貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 — IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要

貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 —IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要
株式会社 e・オータマ

佐藤智典

2022 年 2 月 14 日

目次
1

概要

1

概要
1.1 背景 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
1.2 測定の原理 . . . . . . . . . . . . . . . . .

1
12

測定
2.1 同軸システムのインピーダンスの均一性の確認 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
2.2 同軸システムの損失の測定 . . . . . . . .
2.3 測定システムのダイナミック・レンジの確認
2.4 測定対象物の測定 . . . . . . . . . . . . .
2.5 伝達インピーダンスや遮蔽減衰量の算出 .

2シールド用のガスケットのシールド性の評価に関す

23333るもので、その指標となる伝達インピーダンス、及補足
3.1 同軸システムの寸法と測定周波数範囲 . .
3.2 測定対象デバイスの取り付け . . . . . . .
3.3 嵌合相手のコネクタやケーブルを含めての測定 . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
3.4 ケーブル・グランドの測定 . . . . . . . .

444

参考資料

5IEC 62153-4-10[1] は、貫通型コネクタのようなシールドを貫通して取り付けられるデバイスの、またそのようなデバイスとともに用いられるような4ている。
この方法で測定された伝達インピーダンスや遮蔽減衰量はそれらのデバイスをシールド性の高いシールド・ケースとともに用いた時にシールド性をどの程度維持できそうか (逆に言うと、そのデバイスがシールド性をどの程度損ないそうか) の指標となる

45ものと考えられる。これはコネクタ自身やプラグとソケットとの嵌合箇所などのシールド性を示すものではなく、それらは例えば IEC 62153-4-7[5] のような方法で評価できるであろう。
本稿ではこの IEC 62153-4-10 の概要を述べる。
なお、本稿はその内容全てをカバーするものではな
く、また正確であるとも限らないので、正確な情報は規格そのもの [1] を参照されたい。
また、参考文献 [2] はこの規格のベースとなるもので、その多くは規格にも反映されているものの、この測定法に関する多くの情報を含む。

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D

3

び遮蔽減衰量の同軸法による測定について述べられ༄̅ฆI1

U21.1



背景

シールド・ケースを貫通して導体を引き出した場d2合、適切な配慮を行なわなければシールド・ケースのシールド性は台無しになり得る。
このような場合のシールド性の維持のため、またअఅ༄ฆଅଅఈఈ
ĉఅ؉ࠅąЅअ༅

配線を流れる電気信号が周辺に電磁界として放出అ༄̆ഇ

されたり周辺の電磁界が配線で拾われて機器の動図 1: 貫通型デバイスの測定の原理

作に悪影響を与えたりすることを防ぐためにしば

1

貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 — IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要

しばケーブルのシールドが行なわれるが、このよういだの接触部のインピーダンス) に応じた電圧 (図 1

なシールドが高い周波数で有効に機能するためにはの U2 ) が生じる。この電圧は隔壁の反対側の同軸シケーブルのシールドとシールド・ケースとが高周波ステム (二次側) の中心導体を介して測定され、こ的に良好に接続されていることが必要となる。の測定の結果から伝達インピーダンス ZT や遮蔽減

この接続は多くの場合はコネクタのシェルを介し衰量 as を求めることができる。て行なわれ、そのようなコネクタのシェルがシール

これは一次側から注入されて同軸管内を電磁波とド・ケースと高周波的に良好に接続されることはケーして伝搬する電力の一部が測定対象デバイスのシー

ブルのシールドを有効に機能させるためにも重要でルド性能に応じて隔壁の二次側に漏洩したものを測ある。本稿で述べるような方法で測定される伝達イ定しているものと考えることもでき、特に高い周波ンピーダンスや遮蔽減衰量は、そのようなコネクタ数ではそのように考えた方が適切かも知れない。†1がシールド・ケーブルの効果の発揮を妨げないかどシールド用のガスケットの測定の場合もこれと同うかの指標となると考えられる。

様だが、この場合は測定対象のガスケットを隔壁の但し、シールド・ケーブルが効果を発揮するため貫通穴を通して取り付けられる金属のマウント (実には相手側のコネクタやケーブル、またそれらのあ際の使用でのコネクタなどのボディーを代表する)

いだの接合 (機器側のコネクタとケーブル側のコネと隔壁とのあいだで挟み込んでプラスチックのフェクタとの嵌合部でのシールドの接続、またケーブルルールで押して適切な圧縮力で押し付け、同軸シス側のコネクタとケーブルとのシールドの接続) も重テムの中心導体と隔壁とが測定対象のガスケットを要であるが、本稿で述べる測定法ではそれらの影響介して、またガスケットを介してのみ導通するようは評価されない。それらの影響を含めた全体としてにする (図 2)。の評価のためには、他の方法、例えば §3.3で触れるような方法の適用を考えた方が良いかも知れない。

I1

༄̅ฆU2

コネクタなどの貫通型のデバイスは、しばしば

シールド・ケースとの良好な接続を確かとするために導電性のガスケット (O リング状やワッシャ状の、あるいはコネクタの形状に合わせて成形や型抜きさฆଅଅఈ
ĉఅれた) とともに用いられる。本稿で述べる測定法は

図 2: ガスケットの測定の原理

そのようなガスケットの性能の評価にも用いることができる。

1.2

測定の原理

この測定セットアップの中心は中央の貫通穴に測定対象のデバイスが取り付けられた金属の隔壁で仕切られた 2 つの同軸システムである (図 1)。

2

測定

2.1

同軸システムのインピーダンスの均一性の確認測定に使用する同軸システムは全体にわたって概貫通型のデバイスの測定に際しては隔壁の貫通穴ね一定の、また測定器の特性インピーダンスと整合に取り付けられた測定対象のデバイスのシールドする特性インピーダンスを持つべきである。

(通常はコネクタの金属のシェル) に両側の同軸シス

同軸システムのインピーダンスの均一性は、例テムの中心導体を接触させる。

えば図 3のような構成で TDR (time domain reflec-

この状態で片側の同軸システム (一次側) から信tometer) を用いて確認できる。

号を印加すると測定対象デバイスのシールドと隔壁を介して電流 (図 1 の I1 ) が流れ、同軸システムの外部導体と測定対象のデバイスのシールドとのあい†1 同軸線路の基本伝播モードは TEM で、遠方界とみなすことができる。この原理に基づいた、これと似た評価方法は、平面状のシールド材のシールド性 [3][4] や電波吸収体の吸収特性の、また誘電体一般の特性の測定などにも用いられている。

だにその電流とその経路のインピーダンス (おそらくは主に測定対象デバイスのシールドと隔壁とのあ2

貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 — IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要測定されたダイナミック・レンジが想定よりも低ഇਇTDR

い場合、一次側と二次側とのあいだの分離が不充分(例えば一次側と二次側の同軸ケーブルのあいだや一次側と二次側の同軸システムのあいだで無視できない結合を生じている) となっているのかも知れない。
例えば隔壁と外部導体との接触が不完全な場合、

図 3: 同軸システムのインピーダンスの均一性の確認

一次側と二次側とのあいだの結合が増加し (あるいは、そのセットアップでの残留分となる伝達インピー同軸システムの損失の測定2.2

ダンスが増加し)、ダイナミック・レンジが有意に低下する可能性がある。

同軸システムの損失は例えば図 4のような ZT =†2∞ となる構成で測定した S21 から得ることができる。
༄̅ฆ2.4図 1や図 2で例示したように隔壁に測定対象物を1)

測定対象物の測定

取り付けて S21 を測定する。
′この測定の結果を S21、同軸システムの損失 (§2.2)

を S21|ZT =∞ 、また S21(dB) = 20 log10 |S21 | として、

図 4: 同軸システムの損失の測定′S21(dB) = S21(dB)− S21(dB)|ZT =∞この測定の結果 (ここでは S21|ZT =∞ と表記すのように、この測定の結果は同軸システムの損失でる) は測定対象物の測定 (§2.4) に際しての補正に用補正する。

いる。

2.5

測定システムのダイナミック・レンジの確認

2.3

伝達インピーダンスや遮蔽減衰量の算出

S21 を §2.4 のような測定の結果 (補正後の値)、測定システムのダイナミック・レンジの確認が必

Z0 を測定系 (同軸システムや測定器) の特性イン

要な場合、例えば測定対象物を取り付ける隔壁の代ピーダンスとして、測定対象物の伝達インピーダン

わりに図 5のように開口部のない金属の隔壁を取りス ZT は ZT ≪ Z0 であれば付けた ZT ≈ 0 Ω となる構成で S21 の測定を行なうことで確認できる。

ZT =༄̅ฆԉ̅

S21 Z02から、また 150 Ω に正規化された遮蔽減衰量 as は√}{150as = Env −20 log10 |S21 | + 20 log10|Z0 |から算出できる。†4ĉఅ؉ࠅ

図 5: ダイナミック・レンジの確認

例えば、S21 = 10−5 (−100 dB)、Z0 = 50 Ω の場合、ZT = 250 µΩ という計算となる。

†2 S

21 は S パラメータでのポート 1 からポート 2 への伝達を示すパラメータで、ポート 1 からの入射波の電力の平方根に対するポート 2 からの出射波の電力の平方根を示す複素数の値となり、これは関係する全ての箇所のインピーダンスが等しければそれらの電圧の比率と一致する。†3 より詳しく知りたい方は S
パラメータに関する解説を参照いただきたい。
†3 勿論、この測定では同軸システムの双方のポートは短絡状態となり、この条件は全く成り立たない。

†4 これらの式は、規格で示されている形のままではなく、使用する記号の数を減らすように、また [5] で示した式と同様の形とするように、変形した形で示している。

3貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 — IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要

3補足

3.1

同軸システムの寸法と測定周波数範囲の皮膜で覆われた場所に取り付けて歯付き座金で導通を取ろうとしている場合、パネル面に固定されないプリント板実装型のコネクタでフィンガーで導通を取るようになっている (例えば 図 6 に例示する

Ethernet や USB などで良く用いられているコネクタのように) 場合などは、そのような状況を適切に同軸システムは測定系と同等の特性インピーダン
ス (≈ 50 Ω) を持つようにされる。

模擬できるようにすることも必要となりそうである。

同軸線路の特性インピーダンス Z0 は、外部導体の内径を D、中心導体の外径を d、外部導体と中心測定対象物の大きさや形状に関わらず同軸システ導体のあいだの誘電体の比誘電率を εr 、(ここではムの中心導体を確実に接触させることも必要であり、誘電体は概ね空気で、εr ≈ 1 と仮定) として、
( )60DZ0 = √ lnεrd

このためには測定対象物に応じた工夫が必要となるより求められる。従って、この条件で特性インピーのインピーダンスが伝達インピーダンスの測定結果

ダンス Z0 ≈ 50 Ω とするためには、D/d ≈ 2.3 とに直接影響するわけではないので、測定される伝達なるようにすれば良いということになる。

インピーダンスが非常に低いことが予期されるとしかも知れない。
同軸システムの中心導体と測定対象物とのあいだの接触は高周波的に良好なものであるべきだが、そてもこの接触を非常に低インピーダンスとする必要

測定周波数の上限には同軸システムの高次モードまではない。†5のカットオフ周波数が関係する。
同軸線路のカットオフ周波数は、外部導体の内径コネクタによっては嵌合相手のコネクタを挿したを D、中心導体の外径を d、外部導体と中心導体状態の方が同軸システムの中心導体との接触を取りのあいだの誘電体の比誘電率を εr 、誘電体の比透やすいかも知れず、そのような場合はその状態で測磁率を µr (ここでは誘電体は概ね空気で、εr ≈ 1、定しても良いだろう。

µr ≈ 1 と仮定) として、
fc =c0c0=√π((D + d)/2) µr εrπ(D + d)/2から求められる。
従って、特性インピーダンス Z0 ≈ 50 Ω、外部

図 6: Ethernet 用のコネクタの例 — このようなコネクタの測定のためには工夫が必要となりそうである

導体の内径 D = 50 mm とすると中心導体の外径d ≈ 22 mm、カットオフ周波数 fc ≈ 2.7 GHz という計算に、また D = 30 mm とすると d ≈ 13 mm、fc ≈ 4.4 GHz という計算になる。

3.3
3.2

測定対象デバイスの取り付け

嵌合相手のコネクタやケーブルを含めての測定

嵌合相手のコネクタやケーブルを含めて評価した

測定対象デバイスの隔壁への取り付けは製造業者

い、あるいはそのような評価となっても良い場合、この指定に従う。の測定法を用いる代わりに、例えば IEC 62153-4-4

測定対象物を取り付ける隔壁は測定対象物に合ったもの (通常は開口部の形状が、また貫通型のデバ†5 一次側の中心導体と測定対象物とのあいだのインピーダン
スは電流 I1 の経路の一部とはなるが、二次側からは見えない(そのインピーダンスで生じる電圧降下は U2 には寄与しない)ので、測定周波数範囲全体にわたって Z0 よりも充分に低ければ無視でき、ZT よりも充分に低い必要はない。一方、隔壁と一次側の外部導体とのあいだのインピーダンスは測定結果に直接影響するので、隔壁はそのあいだのインピーダンスが ZT よりも充分に低くなるように、全周にわたってしっかりと接続することが必要となる。

イスで取り付け部の厚さの範囲などの指定がある場合はそれらも) であることが必要となるだろう。
また、図 1 は測定対象デバイスで隔壁を挟み込んで両面で導通させるような図となっているが、例
えば取り付け部の片面が塗装などの絶縁性の皮膜で覆われていることが想定される場合、両面が絶縁性

4貫通型デバイスやガスケットのシールド性能の評価 — IEC 62153-4-10 (同軸法) の概要(三重同軸法)[5] のような測定法を準用して全体とし[2] Measurement of the Shielding or Screening
Eﬀectiveness of Feed-throughs and Electromagnetic Gaskets up to 4 GHz and above, Lauri
Halme et al., Proceedings of the 56th IWCS,
2007,て評価することを考えると良いかも知れない (図 7)。
ฆଅଅఈഇਇȆȆฆଅଅఈ ༄̅ฆ

https://www.researchgate.net/publication/228893361_Measurement_of_the_Shielding_or_
Screening_Effectiveness_of_Feed-throughs_and_
Electromagnetic_Gaskets_up_to_4_GHz_and_above

(VNA 2)

U1[3] Coaxial Waveguide Methods for Shielding Eﬀectiveness Measurement of Planar Materials Up to
18 GHz, Alessio Tamburrano et al., IEEE, 2014,

U2

図 7: IEC 62153-4-4 を準用してのパネル・マウント・コ
ネクタを含むケーブル・システムの測定の例

https://doi.org/10.1109/TEMC.2014.2329238[4] Methods for determining shielding eﬀectivenessof materials, Cristian MORARI et al., Electrotehnică, Electronică, Automatică (EEA),
Vol. 63, No. 2, 126–136, 2015,

ケーブル・グランドの測定

3.4

http://www.eea-journal.ro/includes/fisiere_pdf_
down/pdf/eea-63-2-2015-126-EN-lp-000.pdf

この測定法のシールド用のケーブル・グランド[5] ケーブルのシールド性能の評価 — IEC 62153-44, -4-7 の概要, 株式会社 e・オータマ 佐藤, 2021,(cable gland) への準用は容易であろう。
例えば図 8 のような構成で測定すれば、シールド・

https://www.emc-ohtama.jp/emc/reference.html

ケース (隔壁で代表される) とケーブル・グランドのボディーとのあいだ、及びケーブル・グランドとケーブルのシールド (金属の棒で代表される) とのあいだの伝達インピーダンスの影響を含めたものを評価できるであろう。

༄̅ฆĉఅࠆฆଅଅఈคࠈ

図 8: ケーブル・グランドの測定の例

4

参考資料

[1] IEC 62153-4-10, Metallic communication cable
test methods – Part 4-10: Electromagnetic Compatibility (EMC) – Shielded screening attenuation test method for measuring the screening effectiveness of feed-throughs and electromagnetic
gaskets double coaxial method

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