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by Martin Alexander and David Cheadle, National Physical Laboratory
翻訳: T.Sato
トレーサビリティという用語は、そのパラメータが、国家計量機関 (NMI)、 例えば UK の Teddington にある National Physical Laboratory (NPL) による そのパラメータの最も正確な実現にトレーサブルであることを暗示する。 トレーサビリティは測定の不確かさによって定量化される。 NMI は所定のパラメータについて最小の不確かさを達成する任務を持ち、 それは、他の校正試験所による、通常はやや高い不確かさでの校正の実施のために用いられる。 計算可能標準ダイポール・アンテナ (CRD) の所有は、 校正試験所が AF について国家標準と同じ最小の不確かさを達成することを可能とする。
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| Figure 1: 面積の 95% が ±5mm 以内で平坦な、NPL 60m × 30m グランド・プーレン |
CRD が校正を必要としないということは重要である: その代わりに、AF は、[2] で述べられるように、ダイポール・エレメントの寸法から計算される。 だが、アンテナが作られた時には、 製造、例えばダイポール・エレメントの同軸伝送線路への半田付けで 欠陥が生じていないことを確認するために、その性能のバリデーションが推奨される。 バリデーションは、同一のアンテナ2組のあいだの結合を測定し、 これを予測された結合と比較することによって行なわれる。 金属棒は必要な加工精度で容易に作ることができるので、 2組の同一のダイポール・エレメントを作ることは難しくない。 この結合はテスト・サイトで行なわれる放射測定によるものであるので、 この結合はサイト挿入損失 (SIL) と呼ばれる。 ダイポール・エレメントはバランを介して同軸ケーブルに接続される。 このバランの伝送損失の測定が必要である。 ダイポール・エレメントの片割れ2本は、絶縁性のハウジングで一直線に保持される; 選択された手法でその絶縁性のハウジングをモデル化することはできない。 ハウジングの材質と寸法はアンテナの試作中に決定される。 それらはダイポール・エレメントをしっかりと保持するために充分な大きさを持つが、 エレメントの予測された性能にあまり影響しないように開発された。 この達成のためには、 ハウジングは高い周波数の短いエレメントのためには小さくなければならない。
ダイポール・アンテナを計算可能とする大きな利点は、 あるアンテナ・ジオメトリ ――例えばグランド・プレーン上 2m の高さでの水平偏波―― で その設計を一度確認したならば、 任意の他の高さと自由空間について、その AF と SIL を予測できることである。 EMC 試験のためのジオメトリの背景は CISPR 16-1-4 [3] で与えられている。 計算可能アンテナの初期設計では、設計を完全にし、 測定された性能が予測された結果と必要な許容差の範囲内で一致することを確定するために 高性能テスト・サイトが必要であるが、設計が完了したならば、 そのアンテナの設計者や所有者はそのようなテスト・サイトをもはや必要としない。
CRD の原理と SIL の計算のための分析的方程式は IEC 規格 CISPR 16-1-5:2003 で与えられている。 これは、共振周波数 fres の両側の 少なくとも fres/2 の周波数で分析的方程式よりも正確な、 モーメント法 (例えば NEC [4][8]) を用いた CRD 性能の予測の詳細を含めるために更新されている [2]。 この計算を行なうフリーウェアが入手可能である [8]。
CRD は、標準アンテナ法 (SAM) によるアンテナの校正における標準アンテナとして用いられる、 高精度アンテナである。 CRD の使用は、9kHz から 18GHz の EMC アンテナの校正法を与える ドラフト IEC 規格 CISPR 16-1-6 [1] で述べられている。
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| Figure 2: ダイポール・エレメントのペアに給電するハイブリッド・カップラによるバラン |
良く設計されたバランは、測定システムの典型的には 50Ω のインピーダンスへの、 アンテナのインピーダンスの良い整合を与える。 アンテナ測定には受信アンテナと送信アンテナが関係し、従って常に SIL が測定される。 SIL を予測するもう1つの理由は、それをサイトのバリデーションに直接使用できることである。
CISPR 16-1-5 [2] が2組のダイポール・エレメントのあいだの SIL を予測する分析的公式は、 非常に細い共振ワイヤに対してのみ、非常に正確に適用できる。 共振ダイポール・エレメントは、通常はダイポールが自由空間環境中にある時に、 半波長よりもやや短い長さとゼロのリアクタンスを持つものと定義される。 その精度は、実用的なアンテナを作るために必要な太いワイヤについてはそれほど良くなく、 共振周波数以外の周波数ではかなり良くない。 だが、数値法 [4] は、太いワイヤと非常に広い帯域の性能を非常に正確に予測する。
エレメント・ハウジングの設計は SIL の予測値と測定値が目標の許容差内で一致するまで見直された。 ハウジングの大きさを波長に対してかなり小さくできる低い周波数でこれを達成することは容易である。 低い周波数での SIL の測定のためには、屋外の、建物や木から離れた、 高品質の大きい平坦なグランド・プーレンが必要となる; これは [2] で校正用テスト・サイトあるいはCALTS と呼ばれている。 信号源や受信器へのアンテナ・ケーブルをダイポール・エレメントに対して直角に保てれば、 誤差の潜在的な要因であるケーブルへの結合を最小限とできる。 これは、ダイポール・エレメントを水平偏波に取り付け、 ケーブルをアンテナの後ろに直角に引き、地面に向けて垂直に下ろすことで実現できる。
高い周波数では、エレメント・ハウジングはダイポール長に応じてできる限り小さく縮小すべきである。 もう1つの誤差要因は、マスト、そしてアンテナをマストに取り付けるアダプタを含む、 アンテナ支持構造からの反射である。 もし、細い非金属製マスト、例えばガラス繊維チューブ製のものが用いられるならば、 その反射は低い周波数では無視できるが、 マスト構造の寸法が波長に近くなる高い周波数では、 反射を最小限とするための他の手段を講じる必要がある。 例えば、ダイポール・エレメントはマストの垂直の部分よりも 1m 以上前に置くべきであり、 絶縁性のアダプタは最小の大きさとすべきである。 アダプタがダイポール・エレメントに近付き過ぎることを避けるため、 バランは、Figure 3、4、及び 6 に示すように、 エレメントをバラン回路を含む他の構造の充分に前に置く、 長いポールの形にすることができる。
伝統的な参照アンテナは、伸縮式のエレメントをそれぞれの周波数の共振周波数に調整する、 同調ダイポールであった。 その AF は単純な式で計算され、単純なバラン設計はおおよそ 0.5dB の損失を持つものと仮定され、 これには実現が容易であるという利点があった ([3] の A.3.2節を参照)。 同調ダイポールと共振ダイポールは、 同調という言葉が伸縮式のダイポール・エレメントを暗示する以外の点では同一である。 それぞれの周波数でのダイポールの同調には非常に時間を要し得る。 同調ダイポールの代替の1つは、[3] で示されている、 30MHz から 1000MHz の周波数での共振ダイポール長に固定された 24組のダイポールであるが、 その共振周波数での AF はかなりの精度で数値的に予測される。 AF の測定値と予測値の 0.15dB 以内での一致が達成されている [5][6]。 [6] のバラン損失は、それぞれのバランの損失を得るために、 2つのバランを向かい合わせに接続して伝送損失を得ることで測定された。 これはそれらのバランが目標の許容差内で同一であることを仮定しており、 0.1dB は容易に達成可能である。
だが、24組の固定長のエレメントを持つそのようなダイポール・セットも、 それぞれの周波数でのエレメントの交換が必要となることから、時間を要する。 共振周波数以外での AF の予測はより高い不確かさを伴い、 [6] は不確かさを 0.25dB 以内に維持するために必要な 31組のエレメント長をリストしている。 時間を節約するための解決策の1つは、 必要なエレメントの変更が少なくなるようにアンテナを広帯域化することである。 これが、NPL が開拓した、以下で述べる解決策であった。 時間の節約の例は、 30MHz から 1GHz の周波数範囲をレシーバの1回の周波数掃引で測定できるようにした、1997年の、 伝統的なバイコニカル・アンテナとログ・ペリオディック・アンテナ (LPDA) を組み合わせた ハイブリッド・アンテナの発明であった。 これは、製品とケーブルの可能な構成の数のために 非常に時間を要し得る製品の EMC 試験の時間を半分にし得る。
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| Figure 3: バランの S パラメータのラボでの測定 (バランの入力は終端されている) |
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| Figure 4: それぞれが4組のエレメントを持つ、CRD アンテナのペアから成るセット (ケースは CP Cased 製) |
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| Table 1: 20〜1000MHz の4つの周波数帯 |
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| Figure 5: 無損失バランを仮定した、自由空間アンテナ係数のグラフ (20MHz〜1GHz) |
最初、グランド・プレーン上で、 30MHz から 1000MHz のあいだの 24の周波数の共振ダイポールを用いた測定が行なわれた。 その一致は 600MHz 以上で悪く、その改善のために4箇所の変更が行なわれた:
測定されたバランの複素 S パラメータを NEC で予測したダイポール・エレメントのインピーダンス行列と直列にすることで、 SIL の測定値と予測値が 非常に広い周波数範囲 (例えば 700MHz 共振ダイポールの場合で 300MHz から 1200MHz) で 非常に良く一致することがわかった。
NPL の CRD アンテナの設計は、その3ポート回路の S パラメータを測定するために、 ダイポール・エレメントをバランから外すことが可能である。 その3ポートの9個の独立した S パラメータは、NEC の出力と組み合わせられるように、 2ポートの4個の S パラメータに削減される [2][5]。 この削減は、バランの出力ポートが同じ振幅を持ち、逆相であることを仮定する。 振幅 ±0.2 dB、位相角 ±2°のばらつきの物理的許容差はこの仮定に無視できる程度の影響しか持たず、 この許容差を緩和できる可能性もある。 ベクタ・ネットワーク・アナライザと高位相安定度のケーブルを用いた S パラメータ測定のためのセットアップを Figure 3 に示す。
SIL と AF を計算するソフトウェアは NPL のウェブサイト [8] から無料でダウンロードできる。 このソフトウェア、CAP2010 は、3ポート S パラメータ・データの 2ポートへの削減も行なう。 VNA データを CAP2010 にどのように入力するかを説明したユーザー・マニュアルがダウンロードできる。 ソフトウェア CALTS_DIPOLE は [2] の Annex C の分析的方程式に対するコードであり、 共振周波数とダイポール半径の入力からダイポール共振長を計算するために有用である。
それらの24の共振周波数では SIL の測定値と予測値のあいだの差は ±0.3dB 以内であり、 単一のダイポール対に対する広い帯域内の非共振周波数では ±0.5dB が達成された。 異なる寸法のダイポール・エレメント間の SIL を予測できるが、 AF の導出のためには、AF の差が SIL の差の半分となるように、 それらのエレメントは同一でなければならない。 30MHz から 1000MHz の周波数範囲を3つのダイポール・エレメントのみを用いてカバーすることができ、 可能な分割の1つは、80MHz、260MHz、及び 700MHz の共振長さによるものである。 このダイポール・セットを Figure 4 に示す。
24組のエレメントの 3組か 4組への削減は、 例えば標準アンテナ法 (SAM) [1] による 20MHz から 300MHz の周波数範囲での バイコニカル・アンテナの掃引周波数校正で、 時間の大きな節約を可能とする。 NPL はバランにバイコニカル・エレメントを取り付けて AF の測定値と予測値の 0.3dB の一致を達成し、 顧客のバイコニカル・アンテナを 1組だけの計算可能バイコニカル・エレメントによって校正することを可能としている。 バンドの境界での過大な AF を避けるため、NPL は、 f_res を共振周波数、f_1 と f_2 をバンドの周波数の端、 AF_1 と AF_2 を AF のバンドの端として、 周波数範囲を Table 1 に示す 4つのバンドに分割した。 Figure 5 に示すように、アンテナの感度は共振周波数で最大である。
別の代替手段は、AUC ダイポールを、フィールドがより均一な屋外校正サイト (CALTS [2]) で、 [1] で示されている方法で校正することである。 もし CALTS での 30MHz 同調ダイポール AUC の校正に 60MHz 共振ダイポール STA が使われるならば、 それぞれおおよそ 2.4m と 4.8m の幅のフィールドをサンプルするであろう。 伝統的には、4.8m 幅のアンテナ全体にわたる平面波を形成するのに充分に大きくない、 10m のアンテナ距離が用いられる [3]。 これが、60MHz 以下の同調ダイポールの校正について、 [1] で 20m の距離が推奨されている理由である。 グランド・プレーン上 2m の高さでの、 30MHz AUC の 30MHz STA と 60MHz STA での校正のあいだの差は、 10m と 20m の距離でそれぞれ 0.13dB と 0.03dB である。 いずれの場合も、送信アンテナとして 30MHz 共振ダイポールと長さ 1.35m のバイコニカル・アンテナの いずれを用いるかは、僅かな差しか生じない。
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| Figure 6: アンテナの絶縁性のサポートから離れたダイポール取付部 |
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| Figure 7: 直径 3m の黄銅棒と Delrin のハウジングから成るダイポール |
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| Figure 8: 小型のハウジングと
10cm のセミ・リジッド・ケーブル・エクステンションを持つ700MHz エレメント |
顧客は、アンテナが損傷していないことを確認するために SIL を定期的に測定できるように、 CRD のペアを購入することが望ましい。 もし単一のアンテナを購入するならば、最初に使用する時に他の専用のアンテナとの置換測定を行ない、 定期的に全く同じ方法と全く同じ環境でこのアンテナに対して確認し、 その計算可能アンテナが損傷していないことを確かとすべきである。 その代わりに、計算可能アンテナを校正試験所に送ることができる。
計算可能アンテナは、その所有者が次に述べるバリデーション測定を行なえるならば、 校正試験所に送る必要はない。 最初に購入した時は、その製造業者がそれを行なっているであろうからこの測定は不要であるが、 顧客は品質システムに従って、定期的に、あるいはアンテナの損傷が疑われたならば、 これを実施すべきである。 バランの S パラメータを測定する。 CAP2010 マニュアルの指示に従って S パラメータのデータ・ファイルを作成する。 ダイポール・エレメントが真っ直ぐで、半田接合部が損なわれていないことを、目視で確認する。 プッシュオン・コネクタ (エレメントをバランに接続する) の スプリング・フィンガーが正しく整列していることを目視で確認する。 アンテナのペアを屋外のグランド・プレーン上に Figure 2 に示すように、 あるいは FAR に Figure 6 に示すようにセットアップし、 それらのあいだの SIL を測定する。
SIL は任意のアンテナ距離に対して予測できる。
最近の測定 [9] は、波長の 1/10 のオーダーのアンテナ間距離を用いた近傍界測定で CRD アンテナを確認できることを確認した。 これは、そのアンテナへの、その支持構造も含む周囲からの反射の影響が少なくなることを意味する。 これは、屋内であっても良く、従って悪天候の影響のない、 安価なテスト・サイトで確認を行なえることを示唆する。 そのアンテナの開発の際と異なり、 CRD のバリデートのための高価な精密グランド・プレーンは必要ないことを意味する。
選択されたアンテナ間距離が小さくなれば、 それらを互いに平行に配置するように注意する必要性が高まり、 またアンテナ間距離をより正確に測定しなければならなくなる。
SIL の測定値と予測値のあいだの、広い帯域幅にわたって 0.5dB 以内での、 そして共振周波数の近くで 0.3dB 以内での一致が予期される。 もしこれが達成されないならば、ダイポール寸法とそのバランへの RF 接続を確認し、 バランの S パラメータを再測定する。 この一致が達成されたならば、 自由空間やグランド・プレーン上での他の任意のジオメトリについての SIL とアンテナの AF を確実に予測できる。 もし所有者がアンテナをバリデーションのために校正試験所に送ることを好むならば、 バリデート済みのアンテナについてそれら全てを予測できるので、 例えばグランド・プレーン上、水平偏波で、1m、2m、3m、及び 4m のような、 様々なジオメトリについてのアンテナの測定を要求する必要はない。
上で述べたようにアンテナが近傍界でバリデートされたならば、 グランド・プレーン・サイト上か FAR で SIL を測定した時の、 SIL の 0.5dB を超えるいかなる偏差も、 そのサイトの理想的なサイトからの偏差に起因するものとみなせる [1]。
NPL は、この問題に、(24組のエレメントの代わりに) 4組のエレメントのセットを推奨し、 60MHz と 180MHz のエレメントをスチール・チューブで作り、 400MHz と 700MHz を Figure 8 に示すように再設計することで対処した。 その 400MHz と 700MHz のエレメントのその周波数範囲全体での予測値との一致は改善され、 60MHz と 180MHz のエレメントと同様の性能を与えるようになった。
測定された複素 S パラメータを予測と組み合わせることで、 サイト挿入損失とアンテナ係数を広い周波数にわたって低い不確かさで推定できる: 例えば 20MHz から 1200MHz を、1組のバラン、 及び3組のダイポール・エレメントか2組のバイコニカル・エレメントでカバーできる。
CRD は通常の意味で校正する必要はない; その代わりに、新しかった時と同様に働いていることを定期的に確認する必要がある。 これを行なう最も容易な方法はダイポールのペアのあいだの SIL を近傍界で測定することである。 言い換えると、大きな平坦な (そして高価な) グランド・プレーンは必要ない。 アンテナがこの方法で検証されたならば、 グランド・プレーン上と自由空間での任意のアンテナ高さと距離について、 SIL と AF を予測できる。
CRD アンテナのペアの所有者は、 NMI と同様の、SIL と AF の測定の不確かさを達成できる。
[2] CISPR 16-1-5, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Antenna calibration test sites for 30 MHz to 1000 MHz. Edition 1 was published in 2003, Ed.2.0 is expected early in 2014.
[3] CISPR 16-1-4, Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Antennas and test sites for radiated disturbance measurements
[4] Logan, J.C. and Burke, A.J., Numerical Electromagnetic Code, 1981, Naval Oceans Systems Centre, CA, USA. NEC2 and customised versions of NEC can be purchased or downloaded free from the internet.
[5] Alexander, M.J., Salter, M.J., Loader, B.G., and Knight, D.A., Broadband calculable dipole reference antennas, IEEE Trans. EMC, Vol. 44, No.1, pp 45-58, February 2002.
[6] Garn, H.F., Buchmayr, M., Müllner W., Tracing Antenna Factors of Precision Dipoles to Basic Quantities, IEEE Trans EMC, Vol. 40 No. 4, p297-310, November 1998
[7] Salter, M.J. and Alexander M.J., EMC antenna calibration and the design of an open-field site, J. Phys. E, Meas. Sci. Technol., 1991, 2, 510-519.
[8] The Calculable antenna processor, CAP2010, software and CALTS DIOPOLE software are available as freeware from the National Physical Laboratory (NPL) website: www.npl.co.uk/software/calculable-antenna-processor.
[9] Alexander M J, Salter M J, Cheadle, D S, Near-field validation of calculable dipole antennas in a fully anechoic room from 20 to 1000 MHz, EMC Europe Symposium, September 2013.
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: 2014-05-11