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マイクロ波帯、ミリ波帯の利用拡大のための 機器雑音抑制技術の研究開発
マイクロ波帯、ミリ波帯の利用拡大のための 機器雑音抑制技術の研究開発 ２０１１年１１月３０日 日本電気株式会社 研究開発概要 本研究開発の必要性 デジタル回路 (雑音発生源) 波源から10cmにおける 雑音ﾚﾍﾞﾙ70～80dBV/m 無線回路 電磁干渉 20dB （ 1m→10cm換算） 無線機器における電波環境 通信技術の進化 ・高周波化 ・低通信電力化 ・機器の小型化 通信特性の劣化 無線機器の基板 10cm ・通信速度の低下 電磁干渉 ・送信電力の増大 問題が （耐電磁雑音のため のパワーアップ） 顕在化 無線LAN信号＠100m 77dBV/m（10mW出力） 雑音（現状） 70～80dBV/m UWB＠10m 65dBV/m 20dB 17dB 低減 30dB 低減 デジタル回路の無線回路への電磁干渉を抑制 する技術の開発が必須に！ 最終目標 研究開発体系 15dB （第１目標） 60dBV/m 10dB （最終目標）：50dBmV/m 現状の雑音レベルを30dB以上低減し、雑音 レベル50dBμV/m以下の低電磁干渉の無線 通信機器を実現 ア）デジタル－無線回路間雑音結合メカニズムの解明 イ）電磁界制御材料を適用した電磁干渉抑制技術 ウ）電磁界制御材料特性評価技術 波及効果 無線通信機器が常に最大通信速度を維持 2 研究開発の手法 ア）デジタル－無線回路間の電磁雑音結合メカニズムを解明するための研究開発 光ファイバプローブ デジタル回路 無線回路 電磁雑音 無線回路 S G ＡＰＤカーブ V S デジタル回路 デジタル回路 デジタル回路 APD（確率分布計測）や光ファイバプローブなどの 最先端の計測手法を駆使 プリント基板 イ） 電磁界制御材料を適用した電磁干渉 抑制技術の研究開発 高周波電流 デジタル回路 ウ） 電磁界制御材料特性評価技術 の研究開発 アンテナ プリント基板 GNDプレーン 雑音電磁波 発信回路 高周波プローブ 単位セル a 電源プレーン プリント基板 EBG構造やフェ ライトメッキシー ルドなどによる 干渉抑制技術 開発 標準信号発生 ／受信機 高周波電流 exp(-a), = + j アンテナ デジタル回路 GNDプレーン × × 本技術の実用化と適用拡大の促進のため、 干渉抑制効果の評価手法を確立 →評価手法の標準化を視野 EBG構造 電源プレーン （EBG: Electromagnetic Band Gap） 3 最終成果 ①空間結合 電磁雑音 ア） 結合メカニズムの解明 電磁干渉 ○PER、APD測定、磁界プローブ、共振解析、 APD相関解析手法により、 雑音源（基板端、 ヒートシンク、メモリー）を推定 無線回路 デジタル回路 ②伝導性結合 プリント基板 → EBG、セラミックヒートシンク、金属キャップ 適用により、主雑音源を確認 ③伝導後に、 基板端から放射し、空間結合 ①の対策： ヒートシンク、メモリモジュール からの放射電磁雑音を抑制 ②③の対策： 伝導性電磁雑音を抑制 現状 ○電磁バンドギャップ（EBG）新構造開発 （小型、設計自由度大、マルチバンド抑制） ○電磁雑音抑制要素技術開発 （磁性体シート、フェライト薄膜、3Dフィルタ） 64.0dBμV/m （実績） 雑音レベル(ピーク値) イ） 電磁干渉抑制技術 50dBμV/m以下 （目標） ウ） 特性評価技術 ○APD測定手法 43.5dBμV/m （実績） ○PER測定手法 ○磁生体材料の損失特性評価手法 ※PER（Packet Error Rate） 、 EBG（Electromagnetic Band Gap） APD（Amplitude Probability Distribution、振幅確率分布） 4 ○EBGの減衰定数評価手法 ア）デジタル－無線回路間の電磁雑音結合メカニズムを解明するための研究開発 目標 APD（確率分布計測）や光ファイバプローブなどの最先端の計測手法を駆使して電磁雑音 結合メカニズムを解明 ※PER（Packet Error Rate） APD（Amplitude Probability Distribution、振幅確率分布） FPGA（Field Programmable Gate Array） 取り組みと成果 無線LAN搭載基板を用いてPER、APDを測定し、PER劣化要 因となる雑音の経路を調査 磁界プローブ、共振解析シミュレーションにより雑音源を探査 PER (%) 10 1 0.1 FPGA OFF 100 PER (%) FPGA OFF FPGA ON (1010) FPGA ON (RANDOM) 100 APDを用いた相関解析技術を開発。標準ダイポールアンテ ナを用いてプリント基板上の各点でAPD測定を行い、相関解 析により雑音の類似度を可視化し、雑音源の特定に成功 FPGA ON (1010) 10 FPGA ON (RANDOM) 1 0.1 0.01 0.01 0 10 20 30 0 40 Relative transmission power (dB) ＜アンテナ接続時＞ 10 20 30 40 Relative transmission power (dB) ＜ケーブル接続時＞ PER測定結果 基板端部に位置するデジタル回路の電源系からの放射雑 音が、空間を介してアンテナに結合することによりPER劣化 が生じることを実証 平面APD測定系 測定対象基板 相関あり 1.E+00 FPGA ON 1.E-01 0.999-1 0.998-0.999 0.997-0.998 0.996-0.997 0.995-0.996 0.994-0.995 0.993-0.994 0.992-0.993 0.991-0.992 0.99-0.991 0.989-0.99 0.988-0.989 0.987-0.988 0.986-0.987 1.E-02 Probability 1.E-03 1.E-04 1.E-05 1.E-06 1.E-07 1.E-08 1.E-09 -10 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 CH1 CH2 CH3 CH4 CH5 -5 (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA (FPGA OFF) OFF) OFF) OFF) OFF) ON 1010) ON 1010) ON 1010) ON 1010) ON 1010) 0 5 FPGA 10 15 20 25 Amplitude [dBuV] APD測定結果 基板表面上空 磁界分布 Power plane APDの比較ポイント（×部分） 電源系共振解析結果 5 比較ポイントとの相関 イ）電磁界制御材料を適用した電磁干渉抑制技術の研究開発 目標 磁性材料 EBG構造やフェライトメッキなどの電磁界制御 材料による電磁雑音干渉抑制技術開発 電磁雑音干渉抑制技術適用による雑音レベル 50dBμV/m以下のﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路搭載無線機器 の実現 デジタル回路 無線回路 誘電材料 ※EBG (Electromagnetic Band Gap) 散乱物を周期配列した構造。特定の周波数帯において電磁波伝搬を抑制し、 ｽﾄｯﾌﾟﾊﾞﾝﾄﾞを生じる特徴を備える 取り組みと成果 電磁界制御材料構造として、メタマテリアルの一種である ３つのＥＢＧ構造を提案 従来型ノーマル構造 (既存構造) インダクタ増加型構造 （H19 年度提案） スタックドキャビティ型構造 (H20 年度提案) 人工誘電材料 基板内伝導性雑音抑制技術（ｵｰﾌﾟﾝｽﾀﾌﾞ型ＥＢＧ構造、基板層 構成ＧＶＧ構造）、基板表面放射雑音抑制技術（ｾﾗﾐｯｸﾋｰﾄｼﾝ ｸ、磁性体ｼｰﾄ、金属ｷｬｯﾌﾟ）の適用により、 目標雑音レベル50dBμV/m以下を達成 （最小雑音レベル43.5dBμV/mを実現） オープンスタブ型構造 （H20 年度提案） 電磁界制御材料として提案したEBG構造（断面図） EBG構造実用化のために、製造ばらつき、レイアウトの自由 度を考慮した設計指針を確立 ﾗｲｻﾞｰﾎﾞｰﾄﾞ ﾏｻﾞｰﾎﾞｰﾄﾞ 65 雑音電界強度 [dBuV/ｍ] 無線ボード 60 ｸﾛｯｸ ｼﾞｪﾈﾚｰﾀ 55 GMCH CPU IOCH Memory ｸﾞﾗﾝﾄﾞﾊﾟｯﾄﾞ （金属ｼｰﾙﾄﾞ用） ｵｰﾌﾟﾝｽﾀﾌﾞ型EBGデフォルトパタン ＥＢＧブロック間の空隙の影響を検討 試作したﾃﾞｼﾞﾀﾙ回路 搭載無線機器 実用化を視野に入れた検討 6 対策前 対策後 最終目標 50dBμV/m以下 50 45 40 電磁干渉雑音ﾚﾍﾞﾙ （APD測定結果＠1e-6) イ）電磁界制御材料を適用した電磁干渉抑制技術の研究開発（具体的成果の説明） 2.3mm OpenOpen stub2 stub 2 LR 2.3mm C CR 断面図 ax ay 2.5mm stub 1 Open Open stub1 LL 等価回路 ＜ＥＢＧ構造＞ ＜シングルバンド型＞ ＜マルチバンド型＞ 第1バンドギャップ 第2バンドギャップ ＜課題＞ ①パッチサイズが大きく高密度実装に適さない（13mm□＠2.4GHz） ②基板の層数が増加しコストアップにつながる LPPW/2 マルチオープンスタブなし ﾏﾙﾁﾊﾞﾝﾄﾞﾞ型EBGなし マルチオープンスタブあり ﾏﾙﾁﾊﾞﾝﾄﾞﾞ型EBGあり LPPW/2 d CPPW Lvia パッ チ 2.3mm Transmission Line (Open Stub) Z0 , Open Stub Top plane Top plane r1 w r2 2r Bottom plane Bottom plane 断面図 ＜断面図＞ ＜積層キャビティ型EBG構造＞ 断面図 a ＜オープンスタブ型EBG構造＞ 7 マルチバンドオープンスタブ型EBGによる 雑音抑制効果 ウ）電磁界制御材料特性評価技術の研究開発 目標 開発する電磁干渉抑制技術の実用化と適用拡大の促進のため、評価手法の標準化を 視野に入れて、電磁干渉抑制効果の評価手法を確立 ※PER（Packet Error Rate） APD（Amplitude Probability Distribution、振幅確率分布） 取り組みと成果 標準化手法確立に向けて磁生体材料の損失特性評 価手法、EBG特性の重要な評価パラメータである減衰 定数評価手法を確立 無線LANルータ 送信側PC 電波暗箱 評価ボード/ 無線通信機器 無線ボード 100 STD 10 Loss [dB] パケット送信 ANT ANT 可変 アッテネータ Packet Error Rate(%) 電磁干渉抑制効果の測定手法としてPER測定手法、APD測定 手法を検討し、評価システムを構築 APD測定において、測定誤差を1.5dB以下にするためには4分 以上の測定時間が必要なことを明確化 EBG 1 Edge Via 0.1 0.01 受信側PC ＜評価システム＞ 5 10 15 20 Relative Transmission Power(dB) ＜測定結果事例＞ 無線ボード ケーブル PC ＜評価システム＞ 単位セル PCB1 3-1-2 1.E-05 PCB2 3-1-2_HS+memory 4-2 PCB3 1.E-07 ＜評価システム＞ 4500 5500 2 αa 1 βa 0 4-2_HS+memory PCB4 10 3500 a (from S para) a (from S para) Eigen mode Eigen mode 3 1.E-03 1.E-06 APDカーブ a 1.E-02 1.E-04 2500 ＜測定結果事例＞ αa a, aβa Probability APD 測定機 1500 磁生体材料の損失特性評価手法 APDカーブ 1.E-01 アンプ フェライト膜なし Frequency [MHz] 高周波プローブ 1.E+00 評価ボード/ 無線通信機器 フェライト膜 500 0 PER評価システム 電波暗箱 受信 アンテナ 磁性体シート 0 -1 -2 -3 -4 -5 -6 -7 -8 -9 -10 -11 -12 30 50 Amplitude(dBuV/m) 70 exp(-a), = + j ＜２線路測定法＞ ＜測定結果事例＞ 0 2 4 8 8 10 ＜単位セル当たりの減衰定数＞ EBGの減衰定数評価手法 APD評価システム 6 Frequency [GHz] Frequency [MHz] 知的財産への取り組み等 成果 特許 国内出願 口頭発表 海外出願 国内発表 国際発表 論文掲載 H19年度 3 H20年度 10 1 9 3 H21年度 22 8 9 4 H22年度 15 11 5 H23年度 4 17 1 5 1(和文) 合計 54 37 26 12 3 報道発表 2 １ 2(英文) 1 ★表彰★ 1）電子情報通信学会学術奨励賞：電子情報通信学会IEICE ソサイエティ大会，2009.3月 2）環境電磁工学研究会優秀発表賞：電子情報通信学会 環境電磁工学研究会 (EMCJ)，2009.6月 9 成果の展開方策、実用化に向けた取り組み 方針 本研究で開発したEBG構造等の電磁雑音抑制技術の早期実用化を推進し、今後3年 以内に製品適用を実現する計画 適用先イメージ コンピュータ機器 通信機器 伝導性雑音抑制技術 放射雑音抑制技術 無線回路 電磁雑音 プリント基板 デジタル回路 電磁雑音抑制技術 モバイル端末 社会インフラ機器 人工衛星等 10