回転楕円鏡を用いた高感度放射電力測定技術の研究開発 平成 23 年 11 月 30 日アンリツ株式会社

回転楕円鏡を用いた高感度放射電力測定

技術の研究開発

平成

_{23年11月30日}

アンリツ株式会社

背景

ユビキタス社会の到来を迎え、携帯電話機や無線LAN に加え、RFID や

UWB などの小型無線機器の爆発的増大が予測されている。これらの機器

の多くは測定用の端子を有しないものが多く、既存の方法で測定を行うこ

とは困難であり、新たな放射測定法の確立が求められている。

アンテナ 送受信機ICチップ これからの無線機 （RFIDタグ、UWB, BAN端末など） 無線機の超小型化 低消費電力化 低コスト化 全放射電力（TRP）の測定 測定端子を有しない無線機の増大 測定端子 従来の携帯機 アンテナ 送受信機IC 空中線電力測定 アンテナ 送受信機ICチップ これからの無線機 （RFIDタグ、UWB, BAN端末など） 無線機の超小型化 低消費電力化 低コスト化 無線機の超小型化 低消費電力化 低コスト化 全放射電力（TRP）の測定 測定端子を有しない無線機の増大 測定端子 従来の携帯機 アンテナ 送受信機IC 空中線電力測定

成果目標と達成状況

成果目標：小型無線機の高速・高感度TRP測定法の実現 ① 回転楕円鏡結合器を用いて無線機の全放射電力（TRP）を高感度、高精度に測定でき る新しい測定法を確立する。各種従来法と比較検証を行い、本測定法の妥当性を検証す るとともに国際的提案を行う。 ② 高次スプリアスの測定法を確立する。 ③ 楕円鏡結合器の応用の拡大として、無線機の受信感度（TRS）の測定法を開発する。 達成状況 ① 多重反射を利用し高感度で測定可能な変位法と、変位法の精度を高める反射補正法 を開発した。また、既存測定法との比較検証実験を行い本測定法の妥当性を確認した。さ らに、国内外学会での発表、展示会、報道発表を行い論文誌にも投稿中である。 ② スプリアスの測定実験を行い、本測定法で測定可能であることを確認した。 ③ 変位法を応用することでTRS測定法を開発し、W-CDMAの端末による測定実験を行い、 測定法の妥当性を確認した。

• F

₁

： 供試端末（

EUT）

• F

₂

： 受信アンテナ

離 心 率 ：

送信アンテナから放射した電波は

受信アンテナに集まる

オーバーサイズの共振器であり、複雑な多重反射が生じる

O

F

₂ 受信アンテナ

f

f

EUT 長軸

a

短軸

b

x, y

z

楕円鏡結合器 （金属）

l

₂

l

₁ （回転軸）

F

₁

①-1 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（変位法）

楕円鏡結合器の構成

送受アンテナを回転軸に沿って対称に移動させ多重反射の条件を変化

させることで、送信側反射係数

Γ≒0、その結果 結合度（C）≒1 を実現

r

η

(

2

)

11

1

S

P

P

_L

=

_o

η

_r

−

(C=1) !

r o L

P

P

=

η

: radiation efficiency of Tx. antenna

r

P

₀

η

maximum TRP =

(

2

)

11 0

1

S

P

TRP

=

η

_r

−

if

S

11

0

Δz Δz Multiple reflection P_o S₁₁ Z_L P_L S₂₁ P_R Lossless cavity

変位法による測定原理

①-1 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（変位法）

M a gni tu d e [ d B ] Frequency [GHz] S21 S11 2.5 2.75 3 3.25 3.5 -40 -30 -20 -10 0 3GHzで反射 大、結合度小 M a gni tu d e [ d B ] z [mm] Δ S21 S11 -100 -50 0 50 100 -40 -30 -20 -10 0 C = 1 outward inward 焦点配置 (Δz=0)時 _{変位に対する結合特性（@3GHz）} S21 ( M a x .) [ d B ] Frequency [GHz] Dipole bandwidth 2.5 2.75 3 3.25 3.5 -40 -30 -20 -10 0 最大値抽出後

送受アンテナ：

λ/2ダイポール@3GHz、 2a = 8λ 、 e = 0.5

変位法の効果

①-1 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（変位法）

・楕円鏡結合器に出力反射係数Γの測定回路組み込み

・変位法による受信出力とΓにより、TRPを高精度に測定

SA 可変移相器 反射素子 l₁ 楕円鏡結合器 受信機 受信アンテナ 　　線路　　　 (損失 K） ： Γ (P₀,η_r,Γ_EUT) EUT SA SA ( ） (P₀,η_r,Γ_EUT) EUT (P₀,η_r,Γ_EUT) EUT

A

B

(a) 反射係数の推定原理図 _{(b) 反射係数測定回路を含む楕円鏡結合器} 可変移相器 _B C A exp(jφ) 可変移相器 _B C A exp(jφ) B A C A B + A B − B A C A B + A B −

反射係数測定の原理と回路構成

①-2 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（反射補正法）

楕円鏡カップラ 可変位相器 可変反射器 変位用駆動モータ 楕円鏡結合器 可変位相器 固定反射器 変位用駆動モータ 変位用駆動モータ 楕円鏡カップラ 可変位相器 可変反射器 変位用駆動モータ 変位用駆動モータ 楕円鏡結合器 可変位相器 固定反射器 変位用駆動モータ 変位用駆動モータ 楕円鏡結合器 長軸長 (2a) 1200 mm 短軸長 (2b) 1094 mm 離心率 (e) 0.41 材質 FRP 内壁用導電性塗料 45% Cu 駆動部変位量 300 mm 可変移相器変位量 150 mm (75 mm

×

2) 固定反射器設定範囲 150 mm (75 mm

×

2) 周波数 1.47 GHz 空中線電力 10.08 dBm 筐体寸法 140 x 40 x 46 mm

楕円鏡結合器

擬似無線機

測定システム（

800MHz帯用）

擬似無線機

①-2 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（反射補正法）

Z [mm] Pr(EUT) [dBm] K' [dB] Γ [dB] TRP [dBm] A -35.7 -1.26 -0.85 8.71 B -38.3 2.65 -1.84 9.74 C -40.8 4.97 -3.47 10.03 D -43.4 6.36 -5.86 10.13 E -51.0 7.63 -14.93 10.24 F -58.7 7.22 -9.88 10.16 G -63.8 6.67 -7.32 10.03 H -68.9 5.89 -5.78 9.69 2.47

反射係数で受信電力を補正することに

より、結合度が低い場合であっても、

空中線電力に近い値が測定できる。

反射補正法による

TRP測定結果

（

EUTの空中線電力は10.08ｄBm）

①-2 楕円鏡を用いたTRP測定法の開発（反射補正法）

z[mm] TR P [ dB m] A B C D E F G H 変位法 反射係数推定値による補正 -70 -60 -50 -40 0 2 4 6 8 10 K’は測定系の損失による補正係数 （焦点からの距離）

楕円鏡結合器 変位用駆動モータ 楕円鏡結合器 変位用駆動モータ 反射箱（NICT様) 電波無反射室（アンリツ) 部分球面走査システム（TELEC様) 楕円鏡結合器（アンリツ)

使用施設

①-3 ラウンドロビン試験（従来法との比較検証）

アンテナ取り付け位置 ant1 中央（整合アンテナ） ant2 長辺中央（整合アンテナ） ant3 角（整合アンテナ） ant4 中央（不整合アンテナ） (a) 1.47 GHz (b) 2.41 GHz, 5.18GHz EUT（空中線電力：ノミナル10dBm)

基準アンテナと供試器

1.47, 2.41, 5.18 GHz帯 標準ダイポールアンテナを用意

疑似無線機

基準アンテナ

①-3 ラウンドロビン試験（従来法との比較検証）

A B

C D

E

ant1 ant2 ant3 ant4

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 A B C D E

ant1 ant2 ant3 ant4

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 A B C D E

ant1 ant2 _{ant3 ant4}

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 (a) 1.47GHｚ (b) 2.41GHｚ (c) 5.18 GHｚ [dB] [dB] [dB] 10 dBmの電力を供給した基準アンテナのTRPを0dBとしたEUTのTRP 測定方法 測定機関 A 3m 法 アンリツ B 反射板を用いた部分球面走査法 TELEC C 反射箱を用いた平均値置換法 NICT D 反射箱を用いた累積確率分布の 63.2%値置換法 NICT E 楕円鏡結合器法 アンリツ

測定結果

測定結果は、いづれも±1dB以下の範

囲に入っている。

①-3 ラウンドロビン試験（従来法との比較検証）

擬似無線機

（コムジェネレータ

+ディスコーンアンテナ）

ディスコーン

アンテナ

擬似無線機

S11 [dB] freqency [GHz] 1.8 GHz - 28.2 GHz ANT 1 ANT 2 0 10 20 30 -30 -20 -10 0

ディスコーンアンテナ

S11測定結果

供試器

② 高次スプリアスの測定

f [GHz] |ΓEUT| [dB] TRP測定値[dBm] 端子電力[dBm] アンテナ 内部損失 [dB] TRP推定値[dBm] 測定値-推定値 [dB] 2.412 -7.1 5.2 5.2 0.1 5.1 0.1 4.824 -6.7 -0.7 -0.4 0.2 -0.6 -0.1 7.236 -9.0 -4.3 -3.0 0.5 -3.5 -0.8 9.648 -12.3 -5.1 -4.2 0.6 -4.8 -0.3 12.06 -8.5 -7.2 -6.6 0.5 -7.1 -0.1 ・反射波の発振器への影響を避けるため、アンテナ-発振器間に3dBのATTを入れている。

高次スプリアス測定結果

TRP推定値と、 TRP測定値は、1dB以内で一致している。

② 高次スプリアスの測定

楕円鏡カプラ 被試験端末 MT8820B/C 変位モータ 変位モータ 変位 送受信アンテナ ラジオコミュニケーション アナライザ Up Link (f₂) Down Link (f₁) 楕円鏡カプラ 被試験端末 MT8820B/C 変位モータ 変位モータ 変位 送受信アンテナ ラジオコミュニケーション アナライザ Up Link (f₂) Down Link (f₁) システム制御・データ処理PC エコーバックデータ （ f₂） 送信電力、 受信機入力電力、BER ｆ₁ : 2140MHz ｆ₂ : 1950MHz 送受信アンテナとラジオコミュニケーションアナライザの間に可変移相器および固定反射器 を挿入し、反射係数推定を行いTRP測定を行った。TRS測定では反射補正は行っていない。

可変移相器

固定反射器

測定システム

③ UMTS端末のOTA測定（TRP,TRS測定）

GHz帯用楕円鏡結合器

2a = 760 mm, 2b = 658 mm,

e = 0.5, 材料：ABS

測定法による比較 機種 f[GHz] TRP[dBm ] 楕円鏡 TRP[dBm ] 電波無反射室 A機 1 .9 5 0 1 9 .0 2 1 .2 B機 1 .9 5 0 1 7 .9 2 0 .5 機種 f[GHz] TRS[dBm ] 楕円鏡 TRS[dBm ] 電波無反射室 A機 2 .1 4 0 - 1 1 1 - 1 1 1 B機 2 .1 4 0 - 1 0 9 - 1 0 9

1dBの刻みで測定したTRSは良く一致している。この時の測定時間は電波無反

射室では、４時間掛かったが、楕円鏡結合器ではわずか４分程度である。

TRP, TRSの測定結果

③ UMTS端末のOTA測定（TRP,TRS測定）

成果の今後の展開

市場調査に基づき顧客動向を十分に把握し、安全性・信頼性を確保した上

で、更なる小型軽量化とコストダウンを達成し、実用化に努める。

年度 国内発表 国際発表 合計 平成20 2 1 3 平成21 4 2 6 平成22 4 2 6 合計 10 5 15 年度 国内出願 外国出願 合計 平成20 1 0 1 平成21 4 0 4 平成22 4 2 6 合計 9 2 11 その他 報道発表：4紙、展示会出展：2回、論文誌に投稿中 特許出願 論文発表 H23年度 H24年度 H25年度 H26年度 H27年度 安全性の確保・小型化等 顧客調査 _{実用化試作} （信頼性・品質評価等）