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電子製品内の材料のシールド効果の正確な測定の手法

by Douglas C. Smith, D.C. Smith Consultants

翻訳: T.Sato

要約： 電子製品内の回路の近くで使われる材料のシールド効果を測定する、 より正確な手法が示される。 さらに、多くの用途により相応しいものとなるように、 それは非破壊的で試験のために用意された試料を必要としないものである。 この試験は、生産環境における品質管理試験としても使用できる。 その結果は、特に携帯電話のような小さい製品について、 どの材料が機器内で最も良く働くかも明らかに示す。

概要

産業標準の試験は、シールド効果を測定するために、 通常は平面波 ――遠方界―― 測定を用いる。 平面波照射の使用は、シールド材のサンプルが発生源の遠方界 (λ を関係する周波数の波長として、 発生源からシールドまでの距離が λ / 2π よりも大きい) にある場合に有用である。 この試験は、再現性のある結果を容易に達成する。

しかし、多くの電子製品においては、 発生源はシールドから λ / 2π よりも遥かに近い。 その結果は、シールドが発生源の近傍界において照射され、 その照射は平面波ではないというものである。 この一例は、回路のある部分を他の部分からシールドすることが望まれている 携帯電話である。 このような状況においては、そのシールドは、 ある程度の距離にあるアンテナからの平面波ではなく、 回路板上の電流ループからの磁界に照射される可能性が最も高い。

試験の目的でシールドに平面波を照射する際、 その電界と磁界はシールド材の面と平行となる。 回路内を流れる電流からの磁界は、通常はシールドを垂直に照射する。

平面波と垂直な磁界の照射の相違の結果として、シールド材は 照射フィールドの性質に依存して著しく異なった結果を与えるかも知れない。

技術的背景

Figure 1: ループ間の伝達
Figure 1
Figure 1 は、垂直磁界に対するシールド性能の測定のための 試験セットアップの図を示す。 １つのループは信号発生源によって励起され、近傍の第２のループは そのループに誘起された信号を測定するために受信器に接続される。 トラッキング発生器出力を持つスペクトラム・アナライザは、 この試験のために良く働く。

第１のループからの磁界の一部は第２のループを通過し、 ファラデーの法則に従って第２のループに電圧を発生させる [1]。 隣接したループのあいだでの直接の伝達が、シールド測定の基線となる。

Figure 2: ループ間に置かれたシールド材
Figure 2
Figure 2 は、ループの間に置かれたシールド材のサンプルを示す。 その材料が導電性であるならば、それは無数の導電性ループと見倣せる。 第１のループからの磁界は シールド材中に入射界を打ち消すように流れる渦電流を誘起し、 第２のループを通過する磁界は低減させられる。

Figure 3: 一般的なシールド測定セットアップ
Figure 3
Figure 3 は、それらのあいだにシールド材のサンプルを置いた 市販のシールド・ループのペアを示す。 電界シールドの設けられたループを使用すべきである [3]。

データと結果

Figure 4: [2] のデータのための試験セットアップ
Figure 4

Figure 4 は、２つの小形シールド・ループと、それらを隔てるシート材との配置を示す。 それらのループは、シールドされた 2cm 矩形ループである。 いくつかの材料のシールド効果を測定するためには、 まず、測定されるサンプルと同程度にループ間隔を設定するために、 それらのループを紙のような非導電性の材料で隔てる。 ループの間隔は、それが数 mm 以内であるならば大きな影響を持たない。

Plot 1: ループ間の直接の伝達
Plot 1
この記事で示されているのデータ・プロットは、 0〜1GHz の周波数範囲に対する受信ループの出力である。 Plot 1 は、互いに接触するように保持された２つのループの間の伝達を示す。 これらの２つのループの構造は、本質的に単純なトランスである。 Plot 1 において、ループの制限されたインダクタンスに伴って、 その周波数応答が 50MHz 以下で低下することを観察できる。 その応答の 150MHz のピークから 700MHz 前後の底までの緩やかな低下は、 ループ間の磁束漏洩、その「トランス」の漏洩インダクタンスに伴うものである。 1GHz での応答の増加は、1GHz のすぐ上での共振によるものである。 より高い周波数でのシールドを測定するのであれば、 その自己共振周波数を上げるためにより小さいループを用いるべきである。

Plot 2: PVC シート
Plot 2
Plot 2 は、 試験されたシールド・サンプルと同程度の厚さの PVC 樹脂のシートで それらのループが隔てられた場合の結果を示す。 予期されるように、それらの２つのプロットのあいだには極めて僅かな違いしかない。

Plot 3: シールド・クロス
Plot 3
Plot 3 は、100dB に達するシールド効果を持つと宣伝されている 「シールド・クロス」に対する結果である。 そのサンプルは、服を作れそうな織物のように見える。 そのデータから見られるように、この試験に関しては、 10dB 程度のシールドしか得られなかった。 そのような材料は、内部シールドのためにシステム内の回路の近くで使うべきではない。

Plot 4: アルミ箔
Plot 4

Plot 4 は、アルミ箔のサンプルにおけるシールドを示す。 見られるように、300MHz 未満の周波数を除いて、 受信信号はスペクトラム・アナライザのノイズ・フロアよりも下にあった。 受信ループの信号は、表皮深さのため、300MHz よりも下で上昇を始める。

表皮深さは、電流密度がその表面における密度の約 37% (1 / e) に低下する 導電性材料内への距離である。 金属の表皮深さは、次の式で与えられる：

δ = 2 ／ √(2π f μσ) = 6.6 ／ √( f μrσr) cm

ここで、f は周波数、μ は材料の透磁率、σ は材料の導電率である。

銅の値を用いるならば、この右の式の結果は μr と σr が銅を基準とした透磁率と導電率であり、 銅の場合は１となる。 銅について、10MHz において、表皮深さは約 0.002cm となる！ 良いシールド効果を得るために必要な厚さは、非常に小さい。

ある厚さの金属の表皮深さを基準とした厚みは低い周波数で減少する。 Plot 4 において、300MHz よりも下では、 その金属箔の表皮深さを基準とした厚みはより高い周波数と比較して減少し、 若干の信号がそれを通して漏洩している。 しかし、そのシールド効果は 100MHz においても依然として 60dB 程度であり、 その金属箔は依然として表皮深さよりも充分に厚く、それは良いシールドである。

Plot 5: Null Experiment
Plot 5
Plot 4 では、300MHz よりも上で、 信号はスペクトラム・アナライザのノイズ・フロアよりも下であった。 Plot 5 は、それらのループが離して置かれた場合の結果を示す。 このプロットにおいては、全周波数範囲においてノイズ・フロアが見られる。 100MHz において、このアルミ箔を通した信号漏洩は、 ノイズ・フロアの 10dB 程度上であった。

Plot 6: シールド・バッグ
Plot 6
Plot 6 は、ESD シールド・バッグからの結果である。 このシールド効果は、20dB から 40dB 程度まで変動している。 そのメタライズ層は非常に薄いものの、 900MHz においては表皮深さよりも充分に厚く、 その点において 40dB のシールド効果を持つ。 大抵の ESD シールド・バックは、それほどのシールド効果は持たない。

Plot 7: アルミニウム・シールド・バッグ
Plot 7
Plot 7 は、厚くメタライズされた (内層) バッグのシールド効果を示す。 そのメタライズは、バッグを不透明とするほど厚い。 結果として、それは Plot 6 のバッグよりも高いシールド効果を持つ。

Plot 8: Shielding for Electronics、サンプル A
Plot 8
Plot 8 は、Shielding for Electronics 社 [4] 独特のプロセスを用いて 両面に真空金属蒸着されたシールド材に対する結果を示す。 そのサンプルは、基材の両面がメタライズされたものであった。 そのサンプルは、500MHz よりも上では 60dB、 100MHz においてはほぼ 40dB のシールドを示した。

Plot 9: Seiren Fabric
Plot 9
Plot 9 は、Plot 9 の材料と同等の他の製造業者の製品を示す。 信号がスペクトラム・アナライザのノイズよりも上にある全ての周波数において、 Plot 8 の材料が 5dB 程度高いシールド効果を与えるのがわかる。

Plot 8 と Plot 9 から、 この測定法が異なったシールド材を比較する素早くて正確な方法を与えることがわかる。

Plot 10: EMI 吸収シート (1.25インチ×2インチ)
Plot 10

Plot 10 は、デバイスからのエミッションを低減するために IC デバイスの上に置くタイプのフェライト・シートのシールド効果を示す。 見られるように、それは近傍の回路への放射を阻止しないであろう。 そのシールド効果は、この試験でかろうじて測定できるほど低い。

Plot 11: 3mm の空気で隔てられたループ
Plot 11
Plot 11 は、約 3mm (1/8 インチ) 離された２つのループのあいだの伝達を示す。 その信号損失は、900MHz までは約 5dB であり、1GHz においては約 10dB である。 試験されたサンプルは 3mm よりも遥かに薄く、 従ってサンプルの厚さの僅かな変動は測定にそれほどの誤差をもたらさないであろう。

その他の可能性

この試験で得られるデータは、材料間の素早い比較のためと同様、 シールド材やコーティングの厚さの計算のために使用できる。

小さいループと高い周波数を用いれば、 この試験は小さいボイドや傷のようなシールド材の欠陥の検出のために使用できる。 この試験は素早く行なえ、またシールド材を破壊しないので、 品質管理のために生産環境で使用できる。

要約と結論

特に回路板上において多くのシールド材が使用されているのに より近い方法で関連付けられる新しい試験法が述べられた。 材料を比較し、ある用途において特定の材料が良く働くかどうかを示すために その試験がどのように使用できるかを示すために、データが与えられた。

この試験は非破壊的であり、生産環境においてリアル・タイムで使用できる。

注釈と参考文献

Copyright (C) 2002 Nutwood UK Ltd.

これは、EMC+Compliance Journal に掲載された記事を、 その許諾を得て T. Sato が翻訳したものです。 この翻訳については、原著者らはいかなる責任も持ちません。 これについての意見、質問などは VEF00200@nifty.com (T.Sato) 宛にお送り下さい。

Last update: 2003-02-07