信号伝送解析とノイズ低減技術の基礎- Signal transmission analysis and noise reduction technique -T. Suwada (tsuyoshi.suwada@kek.jp)
Accelerator Laboratory,High Energy Accelerator Research Organization (KEK),
1-1 Oho, Tsukuba, Ibaraki 305-0801, Japan

8-11 Sep 2020, Tsuyoshi Suwada/
KEK Acc.Lab.

令和2年度高エネルギー加速器セミナー
OHO'20 「ビーム診断の基礎」

1

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2l

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3 
・ 3台の電流モニターの信号波形@KEK低速陽電子施設

CM3CM1CM2Long pulse

50 mV/div
200 ns/div

・CM1, CM2のノイズ振幅小・CM3のノイズ振幅大・様々なノイズ対策を実施
チョークコイルを使用
複数、挿入位置を変える
広帯域フェライトコアを使用
à 全ての対策が失敗
à ここでノイズ生成の原理に立ち返ることになる

・3台の電流モニターの信号波形@KEK低速陽電子施設

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4

KEK ()Ee- = 55 MeV, Pe- = 600 W
Pulse width: Short (1~10 ns), Long (1!s)
Repetition = 50Hz8-11 Sep 2020, Tsuyoshi Suwada/
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5「ビーム診断の基礎」

CM 
Vacuum pipe

BNC Gnd.をAcc Gnd.から浮かす.
余計なGnd. Loopを作らない.

Ceramic
Beam current Ib

Output voltage Vo

Magnetic fields
Beam

Io Induced current
Coil

R0

Terminator R0

V o Output voltage

Core monitor

・ ビーム磁場をコイルで検出し、ビーム電流に比例した電圧に変換
・ ビームとコイルの相互作用(電磁誘導)を利用
・ 1:Nのトランスの電圧増幅器と等価

Self-inductance L1Stray capacitance C

Acc Gnd.

Current

Beam

Mutual-inductance M
21Ib

One-turn coil (beam)

111

Mutual-inductance MIiSelf-inductance L1

Terminator R0
Test input voltage Vi

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6

1:N TransformerCM

同軸ケーブル

BNC端子
・CM3:セラミック
ネジ/カプトンでCase Gnd.と絶縁
・CM1, 2:金属ネジ/カプトンでCaseGnd.と導通

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オシロスコープ

オシロの電源ラインを通してシャーシ、端子入力グランドがGndに導通

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CM
••••L応答信号源の導入 VG = (jωL(ω))I0
元々は非対称配置 (負荷、電源)
信号源側のGnd.状態 (Acc Gnd.)が重要• On-state, Cable Gnd.を通して導通• Off-state, Earth Gnd.を通して導通
オシロGnd.は自動的に分電盤 Gnd. (PSGnd.) に短絡

Line1

Line2

Cable Gnd.

Earth Gnd.
信号解析のための等価回路• 対称配置(負荷、電源)が重要• Acc Gnd. 状態により伝送モードが異なる
on à Z3=Z6=0、2本線の信号伝送
Differential modeの生成
off à Z3≉Z6≉0、3本線の信号伝送
Differential mode& Common modeの生成• Earth Gnd.に対しGnd. Lineを対応させる• ノイズ源をGnd. Lineに組み込む

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8KEK ()Acc on-state

Acc off-state
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CMCM side Oscillo. side

Differential mode

Differential mode

Line 1V1≠0Line 2V2=0Line 3
Common mode

V1≠0V2≠0
V3=0
Common mode

第3のGndラインの形成
Vac. Pipe Gnd. → WG → Kly. → Kly.PS → PS分電盤 Gnd.
→ Osc. Gnd.
・二本線の伝送線路ではDifferential (D) modeの伝送が基本.
CM1, CM2 Acc. Gnd. On
・三本線の伝送線路ではCommon (C) modeとDifferential (D) modeの伝送が基本.
CM3 Acc. Gnd. Off・ D mode: V2 (z=0) = V2(z=l) = 0, C mode: V2 (z=0) ≠ V2(z=l) ≠ 0・インピーダンスの配置非対称性によりD から C へのモード変換が生じる à ノイズ発生/信号歪みの発生.
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10l , /unbalanced
circuit/Single-ended circuit,
/Differential mode

V1 ≠ 0, V2 = 0, I 1 = −I 2l , /balanced circuit,
/Common mode, Differential mode
Vc ≡ (V1 +V2 ) / 2, Ic ≡ I 1 + I 2Vd ≡ V1 −V2 , Ic ≡ ( I 1 − I 2 ) / 2 詳細はテキストに記載

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11/
・C mode生成の要因, Acc off-state(1) 信号源の非対称性、e1≠ e2(2) 内部負荷の非対称性、Z1≠ Z2(3) 外部負荷の非対称性、Z4≠ Z5(4) Gnd. Line上に Z3 ≠0, Z6 ≠0が存在(5) Gnd. Line上にノイズ源 e3≠0が存在

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・CM3の場合,
Acc off-state(1) e1 = VG≠ e2 = 0(2) Z1 ~ Z2 ~ 0(3) Z4 = 50 ≠ Z5 = 0 Ω(4) Z3 ≠ 0, Z6 ≠ 0(5) e3≠0が存在?
・CM1, 2の場合,
Acc on-state(1) e1 = VG≠ e2 = 0(2) Z1 ~ Z2 ~ 0(3) Z4 = 50 ≠ Z5 = 0 Ω(4) Z3 = Z6 = 0(5) e3≠0が存在?

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12/
edd
ecc

モード検出 (負荷)モード生成 (信号源)
変換
変換
伝送 (同軸ケーブル)

edd

Vd
Id

Vd
Id

Vd
Id

Vd
Id

オシロ計測可

ecc

Vc
Ic

Vc
Ic

Vc
Ic

Vc
Ic

オシロ計測不可

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13(left)/
(right)(a)(b)

CM 1, 2, (a)-(c) left
CM 3, (a)-(c) right(c)8-11 Sep 2020, Tsuyoshi Suwada/
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14 Case 1Case 2
Case 3
Case 4信号源Acc
Gnd.
On e1=VG(ω),
e2=0
Off e1=VG(ω),
e2=0
On e1=VG(ω),
e2=0

On

Gnd Line Z [Ω]Int. Z [Ω]Ext. Z [Ω]Z3 = Z6 = 0

Z1 = Z2 = 0 Z3 = 50, Z4 = 0

Z3 =+∞, Z6 = 0

Z1 = Z2 = 0 Z3 = 50, Z4 = 0Z3 = Z6 = (R+jωL)/2 Z1 = Z2 = 0 Z3 = 50, Z4 = 0
R = 15Ω, L = 0.33μH

CM1, 2  CM3 

e1=VG(ω), Z3 = Z6 = (R+jωL)/2 Z1 = Z2 = 0 Z3 = 50, Z4 = 50
e2=0
R = 15Ω, L = 0.33μH


解析条件, Case 1-4, Acc. Gnd. on/off の効果, 構成要素の対称性の違いを解析する
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15 d mode

Case 1, Acc Gnd. on~6dB

・基本スペクトル・振幅、位相スペクトルに歪なし
・信号伝送に歪なし
・c mode生成の抑制効果小c mode・電位(振幅)特性/

・位相特性

Case 2, Acc Gnd. off
・振幅、位相スペクトルに歪あり・信号伝送に歪あり
波形歪み8-11 Sep 2020, Tsuyoshi Suwada/
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波形歪み

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16 /

Case 3, Acc Gnd. off

・振幅、位相スペクトルに歪あり・信号伝送に歪あり
波形歪み

波形歪み

Case 4, Acc Gnd. off

d modec mode・振幅、位相スペクトルに歪なし
・d mode信号伝送に歪なし
・c mode生成の抑制効果大> 80dB・電位(振幅)特性

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・位相特性

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C
OutputOutput voltage VoTerminator R0

平衡不平衡変換
Self-inductance L1Stray capacitance CCurrent

Mutual-inductance M21IbBeam

One-turn coil (beam)

111

Mutual-inductance M
Self-inductance L1

Ii

Terminator R0
Test input voltage Vi

Test pulse input

同軸平衡不平衡変換器
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C



 / 
Two-port Network Analyzer• 入出力2ポート
Multi-port Network Analyzer• > 2ポート(多入出力)
Gnd. Line上に インピーダンスを挿入
15m長同軸ケーブル2本L

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R19C



 / 

Single-port Network Analyzer• 入出力2ポート計測量/透過 S21
Multi-port Network Analyzer• 3ポート計測量/透過 Sds21, Scs21 (振幅と位相の計測)
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20



  / 

信号源 Gnd Line Z [Ω] Int. Z [Ω]sim./exp. Acc
Gnd.
Case IOn
e1=VG(ω), Z3 = Z6 = 0
Z1 = Z2 = 0e2=0Case II Off e1=VG(ω), Z3 =+∞, Z6 = 0
Z1 = Z2 = 0e2=0Case III On
e1=VG(ω), Z3 = 0, Z6 = 15
Z1 = Z2 = 0e2=0Case IV Off e1=VG(ω), Z3 = +∞, Z6 = 15 Z1 = Z2 = 0e2=0Ext. Z [Ω]Z4 = 50, Z5 = 50 Z4 = 50, Z5 = 50 Gnd. Line
Z4 = 50, Z5 = 50 Gnd. Line
Z4 = 50, Z5 = 50 Gnd. Line

解析条件, Case 1-4, Acc. Gnd. on/off の効果の違いを解析

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21 
計算

Case I, Acc Gnd. ond mode ~5dB

・基本スペクトル・振幅、位相スペクトルに歪なし
・信号伝送に歪なし
・計算と実験はよく一致

c mode・電位(振幅)特性/・位相特性実験

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22 /

計算

Case II, Acc Gnd. offd modec mode・ d mode振幅、位相スペク
トルに歪なし・ d mode信号伝送に歪なし
・ c mode生成の抑制効果大・計算と実験は一致はよくない> 80dB・位相特性
実験

~21dB

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à 実験において非対称性が残存、計算における非対称性は理想的

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23 /

Case III, Acc Gnd. on・ 振幅、位相スペクトルに歪なし
・ 信号伝送に歪なし
・ c mode生成の抑制効果小・計算と実験は一致は一致
à この例が示すように、 cmodeの抑制効果が小さいと伝送路における非対称性が存在すると容易にc à dmode変換が生じる

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24 /

Case IV, Acc Gnd. off
d modec mode・ d mode振幅、位相スペク
トルに歪なし・ d mode信号伝送に歪なし
・ c mode生成の抑制効果大・計算と実験は一致はよくないà この例が示すように、 cmodeの抑制効果が大きいと伝送路における非対称性、Gnd. Line負荷の存在にも関わらずc à d mode変換を効果的に抑制する

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
(a)
CM3

CM1

/

CM3ノイズ
対策前Acc Gnd. off

CM250 mV/div200 ns/div

CM3ノイズ
対策後(b)
CM3CM1CM2Acc Gnd. on

観測CM信号波形

・ CM1, 2
・ CM3

ノイズ対策後の信号波形
・ CM1, 2 :元々Acc Gnd. on

・ CM3 : Acc Gnd. offà Acc Gnd. onへ移行
・ノイズ対策は有効

50 mV/div
200 ns/div

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

/

観測ノイズ波形＠対策前@ビーム無/クライストロンON(a)

CM3200mV/div
400ns/div(b)

観測ノイズ波形＠対策前

CM1CM2

・ CM3 :   ~1/10
CM1, 2 !

CM3

à この結果を物理的にどう考えられるか？

50mV/div
400ns/div

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27/
eddecc・Gnd. Line上にクライストロン由来のノイズ源(e3)を想定
・このノイズは揺れるグランドと呼ばれる
・e3はc modeを生成する
・伝送途中でc à d mode 変換が生じ、このd modeが本来のCM信号に重畳し観測されると考える
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





・伝送路は高対称性で配置・インピーダンス整合を取るために内部負荷R0を対称配置・グランド位置に注意、特にアースグランドとの短絡・バランを使えばc à d mode変換ができ市販オシロが使用可

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
1. '$0-*#G8U.

K

NB`W8S.%)YF;H2. .%)RQGnd. Line#A! (k"!Gnd. Line)
`W?j0,Differential modeCommon mode! 
Common modeDifferential mode (Mode conversion)f9
i7hZ(^MChoke CoilI< )! n8
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