JP4489505B2 - ウエイト決定装置及びウエイト決定方法 - Google Patents

Description

本発明は、移動通信の技術分野に属し、特に移動端末に設けられた複数の送信アンテナ素子に対する重みを決定する装置及び方法に関連する。また、本発明は、無線端末から放射される電力を測定する装置及び方法にも関連する。

携帯電話機に代表される移動端末の設計では、無線送信時の送信効率を向上させることが重要関心事の１つである。人体その他の移動端末近辺の物体に起因して、送信電力の一部が失われ、送信効率が低下してしまうからである。送信効率を低下させる原因は、人体に限らず、電波伝搬を妨げる任意の物体であり得る。

一方、適切に振幅及び位相の調整された複数のアンテナ素子を同時に給電し、送信電波の指向方向を調整することで、送信効率は向上することが知られている。各アンテナ素子間の相対的な振幅比及び位相差は、重み、ウエイト、給電ウエイト等として言及される。このような技術については、例えば非特許文献１及び２に開示されている。

従来のウエイト決定方法では、先ず、例えば携帯電話機の複数のアンテナ素子に初期ウエイト（相対的な振幅比及び位相差）が与えられる。次にそれらのアンテナ素子総てを利用して電波を送信し、その放射効率を計算及び／又は実測する。更に、各アンテナ素子に対するウエイトの値を変更し、総てのアンテナ素子から電波を送信し、放射効率を計算及び／又は実測する。以下同様にして、総てのウエイト（振幅比及び位相差の総ての組合せ）について放射効率が求められる。そして、最良の放射効率を与えるウエイトが、その移動端末の送信アンテナ素子に対するウエイトとして最終的に決定される。

他方、放射効率の測定及びその基礎となる放射電力を測定する手法として、放射パターン積分法が知られている。放射パターン積分法は、１つの固定されたセンサで無線端末からの電力を測定し、無線端末（移動端末を含む）とセンサの位置関係を変えながら、無線端末を包囲する全域（全立体角）にわたって電力を測定及び積分することで、アンテナ放射パターンを求める。センサは、直交する２偏波アンテナで水平及び垂直の偏波成分を同時に受信してもよいし、１つの偏波アンテナの配置方向を切り換えて各成分を別々に受信してもよい。この種の放射パターン積分法については、例えば非特許文献３，４に説明されている。電力測定法の別の例であるランダムフィールド法は、測定が行なわれる室内に多数の散乱体を適切に配置し、無線端末から放射された電波を散乱させ、受信された散乱波の統計値から放射効率を測定する。
西木戸友昭、他、「携帯無線機用並行２素子分配給電アンテナ素子」、信学ソサエティ大会Ｂ−１−１９０，２００３ 山口良、他、「分散給電による携帯電話の効率改善」、信学ソサエティ大会Ｂ−４−４，２００３ 作間允力雄、他、「小型アンテナの放射効率測定に関する一検討」、平成１２年度 電気関係学会北海道支部連合大会、ｐ．２０２ Ｑｉａｎｇ ＣＨＥＮ，ｅｔ ａｌ．，"Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ ｏｆ Ｐｏｗｅｒ Ａｂｓｏｒｐｔｉｏｎ ｂｙ Ｈｕｍａｎ Ｍｏｄｅｌ ｉｎ ｔｈｅ Ｖｉｃｉｎｉｔｙ ｏｆ Ａｎｔｅｎｎａｓ"，ＩＥＩＣＥ ＴＲＡＮＳ．ＣＯＭＭＵＮ．，ＶＯＬ．Ｅ８０−Ｂ，ＮＯ．５，ＭＡＹ １９９７，ｐ．７０９−７１１

しかしながら、従来の方法でウエイトを決定するには、位相及び振幅を逐次的に変化させ、可能性のある総てのウエイトが網羅されるように計算及び／又は実測を行なう必要があり、効率的なウエイト決定法とは言えない点で問題がある。また、計算等に要する労力も少なくはない。一般に指向性を高める観点からはアンテナ素子数を増やすことが有利である。しかし、アンテナ素子数が増加すると、それらのウエイトを決定するのに要する演算負担等は顕著に増加するので、速やかなウエイト決定を行なうことが困難になる。例えば、２つのアンテナ素子間の振幅比が０．１から１まで０．１刻みで１０通りあり、位相差が０度から３５９度まで１度刻みで３６０通りあるとする。この場合に、２素子の場合の可能なウエイトの総数は、１０×３６０＝３６００通りである。３素子の場合は更に３６００×３６００通りになり、Ｎ素子の場合は３６００^Ｎ−１通りもの膨大な組合せ数になってしまう（素子数マイナス１乗に依存して演算負担が増えてしまう。）。近年の計算機の高速化及び大容量化により、演算負担に関する懸念は徐々に解消されつつあるが、簡易な小型の移動端末の開発におけるそのような負担は依然として大きい。

また、電力測定法についても、非特許文献３に示されるような放射パターン積分法では、全立体角に対する電力測定値を求める必要があるので、無線端末をθ方向及び／又はφ方向に回転させる回数が多く、測定に長時間を要してしまう。無線端末の周囲環境（例えば人体）による影響も調べる場合には、無線端末だけでなく周囲環境にあるものも同時に回転させる大がかりな装置構成が必要になり、簡易に測定することは困難である。この点に関し、非特許文献４に示されるように、センサ及び無線端末の双方を可動にすることで、例えばセンサは仰角（ｅｌｅｖａｔｉｏｎ ａｎｇｌｅ）方向に、無線端末等は方位角（ａｚｉｍｕｔｈ ａｎｇｌｅ）方向にそれぞれ移動可能にすることで、装置構成を簡易化することができる。しかしながら、測定ポイント数は同じであるので、測定に長時間を要してしまうことに変わりはない。１つのセンサではなく、ある子午線に沿って複数のセンサを設けておき、電力を分析する１つの分析装置（例えば、スペクトルアナライザ）を各センサに切り換えながら接続することも考えられる。しかしながら、そのようにしたとしても、無線端末側を回転させながら測定しなければならないことに変わりはなく、依然として測定に長時間を費やしてしまう。周囲環境にあるものを高速に回転させることが不適切な場合もある。一方、ランダムフィールド法は、電波暗室を必要とせず、比較的高速に放射効率を測定できるが、散乱体の設置場所等を含む測定環境の評価及び調整が容易ではないという問題がある。

本発明は、このような問題点の少なくとも１つに対処しようとするものであり、その第１の課題は、複数のアンテナ素子を用いて無線送信を行なう移動端末の各アンテナ素子に対する重みを効率的に決定することの可能なウエイト決定装置及びウエイト決定方法を提供することである。

本発明の第２の課題は、無線端末の放射電力を高速に測定することの可能な放射電力測定装置及び放射電力測定方法を提供することである。

一実施例によればウエイト決定装置が使用される。本ウエイト決定装置は、電波を損失させる媒体を模擬するファントムの外側に設けられた１以上の試験波源から放射された試験電波を受信する、移動端末に設けられた複数のアンテナ素子と、
ウエイト決定手段と
を備え、前記ウエイト決定手段は、１つのアンテナ素子が受信した試験電波の電界応答ベクトルと帯域制限された白色雑音ベクトルとの内積により表現される電界時間応答を、アンテナ素子各々について求め、複数のアンテナ素子で受信される試験電波の振幅比及び位相差の確率密度分布を、前記電界時間応答から算出し、該確率密度分布に基づいて、前記複数のアンテナ素子で受信される信号が全体として強く受信されるように、各アンテナ素子のウエイトを決定する、ことを特徴とするウエイト決定装置である。

本発明によれば、複数のアンテナ素子を用いて無線送信を行なう移動端末の各アンテナ素子に対する重みを効率的に決定することが可能になる。また、本発明によれば、無線端末の放射電力を高速に測定することが可能になる。

本発明の一態様によれば、電波を損失させる媒体を模擬するファントムの外側に設けられた１以上の試験波源から放射された試験電波が、移動端末に設けられた複数のアンテナ素子で受信される。前記アンテナ素子毎に受信される信号が全体として強く受信されるように、各アンテナ素子のウエイトが決定される。総受信電力を最大化するウエイトは、電波の損失を最小化するアンテナパターンを実現し、送信時には送信効率を最大化し、結果的にファントムに吸収される電波を最小化することができる。

本発明の一態様によれば、前記複数のアンテナ素子で受信される信号は、前記ファントムの外側に非固定的に設けられた１つの試験波源から送信された信号である。これにより、試験波源の数を節約することができる。

本発明の一態様によれば、前記複数のアンテナ素子で受信される信号は、前記ファントムの外側に固定的に設けられた複数の試験波源から送信された信号である。これにより、ウエイトを速やかに決定することができる。

本発明の一態様によれば、前記試験波源は、任意の方向に偏波した電波を放出することが可能である。また、前記試験波源は、瞬時的にはある方向に偏波しているが、時間平均すると等方的であるような試験電波を放出するランダム波源である。これにより、特定の方向の偏波だけでなく、全ての偏波方向をも考慮してウエイトを決定することができる。

本発明の一態様によれば、無線端末から放射された電波は、前記無線端末から距離を隔てて設けられた複数のセンサにより受信され、前記複数のセンサにて得られた個々の信号は、別々に無線送信され、空間的に合成され、合成後の信号の電力が分析される。空間的に合成された信号の電力を分析するので、電界放射パターンは不明であるかもしれないが、無線端末から放出された全電力を速やかに測定できる。

本発明の一態様によれば、合成手段に入力された複数の信号が、別々に無線送信され、フェージングを表す外乱と共に空間的に合成される。これにより、各センサからの出力を合成する際のウエイトをランダムに変化させることが可能になり、合成後の瞬時的な電力測定値を平均化することで、測定精度を向上させることができる。

本発明の一態様によれば、前記複数のセンサが、前記無線端末を中心とする一部の立体角に属する領域に設けられる。例えば、複数のセンサを、上半球領域に設けることで（地面側の寄与を省略することで）、測定の効率化を図りつつセンサ数を節約することができる。

本発明の一態様によれば、前記複数のセンサが、前記無線端末を中心とする全立体角にわたって設けられる。これにより測定の高精度化を図ることができる。

本発明の一態様によれば、前記複数のセンサが、受信した電波の水平偏波成分を示す信号及び垂直偏波成分を示す信号を出力する。これにより、任意の方向の偏波成分を考慮することができる。

本発明の一態様によれば、合成手段からの出力信号を表す複数のサンプル（瞬時値）が平均化され、平均化された信号が分析手段にて分析される。これにより、電力測定精度の向上を図ることができる。

本発明の一態様によれば、合成手段の代わりに又はそれに加えて、複数の波源に接続された分配手段と、前記無線端末にて受信された信号の電力を分析する分析手段とが設けられる。分配手段に入力された信号は、無線送信され、複数の波源の各々に空間的に分配される（上記の空間的な合成と逆の処理が行なわれる。）。複数の波源は、分配手段から得られた信号に従って無線信号をそれぞれ送信する。これにより、送信側と受信側を上記の態様と逆にすることができる。

図１は、本発明の一実施例によるウエイト決定システムの概念図を示す。本システムでは、携帯電話機１０２と、試験電波用アンテナ素子１０４と、信号発生器１０６，１０８と、ウエイト決定部１１２とを有する。携帯電話機１０２には、複数のアンテナ素子１１４，１１６が設けられ、それらは送受信機１１８，１２０に接続される。本システムでは、人体疑似ファントム（ｐｈａｎｔｏｍ）と呼ばれる要素１２２が設けられ、その人体疑似ファントム１２２の近辺に携帯電話機１０２が設けられている。試験電波用アンテナ素子１０４は、人体擬似ファントム１２２の外側に設けられる。試験電波用アンテナ素子１０４は、図２に示されるように、人体擬似ファントム１２２を包囲する球面上に非固定的に位置付けられる。

図１に示される携帯電話機１０２は、本システムによりウエイトが決定されるアンテナ素子１１４，１１６を備えている。本実施例では、簡単のため、２つのアンテナ素子が設けられることを想定しているが、例えば図５に示されるように、必要に応じて２以上のアンテナ素子を設けることも可能である。図５の例では、３つのアンテナ素子１１４，１１５，１１６と、それぞれに接続される３つの送受信機１１８，１１９，１２０とが設けられている。

図１に示される試験電波用アンテナ素子１０４は、任意の方向に偏波した電波を放出することの可能なアンテナ素子であり、本実施例では、２軸ダイポールアンテナ素子である。このアンテナ素子は、ある軸方向に偏波した電波を送信することの可能な２つのダイポールアンテナ素子を互いに直交するように組み合わせたものである。

信号発生器１０６，１０８は、試験電波用アンテナ素子１０４の各軸に接続され、各軸方向にてアンテナ素子を励振するように動作する。信号発生器１０６，１０８及び試験電波用アンテナ素子１０４は、試験波源を形成する。本実施例における試験波源はランダム波源であり、これは、瞬時的にはある方向に偏波しているが、時間平均すると等方的であるような試験電波を放射する。放射される試験電波は、瞬時的にはある仰角θ及びある方位角φの方向に偏波した電波に相当する。しかし、偏波方向をランダムに変化させながら試験電波を多数発生させることで、結果的には偏波方向を等方的に分布させ、ランダム化することができる。本実施例では、偏波方向がそのようにランダムに刻々と変化する試験波源が使用される。言い換えれば、偏波方向がそのように変化する電波を次々と発生することができるように、偏波方向について２つの自由度を有する特殊な試験電波用アンテナ素子１０４が採用されている。

携帯電話機１０２のアンテナ素子１１４，１１６は、試験電波用アンテナ素子１０４から放射された試験電波をそれぞれ受信する。各アンテナ素子にて受信された受信信号は、各々の送受信機１１８，１２０における受信処理を経てウエイト決定部１１２に与えられる。

ウエイト決定部１１２は、各アンテナ素子１１４，１１６から受信した受信信号に基づいて、各アンテナ素子１１４，１１６に相応しいウエイト（相対的な振幅比及び位相差）を決定する。

人体疑似ファントム１２２は、例えば人体の頭部を代表するような電波を損失させる媒体（損失性媒体）である。簡単のため、本実施例では人体疑似ファントム１２２は１辺約２０ｃｍの立方体形状をしているが、他の任意の形状を採用することも当然に可能である。一例として、人体疑似ファントムの比誘電率ε_ｒは４１であり、導電率σは１．３Ｓ／ｍである。人体疑似ファントムは、携帯電話機から無線送信する際に電波を指向させるべきでない禁止領域を規定する。このような禁止領域を設定する主目的は、以下に説明する手法を通じてその領域における電力損失を少なくすることにある。しかしそれだけではなく、その領域内に電磁干渉すべきでない電子機器が存在する場合にそのような電子機器に影響が及ばないようにするためでもある。

図３は、本願実施例によるアンテナ素子の重みを決定するためのフローチャートを示す。このフローは、ステップ３０２から始まり、ステップ３０４に進む。

ステップ３０４では、人体疑似ファントム外側のある場所（初期位置）から試験電波が送信される。初期位置は、図２に示される球面上の点ＡやＢでもよいし、他の点でもよい。試験電波用アンテナ素子１０４から、偏波方向が刻々とランダムに変化する試験電波が放射される。この試験電波は、携帯電話機１０２に備えられている複数のアンテナ素子１１４，１１６の各々で受信される。そして、送受信機１１８，１２０における受信処理を経て、各アンテナ素子毎の受信信号、即ち各アンテナ素子での電界時間応答Ｖ^（１）（ｔ），Ｖ^（２）（ｔ）としてウエイト決定部１１２に入力される。

ステップ３０６では、各アンテナ素子に対する電界時間応答Ｖ^（１）（ｔ），Ｖ^（２）（ｔ）が評価される（求められる）。これらは、実験によって求めても良いし、次式の関係式を利用して算出することも可能である。

Ｖ^（１）（ｔ）＝Ｅ_１ｘ・ｎ_ｘ（ｔ）＋Ｅ_１ｙ・ｎ_ｙ（ｔ）＋Ｅ_１ｚ・ｎ_ｚ（ｔ）
Ｖ^（２）（ｔ）＝Ｅ_２ｘ・ｎ_ｘ（ｔ）＋Ｅ_２ｙ・ｎ_ｙ（ｔ）＋Ｅ_２ｚ・ｎ_ｚ（ｔ）
ここで、ｎ_ｘ（ｔ），ｎ_ｙ（ｔ），ｎ_ｚ（ｔ）は帯域制限された白色雑音ベクトルｎ（ｔ）の各座標成分であり、Ｅ_１ｘ，Ｅ_１ｙ，Ｅ_１ｚは第１のアンテナ素子１１４に対する電界応答の各成分であり、Ｅ_２ｘ，Ｅ_２ｙ，Ｅ_２ｚは第２のアンテナ素子１１６に対する電界応答の各成分である。これらの量が事前に判明しているならば、実験によらず数値的に電界時間応答を求めることが可能である。電界応答又はその成分（Ｅ_１ｘ等）は、時間に依存しない定常的なものであり、必要に応じて「定常的な電界応答」として言及される。

ステップ３０８では、人体疑似ファントムを包囲する球面上の総ての走査点から試験電波が送信されたか否かが判別され、送信されていなければステップ３１０に進む。

ステップ３１０では、走査点が次の場所に更新され、フローはステップ３０４に進み、新たな場所から試験電波が送信される。以後同様な手順が反復される。ステップ３０８にて、総ての走査点から試験電波が送信されたと判定されたならば、フローはステップ３１２に進む。

ステップ３１２では、ステップ３０６で求められた電界時間応答に関する確率密度分布が評価される。各アンテナ素子に関する電界時間応答から、各アンテナ素子で受信された電波の相対的な振幅比と位相差とに関するある期間にわたる確率密度分布が求められる。

ステップ３１４では、確率密度分布を評価しながら、各アンテナ素子で受信される電波が全体として強くなるような振幅比及び位相差（即ち、ウエイト）が、例えば最大比合成法等によって求められる。

このプロセスの一例としては、先ず、電界時間応答Ｖ^（１）（ｔ），Ｖ^（２）（ｔ）に基づいて、共分散行列Ｒが算出される。共分散行列Ｒの行列要素Ｒ_ｉｊは、電界時間応答Ｖ^（ｉ）（ｔ）とＶ^（ｊ）（ｔ）の複素共役との積をある期間にわたって合計したものとして定義される。

Ｒ_ｉｊ＝ΣＶ^（ｉ）（ｔ）・Ｖ^（ｊ）（ｔ）^＊
ただし、＊は、複素共役をとることを意味する。このようにして算出された共分散行列を利用して、受信電力が強くなるようなウエイトが算出される。より一般的には、これら一連の手順を含む適応アルゴリズムを実行することで、試験電波の総受信電力を高くするようなウエイトを求めることができる。

ウエイトが算出されると、フローはステップ３１６に進み、終了する。

このように本実施例によれば、人体疑似ファントム１２２の外側に設けられた試験波源用アンテナ素子１０４から発せられる試験電波の総受信電力（各地点からの受信電力の合計）が強くなるように、携帯電話機１０２のアンテナ素子１１４，１１６のウエイトが設定される。このウエイトを用いて携帯電話機１０２が複数のアンテナ素子１１４，１１６に給電しながら無線送信すると、携帯電話機１０２の送信効率は、以下の理由により高くなる。携帯電話機１０２にて、各地点における試験波源用アンテナ素子１０４からの総受信電力が最大化されるということは、電波の損失が最も少ない状態で受信できていることを意味する。送受信の可逆性により、同じウエイトで同一の周波数で電波が携帯電話から送信される場合には、電波の損失は最小であり、送信効率は最大になる。このようにして決定されるウエイトは、結果的に、送信時に電波を向けるべきでない禁止領域に電波が送信されることを抑制するウエイトになっている（禁止領域に多くの電波を送信する状況では、電波の損失が大きくなり、送信効率は最大にはならない。）。

本実施例によれば、ステップ３０４〜３１０を反復し、総ての走査点が網羅されるように試験波源の場所を逐次変更することで電界時間応答が算出され、その確立密度分布の評価（ステップ３１２）を行なうことで、ウエイトが決定される（ステップ３１４）。走査点数は、アンテナ素子数が増えると急増するような量ではないので、本実施例によれば、従来の手法よりも少ない演算負担で効率的にウエイトを決定することが可能になる（従来の手法によれば、演算負担は、アンテナ素子数マイナス１乗に依存して急増していた。）。

本実施例では、試験波源がランダム波源であった。仮に、試験波源がランダム波源でなく、一定の方向に固定された偏波のみを放射する波源であったとする。この場合は、特定の方向に偏波した電波のみが各アンテナ素子１１４，１１６で受信され、球面上の全地点に関する総受信電力を最大化するようなウエイトが図３のステップ３０８で求められる。このウエイトを用いて送信時に低損失で送信される電波は、その特定の方向に偏波した電波である。しかしながら、送信される電波には他方向に偏波した電力成分もある。従って、ある方向に偏波した電波の総受信電力を最大化できたとしても、他の方向の偏波成分が存在すると、全体の総受信電力は最大化されず、そのようにして決定されるウエイトでは送信効率は最大化されない。ランダム波源によるランダムに偏向する電波の総受信電力を大きくするようにウエイトを決定することで、試験電波の総受信電力を確実に最大化し、送信時の送信効率を最大化することが可能になる。

本実施例では、試験電波用アンテナ素子としてダイポールアンテナ素子が使用されていたが、ランダム波源として機能するならば、ダイポールアンテナ素子に限らず任意のアンテナ素子を利用してもよい。例えば、インピーダンス整合の容易性や製造の容易さ等の観点からは、ループアンテナ素子を採用することが望ましい。また、電界レベルに準拠した解析の容易さの観点からは、ダイポールアンテナ素子を採用することが望ましい。更に、偏波方向をよりいっそうランダム化する観点からは、（ｘ，ｙ）の２軸性のアンテナ素子ではなく、（ｘ，ｙ，ｚ）の３軸性のアンテナ素子を使用することが望ましい。

図４は、本発明の一実施例によるウエイト決定システムの概念図を示す。本実施例では、人体擬似ファントム１２２を包囲する球面上に多数の試験電波用アンテナ素子１０４が固定的に設けられている。各アンテナ素子には、図１に示されるような信号発生器がそれぞれ設けられている。試験電波用アンテナ素子及び対応する信号発生器の各々は、ランダム波源を構成する。本実施例では、１つの試験電波用アンテナ素子を球面に沿って動かしながら試験電波を放射するのではなく、複数の試験電波用アンテナ素子から試験電波を同時に放射する。携帯電話機１０２の各アンテナ素子で受信される信号の電力が最大化されるように、ウエイトが決定される。本実施例によれば、所定の領域（例えば、球面上の領域）内で１つの試験電波用アンテナ素子を走査せずに、同時に受信した信号の電力に基づいて速やかにウエイトを決定することができる。なお、試験電波用アンテナ素子数を節約する観点からは実施例１による手法が望ましい。また、実施例１と実施例２を組合わせて、一部の試験電波用アンテナ素子を非固定的に設け、一部の試験電波用アンテナ素子を固定的に設けてもよい。

図６は、本発明の一実施例による放射電力を測定するための測定システムを示す。本実施例では、無線端末から送信された信号の電力が速やかに測定される。測定システムは、移動端末のような無線端末６０２と、多数の直交センサ６０４と、ランダムＲＦ合成装置６０６と、分析装置６０８とを含む。

無線端末６０２は、測定対象の電波を放射する任意の装置とすることができる。従って、無線端末６０２は、移動端末であってもよいし、無線通信機能を有するが固定的に設置されるコンピュータ等であってもよい。放射される電波に含まれる信号も任意であり、特定の信号内容や信号形式に限定されない。

直交センサ６０４は、無線端末６０２を包囲する球面上に設けられる、即ち無線端末６０２の中心点から等距離に多数設けられる。より具体的には、金属板で作成された無線端末６０２を包囲する正二十面体の面上に直交センサ６０４を設けてもよい。また、そのような多面体形状は、プラスチックやセラミックスのような絶縁体で網目状に形成されてもよい。直交センサ６０４は、無線端末６０２から放射される電波を受信又は検出することの可能な要素である。直交センサ６０４は、水平偏波（Ｅφ）及び垂直偏波（Ｅθ）の電界ベクトル成分を区別して検出することができる。図示されているように、仰角方向はθで表現され、方位角方向はφで表現される。図示の例では、Ｋ個の直交センサ６０４が設けられ、２Ｋ個の信号（Ｅθ^（１），Ｅφ^（１），．．．，Ｅθ^（Ｋ），Ｅφ^（Ｋ））が出力される。

なお、本実施例では、多数の直交センサ６０４は、無線端末６０２を包囲する全域（全立体角）にわたって均等に設けられている。しかし、直交センサ６０４は、一部の立体角を網羅するように設けられてもよい。例えば、直交センサ６０４を設ける領域を、−９０°≦θ≦９０°，０≦φ≦３６０° の範囲内に限定し、地面より下側を考察対象から省略することも可能である。或いは、直交センサ６０４を設ける領域を、０≦φ≦４５° の範囲に限定し、無線端末６０２を８回（３６０°÷４５°）回転させながら電力を測定することで、センサ数を節約することもできる。但し、本実施例のように、直交センサ６０４を全域に設けておくと、無線端末６０２を回転させる必要はないので、全ての測定点からのデータを一度に収集でき、電力測定を高速に行なうことができる。

ランダムＲＦ合成装置６０６は、複数の直交センサ６０４の出力に有線接続され、２Ｋ個の信号を受信する。ランダムＲＦ合成装置６０６は、入力された２Ｋ個の信号を、Ｋ個のアンテナから無線信号として個々に再送信する。例えば、第１のアンテナは、（Ｅθ^（１），Ｅφ^（１））で表現される無線信号を送信する。同様に、ｋ番目のアンテナは、（Ｅθ^（ｋ），Ｅφ^（ｋ））で表現される無線信号を送信する。これらの無線信号は、１つのアンテナで受信され、複数の無線信号が空間的に合成される。

本実施例では、この空間的な合成時に、ランダムに変化する合成ウエイトが使用されている。無線端末から放射された電力を正確に測定する観点からは、従来のパターン積分法のように、ある座標地点（θ，φ）で電力を測定し、測定地点を変えながら測定値を積分し、電力分布を調べることが望ましい（但し、上述したようにこの手法では測定に長時間を必要としてしまう。）。本実施例では、各座標地点（θ，φ）での個々の電力値（ひいては電力分布）は求めずに、空間合成後の（ベクトル合成後の）信号の電力により、無線端末から送信された信号の電力を近似する。近似精度は、空間合成時の合成ウエイトが固定的であったとすると、直交センサやアンテナの位置や位相のずれ等に起因して劣化する虞がある。ランダムに変化する合成ウエイトを採用し、合成後の信号を表す多数の信号サンプルを平均化することで、近似精度及び測定精度を向上させることができる。

本実施例では、合成ウエイトをランダムに変化させるために、再送信用のアンテナと合成用のアンテナとの間の無線通信にフェージングが導入される。フェージングの導入は、一例として、ランダムＲＦ合成装置６０６内の再送信用の複数のアンテナ近辺の電磁界をランダムに乱すことによって行なわれる。例えば、金属片が散布された円板の周囲に、複数の再送信用のアンテナが設けられ、その円板を回転させながら各アンテナから電波が放出される。放出された電波は、金属片により散乱し、ランダムに乱された後に合成側のアンテナに達する。このようにして、各アンテナから再送信された信号は、別々にフェージングを受けながら合成される。

このようなランダムＲＦ合成装置６０６をシミュレーションする場合には、一例として、次式に示されるような信号処理を行なうことで、合成電力を求めることができる。

ここで、Ｅθ^（ｋ），Ｅφ^（ｋ）はそれぞれｋ番目のセンサから得られた電界ベクトル成分（定常的な電界応答）であり、時間によらない一定値である。Ｎθ^（ｋ）（ｔ），Ｎφ^（ｋ）（ｔ）は、それぞれ帯域制限された白色雑音信号のθ成分及びφ成分であり、ｋ番目のセンサに対するＲＦ合成ウエイトを表し、時間と共に変化する関数である。従って、ＲＦ合成装置６０６の出力である合成信号Ｅ（ｔ）は、時間に依存する関数である。このように、シミュレーションでは、時間に依存しない電界ベクトル成分Ｅθ^（ｋ），Ｅφ^（ｋ）と、雑音成分Ｎθ^（ｋ），Ｎφ^（ｋ）とが別個に分離されているが、実際の装置では（２）式に示されるような乗算演算が行なわれるのではなく、合成信号Ｅ（ｔ）が実測されることに留意を要する。

ちなみに、各センサで受信した信号の電界ベクトル成分Ｅθ^（ｋ），Ｅφ^（ｋ）及び電力等を求めるには、センサに分析装置６０８のような装置を接続すればよい。全てのセンサに分析装置を設ければ、各センサの地点における電力に加えて、それらの電力の分布（放射パターン）を知ることが理論上は可能である。しかし、多数の分析装置を設けることは現実的ではない。１つの分析装置を多数のセンサに切り換えながら接続するとしても、個々の測定値を求めるのにある程度の時間を要するので、Ｋ個全ての測定値を収集及び分析するには長時間を要する。本実施例では、各座標地点（θ，φ）での個々の電力値及び電力分布は求めずに、空間合成後の信号の電力により、無線端末から送信された信号の電力を近似する。瞬時的なそのような電力測定値を平均化することで、近似精度及び測定精度の向上を図ることができる。

なお、合成ウエイトをランダムに変化させる手法は、上記のフェージングの導入することに限定されず、例えば、各センサの出力部にバラクタダイオードを設けてセンサの指向性を調整してもよい。

分析装置６０８は、ランダムＲＦ合成装置６０６から出力された信号に基づいて、電力測定その他の処理を行なうことができる。例えば、分析装置６０８は、オシロスコープ、スペクトルアナライザ、ネットワークアナライザ、電界強度測定器その他の分析装置とすることができる。シミュレーションでは、（２）式に従って算出された合成信号Ｅ（ｔ）に基づいて、（３）式に示されるような平均電力Ｐ_ａｖｅが算出される。このようにして測定された電力を基礎として、例えば、（４）式に示されるような放射効率ηを算出することができる。ここで、Ｐ_ＡＵＴは測定された電力を表し、Ｐ_{ｄｉｐｏｌｅ}は、無線端末６０２がダイポールアンテナから電波を送信した場合に分析装置６０８にて得られる電力であり、放射効率計算の基準になる量である。例えば、人体擬似ファントムを設けない状況で、ダイポールアンテナから送信された信号の電力を測定し、その値をＰ_{ｄｉｐｏｌｅ}とする。そして、人体擬似ファントムを設けた状態で送信された信号の電力をＰ_ＡＵＴとする。このようにして算出される送信効率η＝Ｐ_ＡＵＴ／Ｐ_{ｄｉｐｏｌｅ} は、人体擬似ファントムに起因する送信効率の変化を表す。

図７は、図６に示される測定システムにおける動作を説明するためのフローチャートを示す。フローはステップ７０２から始まり、ステップ７０４に進む。

ステップ７０４では、無線端末６０２から電波が放射される。

ステップ７０６において、無線端末６０２から放射された電波は、多数の直交センサ６０４にて受信される。各直交センサは、受信電界ベクトル（Ｅθ^（ｎ），Ｅφ^（ｎ））を、ランダムＲＦ合成装置６０６に与える。

ステップ７０８では、受信電界ベクトルの２Ｋ個の信号成分を、Ｋ個のアンテナから再送信する。

ステップ７１０では、Ｋ個のアンテナから送信された信号が、１つのアンテナでランダムなウエイトと共に空間合成されるように、フェージングを表す外乱が導入される。ステップ７０８及びステップ７１０は、説明の便宜上別々に描かれているが、実際にはそれらは段階的に別個に行なわれるのではなく、少なくとも一部は同時に行なわれる。

ステップ７１２では、合成後の信号の電力が測定及び分析される。以後、フローはステップ７１４に進み、終了する。

図８は、本実施例による手法と、従来法（パターン積分法及びランダムフィールド法）とを様々な観点から比較した場合の一覧表を示す。図示されるように、本実施例では全立体角にわたって固定的にセンサが多数配置され、走査は不要である。パターン積分法では、１つのセンサを走査させ、無線端末を回転させる必要がある。ランダムフィールド法では、１つセンサが特定の位置に固定的に設けられ、走査は不要である。本実施例では、測定時間は短いが、従来法は長時間を要する。本実施例では、パターン積分法等とは異なり、測定対象（無線端末等）を回転させる必要がないので、周辺環境に人体その他の物体が含まれていたとしても、電力測定は容易である。本実施例では、反射波による測定精度の劣化を抑制するために、室内壁面が電波吸収材で被覆されている電波暗室内で、測定が行なわれることを要する。

図９は、本実施例による手法とパターン積分法（従来法）を比較したシミュレーション結果を示す。このシミュレーション結果は、ランダムＲＦ合成装置６０６からの瞬時的な合成信号を平均化する際のサンプル数（横軸）と、算出される放射効率η（縦軸）との関係を示す。図中、参照番号９０２で示されるグラフは、パターン積分法による計算結果を示す。図示されているように、この方法では、サンプル数が少なくても正確に放射効率を算出することができる。但し、測定に長時間を要する。これに対して、参照番号９０４で示されるグラフは、上記の本実施例による計算結果を示す。図示されるように、平均化のサンプル数が増えるほど放射効率の精度が向上し、サンプル数が約１００００ポイント以上になると概ね収束していることが分かる（誤差は１％未満に収まる）。本実施例では、合成信号Ｅ（ｔ）は瞬時的に得られるので、電力測定は短時間で済む。例えば、平均化に要するサンプル数を１００００ポイントとし、測定サンプリング周波数を１００ｋＨｚとし、ディジタルオシロスコープでデータを取り込むとすると、測定値の収集時間は、１００ｍｓで済む。データ更新速度を１秒程度とすると、ほぼリアルタイムに電力値や放射効率を測定することができる。従って、本実施例は、無線端末その他の電波を放射する機器の設計及び評価に非常に有利である。

本実施例による電力測定は、実施例１や２のようなウエイト決定だけでなく、無線端末の放射電力を測定する任意の用途に広く適用できる。例えば、本実施例による手法は、無線端末の製品検査において、無線端末の放射する電波強度が仕様の範疇にあるか否かの検査（例えば、０，８Ｗを超える電波が出ていないことを確認する検査）に使用できる。

本実施例によれば、無線端末の放射電力や放射効率を超高速に測定できるので、無線端末の設計効率や品質評価等の作業効率を大幅に向上させることができる。

図１０は、本発明の一実施例による放射電力を測定する測定システムの全体図を示す。本実施例では、信号の送受信の関係が実施例３との場合と逆になっている。本実施例では、送受信の可逆性の性質を利用して、電波の放射効率等が算出される。測定システムは、無線端末１００２と、多数の波源１００４と、ランダムＲＦ分配装置１００６と、分析装置１００８とを含む。

無線端末１００２は、波源１００４からの電波を受信し、その受信信号を分析装置１００８に与える。

波源１００４は、無線端末１００２を包囲する球面上に設けられる。多数の波源１００４は、ランダムＲＦ分配装置１００６からそれぞれ受信した信号に従って、無線端末１００２に向けて電波をそれぞれ無線送信する。各波源１００４から送信される信号は、水平偏波（Ｅφ）及び垂直偏波（Ｅθ）の電界ベクトル成分により区別される。図示の例では、Ｋ個の直交センサ１００４が設けられ、２Ｋ個の信号（Ｅθ^（１），Ｅφ^（１），．．．，Ｅθ^（Ｋ），Ｅφ^（Ｋ））がそれらに与えられる。

なお、多数の波源１００４は、無線端末１００２を中心とする立体角の全体ではなく、一部の立体角を網羅するように設けられてもよい。

ランダムＲＦ分配装置１００６は、多数の波源１００４の入力に有線接続される。これらの２Ｋ個の信号は、ランダムＲＦ分配装置１００６内のＫ個のアンテナ（図示せず）で受信された信号に対応する。ランダムＲＦ分配装置１００６では、ある１つのノードから信号が無線送信され、それがＫ個のアンテナにて受信（分配）される。例えば、第１のアンテナは、（Ｅθ^（１），Ｅφ^（１））で表現される無線信号を受信する。同様に、ｎ番目のアンテナは、（Ｅθ^（ｎ），Ｅφ^（ｎ））で表現される無線信号を受信する。この場合に、図６のランダムＲＦ合成装置６０６と同様に、ランダムに変化するウエイトと共に無線信号を分配するように、例えばフェージングが導入される。

図１１は、本実施例による測定システムにおける動作を示すフローチャートである。フローはステップ１１０２から始まり、ステップ１１０４に進む。

ステップ１１０４では、ランダムＲＦ分配装置において、１つのノードから信号が無線送信され、それがＫ個のアンテナで受信される。無線送信された信号が、ランダムなウエイトと共にＫ個のアンテナに分配されるように、フェージングを表す外乱が導入される。

ステップ１１０６では、Ｋ個のアンテナの各々に対応する波源１００４が、ランダムＲＦ分配装置１００６から得た信号（Ｅθ^（ｎ），Ｅφ^（ｎ））に従って、無線端末１００２に向けて信号を送信する。この送信は、Ｋ個のアンテナから同時に行なわれる。

ステップ１１０８では、無線端末１００２で受信された信号が、分析装置１００８で測定及び分析される。そして、フローはステップ１１１０に進み、終了する。

本発明の一実施例によるウエイト決定システムの概念図を示す。 球面に沿って試験電波用アンテナ素子を走査する様子を示す図である。 本発明の一実施例によるウエイト決定方法を示すフローチャートである。 多数の試験電波用アンテナ素子を使用する場合の様子を示す図である。 ３つのアンテナ素子を有する携帯電話機を示す図である。 本発明の一実施例による放射電力測定システムの全体図を示す。 図６に示される測定システムにおける動作を示すフローチャートである。 本発明の一実施例による手法と従来法とを様々な観点から比較した場合の図表を示す。 本実施例による手法と従来法を比較したシミュレーション結果を示す。 本発明の一実施例による放射電力測定システムの全体図を示す。 図１０に示される測定システムにおける動作を示すフローチャートである。

符号の説明

１０２ 携帯電話機；１０４ 試験電波用アンテナ素子；１０６，１０８ 信号発生器；１１２ ウエイト決定部；１１４，１１５，１１６ アンテナ素子；１１８，１１９，１２０ 送受信機；１２２ 人体疑似ファントム；
６０２ 無線端末；６０４ 直交センサ；６０６ ランダムＲＦ合成装置；６０８分析装置；
１００２ 無線端末；１００４ 波源；１００６ ランダムＲＦ分配装置；１００８ 分析装置

Claims (5)

1. 電波を損失させる媒体を模擬するファントムの外側に設けられた１以上の試験波源から放射された試験電波を受信する、移動端末に設けられた複数のアンテナ素子と、
   ウエイト決定手段と
   を備え、前記ウエイト決定手段は、１つのアンテナ素子が受信した試験電波の電界応答ベクトルと帯域制限された白色雑音ベクトルとの内積により表現される電界時間応答を、アンテナ素子各々について求め、複数のアンテナ素子で受信される試験電波の振幅比及び位相差の確率密度分布を、前記電界時間応答から算出し、該確率密度分布に基づいて、前記複数のアンテナ素子で受信される信号が全体として強く受信されるように、各アンテナ素子のウエイトを決定する、ことを特徴とするウエイト決定装置。
2. 前記複数のアンテナ素子で受信される信号は、前記ファントムの外側に非固定的に設けられた１つの試験波源から送信された信号である
   ことを特徴とする請求項１記載のウエイト決定装置。
3. 前記複数のアンテナ素子で受信される信号は、前記ファントムの外側に固定的に設けられた複数の試験波源から送信された信号である
   ことを特徴とする請求項１記載のウエイト決定装置。
4. 前記試験波源は、瞬時的にはある方向に偏波しているが、時間平均すると等方的であるような試験電波を放出するランダム波源である
   ことを特徴とする請求項１記載のウエイト決定装置。
5. 電波を損失させる媒体を模擬するファントムの外側に設けられた１以上の試験波源から試験電波を放射するステップと、
   放射された試験電波を、移動端末に設けられた複数のアンテナ素子にて受信するステップと、
   各アンテナ素子のウエイトを決定するステップと
   を有し、前記ウエイトを決定するステップでは、１つのアンテナ素子が受信した試験電波の電界応答ベクトルと帯域制限された白色雑音ベクトルとの内積により表現される電界時間応答を、アンテナ素子各々について求め、複数のアンテナ素子で受信される試験電波の振幅比及び位相差の確率密度分布を、前記電界時間応答から算出し、該確率密度分布に基づいて、前記複数のアンテナ素子で受信される信号が全体として強く受信されるように、各アンテナ素子のウエイトを決定する、ことを特徴とするウエイト決定方法。

Images