配线为什么会变成天线？环路面积与噪声辐射的关系

“电路板为什么会辐射噪声？”

在排查 EMC 测试不合格的电路时，很多问题最终都归结到“构成环路的配线”。本文将讲解电路作为天线发挥作用的机理，以及环路面积为何与噪声辐射直接相关。

天线基础——两种天线

天线大致分为两种。

杆状天线（直线天线）：直线状的导体。辐射强度与“天线长度 × 电流”成正比。在近场以电场为主。

环形天线：环状的导体。辐射强度与“环路面积 × 电流”成正比。在近场以磁场为主。

图1: 两种天线。杆状受长度影响，环形受面积影响，都作用于辐射强度。

而电路板上的配线，会在无意中同时充当这两种天线。

这是最重要的一点。

电路板上的信号线乍看是“一小段直线”。但信号一定会形成往返的环路，回流路径就是公共 GND 配线。信号线＋GND 配线构成环路，而这个环路面积决定了辐射强度。

图2: 信号线看起来很短，但包含 GND 的电流环路很大。这个环路面积充当天线。

用公式归纳，环形天线的辐射强度为：

辐射电场强度 ∝ 环路面积（S） × 电流（I） × 频率²（f²）

也就是说，环路越大、电流越大、频率越高，噪声辐射就越强。数字电路的时钟频率越高、EMC 问题越严重，正是因为辐射随频率的平方增长。

抑制辐射最直接的方法就是减小环路面积。

在信号线的正下方铺设 GND 平面，GND 电流就会从信号线正下方流过，使环路面积最小化。这正是多层板设置 GND 平面的主要理由之一。

图3: 有 GND 平面时，GND 电流从信号线正下方流过，环路面积大幅减小。

在没有 GND 平面的双层板上，留意 GND 电流从何处流过非常重要。把 GND 配线与信号线并排走线，就能减小环路。

IC 电源电流的骤变是环路辐射的主要原因。把去耦电容放在 IC 紧旁边，就能把流过大电流的环路局部化到 IC 周边的一小片范围内。

如果说环形天线作用是电路板内部的问题，那么杆状天线作用主要是外部电缆的问题。

从电子设备伸出的电缆，是长长的直线状导体。电缆内的信号电流（差模）往返相互抵消，因此不辐射。但共模电流沿同一方向流动，不会发生抵消，会作为一根长长的杆状天线强烈地辐射噪声。

开关电源是共模噪声的典型来源。电路板内部的共模噪声一旦窜到外部电缆上，那根电缆就会变成一根巨大的天线。反过来，也会通过电缆以共模形式引入外部的强电噪声。

图4: 向外部电缆的共模泄漏。共模电流沿同一方向流动，作为长杆状天线辐射。

把共模滤波器（CMC）放在电缆出口处的理由正在于此。在信号窜上电缆之前就把共模成分切掉，从而防止电缆变成天线。

环路面积大的坏处不只是辐射。环状的配线具有电感。环路越大，电感越大，由 V = L × di/dt 产生的噪声电压也随之增加。

也就是说，“减小环路面积”是对降低辐射噪声和降低地弹都有效的一举两得的对策。