JP6521423B2

JP6521423B2 - ループアンテナの校正方法

Info

Publication number: JP6521423B2
Application number: JP2014226913A
Authority: JP
Inventors: 勝巳藤井
Original assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Current assignee: National Institute of Information and Communications Technology
Priority date: 2014-11-07
Filing date: 2014-11-07
Publication date: 2019-05-29
Anticipated expiration: 2034-11-07
Also published as: JP2016090459A

Description

本発明は、周波数３０ＭＨｚ以下の磁界を測定するために用いるループアンテナを被校正ループアンテナとし、強度が既知の標準磁界を標準磁界発生用ループアンテナにより発生させて前記被校正ループアンテナに鎖交させ、被校正ループアンテナの出力値に基づいて磁界アンテナ係数を決定するループアンテナの校正方法に関する。

従来よりラジオ放送や各種無線通信に広く用いられてきた３０ＭＨｚ以下の電波は、その利用用途が更に広がり、電波時計やＲＦＩＤカード等、より身近なところで使われるようになっていることから、３０ＭＨｚ以下の周波数帯における電磁環境保持の観点より、３０ＭＨｚ以下の電界強度測定が重要視されている。３０ＭＨｚ以下の電界強度測定には、波長に比べて十分に小さいループアンテナが極めて広い周波数範囲（例えば、９ｋＨｚ〜３０ＭＨｚ）で用いられており、ループアンテナの測定精度を高めるための校正方法として、既知の標準磁界を発生させる標準磁界発生器を用いる方法が知られている（例えば、非特許文献１を参照）。

非特許文献１に記載されているように、代表的なループアンテナの校正方法として、ノイマンの法則を用いて校正を行う方法がある。図１１に示すように、送信ループアンテナ１１０と受信ループアンテナ２１０のループ面を対向させて配置し、伝送路１２０を介して信号発生器１３０から信号を送信ループアンテナ１１０へ供給することで、送信ループアンテナ１１０から放射された強度が既知の磁界が受信ループアンテナ２１０のループ面を鎖交し、このときに生じた受信信号を伝送路２２０を介して受信機２３０で受信し、受信機２３０で測定した出力電圧に基づいて、磁界アンテナ係数を決定（校正）する。

校正手法の違いにより、３アンテナ法、標準磁界法、置換法と分類されるが、いずれもノイマンの法則に基づく校正法である。磁界アンテナ係数Ｆ_m〔Ｓ／ｍ〕は、ループ面を鎖交する磁界の強度Ｈとアンテナに接続された負荷（測定器）に生じる電圧Ｖとの比であり、下記の式（１）にて定義される。

Ｆ_m＝Ｈ／Ｖ・・・式（１）

従って、受信ループアンテナ２１０と受信機２３０を含む受信系全体の磁界アンテナ係数Ｆ_mを決定しておけば（被校正ループアンテナの校正を実施しておけば）、受信機２３０にて受信電圧を測定することで、到来している磁界の強度（Ｈ＝Ｆ_m×Ｖ）を高精度に得ることができる。

藤井勝巳、外２名、「３０ＭＨｚ以下の標準磁界発生器の校正」、電子情報通信学会論文誌Ｂ、一般社団法人電子情報通信学会、平成２５年４月、Ｖｏｌ．Ｊ９６−ＢＮｏ．４、ｐ．４４６−４５７

上述したように、被校正ループアンテナを校正するに際しては、基準となる標準磁界の精度が重要であり、３０ＭＨｚ以下の標準磁界発生器による放射磁界の精度を高めるべく、非特許文献１においては、標準磁界発生器側に生ずる種々の誤差要因について詳細な考察がなされているものの、標準磁界発生用の送信ループアンテナが発生する電界が受信アンテナに作用して出力値に誤差を生じさせている点については記載されていない。

すなわち、ループアンテナは磁界を受信して動作するアンテナと考えられがちであるが、実際には電界も受信する性質を持っており、この受信ループアンテナに作用する電界が校正精度を低下させる要因であることについて、従来は全く認識されていなかったのである。同様に、標準磁界発生用の送信ループアンテナは、アンテナの近傍においては磁界のみを送信しているアンテナと考えられがちであるが、実際には電界も送信する性質を持っていることも、従来は全く認識されていなかったのである。以下に、送信ループアンテナ１１０でどのように電界が生じ、受信ループアンテナ２１０に作用するかを、図１１〜図１３に基づいて詳述する。

まず、ループアンテナを導電率が高い地面の上に配置して電波を受信する場合、到来する電波の電界のうち、地面と水平な成分（水平成分Ｅｈ）は境界条件により、ほぼゼロになるので、垂直成分Ｅｖしか持たない。この垂直成分Ｅｖの影響を受けないようにするには、ループアンテナの給電部を頂部または底部に配置すればよいのである。その原理を以下に説明する。

図１１および図１２において受信ループアンテナ２１０は、芯線となる内部導体２１１ａの周囲を（誘電体を介して）金属管状の外部導体２１１ｂで覆ってなるセミリジッドケーブル２１１を半円弧状に形成し、同じく半円弧状の導体棒２１２と接合することでアンテナエレメントを構成したもので、セミリジッドケーブル２１１の一方端（例えば、上端）において外部導体２１１ｂと導体棒２１２とが非接触となるギャップＧを設け、外部導体２１１ｂの上部開放端よりも延出させた内部導体２１１ａが導体棒２１２の上部端面に導通される給電部２１３が形成される。

受信ループアンテナ２１０における給電部２１３では、到来電波における電界の垂直成分Ｅｖが外部導体２１１ｂ及び導体棒２１２に作用するものの、図１２（ａ）に示すように、給電部２１３に対しては、常に同じ電荷を移動させるため、給電部２１３の電位差はゼロとみなせる。すなわち、受信ループアンテナ２１０において、その給電部２１３をループ中心の垂直方向（頂部または底部）に位置させれば、到来電波における電界の垂直成分Ｅｖに起因する出力電圧が給電部２１３に生ずることはないので、受信ループアンテナに到来する電波の電界（水平成分Ｅｈおよび垂直成分Ｅｖ）の影響を受けることはない。

以上のような理由から、市販のほぼすべてのループアンテナは、頂部または底部に給電部が設けられているのである。そして、これら市販のループアンテナを校正するために使用する標準ループアンテナもまた、頂部または底部に給電部を有している。

図１１において、強度が既知の標準磁界Ｈを放射する標準ループアンテナとして用いる送信ループアンテナ１１０は、上記受信ループアンテナ２１０と同様に、セミリジッドケーブル１１１を半円弧状に形成し、半円弧状の導体棒１１２と接合することでアンテナエレメントを構成したもので、セミリジッドケーブル１１１の一方端（例えば、上端）に給電部１１３を形成したものである。この給電部１１３において、セミリジッドケーブル１１１の内部導体は、導体棒１１２と導通されている。

そして、頂部に給電部２１３を有する受信ループアンテナ２１０の校正のために、送信ループアンテナ１１０を対向させて配置（両アンテナのループ中心を結ぶ仮想線が双方のループ面に直交する状態に配置）すると、磁界成分による結合（ノイマンの法則）の他に、標準ループアンテナ（送信ループアンテナ１１０）を流れる電流の大きさの不均衡に起因した電界水平成分Ｅｈ′が校正用ループアンテナ（受信ループアンテナ２１０）に作用し、不要な結合が生じてしまう。

すなわち、頂部または底部に設けた給電部とループ中心を通る仮想線に対してアンテナエレメントが対称であるループアンテナの特性として、図１１に示すように、給電部１１３のある頂部から約９０゜毎に、電流Ｉa→Ｉc→Ｉb→Ｉdが流れている場合、ループの側方部を流れる電流ＩcとＩdは向きが逆であるが、振幅は同じであるから電界垂直成分Ｅｖは打ち消し合うために、給電部２１３に対し起電力を生じないのに対して、ループの頂部と底部を流れる電流ＩaとＩbは振幅が異なる（Ｉa＜Ｉb）ために、電流Ｉaによる電界水平成分と電流Ｉbによる電界水平成分とで打ち消し合うことができず、その差として生じた電界水平成分Ｅｈ′による不要な結合が受信ループアンテナ２１０に生じてしまうのである（図１２（ｂ）を参照）。

なお、目的とする電波の周波数（波長）に対してループアンテナの大きさが無視できる程度に小さい場合（例えば、３０ＭＨｚに対してループアンテナの直径が１０ｃｍ程度の場合）は、ループ上の各部を流れる電流値をほぼ同じと見なすことができるので、送信ループアンテナを流れる電流に生じる不均衡は無視することができ、受信ループアンテナに作用する電界水平成分Ｅｈ′の影響は、無視できるほどに小さくなる。しかしながら、ループ径が小さなアンテナは、ループ径が大きなアンテナほど強い磁界を発生させることができないので、ループ径が小さなアンテナの磁界強度を上げるためには大電流が必要となる。また、磁界強度の小さな標準磁界でループアンテナの校正を行う場合には、ダイナミックレンジが大きな受信機が必要になる上に、計測誤差が混入しやすいという問題も生ずる。

これに対して、受信ループアンテナ２１０と同程度の直径（例えば、６０ｃｍ程度）の送信ループアンテナ１１０を標準磁界発生用ループアンテナとして使うことができれば、極端な大電流を流すことなく大きな磁界強度の標準磁界を校正に使うことができるし、ダイナミックレンジが大きな受信機を使う必要が無いという利点があるものの、目的とする電波の周波数（波長）に対して、ループエレメントの長さが無視できない大きさになることで、ループアンテナの各部を流れる電流の不均衡が生じてしまい、受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせる電界水平成分Ｅｈ′を発生させることになる。

ここで、送信ループアンテナ１１０に流れる電流の不均衡から電界水平成分Ｅｈ′が生じる原理を図１３に示す。例えば、図１３（ａ）に示すように、給電部１１３におけるギャップの一方端ａ′点から給電部１１３におけるギャップの他方端ａ点に向けて電圧＋Ｖを印加し、電流がループ上の点ａ→ｃ→ｃ′→ｂ→ｂ′→ｄ→ｄ′→ａ′の順で流れる場合を考える。このとき、送信ループアンテナ１１０におけるループ上の各部の電圧と電流の分布を図１３（ｂ）に示す。上述したように、送信ループアンテナ１１０の一側方部であるｃ点（もしくはｃ′点）を流れる電流Ｉcと、他側方部であるｄ点（もしくはｄ′点）を流れる電流Ｉｄは大きさが等しいのに対して、送信ループアンテナ１１０の頂部であるａ点（もしくはａ′点）を流れる電流Ｉaは、底部であるｂ点（もしくはｂ′点）を流れる電流Ｉbよりも小さく、不均衡が生じている。

図１３（ｃ）は、送信ループアンテナ１１０を分布定数回路で表現される伝送線路とみなし、点ｄとｄ′をショートさせた垂直方向の折り返しダイポールに見立てたときの電流分布および電圧分布をアンテナ線路に沿って示したものである。点ｂ−ｂ′はショートしているので、電圧は最小（ゼロ）となるが、電流は最大となる。しかしながら、点ａ−ｂ間（点ｃｃ′を含む範囲）と点ｂ′−ａ′間（点ｄｄ′を含む範囲）では常に同振幅・逆向きの電流が流れるため、垂直方向に電界成分は打ち消し合うことができ、発生しない。

図１３（ｄ）は、送信ループアンテナ１１０を水平方向に折り曲げたときの電流分布をアンテナ線路に沿って示したものである。なお、各部の電流値は、アンテナ線路か遠ざかるほど値が大きくなるように示してある。本図よりわかるように、点ｃ′−ｄ間（点ｂ′ｂを含む範囲）を流れる電流αは、点ｄ′−ｃ間（点ａａ′を含む範囲）を流れる電流β1＋β2よりも大きいため、その差に相当する水平方向の電流｛α−（β1＋β2）｝が流れる折り返しダイポールアンテナのように作動し、水平方向の電界（電界水平成分Ｅｈ′）が発生するのである。また、アンテナの可逆性から、受信アンテナとしてループアンテナを使用した場合は、垂直方向の電界は受信しないが、水平方向の電界を受信すると言える。

このように、目的とする電波の周波数（波長）に対してループの大きさが無視できない送信ループアンテナを標準磁界発生用ループアンテナとして用いる場合、送信ループアンテナを流れる電流の不均衡に起因した電界成分を被校正ループアンテナが受信することにより、信号受信機で計測される電圧値が不正確になってしまう結果、前述の式（１）で定義された磁界アンテナ係数Ｆ_mを正しく求めることができないのである。

そこで、本発明は、被校正ループアンテナに不要な結合を生じさせる電界成分を標準磁界発生用ループアンテナに発生させることなく被校正ループアンテナを校正できるループアンテナの校正方法の提供を目的とする。

前記課題を解決するために、請求項１に係る発明は、周波数３０ＭＨｚ以下の磁界を測定するために用いる磁界型のループアンテナを被校正ループアンテナとし、強度が既知の標準磁界を標準磁界発生用ループアンテナにより発生させて前記被校正ループアンテナに鎖交させ、被校正ループアンテナの出力値に基づいて磁界アンテナ係数を決定するループアンテナの校正方法において、前記被校正ループアンテナおよび標準磁界発生用ループアンテナは、単一の給電部とループ中心を通る仮想線に対してアンテナエレメントが対称で、目的とする電波の周波数に対応するループ径を備えた構造とし、前記被校正ループアンテナと前記標準磁界発生用ループアンテナのループ面を対向させ、両アンテナのループ中心を結ぶ仮想線が双方のループ面に直交する状態で、且つ、前記被校正ループアンテナは、給電部とループ中心を通る仮想線が縦方向となるように配置され、前記標準磁界発生用ループアンテナは、前記被校正ループアンテナの給電部に対して９０゜ずらして給電部を保持できるアンテナ保持構造を備えることによって、前記標準磁界発生用ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線を、前記被校正ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線に直交させた状態で配置し、前記標準磁界発生用ループアンテナの給電部と該標準磁界発生用ループアンテナの給電部から１８０゜離れたループ側方部の２点を流れる電流の向きと振幅が異なることで生じる電界成分の向きが、前記被校正ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線と平行になるため、標準磁界発生用ループアンテナの電界成分を受信した被校正ループアンテナの給電部に対しては、常に同じ電荷が移動して、給電部の電位差はゼロとみなせることから、標準磁界発生用ループアンテナに生じた電界成分による不要な結合が被校正ループアンテナに生じることを防ぎ、前記標準磁界発生用ループアンテナにより発生させた標準磁界のみを前記被校正ループアンテナに鎖交させたときの出力値を得られるようにしたことを特徴とする。

本発明に係るループアンテナの校正方法によれば、標準磁界発生用ループアンテナに生ずる電界成分が被校正ループアンテナに作用して誤差要因となることを防げるので、より正確な磁界アンテナ係数を求めることが可能となる。

本発明に係るループアンテナの校正方法で用いる標準磁界発生用ループアンテナの第１構成例を示す概略構成図である。（ａ）は、本発明に係るループアンテナ校正方法を行う装置構成の説明図である。（ｂ）は、被校正ループアンテナに作用する電界成分の説明図である。第１構成例の送信ループアンテナを流れる電流に起因して電界垂直成分が生ずる原理の説明図である。（ａ）は、本発明に係るループアンテナ校正方法と従来のループアンテナ校正方法で求めた磁界アンテナ係数の周波数特性図である。（ｂ）は、図４（ａ）における磁界アンテナ係数と理論値との差異の周波数特性図である。第１構成例の送信ループアンテナにおけるループエレメントの構造を変えた第１改変例を示す概略構成図である。（ａ）は、第１構成例の送信ループアンテナにおけるループエレメントの構造と信号の給電制御を変えた第２改変例を示す概略構成図である。（ｂ）は、図６（ａ）の送信ループアンテナに外装シールドを設けた第３改変例を示す概略構成図である。本発明に係るループアンテナの校正方法で用いる標準磁界発生用ループアンテナの第２構成例を示す概略構成図である。第２構成例の送信ループアンテナを流れる電流に起因して電界成分が生じない原理の説明図である。第２構成例の送信ループアンテナにおけるループエレメントの構造を変えた第１改変例を示す概略構成図である。図９の送信ループアンテナにおける給電部を４カ所とした第２改変例を示す概略構成図である。従来のループアンテナ校正方法を行う装置構成の説明図である。（ａ）は、従来のループアンテナ校正方法により被校正ループアンテナに作用する電界垂直成分の説明図である。（ｂ）は、従来のループアンテナ校正方法により被校正ループアンテナに作用する電界水平成分の説明図である。従来の標準ループアンテナを流れる電流に起因して電界水平成分が生ずる原理の説明図である。

次に、添付図面に基づいて、本発明に係るループアンテナの校正方法の実施形態につき詳細に説明する。

図１に示すのは、標準磁界発生用ループアンテナとして用いる送信ループアンテナ１０であり、芯線となる内部導体１１ａの周囲を金属管状の外部導体１１ｂで覆ってなるセミリジッドケーブル１１を半円弧状に形成することで下側の半ループと成し、上側の半ループとなる半円弧状の導体棒１２と接合することでアンテナエレメントを構成する。なお、セミリジッドケーブル１１は、外部導体１１ｂの内部にフッ素樹脂等の絶縁体が充填された同軸線で、曲げ半径が５〜３０ｃｍ程度以上なら簡単に曲げることができ、曲げた後もその形を維持できるケーブルである。

セミリジッドケーブル１１の一方端（図１においては、紙面に向って左側端）において外部導体１１ｂと導体棒１２とが非接触となるギャップを設け、外部導体１１ｂの左側部開放端よりも延出させた内部導体１１ａが導体棒１２の左側端面に導通される給電部１３が形成される。

セミリジッドケーブル１１の他方端（図１においては、紙面に向って右側端）には、アンテナエレメントのループ面を垂直方向に保持して支えられる金属製の側方支持部１４を設け、直角アダプタ１５を介して垂直方向のアンテナホルダ１６と接続される。これにより、送信ループアンテナ１０は、給電部１３とループ中心を通る仮想線が水平方向となるように配置できる。また、セミリジッドケーブル１１の外部導体11ｂと導体棒１２は、金属製の側方支持部１４を介してショートさせておく。

上記のように構成した送信ループアンテナ１０を用いて受信ループアンテナ２１０の校正を行う場合の概略構成を図２（ａ）に示す。送信ループアンテナ１０と受信ループアンテナ２１０のループ面を対向させ、両アンテナのループ中心を通る仮想線が双方のループ面に直交するように配置し、伝送路２０を介して信号発生器３０から信号を送信ループアンテナ１０へ供給することで、送信ループアンテナ１０から放射された、強度が既知の磁界Ｈが受信ループアンテナ２１０のループ面を鎖交し、このときに生じた受信信号を伝送路２２０を介して受信機２３０で受信し、受信機２３０で測定した出力電圧に基づいて、磁界アンテナ係数Ｆ_m〔Ｓ／ｍ〕を決定する。

このとき、送信ループアンテナ１０から照射される電波の電界（水平成分Ｅｈおよび垂直成分Ｅｖ）が受信ループアンテナ２１０に作用して出力電圧を生じることはなく、誤差とならないことは、前述した通りである。

更に、図２（ａ）に示すように、給電部１３のある側方部から約９０゜毎に、電流Ｉa→Ｉc→Ｉb→Ｉdが流れている場合、ループの上下部を流れる電流ＩcとＩdは向きが逆であるが、振幅は同じであるから電界水平成分は相殺され、受信ループアンテナ２１０における給電部２１３とループ中心を結ぶ仮想線に直交する向きの電界成分（受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせる電界水平成分）が受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせることはなく、受信ループアンテナ２１０に電界水平成分が作用して出力電圧を生じることはない。

これに対して、送信ループアンテナ１０におけるループの側方部を流れる電流ＩaとＩbは向きと振幅が異なる（Ｉa＜Ｉb）ために電界垂直成分Ｅｖ′が生じ、受信ループアンテナ２０１はこの電界垂直成分Ｅｖ′を受信してしまうが、給電部２１３に対しては、常に同じ電荷を移動させるため、給電部２１３の電位差はゼロとみなせるので、この電界垂直成分Ｅｖ′による不要な結合が受信ループアンテナ２１０に生じることはない（図２（ｂ）を参照）。

ここで、送信ループアンテナ１０に流れる電流によって生ずる電界水平成分は相殺されて電界垂直成分Ｅｖ′が生じる原理を図３に示す。例えば、図３（ａ）に示すように、給電部１３におけるギャップの一方端ａ′点から給電部１１３におけるギャップの他方端ａ点に向けて電圧＋Ｖを印加し、電流がループ上の点ａ→ｃ→ｃ′→ｂ→ｂ′→ｄ→ｄ′→ａ′の順で流れる場合を考える。このとき、送信ループアンテナ１０におけるループ上の各部の電圧と電流の分布を図３（ｂ）に示す。上述したように、送信ループアンテナ１０の底部であるｃ点（もしくはｃ′点）を流れる電流Ｉcと、頂部であるｄ点（もしくはｄ′点）を流れる電流Ｉｄは大きさが等しいのに対して、送信ループアンテナ１０の一側方部であるａ点（もしくはａ′点）を流れる電流Ｉaは、他側方部であるｂ点（もしくはｂ′点）を流れる電流Ｉbよりも小さく、不均衡が生じている。

図３（ｃ）は、送信ループアンテナ１０を分布定数回路で表現される伝送線路とみなし、点ｂとｂ′をショートさせた水平方向の折り返しダイポールに見立てたときの電流分布および電圧分布をアンテナ線路に沿って示したものである。点ｂ−ｂ′はショートしているので、電圧は最小値（ゼロ）となるが、電流は最大値となる。しかしながら、点ａ−ｂ間（点ｃｃ′を含む範囲）と点ｂ′−ａ′間（点ｄｄ′を含む範囲）では常に同振幅・逆向きの電流が流れるため、水平方向に電界成分は発生しない。

図３（ｄ）は、送信ループアンテナ１０を垂直方向に折り曲げたときの電流分布をアンテナ線路に沿って示したものである。なお、各部の電流値は、アンテナ線路か遠ざかるほど値が大きくなるように示してある。本図よりわかるように、点ｃ′−ｄ間（点ｂ′ｂを含む範囲）を流れる電流αは、点ｄ′−ｃ間（点ａａ′を含む範囲）を流れる電流β1＋β2よりも大きいため、その差に相当する垂直方向の電流｛α−（β1＋β2）｝が流れるダイポールアンテナのように作動し、垂直方向の電界（電界垂直成分Ｅｖ′）が発生するのである。

すなわち、受信ループアンテナ２１０における給電部２１３とループ中心を結ぶ仮想線に直交する向きの電界成分を発生させる不均衡な電流が流れないように、受信ループアンテナ２１０の給電部２１３がある頂部とその逆側の底部に対応させて、送信ループアンテナ１０の頂部を流れる電流Ｉdと底部を流れる電流Ｉcを等しくすれば、送信ループアンテナ１０を流れる電流によって電界の水平成分は相殺され、受信ループアンテナ２１０において受信電圧を生ずることはなく、送信ループアンテナ１０の側方部を流れる電流ＩaとＩbの不均衡によって生ずる電界の垂直成分Ｅｖ′は受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせないので、磁界アンテナ係数Ｆ_m〔Ｓ／ｍ〕の誤差要因を排除できる。

直径６０ｃｍのループアンテナを標準磁界発生用ループアンテナとして用いて、２０ｃｍの離隔距離で配置した直径６０ｃｍのループアンテナを被校正ループアンテナとして校正する場合について、フリーソフトウェアの電磁界シミュレーションソフト（ＮＥＣ２：ＮｕｍｅｒｉｃａｌＥｌｅｃｔｒｏｍａｇｎｅｔｉｃＣｏｄｅ）によりシミュレーションした結果を図４に示す。図４中、実線で示すのは、給電部１３を側方に配置した送信ループアンテナ１０を用いた場合の特性であり、破線で示すのは、図１１で示した受信ループアンテナ２１０と同じ頂部に給電部１１３を設けた送信ループアンテナ１１０を用いた場合の特性であり、点線で示すのは、全く誤差要因のない理論値である。

図４の結果から、頂部に給電部１１３を設けた送信ループアンテナ１１０を用いた従来の校正方法では、周波数３０ＭＨｚ辺りで電界成分による不要な結合が起きているために、＋０．７ｄＢもの差が生じてしまい、正しい校正が行えていないことが分かる。一方、側方（頂部から９０゜ずらした位置）に給電部１３を設けた送信ループアンテナ１０を用いた本発明の校正方法では、電界成分による結合を受けることなく校正が行えるため、−０．２ｄＢ以下の差で、従来よりも遙かに正確な校正ができていることが分かる。

なお、目的とする電波の周波数（波長）に対してループアンテナの大きさが無視できる程度に小さい（ループアンテナの直径が１０ｃｍ程度の）アンテナを標準磁界発生用ループアンテナとして用いる場合には、アンテナの各部を流れる電流がほぼ均等と見なせるので、ループにおける給電部の位置が校正に対する誤差要因になることを回避できるものの、３０ＭＨｚで＋２４．７ｄＢも受信レベルを上げるためには、磁界強度を＋２４．７ｄＢだけ強くする必要がある。そして、微小ループアンテナでこれほどの磁界強度を得ようとすると、約１７倍もの大きな電流を流す必要があるために、大きな増幅器（例えば、０．１Ａを１．７Ａに増幅する機能）が必要になる等、到底現実的ではない。

以上のように、給電部とループ中心を通る仮想線に対してアンテナエレメントが対称で、被校正ループアンテナの給電部に対して９０゜ずらして給電部を保持できるアンテナ保持構造を備えるループアンテナを、標準磁界発生用ループアンテナとして用いるループアンテナ校正方法によれば、ループアンテナを流れる電流の不均衡から生じてしまう電界成分が被校正ループアンテナに不要な結合を生じることを防止できる。

また、本発明のループアンテナ校正方法に用いる送信ループアンテナとしては、上述したセミリジッドケーブル１１と導体棒１２で対称構造をつくるものに限らない。例えば、図５に示すのは、送信ループアンテナ１０の第１改変例１０′であり、１本のセミリジッドケーブル１１を円環状に形成し、ループ中心を通る水平方向に位置する部位の外部導体１１ｂを除去して給電部１３を設け、上下対称構造としたものである。なお、セミリジッドケーブル１１の先端部では、中心導体１１ａと外部導体１１ｂを金属製の側方支持部１４に接続導通させ、中心導体１１ａと外部導体１１ｂをショートさせる。

この送信ループアンテナ１０′においても、ループの上下部を流れる電流は各々向きが逆で同振幅であるから電界水平成分は相殺され、受信ループアンテナ２１０において出力電圧を生じないのに対して、ループの側方部を流れる電流は向きと振幅が異なるために電界垂直成分Ｅｖ′が生じる。しかし、このように生じた電界垂直成分Ｅｖ′を受信ループが受信しても、給電部２１３に対しては、常に同じ電荷を移動させるため、給電部２１３の電位差はゼロとみなせるので、この電界垂直成分Ｅｖ′による不要な結合が受信ループアンテナ２１０に生じることはない。

図６（ａ）に示すのは、送信ループアンテナ１０の第２改変例１０″Ａであり、導体棒１７で形成したループの両端部から位相が１８０゜異なる信号を供給できる給電部１３となるように、１８０度ハイブリッド回路やバラン回路等の二分配位相変換手段１８を用いたものである。この送信ループアンテナ１０″Ａも上下対称構造であるから、ループの上下部を流れる電流は各々向きが逆で同振幅であるから電界水平成分は相殺され、ループの側方部を流れる電流は向きと振幅が異なるために生じる電界垂直成分Ｅｖ′は受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせることはない。

図６（ｂ）に示すのは、送信ループアンテナ１０の第３改変例１０″Ｂであり、上述した第２改変例１０″Ａの導体棒１７と二分配位相変換手段１８を金属製の外装シールド１９にて覆ったもので、導体棒１７を覆うように配されるリング導体部１９ａにはループ中心を通る水平方向に位置する部位にギャップを形成することで、導体棒１７が露出する給電部１３を形成したものである。なお、二分配位相変換手段１８は外装シールド１９の二分配位相変換手段シールド部１９ｂにて覆われる。この送信ループアンテナ１０″Ｂも上下対称構造であるから、ループの上下部を流れる電流は各々向きが逆で同振幅であるから電界水平成分は相殺され、ループの側方部を流れる電流は向きと振幅が異なるために生じる電界垂直成分Ｅｖ′は受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせることはない。

上述した標準磁界発生用ループアンテナとして用いる送信ループアンテナの構成例においては、標準磁界発生用ループアンテナに流れる電流の不均衡で生ずる電界の向きを変えることで、被校正用ループアンテナに電界成分による結合が起きないようにするものであったが、これに限定されるものではなく、ループを流れる電流の不均衡が生じないアンテナ、すなわち、電界水平成分も電界垂直成分も相殺される送信ループアンテナを標準磁界発生用ループアンテナとして用いても良い。

ループを流れる電流の不均衡が生じないアンテナとして、複数給電ループアンテナがある。この複数給電ループアンテナは、ループ中心に対して対称位置に設けた２つの給電部の組み合わせである給電部対を１組以上有し、各給電部対における各給電部へ、同振幅・逆位相の信号を供給するものである。

図７に示すのは、標準磁界発生用ループアンテナの第２構成例であるダブルギャップシールデッドループアンテナ５０であり、１組の給電部対を備える複数給電ループアンテナに該当する。

ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０は、特性および長さが等しい第１セミリジッドケーブル５１と第２セミリジッドケーブル５２で半円弧を形成（第１セミリジッドケーブルにおける外部導体５１ｂの一方端と第２セミリジッドケーブル５２における外部導体５２ｂの一方端とを接合）し、半円弧状の導体棒５３の各端部に第１セミリジッドケーブル５１における非接合側端部より露出させた内部導体５１ａと第２セミリジッドケーブル５２における非接合側端部より露出させた内部導体５２ａをそれぞれ導通させて、第１給電部５４ａと第２給電部５４ｂを設けたものである。

そして、１８０度ハイブリッド回路やバラン回路等の二分配位相変換手段５５によって、図示を省略した信号発生器から供給される信号を同振幅で逆位相の信号に変換し、上記ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０の第１給電部５４ａと第２給電部５４ｂに、それぞれ供給する。すなわち、第１給電部５４ａと第２給電部５４ｂへの給電信号を制御して、電流Ｉa＝Ｉbが保持されるようにして動作させると、第１，第２給電部５４ａ，５４ｂから９０゜離れた頂部および底部における電流Ｉc＝Ｉdも保持され、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０を流れる電流の不均衡によって、受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生ずる電界成分が発生することがない。

ここで、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０に流れる電流の不均衡が生じない原理を図８に示す。例えば、図８（ａ）に示すように、第１給電部５４ａにおけるギャップの一方端ａ′点から第１給電部５４ａにおけるギャップの他方端ａ点に向けて電圧＋Ｖを印加し、第２給電部５４ｂにおけるギャップの一方端ｂ′点から第２給電部５４ａにおけるギャップの他方端ｂ点に向けて電圧−Ｖを印加し、電流がループ上の点ａ→ｃ→ｃ′→ｂ→ｂ′→ｄ→ｄ′→ａ′の順で流れる場合を考える。このとき、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０におけるループ上の各部の電圧と電流の分布を図８（ｂ）に示す。上述したように、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０の第１，第２給電部５４ａ，５４ｂである両側方部を流れる電流Ｉa＝Ｉbであり、また、頂部であるｃ点（もしくはｃ′点）を流れる電流Ｉcと、底部であるｄ点（もしくはｄ′点）を流れる電流Ｉｄも大きさが等しい。それだけでなく、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０において、１８０゜離れた２点における電流は必ず等しくなっており、第１，第２給電部５４ａ，５４ｂが垂直方向もしくは水平方向から外れたときでも、必ず、ループ中心を通る水平線上の２点と垂直線上の２点で電流の大きさは等しく向きは逆になるのである。

図８（ｃ）は、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０を分布定数回路で表現される伝送線路とみなし、水平方向に平行配置した２本のダイポールに見立てたときの電流分布および電圧分布をアンテナ線路に沿って示したものである。点ａ−ｂ間（点ｃｃ′を含む範囲）および点ｂ′−ａ′間（点ｄｄ′を含む範囲）では、常に同振幅・逆向きの電流が流れるため、水平方向の電界成分は相殺され、受信アンテナに不要な出力電圧を発生させない。なお、本図中の電圧分布は、アンテナ素子の外側をプラス、内側をマイナスとして描いており、ちょうど点ｃｃ′および点ｄｄ′をゼロとして、その左右で電圧変化が対称である。

図８（ｄ）は、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０を垂直方向に折り曲げたときの電流分布をアンテナ線路に沿って示したものである。なお、各部の電流値は、アンテナ線路か遠ざかるほど値が大きくなるように示してある。本図よりわかるように、点ｃ′−ｄ間（点ｂ′ｂを含む範囲）を流れる電流α1＋α2は、点ｄ′−ｃ間（点ａａ′を含む範囲）を流れる電流β1＋β2と等しいため、垂直方向の電界も相殺され、受信アンテナに不要な出力電圧が発生することもない。

このように、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０への給電制御をうまく行えば、アンテナエレメントを流れる電流の不均衡が起こらず、Ｉa＝ＩbはもちろんＩc＝Ｉdも保持されるので、受信ループアンテナ２１０における給電部２１３とループ中心を結ぶ仮想線に直交する向きの電界成分を発生さる不均衡な電流は流れない。よって、ダブルギャップシールデッドループアンテナ５０を標準磁界発生用ループアンテナとして用いてループアンテナの校正を行えば、受信ループアンテナ２１０が電界成分による結合を受けることはなく、磁界アンテナ係数Ｆ_m〔Ｓ／ｍ〕の誤差要因を排除できる。しかも、ループ中心に対して対象となる２点には、必ず同振幅・逆向きの電流が流れるように供給信号を制御したダブルギャップシールデッドループアンテナ５０を用いる場合、第１，第２給電部５４ａ，５４ｂの位置と受信ループアンテナ２１０の給電部２１３の位置とにシビアな制限条件はないので、前述した第１構成例の送信ループアンテナ１０を用いる場合に比べて、両アンテナの相対配置を簡易に行えるという利点もある。

上述した第２構成例のダブルギャップシールデッドループアンテナ５０は、複数給電ループアンテナの一例で、ループ中心に対して対称な部位を流れる電流の均衡を保持できれば良い。

図９に示すのは、上述した第２構成例のダブルギャップシールデッドループアンテナ５０の第１改変例で、シールドの無いダブルギャップ・ループアンテナ５０′である。このダブルギャップ・ループアンテナ５０′は、上側の半円弧を構成する第１導体棒５３−１と、下側の半円弧を構成する第２導体棒５３−２とでループを形成し、第１導体棒５３−１と第２導体棒５３−１の一側端（図９の紙面に向って左側）には、第１バラン５５−１より１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第１給電部５４ａが、第１導体棒５３−１と第２導体棒５３−１の他側端（図９の紙面に向って右側）には、第２バラン５５−２により１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第２給電部５４ｂがそれぞれ形成される。

また、信号発生器３０から伝送路２０を介して供給される信号は、位相を変えずに二分配する分配器５６によって二分配され、一方は第１給電線２１によって第１バラン５５−１へ、他方は第２給電線２２によって第２バラン５５−２へそれぞれ供給される。このとき、第１給電線２１と第２給電線２２の線路長は等しくしておくことが望ましい。

このダブルギャップ・ループアンテナ５０′においても、上述したダブルギャップシールデッドループアンテナ５０と同様に、ループ中心に対して対称な２点における電流は逆向きで同振幅となることから、電界成分が相殺され、受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせることはない。よって、ダブルギャップ・ループアンテナ５０′を標準磁界発生用ループアンテナとして用いれば、高精度にループアンテナの校正を行うことができる。

図１０に示すのは、上述した第２構成例のダブルギャップシールデッドループアンテナ５０の第１改変例で、２組の給電部対で４カ所から給電を行うクワドラプルギャップ・ループアンテナ５０″である。このクワドラプルギャップ・ループアンテナ５０″は、１／４円弧状に形成した４つの導体棒（第１導体棒５３−１、第２導体棒５３−２、第３導体棒５３−３、第４導体棒５３−４）でループを形成し、第１導体棒５３−１と第４導体棒５３−４の一側端（図９の紙面に向って左側）には、第１バラン５５−１より１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第１給電部５４ａが、第２導体棒５３−２と第３導体棒５３−４の一方端（図９の紙面に向って右側）には、第２バラン５５−２により１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第２給電部５４ｂが、第１導体棒５３−１と第２導体棒５３−２の他方端（ループの頂部）には、第３バラン５５−３により１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第３給電部５４ｃが、第３導体棒５３−３と第４導体棒５３−４の他方端（ループの底部）には、第４バラン５５−４により１８０゜位相の異なる信号が各々供給される第４給電部５４ｄがそれぞれ形成される。すなわち、このクワドラプルギャップ・ループアンテナ５０″においては、ループ中心に対して対称に位置する第１給電部５５−１と第２給電部５５−２が１組の給電部対となり、同じくループ中心に対して対称に位置する第３給電部５５−３と第４給電部５５−４が１組の給電部対となる。

また、信号発生器３０から伝送路２０を介して供給される信号は、位相を変えずに四分配する４分配器５７によって４分配され、第１給電線２１によって第１バラン５５−１へ、第２給電線２２によって第２バラン５５−２へ、第３給電線２３によって第３バラン５５−３へ、第４給電線２４によって第４バラン５５−４へそれぞれ供給される。このとき、少なくとも各給電部対に接続する線路長（第１給電線２１と第２給電線２２の線路長、第３給電線２３と第４給電線２４の線路長）は等しくしておくことが望ましい。

なお、４分配器５７の構成は特に限定されるものではないが、例えば、伝送路２０からの入力信号を同位相で二分配する第１バラン５４ａによって２分配し、第１バラン５４ａの２出力を各々第２バラン５４ｂおよび第３バラン５４ｃによって同位相で二分配し、第２バラン５４ｂの２出力を第１給電線２１と第２給電線２２に接続し、第３バラン５４ｃの２出力を第３給電線２３と第４給電線２４に接続する構成とすれば、第２バラン５４ｂおよび第３バラン５４ｃの器差に起因した分配ロスなどの誤差要因を各給電部対内に止めることができる。

このクワドラプルギャップ・ループアンテナ５０″においても、上述したダブルギャップシールデッドループアンテナ５０と同様に、ループ中心に対して対称な２点における電流は逆向きで同振幅となることから、電界成分が相殺され、受信ループアンテナ２１０に不要な結合を生じさせることはない。よって、クワドラプルギャップ・ループアンテナ５０″を標準磁界発生用ループアンテナとして用いれば、高精度にループアンテナの校正を行うことができる。また、給電部対を３組以上として、６カ所給電や８カ所給電等のループアンテナを構成し、全ての対となる給電部にそれぞれ１８０゜位相が異なる信号を供給すれば、同様の効果がある。

以上、本発明に係るループアンテナの校正方法を実施形態に基づき説明したが、本発明は、この実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載の構成を変更しない限りにおいて実現可能な全てのループアンテナの校正方法を権利範囲として包摂するものである。

１０送信ループアンテナ
１１セミリジッドケーブル
１２導体棒
１３給電部
２０伝送路
３０信号発生器
２１０受信ループアンテナ
２１１セミリジッドケーブル
２１２導体棒
２１３給電部
２２０伝送路
２３０受信機

Claims

周波数３０ＭＨｚ以下の磁界を測定するために用いる磁界型のループアンテナを被校正ループアンテナとし、強度が既知の標準磁界を標準磁界発生用ループアンテナにより発生させて前記被校正ループアンテナに鎖交させ、被校正ループアンテナの出力値に基づいて磁界アンテナ係数を決定するループアンテナの校正方法において、
前記被校正ループアンテナおよび標準磁界発生用ループアンテナは、単一の給電部とループ中心を通る仮想線に対してアンテナエレメントが対称で、目的とする電波の周波数に対応するループ径を備えた構造とし、
前記被校正ループアンテナと前記標準磁界発生用ループアンテナのループ面を対向させ、両アンテナのループ中心を結ぶ仮想線が双方のループ面に直交する状態で、且つ、前記被校正ループアンテナは、給電部とループ中心を通る仮想線が縦方向となるように配置され、前記標準磁界発生用ループアンテナは、前記被校正ループアンテナの給電部に対して９０゜ずらして給電部を保持できるアンテナ保持構造を備えることによって、前記標準磁界発生用ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線を、前記被校正ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線に直交させた状態で配置し、
前記標準磁界発生用ループアンテナの給電部と該標準磁界発生用ループアンテナの給電部から１８０゜離れたループ側方部の２点を流れる電流の向きと振幅が異なることで生じる電界成分の向きが、前記被校正ループアンテナの給電部とループ中心を通る仮想線と平行になるため、標準磁界発生用ループアンテナの電界成分を受信した被校正ループアンテナの給電部に対しては、常に同じ電荷が移動して、給電部の電位差はゼロとみなせることから、標準磁界発生用ループアンテナに生じた電界成分による不要な結合が被校正ループアンテナに生じることを防ぎ、
前記標準磁界発生用ループアンテナにより発生させた標準磁界のみを前記被校正ループアンテナに鎖交させたときの出力値を得られるようにしたことを特徴とするループアンテナの校正方法。