JP4445739B2 - Fiber electromagnetic field sensor - Google Patents
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Description
本発明は、電磁界を検出するファイバ電磁界センサに関する。 The present invention relates to a fiber electromagnetic field sensor for detecting an electromagnetic field.
例えば、電子機器などから発生する不要電磁波がテレビ、ラジオなどの放送受信機に影響を与える電磁障害、すなわちEMI(Electromagnetic Interference)を正確に測定するには、オープンサイト、電波暗室などの測定設備が必要であり、またこれらの特性を評価するために標準的な電磁波の放射および受信を行なうことも必要である。 For example, electromagnetic interference unnecessary electromagnetic waves generated from etc. electronic devices affects TV, the broadcast receiver such as a radio, that is, to accurately measure the EMI (Electromagnetic Interference) is an open site, measurement equipment, such as an anechoic chamber In order to evaluate these characteristics, it is also necessary to perform standard electromagnetic wave emission and reception.
電磁波の送信・受信用アンテナとして、光ファイバを信号線に用いた広帯域球状ダイポールアンテナが提案されている。このアンテナは、2つの半球状のアンテナエレメントを有し、このアンテナエレメント内に光/電気(O/E)変換器または電気/光(E/O)変換器、駆動電源、増幅器などを備えることにより、電磁波の放射または受信を実現している(例えば、非特許文献1参照)。 A broadband spherical dipole antenna using an optical fiber as a signal line has been proposed as an antenna for transmitting and receiving electromagnetic waves. This antenna has two hemispherical antenna elements, and an optical / electrical (O / E) converter or an electric / optical (E / O) converter, a driving power supply, an amplifier, etc. are provided in the antenna element. Thus, radiation or reception of electromagnetic waves is realized (for example, see Non-Patent Document 1).
図4は、この種の従来の球状ダイポールアンテナの構造を具体的に示す断面図である。この従来の球状ダイポールアンテナは、互いに対向する中空部を有する半球状の第1および第2のアンテナエレメント51、53を有する。また、この第1、第2のアンテナエレメント51、53の半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように導電体からなる円盤部52、54がそれぞれ設けられ、一方の円盤部52の中央部が図では下方に突出して中心導体55を構成し、この中心導体55が他方の円盤部54の中心部を貫通して延出している。この中心導体55の周囲および円盤部52、54の対向面の間は絶縁物を充填され、これにより第1、第2のアンテナエレメント51、53を一体的に構成している。なお、円盤部52、54の対向面は、中心から外周に向かって傾斜するテーパ状に形成されている。
FIG. 4 is a sectional view specifically showing the structure of a conventional spherical dipole antenna of this type. This conventional spherical dipole antenna has hemispherical first and
また、第2のアンテナエレメント53の中空部内においては、光/電気(O/E)変換器59およびこのO/E変換器59に動作電圧を供給すべくO/E変換器59に接続された電池からなる電源58が設けられ、O/E変換器59は、第1のアンテナエレメント51と第2のアンテナエレメント53との間に中心導体55、円盤部52、54を介して接続されている。
Further, in the hollow portion of the
また、O/E変換器59は、光ファイバケーブル57を介して外部に設けられた電気/光(O/E)変換器61に接続され、このE/O変換器61から更に発振器62に接続されている。そして、発振器62から出力される電気信号は、E/O変換器61により光信号に変換され、光ファイバケーブル57を介してO/E変換器59に供給され、電気信号として中心導体55、円盤部52、54を介して第1、第2のアンテナエレメント51、53に印加され、電磁波を放射するようになっている。
The O /
また、図4に示す従来の球状ダイポールアンテナにおいて、O/E変換器59をE/O変換器とし、E/O変換器61をO/E変換器とし、発振器62を電気信号測定器とし、第1、第2のアンテナエレメント51、53に受信し、E/O変換器に電圧として印加される電磁波を光信号に変換し、この光信号を光ファイバケーブル57を介してO/E変換器に供給し、このO/E変換器から出力される電気信号のレベルを電気信号測定器で測定することにより電磁波強度を測定することができる。
In the conventional spherical dipole antenna shown in FIG. 4, the O /
このように構成され作用する球状ダイポールアンテナにおいては、円盤部52、54の対向面に形成されたテーパ部は、第1、第2のアンテナエレメント51、53間に電気信号を印加した場合の駆動点インピーダンスと空間の特性インピーダンスを緩やかに変化させ、O/E変換器の出力インピーダンスと空間の特性インピーダンスとの整合を良くするため、第1、第2のアンテナエレメント51、53における共振現象を抑制でき、広帯域にわたる電磁放射および測定を実現している。
上述した従来の球状ダイポールアンテナは、O/E変換器59に動作電圧を供給する電源として電池を使用しているため、電池の寿命により連続動作時間が制限されるという問題がある。
Since the conventional spherical dipole antenna described above uses a battery as a power source for supplying an operating voltage to the O /
本発明は、上記に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、電池などにより動作時間を制限されることなく、広帯域にわたり電磁界を測定することができるファイバ電磁界センサを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to provide a fiber electromagnetic field sensor capable of measuring an electromagnetic field over a wide band without being limited in operating time by a battery or the like. It is in.
請求項1記載の本発明のファイバ電磁界センサは、電磁波を受信する第1及び第2のアンテナエレメントと、この第1及び第2のアンテナエレメント間を終端する終端抵抗と、光を発生する光源と、この光源からの光を2つの直交する直線偏波光にする偏光手段と、この偏光手段からの直線偏波光を入射され、この入射された直線偏波光に対して前記終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加して直線偏波光の位相角を変化させるファラデー効果を有する電流検出ファイバと、前記磁界により位相角の変化をさせられて電流検出ファイバから出射される直線偏波光を2つの直交偏波に分離する検光子と、この検光子から出射される2つの直交偏波を検波し、電気信号としてそれぞれ出力する光電気変換手段と、この光電気変換手段から出力される2つの電気信号の位相角を検出する位相検出手段とを有し、前記第1および第2のアンテナエレメントは、互いに対向する中空部を有する半球状であり、この半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように円盤部を有し、この円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっており、前記終端抵抗、偏光手段、電流検出ファイバおよび検光子を前記第2のアンテナエレメントの中空部に収容するように構成し、前記光源、光電気変換手段および位相検出手段を前記第1および第2のアンテナエレメントの外部に設置し、前記光源からの光が光ファイバケーブルを介して前記偏光手段に伝達され、前記検光子から出射される前記2つの直交偏波が光ファイバケーブルを介して前記光電気変換手段に供給されることを要旨とする。
The fiber electromagnetic field sensor of the present invention according to
請求項2記載の本発明のファイバ電磁界センサは、前記光源は、レーザ光源であり、前記光電気変換手段が、フォトダイオードであることを要旨とする。 A fiber electromagnetic field sensor according to a second aspect of the present invention is characterized in that the light source is a laser light source, and the photoelectric conversion means is a photodiode.
本発明によれば、ファラデー効果を有する電流検出ファイバに入射された直線偏波光に対して第1、第2のアンテナエレメントから終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加することで、直線偏波光の位相角を変化させ、この直線偏波光を検光子で2つの直交偏波に分離し、それぞれ光電気変換手段で電気信号として出力し、この2つの電気信号の位相角をアンテナエレメントで受信した電磁界に比例する信号として位相検出手段で検出して出力するので、電池などの電源を使用することなく、かつ電流検出ファイバなどの光ファイバを用いることで測定対象の電磁界を乱すことなく、電磁界を検出することができ、電池の動作時間の制限を受けることがない。 According to the present invention, a linearly polarized light is applied by applying a magnetic field generated by the current flowing from the first and second antenna elements to the terminating resistor to the linearly polarized light incident on the current detection fiber having the Faraday effect. The linearly polarized light is separated into two orthogonally polarized waves by an analyzer, output as electrical signals by photoelectric conversion means, and the phase angle of the two electrical signals is received by an antenna element. Since it is detected and output by the phase detection means as a signal proportional to the electromagnetic field, without using a power source such as a battery, and without disturbing the electromagnetic field to be measured by using an optical fiber such as a current detection fiber, The electromagnetic field can be detected, and the operation time of the battery is not limited.
本発明によれば、第1および第2のアンテナエレメントは中空部を有する半球状であり、中空部の開口部を閉塞する円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっているので、アンテナエレメントにおける共振現象を抑制でき、広帯域周波数特性を有し、広帯域にわたる電磁界の測定を行なうことができる。 According to the present invention, the first and second antenna elements are hemispherical having a hollow part, and the opposing surface of the disk part closing the opening of the hollow part is a tapered surface inclined from the center toward the outer periphery. Therefore, it is possible to suppress the resonance phenomenon in the antenna element, to have a wideband frequency characteristic, and to measure an electromagnetic field over a wide band.
以下、図面を用いて、本発明を実施するための最良の形態(以下、実施形態と称する)を説明する。 Hereinafter, the best mode for carrying out the present invention (hereinafter referred to as an embodiment) will be described with reference to the drawings.
(第1の実施形態)
図1(a)は、本発明の第1の実施形態に係るファイバ電磁界センサの原理を示す構成図である。同図に示すファイバ電磁界センサは、電磁波を受信する第1および第2のアンテナエレメント1、3を有し、この第1、第2のアンテナエレメント1、3の間は、終端抵抗15で終端されている。
(First embodiment)
Fig.1 (a) is a block diagram which shows the principle of the fiber electromagnetic field sensor which concerns on the 1st Embodiment of this invention. The fiber electromagnetic field sensor shown in FIG. 1 includes first and
この第1、第2のアンテナエレメント1、3間を終端抵抗15で接続すべく第1のアンテナエレメント1から終端抵抗15に延びている電気配線25には、ファラデー効果を有する電流検出ファイバ12が交差するように設けられている。
A
この電流検出ファイバ12と終端抵抗15への電気配線25との関係は、図1(b)に拡大して示すように、電気配線25に対して電流検出ファイバ12を例えば2〜3回、巻回させて交差させ、電気配線25に流れる電流によって発生する磁界を電流検出ファイバ12に印加するようになっている。
The relationship between the
ファラデー効果を有する電流検出ファイバ12は、当該電流検出ファイバ12に後述するように入射された直線偏波光に対して電気配線25を介して第1、第2のアンテナエレメント1、3から終端抵抗15に流れる電流Iによって発生する磁界Hを印加すると、この磁界の強度に応じて前記直線偏波光の位相角を変化させるようになっている。従って、後述するように、この位相角を検出すると、この位相角から磁界の強度、延いては終端抵抗15に流れる電流、すなわち第1、第2のアンテナエレメント1、3で受信した電磁波、換言すると、電磁界の強度を検出することができるものである。
The
図1(a)に戻って、電流検出ファイバ12の一端には偏光手段である偏光板13が接続され、この偏光板13は光ファイバケーブル7を介してレーザ光源16に接続されている。また、電流検出ファイバ12の他端には検光子14が接続され、この検光子14は光ファイバケーブル7を介して光電気変換手段である2個のフォトダイオード18が接続され、このフォトダイオード18は更に位相検出手段である位相検出部17に接続されている。
Returning to FIG. 1A, a polarizing
偏光板13は、レーザ光源16からのレーザ光を2つの直交する直線偏波光にし、この直線偏波光を電流検出ファイバ12の一端から入射させるようになっている。電流検出ファイバ12は、偏光板13から直線偏波光を入射されるとともに、また上述したように終端抵抗15に流れる電流によって電気配線25から発生する磁界を印加されると、この磁界に応じて直線偏波光の位相角を変化させる。
The polarizing
この位相角の変化させられて電流検出ファイバ12から出射される直線偏波光は、検光子14で2つの直交偏波に分離され、2個のフォトダイオード18に供給される。フォトダイオード18は、検光子14からの2つの直交偏波を検波し、電気信号として位相検出部17に供給する。位相検出部17は、2個のフォトダイオード18から出力される2つの電気信号の位相角を検出する。この位相角は、測定対象の電磁界、すなわち上述したように、第1、第2のアンテナエレメント1、3で受信した電磁界の比例するものであるため、この位相角から当該電磁界の強度を計測することができる。
The linearly polarized light emitted from the
次に、以上のように構成されるファイバ電磁界センサの作用について説明する。レーザ光源16からのレーザ光は光ファイバケーブル7を介して偏光板13に伝達され、偏光板13に入射する。このレーザ光は、偏光板13で2つの直交する直線偏波光にされ、電流検出ファイバ12の一端から入射され、電流検出ファイバ12を一端から他端に向かって伝搬される。なお、この電流検出ファイバ12は、図1(b)に示すように第1、第2のアンテナエレメント1、3を終端抵抗15に接続している終端抵抗15に交差している。
Next, the operation of the fiber electromagnetic field sensor configured as described above will be described. Laser light from the
このように電流検出ファイバ12に直線偏波光が入射されて伝搬されている状態において、第1、第2のアンテナエレメント1、3が電磁波を受信すると、この電磁波により第1、第2のアンテナエレメント1、3間に電気配線25、終端抵抗15を介して電流が流れ、電気配線25の周囲に磁界が発生する。従って、この磁界は、電気配線25に交差している電流検出ファイバ12を伝搬されつつある直線偏波光の位相角を該磁界の強度に応じて変化させる。
When the first and
この電流検出ファイバ12を伝達しつつある状態において位相角の変化させられた直線偏波光は、電流検出ファイバ12の他端から出射すると、検光子14に入射する。検光子14は、電流検出ファイバ12からの直線偏波光を2つの直交偏波に分離し、光ファイバケーブル7を介して2個のフォトダイオード18に供給する。2個のフォトダイオード18は、検光子14からの2つの直交偏波を検波し、それぞれ電気信号として位相検出部17に供給する。位相検出部17は、2個のフォトダイオード18から供給される2つの電気信号の位相角を第1、第2のアンテナエレメント1、3で受信した電磁界の強度として検出する。なお、図1では、図示していないが、この位相検出部17で検出した位相角を電磁界の強度として変換して出力する回路手段を位相検出部17の出力に接続してもよいし、または位相検出部17自身において検出した位相角を電磁界の強度として出力するようになっていてもよいものである。
When the linearly polarized light whose phase angle is changed while being transmitted through the
(第2の実施形態)
次に、図2を参照して、本発明の第2の実施形態に係るファイバ電磁界センサについて説明する。図2は、図1に示すファイバ電磁界センサを具体的な構成として示すファイバ電磁界センサの断面図であり、同じ構成要素には同じ符号を付している。
(Second Embodiment)
Next, a fiber electromagnetic field sensor according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a cross-sectional view of a fiber electromagnetic field sensor showing the fiber electromagnetic field sensor shown in FIG. 1 as a specific configuration, and the same components are denoted by the same reference numerals.
図2に示す実施形態のファイバ電磁界センサは、図1に示すファイバ電磁界センサにおいて第1、第2のアンテナエレメント1、3を互いに対向する中空部を有する半球状の第1、第2のアンテナエレメント10、30にするとともに、この半球状の第1、第2のアンテナエレメント10、30の中空部10a、30aの互いに対向する開口部に該開口部を閉塞するように導電体からなる円盤部2、4を設け、この円盤部2、4の対向面を中心から外周に向かって傾斜するテーパ面2a、4aとして形成し、更に一方の円盤部2の中空部を図2では下方に突出させて導電体からなる中心導体5を構成し、この中心導体5を他方の円盤部4の中心部を貫通して延出させ、この中心導体5の周囲および円盤部2、4の対向面の間を電気的な絶縁物6を充填して、第1、第2のアンテナエレメント10、30を一体的に構成している点が図1に示すファイバ電磁界センサと異なるものであり、その他の構成および作用は同じである。
The fiber electromagnetic field sensor according to the embodiment shown in FIG. 2 is a hemispherical first and second antenna having hollow portions facing each other in the first and
また、本実施形態のファイバ電磁界センサでは、偏光板13、検光子14、電流検出ファイバ12、終端抵抗15を第2のアンテナエレメント30の半球状の中空部30a内に収容するとともに、これらの構成要素のうち終端抵抗15を除く全くの構成要素を光学系で実現し、電気回路系を除去し、また従来のように動作電圧用の電池などからなる電源を排除し、電池の寿命による動作時間の制限を受けることなく、作動し得るようになっている。
Further, in the fiber electromagnetic field sensor of the present embodiment, the
なお、終端抵抗15は、中心導体5の下端部、詳しくは、この下端部の円状に広がった円板部と円盤部4との間に接続されているが、中心導体5は円盤部2を介して第1のアンテナエレメント10に電気的に接続され、円盤部4は第2のアンテナエレメント30に接続されているので、終端抵抗15は、第1、第2のアンテナエレメント10、30の間に接続され、両者間を終端しているものである。
The
更に、第1、第2のアンテナエレメント10、30の中空部10a、30aの開口部を閉塞している円盤部2、4の対向する面がテーパ面2a、4aとして形成されているので、第1、第2のアンテナエレメント51、53における共振現象を抑制でき、広帯域周波数特性を有し、広帯域にわたる電磁界の測定を行なうことができるようになっている。
Furthermore, since the opposing surfaces of the
このように構成されるファイバ電磁界センサにおいては、レーザ光源16からのレーザ光は光ファイバケーブル7を介して偏光板13に伝達され、偏光板13に入射する。このレーザ光は、偏光板13で2つの直交する直線偏波光にされ、利検出ファイバ12に一端から入射され、電流検出ファイバ12を一端から他端に向かって伝搬される。
In the fiber electromagnetic field sensor configured as described above, the laser light from the
電流検出ファイバ12に偏光板13からの直線偏波光が入射され伝搬されている状態において、第1、第2の半球状のアンテナエレメント10、30が電磁波を受信すると、この電磁波により第1、第2のアンテナエレメント10、30間に電気配線25、終端抵抗15を介して電流が流れ、この電流により電気配線25の周囲に磁界が発生する。この磁界は、電気配線25に交差している電流検出ファイバ12を伝搬されつつある直線偏波光の位相角を該磁界の強度に応じて変化させる。
When the first and second
この電流検出ファイバ12を伝搬されつつある状態において位相角の変化させられた直線偏波光は、電流検出ファイバ12を伝搬して他端から出射すると、検光子14に入射する。検光子14は、電流検出ファイバ12からの直線偏波光を2つの直交偏波に分離し、光ファイバケーブル7を介して2個のフォトダイオード18に供給する。2個のフォトダイオード18は、検光子14からの2つの直線偏波を検波し、それぞれ電気信号として位相検出部17に供給する。位相検出部17は、2個のフォトダイオード18から供給される2つの電気信号の位相角を第1、第2のアンテナエレメント1、3で受信した電磁界の強度として検出し出力する。
The linearly polarized light whose phase angle is changed while being propagated through the
(第3の実施形態)
図3を参照して、本発明の第3の実施形態に係るファイバ電磁界センサについて説明する。図3に示す実施形態のファイバ電磁界センサは、図2に示した実施形態のファイバ電磁界センサにおいて、レーザ光源16と偏光板13との間の接続、フォトダイオード18と検光子14との間の接続を行なっていた3本の個別の光ファイバケーブル7の代わりにバンドルファイバ19で構成した点が異なるのみであり、その他の構成および作用は図2と同じであり、同じ構成要素には同じ符号を付している。
(Third embodiment)
A fiber electromagnetic field sensor according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The fiber electromagnetic field sensor of the embodiment shown in FIG. 3 is the same as the fiber electromagnetic field sensor of the embodiment shown in FIG. 2, but is connected between the
バンドルファイバ19は、複数本のファイバを束ね、その両端を例えば端末金具で結合したり、接着などしたものであり、両端は固定されるが、中間部はフレキシビリティが保たれ、空間自由度を保持することができるものである。本実施形態では、バンドルファイバ19で束ねられた複数本のファイバのうち3本を使用している。
The
1、3 第1、第2のアンテナエレメント
2、4 円盤部
2a、4a テーパ面
5 中心導体
10、30 第1、第2の半球状のアンテナエレメント
10a、30a 中空部
12 電流検出ファイバ
13 偏光板
14 検光子
15 終端抵抗
16 レーザ光源
17 位相検出部
18 フォトダイオード
19 バンドルファイバ
DESCRIPTION OF
Claims (2)
この第1及び第2のアンテナエレメント間を終端する終端抵抗と、
光を発生する光源と、
この光源からの光を2つの直交する直線偏波光にする偏光手段と、
この偏光手段からの直線偏波光を入射され、この入射された直線偏波光に対して前記終端抵抗に流れる電流によって発生する磁界を印加して直線偏波光の位相角を変化させるファラデー効果を有する電流検出ファイバと、
前記磁界により位相角の変化をさせられて電流検出ファイバから出射される直線偏波光を2つの直交偏波に分離する検光子と、
この検光子から出射される2つの直交偏波を検波し、電気信号としてそれぞれ出力する光電気変換手段と、
この光電気変換手段から出力される2つの電気信号の位相角を検出する位相検出手段とを有し、
前記第1および第2のアンテナエレメントは、互いに対向する中空部を有する半球状であり、この半球状の中空部の開口部に該開口部を閉塞するように円盤部を有し、この円盤部の対向面が中心から外周に向かって傾斜するテーパ面となっており、
前記終端抵抗、偏光手段、電流検出ファイバおよび検光子を前記第2のアンテナエレメントの中空部に収容するように構成し、
前記光源、光電気変換手段および位相検出手段を前記第1および第2のアンテナエレメントの外部に設置し、
前記光源からの光が光ファイバケーブルを介して前記偏光手段に伝達され、前記検光子から出射される前記2つの直交偏波が光ファイバケーブルを介して前記光電気変換手段に供給される
ことを特徴とするファイバ電磁界センサ。 First and second antenna elements for receiving electromagnetic waves;
A terminating resistor that terminates between the first and second antenna elements;
A light source that generates light;
Polarization means for converting light from this light source into two orthogonal linearly polarized light;
A current having a Faraday effect that changes the phase angle of the linearly polarized light by applying the magnetic field generated by the current flowing through the terminating resistor to the incident linearly polarized light. A sensing fiber;
An analyzer that separates linearly polarized light emitted from the current detection fiber by changing the phase angle by the magnetic field into two orthogonally polarized waves;
Photoelectric conversion means for detecting two orthogonally polarized waves emitted from the analyzer and outputting each as an electric signal;
Phase detection means for detecting the phase angle of two electrical signals output from the photoelectric conversion means,
The first and second antenna elements are hemispherical having hollow portions facing each other, and have a disk portion so as to close the opening at the opening of the hemispherical hollow portion. The opposing surface is a tapered surface inclined from the center toward the outer periphery,
The termination resistor, polarization means, current detection fiber and analyzer are configured to be accommodated in the hollow portion of the second antenna element,
Installing the light source, photoelectric conversion means and phase detection means outside the first and second antenna elements;
The light from the light source is transmitted to the polarization means via an optical fiber cable, and the two orthogonally polarized waves emitted from the analyzer are supplied to the photoelectric conversion means via an optical fiber cable. A featured fiber electromagnetic field sensor.
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