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りえこやぎ
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1 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 1

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

3 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. 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 3 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 :0 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 khz, 5 khz, 10 khz, 50kHz, 100 khz, 00 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 3

30 MHz 3.7mm Gap (1mm) 5cm 研究開発頒布品として販売予定 (010.

1 アンテナ間の透過 S パラメータ A 1 No. 電波暗室 :15m x 10m x 8m No.

4 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 3.7mm Gap (1mm) 5cm 研究開発頒布品として販売予定 ( 月 ~) SMA コネクタ Short 校正方法 :3 アンテナ法 No.1 アンテナ間の透過 S パラメータ A 1 No. 電波暗室 :15m x 10m x 8m No. アンテナ間の透過 S パラメータ A 3 No.3 No.3 アンテナ間の透過 S パラメータ A 13 No.1 未知数 ( アンテナ係数 ) 3 つに対して 3 つの方程式! 4

5 3 アンテナ法の定式 F m 3 ant. ただし = A 1 A A 3 13 αγ β [ S / m] ( A: 透過 Sパラメータ ) 1 #1 # r1 r 送信ループアンテナ受信ループアンテナアンテナ間の透過 S パラメータ S 1 を測定! (3 つのアンテナ間のそれぞれの間で測定 ) ( r r ) 1+ k R = L 3 4 jωμ0πz 0R01 8R01 α R 01 = 1 + r1 + r ( r r ) 1+ k R = L 3 4 jωμ0πz 0R03 8R03 β R 03 = 3 + r + r3 ( r r ) 1+ k R = L 3 4 jωμ0πz 0R013 8R013 γ R 013 = 13 + r1 + r3 である参考文献 : 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-4-75,003 5

6 . 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 Step1 ST #T #S r T rs F ms 既知送信ループアンテナ S ST 基準ループアンテナ ( 校正済み ) Step 送信ループアンテナ AT r #T #A A r T 未知 F ma 6 S AT 被校正ループアンテナ

7 置換法の定式 A B R R = = 0ST 0 AT 1+ k jωμ πz 0 1+ k jωμ πz = = F = 0 ma ST 0ST 3 0R0 ST 0 AT 3 0R0 AT AT R R + r S + r S S A ST AT R R + r T + r T B A F ms ( r r ) S T 4 0ST ( r r ) A T 4 0 AT + L + L F F S S k ω Z r r r S T A ma ms ST μ 0 AT 0 ST AT : 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 S 1 : 送信被校正アンテナ間の S 1 : 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参考文献 : ) 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つの相対測定法の提案と比較, 信学技法,EMCJ008-84,pp.53-58,Nov

8 3. パッシブループアンテナ ( 公称直径 133 mm 36 回巻 ) 周波数 :0 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 khz, 5 khz, 10 khz, 50kHz, 100 khz, 00 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! 8

9 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 9

10 ループアンテナ校正に関する今後 1. パッシブループアンテナ ( 直径 10.0 cm (±.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. 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 :0 Hz, 30 Hz, 50 Hz, 60 Hz, 100 Hz, 500 Hz, 1 khz, 5 khz, 10 khz, 50kHz, 100 khz, 00 khz ループアンテナは大きさ巻数アンプの有無方形型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校正事業者における 1. 1 からの拡張を期待! 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 an Yozo SHIMADA, Reference Calibration Methos for Small Circular Loop Antenna in Low-Frequency Ban, IEEE Trans. Instrum. Meas., vol.im-58, NO.4, pp , APRIL

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仕様書形式 :Shiel Loop Antenna (Passive Type) 直径 :100 mm±mm アンテナエレメント :Semi-Rigi

11 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仕様書形式 :Shiel Loop Antenna (Passive Type) 直径 :100 mm±mm アンテナエレメント :Semi-Rigi 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茨城県つくば市梅園電話 : FAX:

12 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モノポールアンテナ < 現在開発中平成 4 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アンテナ素子接地板 ( 無限大 ) 実際のモノポールアンテナ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接地板校正方法 :3 アンテナ法三脚 or 校正方法 : 置換法パッシブ型の標準モノポールアンテナ 1

3 アンテナ法と容量置換法の比較 3 アンテナ法容量置換法 T 型コネクタ T 型コネクタ等価容量回路 ( コンデンサ ) Loa(50Ω) 等価容量回路 ( コンデンサ )

ISHII an Yozo SHIMADA, "A Reference Antenna Metho for Non-resonant Electrically Short Monopole

6) Masanori ISHII an Yozo SHIMADA, "A Near fiel 3-Antenna Metho for Short Monopole Antennas in

13 3 アンテナ法と容量置換法の比較 3 アンテナ法容量置換法 T 型コネクタ T 型コネクタ等価容量回路 ( コンデンサ ) Loa(50Ω) 等価容量回路 ( コンデンサ ) Loa(50Ω) 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-4-17,010 5) Masanori ISHII an Yozo SHIMADA, "A Reference Antenna Metho for Non-resonant Electrically Short Monopole Antennas," Proceeings of IEEE 010 International Symposium on EMC, vol.1, pp.56-61, July ) Masanori ISHII an Yozo SHIMADA, "A Near fiel 3-Antenna Metho for Short Monopole Antennas in Low Frequency Bans," Proceeings of IEEE 009 International Symposium on EMC, vol.wensay, pp.34-37, August

14 アクティブモノポールアンテナの国際比較の結果 14

の時を特にヘルムホルツコイルという X 軸上の任意の点における磁界強度 (X( 軸に平行な成分 ) r1 NI 1 1 Hx ( x) = 3 3

15 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 ( Hz 及び 60 Hz r1 r 1 N 回巻 I 0 H x x N 回巻 = の時を特にヘルムホルツコイルという X 軸上の任意の点における磁界強度 (X( 軸に平行な成分 ) r1 NI 1 1 Hx ( x) = { r1 + x } { r1 + ( x) } 中心点点 (X=/( X=/) ) における磁界強度 (X( 軸に平行な成分 ) 15 H x r1 NI = r1 + ( ) 3

16 EMI アンテナと電磁界センサの違い EMI アンテナアンテナ単体としての校正電磁界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メーター部分 ( スペアナなど ) 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両社とも一様な電磁界に対する特性を校正 H アンテナ係数 : AF = 例 :10.0 A/mの磁界 10.1 A/mの表示 ( センサの補正値 0.1) V o 標準電磁界法 3 アンテナ法 ( その他アンテナとしての校正手法 ) 必然的に標準電磁界法による校正通常標準磁界発生器としてヘルムホルツコイルを使用 16

17 ヘルムホルツコイル内の軸方向の磁界分布 r1 = = 0. m I = 1A N = 1turn r 1 0 H x x N 回巻 N 回巻 I H x 3.5 x=0.08 m, H x =3.577 A/m x=0.10 m, H x =3.578 A/m x=0.1 m, H x =3.577 A/m x x 軸上での H x の分布は小さい!

18 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 r の円面内の平均磁界値に関して 0.1% 程度の差が生じる % 程度の差が生じる H x (A/m) ヘルムホルツコイルの半径 (r 1 )=0.m センサの半径 (r )=0.1m r 1 1 回巻 0 r r1 = x 1 回巻 16% 程度の差が生じる I.6 50 Hz r (m) 現在 r 1 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 ) 18

19 直径の異なるヘルムホルツコイルのインピーダンス E E E E E+0 Impeance [Ohm] E E+0 直径 40cm 直径 60cm 直径 10cm E E E E E E E E E+05 周波数 [Hz] 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 19

20 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 0

21 もしも遠方界での校正が可能なら Fee point 数 100 km ループを同一面に配置実際の校正数 10 cm~1m Fee point 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? 直径 60 cm もあるが電気的には微小ループ! Null Null ループ面を平行に配置平面図上面図 1

22 E Fee point θ Plane wave H

23 E H E E H H 3

24 H H F am F am V V Source Source どちらで測定すべき? 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? 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 4

25 参考文献 : 藤井勝巳, 石居正典他, MF/HF 帯の磁界強度測定について, 電気学会電磁環境研究会,EMC-10-6, 010 年 9 月 5

ダイポールアンテナ標準：校正の実際と不確かさ

ダイポールアンテナ標準：校正の実際と不確かさダイポールアンテナ標準校正の実際と不確かさ ( 独 ) 産業技術総合研究所森岡健浩概要アンテナ係数 3アンテナ法 ( 半自由空間と自由空間 ) 置換法不確かさ積算異なるアンテナ校正によるアンテナ係数の一意性まとめアンテナ係数の定義 z 波源 V 付属回路受信アンテナ図アンテナ係数の定義 V 測定量 : アンテナ係数 ( 水平偏波.0 m 高または自由空間 ) 校正方法 : 3アンテナ法