SNAP Application Report 46
SNAP Transient 解析機能を活用して、地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送を受信する
UHF ﾌﾞｰｽﾀｰ･ｱﾝﾌﾟの雷ｻｰｼﾞ対策を、ﾊｲ･ｽﾋﾟｰﾄﾞ且つ高信頼に実現する方法

Jan.24, 2009
Mr. Endo

１． 序文① 通信・放送のﾃﾞｼﾞﾀﾙ化を主体とする高度情報化の社会的ﾆｰｽﾞを反映して、OFDM ﾏ
ﾙﾁｷｬﾘｱ変調方式を基軸とした、ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送が国際的潮流として急速に拡大・普及している。国内では地上ﾃﾞｼﾞﾀﾙ TV 放送の 2011 年完全普及に続き、ﾃﾞｼﾞﾀﾙ衛星
TV 放送の本格的普及ならびに大容量化［超多 ch 化］の準備も進んでいる。
② 情報通信のﾃﾞｼﾞﾀﾙ化・高度化を受けて、拡大するﾃﾞｼﾞﾀﾙ機器に対する品質・信頼性向上の社会的要求が高まりつつあり、ﾉｲｽﾞ低減や電波障害・干渉低減等のEMC[Electromagnetic Compatibility：電磁環境耐性能力]対策の普及と高度化が強く求められるようになってきた。
③ このような社会的背景を受け、通信放送機器に対する品質向上の一環として、近年夏場を中心に多発する落雷に際して、発生する周辺機器の電磁環境障害を低減するための、技術規格を国際的に標準化・統合化する動きが活発になっている。
④ 特にﾃﾞｼﾞﾀﾙ放送の微弱電波を高品質で受信する高周波増幅器類[ｱﾝﾃﾅ･ﾌﾞｰｽﾀｰや共聴機器]は、微小な UHF 帯高周波信号を高感度に増幅するために使用する半導体ﾃﾞﾊﾞｲｽが微細構造になっており、本質的に各種ｻｰｼﾞ［雷／電動機／送受電力機器／輸送機器が発生する点火ﾉｲｽﾞや電磁ﾉｲｽﾞなど］や、無線機器から受ける電波干渉などの EMC に対する耐性が十分とは言い難い。
⑤ 本報では、放送受信対策に多用されるｱﾝﾃﾅ･ﾌﾞｰｽﾀｰ(UHF 前置増幅器)に於ける、雷ｻｰｼﾞ［超高圧ﾊﾟﾙｽ電圧：尖頭値数十 KV／衝撃電流：尖頭値数百 A 超過（伝導条件で定まる）］の対策を取り上げ、そのｻｰｼﾞ対策を効率的（時間的・費用的）に解析・検証して、最適対策内容を短期間に導出できる、SNAP の新活用法 [ﾄﾗﾝｼﾞｪﾝﾄ解析機能の適用]を紹介する。
２． 雷ｻｰｼﾞおよび同対策のﾄﾗﾝｼﾞｪﾝﾄ解析適用法(1) 雷ｻｰｼﾞの概要
ｻｰｼﾞ波形は、Table 1 および Fig.1 に示すように、落雷地点から周辺に発生する誘導雷ｻｰｼﾞの発生頻度が高く、且つその影響範囲が比較的に広いことが知られている。確率的

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に発生頻度が僅少の直撃雷を受けた場合には、対象機器の損傷や障害を回避することは、落雷時に発生する巨大ｴﾈﾙｷﾞｰを解消・霧消することになり、現実的に対策は困難である。そこで一般的対策内容としては、被雷地点から 100m 以上離れた広範な地域に二次的に誘導発生する頻度の高い誘導雷ｻｰｼﾞに対して、対象機器［ここでは受信ｱﾝﾃﾅ直下に装着され、比較的に誘導雷の影響を受け易いｱﾝﾃﾅ･ﾌﾞｰｽﾀｰ］を保護する対策内容について検討・分析を進める。
（２）雷ｻｰｼﾞの影響をﾄﾗﾝｼﾞｪﾝﾄ解析機能で解析・検討①SNAP 回路ｴﾃﾞｨﾀ上で、ｱﾝﾃﾅ･ﾌﾞｰｽﾀｰである UHF ｱﾝﾌﾟの該当回路の等価回路を形成し、電圧源関連素子群の中からﾊﾟﾙｽ電圧源を選び、前記 Table 1 を考慮したﾊﾟﾙｽ条件に設定して雷ｻｰｼﾞ発生器を用意する。この雷ｻｰｼﾞを放電抵抗を介して、誘導雷ｻｰｼﾞを伝導する同軸ｹｰﾌﾞﾙ（ｱﾝﾃﾅと屋内に設置された受信機を接続、雷ｻｰｼﾞはこの電流経路を通ってｱｰｽに還流する）の外導体或は内導体に接続（Fig.2）する。
②この UHF ｱﾝﾌﾟは、屋内に設置された電源ﾕﾆｯﾄから同軸ｹｰﾌﾞﾙの内導体(芯線)を通り、高周波(UHF)信号に重畳して、ｱﾝﾃﾅ直下に装着されたｱﾝﾌﾟ本体に直流電圧が供給されるために、雷ｻｰｼﾞの低周波成分（周波数ｽﾍﾟｸﾄﾗﾑ帯）と周波数帯を分離することが難しく、この直流電源経路は雷ｻｰｼﾞの影響を直接的に受け易い。
③ｱﾝﾌﾟ本体の入出力整合・ﾌｨﾙﾀ回路は、対象放送信号の通過帯域が UHF 帯[国内では 470MHz−770MHz]になるため、雷ｻｰｼﾞの周波数帯域（主に数 KHz−数百 KHz）である比較的低周波な周波数ｽﾍﾟ2

ｸﾄﾗﾑ帯と 2 桁−3 桁程離れており、雷ｻｰｼﾞの影響がそれらの内部に及ぶことは本質的に無い。しかしながら、ｱﾝﾌﾟの入出力端に高電圧ﾊﾟﾙｽが誘起されてしまうと、信号ﾗｲﾝ(芯線)に接続されているﾁｯﾌﾟｺﾝﾃﾞﾝｻ等が耐圧超過により破損する恐れが高まる。
④雷ｻｰｼﾞが放電抵抗を経て、数十 m の長い同軸ｹｰﾌﾞﾙ[雷が大地に向けて伝導し易い]の外導体（内導体のｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽは比較的に高いので、雷ｻｰｼﾞが比較的に伝導し難い）を経由してｱｰｽ(GND)に還流[接地]されると、Fig.3 に示す如く内導体に、その還流電流に応じた誘起ｻｰｼﾞ電流［尖頭値数十 A 以上の衝撃電流］が発生する。この衝撃電流がｱﾝﾌﾟ本体の電源部に流れ込んで、周辺回路の素子を破壊する。
特に電源部に接続される RF 信号分離用ﾁｯﾌﾟｺｲﾙや、IC ﾚｷﾞｭﾚｰﾀ及び、それから電源供給を得る IC ｱﾝﾌﾟが焼損･破壊し易い。
３． 実際の雷ｻｰｼﾞ試験の概要紹介
3.1 雷ｻｰｼﾞ試験環境
雷ｻｰｼﾞ試験に使用される機器は Fig.4 に示すように、雷ｻｰｼﾞの高電圧ﾊﾟﾙｽ［最大ﾊﾟﾙｽ電圧 15KV］を発生する「雷ｻｰｼﾞ試験装置」、雷ｻｰｼﾞを大地に伝導･還流する「同軸ｹｰﾌﾞﾙ」（ｱﾝﾃﾅ〜屋内設置_受信機間を接続する受信信号伝送線路）および対象UHF ｱﾝﾌﾟ各部の電圧(高圧ﾌﾟﾛｰﾌﾞ)･電流（電流ﾌﾟﾛｰﾌﾞ）をﾓﾆﾀするﾃﾞｼﾞﾀﾙ･ｵｼﾛｽｺｰﾌﾟ等で構成される。
3.2 雷ｻｰｼﾞ試験の機器構成
上記の雷ｻｰｼﾞ試験環境(実機)と、前述の雷ｻｰｼﾞ検証ﾓﾃﾞﾙ(SNAP 回路構成)を対比させて、該当する機能をﾌﾞﾛｯｸ構成で表した雷ｻｰｼﾞ試験ﾌﾞﾛｯｸ構成表を Fig.5 に示す。雷ｻｰｼﾞは、

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放電抵抗を介して、それを最終的に大地に伝導･還流させる同軸ｹｰﾌﾞﾙに印加されるが、印加方法は、同軸ｹｰﾌﾞﾙの外導体(ｼｰﾙﾄﾞ線)に接続する場合と、内導体(芯線)に接続する場合の 2 通りに大別される。実際の雷ｻｰｼﾞの誘導発生を分析すると、雷ｻｰｼﾞに対して低ｲﾝﾋﾟｰﾀﾞﾝｽとなる外導体を伝導して、大地に還流するｹｰｽが主体になっている。
４． 雷ｻｰｼﾞに対する SNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析ﾓﾃﾞﾙの妥当性 評価(1)

前述の雷ｻｰｼﾞ試験環境にて実機観測した代表的なｻｰｼﾞ電流･電圧の観測波形と、雷ｻｰｼﾞ試験ﾌﾞﾛｯｸ構成表(Fig.5)を反映した前述の Fig.1「検証ﾓﾃﾞﾙ」に、試験対象
UHF ｱﾝﾌﾟ［同出力回路に高圧ｻｰｼﾞ対策用 ESD 素子（商品名ｱﾚｽﾀ と呼称し、自己放電閾値：Vth＝90V 以上の高圧ｻｰｼﾞを吸収）を装着済み］を接続した、SNAPｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析ﾓﾃﾞﾙを、Transient 解析して得た解析波形を比較して、「雷ｻｰｼﾞﾃｽﾄ=ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析ﾓﾃﾞﾙ」(Fig.6)の適合性・実用性を検証する。
(2)

同軸ｹｰﾌﾞﾙの外導体に、Rair=50Ωの放電抵抗を介して 15KV の高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽ VLを印加すると、同軸ｹｰﾌﾞﾙの誘導作用に基づいて、同軸線路の内導体に、電源ﾕﾆｯﾄの接地から UHF ｱﾝﾌﾟの出力回路の ESD 素子の GND に尖頭値 50A の衝撃電流 Iaが生じる。このときに発生する高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽ VL お
よび衝撃電流 Ia について、実機の観測波形（ﾃﾞｼﾞﾀﾙｵｼﾛ測定値）と Simulation
解析波形が、尖頭値および波形が良好に一致することから、本ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析は、実際の雷ｻｰｼﾞ試験を、高精度に再現･検証できることを確認した。

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５． 雷ｻｰｼﾞ対策効果の SNAP ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析
5.1 同軸ｹｰﾌﾞﾙの外導体に雷ｻｰｼﾞを印加(1) 雷ｻｰｼﾞ対策として、対象の UHF ｱﾝﾌﾟの出力側に発生する高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを吸収［（高圧ﾊﾟﾙｽを自己放電電圧 Vth にｸﾘｯﾌﾟ (切り崩し)）して低電圧ﾊﾟﾙｽに波形整形する「ESD 素子」、および ESD 素子でｸﾘｯﾌﾟされた低電圧ﾊﾟﾙｽを平滑する「ﾁｮｰｸｺｲﾙ La」（電源ﾕﾆｯﾄ側にも同様のﾁｮｰｸｺｲﾙ Lp）を装着する。この２つの対策部品を採用した雷ｻｰｼﾞｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析ﾓﾃﾞﾙを Fig.7 に示す。
(2) 先ず両対策部品を装着しない（回路条件①）ときに、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Ia および端子電圧 Es］
を Fig.8 に示す。GND と電源回路の端子間電圧 Es は、尖頭値 9KV を越え、通過電流 Ia は尖頭値 100A の衝撃電流になり、電源回路が破壊する。
(3) ﾁｮｰｸｺｲﾙ La のみ装着したとき（回路条件②）に、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Ia および端子電圧 Es］を Fig.9 に示す。GND と電源回路の端子間電圧 Es は、尖頭値 4KV に達し、通過電流 Ia は尖頭値約 40Aの衝撃電流になり、電源回路が破壊する。
(4) ESD 素子のみ装着したとき（回路条件③）に、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Iaおよび端子電圧 Es］を Fig.10 に示す。GNDと電源回路の端子間電圧 Es は、尖頭値 200Vに達し、通過電流 Ia は尖頭値約 2A の高電流になり、電源回路は同様に破壊する。
(5) ESD 素子とﾁｮｰｸｺｲﾙ La の双方を装着したとき（回路条件④）に、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Ia および端子電圧 Es］を Fig.11 に示す。GND と電源回路の端子間電圧 Es は尖頭値 10V 以下［IC ﾚｷﾞｭﾚｰﾀの最大定格 35V を越えない］となり、また通過電流 Ia は尖頭値約50mA の低電流になり、電源回路は損傷を受けずに正常に働く。

5(6) なお、空気の特性ｲﾝ
ﾋﾟｰﾀﾞﾝｽ：Zair＝120π(Ω）≒377Ωなので、放電抵抗 Rair＝50Ωを介して、同軸ｹｰﾌﾞﾙに尖頭値15KV の雷ｻｰｼﾞを印加することは、大気中の尖頭値 15KV×[377 Ω ] ／ [50 Ω ] ≒110KV の誘導雷が、同軸ｹｰﾌﾞﾙに誘起・印加されたことに等価であると想定する。
Table.1 の雷ｻｰｼﾞ条件に照らすと、この尖頭値 110KV のｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽは、落雷地点から200m 付近で発生する近距離−誘導雷ｻｰｼﾞに相当するものと考えられる。
5.2 同軸ｹｰﾌﾞﾙの内導体に雷ｻｰｼﾞを印加(1) 雷ｻｰｼﾞ対策として、高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを吸収する「ESD 素子」、および ESD 素子でｸﾘｯﾌﾟされた低圧ﾊﾟﾙｽを平滑する「ﾁｮｰｸｺｲﾙ La」を装着する。この２つの対策部品を適用した雷ｻｰｼﾞｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析ﾓﾃﾞﾙをFig.12 に示す。
(2) 先ず両対策部品が未装着（回路条件①）のときに、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Ia および端子電圧 Es］をFig.13 に示す。GND と電源回路の端子間電圧 Es は、尖頭値 120V に達し、通過電流Ia は尖頭値 1A を越える高電流になり、電源回路が破壊する危険が大きい。
(3) ESD 素子とﾁｮｰｸｺｲﾙ La の両方を装着したとき（回路条件④）に、電源回路に誘起されるｻｰｼﾞ波形［通過電流 Ia および端子電圧 Es］
を Fig.14 に示す。GND と電源回路の端子間電圧 Es は尖頭値 1７V 以下［IC ﾚｷﾞｭﾚｰﾀの最大定格 35V を越えない］となり、また通過電流 Ia は ﾊ ﾟ ﾙ ｽ 幅 約 20us 以 下 で 尖 頭 値 約200mA の低電流になり、電源回路は損傷を受けずに正常に働く。

6６．雷ｻｰｼﾞ対策内容の紹介(1) 前 述 の 雷 ｻ ｰ ｼ ﾞ 試 験 ﾌ ﾞ ﾛ ｯ ｸ 構 成（Fig.5）で、UHF ｱﾝﾌﾟの出力側に対して雷ｻｰｼﾞ印加試験を行って、尖頭値 15KV［大気放電 110KV 相当］の雷ｻｰｼﾞをｸﾘｱした対策結果を、Fig15 に示す。ここで使用した ESD素子は、直流放電開始電圧 Vth=90V、衝撃電流耐量 2KA(ﾊﾟﾙｽ幅 20uS)のｻｰｼﾞ吸収能力を有している。
(2)UHF ｱﾝﾌﾟの入力側に対する雷ｻｰｼﾞ対策は、放送受信信号 UHF 帯では、ﾁｮｰｸｺｲﾙとして働き、同ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽに対しては接地機能を果たす、空芯ｺｲﾙ(数百 nH)を入力端に装着することで容易に対策できる。
７．ﾄﾗﾝｼﾞｴﾝﾄ解析機能を適用した雷ｻｰｼﾞ試験ｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析の纏めと考察(1) Transient 解析機能を適用した、高周波ｱﾝﾌﾟに対する雷ｻｰｼﾞ対策のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析は、対策効果の机上評価［事前検証］に大変有効であることを確認・検証できた。
(2)静電気ﾃｽﾄやｻｰｼﾞ試験に適用する ESD 素子(高電圧を吸収して、周辺回路素子を保護）の電気ﾓﾃﾞﾙ (等価回路）を創作し、雷ｻｰｼﾞ対策回路に組み込んだ結果、高電圧ｸﾘｯﾌﾟ機能（高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを自己放電電圧 Vth に切り崩す）が適切に作動して、実物と同様にｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを旨く吸収できることを確認した。
(3)近隣の落雷によって、同軸ｹｰﾌﾞﾙに誘導雷ｻｰｼﾞが印加されたときに、高ｴﾙﾈﾙｷﾞｰの誘導ｻｰｼﾞが同軸ｹｰﾌﾞﾙ（内外導体）を伝わって衝撃電流が流れる。その結果、ﾌﾞｰｽﾀｰ･ｱﾝﾌﾟの入出力端に高電圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽが誘起され、周辺回路のﾁｯﾌﾟ部品類を焼損させる。
(4)この誘導雷ｻｰｼﾞ対策としては、UHF ｱﾝﾌﾟの入出力端に高電圧･高電流のｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽが発生することを防止することが重要で、そのﾎﾟｲﾝﾄは次の通りである。
①入力端には RF 信号に対してﾁｮｰｸｺｲﾙとして High Impedance となり、ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽに対して接地作用を有する空芯ｺｲﾙを装着して、そのｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを接地･吸収する。
②出力端には ESD 素子を装着し、高圧ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽを吸収して低圧高速ﾊﾟﾙｽに変換し、さらに出力端の電源部に数 mH のﾁｮｰｸｺｲﾙを挿入して、その低圧高速ﾊﾟﾙｽを平滑する。これによって、ｻｰｼﾞﾊﾟﾙｽが電源部に侵入して回路素子に損傷を及ぼすことを防止する。
(5) SNAP のｼﾐｭﾚｰｼｮﾝ解析能力は、社会的ﾆｰｽﾞの新しい技術潮流を切り拓き、地上ﾃﾞｼﾞ
ﾀﾙ TV 放送受信機等のﾃﾞｼﾞﾀﾙ通信・放送機器に対する信頼性･品質を向上する、極めて有能な開発ﾂｰﾙであることを実証することが出来た。このﾂｰﾙの活用によって、製品開発の効率向上［ｽﾋﾟｰﾄﾞｱｯﾌﾟ／費用低減／信頼性向上など］が一段と促進される。

−以上−

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