JP2005127897A - ファイバ電磁界センサ - Google Patents

Abstract

【課題】電池などにより動作時間を制限されることなく、広帯域にわたり電磁界を測定することができるファイバ電磁界センサを提供する。
【解決手段】ファラデー効果を有する電流検出ファイバ１２に偏光板１３から入射された直線偏波光に対して第１、第２のアンテナエレメント１、３から終端抵抗１５に流れる電流によって発生する磁界を印加することで、直線偏波光の位相角を変化させ、この直線偏波光を検光子１４で２つの直交偏波に分離し、それぞれフォトダイオード１８で電気信号として出力し、この２つの電気信号の位相角をアンテナエレメントで受信した電磁界に比例する信号として位相検出部１７で検出して出力する。
【選択図】図１

Description

本発明は、電磁界を検出するファイバ電磁界センサに関する。

例えば、電子機器ながから発生する不要電磁波がテレビ、ラジオなどの放送受信機に影響を与える電磁障害、すなわちＥＭＩ（Electromagnetic Interference）を正確に測定するには、オープンサイト、電波暗室などの測定設備が必要であり、またこれらの特性を評価するために標準的な電磁波の放射および受信を行なうことも必要である。

電磁波の送信・受信用アンテナとして、光ファイバを信号線に用いた広帯域球状ダイポールアンテナが提案されている。このアンテナは、２つの半球状のアンテナエレメントを有し、このアンテナエレメント内に光／電気（Ｏ／Ｅ）変換器または電気／光（Ｅ／Ｏ）変換器、駆動電源、増幅器などを備えることにより、電磁波の放射または受信を実現している（例えば、非特許文献１参照）。

図４は、この種の従来の球状ダイポールアンテナの構造を具体的に示す断面図である。この従来の球状ダイポールアンテナは、互いに対向する中空部を有する半球状の第１および第２のアンテナエレメント５１、５３を有する。また、この第１、第２のアンテナエレメント５１、５３の半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように導電体からなる円盤部５２、５４がそれぞれ設けられ、一方の円盤部５２の中央部が図では下方に突出して中心導体５５を構成し、この中心導体５５が他方の円盤部５４の中心部を貫通して延出している。この中心導体５５の周囲および円盤部５２、５４の対向面の間は絶縁物を充填され、これにより第１、第２のアンテナエレメント５１、５３を一体的に構成している。なお、円盤部５２、５４の対向面は、中心から外周に向かって傾斜するテーパ状に形成されている。

また、第２のアンテナエレメント５３の中空部内においては、光／電気（Ｏ／Ｅ）変換器５９およびこのＯ／Ｅ変換器５９に動作電圧を供給すべくＯ／Ｅ変換器５９に接続された電池からなる電源５８が設けられ、Ｏ／Ｅ変換器５９は、第１のアンテナエレメント５１と第２のアンテナエレメント５３との間に中心導体５５、円盤部５２、５４を介して接続されている。

また、Ｏ／Ｅ変換器５９は、光ファイバケーブル５７を介して外部に設けられた電気／光（Ｏ／Ｅ）変換器６１に接続され、このＥ／Ｏ変換器６１から更に発振器６２に接続されている。そして、発振器６２から出力される電気信号は、Ｅ／Ｏ変換器６１により光信号に変換され、光ファイバケーブル５７を介してＯ／Ｅ変換器５９に供給され、電気信号として中心導体５５、円盤部５２、５４を介して第１、第２のアンテナエレメント５１、５３に印加され、電磁波を放射するようになっている。

また、図４に示す従来の球状ダイポールアンテナにおいて、Ｏ／Ｅ変換器５９をＥ／Ｏ変換器とし、Ｅ／Ｏ変換器６１をＯ／Ｅ変換器とし、発振器６２を電気信号測定器とし、第１、第２のアンテナエレメント５１、５３に受信し、Ｅ／Ｏ変換器に電圧として印加される電磁波を光信号に変換し、この光信号を光ファイバケーブル５７を介してＯ／Ｅ変換器に供給し、このＯ／Ｅ変換器から出力される電気信号のレベルを電気信号測定器で測定することにより電磁波強度を測定することができる。

このように構成され作用する球状ダイポールアンテナにおいては、円盤部５２、５４の対向面に形成されたテーパ部は、第１、第２のアンテナエレメント５１、５３間に電気信号を印加した場合の駆動点インピーダンスと空間の特性インピーダンスを緩やかに変化させ、Ｏ／Ｅ変換器の出力インピーダンスと空間の特性インピーダンスとの整合を良くするため、第１、第２のアンテナエレメント５１、５３における共振現象を抑制でき、広帯域にわたる電磁放射および測定を実現している。
「光／電気変換器を用いた球状ダイポールアンテナ」村川、桑原、雨宮；電子情報通信学会論文誌 B-II Vol. J74-B-II No,12, pp.699-706（1991年12月）

上述した従来の球状ダイポールアンテナは、Ｏ／Ｅ変換器５９に動作電圧を供給する電源として電池を使用しているため、電池の寿命により連続動作時間が制限されるという問題がある。

本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電池などにより動作時間を制限されることなく、広帯域にわたり電磁界を測定することができるファイバ電磁界センサを提供することにある。

請求項１記載の本発明のファイバ電磁界センサは、電磁波を受信する第１および第２のアンテナエレメントと、この第１および第２のアンテナエレメント間を終端する終端抵抗と、光を発生する光源と、この光源からの光を２つの直交する直線偏波光にする偏光手段と、この偏光手段からの直線偏波光を入射され、この入射された直線偏波光に対して前記終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加して直線偏波光の位相角を変化させるファラデー効果を有する電流検出ファイバと、前記磁界により位相角を変化させられて電流検出ファイバから出射される直線偏波光を２つの直交偏波に分離する検光子と、この検光子から出射される２つの直交偏波を検波し、電気信号としてそれぞれ出力する光電気変換手段と、この光電気変換手段から出力される２つの電気信号の位相角を検出する位相検出手段とを有することを要旨とする。

請求項２記載の本発明のファイバ電磁界センサは、前記第１および第２のアンテナエレメントが、互いに対向する中空部を有する半球状であり、この半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように円盤部を有し、この円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっていることを要旨とする。

請求項３記載の本発明のファイバ電磁界センサは、前記光源は、レーザ光源であり、前記光電気変換手段が、フォトダイオードであることを要旨とする。

請求項４記載の本発明のファイバ電磁界センサは、前記終端抵抗、偏光手段、電流検出ファイバおよび検光子を前記第１および第２のアンテナエレメントの中空部に収容するように構成したことを要旨とする。

本発明によれば、ファラデー効果を有する電流検出ファイバに入射された直線偏波光に対して第１、第２のアンテナエレメントから終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加することで、直線偏波光の位相角を変化させ、この直線偏波光を検光子で２つの直交偏波に分離し、それぞれ光電気変換手段で電気信号として出力し、この２つの電気信号の位相角をアンテナエレメントで受信した電磁界に比例する信号として位相検出手段で検出して出力するので、電池などの電源を使用することなく、かつ電流検出ファイバなどの光ファイバを用いることで測定対象の電磁界を乱すことなく、電磁界を検出することができ、電池の動作時間の制限を受けることがない。

本発明によれば、第１および第２のアンテナエレメントは中空部を有する半球状であり、中空部の開口部を閉塞する円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっているので、アンテナエレメントにおける共振現象を抑制でき、広帯域周波数特性を有し、広帯域にわたる電磁界の測定を行なうことができる。

以下、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態（以下、実施形態と称する）を説明する。

（第１の実施形態）
図１（ａ）は、本発明の第１の実施形態に係るファイバ電磁界センサの原理を示す構成図である。同図に示すファイバ電磁界センサは、電磁波を受信する第１および第２のアンテナエレメント１、３を有し、この第１、第２のアンテナエレメント１、３の間は、終端抵抗１５で終端されている。

この第１、第２のアンテナエレメント１、３間を終端抵抗１５で接続すべく第１のアンテナエレメント１から終端抵抗１５に延びている電気配線２５には、ファラデー効果を有する電流検出ファイバ１２が交差するように設けられている。

この電流検出ファイバ１２と終端抵抗１５への電気配線２５との関係は、図１（ｂ）に拡大して示すように、電気配線２５に対して電流検出ファイバ１２を例えば２〜３回、巻回させて交差させ、電気配線２５に流れる電流によって発生する磁界を電流検出ファイバ１２に印加するようになっている。

ファラデー効果を有する電流検出ファイバ１２は、当該電流検出ファイバ１２に後述するように入射された直線偏波光に対して電気配線２５を介して第１、第２のアンテナエレメント１、３から終端抵抗１５に流れる電流Ｉによって発生する磁界Ｈを印加すると、この磁界の強度に応じて前記直線偏波光の位相角を変化させるようになっている。従って、後述するように、この位相角を検出すると、この位相角から磁界の強度、延いては終端抵抗１５に流れる電流、すなわち第１、第２のアンテナエレメント１、３で受信した電磁波、換言すると、電磁界の強度を検出することができるものである。

図１（ａ）に戻って、電流検出ファイバ１２の一端には偏光手段である偏光板１３が接続され、この偏光板１３は光ファイバケーブル７を介してレーザ光源１６に接続されている。また、電流検出ファイバ１２の他端には検光子１４が接続され、この検光子１４は光ファイバケーブル７を介して光電気変換手段である２個のフォトダイオード１８が接続され、このフォトダイオード１８は更に位相検出手段である位相検出部１７に接続されている。

偏光板１３は、レーザ光源１６からのレーザ光を２つの直交する直線偏波光にし、この直線偏波光を電流検出ファイバ１２の一端から入射させるようになっている。電流検出ファイバ１２は、偏光板１３から直線偏波光を入射されるとともに、また上述したように終端抵抗１５に流れる電流によって電気配線２５から発生する磁界を印加されると、この磁界に応じて直線偏波光の位相角を変化させる。

この位相角の変化させられて電流検出ファイバ１２から出射される直線偏波光は、検光子１４で２つの直交偏波に分離され、２個のフォトダイオード１８に供給される。フォトダイオード１８は、検光子１４からの２つの直交偏波を検波し、電気信号として位相検出部１７に供給する。位相検出部１７は、２個のフォトダイオード１８から出力される２つの電気信号の位相角を検出する。この位相角は、測定対象の電磁界、すなわち上述したように、第１、第２のアンテナエレメント１、３で受信した電磁界の比例するものであるため、この位相角から当該電磁界の強度を計測することができる。

次に、以上のように構成されるファイバ電磁界センサの作用について説明する。レーザ光源１６からのレーザ光は光ファイバケーブル７を介して偏光板１３に伝達され、偏光板１３に入射する。このレーザ光は、偏光板１３で２つの直交する直線偏波光にされ、電流検出ファイバ１２の一端から入射され、電流検出ファイバ１２を一端から他端に向かって伝搬される。なお、この電流検出ファイバ１２は、図１（ｂ）に示すように第１、第２のアンテナエレメント１、３を終端抵抗１５に接続している終端抵抗１５に交差している。

このように電流検出ファイバ１２に直線偏波光が入射されて伝搬されている状態において、第１、第２のアンテナエレメント１、３が電磁波を受信すると、この電磁波により第１、第２のアンテナエレメント１、３間に電気配線２５、終端抵抗１５を介して電流が流れ、電気配線２５の周囲に磁界が発生する。従って、この磁界は、電気配線２５に交差している電流検出ファイバ１２を伝搬されつつある直線偏波光の位相角を該磁界の強度に応じて変化させる。

この電流検出ファイバ１２を伝達しつつある状態において位相角の変化させられた直線偏波光は、電流検出ファイバ１２の他端から出射すると、検光子１４に入射する。検光子１４は、電流検出ファイバ１２からの直線偏波光を２つの直交偏波に分離し、光ファイバケーブル７を介して２個のフォトダイオード１８に供給する。２個のフォトダイオード１８は、検光子１４からの２つの直交偏波を検波し、それぞれ電気信号として位相検出部１７に供給する。位相検出部１７は、２個のフォトダイオード１８から供給される２つの電気信号の位相角を第１、第２のアンテナエレメント１、３で受信した電磁界の強度として検出する。なお、図１では、図示していないが、この位相検出部１７で検出した位相角を電磁界の強度として変換して出力する回路手段を位相検出部１７の出力に接続してもよいし、または位相検出部１７自身において検出した位相角を電磁界の強度として出力するようになっていてもよいものである。

（第２の実施形態）
次に、図２を参照して、本発明の第２の実施形態に係るファイバ電磁界センサについて説明する。図２は、図１に示すファイバ電磁界センサを具体的な構成として示すファイバ電磁界センサの断面図であり、同じ構成要素には同じ符号を付している。

図２に示す実施形態のファイバ電磁界センサは、図１に示すファイバ電磁界センサにおいて第１、第２のアンテナエレメント１、３を互いに対向する中空部を有する半球状の第１、第２のアンテナエレメント１０、３０にするとともに、この半球状の第１、第２のアンテナエレメント１０、３０の中空部１０ａ、３０ａの互いに対向する開口部に該開口部を閉塞するように導電体からなる円盤部２、４を設け、この円盤部２、４の対向面を中心から外周に向かって傾斜するテーパ面２ａ、４ａとして形成し、更に一方の円盤部２の中空部を図２では下方に突出させて導電体からなる中心導体５を構成し、この中心導体５を他方の円盤部４の中心部を貫通して延出させ、この中心導体５の周囲および円盤部２、４の対向面の間を電気的な絶縁物６を充填して、第１、第２のアンテナエレメント１０、３０を一体的に構成している点が図１に示すファイバ電磁界センサと異なるものであり、その他の構成および作用は同じである。

また、本実施形態のファイバ電磁界センサでは、偏光板１３、検光子１４、電流検出ファイバ１２、終端抵抗１５を第２のアンテナエレメント３０の半球状の中空部３０ａ内に収容するとともに、これらの構成要素のうち終端抵抗１５を除く全くの構成要素を光学系で実現し、電気回路系を除去し、また従来のように動作電圧用の電池などからなる電源を排除し、電池の寿命による動作時間の制限を受けることなく、作動し得るようになっている。

なお、終端抵抗１５は、中心導体５の下端部、詳しくは、この下端部の円状に広がった円板部と円盤部４との間に接続されているが、中心導体５は円盤部２を介して第１のアンテナエレメント１０に電気的に接続され、円盤部４は第２のアンテナエレメント３０に接続されているので、終端抵抗１５は、第１、第２のアンテナエレメント１０、３０の間に接続され、両者間を終端しているものである。

更に、第１、第２のアンテナエレメント１０、３０の中空部１０ａ、３０ａの開口部を閉塞している円盤部２、４の対向する面がテーパ面２ａ、４ａとして形成されているので、第１、第２のアンテナエレメント５１、５３における共振現象を抑制でき、広帯域周波数特性を有し、広帯域にわたる電磁界の測定を行なうことができるようになっている。

このように構成されるファイバ電磁界センサにおいては、レーザ光源１６からのレーザ光は光ファイバケーブル７を介して偏光板１３に伝達され、偏光板１３に入射する。このレーザ光は、偏光板１３で２つの直交する直線偏波光にされ、利検出ファイバ１２に一端から入射され、電流検出ファイバ１２を一端から他端に向かって伝搬される。

電流検出ファイバ１２に偏光板１３からの直線偏波光が入射され伝搬されている状態において、第１、第２の半球状のアンテナエレメント１０、３０が電磁波を受信すると、この電磁波により第１、第２のアンテナエレメント１０、３０間に電気配線２５、終端抵抗１５を介して電流が流れ、この電流により電気配線２５の周囲に磁界が発生する。この磁界は、電気配線２５に交差している電流検出ファイバ１２を伝搬されつつある直線偏波光の位相角を該磁界の強度に応じて変化させる。

この電流検出ファイバ１２を伝搬されつつある状態において位相角の変化させられた直線偏波光は、電流検出ファイバ１２を伝搬して他端から出射すると、検光子１４に入射する。検光子１４は、電流検出ファイバ１２からの直線偏波光を２つの直交偏波に分離し、光ファイバケーブル７を介して２個のフォトダイオード１８に供給する。２個のフォトダイオード１８は、検光子１４からの２つの直線偏波を検波し、それぞれ電気信号として位相検出部１７に供給する。位相検出部１７は、２個のフォトダイオード１８から供給される２つの電気信号の位相角を第１、第２のアンテナエレメント１、３で受信した電磁界の強度として検出し出力する。

（第３の実施形態）
図３を参照して、本発明の第３の実施形態に係るファイバ電磁界センサについて説明する。図３に示す実施形態のファイバ電磁界センサは、図２に示した実施形態のファイバ電磁界センサにおいて、レーザ光源１６と偏光板１３との間の接続、フォトダイオード１８と検光子１４との間の接続を行なっていた３本の個別の光ファイバケーブル７の代わりにバンドルファイバ１９で構成した点が異なるのみであり、その他の構成および作用は図２と同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付している。

バンドルファイバ１９は、複数本のファイバを束ね、その両端を例えば端末金具で結合したり、接着などしたものであり、両端は固定されるが、中間部はフレキシビリティが保たれ、空間自由度を保持することができるものである。本実施形態では、バンドルファイバ１９で束ねられた複数本のファイバのうち３本を使用している。

本発明の第１の実施形態に係るファイバ電磁界センサの原理を示す構成図を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係るファイバ電磁界センサの原理を示す構成図を示す断面図である。 本発明の第３の実施形態に係るファイバ電磁界センサの原理を示す構成図を示す断面図である。 従来の球状ダイポールアンテナの構造を具体的に示す断面図である。

符号の説明

１、３ 第１、第２のアンテナエレメント
２、４ 円盤部
２ａ、４ａ テーパ面
５ 中心導体
１０、３０ 第１、第２の半球状のアンテナエレメント
１０ａ、３０ａ 中空部
１２ 電流検出ファイバ
１３ 偏光板
１４ 検光子
１５ 終端抵抗
１６ レーザ光源
１７ 位相検出部
１８ フォトダイオード
１９ バンドルファイバ

Claims (4)

1. 電磁波を受信する第１および第２のアンテナエレメントと、
   この第１および第２のアンテナエレメント間を終端する終端抵抗と、
   光を発生する光源と、
   この光源からの光を２つの直交する直線偏波光にする偏光手段と、
   この偏光手段からの直線偏波光を入射され、この入射された直線偏波光に対して前記終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加して直線偏波光の位相角を変化させるファラデー効果を有する電流検出ファイバと、
   前記磁界により位相角の変化をさせられて電流検出ファイバから出射される直線偏波光を２つの直交偏波に分離する検光子と、
   この検光子から出射される２つの直交偏波を検波し、電気信号としてそれぞれ出力する光電気変換手段と、
   この光電気変換手段から出力される２つの電気信号の位相角を検出する位相検出手段と
   を有することを特徴とするファイバ電磁界センサ。
2. 前記第１および第２のアンテナエレメントは、互いに対向する中空部を有する半球状であり、この半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように円盤部を有し、この円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっていることを特徴とする請求項１記載のファイバ電磁界センサ。
3. 前記光源は、レーザ光源であり、前記光電気変換手段は、フォトダイオードであることを特徴とする請求項１または２記載のファイバ電磁界センサ。
4. 前記終端抵抗、偏光手段、電流検出ファイバおよび検光子を前記第１および第２のアンテナエレメントの中空部に収容するように構成したことを特徴とする請求項２または３記載のファイバ電磁界センサ。

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