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EMC 試験のための RF フィールド・プローブの選択

翻訳: T.Sato

プローブ選択のプロセスを単純化する試みの中で、 この記事は RF フィールド・プローブの主な仕様に焦点を当てるであろう。 RF フィールド・プローブがどのように規定されているかの充分な理解があれば、 特定の用途のためにどのプローブが最も適するかの、知識に基づく判断を行なうことができる。

RF フィールド・プローブの仕様

Figure 1: 典型的な周波数応答

校正係数がそれぞれのプローブについて与えられ、 定期的に、通常は年に１度更新されるべきである。 校正係数は、周波数応答の逆の、あるいは鏡像のカーブを与える。 この補正値は、dB での調整値として、そして倍率として与えられる。 適用された時、その影響は、全周波数範囲にわたる プローブの周波数応答を最小の誤差に平坦化するものとなる。 校正係数は、通常は、 合成された読みに対するものとともに、それぞれの軸について与えられる。 詳細な３軸校正が適用された時、最大のフィールド測定精度が達成される。 絶対的な測定はないので、校正試験所は、 その測定データに対して予測される誤差範囲 (±dB、あるいは %) をリストする、 不確かさについての表明を出す。 校正試験所の測定不確かさはトリクルダウン効果を持ち、 そのフィールド・プローブを用いる EMC 試験所の測定不確かさに影響する。

校正は２つの異なるバージョンで提供され得る：

1. 米国においては、NIST トレーサブルな校正は、 National Institute of Standards and Technology (NIST) 校正まで トレースすることのできる機器で行なわれた校正である。 他の国は、トレーサビリティのためのそれ自身の国家認定校正試験所 ――例えば、ドイツの PTB、英国の NPL―― を持つかも知れない。

2. ISO 17025 認定校正は、校正の最新の形態である。 それは、校正試験所が非常に高品質の標準を持つことを要求する。 適合のため、その試験所は、 米国における A2LA や NVLAP のような認定機関によって監査され、 認証書を保持しなければならない。 世界的に受け入れられるためには、その認証機関は、 試験報告書の相互承認を促進する相互承認協定 (MRA) を持たなければならない。 この校正は NIST トレーサブルでもある。

• 校正に使用される規格： IEEE 1309:1996
• IEC 試験で用いられる時のプローブの検証の手続きについて、 IEC 61000-4-3 への追加がレビュー中である。

感度／ダイナミック・レンジ ―― 感度は、プローブがそれだけ小さい RF 信号に正確に応答できるかを決定する。 RF プローブの感度は、低いフィールド強度を測定する時に特に重要である。 規定によっては、多くのプローブの感度よりも低く、 あるいはそのノイズ・フロアに非常に近いかも知れない、 1V/m、あるいはそれ以下のフィールド・レベルを定めている。 最も敏感なプローブは、数百 mV/m を正確に測定できる。

ダイナミック・レンジは、 プローブが応答する RF フィールド範囲全体である。 ダイナミック・レンジが大きければ、プローブは、 低フィールド強度から高フィールド強度までの全範囲にわたる試験用途への対応に、 より良く適する。 例： 0.5MHz〜6GHz に対して 0.5〜800V/m、 100kHz〜0.5MHz に対して 1.2〜800V/m。

直線性は、プローブのダイナミック・レンジにわたる、 理想的な応答からの偏差の尺度である。 直線性データは、RF プローブの応答は 印加されたフィールド強度の関数としてある程度変化するであろうことから、 与えられている。 この僅かな変動は、校正に際して用いられた以外のレベルでの試験の際に 考慮しなければならない追加の誤差成分をもたらす。 例えば、0.5〜800V/m のダイナミック・レンジにわたって、 ±0.5dB の変動に出会うかも知れない。

オーバーロード は、プローブに損傷が起こり得るフィールド・レベルを参照する。 たとえそれが切られているとしても、 プローブがある状態でこのフィールド強度を超えないように、常に注意すべきである。 オーバーロードは、最大のパルス・レベル、あるいは CW レベルとして規定され得る。 例： 1000 V/m CW。

Figure 2: 等方性応答

等方性は、 それがフィールド内で回転させられた時のプローブの応答の、理想からの偏差である。 この測定偏差は、通常は１つの周波数で、そして１つの回転面で検証されるが、 ある種の高度なプローブ校正は多くの周波数で行なわれる等方性応答測定による より拡張された校正を提供する。 Figure 2 は、クリティカルな角を中心に回転させた時の典型的な等方性応答を示す。 それぞれの軸に校正係数が適用されていれば、 得られる曲線は理想的な同心円に、あるいは完全な等方性に近づいたことだろう。 等方性という用語は、 プローブをそれぞれの方向に回転させて測定を行なうという印象を与える。 時間的な要因と校正のコストの問題から、これはそのようには行なわれない。 この望ましくない誤差成分は、物理的な設計への注意によって最小限とできる。 後述する球状プローブの最小の等方性誤差は、適例である。 例： 0.5MHz〜2GHz で ±0.5dB。

応答時間は、印加された RF フィールドにプローブが応答する時間である。 多くの CW の応用では、これは問題ではない。 だが、短い持続時間の信号を測る時には、応答時間は重要である。 一般に、より速い応答時間のプローブはより用途が広く、 短いドウェル・タイムを可能とすることによって総試験時間を短縮するかも知れない。 応答時間は、以下で述べるサンプル・レートと混同すべきでない。 例： 20ms。

サンプル・レートは、情報をプローブから取り出すことのできるレートである。 この時間要素は、プローブの応答時間に加わる。 上で述べたように、 プローブはフィールドを「測定」するために有限な時間 (応答時間) を要する。 プローブは、周期的にこの測定値を「調べて、報告」する (サンプル・レート)。 高いサンプル・レートは、RF フィールドの変化への素早い応答とともに、 短縮された総試験時間を可能とする。 例： 50 サンプル／秒。

プローブ・タイプは、通常はプローブのセンサの構成を参照する。 ほとんどの現代的なプローブは等方性である。 等方性 RF フィールド・プローブはフィールド・レベルの合計を測定し、 フィールドの偏波に影響されない。 これは、互いに直交して配置された３つの異なるセンサからの測定値を 合算することによって達成される。 一部の古いプローブは１つのセンサだけを用い、 従って、一度に１つの偏波のフィールドを測定する (非等方性)。 プローブは、さらにそのプローブが応答する電磁界の成分 ――電界と磁界―― によっても分けられる。

センサー・タイプは、 RF フィールドに応答して測定値を与える、プローブの「作用部」である。 今日のほとんどのプローブは、ダイオード型センサを用いる。 ダイオードは、大きなダイナミック・レンジとともに、素晴らしい感度を持つ。 もう１つのタイプのセンサは、熱電対型センサである。 ダイオード型センサと異なり、熱電対型センサは低い感度と狭いダイナミック・レンジを持つが、 その範囲全体でフィールドの真の RMS レベルを測定できるというユニークな特性を持つ。 真の RMS レベルの測定は、既知のパラメータの変調信号の測定のために有用である。 非常に新しく、依然として発展中の、第３のタイプのセンサは、 電気光学式センサ、あるいはレーザー式センサである。 レーザ式センサは、後述のレーザ給電式プローブと混同すべきではない。 その人気のため、 今日のほとんどの RF フィールド・プローブはダイオード型センサを用いる。

温度安定性は、動作周波数範囲にわたるプローブの読みの、 温度の関数としての偏差である。 ほとんどのプローブは、 校正時と異なる温度で使用される時に補正式の適用を必要とする。 例： 動作温度範囲にわたって ±0.5dB。

制御は、プローブとの通信に用いる方法を参照する。 光ファイバー制御は、EMC 試験のために利用できる唯一の実用的な選択である。 光ファイバー・ケーブルは非金属であり、 従って、放射イミュニティ試験セットアップと干渉しないであろう。 さらに、それらは RF フィールドによって誘起される電圧／電流からのデータ汚染に影響されない。

プローブから返されるデータ ―― これはプローブによって得られる情報である。 現在、２つの基本的な方法が用いられている。 最初の、最も複雑な方法は、３つの軸全ての読みの合成とともに、 それぞれの軸から別々にデータを返す。 第２の、より単純な方法は、３つの軸の合成された読みのみを返す。 ほとんどの場合、合成された読みのみが必要である。 その応用がフィールドの偏波の同定を必要とするならば、 個々の軸からの読みを解析できるプローブが必要である。 Ford の ES-XW7T01A278-AC 放射イミュニティのバンド 6、及び 7 のような規格や、 モード同調式リバブレーション・チャンバー試験は、実際上、 個々の軸の読みを取り込めるプローブを必須とする。

電源要求は、プローブへの給電に用いられる手段を参照する。 現在、２つのバージョンが使用可能である： バッテリー電源、及びレーザー給電。 金属の電源コードはフィールド均一性に悪影響を及ぼし、 RF フィールドによってその電源コードに誘起されるエネルギーは フィールド測定に誤差を引き起こすであろうことから、 使用中にプローブを AC から直接給電することはできない。

• バッテリー電源プローブは、 プローブのハウジング内にバッテリーを内蔵する。 バッテリー電源式プローブは実用的な選択であり続けているが、 そのトレード・オフは信頼性である。 充電式バッテリーが最も良く用いられており、 偶発的な故障とともに限定的な充電寿命に悩まされる。 プローブ・ベンダの一部は バッテリー交換と再校正のためにプローブが工場に戻されることを求め、 単純なバッテリー故障がイミュニティ試験システムを完全に停止させ得る。

• レーザ給電式プローブは、 充電式バッテリーで発生する信頼性の問題に対処するために設計された。 高出力レーザー・ドライバが、 通信のために用いられるものと同じ光ファイバー・ケーブルを通して、 赤外線 (IR) エネルギーをプローブに送る。 プローブ内の変換器が、プローブに給電するために、その IR を電力に変換する。 電力のために充電式バッテリーに頼るプローブと異なり、 レーザー給電式プローブは無制限に動作を続けることができ、 これは信頼性と生産性の大きな改善となる。

  高出力レーザーを内蔵する製品を使用する際には、 レーザー安全を考慮しなければならない。 欧州連合などの、一部の市場は、 レーザーに基づく製品が販売される前に国際規格に適合することを要求する。 低出力のクラス1レーザー製品は容易に市場に出すことができるものの、 RF フィールド・プローブで用いられている高出力のクラス4レーザーは、 ユーザーをレーザー障害から保護するために相当の安全方策を必要とする。

Figure 3: 様々なプローブ構成

構成／寸法／重量は、 プローブを特定の応用に合わせる際には非常に重要な考慮事項である。 一般に、３つの異なるプローブ構成から選ぶことができる。 今は、ありふれた軸付き (stalk) のプローブとキューブ型のプローブに加えて、 新しい、最近現れた、球状プローブの構成を選択することができる。 (Figure 3 参照)。 一部の応用は、より大きなプローブは単に使用できない、 TEM セル、ストリップライン、トライ・プレート、GTEM、 あるいは小型エンクロージャの内部のような小さい領域に収めるために、 小型のプローブを必要とする。 RF プローブ自身がそれが測定しようとしている RF フィールドへの悪影響を持ち、 一般に、より小さいプローブによる RF フィールドの歪みはより小さいであろうから、 これは寸法だけの問題ではない。

• 軸付きのプローブは、 反射性の電子ハウジングを RF センサーから軸によって分離する。 電子ハウジングをセンサから離すことは、プローブの性能を向上させる。 RF フィールド測定への影響を最小限とするため、 そのハウジングはできる限り小さく作られる。 軸付きのプローブは非常に良いアプローチであるものの、 軸の使用の結果としての総体的な物理的寸法は、 より小さいプローブを必要とする応用での使用を不可能にする。

• キューブ型プローブは、 電子回路を等方性 RF センサーのあいだに配置する。 これは、ある種の応用のためには大きすぎるかも知れない、 比較的大きな軸付きプローブの寸法の問題を解決する。 キューブ型プローブには様々な寸法のものがある。 一般に、より小さいプローブは RF フィールドへの影響がより小さく、 向上した性能をもたらすので、より小さいものはより良い。

• 球形プローブは、 RF フィールドへの影響が本質的に小さい、小型の球に電子回路を収めることで、 キューブ型プローブを改善する。 さらに、プローブの向きをその読みにあまり、 あるいは全く影響しなくさせることを妨げる平坦なプローブの表面がないため、 その最小のフィールド歪みは位置に依存しない。 その結果は、球形プローブは、 他のプローブ構成よりも平坦な周波数応答と等方性応答をもたらすというものである。

ユーザー・インターフェース ―― RF フィールド・プローブのインターフェースには数個の選択肢しかない。 フィールド・モニタを手動操作モードで使用し、 フィールド・モニタをバイパスしてコンピュータに直接接続し、 あるいは最大の汎用性のため、 フィールド・モニタを手動と自動試験の双方を達成するシステム構成で使用できる。

フィールド・モニタ・アプローチは、 手動と自動操作の双方を可能とするため、最も汎用的である。 多くの試験は最終的には自動的に行なわれるであろうが、 手動での操作の能力は、試験を最初にセットアップする時、 そしてシステムの不調の時に非常に有用である。 手動モードは、システム・ソフトウェアがカバーしない、 あるいは疑わしい周波数を調べるためにシステムを再構成する代わりに 手早いスポット・チェックだけを行なうことが都合が良い時の、 臨時の独特な試験も可能とする。 そのシステム・ソフトウェアは、 より多くのインターフェース・オプションの提供とともに 完全な柔軟性を提供する RF モニタともインターフェースできる。

RF 試験の完全な自動化が意図されている時、 RF フィールド・プローブは多くのインターフェースのうちの１つを介して コンピュータに直接接続できる。 ほとんどのバッテリー電源式プローブは小型の光ファイバー - RS-232C アダプタを用いるが、 より新しいレーザー給電式プローブは、GPIB (IEEE-488)、USB、RS-232C、 そして光ファイバー・シリアルを含む様々なコンピュータ・インターフェースを提供する。 このアプローチは、通常は、プローブ製造業者や サード・パーティのソフトウェア・ベンダが供給したフィールド・モニタ・ソフトウェア、 あるいはユーザーが作成したカスタムのソフトウェアを必要とする。

いずれの場合も、モニタとソフトウェアは、ユーザー・フレンドリーであり、 直感的に使用できる必要がある。

Jason Smith Graduated with a BS from University of Delaware in 1997 majoring in Engineering Technology. After college he started working for Candes Systems Inc. in Harleysville, PA USA as a computer specialist for TEMPEST computer systems. Promoted to a test engineer position with their sister company Radiation Sciences Inc. and quickly became the EMC Lab manager of their independent EMC test house. He moved on to work for Omega Engineering Inc. as their EMC lab Manager for their Commercial EMC test lab, Analab Llc. Overall Jason has 7 years of EMC testing experience with military, avionics, commercial, medical, telecom, and automotive testing.
Jason joined AR RF/Microwave Instrumentation in February 2004, current position is the Supervisor Application Engineering. In this position Jason is product applications support to customers, technical training, technical writing, and provides guidance for product development for AR RF/Microwave Instrumentation's full range of products.
AR RF/Microwave Instrumentation
160 School House Road, Souderton, PA 18964-9990, USA

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: 2008-02-11