( S ( ) ) - S ( t ) = F w () 時間領域 S (t) では, 送信アンテナからの直接波とグランドプレーンや周囲の反射物による反射波が受信アンテナに到達する様子を時系列で確認できる STEP- 時系列で示された直接波と反射波はその到達時刻で分離することが可能となる ここでは単

論文 長野県工技センター研報 No.4,p.P1-P6(2009)

広帯域アンテナの仰角指向性と EMI 測定結果に及ぼす影響

*

輕部俊幸＊＊ _窪田昭真＊＊＊＊ _{小杉 俊}＊＊＊ _柳沢秀信＊＊

An Estimation Method of Look-Down-Directivity Characteristics of Broad-Band Antennas

and Influences of Look-Down-Directivity Characteristics upon the Electro-Magnetic Interference Tests

Toshiyuki KARUBE, Shoshin KUBOTA, Takashi KOSUGI and Hidenobu YANAGISAWA

電磁波妨害（EMI : Electro-Magnetic Interference）測定で使用する広帯域アンテナの仰角方向の指向 性の評価方法を提案し，その指向性が EMI 測定結果に及ぼす影響について考察した。タイムドメイ ン３アンテナ法を応用した方法で測定を行い，その結果から指向性は，測定距離 3m で受信アンテナ の高さが 4m 時に水平偏波で 0∼4dB 程度，垂直偏波で最大 8dB 程度であり，メーカの示す値とほぼ 一致した。さらに，得られた指向性から，EMI 測定に用いるアンテナの違いにより，測定結果には 1dB 程度の差が生じる可能性があることがわかった。 キーワード：EMI，広帯域アンテナ，タイムドメイン，３アンテナ法 １ 緒 言 電子機器から放射される電磁波ノイズの測定方法を定 めている国際規格では，平衡型ダイポールアンテナを測 定の基準アンテナとしているが，多くの試験サイトでは バイコニカルアンテナやログペリオディックアンテナ， あるいは複合型アンテナ等の多種の広帯域アンテナが使 用されている。 また，電磁波ノイズの測定手順では，アンテナをグラ ンドプレーンからの高さ 1m∼4m の範囲で昇降させて， その最大受信強度を求めることになっている。この時， 通常はアンテナを単純に垂直方向に上下させるだけであ るため，試験品（EUT : Equipment Under Test）に対する アンテナの仰角αはアンテナの高さによって変わってし まう。この仰角αに対するアンテナの感度特性（以下， AFα）はアンテナ毎に異なるので，広帯域アンテナを用 いた場合は平衡型ダイポールアンテナとの差を EMI 測 定結果に反映させる必要があると考えるが，試験規格で は触れられていない。アンテナによって異なる AFαは EMI 測定結果に影響し，試験サイト間で生じている測定 結果のバラツキ要因の一つになっていると推測する。ま た，AFαは 測定の不確かさ の要因として検討の必要 があると考える。 本報では，タイムドメイン３アンテナ法1),2),3)_を用いて AFαを自由空間値で評価する方法を提案し，各種アンテ ナの AFαを求め，さらに，EMI 測定結果に及ぼす影響 について考察する。 ２ AFαの導出手順 ２．１ AFαの導出方法 提案する AFαの導出方法は以下の手順による。 【STEP１】 電波半無響室あるいはオープンエアーテス トサイトで，EMI 測定時に測定用アンテナの高さを 1m から 4m まで昇降させる図１の配置で，本来 EUT が置か れる位置に高さ 1m で送信アンテナを設置する。この配 置を図２のようにアンテナを水平方向に 1m 間隔で移動 させる配置へ変換する。この時，送信アンテナから受信 アンテナへ直接伝わる直接波とグランドプレーンからの 反射波との経路差を大きくし，タイムドメイン処理で直 接波と反射波を分離し易くするため，両アンテナはグラ ンドプレーンからできるだけ高い位置に配置する。 測定はベクトルネットワークアナライザ（VNA : Vector Network Analyzer）を用いて行う。 【STEP２】 図２中の受信アンテナの位置(1)∼(4)につ いてタイムドメイン３アンテナ法により各アンテナの自 由空間 AFαを求める。 各位置で AFαを求める詳細は次のとおり。 【STEP２-１】 送信アンテナと受信アンテナ間の周波 数領域伝送量 S21(ω)を測定する。 【STEP２-２】 式(１)に示すように，S21(ω)に逆フーリ エ変換を行い，時間領域 S21(t)を得る。 * 2008 年度県単独特別研究の成果の一部 ** 電子部 *** 材料技術部門 設計支援部 **** 情報技術部門 通信基盤部(現:精密・電子技 術部門 電子部)

（１） 時間領域 S21(t)では，送信アンテナからの直接波とグラ ンドプレーンや周囲の反射物による反射波が受信アンテ ナに到達する様子を時系列で確認できる。 【STEP２-３】 時系列で示された直接波と反射波はそ の到達時刻で分離することが可能となる。ここでは単純 にグランドプレーンからの反射波が到達する時刻以降の 振幅をゼロに置き換えることにより，直接波成分のみの S21direct(t)とする。 【STEP２-４】 この S21direct(t)に，式(２)で示すフーリエ 変換を行い，周波数領域 S21direct(ω)を得る。 （２） STEP２-１から STEP２-４までの操作を３本のアンテ ナを使用する３アンテナ法で行い，３通りの送受信アン テナの組み合わせによる S21direct,ij(ω) ( i,j =1,2,3, i≠j)を

得る。 【STEP２-５】 式(３)を用いてそれぞれの位置の自由空 間 AFαiを算出する 4）_。 （３） ここで，元の配置（図１）に戻して考えると，図２に おいてアンテナの偏波面を垂直で測定した結果は本来の 水平偏波の AFαh，水平偏波で測定した結果は本来の垂 直偏波の AFαvとなる。 ２．２ AFαの検証 AFαの検証にはアンテナの取扱説明書 5),6)_{に示されて} いる水平方向でアンテナを回転させた時の指向性から AFαを求め比較する。この時，E 面の指向性から得た値 は垂直偏波時の AFαhに，H 面の指向性から得た値は水 平偏波時の AFαvとなる。 ３ 実 験 ３．１ 使用機器と実験配置 表１に示す４種類５本のアンテナについて評価した。 ３アンテナ法で行うため，グループ１（A1 ,A2 ,A3 ）， グループ２（A1 ,A2 ,A4 ），グループ３（A1 ,A2 ,A5）の３ グループを構成した。 VNA はアンリツ製 MS4662A を用い，受信帯域幅 100kHz，ポイント数 1001 点で測定した。VNA のキャリ ブレーションは，アンテナのバランホルダと接続するケ 図１ ＥＭＩ測定の配置 図２ AFαの評価配置 表１ 評価したアンテナ ーブルの端点で行った。 送信アンテナと送受信アンテナの距離は，図２中の(1) の位置で 3m，グランドプレーンからの高さは 6m に設定 した。 ３．２ 実験結果 アンテナ A1および A3∼A5の AFαの結果を図３∼６ に示す。アンテナ A3と A4については取扱説明書に示さ れている指向性データから図２中の受信アンテナの位置 No. メーカ 型番 周波数範囲 A1 A2 Schwarzbeck Mess-Elektronik UBAA9115 + UBAA9115 30MHz ∼ 1000MHz A3 Schwarzbeck Mess-Elektronik VHA9103 +BBA9106 30MHz ∼ 300MHz A4 Schwarzbeck Mess-Elektronik UHALP9108A 300MHz ∼ 1000MHz A5 EATON 96005 200MHz ∼ 1000MHz 送信側 (1) (2) (3) (4) 受信側 直接波 反射波

(

( )

)

) ( 21 1 21 t F S w S =

-(

( )

)

) ( 21 21 F S t S _direct w = _direct ) ( ) ( ) ( , 21 , 21 0 , 21 0

w

w

l

w

h

b ji direct ik direct jk direct d j i S dS Z S e j AF -= α

(

i, j,k =1,2,3, i¹ j¹ k

)

EUT グランドプレーン 1m∼4m 受信アンテナ α 送信アンテナ

d

：それぞれの一のアンテナ間距離 0

h

：真空中の波動インピーダンス 0

Z

：測定系のインピーダンス

b

：自由空間の端数（= 2π／λ）

(4)に相当する回転角の時の値を読み取り，図４，５中に 示す。実験結果は図２中の受信アンテナの位置(2)∼(4) のそれぞれの設定でメーカの値とほぼ一致しており，今 回の評価方法は有効であると考える。 ３．２．１ 水平偏波 図２中の受信アンテナ位置(1)の AFαと位置(2)∼(4)の 各位置の AFαとの差分をΔAFαとする。 バイコニカルアンテナの A1と A3は図３(a)，図４(a) に示すようにΔAFα≒0 であり，EMI 測定の基準アンテ ナのダイポールアンテナと整合がとれている。一方，ロ グペリオディックアンテナの A4と A5は図５(a)，図６(a) で示すように，図２中の位置(2)から位置(4)へ移動すると ΔAFαは大きくなり，仰角αが大きくなると感度が悪く なることがわかる。例えば，アンテナ A4のΔAFαは， 周波数 500MHz の時に位置(2)では 0dB，位置(3)では 0.8dB， 位置(4)では 1.6dB である。 また，位置(4)の時のΔAFαをアンテナ A1∼A5間で比 較すると，周波数 200MHz の時は，バイコニカルアンテ ナ A1は 0.2dB，A3は 0.5dB であるのに対し，ログペリオ ディックアンテナ A5は 1.2dB であり，周波数 300MHz

の時は，A1は 0.1dB，A3は 0.4dB に対し，A4は 0.9dB，

A5は 1.2dB，周波数 600MHz の時は，A1は 0.1dB，A4は 2.0dB，A5は 3.2dB であった。アンテナの違いによって ΔAFαに差があることがわかる。今回の評価では，ログ ペリオディックアンテナのΔ AFαの最大値はおよそ 4dB であった。 ３．２．２ 垂直偏波 全てのアンテナで仰角αが大きくなるとΔAFαは大 きくなっている。基準となるダイポールアンテナについ てΔAFαをエレメント長の影響を無視して単純に cosα で近似すると，図２中の位置(1)と位置(4)のΔAFαは 3dB となる。それに対して実験値は，周波数 200MHz の時は， A1は 3.4dB，A3は 4.6dB，A5は 5.3dB であり，周波数

300MHz の時は，A1は 3.8dB，A3は 0.6dB，A4は 5.5dB，

A5は 6.4dB，周波数 600MHz の時は，A1は 5.9dB，A4は 7.0dB，A5は 7.7dB であった。バイコニカルアンテナの ΔAFαの最大値はおよそ 6dB，ログペリオディックアン テナのΔAFαの最大値はおよそ 8dB であった。 また，バイコニカルアンテナの A1と A3は図３(b)，図 ４(b)でアンテナの有効周波数の上限付近で AFαが収束 する傾向がみられる。指向性パターンの変化に起因する ものと推測するが，今後検討する。 ４ ＥＭＩ測定結果への影響についての考察 ここで，AFαが実際の EMI 測定結果に及ぼす影響に ついて考察する。 (a) 水平偏波 (b) 垂直偏波 図３ バイコニカルアンテナ UBAA9115+BBVU9135 の AFα (a) 水平偏波 (b) 垂直偏波 図４ バイコニカルアンテナ VHA9103+BBA9106 の AFα 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 10 20 30 40 50 60 0 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 取説書の値 0 10 20 30 40 50 0 100 200 300 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 取説書の値

(a) 水平偏波 (b) 垂直偏波 図５ ログペリオディックアンテナ UHALP9108A の AFα (a) 水平偏波 (b) 垂直偏波 図６ ログペリオディックアンテナ 96005 の AFα 図７ 最大値を記録する受信アンテナの高さ 図８ 最大値を記録する受信アンテナの高さ （送信アンテナ高さ 1m，水平偏波） （送信アンテナ高さ 1m，垂直偏波） 図１で EUT を送信アンテナに置き換え，その高さを 1m に固定する。受信アンテナを高さ 1m から 4m まで移 動させた時のサイトアッテネーションの計算で，受信レ ベルが最大となる受信アンテナの高さ（h_max）の理論 値は，水平偏波は図７，垂直偏波では図８のようになる。 ４．１ 水平偏波，距離３ｍの場合 バイコニカルアンテナ A1と A3はダイポールアンテナ と等しくΔAFα≒0 であるので結果には影響しない。 ログペリオディックアンテナの場合，h_max=1m の時 はα=0 で影響は無い。h_max＞1m となる場合，ΔAFα 0 10 20 30 40 50 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 0 10 20 30 40 50 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 0 10 20 30 40 50 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 取説書の値 0 10 20 30 40 50 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A F α ( d B / m ) (1) (2) (3) (4) 取説書の値 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A n te n n a H e ig h t (m ) 3m 10m 0 1 2 3 4 5 0 200 400 600 800 1000 Frequency (MHz) A nt en n a H e ig h t (m ) 3m 10m

≠0 であるので検討する。例えば，周波数 400MHz の時， h_max=2.06m であり，この時のΔAFαは，A4はおよそ 0.6dB，A5はおよそ 1.1dB である。h_max の高さで測定 したとすると，ダイポールアンテナでの測定値よりもそ れぞれのΔAFα分低い値となる。 ４．２ 水平偏波，距離１０ｍの場合 バイコニカルアンテナ A1と A3はΔAFα≒0 であるの で距離 3m の時と同様に結果には影響しない。 ログペリオディックアンテナの場合，h_max=1m の時 はα=0 で影響は無い。h_max＞1m の場合，例えば，周 波数 900MHz では，h_max=2.59m で，この時のΔAFαは， A4はおよそ 0.5dB であり，A5はおよそ 0.6dB である。 h_max の高さで測定した場合，ダイポールアンテナと比 較した時にΔAFα分の差が生じる。図９に示したこの時 のハイトパターンによると，高さ 2.59m と 1m の減衰量 の差はわずか 0.2dB である。アンテナ位置を高くすると AFαが大きくなりアンテナの感度が悪くなるため，高さ 1m で測定した値が最大値となることが考えられる。 ４．３ 垂直偏波，距離３ｍの場合 図８の計算結果から周波数 200MHz と 600MHz の場合 について検討する。 200MHz の場合，h_max は 2.78m となる。この時のダ イポールアンテナのΔAFαは 1.3dB と計算される。これ に対して，アンテナ A1のΔAFαはおよそ 1.7dB，A3は 2.2dB，A5は 2.6dB であり，h_max で測定した場合，ア ンテナ A1と A5との比較では約 1dB の差が生じ，ダイポ ールアンテナと A5との比較では 1.3dB の差となる。 600MHz の場合，h_max=1.78m で，この時のダイポー ルアンテナのΔAFαは 0.3dB になる。アンテナ A1の

ΔAFαはおよそ 1.0dB，A4は 0.6dB，A5は 1.2dB である。

図１０に示したこの時のハイトパターンによると，高さ 1.78m と 1m の減衰量の差は 0.8dB であるため，ダイポー ル ア ン テ ナ と ア ン テ ナ A4 を 用 い た 測 定 で は お よ そ h_max 付近で，アンテナ A1と A5を用いた測定では高さ 1m の時の値を最大値とすることが考えられる。アンテ ナが異なると最大値を観測する高さが大きく異なる場合 が想定される。 ４．４ 垂直偏波，距離１０ｍの場合 図８から周波数 400MHz の場合について検討する。 400MHz の時の h_max は 3.96m で，この時のダイポー ルアンテナのΔAFαは 0.4dB になる。アンテナ A1の

ΔAFαはおよそ 0.7dB，A4は 0.6dB，A5は 1.1dB である。

h_max で測定した場合，アンテナ A4と A5では 0.5dB の 差が生じ，ダイポールアンテナと A5との比較では 0.7dB の差となる。 ５ まとめ EMI 測定用広帯域アンテナの仰角指向性の評価方法とそ の評価結果について検討を行い，以下の結果を得た。 (1) 提案する評価方法で得られた特性値はメーカの提示 図９ ハイトパターン （900MHz，送信側高さ 1m，送受信間距離 10m，水平） 図１０ ハイトパターン （600MHz，送信側高さ 1m，送受信間距離 3m，垂直） する指向性とほぼ一致し，提案手法に妥当性がある。 (2) 測定距離 3m で，受信アンテナの高さが 1m の時と 4m の時の AFαの差は，水平偏波ではバイコニカルアン テナはおおむね 0dB であるのに対し，評価したログ ペリオディックアンテナは最大 4dB 程度である。垂 直偏波ではバイコニカルアンテナが最大およそ 6dB， ログペリオディックアンテナは最大およそ 8dB であ った。 (3) この仰角指向性が EMI 測定結果に及ぼす影響は，電 界強度レベルで 1dB 程度と見積もる。また，電磁波 ノイズの最大値を測定する受信アンテナの高さはア ンテナによって異なることが考えられる。 参考文献 1) 輕部俊幸, 黒川悟, 廣瀬雅信. タイムドメイン処理を 用いた３アンテナ法による広帯域バイコニカルアンテ ナ の ア ン テ ナ 係 数 の 導 出 . 信 学 ソ 大 .B-4-36,p.299, Sep.2007 2) 輕部俊幸, 黒川悟, 廣瀬雅信. タイムドメイン計算法 を用いた広帯域バイコニカルアンテナの自由空間アン テ ナ 係 数 の 導 出 . 長 野 工 技 セ ン タ ー 研 報 No.3,p.P22-P26, (2008) 3) 黒川悟, 廣瀬雅信, 小宮山耕二. 時間領域３アンテナ 0 1 2 3 4 5 -20 -15 -10 -5 Attenuation (dB) A n te nn a H e ig h t (m ) 0 1 2 3 4 5 -20 -10 0 10 20 30 Attenuation (dB) A n te nn a H e ig h t (m )

法によるログペリオディックアンテナの自由空間アン テナ係数測定. 信学ソ大.B-4-37,p.300, Sep.2007 4) S.Ishigami, H.Iida, T.Iwasaki. Measurements of complex

antenna factor by the near-field 3-antenna method. IEEE

Trans. Electromagn. Compat., vol.38,no.3, 424-432, (1996) 5) Schwarzbeck Mess-Elektronik VHA9103B 取扱説明書 6) Schwarzbeck Mess-Elektronik UHALP9108A 取扱説明