新しいネットワーク・アナライザを用いたアンテナ/RCS測定

White Paper

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概要

本書はネットワーク・アナライザに新しく採用された技術と、それをRCSテストで活用する方法について解説しています。1980年代以来、8530A［1 - 4］がアンテナ・テストに広く使用されており、この測定器を比較基準にしています。ネットワーク・アナライザのハードウェアとソフトウェアが進化するにともない、RCS測定のための機能、速度、確度も向上しました。これらの技術の進歩を示すために、代表的なRCS全偏波マトリックス・イメージング測定を行いました。また、レンジ・ゲーティング、デジタル／ダウンレンジ分解能、エリアスフリー・レンジのトピックスも解説し、RCSテストで利用可能な高度な手法を紹介しています。さらに測定ハードウェアの複雑さが軽減され、測定速度と確度が向上しています。

1.0 RCS全偏波マトリックス・イメージング測定

図1は、代表的なRCS測定を示しています。この測定は、電波暗室、ネットワーク・アナライザ、フィード・ホーン、ターゲットから構成されています。ここに示すのは全偏波マトリックス・イメージングの例で、電界の垂直成分と水平成分を送信してそれぞれを個別に測定します（表1）。この測定では、垂直（V）と水平（H）の2種類の偏波を送受信する必要があります。

Tx Rx1 Rx2

垂直偏波 垂直偏波 水平偏波

水平偏波 垂直偏波 水平偏波

表1. RCS全偏波マトリックス測定

送信アンテナ

受信アンテナ

電波暗室

ターゲット垂直

水平偏波スイッチ

垂直

水平

83630Bマイクロ波信号源

8530Aシステム

システム制御

bb

a1（基準）

図1. 8530Aを使用したRCS全偏波マトリックス測定

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2.0 RCS測定の分解能の向上

ネットワーク・アナライザを使用したRCS測定では、クロスレンジ分解能、ダウンレンジ分解能、デジタル分解能の３種類の分解能があります。

クロスレンジ分解能はターゲットの回転角度に関係するもので、使用するネットワーク・アナライザのハードウェアとは関係していません。

ダウンレンジ分解能とは、テスト・システムのタイム・ドメイン・インパルスで分離可能な、ターゲット散乱間の最小間隔のことです。RCSダウンレンジ分解能は、ネットワーク・アナライザで設定した測定周波数スパンとウィンドウ関数に関係します。ウィンドウ関数を使用して、タイム・ドメイン変換の前に周波数ドメイン・データを修正します。異なるウィンドウ関数を使用することにより、タイム・ドメイン・インパルスを柔軟に修正できます。ダウンレンジ分解能を高くするには、タイム・ドメインへの変換前に周波数ドメイン・データに適用するウィンドウ関数に基づいて、ネットワーク・アナライザの周波数スパンを増加させます。

デジタル分解能とは、時間軸上の1つの応答を特定できる能力です。言い換えると、1つの応答しか存在しない場合は、その応答のピークを明確にピンポイントできる能力です。タイム・ドメインのデジタル応答は、周波数ドメインで測定されるポイント数と表示タイム・スパンにより決まります。したがって、表示タイム・スパンを小さくすると、高いデジタル分解能が得られます。8530Aでは最大801ポイントが使用可能だったので、この方法が用いられました。Agilent PNA［5 - 8］などの新しいネットワーク・アナライザでは、最大16,001個のポイントが使用可能です。つまりPNAでは、表示タイム・スパンを維持したままポイント数を増加させて、最大20倍も高いデジタル分解能を得ることができます。

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3.0 RCSエリアスフリー・レンジの拡大

エリアスフリー・レンジとは、タイム・ドメインで、必要な応答の繰り返しが生じずに測定可能な時間の長さのことです。タイム・ドメイン応答の繰り返しは一定の間隔で生じます。これは離散周波数で測定された周波数ドメイン応答の結果です。RCS測定でエリアジングを防ぐには、エリアスフリー・レンジをRCS電波暗室の長さの2倍より大きくする必要があります。エリアスフリー・レンジは、次式で与えられます。

エリアスフリー・レンジ＝1＝（ポイント数－1）

F 周波数スパン

8530Aの代表的な測定では以下のようになります。

801ポイント8.2 GHz～12.4 GHz

エリアスフリー・レンジ＝（801－1）

＝190 nsまたは57m（12.4－8,2）* 109

アンテナから電波暗室の後壁までのRCSレンジの長さは、28.5 m（エリアスフリー・レンジの半分）以下にする必要があります。エリアスフリー・レンジを長くするには、ポイント数を増やすか、周波数スパンを減らします。周波数スパンを小さくするとダウンレンジ分解能も低下するので、これは好ましくありません。8530Aの最大ポイント数は801だったので、このトレードオフが常に存在しました。Agilent PNAシリーズではトレースあたりの最大ポイント数1が16,001なので、ダウンレンジ分解能に影響を及ぼさず同じ周波数スパンで20倍も長いエリアスフリー・レンジが得られます。この例では、エリアスフリー・ゾーンとダウンレンジ分解能を維持しながら、RCSテスト・レンジの長さを570 mまで拡大できます。このように長いエリアスフリー・レンジが必要なく、ダウンレンジ分解能の向上が必要なRCSレンジでは、16,001のポイント数を活用して掃引する周波数スパンを増加できます。例えば、必要なエリアスフリー・レンジが57 mの場合は、この例では周波数スパンを4.2 GHzから84 GHzに拡大できます。これも20倍の性能向上です。ただし周波数スパンが大きくなると、マルチ・バンド・アンテナの使用が必要になります。

エリアスフリー・レンジ＝190 nsまたは57m

周波数スパン＝（16001－1）

＝84 GHz190* 10－9

1. 最小ポイント数は2

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4.0タイム・ドメイン合成を利用したRCSテスト・システム・ハードウェアの性能向上

RCS測定は、周波数ドメイン・データをフーリエ変換し、チャープz変換を使用して時間軸上でパルスを合成することにより、タイム・ドメインで行われます。図1は、8530Aを使用した代表的なRCSテスト測定を示しています。図2は、AgilentPNAネットワーク・アナライザを使用した同様のセットアップを示しています。

送信アンテナ

受信アンテナ

電波暗室

ターゲット垂直

水平

垂直

水平

送信ポート2

BレシーバAレシーバ

送信ポート1

図2. PNAを使用したRCS全偏波マトリックス測定

この新しいアナライザでは、図3のシステム・ブロック図に示すように、アナライザ内部のさまざまなコンポーネントへの直接アクセスが可能です。このRCSの例では、信号源から垂直および水平の偏波成分を送信して、垂直偏波および水平偏波を測定する必要があります（表1）。アナライザ、レシーバ、信号源は個別に制御が可能で、アナライザ内部のトランスファ・スイッチは送信フィードの偏波スイッチとして使用でき、受信フィードはアナライザの内部レシーバに直接接続できます。垂直偏波受信アンテナはアナライザ内部のAレシーバに、水平偏波受信アンテナはアナライザ内部のBレシーバに接続して、RCSテスト・システムを構成します。垂直偏波送信フィードは、アナライザ内部のトランスファ・スイッチのポート1側の信号出力コネクタを介してアナライザ内部の信号源に接続され、水平偏波送信フィードは、アナライザ内部のトランスファ・スイッチのポート2側の信号出力コネクタを介してアナライザ内部信号源に接続されます。この構成により、外部の送信フィードの偏波トランスファ・スイッチとその制御が必要なくなりました。また、アナライザはAおよびBレシーバを同時に測定できるので、各送信偏波の垂直および水平偏波の同時測定が可能です。表2（7ページ）は、RCSマトリックスとPNAの関係する測定を示しています。

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図3. PNAの内部ブロック図（オプションH11）

PNAは、それぞれ最大16,001ポイントの4つのトレースを同時に測定／表示（バッファ）でき、1つのディスプレイで合計64,004個のデータ・ポイントが得られます。また、全測定時間が6.3秒またはポイントあたり98µs1の高速なデータ収集が可能です。さらにネットワーク・アナライザ内部のトランスファ・スイッチのアイソレーションは90 dB以上、レシーバ感度は－120 dBm［7］以上で、優れたRCS測定が可能です。表3では、 85301B/CとPNAのRCS測定構成を比較していますが、高度なRCS測定でのPNAの優位性がはっきりとわかります。これらの測定時間の計算には、PNAのプログラムを作成し、全収集ポイントの掃引にかかった時間の合計を測定しました。これにはアナライザによるデータ収集の全成分が含まれ［9］、実際のRCS測定で得られる現実的な数値となっています（バンド切替え、外部トリガリング、ステップ・モード、トランスファ・スイッチのセトリング時間を含む）。

レンジ・ゲーティングを使用すると、タイム・ドメイン応答の一部を選択して表示でき、不要なデータの影響を除去することができます。合成ゲーティングで使用するゲートには、最小許容ゲート・スパンと、対応する通過帯域リップルおよびサイドローブ・レベルとのトレードオフがあります。必要な分解能が得られサイドローブが最小になるように、最適なゲート形状を選択する必要があります。これは、合成ゲートを使用する場合に避けられない問題です。

リアパネル

LO

フェーズロック

フロントパネル

テスト・ポート1

オフセット・レシーバVtune

YIG信号源

補助RF出力（2～20 GHz）

補助LO出力（2～20 GHz）

マルチプライヤ（1, 2）

マルチプライヤ（1, 2, 4）

オフセットLO

8.33 MHz基準

テスト・ポート2

R1

A/ A/

A/ A/

IFゲート IFゲート

IFゲート IFゲート

R2

A B

1. 35 kHzのIFBW

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Tx Rx1 Rx2

垂直偏波 垂直偏波 水平偏波（信号源ポート1） （A/R1トレース） （B/R1トレース）

水平偏波 垂直偏波 水平偏波（信号源ポート2） （A/R2トレース） （B/R2トレース）

表2. PNAを使用したRCS全偏波マトリックス測定

偏波あたりのダウンレンジ 801 801 1601 1601 4000 16001分解能（ポイント数）

クロスレンジ分解能（角度） ±30、0.25 ±30、0.1 ±30、0.25 ±30、0.1 ±30、0.1 ±30、0.1ステップ ステップ ステップ ステップ ステップ ステップ241スキャン 601スキャン 241スキャン 601スキャン 601スキャン 601スキャン

全測定ポイント数 772,164 1,925,604 1,543,364 3,848,804 9,616,000 38,466,404

～－98 dBm PNAの 3.2分 8.1分 5.3分 13.1分 27.7分 96分の感度 全測定時間

10 kHz IFBW

85301Cの 9.5分 24分 不可 不可 不可 不可全測定時間ランプ掃引

～－113 dBm PNAの 21分 54.1分 42.2分 105.3分 4.3時間 16.9時間の感度 全測定時間

300 Hz IFBW

85301B 72分 3時間 不可 不可 不可 不可総測定時間ステップ掃引

表3. RCS全偏波マトリックスの測定時間（8.2～12.4 GHz）

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5.0 ナチュラル・タイム・ドメインを使用したRCSテスト・システム・ハードウェアの性能向上

Agilent PNAでは、パルスド信号源とレシーバのゲーティング機能を使用した、RCS測定が可能です。対応するタイム・ドメイン応答はフーリエ変換でなく、信号源の信号を変調することによって時間軸上の「ナチュラルな」（実際の）パルスを送信します。フーリエ変換を使用しないので、非合成パルスの使用に際してエリアシングやウィンドウ関数を考慮する必要がありません。図4は、外部変調器を使用してアナライザの信号源の信号をパルス化する代表的なセットアップを示しています。ハードウェア・ゲートはレシーバの前に置かれ（図3）、送信信号の影響を受けないようにしています。また信号源の変調器とアナライザ内部のゲートとの間の遅延時間を変化させて、特定のCW周波数でのタイム・ドメイン・プロットも作成できます。

送信アンテナ

受信アンテナ

電波暗室

ターゲット垂直

水平

垂直

水平

送信ポート2（水平）

Bレシーバ（水平）

IFゲート制御 送信変調制御

パルス・ジェネレータ

Aレシーバ（垂直）

送信ポート1（垂直）

図4. ハードウェア・ゲーティングを使用したPNAのRCS構成

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–1/2pw 0 1/2pw –2/prf –1/prf 0 1/prf 2/prf –1/prf 0 1/prf

rectpw(t)

n (t–n(1/prf))

t

図5は、タイム・ドメインのパルスド信号を表しています。その周波数ドメインの応答は、主搬送波からn*PRF（パルス繰り返し周波数）だけ離れた一連の周期トーンから構成されます。狭帯域のレシーバを使用してこのパルスド信号を正確に測定するには、アナライザによる最終的な処理の前にPRFトーンを除去する必要があります。また、負の周波数側にパルス・スペクトラムの「ミラー」イメージが数学的に存在することにも注意する必要があります。これにはある種のパルス繰り返し周波数が関係し、パルス幅によって負の周波数側のPRF成分が正側に押し出されて、それが測定の間にアナライザのフィルタ帯域幅の中に入る場合があります。これにより、測定に望ましくない誤差が生じます。PNA（パルス・モード・オプション付き）は適応フィルタを使用することにより（図6）、主なPRFトーンや負の側からのクロスオーバなどのミキシング成分を除去して、安定した正確な測定が行えます［10, 11］。

y(t) = (rectpw(t) • x(t)) * shah 1 (t)prf

Y(s) = (pw • sinc(pw • s) * X(s)) • (prf •shah(prf • s))Y(s) = (pw • sinc(pw • s) • (prf • shah(prf • s))Y(s) = DutyCycle • sinc(pw • s) • shah(prf • s)

図5. パルスド信号のタイム・ドメイン表示

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アナライザの内部ゲートを使用すると、最高20 nsの分解能が得られます。さらに高い分解能が必要な場合は、外部ゲートを使用するとより高い時間分解能が得られます。レンジ・ゲーティングは、内部ハードウェア・ゲートを使用してタイム・ドメインで選択的にゲーティングすれば実現できます。ハードウェア・ゲーティングは、合成ゲーティングと比較すると、最小ゲート・スパンとサイドローブ・レベルとの間のトレードオフがないというメリットもあります。このように、非常に狭いゲートときわめて高い除去比を使用して、タイム・ドメインおよび周波数ドメイン測定から望ましくないRCS応答を除去することができます。

適応デジタルIFフィルタとパルス・スペクトラム

周波数オフセット（Hz）

応答（dB）

–500

0.00

00

–400

0.00

00

–300

0.00

00

–200

0.00

00

–100

0.00

00

1000

.000

0

2000

.000

0

3000

.000

0

4000

.000

0

5000

.000

0

0.00

00

0

–20

–40

–60

–80

–100

–120

–140

–160

–180

–200

必要な周波数成分 フィルタリングされたPRF成分

図6. PNAによるPRF成分の適応フィルタリング

まとめ効果的なRCS測定のために、新しいネットワーク・アナライザを使用すると、より高い柔軟性、スピード、確度が得られることを示しました。ポイント数の増加とデジタル受信ハードウェアの進化によって、RCSの高速測定を維持しながら確度を向上させることが可能になりました。また、前述のようにナチュラル・タイム・ドメイン測定、合成タイム・ドメイン測定、ゲーティングにより、RCS測定で最大の柔軟性が得られます。

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10. 参考資料［1］R. Balaberta, and Shatnu R. Mishra,『On the use of the HP 8510 Network Analyzerfor Antenna Pattern Measurements』1986 AMTA proceedings

［2］Dan Slater, and Greg Hindman, Nearfield Systems, Inc. 『A Low-cost, Portable Near-field Antenna Measurement System』1989 AMTA proceedings

［3］John Swanstrom and Robert Shoulders『Pulsed Antenna Measurements with the HP8530A Microwave Receiver』1994 AMTA proceedings

［4］『85301B/C Antenna Measurement System Configuration Guide』カタログ番号5967-6042E

［5］『Antenna Test Solutions Catalog』カタログ番号5968-6759E

［6］『PNAシリーズRF/マイクロ波ネットワーク・アナライザ』brochure, カタログ番号5968-8472J

［7］『Agilent PNA Series Microwave Network Analyzers Data Sheet』カタログ番号5988-7988EN

［8］『アンテナ測定用トリガ機能』White paper, カタログ番号5988-9518JA

［9］Swanstrom, J., Puri, J., Anderson, K., Kwan, B., 『Antenna and RCS MeasurementConfigurations Using Agilent’s New PNA Network Analyzers』2003 AMTA Symposium

［10］『Accurate Pulsed Measurements, Agilent PNA Microwave Network Analyzers』カタログ番号5988-0563EN

［11］Betts, L.,『Make Accurate Pulsed S-Parameter Measurements』Microwaves & RF,November 2003, Vol. 42, No. 11

WebリソースPNAシリーズの詳細は、以下のWebサイトをご覧ください。www.agilent.com/find/pna

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April 4, 20055989-1937JAJP

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