初めてのBeyond5G開発 ミリ波基板の設計

電磁界シミュレータSonnetLiteで共振や損失のない基板設計

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ミリ波帯の基板はこうなっている

Beyond5G時代の基板設計の重要性

ミリ波周波数を活用した通信は，高速かつ高容量のデータ転送を可能にします．ミリ波を使ったディジタル無線通信実験キット mmConのプリント基板は，ミリ波の損失を最小限に抑えるためのノウハウが込められています．

基板の表層はRogers 4350Bは，内層はFR4というハイブリッド構造を採用し，性能とコストのバランスを実現しています．伝送路にはコプレーナ構造が採用されています．この構造では信号ラインを上下のグラウンド層で挟み，電磁界をスリットに集中させます．

SonnetLiteによる電磁界シミュレーション

SonnetLiteは，電磁界シミュレーション・ソフトウェアであり，ミリ波基板の設計にも利用できます．基板を3次元データに展開・解析することで，伝送路特性や周波数特性を詳細に評価できます．

シミュレーション結果に基づき，リターン電流が表層グラウンドに流れるように設計を最適化されています．層の入れ替えやビアを経由したリターン経路の発生を抑制し，性能を最大化しています．

ミリ波伝送路設計における「コプレーナ構造」の役割

グラウンドの配置とリターン電流制御

ミリ波通信におけるコプレーナ構造の採用は，信号損失を抑え，不要な共振を防ぐために不可欠です．この構造では，信号ラインが上下のグラウンド層で挟まれる形状をとります．

リターン電流の流れる経路の設計が重要であり，表層グラウンドにリターン電流を流すことで，内層を経由した損失を最小化できます．層間のビアを減らすことでリターン経路が短縮され，信号のひずみや損失を防ぎます．

共振を防ぐためのビア配置

基板を貫通する導体「ビア」が不適切に配置されると共振が発生し，特定の周波数帯域で特性が劣化します．mmConは，0.4mm間隔でビアを設けることで，電磁波の均一な伝播を実現しています．〈著：ZEPマガジン〉

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著者紹介

• 1990年　無線通信機器メーカで設計開発．その後，計測器メーカでRF測定機器，半導体試験装置の設計開発
• 2017年　フリーランスエンジニアとして独立，無線通信機器やSDR機器の受託開発
• 2019年　株式会社ラジアンとして法人化，現在に至る

著書

1. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.1　分散型マルチビーム無線機のハードウェア］，ZEPエンジニアリング．
2. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.2　1エレメント1モジュール独立分散型の理由］，ZEPエンジニアリング．
3. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.3　ソフトウェアによるマルチビーム制御の実験］，ZEPエンジニアリング．
4. ソフトウェア制御フェーズドアレイ・ミリ波モジュール“mmCon3”誕生［Vol.4　非接触共振カプラによるアレイ・チャネル拡張］，ZEPエンジニアリング．
5. ［Webinar/KIT/data］Arm M4/M7/DSP×500MHz！STM32H7ハイスペック計測通信Module開発，ZEPエンジニアリング．
6. 高感度受信！ソフトウェア無線機の心臓部“Root-Raised Cosine Filter”の設計，ZEPエンジニアリング．
7. 超長距離無線LoRaからローカル5Gまで！GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
8. 自宅で設計・開発！USBミクスト・シグナル・アナライザ Analog Discovery Pro 3000 誕生，ZEPエンジニアリング．
9. 高精度基準搭載＆1GSPS広帯域！
10. プロ用USBマルチ測定器 ADP5250誕生，ZEPエンジニアリング．
11. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.1]，ZEPエンジニアリング．
12. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.2]，ZEPエンジニアリング．
13. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.3]，ZEPエンジニアリング．
14. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.4]，ZEPエンジニアリング．
15. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.5]，ZEPエンジニアリング．
16. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.6]，ZEPエンジニアリング．
17. ，ZEPエンジニアリング．
18. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.8]，ZEPエンジニアリング．
19. 5G時代の先進ミリ波ディジタル無線実験室[Vol.9]，ZEPエンジニアリング．
20. GNU Radio×USRPで作るソフトウェア無線機，ZEPエンジニアリング．
21. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ MkⅡ【z-mmcon2】（mz-mmcon1後継機），ZEPエンジニアリング．
22. ［KIT］ミリ波5G対応アップ・ダウン・コンバータ【mz-mmcon1】（生産終了，後継機 z-mmcon2），ZEPエンジニアリング．
23. ［KIT］実験用28GHzミリ波パッチ・アンテナ【mz-mmant1】，ZEPエンジニアリング．
24. ［KIT］実験用800M～6GHz 広帯域90°ハイブリッド【mz-qhybrid】，ZEPエンジニアリング．
25. ［KIT］実験用27.5G-29.5GHzバンド・パス・フィルタ【mz-mmbpf1】，ZEPエンジニアリング．
26. ［VOD/KIT］GPSクロック・ジッタ・クリーナ【z-pptgen-on1】，ZEPエンジニアリング．

参考文献

1. ［VOD］MATLAB/Simulink×FPGAで作るUSBスペクトラム・アナライザ，ZEPエンジニアリング．
2. ［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．
3. ［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．
4. ［VOD/KIT］初めてのソフトウェア無線＆信号処理プログラミング 基礎編/応用編，ZEPエンジニアリング．
5. ［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．