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エミッション基準発生源 (ERS)

by David Mawdsley, Laplace Instruments Ltd

翻訳: T.Sato

ERS は、非常に安定で完全に定義された、精密に既知なエミッションの発生源である。 それは「ベスト・プラクティス」に従って校正され、NPL にトレーサブルである。

いつ使うのか？

もし適合もしくは予備適合の目的で 何らかの製品 (EUT) からの放射エミッションを測定しているならば、 ERS は価値のある財産となる。

なぜそれが必要か？

放射エミッションに関係するほとんどの EMC 規格は、 エミッションを測定するテスト・サイトとして OATS (OATS = 開放型テスト・サイト) を規定する。 これは、RF 信号はどのような金属面でも反射し、 多くの他の種類の素材に影響されるためである。 テスト・エリアの周囲を歩いて、人体が結果にどれほど影響するかを見て欲しい！ 特に、テスト・エリアの近傍のいかなる金属も、サイトの挙動に影響し得る。 従って、テスト・サイトの位置と独立に測定の再現性を確かとする唯一の方法は、 RF 伝搬に影響し得るものが何もないエリアを使うことである。

もしそのようなサイトを持っていれば素晴らしいことで、それが校正されているならばさらに良い。 明らかに、全ての試験所はそのようなサイトを持つだろうが、 製造業者やその他の者は、単にそのような施設を用意する 資源、あるいはスペース、あるいは予算を持たない。

規格は限度を規定し、その限度は EUT エミッションが規格に従って測定されることを、 すなわち OATS で測定されることを仮定する。 あなたが使用しているスペースが OATS でないならば、確信できる唯一のことは、 あなたが得た測定結果は真の OATS で得られたものと一致しないであろうということである。

問題の範囲は？

鍵となるのは反射である。 何が実際に起きるのかを理解するために、単純な事例を示そう。

最良の OATS においてさえも、通常は地面は存在する (もしそうでなければ、我々は長いあいだ落ちることになるだろう！)。 地面は RF を反射するだろう。 反射の量は地面の反射係数に依存し、これは地面の特性によって変化し、 気候や天候条件によっても変わるかも知れない。 これは、「直接」の経路を伝搬するものと、 地面を介した「観光ルート」を伝搬するものの少なくとも2つの信号が、 常にアンテナに到達するであろうことを意味する。

これらの2つの信号は、同一の発生源からのものであるため、コヒーレントである。 これは、それらが互いに干渉を起こすであろうことを意味する。

これが起こる程度は、それらの位相関係に、そして振幅の関係に依存するであろう。 もし信号が同相であれば、その干渉は建設的なものとなるであろう (すなわち、それらはより強い信号を作るように互いに加算される)。 それらが逆相であれば、その干渉は信号を弱めるような破壊的なものとなるであろう。

この位相関係は2つの信号の経路長の差に依存するであろう。 もし反射信号が半波長分だけ長く伝搬するならば、 2つの信号の位相は 180°ずれ、互いに相殺するであろう。

経路長は単純な三角法を用いて計算できる:

Pd = 直接経路 = (D2 + (Ha − He)2)
そして
Pr = 反射経路 = (D2 + (Ha + He)2)

ここで、D は試験距離、He は EUT の高さ、Ha はアンテナの高さである。

経路長差は Pr − Pd である。

これらの式を Excel に入力して因数を変化させてみるのは比較的単純な作業である。

D = 3m、EUT 高さ = 0.8m (規格で要求されるように)、そしてアンテナ高さ = 1m については、 経路長差は 0.492m で、これは 304MHz の半波長である。

従って、304MHz にエミッションがあるならば、 それは「消失」する (反射信号はより長く伝搬し、従って直接信号ほど強くなく、 従って相殺は 100% ではないという事実のため、実際には 17dB 程度低下する) であろう。

これは明らかに問題である。 それは次のことを規定する規格の要求を説明する:

  1. 反射性の (金属の) グランド・プレーンを用いるべきである (これはサイト間の再現性を確かとする)。
  2. アンテナは、それぞれのエミッション周波数に対する最大値を探すように 「高さ掃引」すべきである。 この点で2つの信号が同相となる筈で、そのレベルは 自由空間での (すなわち反射信号のない) レベルよりも 5dB 程度高くなるであろう。 その限度はこの増加分を考慮に入れている。 これは、もし FAC (全無響室) を用いるならば、 反射の欠如を考慮に入れるために限度を 5dB 下げる必要があることを意味する。

Excel 用のユーティリティの1つは、http://www.laplace.co.uk/downloads/3/ から入手できる。

「RF Field Simulator」を選択する。 Unzip し、RFMEAS.xls を開く。 これは高さ掃引の影響を図式的に示し、また試験距離の変化の影響も示す。 EMCROOMS.doc はその .xls ファイルの説明を与える。

ここで、明らかとなっている2つの問題がある。

「完璧」なサイトを持っているとしても、 高さ掃引を行なわなかったならば極めて大きな誤差を生じる。 この高さ掃引の要求は 1m から 4m の範囲をカバーする。 この「誤差」は1つの反射のみに関係する。 建物の構造材、机、書類棚、ラジエータなどに避けようもなく囲まれた建物の中で 何が起こり得るかを想像して欲しい。 駐車場でさえも、自動車、金属のフェンス、そして近隣の建物があるかも知れない。

これらの問題は計測の複雑さや精度とは無関係に当て嵌まることに注意！ 明らかに、放射エミッションの正確な測定は、 典型的な「予備適合」テスト・サイトでの問題となる。

ERS はどのように助けとなるか

ERS は、CISPR 16 で述べられた厳格なテクニックを用いて完璧なサイト (NPL) で測定された、 3m の位置で精密に既知のレベルのエミッションを発生するので、 これを我々のテスト・サイトに関係する「誤差」を測定するために用いることができる。

例えば、製品からの 304MHz のエミッションがあり、それが 38dBμV/m と測定されたとしよう。 これは、3m の試験距離で 47dBμV/m という、 EN 55022 Class B の限度に充分に入っている。 従って、我々のエミッションはどうやら限度よりも 9dB 低いようである。 だが、製品があったのと正確に同じ位置に ERS が置かれるように注意しながら製品を ERS に置き換え、 今度は ERS からの 304MHz 出力を測定することができる。 そのレベルが 56dBuV/m と測定されたと仮定しよう。 その ERS の校正データを確認すると、 その 304MHz のピークは 68dBuV/m となるべきことが示されている。 従って、そのテスト・サイトにおいて、この周波数においては、 EUT の位置の任意の RF 信号源は 12dB 低く測定されるようである。 従って、304MHz での EUT エミッションも 12dB 低く測定されている筈であり、 この場合は実際の測定値は 38 + 12 = 50dBuV/m となる筈で、これは限度を超える。

このシナリオは全く典型的なものである。 ERS の使用は、ほとんどの典型的な非適合サイト、特に屋内のサイトにおいては、 −16dB から +8dB の範囲の誤差はありふれていることを示す。

それはどのように使えるか

ERS を用いて行なうことのできる2つの戦略がある。

  1. 上で述べたような手作業のテクニック。 これは通常は最も正確で、EUT が大きい、かつ/もしくは それに接続されたケーブルを持つ場合に生じ得る著しい問題を避けることができる。 ERS の位置を EUT からのエミッションの発生源の位置と一致させることが 重要であることがわかる。 従って、「実際」の発生源の位置を見つけるために 近傍界プローブを用いるのは良いプラクティスである。 これは、EUT 自身ではなく、それに接続されたケーブルであるかも知れない。 ケーブルは素晴らしい送信アンテナとなるので、 EUT からの見掛け上の信号「漏洩」がかなり小さいものであったとしても、 ケーブルが丁度好ましくない長さ (1/4 波長) であれば強く放射するであろう。

  2. アナライザと連携する後処理用ソフトウェアに適切な機能があれば、 このプロセスは自動化できる。 EUT の測定に先立って、EUT を置く予定の位置に ERS が置かれる。 最初は ERS のスイッチを切って、次にスイッチを入れて、 全周波数範囲の掃引が行なわれる。 任意の顕著な周囲雑音をキャンセルするために 周囲雑音キャンセル・テクニックを使用できるかも知れない。 ERS のエミッションは正確に 2MHz の間隔となっているので、 掃引は、伝統的な掃引ではなく 2MHz 毎のステップで行なうようにもできるだろう。 RBW が 120kHz (CISPR 16) であれば、 このテクニックは掃引を遥かに早くするだけではなく、 ERS のそれぞれのピークのあいだの不要な 1880kHz を無視し、 従って見掛け上の S/N 比を劇的に改善する。 掃引の後、ソフトウェアはその結果を その ERS に対する事前にロードされた校正データと比較できる。 その差が、EUT から受信された結果に対して適用できる「サイト補正係数」となるだろう。 これは、掃引が行なわれると適用されるように完全に自動化できるだろう。 この係数は、発生源が ERS の位置の近くに位置するエミッションに対してのみ 適切であることに注意されたい。 これは、その係数は他の箇所からのエミッション (周囲雑音を含む) に対しては適切ではないことを意味する。 従って、(周囲雑音を差し引いた) 「差」のトレースに対してのみ この係数を適用することが重要である。 Laplace のシステムにはこの機能全てが組み込まれ、 従って測定の精度を顕著に向上させる手段を与えるであろう。

放射エミッション試験の現在のテクニックはテスト・サイトに強く依存することが明らかとなった。 テスト・サイトは計測器よりも遥かに大きな誤差をもたらし得る (そして、そうなるであろう)。

ERS は、この測定の、完全にエンド・トゥー・エンドの検証の手段を与える。 それはテスト・サイトの影響を含むだけではなく、次のような他の要因全てを含む：

ERS を用いる時の基本的な要求のひとつは、 それが使われた後は、サイトが安定していなければならないということである。 いかなる変化も補正を無効とするであろう。 ひとつの利点は高さ掃引の要求は無視できるということであるが、 ひとたび校正が行なわれたならば、アンテナ高さを変更してはならない。

このテクニックの限界

ERS を用いた場合でも、サイトをできる限り「開けた」ものとすることが必要である。 その空間がより囲い込まれたものとなるほど、発生源の位置はよりクリティカルになる。 特に、

実際の例

駐車場に 3m テスト・サイトが設けられた。 典型的な反射状況の影響を確認するために、移動式反射デバイス (Volvo XC70) が用いられた。

EUT は、垂直に垂らされた 0.8m のワイヤ (電源コードを模擬する) が接続された CMOS 発振器であった。

「正式」なグランド・プレーンは使用されなかった。

最初の試験は、反射デバイスを「近く」に置いて行なわれた。

EUT のスイッチを切った状態で、 周囲雑音の不安定性の影響を低減するための平均化テクニックを用いて、 周囲雑音が最初に測定された。 この結果が保存された後、EUT のスイッチが入れられ、掃引が再び行なわれた。

50MHz、70MHz、そしておそらくは 90MHz に、EUT のエミッションを見ることができる。 110MHz にもピークが見えるが、これは限度よりも充分に低い。


Scan A1: 初期掃引

可能性のある 90MHz のピークは既存の FM 周波数に近く、 従ってこれを確認するために、該当する周波数をより詳細に見るために掃引がズームされた。

差のトレースも出されている。 これは 50MHz と 70MHz のピークをハイライトし、 90MHz のエミッションと 93〜96MHz の範囲のいくつかのエミッションも示す。 後者は強い FM 放送信号と並んでおり、FM は、その定義上、変動する信号である。


Scan B1: ズームされた掃引; 30〜100MHz

90MHz の信号が実際に EUT からのものであることを確認するため、 この周波数をモニタするために単一周波数モードが用いられ、 EUT の電源のオフとオンが行なわれた。

単一周波数モードはひとつの周波数の時間に対するレベルをプロットし、 見て取ることができるように、水平のタイムベースは現在の時間を示す。

その結果は明白である！

おおよそ 11:17:15 から 11:17:32 のあいだ (17秒)、発生源のスイッチは切られていた。


90MHz での単一周波数プロット

次のステップは、EUT を ERS で置き換えることであった。 ERS をどこに配置すべきかを判断する必要がある。 最大エミッションの 90MHz の周波数においては、 波長はおおよそ 3.4m であり、1/4 波長は 85cm である。 これは、EUT から延びている長さ 80cm のワイヤと良く対応する。 従って、そのワイヤがエミッションの発生源であることは明らかである。

従って、下の写真に示されているように、ERS を「重心」の位置に置くことにする。

関心のある周波数範囲 (30MHz〜100MHz) が ERS のスイッチを入れて掃引された。

2MHz 毎のピークがはっきりと見え、該当する周波数での振幅の測定は単純な作業である。


ERS results A

その後、全測定プロセスが「反射デバイス」を遠くに離して繰り返された。

再び3つのピークが観察され、測定できた。


Scan B2: A1 と同様だが、反射物を離した

ERS を用いての測定も繰り返された。


ERS results B

そして、最後に、その結果が表にされた。

上の結果は、ERS がテスト・サイトの影響の補正において完全に効果的であることを示す。 「EUT」というラベルの付けられた欄は試験のあいだで大きな変動を示すが、 ERS 補正が行なわれた後ではその結果は全て 2dB 以内にある。

まとめ

このやや「アド・ホック」な試験は次のことを示す:

その EUT の独立した試験が 90MHz において限度に非常に近いことを既に示しており、 これが上の試験が示したものである。

ERS は比較的小さい投資であるが、任意の測定に寄与させられる、 信頼のレベルに対するその効果は劇的である。 ERS はテスト・サイトに伴う影響に対抗するために設計されたものの、 サイト、アンテナ、ケーブル、プリアンプ、そしてアナライザ/レシーバを含む 全測定システムの動作と校正の確認と検査にも使用できる。

鍵となるメッセージは、計測の複雑さや「品質」と無関係に、 上の全てが当て嵌まることである。

Copyright (C) 2010 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: 2010-08-14