JP2017134026A - Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置およびその指向性測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナの指向性を近傍界測定する際の測定範囲を最小限度に抑え、測定精度の悪化を防止する。
【解決手段】ビーム方向検出手段３３は供試アンテナ１の電磁波放射面１ａが測定平面Ｐに正対する基準方向を向いている状態でプローブアンテナ１２を大まかに走査させ、その受信信号に基づき供試アンテナ１が放射しているビームの方向を検出する。アンテナ向き変更手段３４は検出されたビームの方向が測定平面Ｐの中央に向くように供試アンテナ１の向きを変更する。この状態で仮指向性算出手段３５は、プローブアンテナ１を測定平面全体にわたって細かく走査させ、その受信信号に基づき供試アンテナ１の仮の指向性を求める。指向性補正手段３６は、求めた仮の指向性を、供試アンテナ１の向きを変更した角度分補正して供試アンテナ１が基準方向を向いているときの遠方界の指向性を求める。
【選択図】図１

Description

本発明は、携帯電話やスマートフォン等の移動体端末と基地局との間の通信をより効率化するための技術として提案されているＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯに用いる基地局側のアンテナの特性を、近傍界測定法を用いて測定する技術に関する。

Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯは、多くのアンテナ素子を用いて、マルチユーザＭＩＭＯ伝送を行う技術であり、これら多くのアンテナ素子を制御してデジタル的にアンテナの指向性を作り出す構成や、アナログの位相器を用いてビーム方向を制御する構成など複数の構成が考案されている。

このＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯに使用されるアンテナのような、強い指向性を持つアンテナの測定法として、電磁界理論によってアンテナの近傍電磁界から遠方界指向性を算出する近傍界測定法（ＮＦＭ：Near Field Measurement）が知られている。

近傍界測定法は、アンテナ近傍で電磁界を測定するため、空間による電磁波の損失が小さく、指向性だけでなくアンテナの近傍界分布よりアンテナの診断を行うこともできる利点がある。

一般的に、図８に示すように、アンテナ開口面から放射される電磁界の領域のうち、アンテナ開口に近接する領域は、放射に寄与しない電磁界成分が主となるリアクティブ近傍界領域（極近傍）であり、アンテナ開口からの距離によって指向性の変化がない領域は放射遠方界領域（遠方界）と呼ばれる。一般にアンテナの指向性と表現するのは、この放射遠方界領域で測定された指向性である。

遠方界は、アンテナの最大径Ｄ（開口寸法）に対し、
Ｒ＞２Ｄ^２／λ ……（１）
を満たす距離Ｒ以上離れた位置として規定される。ここでλは自由空間波長である。また、自由空間で受信アンテナが受信可能な最大電力Ｗａは、送信アンテナの利得をＧｔ、受信アンテナの利得をＧｒ、送信電力をＷｔとすると、
Ｗａ＝（λ／４πＲ）^２・Ｇｔ・Ｇｒ・Ｗｔ ……（２）
となる。

このため、利得の高い開口面の大きなアンテナでは距離Ｒが大きくなり、空間での減衰が大きくなる。さらに、ミリ波帯では、自由空間波長λが小さくなるため、より減衰量が増加し、低レベルのサイドローブの測定が困難となる問題がある。

リアクティブ近傍界領域と放射遠方界領域の間の領域である放射近傍界領域（近傍界）は、距離に応じて指向性が変化する領域である。前記したＮＦＭは、この放射近傍界領域で電磁界を測定し、計算により遠方界での指向性を求めるものである。

具体的には、所定の信号が供給されたアンテナの近傍をプローブアンテナで走査し、そのプローブアンテナで受信した信号から、走査位置毎の振幅と位相の分布を求め、この分布から無限遠での指向性をデータ処理により得ることができる。アンテナ近傍での測定のため、空間での減衰量が小さく、遠方界の測定に比べ高精度な測定が可能である。

ＮＦＭは、供試アンテナの近傍を走査する範囲によって複数の種類に分かれるが、利得の高いアンテナに対して有利で、データ処理が容易な平面ＮＦＭが広く用いられる。

図９は、平面ＮＦＭを用いて供試アンテナ１の指向性を求める測定装置１０の構成を示している。この測定装置１０は、供試アンテナ１をその放射面が所定方向に向いた状態で支持する支持体１１と、供試アンテナ１から出力された電磁波を受けるためのプローブアンテナ１２と、プローブアンテナ１２を供試アンテナ１の放射面に対向する近傍の測定平面内でＸ、Ｙ方向に移動させるプローブ走査機構１３を有している。

また、測定装置１０は、供試アンテナ１に測定用の信号を与える信号発生器２１、プローブアンテナ１２の受信信号から振幅、位相の情報を検出する振幅位相検出器２２、プローブ走査機構１３を制御して、測定平面Ｐ内でプローブアンテナ１２の位置を所定ピッチで走査させつつ振幅位相検出器２２の出力を受け、測定平面Ｐ内における振幅位相の分布から、供試アンテナ１の遠方界指向性を求める測定制御部２４と、得られた供試アンテナ１の指向性を表示させる表示部２５とを有している。なお、信号発生器２１と振幅位相検出器２２としては、それらの機能を有するネットワークアナライザを用いることができ、測定制御部２４としては、パーソナルコンピュータを用いることができる。

ここで、ＮＦＭの場合、プローブアンテナ１２は供試アンテナ１から測定信号の３波長程度離れた近傍の測定平面Ｐ内を走査してその電界の振幅と位相が検出されることになる。

この測定平面Ｐにおける振幅と位相の分布が、供試アンテナ１の指向性とプローブアンテナ１２の指向性から定義される関数のフーリエ変換の形となっており、測定制御部２４において、逆フーリエ変換によりその関数を求めた後、プローブアンテナの指向性を取り除く演算処理（プローブ補正）を行なうことで、供試アンテナ１の指向性を求めることができる。測定制御部２４では、データ処理を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）によって行うことができるため、高速に供試アンテナ１の遠方界の指向性を算出することができる。

上記したように、測定平面Ｐにおける振幅と位相の分布が、供試アンテナの指向性とプローブアンテナの指向性から定義される関数のフーリエ変換の形となっていて、逆フーリエ変換によりその関数を求めた後、プローブアンテナの指向性を取り除く演算処理（プローブ補正）を行なうことで、供試アンテナの指向性を求めることができる点については、非特許文献１に開示されているように一般的に知られている。

このようにしてアンテナの指向性を求めるＮＦＭは、遠方界測定（ＦＦＭ:Far Field Measurement）に対して、次のような利点がある。

ＮＦＭは近距離での測定であるため、電波暗室を使用しなくても測定が可能であり、大規模な装置が必要でない。また、ミリ波帯では装置がコンパクトになるため、居室に設置した簡易電波暗箱での測定が可能であり、電波暗室での測定で課題となる測定系の構築に費やす時間を大幅に短縮することができる。さらに、自由空間損失の小さい領域での測定のため、精度の良い測定結果を得ることができる。

さらに、ＮＦＭでは、アンテナの近傍の振幅・位相分布が得られるため、設計通りの指向性が得られなかった場合に、その原因を診断することが可能である。これは、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナのようなフェーズドアレーアンテナにとって大きな利点となる。

オーム社 平成２０年７月２５日発行 アンテナ工学ハンドブック（第２版）電子情報通信学会編 ｐ７３０〜ｐ７３３

上記した平面ＮＦＭで、実際にＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを測定する場合、次の２つの解決すべき課題が想定される。

第１の課題は、近傍界走査範囲の増大である。ＮＦＭの近傍界走査範囲は、供試アンテナの大きさ、測定周波数等の供試アンテナに対する条件と、測定結果に希望する指向性の角度範囲によって決定される。

例えば、図１０のように、電磁界を走査する範囲Ｌｘは、測定平面Ｐまでの距離をＲ、供試アンテナ１の開口をＤ、希望する指向性の測定範囲を±θｃとすると、
Ｌｘ＝Ｄ＋２Ｒtanθｃ ……（２）
と表される。

ここで、実際の例として、図１１のように、２４ＧＨｚ及び６０ＧＨｚのアンテナＡＵＴ１、ＡＵＴ２について、必要な走査範囲示す。

それぞれのアンテナは、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを想定して、アンテナ素子をλ／２間隔で縦８列横８列に並べたものを想定した。また、開口分布は一様分布とし、開口寸法より、計算される理想的な利得とビームの電力半値幅は、図１１のとおりである。

上記の二つのアンテナＡＴＵ１、ＡＴＵ２の理論的な指向性は図１２となり、ほぼ一致している。測定距離Ｒは４λとした。ここで、θｃ＝６０°とすると
ＡＵＴ１：Ｌｘ＝５７＋２×５０tan６０＝２３０ｍｍ ……（３）
ＡＵＴ２：Ｌｘ＝２３＋２×２０tan６０＝９２ｍｍ ……（４）
となる。

図１２より、ＡＴＵ１、ＡＴＵ２に関しては、第３サイドローブまで評価できていることが分かる。さらに次のサイドローブまで評価するためθｃ＝８０°とすると、
ＡＵＴ１：Ｌｘ＝５７＋２×５０tan８０＝６２４ｍｍ ……（３′）
ＡＵＴ２：Ｌｘ＝２３＋２×２０tan８０＝２５０ｍｍ ……（４′）
となり、必要な走査範囲が大きく増加することが分かる。走査範囲を小さくするには距離Ｒを小さくすればよいが、プローブアンテナの種類によっては被測定アンテナとの間で多重反射を生じ、測定結果に影響を与えてしまう場合があり、経験則に従うと３〜５λ程度の距離で測定することが望ましい。

上記考察は、図１３の（ａ）に示しているように、供試アンテナ１の電磁波放射面が測定平面Ｐに正対し、ビーム（主ローブ）が測定平面Ｐの中央を向いている状態を想定したものであるが、前記したように、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナでは、アンテナの向きを固定したままで、複数のアンテナ素子に対する移相給電を用いてアンテナ全体のビームの方向を異なる方向に変更して使用することが想定されている。

したがって、例えば、図１３の（ｂ）のように、ビームの方向を下方に傾けた状態でのアンテナの指向性を求める必要があり、そのためには、図１３の（ｂ）に示しているように測定平面Ｐの範囲を大きく拡げなくてはならなくなる。

また、第２の課題として測定精度の低下がある。即ち、上記したように、ＮＦＭでは、近傍界電界分布からＦＦＴを用いて指向性を算出しているが、この計算の特性上、供試アンテナの指向性が算出される間隔は、中心（Ｅ面０°、Ｈ面０°）付近で最も細かく、角度が大きくなるにつれて指向性の算出点の間隔が荒くなる性質がある。このため、前記しのように、ビームが放射面に対して傾いて測定平面の中央部に放射されず、且つビーム幅が狭い状態で指向性を測定した場合、その測定精度が悪化する可能性がある。

本発明は、上記課題を解決して、測定範囲を最小限度に抑えることができ、測定精度の悪化を防止できるＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置およびその指向性測定方法を提供することを目的としている。

前記目的を達成するために、本発明の請求項１のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置は、
Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを供試アンテナとし、該供試アンテナを支持する供試アンテナ支持部（３１）と、
前記供試アンテナから出力される電磁波を受信するためのプローブアンテナ（１２）と、
前記プローブアンテナを前記供試アンテナの近傍界領域の所定の測定平面内で移動させるためのプローブ走査機構（１３）と、
前記供試アンテナに測定用の信号を与える信号発生器（２１）と、
前記プローブアンテナの受信信号から振幅と位相を検出する振幅位相検出器（２２）と、
前記プローブ走査機構を制御し、前記プローブアンテナの位置を前記測定平面内で走査させつつ前記振幅位相検出器の出力を受けて、前記供試アンテナの遠方界指向性を求める測定制御部（３２）とを備えたＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置において、
前記供試アンテナ支持部は、前記供試アンテナの電磁波放射面が前記測定平面に正対する向きを基準方向とし、前記供試アンテナの向きを前記基準方向から変更できるように構成され、
前記測定制御部は、
前記供試アンテナが前記基準方向を向いている状態で、前記プローブアンテナが前記測定平面の一部を通過するように走査させ、該走査で得られる振幅、位相の情報から、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を求めるビーム方向検出手段（３３）と、
前記ビーム方向検出手段によって検出されたビームの方向が、前記測定平面の中央に向くように、前記供試アンテナ支持部を制御して前記供試アンテナの向きを変更するアンテナ向き変更手段（３４）と、
前記アンテナ向き変更手段によってビーム方向が前記測定平面の中央に向くように前記供試アンテナの向きが変更された状態で、前記プローブアンテナを前記測定平面上で走査して、前記供試アンテナの仮の指向性を求める仮指向性算出手段（３５）と、
前記仮指向性算出手段で得られた仮の指向性を、前記アンテナ向き変更手段によって変更した角度分補正して、前記供試アンテナが前記基準方向を向いているときの指向性を求める指向性補正手段（３６）とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の請求項２のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置は、請求項１記載のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置において、
前記ビーム方向検出手段は、前記プローブアンテナが、前記測定平面内をその直交軸の一方に沿って通過する走査と、前記直交軸の他方に沿って通過する走査とを行なうことで、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を求めることを特徴とする。

また、本発明の請求項３のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置の指向性測定方法は、
Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを供試アンテナとし、該供試アンテナを支持する供試アンテナ支持部（３１）と、
前記供試アンテナから出力される電磁波を受信するためのプローブアンテナ（１２）と、
前記プローブアンテナを前記供試アンテナの近傍界領域の所定の測定平面内で移動させるためのプローブ走査機構（１３）と、
前記供試アンテナに測定用の信号を与える信号発生器（２１）と、
前記プローブアンテナの受信信号から振幅と位相を検出する振幅位相検出器（２２）とを有し、
前記プローブ走査機構を制御し、前記プローブアンテナの位置を前記測定平面内で走査させつつ前記振幅位相検出器の出力を受けて、前記供試アンテナの遠方界指向性を求めるＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置の指向性測定方法において、
前記供試アンテナ支持部を、前記供試アンテナの電磁波放射面が前記測定平面に正対する方向を基準方向とし、前記供試アンテナの向きを前記基準方向から変更できるように構成し、
前記供試アンテナが前記基準方向を向いている状態で、前記プローブアンテナを、前記測定平面の一部を通過するように走査させ、該走査で得られる振幅、位相の情報から、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を検出する段階と、
前記検出されたビームの方向が、前記測定平面の中央に向くように、前記供試アンテナ支持部を制御して前記供試アンテナの向きを変更する段階と、
前記ビーム方向が前記測定平面の中央に向くように前記供試アンテナの向きを変更した状態で、前記プローブアンテナを前記測定平面上で走査して、前記供試アンテナの仮の指向性を求める段階と、
前記求めた仮の指向性を、前記供試アンテナの向きを変更した角度分補正して、前記供試アンテナが前記基準方向を向いているときの指向性を求める段階とを含むことを特徴としている。

このように、本発明では、供試アンテナが基準方向を向いている状態で、プローブアンテナを走査させて供試アンテナが放射しているビームの方向を検出し、その検出されたビームの方向が、測定平面の中央に向くように、供試アンテナの向きを変更してから、プローブアンテナを測定平面上で走査して、供試アンテナの仮の指向性を求め、その求めた仮の指向性を、供試アンテナの向きを変更した角度分補正して、供試アンテナが基準方向を向いているときの指向性を求めている。

このため、基準方向を向いている供試アンテナのビーム方向が測定表面の中央から離れている場合であっても、最小限度の大きさの測定平面で指向性を求めることができる。

また、供試アンテナのビームが、指向性計算結果が高精度に得られる測定平面の中央を向くように供試アンテナの向きを変更してから指向性を求めて、そのアンテナの向きの変更分を補正しているから、ビーム方向によらず高精度な指向性を求めることができる。

本発明の実施形態の構成図 本発明の実施形態の要部の処理手順を示すフローチャート 本発明の実施形態の動作を説明するための図 本発明の実施形態の動作を説明するための図 本発明の実施形態の動作を説明するための図 本発明の実施形態の動作を説明するための図 本発明の実施形態の動作を説明するための図 アンテナの測定領域の説明図 従来装置の構成図 アンテナの指向性と測定範囲との関係を示す図 測定範囲を求めるために用いた２つのアンテナのパラメータを示す図 ２つのアンテナの指向性を示す図 アンテナのビーム方向と測定範囲との関係を示す図

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明する。
図１は、本発明を適用したＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置（以下、単に測定装置と記す）３０の構成を示している。

この測定装置３０は、前述の従来装置１０に記載したプローブアンテナ１２、プローブ走査機構１３、信号発生器２１、振幅位相検出器２２、表示部２５の他に、供試アンテナ支持部３１、測定制御部３２を有している。

この測定装置３０は、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナとして用いられる供試アンテナ１の指向性を測定するものであり、ここでは、供試アンテナ１を、複数のアンテナ素子が縦横に配列された平面形アレーアンテナとし、外部から入力されるビーム方向制御信号により、各アンテナ素子に対する給電位相が制御されて、アンテナ全体として出力するビームの方向が変更されるものとする。

供試アンテナ支持部３１は、供試アンテナ１を、その電磁波放射面１ａ（アンテナとしての開口面）が測定平面Ｐに正対する向きを基準方向とし、その電磁波放射面１ａが、基準方向から測定平面Ｐに対して傾きのある状態に変更できるように支持する。なお、ここで、基準方向とは、供試アンテナ１の電磁波放射面１ａが測定平面Ｐと平行に対向し、且つ測定平面Ｐの原点位置でＸ軸およびＹ軸に直交するＺ軸が電磁波放射面１ａの中心位置Ｃを通過する状態とする。

供試アンテナ支持部３１は、例えば図１に示しているように、測定平面ＰのＹ軸に平行で供試アンテナ１の電磁波放射面１ａの中心位置Ｃを通過するＹ′軸を中心に回転する方位角変更機構部３１ａと、方位角変更機構部３１ａ上に固定され、方位角変更機構部３１ａの回転軸上に供試アンテナ１を支持し、且つ、測定平面ＰのＸ軸に平行で供試アンテナ１の電磁波放射面１ａの中心位置Ｃを通過するＸ′軸を中心に供試アンテナ１を回転させる仰角変更機構部３１ｂとを有している。方位角変更機構３１ａによる供試アンテナ１の方位角の０°（基準角）はＺ軸に平行な方向であり、この方向を基準としてＹ′軸を中心に任意の角度αに方位角を変更できる。同様に、仰角変更機構３１ｂによる供試アンテナ１の仰角の０°（基準角）もＺ軸に平行な方向であり、この方向を基準としてＸ′軸を中心に任意の角度βに仰角を変更できる。

プローブアンテナ１２は、前記したように、供試アンテナ１から出力された電磁波を受けるためのものであり、数１０ＧＨｚ帯では方形導波管等が用いられる。

近傍界走査を行うプローブアンテナ１２について求められる主な特性は、次の（ａ）〜（ｃ）の３つである。

（ａ）できるだけ広いビーム幅を持つこと。理想的には等方性アンテナが相応しいが、実在するアンテナには指向性が存在する。このためプローブアンテナの指向性でＮＦＭにより算出された供試アンテナ１の指向性を補正するプローブ補正が必要となる。ビーム幅が狭いアンテナをプローブアンテナとした場合、指向性のダイナミックレンジが小さくなり、低レベルのサイドローブを正確に測定できなくなる可能性がある。

（ｂ）交差偏波の小さいこと。アンテナの指向性は、偏波ごとに評価する必要がある。直線偏波のアンテナであれば垂直・水平偏波で、円偏波アンテナであれば左旋偏波・右旋偏波で評価を行う。ＮＦＭにおける偏波は、プローブアンテナの偏波に依存するため、精度の良い測定なためには、できる限り交差偏波の小さいプローブアンテナを使用する必要がある。

（ｃ）多重反射による測定結果への影響が小さいこと。これは、アンテナを小型化し、電波吸収体で周囲を覆うことで実現することができる。なお、反射による影響を小さくするため、高電界変換を用いた光プローブを用いることも可能である。

ここでは、ミリ波帯で上記条件を満たすプローブアンテナとして、先端を開放した導波管を用いている。この導波管を用いたプローブアンテナ１２は、アンテナ開口面が小さいため、ビームが広く、また、公差偏波を主偏波に対し−２０ｄＢ程度に抑えることができる。さらに、周囲を電波吸収体で覆う構造を簡単に実施でき、多重反射対策が容易である。

なお、図１では示していないが、実施形態のプローブアンテナ１２には、上記多重反射対策が施されており、また、プローブアンテナ１２以外に、供試アンテナ支持部３１、プローブ走査機構１３の表面や、供試アンテナ１からプローブアンテナ１２の間の空間が、電波吸収体（簡易電波暗箱）で覆われていて、小規模な測定環境で、内部の不要な反射や外部からの電磁波の混入の影響を防いでいるものとする。

プローブ走査機構１３は、プローブアンテナ１２を測定平面Ｐ内でＸ、Ｙ方向に所定ピッチで移動させる。このプローブ走査機構１３と供試アンテナ支持部３１は、測定制御部３２によって制御される。

信号発生器２１は供試アンテナ１に測定用の信号を与え、振幅位相検出器２２は、プローブアンテナ１２の受信信号を受けて、プローブアンテナ１２の位置毎の振幅、位相の情報を検出し、その情報を測定制御部３２に出力する。なお、信号発生器２１および振幅位相検出器２２は、それらの機能を有するネットワークアナライザ等で構成する場合がある。

測定制御部３２は、前記した従来の測定装置１０と同様に、パーソナルコンピュータ等によって構成され、基本的には、プローブ走査機構１３を制御して、測定平面Ｐ内でプローブアンテナ１２の位置を所定ピッチで走査させつつ振幅位相検出器２２の出力を受け、測定平面内における振幅位相の分布から、供試アンテナ１の遠方界指向性を求める処理を行なうが、ここでは、Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナとして用いられる供試アンテナ１のビーム方向が各アンテナ素子に対する移相給電制御等により、電磁波放射面に直交する方向だけでなく、広い角度範囲内で変更されることに対処するための構成を有している。

即ち、測定制御部３２は、機能上は、プローブ走査機構１３および供試アンテナ支持部３１を制御し、また、振幅位相検出器２２の出力を受けるためのインタフェース（図示せず）の他に、ビーム方向検出手段３３、アンテナ向き変更手段３４、仮指向性算出手段３５、指向性補正手段３６を有しており、図２に示すフローチャートにしたがって処理を行なう。以下、測定制御部３２の機能および処理手順について具体的に説明する。

ビーム方向検出手段３３は、供試アンテナ１の電磁波放射面１ａが基準方向を向いている状態（Ｓ１）で、プローブアンテナ１２が測定平面Ｐの一部を通過するように走査させ（Ｓ２）、その走査で得られる振幅、位相の情報から、供試アンテナ１が放射しているビーム（主ローブ）の方向を求める（Ｓ３）。このビーム方向検出処理は、通常の指向性算出処理と同じように、逆フーリエ変換によりその関数を求めて遠方界の指向性を求めているが、厳密な指向性は不要なのでプローブ補正を省略できる。

このビーム方向検出は、供試アンテナ１が実際に放射しているビームの方向を大まかに検出するためのものであり、測定平面全体を走査する必要はなく、最小限の走査として、Ｘ軸に沿った方向に１回、Ｙ軸に沿った方向に１回行なえば済む。

例えば、図３に示しているように、測定平面Ｐに正対している供試アンテナ１からある角度でビームＢが放射されている状態で、上記演算処理を行なったとき、水平面（Ｈ面）の指向性が図４の（ａ）のように方位角θで最大強度となり、垂直面（Ｅ面）の指向性が図４の（ｂ）のように、仰角φで最大強度となったとする。なお、振幅が最大となる位置より、その両側の振幅が極小となる位置（主ローブとサイドローブとの境界）を特定する方が容易な場合には、最大の極大位置の両側の２つの極小位置の中間値を、ビーム方向を特定する角度として求めてもよい。

このように、ビーム方向が測定平面Ｐの中心から大きく離れた位置を通過する場合、その指向性を３次程度のサイドローブを含めて求めようすると、測定平面Ｐの大きさが足りなくなる。また、この状態でプローブアンテナ１２を細かく走査させて指向性を求めても、そのＦＦＴによる指向性計算の性質上、主ローブ近傍の測定精度が低下してしまう。このため、この測定装置３０では、上記のように求めたビーム方向から、そのビーム方向が水平面および垂直面でともに０°付近（測定平面Ｐの中央近傍を通過する状態）となるように、供試アンテナ支持部３１を制御して供試アンテナ１の向きを変更している（Ｓ４）。なお、ここで、検出されたビーム方向が測定平面Ｐの中央近傍にあるか否かを判定して、近傍にある場合には、従来通り、測定平面全体に渡ってプローブアンテナ１２を走査して指向性を算出し、近傍にない場合には次のアンテナ向き変更処理（Ｓ４）に進ようにしてもよい。

ここで、検出された供試アンテナ１のビームＢの方位角θ、仰角φに対し、図５のように、供試アンテナ１を方位角変更機構部３１ａによりＹ′軸を中心にα＝０からα＝−θまで回転させ、仰角変更機構部３１ｂによりＸ′軸を中心にβ＝０からβ＝−φまで回転させれば、供試アンテナ１の電磁波放射面１ａから放射されているビームＢの遠方界での方位角および仰角をほぼ０°（測定平面Ｐの中央近傍を通過する状態）とすることができる。

このように、ビーム方向が測定平面Ｐの中央に向くように変更されると、仮指向性算出手段３５によってプローブ走査機構１３が制御されて、プローブアンテナ１２が測定平面全体を所定ピッチで走査されて、各走査位置の電界の振幅と位相の情報が得られ、その分布から、供試アンテナ１の遠方界の仮の指向性が算出される（Ｓ５、Ｓ６）。

この演算は、前記した非特許文献１に記載されているものでここでは詳述しないが、簡単に説明すると、プローブアンテナ１２の受信出力が、供試アンテナ１のベクトル送信関数とプローブアンテナ１２のベクトル受信関数の内積となる結合積のフーリエ変換で表されるので、測定平面Ｐ上の各走査位置のプローブ受信出力を測定して振幅と位相の分布を求め、これを逆フーリエ変換することで結合積を求める。そして、その結合積に対し、プローブアンテナ１２の指向性（既知とする）から得られるベクトル受信関数を除算してプローブアンテナ１２の指向性の影響を取り除いて（プローブ補正）、供試アンテナ１のベクトル送信関数を求め、そのベクトル送信関数に基づき所定の演算（例えば非特許文献１の式１１・７０、１１・７１）により指向性を算出する。

なお、近傍界走査におけるサンプリング間隔（プローブアンテナ１２の移動間隔）は、遠方界に変換したときに求められる角度範囲に影響を与え、サンプリング間隔を広くすると求められる角度範囲が狭くなり、狭くすると角度範囲は広くなることが知られている。しかしながら、平面ＮＦＭの場合の指向性は、原理的に±９０°の範囲のデータにしか意味を持たないため、角度範囲が±９０°となるサンプリング間隔＝λ／２以下にする必要はない。ただし、データ処理の問題から通常は０．４５λ程度のサンプリング間隔とすることが多い。また、正面方向の特定の角度範囲までの測定で良いのであれば、サンプリング間隔を広くする（測定点数を少なくする）ことで測定の高速化を図ることも考えられる。

図６の（ａ）、（ｂ）は、上記演算処理で求めた水平面（Ｈ面）と垂直面（Ｅ面）の指向性の例を示している。ここで得られる指向性は、供試アンテナ１のビーム方向が測定平面の中央を向くようにアンテナの向きを変更して測定したものであるから、供試アンテナ１の向きが測定平面に正対しているときの指向性を正しく表していない。

これを解消するために、指向性補正手段３６は、仮指向性算出手段３５で得られた仮の指向性のデータを、アンテナ向き変更手段３４によって変更した角度（−θ、−φ）分だけ戻すように補正して、供試アンテナ１の向きが基準方向を向いているときの遠方界指向性を求める（Ｓ７）。

図７の（ａ）、（ｂ）は、指向性補正手段３６によって補正された水平面（Ｈ面）と垂直面（Ｅ面）の指向性の例を示しており、図６に示した指向性に対して、水平面（Ｈ面）の指向性はθだけ、垂直面（Ｅ面）の指向性はφだけシフトしている。

このようにして得られた指向性を表示部２５によって表示することで、限られた大きさの測定平面を用いながら、ビーム方向が種々変更される供試アンテナ１の指向性を把握できる（Ｓ８）。

また、前記したように、近傍界指向性をＦＦＴにより計算する場合、供試アンテナ１の指向性が算出される間隔が、測定平面の中央（Ｅ面０°、Ｈ面０°）付近で最も細かく、角度が大きくなるにつれて指向性の算出点の間隔が荒くなる性質があるが、この測定装置３０では、種々の方向に切り替えられると予想される供試アンテナ１のビーム方向が測定平面の中央に向くようにアンテナの向きそのものを変更してから上記指向性の計算を行なうので、ビーム方向が測定平面の中央に向いてない状態で指向性を求める場合に比べて、主ローブの周辺の指向性を格段に高精度に求めることができる。

上記説明は、測定装置３０側で基準方向を向いている供試アンテナ１のビーム方向が未知の場合を想定し、ビーム方向検出手段３３において、プローブアンテナ１２を測定平面のＸ軸（Ｙ＝０の直線）上を１回走査し、Ｙ軸（Ｘ＝０の直線）上を１回走査することで、遠方界におけるビームの方向の特定していた。これはビーム方向を特定するための最小限の走査として測定を効率化したものであるが、Ｘ、Ｙそれぞれ１回の走査で得られた情報を基に算出した遠方界のビームの方位角および仰角が、０°を中心とする所定角度範囲から大きくかけ離れている場合には、そのビーム方向が測定平面と交わる座標近傍を通るようにＸ方向、Ｙ方向の少なくとも一方の走査を再度行なうことで、遠方界におけるビーム方向をより正確に求めることができる。

この場合、１回目の走査で得られた遠方界のビーム方向（θ、φ）の少なくとも一方の大きさ（絶対値）が、所定のしきい値γを越えている場合には、そのしきい値γを越えているビーム方向と測定平面とが交わる座標を通るような走査を少なくとも１回追加すればよい。

また、基準方向を向いている供試アンテナ１の遠方界におけるビーム方向が、測定装置３０側で予測できる場合には、ビーム方向検出手段３３において、その予測されるビーム方向が測定平面に交わる大凡の座標（Ｘ，Ｙ）＝（Ａ，Ｂ）を求め、測定平面をＸ軸に平行なＹ＝Ｂの直線上でプローブアンテナ１２を１回走査し、Ｙ軸に平行なＸ＝Ａの直線上でプローブアンテナ１２を１回走査させる。このように遠方界におけるビーム方向が測定平面に交わると予想される座標を通過するようにプローブアンテナ１２を走査せることで、振幅および位相の検出精度が高くなり、実際の遠方界におけるビーム方向をより正確に求めることができる。

また、ビーム方向検出手段３３において求めた遠方界におけるビーム方向と、予め予測される遠方界のビーム方向（例えばビーム方向制御信号から予測されるビーム方向）との差を求めて記憶しておけば、供試アンテナ１を用いる基地局装置等の移相制御用のデータ補正に用いることができる。

１……供試アンテナ、１３……プローブ走査機構、２１……信号発生器、２２……振幅位相検出器、２５……表示部、３０……測定装置、３１……供試アンテナ支持部、３２……測定制御部、３３……ビーム方向検出手段、３４……アンテナ向き変更手段、３５……仮指向性算出手段、３６……指向性補正手段

Claims (3)

1. Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを供試アンテナとし、該供試アンテナを支持する供試アンテナ支持部（３１）と、
   前記供試アンテナから出力される電磁波を受信するためのプローブアンテナ（１２）と、
   前記プローブアンテナを前記供試アンテナの近傍界領域の所定の測定平面内で移動させるためのプローブ走査機構（１３）と、
   前記供試アンテナに測定用の信号を与える信号発生器（２１）と、
   前記プローブアンテナの受信信号から振幅と位相を検出する振幅位相検出器（２２）と、
   前記プローブ走査機構を制御し、前記プローブアンテナの位置を前記測定平面内で走査させつつ前記振幅位相検出器の出力を受けて、前記供試アンテナの遠方界指向性を求める測定制御部（３２）とを備えたＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置において、
   前記供試アンテナ支持部は、前記供試アンテナの電磁波放射面が前記測定平面に正対する向きを基準方向とし、前記供試アンテナの向きを前記基準方向から変更できるように構成され、
   前記測定制御部は、
   前記供試アンテナが前記基準方向を向いている状態で、前記プローブアンテナが前記測定平面の一部を通過するように走査させ、該走査で得られる振幅、位相の情報から、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を求めるビーム方向検出手段（３３）と、
   前記ビーム方向検出手段によって検出されたビームの方向が、前記測定平面の中央に向くように、前記供試アンテナ支持部を制御して前記供試アンテナの向きを変更するアンテナ向き変更手段（３４）と、
   前記アンテナ向き変更手段によってビーム方向が前記測定平面の中央に向くように前記供試アンテナの向きが変更された状態で、前記プローブアンテナを前記測定平面上で走査して、前記供試アンテナの仮の指向性を求める仮指向性算出手段（３５）と、
   前記仮指向性算出手段で得られた仮の指向性を、前記アンテナ向き変更手段によって変更した角度分補正して、前記供試アンテナが前記基準方向を向いているときの指向性を求める指向性補正手段（３６）とを備えていることを特徴とするＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置。
2. 前記ビーム方向検出手段は、前記プローブアンテナが、前記測定平面内をその直交軸の一方に沿って通過する走査と、前記直交軸の他方に沿って通過する走査とを行なうことで、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を求めることを特徴とする請求項１記載のＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置。
3. Ｍａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナを供試アンテナとし、該供試アンテナを支持する供試アンテナ支持部（３１）と、
   前記供試アンテナから出力される電磁波を受信するためのプローブアンテナ（１２）と、
   前記プローブアンテナを前記供試アンテナの近傍界領域の所定の測定平面内で移動させるためのプローブ走査機構（１３）と、
   前記供試アンテナに測定用の信号を与える信号発生器（２１）と、
   前記プローブアンテナの受信信号から振幅と位相を検出する振幅位相検出器（２２）とを有し、
   前記プローブ走査機構を制御し、前記プローブアンテナの位置を前記測定平面内で走査させつつ前記振幅位相検出器の出力を受けて、前記供試アンテナの遠方界指向性を求めるＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置の指向性測定方法において、
   前記供試アンテナ支持部を、前記供試アンテナの電磁波放射面が前記測定平面に正対する方向を基準方向とし、前記供試アンテナの向きを前記基準方向から変更できるように構成し、
   前記供試アンテナが前記基準方向を向いている状態で、前記プローブアンテナを、前記測定平面の一部を通過するように走査させ、該走査で得られる振幅、位相の情報から、前記供試アンテナが放射しているビームの方向を検出する段階と、
   前記検出されたビームの方向が、前記測定平面の中央に向くように、前記供試アンテナ支持部を制御して前記供試アンテナの向きを変更する段階と、
   前記ビーム方向が前記測定平面の中央に向くように前記供試アンテナの向きを変更した状態で、前記プローブアンテナを前記測定平面上で走査して、前記供試アンテナの仮の指向性を求める段階と、
   前記求めた仮の指向性を、前記供試アンテナの向きを変更した角度分補正して、前記供試アンテナが前記基準方向を向いているときの指向性を求める段階とを含むことを特徴とするＭａｓｓｉｖｅ−ＭＩＭＯアンテナ測定装置の指向性測定方法。

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