JP4590339B2 - 電界センサ、電界センサシステム - Google Patents

Description

本発明は電界センサ、電界センサシステムに関し、特に電波を発射する送信アンテナ周辺における電界強度測定装置に用いる、広帯域（広い周波数範囲）で指向特性が等方性である電界センサ、及びこれを用いた電界センサシステムに関する。

送信アンテナ周辺の電界強度を測定するためのセンサとしては、従来は図６に示すようなダイポールが使用されていた。同図において、従来のセンサでは、指向特性を等方性とするために、３本のダイポールアンテナＡＮＴｘ、ＡＮＴｙ、ＡＮＴｚが使用されている。それぞれのダイポールアンテナＡＮＴｘ、ＡＮＴｙ、ＡＮＴｚは、直交するｘ軸、ｙ軸、ｚ軸それぞれに沿って配置されている。

ここで、各ダイポールアンテナの長さは、共振が発生しないように、使用する上限周波数の波長の１／２以下にする。また、各ダイポールアンテナへ信号を供給するフィーダ線には、図示せぬ同軸ケーブルが使用されている。
ダイポールアンテナを同軸ケーブルに接続するために、周知の平衡不平衡変換器（バラン）が用いられている。同図においては、ｘ軸用バランＢｘ、ｙ軸用バランＢｙ、ｚ軸用バランＢｚが用いられている。この平衡不平衡変換器には、例えばフェライトビーズを使用することができる。

ところで、無指向性でかつアンテナ利得の大きく安価でシンプルで必要に応じて長さを変えることのできるコリニアアンテナの構成例が特許文献１に記載されている。同文献に記載されているアンテナは、導体上に誘電体被覆を施して構成した同軸コア状の給電線と、誘電体の表面に部分的に導電層を設けて構成した同軸鞘状のアンテナエレメントと、これら給電線及びアンテナエレメントで構成するアンテナ本体部に付設されたコネクタと、さらに最外層としての絶縁性レドームとを備えている。
特開平９−３６６４２号公報

上述した電界センサの感度は、周波数が低くなるほどセンサの感度が低下する。感度の低下を防ぐためには、エレメント長の長いダイポールを使用する必要がある。しかし、エレメント長を長くすると、共振周波数は、低くなる。このため、広帯域の測定をするためには、エレメント長の異なるダイポールを複数切り替えて使用しなければならないという問題がある。このような問題は、特許文献１に記載のアンテナを用いても解決することはできない。
本発明は上述した従来技術の問題点を解決するためになされたものであり、その目的は異なるエレメント長さのダイポールを切り替えることなく、広帯域での電界強度測定が可能な、等方性の電界センサ、これを用いた電界センサシステムを提供することである。

本発明の請求項１による電界センサは、
中心導体と、前記中心導体と同軸線路をなす外導体と、前記外導体の外周を覆うように該外導体の長さ方向に並設された複数の環状磁性体と、前記複数の環状磁性体の外側を覆うように、該環状磁性体の並設方向に並設された第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のスリーブと、前記第１〜第Ｎのスリーブの隣接するスリーブ同士を電気的に接続するインダクタとを含むスリーブ部と、
中心導体と、前記中心導体と同軸線路をなす外導体と、前記外導体の外周を覆うように該外導体の長さ方向に並設された複数の環状磁性体と、前記複数の環状磁性体の外側を覆うように、該環状磁性体の並設方向に並設された第１〜第Ｎの放射素子と、前記第１〜第Ｎの放射素子の隣接する素子同士を電気的に接続するインダクタとを含む放射部と、
を備え、前記スリーブ部の中心導体と、前記放射部の中心導体、前記放射部の外導体、及び、前記放射部の第１の放射素子とが電気的に接続されてなることを特徴とする。スリーブ部及び放射部をそれぞれ複数に分割し、それらの外導体とスリーブ導体との間に磁性体を設け、スリーブ部の中心導体を放射部の中心導体、外導体、及び、スリーブ導体に接続して電界センサを構成することにより、異なるエレメント長さのダイポールを切り替えることなく、広帯域での電界強度測定が可能な、等方性の電界センサを実現できる。なお、環状磁性体には、例えば環状フェライトを用いることができる。

本発明の請求項２による電界センサは、請求項１において、前記インダクタは、線状導体であることを特徴とする。分布定数型インダクタとして、直径がスリーブ導体直径より充分に小さい線状導体を用いることにより、上記と同様に、異なるエレメント長さのダイポールを切り替えることなく、広帯域での電界強度測定が可能な、等方性の電界センサを実現できる。

本発明の請求項３による電界センサは、請求項１又は２において、前記スリーブ部及び前記放射部を収納する非導電性カバーを更に含むことを特徴とする。こうすることにより、電界センサの機械的強度を保持できる。
本発明の請求項４による電界センサシステムは、互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸に沿ってそれぞれ設けられた請求項１から請求項３までのいずれか１項の電界センサと、それら電界センサの直交状態を保持する固定具とを含むことを特徴とする。このように電界センサシステムを構成することにより、２次元的又は３次元的な等方性を得ることができる。

以上説明したように本発明は、スリーブ部及び放射部をそれぞれ複数に分割し、それらの外導体とスリーブ導体との間に磁性体を設け、スリーブ部の中心導体を放射部の中心導体、外導体、及び、スリーブ導体に接続することで、電界センサを構成することにより、１本で広帯域の電界センサを実現することができるという効果がある。
また、互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸それぞれに沿って上記電界センサを設け、それら電界センサの直交状態を固定具で保持することにより、２次元的又は３次元的な等方性電界センサシステムを実現できるという効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図面を参照して説明する。なお、以下の説明において参照する各図では、他の図と同等部分は同一符号によって示されている。
（第１の実施形態）
図１は、本発明による電界センサの第１の実施形態の構成例を示す図であり、同図（ａ）は中心導体に沿った断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ’部分の断面図である。
同図（ａ）に示されているように、本実施形態による電界センサは、スリーブアンテナを基本としており、スリーブ部１と、放射部２と、給電部３と、フィーダ部４とから構成されている。本実施形態では、環状磁性体として、環状フェライトが採用されている。

（スリーブ部）
スリーブ部１は、線状の中心導体ｃ１と、この中心導体ｃ１と同軸線路をなす外導体ｇ１と、この外導体ｇ１の外周を覆うように外導体ｇ１の長さ方向に並設された複数の環状フェライトｆと、これら複数の環状フェライトｆの外側を覆うように、環状フェライトｆの並設方向に並設された第１〜第３のスリーブｓ１〜ｓ３と、第１〜第３のスリーブｓ１〜ｓ３の隣接する導体同士を電気的に接続するインダクタＩｄとを含んで構成されている。

スリーブ部１は、広帯域特性を得るために、Ｎ個（Ｎは２以上の整数；本実施形態ではＮ＝３）に分割されたスリーブによって構成されている。本実施形態では、３つのスリーブｓ１〜ｓ３によってスリーブ部１が構成されている。共振によるインピーダンスや感度の周波数に対する局所的な変化を小さくするため、給電部３に最も近い第１のスリーブの長さＬ１は、設計周波数帯域の上限周波数の波長の１／２以下にする。また、スリーブ部１全体の長さＬ０は、設計周波数帯域の下限周波数の波長の１／２以下にする。

スリーブｓ１〜ｓ３の内部には、給電のために、中心導体ｃ１とその間の絶縁体Ｉｎｓと外導体ｇ１とからなる同軸線路が設けられている。この同軸線路の外導体ｇ１と各スリーブｓ１〜ｓ３との電気的結合を避けるために、外導体ｇ１の周囲に環状フェライトｆが挿入されている。この環状フェライトｆにより、各スリーブ導体ｓ１〜ｓ３は、同軸線路の外導体ｇ１に流れる不平衡電流成分に対して高インピーダンスとなる。

（放射部）
放射部２は、線状の中心導体ｃ２と、この中心導体ｃ２と同軸線路をなす外導体ｇ２と、この外導体ｇ２の外周を覆うように外導体ｇ２の長さ方向に並設された複数の環状フェライトｆと、複数の環状フェライトｆの外側を覆うように、環状フェライトｆの並設方向に並設された第１〜第３の放射素子ｈ１〜ｈ３と、第１〜第３の放射素子ｈ１〜ｈ３の隣接する素子同士を電気的に接続するインダクタＩｄとを含んで構成されている。

放射部２は、上記スリーブ部１と同様の構造を採用している。アンテナファクタを小さくするため（アンテナの感度を高くするため）、放射部２の長さは上記スリーブ部１の長さと等しくする。このように、構造的な対象性を得ることにより、ダイポール素子としての電気的な対象性も得られる。したがって、指向特性を、理想的なダイポール指向特性に近づけることができる。
同図（ｂ）に示されているように、放射部２においては、中心導体ｃ２と同心に外導体ｇ２が設けられ、両者の間には絶縁体が設けられている。これら中心導体ｃ２、外導体ｇ２によって同軸線路が構成される。また、外導体ｇ２の外周を覆うように、環状フェライトｆ、更には放射素子のスリーブ導体ｓｖが設けられている。

（給電部）
給電部３においては、スリーブ部１の中心導体ｃ１と、放射部２の中心導体ｃ２、放射部２の外導体ｇ２、及び、放射部２の第１の放射素子ｈ１のスリーブ導体ｓｖとが電気的に接続されている。
（フィーダ部）
フィーダ部４においては、フィーダ部４の中心導体ｃ３とスリーブ部１の中心導体ｃ１とが電気的に接続されているとともに、フィーダ部４の外導体ｇ３とスリーブ部１の外導体ｇ１とが電気的に接続されている。
ここで、フィーダ部４の導体が、電界センサ周辺の電磁界を乱さないように環状フェライトｆが外導体ｇ３の周囲に設けられている。この環状フェライトｆにより、フィーダ部４の不平衡電流成分に対するインピーダンスを高くすることができる。

（動作原理）
以上の構成において、分割されたスリーブ導体ｓ１〜ｓ３については、隣接する導体間がインダクタＩｄによって電気的に接続されている。インダクタＩｄは、周波数に逆比例してインピーダンスが高くなる。このため、設計した上限周波数付近において、インダクタＩｄのインピーダンスは、高くなるので、高周波電流は第１のスリーブ導体ｓ１のみに流れ、第２のスリーブ導体ｓ２には、流れない。これに対し、設計した下限周波数付近の場合、インダクタＩｄのインピーダンスは、低くなるので、高周波電流は分割された第１〜第３のスリーブ導体ｓ１〜ｓ３全体に流れる。

ここで、上記の構成からなる電界センサの等価回路が図２に示されている。同図において、環状フェライトｆのインピーダンスをＺｆとする。同図を参照すると、環状フェライトｆのインピーダンスＺｆは、フィーダ部４に流れる高周波電流の差動成分Ｉｄに対しては、低インピーダンス（ゼロオーム）となる。一方、環状フェライトｆのインピーダンスＺｆは、このアンテナの構造上生じる高周波電流の同相成分Ｉｃに対しては、高インピーダンスとなる。したがって、スリーブ部１と放射部２とは、理想的なダイポールアンテナとして動作することになる。
ところで、単一周波数で同調型のアンテナであれば、スリーブ導体のみで、コモンモード電流（上記の同相成分Ｉｃ）がフィーダ部４に流れることを防ぐことができる。しかし、広帯域に渡りフィーダ部４へ流れ込むコモンモード電流を阻止するためには、環状フェライトｆを設けることが必須となる。

図３には、全長３００ｍｍ、分割数３とした場合の本電界センサのアンテナファクタの実測値が示されている。このアンテナファクタは、背景技術として先述した周波数帯域別に用意した電界センサと同等の値となっている。同図を参照すると、周波数３０ＭＨｚから３ＧＨｚにおいて、顕著な共振現象は、発生していない。このように、図１の構成を採用することによって、一本の素子で、広帯域の特性を実現できている。
なお、本電界センサに用いるインダクタＩｄとしては、集中定数型インダクタ、分布定数型インダクタの両方を利用できる。例えば、分布定数型インダクタとして、直径がスリーブ部１の直径より充分に小さい線状導体を利用すれば、上記と同様の特性が得られる。

（第２の実施形態）
図４は、本発明の第２の実施形態による電界センサの構成例を示す図であり、同図（ａ）は中心導体に沿った断面図、同図（ｂ）は同図（ａ）中のＡ−Ａ’部分の断面図である。
同図（ａ）及び同図（ｂ）に示されているように、本実施形態の広帯域電界センサは、上述した第１の広帯域電界センサに、これを保護するための非導電性保護カバー５と、接栓６とを追加した構成である。
非導電性保護カバー５は、比誘電率４以下、誘電正接０．００４以下であれば、電解センサの指向特性や感度に与える影響を無視できる。具体的には、ガラス繊維プラスチック（ＦＲＰ）やアクリル樹脂を非導電性保護カバー５の材質に利用することができる。

また、接栓６は、例えば内部に雌ねじを有する形状になっており、対応する雄ねじを有する接続端子（図示せず）と電気的に接続することにより、他の装置と電界センサとの間で信号を入出力することができる。
以上のように非導電性保護カバー５を設けた構造にすれば、機械的強度を保持できる。また、非導電性保護カバー５を設ければ、本電界センサを屋外環境で利用した時にも、スリーブ部１や放射部２を構成する部品が温度や湿度の変化によって劣化するのを防止できる。

（電界センサシステム）
図５は、本発明による電界センサシステムの構成例を示す図である。本例の電界センサシステムは、第２の実施形態による電界センサである電界センサ１０ｘ、１０ｙ、１０ｚと、これら電界センサ１０ｘ、１０ｙ、１０ｚを互いに直交して配置した状態で維持するための固定具である直交固定治具７と、三脚８とを含んで構成されている。

上述した電界センサの指向特性は、ダイポールの指向特性と同様である。指向特性として等方性を得るために、本システムでは、３つの電界センサ１０ｘ、１０ｙ、１０ｚを用いる。また、３つの電界センサ１０ｘ、１０ｙ、１０ｚを直交して配置するため、直交固定治具７を用いている。さらに、３つの電界センサ１０ｘ、１０ｙ、１０ｚを取り付けた状態で直交固定治具７が自立できるように、直交固定治具７を三脚８に固定する。

ｘ軸用電界センサ１０ｘは、その長さ方向をｘ軸Ｘに沿って配置し、ｙ軸用電界センサ１０ｙは、その長さ方向をｙ軸Ｙに沿って配置し、ｚ軸用電界センサ１０ｚは、その長さ方向をｚ軸Ｚに沿って配置する。ｘ軸用電界センサ１０ｘの出力電圧をＶ_x、ｙ軸用電界センサ１０ｙの出力をＶ_y、ｚ軸用電界センサ１０ｚの出力電圧をＶ_zとした時、総合の出力電圧Ｖとの関係は、式（１）で表すことができる。
Ｖ²＝Ｖ_x ²＋Ｖ_y ²＋Ｖ_z ² …（１）

式（１）中の出力電圧Ｖを電界強度値Ｅに変換すれば、指向特性は、等方性となる。出力電圧Ｖから電界強度値Ｅへの変換係数は、標準アンテナを用いた置換法により求める。すなわち、感度が既知のアンテナを用いて、このアンテナと被測定アンテナ（ここでは電界センサ）とを相互に置き換えて、相対的な感度を導出する方法により、上記変換係数を求める。

ところで、以上は互いに直交するｘ軸、ｙ軸及びｚ軸の３つの軸に沿って電界センサを設けているが、これら直交する３つの軸のうち、２つの軸に沿って固定された電界センサを用意し、それら電界センサからの出力電圧を合成すれば、２次元的な等方性を得ることもできる。すなわち、互いに直交する３軸のうちの２軸（例えば、ｘ軸とｙ軸）に沿って上記の電界センサを設け、それら電界センサの直交状態を固定具で保持することによって、電界センサシステムを実現することができる。

（まとめ）
以上説明した電界センサは、異なるエレメント長さのダイポールを切り替えるのではなく、ダイポールの構成として、フェライト等の磁性体及びインダクタを使用しスリーブ構造のアンテナとする。また、三脚等の治具を用いて３本の電界センサを直交して配置することで電界センサシステムを実現する。このような構成を採用すれば、電界センサは、広い周波数範囲で共振の発生を防げるので、従来の電界センサに比べて測定周波数帯域を大幅に拡大できる。

以上のように本発明によれば、広帯域で共振の発生を防げる等方性電界センサが得られる。今後、屋内での無線利用は、ＭＨｚ帯からＧＨｚ帯まで極めて広い周波数範囲となることが予測される。上記の電界センサを用意すれば、そのような無線利用環境において、周波数帯域毎に多数の電界センサを用意することなく電界強度分布の測定が可能となる。

本発明による電界センサ、及びこれを用いた電界センサシステムは、電界強度分布の測定に利用することができる。

本発明の第１の実施形態に係る電界センサの構成例を示す図であり、（ａ）は中心導体に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’部分の断面図である。 図１の構成からなる電界センサの等価回路を示す図である。 電界センサのアンテナファクタの実測値を示す図である。 本発明の第２の実施形態に係る電界センサの構成例を示す図であり、（ａ）は中心導体に沿った断面図、（ｂ）は（ａ）中のＡ−Ａ’部分の断面図である。 本発明による電界センサシステムの構成例を示す図である。 従来の等方性電界センサの構成例を示す概略図である。

符号の説明

１ スリーブ部
２ 放射部
３ 給電部
４ フィーダ部
５ 非導電性保護カバー
６ 接栓
７ 直交固定治具
８ 三脚
１０ｘ ｘ軸用電界センサ
１０ｙ ｙ軸用電界センサ
１０ｚ ｚ軸用電界センサ
Ｂｘ ｘ軸用バラン
Ｂｙ ｙ軸用バラン
Ｂｚ ｘ軸用バラン
ｃ１〜ｃ３ 中心導体
ｆ 環状フェライト
ｇ１〜ｇ３ 外導体
ｈ１〜ｈ３ 放射素子
Ｉｎｓ 絶縁体
ｓ１〜ｓ３ スリーブ
ｓｖ スリーブ導体

Claims (4)

1. 中心導体と、前記中心導体と同軸線路をなす外導体と、前記外導体の外周を覆うように該外導体の長さ方向に並設された複数の環状磁性体と、前記複数の環状磁性体の外側を覆うように、該環状磁性体の並設方向に並設された第１〜第Ｎ（Ｎは２以上の整数、以下同じ）のスリーブと、前記第１〜第Ｎのスリーブの隣接するスリーブ同士を電気的に接続するインダクタとを含むスリーブ部と、
   中心導体と、前記中心導体と同軸線路をなす外導体と、前記外導体の外周を覆うように該外導体の長さ方向に並設された複数の環状磁性体と、前記複数の環状磁性体の外側を覆うように、該環状磁性体の並設方向に並設された第１〜第Ｎの放射素子と、前記第１〜第Ｎの放射素子の隣接する素子同士を電気的に接続するインダクタとを含む放射部と、
   を備え、前記スリーブ部の中心導体と、前記放射部の中心導体、前記放射部の外導体、及び、前記放射部の第１の放射素子とが電気的に接続されてなることを特徴とする電界センサ。
2. 前記インダクタは、線状導体であることを特徴とする請求項１記載の電界センサ。
3. 前記スリーブ部及び前記放射部を収納する非導電性カバーを更に含むことを特徴とする請求項１又は２記載の電界センサ。
4. 互いに直交する３軸のうちの少なくとも２軸に沿ってそれぞれ設けられた請求項１から請求項３までのいずれか１項の電界センサと、それら電界センサの直交状態を保持する固定具とを含むことを特徴とする電界センサシステム。

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