JP2014085176A - ポインティングベクトル計測装置 - Google Patents

Abstract

【課題】簡易な構成でポインティングベクトルを精度よく計測するポインティングベクトル計測装置を提供する。
【解決手段】検出部２を構成する６個のセンサ対２１〜２６は、それぞれ互いに直交する二つの方向の磁界を検出するように組み合わされた一対の磁界センサからなる。センサ対２１，２２は、計測ポイントＰを挟んでＸ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔx／２となる位置に配置され、Ｙ軸方向及びＺ軸方向の磁界成分を検出する。センサ対２３，２４は、計測ポイントＰを挟んでＹ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔｙ／２となる位置に配置され、Ｚ軸方向及びＸ軸方向の磁界成分を検出する。センサ対２５，２６は、計測ポイントＰを挟んでＺ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔｚ／２となる位置に配置され、Ｘ軸方向及びＹ軸方向の磁界成分を検出する。
【選択図】図２

Description

本発明は、ポインティングベクトルを計測するポインティングベクトル計測装置に関する。

電子機器において電磁的な相互干渉による誤作動等の原因となる部位（ノイズ源）を特定したり、アンテナの指向性や電磁エネルギーの伝搬経路を特定したりする場合、電磁エネルギーの流れを示すポインティングベクトルを計測することが有効である。

このポインティングベクトルは、磁界の強度・位相を表す磁界ベクトルと、電界の強度・位相を表す電界ベクトルの外積で求められるベクトルである。このためポインティングベクトルを計測する場合、一般的には、磁界及び電界を個別に計測し、その計測結果を演算処理することが行われている。

なお、磁界計測用のプローブ（センサ）としては、例えば、シールデッドループコイル等が用いられ、また、電界計測用のプローブとしては、例えば、モノポールアンテナ等が用いられている。

ところで、電界計測用のプローブは、サイズを小さくすることが困難であったり、磁界計測プローブと比較して、広い周波数帯域を確保することが困難であったり、更には、その存在が被測定電磁界を攪乱してしまうため、精度のよい計測が困難であったりすることが知られている。

これに対して、電界を直接計測するのではなく、測定対象の表面電位の電位分布を求め、その電位分布から電界成分を推定し、その電界の推定結果と、磁界計測プローブでの計測結果からポインティングベクトルを計算する手法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。

特許４６３５５４４号公報

しかし、特許文献１に記載された従来手法では、計測によって得られる表面電位分布から任意の空間の電界ベクトルを求める際に使用する電界成分推定の手順が複雑であるという問題や、磁界計測用と電位計測用とで２種類のプローブ（センサ）を使用する必要があるという問題があった。更に、従来手法では、測定対象（表面電位の計測対象）となる物体が存在しない空間では適用することができないという問題もあった。

本発明は、上記問題点を解決するために、簡易な構成でポインティングベクトルを精度よく計測するポインティングベクトル計測装置を提供することを目的とする。

本発明のポインティングベクトル計測装置では、ポインティングベクトルの計測対象となる地点を計測ポイントとして、計測ポイント周辺の磁界を検出する検出部が次のように構成されている。

即ち、ポインティングベクトルの計測ポイントを通り互いに直交する三つの軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸として、計測ポイントを挟んでＹ軸上で対向する２地点及びＺ軸上で対向する２地点のそれぞれ（合計４地点）に配置され、Ｘ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＸ軸センサと、計測ポイントを挟んでＺ軸上で対向する２地点及びＸ軸上で対向する２地点のそれぞれ（合計４地点）に配置され、Ｙ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＹ軸センサと、計測ポイントを挟んでＸ軸上で対向する２地点及びＹ軸上で対向する２地点のそれぞれ（合計４地点）に配置され、Ｚ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＺ軸センサを備えている。

そして、磁界成分算出手段は、計測ポイントにおける各軸方向の磁界成分として、４個あるＸ軸センサの検出結果からＸ軸方向の成分を、４個あるＹ軸センサの検出結果からＹ軸方向の成分を、４個あるＺ軸センサの検出結果からＺ軸方向の成分を求める。

この場合、同じ軸方向を検出する４個のセンサの検出結果を全て使用してもよいし、同一軸上に配置された２個のセンサの検出結果だけを使用してもよい。また、算出方法としては、単純に平均した値を使用すればよいが、計測ポイントから各センサまでの距離が互いに異なっている場合は、その距離に応じて加重平均した値を使用してもよい。

また、電界成分算出手段は、計測ポイントにおける各軸方向の電界成分として、Ｙ軸センサ及びＺ軸センサの検出結果からＸ軸方向の成分を、Ｚ軸センサ及びＸ軸センサの検出結果からＹ軸方向の成分を、Ｘ軸センサ及びＹ軸センサの検出結果からＺ軸方向の成分を、マクスウェル方程式から導出される磁界と電界の関係を利用して求める。

即ち、マクスウェル方程式によれば、電界，磁界をサイン波で記述することができ、かつ電流源がない（即ち、電流密度がゼロである）空間では、磁界の強度及び位相を表す磁界ベクトルＨと電界の強度及び位相を表す電界ベクトルＥとは（１）に示す関係を有し、その左辺は、（２）式で表すことができる。

従って、Ｘ軸方向の磁界成分ＨｘをＹ軸方向及びＺ軸方向に偏微分した値と、Ｘ軸方向の磁界成分ＨｙをＺ軸方向及びＸ軸方向に偏微分した値と、Ｚ軸方向の磁界成分ＨｚをＸ軸方向及びＹ軸方向に偏微分した値が得られれば磁界の計測結果から電界を推定することができる。

例えば、Ｘ軸方向の磁界成分ＨｘをＹ軸方向に偏微分した値は、Ｙ軸に配置されたＸ軸センサからの検出結果、及び計測ポイントからＸ軸センサまでの距離を用いて求めることができ、その他の偏微分値も同様であるため、検出部を構成する１２個の磁界センサの検出結果から計測ポイントにおける各軸方向の電界成分を求めることができる。

そして、ポインティングベクトル算出手段が、磁界成分算出手段での算出結果である磁界ベクトルと電界成分算出手段での算出結果である電界ベクトルの外積を求めることで、計測ポイントにおけるポインティングベクトルを求める。

このように本発明のポインティングベクトル計測装置によれば、電界センサや電位センサを使用することなく、磁界センサによる計測結果だけを使用してポインティングベクトルを求めており、電界センサによって被測定電磁界が攪乱されることがないため、精度のよい計測結果を得ることができ、しかも、電位センサの検出結果から電界を推定する処理と比較して簡易な処理で電界を求めることができ、装置の処理負荷を軽減することができる。

ポインティングベクトル計測装置の全体構成を示すブロック図である。 検出部の構成及び計測ポイントと磁界センサの位置関係を示す説明図である。 制御部が実行する計測処理の内容を示すフローチャートである。 測定結果を例示するグラフである。

以下に本発明の実施形態を図面と共に説明する。
＜全体構成＞
本発明が適用されたポインティングベクトル計測装置１は、図１に示すように、複数の磁界センサによって構成された検出部２と、検出部２を移動可能に保持し、検出部２の３次元空間内での位置を制御するステージ３と、ステージ３と一体に設けられ、検出部２に対して信号を入出力するためのセンサＩ／Ｆ部４と、検出部２から出力される検出信号をセンサＩ／Ｆ部４を介して取得して、取得した検出信号の信号処理を実行する計測部５と、ステージ３や計測部５の動作を制御する共に、計測部５で実行された信号処理の結果に基づいてポインティングベクトルを求める計測処理を実行する制御部６を備えている。

＜検出部＞
検出部２は、図２に示すように、立方体に形成された誘電体からなる保持部２０と、保持部２０が有する６個の平面の中心付近に固定された６個のセンサ対２１〜２６によって構成されている。保持部２０を構成する誘電体としては、例えば、発泡スチロールを用いることができる。但し、これに限るものではなく、大気とほぼ等しい誘電率を有する物体であればよい。

センサ対２１〜２６は、それぞれ互いに直交する二つの方向の磁界を検出するように組み合わされた一対の磁界センサからなる。磁界センサは、例えば、シールデッドループコイルからなる。なお、図２では、センサ対２１〜２６を直交する二つの円板で表現しているが、これらは実際の形状を表すものではなく、円板の面と直交する方向の磁界を検出することを表している。

以下では、保持部２０の形状である立方体の中心を、ポインティングベクトルの測定対象となる地点（「計測ポイント」という）Ｐとし、計測ポイントＰを通り、かつ、それぞれが立方体の各外面の中心を貫通する互いに直交した３軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸と呼ぶものとする。

そして、センサ対２１，２２は、計測ポイントＰを挟んでＸ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔx／２となる位置に配置されるように保持部２０に固定されている。そして、センサ対２１，２２を構成する各一対の磁界センサは、それぞれ一方がＹ軸方向の磁界成分を検出し（以下、Ｙ軸センサ２１Ｙ，２２Ｙという）、他方がＺ軸方向の磁界成分を検出する（以下、Ｚ軸センサ２１Ｚ，２２Ｚという）向きに設定されている。

また、センサ対２３，２４は、計測ポイントＰを挟んでＹ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔｙ／２となる位置に配置されるように保持部２０に固定されている。そして、センサ対２３，２４を構成する各一対の磁界センサは、それぞれ一方がＺ軸方向の磁界成分を検出し（以下、Ｚ軸センサ２３Ｚ，２４Ｚという）、他方がＸ軸方向の磁界成分を検出する（以下、Ｘ軸センサ２３Ｘ，２４Ｘという）向きに設定されている。

また、センサ対２５，２６は、計測ポイントＰを挟んでＺ軸上で対向し、かつ計測ポイントＰからの距離がΔｚ／２となる位置に配置されるように保持部２０に固定されている。そして、センサ対２５，２６を構成する各一対の磁界センサは、それぞれ一方がＸ軸方向の磁界成分を検出し（以下、Ｘ軸センサ２５Ｘ，２６Ｘという）、他方がＹ軸方向の磁界成分を検出する（以下、Ｙ軸センサ２５Ｙ，２６Ｙという）向きに設定されている。

つまり、計測ポイントＰの座標が（ｉ，ｊ，ｋ）で表されるとすると、センサ対２１の座標は（ｉ＋Δｘ／２，ｊ，ｋ）、センサ対２２の座標は（ｉ−Δｘ／２，ｊ，ｋ）、センサ対２３の座標は（ｉ，ｊ＋Δｙ／２，ｋ）、センサ対２４の座標は（ｉ，ｊ−Δｙ／２，ｋ）、センサ対２５の座標は（ｉ，ｊ，ｋ＋Δｚ／２）、センサ対２６の座標は（ｉ，ｊ，ｋ−Δｚ／２）となる。

但し、本実施形態では、計測ポイントＰと各センサ対２１〜２６の距離を規定するΔｘ，Δｙ，Δｚは、全て同じ大きさであり、また、計測対象となる電磁波の波長をλとして、λ／２０程度に設定されている（Δｘ＝Δｙ＝Δｚ≒λ／２０）。例えば、計測対象が３００ＭＨｚ帯の電磁波である場合は、Δｘ，Δｙ，Δｚ（即ち、保持部２０の１辺の長さ）は５ｃｍ程度となる。

＜センサＩ／Ｆ部＞
センサＩ／Ｆ部４は、制御部６からの指令に従って、検出信号の取得対象となる磁界センサを切り替えるスイッチ、スイッチを介して取得した検出信号を増幅する増幅器等で構成されている。なお、スイッチは、センサ対２１〜２６のいずれか一つを選択し、選択したセンサ対を構成する二つの磁界センサから同時に検出信号を取得するように構成されている。

＜計測部＞
計測部５は、センサＩ／Ｆ部４のスイッチによって選択された磁界センサから出力される検出信号を順次周波数解析する周知のスペクトルアナライザからなる。なお、計測部５は、２チャンネルを有しており、センサＩ／Ｆ部４から供給される二つの検出信号を並列に処理するように構成されている。

＜制御部＞
制御部６は、ＣＰＵ，ＲＯＭ，ＲＡＭを中心に構成された周知のマイクロコンピュータからなり、ステージ３を駆動すると共に、計測部５を作動させてポインティングベクトルの計測を行う計測処理を実行する。

<<計測処理>>
計測処理の内容を図３に示すフローチャートに沿って説明する。
本処理は、図示しない操作部を介して、指令が入力されると起動する。

本処理が起動すると、まず、ステージ３によって検出部２を移動させることが可能な３次元空間の範囲内に予め設定された複数の検出ポイントから一つを選択し（Ｓ１１０）、その選択した検出ポイントと検出部２の計測ポイントＰとが一致するように、ステージを駆動して検出部２を移動させる（Ｓ１２０）。

次に、検出部２を構成するセンサ対２１〜２６の一つを選択して、その選択したセンサ対を構成する一対の磁界センサから検出信号が得られるようにセンサＩ／Ｆ部４を設定し（Ｓ１３０）、その状態で、計測部５を作動させ、計測部５から検出信号を信号処理した結果、即ち、選択されたセンサ対で計測された２方向の磁界成分を取得する（Ｓ１４０）。

その後、全てのセンサ対についてＳ１４０の処理が実行されたか否かを判断し（Ｓ１５０）、計測が実行されていないセンサ対があれば、Ｓ１３０に戻る。一方、全てのセンサ対についてＳ１４０の処理が実行されていれば、各センサ対２１〜２６から得られた磁界成分の計測結果に基づいて計測ポイントでの磁界の強度及び位相を表す磁界ベクトルＨの算出（Ｓ１６０）及び計測ポイントでの電界の強度及び位相を表す電界ベクトルＥの算出（Ｓ１７０）を行い、更にこれら磁界ベクトルＨ及び電界ベクトルＥを用いてポインティングベクトルＳの算出（Ｓ１８０）を行う。

なお、磁界ベクトルＨの算出は、Ｘ軸方向の磁界成分Ｈｘについては、（３）式に示すように、Ｘ軸センサ２３Ｘ，２４Ｘ，２５Ｘ，２６Ｘでの計測結果の平均値を、Ｙ軸方向の磁界成分Ｈｙについては、（４）式に示すように、Ｙ軸センサ２１Ｙ，２２Ｙ，２５Ｙ，２６Ｙでの計測結果の平均値を、Ｚ軸方向の磁界成分Ｈｚについては、（５）式に示すように、Ｚ軸センサ２１Ｚ，２２Ｚ，２３Ｚ，２４Ｚでの計測結果の平均値を求めることによって行う。

ここでは、４個の平均を求めているが、同じ軸上に配置された二つのセンサの平均値を求めるようにしてもよい。例えば、Ｘ軸方向の磁界成分Ｈｘについては、Ｙ軸上に位置するＸ軸センサ２３Ｘ，２４Ｘでの計測結果の平均値（（３）式の右辺第１項及び第２項の平均値）、又はＺ軸上に位置するＸ軸センサ２５Ｘ，２６Ｘでの計測結果の平均値（（３）式の右辺第３項及び第４項の平均値）を用いてもよい。

一方、電界ベクトルＥの算出は、Ｘ軸方向の電界成分Ｅｘについては（６）式、Ｙ軸方向の電界成分Ｅｙについては（７）式、Ｚ軸方向の電界成分Ｅｚについては（８）式の関係を用いて行う。

そして、ポインティングベクトルＳの算出は、（９）式に示すように、磁界ベクトルＨと電界ベクトルＥの外積を求めることで行う。具体的には、ポインティングベクトルＳの各軸方向の成分Ｓｘ，Ｓｙ，Ｓｚを（１０）〜（１２）式を用いて算出する。但し、「＊」は共役複素数を表す記号である。

ポインティングベクトルＳの算出が終了すると、全ての検出ポイントについてＳ１２０〜Ｓ１８０の処理を実行済みであるか否かを判断し（Ｓ１９０）、未処理の検出ポイントがあればＳ１１０に戻り、全ての検出ポイントについて処理を実行済みであれば、計測結果を出力して（Ｓ２００）、本処理を終了する。

計測結果の出力は、例えば、単にデータを所定のメモリ等に書き込むようにしてもよいし、例えば、図４に示すように、検出ポイント毎にポインティングベクトルの大きさと向きを線の長さと傾きによって表した画面を、図示しない表示装置にて表示するようにしてもよい。但し、図４におけるＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸は、図２で定義したものとは異なり、ステージ３によって検出部２を移動させることができる領域の位置を決定するための座標系である。

＜効果＞
以上説明したように、ポインティングベクトル計測装置１では、電界センサや電位センサを使用することなく、磁界センサによる計測結果だけを使用してポインティングベクトルを求めている。

従って、ポインティングベクトル計測装置１によれば、電界センサによって被測定電磁界が攪乱されることがないため、精度のよい計測結果を得ることができ、しかも、電位センサの検出結果から電界を推定する処理と比較して簡易な処理で磁界の計測結果から電界を求めることができるため、装置の処理負荷を軽減することができる。

＜他の実施形態＞
以上本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、様々な態様にて実施することが可能である。

例えば、上記実施形態では、検出部２を構成する保持部２０として、立方体に形成されたものを用いているが、球体や直方体等であってもよい。
上記実施形態では、計測ポイントＰからセンサ対２１〜２６までの距離を全て等距離としているが、それぞれ異なっていてもよい。この場合、各軸方向の磁界成分を求める際に、単純平均値を用いるのではなく、距離に応じて重み付けした加重平均値を用いればよい。

上記実施形態では、計測部５において検出信号を処理するチャンネルが二つである場合について説明したが、チャンネル数は１個でも３個以上でもよい。特に、計測部５が、検出部２を構成する磁界センサの数と同数のチャンネルを有している場合、センサＩ／Ｆ部４のスイッチは必要ないため省略してもよい。

上記実施形態では計測部５としてスペクトルアナライザを使用しているが、周知のネットワークアナライザ等を使用して構成してもよい。

１…ポインティングベクトル計測装置 ２…検出部 ３…ステージ ４…センサＩ／Ｆ部 ５…計測部 ６…制御部 ２０…保持部 ２１〜２６…センサ対 ２３Ｘ，２４Ｘ，２５Ｘ，２６Ｘ…Ｘ軸センサ ２１Ｙ，２２Ｙ，２５Ｙ，２６Ｙ…Ｙ軸センサ ２１Ｚ，２２Ｚ，２３Ｚ，２４Ｚ…Ｚ軸センサ

Claims (6)

1. ポインティングベクトルの計測対象となる地点である計測ポイントを通り互いに直交する三つの軸をＸ軸，Ｙ軸，Ｚ軸として、前記計測ポイントを挟んで前記Ｙ軸上で対向する２地点及び前記Ｚ軸上で対向する２地点のそれぞれに、前記Ｘ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＸ軸センサ（２３Ｘ，２４Ｘ，２５Ｘ，２６Ｘ）を、前記計測ポイントを挟んで前記Ｚ軸上で対向する２地点及び前記Ｘ軸上で対向する２地点のそれぞれに、前記Ｙ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＹ軸センサ（２１Ｙ，２２Ｙ，２５Ｙ，２６Ｙ）を、前記計測ポイントを挟んで前記Ｘ軸上で対向する２地点及び前記Ｙ軸上で対向する２地点のそれぞれに、前記Ｚ軸方向の磁界を検出する磁界センサであるＺ軸センサ（２１Ｚ，２２Ｚ，２３Ｚ，２４Ｚ）を配置することで構成された検出部（２）と、
   前記計測ポイントにおける各軸方向の磁界成分について、前記Ｘ軸センサの検出結果からＸ軸方向の成分を、前記Ｙ軸センサの検出結果からＹ軸方向の成分を、前記Ｚ軸センサの検出結果からＺ軸方向の成分を求める磁界成分算出手段（５，Ｓ１６０）と、
   前記計測ポイントにおける各軸方向の電界成分について、前記Ｙ軸センサ及び前記Ｚ軸センサの検出結果からＸ軸方向の成分を、前記Ｚ軸センサ及び前記Ｘ軸センサの検出結果からＹ軸方向の成分を、前記Ｘ軸センサ及び前記Ｙ軸センサの検出結果からＺ軸方向の成分を、マクスウェル方程式から導出される磁界と電界の関係を利用して求める電界成分算出手段（５，Ｓ１７０）と、
   前記磁界成分算出手段での算出結果である磁界ベクトルと前記電界成分算出手段での算出結果である電界ベクトルの外積を求めることで、前記計測ポイントにおけるポインティングベクトルを求めるポインティングベクトル算出手段（５，Ｓ１８０）と、
   を備えることを特徴とするポインティングベクトル計測装置。
2. 前記計測ポイントを挟んで前記磁界センサが配置される同じ軸上の２地点は、前記計測ポイントまでの距離が等しいことを特徴とする請求項１に記載のポインティングベクトル計測装置。
3. 前記検出部は、立方体に形成した誘電体からなる保持部（２０）を備え、
   前記磁界センサは、前記保持部が有する各平面の中心にそれぞれ保持されていることを特徴とする請求項２に記載のポインティングベクトル計測装置。
4. 前記検出部を移動可能に保持し、前記検出部の３次元空間内での位置を制御する位置制御手段（３）を備えることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のポインティングベクトル計測装置。
5. 前記磁界成分算出手段は、
   着目する軸方向の磁界成分を検出する前記磁界センサでの検出結果の平均値を、前記計測ポイントにおける前記着目軸方向の磁界成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のポインティングベクトル計測装置。
6. 前記電界成分算出手段は、
   前記Ｘ軸，Ｙ軸，Ｚ軸のうち一つの軸方向を着目軸方向、該着目軸方向に対して直交する二つの軸方向を第１直交方向及び第２直交方向として、前記第１直交方向及び前記第２直交方向の磁界成分を検出する磁界センサでの検出結果に基づき、前記第１直交方向の磁界成分に対する第２直交方向の偏微分値、及び前記第２直交方向の磁界成分に対する前記第１直交方向の偏微分値を求め、両偏微分値の差を、前記計測ポイントにおける前記着目軸方向の電界成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のポインティングベクトル計測装置。