(57)【要約】  導電性小型アンテナ（Electrically Small Antenna; ESA）を含み、アンテナの自動的な再調整（再チューニング）を支援するために、通信システムに組み込むことができるＲＦコンポーネントの順方向および逆方向の信号パラメータを測定することのできるＲＦ信号検査測定システム。【選択図】図４
2013503331.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性小型放射素子によって送信または受信される無線周波数信号を測定するための検査測定システムであって、
導電性小型反射率計を含み、
前記導電性小型反射率計からの出力は、光デジタル信号の形式で与えられること
を特徴とする検査測定システム。
【請求項２】
前記導電性小型反射率計は、アナログデジタル変換器と電気的に接続された無線周波数双方向結合器を含むこと
を特徴とする請求項１に記載の検査測定システム。
【請求項３】
前記導電性小型反射率計は、光データ送信器モジュールをさらに含むこと
を特徴とする請求項１または２に記載の検査測定システム。
【請求項４】
光データ受信器をさらに含むこと
を特徴とする請求項３に記載の検査測定システム。
【請求項５】
光−無線周波数（ＲＦ）モジュールをさらに含むこと
を特徴とする請求項１から４いずれか一項に記載の検査測定システム。
【請求項６】
前記システムは、無響室内または遠距離のアンテナ測定範囲内に置かれること
を特徴とする請求項１から５いずれか一項に記載の検査測定システム。
【請求項７】
前記システムがホイーラー・キャップ内に置かれること
を特徴とする請求項１から５いずれか一項に記載の検査測定システム。
【請求項８】
請求項１から５いずれか一項に記載の検査測定システムを含む無線周波数装置。
【請求項９】
請求項１から５いずれか一項に記載の検査測定システムを含む通信システム。
【請求項１０】
図１から３２を参照して、そこに実質的に記載された検査測定システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、無線周波（ＲＦ）コンポーネントの順方向信号パラメータおよび逆方向信号パラメータを測定できる無線周波（ＲＦ）信号検査測定システムに関するものである。該システムは、アンテナ、特に、導電性小型アンテナ（Electrically Small Antennas; ESA）を含み、アンテナの自動的な周波数合わせを支援するために、通信システム内に組み込まれる無線周波（ＲＦ）検査測定システムに関する。
【背景技術】
【０００２】
アンテナのようなＲＦコンポーネントを検査するために、ＲＦ装置を開発する必要があり、独立あるいは組み込まれたシステム内の実際の性能を検査することができる。アンテナ性能を測定することは、従来、アンテナを反射率計に接続することによって成し遂げることができる。当該反射率計は、ネットワーク分析器を用いて、アンテナの拡散パラメータ（Scattering parameter; S-parameter）の大きさ（magnitude）を測定することができるが、放射装置からの予測不可能な損失を許容するためのキャリブレーションが問題となる。これは、特に、ＥＳＡに対して問題となる。なぜなら、アンテナから反射するエネルギーは、測定システムに戻るコモンモード電流として動作する。この予測不可能な影響は、キャブレーション手続きにおいて説明できない。
【０００３】
携帯電話などのホストに組み込まれたアンテナは、一般的には導電性の小型なものである。導電性小型アンテナ（ＥＳＡ）は、一般に、該アンテナが、その最も高い動作周波数で動作するときのλ／１０よりも大きい寸法とならないと考えられる。さらに、これらの組み込まれたＥＳＡは、周辺環境に敏感であり、離調に対して弱い。例えば、測定システムがアンテナに非常に接近して配置されているかどうかを検査中、それは、ＲＦ入力ケーブルのようなコンポーネントの使用のために、非励振素子として動作できる。その結果、異なる環境におけるホストとの通信は、この離調の影響のために非常に困難になる。
【０００４】
ＥＳＡの放射効率を測定するために、測定システムを利用するいくつかの方法がある。パターン積分法（pattern integration）は、ＥＳＡの絶対的な放射効率を測定するために現在用いられる最も正確な方法である。しかしながら、それは、最も複雑で多くの時間を消費する方法であり、較正された帯域または電波暗室（anechoic chamber）を必要とする。５００ＭＨｚ未満の周波数で、実際に実施することは困難である。アンテナの遠距離場が複雑なパターンまたは複雑な偏りを有するなら、当該方法はさらに複雑である。
【０００５】
Ｑファクター法は、無損失アンテナの線質係数（quality factor）に対する理論値を利用しており、これは、アンテナが簡単な構造でなければ達成することが困難な場合もあり得る。また、アンテナ上の電流分布の形は、該アンテナまたはその周囲に変化が生じたときに、変化しないままであると考える。
【０００６】
抵抗比較方法は、金属が異なる以外全く同じ、製造されるための２つのアンテナを必要とする。２つの金属の導電率の違いは、小さな変動であるとみなされ、それらのオーム抵抗は、異なるとみなされる。また、当該方法は、金属の導電率および動作周波数が高いとみなされる。これらの仮定は、表面抵抗の概念が、放射抵抗を定めるために用いられるように作られている。さらに、Ｑファクター法と同様に、この抵抗比較方法も、アンテナ上の電流分布の形は、該アンテナまたはその周辺に変化が生じたときに、変化しないままであるとみなされる。
【０００７】
放射計による方法は、低雑音の領域に向けられた損失の大きいアンテナが、同じ領域に向けられた無損失のアンテナよりもより大きな雑音電力を生じるという動作原理に基づいている。アンテナにおける損失は、周囲温度での雑音源とみなされ得る。方法は、ＥＳＡような、名目上、無指向性のアンテナ放射パターンを有するアンテナに対して適切ではない。低雑音の領域（すなわち、天頂の空）に向けられたときに、そのようなアンテナは、水平からの放射を受ける。該放射はより高温で、そのために測定の不確実性を増加させる。したがって、当該方法は、ペンシルビーム型放射パターンを有する高利得アンテナに対して有用である。また、当該方法は、良好な雑音指数を備える高品質の増幅器および混合器を必要とする。それらは、雑音を付加し得る追加的な構成要素を回避するために、アンテナに接近して取り付けなければならない。ドリフトする傾向にある増幅器は、測定不確実性を増加させる。さらに、アンテナは、システム雑音の増加を回避するために、雑音源に一致したインピーダンスでなければならない。
【０００８】
ランダムフィールド法（RFM; Random Field Measurement）は、未知のアンテナと標準アンテナ（reference anntena）によって受信された信号は、レイリー分布に従うと仮定する統計理論に基づいている。当該手法は、人体にごく接近したときの、アンテナの放射効率を測定するために用いられている。測定手続きの統計的性質は、その他の従来法よりも、より多くの時間を消費することとなる。
【０００９】
熱量測定法（calorimetric method）は、放射された電力よりもむしろ散逸された電力の測定に基づいている。それは、パターン積分法に対する低コストの代案、および、後述するホイーラー・キャップ法（Wheerler cap method）の代用ということである。しかしながら、測定手続きは、ホイーラー・キャップ法よりも複雑である。当該測定に必要とされる装置は、パターン積分法に必要とされるものよりも、比較的に安いけれども、いまだにホイーラー・キャップ法を用いるよりもかなり高価である。
【００１０】
リバブレーションチャンバ（残響室）法（reverberation chamber method）は、パターン積分法に対する安価な代替法であると述べられている。モードおよびプラットフォーム撹拌（mode and platform stirring）は、金属製チャンバ内のマルチパス環境を設定するのに用いられる。その後、統計分析が、アンテナの放射効率を同定するのに用いられる。当該チャンバ内のモードは、金属製パドルによって調節され、該パドルは一定かつ既知の速さで回転される。改善された測定精度を得るために、プラットフォームとも称される、被試験アンテナも回転される。当該方法は、リバブレーションチャンバにおける、平均受信電力が、当該被試験アンテナの放射効率に比例する。
【００１１】
反射法は、アンテナと反射による短絡（ショート）との間の距離が変化したときに、アンテナの反射係数を検査する。当該測定法は、横電界ＴＥ１０モードで機能する長方形の導波管において実施される。この測定法は、ホイーラー・キャップ法の拡張とみなすことができるが、手続きはかなり複雑であり、高品質の可動短絡（sliding short）と共に、若干複雑な導波管構成を必要とする。追加的な利益は、それらアンテナが直列抵抗器、並列コンダクタンス、非単純なアンテナ構造からなるかどうかで、アンテナ損失がモデル化されることである。
【００１２】
放射シールド法（radiation shield method）は、１９５４年のＨ．Ｗｈｅｅｌｅｒによって公開された論文（“The radian sphere around a small antenna,” proceedings IREE Australia, vol. 47, pp. 1325-1331, Aug. 1959）から考案されたラジアン球（radian sphere）の大きさの導電性シェル状の放射シールドの概念である。当該論文には、導電性小型アンテナに対して、ラジアンシールドは、放射抵抗および損失抵抗の分離測定が可能であると記載されている。放射効率を測定するこの方法は、現在では、典型的なホイーラー・キャップ方法として知られており、実際には、入力インピーダンスの２つの測定値のみを必要とするだけで、実施することが簡単であるので、広く利用されている。ホイーラー・キャップ方法は、等価直列ＲＬＣ回路上にモデル化され、それは、全てのアンテナ（例えば、マイクロストリップアンテナなど）に対する事例ではないかもしれない。その結果、改良ホイーラー・キャップ法は、Ｗ．ＭｃＫｉｎｚｅによって提案された（“A modified wheeler cap method for measuring antenna efficiency,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 4, pp. 542-545, Jul 1997）。当該方法は、直列または並列ＲＬＣ回路モデルのいずれかを用いて、共振に近いアンテナの入力インピーダンスを見積もる。この方法では、アンテナは、導電性の球の中に配置されるか、または、基平面の上に配置されたアンテナと共に半球の中に配置される。当該球は“ホイーラー・キャップ”として知られており、すべての放射エネルギーが反射されることを保証することで放射を防ぐために用いられ、それにより、測定されたインピーダンスがアンテナにおける損失によるものとなる。従来、ホイーラー・キャップ測定法は、測定システムの入力および出力に存在するＲＦ干渉のために困難であるとされている。本発明は、測定されるＲＦコンポーネントを分離することを目標とし、これにより、信号測定の精度が大幅に改善される。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【００１３】
【非特許文献１】H. Wheeler, "The radian sphere around a small antenna,” proceedings IREE Australia, vol. 47, pp. 1325-1331, Aug. 1959
【非特許文献２】W. McKinze, “A modified wheeler cap method for measuring antenna efficiency,” IEEE Antennas and Propagation Society International Symposium, vol. 4, pp. 542-545, Jul 1997
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１４】
本発明の目的は、導電性小型反射率計ＲＦ検査および測定システム（本明細書では、デジタルコンポーネントとアナログコンポーネントが用いられるので、ハイブリッド反射率計システム、またはＨＲＳと称する。）を提供することである。当該システムは、ＥＳＡを含むＲＦコンポーネントの順方向および逆方向の信号パラメータを測定することができるが、寄生効果を防止するために、そのような方法でコンポーネントから分離される。また、様々な条件や環境における動作時に、アンテナの周波数合わせ（再調整、再チューニング）を可能にするために、ＨＲＳが通信システム、例えばアンテナシステムに組み込むことを目的とする。
【００１５】
よって、本発明は、導電性小型反射率計を含む導電性小型放射素子（electrically small radiating element）によって送信または受信された無線周波数信号を測定するために、検査および測定システムを提供する。当該導電性小型反射率計からの出力は、光デジタル信号の形で与えられる。
【課題を解決するための手段】
【００１６】
導電性小型反射率計とは、本明細書では、反射率計がＥＳＡのような導電性小型放射素子よりも電気的に小さいことを意味する。現在、最先端の技術では、反射率計からの出力は、常に、アナログ信号である。例えば、ネットワーク分析器は、アナログ信号を取得して、さらに、該信号をデジタルフォーマットに変換する前にそれを処理する。これは、反射率計の出力について、該反射率計によって信号の測定を妨げ得るＲＦコンポーネントが存在することを意味する。その結果、誤差の補正を導入しなければならない。導電性小型反射率計からの出力を、すぐにデジタル信号に変換することによって、本発明は測定された信号のＲＦ干渉を防止することができ、それにより、精度を向上させることができる。したがって、これは、誤差の補正の必要性を解消する。これを達成する１つの方法は、無線周波数双方向結合器を備える導電性小型反射率計を構成し、それをアナログデジタル変換器に電気的に接続することである。
【００１７】
好ましくは、デジタル信号出力を取得して、光データ送信モジュール（Optical Data Transmitter module）を介して、それを送信することによって、アンテナに関するデジタル信号は、光学的フォーマットに変換され得る。光データ送信モジュールの出力は、光データ受信器（Optical Data Receiver）（光ファイバリンク）を介して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）に送信され得る。これは、アンテナ信号が、使用中のＲＦケーブルなしに、ＰＣを用いて分析され得る。また、もしオプティカル−ＲＦ（Optical to RF）モジュールが導電性小型反射率計の入力に付加されるなら、光ファイバーケーブルは、信号をオプティカル−ＲＦモジュールに入力することができ、ＲＦ給電ケーブルの必要性を排除する。これは、アンテナのＲＦ特性を損なわずに実行される、順方向および逆方向のアンテナ伝達特性の測定を許容する。言い換えると、アンテナは入力および出力ＲＦ干渉の両方から完全に分離され、それで、測定の精度はさらに向上し得る。
【００１８】
本発明は、ＲＦ給電ケーブルの利用なしに、無線周波数信号を測定するために、電波暗室内またはホイーラー・キャップ内で用いることができ、これにより、得られた測定値から悪影響を及ぼすＲＦ効果を取り除ける。当業者であれば、本発明が上述されたその他の測定手法にも用いることができることを十分に理解されるであろう。
【００１９】
本発明は、ＲＦ増幅器またはフィルタなどのＲＦ装置と共に都合良く用いることができる。
【００２０】
測定プロセス中にコモンモード電流の影響を大幅に減少させるために、ＲＦコンポーネントの端子における順方向および逆方向信号パラメータの両方を測定する機能を有するＲＦ測定システムは、寄生的に、通信システムのフィードバックループに組み込むことができる。本測定システムは、アンテナに影響する環境の変化による信号誤差を発見することができ、アンテナの自動再調整を支援するために、発見された誤差を自動アンテナマッチングユニット（Automatic Antenna Matching Unint; AAMU）のような装置に入力する。
【００２１】
本発明は、本明細書において、図面を参照して一例として説明される。
【図面の簡単な説明】
【００２２】
【図１】図１は、ＨＲＳシステムのネットワーク図である。
【図２】図２は、簡単化したＨＲＳシステムのネットワーク図である。
【図３】図３は、ＨＲＳ信号のフローチャート図である。
【図４】図４は、ＨＲＳシステムのコンポーネント図である。
【図５】図５は、順方向に伝送された電力を測定するための、ＨＲＳの特性測定の構成を示す。
【図６】図６は、ＨＲＳの測定された反射係数を示す。
【図７】図７は、ＨＲＳの測定された透過係数を示す。
【図８】図８は、ＨＲＳ散乱パラメータの構成を示す。
【図９】図９は、順方向での出力データ電力と入力電力との線形性を示す。
【図１０】図１０は、逆方向での出力データ電力と入力電力との線形性を示す。
【図１１】図１１は、システム特性測定のためのＲＦ−光ファイバモジュール（RF to fibre optic module）を含むＨＲＳのポート１に対するキャリブレーション構成を示す。
【図１２】図１２は、システム特性測定のためのＲＦ−光ファイバモジュールを含むＨＲＳのポート２に対するキャリブレーション構成を示す。
【図１３】図１３は、反射減衰量を測定するための、ＨＲＳのポート１に対するキャリブレーション構成を示す。
【図１４】図１４は、反射減衰量を測定するための、ＨＲＳのポート２に対するキャリブレーション構成を示す。
【図１５】図１５は、アンテナ放射測定システムに組み込まれたＨＲＳを示す。
【図１６】図１６は、キャリブレートされたダイポールアンテナの放射特性図を示す。
【図１７】図１７は、モノポール（Ｍ１）アンテナの放射特性図を示す。
【図１８】図１８は、モノポール（Ｍ３）アンテナの放射特性図を示す。
【図１９】図１９は、モノポール（Ｍ２）アンテナの放射特性図を示す。
【図２０】図２０は、ＥＳＰアンテナの放射特性図を示す。
【図２１】図２１は、ホイーラー・キャップ測定システムに組み込まれたＨＲＳのシステム図である。
【図２２】図２２は、自由空間中に置かれたＭ１アンテナの反射係数を示す。
【図２３】図２３は、ホイーラー・キャップ測定システム中に置かれたＭ１アンテナの反射係数を示す。
【図２４】図２４は、自由空間中に置かれたＭ２アンテナの反射係数を示す。
【図２５】図２５は、ホイーラー・キャップ測定システム中に置かれたＭ２アンテナの反射係数を示す。
【図２６】図２６は、自由空間中に置かれたＭ３アンテナの反射係数を示す。
【図２７】図２７は、ホイーラー・キャップ測定システム中に置かれたＭ３アンテナの反射係数を示す。
【図２８】図２８は、自由空間中に置かれたＥＳＰアンテナの反射係数を示す。
【図２９】図２９は、ホイーラー・キャップ測定システム中に置かれたＥＳＰアンテナの反射係数を示す。
【図３０】図３０は、ビーコン（無線標識）がＡＡＭＵを制御するシステムに組み込まれたＨＲＳのシステム図である。
【図３１】図３１は、ビーコンが再構成可能アンテナを制御するシステムに組み込まれたＨＲＳのシステム図である。
【図３２】図３２は、ビーコンがＡＡＭＵと再構成可能アンテナを制御するシステムに組み込まれたＨＲＳのシステム図である。
【発明を実施するための形態】
【００２３】
図１は、ＨＲＳの信号フローネットワーク分析を示し、該分析は複雑なネットワークを比較的簡単な入力出力関係に減らすために用いることができる。そして、ＲＦネットワークは、散乱パラメータ（scattering parameter）を用いて特徴付けられ得る。ネットワーク分析のために、ＨＲＳは４つのモジュールから成り、各モジュールは、２つの入力ポートと２つの出力ポートを有するブロックで示された２ポートネットワークである。各モジュールに関連するポートは：
ＲＦ−光（RF to Optical, RF to Optic）モジュール
ａ１入力入射信号ノード
ａ２出力反射信号ノード
ｂ１入力反射信号ノード
ｂ２出力入射信号ノード
光−ＲＦ（Optical to RF, Optic to RF）モジュール
ａ３入力入射信号ノード
ａ４出力反射信号ノード
ｂ３入力反射信号ノード
ｂ４出力入射信号ノード
双方向結合器ＲＦ（Dual-Directional Coupler; DDC(RF)）モジュール
ａ５入力入射信号ノード
ａ６出力反射信号ノード
ｂ５入力反射信号ノード
ｂ６出力入射信号ノード
双方方向結合器Ａ／Ｄ変換器（Dual-Directinal Coupler A/D converter DDC(A/D)）モジュール
ａ８入力入射信号ノード
ａ９出力反射信号ノード
ｂ８入力反射信号ノード
ｂ９出力入射信号ノード
【００２４】
電源Ｖｓは、ＲＦ−光（RF to Optical）モジュールに接続され、特性インピーダンスと反射係数ＺSおよびΓSをそれぞれ有する。アンテナはＤＤＣ（ＲＦ）モジュールに接続され、特性インピーダンスと反射係数ＺAおよびΓAをそれぞれ有する。
【００２５】
ＤＤＣ（Ａ／Ｄ）モジュールは、ＤＤＣ（ＲＦ）から受信した測定された信号を、光ファイバを経由して送信されるようにする準備として、デジタルストリームに変換する。ａ5からｂ8への経路およびｂ8からａ6への経路は光信号であり、当該経路はＲＦモジュールから独立しているので、ＤＤＣ（Ａ／Ｄ）は、ＤＤＣ（ＲＦ）と完全に調和されると考える。したがって、ＤＤＣ（Ａ／Ｄ）コンポーネントは、ＨＲＳの散乱パラメータを定めるために必要ではない。これは、図２に示すように、システムネットワークおよびその後に続く分析を簡単化する。ＲＦ−光（RF to Optical）モジュールと光−ＲＦ（Optical to RF）モジュール間の光学インターフェースは、ラインインピーダンスＺoptによって調和されると考える。光−ＲＦ（Optical to RF）モジュールとＤＤＣ（ＲＦ）間のインターフェースも、ラインインピーダンスＺrfによって調和されると考える。
【００２６】
図３の信号フロー図を参照すると、ＲＦ−光（RF to Optical）モジュール、光−ＲＦ（Optical to RF）モジュールおよびＤＤＣ（ＲＦ）に対する散乱パラメータは、それぞれζ、ρ、υで示される。２つの付加的なノード a´1および b´1 と、多数の無損失接続は、数学的分析を支援するために信号フローチャートに導入される。
【００２７】
信号フローチャートは、数１の数式で与えられる、比 a1÷bs を見つけるために、反復分解のプロセスによって減らすことができる。そして、この数式は、全ネットワークの散乱パラメータと入力電源信号Ｖsの関数として、ＨＲＳ（a1）の入力に供給される信号を定めるために用いることができる。光信号によって得られる経路は、ＲＦ反射を引き起こさないと仮定すると、それにより、ΓROout＝ΓORin＝０となり、数１の数式は、数２の数式に減縮される。
【００２８】
【数１】
2013503331.tif 000003
【００２９】
【数２】
2013503331.tif 000004
ＨＲＳの入力反射係数は、数３の数式のように表すことができ、先の仮定を用いて数４の数式のように減縮される。
【００３０】
【数３】
2013503331.tif 000005
【００３１】
【数４】
2013503331.tif 000006
【００３２】
図４は、ＨＲＳのシステム図を示す。ＨＲＳは、外部の影響から隔離するために、ダイカスト製ボックス内に搭載された。入力ポート（Ｐin＝Ｐ1）は、ヒューレット・パッカード８６４５Ａ信号発生器に接続された。該発生器は、ケーブルにおける損失を考慮するためにキャリブレートされた。出力ポート（Ｐout＝Ｐ2）は、Ｅ４４０４Ｂスペクトル分析器の入力ポートに接続された。デジタルデータは、光ファイバを経由して、パーソナルコンピュータ（ＰＣ）に伝送された。順方向電力、逆方向電力および反射係数は、モニター上に表示される整数で表される。順方向電力に対する測定の構成は、図５に示される。理論的には、ＨＲＳは、互恵的な装置であるが、わずかな非対称性が発見された。ポートは、アンテナに接続されているポートにおいて、最良のインピーダンス調和を与えるために選択された。測定は、５つの別個の周波数：２５０ＭＨｚ、３００ＭＨｚ、３５０ＭＨｚ、４００ＭＨｚおよび４５０ＭＨｚで行なわれた。順方向と逆方向の両方向に対する入力電力と出力データとの線形性は、それぞれ図６および図７に示され、各周波数において、与えられた入力電力ｄＢに対して、入力電力（ユニット）を表す。データは、Ｐ1かＰ2のいずれかに伝達する電圧を確定するために、ルックアップテーブルに利用され得る。Ｐ1とＰ2の両方に伝達する電力量を知ることは重要である；アンテナに伝送される電力は、Ｐ1に伝達する電力から（ＨＲＳの挿入損失を考慮して）定めることができ、アンテナから反射された電力は、Ｐ2に伝達する電力から定められ得る。
【００３３】
また、図８に示すように、ＨＲＳは、ネットワーク分析器を用いて、その散乱パラメータを測定することによって特徴付けられた。３５０ＭＨｚで、散乱パラメータは、Ｓ11（−１９：８ｄＢ  ５８Ω）、Ｓ21（−０：８６ｄＢ）、Ｓ12（−０：８６ｄＢ）およびＳ22（−２３：１９ｄＢ  ５２Ω）である。ＨＲＳに対する反射係数および透過係数は、それぞれ図９および図１０に示される。ＨＲＳは、両方のポートで良好の調和と、１ｄＢ未満の許容可能な挿入損失を有する。
【００３４】
図１１および図１２は、光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールを伴う、ＨＲＳのキャリブレーションのためのＨＲＳ装置構成を示す。ＨＲＳ測定システムを特徴付けるために、ＲＦ−光ファイバ（RF to Fibre Optic）モジュールへのＲＦ入力電力と、対応するＲＦおよびデジタルデータ形式は、既知でなければならない。ＨＲＳおよび光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、外部の影響から２つのモジュールを隔離し、組み合わされたモジュールのキャリブレーションを可能にするために、両方ともダイカスト製ボックスに搭載された。ＨＲＳは、Ｐ1に送られて、Ｐ2で受けられる電力を用いて、ノーマルモードの動作に設定された。
【００３５】
ＲＦ−光ファイバ（RF to Fibre Optic）モジュールは、その入力ポートＰAで受信したＲＦ電力を、光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールに送信される光信号に変換し、該光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、受信した信号をＨＲＳに送信する前に、光信号をＲＦに変換する。ＨＲＳのＰ2における出力は、Ｅ４４０４Ｂスペクトル分析器によって測定され、対応する数値がＰＣに記録される。また、このキャリブレーションは、Ｐ2に送られて、Ｐ1で受けられる電力を用いて、リバースモードのＨＲＳ構成でも行なわれた。そして、キャリブレートされたデータは、ｄＢｍにおける測定された入力および反射された電力を求めるために、ルックアップテーブルで用いられた。リバースモードでＨＲＳをキャリブレートする理由は、出力ポートＰ2から反射された電力のためにキャリブレーションデータを得ることであった。該出力ポートは、アンテナに接続されたポートであるからである。
【００３６】
光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、３５０ＭＨｚで１０ｄＢｍの最大出力電力を発生させるために、飽和状態で動作する。このモジュールの出力ポートは、ＨＲＳの入力ポートＰ1に直接接続される。ＨＲＳは、１：２ｄＢの定格挿入損失を有し、それゆえに、８：８ｄＢｍがその出力ポートＰ2で与えられる。これは、（先の段落で与えられた）ＨＲＳの散乱パラメータの測定に一致し、Ｓ21は約０．９ｄＢであり、キャリブレーションプロセスにおける信頼性を与える。
【００３７】
図１３および１４は、反射減衰量を測定するために、ＨＲＳをキャリブレートするための装置構成を示す。ＨＲＳは、アンテナから反射され測定された電力が、既知の反射減衰量に対して、キャリブレートされることを保証するためにキャリブレーションを必要とする。これは、いくつかのキャリブレートされた減衰器の反射減衰量を測定することによって行なわれた。１ｄＢから２０ｄＢの範囲の減衰器は、ＨＲＳのダイナミックレンジをカバーするキャリブレーション測定を可能にする。減衰器の反射減衰量は、信号が、順方向に減衰器を通過し、その後、それが減衰器の開放端（open end）から反射され、逆方向に通過するので、効率的に２倍にされる。減衰器の複素インピーダンスおよび反射係数は、終端負荷（terminating load）（短絡、開回路または調和された（５０Ω）のいずれか）の関数であり、それらは、終端（termination）のインピーダンス特性を持つようになる。開回路の終端に対して、インピーダンスの実部／リアクタンス部（虚部）（real/reactive part）は、高／容量性（high/capacitive）の傾向がある。その一方で、短絡終端では、インピーダンスの実部／リアクタンス部は、低／誘導性（low/inductive）の傾向がある。アンテナのインピーダンスは、アンテナのタイプに応じて変化するものなので、キャリブレートされた減衰器のインピーダンスを知ることは重要である。典型的に、導電性小型双極ループ型アンテナのリアクタンスは、それぞれ容量性かつ誘導性である。減衰器の反射係数Ｓ11は、表１に示される。
【００３８】
【表１】
2013503331.tif 000007
さらに、測定されたデジタルデータは、アンテナの反射減衰量を求めるために、ルックアップテーブルに用いられた。キャリブレーションは、光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールを有する場合と無い場合の両方で行なわれた。その結果、ＨＲＳへの光供給（入力）を利用することは便利ではなく、キャリブレートされたＳ11測定値は、ＨＲＳに直接接続されたＲＦケーブルで得られる。反射係数Ｓ11は、ＨＲＳ単体を用いるとき、−２２ｄＢと同じくらい低い値まで測定され得る（ｄＢで表現されるとき、Ｓ11は、全く不整合（ミスマッチ）の０ｄＢから完全調和（マッチ）の−∞ｄＢに変化する）。
【００３９】
この数字は、ＨＲＳが光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールに組合された場合、−１７ｄＢまで悪化する。これは、２つのモジュール間の不整合（ミスマッチ）が原因であると考えられる。２つのモジュールは、短い結線によって接続される。この段階で、測定された反射係数のレベルは許容できる（それは、導電性小型アンテナに対する典型的な反射係数値（よくても、−１０ｄＢである））ので、接続のインピーダンス調和を行なわない。
【００４０】
図１５は、アンテナ反射率測定システムに組み込まれたＨＲＳを示す。ＨＲＳは、アンテナの放射パターンをプロットするために用いられる測定システムに組み込まれた。導電性小型アンテナの放射パターンを測定すると、インピーダンス調和が非常にうまくいかないことが知られており、アンテナに伝送されるＲＦエネルギーの多くは、ものソース（発生源）へのケーブルにそって反射される。その後、反射されたエネルギーは、ケーブルの全体にわたって放射され、受信アンテナによって検出される。この悪影響は、ＲＦ−光ファイバ（RF to Fibre Optic）モジュールを、測定システムに組み込むことで排除される。また、ＨＲＳは、その効果が測定されることを保証するために、測定システムに統合され、それは、最終的に、組み込み型アンテナやビーコンシステムの一部、または、その他の通信システムの一部となり得る。図１５を参照すると、信号発生器からのＲＦ信号は、ＲＦ−光ファイバ（RF to Fibre Optic）モジュールを通過し、当該モジュールが当該信号を光信号に変換する。その後、光信号は、光ファイバケーブルを介してホストに伝送され（ここでは、ホストは無線周波数（ＲＦ）源信号（ＲＦ source signal）から隔離されている）、光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、当該信号をＲＦに変換する。ＨＲＳモジュールの昨日は、送信アンテナ（Ｔｘ）へのＲＦ信号の測定および供給を行い、Ｔｘから反射されたＲＦ信号を測定する。そして、これらＲＦ信号を光ファイバデータケーブルを介してＰＣに送信する前に、該信号をデジタルストリームに変換する。Ｔｘから放射されたＲＦエネルギーは、ＨＲＳによって調べられた測定値を確かめるために、別個のキャリブレートされた対数周期受信アンテナ（Ｒｘ）によって受信される。
【００４１】
図１６は、２つの放射パターンを示す。一方はＲＦケーブルに直接接続されたダイポールアンテナに対するものであり、他方はＨＲＳに接続されたダイポールアンテナに対するものである。測定値が矛盾するものでなく、特定のタイプのアンテナに特化しないことを保証するため、いくつかのアンテナを測定するのにＨＲＳが利用された。これらの測定値は、アンテナ性能についてケーブルとグランドの効果（影響）の調査を容易にし、近接場環境から生じ得る悪影響を最も緩和する。
【００４２】
５つのアンテナが測定された：
１．キャリブレートされたダイポール
２．モノポール１（Ｍ１）
３．モノポール２（Ｍ２）
４．モノポール３（Ｍ３）
５．導電性小型パッチ（ＥＳＰ）
各アンテナは、アンテナに直接接続されたＲＦケーブルを有する従来の方法で測定され、そして、ＨＲＳを用いて測定された。キャリブレートされたダイポールは、十分に明らかなアンテナ（空中線）指向性図を有している基準のアンテナとして使用された（ダイポールは、分極に直交する平面において均一の放射パターンを示す。）。ダイポールは、３５０ＭＨｚ（Ｓ11＝−１８ｄＢ）にチューニングされ、その後、垂直方向に分極されたダイポールのアンテナ指向性図は、遠距離場アンテナレンジを用いて測定される。アンテナ指向性図は、うまくチューニングされたアンテナに対して、ＲＦ−光ファイバ（RF to Fibre Optic）モジュールは、非常にわずかなＲＦエネルギーが、もとの発生源に反射されるだけなので、必要とされないことを示す。ダイポールからケーブルに沿って反射されたＲＦエネルギーは、その発生源に伝送されるＲＦエネルギーのほんの１．６％である。アンテナに伝送された電力は、８．５ｄＢｍであり、その結果、反射された電力は−０．５ｄＢｍである。
【００４３】
Ｍ１およびＭ３は、地板（ground plane）に平行に置かれるモノポールであり、Ｍ３はＭ１と同様の構成であるが、より小さな地板を有する。Ｍ１は、３５０ＭＨｚ（Ｓ11＝−１２：５ｄＢ）で十分な調和を有し、サイドローブレベルを測定する時に、ＨＲＳの性能を評価するのに用いられた。Ｍ３は、わずかに小さい地板を有するが、もとのＲＦ源に反射されたエネルギーの１％未満、Ｓ11＝−２０：５ｄＢで、より良い調和をもたらすように設計された。Ｍ３は、非常に十分に調和されたアンテナと共にＨＲＳを用いることの長所を示すのに利用された。図１７に示される、Ｍ１に対する放射プロットを参照すると、アンテナが垂直面指向のＲＦケーブルに接続されているとき、ＨＲＳが地板の裏側に配置されるとき（ＨＲＳ未接続）に、小さな影響がアンテナ指向性図上で観測される。このことは、アンテナが動作周波数にチューニングされるので、予期されており、ＨＲＳモジュールは、単純に地板の一部になる。アンテナに反射するＲＦエネルギーは、該アンテナに伝送するＲＦエネルギーの５：６％（−４ｄＢｍ）である。その結果、少量の当該反射されたエネルギーは、ケーブルによって放射され得る。ＲＦケーブルがアンテナに対して水平に設置されたときに、改善はイドローブの正確さからうかがえる。これは、ケーブルからのＲＦ放射が、アンテナの遠距離場のアンテナ指向性図の一因となることを示し、その影響が、当該アンテナの分極に対して直交するケーブルを配置することによってある程度緩和されることを示す。このケースでは、アンテナは垂直に分極され、ケーブルは水平である。さらに、改善は、ＨＲＳがＲＦ源からアンテナを隔離するために用いられた場合に見られる。このようにして、アンテナを隔離することは、システマチック測定誤差を著しく減少させ、測定された遠距離場のアンテナ指向性図は、当該アンテナのものであり、測定システムのものではないことを保証する。Ｍ３に対する放射プロットは、図１８に示され、非常に十分に調和されたアンテナでも、ＲＦケーブルはＲＦエネルギーを放射することを明らかにし、ＨＲＳがバックローブを減らすことができ、測定システムの感度を改善することができる。
【００４４】
Ｍ２アンテナは、地板なしの導電性小型モノポールであり、伝送された電力の７０％（７ｄＢ時点）が、もとの発生源に反射されるように、３５０ＭＨｚで、Ｓ11＝−１：５ｄＢで不十分な調和となる。図１９に示されるプロットを参照すると、垂直に配置されたＲＦケーブルをアンテナに直接接続することは、アンテナから反射された電力が、ケーブルに沿って放射され、ゼロかピーク値のような遠距離場において測定されることを示す。しかしながら、ＲＦケーブルが垂直に配置され、モノポールの軸と中心を同じくするとき、ケーブルからの放射はあまり顕著ではなく、垂直面により一様に分散される。Ｍ１とＭ３と同様に、ＨＲＳがＲＦ源からアンテナを隔離するために用いられたときに改善が見られる。アンテナからの放射は、従来方法により測定されたものより１０ｄＢｍ低い。
【００４５】
ＥＳＰアンテナは、パッチアンテナであり、該アンテナは１：５７５ＧＨｚで動作するＧＰＳ用途向けに元々は設計された。パッチアンテナは、３５０ＭＨｚで動作するとき電気的に小型である。当該周波数においてＳ11＝−０：０３で、結果として、エネルギーの９９：３％は、もとの発生源に反射され、非常にわずかなエネルギーがアンテナによって放射される。それは、これまで測定されたアンテナとは著しくことなり、ＨＲＳが様々なタイプのＥＳＡに対して利用され得ることを示す。Ｍ１、Ｍ２およびＭ３と同様に、図２０に見られるように、ＥＳＰに対する放射プロットは、ＲＦケーブルが反射されたエネルギーを放射することを示し、これはＨＲＳを用いることで緩和されることを示す。特定の角度で、実際の放射される電力は、従来方法で測定されるものよりもかなり低い（１５ｄＢｍ低い）。
【００４６】
これらの測定値は、ＨＲＳがＲＦ光ファイバ測定システムに組み込まれることで、ＥＳＡアンテナ指向性図の感度を改善することを示している。測定値は、ＨＲＳを用いた、ホスト組み込み型のアンテナの反射係数測定に対する基準を与える。測定システムは、効果的に、反射係数を測定している間、ＲＦ源からアンテナを隔離する。その結果として、ＲＦケーブルというよりはむしろアンテナからの放射が測定される。ＨＲＳ測定システムを用いたときの測定された信号と、従来方法を用いたときものとの違いは、アンテナのタイプに依存して変化する。ＥＳＡに対して、これは１５ｄＢと同じ程度である。また、本システムは、ＥＳＡの異なるタイプに対しても用いられ得る。前に述べたように、ＨＲＳの一部として用いた導電性小型反射率計は、理想的には、測定されるＥＳＡよりも電気的に小型であるべきである。
【００４７】
図２１は、ホイーラー・キャップ測定システムに組み込まれたＨＲＳのシステム図である。ＨＲＳと光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールを、ホイーラー・キャップに統合する理由は、ホスト組み込み型アンテナの反復可能な効率測定を可能にすることであり、将来開発されるアンテナに対するベンチマークを提供することである。ＨＲＳと光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、独立したアンテナの反射係数を測定するために、ホイーラー・キャップに組み込まれる。そして、アンテナの効率は、この測定の結果とアンテナの測定された自由空間反射係数とを合わせることで求めることができる。ＲＦ信号はホイーラー・キャップ内から発生され、よって、外部のＲＦ源からホイーラー・キャップを隔離する。ＥＳＡの効率を計算するために、自由空間もシールドされた複素反射係数も、測定されなければならない。この段階では、反射係数の大きさのみ、ＨＲＳを用いて測定され、位相（フェーズ）は、周波数について大きさを微分することで復元される。位相復元誤差は、各アンテナに対して、微分プロセスを測定されたベクトルネットワーク分析器の反射係数に適用することで求められた。その上、位相復元誤差は、ＨＲＳ測定に対する補正係数として用いられた。さらに、反射係数の大きさおよび復元された位相は、アンテナの複素入力インピーダンスＺAを求めるために用いられた。そして、アンテナの効率ηは、数５の数式を用いて、自由空間とホイーラー・キャップ測定からインピーダンスの実部を置き換えることで求められた。ただし、Ｒrは放射抵抗、ＲLは損失抵抗、Ｒfsは自由空間抵抗およびＲcapは本システム内のホイーラー・キャップ抵抗である。さらに、ＨＲＳは、位相測定に容易に着手できるように開発される必要があり、それによって、アンテナの真の効率を容易に求めることができる。
【００４８】
【数５】
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Ｍ１、Ｍ２、Ｍ３のＳ11とＥＳＰは、ＲＦ給電ケーブルの有無で自由空間において取得された。給電ケーブル（その長さ６１ｃｍ）は、ホイーラー・キャップの中央のアンテナに配置され、そのケーブルが無い場合には、アンテナは上面に対して置かれる。該上面は、地板として機能し、不要な測定値を生じさせるかもしれない。動作周波数は３５０ＭＨｚであるが、より広い帯域幅で、共振周波数がどうなるかを知ることは有益である。したがって、測定は３４５ＭＨｚから３５５ＭＨｚまでで行なわれた。２つの独立した測定が行なわれ、その結果が比較された（ＶＮＡを用いた測定と、ＨＲＳを用いた測定）。両方のケースにおいて、測定は自由空間におけるアンテナと、そしてホイーラー・キャップに置かれたアンテナを用いて行なわれた。ルックアップテーブルは、ＨＲＳからＳ11測定値を計算するために用いられる。光ファイバ−ＲＦ（Fibre Optic to RF）モジュールは、ＲＦ源からアンテナを効率的に隔離するために用いられる。これまで、アンテナの調和に関するこの隔離の効果は、測定することができなかったので分からなかった。ＨＲＳは、アンテナの反射係数を測定するために用いられ、衝撃（impact）がアンテナの性能を生み出すことを明らかにする。
【００４９】
Ｍ１は、狭帯域共振アンテナ（共振アンテナが動作周波数にチューニングされ、かつ、狭帯域にする）であり、０：２％の帯域幅を備える［該帯域幅は、１００×（上限周波数−下限周波数）／中央の周波数  に等しい］。しかしながら、図２２および２３に示されるように、アンテナを隔離して、ＨＲＳを用いてＳ11を測定することで、帯域幅は０：５％まで増加する。ＨＲＳは、チューニング回路として機能することも可能である。それにもかかわらず、組み込み型アンテナがビーコンシステムの一部になるならば、該アンテナはこのモジュールを含むことができる。
【００５０】
図２４および２５は、Ｍ３に対する反射係数の測定値を示し、それは、Ｍ１と同じタイプのアンテナである。これらのアンテナいずれに対しても、帯域幅は、ＨＲＳを用いることで広げられる。
【００５１】
アンテナＭ２およびＥＳＰに対する自由空間およびホイーラー・キャップ反射係数の測定値は、それぞれ図２６から２９に示される。アンテナがホイーラー・キャップに配置されたとき、給電ケーブルの影響ははっきりと見られる。したがって、ＥＳＡを測定するとき、ホイーラー・キャップが測定システムから隔離されていることを保証することが必要である。これらの測定値は、ホスト組み込み型アンテナをＲＦ源から効率的に隔離している間に、ＨＲＳが該アンテナの反射係数を測定するために用いることができることを示している。十分にチューニングされたアンテナを用いると、このようにアンテナを隔離したことから得られる利益は、アンテナによって放射されるより多くの信号電力になる増加したインピーダンス帯域幅である。さらに、これらの測定値は、ＨＲＳを用いて、ホスト組み込み型アンテナの放射効率測定に対する基準を提供する。
【００５２】
図３０から３２は、様々な方法のシステム図を示し、ＨＲＳはビーコンシステムに配置されるが、これに限定されるものではない。当業者であれば、ＨＲＳがどんな通信システムにも用いることができることを理解し得る。実際に、ＨＲＳの開発の合理的で、基礎となる部分は、異なる環境に適応するためにビーコンアンテナを再調整できるという考えに基づいている。これは、ビーコンアンテナが環境における変化と共に離調する（デチューンする）ので、異なる環境に配置され得るビーコンアンテナの効率を改善する。これは、ビーコンシステムを動的にその環境に適応できることによって成し遂げられ、それにより、最適な効率で動作する。これら適応性のある技法は、大規模なシステムに用いられている。ビーコンシステムを、ホストに組み込むことができ、多数のやり方で構成することができる。
【００５３】
１．ビーコンは、フィードバックループ内でＡＡＭＵを制御する。その上、ＡＡＭＵは、再構成可能でないアンテナに取り付けられる。
【００５４】
２．ビーコンは、フィードバックループ内の再構成可能アンテナを制御する。
【００５５】
３．ビーコンは、フィードバックループ内のＡＡＭＵと再構成可能アンテナの両方を制御する。ＨＲＳは、順方向および逆方向の信号パラメータを観測するために用いられる。この情報は、ビーコンプロセッサにフィードバックされる。該プロセッサは、使用された構成に依存する、ＡＡＭＵまたは再構成可能アンテナのいずれか一方の調和を、評価するために用いられる。そして、ビーコンは、ＡＡＭＵを修正するか、再構成可能アンテナを調整するかによって、アンテナの調整を最適化するためにコマンドを送信する。第３の構成は、ＡＡＭＵと再構成可能アンテナの両方が、ビーコンを動作周波数に再調整するために、閉ループシステムに用いられるものである。このタイプのシステムでは、ＡＡＭＵおよび再構成可能アンテナは、同時におよびぼぼリアルタイムにチューニングされ得る。特定のホスト向けの構成の選択は、いくつかの要素によって決められ、該要素は、ホストのサイズ、使用されるアンテナのタイプ、およびホスト内側の空領域の大きさを含む。ホストに組み込まれたアンテナは、一般的には電気的に小さく、該アンテナは周辺環境に敏感であり、離調を受けやすい。さらに、アンテナ要素に近接して配置された任意の測定システムは、アンテナの一部分になる寄生素子として機能する。設計課題は、アンテナを損なうことなく、順方向および逆方向の信号を測定することである。これは、測定システムをアンテナから効率的に隔離することで成し遂げられる。その結果、観測システムがアンテナの一部となることを防止する。再構成可能アンテナは、ビーコンシステムの切り離せない部分であり、リアルタイムでそのほとんどのパラメータを変える機能を有する。したがって、該アンテナは、必要とされる周波数帯域幅でチューニングされる機能を備える。また、その再構成のための機能は、アンテナに、その分極状態（polarisation state）を、ほぼ望ましい分極状態に変化させる（すなわち、そのインピーダンス調和を最適にする際に、右回りの分極、左回りの分極から直線状の分極に変化させる）ことを許容する。それにより、システムの全体の効率が改善する。当業者であれば、ＨＲＳがビーコンシステムだけでなくその他のタイプの通信システムに用いられるように構成できることは理解し得る。
【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２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
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【図２９】
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【図３０】
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【図３１】
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【図３２】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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