JP3071497B2 - 電界センサ - Google Patents
電界センサInfo
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
づいて詳細に説明する。
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.Kanda and
F.X.Lies,“A Broad−Band Is
otropic Real−Time Electri
c−Field Sensor Using Resi
stivelyLoaded Dipoles”,IE
EE Trans.Electoromagnetic
Compatibility,Vol.EMC−2
3,No3August 1981.参照)。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。
および作用を述べる。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
および作用を述べる。
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。
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。
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。
的な斜視図
成図、(b)はその抵抗率分布を示すグラフ
すグラフ
すグラフ
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。
Claims (1)
- 【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。
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3154467A JP3071497B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 電界センサ |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3154467A JP3071497B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 電界センサ |
Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JPH052043A JPH052043A (ja) | 1993-01-08 |
JP3071497B2 true JP3071497B2 (ja) | 2000-07-31 |
Family
ID=15584887
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP3154467A Expired - Lifetime JP3071497B2 (ja) | 1991-06-26 | 1991-06-26 | 電界センサ |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP3071497B2 (ja) |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU202151U1 (ru) * | 2020-08-20 | 2021-02-04 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | Оптический датчик тока |
Families Citing this family (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP3411947B2 (ja) * | 1995-08-08 | 2003-06-03 | シャープ株式会社 | 電波−光変換変調装置及びそれを用いた通信システム |
JP3913547B2 (ja) | 2001-12-28 | 2007-05-09 | 独立行政法人情報通信研究機構 | 光変調装置およびそれを用いた光信号と電波信号との変換装置 |
-
1991
- 1991-06-26 JP JP3154467A patent/JP3071497B2/ja not_active Expired - Lifetime
Non-Patent Citations (1)
Title |
---|
1991年電子情報通信学会春季全国大会講演論文集 2−304頁 |
Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
RU202151U1 (ru) * | 2020-08-20 | 2021-02-04 | Публичное акционерное общество "Межрегиональная распределительная сетевая компания Северо-Запада" | Оптический датчик тока |
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---|---|
JPH052043A (ja) | 1993-01-08 |
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