JP5155538B2 - 測定対象物搭載装置、電磁界特性測定システム - Google Patents

Description

本発明は、３次元でのアンテナの性能評価を行うための測定対象物搭載装置と電磁界特性測定システムに関する。

３次元でのアンテナの性能評価を行う方法として、３次元空間での放射電力を測定する放射効率測定法がある。この方法は、標準化技術として紹介されている（非特許文献１、非特許文献２）。また、この方法には、非特許文献２の図７．４に示すように携帯端末を単体で測定する場合と、非特許文献２の図７．２に示すように擬似人体に取り付けて測定する場合がある。また、放射磁界特性を測定するための治具を示す文献として、特許文献１などがある。

図１Ａは、携帯端末を単体で測定する場合の測定対象物搭載装置の構成例を示す図である。図１Ｂは、擬似人体に携帯端末を取り付けて測定する場合の測定対象物搭載装置の構成例を示す図である。また、図２は、これらの測定対象物搭載装置を用いた電磁界特性測定システムの構成例を示す図である。携帯端末を単体で測定する場合の測定対象物搭載装置９００は、アジマス軸方向に回転するターンテーブル９１０、ターンテーブル９１０上に垂直方向に設置されたポール９１１、水平方向に設置されたアーム９１２、アームをロール軸方向に回転させる回転部９１８から構成され、測定対象である携帯電話９１５が取り付けられる。ターンテーブル９１０は、アジマス軸モータ９１７を備えている。擬似人体に携帯端末を取り付けて測定する場合の測定対象物搭載装置９００’は、アジマス軸方向に回転するターンテーブル９１０、ターンテーブル９１０上に垂直方向に設置されたポール９１３、水平方向に設置されたアーム９１４、アームをロール軸方向に回転させる回転部９１９、擬似人体９１６から構成され、測定対象である携帯電話９１５が取り付けられる。電磁界特性測定システムは、電波暗室９２１内に設置された前記の測定対象物搭載装置９００（９００’）、対向アンテナ９２２、対向アンテナ用ポール９２３、および測定装置類９２４、コンピュータ９２５などで構成される。なお、携帯電話９１５の重さは１００ｇ程度であり、擬似人体９１６の重さは１０ｋｇ程度である。

電磁界特性の測定では、アジマス軸、ロール軸をそれぞれ１５度間隔で電磁界強度を測定する。例えば、ロール軸の角度を固定し、アジマス軸の角度を０°〜３４５°までゆっくり回転（２ｒｐｍ以下）させながら、１５°間隔（０°、１５°、°３０、…、３４５°）で電磁界強度を測定する。測定は一瞬で終わるため、アジマス軸の回転を止める必要はなく、測定する角度のタイミングで、測定器のデータを取り込めばよい。そして、３４５°を過ぎたところで、ロール軸を１５°回転させると共に、アジマス軸の回転方向を逆にし、１５°間隔（３４５°、３３０°、…、０°）で電磁界強度を測定する。このようにアジマス軸の回転方向を反転させるのは、ターンテーブル９１０上の構成部（回転部９１８、９１９など）への配線が巻きつくことを防止するためである。しかし、ターンテーブル９１０は、通常ある程度の重量を有しており、瞬時には逆回転できない。したがって、逆回転するまでに時間を要するという問題がある。

また、測定対象物搭載装置の構成方法には、２つの方法があった。１つめは、ターンテーブル、ポール、回転部、アームは、携帯電話単体での測定でも擬似人体に携帯電話を取り付けての測定でも同じであり、擬似人体に携帯電話を取り付けた測定の場合には、アームの先端に擬似人体９１６を取り付ける方法である。２つめは、携帯端末単体での測定か擬似人体に取り付けた測定かで、ターンテーブルごと取り替える方法である。

上記の１つめの方法の場合、ポール、回転部、アームは、擬似人体９１６の重さ（１０ｋｇ）に耐えられるように設計されなければならない。そして、ポール、回転部、アームなどを比較的丈夫な素材（樹脂など）で構成する必要があり、比誘電率が４以上の素材を使っていた。したがって、携帯電話単体での測定では、測定対象物搭載装置の誘電率の影響で、正確な電磁界特性の測定結果が得られないという問題があった。上記の２つめの場合、ポール、回転部、アームは、携帯電話の重さまたは擬似人体の重さに合わせて設計できる。そこで、比誘電率の低い発泡スチロールを全体的に使用して測定対象物搭載装置を構成していた。しかし、この構成の場合、強度面で問題があるので、アジマス軸方向の回転速度を速くすることはできなかった。

なお、擬似人体９１６は、比誘電率が４０〜５０であり、電磁界特性は、擬似人体の影響によって大きく変化する。つまり、擬似人体に携帯端末を取り付けた状態での電磁界強度の測定では、アーム、回転部、ポールが測定精度に影響を与えることはほとんどない。したがって、擬似人体に携帯電話を取り付けた場合の測定では、測定精度の問題はない。
CTIA Certification, "Test plan for mobile station over the air performance Rev.2.1", April 2005. 3GPP TR25.914, "Measurements of radio performances for UMTS terminals in speech mode", Release 7, 2006-06. 特開平０１−１８５４５１号公報

本発明の目的は、携帯電話単体での電磁界特性を正確かつ高速に測定するための測定対象物搭載装置を提供すること、およびこの測定対象物搭載装置を用いて複数チャネルを多重化して測定する電磁界特性測定システム、ループバック通信が確立できる無線端末テスタと組み合わせた電磁界特性測定システムを提供することである。

本発明の測定対象物搭載装置は、（１）アジマス軸モータとロール軸モータを有し、アジマス軸方向に回転するターンテーブルと、（２）ターンテーブル上に垂直方向に設置され、主要部が比誘電率１．５以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の３．５倍以上のポールと、（３）前記ポールの上端に取り付けられ、ロール軸方向に回転する、比誘電率３以下のプーリーと、前記プーリーに比誘電率３以下の止具で固定された比誘電率１．５以下の回転板とを有するロール軸回転部と、（４）前記ロール軸モータと、前記プーリーとをつなぐ、比誘電率４以下のベルトと、（５）片端が前記ロール軸回転部に比誘電率３以下の止具で固定され、水平方向に設置され、先端にアンテナを保持する保持手段を有し、比誘電率が１．２以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の１／４以上のアームとを備えている。また、前記ターンテーブルは、ロータリーコネクタも備えてもよい。さらに、あらかじめ定めた角度ごとに停止する第２ターンテーブルを、前記ターンテーブルの下部に備えてもよい。

本発明の電磁界特性測定システムは、本発明の測定対象物搭載装置、ネットワークアナライザ、マルチチャネル測定器を有する。あるいは、本発明の測定対象物搭載装置、ループバック通信が確立できる無線端末テスタを有する。

本発明では、実験結果に基づいて電磁界特性に影響のない条件を求め、その条件を満足するように測定対象物搭載装置を構成したので、携帯電話単体での測定でも正確な特性を測定できる。また、ターンテーブルがロータリーコネクタを有しているので、ターンテーブル上の構成部への配線が、ターンテーブルの連続回転によって巻きつくことがない。したがって、同一方向に連続的に回転させることができるので、逆回転させるための時間的ロスがなくなり、測定時間を短くできる。
さらに、本発明の電磁界特性測定システムでは、ネットワークアナライザとマルチチャネル測定器とを組み合わせた場合には、複数チャネルを多重化して測定することができる。また、ループバック通信が確立できる無線端末テスタを用いた場合には、三次元放射電力の測定と、三次元受信感度の測定が可能となる。

［第１実施形態］
図３に本発明の測定対象物搭載装置の機能構成例を示す。測定対象物搭載装置１００は、（１）アジマス軸モータ１１２とロール軸モータ１１５を有し、アジマス軸方向に回転するターンテーブル１１０と、（２）ターンテーブル１１０上に垂直方向に設置されたポール１２０と、（３）前記ポール１２０の上端に取り付けられ、ロール軸方向に回転するプーリー１３１と、前記プーリーに固定された回転板１３２とを有するロール軸回転部１３０と、（４）前記ロール軸モータ１１５と、前記プーリー１３１とをつなぐベルト１５０と、（５）片端が前記ロール軸回転部１３０に固定され、水平方向に設置され、先端に被測定端末１９０を保持する保持手段を有するアーム１４０を備える。

本発明では、まず、測定対象物搭載装置１００の放射効率に対する影響を調べた。図４は、測定対象物搭載装置１００のアーム１４０の先端に半波長ダイポールアンテナを取り付けた様子を示す図である。アーム１４０の長さをｄとし、ポールの長さをｈとする。図５は、２つの周波数で、アーム１４０の長さｄを変化させ、放射効率（ｄＢ）を測定した結果である。ｆ_１は２ＧＨｚ、ｆ_２は１ＧＨｚである。本実験では、アンテナの近傍に比誘電率が大きい材料を用いないように測定対象物搭載装置１００を設計した。具体的には、アーム１４０には比誘電率が１．２以下の発泡スチロールを、回転板１３２とポール１２０には比誘電率が１．５以下の発泡ポリエチレンを、プーリー１３１には比誘電率が３以下のテフロン（登録商標）を、ベルト１５０には比誘電率が４以下のゴムを、各部を取り付けるための止具（ねじなど）には比誘電率が３以下のテフロン（登録商標）を用いた。なお、実験に用いる電磁界特性測定システムは、図２に示した従来のシステムと、測定対象物搭載装置以外は同じである。

治具なしとは、測定対象物搭載装置１００がない場合である。つまり、理想的な放射効率を示している。図５より、ｄ＝０．５λ_１（０．２５λ_２）でも、放射効率に影響がないことが分かる。なお、ｄ＝０．５λ_１（０．２５λ_２）は１０ｃｍ以下であり、これ以上アーム１４０を短くする必要がなかったため、本実験では、これ以上短いアームを用いた実験は行っていない。

図６に、ポールの長さを変更した実験結果を示す。モータなしとは、ロール軸モータ１１５がない場合である。ロール軸モータは金属製なので、ポールの長さはアンテナとロール軸モータとの距離を確保するために必要である。モータなしの場合が、理想的な放射効率を示している。図６より、ｈ＝３λ_２では放射効率が０．２ｄＢ以上、モータなしの場合よりも悪くなっている。その他の場合は、モータなしとの差は０．１ｄＢ以下である。したがって、ポール１２０の長さが測定する電磁界の波長の３．５倍以上であればよいことが分かる。

以上のことをまとめると、（１）アジマス軸モータ１１２とロール軸モータ１１５を有し、アジマス軸方向に回転するターンテーブル１１０と、（２）ターンテーブル１１０上に垂直方向に設置され、主要部が比誘電率１．５以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の３．５倍以上のポール１２０と、（３）前記ポール１２０の上端に取り付けられ、ロール軸方向に回転する、比誘電率３以下のプーリー１３１と、前記プーリーに比誘電率３以下の止具で固定された比誘電率１．５以下の回転板１３２とを有するロール軸回転部１３０と、（４）前記ロール軸モータ１１５と、前記プーリー１３１とをつなぐ、比誘電率４以下のベルト１５０と、（５）片端が前記ロール軸回転部１３０に比誘電率３以下の止具で固定され、水平方向に設置され、先端に被測定端末１９０を保持する保持手段を有し、比誘電率が１．２以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の１／４以上のアーム１４０を備える測定対象物搭載装置１００ならば、正確に電磁界特性を測定できる。

図７は、自由空間（理想的な環境）の場合と、本発明の測定対象物搭載装置を用いた場合と、従来の場合の電磁界特性を示している。図７Ａは、いろいろな角度での３つの場合の比較を示す図である。図７Ｂは、最大利得の違いを示す図である。図７に示すように、本発明の測定対象物搭載装置を用いた場合には、自由空間の場合と同等の結果を得ることができた。

［変形例］
測定対象物搭載装置１００は、図３に示すように、ターンテーブル１１０がロータリーコネクタ１１１を備えてもよい。この構成の場合、ターンテーブル上の構成部への配線が、ターンテーブルの連続回転によって巻きつくことがない。したがって、同一方向に連続的に回転させることができるので、逆回転させるための時間的ロスがなくなり、測定時間を短くできる。本変形例ならば、アジマス軸とロール軸とを、１５°間隔で測定する場合、アジマス軸の角度が３４５°での電磁界強度の測定が終了すると、アジマス軸の角度が０°（３６０°）に戻るまでの間に、ロール軸の角度を１５°回転させる。このように動作させることで、測定時間を短縮できる。なお、ロール軸の回転が間に合わない場合は、アジマス軸の回転を少し遅くするなどの方法により、２つの軸の回転のタイミングを合わせればよい。背景技術で説明したように従来は、１つのロール軸の角度に対するアジマス軸の各角度を測定すると、次のロール軸の角度に変更した上でアジマス軸を逆回転させながら次の測定を行っていた。本変形例の場合、逆回転するときの時間的ロスをなくしている。図８に、逆回転させるための時間的ロスを削除することで、測定に必要な時間がどの程度短縮できるかをシミュレーションした結果を示す。このように、ロータリーコネクタ１１１を備えることで、大幅な時間短縮が可能となる。

［第２実施形態］
図９に、複数チャネルを多重化して測定する電磁界特性測定システムの構成例を示す。電波暗室２３０の内部には、複数のアンテナを有する携帯電話２９０を搭載した測定対象物搭載装置２００が設置されている。電波暗室２３０の外部には、振幅と位相の測定が可能なネットワークアナライザ２３４と複数チャネルを多重化して測定することができるマルチチャネル測定装置２３６を備えている。複数のアンテナを有する携帯端末の例としては、電波状況の優れたアンテナに切り替えて使用するダイバーシティ、複数の信号を合成するダイバーシティ、送信・受信をそれぞれ複数のアンテナを用いて行う空間多重伝送技術（ＭＩＭＯ：Multiple-Input Multiple-Output）がある。これら複数のアンテナを用いて通信を行う場合には、複数のアンテナのそれぞれの放射特性やアンテナ間の相関係数によって全体の性能が左右される。したがって、三次元での複数のアンテナの放射特性とアンテナ間相関係数を実験によって評価する必要がある。
図９に示した構成であれば、携帯電話２９０の複数のアンテナの振幅と位相を同時に取得することが可能となり、複数のアンテナの三次元放射特性および三次元相関係数の評価も可能となる。

［第３実施形態］
図１０に、携帯端末から放射される放射電力の測定を行う電磁界特性測定システムの構成例を示す。電波暗室３３０の内部には携帯端末が搭載された測定対象物搭載装置１００が設置されている。電波暗室３３０の外部には、携帯端末とループバック通信できる無線端末テスタ３４４を備えている。
このような構成にすることで、携帯端末内部の送信機からの送信信号を用いて測定でき、かつ本発明の測定対象物搭載装置を利用できるので、短時間で高精度な三次元放射電力の測定が可能となる。また、非特許文献１、非特許文献２に規定するＴＲＰ（Total Radiated Power）の測定が可能となる。

［第４実施形態］
図１１に、アジマス軸方向に回転し、あらかじめ定めた角度ごとに停止する第２ターンテーブル９１０をターンテーブル１１０の下部に備える測定対象物搭載装置の構成例を示す。図１２に、携帯端末の受信感度の測定を行う電磁界特性測定システムの構成例を示す。電波暗室４３０の内部には携帯端末が搭載された測定対象物搭載装置４００が設置されている。電波暗室４３０の外部には、携帯端末とループバック通信できる無線端末テスタ４５４を備えている。

受信感度を測定する場合、対向アンテナ４５２からの出力を次第に下げていき、誤り率を測定することで携帯端末が受信できる電磁界強度を測定する。このような測定をアジマス軸、ロール軸のそれぞれに対して所定間隔（例えば３０°間隔）で測定する。１つのアジマス軸の角度とロール軸の角度の組み合わせでの測定に時間がかかるので、アジマス軸方向の回転は、所定間隔ごと（３０°ごと）に必ず止めなければならない。また、この測定では、受信感度の測定時間が長いので、ターンテーブルの動作速度による全体的な測定時間への影響はほとんどない。したがって、第２ターンテーブルは、電波暗室に備え付けられたターンテーブル（従来のターンテーブル）を利用すればよい。

図１２の構成であれば、携帯端末内部の受信機を用いて受信感度を測定でき、かつ本発明の測定対象物搭載装置を利用できるので、高精度な三次元受信感度の測定が可能となる。また、非特許文献１、非特許文献２に規定するＴＩＳ（Total Isotropic Sensitivity）またはＴＲＳ（Total Radiated Sensitivity）の測定も可能である。
なお、図１２の電磁界強度測定システムは、図１０のシステムを含んだ構成となっているので、第２ターンテーブル９１０を固定してしまい（動かさないで）、第３実施形態に示した方法によって三次元放射電力の測定も可能である。

測定対象物搭載装置の構成例を示す図。 電磁界特性測定システムの構成例を示す図。 本発明の測定対象物搭載装置の機能構成例を示す図。 測定対象物搭載装置１００のアーム１４０の先端に半波長ダイポールアンテナを取り付けた様子を示す図。 ２つの周波数で、アームの長さｄを変化させ、放射効率（ｄＢ）を測定した結果を示す図。 ２つの周波数で、ポールの長さｈを変化させ、放射効率（ｄＢ）を測定した結果を示す図。 自由空間（理想的な環境）の場合と、本発明の測定対象物搭載装置を用いた場合と、従来の場合の電磁界特性を示す図。 逆回転させるための時間的ロスを削除することで、測定に必要な時間がどの程度短縮できるかをシミュレーションした結果を示す図。 複数チャネルを多重化して測定する電磁界特性測定システムの構成例を示す図。 携帯端末から放射される放射電力の測定を行う電磁界特性測定システムの構成例を示す図。 アジマス軸方向に回転し、あらかじめ定めた角度ごとに停止する第２ターンテーブル９１０をターンテーブル１１０の下部に備える測定対象物搭載装置の構成例を示す図。 携帯端末の受信感度の測定を行う電磁界特性測定システムの構成例を示す図。

Claims (7)

1. 電磁界特性を測定する対象物を搭載し、当該測定対象物をアジマス軸方向、ロール軸方向に回転させる測定対象物搭載装置であって、
   アジマス軸モータ、ロール軸モータを有し、アジマス軸方向に回転するターンテーブルと、
   ターンテーブル上に垂直方向に設置され、主要部が比誘電率１．５以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の３．５倍以上のポールと、
   前記ポールの上端に取り付けられ、ロール軸方向に回転する、比誘電率３以下のプーリーと、前記プーリーに比誘電率３以下の止具で固定された比誘電率１．５以下の回転板とを有するロール軸回転部と、
   前記ロール軸モータと、前記プーリーとをつなぐ、比誘電率４以下のベルトと、
   片端が前記ロール軸回転部に比誘電率３以下の止具で固定され、水平方向に設置され、先端にアンテナを保持する保持手段を有し、比誘電率が１．２以下の材料で構成され、長さが測定する電磁界の波長の１／４以上のアームと、
   を備える測定対象物搭載装置。
2. 請求項１記載の測定対象物搭載装置であって、
   前記ターンテーブルが、
   当該ターンテーブル上への配線を行うロータリーコネクタも
   備え、
   前記アジマス軸モータが、前記測定対象物を、アジマス軸方向に連続して４ｒｐｍ以上で回転させる
   ことを特徴とする測定対象物搭載装置。
3. 請求項２記載の測定対象物搭載装置であって、
   アジマス軸方向に回転し、あらかじめ定めた角度ごとに停止する第２ターンテーブルを前記ターンテーブルの下部に
   備える測定対象物搭載装置。
4. 請求項１または２記載の測定対象物搭載装置を有する電磁界特性測定システムであって、
   前記測定対象物から放射される電磁波を受信する対向アンテナと、
   振幅と位相の測定が可能なネットワークアナライザと、
   複数チャネルを多重化して測定できるマルチチャネル測定器と
   を有する電磁界特性測定システム。
5. 請求項１または２記載の測定対象物搭載装置を有する電磁界特性測定システムであって、
   前記測定対象物が、携帯無線端末であり、
   前記携帯無線端末から放射される電磁波を受信する対向アンテナと、
   前記携帯無線端末との間でループバック通信が確立できる無線端末テスタと
   を有する電磁界特性測定システム。
6. 請求項１記載の測定対象物搭載装置を有する電磁界特性測定システムであって、
   前記測定対象物が、携帯無線端末であり、
   前記携帯無線端末に向けて電磁波を放射する対向アンテナと、
   前記携帯無線端末との間でループバック通信が確立できる無線端末テスタと
   を有する電磁界特性測定システム。
7. 請求項３記載の測定対象物搭載装置を有する電磁界特性測定システムであって、
   前記測定対象物が、携帯無線端末であり、
   前記携帯無線端末から放射される電磁波を受信することができるとともに、前記携帯無線端末に向けて電磁波を放射することもできる対向アンテナと、
   前記携帯無線端末との間でループバック通信が確立できる無線端末テスタと
   を有する電磁界特性測定システム。
   

Images