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EMC設計のポイント4 スロットアンテナ=ダイポールアンテナ?

前回はダイポールアンテナ以外のアンテナで電子機器の中にできやすいアンテナとして、ループアンテナとスロットアンテナがあることと、それは電子機器内のどんなところにできるのかを考えました。

前回はアンテナを探すだけで終わってしまったので、今回はスロットアンテナの構造から「性能の悪いスロットアンテナの作り方」を考えてみたいと思います。ループアンテナについては次回の記事に書きたいと思います。

1.電磁波が伝わるしくみ

では、スロット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。電子機器に開口部があると「穴を電磁波が通り抜けてしまう」とイメージしがちですが、実はそれは間違った考え方です。

前回のスロットアンテナの図を見た方はもしかしたらピンときたかもしれませんが、スロットアンテナの特徴はダイポールアンテナと同じです。ということは、皆さんがダイポールアンテナの特徴を理解していれば私が説明することはありません…。

でも、今回の記事がこれで終わりになってしまうと、楽しみにしていた読者の皆さんはガッカリされると思いますので(笑)、ダイポールアンテナと比較しながらスロットアンテナの特徴を見てみましょう。

あるダイポールアンテナと同じ長さのスロット(切抜き)があるスロットアンテナを考えてみます。ダイポールアンテナは導体の中央に交流電源をつなぎますが、スロットアンテナは当然スロットは空間になっていますので、空間には電源をつなぐことができません。ですから、スロットの中央をまたぐように電源をつなぎます。するとどうなるでしょうか?

電流はプラスからマイナスに流れますので、図のような状態の時は、ダイポールアンテナは図の上から下、スロットアンテナは左から右に電流が流れることになります。

つまりダイポールアンテナとスロットアンテナの向きを同じにすると電流の向きは90°違うことになります。電界(電気力線)も同じように90°違います。

あれ?「スロットアンテナの特徴はダイポールアンテナと同じです!」と、さっき青文字+アンダーラインまでつけて言ったじゃないか!と思うかもしれません。その通りなのですが(汗)、でも待ってください。続きを見てみましょう。

電磁波は3次元的に放射するので絵で描くとイメージしづらいのですが、スロットアンテナを真ん中でバサッと切った(上の図だと横方向に切った断面)断面図で電界の様子を見てみましょう。

この連載の愛読者の方なら「どこかで似たような絵を見たような…」とお気づきになるかもしれません。そうです。ダイポールアンテナの絵とほぼ同じですね。念の為言っておきますが、手抜きじゃないですよ!!(笑)

ということは!「性能の悪いスロットアンテナ」の作り方は「性能の悪いダイポールアンテナ」の作り方と同じということになります。

2.性能の悪いダイポールアンテナをつくるコツ

ダイポールアンテナの例を振り返ってみると、「性能の悪いダイポールアンテナ」を作るためには、

  1. 電荷間のクーロン力を強くし、電気力線が伸びないようにする。
     ⇒2本の電線(信号とGND)をなるべく近づける
  2. 電子機器内に半波長ダイポールアンテナを作らない
     ⇒1/4波長(GNDと合わせて半波長)の導体を作らない

という手段を考えました。

しかし、a.の方はスロットアンテナには適用しづらいそうです。(スロットをを中心に折り曲げなければならないので…)

b.の方はどうでしょう?一番性能の良いダイポールアンテナが共振現象が起こる1/2波長なのですから、スロットアンテナも同じはずです。つまりスロット長が1/2波長になると一番放射し、長さが短くなればなるほど放射が少なくなります。(計算式もあるのですがここでは割愛します)

1/2波長のスロットを作らないことはもちろん大切ですが、電流が横切る方向のスロット長をできるだけ短くすることが大切です。ですから、基板にたくさんのビアを開けたり、筐体に通気口などが必要な場合、「細長い穴」ではなく「小さな穴をたくさん開けて穴と穴の隙間を少しでも開ける(電荷の通り道を作る)」ということを心がけてください。
※なぜスロット長が1/2波長だと一番放射するのかというのは、「電流」ではなく「磁流」という仮想の概念が必要となります。ちょっと煩雑になりますので、磁流についてはまたの機会に説明します。

繰り返しになりますが、ダイポールアンテナとスロットアンテナは(見た目は)電界の向きが90°違うということは忘れないでください。分からなくなったら電流の向きを基準に考えてください。そうすればダイポールアンテナとスロットアンテナは同じということになりますので、ダイポールアンテナさえ理解していれば間違えることはないと思います。

今回は「性能の悪いスロットアンテナの作り方」をお話ししました。前回も書きましたが、電子機器は完全に金属で密閉することはほぼ不可能ですので、どういう向きにどんな形のスロットを作ればよいのかを設計時にしっかり事前検討しておくことが大切です。

「電磁波がスロットを通り抜けている」とイメージしてしまうと電界の放射の向きが間違ったイメージになってしまいますので、スロットアンテナから電磁波が放射される様子をしっかり頭に残してください。
次回は「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。


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