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GTEM セルでの試験

by Manjula Bhati, Joint Director, ERTL(N), India

GTEM は、ギガヘルツ TEM (Giga-hertz Transverse Electromagnetic) を意味する。 GTEM セルは TEM セルの高周波版であり、リモート・ライト・センサ、ワイヤレス・アクセス・ポイント、集積モジュラ・アセンブリなどの、最小限の相互接続を持つ単純なデバイスのための、放射イミュニティと放射エミッションの EMC 試験の代替設備として広く用いられている。 GTEM セルでカバーされる周波数範囲は、通常は放射エミッションについては 5GHz、放射イミュニティについては 20GHz である。この GHz にわたる周波数範囲が、ギガヘルツ TEM セルという名前を与えた。

GTEM セルの進化

最初、開放型ストリップラインが放射イミュニティ試験に用いられた。開放型ストリップラインは、２枚の平行する導電性の板から成る。一方のポートに発生器か受信器が接続され、他方のポートは導体の特性インピーダンスで終端される。開放型ストリップラインからの電磁放射に対して環境は保護されていないので、開放型ストリップラインはシールド・ルーム内で動作させなければならない。

シールド・ルームの必要性を回避するため、 TEM (Transverse Electromagnetic) セルが開発された。 TEM セルは矩形の中央部分を持ち、その両側が絞られて端にコネクタが取り付けられる。 TEM セルは、より高い精度と、２番目のポートによって可能となるより汎用性の高い測定という利点を持つ。その内部導体、あるいはセプタム (隔壁) は、セルの中央に置かれる。 TEM セル内を波が伝搬すると、矩形の部分と絞られた部分のあいだの移行箇所で、波の伝搬を妨げる高次モードが発生する。従って、その物理的特性は、TEM セルに周波数限界を設ける。 1GHz 以下では正弦波入力と出力のあいだの減衰率は 0dB であるが、 1GHz 以上のある特定の周波数でロスが発生する。これは、その物理的寸法に対応する、TEM セル内での定在波に伴う。その最初の共振よりも下の周波数では、TEM セルは良好に機能する。

TEM セルが進化したものの１つが、他の利点を維持しながら TEM セルの生得的な上限周波数を除去する、GTEM セルである。 GTEM セルは、その先端の１つのポートと、その反対側の広帯域終端を持つ、１つのテーパー状の部分のみから成る。この終端は、低い周波数については 50Ω 抵抗ボード、そして高い周波数についてはピラミッド吸収体である。様々な大きさの EUT の試験をカバーするために、様々な大きさの GTEM セルが販売されている。

GTEM セルの構造

GTEM セルは、四角錐の、終端された 50Ω 伝送線路である。その断面の水平と垂直の寸法の比率は 3:2 である。入力の絞られた端に、50Ω 同軸コネクタが設けられる。中心導体 (セプタム) は、GTEM セルの上側の 1/3 以内に置かれた、平坦な幅広の導体である。これはセプタムの下により大きい均一試験空間をもたらす。この均一フィールド空間が、放射イミュニティ試験の試験エリアである。放射エミッション試験も、この試験空間内で行なわれる。セプタムは、セプタム上の電流分布の整合のために、合計 50Ω の抵抗性アレーで終端される。イミュニティ試験に際して印加される、あるいはエミッション試験に際して EUT が発生する試験フィールドは、 GTEM セルの広い側に取り付けられた自由空間ピラミッド吸収体で終端される。これらの吸収体は、吸収体の先端が GTEM セルの頂点を向くように球面状に配置される。 TEM セルのように、GTEM セル内でも、シールドと内部セプタムの物理的寸法は 50Ω に合わせられている ―― すなわち、シールドに対するセプタムのジオメトリは、任意の位置において、その比率 L/C の平方根が 50Ω となるような単位長当たりのインダクタンスとキャパシタンスの比率を与える。

GTEM セルの基本的な動作

理論上は、GTEM セルは終端された伝送線路である。その拡がった壁、そして抵抗／吸収体ハイブリッド終端のため、 GTEM セルの実際の電磁場の応答は非常に複雑である。その試験空間の形状は、テーパー状の楔形である。 GTEM セルの入力の RF 電圧によって発生させられたフィールドは、 GTEM セルの頂点から終端へと球面波面として伝搬する。同軸伝送線路内と全く同様に、GTEM セル内の電磁界分布には垂直と水平の勾配がある。垂直と水平の双方について中央の 1/3 の空間は均一な分布を持ち、従って放射イミュニティ試験を行なうために EUT を置くために用いられる。放射イミュニティ試験を行なう前に、フィールド均一性が検証される。規格によれば、その範囲で測定された点の少なくとも 75% で、フィールドは ±3dB、すなわち必要なフィールド強度の -0dB から +6dB でなければならない。放射エミッションの正確な測定のための試験空間は、垂直と水平の寸法の 2/3 までの大きさとなるかも知れない。

内部寸法、特に断面寸法に合わせてセプタムの幅と位置を適切に選択することで、 GTEM セルの特性インピーダンスは 50Ω に、導体のあいだの波動インピーダンスは 377Ω に設定される。

その２つの終端は、GTEM セルの性能に重要な役割を果たす。低い周波数においては、その抵抗性負荷の整合は素晴らしく、従って GTEM セルのリターン・ロスはその抵抗性アレー自身のものである。そのような低い周波数において、RF 吸収体は非常に粗末なリターン・ロスを示す。周波数が高くなると、抵抗性アレーの寄生要素はその性能を低下させ、また並列に接続された RF 吸収体が容量性要素として働いてリターン・ロスを増加させる。だが、高い周波数においては、吸収体に起因するリターン・ロスがごく小さくなるまで RF 吸収体の整合は向上する。それらの２つの終端は並列に働く。

抵抗性アレーから RF 吸収体への応答の移行の周波数は、その GTEM セルの臨界周波数、あるいは終端クロスオーバー周波数と呼ばれる。この臨界周波数は、GTEM セルの寸法と吸収体の体積に依存する。この周波数において、GTEM セルの VSWR は上昇する。 VSWR (電圧定在波比) は不整合の指標であり、接続された 50Ω RF 機器からその GTEM セルが電力を受け取る能力を規定する。

エミッション試験からイミュニティ試験への GTEM セルの切り替えは、簡単な調整を必要とする。イミュニティ試験に際して、セルの試験空間内に発生するフィールド強度を決定するレベルの RF 信号が GTEM セルに供給されるが、エミッション試験に際しては、その中心導体は広帯域受信アンテナとして機能する。セルの前に接続されたレシーバやスペクトラム・アナライザが、 EUT からのエミッションを受信する。

GTEM セル試験、OATS 試験、及び電波暗室試験の比較

次の表は、GTEM セル、OATS、そして電波暗室を用いた試験の比較を示す。

OATS 試験電波暗室試験 GTEM セル試験
放射エミッション試験に適する放射エミッションと放射イミュニティ試験を行なうことができる放射エミッションと放射イミュニティ試験を行なうことができる
障害物のない広い平坦な地面と専用の金属グランド・プレーンが必要 GTEM セルよりも大きな面積が必要 OATS や電波暗室と比較して所要スペースは少ない
反射物から離れた土地のコストを含むため、高価 GTEM セルよりも高価 OATS や電波暗室と比較して安価
OATS 測定には環境 RF 干渉と天候条件が影響する電波暗室は完全に覆われており、環境ノイズや天候条件に影響されない GTEM セルは完全に覆われており、環境ノイズや天候条件に影響されない
放射エミッション試験の周波数範囲をカバーするために様々なアンテナが必要周波数範囲をカバーするため、放射イミュニティと放射エミッションのそれぞれで送信と受信のアンテナを変更する必要がある GTEM セル自身が放射イミュニティ試験の送信アンテナとして、また放射エミッション試験の受信アンテナとして機能し、独立したアンテナ・セットアップは不要
―― 所定のフィールド強度の発生にはより大きな増幅器が必要所定のフィールドの発生のためにより小さい増幅器で済む
試験手続きは EUT の方位の回転のみを要求する試験手続きは EUT の方位の回転のみを要求する試験手続きに従い EUT は３つの直交する軸上で回転させられる

OATS 試験	電波暗室試験	GTEM セル試験
放射エミッション試験に適する	放射エミッションと放射イミュニティ試験を行なうことができる	放射エミッションと放射イミュニティ試験を行なうことができる
障害物のない広い平坦な地面と専用の金属グランド・プレーンが必要	GTEM セルよりも大きな面積が必要	OATS や電波暗室と比較して所要スペースは少ない
反射物から離れた土地のコストを含むため、高価	GTEM セルよりも高価	OATS や電波暗室と比較して安価
OATS 測定には環境 RF 干渉と天候条件が影響する	電波暗室は完全に覆われており、環境ノイズや天候条件に影響されない	GTEM セルは完全に覆われており、環境ノイズや天候条件に影響されない
放射エミッション試験の周波数範囲をカバーするために様々なアンテナが必要	周波数範囲をカバーするため、放射イミュニティと放射エミッションのそれぞれで送信と受信のアンテナを変更する必要がある	GTEM セル自身が放射イミュニティ試験の送信アンテナとして、また放射エミッション試験の受信アンテナとして機能し、独立したアンテナ・セットアップは不要
――	所定のフィールド強度の発生にはより大きな増幅器が必要	所定のフィールドの発生のためにより小さい増幅器で済む
試験手続きは EUT の方位の回転のみを要求する	試験手続きは EUT の方位の回転のみを要求する	試験手続きに従い EUT は３つの直交する軸上で回転させられる

GTEM セルの制限

電波暗室や OATS と比較して劣った交差偏波性能
EUT の寸法はセプタムと床の間の寸法のおおよそ 1/3 に制限される

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。