周期構造体を用いた電磁波制御に関する研究
製品・機能評価課 宮田直幸
1. 緒言
電子機器はそれらが発生する電磁ノイズにより誤動作を起こすことから、放出する電磁ノイズの量(エミッシPower plane (or Ground plane)
Internal structureii൅1ョン)・電磁ノイズへの耐性(イミュニティ)両面における対応が求められているが、近年の高速化・小型化・省電i力化が求められる流れの中で、その対応は日を追うごとに難しくなっている。
とりわけデジタル LSI における CMOS の同時スイッチi൅1Ground plane (or Power plane)

Fig. 1 (a) Cross sectional view of a typical EBG structure

ングが問題となっており、それに対してはデカップリン(Black : PEC, Other color : dielectric substrate) andグコンデンサを使った対策がよく行われる。一方、もう(b) Equivalent circuit of a unit cell of an EBG structure

一つの対策として、メタマテリアルの一種であるEBG(Electromagnetic Bandgap)構造を利用した方法が提案

RF Module

されている 1)2)3)。これは、導体に特徴的な構造を持たせることで電磁波の分散関係にギャップが開き、ギャップ内の周波数では電磁波が伝播できなくなることを利用したものである。Fig. 1 にそのような構造の例を示す。高周波の場合、集中定数的な見方は通用しなくなり、構造同士の幾何学的配置が重要となってくるが、EBG 構造のTo SG方法はそのことを積極的に利用した方法と言える。
プリント基板におけるそのような EBG 構造を低周波Test Board

数側に適用しようとした場合、周期構造の周期を小さくとれるものとして、オープンスタブ EBG 構造が知られている。本研究では、昨年度までに考案した EBG 構造

IF Board

To Transmitter

Fig. 2 Experimental setup for loopback testの実効性を無線通信モジュールを用いて評価した。
約 30cm 離し、対向させて配置した。ノイズの印加には
2. 評価手法信号発生器(SG、Agilent Technologies, N5181A)を用い、チEBG 構造の電磁ノイズ抑制の実効性の評価として、文ップキャパシタにより直流電圧の SG の入力への印加を4)防止しつつ、IF 基板側と RF モジュール側の電源／グラ

献 に倣い、2.4GHz 帯の無線通信(RF)モジュールであるXBee(Digi international, XB3-24Z8PT-J) を IF 基 板 (Digiウンド層を分離したうえでマイクロストリップ線路によinternational, Xbee Zigbee Mesh Kit XKB2-Z7T-WZM)にり構成されたバイアスティー(Bias T)を設けることで、IFEBG 構造を間に挟む形で取り付け(Fig. 2)、評価用ソフト基板側へのノイズの影響を極力低減するようにした。評ウェアとして提供されている XCTU におけるループバッ価基板としては、概ね 2～3GHz をバンドギャップとしてクテストを行った。ループバックテストとは、特定の文持つ EBG 構造と平行平板導波路(Parallel Plate Waveguide,字列からなる 1 パケットを離れたところにある別のモジPPW)を対象とし、ノイズが通過する距離を変えながらュールに送信し、それを受信したそのモジュールがその測定できるように評価基板を他の部分とは独立させ、ピまま元のモジュールに送信し返したパケットを、情報のンの挿抜によりこれが行えるようにした。EBG 構造のピ

損失なく受信した時に通信成功とするテストのことであンの間隔は、その間に単位構造がちょうど収まるようにる。通信成功率は通信回数のうち、通信に成功した回数し、PPW のピンの間隔は EBG 構造のそれと等しくした。の割合で定義される。通信成功率を測定することで、EBG 構造が実際どの程度ノイズの抑制に効果があるかを評価できると考える。ここでは、両モジュールの先端を3. 結果と考察
2.4GHz 帯のうち、印加するノイズの周波数が 2.42GHz

富山県產業技術硏究開発センタｰ硏究報吿 No.37 (2023)

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Communication Success Rate (%)

結果を Fig. 3 に示す。
両周波数において、PPW と EBG の結果に明確な差がないことがわかる。本来、EBG の方がよりノイズの通過を抑制することが前年度までの測定によりわかっているため、実験方法に誤りがあったと考えられる。原因としては、EBG の方が元より印加されたノイズの反射量が大きく、それがノイズを印加する前段のマイクロストリッ
プ線路でのより強い放射に寄与していることが考えられる。特に試作した基板ではマイクロストリップ線路が本来必要ないほど長く設計されたため、放射が大きくなっていると考えられる。実際、部分的な結果しか得られてApplied Voltage (V)いないが、マイクロストリップ線路側の基板をシールド(a)するようにしたところ、EBG の方が PPW よりも通信成Communication Success Rate (%)

功率が上がったようであった。
4. 結言
Xbee RF モジュールに SG から実験用基板を介してノイズを印加したところ、通信成功率が低下する 2.42GHzと 2.43GHz において、EBG と PPW に明確な差は見られず、基板を経由したノイズの減少分と経由せずに放射したノイズの増加分の影響が拮抗した結果だと考えられる。
参考文献

Applied Voltage (V)(b)
Fig. 3 Communication success rate at (a) 2.42GHz and(b) 2.43GHzと 2.43GHz の時、通信成功率が下がることがわかった。
ここでは SG の最大出力に近い 1.5V(3Vemf)を上限、通信回数は 500 回までの結果とし、ピンの間隔が EBG 構造の1 周期と 4 周期離れた場合で PPW と EBG を比較した。

1) R. Abhari and G. V. Eleftheriades, Microwave Theory andTechniques, IEEE Transactions on., Vol. 51, No. 6, pp. 16291639 (2003)
2) T. L. Wu et al., Microwave Theory and Techniques, IEEE
Transactions on., Vol. 53, No. 9, pp. 2935-2942 (2005)
3) H. Toyao, N. Ando, and T. Harada, IEIEC TRANSACTIONS
on Communications, Vol. E93-B, No. 7, pp. 1754-1759(2010)
4) N. Takei et al., Proceedings of JIEP Annual Meeting, Vol.
27, pp. 215-218 (2013)

キーワード：EMC、電磁波、EBG

Suppression of Electromagnetic Noise using Periodic Structures
Product and Function Evaluation Section; Naoyuki MIYATA
Fabricated test boards of both Parallel Plate Waveguide (PPW) structure and an electromagnetic bandgap (EBG) structure wereevaluated using the loopback test of the XBee RF module while applying various voltages of electromagnetic noise injectedusing a signal generator. We found that packets lost at 2.42GHz and 2.43GHz, and that there was no significant difference
between the results of PPW and EBG, despite the smaller magnitude of S21 of EBG. This is considered to be caused by unwanted
radiation of reflected waves emitted from an unnecessarily long microstrip line for noise injection to test boards.

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Reports of the Toyama Industrial Technology R&D Center No.37 (2023)