マイクロニクス

EMCの基礎

1.EMCとは何か

■言葉の説明

2.EMC規制の始まり

3.なぜEMCが必要か

  1. CEマークなしではヨーロッパでの販売は不可
  2. 製品の安全・品質など規制統一に関する指令を「ニューアプローチ指令」と呼びますが、 この指令の要求事項を満たした印として「CE」マークを製品に貼り付けます。

    電子機器では指令の中心を成すものは「EMC指令」です。

    ヨーロッパのEU加盟諸国では、CEマークのない製品は販売できません。

  3. 世界各国はEMC規制強化の方向
  4. 世界各国は、EMCに関するいろいろな規制を行っています。規格の中心はCISPR規格(国際無線障害特別委員会、通称シスプル)です。

    日本はVCCI規格(情報処理装置等電波障害自主規制協議会)で規制しています。

    パソコンなど、ますます規制は強化されます。

  5. すべての電子機器が対象
  6. 工業・科学・医療用高周波装置、自動車、モーターボート、点火式エンジン、家電製品、電動工具、電気照明機器、情報技術装置、車載受信機などあらゆる電気に関する機器が対象です。

4.EMC規格について

4-1.世界の規格

EMC規格と言っても、1つに統一されている訳ではない。しかし、中心はIEC、CISPR(シスプル)、EN → この3つの内容はほぼ同じ

規格の種類 規格名称
国際規格 IEC(国際電気標準会議)、CISPR (国際無線障害特別委員会)
地域規格 EN(欧州)、AS/NZS (オセアニア) など
国家規格 FCC(米国)、JIS(日本)、KN(韓国)、GOST(ロシア)、DIN(ドイツ)など
団体規格 VCCI(日本)、VDE(ドイツ)、各工業規格など
社内規格 各メーカー独自の社内規格

【例】当社製「シグナルアナライザ MSA500シリーズ」

EMC:MC指令2004/108/ECに適合
→CEマーキングに於けるEMCに関する要求事項

  • IEC/EN61326-2-1:2012
    →EMC防護されていない用途のための感度試験及び計測機器の試験構成,運転条件及び性能基準
  • CISPRPub11Group1,classA
    →上記の中でエミッションの基本規格(ここでは記載されていないが、イミュニティでは IEC61000-4-3(放射),IEC61000)

4-2.CISPRとEN規格

世界で最も標準的な規格は CISPR(シスプル)

CISPR(国際無線委員会)
基本規格
CISPR16-1 無線妨害波及び、イミュニティの測定装置と測定法の仕様
Part1:無線妨害波及びイミュニティの測定装置
製品規格
CISPR11 工業・科学・医療用高周波装置の妨害特性の許容値及び測定法
CISPR12 自動車、モータボート及び点火式エンジン装置の妨害特性の許容値及び測定法 ×
CISPR13 音声及びテレビジョン受信機並びに付属装置の妨害特性の許容値及び測定法
CISPR14-1 家庭用電気モータ及び電熱機器、電動工具、類似機器の妨害特性の許容値及び測定法
CISPR14-2 家庭用機器、電動工具、類似機器のイミュニティ特性の許容値及び測定法 ×
CISPR15 電気照明機器及び類似機器の妨害特性のイミュニティの限度値及び測定法 ×
CISPR20 音声及びテレビジョン受信機並びに付属装置のイミュニティの限度値及び測定法 ×
CISPR22 情報技術装置の妨害特性の許容値及び測定法
CISPR24 情報技術装置のイミュニティの限度値及び測定法 ×
CISPR25 車載受信機の保護のための妨害特性の許容値及び測定法
CENELEC (欧州電気標準委員会)
欧州規格 対応CISPR規格  
EN55011 CISPR11
EN55012 CISPR12 ×
EN55013 CISPR13
EN55014 CISPR14
EN55015 CISPR15 ×
EN55020 CISPR20

※欧州規格とCISPRはほぼ同じ内容です。

FCC (連邦通信委員会 / アメリカ)
規格 内容  
Part15 放送受信機やコンピュータなどを含むさまざまな高周波利用機器の不要
電磁波の規定
Part18 工業・科学・医療機器に関する規定
VCCI(情報処理装置等電波障害自主規制協議会 / 日本)
CISPR16-1 およびCISPR22を引用

5.電波の性質と計算

5-1.単位について

【1】振り幅の単位
Scroll
単位 定義 Vrmsへの変換
Vms サイン波の場合、ピーク電圧Vpの1/√2 Vrms=Vp/√2
dBm 0dBm=1mW 50Ω系の時、V0dBm2/50=103∴V0dBm=223.6mVrms
dBμ 0dBμ=1μW 50Ω系の時、V0dBμ2/50=106∴V0dBμ=7.07mVrms
dBV 0dBV=1Vrms  
dBmV 0dBmV=1mVrms  
dBμV 0dBμV=1μVrms  

レッスン1

  • 2Vp-pサイン波=?Vrms
  • -20dBm=?Vrms
  • +20dBμ=?Vrms
  • 0.5Vrms=?dBV
  • 10mVrms=?dBmV
  • +10dBμV=?μVrms

【2】dBとは
dBとは単位(絶対量)ではなく、相対的な比率を表す。
電圧比=20log(V2/V1)、電力比10log(P2/P1

Scroll
倍率(比) 電圧(比) 電力比
1倍 0dB 0dB
2倍(1/2倍) 6dB(-6dB) 3dB(-3dB)
10倍(1/10倍) 20dB(-20dB) 10dB(-10dB)
100倍(1/100倍) 40dB(-20dB) 20dB(-20dB)

レッスン2

入力/出力インピーダンス50Ω、電圧利得20dBのアンプに出力インピーダンス50Ωの信号発生器から-20dBmのサイン波を入力しました。
アンプ出力を50Ωで終端したとき出力は何Vp-pか。

5-2.電波の空間伝搬損失

電波は距離が遠くなるほど、また周波数が高くなるほど弱くなります。

伝搬損失$L=\frac{λ}{4πD}\quad[L=20log\frac{λ}{4πD}(dB)]$

$$ \begin{cases} λ&:\text{波長、}v=fλ(v=3×10^8m/s) \\ D&:\text{距離(m)} \end{cases} $$

例.ETCの電波

$$ \begin{cases} f=5.8GHz→λ=(3×10^8)/(5.8×10^9)=0.0517(m) \\ D=3(m) \end{cases} $$ $$ L=20log{(0.0517)/(4π×3)}\\ \quad=-57.3(dB)$$

レッスン3

λが大きい程、つまりfが小さい程、空間伝搬損失は少なくなります。
ではなぜ、携帯電話やETCあるいは無線LANは低周波の伝送波を使っていないのでしょうか。

近傍界と遠方界

レッスン4

  • 微小ループと微小ダイポールの波動インピーダンス

    微小ループと微小ダイポールの波動インピーダンス

  • $$ \begin{cases} f=5.8MHz \\ D=3m \end{cases} $$ この時の空間伝搬損失は何dBで、D/λはいくらか。また、この2つの計算結果から何が言えるか。

5-3.電界強度について

電界強度とは電波の強さを示すもので、単位は次の2種類あります。

(1)V/m(あるいはdBμV/m)

$$ \begin{cases} \text{電界強度} E(V/m)=\cfrac{\sqrt{}30G_tP_t}{D} \\ \text{受信アンテナ出力電力} Pr(w)=\cfrac{E^2}{120π} \cfrac{λ^2}{※4π} \end{cases} $$

※D:距離(m)、Gt:送信アンテナ絶対利得(倍)、Pt:送信給電点電力(W)
Gr(λ:波長(m)、Gr:受信アンテナ絶対利得(倍))

また、上記2式から

$$ Pr=\left(\cfrac{λ}{4πD}\right)^2(GrGr)Pt(w) $$

電圧に変換すると、

$$ Vr^2=\left(\cfrac{λ}{4πD}\right)^2(GtGr)[Vt^2](Vrms) \\   \\ ∴Vr=\left(\cfrac{λ}{4πD}\right)\sqrt{}GtGr・Vt(Vrms) $$

(2)dBmeirp(eirp:等価等方副射電力)
ETCで使用している単位で、これの方が考え易い。

$$ \begin{cases} \text{電界強度} E(dBmeirp)=Pt+Gt+20log\left(\cfrac{λ}{4πD}\right) \\   \\ \text{受信アンテナ出力電力} Pr(dBm)=E+Gr \\ \text{↑空間伝搬損失} \end{cases} $$

上記2式より、

$$ Pr=Pt+20log\left(\cfrac{λ}{4πD}\right)+Gt+Gr(dBm) $$

電圧に換算すると

$$ ∴Vr=\left(\cfrac{λ}{4πD}\right)\sqrt{}Gt'Gr'・Vt(Vrms)@Gr'、Gr':倍 $$

V/mとdBmeirpは同じになる

レッスン5

1GHzの携帯電話において、下記条件の時基地局は何km毎に設定すればよいか。

項目 基地局 移動局
給電点電力 +20dBm +10dBm
受信感度 -85dBm -70dBm
アンテナ利得 +10dBi +2dBi

5-5.レッスンの回答

レッスン1の回答

Scroll
レッスン 回答
2Vp-pサイン波=?Vrms 2Vp-p→1Vp ∴1√2=0.707Vrms
-20dBm=?Vrms 0dBm=223.6mVrms→これの-20dB、つまり1/10 ∴-20dBm=22.36mVrms
+20dBμ=?Vrms 0dBμ=7.07mVrms→これの+20dB、つまり10倍 ∴+20dBμ=70.7mVrms
0.5Vrms=?dBV 1Vrms=0dBV→これの1/2、つまり-6dB ∴0.5Vrms=-6dBV
10mVrms=?dBmV 1mVrms=0dBmV→これの10倍、つまり+20dB ∴10mVrms=+20dBmV
+10dBμV=?μVrms 0dBμV=1μVrms→これの+10dB、つまり3.16倍 ∴+10dBμV=3.16rms

レッスン2の回答

レッスン3の回答

  1. アンテナが大きくなり移動局には不向き
  2. $$ \begin{cases} 1GHz&→λ/4\text{アンテナ}=7.5cm \\ 100MHz&→λ/4\text{アンテナ}=75cm \end{cases} $$
  3. データ伝送レートの高速化
  4. データ転送レート20Mbps⇒占有帯域幅 約50MHz $$ \begin{cases} 1GHz&→fb/fc=5\text{%} \\ 100MHz&→fb/fc=50\text{%(変調は難しく、アンテナも広帯域となって高価)} \end{cases} $$
  5. 周波数資産の枯渇
  6. 空いている高周波帯への利用が移っている

    例:無線LAN2.4GHz帯→5GHz帯

レッスン4の回答

$λ=51.7m$

$$ \begin{align} ∴L&=20log 51.7/(4π×3) \\ &=+2.7dB \end{align} $$

一方、$D/λ=0.058$

空間で信号が増幅することは有り得ない。D/λが、0.058ということは近傍界。したがって、近傍界では空間伝搬損失の式は成り立たないことが分かる。

レッスン5の回答

短い距離で決まるのでダウンリンクの3km。よって隣の基地局までは2倍の6km。
実際には、マージンとハンドオーバーを考慮してこれより短くなる。

実験1.電波の空間伝搬損失

$$ \text{空間伝搬損失} L=\cfrac{λ}{4πD} \\   \\ f=900MHz→λ=0.333m(ν=fλ:ν=3×10^8m/s) \\ $$ $$ ∴L = \begin{cases} 0.0265(-34.5dB)&@D=1m \\ 0.0133(-37.5dB)&@D=2m \end{cases} $$
Scroll
(SAの受信レベル) = (SGの出力レベル) + (M401のアンテナゲイン) + (空間伝搬損失) + (M401のアンテナゲイン)
    -10dBm   +2.1dBi   L   +2.1dBi
$$ ∴SAの受信レベル=\begin{cases}-37.3dBm@D=1m \\ -43.3dBm@D=2m \end{cases} $$

また、距離が2倍になればレベルは1/2(-6dB)となりこともわかる。

6.EMCの測定方法

6-1.EMI測定

実験2.機器から出る放射性妨害ノイズ測定

6-2.EMS測定

2013/6/18

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