JP7040189B2 - 電磁波測定点算出装置及び放射妨害波測定装置 - Google Patents

電磁波測定点算出装置及び放射妨害波測定装置 Download PDF

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Description

本発明は、電磁波測定点算出装置及び放射妨害波測定装置に関する。
電子機器等から放射される放射妨害波を測定する試験は、国際的に定められた試験条件および試験方法により、放射妨害波の放射源から所定の距離を隔てた位置において受信アンテナの高さを変化させ、かつ供試体の角度を変化させて、電界の強さ(電界強度)が最大となる位置を探し出し、その位置において最終試験を実施する。放射妨害波測定装置の一例としては、例えば特許文献1に開示されている。
特開2017-181104号公報
最大電界強度が得られる位置を探索するためには、アンテナ高さと供試体の角度毎に電界強度を測定しなければならず、測定点数が非常に膨大となる。情報通信機器の周波数範囲30MHz~1000MHzが測定対象の周波数(測定周波数)の範囲である放射妨害波測定を一例としてあげると、アンテナ高さを1m~4m、供試体を角度0~360°に変化させる必要があり、例えば1cm間隔、1°間隔で測定を実施した場合、測定点数が14万点と膨大となり、測定時間が非常に長くなる。
このように最大電界強度が得られるアンテナ高さおよび供試体角度(以下、最大電界強度位置と称す。)の探索には時間が非常にかかる。このため、特許文献1に開示される放射妨害波測定装置は、測定周波数の波長の1/2以下の測定間隔で電界強度を測定し、測定点間の点の電界強度を補間することにより、測定点数を削減して測定時間を短縮している。しかし、特許文献1には測定間隔を最適化する技術までは開示されていないので、さらに測定点数を削減して測定時間の短縮を図ることが望まれている。
本発明は、このような事情を考慮してなされたものであり、最大電界強度位置の測定時間を短縮できる電磁波測定点算出装置及び放射妨害波測定装置を提供することを課題とする。
(1)本発明の一態様は、電磁波の放射源を囲む面上に設定される前記電磁波の複数の測定点を算出する電磁波測定点算出装置であって、第1の測定点に応じて決まる補正係数を使用して前記第1の測定点と前記第1の測定点に隣接する第2の測定点との測定間隔を計算し、測定範囲内の前記複数の測定点を順次算出する電磁波測定点算出処理を実行する第1演算処理部、を備える電磁波測定点算出装置である。
(2)本発明の一態様は、電磁波の放射源によって、前記放射源を囲む面上に形成される電界強度分布の最大の電界強度が得られる位置を求める放射妨害波測定装置であって、上記(1)の電磁波測定点算出装置と、電界強度測定装置と、第2演算処理部と、を備え、前記電界強度測定装置は、電界強度を検出するアンテナと、前記放射源に対する前記アンテナの相対的位置を変更可能な位置制御機構と、前記アンテナと前記位置制御機構を用いた電界強度の測定の制御を行う制御部と、を備え、前記制御部は、前記電磁波測定点算出装置が算出した複数の測定点を、前記放射源を囲む面上に設定する第1の動作を実行し、前記位置制御機構を制御しながら、前記アンテナを用いて、前記複数の測定点において測定対象の周波数の電界強度を測定する第2の動作を実行し、前記第2演算処理部は、前記第2の動作で測定された前記複数の測定点の電界強度分布において隣接する2つの測定点間の電界強度にゼロを入力する第1の演算処理と、前記第1の演算処理で得られた電界強度分布に測定対象の周波数が遮断周波数のデジタルローパスフィルターを適用する第2の演算処理と、前記第2の演算処理で得られた電界強度分布から最大電界強度が得られる位置を特定する第3の演算処理と、を実行する、放射妨害波測定装置である。
本発明によれば、最大電界強度位置の測定時間を短縮できるという効果が得られる。
本発明の実施形態に係る放射妨害波測定装置を示した概略図である。 本発明の実施形態に係る放射妨害波測定装置の主要な構成要素を示すブロック図である。 図2のコンピュータの構成を示すブロック図である。 本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の手順を示すフローチャートである。 本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の概要を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の概要を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の概要を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の概要を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る放射妨害波測定装置の妥当性を検証するために行った実験の概略図である。 本発明の実施形態に係る放射妨害波測定装置の実験結果を示す電界強度分布図である。 図10の電界強度分布図との比較のための電界強度分布図である。
[推定原理]
以下、本発明の推定原理の概要について説明する。
ある任意の点での電界強度Eの2乗を式で表すと次式(1)のように表すことができる。
Figure 0007040189000001
(1)式より、電界強度は「r-r」に対して振動する正弦波の足し合わせとなることが分かる。波数は2πを測定周波数で割った値になるので、サンプリング定理によれば、次式(2)のサンプリング間隔で測定することにより波形を完全に再現することができる。
Figure 0007040189000002
(アンテナの高さ方向の測定間隔)
まず、電界強度を検出するアンテナ(受信アンテナ)の高さ方向の測定間隔について説明する。
及びrを受信アンテナ高さの関数として表すと次式(3)のように表すことができる。
Figure 0007040189000003
Δ(r-r)と受信アンテナ高さの関係式は次式(4)で表すことができる。
Figure 0007040189000004
以下の式(5)の条件から、Kの絶対値が最大となる条件は以下の式(6)で表すことができる。
Figure 0007040189000005
Figure 0007040189000006
なお、上記の式(6)において、
dmaxとdminは、請求項における「放射源と前記放射源を囲む面上に形成される電界強度分布の電界強度を検出するアンテナとの間の距離」及び「放射源の大きさ」に対応する。
hmaxは、請求項における「放射源の高さ」に対応する。
hrxは、請求項における「アンテナの高さ」に対応する。
以上より、受信アンテナの高さ方向の測定間隔が次式(7)を満たせば、サンプリング定理を満たすことができる。
Figure 0007040189000007
但し、式(7)に加えて、波数「k=0」において係数「a,a,b,b」が三角関数であった場合を考慮すると次式(8)が成り立つ必要がある。
Figure 0007040189000008
(供試体の角度方向の測定間隔)
次に、供試体の角度方向の測定間隔について説明する。
及びrを供試体角度の関数として表すと次式(9)のように表すことができる。
Figure 0007040189000009
Δ(r-r)と供試体角度との関係式は次式(10)で表すことができる。
Figure 0007040189000010
以下の式(11)の条件から、Kθの絶対値が最大となる条件は以下の式(12)で表すことができる。
Figure 0007040189000011
Figure 0007040189000012
θmaxの極大点は次式(13)で表される。
Figure 0007040189000013
以上より、供試体の角度方向の測定間隔が次式(14)を満たせば、サンプリング定理を満たすことができる。
Figure 0007040189000014
但し、式(14)に加えて、波数「k=0」において係数「a,a,b,b」が三角関数であった場合を考慮すると次式(15)が成り立つ必要がある。
Figure 0007040189000015
上述のことにより、測定点の高さ方向の測定間隔が式(7)及び式(8)を満たし、測定点の角度方向の測定間隔が式(14)及び式(15)を満たすことができれば、サンプリング定理より電界強度分布を完全に再現できることが分かる。これらの条件に基づいて測定点を決定すれば、測定点数を削減して測定時間の短縮を図ると共に、測定結果から復元された電界強度分布より最大電界強度位置を特定することができる。
[実施の形態]
以下、本発明に基づく発明の実施の形態について詳細に説明する。
始めに、図1を参照して、本発明に基づく実施の形態に係る放射妨害波測定装置100について説明する。本発明に係る放射妨害波測定装置100は、受信アンテナ2と、受信アンテナ2を昇降させるアンテナマスト3と、供試体1を回転させるターンテーブル4と、電界強度を測定する受信器5と、アンテナマスト3とターンテーブル4を制御するコントローラー6と、コンピュータ7とを備えている。また、アンテナマスト3とターンテーブル4は例えば通信ケーブルによってコントローラー6と接続され、受信器5とコントローラー6は例えば通信ケーブルによって、コンピュータ7に接続されている。コンピュータ7は、放射妨害波(電磁波)の測定点を算出する電磁波測定点算出機能、受信器5とコントローラー6を制御して電界強度の測定を制御する制御機能及び測定値を用いて最大電界強度位置を特定する最大電界強度位置特定機能などを、コンピュータプログラムを実行することにより実現する。
図2は本発明に係る放射妨害波測定装置100の主要な構成要素を示したブロック図である。本実施の形態に係る放射妨害波測定装置100は、図2に示したように、受信アンテナ2と、受信アンテナ2を昇降させるアンテナマスト3と、供試体1を回転させるターンテーブル4と、電界強度を測定する受信器5と、アンテナマスト3とターンテーブル4を制御するコントローラー6と、測定の制御を行う制御部8と、演算処理部9とを備えている。演算処理部9が行う処理については、後で詳しく説明する。本実施の形態では、制御部8と演算処理部9は、コンピュータ7によって実現されている。本実施の形態では、アンテナマスト3、ターンテーブル4及びコントローラー6が請求項における位置制御機構を構成し、受信器5及び制御部8が請求項における制御部を構成している。
図3は図2におけるコンピュータ7のハードウェア構成を示すブロック図である。コンピュータ7は、主制御部10と、入力装置11と、出力装置12と、記憶装置13と、これらを互いに接続するバス14とを備えている。主制御部10は、CPU(中央処理装置)およびRAM(ランダムアクセスメモリ)を有している。入力装置11は、放射妨害波測定装置の動作に必要な情報の入力や各種の動作の指示を行うために用いられる。出力装置12は、放射妨害波測定装置の動作に関連する各種の情報を出力(表示を含む)するために用いられる。
記憶装置13は、情報を記憶できるものであれば、その形態は問わないが、例えばハードディスク装置または光ディスク装置である。また、記憶装置13は、コンピュータ読み取り可能な記録媒体15に対して情報を記録し、また記録媒体15より情報を再生するようになっている。記録媒体15は、例えばハードディスクまたは光ディスクである。記録媒体15は、図2に示した制御部8と演算処理部9を実現するためのコンピュータプログラムを記録した記録媒体であってもよい。
主制御部10は、例えば記憶装置13の記録媒体15に記録されたコンピュータプログラムを実行することにより、図2に示した制御部8と演算処理部9の機能を実現する。なお、図2に示した制御部8と演算処理部9は、物理的に別個の要素ではなく、ソフトウェアによって実現される。
以下、放射妨害波測定装置100を用いて実施する最大電界強度位置推定方法の一連の動作について図4のフローチャートを参照して説明する。図4は、本発明の実施形態に係る最大電界強度位置推定方法の手順を示すフローチャートである。
ステップS101で、操作者が、測定周波数、供試体1からの水平方向の距離と、供試体1の水平方向の大きさと、供試体1の高さ、測定点高さの範囲等の測定条件をコンピュータ7に入力する。供試体1は、測定周波数の電磁波の放射源を含むものである。
ステップS102で、演算処理部9が、上記の式(6)、式(7)及び式(8)により「KhmaxΔhrx(hrx)」が一定になるように高さ方向の測定間隔「Δhrx(hrx)」を計算し、次式(16)により各測定点の高さを算出する。この各測定点の高さの算出では、測定点高さ範囲の下限と上限が式(16)を満たすように各測定点の高さを決定する。なお、上記の式(6)により算出されるKhmax(hrx)は、第1の測定点の高さhrxに応じて決まる補正係数である。
Figure 0007040189000016
ステップS103で、演算処理部9が、上記の式(14)及び式(15)により角度間隔を算出する。
ステップS104で制御部8がアンテナマスト3とターンテーブル4をステップS101で設定した測定範囲の下限の高さ、角度に移動させる動作を行う。
ステップS105で制御部8が現在のアンテナマスト3の高さとターンテーブル4の角度の情報をコントローラー6より取得する動作と、電界強度を受信器5により測定し測定値を取得する動作とを行い、それぞれの情報をコンピュータ7の記憶装置13に保存する。
ステップS106で制御部8がターンテーブル4をステップS103で算出した角度間隔で回転させる動作を行う。
ステップS107で制御部8が現在のターンテーブル4の角度情報をコントローラー6より取得する動作を行い、制御部8が現在のターンテーブル角度がステップS101で設定した測定範囲の上限角度かどうかを判定する動作を行う。上限角度でない場合はステップS105に戻る。上限角度の場合、ステップS108に進む。
ステップS108で制御部8がアンテナマスト3をステップS102で算出した高さへ上昇させる動作を行う。
ステップS109で制御部8が現在のアンテナマスト3の高さ情報をコントローラー6より取得する動作を行い、制御部8が現在のアンテナ高さがステップS101で設定した測定範囲の上限高さかどうかを判定する動作を行う。上限高さでない場合はステップS105に戻る。上限高さの場合、ステップS110に進む。
ステップS110では演算処理部9が記憶装置13からステップS105からステップS109で測定された電界強度分布を読み出し、測定対象の周波数における隣接する2つの測定点間の電界強度にゼロを内挿する動作を行う。その際に高さ方向に内挿する点は、ステップS102で決定した「KhmaxΔhrx(hrx)」を任意の正の整数で除算した値が一定となるように「Δhrx(hrx)」を計算し、測定点および内挿点が上記の式(16)を満たすように決定する。また、角度方向に内挿する場合は測定点と内挿点間および各内挿点間が等間隔になるようにする。
ステップS111では演算処理部9が、ステップS110においてゼロ内挿した電界強度分布に対して、遮断周波数が測定対象の周波数であるデジタルローパスフィルターを適用する動作を行う。なお、高さ方向に内挿した時のサンプリング周波数は、以下の式(17)で与えられる。また、角度方向に内挿した時のサンプリング周波数は、以下の式(18)で与えられる。
Figure 0007040189000017
Figure 0007040189000018
ステップS112では演算処理部9がステップS111で得られた電界強度分布から最大電界強度位置を特定する動作を行う。
測定対象の周波数が複数ある場合は、ステップS101からS112を繰り返すことで、各周波数に対する最大電界強度位置を特定することができる。
又は、ステップS103において受信器5より電界強度の周波数特性を取得し、その情報をコンピュータ7に保存した後に、ステップS110からステップS112を周波数ごとに繰り返すことで各周波数に対する最大電界強度位置を特定することができる。その場合、測定間隔を計算する際に使用する周波数は測定する周波数特性の最大の周波数である。
以下、本発明に基づく実施形態の放射妨害波測定装置100が実施する最大電界強度位置推定方法について図面を参照して詳細に説明する。図5は最大電界強度位置推定方法の概要を説明するための説明図であり、図6から図8は最大電界強度位置推定方法を説明するために最大電界強度位置推定方法の流れについての一例を示した説明図である。
図5に示したように、本実施の形態に係る最大電界強度位置推定方法は、供試体1が含む電磁波の放射源によって、当該放射源を囲む面上に形成される電界強度分布16の内で最大の電界強度が得られる位置を求める推定方法である。本実施の形態に係る最大電界強度位置推定方法は、例えば、EMC規格に従って、供試体1が含む電磁波の放射源から放射される放射妨害波を測定する試験に利用される。
本実施の形態に係る最大電界強度位置推定法は、以下の第1から第5の手順を備えている。図6から図8を参照して第1から第5の手順を説明する。なお、第1の手順は上記した図4のステップS101からステップS103に、第2の手順は上記した図4のステップS104からステップS109に、第3の手順は上記した図4のステップS110に、第4の手順は上記した図4のステップS111に、第5の手順は上記した図4のステップS112に、それぞれ対応している。
第1の手順は、図6に示すように供試体1が含む電磁波の放射源を囲む面上に複数の測定点17を設定する。この時の複数の測定点17の高さ方向の位置は、上記の式(6)、式(7)、式(8)及び式(16)で与えられる。また、複数の測定点17の角度間隔は、上記の式(14)及び式(15)で与えられる。
第2の手順は、第1の手順で設定した複数の測定点17において、測定対象となる周波数の電界強度分布を測定する。
第3の手順は、隣接する2つの測定点間の電界強度にゼロを内挿する。この時、ゼロを内挿する点数は1点または複数点設けることができる。また、測定点とゼロを内挿した点およびゼロを内挿した点同士の間隔は測定者が任意に設定することができる。但し、高さ方向では上記の式(17)の条件を、角度方向では測定点と内挿点間および各内挿点間が等間隔であるという条件を満たす必要がある。図7は第3の手順を説明するための説明図で、一例として図6に示す測定点の範囲18における測定点の電界強度19と隣接する2つの測定点間に、「KhmaxΔhrx(hrx)/4」が一定となるような間隔でゼロを内挿した点の電界強度20からなる電界強度分布を示している。
第4の手順は、第3の手順で得られた電界強度分布に測定対象となる周波数が遮断周波数のデジタルローパスフィルターを適用する。ゼロが内挿された電界強度分布は測定された周波数よりも高周波の成分を持つが、実際には上記の式(1)より電界強度分布は測定対象の周波数で帯域制限がかけられており、遮断周波数が測定対象周波数のデジタルローパスフィルターを適用することで、ゼロ内挿によって生じた高周波成分を取り除くことができ、実際の電界強度分布を再現することができる。ゼロ内挿からデジタルローパスフィルターの適用までの操作を行うことにより、結果として隣接する2つの測定点間の電界強度が補間されることになる。図8は第3の手順を説明するための説明図で、一例として図7に示した電界強度分布に遮断周波数が300MHzのデジタルローパスフィルターを適用した測定点の電界強度19と補間された隣接する2つの測定点間の電界強度21からなる電界強度分布を示している。
第5の手順は、第4の手順で得られた電界強度分布から最大電界強度位置を推定する。例えば、図8は図6に示した測定点の範囲18において第1から第4の手順によって得られた電界強度分布であるが、得られた電界分布より範囲18において最も電界強度が強い高さ位置は1mの高さ位置であることが分かる。これらを各々の角度で繰り返し実施することで、角度毎に所定の高さ範囲内で最も強い電界強度が得られる高さが得られる。得られた角度毎に所定の高さ範囲内で最も強い電界強度を比較することで最大電界強度が得られる角度および高さを特定することができる。
[検証実験]
以下、図9から図11を参照して、本発明の実施の形態の放射妨害波測定装置100の妥当性を検証するために行った実験について説明する。図9は、実験の方法を説明するための説明図である。図9において、図1の各部に対応する部分には同一の符号を付している。供試体1は、測定周波数の電磁波の放射源を含むものである。供試体1は高さ1m位置に配置され、受信アンテナ2は供試体1から3m離れた位置に設置されている。測定対象の供試体1の放射源は10MHz逓倍の信号を発振するコムジェネレータである。供試体1の大きさは長さ0.2m、幅0.45m、高さ0.2mである。また、受信アンテナ2の高さは1mから4mまで掃引した。高さ方向の測定点を「KhmaxΔhrx(hrx)=0.1299」となるように測定点を定め、角度間隔は20°ステップとして1000MHzの電界強度の測定を実施した。この時の測定点数は152ポイントであり、特許文献1の放射妨害波測定装置と比較すると約20分の1の測定点数に削減することができる。
また、本発明に基づく実施の形態の放射妨害波測定装置100の測定結果と比較するために、高さ間隔と角度間隔を細かく設定して測定を行った。高さ間隔は「KhmaxΔhrx(hrx)=0.01299」となるように、角度間隔は1°間隔となるように、測定点を定めて測定を実施した。この時の測定点数は50901ポイントであり、本発明に基づく実施の形態の放射妨害波測定装置100で定められた上記の測定点の測定点数「152ポイント」に対して334倍である。
図10は本発明に基づく実施の形態の放射妨害波測定装置100によって測定点数「152ポイント」により得られた電界強度分布を示しており、図11には高さ間隔および角度間隔を細かく設定した測定点数「50901ポイント」で測定して得られた電界強度分布を示している。図10と図11は両方とも1000MHzの結果を示している。図10の電界強度分布と図11の電界強度分布は良く一致しており、その相関係数は0.99であり非常に強い相関を示している。また、放射妨害波測定装置100によって測定点数「152ポイント」の電界強度分布から得られた最大電界強度位置は、高さ1.23m、角度0°である。この最大電界強度位置「高さ1.23m、角度0°」は、測定点数「50901ポイント」の電界強度分布から得られた最大電界強度位置との偏差が高さ方向で0.04m、角度方向で0°である。
以上より本発明に基づく実施の形態の放射妨害波測定装置100を用いることによって、測定点数を削減して測定時間の短縮を図ると共に、測定結果から復元された電界強度分布より最大電界強度位置を特定することができるという効果が得られる。
以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述してきたが、具体的な構成はこの実施形態に限られるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲の設計変更等も含まれる。
例えば、上述のコンピュータ7の演算処理部9が行う処理のうち、電磁波測定点算出処理(図4のステップS101からステップS103に対応)を行う演算処理部を別の電磁波測定点算出装置として設けてもよい。この場合、コンピュータ7の制御部8は、電磁波測定点算出装置が算出した複数の測定点を、放射源を囲む面上に設定する第1の動作を実行する。
1…供試体、2…受信アンテナ、3…アンテナマスト、4…ターンテーブル、5…受信器、6…コントローラー、7…コンピュータ、8…制御部、9…演算処理部、10…主制御部、11…入力装置、12…出力装置、13…記憶装置、14…バス、15…記録媒体、16…電界強度分布、17…測定点、18…測定範囲、19…測定点の電界強度、20…ゼロ内挿された隣接する2つの測定点間の電界強度、21…デジタルフィルタによって補間された隣接する2つの測定点間の電界強度、100…放射妨害波測定装置

Claims (5)

  1. 電磁波の放射源を囲む面上に設定される前記電磁波の複数の測定点を算出する電磁波測定点算出装置であって、
    第1の測定点に応じて決まる補正係数を使用して前記第1の測定点と前記第1の測定点に隣接する第2の測定点との測定間隔を計算し、測定範囲内の前記複数の測定点を順次算出する電磁波測定点算出処理を実行する第1演算処理部、
    を備える電磁波測定点算出装置。
  2. 前記第1演算処理部は、
    供試体に存在しうる前記放射源の位置と、前記放射源を囲む面上に形成される電界強度分布の電界強度を検出するアンテナの位置とに基づいて、前記放射源を囲む面上における高さ方向の前記測定間隔がサンプリング定理を満たす前記補正係数を計算する、
    請求項1に記載の電磁波測定点算出装置。
  3. 前記第1演算処理部は、
    前記放射源を囲む面上における高さ方向の前記測定間隔を式(1)、式(2)及び式(3)によって算出し、
    前記測定範囲内の前記複数の測定点の高さ方向の位置を式(4)によって算出する、
    Figure 0007040189000019
    請求項1に記載の電磁波測定点算出装置。
  4. 前記第1演算処理部は、
    前記放射源を囲む面上における角度方向の前記測定間隔を式(5)及び式(6)によって算出し、
    前記測定範囲内の前記複数の測定点の角度方向の位置を、前記角度方向の測定間隔に基づいて算出する、
    Figure 0007040189000020
    請求項1から3のいずれか1項に記載の電磁波測定点算出装置。
  5. 電磁波の放射源によって、前記放射源を囲む面上に形成される電界強度分布の最大の電界強度が得られる位置を求める放射妨害波測定装置であって、
    請求項1から4のいずれか1項に記載の電磁波測定点算出装置と、
    電界強度測定装置と、
    第2演算処理部と、を備え、
    前記電界強度測定装置は、
    電界強度を検出するアンテナと、
    前記放射源に対する前記アンテナの相対的位置を変更可能な位置制御機構と、
    前記アンテナと前記位置制御機構を用いた電界強度の測定の制御を行う制御部と、を備え、
    前記制御部は、
    前記電磁波測定点算出装置が算出した複数の測定点を、前記放射源を囲む面上に設定する第1の動作を実行し、
    前記位置制御機構を制御しながら、前記アンテナを用いて、前記複数の測定点において測定対象の周波数の電界強度を測定する第2の動作を実行し、
    前記第2演算処理部は、
    前記第2の動作で測定された前記複数の測定点の電界強度分布において隣接する2つの測定点間の電界強度にゼロを入力する第1の演算処理と、
    前記第1の演算処理で得られた電界強度分布に測定対象の周波数が遮断周波数のデジタルローパスフィルターを適用する第2の演算処理と、
    前記第2の演算処理で得られた電界強度分布から最大電界強度が得られる位置を特定する第3の演算処理と、を実行する、
    放射妨害波測定装置。
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