JPH0547786B2 - - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

〔産業上の利用分野〕 本発明は、電磁界検出装置に関し、より特定的
には、電磁界の放射を監視し、人間又は他の動物
に対して該電磁界が有する可能性がある潜在的な
有害性を表示するに適した装置に関する。 〔従来技術〕 無線周波数およびマイクロ波の電磁界は、人間
および他の動物に有害な影響をもたらすことが認
識されている。米国標準協会（A.N.S.I.）は
300KHzから100GHzの周波数範囲において、電磁
界に対する人間の露出に関して、標準安全レベル
を明らかにした。これらの標準についての説明
は、生体電磁気学協会から発行された生体電磁気
学ニユースレター、1982年10月号に記載されてい
る。これらの標準に従つて、露出条件を安全な固
有吸収率に制限するために保護指針が確立されて
いる。 エネルギが規定された安全レベル内にあるか否
かを決定するために、放射しつつある電磁界のエ
ネルギレベルを監視することが必要であることは
明らかである。しかし、重要な周波数範囲は、現
在用いられているどの１つの形式の感知装置の知
られている周波数範囲をも超えている。放射を監
視することができる装置の本質的な素子は、電界
感知要素である。該電界感知要素の特性、構造、
および相互接続は、放射しつつある電磁界に対す
る感度を決定する。熱電対と半導体ダイオードが
普通の感知要素である。各々の型式の要素が固有
の利点と限界をもつ一方で、周波数限界特性を有
することが従来認識されている。このようにして
例えば、ダイオードセンサは例えば1.5GHzより
低い周波数というような比較的低い側の周波数領
域で最も有効に動作することが知られており、一
方熱電対のセンサは、例えば300MHzより高い周
波数というような比較的高い側の周波数領域で最
も有効に動作する。 本発明者による同時係属の米国特許出願は、ダ
イオードと熱電対センサとを組み合せた超広帯域
の放射監視器を記述している。この中で説明され
るように、ダイオードは、高リアクタンスの電気
的に短いダイポールアンテナと共に用いられる時
最も有効であることが知られている。一方、熱電
対要素の最高の感度は、低い抵抗率の材料が低リ
アクタンスダイポールと共に薄いフイルムの形で
用いられる時に達成される。前述の特性のほかに
も、認識されている他の特性があり、該他の特性
は対応する制限をもたらす。 効果的な比較的高い周波数の電磁界を測定する
装置の一型式は、1972年２月９日と1974年２月26
にそれぞれ発行された本発明者の米国特許第
3641439号と第3794914号に示されている。これら
の特許は、比較的高い周波数の電磁界を測定する
ために直角に配置された薄いフイルムの熱電対を
用いる近いフイールドの放射監視装置を開示して
いる。 1972年11に発行された計測と測定に関するI.E.
E.E.論文集における「広帯域における等方性の電
磁放射監視器」と題する本発者の論説中に更に記
述されているように、等方性の性能を果すために
互に直交する３つの軸に沿つて取り付けられた一
般的な型式のセンサを用いることができる。他
方、ここで企図されている広い周波数範囲にわた
り電磁界を監視し、種々の周波数のエネルギ内容
の関数として電磁界の効果を表示するように設計
された適当な装置として利用しうるものは、今日
まで知られていない。 〔発明が解決しようとする課題〕 本発明は、１つの特定の実施例においては、電
磁界の強度に固有の、潜在有害性の関数である信
号を生じさせるために放射しつつある電磁界に応
答する監視装置を含む。米国標準協会は、安全な
吸収について異なつたレベルが存在する幾つかの
周波数の混合された広帯域の電磁界に対し、各々
の周波数間隔内で安全レベルの小部分が決定され
るべきであり、それら小部分の全合計が100％を
超えるべきでないことを見出した。 後に示される図表の形で示されるA.N.S.I.の標
準は、人間に対する安全な露出レベルが、関連し
た周波数範囲にわたりかなり変化することを示
す。このようにして、一定感度の監視システム
は、放射しつつある電磁界のエネルギに比例する
出力信号を生ずるが、これらの出力信号は各々の
検出されるべき周波数に対する規定された安全吸
収レベルの関数として解釈されなければならない
であろう。このことは各々の検出されるべき周波
数に対応して多数の表又はメータ目盛及び／又は
種々の周波数間隔が包含される特殊の加算装置を
必要とする結果となる。 本発明は、単一のプローブ上に取り付けられた
薄いフイルムの熱電対式センサとダイオードセン
サと用をいる。これらセンサの出力は、監視され
るべき周波数の全範囲に亘る電力密度の真の表示
を提供するために加算される。各々のセンサの感
度は、全周波数における安全なエネルギレベルに
直接比例した出力を生ずるために、関連た周波数
領域における、周波数に対するA.N.S.I.の標準に
よる電力密度を表す曲線の逆数となる感度をつく
り出すようにされる。これらの出力は、次いで、
全電磁界固有の危険性の程度を表示するメータを
駆動するために電気的に加算される。 本発明の一つの目的は、改良された携帯用の電
磁界検出装置を提供するにある。 本発明の他の目的は、放射による有害性を検出
する携帯用の装置を提供するにある。 本発明の更に他の目的は、センサ要素の感度
が、広い周波数範囲を通して、安全な電力密度レ
ベルに対するA.N.S.I.の標準の逆数に一致するよ
うに調節されるような、放射による有害性を検出
する携帯用の装置を提供するにある。 〔課題を解決するための手段〕 本発明においては、１つの周波数帯域にわたり
電磁界のエネルギの潜在的有害性の程度を周波数
の関数としてあらわす予め定められた基準にした
がつて、電磁界のエネルギ成分を表示する、電磁
界検出装置であつて、 低い周波数区域用のダイオード形検出手段およ
び高い周波数区域用の熱電対形検出手段であつ
て、該電磁界に応答し該電磁界のエネルギに対応
する出力を発生させるもの、 該ダイオード形および熱電対形の検出手段の出
力を加算する信号加算手段、 該信号加算手段の出力に応答して制御出力を発
生させる増幅手段、および、 該増幅手段に結合された表示手段であつて、照
射レベルのパーセントを指示する該制御出力を表
示するもの、 を具備することを特徴とする電磁界検出装置が提
供される。 〔実施例〕 本発明は、図面と関連してなされる以下の記述
から、より完全に理解され評価されるであろう。 第１図に示されるプローブ１０は、本発明によ
るセンサを取付けるために役立つものであり、ま
たその中で発生された信号を、線１７によつて測
定器具２３まで伝送できるように補正する。この
ことは本明細書中において、後でもつと詳細に説
明される。感度要素の３組１１ａ，１１ｂ及び１
１ｃは、互に直交する軸に沿つてプローブ１０の
一端に支持される。 感知要素は低い周波数の区域に応答するダイポ
ールに接続されたダイオード、および高い周波数
の区域に応答する熱電対を包含する。 本質的に、A.N.S.I.によつて確立された無線周
波数の保護規準は下記の表の通りである。

【表】 上記の表において、E²は電界強度の２乗平均
値であり、H²は磁界強度の２乗平均値である。
これらの基準は第２図Ａに図表によつて示され
る。 センサ要素の適当な選択によつて、本発明のプ
ローブは第２図Ｂの図表によつて示される感度応
答特性を示す。この感度で発生された信号は、放
射エネルギによる潜在有害性に比例する。ここで
記述される監視器の比較的低い周波数における感
度はダイオードセンサによつて決定され、一方、
比較的高い周波数における感度は熱電対センサに
よつて決定される。第２図Ｂにおいて、比較的低
い周波数の領域は通常０乃至1.5GHzに及ぶこと
が示されており、比較的高い周波数の領域は通常
1.5GHz乃至40GHz更にはそれ以上に及んでいる。 種々の感知要素の特有な特性を詳細に考える前
に、各要素とそれらの相互関係について視覚的評
価が第３図により利用可能であろう。この図は、
比較的高い周波数用のセンサを構成する直列接続
された熱電対ダイポール１８の配列を示してお
り、該比較的高い周波数用のセンサは、比較的低
い周波数用のダイオードセンサに対する入力源と
して作用するダイポールアンテナ１９と軸方向に
おいて直線状に配列されている。感度要素のこの
ような３つの組によつて超広帯域の周波数に亘つ
ての全方向性の応答をするための完全なユニツト
を提供する。 比較的低い周波数用のダイオードセンサ要素は
第４図Ａと第４図Ｂに示され、このようなセンサ
に対する総括的な等価回路は第５図に示される。
ダイポール部分の等価誘導性及び容量性リアクタ
ンスはそれぞれL_a1，，L_a2及びC_a1C_a2として別々
に示される。このようなリアクタンスの結合効果
を考慮する時には、参照符号がそれぞれL_a，C_a
として付されるであろう。同様に、放射エネルギ
に応答してダイポールに誘起された電圧は、別々
の電源ｅによつて示される。ダイポールの等価抵
抗はR_aとして示される。 本発明の１つの特定な具体例においては、電磁
界と結合して誤つた信号を誘導する可能性のある
接続ループを最小にするためにビームリードシヨ
ツトキーダイオード（beam lead schotky
diode）が用いられた。それに加えて、抵抗性及
び容量性成分の大きさは、チツプ素子を用いるこ
とによつて最小にされた。ダイオード感度要素と
接続して示される各成分の典型的な値は、ダイポ
ールの全長を3.75インチとして、C₁＝12ピコフア
ラツド、C₂＝200ピコフアラツド、C_a1＝0.1ピコ
フアラツド、C_a2＝0.2ピコフアラツド、R₂＝330
オーム、R_a＝800オーム、L_a1＋L_a2＝0.036ミリヘ
ンリーであつた。 30乃至300MHzの周波数範囲においては、等価
回路は第８図に示されるように単純化し、ここに
おいてダイポールの抵抗R_aとダイポールの誘導
性リアクタンスL_aはダイポールの容量性リアク
タンスC_aに比較して無視できる。この範囲にお
いては、並列キヤパシターC₁のリアクタンスに
対してC₂のリアクタンスは非常に低く選択され、
抵抗R₂は極めて高く選択される。ダイポールの
キヤパシタンスC_aと並列キヤパシタンスC₁は、
この周波数範囲に亘つて周波数に対して一様な出
力を有する容量性の電圧分割器として動作し、キ
ヤパシタンスC_Lが望ましい感度をうるためにダ
イオードＤに並列に接続された。 周波数が30MHzから下方へ降下すると、応答の
形が主に並列キヤパシターC₁のリアクタンスと
接続した抵抗R₂のダイポールのキヤパシタンス
C_aによつて制御される。その時等価回路は第７
図に示されたものになる。ダイオードＤの端子間
の無線周波電圧は、周波数が3MHzまで減少して
いるとき、オクターブ当り6dbだけ変化する。２
乗法則特性をもつているダイオードの直流出力
は、ダイオードを横切る無線周波電圧の２乗に比
例した出力を供給する。したがつてダイオードの
出力感度は周波数の２乗すなわちf²に応じて減少
する。 周波数が更に減少すると、約3MHzにおいて、
リアクタンスC₂は抵抗R₂を超える大きさまで増
加し、等価回路は第６図の概略図に近いものとな
る。したがつて回路は再び3MHz以下の周波数で
一定の感度をもつ容量性電圧分割器として作用す
る。 300MHz以上1.5GHzまでの周波数範囲において
は、ダイポールの特性は制御されたロールオフを
達成するように選択的に変更される。ダイポール
は第４図Ａに示されるように、導電部分と抵抗部
分とで構成される。導電部分は抵抗性フイルム部
分をダイオードの端子に接続する。ダイポールの
抵抗性フイルム部分の範囲と位置づけは、望まし
い特性を達成するように選択される。周波数が
300MHz以上に増加すると、このフイルムの抵抗
はアンテナの該フイルム部分のリアクタンスを支
配する。もし全体のダイポールが抵抗材料で構成
されたならば、感度はオクターブレート当り6db
即ち１／f²だけ減少するであろう。望ましい
１／、オクターブレート当り3dbに近似させるた
めに、ダイポールの一部分のみを抵抗性とし、こ
場合における抵抗率が300MHzにおいてロールオ
フを開始するようにする。導電性ダイポールの部
分は、周波数範囲にわたり一定の信号をダイオー
ドに与え、それによつて１／ｆに近づけるように
感度における望ましい減少を達成させる。ダイオ
ードはその２乗法則領で動作し、誘起された電圧
は導電性部分と抵抗性部分の両方の部分に対して
ほぼ等しく作られる。 300MHzから1.5GHzに至る範囲の周波数変化に
おいては、第５図の等価回路は第９図のようにな
り、抵抗R₂は並列リアクタンスC₁より大きくな
りまたダイポールリアクタンスL_aは無視できる。 これらの状況のもとでは、ダイオードの出力電
圧V_dは下記のとおりなる。 V_d＝ｋ〔eL_eff＋eL_eff／ｆ〕² このようにしてダイオードセンサの応答特性は
周波数が増加するにつれて減少するが、後述され
るような高周波のセンサ要素からの出力の付加
が、追加の補正を生じさせることになる。この技
術はダイポール全長に沿つて計画的に置かれた個
別的な抵抗を用いることによつて更に補正される
ことができる。これについて、第４図Ｂは、ダイ
ポールの各々の脚上における単一の抵抗性パツド
R_pを有する構造を示している。 ダイポールの抵抗率とそれに伴う減少する感度
は、ダイポールが共振に近づくような高い周波数
領域において応答に影響を及ぼすのを防ぐ。ダイ
ポールの区分に対するキヤパシタンスとインダク
タンスの値は、ダイポールの各々の部分に対する
平均特性インピーダンスから計算れる。特性イン
ピーダンスZ_pの式は下記のとおりである。 Z_p＝１／H₂−H₁∫^H _2H1120ln（2r／ａ）dr ここでH₁およびH₂はダイポールの各部分の範
囲を規定し、ａはダイポールの有効半径である。
等式は、次いで問題になつているアンテナ部分に
わたり積分されることができる。 L_a及びC_aに対する式を用いると下記のように
なる。 L_a＝Z_p（8f_p）^-1 C_a＝（π²f_pZ_p）^-1 比較的高い周波数の領域に対して用いられる熱
電対式感知要素は、本発明者の前述の米国特許第
3641439号と本発明者のI.E.E.E.の記事に記述さ
れ、構造的に説明されている。プローブは、第１
図に示されるように、互に直角をなす３個の広帯
域のプローブ要素から成ることができる。広帯域
特性は、プローブが動作しようとする周波数の範
囲にわたり、共振する長さとならないような間隔
Ｄ（第１０図）で、比較的高い周波数の感知要素
の長さ方向に沿つて抵抗性熱電対ダイポールを分
布させることによつてえられる。その間隔は測定
される最高の周波数の１／４波長よりも小さい。
事実上、比較的高い周波数の感知要素は、直列接
続された小さい抵抗性ダイポールの一群として、
又は非常にＱの低い共振回路として考察されるこ
とができる。 各々の熱電対式ダイポール要素及び／又は接続
された組は、要素と接線方向の電界強度の２乗に
比例する直流出力信号を提供する。要素は、好ま
しくは真の２乗法則の出力を提供する薄いフイル
ムの熱電対である。直流出力は熱電対要素の中で
消費される電力に比例し、要素が含まれる容積中
における平均エネルギ密度を示す。３個の直交す
る感知要素からの直流信号の合計は、無線周波信
号の方向又はかたよりと独立した全体のエネルギ
又は電力密度の測定を行う。 熱電対式感知要素を総括的に等価なものとして
概略的に表示したものが第１１図に示される。
L₃とC₃は平均特性インピーダンスから決定され
た要素の総括的等価インダクタンスとキヤパシタ
ンスである。 C₃＝２（π²f_pZ_p）^-1 L₃＝Z_p（8f_p）^-1 ここでf_pは要素同じ長さのダイポールの共振周
波数である。R₃はプローブ要素の全抵抗に等し
くR₄より小さい。C₄は小さいダイポールを横切
る並列キヤパシタンスであつて、第１０図の幾何
学形状から、下記の式にように決定されることが
できる。 C₄＝πeL〔ln（4D−Ｗ／Ｗ）〕^-1 ここに、Ｄは隣接する熱電対ダイポール要素の
幅広い部分３３，３４間の間隔に等しく、Ｗは幅
広い部分３３，３４の幅に等しい。小さい熱電対
ダイポールの直流出力はその中で消費される電力
に比例する。 抵抗性ダイポールは、薄いプラスチツク基板の
上に置かれている、重なり合つた異なる抵抗性フ
イルム３０，３１の薄いフイルムから構成され
る。その幾何学形状は交互に冷接点と熱接点をつ
くり出す。第１０図に示されるように、熱接点は
比較的高抵抗をもつた狭い条片の中央３２に形成
され、それによつてエネルギの消費とその結果と
しての温度上昇をもたらす。幅広い部分３３，３
４は低抵抗を有し、冷接点としての機能をもち、
その低抵抗によつてこれらの部分では少ししかエ
ネルギが消費されない。それに加えて、その広い
面積は、非常に僅かしか温度上昇が起らないよう
にエネルギを分布させ、熱を迅速に基板に導く。
その結果として直流出力電圧は熱電対の抵抗性部
分において消費されるエネルギに直接比例する。 冷接点間の間隔Ｄは１ミリメートルの小なる分
数である。接近した間隔は、周囲温度による零ド
リフトを最小にする。その理由は、非常に小さい
温度勾配のみが周囲温度の変動によつて生ずるに
すぎないからである。周囲温度の変動は、感度に
おいて0.05％／℃より小さい変動を生じさせるに
すぎず、それによつて広い温度範囲にわたり装置
の基礎的な精度を劣化させないようにする。プロ
ーブ要素から測定器具へ直流出力を伝える導線は
高抵抗のフイルムであり、プローブ要素の近くで
高抵抗を示し、その結果として直列リード線とプ
ローブ要素との相互作用を最小にするために低電
流をもたらす。 上述された構造の総合的効果は、空間に懸吊さ
れた比較的高い周波数の感知要素の条件に近似さ
せることであり、その理由は、リード線が無線周
波電磁界に透明であるからである。電磁界への極
めて軽い結合は、測定される無線周波電磁界の、
散乱現象にもとづく動揺を非常に僅かしか発生さ
せない。周波数対感度曲線の折曲点は比較的低い
周波数の端では1.5GHzにおいて、また比較的高
い周波数の端では40GHz以上で与えられる。この
ことは1.5GHzから非常に平坦な周波数応答を生
じ、1.5GHz以下では、応答なオクターブ当り6db
だけ減少する。 抵抗性の比較的高い周波数用熱電対式ダイポー
ルと比較的低い周波数用のダイオード接続ダイポ
ールとの間の交叉結合を最小にするために、各々
の要素の対は同じ軸上において、隣接端間に幾ら
かの間隔をおいて配置される。第３図は空間的の
関係を示す。 第１２図はセンサの出力信号を、潜在的な有害
性についてのメータ表示に変換するに適した回路
を示すブロツク図である。適当に取付けられた高
周波用の熱電対と比較的低い周波数用のダイオー
ド要素とを含むハウジングからの直流信号は、高
抵抗の伝送線１２を通つて、プローブ１０のハン
ドル中に設けた前置増巾器に伝えられる。第１の
２本の直流伝送線１３は、前に説明されたよう
に、直列に接続された３個の比較的高い周波数用
の要素のために用いられる。第２の２本の直流伝
送線１４は、これまた前に説明されたように、並
列に接続された３個のダイオード要素のために用
いられる。導線は、ケーブルの変位を防ぐために
正しい場所に強固に保持される。高抵抗のフイル
ムが、静電電荷からの遮蔽を提するためにプロー
ブ上に有利に適用される。前置増巾器は平衡形計
測増巾器（balanced instrumentation
amplifier）を用い、また抵抗性の伝送線は、同
相モード信号と静電電荷により誘導される信号を
更に減少するように適合させられる。 前置増巾器は２つの区分を含む。１つの区分１
５はダイオード信号を条件とし、温度補償と動作
電力密度範囲の上限値において要求されるような
直線線の補正を行う。利得設定制御が、較正のた
めに用意されることが可能である。高周波用の薄
いフイルムの熱電対センサのための調整増巾器１
６は、温度補償と直線性の補正が必要でない場
合、較正のみの備えをする必要があるにすぎな
い。前置増巾器からの信号は、導電性ケーブル１
７を通つて適当な測定器具に伝えられる。 第１２図に示される測定器具において、プロー
ブからの２つの信号がまず加算増巾器２０におい
て組み合せられる。その結果えられる信号は、最
大値保持増巾器２１によつて更に処理される。こ
の回路の出力は増巾器２２に供給され、該増幅器
はダルソンバール検流計２４を駆動し、それによ
り、人に対するA.N.S.I.標準の安全露出レベルの
パーセンテージとして電磁的照射への露出のレベ
ルを表示することが可能である。 放射による有害性を検出する特定の装置が以上
において記述された。当業者にとり、変形をなし
得ることが明らかであると認められる。下記の特
許請求の範囲により、本明細書の記載の教示の範
囲内におけるあらゆる変性がカバーされることが
意図されるものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例としての電磁界検
出装置の外観を示す図、第２図Ａは、電磁界に対
する人間の体全体の露出に対するA.N.S.I.による
無線周波数保護基準を表すように、電力密度を周
波数の関数として示した特性図、第２図Ｂは、本
発明の特長を具体化するプローブについて、周波
数（周波数目盛は対数的に表わされている）の関
数として相対的感度を示した特性図、第３図は、
本発明の好適な実施例に従つて直線状に配置され
たセンサ要素の組を拡大して示す概略図、第４図
Ａ、第４図Ｂは、本発明の実施例に従つたダイオ
ード感知要素の概略図、第５図、第６図、第７
図、第８図及び第９図は、種々の衝撃周波数にわ
たる、本発明のダイオード感知要素の集中定数形
の等価回路図、第１０図は、熱電対フルム要素を
分布した熱電対感知要素とその外形を示す図、第
１１図は、全体のプローブに関して単一の熱電対
要素を有するプローブの総括的等価回路図、第１
２図は、本発の一実施例としての電磁界検出装置
を示すブロツク線図である。 （符号の説明）、１０……プローブ、１１ａ，
１１ｂ，１１ｃ……感知要素、１２……高抵抗率
の伝送線、１３……第１の直流伝送線、１４……
第２の直流伝送線、１５，１６……前置増巾器、
１７……導電性ケーブル、１８……熱電対ダイポ
ール、１９……ダイポールアンテナ、２０……加
算増巾器、２４……メータ、３０，３１……抵抗
性フイルム。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ １つの周波数帯域にわたり電磁界のエネルギ
   の潜在的有害性の程度を周波数の関数としてあら
   わす予め定められた基準にしたがつて、電磁界の
   エネルギを表示する、電磁界検出装置であつて、 低い周波数区域用のダイオード形検出手段およ
   び高い周波数区域用の熱電対形検出手段であつ
   て、該電磁界に応答し該電磁界のエネルギに対応
   する出力を発生させるもの、 該ダイオード形および熱電対形の検出手段の出
   力を加算する信号加算手段、 該信号加算手段の出力に応答して制御出力を発
   生させる増幅手段、および、 該増幅手段に結合された表示手段であつて、照
   射レベルのパーセントを指示する該制御出力を表
   示するもの、 を具備することを特徴とする電磁界検出装置。 ２ 該検出手段が共通軸に沿い１つのプローブに
   装着され、該ダイオード形および熱電対形検出手
   段が物理的および電気的に相互に隔離されてい
   る、特許請求の範囲第１項記載の装置。 ３ 該検出手段が検出要素の少なくとも１つのセ
   ツトを具備し、該セツトの検出要素が単一のプロ
   ーブに装着されている、特許請求の範囲第２項記
   載の装置。 ４ 各セツト内の検出要素が、低い周波数の区域
   に応答するダイポールに接続されたダイオード要
   素および、高い周波数の区域に応答する熱電対を
   包含する、特許請求の範囲第３項記載の装置。 ５ 検出手段の３セツトを包含し、該セツトの各
   個における検出要素が共通軸に沿い整列してお
   り、該セツトの共通軸が相互に直交している、特
   許請求の範囲第３項記載の装置。