EMC設計のポイント５ ループアンテナの二つの顔
2020.04.17
図研テックのEMCエンジニアが、EMC設計のポイントを全6回に渡り解説しています。
前回はスロットアンテナとダイポールアンテナの特徴を比較して、スロットアンテナがダイポールアンテナと電磁波が放射するメカニズムが同じであることから、「性能の悪いスロットアンテナ」の作り方をダイポールアンテナへのアプローチから考えました。今回はループアンテナの構造から「性能の悪いループアンテナの作り方」を考えてみたいと思います。
まずはループアンテナからとはどのように電磁波を送受信するものなのかを見ていきたいと思います。あらかじめお断りしておきますが、ループアンテナは少々考え方が難しいです。なぜかというと、波長に対して「短い時」と「長い時」また、「電界」と「磁界」どちらに着目するのかで見方がかわってくるからです。文献によっても説明の仕方が様々ですので、難しいことは抜きにして、整理して説明したいと思います。
1.波長に対してループが短いとき
ループを形成している電線の長さが短いと、交流の電流が流れていても、ループ上で電流の向きが一定と考えられます。 電線に電流が流れるとアンペールの法則に従って右ねじの方向に磁界が発生しますね。その電線をループ状にすると、ループを貫く磁界が重なり合って強め合います。
磁界を放射するアンテナの出来上がりです！
逆に外から飛んできた磁界がループ内を貫くとどうなるでしょうか？
磁界がループ内を通った瞬間、つまり、ループ内の磁界が変化した瞬間、電線に誘導電流が流れます。
これはファラデーの電磁誘導の法則ですね。このように波長に対してループが短い時のループアンテナは「磁界を送受信するアンテナ」 ということになります。
2.ループ長が1波長になったとき
ループを形成している電線の長さが1波長になると、それまでとふるまいが急に変わります。
1波長ループアンテナは半波長ダイポールアンテナを2組つなげての先端をショートして円形に膨らませたのと考えます。2組の半波長ダイポールアンテナのつなぎ目に当たる部分は電流がゼロとなります(と言うよりは、その時点で電流の向きに変わる)。電界の放射の方向はループ面に垂直になります。
このように1波長のループアンテナは「電界を送受信するアンテナ」ということになります。
「1.波長に対してループが短いとき」の場合は磁界に着目した時の話、「2.ループ長が1波長になったとき」は電界に着目した時の話になっていますね。
もちろん、ここでは交流の場合を考えていますので、電磁波は電界と磁界が対になっています。よってどちらも磁界も電界も関係がありますが、EMC設計に必要なアンテナの知識として考えるときは1は磁界の視点から、2は電界の視点から考えると分かりやすい(と私は思います)。
アンテナについてもっと詳しく知りたい場合はアンテナや通信系の文献をご覧になると良いと思います。では、本題である「性能の悪いループアンテナ」の作り方を考えてみましょう。
「1.波長に対してループが短いとき」の小さなループアンテナで磁界を出す場合、ループ内の磁界が強め合うわけですから、要するにループ内に同じ方向の磁界が発生しているわけです。このループをペシャっとつぶしてしまったらどうでしょうか？
ループの中央のところで電流の向きが逆になりますから、それが重なり合うと相殺するわけです。というわけで、ループ内の面積が小さければ小さいほど磁界が発生しないことになります。受ける場合はファラデーの法則により、ループを貫く磁束が多いほど大きな電流が流れるわけですから、やはり、ループ内の面積は小さいほど磁界の影響を受けにくいはずです。
「2.ループ長が1波長になったとき」の場合はどうでしょうか？ダイポールアンテナと同じような性質ということは、電磁波を飛ばさない方法も同じはずです。ダイポールアンテナで電磁波を飛ばさないようにするためには2本の電線の電荷間のクーロン力を強くすれば良いと以前説明しました。
ということは、やっぱりループアンテナから電磁波を飛ばさないようにするためにはループをペシャっとつぶしてしまって、電荷間のクーロン力を強くすれば良いわけです。
というわけで、ループが小さかろうが大きかろうが、考え方は違えど「ループ内の面積を小さくする」ということに変わりはないのです。もう一つ、ダイポールアンテナが半波長で最大の電磁波が放射されるメカニズムと同様ですので、ループアンテナは1波長で放射が最大になります。
よって、「ループの長さをできるだけ短くする」ということも大切です。短くすることによって、たいていの場合はループ内の面積も小さくなると思いますので、一石二鳥とも言えますね。
ずいぶん回りくどく書いてきましたが、今まで説明してきたことからなんら変わりはありません。どんなときでもいかに基本に立ち戻るのが大切な事なのかということがよく分かります。
ここまで、アンテナの性能から電磁波を放射しにくくなる方法を考えてきました。丁寧に説明したつもりですが、文章ではなかなか分かりづらい部分もあったかも知れません。少しでも皆さんに電磁波をイメージしてもらえていれば幸いです。
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