~ijh ; 主 査 および 被 ijllj 定

Vol.39 No. 1 通信総合研究所季報 March 1993 pp.23-36

資 料

近傍界アンテナ測定システムの誤差要因とその対策

飯草恭一＊I

堀

義明d J.R.シュミット4 (1992年8月28日受理）

ERROR FACTORS OF

A NEAR-FIELD ANTENNA MEASUREMENT SYSTEM

AND THE IMPROVEMENT OF ITS MEASUREMENT ACCURACY

By

Kyouichi IIGUSA, Yoshiaki HORI, and J.R. Schmidt

We measured the cross-polarization patterns of an offset parabolic antenna at a frequency of 14.35GHz by using a Near明FieldAntenna Measurement (NF AM) system. By checking the data reproducibility, we determined the error factors affecting our measurements and improved the NF A M system measurement accuracy by adjusting the system, removing unwanted reflection, increasing the signal to noise ratio, performing thermal calibration and making other improvements. After making these improvements, the reproducibility of the measured cross -polarization patterns became fairly good. This paper discusses the improvements made to the NF A M system and presents measured results and data reproducibility results.

［キーワード］ 近傍界アンテナ測定，交差偏波測定，測定の再現性，温度校正， SN比改善．

Near-field antenna measurement, Measurement of cross-polarization patterns, Reproducibility of measured data, Thermal calibration, Increase of the signal to n01se ratio.

1

. は じ め に

通信総合研究所鹿島宇宙通信センターにおいて，送受 信用の三基のオフセットパラボラアンテナを用いて降雨 の多編波レーダー観測実験を行ってきた．この降雨観測 用レーダーのアンテナは周波数14.35GHz帯・で，主偏 波，交差偏波共用のものであるため高い交差偏波識別度 を有し，また，その偏波の向きを切り換えることができ る特徴を持っている．以前にこのアンテナの交差偏波特 性の遠方界測定を行ったωが，今間近傍界測定を行い， 両者の測定結果を比較することを試みた．今までに当所 近傍界測定システムを用いて交差偏波を正確に測定した

・

1 通信技術部通信装置研究室 唱標準浪lj定部較正検定課 咽 PTTResearch, The Netherlands 23 ことはなく，また， 14.35GHzのような高い周波数帯 での測定経験も乏しい．そこで，今回の測定ではより厳 密な測定が要求され，測定の精度を上げるための整備と 工夫を行った．なお，以前に行われた遠方界測定では， アンテナと浪lj定装置とが機械的に干渉するため，エレベー ション角度に関して狭い範囲の測定しか行えなかったが， 今回の近傍界測定ではより広角にわたる指向性の測定が 可能となった．

2

.

近 傍 界 測 定 シ ス テ ム と 本 測 定 の 構 成 当所近傍界測定システム（2）と本測定の構成を第1図 に示す．近傍界測定において，送信は被測定アンテナか ら行われる.RFキャリア信号は発振器から被測定アン テナまで同軸線路によって伝送されるが， 14.35GHz では信号の減衰が大きいため増幅器を途中に接続した．

24 また，送信出力の調節は増幅器と被訓jl定アンテナの聞に 接続した減衰器によって行った

-

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，受信においてプ ローブ（複素電界強度分布を／J[lj定するための受信アンテ ナ 実験では切り放し導波管を使

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した）が受信した RF信号はミキサによって IF信号に変換され，ケーブ ルガイドアームに沿って設けられた向車

J

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送路を通して 増幅器を経て受信機に送られる ローカル信号は受信機 から同じ同車

h

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伝送路を通してミキサまで送られる 近傍 界測定では振幅の他に位相の分布をiJlll定する必要がある ため，プロープからの受信信号は受信機において，発振 器から分岐された信号と位相比較される （分岐された RF信号は受信機内でIF信号に変換さてから比較され る） また，振幅に関しでもこれらの信号の相対値をデー タとする パラボラアンテナは単指向性アンテナであるため，ょ

i

三 査法として平面広査法を用いることとした 平面走査近 傍界測定を行う前に， X車

J

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走査や y~iJh ；主査および被iJllJ定 アンテナのアジマス回転走査をテストスキャンとして行 い，受信信号強度や走査範囲などの状態を調整した テ ストスキャンの結果から判断して， iJlll定の打ち切り誤差 を−40dB以下に抑えるために，よ査平面の範囲を本シ ステムの上限である約4 m×4 mとした．また，オフセッ トパラボラアンテナの測定に先立ち，切り放し導波管を 被iJllJ定アンテナとしてテストスキャンを行い，プロープ の受信特性を謂ベた なお，

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図に示さ 通信総合研究所季報 れるようにそれぞれ水平方向，鉛l皇方向に平行とする

3

.

雑音レベルの改善 受信信号における雑音レベルを測定する目的で，発振 ‘器から送信アンテナ（被測定）に通じるケーフソレを外し， その先を終端した状態でテストスキャンを行った その 結果，第2区J(a）に示すようにプローブが下のゐーにあると き，受信娠隔が−20dBに遠し，また位相に周期性が見 られた その原因として， RF信号が送信アンテナ以外 から漏れてプロープへ届いているものと考えられ，発振 器からの RF信号がスキャナの下のノらφでのみ受信され ることから，測定室の床に沿ってRF信号が伝わって いると考えられた そこで様々な部分を吸収材で担いiJlll 定を繰り返した結果，第

3

図のように発振器後部に吸収 材を置くと第2図（b）に不されるように受信信号がが

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音レベルがほぼ−40dB以下に抑えられることが分かっ た この結果，ケープソレなとからの漏れではなく，発振 器自体から漏れた屯磁波がプロープに到達していたこと が明らかとなった なお，第2図の縦車

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送信アンテナ として切り放し導波管を用い，

i

差受アンテナの間隔を 1357 m mとしたときの最大受信強度を0dBとして表 示したものである．（注：通常は発振器をシールドボy クスに入れて使

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するが，当システムではシールドボッ クスが設備されていない）この発振器からの屯磁波の 漏れは，信号の弱いノョ向の指向性iJllJ定や， ケーフ’ル損失 オフセット ノfラ ボ ラ ア ン テ ナ 第l図近傍界測定システムと測定の桃成

25 ［ 凶

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Y軸走査距離［m] 3 4

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2 March No.1

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-IO -20 -30 -40 (a）発振器から送信アンテナにつながるケープルを終 端した

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え態でY柚走査を行った場合の受信信号パター ン Y軸k倉距離［mj 3 4 2 日 υ

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ーlO -20 ・30 (b) さらに発振器後部に吸収材を置いた状態でY納走 査を行った場合の受信信号パターン

360

。

送信7ンテIナから信号のない状態におけるプロープの 受信信号パターン （送信アンテナは切り歓し導波管．被損lj定アンテナ （送信），プロープともに水平偏波送受信状態に設置） 第2図

回転角度［

d

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]

(b）故障したロータリージョイントの一端に短絡端子 を接続した

1

え態で行った360度の回転に対するリター ン特性 ケープルガイドアーム伝送系とロータリージョイント の伝送特性 第4図 の大きい高い周波数における測定などに強く影響すると 考えられる．そこで，以降の測定においては発振器の後 部や側部を吸収材で覆うことによって，発振器の電磁波 シールドの改善を行った．

信号強度の適正化

これまで，被測定アンテナの主偏波指向性に主眼をお いた測定が行われてきたため，交差偏波の近傍界データ に関して特別の注意が払われたことはなく，時にはその

4

.

近傍界損lj定室と主要装置の配置 第3図

通信総合研究所季報 Y軸Jt査 距 離 ［ml I 2 3 4 トゾ「ア4 匂∼ァー十 r州、J

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10 -30 -40 ﹁ 由 主 堅議 (a) プロープへl吸収材を装着しない切合の Y割iI走査 ノマターン 10

。

30 20 -40 ー10 ︷ ぬ 甘 ︸ 国 お 山 村 測定は省略されていた．今回，交差偏波を正確に測定す るため，測定の再現性の検査に先立ち信号強度の再検討 を行った すなわち，交差偏波成分は主偏波成分に比べ て信号が弱いので， 同じ送信／：！＼力で： 測定を行った場合十 分なSN比を得ることができない そこで，交差偏波測 定を行うときの送信出力を主儒波測定の時より大きくし た 14GHz帯におけるミキサのダイナミックレンジは RF信 号 強 度 が 30dBm以下のときに最大値〔約60 dB）をとるから，送信出力はミキサに入力する RF信 号強度が−30dBmを越えない範囲で大きな値に選定し た なお，ミキサへ入力する RF信号強度は，プロー フを XY走 査 面上に動かしながらスペクトルアナライ ザーをJ+Jいてモニタした 一方，送信

H

＼力は増幅器によっ： て増幅し，減衰器を用いて調節した 両偏波測定に対す る送信出力の差は，プローブの位置を固定したまま送信 州力を変えたときの受信機の読み取り値の変化から見積っ た その結果，交差偏波測定における送信信号は主偏波 測定に比べて9.2dB大きい値となった そして，この 交差偏波測定II寺の受信強度の地加分は，データ解析の際 に楠」

l

した 以上のようにして，送信出力を各偏波測定 ごとに長適化することによって交差偏波測定に関する SN比が改善された 26

。

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［_ω凶 百 ］ 担 キ い お 5, ケーブルガイドアーム伝送系の異常とその 改善 (b) プロープと回転機構をつなくア ム部にl吸収材を 装i守した場合のY車ill走査パターン

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10 -30 ー40

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古E180 ω 百 要 :l=l180 同 司 ］ 阻吾容 (C) プロープ（切り放し導波管）の後部金l雪板や給ct! 用コネヲタを｜吸収材で覆った場合のY柏走査パター ン プロープ （切り放し等波管）近傍に吸収材を装科した ことによる受信信号パターンの変化 （被inrJ定アンテナは切り放し導i皮管 被測定アンテナ， プロープともに水平偏波送受信状態に設置） 第5図 第l図のようにケーブルガイドアーム伝透系 （ケーブ ルガイ ドアームに沿って設けられている信号伝送系）は プローフのXY平面上の如何なる位置においても，振 幅および位相の変動がなく受信信号を受信機に伝達する ことを目的としており，各アームに沿って固定されたケー フルおよびこれらのケーフル間を接続するために節の位 置に設けられたロータリージョイントRl,R2, R3と， プローブ回転機構用のロータリージョイン卜 R4などで 構成されている 今回，増幅器を外し，受信機の代わり にネン トワークアナライザを接続し， リターン特性を測 定することによって，ケーブルガイ ドアーム伝送系の伝 送特性の検査を行った このH寺，プロープの代わりに開 放端子あるいは短絡端子をケーフルに接続した ロ ーカ ノレ信号には1∼2GHz帯の信号が

m

L、られているので， その周波数 帯で測定 を 行 っ た 2 GHz帯の伝送特性の 測定結果例を第 4図に示 す 図に表れているように，プ ローフ♂の定査によって，位相に約21支のステップが生じ ることが分かった ここで用L、たミキサはハーモニック ミキサであり， 測定に用いられた14.35GHzの周波数 帯ではそのローカル信号は7倍されるため，位相のステッ プも約14度という無視できない大きさになる プロープ

27 にあるとき）にのみ細かいリップルがあり，被測定アン テナを上下反転させてもその細かなリップルはパターン の右側に表れることから，その原因は測定環境にあると

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プロープ支持 アーム

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以前よ II'}~ ｛（されて いたl吸収材 曹掴 今｜珂必要性のlVJらか になったl吸収材

プロープ受信パターンの吸収材による改善

被測定アンテナとしてプロープと同じ切り放し導波管 を用いた場合のY紬走査測定の結果を第5図（a）に示す． 測定パターンの右側（プロープがX Y走査面の上の方 の走査に対し，ステップの位置にほぼ再現性があること から，原因はロータリージョイントにあると推測された．

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のロータリージョイントを外し，

3

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度回転してそ のリターン特性を調べてみたところ第4図（b）に示すよう に，ある角度において位相特性に約2度のステップが観 察された．また，その位相特性もロータリージョイント の紬方向にかける圧力で変化し，故障していることが確 認 さ れ た 故障の原因としては，第l図にaで示す同軸 ケープルが少し長めだったため，このケープルがRlの ロータリージョイントに長時間圧力をかけていたことが あげられる．

6

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XYスキャナの側面図〔X軸方向〕 Y軸定貸距離［m] 3 4 第6図 10

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180 ︷ 尚 三 審 蟻 (C) メインロープ右肩にくぼみが有るY紬走査パター ン 耳E

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当ー180 (a) 位相パターンに傾きが有るY紬走査パターン Y紬走査距離［m] 3 4 2 10

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軸定貸距離（m] 3 4 --1.て

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28 考えられた．また， X轍走査や被調lj定アンテナの回転走 査ではこのようなリップルは見られないことから，第1 図のbに示すようなプロープがY軸走査を行うために空 けられた吸収材の隙聞に沿って，何等かの電磁界分布が 生じている可能性が考えられた．そこで，その電磁界分 布を遮るように，第6図にAで示すような吸収材をプロー プを支えるアームの下部に着けたところ，第5図（b）に示 すようにパターンからリヅプルが消えた． また，プロープ回転機構に接続するための切り放し導 波管後部端の金属板や，同軸線路と結合するためのコネ クタ部を第

6

図に

B

で示すごような吸収材で、覆った場合の 測定データを第

5

図（c）示す．この結果は明らかに同図刷 と異なっており，切り放し導波管の受信特性，すなわち 指向性が後部金属板やコネクタ部によって影響を受けて いることが分かる．解析の際プロープ補正に用いる切り 放し導波管のパターンは Yaghjianmにより半無限の 導波管をモデルとして表現されたものであり，後部金属 板やコネクタ部は想定されていなし、から，プロープとし て凶いられる切り放し導波管はこれらの部分を吸収材で 覆うべきであると考えられる．なお，後部金属板により 切り放し導波管のパターンにリップルが生じる現象に対 しては，藤野ω らによるタイムドメイン法を用いた解 析報告がある．

7

.

スキャナからの反射の影響とその対策 近傍界規lj定を行う前にテストスキャンを行い，その受 信信号分布をもとにして，送信信号強度と共に被測定ア ンテナの設置位置や方向および走査範囲を調節する．オ フセットパラボラアンテナに対するテストスキャンの結 果例を第

7

図に示す. X軸走査及びY軸走査における同 図（

a

）のような等位相面の傾きは，被測定アンテナのXY 平面に対する向きの調整により補正することができる． また，同転走査において，被測定アンテナの位相中心が 向転台の回転中心に対して左右，前後にずれていると， 等位相面がそれぞれ傾きや凹凸を持つようになるので， このことを考慮して位相中心を回転中心に合わせること ができる．このような調整の結果， X軸走査で得られる パターンは同図（b）に示されるように左右ほぼ対称となっ たが， Y軸走査の結果は同図（c）に示されるようにメイン ビームの中心より少し右にくぼみがあり上下対称ではな く，また，被浪

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定アンテナを上下逆転させても上部にく ぼみできることから，これは測定環境に起因する反射に よるものであると考えられた．そこで，様々な部分を吸 収材で覆い不要反射を消すように実験を繰り返したとこ ろ，プロープ回転機構の下部とプロープ後方のスキャナ 床面を，第6図にそれぞれCとDで示すように吸収材で 通信総合研究所季報 覆うと，第

7

図（

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）のようにくぼみがなくなることが分かっ た．これまでこれらの部分による反射が指摘されなかっ た理由は，以前に使用していた手動式のプロープ回転機 構はかなり小さく，反射が少なかったためであると考え られる．これに比べ，今回自動化のために新たに設備し た電動式のプロープ回転機構は大がかりなものとなった ため，その反射が無視し得なくなったと考察される．

8

.

収集データの雑音の低減 交差偏波も含めた受信データの再現性を改善する目的 で，受信データの雑音を低減するための受信機設定を行っ た．当システムで用いられている受信機は Scientific Atlanta社の Series 1780 Programmable Micro-wave Receiverである．この受信機にはデータの雑音 を低減させることを目的として，周波数バンド幅の選択 BW (=1-9） と 平 均 す る デ ー タ の 数 の 選 択 AV (=l-12）がある．第l表に示すように，周波数バンド 幅を絞るには BW値を大きな値に設定すれば良く，こ． れにより雑音レベルを下げることができる．また，第2 表に示すように，平均するデータ数を増やすにはAV 値を大きな値に設定すれば良く，雑音による読み取り数 第I.!( 周波数パンド稲と BW値 パンド幅コード BW 検波自iiのIFパンド幅 1600 Hz 550H~ 400Hz 2沼OHz llOHz 55Hz 27 Hz 14Hz 7Hz q ’ u q d a m − r J u a υ 守 ﹃ a u o u 第2&平均するデータの数と AV値 平均サンプル数｜ 平均される ｜ 検波後の コードAV サンプルの数 パンド幅 I 1600 Hz 2 2 525Hz 3 4 260Hz 4 8 130Hz 5 16 65Hz 6 32 32Hz 7 64 16Hz 8 128 8Hz 9 256 4 Hz ID 512 2Hz 11 1024 I Hz 12 2048 0.5 Hz

Vol. 39 No. 1 March 1993 29 第3表受信機が平均値算出に要する時間Tmsに関係する係数A

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2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 2 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 3 1 2 4 8 16 32 64 128 256 512 1024 2048 4 2 3 5 9 17 33 65 129 257 513 1025 5 1 2 3 5 9 17 33 65 129 257 513 ト一一ー 6 1 2 3 5 9 17 33 65 129 257 7 1 2 3 5 9 17 33 65 129 8 1 2 3 5 9 17 33 65

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9 1 1 1 2 3 5 9 17 33 第4.＆受信機が平均鰍算Illに要する時間Tmsに関係する係数万 パンド幅コード BW 係数B Y軸走査距離［ml

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受信機雑音を改善後の交差偏波測定の再現性 雑音低減の設定をBW=8, AV=Bに改善後，交差偏 波に対するこ回のY紬走査を行い，それらの結果の差 を表示．上が振幅のdB値の差，下が位相のdeg債 の差． （被測定アンテナはオフセットパラボラアンテナで水 平偏波送信，プロープは垂直偏波受信状態に設定） 値の変動を抑えることができる．しかし， B Wや A V 設定値を上げると，第3, 4表に示すように係数AやB が 増 加 し ， 平 均 を 行 う の に 必 要 と す る 時 間 Tms(msec）が長くなる．マニュアルによると本シス テムの場合， Tmsは(1)式によって与えられる． Tms

=

7.0+4.2A+0.9B+1.4AB (msec) ・・・・・・(1) 本システムでは，プロープが動きながらデータ収集を行 う方式となっている．そのため， B Wや A Vの設定値 を上げるときは，プロープの走査速度Vを下げるのが望 ましい． 主偏波の測定では， BW=5（周波数バンド幅は110 Hz),AV=5 （平均されるデータの数は16個）， V (Y 軸走査速度） =3000 mm/minの設定で十分な SN比が 得られていたが，交差偏波の測定に関してはこの設定で はSN比が悪かったので，雑音低減の設定をBW=B （周波数バンド幅は14Hz),AV=B （平均されるデー タの数は128個）に上げV=350mm/minに下げて測定 を行った．このような条件のもとにオフセットパラボラ アンテナに対し二回のY軸テストスキャンを行った結果 の差（dBの差および位相の差）を第8図に示す.B W およびA V設定値をともに

5

から

8

に上げたことによっ て，主偏波測定結果に近いレベルまで再現性が改善され た．また，これ以上B WやA Vの設定値を上げても SN比の顕著な改善は見られなかった．なお，周囲の振 幅のグラフで中央部分の再現性が低いのは，交差偏波の 位相が反転し，信号の振幅が落ち込んでいる部分に相当 しているためである．

9

.

プロープ走査における受信トリガのタイミ

ング

本近傍界測定システムでは，データの収集はプロープ がY軸上を動きながら行われる．一方，前節に記したよ うに受信機が受信データを算出するためには，幾つかの 受信値をサンプルする必要がある．そのため，第9図に 示すように，サンプル受信点はプロープの動きに伴って

3

0

移動し，算出される受信データはこの移動区間の平均値 となる．そこで，プロープのY軌走査速度Vは遅い}jが 好ましく，特に受信精度を向上させるためバンド幅 BW や データ サ ン プ ル 数 AVの設定値を上げる場合にはサ

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lri9図 Y告hkfiにおけるデータ収集点とトリガタイミングの 関係

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360 ー ゴ 0 ¥) (al-2 ギ偏波iftll定パターン（｛立相l〕 通信総合研究所季報 ンフ。ル受信点が増えるため， Y車1!1走査速度Vを遅くする 必 要 が あ る また，算出されたデータの位置はサンプル 受信点の中間と考えられるから，システム制御部がデー タ収集のトリガを発した位置とは異なる したがって， プローフ’がY軌を上下み向に動きながらデータを収集す る場合，上向きと下向きでデータ収集点のY摩擦が異なっ てしまう そこで，データ収集点と トリ力、発信点のずれ を見込んでト リガタイミングを早める必要がある ただ し この進める量は上記のように受信機の測定精度の設 定 値BWとAVおよびY車!11走査速度Vに依存する．こ のトリガタイミングの進め量を見積ることは可能だが， その見積りの誤差による彩特を凱除するため，以降の実 験では上向きにY車11!必査を行うときにのみデータを収集 する測定法を用いた． 10. エ ア コ ン デ ィ シ ョ ナ ー の 温 度 調 節 に よ る 影響と対策 14.35 GHzのオフセ yトパラボラアンテナに対する

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(blーl 交差偏i及iftll定バターン （仮稿） 00 ω てコ Q! 360 4足 0 ¥) (blー2 交差（I而及iJlll定バターン （位相） ii'JJO区lオフセyトパラボラアンテナに対する平而王t査近傍界測定データ例 （被iJ!rj定アンテナはオフセyトバラボラアンテナで垂直（I司被送信状態に設定 公差偏波出jr定 時の送信信号強度は主（l.J波iJ判定II寺に比べて9.2dB大きい）

Vol. 39 No. 1 March 1993 平面走資近傍界測定の結果を第10図lこ示すe プローフの 定査平面範囲は当システムの上限である約4rn×4 rnに とった この時，走査平面の端の受信強3￡1は段大値に対 して−40dB以下の弱いレベルに抑えられており，走査 の打ち切りによる誤差は十分に小さいと考えられる 一 方，受信機の雑音を低減する設定と走査速度は測定に要 する時間を勘案して，主偏波に対して周波数バンド幅を 110 Hz (BW=5，） 平均されるデータの数を16個（AV= 5),y車11!＜.佐査速度 （V）を3000m m/min，交差偏

i

皮に 対して周波数バンドを110Hz (BW=5），平均されるデー タの数を64個 （AV=7),Y紺l走査速度 CV)=1000m m/ minとした．このような条件で測定に要する時間は主 偏波に対して約2時間，交差偏波に対して約5時間であっ た 収集データの再現性を検証するために同じ条件で近傍 界測定を二同行い，それらの差を調べた結果，位相パター ンに規則的な変動が観察された そこで，一回のy*1!1;1

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lb) 基準点データの位相の時間］変動 31 査千lまにプロープがある基準点に戻ってデータを採取し， そのデ タを基準として各Y車lh走査のデータを校正する ノlj式に測定法を変えた この基準点校正を行った近傍界 データと，その校

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を行わない別の近傍界テータの位相 バターンの差を第11図（a）に示す X車

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の走査に沿っての み規則的な変動が見られ，また，同図（b）のように基準点 の位相データにも同機な変動が観察された． したがって， 受信系に時間的な変動が生じていると推測された そこ で，測定室の温度変化を測定した結果，位相の変動と類 似の温度変動が観測された 同図（c）はスキャナ後部中央 の床面 （第 3 図参I!~）の温度測定例であるーこのような 杭肢の規則的な変動Ii，測定室の室混が設定視役ーから約 1 l支ずれるとエアコンティショナーが作動する温度調節 ゐ式が原因となっている．この温度変動によって伝送線 路の屯気長が変化し，ケーフ’ルガイドアーム伝送系を伝 わる受信信号の位相がずれると考えられる これまでの ほとんとの近傍坑！／JllJ定は低い周波数認で行われていたた (C) 測定’ボの混度の時間笈到J (I199J年3月14111030 から3J-li5119 50まで， スキャナ後部ijJ火床而に おけるi,¥:',JJ[をiJllj定） 4 国〉

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180-..! 0 ¥:l Id) 基準点校止を行った二一つのま｛阿波近傍界測定結果 の位相lパターンの差 m11図 位相パターンの j古JJ~J 的変動と iJlil定率 i，＼：＇，度の変動 （被iJ判定アンテナはオフセγトパラボラアンテナで1)<.>jL(J;;¥1皮送信状態に設定），

32 めにほぼ1時間以内に終了し，このような現象は顕著に は現れなかったが，今回の測定は

5

時間を越え，さらに 冬の寒い時期に行われたためエアコンディショナーのオ ンオフの頻度が多かったことが原因して，温度による位 相の変動が顕著に表れたと考えられる．そこで，以後の 測定ではすべて基準点校正を行った．基準点校正を行っ た三つの主偏波近傍界データの差の例として位相パター ンを同図（d）に示すが，同図（a）に見られるような位相変動 が消え，良い再現性が得られていることが分かる．なお， 基準点として受信信号のなるべく強い位置が好ましく， 主偏波測定においては走査平面の中央が良いが，交差偏 波測定では中央は位相が反転する位置付近であり信号が 弱いため中央より斜め方向にずれた位置を選んだ．

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プロープ回転の軸ずれとその補正 プロープ回転機構の回転軸とプロープの中心軸とが一 致していないと，偏波の方向を変えるために回転機構に よってプローブを90度回転したとき，プローブの位置自 体も移動してしまう．そのため，主偏波と交差偏波でデー タ収集点がずれてしまうことになる．本実験では両軸を 一致させるよう試みた結果，機械的にミリメートルオー ダーの調節は可能であるが完全に一致させることは難し いことが分かった．これまでのような低い周波数帯の測 定ではこの程度のずれは無視できるが， 14.35GHzの 本測定では波長が約20mmであり無視することはでき ない．そこで，調節しきれなかった数ミリの差を測定し ておき，データ解析の際に以下のような考察にしたがっ て補正を行うこととした． すなわち，データ解析におけるフーリエ変換でその積 分範囲を（2）式のように書換えると，積分範囲の端

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では受信信号b(v）が十分に小さいから右辺第二項を無 視できる．

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・・・・・（2) すなわち，近傍界データ収集点のずれ d は，遠方界解 析結果に位相のずれex

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（一jkLl）をかけることによっ て補正することができる． 12. 近傍界測定データと遠方界解析結果の再 現性 オフセットパラボラアンテナに対する基準点校正を行っ た二回の近傍界測定データの差（dB値の差）を三次元 的に表示した一例を第12図に示す．主偏波測定結果（a), 通信総合研究所季報 (c）は関口面に対応する受信信号の強い中央付近の収集デー タにはほぼ良い再現性があることが分かる 特に関口面 に対応する中央付近における測定の再現性は，垂直偏波 測定に比べ水平偏波測定の方が良かった．一方，交差偏 波解析結果（b）は，主偏波測定の再現性には及ばないもの の，今回送信信号強度を適切なレベルまで上げたため， かなり良い再現性が得られた．ただし，交差偏波のデー タは X=2のラインに沿った部分で，位相が反転し，信 号強度が弱くなるために再現性が悪くなっている．なお， 第12図（

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）ー1, (b）ー1,(C）一1は収集データの差の大き さにかかわらず，受信データ自身が 55dB以下のもの をゼロとして表示したものであり，また，同図（a) 2, (bl-2 , (c)-2は−45dB以下のデータをゼロとした 表示である．これらの比較から，再現性が悪いデータと いうのは元々受信信号が弱いこと，および，受信信号強 度が−45dB以上ある場合の再現性はほとんど数dB 以内におさまっていることが分かる． 次に，これらの近傍界データから解析された遠方界指 向性の再現性について調べる．被測定アンテナであるオ フセットパラボラアンテナを主偏波方向が水平となるよ う設定した．プロープとして用いた切り放し導波管の偏 波の方向を水平とした状態で二つ，垂直状態で四つの近 傍界データを収集した．これらの主偏波に対応する（被 測定アンテナとプロープの偏波方向を揃えた）二つのデー タと，交差偏波に対応する（被測定アンテナとプロープ の偏波方向を直交させた）四つのデータによって，合計 八つ（8 = 2×4）の遠方界指向性が解析できる．遠方 界指向性の解析結果の一例を第13図に三次元表示する． また，これらの遠方界指向性のカット面表示を第14図に 表 す 縦軸方向の線の幅は，八つの遠方界指向性解析結 果の標準偏差の二倍の値2

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を表し，中心が平均値を表 す．カット商は水平面Cky= 0）と鉛直面（k,= 0）であ り，主偏波に対しては60度，交差偏波に対しては16度の 角度範囲を表示した．第14図を見ると，主偏波に比べる と交差偏波の指向性のばらつきが大きいことが分かる． また， レベルの低い方向のばらつきが大きい傾向も表れ ている．さらに，メインビーム近傍よりそれから外れた 方向のばらつきが大きい傾向もある 主偏波指向性のば らつき（2

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）は60度の角度範囲においては約1dB以 内に，交差偏波指向性のばらつきはメインビームに対し て−40dB以上の利得のある方向においては約4dB以 内に収まっていることが分かる． さらに，遠方界指向性解析結果の再現性劣化の原因を 調べるために，主偏波に対応する近傍界データだけを変 えて得られる遠方界のばらつきと，反対に交差偏波近傍 界データだけを変えた時のばらつきを求めた．その結果

Vol.39 No. 1 March 1993 20 ︷ 国 司 ］ 制 嬰 10 懸

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芸 lbl I 受信強度ー55dB以下をゼロとした交差（1山政 の娠幅パターンの差 20 ∞ 司 ］ n u 州 問問 吾 醤

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(c) 2 受信』節度 45dB以下をゼロとした主偏波の 娠中品パターンのZ: Jレに透していないものは，その差をゼロとした _:.1111のとμ.而走査近（0民測定データの差を表示 ただし，近傍舛データの信号強度があるレベ （被ifflj定アンテナはオフセyトパラボラアンテナ (a). lb）の被測定アンテナは垂直似波状態， (C）はノk平偏波状態に，没定）

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ネ lbl-2 交差侃波バタ / （メインロ プ近傍） Wl3図 オフセットパラボラアンテナの述)j界解析結果例 （被副lj定アンテナはオフセ yトパラボラアンテナで；J<平偏波状態に設定） を水平カy卜面パターンに対してのみ第15図に不す こ の図を見ると，主偏i皮遠方界抱向性解析結果のばらつき は主偏波に対応、した近傍界データのばらつきが主たる原 因となり，反対に交差偏波遠方界のばらつきは交差偏波 に対応した近傍界データのばらつきが原因となっている ことが分かる したがって，交差偏波における遠必界の

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現性を向上するためには，交差儒放に対応する近傍界 データの SNを改善する必要があることが分かる 13. ま と め 当所近｛労界iJllj定システムを用いて， 交差｛馬波などの信 号の ~ml 、指向性を iJllj定するときの問題点とその改善法に ついて調査した その結果，明らかになった点を以下に 記す． 13.1 近傍界；~lj 定装置の改良 ( 1) 発振器の電磁波シールドのィ、完全 第

3

図に示すように発信機の後部と，さらに測定室と の聞のf!llJ部に吸収材を設置 し た (2) X Yスキャナに起因する電磁波の反射 第7図に不すようにスキャナにA, C,Dの吸収材を 設置した (3) エアコンディショナーの温度ー変動による受信データ の位相変動 各Y！車

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査毎に基準点のデータを採取し，各主査デー タを校正する iJljl定法を採用した 13.2 受信データのSN比を向上するための対策 (1) 送信信号の増大 受信信号強度を測定しミキサの計谷値を越えない範囲 で送信州力を上げた． (2）雑音の低減 受信機が受信値を算出する際に平均するデータ数を増 加させた 13. 3 近傍界測定；去の改善 (1) プローフ

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際の指向性のずれ プロープ補正に用いた切り放し導波管の指向性と実際 の受信特性の相違を少なくするために，切り放し導波管 の関口面より後部を吸収材で覆った (2）主偏波測定と交差偏波測定におけるプロープの位置 のずれ プロープ回転機構によりプロープを回転させ，その中 心の軌跡からプロープの位置のずれを測定し，遠}j界変 換の際に補正した 13.4 再現性 以上のような測定条件の改善の後， 14.35GHzのオ フセットパラボラアンテナに対して平面走査近傍界測定 を行った 近傍界測定データおよび遠店界解析結果の再 現性の評価を行った．その結果，交差偏波に対する測定 結果のばらつき（2σ）は，−40dB以上の利得のある

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~ -10 里 報 -30 -40 -50 -20 lbl-2 交差偏波に対応した近傍界データのみを変え たときの交差偏波遠方界パターン 遠方界の再現性劣化の主｜週 （被測定アンテナはオフセットパラボラアンテナて・水平偏波状態に設定；水平カット面を表 示；忠良の縦納方向の太さは20, •！＝•心は平均値を表す ただし， oは標準偏差） (a)-2 交差偏波に対応した近傍界データのみを変え たときの主偏波遠方界パターン 第15図 101-180, Sept.1988.

(3) A.D.Yaghjian，“Approximate formulas for the far-field and gain of open−巴nded rectan gular wave-guide", IEEE Trans. Antennas Propag., AP・32,4, pp.378-384, April 1984. (4) 藤野義之，唐卓裕， “伝送線路行列法によるアンテ ナ遠方界放射特性の計−算 （春）． 献

(1) M.Satake, M.Fujita, T.Okuyama and T. !hara，“A Ku-band dual-polarization radar， J.Commun. Res. Lab., 3” 6, 147, pp.45 -54, Mar.1989. (2) 手代木扶他， “アンテナ近傍界測定システムの開発 とその応用” （小特集），通信総研季， 34, 172, pp. 文 考 参