JP2008185575A - 三次元電磁界測定装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 被測定空間の電磁界分布に影響を与えずに電磁界強度の振幅および位相を検出および伝送する三次元電磁界測定装置を安価に提供する。
【解決手段】 互いに直交する方向に指向性をもつように配置した３個のループアンテナで電磁界強度を検出し、前記ループアンテナのいずれのループ面とも直交および平行しない方向に配置した電気・光変換器でアンテナから出力される電気信号の振幅および位相を光信号に変換して光ケーブルで伝送し、伝送された光信号を電気信号に変換して測定する。
【選択図】図２

Description

本発明は、三次元の電磁界強度を測定する装置に関するものである。

空間における電波の強さを測定する場合、被測定空間にアンテナを配置して電界強度や磁界強度を検出し、電界強度計やスペクトラムアナライザ等により測定することになる。このような測定は、主にアンテナの放射特性を測定するために行われることが多い。このため被測定空間は、電波暗室（六面または五面無反射室）などの専用設備を使用するのが主である。

一方近年多方面において電波利用機器の普及が加速しており、その使用形態も様々になっていることから、これらの機器が実際に使用される空間においての電磁界強度測定が求められている。例えば物流管理等に用いられる無線タグ（ＲＦ−ＩＤ）の場合、タグ読取り装置が設置されている現場の空間において、読取り装置が発射する電波の強さがどのように分布しているかを把握することは、読取り装置を高い読取り率で設置する条件を決定するために重要な作業となる。

このような電磁界強度測定においては、測定装置が金属などの導電性材料や磁性材料で構成されていると被測定空間の電磁界分布に影響を与えてしまい正確な測定ができない。従って検出アンテナは、可能な限り小型で周辺装置は、非導電性材料で構成されていることが望まれる。更に検出アンテナと測定器を接続する同軸ケーブルの影響がかなり大きいためこれも低減しなければならない。

また電磁波の指向性や偏波面を知るためには、被測定空間内の各測定箇所において直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の３軸方向それぞれの電磁界強度を測定する必要がある。更に電波利用機器の設置現場等における測定作業に使用する装置は、安価で使いやすい物でなくてはならない。

被測定空間に影響を与えずに三次元で電界を検出する装置としては、ニオブ酸リチウム結晶の電気光学効果を応用した光変調器を電気・光変換に使用した電界強度測定装置が考案されている（特開２００２−２５７８８４、特開２００４−２１２１３７）。

これらの装置は、検出部に電源を必要とせず且つ非導電性の光ケーブルで信号を伝送するので被測定空間にほとんど影響を与えずに電界の測定が可能である。しかしこれを実現するためには専用の光変調器を作製しなければならない。

電気・光変換にレーザーダイオードを使用した直接変調を採用すると部品の入手が容易であり、安価な回路構成で容易に電気・光変換を実現できる。しかしレーザーダイオードを動作させるために電源が必要となり多くの場合金属ケースで覆われた電池を使用することになる。またレーザーダイオードユニットの筐体にも金属製の部品が使用されているので、これらにより被測定空間への影響が大きくなる欠点がある。これは一般に市販されている光変調器を採用しても同じ欠点を有することになる。

被測定空間に影響を与えずに電磁界強度測定を安価に実現する方法として、測定アンテナの直近に検波回路を設置して、検波回路出力に生じる電磁界強度に比例した直流電圧を抵抗線によって伝送する方式がある。検波回路は、小型ダイオードで構成され、抵抗線は、導体であるが高い抵抗値が線長にわたって均一に分布するものであり、その周囲の電界による電流が流れにくく被測定空間に与える影響が少ない。しかしこの手法では、検波によりアンテナ出力信号の振幅情報しか伝送されず、位相および周波数の情報が失われてしまい、ベクトルネットワークアナライザによる伝送特性解析が不可能になる。

前記光変調器やレーザーダイオードによる直接変調は、位相情報も伝送可能でありこの応用例は、アンテナの特性解析手段として特開２００４−３３３１６７に開示されている。しかし無線タグ（ＲＦ−ＩＤ）の設置現場等で必要とされる詳細な電磁界測定は、読取り対象の無線タグの位置に対して読取り装置からの電波がどの方向からどのような伝送特性（振幅、位相差、遅延時間、およびこれらの周波数特性）で到達しているかを解析するために検出アンテナは、三次元に配置されることが望ましい。

本発明の課題は、被測定空間での電磁界分布に影響を与えずに電磁界強度の振幅および位相情報を検出および伝送できる三次元電磁界測定装置を安価に提供することである。

本発明では以下の手段をもって上記課題を解決する。

３個のループアンテナが互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、２軸方向に指向性をもつように配置され、前記ループアンテナの出力信号の振幅および位相共に光信号に変換する電気・光変換器と前記電気・光変換器の光出力信号を伝送する光ケーブルと伝送された前記光信号から前記ループアンテナ出力信号の振幅及び位相を含む電気信号に変換する光・電気変換器で構成する。

前記３個のループアンテナの出力ケーブルは、いずれのアンテナのループ面とも直交および平行しない方向に引き出し、且つ前記電気・光変換部を前記３個のループアンテナのいずれのアンテナのループ面とも直交および平行しない位置に配置する。

前記３個のループアンテナのそれぞれのループ面を立方体の相互に隣り合う３面に配置し、前記３個のループアンテナの各出力ケーブルを前記立方体の前記３面に共通するひとつの頂点方向に引き出すこともある。ここで上記立方体は、直交する面を仮想するものであり実在する物体ではない。

前記３個のループアンテナの出力から１つを選択する高周波スイッチを前記電気・光変換器との間に設置し、前記高周波スイッチを制御する信号が測定に影響のない適宜離れた場所に設置された制御装置から光ケーブルで伝送され、光・電気変換器を介して前記高周波スイッチを制御する回路を具備することもある。

前記ループアンテナと前記電気・光変換器との間にコモンモード電流を除去する回路またはフェライトコア等を設置することもある。

本発明では、特殊な専用光変調器を使用することなく、一般的に入手可能なレーザーダイオードや光変調器を使用して三次元電磁界検出ユニットを構成できるため、三次元電磁界測定装置を安価に提供できる。

以下に本発明の詳細を具体的事例で説明する。図１は、三次元電磁界測定装置の構成を示したものである。図中の１２は電磁界検出ユニット、１３は電磁界検出ユニット用の電源、１、２、３は、互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の電磁界検出用アンテナである。これらのアンテナの出力をアンテナ切替えスイッチ４で選択して電気・光変換器５に接続する。

制御ロジック回路６は、制御装置１０で発生させた制御信号を制御信号伝送用光ケーブル８を経由して受け取り、アンテナ切替えスイッチ４および電気・光変換器５の動作を制御する。

アンテナ切替えスイッチ４を設けることにより、アンテナ毎に合計で三組必要となる高価で金属部品を伴う電気・光変換器をひとつにできるため、筐体の小型化が可能になり被測定空間に与える影響をより少なくできる。また装置のコストを低減できる。

電気・光変換器５の光信号出力は、高周波信号伝送用光ケーブル７を経由して光・電気変換器９に送られ電気信号に変換されてスペクトラムアナライザ１１で測定される。コンピュータ１４は、ＧＰ−ＩＢ等のインターフェースを介してスペクトラムアナライザ１１からＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の各測定値を受け取り、適宜必要な演算および結果の表示を行う。

光・電気変換器９、制御装置１０、スペクトラムアナライザ１１、コンピュータ１４は、被測定空間から離れた場所に設置され、これらと電磁界検出ユニット１２との間を非導電性の光ケーブル７、８で接続することで被測定空間の電磁界分布に影響がないようにしている。

図２に示すのは、本発明によるＸ軸アンテナ１、Ｙ軸アンテナ２、Ｚ軸アンテナ３と電磁界検出ユニット１２の配置を説明したものである。図２の破線で示した立方体は、直交する３軸の空間をイメージしたものであり、実在する物体ではない。この仮想立方体の３面にＸ軸アンテナ１、Ｙ軸アンテナ２、Ｚ軸アンテナ３が配置されており、これらは指向性が互いに直交した配置となっている。各アンテナは、シールデッド・ループアンテナである。

この仮想立方体のひとつの頂点方向に上記各アンテナの出力を引き出し、その先に電磁界検出ユニット１２を配置する。このように配置すると、いずれのアンテナを通過する磁束の経路上にも電磁界検出ユニット１２が存在しないため、金属部品を有する電磁界検出ユニットであってもループアンテナの磁界検出能力を妨げないことになる。

またアンテナとその引き出し線と電磁界検出ユニットが作り出す直線状の導体がダイポールアンテナを構成して、これに電界が乗ることで生じる電流が測定誤差の原因となるが、本発明による配置において上記直線状の導体は、Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸いずれの偏波面とも一致しないので電界による誤差を低減する。

このように本発明の配置によれば、電磁界検出ユニット１２が金属筐体で作られたものであってもその影響を少なくできるものである。更に図３に示すようにアンテナの引き出し線にコモンモード電流を抑制する並列共振回路やフェライトコア等を設置することで上記電界による誤差をより低減することができる。

図４は、本発明の応用例を示したもので、本発明のアンテナ１、２、３と電磁界検出ユニット１２をＸ−Ｙポジショナ（自動位置制御装置）等１７に搭載し、測定位置を移動させながら各位置における３次元電磁界強度を測定することで被測定空間の立体的な電磁界分布が測定できる。この場合、Ｘ−Ｙポジショナ１７もＦＲＰ（強化プラスチック）等の非導電性材料で構成されている必要がある。

図５は、ベクトルネットワークアナライザを用いて被測定空間における電波の伝送特性を測定する場合に本発明を応用した構成を示したものである。図１のスペクトラムアナライザ１４をベクトルネットワークアナライザ１９に置き換え、ベクトルネットワークアナライザ１９により伝達特性Ｓ２１を測定すべく、信号出力側ポートに送信アンテナ１８を、受信側ポートに光・電気変換器９の出力を接続する。

本発明のこの構成により、被測定空間における送信アンテナと任意の位置との間の電波伝搬特性（振幅および位相の周波数特性）がＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸と三次元で測定でき、測定結果から演算により電波の方向や反射等を求め被測定空間の電波伝搬特性を立体的なグラフとして表すことも可能である。

三次元電磁界測定装置の構成 本発明によるアンテナおよび電磁界検出ユニットの配置 コモンモード電流抑制回路 電磁界検出ユニットとＸ−Ｙポジショナを組み合わせた三次元電磁界測定装置 被測定空間の伝送特性解析の構成

符号の説明

１ Ｘ軸アンテナ
２ Ｙ軸アンテナ
３ Ｚ軸アンテナ
４ アンテナ切替えスイッチ
５ 電気・光変換器
６ 制御ロジック回路
７ 高周波信号伝送用光ケーブル
８ 制御信号伝送用光ケーブル
９ 光・電気変換器
１０ 制御装置
１１ スペクトラムアナライザ
１２ 検出ユニット
１３ 検出ユニット用電源
１４ コンピュータ
１５ コンデンサ
１６ シールデッド・ループアンテナ
１７ Ｘ−Ｙポジショナ（自動位置制御装置）
１８ 送信アンテナ
１９ ベクトルネットワークアナライザ

Claims (4)

1. ３個のループアンテナが互いに直交するＸ軸、Ｙ軸、Ｚ軸方向に指向性をもつように配置され、前記ループアンテナの出力信号の振幅および位相共に光信号に変換する電気・光変換器と前記電気・光変換器の光出力信号を伝送する光ケーブルと伝送された前記光信号から前記ループアンテナ出力信号の振幅および位相を含む電気信号に変換する光・電気変換器で構成される電磁界測定装置であり、前記３個のループアンテナの出力ケーブルをいずれのアンテナのループ面とも直交および平行しない方向に引き出し、且つ前記電気・光変換部を前記３個のループアンテナのいずれのアンテナのループ面とも直交および平行しない位置に配置したことを特徴とする電磁界測定装置。
2. 前記３個のループアンテナのそれぞれのループ面を立方体の相互に隣り合う３面に配置し、前記３個のループアンテナの各出力ケーブルを前記立方体の前記３面に共通するひとつの頂点方向に引き出したことを特徴とする請求項１の電磁界測定装置。ここで上記立方体は、直交する面を仮想するものであり実在する物体ではない。
3. 前記３個のループアンテナの出力から１つを選択する高周波スイッチを前記電気・光変換器との間に設置し、前記高周波スイッチを制御する信号が測定に影響のない適宜離れた場所に設置された制御装置から光ケーブルで伝送され、光・電気変換器を介して前記高周波スイッチを制御する回路を具備した請求項１および請求項２の電磁界測定装置。
4. 前記ループアンテナと前記電気・光変換器との間にコモンモード電流を除去する電気回路またはフェライトコア等を具備した請求項１、請求項２および請求項３の電磁界測定装置。

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