伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

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光電界センサの感度特性解析と

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

小林隆一

電気通信大学大学院電気通信学研究科博士（工学）の学位申請論文

２００８年３月

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光電界センサの感度特性解析と

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

博士論文審査委員会

上芳夫教授（主査）

武田光夫教授

三橋渉教授

福田喬教授

岩崎俊教授

(3)

著作権所有者

小林隆一

２００８年３月

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Study on Sensitivity Analysis of Optical Electric-Field Sensor and Capacitive Voltage Probe for Measuring Conducted

Disturbance

Ryuichi Kobayashi

Abstract

Along with the advent of Internet technologies, a configuration of telecommunication networks are changing and services provided by them are shifting from Plain Old Telephony System to Digital or Internet-Protocol (IP) Systems.

This paper describes a sensitivity analysis of the electric field sensor using optical modulator and methodologies for measuring conducted electromagnetic disturbances.

The purpose of this paper is to provide precise measurement technologies for evaluating electromagnetic environment in vicinity of telecommunication equipment. For this purpose, sensitivity analyses of the electric field sensor, development of capacitive voltage probe for non-contact measurement and method for determining a transmission direction were carried out.

In sensitivity analysis of the electric field sensor, first, the sensitivity calculation method by using equivalent circuit was evaluated. The parameters of the circuit were obtained theoretically and experimentally. The electric field sensor with designed parameter was made and its experimental characteristics were compared with theoretical one, in order to clarify main factor of sensitivity deviation. The results show that the difference between measured and calculated results depended on the value of capacitance and insertion loss of the sensor. However, the calculated result using measured parameters agreed with measured one. This means that the sensitivity of the sensor can be calculated by using its equivalent circuit.

Secondly, method for controlling the optical bias angle was carried out. An optical bias angle is an important parameter that determines a driving point of the electric field sensor. The adjustment method by applying a stress to the end of the optical modulator’s substrate was examined theoretically and experimentally. As a result, it is shown that the optical bias angle can be adjusted with the refractive index change by a photo-elastic effect and the elongation of a waveguide by a stress.

Moreover, narrow band resonance of the electric field sensor in frequency range from 1 to 100 MHz was examined by taking the piezoelectric effect into consideration, theoretically.

(5)

The result clarified that the narrow-band resonance depends on the width of the substrate. Therefore, it is shown that the resonance disappeared by changing the width of the substrate along the longitudinal direction.

For conducted disturbance measurements, voltage probe by measuring common-mode disturbances without touching conductor and determination method for transmission direction of conducted disturbances were developed and evaluated theoretically and experimentally.

A capacitive voltage probe was developed for measuring common-mode voltage on a cable without contacting its conductor. The characteristics of the probe and measurement error of the probe were evaluated. The results show that the probe has flat sensitivity in a frequency range from 10 kHz to 30 MHz. Also, dependence of the cable configuration (e.g.

radius, position in an electrode) was evaluated by using equivalent circuit. The results show that this probe can measure the conducted common-mode disturbances, and its characteristics can be calibrated by theoretical analysis or experimental calibration data.

Therefore, characteristics of this probe are enough to measure the conducted disturbances.

Finally, determination method for transmission direction of the conducted disturbances on the cable was developed and evaluated its validity in the field. A transmission direction of the conducted disturbance can be obtained by focusing on an active power calculated by measuring voltage and current, simultaneously. Measurement system was developed and evaluated validity of this method. The experimental results show that transmission directions of both sinusoidal and non-sinusoidal waves can be obtained by measuring its active power. Moreover, this method was applied to EMC trouble in the field. The result shows that the source of the trouble can be determined by detecting transmission direction of the disturbance. This means that effective countermeasures against the trouble in the field can be carried out. Therefore, it is confirmed that proposed method is useful for searching disturbance sources in the field.

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光電界センサの感度特性解析と伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

小林隆一

概要

インターネットの普及により，通信ネットワークは従来のアナログ電話やISDNのネットワークからIPのネットワークに移り変わりつつある．特に光ファイバ網が整備され大容量，

高速通信が実現することによって，これまでのような通信センタビルからだけでなく，一般の家庭においてもネットワークが構築され，様々なサービスの提供とともに，多種多様な通信機器が設置されるようになっている．それに伴い通信ネットワークは単なる通信手段としてだけではなく，災害，防災，福祉といった，安心・安全を支える重要な技術となっている．

その一方で，１回の故障が与える社会的影響はますます大きくかつ深刻なものとなっており，

故障に強い設備を構築することが通信ネットワークの重要な課題である．これらネットワークの発展とともに高速通信や無線通信技術も進化し，通信機器周辺の電磁環境を著しく変化させている．さらに通信装置の設置される電磁環境は年々複雑化し厳しくなってきており，

ＥＭＣの問題は，ネットワークの正常性を確保する上で重要な課題となってきている．

ＥＭＣの問題を未然に予防するためには，電磁環境の変化を正確に捉えるための計測技術が必要である．ＥＭＣ関連の計測技術については，これまで様々な検討が行われているが，

周波数利用状況や技術の変化等を考慮すると，さらなる研究，開発が必要であると考える．

本論文の目的は，電磁環境を正確に，かつ装置の動作に影響を与えないような電磁環境の計測技術の確立である．電磁環境の計測には，空間を伝搬する電磁波とケーブル等を伝わる伝導妨害波の２つが必要である．そこで，電磁波の測定に関する項目として，光変調器を用いた電界センサの感度特性解析及び感度特性改善方法について検討を行い，設計につながる感度特性のシミュレーション手法の確立，及び測定精度の向上を目指した．次に伝導妨害波の計測技術では，妨害波電圧を非接触測定で方法できる容量性電圧プローブの研究開発を行い，その実現に向けた検討を行っている．さらに伝導妨害波の伝搬方向を特定する技術について，妨害波のエネルギーに着目した方式を提案し，その有効性と実フィールドでの応用について研究を行っている．

まず光変調器を用いた電界センサの設計を行うためには，あらかじめ理論解析によりどのような特性を有するかを求めておく必要があり，感度特性の解析技術の確立が必要である．

しかし，光変調器を用いた電界センサは，負荷が容量性である，光素子を用いている等，従来使用されているダイポールアンテナ等とは異なった構造をしているため，周波数特性や感度特性の測定及び周波数特性解析は行われてきているが，あらかじめ電界センサがどのよう

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な感度を持つかを設計する方法やその結果に対する誤差要因については明らかにされていない．そこで論文では，LiNbO3光変調器を用いた電界センサ部を等価回路で表し，この等価回路と光源部，光検出部のパラメータの値をモーメント法や等角写像法等の理論解析と実際の測定により定め，それらの値から感度特性を求める方法について検証を行う．次に，電界センサを作製し，感度特性の測定結果と理論検討の結果との比較を行い，誤差要因を明確にして理論計算方法の確立を目指している．

次に光変調器を用いた電界センサには，実用上の課題として動作点を決定するオプティカルバイアス角の調整方法と，光学結晶の圧電作用による狭帯域な共振現象の低減が挙げられる．本論文では，オプティカルバイアス角を調整する方法として，Mach-Zehnder 型光干渉計が形成された光変調器基板の一点に力を加え，応力によってオプティカルバイアス角を変える方法を考案し検討を行っている．まず，Mach-Zehnder 型光干渉計が形成された基板の一端を固定し，もう一端に力を加えることにより，導波路の物理的な長さの変化及び応力による導波路の屈折率変化でオプティカルバイアス角を調整することが可能であることを理論解析により示す．さらに，オプティカルバイアス角の調整可能な電界センサを作製し，解析結果との比較を行った．圧電現象に起因すると考えられる狭帯域の感度変化の特性解析については，電界センサの感度特性を測定し，1MHz 以上の帯域で感度変化が生じていることを示す．さらに，この現象が光学結晶基板の持つ圧電効果による機械的振動と電気的振動が一致したことによって発生する共振であると仮定し，理論解析から共振周波数を求め，測定結果と比較した．周波数特性の劣化の原因となっている共振モードをその結果から求め，改善方法を提案し，その改善を施した電界センサの作製と改善効果の確認を行っている

さらに伝導妨害波の測定技術として電圧の非接触測定方法について検討を行っている．従来の電圧プローブでは，測定対象のケーブルの導体に接触する必要があり，そのためにはケーブルの切断や被覆の剥離等が必要であった．従って，動作中の装置に接続されているケーブルを測定するためには，装置を停止させる必要があり，実際の現場の測定では実施することが困難であった．そこで動作中の装置に対するコモンモード電圧測定のために，静電結合を利用した容量性電圧プローブを開発し，その有効性の検証を行っている．まず，容量性電圧プローブを作成し，その感度特性や周波数特性について等価回路を用いた理論，及び実験によって検証を行っている．さらに，ケーブル導体の大きさや位置等による容量性結合の変化による感度変化の検証，及び標準測定器である擬似通信線回路網(AAN)との精度の検証を行い，従来技術との差分を明らかにするとともに有効性の確認を行っている．

さらに，通信装置の EMC 故障の原因の多くは，電源ケーブルや通信ケーブルから伝導妨害波が侵入することによって発生しており，その発生源を特定することが問題の早期解決につながる．しかし，ネットワークの高度化とともに接続されるケーブル数も増大し，複雑な形態となってきており，その特定は非常に困難である．そこで，本論文では，伝導妨害波のもつエネルギーの流れに着目し，伝搬方向を特定する技術について検討を行っている．基礎実験において，模擬的な通信環境を構築し，正弦波，非正弦波信号に対し，本論文で提案する手法の有効性を確認した．さらに，実環境における電磁雑音故障において評価を行った．

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図表目次

図１．１日本におけるインターネットアクセスの普及状況... 2

図２．１電界センサの構成... 21

図２．２結晶型光変調器の構成... 21

図２．３偏波状態と光変調器出力... 23

図２．４ MACH-ZEHNDER型光変調器の構成... 25

図２．５光変調器を用いた電界センサの等価回路... 26

図２．６センサロッド部分の計算モデル... 28

図２．７駆動点インピーダンスの計算結果... 29

図２．８実効長の計算結果... 29

図２．９ L NI BO3結晶部分の構造... 31

図２．１０結晶型光変調器の横断面... 31

図２．１１入力キャパシタンスの解析モデル... 32

図２．１２ W’平面と等角写像後の入力キャパシタンス計算モデル... 33

図２．１３光検出器の変換効率測定系... 35

図２．１４光検出器の変換効率測定結果... 35

図２．１５測定系... 37

図２．１６感度特性の測定結果と計算結果の比較... 38

図２．１７周波数特性の測定結果と計算結果の比較... 40

図３．１ MACH-ZEHNDER型光変調器を用いた電界センサの構成... 46

図３．２オプティカルバイアス角と出力光の関係... 47

図３．３オプティカルバイアス角の調整方法... 48

図３．４印加した力に対する位相変化量... 52

図３．５基板の幅と最大ひずみの関係... 52

図３．６オプティカルバイアス制御型電界センサの構造... 54

図３．７応力印加の測定系... 54

図３．８オプティカルバイアス角の測定結果... 55

図３．９印加した力に対するオプティカルバイアス角の変化... 55

図３．１０オプティカルバイアス角制御型電界センサの温度特性測定結果... 56

図３．１１ MACH-ZEHNDER型光変調器の構造... 57

図３．１２周波数特性の測定系... 58

図３．１３周波数特性測定結果... 58

図３．１４解析モデル... 60

図３．１５音速の計算結果... 62

図３．１６各軸に対する振動と導波路の関係... 64

図３．１７共振改善のための評価モデル... 65

(12)

図３．１８形状を変えたMACH-ZEHNDER型光変調器の構造... 65

図３．１９改善された周波数特性... 66

図４．１容量性電圧プローブの構造... 73

図４．２内部電極と電圧検出部の接続... 73

図４．３ CVPの等価回路... 73

図４．４開発したCVPの外観... 75

図４．５感度測定の実験系... 76

図４．６線形性の測定結果... 77

図４．７周波数特性の測定結果... 77

図４．８入力電圧に対する周波数特性... 78

図４．９感度変化要因の計算モデル... 79

図４．１０内部電極内のケーブル位置による感度変化... 79

図４．１１ケーブル半径に対する依存性... 80

図４．１２従来の感度補正方法... 81

図４．１３モーメント法適用のための計算モデル... 84

図４．１４モーメント法の収束性... 84

図４．１５近似計算とモーメント法による計算結果の測定値との比較... 85

図４．１６デュアルＣＶＰ校正法の校正図... 87

図４．１７デュアルＣＶＰ校正法の等価回路... 87

図４．１８デュアルプローブ校正法の実験結果... 88

図４．１８ AANとの相関性評価の測定系... 90

図４．１９ AANとCVPの測定結果の比較... 90

図５．１エネルギーの伝搬方向の基本概念... 94

図５．２電流プローブの極性の定義... 96

図５．３開発した伝搬方向特定システムのブロック図エラー! ブックマークが定義されていません。図５．４伝搬方向特定方法の実行手順... 99

図５．５電流プローブの変換インピーダンス特性... 100

図５．６電圧プローブの周波数特性...エラー! ブックマークが定義されていません。図５．７実験系... 102

図５．８測定例... 103

図５．９正弦波に対する有効電力の計算結果... 104

図５．１０非正弦波の印加波形... 106

図５．１１非正弦波波形の有効電力の測定値と計算値の比較... 106

図５．１２測定結果の比較（リニアスケール）... 106

図５．１３２ＦＩＤＦでの測定系と伝搬方向測定結果... 107

図５．１４ 2階での通信線の測定結果... 108

図５．１５妨害波の伝搬方向の特定結果... 109

(13)

表１．１有線メタリック通信の技術状況... 2

表１．２無線通信の技術状況... 3

表１．３通信システムに影響を与える妨害波例... 4

表１．４電界センサの分類... 7

表２．１測定に用いた電界センサのパラメータ... 36

表２．２等価回路のパラメータ... 39

表３．１計算パラメータ... 53

表３．２ L NI BO3基板の定数... 62

表３．３共振周波数の計算値と測定値... 63

表４．１ CVPの仕様諸元... 75

(14)

第１章序論

１．１研究の背景

電気通信の歴史は，モールスによる電信の発明から始まり，現在ではインターネットに代表されるように，世界中の人々がリアルタイムに自由にコミュニケーションがはかれるまでに発展してきている．通信の技術は日進月歩に発展しており，現在では，「いつでも，どこでも」をキーワードとして，さらなる進展が図られている．その結果，「ユビキタス社会の実現」

にむけ，誰もが「安心・安全」な社会生活を送るために電気通信の技術は必要不可欠なものとなってきている．我が国においても，「e-Japan計画」，「u-Japan計画」等に代表されるように[1]，政府によるユビキタス社会実現に向けた計画が実行されている．また，国際競争力の強化にむけた政府の検討会や科学技術庁が主体となって，2025 年の未来予測を予測する

「イノベーション２５」等[2]，近未来に向けた技術革新についての議論が政府レベルで活発に行われている．

このような「ユビキタス社会」の実現のための一つの重要な構成要素である電気通信技術については，日々様々な技術革新や技術予測が行われている．

2000年頃からのインターネットの爆発的な普及は，電気通信の分野において大きなインパクトを持っている．図１．１にインターネットの普及状況の推移を示す[3]．図のように2002 年頃のADSL(Asynchronous Digital Subscriber Line)の登場により，インターネット利用者が急激に増加し，現在では，ADSLから光ファイバ回線を用いたFTTH (Fiber To The Home) にシフトし，利用者が急激に増加している．これにより，企業だけでなく，一般家庭にもブロードバンド環境が容易に提供されるようになり，これまでの電話やモデムといった通信機器だけでなく，ＴＶ等のオーディオ機器やいわゆる白物家電といわれる冷蔵庫，電子レンジ等の家電機器までもがネットワークに接続される環境になってきている．

このような状況のもと，オフィスだけでなく，一般家庭にも様々な電気通信技術が導入され，これまでのアナログ電話サービスだけでなく，DSLやPLC(Power Line Communication) に代表されるような有線の高速通信や，無線ＬＡＮに代表されるパーソナルな無線通信が利用されている．表１．１は，メタリックケーブルを利用した通信方式の信号周波数や伝送速度等についてまとめたものである．DSL や PLC等に代表される有線の高速通信方式では，

最大 30MHz の信号がメタリックケーブルを媒体として伝送されている．またこれらの方式

は，既存の通信線や電源線を利用している点に大きな特徴がある．さらに，有線ＬＡＮでは，

1000Base-Tの通信を平衡ケーブルで行う方式が実現されている．一方，無線通信では，表１．

２に示すように信号周波数帯域がＧＨｚ以上になってきており，占有帯域幅の拡大と同時に伝送速度も年々高速化している．

(15)

0 2 4 6 8 10 12 14 16

6 912 3 6 9 12 3 6 912 3 6 9 12 3 6 912 3 6 FTTH

ADSL CATV

A n u mber of us er s conn ecte d to In te rn et in Jap a n [ × m illi o n user s ]

Month Year

2002 2003 2004 2005 2006 2007

図１．１日本におけるインターネットアクセスの普及状況表１．１有線メタリック通信の技術状況

up to 30 MHz

up to 100 up to 160 Mbps

Telecom.

cable VDSL

2 – 30 MHz 4 - 28

625 MHz MHz 125 MHz

or 250 MHz Frequency

4.5 up to 100 100

100 100

Maximum 100 length [m]

up to 3.2 Gbps up to

200 Mbps up to

240 Mbps 10 Gbps

1 Gbps Bit rate

UTP/

STP Power

cable Telecom.

cable CAT-6/7

UTP-5 Cable

IEEE 1394b PLC 2.0

HomePNA -3.0 10G

Base-T 1000

Base- T/TX Trans-

mission techno-

logies

up to 30 MHz

up to 100 up to 160 Mbps

Telecom.

cable VDSL

2 – 30 MHz 4 - 28

625 MHz MHz 125 MHz

or 250 MHz Frequency

4.5 up to 100 100

100 100

Maximum 100 length [m]

up to 3.2 Gbps up to

200 Mbps up to

240 Mbps 10 Gbps

1 Gbps Bit rate

UTP/

STP Power

cable Telecom.

cable CAT-6/7

UTP-5 Cable

IEEE 1394b PLC 2.0

HomePNA -3.0 10G

Base-T 1000

Base- T/TX Trans-

mission techno-

logies

その一方で，通信環境を取り巻く電磁環境も急速に変化してきている．たとえば急速なインターネットの普及は，一般家庭にブロードバンド環境を提供しているが，多くの電気／電子機器がネットワークを中心に近接して使用される環境を生み出している．また，ケーブルのリユースと信号の高速化によって，たとえばPLCのような，ケーブルからの漏洩電磁界も大きな問題となっている．さらに，地球温暖化防止の観点から，あらゆる電気／電子機器の消費電力削減が行われており，その解決策の一つとしてインバータ技術が応用されている．

インバータ技術は，消費電力を効率よくコントロールでき，省エネルギーに貢献しているが，

その一方で動作のためのスイッチングによるノイズの問題が発生している．

(16)

表１．２無線通信の技術状況

FHSS Up to 1 Mbps 2.4 GHz

Blue- tooth

OFDM (UWB) Up to

480 Mbps 3~10 GHz Wireless

USB

OFDM Up to 70

MHz 5.2 GHz Wireless

1394

Depend on freq.

PSK, FHSS OFDM

DSSS/CCK / OFDM Modulation

Depend on freq.

up to 384kbps 54 Mbps

11 Mbps, up to 54 Mbps Bit rate

125 k, 13.56 M,

433 M, 900 M,2.4 G 5.2 GHz

2.4 GHz Frequency

band

RF-ID (ISO/IEC 18000-x) IEEE

802.11a IEEE

802.11b/

11g Trans-

mission techno-

logies

FHSS Up to 1 Mbps 2.4 GHz

Blue- tooth

OFDM (UWB) Up to

480 Mbps 3~10 GHz Wireless

USB

OFDM Up to 70

MHz 5.2 GHz Wireless

1394

Depend on freq.

PSK, FHSS OFDM

DSSS/CCK / OFDM Modulation

Depend on freq.

up to 384kbps 54 Mbps

11 Mbps, up to 54 Mbps Bit rate

125 k, 13.56 M,

433 M, 900 M,2.4 G 5.2 GHz

2.4 GHz Frequency

band

RF-ID (ISO/IEC 18000-x) IEEE

802.11a IEEE

802.11b/

11g Trans-

mission techno-

logies

このような電磁環境の変化に伴って，これまで以上に電磁両立性（ＥＭＣ）の問題は大きな課題となっており，「安心・安全で高品質なネットワーク」を構築する上で重要な技術となってきている．

１．２通信と電磁両立性(Electromagnetic Compatibility : EMC)

通信分野におけるＥＭＣの問題として，古くは送電線からの誘導問題があげられる．通信線と送電線の間の誘導問題については，大正２年の澁沢氏による調査研究報告[4]や昭和２年の深尾氏による簡易予測計算方法の報告[5]等があげられる．この誘導問題については，昭和３年から昭和１３年には誘導障害防止研究委員会，昭和２６年から昭和３６年には誘導調整委員会，そして昭和３６年以降は誘導調査特別委員会として検討が行われている[6]-[8]．

その後，中波放送波やＣＢ無線等の無線システムからの誘導問題や，ディジタル通信の発展や広範囲な無線利用等によって，通信システムは，複雑な電磁環境下にさらされることになり，多くのＥＭＣの課題を生み出している．

通信システムに電磁気的な妨害を与えるものの代表例を表１．３に示す．表は，妨害源，

発生場所，通信システムへの影響及び影響を受ける部分を示している．この表から，通信システムに影響を与える妨害源は，雷のような自然の妨害源[9]-[14]，電気製品のスイッチング

[15]-[17]，送電線，電気鉄道[18]-[20]等の意図しない電磁エネルギーの放出による妨害源，

中波放送波，ＣＢ無線[21]-[23]，工業用電磁機器[24]-[26]等，電磁エネルギーを意図して放射しているものに分けられ，その種類は多岐にわたっている．これらの電磁妨害によって，

通信システムにおいては，そのレベルや周波数によって下記のような事象が発生する．

①アナログ音声に対する雑音や画像信号の乱れ

②装置の制御信号を乱すことによる誤作動

③装置内部の破壊，たとえばメモリの消去，ＩＣの破損

④感電等，作業者の安全に関わる問題

(17)

表１．３通信システムに影響を与える妨害波例妨害源発生場所通信システムへの

結合

通信システムで妨害を受ける部分ロラン，中波，短波放送，

ＦＭ，ＴＶ，ＣＢ無線，

アマチュア無線，移動体

アンテナ電磁波

通信線電源線装置内回路ＩＳＭ機器

(Industrial Science and Manufacturing)

機器筐体

電源線電磁波

通信線電源線装置内回路

送電線，配電線，電気鉄道送電線，配電線，架線パンタグラフ

電磁結合，

静電結合電磁波

通信線

スイッチング電源

インバータ電源線

電磁結合，

静電結合伝導

通信線電源線

雷雷撃電流電磁波，伝導，

接地線へ回り込み

通信線電源線接地線

静電気放電静電気放電

電磁誘導，

静電誘導，

電磁波，伝導接地線へ回り込み

通信線装置内回路

電気製品のOn / Off スイッチ部分のシャワリングアーク

電磁誘導静電誘導

伝導

電源線通信線

他回線の伝送信号通信線

電磁誘導静電誘導

漏話

通信線

交換機リレー等の動作リレー部分のシャワリングアーク

電磁結合

静電結合通信線

さらに通信のディジタル化が進むことによって，これら妨害波の影響による事象も異なってきている．例えば，従来のアナログ電話に対する妨害の場合には，妨害波の包絡線が検波されることによって，妨害波が電源に起因する場合には，電源のハム音が聞こえ，中波放送等のＡＭ変調波の場合には，その音声が聞こえる，携帯電話の電波であれば，無線のタイムスロット間隔に起因した，ブツブツといった音が聞こえてくる[27]．しかし，最近のブロードバンドの普及によって，たとえばＩＰ電話のような場合には，同じ中波放送波が影響した

(18)

としても，ユーザーが感じられる現象は，ディジタルデータのエラーによる波形復元ができなくなって発生するブツブツ音や，エラーが多い場合には，通信の切断といった事象になってくる．さらに映像であれば，従来のアナログＴＶの場合には，縞模様として現れていた事象が，ディジタルＴＶの場合には，画像の一部が乱れるブロックノイズや画面のフリーズといった事象になってくる[28]．

１．３通信のＥＭＣにおける課題

上記のような背景から，通信分野におけるＥＭＣでは，多種多様な妨害源からのノイズを正確に把握し，かつ適切な対策を実施することがサービス品質を維持する上での重要な課題となっている．前節で述べたように，通信システムを取り巻く電磁環境は，技術の発展ともに年々複雑になってきており，また様々な装置が近接して利用されることや，多機能化によって多種多様なケーブルが接続されるようになってきている．さらに，ユビキタス社会では，

無線の高度利用の推進や，いわゆる白物家電等のネットワーク接続による制御等，通信システム自体の構成も複雑化してきている．

そのため，ＥＭＣの問題を起因とする故障が発生した場合には，いかにその周囲の電磁環境を正確に測定できるか，ということが課題としてあげられる．原因となる電磁妨害波を早期にかつ正確に捉え，適切な対策方法によって故障を解決することが，通信品質の確保のためには重要になってきている．また電磁環境の測定結果から妨害波の発生源を特定することによって，最も効果的な対策が実施でき，そのコストも安くなる．従って，

①通信システムを取巻く電磁環境を正確かつシステムへの影響を最低限に測定する技術

②妨害波の発生源を容易に特定するための技術

について研究・開発を行うことは，通信品質を確保する上での重要な課題であると考える．

１．４本研究の背景と目的

前節でのべた通信の高度化，大容量化等による通信環境の変化や，様々な無線利用や技術革新による電磁環境の変化にともなって，通信分野における EMC においても，様々な課題が生じている[27]．特に電磁環境の測定技術は，基礎となるものであり，その向上は通信分野のEMC問題を解決し，通信品質を確保するために必要不可欠なものである[28]．

そこで本研究では，電磁環境測定における電磁波の計測技術及びケーブル等を伝搬する伝導妨害波の計測技術の確立を目的とする．電磁波の検出については，様々なアンテナの中でも正確な電磁界の測定が可能であると期待される光技術を用いた電界センサについて，その感度特性の解析と改善方法について検討を行った．また伝導妨害波の計測においては，これまでのプローブでは困難であった，運用中の装置に接続されるケーブルの妨害波電圧の測定技術として非接触型のプローブの開発について検討を行っている．さらに，通信ネットワークの信頼性向上のために，故障の早期解決手段として，伝導妨害波の伝搬方向特定技術を考

(19)

案し，その有効性の検討を行っている．

１．４．１電磁波計測の背景と研究課題

まず電磁波の測定においては，従来，半波長ダイポール，バイコニカルアンテナ，ログペリオディックアンテナ，ホーンアンテナ等，様々な種類のアンテナが用いられている[29]．しかし，このようなアンテナは，同軸ケーブルによって測定器と接続されるため，

１）ケーブル付近の電磁界を乱してしまう．

２）ケーブル自身が測定電磁界を検出してしまう．

といった問題があり，アンテナ自身にも，

３）アンテナサイズが大きく，空間分解能が悪い４）使用可能な周波数帯域が限られている

等の問題があり，正確な電磁界の測定が困難であった．

これらの問題を解決するためには，

１）接続ケーブルが周囲の電磁界を乱さないこと

２）様々な周波数成分を測定するために広帯域であること

３）位置による電磁界の変化を正確に把握するために小型であること

が要求される．従来，このような条件を満たすアンテナとして，様々なタイプのアンテナが提案されている．例えば電界測定用としては，アンテナのエレメントに抵抗を装荷することによって広帯域化したアンテナ[30]や，抵抗装荷アンテナと高抵抗線を組み合わせた小型の電界測定用プローブ[31]，FET とダイポールアンテナを組み合わせたもの[32]等がある．また磁界測定用としては，抵抗を装荷したループアンテナ[33]やOPアンプと組み合わせたもの [34]等が開発されている．

さらに，前述の要求条件を満たすアンテナとして，光技術を用いた電磁界測定用センサが研究・開発，実用化されている．これらの電磁界用センサは表１．４のように分類される．

ダイオード検波型[35][36]は，アンテナで検出した信号をダイオードで検波し，直流レベルに変換した後にE/O変換器によって光信号に替えて伝送するものである．このタイプのものは，

安定性に優れ，周波数帯域が広いため実用化が進んでいる．しかし，感度が悪いことや，本質的にエネルギー検出型であるため周波数情報が得られないといった欠点がある．放電型電磁界センサ[37]は，放電管に光ファイバを接続したもので，マイクロ波加熱器のような強電界測定用として開発されたものである．これは放電管の放電開始電圧でその感度が決定される．熱型電磁界センサ[38]は，抵抗対に電磁波を吸収させ，その温度変化を光ファイバ温度センサで測定して電界強度を測定するもので，ダイオード検波型と同じエネルギー検出型である．このタイプのセンサは，小型化が可能であり，直径5 mm程度の電界センサが実現されている．しかし，このタイプのセンサもダイオード型と同様に，周波数情報を得られないという欠点がある．

(20)

表１．４電界センサの分類特性

方式

周波数範囲感度

特徴

ダイオード検波型 10 MHz 〜 18 GHz

1 V/m 電波をダイオードによって直流

レベルに変換し伝送．安定度は良いが周波数情報が得られない放電効果を利用 2.75 GHz 5 kV/cm ネオン管の放電光を利用温度センサを利用 1GHz 〜

110 GHz

5.4 W/cm² 電磁波を抵抗体によって熱に変

換し，その熱を光温度センサで検出．ピンポイントでの電界検出可能

発光素子 1 kHz 〜 1 GHz

1 mV/m アンテナで検出した RF 信号を

LD,LED 等の発光素子で光信号

に変換．動作時間に制限がある．

直接変調型

電気光学効果 100 Hz 〜 5 GHz

1 mV/m アンテナで検出した RF 信号で

無変調の光信号を変調．構造が簡単で，広帯域．安定度の改善が必要

直接光変調型電界センサは，センサエレメントで検出した信号を直接光信号に換えて伝送するものであり，変換素子として発光素子（半導体レーザー，発光ダイオード等）を用いたもの[39]と，光変調器を用いたもの[40][41]とに分けられる．このタイプのものはどちらも広帯域であり，周波数情報が得られることで，電磁パルスの測定や EMC 測定への適用を目指して研究・開発が行われている．

この中でも，光学結晶で構成される光変調器や光学結晶基板上に形成された光変調器を内蔵した電界センサは，

①アンテナ以外は非金属物で構成されるため，周囲の電磁界を乱すことが少なく正確な測定が可能

②光変調器はDC〜数十GHzの範囲で動作するため，非常に広帯域な特性をもつ．

③センサを駆動するためのバッテリを必要としないため，長期にわたる測定ができ，かつ小型化も容易である

といった特徴を持っている．そのため，通信システムの周囲の電磁環境測定や EMC 規定の運用における電界の正確な測定に対して，光変調器を用いた電界センサの適用を考え，本研究の検討を行うこととした．

これまでに光変調器を用いた電界センサについては，様々な研究が行われてきている．当初，電気光学効果（特にポッケルス効果）を用いた電気的なセンサは電圧センサの開発から始まっている．1980年，東京大学の日高らは，ポッケルス素子としてZnS^{を用いて雷サージ}

(21)

電圧印加時の空間電界の変化を測定した．このときはまだ電界センサとしてではなく，放電時の隔壁効果を解明するために使用されていたため，光学結晶は平板電極の裏側に取付けられていた[42]．1982年になると，富士電機の柴田らは，光変調器としてLiNbO3結晶を用い，

偏光板とl/4λ板とを組み合わせた現在使用されているものと同じ構造の電界センサを作製し，

最高感度 200 V/mを実現した[43]．このような強電界における光技術の応用は，電気学会を

中心に行われており，1989 年，1990 年には，日高らにより光学結晶基板上に形成された光導波路型の電界センサの検討が行われている[44][45]．さらに，上記で述べた電界に比例するポッケルス効果だけでなく，電界の二乗に比例するカー効果[46]や磁界に比例するファラデー効果[47]を用いた電磁界センサの検討が行われている．しかし，これらのセンサは，高圧線，雷サージ等低周波強電磁界，強磁界の測定のためのものである．

一方，高周波電磁界に対する電界センサは，アメリカで多くの検討が行われている．1980

年にBulmerらによりMach-Zehnder型干渉計を用いた電界センサの基礎的な検討が報告さ

れ[48]，1984年には，Mach-Zehnder型干渉計と方向性結合器を用いた電界センサについての検討が報告されている[49]．

1982年，NBS（現NIST）のWyssらにより，ポッケルス結晶を用いた電界センサが開発され，最高感度1 V/m を達成している[41][50]．以後，このタイプのセンサについて検討がなされ，1987年には，電界センサを３つ組み合わせることによって等方向性の３軸直交電界センサが開発されている[51][52]．1992年には，IEEEのアンテナ伝搬の国際会議において，

“アンテナ応用の光システム”というセッションが設けられ，センサ本体に関するもの [53][54]や，センサ設計に関するもの[55][56]等が報告されている．

日本においては，NTTの桑原らが最高感度1 V/mを実現した[57]．これは，ポッケルス素子の結晶を用いた光変調器を使用している．そして，光集積回路型の光変調器の安定化によって[58]，Mach-Zehnder型干渉計を用いた電界センサの検討が行われ，1990年には，田島らによって最高感度1 mV/mを実現している[59]-[61]．その後，豊田中央研究所の伊藤らによる低周波用電界センサの開発[62]や，トーキンの戸叶，環境電磁研究所の宮田らによる特性改善[62]-[64]等が行われている．またNTT の田島らにより，電界センサの小型化[65][66]

や抵抗装荷による周波数特性の改善[67]，インダクタンス装荷による共振を利用した高感度化[68]，３軸直交型による等方向性アンテナ等の研究がなされている[69][70]．現在では，

NICT の仙台リサーチセンタにおいて，プリント基板上の電磁界の計測[71]や磁界計測[72]

への応用が検討されている．

以上の検討は主に実験的な検討が中心であり，センサの特性に関する理論的な検討や理論に基づく設計方法や感度誤差要因等については，十分な検討が行われていない．特に光変調器を用いた電界センサの特性については，感度が十分でないことや様々な要因によって特性が安定しない等，解決すべき課題が残されている．

そこで本研究では，感度特性に関する理論解析及び光変調器に起因する感度変化要因についての検討を行い，光変調器を用いた電界センサの感度解析方法の確立と特性の安定化を目的として研究を行った．

(22)

１．４．２伝導妨害波測定の課題と目的

次に通信の大容量化，高機能化等にともなって，一台の通信装置に接続されるケーブルの数は増加し，それに伴い，ネットワークの構成も複雑になってきている．そのような通信環境の中で発生する EMC に関連した故障の多くは，ケーブルを伝わる伝導妨害波によるものである．ケーブル等を伝わる伝導妨害波の測定においては，その対象として，電圧または電流の測定が行われている[27]．

EMC計測で用いられる電流プローブには，ケーブルに流れる電流の作る磁界と測定用コイル（変流器）の結合を利用した電磁結合型のものや，磁界によるホール効果を利用したものが古くから研究．開発されている[73]-[76]．このような電流プローブには，

１）電磁結合を利用するため，ケーブルに接触する必要がなく，非接触の測定が可能２）目的の周波数帯域に応じたフェライト，鉄心等を利用することによって，磁界を効率

的に集めることができ，感度の調整が容易等の特長がある．その一方で，デメリットとして，

３）測定周波数帯域が，プローブのコア材の周波数特性や巻線間の寄生キャパシタンスなどの影響によって制限される．また静電シールドが必要となる

４）測定対象に直流電流や商用周波数が流れている場合には，鉄心やフェライトの飽和を考慮する必要がある．

等があげられる．

一方，電圧の測定においては，一般的にオシロスコープ等に付属している電圧プローブや，

FET等の入力を持つアクティブ型の電圧プローブ等が用いられている．またEMC規定の適合性確認のための測定器として，CISPR publication 16においてコモンモードのインピーダンスを安定化させた電源線用の擬似電源回路網(AMN : Artificial Mains Network)や擬似通信線回路網(AAN :Asymmetric Artificial Network)等が規定され，用いられている．しかしながら，これらの電圧測定用のプローブや装置では，

１）従来の電圧プローブは，測定対象の導体に接触する必要があり，ケーブルの切断や被覆の除去が必要となる．

２）AMNやAANは，ケーブルの構造によって個々に準備する必要があり，汎用性が低いといった問題があげられる．そのため，高速化，大規模化した通信装置の運用中においては，

通信の正常性を確保しつつ測定することが困難である．

伝導妨害波の影響を評価するためには，動作中の装置での測定が必要である．電流については，現状のプローブで測定が可能であるが，電圧については上記課題から測定が困難である．また電流による測定だけでは，コモンモードのインピーダンスによって電流値が変わるため，インピーダンスが高い場合には，妨害波の影響を過小評価してしまう可能性が考えられる．従って，通信装置周辺のケーブルの電磁環境を測定するためには，電流と電圧の測定が必要であり，かつどちらの測定においても装置の動作に影響を与えないことが必要である．

しかし，上述のように電流の測定は非接触での測定が可能であるが，電圧についてはそのよ

(23)

うな測定はできない．そのため，装置の動作に影響を与えない非接触の電圧測定方法の確立が重要な課題であるといえる．

これまで高電圧の測定用の電圧プローブとして，非接触型の電圧プローブが開発されてい

る [77][78]．しかし，これらのプローブは，高電圧かつ特定の周波数（電源周波数）に対し

て開発されたものであった．そのため，数十MHz程度の高周波帯域と，数µV程度の微小電圧に対する感度を必要とするEMC計測に，直接応用することは困難である．

そこで本研究では，高周波，微小電圧に対応可能な EMC 計測のための非接触型の電圧プローブを考案し，その特性について検討を行った．具体的には，静電結合を利用した非接触型の容量性電圧プローブを考案・作製し，その基本特性について，測定と等価回路化による理論的検討を行った．次に，その特性の誤差要因や校正法について実験的，理論的に検討し，

その両者を比較することによって，その有効性を評価するとともに課題を明らかにしている．

１．４．３通信装置のＥＭＣ問題の解決方法

ネットワークが大規模，大容量化することによって，EMCの問題が原因の故障が１回発生すると，その社会的影響は大きなものとなってきている．そのため，実際の現場でのトラブル対応においては，すばやく妨害波を特定し，かつその発生源を発見し対処することが重要な課題となってきている．

妨害波の発生源を特定する方法として，到来方向の推定が考えられる．これまで，ホイッスラ，ヒスと言ったような空電の到来方向の特定については，様々な検討が行われている

[79]-[80]．また EMC の領域においても，東北大の菊池や長澤らによる合成開口法による妨

害波源の特定方法[81][82]や，京都大学の鷹尾らによる回転ダイポールによる電波の到来方向予測[83][84]，NTTの富永らによる移動式の電磁界測定装置による領域内の波源推定[85]等，

様々な検討が報告されている．また到来方向の予測の数学的なアプローチの手段として，R.C.

Schmidtによる提案のMUSIC法[86]やR. RoyによるESPRIT法[87]等が提案され，それらが到来方向予測に応用されている[88][89]．

一方，伝導妨害波の妨害源の特定技術については，ほとんど検討がなされていない．例えば，NTTの馬杉らによって，障害に連動した電磁環境のモニタリング装置等の開発が行われており[90]，伝導妨害波の到来を検知する技術が提案されている．しかし，これらは電磁環境の評価が中心であり，伝導妨害波の到来方向について検出するものではない．また電流プローブによる電流測定のみであるため，その大きさだけでは妨害波の伝搬方向を特定することが難しかった．また電圧の測定に対しては，前節で述べたように従来の電圧測定器では，

運用中の装置に対して適用することが難しい．これらの問題点から，伝導妨害波の伝搬方向の特定技術については，大きな進展がなかった．

これらの背景から，伝導妨害波の伝搬方向特定技術については未検討であり，その技術の確立が必要であった．さらにその技術に対しては，故障の状況を正しく把握するために，装置が動作状態のままで伝導妨害波の測定を行えることが要求される．

本研究では，伝導妨害波の妨害波源特定技術の確立を目的として，妨害波のエネルギーの

(24)

流れに着目した伝導妨害波の伝搬方向特定方法を考案し，その原理に基づくシステムを構築して，有効性の実証を行った．まずケーブルに発生する伝導妨害波の電圧，電流を非接触で同時に測定し，その結果から妨害波の有効電力を求めることによって伝搬方向を特定する技術について理論的な検討を行った．さらに測定システムを開発し，提案手法の有効性についての実験的な検討を行っている．その際，測定システムには実際の現場でのトラブルを想定し，運用中の装置に対する適用が可能となるように，本研究で検討している非接触型の容量性電圧プローブの技術を活用している．さらに，実際の現場での EMC 故障においてそのシステムを使用し，妨害波源の特定が可能であることを確認し，その有効性を示している．

１．５本研究の抄録

本研究は以下のような構成になっている．

・第１章

本章であり，研究に至る背景，現在までの研究状況，問題点等を述べ，研究の目的を述べている．

・第２章

電磁界計測手段として，光変調器を用いた電界センサの構成について説明し，その動作原理について述べている．また光変調器を用いた電界センサの理論解析手法として，等価回路を用いた計算手法について述べている．各種電界センサのパラメータを理論的，実験的に求めることにより，理論計算における誤差要因を明らかにし，解析手法の有効性について検討をしている．

・第３章

光変調器の特性に起因する感度変化要因について述べている．まず電界センサの感度を決定するパラメータであるオプティカルバイアス角の調整方法として，外力を印加する手法について述べている．次に，光学結晶の持つ圧電共振現象について考察し，電界センサの感度特性安定化と機械的共振現象の抑制方法について述べている．

・第４章

伝導妨害波電圧の新たな測定ツールとして，静電結合を利用した容量性電圧プローブについて，その原理と校正について述べている．さらに感度特性及び誤差要因について検討し，

有効性について評価している．併せて，感度改善手法及びEMC規格適合試験の際の測定用プローブとしての特性についても，従来技術であるAANと比較し，その有効性について述べている．

・第５章

伝導妨害波の伝搬方向を特定する技術として，妨害波の電圧，電流から有効電力を求めてその伝搬方向を特定する技術について提案し，その原理的な確認と有効性について述べている．測定システムを構築し，実験的に利用するだけでなく，実際の現場においてその有効性の確認を行っている．

(25)

・第６章

本研究の全体のまとめであり，研究により明らかになった結果と今後の検討課題について述べている．

(26)

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伝導妨害波測定用容量性電圧プローブ に関する研究

光電界センサの感度特性解析と

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブ に関する研究

小林 隆一

電気通信大学大学院電気通信学研究科 博士（工学）の学位申請論文

２００８年３月

光電界センサの感度特性解析と

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブ に関する研究

博士論文審査委員会

上 芳夫 教授（主査）

武田 光夫 教授

三橋 渉 教授

福田 喬 教授

岩崎 俊 教授

著作権所有者

小林 隆一

２００８年３月

Study on Sensitivity Analysis of Optical Electric-Field Sensor and Capacitive Voltage Probe for Measuring Conducted

Disturbance

光電界センサの感度特性解析と伝導妨害波測定用 容量性電圧プローブに関する研究

小林 隆一

概要

目 次

図表目次

第１章 序論

A n u mber of us er s conn ecte d to In te rn et in Jap a n [ × m illi o n user s ]

Month Year

参考文献

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

小林隆一

電気通信大学大学院電気通信学研究科博士（工学）の学位申請論文

伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

上芳夫教授（主査）

武田光夫教授

三橋渉教授

福田喬教授

岩崎俊教授

小林隆一

光電界センサの感度特性解析と伝導妨害波測定用容量性電圧プローブに関する研究

小林隆一

目次

第１章序論