JP7033008B2 - 近傍界測定装置及び近傍界測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、近傍界測定装置及び近傍界測定方法に関し、特に、アンテナの特性を近傍界測定法を用いて測定する近傍界測定装置及び近傍界測定方法に関する。

アンテナの指向性を算出するため、アンテナの電界強度分布を近傍界領域で近傍界測定法（Near Field Measurement：ＮＦＭ）により測定する装置として、図８に示すように、被測定アンテナ２００の近傍で測定用アンテナ３１を走査し、２次元の測定平面Ｐ内の近傍の電界を測定する近傍界測定装置１０が提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。

ＮＦＭは、アンテナ近傍における電磁界の位相及び振幅を測定し、電磁界理論に基づいた計算処理（２次元逆フーリエ変換処理）を行うことで、被測定アンテナの遠方界での指向性を算出する手法である。

従来、ＮＦＭでは、位相及び振幅を同時に測定可能なＶＮＡ（Vector Network Analyzer）３２が用いられていたため、基本的には単一周波数の信号（ＣＷ信号）を用いて測定することが一般的であった。

しかしながら、従来のＮＦＭではＶＮＡ３２を被測定アンテナ２００に接続して測定を行うため、アンテナと一体化した基地局に対しては指向性の測定が困難であった。また、Massive MIMO（Multiple-Input Multiple-Output）と呼ばれるアレーアンテナは、多数のアンテナ素子から構成されているため、実装面積やコストの点から、ＶＮＡ３２を接続可能なアンテナコネクタを設けず、アンテナが一体化した基地局設計が主流となると考えられる。

そのため、ＶＮＡ３２などの測定器をアンテナに接続する測定ではなく、アンテナから単一周波数のＣＷ（Continuous Wave）信号を送信し、それをＳＡ（Spectrum Analyzer）などの測定器を用いて受信することで、指向性算出に必要な近傍界の位相・振幅情報を得る手法が研究されている。

特開２０１１－１９６７６３号公報 特許第３４９１０３８号公報

しかしながら、ＣＷ信号を用いる上記の方法では、一度に単一周波数におけるアンテナの指向性しか算出できない。例えば、次世代無線方式（５Ｇ）では１００ＭＨｚを超える広帯域な信号の利用が検討されており、アンテナの指向性の周波数特性の把握も重要となるが、ＣＷ信号を用いた測定では、アンテナの指向性の周波数特性を算出するためにＣＷ信号の周波数を変えながら繰り返し測定する必要があり、非効率であるという課題がある。

本発明は、このような従来の課題を解決するためになされたものであって、被測定アンテナの近傍界での振幅分布及び位相分布を、測定信号の切り替えを行うことなく広帯域にわたって取得できる近傍界測定装置及び近傍界測定方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明に係る近傍界測定装置は、サブフレームが時系列に複数並んで１フレームが構成され、前記サブフレームが複数のサブキャリアに既知の基準信号を含むマルチキャリア信号を送信する被測定アンテナに対して近傍界測定を行う近傍界測定装置であって、前記マルチキャリア信号を受信するプローブアンテナと、前記プローブアンテナを近傍界の測定平面上で移動させるプローブ走査機構と、前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナが連続的に移動されている状態で、前記プローブアンテナで受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する受信処理を行う受信部と、前記マルチキャリア信号が前記プローブアンテナにより受信された際の前記測定平面上における前記プローブアンテナの位置と、時系列に並んだ各前記サブフレームとを対応付けて前記複素ベースバンド信号を記憶する記憶部と、前記記憶部に記憶された前記複素ベースバンド信号から、各前記サブフレームの前記複数のサブキャリアに含まれる前記受信処理後の基準信号を抽出する抽出部と、前記抽出部により抽出された前記受信処理後の基準信号の、前記既知の基準信号に対する振幅変動量及び位相変動量を算出する振幅位相変動量算出部と、前記振幅位相変動量算出部により算出された前記振幅変動量と、前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出する振幅位相算出部と、を備える構成である。

この構成により、本発明に係る近傍界測定装置は、被測定アンテナの近傍界での振幅分布及び位相分布を測定信号を切り替えることなく広帯域にわたって取得することができる。

また、本発明に係る近傍界測定装置においては、前記プローブ走査機構は、前記プローブアンテナを第１の軸、又は、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って移動させる機構を有し、前記受信部は、前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナを前記第１の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる走査を前記第２の軸の複数の箇所について繰り返す第１の走査と、前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナを前記第２の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる第２の走査と、のいずれかが実行されている状態で、前記マルチキャリア信号を前記複素ベースバンド信号に変換し、前記第１の走査に関して前記振幅位相変動量算出部により算出された前記位相変動量を、前記第２の走査に関して前記振幅位相変動量算出部により算出された前記位相変動量に応じて補正する位相結合部を更に備え、前記振幅位相算出部は、前記振幅位相変動量算出部により算出された前記振幅変動量と、前記位相結合部により補正された前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出する構成であってもよい。

また、本発明に係る近傍界測定装置においては、前記マルチキャリア信号がＯＦＤＭ信号であってもよい。

この構成により、本発明に係る近傍界測定装置は、ＯＦＤＭ信号の複数のサブキャリアに含まれる基準信号を用いて近傍界測定を行うことができる。

また、本発明に係る近傍界測定装置においては、前記抽出部は、前記第１の軸の方向又は前記第２の軸の方向への走査ラインごとに得られた前記複素ベースバンド信号の系列を前記記憶部から読み出し、読み出した前記複素ベースバンド信号の系列のＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを推定することにより、各前記サブフレームの先頭位置を検出する先頭位置検出部と、前記先頭位置検出部により検出された前記先頭位置に基づいて、前記サブフレームごとにＯＦＤＭシンボルを切り出し、切り出した前記ＯＦＤＭシンボルに対してＦＦＴ処理を行うことにより、前記受信処理後の基準信号を抽出するＦＦＴ処理部と、を含む構成であってもよい。

この構成により、本発明に係る近傍界測定装置は、被測定アンテナから送信されたＯＦＤＭ信号の複素ベースバンド信号から、複数のサブキャリアに含まれる基準信号を抽出することができる。

また、本発明に係る近傍界測定装置においては、前記先頭位置検出部は、前記記憶部に記憶された前記複素ベースバンド信号の系列の中で、前記第１の軸の方向又は前記第２の軸の方向への走査ラインごとに最も振幅の大きいデータを含む所定範囲のデータに対して、ＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを推定する構成であってもよい。

この構成により、本発明に係る近傍界測定装置は、被測定アンテナから送信されたＯＦＤＭ信号に含まれる基準信号を精度良く抽出することができる。

また、本発明に係る近傍界測定装置は、前記振幅位相算出部により算出された振幅及び位相の値を用いて、遠方界の指向性を算出する遠方界指向性算出部を更に備える構成であってもよい。

この構成により、本発明に係る近傍界測定装置は、被測定アンテナを物理的に接続することなく、被測定アンテナから送信されたマルチキャリア信号に対して近傍界測定法を用いた測定を行い、遠方界の電界強度分布を算出することができる。

また、本発明に係る近傍界測定方法は、サブフレームが時系列に複数並んで１フレームが構成され、前記サブフレームが複数のサブキャリアに既知の基準信号を含むマルチキャリア信号を送信する被測定アンテナに対して近傍界測定を行う近傍界測定方法であって、前記マルチキャリア信号を受信するプローブアンテナを近傍界の測定平面上で移動させるプローブ走査ステップと、前記プローブ走査ステップにより前記プローブアンテナが連続的に移動されている状態で、前記プローブアンテナで受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する受信処理を行う受信ステップと、前記マルチキャリア信号が前記プローブアンテナにより受信された際の前記測定平面上における前記プローブアンテナの位置と、時系列に並んだ各前記サブフレームとを対応付けて前記複素ベースバンド信号を記憶する記憶ステップと、前記記憶ステップにより記憶された前記複素ベースバンド信号から、各前記サブフレームの前記複数のサブキャリアに含まれる前記受信処理後の基準信号を抽出する抽出ステップと、前記抽出ステップにより抽出された前記受信処理後の基準信号の、前記既知の基準信号に対する振幅変動量及び位相変動量を算出する振幅位相変動量算出ステップと、前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記振幅変動量と、前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出する振幅位相算出ステップと、を含む構成である。

この構成により、本発明に係る近傍界測定方法は、被測定アンテナの近傍界での振幅分布及び位相分布を測定信号を切り替えることなく広帯域にわたって取得することができる。

また、本発明に係る近傍界測定方法においては、前記プローブ走査ステップは、前記プローブアンテナを第１の軸、又は、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って移動させるステップであり、前記受信ステップは、前記プローブアンテナを前記第１の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる走査を前記第２の軸の複数の箇所について繰り返す第１の走査と、前記プローブアンテナを前記第２の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる第２の走査と、のいずれかが実行されている状態で、前記マルチキャリア信号を前記複素ベースバンド信号に変換し、前記第１の走査に関して前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記位相変動量を、前記第２の走査に関して前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記位相変動量に応じて補正する位相結合ステップを更に含み、前記振幅位相算出ステップは、前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記振幅変動量と、前記位相結合ステップにより補正された前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出するものであってもよい。

本発明は、被測定アンテナの近傍界での振幅分布及び位相分布を測定信号を切り替えることなく広帯域にわたって取得できる近傍界測定装置及び近傍界測定方法を提供するものである。

ＦＤＤ方式のＬＴＥの無線フレームの構造を示す図である。 本発明の実施形態に係る近傍界測定装置の構成図である。 本発明の実施形態に係る近傍界測定装置が備えるプローブ走査機構による測定平面上での走査を説明するための図である。 本発明の実施形態に係る近傍界測定装置が備える先頭位置検出部による同期処理を説明するためのグラフである。 本発明の実施形態に係る近傍界測定装置が備える先頭位置検出部によるサブフレームの先頭の検出処理を説明するための図である。 測定平面上においてＲＳを受信可能な位置を示すグラフである。 本発明の実施形態に係る近傍界測定装置を用いる近傍界測定方法の処理を示すフローチャートである。 従来の近傍界測定装置の構成図である。

以下、本発明に係る近傍界測定装置及び近傍界測定方法の実施形態について、図面を用いて説明する。本実施形態に係る近傍界測定装置は、例えば複数のアンテナ素子を含むＭａｓｓｉｖｅ－ＭＩＭＯアンテナなどのアレーアンテナを備える基地局から送信される無線信号を近傍界で測定し、遠方界の指向性を算出するものである。

本実施形態の近傍界測定装置により測定される無線信号は、例えば、サブフレームが時系列に複数並んで１フレームが構成され、サブフレームが複数のサブキャリアに既知の基準信号を含むマルチキャリア信号である。このようなマルチキャリア信号の例としては、ＦＤＤ（Frequency Division Duplex）方式のＬＴＥ（Long-Term Evolution）の下りリンクで採用されているＣＰ－ＯＦＤＭ（Cyclic Prefix-based OFDM）信号、上りリンクで採用されているＤＦＴｓ－ＯＦＤＭ信号、あるいはＧＦＤＭやＦＢＭＣなどが挙げられる。

図１（ａ）に示すように、ＦＤＤ方式のＬＴＥの無線フレームは、そのフレーム長が１０ｍｓであり、１ｍｓのサブフレーム１０個で構成される。１サブフレームは更に２つのスロットで構成され、各スロットはＣＰ（Cyclic Prefix）を含むいくつかのＯＦＤＭシンボルで構成される。例えば、ノーマルＣＰの１スロットは７個のＯＦＤＭシンボルで構成される。また、ＬＴＥではサブキャリア間隔として１５ｋＨｚが用いられ、シンボル時間は６６．７μｓである。ノーマルＣＰのＣＰ長は４．７μｓ（先頭シンボルのみ５．１μｓ）である。本実施形態では、簡単のため先頭シンボルを含む全てのＣＰ長を４．７μｓに統一している。

ＬＴＥの下りリンク伝送での物理リソース構成を図１（ｂ）に示す。１ＯＦＤＭシンボル内の１サブキャリアに対応する物理リソースを１リソースエレメント（Resource Element：ＲＥ）と呼び、ＲＥを１スロット×１２サブキャリアでブロック化したものをリソースブロック（Resource Block：ＲＢ）と呼ぶ。ＬＴＥの下りリンクでは、６個から１１０個までのＲＢを割り当て可能であり、それにより柔軟な伝送帯域幅を実現している。なお、本実施形態では１ＯＦＤＭシンボル当たりのサブキャリア数が３００、つまりＲＢを２５個割り当てたＯＦＤＭを想定している。この場合、伝送帯域幅は５ＭＨｚであり、サンプリング周波数は７．６８ＭＨｚである。

ＬＴＥ方式では、各サブキャリアのチャネル変動（位相及び振幅変動）を推定するため、下りリンク基準信号（Reference Signal：ＲＳ）と呼ばれる既知の基準シンボルがＲＥに割り当てられており、受信端末はこのＲＳを用いてチャネル推定を行う。下りリンクでは３種類のＲＳが定義されている。その中で、セル固有のＲＳは全ての下りリンクサブフレームで送信されており、下りリンク信号の全帯域にわたって等間隔に配置されている。具体的にはセル固有のＲＳは、図１（ｂ）に示すように、各ＲＢに４つ、第１ＯＦＤＭシンボルと第５ＯＦＤＭシンボルに６サブキャリア間隔で配置されている。セルによって用いるＲＳ配置及びＲＳ系列は異なる。本実施形態では、ＲＳ配置は図１（ｂ）に示す配置であり、また、ＲＳ系列の変調方式はＱＰＳＫである。

図２に示すように、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、支持部１１と、プローブアンテナ１２と、プローブ走査機構１３と、走査制御部１４と、受信部１５と、記憶部１６と、抽出部１７と、振幅位相変動量算出部１８と、位相結合部１９と、振幅位相算出部２０と、遠方界指向性算出部２１と、表示部２２と、操作部２３と、制御部２４と、を備える。

支持部１１は、被測定アンテナ１００の電磁波放射面１００ａが所定方向に向くように、基地局１１０を支持するようになっている。ここで、被測定アンテナ１００は、例えば基地局１１０と一体化したＭａｓｓｉｖｅ－ＭＩＭＯアンテナなどのアレーアンテナである。

プローブアンテナ１２は、被測定アンテナ１００の近傍界領域の所定の測定平面Ｐ内において、被測定アンテナ１００から送信されたマルチキャリア信号の電磁波を受信するようになっている。測定平面Ｐは、被測定アンテナ１００の電磁波放射面１００ａに対して、被測定アンテナ１００から送信されるマルチキャリア信号の３波長程度離れた距離で平行に設けられる。測定平面Ｐのサイズは、例えば５００ｍｍ×５００ｍｍである。

例えば、プローブアンテナ１２は、マイクロ波又はミリ波帯の所定周波数範囲の電磁波を伝搬させる導波路を有し、先端が開放された導波管である。このような導波管としては、導波路の断面形状が長方形の方形導波管や、導波路の断面形状が両側部の高さに対して中央部の高さが小となるダブルリッジ導波管を用いることができる。

プローブ走査機構１３は、走査制御部１４からの制御信号に応じて、プローブアンテナ１２を被測定アンテナ１００の電磁波放射面１００ａに対向する近傍界の測定平面Ｐ上で第１の軸、又は、第１の軸に直交する第２の軸に沿って移動させる機構を有している。具体的には、プローブ走査機構１３は、プローブアンテナ１２を第１の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる走査を第２の軸の複数の箇所について繰り返す第１の走査と、プローブアンテナ１２を第２の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる第２の走査と、を実行する。例えば、第１の軸の方向はＸ軸方向であり、第２の軸の方向はＹ軸方向である。また、例えば、プローブ走査機構１３による走査速度は９０ｍｍ／ｓであり、Ｘ軸方向の走査時間は６秒である。

図３は、測定平面Ｐ上でのプローブ走査機構１３による走査を説明するための図である。プローブ走査機構１３によるＸ軸方向の走査（第１の走査）のＹ軸方向の間隔（ΔＹ）は、従来のＮＦＭ測定技術と同様、測定周波数（変調波の場合、変調周波数帯域の上限）の波長の１／２以下であることが必要である。また、プローブ走査機構１３によるＹ軸方向の走査（第２の走査）は、測定平面Ｐの中央付近を縦断して、Ｘ軸方向の全ての走査ラインと交差するように行われる。

プローブ走査機構１３による走査速度が９０ｍｍ／ｓの場合には、マルチキャリア信号の１サブフレームが、１ｍｓの期間に測定平面Ｐ上の９０μｍの範囲にわたってプローブアンテナ１２に連続的に受信されることになる。

走査制御部１４は、プローブ走査機構１３に対して、上記の第１の走査及び第２の走査を実行させる制御を行うようになっている。また、走査制御部１４は、測定平面Ｐ内のプローブアンテナ１２が存在する位置の位置情報を受信部１５や記憶部１６に送出するようになっている。

受信部１５は、プローブ走査機構１３により上記の第１の走査又は第２の走査が実行されてプローブアンテナ１２が連続的に移動されている状態で、プローブアンテナ１２で受信されたマルチキャリア信号をアナログのベースバンド信号にダウンコンバートした後に直交検波し、直交検波したアナログのベースバンド信号をアナログディジタル変換（Ａ／Ｄ）によってディジタルの複素ベースバンド信号に変換する受信処理を行うようになっている。受信部１５は、スペクトラムアナライザやオシロスコープなどにより構成することが可能である。

記憶部１６は、マルチキャリア信号がプローブアンテナ１２により受信された際の測定平面Ｐ上の位置と、時系列に並んだ各サブフレームとを対応付けて、受信部１５により受信処理された複素ベースバンド信号を記憶するようになっている。

抽出部１７は、先頭位置検出部１７ａと、ＦＦＴ処理部１７ｂとを含み、記憶部１６に記憶された複素ベースバンド信号から、各サブフレームの複数のサブキャリアに含まれるＲＳを抽出するようになっている。ＲＳをサブフレームから取り出すには、シンボルタイミングの同期、つまりサブフレームの先頭を見つける必要がある。

先頭位置検出部１７ａは、プローブ走査機構１３による第１の軸の方向又は第２の軸の方向への走査ラインごとに受信部１５により得られた複素ベースバンド信号の系列を記憶部１６から読み出し、読み出した複素ベースバンド信号の系列のＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを同期処理により推定することにより、各サブフレームの先頭位置を検出するようになっている。

図１（ａ）に示すように、ＬＴＥの無線フレームでは、シンボルタイミングの同期のために、プライマリ同期信号（Primary Synchronization Signal：ＰＳＳ）と呼ばれる符号系列が用いられている。ＦＤＤ方式の場合、ＰＳＳは５サブフレームおきに挿入されており、同期処理（相関処理等）によりＰＳＳが存在するフレームの先頭位置を検出することができる。

具体的に説明すると、ＰＳＳは０番目と５番目のサブフレームの１スロット目の最後のＯＦＤＭシンボルにおいて中心に位置する７３サブキャリアに挿入されている。この７３サブキャリアのうち両端の５サブキャリアには複素信号における"０"が割り当てられている。一方、中心の６３サブキャリアには時間領域と周波数領域で電力が一定なＺＣ（Zadoff-Chu）系列が用いられているため、あらかじめＺＣ系列をＯＦＤＭ変調した系列をリファレンスとし、被測定アンテナ１００から送信されたマルチキャリア信号の系列との相互相関を取ることで、フレームの先頭位置を検出することができる。

図４は、先頭位置検出部１７ａによる同期処理を説明するためのグラフである。本来のＣＰ－ＯＦＤＭ信号ではＰＳＳが５サブフレームおきに挿入されているが、この例では、全サブフレームにＰＳＳが挿入されたマルチキャリア信号を用いている。図４（ａ）は、このマルチキャリア信号の複素ベースバンド信号の４０００サブフレーム分の波形を示している。図４（ｂ）は、時間軸でのＰＳＳの波形を示している。図４（ｃ）は、図４（ａ）の波形と図４（ｂ）の波形の相互相関の波形を示している。図４（ｃ）において一定間隔のピークが存在することから、先頭位置検出部１７ａにより正しく同期ができることが分かる。

近傍界測定装置１においては、１走査ラインにつき、走査時間Ｔ秒間にわたってＣＰ－ＯＦＤＭ信号をキャプチャしたデータが得られる。同期は、既に述べたとおり先頭位置検出部１７ａにて受信系列とＰＳＳとの相互相関を取ることで行われる。

しかしながら、全受信系列に対して同期処理を行うと莫大な計算量になる。また、被測定アンテナ１００の特性によっては、被測定アンテナ１００とプローブアンテナ１２間の位置関係により振幅レベルが低くなる場合もある。

そこで、十分な同期精度を得られるように、先頭位置検出部１７ａは、記憶部１６に記憶されたＣＰ－ＯＦＤＭ信号の複素ベースバンド信号の系列の中で、第１の軸の方向又は第２の軸の方向への走査ラインごとに最も振幅の大きいデータを含む所定範囲のデータを取り出し、それらの系列に対してＰＳＳとの相互相関処理を行い、まず１サブフレームの先頭を特定する。ここで、「所定範囲のデータ」とは、例えば、各走査ラインに関して最も振幅の大きいデータの前後１ｍｓ分のデータである。

具体的には、先頭位置検出部１７ａは、特定された先頭の情報と、サブフレームにおいて第７ＯＦＤＭシンボルにＰＳＳが挿入されているという情報に基づき、相互相関の値が最大となった時間から７ＯＦＤＭシンボルに相当する時間（実際にはデータ数）を遡ることで、図５の上段に示すように１サブフレームの先頭を特定する。

さらに、先頭位置検出部１７ａは、走査時間Ｔ秒間の系列の中での任意のサブフレームの先頭を求めた後、サブフレーム長が１ｍｓであることを利用して、図５の下段に示すように受信したＴ×１０００個のサブフレームの先頭を検出する。

このようにして、図６に示すように、測定平面Ｐ上においてＲＳを受信できる位置が分かる。なお、図６は、プローブ走査機構１３による走査速度を９０ｍｍ／ｓとした場合の、測定平面Ｐ上のＸ軸方向の走査ライン上におけるＲＳの配置を示している。Ｙ軸方向の走査ライン上におけるＲＳの配置も同様である。

ＦＦＴ処理部１７ｂは、先頭位置検出部１７ａにより検出された各サブフレームの先頭位置に基づいて、サブフレームごとにＯＦＤＭシンボルを切り出し、切り出したＯＦＤＭシンボルからＣＰを除去する。さらに、ＦＦＴ処理部１７ｂは、ＣＰが除去されたＯＦＤＭシンボルをＦＦＴ処理により復調して、任意のＲＳを抽出するようになっている。

振幅位相変動量算出部１８は、抽出部１７により抽出されたＲＳのチャネル変動量、すなわち振幅変動量及び位相変動量を算出するようになっている。受信部１５により受信処理された複素ベースバンド信号の帯域内には等間隔でＲＳが配置されているため、振幅位相変動量算出部１８は、このＲＳを用いて振幅変動量及び位相変動量を推定することで、一度に複数の周波数における振幅位相分布を取得することができる。

ここで、第ｉ番目のＯＦＤＭシンボルの第ｋ番目のサブキャリアにおいて、既知のＲＳをｓ（ｋ，ｉ）、受信部１５により受信処理された複素ベースバンド信号のＲＳ（受信シンボル）をｒ（ｋ，ｉ）とすると、その受信シンボルのチャネル変動量ｈ（ｋ，ｉ）は下記の式（１）で表される。

式（１）において、Ａ（ｋ，ｉ）は振幅変動量、θ（ｋ，ｉ）は位相変動量である。すなわち、ｈ（ｋ，ｉ）は、ＮＦＭに必要となる相対的な振幅位相分布として利用することができる。つまり、ｈ（ｋ，ｉ）を測定平面Ｐ上で取得し、近傍界遠方界変換を行うことで、第ｋ番目のサブキャリアの周波数における指向性を求めることができる。さらに、内挿補間・外挿補間を用いれば、任意のサブキャリア周波数における指向性も算出することが可能である。

例えば、振幅位相変動量算出部１８は、１サブフレームにつき１つのＲＳを取り出してチャネル変動を計算する。走査時間Ｔ秒間でプローブアンテナ１２により受信されるサブフレームはＴ×１０００個であるため、Ｔ×１０００個のチャネル変動系列が得られる。上記で述べたように、このチャネル変動系列はＮＦＭにおける振幅位相分布とみなすことができる。

また、振幅位相変動量算出部１８が１サブフレームの中で使用するＲＳは、例えば、ＰＳＳが割り当てられたシンボルに最も近い第８ＯＦＤＭシンボルのＲＳであるが、その他のＲＳであってもよい。なお、振幅位相変動量算出部１８は、各走査ラインについて得られた振幅変動量及び位相変動量のデータを、測定周波数の波長の１／２以下を保つ範囲で適宜間引いて、後段の位相結合部１９や振幅位相算出部２０に出力してもよい。

位相結合部１９は、第１の走査に関して振幅位相変動量算出部１８により算出された位相変動量を、第２の走査に関して振幅位相変動量算出部１８により算出された位相変動量に応じて補正する位相結合処理を行うようになっている。

例えば、位相結合部１９は、Ｘ軸方向の各走査ラインに関して図３中の黒丸で示す位置で得られた位相変動量が、Ｙ軸方向の走査ラインに関して図３中の黒丸で示す位置で得られた位相変動量ｅｘｐ（ｊθ（ｙ））に一致するように、Ｘ軸方向の走査ラインごとに位相変動量を同一の位相量で回転させる処理を行う。

なお、受信部１５は、走査制御部１４から出力されるプローブアンテナ１２の位置情報の信号をマルチキャリア信号の取り込みのトリガ信号としている。しかしながら、トリガ信号の遅延や、プローブ走査機構１３の精度や、受信部１５のトリガディレイなどにより、プローブアンテナ１２の位置情報を受信部１５が正確に取得できず、Ｙ軸方向の走査ライン上で位相変動量が得られた位置において、Ｘ軸方向の走査ライン上での位相変動量を正しく抽出できない場合がある。このような場合には、位相結合部１９による上記の位相結合処理において若干の誤差が生じることになる。

そこで、位相結合部１９は、Ｙ軸方向の走査ライン上での振幅変動量と、Ｙ軸方向の走査ラインと交差するＸ軸方向の走査ライン上での振幅変動量との誤差（遅延量）を相互相関処理により算出するようになっていてもよい。位相結合部１９は、算出した遅延量を用いて再度、Ｙ軸方向の走査ラインに関して得られた位相変動量から、各Ｘ軸方向の走査ラインにおける位相変動量のデータを抽出し直すことで、位相結合の精度を向上させることができる。

振幅位相算出部２０は、振幅位相変動量算出部１８により算出された振幅変動量と、位相結合部１９により補正された位相変動量に基づいて、被測定アンテナ１００から送信されたマルチキャリア信号の測定平面Ｐにおける振幅及び位相を算出するようになっている。すなわち、振幅位相変動量算出部１８及び位相結合部１９により得られた振幅変動量及び位相変動量は既知のＲＳに対する相対値であるため、振幅位相算出部２０は、これらの値を適宜換算して振幅及び位相として出力する。

遠方界指向性算出部２１は、走査制御部１４から出力されたプローブアンテナ１２の位置情報と、振幅位相算出部２０により算出された振幅及び位相の値とを用いて、遠方界の指向性を算出するようになっている。ここでは、公知の近傍界／遠方界変換法の数値計算を行うことにより遠方界の電界強度分布を推定して、被測定アンテナ１００の遠方界での指向性を求めることができる。

表示部２２は、例えばＬＣＤやＣＲＴなどの表示機器で構成され、制御部２４からの制御信号に応じて各種表示内容を表示するようになっている。この表示内容には、被測定アンテナ１００の電磁波放射面１００ａにおける振幅及び位相の測定結果や、被測定アンテナ１００の遠方界における指向性の算出結果などが含まれる。さらに、表示部２２は、測定条件などを設定するためのボタン、ソフトキー、プルダウンメニュー、テキストボックスなどの操作対象の表示を行うようになっている。

操作部２３は、ユーザによる操作入力を行うためのものであり、例えば表示部２２の表示画面の表面に設けられたタッチパネルで構成される。あるいは、操作部２３は、キーボード又はマウスのような入力デバイスを含んで構成されてもよい。

制御部２４は、例えばＣＰＵ、ＲＯＭ、ＲＡＭ、ＨＤＤなどを含むマイクロコンピュータ又はパーソナルコンピュータ等で構成され、近傍界測定装置１を構成する上記各部の動作を制御する。

なお、抽出部１７、振幅位相変動量算出部１８、位相結合部１９、振幅位相算出部２０、及び遠方界指向性算出部２１は、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）やＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）などのディジタル回路で構成することや、制御部２４による所定のプログラムの実行によりソフトウェア的に構成することが可能である。あるいは、抽出部１７、振幅位相変動量算出部１８、位相結合部１９、振幅位相算出部２０、及び遠方界指向性算出部２１は、ディジタル回路によるハードウェア処理と所定のプログラムによるソフトウェア処理とを適宜組み合わせて構成することも可能である。

以下、本実施形態の近傍界測定装置１を用いる近傍界測定方法について、図７のフローチャートを参照しながら説明する。

まず、被測定アンテナ１００はマルチキャリア信号を送信する（ステップＳ１）。

次に、プローブ走査機構１３は、プローブアンテナ１２を被測定アンテナ１００の電磁波放射面１００ａに対向する近傍界の測定平面Ｐ上で第１の軸の方向（例えばＸ軸方向）に１走査ライン分連続的に移動させる走査を開始する（プローブ走査ステップＳ２）。

次に、受信部１５は、プローブ走査ステップＳ２によりプローブアンテナ１２が連続的に移動されている状態で、プローブアンテナ１２で受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する（受信ステップＳ３）。

次に、記憶部１６は、マルチキャリア信号がプローブアンテナ１２により受信された際の測定平面Ｐ上におけるプローブアンテナ１２の位置と、時系列に並んだ各サブフレームとを対応付けて複素ベースバンド信号を記憶する（記憶ステップＳ４）。

次に、抽出部１７は、第１の軸の方向への走査ラインごとに得られた複素ベースバンド信号の系列を記憶部１６から読み出し、読み出した複素ベースバンド信号の系列から、各サブフレームの複数のサブキャリアに含まれるＲＳを抽出する（抽出ステップＳ５）。

次に、振幅位相変動量算出部１８は、抽出ステップＳ５により抽出されたＲＳの振幅変動量及び位相変動量を算出する（振幅位相変動量算出ステップＳ６）。

次に、制御部２４は、第１の軸の方向の全ての走査ラインについて走査が完了したか否かを判断する（ステップＳ７）。否定判断の場合にはステップＳ８に進み、肯定判断の場合にはステップＳ９に進む。

ステップＳ８においてプローブ走査機構１３は、第１の軸の方向に直交する第２の軸の方向にプローブアンテナ１２を移動させて、プローブアンテナ１２を次の第１の軸の方向の走査ライン上に配置し（プローブ走査ステップＳ８）、ステップＳ２に戻る。

ステップＳ９においてプローブ走査機構１３は、プローブアンテナ１２を測定平面Ｐ上で第２の軸の方向（例えばＹ軸方向）に１走査ライン分連続的に移動させる走査を開始する（プローブ走査ステップＳ９）。

次に、受信部１５は、プローブ走査ステップＳ９によりプローブアンテナ１２が連続的に移動されている状態で、プローブアンテナ１２で受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する（受信ステップＳ１０）。

次に、記憶部１６は、マルチキャリア信号がプローブアンテナ１２により受信された際の測定平面Ｐ上におけるプローブアンテナ１２の位置と、時系列に並んだ各サブフレームとを対応付けて複素ベースバンド信号を記憶する（記憶ステップＳ１１）。

次に、抽出部１７は、第２の軸の方向への走査ラインごとに得られた複素ベースバンド信号の系列を記憶部１６から読み出し、読み出した複素ベースバンド信号の系列から、各サブフレームの複数のサブキャリアに含まれるＲＳを抽出する（抽出ステップＳ１２）。

次に、振幅位相変動量算出部１８は、抽出ステップＳ１２により抽出されたＲＳの振幅変動量及び位相変動量を算出する（振幅位相変動量算出ステップＳ１３）。

次に、位相結合部１９は、第１の軸の方向への走査ラインに関して振幅位相変動量算出ステップＳ６により算出された位相変動量を、第２の軸の方向への走査ラインに関して振幅位相変動量算出ステップＳ１３により算出された位相変動量に応じて補正する（位相結合ステップＳ１４）。

次に、振幅位相算出部２０は、振幅位相変動量算出ステップＳ６により算出された振幅変動量と、位相結合ステップＳ１４により補正された位相変動量に基づいて、被測定アンテナ１００から送信されたマルチキャリア信号の測定平面Ｐにおける振幅及び位相を算出する（振幅位相算出ステップＳ１５）。

次に、遠方界指向性算出部２１は、振幅位相算出ステップＳ１５により算出された振幅及び位相の値を用いて、遠方界の指向性を算出する（遠方界指向性算出ステップＳ１６）。

以上説明したように、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、測定信号としてマルチキャリア信号を使用し、近傍界の測定平面Ｐ上でプローブアンテナ１２を連続的に走査させることにより、被測定アンテナ１００の近傍界での振幅分布及び位相分布を測定信号を切り替えることなく広帯域にわたって取得することができる。

また、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、測定信号としてＯＦＤＭ信号を使用することにより、ＯＦＤＭ信号の複数のサブキャリアに含まれるＲＳを用いて近傍界測定を行うことができる。

また、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、先頭位置検出部１７ａ及びＦＦＴ処理部１７ｂにより、被測定アンテナ１００から送信されたＯＦＤＭ信号の複素ベースバンド信号から、複数のサブキャリアに含まれるＲＳを抽出することができる。

また、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、各走査ラインに関して得られた最も振幅の大きいデータを含む所定範囲のデータを用いてＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを推定するため、被測定アンテナ１００から送信されたＯＦＤＭ信号に含まれるＲＳを精度良く抽出することができる。

また、本実施形態に係る近傍界測定装置１は、被測定アンテナ１００を物理的に接続することなく、被測定アンテナ１００から送信されたマルチキャリア信号に対して近傍界測定法を用いた測定を行い、遠方界の電界強度分布を算出することができる。

また、本実施形態の近傍界測定装置により測定される無線信号は、他にもＴＤＤ（Time Division Duplex）方式の信号などにも適用可能である。

また、本実施形態の基地局１１０は、被測定アンテナ１００と送信機が一体となったものを示すものとする。

１ 近傍界測定装置
１１ 支持部
１２ プローブアンテナ
１３ プローブ走査機構
１４ 走査制御部
１５ 受信部
１６ 記憶部
１７ 抽出部
１７ａ 先頭位置検出部
１７ｂ ＦＦＴ処理部
１８ 振幅位相変動量算出部
１９ 位相結合部
２０ 振幅位相算出部
２１ 遠方界指向性算出部
１００ 被測定アンテナ
１００ａ 電磁波放射面
１１０ 基地局

Claims (8)

1. サブフレームが時系列に複数並んで１フレームが構成され、前記サブフレームが複数のサブキャリアに既知の基準信号を含むマルチキャリア信号を送信する被測定アンテナ（１００）に対して近傍界測定を行う近傍界測定装置（１）であって、
   前記マルチキャリア信号を受信するプローブアンテナ（１２）と、
   前記プローブアンテナを近傍界の測定平面上で移動させるプローブ走査機構（１３）と、
   前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナが連続的に移動されている状態で、前記プローブアンテナで受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する受信処理を行う受信部（１５）と、
   前記マルチキャリア信号が前記プローブアンテナにより受信された際の前記測定平面上における前記プローブアンテナの位置と、時系列に並んだ各前記サブフレームとを対応付けて前記複素ベースバンド信号を記憶する記憶部（１６）と、
   前記記憶部に記憶された前記複素ベースバンド信号から、各前記サブフレームの前記複数のサブキャリアに含まれる前記受信処理後の基準信号を抽出する抽出部（１７）と、
   前記抽出部により抽出された前記受信処理後の基準信号の、前記既知の基準信号に対する振幅変動量及び位相変動量を算出する振幅位相変動量算出部（１８）と、
   前記振幅位相変動量算出部により算出された前記振幅変動量と、前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出する振幅位相算出部（２０）と、を備えることを特徴とする近傍界測定装置。
2. 前記プローブ走査機構（１３）は、前記プローブアンテナを第１の軸、又は、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って移動させる機構を有し、
   前記受信部は、前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナを前記第１の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる走査を前記第２の軸の複数の箇所について繰り返す第１の走査と、前記プローブ走査機構により前記プローブアンテナを前記第２の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる第２の走査と、のいずれかが実行されている状態で、前記マルチキャリア信号を前記複素ベースバンド信号に変換し、
   前記第１の走査に関して前記振幅位相変動量算出部により算出された前記位相変動量を、前記第２の走査に関して前記振幅位相変動量算出部により算出された前記位相変動量に応じて補正する位相結合部（１９）を更に備え、
   前記振幅位相算出部は、前記振幅位相変動量算出部により算出された前記振幅変動量と、前記位相結合部により補正された前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出することを特徴とする請求項１の近傍界測定装置。
3. 前記マルチキャリア信号がＯＦＤＭ信号であることを特徴とする請求項２に記載の近傍界測定装置。
4. 前記抽出部は、
   前記第１の軸の方向又は前記第２の軸の方向への走査ラインごとに得られた前記複素ベースバンド信号の系列を前記記憶部から読み出し、読み出した前記複素ベースバンド信号の系列のＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを推定することにより、各前記サブフレームの先頭位置を検出する先頭位置検出部（１７ａ）と、
   前記先頭位置検出部により検出された前記先頭位置に基づいて、前記サブフレームごとにＯＦＤＭシンボルを切り出し、切り出した前記ＯＦＤＭシンボルに対してＦＦＴ処理を行うことにより、前記受信処理後の基準信号を抽出するＦＦＴ処理部（１７ｂ）と、を含むことを特徴とする請求項３に記載の近傍界測定装置。
5. 前記先頭位置検出部は、前記記憶部に記憶された前記複素ベースバンド信号の系列の中で、前記第１の軸の方向又は前記第２の軸の方向への走査ラインごとに最も振幅の大きいデータを含む所定範囲のデータに対して、ＯＦＤＭ変調のシンボルタイミングを推定することを特徴とする請求項４に記載の近傍界測定装置。
6. 前記振幅位相算出部により算出された振幅及び位相の値を用いて、遠方界の指向性を算出する遠方界指向性算出部（２１）を更に備えることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれかに記載の近傍界測定装置。
7. サブフレームが時系列に複数並んで１フレームが構成され、前記サブフレームが複数のサブキャリアに既知の基準信号を含むマルチキャリア信号を送信する被測定アンテナ（１００）に対して近傍界測定を行う近傍界測定方法であって、
   前記マルチキャリア信号を受信するプローブアンテナ（１２）を近傍界の測定平面上で移動させるプローブ走査ステップ（Ｓ２，Ｓ８，Ｓ９）と、
   前記プローブ走査ステップにより前記プローブアンテナが連続的に移動されている状態で、前記プローブアンテナで受信されたマルチキャリア信号をディジタルの複素ベースバンド信号に変換する受信処理を行う受信ステップ（Ｓ３，Ｓ１０）と、
   前記マルチキャリア信号が前記プローブアンテナにより受信された際の前記測定平面上における前記プローブアンテナの位置と、時系列に並んだ各前記サブフレームとを対応付けて前記複素ベースバンド信号を記憶する記憶ステップ（Ｓ４，Ｓ１１）と、
   前記記憶ステップにより記憶された前記複素ベースバンド信号から、各前記サブフレームの前記複数のサブキャリアに含まれる前記受信処理後の基準信号を抽出する抽出ステップ（Ｓ５，Ｓ１２）と、
   前記抽出ステップにより抽出された前記受信処理後の基準信号の、前記既知の基準信号に対する振幅変動量及び位相変動量を算出する振幅位相変動量算出ステップ（Ｓ６，Ｓ１３）と、
   前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記振幅変動量と、前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出する振幅位相算出ステップ（Ｓ１５）と、を含むことを特徴とする近傍界測定方法。
8. 前記プローブ走査ステップは、前記プローブアンテナを第１の軸、又は、前記第１の軸に直交する第２の軸に沿って移動させるステップであり、
   前記受信ステップは、前記プローブアンテナを前記第１の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる走査を前記第２の軸の複数の箇所について繰り返す第１の走査と、前記プローブアンテナを前記第２の軸に沿って所定距離だけ連続的に移動させる第２の走査と、のいずれかが実行されている状態で、前記マルチキャリア信号を前記複素ベースバンド信号に変換し、
   前記第１の走査に関して前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記位相変動量を、前記第２の走査に関して前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記位相変動量に応じて補正する位相結合ステップ（Ｓ１４）を更に含み、
   前記振幅位相算出ステップは、前記振幅位相変動量算出ステップにより算出された前記振幅変動量と、前記位相結合ステップにより補正された前記位相変動量に基づいて、前記マルチキャリア信号の前記測定平面における振幅及び位相を算出することを特徴とする請求項７の近傍界測定方法。

Images