JPH052043A

JPH052043A - 電界センサ

Info

Publication number: JPH052043A
Application number: JP3154467A
Authority: JP
Inventors: Kimihiro Tajima; 公博田島; Nobuo Kuwabara; 伸夫桑原; Fujio Amamiya; 不二雄雨宮; Ryuichi Kobayashi; 隆一小林
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 1991-06-26
Filing date: 1991-06-26
Publication date: 1993-01-08
Anticipated expiration: 2015-07-31
Also published as: JP3071497B2

Abstract

(57)【要約】【目的】広帯域な周波数成分を含む電磁波の波形測定
を可能にする電界センサを提供する。【構成】光源１からの光信号を偏波面保持光ファイバ
１４で光変調器１３に導き、センサロッド７，７′で検
出した電界により光学結晶６で変調する。変調された信
号は、シングル光モードファイバ１５で光検出器１１へ
導びき、電気信号に変換してレベル測定器１２で測定す
る。ここで、ロッドセンサ７，７′を進行波型の抵抗負
荷ロッドで構成することにより、また、ロッドセンサ
７，７′と光学結晶６に検出電界を印加する光変調器電
極１６，１６′の間に装荷インピーダンス１７，１７′
を設けることにより、共振現象を抑えて感度の周波数特
性をフラット化し、広帯域化させる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、空間のある一点の電界
強度を正確に測定するため、周囲の電磁界分布を乱さな
いことを目的として、電界を検出するセンサロッド以外
は全て非金属で構成された電界強度測定用の電界センサ
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】ＮＣ工作機械の暴走問題に代表されるよ
うに、近年、外部から進入した電磁妨害波により装置が
誤動作を起こす現象が問題になっている。この問題に対
処するためには、装置から放射されたり、装置に印加さ
れたりする電磁妨害波を正確に測定する必要がある。特
に最近では、インパルス性妨害波を時間領域で測定した
り、装置近傍の電磁界を精度よく測定したりすることが
重要になっている。

【０００３】従来、このような測定には、微小ダイポー
ルアンテナ、円錐アンテナ、ホーンアンテナ等が使用さ
れているが、アンテナと信号の受信機間の接続に電波の
反射体である同軸ケーブルを用いているため、測定レベ
ルが接続ケーブルの状態に影響されたり、周波数帯域が
狭く複数のアンテナを使用したりしなければならない、
等の問題点を持っている。

【０００４】そのため、近年、検出器（プローブ）とレ
ベル測定器間を光ファイバで結ぶ電界センサが検討され
ている。それらは、構成により大きく二つに分けられ
る。すなわち、センサロッドで検出した電界レベルをセ
ンサ本体内部に設けられたレーザダイオード等を用いて
光強度変調信号に変換して、その光信号を光ファイバに
よりレベル測定器に伝送するものと、センサ本体外部か
ら無変調の光信号を入力し、それをセンサ内部の光変調
器によりセンサロッドで検出した電界レベルで変調し
て、もう一つの光ファイバによりレベル測定器に伝送す
るものである。本発明は、これら２種類のセンサのうち
後者に関わるものである。この電界センサは、センサロ
ッド以外は非金属で構成できるため周囲の電磁界を乱さ
ず、広帯域な周波数特性を持ち、電源を内蔵する必要の
ないので長時間の測定に有効であるという特徴を有して
おり、これまでに光変調器にＬｉＮｂＯ₃を用いたアン
テナ（特願平１−３８０５号）、および電界アンテナ
（実願平２−５５２２３号）が提案されている。

【０００５】図７は、従来提案されている電界センサの
基本的構成を示す図である。この従来例の構成で、１は
光源、２はレンズ、３は光ファイバケーブル、４はグレ
ーデッドインデックスレンズ、５は偏光子、６は電気光
学効果を持つ結晶、７，７′はセンサロッド、８は位相
補償器、９は検光子、１０はレンズ、１１は光検出器、
１２はレベル測定器を示し、４から１０までの破線に囲
まれた部分が、光変調器１３を構成している。また１
６，１６′は光変調器電極である。

【０００６】この従来例では、センサ外部の光源１から
光信号を光ファイバケーブル３により光変調器１３に入
力し、この光信号を光変調器１３内において光変調器電
極１６、１６′に印加されるセンサロッド７，７′で検
出した電界レベルで電気光学効果を持つ結晶６により変
調し、再び光ファイバケーブル３を通してレベル測定器
１２側の光検出器１１へ伝送している。

【０００７】上記の光変調器１３の動作において、偏光
子５は光ファイバケーブル３より出射された光から電気
光学効果を持つ結晶６の光軸に対して４５°傾いた直線
偏波のみを取り出し、結晶６に入射させる。結晶６に入
射した光は、センサロッド７，７′から印加される電圧
により位相変調され、楕円偏波となる。この楕円偏波成
分から特定の偏波成分を検光子９により取り出すことに
より、強度変調された光信号が得られる。

【０００８】このような従来の電界センサの構造を図８
に示す。４はレンズ、５は偏光子、６は電気光学効果を
持つ結晶、７，７′はセンサロッド、８は位相補償器、
９は検光子、１０はレンズ、１４は図略の光源との間を
結ぶ偏波面保持光ファイバ、１５は図略の光検出器との
間を結ぶシングルモード光ファイバ、１６，１６′は光
変調器電極、１８はセンサ外部筐体である。本構造は電
気光学効果を持つ結晶６としてＬｉＮｂＯ₃を用い、セ
ンサロッド７，７′を構成する直列の２本の金属棒（長
さ：５ｃｍ×２）の隙間にこの結晶６を集積させてい
る。ＬｉＮｂＯ₃は、２個の結晶を光軸が直交するよう
に従続させており、周囲の温度変化による自然複屈折率
の変化を補償している。

【０００９】図９は、上記従来例の感度特性例を示すグ
ラフであって、横軸は電界強度を、縦軸は出力レベルを
表わし、光入力電力：１１ｄＢｍ、ＡＰＤ（光検出器１
１のアバランシェフォトダイオード）バイアス：３
８Ｖ、周波数５０ＭＨｚ、帯域幅（バンドワイズ）：
７．５ＫＨｚの条件で測定したものである。図から明ら
かなように、従来例の電界センサによれば、感度特性に
おいて、８０ｄＢ程度以上の動作レンジが得られるとと
もに、ノイズレベルが−１０ｄＢｕＶであることから、
約１Ｖ／ｍ（１２３ｄＢｕＶ／ｍ）程度の最小検出感度
が得られる。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、近年の電子
装置には高速な半導体素子が多用されており、このよう
な電子装置の誤動作の原因解析には、広帯域に渡る波形
の測定がますます不可欠となっている。しかしながら、
上記従来の技術による電界センサでは、フラットな特性
を有する周波数帯域に制限があり、インパルス性妨害波
のように、広帯域に渡る周波数成分（ＤＣ〜１０ＧＨ
ｚ）を含む波形を測定することが困難であるという問題
点があった。

【００１１】このことを、前述の図７，図８に示した従
来例における図１０に示す周波数特性の測定例により説
明する。図１０において、横軸は外部電界における周波
数を表わし、縦軸は１００Ｈｚにおける感度に対する相
対感度を表わしている。ここで、測定条件としては、光
入力電力を１１ｄＢｍとし、エレメント長（センサロッ
ド７，７′の先端から先端までの距離）を１３０ｍｍと
している。図から明らかなように、フラットな特性が得
られる周波数帯域は１００Ｈｚ〜３００ＭＨｚまでであ
り、それを越えるとアンテナとしての共振現象により相
対感度は急激に上昇し、７５０ＭＨｚ付近の前後では約
１５ｄＢ程度上昇することがわかる。従って、上記のよ
うな周波数特性を持つ従来例では、３００ＭＨｚ以上の
周波数成分を持つ妨害波の波形は、正確に測定できない
結果となる。即ち、一般の通信用アンテナでは共振現象
を利用して高利得を得ているが、電界センサにおいて共
振現象は誤差の要因となる。

【００１２】本発明は、このような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、インパルス性電
磁妨害波のように、広帯域に渡る周波数成分を含む波形
の測定を可能にする広帯域な電界センサを提供すること
にある。

【００１３】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
め、本発明の電界センサにおいては、センサロッドを構
成する２つの金属棒を、狭い隙間を介して直列に配置
し、その隙間に印加電圧により光強度が変化する光変調
器を挿入し、この２つの金属棒と該光変調器より離れた
位置に置かれた光源から無変調の光信号を光ファイバを
用いて伝送し、これを外部電界によって前記金属棒の隙
間に生じる電圧により前記光変調器で変調し、該変調さ
れた光信号成分を外部の光検出器に光ファイバを用いて
伝送して検出することにより、前記センサロッドが置か
れた地点の電界強度を測定する電界センサにおいて、前
記センサロッドを構成する２つの金属棒に定在波を無く
す抵抗分布を与えるとともに、該センサロッドと前記光
変調器の電極との間に共振現象を抑える値のインピーダ
ンスを装荷したことを特徴としている。

【００１４】

【作用】本発明の電界センサでは、センサロッドを構成
する２つの金属棒に抵抗分布を持たせ、センサロッド上
に誘起される電流のロッド終端での反射をなくして定在
波が立たない進行波型とすることにより、また、センサ
ロッドと光変調器の電極間にインピーダンスを装荷する
ことにより、一般の通信用のアンテナとは逆に共振現象
を抑え、感度特性をフラットにするとともに、そのフラ
ットな周波数帯域を延ばして、波形の測定に必要な広帯
域化を図っている。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の具体的な実施例を、図面に基
づいて詳細に説明する。

【００１６】図１は本発明の基本的構成を示す第１の実
施例の模式的な斜視図である。本実施例の構成におい
て、１は光源、１３は光変調手段である光変調器、１１
は変調された光信号を電気信号に変換する光検出手段で
ある光検出器、１２は変換された電気信号を出力電圧と
して表示するレベル測定器である。１４は光源１と光変
調器１３とを光結合する光ファイバであり、シングルモ
ードでかつ偏波面を保持できる偏波面保持光ファイバを
用いている。１５は光変調器１３と光検出器１１とを光
結合する光ファイバであり、シングルモード光ファイバ
を用いている。光変調器１３は、光源１側から順にレン
ズ４、偏光子５、光学結晶６、位相補償器８、検光子
９、レンズ１０が配置されて成る。光学結晶６は、電気
光学効果を有し、従来例と同様に２個の結晶を光軸が直
交するように従続し、光の進行方向の両側に光変調器電
極１６，１６′を設けて構成される。１７，１７′は２
本１組の各センサロッド７，７′と各光変調器電極１
６，１６′の隙間に挿入された装荷インピーダンスで、
ここではインダクタンスを使用している。センサロッド
７，７′は、図２（ａ）の高周波抵抗７ａを図２（ｂ）
のような抵抗率分布でつなぎ合わせた進行波型の抵抗負
荷ロッドである。図２において、（ａ）は１つのセンサ
ロッド７（または７′）の構成を示し、図中の７ｂはロ
ッド終端に設けた固定用金具である。また、（ｂ）はセ
ンサロッドの先端からの抵抗率分布を示している。ただ
し、理想的な計算値は実線で示されるが、実際に用いた
抵抗率分布は破線で示したようになる。このような進行
波型のセンサロッドによれば、ロッド上に誘起される電
流のロッド終端での反射がなくなり、定在波が立たなく
することができる（例えばＭ．Ｋａｎｄａａｎｄ
Ｆ．Ｘ．Ｌｉｅｓ，“ＡＢｒｏａｄ−ＢａｎｄＩｓ
ｏｔｒｏｐｉｃＲｅａｌ−ＴｉｍｅＥｌｅｃｔｒｉ
ｃ−ＦｉｅｌｄＳｅｎｓｏｒＵｓｉｎｇＲｅｓｉ
ｓｔｉｖｅｌｙＬｏａｄｅｄＤｉｐｏｌｅｓ”，ＩＥ
ＥＥＴｒａｎｓ．Ｅｌｅｃｔｏｒｏｍａｇｎｅｔｉｃ
Ｃｏｍｐａｔｉｂｉｌｉｔｙ，Ｖｏｌ．ＥＭＣ−２
３，Ｎｏ３Ａｕｇｕｓｔ１９８１．参照）。ただし、
このような技術は、従来、アンテナの共振周波数の調整
や共振現象の帯域幅の調整に用いられていた。

【００１７】以上のように構成した第１の実施例の動作
および作用を述べる。

【００１８】光源１は、無変調の光信号を偏波面保持光
ファイバ１４を通して、光変調器１３に入射する。この
光信号の伝送において、光ファイバ１４はシングルモー
ドで光伝送を行い、かつ光信号の光波の偏波面を保持す
る。光変調器１３に入射された光信号は、レンズ４を通
り、偏光子５を通って光学結晶６内を通る。ここで、偏
光子５は光学結晶６の光軸に対して４５°傾いた直線偏
波の光信号のみを通して光学結晶６に入射させる。入射
された光信号は、センサロッド７，７′で検出した電界
によって光変調器電極１６，１６′に印加される電圧に
より位相変調され、楕円偏波となって位相補償器８へ出
射される。さらに、検光子９で楕円偏波成分から特定の
偏波成分が取り出され、強度変調された光信号として、
レンズ１０を通り、シングルモード光ファイバ１５を通
って光検出器１１へ伝送される。光検出器１１におい
て、アバランシェフォトダイオード（ＡＰＤ）により電
気信号に変換された信号はレベル測定器１２で出力電圧
として測定される。

【００１９】次に、本実施例の電界センサの周波数特性
を理論解析する。そのために、図３に示すような等価回
路を考える。Ｃｍは光変調器１３の入力インピーダンス
で、変調器に使用される結晶６の抵抗は非常に大きいた
め、通常キャパシタンスで表すことができる。Ｌｍは図
１の装荷インピーダンス１７，１７′であり、本実施例
の場合はインダクタンス、Ｚａはセンサロッド７，７′
の駆動点インダクタンス、ｈｅはセンサロッド７，７′
の実効長、Ｅは測定電界強度である。

【００２０】いま、光変調器１３の電極１６，１６′間
に印加される電圧をＶｃとするとセンサの感度Ａ［ｄ
Ｂ］は次式（１）で定義される。

【００２１】Ａ＝２０Ｌｏｇ₁₀（Ｖｃ／Ｅ）…（１）ただしＶｃ＝［（１／ｊωＣｍ）／｛Ｚａ＋ｊω（Ｌｍ−１／Ｃｍ）｝］・Ｅ・ｈｅ…（２）さらに、１００Ｈｚにおける感度Ａ（１００）に対する
周波数ｆにおける相対感度Ａｓ（ｆ）［ｄＢ］は次式に
なる。ただし、Ａ（ｆ）は周波数ｆにおける感度であ
る。

【００２２】Ａｓ（ｆ）＝Ａ（ｆ）−Ａ（１００）…（３）ここで、Ｚａ，ｈｅはモーメント法を用いて求め、Ｃｍ
は低周波での実測値を用いる。この相対感度Ａｓ（ｆ）
の解析結果を図４に実線（−）で示す。図に示すよう
に、挿入するインダクタンスＬｍの値を変化させること
により共振周波数と感度が変化し、インダクタンスＬｍ
の値を適切に選べば（例えば３３ｎＨ）、周波数特性の
フラット化と広帯域化が図られることがわかる。

【００２３】本実施例の感度の周波数特性の測定例を図
５に示す。本実施例では、測定条件としてエレメント長
を１４６ｍｍ、光変調器の入力容量を７．８ｐＦ、挿入
したインダクタンスを３３ｎＨとしている。図におい
て、横軸は周波数であり、縦軸は相対感度である。ま
た、図中の黒丸（●）は測定値（測定条件：光入力電
力：１１ｄＢｍ、ＡＰＤバイアス：３８Ｖ）、実線
（−）は理論値を示している。図に示すように、センサ
ロッドに最適な抵抗を分布させて進行波型にし、さら
に、センサロッドと光変調器電極間にインダクタンスＬ
ｍを挿入し共振周波数での感度のピークを調整してフラ
ットにすることで、周波数帯域は従来の１００Ｈｚ〜３
００ＭＨｚから１００Ｈｚ〜１ＧＨｚまで広帯域化でき
ることがわかる。

【００２４】本実施例では、予めセンサロッドの抵抗率
分布を荒く設定してセンサを組み立て、その後、センサ
感度の周波数特性を測定しながら、装荷したインダクタ
ンスの値を調節して、センサの周波数特性の改善を図る
ことができ、調整に手間のかかるセンサロッドの抵抗率
分布、光変調器の入力インピーダンスなどを調整する必
要がないので、効率よく調整が実施できる利点がある。

【００２５】次に、本発明の第２の実施例を説明する。

【００２６】図６はその構成図である。本実施例の構成
において、１は光源、７、７′はセンサロッド、１１は
光検出器、１２レベル測定器、１３は光変調器（マッハ
・ツェンダ型変調器）、１４は光源との間を結ぶ偏波面
保持光ファイバ、１５は光検出器との間を結ぶシングル
モード光ファイバ、１６，１６′は光変調器電極、１
７，１７′は装荷された可変インピーダンス、１８はセ
ンサ外部筐体である。

【００２７】本実施例の場合、第１の実施例の構成に対
し、光変調器１３として光学結晶でなく導波路型にＩＣ
化（Ｔｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃基盤）されたマッハツェンダ
型干渉計を用いているため、レンズ，偏光子，検光子を
必要としない。光変調器１３は、各センサロッド７，
７′の隙間に挿入された可変インピーダンス素子１７，
１７′を介し、センサ外部筐体１８の内部に配置され
る。さらに、センサ外部筐体１８を貫通して光信号の入
出力用の光ファイバ１４，１５が取り付けられる。ま
た、センサ外部筐体１８は、その外方に２本の抵抗負荷
ロッドから成るセンサロッド７，７′を互いに反対方向
に延びるように固定すると同時に、センサロッド７，
７′の間に隙間を確保するためのものである。光源１と
しては、例えば波長１．３μｍのＬＤ励起のＹＡＧレー
ザ光源等を用いる。

【００２８】以上のように構成した第２の実施例の動作
および作用を述べる。

【００２９】光源１より出射された無変調の光信号は、
例えば偏波面保持光ファイバ１４に入射される。この光
ファイバ１４で伝送された光信号は電気光学効果を持つ
光変調器１３の中を通る。ここで、第１の実施例と同様
に、外部電界によって変調器電極１６，１６′間に生じ
る電圧により強度変調を受ける。即ち、抵抗が分布され
た抵抗負荷ロッドより成るセンサロッド７，７′に外部
電界より進行波型の高周波電流が流れると、変調器電極
１６，１６′間に電圧が生じる。この電圧により、変調
器電極１６，１６′間に強い電界が生じ、光変調器１３
を構成しているＴｉ拡散ＬｉＮｂＯ₃光導波路の誘電率
が変化する。このため導波路Ｐ₁，Ｐ₂を通る光波に時間
差が生じ、それらの交点で光波の干渉が起きる。光波の
干渉は印加電圧に応じ変化するので、その結果、光波は
外部電界に比例した光強度変調を受けることになる。こ
のように変調された光信号は、今度はシングルモード光
ファイバ１５に入射されて伝送され、センサより離れた
ところにある光検出器１１に導かれて電気信号に変換さ
れた後、レベル測定器１２によりレベルが測定される。
センサロッド７，７′には抵抗を分布させた進行波型の
抵抗負荷ロッドを用いており、さらにインピーダンス１
７，１７′を挿入することによって、第１の実施例と同
様に共振現象が抑えられ、周波数帯域のフラット化，広
帯域化が図られる。以上のように、光源１からの光信号
が受ける変調を強度は外部電界の強さに依存するので本
実施例は電界センサとして動作することができる。

【００３０】なお、上記実施例ではセンサロッドにおけ
る駆動点インピーダンスが容量性として作用する場合を
想定して、装荷するインピーダンスにインダクタンスを
用いるとしたが、周波数域によって誘導性として作用す
る場合には装荷するインピーダンスとして容量を用い
る。

【００３１】

【発明の効果】以上の説明で明らかなように、本発明の
電界センサは、（１）センサロッドに抵抗負荷ロッドを
用いて進行波型とすることにより、また、センサロッド
と光変調器の間に装荷インピーダンスを挿入してその値
を調節することにより共振現象を抑えることができ、イ
ンパルス性妨害波等の波形測定に適するように周波数特
性のフラット化と広帯域化が図られること、（２）周波
数帯域の調整はインピーダンスの値を変えるのみで良
く、調整に手間のかかる抵抗率分布、光変調器の入力イ
ンピーダンス等を調整する必要がないので、効率よく帯
域改善ができることなどの利点がある。以上のことによ
り、本発明は、従来報告されている電界センサの欠点で
ある周波数帯域を改善した、広帯域な電界センサを実現
し、高速電磁パルスの測定を可能にする利点がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の基本的構成を示す第１の実施例の模式
的な斜視図

【図２】（ａ）は上記第１の実施例のセンサロッドの構
成図、（ｂ）はその抵抗率分布を示すグラフ

【図３】上記第１の実施例の等価回路図

【図４】上記第１の実施例の周波数特性の解析結果を示
すグラフ

【図５】上記第１の実施例の周波数特性の測定結果を示
すグラフ

【図６】本発明の第２の実施例を示す構成図

【図７】従来例の基本的構成を示すブロック図

【図８】上記従来例の具体的構造を示す図

【図９】上記従来例の感度特性を示すグラフ

【図１０】上記従来例の周波数特性を示すグラフ

【符号の説明】

１…光源、２…レンズ、４…レンズ、５…偏光子、６…
電気光学効果を持つ光学結晶、７，７′…センサロッ
ド、８…位相補償器、９…検光子、１０…レンズ、１１
…光検出器、１２…レベル測定器、１３…光変調器、１
４…偏波面保持光ファイバ、１５…シングルモード光フ
ァイバ、１６，１６′…光変調器電極、１７，１７′…
装荷インピーダンス、１８…センサ外部筐体。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者小林隆一茨城県那珂郡東海村白方字百塚原1722−１

Claims

【特許請求の範囲】【請求項１】センサロッドを構成する２つの金属棒
を、狭い隙間を介して直列に配置し、その隙間に印加電
圧により光強度が変化する光変調器を挿入し、この２つ
の金属棒と該光変調器より離れた位置に置かれた光源か
ら無変調の光信号を光ファイバを用いて伝送し、これを
外部電界によって前記金属棒の隙間に生じる電圧により
前記光変調器で変調し、該変調された光信号成分を外部
の光検出器に光ファイバを用いて伝送して検出すること
により、前記センサロッドが置かれた地点の電界強度を
測定する電界センサにおいて、前記センサロッドを構成
する２つの金属棒に定在波を無くす抵抗分布を与えると
ともに、該センサロッドと前記光変調器の電極との間に
共振現象を抑える値のインピーダンスを装荷したことを
特徴とする電界センサ。