論文の公開元へ不要電波の高分解能測定及び解析技術に関する研究
概要
Kobe University Repository : Kernel
PDF issue: 2024-05-02
不要電波の高分解能測定及び解析技術に関する研究
渡邊, 航
(Degree)
博士（科学技術イノベーション）
(Date of Degree)
2023-03-25
(Date of Publication)
2024-03-01
(Resource Type)
doctoral thesis
(Report Number)
甲第8681号
(URL)
https://hdl.handle.net/20.500.14094/0100482429
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（別紙様式 3
)
論文内容の要旨
氏 名
専 攻
渡邊航
科学技術イノベーション専攻
論文題目（外国語の場合は，その和訳を併記すること。）
不要電波の高分解能測定及び解析技術に関する研究
指導教員
永田真
（
注
） 2
, 000字∼ 4
, 000字でまとめること。
（氏名：
渡邊航
NO. 1
現代の高度情報化社会では，情報通信技術 (
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) の発展によってあらゆる情報がデジタ
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) の普及に伴い，様々なモノ
ルデータとして扱われているまた， I
がインターネットを介してデジタルデータをやり取りしているため，身の回りのデジタル
データの流通量は急激に増加している． ICTの発展とデジタルデータの急増によって，デジ
タルデータの利活用により現実世界とサイバー空間を融合させ，様々な知識や情報を共有
し，分野横断的に連携することで新たな価値創造につなげる社会が期待されている．こうし
た現代社会では，デジタルデータが非常に高い価値を持ち，デジタルデータが活用される電
子機器やサービスをいつでも安心して利用できる環境が不可欠である．そのためには，電子
機器やサービスが，人や財産に被害を与えずに動作するための「安全性」，要求された機能
や動作を安定して実行するための「信頼性」，そして，外部からの侵入・改ざんや情報漏洩
を起こさないための「セキュリティ」を確保すること必要とされる．
本論文では、電磁波測定によって、電子機器やサービスの安全性・信頼性・セキュリティ
を確保するための研究開発について論ずる。電磁波は、デジタルデータをやり取りする手段
である無線通信信号として利用される一方で、電子機器の動作に応じて発生する不要電波
としても存在する。現代では、電子機器の発展に加えて、多くの電子機器が密接して利用さ
れるため、不要電波と無線通信信号の電磁干渉による通信品質の劣化が懸念される。特に L
TE(
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n
)や 5G といったセルラー系無線通信は低電力においても動作す
るよう規格されており、微弱な不要電波だとしても電磁干渉を引き起こす恐れがある。現在、
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)規格により不要電波
電磁干渉問題への対策として EMC(
許容値が定められているが、測定距離や測定周波数範囲、不要電波の許容値は現在の電子機
器の利用環境とは乖離があり、セルラー系無線通信の通信品質を保証するには不十分であ
る。そこで、広帯域における不要電波の高分解能測定技術と無線通信品質評価技術により、
電子機器から発生する不要電波と無線通信信号の電磁干渉を評価した。
00MHzから 6
不要電波の高分解能測定技術として、セルラー無線通信に利用される 7
GHzまでの広帯域を対象に、熱雑音と同等の微弱な不要電波を測定する技術を示す。対象
とする周波数範囲を一度に測定できる広帯域アンテナを使用した広帯域測定によって、電
磁干渉が起こりうる周波数帯域を選定し、無線通信システムのチャネル帯域幅に合わせた
狭帯域測定をおこなう。 LTEや 5Gではアンテナ出力端における電力強度で通信感度が規
格されており、本稿においてもアンテナ出力端での電力強度に補正して不要電波そのもの
1
7
7dBm
旧 zの不要電波
の電力強度を算出した。電力強度補正の精度を確認したところ、 .
1dB以内の誤差で補正できることを確認した。
であっても 0
また、無線通信システムシミュレーションを活用した LTE通信の無線通信品質評価系を
3
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構築し、不要電波による電磁干渉の影響を解析した。無線通信品質評価系では、 3GPP(
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) の規格に準じた指標で LTE通信の受信感度を評価する
（氏名：
渡邊航
NO. 2 )
ことができる。また、受信感度に大きく影響する RF(
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) フロントエンド
を実機に合わせて作り込むことで、実機同等の評価精度を実現している。本評価系は、不要
電波をデジタルデータとして記録し、シミュレーションに取り込むことで、効率的な電磁干
渉の解析が可能である。また、シミュレーションによる解析であるため、無線通信方式を任
意に設定可能であり、他の通信システムヘの展開が期待される。
これらの、不要電波の高分解能測定技術とシミュレーションによる電磁干渉解析技術を
活用して、様々な電子機器に対して電磁干渉評価をおこなった。電源モジュールを対象とし
I
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) チップレベルの評価と、製品レベルでの評価によって、本技術が不要電波
た集積回路 (
発生源の解析にも有効であることを示した。また、電気自動車用の無線電力伝送 (WPT) シ
ステムや産業用ドローンから発生する不要電波を評価したところ、どちらも動作周波数の
高次高調波が広帯域に及び、 LTE 通信の受信感度劣化を引き起こす恐れがある。また、不
要電波は電源回路から発生する成分と制御回路から発生する成分が存在し、不要電波と無
線通信信号の電磁干渉は電子機器における一般的な問題であることを見出した。
電子機器における電磁干渉への対策として、磁性材料を活用した不要電波抑制技術を提
案した。 IoTデバイス等の無線通信機器は小型化、軽量化が要求されており、電磁干渉対策
も小型・軽量であることが求められる。そこで、磁性材料を薄膜状に形成し、 ICチップパ
ッケージング内に実装した。これによって、不要電波による無線通信との電磁干渉を最大 1
3dB抑制できることを確認した。磁性材料は材料特性によって有効な周波数帯域が異なる
ため、適切な材料選定によって様々な電子機器において電磁千渉抑制が可能である。
最後に、こうした技術を活用した事業計画として、サイドチャネル攻撃への脅威分析と対
策支援の事業化について分析した。顧客課題と提供するソリューリヨンを見出し、事業戦略
を分析したところ、サイドチャネル攻撃への脅威が強く普及していない現段階においては、
サイドチャネル攻撃への認知活動が重要である。また、事業戦略として、国内に限定した事
業により優位性を得ることを見出した。
以上の研究成果により、現代のセルラー系無線通信機器における様々な電磁干渉問
題を見出した。本研究で取り組んだ手法は無線通信機能を有する全ての電子機器に対応
しており、通信方式や周波数といった評価条件を比較的用意に展開できると考える。こ
うした評価結果に基づき、無線通信システムを対象とした不要電波の許容値を定めるこ
とで、電子機器の安全性・信頼性の向上に寄与することができる。
論文審査の結果の要旨
（別紙 1)
員
委
査
審
氏名
渡邊航
論題
文目
不要電波の高分解能測定及び 解析技術に関する研究
氏
区分
職名等
主杏
教授
永田真
副査
教授
川口博
副査
准教授
三木拓司
副査
准教授
福家信洋
副査
システム情報学研究科
I
教授
名
￨ 太田能
要 旨
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) の発展によりあらゆる情報がデジタルデータとして扱われ、 loT(
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情報通信技術 (
タ量は増大を続け
の普及とあわせて、多様なモ ノによるデータが狭域と広域 の通信網により流通し、デー
ている。 ICTによるデジタルデータの利活 用は、現実世界とサイバー空 間を融合させ、様々な知識や 情報
を共有し、分野横断的に連携 することによる新たな価値創 造を誘引することが期待され る。その一方で、
デジタ）レデータの主導する 社会において、データの安全 な入手・伝送・利用を保証し 、可用性 r・機密性・
完全性を確保できること、す なわちセイフティとセキュリ ティの確保が求められている 。本研究は、この
ようなデータを扱う電子機器 において、その動作に応じて 空間中に放射される電磁波、 すなわち不要電波
に着目し、高分解能測定及び解析技術を確立する。とりわけ、 IoT機器の主要な機能要素である無線通信、
)チップ、 ICTを巧みに応用する IoTとして
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電源供給や情報処理を担う半 導体集積回路 (
,EMC)にお
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の自律移動体であるドローン 等に着目している。電磁環境 両立性(
ける技術課題を明確に捉え、 不要電波の測定と解析および 無線通信機器への干渉問題に 関する技術を開発
するとともに、電子機器にお けるセイフティとセキュリテ ィの確保に向けたサイドチャ ネル攻撃の対策を
支援する事業の戦略を立案し 、イノベーションストラテジ ーを構築している。
本論文では、不要電波の高分 解能測定及び解析技術に関す る研究に関して、自律移動体 を支える電子機
器のセイフティとセキュリテ ィに向けた EMC技術（先端 IT工学分野）およびサイドチャ ネル攻撃対策支
援事業（アントレプレナーシ ップ分野）について纏めてい る。桐密な電子機器における EMC課題を明確
化し、測定法及び解析法の溝 出を進め、電子産業における 幅広い適用性について理解を 深めるとともに、
セイフティとセキュリティ にかかる脅威への対策支援 の事業化可能性を説明する ことに重点を置いてい
。
る
不要電波の高分解能測定及び 解析技術に関する研究に関し て、次に示す 3つの課題について論じている。
) 不要電波の高分解能測定技術
1
(
) 無線通信システムにおける電 磁干渉解析技術
2
(
)無線通信機器における電磁 干渉評価技術
3
(
) 無線通信機器における電磁干 渉抑制技術
4
(
) サイドチャネル攻撃の対策支 援に関するイノベーションス トラテジ一
5
(
)では、電磁波として観測さ れる不要電波について、近 傍の無線通信に影響し得る 微小電力のレ
1
前項(
ベ ル で 検 波 ・ 記 録 す る 測 定 手 法 を 探 求 し て い る 。 セ ル ラ ー 系 無 線 通 信 に 使 用 さ れ る 700MHzから 6
GHzの広帯域において不要電波 特性を測定し、無線通信と の干渉が懸念される特徴的 な周波数帯域に
おいて、無線通信のチャネ ル帯域幅に応じた狭帯域測 定を行い不要電波の電力強 度を測定する手法を
確吃した。また、一般に室温環境における背景ノイズに近い電カレベルにおいて、本測定系の検出下
7dBm/Hz まで測定値の校正が可能で あることを実験的に明らか にした。
7
1
限値である )では、不要電波測定技術に より取得した不要電波が、 無線通信に及ぼす影響を推 測するため
2
前項(
の電磁干渉解析手法を探求している。無線通信システムシミュレーションを応用し、不要電波と無線
通信の干渉について無線通信品質を指標として解析する手法を確立した。また、不要電波の測定デー
タ を 不 要 電 波 の モ デ ル と し て シ ミ ュ レ ー シ ョ ン に 導 入 す る こ と に よ り 、 複 数 の 無 線 方 式 (4G、 5G及
び GNSS) における干渉性を評価でき ることを示した。
2ページにわたる場合
氏名
1
渡邊航
)では、不要電波の高分解能測 定法と無線通信の電磁干渉解 析法を様々な IoT機器に適用し、電子機
3
前項 (
器の近傍における不要電波の 理解の重要性を見出すととも に、その有用性を訴求してい る。具体的には、産
業応用の進むドローンや電気 自動車等の自律移動体に着目 し、不要電波の主要な発生源 として電源供給機能
や情報処理機能を担う ICチップが動作時に放射する不 要電波が、その近傍における 4G/5G等の無線通信に
干渉し得ることを具体的に明 らかにするとともに、これら の機体開発において EMC技術要件の導出が必要
．
であることを説明した
)では、不要電波と無線通信信 号の電磁干渉を抑制する小型 ・軽量な不要電波抑制技術に ついて検討
4
前項 (
している。電磁波を吸収する磁性材料に着目し、 ICチップのアセンブリ構造にお ける取り込み法および不要
電波抑制効果の評価法につい て新しい知見を得ている。着 目する無線通信帯域において 高い強磁性共鳴損失
特性を示す磁性材料を生成あ るいは選定できること、これ をシート状にフリップチップ パッケージに導入す
ることで ICチップの回路面近傍に対向配 置できることを実験的に示し た。
)では、不要電波によるサイド チャネル情報の漏洩を防ぎ、 不要電波を悪用するセキュリ ティ攻撃を
5
前項 (
対策する技術について提案す るとともに、電子機器のセイ フティとセキュリティを確保 する EMC設計の支
援事業について構想している 。不要電波について、無線通 信への干渉性を引き起こす電 力の問題に限定され
ず、情報漏洩によるセキュリ ティ脅威としても対策する必 要があることを示唆した。
いずれの課題においても、 IoTにかかる電子機器の EMC問題を具体的に例示し、高分 解能・広帯域そして
多用途の EMC技術を目指す工学的手法およ び対策支援事業として明確化 している。不要電波の高分解 能測
定及び解析技術に関する最先 端の知見を与えていることか ら、本論文における研究成果 の工学的な価値は高
いと考えられる。
本論文の構成は以下のとおりである。
第 1章では、研究の背景と動機に ついて述べるとともに、本研 究の取組と成果の位置づけを 明らかにして
いる。 IoT機器と自律移動体における不 要電波の課題抽出と解決の方 針について論じている。
第 2章では、不要電波の高分解能 測定技術を述べるとともに、 室温環境における背景ノイズ に相当する微
小電力の不要電波を定量的に 校正評価できることを示して いる。
第 3章では、無線通信システムに おける電磁干渉解析技術につ いて述べるとともに、不要電 波の記録デー
タと無線通信システムシミュ レーションの利用により、複 数の無線通信方式における干 渉性を評価できるこ
とを示している。
第 4章では、無線通信機器におけ る電磁干渉評価技術として、 不要電波の高分解能測定と無 線通信システ
ムにおける電磁環境解析を応 用し、産業応用の進むドロー ン及び電気自動車の近傍にお ける不要電波の帯域
と電力の特性について知見を 与えるとともに、自律移動体 に一般化される EMC課題として提示している。
第 5章では、無線通信機器におけ る電磁干渉抑制技術として、 磁性薄膜による電磁波の吸収 特性を ICチ
ップの不要電波対策に応用する道筋を示している。
第 6章では、不要電波によるサイ ドチャネル攻撃を対策する EMC設計支援事業について概要を 示すとと
もに、イノベーションストラ テジー研究成果書（参考文献 ）の公開可能な概略として、 技術戦略、事業戦略、
知財戦略、財務戦略について 簡潔に示している。
第 7章では、まとめと今後の展望を述べている。
以上のように、不要電波の高 分解能測定及び解析技術に関 する研究に関し、 ICTを巧みに応用する IoTと
しての自律移動体における EMCについて新技術の提示と産業 応用の可能性を具体的に示し 、先端 IT工学分
野における技術開発の方針を 纏めていることから、科学技 術イノベーションに向けた参 考となることが期待
できる。
本研究の成果として、不要電 波の高分解能測定と無線通信 性能を指標とした解析技術に 関する深い理解を
導き、また、サイドチャネル 攻撃対策の事業化戦略に関す る可能性を提示した。これら の成果は、査読付き
学術論文 4件（公開資料）および参考文 献 1件（イノベーションストラテ ジー研究成果書、抜粋を除き 非公
開資料）に報告されている。 不要電波の高分解能測定及び 解析技術について、持続的な 開発の基礎につなが
る工学的手段を与える成果で あり、さらに科学技術イノベ ーションの観点からも価値あ る集積であると認め
る。提出された論文は科学技 術イノベーション研究科学位 論文評価基準を満たしており ，学位申請者の渡邊
航は，博士（科学技術イノベ ーション）の学位を得る資格 があると認める。
この論文で使われている画像
