JP4127838B2 - 電磁界プローブ - Google Patents

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Description

本発明は、電磁界強度の計測に用いられる電磁界プローブに関する。
従来の電磁界強度測定用の電磁界プローブは、ループアンテナやモノポールアンテナ等のアンテナの周囲に誘電体を取り付けて構成されている。電磁界強度測定の安定度及び再現性を向上させるためには、外来雑音を遮断したり、取り付けられた誘電体の外側の境界面における電磁波の全反射を抑制したりするという改善が必要である。このうち外来雑音の遮断については、アンテナに金属ホーンを装荷したり、又はアンテナの周囲の特定の方向を除き誘電体を装荷したりすることにより、電磁界プローブに指向性を持たせるという発明がなされている(例えば、特許文献1参照。)。
しかし、上記の従来技術によっても、特に小型の電磁界プローブの場合は、誘電体の外側の境界面における電磁波の全反射によりアンテナに入射する電磁界強度が不安定になって測定精度の向上に限界があるという問題があった。
このような従来の電磁界プローブの問題点について、図6を参照して説明する。図6は、従来の電磁界プローブの構成を断面図で表すと共に入射電磁界の状態を説明する図である。図中、101は電磁界プローブである。1はそのアンテナであり、モノポール、ダイポール、ループ又はバイコニカル等のアンテナ素子2と、これを機械的に保護するためその周囲に設けられた保護部材3とから構成される。保護部材3の外側には、誘電体から構成された誘電性部材4が取り付けられている。誘電性部材4は、外側の界面4aにおいて外界(空気)と接している。電磁界プローブ101が使用されるとき、アンテナ素子2は図示しない測定回路に接続される。
ここで、図中の左手下方から、符号“U0”及び“U1”を付した電磁界が電磁界プローブ101に入射するものとする。電磁界“U0”はアンテナ素子2に入射して電流を励起する。電磁界“U1”は、誘電性部材4と空気との境界に当る界面4aに到達し、誘電性部材4の誘電率及び電磁界“U1”の入射の角度によっては全反射を起こし、電磁界“U1”とほとんど変らない強度を有する反射電磁界“U2”を生じる場合がある。
そうすると、アンテナ素子2には直接入射する電磁界“U0”に加えて、反射電磁界“U2”が入射することとなる。これらの2つの電磁界の間の位相関係は入射の角度に依存して変化し、かつ、誘電性部材4の内部においては波長短縮を生じているため、電磁界プローブ102の位置や向きをわずかに変えるだけで大きく変化する。この現象は、電磁界プローブが小型化されて波長単位のサイズが縮小するほど顕著に現れる。このため、電磁界強度の測定を安定して再現性よく行うことが困難になる。なお、実際には反射電磁界“U2”の一部が界面4aにおいてさらに反射を繰り返したり、他の方向からも電磁界が入射したりするため、状況がさらに複雑になる場合がある。
特開2001−255347号公報 (第2、3ページ、図1)
従来の電磁界プローブでは、特に小型化した場合、誘電体の外側の境界面における電磁波の全反射によりアンテナに入射する電磁界強度が不安定になって測定精度の向上に限界があるという問題があった。
本発明は上記問題を解決するためになされたもので、上記の電磁界の全反射を抑制して電磁界強度測定の安定度及び再現性を向上させることのできる電磁界プローブを提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明の電磁界プローブは、長手方向を有して形成された素子からなるアンテナと、高さ方向が前記アンテナの長手方向と略一致すると共に前記アンテナを内包する柱体をなすように前記アンテナの周囲に取り付けられた誘電性部材と、前記誘電性部材がなす柱体の側面を取り囲むように取り付けられた電波吸収性部材とを備えたことを特徴とする。
本発明によれば、誘電性部材の周囲に取り付けられた電波吸収性部材の効果により、電磁界の全反射を抑制して安定的に電磁界強度の測定を行うことができる。
以下、図面を参照して本発明の実施例を説明する。
以下、図1及び図2を参照して、本発明の実施例1を説明する。図1は、本発明の実施例1に係る電磁界プローブの構成を表した断面図である。図中、102は電磁界プローブである。1はそのアンテナであり、モノポール、ダイポール、ループ又はバイコニカル等のアンテナ素子2と、これを機械的に保護するためその周囲に取り付けられた保護部材3とから構成される。アンテナ1の外側には誘電体から構成された誘電性部材4が螺子5で固着されて取り付けられている。なお、アンテナ1、アンテナ素子2、保護部材3及び誘電性部材4は、図6に示した従来の電磁界プローブの構成と同じであるから、同じ符号を付している。
誘電性部材4の周囲を取り囲むように、電波吸収性部材6が取り付けられる。誘電性部材4と電波吸収性部材6との間の界面を、符号4bを付して表す。電波吸収性部材6は、例えば電波吸収シートやフェライト等の磁性損を利用する材料から構成される。なお、誘電率又は透磁率が異なる複数の材料を多層化して電波吸収性部材6を構成することにより、電磁界プローブ102の測定周波数範囲を広帯域化するようにしてもよい。
誘電性部材4の特性は、周波数3GHzにおける誘電率が22以上81以下、導電率が2.4以下とする。電波吸収性部材6の特性は、1MHz以上3GHz以下の周波数範囲における複素誘電率の実数部ε’が1以上、同じく虚数部ε”が1以上、複素透磁率の実数部μ’が1以上100以下、同じく虚数部μ”が1以上50以下とする。これらの値は、実験を含む検討に基づき記載したものである。なお実用上は誘電性部材4として、1MHz以上数十GHzの周波数範囲にわたり特性が定義され、1以上88(水相当)以下の誘電率と4(海水相当)以下の導電率を有するものを使用することが考えられる。また電波吸収性部材6として、1MHz以上数十GHzの周波数範囲にわたり特性が定義され、μ’が1以上100以下、μ”が0以上50以下のものを使用することが考えられる。
次に図2を参照して、本発明の実施例1に係る電磁界プローブの動作について説明する。図2は、本発明の実施例1に係る電磁界プローブ102への入射電磁界の状態を説明する図である。
図中の左手下方から符号“U0”及び“U1”を付した電磁界が電磁界プローブ102に入射するものとする。電磁界“U0”はアンテナ素子2に入射して電流を励起する。電磁界“U1”は、界面4bに到達する。これは、図6の場合と同様である。
しかし、図2においては図6の場合と異なり、電磁界プローブ102の界面4bは誘電性部材4と電波吸収性部材6の境界に当るため、界面4bに入射する電磁界“U1”のエネルギーの一部が磁性損として失われる。残る電磁界“U1”のエネルギーは符号“U3”を付して表した電磁界として反射するが、その強度は図6における反射電磁界“U2”の強度に比較して小さいものになる。
そうすると、アンテナ素子2に入射して電流を励起するのは、図2における電磁界“U0”のように直接入射する成分が主体となる。したがって、図6の場合のように界面4aにおいて生じる反射電磁界によって電磁界強度の安定した測定が妨げられるおそれを減少させることができる。
誘電性部材4はアンテナ1の保護部材3に螺子5を用いて螺子止めされているから、アンテナ1と誘電性部材4との相対的位置関係(アンテナ1を誘電性部材4に貫通させる深さ)を調整することができる。図2においてアンテナ1の誘電性部材4に対する相対的位置を下げるほど、電磁界測定の感度が上昇するので、電磁界強度の絶対値や入射角等の測定の状況に応じて調整することができる。
本発明の実施例1によれば、電磁界プローブのアンテナを取り囲む誘電性部材の周囲に電波吸収性部材を取り付けることにより、誘電性部材と電波吸収性部材の界面における反射を抑えて安定して電磁界強度を測定することができる。
以下、図3及び図4を参照して、本発明の実施例2を説明する。図3は、本発明の実施例2に係る電磁界プローブの構成を表した断面図である。図中、103は電磁界プローブであり、電磁界プローブ103の構成のうちアンテナ1、アンテナ素子2、保護部材3及び電波吸収性部材6は図1に示した電磁界プローブ102の構成と同一である。7は開閉孔8を有し内容物の詰め替えが可能な容器であり、これに液状の誘電体を注入することにより、図1に示した電磁界プローブ102の誘電性部材4と等価なものにすることができる。そうすると、電磁界プローブ103は電磁界プローブ102と等価なものとして構成され、電磁界強度を安定して測定することができる。
また、本発明の実施例2においては、容器7に注入する液状の誘電体を入れ替えることができるから、測定の対象や状況に応じて最適の誘電率に設定することができるという付加的な効果が得られる。
図3は、容器7の周囲に電波吸収性部材6を取り付けた形の構成を示しているが、これに代えて電波吸収性部材を内容物の詰め替えが可能な容器の形状に形成し、その中に液状の誘電体を注入するようにすることもできる。
図4は、実施例2に係るものとして構成され電磁界測定精度の評価に使用された電磁界プローブ103aの構成を表した断面図である。図中の2aはアンテナ素子、3aはアンテナ素子2aを取り囲むように取り付けられた保護部材である。保護部材3aの上部には、蓋部3bが螺子部3cを介して螺合して取り付けられる。保護部材3aに対する蓋部3bの取り付けを緩めることによって、アンテナ素子2aの保護部材3aに対する位置を最大5cm程度上下させることができるように構成されている。
保護部材3aの下部には、肉厚5mmで円筒状に形成された容器7aが、螺子部7bを介して保護部材3aに螺合して取り付けられる。容器7aの内側には、液状誘電体9が注入されている。評価に使用した液状誘電体9の特性は、周波数2GHz帯においてε’=40である。なお、注入された液状誘電体9の上側を覆う保護部材3aの肉厚は10mmである。保護部材3a及び容器7aの各部の寸法は、図4に示した通りである。容器7aの外周には、電波吸収性部材6aが着脱可能に取り付けられる。評価に使用した電波吸収性部材6aの特性は、周波数2GHz帯においてε’=100、ε”=30、μ’=5、μ”=10である。
従来の電磁界プローブは、測定精度を確保するために電磁界プローブ103aよりも大型の形状を必要とした。そのような従来の電磁界プローブの1による電磁界強度の測定値に対し、電波吸収性部材6aを取り付けた電磁界プローブ103aによる同じ電磁界強度の測定値の相関係数を求めたところ、周波数1.9GHz帯において0.92という結果が得られた。また、電磁界プローブ103aから電波吸収性部材6aを取り外して同様に相関係数を求めたところ、周波数1.9GHz帯において0.68という結果が得られた。したがって、電波吸収性部材6aを取り付けた状態における測定の方が、より大型で測定精度の高い従来の電磁界プローブによる測定と高い相関を示している。この評価結果から、電波吸収性部材6aを取り付けたことによる測定精度の向上が裏付けられた。
本発明の実施例2によれば、内容物の詰め替えが可能な容器に液状の誘電体を注入して誘電性部材を構成することにより、測定の対象や状況に応じて電磁界プローブの誘電性部材の誘電率を最適化することができる。
以下、図5を参照して、本発明の実施例3を説明する。図5は、本発明の実施例3に係る電磁界プローブの構成を表した断面図である。図中、104は電磁界プローブであり、符号1、2,3,5又は6を付して示した構成は図1の電磁界プローブ102の構成と同じであるから、それらの説明は省略する。4cは、図1における誘電性部材4に相当する誘電性部材である。電磁界プローブ104の特徴は、誘電性部材4cの先端部分(図5の最下部)が尖形をなして形成された点である。このように構成された電磁界プローブ104を、例えば物と物との間の狭隘なスペースに挿入することによって、その位置における電磁界強度の安定的な再現性のよい測定が可能になる。
誘電性部材4cの先端部分の形状は、図5に示したようなものだけでなく、測定対象の周囲の状況等に合わせて任意に選択することができる。また、実施例2の場合と同様に誘電性部材4cを詰め替え可能な容器に液状の誘電体を注入して構成することもできる。
本発明の実施例1に係る電磁界プローブの構成を表した断面図。 本発明の実施例1における入射電磁界の状態を説明する図。 本発明の実施例2に係る電磁界プローブの構成を表した断面図。 本発明の実施例2による効果を評価するのに用いた電磁界プローブの構成を表した断面図。 本発明の実施例3に係る電磁界プローブの構成を表した断面図。 従来の電磁界プローブの構成及び入射電磁界の状態を説明する図。
符号の説明
101、102、103、103a、104 電磁界プローブ
1 アンテナ
2、2a アンテナ素子
3、3a 保護部材
3b 蓋部
3c、7b 螺子部
4、4c 誘電性部材
4a、4b 界面
5 螺子
6、6a 電波吸収性部材
7、7a 容器
8 開閉孔
9 液状誘電体

Claims (5)

  1. 長手方向を有して形成された素子からなるアンテナと、
    高さ方向が前記アンテナの長手方向と略一致すると共に前記アンテナを内包する柱体をなすように前記アンテナの周囲に取り付けられた誘電性部材と、
    前記誘電性部材がなす柱体の側面を取り囲むように取り付けられた電波吸収性部材とを
    備えたことを特徴とする電磁界プローブ。
  2. 前記誘電性部材は、周波数3GHzにおける誘電率が22以上81以下、導電率が2.4以下の誘電体からなることを特徴とする請求項1に記載の電磁界プローブ。
  3. 前記電波吸収性部材は、1MHz以上3GHz以下の周波数範囲における複素誘電率の実数部ε’及び虚数部ε”がそれぞれ1以上、複素透磁率の実数部μ’及び虚数部μ”がそれぞれ1以上100以下及び1以上50以下の電波吸収体からなることを特徴とする請求項1に記載の電磁界プローブ。
  4. 前記誘電性部材は、詰め替え可能な容器に液状の誘電体が注入されて構成されたことを特徴とする請求項1に記載の電磁界プローブ。
  5. 前記誘電性部材は、前記アンテナに対する相対的な位置を可変にして取り付けられたことを特徴とする請求項1に記載の電磁界プローブ。
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