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リボン・ケーブルの放射電界強度


プリント基板EMC Q＆A

リボン・ケーブルの放射抑制策

図1　平行なリボン・ケーブルに意図的にグラウンドを追加すると不平衡が上がり放射が低減される．画像クリックで動画を見る．または記事を読む．［著］櫻井 秋久
詳細：［Book/pdf］デシベルから始めるプリント基板EMC即答200

2つのプリント基板をリボン・ケーブルで接続し，1MHz，3.3Vのシングルエンドディジタル信号を伝送します． リボン・ケーブルは完全平行で，流れる電流も各線路で同じです． この条件下で，100MHzにおける電界強度の最大値を求めます． FCCクラスBの放射エミッション試験による測定が基準です．

コモン・モード電圧の発生

プリント基板はシングルエンドで不平衡，リボン・ケーブルは平衡線路です． 接続部ではプリント基板の駆動電圧15mVの半分，すなわち7.5mVのコモン・モード電圧$V_{cm}$がリボン・ケーブルを駆動します． リボン・ケーブルは平行度0で，各線路の電流は同じ，したがって$H=0.5$になります．

高調波と放射抵抗

1MHzの矩形波信号の基本波振幅は実効値で約1.5Vです． 100MHzの高調波は基本波の1/100で15mVです． コモン・モード電圧7.5mVがアンテナ構造に入ると，放射抵抗72$\Omega$で放射電力を求めることができます． 共振条件を考慮し，アンテナ・ゲインを1.6，グラウンド面からの反射を最大2倍とすると，電界は約69μV/mと算出されます．

信号の立ち上がりと高調波抑制

信号遷移時間を0秒とした場合の電界ですが，遷移時間を80nsにすると，100MHzの高調波振幅は28dB低下します． このため，100MHzでFCCクラスBの放射限度を超えることはありません． 等価的に計算すると，電力$P_W$から電力密度$4\pi R^2$を考慮し，磁界とのポインティング・ベクトル計算を組み合わせることで，2886μV/m，70dBと評価できます．

リボン・ケーブルの放射抑制策

平行なリボン・ケーブルに意図的にグラウンドを追加すると不平衡が上がり，小信号電圧が下がります． これにより放射が低減されます． さらに裏面にグラウンド面を追加すると，リボン・ケーブルの不平衡がさらに上がり，放射抑制効果が向上します． フレキシブル・ケーブルでも同様に対策が可能です．

理解のポイント

  1. リボン・ケーブルは完全平行線路で，電流は各線路で同じ
  2. プリント基板はシングルエンドで不平衡，接続部で$V_{cm}$が発生
  3. 100MHzの高調波振幅は基本波の1/100で15mV
  4. 放射電力は放射抵抗72$\Omega$とアンテナ・ゲインを考慮して評価
  5. 信号立ち上がりを長くすると高調波が28dB低下し，FCCクラスB基準をクリア
  6. グラウンド追加によりリボン・ケーブルの放射抑制が可能
〈著：ZEPマガジン〉

動画を見る，または記事を読む

著者紹介

  • 櫻井 秋久
  • 1982年　九州大学大学院総合理工学研究科修了
  • 1982年　日本アイ・ビー・エム株式会社入社．通信端末の製品開発，数値シミュレーションを応用したEMC 製品設計技術の研究，開発に従事
  • 2005年　IBM ディスティングイッシュド・エンジニア，技術開発センター長
  • 2010年　数値気象予測などIBMの基礎研究成果を活用したソリューション開発に従事
  • 2020年　同社退社
  • 2021年　株式会社システムデザイン研究所・顧問，山形大学ナスカ研究所教授．iNARTE EMCマスタ・デザイン・エンジニア
  • クレムソン大学の電気・コンピュータ工学の名誉教授，LearnEMCの社長．MITでBSEE，パデュー大学でMSEE，ノースカロライナ州立大学でPh.D.を取得．IBMで7年間エンジニアを務め，ミズーリ大学ローラ校で17年間教員を務めた後，2006年にクレムソン大学に入社
  • クレムソン大学の車両エレクトロニクスのミシュラン教授として，クレムソン車両エレクトロニクス研究所を設立し，車両エレクトロニクス，電磁適合性，ディジタル・シグナルインテグリティの研究プロジェクトを監督し，授業を担当．
  • 同氏が運営するウェブサイト“LearnEMC”では，自動車，航空宇宙，民生用電子機器の各業界で働くエンジニアを対象に，EMCに関する指導，コンサルティング，設計支援を行っている．
  • 電気電子学会(IEEE)フェロー，Applied Computational Electromagnetics Societyフェロー，IEEE Electromagnetic Compatibility Society Past-President．

著書

  1. ［Book/PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング．

参考文献

  1. ［PDF］デシベルから始めるプリント基板EMC 即答200，ZEPエンジニアリング株式会社．
  2. ［VOD/KIT］ポケット・スペアナで手軽に！基板と回路のEMCノイズ対策 10の定石，ZEPエンジニアリング株式会社．
  3. ［VOD］Gbps超 高速伝送基板の設計ノウハウ＆評価技術，ZEPエンジニアリング株式会社．
  4. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！RF回路シミュレーション＆設計・測定入門，ZEPエンジニアリング株式会社．
  5. ［VOD/KIT］3GHzネットアナ付き！初めてのIoT向け基板アンテナ設計，ZEPエンジニアリング株式会社．
  6. ［VOD］Pythonで学ぶ マクスウェル方程式 【電場編】＋【磁場編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  7. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾1【微分・積分】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  8. ［VOD］Pythonで学ぶ やりなおし数学塾2【フーリエ解析】，ZEPエンジニアリング株式会社．
  9. Pythonではじめる 数値解析入門 [Vol.1 Pythonの開発環境をインストールする]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  10. Pythonではじめる 数値解析入門[Vol.2 グラフ描画ライブラリ“Matplotlib”で2次元のグラフを描く]，ZEPエンジニアリング株式会社．
  11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室，ZEPエンジニアリング株式会社．