JP5225111B2

JP5225111B2 - 電磁波測定装置及び方法

Info

Publication number: JP5225111B2
Application number: JP2009000762A
Authority: JP
Inventors: 藤敬義伊; 由佳子堤; 林秀一尾; 木裕樹庄
Original assignee: Toshiba Corp
Current assignee: Toshiba Corp
Priority date: 2009-01-06
Filing date: 2009-01-06
Publication date: 2013-07-03
Anticipated expiration: 2029-01-06
Also published as: US20100171669A1; US8436777B2; JP2010159990A

Description

本発明は、電磁波測定装置及び方法に関するものである。

従来、電波暗箱等でアンテナの３次元的な放射特性を調べる手法の１つとして、暗箱内で被測定アンテナを回転させるという手法が提案されている（例えば特許文献１参照）。また、固定された被測定アンテナの周囲にアーチを設け、このアーチに測定用アンテナを固定し、アーチを回転させる手法も提案されている（例えば特許文献２参照）。

しかし、被測定アンテナが、プローブで給電するアンテナのように、給電構造が繊細なアンテナの場合、被測定アンテナが実装されたチップにプローブの針をコンタクトした状態で被測定アンテナを回転させる（動かす）ことはできない。

また、固定された被測定アンテナの周囲を、測定用アンテナが固定されたアーチが回転する場合、複数のカット面におけるアンテナの放射特性を測定することができない。そのため、１つのカット面を測定する度にプローブからアンテナを取り外し、プローブ本体を異なる平面に固定し、再びチップにコンタクトさせる必要がある。測定データを客観的データとするためには、各カット面の測定において、プローブのコンタクト状態が同様の状態となるように再現する必要がある。従って、非常に慎重かつ煩雑な操作を行うことになり、作業効率が著しく低下する。

このように、従来の測定手法は、プローブ給電型のような暗箱内で固定されるアンテナの放射特性を、複数のカット面について容易かつ高精度に測定することができないという問題を有していた。
特開２００４−２３３２４９号公報特開２００６−５３０１０号公報

本発明は、固定されたアンテナの放射特性を複数のカット面について容易かつ高精度に測定することができる電磁波測定装置及び方法を提供することを目的とする。

本発明の一態様による電磁波測定装置は、内面が電波吸収体で覆われた電波暗箱と、前記電波暗箱の第１面に設けられた開口から前記電波暗箱の内部に挿入され、第１のアンテナを支持する支持台と、前記支持台上に設けられ、前記第１のアンテナへの給電を行うプローブを保持する保持部と、前記電波暗箱の前記第１面とは異なる複数の面にそれぞれ設けられた回転可能な回転部と、一端が前記複数の面のそれぞれに設けられた前記回転部に着脱自在であり、他端に前記第１のアンテナへ信号を送信するか、又は前記第１のアンテナからの信号を受信する第２のアンテナを保持し、前記第２のアンテナへの給電を行う給電アームと、を備え、前記給電アームの前記一端は各回転部のいずれかに取り付けられるものである。

本発明の一態様による電磁波測定方法は、内面が電波吸収体で覆われた電波暗箱、前記電波暗箱の第１面に設けられた開口から前記電波暗箱の内部に挿入された支持台、前記支持台上に設けられ、給電を行うプローブを保持する保持部、前記電波暗箱の前記第１面とは異なる複数の面にそれぞれ設けられた回転可能な回転部、及び一端が前記回転部に着脱自在であり、他端に保持したアンテナへの給電を行う給電アームを備える電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法であって、前記支持台に第１のアンテナを配置し、前記給電アームの前記他端に第２のアンテナを配置し、前記給電アームの前記一端を第１の回転部に取り付け、前記第１のアンテナに前記プローブを接触させ、前記第１の回転部を回転させると共に前記第２のアンテナから信号を送信し、前記第１のアンテナで受信した信号の受信処理を行い、前記給電アームの前記一端を第２の回転部に付け替え、前記第２の回転部を回転させると共に前記第２のアンテナから信号を送信し、前記第１のアンテナで受信した信号の受信処理を行う、ものである。

本発明によれば、固定されたアンテナの放射特性を複数のカット面について容易かつ高精度に測定することができる。

以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。

（第１の実施形態）図１に本発明の第１の実施形態に係る電磁波測定装置の概略構成を示す。電磁波測定装置は、電波暗箱１０１、ＤＵＴ（Device Under Test）台１０２、プローブ保持部１０３、回転部１０４〜１０６、及び給電アーム１０７を備える。

電波暗箱１０１は、内壁が電波吸収体（図示せず）で覆われている。電波吸収体は、例えばウレタンに炭素を吸収させた素材で構成され、表面が波形やピラミッド形になっている。電波暗箱１０１は複数の壁面（図１では６面）で構成され、そのうちの１面の略中央部に開口１１１が設けられている。また、複数の壁面（図１では３面）にそれぞれ給電アーム１０７の一端を取り付け可能な回転部１０４〜１０６が設けられている。また、電波暗箱１０１の少なくとも１面には開閉可能な扉（図示せず）が設けられている。電波暗箱１０１の大きさは、対象となる周波数帯に応じて決定する。

ＤＵＴ台１０２は、その一部が、開口１１１を介して電波暗箱１０１内に位置するように設けられている。ＤＵＴ台１０２は、電波暗箱１０１内にて、先端部に被測定アンテナ（ＤＵＴ）１０９を保持する。ＤＵＴ台１０２への被測定用アンテナ１０９のセッティングは、電波暗箱１０１に設けられた前記扉から行うことができる。

プローブ保持部１０３は、ＤＵＴ台１０２上に設けられ、被測定用アンテナ１０９への給電を行うプローブ１１０を保持する。被測定用アンテナ１０９は例えばオンチップアンテナやボンディングワイヤアンテナである。

プローブ１１０の先端部分の構造の一例を図２に示す。プローブ１１０の先端は、給電伝送路のグランドレベルと信号レベルに対応する微細な針が交互に並んでいる。図３に示すように、これらの針を、被測定用アンテナ１０９が実装された半導体チップ１１３上に形成されたコンタクトパッド１１４に接触させることで、チップ上の回路や被測定用アンテナ１０９への給電が行われる。

給電アーム１０７は、一端が回転部１０４〜１０６に着脱自在になっており、他端が測定用アンテナ１０８に接続され、測定用アンテナ１０８への給電を行う。給電アーム１０７は、例えば図１に示すように、電波暗箱１０１の内壁に沿うようなクランク形状になっている。給電アーム１０７は回転部１０４〜１０６のいずれかに取り付けられる。また、給電アーム１０７は、電波暗箱１０１に設けられた前記扉から異なる回転部１０４〜１０６へ容易に付け替えることができる。

給電アーム１０７は、例えば、図４に示すように導波管で形成することができる。導波管は金属で作られるため、端部の測定用アンテナ１０８を支えるアームとして好適である。また、導波管は伝送損失が小さいため、特にミリ波など高周波数帯において測定ダイナミックレンジを改善することができる。

測定用アンテナ１０８には、例えばホーンアンテナが使用される。

回転部１０４〜１０６は、回転モータ（図示せず）を有し、電波暗箱１０１の外部に設けられたモータ制御部１１２による制御に基づいて回転する。回転部１０４〜１０６は、その回転軸上に被測定用アンテナ１０９が位置するような箇所に設けられる。例えば、電波暗箱１０１を図１におけるｘｚ平面に平行な断面で見た場合、回転部１０４〜１０６と被測定用アンテナ１０９は図５に示すような位置関係になる。回転部１０５の回転軸はｙ軸に平行である。

また、電波暗箱１０１を図１におけるｘｙ平面に平行な断面で見た場合、回転部１０４〜１０６と被測定用アンテナ１０９は図６に示すような位置関係になる。回転部１０６の回転軸はｚ軸に平行である。

同様に、電波暗箱１０１を図１におけるｙｚ平面に平行な断面で見た場合、回転部１０４〜１０６と被測定用アンテナ１０９は図７に示すような位置関係になる。回転部１０４の回転軸はｘ軸に平行である。

なお、プローブ１１０及びプローブ保持部１０３が被測定用アンテナ１０９の後方に存在するため、被測定用アンテナ１０９の後方の領域では測定精度が低下する。そのため、回転部１０５、１０６は、それらが設けられる電波暗箱１０１の面内において、その面の中心よりＤＵＴ台１０２側に偏った位置に設けるようにしてもよい。これは、被測定用アンテナ１０９のＤＵＴ台１０２への設置が容易になる他、製作上のコストや設置スペースを削減できるという利点を有する。

また、回転部１０４〜１０６は、電波暗箱１０１内の給電アーム１０７と、電波暗箱１０１の外部の装置と接続することができる。例えば回転部１０４〜１０６は図８に示すような同軸導波管変換器１２１を有する構成にし得る。同軸導波管変換器１２１は、回転部１０４〜１０６に対して固定され、電波暗箱１０１内部の給電アーム（導波管）１０７と、電波暗箱１０１外部の同軸ケーブル１２２とを接続する。同軸導波管変換器１２１は導波管に比べて外形が大きく撓まないため、回転部に確実に固定することができる。

被測定用アンテナ１０９の放射特性を測定する場合、図９に示すように、給電アーム１０７を回転部１０４〜１０６を介して信号発生器１３１に接続し、プローブ１１０をスペクトラムアナライザ１３２に接続する。そして、回転部１０４〜１０６を回転させると共に、信号発生器１３１で発生させた信号を測定用アンテナ１０８から送信する。被測定用アンテナ１０９が受信した信号がスペクトラムアナライザ１３２によって、受信解析処理される。

また、図１０に示すように、給電アーム１０７を回転部１０４〜１０６を介してネットワークアナライザ１３３のポート１に接続し、プローブ１１０をネットワークアナライザ１３３のポート２に接続するようにしてもよい。

給電アーム１０７はクランク形状であるため、一端が回転部１０４〜１０６に取り付けられて回転すると、測定用アンテナ１０８は、被測定用アンテナ１０９との距離を一定に保ったまま被測定用アンテナ１０９の周囲を移動する。これにより、被測定用アンテナ１０９周囲角度に対する放射特性を測定することができる。また、給電アーム１０７は電波暗箱１０１の内壁に沿ったクランク形状であるため、被測定用アンテナ１０９から十分な距離をとることができ、給電アーム１０７が被測定用アンテナ１０９へ与える影響を低減できる。

また、電波暗箱１０１に設けられた扉から給電アーム１０７を異なる回転部１０４〜１０６へ取り付けることは容易に行えるため、被測定用アンテナ１０９に触れることなく、異なる複数のカット面の放射パターンを測定することができる。

例えば、給電アーム１０７の一端を、回転部１０４に取り付けて回転させることで図１１に示すように、ｙｚ平面での放射パターンを測定できる。同様に、給電アーム１０７の一端を、回転部１０５に取り付けて回転させることで図１におけるｘｚ平面での放射パターンが測定できる。また、給電アーム１０７の一端を回転部１０６に取り付けて回転させることで、図１２に示すようにｘｙ平面での放射パターンが測定できる。

このように、本実施形態に係るアンテナ放射特性測定装置によって、固定されたアンテナの放射特性を複数のカット面について容易かつ高精度に測定することができる。

上記実施形態ではクランク形状の給電アーム１０７を例に説明を行ったが、図１３に示すように給電アーム１０７を円弧状にしてもよい。給電アーム１０７が円弧状であっても、測定用アンテナ１０８と被測定用アンテナ１０９との間の距離を一定に保ったまま、被測定用アンテナ１０９周囲角度に対する放射特性を測定できる。

給電アーム１０７は、被測定用アンテナ１０９と測定用アンテナ１０８との間にアームが存在せず、回転によって被測定用アンテナ１０９と測定用アンテナ１０８との間の距離を一定に保つことができるものであれば、Ｕ字形状等のクランク形状や円弧状以外の形状にしてもよい。

電波暗箱１０１の内部の給電アーム１０７と、電波暗箱１０１の外部の装置とを接続するために、図１４に示すようなロータリージョイント１４１を回転部１０４〜１０６に対し固定して使用してもよい。ロータリージョイント１４１は電波暗箱１０１内部の給電アーム（導波管）１０７と、電波暗箱１０１外部の導波管１４２を接続する。ロータリージョイント１４１は電波暗箱１０１内部の回転に対して電波暗箱１０１外部が静止しているため、電波暗箱１０１外部における伝送路の機械的歪みや、電気性能の変動を抑制することができる。

給電アーム１０７は、図１５に示すように、クランク形状の導波管１５１と、導波管１５１の先端部に着脱自在となる短い導波管１５２とを有する構成にしてもよい。導波管１５２には図１６（ａ）に示すような直導波管又は図１６（ｂ）に示すような９０度ツイスト導波管を用いる。これにより、アーム１０７全体を着脱することなく、先端部の導波管１５２を交換するだけで、垂直・水平両偏波に対応できる。

また、導波管で構成された給電アーム１０７と測定用アンテナ１０８とをロータリージョイントを介して連結してもよい。これにより、ロータリージョイントをひねる（回転させる）だけで、アーム１０７全体を着脱することなく、垂直・水平両偏波に対応できる。

給電アーム１０７を導波管で形成する場合、図１７に示すような導波管を支持する支持部材１６１を設けるようにしてもよい。導波管は金属であるため、回転部１０４〜１０６に固定される端部に対するトルクで変形するおそれがあるが、このような支持部材１６１を設けることで、変形を防止し、回転角度精度やアンテナ間距離維持精度の低下を防止することができる。例えば支持部材１６１に凹状の溝１６２を設け、この溝１６２に給電アーム１０７を嵌合させる。

また、給電アーム１０７は、図１８に示すように、樹脂等で形成したアーム１７１に沿って同軸ケーブル１７２を設けた構成にしてもよい。伝送線路を同軸ケーブル１７２にすることで、高精度な金属加工が求められる導波管を給電アームにする場合と比較して、コストを削減できる。また、樹脂等で形成したアーム１７１を複数種類用意することで、アンテナ間距離の変更などに容易に対応できる。

給電アーム１０７の伝送線路を同軸ケーブル１７２にする場合、回転部１０４〜１０６に対し、電波暗箱１０１内部の同軸ケーブル１７２と電波暗箱１０１外部の同軸ケーブルを接続するロータリージョイントを固定して使用することが好適である。

給電アーム１０７を、電波暗箱１０１の内壁と同様に、電波吸収体で覆うようにしてもよい。また、給電アーム１０７が取り付けられていない回転部１０４〜１０６も電波吸収体で覆うようにしてもよい。また、プローブ保持部１０３を電波吸収体で覆うようにしてもよい。

ＤＵＴ台１０２は、図１９に示すように、主板１８１、副板１８２、及び樹脂ネジ１８３を有する構成としてもよい。主板１８１と副板１８２との間にスリット１８４を設け、このスリット１８４に被測定アンテナを実装した基板（図示せず）の端部を挟み込み、樹脂ネジ１８３を締めて固定する。これにより、被測定アンテナがＤＵＴ台１０２上に位置する場合と比較して、ＤＵＴ台１０２と被測定アンテナとの距離を大きくすることができるため、ＤＵＴ台１０２からの散乱波の影響を抑制することができる。

ＤＵＴ台１０２は被測定アンテナと近接しているため、電波吸収体で覆うことができない。従って、ＤＵＴ台１０２を比誘電率の低い素材、例えばテフロン（「テフロン」は登録商標）で作成し、ＤＵＴ台１０２からの散乱波の影響を抑制することが好適である。

上記実施形態では、給電アーム１０７の先端に固定されたアンテナ（測定用アンテナ１０８）からＤＵＴ台１０２に固定されたアンテナ（被測定用アンテナ１０９）へ信号を送信していたが、送受信を逆にし、ＤＵＴ台１０２に固定されたアンテナから給電アーム１０７の先端に固定されたアンテナへ信号を送信するようにしてもよい。

（第２の実施形態）図２０に本発明の第２の実施形態に係る電磁波測定装置の概略構成を示す。本実施形態に係る電磁波特性測定装置は、図１に示す上記第１の実施形態に係る電磁波測定装置にさらに、顕微鏡２０１及び顕微鏡２０１を支持する支持部２０２を備えた構成となっている。支持部２０２は、顕微鏡２０１を垂直方向に移動させることができる垂直方向移動機構を有する。垂直方向移動機構は、顕微鏡２０１の移動距離を、粗調及び微調することができる。なお、支持部２０２は、顕微鏡２０１を水平方向に移動させることができる水平方向移動機構を有していてもよい。

また、電波暗箱１０１の上面には、顕微鏡２０１を電波暗箱１０１内部へ挿入できる開閉可能な挿入口２０３が設けられている。挿入口２０３はＤＵＴ台１０２の被測定用アンテナ１０９が保持される領域の上方に設けられる。

なお、顕微鏡２０１、支持部２０２、及び挿入口２０３以外の構成については上記第１の実施形態と同様であるため、同じ参照番号を付して説明を省略する。

顕微鏡２０１は、プローブ１１０の先端の微細な針が、被測定用アンテナ１０９を実装したチップ上に形成されたコンタクトパッドに接触したか否かを確認するものである。顕微鏡２０１は、電波暗箱１０１外部のモニタ（図示せず）に接続され、顕微鏡画像がモニタに映し出される。操作者は、モニタ画面によってプローブ１１０の接触状況を確認できる。

顕微鏡２０１の焦点距離は一般に数ｍｍ〜数十ｍｍ程度である。そのため、支持部２０２の移動機構を用いて、挿入口２０３を介して顕微鏡２０１を電波暗箱１０１内部に挿入し、ピントを調節する。

プローブ１１０の先端の針をコンタクトパッドに接触させる作業をモニタ画面を見ながら行うことができるため、作業効率を向上させることができる。

被測定用アンテナ１０９の放射特性を測定する時は、顕微鏡２０１を電波暗箱１０１の外部に退避させ、挿入口２０３を閉じる。これにより、顕微鏡２０１による散乱波の発生や、顕微鏡２０１と給電アーム１０７との衝突を防止できる。

このように、本実施形態に係るアンテナ放射特性測定装置によって、固定されたアンテナの放射特性を複数のカット面について容易かつ高精度に測定することができる。また、微細なプローブ針をチップのコンタクトパッドに接触させる作業をさらに効率良く行うことができる。

上記第１、第２の実施形態に係る電磁波測定装置は、アンテナ放射特性の測定だけでなく、例えば電磁ノイズの測定に用いることができる。

なお、本発明は上記実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で構成要素を変形して具体化できる。また、上記実施形態に開示されている複数の構成要素の適宜な組み合わせにより、種々の発明を形成できる。例えば、実施形態に示される全構成要素から幾つかの構成要素を削除してもよい。さらに、異なる実施形態にわたる構成要素を適宜組み合わせてもよい。

本発明の第１の実施形態に係る電磁波測定装置の概略構成図である。プローブの構成の一例を示す図である。プローブとチップ上のコンタクトパッドとの接触の様子を示す図である。給電アームの構成例を示す図である。回転部と被測定用アンテナの位置関係を示す図である。回転部と被測定用アンテナの位置関係を示す図である。回転部と被測定用アンテナの位置関係を示す図である。回転部の構成の一例を示す図である。同第１の実施形態に係る電磁波測定装置のアンテナ放射特性測定時の構成の一例を示す図である。同第１の実施形態に係る電磁波測定装置のアンテナ放射特性測定時の構成の一例を示す図である。給電アームの回転の一例を示す図である。給電アームの回転の一例を示す図である。給電アームの構成例を示す図である。回転部の構成の一例を示す図である。給電アームの構成例を示す図である。直導波管及び９０度ツイスト導波管の概略構成図である。給電アームの構成例を示す図である。給電アームの構成例を示す図である。ＤＵＴ台の構成例を示す図である。本発明の第２の実施形態に係る電磁波測定装置の概略構成図である。

１０１電波暗箱
１０２ＤＵＴ台
１０３プローブ保持部
１０４〜１０６回転部
１０７給電アーム
１０８測定用アンテナ
１０９被測定用アンテナ
１１０プローブ
１１１開口
１１２モータ制御部
１１３半導体チップ
１１４コンタクトパッド
１２１同軸導波管変換器
１２２同軸ケーブル
１３１信号発生器
１３２スペクトラムアナライザ
１３３ネットワークアナライザ
１４１ロータリージョイント
１４２、１５１導波管
１５２短い導波管
１６１支持部材
１６２溝
１７１アーム
１７２同軸ケーブル
１８１ＤＵＴ台主板
１８２ＤＵＴ台副板
１８３樹脂ネジ
２０１顕微鏡
２０２支持部
２０３挿入口

Claims

内面が電波吸収体で覆われた電波暗箱と、
前記電波暗箱の第１面に設けられた開口から前記電波暗箱の内部に挿入され、第１のアンテナを支持する支持台と、
前記支持台上に設けられ、前記第１のアンテナへの給電を行うプローブを保持する保持部と、
前記電波暗箱の前記第１面とは異なる複数の面にそれぞれ設けられた回転可能な回転部と、
一端が前記複数の面のそれぞれに設けられた前記回転部に着脱自在であり、他端に前記第１のアンテナへ信号を送信するか、又は前記第１のアンテナからの信号を受信する第２のアンテナを保持し、前記第２のアンテナへの給電を行う給電アームと、
を備え、
前記給電アームの前記一端は各回転部のいずれかに取り付けられることを特徴とする電磁波測定装置。
前記給電アームはクランク形状であることを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記給電アームは導波管で形成されることを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記給電アームは、
一端が前記回転部に着脱自在な第１の導波管と、
一端が前記第１の導波管の他端に着脱自在であり、他端が前記第２のアンテナに着脱自在であり、前記第１の導波管より短い第２の導波管と、
を有することを特徴とする請求項３に記載の電磁波測定装置。
前記第２の導波管は、直導波管又は９０度ツイスト導波管であることを特徴とする請求項４に記載の電磁波測定装置。
前記回転部に対して固定された、前記給電アームと前記電波暗箱の外部の同軸ケーブルとを接続可能な同軸導波管変換器をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の電磁波測定装置。
前記回転部に固定可能であり、前記給電アームを支持する支持部材をさらに備えることを特徴とする請求項３に記載の電磁波測定装置。
前記回転部に対して固定された、前記給電アームと前記電波暗箱の外部の伝送線路とを接続可能なロータリージョイントをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記給電アームは、
樹脂で形成されたアーム部と、
前記アーム部に沿って設けられ前記第２のアンテナに接続される同軸ケーブルと、
を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記回転部に対して固定された、前記同軸ケーブルと前記電波暗箱の外部の同軸ケーブルとを接続可能なロータリージョイントをさらに備えることを特徴とする請求項９に記載の電磁波測定装置。
前記給電アームの前記他端と前記第２のアンテナとを接続するロータリージョイントをさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記支持台は、前記第１のアンテナが実装された基板の端部を狭持するスリット部を有することを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
前記電波暗箱の前記第１面とは異なる面に設けられた開閉可能な第２の開口を介して前記電波暗箱の内部への挿入及び前記電波暗箱の外部への退避が可能な顕微鏡をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の電磁波測定装置。
内面が電波吸収体で覆われた電波暗箱、
前記電波暗箱の第１面に設けられた開口から前記電波暗箱の内部に挿入された支持台、
前記支持台上に設けられ、給電を行うプローブを保持する保持部、
前記電波暗箱の前記第１面とは異なる複数の面にそれぞれ設けられた回転可能な回転部、及び
一端が前記回転部に着脱自在であり、他端に保持したアンテナへの給電を行う給電アームを備える電磁波測定装置を用いた電磁波測定方法であって、
前記支持台に第１のアンテナを配置し、
前記給電アームの前記他端に第２のアンテナを配置し、
前記給電アームの前記一端を第１の回転部に取り付け、
前記第１のアンテナに前記プローブを接触させ、
前記第１の回転部を回転させると共に前記第２のアンテナから信号を送信し、
前記第１のアンテナで受信した信号の受信処理を行い、
前記給電アームの前記一端を第２の回転部に付け替え、
前記第２の回転部を回転させると共に前記第２のアンテナから信号を送信し、
前記第１のアンテナで受信した信号の受信処理を行う、
電磁波測定方法。