ポケット・ネットワーク・アナライザ NanoVNAV2入門

マイクロストリップ？それともコプレーナ？

1.6mm厚 FR-4ならコプレーナ・ウェーブ・ガイドで50Ω線路

1．マイクロストリップ線路の課題とFR4基板の特性

FR4基板（厚さ1.6 mm）を使った設計では，マイクロストリップ線路が抱える問題が顕著になります．

FR4基板でのマイクロストリップ線路設計では，50 $\Omega$の特性インピーダンスを得るために，導体幅が3 mm程度と広がります．この幅は，一般的な1608サイズ（幅0.8 mm）のチップ部品と接続すると，インピーダンスミスマッチが生じ，数GHz帯域で大きな反射が発生します．これが高周波設計での重大な課題です．

2．コプレーナ・ウェーブ・ガイドの利点

コプレーナ・ウェーブ・ガイド（CPWG）は，基板の表面層だけでキャパシタンスを生成し，基板裏面のグラウンド層に依存せず，50 $\Omega$のインピーダンスを容易に設計できる特徴をもちます．厚さ1.6 mmのFR4基板では，CPWGを採用することで以下の利点が得られます．

1. チップ部品と線路幅を揃えやすくなるため，反射が軽減
2. 線路幅が狭くなるため，配線密度が向上
3. 表面層だけで完結するため，製造プロセスが単純化

線路幅を1 mm，間隔を0.15 mmに設計すると，50 $\Omega$の特性インピーダンスを達成しつつ，高周波特性を向上させることが可能です．

なぜFR4基板でコプレーナを選ぶべきか？

1．高周波設計でのインピーダンス整合

高周波設計では，インピーダンス整合が重要な課題になります．例えば，FR4基板を用いた場合，マイクロストリップ線路は以下の問題を引き起こします．

1. 幅広の導体が寄生インダクタンスを増加させる
2. 部品間でインピーダンスミスマッチが発生しやすい

これに対して，CPWGでは基板表面でインピーダンスが完結するため，より一貫した特性が得られます．

2．実装密度と回路性能の向上

基板上のスペースが限られている場合，CPWGの採用は特に有効です．例えば，1.6 mm厚のFR4基板でCPWGを採用することで，以下のような効果が期待できます．

1. 線路幅を狭め，配線密度を向上
2. 部品との接続部分で反射を抑制

これにより，高周波特性が向上し，回路全体の性能が最適化されます．

3．NanoVNAを活用した特性評価

NanoVNAを用いてCPWGの特性を評価する際には，以下の手順が推奨されます．

1. CPWGの設計値（線路幅，間隔）を計算
2. 特性インピーダンスが50 $\Omega$に近づくよう調整
3. Sパラメータ測定で反射係数（$S_{11}$）や伝送損失（$S_{21}$）を確認

これらの評価を通じて，CPWGが高周波設計における理想的な選択肢であることを確認できます．

このように，FR4基板を用いた高周波回路設計では，マイクロストリップよりもコプレーナ・ウェーブ・ガイドが多くの利点を提供します．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 沖縄高専名誉教授，GLEX代表（教育・研究コンサルタント）
• (株)東芝にて光通信用半導体・送受信器の開発，高周波デバイスの応用技術などに25年間従事．国立沖縄高専にて，アナログ・ディジタル電子回路，高周波回路の講義などに12年間従事．専門領域：光通信，無線工学，半導体工学, バイオ・エレクトロニクス(工学博士，第一級陸上無線技術士，電気通信主任技術者）

著書

1. ［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．
2. 7大電子回路シミュレータRF解析性能の見極め方，トランジスタ技術2020年1月号，CQ出版社．
3. 測定周波数50k～900MHz 5千円のネットワーク・アナライザ NanoVNA，トランジスタ技術2020年7月号，CQ出版社．
4. 2.5GHz帯アンテナとLNA回路製作，トランジスタ技術2020年2～3月号，CQ出版社
5. QAM-OFDM変調ディジタル無線通信における多層・複合材料の電磁波遮蔽の評価，電子情報通信学会論文誌 招待論文2021年6月号，電子情報通信学会論文誌

参考文献

1. ［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．
2. ［VOD］Before After！ハイパフォーマンス基板＆回路設計 100の基本【パワエレ・電源・アナログ編】/【IoT・無線・通信編】，ZEPエンジニアリング株式会社．
3. ［VOD］高精度アナログ計測回路＆基板設計ノウハウ，ZEPエンジニアリング株式会社．
4. ［VOD］事例に学ぶ放熱基板パターン設計 成功への要点，ZEPエンジニアリング株式会社．
5. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータMkⅡ，ZEPエンジニアリング株式会社．
6. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ，ZEPエンジニアリング株式会社．
7. [技術連載]5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室 [Vol.8 初めての28GHzミリ波伝搬実験]，ZEPエンジニアリング株式会社．