Technology

• VNAによる測定のように測定対象となる波源に信号を入力したり、測定対象から位相計測のための基準信号を引き出す必要がないため、測定対象と測定環境を選ばずに近傍界の振幅と位相の空間分布の可視化が可能。

• 計測器は高周波電子回路部品を用いておらず、高い信頼性が実証されてきた光通信部品と低周波電子回路部品から計測器は構成されるため、システムがは非常に安価。

•   電界を検出するプローブは光ファイバケーブルや電気光学結晶などの誘電体部品で構成されており、従来技術のような金属アンテナや金属ケーブルを用いていないため、電界分布を乱さず非侵襲で計測可能。

•   電気光学結晶により検出された信号は光波としてフレキシブルな光ファイバー中を伝送されるため、測定点へのアクセスが容易。

•   光ファイバは伝送路として低損失でありまた光アンプにより光波は容易に増幅可能なため、長尺な光ファイバを利用することで遠隔からの計測が可能。

•   光技術に基づき高周波信号をロックイン検出が容易に可能な低周波信号に周波数変換しており、マイクロ波からテラヘルツ波までの広い周波数範囲に適用可能。

電磁界シミュレータは非常に強力なツールですが、正しい答えを得るためには、現実の世界を正しく忠実にモデル化（物体形状の設定や材料の電磁的応答の設定）することが重要です。高い周波数になると波長が短くなり、物体表面の凹凸などが無視できなくなります。複素誘電率の正確な値を得ることも難しくなります。可視化の事例として、正しいシミュレーション結果がえられる単純なアンテナからの放射電界やスリットからの回折電界、シミュレーションは現実的でない濡れたウエスを透過する電界分布等を示します。

CADデータ(ホーンアンテナ部分）と実測データとの合成。提供：岐阜大学久武研究室

ホーンアンテナから放射されるテラヘルツ波(310GHz)は非常に素直な、イメージ通りの振幅・位相分布となっています。金属でできたホーンアンテナは形状が正確に定義されていて、シミュレーション結果ともよく一致します。ただ、電磁波にとってこんなにシンプルな状況はそんなにありません・・・形状を正確・精密に測定しこれをシミュレーションモデルに反映するのが難しい誘電体オブジェクトを透過した状況では、特に高い周波数帯ではシミュレーション結果と実測可視化結果は乖離します。

Horn antennaは金属でできていて、形がリジッドで加工精度も高く製造が可能です。このようなアンテナの近傍界は、シミュレーション結果と我々の装置で測定した実測結果とは非常によく一致します。

上図は、Horn antennaの近傍界の実測結果です。周波数はおよそ77GHz です。Horn antennaの近傍界はシミュレーションにより推定しても実測と一致します。ただ、誘電率のムラや湾曲、表面に傷等がある誘電体オブジェクトを透過した電場の分布は、シミュレーションと実測は一致しません。正確な誘電体オブジェクトのモデルの構築が非常に難しく（現実的でなく）、シミュレーションが現実の世界を再現できないためです。

スリットを透過したミリ波は、広がりながら伝搬します。振幅値は相対的に小さいですが、金属板の真裏にも電波が回り込んでいことが、位相分布を見ればわかります。

スリットが二本並んだダブルスリットの場合は、単純な球面波ではなくなり、ビームは複数本に分裂します。これくらいの挙動であればまだ簡単な計算でもとまりますし、シミュレーションも簡単です。

金属ポールに平面波が照射された時の散乱パターンです。波面は平面ですが、光学系のアンバランスによって、振幅分布に少し偏りがあるビームを照射しています。しかも、ビームの中心から少しずらしたところに金属ポールを配置しています。分かりやすいように、少し斜めからの写真と可視化結果との合成ですので、位置関係には誤差が含まれます。散乱パターンはスリットやダブルスリットのような対称ではなく、様々な方向に様々な強度で散乱しているのがわかります。かなり簡単な形状であるポールであっても、入射波の振幅分布や位相分布によって複雑な振る舞いをすることがわかります。この散乱波がほかの物体に照射されてまた散乱され・・・現実の世界では、様々な物体が配置されているのが通常ですので、最終的な電磁波の分布を計算により正確に導き出すのは困難です。

電磁波は様々な物体により反射・散乱・回折されます。これらをちゃんと制御しないと、思わぬところに悪影響を与える可能性があります。吸収率99.9%の吸収体を使って遮蔽しているから大丈夫！と本当に言い切れるでしょうか？吸収体の吸収率は周波数特性もあれば、角度依存性もあるのが普通です。吸収体等により、電磁波を狙ったとおりに制御できているかどうかは、可視化をすれば一目瞭然です。

金属ポールに吸収体を設置した時の電場(77 GHz)の振幅分布を示します。吸収体Aと吸収体Bはフィルム状のもので、これをポールに巻き付けています。また、粉末の吸収体が練りこまれた樹脂物体を金属ポールの背面に配置したものも比較のために計測しました。もとの散乱パターンを反映して、それぞれの電場分布を大まかには似ていますが、細かいところには違いが見えます。

何よりも、実測により電場分布を可視化すれば、

• 金属ポールによる散乱波が誤動作の原因となっているのか？

• 金属ポールに吸収体を貼れば誤動作の原因である散乱波を効果的に抑制できるのか？

が一目瞭然にわかります。