JP2004317322A - Near noise measuring device for radio communication device - Google Patents

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Atsushi Hara
原  敦
Hideki Osaka
英樹 大坂
Takashi Matsumoto
貴士 松本
Hitoshi Yokota
等 横田
Kenji Kashiwagi
健二 柏木
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Hitachi Ltd
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Hitachi Ltd
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a system for measuring a field noise distribution which is an obstacle when performing radio communication with small-sized highly-sensitive antenna. <P>SOLUTION: In this near noise measuring device, the field distribution near a measuring object is measured by using a field antenna having a resonance point in a measuring range. Hereby, the near field noise distribution can be measured highly sensitively without enlarging an amplifying device such as an amplifier or the antenna shape. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
本発明は、無線通信を行う手段を備えた機器から発生する電磁波を探査する方法及び装置に係り、特に装置及びプリント配線基板の近傍で、発生する無線通信に用いられる周波数帯域の電界ノイズを計測する方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
情報処理装置などでは、VCCIやFCC、CEマーキングなどによって、外部に放射される電波を一定のレベルの電界強度以下に抑制することを規制化している。一方で、使用するLSIのクロックの高速化や高密度実装によって、この規制値をクリアするためには、ノイズ発生原因を探査し、根源的な対策が要求されてきている。
【0003】
このノイズ源を探査する方法として、装置の近傍やプリント配線基板の近傍の磁界を探査する方法が提案されている(例えば、特許文献1等参照)。
【0004】
【特許文献1】
特開平5−312867号公報
【特許文献2】
特開平5−26930号公報
【特許文献3】
特開2000−19204号公報
【特許文献4】
特開2000−206163号公報
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
特許文献1乃至3では、VCCIやFCC、CEマーキングなどの規格をクリアするために、規格で規定されている30〜1000MHzといった広帯域な周波数帯域を測定する必要がある。そのために、小型かつ広帯域の周波数の測定ができる磁界型のループアンテナで近傍のノイズ測定計測を行っている。
【0006】
しかしながら、無線通信のノイズ干渉を調べる場合には、電界ノイズの計測も必要となる。これは、無線通信のアンテナが電界を主に受信するためである。図13にパッチアンテナから2.35GHzで放射する電界ノイズを、無線通信でよく用いられる逆F型のアンテナと磁界アンテナであるループアンテナで受信したときのスペクトラムを示す。同図のように電界アンテナと磁界アンテナでノイズを受信した場合およそ17dB程度の感度の差がでてしまう(同図において、E−SPECTRUMが電界アンテナでノイズを受信した場合であり、H−SPECTRUMが磁界アンテナでノイズを受信した場合である)。
【0007】
また、特許文献4に記載の電界アンテナの場合、アンテナを小型にすると感度が低下してしまい、途中にアンプを挿入し増幅する必要がある。そのため、コスト増などを招く場合がある。逆に、感度を得るようにするためには、アンテナ形状を大きくしなければならず、ノイズ源探査に行う上では、その分解能が荒くなりすぎるといった問題が発生する場合がある。
【0008】
そこで本発明では、無線通信を行う上で障害となる電界ノイズ分布を小型かつ高感度なアンテナで計測するシステムを提案する。
【0009】
【課題を解決するための手段】
本発明では、上記課題を解決すべく、無線通信周波数帯域で共振する共振アンテナを用いて、測定範囲となる部位をスキャンするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明する。
【0011】
本発明による第1の実施例を図1〜10示す。
図1は、第1の実施例における測定システムを示した図である。同図において、測定システム100は、台座111と支柱112〜114とアンテナ保持具115から構成されている。また、測定システムは、制御ボックス121とそれをコントロールするパソコン123および結果や状態・設定を表示するためのディスプレイ124が接続されている。測定システム110には、ステッピングモータがX軸Y軸Z軸およびθ軸(アンテナ保持具115の回転方向)にそれぞれ取り付けられており、制御ボックス121を介して、パソコン123でX・Y・Z・θ方向の位置を制御できるようにしている。これによって、台座111に載せたプリント配線基板150上の任意の範囲をアンテナ101が自在にスキャンできるようになっている。
【0012】
アンテナ101の詳細を図2に示す。アンテナ101は、ヘリカルアンテナ201とそれを保護するためのカバー206、アンテナを取り付けるプリント配線基板202と保持具115に信号を接続するためのコネクタ203で構成されている。さらに、プリント配線基板202は、信号ライン204とグランドパターン205で構成されている。このアンテナ101は、無線通信帯域に共振周波数frがあり、この帯域でのゲインを上げられるようになっている。
【0013】
なお、ヘリカルアンテナでの共振周波数は、式1に記載の近似式により求めることが出来ることが知られている。
【0014】
【数1】

Figure 2004317322
【0015】
次に、このアンテナ101の周波数とゲインの関係を図3に示す。同図において、横軸は周波数、縦軸は電力のゲイン(dB)としている。本発明の計測システム100で計測する周波数の範囲は、無線通信の通信帯域であるfos(Hz)からfoe(Hz)のΔfo(Hz)である。これに対して、アンテナ101の共振周波数frのピーク電力値Pとその電力値の半分1/2・Pで決定される半値幅Δfhで定義されたアンテナの可測周波数fhoは、無線通信の通信帯域であるfos(Hz)からfoe(Hz)を包含するような特性としている。このように、無線通信帯域を半値幅Δfhでカバーすること、この帯域のゲインを上げることができる。
【0016】
次に、本実施例の入力画面の例を図4及び図5に示す。図4では、図1のパソコン123で測定装置100のXYZθ軸の位置条件入力や測定周波数fis・Fieを入力できるようになっている。ここで測定周波数fis・Fieが、可測周波数fhoを満たさない場合には、図5に示すようなアラーム画面にて警告を促す。
図6に測定結果の表示画面例を示す。測定結果は、X軸Y軸を上方から見た2次元平面でそこでのノイズ強度分布をコンター図と表示している。また、任意の測定ポイントを指定することで、そのポイントでのノイズのスペクトラム分布も表示することが出来る。
【0017】
次に、図7〜10を用いて、本実施例の効果を示す。図7は、効果を検証するために用いたプリント配線基板の形状を示した図である。プリント配線基板700は、誘電率εrが4.7で、一辺の長さが87mmの正方形で両面に電源プレーン701とグランドプレーン702が貼り付けられている。そして、基板中央にSMAコネクタ705が取り付けられていて、そのコネクタからシグナルジェネレータ710で発生させた2.4GHz帯のノイズを注入できるようになっている。
【0018】
図8は、プリント基板700の共振モードをシミレーションした結果である。同図において示されるコンター図は、2.4GHz帯でのプリント基板700の内部での電界の発生挙動を示したものである。一辺が87mmの正方形状で、電源・グランドに挟まれる誘電体の誘電率εr=4.5の場合、TE22モードで共振するために、基板の頂点と辺の中央および、基板の中心に強い電界を発生する特徴がある。
【0019】
次に、このパッチアンテナ構造のプリント基板700に関して、本実施例の測定システムで電界分布を計測した結果を図9に、磁界分布を計測した結果を図10に示す。
【0020】
図9において、図8のシミュレーション結果と同様に基板の頂点と辺の中央で電界が強く放射していることが測定できていることがわかる。
【0021】
一方、従来から行われている磁界計測の場合、図9に示したように、基板端部からの放射している電界成分は、うまく計測できていないことがわかる。
【0022】
以上のように、近傍ノイズ測定装置において、測定範囲に共振点を持つ電界アンテナを用いることで、アンプなどの増幅装置やアンテナ形状を大きくしなくても、近傍の電界ノイズ分布を高感度に測定することが出来る。
【0023】
次に、本発明による第2の実施例を図11〜12を用いて説明する。
【0024】
測定システム本体の構成は、第1の実施例で示した図1と同様のものを用いる。本実施例では、アンテナを逆F型アンテナを用いている。アンテナの詳細を図11に示す。アンテナ11101は、板金によって成型された逆Fアンテナ11201、アンテナを取り付けるプリント配線基板11202と保持具に信号を接続するためのコネクタ11203で構成されている。さらに、プリント配線基板11202は、グランドプレーン11205で構成されている。逆Fアンテナ11201は、給電部11206でコネクタ11203の信号線と接続してあり、また短絡部11204がグランドプレーン11205で接続している。このアンテナ11101は、無線通信帯域に共振周波数frがあり、この帯域でのゲインを上げられるようになっている。
【0025】
次に、このアンテナ11101の周波数とゲインの関係を図12に示す。同図において、横軸は周波数、縦軸は電力のゲイン(dB)としている。本発明の計測システムで計測する周波数の範囲は、無線通信の通信帯域であるfos1(Hz)からfoe1(Hz)のΔfo1(Hz)及び、fos2(Hz)からfoe2(Hz)のΔfo2(Hz)の二つの範囲である。これに対して、アンテナ11101の共振周波数frのピーク電力値Pとその電力値の半分1/2・Pで決定される半値幅Δfhで定義されたアンテナの可測周波数fhoは、無線通信の通信帯域であるfos1(Hz)からfoe1(Hz)、及びfos2(Hz)からfoe2(Hz)を包含するような特性としている。このように、無線通信帯域を半値幅Δfhでカバーすること、この帯域のゲインを上げることができる。
【0026】
【発明の効果】
本発明では、測定範囲に共振点を持つ電界アンテナを用いることで、アンプなどの増幅装置やアンテナ形状を大きくしなくても、近傍の電界ノイズ分布を高感度に測定することが出来る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の第1の実施例の測定システム構成図
【図2】電界アンテナの構造
【図3】アンテナの周波数特性と測定範囲の関係
【図4】測定条件設定画面の例
【図5】エラー表示の例
【図6】測定結果の表示例
【図7】検証用実験基板
【図8】基板の電界分布(シミュレーション結果)
【図9】検証基板の電界分布測定結果
【図10】検証基板の磁界分布測定結果
【図11】電界アンテナの構造
【図12】アンテナの周波数特性と測定範囲の関係
【図13】アンテナの相違によるノイズ量の変化
【符号の説明】
100…近傍ノイズ計測システム、101…電界アンテナ、111…台座、112…支柱(X軸)、113…支柱(y軸)、114…支柱(Z軸)、115…アンテナ保持具、121…制御ボックス、123…パソコン、124…表示装置、150…プリント配線基板、201…ヘリカルアンテナ、202…アンテナ取り付け用プリント配線基板、204…信号ライン、205…グランドパターン、206…保護カバー、700…プリント配線基板、701…電源プレーン、702…グランドプレーン、705…SMAコネクタ、710…シグナルジェネレータ、11101…電界アンテナ、11201…逆Fアンテナ、11202…プリント配線基板、11203…コネクタ11204…短絡部、11206…給電部、11205…グランドパターン[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method and an apparatus for searching for an electromagnetic wave generated from a device having a means for performing wireless communication, and particularly to measuring electric field noise in a frequency band used for wireless communication generated near a device and a printed wiring board. On how to do it.
[0002]
[Prior art]
In information processing devices and the like, it is regulated by VCCI, FCC, CE marking, and the like to suppress radio waves radiated outside to a certain level of electric field intensity or less. On the other hand, in order to clear the regulation value by increasing the speed of the clock of the LSI to be used or by high-density mounting, it is required to investigate the cause of noise generation and take fundamental measures.
[0003]
As a method of searching for this noise source, there has been proposed a method of searching for a magnetic field near an apparatus or a printed wiring board (for example, see Patent Document 1).
[0004]
[Patent Document 1]
JP-A-5-312867 [Patent Document 2]
JP-A-5-26930 [Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-19204 [Patent Document 4]
JP 2000-206163 A
[Problems to be solved by the invention]
In Patent Documents 1 to 3, it is necessary to measure a wide frequency band such as 30 to 1000 MHz specified in the standards in order to clear the standards such as VCCI, FCC, and CE marking. For this purpose, a nearby magnetic field measurement and measurement is performed using a small-sized magnetic field type loop antenna capable of measuring a wide frequency band.
[0006]
However, when examining noise interference in wireless communication, it is necessary to measure electric field noise. This is because an antenna for wireless communication mainly receives an electric field. FIG. 13 shows a spectrum when electric field noise radiated at 2.35 GHz from a patch antenna is received by an inverted-F type antenna often used in wireless communication and a loop antenna which is a magnetic field antenna. When noise is received by the electric field antenna and the magnetic field antenna as shown in the figure, a difference in sensitivity of about 17 dB occurs (in the figure, E-SPECTRUM is the case where noise is received by the electric field antenna, and H-SPECTRUM Is the case where noise is received by the magnetic field antenna).
[0007]
Further, in the case of the electric field antenna described in Patent Document 4, if the antenna is reduced in size, the sensitivity decreases, and it is necessary to insert an amplifier in the middle to amplify. Therefore, the cost may be increased. Conversely, in order to obtain sensitivity, the antenna shape must be enlarged, and when performing a noise source search, there may be a problem that the resolution becomes too rough.
[0008]
Therefore, the present invention proposes a system for measuring an electric field noise distribution which is an obstacle in performing wireless communication with a small and highly sensitive antenna.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In the present invention, in order to solve the above-described problem, a portion serving as a measurement range is scanned using a resonance antenna that resonates in a wireless communication frequency band.
[0010]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0011]
1 to 10 show a first embodiment according to the present invention.
FIG. 1 is a diagram illustrating a measurement system according to the first embodiment. In the figure, the measurement system 100 includes a pedestal 111, columns 112 to 114, and an antenna holder 115. Further, the measurement system is connected to a control box 121, a personal computer 123 for controlling the control box 121, and a display 124 for displaying results, status and settings. Stepping motors are attached to the measurement system 110 on the X axis, the Y axis, the Z axis, and the θ axis (the rotation direction of the antenna holder 115), respectively. The position in the θ direction can be controlled. This allows the antenna 101 to freely scan an arbitrary range on the printed wiring board 150 placed on the pedestal 111.
[0012]
FIG. 2 shows details of the antenna 101. The antenna 101 includes a helical antenna 201, a cover 206 for protecting the helical antenna 201, a printed wiring board 202 on which the antenna is mounted, and a connector 203 for connecting a signal to the holder 115. Further, the printed wiring board 202 includes a signal line 204 and a ground pattern 205. The antenna 101 has a resonance frequency fr in a wireless communication band, and can increase the gain in this band.
[0013]
It is known that the resonance frequency of the helical antenna can be obtained by the approximate expression described in Expression 1.
[0014]
(Equation 1)
Figure 2004317322
[0015]
Next, the relationship between the frequency and the gain of the antenna 101 is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents power gain (dB). The frequency range measured by the measurement system 100 of the present invention is Δfo (Hz) from fos (Hz) to foe (Hz), which is the communication band of wireless communication. On the other hand, the measurable frequency fho of the antenna defined by the peak power value P of the resonance frequency fr of the antenna 101 and the half-value width Δfh determined by a half of the power value, 通信 · P, The characteristic is such that the band includes fos (Hz) to foe (Hz). Thus, the wireless communication band can be covered with the half width Δfh, and the gain of this band can be increased.
[0016]
Next, FIGS. 4 and 5 show examples of the input screen of the present embodiment. In FIG. 4, the personal computer 123 shown in FIG. 1 can input the position condition of the XYZθ axis of the measuring apparatus 100 and the measurement frequency fis / Fie. If the measured frequency fis / Fie does not satisfy the measurable frequency fho, a warning is urged on an alarm screen as shown in FIG.
FIG. 6 shows an example of a display screen of the measurement result. The measurement result shows a noise intensity distribution on a two-dimensional plane as viewed from above the X axis and the Y axis as a contour diagram. Also, by specifying an arbitrary measurement point, the noise spectrum distribution at that point can be displayed.
[0017]
Next, the effects of this embodiment will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a diagram showing the shape of the printed wiring board used for verifying the effect. The printed wiring board 700 has a dielectric constant εr of 4.7, a square length of 87 mm on a side, and a power supply plane 701 and a ground plane 702 attached to both sides. An SMA connector 705 is attached to the center of the board, so that 2.4 GHz band noise generated by the signal generator 710 can be injected from the connector.
[0018]
FIG. 8 shows the result of simulating the resonance mode of the printed circuit board 700. The contour diagram shown in the figure shows the generation behavior of an electric field inside the printed circuit board 700 in the 2.4 GHz band. In the case of a square shape having a side of 87 mm and a dielectric constant εr = 4.5 between a power supply and a ground, in order to resonate in the TE22 mode, a strong electric field is applied to the center of the top and side of the substrate and the center of the substrate. There is a feature that generates.
[0019]
Next, with respect to the printed circuit board 700 having the patch antenna structure, FIG. 9 shows the result of measuring the electric field distribution by the measuring system of the present embodiment, and FIG. 10 shows the result of measuring the magnetic field distribution.
[0020]
In FIG. 9, it can be seen that it is possible to measure that the electric field is strongly radiated at the apex and the center of the side of the substrate as in the simulation result of FIG.
[0021]
On the other hand, in the case of the conventional magnetic field measurement, as shown in FIG. 9, it can be seen that the electric field component radiated from the edge of the substrate cannot be measured well.
[0022]
As described above, by using the electric field antenna having the resonance point in the measurement range in the nearby noise measuring device, the electric field noise distribution in the vicinity can be measured with high sensitivity without increasing the size of the antenna or the amplifying device such as an amplifier. You can do it.
[0023]
Next, a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
[0024]
The configuration of the measurement system body is similar to that of FIG. 1 shown in the first embodiment. In this embodiment, an inverted F-type antenna is used as the antenna. FIG. 11 shows details of the antenna. The antenna 11101 includes an inverted F antenna 11201 formed of sheet metal, a printed wiring board 11202 on which the antenna is mounted, and a connector 11203 for connecting a signal to a holder. Further, the printed wiring board 11202 includes a ground plane 11205. The inverted F antenna 11201 is connected to the signal line of the connector 11203 at the power supply unit 11206, and the short-circuit unit 11204 is connected to the ground plane 11205. The antenna 11101 has a resonance frequency fr in a wireless communication band, and can increase the gain in this band.
[0025]
Next, the relationship between the frequency and the gain of the antenna 11101 is shown in FIG. In the figure, the horizontal axis represents frequency, and the vertical axis represents power gain (dB). The frequency range measured by the measurement system of the present invention is Δfo1 (Hz) from fos1 (Hz) to foe1 (Hz), which is the communication band of wireless communication, and Δfo2 (Hz) from fos2 (Hz) to foe2 (Hz). There are two ranges. On the other hand, the measurable frequency fho of the antenna defined by the peak power value P of the resonance frequency fr of the antenna 11101 and the half-value width Δfh determined by a half of the power value is ・ · P. The characteristic is such that the band includes fos1 (Hz) to foe1 (Hz) and fos2 (Hz) to foe2 (Hz). Thus, the wireless communication band can be covered with the half width Δfh, and the gain of this band can be increased.
[0026]
【The invention's effect】
In the present invention, by using an electric field antenna having a resonance point in the measurement range, it is possible to measure a nearby electric field noise distribution with high sensitivity without increasing the size of the antenna or the amplifying device such as an amplifier.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a configuration diagram of a measurement system according to a first embodiment of the present invention; FIG. 2 is a structure of an electric field antenna; FIG. 3 is a relationship between an antenna frequency characteristic and a measurement range; FIG. 5 Example of error display [Figure 6] Example of display of measurement result [Figure 7] Experimental substrate for verification [Figure 8] Electric field distribution of substrate (simulation result)
9 shows the results of measuring the electric field distribution of the verification board. FIG. 10 shows the results of measuring the magnetic field distribution of the verification board. FIG. 11 shows the structure of the electric field antenna. FIG. 12 shows the relationship between the frequency characteristics of the antenna and the measurement range. Change in noise amount due to noise [Explanation of symbols]
Reference Signs List 100: neighborhood noise measurement system, 101: electric field antenna, 111: pedestal, 112: support (X-axis), 113: support (y-axis), 114: support (Z-axis), 115: antenna holder, 121: control box 123, PC, 124, display device, 150, printed wiring board, 201, helical antenna, 202, printed wiring board for antenna mounting, 204, signal line, 205, ground pattern, 206, protective cover, 700, printed wiring board , 701: Power plane, 702: Ground plane, 705: SMA connector, 710: Signal generator, 11101: Electric field antenna, 11201: Inverted F antenna, 11202: Printed wiring board, 11203: Connector 11204: Short circuit, 11206: Power supply , 11205 ... Gran Pattern

Claims (4)

電界ノイズ測定装置であって、
被測定物が設置される部分と、
共振周波数を有するアンテナと、
前記被測定物上の任意の部分に前記アンテナの位置を合わせる支持部と、
測定状態および結果の処理を行なう情報処理部と、
測定結果を表示する表示部とを有し、
前記アンテナの共振周波数が被測定物の周波数範囲の上限と下限の範囲に含まれることを特徴とする電界ノイズ測定装置。
An electric field noise measuring device,
A part where the device under test is installed,
An antenna having a resonance frequency;
A support unit for adjusting the position of the antenna to an arbitrary part on the device under test,
An information processing unit for processing a measurement state and a result,
A display unit for displaying the measurement result,
An electric field noise measuring apparatus, wherein a resonance frequency of the antenna is included in upper and lower limits of a frequency range of the device under test.
請求項1記載の電界ノイズ測定装置であって、
被測定物の周波数範囲が、前記アンテナの入力対数電力値に対して、共振周波数のピーク値の半値幅に含まれることを特徴とする電界ノイズ測定装置。
The electric field noise measuring device according to claim 1,
An electric field noise measuring device, wherein the frequency range of the device under test is included in the half value width of the peak value of the resonance frequency with respect to the logarithmic power value of the antenna.
請求項1記載の電界ノイズ測定装置であって、
前記アンテナはヘリカルアンテナであることを特徴とする電界ノイズ測定装置。
The electric field noise measuring device according to claim 1,
An electric field noise measuring device, wherein the antenna is a helical antenna.
請求項1記載の電界ノイズ測定装置であって、
前記アンテナは逆F型アンテナであることを特徴とする電界ノイズ測定装置。
The electric field noise measuring device according to claim 1,
An electric field noise measuring device, wherein the antenna is an inverted F-type antenna.
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