JP4957726B2

JP4957726B2 - アンテナ特性測定装置およびアンテナ特性測定方法

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Publication number: JP4957726B2
Application number: JP2008536302A
Authority: JP
Inventors: 浩志北田; 幸雄山本
Original assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Current assignee: Murata Manufacturing Co Ltd
Priority date: 2006-09-28
Filing date: 2007-08-15
Publication date: 2012-06-20
Anticipated expiration: 2027-08-15
Also published as: EP2068159A1; KR20090049063A; WO2008038470A1; TWI390217B; US20090219217A1; TW200815766A; CN101512352A; US8228247B2; JPWO2008038470A1; CN101512352B

Description

本発明は、例えば携帯電話等に使用される小型アンテナのアンテナ特性を測定するときに用いて好適なアンテナ特性測定装置およびアンテナ特性測定方法に関する。

一般に、電波無響箱を用いて無線機器の空中線電力を測定する測定方法が知られている（例えば特許文献１参照）。そして、特許文献１による測定方法では、特性が既知の電波無響箱のサイトアッテネーションと、実際に測定に用いる電波無響箱のサイトアッテネーションとの差を、その電波無響箱のサイトファクターとして空中線電力の求値式の補正項を導入する。これにより、従来技術では、小型の電波無響箱を用いて簡易に無線機器の空中線電力を測定していた。

特開２００３−７５４８９号公報

ところで、従来技術による測定方法では、予め電波無響箱のサイトアッテネーションを測定してサイトファクターを特定する必要がある。このとき、サイトアッテネーションは各電波無響箱に固有の値となる。このため、新しい電波無響箱を使用するときには、そのサイトアッテネーションを測定する必要があり、直ぐに使用することができないという問題がある。また、従来技術では、実際の測定を行った後に補正項の演算処理を行う必要があり、必ずしも簡易にアンテナ特性を測定できるものではなかった。

本発明は上述した従来技術の問題に鑑みなされたもので、本発明の目的は、補正等の演算処理を行うことなく、小型の電波無響箱を用いてアンテナ特性を測定することができるアンテナ特性測定装置およびアンテナ特性測定方法を提供することにある。

上述した課題を解決するために本発明は、内部に電波吸収体が設けられた電波無響箱と、該電波無響箱内に設けられた測定対象となる被測定アンテナと、該被測定アンテナと対向して前記電波無響箱内に設けられ該被測定アンテナのアンテナ特性を測定する測定アンテナとを備えたアンテナ特性測定装置において、前記被測定アンテナの開口寸法をＤとし、前記測定アンテナの開口寸法をｄとし、測定周波数の波長をλとするとき、開口寸法Ｄ，ｄを前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌよりも小さくし、かつ前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌを

の関係を満たす範囲に設定したことを特徴としている。

また、本発明は、内部に電波吸収体が設けられた電波無響箱内に被測定アンテナと測定アンテナとを対向して設け、該測定アンテナを用いて前記被測定アンテナのアンテナ特性を測定するアンテナ特性測定方法において、前記被測定アンテナの開口寸法をＤとし、前記測定アンテナの開口寸法をｄとし、測定周波数の波長をλとするとき、開口寸法Ｄ，ｄを前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌよりも小さくし、かつ前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌを

の関係を満たす範囲に設定する工程と、該工程後に前記測定アンテナを用いて前記被測定アンテナからの電磁波を測定する工程とを備える構成としたことを特徴としている。

このように構成したことにより、測定アンテナと被測定アンテナとの距離が近いフレネル（Frenel）領域で、これらの距離が離れたフラウンフォーファ（Fraunhofer）領域と同様のアンテナ特性を測定することができる。

即ち、一般に各アンテナの開口寸法Ｄ，ｄは測定周波数の波長λと同程度の値となるから、請求項１，２に規定した関係を満たすときには、開口寸法Ｄ，ｄは距離寸法Ｌに比べて小さくなる傾向がある。このとき、被測定アンテナから放射される電磁波の放射パターンは、フレネル領域であってもフラウンフォーファ領域と同様のパターンになる。このため、被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌが（Ｄ＋ｄ）²／（２λ）以上で２（Ｄ＋ｄ）²／λ以下の範囲内となるフレネル領域であっても、距離寸法Ｌが２（Ｄ＋ｄ）²／λよりも長いフラウンフォーファ領域と同様のアンテナ特性を測定することができる。

この結果、フラウンフォーファ領域よりもアンテナ間の距離寸法Ｌが短いフレネル領域でアンテナ特性を測定することができるから、電波無響箱の外形寸法を小さくすることができ、電波無響箱を小型化して、測定空間を小さくすることができる。また、予め電波無響箱のアッテネーションを測定する必要がないのに加え、補正等の演算処理を行う必要がないから、測定時間の短縮および測定作業性の向上を図ることができる。

図１は本発明の実施の形態によるアンテナ特性測定装置を示す正面図である。図２は図１中の被測定アンテナの周囲を拡大して示す斜視図である。図３は実施の形態と比較例との間のアンテナ放射効率の偏差を示す特性線図である。

符号の説明

１電波無響箱
１Ｂ電波吸収体
３被測定アンテナ
４測定アンテナ

以下、本発明の実施の形態によるアンテナ特性測定装置を添付図面に従って詳細に説明する。

図１において、電波無響箱１は、例えば１〜２ｍｍ程度の厚さ寸法をもったアルミニウムの板材を用いて形成された箱体１Ａと、該箱体１Ａの内部に設けられた電波吸収体１Ｂとによって構成されている。また、電波無響箱１は、幅方向（Ｘ方向）、長さ方向（Ｙ方向）、高さ方向（Ｚ方向）に対して、それぞれ例えば５０〜１００ｃｍ程度の長さ寸法をもって形成されている。そして、電波無響箱１は、外部からの電磁波を遮断すると共に、内部の電磁波の反射を防止するものである。

２軸ポジショナ２は、電波無響箱１の内部で例えば左側の壁面近傍に設けられている。そして、２軸ポジショナ２は、高さ方向に平行なＯ1軸周りに回転可能な第１の回転部２Ａと、該回転部２Ａ上に設けられ長さ方向（左，右方向）に平行なＯ2軸周りに回転可能な第２の回転部２Ｂとを備えている。そして、第２の回転部２Ｂの先端には、後述する被測定アンテナ３が取付けられる。これにより、２軸ポジショナ２は、被測定アンテナ３を互いに直交するＯ1軸とＯ2軸との２軸を中心に回転させて被測定アンテナ３の方位（向き）を決めるものである。

被測定アンテナ３は、２軸ポジショナ２のうち第２の回転部２Ｂの先端に取付けられ、第１，第２の回転部２Ａ，２Ｂを用いてＯ1軸とＯ2軸との２軸周りに回転する。また、被測定アンテナ３は、アンテナ特性を測定する測定対象であり、携帯電話、携帯端末等に用いられる各種のアンテナが該当する。そして、被測定アンテナ３は、例えば１〜２０ｃｍ程度の開口寸法Ｄを有している。

ここで、被測定アンテナ３として携帯電話のホイップアンテナ（１／４波長アンテナ等）を用いるときには、ホイップアンテナと携帯電話全体から電磁波が放射されるから、ホイップアンテナと携帯電話全体で２軸ポジショナ２に取付けられる。この場合、開口寸法Ｄは、ホイップアンテナと携帯電話の全長と仮定する。

一方、被測定アンテナ３として携帯電話の内蔵アンテナ（例えばチップアンテナ等）を用いるときには、携帯電話全体から電磁波が放射されるから、携帯電話全体で２軸ポジショナ２に取付けられる。この場合、開口寸法Ｄは、携帯電話の全長と仮定する。

測定アンテナ４は、電波無響箱１の内部で例えば右側の壁面近傍に設けられている。また、測定アンテナ４は、アンテナポジショナ５に取付けられ、被測定アンテナ３と長さ方向（水平方向）で対向した位置に配置されている。ここで、測定アンテナ４は、例えば１５ｃｍ程度のエレメント長をもった小型バイコニカルアンテナによって構成されている。このため、測定アンテナ４の開口寸法ｄは、エレメント長と同じ長さ寸法となっている。

また、アンテナポジショナ５は、電波無響箱１の右側の壁面を貫通して設けられ、Ｏ2軸に沿って横方向に進退可能な機能を備えている。そして、測定アンテナ４は、アンテナポジショナ５の先端に取付けられる。このため、アンテナポジショナ５を進退させることによって、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌを以下の数１の関係を満たす範囲に設定する。

ここで、距離寸法Ｌは、２軸ポジショナ２の回転中心位置Ｐa（Ｏ1軸とＯ2軸とが交差する位置）から測定アンテナ４の基準点Ｐb（バイコニカルアンテナの中心位置）までの距離寸法を示している。また、数１中のλは測定周波数での信号（電磁波）の波長を示している。また、数１の式において、開口寸法Ｄ，ｄ、波長λ、距離寸法Ｌの単位は、全て同じ（例えばｃｍ）である。さらに、測定アンテナ４は、アッテネータ６（減衰器）を介して後述のネットワークアナライザ７に接続されている。

ネットワークアナライザ７は、高周波ケーブル７Ａを通じて被測定アンテナ３に接続されると共に、高周波ケーブル７Ｂとアッテネータ６とを通じて測定アンテナ４に接続されている。そして、ネットワークアナライザ７は、被測定アンテナ３から送信した電磁波を測定アンテナ４を用いて受信し、このときの受信電力Ｐrを測定する。また、２軸ポジショナ２を用いて、図２に示す被測定アンテナ３の方位角θと仰角φを徐々に変化させながら、この測定操作を繰返す。これにより、ネットワークアナライザ７は、被測定アンテナ３のアンテナ放射効率等のアンテナ特性を測定するものである。

本実施の形態によるアンテナ特性測定装置は上述のように構成されるものであり、次に該アンテナ特性測定装置を用いたアンテナ特性の測定方法について説明する。

まず、第１の工程として、２軸ポジショナ２に被測定アンテナ３を取付け、この状態で２軸ポジショナ２を電波無響箱１内に設置する。

次に、第２の工程として、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の測定距離を、以下の数２の式に基づいて算出する。ここで、数２中のＬminは、数１の関係式を満たす最も短い距離寸法（最短距離）を示している。

そして、第３の工程として、２軸ポジショナ２の回転中心位置Ｐaと小型バイコニカルアンテナの基準点Ｐbとの距離寸法Ｌを、最短距離Ｌminと同じ寸法または最短距離Ｌminよりも１０％程度の範囲内（例えば数ｃｍ程度）で少し長い寸法に合わせる。具体的には、アンテナポジショナ５を長さ方向に移動させる操作を行い、距離寸法Ｌが所望の値に一致したところで、測定アンテナ４を位置決め固定する。

次に、第４の工程として、２軸ポジショナ２の第１，第２の回転部２Ａ，２Ｂを操作して、被測定アンテナ３の姿勢を方位角θと仰角φがいずれも０°の位置で固定する。この状態で、ネットワークアナライザ７を用いて、被測定アンテナ３から送信される電磁波を測定アンテナ４によって受信し、このときの受信電力Ｐr（０°，０°）を測定する。そして、被測定アンテナ３の１つの姿勢で受信電力Ｐr（θ，φ）の測定が終了すると、２軸ポジショナ２の第１の回転部２Ａを操作して、被測定アンテナ３の方位角θを１０°増加させて再び受信電力Ｐr（１０°，０°）の測定を行う。この操作を方位角θが０°〜３６０°の範囲で繰返す。

被測定アンテナ３を方位角θ方向に１周分だけ回転させた後には、２軸ポジショナ２の第２の回転部２Ｂを操作して、被測定アンテナ３の仰角φを１０°増加させる。この状態で再び方位角θが０°〜３６０°の範囲で１０°毎に変化させて、受信電力Ｐr（θ，φ）の測定を行う。以上の操作を、方位角θが０°〜３６０°の範囲および仰角φが０°〜１８０°の範囲で繰返し、それぞれの方位角θと仰角φにおける受信電力Ｐr（θ，φ）を測定する。

最後に、第５の工程として、受信電力Ｐr（θ，φ）を全空間に対して球面積分し、被測定アンテナ３の放射電力Ｐradを以下の数３の式に基づいて算出する。

なお、数３の式において、Ｕt（θ，φ）は単位立体角当りの放射強度を示し、Ｇarは測定アンテナ４の絶対利得を示している。また、実際には、受信電力Ｐr（θ，φ）は方位角θ、仰角φに対して１０°毎に測定する。このため、数３に示す連続した積分ではなく、離散化した積分を用いる。

そして、数４の式に示すように、数３の式で算出した被測定アンテナ３の放射電力Ｐradを、被測定アンテナ３に対する入力電力Ｐinで割る。これにより、被測定アンテナ３のアンテナ放射効率ηt（アンテナ特性）を算出する。

次に、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌについて検討する。

まず、本実施の形態による場合として、フレネル領域でのアンテナ特性（アンテナ放射効率ηt）を測定した。このとき、距離寸法Ｌは数１の関係を満たす範囲内の値Ｌ1に設定し、上述の測定方法を用いて、アンテナ放射効率ηtを測定した。

ここで、被測定アンテナ３には携帯電話の内蔵アンテナを用いた。このため、被測定アンテナ３の開口寸法Ｄは、携帯電話の全長として１８ｃｍと仮定した。また、測定アンテナ４の開口寸法ｄは小型バイコニカルアンテナのエレメント長として１５ｃｍとした。さらに、測定周波数は１．７〜２．０ＧＨｚの範囲内で複数の周波数を用いて測定した。

また、数１の関係を満たす最短距離Ｌminは、測定周波数（波長λ）に依存し、測定周波数が高くなるに従って長くなる。このため、全ての測定周波数よりも高周波の信号に対して最短距離Ｌminを求め、この最短距離Ｌminに距離寸法Ｌを設定すれば、全ての測定周波数に対して、距離寸法Ｌ（Ｌ1）は数１の関係を満たすことになる。

そこで、本実施の形態を考えると、測定周波数よりも高周波の２．１７ＧＨｚ（波長λは１３．８ｃｍ）の信号に対して、最短距離Ｌminは３９．５ｃｍ程度となる。このため、本実施の形態では、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌ1を４０ｃｍに設定した。これにより、距離寸法Ｌ1は、全ての測定周波数（１．７〜２．０ＧＨｚ）に対して、数１の関係を満たしている。

次に、比較例による場合として、フランウンフォーファ領域（遠方界）でのアンテナ特性（アンテナ放射効率ηt′）を測定した。このとき、距離寸法Ｌは数１の関係を満たす範囲よりも長い値Ｌ2に設定し、上述と同様の測定方法を用いて、アンテナ放射効率ηt′を測定した。

このとき、被測定アンテナ３、測定アンテナ４は本実施の形態と同じものを使用した。このため、比較例では、距離寸法Ｌ2以外の値（開口寸法Ｄ，ｄ、波長λ）は、本実施の形態による場合と同じ値とした。

また、距離寸法Ｌは、数１の関係を満たす範囲よりも長い値Ｌ2に設定した。ここで、数１の関係を満たす最長距離Ｌmaxは、測定周波数（波長λ）に依存し、測定周波数が高くなるに従って長くなる。このため、全ての測定周波数よりも高周波の信号に対して最長距離Ｌmaxを求め、この最長距離Ｌmaxに距離寸法Ｌを設定すれば、全ての測定周波数に対して、距離寸法Ｌは数１の関係を満たす範囲よりも長い値になる。

そこで、上述した本実施の形態を考えると、測定周波数よりも高周波の２．１７ＧＨｚ（波長λは１３．８ｃｍ）の信号に対して、最長距離Ｌmaxは１５７ｃｍ程度となる。このため、比較例では、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌ2を１７０ｃｍに設定した。これにより、距離寸法Ｌ2は、全ての測定周波数（１．７〜２．０ＧＨｚ）に対して、数１の関係を満たす範囲よりも長い値になっている。

以上の条件で、上述した２つの場合（本実施の形態と比較例）の間で生じる測定結果の偏差を調べた。この結果を図３に示す。図３の結果より、両者の偏差は±１．０ｄＢ以内であることが分かる。これにより、本実施の形態のように、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌを数１の関係を満たす範囲で設定しても、それよりも長い遠方界とほぼ同じ測定結果が得られることが確認できた。

一般に、各アンテナの開口寸法Ｄ，ｄは測定周波数の波長λと同程度の値となるから、数１の関係を満たすときには、開口寸法Ｄ，ｄは距離寸法Ｌに比べて小さくなる傾向がある。このとき、被測定アンテナ３から放射される電磁波の放射パターンは、フレネル領域であってもフラウンフォーファ領域と同様のパターンになる。このため、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌが短いフレネル領域であっても、距離寸法Ｌが長いフラウンフォーファ領域と同様のアンテナ特性を測定することができる。

但し、距離寸法Ｌを（Ｄ＋ｄ）²／（２λ）よりも短い値に設定したときには、レイリー（Rayleigh）領域となるため、被測定アンテナ３から放射される電磁波の放射パターンは、フラウンフォーファ領域とは異なるパターンとなる。このため、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との間の距離寸法Ｌは、レイリー領域よりも長い値で、フラウンフォーファ領域よりも短い値として、数１の関係を満たす値に設定する必要がある。

かくして、本実施の形態では、被測定アンテナ３と測定アンテナ４との距離寸法Ｌが近いフレネル領域において、フラウンフォーファ領域（遠方界）と同様のアンテナ特性を測定することができる。この結果、フラウンフォーファ領域よりもアンテナ３，４間の距離寸法Ｌが短いフレネル領域でアンテナ特性を測定することができるから、電波無響箱１の外形寸法を各辺の長さ寸法が１００ｃｍ以下に小さくすることができ、電波無響箱１を小型化して、測定空間を小さくすることができる。また、予め電波無響箱１のアッテネーションを測定する必要がないのに加え、補正等の演算処理を行う必要がないから、測定時間の短縮および測定作業性の向上を図ることができる。

なお、前記実施の形態では、被測定アンテナ３として携帯電話の内蔵アンテナを用いた場合を例に挙げて説明したが、携帯電話のホイップアンテナでもよく、他の形式の各種のアンテナを用いてもよい。同様に、測定アンテナ４としてバイコニカルアンテナを用いる構成としたが、他の形式のアンテナを用いてもよい。

また、前記実施の形態では、電波無響箱１は四角柱状（立方体形状）に形成するものとしたが、被測定アンテナ３および測定アンテナ４を収容する空間を画成するものであればよく、円柱状、多角柱状、球状等でもよい。

Claims

内部に電波吸収体が設けられた電波無響箱と、該電波無響箱内に設けられた測定対象となる被測定アンテナと、該被測定アンテナと対向して前記電波無響箱内に設けられ該被測定アンテナのアンテナ特性を測定する測定アンテナとを備えたアンテナ特性測定装置において、
前記被測定アンテナの開口寸法をＤとし、前記測定アンテナの開口寸法をｄとし、測定周波数の波長をλとするとき、開口寸法Ｄ，ｄを前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌよりも小さくし、かつ前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌを

の関係を満たす範囲に設定したことを特徴とするアンテナ特性測定装置。
内部に電波吸収体が設けられた電波無響箱内に被測定アンテナと測定アンテナとを対向して設け、該測定アンテナを用いて前記被測定アンテナのアンテナ特性を測定するアンテナ特性測定方法において、
前記被測定アンテナの開口寸法をＤとし、前記測定アンテナの開口寸法をｄとし、測定周波数の波長をλとするとき、開口寸法Ｄ，ｄを前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌよりも小さくし、かつ前記被測定アンテナと測定アンテナとの間の距離寸法Ｌを

の関係を満たす範囲に設定する工程と、該工程後に前記測定アンテナを用いて前記被測定アンテナからの電磁波を測定する工程とを備える構成としたことを特徴とするアンテナ特性測定方法。