EMC村の民
~iNarte EMCエンジニアへの道~
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電磁波シールドの原理

 

放射エミッション試験にて、金属筐体を利用して電磁波シールドでノイズ対策を行うことがあります。

端的に言えば、金属で囲うことで電磁波をシールドしているわけですが、その原理を理解しているでしょうか?

 

今回の記事では、電磁波シールドについて「原理」と計算方法について紹介していきます。

シールドの原理については iNarte資格試験でもよく問題として取り上げられるので、試験対策としても学ぶ価値はあります。

 

 

電磁波シールドとは

シールドにはそもそも3つの種類があります。

  • 静電シールド
  • 磁気シールド
  • 電磁波シールド

 

このうち「静電シールド」と「磁気シールド」は直流や低周波の電界や磁界に対するシールドを表します。

ノイズ対策のときに利用するシールドは「電磁波シールド」です。

電磁波シールドの性能は「シールド効果(Shield Effective)」として、電界、磁界それぞれに適用できます。

2つの対向したアンテナを設置したときのレベルと、シールド材を間に挟んだときのレベルを比較し、そのレベルの比を「シールド効果」として定義しています。

シールド効果の測定方法としては「KEC法」や「アドバンテスト法」が有名です。

少し変わった方法としては、電波暗室の壁面に穴を開けて、その穴の箇所にシールド材を貼り付けて評価する方法もあります。

シールド効果_電波暗室シールド効果_電波暗室 出典:日本バンガード

シールド効果はレベルの比であるため「デシベル(dB)」で表され、ノイズ対策に使用するための目安としては、30dB以上が必要と言われています。

シールド効果 効果
10dB以下 ほとんど効果なし
10~30dB 最小限の効果
30~60dB 平均的(携帯電話圏外レベル)
60~90dB 平均以上
90dB以上 最高水準

 

シールド効果の式で見たとおり” 20*Log() ”で表されるため、シールド効果を比率で表すと以下のようになります。

  • 20dB ⇛ 90%シールド
  • 40dB ⇛ 99%シールド
  • 60dB ⇛ 99.9%シールド

この数値を見ると、60dB以上のシールド効果があればかなりのノイズがシールドできるような気がしますね。

 

シールド効果の原理

「シェルクノフの式」によると、シールド効果は3つの損失によって生まれるとされています。

  • Reflection loss:反射損失
  • Absorption loss:吸収損失
  • Multiple reflection correct factor:多重反射補正

 

下の図は、それぞれの作用を図示したもので、「減退」が「吸収」に相当します。

シールド効果_こだま製作所シールド効果の内訳 出典:こだま製作所

シェルクノフの式では、それぞれの損失を加算することで、シールド材が有するシールド効果を算出します。

Shield Effect [dB] = R [dB] + A [dB] + M [dB]

 

反射損失

反射損失Rは、空間とシールド材との反射係数Γによって決まります。

反射係数は伝送線路の計算でも出てきましたね。

反射係数とVSWRの計算方法(AppCAD) 今回も引き続き、AppCADによる iNarte 資格試験の回答術をご紹介します。 AppCADの機能紹介...

 

伝送線路の場合は特性インピーダンスを50Ωで計算しますが、遠方界のシールド効果の場合は377Ωで計算します。

(近傍界と遠方界については以下の記事で説明しています)

シールド材の設計方法シールド材を設計するという観点で、「近傍界」と「遠方界」の影響や「開口部」の影響について紹介しています。...

シールド効果は反射係数が大きいほうがシールド効果が高くなります。

反射係数は、特性インピーダンスZoと比較して、シールド材のインピーダンスZが非常に低い場合に大きくなります。

 

つまり、金属などの導電率の高い材料ほど高いシールド効果が得られるということです。

ちなみに金属同士でも導電率に違いがあり、シールド材としては比較的導電率が高い銅やアルミの箔がよく使用されます。

金属導電率金属導電率 出典:コトバンク

 

吸収損失

吸収損失Aは、シールド材に電磁波が入射したときに誘導電流が流れることで発生する損失です。

最もイメージしやすいものがコイルやモーターの解析で出てくる「渦電流損」です。

コイルの損失の種類コイルの損失の種類(ヒステリシス損失、うず電流損失、残留損失)について紹介しています。...

 

コイルの場合は磁界の作用によって電流が発生しますが、シールド材の場合は同じような現象が電磁波で起こります。

そしてこの吸収損失は、金属の電磁波の浸透の深さを表す「表皮効果」とつながります。

表皮効果とは(Wikipediaより)

表皮効果(ひょうひこうか)は交流電流が導体を流れるとき、電流密度が導体の表面で高く、表面から離れると低くなる現象のことである。周波数が高くなるほど電流が表面へ集中するので、導体の交流抵抗は高くなる。

一般に高周波における影響が論じられることが多いが、電力系統など大電流を扱う際にも重要で、直流送電が有利とされる理由の一つでもある。

これを「吸収損失」と読み替えると、周波数が高くなるほど渦電流による吸収損失が大きくなり、シールド材のシールド効果が高くなるという解釈ができます。

 

入射する電磁波の周波数を f (Hz)、材料の厚み、導電率、透磁率をそれぞれt (m)、σ (S/m)、µ (H/m)とすると、次式で表されます。

前述の通り、周波数(の平方根)に比例して吸収損失が大きくなることがわかります。

トランスで磁界シールドするために「ショートリング」を利用するのも、この渦電流によって吸収損失を発生させるシールド対策です。

トランス_ショートリングショートリング 出典:Bacchus Antiques

 

多重反射補正

多重反射補正Mは、シールド効果として積極的に利用するものではありません。

シールド材内部に侵入した電磁波の一部が境界で反射し、それが複数回繰り返すうちに外部に漏れ出てしまう現象が多重反射です。

 

シールド効果は本来、単発の電磁波に対してシールド材がもつシールド性能を表します。

しかし、「多重反射」が発生すると実際のシールド効果よりも低いシールド効果に見えてしまします。

そこでその影響を排除するために、補正を行います。

多重反射補正Mは、厚みt(m)、表皮効果δ、波長λ(m)で表します。

しかし、現実的には多重反射の影響はあまり大きくないので、シールド効果を計算する場合には無視して考えることが多いです。

 

おわりに

シェルクノフの式をもとにシールドの定義や原理について説明しました。

実際にシールド対策する場合は金属筐体などを使うのであまり難しく考える機会は少ないですが、なぜシールドできるのかを理解しておくことは重要です。

 

電磁波シールドに関しては、畠山先生の著書が最も丁寧に解説されています。

単なる電磁波シールドだけでなく、発展的なシールド方法も紹介されているので、ノイズ対策時になにかヒントになることが掴めるかもしれません。

またシールド関連の問題は iNarte資格試験でもよく出題されるので、手元にあると試験時に安心できる一冊でもあります。

興味があれば、チェックしてみてください。

 

今回は以上です。

最後まで読んでいただき、ありがとうございました。

 

ABOUT ME
エンジャー
EMCやノイズ対策に関する情報発信を日々行っています。 ( iNarte EMC Engineer、第一級陸上無線技術士)

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