「電波資源拡大のための研究開発」第１回成果発表会

空間分布電力測定技術の空間分布電力測定技術の空間分布電力測定技術の空間分布電力測定技術の空間分布電力測定技術の空間分布電力測定技術の

研究開発研究開発研究開発研究開発研究開発研究開発

情報通信研究機構情報通信研究機構

0

1

空間分布電力測定技術に関する研究開発

背景背景

不要発射に対する規制の厳格化。

電波利用システムの広帯域化、用途の多様化。

広帯域にわたり空間に放射される電力を測定するためには所要時間や精度の制約が厳しい。

短時間、高感度で測定可能な方法の一つとして、EMC

の分野で既に用いられている反射箱による測定が有効。

2

空間分布電力測定技術に関する研究開発

目標目標

反射箱を利用することにより、広い周波数範囲にわたっ反射箱を利用することにより、広い周波数範囲にわたっ

て放射される電波を空間中にほぼ均一に分布させること

で、測定時間を短縮して効率的に、全放射電力を測定すで、測定時間を短縮して効率的に、全放射電力を測定す

ることを目標とする。

キーワード

反射箱、全放射電力、広帯域、効率的、測定法

3

反射箱

攪拌機

反射箱（5.5×3×4.5m） 小型反射箱（1 2×1×0 8m）

反射箱はシールドルームと攪拌機から構成

攪拌機の移動によりランダム場を発生

反射箱（5.5 3 4.5m） 小型反射箱（1.2×1×0.8m）

攪拌機の移動によりランダム場を発生

反射箱を用いた放射電力の測定法に関して検討

4

空間分布電力測定技術に関する研究開発

アンテナ校正法 目標

不確かさ 1-40 GHz, 不確かさ: 4 dB (K=2) 統計量測定技術

統計的手法による放射電力測定法

反射箱の改良

統計的手法による放射電力測定法に関する研究（周波数毎、高精度）

広帯域測定法

広帯域放射源の簡易測定法に関す反射箱の改良

統計量測定技術

広帯域放射源の簡易測定法に関する研究（広帯域、短時間）

反射箱の改良電力計及び減衰器

広帯域測定法 反射箱の改良に関する検討

電力計及び減衰器の校正法

電力計 減衰器およびアンテナの 電力計、減衰器およびアンテナの校正技術に関する研究

ランダム場でのアンテナ校正

反射箱を用いたアンテナ校正手法に関する応用研究

5

空間分布電力測定技術に関する研究開発

H17 H18 H19

統計量技術

～18GHz ～40GHz

電波暗室との比較理論評価、均一性評価

広帯域測定EUT試作

システム試作 不確かさ評価システム拡張

2

3

4

5

6

7

不確

かさ

(dB

)

無指向性アンテナ3軸合成

指向性アンテナ3方向

反射箱改良散乱帯試作 小型反射箱試作 材質、攪拌機改良

0

1

2

0 5 10 15 20

不

周波数 (GHz)

校正技術～40GHz ～110GHz減衰器 標準ホーン電力計

アンテナ校正～18GHz ～40GHz

測定の不確かさ評価と改善

アンテナ校正各種アンテナによる評価

反射箱の応用

6

反射箱を用いた放射電力測定

放射電力測定手法 Stirrer EUT 攪拌機の回転によるマルチパス環境

レイリー分布を仮定

放射電力は平均値 大値で置換 置換Rx Ant. 放射電力は平均値、 大値で置換

直接波成分は、誤差の要因

netPPP

置換

PnetTx Ant.

統計的手法r

neteutTotal P

PP

PP

Tx Ant.

ライス分布を仮定

累積確率分布の63.2%値で置換

直接波の影響を受けない

PeutPr

ル 直接波の影響を受けない。

適用条件

無指向性アンテナによる3軸測定 受信

レベ

ル

単一周波数測定 時間

受

7

統計量測定技術に関する研究開発 周波数毎、高精度

統計的手法による放射電力測定法

振幅分布がライス分布に従うと仮定

累積確率分布

振幅分布がライス分布に従うと仮定

22 A

確率密度関数

202

22

2 2exp)(

rAIArrrp

A2/2：直接波の電力 2 :多重波の電力A2/2：直接波の電力、σ2 :多重波の電力、

I0 :0次変形ベッセル関数

全受信電力の平方根で規格化

1exp12 2RRRp累積確率分布の63.2 %値は、電力比ρに関わらず 0.5 dB内に収まる

120 RI

2/rR2 2/A

まる。

)exp(1)(0)1()(

2RRFRURF

22 2/

AR

22/

A )exp(1)(0 RRF

632.011 1 eF

8

放射電力測定例 -統計的手法-

EUT: Comb.

広帯域模擬EUT (1-18 GHz、18-40 GHz)の測定例

差異1.1dB

不確かさ 1.5～2.6 dB (k = 2)

9

測定不確かさの例 -統計的手法-

不確かさ 1-40 GHz：1.5～2.6 dB (k = 2)

統計的手法の測定条件 統計的手法の測定条件

受信アンテナ：無指向性アンテナ

3方向成分の測定が必要

もし、指向性アンテナを用いる場合、EUTに向けない。

レイリー環境下での測定が条件

10

広帯域測定法に関する研究開発 広帯域、短時間

提案手法 EUT 提案手法

スペアナの周波数を掃引しながら、同時に攪拌機を連続的に回転させる

Stirrer EUT

る。

攪拌機の回転速度は、スペアナの掃引速度に比べて、十分に遅くする

置換

Pる。

攪拌機の1回転周期間の全掃引の平均（or 大値）を求める。

PnetRx Ant. Tx Ant.

広帯域、短時間測定が可能

スパン10GHzあたり1分PeutPr

（測定帯域幅：1 MHz)

neteutTotal

PPP

周波数掃引

reutTotal P

11

放射電力測定例：アンテナの種類による影響

-30

-40

er (d

Bm)

Stirrer

-50radi

ated

pow

e

Comb generator3116 (DRGA)

Rx. ANT

60

Tota

l r 3116 (DRGA) SAS-574 (DRGA) SAS-587 (Std. Horn) 12A-18 (Std. Horn) Comb. ±2 dB

Comb.

20 30 40-60

Frequency (GHz)

アンテナの種類（開口面、指向性）を変えて測定。

コムジェネレータの出力レベルと比べて、 ±2 dB程度の差異。

ナ 種類に依存 な アンテナの種類に依存しない。

12

放射電力測定例：アンテナの向きによる影響

3

4

5-30

0

1

2

3

f (dB

)

-40

d po

wer

(dB

m)

-3

-2

-1Diff

Mean of 4 positions Mean of 8 positionsMax of 8 positions

-50

Tota

l rad

iate

d

Comb generator Comb±2 dB 0 deg. 45 deg. 90 deg. 135 deg.180 deg. 225 deg.

20 30 40-5

-4

Frequency (GHz)

Max. of 8 positions Min. of 8 positions

受信 向き

20 30 40-60

Frequency (GHz)

g g 270 deg. 315 deg.

アンテナの方向を変えて測定。

コムジ ネレ タ（EUT）の出力レベルと比べ

受信アンテナの向き

（４方向：９０度間隔）

（8方向：４５度間隔）

コムジェネレータ（EUT）の出力レベルと比べて、±2 dB 程度の差異。

8（4）方向の平均値を用いれば、±1 dB 程度（ ） 、に改善。

13

妨害波測定例（反射箱および電波暗室）

80 M axhold

60

80

m)

RBW: 1 M HzVBW: 1 M Hz

40

E (d

BuV

/m

EUT: Comb.

20

Anechoic (Pre-Amp. 30 dB) S ll R b (P A 19 dB 35dB 16 dB P d)

Lim it Level

DPE Total30

微弱無線機器の許容値

5 10 150

Frequency (GHz)

Small Reverb. (Pre-Amp. 19 dB = 35dB - 16 dB Pad) rE

3mr

反射箱の使用による高感度な妨害波測定法が可能。

30dB程度のダイナミック向上

電波暗室での微弱無線機器の測定は困難

14

妨害波測定例（電波暗室サイトとの相関）

80

60

70

/m)

40

50

E (d

BuV

/

2 4 6 8 10 12

30

Max holdRBW 1 MHzVBW 1 MHz

Max. of six anechoics. Min. of six anechoics. Reverb.:5.5×3×4.5m Reverb.:1.2×1×0.8m

電波暗室6サイトとの相関電波暗室７サイトの測定結果

Frequency (GHz)

電波暗室での微弱無線機器の測定は困難

電波暗室サイトとの相関性について評価 電波暗室サイトとの相関性について評価

15ランダム場でのアンテナ校正に関する研究開発

反射箱は、ランダムな位相を持つ反射波 Stirrer 反射箱

からなるマルチパス環境を作る。

このようなランダム場を利用してアンテナ校正することが出来る

Tx Ant.Rx Ant.

ナ校正することが出来る。

直接波がなければ、

電界のベクトル平均は ０となる 電界のベクトル平均は、０となる。

4 0ImRe ,,,, zyxzyx EE

0

2

m

この特性をアンテナ校正に利用する -2

0Im

-4 -2 0 2 4-4

Re

複素受信値

16複素受信値の平均

複素受信値の平均値

NrefdirNtr rrr Rx Ant.Tx Ant.

de

NN

Nref

jkd

dir

rs d

de jkd

dir

s理想的な反射箱

アンテナを同じ偏波面で対向して配置

理想的な反射箱

アンテナを同じ偏波面で対向して配置。

複素受信値は直接波 rdir とランダムな位相を持つ反射波 rref のベクトル和。

受信値の平均は、反射波項が０となるので直接波成分と等しい。

複素受信値の平均値からアンテナ利得を決定することができる。

17反射波の影響

複素受信値の平均値

jkd

re

srRx Ant.Tx Ant.

複素受信値の平均値

walldirNtr rd

srd

実際の反射箱

rwall : パス長の変わらない反射波

攪拌機を設置していない壁からの「パス長の変わらない」反射波 rwall

が平均値に含まれる

実際の反射箱

が平均値に含まれる。

これらの反射波の影響を低減するために、送・受信アンテナを同期し

て回転させるて回転させる。

18

測定システム

-0 06

-0.07

0.06

Rx AntTx Ant

-0.08Im

Rx AntTx Ant.

-0.06-0.05-0.04-0.03-0.02-0.1

-0.09

5.5×3×4.5 m

Re

ネットアナ複素受信値例（18GHz）

Network Analyzer

CWモード、振幅と位相を測定

アンテナ

ダブルリ ジホ ン（ 1 18 GH ） ダブルリッジホーン（ 1-18 GHz ）、

標準ホーン（18 – 26.5 GHz、26.5 – 40 GHz）

19利得の測定例 -電波暗室との比較-

26

20

24

25

ain

(dBi

)

10

15

ain

(dB

i)

22

23

Ga

Anechoic chamber Reverberation chamber

5

Ga

Anechoic chamber Reverberation chamber

18 20 22 24 26Frequency (GHz)

5 10 150

Frequency (GHz)

26

1から40 GHz帯の各アンテナの利得を決定した。

これらの結果は 電波暗室との結24

25

in (d

Bi)

これらの結果は、電波暗室との結果とよく一致した。

22

23

Gai

Anechoic chamber Reverberation chamber

30 35 40Frequency (GHz)

20

校正技術に関する研究開発

放射電力測定法の高精度化には、スペクトラムアラナイザ、およびアン

テナの校正が不可欠テナの校正が不可欠

高周波電力計、減衰器の校正が必要

スペクトラムアナライザ信号発生器

減衰器

P0

ATT

A置換

P0 – A置換

電力計P0 レベル

直線性P0 – A

P0f

スペクトラムアナライザ

21

校正技術に関する研究開発 －電力計－

電力計（本体）

導波管センサ導波管センサ

高周波電力計（110 GHz）の校正システムを開発

「取替同時比較法」を採用

同軸コネクタセンサ

信頼性の高い 校正の不確かさ（拡張不確かさ k=2）

1 GHz～50 GHz 同軸コネクタ 3.3% (50 GHz)

50 GH 75 GH 導波管（Vバンド） 3 1% (75 GH )

信頼性の高い測定を実現

（国内 高水準）50 GHz～75 GHz 導波管（Vバンド） 3.1% (75 GHz)

75 GHz～110 GHz 導波管（Wバンド） 3.6% (110 GHz)

22

校正技術に関する研究開発 －減衰器－

減衰器（導波管）

減衰器（同軸コネクタ）

高周波減衰器（110 GHz）の校正システムを開発

「中間周波置換法」を採用

減衰器（同軸コネクタ）

信頼性の高い 校正の不確かさ （拡張不確かさ k=2）

40 GHz～50 GHz 同軸コネクタ 0.047dB (50 GHz)

50 GH 75 GH 導波管（Vバンド） 0 53dB (75 GH )

信頼性の高い測定に目処

50 GHz～75 GHz 導波管（Vバンド） 0.53dB (75 GHz)

75 GHz～110 GHz 導波管（Wバンド） 0.84dB (110 GHz)

23

校正技術に関する研究開発 －アンテナ－

送信アンテナ送信アンテナ

標準ゲインホーン

受信アンテナ 校正された電力計、減衰器を用いて、送受信機（またはネットワークアナライザ）の不確かさを確認

標準ゲインホーン（110 GHz）の校正システムを開発

「３アンテナ法」を採用

を確認

信頼性の高い 校正の不確かさ （拡張不確かさ k=2）

40 GHz～50 GHz 同軸コネクタ 0.72dB (50 GHz)

50 GH 75 GH 導波管（Vバンド） 0 71dB (75 GH )

信頼性の高い測定に目処

50 GHz～75 GHz 導波管（Vバンド） 0.71dB (75 GHz)

75 GHz～110 GHz 導波管（Wバンド） 0.51dB (110 GHz)

24

おわりに

反射箱を用いた全放射電力測定法として、統計的手法および広帯域測定法を検討した。

40 GHzまでの周波数帯において、高精度、高感度かつ効率的（広帯域、短時間）な測定を実現した。

測定不確かさ評価に必要な電力計、減衰器、およびアンテナの校正系を確立した。

応用技術として、ランダム場を利用したアンテナ校正手法を検討し、有効性を確認した。

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今後の展開

実用化

今後、実機での測定検証等を行い、広帯域空間分布電力今後、実機での測定検証等を行い、広帯域空間分布電力測定装置の実用化を図る。

応用

無線機器の広帯域、高感度かつ簡易な測定法として、製品開発における測定効率向上。

アンテナ一体型無線機、微弱無線機等の新たな技術基準の策定に対応可能。

マルチパス伝搬環境シミュレータとして、同一周波数帯を共用する場合の高精度な干渉特性評価に適用可能。