JP6028964B2

JP6028964B2 - ニアフィールド測定装置

Info

Publication number: JP6028964B2
Application number: JP2012137992A
Authority: JP
Inventors: 光明織笠; 藤野　義之; 義之藤野
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2012-06-19
Filing date: 2012-06-19
Publication date: 2016-11-24
Anticipated expiration: 2032-06-19
Also published as: JP2014002065A

Description

この発明は、Ｋバンド以上のマイクロ波、つまり１８ＧＨｚ以上の電波放射器から放射される電波の受信地点、つまりファーフィールド（far-field）での電界強度を推定するために、上記電波放射器に比較的近い領域、つまりニアフィールド（near-field）での、前記電波の電界分布あるいは位相差を測定するためのプローブをもったニアフィールド測定装置に関する。

ＮＦＭ装置（ニアフィールド測定装置）で電波放射器から放射されるＫバンド以上のマイクロ波より高周波数の電波の円偏波成分を測定する場合、従来は、直交する直線偏波成分、例えば垂直成分（Ｖ）と水平成分（Ｈ）、を個別に測定し、それらの測定値を合成して円偏波のパターンを求めることが行われている。

従来のＮＦＭ装置の例を図１に示す。この装置を用いた測定においては、一般に矩形断面を持った導波管プローブ４が使われ、電界や位相（あるいは位相差）を測定しようとする面（以降、スキャン領域）６を前記導波管プローブでスキャンすることで、その電界分布や位相分布を描画していた。この測定においては、上記Ｖ偏波／Ｈ偏波各成分は、一方の測定後に偏波軸（またはＰＯＬ）ポジショナ３を用いて上記導波管プローブ４の偏波特性を電気または磁気的にあるいは機械的に９０°回転させて再スキャンするか、上記スキャンにおける各測定点で上記回転を繰り返しながら上記スキャン領域をスキャンすることが行われている。特に偏波軸ポジショナについては、図２（ａ）に示す。

よく知られているように導波管は通常、固定された状態で使用される。測定精度を落とさないように導波管またはその偏波特性を回転することは、通常困難なことであり、これを可能とすることで何らかの短所を内包する構成となってしまう。

従来のＮＦＭ装置においては、例えば図２（ｂ）に示すように、Ｖ偏波／Ｈ偏波各成分測定時の導波管プローブの位置がずれてしまい、その結果、図３に示すように、Ｈ偏波スキャン領域とＶ偏波スキャン領域とにずれが生じてしまい、同一測定点での測定値とならない、という問題が生じている。このずれの影響は、特に波長が短い場合に顕著になる。これは、上記ずれの波長に対する比率が大きくなるためであり、また、導波管サイズが小さくなり、その外壁を薄くする必要があるため、上記導波管プローブの機械的強度が、測定電波がより短波長になるに従って、より低下する傾向にあり、使用者の不注意によって湾曲し易くなるためでもある。

９４．０５ＧＨｚ（波長は約３．２ｍｍ）で、コニカルホーンアンテナから放射した右旋円偏波のニアフィールドでの測定例を、図７（ａ）、（ｂ）に、それぞれ、水平偏波成分（Ｈ偏波）と垂直偏波成分（Ｖ偏波）を示す。それぞれを測定する際、上記偏波軸ポジショナによる偏波面の回転によって導波管プローブを上記のように回転して測定したものである。この際、上記導波管プローブの先端断面の中心が上記回転の回転中心と一致しない場合や、上記回転によって前記先端断面の法線方向が変化したり、プローブの湾曲が変化したりする場合がある。

このように、従来は、例えば円偏波アンテナの特性測定をＮＦＭで実施する場合、プローブを、Ｈ偏波用の設定、Ｖ偏波用の設定と変えて各偏波のデータを取得する。しかし、各偏波用の設定は、従来、プローブ回転軸回りに偏波面を回転する回転ポジショナ（つまり偏波軸ポジショナ）で導波管の偏波特性を回転軸回りに回転させて行うものであった。このためミリ波、特にＫバンド以上の高周波領域で、プローブ位置の設定誤差は、より高周波数になるに従って、その波長に対する比率が顕著になる。特に、位相に関する誤差が顕著になる。

そこで、本発明では、簡単な構成で、Ｈ偏波用Ｖ偏波用それぞれの設定において正確にプローブの先端位置を計測し、その計測結果をもとに放射分布あるいは測定領域を補正する。つまり、本発明は、プローブの先端位置を充分に高精度で測定する機能を備えた、ニアフィールド測定装置を提案するものである。

本発明のニアフィールド測定装置は、
電波放射器から放射される電波を検出するプローブを備え、前記電波放射器あるいは前記プローブを相対的に決められた所定の測定領域内の異なる複数地点で用いて電界強度情報あるいは位相差情報を含む情報を検出値として出力する電波放射分布測定装置であって、
前記プローブあるいは前記電波放射器は、偏った偏波特性をもつものであり、
偏った偏波特性をもつ前記プローブあるいは前記電波放射器の偏波特性を少なくとも４分の１回転分回転することができる偏波特性回転手段と、
前記プローブあるいは前記電波放射器の偏波特性の回転によって生じる上記プローブの検出部の中心点あるいは前記電波放射器の放射の中心点の変位を測定することのできる非接触変位測定手段と、を備え、
上記検出値は、上記プローブあるいは前記電波放射器を４分の１回転分回転する前の検出値Ａと後の検出値Ｂを含むものであり、
上記変位の測定値を出力するか、あるいは、
上記変位の測定値で補正した上記電界強度情報あるいは位相差情報を出力するか、あるいは、上記変位分については上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域または上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域の位置を補正することで、上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域と上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域との相対的ずれを解消した検出値を出力するものである。

上記プローブの検出部はその先端部にあり、上記プローブは実質的に、矩形または円形導波管を切断した放射器、ホーンアンテナ、ダイポールアンテナ、あるいはスリットアンテナである。

上記偏波特性回転手段は、上記プローブの検出部はその先端部にあり、少なくともその先端部を機械的に回転することで偏波特性を回転するものである。

また、上記非接触変位測定手段は、上記プローブの先端部にある検出部の光の結像位置の解析によって、あるいはレーザビームを上記検出部に照射してその位置解析を行い、上記の偏波特性の回転によるその検出部の変位を検出可能な光学的非接触変位測定手段である。

本発明を適用することによって、Ｋバンド以上の電波放射器から放射される電波の、ニアフィールドにおける電界強度を抑制された誤差で測定することができるようになり、ニアフィールドにおける電界強度の測定データからファーフィールドである受信地点での電界強度をより少ない誤差で推定することができるようになる。

従来のＮＦＭ装置の例を示す図である。（ａ）は、偏波軸ポジショナを示す図である。（ｂ）は、従来のＮＦＭ装置においては、Ｖ偏波／Ｈ偏波各成分測定時の導波管プローブの位置がずれてしまうことを示す図である。Ｈ偏波スキャン領域とＶ偏波スキャン領域とにずれが生じることを示す図である。Ｋバンド以上のマイクロ波、つまり１８ＧＨｚ以上の高周波領域で用いるのに適した本発明のニアフィールド測定装置の例を示す図である。導波管プローブ４の先端部を見易くするための構成例を示す図である。自動レベルを用いた導波管プローブの先端部位置の測定例で、（ａ）はＸ−Ｙ面の計測、（ｂ）はＹ−Ｚ面の計測について示す図である。９４．０５ＧＨｚ（波長は約３．２ｍｍ）で、コニカルホーンアンテナから放射した円偏波の測定例を示す図である。Ｖ偏波とＨ偏波でプローブの位置がずれた場合に、（ａ）は、Ｈ−ｐｏｌの点とＶ−ｐｏｌの点からの放射した電波の遠方界での合成時における経路差ｄｌを示し、（ｂ）は、Ｈ偏波スキャン範囲とＶ偏波スキャン範囲が異なっているとき、各偏波が遠方界で合成される際の経路差を示す図である。アンテナの放射方向を示すアジマス角、エレベーション角を示す図である。測定およびそれを補正した円偏波パターンの例を示す図で、（ａ）は、補正をしないときの正偏波（ＲＨＣＰ＝右旋円偏波）のパターンを示し、（ｂ）は、Ｖ偏波の遠方界パターンデータに対してプローブ位置の補正をして新たなＶ偏波データを求め、このＶ偏波データと、上記Ｈ偏波データから円偏波合成した結果を示す図である。また、交差偏波（ＬＨＣＰ＝左旋円偏波）について、（ｃ）に補正なしのパターンを、（ｄ）に補正後のパターンを示す。受信アンテナの特性を測定するための設定を示す図で、図４の上記プローブの代わりに所定の電波放射器を用い、これに送信器から給電し、図４の電波放射器の代わりに受信アンテナを用い、この受信アンテナに受信器を接続した構成を示す図である。この場合は、電波放射器を９０度回転して、偏波方向を９０度変える。

以下に、この発明の実施の形態を図面に基づいて詳細に説明する。以下の説明においては、同じ機能あるいは類似の機能をもった装置に、特別な理由がない場合には、同じ符号を用いるものとする。

図４に、Ｋバンド以上の高周波領域で用いるのに適した本発明のニアフィールド測定装置の例を示す。矩形の断面形状を持った導波管プローブ４は、偏波軸ポジショナ３でその偏波特性を少なくとも４分の１回転分回転することができる。また、水平軸駆動部１と垂直軸駆動部２によってスキャナが構成され、これによって偏波軸ポジショナ３の位置を変えることができ、この結果、導波管プローブ４の先端部分は、スキャン領域６をスキャンすることやスキャン位置に、水平軸駆動または垂直軸駆動上のオフセットを与えることができるようになっている。また、背景雑音が無視できない場合は、このニアフィールド測定装置は、電波暗室内に設置する。

導波管プローブ４が検出する電波は、送信機９からの給電によって電波放射器８から放射される電波であり、通常は、上記スキャン領域６の中心に上記電波放射器８の指向性中心が向けられる。上記で検出された電波は、受信機７に送られ、データ処理部１０で、送信機９からの信号と受信機７からの信号を比較することによって、スキャン領域における電界強度情報や位相差情報を取得する。これらの測定は、電波暗室内で行われることが望ましく、スキャン領域６の裏手あるいは床面には、電波吸収壁５設けて、反射された電波による悪影響を抑制することが望ましい。

また、導波管プローブ４の先端部位置あるいは位置の変位は、非接触変位測定手段１１によって測定する。この測定値は、読取機１２によって、デジタルの位置データに変換され、データ処理部１０において、送信信号、受信信号および上記位置データを関連付けることにより、Ｈ偏波用とＶ偏波用とのそれぞれの設定における導波管プローブ４の先端位置またはその変位による補正が可能となる。また、上記読取機１２については、水平軸駆動部１と垂直軸駆動部２を用いて導波管プローブ４の位置を変え、非接触変位測定手段１１で位置の一致不一致を検出し、水平軸駆動部１と垂直軸駆動部２のそれぞれの位置の読みをもって、代用することができる。
これによって導波管プローブ４による検出値は、前記電波放射器を４分の１回転分回転する前の検出値Ａと後の検出値Ｂを含むことになる。また、上記のようにプローブを回転することによって、その先端部分が変位するが、データ処理部１０は、この変位の測定値、あるいは、
上記変位分については上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域または上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域の位置を補正することで、上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域と上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域との相対的ずれを解消した検出値、を出力するように設定される。

非接触変位測定手段１１としては、例えば自動レベルとしてよく知られた望遠鏡型のものでもよく、あるいは３次元スキャナ型のものでもよい。また、上記の望遠鏡型のものや３次元スキャナ型のものでは充分な精度が得られない場合は、レーザ干渉計型の変位測定器を用いることで、より正確な変位を求めることができる。

また、導波管プローブ４の壁面が薄い金属箔で構成される場合は、非接触変位測定手段１１の視界に導波管プローブ４の先端部を補足することは、一般に困難である。このため、図５に示すように、導波管プローブ４の先端部の外壁側に、蛍光物質、燐光物質あるいは高反射物質などによるマーカー２２を設けておき、照明装置２０からの光を照射する。このマーカーとして用いる物質は、測定しようとする波長帯における高周波損の少ないものを選択することが当然望ましい。

次に、取得したプローブ位置ずれとＶ偏波／Ｈ偏波の放射分布から円偏波を求める手法について説明する。

［プローブ位置の計測］
以下では、Ｈ偏波を基準に測定する例を示す。このようにＨ/Ｖいずれかの偏波を基準にするのは、ミスがないようにするためである。

（１）Ｘ−Ｙ面の計測
図６（ａ）に示すように、Ｘ−Ｙ面内の測定は、例えば自動レベルを用いてスコープから覗き、そのスコープの視野の中心に導波管プローブが来るようにポジショナを走査してその時のスキャナ位置を読み取る。Ｖ偏波／Ｈ偏波両方について実施し、それら間の差異を記録する。

（２）Ｙ−Ｚ面の計測
Ｈ偏波の位置を図６（ｂ）のように自動レベルのスコープの視野の中心に合わせる。その時のスキャナ位置を読み取る。次にＶ偏波にして上記（１）Ｘ−Ｙ面の計測、で計測した上記位置の差異を考慮してプローブ位置を移動させる（ＸとＹの値が一致する）。
次にＶ偏波のプローブ先端位置と自動レベルのスコープの十字線位置との差異を計測する。

［電界パターン測定］
電界分布測定は、通常通りＶ偏波／Ｈ偏波を測定し、放射分布をそれぞれの偏波で求める。また、各偏波の分布データを保存する。測定例を図７に示す。これは、９４．０５ＧＨｚ（波長は約３．２ｍｍ）で、コニカルホーンアンテナから放射した円偏波の測定例を示す図である。

データ処理については、以下の様に進める。
（１）保存したＶ偏波／Ｈ偏波データをもとにＶ偏波データに位置測定誤差の補正をする。
（２）Ｈ偏波データと補正したＶ偏波データを用いて円偏波分布を求める。このためのプログラムは既に市販されており、それらを活用することで、円偏波分布を容易に求めることができる。
（３）求めた分布データをコンタ表示ソフトなどで確認する。

［プローブ位置とスキャナ座標系］
プローブの移動は、Ｘ−Ｙ面内の移動だけではなく、Ｚ軸方向についても生じる。たとえば、ＰＯＬポジショナがスキャナに対して斜めに取り付けられた場合などが考えられる。その時は、Ｚ軸方向のＶとＨでの差異を計測して補正に反映することになる。この場合はスキャン領域と垂直であるＺ軸方向の誤差として与えることができる。この誤差は方向が座標系と放射方向が一致していることからこのまま検討ができる。

Ｖ偏波とＨ偏波でプローブの位置がずれた場合、図８（ａ）に示すようにｎ番目の水平偏波成分（Ｈ−ｐｏｌ）データに対してｎ番目の垂直偏波成分（Ｖ−ｐｏｌ）データがＤｎだけ離れて計測されているとする。放射方向のベクトルＰとすると、Ｈ−ｐｏｌの点とＶ−ｐｏｌの点からの放射した電波の遠方界での合成時における経路の差異ｄｌはＰとＤｎの内積をとり、次のように示される。

これを位相差で示すと、次のようになる。

この位相差は測定したときの位置のシフト量（Ｈ偏波を基準とするとＶ偏波がシフトすると考える）から求められる。

また、図８（ｂ）に示すようにＨ偏波スキャン範囲とＶ偏波スキャン範囲が異なっているとき、ある点（たとえば原点Ｏ）を中心として各偏波の遠方界が求められるとする。例えば、市販のＮＳＩ２０００の測定装置での計算はスキャン範囲は同じ位置として扱っており、Ｈ偏波とＶ偏波で同じ位相中心Ｏから放射されているとして計算される。

本来、図８（ａ）に示すようにスキャン範囲がずれているので、中心Ｏからの距離もＨ偏波とＶ偏波で異なるはずで、これを考慮しなければならない。Ｈ偏波、Ｖ偏波と独立に遠方界パターンを求めたときは各偏波のパターンに対し、その分位相中心もずれたものとして扱う必要がある。たとえばＨ偏波とＶ偏波のスキャン領域の相対差がＤａのとき、Ｈ偏波用アンテナとＶ偏波用アンテナがあると考えると、図８（ｂ）に示すようにＨ偏波に対しＶ偏波の位相が距離ｄｌ（ディーエル）分だけずれているはずである。したがってＶ偏波にその分の位相差δを補正させる必要がある。そのため、位相差δから次のようにＶ偏波データを補正して円偏波合成をする。

以上のことを考慮して合成される円偏波は、正偏波、交差偏波について、それぞれ、次の様になる。

［ベクトル算出の検討］
（１）位置誤差ベクトルＤａ
測定装置は始めにＨ偏波を測定し、次にＶ偏波を測定するのが標準で、基準もＨ偏波に取ることが望ましい。
測定はプローブの位置をスキャナの位置表示機能を利用して、
Ｈ偏波位置：ｘ，ｙ座標の読み取り値、ｚ座標はゼロとする、
Ｖ偏波位置：ｘ，ｙ座標の読み取り値、ｚ座標は別途測定する、
ことを行って、各成分の差を求める。

平面スキャンでは位置誤差は各測定ポイント対しＤｎとすると全て同じになり、次のようになる。

（２）放射方向ベクトルＰ
図９を参照して、アンテナの放射方向を次のように定義する（elevation over azimuth）。
アジマス角：θ_Az Ｚ軸からの角度、
エレベーション角：θ_El Ｘ−Ｚ面内からＹ軸方向への角度。
Ｚ軸方向の単位ベクトルが与えられ、アジマス角θ_Azが与えられるとベクトルは、Ｘ−Ｚ面内を回転して、Ｐ′の位置に行くそのため各Ｐ′の成分は、次のようになる。

さらにエレベーション角θ_Alが与えられてＰの方向を向いたときの各座標成分は、次式で与えられる。

これが放射方向のベクトルである。

測定した円偏波パターンの例を図１０（ａ）から（ｄ）に示す。
Ｈ偏波／Ｖ偏波それぞれの偏波の遠方界（ファーフィールド）分布を求め、それをもとに円偏波合成をする。図１０（ａ）は、補正をしないときの正偏波（ここではＲＨＣＰ＝右旋円偏波）のパターンを示す。エレベーション方向に山が３つほどできている。図１０（ｂ）は、Ｖ偏波のファーフィールド分布データに対してプローブ位置の補正をして新たなＶ偏波データを求め、このＶ偏波データと、上記Ｈ偏波データから円偏波合成した結果である。山は一つとなり、放射分布も妥当なものとなった。
交差偏波（ＬＨＣＰ＝左旋円偏波）についても同様に図１０（ｃ）に補正なしの放射分布を、図１０（ｄ）に補正後の放射分布を示す。上記正偏波と同様に補正無しでは山が多く見られるが、補正することで、単峰性の特性となり、円偏波特性が分かる。ここで等高線パターンは相対値を示しているが、基準を正偏波のピークとしている。

上記の説明においては、電波放射器を固定し、プローブを所定の測定範囲で移動させて、電界強度や位相に関する測定を行う構成の装置を用いている。これは、電波放射の際のニアフィールド特性を測定するものであるが、一般に、電波放射器は、受信アンテナとしても使用できることから、本発明を、受信アンテナの特性を測定する設定とすることは容易である。例えば、図４の上記プローブを電波放射器として用いこれに送信器から給電し、図４の電波放射器をプローブとして用いこのプローブに受信器を接続した図１１の構成とする。この場合は、電波放射器を９０度回転して、偏波方向を９０度変える。
図１１においては、受信アンテナ側を固定し、電波放射器側が所定の測定領域をスキャンするものであるが、受信アンテナとしてのプローブを必ずしも固定する必要はなく、受信アンテナ側を動かして、相対的にみて電波放射器が所定の測定領域をスキャンするようにしてもよいことは明らかである。これらの両方を相対的に移動させることによって、絶対的にみたスキャン領域を小さくすることができる。

また、本発明は、測定対象として円偏波の電波放射器に限定する必要はなく、直線偏波や楕円偏波などの偏波型の電波放射器に適用して、所定の偏波以外の偏波出力特性を測定する際にも用いることができるのは当然のことである。

１水平軸駆動部
２垂直軸駆動部
３偏波軸ポジショナ
４プローブ
５電波吸収壁
６スキャン領域
７受信機
８電波放射器
９送信機
１０データ処理部
１１非接触変位測定手段
１２読取機
２０照明装置
２２マーカー

Claims

電波放射器から放射される電波を検出するプローブを備え、前記電波放射器あるいは前記プローブを相対的に決められた所定の測定領域内の異なる複数地点で用いて電界強度情報あるいは位相差情報を含む情報を検出値として出力する電波放射分布測定装置であって、
前記プローブあるいは前記電波放射器は、偏った偏波特性をもつものであり、
偏った偏波特性をもつ前記プローブあるいは前記電波放射器の偏波特性を少なくとも４分の１回転分回転することができる偏波特性回転手段と、
前記プローブあるいは前記電波放射器の偏波特性の回転によって生じる上記プローブの検出部の中心点あるいは前記電波放射器の放射の中心点の変位を測定することのできる非接触変位測定手段と、を備え、
上記検出値は、上記プローブあるいは前記電波放射器を４分の１回転分回転する前の検出値Ａと後の検出値Ｂを含むものであり、
上記変位の測定値を出力するか、あるいは、
上記変位の測定値で補正した上記電界強度情報あるいは位相差情報を出力するか、あるいは
上記変位分については上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域または上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域の位置を補正することで、上記電波放射器を４分の１回転分回転する前の測定領域と上記電波放射器を４分の１回転分回転した後の測定領域との相対的ずれを解消した検出値を出力するものであることを特徴とするニアフィールド測定装置。
上記検出部はその上記プローブの先端部にあり、矩形または円形導波管を切断した放射器、ホーンアンテナ、ダイポールアンテナ、あるいはスリットアンテナであることを特徴とする請求項１に記載のニアフィールド測定装置。
上記偏波特性回転手段は、上記プローブの検出部はその先端部にあり、少なくともその先端部を機械的に回転することで偏波特性を回転するものであることを特徴とする請求項２に記載のニアフィールド測定装置。
上記非接触変位測定手段は、上記プローブの先端部にある検出部の光の結像位置の解析によって、あるいはレーザビームを上記検出部に照射してその位置解析を行い、上記の偏波特性の回転によるその検出部の変位を検出可能な光学的非接触変位測定手段であることを特徴とする請求項１から３のいずれか１つに記載のニアフィールド測定装置。