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信頼できる EMC 試験は成功を約束する

by Volker Janssen & Karl-Heinz Weidner, Rohde & Schwarz GmbH & Co. KG

翻訳: T.Sato

欧州の法律は、EMC 指令への適合を示すために、 電子製品に目に見えるように CE マークを表示することを要求する。 このマークは包括的な試験規定によって後押しされ、 これは国際的に有効な CISPR 規格に基づいている。 中国においては、CCC マークは国家 EMC 要求 (GB/T 規格) への適合を示し、 これは国際規格や欧州規格への参照を含む。 国際試験規定の整合化の拡大は、試験機器と環境に対する一律な要求とともに、 より一様に述べられた試験方法をもたらす。 これは、試験結果を世界のどこでも一貫して再現し、文書化できることを意味する。

だが、存在する法的要求は、相当の試験の労力を要求する。 従って、時間のかかる、コストを要するやり直しを必要としない 正確な EMC 試験を行なえることが、極めて重要である。 最新の技術水準の EMC 試験機器は、 簡単なプレビュー測定から自己証明までの、様々な解決を提供する。 どの機器に購入の価値があり、どれがそうではないだろうか？ 特定の種類の機器に対する測定限界はどこにあるのだろうか？ この記事は、正しい T&M 機器をユーザーが選択することを助けられる、 最も重要な基準について述べる。 読者は、EMC 試験サービス提供者を使うべきかどうか、またいつそうすべきかとともに、 どの基準と考察が測定戦略の規定を助けられるかを学ぶであろう。

外注での試験が効果的な選択肢となり得る

製品の EMC 証明を完全にインハウスで完了させるべきか、 それとも試験所の専門家にまかせるべきだろうか？ この質問に対する回答は、測定の複雑さ、あなたの投資、測定されるアイテムの数、 そして勿論製品自身の特性を含む、いくつかのパラメータに依存する。

経験は、EMC 要求を早期から考慮し、 開発フェーズを通じてその要求に対する適合性をモニタし始めることは、 割に合うものであることを示している。 これは完成した製品の証明を容易にし、高価なものとなる製品の修正を防止する。

だが、これはインハウス EMC 試験所、 あるいは外部の EMC 試験サービス提供者のサポートのもとでのみ可能である。

この種の測定を行なうことがしばしば必要となる中小の企業にとっては特に、 双方の選択肢が高価過ぎるものとなり得る。 必要な試験システムの費用見積りは、どの試験をインハウスで行なえ、 あるいは外部の試験所に相談する必要があるかを決定できるようにするだろう。

証明の準備に際して開発ラボでの EMC 測定を可能とする プリコンプライアンス用レシーバ、及び／もしくはアナライザは、 費用効果の良い代替手段を提供する。

最も単純で最も確実な道筋は、 EMC 試験サービス提供者の専門家に全てを委ねることのままである。 プレビュー測定なしでは、製品が最初の挑戦で EMC 試験に合格する可能性は低いので、 試験される製品の種類とその製品のために最も適当な試験方法に基づいて 予期される試験時間と費用を決定し、 これらを初期計画に含めることが賢明である。 EMC 試験を、そして必要な製品の変更を繰り返すことは、 すぐに製品開発スケジュールを超過させ得る。 それに伴う開発コストの増加によって、 あるいは競合製品が先に市場に出る可能性によって、 製品のマーケット・ポテンシャルは著しく低下し得る。

しばしば行なわれる妥協は、 あまりコストを要さず時間を要する測定を行なうためのインハウスの試験所を設けるが、 時間集約的で高価な測定の業務をサービス提供者に外注することである。 これは特に、妨害電界強度測定、電波暗室 (SAR/FAR) 測定、 そしてオープン・エリア・テスト・サイト (OATS) 測定を含む。

必要となるかも知れない任意の EMC 抑制手段は サービス提供者で直接行なうことができ、測定の繰り返しを不要とする。

開発フェーズ中の診断試験の目的は、 製品の基本的な EMC 特性の当たりを付け、問題を早期に認識することである。 一方、プリコンプライアンス測定では、その結果はしばしば対応する限度値と比較される。 そのゴールは、CE 証明を最初の挑戦で達成することに目を向けて、 規定された限度値の堅持を確かとすることである。

プリコンプライアンス測定の結果を信頼するためには、 使用する試験機器はいくつかの最小限の要求に適合しなければならない。 これらの最小限の要求に適合しない基本デバイスは、 意味のない、あるいは信頼できない結果を返すであろう。

試験機器の選択のための重要な基準

以下は、適切な試験機器の選択の主要な基準である:

  1. パルスの重み付けに際しての動特性
  2. 選択度、プリセレクタ
  3. 感度、雑音指数、プリアンプ
  4. 測定帯域幅
  5. 重み付け検波器
  6. 自動オーバーロード表示、オートレンジ

他の重要な点は、素早い周波数設定、低い固有雑音、 RF 入力の良好なリターン・ロス、結果の包括的な記録、 IEC/IEEE 及び/もしくは LAN インターフェースを介した遠隔制御、 そして明確で単純な操作概念である。

試験機器の特性は DUT の放射性エミッションの規格に従った記録のための主要な基準であるが、 妨害電圧、妨害電力、あるいは放射性妨害の測定に際しての 規格の完全な堅持を確かとするためには、 他のいくつかの要因も考慮しなければならない。 これは以下のものを含む:

正しい判断を行なう： スペクトラム・アナライザ、あるいは測定用受信器

Figure 1: 単純なヘトロダイン受信器のブロック図

規格に従った放射性エミッション測定は全て、測定用受信器、あるいは ある程度まではプリセレクタを備えたスペクトラム・アナライザを必要とする。 測定用受信器の基本的な機能は、周波数 (選択された) に基づいて 干渉のレベルを記録し、正しく測ることである。

規格に従わないプリコンプライアンス測定は、 EMC 対応スペクトラム・アナライザを用いて、 手早く、また非常に適切に行なうことができる。 これらの試験デバイスに対する要求は、最大ダイナミック・レンジ、 広帯域オーバーロードに対する保護としてのプリセレクタ、 CISPR 16-1-1 の要求に従った検波器を用いた重み付け、 そして選択可能な −6dB CISPR 帯域幅を含む。

最初、DUT の妨害信号の挙動はほとんど不明であろう。 規定されたレベルを超えない限り、 正弦波干渉源 (狭帯域特性を持つ妨害信号) として振る舞う DUT は、 スペクトラム・アナライザか測定用受信器を用いて正確に試験できる。 だが、1次高調波で妨害を発生する信号は、その基本周波数の高調波でも送信し得る。 それらは、計測器の、通常は数 GHz までの周波数範囲のために設計された 広帯域変換入力に達する。

マイクロ秒レンジのパルスはその高エネルギーのスペクトラムを数 MHz にわたって、 ナノ秒レンジのパルスは数 GHz にわたって分布させる。 この単純な例は、 試験機器の入力における総電力、あるいはエネルギーが極めて重要であり、 従って試験と測定のためのいくつかの重要な基準の基礎を形成することを示す。

耐パルス・アッテネータ

RF 入力のすぐ後で、スペクトラムはまず、 エミッション測定のためには特に耐パルス性となるように設計されているべき アッテネータに入る (Figure 1 参照)。 標準的な試験機器は、最大許容パルス・エネルギーとして 1mWs の特性値を与える。 1 mWs の電力定格の入力は、例えば外付けのパルス・リミッタで保護できる。 外付けのリミッタの減衰量、及び／もしくは周波数応答には、 補正表を用いてソフトウェア／ファームウェアで対処できる。 測定用受信器は、10 mWs やそれ以上の電力定格のアッテネータを用いる。

1 dB コンプレッション・ポイント

プリセレクタと関係する重要な規定は、 入力ミキサ・ステージの 1 dB コンプレッション・ポイントである: デバイスを損傷させず、また何もコンプレッションを引き起こさない、 RF アッテネーション 0 dB で許容される最大値はどれだけか？ プリコンプライアンス・デバイスについては、 この値は 97 dBμV (−10 dBm) 程度であるが、 コンプライアンス・デバイスについては標準的な値は 107 dBμV 以上、 例えば 112 dBμV である。

プリセレクタ

Figure 2: 測定用受信器のプリセレクタの例

一般の測定では、100 MHz に達する信号帯域幅は稀である。 一方、EMI/RFI 測定においては、数百 MHz の帯域にわたる広帯域干渉が生じ得る。 プリセレクタを持たないプリコンプライアンス試験機機は、 しばしば限られたダイナミック・レンジを持ち、入力段がオーバーロードするであろう。 プリセレクタは、スペクトラムの一部のみが 変換のためにミキサに送られることを確かとすることを助ける。 低い周波数範囲のフィルタは、固定のフィルタ帯域を持つ。 高い周波数においては、フィルタ帯域をトラッキングさせるものがあり、 1 GHz 以上ではイットリウム・鉄・ガーネット (YIG) フィルタが使用可能である。

多くのスペクトラム・アナライザは ソフトウェアの拡張やプリセレクタのオプションも持ち、これは常に推奨される。

測定用受信器では、組み込みのプリセレクタが標準である。

プリアンプ

プリセレクタと共に、ミキサ・ステージの前の 低雑音プリアンプを用いることがグッド・プラクティスである。 信号レベルが高い場合にはゲインの分だけダイナミック・レンジが低下するので、 プリアンプはオンとオフ (バイパス) を選択できるべきである。 低い信号レベルが予期されるならば、 それは固有雑音を 5dB から 10dB 程度下げ、より良い信号対雑音比 (S/N) を、 従って測定でのより高い振幅精度をもたらすので、 プリアンプの恩恵を受けることが賢明である。 常にアクティブなプリアンプを用いる試験機器は、 低下したダイナミック・レンジのために非常に速やかにオーバーロードするだろう。

オーバーロード／オーバーレンジ

スペクトラム・アナライザを用いた周波数サイクルのあいだに ひとたびオーバーロードが生じると、それ以降の読みは無効となる。 従って、表示器に内部オーバーロード・ディテクタを接続し、 自動 RF 減衰率カップリング、 及び調整 (オートレンジ) を用いた補正を与えることが重要である。 測定用受信器においては、オーバーロードが生じていないかどうかを、 そして使用可能なダイナミック／測定レンジの調整を行なわなければならないかどうかを 判断するために、それぞれの周波数ステップの後でそれぞれの周波数が確認される。 その後に、有効な読みが表示される。 この確認と調整には数マイクロ秒しか要さないものの、 スペクトラム・アナライザで行なわれる掃引測定と比較して 受信器の総試験速度を低下させる。

だが、良く忘れられていることは、 スペクトラム・アナライザはトレースの表示のために ディスプレイのピクセル数に基づいた 500程度の読みのみを用いることである。 帯域幅と関係するそのステップ幅のため、 測定用受信器は全スペクトラムを走査し、数千の読みを得て記録する。 現代的なスペクトラム・アナライザでは、 掃引ポイントを 30,000まで柔軟に設定することが可能である。 一方、測定用受信器は、百万の試験ポイントまでを測定して記録できる。 具体的に、これは 30MHz から 1GHz までの範囲の妨害、 120kHz の測定帯域幅、そして 60kHz のステップ幅について、 測定用受信器とスペクトラム・アナライザの双方が その後の分析のためにメモリに 16,000以上の読みを記録できることを意味する。 一方、CISPR 25 自動車向け測定のためには、 同じ 30MHz から 1GHz までの範囲の妨害、9kHz の測定帯域幅、 そして 4kHz のステップ幅で、約 250,000の読みが必要となる； スペクトラム・アナライザはこの測定に対応できないが、 測定用受信器は可能である。

測定／分解能帯域幅

放射性エミッション測定の一部としてのパルス測定のために標準化された測定帯域幅は、 もっぱらパルス帯域幅 (ほぼ −6dB 帯域幅) と考えられる。 商用の規格については、測定帯域幅は 200Hz、9kHz、120kHz (民生試験規定、例えば CISPR、EN、FCC、VCCI など)、 そして 1MHz (パルス帯域幅); 軍用規格については、10Hz、100Hz、1kHz、10kHz、100kHz、そして 1MHz の 10倍毎の −6dB 帯域幅が適用される。

オーバーロード耐性とダイナミック・レンジについては エミッション測定に良く適している標準的なスペクトラム・アナライザでは、 これらの帯域幅は通常は −3dB 帯域幅として表示され、 パルス帯域幅とは考えられない。 先進的なスペクトラム・アナライザでは −6dB の選択も可能である。 測定用受信器は −6dB のみを用いる。

検波器と時定数

スペクトラム・アナライザは典型的には max peak、min peak、auto peak、 そして sample のような検波を備える。 先進的な計測器は、実効値 (RMS) や線形平均値 (AV) の検波器も含む。 純尖頭値検波器 (QP) と呼ばれる、妨害測定のための特別な検波器は、 しばしばオプションとして入手できる。 その使用は、ダイナミック・レンジ、入力のリニアリティ、 そして RF 段に特別な要求を課し、 多くのスペクトラム・アナライザはこれらの技術的要求に適合しない。

一方、測定用受信器は、この目的のために特に設計されている。 この特定の要求は、低いパルス繰り返し周波数のパルス列の小さい重み付け (孤立したパルスに対しては最大 40dB) が 100倍大きいダイナミック・レンジを必要とさせる、 パルス列の重み付け特性 (CISPR 16-1-1 で規定されている) から導かれる。 その周波数バンド (CISPR A から D) に基づいて、 準尖頭値検波に規定された充放電時定数が割り当てられる。 再現性のため、そして限度値との比較のため、 CISPR バンド全てに対する読みは常に同じ時定数と同じ測定帯域幅で記録される。 これは、QP 検波器での重み付け表示と、 機械式表示器の速度も時定数として含むパルス重み付けトレースを与える。

CISPR バンドは以下のように分割される:

CISPR A 9 kHz 〜 150 kHz
CISPR B 150 kHz 〜 30 MHz
CISPR C 30 MHz 〜 300 MHz
CISPR D 300 MHz 〜 1000 MHz
CISPR E 1 GHz 〜 18 GHz

Figure 3: CISPR B のピーク値表示に対する 様々な検波とパルス繰り返し周波数に対するレベル表示

Figure 4: CISPR 平均値検波による重み付けと線形平均値検波との比較

QP 検波器は、1GHz までの測定のために規定されている。 異なるパルス繰り返し周波数 (PRF) に対する重み付けは、 表示されるレベルが、低いパルス列で最も異なることを示す。

パルス繰り返し周波数が高くなると (例えば RPF > 10kHz)、 いずれの検波器で表示されるレベルも尖頭値検波器の値に近づく。

2007年9月に行なわれた、基本規格 CISPR 16-1-1 に対する重要な変更は、 既にほとんどの製品群規格に取り込まれている。 準尖頭値検波についてと同様、線形平均値検波は、 今は様々な CISPR バンドに対して規定された時定数を割り当てられている。 今は 9kHz から 18GHz の周波数範囲についてもそうである。 その検波器は、線形平均値検波と対比して、 CISPR 平均値検波 (CISPR AV) と呼ばれる。

これは低いパルス繰り返し周波数での値を高め、この新しい規格の結果として、 これは今は線形平均値検波器よりも高く評価される。 以前に狭帯域試験に合格した製品も、今は再評価に不合格となり得る。

今は、ラボでの単純な診断測定から完全な自己証明にわたる、 これらの技術的要求に対処する 伝導性と放射性のエミッション測定のための様々な解決策がある。 Rohde & Schwarz はこの用途のための T&M 機器製造で世界を主導する。

以下の章は、EMC 専門家向けの我々の測定用受信器の概要を示す。

全ての状況のためのソリューション: Rohde & Schwarz の EMC 試験機器

Figure 5: Rohde & Schwarz の EMI テスト・レシーバの周波数範囲

R&S(R) ESL: インハウス開発のための費用効果の良い EMI テスト・レシーバ

コストに敏感なユーザーは、R&S(R) ESL テスト・レシーバを用いて、 機種に依存して 3GHz か 6GHz までの 正確な EMC プリコンプライアンス及び診断測定を行なえる。 その価格帯での唯一の計測器として、このコンパクトなソリューションは CISPR 16-1-1 で規定された最新の重み付け検波器による 全自動 EMC 試験シーケンスを提供する。 様々な分析オプション、高い測定速度、そして時間を節約する自動試験ルーチンは、 R&S(R) ESL を EMC 証明試験に備える全ての開発ラボで歓迎されるものとする。 Rohde & Schwarz からの全ての EMC 測定用受信器と同様、 それはラボの様々な用途のための 完全な機能を持つスペクトラム・アナライザとしても使用できる。

R&S(R) ESPI: プリコンプライアンス・カテゴリでのベンチマーク

連携して発展したプラットホーム・コンセプトにより、R&S(R) ESPI 全モデルは R&S(R)FSP ファミリーのスペクトラム・アナライザの利点を提供する。 双方のモデルのテスト・レシーバ (3GHz と 7GHz) は、 中程度の価格帯で、高度な機能性、測定速度、そして精度を与える。 それらは全ての EMC 試験要求に合うように特に開発された。 R&S(R) ESPI 全機種は、プリセレクタとプリアンプのオプションとともに、 10Hz 以上のパルス繰り返し周波数 (PRF) の正確な EMI 適合試験を CISPR 16-1-1 に従って行なうダイナミック・レンジを持つ。 結果として、この計測器は 10Hz 以上 (PRF) の用途での証明のために使用できる。

R&S(R) ESCI: 9kHz から 3 / 7GHz (民生) までの規格適合エミッション測定

R&S(R) ESCI テスト・レシーバは、Rohde & Schwarz の最高ラインに属す、 フルコンプライアンス測定用受信器の証明済みのファミリーである。 それは、9kHz から 3GHz もしくは 7GHz までの周波数範囲で、 全ての民生規格のために CISPR 16-1-1 で定められた最も厳しい要求に適合する。 民生測定規定のためのフルコンプライアンス・テスト・レシーバの機能に加えて、 R&S(R) ESCI は重要なスペクトラム・アナライザの機能も提供し、 その計測器を全てのラボでの使用のためにさらに柔軟なものとする。

R&S(R) ESU: 民生と軍事の応用のためのハイエンド・モデル

オプションの時間ドメイン掃引 (FFT 法に基づく) により、 規格適合の R&S(R)ESU EMI テスト・レシーバ (20Hz から 8、26.5、40GHz) は、 測定速度に関して 1000倍以上他の市販の EMI テスト・レシーバを凌駕する。 その投資への見返りは並ぶものがなく、性能と機能に関して最高のものを提供する:

要約

その試験機器、試験セットアップ、そして試験の実施は 該当する規格に完全に従わなければならないので、 自己証明はインハウス T&M 機器のための投資を増やす。 電磁妨害の記録のための最も重要な計測器は、EMI テスト・レシーバである。 製品のガイドラインへの適合を示すのに適したものとなるために、 その計測器は、CISPR 16-1-1 基本規格で定義されたもののような、 所定の特性を与えなければならない。

Rohde & Schwarz は、EMC 試験機器のマーケット・リーダーとして、 EMI テスト・レシーバに関する能力の長い記録を持つ。 実証された性能により、Rohde & Schwarz の現行のモデルは、 対応する製品クラスでのベンチマークとして世界的に認識されている。 それらは、軽量で小型な設計を維持しながら、測定速度、ダイナミック・レンジ、 低い固有雑音、そして低い測定不確かさで無比である。

プリコンプライアンス試験とフルコンプライアンス試験の双方での、 素早く、かつ正確な測定は、ユーザーに彼らがまさに必要とするものを与える。 全試験シーケンスの始めでのプレビュー測定、データ処理、後処理、 ボタンを押すだけでの結果表示、そして組み込みのスペクトラム・アナライザ などの追加機能は、開発ラボで、そして製品の証明に際しての双方で、 ユーザーが測定タスクを実行することをさらに容易で便利なものとする。 従って、その投資は速やかに回収できる筈である。

Copyright (C) 2009 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: 2009-11-22