JP3760908B2 - 狭指向性電磁界アンテナプローブおよびこれを用いた電磁界測定装置、電流分布探査装置または電気的配線診断装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高周波動作する電子機器、情報処理端末、通信機器等や半導体、回路基板等の近傍電磁界を測定する、またはそれらに電磁界を照射するためのプローブおよびそれらの装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来は、微小モノポールアンテナまたは微小ループアンテナをプローブとし、電磁界測定または電磁界を照射していたため、被測定対象とプローブの間隔である測定高さまたは照射高さと同等の位置分解能を得るのが限界であった。
【０００３】
特開２００１−２５５３４７には、従来の近傍電磁界測定用プローブが次のように開示されている。外来ノイズを遮蔽するために、単一指向性を有する近傍電磁界測定用アンテナを提供することを目的とし、該目的を達成するために、金属ホーンまたは誘電体を装加して指向性を単一指向性としたアンテナとする。これにより、指向性は金属ホーンの開口方向に単一となり、また外来ノイズはこの金属ホーンにより遮蔽されることから所望の電磁界のみを測定することが可能となる（特許文献１参照）。
【０００４】
【特許文献１】
特開２００１−２５５３４７号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の微小モノポールアンテナまたは微小ループアンテナをプローブとしてもちいた場合、これらプローブの半知幅は約９０゜であり、測定対象との平行成分を考えると半知幅は約４５゜となり、プローブ高さと半知幅が同等の領域となることから、測定位置分解能は測定高さと同等となる。このため、プローブを被測定対象と非常に近接させ、プローブ高さを低くしなければ位置分解能の高分解能化は望めないと言う問題があった。
【０００６】
また特開２００１−２５５３４７に開示されたアンテナは、メイン素子に流れる電流方向とシールド部に流れる電流方向が直交関係にあるため，シールド部下面より上方から到来する電界からメイン素子をシールドする効果はあるが，シールド部下面より下方への放射電界成分を打ち消し，指向性を狭くすることができなかった。従って、メイン素子からプローブ下部への放射電界の指向性をθ以下に狭めることができないという問題があった。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、微小モノポールアンテナまたは微小ループアンテナを用いたプローブの指向性を狭くすることで、プローブ高さ以上の位置分解能を得ることが可能となる。そのために、微小モノポールアンテナまたは微小ループアンテナの指向性を狭くすることを目的とする。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。
【０００９】
図２に示す従来型プローブ２００は、シグナルライン１０３を引き出し、主プローブ１０１を形成し、グランド１０４に接続するループ形状をしている。この形状では１巻微小ループアンテナの特性として、図７に示すように、プローブがｙｚ平面に存在する時、ｘｙ平面内磁界強度分布７０１は比較的なだらかな分布をしている。このため、この平面内磁界強度分布７０１のピークに対して半値となる領域、つまり測定時における位置分解能は、およそプローブの高さと同程度となる。そこで、この領域を狭く、位置分解能を向上させるために、図１に示すような構造のプローブを提案する。
【００１０】
図１に示すプローブ例１は、シグナルライン１０３を引き出し、主プローブ１０１を形成し、同時に指向性調整素子１０２として主プローブと逆巻ループアンテナを形成し、各々のラインはグランド１０４に接続される。この時、主プローブ１０１の電流経路１０５と指向性調整素子１０２の電流経路１０６は逆方向になるため、同相電流を供給しても発生する電磁界は逆相となる。このため、主プローブの発生する電磁界を指向性調整素子１０２の発生する電磁界が打ち消すように働き、例えば主プローブ１０１の面積に対して指向性調整素子１０２の面積の合計が小さい時、図８に示すように平面内電磁界強度分布８０１は、従来のプローブによる電磁界強度分布７０１に対して狭くなり、狭指向性プローブが実現できていることがわかる。
【００１１】
さらに、図３に示すプローブ例２では、指向性調整素子１０２を主プローブ１０１の軸方向およびそれと直交する方向に対称的に配置することで、主プローブ１０１の発生する電磁界強度分布を、プローブ例１で示した電磁界強度分布８０１よりも狭い電磁界強度分布９０１を実現し、狭指向性プローブとなっていることがわかる。
【００１２】
このように、主プローブ１０１の周りに指向性調整素子１０２を配置した場合、主プローブ１０１のみの場合に比べて、電磁界強度分布を絞ることができ、狭指向性プローブとなる。この概念図を図４に示す。ここで、主プローブ１０１の周りに配置した指向性調整素子１０２は、主プローブとの給電電流位相差をπ〔rad〕ずらすことで、主プローブ１０１の発生する電磁界を指向性調整素子１０２によって打ち消し、指向性を狭くする事を可能としている。一方、図１または３に示した例の様に、給電電流が同相でも、主プローブ１０１の電流経路１０５と指向性調整素子１０２の電流経路１０６が逆方向であれば、同様の結果を得られる。また、主プローブ１０１の電流経路１０５と指向性調整素子１０２の電流経路１０６が同方向の場合、位相差は完全にπ〔rad〕である必要はなく、π±π／２〔rad〕の範囲で有れば良い。このことから、主プローブ１０１の電流経路１０５と指向性調整素子１０２の電流経路１０６が逆方向の場合は、給電電流の位相差は０±π／２〔rad〕の位相差まで許容出来る。
【００１３】
これらの狭指向性プローブは、平面内での電磁界強度分布を絞ることを目的としているが、対称形であるため、観測平面とは逆方向、つまり図４プローブ構成図においては上方にも同様の電磁界分布が発生する。これに対し、図５に示すように、主プローブ１０１の上方に指向性を非対称とする調整素子５０１を配置することで、プローブの指向性を観測平面方向に絞ることが出来る。
【００１４】
以上の説明では、全てループアンテナを用いた図を用いて磁界強度分布を絞るプローブを中心に説明を行ったが、図６に示すように、モノポールアンテナを用いて、主プローブ６０１の発生する電界強度分布を打ち消すように、指向性調整素子６０２を配置することで、電界強度分布についても同様に狭指向性プローブを実現できる。この場合も、図６に示すように電流経路方向が逆方向の場合は、給電電流の位相差は０±π／２〔rad〕の位相差まで、また指向性調整素子６０２の向きを反転させた場合、給電電流の位相差はπ±π／２〔rad〕の位相差まで許容できる。
【００１５】
次に狭指向性プローブの構成形態について、異なる例を図１０および１１を用いて示す。この構成は、図１０に示すように、シグナルライン１０３を引き出し、主プローブ１０１を形成し、グランド１０４に接続するループ形状のプローブにおいて、グランド１０４の配線を導体板とし、指向性調整導体板１００１とする方法である。ここで、電流に対して無限導体平板が存在する場合、その平面と対称な位置に鏡像が構成されることは知られている。ここでは、この導体板のサイズを有限とすることで、鏡像を不完全な形で形成させ、図１に示す指向性調整素子１０２の代わりとする物である。ここで指向性調整導体板１００１は、不完全ながらも鏡像を構成する必要から、主プローブ１０１よりも大きく、その軸方向に主プローブを投影した場合、指向性調整導体板１００１上に全て投影出来ることが条件となる。ここで、図１０に示す狭指向性プローブ例３（１０００）では図１に示す狭指向性プローブ例１（１００）と同様、平面内電磁界強度分布は図８に示す平面内電磁界強度分布８０１と同様になる。そこで、図１１に示すように、この指向性調整導体板１００１を接続し、四角筒形状を構成することで、図３に示す指向性調整素子１０２の代わりとなり、この狭指向性プローブ例４（１１００）は図３に示す狭指向性プローブ例２（３００）と同様、平面内電磁界強度分布は図９に示す平面内電磁界強度分布９０１と同様になる。このように、鏡像効果を利用して指向性調整素子１０２の役割を担わせることが可能であり、この場合の指向性調整導体板１００１の形状は図１０の平行平板、図１１の四角筒以外にも、円筒など様々な形態が可能であり、指向性調整素子１０２の代わりとなるための条件は、主プローブを少なくとも２方向に投影出来る面積を有することである。
【００１６】
以上の様な方法で、狭指向性プローブは構成できるが、主プローブ１０１の正面方向に最大感度を有する構成の場合は、指向性調整素子１０２または指向性調整導体板１００１が主プローブに対して位置的に対称に配置され、各々の配置された指向性調整素子１０２または指向性調整導体板１００１が同じ大きさの電磁界を発生する様に、位置対称の関係にあるもの同士が同じ大きさ同じ電流、またはこれらの積が等しいなどの条件が必要である。
【００１７】
しかしこの場合、最大感度方向の線上に常に最大感度が存在するため、目標物までの間に障害物が存在する場合、こちらに電磁界を照射したり、また、波源が存在する場合は、所望の波源を観測出来ないなどの問題がある。そこで、図１４に示すように、狭指向性プローブを複数配置し、その最大感度方向がある１点で交錯するように配置すると、プローブからの距離に対する層別平面内電磁界強度分布１４０１は、交錯する点で最大感度を有することから、ピンポイントでの電磁界照射または電磁波源の観測が可能となる。
【００１８】
ここで図１４では、各々の狭指向性プローブを最大感度を得たい所望の位置に向けているが、狭指向性プローブの最大感度方向をチルトさせることで、見た目上ある平面内に並んでいるが、最大感度方向は所望の１点を向く構成を実現できる。このためには、各狭指向性プローブの最大感度方向を向けたい方向に配置された指向性調整素子１０２または指向性調整導体板１００１の大きさ、または電流、またはその両者を小さくすることで実現できる。さらに、指向性調整素子１０２または指向性調整導体板１００１の大きさや電流が等しい場合でも、供給電流の位相をシフトさせることで、最大感度方向の向きを所望の方向にチルトさせることが可能となる。
【００１９】
これにより、平面内に限らず、３次元的に所望の位置に最大感度を有するプローブ系を構成することが出来る。
【００２０】
以上の様な狭指向性プローブ１２０３は、図１２に示す電子機器等の電磁界分布を測定またはその結果から電流分布を探査する装置１２００に利用可能であり、この装置は狭指向性プローブ１２０３を２／３／４次元ステージに取り付け、測定対象１２０２近傍を走査し、近傍磁界または／および電界の分布を測定する。ここで最初に粗く測定し、電界または磁界成分の強い箇所等を詳細に測定するために、最初は狭指向性プローブの指向性調整素子１０２を切り離して、普通のプローブとし、詳細測定の際に狭指向性プローブとするためのスイッチを含むアンテナ制御回路１２０５を有し、このアンテナ制御回路１２０５をコンピュータ１２１１等で制御する。またプローブ１２０３によって誘起した信号は、その強度によっては高周波増幅器１２０６を介し、測定器１２１０によって計測される。この時、この電磁界の位相成分も測定するために、被測定対象１２０２の基本クロックを検出するためのプローブ１２０７によって被測定対象１２０２の基本クロックを検出、この信号をコンピュータ１２１１等で制御された分周回路１２０８および逓倍回路１２０９を介して所望の周波数成分とし、これと同期検波することで、位相測定を可能とする。
【００２１】
また、図１３に示す電子機器等に電磁波を照射する電子機器等の試験装置１３００にも利用可能である。この装置は、狭指向性プローブ１２０３を２／３／４次元ステージに取り付け、試験対象１２０２近傍を走査し、近傍から電磁波を照射する装置であり、狭指向性プローブ１２０３はシグナル発信器１３０１から電力供給を受け、試験対象１２０２の所望の位置に電磁波を照射する。ここで、上記電磁界分布を測定またはその結果から電流分布を探査する装置１２００と同様、最初に粗く照射し、問題箇所の領域を特定した後、詳細に試験するため、狭指向性プローブの指向性調整素子１０２を切り離して、普通のプローブとし、詳細試験の際に狭指向性プローブとするために指向性調整素子１０２を接続するためのスイッチを含むアンテナ制御回路１２０５を有し、このアンテナ制御回路１２０５をコンピュータ１２１１等で制御する。ここで、被測定対象に電磁波を照射した場合の電子機器等測定対象１２０２の動作状態は、コンピュータ１２１１等で制御されたテスタまたは測定器１３０２で検査され、その結果をコンピュータ１２１１等に取込み、試験判定を行う装置である。
【００２２】
【発明の効果】
電子機器等の発生する電界または／および磁界分布を測定、およびその結果から電子機器等の電流分布を探査する装置、または電子機器等に電界または／および磁界を照射し、これによる電子機器等の反応を見る試験装置等において、従来のプローブに比べ、指向性の狭いプローブを提供することで、非常に位置分解能の高い計測、試験装置を提供可能とする。
【図面の簡単な説明】
【図１】狭指向性プローブ例１を示す図である。
【図２】従来型プローブを示す図である。
【図３】狭指向性プローブ例２を示す図である。
【図４】狭指向性プローブ素子配列１を示す図である。
【図５】狭指向性プローブ素子配列２を示す図である。
【図６】電界型狭指向性プローブ例１を示す図である。
【図７】従来型プローブによる平面内電磁界強度分布を示す図である。
【図８】狭指向性プローブ例１による平面内電磁界強度分布を示す図である。
【図９】狭指向性プローブ例２による平面内電磁界強度分布を示す図である。
【図１０】狭指向性プローブ例３を示す図である。
【図１１】狭指向性プローブ例４を示す図である。
【図１２】電磁界分布測定／電流分布探査装置を示す図である。
【図１３】電磁界照射型検査装置を示す図である。
【図１４】狭指向性プローブアレーによるピンポイント電磁界発生機例１を示す図である。
【図１５】狭指向性プローブアレーによるピンポイント電磁界発生機例２を示す図である。
【符号の説明】
１００…狭指向性プローブ例１、１０１…主プローブ（ループアンテナ）、１０２…指向性調整素子（ループアンテナ）、１０３…シグナルライン、１０４…グランド、１０５…主プローブ電流経路、１０６…指向性調整素子電流経路、２００…従来型プローブ、３００…狭指向性プローブ例２、４００…狭指向性プローブ素子配列１、５００…狭指向性プローブ素子配列２、５０１…非対称指向性調整素子、６００…電界型狭指向性プローブ例１、６０１…主プローブ（モノポールアンテナ）、６０２…指向性調整素子（モノポールアンテナ）、７０１…従来型プローブによる平面内電磁界強度分布、８０１…狭指向性プローブ例１による平面内電磁界強度分布、９０１…狭指向性プローブ例２による平面内電磁界強度分布、１０００…狭指向性プローブ例３、１００１…指向性調整導体板、１００２…主プローブ端−指向性調整導体板端距離ｄ、１１００…狭指向性プローブ例４、１１０１…プローブ側面の指向性調整導体板、１２００…電磁界分布測定／電流分布探査装置、１２０１…２／３／４次元ステージ、１２０２…測定対象、１２０３…狭指向性プローブ、１２０４…台座、１２０５…アンテナ制御回路、１２０６…高周波増幅器、１２０７…基本クロック検出プローブ、１２０８…分周回路、１２０９…逓倍回路、１２１０…測定器（ベクトル電圧計）、１２１１…制御・演算用ＰＣ、１３００…電磁界照射型検査装置、１３０１…シグナル発信器、１３０２…テスタまたは測定器、１４００…狭指向性プローブアレーによるピンポイント電磁界発生機例１、１４０１…層別平面内電磁界強度分布、１５００…狭指向性プローブアレーによるピンポイント電磁界発生機例２、１５０１…指向性チルト型狭指向性プローブ。

Claims (12)

1. 電界または磁界を測定または照射するためのアンテナプローブにおいて、
   電界または磁界を測定または照射する主たるアンテナプローブと、
   その指向性を狭めるために主たるアンテナプローブの近傍に前記主たるアンテナプローブとは異なる面積を有する逆相励振したアンテナプローブを配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
2. 請求項１記載のアンテナプローブにおいて、
   逆相励振したアンテナプローブを主たるアンテナプローブの近傍に少なくとも２つ以上配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
3. 請求項２記載のアンテナプローブにおいて、
   逆相励振したアンテナプローブを主たるアンテナプローブの近傍に対称配列で配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
4. 請求項１，２または３記載のアンテナプローブにおいて、
   電界または磁界を測定または照射する主たるアンテナプローブの指向性を狭めるために配置したアンテナプローブへの供給電力を主プローブよりも小さくした、または受信電力を減衰させ主プローブの受信信号と合成する、またはアンテナのサイズを主たるアンテナプローブよりも小さくしたことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
5. 請求項１，２，３または４記載のアンテナプローブにおいて、
   電界または磁界を測定または照射する主たるアンテナプローブの指向性を狭めるために配置したアンテナプローブの発生する電磁界を、主プローブの発生する電磁界に対して、п±п／２〔rad〕の位相差を有することを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
6. 電界または磁界を測定または照射するためのアンテナプローブにおいて、
   電界または磁界を測定または照射する主たるアンテナプローブと、その指向性を狭めるために主たるアンテナプローブの近傍に前記主たるアンテナプローブを覆うように接地電位導体平板を配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
7. 請求項６記載のアンテナプローブにおいて、
   接地電位導体平板を２枚以上配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
8. 請求項７記載のアンテナプローブにおいて、
   接地電位導体平板を主たるアンテナプローブの近傍に対称配列で配置したことを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
9. 請求項１，２，３，４，５，６，７または８記載のプローブを複数用いて、空間の所望の領域にある波源からの電磁界を分離観測する、または空間の所望の領域で電磁界を合成し、単一の場合よりも強電磁界を発生させることを特徴とする狭指向性アンテナプローブ。
10. 請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のプローブを用いて、電子機器等の近傍電界または磁界分布を測定することを特徴とする電磁界測定装置。
11. 請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のプローブを用いて、電子機器等の近傍電界または磁界分布を測定し、その結果から電流分布を計算により算出することを特徴とする電流分布探査装置。
12. 請求項１，２，３，４，５，６，７，８または９記載のプローブを用いて、電子機器等に電界または磁界を照射し、その電界または磁界により誘起された電圧または電流による電子機器等の端子に発生する信号を検出することにより、電子機器等の配線接続状態を検査することを特徴とする電気的配線診断装置。

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