技術資料＞ループアンテナを用いた電磁波シールド効果測定法の構築

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技術資料
Technical Data

ループアンテナを用いた電磁波シールド効果測定法の構築
湯浅康佑＊1，齋藤章彦＊2 ，高林宏之＊1，西方敦博＊3

Construction of an Electromagnetic Wave Shielding Effect Measurement
Method Using a Loop Antenna
Kosuke YUASA, Akihiko SAITO, Hiroyuki TAKABAYASHI
and Atsuhiro NISHIKATA
Synopsis
In this study, we constructed a shielding effectiveness measuring system for metal plate in the wide frequency band. Whendesigning the equipment, we analyzed wraparound magnetic field from the edge of material, and determined antenna placement
and shield dimension based on this analysis. The experimental values and the theoretically calculated values agree, confirming
the validity of the measurement method.

1．緒言

平板試料の電磁波遮蔽特性を測定する方法はこれまでにいくつか提案されている 1），2）が，本質的には MIL-効果が高い金属試料を測定する際には，透過波が回り込み磁場に比べ小さな値となり，正しい値を出力することができない．
そこで，本研究では測定装置設計にあたり，事前検討

STD285 で規定されている電波暗室を用いたシールド効として有限要素法（FEM 法）を用いた電磁界解析を実果測定法と同じ方法である．Fig. 1 にシールド効果測定施し，回り込み磁場とアンテナ配置および材料形状との法の模式図を示す．平板遮蔽材を 2 つの円形ループアン関係を求めた．また，解析結果を基に測定装置を作製テナの間に配置し，遮蔽材設置前後のアンテナ間の結合し，Cu 箔のシールド効果測定値と平板遮蔽材の理論計度を比較することで，シールド効果を求めることができ算結果を比較することで，測定値の妥当性を確認した．

る．

構築した測定方法を用いて大同特殊鋼㈱（以下，当社としかし，有限の大きさを持つ平板遮蔽材を試料とするいう）軟磁性金属箔材料 STARPAS Ⓡ -30PC2S のシール

際には密閉状態の電波暗室と異なり，試料端から回り込ド効果について評価したので，その結果も併せて報告す

む磁場を考慮する必要がある．特に高周波域でシールドる．

2024年 4月 24日 受付＊ 1 大同特殊鋼㈱技術開発研究所（Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd．
）
＊ 2 大同特殊鋼㈱技術開発研究所，工博（Dr. Eng., Corporate Research & Development Center, Daido Steel Co., Ltd.）＊ 3 東京工業大学 工学院，工博（Dr. Eng., School of Engineering, Tokyo Institute of Technology）

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

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Antenna （Rx）

Antenna （Tx）
Incident
electromagneticwave

Transmitted
electromagneticwave

ここで，aは Table 1のアンテナ径，rは測定点とループアンテナの距離を示す．この理論式では，電流分布を線状アンテナの解析でよく使用される正弦関数と仮定している（式（1））．
（1）
ループ中心から測定点までの z 軸方向の距離 d に対すShieldingmaterial

る，放射磁場の電磁界解析値と理論式（式（1））の計算

Fig. 1. Schematic diagram of shield measurement

値を比較すると両者は一致しており，モデルの妥当性をmethod.

検証できた（Fig. 3）．

Current
I0

2．シールド効果測定装置設計
本 研 究 で は， 市 販 の 電 磁 界 解 析 ソ フ ト CST Studio

Analysispoint

Suite の FEM ソルバーを用いてシールデッドループアⓇO point yzφ

ンテナ（Shielded Loop Coil，以下，SDL という）の解析モデルを作成し，各周波数域での放射磁場およびアンテxナ対の結合度を求めた．また，ループアンテナ間に完全導体（以下，PEC という）の平板遮蔽材を設置し，端部から回り込む磁場を評価した．アンテナ結合度と回りFig. 2. Electromagnetic analysis model.

込み磁場の値から，シールド効果測定装置として最適なアンテナ形状およびその配置を決定する．

1

ループアンテナモデル

Magnetic field （A/m）

2.

Electromagnetic field analysis
Theoretical calculation

本研究では，アンテナ径による電磁波結合度および回り込み磁場の変化を調査するため，Table 1 に示す 3 つの形状のループアンテナについて，電磁界解析用のアンテナモデルを作成した．

1 GHz
100 kHz
Anntena diameter： 22 mm
Curret I0： 1 A

Table 1. Loop antenna shape.
No.

Antenna diameter (mm)12221003250

また解析モデルの妥当性を検証するため，以下に示す．ループアンテナの放射磁場に関する理論式を用いDistance from loop antenna （mm）

Fig. 3. Validation of analysis model.

2.

2

ループアンテナ対の結合度
解析結果

ループアンテナ対の配置方法として，ループ面を同軸た．印加電流 I0 の角周波数は ω，波数とする．ε0=8.854 × 10-12 F/m,，μ0=1.256 × 10-6H/m で あ る．

配列した場合と共平面配置した場合の，2 パターンの電解析モデルの模式図を Fig. 2 に示す．

磁界解析を行った（Fig. 4）．

アンテナ間の結合度は S パラメータを用いて評価し，入力，出力ポートは特性インピーダンス 50 Ω でそれぞれのアンテナに接続している．アンテナ径を φ22 mm，100 mm，250 mm と変化させた時の結合度解析結果をFig. 5 に示す．すべての水準において低周波域（10 Hz

技術資料＞ループアンテナを用いた電磁波シールド効果測定法の構築～ 1 MHz）で，入力ポートから出力ポートへの透過係数 S21 が，周波数の対数に対して線形に増加する傾向と

2.

321

回り込み磁場解析なる．周波数が 1 MHz 以上となり，各アンテナの共鳴ループアンテナ対の間に電磁波遮蔽材（以下，シール周波数（fc）を境に，S21 は単調増加的な挙動から外れドという）を設置し，結合度解析を実施した．シールド減少に転じている．大きなループ径のアンテナを使用すとして PEC を用いると，理想的には電磁波は透過するる場合，アンテナ面を鎖交する磁束が多くなるため結合ことなく受信 SDL に届くことはないが，試料の大きさ度は増加する一方で，共鳴周波数が低くなるため高周波が有限であるため試料端から回り込む．電磁界解析時に域での使用が困難であることが分かった．

得られる S21 は回り込み磁場の大きさを示す．Fig. 7 に，Coaxial

Coplanar

Antenna distanceAntenna distance

シールド形状を□ 100 mm，□ 300 mm，□ 1000 mm と変更した際の S21 を示す．ここでは代表例して，アンテ

ナ径 =φ22 mm，周波数 10 Hz-100 MHz の結果を示している．
シールド形状が大きくなるほど結合度は低減し，また，シールドのない場合では，共平面配置に比べ同軸配

φφ

Coaxialfcφφ

fcfc

φ

CoplanarFrequency （Hz）

Frequency （Hz）

coplanar arrangement.
また，アンテナ間距離を 3 mm，10 mm，30 mm，100mm と変化させた際の結合度についても併せて解析を行った．Fig. 6 に代表例として φ22 mm の解析結果を示す．アンテナ間距離が小さくなるほど結合度が増加していることが確認された．本研究では測定装置作製時のクリアランスを確保するため，以後の解析および測定ではCoupling between antennas, S21 （dB）

Coupling between antennas, S21 （dB）

アンテナ間隔を 10 mm に固定した．

CoplanarFrequency （Hz）

Fig. 6. Coupling when changing the distance betweenantennas.

Frequency （Hz）

material.

Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

CoplanarFig. 7. S 21 change when installing PEC shielding

Fig. 5. Coupling between antennas in coaxial andCoaxialCoupling between antennas, S21 （dB）

fcφ

Coupling between antennas, S21 （dB）

Coupling between antennas, S21 （dB）

Fig. 4. Loop antenna pair arrangement.

CoaxialCoupling between antennas, S21 （dB）

列は回り込み磁場が小さくなっている．

2.

4アンテナ形状の決定

各配置に対して，PEC シールド形状とアンテナ径を変化させた際の解析結果（シールド有の時の S21 とシー
ルド効果）を Table 2 に示す．PEC シールド有の時のS21 は回り込み磁場の大きさ，PEC のシールド効果は測定のダイナミックレンジを示している．

22

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

Table 2. Shield and loop antenna shape selection.
Antennadiameter(mm)

Arrangement
Without
Shield22 mm

Shield side length (mm)・アンテナ径：φ22 mm

30・シールド形状：□ 1000 mm

100-44dB-65
dB

Shieldeffect

6 dB 27 dB 53 dB 74 dB

Without
Shield-17 dB-44dB-91
dB-101
dB-112
dB-184dB

Shield 27 dB 84 dB 131
effectdB167dB

本節で決定した内容を基にシールド効果装置を作製し，シールド効果測定に用いた．

3．測定装置構成および測定条件
1

測定装置構成2 章の検討内容を基に作製した測定装置の外観写真および装置構成模式図をそれぞれ Fig. 8，9 に示す．
Antennas-33 dB

With
Shield-42dB

Shieldeffect9 dB 26 dB 44 dB

Without
Shield-10 dB-59
dB

-105
dB

-77
dB

With
Shield-27
dB

Shieldeffect146
17 dB 95 dB dB

Port 1
Port 2-156
dB

Fig. 8. Measuring device external view.
Networkanalyzer-47 dB

With
Shield-61
dB

Shieldeffect14 dB 22 dB

Without
Shield-22 dB-69
dB

With
Shield-71
dB

Shieldeffect49 dB 117dBPort 1-139dB

Table 2で解析をしたシールド形状とアンテナの組合せから，以下の条件を満たす水準をハッチングした．
1．PECのシールド効果※ 1＞ 60 dB・アンテナ間距離：10 mm

3.

-148dB

Without
Shield

250 mm1000

Deviceconfiguration-38 dB

Without
Shield100 mm300

With
ShieldWith
Shieldの条件を満たす装置構成は以下のとおりである．

Calibration position

Fig. 9. Measuring device schematic diagram.
ネ ッ ト ワ ー ク ア ナ ラ イ ザ と し て E5061B（Keysight製）を使用し，Fig. 9 の矢印で示している位置で SOLT（Short-Open-Load-Through）校正を実施している．

3.

2．シールド有の時の S21＜ -110 dB※2Port 2

2Baffle板について

回り込み磁場を低減させるために Cu 箔の外側にアルミ板（以下，Bafﬂe 板という）を設置する．Bafﬂe 板の※ 1 シールド効果 = S21（シールド無）－ S21（シールド有）外観写真を Fig. 10 に示す．Bafﬂe 板と Cu 箔は電気的に※ 2 シールド有の時の S21はノイズフロア（-80 dB）以下□ 1000 mm とした．

（Table 2下段に記載）の値とするために設定（Table 2中段に記載）

Table 2の結果の中でも同軸配置，共平面配置ともに上記接続されており，Bafﬂe 板の外形は 2.

4 節で決定した

23

技術資料＞ループアンテナを用いた電磁波シールド効果測定法の構築

Baffle plate （Al）

4．測定結果□300 mmCu sample

4.

1

アンテナの結合度測定
2 節で実施した電アンテナ間の結合度を測定し，2.

Fig. 10. External view of baffle plate.

3.

3

測定条件

測定条件は以下のとおりとした．
・測定周波数範囲：10 Hz-100 MHz

比較結果を Fig. 13に示す．

・印加電力：10 dBm

3.

4

ノイズフロアは Fig. 11 に示すように，アンテナを接Terminals

Measured value

Noise floor

Coplanar
Electromagnetic field
analysis value±3 dB
Measured value

Noise floor

Electromagnetic field analysis value

Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

Fig. 13. Comparison of measured and analytical valuesof coupling between antennas.

ノイズフロアの確認

続していない状態での S21 測定結果から評価する．

Electromagnetic field
analysis value±3 dB

Electromagnetic field analysis

・アンテナ：φ22 mmSDL・アンテナ配置：同軸配列，共平面配列

CoaxialCoupling between antennas, S21 （dB）

1000 mmCoupling between antennas, S21 （dB）

Fixed with conductive tape

磁界解析結果と比較し，測定結果の妥当性を確認した．

測定値と解析値は± 3 dB の範囲で一致していることから，電磁界解析モデルと同等の測定装置を作製できていると判断する．低周波域（1 kHz 以下）での解析値と測定値の差は，φ22 mmSDL アンテナの結合度が低く，S21 パラメータがノイズフロア以下となったためであると考えられる．このことから低周波域での φ22 mmSDLアンテナの使用は困難である．

4. 2 シールド効果測定時のデータ処理
平板遮蔽材のシールド効果は Fig. 14 のとおり，各ア

程ノイズフロアの値が大きくなっている（Fig. 12）．10 Hzは，本試験に使用したネットワークアナライザの測定下限周波数であり，その付近ではノイズフロアが大きくした際の S21 の差分で定義する．また，3.

4 節のフロ

アノイズの測定結果を用い，本研究で構築した装置の測定限界レベルを定義する（Fig. 15）．

S21 （dB）

S21 without shield material

S21 with shield material

Shield effect＝－●Noise floor
Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

Fig. 14. Data processing method when measuring
shielding effect.

S21 （dB）－＝

Frequency （Hz）

Fig. 12. Noise floor.

Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

Measurement limit signal （dB）

Noise floor

S21 without shield material

S21 （dB）

Coupling between antennas, S21 （dB）

なっている．

1 節での測定結果とシールドを測定

Shield effect（dB）

ノイズフロアは -120 dB～ -140 dB程度で，周波数が低い

ンテナ配置時の 4.

S21 （dB）

Fig. 11. Exterior photo during noise floor measurement.

Measurement limit
signalFrequency （Hz）

Fig. 15. Definition of measurement limit line.

電気製鋼 第 95 巻第 1 号 2024 年

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4. 3 平板遮蔽材のシールド効果測定結果

Table 3. Input physical property values of flat shielding
material.

平板遮蔽材 Cu 箔（W100 × L300 × t0.01 ～ 0.10 mm）

Material

Thickness（mm）

果測定を行った（Fig. 16）．両配置ともに 1 kHz 以下のCu

0.01-0.1

いため，Cu 箔のシールド効果の評価は困難である．

●10 μm●20 μm●30 μm●50 μm●100 μmを重ね合わせて□ 300 mm の試料を作製し，シールド効範囲でシールド設置時の信号がフロアノイズ程度しかな1 kHz 以上の範囲においては，同軸配置に比べダイナミックレンジの狭い共平面配置では，シールド設置後の4.30×107●10 μm●20 μm●30 μm●50 μm●100 μm

Coaxial1Coplanar

Measured value
Theoretical calculation

Measured value
Theoretical calculation

測定結果にノイズが含まれている．また，共平面配置のConductivity
Relative（S/m）
permeability

数 MHz において，-120 ～ -100 dB 程度で右肩上がりの傾向が確認される．これは 2.

4 節で電磁解析によって求めた平板試料□ 1000 mm 時の S21 の値，-112 dB と同程度であることから，試料形状由来の回り込み磁場であると考えられる．
CoaxialWithout shield

Noise floor

calculation values.
Coupling between antenna, S21 （dB）

Coupling between antenna, S21 （dB）

●10 μm●20 μm●30 μm●50 μm●100 μm

Fig. 18. Comparison of measured values and theoretical●10 μm●20 μm●30 μm●50 μm●100 μm

Coplanar
Without shield

1 kHz 以上の範囲では同軸配列，共平面配列ともに，± 3 dB の範囲で測定値と理論計算値が一致していることが確認された．低周波域（1 kHz 以下）では φ22 mm
アンテナの結合度が低く，ノイズを多く含む測定結果となっており，アンテナ種類の変更，または高増幅率アンNoise floor

プの使用により改善が見込まれる．
十分にアンテナ結合度が大きな周波数範囲において，Frequency （Hz）

Frequency （Hz）

Fig. 16. Shielding effect measurement results of flat
shielding material.

4.

44.

いることから，本研究で構築した測定手法の妥当性が確認された．

理論計算値との比較

4.

3 節で測定した Cu 箔のシールド効果の妥当性を確認するため，理論計算式板厚を変更した Cu 箔の測定値と理論計算値が一致して3），4）による解析を行った．

理論計算ではループアンテナの円周上で均一な磁界を発生しており，シールドは無限平板を仮定している．
理論計算は Fig. 17 に示すようなフローで進めており，シールドの入力物性値に関し，電気伝導率は 4 端子法で測定し，比透磁率はシールドが非磁性体であるため 1としている（Table 3）．理論計算値と測定値の比較結果を Fig. 18 に示す．

5

軟磁性箔のシールド効果測定

今回開発した平板試料のシールド効果測定装置を用い，当社の軟磁性箔製品 STARPAS Ⓡ -30PC2S 5）のシールド効果を測定した．試料の詳細は Table 4 のとおりである．
Table 4. Physical properties of soft magnetic foilproduct STARPAS Ⓡ -30PC2S.
Material

Thickness（mm）

STARPASⓇ-30PC2S

0.03

Conductivity
Relative（S/m）
permeability
1.82×10610300

Physical properties of shield material
Electrical conductivity
Permeability

Theoretical calculation program

Measurement condition, device configuration
Frequency: 10 Hz - 100 MHz
Antenna arrangement： coaxial, coplanar
Antenna diameter： 22 mm

Fig. 17. Theoretical calculation flow.

Shield effect技術資料＞ループアンテナを用いた電磁波シールド効果測定法の構築（文

本研究で用いたアンテナでは低周波域で結合度が小さくなり，測定のダイナミックレンジが狭いものの，Cu
箔が 10 kHz 以下でシールド効果がほとんど 0 dB に近づくのに対し，STARPAS -30PC2S は透磁率を持っていⓇるため，磁気シールドとして機能し，20 dB 以上の高いシールド効果を有していることが分かる（Fig. 19）．

また，軟磁性金属シールドは 10 kHz 以上の高周波域においても，電磁波シールドとして同じ厚みの Cu 箔に比べ，高いシールド効果を示している．

献）1）清水康敬編：電磁波の吸収と遮蔽，日経技術図書，
1989，454．

2）J. R. Moser：IEEE Trans. EMC，9（1967），6.

3）A. Nishikata and A. Sugiura：IEEE Trans. EMC，34（1992），284．
4）西方敦博：信学技報，（2022），EMCJ2022-44．

5）大同特殊鋼㈱ホームページ：https://www.daido.co.jp/products/permalloy/index.html

STARPAS®-30PC2S
Cu foilShield effect （dB）

CoaxialFrequency （Hz）

Fig. 19. Comparison of shielding effects between softmagnetic metal and Cu foil.

5．結言

本研究では，ループアンテナを用いた単板試料のシールド効果測定手法を開発した．装置作製の事前検討として，有限要素法（FEM 法）を用いた電磁界解析を実施し，アンテナ配置および材料形状を決定した．Cu 箔のシールド効果測定結果と理論式から得られる解析結果を比較したところ，± 3 dB 以内で両者は一致しており，構築した測定手法の妥当性が確認された．また，当社の軟磁性金属箔材料 STARPAS Ⓡ -30PC2S を評価したとこ

湯浅康佑

ろ，同じ厚みの Cu 箔に比べ優位な特性が確認された．

本手法により，単板試料のシールド効果を定量的に測定することができ，この技術を利用することで，低減すべき電磁ノイズの周波数に応じた，適切なシールド材料の選定が可能となる．
※ STARPASは大同特殊鋼㈱の登録商標です．

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西方敦博

齋藤章彦

高林宏之