配線がアンテナになる理由－ループ面積とノイズ放射の関係

「なぜ基板からノイズが放射されるのか？」

EMC試験で不合格になった回路を調べると、問題の多くが「ループを形成している配線」に行き着きます。この記事では、電気回路がアンテナとして機能する仕組みと、ループ面積がノイズ放射に直結する理由を解説します。

アンテナの基本 ― 2種類のアンテナ

アンテナには大きく2種類あります。

ロッドアンテナ（直線アンテナ）：直線状の導体です。放射強度は「アンテナの長さ × 電流」に比例します。近傍では電界が支配的です。

ループアンテナ：ループ状の導体です。放射強度は「ループの面積 × 電流」に比例します。近傍では磁界が支配的です。

そして基板上の配線は、意図せずこの両方のアンテナとして機能します。

ここが最も重要なポイントです。

基板上の信号線は一見「短い直線」に見えます。しかし信号は必ず往きと戻りのループを作ります。戻り路は共通GND配線です。信号線＋GND配線がループを形成しており、そのループ面積が放射強度を決めます。

式で整理すると、ループアンテナの放射強度は：

放射電界強度 ∝ ループ面積（S） × 電流（I） × 周波数²（f²）

つまり、ループが大きく、電流が多く、周波数が高いほどノイズ放射が増えます。デジタル回路のクロック周波数が高くなるほどEMC問題が深刻になるのは、周波数の二乗で放射が増えるからです。

放射を抑える最も直接的な方法は、ループ面積を小さくすることです。

信号線の直下にGNDプレーンを配置すると、GND電流は信号線の真下を流れ、ループ面積が最小になります。これが多層基板でGNDプレーンを設ける主な理由の一つです。

GNDプレーンがない2層基板では、GND電流がどこを流れるか意識することが重要です。GND配線を信号線の隣に並走させると、ループが小さくなります。

ICの電源電流の急変はループ放射の主要原因です。パスコンをICの直近に置くことで、大電流が流れるループをIC周辺の小さな範囲に局所化できます。

ループアンテナ作用が基板内の問題なら、ロッドアンテナ作用は主に外部ケーブルの問題です。

電子機器から外に出るケーブルは、長い直線状の導体です。ケーブル内の信号電流（ノーマルモード）は往復が打ち消し合うので放射しません。しかしコモンモード電流は同じ方向に流れるため打ち消しが起きず、長いロッドアンテナとして強力にノイズを放射します。

スイッチング電源はコモンモードノイズの代表的な発生源です。基板内部のコモンモードノイズが外部ケーブルに乗ると、そのケーブルが巨大なアンテナになります。逆に外部の強電ノイズを、ケーブルを通じてコモンモードで取り込むことにもなります。

コモンモードフィルタ（CMC）をケーブル出口に置く理由がここにあります。ケーブルに乗り出す前にコモンモード成分をカットすることで、ケーブルがアンテナになることを防ぎます。

ループ面積が大きいことのデメリットは放射だけではありません。ループ状の配線はインダクタンスを持ちます。ループが大きいほどインダクタンスが増え、V = L × di/dt によるノイズ電圧も増加します。

つまり「ループ面積を小さくする」ことは、放射ノイズ低減とグラウンドバウンス低減の両方に効く、一石二鳥の対策です。