客观日本

岐阜大学开发出在5G通信和车载雷达使用的电波实现可视化的测量技术

2020年10月27日 信息通信

本文根据岐阜大学研究成果发布资料编译而成

近年来,第5代移动通信系统(5G)和自动驾驶用车载毫米波雷达等高频电磁波的产业应用不断进步。要想在我们的生活空间、即“实验室之外”使用此前主要在实验室使用的准毫米波(20GHz-30GHz)和毫米波波段(30GHz-300GHz)的高频电磁波,需要通过实际测量掌握电磁波在实际环境中的情况,这一点至关重要。

日本岐阜大学工学部的久武信太郎副教授与Think Lands公司与Arkray公司合作,共同开发了使在实际环境中工作的波源辐射的电场的振幅和相位的空间分布实现可视化的测量技术。该技术可以取代使用矢量网络分析仪(VNA)的现有测量技术,无需从测量仪向测量对象输入参考信号,也无需利用电缆等从测量对象提取参考信号。即使测量对象存在频率波动或频率调制,也能测量相位的空间分布。

【技术特点】

新技术无需像VNA测量那样向作为测量对象的波源输入信号,或者从测量对象上提取用于相位测量的参考信号,因此无需选择测量对象和测量环境,就能使近场的振幅和相位的空间分布实现可视化。

测量系统不使用高频电子电路部件,由已被证明高度可靠的光通信部件和低频电子电路部件构成,因此价格非常低。

检测电场的探头由光纤电缆和电光晶体等介电质部件构成,由于不像常规技术那样使用金属天线和金属电缆,可以在不干扰电场分布的情况下进行非侵袭测量。

通过电光晶体检测到的信号以光波的形式在柔性光纤中传输,因此便于进入测量点。

由于光纤是一种低损耗的传输路径,而且光波很容易被光放大器放大,因此可利用长光纤进行远程测量。

新技术通过光学技术将高频信号转换为易于锁定检测的低频信号,能应用于从微波到太赫兹波的广泛频率范围。

电磁场模拟器是一种非常有用的工具,可以将电磁波可视化,并估算其情况,但在高频率下,模拟结果与实际情况之间的差异会变大。这是因为,频率越高(波长越短),包括表面状态(凹凸和变形等)在内的物体形状越需要更精密地反映在模拟模型中,难以进行这样精密、准确的建模。因此,通过实际测量电场分布来实现可视化是关键,但使用VNA等的现有测量方法为测量相位分布,需要向测量对象输入信号(图 1(a)),或者在固定点检测参照信号(图 1(b)),因此没有输入端子的车载雷达和天线模块辐射的电磁波的电场分布很难在其所处的实际环境中直接实现可视化。

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图1:使用常规技术的测量

如图2所示,新开发的技术解决了常规技术存在的课题,可以使被测量信号的振幅和相位的空间分布实现可视化。通过使用电光探头测量探头所在位置的电场振幅值和相位的空间微分值,并用探头扫描整个想要测量的空间,可使振幅和相位的空间分布实现可视化。测量对象与测量装置是独立的,无需为了测量而改造测量对象,因此能在测量对象所处的实际环境中直接可视化电磁波的情况。

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图2:利用新技术的测量及其应用示例

例如,如图2(b)所示,可用于没有天线端子的器件以及实车配备的毫米波雷达的可视化。如果近场的振幅和相位的空间分布实现可视化,就可以根据这些数据计算辐射方向图,因此无需再像以前那样使用测量辐射方向图的大型电波暗室。另外,还可以根据近场分布的紊乱推断辐射方向图紊乱的原因,这是设计和优化系统的重要信息。

图3是利用此次的新技术使喇叭天线辐射的FMCW信号(24GHz±40MHz)的振幅分布和相位分布实现可视化的例子。即使是调频信号,相位的空间分布也成功实现了可视化。

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图3:利用新技术使FMCW雷达实现可视化的例子

图4针对实车配备的毫米波雷达,利用此次的新技术测试了保险杠会对辐射方向图产生什么影响。分别测量了喇叭天线前面安装和未安装汽车保险杠时(图3的情况)的近场,根据近场分布计算了辐射方向图并进行了比较。观察发现,安装保险杠时,辐射方向图的E面出现了变化。毫米波雷达是高级驾驶辅助系统(ADAS)和自动驾驶的重要组成部分,辐射方向图紊乱可能会造成重大事故。此次的技术不仅能实现雷达的优化设置,还可以用于配备毫米波雷达的卡车和巴士等投入使用前的测试及车检等,有望成为支撑未来的自动驾驶社会的基础测量技术。

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图4:安装保险杠引起的FMCW雷达(24GHz±40MHz)辐射方向图的变化

【论文信息】
题目: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

研究成果发布资料
编译:JST客观日本编辑部

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