EMC（電磁適合性）測定のための広帯域
TEMホーンアンテナ
国⽴研究開発法⼈情報通信研究機構
電磁波研究所 電磁環境研究室
張間 勝茂
2023年10月19日
1

背景 - TEMホーンの開発 EMC(電磁適合性)測定用アンテナ


放射イミュニティ試験(電界印加用): 無線電波(放送波、通信波)に対する電磁耐性試験



放射エミッション測定(電界測定用): 電子機器から放射される電磁ノイズの測定

一般には、国際的な技術基準・規格を定め試験により適合性を確認
EMC試験用アンテナ

ElectroMagneticCompatibility (電磁適合性)

TEMホーン

電磁ノイズを出さない

短縮指数関数テーパー型

放射イミュニティ試験

電気・電子機器

放射エミッション測定
ハイブリッドテーパー型
電磁ノイズに対する耐性

2

背景 - TEMホーン開発の動機 携帯無線端末の近接による電子機器の誤動作の懸念
 近接放射による電子機器のイミュニティ(電磁耐性)基準が規格化（IEC 61000-4-39）
 近接放射試験の電界印加アンテナは，TEMホーンアンテナを規定


携帯無線端末10 cｍ携帯無線端末

TEMホーン
近接放射試験(IEC 61000-4-39)

電子機器，例えば，医療機器

3背景 - 近接放射イミュニティ試験 

国際規格 IEC 61000-4-39

求められるTEMホーンの特性

EUTから 10 cm の距離で電界照射



良好な反射特性

電界印加アンテナ: TEMホーン



試験周波数帯をカバーする広帯域性

アンテナ反射特性︓VSWR ≦ 3



アンテナ近傍で広い・良好な電界均一性の⽣成

試験周波数: 380 MHz-6 GHz

電界均一領域は、0~-4dB となる矩形領域



均一領域ごとにアンテナを⾛査
Uniform area

電界均一領域（矩形）︓4 dB

TEMホーン

近接放射試験(IEC 61000-4-39)

4

TEMホーンとはTEMホーン

2枚の⾦属プレートの対向配置で構成（平⾏平板の拡張）



平⾏平板の伝搬モード: TEM (Transverse ElectroMagnetic) モード



直線テーパーが最も構造が容易

給電部から開口面まで特性インピーダンス整合の考慮が必要

ApertureInput

 プレート上に抵抗装荷 [1][2]Z0 = 50Ω


テーパー伝送線路の適用


テーパー伝送線路をアンテナ形状に適用



整合対策不要[1] C.A. Grosvenor, et al., NIST Technical Note 1544, Jan. 2007.
[2] IEC 61000-4-39, 2017.

TEMホーンの例 (IEC 610004-39)、NIST開発

Zl = 337Ω

Tapered transmission line5

従来技術とその問題点
近接放射試験用TEMホーンが、いくつか実用（商品）化されているが、

抵抗装荷を用いたマッチングのため効率低下



電界均一領域が⼩さい

最大放射方向がアンテナ正面にない、もしくは、非対称



複数のアンテナで試験周波数帯をカバー等の問題があり、試験設備・測定効率上好ましくない。



テーパー伝送線路型TEMホーンにより問題を改善
6

テーパー伝送線路の適用
Exponential[1]Z ( z ) = Z 0 e az

Z 0 = 50 Ω , Z L = 377 Ω ,(0 ≤ z ≤ L)

λ

L=Triangular[1]2(0 ≤ z ≤ L / 2)
 Z 0 eZ ( z) = 22
 Z 0 e ( 4 z / L − 2 z / L −1) ln Z L / Z 0( L / 2 ≤ z ≤ L)
2 ( z / L ) 2 ln Z L / Z 00Γ012zln( Z 0 Z L ) +A2φ ( − 1, A)
2cosh A
Lφ ( x, A) = x0

Hecken[3]Z(z)Z0Klopfenstein[2]ln Z ( z ) =ZL

2I1 ( A 1 − y )A 1− y2dy(0 ≤ z ≤ L)
Z − Z0Γ0 = LZ L + Z0

11 Z
B2zln Z ( z ) = ln(Z 0 Z L ) + ln( L )ϕ ( B, − 1)
22 Z 0 sinh B
L(0 ≤ z ≤ L)

zLz

テーパー伝送線路[1] D.M. Pozar, Microwave engineering, 4th Ed., New York: Wiley, 2011.
[2] R.W. Klopfenstein, Proc. IRE, vol.44, no.1, pp.31–35, Jan. 1956.
[3] R.P. Hecken, IEEE Trans. Microw. Theory Tech., vol.20, no.11, pp.734739, Nov 1972.

xϕ ( B , x ) =  I 0 ( B 1 − y 2 ) dy07

テーパー伝送線路の適用
Exponential
Z ( z ) = Z 0 e az

(0 ≤ z ≤ L)

Triangular(0 ≤ z ≤ L / 2)
 Z 0 e 2 ( z / L ) ln Z L / Z 0Z ( z) = 22
 Z 0 e ( 4 z / L − 2 z / L −1) ln Z L / Z 0( L / 2 ≤ z ≤ L)2



Klopfensteinln Z ( z ) =Γ012z
ln( Z 0 Z L ) +A2φ ( − 1, A)
2cosh A
Lφ ( x, A) = x0

Hecken

2I1 ( A 1 − y )A 1− y2dy(0 ≤ z ≤ L)
Z − Z0Γ0 = LZ L + Z0

11 Z
B2zln Z ( z ) = ln(Z 0 Z L ) + ln( L )ϕ ( B, − 1)
22 Z 0 sinh B
L(0 ≤ z ≤ L)

テーパー伝送線路の特性インピーダンスx

ϕ ( B , x ) =  I 0 ( B 1 − y 2 ) dy08

テーパー伝送線路型TEMホーン

テーパー伝送線路のTEMホーンへの適用
 4つのタイプをモデル化



特性を数値計算𝑍 𝑧

 有限積分法
 周波数︓400 MHz~6 GHz

テーパー伝送線路の形状ℎ 𝑧𝑤 𝑧𝜇𝜀

テーパー伝送線路の特性
インピーダンスHLW

Ｗ = H = L = 375 mm

Triangular

KlopensteinHeckenExponential
K. Harima, IEICE Communications Express, vol. 6 , no. 9, pp. 560-565, Sep. 2017.

9各TEMホーンのアンテナ特性の比較
反射特性（S11）Gain

反射特性は，テーパー（マッチング）伝送線路の効果が反映して良好Triangular や Klopfenstein テーパーは、利得に大きなリップルが⽣じる

アンテナとしては，指数関数型が最良

K. Harima, IEICE Communications Express, vol. 6 , no. 9, pp. 560-565, Sep. 2017.

Exponential

Triangular

KlopensteinHecken10指数関数テーパーTEMホーン -指向性の改善指数関数テーパー型
1.5

Diff. of max. and on-axis gain (dB)Gain (dBi)

15

10

10.5

on-axismax.

51234
Frequency (GHz)Gain

56005dl/L (%)

10切取り量による最大利得と正面方向利得の差



ビームの落込む周波数帯



指向性の問題は，アンテナ⻑の10%程度(6-11%)を先端から切り取り短縮することで改善
K. Harima, IEICE Communications Express, vol. 6 , no. 9, pp. 560-565, Sep. 2017. 11

短縮指数関数テーパーTEMホーン
指数関数テーパー型

短縮指数関数テーパー型

151510Gain (dBi)

Gain (dBi)dl = 0.1L

on-axismax.

51234
Frequency (GHz)10

on-axismax.

5561234
Frequency (GHz)56Gain10% 切り取り例



アンテナ軸方向の利得と最大値が完全一致
K. Harima, IEICE Communications Express, vol. 6 , no. 9, pp. 560-565, Sep. 2017.

12近接放射イミュニティ試験用として -電界均一性IEC 61000-4-39



短縮指数関数テーパー型TEMホーン

TEMホーン

VSWR ≦ 3



試験帯域をカバーする広帯域380 MHz-6 GHz

開口面から10 cm の電界分布

アンテナ近傍に良好な電界分布を⽣成

均一領域（0~-4dB）と規定

電界分布測定値（開口面から10 cm）
K. Harima, T. Kubo, and T. Ishida, IEICE Communications Express, vol. 9, no. 2, pp. 60-65, Feb. 2020.

13

近接放射イミュニティ試験用として -電界均一性

TEMホーン

5.8 GHz

電界レベル維持、広帯域にわたり良好な均一電界領域を⽣成フラットダイポール



半波⻑ダイポール

EUT
10 cｍ



DRGA

K. Harima, T. Kubo, K Gotoh, and T. Ishida, IEICE Communications Express, vol. 10, no. 11, pp. 881-886, Nov. 2021.

14

近接放射イミュニティ試験用として –VSWR特性

IEC 61000-4-39

短縮指数関数テーパーTEMホーン

TEMホーンVSWR ≦ 3



380 MHz-6 GHz



開口面から10 cm の電界分布

均一領域（0~-4dB）と規定



VSWR＜ 2となる反射特性IEC 61000-4-39のVSWR要件を満足



試験周波数帯を1本のアンテナでカバー

ワーストケース（⾦属面から10 cm）においてもVSWR要件を満足
EUT
10 cｍ

15

ハイブリッドテーパー型TEMホーン

ハイブリッドテーパー型

指数関数テーパーTEMホーン

 指数関数テーパー伝送線路の特性インピーダンス

Z ( z ) = Z 0 e az (0 ≤ z ≤ L)
 直線と曲線テーパーのハイブリッド構造
 ⼩型化を実現
指数関数テーパー伝送線路の特性インピーダンス

ハイブリッドテーパーTEMホーン

𝜇𝜀ℎ 𝑧𝑤 𝑧𝑍 𝑧
直線状𝑤 𝑧𝑎𝑧𝑤0𝑧𝐿K. Harima, K. Gotoh, T. Kubo, and T. Ishida, Proc. 2020 International Symposium on Antenna and Propagation, pp.123-124, online, Japan, Jan. 2021.

16

ハイブリッドテーパー型TEMホーン


反射特性（VSWR）

近接試験用
 試験帯域(380MHz-6GHz)をカバー

低周波数帯で VSWR > 3

 反射特性(VSWR≦3)の要件を満足
L (= H = W): 24.5 cm
LH

利得
ビームの割れW

K. Harima, K. Gotoh, T. Kubo, and T. Ishida, Proc. 2020 International Symposium on Antenna andPropagation, pp.123-124, online, Japan, Jan. 2021.

17

ハイブリッドテーパー型 -VSWRと指向性の改善

ハイブリッドテーパー型
 反射特性の対策
 指向性（ビームの割れ）の改善
 切取り範囲︓0.2W~0.5W, 角︓60度

18ハイブリッドテーパー型TEMホーン
ハイブリッドテーパー型

反射特性（VSWR）
6

 切取り量: 0.37W, 角︓50度

5

 ビームの割れ無4VSWR 全試験周波数帯で VSWR < 2.53IEC limit (0.38 to 6 GHz)

21024Frequency (GHz)

6利得wc

K. Harima, K. Gotoh, T. Kubo, and T. Ishida, Proc. 2020 International Symposium on Antenna andPropagation, pp.123-124, online, Japan, Jan. 2021.

19

近接放射イミュニティ試験用として -電界均一性電界分布測定値（開口面から100mm）

短縮指数関数テーパーTEMホーン

2010100-10-20-202010y (cm)

20y (cm)y (cm)

ハイブリッドテーパーTEMホーン

0-10-10-100x (cm)1020-20-200-100x (cm)1020-20-20-1001020x (cm)20

近接放射イミュニティ試験用として –VSWR特性短縮指数関数テーパーTEMホーン

ハイブリッドテーパーTEMホーンVSWR＜ 2.5となる反射特性IEC 61000-4-39のVSWR要件を満足



試験周波数帯を1本のアンテナでカバー

ワーストケース（⾦属面から10 cm）においてもVSWR要件を満足

EUT
10 cｍ

21

利得と指向性短縮指数関数テーパーTEMホーン

0330
300-20-10(dB)

240Gain (dBi)1533060

270Gain

0300300

9060

270-20210150

1 GHz

033030300-20-10(dB)

240234Frequency (GHz)5150

63 GHz60270

19018050012018010-10(dB)240120210300901202101501806 GHz

E-plane22

新技術の特徴・従来技術との比較
短縮指数関数型及びハイブリッド型TEMホーンにより、以下の問題点を改良した。


抵抗装荷を用いたマッチングのため効率低下

 テーパー伝送線路の適⽤により抵抗装荷不要


電界均一領域が⼩さい、もしくは、非対称

 対称性のある広い電界均⼀領域を⽣成

最大放射方向がアンテナ正面にない

 アンテナの正面が最大放射方向

複数のアンテナで試験周波数帯をカバー

 1本のアンテナで全周波数帯をカバーできる広帯域性等、試験効率の改善が期待できる。
23

想定される用途・展開

本技術の開発目的である近接放射試験(IEC規格)用アンテナへの適用は、試験効率上のメリットが大きい。



広帯域性から放射エミッション測定用アンテナへの展開を期待

本アンテナ構造に着目すると、パルス信号に対する波形歪が少ないため、無線通信分野における開発・研究用途に展開することも可能

24

実用化に向けた課題と企業への期待
放射エミッション測定用に展開するため、以下の改善点があります。


軽量化・低コスト化を実現するアンテナ構造及び組⽴技術

給電部及びバラン(平衡不平衡)回路の実装技術

これらの技術を有する企業様を期待します。

25

本技術に関する知的財産権
 短縮指数関数テーパーTEMホーン• 発明の名称

︓テーパーＴＥＭホーンアンテナ• 出願番号• 出願⼈

︓特願2016-171431
︓情報通信研究機構• 発明者

︓張間 勝茂 ハイブリッドテーパーTEMホーン• 発明の名称

︓テーパーＴＥＭホーンアンテナ• 出願番号︓特願2020-55420• 出願⼈

︓情報通信研究機構• 発明者

︓張間 勝茂26

産学連携の経歴• 2017年-

株式会社ノイズ研究所と共同研究実施中

27

お問い合わせ先
国⽴研究開発法⼈情報通信研究機構
イノベーション推進部門
知財活用推進室ＴＥＬe-mail042-327-6950
ippo@ml.nict.go.jp

28