テーマ:近傍電磁界

2021年12月23日更新

近傍磁界プローブの応用例

近傍磁界プローブは半導体や,P板上の磁界分布に測定に用いられることが主ですが,時には別の用途に使っても興味深い結果が得られます。

今回は,SDカードソケットのシールド性能を評価した事例です。

裏面

今やSDメモリーカードは,PC,デジカメやムービーと幅広い商品に採用されていますが,様々な高周波回路が高密度に実装されるP板では,SDメモリーカード駆動時の電磁波の影響を防止するため,ソケットのシールド性が要求されることがあります。そこで,近傍磁界プローブで簡易的にシールド測定を行いました。

メーカの異なる2つのSDカードソケットの測定結果を示します。  

SDカードソケット

2つのソケットの違い,おわかりですか?
その違いは素材なんです。上が樹脂製,下が金属製です。
さらに,同じ金属製であっても開口部の形状やアースの接続法等の違いによっても,シールド性能に大きな差が生じます。
使用用途によっては,結構気になる差ですよね。正直,ここまでの差があるとは驚きでした。シールド性能の評価については,標準的な評価方法があまり存在せず,対応に苦慮する場合がありますが,この方法は微小部品のシールド性の評価に有効だと思います。シールドトランスなどの評価にも応用できそうです。

近傍磁界プローブの応用例2

前回に引き続いて,近傍磁界プローブ(MP法)の応用例をご紹介いたします。

無線通信の高周波化に伴い,アンテナがP板上に直接取り付けられる(場合によっては,P板そのものでアンテナが形成される)ことが多くなっています。

その場合,気になるのがオンボード化による性能の低下や,周辺回路との干渉問題の発生です。

UWB用のアンテナを例にして,近傍磁界プローブにて検討を行ってみました。まずはアンテナ単体での電流分布を示します。

アンテナ表面の中央に電流分布が見られます。

アンテナ単体での電流分布

続いてオンボード時の電流分布です。

オンボード時の電流分布2
オンボード時の電流分布2

アンテナ単体時に比べ,アンテナ表面の電流が小さい値となりました。これはアンテナにとって好ましくない傾向と言えます。
また,RF回路とは直接関係しない周辺回路にまで,RF信号が流入していることが分かりました。
このサンプルはあくまで検討用のものですが,RF信号の流れを可視化することで,最終品の完成度向上のためのヒントを得られる可能性があります。

今後はRF回路設計においても,最初のチェック項目として,MP法は欠かせない存在となるかも知れません。

また,近年,EMCでは電子機器内の自家中毒(イントラEMC)が問題となっていますが,この事例と同様,近傍磁界プローブの活用が期待できます。

近傍磁界プローブの測定距離

密着の場合,磁界強度の大きい箇所(赤)がはっきり見えますが,距離が離れると急激に減衰することが分かります。これは,この部分が遠方の放射EMIレベルに直接,影響していないことを示しています。微小なループは遠くまで磁界を飛ばすことが出来ないのです。

一方,中程度のレベルの箇所(緑)は距離を離してみても,それほど減衰しません。このプリント基板は平行平板共振によって,広範囲に磁界が生じていますが,このようなコモンモードの磁界は,遠方の放射レベルに大きな影響を与えます。

たとえ,赤い部分が多いプリント基板であっても,少し距離を離してみて,強度が低下する基板は,良いプリント基板と言えるのではないでしょうか。

プローブの距離=0mm(密着)
プローブの距離=3mm

このプリント基板では,信号線がGND層をまたぐことで,GND層を励振させています。その時,プリント基板の大きさによって,固有の共振が発生します。

この共振はGND層と電源(Vcc)層が「平行平板共振器」を形成することから,一般に平行平板共振と呼ばれています。
B基板はGND層と電源層の厚みを薄くすることで,平行平板共振を抑え込んでいます。
実際の基板では,平行平板共振の状態は,励振の状態や,実装された多数の電子部品(コンデンサなど)の影響により,正確に予想するのは困難です。

したがって,近傍磁界強度の測定により,共振の状態を把握することは,放射EMI対策にとって極めて重要となります。

近傍磁界強度分布 平行平板共振(1)

以前に以下のような6層のプリント基板を用いて,平行平板共振の検討を行いました。

平面図 6層基板

このプリント基板で,層構成が全く同じで,層の厚みのみを一部変えたものの近傍磁界強度分布を測定しました。

A基板
B基板

AとBを比較した場合,最も磁界強度が大きいところ(赤)の部分は,ほぼ同じ大きさであることが分かります。 

しかしながら,中程度の強度のエリア(緑)が大きく異なります。実は,このP板はA基板の方が,遠方での放射EMIのレベルが大きい(約15dB)のです。

このことからも,磁界強度の最大値が単純に放射EMIと比例しないことが言えます。

近傍磁界強度分布 平行平板共振(2)

前回(7/31)の記事で,2枚のプリント基板の近傍磁界強度分布をご紹介しました。
実はこの2枚のプリント基板は,内層の厚みが少し違うだけなのです。

A基板
B基板

このプリント基板では,信号線がGND層をまたぐことで,GND層を励振させています。その時,プリント基板の大きさによって,固有の共振が発生します。

この共振はGND層と電源(Vcc)層が「平行平板共振器」を形成することから,一般に平行平板共振と呼ばれています。

B基板はGND層と電源層の厚みを薄くすることで,平行平板共振を抑え込んでいます。

実際の基板では,平行平板共振の状態は,励振の状態や,実装された多数の電子部品(コンデンサなど)の影響により,正確に予想するのは困難です。

したがって,近傍磁界強度の測定により,共振の状態を把握することは,放射EMI対策にとって極めて重要となります。

近傍電界・磁界の同時計測

近傍界を電界・磁界同時に計測できるプローブを導入しました。

このプローブは日立ディスプレイズ様が販売されているもので、プローブの2出力の和分と差分を演算することで,電界成分と磁界成分を切り分けるものです。

磁界によって生じる電流には向きがありますが、電界の場合は電位差が生じますので、両端のインピーダンスが同じであれば,双方に同じ電流が流れます。

よって、演算により各成分を分離することができます。

近傍界を電界・磁界同時に計測

これまでは,近傍用の優れた電界プローブがありませんでしたが、今回のプローブは電界プローブ単体としての性能にも期待しています。
追って、使用レポートをアップいたします。

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