JPH0357971A

JPH0357971A - アンテナ指向性利特の測定方法

Info

Publication number: JPH0357971A
Application number: JP19518789A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Naitou; 大志内藤
Original assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Current assignee: Sumitomo Metal Mining Co Ltd
Priority date: 1989-07-27
Filing date: 1989-07-27
Publication date: 1991-03-13

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野〉本発明は、マイクロ波送受信用アンテナの指向性利得測
定方法に関し、特に、衛星放送受信等に用いる平面アレ
ーアンテナの指向性利得測定方法に関する．（従来の技術）衛星放送受信アンテナ等として用いられる平面アレーア
ンテナは、各種の構戒があるが、λ／２（λは電磁波の
波長）程度の大きさのアンテナ素子１　０００個程度を
四角に格子状に配列し、各アンテナ素子の受信電力を伝
送線路を用いてアンテナの入出力部に集めることにより
高いアンテナ利得を得ようとするものが一般的である．
このようなアンテナは、印刷技術を用いてアンテナ素子
を基板上に形成して構戒されるため、量産に適しており
、また、平板状であるため、美感に優れる、着雪時の特
性劣化が少ない、移動体無線用に適している等の特徴を
有している．そこで、さらにこのようなアンテナの高性
能化のために各種の方法が検討されているが、これらの
方法は、大きく２つに分けることができ、即ち、前述の
伝送線路部分の損失を減らすことと、アンテナ素子の配
列間隔を最適にすることである．これらの２つの方法の各々の効果を実際のアンテナで評
価するためには、標準アンテナと被測定アンテナとの利
得を比較することにより測定する動作利得と、本発明が
対象にしている指向性利得の両方のデータが必要となる
．一般に、基準利得（アンテナ面積により決まる理論上
の最大利得）と指向性利得の比は、アンテナ素子の配列
間隔に依存し、指向性利得と動作利得の比は、伝送線路
の損失に依存する、と考えてよいことが知られている．
また、この伝送線路の損失は、伝送線路の形状が簡単な
場合には、その寸法や構成材料の特性から計算すること
により算出することも可能であるが、本発明の測定方法
が対象とするような平面アレーアンテナに用いる伝送線
路では，アンテナ素子との電磁的な結合も考慮する必要
があり、形状も複雑なので、計算量が膨大となる．した
がつて、実際には、平面アレーアンテナの動作状態で測
定した指向性利得のデータからこの損失を評価する方が
現実的である．（発明が解決しようとする課題〉以上のように、アンテナ指向性利得は、平面アンテナの
高性能化を検討するために重要な特性であるが、従来の
技術において、この指向性利得を高精度に短時間で簡単
な設備により測定できる方法がないため不便であった．具体的に言うと、アンテナ指向性利得を求める従来の方
法は次の２つに分けられる．即ち、（１）近傍電磁界測
定による方法、（２１遠方界全立体角放射パターン測定
による方法、が知られている．前者の方法は、被測定ア
ンテナから電磁波を放射させて、その近傍でプローブア
ンテナを走査し、ブローブアンテナに受信される電界ま
たは磁界を適当な距Ｍ（または角度）間隔でサンプリン
グして、計算により全立体角の放射パターンを求め、こ
れらの積分値より指向性利得を求めるものである．この
方法は、小さい電波暗室で測定できるが、プローブを走
査する精度やプローブが乱す電磁界の影響が問題となる
．また、後者の方法は、被測定アンテナから電磁界を放射
させながら全立体角にわたって回転させ、その遠方電磁
界を測定し、これらの積分値より指向性利得を求めるも
のである．この方法は、測定が完全ならば理想的な方法
であるが、被測定アンテナの回転機構が複雑であり、高
利得アンテナほど精度が要求される．また、いずれの方法も、前述のことに加えて、全立体角
にわたる電磁界を測定するので、測定時間が大幅にかか
り、精度が要求される大ががリな設備を必要とする．即
ち、前者の方法では、ブローブの走査の仕方により、平
面走査、円筒面走査、球面走査があるが、いずれも、所
定間隔（または角度）でサンプリングを行うように、ア
ンテナまたはブローブを少なくとも２つの方向に移動さ
せるか、またはアンテナとプローブとをそれぞれ移動さ
せなければならず、また、後者の方法では、例えば、被
測定アンテナをやはりθ軸及びφ軸の両方に対して所定
角度でサンプリングを行うように回転させなけらばなら
ないものである．したがって、本発明の目的は、以上の
状況に鑑み、衛星放送受信用等に広く用いられる平面ア
レーアンテナの指向性利得の測定を高精度に簡単な設備
で短時間に測定できるアンテナ指向性利得の測定方法を
提供することにある．（課題を解決するための手段〉上述の目的を達戒するために、本発明は、被測定平面ア
レーアンテナのアンテナ素子の第１の素子配列軸とアン
テナ平面の法線とを含む面内で被測定アレーアンテナを
回転させながら、被測定アレーアンテナから電磁波を放
射させ、これにより遠方界に置いた受信アンテナで受信
することにより第１の放射パターンを測定した後、第１
軸と直角な第２の素子配列軸とアンテナ平面の法線とを
含む面内で第１放射パターンと同様に第２の放射パター
ンを測定し、次に第１及び第２の放射パターンから全立
体角にわたる放射パターンを算出し、これの積分値より
指向性利得を求める、ことを特徴とするアンテナ指向性
利得の測定方法、を採用するものである．また、被測定アンテナを受信アンテナとして用いても同
一の特性が得られることから、本発明は、被測定平面ア
レーアンテナのアンテナ素子の第１の素子配列軸とアン
テナ平面の法線とを含む面内で被測定アレーアンテナを
回転させながら、遠方界に置いた送信アンテナから放射
させた電磁波を、被測定アレーアンテナで受信すること
により第１の放射パターンを測定した後、第１軸と直角
な第２の素子配列軸とアンテナ平面の法線とを含む面内
で第１放射パターンと同様に第２の放射パターンを測定
し、次に第１及び第２の放射パターンから全立体角にわ
たる放射パターンを算出し、これの積分値より指向性利
得を求める、ことを特徴とするアンテナ指向性利得の測
定方法、を採用するものである．（作用）本発明の測定方法は、例えば、θ回転軸（水平回転軸）
のみを持つアンテナ支持装置を用いて、被測定平面アレ
ーアンテナのアンテナ素子の素子配列軸の数だけの面の
放射パターンを測定する．例えば、素子配列軸が直交す
るような平面アレーアンテナの場合、直角に方向を変え
てすべてで２回だけの測定でよい．（実施例〉次に、本発明の測定方法の好ましい実施例を図面を参照
して説明する．アンテナは、送信に用いても受信に用いても同一の特性
が得られるということが相反定理として知られているの
で、本実施例では、測定に際して、被測定アンテナを受
信用として用いるが、送信用として用いてもよいもので
ある．第１図は、本発明を実施するためのアンテナ指向性利得
測定装置の１実施例を示す．アンテナ支持装置は、機台
に取付けられた回転柱７と、この回転柱７の頂部に取付
けられたアレーアンテナ取付け部（その詳細な構造は、
第２ａ図及び第２ｂ図を参照して後述する〉４と、を有
する．このアレーアンテナ取付け部４に被測定アレーア
ンテナ３が取付けられるが、第１の放射パターンの測定
では、例えば、第１図に示すように、その素子配列軸１
が水平に、またその素子配列軸２が鉛直になるように、
取付けられる．また、この被測定アレーアンテナ３に対して遠方位置に
被測定アレーアンテナ３に向けて送信アンテナ６が配置
されており、この送信アンテナ６は、送信アンテナ６に
接続された発振器５により励振されて遠方界とみなせる
電磁界を放射するように構成されている．測定装置には、回転柱７の方位角、即ち、被測定アレー
アンテナの方位角を検出する角度検出部１４が設けられ
ており、被測定アレーアンテナ３の正面が送信アンテナ
６の方向に向いたときをＯ゜とする基準で方位角を検出
する．角度検出部１４に角度インターフェース１５が接
続されており、この角度Ａ／Ｄインターフェースは方位
角情報のアナログ量をディジタル量に変換して、コンピ
ュータ１２に入力する。

また、測定装置には、ミキサ８が設けられており、この
ミキサは、被測定アレーアンテナ３により受信した送信
アンテナ６からの電磁界を中間周波数に変換するもので
あり、変換された中間周波数はロータリジョイント９を
介して受信機１０に入力される．受信機１０は、その内
部の振幅検出部で受信入力の電力振幅を検出し、この振
幅情報は振幅Ａ／Ｄインターフェース１１を通してＡ／
Ｄ変換され、コンピュータ１２に入力される。

なお、この測定装置では、方位角情報及び振幅情報の各
データは、同期した状態で、また後述するサンプリング
間隔で、コンピュータ１２内のメモリに素子配列軸に関
する放射パターンとして格納される．このように測定さ
れた実際の放射パターンの１例を第４図に示す．第４図
は、横軸に方位角度（θ）をとり、縦軸に相対電力をと
ってデシベル（ｄＢ）で示すものである．このようにして、素子配列軸１に関する放射パターン（
第１の放射パターン〉を測定した後、被測定アレーアン
テナ３をアレーアンテナ取付け部４から外して、その素
子配列軸２を水平にまたその素子配列軸１を鉛直になる
ように、９０゜向きを変えてアレーアンテナ取付け部４
に再び取付ける．この状態で、第１の放射パターンの測
定と同様に、素子配列軸２に関する放射パターン（第２
の放射パターン）を測定する．その測定により得られる
データは前回と同様にコンピュータ１２内のメモリに格
納される．このように測定された実際の放射パターンの
例を第４図と同様な第５図に示す．なお、ディスプレー
１３は、得られた放射パターンを画面に表示するための
ものである．指向性利得は、後述するように、得られた
放射パターンから算出される，第２ａ図及び第２ｂ図は、アレーアンテナ取付け部４の
詳細を裏面及び側面から示している。

回転柱７には、１／４円弧のガイドスロット２４が設け
られたガイドスロット付円板２２が固定されており、こ
の円板２２にアンテナ取付け板１７が中心固定ネジ１６
を中心として回転可能に取付けられている．アンテナ取
付け板１７には可動板固定ネジ２３が取付けられており
、この可動板固定ネジ２３が円板２２のガイドスロット
２４内を案内されてアンテナ取付け板１７を９０゜回転
させることができる．アンテナ取付け板１７に被測定ア
レーアンテナ３がアンテナ取付けネジ２１によって取付
けられる．前述のように、アンテナ取付け板１７が円板
２２に対して、即ち回転柱７に対して９０”回転できる
ので、被測定アレーアンテナ３の素子配列軸は水平に、
または鉛直に固定できる．また、スベーサ１８及び１９が円板２２とアンテナ取付
け板１７との間で中心固定ネジ１６と可動板固定ネジ２
３にそれぞれ配置されており、これらのスベーサは、回
転柱７の回転中の振動によって影響を受けないように、
被測定アレーアンテナ３を回転している回転柱７に対し
て平行に固定するためのものである．なお、測定に先立って、水準器２０が被測定アレーアン
テナ３の素子配列軸を水平または鉛直に固定するための
基準として用いられるが、測定時には取り外される．以上のような構成によって、どのようにしてアンテナ指
向性利得が算出できるかを以下に説明する．第３図は、アンテナ素子を四角に格子状に配列した平面
アレーアンテナの各素子の位置と座標系を示している．
アンテナ素子はＸ軸方向に間隔ａでＮ個配列され、ｙ軸
方向に間隔ｂ′″Ｃ′Ｍ個配列されている．全素子数は
ＭＸＮ個であり、Ｘ軸方向にｎ番目、ｙ軸方向にｍ番目
の素子は、Ｉ　ｎ．ｍという強度で励振されている．このアンテナから放射される電界を遠方のある点（球座
標のθ、φで表す．）で測定すると、電界強度Ｅ〈θ、
φ〉は、ｋを波数、ｊ＝Ｆ：］として、Ｅ（θ、φ）＝ｎｎ　Ｉ　ａ．ｓ　ｅＸｐ　　（　Ｊ（
ｎｋａ　ｓｉｎ　　θ＋ｍｋｂｓｉｎ　　θ）｝　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　・・・　（１）で表
すことができ、工。，．・Ｉｎ−１ｍならば、Ｅ（θ、
φ）＝ｎ　　Ｉｎ　　ｅｘｐ　　（ｊｎｋａ　　ｓｉｎ
θｃｏｓ　　φ｝Ｘ　Ｙ：．　Ｉ　ｍ　ｅｘｐ　　（　
ｊｍｋｂ　　ｓｉｎθｓｉｎ　　φ）　　・　（２）で
表せることが良く知られている．例えば、φ＝０゜の面内で、Ｚ軸からの角度θ１を変数
とした電界強度の測定値Ｅ１　（θｌ）を第１の放射パ
ターンとして、測定したとすると、これは、（２〉式よ
り、〈３）と表すことができる．同様に、φ＝９０゜の面内
での第２の放射パターンは、（４〉？表せる．ここで、形式的に、ｓｉｎθ■＝ｓｉｎθｃ
ｏｓφ及び、ｓｉｎθ２＝ｓｉｎθｓｉｎφを（３）及
び（４）式に代入してみると、Ｅ＋（θｓ　）＝ｎｌｎ　ｅｘｐ　（ｊｎｋａ　ｓｉｎ
θｃｏｓφ｝・ＥＩ―　　　　　　　　　　・・・（５
）Ｅ２（θ２）＝　ＴＺ　Ｉｍ　ｅｘｐ　（　Ｊ＋ａｋ
ｂ　ｓｉｎθｓｉｎφ｝となる．さらに、（５〉式×（６）式と（２〉式を比べると、と書けることがわかる。

また、アンテナ平面の中心直上部（θ＝Ｏ′″）では、
Ｅ＝Ｅ１　＝Ｅ２であるので、ｎＩｎａＩｊｍ＝Ｅ　（０”　）となる．以上ノコトニ
より、 θ１　＝ｓｉｎ　−’（　ｓｉｎθｃｏｓφ）　　　　
　　・　（８）θ２　＝ｓｉｎ　−’（　ｓｉｎθｓｉ
ｎφ）　　　　　・・・（９）によってθｌ、θ２を求
めれば、（７）式より全立体角の放射パターンＥ（θ，
φ〉を求められる。

この測定方法では、Ｅｌ及びＥ２のデータは前述のよう
にサンプリング間隔ごとの角度に対してのみしかメモリ
に格納されていないので、内挿により必要なＥｌ　　（
θ１）及びＥ２　　（θ２）の情報を得ている．そこで、Ｅｌ　　（θ１〉及びＥ２　　（θ２〉のサン
プリング間隔は、内挿による誤差が無視できるように細
かくする必要がある．例えば、第４図及び第５図に示し
た測定例では、サンプリング間隔を０、５゜とするよう
にしたものである．以上のようにして算出したＥ（θ．
φ）を用いて、指向性利得Ｇｄを求めるには、以下の良
く知られた式を用いる。

・・・　（１０）（発明の効果）以上詳細に説明したように、本発明の測定方法によると
、使用する装置は極めて簡単な構成であり、また、測定
操作も簡単なものである．特に、素子配列の軸の数だけ
の面で放射パターンを測定するだけなので、全立体角に
わたって放射パターンを測定するのに比べて測定時間を
大幅に短縮することができる．

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明のアンテナ指向性利得の測定方法に用
いる測定装置の１実施例を示す概略図である．第２ａ図及び第２ｂ図は、測定装置のアレーアンテナ取
付け部の詳細を示す背面図及び側面図である．第３図は、被測定アレーアンテナの素子配列の１例を示
す概略斜視図である．第４図は、被測定アレーアンテナの第１の放射パターン
を示すグラフである．第５図は、被測定アレーアンテナの第２の放射パターン
を示すグラフである．１・・・素子配列軸、２・・・素子配列軸、３・・・被測定アレーアンテナ、６・・・送信アンテナ、７・・・回転柱、１２・・・コンピュータ、１４・・・角度検出部、１５・・・角度Ａ／Ｄインターフェース、１７・・・ア
ンテナ取付け板、２２・・・円板．第図第２０図第２ｂ図弟３図第４図部５図角度θ２（度）

Claims

【特許請求の範囲】

（１）被測定平面アレーアンテナのアンテナ素子の第１
の素子配列軸とアンテナ平面の法線とを含む面内で被測
定アレーアンテナを回転させながら、被測定アレーアン
テナから電磁波を放射させ、これにより遠方界に置いた
受信アンテナで受信することにより第１の放射パターン
を測定した後、第１軸と直角な第２の素子配列軸とアン
テナ平面の法線とを含む面内で第１放射パターンと同様
に第２の放射パターンを測定し、次に第１及び第２の放
射パターンから全立体角にわたる放射パターンを算出し
、これの積分値より指向性利得を求める、ことを特徴と
するアンテナ指向性利得の測定方法。
（２）被測定平面アレーアンテナのアンテナ素子の第１
の素子配列軸とアンテナ平面の法線とを含む面内で被測
定アレーアンテナを回転させながら、遠方界に置いた送
信アンテナから放射させた電磁波を、被測定アレーアン
テナで受信することにより第１の放射パターンを測定し
た後、第１軸と直角な第２の素子配列軸とアンテナ平面
の法線とを含む面内で第１放射パターンと同様に第２の
放射パターンを測定し、次に第１及び第２の放射パター
ンから全立体角にわたる放射パターンを算出し、これの
積分値より指向性利得を求める、ことを特徴とするアン
テナ指向性利得の測定方法。