ニュース - アンテナ測定

アンテナ測定とは、アンテナの性能と特性を定量的に評価・分析するプロセスです。専用の試験装置と測定方法を用いて、アンテナの利得、放射パターン、定在波比、周波数応答などのパラメータを測定し、アンテナの設計仕様が要求を満たしているかどうかを検証し、アンテナの性能をチェックし、改善提案を行います。アンテナ測定の結果とデータは、アンテナの性能評価、設計の最適化、システム性能の向上に役立ち、アンテナメーカーやアプリケーションエンジニアへのガイダンスとフィードバックを提供します。

アンテナ測定に必要な機器

アンテナテストにおいて最も基本的なデバイスは VNA です。最も単純なタイプの VNA は 1 ポート VNA で、アンテナのインピーダンスを測定できます。

アンテナの放射パターン、利得、効率の測定はより困難で、より多くの機器が必要になります。測定対象となるアンテナをAUT（Antenna Under Test：被試験アンテナ）と呼びます。アンテナ測定に必要な機器は以下のとおりです。

基準アンテナ - 既知の特性（ゲイン、パターンなど）を持つアンテナ
RF電力送信機 - AUT（被試験アンテナ）にエネルギーを注入する方法
受信システム - これは基準アンテナで受信される電力の量を決定します
位置決めシステム - このシステムは、テストアンテナをソースアンテナに対して回転させ、角度の関数として放射パターンを測定するために使用されます。

上記装置のブロック図を図１に示す。

図 1. 必要なアンテナ測定機器の図。

これらのコンポーネントについては簡単に説明します。基準アンテナは、当然のことながら、所望の試験周波数で良好な放射性能を示す必要があります。基準アンテナは、水平偏波と垂直偏波を同時に測定できるように、多くの場合、二重偏波ホーンアンテナです。

送信システムは、安定した既知の電力レベルを出力できる必要があります。出力周波数は調整可能（選択可能）で、かつ適度に安定している必要があります（安定とは、送信機から得られる周波数が目的の周波数に近く、温度によって大きく変化しないことを意味します）。送信機は、他のすべての周波数においてエネルギーをほとんど含まない必要があります（目的の周波数以外にも必ずいくらかのエネルギーは存在しますが、例えば高調波においては大きなエネルギーを含んではなりません）。

受信システムは、テストアンテナから受信される電力を測定するだけで済みます。これは、RF（無線周波数）電力を測定するシンプルなパワーメータで行うことができます。パワーメータは、伝送線路（N型またはSMAコネクタ付きの同軸ケーブルなど）を介してアンテナ端子に直接接続できます。通常、受信機のインピーダンスは50Ωですが、指定があれば異なるインピーダンスにすることもできます。

送受信システムはVNAに置き換えられることが多いことに注意してください。S21測定では、ポート1から周波数を送信し、ポート2で受信電力を記録します。したがって、VNAはこのタスクに適していますが、このタスクを実行する唯一の方法ではありません。

ポジショニングシステムは、試験アンテナの向きを制御します。試験アンテナの放射パターンを角度（通常は球座標）の関数として測定するため、送信アンテナが試験アンテナをあらゆる角度から照射するように試験アンテナを回転させる必要があるため、ポジショニングシステムが使用されます。図1は、AUT（被試験装置）の回転を示しています。この回転には様々な方法があり、基準アンテナのみを回転させる場合もあれば、基準アンテナとAUTアンテナの両方を回転させる場合もあります。

必要な機材がすべて揃ったので、測定をどこで行うかについて話し合うことができます。

アンテナ測定に適した場所はどこでしょうか？ガレージで測定したいという方もいらっしゃるかもしれませんが、壁、天井、床からの反射によって測定結果が不正確になる可能性があります。アンテナ測定に最適な場所は、反射が発生しない宇宙空間です。しかし、現在宇宙旅行は法外な費用がかかるため、ここでは地球表面での測定に焦点を当てます。無響室は、アンテナ試験装置を隔離し、反射エネルギーをRF吸収フォームで吸収するために使用できます。

フリースペースレンジ（無響室）

フリースペースレンジは、宇宙空間で行われる測定をシミュレートするように設計されたアンテナ測定場所です。つまり、近くの物体や地面からの不要な反射波は可能な限り抑制されます。最も一般的なフリースペースレンジは、無響室、高架レンジ、コンパクトレンジです。

無響室

無響室は屋内に設置されるアンテナ試験場です。壁、天井、床には特殊な電波吸収材が敷かれています。屋内試験場は、屋外試験場よりも試験条件を厳密に管理できるため、好まれています。また、この素材はギザギザの形状をしていることが多く、無響室は見た目にも興味深いものとなっています。ギザギザの三角形は、そこから反射された電波がランダムな方向に拡散し、ランダムな反射波が加算されて非整合状態になり、さらに抑制されるように設計されています。以下の図は、無響室の写真と試験装置を示しています。

（写真はRFMISOアンテナテストの様子）

無響室の欠点は、かなりの大きさが必要になることが多いことです。遠方場をシミュレートするには、アンテナ同士を最低でも数波長離す必要があることがよくあります。そのため、低周波数で波長が長い場合には非常に大きな無響室が必要になりますが、コストや実用上の制約からその大きさは制限されることがよくあります。大型飛行機などのレーダー反射断面積を測定する防衛関連企業の中には、バスケットボールコートほどの大きさの無響室を持っているところもありますが、これは珍しいことです。無響室を備えた大学では通常、長さ、幅、高さがそれぞれ3～5メートルの無響室があります。大きさの制約と、RF吸収材は通常UHF以上で最も効果を発揮するため、無響室は300MHzを超える周波数でよく使用されます。

標高の高い範囲

高架式レンジは屋外に設置されるレンジです。このセットアップでは、送信機と試験対象のアンテナは地上に設置されます。これらのアンテナは、山、塔、建物など、適切な場所であればどこでも設置できます。これは、非常に大きなアンテナや、屋内での測定が困難な低周波数（VHF以下、100MHz未満）でよく使用されます。高架式レンジの基本図を図2に示します。

図 2. 上昇範囲の図解。

ソースアンテナ（またはリファレンスアンテナ）は、必ずしもテストアンテナよりも高い仰角にある必要はありません。ここではそのように示しています。2つのアンテナ間の見通し線（LOS）（図2の黒い光線で示されています）は遮られてはなりません。その他の反射（地面からの赤い光線など）は望ましくありません。高所の場合、ソースアンテナとテストアンテナの位置が決まったら、テストオペレータは大きな反射が発生する場所を特定し、これらの表面からの反射を最小限に抑えるよう努めます。この目的のために、多くの場合、RF吸収材や、テストアンテナからの光線を反射するその他の材料が使用されます。

コンパクトレンジ

送信アンテナはテストアンテナの遠方界に設置する必要があります。これは、テストアンテナが受信する波が平面波であることが、最高の精度を得る上で重要だからです。アンテナは球面波を放射するため、送信アンテナから放射される波がほぼ平面波となるように、アンテナは十分に離れた場所に設置する必要があります（図3を参照）。

図 3. ソースアンテナは球面波面を持つ波を放射します。

しかし、屋内の電波暗室では、十分な間隔が確保できないことがよくあります。この問題を解決する一つの方法は、コンパクトなレンジを使用することです。この方法では、送信アンテナを反射鏡に向けます。反射鏡の形状は、球面波をほぼ平面状に反射するように設計されています。これは、パラボラアンテナの動作原理と非常によく似ています。基本的な動作を図4に示します。