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EMC規格【特集】「 MIL-STD-461」レビュー by Steve Ferguson(1)放射エミッション:RE101「磁界」RE102「電界」

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1.はじめに
 この記事は、MIL-STD-461の現行版である改訂“G” 版に含まれるアップデートなどRE101とRE102について論じる。この試験はデバイスから空中に放射される不要な信号の量を測定する。これを確認しないと、この信号は他の機器のケーブルに結合するか、他の機器の筐体や、内部導体上に入り込む。受信した電磁界は他の機器の導体中に電流を誘導する可能性があり、どちらかの電磁界で有害な干渉を生じることがある。
 RE101、RE102の試験方法は両方とも冒頭からRE04(磁界)、RE02(電界)とナンバリングされているMIL-STD-461試験プログラムの一部であった。MIL-STD-461Cの発行により、磁界放射試験方法のRE04 はRE01に変更されたが、規格をアップデートする告知が発行されてもMIL-STD-462はRE04を引き続き参照していた。
 RE01(RE04)は供試機器(EUT:Equipment Under Test)から1メートルのところに磁界ループアンテナを設置した状態で周波数範囲30 Hz ~ 50 kHzをカバーしていた。限度値は磁束密度の測定値を示す単位
dBpT(1ピコテスラを基準にしたdB表記とする) だった。RE02は、狭帯域(NB:narrowband) エミッションで14 kHz ~10 GHz、広帯域(BB:broadband) エミッションではEUT から1メートルの距離にアンテナを置いた状態で1 GHzまでの高い周波数に制限していた。NBエミッションの限度値の単位はdBmV/m、BBエミッションではdBmV/m/MHzであった。
 上述したように、RE02はエミッションが試験によってNBかBBに分類されるよう求めていた。BBエミッションに対する限度値ではより高い振幅が許容されている。というのも、この種のノイズは人間の感覚により穏やかに作用するからである。木々の間を吹きぬける風は多くの可聴周波数(BB)を生じるが、これを単一周波数(NB)のサイレンと比較してほしい。風があっても音声の聞き取りは可能だが、サイレンは音声の聞き取りに大きな支障となる。以前は無線通信への干渉が支配的な問題だったのでNBとBBの切り分けは、製品の適合性評価に顕著な影響を及ぼしていた。
 BBが話題に出たので、ここでその決定についてレビューするのがタイムリーと思われる。MIL-STD-462は、この決定をサポートする2つの試験を用意している。

試験1:
1. レシーバをピーク信号周波数に合わせる。
2. 周波数を±2 IBW調整する(IBW[注1]はレシーバ校正のインパルス帯域幅で測定)
3. 振幅の変化が3 dB未満の場合、信号はBBとして分類される。

試験2:
1. エミッションのパルス繰り返し周波数を測定
2. パルス繰り返し周波数がレシーバのエミッションのIBWと同じあるいは低い場合、エミッションはBBに分類される。

 以上2つの試験結果のどちらかがBBと分類されればエミッションはBBであり、許容を決定する限度値と比較する。BBに対する限度値測定単位がdBmA/MHzであることを忘れず、MHzの変換ファクタに-20logBWを適用して測定をMHz単位に正規化しなければならない。変換の詳細については注1(欄外)を参考にするとよい。
 こういった測定が一般的だった頃には、NB/BBの判定ができる特注の特許ソフトウェア付きスペクトラム・アナライザを使用し、適切なチャートに記録していた。今ではこのプロセスは手動で時間がかかるため、試験プログラムにこれを使う場合は、手動のインタラクションに必要な時間を十分に取ること。
 簡単な判定方法としては、レシーバをエミッション周波数に合わせ、レシーバのBWを10倍に変更する。測定値に変化がなければエミッションはNBであり、測定値が10 dB以内の変化ならばエミッションはランダム・ノイズ、測定値が20 dB以内の変化ならばエミッションはBBである。この方法は規格には従っていないので正式な測定には規格の方法を使うことに注意。
 1993年のMIL-STD-461DおよびMIL-STD-462Dの発行により、RE101試験はEUTから7 ~ 50 cmのところに設置した13.3 cm のループ・センサで周波数範囲30 Hz ~100 kHzを測定することに変更された。2種類の距離が指定されていたのは、7 cmの試験が不適合を示し、その適用によって近くにある機器が脅かされない場合、磁界の減衰によって製品が使用できるかどうかを決めるためである。電界試験方法のRE102は、周波数範囲が10 kHz ~18 GHz(実際には1 GHzまたは18 GHzまでの意図的に発生した周波数の最大値の10倍)に変更になり、さまざまな周波数範囲用に特別なアンテナを要求された。この改訂では、NB/BBの判定要求も削除され、選択された試験周波数範囲に対し詳しいBWが規定された。この版では試験プログラムの放射の部分でケーブル放射を測定できるよう、試験中にケーブルを露出しておくことを要求していた。
 MIL-STD-461Dは、非常に大きな測定誤差の要因となる反射の影響をなくすためRE102試験に試験用電波暗室を使用するよう規定している。電波暗室はRF吸収体の最小限の吸収を6 dB(80 MHz~250 MHz)および10 dB(250 MHz 以上で)と要求していた。
 MIL-STD-461E は50 cm の試験距離をやめ、適合に7 cm の試験距離を要求した。これにより、免除認定の決定(grant a waiver)を困難にする別の距離での測定は不要になった。私はこの議論をもう少し広げてみたい。というのも磁界エミッションを低減することには課題が多いからである。ノートパソコンの高輝度表示に関連する電流が7 cmで限度値を超えてしまったとしよう。受信ループを15 cmの距離に移動すれば、ディスプレイ前面または背面から15 cm の距離で、磁界は限度値を下回る。ノートパソコンを机上で使う場合、特に操作中のオペレータがいる前面15 cm 以内に敏感な機器を置く可能性は低い。万一、背面から問題を生じた場合は、鉄系金属シートをノートパソコンと敏感な機器の間に置くことで磁束線の方向を変えて問題を解決できるだろう。
 MIL-STD-461F は、RE101の試験方法に測定距離を追加した。機器が7 cm の距離で不適合になった場合、手順では限度値に合うよう距離を長くし、調達政府機関による評価用に提出する試験レポートに、その距離の情報を入れるよう求めている。RE102 では、30 MHz 以下の測定時、ロッドアンテナの配置および構成に大きな変更を認めていた。カウンターポイズをグランドプレーンに接続する規格は削除された。ロッドアンテナのベースは、絶縁同軸コネクタを使う代わりに、ケーブルコネクタをベースにも接続した。レシーバへつながるケーブルにはフェライトが組み込まれた。この変更はEMCコミュニティから多くの関心を集めたが、いくつかの研究によってMIL-STD-461F の構成は異なる施設でも矛盾のない結果を得ることがわかった。
 MIL-STD-461GはRE101試験方法に軽微な変更をいくつかもたらした。RE102 にも軽微な変更はあったが、1つは大きな変更だった。試験を1 GHzまたは18 GHzまでの意図的に発生した周波数の最大値の10倍で試験を終えるオプションは廃止され、試験周波数範囲は10 kHz ~ 18 GHz。これは、周波数範囲1-18 GHzでアンテナのビーム幅要求により複数のアンテナポジションが必要となる大きな機器の試験時間に対して、特にチューニング・レシーバ(FFTレシーバを使うと同じ滞留時間で、滞留時間間隔ごとに1/2の帯域幅ではなく100 MHz あるいはそれ以上を測定できるので時間は短い)を使う場合に大きな影響がある。
 要求の詳細に関する本稿の議論は、現行版のMIL-STD-461G に基づいている。

2.RE101放射エミッション、磁界
 RE101では、既知の信号周波数および振幅を生成することで測定システムを確認する信号インテグリティ評価を最初に掘り下げてみよう。次に信号を測定して、試験に選択した測定システムを使って正しい値を得ていることを確認する。確認に加えて、ターゲットとなる振幅は適用可能な限度値より6 dB低くして、そのレベルのエミッションを検知する測定システムの感受性を示すとよい。
 EUT 試験に選択した同軸ケーブルを使って信号源の測定を図1のPart Aのように構成する。信号発生器の周波数を50 kHz、振幅は限度値から6 dBをマイナスし、ループコンバージョンファクタをマイナスした値に設定する。この信号の確認にループは存在しないが測定システムにはデータ整理の一部としてファクタが含まれている。50 kHzの信号を捕捉するよう測定レシーバを操作し測定値が限度値より6 dB(± 3 dB)低いことを確認する。
 信号の確認が正しいと仮定し、オーム計をループアンテナの同軸コネクタのセンターピンおよび本体に接続し(図1のPart B)、抵抗が5 ~ 10 Ωの間であることを確認する。これにより内部の配線が短絡または断線しているか確認できる。ループの抵抗を記録することは、抵抗の確認が正確になり軽微な違いも把握できるようになるので、良い考えである。
 信号インテグリティの確認が無事終われば、ここで試験アイテムを図2のように試験用に構成できる。ループアンテナをEUTから7 cmの距離に、EUTに平行にグランドプレーンに垂直に設置する。突入電流の影響を捕捉するのを避けるため、EUTが動作を開始し、安定してからループアンテナを所定の位置に移動すること。通常の帯域設定範囲から試験周波数範囲の1セグメントを捕捉するようレシーバを設定する。レシーバをマックスホールドモードに設定し、エミッションの最大値を捕捉する。レシーバ表示を見ながら、EUT表面に対して7 cmの距離を保ってループアンテナを移動する。最大エミッションが検知された場所で、ループをEUTに垂直、グランドプレーンに垂直の向きに合わせ、最大エミッションを確認する。3つ目のループの方向はEUTに垂直でグランドプレーンに平行で、これは試験のセグメントを完了するために使われる。それぞれの周波数範囲の各セグメントとEUTの各面に対して試験を繰り返す。規格には、最大エミッションおよび多数の周波数ポイントの測定について書かれているが、ここで述べた方法では、選ばれた数個ではなく全ての周波数ポイントを測定する。
 一般的に大きな試験品では、図3に示すように異なるアンテナ位置で異なるエミッションが見つかる。このような例では、それぞれのポイントを別々に捕捉する必要がある。その結果、限度値を超えるエミッションが測定された場合は、前述した調達政府機関の評価用として、限度値に適合したポイントのEUTからの距離を測定する。

3.RE102 放射エミッション、電界
 RE102 の手順をシステム・インテグリティの確認から始めよう。改訂 “G” 版では、パッシブ・アンテナなどいくつかのパッシブな試験機器アイテムを定期的な校正から外すのを認めていることを思い出してほしい。
 図4のように、EUT 試験用に選択した同軸ケーブルを使って、測定のための信号源を構成する。アッテネータの他にフィルタまたはプリアンプも試験に必要である。ロッドアンテナ・アンプセクションは、50 Ω終端とアンテナのロッド部分を同軸ケーブルに置き換えたアンテナ入力へ10pFの容量結合させた校正器を用意して、同軸ケーブルに接続される。ロッド校正器の構成に関する詳細はMIL-STD-461Gを参照のこと。信号インテグリティ確認に他のアンテナは含まれない。信号発生器の周波数を10 kHz(試験範囲が2 MHz より下回らない場合は2 MHz)に、振幅を限度値から6 dBマイナスし、アンテナ変換ファクタをマイナスした値に設定する。この信号チェックにはアンテナは存在しないが、測定システムにはデータ整理の一部としてファクタが含まれている。測定レシーバを操作して信号を捕捉し、測定値が限度値より6 dB(± 3 dB)低いことを確認する。規定の確認周波数に対して確認を繰り返す。フィルタやパスのその他要素の追加や除去など、測定パス構成に変更があればそれぞれ確認を繰り返す。
 確認中、パッシブ・アンテナは存在しないことに注意。各アンテナの物理的な点検や修理は、損傷が見つかった場合に実施する。修理後にアンテナを校正する。スタブ・ラジエータ(stub radiator)[注2] を使えば、各アンテナの受信帯域の信号を放射してアンテナが放射信号を受信していることを確認できる。正確な測定にはスタブ放射は要求されていないが、スタブ・ラジエータと受信アンテナが常に設置されている場合は、それぞれの測定は非常に近いものになる。
 全ての測定パスとアンテナの確認が完了すれば、あとは図5のような試験構成を実施するだけである。インテグリティ確認で使った信号発生器はアンテナに置き換える。
 アンテナは試験範囲から1 mの場所に置く。試験範囲は、EUT、ケーブル、LISNを含むエリアで、グランドプレーンは含まない。ケーブルがグランドプレーン前端から10 cmのところにある場合、アンテナはグランドプレーン前端から0.9 mの距離を取る。ロッドおよびバイコニカル・アンテナは普通、試験範囲の中心近くに置く。ダブル・リッジ・ホーンアンテナはEUT にケーブル分35 cmを足した範囲が200 MHz ~1 GHzの範囲内のアンテナビーム幅に入るように置く。1 GHz ~ 18 GHz用のダブル・リッジ・ホーンアンテナは、EUTにケーブル分7 cmを足した範囲をアンテナビーム幅に入るように置く。大きな試験製品の場合、EUTの試験に複数のアンテナポジションが必要になることもある。アンテナの偏波が水平か垂直でビーム幅が異なるので、偏波の違いにより多くのポジションが必要になることもある。
 規格は、EUTの表面に最大エミッションがある状態で試験を実施するよう指示している。試験前に全ての表面について最大エミッションの方向を厳密に調査するプロセスが必要な場合もある。よくあることだが低い周波数でケーブル・インターフェイス側が最大エミッションになり、高い周波数でオペレータのディスプレイ側あるいはオープンパネルのエミッションが最大に近いことがある。1つ以上の表面についての試験が必要である。
 エミッション測定結果を収集し記録するためにEUTの操作を確立し、測定レシーバを操作する。普通、アンテナ、アンテナ偏波、アンテナポジションそれぞれに別々のチャートがある。

4.まとめ
 RE試験はむずかしくないが、データ不良の原因となる要素は数多くある。結果を検討し「このデータは論理的と言えるか?」と自問し、妥当性に疑問を持ったときは間違いがないか調べるか、問題となっていることをやり直すとよい。アンテナを変えるポイントでは、エミッションは突然消えたりはしない。帯域を変更するとノイズフロアが変化して、帯域幅が10倍または1/10に変れば、広帯域信号は20 dBほど変わる。
 信号インテグリティ確認を安易にやってはいけない。というのも、このプロセスではハードウェア操作から修正・変換ファクタを適用する正しいファイル選択まで、多くの確認が必要なのである。測定システムのケーブルはインテグリティ確認の一部なので、その影響を無視してはならない。
 どんなエミッション試験であっても、EUTのサイクル時間を確実に考慮すること。測定レシーバの最小データ取り込み時間よりEUT のサイクル時間が長い場合、データ取り込み時間をEUTのサイクル時間に設定する必要がある。(2018/05/04)

注1:IBWは、レシーバがインパルス信号に対してどう応答するかの評価基準である。インパルス・ピークを MHzの帯域に校正してあるインパルス発生器(IG)の信号をレシーバに加える。レシーバの帯域が10 kHzに設定されている場合、インパルスはIGの振幅設定より40 dB低くなる。IG出力が80 dBmV/MHzに設定されていると仮定すると、レシーバの測定値は、IBW12.6 kHzを示すインパルス38 dBの条件で42 dBmVとなる。IBWの校正は、BB信号がMHz単位に変換された場合にのみ必要である。

注2:スタブ・ラジエータ(stub radiator)は、ふつう同軸ケーブルの外側の編組を一方に移動させて、モノポールアンテナのように動作させて放射信号を発生させ、測定システムのアンテナ機能を確認するもの。