【電子技術部】

光給電 RoF レシーバを用いたノイズ環境下における EMI 測定
菅間秀晃、土屋柳澤

明久（電子技術部幸樹、諏訪部橋本

１．

電磁環境グループ)

豊(株式会社多摩川電子)

修、須賀良介(青山学院大学)

シールド効果が著しく低下する1)。外部に大きなノイズ源

はじめに自動車産業では、自動車の電動化（EV、HEV など）、コ
ネクティッドカーや自動運転技術、ワイヤレス充電など、がある場合は、誘導されたグランドループ電流が同軸ケーブル外部導体の内側に侵入してくるため、測定したい EUT電気・電子化が急速に進んでおり、安全性を確保する上で高精度な EMC 計測が今後重要になる。しかし、モーターからのノイズ以外に外来ノイズも観測されてしまう。
スイッチング回路を内蔵した電子機器、EV や HEV などやインバータから高電圧（数千 V）・大電流（数千 A）のに搭載させる車載用電子機器の EMI 測定において、グランドループに起因する問題点を検証し、光伝送システムがスイッチングノイズが発生している劣悪な電磁環境下で、高精度に EMC 計測を行うためには、従来の金属製同軸ケーブルでは外来ノイズの混入を防ぐことが困難である。光
給電 RoF（Radio on Fiber；光ファイバ無線）レシーバは、光ファイバの高絶縁性を活かした高精度な EMC 計測を実現する有効な技術である 1)2)3)。

有効と考えられる試験方法について検討を行った。

３． 実験方法
３．１ 雑音端子電圧測定（9kHz～30MHz）
スイッチング電源回路を内蔵した電子機器等は、 伝導
EMI 測定として図 4 に示す雑音端子電圧測定を実施して本研究は、モーターやインバータなどから高出力の電磁放射がある環境下において高精度に EMI 測定を行うために、開発した光給電 RoF レシーバの有効性について検討いる。疑似電源回路網（LISN）と受信用のスペクトラムアナライザ（SA）が同軸ケーブルで接続されるため、同を行った。

軸ケーブルの両端が LISN と SA のアース線を通してグラ２．

光給電 RoF レシーバと同軸ケーブル

光給電 RoF システムは、図 1 に示すように電気信号を光信号に変換して光ファイバで伝送するだけでなく、センサヘッド内の電子回路への給電も光ファイバで行うため、長時間の測定も可能である。開発した光給電 RoF レシー
バ（センサヘッド＋制御コントローラ）を図 2 に示す。
光給電 RoF レシーバの伝送特性は、周波数 10kHz～6GHzにおいて伝送ケーブルとしては約 8dB（一定）の減衰量となっている1)。このため、30MHz 以下の低周波領域において、同軸ケーブルに比べ減衰量が大きいので、不利な面もあるが、光ファイバの軽量かつ優れた屈曲性及び高い絶縁性といった利点を活かせる分野での活用が期待できる。
一般的な電子計測において図 3 に示すように EUT、測図 1 光給電 RoF レシーバの原理

定治具、及び測定器は電気的安全性やノイズ対策などの理由により、その金属筐体をアースに接続して使用される。
これらを金属製の同軸ケーブルで接続すると、同軸ケーブの外部導体、アース線（または浮遊容量）、グランド・プレーンにより大きなグランドループを形成してしまう。または、アース線を接続していない場合でも、浮遊容量などによりグランド・プレーンと交流的に結合して、グランドループを形成していることもあり、予期せぬノイズ問題に至る場合がある。同軸ケーブルの外部導体は、周波数10MHz 以上では、概ね高い磁界シールド効果を有しているが、周波数 1MHz 以下においては、同軸ケーブルの磁界KISTEC研究報告2020（2020.8）

図 2 開発した光給電 RoF レシーバ36

【電子技術部】

ンド・プレーンに接続されることでグランドループを形成する。VCCI 規格など一般的な雑音端子電圧測定の周波数属筐体内に配置されたスイッチング電源回路基板（AC-DCコンバータ；入力 AC100V、出力 DC12V）を EUT とし、範囲は 150kHz から 30MHz であるが、LED 照明器具などを対象とした CISPR15 など一部の規格は 9kHz～150kHz

外部から電源ラインノイズを与えた状況での二次元走査による磁界界分布測定を行った。その測定系を図２に示す。の範囲も規制されている。一般的な計測用同軸ケーブルのシールド性能は周波数 1MHz 以下において著しく低下すEUT は、グランド・プレーンに接地された金属筐体の中心に配置し、回路基板のグランドは金属筐体へ接続した。

るため、外来ノイズある環境下では、グランドループを通して外来ノイズが混入して測定結果に影響してしまうこ

外来ノイズを模擬するため、EUT の電源ケーブルにインパルスノイズ試験装置（ノイズ研究所 INS-AX2-450H）よとがある。そのため、図 5 に示すように同軸ケーブルの一部を高絶縁性の光ファイバに置き換えることで、グランドり広帯域ノイズ「電圧 250V、パルス幅 1μs、繰り返し周期 60Hz」を誘導性（磁界）結合クランプ（CA-806）よりループを切断して外来ノイズの影響を除去できる。
そこで図 4、図 5 に示すように、同軸ケーブの一部にパ印加した。EUT の二次元磁界分布は、EUT 直上を XY ステージに固定された微小磁界プローブよって測定した。こルス・ジェネレータからパルス信号（電圧 10V、繰り返し周波数 5kHz、デューティ比 50%）を印可することで、従の磁界プローブに接続される信号線を同軸ケーブルと光給電 RoF レシーバの場合とで比較した。測定周波数範囲

来の同軸ケーブルの測定系に対する光給電 RoF レシーバの有効性を確認した。

は、EUT からのスイッチングノイズを想定し、100kHz から 4MHz とした。

３．２

４．

金属筐体内の二次元磁界強度分布測定

結果及び考察外来ノイズを印加された環境下での測定事例として、金EUT、測定治具

測定器

同軸ケーブル

浮遊容量
グランドループ電流 I G
グランド・プレーン

図 3 測定系におけるグランドループ(a)50Ω

光給電 RoF レシーバによる測定系

光給電RoFレシーバ(EO変換)

光ファイバ
（高絶縁）

コントローラ(OE変換)V50Ω

LISN

グランドループ電流 I G
グランド・プレーン

SA(b)等価回路モデル(a) 同軸ケーブルによる測定系
図 5 光給電 RoF レシーバによる雑音端子電圧測定50Ω

同軸ケーブル

V50Ω

LISN

グランドループ電流 I G
グランド・プレーン

SA(b) 等価回路モデル
図 4 従来の雑音端子電圧測定

図 6 二次元磁界強度分布測定

37

KISTEC研究報告2020（2020.8）

【電子技術部】

４．１

雑音端子電圧測定（9kHz～30MHz）【参考文献】

図 7 に周波数 9kHz～1MHz において、同軸ケーブル及び光給電 RoF レシーバを用いて測定した結果を示す。周波数 9kHz～150kHz の範囲はスペクトラム・アナライザの分解能帯域幅 RBW は 200Hz と規定されているため、ノイズレベルが 150kHz 以上の測定（RBW 120kHz）に比べて約 10dB 低下している。同軸ケーブルによる測定では、EUT（コムジェネレータ）の高調波成分が 50kHz 間隔で観測さる他に、パルス・ジェネレータの高調波成分が 10kHz 間隔で観測されている。これに対して光給電 RoF レシーバにEUT の高調波成分のみが観測できている。
よる測定では、

1． 菅間, 土屋, 柳澤, 諏訪部, 橋本, 須賀；“次世代 EMC試験に適用可能な光伝送システムの開発”, KISTEC 研究報告 2019, 29(2019).
2． 土屋, 菅間, 柳澤, 橋本, 須賀；“光給電 RoF による低周波ノイズ測定”, 信学技報, MW2018-113, pp.115-120(2018).
3． 土屋, 菅間, 柳澤,橋本, 須賀；“光応用計測技術のノイズ計測への活用”, 電子情報通信学会総合大会 通信
講演論文集 2, BI-7-4, p.SS-81 (2020).

このことから、光ファイバの高絶縁性により、グランドループを形成しない光給電 RoF レシーバの有効性が確認できた2)。EUT のスイッチ電圧が高い場合は、150kHz 以上でもグランドループが問題となり、電源線にノイズフィルタを挿入しても十分な効果が得られない場合も考えられるので、光給電 RoF レシーバは雑音端子電圧測定の測定精度向上に寄与する。
図 7 グランドループの影響

４．２

金属筐体内の二次元磁界強度分布測定

図 8、図 9 に EUT（スイッチング電源回路基板）に電源ラインノイズを印可した場合の周波数 130kHz における二次元走査による測定した磁界強度分布を示す。この分布は分布内の最大値を基準として規格化している。EUT に電源ラインノイズを印加しない場合、同軸ケーブルと光給電
RoF システムともに概ね電磁界分布が一致し、スイッチング電源回路基板から放射されるノイズ分布を測定可能である。一方、EUT の電源部分にノイズを印加した場合、同軸ケーブルは接続コネクタの外部導体をグランド・プレーンに接触させることでグランドループを形成すると、このループを介して電源ラインノイズが重畳され、EUT からの放射以外に外来ノイズによる影響がみられ、二次元電磁界分布に乱れが生じている。また、外導体がグランドに接触しない場合においても、1MHz 以上に外導体とグランド間に容量結合によってノイズが重畳されることがわかった。一方、光給電 RoF レシーバは電源ラインノイズが

図 8 同軸ケーブルによる磁界強度分布測定

印加された場合においてもケーブルは光ファイバのため、接触によるグランドループは形成されることはなく、電源ラインノイズを印加しない場合と同様の結果となった3)。

５．まとめ
ノイズ環境下において光給電 RoF レシーバと同軸ケーブルの比較検討行った。開発した光給電 RoF レシーバは光ファイバの高絶縁性により外来ノイズの影響を除去して高精度な EMC 計測を実現できることを確認した。
今後、5G による自動運転技術、ワイヤレス充電などの研究開発において、高レベルのノイズ環境下での EMC 計測等へ活用が期待できる。

図 9 光給電 RoF レシーバによる磁界強度分布測定

KISTEC研究報告2020（2020.8）

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