JP6063823B2 - 近傍電界計測用プローブ及びこれを用いた近傍電界計測システム - Google Patents

Description

本発明は、近傍電界計測用プローブ及びこれを用いた近傍電界計測システムに関する。

本技術分野の背景技術として、特許文献１がある。この特許文献１では「ループコイルによって磁界を検知する近傍磁界プローブと、モノポール部とグラウンドプレーン部からなる近傍電界プローブの２つを持ち、それらからの信号を演算する演算回路部を有し、測定対象から発生した近傍電磁界の空間インピーダンスを演算によって求めることができる計測システム」とある。

また、特許文献２には、「被測定物周辺の電界、磁界を正確に、迅速に、簡易に計測することの可能な電磁界計測システムを提供すること」と記載されている。

特開２０００−３１４７５５号公報 特開２００８−１０７１９７号公報

近傍電界計測技術は電子機器の開発にとって重要な技術である。電子機器を市場に出荷するためにはＥＭＣ(Electromagnetic Compatibility)規格に適合する必要がある。例えば、もし電子機器が発生する放射電界強度が規格値を超過した場合、対策により放射電界強度を規格値以下にしなければならない。多くの場合、この対策すべき部位は電界の放射部位、または放射源となる電流や電圧の発生源である。これら対策すべき部位の近傍における電界強度は、機器のその他の部位（放射に寄与していない部位）に比べて大きい。よって、装置の近傍電界強度分布を計測することにより、電界の発生源または放射源、即ち対策すべき部位を特定することが出来る。

しかし、例えば電子機器が複数個接続されたシステムにおいて、放射電界の発生源が複数存在する場合、ある一つの電界発生源付近の近傍電界を計測する際に、他の電界発生源が発生した放射電界が誤差として混入してしまう可能性があり、その結果、測定しようとしている対象部位の近傍電界計測精度が悪化してしまう恐れがある。

そこで本発明の目的は、精度の良い近傍電界計測を実現する近傍電界計測用プローブおよびこれを用いた近傍電界計測システムを提供することにある。

上記課題を解決するために、例えば特許請求の範囲に記載の構成を採用する。本願は上記課題を解決する手段を複数含んでいるが、その一例を挙げるならば、近傍電界計測用プローブであって、近傍電界検出用素子と、外乱電界検出用素子と、前記近傍電界検出用素子及び前記外乱電界検出用素子で検出した信号を伝達する伝送線路と、を有し、前記外乱電界検出素子は、前記近傍電界検出素子で検出する電磁界と同一の偏波方向の電磁界を検出して、前記近傍電界検出素子が出力する信号と逆極性の信号を出力するように設けられ、前記伝送線路構造は前記近傍電界検出素子及び前記外乱電界検出素子の検出信号の加算信号出力し、前記近傍電界検出素子と前記外乱電界検出素子の間に板状の導体を備えることを特徴とする。

本発明によれば、近傍電界を高精度に測定することが可能な近傍電界計測用プローブおよびこれを用いた近傍電界計測システムを提供することができる。

本発明の実施例１にかかる近傍電界プローブの構造図である。 本発明の実施例１にかかる近傍電界プローブを用いた近傍電界計測システムを表す図である。 本発明の実施例２にかかる近傍電界プローブの構造図である。 本発明の実施例３にかかるインピーダンス整合回路を備える近傍電界プローブの構成図である。 本発明の実施例４にかかる平衡用ＧＮＤ板を備える近傍電界プローブの構成図である。 本発明の実施例５にかかるハイブリッドバランを備える近傍電界プローブの構成図である。 本発明の実施例６にかかる電気光学結晶を備える近傍電界プローブの構成図である。 本発明の実施例７にかかるアンプまたはアッテネータを備える近傍電界プローブの構成図である。

以下に本発明の実施の形態を、図を用いて説明する。ここでは、電磁波を構成する電界と磁界のうち電界を例にとって説明するが、これに限らず磁界成分や、電界と磁界を用いて表すことのできる量（例えば、電界ベクトルと磁界ベクトルの外積で表されるポインティングベクトル成分など）にも適用可能である。

図１に本発明を実現する近傍電界プローブの構造を示す。本プローブは、近傍電界検出用素子１０１、外乱電界検出用素子１０２、信号ライン１０３、ＧＮＤ（グランド）１０４、コネクタ１０５で構成される。信号ライン１０３とＧＮＤ１０４は、近傍電界および外乱電界検出用素子の一部であり、コネクタ１０５に接続されている。本実施例では近傍電界検出用素子１０１、外乱電界検出用素子１０２はともにモノポールアンテナとした。なお、モノポールアンテナ以外にもダイポールアンテナやループアンテナを用いてもよい。

図２に、プローブ２０１と走査装置２０２を用いて近傍電界の周波数スペクトラムを測定する計測システムの構成例を示す。プローブ２０１は走査装置２０２に組み付けられており、測定対象１０６は走査装置２０２に設置されている。

以下測定の手順を示す。本計測システムではプローブ２０１を測定対象近傍で走査させる。プローブ２０１を走査しながら、各プローブ位置で検出した近傍電界はケーブル２０３を介してアンプまたはフィルタ２０４で増幅または周波数選択され、測定器２０５でその近傍電界の強度、位相などの周波数特性を取得する。

取得した測定結果はコンピュータ２０６に取り込まれ、表示装置２０７で結果を表示する。また、同時にプローブの位置情報をコンピュータに取り込むことで、近傍電界の測定位置情報と併せて測定結果を表示する。このようにして、測定対象の近傍電界分布を計測することができる。

次に図１を用いて本プローブの原理・効果を説明する。測定対象１０６の近傍電界１０７を計測する際、プローブ２０１の近傍電界検出用素子１０１を測定対象１０６に近接させる。近傍電界検出用素子１０１は測定対象近傍の電界によってアンテナに誘起される電圧を測定することで電界を検出し、検出した電界は信号ライン１０３を伝搬しコネクタ１０５へ伝わる。近傍電界検出用素子１０１は近傍電界の+z成分を正極性として検出する。ここで、プローブおよび測定対象装置より遠方に外乱電磁界源１０８が存在する場合、その外乱電磁界源が発生する外乱電界Eout１０９も近傍電界検出用素子１０１は検出してしまう。

一方、プローブの近傍電界検出用端子１０１と逆側の端部に備えられた外乱電界検出用素子１０２も外乱電界Eoutを検出する。しかし、外乱電界検出用素子１０２は-z方向の電界成分を正極性として検出するため、近傍電界検出用素子１０１が検出したEoutと逆極性となる。よって、Eoutの強度が一様且つ各検出素子からコネクタまでの距離が等しい場合、外乱電界による検出電圧はコネクタ部において打ち消し合い、ゼロとなる。

また、外乱電界検出用素子１０２は測定対象装置から離れた位置となるようプローブの近傍電界検出用素子１０１と逆端部に備えられているため、測定対象装置が発生する近傍電界によって検出される電圧は近傍電界検出用素子の検出電圧に比べて非常に小さい。これは、近傍電界強度がその発生源から距離r離れるにしたがってrの-3乗で減衰するためである。結果、プローブ２０１のコネクタ部１０５で検出する電圧は近傍電界検出用素子１０１で検出した測定対象装置が発生する近傍電界による検出電圧が主成分となり、外乱電界による誤差を低減することでき、近傍電界を高精度に測定することが可能となる。

次に図３を用いて、本発明の実施例２にかかる構成を説明する。実施例２は実際の測定の簡便性を考慮したプローブの構造である。本発明のプローブを用いて測定対象装置の近傍電界を測定する場合、上述したようにプローブを測定対象装置の近傍に配置し、走査することで近傍電界の分布を取得する。

その場合、走査装置２０２はプローブ２０１を保持しなければならない。プローブ２０１を保持するアームは一般的にプローブ上部即ち+Z方向に備えられているため、外乱電界検出用素子とアームが接近してしまう。アームは一般に金属および誘電体材料が用いられるため、外乱電界検出用素子と接近すると外乱電界検出感度が変化してしまう課題がある。

そこで、図２のようにプローブ２０１の信号ライン１０３およびＧＮＤ１０４をＴ字型形状とし、走査装置がプローブを保持する部位をコネクタ寄り即ち外乱電界検出用素子から離れた位置とするために引き出し伝送線路３０１を設ける。

これにより、走査装置のアームを外乱電界検出用素子１０２から離すことができ、外乱電界検出感度を変化させること無くプローブを保持することが可能となる。これは、プローブ走査装置を用いず、人間が手でプローブを保持する場合でも同様である。人間の手は誘電率が１よりも大きいため、外乱電界検出用素子または近傍電界検出用素子に接近すると電界検出感度を変化させてしまう。プローブをＴ字型構造とし、プローブ保持部位を電界検出素子から離すことで検出感度の変化を防ぐことができる。

次に図４を用いて、本発明の実施例３にかかる高周波電界検出を実現するプローブ構造について説明する。実施例１、２で説明したプローブ構造において、コネクタ１０５と近傍電界検出用素子１０１または外乱電界検出用素子１０２をつなぐ信号ライン１０３とＧＮＤ１０４および引き出し伝送線路３０１は近傍電界検出用素子１０１または外乱電界検出用素子１０２で検出した電界をコネクタ１０５に伝える役割を有する。

このコネクタ１０５およびコネクタ１０５に接続されるケーブルは、高周波計測において一般に特性インピーダンスが５０Ωのものが多く用いられる。よって、プローブのコネクタ、引き出し伝送線路も特性インピーダンスを５０Ωとし、コネクタ部における高周波信号の反射をできるだけ低減することが望ましい。

一方で、本実施例にかかる本発明のプローブ構造は、コネクタ１０５に接続された引き出し伝送線路を二つに分岐し、近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２の二つの素子に接続するため、引き出し伝送線路３０１の部分を特性インピーダンス５０Ωとした場合、近傍電界検出用素子１０１に接続する伝送線路と外乱電界検出用素子１０２に接続する伝送線路の特性インピーダンスはそれぞれ分岐の部分で反射が最小となるように特性インピーダンスを設定しなければならない。分岐点においてインピーダンスの不整合が生じてしまうと、高周波信号特性が悪化してしまうという問題がある。

そこで、本実施例にかかる本発明のプローブは、図４に示すように、この分岐点におけるインピーダンスを整合させるインピーダンス整合回路４０１、または平衡―不平衡を変換する平衡不平衡変換器（バラン）を有している。

インピーダンス整合回路４０１は、プローブ２０１の近傍電界検出用素子１０１または外乱電界検出用素子１０２側から入力される信号に対する特性インピーダンスが、近傍電界検出用素子１０１または外乱電界検出用素子１０２用線路の特性インピーダンスと整合するよう設定し、図示していないコネクタ部側への出力インピーダンスが引き出し伝送線路３０１およびコネクタ１０５と整合するよう設定する。これによりプローブの分岐部における不要な反射を低減し、電界計測の感度を向上することができる。

次に、図５を用いて高感度化を実現する構造について説明する。これまで説明した近傍電界検出用素子は微小モノポールアンテナを用いた構造例である。微小モノポールアンテナの感度（または利得：ゲイン）はアンテナ長に比例するため、微小なアンテナ素子では所望の感度を得られない場合がある。しかしアンテナのサイズを大きくすると感度は高くなるが測定の空間分解能が悪くなってしまう。

そこで図５のように、平衡用ＧＮＤ板５０１を、近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２が平衡用ＧＮＤ板５０１で対称となるように備えることにより、近傍電界検出用素子１０１と逆向きのアンテナを仮想的に考えることができ（鏡像効果）、これにより近傍電界検出用素子のアンテナ長を見かけ上倍の長さ（近傍電界検出用素子１０１がモノポールアンテナの場合、ダイポールアンテナに相当する）と同等の利得を得られる。

外乱電界検出用素子１０２についても同様に、平衡用ＧＮＤ板５０１によって鏡像アンテナ効果を得られ、アンテナ利得を向上できる。また、平衡用ＧＮＤ板５０１の面積は広いほうが良い。これは、ＧＮＤ板の面積を大きくすることで、近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２間、および測定対象装置と外乱電界検出用素子１０２間の不要な結合を低減できると共に、鏡像効果をより強く得られるためである。

上述したように、プローブ伝送線路の分岐部位において不要な反射が生じないようインピーダンス整合設計をする必要があるが、インピーダンス整合回路が複雑になるほどプローブの構造が複雑になってしまうという課題がある。この課題に対し、図６を用いてハイブリッドバラン６０１を用いた構成例を説明する。

ハイブリッドバラン６０１は二つ以上の高周波信号の和（平衡成分）や差（不平衡成分）を出力する部品である。第１の同軸線６０２と第２の同軸線６０３はそれぞれ近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２に接続されている。近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２は外乱電界を逆極性で検出するように配置する。

例えば、同図にようにT字型プローブ構造とし、近傍電界検出用素子１０１が+z方向の電界を正極性で検出するのに対し、外乱電界検出用素子１０２は-z方向の電界を正極性で検出するような配置のプローブ構造とする。ハイブリッドバラン６０１は近傍電界検出用素子１０１が接続された第１の同軸線と外乱電界検出用素子１０２が接続された第２の同軸線を入力端子に接続し、二つの信号の和分を出力する端子をコネクタ１０５に接続する。コネクタ１０５はケーブルを介して測定器へ接続する。これにより、遠方から到来する不要な電界はハイブリッドバラン６０１の和計算により打ち消される。

一方、測定対象が発生する近傍電界は近傍電界検出用素子１０１のみが検出するため、打ち消されずにハイブリッドバラン６０１から出力される。この構成は、近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２に接続する第１及び第２の同軸線６０２、６０３が個別にハイブリッドバラン６０１に接続されるため、先に述べたような線路の分岐に伴うインピーダンス整合回路４０１が不要となり、構成を簡素化できる点が特徴である。

次に、図７を用いて光ファイバを用いた構成例を説明する。これまで電界検出用素子や信号線は全て電気素子および電気配線を例に説明したが、同図に示すように光ファイバを用いても良い。この場合、近傍電界検出用素子と外乱電界検出用素子にはＥＯ（Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｏｐｔｉｃ)結晶を二つ用いる。一つは近傍電界検出用の第１のＥＯ結晶７０１、もう一つは外乱電界検出用の第２のＥＯ結晶７０２である。

検出した電界強度の情報は光信号として、レンズ７０３を介して光ファイバ７０４で信号伝送を行う。二つの信号合成は偏向合成器７０５を用いて和分を出力できる。出力された合成信号は信号処理装置７０６等、後段の計測器で測定を行う。この構成は、ハイブリッドバランを用いた構成と同様に、外乱電界検出用の素子と近傍電界検出用の素子を個別に偏光合成器に接続すればよく、設計を簡素化出来る。

次に、図８を用いて外乱電界検出感度を調整する機能について説明する。これまで説明したように、外乱電界検出用素子が検出した外乱信号と、近傍電界検出用素子が検出した近傍電界信号の合成を検出することで外乱による影響を抑制することができる。しかし、外乱電界Eoutがプローブ周辺で一様でない場合、近傍電界検出素子１０１と外乱電界検出素子１０２の外乱電界Eout検出信号和が０とならない課題がある。

また、近傍電界検出素子１０１の外乱に対する感度（電界強度を電圧または電流に変換する比、係数）と、外乱電界検出用素子１０２の外乱に対する感度が異なる場合も外乱電界Eout検出信号和が０とならない課題がある。例えば実際には近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２の構造・寸法に製造ばらつきが発生した場合など、感度がずれることが考えられる。

これらの課題を解決する手段として、二つの検出素子の外乱電界に対する感度を独立して制御できるようにする。この独立した感度制御を実現する構成例を図８に示す。

近傍電界検出用素子１０１と外乱電界検出用素子１０２のそれぞれの感度を独立して制御できるよう増幅器（アンプ）または減衰器（アッテネータ）８０１を備える。合成された信号に対しても所望の信号レベルにするためアンプまたはアッテネータ８０１を備える。

このようにすることで、外乱電磁界に対して外乱電界検出用素子１０２が出力する信号と近傍電界検出用素子１０１が出力する信号が極性のみ逆で振幅が一致するように調整することができる。実際に計測を行う場合、計測する位置にプローブ２０１を設置し、外乱電磁界のみを発生させるか、もしくは実際の外乱に相当する遠方電磁界をプローブに照射し、プローブの出力が０もしくは０に近い値となるようにアンプまたはアッテネータ８０１の定数を調整する。アッテネータは抵抗素子を用いて構成しても良い。

以上のことから、各実施例に記載の本発明によれば、近傍電界を高精度に測定することが可能な電界計測用プローブ構造およびこれを用いた測定システムを提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。また、ある実施例の構成の一部を他の実施例の構成に置き換えることが可能であり、また、ある実施例の構成に他の実施例の構成を加えることも可能である。また、各実施例の構成の一部について、他の構成の追加・削除・置換をすることが可能である。

101 近傍電界検出用素子
102 外乱電界検出用素子
103 信号ライン
104 ＧＮＤ
105 コネクタ
106 測定対象
107 近傍電界
108 外乱電磁界源
109 外乱電界
201 プローブ
202 走査装置
203 ケーブル
204 アンプまたはフィルタ
205 測定器
206 コンピュータ
207 表示装置
301 引き出し伝送線路
401 バランまたはインピーダンス整合回路
501 平衡用ＧＮＤ板
601 ハイブリッドバラン（分配・合成器）
602 同軸線１
603 同軸線2
701 EO結晶1
702 EO結晶2
703 レンズ
704 光ファイバ
705 偏光合成器
706 信号処理装置
801 アンプまたはアッテネータ

Claims (10)

1. 近傍電界計測用プローブであって、
   近傍電界検出用素子と、
   外乱電界検出用素子と、
   前記近傍電界検出用素子及び前記外乱電界検出用素子で検出した信号を伝達する伝送線路と、を有し、
   前記外乱電界検出素子は、前記近傍電界検出素子で検出する電磁界と同一の偏波方向の電磁界を検出して、前記近傍電界検出素子が出力する信号と逆極性の信号を出力するように設けられ、前記伝送線路構造は前記近傍電界検出素子及び前記外乱電界検出素子の検出信号の加算信号を出力し、
   前記近傍電界検出素子と前記外乱電界検出素子の間に板状の導体を備えることを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
2. 請求項１に記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記外乱電界検出用素子は、前記近傍電界検出用が設けられている方向と反対方向に向かって設けられていることを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
3. 請求項２に記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記伝送線路をＴ字型構造とし、一端に近傍電界検出素子を、他端に外乱電界検出素子を備えることを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
4. 請求項１乃至３のいずれかに記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記近傍電界検出素子と前記外乱電界検出素子との間にインピーダンス整合回路または平衡不平衡変換器を備えることを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
5. 請求項１乃至３のいずれかに記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記近傍電界検出素子と、前記外乱電界検出素子がそれぞれハイブリッドバランに接続され、前記ハイブリッドバランから信号を出力することを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
6. 請求項１乃至３のいずれかに記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記近傍電界検出素子または前記外乱電界検出素子の検出信号、または足しあわされた信号を増幅または減衰させるためのアンプまたはアッテネータを備えることを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
7. 請求項１乃至６のいずれかに記載の近傍電界計測用プローブであって、
   前記近傍電界検出素子と、前記外乱電界検出素子をそれぞれ電気光学結晶とし、レンズと光ファイバを備え、前記光ファイバは偏光合成器に接続され、前記偏光合成器から前記近傍電界検出素子と前記外乱電界検出素子とで検出した信号の加算信号を出力することを特徴とする近傍電界計測用プローブ。
8. 請求項１乃至７のいずれかに記載の近傍電界計測用プローブと、
   前記近傍電界計測用プローブが取り付け、該近傍電界計測用プローブを走査する走査装
   置と、
   前記近傍電界計測用プローブからの出力信号に基づいて測定対象の近傍電界の強度、位相などの周波数特性を算出する測定器と、
   前記測定器で算出した測定結果を取り込み処理を行うコンピュータと、
   前記コンピュータと接続され近傍電界計測結果を表示する表示装置とを、有することを特徴とする近傍電界計測システム。
9. 請求項８に記載の近傍電界計測システムであって、
   測定対象における近傍電界の測定位置情報と、近傍電界測定結果とを併せて前記表示装置に表示することを特徴とする近傍電界計測システム。
10. 請求項８または９に記載の近傍電界計測システムであって、
    前記近傍電界計測用プローブのコネクタと接続し信号を増幅するアンプあるいは信号の周波数を選択するフィルタを備えることを特徴とする近傍電界計測システム。

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