几年前，有一家电子器件厂家曾委托我公司对一个电子装置的故障问题进行解析。　
　该电子装置四周用金属块和金属板包围住，照理应该得到了充分的屏蔽，但是在一种称为抗扰性试验的过程中，对其发射干扰电磁波，检查结果表明出现了误动作而判定为不合格，因此希望我们调查一下电磁波是如何进入装置壳体内部的。据他们介绍，如图1所示，在传统的天线中必须要使用同轴金属线，这样在该同轴线上接收到电子装置内部电场信号的同时也会接收到装置壳体外部电场的电磁波，当时无法将这两种信号加以分离。
　于是我们按照图2所示那样，在金属壳体中装上光纤电场探测器，对来自外部的电磁波有多少进入了壳体内部进行了评估。

 

　　　　　　　　　　　图1　利用传统的天线进行测定
除了要测定的接收到的电磁波①以外，还存在会进入同轴线的电波②的信号，所以，当时无法只将①单独提取出来。

　　　　　　　　　　　图2　利用光纤电场探测器进行测定
除了要测定的接收到的电磁波①以外，其他电磁波不会进入光纤，
所以，就能只将①单独取出。
　由此可确认，是有一种频率会引起动作错误的电磁波进入了壳体内部，有某频率成分的电场引起了误动作。
　在其后的调查中，我们查清了原因。原来金属壳体在构造上是用螺丝将金属盖固定在金属材质的方块上，尽管在外观上看上去电磁波得到了很好的屏蔽，但是固定用螺丝之间的缝隙大小正好与进入内部的电磁波的波长匹配，金属块与盖子之间的空隙形成了隙缝天线※1。
　委托我们调查的电子器件厂家后来变更了固定用螺丝的间隔，发现进入壳体内的电磁波的频率有了改变，这样他们认识到以前那里确实形成了隙缝天线，并采取了各种措施来解决问题。
※1：隙缝天线　金属中的隙缝并非是有意形成的一个天线，而实际上会按照隙缝的尺寸大小起到天线的作用。
  
　这个问题其实并不只是出现在电子装置上面。比如手机，家电，汽车等
【汽车】
・抗扰性
       汽车在基本结构上是金属板的车身相对于金属材质的车架而固定住。从电磁波的角度来说，可以认为汽车的车身等同于一个很大的电子装置的壳体，并且是一个车窗形成开口部的不完全的屏蔽壳体。

　而且，发动机室内部的金属块结构件之间的缝隙、用于固定电装零件的框架和电装零件之间的缝隙、电装零件的壳体本身乃至传递电力和信号的金属线束等，都会无意间会产生天线的作用（图3-1、2）。

　因此，在汽车的抗扰试验中，通常先要进行电装零件的单个抗扰试验，合格后再将它们装入车辆，对车辆实施同样的试验。但是，即使在电装零件单个试验中未出现问题，装入车辆后进行试验却会不合格，似乎有时对电装零件还要采取追加的解决措施。

　　　　

・电噪声对策

　随着这几年汽车的混合动力化和电动化，汽车内开始有高电压脉冲通过。因为电压很高，汽车本身会发出越来越大的不必要的电噪声（电磁波）。

　这样就必须防患于未然，需要预防这种电噪声引起汽车内几十个到上百个小型电脑出现误动作。因此，在金属包围下的环境中进行电噪声测定，采取各种措施降低这种电噪声就成了一件非常重要的工作。

图4　最新式的汽车上，有许多因高电压引起的电噪声

 

正因为这样，为了有效使用电磁波，构建一套不会产生误动作的系统，人们越来越需要有一种性能优异，使用方便的电磁波测定器（电场传感器）。

精工技研生产的光纤电场探测器就是一种根据我们独创的原理制作的电场传感器，它不使用传统的同轴电缆（金属电缆），传感头中没有电池和电子回路。

 

特点　几乎不采用金属部件来捕捉电波

 

光纤电场探测器是一种使用光（激光）的电场传感器（即电磁波的测定装置）。

其最大的特点是几乎不采用金属部件，而是利用光来捕捉电磁波。

 

・工作原理

如图5所示，精工技研的光纤电场探测器的检测部分利用普克尔效应，采用了光波导方式。

在具有普克尔效应的铌酸锂（LiNb0₃）光学晶体的表面上形成Y字形的光波导，并在其一个侧边上设置由两个三角形薄膜组成的天线（兼电极），使其面对面，形成夹住该侧边的状态。

 

・装置的组成

如图8所示，光纤电场探测器由控制器、传感头和光纤组成。

控制器内部的激光光源发出输出功率稳定的无调制的的激光，该激光通过光纤入射到传感头上的检测部分。当传感头上的微小偶极天线接收到电磁波后，通过光纤返回到控制器的激光的强度就会受到电磁波信号调制（E/O变换），借助光二极管解调成电信号。将这一电信号输入到频谱分析器、示波器内，这样就能够测定出微小偶极天线接收到的电磁波的强度、频率和相位。

 

・特点

光纤电场探测器具有两大优点。

 

１）一个优点是，传感头的电极·天线采用薄膜制成，只有很少一点金属体，除此之外都不采用金属材质，几乎不会引起周围电场的干扰。而且，作为信号传送手段，使用了非金属的光纤，不用担心会像传统的金属同轴电缆那样受电磁场辐射干扰。第二个优点是，测定频带很宽。一直以来所使用的测定方法必须根据希望测定的电磁波的各种频率而使用大小和形状都不相同的好几种天线，进行测定需花费很多时间和精力。然而，光纤电场探测器只需通过一个很小的传感头即可获得最宽的测定频带，有的系列产品可覆盖100kHz～10GHz这样极宽的频带范围。

 

・产品组成

　光纤电场探测器的标准品有2种灵敏度不同的各向同性3轴传感器。

标准品的传感头上内置了3个独立的检测部分，连接着3根光纤（图9）。

　内置在3个检测部分的微小偶极天线配置的角度分别形成正交状态，能够进行各向同性测定。

（如图11、13、15所示，将它们安装在专用的固定夹具上，就能在水平和垂直方向上面对各个天线。）

控制器上装有光开关，能够进行操作，选择传感头的哪一个检测部分。控制器有图9中的AMP（RF放大器）为100kHz～3GHz的C3-0355和100kHz～10GHz的C3-1055两种。

图9　各向同性3轴光纤电场探测器的组成

 

　另外，作为客户定制品，还有1种各向同性3轴传感器和2种1轴传感器。

标准品和客户定制品

　客户定制品规格中的数据仅为计算上的可测定范围，特别是在高频的强电场的测定方面，并未经过实际标定，该数据不是性能保证范围。

　客户使用定制品时，即使测定条件在规格范围内，也有可能无法进行测定。特别是用于测定3GHz以上的高频、1kV/m以上的电场强度的情况下，请另行向本公司咨询。

　

　另外，SH-10EX和CS-1210、SH-10EL和CS-1402在构造上几乎采用同一种检测部分，其灵敏度基本上相同。

 

基本性能

为了对标准品和客户定制品的灵敏度进行比较，并显示不同频率对应的灵敏度稳定性方面的特点，下面通过图18说明天线因子的频率特性。

 

图18

这里电场强度、天线因子和控制器的输出（频谱分析器上的功率显示）存在以下关系：

　　　Ｅ[dBuV/m]　＝　Ｐ[dBm]　＋　ＡＦ[dB/m]　＋　１０７　　・・・・　（１）

　　　　Ｅ　：　电场强度　[dBuV/m]

　　　　Ｐ　：　控制器的输出（频谱分析器上的功率显示）[dBm]

　　　　ＡＦ：　（等价）天线因子[dB/m]

图18显示了AF大时灵敏度较低。由此可见，SH-10EL和SH-10EX之间相差约20dB，SH-10EX和SH-03EX之间相差约8dB。

并且，可知在很宽的一个频率范围内，灵敏度可以保持一定大小。

 

另外，通过计算式（１）可以得到在1根轴的传感器上获取的电场强度，而3根轴的合成电场强度Ｅ_０则可以通过计算式（2）和（3）求得。

　　Ｅ０[V/m]＝√（（Ｅｘ[V/m]）２＋（Ｅｙ[V/m]）２＋（Ｅｚ[V/m]）２）・・・（２）

　　Ｅ[dBuV/m]＝20ｘlog（Ｅ[uV/m]）＝20ｘlog（Ｅ[V/m]ｘ10⁶）　   ・・・（３）

 

表1为详细规格数据。

 

表1　各向同性3轴光纤电场探测器规格

 

Item			Specification			remarks
			Min.	Max.	Unit
Frequency Range	SH-03EX		0.1	3,000	MHz	－
	SH-10EX		0.1	10,000		－
	SH-10EL		200	10,000		Custom
Measurement E-field strength	SH-03EX	<300MHz	0.06	100	V/m	RBW=10Hz VBW=１Hz
		>300MHz	0.002
	SH-10EX	<300MHz	0.3	500
		>300MHz	0.01
	SH-10EL		0.5	25,000
Isotropy	SH-03EX			±1.0	dB	６V/m 301MHz
	SH-10EX
	SH-10EL			±0.5

 

利用光纤电场探测器进行实际测定的事例

　对迄今为止无法实际测定的测定对象，采用光纤电场探测器完成了测定，以下介绍几个具体实例：

■测定例1　金属壳体内的电场强度

　这是对本文开头提到的电子装置进行实际测定的结果。

　首先，作为No.1，不放上电子装置，只在规定位置上用光纤电场探测器[CS-1210]测定天线发出的电场强度。这时，将网络分析器的输出设定为０dBm，用３０dB的功率放大器进行功率放大后，连接到天线上（图19）。

　图19　试验电场测定

　接着，放上电子装置的试验用金属壳体（EUT：Equipment Under Test），在其内部设置光纤电场探测器，测定内部的电场强度（图20）。

图20　试验用金属壳体（EUT）内部的电场测定

 

　图21为该测定结果。

　在2.4GHz附近测定到的电场强度要大于不放EUT时的强度，可知屏蔽特性已经遭到破坏。

 

图21

 

６．汽车比例模型的车室内电磁波分布的实测和仿真

 

防卫大学和矢崎总业发表的研究报告称，他们使用光纤电场探测器[SH-03EX]，对1/3比例模型的车室内的电磁波分布进行了实测，并与仿真结果做了比较。

图38为他们所用的解析模型。

将微带天线（MSA）放在仪表板的中间，以水平偏振波的形式向车内方向（X轴方向）发送

信号。作为这时的仿真工具使用了基于矩量法的FEKO软件，车身的Cell分割采用了λ/７。　

另一方面，实际测定如图39所示，在1/3比例模型内部放上光纤电场探测器[SH-03EX]，以10mm间隔进行了测定。

图38解析模型　                 （电场的朝向）   

  

图39　实测模型（光学电场探头 光学电场探头控制器 频谱分析器）

 

图40　车内电场特性（天线正面方向）　　　　

图41车内电场特性（XZ面）

（电场值 仿真结果 测定结果 车室内   前后方向） 

 

从图40和图41可知，仿真结果与实测结果非常一致，可以确定利用光纤电场探测器进行的测定结果正确，同时说明了仿真的正确性。

S.Horiuchi, K.Yamada, S.Tanaka, Y.Yamada, N.Michishita

IEICE TRANS. COMMUN., VOL.E90-B, NO.9 SEPTEMBER 2007

 

■结语

以上简单介绍了精工技研生产的光纤电场探测器的优异性能和广泛用途。但是，光纤电场探测器的用途还有很多，我们也正在研讨它的各种新用途。我们确信，大家一定能将这一产品用于各种研究、开发和检查等各种工作中。如需要咨询，请直接与以下担当部门联系。