JP2007064814A - 電界センサ、電界センサシステム - Google Patents

Abstract

【課題】小型で高感度の電界センサを実現する。
【解決手段】棒状フェライト１に、互いに巻き数の異なる複数のインダクタＬ１〜Ｌ４を巻き付け、これらインダクタと共に複数のフィルタ回路を形成する複数のキャパシタＣ１〜Ｃ５とで電界センサを構成し、これら複数のフィルタ回路の濾波出力をセンサ出力として導出する。このような構成によれば、中波帯を中心とする広い帯域において、小型で感度の高い電界センサが得られる。
【選択図】 図１

Description

本発明は電界センサ、電界センサシステムに関し、特に電波を発射する送信アンテナ周辺における電界強度測定装置に用いられる電界センサ、電界センサシステムに関する。

一般に、中波帯に相当する周波数帯における電界強度測定には、図６に示されているような電界センサを利用する。同図において、電界センサは、垂直ロッドアンテナ６１と、接地板６２とを含んで構成されている。
垂直ロッドアンテナ６１の長さと接地板６２の長さとは、電界センサの感度に直接関係し、共振周波数以下で、感度は、ほぼ長さに比例する。実用的に、垂直ロッドアンテナの長さ６１、接地板６２の各辺の長さは、１ｍ前後である。

電界センサの出力側には、フィーダ線６３、増幅器６４が設けられている。増幅器６４は、電界センサの出力インピーダンスを、出力端子６４ａ、６４ｂに接続される測定器（図示せず）の入力インピーダンスに整合させるために設けられている。また、フィーダ線６３は、垂直ロッドアンテナ６１または接地板６２に流れる高周波電流に干渉を与えないように設けられている。

ところで、特許文献１には、アンテナ構造体における共振周波数を調整するために、インダクタの両端部にキャパシタを複数個並列に取り付けた構成が記載されている。
特開２００４−１９１３６２号公報（図１５）

屋外での電界強度の測定評価を実施する場合、電界センサの寸法は、できる限り小さくする必要がある。したがって、寸法が小さくても、高感度の中波帯電界センサの実現が望まれている。このような電界センサは、特許文献１に記載の技術を用いても実現することはできない。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は小型で高感度の電界センサ、電界センサシステムを提供することである。

本発明の請求項１による電界センサは、棒状磁性体と、前記棒状磁性体に巻き付けられ互いに巻き数の異なる複数のインダクタと、前記複数のインダクタに対応して設けられ対応するインダクタと共に複数のフィルタ回路を形成する複数のキャパシタとを含み、前記複数のフィルタ回路の濾波出力をセンサ出力として導出するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、中波帯を中心とする広い帯域において、小型で感度の高い電界センサが得られる。

本発明の請求項２による電界センサは、請求項１において、前記複数のインダクタは第１のインダクタから第Ｎ（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のインダクタからなり、前記複数のキャパシタは第１のキャパシタから第Ｎ＋１のキャパシタからなり、これらインダクタ及びキャパシタによって低域通過型フィルタ回路を形成し、前記第１のキャパシタの両端から前記センサ出力を導出するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、中波帯を中心とする広い帯域において、小型で感度の高い電界センサが得られる。

本発明の請求項３による電界センサは、請求項１において、前記複数のインダクタは第１のインダクタから第Ｎ＋１のインダクタからなり、前記複数のキャパシタは第１のキャパシタから第Ｎのキャパシタからなり、これらインダクタ及びキャパシタによって高域通過型フィルタ回路を形成し、前記第１のインダクタの両端から前記センサ出力を導出するようにしたことを特徴とする。このような構成によれば、中波帯を中心とする広い帯域において、小型で感度の高い電界センサが得られる。

本発明の請求項４による電界センサは、請求項１から請求項３までのいずれか１項において、前記棒状磁性体並びに前記複数のインダクタ及び前記複数のキャパシタを覆う非導電性カバーを更に含むことを特徴とする。こうすることにより、電界センサの機械的強度を保持できる。
本発明の請求項５による電界センサは、請求項１から請求項４までのいずれか１項において、前記センサ出力を増幅する増幅器を更に含むことを特徴とする。このような構成によれば、増幅器の利得を適切に設定することにより、フィーダ線等による損失を補償できる。

本発明の請求項６による電界センサシステムは、互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸に沿ってそれぞれ設けられた請求項１から請求項５までのいずれか１項の電界センサと、それら電界センサの直交状態を保持する固定具とを含むことを特徴とする。このように電界センサシステムを構成することにより、２次元的又は３次元的な等方性を得ることができる。

以上説明したように本発明は、棒状磁性体に巻き付けられ互いに巻き数の異なる複数のインダクタと、これらに対応して設けた複数のキャパシタとによって複数のフィルタ回路を形成し、その濾波出力をセンサ出力として導出する構成を採用することにより、中波帯域において小型で高感度の等方性電界センサを実現できるという効果がある。
また、互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸それぞれに沿って上記電界センサを設け、それら電界センサの直交状態を固定具で保持することにより、２次元的又は３次元的な等方性電界センサシステムを実現できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（電界センサ）
本発明による電界センサは、棒状磁性体と、この棒状磁性体に巻き付けられ互いに巻き数の異なる複数のインダクタと、それら複数のインダクタに対応して設けられ対応するインダクタと共に複数のフィルタ回路を形成する複数のキャパシタとを用いて構成され、複数のフィルタ回路の濾波出力をセンサ出力として導出する。
棒状磁性体には、例えば棒状フェライトを用いることができる。そして、この棒状フェライトを巻き軸としている複数のインダクタを基本に共振回路を構成する。このような構成により、中波帯を中心とする広い帯域において、小型で感度の高い電界センサを提供できる。

（第１の実施形態）
図１は、本発明の第１の実施形態による電界センサの構成を示す図である。同図において、第１の実施形態による電界センサは、円柱形状の棒状フェライト１と、４個に分割されたインダクタＬ１〜Ｌ４と、これらに対応する５個のキャパシタ（コンデンサ）Ｃ１〜Ｃ５とを含んで構成され、キャパシタＣ１に出力端子が接続されている。つまり、この電界センサは、第１のインダクタＬ１から第４のインダクタＬ４と、第１のキャパシタＣ１から第５のキャパシタＣ５とを含み、これらインダクタ及びキャパシタによって低域通過型フィルタ回路を形成し、第１のキャパシタＣ１の両端に設けられている出力端子６４ａ、６４ｂからセンサ出力を導出する構成である。なお、インダクタＬ１〜Ｌ４は、互いに巻き数が異なるものとする。

このような構成において、棒状フェライト１の透磁率を大きくすることにより、棒状フェライト１中の磁束密度Ｂは、空間における中波帯電磁界の磁束密度Ｂ₀より大きくなる。ここで、棒状フェライト１の比透磁率がμ_rであれば、磁束密度Ｂは式（１）のようになる。
Ｂ＝μ_rＢ₀ …（１）

したがって、インダクタＬ１〜Ｌ４の両端電圧Ｖは、棒状フェライト１の挿入により大きくすることができる。さらに、インダクタＬ１〜Ｌ４とこれに接続されたキャパシタＣ１〜Ｃ５とによって共振を生じさせることにより、インダクタ両端の電圧Ｖは、式（２）のように、共振のＱ値に比例して大きくなる。
Ｖ∝Ｑμ_rＢ₀ …（２）
これにより、中波帯においても、小さな形状で高い感度の電界センサを実現できる。

広い周波数帯域で、高い感度を得るために、本例では、巻数の異なる複数のインダクタを、１本の棒状フェライトに巻き付けた構成を採用している。図１の実施形態では、第１のインダクタＬ１から第４のインダクタＬ４まで、４個のインダクタを用いている。これら複数のインダクタと複数のキャパシタは、周知の低域通過フィルタ回路と等価である。一般的な低域通過フィルタ回路の設計手法により、周波数帯域幅の設計を行えば、広帯域にわたり、高感度の電界センサを実現できる。例えば、１００ＫＨｚから３０ＭＨｚで使用する場合は、遮断周波数が３０ＭＨｚとなるように、設計する。

（第２の実施形態）
図２は、本発明の第２の実施形態による電界センサの構成を示す図である。同図において、本実施形態では、複数のインダクタＬ１〜Ｌ４が１本の棒状フェライト１に巻き付けられ、複数のキャパシタＣ１〜Ｃ３と共にフィルタ回路が構成されている。本実施形態の電界センサが第１の実施形態の電界センサと異なる点は、インダクタとキャパシタとが高域通過フィルタ回路を構成している点である。そして、本実施形態では、インダクタＬ１の両端に設けられている出力端子６４ａ、６４ｂからセンサ出力を導出する。
一般的な高域通過フィルタ回路の設計法により、周波数帯域幅の設計を行えば、広帯域にわたり、高感度の電界センサを実現できる。例えば、１００ＫＨｚから３０ＭＨｚで使用する場合は、遮断周波数が１００ＭＨｚとなるように、設計する。

（第３の実施形態）
図３は、本発明の第３の実施形態による電界センサの構成を示す図である。同図において、本実施形態では、電界センサの出力端子６４ａ、６４ｂに増幅器２を接続し、出力端子６４ａ’、６４ｂ’からセンサ出力を導出する構成になっている。
増幅器２の利得は、電界センサと増幅器２との間のフィーダ線の損失を補償できるように設定する。第１及び第２の実施形態の電界センサの出力インピーダンスは高いので、増幅器２の入力インピーダンスは、この出力インピーダンスに整合するように設計する。
これにより、損失の大きな長いフィーダ線を使用しても、高い感度の電界センサを実現できる。さらに、増幅器２の入出力間は、高いアイソレーション特性を有するので、空間の電磁界によりフィーダ線に生じた高周波電流は、インダクタやキャパシタに流れることがない。このため、フィーダ線が電界センサに与える影響を小さくできる効果も有する。

（第４の実施形態）
図４は、本発明の第４の実施形態による電界センサの構成を示す図である。同図において、本実施形態では、上記の電界センサ１０を保護するための非導電性保護カバー３と、出力端子６４ａ、６４ｂを含む接栓５とから構成する。
非導電性保護カバー３は、比誘電率４以下、誘電正接０．００４以下であれば、指向特性や感度に与える影響を無視できる。具体的には、ガラス繊維プラスチック（ＦＲＰ）やアクリル樹脂を利用できる。このような構造により、機械的強度を保持できる。また、屋外環境で利用した時にも、温度や湿度によりスリーブ部や放射部を構成する部品の劣化を防げる。

（電界センサシステム）
図５は、本発明による電界センサシステムの構成例を示す図である。本例の電界センサシステムは、第４の実施形態による電界センサである電界センサ１０ｘ、１０ｙと、これら電界センサ１０ｘ、１０ｙを互いに直交して配置した状態を維持するための固定具である直交固定治具４とを含んで構成されている。
第１の実施形態から第４の実施形態までの電界センサの指向特性は、ダイポールアンテナと類似の指向特性を有する。屋外での電界強度測定の場合、電波の到来方向は、未知なので、電界センサの指向特性は、等方性であることが望ましい。

直交固定治具４は、保持する２つの直交軸として、本例ではｘ軸とｙ軸とを持つ。そして、一方の電界センサの長手方向をｘ軸と並行に（つまりｘ軸方向に沿って）配置し、もう一方の電界センサの長辺をｙ軸と並行に（つまりｙ軸方向に沿って）配置する。ｘ軸用電界センサ１０ｘの出力は出力端子６４ａｘ、６４ｂｘから導出し、ｙ軸用電界センサ１０ｙの出力は出力端子６４ａｙ、６４ｂｙから導出する。
ｘ軸用電界センサの出力電圧がＶ_x、ｙ軸用電界センサの出力がＶ_yの時、総合の出力電圧Ｖは、式（３）のようになる。
Ｖ²＝Ｖ_x ²＋Ｖ_y ² …（３）

この式（３）中のＶを電界強度値Ｅに変換すれば、ｘｙ面について指向特性は、等方性となる。出力電圧Ｖから電界強度Ｅへの変換係数は、標準アンテナを用いた置換法により求める。すなわち、感度が既知のアンテナを用いて、このアンテナと被測定アンテナ（ここでは電界センサ）とを相互に置き換えて、相対的な感度を導出する方法により、上記変換係数を求める。

なお、直交固定治具４は合成樹脂等によって成型することによって作成する。
ところで、第３の直交軸としてｚ軸に沿って固定された電界センサを追加して設け、３つの電界センサからの出力電圧を合成すれば、３次元的な等方性を得ることもできる。すなわち、互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸に沿って上記の電界センサを設け、それら電界センサの直交状態を固定具で保持することによって、電界センサシステムを実現することができる。

（まとめ）
本発明によれば、棒状磁性体に巻き付けられ互いに巻き数の異なる複数のインダクタと、これらに対応して設けた複数のキャパシタとによって複数のフィルタ回路を形成し、その濾波出力をセンサ出力として導出する構成を採用することにより、中波帯域において小型で高感度の等方性電界センサを実現できる。
一般の生活環境において、到来する電波の周波数は、中波帯からマイクロ波帯の周波数まで非常に広い。本発明の電界センサとＶＨＦ帯やマイクロ波帯の電界センサとを組み合わせることにより、実際の生活環境における総合的な電界強度の測定が可能となる。

本発明は、広帯域（広い周波数範囲）で指向特性が等方性である電界センサとして利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電界センサを示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電界センサを示す図である。 本発明の第３の実施形態に係る電界センサを示す図である。 本発明の第４の実施形態に係る電界センサを示す図である。 本発明に係る電界センサシステムを示す図である。 従来の電界センサの構成例を示す図である。

符号の説明

１ 棒状フェライト
２、６４ 増幅器
３ 非導電性保護カバー
４ 直交固定治具
５ 接栓
１０ 電界センサ
１０ｘ ｘ軸用電界センサ
１０ｙ ｙ軸用電界センサ
６１ 垂直ロッドアンテナ
６２ 接地板
６３ フィーダ線
６４ 増幅器
６４ａ、６４ｂ、６４ａｘ、６４ｂｘ、６４ａｙ、６４ｂｙ 出力端子
Ｃ１〜Ｃ５ キャパシタ
Ｌ１〜Ｌ４ インダクタ

Claims (6)

1. 棒状磁性体と、前記棒状磁性体に巻き付けられ互いに巻き数の異なる複数のインダクタと、前記複数のインダクタに対応して設けられ対応するインダクタと共に複数のフィルタ回路を形成する複数のキャパシタとを含み、前記複数のフィルタ回路の濾波出力をセンサ出力として導出するようにしたことを特徴とする電界センサ。
2. 前記複数のインダクタは第１のインダクタから第Ｎ（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のインダクタからなり、前記複数のキャパシタは第１のキャパシタから第Ｎ＋１のキャパシタからなり、これらインダクタ及びキャパシタによって低域通過型フィルタ回路を形成し、前記第１のキャパシタの両端から前記センサ出力を導出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電界センサ。
3. 前記複数のインダクタは第１のインダクタから第Ｎ＋１のインダクタからなり、前記複数のキャパシタは第１のキャパシタから第Ｎのキャパシタからなり、これらインダクタ及びキャパシタによって高域通過型フィルタ回路を形成し、前記第１のインダクタの両端から前記センサ出力を導出するようにしたことを特徴とする請求項１記載の電界センサ。
4. 前記棒状磁性体並びに前記複数のインダクタ及び前記複数のキャパシタを覆う非導電性カバーを更に含むことを特徴とする請求項１から請求項３までのいずれか１項に記載の電界センサ。
5. 前記センサ出力を増幅する増幅器を更に含むことを特徴とする請求項１から請求項４までのいずれか１項に記載の電界センサ。
6. 互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸に沿ってそれぞれ設けられた請求項１から請求項５までのいずれか１項の電界センサと、それら電界センサの直交状態を保持する固定具とを含むことを特徴とする電界センサシステム。

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