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低周波用アンテナ及び

電磁界標準開発の現状と今後

低周波用アンテナ及び

電磁界標準開発の現状と今後

産業技術総合研究所 計測標準研究部門

電磁波計測科 電磁界標準研究室

石居 正典

産業技術総合研究所 計測標準研究部門

電磁波計測科 電磁界標準研究室

石居 正典

1MHz 10MHz 30MHz 100MHz 1GHz 10GHz 30GHz 100GHz 該当周波数範囲 10 Hz ～ 送電線からの放射磁界測定 （50, 60Hz） 主要ニーズ 400 kHz 液晶TV 不要放射不要放射 IH機器 太陽電池 12 3 9 6 電波時計の受信環境の診断 PASMO Suica RF-IDタグ ループアンテナ モノポールアンテナ 磁界センサ① 磁界センサ②

該当周波数と主要ニーズ

産総研における低周波アンテナ標準と電磁界標準の開発状況①

★ ループアンテナ

１. パッシブループアンテナ（直径10.0 cm (±6.0 mm）） 周波数：150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz ただし、ループアンテナの直径が10.0 cm(±6.0 mm）、アンテナエレメントの直径が6.0mm以下、アンテナ の給電コネクタ端子はPC-7、プリアンプ等の能動素子が付属していないパッシブ型のループアンテナであ ること。 ２. アクティブループアンテナ（直径50.0 cm ～ 60.0 cm） 周波数：9 kHz, 10 kHz, 150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz ただし、ループアンテナの直径が50 cmから60 cm、アンテナエレメントの直径が23 mm以下、アンテナの 給電コネクタ端子はPC-7であること。 ３. パッシブループアンテナ（公称直径133 mm、36回巻） 周波数：20 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 50kHz, 100 kHz, 200 kHz ただし、公称直径が133 mm、36回巻、アンテナエレメントの直径16 mm以下、アンテナの給電コネクタ端 子が、PC-7のパッシブ型のループアンテナであること。

１. パッシブループアンテナ（直径10.0 cm (±6.0 mm）） 周波数：150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz Short SMA コネクタ Gap 5cm 3.7mm (1mm)

研究開発頒布品

として販売予定

（2010.11月～）

電波暗室：15m x 10m x 8m 校正方法：３アンテナ法 未知数（アンテナ係数） 3つに対して 3つの方程式！ No.1 No.2 No.3 No.1 No.2 No.3 アンテナ間の 透過Sパラメータ A₁₂ アンテナ間の 透過Sパラメータ A₂₃ アンテナ間の 透過Sパラメータ A₁₃

参考文献： １）石居正典，小見山耕司，“３アンテナ法による微小ループアンテナの磁界アンテナ係数の測定法，” 信学総大，B-4-75，2003

( )

⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + = _{4 L} 012 2 2 1 3 012 0 0 2 012 2 8 15 1 1 R r r R Z j R k

π

ωμ

α

2 2 2 1 2 12 012

d

r

r

R

=

+

+

( )

⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + = _{4 L} 023 2 3 2 3 023 0 0 2 023 2 8 15 1 1 R r r R Z j R k

π

ωμ

β

2 3 2 2 2 23 023

d

r

r

R

=

+

+

( )

⎭ ⎬ ⎫ ⎩ ⎨ ⎧ + + + = _{4 L} 013 2 3 1 3 013 0 0 2 013 2 8 15 1 1 R r r R Z j R k

π

ωμ

γ

2 3 2 1 2 13 013

d

r

r

R

=

+

+

ただし、 である。

β

αγ

13 12 23 . 3

A

A

A

F

_{m ant}

=

−

]

/

[

S

m

A

（ ： 透過Sパラメータ） 12

d

1

r

r

₂ 受信 ループアンテナ 送信 ループアンテナ アンテナ間の透過ＳパラメータＳ_２１を測定！ （３つのアンテナ間のそれぞれの間で測定） #１ #２ ３アンテナ法の定式

２. アクティブループアンテナ（直径50.0 cm ～ 60.0 cm） 周波数：9 kHz, 10 kHz, 150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz 電波暗室：15m x 10m x 8m 校正方法：置換法 標準ループアンテナは10 cmループアンテナ 被校正 ループアンテナ A T

S

AT

d

T

r

#T #A

r

_A 送信 ループアンテナ mA

F

未知 基準ループアンテナ （校正済み） S T

S

ST

d

T

r

rS 送信 ループアンテナ #T #S mS

F

既知 Step1 Step1 Step2 Step2

( )

( )

2 2 2 0 2 2 2 0 4 0 2 3 0 0 0 2 0 2 4 0 2 3 0 0 0 2 0 2

8

15

1

1

8

15

1

1

T A AT AT T S ST ST AT T A AT AT ST T S ST ST

r

r

d

R

r

r

d

R

R

r

r

R

Z

j

R

k

B

R

r

r

R

Z

j

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k

A

+

+

=

+

+

=

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

+

+

+

=

⎭

⎬

⎫

⎩

⎨

⎧

+

+

+

=

L

L

π

ωμ

π

ωμ

mS AT ST mA

F

A

B

S

S

F

=

AT ST A T S AT ST mS mA

d

d

r

r

r

Z

k

S

S

F

F

0 0

μ

ω

：被校正アンテナのアンテナ係数 ：基準アンテナのアンテナ係数 ：送信・基準アンテナ間のS₂₁ ：送信・被校正アンテナ間のS₂₁ ：伝播定数 ：角周波数 ：透磁率（自由空間） ：特性インピーダンス（50Ω） ：基準ループアンテナの半径 ：送信ループアンテナの半径 ：被校正ループアンテナの半径 ：送信・基準アンテナ間の距離 ：送信・被校正アンテナ間の距離 置換法の定式 参考文献：２）石居正典，島田洋蔵，“低周波帯域用ループアンテナ校正における2つの相対測定法の提案と比較，” 信学技法，EMCJ2008-84，pp.53-58，Nov. 2008

３. パッシブループアンテナ（公称直径133 mm、36回巻） 周波数：20 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 50kHz, 100 kHz, 200 kHz 校正方法：置換法 標準ループアンテナ133 mm、36回巻ループアンテナ 標準ループアンテナの校正は 3アンテナ法！

公称直径133 mm、36回巻のパッシブループアンテナ

の国際比較の結果

１. パッシブループアンテナ（直径10.0 cm (±2.0 mm）） 周波数：150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz ⇒9 kHz～＆中間周波数の拡張 ループアンテナ校正に関する今後 ループアンテナは、 ループアンテナは、 ・ ・大きさ大きさ ・ ・巻数巻数 ・ ・アンプの有無アンプの有無 ・ ・方形型方形型 などなど、同じ周波数帯の用のアンテナでも、 などなど、同じ周波数帯の用のアンテナでも、 形式の種類が多い。 形式の種類が多い。 ⇒ ⇒ 校正事業者における「１校正事業者における「１..」からの拡張を期待！」からの拡張を期待！ ２. アクティブループアンテナ（直径50.0 cm ～ 60.0 cm） 周波数：9 kHz, 10 kHz, 150 kHz, 500 kHz, 1 MHz, 5 MHz, 15 MHz, 30 MHz ３. パッシブループアンテナ（公称直径133 mm、36回巻） 周波数：20 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 kHz, 5 kHz, 10 kHz, 50kHz, 100 kHz, 200 kHz ループアンテナにはアクティブ型が多い⇒特性に個体差がある＆故障の懸念⇒数年に１回は校正を推奨

参考文献： ３）Masanori ISHII and Yozo SHIMADA, “Reference Calibration Methods for Small Circular Loop Antenna in Low-Frequency Band,” IEEE

仕様書

・形式：Shield Loop Antenna (Passive Type) ・直径：100 mm±2mm

・アンテナエレメント：Semi-Rigid cable EZ141 ・コネクタ：SMA コネクタ(Male) ・巻数：1 回 ・S/N：100SL○○○○○ 以下は、ループアンテナの概略図と写真(例)である。 なお、図におけるShort がなされていることと、アンテナの入力インピーダンスの測定に よる基本的な動作は確認済みである。 問い合わせ先 独立行政法人 産業技術総合研究所 計量標準総合センター 計量標準管理センター 標準供給保証室 〒305-8563 茨城県つくば市梅園 1-1-1 電話：029-861-4026 FAX：029-861-4018 10 cmループアンテナの頒布開始 ★ユーザー（例） ・校正事業者一般。 ・企業のアンテナ校正やEMC関連部門。 ★用途 ・校正事業者がNMIJにトレーサビリティーを確 保して相対測定を実施する場合の標準ループ アンテナ ・送信ループアンテナ

産総研における低周波アンテナ標準と電磁界標準の開発状況②

★ モノポールアンテナ

＜現在開発中・平成２４年度開始予定＞

・ アクティブ（or パッシブ）モノポールアンテナ 周波数：9 kHz or 10 kHz ～ 30 MHz ただし、無限の大きさのグランドプレーン上に接地された理想的なモノポールとして校正。 理想的なモノポールアンテナ _{実際のモノポールアンテナ} 接地板の大きさが無限大、 または、波長に対して十分大き い。 接地板の大きさが約1 m 四方、波長に対して異常に 小さい、三脚を用いて設置 して使用される。 アンテナ素子 _{アンテナ素子} 接地板 接地板（無限大） 三脚 校正方法：３アンテナ法 校正方法：置換法 or パッシブ型の標準モノポールアンテナ

３アンテナ法と容量置換法の比較 T型コネクタ 等価容量回路 (コンデンサ) T型コネクタ Load（50Ω） 等価容量回路 (コンデンサ) Load（50Ω） ３アンテナ法 容量置換法 参考文献： ４） 石居正典，黒川悟，“モノポールアンテナ校正における近傍界3 アンテナ法と容量置換法の比較，” 信学ソ大会，B-4-17，2010

５） Masanori ISHII and Yozo SHIMADA, "A Reference Antenna Method for Non-resonant Electrically Short Monopole Antennas,"

Proceedings of IEEE 2010 International Symposium on EMC, vol.1, pp.56-61, July 2010.

６） Masanori ISHII and Yozo SHIMADA, "A Near field 3-Antenna Method for Short Monopole Antennas in Low Frequency Bands,"

産総研における低周波アンテナ標準と電磁界標準の開発状況③

★ 電磁界強度標準

＜現在開発中・

今年度中に開始予定

＞

・ 磁界強度標準 周波数：10 μT （7.958 A/m） @ 50 Hz 及び 60 Hz d 1 r I x 0 2 d d N 回巻 N 回巻 x H 1 r =d _{の時を特にヘルムホルツコイルという}

{

} {

}

2 2 1 3 3 2 2 ₂ 2 2 ₂ 1 1 1 1 ( ) 2 ( ) x r NI H x r x r d x ⎡ ⎤ ⎢ ⎥ = _⎢ + _⎥ ⎢ _{+ + −} ⎥ ⎣ ⎦ X X軸上軸上の任意の点における磁界強度（の任意の点における磁界強度（XX軸に平行な成分）軸に平行な成分） 中心 中心点（点（X=d/2X=d/2）における磁界強度（）における磁界強度（XX軸に平行な成分）軸に平行な成分） 2 2 1 3 2 2 2 1 ( ) 2 x r NI H d r = ⎧ ₊ ⎫ ⎨ ⎬ ⎩ ⎭

EMI EMIアンテナアンテナ アンテナ単体としての校正 電磁界 電磁界センサセンサ アンテナ部分とメーター部分が一体なので 全体として校正 アンテナ アンテナ部分 メーター部分 アンテナ単体のアンテナ係数が校正される センサ全体が校正される メーター部分（スペアナなど） o H A F V = アンテナ係数： 例：10.0 A/mの磁界 ⇒ 10.1 A/mの表示（センサの補正値0.1） 両社とも一様な電磁界 に対する特性を校正 必然的に標準電磁界法による校正 必然的に標準電磁界法による校正 ・ ・ 標準電磁界法標準電磁界法 ・ ・ ３アンテナ法３アンテナ法 （その他、アンテナとしての校正手法 （その他、アンテナとしての校正手法‥‥‥‥）） 通常、標準磁界発生器として_{ヘルムホルツコイルを使用} EMIアンテナと電磁界センサの違い

d 1 r I x 0 2 d d N 回巻 N 回巻 x H 1 0.2 m 1 A 1 turn r d I N = = = = ・0.2 ・0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 2.0 2.5 3.0 3.5 x x H ・0.2 ・0.1 0.1 0.2 0.3 0.4 ・10 ・5 5 10 d dx x=0.08 m, Hx=3.577 A/m x=0.10 m, Hx=3.578 A/m x=0.12 m, Hx=3.577 A/m 軸上でのH_xの分布は小さい！ ヘルムホルツコイル内の軸方向の磁界分布

0.05 0.10 0.15 0.20 2.6 2.8 3.0 3.2 3.4 3.6 r2 (m) Hx(A/m) 0 3.578 3.454 ヘルムホルツコイルの半径(r₁)＝0.2m センサの半径(r₂)=0.1m 3%程度の差が生じる 現在、r₁ として0.6 mのヘルムホルツコイルで対応することを検討中！（大きければ有利） 50 Hz d 1 r I x 2 r 0 2 d d _1回巻 1回巻 1 r =d 3.573 0.1%程度の差が生じる 2.5 16%程度の差が生じる 3.003 ヘルムホルツコイル内の中心での磁界値と軸に直交する半径r₂の円面内の平均磁界値に関して

0.0000E+00 1.0000E+02 2.0000E+02 3.0000E+02 4.0000E+02 5.0000E+02 6.0000E+02 7.0000E+02 8.0000E+02 9.0000E+02 1.0000E+03

3.0000E+01 3.0000E+02 3.0000E+03 3.0000E+04 3.0000E+05

Im pe da nc e [O hm ] 周波数 [Hz] 直径40cm 直径60cm 直径120cm 直径の異なるヘルムホルツコイルのインピーダンス コイルが大きいと内部の分布は有利だが、高周波では使用できない！ 1 MHz程度までの拡張も検討。必要な磁界強度については調査継続中。

30MHz以下の低周波帯の磁界測定に関する一検討

30MHz以下の低周波帯の磁界測定に関する一検討

産業技術総合研究所 計測標準研究部門

電磁波計測科 電磁界標準研究室

石居 正典

情報通信研究機構 電磁波計測研究センター

ＥＭＣグループ

藤井 勝巳

産業技術総合研究所 計測標準研究部門

電磁波計測科 電磁界標準研究室

石居 正典

情報通信研究機構 電磁波計測研究センター

ＥＭＣグループ

藤井 勝巳

もしも遠方界での校正が可能なら 数100 km 実際の校正 数10 cm～1m ループを同一面に配置 ループ面を平行に配置 ループアンテナのアンテナ係数は どの方向のアンテナ係数が校正されている？ 平面図 上面図 Feed point Feed point 直径60 cmもあるが、電気的には微小ループ！ Null Null

E

Feed point θ Plan e w ave

H

E H E H E H

Source H V F_am Source V F_am H

・Sourceからの放射のメカニズムがわからないと議論自体が無理？

（EMI測定の対象機器の種類や構造によって変えるべき？）

・今後できる（？）規格ではどのように規定されるべき？

どちらで測定すべき？

周波数 _{1波長 3波長 10波長} 30 MHz 10 m 30 m 100 m 10 kHz 30 km 90 km 300 km

伝播前の

磁界を測定

参考文献：