JP2016057123A - 妨害波伝達特性測定システムおよび測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】通信装置の電源線から混入し、通信装置の内部を通過して、通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を再現性よく、安定的に評価する。【解決手段】通信装置における測定用の物理的ポートとして、電源線側の電源ポートおよび通信線側の通信ポートとを定義すること、ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモードからなる妨害波の伝搬モードごとに、伝達特性を分離して測定するためのミクスドモードポートを定義すること、および物理的ポートに対応するＳパラメータをミクスドモードポートに対応するＳパラメータに変換して、伝搬モードごとの伝達特性を測定する。【選択図】図９

Description

本発明は、妨害波伝達特性測定システムおよび測定方法に関し、より詳細には、電気・電子機器が非意図的に発する電磁妨害波の伝達特性を評価するための測定システムおよび測定方法に関する。

従来から、電気・電子機器が非意図的に発する電磁妨害波（以下、妨害波）が通信装置、放送装置等に侵入し、通信障害、電波障害等を発生することが知られている。これらの障害を防ぐことを目的として、電気・電子機器の発する妨害波の評価方法が国際無線障害特別委員会（ＣＩＳＰＲ）の規格等で規定されている。ＣＩＳＰＲ３２（非特許文献１）では、通信・放送装置の電源ポート、通信ポートに侵入する伝導性の妨害波を、電源線と大地との間、通信線と大地との間にそれぞれ発生するコモンモード成分が支配的な伝搬モードの妨害波と規定している。そのため、電源線と大地との間、通信線と大地との間にコモンモードフィルタを使用することにより、妨害波対策が施されてきた。

一方、通信装置、放送装置等に影響を与える妨害波の発生源の状況も変化してきている。例えば、スマートフォン、無線ＬＡＮ等の高速広帯域の無線システム、ＺｉｇＢｅｅ等の無線センサネットワークが発生する電波が、通信装置、放送装置等にとって妨害波となる場合がある。このような無線システムが通信装置、放送装置等の非常に近くで使用される機会が多くなり、通信装置、放送装置等に通信障害、電波障害等を発生させる場合がある。また、太陽光発電システム、プラグインハイブリッドカーの普及に代表されるように、高効率の電源系システムが様々な場所に設置されるようになった。これらの電源系システムに内蔵されるインバータ、コンバータから発生する非意図的な妨害波も増加している。特に、電源系システムの発する妨害波は、高出力化され、通信装置、放送装置等の非常に近くで発生する可能性があるため、多様な侵入経路を介して通信装置、放送装置等に侵入する可能性がある。

CISPR 32 Ed1.0, "Electromagnetic compatibility of multimedia equipment - Emission requirements," 2012. CISPR 16-1-2 Ed 2.0, "Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 1-2: Radio disturbance and immunity measuring apparatus - Coupling devices for conducted disturbance measurements," 2014. CISPR 24 Ed 2.0, "Information technology equipment - Immunity characteristics - Limits and methods of measurement," 2010. CISPR 16-2-1 Ed 3.0, "Specification for radio disturbance and immunity measuring apparatus and methods - Part 2-1: Methods of measurement of disturbances and immunity - Conducted disturbance measurements," 2014.

従来の妨害波評価方法では、電源線と大地との間、通信線と大地との間にそれぞれ発生するコモンモード成分が支配的な伝搬モードの妨害波として評価してきた。しかし、通信と放送の融合、通信ネットワークの高速化、多様化により、通信機能を具備する装置の通信ポートが多様化してきた。例えば、ＬＡＮ接続されるEthernet（登録商標）ポート、様々な付属機器が接続されるＵＳＢポート、映像機器が接続されるＨＤＭＩ（登録商標）／同軸ポート等が知られている。このような通信ポートには、従来のＰＯＴＳ（Plain Old Telephone Service）ポートのように１対（２線）の通信ケーブルが接続されるわけではなく、多様な形状の多対ケーブルが接続される。

多対ケーブルの中の１対のケーブルを同相で伝搬するコモンモードの妨害波の帰路は、大きく分けて、大地と近傍の他線（導体）との２つとなる。ここで、近傍の他線を帰路とするコモンモードを１次のコモンモード、大地を帰路とするコモンモードを２次のコモンモードと呼ぶことにする。妨害波が伝搬しうるモードは、１次コモンモード（Primary common-mode）、２次コモンモード（Secondary common-mode）、および差動で伝搬するディファレンシャルモード（Differential-mode）の３種類となる。このうち、どの伝搬モードが妨害波の成分として支配的か、また、どの伝搬モードの妨害波が通信障害、電波障害等と相関が高いかは、明確ではない。そのため、このような多様な伝搬モードで侵入する妨害波に対する新たな評価技術が必要となってきている。

図１に、妨害波の侵入経路を示す。通信装置、放送装置等に伝導性の妨害波が混入する経路は複数ある。例えば、Ethernet（登録商標）ケーブルなどの多対通信線によって接続された他の通信装置からの混入を考える。図１に示すように、通信装置、放送装置等の被妨害装置１に妨害を与える妨害波は、妨害波源となるインバータ／コンバータ４が発し、分電盤３を介して、被妨害装置１に接続される通信装置２の電源系から侵入する。この妨害波は、通信装置２内部の電磁結合を介して、通信装置２の通信ポートへ伝達し、多対通信線６を介して被妨害装置１の通信ポートへ伝達する。

このとき、妨害波源となるインバータ／コンバータ４から電源線５に発せられた時点の妨害波は、コモンモードが支配的と考えられる。しかし、通信装置２内部には様々な導体が存在するため、通信装置２内部の電磁結合により、伝搬モードが変換される可能性がある。また、多対通信線６を伝達する際の伝搬モードも多様化するため、被妨害装置１に影響を与える妨害波の支配的な伝搬モード、伝達特性が複雑かつ不明確となる。従って、通信障害、電波障害等の発生メカニズムの解明、どのモードの妨害波に対する対策を重点的に行うかの判断など、妨害波対策の決定が難しくなるという課題があった。

本発明の目的は、通信装置の電源線から混入し、通信装置の内部を通過して、通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を再現性よく、安定的に評価するための妨害波伝達特性測定システムおよび測定方法を提供することにある。

本発明は、このような目的を達成するために、電源供給を受けるための電源線と、他の装置との通信のための通信線とが接続された通信装置において、前記電源線から混入し、前記通信装置の内部を通過して、前記通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を評価するための妨害波伝達特性測定方法であって、前記通信装置における測定用の物理的ポートとして、前記電源線側の電源ポートおよび前記通信線側の通信ポートとを定義すること、ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモードからなる妨害波の伝搬モードごとに、伝達特性を分離して測定するためのミクスドモードポートを定義すること、および前記物理的ポートに対応するＳパラメータを前記ミクスドモードポートに対応するＳパラメータに変換して、伝搬モードごとの伝達特性を測定することを備えたことを特徴とする。

また、妨害波伝達特性測定システムの一実施態様は、前記通信装置の前記電源線に接続される第１のポートと、前記通信線に接続される第２および３のポートとを備えたベクトルネットワークアナライザと、前記電源線および前記第１のポートを接続する同軸ケーブルに挿入された吸収クランプと、前記通信線および前記第２のポート、前記通信線および前記第３のポートのそれぞれを接続する同軸ケーブルのシールドとシステムグラウンドとを低インピーダンスで接続する接地手段とを備えたことを特徴とする。

以上説明したように、本発明によれば、通信装置の電源線から混入し、通信装置の内部を通過して、通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を再現性よく、安定的に評価することができる。特に、妨害波伝達特性測定方法によれば、各ポートの伝搬モードごとの評価が可能となるため、どのポートのどの伝搬モードの妨害波に対する対策を重点的に行うかの判断が容易になる。

また、妨害波伝達特性測定システムによれば、電源線側の同軸ケーブルの２次コモンモードを低減し、通信線側の同軸ケーブルの２次コモンモードの終端条件を短絡状態にすることにより、２次コモンモード電流の共振を抑制して、伝達特性を再現性よく、安定的に測定することができる。

妨害波の侵入経路を示す図である。 システムグラウンドを基準とする物理ポートを示す図である。 伝搬モードごとのミクスドモードポートを示す図である。 電源ポートの終端条件を示す図である。 通信ポートの終端条件を示す図である。 ディファレンシャルモードのモード電圧・電流を示す図である。 コモンモードのモード電圧・電流を示す図である。 各モードの特性インピーダンスと高さｈの関係を示す図である。 本発明の一実施形態における妨害波伝達特性測定システムを示す図である。 ３種類のスイッチングハブの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜の測定結果を示す図である。 ３種類のスイッチングハブの伝達特性｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。 スイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。 スイッチングハブＤＵＴ２の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。 スイッチングハブＤＵＴ３の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。 ＣＩＳＰＲ１６−２−１で規定されている測定系を構成した妨害波伝達特性測定システムを示す図である。 ＣＩＳＰＲ１６−２−１によるスイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。 ＣＤＮＥの設置条件を変えたときのスイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す図である。

以下、図面を参照しながら本発明の実施形態について詳細に説明する。上述したように、被妨害装置に侵入する妨害波の経路によっては、妨害波の伝搬モードを含む伝達特性が複雑、かつ不明確となる。以下、被妨害装置に多対通信線で接続された通信装置を例にとり、伝導性妨害波の伝達特性を明確化するための評価手法について説明する。

通信機器は一般家庭、一般的なオフィスビル等において、基準電位となる大地面からある程度離れた距離に設置されることが多い。このとき、通信装置は、基準電位となるシステムグラウンドの上に一定の距離で置かれ、その筐体はシステムグラウンドと直接的な接続を持たないと考えることができる。また、通信装置には、電源供給を受けるための、２線または３線の交流（ＡＣ）電源線が接続され、被妨害装置との通信のためのEthernet（登録商標）ケーブル等の通信線が接続されている。ここでは、通信線をシールド付き撚り対線（ＳＴＰ：Shielded Twisted Pair）のEthernet（登録商標）ケーブルとし、ＡＣ電源線および通信線は、特に断りがない限り、システムグラウンドから一定の距離で直線上に配置されている場合を考える。

このとき、ＡＣ電源線から電源系に混入した妨害波がEthernet（登録商標）ケーブル等の通信線へ伝達する特性を評価するため、ＡＣ電源線側および通信線側のそれぞれに測定ポートを定義する必要がある。ここでは、次に示すように、測定用の物理的ポート（ＡＣ電源ポート、通信ポート）と、伝搬モードごとに分離するためのミクスドモードポート（ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモード）とを定義する。

［測定用の物理的ポートとミクスドモードポートの定義］
Ａ）ＡＣ電源ポート
Ａ１）３線電源ケーブル（Ｌ（Live）線、Ｎ（Neutral）線、ＰＥ（Protection Earth）線）の場合
図２に、システムグラウンドを基準とする物理ポートを示す。評価対象である通信装置１１の接地が不完全な場合を考えると、ＡＣ電源線１２のＰＥ線がシステムグラウンド１４と同電位とは考えにくい。そのため、これら３線をシステムグラウンド１４に対して対等に扱うと、図２に示すように、物理的ポート（＃ｐ１〜＃ｐ３）がＡＣ電源線１２の各線とシステムグラウンド１４との間で定義される。ただし、電源系から混入する妨害波を考える場合は、すべての線が同相となるコモンモードの妨害波の混入を考えるため、物理的ポートからミクスドモードポートへの変換を考える。

図３に、伝搬モードごとのミクスドモードポートを示す。通信装置に接続される電源線が伝送線路と見なせるとき、３つの伝搬モードに分離できるので、それに対応するミクスドモードポートを定義する。ＡＣ電源線１２の各線のシステムグラウンドに対する電圧をＶ_１（Ｌ）、Ｖ_２（Ｎ）、Ｖ_３（ＰＥ）、電流をＩ_１（Ｌ）、Ｉ_２（Ｎ）、Ｉ_３（ＰＥ）とすると、伝送線路の伝搬モードは次のように記述できる。

Ａ１１）ディファレンシャルモード
ＰＥ線を除く２線（Ｌ線、Ｎ線）に対して、同一振幅で逆相の電圧が印加され、同一振幅で逆相の電流が生じる時、キルヒホッフの電流則から、ＰＥ線およびシステムグラウンドには電流は流れない。すなわち、ディファレンシャルモード電圧Ｖ_Ｄおよびディファレンシャルモード電流Ｉ_Ｄは、次式のように各電圧および電流によって記述することができる。

Ａ１２）１次コモンモード
ＰＥ線を除く２線（Ｌ線、Ｎ線）に対して、同一振幅で同相の電圧が印加され、同一振幅で同相の電流が生じ、かつＰＥ線が電流の帰路として働く時、キルヒホッフの電流則よりシステムグラウンドには電流が流れない。すなわち、１次コモンモード電圧Ｖ_ＣＰおよび１次コモンモード電流Ｉ_ＣＰは、次式のように記述することができる。

Ａ１３）２次コモンモード
３線全てに、同一振幅で同相の電圧が印加され、同じく同一振幅で同相の電流が流れるとき、この電流の帰路はシステムグラウンドとなる。したがって、２次コモンモード電圧Ｖ_ＣＳおよび２次コモンモード電流Ｉ_ＣＳは、次式のように記述される。

Ａ２）２線電源ケーブル（Ｌ（Live）線、Ｎ（Neutral）線の場合
通信装置の電源端子にはＰＥ線が具備されていない場合、２線の電源ケーブルに対する伝搬モードを定義する。この場合、物理的ポートは３線電源ケーブルの場合と同じくシステムグラウンドを基準とした２つのポートとなる。しかし、ミクスドモードポートは２つの伝搬モードしか定義できないため、以下で説明するように、ディファレンシャルモードとコモンモードのみが定義できる。同様に、各線の電圧をＶ_１（Ｌ）、Ｖ_２（Ｎ）、電流をＩ_１（Ｌ）、Ｉ_２（Ｎ）とすると、伝送線路の伝搬モードは次のように記述できる。

Ａ２１）ディファレンシャルモード
３線の場合と同様に、Ｌ線とＮ線に同一振幅で逆相の電圧が印加され、同一振幅で逆相の電流が流れる時、キルヒホッフの電流則から、システムグラウンドには電流は流れない。すなわち、ディファレンシャルモード電圧Ｖ_Ｄおよびディファレンシャルモード電流Ｉ_Ｄは、次式のように各電圧および電流によって記述できる。

Ａ２２）２次コモンモード
２線に、同一振幅で同相の電圧が印加され、同じく同一振幅で同相の電流が流れる時、この電流の帰路はシステムグラウンドとなる。したがって、２次コモンモード電圧Ｖ_Ｃおよび２次コモンモード電流Ｉ_Ｃは、次式のように記述される。

Ｂ）通信ポート
通信線が４対のペア線とシールドからなるＳＴＰケーブルである場合、通信線１３の物理的ポートは、各通信線とシールド線をそれぞれ物理的ポート（＃ｃ１〜＃ｃ８）として８つの通信ポート１６で定義される（図２および３参照）。ここで、シールド線はシステムグラウンドまたは測定系のグラウンドと低インピーダンスで接続されているとする。実際の通信においては、２本ずつのペア線間で通信信号が伝送されることを考えると、それに対応したミクスドモードポートを設定すべきである。そこで、２本のペア線とシールド線のみを考慮して、伝搬モードに対応するポートを定義する。

ここで、ＳＴＰケーブルを用いるメリットとしては、１次コモンモードの帰路電流のほとんどがＳＴＰケーブルのシールド線を流れるため、シールド線と通信線との間の終端インピーダンスを固定することが容易となり、モードの定義も容易になるためである。一方、シールドの無い撚り対線（ＵＴＰ：Unshielded Twisted Pair）ケーブルの場合は、１次コモンモードの帰路電流が他の６線に流れるので、終端を考えた場合、２線と６線の間に終端インピーダンスを定義しなければ、伝達特性を評価することができないという課題が残る。

また、基本的な概念は、３線電源ケーブルのモード分離と同じであるが、ほぼ対称な構造の３線電源ケーブルに対し、シールド線のみが通信線に比べて十分太い構造を持っている点に差異がある。なお、各線の電圧をＶ_１（通信線１）、Ｖ_２（通信線２）、Ｖ_３（シールド）、電流をＩ_１（通信線１）、Ｉ_２（通信線２）、Ｉ_３（シールド）とする。

Ｂ１）ディファレンシャルモード
通信線２線に対して、同一振幅で逆相の電圧が印加され、同一振幅で逆相の電流が流れる時、キルヒホッフの電流則から、シールドおよびシステムグラウンドには電流は流れない。すなわち、ディファレンシャルモード電圧Ｖ_Ｄおよびディファレンシャルモード電流Ｉ_Ｄは、次式のように各電圧および電流によって記述される。

Ｂ２）１次コモンモード
通信線２線に対して、同一振幅で同相の電圧が印加され、同じく同一振幅同相の電流が流れる。また、この電流の帰路はシールドとなる。したがって、キルヒホッフの電流則よりシステムグラウンドには電流が流れない。すなわち、１次コモンモード電圧Ｖ_ＣＰおよび１次コモンモード電流Ｉ_ＣＰは、次式のように記述される。

Ｂ３）２次コモンモード
シールドを含む全ての線に、同一振幅で同相の電圧が印加され、同じく同一振幅で同相の電流が流れるとき、この電流の帰路はシステムグラウンドとなる。ここで、ＳＴＰケーブルの場合はシールド線が８線を覆っているため、全ての電流はシールド線を流れる。したがって、２次コモンモード電圧Ｖ_ＣＳおよび２次コモンモード電流Ｉ_ＣＳは、次式のように記述される。

［各ポートの終端条件の決定］
次に、再現性の高い評価系を構築するためには、上述した各ポートの終端条件も定める必要がある。以降では、電源線は２線とし、物理的ポート（ＡＣ電源ポート、通信ポート）に対するミクスドモードポート（ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモード）の終端条件を決定する方法について説明する。

Ａ）ＡＣ電源ポート
ＣＩＳＰＲ１６−１−２（非特許文献２）では、３０ＭＨｚ以下の発信源を持つＥＵＴ（Equipment Under Test）が発する３０〜３００ＭＨｚの伝導妨害波測定を行うための妨害波印加回路（ＣＤＮＥ：Coupling/Decoupling Network for Emission Measurement）の特性が規定されている。

図４に、電源ポートの終端条件を示す。ここでは、通信装置１１の電源側にＣＤＮＥ１７を用いて、終端条件を決定する方法を示す。ここで、ＡＣ電源線１２は、アウトレット１８を介して、分電盤からの電源線に接続されており、評価するＡＣ電源線１２は、物理的ポート（＃１）となる。

Ａ１）ディファレンシャルモード
ＣＤＮＥを用いる場合、ディファレンシャルモードポートの終端条件は、高インピーダンスと規定されており、商用電源側の影響を除外できる。

Ａ２）コモンモード
ＣＤＮＥにより、コモンモードの終端インピーダンスは、３０〜３００ＭＨｚの周波数範囲において１５０Ωとすることが規定されている。

Ｂ）通信ポート
図５に、通信ポートの終端条件を示す。ベクトルネットワークアナライザ（ＶＮＡ）等の一般的な測定機器のほとんどは、最大４ポートであり、同時に測定できるポート数が限られている。通信線だけでも８ポートある系では、測定回数が増加し、現実的ではない。そこで、ＳＴＰケーブルの対称性を利用し、通信線のうちの任意の２線のみを評価し、残りの６線は５０Ωで終端する。ここで、評価する２線は、それぞれシールド線と通信線に対応する物理的ポート（＃２および＃３）である。

Ｂ１）ディファレンシャルモード
図５（ａ）に示すように、ディファレンシャルモードの場合は、２線をループにして電流が流れるため、各線の終端抵抗（Ｒ＝５０Ω）が直列に挿入されることから、終端インピーダンスは１００Ωとなる。

Ｂ２）１次コモンモード
図５（ｂ）に示すように、１次コモンモードの場合は、２線のそれぞれからシステムグラウンド１４に向けて同じ電流が流れるため、各線の終端抵抗（Ｒ＝５０Ω）が並列に挿入されることから、終端インピーダンスは２５Ωとなる。

Ｂ３）２次コモンモード
２次コモンモードの終端インピーダンスは、ＳＴＰケーブルのシールドが測定系のグラウンドに寄生結合を介して接続されているため安定化しない。この場合、ベクトルネットワークアナライザ等の測定機器に接続された同軸ケーブルの外皮をシステムグラウンドに低インピーダンスで接続することにより、終端条件を短絡とすることができる。

以上、説明したように、ＡＣ電源線から電源系に混入した妨害波がEthernet（登録商標）ケーブル等の多対通信線へ伝達する特性を評価するため、測定用の物理的ポート（ＡＣ電源ポート、通信ポート）および伝搬モードごとに分離するためのミクスドモードポート（ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモード）を定義し、その終端条件を定めた。

［ケーブルにおける伝搬モードの定義］
次に、ポートの定義に対応するケーブルの伝搬モードについて説明する。２線のケーブルが、システムグラウンドから一定の距離で直線上に配線された系を考えると、それらの伝搬モードをディファレンシャルモードおよびコモンモードとして定義することができる。ケーブルが十分に長く、対称性を保ちながらシステムグラウンドから一定の距離で、真直ぐに配線されている場合には、伝送経路におけるモード変換は発生しない。従って、ケーブル両端のアウトレット端子、通信装置との接続コネクタ等においてのみモード変換を考えればよい。

図６に、ディファレンシャルモードのモード電圧・電流を示す。ディファレンシャルモード電流は、２線を同一振幅、かつ、互いに逆相で流れる。図６に示すように、系は対称であるので、それぞれの線のシステムグラウンドからの電圧も同一振幅、かつ、逆相となる。ここで、ディファレンシャルモード電圧は線間電圧で表現でき、図６中のＶ_Ｄで示される。また、Ｉ_Ｄはディファレンシャルモード電流を示す。

図７に、コモンモードのモード電圧・電流を示す。コモンモードは、各線の電圧が等しい伝搬モードであるため、系が対称の場合は、各線を同一振幅、かつ、同相の電流が流れる。図７中のＶ_Ｃはコモンモード電圧を示し、Ｉ_Ｃはコモンモード電流を表す。

各モードの特性インピーダンスは、各線とシステムグラウンドとの間の容量ｃ_１１，ｃ_２２および線間容量ｃ_１２、各線の自己インダクタンスＬ_１１，Ｌ_２２および相互インダクタンスＬ_１２を用いて次式のように表現できる。

ここで、系が対称の場合には、ｃ_１１とｃ_２２およびＬ_１１とＬ_２２はそれぞれ等しい。また、これらの線路１次定数は、伝送線路の断面形状をもとに静電界解析により求めることができる。

図８に、各モードの特性インピーダンスと、ケーブルのシステムグラウンドからの高さｈとの関係を示す。ディファレンシャルモード特性インピーダンスは、高さｈに対してほとんど変化がなく、コモンモードの特性インピーダンスは大きく変化していることがわかる。特に、高さｈが低い場合には変化の割合が大きく、ケーブルの高さに応じて伝送特性が大きく変動することを示唆している。そのため、本実施形態では、ケーブルの高さを固定することにより、伝達特性の再現性を向上させる。

［妨害波伝達特性測定システム］
図９に、本発明の一実施形態における妨害波伝達特性測定システムを示す。妨害波伝達特性測定システムは、ベクトルネットワークアナライザ３１を用いて、通信装置２１のＡＣ電源ポートから通信ポートへの妨害波の伝達特性を評価する。ベクトルネットワークアナライザ３１の１つのポートは、ＣＤＮＥ２７を介して、評価対象である通信装置２１のＡＣ電源ポート（図４の物理的ポート＃１）に接続され、コモンモードの信号（妨害波等）を電源線に注入することができる。このとき、ポートに接続された同軸ケーブルの外皮に伝わる２次コモンモードを低減するために、吸収クランプ３２を設置する。

ベクトルネットワークアナライザ３１の他の２つのポートは、銅板３３に設けられた同軸ケーブル用コネクタ３４と、ＲＪ４５−ＳＭＡ変換ボード３５とを介して、通信装置２１の多対通信線２３に接続されている。例えば、ＳＭＡコネクタである２個の同軸ケーブル用コネクタ３４が、導電性の高い銅板３３上に設置され、接地手段を構成する。すなわち、ベクトルネットワークアナライザ３１の他の２つのポートと多対通信線２３とを接続する同軸ケーブルのシールドが、システムグラウンド２４と低インピーダンスで接続される。これにより、評価対象である通信装置２１の通信ポート側の２次コモンモードの終端条件を短絡状態にすることができる。

ここで、銅板３３を用いることの利点は、ベクトルネットワークアナライザ３１方向に２次コモンモードの電磁波を伝搬させないこと、および、測定システム全体、特に、ベクトルネットワークアナライザ３１に接続される同軸ケーブル等を流れる２次コモンモード電流の共振を抑制できることである。

ＲＪ４５−ＳＭＡ変換ボード３５は、銅板３３に設けられた同軸ケーブル用コネクタ３４との間の同軸ケーブルと、評価対象である通信装置２１との間の多対通信線２３（例えば、ＳＴＰのEthernet（登録商標）ケーブル）とを接続する。ここでは、Ethernet（登録商標）ケーブルに合わせたＲＪ４５コネクタと、同軸ケーブルに合わせたＳＭＡコネクタとを備えているが、使用するケーブルに合わせたコネクタを使用することができる。ＲＪ４５−ＳＭＡ変換ボード３５は、ベクトルネットワークアナライザ３１の他の２つのポートを、通信装置２１の２つの通信ポート（図４の物理的ポート＃２，＃３）に、それぞれ接続する。通信装置２１の使用しない６つの通信ポートについては５０Ωで終端する。

評価対象である通信装置２１のＡＣ電源ポートに接続される電源線２２は、伝送特性を安定化させるために、システムグラウンド２４から一定の高さで直線状に配置される。ここでは、通信装置２１およびＣＤＮＥ２７を金属箱３６の上に載置して、電源線２２が一定の高さｈ＝１００ｍｍとなるように配置する。また、通信装置２１の通信ポートに接続される多対通信線２３も、システムグラウンド２４から一定の高さで直線状に配置される。ここでは、ＲＪ４５−ＳＭＡ変換ボード３５を所定の高さに配置して、多対通信線２３が一定の高さとなるようにする。

［妨害波伝達特性測定方法］
次に、図９に示した妨害波伝達特性測定システムを使用して、評価対象である通信装置のＡＣ電源ポートから混入し、通信装置内部を通過して、通信ポートに伝達される妨害波の伝達特性の測定法および妨害波の評価法について説明する。上記の測定システムによれば、通信装置２１のＡＣ電源ポートと通信ポートの散乱行列（Ｓパラメータ）が測定できる。しかしながら、その測定結果は、物理的ポートに対応するＳパラメータであるため、それらをミクスドモードポートに対応させたＳパラメータに変換する必要がある。

電源系から混入する妨害波はコモンモードが支配的であるとされているため、評価対象である通信装置２１のＡＣ電源側には、コモンモードの妨害波の印加のみと考える。測定用の物理的ポートと、伝搬モードごとに分離するためのミクスドモードポートとが対応するが、ここでは、通信装置２１の２つの通信ポート（図４の物理的ポート＃２，＃３）と、ミクスドモードポート（ディファレンシャルモードポートとコモンモードポート）との関係を明らかにする変換プロセスが必要となる。この関係を示す３ポートのミクスドモードＳパラメータは、次式で表される。

この式において、シングルエンドポートである、通信装置２１の電源側のコモンモードポート（ＡＣ電源ポート）から印加された妨害波が、通信側のディファレンシャルモードポートおよびコモンモードポート（通信ポート）に伝達する割合は、Ｓ_ＤＳおよびＳ_ＣＳで示される。

以上で説明したように、本実施形態によれば、通信装置のＡＣ電源ポートから混入し、通信装置の内部を通過して、通信ポートに伝達される妨害波の伝達特性の測定、および妨害波の評価が可能となる。そのため、被妨害装置に侵入する妨害波の伝搬モード、伝達特性が複雑、かつ不明確となる場合であっても、本実施形態によれば、伝搬モード、伝達特性を容易に特定することができ、通信障害、電波障害の発生メカニズムの解明、どのモードの妨害波に対する対策を重点的に行うかの判断が容易になる。

［第１の実施形態］
市販のスイッチングハブに対する評価例を説明する。スイッチングハブの多くは、ＰＥ線がない２線電源ケーブルが主流である。また、筐体は、金属筐体またはプラスチック筐体である。筐体が金属筐体であっても、ＵＴＰケーブルで接続した場合、筐体がＳＴＰケーブルのシールドと接続されていない場合には、システムグラウンドに接続されていない。このようなことから、妨害波の伝達特性が、どのような影響を与えるかは不明である。

複数種のスイッチングハブを、図９に示した妨害波伝達特性測定システムの評価対象である通信装置２１とし、電源線がシステムグラウンドから高さｈ＝１００ｍｍの位置に水平になるように、金属箱３６に設置する。一例として、３種類のスイッチングハブ（ＤＵＴ１〜ＤＵＴ３）を設置して伝達特性を評価した。

図１０に、伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜の測定結果を示す。ＳパラメータのＳ_ＣＳは、電源側のコモンモードポートから通信側の１次コモンモードポートへの伝達量を表している。測定結果から、スイッチングハブＤＵＴ１〜ＤＵＴ３の３つに共通して、約１００ＭＨｚの周波数においてＳ_ＣＳが最大となっており、８０ＭＨｚ付近で約−４０ｄＢであることがわかる。これは、コモンモードで電源側から侵入する妨害波が、８０ＭＨｚの周波数成分を持つとすると、１／１００程度の成分がコモンモードで通信側に伝達されることを意味する。

ここで、ＣＩＳＰＲ２４（非特許文献３）で規定される通信ポートのイミュニティ試験レベルは、３Ｖと規定されている。従って、８０ＭＨｚの周波数成分を持ち、かつ３００Ｖ程度の振幅を持つ妨害波が、電源側から侵入した場合には、通信ポートの誤作動が想定できると評価される。また、種類の異なるスイッチングハブであっても、近似した伝達特性を有していることがわかる。

図１１に、伝達特性｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す。ＳパラメータのＳ_ＤＳは、電源側のコモンモードポートから通信側のディファレンシャルポートへの伝達量を表している。図１０の１次コモンモードへの伝達量｜Ｓ_ＣＳ｜と比較して、１００ＭＨｚ近傍の特性が大きく異なっている。特に、スイッチングハブＤＵＴ２およびＤＵＴ３のディファレンシャルモードへの伝達量｜Ｓ_ＤＳ｜が１次コモンモードへの伝達量｜Ｓ_ＣＳ｜と同様に大きくなっているのに対して、スイッチングハブＤＵＴ１では、１次コモンモードへの伝達量｜Ｓ_ＣＳ｜が最大になっている点において、ディファレンシャルモードへの伝達量｜Ｓ_ＤＳ｜が最小となっている。通常、通信ポートでは差動伝送が行われるので、コモンモードの妨害波よりもディファレンシャルモードの妨害波の影響のほうがはるかに大きくなる。このことを考慮すると、ＤＵＴ２およびＤＵＴ３を通過するときに、１００ＭＨｚの妨害波は、ディファレンシャルモードに変換される変換量が大きく、ＤＵＴ１を通過した場合に比べて通信ポートに対する影響が大きくなると評価できる。

以上説明したように、本実施形態によれば、同じ機能を有する通信装置（スイッチングハブ）であっても、種類が異なれば、妨害波の伝達特性も異なることがわかる。また、それぞれの通信装置の通信ポートを他の装置と接続した場合に、他の装置の通信ポートへの影響が異なることを定量的に評価することができる。

［第２の実施形態］
第２の実施形態では、第１の実施形態と同様に、スイッチングハブ（ＤＵＴ１〜ＤＵＴ３）を用いて、図９に示した妨害波伝達特性測定システムにおける電源線の高さｈの違いが妨害波の伝達特性に与える影響を評価する。スイッチンハブの通信ポート（ＲＪ４５コネクタ）および電源端子は、スイッチングハブの底面から１５ｍｍ程度の高さにあるため、第１の実施形態においては、スイッチングハブがシステムグラウンドから８５ｍｍの高さとなるように設置されている。

図１２に、スイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す。スイッチングハブＤＵＴ１の電源線のシステムグラウンドからの高さｈ＝０，１００，２００ｍｍを変えたときの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜を図１２（ａ）に、伝達特性｜Ｓ_ＤＳ｜を図１２（ｂ）に示す。同様にして、図１３に、スイッチングハブＤＵＴ２の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示し、図１４に、スイッチングハブＤＵＴ３の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す。

スイッチングハブＤＵＴ１およびＤＵＴ３は金属筐体を有しており、図１２および１４を参照すると、電源線の高さｈ＝０、すなわちスイッチングハブもシステムグラウンド上に設置されている場合は、電源線を他の高さｈ＝１００，２００ｍｍに設置した場合と比べて、特性が大きく異なっている。これは、システムグラウンドとスイッチングハブの金属筐体との間の寄生容量が増加したためである。

一方、スイッチングハブＤＵＴ２はプラスチック筐体を有しており、図１３を参照すると、高さｈが変化しても、伝達特性に大きな変化はない。しかしながら、高さｈ＝０ｍｍの測定結果は、高さｈ＝１００，２００ｍｍの測定結果とは、多少なりとも差が生じていると言える。

以上の結果から、図９に示した妨害波伝達特性測定システムを用いる場合、評価対象である通信装置の電源線を設置する高さを、システムグラウンドから１００ｍｍ以上とすることにより、伝達特性が安定的に測定できることがわかる。また、上述したように、通信機器は一般家庭、一般的なオフィスビル等において、基準電位となる大地面からある程度離れた距離に設置されることが多いことから、通信装置の電源線の高さをシステムグラウンドから１００ｍｍ以上とすることは、現実の設置環境を模擬した評価となっている。さらに、本実施形態の測定システムを用いれば、評価対象である通信装置の電源線の高さｈの違いによる、妨害波の伝達特性に与える影響を評価することができる。

［第３の実施形態］
図１５に、ＣＩＳＰＲ１６−２−１（非特許文献４）で規定されている測定系を構成した妨害波伝達特性測定システムを示す。本規定においては、評価対象である通信装置２１の高さｈ１は、システムグラウンド２４から１００ｍｍの高さに配置される。これは、第２の実施形態で述べたように、システムグラウンドと通信装置との間の寄生容量を考慮したものである。電源線２２は、システムグラウンド上に配置したＣＤＮＥ２７から、高さｈ２＝３０ｍｍで、水平方向に長さｌ＝２００ｍｍ配線し、そこから垂直方向に配線して、通信装置２１に接続される。その他の構成は、図９に示した妨害波伝達特性測定システムに同じである。

通常、伝導性の妨害波を評価する場合、周波数範囲は９ｋＨｚ〜８０ＭＨｚまでとすることが多い。しかしながら、妨害波の周波数範囲を高周波側に拡張することを考えた場合、電源線が垂直方向に曲げられていることは、伝達特性の測定結果に影響を与える可能性がある。そこで、第３の実施形態では、ＣＩＳＰＲ１６−２−１に準拠した測定システム（図１５）と、本実施形態の測定システム（図９）の測定結果とを比較し、本実施形態の有用性について説明する。

図１６に、ＣＩＳＰＲ１６−２−１によるスイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す。図１６（ａ）には、図１２（ａ）に示した高さｈ＝１００ｍｍのときの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜を合わせて示し、図１６（ｂ）には、図１２（ｂ）に示した高さｈ＝１００ｍｍのときの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜を合わせて示した。両者を比較すると、スイッチングハブＤＵＴ１においては、伝達特性がピークとなる周波数において、３ｄＢ程度の差が生じていることがわかる。すなわち、電源線の高さｈ＝１００ｍｍで固定した本実施形態の測定システム（図９）の測定結果の方が大きくなっている。

言い換えると、ＣＩＳＰＲ１６−２−１に準拠した測定システム（図１５）を用いた場合には、伝達特性が過小評価となってしまう。また、電源線の曲げ部分の形状の違いにより、この差が大きくなることも考えられる。従って、伝導性の妨害波を評価する場合、本実施形態の測定システム（図９）の方が、安全を見越した妨害波対策を講じることができる。

［第４の実施形態］
第４の実施形態では、ＣＤＮＥの筐体をシステムグラウンドと十分低いインピーダンスで接地する。図９に示したように、電源線２２をシステムグラウンド２４から高さｈに直線状に配置するために、ＣＤＮＥ２７をシステムグラウンド２４から一定の高さに設置する必要がある。このとき、低インピーダンスの接地となるように、導電性の高い金属箱３６の上に設置する。このような本実施形態の有用性について、以下に説明する。

図１７に、ＣＤＮＥの設置条件を変えたときのスイッチングハブＤＵＴ１の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜および｜Ｓ_ＤＳ｜の測定結果を示す。図１７（ａ）には、図１２（ａ）に示した高さｈ＝１００ｍｍ（接地あり）のときの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜と、金属箱３６を発泡スチロール製の箱に変えたとき（接地なし）の伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜とを示す。同様に、図１７（ｂ）には、図１２（ｂ）に示した高さｈ＝１００ｍｍ（接地あり）のときの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜と、接地なしの伝達特性｜Ｓ_ＣＳ｜とを示す。

両者を比較すると、接地なしの場合には、３０ＭＨｚ付近において、伝達特性が不安定となっていることがわかる。これは、システムグラウンドとＣＤＮＥ筐体との間の寄生容量に起因する。従って、ＣＤＮＥをシステムグラウンドに対して十分に低インピーダンスで接続する本実施形態の測定システム（図９）の方が、妨害波の伝達特性をより正確に評価することができる。

［まとめ］
本実施形態によれば、通信装置の電源線から混入し、通信装置の内部を通過して、通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を再現性よく、安定的に評価することができる。特に、通信装置の物理的ポート（ＡＣ電源ポート、通信ポート）および妨害波の伝搬モードごとに分離するためのミクスドモードポート（ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモード）を定義することにより、各ポートの伝搬モードごとの評価が可能となるため、どのポートのどの伝搬モードの妨害波に対する対策を重点的に行うかの判断が容易になる。

妨害波の伝達特性の評価においては、通信側にＳＴＰケーブルを用いることにより、１次コモンモードの帰路電流のほとんどがＳＴＰケーブルのシールドを流れる。このため、通信ポートの１次コモンモードの定義が容易となるだけでなく、シールドと通信線間の終端インピーダンスの固定（決定）方法も容易となる。仮に、ＵＴＰケーブルを用いる場合は、１次コモンモードの帰路電流は、他のペア線に流れるので、評価対象の２線と他のペア線との間の終端条件の定義が新たに必要となり、評価が複雑となる。

評価対象である通信装置の通信側で、通信線（１対）と同軸ケーブルとを接続する際、導電性の高い金属板（銅板）に同軸用コネクタを設置することにより、同軸ケーブル等のシールドが低インピーダンスでシステムグラウンドと接続される。これにより、ベクトルネットワークアナライザに接続される同軸ケーブル等への２次コモンモードの伝搬を防ぐことができ、伝達特性を安定的に測定することができる。また、電源側の同軸ケーブル等には吸収クランプを取り付けることにより、同様の効果を得ることができる。このような構成により、それぞれの同軸ケーブル等を流れる２次コモンモードの電流による共振現象の影響を除去することができる。

評価対象である通信装置の電源線の高さｈは、基準となるシステムグラウンドから１００ｍｍ以上とし、通信線も同程度の高さとなるように直線状に配置する。この構成によれば、評価対象である通信装置とシステムグラウンドとの間、電源線および通信線とシステムグラウンドとの間に生じる寄生容量の影響をできる限り、取り除くことができる。また、上述したように、通信機器は一般家庭、一般的なオフィスビル等において、基準電位となる大地面からある程度離れた距離に設置されることが多いことから、現実の設置環境を模擬した評価が可能となる。

妨害波印加回路（ＣＤＮＥ）の筐体についても、システムグラウンドと十分低いインピーダンスで接地することにより、システムグラウンドとＣＤＮＥ筐体との間の寄生容量に起因する共振現象等を取り除くことができ、妨害波の伝達特性をより正確に評価することができる。

１ 被妨害装置
２，１１，２１ 通信装置
３ 分電盤
４ インバータ／コンバータ
５ 電源線
６，１３，２３ 多対通信線
１２，２２ ＡＣ電源線
１４，２４ システムグラウンド
１５ ＡＣ電源ポート
１６ 通信ポート
１７，２７ ＣＤＮＥ
１８ アウトレット
３１ ベクトルネットワークアナライザ
３２ 吸収クランプ
３３ 銅板
３４ 同軸ケーブル用コネクタ
３５ ＲＪ４５−ＳＭＡ変換ボード
３６，３７，３８ 金属箱

Claims (8)

1. 電源供給を受けるための電源線と、他の装置との通信のための通信線とが接続された通信装置において、前記電源線から混入し、前記通信装置の内部を通過して、前記通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を評価するための妨害波伝達特性測定方法であって、
   前記通信装置における測定用の物理的ポートとして、前記電源線側の電源ポートおよび前記通信線側の通信ポートとを定義すること、
   ディファレンシャルモード、１次コモンモード、２次コモンモードからなる妨害波の伝搬モードごとに、伝達特性を分離して測定するためのミクスドモードポートを定義すること、および
   前記物理的ポートに対応するＳパラメータを前記ミクスドモードポートに対応するＳパラメータに変換して、伝搬モードごとの伝達特性を測定すること
   を備えたことを特徴とする妨害波伝達特性測定方法。
2. 前記通信線は、シールド付き撚り対線であり、前記１次コモンモードの帰路電流がシールドを流れると仮定して、前記シールドと前記通信線との間の終端インピーダンスを定義することを特徴とする請求項１に記載の妨害波伝達特性測定方法。
3. 前記通信線は、シールドの無い撚り対線であり、前記１次コモンモードの帰路電流が他の通信線を流れると仮定して、前記通信線と前記地の通信線との間の終端インピーダンスを定義することを特徴とする請求項１に記載の妨害波伝達特性測定方法。
4. 電源供給を受けるための電源線と、他の装置との通信のための通信線とが接続された通信装置において、前記電源線から混入し、前記通信装置の内部を通過して、前記通信線へ伝達される妨害波の伝達特性を評価するための妨害波伝達特性測定システムであって、
   前記通信装置の前記電源線に接続される第１のポートと、前記通信線に接続される第２および３のポートとを備えたベクトルネットワークアナライザと、
   前記電源線および前記第１のポートを接続する同軸ケーブルに挿入された吸収クランプと、
   前記通信線および前記第２のポート、前記通信線および前記第３のポートのそれぞれを接続する同軸ケーブルのシールドとシステムグラウンドとを低インピーダンスで接続する接地手段と
   を備えたことを特徴とする妨害波伝達特性測定システム。
5. 前記電源線と前記第１のポートとを接続する同軸ケーブルとの間に挿入された妨害波印加回路をさらに備え、
   前記妨害波印加回路と前記通信装置との間の前記電源線は、前記システムグラウンドから一定の高さで直線状に配置されることを特徴とする請求項４に記載の妨害波伝達特性測定システム。
6. 前記妨害波印加回路は、前記システムグラウンドと低インピーダンスで接続されていることを特徴とする請求項５に記載の妨害波伝達特性測定システム。
7. 前記一定の高さは、１００ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５または６に記載の妨害波伝達特性測定システム。
8. 前記接続手段は、前記同軸ケーブルが接続されるコネクタが設置された導電性の金属板であって、前記金属板を前記システムグラウンドに接続することにより、前記同軸ケーブルのシールドと前記システムグラウンドとが低インピーダンスで接続されることを特徴とする請求項４ないし７のいずれかに記載の妨害波伝達特性測定システム。