JP6944672B2 - 電磁界センサ、電磁界計測システムおよび電磁波の到来方向推定システム - Google Patents

Description

本発明は、電磁界センサ、電磁界計測システムおよび電磁波の到来方向推定システムに関する。

近年、電子機器の普及により電磁波環境は複雑化し、不要電磁波を低減させたり不要電磁波の発生源の位置を推定することにより、電磁干渉の原因を探索することが求められている。不要電磁波の発生源および不要電磁波の伝搬方向等を評価するために、電界および磁界を計測するための電磁界センサが用いられている（例えば、特許文献１参照）。

特許文献１には、電磁界センサとしてアレーアンテナ装置が開示されている。当該アレーアンテナ装置は、電界および磁界をそれぞれ受信する３つのアンテナが、空間的に所定角度で互いに交差した構成をしている。これにより、空間における三方向の電界および磁界を計測することができる。

国際公開第２０１４／００７１９１号

特許文献１に記載のアレーアンテナ装置では、電界計測用の導体と磁界計測用の導体とを使用している。磁界計測用の導体は、導体の両端が対向するように、導体を略環状に形成したアンテナである。電界計測用の導体は、一対の導体からなるダイポールアンテナである。このアレーアンテナ装置では、電界計測用の一対の導体の電位差から求められる電界と、磁界計測用の導体で囲まれた領域の磁界とを計測している。このアレーアンテナ装置では、電界計測用の導体と磁界計測用の導体とが近接しているため、互いに結合し、電界および磁界の双方に互いに影響し合い、電界および磁界の双方を正確に計測することが困難であるという問題が生じている。

上記課題に鑑み、本発明は、電界および磁界を同じ位置で同時に計測することができる電磁界センサおよび電磁界計測システムを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様にかかる電磁界センサは、単一平面内に配置された一対の導体ループを備える。

これにより、同一の位置での電界および磁界を同時に計測することができる。したがって、同一の位置でのポインティングベクトルを計測することができるので、電磁界センサが配置された位置における電界および磁界を計測するとともに、不要電磁波の伝搬経路および電磁波源を検出することができる。

また、前記一対の導体ループの各導体ループは、同一の形状を有しており、対称に配置されていてもよい。

これにより、電磁界センサの中央における電界および磁界を精度よく検出することができる。

また、前記一対の導体ループの各導体ループは、第１の抵抗により接続されており、前記第１の抵抗の両端の電圧である第１の電圧を検出することにより電界を計測してもよい。

これにより、第１の抵抗の両端にかかる第１の電圧を検出することにより、容易に電界を計測することができる。

また、前記一対の導体ループの各導体ループは、当該導体ループの一部として第２の抵抗を有し、前記第２の抵抗の両端の電圧である第２の電圧を検出することにより磁界を計測してもよい。

これにより、第２の抵抗の両端にかかる第２の電圧を検出することにより、容易に磁界を計測することができる。

また、前記一対の導体ループの各導体ループは、第１の抵抗により接続されており、前記第２の抵抗は、抵抗値が等しく直列に接続された第３の抵抗および第４の抵抗とで構成され、前記第３の抵抗と第４の抵抗との間に、前記第１の抵抗が接続されており、前記第１の抵抗の両端の電圧である第１の電圧を検出することにより電界を計測し、前記第１の抵抗が接続された前記第３の抵抗の一端と反対側の前記第３の抵抗の他端と、前記第１の抵抗が接続された前記第４の抵抗の一端と反対側の前記第４の抵抗の他端との間の電圧である前記第２の電圧を検出することにより磁界を計測してもよい。

これにより、第１の抵抗の両端にかかる第１の電圧を安定して検出することができる。

また、前記第１の電圧を増幅して出力する第１のアンプを有してもよい。

これにより、第１の電圧の値が微小である場合であっても、第１のアンプにより第１の電圧を増幅して、電界を精度よく計測することができる。

また、前記一対の導体ループの各導体ループにおいて検出された前記第２の電圧を増幅し、かつ、増幅された前記第２の電圧の平均値を出力する第２のアンプを有してもよい。

これにより、第２の電圧の値が微小である場合であっても、第２のアンプにより第２の電圧を増幅して、磁界を精度よく計測することができる。

また、前記電磁界センサを３組有し、前記３組の電磁界センサがそれぞれ配置された前記単一平面は互いに直交し、かつ、前記３組の電磁界センサは、前記３組の電磁界センサそれぞれの中心で交叉していてもよい。

これにより、三次元空間における同一の位置で電界および磁界を同時に計測することができる。したがって、不要電磁波の伝搬経路および電磁波源を三次元で探すことができる。

また、本発明の一態様にかかる電磁界計測システムは、上述した特徴を有する電磁界センサと、前記電磁界センサにおいて検出された前記電界および前記磁界からポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備える。

これにより、上述した特徴を有する電磁界センサを備える電磁界計測システムを得ることができる。

また、本発明の一態様にかかる電磁波の到来方向推定システムは、電磁界センサと、前記電磁界センサにおいて検出された前記電界および前記磁界の少なくとも一部からポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、計算した前記ポインティングベクトルから電磁波の到来方向を推定する。

これにより、上述した特徴を有する電磁界センサを備え、電磁界センサにおいて検出された電界および磁界の少なくとも一部から計算したポインティングベクトルを用いて電磁波の到来方向を推定することができる。

また、本発明の一態様にかかる電磁波の到来方向推定システムは、電磁界センサと、前記電磁界センサにおいて検出された前記電界の向きおよび前記磁界の向きからポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備え、前記信号処理部は、計算した前記ポインティングベクトルから電磁波の到来方向を推定する。

これにより、上述した特徴を有する電磁界センサを備え、電界および磁界の向きから計算したポインティングベクトルを用いて電磁波の到来方向を推定することができる。

本発明により、電界および磁界を同じ位置で同時に計測することができる電磁界センサおよび電磁界計測システムを提供することができる。

実施の形態１にかかる電磁界計測システムの概略構成図 実施の形態１にかかる電磁界センサの概略構成図 実施の形態１にかかる電磁界センサにおける電界および磁界の計測位置を示す図 実施の形態２にかかる電磁界計測システムの概略構成図 実施の形態２にかかる電磁界計測システムにおける第１のアンプの概略構成図 実施の形態２にかかる電磁界計測システムにおける第２のアンプの概略構成図

以下、図面を用いて、本発明にかかる実施の形態について説明する。なお、図面において、同一の符号が付された構成要素は、同一または同種の構成要素を示す。

また、以下で説明する実施の形態は、本発明の好ましい一具体例を示す。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置、接続形態、ステップおよびステップの順序等は、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、本発明の最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、より望ましい形態を構成する任意の構成要素として説明される。

（実施の形態１）
［電磁界計測システムの構成］
はじめに、電磁界センサ部１０を有する電磁界計測システム１の構成について、図１を用いて説明する。図１は、本実施の形態にかかる電磁界計測システム１の概略構成図である。

図１に示すように、電磁界計測システム１は、電磁界センサ部１０と、信号処理部２０と、電磁界センサ部１０と信号処理部２０とを接続する配線３０とを備えている。

電磁界センサ部１０は、直交する３つの方向に組み合わされた電磁界センサ１１、１２および１３によって構成されている。電磁界センサ１１は、図１に示すように、導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂとを有している。導体ループ１１ａおよび導体ループ１１ｂは、図１に示すｘ軸に直交する単一平面内において、ｚ軸方向に並んで配置されている。これにより、電磁界センサ１１は、ｘ軸方向の磁界およびｚ軸方向の電界を検出する。同様に、電磁界センサ１２は、図１に示すように、導体ループ１２ａおよび導体ループ１２ｂとを有している。導体ループ１２ａおよび導体ループ１２ｂは、図１に示すｙ軸に直交する単一平面内において、ｘ軸方向に並んで配置されている。これにより、電磁界センサ１２は、ｙ軸方向の磁界およびｘ軸方向の電界を検出する。電磁界センサ１３は、図１に示すように、導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂとを有している。導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂは、図１に示すｚ軸に直交する単一平面内において、ｙ軸方向に並んで配置されている。これにより、電磁界センサ１３は、ｚ軸方向の磁界およびｙ軸方向の電界を検出する。

また、電磁界センサ１１、１２および１３の交差する位置には、回路ボックス１１１が配置されている。回路ボックス１１１には、後述するように、電磁界センサ１１、１２および１３の一部を構成する抵抗、配線、出力端子が設けられている。

なお、電磁界センサ部１０は、電磁界センサ１１、１２および１３をそれぞれ単独で用いたものであってもよいし、２つまたは上述したように３つを組み合わせたものであってもよい。

信号処理部２０は、電磁界センサ部１０において検出された電界および磁界からポインティングベクトルを計算する。信号処理部２０は、例えば、アナログ値の信号をデジタル値に変換するＡＤ変換部（図示せず）と、演算部（図示せず）とを有している。演算部は、例えばＭＰＵ（Ｍｉｃｒｏ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）である。なお、演算部は、ＭＰＵに限定されることなく、他の演算回路であってもよい。

信号処理部２０は、ＡＤ変換部により電磁界センサ部１０で計測された電界および磁界（アナログ値）をサンプリングしデジタル値に変換する。そして、デジタル値に変換された電界および磁界を用いて、演算部により後述するポインティングベクトルの計算を行う。なお、信号処理部２０の構成は一般的なものであるため、詳細な説明は省略する。信号処理部２０の構成は、上述した構成に限らず他の構成であってもよい。

配線３０は、電磁界センサ部１０における電磁界センサ１１、１２および１３と信号処理部２０とを接続する配線である。より詳細には、配線３０は、電磁界センサ部１０の回路ボックス１１１から信号処理部２０へと配線されている。電磁界センサ１１、１２および１３で検出された電界信号および磁界信号は、配線３０を介して信号処理部２０に出力される。なお、配線３０は、電磁界センサ１１、１２および１３それぞれに設けてもよいし、１つの配線３０を電磁界センサ１１、１２および１３のいずれにも接続されるように設けてもよい。また、配線３０に代えて、無線により電磁界センサ部１０で検出された電界および磁界を信号処理部２０へ出力してもよい。

［電磁界センサの構成］
ここで、電磁界センサ１１、１２および１３の構成の詳細について、図２を用いて説明する。図２は、本実施の形態にかかる電磁界センサ１１、１２および１３の概略構成図である。なお、電磁界センサ１１、１２および１３の構成は同一であるため、以下では電磁界センサ１３を例として説明する。

上述したように、電磁界センサ１３は、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとを有している。

図２に示すように、導体ループ１３ａは、導線１３０ａ、抵抗１３２ａおよび抵抗１３３ａを有している。抵抗１３２ａおよび抵抗１３３ａは、導線１３０ａの両端を接続するように、導線１３０ａの両端の間に直列に設けられている。

具体的には、導線１３０ａは、直径１ｍｍの銅線により、図２に示すように、ｘ軸方向に長尺な矩形状の略環状に形成されている。ここで、略環状とは、完全に綴じられた環ではなく、全体として環の形状をしているが一部が開放されている形状をいう。導線１３０ａの長辺の長さは例えば１０５ｍｍ、短辺の長さは例えば５０ｍｍである。また、導線１３０ａの両端は、２つの長辺のうちの一方の中央付近において対向している。導線１３０ａの対向する両端の間隔は、例えば５ｍｍである。そして、対向する両端の間に、抵抗１３２ａおよび１３３ａが直列に配置されている。

同様に、導体ループ１３ｂは、導線１３０ｂ、抵抗１３２ｂおよび１３３ｂを有している。抵抗１３２ｂおよび抵抗１３３ｂは、導線１３０ｂの両端を接続するように、導線１３０ｂの両端の間に直列に設けられている。つまり、図２に示すように、導線１３０ｂは、ｘ軸方向に長尺な矩形状の略環状に形成されており、２つの長辺のうちの一方の中央付近において両端が対向している。そして、対向する両端の間に、抵抗１３２ｂおよび抵抗１３３ｂが直列に配置されている。

また、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとは、対称の構成をしている。つまり、導線１３０ａと１３０ｂは、それぞれ同一の形状であり、例えば５ｍｍの距離を設けて点対称および線対称に配置されている。抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａおよび１３３ｂは、それぞれ同一の形状であり、点対称および線対称に配置されている。また、抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａおよび１３３ｂの抵抗値は、同一であり、例えば５００Ωである。

なお、導線１３０ａと１３０ｂは、同一の形状でなくてもよいし、点対称および線対称に配置されていなくてもよい。また、導線１３０ａと１３０ｂは、点対称および線対称のいずれかに配置されていてもよい。抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａおよび１３３ｂは、それぞれ同一の形状でなくてもよく、点対称および線対称に配置されていなくてもよい。また、抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａおよび１３３ｂは、点対称および線対称のいずれかに配置されていてもよい。また、抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａおよび１３３ｂの抵抗値は、同一でなくてもよい。

導体ループ１３ａの抵抗１３２ａと１３３ａとの間、および、導体ループ１３ｂの抵抗１３２ｂと１３３ｂとの間には、抵抗１３５が接続されている。つまり、抵抗１３５により、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとが接続されている。抵抗１３５は、例えば１ＭΩである。抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂおよび１３５は、回路ボックス１１１の内部に配置されている。

なお、本実施の形態において、抵抗１３５は、第１の抵抗に相当する。抵抗１３２ａと１３３ａとの和、および、抵抗１３２ｂと１３３ｂとの和は、それぞれ第２の抵抗に相当する。抵抗１３２ａおよび１３３ａは、それぞれ第３の抵抗に相当する。抵抗１３２ｂおよび１３３ｂは、それぞれ第４の抵抗に相当する。

また、導線１３０ａと抵抗１３２ａとの間には端子Ａ、導線１３０ａと抵抗１３３ａとの間には端子Ａ’が設けられている。つまり、抵抗１３２ａにおいて、抵抗１３５が接続された一端と反対側の他端側に端子Ａが設けられている。また、抵抗１３３ａにおいて、抵抗１３５が接続された一端と反対側の他端側に端子Ａ’が設けられている。端子Ａと端子Ａ’との間の電圧を検出することにより、抵抗１３２ａおよび１３３ａにかかる電圧を検出することができる。これにより、導体ループ１３ａのループ面に垂直に通過する磁界、つまり、導体ループ１３ａを横切る磁界を計測する。なお、導体ループ１３ａのループ面とは、導体ループ１３ａにより形成される平面のことをいう。

同様に、導線１３０ｂと抵抗１３２ｂとの間には端子Ｂ、導線１３０ｂと抵抗１３３ｂとの間には端子Ｂ’が設けられている。つまり、抵抗１３２ｂにおいて、抵抗１３５が接続された一端と反対側の他端側に端子Ｂが設けられている。また、抵抗１３３ｂにおいて、抵抗１３５が接続された一端と反対側の他端側に端子Ｂ’が設けられている。端子Ｂと端子Ｂ’との間の電圧を検出することにより、抵抗１３２ｂおよび１３３ｂにかかる電圧を検出することができる。これにより、導体ループ１３ｂのループ面に垂直に通過する磁界を計測する。

また、抵抗１３５の両端には、それぞれ端子Ｃおよび端子Ｃ’が設けられている。端子Ｃと端子Ｃ’との間の電圧を検出することにより、抵抗１３５にかかる電圧を検出することができる。これにより、導体ループ１３ａと１３ｂとの間の電界を計測する。

なお、本実施の形態において、端子Ｃと端子Ｃ’との間の電圧は、第１の電圧に相当する。また、端子Ａと端子Ａ’との間の電圧、および、端子Ｂと端子Ｂ’との間の電圧は、それぞれ第２の電圧に相当する。

電磁界センサ１１および１２は、電磁界センサ１３と同様の構成であるため、詳細な説明は省略する。

このような構成により、電磁界センサ部１０により、例えば１５０ｋＨｚ〜３０ＭＨｚ程度の周波数の電磁界を計測することができる。なお、上述した導線１３０ａおよび１３０ｂの大きさ、抵抗１３２ａ、１３２ｂ、１３３ａ、１３３ｂおよび１３５の値を変更することにより、検出可能な電磁界の周波数帯域を変更してもよい。

なお、電磁界センサ１１、１２および１３は上述したように同一の構成としてもよいし、電磁界センサ１１、１２および１３のうちの２つのみが同一の構成であってもよい。また、電磁界センサ１１、１２および１３のすべてが異なる構成であってもよい。

［電磁界計測の原理］
次に、電磁界計測システム１による電磁界計測の原理について図３を用いて説明する。図３は、本実施の形態にかかる電磁界センサ１１、１２および１３における電界および磁界の計測位置を示す図であり、（ａ）は電磁界センサ１３における電界および磁界の計測位置を示す図、（ｂ）は（ａ）に示した電磁界センサ１３における座標軸と電磁界センサ１３における電界および磁界の方向を示す図である。

電界は２つの導体間の単位長さ当たりの電位差であるので、電磁界計測システム１では、電磁界センサ１３における２つの導体である導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとの電位差を計測する。

具体的には、電磁界センサ１３において、電界は、図３の（ａ）に示すように、電磁界センサ１３の中心Ｐ、すなわち、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとの間に生じる電位差を検出することにより計測する。つまり、電磁界センサ１３では、電界は、抵抗１３５にかかる電圧を検出し計算（校正）することにより得られる。より具体的には、電磁界センサ１３において端子Ｃと端子Ｃ’との間の電圧を検出する。そして、検出された電圧を用いて、後述する校正を行う。これにより、電磁界センサ１３は、図３の（ｂ）に示すようにｙ軸方向の電界Ｅ_ｙを計測することができる。

なお、抵抗１３５は、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとの間の電圧を検出しやすくするために設けられたものであり、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとの間の電圧を検出することができるのであれば、抵抗１３５を設けない構成としてもよい。

また、電磁界センサ１３と同様に、電磁界センサ１１および１２は、それぞれｚ軸方向の電界およびｘ軸方向の電界を計測する。電磁界センサ１１、１２および１３を組み合わせることにより、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれの電界Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙおよびＥ_ｚを同時に計測することができる。また、電磁界センサ１１、１２および１３の構成を同一の構成とし、それぞれの中心で交叉させて、導体ループ１３ａおよび１３ｂが配置された平面が互いに直交するように組み合わせることにより、同一位置における電界Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙおよびＥ_ｚを同時に計測することができる。

また、電磁界計測システム１では、電磁界センサ１３における２つの導体である導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂのそれぞれのループ面に鎖交する磁界を、導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂそれぞれの電圧を計測することにより計測する。ここで、ループ面に鎖交する磁界とは、ループ面を垂直に横切る磁束、すなわち、導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂのループ面を垂直に横切る磁界をループ面積で積分（平均）したものをいう。ループ面に鎖交する磁界のことを、ループの中心の磁界ということもある。

具体的には、電磁界センサ１３において、図３の（ａ）に示すように、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂのそれぞれのループの端子間における電圧を検出し、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂのそれぞれのループ面に鎖交する磁界を計算（校正）する。そして、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂのそれぞれのループ面に鎖交する磁界を平均することにより、電磁界センサ１３の中心の磁界を計測することができる。なお、電磁界センサ１３では、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂのそれぞれのループの端子間で検出された電圧の平均値から、電磁界センサ１３における磁界を計算してもよい。

電磁界センサ１３において、導体ループ１３ａのループ面に鎖交する磁界は、抵抗１３２ａおよび１３３ａにかかる電圧を検出し計算することにより得られる。また、導体ループ１３ｂのループ面に鎖交する磁界は、抵抗１３２ｂおよび１３３ｂにかかる電圧を検出し計算することにより得られる。より具体的には、導体ループ１３ａのループ面に鎖交する磁界は、端子Ａと端子Ａ’との間の電圧を検出して計算することにより得られる。導体ループ１３ｂのループ面に鎖交する磁界は、端子Ｂと端子Ｂ’との間の電圧を検出して計算することにより得られる。そして、端子Ａと端子Ａ’との間の電圧と端子Ｂと端子Ｂ’との間の電圧との平均を計算する。すなわち、端子Ａと端子Ａ’との間の電圧と端子Ｂと端子Ｂ’との間の電圧とを用いて後述する校正を行うことにより、導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとの間で導体ループ１３ａと導体ループ１３ｂとから等しい距離にある点Ｐにおける磁界、つまり、電磁界センサ１３における磁界が得られる。

これにより、電磁界センサ１３は、図３の（ｂ）に示すようにｚ軸方向の磁界Ｈ_ｚを計測することができる。

なお、抵抗１３２ａおよび１３３ａは、導体ループ１３ａのループ面に鎖交する磁界を計測するための電圧を検出しやすくするために設けられた抵抗である。また、抵抗１３２ｂおよび１３３ｂは、導体ループ１３ｂのループ面に鎖交する磁界を計測するための電圧を検出しやすくするために設けられた抵抗である。導体ループ１３ａおよび導体ループ１３ｂのそれぞれのループ面に鎖交する磁界を計測するための電圧を検出することができるのであれば、抵抗１３２ａ、１３３ａ、１３２ｂおよび１３３ｂを設けない構成としてもよい。

また、電磁界センサ１３と同様に、電磁界センサ１１および１２は、それぞれｘ軸方向の磁界およびｙ軸方向の磁界を計測する。電磁界センサ１１、１２および１３を組み合わせることにより、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれの磁界Ｈ_ｘ、Ｈ_ｙおよびＨ_ｚを同時に計測することができる。また、電磁界センサ１１、１２および１３の構成を同一の構成とし、それぞれの中心位置において組み合わせることにより、同一位置における磁界Ｈ_ｘ、Ｈ_ｙおよびＨ_ｚを同時に計測することができる。

ここで、電磁界の校正の手順について説明する。

まず、電磁界センサ１１、１２および１３のそれぞれにおいてループの端子間に生じる電圧を検出するために、基準電界または基準磁界を電磁界センサ１１、１２および１３のそれぞれに印加する。そして、電磁界センサ１１、１２および１３のそれぞれにおいて、ループの端子間に生じる電圧を計測する。これにより、電磁界センサ１１、１２および１３のそれぞれについて、電界または磁界と検出される電圧との関係、すなわち、アンテナ係数が得られる。

そして、電磁界センサ１１、１２および１３のそれぞれにおいて実際に検出された電圧にアンテナ係数を乗算し、電磁界センサ１１、１２および１３で計測された電界または磁界を計算する。

なお、検出された電圧に、出力されるはずのない成分の電圧が含まれている場合には、電磁界センサ１１、１２および１３の各成分の間でクロストークが生じていることになる。なお、成分とは、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向のそれぞれに対応する電界（Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙ、Ｅ_ｚ）および磁界（Ｈ_ｘ、Ｈ_ｙ、Ｈ_ｚ）のことをいう。クロストークの有無、および、クロストークが発生している成分を検出することより、各電磁界センサの性能を評価することができる。

また、ｘ軸方向、ｙ軸方向およびｚ軸方向それぞれの電界（Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙ、Ｅ_ｚ）および磁界（Ｈ_ｘ、Ｈ_ｙ、Ｈ_ｚ）を印加したときの、各軸方向の電界および磁界に対応する６成分の出力電圧は、６×６行列の形で表すことができる。この行列を用いることで、実際に計測された６成分の出力電圧から、電磁界センサ１１、１２および１３で検出された電磁界６成分を精度よく求めることができる。

また、電磁界計測システム１は、上述したように、同一位置における電界および磁界を同時に計測することができるため、計測した電界および磁界を用いて信号処理部２０においてポインティングベクトルを計算してもよい。ポインティングベクトルは、電磁界のエネルギー密度の流れを示す指標であり、ポインティングベクトルの方向は電磁界のエネルギーの移動方向を表す。

ポインティングベクトルは、電界ベクトルを

磁界ベクトルを

とすると、以下の（式３）のように、電界ベクトルと磁界ベクトルとの外積で表すことができる。

より詳細には、電界ベクトルおよび磁界ベクトルは時間により変化するものであり、ある瞬間（時刻ｔ）におけるポインティングベクトル（瞬時ポインティングベクトル）は、以下の（式４）のように表される。

ここで、Ｅ（ｔ）およびＨ（ｔ）は、それぞれ時刻ｔにおける電界ベクトルおよび磁界ベクトルを示している。

この瞬時ポインティングベクトルにより、ある時刻ｔにおける電磁界のエネルギーおよび電磁界のエネルギーの移動方向を検出することができる。

また、瞬時ポインティングベクトルを一定時間計測し、平均値を計算することにより、ポインティングベクトルの時間平均を計測することができる。ポインティングベクトルの時間平均は、電磁波源から放射されるエネルギーの伝搬方向を示す。したがって、ポインティングベクトルを計算することにより、電磁波源から放射されるエネルギーの伝搬方向を検出することができる。

なお、ポインティングベクトルの計算は、上述したように時間軸において行ってもよいし、周波数軸において行ってもよい。

以上のポインティングベクトルの計算を信号処理部２０において行うことにより、電磁界計測システム１は、ある時刻ｔにおける電磁界センサ部１０の位置での電界および磁界を計測することができる。さらに、信号処理部２０により、電磁界センサ部１０が配置された位置における電界および磁界の計測結果から、不要電磁波の伝搬経路および電磁波源を推定してもよい。例えば、直交偏波を持つ平面波に対しては、ｘ軸方向の磁界Ｈ_ｘ、ｙ軸方向の磁界Ｈ_ｙおよびｚ軸方向の電界Ｅ_ｚからｘ−ｙ平面の角度を検出することができる。同様に、ｙ軸方向の磁界Ｈ_ｙ、ｚ軸方向の磁界Ｈ_ｚおよびｘ軸方向の電界Ｅ_ｘからｙ−ｚ平面の角度を検出することができる。ｚ軸方向の磁界Ｈ_ｚ、ｘ軸方向の磁界Ｈ_ｘおよびｙ軸方向の電界Ｅ_ｙからｚ−ｘ平面の角度を検出することができる。また、これらのｘ−ｙ平面、ｙ−ｚ平面およびｚ−ｘ平面の角度を組み合わせることにより電磁波源の位置を推定してもよい。

また、信号処理部２０は、電磁界センサ部１０において検出された電界および磁界の向きからポインティングベクトルを計算してもよい。例えば、上述した電界および磁界の校正を、電界の絶対値Ｅ_ｘ、Ｅ_ｙ、Ｅ_ｚおよび磁界の絶対値Ｈ_ｘ、Ｈ_ｙ、Ｈ_ｚではなく電界の相対値ａＥ_ｘ、ａＥ_ｙ、ａＥ_ｚ（ａは係数）および磁界の相対値ｂＨ_ｘ、ｂＨ_ｙ、ｂＨ_ｚ（ｂは係数）を用いて計算してもよい。これにより、少なくとも電磁波源の位置に関する角度情報を検出することができるので、電磁波源の方向を推定することができる。

このように、電磁界センサ部１０および信号処理部２０は、電磁波の到来方向を推定する電磁波の到来方向推定システムとして用いてもよい。

なお、電磁界の変化により導体ループ１３ａおよび１３ｂを流れる電流は微小であるため、電磁界センサ部１０において検出される電界計測のための電圧および磁界計測のための電圧は微小である。したがって、電磁界センサ１１、１２および１３により検出したこれらの電圧をアンプにより増幅して信号処理部２０に出力してもよい。

［効果等］
以上、本実施の形態にかかる電磁界センサおよび電磁界計測システムによると、同一の位置での電界および磁界を検出することができるので、ポインティングベクトルを計測することができる。したがって、電磁界センサが配置された位置における電界および磁界を計測することができる。さらに、信号処理部２０により、電磁界センサが配置された位置における電界および磁界を計測した結果から、不要電磁波の伝搬経路および電磁波源を推定してもよい。

（実施の形態２）
次に、実施の形態２にかかる電磁界計測システム２について、図４〜図６を用いて説明する。図４は、本実施の形態にかかる電磁界計測システム２の概略構成図である。図５は、本実施の形態にかかる電磁界計測システム２における第１のアンプ３１の概略構成図である。図６は、本実施の形態にかかる電磁界計測システム２における第２のアンプ３２の概略構成図である。

本実施の形態にかかる電磁界計測システム２が実施の形態１に示した電磁界計測システム１と異なる点は、電磁界センサ部１０と信号処理部２０との間に第１のアンプ３１と第２のアンプ３２とを備える点である。

図４に示すように、電磁界計測システム２は、実施の形態１に示した電磁界計測システム１と同様、電磁界センサ部１０と、信号処理部２０と、配線３０とを備えている。また、配線３０には第１のアンプ３１と第２のアンプ３２が設けられている。なお、電磁界センサ部１０および信号処理部２０の基本的な構成については実施の形態１に示した電磁界計測システム１における電磁界センサ部１０および信号処理部２０と同様であるため、詳細な説明を省略する。

第１のアンプ３１は、電磁界センサ部１０から、電界を計測するための電圧を増幅して出力するための電界プリアンプである。つまり、第１のアンプ３１は、端子ＣおよびＣ’に接続される。図５に示すように、第１のアンプ３１は、端子Ｃが接続された増幅器３４ａと、端子Ｃ’が接続された増幅器３４ｂと、端子Ｃと増幅器３４ａとの間においてグランドに接続された抵抗３５ａと、端子Ｃ’と増幅器３４ｂとの間においてグランドに接続された抵抗３５ｂと、増幅器３４および３４ｂから出力された電圧が入力される増幅器３６とを有している。

増幅器３６は、端子Ｃにおける電圧Ｖ_Ｃを増幅器３４ａで増幅した電圧と、端子Ｃ’における電圧Ｖ_Ｃ’を増幅器３４ｂで増幅した電圧との差を増幅して出力する。したがって、第１のアンプ３１からは、端子Ｃと端子Ｃ’の電位差Ｖ_Ｃ−Ｖ_Ｃ’に比例する電圧が出力される。第１のアンプ３１から出力される電圧を用いて、導体ループ１３ａと１３ｂとの間における電界を計算することができる。これにより、端子Ｃにおける電圧Ｖ_Ｃおよび端子Ｃ’における電圧Ｖ_Ｃ’の値が微小である場合であっても、電磁界センサ部１０により電界を精度よく計測することができる。

第２のアンプ３２は、電磁界センサ部１０から、磁界を計測するための電圧を増幅して出力するための磁界プリアンプである。第２のアンプ３２は、端子ＡおよびＡ’と、端子ＢおよびＢ’に接続される。図６に示すように、第２のアンプ３２は、端子ＡおよびＡ’が接続された増幅器３７ａと、端子ＢおよびＢ’が接続された増幅器３７ｂと、増幅器３７ａおよび３７ｂから出力された電圧が入力される増幅器３８とを有している。

増幅器３７ａは、端子Ａにおける電圧Ｖ_Ａと端子Ａ’における電圧Ｖ_Ａ’との差Ｖ_Ａ−Ｖ_Ａ’を増幅して出力する。増幅器３７ｂは、端子Ｂにおける電圧Ｖ_Ｂと端子Ｂ’における電圧Ｖ_Ｂ’との差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ｂ’を増幅して出力する。増幅器３８は、増幅器３７ａにおいて電位差Ｖ_Ａ−Ｖ_Ａ’が増幅された電圧と、増幅器３７ｂにおいて電位差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ｂ’が増幅された電圧とを加算して出力する。第２のアンプ３２からは、端子Ａと端子Ａ’の電位差Ｖ_Ａ−Ｖ_Ａ’と端子Ｂと端子Ｂ’の電位差Ｖ_Ｂ−Ｖ_Ｂ’とに比例する電圧の平均値が出力される。

第２のアンプ３２から出力された電圧を用いて計算することにより、導体ループ１３ａにおいて検出される磁界と導体ループ１３ｂにおいて検出される磁界との平均、すなわち、導体ループ１３ａと１３ｂとの間における磁界を計算することができる。これにより、端子Ａにおける電圧Ｖ_Ａ、端子Ａ’における電圧Ｖ_Ａ’、端子Ｂにおける電圧Ｖ_Ｂおよび端子Ｂ’における電圧Ｖ_Ｂ’の値が微小である場合であっても、電磁界センサ部１０により磁界を精度よく計測することができる。

なお、第１のアンプ３１および第２のアンプ３２は、電磁界センサ１１、１２および１３それぞれの中心に位置するように設けられていてもよい。第１のアンプおよび第２のアンプが電磁界センサ１１、１２および１３の中心に位置していない場合、電磁界センサ１１、１２および１３からアンプまでの配線３０の長さおよび引き回し位置が非対称となり、電磁界センサ１１、１２および１３の各ループにおける電磁界を乱す可能性があるためである。第１のアンプおよび第２のアンプが電磁界センサ１１、１２および１３の中心に位置するように設けられることにより、各電磁波センサにおいて２つのループの電界および磁界の対称性を保つことができるので、電磁界の計測精度を向上することができる。例えば、第１のアンプ３１および第２のアンプ３２は、電磁界センサ部１０の回路ボックス１１１の内部に設けられていてもよい。

（その他の実施の形態）
以上、本発明にかかる電磁界センサおよび電磁界計測システムについて、実施の形態に基づいて説明したが、本発明は実施の形態に限定されるものではない。実施の形態に対して当業者が思いつく変形を施して得られる形態、および、複数の実施の形態における構成要素を任意に組み合わせて実現される別の形態も本発明に含まれる。

例えば、上述した実施の形態では、電磁界センサ部は、３つの電磁界センサを、各電磁界センサが配置された単一平面が互いに直交するように組み合わせた構成としたが、電磁界センサ部は１つの電磁界センサで構成されてもよいし、２つの電磁界センサで構成されてもよい。

また、上述した実施の形態では、電磁界センサを構成する導体ループは、矩形状としたが、矩形状に限らず、例えば円形状など他の形状であってもよい。また、電磁界センサを構成する一対の導体ループの形状は、同一の形状であってもよいし異なる形状であってもよい。また、一対の導体ループの配置は、点対称および線対称、または、点対称および線対称のいずれかに配置されてもよいし、他の配置であってもよい。

また、一対の導体ループの一部を構成する複数の抵抗は、同一の抵抗値であってもよいし異なる抵抗値であってもよい。また、一対の導体ループを接続する抵抗は、導体ループの一部を構成する抵抗と同一の抵抗値であってもよいし、異なる抵抗値であってもよい。

さらに、電磁界計測システムは、電界を計測するために検出する一対の導体ループ間の電圧を増幅するための第１のアンプを備えてもよいし、備えなくてもよい。また、電磁界計測システムは、磁界を計測するために検出する電圧を増幅するための第２のアンプを備えてもよいし、備えなくてもよい。また、第１のアンプおよび第２のアンプは、電磁界センサ部の中心に設けられてもよいし、他の位置に設けられてもよい。

また、上述した実施の形態では、電磁界センサから信号処理部まで配線を設け、電磁界センサ部で検出された電界および磁界を、配線を通じて信号処理部へ出力する構成としたが、配線に代えて無線により電磁界センサで検出された電界および磁界を信号処理部へ出力してもよい。

また、電磁界計測システムにおいて、信号処理部は、上述したようにＡＤ変換部および演算部を備える構成であってもよいし、他の構成であってもよい。また、信号処理部は、計測した電界および磁界、計算したポインティングベクトルを記憶する記憶部をさらに備えてもよい。

本発明にかかる電磁界センサおよび電磁界計測システムは、広帯域の周波数の電磁波を検出することが必要な鉄道、車などに用いられる電磁界センサおよび電磁界計測システムとして有用である。

１、２ 電磁界計測システム
１０ 電磁界センサ部
１１、１２、１３ 電磁界センサ
１１ａ、１１ｂ、１２ａ、１２ｂ、１３ａ、１３ｂ 導体ループ
２０ 信号処理部
３０ 配線
３１ 第１のアンプ
３２ 第２のアンプ
３４ａ、３４ｂ、３６、３７ａ、３７ｂ、３８ 増幅器
３５ａ、３５ｂ 抵抗
１１１ 回路ボックス
１３０ａ、１３０ｂ 導線
１３２ａ、１３２ｂ 抵抗（第２の抵抗、第３の抵抗）
１３３ａ、１３３ｂ 抵抗（第２の抵抗、第４の抵抗）
１３５ 抵抗（第１の抵抗）

Claims (9)

1. 単一平面内に配置された一対の導体ループを備え、
   前記一対の導体ループは、互いに第１の抵抗により接続されており、
   前記第１の抵抗の両端の電圧である第１の電圧を検出することにより電界を計測する
   電磁界センサ。
2. 前記一対の導体ループの各導体ループは、同一の形状を有しており、対称に配置されている
   請求項１に記載の電磁界センサ。
3. 単一平面内に配置された一対の導体ループを備え、
   前記一対の導体ループの各導体ループは、当該導体ループの一部として第２の抵抗を有し、
   前記第２の抵抗の両端の電圧である第２の電圧を検出することにより磁界を計測し、
   前記一対の導体ループの各導体ループは、第１の抵抗により接続されており、
   前記第２の抵抗は、抵抗値が等しく直列に接続された第３の抵抗および第４の抵抗とで構成され、
   前記第３の抵抗と第４の抵抗との間に、前記第１の抵抗が接続されており、
   前記第１の抵抗の両端の電圧である第１の電圧を検出することにより電界を計測し、
   前記第１の抵抗が接続された前記第３の抵抗の一端と反対側の前記第３の抵抗の他端と、前記第１の抵抗が接続された前記第４の抵抗の一端と反対側の前記第４の抵抗の他端との間の電圧である前記第２の電圧を検出することにより磁界を計測する
   電磁界センサ。
4. 前記第１の電圧を増幅して出力する第１のアンプを有する
   請求項１または３に記載の電磁界センサ。
5. 前記一対の導体ループの各導体ループにおいて検出された前記第２の電圧を増幅し、かつ、増幅された前記第２の電圧の平均値を出力する第２のアンプを有する
   請求項３に記載の電磁界センサ。
6. 前記電磁界センサを３組有し、
   前記３組の電磁界センサがそれぞれ配置された前記単一平面は互いに直交し、かつ、前記３組の電磁界センサは、前記３組の電磁界センサそれぞれの中心で交叉している
   請求項１〜５のいずれか１項に記載の電磁界センサ。
7. 請求項３に記載の電磁界センサと、
   前記電磁界センサにおいて検出された前記電界および前記磁界からポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備える
   電磁界計測システム。
8. 請求項３に記載の電磁界センサと、
   前記電磁界センサにおいて検出された前記電界および前記磁界の少なくとも一部からポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、計算した前記ポインティングベクトルから電磁波の到来方向を推定する
   電磁波の到来方向推定システム。
9. 請求項３に記載の電磁界センサと、
   前記電磁界センサにおいて検出された前記電界の向きおよび前記磁界の向きからポインティングベクトルを計算する信号処理部とを備え、
   前記信号処理部は、計算した前記ポインティングベクトルから電磁波の到来方向を推定する
   電磁波の到来方向推定システム。

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