平成15年度日本学術振興会未来開拓学術研究推進事業研究成果報告書概要



研究推進分野名   電磁波の雑音レベルの低減
 
研究プロジェクト名   不要電磁波の発生および伝搬メカニズムの解明
 
(英文名)   Studies on the Generation of Unintentional Electromagnetic-waves and their Propagation Mechanism
 
研究期間   平成11年度〜平成15年度

プロジェクト・リーダー名 研究経費 総額  240,932千円
氏名・所属研究機関
所属部局・職名
越後 宏・東北学院大学
工学部・教授

内訳 平成11年度 73,840千円
平成12年度 64,191千円
平成13年度 53,901千円
平成14年度 23,000千円
平成15年度 26,000千円

1.研究組織

氏名 所属機関・部局・職 研究プロジェクトでの役割分担
久保山弥八 足利工業大学・工学部・教授 誘電体外筒線路からの放射に関する研究
塩川 孝泰 東北学院大学・工学部・教授 マイクロストリップ線路の伝送と放射の解析
中村  隆 岐阜大学・工学部・教授 伝送線路からの放射に関する研究
大場 佳文 東北学院大学・工学部・助教授 不均一伝送線路からの放射に関する研究
大沼 孝一 東北学院大学・工学部・教授 (平成13年3月31日まで)
嶺岸 茂樹 東北学院大学・工学部・教授 (平成13年3月31日まで)
谷垣 美保 日本学術振興会研究員 (平成12年5月16日から平成13年3月31日まで)

2.研究計画の概要

 近未来において、広帯域電波スペクトルの有効利用が社会的に強く要望される。携帯電話など移動体通信分野における昨今の急激な発展を見れば、このことは予想に難くない。また超高密度電子デバイスの発展に伴って、小電力化と信号の超高速化が輪をかけて進む中、不要電磁波の妨害は避けて通れない問題である。多種多様な電気電子機器を利用しつつ、正常な情報社会を維持するためには、可及的速やかに不要電磁波を低減し抑制しなければならない。にもかかわらず、不要電磁波の発生機構と伝搬機構については、従来、体系的研究が十分なされたとは言い難い。特にディジタル電子機器にあっては、多種多様な能動素子・回路・部品が多数使われており、内部をディジタル信号が複雑に行き交い、これによる不要電磁波の発生伝搬の具体的なメカニズムは殆ど解かっていなかった。従って,本研究では、いくつかの重要な雑音発生機構に着目し、その電磁現象を定量的に解析し、伝搬放射特性を明らかにするとともに、低減対策の方向を探求することとし、研究成果の知見の集約によって、システム全体の雑音低減のための道筋の確立を目標とした。
 具体的には、「ディジタル回路における電磁波雑音の放射機構の解明」に主眼を置き、伝送線路の屈曲部からの放射、伝送線路の端部からの放射、隣接線路の効果、近接誘電体などの放射への効果などを中心に、伝送路伝搬波動が、伝送系から離脱し不要放射となる機構の研究を行うこととした。なお、研究においては、周波数領域のみならず時間領域における数値解析を、モーメント法やFDTD法などの最も有効と思われる手法を駆使し実施するとともに、最新の広帯域測定装置を活用し、精密な実験により確認実証することとした。

3.研究目的

 従来より困難とされてきた「電磁波の雑音レベルの低減」を行うため、本プロジェクトでは、「不要電磁波の発生及び伝搬メカニズムの解明」を研究目的として、平成11年より、最近の高度な測定技術・解析手法を用い先端的研究を行った。
 電子機器を構成するIC、LSIなどの集積回路は回路素子、非線形素子、伝送路から構成され、媒質(空気、誘電体)に囲まれている。このため、回路中の電荷分布や電流は、場所・時間に対し複雑に変化し、結果として空間に不要電磁波を放出し、あらゆる方向に伝搬するなど、複雑な電気現象を生じる。そこで、本研究では、次のことを具体的研究課題とした。
(a)屈曲部を有する伝送線路からの放射の定量的解明、(b)周囲媒質が一様でない伝送線路からの放射の解明、(c)有限長誘電体筒で囲まれた伝送線路からの放射の解明、(d)開放型伝送線路の周囲電磁界変動の実験的解明 
 本研究では、従来余り研究されなかった不要電磁波の発生及び伝搬のメカニズムを、具体的に抽出し、これらを世に先駆けて解明することにより、超小型デバイスやシステム内の超広帯域、超高速信号伝送に起因する不要電磁波の発生抑止に寄与し、雑音レベルの低減に役立てようとするものである.

4.研究成果の概要

4−1 研究計画、目的に対する成果
 本研究プロジェクトを通じ、以下の通り不要電磁波の発生の原因並びに伝搬メカニズムの幾つかを究明した。
1.屈曲部を有する平行二本線路の電磁波論的解析としてFDTD解析を行い、線路周囲の放射電力について、曲がり角度依存、線路間隔依存を定量的に明らかにした。その結果、90度曲がりでは屈曲部分での放射損失が大きいこと、線路間隔が狭いほど放射損失が少ないことなどを明らかにした。曲がりを有するマイクロストリップ線路のFDTD解析により、高い周波数帯域で、線路幅共振によると見られる放射メカニズムを明らかにした.また曲がり部分に45度コーナ部分を設けるなど工夫を加えることにより、不要放射の抑制ができることを明らかにした。現実のPCに用いられているマザーボードなどでは、多数の線路が基板上に配置され、屈曲を繰り返しながらIC同士を接続している.一方では高次にわたる高調波を含む、高速なデジタル信号が線路上を伝搬し、極度に高い周波数の不要波が、線路上に乗ることが予想され、その伝送特性が重要である。本研究では、FDTD解析で10GHzを超えミリ波帯までの範囲にわたり、マイクロストリップ線路の伝送特性を明らかにし、線路幅共振により不要放射が増強される事実を明らかにした。
2.誘電体と空気の境界にある単線路の電磁波伝送に関する理論的解析により、誘電体側への電磁エネルギー伝搬メカニズムを明らかにし、実験により実証した。無損失誘電体と空気の境界面に配置された単線路では、端より供給された電磁エネルギーが、伝送途中に漸次誘電体側に浸透して行き不要波放射が生じる。さらに境界面上の平行2本線では、平衡モード成分は、伝送路を伝搬するが、不平衡成分は誘電体中に吸収され、不要放射波となってゆくことを明らかにし、平衡モードが不要放射防止に効果的であることを明らかにした。また誘電体近傍のダイポールアンテナの特性を明らかにする中で、無損失の誘電体でありながら損失項が等価的に出現するなど、電磁エネルギーの授受について新たな知見を得ることができた。
3.誘電体外筒付き伝送線路の放射メカニズムを明らかにした.すなわち伝送線路の近傍に誘電体が存在するときは、伝送路を伝送する電磁エネルギーが、誘電体中に取り込まれ効率よく放射することを実証し、この現象が不要放射に寄与しえることを明らかにした。逆にこの現象を積極的に使うことにより、小型で高性能のアンテナが実現できることも合わせて検証した。
4.開放型伝送線路の周囲電磁界の変動を実験的に明らかにし放射現象の発生部位を明らかにした.すなわち、従来は電流が導体上を流れると遠方に向け電磁波が放射されるとされてきた。しかしながら波長に比して長い開放型伝送線路などでは、その端部や線路上の不連続部分より、電磁波が放射されることを、実験的に明らかにした。


4−2 研究計画、目的外の成果
 本研究に当たり採用した計算法は、コアメンバーの独自の理論に基づくものである。またFDTD解析法においても、種々の工夫をこらして解析が実施された。これらの経験は、研究上の大切なノウハウであり、財産である。
 誘電体筒付伝送線路(複合線路)が極めて強い放射特性を有することから、高効率のアンテナとしての応用が期待でき、この研究成果は目的外の成果の一つといえる。
 また、実測においても、従来と異なる手法が採用され、その測定技術も新しい知見として今後も蓄積発展させて行く所存である。研究成果の公表とともに、工業界などへの貢献が可能であると確信している。


4−3 研究成果の展望
 本プロジェクト研究により、不平衡伝送では伝送途中で放射が起こりうること、伝送線路の近傍の誘電体は放射の誘因となりうること、伝送路の屈曲部・不連続部は放射の原因となりうることが明らかにされた。
 これを受けて、将来電子機器内部の信号伝送は平衡伝送を基盤とし、デバイスおよびシステムの設計製造が進められてゆくであろうことが展望できる。また、媒質定数の異なる材料に取り囲まれた伝送線路の問題は、更なる研究を進めるべきであり、将来の信号品質確保技術とあいまって、障害抑制技術としては避けて通れない分野であり、技術のみならず学問分野としても新天地を切り開くポテンシァルを有している。
  一方、伝送線路の屈曲部からの放射現象は、高周波電磁気学の重要な課題であり、電磁波の伝搬現象の学問的本質に迫る恰好なテーマでもある。この課題は、そういった意味でも重要な研究の入り口としての意義も有しており、今後の学術的な研究の進展にさらに取り組む必要がある。


4−4 本事業の趣旨に鑑み、果たした役割
 社会に普及する電子機器は、デジタル化が進み、その速度(bits/s)も超高速化が実現してきている。
 近い将来、数十GHzの電気信号を伝送・処理しなければならなくなる事は明らかであり、この近未来において数十GHzの周波数領域での不要放射問題、不要伝搬・不要結合の問題が顕在化してくることは、衆人の認めるところである。この状況の中で、電気電子機器に多用されているプリント基板からの不要放射現象、不要伝搬・結合現象について、広い帯域にわたり明らかにできたことは、極めて有意義なことと考える。
 特に、近隣の媒質とのエネルギーの授受が、明らかにできたことは、将来における電子機器・デバイスの開発時に大いに役立つ知見が得られたものと自負できる。
 超微細化工による製品化技術の実現に向け、製品の正常な機能の確保を保証する意味においても、本不要放射、不要結合に対する対策技術の確立が求められてゆくであろうことから、本研究の成果は、その基礎を与えるものとして、極めて意義のあるものである。

5.キーワード

(1)不要電磁波放射 (2)伝送線路モデル (3)線路屈曲部放射
(4)マイクロストリップ線路FDTD解析 (5)線路間不要結合 (6)屈曲線路パルス波放射
(7)誘電体境界線路 (8)誘電体筒伝送線路 (9)電磁界分布

6.研究成果発表状況

A.学術雑誌論文(Journal Papers)
全著者名 論文名
塩川孝泰 90゚屈曲伝送線路における伝送/放射特性のFDTD解析(Invited)
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌B J86-B 1070-1080 2003

全著者名 論文名
Takayasu Shiokawa FDTD Analysis of the Transmission/Radiation Characteristics of 90°Bent Transmission Lines(Invited)
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 7 1070-1080 2003

全著者名 論文名
大久保寛、陳強、澤谷邦男、塩川孝泰 屈曲マイクロストリップ線路における放射に関する検討
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌B J86-B 8 1659-1662 2003

全著者名 論文名
Kan Okubo,Qiang Chen,Kunio Sawaya, Takayasu Shiokawa Consideration on an Emission from Microstrip Line with a 90°Bend
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 8 1659-1662 2003

全著者名 論文名
塩川孝泰、高橋応明 FDTD解析におけるマイクロストリップ線路の終端
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会和文論文誌B J86-B 9 1774-1774 2003

全著者名 論文名
Takayasu Shiokawa, Masaharu Takahashi FDTD Analysis for Termination of Microstrip Line
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 9 1774-1774 2003

全著者名 論文名
中村 隆、一川健、佐藤利三郎 透過型電波吸収体
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌B J86-B 4 695-702 2003

全著者名 論文名
Takashi Nakamura, Takeshi Ichikawa, Risaburo Sato Permeable Wave Absorber
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 4 695-702 2003

全著者名 論文名
中村隆、小川賢二、佐藤利三郎 2媒質境界近傍ダイポールの電気的特性
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌B J86-B 10 2189-2195 2003

全著者名 論文名
Takashi Nakamura, Kenji Ogawa, Risaburo Sato Electric Characteristics of a Dipole near a Boundary of Two Media
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 10 2189-2195 2003

全著者名 論文名
大場佳文、嶺岸茂樹、根元義章 複素インピーダンス負荷に適した不均一線路整合回路の一設計法
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌B J86-B 7 1264-1267 2003

全著者名 論文名
Yoshifumi Ohba, Shigeki Minegishi, Yoshiaki Nemoto A Design Method of Nonuniform Transmission Lime Matching Section for Complex Impedance Load
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 7 1264-1267 2003

全著者名 論文名
谷垣美保・神山幹幸・越後宏 TEMセルにおける遮断周波数の境界スケーリング関数によるシミュレーション
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会和文論文誌B J86-B 4 686-694 2003

全著者名 論文名
Miho Tanigaki, Motoyuki Kamiyama, Hiroshi Echigo Simulation of Cutoff Frequencies in TEM Cells by Boundary Scalling Functions
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J86-B 4 686-694 2003

全著者名 論文名
沢田浩和,中村隆,佐藤利三郎 境界単線路の分布定数解析と測定
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌 B J85-B 2 258-265 2002

全著者名 論文名
Sawada Hirokazu, Takashi Nakamura, Risaburo Sato Analysis and Measurement of Distributed Constants for a Single-Wire Line on a Boundary
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J85-B 2 258-265 2002

全著者名 論文名
川又 憲, 嶺岸茂樹, 芳賀 昭 6.9kV系断路器開閉に伴う過渡電圧波形の広帯域測定
学術雑誌名 ページ 発行年
電子情報通信学会論文誌 B J84-B 109-115 2001

全著者名 論文名
Ken Kawamata, Shigeki Minegishi, Akira Haga Wideband Measurement of Voltage Transients Due to Operating a Disconnecting Switch on 6.9kV Power System
学術雑誌名 ページ 発行年
IEICE Transactions on Communications J84-B 1 109-115 2001

全著者名 論文名
山崎慶太, 加藤和夫, 小林宏一郎, 川又 憲, 嵯峨顕悦, 後藤 昇, 嶺岸茂樹, 芳賀昭 直流電車に起因する低周波環境磁界の計測と検討
学術雑誌名 ページ 発行年
電気学会論文誌A 120-A 8/9 835-844 2000

全著者名 論文名
Keita Yamazaki, Kazuo Kato, Koichiro Kobayashi, Ken Kawamata, Akiyoshi Saga, Noboru Goto, Shigeki Minegishi,Akira Haga Environmental low-frequency magnetic field due to direct-current electric railcar
学術雑誌名 ページ 発行年
Trans. IEE of Japan 120-A 8/9 835-844 2000

B.国際会議発表論文(International Conferences)
全著者名 論文名
H. Echigo and K. Sato Experimental studies on the electromagnetic fields around a two-wire parallel line
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2004 International Symposium on EMC(EMC'04) Sendai, Japan 1D2-3 ??? 2004

全著者名 論文名
H. Echigo and A. Ishikawa Analysis of the electromagnetic fields around a two-wire parallel line basing on distributed circuit theory
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2004 International Symposium on EMC(EMC'04) Sendai, Japan 4C1-2 ??? 2004

全著者名 論文名
H. Endo H. Shoji and T. Shiokawa The influence of the dielectric thickness upon transmission/radiation characteristics of MSL with a bend (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2004 International Symposium on EMC (EMC'04) Sendai, Japan 1D1-2 ??? 2004

全著者名 論文名
T.Nakamura, N.Takase, R.Sato Radiation Characteristics of a Transmission Line with a Side Plate (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2004 International Symposium on EMC (EMC'04) Sendai, Japan 1D1-1 ??? 2004

全著者名 論文名
Y. Kuboyama and R. Sato Radiation from a parallel-two-wire line covered with dielectric tube (Invited)
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2004 International Symposium on EMC (EMC'04) Sendai, Japan 1D1-3 ??? 2004

全著者名 論文名
A.Ishikawa, Y.Itoh, K.Sato & H.Echigo Time Domain Measurements of EM Waves Propagating on a Parallel Transmission Line and Their Motion Displays
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2003 Instrumentation and Measurement Technology Conference Vail, CO ??? 1222-1227 2003

全著者名 論文名
Kazuo AIZAWA, Hiroshi ECHIGO EM Near Fields formed by Scattering of Multi-Wire Conductors under Illumination of TM Plane Wave
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2003 IEEE Symposium on EMC Boston, MA TU-PM-OF-2-9 309-312 2003

全著者名 論文名
A.Ishikawa, Y.Itoh, K.Sato, H.Echigo Time Domain Measurements of EM Waves Propagating on a Parallel Transmission Line and their Motion Displays
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
IMTC2002 Bangkok, Thailand 6B-2 353-358 2002

全著者名 論文名
H.Sawada, T.Nakamura R.Sato Far field of a single-wire line on a boundary
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
EMC Europe 2002 Sorrento, Italy ??? 299-302 2002

全著者名 論文名
T.Nakamura, A.Takahashi, R.Sato Analysis of radiation from pulse wave antennas
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2002 ISAP Yokosuka ??? 351-354 2002

全著者名 論文名
M.Tanigaki・H.Echigo・M.Kamiyama Simulation of Cutoff Frequencies in TEM Cells by Boundary Scaling Functions
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2001 IEEE AP-S/URSI Symposium Boston, MA P29-6 596-599 2001

全著者名 論文名
H.Echigo, R.Sato Calculation of Transient Response on Circuits constructed with Resistors and Equi-length Transmission Lines
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
PIERS2001 Osaka, JAPAN 3P5a2 379-379 2001

全著者名 論文名
H.Echigo, T.Yachiya, R.Sato The Mathematical Representation for the Variation of Levels with Small Occurrence Rate in Radio Noise
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2001 IEEE EMC International Symposium on EMC Montreal, Canada D3-P6-2 870-875 2001

全著者名 論文名
Y.Ito, K.Sato, H.Echigo Time Domain Measurements of EM Field Pattern to Animate the Radio Wave Propagation
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
AP-RASC'01 Tokyo, JAPAN A4-2-04 61-61 2001

全著者名 論文名
H.Echigo, R.Sato Representing Function for Extreme Value Distribution to Describe the Low Time Rate Portion of Radio Noise
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
AP-RASC'01 Tokyo, JAPAN E6-04 139-139 2001

全著者名 論文名
T.Nakamura, H.Sawada A measurement of propagation characteristics
of a single wire line on a boundary
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
PIERS2001 Osaka, Japan 5A1-3 596-596 2001

全著者名 論文名
Ken KAWAMATA, Shigeki MINEGISHI, Akira HAGA Measurement of Voltage Transient Duration and Frequency Spectra due to Gap Discharge as Low Voltage ESD
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
IV International Symposium on Electromagnetic Compatibility and Electromagnetic Ecology ??? ??? 186-189 2001

全著者名 論文名
Ken KAWAMATA, Shigeki MINEGISHI, Akira HAGA 4.5GHz Time Domain Measurement of Voltage Transient Duration due to Micro Gap Discharge as Low Voltage ESD
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
2001 IEEE EMC International Symposium Montreal, Canada D3P5-01 833-837 2001

全著者名 論文名
Takashi Nakamura, Hirokazu Sawada, Hiroshi Echigo and Risaburo Sato A simple modal equation for a single-wire line on a boundary
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
ISAP2000 Fukuoka, Japan ??? 843-846 2000

全著者名 論文名
K.Okubo and T.Shiokawa Electromagnetic Interaction between Head and Antenna and Its Frequency Characteristics
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
ISAP2000 Fukuoka, Japan ??? ??? 2000

全著者名 論文名
K.Kawamata, S.Minegishi, A.Haga Time Domain Measurement of Very Fast Transition Durations due to Gap Discharge in Air as a Simulation of the CDM ESD
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
International Symposium on EMC Wroclaw, Poland Part1-D4 149-153 2000

全著者名 論文名
K.Ohnuma, S.Tomitsuka,K.Yamane, T.Shinozuka A Simulating Method for Random Noise Controllable of APD and CRD Characteristics
会議名 開催場所 論文番号 ページ 発表年
IEEE International Symposium on Intelligent Signal Processing and Communication Systems Phunket, Thailand ??? 403-406 1999


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