JP2020201187A

JP2020201187A - 放射電力推定方法

Info

Publication number: JP2020201187A
Application number: JP2019109605A
Authority: JP
Inventors: 福田　敦史; Atsushi Fukuda; 敦史福田; 浩司岡崎; Koji Okazaki
Original assignee: NTT Docomo Inc
Current assignee: NTT Docomo Inc
Priority date: 2019-06-12
Filing date: 2019-06-12
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2039-06-12
Also published as: JP7233312B2

Abstract

【課題】良好な電力推定のために必要とされる離隔距離よりも短いアンテナ間隔が設定された場合でも放射電力を良好に推定できる放射電力推定技術を提供する。【解決手段】送信アンテナと、送信アンテナから到来する電波を受信する受信アンテナと、受信アンテナが受信した電波の電力を測定する電力測定器とを含み、送信アンテナと受信アンテナとの間隔Ｒが電波の波長λおよび送信アンテナの開口長Ｄから定まる離隔距離よりも短い測定システムにおいて送信アンテナの放射電力を推定する放射電力推定方法であり、電波の電力Ｐrを測定する第１ステップと、電力Ｐrと、受信アンテナのアンテナ利得Ｇrと、自由空間伝搬損失Ｌと、間隔Ｒが離隔距離よりも短いことに起因する放射電力の推定値への影響を補正する補正値Ｃ(R)とから、送信アンテナのＥＩＲＰを推定する第２ステップとを有する。【選択図】図５

Description

本発明は、空間に放射された電波の放射電力を推定する放射電力推定技術に関する。

所定方向に大きな利得で電波の送受信を実現するアレイアンテナシステムの放射電力は、例えばＥＩＲＰ(Equivalent Isotropic Radiated Power；等価等方放射電力)で表される。空間に放射された放射電力の推定は、ＯＴＡ（Over The Air）測定システムを用いて実施される。例えば非特許文献１にＯＴＡ測定システムが開示されている。

図１を参照して、従来のＯＴＡ測定システム９００および放射電力推定方法を説明する。ＯＴＡ測定システム９００は、基地局装置９１と、基地局装置９１に接続されている送信アンテナ９２と、基地局装置９１および送信アンテナ９２が載せられた回転台９６と、送信アンテナ９２から到来する電波を受信する受信アンテナ９３と、受信アンテナ９３が受信した電波の電力を測定する電力測定器９５と、送信アンテナ９２の放射電力を推定する推定部９７を含む。

受信アンテナ９３は、送信アンテナ９２から放射された電波を受信する。電力測定器９５は、受信アンテナ９３が受信した電波の電力Ｐ_rを測定する。受信アンテナ９３のアンテナ利得Ｇ_rは既知であり、送信アンテナ９２と受信アンテナ９３との間の自由空間伝搬損失Ｌは電波の波長λと送信アンテナ９２と受信アンテナ９３との間の間隔Ｒを用いて計算できるので、推定部９７は、電力測定器９５で測定された電力Ｐ_rと受信アンテナ９３のアンテナ利得Ｇ_rと自由空間伝搬損失Ｌから、送信アンテナ９２の放射電力つまり送信アンテナ９２から放射された電波のＥＩＲＰを推定できる。ＥＩＲＰ（単位：dB）は、具体的には、式（１）によって推定される。式（１）に現れるＬは式（２）で与えられる。式（２）は遠方界において成立する。

上記所定方向と異なる方向でのＥＩＲＰを推定する場合、送信アンテナ９２を中心とする球面上で受信アンテナ９３を移動させることによって、電力測定器９５で測定された電力Ｐ_rから当該方向でのＥＩＲＰを推定できる。または、受信アンテナ９３を固定し、回転台９６を水平方向と垂直方向の組み合わせで２軸回転させることによって、電力測定器９５で測定された電力Ｐ_rから当該方向でのＥＩＲＰを推定してもよい。

式（２）を用いる場合、受信アンテナ９３は送信アンテナ９２の遠方界に置かれる。つまり、送信アンテナ９２と受信アンテナ９３は所定の距離Ｒ_pを下回らない間隔Ｒを空けて設置される。この所定の距離Ｒ_pは、送信アンテナ９２の開口面の中心から遠方界と近傍界との境界までの距離であり、式（３）で与えられる（非特許文献２）。式（３）のとおり、距離Ｒ_pは、送信アンテナ９２の開口長Ｄの２乗に比例し、放射する電磁波の波長λに反比例する。以下、この所定の距離Ｒ_pを離隔距離Ｒ_pと呼称する。

東陽テクニカ、"ＯＴＡ測定システム（電波暗室）"、［online］、東陽テクニカ、［令和元年6月3日検索］、インターネット〈URL：http://www.toyo.co.jp/emc/products/detail/id=1754〉電子情報通信学会、"アンテナの界領域"、［online］、電子情報通信学会、［令和元年6月3日検索］、インターネット〈URL：http://ieice-hbkb.org/files/04/04gun_02hen_02.pdf〉

例えば利得向上のため送信アンテナ９２の開口長Ｄを長くした場合、離隔距離Ｒ_pが長くなる。この結果、正しいＯＴＡ測定を実施するために大型の電波暗室を準備しなければならないという問題が生じる。

そこで本発明は、良好な電力推定のために必要とされる離隔距離Ｒ_pよりも短いアンテナ間隔Ｒが設定された場合でも放射電力を良好に推定できる放射電力推定技術を提供することを目的とする。

本発明の放射電力推定方法は、送信アンテナと、送信アンテナから到来する電波を受信する受信アンテナと、受信アンテナが受信した電波の電力を測定する電力測定器とを含み、送信アンテナと受信アンテナとの間隔Ｒが電波の波長λおよび送信アンテナの開口長Ｄから定まる離隔距離よりも短い測定システムにおいて送信アンテナの放射電力を推定する放射電力推定方法であり、電波の電力Ｐ_rを測定する第１ステップと、電力Ｐ_rと、受信アンテナのアンテナ利得Ｇ_rと、自由空間伝搬損失Ｌと、間隔Ｒが離隔距離よりも短いことに起因する放射電力の推定値への影響を補正する補正値Ｃ(R)とから、送信アンテナのＥＩＲＰを推定する第２ステップとを有する。

本発明によると、間隔Ｒが離隔距離よりも短いことに起因する送信アンテナの放射電力の推定値への影響を補正値Ｃ(R)によって補正するので、良好な電力推定のために必要とされる離隔距離よりも短いアンテナ間隔Ｒが設定された場合であっても放射電力を良好に推定できる。

ＯＴＡ測定システムの構成例を示す図。式（１）によるＥＩＲＰの推定が不適切であることを説明するための図。送信アンテナと受信アンテナの位置関係を説明するための図。式（４）によるＥＩＲＰの推定が適切であることを説明するための図。実施形態における処理フロー図。送信アンテナと受信アンテナの位置関係の変更範囲を説明するための図。

図面を参照して本発明の実施形態を説明する。

実施形態で使用されるＯＴＡ測定システムは、図１に示す従来のＯＴＡ測定システム９００と同じ構成を有する。したがって、上述のＯＴＡ測定システム９００の説明をここに組み込み、これによって実施形態で使用されるＯＴＡ測定システムの説明を省略する。実施形態の放射電力推定方法は、ＯＴＡ測定システムにおいて、後述する手順で送信アンテナ９２のＥＩＲＰを推定する方法である。

まず、離隔距離Ｒ_pよりも短いアンテナ間隔ＲでＯＴＡ測定する場合に、式（１）を用いた送信アンテナ９２のＥＩＲＰの推定が好ましくないことを説明する。送信電力Ｐ_t、送信アンテナ９２のアンテナ利得Ｇ_t、受信アンテナ９３のアンテナ利得Ｇ_rのいずれも既知である条件の下で測定された電力Ｐ_rから求めた自由空間伝搬損失Ｌ=Ｐ_t+Ｇ_t+Ｇ_r-Ｐ_r（実験値；単位dB）とアンテナ間隔Ｒとの関係、および、式（２）による自由空間伝搬損失Ｌ（計算値；単位dB）とアンテナ間隔Ｒとの関係、を図２に示す。図２から、アンテナ間隔Ｒが短くなるほど、自由空間伝搬損失Ｌの実験値と自由空間伝搬損失Ｌの計算値との乖離が大きくなることが理解できる。つまり、アンテナ間隔Ｒが離隔距離Ｒ_pよりも短い状況でＯＴＡ測定を行なう場合、式（１）によるＥＩＲＰの推定が好ましくないことが理解できる。また、乖離の程度は、送信アンテナ９２の物理的形状等の影響を受けるので、図２に示す特定の実験値に基づいて他の送信アンテナのＥＩＲＰを推定することは困難である。

したがって、この実施形態では、アンテナ間隔Ｒが離隔距離Ｒ_pよりも短いことに起因するＥＩＲＰの推定値への影響を補正する補正値Ｃ(R)を用いて、ＥＩＲＰを推定する。つまり、この実施形態では、式（１）を修正した式（４）を用いてＥＩＲＰ（単位：dB）を推定する。

以下、送信アンテナ９２がＭ個のアンテナ素子９２１が直線状に配置されたリニアアレイアンテナである場合を例に採り、実施形態の詳細を説明する。Ｍは２以上の予め定められた整数である。なお、送信アンテナ９２がリニアアレイアンテナである場合、送信アンテナ９２のアンテナ利得Ｇ_tはアレイアンテナ利得を含む。図３（Ｍ=８の例）に示すように、送信アンテナ９２のＭ個のアンテナ素子９２１は一つの直線Ｑ１上に等間隔に配置されており、Ｍ個のアンテナ素子９２１の開口面は同一の平面（直線Ｑ１と平行な平面）に位置し、Ｍ個のアンテナ素子９２１の開口面は同じ方向に向いている。送信アンテナ９２の開口長Ｄは、最も外側に位置する２個のアンテナ素子９２１の開口面中心の間の距離である。受信アンテナ９３は単一のアンテナであり、受信アンテナ９３の開口面は上記平面と平行である。送信アンテナ９２と受信アンテナ９３は互いに向かい合っている。送信アンテナ９２のアンテナ中心（最も外側に位置するアンテナ素子９２１の開口面中心から距離Ｄ/２の位置）と受信アンテナ９３のアンテナ中心は、直線Ｑ１と直交する直線Ｑ２上にある。

補正値Ｃ(R)は、受信アンテナ９３の開口長ｄが送信アンテナ９２の開口長Ｄより十分に小さい場合における、各アンテナ素子９２１から受信アンテナ９３までの経路長のばらつきに基づく受信位相差による利得損失で表される。Ｍが偶数つまりＭ=２Ｎ（Ｎは整数）の場合、送信アンテナ９２のアンテナ中心から受信アンテナ９３までの距離Ｒとｎ番目のアンテナ素子９２１から受信アンテナ９３までの距離Ｒ_nとの経路差ｒ_n（図３参照）は近似的に式（７）で表されるので、全てのアンテナ素子９２１が等振幅且つ等位相で励振された場合の、経路差ｒ_nに対応する位相差θ_n(R)は式（６）で表される。したがって、Ｍ=２Ｎの場合の補正値Ｃ(R)は、経路長のばらつきに基づく受信信号の合成ベクトルのパワー（式（５）の分子の２倍）と、各アンテナ素子９２１から受信アンテナ９３までの経路長のばらつきが無い場合の受信信号のパワー（式（５）の分母の２倍）との比として式（５）で与えられる。ここでｎは１以上Ｎ以下の各整数を表わす。

同様に、Ｍが奇数つまりＭ=２Ｎ−１（Ｎは整数）の場合の補正値Ｃ(R)は式（８）で与えられる。式（８）に現れる位相差θ_n(R)は式（９）で与えられる。

また、ｎ番目のアンテナ素子９２１が指向性利得Ｇ_nを持つ場合、式（５）と式（８）はそれぞれ式（５ａ）と式（８ａ）に変更される。

図２との比較で、送信電力Ｐ_t、送信アンテナ９２のアンテナ利得Ｇ_t、受信アンテナ９３のアンテナ利得Ｇ_rのいずれも既知である条件の下で測定された電力Ｐ_rと補正値Ｃ(R)とから求めた自由空間伝搬損失Ｌ=Ｐ_t+Ｇ_t+Ｇ_r-Ｐ_r-Ｃ(R)（実験値；単位dB）とアンテナ間隔Ｒとの関係、および、式（２）による自由空間伝搬損失Ｌ（計算値；単位dB）とアンテナ間隔Ｒとの関係、を図４に示す。図４から、アンテナ間隔Ｒが短い場合であっても、自由空間伝搬損失Ｌの実験値が自由空間伝搬損失Ｌの計算値に近接していることが理解できる。つまり、アンテナ間隔Ｒが離隔距離Ｒ_pよりも短い状況でＯＴＡ測定を行なう場合、式（４）によってＥＩＲＰを良好に推定できることが理解できる。

したがって、実施形態では、図５に示すように、電力測定器９５が電波の電力Ｐ_rを測定し（ステップＳ１）、推定部９７が、式（４）に従って、測定値である電力Ｐ_rと、既知である受信アンテナ９３のアンテナ利得Ｇ_rと、式（２）の計算値である自由空間伝搬損失Ｌと、アンテナ間隔Ｒが離隔距離Ｒ_pよりも短いことに起因する送信アンテナ９２の放射電力の推定値への影響を補正する補正値Ｃ(R)とから、送信アンテナ９２のＥＩＲＰを推定する（ステップＳ２）。補正値Ｃ(R)は、上述の状況に応じて式（５）、式（８）、式（５ａ）、式（８ａ）のいずれか一つから求められる。

実施形態によると、アンテナ間隔Ｒが離隔距離Ｒ_pよりも短いことに起因する送信アンテナ９２の放射電力の推定値への影響を補正値Ｃ(R)によって補正するので、良好な電力推定のために必要とされる離隔距離Ｒ_pよりも短いアンテナ間隔ＲでＯＴＡ測定を実施した場合であっても放射電力を良好に推定できる。

この明細書では、「損失」は正の数値として理解される。式（１）と式（４）はこの理解に基づく表記である。この明細書の読者が「損失」を負の数値として理解する立場にあるならば、式（２）、式（５）、式（８）、式（５ａ）、式（８ａ）のそれぞれを負号付数式に変更して、式（１）と式（４）をそれぞれ式（１ａ）と式（４ａ）に変更すればよい。両者の違いは単なる記法の違いであり、両者に実質的な違いは無い。

また、式（１）と式（４）の別の記法として、例えば測定値と非測定値の区別の観点に基づく記法を採用してもよい。式（１）において、非測定値であるＧ_rとＬについてＬ₁=Ｌ-Ｇ_rと定義して式（１ｂ）のように表現してもよい。また、式（４）において、非測定値であるＧ_rとＬとＣ(R)についてＬ₂=Ｌ+Ｃ(R)-Ｇ_rと定義して式（４ｂ）のように表現してもよい。

実施形態では、送信アンテナ９２のアンテナ中心と受信アンテナ９３のアンテナ中心が直線Ｑ１と直交する直線Ｑ２上にある、つまり、Ｍ個のアンテナ素子９２１の開口面が並ぶ上記平面の法線と受信アンテナ９３の開口面の法線とがなす角Δ（図６参照）がゼロ度であるが、このような形態に限定されない。角Δが±１５度くらいの範囲でも良好に推定できることが確認されている。

＜補遺＞
電力測定器９５として、公知の電力測定器を採用できるので、その詳細な説明を省略する。また、推定部９７は、例えば、ＣＰＵ（Central Processing Unit）、メモリ、バスなどのハードウェア資源を持つ汎用コンピュータとして実現される。メモリに記憶されたプログラムとこのプログラムの処理に必要なデータ（実施形態では、電波の波長λ、送信アンテナの開口長Ｄ、アンテナ間隔Ｒ、受信アンテナのアンテナ利得Ｇ_r、Ｎ=ceiling(Ｍ/２)；ceiling(・)は天井関数，電力Ｐ_rなど）を適宜にＣＰＵが処理する。この結果、ＣＰＵが推定部９７の機能を実現する。

本開示において使用する「に基づいて」という記載は、別段に明記されていない限り、「のみに基づいて」を意味しない。言い換えれば、「に基づいて」という記載は、「のみに基づいて」と「に少なくとも基づいて」の両方を意味する。

明細書と特許請求の範囲において、入力あるいは出力された情報等は、特定の場所(例えば、メモリ)に保存されてもよいし、管理テーブルで管理されてもよい。入力あるいは出力される情報等は、上書き、更新、または追記され得る。出力された情報等は削除されてもよい。入力された情報等は必要に応じて他の装置へ送信されてもよい。

明細書と特許請求の範囲では、「接続された」という用語とこのあらゆる語形変形は、２又はそれ以上の要素間の直接的又は間接的な接続を意味し、互いに「接続」された２つの要素の間に１つ以上の中間要素が存在することを含むことができる。要素と要素との接続は、物理的接続であっても、論理的接続であっても、或いはこれらの組み合わせであってもよい。明細書と特許請求の範囲で使用する場合、２つの要素は、１つ以上の電線、ケーブルおよび／またはプリント電気接続を使用することによって、並びにいくつかの非限定的かつ非包括的な例として、無線周波数領域、マイクロ波領域及び光（可視及び不可視の両方）領域の波長を有する電磁エネルギーなどの電磁エネルギーを使用することによって、互いに「接続」されると考えることができる。

明細書と特許請求の範囲では、序数詞（例えば、接頭辞「第」に漢数詞または算用数字を組み合わせた「第○」）は、特段の断りが無い限り、序数詞の定義にもかかわらず、序数詞で修飾されるまたは序数詞と結合する要素を当該要素の順序または当該要素の量で限定することを意図しない。序数詞の使用は、特段の断りが無い限り、単に、２つ以上の要素を互いに区別する便利な表現方法として使用される。したがって、例えば語句「第１のＸ」と語句「第２のＸ」は、２つのＸを区別するための表現であり、Ｘの総数が２であることを意味するものでは必ずしもなく、あるいは、第１のＸが第２のＸに先行しなければならないことを意味するものでは必ずしもない。

明細書と特許請求の範囲では、用語「含む」とその語形変化は非排他的表現として使用されている。例えば、「ＸはＡとＢを含む」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素（例えばＣ≠Ａ且つＣ≠ＢであるＣ）を含むことを否定しない。また、明細書と特許請求の範囲において或る文が用語「含む」またはその語形変化が否定辞と結合した語句を含む場合、当該文は用語「含む」またはその語形変化の目的語について言及するだけである。したがって、例えば「ＸはＡとＢを含まない」という文は、ＸがＡとＢ以外の構成要素を含む可能性を認めている。さらに、明細書あるいは特許請求の範囲において使用されている用語「または」は排他的論理和ではないことが意図される。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれらの実施形態に限定されるものではない。本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更と変形が許される。選択され且つ説明された実施形態は、本発明の原理およびその実際的応用を解説するためのものである。本発明は様々な変更あるいは変形を伴って様々な実施形態として使用され、様々な変更あるいは変形は期待される用途に応じて決定される。そのような変更および変形のすべては、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲に含まれることが意図されており、公平、適法および公正に与えられる広さに従って解釈される場合、同じ保護が与えられることが意図されている。

Claims

送信アンテナと、前記送信アンテナから到来する電波を受信する受信アンテナと、前記受信アンテナが受信した前記電波の電力を測定する電力測定器とを含み、前記送信アンテナと前記受信アンテナとの間隔Ｒが前記電波の波長λおよび前記送信アンテナの開口長Ｄから定まる離隔距離よりも短い測定システムにおいて前記送信アンテナの放射電力を推定する放射電力推定方法であって、
前記電波の電力Ｐ_rを測定する第１ステップと、
前記電力Ｐ_rと、前記受信アンテナのアンテナ利得Ｇ_rと、自由空間伝搬損失Ｌと、前記間隔Ｒが前記離隔距離よりも短いことに起因する前記放射電力の推定値への影響を補正する補正値Ｃ(R)とから、前記送信アンテナのＥＩＲＰを推定する第２ステップと
を有する放射電力推定方法。
請求項１に記載の放射電力推定方法において、
前記送信アンテナは、Ｍ個のアンテナ素子を含むリニアアレイアンテナであり、
ＥＩＲＰ=Ｐ_r-Ｇ_r+Ｌ+Ｃ(R)であり、
Ｍ=２Ｎの場合、

であり、
Ｍ=２Ｎ−１の場合、

であることを特徴とする放射電力推定方法。
請求項１に記載の放射電力推定方法において、
前記送信アンテナは、Ｍ個のアンテナ素子を含むリニアアレイアンテナであり、
ＥＩＲＰ=Ｐ_r-Ｇ_r+Ｌ+Ｃ(R)であり、
ｎは１以上Ｎ以下の各整数を表わし、ｎ番目の前記アンテナ素子の指向性利得をＧ_nとして、
Ｍ=２Ｎの場合、

であり、
Ｍ=２Ｎ−１の場合、

であることを特徴とする放射電力推定方法。