電波暗室におけるアンテナ利得と放射パターン測定の究極ガイド

無線通信の分野では、アンテナの性能はシステム リンクの成功にとって非常に重要です。電波暗室は専門的なテスト環境として機能し、 アンテナ ゲイン と 放射パターンを正確に測定できる唯一の場所です。この記事では、電波暗室測定の中心原理を詳しく掘り下げ、完全で実践的な操作手順を提供し、測定の精度と信頼性を確保して製品データの専門性と権威を高めるために必要な主要なテクニックについて説明します。

アンテナ測定に電波暗室が不可欠なのはなぜですか?

現実の環境でアンテナのゲインと放射パターンを正確に測定するには、潜在的な干渉をすべて排除し、理想的な自由空間環境をシミュレーションする必要があります。

1. 外部電磁干渉 (EMI) の除去

電波暗室の壁、天井、床は金属製のシールド層 (通常はファラデーケージ構造) で覆われています。この構造は外部の電磁波と無線周波数干渉 (RFI) を効果的に隔離し、テスト環境のバックグラウンド ノイズが極めて低いことを保証し、測定結果がテスト対象アンテナ (AUT) の真の性能のみを反映するようにします。

2. 理想的な自由空間のシミュレーション

無響室の内部には大量の 吸収材が内張りされており、通常は炭素を充填したポリウレタンフォームで作られたピラミッド型またはくさび形の構造物です。これらの材料は入射電磁波の吸収を最大限に高め、それによって壁、床、天井からの反射を排除します。これにより、理想的な自由空間でのアンテナの動作環境が効果的にシミュレートされ、 マルチパス フェージング による測定データの干渉が防止されます。

主要な測定原理: ゲインと放射パターン

これら 2 つの指標の物理的な意味と測定方法を完全に理解することは、実際の運用の基礎です。

1. アンテナ利得の測定原理

アンテナ ゲインは、入力電力を特定の方向に集中させるアンテナの能力の尺度です。これはエネルギーの増幅ではなく、指向性を表します。

定義: アンテナ ゲイン (G) は、基準アンテナ (通常は理想的な等方性アンテナ) と比較した、アンテナの最大放射方向で生成される電力密度の比として定義されます。通常、単位は dBi です。

置換法: これは最も一般的に使用され、精度の高い方法です。まず、標準ゲイン ホーン (SGH) が受信する電力を測定します。次に、SGH をテスト対象アンテナ (AUT) に置き換え、他のすべての条件を一定に保ち、AUT が受信する電力を測定します。 2 セットのデータを比較することにより、AUT のゲインを導き出すことができます。

理論的基礎: ゲイン計算の理論的基礎は、 Friis Transmission Formulaです。2 つのアンテナ間で伝達される電力関係を説明する

ここで、Pr と Pt は受信電力と送信電力、Gt と Gr は送信アンテナ利得と受信アンテナ利得、 λ は波長、R はアンテナ間の距離です。

2. 放射パターンの測定原理

放射パターンは、空間内のさまざまな方向でアンテナによって放射または受信されるエネルギーの相対強度分布を表します。アンテナの指向性を視覚的に表現したものです。

測定コア: 測定システムは、テスト対象アンテナ (AUT) を搭載したポジショナーを回転させながら、同時に各角度点で受信アンテナによって受信された信号強度を記録します。

主要なパラメータ: 放射パターン解析により、いくつかの重要なパラメータが得られます。

ハーフパワービーム幅 (HPBW): メインローブの振幅が最大値の半分 (-3dB) に低下する角度幅。

サイドローブ レベル (SLL): メイン ローブの最大パワーに対するサイド ローブの最大パワーの比。

偏波: さまざまな偏波方向に対するアンテナの応答の測定。

実際の操作手順: 8 ステップのチャンバー測定プロトコル

標準的な正確なアンテナ測定では、データの精度と再現性を確保するために次の手順に厳密に従う必要があります。

機器の校正とセットアップ: 厳密な S パラメータ校正は、測定ポートでのインピーダンス整合を確保するために実行されます。 ベクトル ネットワーク アナライザ (VNA) などの機器の

遠方界条件の決定: 試験距離 R が 遠方界条件 R ≥ 2D² /λを満たしていることを確認します。これは、正確なゲインと放射パターンを取得するための前提条件です。

テスト対象アンテナ (AUT) の取り付け: 低誘電率のサポート材料を使用して AUT をポジショナーに取り付け、アンテナの位相中心がポジショナーの回転中心と正確に位置合わせされていることを確認します。

標準ゲイン ホーン (SGH) のセットアップとキャリブレーション:  SGH は参照ベンチマークとして機能します。正確に設置され、既知のゲインデータが測定ソフトウェアに入力されます。

放射パターンデータ取得: 回転ステップサイズを設定します。ポジショナーは方位軸と仰角軸に沿って回転を開始し、システムは受信信号パワーを自動的に記録し、少なくとも 2 つの相互に垂直な面のデータを収集します。

アンテナ ゲインの計算: ソフトウェアは、置換法からの受信電力データを使用し、Friis 伝送公式および SGH の既知のゲインと組み合わせて、AUT の絶対ゲインを自動的に計算します。

データの後処理と分析: 生データは平滑化され、(ケーブル損失などについて) 修正されます。 HPBW、SLL、FBR などの主要なパラメータが自動的に抽出されます。

専門的な測定レポートの生成: すべての測定パラメータ、セットアップの詳細、テスト条件、機器の校正ステータスなどが統合され、完全で追跡可能な専門的なレポートが形成されます。

課題と解決策: 測定精度と信頼性の確保

理想的な電波暗室であっても、最終的なアンテナ測定データが正確で信頼できるものであることを保証するには、専門的な技術的な取り扱いと厳格な品質管理が必要です。

1. ケーブルとコネクタの損失をなくす

課題: フィーダー ケーブルとコネクタにより信号減衰 (損失) が発生し、ゲイン値の精度に影響を与える可能性があります。

解決策: ポートのキャリブレーションと ディエンベディング 操作は、VNA を使用して実行する必要があります。動作周波数でのケーブル損失を正確に測定し、それを最終結果から差し引くことで、ゲイン データがアンテナの本質的な性能を反映することが保証されます。

2. ファーフィールドエラーとニアフィールド補正

課題: 大型アンテナまたは低周波測定の場合、遠方界条件を厳密に満たすには、非現実的に大きなチャンバー スペースが必要になる場合があります。

解決策:

コンパクトレンジアンテナテストシステム: 放物面反射鏡を利用して、近距離場ソースからのビームを準平面波に整形し、より小さな電波暗室内の遠距離場の状態をシミュレートします。

近距離場から遠距離場への変換 (NF-FF): チャンバーの制約により近距離場測定のみが可能である場合は、複雑な数学的アルゴリズム (平面、円筒、または球面近距離場スキャンなど) を使用して、同等の遠距離場放射パターンとゲインを計算して導き出します。

3. ポジショナーとサポート構造の飛散防止

課題:  AUT の支持と回転に使用される金属コンポーネントは電磁波を散乱させ、放射パターンを歪ませる可能性があります。

解決策:

低誘電率、低損失の フォームまたはポリスチレン素材を使用します。 アンテナ支持構造として、

を利用する 電波暗室背景減算技術 : 最初に背景場 (スタンドとポジショナーのみ) が測定され、次にアンテナ測定値から減算されてデータが純化されます。

結論と行動喚起

正確なアンテナ性能測定は、ワイヤレス製品が市場で成功するための基礎となります。当社はさまざまなテストの課題を克服することに精通しており、お客様が受け取るデータの 信頼性、追跡可能性、および国際標準への準拠を保証します。

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