JP3632714B2 - 電磁波受信システム - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は，放送電波等特定の周波数の信号電波を検出するアンテナとしても機能するＲＦ信号受信システム，およびＥＭＣ分野で電波や電磁ノイズの特性測定に用いる計測器，とくに空間を伝搬する電磁波の電界強度を測定するための電界センサに関する。
【０００２】
【従来の技術】
情報の多様化は，広帯域周波数の電波の利用を促進し，電磁波受信システム，とりわけ，ＲＦ信号受信システムの重要性は益々増大しつつある。またＥＭＣ分野においては，コンピュータ等の情報機器や通信機器，ロボット等のＦＡ機器，自動車，鉄道等の制御器など多くの電気機器は，互いに外部からの電磁ノイズによって誤動作などの影響を受ける危険を常にもっている。したがって，ＥＭＣ分野においては，外部の電磁環境や影響を及ぼすようなノイズの大きさ，また自らが発生するノイズ等を正確に測定することが重要となっている。
【０００３】
従来，上述のような電磁ノイズの測定には，次の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）の三つの方法が採られてきた。
【０００４】
（ａ）通常のアンテナを用いて受信し，同軸ケーブルで測定器まで導く方法，（ｂ）アンテナを用いて受信した信号を検波して，光信号に変換し光ファイバで測定器まで導く方法，および（ｃ）印加される電界強度に応じて透過光の強度が変化するように構成された光学素子を用いて電界強度変化を光強度変化に変換し，上記光学素子と光源および測定器に接続された光検出器間を光ファイバで接続する方法である。これらの中で，（ａ）のアンテナを用いる方法が最も一般的であるが，同軸ケーブル等の電気ケーブルの存在により電界分布が乱れてしまったり，ケーブル途中からのノイズ混入の恐れがあるなど問題があったため，光ファイバを用いた（ｂ）及び（ｃ）の方法が開発されている。
【０００５】
上記の方法のうち（ｂ）の方法は，ダイオードで検波した信号を増幅して発光ダイオードに加えて光信号に変換して光ファイバで光検出器に導くものであるが，センサヘッド部に電気回路やバッテリを必要とするため，ある大きさの金属部分が存在し，かつ，形状も大きくなってしまう。また，電界の検出感度が低く応答速度が遅いという欠点がある。
【０００６】
一方，上述した（ｃ）の方法では電界強度を透過光の強度変化に変換する光学素子として電気光学効果を有する結晶を用いている。その素子構造としては，小型アンテナを接続し，光ファイバの出射光をレンズで平行光として結晶中を通過させ，結晶中の電界により偏光状態を変化させ，検光子をとおした後再び光ファイバに結合するバルク素子と，結晶上に設けた光導波路により上記光学素子を構成する導波路型素子がある。通常，導波路型の方がバルク型よりも１０倍以上検出感度が高い。また，導波路型素子の基板結晶には電気光学定数の高いニオブ酸リチウム単結晶が一般に使われている。
【０００７】
図６は従来の電磁波受信システムの概略構成を示すブロック図である。図７は図６の電磁波受信システムに用いられるセンサヘッドの構成を示す斜視図である。図において矢印付きの破線は，光が伝搬の向き示す（以下同じ）。
【０００８】
図６を参照すると，従来の電磁波受信システムは，偏波面保持ファイバ３１を介して接続された光源１４と，光源１４に偏波面保持ファイバ３１を介して光入射側に接続された光サーキュレータ２１とを備えている。また，光サーキュレータ２１の出射及び入射側に，偏波面保持ファイバ３１を介して接続されたセンサヘッド１を備えている。このセンサヘッド１は，電磁波を受信するアンテナ４１に接続されている。また，光サーキュレータ２１の光出射側には，シングルモードファイバ３２を介して接続された光検出器１７を備えている。
【０００９】
図７を参照すると，センサヘッド１は，ｃ軸に垂直に切り出したニオブ酸リチウム単結晶基板５０と，このニオブ酸リチウム単結晶基板５０上に形成された入射光導波路５１及びそこから分岐して結合した位相シフト光導波路５２と，これら２本の位相シフト光導波路５２の夫々の他端に形成された反射部５６とを備えている。入射光導波路５１の入射端には偏波面保持ファイバ３１が結合されている。また，位相シフト光導波路５２上には一対の変調電極５７が設置され，アンテナ４１（図６参照）に接続されている。
【００１０】
図６及び図７を参照して，電磁波受信システムの動作について説明する。まず，光源１４から偏波面保持ファイバ３１を通った光は，入射光導波路５１に入射した後，二つの位相シフト光導波路５２にエネルギーが分割され，反射部５６で反射し，再び入射光導波路５１を通って出射される。電界が印加された場合，アンテナ４１により変調電極５７に電圧が誘起されて位相シフト光導波路５２中には深さ方向に互いに反対向きの電界成分が生じる。この結果，電気光学効果により屈折率変化が生じて位相シフト光導波路５２を伝搬する光波間には印加電界の大きさに応じた位相差が変化する。すなわち，印加電界強度に応じて偏波面保持ファイバ３１に出射する出射光の強度は変化することになり，その光強度変化を光検出器１７で測定することにより印加電界の強度を測定できる。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，光導波路素子をセンサヘッドとするこの種の電磁波受信システムにしても，単一のセンサヘッドによって広帯域にわたって一様な周波数特性と優れたＳ／Ｎ特性を満たすことは困難である。とくに特定周波数に対して共振によってＱを高めた状態では，帯域が狭くなることが余儀なくされる。
【００１２】
各帯域を分担するためにこれらの電磁波受信システムを複数基設置することは，設置及び維持のコストを勘案すると得策ではなく，その打開策が求められてきた。
【００１３】
そこで，本発明の技術的課題は，コストの高騰を抑え，広帯域で機能するシステムとしての電磁波受信システムを提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明によれば，印加される電界強度に依存して入射する光の強度を変化させて出射する電磁波受信システムにおいて，偏波面が互いに垂直な二つの直線偏光を出射する光出射部と，前記二つの直線偏光を，それぞれの直線偏光に分離する偏光分離器と，入射した前記直線偏光をアンテナを通して印加される電界の強度に依存して変調し出射するセンサヘッド部と，前記センサヘッド部から出射された光を検出する受光器とを備え、前記光出射部は，偏波面が互いに垂直となる第１及び第２の直線偏光を夫々出射する第１及び第２の光源と，前記第１及び第２の光源に偏波保持ファイバーを介して接続され，前記第１及び第２の直線偏光から偏波面が互いに垂直な二つの直線偏光に変換する光結合器とを備えていることを特徴とする電磁波受信システムが得られる。
【００１５】
また，本発明によれば，前記電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッド部は，複数個のアンテナに夫々接続された複数個のセンサヘッドを備えていることを特徴とする電磁波受信システムが得られる。
【００１６】
また，本発明によれば，前記電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッド部は，前記分離された二つの直線偏光を夫々入射する一対のセンサヘッドを備えていることを特徴とする電磁波受信システムが得られる。
【００１７】
また，本発明によれば，前記いずれかの電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッドは，反射型のセンサヘッドであり，前記センサヘッドと前記偏向分離器との間の光路に，光サーキュレータを備え，前記センサヘッド部からの出射光は，前記光サーキュレータを介して前記受光器に入射することを特徴とする電磁波受信システムが得られる。
【００１８】
また，本発明によれば，前記いずれかの電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッドは，透過型のセンサヘッドであることを特徴とする電磁波受信システムが得られる。
【００２０】
尚，本発明においては，このシステムの偏光分離器に入射する前に，偏波面が互いに垂直な二つの直線偏光を分岐することによって，四つのセンサヘッドを有する電磁波受信システムを可能とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００２２】
図１は，本発明の第１の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。図１に示すように，光出射部としての光源１１は，偏波面が互いに垂直をなす二つの直線偏光を出射し，シングルモード光ファイバ３２を介して，偏光分離２５入射し，偏光分離器２５によってそれぞれ個々の直線偏光に分けられる。図には，偏波面の方向を矢印を付した実線を示してある（以下，他の図面も同様に偏波面の方向を矢印を付した実線で示す）。その後，それぞれの直線偏光は，夫々光サーキュレータ２１，２２を通って，偏波面保持ファイバー３１を介して，センサヘッド部であるセンサヘッド１，２に夫々入射する。センサヘッド（偏波依存型）１，２は，先に説明した図７に示す従来の構成と同様の，いわゆる反射型のセンサヘッドによって構成されている。ここで，図７を再び参照して，それぞれのセンサヘッド１，２の夫々の変調電極５７には，夫々のアンテナ４１，４２によって誘導された夫々の信号電圧が印加される。この種のセンサヘッド１，２の動作原理は，すでに従来技術において説明したので省略する。これら二つのセンサヘッド１，２の出射光は，それぞれ光サーキュレータ２１，２２を経由して，シングルファイバ３２を介して夫々の光検出器１７，１８で検出される。ここで，二つのセンサヘッド１，２は，受信帯域が相異なるように構成されている。すなわち，センサヘッド１はＶＨＦ１〜３チャンネル用，センサヘッド２はＶＨＦ４〜１２チャンネル用とした。
【００２３】
したがって，従来技術における単一のセンサヘッドに無理に求められてきた広帯域受信を，本発明の第１の実施の形態では，単一システムに二つのセンサヘッド１，２を用いることによって，コスト高騰を抑えた。
【００２４】
なお，偏波無依存型光サーキュレータ（１台）を光源１１のすぐ後に設置（光サーキュレータ２１，２２を除く）し，センサヘッド１，２より反射し，戻ってきた光を偏波無依存型光サーキュレータにより光検出器トータルとしての感度が低下する。
【００２５】
図２は，本発明の第２の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図であり，第１の実施の形態と同様の技術思想にもとづき，センサヘッド部の反射型のセンサヘッドの代わりに，透過型のセンサヘッド５，６を用いて構成された電磁波受信システムを示している。図３は，図２の透過型センサヘッドの具体的構成を示す斜視図である。図３に示すように，第１の実施の形態及び従来技術において示した反射型のセンサヘッド１，２とは異なり，光サーキュレータを備えておらず，変調された光は出射光導波路５３を通り，その出射端に接続されたシングルモードファイバ３２を経由して光検出器１７，１８で検出される。第２の実施の形態による電磁波受信システムも第１の実施の形態の場合と同様に，二つのセンサヘッド５，６の受信帯域を分担させることが可能である。
【００２６】
図４は，本発明の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。本発明の第３の実施の形態による電磁波受信システムには，四つのセンサヘッド１，２，３，及び４を用いる。光出射部としての光源１１は，偏波面が互いに垂直をなす二つの直線偏光を出射する。この出射光は，二つの直線偏光の状態で，まず，光分岐器２７によって二つに分岐される。その後は，それぞれの分岐光ごとに，第１の実施の形態と同様に，夫々の偏光分離器２５，２６によってそれぞれ個々の直線偏光に分けられ，それぞれに光サーキュレータ２１，２２，２３，２４を通って，センサヘッド部であるセンサヘッド１，２，３，４に入射する。各センサヘッド１，２，３，４からの出射光は，それぞれ光検出器１７，１８，１９，２０で検出される。
【００２７】
ここで，四つのセンサヘッド１，２，３，４は，それぞれＶＨＦ１〜３チャンネル用，ＶＨＦ４〜１２チャンネル用，ＵＦＨ１３〜３０チャンネル用，およびＵＨＦ３１〜４８チャンネル用とし，受信帯域が相異なるようにした。単一センサヘッドで広い帯域を受信していた従来方式に比べ，それぞれのセンサヘッドの受信帯域を絞り込むことによって，比較的狭い帯域での共振を有効に利用することが可能となり，全体として広帯域にわたって一様な周波数特性と優れたＳ／Ｎ特性を満たすことが可能となる。
【００２８】
なお，センサヘッドを透過型とすることも，あるいは，透過型と反射型をともに使うことも，構成上の多少の相違があるが，実現の上に全く問題はないことは，第１又は第２の実施の形態の説明から明白である。
【００２９】
図５は，本発明の第４の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。図５を参照すると，第４の実施の形態による電磁波受信システムでは，出射光が直線偏光である二つの第１及び第２の光源１２，１３を用い，これら二つの出射直線偏光の偏波面が互いに直交するように光結合器２８で結合して，システムの光出射部をなしている。個々の第１及び第２の光源１２，１３からの出射光は，それぞれ偏波面保持ファイバ３１を経由して光結合器２８で結合される。光結合器２８以降の構成は，第１の実施の形態と同様である。光源をこのような構成とすることによって，コストパフォーマンスの優れた電磁波受信システム，特に，ＲＦ信号受信システムを実現することができる。
【００３０】
【発明の効果】
以上説明したように，本発明においては，単一のセンサヘッドが広帯域の受信をするように技術的困難を含んで構成されてきた電磁波受信システムから，それぞれの帯域を有する複数のセンサヘッドで分担して受信する構成としたので，本発明による電磁波受信システムは，受信システムに要求される広い帯域にわたって優れた周波数特性とＳ／Ｎ特性を示し，かつ設置および維持コストにおいても，優れた電磁波受信システムを提供することができる。
【００３１】
なお，本発明による電磁波受信システムは，中継システムとしての用途にも応え得る機能を有している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。
【図２】本発明の第２の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。
【図３】図２の電磁波受信システムの透過型センサヘッドの構成を示す斜視図である。
【図４】本発明の第３の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。
【図５】本発明の第４の実施の形態による電磁波受信システムの構成を概略的に示す図である。
【図６】従来の電磁波受信システムの構成を示す図である。
【図７】電磁波受信システムに用いられるセンサヘッドの構成を示す図である。
【符号の説明】
１，２，３，４ センサヘッド
５，６ センサヘッド
１１，１４ 光源
１２ 第１の光源
１３ 第２の光源
１７，１８，１９，２０ 光検出器
２１，２２，２３，２４ 光サーキュレータ
２５，２６ 偏光分離器
２７ 光分岐器
２８ 光結合器
３１ 偏波面保持ファイバ
３２ シングルモード光ファイバ
４１，４２，４３，４４ アンテナ
５０ 基板
５１ 入射光導波路
５２ 位相シフト光導波路
５３ 出射光導波路
５６ 反射部
５７ 変調電極

Claims (5)

1. 印加される電界強度に依存して入射する光の強度を変化させて出射する電磁波受信システムにおいて，
   偏波面が互いに垂直な二つの直線偏光を出射する光出射部と，前記二つの直線偏光を，それぞれの直線偏光に分離する偏光分離器と，入射した前記直線偏光をアンテナを通して印加される電界の強度に依存して変調し出射するセンサヘッド部と，前記センサヘッド部から出射された光を検出する受光器とを備え、
   前記光出射部は，偏波面が互いに垂直となる第１及び第２の直線偏光を夫々出射する第１及び第２の光源と，前記第１及び第２の光源に偏波保持ファイバーを介して接続され，前記第１及び第２の直線偏光から偏波面が互いに垂直な二つの直線偏光に変換する光結合器とを備えていることを特徴とする電磁波受信システム。
2. 請求項１記載の電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッド部は，複数個のアンテナに夫々接続された複数個のセンサヘッドを備えていることを特徴とする電磁波受信システム。
3. 請求項１記載の電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッド部は，前記分離された二つの直線偏光を夫々入射する一対のセンサヘッドを備えていることを特徴とする電磁波受信システム。
4. 請求項２又は３の内のいずれかに記載の電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッドは，反射型のセンサヘッドであり，前記センサヘッドと前記偏向分離器との間の光路に，光サーキュレータを備え，前記センサヘッド部からの出射光は，前記光サーキュレータを介して前記受光器に入射することを特徴とする電磁波受信システム。
5. 請求項２又は３の内のいずれかに記載の電磁波受信システムにおいて，前記センサヘッドは，透過型のセンサヘッドであることを特徴とする電磁波受信システム。

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