EMC関連の教科書や文献を見ていると「コモンモード放射」というキーワードをよく目にします。コモンモード放射は回路を流れるコモンモード電流に起因して発生します。一般に、コモンモード電流は信号配線や電力線とそのリターン線（グラウンドと表記されることが多い）を同じ方向に電流が流れ、アースを介して戻ることで閉ループを構成すると説明されます。しかしながら、実際のコモンモード電流はリターン電流の経路であるアースがなくても存在することができます。
今回は2回にわたり、このコモンモード電流の考え方とコモンモード電流に起因して発生するEMIの特徴を紹介します。
プリント回路基板上のディジタル回路では、一般に図１に示すように出力ICから信号配線パターンを介して、受信ICに電流が流れることで信号の伝送が行われます。このとき、信号配線を流れる電流は基板のグラウンドを介して送信側に戻り（一般に「リターン電流」と呼ばれる）、閉ループが構成されます。ディジタル回路や電源回路においては常にこの電流ループを念頭においた設計がなされています。このような信号の伝搬に寄与する電流はディファレンシャルモード電流と呼ばれます。配線上を高周波の電流が流れると、それに伴い不要電磁波の要因となる電磁波が発生しますが、ディファレンシャルモード電流は常に伝導電流としてのリターン電流を伴い、信号電流による放射が打ち消されるため、そのレベルが高くなることはありません。
一方、基板上の配線レイアウトやデバイス、部品の実装においては常に電気的に不平衡となる構造が含まれ、その度合いに応じてコモンモード電流と呼ばれる一方向にのみに流れる電流が生じます。コモンモード電流はその放射を打ち消す役割のリターン電流が存在しないため、ごくわずかな電流でもレベルの高い電波（EMI）の原因となります。コモンモード電流はアンテナ・モード（ antenna mode ）電流とも呼ばれています（参考文献（1））。
電流は、閉ループを構成しないと流れないと考えると、一方向のみに電流が流れるこの現象は奇異に感じるかもしれません。ここでは、このコモンモード電流の振舞いをダイポールアンテナを例に考えてみたいと思います。
ダイポールアンテナは一本の棒状のアンテナエレメントの中央に給電点を備えた構造を有しています。給電点に交流の信号が印加されると、半周期ごとの極性の変化に合わせて、図2 (a) に示すようにエレメントを流れる電流の向きも変わります。交流では一つの導体上を電流が半周期毎に「行き」と「帰り」を繰り返すので、閉ループを構成しなくても電流が流れることができるのです。
ダイポールアンテナの電流の振る舞いに関し、別の見方をすることもできます。図2 (b) はダイポールアンテナの電流とその近傍にできる電気力線を表しています。「電流とは何か？」と考えるとき、真っ先に思い浮かぶのが電荷の移動による「伝導電流」です。しかし、物理的には空間を流れる電流も存在します。この電流は「変位電流」と呼ばれています。「伝導電流」によりアンテナエレメントを移動する正電荷から負の電荷に向かって空間に電気力線 D が存在します。この電気力線の時間変化（ dD / dt ）は「変位電流*」と呼ばれ、「伝導電流」と同様に電流として扱うことができます。「変位電流*」を含めて考えるとダイポールアンテナにも電流の閉ループが構成されていることがわかります。このとき発生した電気力線は遠方まで伝搬し、電波（電界）として観測されます。
ダイポールアンテナの中でアンテナエレメントが波長 λ の 1/2 の長さのアンテナを「半波長ダイポールアンテナ」と呼びます。電流がエレメントの長さである λ/2 の距離を伝搬する時間と交流の半周期の時間が一致して電流が流れやすくなり、特に強い電波を放射します。
プリント基板のグラウンドプレーンのように一定のサイズを有する導体や機器に接続されたケーブルにはこのダイポールアンテナと同様にコモンモード電流が流れます（図3）。
このセクションではプリント基板のグラウンドプレーンがダイポールアンテナとなる現象、すなわち基板のコモンモード電流発生メカニズムを説明します。
一般にディジタル回路はグラウンドプレーンの層を含む多層（二層以上）のプリント回路基板に搭載され、送信ICと受信IC間は図4 (a)に示すような信号配線を介して接続されます。この配線構造は「マイクロストリップ線路」と呼ばれます。マイクロストリップ線路に信号電流が流れたときの線路断面における電流、電界、磁界の様子を図4 (b)に示します。
ストリップ導体に信号電流が流れると同時にグラウンドプレーンにはリターン電流が誘起されます。この現象は、信号電流を正電荷、リターン電流を負電荷としてこの電荷のペアが同一の方向（画面を貫く方向）に移動する現象として説明することができます。ストリップ導体上の正電荷とグラウンドプレーン上の負電荷の間には電気力線が発生し電界が生じます。また、アンペールの法則に従ってストリップ導体の周囲を一周するように磁界が発生します。グラウンドプレーンが無限に広い場合には、電界と磁界はグラウンドプレーンの片側、すなわち信号配線（ストリップ導体）の存在する上半面のみに存在します。このとき、グラウンドプレーンには信号配線と等量のリターン電流が流れ、基板全体ではディファレンシャルモード電流成分のみとなります。
一方、実際のプリント回路基板のグラウンドプレーンの幅は有限です。そのため、磁界の一部は図5 (a)に示すように、信号配線とは反対側の面に回り込みます。このように磁界の閉ループが存在する場合、その中心にある導体（この場合はグラウンドプレーン）にはアンペールの法則に従ってその磁界強度に比例した電流（コモンモード電流）が誘起されます。図5 (b)にコモンモード電流が誘起されるイメージを示します。
今回はここまでとなります。
次回の「プリント回路基板におけるコモンモード放射 – ②」ではグラウンドプレーンのサイズや、プリント回路基板レイアウトと誘起されるコモンモード電流との関係を説明します。
