WO2012101979A1

WO2012101979A1 - 電界プローブ

Info

Publication number: WO2012101979A1
Application number: PCT/JP2012/000231
Authority: WO
Inventors: 正樹仲瀬
Original assignee: 株式会社村田製作所
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2012-01-17
Publication date: 2012-08-02
Also published as: JP5786869B2; US9234928B2; US20130307522A1; JPWO2012101979A1

Abstract

　近傍電界を測定する際に、受信範囲を所望する範囲に狭めることが可能な電界プローブを提供する。　電界プローブ（１）は、棒状のモノポールアンテナ（２０）と、該モノポールアンテナ（２０）と同軸上に、モノポールアンテナ（２０）を覆うように配置された、導電性を有する反射部材（３０）とを備えている。反射部材（３０）は、中空円錐状に形成されており、底面が、モノポールアンテナ（２０）の軸線方向に開口されている。モノポールアンテナ（２０）は、先端（２０ａ）の位置が、反射部材（３０）の開口端面（３０ａ）と略一致するように配設されている。

Description

電界プローブ

　本発明は、近傍電界測定用の電界プローブに関する。

　下記特許文献１には、半波長ダイポールアンテナの遠方界の指向性を高める技術が開示されている。より詳細には、半波長ダイポールアンテナを１枚或いは複数枚の反射板の幅方向および高さ方向の中央に設置し、反射板の高さを使用周波数の１．３波長～１．７波長の範囲内に設定することにより、比較的に小型でＦＢ比の大きい半波長ダイポールアンテナが得られることが開示されている。

特開２００２－１４１７４２号公報

　しかしながら、上述したアンテナを用いて被測定物の近傍電界を測定しようとすると、測定したい箇所の周囲に存在するノイズ源からのノイズも拾ってしまい、正確な測定を行うことが難しかった。すなわち、ノイズ源の位置とノイズ強度とを精度よく把握することが困難であった。

　本発明は、上記問題点を解消する為になされたものであり、近傍電界を測定する際に、受信範囲を所望する範囲に狭めることが可能な電界プローブを提供することを目的とする。

　本発明に係る電界プローブは、棒状のモノポールアンテナと、該モノポールアンテナと同軸上に、モノポールアンテナを覆うように配置された、中空で、導電性を有する反射部材とを備え、当該反射部材は、一方の端部が、モノポールアンテナの軸線方向に開口されていることを特徴とする。

　本発明に係る電界プローブによれば、モノポールアンテナの周囲が導電性の反射部材によって覆われている。この反射部材は、モノポールアンテナの軸線方向、すなわちヌル方向に開口部が位置するように配設されている。そのため、電界プローブの横方向（モノポールアンテナの軸線と垂直な方向、すなわちモノポールアンテナが指向性を有する方向）から入ってくるノイズが遮断される。その結果、モノポールアンテナ（電界プローブ）の軸線方向（例えば被測定物の上方から電界プローブの開口部を下に向けて使用する場合には真下方向）に位置するノイズ源からのノイズだけを測定することができる。よって、受信範囲を絞って、近傍の電界を測定することが可能となる。

　本発明に係る電界プローブでは、モノポールアンテナの一方の端部が反射部材の開口端面と略一致するようにモノポールアンテナが配設されていることが好ましい。

　モノポールアンテナの端部が反射部材の開口端よりも外側に出てしまうと、横方向（モノポールアンテナの軸線と垂直な方向、すなわちモノポールアンテナが指向性を有する方向）からのノイズを拾い易くなり、受信範囲が広がってしまう。逆に、モノポールアンテナの端部が反射部材の開口端よりも内側に入り込んでしまうと（すなわち反射部材の軸線方向の長さをモノポールアンテナよりも長くすると）、反射部材がノイズを拾ってグランド（リファレンス）が揺れ、受信感度が劣化する。この場合、モノポールアンテナの端部（先端）と反射部材の開口端面とが略一致するように配置されているため、受信感度を高く保ちつつ、受信範囲を絞ることが可能となる。

　本発明に係る電界プローブでは、反射部材の開口端が他端部よりも拡げられていることが好ましい。

　このようにすれば、受信感度をより向上させることができる。ここで、より具体的には、反射部材は、底面が開口された円錐状、底面が開口された四角錐状、又は、底面が開口された半球状に形成されていることが好ましい。

　本発明によれば、近傍電界を測定する際に、受信範囲を所望する範囲に狭めることが可能となる。

実施形態に係る電界プローブの構成を示す部分断面図である。比較例として用いた反射部材を備えていない電界プローブの構成を示す図である。比較例として用いた反射部材を備えていない電界プローブのＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示す図である。実施形態に係る電界プローブのＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示す図である。図６に示される電界強度（受信範囲）を説明するための図である。電界プローブの先端から２０ｍｍ下方の位置でのＸ軸方向の電界強度（受信範囲）を示す図である。実施形態に係る電界プローブの好ましいディメンジョンを説明するための図である。モノポールアンテナの長さＬ１を変化させたときの反射部材の角度θと受信感度との関係を示すグラフである。測定周波数を変化させたときの反射部材の角度θと受信感度との関係を示すグラフである。反射部材の角度θを変化させたときのＸ軸方向の電界強度（受信範囲）を示すグラフである。

　以下、図面を参照して本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。なお、各図において、同一要素には同一符号を付して重複する説明を省略する。

　まず、図１を用いて、実施形態に係る電界プローブ１の構成について説明する。図１は、電界プローブ１の構成を示す部分断面図である。

　電界プローブ１は、例えば電子回路基板などの近傍電界を測定するための電界プローブである。電界プローブ１は、円柱状の本体部１０と、該本体部１０の先端に連続的に接続された棒状のモノポールアンテナ２０と、該モノポールアンテナ２０と同軸上に、モノポールアンテナ２０を覆うように配設された中空円錐状の反射部材３０とを備えている。続いて、各構成要素について詳細に説明する。

　本体部１０は、例えば、同軸構造のセミリジッドケーブルであり、銀メッキ銅チューブからなる内部導体（芯線）１１を誘電体（ＰＴＦＥ）１２で覆い、この誘電体１２を無酸素銅からなる外部導体１３で被覆した構造になっている。なお、本実施形態では、本体部１０の寸法を、直径９．６２ｍｍ、長さ４０ｍｍとした。

　モノポールアンテナ２０は、本体部１０から突出したセミリジッドケーブルの先端部の外部導体１３を取り除き、内部導体１１を本体部１０の先端から所定長さ（本実施形態では３０ｍｍ）だけ露出させたものである。すなわち、本実施形態では、セミリジッドケーブルの内部導体１１をモノポールアンテナ２０として利用した。したがって、モノポールアンテナ２０は、本体部１０の内部導体１１と電気的に連結されている。モノポールアンテナ２０の周囲は、誘電体１２と一体の誘電体２１によって被覆されている。

　図１に示されるように、モノポールアンテナ２０は、側方視した場合に、先端２０ａの位置が、反射部材３０の開口端面３０ａと一致するように配設されている。なお、モノポールアンテナ２０で受信された信号は、本体部１０の内部導体１１及び後述するＳＭＡコネクタ４０を介して計測器などに出力される。

　反射部材３０は、導電性を有する例えば銅などの金属によって、底面が開口された中空円錐状に形成された部材である。反射部材３０は、モノポールアンテナ２０と同軸上に、該モノポールアンテナ２０を覆うように、本体部１０を構成する外部導体１３の先端側の端部に取り付けられており、底面部分が、モノポールアンテナ２０の軸線方向に開口されている。

　反射部材３０の開口端面３０ａの径は、所望する受信範囲（測定範囲）に応じて寸法が設定される。すなわち、受信範囲（測定範囲）を狭めたい場合には、開口端面３０ａの径を小さくすればよい。ここで、本実施形態では、反射部材３０の開口端面３０ａの直径を３５ｍｍとし、反射部材３０の軸線方向の長さを３０ｍｍとした。なお、反射部材３０は、本体部１０の外部導体１３及びＳＭＡコネクタ４０を介して計測器などのグランドに接続される。

　本体部１０の後端側には、スペクトラムアナライザなどの計測器に接続するためのＳＭＡコネクタ４０が取り付けられている。電界プローブ１は、使用される際に、ＳＭＡコネクタ４０に同軸ケーブルが接続され、スペクトルアナライザなどの計測器と接続される。

　続いて、図２～図６を併せて参照しつつ、反射部材３０の有無による電界プローブの受信範囲の違いについて、シミュレーション結果を示して説明する。ここで、図２は、比較例として用いた反射部材３０を備えていない電界プローブ１００の構成を示す図であり、図３は、該電界プローブ１００のＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示す図である。また、図４は、本実施形態に係る電界プローブ１のＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示す図である。図６は、電界プローブ１，１００の先端から２０ｍｍ下方の位置でのＸ軸方向の電界強度（受信範囲）を示す図である。また、図５は、図６に示される電界強度（受信範囲）を説明するための図である。なお、ここで、電界プローブ１，１００（モノポールアンテナ２０）の軸線方向（図２，５の上下方向）をＺ軸方向とし、電界プローブ１，１００（モノポールアンテナ２０）の軸線と直交する方向（図２，５の左右方向）をＸ軸方向とした。

　図２に示されるように、比較例として用いた電界プローブ１００は、実施形態に係る電界プローブ１から反射部材３０を取り除いたものである。その他の構成は電界プローブ１と同一であるので、ここでは詳細な説明は省略する。シミュレーションに際しては、電界プローブ１及び電界プローブ１００それぞれをモデル化し、シミュレーションソフト（アンソフト、ＨＦＳＳ）を用いて電界プローブ１，１００の電界分布を求めた。より具体的には、モデル化した本体部１０の後端から、１Ｗの正弦波を電界プローブ１，１００に給電したときの送信特性を計算することで電界プローブ１，１００の電界分布を確認した。なお、相反の定理より、電界プローブ１，１００の送信特性を該電界プローブ１，１００の受信特性とした。

　その結果を、図３及び図４に示す。上述したように、図３は、電界プローブ１００（比較例）のＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示し、図４は、本実施形態に係る電界プローブ１のＸ－Ｚ方向（ＸＺ平面）の電界分布（受信範囲）を示す。図３及び図４に示されるように、反射部材３０を備えていない電界プローブ１００（比較例）と比較して、本実施形態に係る電界プローブ１は、電界分布のＸ軸方向への広がりが少ないことが認められた。よって、電界プローブ１では、電界プローブ１００に比べて、近傍電界の受信範囲が狭められていることが確認できた。

　次に、電界プローブ１，１００の先端から２０ｍｍ下方の位置でのＸ軸方向の電界強度（受信範囲）を図６に示す。図６に示されたグラフの横軸は、電界プローブ１，１００の直下からのＸ軸方向の距離（ｍｍ）であり、縦軸は電界強度（ｄＢ）である。また、図６のグラフでは、本実施形態に係る電界プローブ１のシミュレーション結果を実線で、比較例の電界プローブ１００のシミュレーション結果を破線で示した。

　図６に示されるように、最も電界強度が高いプローブ直下と、該プローブ直下の電界強度と比較して電界強度（受信量）が－６ｄＢ以下になる位置とのＸ軸方向の距離Ｌｘ（図５参照）は、電界プローブ１００（比較例）では、１００ｍｍ以上であった。一方、本実施形態に係る電界プローブ１では、距離Ｌｘが１８ｍｍであった。よって、電界プローブ１では、電界プローブ１，１００の先端から２０ｍｍ下方の位置での受信範囲も狭まっていることが確認された。以上の結果から、本実施形態に係る電界プローブ１を用いることにより、近傍電界の受信範囲を絞ることができることが確認された。

　以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、モノポールアンテナ２０の周囲が導電性の反射部材３０によって覆われている。この反射部材３０は、モノポールアンテナ２０の軸線方向、すなわちヌル方向に開口部が位置するように配設されている。そのため、電界プローブ１の横方向（モノポールアンテナ２０の軸線と垂直な方向、すなわちモノポールアンテナ２０が指向性を有する方向）から入ってくるノイズが遮断される。その結果、モノポールアンテナ２０（電界プローブ１）の軸線方向（例えば被測定物の上方から電界プローブ１の開口部（先端部）を下に向けて使用する場合には真下方向）に位置するノイズ源からのノイズだけを測定することができる。よって、受信範囲を絞って、近傍の電界を測定することが可能となる。

　ところで、モノポールアンテナ２０の先端２０ａが反射部材３０の開口端よりも外側に出てしまうと、横方向（モノポールアンテナ２０の軸線と垂直な方向、すなわちモノポールアンテナ２０が指向性を有する方向）からのノイズを拾い易くなり、受信範囲が広がってしまう。逆に、モノポールアンテナ２０の先端２０ａが反射部材３０の開口端よりも内側に入り込んでしまうと（すなわち反射部材３０の軸線方向の長さをモノポールアンテナ２０よりも長くすると）、反射部材３０がノイズを拾ってグランド（リファレンス）が揺れ、受信感度が劣化する。本実施形態によれば、モノポールアンテナ２０の先端２０ａと反射部材３０の開口端面３０ａとが略一致するように配置されているため、受信感度を高く保ちつつ、受信範囲を絞ることが可能となる。

　また、本実施形態によれば、反射部材３０が、底面が開口された円錐状に形成されているため、すなわち反射部材３０の開口端部が他端部よりも拡げられているため、受信感度をより向上させることができる。

　ところで、電界プローブ１の受信感度及び近傍電界の受信範囲（測定範囲）は、電界プローブ１のディメンジョン、より具体的には、図７に示される、電界プローブ１を構成するモノポールアンテナ２０の長さＬ１、及び、モノポールアンテナ２０の中心線（軸線）と反射部材３０との成す角度θ（以下、単に「反射部材３０の角度θ」という）等によって変化する。

　そこで、次に、図７～１０を併せて参照しつつ、モノポールアンテナ２０の好ましい長さ、及び、反射部材３０の好ましい角度について説明する。ここで、図７は、電界プローブ１の好ましいディメンジョンを説明するための図である。図８は、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を変化させたときの反射部材３０の角度θと受信感度との関係を示すグラフであり、図９は、測定周波数を変化させたときの反射部材３０の角度θと受信感度との関係を示すグラフである。また、図１０は、反射部材３０の角度θを変化させたときのＸ軸方向の電界強度（受信範囲）を示す図である。

　電界プローブ１では、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を「２０ｍｍ≦Ｌ１≦５０ｍｍ」とし、反射部材３０の角度θを「５０°≦θ＜７０°」とし、かつ、反射部材３０の開口端面３０ａとモノポールアンテナ２０の先端２０ａの位置とが一致するように形成することが好ましい。このようにすれば、受信感度を高くでき、かつ受信範囲を狭く絞ることができる。

　また、電界プローブ１では、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を「３０ｍｍ≦Ｌ１≦４０ｍｍ」とし、反射部材３０の角度θを「約６０°」とし、かつ、反射部材３０の開口端面３０ａとモノポールアンテナ２０の先端２０ａの位置とが一致するように形成することがより好ましい。このようにすれば、受信感度をより高くでき、かつ受信範囲をより狭く絞ることが可能となる。以下、図８，９，１０を用いて、シミュレーション結果を示しつつ、その理由を説明する。

　まず、図８を用いて、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を変化させたときの、反射部材３０の角度θと受信感度との関係について説明する。なお、モノポールアンテナ２０の先端２０ａは、反射部材３０の開口端面３０ａと一致するように設定した。図８の横軸は反射部材３０の角度θ（°）であり、縦軸は受信感度（ｄＢＶ／ｍ）である。

　図８では、測定周波数を２．５ＧＨｚとし、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を、１０ｍｍ、２０ｍｍ、３０ｍｍ、４０ｍｍ、５０ｍｍと５段階に変化させたときの、反射部材３０の角度θと受信感度とのシミュレーション結果を示す。なお、図８では、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を１０ｍｍとしたときの結果を「◇」でプロットした。また、Ｌ１を２０ｍｍとしたときの結果を「□」で、Ｌ１を３０ｍｍとしたときの結果を「△」でプロットした。さらに、Ｌ１を４０ｍｍとしたときの結果を「○」で、Ｌ１を５０ｍｍとしたときの結果を「＊」でプロットした。

　その結果、図８に示されるように、モノポールアンテナ２０の長さＬ１が「２０ｍｍ≦Ｌ１≦５０ｍｍ」の範囲で受信感度が高くなり、「３０ｍｍ≦Ｌ１≦４０ｍｍ」のときに受信感度が特に高くなることが確認された。

　次に、図９を用いて、測定周波数を変化させたときの、反射部材３０の角度θと受信感度との関係について説明する。なお、モノポールアンテナ２０の先端２０ａは、反射部材３０の開口端面３０ａと一致するように設定した。図９の横軸は反射部材３０の角度θ（°）であり、縦軸は受信感度（ｄＢＶ／ｍ）である。

　図９では、モノポールアンテナ２０の長さを３０ｍｍに固定し、測定周波数を２ＧＨｚ、２．５ＧＨｚ、３ＧＨｚと３段階に変化させたときの、反射部材３０の角度θと受信感度とのシミュレーション結果を示す。なお、図９では、測定周波数を２ＧＨｚとしたときの結果を「◇」でプロットした。また、測定周波数を２．５ＧＨｚとしたときの結果を「□」で、測定周波数を３ＧＨｚとしたときの結果を「△」でプロットした。

　その結果、図９に示されるように、いずれの周波数においても、反射部材３０の角度θが「５０°≦θ≦７０°」の範囲で受信感度が高くなり、反射部材３０の角度θが「６０°」のときに受信感度が最も高くなることが確認された。

　続いて、図１０を用いて、反射部材３０の角度θを変化させたときの、電界プローブ１（モノポールアンテナ２０）の先端から２０ｍｍ下方の位置でのＸ軸方向の電界強度、すなわち受信範囲（図７参照）について説明する。ここでも、モノポールアンテナ２０の先端２０ａは、反射部材３０の開口端面３０ａと一致するように設定した。図１０に示されたグラフの横軸は、電界プローブ１の直下からのＸ軸方向の距離Ｌ２（ｍｍ）であり、縦軸は電界強度（ｄＢ）である。

　図１０では、反射部材３０の角度θを１０°から９０°まで、１０°間隔で変化させたときの、Ｘ軸方向の距離Ｌ２に対する電界強度の変化を示す。図１０に示されるように、反射部材３０の角度θが７０°（図１０中の一点鎖線参照）以上のときには受信範囲が広くなり、角度θが６０°（図１０中の太い実線参照）以下のときには、受信範囲を狭くなることが認められた。すなわち、受信範囲を狭く絞るという観点からは、反射部材３０の角度θは、「７０°未満」であることが好ましく、特に、「６０°以下」であることがより好ましいことが確認された。

　以上、詳細に説明したように、本実施形態によれば、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を「２０ｍｍ≦Ｌ１≦５０ｍｍ」とし、反射部材３０の角度θを「５０°≦θ＜７０°」とし、かつ、反射部材３０の開口端面３０ａとモノポールアンテナ２０の先端２０ａの位置とが一致するように形成することにより、受信感度を高くでき、かつ受信範囲を狭く絞ることができる。

　また、本実施形態によれば、モノポールアンテナ２０の長さＬ１を「３０ｍｍ≦Ｌ１≦４０ｍｍ」とし、反射部材３０の角度θを「約６０°」とし、かつ、反射部材３０の開口端面３０ａとモノポールアンテナ２０の先端２０ａの位置とが一致するように形成することにより、受信感度をより高くでき、かつ受信範囲をより狭く絞ることが可能となる。

　以上、本発明の実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されるものではなく種々の変形が可能である。例えば、モノポールアンテナ２０や反射部材３０の形状や大きさなどは、上記実施形態には限られない。

　特に、上記実施形態では、反射部材３０が、底面が開口された円錐状に形成されていたが、反射部材３０の形状は円錐状には限られない。反射部材３０は、例えば、底面が開口された四角錐状、又は、底面が開口された半球状に形成されていてもよい。

　また、上記実施形態では、セミリジッドケーブルの内部導体１１をモノポールアンテナ２０として利用したが、必ずしもセミリジッドケーブルの内部導体１１を利用する必要はなく、例えば、一般的な棒状の金属などを使用してもよい。

　また、上記実施形態では、電界プローブ１が本体部１０を備えていたが、本体部１０は必ずしも必要ではない。例えば、本体部１０を取り去り、モノポールアンテナ２０の後端にＳＭＡコネクタ４０を取り付ける構成としてもよい。

　１　電界プローブ
　１０　本体部
　２０　モノポールアンテナ
　２０ａ　先端
　３０　反射部材
　３０ａ　開口端面
　４０　ＳＭＡコネクタ

Claims

　棒状のモノポールアンテナと、
　前記モノポールアンテナと同軸上に、該モノポールアンテナを覆うように配置された、中空で、導電性を有する反射部材と、
　を備え、
　前記反射部材は、一方の端部が、前記モノポールアンテナの軸線方向に開口されていることを特徴とする電界プローブ。
　前記モノポールアンテナは、一方の端部が、前記反射部材の開口端面と略一致するように配設されていることを特徴とする請求項１に記載の電界プローブ。
　前記反射部材は、開口端が他端部よりも拡げられていることを特徴とする請求項２に記載の電界プローブ。
　前記反射部材は、底面が開口された円錐状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電界プローブ。
　前記反射部材は、底面が開口された四角錐状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電界プローブ。
　前記反射部材は、底面が開口された半球状に形成されていることを特徴とする請求項３に記載の電界プローブ。