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事項を満たしているかを確認し、アンテナの性能を検証し、改善提案を行います。アンテナ測定の結果とデータは、アンテナ性能の評価、設計の最適化、システム性能の向上、そして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やフィードバックの提供に活用できます。

アンテナ測定に必要な機器

アンテナのテストにおいて、最も基本的な装置はVNA（ベクトルネットワークアナライザ）です。最もシンプルなタイプのVNAは1ポートVNAで、アンテナのインピーダンスを測定することができます。

アンテナの放射パターン、利得、効率の測定はより難しく、より多くの機器が必要です。測定対象のアンテナをAUT（Antenna Under Test：試験対象アンテナ）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 - 特性（利得、指向性パターンなど）が既知のアンテナ
RF電力送信機 - 試験対象アンテナ（AUT）にエネルギーを注入する方法
受信システム - これは、基準アンテナがどれだけの電力を受信するかを決定します。
位置決めシステム - このシステムは、試験用アンテナを光源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。

図1に、上記装置のブロック図を示す。

図1．必要なアンテナ測定機器の概略図。

これらの構成要素について簡単に説明します。基準アンテナは、当然ながら、所望の試験周波数において良好な放射特性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）であり、かつ十分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、温度変化が少ないことを意味します）。送信機は、その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（目的の周波数以外の周波数には常にいくらかのエネルギーが存在しますが、例えば高調波には大きなエネルギーがあってはなりません）。

受信システムは、試験アンテナからどれだけの電力が受信されるかを測定するだけで済みます。これは、RF（無線周波数）電力を測定する装置であるシンプルな電力計を使用して行うことができます。電力計は、伝送線路（N型またはSMAコネクタ付き同軸ケーブルなど）を介してアンテナ端子に直接接続できます。通常、受信機は50Ωシステムですが、指定があれば異なるインピーダンスにすることも可能です。

送受信システムはVNA（ベクトルネットワークアナライザ）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はこのタスクに最適ですが、このタスクを実行する唯一の方法ではありません。

位置決めシステムは、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の関数として（通常は球面座標で）測定したいので、ソース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ります。この目的のために位置決めシステムが使用されます。図1では、AUTが回転している様子を示しています。この回転には多くの方法があることに注意してください。基準アンテナ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、測定場所について話し合いましょう。

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思われるかもしれませんが、壁、天井、床からの反射によって測定精度が低下します。アンテナ測定に最適な場所は、反射が一切発生しない宇宙空間です。しかし、宇宙旅行は現在非常に高額なため、ここでは地球上の測定場所に焦点を当てます。無響室を使用すれば、RF吸収フォームで反射エネルギーを吸収しながら、アンテナ試験装置を隔離することができます。

自由空間測定装置（無響室）

自由空間測定場とは、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のことです。つまり、近くの物体や地面からの反射波（これらは望ましくない）を可能な限り抑制します。最も一般的な自由空間測定場は、無響室、高所設置型測定場、およびコンパクト型測定場です。

無響室

無響室は屋内アンテナ試験場です。壁、天井、床は特殊な電磁波吸収材で覆われています。屋内試験場は、屋外試験場よりも試験条件をはるかに厳密に制御できるため、好ましいとされています。吸収材はギザギザの形状をしていることが多く、そのため無響室は非常に興味深いものとなっています。ギザギザの三角形の形状は、そこから反射された電波がランダムな方向に拡散するように設計されており、すべてのランダムな反射波が合わさると、干渉のない信号となり、さらに抑制されます。次の図は、無響室といくつかの試験装置を示しています。

（写真はRFMISOアンテナの試験結果を示しています）

無響室の欠点は、多くの場合、かなり大きなサイズが必要になることです。遠方界の状態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場合が多いからです。そのため、波長の長い低周波数で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サイズは制限されることがよくあります。大型航空機やその他の物体のレーダー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所有しているところもありますが、これは一般的ではありません。無響室を備えた大学では、通常、長さ、幅、高さが3～5メートルの無響室が設置されています。サイズの制約と、RF吸収材が通常UHF帯以上の周波数で最も効果を発揮することから、無響室は主に300MHz以上の周波数で使用されます。

高地山脈

高所設置型試験場は屋外試験場です。この方式では、試験対象の送信機とアンテナは地上より高い位置に設置されます。アンテナは山、塔、建物など、適切な場所であればどこにでも設置できます。これは、非常に大型のアンテナを使用する場合や、屋内での測定が困難な低周波数帯（VHF以下、100MHz未満）でよく用いられます。高所設置型試験場の基本的な構成図を図2に示します。

図2．高範囲の図解。

ソースアンテナ（または基準アンテナ）は、必ずしもテストアンテナよりも高い位置にある必要はありません。ここではそのように示しただけです。2つのアンテナ間の視線（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（地面からの反射である赤い光線など）はすべて望ましくありません。高所での試験では、ソースアンテナとテストアンテナの位置が決定したら、試験オペレーターは重要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にします。多くの場合、この目的のためにRF吸収材、またはテストアンテナから光線をそらす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、試験アンテナの遠方界に配置する必要があります。これは、試験アンテナが受信する波が、最高の精度を得るために平面波となる必要があるためです。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、アンテナを十分に離して配置する必要があります（図3参照）。

図3．送信アンテナは球面波面を持つ波を放射する。

しかし、屋内チャンバーでは、これを実現するのに十分な分離距離が得られない場合が多い。この問題を解決する一つの方法は、コンパクトレンジを用いることである。この方法では、送信アンテナを反射板に向けて配置する。反射板の形状は、球面波をほぼ平面状に反射するように設計されている。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る。基本的な動作を図4に示す。