近傍界測定はプローブを使用して1〜2波長（λ）以内のアンテナパターンを解析し、シミュレーション用の詳細な位相・振幅データを取得します。一方、遠方界試験（2D²/λを超える距離）は、オープンレンジや電波暗室で放射効率を評価します。近傍界には高精度な位置決め（±1mmの精度）が求められ、遠方界には10メートル以上のクリアランスが必要です。近傍界のデータはフーリエ変換によって遠方界の予測値に変換されます。
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距離と信号強度
アンテナ測定は、近傍界（アンテナに近い領域）で試験を行うか、遠方界（安定した波の伝搬に十分な距離）で行うかに大きく依存します。重要な違いは距離であり、それが信号強度、位相、および放射パターンにどのような影響を与えるかにあります。
近傍界測定では、試験距離は一般的に2D²/λ未満（ここでDはアンテナの最大寸法、λは波長）です。例えば、アパーチャが10cmの5GHz帯Wi-Fiアンテナの場合、近傍界に留まるには33cm以内での測定が必要です。この領域では、反応界が支配的なため、信号強度は急速に（しばしば1ディケードあたり-20dBで）減衰します。
遠方界測定は2D²/λ以上から始まり、信号は逆二乗の法則（距離が2倍になるごとに-6dB）に従います。1Wの送信機の場合、10メートルでは-30dBmと測定されるかもしれませんが、20メートルでは-36dBmまで低下します。位相の変動も遠方界では安定し、1波長あたり1°未満の誤差となるため、放射パターンの解析に最適です。
| パラメータ | 近傍界 | 遠方界 |
|---|---|---|
| 距離 | <2D²/λ（例：10cmアンテナ、5GHzで33cm） | ≥2D²/λ（例：同アンテナで33cm超） |
| 信号減衰 | -20dB/ディケード（反応界） | -6dB/距離2倍（放射界） |
| 位相安定性 | 大きな変動（開口部付近で±180°まで） | 安定（1λあたり1°未満の誤差） |
| 用途 | 精密診断、ビームフォーミング調整 | 放射パターン、規制コンプライアンス |
近傍界スキャンは、ロボットプローブや複雑なソフトウェアが必要なため、遠方界試験よりも10〜50倍高コストです。一方、遠方界レンジはオープンエリアテストサイト（OATS）や電波暗室のようなより単純な構成を使用します。しかし、近傍界は5Gフェーズドアレイにとって不可欠なマイクロ波/ミリ波のビーム形状を±0.5dBの精度で捉えることができます。
低周波アンテナ（例：100MHz）の場合、遠方界までの距離は2mのアンテナで40メートルにもなるため、近傍界が唯一の実用的な選択肢となります。対照的に、60GHzアンテナはわずか4cmで遠方界に達するため、試験が簡略化されます。
測定セットアップの違い
近傍界と遠方界のアンテナ試験には、全く異なるハードウェア、ソフトウェア、および環境条件が必要です。最大の要因は距離ですが、それは始まりに過ぎません。近傍界のセットアップには精密ロボット、校正済みプローブ、およびシールドルームが求められるのに対し、遠方界は広々とした空間、高利得な基準アンテナ、および最小限の反射に依存します。
一般的な近傍界スキャナは、±0.1mmの位置決め精度を持つロボットアームを使用して、アンテナ表面を5〜20cm間隔で移動させ、1,000以上のサンプリングポイントで電界（E-field）および磁界（H-field）データをキャプチャします。暗室は反射を60dB以上抑制する必要があり、1平方メートルあたり500〜1,000ドルのコストがかかるフェライトタイルや電波吸収体が必要です。
「近傍界試験はMRIスキャンに似ており、ミリメートル単位の制御が必要です。遠方界は望遠鏡に似ており、明確な見通し（ライン・オブ・サイト）さえあればよいのです。」
一方、遠方界のセットアップでは、電波暗室（サブ6GHz用に10m x 10m x 10m）や屋外テストレンジ（低周波用に100m以上）がよく使われます。基準アンテナは、測定誤差を最小限に抑えるため、被試験デバイス（DUT）よりも10dB以上高い利得を持つ必要があります。28GHzの5Gアンテナには20dBiの利得を持つ標準ホーンアンテナで対応できますが、600MHzの場合は大型のログペリオディックアンテナ（幅5m、1万5000ドル以上）が必要です。
ソフトウェア処理も重要な違いです。近傍界システムはフーリエ変換を使用してサンプリングデータを遠方界パターンに変換し、3〜5%の計算誤差を生じさせます。遠方界測定はこのステップを省略しますが、地面からの反射が抑制されていない場合、マルチパス干渉によって結果が±2dB歪む可能性があります。
コスト面では、近傍界セットアップはロボットアームや電波吸収体が必要なため25万ドル〜100万ドル以上になりますが、遠方界レンジはオープンフィールドを使用する場合5万ドル未満に抑えられます。しかし、ミリ波アンテナ（24〜100GHz）はこれを覆します。その遠方界距離の短さ（30cm程度まで）により、コンパクトな暗室が使用可能となり、コストが削減されます。
データ処理方法
アンテナ測定において、適切な処理を行わなければ生データは無用です。近傍界と遠方界の方法はこれ以上ないほど異なります。近傍界測定からはギガバイト単位の複雑な電界/磁界サンプルが出力され、フーリエ変換、プローブ補正、および位相アンラッピングが必要となります。一方、遠方界データは単純ですが、ノイズや反射に非常に敏感です。
近傍界処理はサンプリング密度から始まります。エリアシングを避けるために波長（λ）あたり少なくとも5点が必要です。28GHzのアンテナの場合、これはプローブ位置間で1.4mm間隔であることを意味します。これを逃すと、ビーム幅の計算誤差が±0.5°から±3°へと跳ね上がります。生データはその後球面波展開（SWE）を通され、アルゴリズムの選択に応じて85〜95%の精度で遠方界パターンに変換されます。
遠方界測定は重い数学的処理をスキップしますが、環境誤差に直面します。試験アンテナと基準ホーンの間の2°のズレは、±1.5dBの利得誤差を引き起こす可能性があります。地面の反射は、時間領域ゲーティングを使用してフィルタリングしない限り、1〜3GHzの周波数でさらに±3dBのリップルを加えます。偏波純度試験では、-25dB以下の交差偏波レベルを扱うため、精度を維持するためには処理側で0.1%のノイズ混入を排除しなければなりません。
計算負荷も大きく異なります。60GHzの256素子フェーズドアレイの近傍界処理には、主に行列反転に費やされ、32コアのワークステーションで8〜12時間かかります。遠方界のポスト処理はより高速ですが（1周波数ポイントあたり1分未満）、ノイズを抑制するために10〜20回の平均化が必要となり、試験時間が延びます。
校正誤差も異なった形で累積します。近傍界システムは±0.3dBのプローブ位置決め誤差に悩まされますが、遠方界セットアップは8時間の試験中における±1dBのシステム利得ドリフトと戦います。アンテナ効率を測定する場合、近傍界データにおける2%の誤差は、積分計算の性質上5〜8%の誤った効率値につながる可能性があります。
一般的なユースケース
近傍界と遠方界のどちらのアンテナ試験を選ぶかは、「どちらが優れているか」ではなく、「どちらが特定の課題をより速く、安く、正確に解決できるか」という問題です。近傍界は小型アンテナに対してマイクロ波レベルの精度が必要な場合に優勢であり、遠方界は大型システムの実際の性能検証に優れています。
5Gミリ波フェーズドアレイ（24〜100GHz）の場合、遠方界距離がわずか4〜30cmに短縮されるため、近傍界が唯一の実用的な選択肢です。77GHzの車載レーダーアンテナはこの方法で試験され、ロボットスキャナが256素子全体にわたって±0.5dBのビームパターンを2時間以内にキャプチャします。衛星通信用パラボラアンテナ（直径1〜2m、12〜18GHz）も、3dBのサイドローブ劣化を引き起こしうる0.1mm程度の表面変形を検証するために近傍界を使用します。
遠方界試験は、遠方界距離が5〜50mに及ぶセルラー基地局アンテナ（600MHz〜6GHz）の領域です。通信事業者はオープンエアレンジでセクターカバレッジパターンを検証し、±1°の精度で65°の水平ビーム幅を測定します。Wi-Fiルーター（2.4/5GHz）は、通常無指向性パターンであるため、360°にわたって3dB未満のリップルがあるかを遠方界で確認するだけでよいため、近傍界をスキップします。
| アンテナタイプ | 周波数 | 最適な方法 | 主な測定項目 | 許容誤差 | 試験時間 |
|---|---|---|---|---|---|
| 5Gミリ波アレイ | 28/39GHz | 近傍界 | ビームステアリング ±30° | ±0.5dB 利得 | 1〜3時間 |
| 衛星パラボラアンテナ | 12〜18GHz | 近傍界 | 表面精度 | 0.1mm RMS | 4〜8時間 |
| セルラーマクロ基地局 | 700MHz〜3.5GHz | 遠方界 | 65° HPBW | ±1° | 30分 |
| Wi-Fi 無指向性 | 2.4/5GHz | 遠方界 | 360°カバレッジ | <3dB リップル | 15分 |
| 車載レーダー | 77GHz | 近傍界 | 256素子位相 | ±2° | 2時間 |
コストとロジスティクスが多くの決定を左右します。近傍界は50万ドル以上の暗室が必要ですが、遠方界距離が極めて短い60GHz帯アンテナなどではコストを節約できます。遠方界は、50mの近傍界レンジを構築することが現実的ではないサブ6GHz帯のマッシブMIMOにおいて有利です。軍用レーダーはハイブリッドアプローチを使用しており、AESA校正に近傍界を使用し、その後10kmの距離で遠方界レンジ検証を行います。
新技術は境界を曖昧にしています。コンパクトアンテナテストレンジ（CATR）は、放物面鏡を使用して5mの暗室で遠方界条件をシミュレートし、28GHzのビームフォーミングアレイの試験時間を60%短縮しています。一方、RFプローブを搭載したドローンは、以前は高価なタワーが必要だった航空用アンテナの迅速な遠方界チェックを可能にしています。
