JP4127838B2 - 電磁界プローブ - Google Patents

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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