人体通信の測定技術

株式会社アンプレット
代表取締役 社長 工学博士
東京電機大学 工学部 電気電子工学科 講師
NPO法人 ウェアラブル環境情報ネット推進機構
人体通信プロジェクト 副主査
初版 ： 2010年1月25日

根日屋 英之Hideyuki Nebiya
2017/3/5

Private & Confidential

1

はじめに伝送線路に人体を用いる「人体通信」に関する興味が高まってきました．
しかし，その測定方法などに関しまして，あまり技術的な資料が見当たりません．また，現在，その人体通信に関する標準化の検討がいくつかの組織で行われておりますが，やはり，その情報を入手することが難しい状況です．そこで，人体通信の中で日本で普及が予想される電界方式の測定技術をまとめてみました．
人体通信の定義も，まだ明確に決まっていない段階ですので，本資料はあくまでも参考資料としてご理解いただきたいと思います．本資料には以下の内容をまとめました．
尚，本資料の著作権は株式会社アンプレットにありますので，本資料の加工による資料作製を行わないことと、参考引用されるときは，出展元（株式会社アンプレット）の明記をお願い申し上げます．
2017/3/5

Private & Confidential21

目次
１．人体通信に最適な周波数とその測定法

・・・ 4

２．人体に対する影響

・・・ 18３．人体に流れる電流の測定と計算方法

・・・ 242017/3/5

３-１．人体をアンテナと見立てた実効長の計算をするための基礎知識・・・ 25３-２．波長に対して十分に短い微小ダイポールアンテナからの放射・・・ 32３-３．人体をアンテナと見立てた実効長と人体を流れる電流の計算

・・・ 39

Private & Confidential

3

１．人体通信に最適な周波数とその測定法

2017/3/5

Private & Confidential

42

人体の伝送特性S21のネットワークアナライザを用いない測定法（実測）2017/3/5

Private & Confidential

5

概要
人体の伝送特性 S21の測定 ： S21を測定する際にはネットワークアナライザが広く用いられている．しかし，電界通信の場合は，送信機と受信機間のS21の測定でネットワークアナライザを用いると，送信機，受信機，ネットワークアナライザが，その各々を接続する同軸ケーブルで接続されてしまい，正確なS21が測定できない．
そこで，送信機内に可変周波数発信器，受信機内に広帯域電界強度測定回路を入れ，受信側の受信電界を受信機上のパネルメータに表示させ，それを目視することによりS21の測定を行った．

2017/3/5

Private & Confidential

63

電界通信の人体伝送特性S21をネットワークアナライザで測定するときの問題点
人体を誘導媒体とする通信の実験で，電界通信送信機と受信機の各々とネッ
トワークアナライザとを接続する同軸ケーブルが人体伝送特性S21を測定するときに，その影響は無視できない．
ネットワークアナライザ
電界通信送信機

S21を測定したい

電界通信受信機
同軸ケーブル2017/3/5

Private & Confidential

7

電界通信の人体伝送特性S21をネットワークアナライザで測定するときの問題点
伝送線路

電界通信
送信機

①
電界通信
受信機
②③

①

①①電界通信送信機③②②
問題点

2017/3/5

同軸ケーブルが②と③のバイパスとなってしまう．

電界通信
受信機

電界通信
受信機

③①

電界通信
送信機

Private & Confidential

ネットワークアナライザ

84

電界通信の人体伝送特性
S21を測定する送信治具概要
送信電極

MON端子
（SMA－R）

片面プリント基板（8ｍｍ×17ｍｍ）

900MHz
固定OSC
LPF

送信側GND
アルミプレート（140ｍｍ×66ｍｍ）

広帯域
増幅器①900～960MHz
VCO

①

電界通信
送信機

9V
電池

2017/3/5

5V安定化
電源回路

5V→33V
昇圧回路

電界通信
受信機

FREQ

③②

Private & Confidential

9

電界通信の人体伝送特性S21測定概要
電池で動作する
送信電極付
可変周波数発信器
電池で動作する
受信電極付
受信電界強度測定器
可変周波数発信器

電極間距離500ｍｍ

受信電界強度測定器

木製の机
2017/3/5

Private & Confidential

105

電界通信の人体伝送特性
S21を測定する送信治具概要
送信電極
紙エポキシ片面プリント基板
人体に触れる方は非金属面（ 8ｍｍ × 17ｍｍ × 1.6ｍｍ）
電源スイッチ

送信側GND
アルミプレート（140ｍｍ×66ｍｍ）

周波数調整ツマミ

MON端子（SMA－R）
9V電池

2017/3/5

Private & Confidential

11

電界通信の人体伝送特性
S21を測定する受信治具概要
受信電界
校正端子
（SMA－R）

受信電極
片面プリント基板（12ｍｍ×30ｍｍ）

受信電界強度
表示用電圧計

広帯域
対数増幅器

9V
電池

5V安定化
電源回路

受信側GND
アルミプレート（124ｍｍ×62ｍｍ）

①
電界通信
送信機

電界通信
受信機

③

2017/3/5①

Private & Confidential②126

電界通信の人体伝送特性
S21を測定する受信治具概要
受信電界
校正端子
（SMA－R）
受信電極
ガラスエポキシ片面プリント基板
人体に触れる方は非金属面（12ｍｍ ×30ｍｍ × 1.0ｍｍ）

電源スイッチ
受信電界強度表示用電圧計
2017/3/5

9V電池
Private & Confidential

13

電界通信の人体伝送特性
S21測定方法 （その１）① 送信電極付可変周波数発信器に電池を装着し，S21を測定したい周波数が得られるように周波数調整ツマミを調整する．
② ①の各周波数の設定と，周波数調整ツマミのメモリの対応表を作り，各々の周波数での発振強度をMON端子とスペクトラムアナライザ（高周波電力計）で何dBmの電力が出力されているかを測定する．
③ 受信電極付受信電界強度測定器に電池を装着する．
可変周波数発信器

電極間距離500ｍｍ

受信電界強度測定器

2017/3/5④ 送信電極付可変周波数発信器と受信電極付受信電界強度測定器の電極中心間の距離を50cmにする．
⑤ 送信電極付可変周波数発信器と受信電極付受信電界強度測定器の電極に手をのせる．
⑥ 測定したい周波数における受信電極付受信電界強度測定器の電界強度測定電圧の数値を記録する．
Private & Confidential

147電界通信の人体伝送特性
S21測定方法 （その２）⑦ 受信電極付受信電界強度測定器の受信電界校正端子に信号発生器（SG）を接続し，各々の周波数で表示された数値が，何dBmの電力入力に対応しているかの変換テーブルを作成する．
⑧ ②の電力から⑦で得られた電力の差をとる．
⑨ 差の値が一番小さい周波数を０ｄBとして正規化し，伝送特性（S21）を得る．

周波数特性（dB）

50-5-10-15-20-250

2017/3/5

10203040
周波数［MHz］

5060

電界通信に適した周波数帯［注記］ 人体伝送特性は電極構造や設置位置により、特性は大きく変化します。

Private & Confidential

15

その他の観測ケーブルの影響を受けない実験方法案（参考）
人体を導線媒体とする通信の実験で，観測用のモニターケーブルの影響が無視できない恐れがある．観測用のケーブルの影響を防止し，より実環境に近い測定を行うにはケーブルレスの測定環境を用意しなければならない．ケーブルの代わりに，電磁界に影響を与えない，光ファイバの利用，あるいは被観測波形の無線伝送の方法が考えられる．これら2方式の実験セットアップの概念図を以下に示した．

2017/3/5

Private & Confidential

168その他の観測ケーブルの影響を受けない実験方法
０50100MHz

10dB/div

電池

HF帯
発振器

電池

HF帯
FET
アンプ

光変調器

［注記］ 人体伝送特性は電極構造や設置位置により、特性は大きく変化します。

受信機

送信機

観測用光ファイバ

光ファイバ方式
2017/3/5

汎用測定器

光変調器

Private & Confidential

17２．人体に対する影響

2017/3/5

Private & Confidential

189人体に対する影響● 人体は大きな誘電体と考えられるので，電界により人体と機器間は結合し電流が流れる．（千葉大学 伊藤公一氏の研究では，体内にはほとんど電流は流れず，人体体表を流れるという研究発表がある．）● 非接触ICカード（125kHz，131kHz，13.56MHｚなど）の通信では磁界による通信も行われているが，磁界は人体にはほとんど影響しないので通信には影響は少ないと考えられている．しかし，磁界は人体内部にまで入り込み誘導電界を発生させ，埋め込み機器を誤動作させることも考えられる．
● 人体は低周波から数MHzまでは，ほぼ導体と考えてよいので，電界は人体組織内部まで入り込んでいないという考え方もできる．
● 人体の共振周波数は，接地状態で30MHz，非接地状態で70MHz程度．
参考文献 ： 「電界カップリングによる人体通信機器に関する暴露評価」，首都大学東京 多氣昌生 氏，鈴木 敬久 氏，東京都立大学 渡辺 恭平 氏，信学技報，EMCJ2007-47
2017/3/5

Private & Confidential

19

電波の医療機器等への影響に関する調査研究報告書● 無線通信機器がペースメーカなどの医療機器に対して及ぼす影響については，総務省が公開している「電波の医療機器等への影響に関する調査研究報告書」が参考になる．
www.soumu.go.jp/s-news/2007/pdf/070424_5_bt2.pdf
からダウンロードできる．
● 参考文献として，「電界カップリングによる人体通信機器に関する暴露評価」，首都大学東京 多氣 昌生 氏，鈴木 敬久 氏，東京都立大学
渡辺 恭平 氏，信学技報，EMCJ2007-47 などがある．

2017/3/5

Private & Confidential

2010人体に対する影響に関する国内の指針
国内では，総務省の● 電磁防護指針 ⇒ 電気通信技術審議会答申，「電波利用における人体の防護指針」，諮問第38号，1990年● 100ｋHz以上は局所吸収指針 ⇒ 電気通信技術審議会答申，「電波利用における人体防護の在り方」，諮問第89号，1997年 ←（人体通信）が該当すると思われる．共に，
http://www.tele.soumu.go.jp/j/ele/body/protect/index.htm
からダウンロードできる．局所吸収指針の制限値は，被吸収率 （SAR ：Specific Absorption Rate）が任意の組織 10g 平均で，2［W/kg］ を超えないこととなっている．
2017/3/5

Private & Confidential

21

人体に対する影響に関する国際的な指針
国際的には● 国際非電離放射線防護委員会（ ICNIRP ： International Commission
on Non-Ionizing Radiation Protection ）のガイドライン「Guidelines for limiting exposure to time-varying electric, magnetic andelectromagnetic fields」，Health Phys.，Vol.74，pp.494～522，1998年が該当すると思われる．
www.icnirp.de/documents/emfgdl.pdf
からダウンロードできる．SARの制限値は 2［W/kg］ を超えないとなっており総務省と同じであるが，ICNIRP では誘導電流密度も評価している．
日本でも誘導電流密度による評価の検討が始まった．
2017/3/5

Private & Confidential2211

人体に対する影響に関する国際的な指針● 国際非電離放射線防護委員会（ ICNIRP ： International Commission
on Non-Ionizing Radiation Protection ）のガイドライン

筋肉脂肪周波数［Hz］
100k1M
10M
100k1M10M

導電率密度
誘導電流密度σ［S/m］
ρ［kg/m^3］ Jmax[A/m^2]
0.36
1000
0.20.5100020.62
1000
200.0241000
0.20.025
1000
20.0291000
20SARmax［W/kg］
222222

内部電界
SAR電界
E(J)［V/m］ E(SAR)［V/m］
0.56
74.5
4.00
63.2
32.26
56.8
8.33
288.7
80.00
282.8
689.66262.6

2⎧σE⎪SAR =⎨2ρ⎪⎩ J = σE

2017/3/5Private & Confidential

23３．人体に流れる電流の測定と計算方法

2017/3/5

Private & Confidential

2412予備知識 その１３-１．人体をアンテナと見立てた実効長の計算をするための基礎知識

2017/3/5

Private & Confidential

25

実効輻射電力EIRP ： Effective Isotropically Radiated Power
球面において，各部の電力密度 Pd [W/m2] を全球面で積分すると放射源の電力と等しくなる．電界強度を E ，磁界を H ，自由空間のインピーダンスを120π（＝ 377）[Ω]とすると，E ＝120πH なので，E2Pd = EH == 120πH 2120πとなる．等方性アンテナは， Pd はどの点でも等しい．ここで，半径＝ｒの球では，その表面積Sは 4πr2 なので，

P = 4πr 2 Pdとなる．これは，アイソトロピックアンテナの電界強度と輻射電力の関係となる．
2017/3/5

Private & Confidential2613アイソトロピックアンテナの電界強度と輻射電力の関係前のページより，

PE2
Pd === 120πH 224πr120πとなるので，電界強度は，

PP= 30 224πrr
P∴ E = 5.48r
E 2 = 120πと求まる．
2017/3/5

Private & Confidential

27

アイソトロピックアンテナの磁界と輻射電力の関係前のページより，

PE2
Pd === 120πH 224πr120πとなるので，磁界は，1P
1 P=120π 4πr 2 4738 r 21P∴H =68.83 r
H2 =と求まる．
2017/3/5

Private & Confidential

2814微小ダイポールアンテナの利得は 1.76dBi （1.5倍）
微 小 ダイポールアンテナの場 合，その利得は，Dr.
John Klaus の文献より，1.76dBi （＝1.5倍）となっている．
ここで，アンテナの放射効率をη，アンテナの放射抵抗をRa（本資料のスライド番号50ページを参照），損失抵抗をRL（オーミックロス，銅損，ハンダ付け，表皮効果などで1～2Ω程度）とすると，電界強度，磁界強度は以下の式となる．

Zd⎧
P⎪ Esdp = 6.71η
r
⎪
⎪
P
η
⎨ H sdp =56.2 r⎪
Ra⎪⎪η = Ra + RL
⎩

θ

Ｉl0Y

Φ

X

2017/3/5

Private & Confidential

29

アンテナの実効長（実効高）
電流分布

I0lle

長さ l ［m］の線状アンテナにアンテナの電流分布の腹で I 0 ［A］が給電されている場合，先端から距離 x ［m］の場所で，電流 i ［A］が流れているとする．線状の電流分布曲線で囲まれている面積と等しい長方形の一辺の長さ le ［m］をアンテナの実効長（実効高）という．
li∫ idx = l I0e 0x

2017/3/5

Private & Confidential

3015３-２．人体をアンテナと見立てた実効長と人体を流れる電流の計算

2017/3/5

Private & Confidential

31

予備知識 その2３-２．波長に対して十分に短い微小ダイポールアンテナからの放射2017/3/5

Private & Confidential3216

人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）（一般解）
実効高 he ［m］のアンテナに I 0 ［A］の高周波電流を給電し，波長λ［m］の電波を放射する．
これを距離 d ［m］離れた既知の実効高 hL ［m］のループアンテナで受信するとループアンテナ地点での電界強度 E は，hLθdh RL

E=eILI0となる．受信ループアンテナを最大感度が得られる方向に設置したときの誘起電圧を VL［V］，放射抵抗を RL［Ω］とすると，受信電流 I ［A］
Lは，高周波電流計

人体通信
送信機
高周波電流計[ ]he I 0 exp(− j 2πd λ ) ⎛ 12π 4π 2 ⎞⎜⎜ 3 + j 2 − 2 ⎟⎟ sin θ Vmj 4π 2 fε 0ddλλd⎠⎝IL =真空中の誘電率 ： ε0となる．
2017/3/5

VL EhL[A]=RL
RL

Private & Confidential33

人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）
（一般解）
hL
θ

ループアンテナの実効高 hL［m］は，ループ面積を A ［m2］，巻き数を N ［回］とすれば，

dh RL

hL =eI0λ[m]となるので，これと前ページの式から heを求めることができる．

IL高周波電流計

人体通信送信機

2πANhe =高周波電流計

j 2πλfI L RLε 0[m]⎧ ⎛ 1⎫2π 4π 2 ⎞⎛ − j 2πd ⎞⎜⎟+−θIjANsinexp⎜⎟⎨ 0⎜ 3⎬λd 2 dλ2 ⎟⎠⎝ λ ⎠⎩ ⎝d⎭

真空中の誘電率 ： ε0
2017/3/5

Private & Confidential3417

微小ダイポールアンテナからの放射界
左図に示す座標系におけるダイポールアンテナの放射電磁界を以下に示す．長さの導線に流れる電流を Ｉ，真空中の誘電率をε0，k は波数と呼ばれる定数 k =λ/(2π)である． l が波長に対して非常に短い微小ダイポールアンテナの電界と磁界は，

Zdθ

Ｉl0YΦX⎧Il exp(− jkd ) ⎛ 1jk ⎞⎜ 3 + 2 ⎟ cos θ⎪ ER = j 2πωεdd⎝⎠0⎪⎪
Il exp(− jkd ) ⎛ 1
jk k 2 ⎞⎜⎜ 3 + 2 − ⎟⎟ sin θ⎪ Eθ =j 4πϖε 0 ⎝ ddd ⎠⎨⎪Il
jkdjkexp1()−⎛⎞⎪Hφ =⎜ 2 + ⎟ sin θ
⎪
d ⎠4π
⎝d⎪
0EH
H===Rθ
⎩ φで与えられる．

2017/3/5

Private & Confidential

35

微小ダイポールアンテナからの放射界
Z

ダイポールアンテナの放射界は，1/ d 3，1/d 2，1/d の3項よりなりたつことがわかる．
これらは各々以下の意味を持つ．
d1 / d 3 に 比 例 す る 項 は 準 静 電 界 （ QuasiStatic Field）と呼ばれ，静電界における双極子（ダイポール）による電界と等価になる．

θＩlX

Eθ =2017/3/50Y

1/d 2に比例する項は誘導電磁界（Induction Field）と呼ばれ，ビオ・サバールの法則に従う誘導界．

ΦIl exp(− jkd ) ⎛ 1
jk k 2 ⎞⎜⎜ 3 + 2 − ⎟⎟ sin θj 4πϖε 0 ⎝ ddd ⎠1/d に比例する項を放射電磁界（RadiationField）と呼ばれ，アンテナから空間に電力を放射するのに寄与する成分である．

Private & Confidential

3618微小ダイポールアンテナからの放射界
これらの電界の振幅は， d =λ/（2π）で一致する．
下表に， d =λ/100， d =λ/（2π）， d =5λの3距離で電界の振幅を比較する．この結果からもわかるように，Z・ d << λ/（2π）では準静電界d・ d >> λ/（2π）では放射電磁界

θＩが支配的になる．

l0YΦ

X

2017/3/5d

準静電界

誘導電磁界

放射電磁界

λ/100

10.0630.0039λ/(2π)

111λ/50.0010.032

1Private & Confidential

37

微小ダイポールアンテナの放射電力と放射抵抗
参考までに微小ダイポールアンテナの放射電力Pと放射抵抗 Ra は，真空中の透磁率をμ0 とすると，次の式で求められる．

ZdθＩlX

2017/3/50ΦY2⎧πωμ0 ⎛ Il ⎞⎜ ⎟⎪P =3 ⎝λ⎠⎪⎨22πωμ 0 ⎛ l ⎞⎪=R⎜ ⎟⎪ a3 ⎝λ⎠⎩Private & Confidential

3819３-３．人体をアンテナと見立てた実効長と人体を流れる電流の計算

2017/3/5

Private & Confidential

39

人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）（他の無線システムとの干渉を検討する遠方界…近似式）
hLθdh RL

E=eIL
高周波電流計人体通信
送信機

I0高周波電流計

実効高 he ［m］のアンテナに I 0 ［A］の高周波電流を給電し，波長λ［m］の電波を放射する．
これを距離 d （>>λ）［m］離れた既知の実効高 hL ［m］のループアンテナで受信するとループアンテナ地点での電界強度 E は，となる．受信ループアンテナを最大感度が得られる方向に設置したときの誘起電圧を VL［V］，放射抵抗を RL［Ω］とすると，受信電流 I ［A］
Lは，IL =真空中の誘電率 ： ε0となる．
2017/3/5[ ]120πhe I 0sin θ Vmλ dε 0Private & Confidential

VL EhL[A]=RL
RL
4020人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）（他の無線システムとの干渉を検討する遠方界…近似式）
hL
θ

dh RL

ループアンテナの実効高 hL［m］は，ループ面積を A ［m2］，巻き数を N ［回］とすれば，

hL =2πANeI0

高周波電流計高周波電流計

真空中の誘電率 ： ε0

2017/3/5[m]となるので，これと前ページの式から heを求めることができる．

IL
人体通信
送信機

λλ2 dI L RLε 0he =[m]240π 2 I 0 AN sin θPrivate & Confidential

41

人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）（人体通信ができるかを検討する近傍界解析…近似式）
hL
θ

dh RL

E=eIL
高周波電流計

人体通信
送信機

I0

高周波電流計

実効高 he ［m］のアンテナに I 0 ［A］の高周波電流を給電し，波長λ［m］の電波を放射する．
これを距離 d （<<λ）［m］離れた既知の実効高 hL ［m］のループアンテナで受信するとループアンテナ地点での電界強度 E は，

[ ]30λhe I 0sin θ Vmπd 3ε 0となる．受信ループアンテナを最大感度が得られる方向に設置したときの誘起電圧を VL［V］，放射抵抗を RL［Ω］とすると，受信電流 I ［A］
Lは，

IL =

真空中の誘電率 ： ε0VL EhL[A]=RLRLとなる．
2017/3/5

Private & Confidential

4221人体をアンテナと見立てた実効長（実効高）（人体通信ができるかを検討する近傍界解析…近似式）
hL
θ

dh RL

ループアンテナの実効高 hL［m］は，ループ面積を A ［m2］，巻き数を N ［回］とすれば，

hL =eI0高周波電流計2017/3/5

高周波電流計λ[m]となるので，これと前ページの式から heを求めることができる．

IL人体通信送信機

2πAN

真空中の誘電率 ： ε0λ d 3 I L RL ε 0
he =[m]60πI 0 AN sin θPrivate & Confidential

4322