特性を評価するためにそれらの減衰量が測定される。かかる減衰量の測定試験では、ベクトルネットワークアナライザ(ＶＮＡ)に電力センサ(電力計)を組み合わせて直接減衰量を測定する試験方法も知られるが、既知の減衰量を示す標準減衰器を用いて減衰量を比較測定する試験方法も広く採用されている。

例えば、特許文献１では、光分岐結合器によって分岐された光線路の各々の減衰量について可変減衰器を用いて測定する試験方法を開示している。ＯＴＤＲ(Optical Time Domain Reflectometry)と光分岐結合器との間に光方向性結合器を挿入し、該光方向性結合器で分岐させた光ファイバケーブルについて光可変減衰器を介して光反射板によって終端させる。
一方、分岐結合器によって分岐される光線路の先端もそれぞれ光反射板によって終端させる。これにより、ＯＴＤＲから供給された光パルスは、各光反射板からの反射光パルスとなってその強度レベル差から被測定光線路の各々の光減衰量を測定できる。ここではＯＴＤＲを所定となるように光可変減衰器を調整することで、この光可変減衰器の損失値から被測定光線路の損失値を直読可能である。

ところで、電子機器、特に、情報通信の分野では、ミリ波やテラヘルツ(ＴＨｚ)波のような高周波領域での技術開発が進められており、各種計測・評価技術の開発と合わせて上記したような減衰量の測定試験も考慮されている。

例えば、非特許文献１では、マイクロ波以上の高周波領域での減衰量の測定原理について述べている。高周波減衰量は測定対象物(ＤＵＴ)の入出力信号の電力の比によって定義され、ＤＵＴを可変減衰器に置き換えるとそのＳパラメータはＤＵＴの設定に応じて変化するから、減衰量を可変減衰器で変化させる比較測定によって測定できるとしている。減衰量の絶対測定では個別に精度を上げることは難しいが、参照できる標準減衰器を用いた比較測定であれば高精度な測定が可能であると述べている。

また、非特許文献１では、４０ＧＨｚ以上の高周波領域ではピストン減衰器(ＷＢＣＯ)を標準減衰器として用いて、ＤＵＴからこれに切り替えて測定する減衰量測定試験方法について述べている(スイッチング型中間周波置換法)。
ＤＵＴを通過した信号を３０ＭＨｚに変換し、ピストン減衰器を通過した３０ＭＨｚの信号の減衰量と比較測定するのである。かかるシステムは、１１０ＧＨｚまでの周波数範囲、そして３００ＧＨｚ帯やＴＨｚ帯の減衰量測定システムとしても使用され得ることについても述べている。

特開平６−２２９８７９号公報

飯田仁志著、「高周波減衰量標準に関する調査研究」、産総研計量標準報告第３巻４号、２００５年２月刊 Widarta Anton著、「高周波減衰量標準」、AIST Today、第４巻１０号、２００４年９月刊

主に導波管で構成される減衰器では、１ＴＨｚ帯域ともなると、電磁波の伝搬路は０.２５０ｍｍ×０.１２５ｍｍの非常に小さな断面積となり接続安定性に欠ける。また、上記した非特許文献１にも示されたピストン減衰器や回転翼型可変減衰器(Rotary Vane Attenuator)では、その円形導波管も同程度の小さな断面積(大きさ)となってしまうため、減衰を与えるための可変構造を作り込むことが困難となる。

例えば、導波管の周波数帯は、遮断周波数ｆｃの１.２５倍から１.９倍程度で定義される。円筒導波管の遮断周波数と円筒直径の関係は、ｃを光速とすると、
ａ＝１.８４１２＊ｃ／(２＊π＊ｆｃ)
で表される。つまり、遮断周波数ｆｃが１０ＧＨｚのときに円筒導波管の直径は８.８ｍｍとなる。一方で、遮断周波数ｆｃ＝７５０ＧＨｚのときでは、円筒導波管の直径は０.１２ｍｍ(１２０μｍ)となってしまうのである。

本発明は、以上のような状況に鑑みてなされたものであって、その目的とするところは、入力電磁波を可変減衰させる回転翼型可変減衰器を用いて、ミリ波以上の高周波の減衰量を安定して精度よく測定できる試験方法を提供することにある。

本発明による高周波減衰量の測定試験方法は、円形導波管内の中心軸線上に配置された抵抗板をその周りで回転させ該中心軸線に沿って与えられた入力電磁波を可変減衰させる回転翼型可変減衰器を用いたミリ波以上の高周波の減衰量測定試験方法であって、前記入力電磁波として前記円形導波管における基本モード周波数帯に対して高次モード周波数帯を与えるステップを含むことを特徴とする。

かかる発明によれば、位相変化を与えない回転翼型可変減衰器を用いて高次モード周波数帯を利用することで、導波路の径を大きく減じることなくより高い周波数帯の減衰量を測定できるのである。つまり、ミリ波以上の高周波の減衰量を安定して精度よく測定できるのである。

上記した発明において、前記入力電磁波は偏波フィルタを介して偏波方向のフィルタリングを与えることを特徴としてもよい。かかる発明によれば、抵抗板による減衰を高次モードであっても効率よく与え得るのである。

上記した発明において、前記入力電磁波として前記基本モード周波数帯を与えるステップ変換器を更に含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、より広い周波数帯の減衰量を安定して精度よく測定できるのである。

上記した発明において、前記円形導波管とは径の異なる第２の円形導波管を有する第２の回転翼型可変減衰器を更に用い、前記第２の円形導波管における基本モード周波数帯をこれに与えるステップを更に含むことを特徴としてもよい。かかる発明によれば、さらにより広い周波数帯の減衰量を安定して精度よく測定できるのである。

回転翼型可変減衰器の構造を示す図である。本発明による減衰量測定試験方法に用いられる装置のブロック図である。導波管内の電界及び磁界を示す分布図である。回転翼型可変減衰器での基本モード(ＴＥ₁₁)に対する抵抗体の配置を示す図である。回転翼型可変減衰器での高次モード(ＴＭ₀₁)での抵抗体の配置を示す図である。基本モード及び高次モード領域での減衰量を示すグラフである。同一波長域での基本モード及び高次モードでの減衰量を示すグラフである。

減衰器では、その導波管内を伝搬する電磁波が単一のモードであり、すなわち、方形導波管でＴＥ₁₀、円形導波管でＴＥ₁₁であることを想定して設計されている。これに対して、本発明者は、基本モードに加え高次モードの複数のモードの電磁波を与えた場合について鋭意研究を進めた。
その結果、位相変化を与えない回転翼型可変減衰器を用いて高次モードでミリ波以上の高い周波数帯の電磁波を与えても十分な減衰を得られることを見いだした。すなわち、所定の基本モードの周波数帯に最適化された回転翼型可変減衰器に対して、高次モードの電磁波を与えてより高い周波数帯にあっても比較的安定して精度の良い減衰を得られることを見いだしたのである。

以下に、本発明による高周波減衰量の測定試験方法の１つの実施例について、図１乃至６を用いて説明する。

図１に示すように、回転翼型可変減衰器１０は、円形導波管１２内の中心軸Ｓの線上に配置された抵抗板１６をその周りで回転させ、中心軸Ｓに沿って与えられた入力電磁波を可変減衰させる。抵抗板１６を挟んだ両側であって中心軸Ｓの線上には、後述するような偏波フィルタ１８が配置されている。また、偏波フィルタ１８の両側には、方形導波管(図示せず)から導かれた電磁波を円形導波管１２に接続する変換器１４が与えられている。つまり、円形導波管１２の中心軸Ｓ上に変換器１４、抵抗板１６、偏波フィルタ１８が並んでいる。

図２に示すように、測定試験システム１は、これに限定されるものではないが、ベクトルネットワークアナライザ(ＶＮＡ)２１を含み、回転翼型可変減衰器１０−１〜３をそれぞれ含む複数のモジュールＡ〜Ｃに対して、ＶＮＡ２１の入出力を切替器１５で切り替え可能な減衰量の比較試験を行うためのシステムである。

モジュールＡは、１１０〜１７０ＧＨｚの入力電磁波用に最適化された回転翼型可変減衰器(ＷＲ６)１０−１にこの周波数帯に最適化された導波管(ＷＲ６)１１−１及び拡張モジュール(ＷＲ６)１２−１を組み合わせた基本モードモジュールである。

モジュールＢは、１１０〜１７０ＧＨｚの入力電磁波用に最適化された回転翼型可変減衰器(ＷＲ６)１０−２に、これとは周波数帯の異なる２２０〜３３０ＧＨｚの入力電磁波用に最適化された周波数変換導波管(ＷＲ６−ＷＲ３)１１−２及び拡張モジュール(ＷＲ３)１２−２を組み合わせた高次モードモジュールである。

モジュールＣは、２２０〜３３０ＧＨｚの入力電磁波用に最適化された回転翼型可変減衰器(ＷＲ３)１０−３に、この周波数帯に最適化された導波管(ＷＲ３)１１−３及び拡張モジュール(ＷＲ３)を組み合わせた高周波側基本モードモジュールである。

ここで、図３に示すように、回転翼型可変減衰器１０の円形導波管１２内を伝搬する電磁波について、電界及び磁界をそれぞれ実線及び破線で表すと、基本モードはＴＥ₁₁である。図４に示すように、かかる基本モードＴＥ₁₁では、回転板１６がθ回転することで減衰量Ａについて、
Ａ＝−２０×ｌｏｇ(ｃｏｓ²θ)［ｄＢ］
だけ変化させ得る。一般的には、おおむね５０ｄＢ程度まで減衰させ得る。

一方、図３に示すように、回転翼型可変減衰器１０の円形導波管１２内を伝搬する電磁波の高次高調波モード、例えば、ＴＭ₀₁モードを考える。図５に示すように、回転板１６をθ回転させて減衰量を変化させ得るが、特に、偏波フィルタ１８を介して円形導波管１２に導入し、回転板１６を偏波フィルタ１８に対してθ回転させることで効率的に減衰量を変化させ得るのである。

ところで、図２に示すように、切替器１５にてＶＮＡ２１の入出力をモジュールＡに接続する。モジュールＡでは、拡張モジュール１２−１から導波管１１−１を介して、１１０〜１７０ＧＨｚの基本モード(ＴＥ₁₁)の電磁波が回転翼型可変減衰器１０−１に導かれる。図６には、基本モード(ＴＥ₁₁)領域(Ｐ１：１１０〜１７０ＧＨｚ)における１０〜５０ｄＢの減衰量の変化を示した。減衰量が大きくなっても比較的安定した減衰を得られることがわかる。

次に、切替器１５にてＶＮＡ２１の入出力をモジュールＢに接続する。モジュールＢでは、拡張モジュール１２−２から導波管１１−２を介して、２２０〜３３０ＧＨｚの高次モード(ＴＭ₀₁)の電磁波が、基本モード(ＴＥ₁₁)として１１０〜１７０ＧＨｚで最適化された回転翼型可変減衰器１０−２に導かれる。図６には、高次モード領域(Ｐ２：２２０〜３３０ＧＨｚ)における１０〜５０ｄＢの減衰量の変化を示した。減衰量が大きくなると若干不安定になるものの、低減衰量側であれば安定した減衰を得られることがわかる。

更に、切替器１５にてＶＮＡ２１の入出力をモジュールＣに接続する。モジュールＣでは、拡張モジュール１２−３から導波管１１−３を介して、基本モード(ＴＥ₁₁)として１１０〜１７０ＧＨｚで最適化された回転翼型可変減衰器１０−３に導かれる。これは、モジュールＡと同様に、減衰量が大きくなっても比較的安定した減衰を得られる。

上記したような、システム１において、回転翼型可変減衰器１０−１〜３を適宜、高周波回路測定における標準減衰器として用いることで、広い周波数範囲に亘って減衰量測定が可能である。

図７に示すように、２２０〜３３０ＧＨｚの周波数帯において、モジュールＢ及びＣでの１０〜５０ｄＢの減衰量をそれぞれ実線３１及びドット３２で示した。この周波数帯を高次モード(ＴＭ₀₁)とするモジュールＢであっても、この周波数帯を基本モード(ＴＥ₁₁)とするモジュールＣと同程度の安定した減衰を得られることが分かる。

上記した実施例によれば、位相変化を与えない回転翼型可変減衰器１０を用いて高次モード周波数帯を利用することで、円形導波管１２の径を大きく減じることなく、より高い周波数帯の減衰量を測定できる。つまり、ミリ波以上の高周波の減衰量を安定して精度よく測定できるのである。

以上、本発明による実施例及びこれに基づく変形例を説明したが、本発明は必ずしもこれに限定されるものではなく、当業者であれば、本発明の主旨又は添付した特許請求の範囲を逸脱することなく、様々な代替実施例及び改変例を見出すことができるであろう。

１測定試験システム
１０回転翼型可変減衰器
１２円形導波管
１４方形−円形変換器
１５切替器
１６抵抗板
１８偏波フィルタ
２１ベクトルネットワークアナライザ
１１−１〜３導波管
１２−１〜３拡張モジュール

Claims

円形導波管内の中心軸線上に配置された抵抗板をその周りで回転させ該中心軸線に沿って与えられた入力電磁波を可変減衰させる回転翼型可変減衰器を用いたミリ波以上の高周波の減衰量測定試験方法であって、
前記入力電磁波として前記円形導波管における基本モード周波数帯に対して高次モード周波数帯を与えるステップを含むことを特徴とする減衰量測定試験方法。
前記入力電磁波は偏波フィルタを介して偏波方向のフィルタリングを与えることを特徴とする請求項１記載の減衰量測定試験方法。
前記入力電磁波として前記基本モード周波数帯を与えるステップを更に含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の減衰量測定試験方法。
前記円形導波管とは径の異なる第２の円形導波管を有する第２の回転翼型可変減衰器を更に用い、前記第２の円形導波管における基本モード周波数帯をこれに与えるステップを更に含むことを特徴とする請求項３記載の減衰量測定試験方法。