アンテナ用電磁波暴露型
パッシブIM測定システム
横浜国立大学大学院工学研究院
知的構造の創生部門
准教授 久我宣裕
2022年6月9日

1移動体通信とパッシブIM
反射特性
S11[dB]-10

PIM : Passive Inter-Modulation

PIM

受動回路で発生する相互変調ひずみ-20-30-40

アレーアンテナ

PIM発生

受信
送信
周波数 f

PIM:フィルタ除去不可

アンテナ
入出力
アンテナ
ビーム

基地局
ビーム
制御装置

波面

アンテナ内部

非線形性＋送信電力＝ PIM
微弱

強大≈ 43dB𝑚𝑚

微弱

干渉

アップリンク波
微弱
2反射係数とPIM
 マイクロ波コンポーネントの評価指標


反射係数（S11） → 「インピーダンス整合良否」の指標
例） S11<-20dB → PASS！

S11による評価不可

相互変調ひずみ（PIM) → 「残留する非線形性」の指標
例）43dBm（20W）×２波
抵抗終端（汎用）： -60dBm → BAD!
ケーブル終端 ：-130dBm → GOOD!

抵抗終端器

PASS

PASS
反射係数（S11)

PIM

ケーブル終端器

相互変調ひずみ（PIM)
3

PIMの原因◎問題となるデバイス ： 送信・受信で共用するコンポーネント例）コネクタ，ケーブル，フィルタ，移相器，電力合成器，アンテナ
環境条件
機械接続（コネクタ，ケーブル）
放射，漏洩電流（アンテナ）
電気接点
電流集中
トンネル効果（汚損薄膜）

SMA

DIN7/16コネクタ

接触電位（異種金属接触）
熱（機械変位，物性値変動）
マイクロディスチャージ
材料
母材，メッキ
磁性，不純物

5D2V

UT141

ケーブル
4

アンテナのPIM測定

直接測定法
Direct Measurement

送信波

非接触測定法（受信のみ）

Partially Non-Contact Measurement5完全非接触PIM測定

電磁波暴露型
送信の非接触化Non-Contact Measurement6従来技術とその問題点
既に実用化されているものには、IEC標準等で紹介される直接測定法（DM）等があるが、・測定器接続に起因するPIM→測定精度劣化・大電力測定 → 低PIM測定系構築の労力大等の問題がある。

7

アンテナPIMの直接測定
文献[4]

文献[3]
信号
送信発生器 フィルタ 共用器

SG f1

2端子
サンプル

増幅器

伝送線路
減衰器

減衰器

SG f1

SG f2
1端子
サンプル受信フィルタ

SG f2

受信機

ATT

電力計

校正用

信号発生器

VNA

SG f2
アイソレータ方向性結合器アンテナ

電波暗室

PIM Tester

PIM源（電気接点、磁性体）を「大きな送信電力」が通過
コネクタ：着脱の繰り返し → 不安定なPIM源 → 不安定な測定[3] IEC International Standard 62037-1[4] J. R. Wilkerson, et.al. “Passive Intermodulation Distortion in Antennas,” IEEE Trans. AP., Vol. 63, no.2, Feb. 2015.

8非接触アンテナPIM測定
文献[5]
送信波
（大電力）

文献[6]
送信波
（大電力）

コネクタ（着脱）コネクタ（半固定）

サンプル
サンプルと測定器は「非接触」「大きな送信電力が通過」するコネクタの着脱が回避された。
課題：非接触測定（F-PIM） → 直接測定（R=PIM)への換算
結合損失の事前測定が必要 → VNA ⇒ 労力大、高価[5] H.Suzuki, N.Kuga, “Non-contact PIM Measurement of Large Samples using a Small Anechoic Box,” 2016 URSI Asia-Pacific Radio
Science Conference, Aug. 2016
[6] R. Okawa, N.Kuga “Reverse-PIM Extraction in Non-Contact Antenna-PIM Measurement,” Proc of 2017 APMC, 2017.

9

アレーアンテナ測定
単一PIMテスタ測定
アンテナ全体の励振→ 遠方界励振 → 感度劣化

マルチテスタ測定 [7]測定系＋センシングアンテナ サンプルアンテナ

近傍界測定
低電力PIMテスタ

低電力PIMテスタ#1
低電力PIMテスタ#2→ 電力合成
→ 深層のPIM観測

深層のPIM

低電力PIMテスタ#3
低電力PIMテスタ#4終端

課題：結合損失（センシングアンテナ～サンプルアンテナ） ➡ 測定と補正が必要
移相器から発生するPIM ➡ ノイズフロアの上昇（測定感度の低下）
テスタ毎の独立測定 ➡ 受信PIMを合成・総合評価する手法が必要[7] 君野他，「低電力PIMテスタを複数用いたアレーアンテナの非接触PIM測定法，」 信学総大B-1-122，2021年3月

10非接触アンテナPIM測定-解決すべき課題 アンテナのPIM特性評価 → 実運用時のPIM特性を想定
 直接測定法(DM : Direct Measurement)が有効
 直接測定法：センシティブ。コネクタ着脱の繰り返しは測定誤差の原因。
 非接触測定法(NCM : Non-contact Measurement)が有効
NCMでDM測定値が推定（NCM-DM換算）できると便利 NCMによるDMレベルの推定[6] VNAによる結合損失測定（センシングアンテナ～サンプルアンテナ）
損失補正により、NCMからDMレベルを推定
課題点
PIM-TesterとVNAを共用する測定機構は複雑であり高価
PIMーTesterを用いて結合損失を推定したい[6] “Reverse-PIM Extraction in Non-contact Antenna PIM Measurement”
IEEE Asia-Pacific Microwave Conference, TH3A-3, p1163-p1166, Nov. 201711

新技術の特徴（従来技術との比較）• 完全非接触PIM測定– 「大きな送信電力」が「着脱コネクタ（不安定PIM源）」を通過しない。

• PIM測定系のみで測定完結– 従来技術：VNA必須（結合損失測定）。
– 新 技 術：参照IM源を用いたPIM測定から結合損失算出。 VNA不要。

• PIM測定系への要求性能緩和– 従来技術：単一PIMテスタ → 大電力送信：低PIM化・難。
– 新 技 術：マルチPIMテスタ測定の導入。
• テスタ1台あたりの電力低減 →低電力送信：低PIM化・容易。
12

提案測定法の基本原理
PIM
Tester

𝑆𝑆𝑐𝑐.𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓

Pin
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑟𝑟𝑟𝑟

𝑓𝑓1 , 𝑓𝑓2

𝑆𝑆𝑐𝑐.𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏 サンプル
アンテナ𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖

終端
HIMS ： High-level IM standard

送信波
PIM波

𝐶𝐶 = ∆𝑃𝑃𝐼𝐼𝐼𝐼 /∆𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖

C（P) ：電力PにおけるIM変化率

2𝐶𝐶
𝐶𝐶
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑑𝑑𝑑𝑑 = 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔.𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖 ) +𝑆𝑆+ 𝑆𝑆+ 𝑆𝑆𝑐𝑐.𝑑𝑑𝑑𝑑_𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏.𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖
3 𝑐𝑐.𝑑𝑑𝑑𝑑_𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓.𝑓𝑓1 3 𝑐𝑐.𝑑𝑑𝑑𝑑_𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓2

非接触法

結合損失の影響（𝑆𝑆𝐶𝐶 ）

直接法

狭帯域近似

測定プロセスSTEP1, STEP2 校正
結合損失算出（HIMS）
STEP3 測定本番

𝐶𝐶 =𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖

�

𝑆𝑆𝐶𝐶 =

𝑃𝑃=𝑃𝑃𝑖𝑖𝑛𝑛 +𝑆𝑆𝑐𝑐

𝑆𝑆𝑐𝑐_𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓.𝑓𝑓1 ≈ 𝑆𝑆𝑐𝑐.𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓𝑓2 ≈ 𝑆𝑆𝑐𝑐_𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏𝑏.𝑓𝑓𝑖𝑖𝑖𝑖 ≡ 𝑆𝑆𝐶𝐶

𝐼𝐼𝑀𝑀𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔.𝑑𝑑𝑑𝑑 (𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖 )1 + 𝐶𝐶(𝑃𝑃)

𝐶𝐶(𝑃𝑃))/|𝑆𝑆𝐶𝐶 |𝑓𝑓 𝑆𝑆𝐶𝐶 = 𝑆𝑆𝐶𝐶 −𝐼𝐼𝑀𝑀𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝐼𝐼𝑀𝑀𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔𝑔.𝑑𝑑𝑑𝑑(𝑎𝑎𝑎𝑎 𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖 )=0
𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖
1 + (∑𝑃𝑃=𝑃𝑃 +𝑆𝑆𝑐𝑐 𝐶𝐶(𝑃𝑃))/|𝑆𝑆𝐶𝐶 |𝑖𝑖𝑛𝑛

超越方程式（𝑆𝑆𝐶𝐶 ）13

測定手順（校正：1/3,2/3）【STEP1】 HIMSの直接測定

 測定系構成HIMS

Test-port PIM-level[dBm]-60

DM-80-100-18-15-12-9-6-3

Input Power P in [dBm/tone]

0C = 3dB/dB
𝐼𝐼𝑀𝑀𝑟𝑟𝑟𝑟.𝑑𝑑𝑑𝑑 − 𝑰𝑰𝑴𝑴𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈 𝒂𝒂𝒂𝒂 𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊∴ 𝑆𝑆𝑐𝑐 =𝑪𝑪 + 1-110-10-115-11-120-12IM-level-125-13-130-14-135-15SC-140-16-145-17-150

VNA Mesurement-155-160
100

1.90GHz
2.05GHz120

140160180-182.20GHz-19200-20220

Estimated SC Amptitude[dB]

3dB-slope-120-21HIMS

 非接触測定（HIMS） → 結合損失Scの推定

 HIMSの直接測定#1 Test-port IM-level[dBm] 測定系構成【STEP2】HIMSの非接触測定

Sc
推定完了

Distance between sensing antenna and AUT d [mm]𝑰𝑰𝑴𝑴𝒓𝒓𝒓𝒓.𝒅𝒅𝒅𝒅 − 𝑰𝑰𝑴𝑴𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈𝒈 𝒂𝒂𝒂𝒂 𝑷𝑷𝒊𝒊𝒊𝒊∴ 𝑆𝑆𝑐𝑐 =𝑪𝑪 + 𝟏𝟏14測定手順（本測定：3/3）【STEP3】 サンプルアンテナの非接触測定
 測定系構成（NCM)
𝑆𝑆𝑐𝑐

𝑃𝑃𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴𝐴

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑀𝑀𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁𝑁 サンプルアンテナの非接触測定-80DM

PIM-level[dBm]

-90

d=110
d=150
d=210

ENCM

推定結果

 直接測定（DM:Direct Measurement）
PIM

-100

Tester

-110
d=110
d=150
d=210-120

𝑃𝑃𝑖𝑖𝑖𝑖

𝑃𝑃𝑃𝑃𝑀𝑀𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸𝐸.𝐷𝐷𝐷𝐷.𝑑𝑑𝑑𝑑

NCM

-130

Residual Noise-140-12-11-10-9-8-7-6-5-4-3-2

Input Power to AUT PAUT[dBm/tone]

直接測定への換算

𝑷𝑷𝑷𝑷𝑴𝑴𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬𝑬.𝑫𝑫𝑫𝑫.𝒅𝒅𝒅𝒅 = 𝑷𝑷𝑷𝑷𝑴𝑴𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵𝑵 − 𝑺𝑺𝒄𝒄.𝒅𝒅𝒅𝒅

15想定される測定場面• 従来型PIM測定器を用いた測定 ： 単一テスタ– 大電力送信、微弱PIM受信• 測定スペース制限：小 → 遠方界測定• 測定スペース制限：大 → 近傍界測定– PIM測定器・センシングアンテナの低PIM化が必須• 改良型PIM測定器を用いた測定 ： マルチテスタ– 小大電力送信、微弱PIM受信• 近傍界測定 → 省スペース– 測定系の低PIM化：制限緩和
16単一テスタ測定（遠方界）
測定スペース制限：小サンプルアンテナ

DPIM
Tester

高利得
センシングアンテナ

HIMS
d2𝐷𝐷 2𝑑𝑑 ≥𝜆𝜆

難点：測定スペース大17

単一PIMテスタ測定（省スペース）センシングアンテナ

サンプルアンテナ

 単一PIMテスタ
 省スペース（近傍界測定）
 センシングアンテナ

δ/2
PIM
Testerδ/2δ サンプルアンテナと同形状→ 回転対象配置→ 近傍界測定d

回転中心NCMδδ/2
δ/2HIMS

DM【利点】
・省スペース・高感度【欠点】

・大電力PIMテスタが必要→ 測定系の低PIM化必須→難18

単一PIMテスタ測定：利害得失• 利点– 既存の測定系利用可• 問題点– 非接触化に伴う結合損失（ Sc ）の補償
• 送信波の高出力化• センシングアンテナの低PIM化• PIMテスタのノイズフロア上昇• 解決法– マルチPIMテスタ測定

19

PIMテスタの改良
従来
PIMテスタ
（従来）

SG f1
共用器

アンテナ
δ

SG f2

受信機
PIMテスタ （Conventional）

大電力送信 → 低PIM：難本提案
PIMテスタ(改良)
SG f1
共用器

アンテナ
SA

受信機

PA
PA

LNA

受信機

SG f2

SG f1
SG f2

SG f1
SG f2
LNA
SG f1
SG f2
LNA
SG f1
SG f2
LNA

PIMテスタ＃n （New）

Duplexer#1

PS#1

𝜃𝜃 =#20

PAPA

IM

Duplexer𝜃𝜃 = 𝛿𝛿

PS#2
PAPA

PS#3

IMDuplexer#3𝜃𝜃 = 2𝛿𝛿
PAPA

IM

Duplexer#4𝜃𝜃 = 3𝛿𝛿
IM

PS#4

低電力送信 → 低PIM：易20

マルチPIMテスタ測定
低出力PIMテスタ・複数台で構成 → 測定系システムノイズ低減
可変位相器 → 任意励振条件のアレーアンテナに対応可能
測定系＋センシングアンテナ
SG f1
SG f2

位相制御

LNA
SG f1
SG f2

SA

LNA
SG f1

受信機 SG f

2

IM受信

LNA
SG f1
SG f2
LNA

PA
低電力PIMテスタ#1
DuplexerPA𝜃𝜃 = 0

PS#1

δ/2

IM

PA
低電力PIMテスタ#2
Duplexer
PAPS#2𝜃𝜃 = 𝛿𝛿

IM

δ

PA
低電力PIMテスタ#3
Duplexer
PAPS#3 𝜃𝜃 = 2𝛿𝛿
IM

δ/2

HIMS

PA
低電力PIMテスタ#4
Duplexer
PAPS#4𝜃𝜃 = 3𝛿𝛿 文献[7]公知技術に対する優位性

サンプルアンテナ

IM

 本手法

テスタ毎の独立測定
結合損失測定不可

HIMSを用いた結合損失測定

位相器でIM発生※位相制御可能なPIMテスタ必要

受信系統合

21

実用化に向けた課題• 大学設備で開発可能な範囲– 単一PIMテスタ測定• 小規模アレー– 2素子アレーでの原理確認• 実用化に向けて必要な課題– マルチPIMテスタ測定• 実用規模（16素子程度）での実証・検証• 自動計測制御系の開発– 無終端測定22想定される用途• 本技術の特徴– 送信電力を無線供給するPIM測定法– マルチテスタ方式• 「要求性能の低い安価なPIMテスタ」を複数台利用• サンプルアンテナ内で電力合成• 「大きな送信電力」が、不安定なPIM源となる「着脱コネクタ」を通過しない。

• 応用展開（エレクトロニクス実装分野）– PIM：接触不良・接続不良に敏感 → 「不良検出」への利用– ボンディング性能評価技術としての可能性– 解決すべき課題• 誘導電力による部品損傷回避• 能動部品で発生するIM（強）との区別→ ボンディングは受動回路
23

企業への期待• アレーアンテナの特性評価– アンテナ製作、測定• マルチテスタ測定用PIMテスタ・システム開発– マイクロ波コンポーネント、フィルタ技術必要。
• 大電力PIMテスタ開発に比べ、コンポーネントへの要求精度は大幅に緩和。

– 複数台の製作・制御を実現するソフトウェア技術。

• エレクトロニクス実装分野への応用展開– 解決すべき問題多数。
– 独自の測定系構築必要。
• マルチテスタにより、要求精度は大幅に緩和。
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本技術に関する知的財産権••••

発明の名称① ：測定システムおよび測定方法
出願番号：特願2021-139435
出願人：横浜国立大学
発明者：久我宣裕、桑田昌佳

•
•
•
•

発明の名称② ：双指向性アンテナおよび偏波共用アンテナ
出願番号：特願2021-026458
出願人：横浜国立大学
発明者：久我宣裕、滝波真25

お問い合わせ先
横浜国立大学研究推進機構 産学官連携推進部門
山本 亮一
ＴＥＬ：045－339 －4382
ＦＡＸ：045－339 －3057
e-mail：sangaku-cd@ynu.ac.jp26