本文根據岐阜大學研究成果發佈資料編譯而成
近年來，第5代行動通信系統（5G）和自動駕駛用車載毫米波雷達等高頻電磁波的產業應用不斷進步。要想在我們的生活空間、即「實驗室之外」使用此前主要在實驗室使用的準毫米波（20GHz-30GHz）和毫米波波段（30GHz-300GHz）的高頻電磁波，需要透過實際測量掌握電磁波在實際環境中的情況，這一點至關重要。
日本岐阜大學工學部的久武信太郎副教授與Think Lands公司與Arkray公司合作，共同開發了使在實際環境中工作的波源輻射的電場的振幅和相的間距分佈實施視覺化的測量技術。該技術可以取代使用向量網路分析器（VNA）的現有測量技術，無需從測量儀向測量物件輸入參考訊號，也無需利用電纜等從測量物件提取參考訊號。即使測量物件存在頻率波動或頻率調變，也能測量相的間距分佈。
【技術特點】
新技術無需像VNA測量那樣向作爲測量物件的波源輸入信號，或者從測量物件上提取用於相測量的參考訊號，因此無需選擇測量物件和測量環境，就能使近場的振幅和相的間距分佈實施視覺化。
測量系統不使用高頻電子電路部件，由已被證明高度可靠的光通訊部件和低頻電子電路部件構成，因此價格非常低。
檢測電場的探頭由光纖電纜和電光晶體等介電質部件構成，由於不像常規技術那樣使用金屬天線和金屬電纜，可以在不干擾電場分佈的情況下進行非侵襲測量。
透過電光晶體檢測到的訊號以光波的形式在柔性光纖中傳輸，因此便於進入測量點。
由於光纖是一種低損耗的傳輸路徑，而且光波很容易被光放大器等比增大，因此可利用長光纖進行遠程測量。
新技術透過光學技術將高頻訊號轉換爲易於鎖定檢測的低頻訊號，能應用於從微波到太赫茲波的廣泛頻率範圍。
電磁場模擬器是一種非常有用的工具，可以將電磁波視覺化，並估算其情況，但在高頻率下，類比結果與實際情況之間的差異會變大。這是因爲，頻率越高（波長越短），包括表面狀態（凹凸和變形等）在内的物體形狀越需要更精密地反映在類比模式中，難以進行這樣精密、準確的建模。因此，透過實際測量電場分佈來實施視覺化是關鍵，但使用VNA等的現有量測方法爲測量相分佈，需要向測量物件輸入信號（圖 1（a）），或者在固定點檢測參照訊號（圖 1（b）），因此沒有輸入端子的車載雷達和天線模組輻射的電磁波的電場分佈很難在其所處的實際環境中直接實施視覺化。
圖1：使用常規技術的測量
如圖2所示，新開發的技術解決了常規技術存在的課題，可以使被測量訊號的振幅和相的間距分佈實施視覺化。透過使用電光探頭測量探頭所在位置的電場振幅值和相的空間微分值，並用探頭掃描整個想要測量的空間，可使振幅和相的間距分佈實施視覺化。測量物件與量測裝置是獨立的，無需爲了測量而改造測量物件，因此能在測量物件所處的實際環境中直接視覺化電磁波的情況。
圖2：利用新技術的測量及其應用示例
例如，如圖2（b）所示，可用於沒有天線端子的器件以及實車配備的毫米波雷達的視覺化。如果近場的振幅和相的間距分佈實施視覺化，就可以根據這些資料計算輻射方向圖，因此無需再像以前那樣使用測量輻射方向圖的大型電波暗室。另外，還可以根據近場分佈的紊亂推斷輻射方向圖紊亂的終極因數，這是設計和最適化系統的重要資訊。
圖3是利用此次的新技術使喇叭天線輻射的FMCW訊號（24GHz±40MHz）的振幅分佈和相分佈實施視覺化的例子。即使是調頻訊號，相的間距分佈也成功實施了視覺化。
圖3：利用新技術使FMCW雷達實施視覺化的例子
圖4針對實車配備的毫米波雷達，利用此次的新技術測試了保險槓會對輻射方向圖產生什麼影響。分別測量了喇叭天線前面安裝和未安裝汽車保險槓時（圖3的情況）的近場，根據近場分佈計算了輻射方向圖並進行了比較。觀察發現，安裝保險槓時，輻射方向圖的E面出現了變化。毫米波雷達是高級駕駛輔助系統（ADAS）和自動駕駛的重要組成部分，輻射方向圖紊亂可能會造成重大事故。此次的技術不僅能實施雷達的最適化設置，還可以用於配備毫米波雷達的卡車和公車等投入使用前的測試及車檢等，有望成爲支撐未來的自動駕駛社會的基礎測量技術。
圖4：安裝保險槓引起的FMCW雷達（24GHz±40MHz）輻射方向圖的變化
【論文資訊】
題目：Asynchronous electric field visualization using an integrated multichannel electro-opticprobe
期刊：Scientific Reports
DOI ：10.1038/s41598-020-73538-7
URL：nature.com/articles/s41598-020-73538-7
研究成果發佈資料
編譯：JST客觀日本編輯部
