ダイポールアンテナ標準：校正の実際と不確かさ

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このかこいまる
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1 ダイポールアンテナ標準校正の実際と不確かさ ( 独 ) 産業技術総合研究所森岡健浩

2 概要アンテナ係数 3アンテナ法 ( 半自由空間と自由空間 ) 置換法不確かさ積算異なるアンテナ校正によるアンテナ係数の一意性まとめ

3 アンテナ係数の定義 z 波源 V 付属回路受信アンテナ図アンテナ係数の定義 V 測定量 : アンテナ係数 ( 水平偏波.0 m 高または自由空間 ) 校正方法 : 3アンテナ法または置換法 (30 MHz- GHz) 3

4 測定場 : オープンサイトと電波暗室写真オープンサイトにおける測定 30 MHz 000 MHz 写真電波暗室における測定 000 MHz 000 MHz 4

5 校正手法 ():3 アンテナ法アンテナアンテナ. アンテナ. アンテナ 3. アンテナ. アンテナ 3. 測定. SIL 測定. SIL 図 3 アンテナ法の測定測定 3. SIL 3 3 本のアンテナを用いて 3つの組み合わせを作成それぞれのアンテナ組み合わせでアンテナ端子間減衰量を測定測定はオープンサイト ( 半自由空間 ) または電波暗室 ( 自由空間 ) で行う 5

6 校正手法 ():3 アンテナ法置換法アンテナアンテナアンテナアンテナ 3 アンテナアンテナ 3 減衰量測定減衰量測定送信アンテナ被校正アンテナ減衰量測定 3 アンテナ 3 減衰量測定 4 図 3 アンテナ係数のトランスファー 6

7 校正手法 (3): 置換法 a G 信号源 Γ e Γ S al, etc. Trasmittig atea S S S // STD. AUC. S S S // al, etc. al, etc. v Γ Γ e Z L 受信機 v Γ Γ e Z L STD // Γ e Γ e ( SΓ )( ΓΓe ) ( + Γ ) S Z0 ag 端子を見込んだ反射係数 Γ 信号源受信機の反射係数 a G // // v v AUC Γ 信号源の波振幅 // Γ e Γ 入射電界端子電圧 ( SΓ )( Γ Γ e ) ( + Γ ) S Z0 ag 図 4 置換法の測定モデル 7

8 測定のモデル V 0 Z S V Z (a) 測定状態 Z S V0 Vi Z (b) 基準状態図 5 アンテナ間減衰量の測定モデル 8

9 z 3アンテナ法の定式化 () # 送信アンテナ SIL k η 4πr cos Z S + Z Z Z π π ( cos θ ) cos ( cos θ ) si S cos θ T T T eft si θ ef θ T cos θ cos θ si θ si θ S 3 4π ZSZ k3 r r T θ G φ C θ φ, 3アンテナ法による自由空間のダイポールアンテナのアンテナ係数は以下の様に与えられる η Z + S k k r SIL 3 A A SILSIL A3 A G, ξ ( ) ( ) ( ) x z θ r θ T θ ic 面 ic r θ θ T T y 面 θ α # 受信アンテナ図 6 アンテナエレメントの配置 φ φ T 9

10 3アンテナ法の定式化 () 未知数 fm max A A D 79. A3 0log fm D A max D 30PG t ( max + A + A ) { + + cos[ π β ( )]} r グランドプレーン上の電界強度は ( 水平偏波の場合 ) 無指向性波源からの足し合わせ不確かさ積算のために測定周波数電界強度を測定毎に分離している電界強度の項は直接距離と反射距離の関数 r r r 3 0

11 アンテナ端子間減衰量の計算モデル送信アンテナ受信アンテナ α 送信バラン β γ β γ 受信バラン α S バランデータ T A バランデータ T T A A 校正面 T A 素子間の結合 ; MoM 校正面図 7 アンテナ端子間の計算モデル

12 サイトアッテネーションの比較計算値からの差異 () 周波数 (MHz) AIST(meas.-pre.) NPL(meas.-pre.) AIST(meas.)-NPL(meas.) 図 8 サイトアッテネーションの計算値からの差異

13 グランドプレーン上のアンテナ係数アンテナ係数 (/m) アンテナ係数差異差異 () 周波数 (MHz) Propose metho ISSM with measre SAs ISSM with calclate SAs Propose-ISSM with measre SAs Propose-ISSM with calclate SAs 0 図 9 グランドプレーン上.0 m 水平偏波のアンテナ係数 3

14 自由空間のアンテナ係数 MHz 400 MHz 000 MHz ~ GHz アンテナ係数 (/m) 周波数 (GHz) 600 MHz 800 MHz 000 MHz 図 0 自由空間におけるアンテナ係数

15 不確かさの伝播 c N ( ) y ( x ) ( ) i i y 合成標準不確かさ i f x i 不確かさ感度係数 N i 入力量に相関がない場合の不確かさの伝播則 5

16 6 6 各入力量の感度係数各入力量の感度係数 ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) A A G G f f r r 3 H H + f f f H... f ( ) ( ) ( ) ( ) T T H H + + h h h h

17 不確かさ積算の手順測定法の定式化測定の結果に影響を与える入力量は? A H f 79. [ + + cos[ π β ( ) ] 30 P G t M f f M3 M f, M, H H r A H3 H A A A r 3 r 感度係数 r 合成不確かさ測定法の式に予測値を代入入力量に影響を与える入力量は? 合成不確かさ合成不確かさ測定量の予測値, r,... VNA の S/N 比測定の再現性等 r H H + ( h ) T h ( h h ) + + T 入力量に影響を与える入力量は? H, T, 感度係数図アンテナ係数不確かさの積算流れ図位置決めの不確かさ 7

18 3アンテナ法の不確かさ積算表 3 r f G r A ( ) ( f ) + ( G ) + ( ) + ( ) + ( A ) Sorce of certaity Type Distribtio Sesitivity coefficiet St. Ucertaity Commets Freqecy ectaglar (/Hz m) 404 (Hz) oary limit ±7.5 ppm is assme. Gai ectaglar 0.54 (/m) 0.08 oary limit ±5 is assme. Direct istace (/m ) 0.05 (m) See Table Ⅳ (b) eflecte istace (/m ) (m) See Table Ⅳ (c) SA with atea pair (/m) 0.58 See Table Ⅳ () SA with atea pair (/m) See Table Ⅳ () SA with atea pair (/m) 0.64 See Table Ⅳ () Total certaity (k) 0.0 (/m) 表 400 MHz おける 3 アンテナ法の不確かさ 0.9 (/m) 0log0(+0.0) Sorce of certaity Type Distribtio Sesitivity coefficiet St. Ucertaity Commets Horizotal separatio ectaglar (m) oary limit ±0.0 m is assme. Tx. Atea height ectaglar (m) oary limit ±0.0 m is assme. x. Atea height ectaglar (m) oary limit ±0.0 m is assme. Combie certaity 0.05 (m) ( ) ( ) + ( h ) + ( h ) H T H ht h Table Ⅳ (b) 8

19 置換法の定式化 ( 線形表記 ) AUC AUC ( ) f AUC ( ) ( ) f S // // ( + Γ )( Γ Γ e ) S STD ( + Γ )( Γ Γ ) S S Γ e Γ S 30 ( S, S, ) // STD STD f, // S S f S f S f ( ) + ( S ) + ( S ) + ( ) S S STD f S S 相対電界強度の不確かさ S 測定 (STD) の不確かさ STD ( S ) ( STD ) f S S S STD STD STD S 測定 (AUC) の不確かさ f STD 標準アンテナ校正の不確かさ S S STD 9

20 置換法の定式化 ( 対数表記 ) AUC + ( ) ( ) AUC g S S g ( S, S, ) S + STD g, g S STD ( ) ( ) ( S + S + ) g + g, S g, S g STD g, ( ) ( ) ( ) ( ) ( + S + S + ) AUC STD STD STD 0

21 400 MHz における不確かさ積算例 ( 線形表記 ) 不確かさ要因 SA with STD SA with AUC 標準アンテナ校正合成不確かさ (k) タイプ分布 f S S 感度係数 (/m) STD (/m) 不確かさ (/m) (/m) (/m) 不確かさ要因タイプ分布感度係数不確かさ備考再現性 A 正規回測定分解能矩形線形性矩形 S/N 比矩形合成不確かさ 0.568

22 400 MHz における不確かさ積算例 ( 対数表記 ) 不確かさ要因タイプ分布感度係数不確かさ SA with STD (/m) () SA with AUC - (/m) () 標準アンテナ校正 (/m) 合成不確かさ (k) 0.0 (/m) 不確かさ要因タイプ分布感度係数不確かさ備考再現性 A 正規 () 5 回測定分解能矩形 () 0.0 線形性矩形 () 0.05 S/N 比矩形 () 00 合成不確かさ ()

23 不確かさ積算積算の妥当性偏差 () 周波数 (MHz) 計算値置換法 (k) アンテナ係数計算値 - 校正値置換法の不確かさ (k) 3アンテナ法の不確かさ (k) 図 3 アンテナ係数不確かさの妥当性 3 アンテナ法 (k) 3

24 4 4 自由空間アンテナ係数の不確かさ自由空間アンテナ係数の不確かさ S S SIL SIL SIL 4 + A A A r r r k k k Z Z S Z π η ( ) ( ) ( ) T,, ξ φ θ φ θ C G A G ( ) ( ) ( ) [ ] ( ) [ ] + + i 3! i i i i i i i i x x x x x x x x 3 アンテナ法による自由空間ダイポールアンテナ係数はここでエレメントの角度アライメントによる項はアンテナ係数の角度による一次微分は角度の期待値に於いて 0 となるので次の項まで考慮すると以下のようになるなお角度以外は高次の項を無視する

25 GHz における積算例周波数 000 MHz 校正値 (HD005) 5.4 /m /m 成分 (xi) 不確かさの要因タイプ分布 x HD 正規 /m /m HD 正規 /m /m HD 正規 /m /m HD A 正規 HD A 正規 HD A 正規 (SIL) SIL 測定再現性近接効果一様直線性一様 S/N 比一様減衰量校正一様 (r) アンテナ間距離一様 m 5.4 /(m*m).603 /m (f) 周波数一様 007 Hz /(Hz*m) /m (θ) 一様 /m /m (φ) (ξ) 角度アライメント一様一様標準不確かさ感度係数 5.4 /m /m 5.4 /m 0.86 /m 相対合成不確かさ (k) 拡張相対不確かさ (k) /m SIL 測定はそれぞれのアンテナ組に於いて 0 回行った測定器のリニアリティーは 0.05 ダイナミックレンジは -00 とスペックより仮定したステップアッテネータの校正不確かさは校正証明書より 0.0 アンテナ設置の精度は ± 0.0 m 程度である測定周波数は確度と安定性の測定値スペック ± 7.5 ppm を用いたアンテナ設置確度は ± 5 を仮定した ( x) 5

26 異なるアンテナ校正の一意性異なるつのダイポールアンテナ係数校正 (30 MHz- 000 MHz と000 MHz-000 MHz) の境界における一意性は? SD6500( MHz) はグランドプレーン上.0 m 水平偏波での校正これに対し HD00X は自由空間での校正しかしグランドプレーン上 (000 MHz 水平偏波 ) と自由空間でのアンテナ係数の差は.0 m 高付近に於いて 0. より小さい 6

27 HD00X とSD6500 の置換法写真 3 境界周波数 (000 MHz) での同一性確認 7

28 アンテナ係数校正の測定結果 STD (HD006) by TAM SD6500 (w/o absorber) SD6500 (w absorber) MHz: by アンテナ係数 (/m) 周波数 (GHz) 図 4 異なるアンテナ校正の一意性 8

29 まとめオープンサイト ( 半自由空間 ) と電波暗室 ( 自由空間 ) におけるダイポールアンテナの 3アンテナ測定の概要 3アンテナ校正の不確かさ積算 ( GHz MHz) 置換法の不確かさ積算 ( MHz) 異なるアンテナ校正 ( 半自由空間自由空間 ) の一意性 9

別紙 3 校正結果報告書( 高周波減衰量巡回比較試験 ) 4. 校正システム 4.1 構成図校正システムの構成図を記載してください構成図例指示器にパワーメータを用いた場合のステップ減衰器の減衰量校正システムの構成図例被校正減衰器 ( 仲介器 )Pad 含む (Pad) (Pad) Port 1

別紙 3 校正結果報告書( 高周波減衰量巡回比較試験 ) 4. 校正システム 4.1 構成図校正システムの構成図を記載してください構成図例指示器にパワーメータを用いた場合のステップ減衰器の減衰量校正システムの構成図例被校正減衰器 ( 仲介器 )Pad 含む (Pad) (Pad) Port 1 別紙 3 校正結果報告書 ( 高周波減衰量巡回比較試験 ) 巡回比較試験校正結果報告書高周波減衰量企業機関名部署名報告者責任者校正日平成年月日報告日平成年月日 1. 仲介器注 ) 測定前に下記注意すること 1. 仲介器の付属パッドを取り外さないでください 2. 仲介器への接続は N 型コネクタ専用トルクレンチ (12 ポンド ) を使用すること 3. 仲介器の付属パッドの接続状態を上記のトルクレンチを用いて確認すること