ダイヤモンド ジュビリー: 軍事 EMI 試験における 41 インチ ロッド アンテナの使用 60 周年

今年はタイトル記念日であるだけでなく、間違いなく車両電磁干渉 (EMI) テストにおける近代時代の始まりでもあります。 自給自足型車両で使用される機器の放射エミッション (RE) テストは、家庭、オフィス、工場で使用するように設計された機器のテストが 3 メートル以上の距離で行われるのに対し、1 メートル以下の距離で実行されます。

現代とは、このような近接場 RE 測定が有用であるためには、センサー/ピックアップ/アンテナが、物理的な外観、向き、被害者からの距離において、問題の EMI 規格によって保護されている実際の被害者を厳密にモデル化する必要があるという認識を意味します。

1953 年以前は、さまざまなセンサーがやや無差別に使用されており、機器レベルの RE 測定と車両に搭載された電磁適合性 (EMC) の間の再現性や相関関係にはほとんど注意が払われていませんでした。

104 cm (41 インチ) のロッド アンテナは、概念的には、私たちが保有する測定ツールの中で最も単純なデバイスの 1 つですが、今日ではそのことがほとんど理解されていないのが悲しい事実です。

ほとんどの EMC エンジニアは、ロッド アンテナがその長さに平行な電界成分を合計し、ベースで利用可能な無線周波数 (rf) 電位がロッドのベースと上部の間の電位差の 2 分の 1 であることを直感的に理解しています。 ロッドベースの電位が絶対値として測定されないことはあまり知られていませんが、他の電位測定と同様に、測定は電位差です。この場合、電位差はロッドベースと局所的な電位間の電位差です。ベース近くの地面、つまりカウンターポイズ。 カウンターポイズ電位はゼロ電位であると考えられることがよくありますが、ロッドと同じ電場にさらされているため、実際にはそうではありません。 とりわけ、後者の事実は、MIL-STD-461F ロッド アンテナ構成の変更と、MIL-STD-461G の開発への継続的な取り組みによって対処されています。

歴史的な回顧の後、今年のEMCシンポジウム記録の残念な記述に至るまでの誤解と誤りがレビューされ、説明されています。

歴史的な議論は主に、www.emccompliance.com の「歴史」セクションで入手できる同じ主題に関する単行本と、「1.04 m 電界プローブの性質と使用について」というタイトルの著者による記事から引用されています。 1] – 以下、Javor 2011 となります。Javor 2011 では、104 cm ロッドへの電界結合の物理学と数学について詳しく説明していますが、この記事は定性的なものであり、2011 年に実証された分析結果とテスト結果を単に参照しているだけです。特に断りのない限り、この記事で使用されているテスト データとテスト セットアップの写真は、Javor 2011 の開発作業から借用したものです。

始まり

1953 年 5 月 29 日は、104 cm ロッド アンテナの使用を初めて採用した MIL-I-6181B「干渉制限、テストおよび設計要件、航空機の電気および電子機器」のリリース日でした。 104 cm ロッド アンテナの最初の使用については、1955 年 8 月 10 日付の NADC-EL-5515「最終報告書、無線干渉ピックアップ デバイスの評価と仕様番号 MIL-I- の方法と限界の説明」で説明されています。 6181B。」 このレポートは本質的に、MIL-I-6181B の根拠となる付録でした。

第二次世界大戦前、第二次世界大戦中、戦後、1953 年までは、通信用無線機をアンテナに接続するための標準的な方法では、本質的に外部アンテナの延長であるシールドされていないワイヤが使用されていました (図 1)。 アンテナ接続はアンテナ自体と同じくらい無線周波数に敏感であり、車内では多数の無線周波数干渉 (rfi) 源にさらされていました。

図 1: 第二次世界大戦時代の爆撃機の内部を通るアンテナ接続配線 (ワシントン DC の国立航空宇宙博物館)。 裸線はステアタイト ビーズで覆われており、アンテナの送信時に必要な絶縁を提供します。 送信モードでは、中周波数と高周波数で、このワイヤに 5 kV もの電位がかかりました。

この時代のラジオミキサー管の入力インピーダンスは非常に高く、容量性負荷を制限するためにアンテナのリード線を航空機の構造から分離する必要がありました。 これが、図 1 で強調されている磁器スタンドオフの機能です。高インピーダンス ワイヤは容量性クロストークの影響を非常に受けやすいため、他の配線から分離するために苦労しました。 図 2 の上部に沿って、磁器スタンドオフに吊り下げられた配線が他のケーブル アセンブリから分離されていることに注目してください。

図 2: シールドされていないアンテナ リード線と最も近い隣接するワイヤ束の間の分離 (国立航空宇宙博物館、ワシントン DC)。 ワイヤーの分離は、受信モードではオープンワイヤーと微小信号が存在し、送信モードでは非常に危険な可能性がある昨今において、クロストークを制御する唯一の手段でした。

第二次世界大戦時代の陸軍省技術命令から抜粋した図 3 に示されているように、rfi の問題はよく理解されていました。

図 3: 航空機の内部 RFI ソースと内部アンテナ リードインの結合、およびクロストークを最小限に抑える方法を示す図。 rfi が航空機の内部で発生し、アンテナ自体への接続が後から考えられたものではないことは明らかです。 – 1945 年の「航空機の無線ノイズ除去ハンドブック」より。これは、同様の 1942 年の出版物 (米国陸軍省および英国航空評議会) の更新版です。

結果として生じる rfi に対する長期的な解決策は、将来の調達からシールドされていないアンテナ引き込み線を排除することでした。 MIL-I-6181B はそのような調達を禁止し、同軸ケーブルと互換性のある無線機に置き換えました。 しかし、古い無線機とそれを搭載した航空機の在庫が非常に大量にあったため、MIL-I-6181B は依然としてこれらの無線機を (祖父として) 保護しなければなりませんでした。 NADC-EL-5515 の作者である William Jarva 氏は、Stoddart Aircraft Radio Company AN/PRM-1 メーター (当時は新製品) に付属していた 104 cm ロッド アンテナを、シールドなしアンテナ引き込みの合理的なシミュレーションとして選択しました。 20 MHz 未満の周波数。 20 MHz 以上では、水平偏波の調整可能なダイポールが使用されました。

NADC-EL-5515 には、BC-348Q 無線設備を保護するための放射制限を策定するために Jarva 氏が行った測定が記載されています。 図 4 は、このセットアップを再現したものです。

図 4: 1953 年に MIL-I-6181B で RE 制限を作成するために使用された NADC-EL-5515 セットアップの再現。このセットアップでは、不合格と不合格の間にはほぼ 1 対 1 の相関関係がありました。 EMI 要件があり、車両に EMC 問題を引き起こします。 オープンワイヤ引き込みの問題が解決されると、相関関係ははるかに低くなりました。 実際、1967 年にリリースされたシステムレベルの EMC 規格である MIL-E-6051D は、次のように警告しています。「契約に別段の指定がない限り、サブシステム/機器は MIL-STD-461 および MIL-STD-461 の要件を満たすように設計されなければなりません」 462. これらの規格の制限の一部は非常に厳しいため、システムの有効性、コスト、重量に対するこれらの制限の影響を考慮する必要があります。」

測定の詳細な説明は、前述の記事に記載されています。 この回顧展の目的としては、手前にある AN/PRM-1 EMI レシーバーがバッテリー駆動であり、レシーバーへの唯一の接続がテーブルトップのグランド プレーンへの短いボンド ストラップであることに注意するだけで十分です。 さらに、104 cm のロッドは EMI 受信機から直接放射されます。 介在するケーブルはありません。 このようにして、EMI 受信機は、RE 制限によって保護される犠牲となるグランド プレーンに配置された年代物 BC-348Q 無線機を非常に厳密にシミュレートしました。 BC-348Q と 104 cm ロッド アンテナに接続されたシールドされていないアンテナ リードに等しく結合されたインパルス ノイズ (インパルス ジェネレーターによって表される)。 インパルス性ノイズ源は、BC-348Q アンテナ リード線と 104 cm ロッド アンテナから等距離に配置され、その距離は今日では 1 メートルですが、1 フィートでした。 これは、当時の航空機内で犯人と被害者の配線の間で達成可能な分離を反映していました。 BC-348Q ヘッドセットを聞いて無線周波数が検出されると、AN/PRM-1 メーターにメーターのたわみが記録され、メーターで測定された無線周波数電位に関して制限が構築されました (図 5)。電界強度を測定する現代の実践。 このような制限は、電界強度 (dBuV/m) とは対照的に、「アンテナ誘起」(dBuV) と呼ばれます。 アンテナに起因する制限には、必ずアンテナの厳密な仕様が必要です。 現代の 1 メートルの軍用 RE では電界強度の制御が制限されていますが、アンテナ タイプの制御は保持されています。これに対し、3 メートル以上で指定されている RE 測定には制御がありません。 これは、近距離と遠距離の測定値の違いを再度反映しています。

図 5: NADC-EL-5515 および MIL-I-6181B における 20 MHz 未満の放射エミッションの制限値の決定 (本質的に広帯域のユニットに注意してください – 使用されたすべての発生源は広帯域であり、当時の電気的原因を反映しています)

NADC-EL-5515 (emccompliance.com の歴史ページから入手可能) からの次の抜粋は、Jarva 氏自身の言葉で状況の物理学を説明しています。

「無線干渉測定用のアンテナ システム」0.15 ～ 20 mc の周波数範囲では、一般に放射無線干渉測定に使用される放射素子、ピックアップ アンテナ、距離は波長に比べて小さいです。フィールドからアンテナに転送されるエネルギーの量は、信号源の性質と使用される受信アンテナの種類、たとえば、放射干渉源が単一の小さなワイヤの閉ループである場合、ループ全体に大きな電圧が発生することなく、大量の電流が流れる可能性があります。大きな磁気コンポーネントは、比較的小さな電気コンポーネントと連動して誘導磁場で発生します。このような磁場から大量のエネルギーを抽出するには、受信機に正しく整合した同様のループ アンテナをピックアップ デバイスとして使用する必要があります。通常の回路理論での良好なインピーダンス整合と比較できるものを提供するため、場の電気成分に敏感な短いロッド アンテナがピックアップ デバイスとして使用された場合、エネルギー伝達はほとんど起こらず、状況は次のようなものになります。インピーダンス不整合の状態が存在する可能性があります。 短いロッド アンテナが信号源である場合、ロッド上に大きな電圧が発生する可能性がありますが、電流はほとんど流れません。 その結果、発生する磁場は大きな電気成分と小さな磁気成分で構成されます。 この場合、別のロッドをピックアップ デバイスとして使用すると、強い磁場の存在が示されますが、ループ アンテナではほとんど示されません。 航空機内の典型的な無線干渉源には、上記の極端なケースとその他すべてのバリエーションが含まれます。 一般に、シールドされていないリード線を囲む電気成分と磁気成分の比率は、リード線を終端する負荷のインピーダンスに応じて直接変化し、さまざまなピックアップ アンテナに与えられる見かけのインピーダンスも同様に変化します。 この記述は、伝播路の接線方向の成分にのみ適用される、シールド理論で遭遇するより一般的な波動インピーダンスの概念とは対照的に、半径方向および接線方向の磁場成分に適用されます。

干渉場の電気成分と磁気成分の両方の測定を要求することが望ましいが、現時点では、そのような要件により仕様テストが過度に複雑になると考えられています。 経験によれば、航空機の電子機器は低い周波数範囲 (0.15 ～ 20 mc) で動作し、一般的に使用されているシールドされていない高インピーダンスのアンテナ引き込み線のため、電界に対してより敏感です。 現在の実践では、無線干渉測定によって電界を制御しています。 これは、41 インチのロッド アンテナを使用し、強い磁場を発生する機器に起因する問題を、航空機に機器を設置する際に特別な注意が必要な特殊なケースとして扱うことによって行われます。 参考文献 (e) では、アンテナとともに使用されるすべての機器が、シールドされたアンテナ リード線を使用できるように設計されることを要求しています。 シールドのないアンテナリードが航空機での使用から完全に排除された場合、現在の方法と周波数範囲 0.15 ～ 20 mc の制限の見直しが必要になります。 41 インチのロッド アンテナを使用する無線干渉計は、干渉場によってアンテナ内に誘導されるマイクロボルトを直接読み取ることができるように構成され、校正されています。」

注: 引用された参考文献 (e) は MIL-I-6181B です。

上記の抜粋は非常に明快で、問題と解決策がどれほどよく理解されていたかを示しています。 リーダーはロッドの電場の性質を実証できます。 MIL‑STD-461E/F に従って、ワイヤを地上に設置し、一端を 50 オームの信号発生器で駆動します。 ワイヤのもう一方の端に 50 オームを負荷し、100 kHz、100 dBuV 振幅の信号をワイヤに置きます。 測定された電界強度 (~1 mV/m、60 dBuV/m) を記録します。 次に、ワイヤの遠端から 50 オームの負荷を取り外します。 無負荷になるとワイヤの電位が 6 dB 増加するため、信号発生器の設定を 6 dB 下げてワイヤの電位を一定に保ちます。 ロッド アンテナの測定では、2 番目の構成では流れる電流が約 80 dB 少ないにもかかわらず、以前とまったく同じ電界強度の読み取り値が示されます。 電界感知と磁界除去のこれ以上明確なデモンストレーションは他にありません。

104 cm ロッド アンテナがどのようにして EMI テストに使用されるようになったのかという背景を踏まえて、EMI テスト チャンバーでの実装に進みます。 図 6 は、MIL-I-6181 のロッド アンテナ セットアップの図と再現です。

図 6: MIL-I-6181 ロッド アンテナの図とセットアップの再現。 本文で述べたように、これは非常に近い磁界であるため、電界強度を測定する試みですらありません。 代わりに、ロッド内に誘導された電位が測定され、クロストーク制御、またはそれに非常に近い値になります。

図 6 では、ロッドは EMI メーターに直接接続されています。 帯域が選択されると、アンテナは内部でミキサー入力に適切にマッチングされました。 ミキサーチューブは高い入力インピーダンスを示したので、入力インピーダンスが 50 オームに近い現代のミキサーのように 104 cm のロッドに負荷がかかることはありませんでした。

EMI メーターとグランド プレーン間の非常に短いボンディング ストラップにも注意してください。 ロッド アンテナは、テスト サンプルの前面からわずか 12 インチの距離にありました。これは、当時の航空機で達成可能なワイヤの分離を反映しています。ボンド ストラップの目的は、グランド プレーンをロッド アンテナのピックアップ電位の基準にすることでした。EMI メーターはバッテリーでした。このアプリケーションでは電源が供給されており、グランドプレーンが唯一のグランド基準となります。

時間が経つにつれて、AN/PRM-1 メーターを試験サンプルのすぐ近くで使用するのが難しいという苦情が生じました。 AN/PRM-1 にはリモート メーターが付属していましたが、コントロールはメーター面自体で調整する必要がありました。 その後、Stoddart Aircraft Radio Company は、受動的に調整された独自のベースを備えた、より現代的なバージョンのロッド アンテナを提供しました。 これにより、EMIメーター自体をリモートで使用できるようになりました。 図 7 は、1950 年代または 60 年代初頭の EMI テストの写真で、独自のベースを備えたロッド アンテナを使用したセットアップを示しています。

図 7: 1963 年以前のロッド アンテナを使用した MIL-I-6181 RE テストの写真。これで、エンジニアはセットアップから削除される可能性があります。 接続ケーブルはシールドされた二軸伝送線であったため、必要に応じて、計器にグランド ループを導入することなく、シールドを接地するバルクヘッド フィードスルーを通過させることができました。

MIL-I-6181B では、ロッド アンテナを 20 MHz までのみ指定し、より高い周波数ではダイポールを使用します。 その後のリビジョンでは、ブレークポイントが 25 MHz (つまり、MIL‑STD-461/-462、すべてのバージョンでは 25 または 30 MHz) にプッシュされました。

トライサービスの標準化

陸軍、海軍、空軍には、1967 年まで独自の軍独自の規格がありました。MIL-STD-461/-462 の目的は、規模の経済を伴う単一の 3 つの軍規格を提供することでした。

MIL-STD-462 では、ロッド アンテナをテスト サンプルから 1 メートルの距離に配置し、カウンターポイズをグランド プレーンから浮かせています (図 8)。 これは、NADC-EL-5515 の観察 (前に引用) によるもので、オープンワイヤ引き込み無線機の使用が段階的に廃止され、50 オームの同軸入力無線機に置き換えられると、12 インチのロッド アンテナを使用するテスト方法では、最新の同軸シールド リードインの使用により、敏感な高インピーダンスのシールドされていない被害者が、アンテナが取り付けられている航空機の外側に移動しました。アンテナとテスト サンプルの間隔を広げることが、新しい無線とアンテナの接続への対応でした。カウンターポイズは、EMI 受信機への同軸接続を介してのみ接地されていましたが、これは非常に重要でした。なぜなら、RE02 帯域の底部である 14 kHz では、パッシブ (オクターブバンド同調) を使用する場合、測定の完全性のために単一点接地が必要だったからです。 ）ロッドアンテナ。

図 8: MIL-STD-462 基本リリース (1967 年) に基づくロッド アンテナの使用。 現時点で承認されている EMI メーターの多くはバッテリー電源で動作するため、このセットアップでは本質的に絶縁カウンターポイズを接地していませんでした。

機内からの敏感な被害者配線の除去に関連したもう 1 つの変更は、アンテナを無線周波数から保護することに結果的に重点が置かれたことでした。 これにより、アンテナによる制限から現代の電界強度制限への変更が行われました。

車内から高感度のシールドされていないワイヤを取り外すという希望の光とともに、灰色の雲が現れました。 簡単にモデル化された普遍的な内部相互作用は、車両固有の形状に発展し、主に内部で生成されたフィールドが外部アンテナと相互作用するために金属車両から出る方法を見つけなければなりませんでした。 現在、RE102 制限を満たしていないことは直ちに不合格となる原因ではありませんが、該当する車両にデバイスを取り付けて互換性を確認することによって評価する必要があります。 これは MIL‑STD-464 パラグラフ 5.2.4 で認められており、車両電子機器から車両アンテナに結合された rfi の定量的測定が必要です。 このような測定は、MIL-STD-464 基本が 1997 年にリリースされる前から行われていましたが、2010 年に MIL-STD-464C によって厳格な要件になりました。

MIL‑STD-462 では、調整可能なダイポールを、ロッド バンド上の先端から先端までの 1.37 m のバイコニカル アンテナに置き換えました。 MIL-I-6181 および同様の仕様では、28 ま​​たは 35 MHz (エンドツーエンドで約 5 メートル) に調整されたダイポールが必要でしたが、短いバイコニカルは傾けて水平だけでなく垂直にも使用できます。 MIL‑STD-461 以前の EMI 規格では、20 ～ 30 MHz を超える水平偏波結合またはフィールドの制御のみが必要でしたが、MIL-STD-461/-462 では 30 MHz を超える両方の偏波が制御されました (ログスパイラル アンテナはバイコニカル アンテナの上で使用されました)水平偏波フィールドと垂直偏波フィールドの両方を同時に捕捉したバンド）。

そしてついにこの頃からアクティブロッドアンテナが一般的に普及するようになりました。 これは技術開発であり、仕様や標準要件ではありません。 リモート受信機のオクターブバンドを追跡するオクターブバンドを通じてロッドアンテナを調整する代わりに、ロッドアンテナは、ほぼ開回路負荷として機能するFETゲートを駆動しました。 これは、104 cm ロッド アンテナの固有の開回路有効高さ 0.5 メートル (または 6 dB/m アンテナ係数) が達成可能であることを意味します。 オクターブごとに 1 つのインダクタを使用してロッドの 10 pF ソース インピーダンスを調整する場合と比較して、アンテナ係数の改善は 10 kHz で 50 dB 程度でした。 この開発により、スペクトラム アナライザが利用可能になったとき、EMI テスト用のスペクトラム アナライザの使用が容易になりました。 アナライザの感度は EMI 受信機の感度ほど良くありませんでしたが、アクティブ ロッド アンテナを使用しているため、その必要はありませんでした。 欠点は、アクティブ回路により、ロッドとスペクトラム アナライザの両方の電子機器の高レベル信号のダイナミック レンジが制限されてしまうことでした。 広帯域信号への応答は非常に制限される可能性があり、強力な帯域外信号がある場合、低レベル信号を受信する能力が低下する可能性があります。 後者の問題は、シールドされたテストチャンバー内ではそれほど重要ではありませんでした。

問題が忍び寄る

1970 年と 1971 年に、通知 2 (空軍) と通知 3 (陸軍) が公開されました。 通知 2 と通知 3 の共通点の 1 つは、ロッド アンテナ構成の変更です。以前はカウンターポイズがグランド プレーンから浮いていたのに対し、現在はグランド プレーンに接着されています。 この変更は、MIL-STD-462D (1993 年) および統合された MIL-STD-461E (要件と手順の両方からなる) (1999 年) にスムーズに反映されました。 注意事項 2 の文言は次のとおりです。「4. 4.2.3.2 項に次の文を追加します。カウンターポイズをロッド アンテナとともに使用する場合、それは少なくとも 30 cm 幅のストラップでグランド プレーンに接着されるものとします。」 1967 年のセットアップは、ボンド パスのインピーダンスを増加させる損失性フェライト ビーズがないことを除いて、2007 年の MIL-STD-461F RE102 ロッド アンテナのセットアップと似ていることに注意してください。 1970 年から 1971 年の変更は間違いでしたが、それに気づくまでに 30 年かかりました。

MIL-STD-462 より前は、特定の仕様とヴィンテージに応じて、20 ～ 30 MHz の間でアンテナのタイプと偏波が変更されたことを思い出してください。 30 MHz での垂直ロッドと水平ダイポールの効率は大きく異なるため、図 9a のアンテナによる RF 電位の制限はブレークポイントで不連続となり、サインも同様でした。 しかし、MIL-STD-461 では電界強度の制限があり、MIL-STD-462 ではバイコニカル アンテナの水平偏波と垂直偏波の両方が必要であるため、垂直バイコニカル偏波のアンテナ変更ブレークポイントである程度の連続性を期待するのは合理的です。 実際、MIL‑STD-461 のすべてのバージョンの RE02 および RE102 制限はブレークポイントで連続しています (図 9b)。 傾きは変化している可能性がありますが、限界振幅は連続的です。 しかし、通知 2 および通知 3 がリリースされた後は、垂直バイコニカル偏波であっても、アンテナ ブレークポイントで署名が連続しているとは限りません。 これは、両方のアンテナが動作用に校正されている 20 ～ 30 MHz の間でデータのオーバーラップが取得される場合にさらに明白になります。 明らかになったもう 1 つの関連する問題は、驚くべき数のまったく異なるテスト項目がすべて 20 ～ 30 MHz の間に広いピークを持つように見えることです。

図 9a と b: 左の MIL-I-6181 アンテナ誘導放射制限。25 MHz での垂直ロッドと水平ダイポールの rf 出力間の不連続性と、後継の MIL-STD-461 RE02 制限 (1967 年) との間の不連続性を示しています。 両方の限界の対応する部分が同様の傾きを持ち、垂直ロッドと調整可能なダイポールの有効高さを反映していることに注目してください。 1967 年に発生するはずであったが、1993 年まで発生しなかったもう 1 つの変更 (MIL-STD-461D) は、外部アンテナを放射妨害波制御の焦点とし、アンテナが外部アンテナにあるかどうかに応じて、機器の設置に個別の制限を設けるべきだったということです。金属製の車両の中または外にいた。

問題の認識

Steve Jensen 氏と Luke Turnbull 氏は、それぞれ 2000 年と 2007 年に、使用の最後のオクターブにおけるロッド アンテナの測定の欠点を個別に特定しました。 これらは、30 MHz 未満の MIL‑STD-461E RE102 および同様の自動車テスト規格に対する批判でした。 問題は、垂直偏波のロッド アンテナとバイコニカル アンテナの間の 30 MHz ブレークポイントでの測定フィールド間の大きな不一致でした。 物理的な開口部が大きく異なるため、正確な一致は期待できませんが、以下のデータの 20 dB の差には問題があります。 ジェンセン氏は、バイコニカル アンテナとロッド アンテナを 20 ～ 30 MHz で重ね合わせることにより、バイコニカルが常にはるかに低いレベルを返すことを示しました。

ジェンセン氏は、2007 年 3 月 23 日付の MIL‑STD-461F 草案の批判でこの問題に警告を発しました。空軍 EMI 担当者も他の職員とともに、20 ～ 30 MHz の周波数帯域に存在するノイズのレベルが高まっていることに気づきました。 ライト パターソン空軍基地 (WPAFB) の EMI 研究室は、トライ サービス ワーキング グループ (TSWG) と協力して、ロッド アンテナのセットアップの詳細な研究を実施しました。 著者も参加したジョン・ゼントナーとスティーブ・コフマンがこの作品を上演した。 John Zentner は、MIL-STD-461/462 の「D」リビジョンの開発に深く関与しており、MIL-STD-461E TSWG の議長を務めていました。 Steve Coffman は空軍特殊作戦機の EMC エンジニアであり、EMC 分野で 30 年の経験があります。 この努力の結果が、MIL-STD-461F の最終バージョンで導入されたロッド アンテナの設定変更の基礎となりました。

図 10: Jensen、Steve からのデータ。 「シールドされたエンクロージャで使用される場合の 41 インチ ロッド アンテナに関連する測定異常」、2000 年 7 月 17 日付け。一度これを探す方法を知ってしまえば、MIL-STD-461F または後で。 最新バージョンの RTCA/DO-160 ではロッド アンテナは使用されなくなりましたが、DO-160C のロッドの使用は MIL-STD-462 のロッド アンテナと何ら変わりません。 最新の DO-160 は、RE 測定を 100 MHz 未満のコモンモード電流制御に置き換えます。 ロッド アンテナの電界応答と磁界拒絶を思い出してください。 DO-160F/G は本当にハイ インピーダンス ケーブルからの 30 MHz 以下の電界を制御しますか?

問題の解決

ライト・パターソン空軍基地では、異なるサイズのカウンターポイズと接地/接着技術を備えたさまざまな構成が検討されました。 MIL-STD-461E/462 構成の共振条件により、カウンターポイズの電位が、ロッド アンテナ自体に誘導される電位を上回るレベルまで上昇することが判明しました。 さまざまな構成からの測定値を比較しました。 最良の結果をもたらした構成は、ベンチトップのグランドプレーンに接着されておらず、テーブルトップのグランドプレーンよりも床に近く、シールドルームの床に電気的に接地された短い同軸ケーブルを備えた従来のサイズのカウンターポイズでした。 床に対する平衡容量と同軸ケーブルのインダクタンスとの間に共振が残っているため、共振を減衰させるために損失の多いフェライト スリーブが同軸ケーブルに適用されました。 フェライト スリーブの必要なインピーダンスは MIL-STD-461F の本体で定義されており、規格の付録には「最小のインダクタンスで損失の多い」フェライト スリーブを使用する必要があるという記述が含まれています。 研究結果は、2007 年の IEEE EMC シンポジウムおよび 2008 年の国防総省 (DoD) の電磁環境影響 (E3) プログラム レビューの公開フォーラムで発表されました。

床上のカウンターポイズと、一端でロッド アンテナ ベースに、もう一端でチャンバー壁に接続された同軸ケーブルによって形成された 461F 以前の並列 LC トラップにより、カウンターポイズとチャンバーの間のインピーダンスが大幅に増加しました。 したがって、104 cm のロッドに結合した同じフィールドによって、カウンターポイズの可能性も高めることができました。 WPAFB での離調がない場合のカウンターポイズとチャンバー間のインピーダンスを図 11 に示します。

図 11: 古典的な並列 L – C トラップ インピーダンス (黄色は振幅、青は位相)。 理論と実践が完全に一致する場合があり、「教科書」という言葉が使いたくなるほどで​​す。

Javor 2011 は、この共鳴を離調した結果を示しました (図 12)。 この取り組みでは、電界源として 50 オームで駆動および負荷された、地上 5 cm に吊り下げられた長さ 1 メートルのワイヤーが使用されました。 このワイヤの電圧は周波数に対して一定であり、この記事では準静的な物理学と数学を示して、ロッド アンテナによって測定される合成電界も周波数に対して平坦であるはずであることを示しています。測定誤差です。

図 12: 左側は MIL-STD-461F 以前の共振。 下部の MIL-STD-461F 低 Q 共振 (両方のプロットは同じ基準レベルを持ち、10 dB/div で 2 ～ 32 MHz をカバー)。 測定技術については、Javor 2011 で詳しく説明されています。上部の低周波ピークは、使用されている非常に長い同軸ケーブルによるものです。作成者が何が起こっているのかを理解する前に、効果を確認するためにさまざまな長さが試されました。

将来を見据えて

MIL-STD-461F 技術が大きなエラーの原因を排除するのに大いに役立ったことは明らかです。 完璧ではないことも明らかです。 Javor 2011 は、カウンターポイズを完全にフローティングした (共振を離調するのではなく除去する) 結果を示し、ほぼ平坦な結果が得られました。さらに重要なことに、テスト サンプルとロッド アンテナの両方を両方とも基準にした場合とほぼ正確に同じ結果が得られました。フェライト スリーブの代わりに、50 ドルの Mini-Circuits 絶縁変圧器を使用しました。

図 13: 放射素子 (左側の地上のワイヤ) と測定アンテナは両方ともシールド ルームの床を基準としており、測定に共通の電位が確保され、いかなる種類の共振状態も存在しないことが保証されます。 MIL-STD-461、RTCA/DO-160 (旧バージョン)、CISPR 25 などの地上ロッド アンテナ測定。 すべてが共通のグランドプレーン測定と同等の結果を生成する必要があります。 それがゴールドスタンダードです。

図 14 は、図 13 のように信号源とロッド アンテナの両方がシールド ルームの床を基準とした場合の測定結果を示しています。測定の平坦性は完全に非常に近いです。 図 15 は、-461F の結果 (上のトレース) と、-461F セットアップでフェライト スリーブの代わりに絶縁トランスを使用した場合 (下のトレース) を比較しています。 図 15 の絶縁トランス下部トレースの応答は、図 14 のフロアベースの測定の応答に非常に似ています。

図 14: 放射ワイヤとロッド アンテナの両方が図 13 に従ってテスト チャンバーの床を基準とした場合の電界強度測定結果

図 15: 上のトレースは -461F の結果です。 下のトレースは、-461F セットアップで絶縁トランスを使用した結果です。

共振を除去する分離技術が離調技術より潜在的に優れていることは明らかですが、いくつかのハードルが残っています。 これらには、伝送線変圧器と真の絶縁変圧器、および変圧器に関連する効率 (損失) が含まれます。 2 MHz を超えると 24 dBuV/m の制限があるため、あまり多くの損失は許容されません。 MIL‑STD-461 トライサービス ワーキング グループのメンバーは、2011 年からこの問題に取り組んできました。デチューニングの代わりに分離を使用する実際的な動機は別にあります。 -461F 技術では、ロッド アンテナの直下で同軸シールドを接地する必要があります。 多くの試験施設では、タイルやコンクリートなどの金属床の上にさまざまな被覆が使用されることがあるため、どこでも簡単にアクセスできる床接地点がありません。 絶縁技術により接地の必要がなくなります。 この利点により、多くの人が、より良いテスト データを求めることとはまったく別に、このアプローチに興味を持っています。

誤った情報に関する懸念

General Dynamics の Harry Gaul 氏は、MIL‑STD-461F の結果となった一連の作業と、Javor 2011 に基づく TSWG による継続的な作業を知らずに、デンバーで開催された 2013 年の EMC シンポジウムで同じテーマに関する記事を発表し、発表しました。 (ハリー、ガウル。30 MHz 未満の放射エミッション テストのための 104cm ロッドとバイコニカル アンテナの電磁モデリングと測定。2013 IEEE EMC シンポジウム記録。コロラド州デンバー)。 Gaul 2013 は、Javor 2011 と同じ結論に達します。 つまり、カウンターポイズ絶縁は共振回路の離調よりも優れています。 Gaul 2013 のアプローチは、Javor 2011 で採用されたアプローチとはまったく異なり、2 つのまったく異なる手法が最終的に同じ結論に達したことは安心できます。 Gaul 氏は FEKO と呼ばれるモーメント コードの手法を使用しましたが、Javor 2011 では、第一原理である準静電気に基づいて、グランド プレーン上のワイヤから 104 cm ロッド アンテナまでの電界からの結合を計算する閉形式解析を実行しました。ガウスの法則に基づく場の定式化。 どちらの取り組みも、予測と測定されたテスト データを比較しましたが、類似点はそこまでです。

Javar 2011 と Gaul 2013 は両方とも、20 ～ 30 MHz の間でいくつかの異なるアンテナ構成を評価しました。 これらは、カウンターポイズ、-461F、-461E、-462 の完全な分離、ロッド アンテナの床設置、および垂直バイコニカルの使用です。

MIL‑STD-461F のトライサービス ワーキング グループのメンバーである著者は、規格に記載されている正確な減衰フェライトを認識していました。図 12 のテスト結果は、それがどの程度うまく機能するかを検証しています。 MIL‑STD-461 では、商用製品やサービスを商品名で識別することはできず、代わりに、その顕著な特性によってデバイスを指定する必要があります。 Gaul 氏は、知らず知らずのうちに MIL-STD-461F の (技術的ではない) 欠陥を特定しました。フェライトの記述の一部は規格の本体ではなく、契約上義務ではない付録にあります。 本体では、フェライトは 20 MHz で 20 ～ 30 オームのインピーダンスを持つと特定されており、付録では次の記述が行われています。 (最小のインダクタンスで損失の多い) ケーブルでは、全体的に最良の結果が得られました。」 この要件を満たすフェライトの 1 つは、28 材料を使用した Leadertech (以前は Ferrishield でした) CS28B1642 です。 その測定されたインピーダンス (WPAFB の John Zentner 氏のご提供) を表 1 に示します。

表 1: Leadertech CS28B1642 フェライト ビーズのインピーダンス。 強調表示された行は、MIL-STD-461F で指定された周波数における重要なパラメーターを示しています。つまり、抵抗インピーダンスが誘導リアクタンスよりも高くなります。 このモデルには 2 つのインピーダンス コンポーネントが直列に接続されており、これは業界標準であり、Gaul 2013 のように並列ではないことに注意してください。

20 MHz では、インピーダンスが MIL-STD-461F 要件よりも高いことに注意してください。 この要件は、測定データではなく、メーカーのデータに基づいていました。 ただし、抵抗 (実オーム) は必要に応じて誘導リアクタンス (虚数オーム) よりも高く、これにより必要な減衰性能が得られます。

対照的に、Gaul 2013 ではフェライト スリーブに次の解析モデルを使用していますが、これでは減衰がまったく提供されません。

「フェライト ビーズ (MIL-STD-461F 構成に使用される場合) は、使用される実際のビーズの特性に一致するように、480 オーム、0.255pF、および 250nH の並列回路としてモデル化されます。」

20 MHz では、250 nH は約 30 オームの誘導リアクタンスを提供しますが、前述したように、並列の 480 オームはまったくダンピングを提供しません。 実効インピーダンスは誘導性のまま 30 オームです。 残念ながら、MIL‑STD-461F アプローチに対する彼の誤解に基づいて、Gaul 2013 では次のように述べられています。

「MIL‑STD-461F テスト設定では、約 18dB の差があり、最も一致しませんでした。」

純粋に誘導性のビーズ インピーダンスを仮定すると、その軽蔑的な結論は驚くべきことではありません。LC トラップの誘導脚にインダクタンスを追加すると、回路の「Q」を下げることなくタンク周波数が低下するだけであると判断するには、高度なコンピュータ プログラムは必要ありません。

フェライトスリーブの目的の誤解は悲惨です。 TSWG は、MIL-STD-461F の全体的な文言に基づいて、スリーブの目的が減衰であることは明らかであると考えました。 絶縁に対して減衰が維持される場合、MIL‑STD-461 の将来のバージョンでは、この問題が詳細に明確になるでしょう。

結論

今日の世界では、時間の経過とともにテクノロジーが向上することが期待されています。 過去 30 年にわたるロッド アンテナの測定に関しては、むしろジェリー ガルシアの言葉を引用して、「なんと長くて奇妙な旅だったろう」と言いたくなるかもしれません。

放射性エミッションの問題は 60 年前によく理解されており、テストと設計の両方のソリューションを用意していました。 しかし、設計ソリューションが定着すると、テスト ソリューションが変化し、問題が発生しました。 私たちは過去数十年間、一種のミニ暗黒時代を過ごしてきました。そこでは、私たちは始めた頃ほど良い仕事をしていませんでしたし、それに気づいていませんでした。 しかし、スティーブ ジェンセン、ルーク ターンブル、国防総省 TSWG のおかげで、私たちはミニ ルネッサンスの角を曲​​がり、今では (MIL‑STD-461F で) はるかに優れたテストを行うことができ、ここ数年は-461G (カウンターポイズ絶縁) に対するさらに優れたアプローチ。

60 周年という側面は別として、この記事を書く動機は、背景を十分に理解せずに MIL-STD-461F の変更に反応する人々との複数のやりとりによるものです。 反対意見の 1 つは、-461F 構成では以前の構成よりも測定された排出量が減少するということでした。 それは真実ですが（特に共鳴帯域において）、それが重要な点でもあります。より正確な測定により、真の磁場が以前に測定されたものよりも低いことが明らかになります。 WPAFB での慎重な測定により、-461F を介して共振が除去されると、以前はマスクされていたドロップアウトが見えるようになりますが、これは部屋の寸法と不適切な吸収体の性能による破壊的な干渉ノードによるものであることが明らかになりました。 MIL‑STD-461F テーブル I アブソーバー要件は、RF 性能と経済的影響の間の考慮された妥協点です。 ドロップアウトが懸念される場合は、チャンバー誘発の破壊的干渉を相殺するためのカウンターポイズ共振を維持せず、より優れた吸収体 (フェライト タイル基盤に基づくハイブリッド) を使用するソリューションを使用します。 そしてもちろん、これら 2 つの共振の周波数の一致は、特定の部屋の寸法に対してのみ機能し、一般的には機能しません。

著者は、この記事を職務を超えてレビューしてくださった次の EMC エンジニアに感謝の意を表します。 記事内で言及および特定されたジョン・ゼントナー氏とスティーブ・ジェンセン氏も、時間をかけてこの取り組みをレビューしました。 Mark Nave Consultants, Inc. の Mark Nave、Raytheon の Vince Sutter、および ASRI の Tim Travis は全員、この記事をよりユーザーフレンドリーな読書体験にするために貢献しました。 そうでない限り、責任は完全に作者にあります。

参照

アンテナエミジャボルケン軍事ロッドテスト

当社のニュース チームは、コンプライアンス エンジニアリングの世界における最新の更新情報と情報をお届けするために熱心に取り組んでいます。