サンテクノ技術セミナー 高周波技術入門 講座テキスト その８ 平成１８年９月１５日.

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1 サンテクノ技術セミナー 高周波技術入門 講座テキスト その８ 平成１８年９月１５日

2 ８．高周波測定（電磁干渉） ノイズ ノイズの発生源 TV、ラジオ放送局、無線局、携帯電話 （許可を得て電波を送信）
　　（許可を得て電波を送信） 家電（テレビ、ラジオ、エアコン他） ゲーム機 車、オートバイ 雷（自然界） 違法無線、法規制のかかってない機器 　などなど

3 ８．高周波測定（電磁干渉） 人が作った電子機器からのノイズを規制しなければどうなるのか？ 周囲の機器に不具合を発生させる可能性が起きる。
　周囲の機器に不具合を発生させる可能性が起きる。 　（ノイズによる影響の事例） 　・スイッチング電源によりNC旋盤が誤作動 　・携帯電話からの電波でペースメーカが誤作動する。 　・トラックから無線がラジオに入ってくる。

4 ８．高周波測定（電磁干渉） ＥＭI（Electromagnetic Interference） 電磁干渉/電磁妨害
ＥＭＣ（Electromagnetic Compatibility） 電磁適合性 ＥＭS（Electromagnetic Susceptibility） 電磁感受性

5 ８．高周波測定（電磁干渉） 電磁干渉とは？ EMI（Electromagnetic Interference）
　（電磁干渉や電磁妨害とよばれる。） 電子機器から発生するノイズ（電気的雑音）は設置状況や接続により他の機器に影響（干渉）を与える。 ノイズ ノイズ 電子機器 電子機器（送信源） ノイズ

6 ８．高周波測定（電磁干渉） 電子機器から出るノイズの発生量を世界の各国で規制している。 ＜ＥＭＩ規格＞ CISPR（国際無線障害特別委員会）
FCC（米国連邦通信委員会） VDE（ドイツ電気技術者協会） MIL-STD（米国軍用規格） ISO（国際標準）　 VCCI（日本情報処理装置等電波障害自主規制協議会）

7 ８．高周波測定（電磁干渉） 国際的にはIEC（国際電気標準会議）の特別委員会のＣＩＳＰＲ（国際無線障害特別委員会）による規格がある。
　ＣＩＳＰＲ：Comite International Special des Perturbations Radioelectrriques 日本では電気用品取締法、VCCI、電波法に決められている。 　VCCI：Voluntary Control Council for Interference by Data Processing Equipment and Electronic Office Machines

8 ８．高周波測定（電磁干渉） ノイズは電源ライン、制御ラインなどの電線から伝わってくる伝導妨害波と空間を通して伝わって来る放射妨害波に分けられる。 それぞれは、各規格により伝導、放射されるノイズの計測方法が定められている。

9 ８．高周波測定（電磁干渉） ノイズの分類：伝導妨害波/放射妨害波 電子機器 （ﾉｲｽﾞ源） 伝導妨害波 放射妨害波 電源ライン制御ライン
電子機器　（ﾉｲｽﾞ源） 伝導妨害波 放射妨害波 電源ライン制御ライン その他の機器 接続された機器

10 ８．高周波測定（電磁干渉） EMIノイズ試験測定項目に対する 周波数範囲 伝導妨害波 測定項目 放射妨害波 周波数
　周波数範囲 　　　　　　　　　　　　　周波数　　　 　　10kHｚ　　　　 　　30MHz　　　　　　　　　　　１GHz 　　測定項目 伝導妨害波 放射妨害波

11 ８．高周波測定（電磁干渉） 検波方式 　ピーク値を検出する①尖頭値検波（Peak）、きめられた充電時定数と放電時定数により検波を行う②準尖頭値検波（Quasi-peak）、平均値を検出する③平均値検波に分かれている。 ①尖頭値検波 ②準尖頭値検波 ③平均値検波

12 ８．高周波測定（電磁干渉） 伝導妨害波測定（代表） スペクトラム・アナライザ or EMIレシーバ ［ｄBμＡ] 電流プローブ ノイズ
（ノイズ電流→電圧成分） 電子機器 （被測定物） 電源 電源ライン

13 ８．高周波測定（電磁干渉） 放射妨害波測定器材 電流プローブ

14 ８．高周波測定（電磁干渉） 伝導・放射妨害波測定器材 EMIテスト・レシーバ

15 ８．高周波測定（電磁干渉） 放射妨害波測定（代表） 受信アンテナ スペクトラム・アナライザ or EMIレシーバ
空間に放射されている妨害波の電界/磁界の強度を測定 受信アンテナ 放射ノイズ 電子機器 （被測定物） 電源 電源ライン

16 ８．高周波測定（電磁干渉） 妨害波受信アンテナ（例） ループ・アンテナ（磁界） （１ｋHｚ～３０ＭHｚ） バイコニカル・アンテナ
（２０MHｚ～２００MHｚ）

17 ８．高周波測定（電磁干渉） 妨害波受信アンテナ（例） ログペリオディック・アンテナ （２００MHｚ～２ＧHｚ）
ダブルリジッド・ガイド・アンテナ （７５０ＭHｚ～１８ＧHｚ）

18 ８．高周波測定（電磁干渉） 測定環境 オープン・サイト（屋外試験場）、 シールド・ルーム、電波暗室がある。
　オープン・サイト（屋外試験場）、 シールド・ルーム、電波暗室がある。 　規格により被測定物から受信アンテナまでの距離や測定器材、そして測定環境までおおよそ決められている。 　長い距離、低い周波数帯域（数ｋＨｚ）を含むものはオープン・サイトが必要になるものがあるが、昨今、使用電波環境が悪化しており、シールド・ルームや電波暗室で行うものが多い。

19 ８．高周波測定（電磁干渉） 測定サイト：シールド・ルーム
　 ６面が金属壁で覆われており、外部からの電磁波を遮蔽している。 部屋自身が直接アースグランドに落とされている。また、電源ラインはフィルターを介して供給され電源ノイズの混入を防いでいる。 　 主に、伝導妨害波 　測定に使用される。

20 ８．高周波測定（電磁干渉） 電波暗室 　シールド・ルーム内に、電波吸収体を取付け内部の反射を無くし、自由空間に近づけた部屋。電波吸収体には、フェライトタイプやウレタンフォームにカーボンを含ませた物などいろいろなタイプがある。 　 放射妨害波測定に使用される。 　 金属床が規定される法規用には、床を金属板にしているものもあり。床面反射を理論値と測定値を比較して測定サイトの良否を評価している。（サイトアッテネーション）

21 ８．高周波測定（電磁干渉）

22 ８．高周波測定（電磁干渉） 電子機器は、周囲に出すノイズ量を規定 されているのとともに、周囲のノイズ環境 に対応する量も規定されています。
「自分からノイズを出さない」 「外部から多少のノイズが来ても影響されない」 製品を作ることが重要です。　

23 ８．高周波測定 アンテナの測定 　アンテナは電磁波エネルギーを媒質中に放射し、或いは媒質中の電磁波を受信するトランスデューサである。従って、アンテナ特性の測定にあたっては、アンテナを取り巻く外部環境の影響　をつねに考慮に入れなくてはならないという点が、ほかの閉回路系の測定と本質的に異なるところである。特に、近年電波の利用がますます緻密となり、また、極めて微弱な電波を検出する必要性が増すにつれて、アンテナ特性の改善とその精密な測定が重要となり、それだけ測定環境の整備と、その影響の正確な把握が問題となってくる。

24 ８．高周波測定 電波無反射室 送信アンテナ 送信器 電波暗室 被測定アンテナ コントローラ データ処理 回転制御装置 受信器

25 ８．高周波測定 電波無反射室 　・電波無反射室 　　電波無反射室は、電波吸収体を用いて電波的に自由空間と同等の空間を実現するもので、電波無響室、電波暗室とも呼ばれる。 　・ｑｕｉｅｔ ｚｏｎｅ 　　電波無反射室では、供試アンテナを設置する領域をｑｕｉｅｔ ｚｏｎｅと呼び、その領域内へ入射する壁面からの乱電波を所定の値以下にするように設計される。

26 ８．高周波測定 電波無反射室 ・電波無反射室の評価
　・電波無反射室の評価 　　電波吸収体の吸収性能は実際には完全ではないので、ｑｕｉｅｔ ｚｏｎｅ内に壁面からの反射波が入り込む。電波無反射室の性能は壁面からの反射電力の少なさで評価されるが、その測定方法として以下のものがある。 　　①アンテナパターン比較法 　　　　測定アンテナの位置を様々に変え、その結果を重ね合わして壁面 　　　　からの反射電力を算出する方法 　　②空間定在波法 　　　　測定アンテナを様々な方向に向け、ｑｕｉｅｔ ｚｏｎｅ内で左右、上下、　 　　　　前後に移動して移動距離に対する受信レベルの凹凸より、壁面か 　　　　らの反射電力を算出する方法　

27 ８．高周波測定 アンテナ測定理論と基本的関係
　高周波のエネルギーを電波のエネルギーに変換して、それを空間に放射したり、あるいは、電波のエネルギーを吸収してそれを電気回路のエネルギーに変換することを目的としたものをアンテナあるいは空中線と呼ぶ。このエネルギー変換におけるアンテナの特性を表すパラメータとして、 　　　・入力インピーダンス 　　　・指向性 　　　・利得 　　　・放射効率 　　　・放射パターン 　　　・偏波 　　がある。

28 ８．高周波測定 アンテナ測定理論と基本的関係 ・入力インピーダンス
　・入力インピーダンス 　　　入力インピーダンスは、アンテナと伝送線の関係をあらわすパラメータで、伝送線からアンテナへの電力転送、あるいはその逆を決めるのに一番重要な係数である。アンテナと伝送線間のインピーダンス整合は、特定のインピーダンスをもつ伝送線を接続したときの定在波比(SWR)またはアンテナの反射係数として表される。ｄBで表された反射係数がリターン・ロスとなる。

29 ８．高周波測定 アンテナ測定理論と基本的関係 ・偏波
　・偏波 　　　アンテナの偏波は、ある方向にアンテナによって放射される電磁波の偏りとして定義される。電波の偏波は、電界ベクトル先端の軌跡である楕円の方位と形、時間と共に楕円が回転する向きによって記述される。楕円の軌跡は、偏波楕円と呼ばれ、電波は楕円偏波であると言われ、円偏波、直線偏波は、楕円偏波の一形態である。 　　楕円偏波の長軸と短軸の比は、軸比の大きさをあらわし、傾きの角度は、空間の楕円の方位をあらわす。信号源の後ろから、電界ベクトルの回転方向を観察することにより、偏波の向きは決められ、右旋円、左旋円偏波は、それぞれ時計回り、反時計回りに、一致する。

30 ８．高周波測定 アンテナ測定理論と基本的関係 ・指向性
　・指向性 　　　アンテナの指向特性は、アンテナによって空間に放射される電力の分布であらわし、指向性は、 　　で定義される。 　　アンテナの指向性は、放射効率と伝送線とのインピーダンス整合には無関係なものである。 　　　“最大放射強度（単位立体角当りの放射電力）” ４π 　　　　　　“アンテナによって放射される全電力”

31 ８．高周波測定 アンテナ測定理論と基本的関係 ・利得（ゲイン） 利得、電力利得は、 として定義される。
　・利得（ゲイン） 　　　利得、電力利得は、 　　として定義される。 　　方向が指定されないときは、通常、その最大値が用いられ、アンテナ利得は、インピーダンス不整合による反射損失とは無関係である。 　　　　　　“ある特定方向の放射強度” ４π 　　　“アンテナに受け入れられる正味電力”

32 ８．高周波測定 ・放射効率 アンテナ測定理論と基本的関係
　・放射効率 　　　アンテナの放射効率は、“アンテナによって放射される電力”と“アンテナの入力端における正味受入電力”の比で、そしてまた、“最大利得”と“指向性”の比としても表される。

33 ８．高周波測定 ・放射パターン アンテナ測定理論と基本的関係
　・放射パターン 　　　アンテナ放射パターンは、放射エネルギーの分布を、アンテナの方位の関数、通常は球面座標系でグラフ状にあらわしたもので、放射パターンは、電界強度、電力密度またはそのデシベルとしてプロットされる。それらは、ある基準レベル（基準としてはしばしばビームの最大値が選ばれる）に対しての相対値あるいは絶対値であるといえる。放射パターンは、球面座標系θとφの関数として、直角あるいは極座標の形式で表示される。

34 ８．高周波測定 ・可逆定理（相反定理） アンテナ特性の可逆性
　・可逆定理（相反定理） 　　　アンテナを実用する場合には、普通、大地、建造物、その他支持物の影響などがあり、伝搬の様子は複雑である。この様に媒質が一様でなく、一般に媒質定数が非連続となる様な空間の２点間で電波の送受信を行う時、その一方の点から送信して、他方の点で受信する場合の電界強度と、これとは逆に送信点と受信点を交換した場合の電界強度が等しいかどうか、即ち送受の関係が可逆性であるかどうか、特に空間の構造がいかなる条件の時に送受の関係が可逆的であるかということは、アンテナの諸特性を決定する上で重要な事である。 　　尚、空間に非直線性透磁率を持つ強磁性体や、非対称誘電率を持つ媒質などが存在する場合には、この可逆定理が成立しないので注意を要する。

35 ８．高周波測定 ・可逆性の関係 アンテナ特性の可逆性
　・可逆性の関係 　　　あるアンテナを送信アンテナとして使用した時の特性と、受信アンテナとして使用した時の特性が、いかなる関係にあるかをまとめる。 　　①受信アンテナ系の自己インピーダンスと相互インピーダンスは、送信　　アンテナ系の自己インピーダンスと相互インピーダンスに等しい。 　　②受信開放電圧の指向性は、それを送信に使った時の放射電界の指　　向性とパターンと位相まで含めて同一である。 　　③受信アンテナの利得は、送信アンテナの利得に等しい。 　　以上の特性に関しては可逆性が成立したが、アンテナ上の電流分布については送信の場合と受信の場合とで同一とはならない

36 ８．高周波測定 ・アンテナ測定条件 アンテナ測定条件
　・アンテナ測定条件 　　　アンテナの特性を測定するときの基本的な要求は、被測定アンテナの全開口にわたり、均一な振幅と位相を持つ電磁界が存在することである。 　　上記を満足する測定環境について考える。

37 ８．高周波測定 （１）距離 アンテナ測定条件 送信アンテナ、被測定アンテナを図のよう に設置したとする。アンテナの中心を照射
　（１）距離 　　　　送信アンテナ、被測定アンテナを図のよう 　　　　に設置したとする。アンテナの中心を照射 　　　　する波と、端を照射する波との位相差δは、 　　　　である。通常、アンテナの特性を測定する 　　　　ために許容されるδは、22.5°であり、 　　　　これを満足させるＲを求めると、 　　　　が得られる。 　　　 ２π⊿ δ＝ 　　　　　λ ⊿ R ｄ 受信アンテナ の開口 送信アンテナ 　　　 ２ｄ2 Ｒ ≧ 　　　　λ

38 ８．高周波測定 （2）振幅の一様性 アンテナ測定条件 被測定アンテナの全開口にわたり、送信波の電界が一様である
　（2）振幅の一様性 　　　　被測定アンテナの全開口にわたり、送信波の電界が一様である 　　　　ための条件を求める。その一様性としては、±1/4dBが許容値で 　　　　あるとされている。振幅変化が1/4dB以下である制限は、送信ア 　　　　ンテナのビーム幅の1/8以内に被測定アンテナがあればよいとい 　　　　える。これより、送信アンテナの開口ｄｒは、 　　　　である条件が必要となる。 　　　 Ｒλ ｄｒ ≦ 　　　　４ｄ

39 ８．高周波測定 （3）フラウン・フォーファ領域 アンテナ測定条件 アンテナ測定は、測定レンジ距離を十分にとった遠方領域
　（3）フラウン・フォーファ領域 　　　　アンテナ測定は、測定レンジ距離を十分にとった遠方領域 　　　　(far field)、又は、コンパクト・レンジを用いて平面波として行わな 　　　　ければならない。この遠方領域は、フラウン・ホーファー領域とも 　　　　呼ばれる。 　　　　一般に有効面積がD×Dである供試体に対して 　　　　　　R ≦ λ　　　　　　　　　・・・ 極近傍域 　　　　　　λ ＜ R ＜ ２D2／λ　・・・ フレネル領域（遷移領域） 　　　　　　R ≧ ２D2／λ　　　　　・・・ フラウン・フォーファ領域 　　　　このうち、極近傍域とフレネル領域を合わせて近傍域と呼ぶ。 D 距離　R 波長　λ 供試体

40 ８．高周波測定 （4）フラウン・フォーファ領域（遠方）とフレネル領域（近傍）との関係 アンテナ測定条件 1000 フラウン・フォーファ領域
　（4）フラウン・フォーファ領域（遠方）とフレネル領域（近傍）との関係 フラウン・フォーファ領域 （遠方域） フレネル領域 （近傍域） 1000 100 10 1 0.1 Ｄ／λ Ｒ／Ｄ Ｒ＝λ Ｒ＝２Ｄ／λ 極近傍域

41 ８．高周波測定 コンパクト・レンジ

42 ８．高周波測定 コンパクト・レンジ 電波暗室 コンパクトレンジ 被測定アンテナ 送信アンテナ 送信器 コントローラ 受信器 回転制御装置
データ処理 回転制御装置 受信器

43 ８．高周波測定 コンパクト・レンジ 　・必要性 　　　測定周波数がミリ波のように高くなる、すなわち波長が短くなるとアンテナから出たままの波（球面波）では、行路差による位相誤差が大きくなりすぎるので、下図のように球面波を平面波に変換するための放物面鏡装置（コンパクトレンジ反射器）が必要である。 コンパクトレンジ反射器 球面波 アンテナ 平面波 波源 球面波 光学レンズ 平面波 球面波→平面波変換 光学レンズ コンパクトレンジ反射器システム

44 ８．高周波測定 ・コンパクトレンジ反射器の縁が鋸歯状波形になっている理由 コンパクト・レンジ
　・コンパクトレンジ反射器の縁が鋸歯状波形になっている理由 　　　反射器の縁に当たった電波は、エッジ回折散乱となるが、縁の形状が直線の場合、このうちの一部の散乱波が供試体の方向へ伝播し、供試体測定エリア（ｑｕｉｅｔ ｚｏｎｅ）の平面波を乱す有害波となる。 有害波 エッジ回折散乱波 エッジ回折散乱波 縁が直線

45 ８．高周波測定 ・コンパクトレンジ反射器の縁が鋸歯状波形になっている理由 コンパクト・レンジ
　・コンパクトレンジ反射器の縁が鋸歯状波形になっている理由 　　　エッジ回折散乱波のすべての成分が供試体の方向へ伝播しないようにするためには、図のように反射器の縁の形状を鋸歯状波形にして、エッジ回折散乱波を別の方向（主に上方）へ拡散させる必要がある。 エッジ回折散乱波 エッジ回折散乱波 鋸歯状波形

46 ８．高周波測定 ・位相変動 アンテナ測定のための計算式
　・位相変動 　　　アンテナのｆａｒ ｆｉｅｌｄ性能を正確に測定するためには、開口面に交わる電界の位相偏位が限られなければならない。一般に使われる基準は、位相がπ／８（ラジアン）以内である。位相偏移は、アンテナレンジの長さと被測定アンテナの開口直径によってきまり、π／８の基準に合うためには次の関係が必要である。 　　　　Ｒ＝レンジの長さ 　　　　ｄ＝被測定アンテナの開口直径 　　　　λ＝波長 　　　 ２ｄ2 Ｒ ≧ 　　　　λ

47 ８．高周波測定 アンテナ測定のための計算式 ・振幅変動
　・振幅変動 　　　試験アンテナに入射電界の振幅の変動もまた、正確なｆａｒ ｆｉｅｌｄ測定のためには、限られる必要がある。比較的大きな送信、試験タワー高がレンジ形状のために、振幅テーパが１／４ｄＢかそれ以下の基準が使用される。 　　　　Ｄｔ＝送信アンテナの開口直径 　　　　Ｒ＝レンジの長さ 　　　　ｄ＝被測定アンテナの開口直径 　　　　λ＝波長 　　試験物の高さは、６ｄ以上が望まれる。実行上の理由から、４ｄ以下の試験高さの場合、地上反射を考慮しなければならない。 　　　 Ｒλ Ｄｔ ≦ 　　　　４ｄ

48 ８．高周波測定 ・地上反射アンテナ試験レンジ アンテナ測定のための計算式 Ｒ≧２ｄ2／λ ｈｒ≧３．３ｄ ｈｔ＝λＲ／４ｈｒ
　・地上反射アンテナ試験レンジ 　　　Ｒ≧２ｄ2／λ 　　　ｈｒ≧３．３ｄ 　　　ｈｔ＝λＲ／４ｈｒ 　　　Ｄｔ≦λＲ／４ｄ 　　　Ｒ＝レンジの長さ 　　　ｄ＝被測定アンテナ開口直径 　　　λ＝波長 　　　ｈｒ＝被測定アンテナ開口の中心高さ 　　　ｈｔ＝送信アンテナの中心の高さ 　　　Ｄｔ＝送信アンテナの開口直径