JP4635544B2 - 電界分布測定方法及び電界分布測定装置 - Google Patents

Description

本発明は，測定対象物の内部または外部に発生する電界の強度・位相及び方向の分布を測定する技術に関する。

電子機器において、電磁的な相互干渉による誤動作等の原因となる部位及び電磁エネルギーの伝搬経路を特定する為には、電子機器から発生する電界又は磁界の強度・位相及び方向を2次元または3次元的に測定する必要がある
これまで発明者らは特許文献1および２に記されるように、磁界計測アンテナまたは計測手法及び装置を発明してきた。このうち、前者は磁界測定用アンテナに関するものであり、後者は測定手法及び装置に関するものである。

一般に、測定対象となる電子機器から発生する電界強度・位相及び方向を2次元又は3次元に測定する際には、指向性を持ち且つアンテナへの誘起電圧とアンテナ位置における電界強度が一対一に対応付けられるアンテナ係数が既知である電界アンテナを用い、測定対象周辺の任意の測定位置にこれを配置することによって、アンテナに誘起される電流又は電圧を測定し、これら測定結果とアンテナ係数から測定位置における電界強度及び方向の空間的分布を知ることが出来る。この時、電界アンテナを所望の測定位置に配置することによって生じる、電子機器から発生している電界の空間的分布への影響は小さいことが重要である。

空間中の電界強度及び方向を測定する為のアンテナとしては一般にモノポールアンテナやダイポールアンテナ、八木アンテナ等が使用される。このうち、ダイポールアンテナや、八木アンテナは物理的サイズの微小化が困難な為、高分解能化が難しく、LSIチップ等の小型電子機器周辺の電界分布を測定する為には、微小化が容易なモノポールアンテナが用いられていた。

特開２００２−１５６４３０ 特開２００３−２７９６１１

一般に、測定対象から発生する電界強度・位相及び方向と、その発生源である部位を空間的に高分解能に測定する為には、測定に用いる電界アンテナを微小化し、測定対象へ接近させる必要がある。

しかし、従来法のように、微小電界アンテナを用いて、これを測定対象へ接近させると、測定精度の低下は免れられなかった。

これは、電界アンテナを測定対象へ接近させることによって、測定対象が発生している電界がアンテナの存在しない場合に比べ大きく変化してしまい、結果として所望の誘起電圧以外に、測定対象が持つ電位によってアンテナへ誘導される誘導電荷による電圧がアンテナに生じてしまう為である。この影響は測定周波数が高周波化する程顕著になり、測定精度の低下を招く。ここで、高周波領域とは周波数1GHz以上の帯域を指す。

また、モノポールアンテナ等の指向性を持つ電界アンテナは、そのアンテナ形状により電界に対する指向性を作り出す為、アンテナサイズの変更には再設計・再製作が必要となり、結果としてアンテナサイズによって決定される空間分解能の変更及び高分解能化が困難である。

また、一般的には一または二方向への指向性をもつ電界アンテナを用いる為、3次元空間における電界強度及び方向を測定する為には、アンテナの向きを3次元空間の各3方向へそれぞれ配置した場合について電界分布測定を行う必要が有り、測定時間の短縮が困難であった。結果として、電界の空間分布を高周波で高精度に測定する事が困難であるが故に、電子機器から放射される電磁エネルギーの発生源及び伝搬経路の特定が困難で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ある。即ち、本発明の目的は、高周波領域において電界強度・位相及び方向の2次元又は3次元空間分布の測定を高分解能化することにある。

本発明は、先ず金属等の電位センサを用いて測定対象の表面電位分布（位置と電位）を測定し、記録装置にそれらを対応付けて記録しておく。

次にこれら測定対象の表面電位分布を測定位置に関して偏微分することにより測定対象表面の電界強度及び方向の分布を算出する。

また、電位分布測定結果から測定対象が空間へ発生させる電界の空間的分布を算出することもできる。

ここで、測定対象の表面電位分布測定間隔が電界分布測定分解能に対応するため、分解能の変更及び高分解能化が容易である。

また、電位分布に指向性は無く、測定対象表面の電位分布を一度測定するだけで、測定対象表面又は測定対象近傍又は遠方の、任意の方向の電界分布を算出することが出来る為、測定速度も向上する。

さらに、測定対象が発生させる磁界の空間分布を測定し、先に算出した電界の空間分布とを用いることにより、電磁エネルギーの流れを表すポインティングベクトルの空間分布を算出することもできる。

本発明によれば、電磁波源を高周波領域で高分解能に測定することができる。

以下に本発明の実施の形態を図を用いて説明する。

図１に、測定システムのシステム構成図を示す。

システムの装置構成要素は、図１に示すように、測定対象101の表面電位を測定する電位センサ102と、電位センサからの信号を測定する測定器103と、電位センサの信号を所望の大きさ又は周波数成分にするフィルタ又はアンプ104と、表面電位測定結果から測定対象表面または空間の任意の点における電界強度・位相及び方向またはポインティングベクトルを計算するＣＰＵ及びメモリ及びこれらを計算するプログラム等を記憶した記憶装置等を備えるコンピュータ105と、測定結果を表示する為の表示装置106と、電位センサの位置を制御するステージ107とを有する。

ここで、測定対象近傍の空間的電界分布を擾乱させないために、電位センサ102とフィルタ又はアンプ104を含む測定装置との間には距離を置く必要がある。

また、電磁界的に近傍となる距離とは測定対象〜電位センサがr≦λ/(2π)を満たす距離rを指す。

以下に、本発明の測定方法を示す。

まず、測定対象101となる電子機器の表面電位をステージ107及び電位センサ102によって測定する。この時、フィルタまたはアンプ104を通して所望の周波数ｆ成分または所望の信号強度へ増幅し、測定器へ取り込む。フィルタは、バンドパスフィルタでなくともよく、可変ハイパスフィルタや可変ローパスフィルタを組み合わせることで測定周波数を任意に設定できるようにすることが好ましい。測定対象101の表面電位測定の際、測定位置及び電位測定結果はコンピュータ105の記憶装置に記憶していく。また、測定間隔に対して電位センサ102の物理的サイズが小さい場合には、電位測定時の測定間隔が電界分布算出の分解能に対応する。この時、電位センサ102を測定対象面内で走査する際に、測定間隔以上の精度をもって位置を制御可能なステージ107が必要である。

次に、これら電位の測定結果を数1を用いて、測定位置に関して偏微分することで測定対象表面の任意の方向への電界強度を算出する。図２の例では、測定対象表面の(m＋1)点の電位を測定した場合、m番目の測定点と(m＋1)番目の測定点の間に生じる表面電界Efmは各々の電位測定結果の差(Vm＋1-Vm)を測定間隔dで割った値となる。この時、電位の測定結果を測定位置又は測定時間や測定周波数に関して数学関数を用いて曲線近似することで、精度の向上を図ることも出来る。

また、測定対象の表面電位測定結果から、測定対象近傍又は遠方の電界強度及び方向の空間分布を算出することもできる。図２の例では、1番目の測定電位V1と2番目の測定電位V2の値から、測定対象近傍又は遠方の任意の点(x,y,z)における電界Esnを、これら既知の値の関数f(V1,V2,x,y,z)として表現することができる。実際には、測定対象表面の全ての測定点による電界の寄与を考える必要があるため、これら全ての測定点によって発生する電界のベクトルの和を考える必要がある。

更に、測定対象近傍又は遠方の磁界強度及び方向の空間分布を測定し、上記電界強度及び方向の空間分布との同位置における外積（数2）をとることで、ポインティングベクトルの空間分布を強度及び方向について算出し、表示装置106に表示することも可能である。ここで、測定対象近傍又は遠方の磁界測定方法に限定はない。

また、この測定方法を用いれば、複数の電子機器が配置されており、各々が電界を発生し放射しているような場合について、測定対象とする電子機器の表面電位のみを測定することで同電子機器が発生している電界のみを算出・表示することが可能である。

ここで、図3〜図６を用いて、線状電流が発生する表面電界及びポインティングベクトルの算出例を示す。図3に示すように、計算面積は16 mm×16 mmとし、x=8 mmの位置に＋y方向へ1 Aの線状電流が流れている場合を考える。ここで、算出に用いる点の間隔は1 mmとした。実際の測定においては、この間隔が空間分解能に対応する。同図3には線状電流がつくる電位を＋z軸方向に示す。電位は線状電流直上(x=8 mm)の位置で最大となっていることがわかる。図4には、上記電位分布をx方向及びy方向の距離に関して微分することにより算出した電界強度及び方向の分布結果を示す。同図4において、矢印の方向は電界の向きを表し、矢印の大きさは電界の強度を表す。電界は線状電流の直上(x=8 mm)で最小、左右(x=7 mm, x=9 mm)において最大となることが明示されている。更に図5には、線状電流がつくる磁界ベクトルを示す。同様に、矢印の方向が磁界の向きを、矢印の大きさが磁界の強度を表す。磁界は線状電流の直上付近で最大となっていることが分かる。図6には、上記電界ベクトル及び磁界ベクトルから算出したポインティングベクトルの分布図を示す。同様に、矢印の向きがポインティングベクトルの向きを、矢印の大きさがポインティングベクトルの強度を表す。ポインティングベクトルは線状電流に沿う形で＋y方向を向いていることが分かる。これにより、電磁エネルギーが線状電流に沿う位置で、＋y方向へ進行していることが明示される。

ここで、図7〜10を用いて、高周波領域における表面電界測定例を示す。図7には、測定対象としたマイクロストリップライン基板701を示す。測定領域702は8 mm×4 mmとし、同図に示す。測定間隔は0.5 mm×0.25 mmとした。マイクロストリップライン701の線幅は0.4 mmである。線路の終端は開放とした。また、電位センサ101として、図8に示すような先端の芯線801を1 mm開放したセミリジッドケーブル802を電位センサ101として用いた。セミリジッドケーブル802の先端を1mm開放とした場合、測定対象の極近傍にこれを配置することで、測定対象の電荷量に対応した電荷が同芯線部801に誘導され、電位センサ101としての機能を実現している。ここで、測定対象101であるマイクロストリップライン701に対する電位センサ101のz方向への高さは0.5 mmで一定とした。

また、ここでは測定周波数は1.0 GＨｚとし、測定器103にはネットワークアナライザを用いた。ネットワークアナライザは所望の周波数のみを高感度に測定することができるため、フィルタ及びアンプ104は使用していない。

図９には測定領域702の表面電位分布測定結果を示す。ここで、片側のマイクロストリップライン701にのみ電位が表れているのは、マイクロストリップライン701の終端を開放している為である。

これらの表面電位分布測定結果から、測定対象表面電界分布を算出した結果を図10に示す。図10では、矢印の方向が電界の方向を、矢印の大きさが電界の強度を示している。図10に示すように、マイクロストリップ線路上に存在している定在波の谷の部分において電界強度が最大となり、山から谷へ向かう方向への電界分布が明示されていることが分かる。

上記設定例においては、電位センサ101としてセミリジッドケーブル802を用いたが、電位センサ102の形状及び電位を測定する手段としてはこれに限定しない。測定対象の電位に対応した電荷が誘導するものであれば、微小導体を電位センサとして用いても良く、また、測定対象との原子間力を感知するセンサ及び装置等を用いて測定対象101の表面電位を測定しても良い。

また、これまでは、表面電位測定分布をコンピュータ105へ取り込んだ後に偏微分計算または磁界分布との外積計算を行い、電界分布またはポインティングベクトルの分布を算出する手法について説明したが、これら諸計算の順序・方法はこれに限らず、測定器へ取り込む際に電気回路等のハードウェア処理によって計算を行ってもよい。

また、これまでは、測定対象から発生する電界と磁界を個別に測定する例について示したが、電位センサ102と磁界測定用アンテナを一体化したプローブを使用することによって、測定対象101の表面電位分布と近傍磁界分布を同時に測定する構成を用いても良い。

また、図11に示すように、電位センサ102または電位センサ102と磁界測定用アンテナ111を組み合わせたプローブを複数個組み合わせたアレイアンテナ及びこれらを切り替えるスイッチ112を用いることにより、2次元または3次元の電位及び磁界情報を同時に取得するなどして測定時間を短縮することも可能である。但し、複数個のアンテナを組み合わせると相互干渉により測定精度または測定系の安定性が低下する可能性があり、これを考慮すると一つのプローブによって測定することが好ましい。

また、これまでの説明では測定周波数を固定した例を説明したが、フィルタ及び測定器側の測定周波数を掃引することで、電界空間分布またはポインティングベクトル空間分布の周波数特性を調べることも可能である。または、表面電位分布の時間変化を測定することによって電界空間分布またはポインティングベクトル空間分布の時間変化を表示する等してもよい。

また、これまでに示した一連の測定を行う前に、アンプ又はフィルタ104、ステージ108、電位センサ102または磁界測定用アンテナ等に関して周波数特性および伝送・反射特性を測定し、その結果を用いて測定対象の表面電位測定結果を補正することにより、測定精度を向上することが可能となる。

また、これまでに示した測定結果に加え、空間の電界分布から数3を用いてベクトルポテンシャルの空間分布を算出し、これを表示装置106に表示することで電磁エネルギーの空間的存在分布を示しても良い。

また、空間の磁界分布を上記計算に用いる際に、磁界アンテナを用いた測定結果に限定せず、測定対象の表面電位分布測定結果と、測定対象表面のインピーダンス分布から測定対象表面の電流分布を算出し、この電流分布から測定対象近傍または遠方の空間磁界分布を算出してもよい。

測定システムのシステム構成図である。 測定順序を表す図である。 線状電流による電位分布計算例である。 電位分布から算出した電界分布を表す図である。 線状電流による磁界分布を表す図である。 電界及び磁界から算出したポインティングベクトル分布を表す図である。 測定対象を示す図である。 測定に用いた電位センサを表す図である。 電位分布測定結果である。 電位分布測定結果から算出した電界分布を表す図である。 測定装置の図である。

符号の説明

101・・・測定対象、102・・・電位センサ、103・・・測定器、104・・・フィルタ又はアンプ、105・・・コンピュータ、１06・・・表示装置、107・・・ステージ、111 ・・・磁界アンテナ、112 ・・・スイッチ、701 ・・・マイクロストリップライン、702 ・・・測定領域、801 ・・・芯線、802・・・セミリジッドケーブル

Claims (4)

1. 測定対象の電界強度とその電界の方向とを求める電界分布算出方法において、
   電位センサおよび磁界測定用アンテナを組み合わせたプローブを複数個備えたアレイ状のアンテナおよび前記アレイ状のアンテナを切り替えるスイッチとを用いて、前記測定対象の第一の測定位置における２次元または３次元の第一の表面電位および第一の磁界情報と、第二の測定位置における２次元または３次元の第二の表面電位および第二の磁界情報とを同時に測定する測定工程と、
   前記測定工程にて測定した前記第一の表面電位および前記第一の磁界情報および前記第二の表面電位および前記第二の磁界情報である測定データを、所望の周波数成分に特定するために、フィルタ又はアンプのいずれかに通した後に、前記測定工程にて測定した測定位置と、前記測定位置における前記測定データに基づくデータとを対応付けて記憶装置に記録する記録工程と、
   前記電位センサおよび前記磁界測定用アンテナおよび前記フィルタ又は前記アンプに関して予め測定した周波数特性および伝送・反射特性に基づいて、前記測定工程により測定された前記測定データを補正した後に、前記記録工程にて記録した前記第一の表面電位と前記第二の表面電位について、前記第一および第二の測定位置または前記測定工程における測定周波数のいずれかに関して曲線近似した上で差分をとり、前記記録工程で記録された前記第一の測定位置と前記第二の測定位置との差分で割ることにより、前記測定対象の任意の位置における電界強度とその電界の方向とを算出する算出工程と、
   を有することを特徴とする電界分布算出方法。
2. 請求項１において、
   前記フィルタは、可変ハイパスフィルタと可変ローパスフィルタとを組み合わせて測定周波数を任意に設定可能としたフィルタまたはバンドパスフィルタであることを特徴とする電界分布算出方法。
3. 請求項１または２において、
   前記任意の位置は、前記測定対象の近傍または遠方の任意の点であることを特徴とする電界分布算出方法。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の電界分布算出方法を実行する電界分布算出装置。

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