(57)【要約】【課題】近傍界におけるタイムドメインでの測定を行い、遠方界のアンテナ特性を推定可能なアンテナ特性の測定システムを提供する。【解決手段】アンテナの近傍界の測定データからアンテナの遠方界の指向性を推定することが可能なアンテナ特性の測定システム（１０）であって、タイムドメインにより近傍界の測定データを測定するタイムドメイン測定部（６０）と、タイムドメイン測定部（６０）によって測定された近傍界の測定データを、ＮＦ−ＦＦ変換（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ変換）することによって遠方界の指向性を推定する指向性推定部（４０）とを有する。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アンテナの近傍界の測定データから前記アンテナの遠方界の指向性を推定することが可能なアンテナ特性の測定システムであって、
タイムドメインにより前記近傍界の測定データを測定するタイムドメイン測定部と、
前記タイムドメイン測定部によって測定された前記近傍界の測定データを、ＮＦ−ＦＦ変換（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ変換）することによって前記遠方界の指向性を推定する指向性推定部とを有することを特徴とするアンテナ特性の測定システム。
【請求項２】
請求項１に記載の測定システムにおいて、前記タイムドメイン測定部は、デジタルコミュニケーションアナライザであることを特徴とする測定システム。
【請求項３】
請求項１または２に記載の測定システムにおいて、前記タイムドメイン測定部は、走査平面における複数の測定点の波形データを、受信プローブによって前記タイムドメインによりサンプリングすることを特徴とする測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アンテナ特性の測定システムに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来から、アンテナの指向性を測定する手法として、アンテナの近傍界測定が用いられていた。例えば、特許文献１に示されるように、近傍界測定によってアンテナ近傍の電磁界の位相と振幅を測定し、電磁界理論を用いた演算によって遠方界の指向性を推定していた。そして従来、図１７に示されるように、位相と振幅を測定するためにベクトルネットワークアナライザ３０が一般的に用いられていた。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開2006-275967号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来のように、アンテナの測定を行う場合は上記ベクトルネットワークアナライザ３０から測定対象のアンテナ側に信号を入力する必要がある。しかし、近年、測定対象となるアンテナが筐体内に組み込まれているため、ベクトルネットワークアナライザ３０を用いた場合、実際にアンテナが使用される条件とは異なった状態でアンテナが測定されることとなる。
【０００５】
また、従来の方法は、周波数領域での測定であるため、１測定で得られるデータは、図１８の測定イメージ図に示されるように、ある時間における周波数対信号のスナップショットとなる。
【０００６】
しかしながら、第５世代移動通信システム、すなわち５Ｇでは、電波を任意の方向に集中させるビームフォーミング技術を活用するため、このような機能を有するアンテナシステムを評価するためには、走査面内の各点でスナップショットを重ねる必要がある。また、アンテナシステムがＲＦポートを持つ場合には、送信信号を基準にできるが、集積化されたアンテナシステムでは基準がない。そのため、各測定点のスナップショット間の同期が困難となる。
【０００７】
そこで、本発明はこのような課題に鑑み、近傍界におけるアンテナの測定データから遠方界のアンテナ特性を推定可能なアンテナ特性の測定システムを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明は上述の課題を解決するために、アンテナの近傍界の測定データからアンテナの遠方界の指向性を推定することが可能なアンテナ特性の測定システムであって、タイムドメインにより近傍界の測定データを測定するタイムドメイン測定部と、タイムドメイン測定部によって測定された近傍界の測定データを、ＮＦ−ＦＦ変換（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ変換）することによって遠方界の指向性を推定する指向性推定部とを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、近傍界におけるタイムドメインでの測定によって、精度の高い遠方界のアンテナ特性を推定することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】近傍界測定における平面走査法について説明する図であって、近傍界測定における配置斜視図である。
【図２】近傍界測定における平面走査法について説明する図であって、走査面における受信プローブの経路を示す図である。
【図３】本発明の一実施例におけるＮＦ−ＦＦ変換について説明する図であって、遠方界および近傍界の座標系モデルを示す図である。
【図４】本実施例におけるＮＦ−ＦＦ変換の一実施例を示すフロー図である。
【図５】本実施例における測定システム構成の一例を説明する図である。
【図６】本実施例における測定システムの測定イメージを説明する図である。
【図７】本実施例の測定システムにおける３軸ポジショナ５０のＸＹ走査平面図である。
【図８】本実施例の測定システムにおける各機器の仕様を示す図である。
【図９】本実施例の測定システムによる近傍界測定のフロー図である。
【図１０】本実施例における測定条件を示す図である。
【図１１】本実施例において測定された近傍界の振幅分布を示す図である。
【図１２】本実施例において測定された近傍界の位相分布を示す図である。
【図１３】本実施例の測定システムによって推定された遠方界の指向性と、有限要素解析ソフトウェアによって推定された遠方界の指向性を比較した図であって、Ｅθ（φ＝０°）における遠方界の指向性を示す図である。
【図１４】本実施例の測定システムによって推定された遠方界の指向性と、有限要素解析ソフトウェアによって推定された遠方界の指向性を比較した図であって、Ｅθ（φ＝９０°）における遠方界の指向性を示す図である。
【図１５】本実施例の測定システムによって推定された遠方界の指向性と、有限要素解析ソフトウェアによって推定された遠方界の指向性の誤差評価手法を説明する図である。
【図１６】本実施例の測定システムによって推定された遠方界の指向性と、有限要素解析ソフトウェアによって推定された遠方界の指向性との誤差評価の結果を示す図である。
【図１７】従来型測定システムの構成図である。
【図１８】従来型測定システムの測定イメージを説明する図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
次に、添付図面を参照して本発明のアンテナ特性の測定システム１０の実施例を詳細に説明する。
【００１２】
本発明の一実施例に係るアンテナ特性の測定システム１０は、近傍界測定によるものであるため、測定で得られる情報は近傍界の位相分布と振幅分布である。そして、当該近傍界測定で得られた近傍界の位相分布と振幅分布から、後述するＮＦ−ＦＦ変換（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）を行うことによって、遠方界の指向性を推定するものである。
【００１３】
近傍界測定は、遠方界測定に比べて省スペースの暗室を利用することができ、さらに電磁波の損失が小さいことから、ダイナミックレンジを大きくとることが可能である。
【００１４】
また、本実施例における近傍界測定では、図１の斜視図に示されるように、送信アンテナ１（被測定アンテナ）と受信プローブ２とを対向させ、任意のＸ−Ｙ平面３上を走査させている。そして、近傍界における波形をタイムドメインで測定した上で、高速フーリエ変換を行い、近傍界の位相分布と振幅分布を得ている。その後、アンテナ間の伝送特性を表す伝送方程式を求め、その式をもとに、ソフトウェアであるＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）によって遠方界の指向性を推定している。
【００１５】
すなわち、２次元平面上でプローブを走査する平面走査法を用い、通常は測定した電界の位相分布と振幅分布を２次元逆フーリエ変換する。しかし本発明では、上記の通り波形をタイムドメインで直接測定した上で高速フーリエ変換を行い、位相分布と振幅分布を得ている。そして、その値からＮＦ−ＦＦ変換を行い、受信プローブの影響を取り除く処理であるプローブ補正を行うことで遠方界の指向性を求めている。
【００１６】
より詳細に説明すると、平面走査法では、図１に示される送信アンテナ１を被測定アンテナとし、受信プローブ２を後述の３軸ポジショナ５０で移動させながらＸ−Ｙ平面３上での波形を測定する。図２に示されるように、測定点間隔をｄとすると、サンプリング定理によりｄ≦２／λを満たす必要がある。Ｘ軸およびＹ軸方向のサンプル点数をＮ点とするとＸ−Ｙ平面３上でのサンプル点はＮ２となる。このときＸ−Ｙ平面３の大きさは３軸ポジショナ５０の可動領域に制限される。
【００１７】
また、図２には、受信プローブ２の移動経路が示されている。受信プローブ２の始点をＸ−Ｙ平面３上の０としてＸ軸およびＹ軸ともに、Ｎまでサンプリングを行う。上記したように測定点間隔はｄであるので、Ｎ点におけるＸ軸、Ｙ軸上の距離はＮ×ｄとなる。
【００１８】
次に、前述したＮＦ−ＦＦ変換（Ｎｅａｒ  Ｆｉｅｌｄ−Ｆａｒ  Ｆｉｅｌｄ  Ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ）について、本実施例における具体的な処理手順を説明する。
【００１９】
本実施例では、３軸ポジショナ５０で近傍界における電界の位相分布と電界分布を取得し、遠方界における指向性を推定している。そして、図３に示されるように、近傍界４は直交座標系で、遠方界５は球面座標系で表される。さらにＮＦ−ＦＦ変換に用いる式（１）〜（７）を以下に示す。
【数１】
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【００２０】
上記数式（１）〜（４）に示される各式において、「ｒ」は計算上の遠方界の距離、「Ｎ」は測定点の最大数を表す。なお、本発明ではＸ軸とＹ軸における測定点の数は同じなので最大数はどちらともＮとなる。そして、上記数式（１）〜（７）に示される各式にもとづいて、Ｘ面およびＹ面にそれぞれ垂直または水平な面の遠方界指向性ＥθおよびＥφが得られる。
【００２１】
次に、前述の理論を用いた近傍界推測アルゴリズムについて説明する。本実施例では、近傍界電界分布測定の制御からＮＦ−ＦＦ変換まで、ソフトウェアであるＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）上で行っている。すなわち、タイムドメインで測定した波形にＮＦ−ＦＦ変換を行って、近傍界の振幅分布と位相分布を得ている。なお、今回使用した窓関数は矩形窓である。
【００２２】
図４には、本実施例のＮＦ−ＦＦ変換のフロー図が示されている。フロー図に示されるように、上記式（１）と式（２）における、ｊｋｅ−ｊｋｒ ／２πｒは、θ、φによらないので最初に計算を行う（Ｓ１００）。その後、必要となるφの値を指定した上で、θの値を−９０≦θ≦９０とし、ｋｘ、ｋｙの値を導く（Ｓ１１０）。そして、Ｎの値までｆｘ、ｆｙを求める（Ｓ１２０）ため、上記式（３）と式（４）の総和を求める部分をループ処理させる。この値を式（１）と式（２）に代入して、Ｘ−Ｙ平面にそれぞれ垂直または水平な面の遠方界指向性ＥθおよびＥφの値を求めている（Ｓ１３０）。
【００２３】
［測定システム１０の実施例］
以下では、送信アンテナ１（被測定アンテナ）としてホーンアンテナを用い、受信プローブ２としてダイポールアンテナを使用した本実施例の測定システム１０における実施例について説明する。
【００２４】
（測定環境）
図５には、本実施例におけるシステム１０の概略的な構成が図示されている。図示されるように、本実施例では近傍界測定のために、信号生成部７０とデジタル波形解析部６０と３軸ポジショナ５０と位置コントローラ２０が使用される。さらに、パーソナルコンピュータ等の任意のコンピュータ４０はインタフェースによって各機器と接続され、各機器の制御はコンピュータ４０がソフトウェアとして備えるＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）によって行われている。なお、本実施例における使用機器の仕様が図８に示されている。
【００２５】
また、本実施例では、タイムドメインによる波形測定のために、タイムドメイン測定部として、デジタル波形解析部６０が使用されている。当該デジタル波形解析部６０は、等価時間サンプリングを行うことにより、波形を測定することが可能となっている。波形の測定の際に用いられるトリガ信号は、信号生成部７０から出力される１０ＭＨｚの信号となっている。なお、デジタル波形解析部６０として、デジタルコミュニケーションアナライザを使用することが可能であり、例えば、デジタルサンプリングオシロスコープ等を好適に使用することができる。
【００２６】
さらに、本実施例では、送信アンテナ１（被測定アンテナ）にホーンアンテナを使用しているため、入力に発振器を用いている。また、受信プローブ２としてダイポールアンテナを用い、デジタル波形解析部６０と接続している。３軸ポジショナ５０は、位置コントローラ２０により可動制御される。図７の３軸ポジショナ５０におけるＸ−Ｙ走査平面図に示されるように、受信プローブ２の可動域はＸ軸、Ｙ軸方向ともに６００ｍｍである。したがって、近傍界の測定領域４１は最大６００ｍｍ以下としている。
【００２７】
（測定構成）
次に、図９には本実施例の測定システム１０による近傍界測定のフロー図が示され、図１０には、本実施例における測定条件が示されている。具体的には、パーソナルコンピュータ４０を介して、図８に示される測定条件にもとづく設定を行う。
【００２８】
上記測定条件にもとづき、受信プローブ２の移動条件が設定され、位置コントローラ２０は、３軸ポジショナ５０の測定領域４１において、移動経路４３にしたがって受信プローブ２の可動制御を行っている。なお、本実施例で使用する位置コントローラ２０は、図９のフロー図に示されるように、絶対位置ではなく相対位置により移動制御されている。
【００２９】
そして、図７のＸ−Ｙ走査平面図に示されるように、順次、各測定点４２での測定が終了すると、指向性推定部として機能するＬａｂＶＩＥＷ（登録商標）を備えたコンピュータ４０が、測定で得られた近傍界の波形情報に高速フーリエ変換を行う。これによって、振幅分布と位相分布を取得して、前述したＮＦ−ＦＦ変換を行うことで遠方界の指向性を推定するように構成されている。
【００３０】
以上のように、本実施例の測定システム１０は、図６に図示されているように、近傍界測定を時間領域で測定するため、１回の測定で得られるデータは、ある時間からある時間までの時間対信号の波形となる。そして、近傍界データを遠方界データに変換するためには、各測定点における複素信号が必要となるため、取得された近傍界の波形を切り取ってフーリエ変換(ウェーブレット変換)することで複素信号を取得する。基準信号は、デジタル波形解析部６０に外部（本実施例では信号生成部７０）から入力されるトリガ信号（本実施例では１０ＭＨｚ）となるため、同期の問題を解消できる。さらに、測定された波形の任意の区間を切り取って処理できるため、動的な指向性変化も測定することが可能である。
【００３１】
（測定結果）
図１０に示された本実施例における測定条件のもと、測定された近傍界の振幅分布を図１１に、近傍界の位相分布を図１２に示す。なお、振幅分布のＺ軸の単位はｍＶであり、位相はｄｅｇである。
【００３２】
なお、本実施例の送信アンテナ１（被測定アンテナ）は、矩形ホーンアンテナであるので、受信プローブ２としてダイポールアンテナを使用する際に電界はＥ面にのみ発生する。したがって、１方向の近傍界データを取得すればよい。
【００３３】
また、ダイポールアンテナは電界に対して感度が高い軸が１本しか存在せず、他の軸に発生する電界については感度が低い。そのため、受信プローブ２としてダイポールアンテナを使用する場合は、送信アンテナ１（被測定アンテナ）の測定方向を選択することが可能である。
【００３４】
次に、本実施例によって得られた近傍界の位相分布と振幅分布をＮＦ−ＦＦ変換して推定した遠方界における指向性と、ＣＯＭＳＯＬ社製有限要素解析ソフトウェアによって解析・推定した矩形ホーンアンテナの遠方界の指向性とを比較する。
【００３５】
図１３には、Ｅθ（φ＝０°）における本実施例の測定システム１０で推定した遠方界の指向性が実線により示され、ＣＯＭＳＯＬ社製解析ソフトウェアにより推定した指向性が破線で示されている。また、図１４には、Ｅθ（φ＝９０°）における本実施例の測定システム１０で推定した遠方界の指向性が実線により示され、ＣＯＭＳＯＬ社製解析ソフトウェアにより推定した指向性が破線で示されている。
【００３６】
そこで、本実施例の測定システム１０によって推定した遠方界の指向性と、ＣＯＭＳＯＬ社製解析ソフトウェアのシミュレーションにより推定された遠方界の指向性とを、図１５に示された基準で誤差の評価を行う。すなわち、主放射角誤差はメインローブの放射が最大となる角度の誤差であり、−１０ｄＢ幅誤差は最大放射強度から−１０ｄＢ以上となる範囲の角度の誤差である。
【００３７】
そして、上記の評価手法による誤差の結果が図１６に示されている。Ｅ面、Ｈ面共に主放射角の誤差は３ｄｅｇであるが、その長さは０．４３ｍｍとなる。これは、送信アンテナ１（被測定アンテナ）の傾きを目視のみで確認していることや、プローブの位置による減衰率の変化が影響したものと考えられるが、その誤差は非常に僅かである。
【００３８】
また、Ｅ面、Ｈ面ともに、指向性が−１０ｄＢの範囲において規格化された指向性は、ＣＯＭＳＯＬ社製解析ソフトウェアによる遠方界の指向性と比較して、誤差１ｄＢ以内で一致している。さらに、−１０ｄＢ幅角誤差も１ｄｅｇ以内に抑えられている。
【００３９】
以上のように、本発明のアンテナ特性の測定システム１０によれば、例えば、５Ｇのアンテナシステムで利用されるビームフォーミングなど、動作状態での測定が必要となるアンテナであっても、確実に遠方界の指向性を推定することが可能となっている。
【００４０】
さらに、各アンテナ素子に測定端子を備えることが物理的に困難であり、また低コスト化の観点からもアンテナとＲＦ回路の一体化が進む中、入力端子がないアンテナであっても測定が可能となっている。すなわち、どのような発信源であっても遠方界の指向性を推定することが可能であり、製品そのものを実際の動作状態で測定することが可能となっている。
【００４１】
［その他の実施形態］
以上、本発明のアンテナ特性の測定システム１０の一実施例について、図表にもとづいて説明したが、具体的な構成は上記した実施例に必ずしも限定されるものではない。例えば、上記実施例において測定周波数を５．８ＧＨｚとしたが、必ずしもこのような周波数帯に限られるものではなく、２８ＧＨｚ帯を含む幅広い周波数帯域の測定が可能である。
【００４２】
また、前述の実施例では、ＸＹ走査面に対してＮ＝６４点の測定点等を設定したが、必ずしもこのような実施例に限られるものではなく、測定範囲の寸法や測定点間隔、測定点の数は適宜設定することが可能である。
【符号の説明】
【００４３】
１  送信アンテナ
２  受信プローブ
１０  測定システム
２０  位置コントローラ
４０  コンピュータ
５０  ３軸ポジショナ
６０  デジタル波形解析部
７０  信号生成部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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